JP5943828B2 - 発光デバイス、照明装置、ディスプレイ及び信号灯 - Google Patents

Description

本発明は、発光デバイス、照明装置、ディスプレイ及び信号灯に関する。

発光ダイオードを用いた発光デバイスは、省エネルギー、長寿命という利点があり、照明装置、カラー画像表示装置、液晶パネルのバックライト、又は、交通信号灯などの光源として、注目されている。

発光ダイオードは、例えば、特許文献１に開示されているように、サファイアでなる支持層（基板）の表面に、バッファ層、Ｎ型ＧａＮ層、活性層、Ｐ型ＧａＮ層、及び、透明電極層を順次に積層した構造となっている。透明電極層の一部表面にはＰ側電極が形成されており、また、透明電極層、Ｐ型ＧａＮ層及び活性層の一部をドライエッチングし、Ｎ型ＧａＮ層の一部を露出させ、この露出したＮ型ＧａＮ層にＮ側電極を形成した構造となっている。特許文献２、３にも、同様の積層構造及び電極構造が開示されている。

上述したように、従来の発光ダイオードでは、Ｐ側電極を、発光面となる透明電極層の表面に形成する一方、透明電極層、Ｐ型ＧａＮ層及び活性層の一部をドライエッチングし、Ｎ型ＧａＮ層の一部を露出させ、この露出したＮ型ＧａＮ層にＮ側電極を形成した構造となっているため、発光面積がＰ側電極及びＮ側電極の占有面積分だけ、縮小されてしまう。このため、当然の結果として、発光量が低下してしまうし、発光効率も低下する。

更に、Ｎ側電極を形成するためのドライエッチングに当たっては、ICＰ型RIE装置を用いなければならない。ICＰ型RIE装置は、各種Siマイクロマシンニング（MEMS）用途をはじめ、化合物半導体エッチングによる高周波デバイス加工や、アルチックエッチングによる薄膜磁気ヘッド加工などに使用されるものであるが、極めて高価なものである。その高額な設備コストが発光ダイオードのコストアップに反映されてしまう。

上述した問題点を解決する手段として、特許文献４は、光出射面とは反対側から、Ｎ側電極及びＰ側電極にそれぞれ接続される貫通電極を設ける技術を開示している。この技術によれば、電極によって、発光面積が縮小されることがないから、発光量が大きく、発光効率の高い面発光の発光ダイオードを実現することができる。

更に、支持基板として用いられているサファイヤは、熱伝導率が、０．３Ｗ/（ｃｍ／Ｋ）と低いため、その上に形成されているＧＡＮ系ＬＥＤに発生した熱の放熱性が悪く、発光効率が低下するという問題点もある。

この問題点を解決する手段として、例えば、特許文献５には、支持基板をＳｉ基板で構成する技術を開示している。Ｓｉ結晶の熱伝導率は１．５Ｗ/（ｃｍ・Ｋ）であり、サファイヤ結晶の熱伝導率の約５倍である。しかしながら、Ｓｉ基板をもってしても、熱伝導率をサファイヤの５倍程度まで改善するのが精いっぱいである。

特開２００１−２１０８６７号公報 特開２００９−７１３３７号公報 特開２００８−１５３６３４号公報 特開２０１２−００４２９７号公報 特開２０１０−２５１３９０号公報 特開２００６−１９０９６３号公報

