JP4864940B2 - 白色光源 - Google Patents

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Description

本発明は、白色発光素子及び白色発光素子を備えた白色光源に関するものであり、例えば白色発光ダイオードに適用できる。
ＡｌｘＧａｙＩｎ（１−ｘ−ｙ）Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦１−ｘ−ｙ≦１）と表記されるＧａＮ系III−V族化合物半導体(以下、「ＧａＮ系半導体」という。）は、室温でのＧａＮの禁制帯幅が３．４ｅＶであり、青色及び緑色において高出力の発光素子を実現できる材料である。ＧａＮ系半導体は、既に、青色・緑色発光ダイオードとして各種表示、大型ディスプレイや信号機で実用化されており、さらに、白色光源の発光素子としての利用も検討されている。
このような白色光源が実現できれば、現行の蛍光灯、白熱灯を置き換える半導体照明の実現が可能であり、その高輝度化及び発光効率改善を目指して半導体照明の研究開発が活発に進められている。例えば、非特許文献１には、窒化物半導体を発光素子とする青色発光ダイオード（以下、「ＧａＮ系青色発光ダイオード」という。）を励起光源に用い、ＹＡＧ蛍光体を白色発光素子に用いた白色光源が開示されている。この白色光源では、青色発光ダイオードからの青色の光（ピーク波長が約４７０ｎｍである光）がＹＡＧ蛍光体に照射され、一部の青色の光がＹＡＧ蛍光体に吸収される。これにより、ＹＡＧ蛍光体は黄色の光を発する。また、残りの青色の光は、ＹＡＧ蛍光体に吸収されることなくＹＡＧ蛍光体をそのまま透過する。以上より、この白色光源では、ＹＡＧ蛍光体に青色の光を照射することにより、青色の光と黄色の光とで構成される白色光が発せられる、と記載されている。そして、この白色光源は既に商品化されており、各種表示用などとして使用されている。
S.Nakamura et. al., " The Blue Laser Diode", Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York
しかしながら、この白色光源を照明に用いるためには、高輝度化及び発光効率向上に加えて、照明に使用した際の色の見え方、即ち演色性を高めることが重要である。この白色光源の発光スペクトルは、黄色の光及び青色の光のみからなり、赤色成分が少ない。その結果、この白色光源が発する光は、白色光としての演色性が悪い。
本発明は、前述の技術的課題に鑑み、演色性の高い白色光を発する白色発光素子及びその白色発光素子と励起光源とを一体化した白色光源を提供することを目的とする。
本発明の第１の白色発光素子は、可視光線が照射されることにより白色光を発生させる白色発光素子であって、前記可視光線が透過する基板と、当該基板の表面に形成された半導体層と、当該半導体層が設けられた表面と反対側の前記基板の表面または当該半導体層の表面に形成された蛍光体層と、を備え、前記蛍光体層は、前記可視光線が照射されることにより黄色の光または緑色の光を発し、前記半導体層は、前記可視光線が照射されることにより赤色の光を発する。
本発明の第２の白色発光素子は、紫外線が照射されることにより白色光を発生させる白色発光素子であって、前記紫外線が透過する基板と、当該基板の表面に形成された半導体層と、当該半導体層が設けられた表面と反対側の前記基板の表面または当該半導体層の表面に形成された蛍光体層と、を備え、前記蛍光体層は、前記紫外線が照射されることにより黄色の光または緑色の光と青色の光とを発し、前記半導体層は、前記紫外線が照射されることにより赤色の光を発する。
第２の白色発光素子では、前記蛍光体層は、複数の蛍光体を含み、前記各蛍光体は、前記紫外線が照射されることにより、それぞれ異なる色の光を発することが好ましい。
また、第１、２の白色発光素子では、前記黄色の光または緑色の光を発する蛍光体層は、ＹＡＧ蛍光体を含んでいてもよい。
本発明の第３の白色発光素子は、紫外線が照射されることにより白色光を発生させる白色発光素子であって、前記紫外線が透過する基板と、当該基板の表面に形成された半導体層と、を備え、前記半導体層は、前記紫外線が照射されることにより赤色の光と黄色の光または緑色の光と青色の光とを発する。
第１、２、３の白色発光素子では、前記可視光線または紫外線が照射されることにより、赤色の光と黄色の光または緑色の光と青色の光とで構成される白色光を発することが好ましい。
本発明の第４の白色発光素子は、紫外線あるいは可視光線が照射されることにより白色光を発生させる白色発光素子であって、前記紫外線あるいは可視光線が透過する基板と、当該基板の表面に形成されている半導体層と、を備え、前記半導体層は、元素組成比が異なる複数の化合物半導体層からなり、前記各化合物半導体層は、それぞれの禁制帯幅の値が前記基板の表面から前記半導体層の表面へ向かう方向において単調に増加あるいは単調に減少するように形成されている。
第４の白色発光素子では、前記各化合物半導体層を構成する各化合物半導体の結晶構造におけるそれぞれの格子定数は一定の値を有することが好ましい。
また、第４の白色発光素子では、前記各化合物半導体の元素組成比がそれぞれ異なることにより当該各化合物半導体の発する光の波長はそれぞれ異なり、前記各化合物半導体の発する複数の光で構成される白色光を発することが好ましい。
本発明の第５の白色発光素子は、紫外線あるいは可視光線が照射されることにより白色光を発生させる白色発光素子であって、前記紫外線が透過する基板と、当該基板の表面に形成されている半導体層と、を備え、前記半導体層は、化合物半導体からなり、前記化合物半導体の元素組成比は、前記基板の表面から前記半導体層の表面へ向かう方向において連続的に変化している。
第５の白色発光素子では、前記半導体層を構成する化合物半導体の結晶構造における格子定数は、前記基板の表面から前記半導体層の表面へ向かう方向において一定の値を有することが好ましい。
また、第５の白色発光素子では、前記半導体層を構成する化合物半導体の元素組成比が異なることにより当該各化合物半導体の発する光の波長は異なり、前記化合物半導体の発する複数の光で構成される白色光を発することが好ましい。
第１、２、３、４、５の白色発光素子では、前記半導体層は、不純物を含んでおり、前記半導体層では、前記可視光線または紫外線が照射されることにより、前記不純物に起因するエネルギー準位を介した電子と正孔との再結合により可視領域の光を発することが好ましい。そして、前記半導体層は、Ｓｉ、Ｍｇ、Ｚｎのうちいずれかあるいはそのうちの複数を不純物として含んでいてもよい。
また、第１、２、３、４、５の白色発光素子では、前記半導体層は、不純物を含んでおり、前記半導体層では、前記可視光線または紫外線が照射されることにより、前記不純物の内殻電子のエネルギー準位を介して可視領域の光を発することが好ましい。そして、前記半導体層は、Ｅｕ、Ｓｍ、Ｙｂのうちいずれかあるいはそのうちの複数を不純物として含んでいてもよい。また、前記不純物は、イオン注入により前記半導体層に添加されていることが好ましい。
また、第１、２、３、４、５の白色発光素子では、前記半導体層はＡｌｘＧａｙＩｎ（１−ｘ−ｙ）Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦１−ｘ−ｙ≦１）により形成されていてもよい。
