JP2008311656A - 発光素子 - Google Patents

Abstract

【課題】波長変換層を有する発光ダイオード素子を提供する。
【解決手段】本発明の発光素子は、第一波長の光を発する発光ダイオードと、発光ダイオードの上方に位置し、第一波長の光を吸収して第二波長の光を生成する蛍光粉とを含む。そのうち、第一波長の光の波長が４３０ｎｍより小さくなり、且つ、発光ダイオードを駆動する駆動電流密度が２００ｍＡ／ｃｍ^２より大きくなるときに、この発光素子は、比較的高い発光効率と相対的安定な色温度分布を有する。また、前記発光素子は、蛍光粉を直接塗布するプロセスにより形成される蛍光粉塗布ウェハに対してさらに切断を行うことにより生成される。
【選択図】図５

Description

本発明は、発光素子に関し、特に、波長変換層を有する発光ダイオード素子に関する。

発光ダイオードは、従来の白熱電球や冷陰極灯管に比べ、省電力及び使用寿命がより長いとの優れた特性を有するので、様々な分野、例えば、交通標識、バックライトモジュール、街灯照明、医療設備などの産業に幅広く応用されている。

青色光と紫外光などの短波長の発光ダイオードの発光効率が絶えず高まっているにつれて、波長転換メカニズムを使用することにより白色光を生成する技術は、既に重要な技術分野となっている。例えば、発光ダイオードから発した第一波長の光を利用し、この第一波長の光の一部が蛍光粉により吸収されて波長が第一波長より長い第二波長の光に変換され、他の一部が第二波長の光と混合し白色光を生成することである。このような、第一波長の光を波長がより長い第二波長の光に変換する現象は、下方変換（ｄｏｗｎ−ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ）と称される。

前述した従来技術から、青色光又は紫外光の発光ダイオードを使用することにより白色光を生成する多くの応用が生み出されている。例えば、波長が３９０ｎｍである紫外発光ダイオードを使用して赤色、青色、緑色の三種類の蛍光粉を励起することにより、赤色光、青色光、緑色光を生成させ、そして、これらの光を混合することにより白色光を生成することができる。しかし、このような、紫外光と蛍光粉との組み合わせを使用することにより白色光を生成する仕方では、その主要な欠点は、素子の使用寿命が長くないとのことである。他の仕方としては、波長が４５０〜４７０ｎｍである青色発光ダイオードとセリウムにより励起されたＹＡＧ：Ｃｅ系蛍光粉を組み合わせることにより白色光を生成することもある。この仕方による白色光は、その色温度の範囲が約６０００〜８０００Ｋであり、且つ、その演色性係数（ｃｏｌｏｒ ｒｅｎｄｅｒｉｎｇ ｉｎｄｅｘ）の範囲が約７０〜７５である。しかし、この仕方には、色温度の変化範囲が大きすぎ、また高電流密度駆動の下で発光ダイオードの量子効率が不安定になるなどの現象が依然存在する。同一ウェハに形成される複数の発光ダイオード素子の色温度変化範囲が大きすぎるので、ウェハ切断後、通常、選別・検査のステップを増加する必要があり、これにより、色温度変化が相対的に安定な白色発光ダイオードを得ることができる。しかし、このようにすれば、製造コストが上がってしまう。また、他の仕方もあり、即ち、赤色、青色、緑色の三種類の発光ダイオードの結晶粒子をエポキシ樹脂でカプセル化し一つのバルブを生成させる仕方であり、このようなバルブは、少なくとも、電流を伝送するための四つの導線を要する。しかし、このような多結晶粒子をカプセル化する仕方により得られた構造が比較的に複雑であり、且つコストも他の仕方のより高い。

故に、現在、白色発光素子の発光効率と色彩品質を如何に改善するかは、重要な課題となっている。

本発明の目的は、波長変換層を有する発光ダイオード素子を提供することにある。

前述した目的を達成するために、本発明の一実施例は、波長変換メカニズムを有する発光素子を提供する。この発光素子は、第一波長の光を発する発光構造と、発光構造の上方に位置し、第一波長の光を吸収して第二波長の光を発するための波長変換層とを含み、そのうち、第一波長の光の波長は、４３０ｎｍより小さく、且つ、発光構造を駆動するための駆動電流密度は、２００ｍＡ／ｃｍ^２より大きい。好ましくは、第一波長の波長が、４１０〜４２５ｎｍの範囲内にあり、且つ、駆動電流密度が、３５０ｍＡ／ｃｍ^２より大きい。

