(57)【要約】【課題】  製造工程が単純で、発光取出効率が高く、さらに製造コストを切り下げることができるように改良された発光装置を提供することを主要な目的とする。【解決手段】  当該発光装置は、第１波長の光を発光する第１の半導体基板５を備える。第１半導体基板５の上に、第１半導体基板５から出射される第１波長の光の一部を透過させ、かつその一部を吸収し、第２波長の光を発光させる第２の半導体基板１１を備える。第１波長の光と第２の波長の光の合成光が白色になる。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１波長の光を発光する第１の半導体を有する発光素子と、
前記発光素子から出射される前記第１波長の光の一部を透過させ、かつその一部を吸収し、第２波長の光を発光させる第２の半導体を有する板状の窓材と、
前記発光素子と前記窓材との間に存在して前記発光素子に接触する透明部材とを備え、
前記窓材は、前記窓材を通過した第１波長の光と同じ側に前記第２波長の光を発光させる、発光装置。
【請求項２】
第１波長の光を発光する第１の半導体を有する発光素子と、
前記発光素子から出射される前記第１波長の光の一部を透過させ、かつその一部を吸収し、第２波長の光を発光させる第２の半導体を有する板状の窓材とを備え、
前記窓材は、前記窓材を通過した第１波長の光と同じ側に前記第２波長の光を発光させ、かつ、前記発光素子に直接接触しないように設けられる、発光装置。
【請求項３】
前記発光素子に接触する基材をさらに備えた、請求項１または２に記載の発光装置。
【請求項４】
前記窓材の表面は、上に凸の曲面である、請求項１〜３のいずれか１項に記載の発光装置。
【請求項５】
前記発光素子は複数層構造を有する、請求項１〜４のいずれか１項に記載の発光装置。
【請求項６】
前記窓材は複数層構造を有する、請求項１〜５のいずれか１項に記載の発光装置。
【請求項７】
前記窓材の材質および厚み、前記窓材中の不純物の種類、前記不純物の濃度は、前記第１波長の光と前記第２波長の光の合成光が白色になるように選ばれている、請求項１〜６のいずれか１項に記載の発光装置。
【請求項８】
前記発光素子は、ＩＩＩ−Ｖ族またはＩＩ−ＶＩ族化合物半導体を含み、前記窓材は、ＩＩ−ＶＩ族化合物半導体を含む、請求項１〜７のいずれか１項に記載の発光装置。
【請求項９】
前記窓材中の不純物は、Ｌｉ、Ｎａ、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｎ、Ｐ、Ａｓ、ＩおよびＡｌからなる群より選ばれる、請求項１〜８のいずれか１項に記載の発光装置。
【請求項１０】
前記発光装置は、照明装置または液晶表示装置のバックライトに使用される、請求項１〜９のいずれか１項に記載の発光装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、一般に発光装置に関するものであり、より特定的には、省エネルギおよび低コスト化を図ることができるように改良された発光装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
トランジスタが真空管を一掃したように、２１世紀には、白色電球および蛍光灯までも、省エネルギ、低コストの観点から、ＬＥＤ化されるものと思われる。
【０００３】
発光ダイオード（ＬＥＤ）として、赤色、黄色、緑色、青色などの単色のものが既に製造販売されている。赤色の高輝度発光ダイオード（ＬＥＤ）としては数Ｃｄ（カンデラ）以上のものが既に市販されている。これはＡｌＧａＡｓやＧａＡｓＰ等を発光層とした赤色ＬＥＤである。これは低価格のＬＥＤであり広い用途に利用されている。ＧａＰを発光層とする緑・黄緑色のＬＥＤも製造販売されている。青色ＬＥＤとしては、ＳｉＣを活性層とするものがある。青・緑にはＧａＩｎＮを活性層とするＬＥＤがある。橙色、黄色にはＡｌＧａＩｎＰを発光層とする素子がある。いずれも安価で実用的なＬＥＤである。このうちＧａＰ、ＳｉＣは間接遷移型の半導体であるから効率が悪く、カンデラ級の出力には至っていない。
【０００４】
これらＬＥＤは、いずれも発光層材料のバンド間の電子遷移を利用しているから、単色光しか出ない。だからＬＥＤといえば単色であった。単色のＬＥＤには表示用ＬＥＤなど多くの用途がある。しかし単色ＬＥＤだけではすべての光源にとって代わることはできない。照明などの用途、特別の表示などの用途、液晶バックライトなどの用途には、単色光源では役に立たない。照明に単色光を使うと物体が皆その色に見える。液晶バックライトに単色光を使うと、その色の濃淡画像しか見えない。