また、第１、２、３、４、５の白色発光素子では、前記可視光線または紫外線が透過する基板は、サファイアにより形成されていてもよい。
第１の白色光源は、励起光源と、当該励起光源からの光が照射されることにより白色光を発生させる白色発光素子と、を備えている白色光源であって、前記励起光源は、可視光を発し、前記白色発光素子は、前記励起光源からの光が透過する基板と、当該基板の表面に形成された半導体層と、当該半導体層が設けられた表面と反対側の前記基板の表面または当該半導体層の表面に形成された蛍光体層と、を備え、前記蛍光体層は、前記可視光が照射されることにより黄色の光または緑色の光を発し、前記半導体層は、前記可視光が照射されることにより赤色の光を発する。
第２の白色光源は、励起光源と、当該励起光源からの光が照射されることにより白色光を発生させる白色発光素子と、を備えている白色光源であって、前記励起光源は、紫外線を発し、前記白色発光素子は、前記励起光源からの光が透過する基板と、当該基板の表面に形成された半導体層と、当該半導体層が設けられた表面と反対側の前記基板の表面または当該半導体層の表面に形成された蛍光体層と、を備え、前記蛍光体層は、前記紫外線が照射されることにより黄色の光または緑色の光と青色の光とを発し、前記半導体層は、前記紫外線が照射されることにより赤色の光を発する。
本発明の第２の白色光源では、前記蛍光体層は、複数の蛍光体を含み、前記各蛍光体は、前記紫外線が照射されることにより、それぞれ異なる色の光を発することが好ましい。
第１、２の白色光源では、前記黄色の光または緑色の光を発する蛍光体層は、ＹＡＧ蛍光体を含んでいてもよい。
本発明の第３の白色光源は、励起光源と、当該励起光源からの光が照射されることにより白色光を発生させる白色発光素子と、を備えている白色光源であって、前記励起光源は、紫外線を発し、前記白色発光素子は、前記励起光源からの光が透過する基板と、当該基板の表面に形成された半導体層と、を備え、前記半導体層は、前記紫外線が照射されることにより赤色の光と黄色の光または緑色の光と青色の光とを発する。
第３の白色光源では、前記可視光または紫外線が照射されることにより、赤色の光と黄色の光または緑色の光と青色の光とで構成される白色光を発することが好ましい。
第４の白色光源は、励起光源と、当該励起光源からの光が照射されることにより白色光を発生させる白色発光素子と、を備えている白色光源であって、前記励起光源は、紫外線あるいは可視光線を発し、前記白色発光素子は、前記励起光源からの光が透過する基板と、当該基板の表面に形成されている半導体層と、を備え、前記半導体層は、元素組成比が異なる複数の化合物半導体層からなり、前記各化合物半導体層は、それぞれの禁制帯幅の値が前記基板の表面から前記半導体層の表面へ向かう方向において単調に増加あるいは単調に減少するように形成されている。
第４の白色光源では、前記各化合物半導体層を構成する各化合物半導体の結晶構造におけるそれぞれの格子定数は一定の値を有することが好ましい。
また、第４の白色光源では、前記各化合物半導体の元素組成比がそれぞれ異なることにより当該各化合物半導体の発する光の波長はそれぞれ異なり、前記各化合物半導体の発する複数の光で構成される白色光を発することが好ましい。
本発明の第５の白色光源は、励起光源と、当該励起光源からの光が照射されることにより白色光を発生させる白色発光素子と、を備えている白色光源であって、前記励起光源は、紫外線あるいは可視光線を発し、前記白色発光素子は、前記励起光源からの光が透過する基板と、当該基板の表面に形成されている半導体層と、を備え、前記半導体層は、化合物半導体からなり、前記各化合物半導体の元素組成比は、前記基板の表面から前記半導体層の表面へ向かう方向において連続的に変化している。
第５の白色光源では、前記半導体層を構成する化合物半導体の結晶構造における格子定数は、前記基板の表面から前記半導体層の表面へ向かう方向において一定の値を有する異が好ましい。
第５の白色光源では、前記半導体層を構成する化合物半導体の元素組成比が異なることにより当該各化合物半導体の発する光の波長はそれぞれ異なり、前記化合物半導体の発する複数の光で構成される白色光を発することが好ましい。
第１、２、３、４、５の白色光源では、前記半導体層は、不純物を含んでおり、前記半導体層では、前記可視光線または紫外線が照射されることにより、前記不純物に起因するエネルギー準位を介した電子と正孔との再結合により可視領域の光を発することが好ましい。そして、前記半導体層は、Ｓｉ、Ｍｇ、Ｚｎのうちいずれかあるいはそのうちの複数を不純物として含んでいてもよい。
また、第１、２、３、４、５の白色光源では、前記半導体層は、不純物を含んでおり、前記半導体層では、前記可視光線または紫外線が照射されることにより、前記不純物の内殻電子のエネルギー準位を介して可視領域の光を発することが好ましい。そして、前記半導体層は、Ｅｕ、Ｓｍ、Ｙｂのうちいずれかあるいはそのうちの複数を不純物として含んでいてもよい。また、前記不純物は、イオン注入により前記半導体層に添加されていることが好ましい。
また、第１、２、３、４、５の白色光源では、前記半導体層は、ＡｌｘＧａｙＩｎ（１−ｘ−ｙ）Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦１−ｘ−ｙ≦１）により形成されていてもよい。
また、第１、２、３、４、５の白色光源では、前記可視光線または紫外線が透過する基板は、サファイアにより形成されていてもよい。
本発明の白色発光素子は、青色の光を発する半導体層と黄色の光または緑色の光を発する半導体層または蛍光体層とを備えているだけでなく、赤色の光を発する半導体層を備えている。そのため、本発明の白色発光素子が発する白色光は、青色の光と黄色の光または緑色の光と赤色の光とで構成される。従って、本発明の白色発光素子は、青色発光ダイオードからの発光によりＹＡＧ蛍光体を励起するという従来の白色光源が発する白色光よりも演色性の高い白色光を発する。
本発明の白色光源は、上記の本発明の白色発光素子を備えているため、演色性の高い白色光を発することができる。
実施形態を説明する前に、まず、比較の形態として、図１７及び図１８を用いて、ＧａＮ系青色発光ダイオードを励起光源としＹＡＧ蛍光体を白色発光素子とする白色光源７の構造及びその白色光源７が白色光を発するメカニズムを説明する。ここで、図１７は比較の実施形態の白色光源７の構造を示す断面図であり、図１８は図１７に示す白色光源７から発光スペクトル図である。
まず、白色光源７の構造を説明する。
この白色光源７は、図１７に示すように、パッケージ７１の表面に形成された基板７２と、基板７２の表面に形成された半導体層７３と、半導体層７３の表面に形成された電極７６，７７，７８と、半導体層７３と電極７６，７７，７８とを覆うように形成された蛍光体層７９と、を備えている。基板７２は、サファイアからなり、可視光線を透過する。半導体層７３は、３層の化合物半導体の層からなり、ｎ型ＩｎＧａＡｌＮ層７３ａと、ＩｎＧａＡｌＮ活性層７３ｂと、ｐ型ＩｎＧａＡｌＮ層７３ｃとで構成され、この順に積層されている。ここで、ＩｎＧａＡｌＮ活性層７３ｂとｐ型ＩｎＧａＡｌＮ層７３ｃとは一部が除去されており、そのため、半導体層７３において、ｎ型ＩｎＧａＡｌＮ層７３ａの一部は露出している。ｐ型ＩｎＧａＡｌＮ層７３ｃの表面にはＮｉ／Ａｕ透明電極７６が形成されており、Ｎｉ／Ａｕ透明電極７６の表面の一部にはＡｕ電極７７が形成されており、前記の露出したｎ型ＩｎＧａＡｌＮ層７３ａの表面にはＴｉ／Ａｕ電極７８が形成されている。