本発明の他の実施例は、ウェハを提供する。このウェハは、第一波長の光を発するための発光スタック層と、発光スタック層の上方に位置し、第一波長の光を吸収して第二波長の光を発するための波長変換層とを含み、そのうち、第一波長の光の波長は、４３０ｎｍより小さい。好ましくは、第一波長の光の波長が、４１０〜４２５ｎｍの範囲内にある。

本発明の他の実施例は、他のウェハを提供する。このウェハは、発光スタック層と、発光スタック層の上方に位置する波長変換層とを含み、ウェハは、複数の結晶粒子に切断されることができ、そのうち、これらの結晶粒子の色温度の差は、３００Ｋより小さい。

また、本発明は、蛍光粉を直接塗布する方法を提供する。この方法は、ウェハ上に波長が４１０〜４２５ｎｍである発光スタック層を形成するステップと、前記発光スタック層の上方に波長変換層（例えば、蛍光粉）を体積し、蛍光粉が塗布されたウェハを形成するステップと、前記蛍光粉が塗布されたウェハを複数の結晶粒子に切断するステップと、樹脂により前記結晶粒子をカプセル化し発光素子を形成するステップとを含む。

本発明は、波長変換層を有する発光ダイオード素子を提供する。

次に、添付した図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態を詳細に説明する。

図１は、異なる波長を有する発光ダイオードが異なる駆動電流密度の下である場合の相対発光効率の関係図である。横軸は、発光ダイオードの駆動電流密度であり、縦軸は、発光ダイオードの外部量子効率（ＥＱＥ）の相対発光効率である。図に示すように、曲線Ｗｄ１は、波長が４６０ｎｍである発光ダイオードであり、Ｗｄ１の曲線変化によれば、横軸の駆動電流密度が上がるときに、縦軸の相対発光効率が迅速に下がることが分かる。もう一つの曲線Ｗｄ２は、波長が４２５ｎｍである発光ダイオードである。Ｗｄ１（４６０ｎｍ）とＷｄ２（４２５ｎｍ）の曲線変化を比較すると、電流密度が２００ｍＡ／ｃｍ^２を超えたときに、曲線Ｗｄ２（４２５ｎｍ）は、駆動電流密度が上がるにつれてその相対発光効率の降下速度がＷｄ１（４６０ｎｍ）のより遅く、且つＷｄ２（４２５ｎｍ）の相対発光効率は、全て、Ｗｄ１（４６０ｎｍ）のより高いことが分かる。言い換えると、発光ダイオードが高い駆動電流密度（２００ｍＡ／ｃｍ^２より大きい）の下である場合、短波長の外部量子効率（ＥＱＥ）が長波長のより多く、特に、波長が４３０ｎｍより小さいときにさらに明らかである。発光ダイオードは、極性が反対する二つの半導体層と、中間に能動層を挟むように形成される発光スタック層とからなるので、能動層の組成を制御することにより、発光ダイオードの発光波長を調整し、例えば、４６０ｎｍから４２５ｎｍに調整することができ、且つ、能動層の組成が４２５ｎｍになるときに、そのエピタキシー品質もより良くなるので、高い駆動電流密度の下での操作により適合する。

図２は、発光ダイオード素子が３５０ｍＡ／ｃｍ^２の駆動電流密度の下である場合、その相対発光効率と波長との関係図である。横軸は、発光ダイオードの波長であり、縦軸は、発光ダイオードの相対発光効率である。図に示すように、発光ダイオード素子の波長が４００〜４４０ｎｍの範囲内にあるときに、その発光効率（ＷＰＥ）が比較的大きく、且つ、好ましくは、その波長範囲が４１０〜４２５ｎｍである。図３は、発光ダイオードの波長及びケイ酸バリウム系蛍光粉（Ｂａ_２ＳｉＯ_４：Ｅｕ）の相対励起強度の関係図である。図に示すように、発光ダイオードの波長が短ければ短いほど、ケイ酸バリウム系蛍光粉（Ｂａ_２ＳｉＯ_４：Ｅｕ）の相対励起強度が強い。しかし、図２は、発光ダイオードの波長が４１０ｎｍより小さくなるときにその発光効率（ＷＰＥ）が、波長が短くなると伴って大幅に下がることも示している。

