WO2003081685A1 - Visible light emitting device - Google Patents

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Description

明 細 書 可視光発光装置 技術分野
本発明は、 半導体発光素子を用いた可視光発光装置に関する。 背景技術
一般照明用等に使用される白色光発光装置としては、 従来、 蛍光ランプが使用さ れてきたが、 可視光発光装置としては、 従来、 蛍光ランプが一般的に広く使用され ている。 しかし蛍光ランプには以下のような欠点がある。
-陰極放電を利用して紫外線を発生させるため、 電極の蒸発消耗により比較的早期 に寿命がつきやすい。
-高電圧を必要とする上、 消費電力も大きい。
·安定器やスタータなどの余分な周辺回路が必要である。
•ランプ廃棄に伴い、 紫外線放射源としてガラス管内に封入された水銀が放出され るため、 環境保護上の観点においても今後は敬遠されてゆくことが予想される。 そこで、 陰極放電の代わりに、 A 1 G a Nなどのワイドギヤップ形化合物半導体 で構成された半導体発光素子を紫外線源として用いる発光装置が、 例えば特開平 1 1 - 1 6 8 2 6 2号公報に提案されている。 蛍光体材料としては公知のものが使用 され、 例えばハロリン酸カルシウム （3 C a 3 ( P〇4) a ■ C a F C 1 / S b , M n ) を採用する場合は、 Fと C l， S bと M nのそれぞれの量を調整することによ り、 種々の色温度の白色光を得ることができる。 他方、 ワイドギャップ形化合物半 導体を用いた高輝度の青色発光素子も実現しており、これを、 周知の赤色ないし緑 色の高輝度発光素子と組み合わせることにより白色光を合成する方式の発光装置も 検討されている。
半導体発光素子を紫外線源として用いる発光装置では、 発光素子から発せられる 紫外線の波長帯が、 陰極放電等で得られる紫外線よりも狭く、 また、 中心波長も一 定の範囲でばらつきやすい。 従って、 周知の蛍光ランプ用の蛍光体を使用した場合、 半導体発光素子からの紫外線の波長がばらつくと、 3原色の発光バランスが崩れ、 良好な白色光が得られなくなってしまう問題がある。 他方、 赤、 緑及び青の発光素 子を組み合わせて白色光を得る方法は、 3種類の素子が必要となるため、 周辺回路 も含めてコストアップを招きやすい問題がある。
本発明の課題は、 半導体発光素子を紫外線源として用いつつ、 良好な白色光を高 輝度にて得ることができる可視光発光装置を提供することにある。 発明の開示
上記の課題を解決するために、本発明の可視光発光装置の第一は、 MgaZ n i-a O (ただし、 0≤a≤ l) 又は A 1 b I ncG aト CN (ただし、 0≤b≤ l、 0≤c≤l 0≤b + c≤l) 力、らなる発光層部を有した半導体紫外線発光素子と、 S i o2と S iとの混合スパッタ膜からなり、 半導体紫外線発光素子からの紫外 線照射を受けて可視光を発光する可視光発光膜と、 を有することを特徴とする。
Mg aZ i nOと A 1 b I neG a b CNとはいずれもワイドギャップ型化合 物半導体として知られ、 例えば前記発光層部を、 各々上記化合物半導体からなる n 型クラッド層、 活性層及び!)型クラッド層が、 この順序にて積層されたダブルへテ 口構造を有するものとして形成することにより、 良好な紫外線発光素子として機能 する。 そして、 本発明においては、 該紫外線発光素子からの紫外線照射を受けて可 視光を発光する可視光発光膜として、 s i o2と S iとの混合スパッタ膜からなる ものを使用する。 この可視光発光膜は、 紫外線照射によるフォトルミネッセンス効 果に基づいて発光するものである。 そして、 S i 02と S iとの混合スパッタ膜か らなる可視光発光膜を用いることにより、 紫外線発光素子からの紫外線の波長が多 少ばらついても、 色バランスの崩れにくい良好な白色光を得ることができる。 また、 1種類の紫外 ,锒発光素子により白色光が得られるので、 赤、 緑及び青の発光素子を 組み合わせて白色光を得る方法などと比較して、 安価に発光装置を構成できる。 また、 本発明においては、 紫外線源として半導体発光素子を用いるので経時的な 劣化が小さく長寿命であり、 また、 基本的に発光素子への通電回路さえあれば連続 発光可能であるから回路構成も簡略化できる。 さらに、 高電圧を必要とせず、 抵抗 損失も小さいので消費電力が少なくて済む。 また、 水銀などの環境保護上望ましく ない物質が使用されないので、 エコロジカルにクリーンな発光装置が実現できる。 そして、 半導体紫外線発光素子として M g a Z n a Oあるいは A 1 b I n c G a 一 b _ c Nを使用するので安価であり、 また、 紫外線発光効率も高いので、 より省エネ ルギーを図ることができる。
紫外線努光素子の発光層部は、 n型クラッド層と活性層、 あるいは活性層と p型 クラッド層との少なくともいずれかの側に、 活性層から流出する向きへのキャリア (電子及び Z又は正孔） 移動に対して障害となり うるバンド端不連続構造を有する ダブルへテ口構造として形成される。 このようなダブルへテ口構造が形成されるの であれば、 n型クラッド層、 活性層及び p型クラッド層の 1又は 2のものを M g a Ζ η にて形成し、 残りを A 1 b I n c G a b _ c Nにて形成することも可能で ある。
