(57)【要約】【課題】本発明は、白色発光ダイオード（ＬＥＤ）の構造および、その製造方法を提供する。【解決手段】本発明による構造は、多重層エピタキシー構造の光放出層を有し、１つまたは複数の色の光を放出する２つのＬＥＤチップを含む。この構造は、短波長の可視光を放出するＬＥＤと、長波長の可視光を放出するもう１つのＬＥＤを含む。ここで、本発明における少なくとも１つのチップは、２つまたは複数の有色光を放出するための、２つまたは複数の遷移エネルギー準位を有する。本発明を使用すると、ＬＥＤにより放出される多重有色光を混合することにより、優れた演色性と高い光放出効率を有する全スペクトル白色光源とすることができる。本発明の白色ＬＥＤは、汎用照明用途に対して理想的な光源である。【選択図】      図３
2004165604.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の光スペクトルを有する第１の可視光を放出するのに使用される第１のＬＥＤチップと、
第２の光スペクトルを有する第２の可視光を放出するのに使用される第２のＬＥＤチップであって、前記第１の可視光が第２の可視光と混合されて白色光源を形成する第２のＬＥＤチップとを含み、
前記第１のＬＥＤチップおよび／または第２のＬＥＤチップが、少なくとも２つの遷移エネルギーギャップを有し、これによって少なくとも２つの有色光を放出する、発光ダイオード（ＬＥＤ）。
【請求項２】
第１の光スペクトルを有する第１の可視光を放出するのに使用する第１のＬＥＤチップを提供するステップと、
第２の光スペクトルを有する第２の可視光を放出するのに使用される第２のＬＥＤチップを提供するステップであって、前記第１の可視光が第２の可視光と混合されて白色光源を形成するステップとを含み、
前記第１のＬＥＤチップおよび／または第２のＬＥＤチップが、少なくとも２つの遷移エネルギーギャップを有し、これによって少なくとも２つの有色光を放出する、ＬＥＤの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、白色発光ダイオード（ＬＥＤ）光源の構造およびその製造法に関し、より詳細には２つまたは複数のカラー光を発生することのできる構造と、その製造法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体発光ダイオード（ＬＥＤ）は、汎用用途の照明装置に対する有望なデバイスとなっている。ＬＥＤは、優れた耐久性、長い使用寿命、少ない電力消費、水銀の不使用、潜在的な高効率性などの特徴を有する。また白色ＬＥＤは、環境保護およびエネルギー節減のために有効な照明光源である。白熱電球などの従来の照明器具は低価格ではあるが、残念ながら低い効率、大きい電力消費、短い使用寿命、脆弱性などの欠点がある。蛍光電球は省エンルギー型デバイスであるが、やはり脆弱であると共に、水銀を含むために環境汚染の問題を引き起こす。したがって、白色ＬＥＤは、新世代の汎用照明用途に対して理想的な光源である。
【０００３】
白色ＬＥＤの製造技術に関しては、現在５つの比較的普及している方法がある。第１の方法は、青色光を放出するＡｌＩｎＧａＮ‐ＬＥＤチップと、黄色領域で発光する蛍光体（イットリウム・アルミニウム・ガーネット、ＹＡＧ）とを使用する方法である。青色光の一部は蛍光体（ｐｈｏｓｐｈｏｒ）層に吸収されて、黄色光に下方変換される。残りの青色放出光は、透明レジン中に逃げる。この青色光と黄色光とを混合することにより、白色光とすることができる。この方法は簡便さと実現の容易さにおいて有利であるが、赤色成分の欠如により演色性が悪いこと、また動作電流が増加すると色ずれの問題が発生するという点で不利である。さらに、第１の方法で製作されたＬＥＤは、照明効率が低く、経年劣化（ａｇｉｎｇ）を生ずる問題がある。
【０００４】
