JP4207363B2 - 発光ダイオード - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、発光ダイオード、特に、発光ダイオードチップと無機蛍光体の蛍光層を組み合わせた発光ダイオードに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
発光ダイオードは、電流を可視光、または赤外光に変換して放射させている。通常、発光ダイオード、蛍光体は、共にそのエネルギー準位で規定される波長の光しか放出することができないため、その発光は極めて単色光に近い可視光になっている。したがって、これらを単独で用いた場合、単色光以外の色、例えば、白、ピンク等の混合色を表現することができない。そこで最近は、これらを複数組み合わせることにより単色光以外の混合色を得る発光装置が用いられてきた。最もよく広く知られている例として蛍光灯が挙げられる。蛍光灯では、水銀放電による紫外線を励起光源として発光波長の異なる複数の蛍光体を発光させ、白色光や昼間色光を得ることができる。
【０００３】
最近になり、発光ダイオードを複数用いて混合色を得ることも可能である。
従来の発光ダイオードは、発光波長領域が緑色〜赤色領域に限られていたために実用的ではなかったが、近年、窒化化合物系半導体を用いた青色発光ダイオードが開発され、発光ダイオードのみで光の３原色を揃えることができるようになり、理論上は、ほとんど全ての色が表現可能となった。
【０００４】
例えば、特開平１０−２４２５１３号公報には、発光ダイオードチップの発光と蛍光体の発光の混合色を得る発光ダイオードとして、波長の主ピークが４００ｎｍから５３０ｎｍ内となる紫色〜青緑色の光を生じる窒化物系化合物半導体を発光層とする発光ダイオードチップと、発光ダイオードチップの主ピークより長い波長の主ピークを持つ光を生じるＹＡＧ蛍光体を組み合わせることにより、蛍光体は発光ダイオードチップの光により励起され、発光ダイオードチップの発光と蛍光体の発光の混合色を得る発光ダイオードが記載されている。
この場合、発光ダイオードチップの発光と蛍光体の発光を組み合わせて白色を得るためには、発光ダイオードチップの発光と蛍光体の発光はお互いに補色であるか、あるいは補色に近い関係にする必要がある。具体的には、例えば、２種類の単色光を混合させる場合には一方が紫色〜青緑色、もう一方が緑色〜赤色にする必要がある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、蛍光灯あるいはこれに類似する発光素子は、その構造上水銀灯のような励起光源を必要とするため、小型化、軽最化には不向きであり、励起光源の寿命も長くはない。
一方、発光ダイオードは、小型、軽量、低消費電力、長寿命という利点がある反面、発光波長の異なる発光ダイオードチップの組み合わせは異なる材料系で作製した発光ダイオードの組み合わせとなるために、構造が複雑になる。そのため、非常に高価になる上、組み合わせる発光ダイオードチップのそれぞれの特性ごとに駆動回路を変えなければならないという欠点があった。
また、発光ダイオードチップの発光の主波長が、蛍光体の発光の主波長よりも短い。特に、紫色〜青緑色の発光には、ＧａＮ系、ＳｉＣ系、ＺｎＳｅ系、ＺｎＳ系等の化合物半導体を発光層に用いた青色発光ダイオードが用いられるが、これら青色発光の化合物半導体材料を用いた発光ダイオードチップは、いずれもＧａＰ系、ＧａＡｓ系、ＡｌＧａＡｓ系、ＡｌＧａＩｎＰ系等を用いた緑色〜赤色発光ダイオードチップに比べ、非常に高価であるという問題点を有する。
さらに、青色発光ダイオードは、バンドギャップエネルギーが大きいために、駆動電圧が緑色〜赤色発光に比べて大きいという課題を有する。特に、ＧａＮ系、ＳｉＣ系、ＺｎＳ系発光ダイオードは、駆動電圧が３Ｖ以上であり、近年、携帯機器等で多用されるようになった３Ｖ系の回路に組込むことが不可能であるという問題が残されている。ＺｎＳｅ系発光ダイオードの場合、駆動電圧は２．７Ｖ程度のものが可能となり、やや低くはなったものの、２Ｖ前後で駆動できる緑色〜赤色発光ダイオードに比べると、２．７Ｖの駆動電圧では、未だ大きいと言われ、その改善策が求められている現状にある。
【０００６】
それ故、本発明の目的は、発光ダイオードチップ側に使用する発光原色が紫色ないし青緑色に制限されることがなく、しかも、安価で駆動電圧が低い発光ダイオードチップを用いることにより、蛍光体と組み合わせて単色光以外の色を表現できる発光ダイオードを提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
この発明は、上記の目的を達成するため、主発光波長として第１の波長の光を発する発光ダイオードチップと、前記第１の波長の光の少なくとも一部を吸収して前記第１の波長より小なる第２の波長の光を発する無機蛍光体を含有した蛍光層を備え、前記第１および第２の波長の光の混合光の発光色に基づいて発光するように構成された発光ダイオードにおいて、前記発光ダイオードチップおよび前記蛍光層の前記無機蛍光体は、補色になる波長の光を前記第１および第２の波長の光として発することを特徴とする発光ダイオードを提供する。
【０００８】
また、この発明は、上記の目的を達成するため、前記発光ダイオードチップは、前記第１の波長の光として、６００ｎｍ〜７００ｎｍの波長の光を発することを特徴とする発光ダイオードを提供する。
【００１０】
【発明の実施の形態】
（第１の実施の形態）
図１は、第１の実施の形態による本発明発光ダイオードの断面模式図を示している。
この発光ダイオードを構成する発光ダイオードチップは、裏面に下部電極７が設けられた厚さ３００μｍのＳｉドープｎ型ＧａＡｓ基板１の上に、順次、Ｓｅが１×１０18ｃｍ-3の濃度でドープされた厚さ０．５μｍのｎ型ＧａＡｓバッファ層２、Ｓｅが８×１０17ｃｍ-3の濃度でドープされた厚さ１．０μｍのｎ型（Ａｌ0.7 Ｇａ0.3 ）0.5 Ｉｎ0.5 Ｐクラッド層３（図には「ｎ型クラッド層３」と略して表示）、このｎ型クラッド層３よりもバンドギャップエネルギーが小さい組成で、しかも、アンドープである厚さ０．６μｍの（Ａｌ0.15Ｇａ0.85）0.5 Ｉｎ0.5 Ｐ活性層４（図には「アンドープ活性層４」と略して表示）、このアンドープ活性層４よりもバンドギャップエネルギーが大きい組成で、しかも、Ｚｎが５×１０17ｃｍ-3の濃度でドープされた厚さ１．０μｍのｐ型（Ａｌ0.7 Ｇａ0.3 ）0.5 Ｉｎ0.5 Ｐクラッド層５（図には「ｐ型クラッド層５」と略して表示）、Ｚｎが１×１０18ｃｍ-3の濃度でドープされたｐ型ＧａＰからなる厚さ５．０μｍの電流拡散層６を積層させて形成している。ｐ型電流拡散層６の表面の一部には上部電極８が設けられ、上部電極８には通電用の金ワイヤ９が接続されている。
