(57)【要約】【課題】製造歩留が高くかつ低コストで製造することができる波長変換素子、波長変換素子を用いた光源及び光源の製造方法を提供する。【解決手段】光源１００は、導電性材質からなるステム１０１と、ステム１０１の表面に設けられている半導体層１０２と、半導体層１０２の表面の一部に形成されている波長変換素子１０３と、半導体層１０２が形成されていない側のステム１０１の表面に設けられている２本の電極１０４，１０５と、を備えている。そして、波長変換素子１０３は、不純物１５１を含む母材基板１０６からなり、母材基板１０６の基板面内において不純物高濃度領域１０３ａと不純物低濃度領域１０３ｂとを備え、半導体層１０２が発する可視光線が照射されることにより、不純物高濃度領域１０３ａ及び不純物低濃度領域１０３ｂは、それぞれ異なる波長を有する光を発する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
不純物を含有する母材基板からなり、可視光線が照射されることにより当該可視光線が有する波長とは異なる波長を有する光を発する、波長変換素子。
【請求項２】
前記母材基板の基板面内において、不純物の濃度が異なる領域を複数備え、
前記可視光線が照射されることにより、前記不純物の濃度が異なる領域は、それぞれ異なる波長を有する光を発する、請求項１に記載の波長変換素子。
【請求項３】
前記母材基板は、石英ガラス、硼硅酸ガラスまたは二酸化珪素を主成分とするガラスにより形成されている、請求項１または２に記載の波長変換素子。
【請求項４】
前記母材基板は、サファイアまたはスピネルにより形成されている、請求項１または２に記載の波長変換素子。
【請求項５】
前記不純物は、Ｓｉである、請求項１から４のいずれか一つに記載の波長変換素子。
【請求項６】
前記不純物は、直径が１ｎｍ以上１０ｎｍ以下の粒子である、請求項１から５のいずれか一つに記載の波長変換素子。
【請求項７】
前記母材基板は、前記母材基板の基板面内において、前記不純物の濃度が１×１０17ｃｍ-2以上３×１０17ｃｍ-2以下である領域と前記不純物の濃度が１×１０16ｃｍ-2以上３×１０16ｃｍ-2以下である領域とを備えている、請求項１から６のいずれか一つに記載の波長変換素子。
【請求項８】
前記可視光線は、青色の光であり、
前記青色の光が照射されることにより、赤色及び緑色の光を発する、請求項１から７のいずれか一つに記載の波長変換素子。
【請求項９】
可視光線を発する半導体層と、
前記半導体層の表面の一部に設けられた波長変換素子と、
前記半導体層に対して電圧を印加する電極と、
を備える光源であって、
前記半導体層は、前記電極を介して前記電圧が印加されることにより前記可視光線を発し、
前記波長変換素子は、不純物を含有する母材基板からなり、前記可視光線が照射されることにより当該可視光線が有する波長とは異なる波長を有する光を発する、光源。
【請求項１０】
前記波長変換素子は、前記母材基板の基板面内において、不純物の濃度が異なる領域を複数備え、
前記可視光線が照射されることにより、前記不純物の濃度が異なる領域は、それぞれ異なる波長を有する光を発する、請求項９に記載の光源。
【請求項１１】
前記母材基板は、石英ガラス、硼硅酸ガラスまたは二酸化珪素を主成分とするガラスにより形成されている、請求項９または１０に記載の光源。
【請求項１２】
前記母材基板は、サファイアまたはスピネルにより形成されている、請求項９または１０に記載の光源。
【請求項１３】
前記不純物は、Ｓｉである、請求項９から１２のいずれか一つに記載の光源。
【請求項１４】
前記不純物は、直径が１ｎｍ以上１０ｎｍ以下の粒子である、請求項９から１３のいずれか一つに記載の光源。
【請求項１５】
前記半導体層は、ＩＩＩ族窒化物半導体またはＩＩ−ＶＩ族化合物半導体により形成されている、請求項９から１４のいずれか一つに記載の光源。
【請求項１６】
前記波長変換素子は、前記可視光線が照射される方向に対して垂直な面内において、前記不純物の濃度が１×１０17ｃｍ-2以上３×１０17ｃｍ-2以下である領域と前記不純物の濃度が１×１０16ｃｍ-2以上３×１０16ｃｍ-2以下である領域とを備えている、請求項９から１５のいずれか一つに記載の光源。
【請求項１７】
前記可視光線は、青色の光であり、
前記波長変換素子は、前記青色の光が照射されることにより、赤色及び緑色の光を発する、請求項９から１６のいずれか一つに記載の光源。
【請求項１８】
母材基板に不純物を混入させる工程と、
前記母材基板を半導体層の表面の一部に戴置する工程と、
前記半導体層の前記母材基板が形成されている側とは反対側の表面に電極を設ける工程と、
を含み、
前記半導体層は、前記電極を介して電圧が印加されることにより可視光線を発し、
前記不純物を含有する母材基板は、前記可視光線が照射されることにより、当該可視光線が有する波長とは異なる波長を有する光を発する、光源の製造方法。
【請求項１９】
母材基板の表面に半導体層を形成する工程と、
前記母材基板に不純物を混入させる工程と、
前記半導体層の前記母材基板が存する側とは反対側の表面に電極を設ける工程と、
を含み、
前記半導体層は、前記電極を介して電圧が印加されることにより可視光線を発し、
前記不純物を含有する母材基板は、前記可視光線が照射されることにより、当該可視光線が有する波長とは異なる波長を有する光を発する、光源の製造方法。
【請求項２０】
前記母材基板に不純物を混入させる工程は、イオン注入法により行われる、請求項１８または１９のいずれか一つに記載の光源の製造方法。
【請求項２１】
前記母材基板に不純物を混入させる工程は、前記母材基板の基板面の一部において、所定の不純物の濃度を有する領域を形成する工程と、
