JP2008041807A

JP2008041807A - 白色光源

Info

Publication number: JP2008041807A
Application number: JP2006211898A
Authority: JP
Inventors: Koichi Goshonoo; 浩一五所野尾; Jitsuki Moriyama; 実希守山; Daisuke Yamazaki; 大輔山崎
Original assignee: Toyoda Gosei Co Ltd
Current assignee: Toyoda Gosei Co Ltd
Priority date: 2006-08-03
Filing date: 2006-08-03
Publication date: 2008-02-21

Abstract

【課題】光の三原色の色バランスがよく、発光効率の高い白色光源を提案する。
【解決手段】少なくとも緑色光と青色光を発光する多色発光素子を透明な封止部材で封止し、封止部材中に蛍光体が分散され、この蛍光体は多色発光素子からの光を励起光として赤色蛍光を発光する。
【選択図】図１

Description

本発明は白色光源に関する。更に詳しくは、III族窒化物系化合物半導体発光素子を用いた白色光源の改良に関する。

白色光源として、発光素子と、これを封止する封止用樹脂に蛍光体を含有させた蛍光体層とを備える発光装置が実用化されている。このような白色光源の代表的な例として、青色発光素子と、青色光を励起光として黄色光を蛍光する蛍光体を分散させた封止部材とを備えた発光素子が知られている(例えば、特許文献１参照)。この白色光源では、視感度の高い緑色光の光度が少ないため、色バランスが十分ではなかった。
このような問題を解決するために、紫外発光素子と、紫外光を励起光として青色光、緑色光及び赤色光を蛍光する３種の蛍光体を分散させた封止部材とを備えた発光装置や、青色発光素子と、緑色光及び赤色光を蛍光する２種の蛍光体を分散させた封止部材とを備えた発光装置が開発されている（例えば、特許文献２及び特許文献３参照）。
しかしながら、複数種の蛍光体を用いた発光装置では、蛍光体の比重の違いにより封止部材内における各蛍光体の沈降の度合いが異なるため、封止部材において蛍光体の偏在が生じ、各蛍光体を均等に分散させることが困難であった。そのため、製造された白色光源ごとに白バランスにばらつきが生じやすかった。
また、Ｉｎ_ＸＧａ_１−ＸＮ（０≦Ｘ≦１）は、ＩｎとＧａの組成比を変えることにより、紫外光から赤色光のエネルギーに相当するバンドギャップエネルギーを有するため、上記の組成からなる赤色、緑色及び青色量子井戸層を含む多重量子井戸構造を形成し、一つの発光素子で白色光を得る方法が検討されている（例えば、特許文献４参照）。
特開平１０−２４２５１３号公報特開２００３−２４９６９４号公報特開２００４−３２７５１８号公報特開２００３−２３４７００号公報

しかしながら、特許文献４の発光層の組成において、Ｉｎの組成比が大きくなると、良好な結晶を得ることが困難であるため、赤色量子井戸層の形成には問題が残る。また、長波長側の赤色光が青色発光層に吸収されやすいため、赤色光の光取り出し効率が悪い。
これらの理由から、一つの発光素子で白色光を得る方法の実用化は困難である。

この発明は上記課題の少なくとも一つを解決すべくなされたものであり、その第1の局面の構成は次のように規定される。即ち、
少なくとも緑色光と青色光を発光する多色発光素子と、
該発光素子からの光を励起光として、赤色蛍光を発光する蛍光体を含む透光性材料層と、を備えてなる白色光源。

このように規定されるこの発明の白色光源によれば、発光素子から緑色光と青色光とが放出され、蛍光体から赤色光が放出されるので、白色光源として基本三原色（赤色光、緑色光、青色光）が含まれる。よって、色バランスのとれた白色光源を提供することができる。また、蛍光体を１種類のみ用いるのでこれを均等に分散させることができる。よって、白色光源ごとの白バランスが安定する。

第２の局面の発明は次のように規定される。即ち、第1の局面の白色光源において、前記多色発光素子はIII族窒化物系化合物半導体からなり、前記緑色光を発光する緑色発光量子井戸層と前記青色光を発光する青色発光量子井戸層とを含む多重量子井戸構造を備えている、ことを特徴とする白色光源。
このように構成された白色光源によれば、多重量子井戸層を用いて緑色光と青色光を発光させるので、発光効率が向上して多重量子井戸から高い光量で光を放出することができる。その結果、白色光源として充分な出力を得ることができる。