発光ダイオードチップは、３００μｍ角で形成されており、上部電極８は、直径が、発光ダイオードチップの―辺の長さの約半分となる直径１５０μｍの円形となるように形成されている。下部電極７は、基板１側から順に、金ゲルマニウム、ニッケル、および金が、それぞれ、６０ｎｍ、１０ｎｍ、５００ｎｍの厚さで蒸着されて形成されており、上部電極８は、電流拡散層６側から順に、金亜鉛、ニッケル、および金が、それぞれ、６０ｎｍ、１０ｎｍ、１０００ｎｍの厚さで蒸着されて形成されている。
このＡｌＧａＩｎＰ系発光ダイオードチップのｐ型ＧｐＡ電流拡散層６、および上部電極８の上部に、Ｔｍ3+／Ｙｂ3+含有フッ化ジルコニウム系ガラスの粉末をポリビニルアルコールに混ぜたものをスピンコートし、紫外線露光により固化させて蛍光層１０を形成し、発光ダイオードが構成されている。
【００１１】
図２は、図１の発光ダイオードの発光スペクトルを示している。
発光スペクトルには、波長６３５ｎｍのピークと波長４８０ｎｍのピークが見られる。波長６３５ｎｍのピークは、ＡｌＧａＩｎＰ系発光ダイオードチップからの発光であり、波長４８０ｎｍのピークは、Ｔｍ3+／Ｙｂ3+含有フッ化ジルコニウム系ガラス蛍光層１０からのアップコンバージョン発光である。
目視により観察したところ、発光はピンクであった。発光の色度座標はｘ＝０．５、ｙ＝０．２５であった。発光スペクトルの測定は、２０ｍＡ通電で行い、その際の印加電圧は１．９８Ｖであった。
【００１２】
（第２の実施の形態）
図３は、第２の実施の形態による本発明発光ダイオードの断面模式図を示している。
この発光ダイオードを構成する発光ダイオードチップは、裏面に下部電極１７が設けられた厚さ３００μｍのＳｉドープｎ型ＧａＡｓ基板１１の上に、順次、Ｓｅが１×１０18ｃｍ-3の濃度でドープされた厚さ０．５μｍのｎ型ＧａＡｓバッファ層１２、Ｓｅが８×１０17ｃｍ-3の濃度でドープされた厚さ１．０μｍのｎ型（Ａｌ0.7 Ｇａ0.3 ）0.5 Ｉｎ0.5 Ｐクラッド層１３（図には「ｎ型クラッド層１３」と略して表示）、このｎ型クラッド層１３よりもバンドギャップエネルギーが小さい組成で、しかも、アンドープである厚さ０．６μｍの（Ａｌ0.15Ｇａ0.85）0.5 Ｉｎ0.5 Ｐ活性層１４（図には「アンドープ活性層１４」と略して表示）、この活性層１４よりもバンドギャップエネルギーが大きい組成で、しかも、Ｚｎが５×１０17ｃｍ-3の濃度でドープされた厚さ１．０μｍのｐ型（Ａｌ0.7 Ｇａ0.3 ）0.5 Ｉｎ0.5 Ｐクラッド層１５（図には「ｐ型クラッド層１５」と略して表示）、Ｚｎが１×１０18ｃｍ-3の濃度でドープされたｐ型ＧａＰからなる厚さ５．０μｍの電流拡散層１６を積層し形成している。ｐ型ＧａＰ電流拡散層１６の表面の一部には、上部電極１８が設けられ、上部電極１８には通電用の金ワイヤ１９が接続されている。
発光ダイオードチップは、３００μｍ角で形成されており、上部電極１８は、直径が発光ダイオードチップの一辺の長さの約半分となる直径１５０μｍの円形となるように形成されている。下部電極１７は、基板１側から順に、金ゲルマニウム、ニッケル、および金が、それぞれ、６０ｎｍ、１０ｎｍ、５００ｎｍの厚さで蒸着されて形成されており、上部電極１８は、電流拡散層１６側から順に、金亜鉛、ニッケル、および金が、それぞれ、６０ｎｍ、１０ｎｍ、１０００ｎｍの厚さで蒸着されて形成されている。
このＡｌＧａＩｎＰ系発光ダイオードチップの電流拡散層１６、および上部電極１８の上部に、Ｔｍ3+／Ｙｂ3+含有フッ化ジルコニウム系ガラスの粉末、及びＥｒ3+／Ｙｂ3+含有フッ化ジルコニクム系ガラスの粉末をポリビニルアルコールに混ぜたものをスピンコートし、紫外線露光により固化させた蛍光層２０を形成して、発光ダイオードを構成している。
【００１３】
図４は、図３の発光ダイオードの発光スペクトルを示している。
発光スペクトルには、波長６３５ｎｍ、波長５５０ｎｍ、波長４８０ｎｍの３つのピークが見られる。これらは、それぞれ、ＡｌＧａＩｎＰ系発光ダイオードチップからの発光、Ｅｒ3+／Ｙｂ3+含有フッ化ジルコニウム系ガラスからのアップコンバージョン発光、Ｔｍ3+／Ｙｂ3+含有フッ化ジルコニウム系ガラス蛍光層２０からのアップコンバージョン発光に相当する。
目視により観察したところ、発光は白色であった。発光の色度座標はｘ＝０．３２、ｙ＝０．３５であった。発光スペクトルの測定は、２０ｍＡ通電で行い、その際の印加電圧は１．９４Ｖであった。
【００１４】
（第３の実施の形態）
図５は、第３の実施の形態による本発明発光ダイオードの断面模式図を示している。
この発光ダイオードは、発光主波長が６３０ｎｍであるＡｌＧａＩｎＰ系の発光ダイオードチップ２１が、チップ用基板を金属ステム２２に電気的に接続して金属ステム２２に実装され、金ワイヤ２４を用いて金属ステム２３に接続されている。発光ダイオードチップ２１の発光面側および周囲を、Ｔｍ3+／Ｙｂ3+含有フッ化ジルコニウム系ガラスの粉末を混入したエポキシ樹脂２５（蛍光層）で被覆し、さらにその周囲を透明樹脂２６で被覆して構成されている。
【００１５】
図６は、図５の発光ダイオードの発光スペクトルを示している。
発光スペクトルには、波長６３５ｎｍと波長４８０ｎｍに２つのピークが見られる。これらは、それぞれ、ＡｌＧａＩｎＰ系の発光ダイオードチップ２１からの発光と、Ｔｍ3+／Ｙｂ3+含有フッ化ジルコニウム系ガラスの粉末を混入したエポキシ樹脂２５（蛍光層）ガラスからのアップコンバージョン発光に相当する。
目視により観察したところ、発光はやや白っぽい赤紫色であった。発光の色度座標は、ｘ＝０．４１、ｙ＝０．２２であった。発光スペクトルの測定は、２０ｍＡ通電で行い、その際の印加電圧は２．０２Ｖであった。
【００１６】
（第４の実施の形態）
図７は、第４の実施の形態による本発明発光ダイオードの断面模式図を示している。