本発明においては使用する混合スパッタ膜からなる可視光発光膜は、 例えば、 ス パッタリングに使用するターゲットとして、 ターゲット全面積に占める S iターグ ット部分の面積率が 5 %以上 2 5 %以下であり、 残部が S i 0 2ターグット部分と されたものを用いて、 S i と S i 0 2とを同時に高周波スパッタリングすることに より形成することができる。 S iターゲット部分の面積率に応じて、 得られる可視 光発光膜中の S i と S i 0 2との混在比率が変化する。 ターゲット全面積に占める S iターゲット部分の面積率が 5%未満になっても、 25° /。を超えても、 いずれの 場合においても、 可視光発光膜の可視光発光強度が低下するか、 あるいは光に着色 が生じ、 良好な白色光を得ることができなくなる。 同様の観点から、 得られる可視 光発光膜中の S iの体積率は、 5%以上 25%以下となっていることが望ましい。 S iの体積率は、 S i相と S i 02相との粒子がある程度大きい場合 （たとえば 5 O nm以上） は、 走查型電子顕微鏡 (Scanning Electron Microscope： S EM) あ るいはそれに組み込んだ電子線プローブ微小分析装置 （Electron Probe Micro Analyzer： E PMA) を用いて測定することができる。 また、 X線光電子分光 （X- ray Photoelectron Spectroscopy： X P S) により得られる光電子スぺクトノレにお いて、 化学シフトにより区別される S iと S i 4+ (S i o2内での S iの価数であ る） とのピーク面積比 （あるいは高さ比） に基づき、 S i及び S i o2の存在比率 を知ることもできる。
次に、 本発明の可視光発光装置は、
Figure imgf000006_0001
aO (ただし、 0≤ a≤ l) 又 は A 1 b I ncG aト b CN (ただし、 0≤b≤ l、 0≤ c≤ ls 0≤b + c≤ 1) からなる発光層部を有した半導体紫外線発光素子と、 S i 02相と S i相との 膜面内における平均形成間隔が紫外線波長以下となるように、 s i o2相中に S i 相が分散形成された構造を有し、 半導体紫外線発光素子からの紫外線照射を受けて 可視光を発光.する可視光発光膜と、 を有するものとして構成することもできる。 こ こで、 「紫外,線波長以下」 とは、 近紫外線より波長が短いこと （例えば4 O O nm 以下） を意味する。 S i 02相と S i相との膜面内における平均形成間隔とは、 可 視光発光膜の表面にて S EMあるいはそれに組み込んだ E PMAにより S i 02相 と S i相との各領域を識別できる画像が得られた場合、 図 3に示すように、 該画像 上に任意の方向に多数の直線を引き、 該直線を切り取る各相領域の長さ d 1， ■-, d nの平均値 dA (= (d 1 +■■ + d n) /n) にて表すものとする。 また、 この 平均形成間隔は、 良好な白色光を発生させる観点から、 l nm以上は確保されてい ることが望ましい。 なお、 このような可視光発光膜は、 前述した高周波スパッタリ ング以外の方法 (例えば C V D法など) で形成してもよい。
S i O 2相と S i相との平均形成間隔が紫外線波長以下となるように、 S i相が S i o 2相中に一様に分散形成されていると、 次のような機構により白色光が発生 するものと推測される。 可視光発光膜内の任意の方向には、 図 4に示すように、 パ ンドギャップエネルギーが E g 1の S i相領域と、 同じく E g 2 ( > E g 1 ) の S i 0 2相領域とが交互に形成される （E cは伝導帯底、 E vは価電子帯頂を表す） 。 S i相領域は S i o 2相との間のバンド端不連続量が大きいため、 電子に対するポ テンシャル井戸として振舞うと考えられる。 S i相は S i o 2相中に一様に分散形 成されているので、 こうしたポテンシャル井戸的な構造は可視光発光膜内にて 3次 元的に生じており、 電子に対する閉じ込め効果が高められる。
そして、 相の平均形成間隔が例えば電子のド ·ブロイ波長程度かそれ以下 （例え ば 1 n m以上 1 5 n m以下） に小さくなると、 上記の 3次元的なポテンシャル井戸 は量子箱構造に近くなり、 電子に対する非常に強い閉じ込め効果を生ずるとともに、 量子井戸特有のサブバンド構造を形成する。 S iは間接遷移型の半導体であり、 発 光材料としては従来あまり期待されていなかった。 し力 し、 S i 0 2中への分散に より上記のような量子箱的な構造が生ずると、 上記のようなサブバンドを経由した 直接遷移的なバンド間遷移が新たに可能となり、 フォトルミネッセンス効果による 可視光発光が可能になるものと考えられる。 また、 電子の運動が井戸により束縛さ れ、 波数べクトルー運動量空間における電子の運動量分布に拡がりが生じることも、 直接遷移成分の増加ひ 、ては発光効率の向上に寄与するものと考えられる。 そして、 S i相の大きさと、 これを隔てる S i o 2相の間隔が一定の範囲にて分布している こと力 ら、 形成されるサブバンドの準位も種々のものが生じ、 その準位に応じて 種々の異なるエネルギーすなわち波長の可視光が励起され、 白色光を得られるよう になるものと考えられる。 