本発明の課題は、構造を簡素化した発光デバイス、照明装置、ディスプレイ及び信号灯を提供することである。

本発明のもう一つの課題は、大きな面発光を実現し得る発光デバイス、照明装置、ディスプレイ及び信号灯を提供することである。

本発明の更にもう一つの課題は、放熱特性の改善された発光デバイス、照明装置、ディスプレイ及び信号灯を提供することである。

上述した課題の少なくとも一つを解決するため、本発明に係る発光デバイスは、支持層と、発光層と、第１導体と、第２導体とを含む。前記発光層は、複数の発光素子を有し、前記支持層の一面上に形成されている。前記発光素子のそれぞれは、Ｐ型半導体層及びＮ型半導体層を積層した構造を有している。前記第１導体は、前記Ｐ型半導体層及び前記Ｎ型半導体層のうち、前記支持層に近い位置にある第１半導体層のための電極であって、前記第２導体よりも大きな平面積を有している。前記第２導体は、他の第２半導体層のための電極であって、前記第１導体の幅方向の一辺側に微小間隔をおいて配置され、前記幅方向と交差する長さ方向に、前記第１導体よりも狭い幅をもって、前記第１導体の前記一辺と対向して帯状に延びている。前記第１導体及び前記第２導体は、前記支持層を厚み方向に貫通し、互いに電気絶縁されている。

本発明に係る発光デバイスでは、発光層は、複数の発光素子を有しており、前記発光素子のそれぞれは、Ｐ型半導体層及びＮ型半導体層を積層した構造を有し、前記Ｐ型半導体層又は前記Ｎ型半導体層の何れか一方は、支持層の上に形成したものであるから、構造を簡素化した発光デバイスが得られる。

また、本発明に係る発光デバイスでは、発光層は、複数の発光素子を、支持層の上に形成したものであるから、発光層の光出射面を平面化し、平坦な平面をもつ大面積の面発光を実現し得る。

次に、Ｐ型半導体層及びＮ型半導体層に電気エネルギーを供給する電極に関しては、支持層は、厚み方向に貫通する第１導体及び第２導体を有している。第１導体は、Ｐ型半導体層及びＮ型半導体層のうち、支持層に近い位置にある第１半導体層のため電極であり、第２導体は他の第２半導体層のための電極である。この構造によれば、第１導体及び第２導体が、Ｐ側電極であれ、Ｎ側電極であれ、それが、発光面に現れることはない。従って、発光量が大きく、発光効率の高い面発光の発光デバイスを実現することができる。

Ｐ型半導体層及びＮ型半導体層のうち、支持層に近い位置にある第１半導体層のため電極となる第１導体は、その平面積が第２導体の平面積よりも大きい。この構造によれば、発光層に発生した熱を、平面積（平面断面積）の大きな第１導体を通して、支持層側から外部に放熱することができる。このため、放熱特性の改善された発光デバイスが得られる。より具体的には、第１半導体層は、支持層の側の表面を広く覆う第１電極層を有する構造とし、第１導体は、その端面が前記第１電極層の表面の大部分と接合される面積を有する構造とする。

第２導体は、他の第２半導体層のための電極であって、第１導体の幅方向の一辺側に微小間隔をおいて配置され、幅方向と交差する長さ方向に、第１導体よりも狭い幅をもって、第１導体の前記一辺と対向して帯状に延びている。この構成によれば、第２導体の平面積を縮小して、発光面積を増大させるとともに、第１導体との間の電流分布を平均化し得る。

本発明に係る発光デバイスは、更に、蛍光層を含むことができる。前記蛍光層は、前記支持層のある側とは反対側の前記発光層の光出射面に設けられている。発光層の光出射面は、前述したように、平坦化し得るから、蛍光層はその平坦化面に層状に形成することができる。したがって、蛍光層をもつ場合も、構造の簡素化、発光面の大面積化を実現し得る。

前記蛍光層は、前記複数の発光素子を共通に覆っていてもよいし、複数の発光素子において、個別に設けられていてもよい。

発光素子は、赤色発光ダイオード、緑色発光ダイオードまたは青色発光ダイオードの何れであってもよいし、白色発光ダイオードであってもよい。更に、好ましくは、紫外線発光ダイオードである。紫外線発光ダイオードによれば、蛍光層の発色効果を高めることができる。

