JP2016039362A - 紫外線光源 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】複数のLEDを搭載した紫外線光源であって、それぞれのLEDの発光ピーク波長が220〜350nmの範囲に存在し、複数のLEDの内、発光ピーク強度が最大となるLEDの発光ピーク強度に対する、発光ピーク強度が最小となるLEDの発光ピーク強度の比が0.2以上となることを特徴とする、異なる発光ピークを有する複数のLEDを搭載した紫外線光源を提供する。
【選択図】 図2
Description
複数のLEDを搭載した紫外線光源であって、
全てのLEDの発光ピークが波長220〜350nmの範囲に存在し、
複数のLEDの内、発光ピーク強度が最大となるLEDの発光ピーク強度(A)に対する、発光ピーク強度が最小となるLEDの発光ピーク強度(B)の比(B/A)が0.2以上となることを特徴とする、異なる発光ピーク波長を有する複数のLEDを搭載した紫外線光源である。
本発明の紫外線光源は、複数のLEDを搭載したものである。そして、全てのLEDの発光ピーク波長が220〜350nmの範囲に存在するものである。つまり、発光ピーク波長が異なる複数のLEDを搭載することにより、分光光度計用光源、紫外線硬化性樹脂の硬化用光源等に使用することができる。以下に、紫外可視分光光度計に使用した場合の実施形態について説明する。なお、後述する製造例1で作製したLEDの発光スペクトル図を図1に示す。本発明において、発光ピーク強度、発光ピーク波長、発光ピークの半値幅は、図1に示す点または範囲の値である。
本発明の紫外線光源は、上記特性を有するため、発光強度分布の調整が容易となる。そのため、連続した発光強度領域を有する発光スペクトル(図2、図3参照)の紫外線光源や、独立した複数の発光ピーク(発光スペクトル)を有する発光強度分布を示す発光スペクトル(図4参照)の紫外線光源とすることができる。これらについて説明する。
本発明の紫外線光源は、一の実施形態において、220〜350nmの任意の波長範囲に連続した領域を有する発光スペクトルをもつ紫外線光源であり、該領域の、最も短波長の発光ピーク波長を有するLEDの発光ピーク波長から最も長波長の発光ピーク波長を有するLEDの発光ピーク波長までの範囲において、最大の発光強度(C)に対する最小の発光強度(D)の比(D/C)が0.5以上である紫外線光源とすることが容易である。前述した重水素ランプ(既存の紫外線光源)においては、該比は最小で0.1程度であるため、該比(D/C)を0.5以上とすることにより、発光強度差が小さくなり有利である。
本発明の紫外線光源は、他の一の実施形態において、紫外線光源の発光スペクトルが、220〜350nmの範囲でそれぞれのLEDの発光スペクトルが重なることなく独立して存在する発光強度分布とすることができる。この場合、使用するLEDにおいて、発光スペクトルの領域が重ならないものを選択して使用すればよく、さらに用途に応じて発光波長を選択すればよい。
次に、以上のような特性を示す本発明の紫外線光源の製造方法について説明する。
本発明の紫外線光源は、発光ピーク波長が220〜350nmの範囲に存在するLEDを部品として用いて製造できる。複数のLEDの内、発光ピーク強度が最大となるLEDの発光ピーク強度(A)に対する、発光ピーク強度が最小となるLEDの発光ピーク強度(B)の比(B/A)が0.2以上となるように、発光ピーク波長が異なるLEDを組み合わせて用いることにより、本発明の紫外線光源を製造できる。
本発明に使用するLEDは、発光ピーク波長が220〜350nmの範囲に存在し、使用する複数のLEDの内、発光ピーク強度が最大となるLEDの発光ピーク強度(A)に対する、発光ピーク強度が最小となるLEDの発光ピーク強度(B)の比(B/A)が0.2以上となるものであれば、その製造方法は制限されるものではなく、市販のLEDを使用することもできる。