白色ＬＥＤを製造する第２の方法は、赤色ＡｌＩｎＧａＰ材料、緑色ＡｌＩｎＧａＮ材料および青色ＡｌＩｎＧａＮ材料からなる複数のＬＥＤの組み合わせを、一組の白色光源として用いる方法である。これらのＬＥＤチップに加えられる動作電流は、白色光混合の目的を達成するために、精密に制御する必要がある。この方法は、色変換に蛍光体を使用しないために、照明効率は第１の方法よりも格段に高く、また蛍光体の関係する経時変化の問題も起こさない。その欠点の１つは、設計がより複雑化することであり、これによってコストが上がる可能性がある。もう１つの欠点は、ＬＥＤからの放出光幅が狭いために、演色特性が悪くなることである。一方で、この第２の方法は、２つの高価なＡｌＩｎＧａＮ‐ＬＥＤチップを使用することから、材料の観点では価値が低い。
【０００５】
白色ＬＥＤを製造する第３の方法は、紫外線（ＵＶ）ＬＥＤを使用して１組の蛍光体を励起することに基づくものである。放出スペクトルの可視部分は、蛍光体によって完全に生成される。ＬＥＤによって放出されたＵＶ光は蛍光体を励起し、これによって赤、緑および青色光を放出し、この３色光がさらに混合されて白色光となる。しかしながら、ポンプ源（ｐｕｍｐ  ｓｏｕｒｃｅ）を紫外線スペクトル範囲に移動させることは、変換過程におけるエネルギー損失の増大のために、放射効率が低下することになる。さらに、蛍光体の変換効率はまだ低く、パッケージ材料には、ＵＶ光損傷による経時劣化の問題がある。したがって、この方法は白色光源を製造するのに適切な方法ではない。
【０００６】
白色光を生成する第４の方法は、ＺｎＳｅ材料系を使用する技術である。この方法では、ＣｄＺｎＳｅ膜がＺｎＳｅ単結晶基板上に形成される。ＣｄＺｎＳｅ膜は、通電されることにより青色光を放出する。青色光の一部は基板に吸収されて、次いで黄色光を放出する。最後に、青色光と黄色光が混合されて、白色光となる。この動作原理は、前述した青色または紫外線ＬＥＤと蛍光体とを一緒に使用する方法とは異なるものである。この白色ＬＥＤは、１つのチップだけを使用し、白色光を生成するのに蛍光体材料を使用する必要がない。残念ながら、その輝度効率（ｌｕｍｉｎｏｕｓ  ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ）は比較的低く、またその使用寿命は他と比較して短かすぎる。したがって、この方法は実際には利用できない。
【０００７】
白色光を製造する第５の方法も、青色光と黄色光とを混合して白色光とする原理に基づいており、この方法では青色および黄色ＬＥＤチップを組合わせてセットとして白色光を生成する。この２色性ＬＥＤシステムは、すべての白色ソリッドステート光源の中で最高の効率を特徴とする。しかしながら、この種のＬＥＤの演色（ｃｏｌｏｒ  ｒｅｎｄｅｒｉｎｇ）特性は極めて悪い。この方法は汎用照明用途には適していない。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
潜在的な応用の観点からは、白色照明の設計は、高効率、高演色性および合理的コストを組み合わせることをねらいとするものである。本発明は、上記の目的を達成するための、白色ＬＥＤ構造とそれを製造する方法とを提供する。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、白色ＬＥＤ構造とその製造方法を提供する。このデバイスは、２つのＬＥＤチップから構成され、一方は短波長側の可視スペクトルを放出するＡｌＩｎＧａＮ‐ＬＥＤであり、他方は長波長側の可視スペクトルを放出するＡｌＩｎＧａＰ‐ＬＥＤである。この白色ＬＥＤ構造の少なくとも１つのチップは、２つまたは複数の有色光を放出するために、２つまたはそれ以上の遷移エネルギー準位を有する。この白色ＬＥＤから生成される複数の有色光を、混合して全スペクトルの白色光とすることができる。この白色ＬＥＤ構造では蛍光体変換層は使用しない。したがって、この方法による演色特性および照明効率は優れている。一般演色評価数（Ｒａ）は９４まで高くすることが可能であり、これは白熱光源およびハロゲン光源に近いが、バイナリ相補白色（ＢＣＷ（Ｂｉｎａｒｙ  ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ  ｗｈｉｔｅ））ＬＥＤのＲａは、約３０〜４５である。さらに、高価な３元ＲＧＢ白色ＬＥＤ光源と比較すると、本発明の白色ＬＥＤは、ただ１つのＡｌＩｎＧａＮチップを、１つの安価なＡｌＩｎＧａＰチップと組み合わせて使用し、これによって低コストの、高輝度性能の白色光源を形成する。本発明の白色ＬＥＤは、汎用照明用途に対する理想的な光源である。
