TW200305296A - Light-emitting device and illumination apparatus using same - Google Patents

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TW92103860A
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Kazuyuki Tadatomo
Hiroaki Okagawa
Yoichiro Ouchi
Takashi Tsunekawa
Yoshiyuki Imada
Yoshino Masahiko
Taguchi Tsunemasa
Original Assignee
Mitsubishi Cable Ind Ltd
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Description

200305296 五 、發明說明 (1) [ 發 明 所 屬 之 技 術 領 域 ] 本 發 明 係 關 於 將 發 光 二極體 (LED)， 、與利用從該LED發 出 之 光 進 行 激 發 而 發 出 螢 光之螢 光 體加 以 組合而構成，所 發 出 的 m 出 光 為 可 見 光 之 發光裝 置 〇 [ 先 前 技 術 ] 以 往 係 將 發 出 各 種 波 長光的 光 源力口 以 聚集排列，而構 成 彩 色 影 像 顯 示 裝 置 Λ 電 飾、信 號 燈、 昭 明裝置等。 該 光 源 有 單 獨 採 用 如 LED或半導體雷射（LD)等半導體 # 7^ 元 件 (以下簡稱 「發光元件」 )者， 亦 有採用組合發光 件 與 螢 光 體 者 0 該 螢 光 體係選 擇 可由 來 自發光元件的光 所 激 發 而 發 出 各 種 波 長 的 螢光者 〇 上 述 光 源 之 中 組 合 LED與螢光體而成者，尤以採用 能 發 出 白 色 光 之 構 成 之 所 謂「白 色 LED」 ，因其可作為照 -明 器 具 而 最 為 重 要 〇 習 知 的白色 LED首先可舉例如將藍色 -LED與黃色螢光體加以組合而成者< 3此白色LED的構造，係 利 用 分 散 著 黃 色 螢 光 體 (由藍色光所激發而發出黃色光的 螢 光 體 )的第] L樹 脂 覆 蓋 監色L E D晶片’ 然後再利用第2透 明 樹 脂 將 其 模 塑 成 石包 彈 型 等形狀 者 。藉 由 此種構造，未為 | 體 所 吸 收 而 穿 過 第 1與第2樹 脂 區域 的 藍色光，及從與 I 有 互 補 色 關 係 之 螢 光 體發出 的 黃色 光 相混合，便可觀 看 到 白 色 光 的 輸 出 〇 但 是 ，此種 白 色光 因 為完全未含光的 二 原 色 因 此 色 純 度 與 演 色性均 不 佳。 相 對 於 此 有 嘗 試 將 發出紫 色 至近 紫 外光的LED光 源 9 與 白 色 螢 光 體 加 以 組 合，而 發 出色 純 度與演色性均佳
3]4405.pid 第10頁 200305296 五、發明說明（2) 的白色光。白色螢光體係含有被來自LED光源的主發光所 激發，而發出三原色（紅色、綠色、藍色等三波長）的螢光 之螢光體成分。利用三原色光的混合而發出之白色光的演 色性較高，可形成較佳的照明用光源。 但是，本發明者針對如上述之組合LED與螢光體而成 的習知發光裝置進行詳細探討，結果得知不管哪一種裝 置，皆為增加對LED之通電量的話，色調（色平衡）即產生 很大變化者。 譬如當組合藍色LED與黃色螢光體之可發出白色光的 裝置（所謂「白色LED」）之情況時，白色光中所含黃色光 (藍色光經螢光體轉換過者）、與藍色光（穿透螢光體者）的 比率，將大幅依存於藍色LED的發光輸出而變化。而且， 因為此藍色LED的發光輸出將隨注入電流的增加而降低外 部量子效率，因此並未比例於注入電流而增加，而顯示出 從超過習知額定電流（譬如：在3 5 0// mx 3 5 0// m的LED晶片 中，通常為2 0 m A )的邊限起朝飽和傾向。即便在該額定電 流附近的通電，亦將引起LED晶片的溫度上升，而將引發 下述現象：第1，隨螢光體的溫度上升而降低轉換效率；第 2，藍色發光波長將移（sh i f t)向長波長，而使螢光體的激 發效率產生變化。若通以超越該額定電流之電流的話，此 傾向將更為強烈，在此種白色LED中，色調將隨對藍色LED 之注入電流的增加而變化。 再者，當組合紫色至近紫外LED與白色螢光體的白色 LED之情況時，因為僅利用紅色光、綠色光及藍色光的螢