次に、白色光源７の製造方法を示す。
初めに、例えば有機金属気相成長法(Metal Organic Chemical Vapor Deposition: MOCVD法）により、サファイアからなる基板７２上に、ｎ型ＩｎＧａＡｌＮ層７３ａとＩｎＧａＡｌＮ活性層７３ｂとｐ型ＩｎＧａＡｌＮ層７３ｃとをこの順に形成する。
次に、ＩｎＧａＡｌＮ活性層７３ｂとｐ型ＩｎＧａＡｌＮ層７３ｃとに対して、例えばＣｌ２ガスを用いてドライエッチングを行う。そして、ドライエッチングを行った表面（ｎ型ＩｎＧａＡｌＮ層７３ａ表面）に、Ｔｉ／Ａｕ電極７８を形成する。これにより、Ｔｉ／Ａｕ電極７８を介してｎ型半導体層側電極を取り出すことが可能となり、ｎ型ＩｎＧａＡｌＮ層７３側にボンディングパッドを形成することができる。また、ｐ型ＩｎＧａＡｌＮ層７３ｃのドライエッチングを行っていない表面にＮｉ／Ａｕ透明電極７６を形成し、Ｎｉ／Ａｕ透明電極７６の表面の一部にＡｕ電極７７を形成する。このとき、Ｎｉ／Ａｕ電極７６の膜厚を10nmかそれ以下とすることにより、Ｎｉ／Ａｕ電極７６を透明電極とすることができる。
続いて、上記の工程で製造された電極付き半導体層を、例えば、一辺300μmの正方形からなる発光ダイオードチップに分割し、パッケージ表面７１に実装してワイヤボンディングを行う。
その後、パッケージ７１上にＹＡＧ蛍光体を滴下し硬化させることにより、半導体層７３及び電極７６，７７，７８を覆って蛍光体層７９を形成する。これにより、白色光源７を製造することができる。
次に、白色光源７が白色光を発するメカニズムを説明する。
白色光源７において、Ａｕ電極７７とＴｉ／Ａｕ電極７８とに対して外部電圧を印加すると、白色光源７に電流が流れる。すると、ＩｎＧａＡｌＮ活性層７３ｂは、ピーク波長が470nmである青色の光を発する。そして、この青色の光は、Ｎｉ／Ａｕ電極７６が透明電極であるため、Ｎｉ／Ａｕ電極７６を透過して蛍光体層７９を励起する。ここで、ＹＡＧ蛍光体は青色の光を吸収するとピーク波長が約550nmである黄色の光を発する。そのため、ＹＡＧ蛍光体に吸収された青色の光は黄色の光となって蛍光体層７９から発せられる。また、蛍光体層７９に吸収されなかった青色の光は、蛍光体層７９を透過する。以上より、図１８に示すように、白色光源７が発する光は、蛍光体層７９から発せられた黄色の光（図１８の右側のピーク）と蛍光体層７９に吸収されなかった青色の励起光（図１８の左側のピーク）とで構成される白色光である。これにより、白色光源７が発する光は、青色の光と黄色の光とで構成される白色光となる。
しかしながら、白色光源７が発する白色光は２色で構成されているため、白色光におけるスペクトル中の赤色成分が少なく、演色性に優れない。ここで、白色光が演色性に優れない（白色光の演色性が低い）とは、白色光で照らした場合の物体の見え方と自然光で照らした場合のその物体の見え方とが異なるという意味である。逆に、白色光が演色性に優れる（白色光の演色性が高い）とは、白色光で照らした場合の物体の見え方と自然光で照らした場合のその物体の見え方とがほとんど同じであるという意味である。そのため、白色光を照明用に用いるためには、演色性に優れた白色光を用いることが好ましい。そこで、青色を発する半導体層と黄色を発する半導体層または蛍光体層とを備えているだけでなく、赤色の光を発する半導体層または蛍光体層も備えている白色発光素子を、白色光源の白色発光素子として用いることにより、その白色光源が発する白色光の演色性が高くなる、という本願発明に至った。以下に、本発明の実施形態を示す。なお、以下に示す実施形態は例であって、本発明はこれらの実施形態に限定されない。
《実施形態１》
以下、実施形態１について図１から図３を参照しながら説明する。
本実施形態では、白色光源１の構造、白色光源１の製造方法及び白色光源１が白色光を発するメカニズムを説明する。なお、図１は本実施形態における白色光源１の模式図であり、図２は本実施形態における白色光源１の製造方法を示す図であり、図３は本実施形態における白色光源１が発する光のスペクトル図である。
まず、白色光源１の構造を説明する。
白色光源１は、図１に示すように、励起光源１９と、励起光源１９の発する光が透過可能な位置に設けられた白色発光素子１０と、を備えている。そして、白色発光素子１０は、励起光源１９の発する光が透過するサファイア基板（基板）１１と、サファイア基板１１の表面にエピタキシャル成長された半導体層１２と、半導体層１２が設けられた表面と反対側のサファイア基板１１の表面に形成されている蛍光体層１３と、を備えている。
励起光源１９は、ピーク波長が470nmである青色の光を発する青色発光ダイオードである。半導体層１２は、例えばＩｎ０．４Ｇａ０．６ＮなどのＡｌｘＧａｙＩｎ（１−ｘ−ｙ）Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦１−ｘ−ｙ≦１）で形成されている。そして、半導体層１２の禁制帯幅は１．９ｅＶである。そのため、可視光線（例えば、青色の光）または紫外線が半導体層１２に照射されると、半導体層１２はピーク波長が650nmである赤色の光を発する。蛍光体層１３は、ＹＡＧ蛍光体で形成されている。そのため、可視光線（例えば、青色の光）または紫外線が蛍光体層１３に照射されると、蛍光体層１３はピーク波長が550nmである黄色の光を発する。
次に、白色発光素子１０を集積化した白色光源１’の製造方法を説明する。
まず、サファイア基板１１の表面に、MOCVD法により半導体層１２となるＩｎ０．４Ｇａ０．６Ｎ層を形成する。これにより、半導体層１２は、サファイア基板１１上にエピタキシャル成長される。このとき、サファイア基板１１の表面は、サファイアの（０００１）面である。
次に、図２（ｂ）に示すように、半導体層１２がエピタキシャル成長された表面と反対側のサファイア基板１１の表面に、蛍光体層１３となるＹＡＧ蛍光体層を形成する。従って、サファイア基板１１の両表面には、各々、半導体層１２と蛍光体層１３とが形成される。これにより、図１に示す白色発光素子１０が形成される。なお、蛍光体層１３を形成する前に、サファイア基板１１を研磨して、サファイア基板１１を例えば100μm以下の厚さになるように薄膜化してもよい。
そして、白色発光体素子１０を、例えば1mm角にダイシングする。その後、図２（ｃ）に示すように、パッケージ１６に白色光源１の励起光源１９となる青色発光ダイオードチップ１９’を設け、接着剤１７を用いてパッケージ１６に白色発光素子１０を接着する。これにより、商用上使用できるように小型化された白色光源１’を製造することができる。
続いて、図１を用いて、白色光源１が白色光を発するメカニズムを説明する。なお、図１に示す矢印は、各々、半導体層１２、蛍光体層１３及び励起光源１９が発する光を表す。
一般に、ピーク波長が470nmである青色の光がＩｎ０．４Ｇａ０．６Ｎ層に照射されると、その青色の光は吸収されて赤色の光が発せられる。また、ピーク波長が470nmである青色の光がＹＡＧ蛍光体層に照射されると、その青色の光は吸収されて黄色の光が発せられる。そして、本実施形態では、励起光源１９として青色発光ダイオードを用い、且つ、白色発光素子１０を励起光源１９からの光が透過可能となる位置に設けている。