【０００５】
したがって、どうしてもすべての色を含む白色の光源が必要である。ところが白色の出る半導体発光素子はない。照明用光源としては、今なお白熱電球、蛍光灯などが広く使われている。白熱電球は効率が悪く、また寿命も短い。蛍光灯は効率はともかく、寿命が短い。安定器のような重量物が必要である。また、サイズも大きすぎる。このような難点がある。
【０００６】
寸法が小さいこと、周辺回路が簡単であること、寿命が長いこと、発光効率がよいこと、安価であることなどが白色光源に対し、望まれるところである。これらの要件を満足するには、やはり半導体発光素子しかないように思われる。しかし、前述のように、半導体発光素子はバンドギャップ間の電子遷移を用いるからどうしても単色光しか出ない。半導体素子は単独では白色光を発生することができない。
【０００７】
３原色である青色、緑色、赤色のＬＥＤを使えば、白色ＬＥＤを作ることができるだろう。ＧａＮを用いた青色ＬＥＤも市販されるようになり、３原色のＬＥＤは揃っている。しかし、３つもの発光素子を組合せるのでは高コストになってしまう。製品コストだけでなく電力も３倍必要であり、効率がよいとはいえない。３原色の間でのバランスを調整する必要もある。回路も複雑にならざるを得ない。サイズの点でも不利である。このように複数のＬＥＤを組合せて白色光を作るのではあまり利益がない。やはり、単一のＬＥＤで白色を出すのが望ましい。
【０００８】
ＧａＮ系のＬＥＤとＹＡＧ系蛍光体を組合せた白色ＬＥＤの試みが提案されている。たとえば次の文献に紹介されている白色半導体発光素子がある。
【０００９】
（１）  「光機能材料マニュアル」光機能材料マニュアル編集幹事会編、オプトエレクトロニクス社刊、第４５７頁、１９９７年６月
図６および図７に、この従来の素子の断面図を示す。この素子は、ＧａＩｎＮを活性層とするＧａＮ系ＬＥＤチップを、黄色の発光をするＹＡＧ蛍光材に埋込んだ構造をしている。
【００１０】
樹脂の透明モールド１の中に、第１リード２、第２リード３が固定されている。第１リード２の表面では、図のように、窪み４が形成されている。窪み４にＧａＩｎＮ活性層を持つＧａＮ系ＬＥＤチップ５が固定されている。ＬＥＤ５をすっぽりと覆うように黄色のＹＡＧ蛍光体６が、窪み４に充填されている。ＧａＮＬＥＤの上面にはアノード電極とカソード電極があり、これらがワイヤ７，８によってリード２，３に接続されている。チップの上面に、Ｎ側電極（カソード）とＰ側電極（アノード）を作る。アノードからカソードに電流を流すとＧａＮＬＥＤ５が青色の光Ｅを出す。青色の光Ｅの一部は、そのままＹＡＧ蛍光体６を透過して外部に出射される。残りは蛍光体６に吸収され、より波長の長い黄色の光Ｆを出す。青色の光Ｅと黄色の光Ｆが重なって出る。合成された光は白色である。つまり、この従来例によれば、ＧａＮＬＥＤの青色と、これによって励起された蛍光とを重ね合わせて白色を出しているのである。
【００１１】
ＬＥＤの発光は電子のバンド間遷移による積極的な発光である。蛍光体はその光を吸収し、内部の電子が基底バンドから上のバンドへ励起され、その電子が発光中心と呼ばれる準位を介して基底バンドに落ちるときに光を発する。当然この励起発光では、ＬＥＤの光よりエネルギが低い、光が出る。適当な蛍光体でＬＥＤを囲むと、ＬＥＤの固有の光とそれより長い波長の蛍光が出るようになる。ＹＡＧ蛍光体はちょうど黄色の光を出すから、これがＬＥＤの青色と合成され、白色になる。可視光の中で青は波長が短く、エネルギが高い。青色発光素子が存在するから、このようなことが可能になる。
【００１２】
図８に、ＧａＮ−ＹＡＧ発光素子の発光スペクトルを示す。横軸は波長、縦軸は発光強度（任意目盛）である。４６０ｎｍの鋭いピークがＧａＮ系ＬＥＤの光によるものである。５５０ｎｍあたりの幅広い山は、ＹＡＧ蛍光体による蛍光に基づく。肉眼は色を分離して観察できないから、２つが合成されて白色発光のように見える。
【非特許文献１】「光機能材料マニュアル」光機能材料マニュアル編集幹事会編、オプトエレクトロニクス社刊、第４５７頁、１９９７年６月
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