3144〇5.ρκ1 第]1頁 200305296 五、發明說明（3) 光構成白色，並未直接輸出LED光源的光，因此便可抑制 如上述白色LED所述般，隨LED發光與螢光體發光間之色平 衡崩潰而引起的色調變化現象。但是，當使用習知輸出較 低的近紫外L E D、或轉換效率較低的螢光體之情況時，受 到因通電而造成的LED光源的溫度上升之影響，將產生下 述現象，色調仍會產生變化。 第1，因為LED光源的溫度上升，因此該光源的發光波 j長將產生變化，隨此每個顏色之螢光體轉換效率亦將獨自 -產生變化，結果便將造成色調變化。 ® 第2，因為LED光源的溫度上升，螢光體的溫度將產生 變化，隨此各個顏色螢光體的轉換效率亦將獨自產生變 化，結果便將造成色調變化。 •【發明内容】 - 如上述色調變化的問題，不僅組合LED與螢光體而成 i的發光裝置，即便是組合LD與螢光體而成的發光裝置，亦 將產生相同的問題。所以，本發明之課題便在於提供一種 改善上述問題，改善採用組合發光元件與螢光體而輸出可 見光之構成的發光裝置，而可抑制色調變化的該發光裝 及採用該發光裝置之照明裝置。 —·本發明具有以下特徵： (1 )一種發光裝置，係將GaN系發光元件、與由從該發 _光元件所發出之光所激發而發出可見光的螢光體加以組 合，而以該螢光作為輸出光之發光裝置；其中， 上述GaN系發光元件係GaN系發光二極體，且使注入該
314405.ptd 第12頁 200305296 五、發明說明（4) 發光二極體中的驅動電流從每單位發光面積〇·丨（A/cm2)變 化至70· 0(A/cm2)時，輸出光的色度變化量在x_y色度圖 中，係在0 · 〇 5以内。 (2)如上述（1 )之發光裝置，其中，上述GaN系發光二 極體係具有包含由InGaN系材料所構成的發光層而構成的 發光部；其中’該發光部的構造為單一量子井構造、多重 里子井構造、或雙異質量子井構造（double hetero structure)，發光峰值波長在430nm以下，在裸晶狀態 下；注入每單位發光面積3〇(A/cm2)之驅動電流時，具有5〇/〇 以上的外部量子效率者。 (3) 如上述（1 )之發光裝置，其中，上述GaN系發光二 極體係以與主發光一齊發出與主發光不同波長之光致發光
Cphotoluminescence light)的方式構成，該光致發光係 與上述螢光一齊輸出。
(4) 一種發光裝置，係將GaN系發光元件、與由從該發 光元件所發出之光所激發而發出可見光的螢光體加以組 合’而以該螢光作為輸出光之發光裝置；其中，上述GaN 系舍光元件係發光峰值波長3⑽n爪至4 3 〇 n m、總發光能量的 外部量子效率1 0%以上的GaN系半導體雷射；且使該半導體 雷射的雷射輸出，從振盪臨限電流通電時的雷射輸出，變 化至該雷射輸出之1 〇倍的雷射輸出時，輸出光的色度變化 量在X-y色度圖中，係在〇· 05以内。 (5 )如上述（1)或（4 )之發光裝置，其中，上述GaN系發 光元件的發光部係由InAGa】_AN(0< AS 1 )井層、與GaN系阻
314405.ptd 第]3頁 200305296 五、發明說明（5) P早層所構成的多重量子井厣構，且 、、 360nm至430nm之方式，、、办^ Γ 又又、’峰值波長為 M ^ 决疋1^GaHN井層的組成比Α。 (6) 如上述（1)或（4)之發光裝置，其 光元件的编籌造係具有在表面經施行凹凸加 板上，隔者由GaN系半導體所構成的低溫緩衝層、或直接土 地使GaN系』晶層覆蓋該凹ώ，而進行橫向成長或刻面 (facet)成長’而在該GaN系結晶上形成發光部的構造。 (7) 如上述（1)或（4)之發光裝置，其中，上述可見光 |在從亡述GaN系發光元件所發出的光的波長至波長8〇〇nm 方波長範圍内，具有一個以上發光強度峰值的光。 (8)如上述（7)之發光裝置，其中，可見光係包含有由 紅色光、綠色光、藍色光所構成的三原色而成的白色光。 (9 )如上述（1 )或（4 )之發光裝置，其中，上述螢光體 係由紅色螢光體、綠色螢光體、以及藍色螢光體的混合物 所構成的白色螢光體；其中， 上述紅色螢光體係含有從[Ln 20 2S:Eu(Ln = Y, La，Gd，Lu，
Sc)]、及[(Zna，Cd 卜 a)S:Ag，n、（〇·5> a> 0.2)]中選出之 一種以上的螢光體者； 0 上述綠色螢光體係含有從[(Zr^CUSiCiuA卜（1-a ▼ 〇· 6) ]、[ (Zna，Cd 】_a)S : Au，Al、（ 1- a> 0· 6) ]、[ (Zna，Cd i-a)S : Ag，Π、（ 1- a> 〇· 6)]、以及[(Ba，Sr)MgAl 10OI7 :Eu，Mn]中選出之一種以上的螢光體者； 上述藍色螢光體係含有[(Sr，Ca，Ba，Mg)1G(P〇4)6C】2:Eii] 及[(Ba，Sr)MgAl1()017:Eu，Mn]者。