前記母材基板の前記基板面の一部と異なる基板面の部分において、前記所定の不純物の濃度を有する領域における不純物の濃度と異なる不純物の濃度を有する領域を形成する工程と、
を含む、請求項１８から２０のいずれか一つに記載の光源の製造方法。
【請求項２２】
前記不純物は、Ｓｉである、請求項１８から２１のいずれか一つに記載の光源の製造方法。
【請求項２３】
前記母材基板は、石英ガラス、硼硅酸ガラスまたは二酸化珪素を主成分とするガラスにより形成されている、請求項１８、２０から２２のいずれか一つに記載の光源の製造方法。
【請求項２４】
前記母材基板は、サファイアまたはスピネルにより形成されている、請求項１８から２３のいずれか一つに記載の光源の製造方法。
【請求項２５】
前記半導体層は、ＩＩＩ族半導体またはＩＩ−ＶＩ族半導体により形成されている、請求項１８から２４のいずれか一つに記載の光源の製造方法。
【請求項２６】
前記可視光線が照射されることにより、前記所定の不純物の濃度を有する領域と前記所定の不純物の濃度を有する領域における不純物の濃度と異なる不純物の濃度を有する領域とはそれぞれ異なる波長を有する光を発する、請求項２１に記載の光源の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、波長変換素子、波長変換素子を含んだ光源及び光源の製造方法に関するものであり、さらに詳しく言えば、例えば発光ダイオードなどの半導体により形成された発光素子（本願発明にかかる特許請求の範囲及び明細書においては、半導体層と記載している）が発した光をその光が有する波長とは異なる波長を有する光に変換するための波長変換素子、波長変換素子を含んだ光源及びその光源の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、多色発光素子、すなわち、一つのステム上に青色発光ダイオード（以下、「青色ＬＥＤ」という。）と赤色発光ダイオード（以下、「赤色ＬＥＤ」という。）と緑色発光ダイオード（以下、「緑色ＬＥＤ」という。）とを配置した発光素子（以下、「フルカラーＬＥＤ」という。）が注目されている。例えば、特許文献１には、図８に示すように、電極となる４本の足ピン４０４，４０５，４０６，４０７を備えたステム４０８上に、一対の青色ＬＥＤチップ４０１と赤色ＬＥＤチップ４０２と緑色ＬＥＤチップ４０３とを配置しているフルカラーＬＥＤ４００が開示されている。そして、足ピン４０６と足ピン４０４，４０５，４０７との間に電圧を印加することにより、各青色ＬＥＤチップ４０１は青色の光を、赤色ＬＥＤチップ４０２は赤色の光を、緑色ＬＥＤチップ４０３は緑色の光を発する。
【０００３】
以下に、フルカラーＬＥＤ４００の構造を説明する。それぞれのＬＥＤチップは、裏面にｎ層電極（不図示）及びｐ層電極（不図示）をそれぞれ備えており、各ｎ層電極はそれぞれ足ピン４０６と接続され、各ｐ層電極はそれぞれ足ピン４０４，４０５，４０７と接続されている。まず、足ピン４０６と各ｎ層電極との接続を説明する。足ピン４０６はステム４０８と電気的に接続しているおり、赤色ＬＥＤチップ４０２の裏面及び緑色ＬＥＤチップ４０３の裏面は導電性材質で形成されている。そのため、半田などの導電性の接着材を用いてその赤色ＬＥＤチップ４０２及び緑色ＬＥＤチップ４０３をステム４０８に接着しさえすれば、赤色ＬＥＤチップ４０２のｎ層電極及び緑色ＬＥＤチップ４０３のｎ層電極は足ピン４０６と電気的に接続される。一方、各青色ＬＥＤチップ４０１の裏面は導電性材質で形成されていないため、各青色ＬＥＤチップ４０１の裏面表面に対しエッチングを行い、その後、そのエッチングを行った部分にオーミック電極（不図示）を付け（オーミック電極がｐ層電極となる）、金線（不図示）を用いてオーミック電極とステム４０８とを接続することにより、各青色ＬＥＤチップ４０１のｎ層電極は足ピン４０６と電気的に接続される。次に、足ピン４０４，４０５，４０７と各ｐ層電極との接続を説明する。足ピン４０４，４０５，４０７とステム４０８とは電気的に接続していない。そのため、金線を用いてｐ層電極とステム４０８とを接続させることにより、各青色ＬＥＤチップ４０１のｐ層電極、赤色ＬＥＤチップ４０２のｐ層電極及び緑色ＬＥＤチップ４０３のｐ層電極は足ピン４０４，４０５，４０７と電気的に接続する。以上により、青色ＬＥＤチップ４０１，４０１、赤色ＬＥＤチップ４０２及び緑色ＬＥＤチップ４０３と足ピン４０４，４０５，４０６，４０７とは電気的に接続され、その結果、足ピン４０４，４０５，４０７と足ピン４０６との間に外部電圧を印加すると、赤色の光、青色の光及び緑色の光を発する、と記載されている。
【特許文献１】特開平６−１５１９７４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１に開示されているフルカラーＬＥＤ４００は、一つのステム４０８上に一対の青色ＬＥＤチップ４０１，４０１と赤色ＬＥＤチップ４０２と緑色ＬＥＤチップ４０３とを配置している。そのため、フルカラーＬＥＤ４００を製造するさいには３種類のＬＥＤチップを用意しなければならず、非常にコストが高くつく。また、ステム４０８上に、４つのＬＥＤチップ４０１，４０１，４０２，４０３を実装しなければならず、実装工程が複雑となり製造歩留まりが悪くなる虞がある。
【０００５】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、製造歩留が高くかつ低コストで製造することができる波長変換素子、波長変換素子を用いた光源及び光源の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の波長変換素子は、不純物を含有する母材基板からなり、可視光線が照射されることにより当該可視光線が有する波長とは異なる波長を有する光を発する。