この発光ダイオードは、発光主波長が６３０ｎｍであるＡｌＧａＩｎＰ系の発光ダイオードチップ２７が、チップ用基板を金属ステム２８に電気的に接続して金属ステム２８に実装され、金ワイヤ３０を用いて金属ステム２９に接続されている。発光ダイオードチップ２７の発光面側および周囲は、Ｅｒ3+／Ｙｂ3+含有フッ化ジルコニウム系ガラスの粉末を混入したエポキシ樹脂３１（蛍光層）で被覆し、その上をＴｍ3+／Ｙｂ3+含有フッ化ジルコニウム系ガラスの粉末を混入したエポキシ樹脂３２（蛍光層）で被覆し、さらにその周囲を透明樹脂３３で被覆して構成されている。
【００１７】
図８は、図７の発光ダイオードの発光スペクトルを示している。
発光スペクトルには、波長６３５ｎｍ、５５０ｎｍ、４８０ｎｍの３つのピークが見られる。これらは、それぞれ、ＡｌＧａＩｎＰ系発光ダイオードチップ２７からの発光、Ｅｒ3+／Ｙｂ3+含有フッ化ジルコニウム系ガラスの粉末を混入したエポキシ樹脂３１（蛍光層）ガラスからのアップコンバージョン発光、Ｔｍ3+／Ｙｂ3+含有フッ化ジルコニウム系ガラスの粉末を混入したエポキシ樹脂３（蛍光層）ガラスのアップコンバージョン発光に相当する。
目視により観察したところ、発光は白色であった。発光の色度座標はｘ＝０．３１、ｙ＝０．４５であった。発光スペクトルの測定は、２０ｍＡ通電で行い、その際の印加電圧は２．０１Ｖであった。
【００１８】
本発明の実施の形態において、発光ダイオードは、発光ダイオードチップと、無機蛍光体の蛍光層を備えており、無機蛍光体の蛍光層は、発光ダイオードチップから発する発光波長の少なくとも一部を吸収し、波長変換して発光する少なくとも１種類の無機蛍光体を含有する蛍光層を有するように構成されている。
【００１９】
本発明の実施の形態において、発光ダイオードチップが発する発光色と、無機蛍光体の蛍光層が発する発光色を組み合わせて、より効果的な混合色を得るためには、発光ダイオードチップが発する発光色と、無機蛍光体の蛍光層が発する発光色は、相互にそれぞれの発光色を補色する発光色とするか、あるいは補色に近い関係になるように構成することが必要である。特に、白色または白色に近い色を得る場合には、この関係が必須であり、具体的には、２種類の単色光を混合させる場合には、一方が紫色ないし青緑色、もう一方が緑色ないし赤色になるように構成する。
【００２０】
本発明の実施の形態において、励起光よりも短波長の光が発する現象はアップコンバージョンと呼ばれる。蛍光体の蛍光層がアップコンバージョン機能を有すると、高価な青色発光ダイオードを励起光源として用いる必要はなくなり、安価な緑色ないし赤色発光ダイオードを用いることができる。蛍光体の蛍光層のアツプコンバージョン発光が青色であると、従来の青色発光ダイオードチップに緑色ないし赤色蛍光体を組み合わせた発光ダイオードと同様の混合色を持つ発光ダイオードを作製することが可能である。発光ダイオードチップが安価になる分、緑色〜赤色発光ダイオードチップとアップコンバージョン蛍光体の蛍光層を組み合わせた発光ダイオードは、従来型の青色発光ダイオードチップを用いた発光ダイオードよりも安価に製造することが可能である。
本発明の実施の形態においては、アップコンバ―ジョン蛍光体の蛍光層を、緑色ないし赤色発光ダイオードチップによる発光で励起して、白色光を放出させることが実現できる。また、アップコンバ―ジョン蛍光体の蛍光層を、赤色ないし黄色発光ダイオードチップによる発光で励起して、白色光を放出させることも可能である。
【００２１】
本発明の実施の形態において、無機蛍光体の蛍光層を、複数の蛍光層により構成すると、複数の蛍光層の構成による複数の発光の混合光を含む発光色が得られる。例えば、発光ダイオードチップが発する発光色の主発光波長は、６００ｎｍ以上７００ｎｍ以下の励起光源を用いることが望まれる。これに対し、アップコンバ―ジョン発光の主波長が異なる２種類の無機蛍光体の蛍光層は、一方の蛍光体の蛍光層の発光主波長を４００ｎｍ以上５００ｎｍ以下、もう一方の蛍光体の蛍光層の発光主波長を５００ｎｍ以上６００ｎｍ以下とすると、混合光は、赤、緑、青の３原色を含むことになり、より自然な白色光を得ることができる。蛍光体の蛍光層の発光主波長も、発光ダイオードの発光層が発する発光波長６００ｎｍ以上７００ｎｍ以下よりも短い発光波長を含むように構成することが可能となる。
【００２２】
本発明の実施の形態において、緑色〜赤色発光ダイオードは、青色発光ダイオードよりもバンドギャップエネルギーが小さいため、１．８Ｖ〜２．４Ｖ程度の比較的低い電圧で駆動することができ、３Ｖ系の電圧回路に組込むのも容易である。
【００２３】
本発明の実施の形態において、発光ダイオードチップには、ＧａＡｓ系、ＡｌＧａＡｓ系、ＡｌＧａＩｎＰ系、あるいはＧａＰ系等のいわゆる化合物半導体のうちのいずれかから選択された材料を用いることができる。
発光ダイオードチップの発光波長の方が蛍光体の蛍光層の発光波長よりも長いことを考慮すると、緑色ないし赤色を発光波長領域として持つＧａＡｓ系、ＡｌＧａＡｓ系、ＡｌＧａＩｎＰ系の材料が好ましい。これらの中でも特に、励起光源として高い発光出力が期待されるＡｌＧａＩｎＰ系の材料がさらに好ましい。もちろん、これら以外の材料を用いてもよいが、３Ｖ系の回路に組込むことを考慮すると、駆動電圧が３Ｖ以下となるような材料の選定が好ましい。
発光ダイオードチップの発光と蛍光体の蛍光層の発光が、互いに補色または補色に近い関係となるような選択をすると、得られる混合光は白色光あるいは白色に近い光となる。蛍光体の蛍光層が複数（混合層あるいは積層）ある場合には、それぞれの蛍光体の蛍光層の混合光が発光ダイオードチップの発光と補色または補色に近い関係にあると、得られる混合光は白色光あるいは白色に近い光となり、同様の効果が得られる。いずれの場合でも、混合光の色度座標は、０．２≦ｘ≦０．５、かつ０．２≦ｙ≦０．５の範囲にあることが好ましい。
【００２４】
本発明の実施の形態において、無機蛍光体の蛍光層は、蛍光層が発する発光の波長が、励起光源となる発光ダイオードチップから発する発光の主波長よりも短くなるものを選択できる。蛍光層の具体的な元素としてはＣｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂの元素のうち少なくともｌ種類の元素を含む蛍光体が望ましいが、これら以外の材料を用いてもよい。この場合、発光ダイオードチップの発光と混合したときに所望の色が得られるような発光を有することが選択の指針となる。蛍光体は必ずしもｌ種類である必要はなく、発光波長の異なる２種類以上の蛍光体を混合、あるいは積層して用いてもよい。