一方、 相の平均形成間隔が電子のド ·ブロイ波長より長い場合 （例えば 1 5 0 11 m以上） でも、 ポテンシャル井戸部分への電子の束縛効果は高められるから、 可視 光発光を行なう観点において好都合であることに変わりはない。 この場合、 S i O 2相部分の平均形成間隔を d 1、 S i相部分の平均形成間隔を d 2、 可視光に対す る S i 02の屈折率を n l (約 1 . 5 ) 、 S iの屈折率を 11 2 (約 3 . 5 ) とした とき、 S i 0 2相部分の光学的長さ d 1 · n 1と S i相部分の光学的長さ d 2 · n 2との和の平均値が、 紫外線波長 （2 0 0〜 4 0 0 n m) の l Z 2程度、 すなわち、 1 0 0〜2 0 0 n m程度になっていれば、 屈折率の周期的変化によりフォトニック バンドギヤップと称される構造が 3次元的に生じ、 発光素子から入射した紫外線の 可視光発光膜内への閉じ込め効果が高められる。 従って、 ポテンシャル井戸部分へ の電子の束縛効果とも相俟って、 紫外線による電子の励起が促進され、 高輝度の可 視光発光を実現できる。 また、 フォトニックバンドギャップ形成により紫外線が可 視光発光膜内に閉じ込められるので、 紫外線エネルギーが可視光エネルギーに効率 よく変換され、 ひいては可視光発光の内部量子効率向上にも寄与する。
なお、 この場合は、 白色光発光が可能となる要因として、 以下のように推測する ことができる。 小さな S i相粒子は、 S i o 2部分との界面の影響を受ける部分が 多くなり、 ひいてはバンド構造もバルタの S iとは異なったものとなることが予想 される。 スパッタリング等により形成される S i相粒子の寸法は一定範囲の分布を 持ち、 粒子寸法によって界面効果の影響を受ける部分も異なる。 従って、 界面効果 による S i相粒子のバンド構造変化の度合いが粒子寸法によって異なり、 紫外線に より励起されるフォトルミネッセンス発光の波長に分布を生じ、 白色発光が可能に なるものと考えられる。
なお、 フォトニックバンドギャップ効果は、 S i〇2相部分の光学的長さ d 1 - 11 1と 3 i相部分の光学的長さ d 2 · n 2とが等しくなるときに最も顕著となる。 この長さを L 0とすれば、 S i O 2相部分と S i相部分との実長さの比は、 （L 0 /n 1) ： (LO/n 2) =0. 67 : 0. 29となり、 面積比はその平方比、 す なわち 0. 45 : 0. 08程度とすることが適当と思われる。 この比から計算され る S i相部分の面積率 （可視光発光膜内における体積率を反映する） は約 1 5%で ある。
そして、 可視光発光膜の S i相部分の面積率 （体積率） は、 ここでも 5%以上 2 5%以下とすることが望ましく、 これをスパッタリングにて形成する場合は、 ター ゲット全面積に占める S iターゲット部分の面積率を、 5%以上 25%以下とする。 面積率が 25%を超えるかあるいは 5%未満になると、 フォトニックバンドギヤッ プ効果ひいては紫外線閉じ込め効果が損なわれ、 十分な発光強度が得られなくなる。 可視光宪光膜の S i相部分及び S i o2相部分の形成間隔は、 例えば成膜時の基 板温度により調整することができる。 また、 成膜後に可視光発光膜に熱処理を行つ て、 上記の形成間隔を調整することも可能である。
なお、 S i相及び S i 02相の同定に前述の SEMや EPMAを用いる場合は、 S i相及び S i 02相の領域を、 導電率の差による二次電子線像のコン卜ラストの 相違、 あるいは酸素濃度分布等により識別が可能である。 し力、し、 各相の寸法が 3 00 n m以下程度になると、 分解能の問題もあり、 明確な識別が不能になることも ある。 しかしながら、 XP S分析によれば、 S iと S i 4+との両ピークが同時に 観察されるか否かにより、 S i相及び S i o2相の存在は確認できる。 たとえば、 S EMや E PMAでの両相の識別が不能であって、 かつ、 XPSにより両相の存在 が裏付けられた場合は、 平均形成間隔が 300 nm以下にて S i相及び S i 02相 が混在しているものと推定することができる。
可視光発光膜は、 導体紫外線発光素子の少なくとも一方の主表面に、 素子上発光 膜として形成することができる。 素子の主表面に上記の可視光発光膜を形成するこ とにより、 可視光発光膜への紫外線照射効率が増し、 より高輝度の可視光発光が可 能となる。 図面の簡単な説明
図 1は、 本発明の、 素子上発光膜を用いる可視光発光装置の第一実施形態を示す 模式図。
図 2は、 本発明の、 素子上発光膜を用いる可視光発光装置の第二実施形態を示す 模式図。
図 3は、 本発明の可視光発光装置に使用する可視光発光膜の組織構造を推定して 示す模式図。
図 4は、 素子外発光膜の作用説明図。
図 5は、 本発明の、 素子外発光膜を用いる可視光発光装置の第三実施形態を示す 模式図。
図 6は、 本発明の、 素子外発光膜を用いる可視光発光装置の第四実施形態を示す 模式図。
図 7は、 本発明の、 素子外発光膜を用いる可視光発光装置の第五実施形態を示す 模式図。
図 8は、 本発明の、 素子外発光膜を用いる可視光発光装置の第六実施形態を示す 模式図。
図 9は、 本発明の、 素子外発光膜を用いる可視光発光装置の第七実施形態を示す 模式図。