【０００７】
また、波長変換素子は、前記母材基板の基板面内において、不純物の濃度が異なる領域を複数備え、前記可視光線が照射されることにより、前記不純物の濃度が異なる領域は、それぞれ異なる波長を有する光を発することが好ましい。
【０００８】
ここで、母材基板の基板面とは、母材基板の有する面のうち最大の面積を有する面のことである。
【０００９】
また、波長変換素子において、前記母材基板は、石英ガラス、硼硅酸ガラスまたは二酸化珪素を主成分とするガラスにより形成されていてもよい。
【００１０】
また、波長変換素子において、前記母材基板は、サファイアまたはスピネルにより形成されていてもよい。
【００１１】
また、波長変換素子において、前記不純物は、Ｓｉであることが好ましい。
【００１２】
また、波長変換素子において、前記不純物は、直径が１ｎｍ以上１０ｎｍ以下の粒子であることが好ましい。
【００１３】
また、波長変換素子において、前記母材基板は、前記母材基板の基板面内において、前記不純物の濃度が１×１０17ｃｍ-2以上３×１０17ｃｍ-2以下である領域と前記不純物の濃度が１×１０16ｃｍ-2以上３×１０16ｃｍ-2以下である領域とを備えていることが好ましい。
【００１４】
また、波長変換素子は、前記可視光線は、青色の光であり、前記青色の光が照射されることにより、赤色及び緑色の光を発することが好ましい。
【００１５】
本発明の光源は、可視光線を発する半導体層と、当該半導体層の表面の一部に設けられた波長変換素子と、当該半導体層に対して電圧を印加する電極と、を備える光源であって、前記半導体層は、前記電極を介して前記電圧が印加されることにより前記可視光線を発し、前記波長変換素子は、不純物を含有する母材基板からなり、前記可視光線が照射されることにより当該可視光線が有する波長とは異なる波長を有する光を発する。
【００１６】
また、光源において、前記波長変換素子は、前記母材基板の基板面内において、不純物の濃度が異なる領域を複数備え、前記可視光線が照射されることにより、前記不純物の濃度が異なる領域は、それぞれ異なる波長を有する光を発する。
【００１７】
また、光源において、前記母材基板は、石英ガラス、硼硅酸ガラスまたは二酸化珪素を主成分とするガラスにより形成されていてもよい。
【００１８】
また、光源において、前記母材基板は、サファイアまたはスピネルにより形成されていてもよい。
【００１９】
また、光源において、前記不純物は、Ｓｉであることが好ましい。
【００２０】
また、光源において、前記不純物は、直径が１ｎｍ以上１０ｎｍ以下の粒子であることが好ましい。
【００２１】
また、光源において、前記半導体層は、ＩＩＩ族窒化物半導体またはＩＩ−ＶＩ族化合物半導体により形成されていてもよい。
【００２２】
また、光源において、前記波長変換素子は、前記可視光線が照射される方向に対して垂直な面内において、前記不純物の濃度が１×１０17ｃｍ-2以上３×１０17ｃｍ-2以下である領域と前記不純物の濃度が１×１０16ｃｍ-2以上３×１０16ｃｍ-2以下である領域とを備えていることが好ましい。
【００２３】
また、光源において、前記可視光線は、青色の光であり、前記波長変換素子は、前記青色の光が照射されることにより、赤色及び緑色の光を発することが好ましい。
【００２４】
本発明の第１の光源の製造方法は、母材基板に不純物を混入させる工程と、前記母材基板を半導体層の表面の一部に戴置する工程と、前記半導体層の前記母材基板が形成されている側とは反対側の表面に電極を設ける工程と、を含み、前記半導体層は、前記電極を介して電圧が印加されることにより可視光線を発し、前記不純物を含有する母材基板は、前記可視光線が照射されることにより、当該可視光線が有する波長とは異なる波長を有する光を発する。
【００２５】
本発明の第２の光源の製造方法は、母材基板の表面に半導体層を形成する工程と、前記母材基板に不純物を混入させる工程と、前記半導体層の前記母材基板が存する側とは反対側の表面に電極を設ける工程と、を含み、前記半導体層は、前記電極を介して電圧が印加されることにより可視光線を発し、前記不純物を含有する母材基板は、前記可視光線が照射されることにより、当該可視光線が有する波長とは異なる波長を有する光を発する。
【００２６】
また、第１、２の光源の製造方法において、前記母材基板に不純物を混入させる工程は、イオン注入法により行われることが好ましい。
【００２７】
また、第１、２の光源の製造方法において、前記母材基板に不純物を混入させる工程は、前記母材基板の基板面の一部において、所定の不純物の濃度を有する領域を形成する工程と、前記母材基板の前記基板面の一部と異なる基板面の部分において、前記所定の不純物の濃度を有する領域における不純物の濃度と異なる不純物の濃度を有する領域を形成する工程と、を含むことが好ましい。
【００２８】
また、第１、２の光源の製造方法において、前記不純物は、Ｓｉであることが好ましい。
【００２９】
また、第１の光源の製造方法において、前記母材基板は、石英ガラス、硼硅酸ガラスまたは二酸化珪素を主成分とするガラスにより形成されていることが好ましい。
【００３０】
また、第１、２の光源の製造方法において、前記母材基板は、サファイアまたはスピネルにより形成されていることが好ましい。
【００３１】
また、第１、２の光源の製造方法において、前記半導体層は、ＩＩＩ族半導体またはＩＩ−ＶＩ族半導体により形成されていることが好ましい。
【００３２】