ここで、蛍光体は発光素子からの光を励起光として赤色光を蛍光するものであれば任意に選択することができる。

緑色光を励起光として赤色光を蛍光する蛍光体として次のものを挙げることができる。
例えば、ＣａＡｌＳｉＮ_３：Ｅｕである。

青色光を励起光として赤色光を蛍光する蛍光体として次のものを挙げることができる。
例えば、ＣａＡｌＳｉＮ_３：Ｅｕ，ＡｅＳｉ：Ｅｕ（Ａｅ：アルカリ土類金属）、Ａｅ_２Ｓｉ_５Ｎ_８：Ｅｕ（Ａｅ：アルカリ土類金属）である。
この発明の第3の局面で規定するように、発光素子から紫色を発光させてこの紫色光を励起光として赤色蛍光を発光させることができる。
この場合の蛍光体として次のものを挙げることができる。
例えば、Ｙ_２Ｏ_２Ｓ：Ｅｕ，Ｌａ_２Ｏ_２Ｓ：Ｅｕ，ＣａＡｌＳｉＮ_３：Ｅｕである。

緑色光及び青色光、更には必要に応じて紫色光を共に効率よく放出する発光素子としてIII族窒化物系化合物半導体発光素子を用いることが好ましい。ここに、III族窒化物系化合物半導体とは、一般式としてＡｌ_ＸＧａ_ＹＩｎ_{１−Ｘ−Ｙ}Ｎ（０≦Ｘ≦１、０≦Ｙ≦１、０≦Ｘ＋Ｙ≦１）の四元系で表され、ＡｌＮ、ＧａＮ及びＩｎＮのいわゆる２元系、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ、Ａｌ_ｘＩｎ_１−ｘＮ及びＧａ_ｘＩｎ_１−ｘＮ（以上において０＜ｘ＜１）のいわゆる３元系を包含する。
多色発光のためには、量子井戸構造（多重量子井戸構造、若しくは単一量子井戸構造）を用いることが好ましい。本発明者らは、量子井戸層／バリア層を繰り返す一連の多重量子井戸構造において特定の量子井戸層の組成及び／又は膜厚を調整することにより、１つの素子において紫色発光、緑色発光、青色発光を同時発光できることを確認している。

次に、この発明の実施例について説明する。
実施例の白色光源１を図１に示す。
この白色光源１は、多色発光素子１０をケース３０に封止したパッケージタイプであり、封止部材３１に蛍光体が分散されている。

多色発光素子１０の構成を図２に示す。
多色発光素子１０の各III族窒化物系化合物半導体層のスペックは次の通りである。
層：組成
ｐコンタクト層１７：ｐ−ＧａＮ：Ｍｇ３０ｎｍ
ｐクラッド層１６：ＡｌＧａＮ３００ｎｍ
ＭＱＷ層１５
バリア層１５１：ＡｌＧａＮ８ｎｍ
青色発光量子井戸層１５２Ｂ：Ｉｎ_０．２５Ｇａ_０．７５Ｎ３ｎｍ
紫色発光量子井戸層１５２Ｐ：Ｉｎ_０．１Ｇａ_０．９Ｎ３ｎｍ
緑色発光量子井戸層１５２Ｇ：Ｉｎ_０．３Ｇａ_０．７Ｎ３ｎｍ
中間層１４：ＩｎＧａＮ２００ｎｍ
ｎコンタクト層１３：ｎ−ＧａＮ：Ｓｉ２００ｎｍ
バッファ層：ＡｌＮ２０ｎｍ
基板１２：サファイア１００μｍ

上記において、基板にはサファイアを用いたが、これに限定されることはなく、サファイア、スピネル、シリコン、炭化シリコン、酸化亜鉛、リン化ガリウム、ヒ化ガリウム、酸化マグネシウム、酸化マンガン、III族窒化物系化合物半導体単結晶等を用いることができる。
ｎコンタクト層及びｐコンタクト層としてはＧａＮが例示されているが、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ若しくはＡｌＩｎＧａＮ、その他のIII族窒化物系化合物半導体を用いることができる。III族元素の一部をボロン（Ｂ）、タリウム（Ｔｌ）等で置換しても良く、窒素（Ｎ）の一部もリン（Ｐ）、ヒ素（Ａｓ）、アンチモン（Ｓｂ）、ビスマス（Ｂｉ）等で置換できる。また、発光層は任意のドーパントを含有するものであってもよい。
多重量子井戸層もIII族窒化物系化合物半導体層で形成することができる。
また、ｎ型層にドープされるｎ型不純物としてＳｉの他、Ｇｅ、Ｓｅ、Ｔｅ、Ｃ等を用いることもできる。
ｐ型層にドープされるｐ型不純物としてＭｇの他に、Ｚｎ、Ｂｅ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａを用いることもできる。
ｎコンタクト層１３と多重量子井戸層１５との間にｎクラッド層を介在させることができる。