紫外線光源に搭載する複数の紫外発光ダイオードは、一つの電源に対して直列に接続しても良いし、一つの電源に対して並列に接続しても良い。または、直列回路と並列回路とを組み合わせた複合回路としてもよく、複数の電源を用いて複数の紫外発光ダイオードのそれぞれに別個の電源を設けて、個々の紫外発光ダイオードを単独で制御してもよい。複数の紫外発光ダイオードを直列に接続する場合は、電源電圧を、回路に接続するすべての紫外発光ダイオードの駆動電圧値の和以上とする必要がある。本発明の紫外線光源は、上記製造方法により製造したLEDを用いれば、該紫外発光ダイオードの駆動電圧値が低いことに起因して、電源電圧を容易に抑えることができる。複数の紫外発光ダイオードを並列に接続する場合には、紫外発光ダイオードと直列に抵抗を接続することで、抵抗の小さな紫外発光ダイオードに過電流が流れることを防ぐことができる。あるいは、例えば、複数の紫外発光ダイオードの内、他の紫外発光ダイオードに比べて発光ピーク強度の小さな紫外発光ダイオードには、他の紫外発光ダイオードに比べて大きな電流を流すことにより、発光強度差の小さい発光スペクトルを有する紫外線光源の製造が容易となる。特に、上記製造方法により製造した紫外発光ダイオードを部品として用いていることにより、該紫外発光ダイオードに比較的大きな電流を流すことが可能であるため、発光強度差の小さい発光スペクトルを有する紫外線光源の製造が容易となる。また、複数の電源を用いて個々の紫外発光ダイオードをそれぞれ単独で制御する場合には、それぞれの紫外発光ダイオードに流す電流の制御が容易となる。以上のように、所望の形態に即して回路を組み立てることができる。
製造例1
(基板の準備)
本発明のLEDを作製するためのAlN単結晶基板は、Applied Physics Express 5(2012)122101(非特許文献1)に記載の方法により作製した。具体的には、先ず、物理気相輸送(PVT)法により作製された直径25mmのAlN種基板上に、ハイドライド気相エピタキシー(HVPE)法により250μmの厚みでAlN厚膜を形成し、AlN厚膜成長面の化学機械(CMP)研磨を行った。このようなHVPE法 AlN厚膜/AlN種基板の積層体(成長用基板)を紫外発光ダイオードの成長用基板として使用した。なお、下記に詳述するが、AlN種基板はこの成長用基板から最終的に除去する。この成長用基板を全く同じ条件で4枚作製した。
切断後の成長用基板のAlN厚膜上に、MOCVD法により、1080℃で、n型Al0.70Ga0.30N層(1μm:n型層)、3重量子井戸層(Al0.50Ga0.50N(4nm)/Al0.65Ga0.35N層(10nm):活性層)、p型AlN層(50nm:p型層)、p型Al0.80Ga0.20N(50nm:p型層)、p型GaN層(20nm:p型層)を順次積層し、紫外発光用積層体を作製した。不純物のドーピングはn型層中のSi濃度が2×1019cm−3、p型層中のMg濃度が3×1019cm−3となるようにドーパントとして用いたテトラエチルシランおよびビスシクロペンタジエニルマグネシウム流量を制御した。
次いで、ICPエッチング装置により、紫外発光用積層体の一部(p型層側からの一部)をn型Al0.8Ga0.2N層(n型層)が露出するまでエッチングした。n型電極面積が0.002cm2となるように、該露出表面に真空蒸着法によりTi(20nm)/Al(100nm)/Ti(20nm)/Au(50nm)かならなるn型電極を形成した。その後、窒素雰囲気中、1分間、950℃の条件で熱処理を行った。n型電極抵抗値は0.45Ωであった。