よって、前述した実験結果に基づいて、本実施例は、白色発光ダイオードを提供する。この白色発光ダイオードは、波長が４１０〜４２５ｎｍであるＩｎＧａＮ系発光ダイオードを採用し、またケイ酸バリウム系蛍光粉（Ｂａ_２ＳｉＯ_４：Ｅｕ）を混合したエポキシ樹脂を使用してカプセル化を行われるものである。一般的に、蛍光粉が粉末状態でエポキシ樹脂と混合された後に、発光ダイオードを有する反射コップに充填されるので、蛍光粉は、発光ダイオードの上方に散布され、その後、樹脂硬化反応を行い、白色発光ダイオードの製作を完了させる。駆動電流密度が３５０ｍＡ／ｃｍ^２であるときに、本実施例が採用した波長が４１０〜４２５ｎｍである発光ダイオードは、従来技術が採用した波長が４５０〜４６５ｎｍである白色発光ダイオードに比べ、その発光効率がより高くなる。図１〜３に示すように、高い駆動電流密度の下であるときに、本実施例の外部量子効率（ＥＱＥ）、発光効率（ＷＰＥ）及び励起強度（ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ）は、全て、従来技術が採用した長波長（４５０〜４６５ｎｍ）の励起光源のより高い。

本発明の他の一実施例は、図４に示すように、蛍光粉を直接塗布するプロセス（ｐｈｏｓｐｈｏｒ−ｏｎ−ｃｈｉｐ ｐｒｏｃｅｓｓ）により、波長変換メカニズムを有する発光ダイオードを製作する。その詳細なプロセスは、ウェハ上に波長が４１０〜４２５ｎｍである発光スタック層を形成するステップと、前記発光スタック層の上方に波長変換層（例えば、蛍光粉層）を堆積し、蛍光粉が塗布されるウェハを形成するステップとを含む。そのうち、蛍光粉層を堆積する方法は、電子ビーム蒸着（ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｂｅａｍ ｅｖａｐｏｒａｔｉｏｎ）、熱蒸発法（ｔｈｅｒｍａｌ ｅｖａｐｏｒａｔｉｏｎ）、高周波スパッタリング法（ＲＦ−ｓｐｕｔｔｅｒｉｎｇ）、化学気相堆積法（ｃｈｅｍｉｃａｌ ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）または原子層エピタキシー法（ａｔｏｍｉｃ ｌａｙｅｒ ｅｐｉｔａｘｙ）などを含む。なお、具体的にどの堆積方法を選択すべきかは、発光層により生成される光の全てが蛍光粉層により吸収できるかによって決められる。そして、前述した蛍光粉をウェハに塗布し、それを複数の結晶粒子に切断した後に、樹脂を用いて前記結晶粒子をカプセル化し発光素子を形成させる。

前述したプロセスにおいて、同一ウェハ上に形成される発光スタック層は、その波長が所定の分布を有し、互いに完全に同じでなく、約５〜１０ｎｍの差を有する。図５は、白色発光ダイオード素子が異なる波長の下であるときの色温度分布関係図である。図に示すように、本実施例により発した白色光は、その色温度がほぼ同じであり、即ち、約６５００Ｋである。しかし、一般的には、同様なプロセスを用いて波長が４５０〜４６５ｎｍである発光スタック層を採用することにより製作された発光素子の色温度が５８００〜７３００Ｋの範囲内にある。この場合、色温度の差が大き過ぎるので、通常、選別・検査のステップを増加しないと、色温度の差が大き過ぎるとの問題を解決することができない。しかし、本実施例では、波長が４１０〜４２５ｎｍであるケイ酸バリウム系蛍光粉（Ｂａ_２ＳｉＯ_４：Ｅｕ）を採用し同一ウェハから得られた結晶粒子の色温度の差が３００Ｋ以内に制御されることができるので、選別・検査のステップを省略することにより、コストを節約し、生産効率を向上することができる。

また、蛍光粉の組成は、励起により発された光の波長を決定することができるので、本発明の他の実施例は、白色、緑色、赤色、オレンジ色または黄色の光を生成できる蛍光粉を選択することをさらに含み、且つ、前述した蛍光粉は、ケイ酸バリウム（ストロンチウム）系蛍光粉、窒素酸化物系蛍光粉、窒化物系蛍光粉またはこれらの組合せからなるグループより選択されることができる。

図６は、本発明のバックライトモジュールの構造図である。そのうち、バックライトモジュール装置６００は、本発明の前述した何れの実施例に係る発光素子６１１からなる光源装置６１０と、光源装置６１０の出光経路に設置され、光を適当に処理した後に出光させる光学装置６２０と、光源装置６１０に必要な電源を提供する電源供給システム６３０とを含む。

