JP6002364B2

JP6002364B2 - 発光素子

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Publication number: JP6002364B2
Application number: JP2011015170A
Authority: JP
Inventors: ロン−レンリー; シィ−チャンリー; チェン−フファン; ツェイ−クェイワン
Original assignee: Epistar Corp
Current assignee: Epistar Corp
Priority date: 2011-01-27
Filing date: 2011-01-27
Publication date: 2016-10-05
Anticipated expiration: 2031-01-27
Also published as: JP2012156359A

Description

本発明は発光素子に関し、特に第一活性層と第二活性層が交互に積み重ねた構造を有する発光素子に関する。

近年、エピタキシ（epitaxy）と製造技術の進歩に伴い、発光ダイオード（light emitting diode,以下LEDと称する）は極めて潜在力のある固体照明光源の一つになった。物理構造の制限により、ＬＥＤは直流駆動するしかないため、LEDを光源とするいずれの照明設計においては、整流及び電圧逓減などの電子素子を組合せし、電力会社から直接提供された交流電源をLEDが使用可能な直流電源に転換する必要がある。しかし、整流及び電圧逓減などの電子素子を増設すると、照明コストを増加させるのみならず、整流及び電圧逓減などの電子素子の低い交流直流転換率及び大きい体積などが日常照明に適用されるLEDの信頼性と耐用寿命に影響する。

交流発光ダイオード（ACLED）素子は整流及び電圧逓減などの電子素子を別途に設ける必要がなく、直接交流電源で操作できるため、未来定点固体照明の製品になる可能性が極めて高い。

LED発光強度は、温度の上昇に従って輝度が低下する。この現象は通常漏電によって生じる。一般的に、漏電を減少するため、p型閉じ込め層の担体の濃度を増加し、又はバンドギャップの高い材料を成長して電子を閉じ込める能力を高める。しかし、ほとんどの場合、p型閉じ込め層の担体の濃度の増加レベルに制限があり、かつ、p型閉じ込め層の担体の濃度が増加する場合、半導体材料の拡散効果によって、濃度の高いp型担体が濃度の低い活性層に拡散し、発光品質に影響する。

本発明は、発光素子を提供する。

本発明の発光素子は、基板と、基板に形成された発光構造を含む。発光構造は、第一発光波長を有し、かつ量子井戸構造である第一活性層と、第二発光波長を有し、かつ量子井戸構造である第二活性層とを含み、第一活性層と第二活性層は交互積み重ねて発光構造を形成する。

本発明の発光素子は、いずれの異なる工程で製造しても測定された温度係数TCの変化が大きくない発光構造を有する。

本発明の発光素子は、第一種特定工程で製造する場合、第一温度係数TC₁を有し、第二種特定工程で製造する場合、第二温度係数TC₂を有し、両者の差の絶対値は０．１２％／Ｋより小さい。

本発明による発光素子のエピタキシ構造１００の発光構造を示す図である。本発明による発光素子のエピタキシ構造２００の発光構造を示す図である。本発明による発光素子のエピタキシ構造３００の発光構造を示す図である。本発明の実施例によるバックライトモジュール構造４００を示す図である。本発明の実施例による照明装置構造５００を示す図である。

本発明は、LEDの発光強度が温度の上昇に従って輝度が低下する問題を解決するため、発光構造に波長が異なる二つの活性層を成長させる方法を提出した。エネルギー状態の理論によると、電子は低エネルギー準位（即ち、長波長）の活性層を占める確率が高く、温度が高くなると、電子エネルギーも比較的高くなり、電子が低エネルギー準位から高エネルギー準位に遷移する確率が高くなる。従って、高エネルギー準位（即ち、短波長）の活性層を提供して、電子の遷移に用いる。