次いで、p型GaN層上に、真空蒸着法によりNi(20nm)/Au(50nm)からなるp型電極を形成した後、酸素雰囲気中、5分間、500℃の条件で熱処理を行った。なお、p型電極面積は0.0008cm2とした。
次いで、AlN種基板部分を機械研磨により除去し、LEDウェハを完成させた。研磨後のHVPE法AlN厚膜層の残厚は170μmであった。
その後、LEDウェハを0.8mm角程度の正方形形状に切断することによりLEDチップを作製し、多結晶AlNキャリアにマウントし、LEDを完成させた。製造例1で製造したLEDの断面模式図を図6に示す。作製したLEDの発光強度および発光ピーク波長は、2インチ積分球(スフィアオプティクス社製ゼニスコーティング)、およびマルチチャンネル分光器(オーシャンフォトニクス社製USB4000)を用いて測定した。LEDの発光ピーク波長は265nmであった。製造例1で製造したLEDの発光スペクトルを図1に示した。また、発光ピーク強度(mW/nm)、発光ピークの半値幅を表1にまとめた。また、本製造例で製造したLEDの駆動電圧値は8.9Vであった。なお、これらの値は、駆動電流値150mA、25℃で測定した値である。
切断後の成長用基板のAlN厚膜上に形成する素子層を、n型Al0.70Ga0.30N層(1μm:n型層)、3重量子井戸層(Al0.45Ga0.55N(4nm)/Al0.60Ga0.40N層(10nm):活性層)、p型AlN層(50nm:p型層)、p型Al0.80Ga0.20N(50nm:p型層)、p型GaN層(20nm:p型層)に変更した以外は、製造例1と同様にして、紫外LEDを完成させて、同様の評価を行った。発光ピーク波長は273nmであった。得られた結果を表1に示した。また、本製造例で製造したLEDのn型電極抵抗値は0.40Ω、駆動電圧値は9.0Vであった。
切断後の成長用基板のAlN厚膜上に形成する素子層を、n型Al0.65Ga0.35N層(1μm:n型層)、3重量子井戸層(Al0.40Ga0.60N(4nm)/Al0.55Ga0.45N層(10nm):活性層)、p型AlN層(50nm:p型層)、p型Al0.75Ga0.25N(50nm:p型層)、p型GaN層(20nm:p型層)に変更した以外は、製造例1と同様にして、紫外LEDを完成させて、同様の評価を行った。発光ピーク波長は280nmであった。得られた結果を表1に示した。また、本製造例で製造したLEDのn型電極抵抗値は0.40Ω、駆動電圧値は8.7Vであった。
切断後の成長用基板のAlN厚膜上に形成する素子層を、n型Al0.65Ga0.35N層(1μm:n型層)、3重量子井戸層(Al0.35Ga0.65N(4nm)/Al0.50Ga0.50N層(10nm):活性層)、p型AlN層(50nm:p型層)、p型Al0.75Ga0.25N(50nm:p型層)、p型GaN層(20nm:p型層)に変更した以外は、製造例1と同様にして、紫外LEDを完成させて、同様の評価を行った。発光ピーク波長は288nmであった。得られた結果を表1に示した。また、本製造例で製造したLEDのn型電極抵抗値は0.30Ω、駆動電圧値は8.7Vであった。
切断後の成長用基板のAlN厚膜上に形成する素子層を、n型Al0.65Ga0.35N層(1μm:n型層)、3重量子井戸層(Al0.30Ga0.70N(4nm)/Al0.45Ga0.55N層(10nm):活性層)、p型AlN層(50nm:p型層)、p型Al0.75Ga0.25N(50nm:p型層)、p型GaN層(20nm:p型層)に変更した以外は、製造例1と同様にして、紫外LEDを完成させて、同様の評価を行った。発光ピーク波長は297nmであった。得られた結果を表1に示した。また、本製造例で製造したLEDのn型電極抵抗値は0.20Ω、駆動電圧値は8.5Vであった。