図 1 0は、 本発明の、 素子外発光膜を用いる可視光発光装置の第八実施形態を示 す模式図。
図 1 1は、 本発明の、 素子外発光膜を用いる可視光発光装置の第九実施形態を示 す模式図。
図 1 2は、 可視光発光膜を製造するための高周波スパッタリング装置の概念図。 図 1 3 Aは、 可視光発光膜を製造するためのターゲットの第一の構成例を示す模 式図。
図 1 3 Bは、 可視光発光膜を製造するためのターゲットの第二の構成例を示す模 式図。 発明を実施するための最良の形態
以下、 本発明を実施するための最良の形態を、 図面を用いて説明する。 . 図 1は、 本発明に係る可視光発光装置の一例を模式的に示すものである。 該可視 光発光装置 1は半導体紫外線発光素子 2を有し、 その発光層部 8は、 単結晶基板 3 上にへテロェピタキシャル成長されたものである。 発光層部 8の単結晶基板に接し ている主表面を第二主表面 P 2とし、 これと反対側の主表面を第一主表面 P 1とし て、 第一主表面 P 1の一部領域を覆うように発光層部 8に導通する電極 9が形成さ れている。 そして、'第一主表面 P 1の電極 9以外の領域が可視光発光膜である素子 上発光膜 1 0にて覆われている。
発光層部 8は、 n型クラッド層 5、 活性層 6及び p型クラッド層 7がこの順序に て積層された発光層部を有している。 また、 単結晶基板 3はサファイア基板である。 そして、 各層 5〜7はいずれも Mg aZ n i一 aO (0≤ a≤ 1 ：以下、 Mg Z nO とも記す：ただし、 混晶比 aの範囲からも明らかなように、 Mg Z nOと記してい ても、 これは MgO及び Z ηθの各単体酸化物の概念を含むものである） として形 成されている。 p型クラッド層 7には、 p型ドーパントとして、 例えば N、 G a、 A l、 I n、 L iの一種又は 2種以上が微量含有されている。 また、 p型キャリア 濃度は前述の通り 1 X 1 016個/ cm3以上 8 X 1 018個 /cm3以下、 例えば 1 017個 Zcm3〜 1 018/ cm3程度の範囲で調整される。
活性層 6は、 要求される発光波長に応じて適宜のバンドギヤップを有するものが 使用される。 例えば、 可視光発光に使用するものは、 波長 400 nm〜5 70 nm にて発光可能なバンドギヤップエネルギー E g (3. 1 0 e V〜 2. 1 8 e V程 度） を有するものを選択する。 これは、 紫から緑色までをカバーする発光波長帯で ある力 特に青色発光に使用する場合は、 波長 450 nm〜500 nmにて発光可 能なバンドギャップエネルギー E g (2. 76 eV〜2. 48 e V程度） を有する ものを選択する。 また、 紫外線発光に使用するものは、 波長280 11111〜40 0 11 mにて発光可能なバンドギャップエネルギー E g (4. 4 3 e V〜3. 1 0 e V程 度） を有するものを選択する。
例えば活性層 6は、 p型 M g xZ n i_xO型酸化物層との間にタイプ Iのバンド ラインナップを形成する半導体により形成することができる。 このような活性層 6 は、 例えば MgyZ n i_yO型酸化物層 （ただし、 0≤y≤ l、 X >y ：以下、 M g Z nO活性層ともいう） として形成することができる。 「活性層と p型 Mg Z n Oクラッド層との間にタイプ Iのバンドラインナップが形成される」 とは、 p型ク ラッド層 7の伝導帯底及び価電子帯上端の各エネルギーレベル E c p, E V pと、 活性層の伝導帯底及び価電子帯上端の各エネルギーレベル E c i , E V iとの間に 次のような大小関係が成立している接合構造をいう ：
E c i ≤E c p ■■■■ (1)
E v i >E v p ■…（2)
該構造では、 活性層 6カゝら n型クラッド層 5への正孔の順拡散と、 p型クラッド 層 7への電子 （n型キャリア） の順拡散のいずれに関してもポテンシャル障壁が生 ずる。 そして、 活性層 6と n型クラッド層 5との間に、 同様のタイプ I型バンドラ インナツプが形成されるよう n型クラッド層 5の材質選択を行なえば、 活性層の位 置には、 伝導帯底及び価電子帯上端の両方に井戸状のポテンシャル障壁が形成され、 電子と正孔との双方に対して閉じ込め効果が高められる。 その結果、 キャリア再結 合促進ひいては発光効率向上が一層顕著となる。
活性層 6において、 混晶比 yの値は、 バンドギヤップエネルギー E gを決める因 子ともなる。 例えば、 波長 280 n m〜 40011 mの紫タト線発光を行なわせる場合 は 0≤y≤0. 5の範囲にて選択する。 また、 形成されるポテンシャル障壁の高さ は、 0. l eV〜0. 3 eV程度が適当である。 この値は、 p型クラッド層 7をな す M gxZn i_xO, 活性層 6をなす M g y Z n — y O及び n型クラッド層 5をなす Mg ΖΖ η ι_ζΟ層の各混晶比 x、 y、 Zの数値の選択により決定できる。