本発明は、更に、上述した発光デバイスを用いたディスプレイ（表示装置）、照明装置、及び信号灯を開示する。

以上述べたように、本発明によれば、次のような効果を得ることができる。
（ａ）構造を簡素化した発光デバイス、照明装置、ディスプレイ及び信号灯を提供することができる。
（ｂ）大きな面発光を実現し得る発光デバイス、照明装置、ディスプレイ及び信号灯を提供することができる。
（ｃ）放熱特性の改善された発光デバイス、照明装置、ディスプレイ及び信号灯を提供することができる。

本発明の他の目的、構成及び利点については、添付図面を参照し、更に詳しく説明する。添付図面は、単に、例示に過ぎない。

本発明に係る発光デバイスの実施形態を示す部分断面図である。 図１に示した発光デバイスの底面の一部を示す図である。 本発明に係る発光デバイスの別の実施形態を示す部分断面図である。 本発明に係る発光デバイスの別の実施形態を示す部分断面図である。 図４に示した発光デバイスの一部を示す平面図である。 本発明に係る発光デバイスを用いたディスプレイの部分断面図である。

１．発光デバイス
図１を参照すると、本発明に係る発光デバイスは、支持層１、発光層３と、蛍光層５とを含む。支持層１は、Ｓｉ基板で構成されている。そのほか、ＳｉＣ基板、ＧａＮ基板、ＡｌＮ基板、及び、ＺｎＯ基板の何れかによって構成することもできる。

支持層１は、厚み方向に貫通する第１導体１０１及び第２導体１０２を有している。第１導体１０１は、Ｐ型半導体層３４４及びＮ型半導体層３４２のうち、支持層１に近い位置にあるＰ型半導体層３４４のため電極であり、第２導体１０２はＮ型半導体層３４２のための電極である。第１導体１０１及び第２導体１０２は、予め穿孔された縦孔内に、流動性導電成分を流し込み、加圧しながら硬化させた導体によって構成することができる。より具体的には、縦孔内に溶融金属を流し込み、加圧しながら冷却して凝固させるか、または、有機性もしくは水性分散媒中に、金属/合金微粉末もしくはカーボンナノチューブを分散させたものを、縦孔内に流し込み、加圧・加熱して硬化させることによって得ることができる。第１導体１０１及び第２導体１０２は、支持層１と接する外周が絶縁膜１０３，１０４によって覆われている。

発光層３は、複数ｎ個の発光素子３１１〜３１３を、その光出射面３２１の位置を一致させて平面配置したものである。発光素子３１１〜３１３のそれぞれは、相互間に配置された絶縁部３３１によって互いに電気絶縁されている。発光素子３１１〜３１３の個数ｎは、任意である。

発光素子３１１〜３１３のそれぞれは、発光ダイオードである。発光ダイオードは、これまで種々のタイプのものが提案されている。基本的には、ＰＮ接合を持ち、代表的にはＧＡＮ系化合物半導体が用いられる。もっとも、公知技術に限らず、これから提案されることのある化合物半導体を用いたものであってもよい。図の発光素子３１１〜３１３は、透明層３４１、Ｎ型半導体層３４２、活性層３４３及びＰ型半導体層３４４を積層した構造を持つ。もっとも、図示とは異なって、Ｐ型半導体層３４４とＮ型半導体層３４２の積層位置を入れ替えた構造であってよい。

発光素子３１１〜３１３は、赤色発光ダイオード、緑色発光ダイオード、青色発光ダイオード、橙色発光ダイオードの何れであってもよいし、白色発光ダイオードであってもよい。更に、紫外線発光ダイオードを用いることもできる。

発光素子３１１〜３１３は、好ましくは、支持層１の上でエピタキシャル成長させる。そのような技術は、すでに知られている。例えば、特許文献５は、ｎ型Ｓｉ基板上に、発光素子を構成するエピタキシャル成長層を形成する技術を開示している。また、特許文献６は、アルミニウム原子をＩｎＧａＮ発光ダイオードの全層に追加することにより、波長が３００ｎｍから３８０ｎｍの紫外線を放出する紫外線発光ダイオード（ＬＥＤ）を製造するに当たり、Ｓｉ基板、ＳｉＣ基板、ＧａＮ基板、ＡＩＮ基板、ＡｌａＮ基板又はＺｎＯ基板の上でエピタキシャル成長させる技術を開示している。本発明では、これらの公知技術を適用することができる。