【００２５】
本発明の実施の形態において、発光ダイオードが発する発光色の色度座標を所定の範囲に選定する理由は、つぎの通りである。
すなわち、発光ダイオードチップの発光と、無機蛍光体の蛍光層の発光は、共にそれぞれのエネルギー準位で規定されている波長の光しか放出できない。そのため、発光ダイオードチップと、無機蛍光体の蛍光層を、単独で発光させたときのＣＩＥ−ＸＹＺ表色系における色度座標は、ある一点に固定される。
本発明の実施の形態における発光ダイオードチップの発光の色度座標を（ＸLED 、ＹLED ）とし、無機蛍光体の蛍光層の発光の色度座標を（ＸPH、ＹPH）とすると、本発明の実施の形態による発光ダイオードが発する発光の色度座標は、この２点（ＸLED 、ＹLED ）、（ＸPH、ＹPH）を結ぶ直線上に存在する。発光の色度座標が、直線上のどの点になるかは、発光ダイオードチップの発光強度と無機蛍光体の蛍光層の発光強度の比で決まり、発光ダイオードチップの発光強度が強ければ（ＸLED 、ＹLED ）に近づき、無機蛍光体の蛍光層の発光強度に近づけば（ＸPH、ＹPH）に近づく。したがって、無機蛍光体の蛍光層の配合量を制御することで２点間を結ぶ直線上の所望の色を得ることができることになる。無機蛍光体の蛍光層が２種類以上ある場合には、同様の方法で順次混合色の色度座標を求めて行くことにより、最終的な発光ダイオードの色度座標が求められる。なお、ＣＩＥ−ＸＹＺ表色系における混色については、例えば、「光工学ハンドブック」（小瀬 他、朝倉書店（１９８６））ｐｌｌ６〜１１９に詳細に述べられている。
【００２６】
本発明の実施の形態において、発光ダイオードチップは、必ずしも１つの化合物半導体、例えば、ＡｌＧａＩｎＰ系化合物半導体で構成する必要はなく、所望の発光色に合わせて、ＧａＡｓ系、ＡｌＧａＡｓ系、ＧａＰ系等の化合物半導体で構成することができる。さらに、発光ダイオードチップの発光色は必ずしも単色である必要はなく、所望の色が得られるように２つ以上の発光スペクトルのピークを持つ発光ダイオードチップを用いてもよい。これに合わせて、無機蛍光体の蛍光層も必ずしも１種類または２種類に制限する必要はなく、所望の発光色に合わせて、必要に応じて３種類以上の無機蛍光体の蛍光層を用いてもよい。さらに、無機蛍光体の蛍光層のアップコンバージョン発光波長は、必ずしもｌつである必要はなく、２つ以上のアップコンバージョン発光波長を持つ無機蛍光体の蛍光層を使用してもよい。
【００２７】
【発明の効果】
本発明の発光ダイオードによると、廉価な緑色ないし赤色発光ダイオードチップと、アップコンバージョン蛍光体として発光ダイオードチップから発する発光波長の少なくとも一部を吸収し波長変換して発光する少なくともｌ種類の無機蛍光体の蛍光層を組み合わせており、無機蛍光体の蛍光層が発する発光波長が発光ダイオードチップが発する発光波長よりも短い発光波長を含むように構成されているから、発光ダイオードチップに使用する発光原色が紫色ないし青緑色に制限されるという問題は解消し、しかも、３Ｖ以下の低い駆動電圧で使用することができるので、従来の青色発光ダイオードチップと蛍光体を組み合わせた発光ダイオードよりも安価な単色光以外の色を表現できる発光ダイオードを提供できるという効果がある。
【００２８】
また、本発明の発光ダイオードによると、これまで単色の発光ダイオードでは表現できなかった応用分野、例えば、液晶用バックライト、各種インジケータ、表示パネル等への利用が可能である。さらに、低消費電力、軽量、小型等の利点を生かして、蛍光灯等の従来の照明機器分野への置き換えも可能であるという産業上の効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態による発光ダイオードを示す断面模式図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態による発光ダイオードの発光スペクトルである。
【図３】本発明の第２の実施の形態による発光ダイオードを示す断面模式図である。
【図４】本発明の第２の実施の形態による発光ダイオードの発光スペクトルである。
【図５】本発明の第３の実施の形態による発光ダイオードを示す断面模式図である。
【図６】本発明の第３の実施の形態による発光ダイオードの発光スペクトルである。
【図７】本発明の第４の実施の形態による発光ダイオードを示す断面模式図である。
【図８】本発明の第４の実施の形態による発光ダイオードの発光スペクトルである。
【符号の説明】
１ ｎ型ＧａＡｓ基板
２ ｎ型ＧａＡｓバッファ層
３ ｎ型（Ａｌ0.7Ｇａ0.3）0.5Ｉｎ0.5Ｐクラッド層
（図にはｎ型クラッド層３と略して表示）
４ アンドープ（Ａｌ0.15Ｇａ0.85）0.5Ｉｎ0.5Ｐ活性層
（図にはアンドープ活性層４と略して表示）
５ ｐ型（Ａｌ0.7Ｇａ0.3）0.5Ｉｎ0.5Ｐクラッド層
（図にはｐ型クラッド層５と略して表示）
６ ｐ型ＧａＰ電流拡散層
７ 下部電極
８ 上部電極
９ 金ワイヤ
１０ 蛍光層
１１ ｎ型ＧａＡｓ基板
１２ ｎ型ＧａＡｓバッファ層
１３ ｎ型（Ａｌ0.7Ｇａ0.3）0.5Ｉｎ0.5Ｐクラッド層
（図にはｎ型クラッド層１３と略して表示）
１４ アンドープ（Ａｌ0.15Ｇａ0.85）0.5Ｉｎ0.5Ｐ活性層
（図にはアンドープ活性層１４と略して表示）
１５ ｐ型（Ａｌ0.7Ｇａ0.3）0.5Ｉｎ0.5Ｐクラッド層
（図にはｐ型クラッド層１５と略して表示）
１６ ｐ型ＧａＰ電流拡散層
１７ 下部電極
１８ 上部電極
１９ 金ワイヤ
２０ 蛍光層
２１ 発光ダイオードチップ
２２ 金属ステム
２３ 金属ステム
２４ 金ワイヤ
２５ 蛍光体入りエポキシ樹脂（蛍光層）
２６ 透明樹脂
２７ 発光ダイオードチップ
２８ 金属ステム
２９ 金属ステム
３０ 金ワイヤ
３１ 蛍光体入りエポキシ樹脂（蛍光層）
３２ 蛍光体入りエポキシ樹脂（蛍光層）
３３ 透明樹脂
【発明の属する技術分野】
本発明は、発光ダイオード、特に、発光ダイオードチップと無機蛍光体の蛍光層を組み合わせた発光ダイオードに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