また、第１、２の光源の製造方法において、前記可視光線が照射されることにより、前記所定の不純物の濃度を有する領域と前記所定の不純物の濃度を有する領域における不純物の濃度と異なる不純物の濃度を有する領域とはそれぞれ異なる波長を有する光を発することが好ましい。
【発明の効果】
【００３３】
本発明の波長変換素子では、母材基板に不純物を混入させさえすれば、可視光線が照射されることによりその可視光線が有する波長とは異なる波長を有する光を発する。そのため、複数種のＬＥＤチップを用いることなく、照射光と変換光という波長の異なる光を発する。ここで、照射光は波長変換素子に照射される可視光線を意味し、変換光は可視光線が照射されたことにより発せられる光を意味する。従って、本発明の波長変換素子を用いると、低コストで光源を製造することができるとともに、光源の構成要素の数は減少するため、製造歩留まりが良くなる。また、本発明の光源では、半導体層が可視光線を発し、その可視光線を照射することにより波長変換素子がその可視光線が有する波長とは異なる波長を有する光を発する。そのため、本発明の光源を製造するためには、半導体層及び本発明の波長変換素子を用意すればよいため、複数種のＬＥＤチップを用意する必要はなく、低コストで製造することができる。また、ステム上には、半導体層及び波長変換素子を形成すればよいため、製造歩留まりをよくすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３４】
本発明の実施の形態について、図面を参照して以下に説明する。なお、以下に示す実施形態は本発明の一例であり、本発明は以下の実施形態に限定されない。
【００３５】
《実施形態１》
以下、実施形態１について図１、２、３、４を参照しながら説明する。
【００３６】
本実施形態では、光源１００の構造、光源１００の製造方法及び光源１００が複数の色の光を発するメカニズムを説明する。なお、図１は本実施形態における光源１００の模式図であり、図２は光源１００の製造方法を説明するための図、図３は半導体層１０２の表面の一部に戴置された及び波長変換素子１０３の拡大図、図４は光源１００が発する光のスペクトル図、である。
【００３７】
まず、光源１００の構造を説明する。
【００３８】
図１に示すように、光源１００は、ステム１０１と、ステム１０１の表面に設けられている半導体層１０２と、半導体層１０２の表面の一部に形成されている波長変換素子１０３と、半導体層１０２が形成されていない側のステム１０１の表面に設けられている２本の電極１０４，１０５と、を備えている。
【００３９】
ステム１０１は、導電性材質からなり、電極１０４，１０５と半導体層１０２とを電気的に接続している。
【００４０】
半導体層１０２は、一般式がＢxＧａ1-x-y-zＡｌyＩｎzＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、０≦ｘ＋ｙ＋ｚ≦１）で表されるＩＩＩ族化合物半導体層を少なくとも一層含み、電極１０４，１０５を介して電圧が印加されることにより青色の光を発する。
【００４１】
波長変換素子１０３は、サファイアからなる母材基板１０６（図２に図示）からなり、不純物１５１、具体的には直径が１ｎｍ以上１０ｎｍ以下であるＳｉ（図２に図示）を含む。そして、母材基板１０６の基板面内において、不純物の濃度が高い領域（以下、「不純物高濃度領域」という。）１０３ａと不純物の濃度が低い領域（以下、「不純物低濃度領域」という。）１０３ｂとを備えており、不純物高濃度領域１０３ａにおける不純物の濃度は１×１０17ｃｍ-2以上３×１０17ｃｍ-2以下であり、不純物低濃度領域１０３ｂにおける不純物の濃度は１×１０16ｃｍ-2以上３×１０16ｃｍ-2以下である。そして、波長変換素子１０３を横から見ると、図１に示すように、不純物高濃度領域１０３ａと不純物低濃度領域１０３ｂとは隣接するよう形成されている。そして、半導体層１０２が発した青色の光が照射されることにより、不純物高濃度領域１０３ａは赤色の光を発し、不純物低濃度領域１０３ｂは緑色の光を発する。なお、青色の光とは、スペクトルにおいてピーク波長が４４０ｎｍ以上４８０ｎｍ以下である光であり、緑色の光とは、ピーク波長が５２０ｎｍ以上５７０ｎｍ以下である光であり、赤色の光とは、ピーク波長が６２０ｎｍ以上６７０ｎｍ以下である光である。
【００４２】
ここで、母材基板１０６の基板面は、本実施形態においては半導体層１０２と波長変換素子１０３との界面に平行な面である。そして、一般的には、半導体層１０２の発する青色の光が不純物高濃度領域１０３ａ及び不純物低濃度領域１０３ｂへ到達することが可能であり、不純物高濃度領域１０３ａの発する光が不純物低濃度領域１０３ｂに吸収されることなく光源１００の外部へ放出され、且つ、不純物低濃度領域１０３ｂの発する光が不純物高濃度領域１０３ａに吸収されることなく光源１００の外部へ放出されることができるように、不純物高濃度領域１０３ａ及び不純物低濃度領域１０３ｂが形成されている。よって、本実施形態において、不純物高濃度領域１０３ａ及び不純物低濃度領域１０３ｂが積層構造を示すことはなく、すなわち、半導体層１０２と波長変換素子１０３との界面に垂直な面は母材基板１０６の基板面にはなりえない。例えば、不純物高濃度領域１０３ａ、不純物低濃度領域１０３ｂの順に積層されている場合、不純物高濃度領域１０３ａが半導体層１０２の発する青色の光を全て吸収してしまう虞があり、光源１００は不純物高濃度領域１０３ａが発する赤色の光のみを放出することとなるからである。また、例えば、不純物低濃度領域１０３ｂ、不純物高濃度領域１０３ａの順に積層されている場合、不純物低濃度領域１０３ｂが半導体層１０２の発する青色の光を全て吸収してしまう虞があるとともに、不純物低濃度領域１０３ｂが発する緑色の光を不純物高濃度領域１０３ａが吸収してしまう虞があり、光源１００はどんな光も放出しないこととなるためである。いずれにしろ、母材基板１０６の基板面が半導体層１０２と波長変換素子１０３との界面に垂直な面である場合には、光源１００は光源として作用しないこととなるため、半導体層１０２と波長変換素子１０３との界面に垂直な面は母材基板１０６の基板面にはなりえない。