次に、 素子上発光膜 （可視光発光膜） 10は、 S iと S i 02との混合スパッタ 膜として構成され、 図 3に示すように、 S i 02相と S i相との膜面内における平 均形成間隔が紫外線波長以下 （ 1 n m以上 400 n m以下、 望ましくは 1. 5 n m 以上 200 nm以下） となるように、 S i 02相中に S i相が散点状に分散形成さ れた構造を有すると推定されるものである。 そして、 紫外線発光素子 2からの紫外 線照射を受けることにより、 フォトルミネッセンス効果に基づき白色光を発光する。 その詳細については、 「発明の開示」 の欄にて詳しく説明したのでここでは繰り返 さない。
本実施形態においては、 絶縁性基板 （サファイア基板） 3が用いられていること を考慮して、 光取出面側に通電用の電極を集めた構造を採用している。 具体的には、 p型クラッド層 7と η型クラッド層 5との第一主表面 Ρ 1側に位置するものを第一 クラッド層 （ ρ型クラッド層である） 7とし、 第二主表面 Ρ 2側に位置するものを 第二クラッド層 （η型クラッド層である） 5として、 第一主表面 P 1に、 第一クラ ッド層 7に導通する第一電極 9が形成されている。 また、 第一主表面 P 1には、 第 —クラッド層 7と活性層 6との一部を切り欠く形で、 第二クラッド層 5の露出領域 が形成され、 該露出領域にて第二クラッド層 5に導通する第二電極 1 1が形成され ている。 第一電極 9と第二電極 1 1は、 いずれも Auを主体とするォーミック電極 である。
なお、 本実施形態においては、 透明な基板 3の裏面側に、 発光層部 8からの紫外 線を光取出面となる第一主表面 P 1側へ反射する A 1あるいは A u等からなる金属 反射膜 4が設けられ、 素子上発光膜 10への紫外線の照射効率、 ひいては可視光へ の変換効率を高める工夫がなされている。 そして、 その金属反射膜 4において接着 層 1 9により、 金属ケーシング 1 3の底面に接着されている。 そして、 第一電極 9 はボンディングワイヤ 1 7を介して第一端子 1 5に接続され、 第二電極 1 1はボン デイングワイヤ 1 8を介して、 第二端子 1 6が導通する導電性ケーシング 1 3に接 続されている。
また、 図 1の可視光発光装置 1においては、 半導体紫外線発光素子 2とは別に設 けられた基体 1 3上にも、 素子上発光膜 1 0と同様の可視光発光膜からなる素子外 発光膜 1 4が形成されている。 素子外発光膜 1 4は半導体紫外線発光素子 2からの 紫外線が照射され、 白色光を発光する。 該素子外発光膜 1 4は、 半導体紫外線発光 素子 2からの紫外線照射を受けるとともに、 該照射により生じた可視光を、 素子上 発光膜 1 0からの可視光に重畳させて放出する。 これにより、 半導体紫外線発光素 子 2からの紫外線の可視光への変換効率が一層向上し、 より発光強度を高めること ができる。 ただし、 この素子外発光膜 1 4は省略することも可能である。
本実施形態では、 基体 1 3が前述の金属ケーシング 1 3であり、 半導体紫外/線発 光素子 2の第一主表面 P 1の法線 N Lを軸線として、 これを取り囲む放射壁部 1 3 aを形成している。 この放射壁部 1 3 aは、 素子上発光膜 1 0からの可視光放射を 許容する開口 1 3 qを有する。 そして、 上記法線 N Lと垂直な投影面 P Pへの投影 において、 放射壁部 1 3 aの内面は開口 1 3 qの内側に位置するように、 傾斜 （あ るいは湾曲でもよレ、） 形態に形成されている。 この放射壁部 1 3 aの内面に素子外 発光膜 1 4が形成されており、 半導体紫外線発光素子 2から法線 N Lに関して側方 に漏れ出す紫外線を効率的に受光して可視光に変換し、 素子上発光膜 1 0からの可 視光に重畳して放出する効果が高められている。
なお、 本実施形態では、 素子外宪光膜 1 4の下地面をなす放射壁部 1 3 aの表面 力 素子上発光膜 1 0からの可視光の反射面とされている。 具体的には、 A 1や C uからなる金属ケーシング 1 3の放射壁部 1 3 aが基体であり、 素子外発光膜 1 4 の形成面となるその内面も、 金属製の光反射面となっている。 このようにすると、 素子上発光膜 1 0から側方に漏れ出す可視光を法線 NL方向に反射させて、 該方向 への可視光放射強度を高めることができる。
以下、上記発光素子の製造工程の一例を説明する。 まず、 基板 3 (図 1) 上に Z ηθからなる図示しないバッファ層をェピタキシャル成長させる。 次いで、 前述の n型クラッド層 5、 活性層 6及び p型クラッド層 7をこの順序にてェピタキシャル 成長させ、 発光層部 8を得る （5〜 7は成長順序を逆転させてもよい） 。 これら各 層のェピタキシャノレ成長は、 周知の MOVPE法もしくは MB E法にて成長させる ことができる。
次に、 発光層部 8をなす p型クラッド層 7及び活性層 6の一部を切り欠いて、 n 型クラッド層 5の露出領域を第一主表面 P 1側に形成し、 この露出領域の表面に第 二電極 1 1を、 また、 p型クラッド層 7の表面に第一電極 9を、 それぞれ Au等を 蒸着することにより形成する。 なお、 発光層部 8と第一電極 9との間に I T O等か らなる透光性の電流拡散層を形成してもよレ、。
