JPH01231381A - 混色発光半導体素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （＃梁上の利用分野） 本発明は、１００１００Ｏ以上の発光輝度を有する超高
輝度発光半導体チップに他種の発光半導体チップを組み
合わせて構成される混色発光半導体素子に関する。

（従来の技術） 固体素子としての発光デバイスには蛍光体と発光タイオ
ードがある０発光ダイオードは、その発光材料としてｍ
−ｖ族化合物半導体の単一又は混晶が主に用いられる。

そして、９．光ダイオードの発光は、ｐｎ接合部に順方
向電流を流して少数のキャリヤを注入し、これら少数キ
ャリヤか多数キャリヤと再結合して行われる０発光ダイ
オードは、その発光機構から蛍光体と異なって特に高輝
度てあり、又、局所的な発光や複雑な表示に適しており
、励起エネルギーか簡単な低圧の直流電源てあり、更に
その他の特徴、即ち多色化、高信頼性、低消費電力、高
速応答性か半導体果粒回路とマツチして、用途は益々拡
大しつつある。

その初期において、応用分野は表示光源としてランプ、
デイスプレーの２つが主流であったが、素子の高出力化
に伴いファクシミリや複写機、プリンタ用の各光源とし
てＯＡ機器分野、更に交通信号等の表示用、光ファイバ
を用いた光通信へと、固体光源としてその需要は飛躍的
な拡大が期待されている。

特に１表示光源の分野ては多色化か要求され、又、その
発光に基づく固有の色以外の色が要求され、各種発光ダ
イオードを近接させて同時に発光させる技術が利用され
つつある。又、特に屋外表示用途を考える場合、多色化
と同時に高輝度か要求されつつある。

（発明が解決しようとする問題点） しかしながら、従来技術によれば多色化は可能であった
としても、限られた発光ダイオードの組合せのために色
調を任意に変化させることが不可能であり、発光色源を
みる角度によって構成する発光ダイオードの単色源か分
離したり、更に屋外表示用としての十分な輝度を持つ混
合色を得るには困難があった。

参考のために主要ないくつかの可視発光ダイオードの特
性を法衣に示す。

＼ 各！！発光ダイオードの特性 各種発光ダイオードを組み合せる多色化は、グラスマン
の法則に準じて、ある可視域の単色放射を同じ可視域の
異なる単色光の組合せにより知覚的な等色を得るもので
ある。赤、青及び緑の３原色によっであるゆる知覚色か
得られることは周知のことである。

実公昭６２−３４４６７号公報には、２種のＧａＰ発光
ダイオードをエピタキシャル成長によりＰＮＮＰ構造ま
たはＮＰＰＮ構造に一体として形成し、赤色及び緑色を
発光させる試みが成されている。しかし、斯かる方法で
は、ＰＮＮＰまたはＮＰＰＮの一体構造で形成されてい
るため、放射光を一方向に取り出す際に緑色発光は赤色
発光ダイオード内で吸収され、外部電子効率を低下させ
る。近年、特に要望されている超高輝度、例えばＩ、＝
２０ｍＡで１００１００Ｏ以上という輝度は、ＧａＰの
発光ダイオードては不可ｆｌある。

又、　Ｇａ　Ａｓ　Ｐ発光ダイオードでは、＾ＳとＰの
混晶比を変化させることにより緑色から赤色までの中間
色の発光か可７１であるが、やはり屋外等に用いる程度
の１０００　ｍ　ｃ　ｄ以上の輝度を得ることは困難で
ある。単色発光で超高輝度の発光ダイオードとしては、
ダブルヘテロ接合構造のＧａ　Ａｔ　Ａｓ発光ダイオー
ドが市販されているが、その波長は６６０ｎｍ付近の赤
色に限定される。赤色発光は屋外て用いられる場合には
、国によっては法的な規制があり、その用途に制限があ
るので、赤色以外の例えばオレンジ色など短波長側に発
光の色調が偏倚しなければならない。

本発明は従来技術の混合色発光ダイオードの多色化の限
界を克服し、単色光の発光ダイオードの組合せにより放
射方向によって知覚的な等色効果が完全な疑似単一光源
となる混色発光半導体素子を提供することをその目的と
する。特に、ａ高輝度混色発光半導体素子の提供を目的
とし、更に詳しくは、超高輝度の単色発光素子の超高輝
度の特徴を生かしつつ、超高輝度の混色発光半導体素子
を提供することを目的とする。

