JP3950254B2 - 発光装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
この発明は、一般に発光装置に関するものであり、より特定的には、省エネルギおよび低コスト化を図ることができるように改良された発光装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
トランジスタが真空管を一掃したように、21世紀には、白色電球および蛍光灯までも、省エネルギ、低コストの観点から、LED化されるものと思われる。
【0003】
発光ダイオード(LED)として、赤色、黄色、緑色、青色などの単色のものが既に製造販売されている。赤色の高輝度発光ダイオード(LED)としては数Cd(カンデラ)以上のものが既に市販されている。これはAlGaAsやGaAsP等を発光層とした赤色LEDである。これは低価格のLEDであり広い用途に利用されている。GaPを発光層とする緑・黄緑色のLEDも製造販売されている。青色LEDとしては、SiCを活性層とするものがある。青・緑にはGaInNを活性層とするLEDがある。橙色、黄色にはAlGaInPを発光層とする素子がある。いずれも安価で実用的なLEDである。このうちGaP、SiCは間接遷移型の半導体であるから効率が悪く、カンデラ級の出力には至っていない。
【0004】
これらLEDは、いずれも発光層材料のバンド間の電子遷移を利用しているから、単色光しか出ない。だからLEDといえば単色であった。単色のLEDには表示用LEDなど多くの用途がある。しかし単色LEDだけではすべての光源にとって代わることはできない。照明などの用途、特別の表示などの用途、液晶バックライトなどの用途には、単色光源では役に立たない。照明に単色光を使うと物体が皆その色に見える。液晶バックライトに単色光を使うと、その色の濃淡画像しか見えない。
【0005】
したがって、どうしてもすべての色を含む白色の光源が必要である。ところが白色の出る半導体発光素子はない。照明用光源としては、今なお白熱電球、蛍光灯などが広く使われている。白熱電球は効率が悪く、また寿命も短い。蛍光灯は効率はともかく、寿命が短い。安定器のような重量物が必要である。また、サイズも大きすぎる。このような難点がある。
【0006】
寸法が小さいこと、周辺回路が簡単であること、寿命が長いこと、発光効率がよいこと、安価であることなどが白色光源に対し、望まれるところである。これらの要件を満足するには、やはり半導体発光素子しかないように思われる。しかし、前述のように、半導体発光素子はバンドギャップ間の電子遷移を用いるからどうしても単色光しか出ない。半導体素子は単独では白色光を発生することができない。
【0007】
3原色である青色、緑色、赤色のLEDを使えば、白色LEDを作ることができるだろう。GaNを用いた青色LEDも市販されるようになり、3原色のLEDは揃っている。しかし、3つもの発光素子を組合せるのでは高コストになってしまう。製品コストだけでなく電力も3倍必要であり、効率がよいとはいえない。3原色の間でのバランスを調整する必要もある。回路も複雑にならざるを得ない。サイズの点でも不利である。このように複数のLEDを組合せて白色光を作るのではあまり利益がない。やはり、単一のLEDで白色を出すのが望ましい。
【0008】
GaN系のLEDとYAG系蛍光体を組合せた白色LEDの試みが提案されている。たとえば次の文献に紹介されている白色半導体発光素子がある。
【0009】
▲1▼ 「光機能材料マニュアル」光機能材料マニュアル編集幹事会編、オプトエレクトロニクス社刊、第457頁、1997年6月
図6および7に、この従来の素子の断面図を示す。この素子は、GaInNを活性層とするGaN系LEDチップを、黄色の発光をするYAG蛍光材に埋込んだ構造をしている。
【0010】
樹脂の透明モールド1の中に、第1リード2、第2リード3が固定されている。第1リード2の表面では、図のように、窪み4が形成されている。窪み4にGaInN活性層を持つGaN系LEDチップ5が固定されている。LED5をすっぽりと覆うように黄色のYAG蛍光体6が、窪み4に充填されている。GaNLEDの上面にはアノード電極とカソード電極があり、これらがワイヤ7,8によってリード2,3に接続されている。チップの上面に、N側電極(カソード)とP側電極(アノード)を作る。アノードからカソードに電流を流すとGaNLED5が青色の光Eを出す。青色の光Eの一部は、そのままYAG蛍光体6を透過して外部に出射される。残りは蛍光体6に吸収され、より波長の長い黄色の光Fを出す。青色の光Eと黄色の光Fが重なって出る。合成された光は白色である。つまり、この従来例によれば、GaNLEDの青色と、これによって励起された蛍光とを重ね合わせて白色を出しているのである。
【0011】
LEDの発光は電子のバンド間遷移による積極的な発光である。蛍光体はその光を吸収し、内部の電子が基底バンドから上のバンドへ励起され、その電子が発光中心と呼ばれる準位を介して基底バンドに落ちるときに光を発する。当然この励起発光では、LEDの光よりエネルギが低い、光が出る。適当な蛍光体でLEDを囲むと、LEDの固有の光とそれより長い波長の蛍光が出るようになる。YAG蛍光体はちょうど黄色の光を出すから、これがLEDの青色と合成され、白色になる。可視光の中で青は波長が短く、エネルギが高い。青色発光素子が存在するから、このようなことが可能になる。
