JP6251883B2

JP6251883B2 - 紫外線発光素子

Info

Publication number: JP6251883B2
Application number: JP2014000732A
Authority: JP
Inventors: 沙季青木; 優年山下
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2014-01-07
Filing date: 2014-01-07
Publication date: 2017-12-27
Anticipated expiration: 2034-01-07
Also published as: JP2015130386A

Description

本発明は、光取出し効率を改善する紫外線発光素子に関する。

従来より、発光素子の光取出し効率を向上するために、発光部より放射された光が通過する物質の各界面に回折格子を形成し、光取出し効率を向上する手法は知られている。（特許文献１）。

特開平１１−２８３７５１号公報

しかしながら、従来の紫外線発光素子は基板と空気の屈折率の差が大きいため、発光素子の界面でフレネル反射又は全反射が発生し、光を素子内部に閉じ込めてしまい、光取出し効率が低いといった課題があった。

また、素子自体が放出する深紫外線により、有機材料の劣化が発生することにより、紫外線発光素子およびその周辺部材には有機物の使用ができないといった課題もあった。

したがって、深紫外線発光素子に有用な光の取出し効率の高効率化においては通常の可視光波長域の発光素子の光取出し高効率化の手法を単純に引用するだけでは達成できないといった課題があった。

そこで、本発明は、上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、全反射およびフレネル反射を抑制することができ、光取出し効率を改善し、発する紫外線による劣化がしにくく、長時間での光取出し効率の高効率化を維持できる紫外線発光素子を提供することである。

本発明の紫外線発光素子は、紫外線を発光する発光部と、透光性を有する基板と、前記基板に接するＵＶ透過薄膜とを有し、前記発光部の上面側に、前記基板、前記ＵＶ透過薄膜が順に積層され、前記基板は、前記発光部側または前記ＵＶ透過薄膜側の少なくとも何れか一方の表面に凹凸部を備え、前記ＵＶ透過薄膜の屈折率は、大気の屈折率より大きく前記基板の屈折率より小さい範囲であり、前記ＵＶ透過薄膜として、耐紫外線材料を用いることを特徴とするものである。

また、本発明の紫外線発光素子は、前記ＵＶ透過薄膜は、Ｓｉ０_２、ＣａＦ_２、ＭｇＦ_２の何れかであることが好ましい。

本発明の紫外線発光素子は、全反射およびフレネル反射を抑制することができ、光取出し効率を改善し、発する紫外線による劣化がなく、長時間での光取出し効率の高効率化を維持できる。

図１は、実施形態１における紫外線発光素子の断面図である。図２は、実施形態１における紫外線発光素子の効果作用を説明する断面図である。図３は、実施形態２における紫外線発光素子の断面図である。図４は、実施形態３における紫外線発光素子の断面図である。図５は、実施形態４における紫外線発光素子の断面図である。図６は、実施形態５における紫外線発光素子の断面図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
（実施形態１）
以下、本発明の実施形態１について図１を用いて説明する。

図１は、本実施形態の紫外線発光素子１の断面図である。

本実施形態の紫外線発光素子１は、図１に示すように、ＵＶ透過薄膜２と、基板３と、バッファ層４と、発光部５と、電極６とを備えている。発光部５の上面側に、バッファ層４、基板３、ＵＶ透過薄膜２が順に積層されている。発光部５の下面側に、電極６が設けられている。また、発光部５は第１導電層５１、発光層５２、第２導電層５３を有し、第２導電層５３、発光層５２、第１導電層５１が順に積層されている。

また、基板３は、その上面側に凹凸部３ａが設けられ、その下面側に凹凸部３ａと同形状の凹凸部３ｂが設けられている。基板３と、凹凸部３ａと、凹凸部３ｂとが一体構成されている。ＵＶ透過薄膜２は、基板３と接する側に凹凸部３ａに合わせた形で設けられている。バッファ層４は、基板３と接する側に凹凸部３ｂに合わせた形で設けられている。

以下、本実施形態の紫外線発光素子１の各構成要素について詳細に説明する。

まず、本実施形態の紫外線発光素子１の各構成要素の屈折率について説明する。大気の屈折率を１．０とし、基板３の屈折率は１．７以上１．８以下である。ＵＶ透過薄膜２の屈折率は１．４以上１．５以下である。なお、ＵＶ透過薄膜２の屈折率は、屈折率範囲の１．４以上１．５以下の値に限らず、大気の屈折率と基板３の屈折率の間の値であればよい。