励起光源１９の発する青色の光が白色発光素子１０に到達すると、その一部は半導体層１２に吸収される。これにより、半導体層１２は、ピーク波長が650nmである赤色の光を発する。そして、この赤色の光は、サファイア基板１１及び蛍光体層１３を透過して、白色発光素子１０の外部へ放射される。
半導体層１２に吸収されなかった青色の光は、サファイア基板１１を透過して、蛍光体層１３へ到着する。すると、この青色の光の一部は、蛍光体層１３に吸収される。これにより、蛍光体層１３は、ピーク波長が550nmである黄色の光を発する。そして、この黄色の光は、白色発光素子１０の外部へ放射される。
半導体層１２及び蛍光体層１３に吸収されなかった青色の光は、半導体層１２、サファイア基板１１及び蛍光体層１３を透過して、白色発光素子１０の外部へ放射される。
以上より、励起光源１９が発する青色の光を白色発光素子１０に照射すると、白色発光素子１０は、半導体層１２が発する赤色の光と、蛍光体層１３が発する黄色の光と、励起光源１９が発しそのまま白色発光素子１０を透過する青色の光と、で構成される白色光を発する。すなわち、白色光源１は、図３に示すように、ピーク波長が650nmである赤色の光（右側のピーク）とピーク波長が550nmである黄色の光（中央のピーク）とピーク波長が470nmである青色の光（左側のピーク）とで構成される白色光を発する。比較の形態における白色光源７が発する白色光は、青色の光と黄色の光とで構成されており、白色光源１が発する白色光は、青色の光及び黄色の光に付け加え赤色の光を含む。そのため、白色光源１が発する白色光の演色性は、比較の形態における白色光源７が発する白色光の演色性よりも高くなる。
以下に、本実施形態における白色光源１及び白色発光素子１０が奏する効果を示す。
比較の形態における白色光源７が発する白色光は、励起光源から発せられ半導体層及び蛍光体層を透過した青色の光と、その青色の光が蛍光体層で吸収されることにより発せられる黄色の光と、で構成されていた。一方、白色発光素子１０は、ピーク波長が470nmである青色の光が照射されたときに、ピーク波長が650nmである赤色の光を発する半導体層１２とピーク波長が550nmである黄色の光を発する蛍光体層１３とを備えている。また、励起光源１９が発する青色の光のうち半導体層１２及び蛍光体層１３に吸収されなかった光は、白色発光素子１０を透過する。そのため、白色光源１が発する白色光は、赤色の光と黄色の光と青色の光とで構成される。従って、比較の形態における白色光源が発する白色光に赤色の光が含まれるため、白色光源１が発する白色光の演色性は、比較の形態における白色光源７が発する白色光の演色性に比べて向上する。また、比較の形態における白色発光素子に赤色の光を発する半導体層１２を設けるだけで、白色光の演色性を高めることができる。
なお、本実施形態において、サファイア基板１１の表面はサファイアの（０００１）面に限定されることはなく、いかなる面方位でも良い。例えば、サファイアの（０００１）面等の代表面からオフアングルのついた面方位であっても良い。
また、本実施形態において、基板をサファイア基板１１としたが、これに限定されることはなく、可視光線を透過する基板であれば用いることができる。例えば、ＳｉＣやＳｉやＧａＡｓなどで形成された基板を用いてもよい。なお、ＳｉやＧａＡｓで形成された基板を用いる場合には、半導体を結晶成長させた後に半導体を分離除去する必要がある。
また、サファイア基板１１に半導体層１２を形成するときのの結晶成長方法はMOCVD法に限定されることはなく、例えば、MBE(Molecular Beam Epitaxy；分子線エピタキシー)法やHVPE(Hydride Vapor Phase Epitaxy；ハイドライド気相成長)法を用いて結晶成長させてもよい。
また、半導体層１２は、Ａｓ、ＰなどのV族元素あるいはＢなどのIII族元素を構成元素として含んでいてもよい。また、半導体層１２は、Ｚｎ、ＭｇやＳｉを不純物として含んでいてもよい。そして、Ｚｎ、ＭｇやＳｉが不純物として含まれている場合、半導体層１２は、この不純物の準位を介した電子と正孔との再結合により赤色に発光する。
また、サファイア基板１１と半導体層１２との間に、ＧａＮ下地層及びＧａＮあるいはＡｌＮで形成されている薄膜バッファ層が形成されていてもよい。また、半導体層１２は、多重量子井戸構造を含み輝度が向上するよう構成されていてもよく、ＩｎｘＧａ（１−ｘ）Ｎ（０≦ｘ≦１）で構成されＩｎ組成が面内で均一でなくてもよい。
更に、蛍光体層１３は、半導体層１２が設けられた表面に形成されていてもよい。
また、励起光源１９において、青色に発光する素子はＡｌｘＧａｙＩｎ（１−ｘ−ｙ）Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦１−ｘ−ｙ≦１）で形成されている半導体層であってもよく、また、それ以外の組成式で表される半導体層であってもよい。
《実施形態２》
以下、実施形態２について図４及び図５を参照しながら説明する。
本実施形態では、白色光源２の構造、白色光源２の製造方法及び白色光源２が白色光を発するメカニズムを説明する。なお、図４は本実施形態における白色光源２の模式図であり、図５は本実施形態における白色光源２が発する光のスペクトル図である。また、図４において、図１と同一の物質及び機能を示す部分には、図１と同一の符号を付している。
本実施形態における白色光源２では、上記実施形態１における白色光源１と異なり、励起光源２９が発する光は紫外線であり、蛍光体層２３が２層からなる。
まず、白色光源２の構造を説明する。
白色光源２は、図４に示すように、励起光源２９と、励起光源２９からの光が透過可能な位置に設けられた白色発光素子２０と、を備えている。そして、白色発光素子２０は、励起光源２９からの光が透過するサファイア基板１１と、サファイア基板１１の表面にエピタキシャル成長された半導体層１２と、半導体層１２が設けられた表面と反対側の表面に形成されている蛍光体層２３と、を備えている。
励起光源２９は、ピーク波長が340nmである紫外線を発する紫外発光ダイオードである。上記実施形態１では、励起光源１９として青色発光ダイオードを用いている。そのため、白色光源１が発する白色光を構成する青色の光は、励起光源１９から発せられた光である。一方、本実施形態では、励起光源２９として紫外発光ダイオードを用いている。そのため、白色光源２が発する白色光を構成する青色の光は、励起光源２９から発せられた光ではなく、励起光源２９からの紫外線を蛍光体層２３が吸収して発せられた光である。すなわち、白色光源２から発せられる白色光は、励起光源２９からの紫外線が吸収されたことにより発せられる光のみで決まる。従って、白色光源２の方が、上記実施形態１における白色光源１に比べて、発せられる白色光の演色性を容易に制御でき、再現性が良いとともに演色性に優れた白色光を発することができる。
半導体層１２はＩｎ０．４Ｇａ０．６Ｎで形成されており、この禁制帯幅は１．９ｅＶである。そのため、半導体層１２は、可視光線または紫外線が照射されると、ピーク波長が650nmである赤色の光を発する。蛍光体層２３は、可視光線または紫外線が照射されることにより緑色に発光する蛍光体層（以下、「緑色発光蛍光体層」という。）２３ａと、可視光線または紫外線が照射されることにより青色に発光する蛍光体層（以下、「青色発光蛍光体層」という。）２３ｂと、で構成されており、この順に積層されている。
次に、白色発光素子２０を集積化した白色光源（不図示）の製造方法を説明する。