【００４３】
なお、図１に示す波長変換素子１０３はハッチングを施しているが、不純物高濃度領域１０３ａと不純物低濃度領域１０３ｂとの相違を図面において明確にするために施したハッチングであって、断面を表すためのハッチングではない。
【００４４】
電極１０４，１０５は、ステム１０１を介して外部電圧を半導体層１０２に印加している。
【００４５】
次に、光源１００の製造方法を説明する。
【００４６】
まず、図２（ａ）に示すように、波長変換素子１０３となるサファイア製の母材基板１０６を用意し、母材基板１０６の表面の右半分にマスク１６１ｂを形成する。ここで、マスク１６１ｂは、レジスト膜、またはＳｉＯ2、ＳｉＮxなどの保護膜により形成されている。
【００４７】
次に、図２（ｂ）に示すように、母材基板１０６に不純物１５１であるＳｉイオンをイオン注入法により混入させる。その後、マスク１６１ｂを取り外す。このとき、イオン注入の加速電圧は５０ｋｅＶ以上２００ｋｅＶ以下であり、イオン注入量は１×１０17ｃｍ-2以上３×１０17ｃｍ-2以下である。ここで、マスク１６１ｂを形成すると、表面にマスク１６１ｂが形成された部分の母材基板には不純物１５１は混入しないため、不純物１５１は、表面にマスク１６１ｂが形成されていない部分の母材基板１０６に注入されることとなる。すなわち、図２（ｃ）に示すように、不純物１５１が母材基板１０６の左半分に混入することとなり、その結果、不純物高濃度領域１０３ａが形成される。
【００４８】
続いて、上記２工程とマスクを形成する場所及びイオン注入量が異なるイオン注入工程を行う。すなわち、図２（ｄ）に示すように、上記工程においてマスク１６１ｂが形成されなかった母材基板１０６の表面、すなわち母材基板１０６の左半分にマスク１６１ａを形成する。そして、母材基板１０６に不純物であるＳｉイオン１５１をイオン注入法により混入させる。その後、マスク１６１ａを除去する。このとき、Ｓｉイオンのイオン注入の加速電圧は５０ｋｅＶ以上２００ｋｅＶ以下である。また、Ｓｉイオンのイオン注入量は１×１０16ｃｍ-2以上３×１０16ｃｍ-2以下であり、上記の工程におけるイオン注入量よりも少ない。ここで、マスク１６１ａを形成すると表面にマスク１６１ａが形成された部分の母材基板には不純物１５１は混入しないため、不純物１５１は、表面にマスク１６１ａが形成されていない部分の母材基板１０６にのみ注入され、この工程におけるイオン注入量が上記の工程におけるイオン注入量よりも少ないため、この工程において母材基板１０６の右半分に不純物低濃度領域１０３ｂが形成されることとなる。
【００４９】
続いて、不純物高濃度領域１０３ａ及び不純物低濃度領域１０３ｂが形成された母材基板に対して、７００℃以上、３０分間、窒素雰囲気中で熱アニール処理を行う。これにより、不純物高濃度領域１０３ａ及び不純物低濃度領域１０３ｂに混入した不純物１５１の直径は１ｎｍ以上１０ｎｍ以下となる。そして、図２（ｅ）に示す母材基板１０６の右半分に不純物高濃度領域１０３ａが形成され、左半分に不純物低濃度領域１０３ｂが形成された波長変換素子１０３を製造することができる。
【００５０】
更に、波長変換素子１０３よりも表面の面積が大きく、且つＢxＧａ1-x-y-zＡｌyＩｎzＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、０≦ｘ＋ｙ＋ｚ≦１）で表される半導体層を含む半導体層１０２を用意し、半導体層１０２の表面に波長変換素子１０３を戴置し、紫外線硬化樹脂（不図示）などを用いて固定する。これにより、図３に示すように、半導体層１０２の表面の一部に波長変換素子１０３が設けられる。そして、半導体層１０２の表面のうち波長変換素子１０３が戴置されている表面に対向する表面と扁平円柱状のステム１０１の表面とを接着する。これにより、ステム１０１の表面に半導体層１０２が形成され、半導体層１０２の表面の一部に波長変換素子１０３が形成されることとなる。
【００５１】
その後、半導体層１０２及び波長変換素子１０３が接着されていない側のステム１０１の表面に、電極１０４，１０５を設ける。これにより、図１に示す光源１００を製造することができる。以上より、本発明における光源１００は、製造するさい、従来の多色発光素子のように３種類の発光ダイオード（以下、「ＬＥＤ」という。）を用意する必要はないため、低コストで製造することができる。また、ステム１０１に対して半導体層１０２を接着すればよく更に半導体層１０２の表面の一部に波長変換素子１０３を戴置すればよいため、特許文献１に記載されているフルカラーＬＥＤ４００のようにステム４０８に対して４つのＬＥＤチップ４０１，４０１，４０２，４０３を接着、固定する必要はなく、容易に製造することができ、実装時において高い製造歩留まりを得ることができる。
【００５２】
ここで、図３に示す半導体層１０２及び波長変換素子１０３の拡大図において、波長変換素子１０３に対してハッチングを施しているが、図１の場合と同様、不純物高濃度領域１０３ａと不純物低濃度領域１０３ｂとの相違を図面において明確にするために施したハッチングであって、断面を表すためのハッチングではない。
【００５３】
続いて、光源１００が多色光を発するメカニズムを説明する。