蛍光層５は、光出射面３２１に設けられている。図示の蛍光層５は、複数の発光素子３１１〜３１３を共通に覆っている。蛍光層５は、発光素子３１１〜３１３の種類と、最終的に得ようとする発光色との関係で選択される。例えば、発光素子３１１〜３１３が、それぞれ、赤色発光ダイオード、緑色発光ダイオードまたは青色発光ダイオードで構成されていて、最終的に白色光を得ようとする場合は、蛍光層５は、用いられている発光ダイオードの発光色と、補色関係にある波長に吸収特性を持つものを選択する。好ましくは、発光素子３１１〜３１３は、同一色の発光ダイオードを用いて構成する。同一の発光色を呈する発光ダイオードを形成したウエハを、簡単な加工を施すだけで、殆どそのまま用いることができるからである。

具体例として、発光素子３１１〜３１３を、紫外線発光ダイオードによって構成した場合は、蛍光層５は、青色発光蛍光層Ｂ、緑色発光蛍光層Ｇ又は赤色発光蛍光層Ｒの少なくとも一つを含んでいる。青色発光蛍光層Ｂとしては、紫外線を受けて青色に発光するものであればよく、例えばハロリン酸塩蛍光体、アルミン酸塩蛍光体、ケイ酸塩蛍光体などが挙げられる。また付活剤としては、例えばセリウム、ユウロピウム、マンガン、ガドリニウム、サマリウム、テルビウム、スズ、クロム、アンチモン等の元素を挙げることができる。この中でもユウロピウムが好ましい。

緑色発光蛍光層Ｇとしては、紫外線を吸収して緑色に発光する蛍光体であれば、特に限定はない。紫外線を吸収して緑色に発光する蛍光体としては、例えば、２価のマンガンおよびユーロピウムで付活されたアルカリ土類アルミン酸塩蛍光体や、３価のテルビウムおよびセリウムで付活された希土類珪酸塩蛍光体などが挙げられる。

赤色発光蛍光層Ｒとしては、紫外線を吸収して赤色に発光する蛍光体であれば、特に限定はない。紫外線を吸収して赤色に発光する蛍光体としては例えば、ユウロピウムで付活された酸化イットリウムやその複合酸化物、ユウロピウムで付活されたフッ化物蛍光体などが挙げられる。

もっとも、発色光は、発光素子３１１〜３１３を格子する発光ダイオードのタイプと、蛍光層５の光学的性質によって、広範囲に設定することができるので、白色光に限定されるものではないし、また、蛍光層５も、上述したものに限定されるものではない。

図１に示す発光デバイスでは、発光層３は、複数の発光素子３１１〜３１３を、その光出射面３２１の位置を一致させて平面配置した構成となっており、蛍光層５は光出射面３２１に設けられており、支持層１は、光出射面３２１とは反対側の他面に積層されているから、発光層３の両面に、蛍光層５及び支持層１を積層するという簡単な構造でよい。このため、構造を簡素化した発光デバイスが得られる。

また、発光層３は、複数の発光素子３１１〜３１３を、その光出射面３２１の位置を一致させて平面配置したものであり、蛍光層５は光出射面３２１に設けられている。したがって、発光層３の光出射面３２１を平面化し、その上に蛍光層５を平面的に積層し、平坦な平面をもつ大面積の面発光を実現し得る。

支持層１は、発光層３の光出射面３２１となる一面とは反対側の他面に積層され、厚み方向に貫通する第１導体１０１及び第２導体１０２を有している。第１導体１０１は、Ｐ型半導体層３４４及びＮ型半導体層３４２のうち、支持層１に近い位置にあるＰ型半導体層３４４のため電極であり、第２導体１０２はＮ型半導体層３４２のための電極である。この構造によれば、第１導体１０１及び第２導体１０２が、Ｐ側電極であれ、Ｎ側電極であれ、それが、発光面に現れることはない。従って、発光量が大きく、発光効率の高い面発光の発光デバイスを実現することができる。