本実施形態では、上記実施形態１における半導体層１２が設けられた表面と反対側のサファイア基板の表面に蛍光体層１３となるＹＡＧ蛍光体層を形成するという工程（図２（ｂ）に示す工程）において、ＹＡＧ蛍光体層を設ける代わりに緑色発光蛍光体層２３ａと青色発光蛍光体層２３ｂとを設ければよい。それ以外の点は上記実施形態１における白色発光素子１０を集積化した白色光源１’の製造方法と同一である。
続いて、図４を用いて、白色光源２が白色光を発するメカニズムを説明する。なお、図４に示す矢印は、各々、半導体層１２、蛍光体層２３及び励起光源２９が発する光を表す。
白色光源２では、励起光源２９として紫外発光ダイオードを用い、且つ、励起光源２９からの光が透過可能な位置に白色発光素子２０が設けられている。
励起光源２９が発する紫外線が白色発光素子２０に到達すると、その一部は半導体層１２に吸収される。これにより、半導体層１２は、ピーク波長が650nmである赤色の光を発する。そして、この赤色の光は、サファイア基板１１及び蛍光体層２３を透過して、白色発光素子２０の外部へ放射される。
半導体層１２に吸収されなかった紫外線は、サファイア基板１１を透過して、緑色発光蛍光体層２３ａへ到着する。すると、その紫外線の一部は、緑色発光蛍光体層２３ａに吸収される。これにより、緑色発光蛍光体層２３ａは、ピーク波長が550nmである緑色の光を発する。そして、この緑色の光は、青色発光蛍光体層２３ｂを透過して、白色発光素子２０の外部へ放射される。
また、半導体層１２及び緑色発光蛍光体層２３ａに吸収されなかった紫外線は、その一部が青色発光蛍光体層２３ｂに吸収される。これにより、青色発光蛍光体層２３ｂは、ピーク波長が470nmである青色の光を発する。そして、この青色の光は、白色発光素子２０の外部へ放射される。
以上より、励起光源２９が発する紫外線を白色発光素子２０に照射すると、白色発光素子２０は、半導体層１２が発する赤色の光と、蛍光体層２３の緑色発光蛍光体層２３ａが発する緑色の光と、蛍光体層２３の青色発光蛍光体層２３ｂが発する青色の光と、で構成される白色光を発する。すなわち、白色光源２は、図５に示すように、ピーク波長が650nmである赤色の光（右側のピーク）とピーク波長が550nmである緑色の光（中央のピーク）とピーク波長が470nmである青色の光（左側のピーク）とで構成される白色光を発する。よって、白色光源２が発する白色光は、比較の形態における白色光源７が発する白色光に赤色の光が加えられてなるため、その演色性は白色光源７が発する白色光の演色性に比べて高くなる。
なお、図５に示すスペクトルにおいて、340nm付近観測されるピークは、半導体層１２及び蛍光体層２３に吸収されなかった紫外線が白色発光素子２０の外部に放射されたことにより生じたピークである。
以下に、本実施形態における白色光源２及び白色発光素子２０が奏する効果を示す。本実施形態において用いられる蛍光体は、蛍光灯にて広く用いられており、そのため、その輝度は十分高い。その結果、白色光源２が発する白色光の演色性は、向上する。
なお、本実施形態において、蛍光体層２３は、緑色発光蛍光体層２３ａと青色発光蛍光体層２３ｂとで構成されているとしたが、層状構造を有している必要はなく、緑色に発光する蛍光体と青色に発光する蛍光体とを含んでいるだけでもよい。
《実施形態３》
以下、実施形態３について図６及び図７を参照しながら説明する。
本実施形態では、白色光源３の構造、白色光源３の製造方法及び白色光源３が白色光を発するメカニズムを説明する。なお、図６は本実施形態における白色光源３の模式図であり、図７は本実施形態における白色光源３の製造方法を示す図である。また、図６において、図１と同一の物質及び機能を示す部分には、図１と同一の符号を付している。
本実施形態における白色発光素子３０は、上記実施形態１における白色発光素子１０と異なり、蛍光体層を備えておらず、３層からなる半導体層３２を備えている。
まず、白色光源３の構造を説明する。
白色光源３は、図６に示すように、励起光源２９と、励起光源２９からの光が透過可能な位置に設けられた白色発光素子３０と、を備えている。そして、白色発光素子３０は、励起光源２９からの光が透過するサファイア基板１１と、サファイア基板１１の表面にエピタキシャル成長された半導体層３２と、を備えている。
励起光源２９は、ピーク波長が340nmである紫外線を発する紫外発光ダイオードである。半導体層３２は、可視光線または紫外線が照射されることにより青色を発光するＩｎＧａＡｌＮ層（以下、「青色発光ＩｎＧａＡｌＮ層」という。）３２ａと、可視光線または紫外線が照射されることにより緑色を発光するＩｎＧａＡｌＮ層（以下、「緑色発光ＩｎＧａＡｌＮ層」という。）３２ｂと、可視光線または紫外線が照射されることにより赤色を発光するＩｎＧａＡｌＮ層（以下、「赤色発光ＩｎＧａＡｌＮ層」という。）３２ｃと、で構成されており、この順に積層されている。ここで、青色発光ＩｎＧａＡｌＮ層３２ａは、例えば、Ｉｎ０．２Ｇａ０．８Ｎであり、禁制帯幅が２．６ｅＶであり、発する光のピーク波長が470nmである。緑色発光ＩｎＧａＡｌＮ層３２ｂは、例えば、Ｉｎ０．３Ｇａ０．７Ｎであり、禁制帯幅が２．３ｅＶであり、発する光のピーク波長が550nmである。赤色発光ＩｎＧａＡｌＮ層３２ｃは、例えば、Ｉｎ０．４Ｇａ０．６Ｎであり、禁制帯幅が１．９ｅＶであり、発する光のピーク波長が650nmである。なお、Ｉｎ１−ｘ−ｙＧａｘＡｌｙＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦１−ｘ−ｙ≦１）を略してＩｎＧａＡｌＮと表記している。
次に、白色発光素子３０を集積化した白色光源３’の製造方法を説明する。
まず、MOCVD法により、サファイア基板１１の表面に青色発光ＩｎＧａＡｌＮ層３２ａとなる半導体層を形成し、その層の表面に緑色発光ＩｎＧａＡｌＮ層３２ｂとなる半導体層を形成し、その層の表面に赤色発光ＩｎＧａＡｌＮ層３２ｃとなる半導体層を形成する。これにより、図７（ａ）に示す白色発光素子３０が形成される。
次に、白色発光体素子３０を、例えば1mm角にダイシングする。その後、図７（ｂ）に示すように、パッケージ１６に白色光源３の励起光源２９となる紫外発光ダイオードチップ２９’を設け、接着剤１７を用いてパッケージ１６に白色発光素子３０を接着する。これにより、商用上使用できるように小型化された白色光源３’を製造することができる。
続いて、図６を用いて、白色光源３が白色光を発するメカニズムを説明する。
励起光源２９が発する紫外線が白色発光素子３０に到達すると、その一部は赤色発光ＩｎＧａＡｌＮ層３２ｃに吸収される。これにより、赤色発光ＩｎＧａＡｌＮ層３２ｃは、ピーク波長が650nmである赤色の光を発する。そして、この赤色の光は、緑色発光ＩｎＧａＡｌＮ層３２ｂ、青色発光ＩｎＧａＡｌＮ層３２ａ及びサファイア基板１１を透過して、白色発光素子３０の外部へ放射される。
赤色発光ＩｎＧａＡｌＮ層３２ｃに吸収されなかった紫外線のうちの一部は、緑色発光ＩｎＧａＡｌＮ層３２ｂに吸収される。これにより、緑色発光ＩｎＧａＡｌＮ層３２ｂは、ピーク波長が550nmである緑色の光を発する。そして、この緑色の光は、青色発光ＩｎＧａＡｌＮ層３２ａ及びサファイア基板１１を透過して、白色発光素子３０の外部へ放射される。