ＵＶ透過薄膜２としては、耐紫外線材料を用いる。例えばＳｉ０_２、ＣａＦ_２、ＭｇＦ_２などを用いることができる。本実施形態のＵＶ透過薄膜２は、上面側が凹凸部２ａを設けており、下面側が凹凸部３ａの形に応じた形を持ち、基板３と接している。凹凸部２ａと凹凸部３ａの形が違うが、同じ形でもよい。なお、凹凸部２ａは円形状で、凹凸部３ａと凹凸部３ｂは三角形状であるが、その限りではない。なお、ＵＶ透過薄膜２の材料は、これらの材料に限定するものではなく、前記屈折率範囲内、且つ、無機材料もしくは紫外線による劣化が少ないものであればよい。なお、ＵＶ透過薄膜２の上面側が必ず凹凸とは限らず、平面でも良い。

基板３は、透光性を有するサファイア基板を用いる。凹凸部３ａと、凹凸部３ｂは、二次元格子のように基板３の両側に等間隔に配置されている。なお、凹凸部３ａと凹凸部３ｂの配置方法を特に限定せず、例えば、平面視において、ストレートな溝を周期的に描いたパターン、あるいは同心円上に描いた溝のパターンにしてもよい。なお、本実施形態の凹凸部３ａと凹凸部３ｂは同じ形状を持っているが、必ずその限りではない。なお、基板の材料は特に限定しない。

バッファ層４は、上面側が基板３の凹凸部３ｂと接しており、下面側が発光部５と接している。

発光部５の発光層５２は、発光材料として特に限定されず、通常深紫外線の発光材料として使用されている化合物であれば何を使用してもよい。また、図示には単層構造となっているが、複数の層構造であってもよい。第１導電層５１は、ｎ型半導体層であり、材料としては透光性を有する一般的に使われる材料でよいので、特に限定しない。第２導電層５３は、ｐ型半導体層であり、材料としては一般的に使われる材料でよいので、特に限定しない。なお、第１導電層５１は透光性を有するｐ型半導体層にし、第２導電層５３をｎ型半導体層にしてもよい。

電極６は一般的に電極として使われている材料を使用してよい。電極６の材料は特に限定しない。なお、第２導電体５３の下面側の電極６は光反射性を有する材料を用いたほうが好ましいが、その限りではない。

以下、本実施形態の紫外線発光素子１の構成要素の寸法について説明する。

図１に示すように、基板３の高さｄ１が、下記の式１で算出される。ここで、ｎ１は入射側の屈折率（ここでは基板３の屈折率をいう）で、ｎ２は出射側の屈折率（ここではＵＶ透過薄膜２の屈折率をいう）で、ｓｉｎθ_ｉｎは入射角で、ｓｉｎθ_ｏｕｔは出射角で、ｍ´は回折次数で、λは回折光の波長である。

凹凸部３ａと凹凸部３ｂの凹凸の高さｄ２は１．５μｍ、その幅ｄ３は１．５μｍである。凹凸部２ａ高さは凹凸部３ａと同程度であるほうが好ましいが、その幅ｄ５は特に限定しない。

バッファ層４と第１導電体５１の合計の厚さｄ４は８μｍである。

なお、上記寸法は単なる一例であり、その限りではない。

以下、本実施形態のＵＶ透過薄膜２の実施および効果について詳細に説明する。

図２は本実施形態の紫外線発光素子１の概略図である。図２に示すように、発光部５の第１導電層５１および第２導電層５３は電極６を介して紫外線発光素子１外部より電気的接続を行うことにより、発光層５２は基板３側方向（図２のａ方向）および電極６側方向（図２のｂ方向）に紫外線を放射する。電極６側方向に発光された紫外線は第２導電体５３の下面側の電極６に反射され、基板３側方向に反射される。また、ＵＶ透過薄膜２は屈折率が大気の屈折率より大きく、基板３の屈折率より小さい範囲のものを用いる。よって、ＵＶ透過薄膜２を設けることにより、基板３と大気との屈折率の差が緩和され、本来基板３と大気の界面で起こっていた全反射およびフレネル反射が抑制される。また、基板３の上面側に凹凸部３ａが設けられ、その下面側に凹凸部３ｂが設けられることにより、発光された紫外線が凹凸部３ａと凹凸部３ｂで回折され、光取出し効率が向上する。

つまり、ＵＶ透過薄膜２を設けることにより、全反射およびフレネルにより素子内部に閉じこめられた光を取出すことができる。また、基板３に凹凸部３ａ、凹凸部３ｂを設けることにより、発光された紫外線が全反射およびフレネル反射することを抑制し、素子外部により多くの紫外線を取出すことができる。以上により、紫外線発光素子１の発光効率が高くなる。