【００５４】
半導体層１０２は、電極１０４，１０５を介して半導体層１０２に電圧を印加することにより青色の光（ピーク波長が４７０ｎｍ）を発する。そして、図１に示すように、波長変換素子１０３は半導体層１０２の表面の一部に形成されているため、半導体層１０２が発した青色の光の一部は光源１００の外部へ放出され、残りの青色の光は波長変換素子１０３へ照射されることとなる。そして、波長変換素子１０３へ照射された青色の光は、波長変換素子１０３に含まれている不純物１５１を励起する。ここで、不純物１５１の濃度が異なると、波長変換素子１０３を形成しているサファイアの電子状態は異なるため、不純物高濃度領域１０３ａが発する光の波長と不純物低濃度領域１０３ｂが発する光の波長とは異なることとなる。具体的には、光源１００は、図４に示すように、半導体層１０２が発する青色の光（ピーク波長が４７０ｎｍ、図４の左端の破線のピーク）と、半導体層１０２が発する青色の光が照射されることにより不純物高濃度領域１０３ａが発する赤色の光（ピーク波長が６５０ｎｍ、図４の右端の破線のピーク）と、不純物低濃度領域１０３ｂが発する緑色の光（ピーク波長が５５０ｎｍ、図４の中央の破線のピーク）で構成されるトータルとして白色を呈する光を発する。
【００５５】
以下に、本実施形態の波長変換素子１０３、光源１００及び光源１００の製造方法が奏する効果を示す。
【００５６】
本実施形態における光源１００は、半導体層１０２が青色の光を発し、その青色の光を照射することにより波長変換素子１０３が赤色及び緑色の光を発する。従って、光源１００を製造するためには、半導体層１０２と波長変換素子１０３とを用意すればよく、従来の多色発光素子を製造するときのように、赤、青及び緑色の光を発する３種のＬＥＤチップを用意する必要はない。その結果、光源１００を低コストで製造することができる。
【００５７】
また、従来の多色発光素子では、青色ＬＥＤチップが発した青色の光が赤色ＬＥＤチップ及び緑色ＬＥＤチップに吸収されないように、また、緑色ＬＥＤチップが発した緑色の光が赤色ＬＥＤチップに吸収されないように、赤色ＬＥＤチップ、青色ＬＥＤチップ及び緑色ＬＥＤチップの位置関係に留意しながらステム上に実装しなければならなかった。そのため、ステムへの実装が困難を要するとともに多色発光素子の製造歩留まりは良くなかった。しかし、本実施形態における光源１００では、半導体層１０２が青色の光を発し、その青色の光の一部は光源１００が発する光の一部となる。そして、残りの青色の光は、波長変換素子１０３へ照射され、波長変換素子１０３中の不純物１５１に吸収され、それにより赤色及び緑色の光を発する。そのため、本発明の光源１００を製造するためには、ステム１０１上に半導体層１０２を接着し、その半導体層１０２の表面の一部に波長変換素子１０３を戴置すればよい。従って、半導体層１０２と波長変換素子１０３との位置関係に留意しながらステム上に戴置する必要はなく、非常に容易に製造することができるとともに、光源１００の製造歩留まりは良い。
【００５８】
そのうえ、光源１００が発する光の波長を変えるためには、波長変換素子１０３における不純物１５１の濃度を変えればよく、従って、波長変換素子１０３に対して注入するイオンの濃度を変えればよいため、容易に光の波長を変えることができることとなる。さらに、半導体層１０２に電圧を印可すれば、光源１００は、赤色、青色及び緑色の光を発するため、従来の多色発光素子のようにＬＥＤチップの裏面に対してエッチングを行うことにより電極を設ける必要はなく、更に電極を４本設ける必要もない。よって、製造する手間が省ける。
【００５９】
なお、本実施形態の光源１００の製造方法において、波長変換素子１０３に対してイオン注入法を用いて不純物１５１を混入させるとしたが、この方法はこれに限定されない。不純物高濃度領域１０３ａが赤色の光を発し、不純物低濃度領域１０３ｂが緑色の光を発するように、波長変換素子１０３に不純物１５１を混入させることができる方法であれば代用することができる。また、本実施形態の光源１００の製造方法において、まず、不純物高濃度領域１０３ａを形成後、不純物低濃度領域１０３ｂを形成するとしたが、順序はこれに限定されることはなく、先に不純物低濃度領域１０３ｂを形成してもよい。
【００６０】
また、本実施形態の波長変換素子１０３は、不純物高濃度領域１０３ａと不純物低濃度領域１０３ｂとで形成されているとしたが、不純物１５１の濃度が異なる領域が３個以上あってもよい。
【００６１】
また、本実施形態の波長変換素子１０３は、サファイアにより形成されているとしたが、スピネルにより形成されていてもよい。
【００６２】
《実施形態２》
以下、実施形態２について図５を参照しながら説明する。
【００６３】
本実施形態における光源２００は、半導体層２０２を形成している半導体層の組成と波長変換素子２０３を形成している母材基板の材質のみを異にする。すなわち、光源２００は、図５に示すようにステム１０１と、ステム１０１の表面に設けられている半導体層２０２と、半導体層２０２の表面の一部に形成されている波長変換素子２０３と、半導体層２０２が形成されていない側のステム１０１の表面に設けられている２本の電極１０４，１０５と、を備えている。半導体層２０２は、ＺｎxＣｄ1-xＳyＳｅ1-y（０≦x≦１、０≦y≦１）で表されるＩＩ−ＶＩ族半導体化合物層を少なくとも一層含み、ＧａＡｓ基板（図示せず）上に形成され、表裏に電極が形成されている（図示せず）。なお、ＧａＡｓ基板はステム１０１の表面側に配置されている。そして、波長変換素子２０３は、石英ガラス、硼硅酸ガラスまたは二酸化珪素を主成分とするガラスからなり、ＧａＡｓ基板が設けられている側とは反対側の半導体層２０２の面に貼り合わせにより設けられている。以上の２点のみが上記実施形態１と本実施形態とで異なる点であり、それ以外の点、すなわち、光源２００を構成している構成要素（ステム１０１、電極１０４、１０５）の組成及び機能、光源２００の製造方法並びに光源２００が光を発するメカニズムは、上記実施形態１において記載した事項と同一である。そして、本実施形態の波長変換素子２０３、光源２００及び光源２００の製造方法が奏する効果は、上記実施形態１の波長変換素子１０３、光源１００及び光源１００の製造方法が奏する効果と同一である。