発光ダイオードは、電流を可視光、または赤外光に変換して放射させている。通常、発光ダイオード、蛍光体は、共にそのエネルギー準位で規定される波長の光しか放出することができないため、その発光は極めて単色光に近い可視光になっている。したがって、これらを単独で用いた場合、単色光以外の色、例えば、白、ピンク等の混合色を表現することができない。そこで最近は、これらを複数組み合わせることにより単色光以外の混合色を得る発光装置が用いられてきた。最もよく広く知られている例として蛍光灯が挙げられる。蛍光灯では、水銀放電による紫外線を励起光源として発光波長の異なる複数の蛍光体を発光させ、白色光や昼間色光を得ることができる。
【０００３】
最近になり、発光ダイオードを複数用いて混合色を得ることも可能である。
従来の発光ダイオードは、発光波長領域が緑色〜赤色領域に限られていたために実用的ではなかったが、近年、窒化化合物系半導体を用いた青色発光ダイオードが開発され、発光ダイオードのみで光の３原色を揃えることができるようになり、理論上は、ほとんど全ての色が表現可能となった。
【０００４】
例えば、特開平１０−２４２５１３号公報には、発光ダイオードチップの発光と蛍光体の発光の混合色を得る発光ダイオードとして、波長の主ピークが４００ｎｍから５３０ｎｍ内となる紫色〜青緑色の光を生じる窒化物系化合物半導体を発光層とする発光ダイオードチップと、発光ダイオードチップの主ピークより長い波長の主ピークを持つ光を生じるＹＡＧ蛍光体を組み合わせることにより、蛍光体は発光ダイオードチップの光により励起され、発光ダイオードチップの発光と蛍光体の発光の混合色を得る発光ダイオードが記載されている。
この場合、発光ダイオードチップの発光と蛍光体の発光を組み合わせて白色を得るためには、発光ダイオードチップの発光と蛍光体の発光はお互いに補色であるか、あるいは補色に近い関係にする必要がある。具体的には、例えば、２種類の単色光を混合させる場合には一方が紫色〜青緑色、もう一方が緑色〜赤色にする必要がある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、蛍光灯あるいはこれに類似する発光素子は、その構造上水銀灯のような励起光源を必要とするため、小型化、軽最化には不向きであり、励起光源の寿命も長くはない。
一方、発光ダイオードは、小型、軽量、低消費電力、長寿命という利点がある反面、発光波長の異なる発光ダイオードチップの組み合わせは異なる材料系で作製した発光ダイオードの組み合わせとなるために、構造が複雑になる。そのため、非常に高価になる上、組み合わせる発光ダイオードチップのそれぞれの特性ごとに駆動回路を変えなければならないという欠点があった。
また、発光ダイオードチップの発光の主波長が、蛍光体の発光の主波長よりも短い。特に、紫色〜青緑色の発光には、ＧａＮ系、ＳｉＣ系、ＺｎＳｅ系、ＺｎＳ系等の化合物半導体を発光層に用いた青色発光ダイオードが用いられるが、これら青色発光の化合物半導体材料を用いた発光ダイオードチップは、いずれもＧａＰ系、ＧａＡｓ系、ＡｌＧａＡｓ系、ＡｌＧａＩｎＰ系等を用いた緑色〜赤色発光ダイオードチップに比べ、非常に高価であるという問題点を有する。
さらに、青色発光ダイオードは、バンドギャップエネルギーが大きいために、駆動電圧が緑色〜赤色発光に比べて大きいという課題を有する。特に、ＧａＮ系、ＳｉＣ系、ＺｎＳ系発光ダイオードは、駆動電圧が３Ｖ以上であり、近年、携帯機器等で多用されるようになった３Ｖ系の回路に組込むことが不可能であるという問題が残されている。ＺｎＳｅ系発光ダイオードの場合、駆動電圧は２．７Ｖ程度のものが可能となり、やや低くはなったものの、２Ｖ前後で駆動できる緑色〜赤色発光ダイオードに比べると、２．７Ｖの駆動電圧では、未だ大きいと言われ、その改善策が求められている現状にある。
【０００６】
それ故、本発明の目的は、発光ダイオードチップ側に使用する発光原色が紫色ないし青緑色に制限されることがなく、しかも、安価で駆動電圧が低い発光ダイオードチップを用いることにより、蛍光体と組み合わせて単色光以外の色を表現できる発光ダイオードを提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
この発明は、上記の目的を達成するため、主発光波長として第１の波長の光を発する発光ダイオードチップと、前記第１の波長の光の少なくとも一部を吸収して前記第１の波長より小なる第２の波長の光を発する無機蛍光体を含有した蛍光層を備え、前記第１および第２の波長の光の混合光の発光色に基づいて発光するように構成された発光ダイオードにおいて、前記発光ダイオードチップおよび前記蛍光層の前記無機蛍光体は、補色になる波長の光を前記第１および第２の波長の光として発することを特徴とする発光ダイオードを提供する。
【０００８】
また、この発明は、上記の目的を達成するため、前記発光ダイオードチップは、前記第１の波長の光として、６００ｎｍ〜７００ｎｍの波長の光を発することを特徴とする発光ダイオードを提供する。
【００１０】
【発明の実施の形態】
（第１の実施の形態）
図１は、第１の実施の形態による本発明発光ダイオードの断面模式図を示している。
この発光ダイオードを構成する発光ダイオードチップは、裏面に下部電極７が設けられた厚さ３００μｍのＳｉドープｎ型ＧａＡｓ基板１の上に、順次、Ｓｅが１×１０18ｃｍ-3の濃度でドープされた厚さ０．５μｍのｎ型ＧａＡｓバッファ層２、Ｓｅが８×１０17ｃｍ-3の濃度でドープされた厚さ１．０μｍのｎ型（Ａｌ0.7 Ｇａ0.3 ）0.5 Ｉｎ0.5 Ｐクラッド層３（図には「ｎ型クラッド層３」と略して表示）、このｎ型クラッド層３よりもバンドギャップエネルギーが小さい組成で、しかも、アンドープである厚さ０．６μｍの（Ａｌ0.15Ｇａ0.85）0.5 Ｉｎ0.5 Ｐ活性層４（図には「アンドープ活性層４」と略して表示）、このアンドープ活性層４よりもバンドギャップエネルギーが大きい組成で、しかも、Ｚｎが５×１０17ｃｍ-3の濃度でドープされた厚さ１．０μｍのｐ型（Ａｌ0.7 Ｇａ0.3 ）0.5 Ｉｎ0.5 Ｐクラッド層５（図には「ｐ型クラッド層５」と略して表示）、Ｚｎが１×１０18ｃｍ-3の濃度でドープされたｐ型ＧａＰからなる厚さ５．０μｍの電流拡散層６を積層させて形成している。ｐ型電流拡散層６の表面の一部には上部電極８が設けられ、上部電極８には通電用の金ワイヤ９が接続されている。