しかし、ＧａＮ−ＹＡＧ発光素子にはいくつかの難点がある。ＧａＮ系ＬＥＤとは全く異質の物質であるＹＡＧ蛍光体が余分に必要となる。これが第１の難点である。透明度の悪いＹＡＧ蛍光体をチップの上に満たすから、ＬＥＤからの光の多くが吸収される。これに使われる青色ＧａＮ系ＬＥＤだけだと、輝度１Ｃｄ以上、外部量子効率が５％以上というような優れた特性を示す。
【００１４】
ところがＧａＮ−ＹＡＧは輝度が０．５Ｃｄ、外部量子効率が３．５％程度しかない。輝度が落ちるのはＹＡＧ蛍光体が光を吸収するからである。またＹＡＧ蛍光体の光変換効率が１％程度で低い。そのために、黄色が優性な暖色系の白色にするためには蛍光材層をより厚くしなければならない。すると、さらに吸収が増えて、輝度、効率ともに下がる。また、発光材と蛍光材料が異種材料でできているために、製作工程が複雑である。さらに、ＹＡＧ蛍光体を、充填塗布するため、製造コストを引き下げることができない、また、蛍光材の経時変化による色調変化等の欠点があった。
【００１５】
この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたもので、発光の取出効率が高く、製作工程が単純で、製造コストを切り下げることができるように改良された発光装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
この発明に従った発光装置は、第１波長の光を発光する第１の半導体を有する発光素子と、発光素子から出射される第１波長の光の一部を透過させ、かつその一部を吸収し、第２波長の光を発光させる第２の半導体を有する板状の窓材と、発光素子と窓材との間に存在して発光素子に接触する透明部材とを備え、窓材は、窓材を通過した第１波長の光と同じ側に第２波長の光を発光させる。
【００１７】
この発明に従った発光装置は、第１波長の光を発光する第１の半導体を有する発光素子と、発光素子から出射される第１波長の光の一部を透過させ、かつその一部を吸収し、第２波長の光を発光させる第２の半導体を有する板状の窓材とを備え、窓材は、窓材を通過した第１波長の光と同じ側に第２波長の光を発光させ、かつ、発光素子に直接接触しないように設けられる。
【００１８】
好ましくは、窓材は、樹脂を介在させて発光素子の上に設けられている。
【００１９】
好ましくは、窓材は、不活性ガスを介在させて、発光素子の上に設けられている。
【００２０】
好ましくは、発光装置は発光素子に接触する基材をさらに備える。
【００２１】
好ましくは、窓材の表面は、上に凸の曲面である。
【００２２】
好ましくは、発光素子は複数層構造を有する。
【００２３】
好ましくは、窓材は複数層構造を有する。
【００２４】
好ましくは、窓材の材質および厚み、窓材中の不純物の種類、不純物の濃度は、第１波長の光と第２波長の光の合成光が白色となるように選ばれている。
【００２５】
好ましくは、発光素子は、ＩＩＩ−Ｖ族またはＩＩ−ＶＩ族化合物半導体を含み、窓材は、ＩＩ−ＶＩ族化合物半導体を含む。
【００２６】
好ましくは、窓材中の不純物は、Ｌｉ、Ｎａ、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｎ、Ｐ、Ａｓ、ＩおよびＡｌからなる群より選ばれる。
【００２７】
好ましくは、発光装置は、照明装置または液晶表示装置のバックライトに使用される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
以下、この発明の実施の形態を図について説明する。
【００２９】
実施の形態１
図１は、実施の形態１に係る発光装置の断面図である。発光装置１０は、第１のリード２、第２のリード３を備える。第２のリード２の上に、ＩｎＧａＮ系化合物半導体で形成された発光素子５が設けられている。発光素子５と第２のリードはワイヤ８で接続されている。発光素子５を透明モールド１が覆っている。透明モールド１の上にＺｎＳｅ基板１１が設けられている。
【００３０】
ＺｎＳｅ基板（以下、窓材という）１１には、Ｌｉ、Ｎａ、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｎ、Ｐ、Ａｓ、ＩおよびＡｌからなる群より選ばれた不純物が導入されている。窓材であるＺｎＳｅ基板１１は、従来、ガラス製の窓材であったものを、置換えたものである。窓材１１は、発光素子５から出射される第１波長の光の一部を透過させる。また、窓材１１は、発光素子５から出射される第１波長の光の一部を吸収し、第２波長の光を発光させる。第１波長の光と第２の波長の光の合成光は、たとえば白色になる。
【００３１】