334405.ptd 第14頁 200305296 五、發明說明（6) (1 0 )—種照明裝置，係集合複數個上述（1 )至（g )中 一項所述之發光裝置而構成。 【實施方式】 本發明的發光裝置係包括發光元件與螢光體而構成 的，在以下的說明中，係以GaN系LED為發光元件之例子具 體說明本發明。 在第1圖的構成例中’係組合G a N系L E D1與螢光體2而 構成該發光裝置。螢光體2係形成為被從GaN系LED 1所發出 的光L1所激發而發出螢光（可見光）L2，該螢光L2便形^該 發光裳置的輸出光。 在本發明中所謂的GaN系係指以lnAGaBAl c；N(〇S & 1、 S 1、0€ CS 1、A + B + C=l)表示之化合物半導體，嬖如 AIN、GaN、AlGaN、InGaN等重要的化合物。 當採用GaN糸LED而構成時的該發光裝置之重要特徵， 乃形成如第2圖之χ-y色度圖所示，當使注入該GaN系LED中 的驅動電流量，從每單位發光面積〇 ·丨A/cm變化至7〇A/cm 之時’輸出光的色度變化量（在該χ-y色度圖上，從點…變 化至點m2的變化量△ m)在〇· 〇5以内（最好為〇· 〇3以内）的構 造〇 依符合此條件之方式，選擇GaN系LED與螢光體並加以 組合盆則即使增加驅動電流，亦可將抑制色調的變化。 其中’上述變化量Δ m係當將點m丨座標設定為 點m2座標設定為（χ2, y2)之時，便為（χ2-χ + (y2-yl)汔平方根。
1111 K if_画 ill __ 31^1405.pid 第15頁 200305296 五、發明說明（7) 再者，本發明中所採用的x-y色度圖係由CIE1931xyz 表色系（JISZ8 7 0 1 )所規定者。 當對習知發光裝置施加如同上述的驅動電流量的變化 時，輸出光的色度變化量，將較大於本發明所規範的上述 值0 . 0 5。譬如，在由藍色LED與黃色螢光體所構成的發光 裝置中將為0 . 0 5 4，而採紫外LED與白色螢光體的習知裝置 則為0. 0 5 2，相關色度變化的規定並未考慮到。 為了評估上述色度的變化量而注入LED中的驅動電流 ^，係以不致隨LED的形狀尺寸等而有所不同之方式，以 传單位發光面積的電流量A/cm2]規定之。 所謂「發光面積」係指發光層之橫向的實際有效總面 積的涵義，近似而言，當P電極幾乎覆蓋著P層整面時，亦 可使用P層的面積代表。此外，當P電極僅覆蓋著P層的一 部份時，因為實質上僅電極正下方才會發光，因此便改為 將電極面積當作發光面積。 譬如第3圖所示，在藍寶石基板上形成的GaN系發光二 極體之元件構造中，當將元件外形設定為（3 5 0// mx 3 5 0// 1)至（5mmx 5mm)程度的方形時，發光面積將隨為了形成η 1電極的蝕刻處理而減少，而成為7χ 1 0 _4cm 2至0 . 2 4 cm轾 -f。其中，譬如採用發光面積為7. 2x 1 0 的元件時，為 了評估上述色度的變化量而注入的驅動電流量的變化，便 從 0 · 0 7 2 m A至 5 0 m A。 用來評估上述色度的變化量的其他測量條件，可舉例 如：將周圍溫度設定為[1 5至3 5°C ]、將構裝狀態設定為[為
11 疆__1 ρι m
111 ill
314405.ptd 第]6頁 200305296 五、發明說明（8) 〜----- 提高發光效率，最好採用霜日播壯 ,,^ ^ 休用设日日構裝，標準式則為以GaN系 气H為上」則之所謂p側在上之點晶]、將封裝（第2模塑樹 月曰）= = =疋為[環氧系樹脂]、將螢光體塗佈方法設定為 [利用含有以適當調配比率涊人+灿t ^ ★…v ^ 此手此σ之螢光體的矽膠樹脂，覆 蓋（模塑）已構裝的發光元件]等。 為達成上述色度的轡化I彳，欠^ ^ τ 又日J夂化里條件，所採用的GaN系LED、 螢光冑豆、及遠寻的組合方式很重要。 出 針對GaN系LED，相關發光峰值波長、發光輸 :效率，必須分別依以下方式進行限制。 v a糸LED的發光峰值波長係與螢光體之激發效率、 以及從=光體激發光轉換為勞光的轉換效率有關係之重要 因素，琅好為45 0㈣以下，尤以36〇_至43〇為佳。此 外，特7佳的發光峰值波長之例子有38〇nm。此乃因為在 採用InGaN為發光層的[Ε1)Φ ， 、+、e a* ^ J 上述波長範圍係屬於發光效 率較南，且-般而言為螢光體激發效率較高的波長區域之 緣故。 ，GaN系LED的發光輸出（針對峰值波長而測量之值）、 外部ΐ子效率係在抑制隨通電而造成之LED的溫度上升現 象方面屬於重要因素。隨通電而注入的電力，最後將轉換 為光、或轉換為熱。所以，外部量子效率越低的元件，轉 換為熱的比率將越大，而成為造成元件的溫度上升，降低 螢光體的轉換效率，導致發光元件與螢光體劣化的原因。 該GaN系LED的發光輸出，係當在裸晶狀態下，注入每 單位發光面積30 (A/cm2)的驅動電流時，最好具有5%以上的