通常、発光素子の温度係数（Temperature Coefficient、TC）でLED発光強度が温度の上昇に従って輝度が低下する程度を示す。温度Ｔ_１における発光素子の光束密度をｆ_１ルーメンとし、温度Ｔ_２における発光素子の光束密度をｆ_２ルーメンとし、Ｔ_１の場合の光束密度を１に正規化（normalized）し、Ｔ_２の場合の光束密度を（f₂/f₁）に正規化すると、発光素子の温度係数を数式１で示すことができ、その値は零より小さい。
TC=[（（T₂の場合の正規化光束密度）-(T₁の場合の正規化光束密度)）/(T₂-T₁)]/( T₁の場合の正規化光束密度)=((f₂/f₁)-1)/( T₂-T₁) ……数式１

図１を参照するに、図１は本発明による発光素子１のエピタキシ構造１００の発光構造１２を示す図である。発光構造１２は第一導電型半導体層１１と第二導電型半導体層１３の間に位置する。実施例１において、発光素子１は少なくとも一つの成長基板（図示せず）を含み、この成長基板に第一導電型半導体層１１、発光構造１２及び第二導電型半導体層１３を順に形成する。成長基板は、ヒ化ガリウム、サファイア、炭化ケイ素、窒化ガリウム、ケイ素及びゲルマニウムから構成された群から選択された少なくとも一つの材料を含む。発光構造１２は第一活性層１００aと第二活性層１００ｂが相互積み重ねて構成され、第一活性層１００aは量子井戸構造であり、第一発光波長λ_１を発し、第二活性層１００ｂは量子井戸構造であり、第二発光波長λ_２を発し、λ_１はλ_２より大きい。発光構造はIII-Ｖ族半導体材料から構成され、このIII-Ｖ族半導体材料はアルミニウムガリウムインジウムリン（AlGaInP）系化合物、窒化アルミニウムガリウムインジウム（AlGaInN）系化合物又はこの二種の化合物の混合物が用いられる。

数回の実験数値を帰納することで分かるように、発光構造１２は第一活性層１００aと第二活性層１００ｂが交互重ねて構成され、第一活性層１００aと第二活性層１００ｂの総和は２３ｎ（ｎは零より大きい整数）層になり、かつ各第一活性層１００aの間にｄ（４ｎ≦ｄ≦１０ｎ）層の第二活性層１００ｂを挿入する時、この発光構造１２を何れかの異なる工程で形成しても発光素子１の測量した温度係数TCの差の絶対値が０．１２％／Ｋより小さい。その理由としては、長波長の第一発光波長λ_１を発する第一活性層１００aの層数が多すぎる場合、電子が全てのエネルギー準位の位置を填充するとはいえず、電子分布が均一に成らない。第一活性層１００aの層数が少なすぎる場合、電子に提供するエネルギー準位の位置が足りなくなる。

本実施例において、第一活性層１００aは６１０nm波長の光を発し、第二活性層１００ｂは６００nm波長の光を発し、第一活性層１００aと第二活性層１００bの総和は２３層（n=1）であり、各第一活性層１００aの間にｄ（４≦ｄ≦１０）層の第二活性層１００ｂを挿入する。即ち、発光構造１２は１層の第一活性層１００a、７層の第二活性層１００ｂ、１層の第一活性層１００a、７層の第二活性層１００ｂ、１層の第一活性層１００a、６層の第二活性層１００ｂが順に交互積み重ねて形成される。このような発光構造１２を有する発光素子１は、第一種の特定工程で完成された場合、２５℃で測定して光束密度は１５５．７ルーメンであり、１００℃で測定した光束密度は８１．６ルーメンであり、数式１より計算して得られた第一温度係数（Temperature Coefficient、TC₁）は−０．６５％／Ｋである。発光素子１を第二種の特定工程で完成した場合、２５℃で測定して光束密度は１４４５ルーメンであり、１００℃で測定した光束密度は６３６ルーメンであり、数式１より計算して得られた第二温度係数（Temperature Coefficient、TC_２）は−０．７５％／Ｋである。第一温度係数TC₁と第二温度係数TC_２の両者の差の絶対値は０．１％／Ｋである。なお、第一種特定工程と第二種特定工程は、異なるパラメータ及び露出、現像、エッチング、蒸着、研磨、切断などの工程条件を含む。この実施例から分かるように、発光波長が異なる二種の活性層が交互重ねて構成された発光構造を利用することで、温度係数が工程の影響をほぼ受けず、電子がこの発光素子の発光構造に均一に分布される。