赤色発光ＩｎＧａＡｌＮ層３２ｃ及び緑色発光ＩｎＧａＡｌＮ層３２ｂに吸収されなかった紫外線のうちの一部は、青色発光ＩｎＧａＡｌＮ層３２ａに吸収される。これにより、青色発光ＩｎＧａＡｌＮ層３２ａは、ピーク波長が470nmである青色の光を発する。そして、この青色の光は、サファイア基板１１を透過して、白色発光素子３０の外部へ放射される。
以上より、励起光源２９が発する紫外線を白色発光素子３０に照射すると、白色発光素子３０は、青色発光ＩｎＧａＡｌＮ層３２ａが発する青色の光と、緑色発光ＩｎＧａＡｌＮ層３２ｂが発する緑色の光と、赤色発光ＩｎＧａＡｌＮ層３２ｃが発する赤色の光と、で構成される白色光を発する。よって、白色光源３が発する白色光は、比較の形態における白色光源７が発する白色光に赤色の光が加えられてなるため、その演色性は白色光源７が発する白色光の演色性に比べて高くなる。
以下に、本実施形態における白色光源３及び白色発光素子３０が奏する効果を示す。
本実施形態においては、半導体層３２が赤色の光、緑色の光及び青色の光を発する。そのため、白色発光素子３０には蛍光体層を設ける必要がないため、上記実施形態１及び２の白色発光素子１０、２０よりも容易に製造することができる。また、白色光源３及び白色発光素子３０は、上記実施形態１及び２で記載した効果も奏する。
なお、本実施形態において、半導体層３２は、青色発光ＩｎＧａＡｌＮ層３２ａと緑色発光ＩｎＧａＡｌＮ層３２ｂと赤色発光ＩｎＧａＡｌＮ層３２ｃとで構成されているが、層状構造を有している必要はなく、青色に発光するＩｎＧａＡｌＮと緑色に発光するＩｎＧａＡｌＮと赤色に発光するＩｎＧａＡｌＮとを含んでいるだけでもよい。
《実施形態４》
以下、実施形態４について図８から図１０を参照しながら説明する。
本実施形態では、白色光源４の構造、白色光源４の製造方法及び白色光源４が白色光を発するメカニズムを説明する。なお、図８は本実施形態における白色光源４の模式図であり、図９は本実施形態の白色発光素子４０の高さ方向に対する禁制帯幅（バンドギャップ）を示す図であり、図１０は本実施形態における白色光源４が発する光のスペクトル図である。また、図８において、図１と同一の物質及び機能を示す部分には、図１と同一の符号を付している。
本実施形態における白色発光素子４０は、上記実施形態１における白色発光素子１０と異なり、発光に関与しない半導体層４４，４５を備えている
まず、白色光源４の構造を説明する。
白色光源４は、図８に示すように、励起光源２９と、励起光源２９からの光が透過可能な位置に設けられた白色発光素子４０と、を備えている。そして、白色発光素子４０は、励起光源２９からの光が透過するサファイア基板１１と、サファイア基板１１の表面に形成されたＡｌＮバッファ層４４と、ＡｌＮバッファ層４４の表面に形成されたＧａＮ層４５と、ＧａＮ層４５の表面に形成された半導体層４２と、を備えている。そして、半導体層４２は、青色発光ＩｎＧａＡｌＮ層４２ａと、緑色発光ＩｎＧａＡｌＮ層４２ｂと、赤色発光ＩｎＧａＡｌＮ層４２ｃと、で構成されており、この順に積層されている。
励起光源２９は、ピーク波長を340nmとする紫外線を発する紫外線発光ダイオードである。青色発光ＩｎＧａＡｌＮ層４２ａ、緑色発光ＩｎＧａＡｌＮ層４２ｂ及び赤色発光ＩｎＧａＡｌＮ層４２ｃは、Ｓｉ及びＺｎを含み、Ｓｉの準位及びＺｎの準位を介しての再結合により発光することにより、各々、青色、緑色及び赤色に発光する。また、青色発光ＩｎＧａＡｌＮ層４２ａはＩｎ０．１Ｇａ０．９Ｎであり、緑色発光ＩｎＧａＡｌＮ層４２ｂはＩｎ０．２Ｇａ０．８Ｎであり、赤色発光ＩｎＧａＡｌＮ層４２ｃはＩｎ０．３Ｇａ０．７Ｎである。また、白色発光素子４０がＡｌＮバッファ層４４とＧａＮ層４５とを備えているため、半導体層４２の結晶欠陥密度を低減させることができる。そのため、白色発光素子４０での非発光再結合が減少し輝度が向上する。なお、ＡｌＮバッファ層４４及びＧａＮ層４５の厚さは、それぞれ約1μmである。
次に、白色発光素子４０を集積化した白色光源（不図示）の製造方法を説明する。
まず、MOCVD法により、サファイア基板１１の表面にＡｌＮバッファ層４４となるＡｌＮ層を形成し、そのＡｌＮ層の表面にＧａＮ層４５を形成し、その後、青色発光ＩｎＧａＡｌＮ層４２ａとなるＩｎ０．１Ｇａ０．９Ｎ層、緑色発光ＩｎＧａＡｌＮ層４２ｂとなるＩｎ０．２Ｇａ０．８Ｎ層、赤色発光ＩｎＧａＡｌＮ層４２ｃとなるＩｎ０．３Ｇａ０．７Ｎ層を、この順にそれぞれ形成する。これにより、図８に示す白色発光素子４０が形成される。このとき、Ｉｎ０．１Ｇａ０．９Ｎ層、Ｉｎ０．２Ｇａ０．８Ｎ層及びＩｎ０．３Ｇａ０．７Ｎ層には、Ｓｉ及びＺｎがドープされている。
次に、白色発光体素子４０を、例えば1mm角にダイシングする。その後、上記実施形態１及び３に記載のパッケージに白色光源４の励起光源２９となる紫外発光ダイオードチップを設け、接着剤を用いてパッケージに白色発光素子４０を接着する。これにより、白色発光素子４０を集積化した白色光源を製造することができる。
そして、白色光源４が白色光を発するメカニズムは、上記実施形態３における白色光源３が白色光を発するメカニズムと略同一である。ぞのため、白色光源４は、図１０に示すように、ピーク波長が650nmである赤色の光（右側のピーク）とピーク波長が550nmである緑色の光（中央の光）とピーク波長が470nmである青色の光（左側のピーク）とで構成される白色光を発する。そのため、白色光源４が発する白色光は比較の形態における白色光源７が発する白色光に赤色の光が加えられてなるため、その演色性は、白色光源７が発する白色光の演色性に比べて高くなる。
本実施形態においては、半導体層４２は、Ｉｎ０．１Ｇａ０．９Ｎ層、Ｉｎ０．２Ｇａ０．８Ｎ層及びＩｎ０．３Ｇａ０．７Ｎ層を積層する構造としたが、これに限定されるわけではない。しかし、Ｉｎ組成が増加するに伴い半導体の格子定数が大きくなり、その結果、格子不整合により結晶欠陥が発生する虞があるということを考慮すると、この格子不整合による欠陥の発生を抑制するためには、例えば、ＧａＮの六方晶ａ軸の格子定数３．１９Åと同じ格子定数を保ちつつ、ＩｎＧａＡｌＮのＩｎ、Ｇａ、Ａｌ組成を制御することが好ましい。そして、このように制御しても、白色発光素子４０と同様、青色から赤色までの光を含んだ白色光を発することができる。
なお、本実施形態において、半導体層４２は、青色発光ＩｎＧａＡｌＮ層４２ａ、緑色発光ＩｎＧａＡｌＮ層４２ｂ、赤色発光ＩｎＧａＡｌＮ層４２ｃの順に積層されているとしたが、赤色発光ＩｎＧａＡｌＮ層４２ｃ、緑色発光ＩｎＧａＡｌＮ層４２ｂ、青色発光ＩｎＧａＡｌＮ層４２ａの順に積層されていてもよい。また、青色発光ＩｎＧａＡｌＮ層４２ａ、緑色発光ＩｎＧａＡｌＮ層４２ｂ及び赤色発光ＩｎＧａＡｌＮ層４２ｃはＳｉ及びＺｎがドープされていなくてもよく、その場合は、各ＩｎＧａＡｌＮ層におけるＩｎの組成比を大きくすればよい。例えば、青色発光ＩｎＧａＡｌＮ層４２ａはＩｎ０．２Ｇａ０．８Ｎで形成されていれば、Ｓｉ及びＺｎがドープされていなくても、本実施形態における効果と同一の効果を得ることができる。
《実施形態５》
以下、実施形態５について図１１から図１３を参照しながら説明する。
本実施形態では、白色光源５の構造、白色光源５の製造方法及び白色光源５が白色光を発するメカニズムを説明する。なお、図１１は本実施形態における白色光源５の模式図であり、図１２は本実施形態の白色発光素子５０の高さ方向に対する禁制帯幅（バンドギャップ）を示す図であり、図１３は本実施形態における白色光源５が発する光のスペクトル図である。また、図１１において、図１と同一の物質及び機能を示す部分には図１と同一の符号を付している。