（問題点を解決するための手ｙｔ） 上記目的を達成すべく、本発明は、１００１００Ｏ以上
の発光輝度を有する超高輝度半導体チップと、該超高輝
度半導体チップと発光波長を異にする他種の発光半導体
チップとを組み合わせて混色発光半導体素子を構成し、
例えば、前記超高輝度半導体チップとして、ダブルヘテ
ロ接合構造を右するＧａ　ＡＩ　Ａｓ発光半導体チップ
を用い、前記光なった発光波長を有する他種の発光半導
体チップとして、　Ｇａ　Ａｓ　Ｐ発光半導体チップ、
又はＧａ　Ｐ発光半導体チップを用いるようにした。

（作用） 本発明に基づいて混色発光半導体素子を作るためには、
単色発光半導体チップを複数個放射方向に略直角に積み
重ねて一体化し、これを発光半導体素子とする。市場で
現在入手可能な、あるいは可能になりつつある赤乃至胃
中色発光半導体チップから希望する知覚的な等色を得る
ために種々の組合せか可能である０例えば、オレンジ色
を得るためには、赤色と黄色の単色発光ダイオードを組
合せれば良い、勿論、３原色の赤色、緑色、青色を１１
合せれば白色光も可能である。混色型の超高輝度多色発
光素子を作るためには単色発光半導体チップを積み重ね
て行われるが、少なくともそ−の構成する単色発光半導
体チップの一つは超高輝度の発光、即ちＩ、＝２０ｍＡ
で１０００　ｍ　ｃ　ｄ以上が可能でなければならない
、他の単色発光半導体チップの輝度には特に制限がない
。

現在技術的に可能な超高輝度発光半導体チップとしては
Ｇａ　ＡＩ　Ａｓの６６０ｎｍの赤色発光があるが、こ
のＧａ　Ａｌ＾Ｓ赤色発光ダイオードにＧａ　Ｐ又はＧ
ａ　Ａｓ　Ｐの発光ダイオードを組み合せることにより
赤色から短波長側にシフトした１例えばオレンジ色の知
覚色の超高輝度発光半導体チップが得られる。

現在存在する短波長側の単色発光ダイオードは前夫のＧ
ａ　Ｐ、　Ｇａ　Ａｓ　Ｐの他にＳｉＣ，ＧａＮの青色
かあるが、超高輝度の発光ダイオードチップを少なくと
も一構成要素として含むことによりその発光色調の短波
起倒へのシフトが可能であり、構成する各発光半導体チ
ップの発光接合面積１発光量の調部で色調に関してかな
りの自由度かある。

斯かる混色型超高輝度発光半導体素子て重要なことは、
その放射光を知覚するに際し、その光源を見る角度て単
結晶への分離がなく、混色を完全に行うために、構成チ
・ンプかその接合平面に直角な方向に積み重ねられ一体
化されることである。

然るに、このように混色発光半導体素子を得る場合に１
本発明のようにその主たる放射光方向に略直角方向に単
純発光半導体チップを桔み重ねて一体化することによっ
て、その放射光を見る角度によって完全な等色化が行わ
れ、個々の単色発光に分離されて見えることはない。即
ち、放射光の混合が完全に行われる。勿論、混色発光半
導体素子の最前面の発光半導体チップからの放射光は効
率良く外部に発散されるが、後部にある発光半導体チッ
プは側面への放射光発散か主体であるのので、斯かる混
色発光半導体素子からの外部放射を所定の方向に有効に
取り出すためには１例えば凹面反射鏡内、特に放射面反
射鏡の略焦点にその混色半導体素子を配こするのか良い
。

超高輝度の単色発光半導体チップは、その発光素子の放
射方向に対して後部に位置するのが好ましい。超高輝度
の単色発光半導体チップがＧａ　Ａｌ八へ　ｆｆｉダブ
ルヘテロ構造の場合、他の構成要素である短波長発光の
単色発光半導体素子は接触する超高輝度の発光半導体チ
ップに吸収されぬよう前面に用いるのが良い、放射光の
他の半導体チップによる吸収は不利であるので、斯かる
吸収か起こらないようにノ５礎吸収やエキシトン準位吸
収などのないようエネルギー帯構造及び不純物準位の存
在を考慮することは好ましい。

Ｇａ　ＰはＺｎ−０ベアの発光中心による赤色発光と等
電子トラウプによる緑色発光か可能であり、　ＧａＡｓ
　ＰはそのＧａ　Ａｓ及びＧａ　Ｐの混晶比によって、
即ちＧａ　Ｐか４０％以上では黄色（５７０ｎ　ｍ　）
から橙色（６３０ｎｍ）と変化する。