切断後の成長用基板のAlN厚膜上に形成する素子層を、n型Al0.80Ga0.20N層(1μm:n型層)、3重量子井戸層(Al0.65Ga0.35N(4nm)/Al0.75Ga0.25N層(10nm):活性層)、p型AlN層(50nm:p型層)、p型Al0.85Ga0.15N(50nm:p型層)、p型GaN層(20nm:p型層)に変更した以外は、製造例1と同様にして、紫外LEDを完成させて、同様の評価を行った。発光ピーク波長は245nmであった。得られた結果を表1に示した。また、本製造例で製造したLEDのn型電極抵抗値は0.55Ω、駆動電圧値は9.3Vであった。
切断後の成長用基板のAlN厚膜上に形成する素子層を、n型Al0.80Ga0.20N層(1μm:n型層)、3重量子井戸層(Al0.60Ga0.40N(4nm)/Al0.75Ga0.25N層(10nm):活性層)、p型AlN層(50nm:p型層)、p型Al0.85Ga0.15N(50nm:p型層)、p型GaN層(20nm:p型層)に変更した以外は、製造例1と同様にして、紫外LEDを完成させて、同様の評価を行った。発光ピーク波長は251nmであった。得られた結果を表1に示した。また、本製造例で製造したLEDのn型電極抵抗値は0.50Ω、駆動電圧値は9.2Vであった。
切断後の成長用基板のAlN厚膜上に形成する素子層を、n型Al0.75Ga0.25N層(1μm:n型層)、3重量子井戸層(Al0.57Ga0.43N(4nm)/Al0.70Ga0.30N層(10nm):活性層)、p型AlN層(50nm:p型層)、p型Al0.85Ga0.15N(50nm:p型層)、p型GaN層(20nm:p型層)に変更した以外は、製造例1と同様にして、紫外LEDを完成させて、同様の評価を行った。発光ピーク波長は256nmであった。得られた結果を表1に示した。また、本製造例で製造したLEDのn型電極抵抗値は0.45Ω、駆動電圧値は9.1Vであった。
切断後の成長用基板のAlN厚膜上に形成する素子層を、n型Al0.75Ga0.25N層(1μm:n型層)、3重量子井戸層(Al0.53Ga0.47N(4nm)/Al0.68Ga0.32N層(10nm):活性層)、p型AlN層(50nm:p型層)、p型Al0.80Ga0.20N(50nm:p型層)、p型GaN層(20nm:p型層)に変更した以外は、製造例1と同様にして、紫外LEDを完成させて、同様の評価を行った。発光ピーク波長は261nmであった。得られた結果を表1に示した。また、本製造例で製造したLEDのn型電極抵抗値は0.50Ω、駆動電圧値は9.0Vであった。
製造例6と同様にして紫外発光ダイオードウェハを作製した。AlN種基板部分を機械研磨により除去した後、機械研磨面を水酸化カリウム水溶液に浸漬し、ウェットエッチングによる凹凸構造(高さと幅がそれぞれ50〜1000nm程度の大きさのランダムな凸部を有する凹凸構造)を作製した以外は、実施例6と同様にして紫外発光ダイオードを完成させ、同様の評価を行った。発光ピーク波長は279nmであった。得られた結果を表1に示した。また、本製造例で製造したLEDのn型電極抵抗値は0.55Ω、駆動電圧値は9.2Vであった。
製造例1〜5で製造したLEDをそれぞれ別個の回路とし、それぞれに最大出力電圧100Vの直流電源を接続した。LEDはペルチェ素子を用いて素子温度が25℃で一定になるように制御した。直流150mAで定電流駆動したときの発光スペクトルを図2に示す。用いたLEDの内、発光ピーク強度が最大となるLED(製造例5で製造したLED)の発光ピーク強度((A):2.5mW/nm)に対する、発光ピーク強度が最小となるLED(製造例3で製造したLED)の発光ピーク強度((B):1.9mW/nm)の比(B/A)は0.76であった。