314405.ptd 第17頁 lii Μ 200305296 五、發明說明（9) 外部量子效率（尤以7%以上為佳）。 如同在色度的變化量的評估中所說明般，該發光輸出 在周圍溫度從1 5°c起至3 5°c間的測量環境中，利用所謂的 p側在上的方式’使基板側在下方，採用銀膏或共晶系合 金作為接合用金屬材料，構裝於例如T 0 1 8罐之已知的金屬 管柱（stem)中而形成受測樣本，益將其直接插入積分球 中，利用測量總發光強度的標準測量系統，測量總發光輸 出。 由此總發光輸出便可利用下述计鼻式而計測外部量子 ’率。發光輸出會隨元件的形狀、構裝方式而有很大的差 異’在此以上述評估方法作為在楳準裸晶狀態下的測量方 法。 外部量子效率择利用々e=P。/ ( I f· E g)而計算出。 • ?。[你]係總發光輸出，以幻係通電量。£』6¥]係將發光 -峰值波長λ P[ // m ]轉換為能量值的數值，由E g= 1 · 2 3 9 8 / λ P 而計算出。 在本發明中，GaN系LED的外部量子效率係在5%以上， 特別建議最好在7%以上。 φ 譬如在第3圖所示的元件構造中，當將元件外形設定 ¥ (35〇// mx 35〇" π〇至（5mmx 5mm)程度的方形時，發光面 積便為7x 10-4cm 2至0· 24cm轾度。其中，譬如當採用發光 面積為7· 2x 1 0 _4cm2、發光峰值波長38〇nm之led元件時，最 好在20mA通電時呈現3· 3mW(外部量子效率5%)以上的發光 輸出，尤以在4. 6mW(外部量子效率7%)以上為佳。
314405.pid 第18頁 200305296 五、發明說明（ίο) ^-一- 藉由將GaN系LED的發光輸出、外部量子 方式進行限定，便可較習知發异壯里击* 4又手依戈上迹 a “…先裝置更加抑制LED的温度 上升。因此亦將抑制該LED本身的發光波長的變化： 長方面的各螢光體之轉換效率的變化亦將變少。，/ 同時減輕因加熱所致之螢光體的溫度上升，各螢 ： 換效率的變化亦會變少。士卜耸料 且勺·^ 助。 a " ^此寺對色調變化的抑制卻很有幫 符合上述發光峰值波長、發光輸出 條件的GaN系LED，可舉如第3圖里于政羊寻 料所構成之發光層而構成之發光部13者為例3, n a糸材 #厗係^例^如（n型覆蓋（clad)層/量子井構造/p型覆 f層）寺利用電流注入而可產生光之具有p型層與η型層= 構成，擁有與發光相關的層（發光層）。發光層係量子 造中的井層。較佳的發光部的構造，有例如：單一量 (SQW)構造、多重量子井（MQW)構造、或雙異質（dh)構造井 其中之MQW構造，就高輪出、高效率而言，乃屬特 者。 在^ 3圖（a )所不之元件構造例中，在藍寶石基板j 〇 上，隔著GaN系低溫成長緩衝層丨〇b，利用氣相成長依序芦 積η型接觸層n、發光部u(n型覆蓋層12/MQW/p型覆蓋層曰 1 4 )、p型接觸層1 5，並在各接觸層上設置n-電極p卜恭 -IX, DO. Ρ ^ 再者，在第3圖（b)中，更於藍寶石基板的上面，施加 供實施後述LEPS法用的凹凸s。
200305296 五、發明說明（11) ~~-- 當作發光層材料而所使用的InGaN系係指上述GaN系之 中，必須含有I η組成、Ga組成的化合物半導體，除以^ n Α< 1)表示者之外，亦可為在其中添加Αι組成Α 者。InAGai_AN之組成只要依可獲得上述發光峰值波長之方 式而決定的話便可，惟inAGai_AN( 0 0 0 5s仏〇·22、此時的 發光波長36Onm至43 0nm)的輸出較大，乃屬較佳的材料。
由上述得知，將依發光峰值波長為36〇㈣至43〇之方 式而決定的111{&1_以，當作井層的料？構造之1^0(11^31^紫 LED)，在該發光裝置中乃屬最佳的lED。此外，在將 黑^αΝ當作井層的μ Q W構造之中’亦屬由InAGa〗_AN井層與G a N 阻障層所構成的MQW構造，為可獲得高輸出、高效率的構 造。 為了抑制該發光裝窠的輸出光的色調的變化，採用螢 -光體發出的螢光為基本的方法。但是，亦可設定為從GaN *糸LED ’除發出主發光以外，亦發出光致發光（PL光）的構 造’使此PL光與上述螢光一齊輸出，而修正螢光的平衡。 在使此種PL光產生方面，僅要在GaN系LED的元件構造内， 添加以接受主發光而發出標的PL光之方式決定組成的GaN 結晶層的話便可。 - 本發明的發光裝置邡可將GaN系LD用作為GaN系發光元 件 此日$ ’ 5亥L D係採用具有發光峰值波長3 6 0 n m至4 3 0 n m、 外部量子效率1 〇%以上之條件者。此外，在採用LD時，當 使該LD的雷射輪出，從振盪臨限電流通電時的雷射輸出， 變化至该雷射輪出之1 〇倍的雷射輸出時，輸出光的色度變
