JP2007123927A - 発光装置およびそれを用いた照明装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 GaN系LED1と、該LED1から発せられる光L1で励起され蛍光(可視光)L2を発する蛍光体2とを組み合わせ、該蛍光L2を出力光とする発光装置を構成する。このとき、該LED1に注入される駆動電流量を、単位発光面積当たり0.1(A/cm2)から70.0(A/cm2)まで変化させたときに、出力光の色度の変化量が、x−y色度図上において0.05以内となるように、LED1と蛍光体2とを選択し、組み合わせる。LED1に高効率InGaN系紫外LEDを用い、蛍光体には白色蛍光体を用いることによって、色調変化が抑制された白色照明器具が得られる。
【選択図】 図1
Description
該光源としては、LEDや半導体レーザ(LD)などの半導体発光素子(以下、単に発光素子ともいう)を単独で用いたものや、発光素子と蛍光体とを組合せたものが用いられている。該蛍光体は、発光素子からの光で励起され、種々の波長の蛍光を発するように選択されている。
第一に、LED光源−の温度上昇のために該光源の発光波長が変化し、これによって各色の蛍光体毎の変換効率も独自に変化し、結果、色調が変化する。
第二に、LED光源の温度上昇のために蛍光体の温度が変化し、これによって各色の蛍光体の変換効率も独自に変化し、結果、色調が変化する。
(1)GaN系発光素子と、該発光素子から発せられる光で励起され可視光を発する蛍光体とが組み合され、該蛍光を出力光とする発光装置であって、
前記GaN系発光素子はGaN系発光ダイオードであり、該発光ダイオードに注入される駆動電流量を、単位発光面積当たり0.1(A/cm2)から70.0(A/cm2)まで変化させたときに、出力光の色度の変化量が、x−y色度図上において0.05以内であることを特徴とする発光装置。
(2)上記GaN系発光ダイオードが、InGaN系材料からなる発光層を含んで構成された発光部を有するものであって、該発光部の構造は、単一量子井戸構造、多重量子井戸構造、またはダブルヘテロ構造であり、発光ピーク波長は430nm以下であり、ベアチップ状態において単位発光面積当たり30(A/cm2)の駆動電流を注入した時に5%以上の外部量子効率を有するものである、上記(1)記載の発光装置。
(3)上記GaN系発光ダイオードが、主発光と共に、それとは異なる波長のフォトルミネッセンス光を発するように構成されており、該フォトルミネッセンス光が上記蛍光と共に出力されるものである、上記(1)記載の発光装置。
(4)GaN系発光素子と、該発光素子から発せられる光で励起され可視光を発する蛍光体とが組み合され、該蛍光を出力光とする発光装置であって、前記GaN系発光素子は、発光ピーク波長360nm〜430nm、全発光エネルギーの外部量子効率が10%以上のGaN系半導体レーザであり、該半導体レーザのレーザ出力を発振閾値電流通電時のレーザ出力から該レーザ出力の10倍のレーザ出力まで変化させたときに、出力光の色度の変化量が、x−y色度図上において0.05以内であることを特徴とする発光装置。
(5)上記GaN系発光素子の発光部が、InAGa1-AN(0<A≦1)井戸層とGaN系障壁層とからなる多重量子井戸構造であって、発光ピーク波長が360nm〜430nmとなるようにInAGa1-AN井戸層の組成比Aが決定されている、上記(1)〜(4)のいずれかに記載の発光装置。
(6)上記GaN系発光素子の素子構造が、表面に凹凸が加工された結晶基板上に、GaN系半導体からなる低温バッファ層を介してまたは直接的に、GaN系結晶層が該凹凸を覆ってラテラル成長またはファセット成長しており、該GaN系結晶の上に発光部が形成された構造を有するものである、上記(1)〜(5)のいずれかに記載の発光装置。
(7)上記可視光が、上記発光ダイオードから発せられる光の波長から波長800nmまでの波長範囲内に、発光強度のピークを1つ以上有する光である、請求項(1)〜(6)のいずれかに記載の発光装置。