そして、図2の発光スペクトルにおいて、最も短波長の発光ピーク波長を有するLED(製造例1で製造したLED)の発光ピーク波長(265nm)から最も長波長の発光ピーク波長を有するLED(製造例5で製造したLED)の発光ピーク波長(297nm)までの波長範囲において、最大の発光強度((C):3.1mW/nm、276nm)に対する最小の発光強度((D)2.5mW/nm、265nm)の比(D/C)は0.81であった。また、隣り合う発光ピーク波長と発光ピーク波長との差(|λ1−λ2|)は、発光ピーク波長の半値幅が最小となるLED(製造例5で製造したLED)の該半値幅(9nm)以下であった。
製造例6で製造したLED3個、製造例7で製造したLED2個、製造例8で製造したLED1個、および製造例9で製造したLED1個を、それぞれ別個の回路とし、それぞれに最大出力電圧100Vの直流電源を接続した。素子温度は実施例1と同様にして25℃に制御した。直流150mAで定電流駆動させた場合の発光スペクトルを図3に示す。実施例2に用いたLEDの内、発光ピーク強度が最大となるLED(製造例9で製造したLED)の発光ピーク強度((A):2.5mW/nm)に対する、発光ピーク強度が最小となるLED(製造例6で製造したLED)の発光ピーク強度((B):0.8mW/nm)の比(B/A)は0.32であった。そして、図3の発光スペクトルにおいて、最も短波長の発光ピーク波長を有するLED(製造例6で製造したLED)の発光ピーク波長(245nm)から最も長波長の発光ピーク波長を有するLED(製造例9で製造したLED)の発光ピーク波長(261nm)までの波長範囲において、最大の発光強度((C):3.9mW/nm、250nm)に対する最小の発光強度((D):3.3mW/nm、245nm)の比(D/C)は0.86であった。また、隣り合う発光ピーク波長と発光ピーク波長との差(|λ1−λ2|)は、発光ピーク波長の半値幅が最小となるLED(製造例9で製造したLED)の該半値幅(8nm)以下であった。
製造例6で製造したLED3個および製造例5で製造したLED1個を、それぞれ別個の回路とし、それぞれに最大出力電圧100Vの直流電源を接続した。駆動温度は実施例1と同様にして25℃に制御した。直流150mAで定電流駆動したときの発光スペクトルを図4に示す。該実施例に用いたLEDの内、発光ピーク強度が最大となるLED(製造例5で製造したLED)の発光ピーク強度((A):2.5mW/nm)に対する、発光ピーク強度が最小となるLED(製造例6で製造したLED)の発光ピーク強度((B):0.8mW/nm)の比(B/A)は0.32であった。そして、これらの独立した発光スペクトルの発光ピーク波長において、最大の発光強度((C):2.5mW/nm:実施例5で製造したLED1個分)に対する、最小の発光強度((D):2.4mW/nm:実施例6で製造したLED3個分)の比(D/C)は0.96であった。
製造例10で製造したLED2個、製造例7で製造したLED2個、製造例8で製造したLED1個、および製造例9で製造したLED1個を、それぞれ別個の回路とし、それぞれに最大出力電圧100Vの直流電源を接続した。素子温度は実施例1と同様にして25℃に制御した。直流150mAで定電流駆動させた場合の発光スペクトルを図3に示す。実施例2に用いたLEDの内、発光ピーク強度が最大となるLED(製造例9で製造したLED)の発光ピーク強度((A):2.5mW/nm)に対する、発光ピーク強度が最小となるLED(製造例10で製造したLED)の発光ピーク強度((B):1.1mW/nm)の比(B/A)は0.44であった。そして、図5の発光スペクトルにおいて、最も短波長の発光ピーク波長を有するLED(製造例10で製造したLED)の発光ピーク波長(245nm)から最も長波長の発光ピーク波長を有するLED(製造例9で製造したLED)の発光ピーク波長(261nm)までの波長範囲において、最大の発光強度((C):3.8mW/nm、252nm)に対する最小の発光強度((D):3.1mW/nm、245nm)の比(D/C)は0.82であった。また、隣り合う発光ピーク波長と発光ピーク波長との差(|λ1−λ2|)は、発光ピーク波長の半値幅が最小となるLED(製造例9で製造したLED)の該半値幅(8nm)以下であった。