334405.pid 第20頁 200305296 五、發明說明（12) 化量在x-y色度圖中係在〇 · 05以内者，作為本發明的發光 裝置。 用以形成GaN發光元件的GaN系結晶層之成長方法，可 舉：HVPE法、M0VPE法、MBE法等為例。要製作厚膜時，最 好採用HVPE法；而要形成薄膜時，則最好採用M〇vpE法或 MBE 法。 一
用作為G a N糸發光元件之元件構造的基底之奸曰美 板，只要為可成長出GaN系結晶者即可。最好的妙晶^板 可舉：藍寶石（C面、A面、R面）、SiC(6H、4H、3^日、日 AIN、Si、尖晶石、Zn〇、GaAs、NG0等為例。此外，亦&可 為具有以該等的結晶為表層的基材。另夕卜基板的面方位 並無特別的限制，可為just基板，亦可為附有斜角㈧ 角）的基板。 當在結晶基板上成長出由GaN系結晶層所構成元件構 造之際’可視需要在中間插設緩衝層。較好的緩衝層有4 如GaN、AIN、InN等所構成的GaN系低溫成長緩衝層。 為了使GaN系發光元件形成更高輸出化、a 巧入ΐ ·在結晶基板上成長之G aN系結晶層的差排
=:Ve 降低的構造。可減少差排密 度的構造，可舉例如以下所示者。 法（EL0法）之方式， 以條紋圖案化而形 (1)以可實施以往公知的選擇成長 在結晶基板上將罩幕層（使用S i 〇薄）予 成的構造。 面成長之方 (2 )以可使GaN系結晶進行橫向成長或刻
314405.ptd 第21頁 200305296 五、發明說明（13) 式，在結晶基板上施行點狀、條紋狀的凹凸加工而成的構 造。 該等構造與緩衝層可適當的組合。 上述可降低差排密度的構造之中，上述（2 )係為不採 用罩幕層的較佳構造，有助於使GaN系LED更趨於高輸出 化、高效率化，可獲得更佳的發光裝置。以下，便針對上 述（2 )之差排密度降低化構造進行說明。 對結晶基板施行凹凸加工的方法，可舉：採用一般的 i影技術，配合標的的凹凸態樣進行圖案化，然後使用 Μ E技術等施行蝕刻加工，而獲得標的的凹凸的方法等為 例。 凹凸的配置圖案有例如：點狀凹部（或凸部）排列而成 的圖案、將直線狀或曲線狀凹溝（或凸脊）依一定間隔（或 不定間隔）排列的條紋狀或同心狀圖案等。凸脊呈格子狀 交叉的圖案，可視為點狀（方孔狀）的凹部規則排列而成的 圖案。此外，凹凸的截面形狀可舉：矩形（包括梯形）、波 狀、三角波狀、正弦波曲線狀等為例。 該等各種凹凸態樣中，就直線狀凹溝（或凸脊）依一定 g隔排列的條紋狀凹凸圖案（截面矩形波狀）而言，因為可 簡化其製作步驟，同時可輕易的製作圖案，因此較佳。 當條紋的長邊方向設定為對以將之掩埋的方式而成長 的G a N系結晶為< 1 _ 1 0 0 >方向時，便如第4圖（a )所示，從凸 部上方開始成長的GaN系結晶1 1 a將朝橫向高速成長，並如 第4圖（b)所示，在凹部形成凹洞而殘留的狀態下，便較容
314405.ptd 第22頁 200305296 五、發明說明（14) 易形成G a N糸結晶層1 1 b。採用此種< 1 — 1 〇 〇〉方向之凹凸的 手法’亦稱之為 LEPS法（Lateral Epitaxy on the Patterned Substrate)。其中，藉由選擇較容易形成刻面 的成長條件’便可彳隻得與下述< 1 1 — 2 〇 >方向之情況相同的 效果。 此外’當條紋的長邊方向設定為對成長的GaN系結晶 而言為< 1 1 - 2 0 >方向時，便將抑制橫向成長，並容易形成 { 1 - 1 0 1 }面等之斜向刻面，而將如第5圖（a )所示，首先成 長出截面呈三角形的稜線狀結晶1丨a，然後如第5圖（b )所 示’可輕易的形成在凹部中未殘留空洞的GaN系結晶層 1 1 b。結果，從基板側朝c軸方向傳播的差排，便將在此刻 面上朝橫向曾曲’而較難朝上方傳播，就可形成低差排密 度領域的觀點而言’乃屬較佳方式。採用此種 < 丨丨—2 〇 >方
向之凹凸的手法’相對於上述LEps&，亦可稱為刻面LEPS 法。 將凹凸截面設定為如第6圖所示之矩形波狀時的較佳 尺寸係如下所述。凹溝的寬度W1最好為1/z ^至2〇// m(尤以 2# m至2 0// m為佳）。凸部的寬度W2最好為m至2〇// m (尤 以1 // m至1 0// m為佳）。凹凸的振幅（凹溝深度）d只要在〇 · 2 m以上深度的話便可。該等尺寸、或由其中所計算出的 間距等，在其他裁面形狀的凹凸之中亦相同。 除上述差排密度降低化的構造之外，最好適當的設計 可將在發光層中所產生光取出更多至外部的各種構造（電 極構造、反射層構造、可上下相反構裝的覆晶構造等）