また、紫外線が透過するＵＶ透過薄膜２において、耐紫外線材料を用いることにより、紫外線発光素子１自体が発光した紫外線によるＵＶ透過薄膜２の黄変や劣化を防ぎ、発する紫外線による劣化がしにくくなり、長期における光取出し効率の高効率化の維持および安定した発光素子の提供が可能となる。

（実施形態２）
以下、本発明の実施形態２について図３を用いて説明する。なお、実施形態１と同様の構成については、共通の符号を付して適宜説明を省略する。

図３に示すように、この紫外線発光素子１は、基板３の上面側に三角波形状の凹凸部３ａを備えている。基板３の下面側には、正弦波形状の凹凸部３ｂが設けられている。基板３と、凹凸部３ａと、凹凸部３ｂとは、一体に構成されている。基板３の下面側がバッファ層４と接している。

本実施形態では、基板３の上面側に凹凸部３ａが設けられ、その下面側に凹凸部３ｂが設けられることにより、発光された紫外線が凹凸部３ａと凹凸部３ｂで回折され、光取出し効率が向上する。

更に、本実施形態では、凹凸部２ａの高さは凹凸部３ａの高さｄ２と同程度であり、その幅ｄ５はｄ５＝ｄ３となっている。つまり、凹凸部２ａのピッチと凹凸部３ａのピッチは一致している。この状態では、実施形態１より光取出し効率が更に向上することができる。

（実施形態３）
以下、本発明の実施形態３について図４を用いて説明する。なお、実施形態１と同様の構成については、共通の符号を付して適宜説明を省略する。

図４に示すように、この紫外線発光素子１は、基板３の上面側に三角波形状の凹凸部３ａを備えている。基板３の下面側に方形波形状の凹凸部３ｂが設けられている。基板３と、凹凸部３ａと、凹凸部３ｂとは、一体に構成されている。基板３の下面側がバッファ層４と接している。

（実施形態４）
以下、本発明の実施形態４について図５を用いて説明する。なお、実施形態１と同様の構成については、共通の符号を付して適宜説明を省略する。

図５に示すように、紫外線発光素子１は、基板３の上面側に三角波形状の凹凸部３ａを備えている。基板３の下面側に円形状の凹凸部３ｂが設けられている。基板３と、凹凸部３ａと、凹凸部３ｂとは、一体に構成されている。基板３の下面側がバッファ層４と接している。

（実施形態５）
以下、本発明の実施形態５について図６を用いて説明する。なお、実施形態１と同様の構成については、共通の符号を付して適宜説明を省略する。

図６に示すように、紫外線発光素子１は、基板３の上面側に凹凸部３ａを備えている。基板３と凹凸部３ａとは、一体に構成されている。基板３の下面側は、平面であり、バッファ層４と接している。

本実施形態では、基板３の上面側に、凹凸部３ａが設けられことにより、発光された紫外線が凹凸部３ａで回折され、光取出し効率が向上する。

ここで、上述の実施形態においては、基板３に設けられる凹凸部３ａと凹凸部３ｂの形とそれら組み合わせを図１〜図６に示しているが、その限りではない。

上述の実施形態において説明した各図は、模式的なものであり、各構成要素の大きさや厚さそれぞれの比が、必ずしも実際のものの寸法比を反映しているとは限らない。また、実施形態に記載した材料、数値等は、好ましいものを例示しているだけであり、それに限定するものではない。更に、本願発明は、その技術的思想の範囲を逸脱しない範囲で、構成に適宜変更を加えることが可能である。

１紫外線発光素子
２ＵＶ透過薄膜２
３基板
３ａ、３ｂ凹凸部
４バッファ層
５発光部
６電極

Claims

紫外線を発光する発光部と、
透光性を有するサファイア基板と、
前記サファイア基板の一方の表面に接し、大気の屈折率よりも大きく前記サファイア基板の屈折率よりも小さい屈折率を有する耐紫外線材料により形成されるＵＶ透過薄膜と、
前記サファイア基板の他方の表面に接するバッファ層と、を有し、
前記発光部の上面側から、前記バッファ層、前記サファイア基板、前記ＵＶ透過薄膜がこの順に配置し、
前記サファイア基板の前記ＵＶ透過薄膜と接する側の表面及び前記サファイア基板の前記バッファ層と接する側の表面には凹凸部を有し、
前記サファイア基板の前記バッファ層と接する側の表面の凹凸部は、前記発光部の上面と略平行となる平坦部を有する、
紫外線発光素子。
前記ＵＶ透過薄膜の前記サファイア基板と接しない側の表面に凹凸部を有し、
前記ＵＶ透過薄膜の前記サファイア基板と接しない側の凹凸部と前記サファイア基板の前記バッファ層と接する側の凹凸部とのピッチが一致している、請求項１に記載の紫外線発光素子。