そして、 発光層部 8の第一主表面 P 1に、 第一電極 9及び第二電極 1 1は覆い、 残余の領域は覆わないようなマスクを被せ、 図 1 2に模式的に示す周知の高周波ス パッタリング装置を用いて、 可視光発光膜 （素子上宪光膜 1 0) を、 S i と S i O 2との混合スパッタ膜として形成する。 形成厚さは例えば 1 00 nm〜 5000 η m程度とするのがよい。 スパッタリングに使用するターゲットは、 図 1 3Aあるい は図 1 3 Bに示すように、 ターゲット全面積に占める S iターゲット部分の面積率 が 5%以上 25%以下であり、 残部が S i 02ターゲット部分とされた、 いわば複 合ターゲットを用い、 S i と S i 02とを同時に高周波スパッタリングするように する。 なお、 可視光発光膜形成時の基板温度はヒータにより調整可能であるが、 本 実施形態では基板の加熱を行なわずに成膜を行い、 また、 成膜後の熱処理等も行つ ていない。 図 1 3 Aあるいは図 1 3 Bにおいては、 S iターゲット部分をなすセグメントと S i 02ターゲット部分をなすセグメントとを組み合わせて、 全体として 1枚の複 合ターゲットを形成している。 この場合、 各セグメントの面積調整により、 S iタ 一ゲット部分の面積率を所望の値に設定できる。 なお、 図 1 3 Aにおいてはターゲ ット全体を放射状に区切る形で、 また、 図 1 3 Bにおいては同心円状に区切る形で セグメントに分割しているが、 セグメントへの分割形態はこれに限られるものでは ない。 また、 S i o2ターゲット上に、 これよりも小面積の S iターゲットを载置 して、 S i o2ターゲットの表面の一部を S iターゲットにて覆い、 載置する S i ターゲットの面積や数により S iターゲット部分の面積率を調整してもよい。 以上のようにして得られた素子上発光膜 1 0を有する紫外,線発光素子 2を、 図 1 に示すように金属ケーシング 1 3 (図 1 2と同様の装置を用いた高周波スパッタリ ングにより、 素子外発光膜 1 4が既に形成されている） を含む周辺アセンブリに組 み付け、 さらにボンディングワイヤ 1 7， 1 8を取り付ければ、 図 1に示す可視光 発光装置 1が得られる （この後、 周知の樹脂モールドを行なってもよい） 。
なお、 Mg aZ — aOに代えて、 A 1 b I ncG a卜 b CN (ただし、 0≤b≤ 1、 0≤ c≤ 1, 0≤b + c≤ l) を用いることもできる。 すなわち、 n型クラッ ド層 5、 活性層 6及び p型クラッド層 7を、 各々混晶比 b， cを調整した A 1 b I ncGa CNにて構成する。 なお、 各層の混晶比 b， cは、 Mg aZ n i_aOを 用いる場合と同様の思想にて決定することができる。
以下、 本発明の可視光発光装置の変形例について説明する。
図 2の可視光発光装置 1も、 n型クラッド層 5、 活性層 6及び！)型クラッド層 7 がこの順序にて積層された発光層部 8を有する。 p型クラッド層 7と n型クラッド 層 5との第一主表面 P 1側に位置するものを第一クラッド層 7とし、 第二主表面 P 2側に位置するものを第二クラッド層 5として、 発光層部 8の第一主表面 P 1に第 —クラッド層 7に導通する第一電極 9が形成されている。 また、 単結晶基板が Z n 〇あるいは S i Cからなる導電性基板 2 3とされ、 導電性基板.2 3の発光層部 8が 形成されているのと反対側の主表面に、 該導電性基板 2 3を介して第二クラッド層 5に導通する第二電極 4が形成されてなる。 第二電極 4は、 A gペースト等の導電 性ペースト層 2 5を介して、 金属ケーシング 1 3の底面に接続ざれている。 このよ うにすると、 光取出面側となる第一主表面 P 1上に第二電極 4の形成スペースを確 保しなくてもよく、 その分、 紫外線の発光主体となる活性層 6の面積も増えるので、 可視光の発光強度をより高めることができる。 なお、 図 2において、 図 1と共通の 部分には同一の符号を付与し、 詳細な説明を省略した。
次に、 図 5に示すように、 半導体紫外線発光素子 （以下、 単に発光素子ともい う） 2 0 1からの紫外線を、 基体 2 0 9 (ここでは、 透明基板としている：以下、 透明基板 2 0 9ともいう） 上に形成された素子外発光層をなす可視光発光膜 2 1 0 のみに照射するように構成することもできる。 装置の発光部分の形状は、 基体 2 0 9の形状に応じて自由に選択することができ、 種々の目的に応じて装置外観形態を 柔軟に設計できる利点がある。 例えば、 図 6の発光装置 2 5 0では、 基体 2 0 9及 び可視光発光膜 2 1 0がいずれも平面的に形成されている。 これは、 省スペース化 に大きく寄与する。 例えば、 基体 2 0 9を薄板状に形成し、 これに可視光発光膜 2 1 0を形成する形とすれば、 発光層部が本来非常に薄くできるため、 図 8に示すよ うに極薄型 （例えば厚さ t dが 1 0 mm以下あるいは 5 mm以下のようなもの；場 合によっては 1 mm程度まで薄型化することも可能である） で高輝度の発光装置 2 5 1を実現することが可能である。 また、 用途に応じて、 図 9に示すように、 曲面 状の基体 2 0 9を用いることもできる。
図 6、 図 8及び図 9に示す 光装置 2 5 0、 2 5 1及び 2 5 2は、 個々の構成要 素は形状の違いを除いて共通しているので、 以下、 より詳しい構造に付き、 図 6の 発光装置 2 5 0で代表させて説明する。 まず、 発光素子 2 0 1は複数個設けられ、 各発光素子 2 0 1からの紫外線により、 対応する可視光発光膜 2 1 0を発光させる ようにしている。 このようにすることで、 装置の発光面積を容易に大型化できる利 点がある。 この本発光装置 2 5 0は、 複数の発光素子 2 0 1により、 対応する可視 光発光膜を同時発光させる照明装置として構成されており、 大面積で薄型かつ長寿 命の照明装置が実現されている。