上記構成の発光素子において、各III族窒化物系化合物半導体層はＭＯＣＶＤ法を実行して形成したが、分子線結晶成長法（ＭＢＥ法）、ハライド系気相成長法（ＨＶＰＥ法）、スパッタ法、イオンプレーティング法、電子シャワー法等の方法で形成することもできる。
ｐコンタクト層１７、多重量子井戸層１５、及びｎコンタクト層１３の一部がエッチングされて、ｎコンタクト層１３にｎパッド電極２０が蒸着により形成される。このｎ電極はＡｌとＶの２層で構成される。
ｐコンタクト層１７の全面に金を含む金属薄膜や金属酸化物（例えば、ＩＴＯ）の透光性電極が積層される。透光性電極の上に蒸着により金を含むｐ電極が形成される。
上記の工程により各半導体層及び各電極を形成した後、各チップの分離工程を行う。
このように構成された実施例の発光素子に電流を印加すると紫色系の発光（ピーク波長：４０５ｎｍ）、青色系の発光（ピーク波長：４５５ｎｍ）及び緑色系の発光（ピーク波長：５３０ｎｍ）が得られる。

このような構成の多色発光素子１０は、図１に示すとおり、カップ状のケース３０の底面中央にマウントされる。ケース３０の底面に形成されるボンディングパッド（図示せず）と多色発光素子１０の各電極パッド１９、２０がボンディングワイアで連結される。
ケース３０の凹部に透明なエポキシ樹脂からなる封止部材３１が充填されている。封止部材３１にはＹ_２Ｏ_２Ｓ：Ｅｕからなる蛍光体が均一に分散されている。この蛍光体は多色発光素子１０から放出される紫色系の発光色を励起光として赤色系の光を発光する。

封止部材３１は透光性の部材であればよく、上記のエポキシ樹脂に何ら限定されるものではない。封止部材として、シリコーン樹脂等の透明合成樹脂、ゾルゲルガラス等の透明無機材料を用いることができる。
蛍光体も上記のＹ_２Ｏ_２Ｓ：Ｅｕに限定されるものではなく、ＣａＡｌＳｉＮ_３：Ｅｕ等の蛍光体を混合して、又は代替物として使用することができる。蛍光体は封止部材３１において多色発光素子１０の近傍へ高濃度に分散させることともできる。蛍光体に加えてシリカ等からなる光拡散材料を分散させることもできる。

このように構成された実施例の白色光源１によれば、多色発光素子１の多重量子井戸層１５の紫色量子井戸層１５２Ｐから放出される紫色の光が封止部材３１に分散された蛍光体に吸収されて、赤色光に波長変換される。一方、多重量子井戸層１５の青色量子井戸層１５２Ｂから青色光が放出され、緑色量子井戸層１５２Ｇからは緑色光が放出される。このように、光の三原色である赤色光、緑色光及び青色光が放出されてバランス良く混合されることにより、白色光源が形成される。

上記の例では、多色発光素子が緑色光及び青色光に加えて紫色光を発光させている。紫色光は赤色発光蛍光体の励起光となるものであるため、蛍光体として緑色若しくは青色を吸収して赤色発光するものを採用すれば、当該紫色の発光は不要になる。他方、励起光として紫外線を多色発光素子から放出し、これを赤色光に波長変換する蛍光体を用いることも可能である。

この発明は、上記発明の実施例の説明に何ら限定されるものではない。特許請求の範囲の記載を逸脱せず、当業者が容易に想到できる範囲で種々の変形態様もこの発明に含まれる。

図１はこの発明の実施例の白色光源の構成を示す断面図である。図２は実施例に用いられる多色発光素子の構成を示す模式図である。

符号の説明

１白色光源
１０多色発光素子
３０ケース
３１封止部材

Claims

少なくとも緑色光と青色光を発光する多色発光素子と、
該発光素子からの光を励起光として、赤色蛍光を発光する蛍光体を含む透光性材料層と、を備えてなる白色光源。
前記多色発光素子はIII族窒化物系化合物半導体からなり、前記緑色光を発光する緑色発光量子井戸層と前記青色光を発光する青色発光量子井戸層とを含む多重量子井戸構造を備えている、ことを特徴とする請求項１に記載の白色光源。
紫色光、緑色光と青色光を発光する多色発光素子と、
該発光素子からの前記紫色光を励起光として、赤色蛍光を発光する蛍光体を含む透光性材料層と、を備えてなる白色光源。
前記多色発光素子はIII族窒化物系化合物半導体からなり、前記紫色光を発光する紫色発光量子井戸層、前記緑色光を発光する緑色発光量子井戸層、及び前記青色光を発光する青色発光量子井戸層を含む多重量子井戸構造を備えている、ことを特徴とする請求項３に記載の白色光源。