(8)上記可視光が、赤色光、緑色光、青色光からなる3原色光を含んでなる白色光である、上記(7)記載の発光装置。
(9)上記蛍光体が、赤色蛍光体、緑色蛍光体、及び青色蛍光体の混合物からなる白色蛍光体であって、
前記赤色蛍光体が、〔Ln2O2S:Eu(Ln=Y,La,Gd,Lu,Sc)〕、及び〔(Zna,Cd1-a)S:Ag,Cl、(0.5>a>0.2)〕から選ばれる1種類以上の蛍光体を含むものであり、
前記緑色蛍光体が、〔(Zna,Cd1-a)S:Cu,Al、(1≧a>0.6)〕、〔(Zna,Cd1-a)S:Au,Al、(1≧a>0.6)〕、〔(Zna,Cd1-a)S:Ag,Cl、(1≧a>0.6)〕、及び〔(Ba,Sr)MgAl10O17:Eu,Mn〕から選ばれる1種類以上の蛍光体を含むものであり、
前記青色蛍光体が、〔(Sr,Ca,Ba,Mg)10(PO4)6Cl2:Eu〕と、〔(Ba,Sr)MgAl10O17:Eu,Mn〕とを含むものである、上記(1)〜(8)のいずれかに記載の発光装置。
(10)上記(1)〜(9)のいずれかに記載の発光装置が複数集合した構成を有する照明装置。
図1の構成例では、GaN系LED1と、蛍光体2とを組み合わせて当該発光装置を構成している。蛍光体2は、GaN系LED1から発せられる光L1で励起され、蛍光(可視光)L2を発するように形成されており、該蛍光L2が当該発光装置の出力光となっている。
この条件を満たすようにGaN系LEDと蛍光体とを選択し組み合わせることによって、駆動電流を増加させても、色調の変化が抑制される。
また、本発明で用いるx−y色度図は、CIE1931xyz表色系(JISZ8701)で規定されるものである。
発光面積とは、発光層の横方向の実効的な総面積を意味するが、近似的には、p電極がp層のほぼ前面を覆っている場合にはp層の面積で代用しても良い。また、p電極がp層の一部分しか覆ってない場合には、実質的には電極直下しか発光しないために、電極面積を発光面積として代用してもよい。
例えば、図3に示すような、サファイア基板上に形成されたGaN系発光ダイオードの素子構造において、素子外形を(350μm×350μm)〜(5mm×5mm)程度の方形とした場合、発光面積は、n型電極形成のためのエッチングによって減少し7×10-4cm2〜0.24cm2程度となる。この中から、例えば、発光面積7.2×10-4cm2のものを用いた場合、上記色度の変化量を評価するために注入される駆動電流量の変化は、0.072mAから50mAまでとなる。
先ず、GaN系LEDについては、発光ピーク波長、発光出力、外部量子効率について、それぞれ以下のような制限が必要である。
色度の変化量の評価で述べたと同様に、該発光出力は、周囲温度15℃から35℃の測定環境で、所謂pサイドアップで基板側を下に、銀ペーストあるいは共晶系の合金を接合用金属材料として用い、例えばTO18缶として知られている金属ステムに実装して被験サンプルとし、これをそのまま積分球の中に挿入し、全発光強度を計測する標準的な計測システムにて全発光出力として測定する。
外部量子効率ηeは、ηe=PO/(IF・Eg)によって算出される。
PO〔W〕は全発光出力、IF〔A〕は通電量である。Eg〔eV〕は発光ピーク波長λp〔μm〕をエネルギー値に換算した値であり、Eg=1.2398/λpで算出される。
例えば、図3に示す素子構造において、素子外形を(350μm×350μm)〜(5mm×5mm)程度の方形とした場合、発光面積は7×10-4cm2〜0.24cm2程度となる。この中から、例えば、発光面積7.2×10-4cm2、発光ピーク波長380nmのLED素子を用いた場合では、20mA通電時に3.3mW(外部量子効率5%)以上の発光出力であることが好ましく、4.6mW(外部量子効率7%)以上がより好ましい。