図２を参照するに、図２は本発明による発光素子１のエピタキシ構造２００の発光構造１２を示す図である。発光構造１２は第一導電型半導体層１１と第二導電型半導体層１３の間に位置する。実施例２において、発光構造１２は第一活性層１００aと第二活性層１００ｂが相互積み重ねて構成され、第一活性層１００aは量子井戸構造であり、第一発光波長λ_１を発し、第二活性層１００ｂは量子井戸構造であり、第二発光波長λ_２を発し、λ_１はλ_２より大きい。発光構造はIII-Ｖ族半導体材料から構成され、このIII-Ｖ族半導体材料はアルミニウムガリウムインジウムリン（AlGaInP）系化合物、窒化アルミニウムガリウムインジウム（AlGaInN）系化合物又はこの二種の化合物の混合物が用いられる。

本実施例において、第一活性層１００aは６１０nm波長の光を発し、第二活性層１００ｂは６００nm波長の光を発し、第一活性層１００aと第二活性層１００bの総和は２３層（n=1）であり、各第一活性層１００aの間にｄ（４≦ｄ≦１０）層の第二活性層１００ｂを挿入する。即ち、発光構造１２は１層の第一活性層１００a、１０層の第二活性層１００ｂ、１層の第一活性層１００a、１０層の第二活性層１００ｂ、１層の第一活性層１００aが順に交互積み重ねて形成される。このような発光構造１２を有する発光素子１は、第一種の特定工程で完成された場合、２５℃で測定して光束密度は１３９．１ルーメンであり、１００℃で測定した光束密度は７２．４ルーメンであり、数式１より計算して得られた第一温度係数（Temperature Coefficient、TC₁）は−０．６６％／Ｋである。発光素子１を第二種の特定工程で完成した場合、２５℃で測定して光束密度は１４７７．４ルーメンであり、１００℃で測定した光束密度は６２４．８ルーメンであり、数式１より計算して得られた第二温度係数（Temperature Coefficient、TC_２）は−０．７７％／Ｋである。第一温度係数TC₁と第二温度係数TC_２の両者の差の絶対値は０．１１％／Ｋである。なお、第一種特定工程と第二種特定工程は、異なるパラメータ及び露出、現像、エッチング、蒸着、研磨、切断などの工程条件を含む。この実施例から分かるように、発光波長が異なる二種の活性層が交互重ねて構成された発光構造を利用することで、重ね層数が変化しても、温度係数は工程の影響をほぼ受けず、電子がこの発光素子の発光構造に均一に分布される。

図３を参照するに、図３は本発明による発光素子１のエピタキシ構造３００の発光構造１２を示す図である。発光構造１２は第一導電型半導体層１１と第二導電型半導体層１３の間に位置する。実施例３において、発光構造１２は第一活性層１００aと第二活性層１００ｂが相互積み重ねて構成され、第一活性層１００aは量子井戸構造であり、第一発光波長λ_１を発し、第二活性層１００ｂは量子井戸構造であり、第二発光波長λ_２を発し、λ_１はλ_２より大きい。発光構造はIII-Ｖ族半導体材料から構成され、このIII-Ｖ族半導体材料はアルミニウムガリウムインジウムリン（AlGaInP）系化合物、窒化アルミニウムガリウムインジウム（AlGaInN）系化合物又はこの二種の化合物の混合物が用いられる。