表１には、発光素子５を種々変え、窓材１１を種々変えて、発光装置１０から発光する光の色を調べてみた結果を示す。
【００３２】
【表１】
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【００３３】
表１中、ｘ，ｙは、それぞれ、色度図における、赤に対応する刺激量と緑に対応する刺激量を表わしている。発光素子の波長、基板の不純物、厚さ等により、Ｘ，Ｙの値が制御できていることがわかる。
【００３４】
図２は、発光素子５としてＩｎＧａＮを用い、窓材１１にＣＶＴ（Chemical Vaper Transport）法で作製したＩドープのＺｎＳｅ基板を用いた場合の、発光装置の発光スペクトルを示す。４９０ｎｍ付近に鋭いピークを持つ発光素子５からの発光と、６１０ｎｍ付近に鈍いピークを持つブロードな窓材１１からのＳＡ発光（自光励起光（self-activated））が組合されている。合成された光は白色である。
【００３５】
実施例では、白色の場合を例示したが、ＬＥＤ波長と窓材１１の励起光の波長の組合せにより、多彩な色調を実現することができる。
【００３６】
実施の形態１によれば、発光素子５として、既に上市されている特性の安定した高出力のＩｎＧａＮ系材料等が使用でき、その上にＺｎＳｅ基板等の窓材を設けるだけであるので、製造工程が単純であり、また、製造コストを安価にすることができる。また、ＺｎＳｅ基板については高欠陥密度のものや多結晶のものでも使用できるので、コストを安価にできる。
【００３７】
実施の形態２
図３は、実施の形態２に係る発光装置の概念図である。
【００３８】
筒１２の底部に実施の形態１で説明したような発光素子５が設けられている。筒１２の上部に、実施の形態１で説明した窓材１１が設けられている。筒１２の中には、不活性ガスが充填されている。このような実施の形態であっても、多彩な色調を有する光を得ることができる。
【００３９】
実施の形態３
図４は、実施の形態３に係る発光装置の概念図である。高反射率電極１３の上には、サファイア１４の上にＧａＮ発光層がエピタキシャル成長したものが、ＧａＮ発光層１５と高反射率電極１３が接触するように設けられている。サファイア１４の上に、たとえば、実施の形態１で説明した窓材で使用したＺｎＳｅ基板１１が設けられている。このような実施の形態においても、多彩な色調を有する光を得ることができる。この場合、高反射率電極１３が発光素子５の下に設けられているので、発光素子５から下方に向かう光は、高反射率電極１３により反射され、窓材１１を通って、有効に、外部へ出射する。したがって、光の有効利用が図られる。
【００４０】
実施の形態４
図５は、実施の形態４に係る発光装置の、部分断面図である。第１の半導体基板で形成された発光素子５の上に、実施の形態１で説明した窓材１１が設けられている。窓材１１の表面は、上に凸のレンズ状に加工されている。窓材１１の表面が平坦であると、発光素子５から出た光が全反射して、光が無駄になる場合があるが、実施の形態４によれば、窓材１１がレンズ状に加工されているので、光を、図のように、直進させることができる。
【００４１】
なお、上記の実施の形態では、窓材１１が単一層の場合を例示したが、この発明はこれに限られるものでなく、複数層構造を有するものであってもよい。
【００４２】
このような発光装置は、照明用、表示用、液晶バックライトなどに利用できる。
【００４３】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】実施の形態１に係る発光装置の概念図である。
【図２】実施の形態１に係る発光装置の発光スペクトル図である。
【図３】実施の形態２に係る発光装置の断面図である。
【図４】実施の形態３に係る発光装置の断面図である。
【図５】実施の形態４に係る発光装置の部分断面図である。
【図６】ＧａＮ系ＬＥＤとＹＡＧ蛍光体を組合せた、従来例に係る白色ＬＥＤの例を示す、パッケージを含む全体縦断面図である。
【図７】上記従来の白色ＬＥＤのＬＥＤチップ近傍の拡大断面図である。
【図８】従来のＧａＮ系ＬＥＤとＹＡＧ蛍光体よりなるＧａＩｎＮ／ＹＡＧ白色ＬＥＤの発光スペクトル図である。
【符号の説明】
【００４５】
１  透明モールド、５  発光素子、１１  窓材。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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