ダブルヘテロ接合型超高輝度Ｇａ　Ａｔ　Ａｓ発光半導
体チップにＧａ　ＰＡＮの高輝度発光半導体チップを組
み合わせることによって、オレンジ色の混合知覚色が得
られる。　このように植み重ねられた超高輝度光光寥導
体素子は、その外部放射を効率的にするために凹面の反
射鏡の中に、場合によって放射面鏡の焦点に配置し、又
１個々の接合面桔の選択、発光のための電流２ｇ１節に
よって目的とする輝度と混色を得ることか出来る。

発光ダイオードにはその輝度と励起のための電流との間
に飽和特性があり、又、電流によって寿命が変化するの
て、希望する混色を得る場合、単色発光ダイオードの放
射波長、印加する電圧、接合面植を適宜調節せしめる。

更に末完１夛１によれば、各単色発光半導体チップはそ
の電極部分で相互に適当な導電性接着剤。

Ａｇペースト或いはＩｎ合金を用いて接着一体止させる
。

（実施例） 以下に本発明の一実施例を添付図面に基づいて説明する
。

第１図は未発ＩＪＪに係る混色発光半導体素子ｌの４１
ＪＫ＃、図であり、本実施例においては、該混色発光半
導体素子ｌは第２図に示すダブルヘテロ接合構造を有す
る厚さ２００ＪＬｍ、大きさ４００ルｍ×４００ｇｍの
Ｇａ　ＡＩ　Ａｓ超高輝度赤色発光半導体チップ１０上
に第３図に示す厚さ２５０ＩＬｍ、大きさ２５０ｐｍＸ
２５０μｍのＧａＰ：Ｎ緑色発光半導体チップ２０を積
み重ねて両者を接合一体止して構成される。

上記Ｇａ　ＡＩ　Ａｓ超高輝度赤色発光半導体チップｌ
Ｏは、第２図に示すように、ｎ型Ｇａ　Ａｔ　Ａｓクラ
ッド層ｌｌ上にＧａ＾Ｉ　Ａｓ活性層１２、Ｐ型Ｇａ　
ＡｌＡｓｌＡｓクラット全１３して得られる発光半導体
素子のｎ型クラッド層１１の下面にｎ型電極１４・・・
を形成し、ｐ型クラッド層１３の上面にｐ型電極１５・
・・を形成して構成される。尚、以上のｎ型クラッド層
１１、活性層１２及びＰ型クラット層１３の形成は、公
知の徐冷法による液相エピタキシャル（ＬＰＥ）結晶成
長法によって行なわれる。

ここで得られたＧａ　ＡＩ　Ａｓ超高高輝赤色発光半導
体チップの構成は１例えばρ型りラット層はＺｎトープ
、ドーパントレベル：　４　Ｘ　１０”７ｃｍ３．％品
組ｆｆ１ｃａｏ、　２　Ａｌｏ、　ａ　Ａｓ、厚さ±２
００Ｐｍ　、ノンドープ活性層は混晶組成Ｇａｏ、、□
ＡｌＯ，：Ｉｌｌ　Ａ！？、厚さＩｇｍ、ｎＪｌ！！ク
ラット層はＴｅトープ、ドーパントレベル＋　Ｉ　Ｘ　
１０”／　ｃ　ｍ’　、混晶組成Ｇａｏ、　２　Ａｌｏ
、　ａ　Ａｓ、厚さ５０ＪＬｍからなる。

又、前記Ｇａ　Ｐ緑色発光半導体チップ２０は、液相エ
ピタキシャル（ＬＰＥ）結晶成長法によって発光する光
の吸収の少ないＧａ　Ｐ基板結晶上に発光中心となるＮ
を添加したｎ型Ｇａ　Ｐ層を成長させた後、Ｚｎを添加
してｐｎ接合を形成して得られるものであって、これは
第３図に示すようにｎ型Ｇａ２層２１の下面にｎ型電極
２３・・・を形成し、ｐ型Ｇａ　Ｐ層２２の上面にｐ型
電極２４を形成して構成される。

ここで１１ｔられたＧａ　Ｐ緑色発光半導体チップの構
成は、例えばｎ型Ｇａ　Ｐ層：第１層Ｔｅトープ。

４ＸｌＯ１１／ｃｍ’、 厚さ２０湊ｍ 第２層ｎ型トーバント ２ＸＩＯ１６／ａｍ’　　、 厚さ２０鉢ｍ 但し窒素ドープ Ｐ型Ｇａ　Ｐ層、　　　　　ＺｎトープｌＸｌ０１′′
／ｃｍ’、 厚さ２０ルｍ から成る。