本実施例において、第一活性層１００aは６１０nm波長の光を発し、第二活性層１００ｂは６００nm波長の光を発し、第一活性層１００aと第二活性層１００bの総和は２３層（n=1）であり、各第一活性層１００aの間にｄ（４≦ｄ≦１０）層の第二活性層１００ｂを挿入する。即ち、発光構造１２は１層の第一活性層１００a、５層の第二活性層１００ｂ、１層の第一活性層１００a、５層の第二活性層１００ｂ、１層の第一活性層１００a、５層の第二活性層１００ｂ、１層の第一活性層１００a、４層の第二活性層１００ｂが順に交互積み重ねて形成される。このような発光構造１２を有する発光素子１は、第一種の特定工程で完成された場合、２５℃で測定して光束密度は１３４．１ルーメンであり、１００℃で測定した光束密度は６７．３ルーメンであり、数式１より計算して得られた第一温度係数（Temperature Coefficient、TC₁）は−０．６８％／Ｋである。発光素子１を第二種の特定工程で完成した場合、２５℃で測定して光束密度は１３４３．５ルーメンであり、１００℃で測定した光束密度は６４６．４ルーメンであり、数式１より計算して得られた第二温度係数（Temperature Coefficient、TC_２）は−０．６９％／Ｋである。第一温度係数TC₁と第二温度係数TC_２の両者の差の絶対値は０．０１％／Ｋである。なお、第一種特定工程と第二種特定工程は、異なるパラメータ及び露出、現像、エッチング、蒸着、研磨、切断などの工程条件を含む。この実施例から分かるように、発光波長が異なる二種の活性層が交互重ねて構成された発光構造を利用することで、重ね層数が変化しても、温度係数は工程の影響をほぼ受けず、電子がこの発光素子の発光構造に均一に分布される。

図４を参照するに、図４は本発明の実施例によるバックライトモジュール構造を示す。バックライトモジュール装置４００は、上述の実施例の発光素子１から構成された光源装置４１０と、光源装置４１０の光出射経路に配置され、光束に対し適切な処理を行ってから出射させる光学装置４２０と、上述の光源装置４１０に必要な電源を提供する電源供給システム４３０とを含む。

図５を参照するに、図５は本発明の実施例による照明装置の構造を示す図である。上述の照明装置５００は、車両ライト、街路灯、懐中電灯、街灯、指示灯などである。照明装置５００は、本発明の上述の実施例の発光素子１から構成された光源装置５１０と、光源装置５１０に必要な電源を供給する電源供給システム５２０と、光源装置５１０に入力する電源を制御する制御素子５３０とを含む。

本発明の実施例は本発明を説明するために挙げたもので、本発明の範囲を制限するものではない。いずれの人が本発明に対して行ったいずれか明らかな修飾又は変更は、依然として本発明の思想と範囲に属する。

１発光素子
１１第一導電型半導体層
１２発光構造
１３第二導電型半導体層
１００、２００、３００エピタキシ構造
１００a 第一活性層
１００ｂ第二活性層
４００バックライトモジュール装置
４１０、５１０光源装置
４２０光学装置
４３０、５２０電源供給システム
５００照明装置
５３０制御素子

Claims

発光素子であって、
基板と、
該基板上に位置する第一導電型半導体層と、
該第一導電型半導体層上に位置する発光構造と、を含み、
該発光構造は、複数の第一活性層と、複数の第二活性層と、前記発光構造上に位置する第二導電型半導体層とを含み、
各第一活性層は、量子井戸構造を有し、かつ第一発光波長の光を発することができ、
各第二活性層は、量子井戸構造を有し、かつ第二発光波長の光を発することができ、
前記第一活性層と前記第二活性層は交互に積み重なり、かつ第一発光波長は第二発光波長より大きく、
前記発光構造において、前記第一導電型半導体層に最も接近するものは前記第一活性層である
前記第一活性層と前記第二活性層の層数の総和は２３ｎであり、隣接する第一活性層の間にｄ層の第二活性層を挿入し、かつ４ｎ≦ｄ≦１０ｎである（ｎは０より大きい整数）ことを特徴とする発光素子。
前記基板の材料は、ヒ化ガリウム、サファイア、炭化ケイ素、窒化ガリウム、窒化アルミニウム、ケイ素及びゲルマニウムで構成される群から選択される少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項１記載の発光素子。
前記第一発光波長と前記第二発光波長の差異は１０ｎｍより大きくないことを特徴とする請求項１記載の発光素子。
前記第一活性層と前記第二活性層は交互に積み重なることを特徴とする請求項１記載の発光素子。