【００１０】
本発明のＬＥＤ構造は、Ｎ型ＧａＡｓ基板およびＰ型オーム性接触エピタキシー層にそれぞれ接触して、第１のオーム性接触金属電極層および第２のオーム性接触金属電極層を備える。ＬＥＤの能動層は、多重量子井戸（ＭＱＷ、ｍｕｌｔｉ−ｑｕａｎｔｕｍ  ｗｅｌｌ）構造となる。さらに、本発明は、ＬＥＤに複数の有色光を放出させる方法を提供し、この方法においては、バンドギャップ技術原理を能動層に応用して、１つまたは複数の遷移エネルギー準位を設計することによって、複数の有色光を同時に得る。例えば、量子井戸の幅、材料組成、または材料内部の歪を変更することによって、遷移エネルギー準位と共に、放出光の色も変化させることができる。したがって、本発明の利点の一つは、放出される光スペクトルが、可視波長領域のほとんどを範囲に含み、これによって高度な演色特性を有する、白色ＬＥＤ光源の簡潔な構造を提供することである。
【００１１】
本発明のもう一つの利点は、白色光源が、蛍光体材料および関連する被覆工程を使用することなく生成することができ、このために生産効率を大幅に向上させることである。さらに、本発明は、短波長（ＡｌＩｎＧａＮまたはＺｎＳｅチップなど）の可視光を放出する１つのＬＥＤと、長波長（ＡｌＩｎＧａＰまたはＡｌＧａＡｓチップなど）の可視光を放出するもう一つのＬＥＤとを組み合わせて使用するだけで、優れた特性を有し、かつ低コストの白色照明光源を形成することができる。
前述の態様および本発明に伴う多くの利点は、以下の詳細な説明を、添付の図面と合わせて参照することにより、より簡単に理解されるであろう。
【発明の実施の形態】
【００１２】
本発明は、白色ＬＥＤ構造およびその製造法を開示する。本発明をさらに詳細、かつ完全に説明するために、以下に図１〜６を参照して説明を記載する。
まず最初に、ＡｌＩｎＧａＰ‐ＬＥＤを説明のための例として用いる。図１について説明する。本発明の好ましい実施態様によると、ＬＥＤエピタキシー構造は、連続して積み重ねられた以下の層を含む。それは、Ｎ型ＧａＡｓ基板１０、Ｎ型（ＡｌｘＧａ１−ｘ）０．５Ｉｎ０．５Ｐ下部クラッド層２０、（ＡｌｘＧａ１−ｘ）０．５Ｉｎ０．５Ｐ能動層３０、Ｐ型（ＡｌｘＧａ１−ｘ）０．５Ｉｎ０．５Ｐ上部クラッド層４０およびＰ型オーム性接触エピタキシー層５０である。さらに、本発明の構造はさらに、Ｎ型ＧａＡｓ基板１０およびオーム性接触エピタキシー層５０とそれぞれ接触する、第１のオーム性接触金属電極層１５および第２のオーム性金属電極層５５を含む。
【００１３】
Ｐ型オーム性接触エピタキシー層５０は、ＡｌＧａＡｓ、ＡｌＩｎＧａＰまたはＧａＡｓＰから製作することができる。材料が、ＡｌＩｎＧａＰ能動層３０よりも大きなエネルギーギャップを持ち、ＡｌＩｎＧａＰ能動層３０から生成される光を吸収せず、さらにオーム性接触の形成から恩恵を受けるキャリアの濃度が高い場合に、Ｐ型オーム性接触得ピタクシー層５０を形成するために、その材料を選択することができる。
前述の（ＡｌｘＧａ１−ｘ）０．５Ｉｎ０．５Ｐ能動層３０は、ＡｌＩｎＧａＰの多重量子井戸構造とすることができ、ここでアルミニウムの含有量ｘの範囲は０〜０．４５でよく、Ｐ型（ＡｌｘＧａ１−ｘ）０．５Ｉｎ０．５Ｐ上部クラッド層４０のアルミニウム含有量ｘ、およびＮ型（ＡｌｘＧａ１−ｘ）０．５Ｉｎ０．５Ｐ下部クラッド層２０のそれは、０．５〜１．０の間に制御される。（ＡｌｘＧａ１−ｘ）０．５Ｉｎ０．５Ｐ能動層３０のアルミニウム含有量がゼロのとき、（ＡｌｘＧａ１−ｘ）０．５Ｉｎ０．５Ｐ能動層３０の組成は、Ｇａ０．５Ｉｎ０．５Ｐであり、その遷移エネルギーは約１．５９３ｅＶ、最高波長照明は６３５ｎｍで、黄緑色光である。
【００１４】