314405.ptd 第23頁 200305296 五、發明說明 等。 口成^該發光裝置的輸出光之螢光，只要為可見光的話 便可 /、要在作為激發光源的GaN系LED之發光蜂值波長 ( 4 5 0nm以下、3 6 0ηπι至430nm)至800nm的波長範圍内具有一 個以上的务光強度峰值的光的話便可。其中，在照明用途 方面’白色光較有用，此外為了有良好的演色性，最好必 f f含由紅色光、綠色光、藍色光所構成三原色光而作出 的白色光（亦稱「RGB白色光」）。 灣在螢光體方面，只要採用能由作為激發光源的 所激發，而發出上述可見光之材料的話便可。 轉、Γ f白色光的蟹光體（由紅色營光體、綠色勞光 八4 ^ ^螢光體的混合物所構成的白色螢光體），可採 -色i 與但是用以構成色調變化較少的發光裝置之白 心，；舉例而言有：紅色螢光體為含有從[u2〇2 > a> 〇n2)'ia$G:，LU，SC)]、及[(Zn“d】， 含有Γ ·「（z ^出之一種以上的螢光體者；綠色螢光體為 )s·/ 、η:，』:(：υ，Α 卜⑴ a> 〇·6)]、[(Zna，Cd]_a ▲ ο Γ)ι、乂 ',〉〇·6)]、[(Zna，Cd]-a)s: Ag，C1、（1- a
，的螢光二者及”:’“…“^^^中選出之-種以 6C 豆「f/ 螢光體為含有[(Sr，Ca，Ba，Mg)]〇(PW “·Eu]及[(Ba，Sr)MgA1】G〇n:Eu，Mn^。 光邱i ί ί胆材料係可發出螢光的物質，當實際上將螢 的螢光塗料、或形成可組裝為可塗佈 人」、及衣的茧九體組件的態樣。因此可
200305296 五、發明說明（16) 對該螢光體材料施加使之與各種基材混合、化合，使之載 持、固化於基板上等各種加工。組合發光元件與螢光體而 形成一個發光裝置的結合方法、結合構造本身，亦可參照 公知技術。 該發光裝置的用途並無限制，可使用於信號機、顯示 裝置、電飾等方面，但就最能突顯出抑制色調變化之特徵 者，為構成輸出RGB白色光的該發光裝置，並集合複數個 該發光裝置而成的照明裝置。 實施例 採用InGaN紫外LED、白色螢光體，而實際製作經抑制 色調變化的白色L E D。 I n G a N紫外L E D的主要規格如下： 發光峰值波長：3 8 0 n m。 發光部的構造：In0.03Ga0.97N井層/GaN阻障層六對層積而 成的MQW構造。 差排密度降低化的手法：刻面（f a c e t) L E P S法。 裸晶外形：3 5 0 // mx 3 5 0 // m正方形。 構裝方式：覆晶 在裸晶狀態下的發光輸出：通電電流20mA下為 7. 8mW(樹脂模塑後為12. 5mW)。 (InGaN紫外LED之製作） 在C面藍寶石基板上施行利用光阻而形成條紋狀圖案 之圖案化處理，然後利用R I E裝置I虫刻出深度達1. 5/z m的 截面呈方形之狀態，獲得表面形成條紋狀圖案之凹凸的基 m _
I 111
IP
III 314405.ptd 第25頁 200305296 五、發明說明（17) 板0 該圖案的規格係將凸部寬度k m、周期m、條紋長 度方向設定為對在基板上成長的GaN系結晶而言為〈^ — 20〉 方向。 經去除光阻之後，在將基板安裝於一般的橫式常壓有 機金屬氣相沉積裝置（M0VPE)上’並在氮氣為主成分的環 境氣體中，昇溫至1100。(：，而施行熱洗淨處理。將溫度下 降至5〇o°c，然後流通作為瓜族原料的三甲基鎵（以下稱 iTMG\)乂作為贼料的氨氣，而成長出厚度30咖的GaN低 >JDL成長緩衝層。 接著在將溫度昇溫至1 0 0 0。(：之後，通入原料（tmg、氛 耽）、#質（石夕烧），而成長出η型GaN層（接觸層）。此時的 GaN層之成長，乃如Tadatomo等所揭示的文獻Jpn ]
Appl· Phys. 40.[ 2 0 0 1 ]L583所示，從凸部的上面·、凹部 的底面起，形成截面為山形且含刻面（facet)的凸脊狀处 晶之後，在使凹部内不致形成空洞之前提下，將整個凹°凸 部加以掩埋而進行成長。 經由刻面構造而成長出平坦的G a N掩埋層，接 备形成_ A1GaN覆蓋（clad)層、InGaN發光層（mqw構造）' -P型AlGaN覆蓋層、p型GaN接觸層’而當作發光波長38〇nm 的紫外LED用磊晶基板，更施行用以使n型接觸層裸霖出的 蝕刻加工，而形成電極，然後再進行元件分離以形成35〇 // mx 3 5 0// m的晶片，獲得裸晶狀態的inGaN紫外led。 使用S i基板而在底板用基座上，將藍寶石基板側朝上 200305296 五、發明說明（18) 面，施行所謂的覆晶式構裝。將搭載有該紫外LED的S i底 板，固接於引線架的杯内。利用積分球測量此狀態的LED 晶片之總發光輸出’結果觀察到2 0 in A通電時為7. 8inW。此 外，採用直接利用環氧樹脂模塑的LED燈進行相同的測 量，結果觀察到總發光輸出1 2 . 5mW。此發光元件的發光面 積為 7. 18x l〇-4cm2。 此發光效率相當於每單位發光面積之電流量 27.9(A/cm2)的外部量子效率12°/〇。 