本実施形態における白色発光素子５０には、蛍光体層は形成されておらず、また半導体層５２も１層しか形成されていない。
まず、白色光源５の構造を説明する。
白色光源５は、図１１に示すように、励起光源２９と、励起光源２９からの光が透過可能な位置に設けられた白色発光素子５０と、を備えている。そして、白色発光素子５０は、励起光源２９からの光が透過するサファイア基板１１と、サファイア基板１１の表面に形成されたＡｌＮバッファ層４４と、ＡｌＮバッファ層４４の表面に形成されたＧａＮ層４５と、ＧａＮ層４５の表面に形成された半導体層５２と、を備えている。
励起光源２９は、ピーク波長を340nmとする紫外線を発する紫外発光ダイオードである。ＡｌＮバッファ層４４及びＧａＮ層４５は、結晶性に優れ欠陥密度は低い。半導体層５２は、ＧａＮ層４５の表面における元素組成がＩｎ０．３８Ｇａ０．６２Ｎであり、白色発光素子５０の表面における元素組成がＩｎＮである。そして、元素組成比は、ＧａＮ層４５の表面から白色発光素子５０の表面に向かう方向に対して連続的に変化する。
次に、白色発光素子５０を集積化した白色光源（不図示）の製造方法を説明する。
まず、MOCVD法により、サファイア基板１１の表面にＡｌＮバッファ層４４となるＡｌＮ層を形成し、そのＡｌＮ層の表面にＧａＮ層４５を形成する。その後、ＧａＮ層４５表面における半導体の元素組成がＩｎ０．３８Ｇａ０．６２Ｎであり、積層されるにつれてＧａの組成比が減少してＩｎの組成比が増加して、半導体層５２の表面における半導体の元素組成がＩｎＮとなるように、半導体層５２を形成する。これにより、図１１に示す白色発光素子５０が形成される。
次に、白色発光体素子５０を、例えば1mm角にダイシングする。その後、上記実施形態１及び３に記載のパッケージに白色光源５の励起光源２９となる紫外発光ダイオードチップを設け、接着剤を用いてパッケージに白色発光素子５０を接着する。これにより、白色発光素子５０を集積化した白色光源を製造することができる。
続いて、図１２を用いて各化合物半導体が各々光を発するメカニズム及び白色光源５が白色光を発するメカニズムを説明する。
本実施形態についても上記の実施形態４と同様、ＩｎとＧａとの組成比が異なることにより半導体層の禁制帯幅の値が変わることを利用している。そして、本実施形態の場合、半導体層５２の元素組成比がＧａＮ層４５の表面から白色発光素子５０の表面へ向かう方向に対して連続的に変化するため、白色光源５が発する光のピーク波長は、470nm、550nm、650nm、…というように離散するのではなく、例えば、469nm、470nm、471nm、472nm、…というように連続する。従って、白色光源５が発する白色光１５２は無限個の光で構成され、その結果、図１３に示すように、白色発光素子５０は幅の広いバンドを持つ光を発する。そのため、白色発光素子５０が発する白色光は自然光に非常に近く、その演色性は上記実施形態１から４における白色光源が発する白色光の演色性よりも非常に高くなる。
《実施形態６》
以下、実施形態６について図１４から図１６を参照しながら説明する。
本実施形態では、白色光源６の構造、白色光源６の製造方法及び白色光源６が白色光を発するメカニズムを説明する。なお、図１４は本実施形態における白色光源６の模式図であり、図１５は本実施形態における白色光源６の製造方法を示す図であり、図１６は本実施形態における白色光源６が発する光のスペクトル図である。
本実施形態における白色発光素子６０では、半導体層６２に希土類元素がドープされている。
まず、白色光源６の構造を説明する。
白色光源６は、図１４（ａ）に示すように、励起光源１９と、励起光源１９の発する光が透過可能な位置に設けられた白色発光素子６０と、を備えている。そして、白色発光素子６０は、励起光源１９の発する光が透過するサファイア基板（基板）１１と、サファイア基板１１の表面にエピタキシャル成長されている半導体層６２と、半導体層６２が設けられた表面と反対側のサファイア基板１１の表面に形成されている蛍光体層１３と、を備えている。
励起光源１９は、ピーク波長が470nmである青色の光を発する青色発光ダイオードである。
半導体層６２は、アンドープＡｌ０．５Ｇａ０．５Ｎ層１６２にＥｕ＋がドープされて形成されたＥｕドープＡｌ０．５Ｇａ０．５Ｎ層である。ここで、アンドープＡｌ０．５Ｇａ０．５Ｎ層１６２は、ＧａＮ層でもよく、Ｉｎ０．０２Ｇａ０．９８Ｎ／Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ｎ多重量子井戸などの量子井戸構造を含んでもよい。また、Ｅｕ＋は、アンドープ層１６２を結晶成長中に添加されてもよい。
Ｅｕ＋のドーズ量は、1x101３cm-3以上1x101６cm-3以下であることが好ましく、より好ましくは1x1015cm-3である。Ｅｕ＋の加速電圧は、100keV以上500keV以下であることが好ましく、より好ましくは200keVである。また、図１４（ｂ）に示すように、半導体層６２の深さ方向におけるＥｕ＋の濃度分布は、深さ75nm付近にピークを有し、そのピークにおけるＥｕ＋の濃度は、1x1020cm-3程度である。なお、このＥｕ＋の濃度分布は、ドーズ量及び加速電圧に依存して変化する。また、図１５（ｂ）に示すように、Ｅｕ＋は、半導体層６２の表面側のみに添加される。そして、半導体層６２は、可視光線あるいは紫外光の照射により、Ｅｕの内殻電子が励起され、その電子が基底順位へ戻るさいに622nmの赤色を発光する。この赤色の発光強度は、Ｅｕ＋のドーズ量を増加させることにより、増加する。
次に、白色発光素子６０を集積化した白色光源６’の製造方法を説明する。
まず、図１５（ａ）に示すように、サファイア基板１１の表面に、MOCVD法によりアンドープＡｌ０．５Ｇａ０．５Ｎ層１６２を約1μm形成する。
次に、図１５（ｂ）に示すように、サファイア基板１１を500℃程度にまで加熱しながら、アンドープＡｌ０．５Ｇａ０．５Ｎ層１６２の表面から200keVの加速電圧で1x1015cm-3のＥｕ＋を注入する。よって、図１５（ｂ）の拡大図に示すように、Ｅｕ＋がドープされた層１６２ａが半導体層６２の表面側に形成される。そして、注入後のＥｕ＋の濃度分布は、深さ75nm付近にピークを有するようになる。そして、Ｅｕ＋をイオン活性化させるため、イオン注入後に、N2雰囲気中でサファイア基板１１を約1000℃でアニールし、アンドープＡｌ０．５Ｇａ０．５Ｎ層１６２をＥｕドープＡｌ０．５Ｇａ０．５Ｎ層（半導体層）６２へ変化させる。
続いて、図１５（ｃ）に示すように、半導体層６２が形成された表面と反対側のサファイア基板１１の表面に、蛍光体層１３となるＹＡＧ蛍光体を形成する。このとき、ＹＡＧ蛍光体を形成する前に、サファイア基板１１を研磨して、サファイア基板１１を例えば100μm以下の厚さになるように薄膜化してもよい。これにより、図１４に示す白色発光素子６０を得ることができる。
そして、白色発光体素子６０を、例えば1mm角にダイシングする。その後、図１５（ｄ）に示すように、パッケージ１６に青色発光ダイオードチップ１９’を設け、接着剤１７を用いてパッケージ１６に白色発光素子６０を接着する。これにより、商用上使用できるように小型化された白色光源６’を製造することができる。