発光部は、例えば(n型クラッド層/量子井戸構造/p型クラッド層)など、電流注入によって光を発生し得るようにp型層とn型層とを有して構成され、発光に係る層(発光層)を持つ。発光層は、量子井戸構造における井戸層である。好ましい発光部の構造としては、単一量子井戸(SQW)構造、多重量子井戸(MQW)構造、またはダブルヘテロ(DH)構造が挙げられ、なかでもMQW構造が、高出力、高効率の点で特に好ましい。
また、図3(b)では、さらに、サファイア基板の上面に、後述のLEPS法を実施するための凹凸Sが加えられている。
(い)従来公知の選択成長法(ELO法)を実施し得るように、結晶基板上にマスク層(SiO2などが用いられる)をストライプパターンなどとして形成した構造。
(ろ)GaN系結晶がラテラル成長やファセット成長をし得るように、結晶基板上に、ドット状、ストライプ状の凹凸加工を施した構造。
これらの構造とバッファ層とは、適宜組合せてよい。
白色光を発生させ得る蛍光体(赤色蛍光体、緑色蛍光体、及び青色蛍光体の混合物からなる白色蛍光体)としては、公知の材料を用いてよいが、色調変化の少ない発光装置を構成するための好ましい白色蛍光体としては、赤色蛍光体として、〔Ln2O2S:Eu(Ln=Y,La,Gd,Lu,Sc)〕、及び〔(Zna,Cd1-a)S:Ag,Cl、(0.5>a>0.2)〕から選ばれる1種類以上の蛍光体を含み、緑色蛍光体として、〔(Zna,Cd1-a)S:Cu,Al、(1≧a>0.6)〕、〔(Zna,Cd1-a)S:Au,Al、(1≧a>0.6)〕、〔(Zna,Cd1-a)S:Ag,Cl、(1≧a>0.6)〕、及び〔(Ba,Sr)MgAl10O17:Eu,Mn〕から選ばれる1種類以上の蛍光体を含み、青色蛍光体として、〔(Sr,Ca,Ba,Mg)10(PO4)6Cl2:Eu〕および〔(Ba,Sr)MgAl10O17:Eu,Mn〕を含むものが挙げられる。
InGaN紫外LEDの主な仕様は次のとおりである。
発光ピーク波長:380nm。
発光部の構造:In0.03Ga0.97N井戸層/GaN障壁層を6ペア積層したMQW構造。
転位密度低減化の手法:ファセットLEPS法。
ベアチップの外形:350μm×350μm方形。
実装方式:フリップチップ
ベアチップ状態での発光出力:通電電流20mAにおいて7.8mW(樹脂モールドして12.5mW)。
C面サファイア基板上にフォトレジストによるストライプ状のパターニングを行い、RIE装置で1.5μmの深さまで断面方形となるようエッチングし、表面がストライプ状パターンの凹凸となった基板を得た。
該パターンの仕様は、凸部幅3μm、周期6μm、ストライプの長手方向は、基板上に成長するGaN系結晶にとって〈11−20〉方向とした。
この発光効率は、単位発光面積当たりの電流量27.9(A/cm2)における外部量子効率12%に相当する。
尚、この発光素子は、少なくとも50mAの通電にも発光出力が飽和することなく、通電量に比例した発光出力が得られた。
青色蛍光体の材料として、BaMgAl10O17:Eu,Mnを主成分とする蛍光体を用い、緑〜黄色光を出力する蛍光体の材料として、Y2SiO5:Ceと、Tb(Y、Gd)Al5O12:(Ce、Tb)とを主成分とする蛍光体を用い、赤色光を出力する蛍光体の材料として、Ln2O2S:Eu(Ln=Y、La、Gd、Lu、Sc)を主成分とする蛍光体を用いた。
これら各色の蛍光体を配合し、熱硬化型シリコン系樹脂に分散させて、白色蛍光体とした。
フリップチップ実装された紫外LEDを覆うように、上記の白色蛍光体を塗布した。該蛍光体の塗布厚さは約100μmである。該厚みは、白色蛍光体の含有量に依存してその最適値は変化する。シリコン樹脂が十分固化してから、エポキシ樹脂を使って砲弾型のモールドを行い、本発明の発光装置(白色LEDランプ)に仕上げた。
得られた発光装置に対して、LEDの駆動電流量を0.072mAから50mAまで変化(単位発光面積当たり0.1(A/cm2)から70(A/cm2)までの変化に相当)させたときの出力光の色度は、図2に示すように、x−y色度図の色度座標上で、点m1(x=0.3、y=0.34)から点m2(x=0.28、y=0.32)まで変化した。