なお、 可視光発光膜 2 1 0は、 複数の発光素子 2 0 1に対応する部分 2 1 0 a力 横方向に連なって一体に形成されているが、 このようにすれば可視光発光膜部分 2 1 0 aを単一の可視光発光膜 2 1 0として一括形成できるので製造が容易である。 この場合、 可視光発光膜部分 2 1 0 aを発光素子 2 0 1により覆われる部分と考え たとき、 発光素子 2 0 1と可視光発光膜部分 2 1 0 aとの距離関係により、 発光素 子 2 0 1からの紫外線が外方に広がって可視光発光膜部分 2 1 0 aの外側に漏れ出 し、 結果的に可視光発光膜部分 2 1 0 aよりも広い領域で発光を生じさせることも 可能である。 従って、 可視光発光膜 2 1 0と発光素子 2 0 1との距離を適当に調整 することによって、 隣接する発光素子 2 0 1， 2 0 1間に多少の隙間ができていて も、 個々の発光素子 2 0 1， 2 0 1からの紫外線による可視光発光膜 2 1 0の可視 光発光領域が互いに接続され、 可視光発光膜 2 1 0の全面に渡ってムラの少ない均 一な発光を生じさせることができるようになる。
発光装置 2 5 0においては、 基体をなす透明基板 2 0 9の片面に可視光発光膜 2 1 0が形成されている。 これと反対側の面に発光素子 2 0 1の光取出し面が対向す るように配置され （ここでは密着して配置されている） 、透明基板 2 0 9を介して 可視光発光膜 2 1 0に発光素子 2 0 1 (半導体紫外線発光素子） からの紫外線が照 射されるようになつている。 この構成によると、 透明基板 2 0 9の両面を利用して 発光素子 2 0 1 (半導体紫外線発光素子） と可視光発光膜 2 1 0とを振り分けて配 置することができ、 装置のコンパクト化と構成の簡略化とを図る上で一層効果的で ある。
なお、 透明基板 2 0 9はガラス板や透明プラスチック （例えばアクリル樹脂な ど） を使用できる。 発光素子 2 0 1は透明基板 2 0 9に対し、 光取出し面側を例え ば接着剤等により貼り付けて配置することができるが、 例えばガラス板を用いる場 合は、 発光素子 2 0 1の発光層部を該ガラス板上に成長させることも可能である。 なお、 個々の発光素子 2 0 1 , 2 0 1による可視光発光膜 2 1 0の可視光発光領域 を互いに接続したい場合は、 このような接続が生ずる程度に紫外線が広がるよう、 透明基板 2 0 9の厚さを調整しておけばよい。 逆に、 発光素子 2 0 1を可視光発光 膜 2 1 0に近づけるほど紫外線の広がりが少なくなり、 個々の発光素子 2 0 1を画 素とする表示装置等へ応用する場合は、 画素の鮮明化等において有利となる。
図 6の発光装置 2 5 0においては、 可視光発光膜 2 1 0の表面が透明プラスチッ ク等で構成された透明保護層 2 1 1により覆われている。 また、 透明基板 2 0 9の 発光素子 2 0 1の配置側を光分散板 2 1 2で覆っている。 なお、 ムラの少ない均一 な発光を生じさせるための別の方法としては、 図 7に示すように、 光分散板 2 1 2 を介して光を取り出すようにする構成も可能である。 本実施形態では、 可視光発光 膜 2 1 0と光分散板 2 1 2との間に透明保護層 2 1 1を設けている。
なお、 複数の発光素子 2 0 1への通電配線は、 種々の構成形態が可能であるが、 以下、 いくつかの例を示す。 図 1 0は本発明の可視光発光装置を薄型の照明装置 2 6 0として構成したもので、 アタリル板等の透明板 7 4の裏面側に可視光発光膜 1 0を形成し、 その上に、 図 1に示す発光素子 1 (サファイア基板 3を用いたもの： 製造方法はすでに説明した） を、 複数個接着剤を用いて貼り付けてある （発光層部 の厚さを誇張して描いてあり、 実際にはもつと薄い） そして、 各素子 1 0 5の電 極 1 3及び 2 2に対し、 通電配線 7 1 , 7 2と電極端子 1 3 a， 2 2 aを形成した 配線板を重ね合わせて全体をケース 7 3によりモールドしている （本実施形態では、 配線板がモールド用のケース 7 3の一部に兼用されている） 。 そして、 ケース 7 3 には、 通電配線 7 1， 7 2の末端を取り出す形でコネクタ 7 5が形成されている。 ここに電源、 7 6を接続することで、 各素子 1 0 5が通電される。 なお、 電原 7 6としては直流電源を用いることができるが、 交流を整流したのみ の脈流にて駆動することも可能であり、 さらに、 半波波形となることが問題に'なら なければ、 交流電源にて直接駆動することも可能である。
また、 従来の蛍光ランプの場合、 調光機能を付加するには、 電極保温と交流位相 制御とを同時に行なう必要があつたため回路構成の複雑化が避けがたく、 高級な照 明設備以外には搭載しにくい事情があった （なお、 直列インピーダンス切り換えに より調光を行なうものもあるが、 非常に不経済である） 。 し力 しながら、 上記の照 明装置 2 6 0によれば、 発光素子 1 0 5への供給電圧を変化させる方式、 あるいは デューティ比制御により平均電流を変化させる方式等により、 複雑な回路構成を用 いなくとも簡単に調光を行なうことができる利点がある。