図７は、本発明の照明装置の構造図である。前述した照明装置７００は、車両のライト、街燈、懐中電灯、パイロットランプなどである。そのうち、照明システム７００は、本発明の前述した何れの実施例に係る発光素子７１１からなる光源装置７１０と、光源装置７１０に必要な電源を提供する電源供給システム７２０と、電源を光源装置に入力することを制御するための制御ユニット７２０とを含む。

以上、本発明の好ましい実施形態を説明したが、本発明はこの実施形態に限定されず、本発明の趣旨を離脱しない限り、本発明に対するあらゆる変更は本発明の範囲に属する。

異なる波長の発光ダイオードが異なる駆動電流密度の下である場合の相対発光効率の関係図である。 発光ダイオード素子が３５０ｍＡ／ｃｍ^２の駆動電流密度の下である場合、その相対発光効率と波長との関係図である。 蛍光粉（Ｂａ_２ＳｉＯ_４：Ｅｕ）の相対励起強度と発光ダイオード素子の発光波長との関係図である。 蛍光粉を直接塗布するプロセス（ｐｈｏｓｐｈｏｒ−ｏｎ−ｃｈｉｐ ｐｒｏｃｅｓｓ）のフローチャートである。 白色発光ダイオード素子が異なる波長の下であるときの色温度分布関係図である。 本発明を利用したバックライトモジュールの構造図である。 本発明を利用した照明装置の構造図である。

符号の説明

６００ バックライトモジュール装置
６１０ 光源装置
６１１ 発光素子
６２０ 光学装置
６３０ 電源供給システム
７００ 照明装置
７１０ 電源装置
７１１ 発光素子
７２０ 電源供給システム
７３０ 制御素子

Claims (14)

1. 第一波長の光を発する発光構造と、
   前記発光構造の上方に位置し、前記第一波長の光を吸収して第二波長の光を発するための波長変換層と、
   を含み、
   前記第一波長の光の波長は、４３０ｎｍより小さく、前記発光構造の駆動電流密度は、２００ｍＡ／ｃｍ^２より大きい、
   発光素子。
2. 前記第一波長の光の波長の範囲は、４１０ｎｍ〜４２５ｎｍである、
   請求項１に記載の発光素子。
3. 前記駆動電流密度は、３５０ｍＡ／ｃｍ^２より大きい、
   請求項１に記載の発光素子。
4. 前記第一波長の光の一部は、前記第二波長の光に変換される、
   請求項１に記載の発光素子。
5. 前記発光構造は、発光ダイオードである、
   請求項１に記載の発光素子。
6. 第一波長の光を発する発光スタック層と、
   前記発光スタック層の上方に位置し、前記第一波長の光を吸収して第二波長の光を発するための波長変換層と、
   を含み、
   前記第一波長の光の波長は、４３０ｎｍより小さい、
   ウェハ。
7. 前記第一波長の光の波長の範囲は、４１０ｎｍ〜４２５ｎｍである、
   請求項６に記載のウェハ。
8. 前記ウェハは、複数の結晶粒子に切断される、
   請求項６に記載のウェハ。
9. 前記結晶粒子の駆動電流密度は、２００ｍＡ／ｃｍ^２より大きい、
   請求項８に記載のウェハ。
10. 複数の結晶粒子からなるウェハであって、
    前記複数の結晶粒子の各々は、発光スタック層と、当該発光スタック層の上方に位置する波長変換層と、を含み、
    前記複数の結晶粒子の色温度の差は、３００Ｋより小さい、
    ウェハ。
11. 前記発光層より発した第一波長の光の波長は、４３０ｎｍより小さい、
    請求項１０に記載のウェハ。
12. 前記複数の結晶粒子を駆動する駆動電流密度は、２００ｍＡ／ｃｍ^２より大きい、
    請求項１０に記載のウェハ。
13. 請求項１〜５の何れに記載の発光素子からなる光源装置と、
    前記光源装置の出光経路に設置される光学装置と、
    前記光源装置に必要な電源を提供する電源供給システムと、
    を含む、
    バックライトモジュール装置。
14. 請求項１〜５の何れに記載の発光素子からなる光源装置と、
    前記光源装置に必要な電源を提供する電源供給システムと、
    前記電源を前記光源装置に入力することを制御する制御素子と、
    を含む、
    照明装置。

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