2 基板
3 n型層
4 活性層
5 p型AlX3Ga1−X3N層
6 p型AlX4Ga1−X4N層
7 p型InYGa1−YN層
8 p型層
9 n型電極(層)
10 p型電極(層)
Claims (10)
- 複数の発光ダイオードを搭載した紫外線光源であって、
全ての発光ダイオードの発光ピーク波長が220〜350nmの範囲に存在し、
複数の発光ダイオードの内、発光ピーク強度が最大となる発光ダイオードの発光ピーク強度(A)に対する、発光ピーク強度が最小となる発光ダイオードの発光ピーク強度(B)の比(B/A)が0.2以上となることを特徴とする、異なる発光ピークを有する複数の発光ダイオードを搭載した紫外線光源。 - 全ての発光ダイオードが、温度25℃、駆動電流値150mAにおける発光ピーク強度が0.5mW/nm以上であることを特徴とする請求項1に記載の紫外線光源。
- 全ての発光ダイオードにおいて、発光主面を有する基板が窒化アルミニウム単結晶からなることを特徴とする請求項1又は2に記載の紫外線光源。
- 前記紫外線光源の発光スペクトルが連続した領域をもつ発光強度分布となり、該紫外線光源に搭載する前記複数の発光ダイオードの内、最も短波長の発光ピーク波長を有する発光ダイオードの発光ピーク波長から最も長波長の発光ピーク波長を有する発光ダイオードの発光ピーク波長までの範囲において、最大の発光強度(C)に対する最小の発光強度(D)の比(D/C)が0.5以上であることを特徴とする請求項1〜3の何れかに記載の紫外線光源。
- 隣り合う発光ピーク波長(λ1)と発光ピーク波長(λ2)との差(|λ1−λ2|)を、前記複数の発光ダイオードの内、発光ピークの半値幅が最小となる発光ダイオードの該半値幅以下とすることにより、前記紫外線光源の発光スペクトルが連続した領域をもつ発光強度分布となることを特徴とする請求項1〜4の何れかに記載の紫外線光源。
- 発光ピーク波長が等しい発光ダイオードを複数個用いることにより、前記紫外線光源に搭載する前記複数の発光ダイオードの内、最も短波長の発光ピーク波長を有する発光ダイオードの発光ピーク波長から最も長波長の発光ピーク波長を有する発光ダイオードの発光ピーク波長までの範囲において、最大の発光強度(C)に対する最小の発光強度(D)の比(D/C)を0.5以上とすることを特徴とする請求項1〜5の何れかに記載の紫外線光源。
- 前記紫外線光源の発光スペクトルが、220〜350nmの範囲でそれぞれの前記発光ダイオードの発光スペクトルが重なることなく独立して存在する発光強度分布となることを特徴とする請求項1〜3の何れかに記載の紫外線光源。
- 発光ピーク波長が等しい発光ダイオードを複数個用いることにより、前記紫外線光源の独立した発光スペクトルの発光ピーク波長において、最大の発光強度(C)に対する最小の発光強度(D)の比(D/C)を0.5以上とすることを特徴とする請求項7に記載の紫外線光源。
- 発光ピーク強度が最大となる発光ダイオードを1つのみ有する、請求項1〜8のいずれかに記載の紫外線光源。
- 全ての発光ダイオードの発光ピーク波長が220〜280nmの範囲に存在する、請求項1〜9の何れかに記載の紫外線光源。
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