此外，此發光元件在至少5 OmA的通電下，發光輸出亦 不致飽和，可獲得與通電量成比例的發光輸出。 (白色螢光體之調製） 藍色螢光體材料係採用以BaMgAl IG0I7:Eu，Μη為主成分 的螢光體，輸出綠至黃色光的螢光體材料則用以Y 2S i 0 5·. C e 與Tb(Y、Cd)Al 50]2: (Ce、Tb)為主成分的螢光體，紅色光則 採用以Lr^OzSiEiKLn^Y、La、Gd、Lu、Sc)為主成分的螢光 體。 調配該等各色螢光體，並使之分散於熱硬化型矽膠系 樹脂中，便成白色螢光體。 (發光裝置的組裝） 以覆蓋經過覆晶構裝的紫外LED之方式，塗佈上述白 色螢光體。該螢光體的塗佈厚度約1 0 〇// in。該厚度的最適. 值依白色螢光體的含有量而變化。在石夕膠樹脂充分固化之 後，便使用環氧樹脂施行砲彈型模塑，而完成本發明的發 光裝置（白色LED燈）。
3]4405.ptd 第27頁 200305296 五、發明說明（19) (評估） 針對所獲得的發光裝置，使LED的驅動電流量從 0. 0 7 2mA變化至50mA (相當於每單位發光面積從0. 1 (A/cm2) 變化至7 0 ( A / cm 2))時的輸出光的色度，係如第2圖所示，在 乂-7色度圖的色度座標上，從點1111(又=0.3、7 = 0.34)變化至 點 m2(x=0.28、 y=0.32)。 此時二點間的變化量△ m約0 . 0 2 8，符合本發明的色調 變化規定。 1產業上的利用領域】 ^ 藉由本發明便可提供即便電流量變化，色調亦不易產 生變化的發光裝置，藉此便可提供能穩定發出演色性佳之 白色光的優良照明裝置。 本申請案係以在日本所提出申請的特願2 0 0 2 - 0 4 8 6 3 2 為基礎，其内容均涵蓋於本說明書中。
3]4405.pid 第28頁 200305296
圖式簡單說明 【圖式簡單說明】 第1圖係顯示 部分係為了區別領^明發光裝置的構成之示意圖。陰影 發光二極體，2係\域^之目的而添加者。圖中，1係指GaN系 光，L2係指螢光★光體’ L1係指發光二極體所發出的 第2圖係本發=輪出光j。其他圖亦同。 圖。 中規範輸出光的色度變化量的X-y色度 弟 3圖（a)、 一
.〕係颁示用於本發明發光裝置的構成中 之GaN糸LED之兀件構造的一例之圖。 第個（a)、（b)係顯示為降低構成GaN系LED之GaN系結 曰曰層/的差排也、度，而在結晶基板上設置的凹凸構造、及 G a N系、、Ό曰曰的成長樣子的示意圖。同圖例子中，凹凸係朝 垂直趴紙面而延伸之由凹溝、凸稜所形成的條紋狀圖案， 垂直該紙面的方向係指所成長的GaN系結晶之 <卜1〇〇>方 向。 第5圖/ (a)、 （b)係如同第4圖，顯示為降低構成GaN系
LED之GaN糸結晶層的差排密度，而在結晶基板上設置的凹 凸構造、及GaN系結晶的成長樣子的示意圖。同圖例子 中’凹凸、凸稜的長度方向（垂直於紙面的方向）係所成長 的GaN系結晶的<11 一20>方向。 弟6圖用以顯示設於結晶基板上面的凹凸的尺寸之 圖。 2 螢光體
GaN系發光二極體
314405.ptd 第29頁 200305296 圖式簡單說明 10 監賃石基板 11 η型接觸層 13 發光部 15 ρ型接觸層 1 lb GaN系結晶層 L 1 來自發光二極體的光 Ρ 1 η -電極 S 凹凸 1 Ob GaN系低溫成長緩衝層 1 2 η型覆蓋層 14 ρ型覆蓋層 1 la GaN系結晶 d 凹溝深度 L2 螢光 P2 ρ-電極 W1 凹溝的寬度 漏 凸部的寬度
3J4405.ptd 第30頁

Claims (1)

  1. 200305296 六、申請專利範圍 .#所^2，，係將GaN系發光元件、與由從該發光 Γΐ ΐΐ ΐ所激發而發出可見光的螢光體加以·银 " 1、Μ實光作為輸出光之發光裝置；其中， ^述UN系發光元件係GaN系發光二極體，真椽浲 入省％光極體中的驅動電流從每單位發光面積 0.1(A/cm2)變化至 7〇.〇(A/cm2)時， 輸出光的色度變化量在x — y色度圖中，係在〇· 〇5以 内0 2.如申請專利範圍第1項之發光裝置，其中，上述caN系 發光二極體係具有包含由I nGaN系材料所構成的發光廣 而構成的發光部；其中，該發光部的構造為單〆爹^ • & 井構造、多重量子井構造、或雙異質量子井構造，/位 光峰值波長在4 3 0 n m以下；在裸晶狀態下，注入杳單力β 發光面積30(A/cm 2)之驅動電流時’具有5 %以上的 量子效率。 / 3 ·如申請專利範圍第1項之發光裝置，其中，上述 發光二極體係以與主發光一齊發出與主發光不同波長 之光致發光的方式構成，該光致發光係與上述榮光 齊輪出。 / 4.如申請專利範圍第1項之發光裝置，其中，上述GaN系 發光元件的發光部係由inAGa J(0< ^ n井層與GaN系 阻障層所構成的多重量子井層構造，且依發光峰值波 長為3 6 0㈣至4 3 0⑽之方式，決定InAGaHN井層的組成比