【００６４】
《実施形態３》
以下、実施形態３について図６、７を参照しながら説明する。
【００６５】
本実施形態では、光源３００の構造、光源３００の製造方法及び光源３００が複数の色の光を発するメカニズムを説明する。なお、図６は本実施形態における光源３００の模式図であり、図７は光源３００の製造方法を説明するための図、であり、図６、７において上記実施形態１と同一の物質及び機能を示す部分には図１、２、３と同一の符号を付している。
【００６６】
本実施形態における光源３００の波長変換素子３０３は、上記実施形態１における光源１００の波長変換素子１０３とは異なり可視光線を透過することができる。それ以外の点については、上記実施形態１と同一である。従って、上記実施形態１と重複する部分については、詳細な説明を省略する。
【００６７】
図６に示すように、光源３００は、ステム１０１と、ステム１０１の表面に設けられている半導体層３０２と、半導体層３０２の表面に形成されている波長変換素子３０３と、半導体層３０２が形成されていない側のステム１０１の表面に設けられている２本の電極１０４，１０５と、を備えている。
【００６８】
半導体層３０２は、一般式がＢxＧａ1-x-y-zＡｌyＩｎxＮ（０≦x≦１、０≦y≦１、０≦ｚ≦１）で表されるＩＩＩ族化合物半導体層を少なくとも一層含み、電極１０４，１０５を介して外部電源から電圧が印加されることにより青色の光を発する。
【００６９】
波長変換素子３０３は、サファイアからなる母材基板３０６からなり、可視光線を透過させる。そして、不純物１５１を含み、母材基板３０６の基板面内において、不純物高濃度領域３０３ａと不純物低濃度領域３０３ｂとを備えている。具体的には、不純物高濃度領域３０３ａにおける不純物の濃度は１×１０17ｃｍ-2以上３×１０17ｃｍ-2以下であり、不純物低濃度領域３０３ｂにおける不純物の濃度は１×１０16ｃｍ-2以上３×１０16ｃｍ-2以下である。そして、半導体層３０２が発した青色の光が照射されることにより、不純物高濃度領域３０３ａは赤色の光を発し、不純物低濃度領域３０３ｂは緑色の光を発する。ここで、母材基板３０６の基板面は、上記実施形態１における母材基板１０６の基板面内と同様、半導体層３０２と波長変換素子３０３との界面に平行な面である。
【００７０】
次に、光源３００の製造方法を説明する。
【００７１】
まず、図７（ａ）に示すように、波長変換素子３０３となるサファイア製の母材基板３０６を用意し、母材基板３０６の表面の右半分にマスク１６１ｂを形成する。
【００７２】
次に、図７（ｂ）に示すように、母材基板３０６に不純物１５１であるＳｉイオンをイオン注入法により混入させる。その後、マスク１６１ｂを取り外す。このとき、イオン注入の加速電圧は５０ｋｅＶ以上２００ｋｅＶ以下であり、イオン注入量は１×１０17ｃｍ-2以上３×１０17ｃｍ-2以下である。ここで、マスク１６１ｂを形成すると、表面にマスク１６１ｂが形成された部分の母材基板３０６には不純物１５１は混入しないため、不純物１５１は、表面にマスク１６１ｂが形成されていない部分の母材基板３０６に注入されることとなり、図７（ｃ）に示すように、母材基板３０６の左半分に不純物高濃度領域３０３ａが形成される。
【００７３】
続いて、マスク１６１ｂを取り外し、上記２工程においてマスク１６１ｂが形成されなかった母材の表面、すなわち母材の左半分にマスク１６１ａを形成する。
【００７４】
続いて、図７（ｄ）に示すように、上記２工程においてマスク１６１ｂが形成されなかった母材基板３０６の表面、すなわち母材基板３０６の左半分にマスク１６１ａを形成する。そして、母材基板３０６に不純物であるＳｉイオン１５１をイオン注入法により混入させる。その後、マスク１６１ａを除去する。このとき、Ｓｉイオンのイオン注入の加速電圧は５０ｋｅＶ以上２００ｋｅＶ以下である。また、Ｓｉイオンのイオン注入量は１×１０16ｃｍ-2以上３×１０16ｃｍ-2以下であり、上記の工程におけるイオン注入量よりも少ない。ここで、マスク１６１ａを形成すると、表面にマスク１６１ａが形成された部分の母材基板３０６には不純物１５１は混入しないため、不純物１５１は、表面にマスク１６１ｂが形成されていない部分の母材基板３０６に注入されることとなり、この工程において母材基板３０６の右半分に不純物低濃度領域３０３ｂが形成されることとなる。
【００７５】
そして、不純物高濃度領域３０３ａ及び不純物低濃度領域３０３ｂが形成された母材基板に対して、７００℃以上、３０分間、窒素雰囲気中で熱アニール処理を行う。これにより、図７（ｅ）に示す母材基板３０６の右半分に不純物高濃度領域３０３ａが形成され、左半分に不純物低濃度領域３０３ｂが形成された波長変換素子３０３を製造することができる。
【００７６】