Ｐ型半導体層３４４及びＮ型半導体層３４２のうち、支持層１に近い位置にあるＰ型半導体層３４４のため電極となる第１導体１０１は、その平面積が第２導体１０２の平面積よりも大きい。より具体的には、Ｐ型半導体層３４４は、支持層１の側の表面を広く覆う第１電極層１４５を有する構造とし、第１導体１０１は、その端面が第１電極層１４５の表面の大部分と接合される面積を有する構造とする。

Ｎ型半導体層３４２のための電極となる第２導体１０２は、第１導体１０１の幅方向の一辺側に微小間隔をおいて配置され、幅方向と交差する長さ方向に、第１導体１０１よりも狭い幅をもって、第１導体１０１の一辺と対向して帯状に延びている。これらの第１導体１０１及び第２導体１０２は、支持層１を厚み方向に貫通し、互いに電気絶縁されている。

上記構造によれば、第２導体１０２は、第１導体１０１によって占有された領域の外に残された領域に形成されることになるから、発光動作によって発光層３に発生した熱を、平面積（平面断面積）の大きな第１導体１０１を通して、支持層１側から外部に放熱することができる。このため、放熱特性の改善された発光デバイスが得られる。

Ｐ型半導体層３４４及びＮ型半導体層３４２のうち、支持層１に近い位置にあるＰ型半導体層３４４のため電極となる第１導体１０１は、その平面積が第２導体１０２の平面積よりも大きい。この構造によれば、発光層３に発生した熱を、平面積（平面断面積）の大きな第１導体１０１を通して、支持層１側から外部に放熱することができる。このため、放熱特性の改善された発光デバイスが得られる。

より具体的には、Ｐ型半導体層３４４は、支持層１の側の表面を広く覆う第１電極層１４５を有する構造とし、第１導体１０１は、その端面が第１電極層１４５の表面の大部分と接合される面積を有する構造とする。

第２導体１０２は、Ｎ型半導体層３４２のための電極であって、第１導体１０１の幅方向の一辺側に微小間隔をおいて配置され、幅方向と交差する長さ方向に、第１導体１０１よりも狭い幅をもって、第１導体１０１の一辺と対向して帯状に延びている。この構成によれば、第２導体１０２の平面積を縮小して、発光面積を増大させるとともに、第２導体１０２と第１導体１０１との間の電流分布を平均化し得る。

更に、支持層１を、Ｓｉ基板で構成した場合は、サファイヤよりも５倍以上の熱伝導率を確保し、発光素子３１１〜３１３に発生した熱を効率よく放熱することができる。しかも、Ｓｉ基板でなる支持層１であれば、支持層１の上に発光素子３１１〜３１３をエピタキシャル成長させることができる。

図１に示す実施の形態では、支持層１の下側、即ち、発光層３のある側とは反対側に、補強層７が配置されている。補強層７は、一面が支持層１の他面に積層されている。第１導体１０１及び第２導体１０２は、補強層７を貫通している。

発光素子３１１〜３１３として紫外線発光ダイオードを用い、白色光を得る場合には、図３に図示するように、蛍光層５は、青色発光蛍光層Ｂ、緑色発光蛍光層Ｇ及び赤色発光蛍光層Ｒを積層した構造とする。赤色発光蛍光層Ｒは、緑色発光蛍光層Ｇ及び青色発光蛍光層Ｂと比べて発光素子３１１〜３１３に近い位置に配置される。緑色発光蛍光層Ｇは、赤色発光蛍光層Ｒと青色発光蛍光層Ｂとの間に配置される。