【0012】
図8に、GaN−YAG発光素子の発光スペクトルを示す。横軸は波長、縦軸は発光強度(任意目盛)である。460nmの鋭いピークがGaN系LEDの光によるものである。550nmあたりの幅広い山は、YAG蛍光体による蛍光に基づく。肉眼は色を分離して観察できないから、2つが合成されて白色発光のように見える。
【0013】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、GaN−YAG発光素子にはいくつかの難点がある。GaN系LEDとは全く異質の物質であるYAG蛍光体が余分に必要となる。これが第1の難点である。透明度の悪いYAG蛍光体をチップの上に満たすから、LEDからの光の多くが吸収される。これに使われる青色GaN系LEDだけだと、輝度1Cd以上、外部量子効率が5%以上というような優れた特性を示す。
【0014】
ところがGaN−YAGは輝度が0.5Cd、外部量子効率が3.5%程度しかない。輝度が落ちるのはYAG蛍光体が光を吸収するからである。またYAG蛍光体の光変換効率が1%程度で低い。そのために、黄色が優性な暖色系の白色にするためには蛍光材層をより厚くしなければならない。すると、さらに吸収が増えて、輝度、効率ともに下がる。また、発光材と蛍光材料が異種材料でできているために、製作工程が複雑である。さらに、YAG蛍光体を、充填塗布するため、製造コストを引き下げることができない、また、蛍光材の経時変化による色調変化等の欠点があった。
【0015】
この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたもので、発光の取出効率が高く、製作工程が単純で、製造コストを切り下げることができるように改良された発光装置を提供することを目的とする。
【0016】
【課題を解決するための手段】
この発明に従った発光装置は、第1波長の光を発光する第1の半導体を有する発光素子と、発光素子から出射される第1波長の光の一部を透過させ、かつその一部を吸収し、第2波長の光を発光させるII−VI族化合物半導体基板の窓材とを備え、窓材は、窓材を通過した第1波長の光と同じ側に第2波長の光を発光させ、かつ、発光素子に直接接触しないように設けられる。
また、窓材は、樹脂を介在させて発光素子の上に設けられてもよい。
また、窓材は、不活性ガスを介在させて、発光素子の上に設けられてもよい。
また、窓材の表面は、上に凸の曲面であってもよい。
また、発光素子は複数層構造を有する。
また、窓材は複数層構造を有していてもよい。
また、窓材の材質および厚み、窓材中の不純物の種類、不純物の濃度は、第1波長の光と第2波長の光の合成光が白色になるように選ばれていてもよい。
また、第1の半導体は、好ましくはIII−V族またはII−VI族化合物半導体である。
また、II−VI族化合物半導体基板は、高欠陥密度または多結晶であってもよい。
また、発光装置は、好ましくは照明装置または液晶表示装置のバックライトに使用される。
【0029】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態を図について説明する。
【0030】
実施の形態1
図1は、実施の形態1に係る発光装置の断面図である。発光装置10は、第1のリード2、第2のリード3を備える。第2のリード2の上に、InGaN系化合物半導体で形成された発光素子5が設けられている。発光素子5と第2のリードはワイヤ8で接続されている。発光素子5を透明モールド1が覆っている。透明モールド1の上にZnSe基板11が設けられている。
【0031】
ZnSe基板(以下、窓材という)11には、Li、Na、Cu、Ag、Au、N、P、As、IおよびAlからなる群より選ばれた不純物が導入されている。窓材であるZnSe基板11は、従来、ガラス製の窓材であったものを、置換えたものである。窓材11は、発光素子5から出射される第1波長の光の一部を透過させる。また、窓材11は、発光素子5から出射される第1波長の光の一部を吸収し、第2波長の光を発光させる。第1波長の光と第2の波長の光の合成光は、たとえば白色になる。
【0032】
表1には、発光素子5を種々変え、窓材11を種々変えて、発光装置10から発光する光の色を調べてみた結果を示す。
【0033】
【表1】
【0034】
表1中、x,yは、それぞれ、色度図における、赤に対応する刺激量と緑に対応する刺激量を表わしている。発光素子の波長、基板の不純物、厚さ等により、X,Yの値が制御できていることがわかる。
【0035】
図2は、発光素子5としてInGaNを用い、窓材11にCVT(Chemical Vaper Transport)法で作製したIドープのZnSe基板を用いた場合の、発光装置の発光スペクトルを示す。490nm付近に鋭いピークを持つ発光素子5からの発光と、610nm付近に鈍いピークを持つブロードな窓材11からのSA発光(自光励起光(self-activated))が組合されている。合成された光は白色である。