斯くて、第１図に示すように、第２図に示される前記Ｇ
ａ　ＡＩ　ＡＳｊｆｉ高輝度赤色半導体チップ１０上に
第３図に示される前記Ｇａ　Ｐ緑色発光半導体チップ２
０を積み重ねて両者を接合−帯止すれば、本発明に係る
混色発光半導体素子ｌが得られる。即ち、図示のように
赤色発光半導体チップ１０の上面に形成されたｐ型電極
１５・・・に緑色発光半導体チップ２０の下面に形成さ
れたｎ型電極２３・・・を当接するようにして緑色発光
半導体チップ２０を赤色半導体チップ１０上に＃＆置し
、内電極１５・・・、２３・・・間にＡｇペースト、Ｉ
ｎ合金等の導電性接着剤３０を介在せしめてこれら全体
な炉中で温［２００＠Ｃ〜３００’　Ｃに加熱してその
後冷却すれば、内電極１５・・・、２３・・・の溶剤が
蒸発したり、或いは合金層を形成し、接看されて赤色発
光半導体チップｌＯと緑色発光半導体チップ２０とか接
合一体止されて本発明に係る混色発光半導体素子ｌか（
１）られる。

而して、この混色発光半導体素子ｌに順方向電流を流せ
ば、赤色発光半導体チップ１０の活性層１２からは超高
輝度の赤色発光が得られ、緑色発光半導体チップ２０の
ｐｎ接合面からは緑色発光か得られ、この結果、該混色
発光半導体素子ｌ全体としては赤色と緑色との混合色で
ある橙色の点光源に近い超高輝度発光か得られる。しか
も、当該混色発光半導体素子ｌは赤色発光半導体チップ
ｌＯ上に緑色発光半導体チップ２０を積み重ねて接合一
体止することで容易に得られ、その構成も極めて単純で
ある。

第４図に本発明に係る前記混色発光半導体素子ｌの応用
例を示す、即ち、第４図はハイブリット型ＬＥＤランプ
４０の側面図であって、混色発光半導体素子ｌの周囲は
上面を除いて椀状のＡＩ製リフレクタ−４１によって被
われており、電極１４．２４からはそれぞれリード線４
２．４３か導出しており、これら全体はエポキシ樹脂等
の透明樹脂４４によってモールドされている。

而して、当該ＬＥＤランプ４０に順方向電流を通じれば
、点光源に近い橙色の超高輝度発光か得られる。

また、Ｇａ　Ｐのエネルギーギャップは２．２ｅＶで、
その値は下部のＧａ　ＡＩ　Ａｓ赤色発光半導体チップ
の赤色発光の光エネルギー１．８ｅＶに対し大きいので
、下部の赤色光は上部の半導体チップの中で吸収される
ことなく通過し、輝度の損失がないのは勿論、下部の輝
度か上部チップの通過によって、上部チップの緑色発光
との混色か完全に行なわれるという利点がある。

（発明の効果） 以上の説明で明らかな如く未発ＩＪＩによれば、互いに
異なる発光色を有する発光半導体チップを多段に積み重
ねて接合一体止することによって混色発光半導体素子を
構成したため、超高輝度の混合色発光か簡単な構造て容
易に得られるという効果か得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る混色発光半導体素子の構成ＩＫ、
第２［ｆｆｌはＧａ＾ｌ　Ａｓ赤色発光半導体チップの
構成図、第３図はＧａ　Ｐ緑色発光半導体チップの構成
図、第４図はハイブリッド型ＬＥＤランプの側面図であ
る。 ｌ・・・混色発光半導体素子、ｌＯ・・・Ｇａ　Ａｌ＾
Ｓ赤色発光半導体チップ、２０・・・Ｇａ　Ｐ緑色発光
半導体チップ、３０・・・接着剤。 特　許　出　願　人　信越半導体株式会社代理人　弁理
士　　　山　下亮− 第１図 ？４ 第２図　　　　　　　第３１ 第４図

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）発光半導体チップの少なくとも１つは、２０ｍＡ
   の駆動電流のもとに、５ｍｍφのエポキシ樹脂封止のラ
   ンプの軸光度が１０００ｍｃｄ以上となるような高輝度
   特性を有し、当該半導体チップとこれと異なった発光波
   長を有する他種の発光半導体チップを組み合わせて構成
   される混色発光半導体素子。
2. （２）前記超高輝度半導体チップとして、ダブルヘテロ
   接合構造を有するＧａＡｌＡｓ発光半導体チップを用い
   る請求項１記載の混色発光半導体素子。
3. （３）前記異なった発光波長を有する他種の発光半導体
   チップとして、ＧａＡｓＰ発光半導体チップを用いる請
   求項１記載の混色発光半導体素子。
4. （４）前記異なった発光波長を有する他種の発光半導体
   チップとして、ＧａＰ発光半導体チップを用いる請求項
   １記載の混色発光半導体素子。