発光ダイオードチップは、３００μｍ角で形成されており、上部電極８は、直径が、発光ダイオードチップの―辺の長さの約半分となる直径１５０μｍの円形となるように形成されている。下部電極７は、基板１側から順に、金ゲルマニウム、ニッケル、および金が、それぞれ、６０ｎｍ、１０ｎｍ、５００ｎｍの厚さで蒸着されて形成されており、上部電極８は、電流拡散層６側から順に、金亜鉛、ニッケル、および金が、それぞれ、６０ｎｍ、１０ｎｍ、１０００ｎｍの厚さで蒸着されて形成されている。
このＡｌＧａＩｎＰ系発光ダイオードチップのｐ型ＧｐＡ電流拡散層６、および上部電極８の上部に、Ｔｍ3+／Ｙｂ3+含有フッ化ジルコニウム系ガラスの粉末をポリビニルアルコールに混ぜたものをスピンコートし、紫外線露光により固化させて蛍光層１０を形成し、発光ダイオードが構成されている。
【００１１】
図２は、図１の発光ダイオードの発光スペクトルを示している。
発光スペクトルには、波長６３５ｎｍのピークと波長４８０ｎｍのピークが見られる。波長６３５ｎｍのピークは、ＡｌＧａＩｎＰ系発光ダイオードチップからの発光であり、波長４８０ｎｍのピークは、Ｔｍ3+／Ｙｂ3+含有フッ化ジルコニウム系ガラス蛍光層１０からのアップコンバージョン発光である。
目視により観察したところ、発光はピンクであった。発光の色度座標はｘ＝０．５、ｙ＝０．２５であった。発光スペクトルの測定は、２０ｍＡ通電で行い、その際の印加電圧は１．９８Ｖであった。
【００１２】
（第２の実施の形態）
図３は、第２の実施の形態による本発明発光ダイオードの断面模式図を示している。
この発光ダイオードを構成する発光ダイオードチップは、裏面に下部電極１７が設けられた厚さ３００μｍのＳｉドープｎ型ＧａＡｓ基板１１の上に、順次、Ｓｅが１×１０18ｃｍ-3の濃度でドープされた厚さ０．５μｍのｎ型ＧａＡｓバッファ層１２、Ｓｅが８×１０17ｃｍ-3の濃度でドープされた厚さ１．０μｍのｎ型（Ａｌ0.7 Ｇａ0.3 ）0.5 Ｉｎ0.5 Ｐクラッド層１３（図には「ｎ型クラッド層１３」と略して表示）、このｎ型クラッド層１３よりもバンドギャップエネルギーが小さい組成で、しかも、アンドープである厚さ０．６μｍの（Ａｌ0.15Ｇａ0.85）0.5 Ｉｎ0.5 Ｐ活性層１４（図には「アンドープ活性層１４」と略して表示）、この活性層１４よりもバンドギャップエネルギーが大きい組成で、しかも、Ｚｎが５×１０17ｃｍ-3の濃度でドープされた厚さ１．０μｍのｐ型（Ａｌ0.7 Ｇａ0.3 ）0.5 Ｉｎ0.5 Ｐクラッド層１５（図には「ｐ型クラッド層１５」と略して表示）、Ｚｎが１×１０18ｃｍ-3の濃度でドープされたｐ型ＧａＰからなる厚さ５．０μｍの電流拡散層１６を積層し形成している。ｐ型ＧａＰ電流拡散層１６の表面の一部には、上部電極１８が設けられ、上部電極１８には通電用の金ワイヤ１９が接続されている。
発光ダイオードチップは、３００μｍ角で形成されており、上部電極１８は、直径が発光ダイオードチップの一辺の長さの約半分となる直径１５０μｍの円形となるように形成されている。下部電極１７は、基板１側から順に、金ゲルマニウム、ニッケル、および金が、それぞれ、６０ｎｍ、１０ｎｍ、５００ｎｍの厚さで蒸着されて形成されており、上部電極１８は、電流拡散層１６側から順に、金亜鉛、ニッケル、および金が、それぞれ、６０ｎｍ、１０ｎｍ、１０００ｎｍの厚さで蒸着されて形成されている。
このＡｌＧａＩｎＰ系発光ダイオードチップの電流拡散層１６、および上部電極１８の上部に、Ｔｍ3+／Ｙｂ3+含有フッ化ジルコニウム系ガラスの粉末、及びＥｒ3+／Ｙｂ3+含有フッ化ジルコニクム系ガラスの粉末をポリビニルアルコールに混ぜたものをスピンコートし、紫外線露光により固化させた蛍光層２０を形成して、発光ダイオードを構成している。
【００１３】
図４は、図３の発光ダイオードの発光スペクトルを示している。
発光スペクトルには、波長６３５ｎｍ、波長５５０ｎｍ、波長４８０ｎｍの３つのピークが見られる。これらは、それぞれ、ＡｌＧａＩｎＰ系発光ダイオードチップからの発光、Ｅｒ3+／Ｙｂ3+含有フッ化ジルコニウム系ガラスからのアップコンバージョン発光、Ｔｍ3+／Ｙｂ3+含有フッ化ジルコニウム系ガラス蛍光層２０からのアップコンバージョン発光に相当する。
目視により観察したところ、発光は白色であった。発光の色度座標はｘ＝０．３２、ｙ＝０．３５であった。発光スペクトルの測定は、２０ｍＡ通電で行い、その際の印加電圧は１．９４Ｖであった。
【００１４】
（第３の実施の形態）
図５は、第３の実施の形態による本発明発光ダイオードの断面模式図を示している。
この発光ダイオードは、発光主波長が６３０ｎｍであるＡｌＧａＩｎＰ系の発光ダイオードチップ２１が、チップ用基板を金属ステム２２に電気的に接続して金属ステム２２に実装され、金ワイヤ２４を用いて金属ステム２３に接続されている。発光ダイオードチップ２１の発光面側および周囲を、Ｔｍ3+／Ｙｂ3+含有フッ化ジルコニウム系ガラスの粉末を混入したエポキシ樹脂２５（蛍光層）で被覆し、さらにその周囲を透明樹脂２６で被覆して構成されている。
【００１５】
図６は、図５の発光ダイオードの発光スペクトルを示している。
発光スペクトルには、波長６３５ｎｍと波長４８０ｎｍに２つのピークが見られる。これらは、それぞれ、ＡｌＧａＩｎＰ系の発光ダイオードチップ２１からの発光と、Ｔｍ3+／Ｙｂ3+含有フッ化ジルコニウム系ガラスの粉末を混入したエポキシ樹脂２５（蛍光層）ガラスからのアップコンバージョン発光に相当する。
目視により観察したところ、発光はやや白っぽい赤紫色であった。発光の色度座標は、ｘ＝０．４１、ｙ＝０．２２であった。発光スペクトルの測定は、２０ｍＡ通電で行い、その際の印加電圧は２．０２Ｖであった。
【００１６】
（第４の実施の形態）
図７は、第４の実施の形態による本発明発光ダイオードの断面模式図を示している。
この発光ダイオードは、発光主波長が６３０ｎｍであるＡｌＧａＩｎＰ系の発光ダイオードチップ２７が、チップ用基板を金属ステム２８に電気的に接続して金属ステム２８に実装され、金ワイヤ３０を用いて金属ステム２９に接続されている。発光ダイオードチップ２７の発光面側および周囲は、Ｅｒ3+／Ｙｂ3+含有フッ化ジルコニウム系ガラスの粉末を混入したエポキシ樹脂３１（蛍光層）で被覆し、その上をＴｍ3+／Ｙｂ3+含有フッ化ジルコニウム系ガラスの粉末を混入したエポキシ樹脂３２（蛍光層）で被覆し、さらにその周囲を透明樹脂３３で被覆して構成されている。