更に、波長変換素子３０３の表面に、波長変換素子３０３を母材基板とし、ＢxＧａ1-x-y-zＡｌyＩｎzＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、０≦ｘ＋ｙ＋ｚ≦１）で表される半導体層を含む半導体層をエピタキシャル成長させることにより、半導体層３０２を形成する。そして、半導体層３０２の表面のうち波長変換素子３０３が戴置されている表面に対向する表面と扁平円柱状のステム１０１の表面とを接着する。これにより、ステム１０１の表面に半導体層３０２が形成され、半導体層３０２の表面に波長変換素子３０３が形成されることとなる。
【００７７】
その後、半導体層３０２及び波長変換素子３０３が接着されていない側のステム１０１の表面に、電極１０４，１０５を設ける。これにより、図６に示す光源３００を製造することができる。以上より、本実施形態における光源３００は、半導体層３０２と波長変換素子３０３とを接着する必要はないため、上記実施形態１における光源１００に比べ、更に容易に製造することができるとともに製造歩留まりは良くなる。
【００７８】
続いて、光源３００が多色光を発するメカニズムを説明する。
【００７９】
赤色の光及び緑色の光を発するメカニズムは、上記実施形態１における光源１００が赤色の光及び緑色の光を発するメカニズムと同一である。そして、青色の光を発するメカニズムも上記実施形態１と本実施形態とでは同一である。しかし、本実施形態における波長変換素子３０３は、可視光線を透過させることができるため、半導体層３０２の表面の全体に波長変換素子３０３を形成しても、青色の光は波長変換素子３０３に照射されることとなり、光源３００は図４に示すような白色光を発する。
【００８０】
本実施形態の波長変換素子３０３、光源３００及び光源３００の製造方法が奏する効果は、上記実施形態１の波長変換素子１０３、光源１００及び光源１００の製造方法が奏する効果に付け加え、以下に示す効果を奏する。すなわち、本実施形態における光源３００は、波長変換素子３０３を母材基板とし、波長変換素子３０３の表面に半導体層３０２を結晶成長させることにより製造される。従って、上記実施形態１における光源１００と異なり、半導体層３０２と波長変換素子３０３とを接着剤などを用いて接着、固定させる必要はない。そのため、上記実施形態１に比べ容易に製造することができるとともに、製造歩留まりも良くなる、という効果を奏する。
【００８１】
なお、本実施形態においては、半導体層３０２は、ＺｎxＣｄ1-xＳyＳｅ1-y（０≦x≦１、０≦y≦１）で表されるＩＩ−ＶＩ族半導体化合物層を少なくとも一層含んでいてもよい。また、波長変換素子３０３はスピネルにより形成されていてもよい。
【００８２】
《その他の実施形態》
上記実施形態１の光源１００においては、半導体層１０２がＢxＧａ1-x-y-zＡｌyＩｎzＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、０≦ｘ＋ｙ＋ｚ≦１）で表されるＩＩＩ族化合物半導体層を少なくとも一層含み、波長変換素子１０３がサファイアからなるとし、上記実施形態２の光源２００においては、半導体層２０２がＺｎxＣｄ1-xＳyＳｅ1-y（０≦x≦１、０≦y≦１）で表されるＩＩ−ＶＩ族半導体化合物層を少なくとも一層含み、波長変換素子２０３が石英ガラス、硼硅酸ガラスまたは二酸化珪素を主成分とするガラスからなるとしたが、半導体層の組成と波長変換素子の材質との組み合わせはこれらに限定されない。半導体層がＢxＧａ1-x-y-zＡｌyＩｎzＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、０≦ｘ＋ｙ＋ｚ≦１）で表されるＩＩＩ族化合物半導体層を少なくとも一層含み、波長変換素子が石英ガラス、硼硅酸ガラスまたは二酸化珪素を主成分とするガラスにより形成されていてもよく、また、逆に、半導体層がＺｎxＣｄ1-xＳyＳｅ1-y（０≦x≦１、０≦y≦１）で表されるＩＩ−ＶＩ族半導体化合物層を少なくとも一層含み、波長変換素子がサファイアまたはスピネルから形成されていてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００８３】
本発明の波長変換素子は、特に白色光源や２色以上の光を混色する多色光源などに利用される波長変換素子として有用である。また、本発明の光源は、特に白色光源や２色以上の光を混色する多色光源などとして有用であり、光源の製造方法は、特に白色光源や２色以上の光を混色する多色光源などを製造する方法として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００８４】
【図１】実施形態１における光源１００の模式図である。
【図２】実施形態１における光源１００の製造方法の説明図である。
【図３】実施形態１における半導体層１０２及び波長変換素子１０３の拡大図である。
【図４】実施形態１における光源１００が発する光のスペクトル図である。
【図５】実施形態２における光源２００の模式図である。
【図６】実施形態３における光源３００の模式図である。
【図７】実施形態３における光源３００の製造方法の説明図である。
【図８】従来例におけるフルカラーＬＥＤ４００の模式図である。
【符号の説明】
【００８５】
１００、２００、３００    光源
１０２、２０２、３０２    半導体層
１０３、２０３、３０３    波長変換素子
１０４、１０５、４０４、４０５、４０６、４０７    電極
１０６、３０６    母材基板
１５１    不純物
１６１ａ、１６１ｂ    マスク
【図１】
2005216898.tif 000003
【図２】
2005216898.tif 000004
【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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