次に、 図 1 1は、 ガラス基板 2 0 9上に発光素子 1 0 6の発光層部 5 3， 5 4， 5 2を成長させたタイプの照明装置 2 6 1を示すものである。 ガラス基板 2 0 9の 片面に可視光発光膜 2 1 0及び透明保護膜 2 1 1を形成し、 反対側には、 各発光素 子 1 0 6の形成領域に対応する形で、 I T O等の透明導電材料からなる電極層 2 2 0のパターンを、 フォトリソグラフィ一等を用いて形成する。 そして、 その上に、 例えば適当なバッファ層 2 2 1を介して全酸化物型の発光層部 5 4， 5 3， 5 2を 順次形成し、 次いで各電極層 2 2 0の一部が露出するように化学エッチングにより パターユングして、 個々の素子 1 0 6の発光層部に分離する。 最後に、 それら発光 層部のそれぞれに金属反射膜 2 2を形成し、 必要な配線部 7 1， 7 2を設ければ、 照明装置 2 6 1が完成する。

Claims

請 求 の 範 囲
1. MgaZ n — aO (ただし、 0≤a≤l) 又は A 1 b I n c G aト b c N (た だし、 O b≤l 0≤c≤ l 0≤b + c≤ l) からなる発光層部を有した半導 体紫外線発光素子と、
S i〇2と3 iとの混合スパッタ膜からなり、 前記半導体紫外,線発光素子からの 紫外線照射を受けて可視光を発光する可視光発光膜と、
を有することを特徴とする可視光発光装置。
2. 前記可視光発光膜は、 スパッタリングに使用するターゲットとして、 ターゲ ット全面積に占める S iターゲット部分の面積率が 5 %以上 25 %以下であり、 残 部が S i o2ターゲット部分とされたものを用いて、 S iと S i o2とを同時に高 周波スパッタリングすることにより形成されたものである請求の範囲第 1項記載の 可視光発光装置。
3. Mg aZ n x_aO (ただし、 0≤a≤l) 又は A 1 b I n c G a CN (た だし、 0≤b≤l 0≤c≤ ls 0≤b + c≤ 1) からなる発光層部を有した半導 体紫外線発光素子と、
S i o2相と S i相との膜面内における平均形成間隔が紫外線波長以下となるよ うに、 S i o2相中に S i相が分散形成された構造を有し、 前記半導体紫外線発光 素子からの紫外線照射を受けて可視光を発光する可視光発光膜と、
を有することを特徴とする可視光発光装置。
4. 前記半導体紫外線発光素子の少なくとも一方の主表面に、 前記可視光発光膜 を素子上宪光膜として形成してなることを特徴とする請求の範囲第 1項ないし第 3 項のいずれか 1項に記載の可視光発光装置。
5. 前記発光層部は、 単結晶基板上にヘテロェピタキシャル成長されたものであ り、 前記発光層部の前記単結晶基板に接している主表面を第二主表面とし、 これと 反対側の主表面を第一主表面として、 前記第一主表面の一部領域を覆うように前記 発光層部に導通する電極が形成され、 前記第一主表面の前記電極以外の領域が前記 素子上発光膜にて覆われていることを特徴とする請求の範囲第 4項記載の可視光発
6 . 前記発光層部は、 n型クラッド層、 活性層及び p型クラッド層がこの順序に て積層されたものであり、
前記 p型クラッド層と前記 n型クラッド層との前記第一主表面側に位置するもの を第一クラッド層とし、 前記第二主表面側に位置するものを第二クラッド層として、 前記第一主表面には、 前記第一クラッド層に導通する第一電極が形成され、 また、 前記第一主表面には、 前記第一クラッド層と前記活性層との一部を切り欠 く形で、 前記第二クラッド層の露出領域が形成され、 該露出領域にて前記第二クラ ッド層に導通十る第二電極が形成されてなることを特徴とする請求の範囲第 5項記 載の可視光発光装置。
7 . 前記発光層部は、 n型クラッド層、 活性層及び p型クラッド層がこの順序に て積層されたものであり、
前記 p型クラッド層と前記 n型クラッド層との前記第一主表面側に位置するもの を第一クラッド層とし、 前記第二主表面側に位置するものを第二クラッド層として、 前記第一主表面には、 前記第一クラッド層に導通する第一電極が形成され、 また、 前記単結晶基板が導電性基板とされ、 前記導電性基板の前記発光層が形成 されているのと反対側の主表面に、 該導電性基板を介して前記第二クラッド層に導 通する第二電極が形成されてなることを特徴とする請求の範囲第 5項記載の可視光
8 . 前記半導体紫外線発光素子とは別に設けられた基体上に、 前記可視光発光膜 を素子外亮光膜として形成し、 該素子外発光膜に前記半導体紫外線発光素子からの 紫外線が照射されることを特徴とする請求の範囲第 1項ないし第 7項のいずれか 1 項に記載の可視光発光装置。
9 . 前記半導体紫外線発光素子の少なくとも一方の主表面に前記可視光発光膜が 素子上発光膜として形成されてなり、
他方、 前記素子外発光膜は、 前記半導体紫外線発光素子からの紫外線照射を受け るとともに、 該照射により生じた可視光を、 前記素子上発光膜からの可視光に重畳 させて放出するものである請求の範囲第 8項記載の可視光発光装置。
1 0 . 前記素子外発光膜の下地面をなす前記基体の表面が、 前記素子上発光膜か らの可視光の反射面とされてなる請求の範囲第 9項記載の可視光発光装置。
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