【００１７】
図８は、図７の発光ダイオードの発光スペクトルを示している。
発光スペクトルには、波長６３５ｎｍ、５５０ｎｍ、４８０ｎｍの３つのピークが見られる。これらは、それぞれ、ＡｌＧａＩｎＰ系発光ダイオードチップ２７からの発光、Ｅｒ3+／Ｙｂ3+含有フッ化ジルコニウム系ガラスの粉末を混入したエポキシ樹脂３１（蛍光層）ガラスからのアップコンバージョン発光、Ｔｍ3+／Ｙｂ3+含有フッ化ジルコニウム系ガラスの粉末を混入したエポキシ樹脂３（蛍光層）ガラスのアップコンバージョン発光に相当する。
目視により観察したところ、発光は白色であった。発光の色度座標はｘ＝０．３１、ｙ＝０．４５であった。発光スペクトルの測定は、２０ｍＡ通電で行い、その際の印加電圧は２．０１Ｖであった。
【００１８】
本発明の実施の形態において、発光ダイオードは、発光ダイオードチップと、無機蛍光体の蛍光層を備えており、無機蛍光体の蛍光層は、発光ダイオードチップから発する発光波長の少なくとも一部を吸収し、波長変換して発光する少なくとも１種類の無機蛍光体を含有する蛍光層を有するように構成されている。
【００１９】
本発明の実施の形態において、発光ダイオードチップが発する発光色と、無機蛍光体の蛍光層が発する発光色を組み合わせて、より効果的な混合色を得るためには、発光ダイオードチップが発する発光色と、無機蛍光体の蛍光層が発する発光色は、相互にそれぞれの発光色を補色する発光色とするか、あるいは補色に近い関係になるように構成することが必要である。特に、白色または白色に近い色を得る場合には、この関係が必須であり、具体的には、２種類の単色光を混合させる場合には、一方が紫色ないし青緑色、もう一方が緑色ないし赤色になるように構成する。
【００２０】
本発明の実施の形態において、励起光よりも短波長の光が発する現象はアップコンバージョンと呼ばれる。蛍光体の蛍光層がアップコンバージョン機能を有すると、高価な青色発光ダイオードを励起光源として用いる必要はなくなり、安価な緑色ないし赤色発光ダイオードを用いることができる。蛍光体の蛍光層のアツプコンバージョン発光が青色であると、従来の青色発光ダイオードチップに緑色ないし赤色蛍光体を組み合わせた発光ダイオードと同様の混合色を持つ発光ダイオードを作製することが可能である。発光ダイオードチップが安価になる分、緑色〜赤色発光ダイオードチップとアップコンバージョン蛍光体の蛍光層を組み合わせた発光ダイオードは、従来型の青色発光ダイオードチップを用いた発光ダイオードよりも安価に製造することが可能である。
本発明の実施の形態においては、アップコンバ―ジョン蛍光体の蛍光層を、緑色ないし赤色発光ダイオードチップによる発光で励起して、白色光を放出させることが実現できる。また、アップコンバ―ジョン蛍光体の蛍光層を、赤色ないし黄色発光ダイオードチップによる発光で励起して、白色光を放出させることも可能である。
【００２１】
本発明の実施の形態において、無機蛍光体の蛍光層を、複数の蛍光層により構成すると、複数の蛍光層の構成による複数の発光の混合光を含む発光色が得られる。例えば、発光ダイオードチップが発する発光色の主発光波長は、６００ｎｍ以上７００ｎｍ以下の励起光源を用いることが望まれる。これに対し、アップコンバ―ジョン発光の主波長が異なる２種類の無機蛍光体の蛍光層は、一方の蛍光体の蛍光層の発光主波長を４００ｎｍ以上５００ｎｍ以下、もう一方の蛍光体の蛍光層の発光主波長を５００ｎｍ以上６００ｎｍ以下とすると、混合光は、赤、緑、青の３原色を含むことになり、より自然な白色光を得ることができる。蛍光体の蛍光層の発光主波長も、発光ダイオードの発光層が発する発光波長６００ｎｍ以上７００ｎｍ以下よりも短い発光波長を含むように構成することが可能となる。
【００２２】
本発明の実施の形態において、緑色〜赤色発光ダイオードは、青色発光ダイオードよりもバンドギャップエネルギーが小さいため、１．８Ｖ〜２．４Ｖ程度の比較的低い電圧で駆動することができ、３Ｖ系の電圧回路に組込むのも容易である。
【００２３】
本発明の実施の形態において、発光ダイオードチップには、ＧａＡｓ系、ＡｌＧａＡｓ系、ＡｌＧａＩｎＰ系、あるいはＧａＰ系等のいわゆる化合物半導体のうちのいずれかから選択された材料を用いることができる。
発光ダイオードチップの発光波長の方が蛍光体の蛍光層の発光波長よりも長いことを考慮すると、緑色ないし赤色を発光波長領域として持つＧａＡｓ系、ＡｌＧａＡｓ系、ＡｌＧａＩｎＰ系の材料が好ましい。これらの中でも特に、励起光源として高い発光出力が期待されるＡｌＧａＩｎＰ系の材料がさらに好ましい。もちろん、これら以外の材料を用いてもよいが、３Ｖ系の回路に組込むことを考慮すると、駆動電圧が３Ｖ以下となるような材料の選定が好ましい。
発光ダイオードチップの発光と蛍光体の蛍光層の発光が、互いに補色または補色に近い関係となるような選択をすると、得られる混合光は白色光あるいは白色に近い光となる。蛍光体の蛍光層が複数（混合層あるいは積層）ある場合には、それぞれの蛍光体の蛍光層の混合光が発光ダイオードチップの発光と補色または補色に近い関係にあると、得られる混合光は白色光あるいは白色に近い光となり、同様の効果が得られる。いずれの場合でも、混合光の色度座標は、０．２≦ｘ≦０．５、かつ０．２≦ｙ≦０．５の範囲にあることが好ましい。
【００２４】
本発明の実施の形態において、無機蛍光体の蛍光層は、蛍光層が発する発光の波長が、励起光源となる発光ダイオードチップから発する発光の主波長よりも短くなるものを選択できる。蛍光層の具体的な元素としてはＣｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂの元素のうち少なくともｌ種類の元素を含む蛍光体が望ましいが、これら以外の材料を用いてもよい。この場合、発光ダイオードチップの発光と混合したときに所望の色が得られるような発光を有することが選択の指針となる。蛍光体は必ずしもｌ種類である必要はなく、発光波長の異なる２種類以上の蛍光体を混合、あるいは積層して用いてもよい。
【００２５】
本発明の実施の形態において、発光ダイオードが発する発光色の色度座標を所定の範囲に選定する理由は、つぎの通りである。
すなわち、発光ダイオードチップの発光と、無機蛍光体の蛍光層の発光は、共にそれぞれのエネルギー準位で規定されている波長の光しか放出できない。そのため、発光ダイオードチップと、無機蛍光体の蛍光層を、単独で発光させたときのＣＩＥ−ＸＹＺ表色系における色度座標は、ある一点に固定される。