そして、白色光源６が白色光を発するメカニズムは、上記実施形態１に記載したとおりである。すなわち、励起光源１９が発する青色の光を白色発光素子６０に照射すると、白色発光素子６０は、図１６に示すように、半導体層６２が発する赤色の光（ピーク波長が622nm）と、蛍光体層１３が発する黄色の光（ピーク波長が550nm）と、励起光源１９が発しそのまま白色発光素子６０を透過する青色の光（ピーク波長が470nm）と、で構成される白色光を発する。そのため、白色光源６は、比較の実施形態に記載の白色光源７に比べて、赤色の光の成分が多いため、演色性に優れた白色光を発する。その結果、演色性に優れた白色発光ダイオードが実現可能となる。
なお、本実施形態において、半導体層６２にはＥｕ＋がドープされているとしたが、Ｓｍ＋やＹｂ＋がドープされていてもよい。
以上説明したように、本発明は、白色発光ダイオード（light emitting diode;LED）などの白色光源が発する白色光の演色性を向上させる技術として有用である。
実施形態１における白色光源１を示す模式図である。 実施形態１における白色発光素子１０を集積化した白色光源１’の製造方法を示す図である。 実施形態１における白色光源１が発する光のスペクトル図である。 実施形態２における白色光源２を示す模式図である。 実施形態２における白色光源２が発する光のスペクトル図である。 実施形態３における白色光源３を示す模式図である。 実施形態３における白色発光素子３０を集積化した白色光源３’の製造方法を示す図である。 実施形態４における白色光源４を示す模式図である。 実施形態４における白色発光素子４０の高さと白色発光素子４０における禁制帯幅との関係を示す図である 実施形態４における白色光源４が発する光のスペクトル図である。 実施形態５における白色光源５を示す模式図である。 実施形態５における白色発光素子５０の高さと白色発光素子５０における禁制帯幅との関係を示す図である。 実施形態５における白色光源５が発する光のスペクトル図である。 実施形態６における白色光源６を示す模式図である。 実施形態６における白色発光素子６０を集積化した白色光源６’の製造方法を示す図である。 実施形態６における白色光源６が発する光のスペクトル図である。 比較の実施形態における白色光源７を示す模式図である。 比較の実施形態における白色光源７が発する光のスペクトル図である。
符号の説明
１、２、３、４、５、６、７ 白色光源
１０、２０、３０、４０、５０、６０ 白色発光素子
１１ サファイア基板（基板）
１２、３２、４２、５２、６２ 半導体層
１３、２３ 蛍光体層
１９、２９ 励起光源

Claims (15)

  1. 可視光線または紫外線を発生させる光源と、
    前記可視光線または前記紫外線が透過する基板と、当該基板の第１主面に形成された半導体層と、当該第１主面と反対側の前記基板の第２主面または当該半導体層の表面に形成された蛍光体層とを有する白色発光素子とを備え、
    前記蛍光体層は、前記光源からの光が照射されることにより蛍光を発し、
    前記半導体層は、前記光源からの光が照射されることにより前記蛍光のピーク波数とは異なるピーク波数を有する光を発し、
    前記光源と前記白色発光素子とは互いに離れて存在しており、
    前記光源および前記白色発光素子は、前記光源からの光が前記基板の前記第１主面または前記第２主面に入射され、且つ、出射光が前記基板の前記第１主面および前記第２主面のうち前記光源からの光が入射した主面とは反対側の主面から出射するように、配置されており、
    前記半導体層は、前記光源からの光が照射されることにより赤色の光を発する、白色光源。
  2. 前記白色発光素子は、前記紫外線が透過する基板と、当該基板の表面に形成された半導体層と、当該半導体層が設けられた表面と反対側の前記基板の表面または当該半導体層の表面に形成された蛍光体層と、を備え、
    前記蛍光体層は、前記紫外線が照射されることにより黄色の光または緑色の光と青色の光とを発する、請求項１に記載の白色光源。
  3. 前記蛍光体層は、複数の蛍光体を含み、
    前記各蛍光体は、前記紫外線が照射されることにより、それぞれ異なる色の光を発する、請求項２に記載の白色光源。
  4. 前記黄色の光または緑色の光を発する蛍光体層は、ＹＡＧ蛍光体を含んでいる、請求項２に記載の白色光源。
  5. 前記半導体層は、元素組成比が異なる複数の化合物半導体層からなり、
    前記各化合物半導体層は、それぞれの禁制帯幅の値が前記基板の表面から前記半導体層の表面へ向かう方向において単調に増加あるいは単調に減少するように形成されている、請求項１に記載の白色光源。
  6. 前記各化合物半導体層を構成する各化合物半導体の結晶構造におけるそれぞれの格子定数は一定の値を有する、請求項５に記載の白色光源。
  7. 可視光線または紫外線を発生させる光源と、
    前記可視光線または前記紫外線が透過する基板と、当該基板の第１主面に形成された第１半導体層と、当該第１主面と反対側の前記基板の第２主面または当該半導体層の表面に形成された第２半導体層とを有する白色発光素子とを備え、
    前記第１半導体層は、前記光源からの光が照射されることにより光を発し、
    前記第２半導体層は、前記光源からの光が照射されることにより前記光のピーク波数とは異なるピーク波数を有する光を発し、
    前記光源と前記白色発光素子とは互いに離れて存在しており、
    前記光源および前記白色発光素子は、前記光源からの光が前記基板の前記第１主面または前記第２主面に入射され、且つ、出射光が前記基板の前記第１主面および前記第２主面のうち前記光源からの光が入射した主面とは反対側の主面から出射するように、配置され、かつ、
    前記第２半導体層は、前記光源からの光が照射されることにより赤色光を発する、白色光源。
  8. 前記可視光または紫外線が照射されることにより、赤色の光と黄色の光または緑色の光と青色の光とで構成される白色光を発する、請求項７に記載の白色光源。
  9. 前記半導体層は、不純物を含んでおり、
    前記半導体層では、前記可視光または紫外線が照射されることにより、前記不純物に起因するエネルギー準位を介した電子と正孔との再結合により可視領域の光を発する、請求項１または７に記載の白色光源。
  10. 前記半導体層は、Ｓｉ、Ｍｇ、Ｚｎのうちいずれかあるいはそのうちの複数を不純物として含む、請求項９に記載の白色光源。
  11. 前記半導体層は、不純物を含んでおり、
    前記半導体層では、前記可視光線または紫外線が照射されることにより、前記不純物の内殻電子のエネルギー準位を介して可視領域の光を発する、請求項１または７に記載の白色光源。
  12. 前記半導体層は、Ｅｕ、Ｓｍ、Ｙｂのうちいずれかあるいはそのうちの複数を不純物として含む、請求項１１に記載の白色光源。
  13. 前記不純物は、イオン注入により前記半導体層に添加されている、請求項１１または１２に記載の白色光源。
  14. 前記半導体層は、ＡｌｘＧａｙＩｎ（１−ｘ−ｙ）Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦１−ｘ−ｙ≦１）により形成されている、請求項１または７に記載の白色光源。
  15. 前記基板は、サファイアにより形成されている、請求項１から１４のいずれか一つに記載の白色光源。
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