【0036】
実施例では、白色の場合を例示したが、LED波長と窓材11の励起光の波長の組合せにより、多彩な色調を実現することができる。
【0037】
実施の形態1によれば、発光素子5として、既に上市されている特性の安定した高出力のInGaN系材料等が使用でき、その上にZnSe基板等の窓材を設けるだけであるので、製造工程が単純であり、また、製造コストを安価にすることができる。また、ZnSe基板については高欠陥密度のものや多結晶のものでも使用できるので、コストを安価にできる。
【0038】
実施の形態2
図3は、実施の形態2に係る発光装置の概念図である。
【0039】
筒12の底部に実施の形態1で説明したような発光素子5が設けられている。筒12の上部に、実施の形態1で説明した窓材11が設けられている。筒12の中には、不活性ガスが充填されている。このような実施の形態であっても、多彩な色調を有する光を得ることができる。
【0040】
実施の形態3
図4は、実施の形態3に係る発光装置の概念図である。高反射率電極13の上には、サファイア14の上にGaN発光層がエピタキシャル成長したものが、GaN発光層15と高反射率電極13が接触するように設けられている。サファイア14の上に、たとえば、実施の形態1で説明した窓材で使用したZnSe基板11が設けられている。このような実施の形態においても、多彩な色調を有する光を得ることができる。この場合、高反射率電極13が発光素子5の下に設けられているので、発光素子5から下方に向かう光は、高反射率電極13により反射され、窓材11を通って、有効に、外部へ出射する。したがって、光の有効利用が図られる。
【0041】
実施の形態4
図5は、実施の形態4に係る発光装置の、部分断面図である。第1の半導体基板で形成された発光素子5の上に、実施の形態1で説明した窓材11が設けられている。窓材11の表面は、上に凸のレンズ状に加工されている。窓材11の表面が平坦であると、発光素子5から出た光が全反射して、光が無駄になる場合があるが、実施の形態4によれば、窓材11がレンズ状に加工されているので、光を、図のように、直進させることができる。
【0042】
なお、上記の実施の形態では、窓材11が単一層の場合を例示したが、この発明はこれに限られるものでなく、複数層構造を有するものであってもよい。
【0043】
このような発光装置は、照明用、表示用、液晶バックライトなどに利用できる。
【0044】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【図面の簡単な説明】
【図1】実施の形態1に係る発光装置の概念図である。
【図2】実施の形態1に係る発光装置の発光スペクトル図である。
【図3】実施の形態2に係る発光装置の断面図である。
【図4】実施の形態3に係る発光装置の断面図である。
【図5】実施の形態4に係る発光装置の部分断面図である。
【図6】GaN系LEDとYAG蛍光体を組合せた、従来例に係る白色LEDの例を示す、パッケージを含む全体縦断面図である。
【図7】上記従来の白色LEDのLEDチップ近傍の拡大断面図である。
【図8】従来のGaN系LEDとYAG蛍光体よりなるGaInN/YAG白色LEDの発光スペクトル図である。
【符号の説明】
1 透明モールド
5 発光素子
11 窓材
Claims (10)
- 第1波長の光を発光する第1の半導体を有する発光素子と、
前記発光素子から出射される前記第1波長の光の一部を透過させ、かつその一部を吸収し、第2波長の光を発光させるII−VI族化合物半導体基板の窓材とを備え、
前記窓材は、前記窓材を通過した第1波長の光と同じ側に前記第2波長の光を発光させ、かつ、前記発光素子に直接接触しないように設けられる、発光装置。 - 前記窓材は、樹脂を介在させて、前記発光素子の上に設けられている、請求項1に記載の発光装置。
- 前記窓材は、不活性ガスを介在させて、前記発光素子の上に設けられている、請求項1に記載の発光装置。
- 前記窓材の表面は、上に凸の曲面である、請求項1〜3のいずれか1項に記載の発光装置。
- 前記発光素子は複数層構造を有する、請求項1〜4のいずれか1項に記載の発光装置。
- 前記窓材は複数層構造を有する、請求項1〜5のいずれか1項に記載の発光装置。
- 前記窓材の材質および厚み、前記窓材中の不純物の種類、前記不純物の濃度は、前記第1波長の光と前記第2波長の光の合成光が白色になるように選ばれている、請求項1〜6のいずれか1項に記載の発光装置。
- 前記第1の半導体は、III−V族またはII−VI族化合物半導体である、請求項1〜7のいずれか1項に記載の発光装置。
- 前記II−VI族化合物半導体基板は、高欠陥密度または多結晶である、請求項1〜8のいずれか1項に記載の発光装置。
- 前記発光装置は、照明装置または液晶表示装置のバックライトに使用される、請求項1〜9のいずれか1項に記載の発光装置。
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