本発明の実施の形態における発光ダイオードチップの発光の色度座標を（ＸLED 、ＹLED ）とし、無機蛍光体の蛍光層の発光の色度座標を（ＸPH、ＹPH）とすると、本発明の実施の形態による発光ダイオードが発する発光の色度座標は、この２点（ＸLED 、ＹLED ）、（ＸPH、ＹPH）を結ぶ直線上に存在する。発光の色度座標が、直線上のどの点になるかは、発光ダイオードチップの発光強度と無機蛍光体の蛍光層の発光強度の比で決まり、発光ダイオードチップの発光強度が強ければ（ＸLED 、ＹLED ）に近づき、無機蛍光体の蛍光層の発光強度に近づけば（ＸPH、ＹPH）に近づく。したがって、無機蛍光体の蛍光層の配合量を制御することで２点間を結ぶ直線上の所望の色を得ることができることになる。無機蛍光体の蛍光層が２種類以上ある場合には、同様の方法で順次混合色の色度座標を求めて行くことにより、最終的な発光ダイオードの色度座標が求められる。なお、ＣＩＥ−ＸＹＺ表色系における混色については、例えば、「光工学ハンドブック」（小瀬 他、朝倉書店（１９８６））ｐｌｌ６〜１１９に詳細に述べられている。
【００２６】
本発明の実施の形態において、発光ダイオードチップは、必ずしも１つの化合物半導体、例えば、ＡｌＧａＩｎＰ系化合物半導体で構成する必要はなく、所望の発光色に合わせて、ＧａＡｓ系、ＡｌＧａＡｓ系、ＧａＰ系等の化合物半導体で構成することができる。さらに、発光ダイオードチップの発光色は必ずしも単色である必要はなく、所望の色が得られるように２つ以上の発光スペクトルのピークを持つ発光ダイオードチップを用いてもよい。これに合わせて、無機蛍光体の蛍光層も必ずしも１種類または２種類に制限する必要はなく、所望の発光色に合わせて、必要に応じて３種類以上の無機蛍光体の蛍光層を用いてもよい。さらに、無機蛍光体の蛍光層のアップコンバージョン発光波長は、必ずしもｌつである必要はなく、２つ以上のアップコンバージョン発光波長を持つ無機蛍光体の蛍光層を使用してもよい。
【００２７】
【発明の効果】
本発明の発光ダイオードによると、廉価な緑色ないし赤色発光ダイオードチップと、アップコンバージョン蛍光体として発光ダイオードチップから発する発光波長の少なくとも一部を吸収し波長変換して発光する少なくともｌ種類の無機蛍光体の蛍光層を組み合わせており、無機蛍光体の蛍光層が発する発光波長が発光ダイオードチップが発する発光波長よりも短い発光波長を含むように構成されているから、発光ダイオードチップに使用する発光原色が紫色ないし青緑色に制限されるという問題は解消し、しかも、３Ｖ以下の低い駆動電圧で使用することができるので、従来の青色発光ダイオードチップと蛍光体を組み合わせた発光ダイオードよりも安価な単色光以外の色を表現できる発光ダイオードを提供できるという効果がある。
【００２８】
また、本発明の発光ダイオードによると、これまで単色の発光ダイオードでは表現できなかった応用分野、例えば、液晶用バックライト、各種インジケータ、表示パネル等への利用が可能である。さらに、低消費電力、軽量、小型等の利点を生かして、蛍光灯等の従来の照明機器分野への置き換えも可能であるという産業上の効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態による発光ダイオードを示す断面模式図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態による発光ダイオードの発光スペクトルである。
【図３】本発明の第２の実施の形態による発光ダイオードを示す断面模式図である。
【図４】本発明の第２の実施の形態による発光ダイオードの発光スペクトルである。
【図５】本発明の第３の実施の形態による発光ダイオードを示す断面模式図である。
【図６】本発明の第３の実施の形態による発光ダイオードの発光スペクトルである。
【図７】本発明の第４の実施の形態による発光ダイオードを示す断面模式図である。
【図８】本発明の第４の実施の形態による発光ダイオードの発光スペクトルである。
【符号の説明】
１ ｎ型ＧａＡｓ基板
２ ｎ型ＧａＡｓバッファ層
３ ｎ型（Ａｌ0.7Ｇａ0.3）0.5Ｉｎ0.5Ｐクラッド層
（図にはｎ型クラッド層３と略して表示）
４ アンドープ（Ａｌ0.15Ｇａ0.85）0.5Ｉｎ0.5Ｐ活性層
（図にはアンドープ活性層４と略して表示）
５ ｐ型（Ａｌ0.7Ｇａ0.3）0.5Ｉｎ0.5Ｐクラッド層
（図にはｐ型クラッド層５と略して表示）
６ ｐ型ＧａＰ電流拡散層
７ 下部電極
８ 上部電極
９ 金ワイヤ
１０ 蛍光層
１１ ｎ型ＧａＡｓ基板
１２ ｎ型ＧａＡｓバッファ層
１３ ｎ型（Ａｌ0.7Ｇａ0.3）0.5Ｉｎ0.5Ｐクラッド層
（図にはｎ型クラッド層１３と略して表示）
１４ アンドープ（Ａｌ0.15Ｇａ0.85）0.5Ｉｎ0.5Ｐ活性層
（図にはアンドープ活性層１４と略して表示）
１５ ｐ型（Ａｌ0.7Ｇａ0.3）0.5Ｉｎ0.5Ｐクラッド層
（図にはｐ型クラッド層１５と略して表示）
１６ ｐ型ＧａＰ電流拡散層
１７ 下部電極
１８ 上部電極
１９ 金ワイヤ
２０ 蛍光層
２１ 発光ダイオードチップ
２２ 金属ステム
２３ 金属ステム
２４ 金ワイヤ
２５ 蛍光体入りエポキシ樹脂（蛍光層）
２６ 透明樹脂
２７ 発光ダイオードチップ
２８ 金属ステム
２９ 金属ステム
３０ 金ワイヤ
３１ 蛍光体入りエポキシ樹脂（蛍光層）
３２ 蛍光体入りエポキシ樹脂（蛍光層）
３３ 透明樹脂
Claims (2)
- 主発光波長として第１の波長の光を発する発光ダイオードチップと、前記第１の波長の光の少なくとも一部を吸収して前記第１の波長より小なる第２の波長の光を発する無機蛍光体を含有した蛍光層を備え、前記第１および第２の波長の光の混合光の発光色に基づいて発光するように構成された発光ダイオードにおいて、
前記発光ダイオードチップおよび前記蛍光層の前記無機蛍光体は、補色になる波長の光を前記第１および第２の波長の光として発することを特徴とする発光ダイオード。 - 前記発光ダイオードチップは、前記第１の波長の光として、６００ｎｍ〜７００ｎｍの波長の光を発することを特徴とする請求項１記載の発光ダイオード。
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