バンドギャップ原理を用いることによって、本発明は（ＡｌｘＧａ１−ｘ）０．５Ｉｎ０．５Ｐ能動層３０の材料における、１つまたは複数の遷移エネルギー準位を設計し、異なる色の有色光を同時に生成し、他のＬＥＤチップ（図示せず）からの放出光を混合することによって、高度な照明効率および高度な演色性を有する白色光を生成する。例えば、アルミニウム含有量ｘを、ＡｌＩｎＧａＰ‐ＬＥＤの能動層の量子井戸材料内で、０、０．０８、０．１３および０．３と順番に変化させて、量子井戸構造を示す概略図を表す図２に示すような、近連続スペクトルを有する有色光を単一のＬＥＤチップから放出させることが可能である。他方の青‐緑ＬＥＤチップ（図示せず）から放出された光（波長４７０ｎｍおよび５４０ｎｍ）を混合することによって、図３に示すような、全スペクトル分布を有する有色光を得ることができ、ここで各有色光の遷移レベルの光スペクトルを図示してあり、それは青色光遷移エネルギー準位の光スペクトル６５、緑色光遷移エネルギー準位の光スペクトル７０、黄緑色光遷移エネルギー準位の光スペクトル７５、黄色光遷移エネルギー準位の光スペクトル８０、橙色光遷移エネルギー準位の光スペクトル８５、橙赤色光遷移エネルギー準位の光スペクトル９０、赤色光遷移エネルギー準位の光スペクトル９５、および演色性を有し様々な有色光を混合して形成される白色光スペクトル６０である。この結果、高効率の全スペクトル照明光源を構築することができる。
【００１５】
上記の他方のＬＥＤの構造は、図１に示すものと類似しており、すなわち他方のＬＥＤも、以下の順番に積み重ねられた層を含む。それは基板、下部クラッド層、能動層、上部クラッド層およびオーム性接触エピタクシー層であり、これらの層を形成する材料は、当業者には周知であり、したがって本願ではこれ以上の記載はしない。さらに、上述のように、ＡｌＩｎＧａＰ能動層３０を形成するのに応用したエネルギーギャップ工学原理は、その他のＬＥＤチップの能動層を形成する上でも適切である。
【００１６】
上述の白色ＬＥＤから得られた相対色温度（ＣＣＴ）は３，０００°Ｋであり、色度座標（ｃｈｒｏｍａｔｉｃｉｔｙ  ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅｓ）は、ｘ（ＣＩＥＩ１９３１）＝０．４４１５、ｙ＝０．４０４５、ｕ（ＣＩＥ１９６４）＝０．２５３３、ｖ＝０．３４８２であり、ここで全体演色評価数（ＣＲＩ）Ｒａは９４であり、これは白色光電球の一般標準と近似しており、したがって照明目的の光源として好適である。１つまたは複数のエネルギー遷移レベルを設計するために、上記のエネルギーギャップ技術を用いて、ＡｌＩｎＧａＰ能動層の材料成分を調整することは、説明のための例として述べたものである。したがって、本発明はそれに限定されるものではない。本発明は、その他のエネルギーギャップ技術を使用するのにも適しており、１つまたは複数の遷移エネルギー準位が、単一の同じＬＥＤチップから製作される。例えば、量子井戸の幅を変更する技術、また材料内部の歪効果を利用することなどは、すべて本発明に適用が可能である。量子井戸の数と障壁の調節に応じて異なる遷移エネルギー準位を組み合わせることによって、様々な応用を満足させるための様々なスペクトル分布を製造することができる。
【００１７】
上記の組成比は、能動層３０の（ＡｌｘＧａ１−ｘ）０．５Ｉｎ０．５Ｐなどの単に例として述べたものであり、したがって本発明は、それに限定されるものではない。同様に、本発明はその他の比にも適している。さらに、本発明は、高輝度ＡｌＩｎＧａＰ‐ＬＥＤに限定されるものではなく、ＡｌＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＡｓまたはＺｎＳｅなどのその他のＬＥＤ材料にも好適である。
図４は、本発明の第２の好ましい実施態様の量子井戸構造を示す概略図である。ＡｌＩｎＧａＰ能動層の量子井戸材料内のアルミニウム含有量ｘは、それぞれｘ＝０．１３およびｘ＝０．２２であり、この単一のＬＥＤチップは、波長６１５ｎｍおよび５９０ｎｍの赤‐黄２色光（ｄｕａｌ  ｃｏｌｏｒｅｄ  ｌｉｇｈｔｓ）を放出することができる。この２色光が、他方のＡｌＩｎＧａＮ‐ＬＥＤチップから放出される青緑色光（５０５ｎｍ）と混合された後に、白色光のＣＣＴは２，４００°Ｋで、色度座標は、ｘ＝０．４９９４、ｙ＝０．４３０７、ｕ＝０．２７８６、ｖ＝０．３６０４であり、演色評価数Ｒａは５３であり、これは基本照明要件の標準を満足する。上記の２つのＬＥＤチップから放出される光スペクトルについては、図５を参照されたい。このように、量子井戸の数と障壁の調整に応じて、ことなる遷移エネルギー準位を組み合わせることによって、上記の第１の好適な実施態様とは異なる色温度を有する白色光源を製作することができる。