    第31頁
    200305296 六、申請專利範圍 5. 如申請專利範圍第1項之發光裝置，其中，上述GaN系 發光元件的元件構造係具有在表面經施行凹凸加工的 結晶基板上，隔著由GaN系半導體所構成的低溫緩衝 層、或直接地使GaN系結晶層覆蓋著該凹凸，而進行橫 向成長或刻面成長，而在該GaN系結晶上形成發光部的 構造。 6. 如申請專利範圍第1項之發光裝置，其中，上述可見光 係在從上述GaN系發光元件所發出的光的波長至波長 8 0 0nm之波長範圍内，具有一個以上發光強度峰值的 •光。 7. 如申請專利範圍第6項之發光裝置，其中，上述可見光 係包含由紅色光、綠色光、藍色光所構成的三原色而 成的白色光。 8. 如申請專利範圍第1項之發光裝置，其中，上述螢光體 係由紅色螢光體、綠色螢光體、以及藍色螢光體的混 合物所構成的白色螢光體；其中， 上述紅色螢光體係含有從[Ln 20 2S:Eu(Ln = Y，La， Gd，Lu，Sc)]、及[(Zn a，Cd 卜3) S : Ag，C 1、( 0 . 5> a> 0.2)] g 中選出之一種以上的螢光體者； 上述綠色螢光體係含有從[(Zna，CUSiCu，A卜 (1$ a> 0·6)]、[(Zna，Cd]_a)S:Au，Al、（lg a> 0·6)]、 [(Zn a, Cd !_a) S : Ag，C 1、（ G a> 0 · 6 )]、以及[(Ba，Sr ) MgAl]()0]7:Eii，Mn]中選出之一種以上的螢光體者； 上述藍色螢光體係含有從[(Sr5Ca，Ba，Mg)H(P04)6C
    314405.ptd 第32頁 200305296 六、申請專利範圍 12:Eu]A[(Ba，Sr)MgAl]()017:Eu，MnM。 9· 一種發光裝置，係將GaN系發光元件、與由從該發光元 件所發出之光所激發而發出可見光的螢光體加以組 合，而以該螢光作為輸出光之發光裝置；其中， 上述GaN系發光元件係發光峰值波長36 〇nm至 4 3 0 nm、總發光能量的外部量子效率在1〇%以上的GaN系 半導體雷射；且使該半導體雷射的雷射輸出，從振盪 6品限電流通電時的雷射輸出，變化至該雷射輸出之1 〇 倍的雷射輸出時， 輸出光的色度變化量在χ — y色度圖中，係在〇. 〇 5以 内0 1 0 ·如申請專利範圍第9項之發光裝置，其中，上述GaN系 發光元件的發光部係由I n AGa !_AN ( 0< AS 1 )井層、與上 述GaN系阻障層所構成的多重量子井層構造，且依發光 峰值波長為360nm至4 3 0nm之方式，決定InAGa】_AN井層的 組成比A。 1 1 ·如申請專利範圍第9項之發光裝置，其中，上述GaN系 發光元件的元件構造係具有在表面經施行凹凸加工的 結晶基板上，隔著由GaN系半導體所構成的低溫緩衝 層、或直接地使GaN系結晶層覆蓋該凹凸，而進行橫向 成長或刻面成長，而在該GaN系結晶上形成發光部的構 1 2 ·如申請專利範圍第9項之發光裝置，其中，上述可見光 係在從上述GaN系發光元件所發出的光的波長至波長
    314405.pid 第33頁 200305296 六、申請專利範圍 8 0 0 nm之波長範圍内，具有一個以上發光強度峰值的 光。 1 3 .如申請專利範圍第1 2項之發光裝置，其中，上述可見 光係包含由紅色光、綠色光、藍色光所構成的三原色 而成的白色光。 1 4 .如申請專利範圍第9項之發光裝置，其中，上述螢光體 係由紅色螢光體、綠色螢光體、以及藍色螢光體的混 合物所構成的白色螢光體；其中， 上述紅色螢光體係含有從[LnWzSiEiKLnrY，！^， Gd，Lu，Sc)]、及[(Zn a，Cd 卜 a) S : Ag，C 1、( 0 . 5> a> 0.2)] 中選出之一種以上的螢光體者； 上述綠色螢光體係含有從[(Zna，CUSiCu，A卜（1 $ a> 0·6)]、[(Zna，Cd 卜 a)S:Au，Al、（1— a> 0·6)]、 [(Zn a, Cd ]>a) S : Ag，Cl、(1^ a> 0.6)]、以及 [(Ba，Sr)MgAln〇17:Eu，Mn]中選出之一種以上的螢 光體者； 上述藍色螢光體係含有[(Sr，Ca，Ba，Mg)IG(P04)6C12 :£11]及[(83，81_)1^六1]()0]7』11，]\111]者。 #. 一種照明裝置，係具有集合複數個申請專利範圍第1至 1 4項中任一項所述之發光裝置而構成。
    314405.ptd 第34頁
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