このときの2点間の変化量Δmは、約0.028であり、本発明による色調変化の規定を満たすものであった。
2 蛍光体
L1 発光ダイオードからの光
L2 蛍光(=出力光)
Claims (10)
- GaN系発光素子と、該発光素子から発せられる光で励起され可視光を発する蛍光体とが組み合され、該蛍光を出力光とする発光装置であって、
前記GaN系発光素子はGaN系発光ダイオードであり、該発光ダイオードに注入される駆動電流量を、単位発光面積当たり0.1(A/cm2)から70.0(A/cm2)まで変化させたときに、
出力光の色度の変化量が、x−y色度図上において0.05以内であることを特徴とする発光装置。 - 上記GaN系発光ダイオードが、InGaN系材料からなる発光層を含んで構成された発光部を有するものであって、該発光部の構造は、単一量子井戸構造、多重量子井戸構造、またはダブルヘテロ構造であり、発光ピーク波長は430nm以下であり、ベアチップ状態において単位発光面積当たり30(A/cm2)の駆動電流を注入した時に5%以上の外部量子効率を有するものである、請求項1記載の発光装置。
- 上記GaN系発光ダイオードが、主発光と共に、それとは異なる波長のフォトルミネッセンス光を発するように構成されており、該フォトルミネッセンス光が上記蛍光と共に出力されるものである、請求項1記載の発光装置。
- GaN系発光素子と、該発光素子から発せられる光で励起され可視光を発する蛍光体とが組み合され、該蛍光を出力光とする発光装置であって、
前記GaN系発光素子は、発光ピーク波長360nm〜430nm、全発光エネルギーの外部量子効率が10%以上のGaN系半導体レーザであり、該半導体レーザのレーザ出力を発振閾値電流通電時のレーザ出力から該レーザ出力の10倍のレーザ出力まで変化させたときに、
出力光の色度の変化量が、x−y色度図上において0.05以内であることを特徴とする発光装置。 - 上記GaN系発光素子の発光部が、InAGa1-AN(0<A≦1)井戸層とGaN系障壁層とからなる多重量子井戸構造であって、発光ピーク波長が360nm〜430nmとなるようにInAGa1-AN井戸層の組成比Aが決定されている、請求項1〜4のいずれかに記載の発光装置。
- 上記GaN系発光素子の素子構造が、表面に凹凸が加工された結晶基板上に、GaN系半導体からなる低温バッファ層を介してまたは直接的に、GaN系結晶層が該凹凸を覆ってラテラル成長またはファセット成長しており、該GaN系結晶の上に発光部が形成された構造を有するものである、請求項1〜5のいずれかに記載の発光装置。
- 上記可視光が、上記発光ダイオードから発せられる光の波長から波長800nmまでの波長範囲内に、発光強度のピークを1つ以上有する光である、請求項1〜6のいずれかに記載の発光装置。
- 上記可視光が、赤色光、緑色光、青色光からなる3原色光を含んでなる白色光である、請求項7記載の発光装置。
- 上記蛍光体が、赤色蛍光体、緑色蛍光体、及び青色蛍光体の混合物からなる白色蛍光体であって、
前記赤色蛍光体が、〔Ln2O2S:Eu(Ln=Y,La,Gd,Lu,Sc)〕、及び〔(Zna,Cd1-a)S:Ag,Cl、(0.5>a>0.2)〕から選ばれる1種類以上の蛍光体を含むものであり、
前記緑色蛍光体が、〔(Zna,Cd1-a)S:Cu,Al、(1≧a>0.6)〕、〔(Zna,Cd1-a)S:Au,Al、(1≧a>0.6)〕、〔(Zna,Cd1-a)S:Ag,Cl、(1≧a>0.6)〕、及び〔(Ba,Sr)MgAl10O17:Eu,Mn〕から選ばれる1種類以上の蛍光体を含むものであり、
前記青色蛍光体が、〔(Sr,Ca,Ba,Mg)10(PO4)6Cl2:Eu〕と、〔(Ba,Sr)MgAl10O17:Eu,Mn〕とを含むものである、請求項1〜8のいずれかに記載の発光装置。 - 請求項1〜9のいずれかに記載の発光装置が複数集合した構成を有する照明装置。
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