【００１８】
本発明の第３の好適な実施態様は、２つのＬＥＤチップを用いて、３つの基本色、赤、緑および青を有する高効率な白色光源を形成する。図６に示すように、図６は、２重遷移エネルギーギャップ（波長４７０ｎｍの青色光および５４０ｎｍの緑色光を放出）を有するＡｌＩｎＧａＮ‐ＬＥＤチップと、赤色光（波長６２５ｎｍ）を放出するＡｌＩｎＧａＰ‐ＬＥＤチップとの組み合わせから放出される光スペクトルを示す図であり、そのＣＣＴは１０，０００°Ｋに到達することが可能であり、色度座標は、ｘ＝０．２７２３、ｙ＝０．２８７４、ｕ＝０．１８５１、ｖ＝０．２９２１であり、演色評価数Ｒａは７０である。上記の組み合わせは、ＬＣＤバックライト光源などの画像ディスプレイまたはＴＶの３原色（赤、緑および青）のディスプレイの光源として極めて好適である。
【００１９】
【発明の効果】
まとめると、本発明の一利点は、簡易な白色ＬＥＤ光源構造を提供することである。この白色ＬＥＤ光源から放出される光スペクトルは、可視光のほとんどの領域を範囲に含み、したがってこの白色ＬＥＤ光源は、豊富な色と高度な演色性を有する。
本発明の他の利点は、白色光源が、蛍光体粉末およびその被覆工程を使用することなく形成され、照明効率が大幅に向上することである。また、製造工程が簡潔であるため、製品収率が大幅に向上する。さらに、本発明は、短波長の可視光を放出する１つのＬＥＤと、長波長の可視光を放出する別の１つのＬＥＤ（ＡｌＩｎＧａＮ）またはＺｎＳｅチップなど）とを組み合わせて使用するだけで、優れた特性で低コストの白色照明光を形成する。
【００２０】
当業者であれば理解するように、本発明の前述の好適な実施態様は、本発明の説明のためのものであり、本発明を限定するものではない。添付の請求項の趣旨と範囲に含まれる様々な修正形態および類似の配設も、本発明の範囲に含めるものであり、本発明の範囲は、そのようなすべての修正形態および類似構造を包含するように、最も広い解釈がなされるべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の好適な実施態様による、ＡｌＩｎＧａＰ‐ＬＥＤのエピタキシー構造を示す概略図である。
【図２】本発明の第１の好適な実施態様による、ＡｌＩｎＧａＰ‐ＬＥＤの能動層の量子井戸材料中のアルミニウムの含有量ｘを、０、０．０８、０．１３、０．２２および０．３の順序で変化させて得られる、量子井戸構造を示す概略図である。
【図３】本発明の第１の好適な実施態様による、ＡｌＧａＩｎＰ‐ＬＥＤの能動層の材料中のアルミニウム含有量を、０、０．０８、０．１３、０．２２および０．３の順序で変化させると共に、緑ＡｌＩｎＧａＮ‐ＬＥＤチップから放出される光（波長４７０ｎｍおよび５４０ｎｍ）を混合することによって得られる略全スペクトル（ｎｅａｒ−ｆｕｌｌ  ｓｐｅｃｔｒａｌ）の連続スペクトルを有する有色光を示す、スペクトル図の図面代用写真である。
【図４】本発明の第２の好適な実施態様による、２重遷移エネルギーギャップを有するＡｌＩｎＧａＰ‐ＬＥＤチップの量子井戸構造を示す概略図である。
【図５】本発明の第２の好適な実施態様による、２重遷移エネルギーギャップ（波長５９０ｎｍの黄色光および６１５ｎｍの赤色光を放出）を有するＡｌＩｎＧａＰ‐ＬＥＤチップと、青緑色光（波長５０５ｎｍ）を放出するＡｌＩｎＧａＮ‐ＬＥＤチップとを組み合わせから放出される光スペクトルを示す図である。
【図６】本発明の第３の好適な実施態様による、２重遷移エネルギーギャップ（波長４７０ｎｍの青色光および５４０ｎｍの緑色光を放出）を有するＡｌＩｎＧａＮ‐ＬＥＤチップと、赤色光（波長６２５ｎｍ）を放出するＡｌＩｎＧａＰ‐ＬＥＤチップとの組み合わせから放出される光スペクトルを示す図である。
【図１】
2004165604.tif 000003
【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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