次に、図４を参照して、他の実施の形態を説明する。図４において、図１及び図３に現れた構成部分と対応する部分に同一参照符号を付してある。この実施の形態では、紫外線発光ダイオードでなる３つの発光素子３１１〜３１３に、それぞれ、赤色発光蛍光層Ｒ、緑色発光蛍光層Ｇ及び青色発光蛍光層Ｂを組み合わせ、例えば、図５に例示するように、所定のピッチ間隔で、マトリクス状に配置したものである。

この発光デバイスは、さまざまな発光色を呈する照明装置や、画像表示用ディスプレイ等に用いることができる。

２．照明装置
本発明に係る照明装置は、図１〜図５に図示した発光ディスプレイを用いて構成することができる。発光デバイス自体が大面積化されているので、そのまま、白色光を生じる大面積照明装置を実現することができる。図４及び図５に示した発光デバイスを用いた場合には、多色の照明装置を実現することができる。

３．ディスプレイ
本発明に係るディスプレイ（表示装置）は、液晶ディスプレイと、発光ディスプレイを含んでいる。
（１）液晶ディスプレイ
図６を参照すると、液晶ディスプレイは、液晶パネル１５と、バックライト１７とを有する。バックライト１７は、図１〜図５に示した発光デバイスを用いた本発明に係る照明装置でなり、液晶パネル１５を、その背面から照明する。図６は、図３に図示した発光ディスプレイを用いた場合を例示している。

（２）発光ディスプレイ
本発明に係る発光ディスプレイは、好ましくは、図４及び図５に図示した発光デバイスで構成される。即ち、赤色発光蛍光層Ｒと、緑色発光蛍光層Ｇと、青色発光蛍光層Ｂとの組み合わせ（１セルとして）を含んでいる。１セル内に置いて、ドット状に配列された各発光素子を、個別的に駆動して、所望のカラー画像を表示する。

４．信号灯
本発明に係る発光デバイスによって、交通信号灯を構成することもできる。信号灯は、図４〜図５に示した発光デバイスによって構成することができる。必要な信号灯色光は、発光素子のタイプ、及び、それと蛍光層との組み合わせによって実現することができる。

以上、好ましい実施形態を参照して本発明の内容を具体的に説明したが、本発明の基本的技術思想及び教示に基づいて、当業者であれば、種種の変形態様を採り得ることは自明である。

１ 支持層
１０１ 第１導体
１０２ 第２導体
３ 発光層
３４２ Ｎ型半導体層
３４４ Ｐ型半導体層
５ 蛍光層

Claims (5)

1. 支持層と、発光層と、第1導体と、第2導体とを含む発光デバイスであって、
   前記発光層は、複数の発光素子を有し、前記支持層の一面上に形成されており、
   前記発光素子のそれぞれは、P型半導体層及びN型半導体層を積層した構造を有しており、
   前記第1導体は、前記P型半導体層及び前記N型半導体層のうち、前記支持層に近い位置にある第1半導体層のための電極であって、前記第2導体よりも大きな平面積を有しており、
   前記第2導体は、他の第2半導体層のための電極であって、前記第1導体の幅方向の一辺側に微小間隔をおいて配置され、前記幅方向と交差する長さ方向に、前記第1導体よりも狭い幅をもって、前記第1導体の前記一辺と対向して帯状に延びており、
   前記第1導体及び前記第2導体は、前記支持層を厚み方向に貫通し、互いに電気絶縁されており、
   前記支持層は、半導体基板でなり、
   前記発光層は、前記支持層の一面上に直接形成されている、
   発光デバイス。
2. 請求項１に記載された発光デバイスであって、前記発光素子のそれぞれは、相互間に配置された絶縁部によって互いに電気絶縁されている、発光デバイス。
3. 発光デバイスを有するディスプレイであって、前記発光デバイスは、請求項１又は２に記載されたものでなる、ディスプレイ。
4. 発光デバイスを有する照明装置であって、前記発光デバイスは、請求項１又は２に記載されたものでなる、照明装置。
5. 発光デバイスを有する信号灯であって、前記発光デバイスは、請求項１又は２に記載されたものでなる、信号灯。

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