JP3707446B2 - White light emitting device - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、単一の素子構造で照明用、表示用、液晶バックライト用などに利用できる白色を発生することができる白色発光素子に関するものである。
【0002】
小型の発光素子として数多くの発光ダイオード(LED;light emitting diode)や、半導体レーザ(LD;laser diode)が製造され販売されている。輝度の高いLEDとして、赤色LED、黄色LED、緑色LED、青色LEDなどが市販されている。赤色LEDはAlGaAs、GaAsPなどを活性層としているLEDである。黄色、緑はGaPを発光層とするLEDがある。橙色・黄色はAlGaInPを発光層とするLEDによって作り出す事ができる。
【0003】
広いバンドギャップのバンド間遷移を要求する青色が最も難しくて困難であった。SiC、ZnSe、GaN系のものが試みられ競っていたが輝度高く寿命の長いGaN系が圧倒的に優れていることがわかり勝敗は既に付いている。GaN系のLEDは実際には活性層がInGaNなのでInGaN系LED、InGaN‐LEDなどと以後書く事にするが、基板はサファイヤで層構造の主体はGaNである。これらのLEDやLDなどの半導体発光素子はバンドギャップ遷移を利用するから当然にスペクトル幅の狭い単色の発光である。そのままでは半導体素子によって複合的な色を作ることはできない。
【0004】
【従来の技術】
照明用光源は単色光源では役に立たない。液晶用バックライトも単色光源は不可である。照明には白色光源が必要である。特に演色性の高い白色が望ましい。液晶用バックライトにも白色光源が必要である。照明用光源としてはいまもなお白熱電球や蛍光灯が専ら使われている。白熱電球は演色性が高いので照明として好適なのであるが、効率が悪いし寿命も短くかさばるという欠点がある。蛍光灯は寿命が短く重量物が必要であり大型の重い装置となる。
【0005】
より小型、より長寿命、より高効率、より安価な白色光源の出現がつとに待たれるところである。軽量・小型・長寿命・高効率ということであれば、それはもう半導体素子しかないと思われる。
【0006】
事実、青色LED、緑色LED、赤色LEDが存在するのであるから、これらの光の三元色を組み合わせれば白色が合成される筈である。青、緑、赤の3種類のLEDをパネルに一様に取り付けて同時に発光させると白色となる筈である。そのような3色混合LEDはすでに提案され一部に実施もされているようである。3色混合で白色ができるのだが分離した単色に見えてはいけないので高密度に3種のLEDを分布させなければならない。
【0007】
それに3種類のLEDは電流・電圧・発光特性がみんな違うので電源を別にしなければならず3電源となる。輝度にばらつきがあって揃えるのが難しい。そのような問題があるが何よりも3種類のLEDを多数並列密集させるので高価な光源となってしまう。
【0008】
高価な光源では普及しないし役に立たない。より低コストの小型白色発光素子を半導体デバイスとして作りたいものである。単一の発光素子を利用した半導体発光素子の公知技術として二つのものがある。一つはInGaN‐LED(GaN基板上の発光素子)をYAG蛍光体で包囲した複合LEDである。もう一つはZnSe‐LEDのZnSe基板に不純物をドープして蛍光体としZnSe‐LED発光部(ZnCdSe)の青色によってZnSe蛍光部を励起(SA発光と呼ぶ)して黄色・橙色を発生させ青色と黄色・橙色の複合によって白色を得るものである。簡単に前者をGaN系白色発光素子(A)、後者をZnSe系白色発光素子(B)と呼ぼう。それぞれについて説明する。
【0009】
(A)GaN系白色発光素子(YAG+InGaN‐LED;図1)
これはInGaN‐LEDを用いるもので、例えば、
▲1▼ 「光機能材料マニュアル」光機能材料マニュアル編集幹事会編、オプトエレクトロニクス社刊、p457、1997年6月
に説明されている。図1にその構造を示す。
【0010】
Γ型リード2の水平部分に凹部3を設け、凹部3の底にInGaN‐LED4を取り付ける。凹部3にはCe添加YAG蛍光剤を分散させた樹脂5を収容する。YAG蛍光剤には青色光を吸収して、よりエネルギーの低い黄色を発生するという性質がある。そのようにある材料がエネルギーの高い光を吸収して電子励起され励起電子が元のレベルに戻る時に出すエネルギーの低い光を蛍光と言う。それを出す材料を蛍光剤と言う。いろいろなレベルを経由して元の準位に戻るのでエネルギーの広がりがあり蛍光のスペクトルは広い。エネルギーの損失分は熱になる。
【0011】
InGaN‐LED4の電極6、7はワイヤ8、9によってリード2とリード10に接続される。リード2、10の上部や蛍光剤樹脂5は透明樹脂20によって覆われる。それによって砲弾型の白色発光素子が製作される。InGaN‐LEDは絶縁性のサファイヤ基板を用いるから底面にn電極を設けることができず上面2箇所にn電極、p電極が形成されワイヤが2本必要である。
【0012】
これはInGaN系青色LED4の周りを、YAG蛍光剤を分散させた樹脂層5で包囲し、蛍光剤によって青色光Bの一部を黄色光Yに変換し、もとの青色光Bと黄色光Yを合成することによって、白色W(=B+Y)を実現している。単一の発光素子で白色を作ることができる。ここでYAG蛍光剤としてCe賦活されたものを使用している。InGaN‐LEDの青色光Bとして460nmの光を使用する。YAGで変換された黄色光Yの中心波長は570nm程度である。つまりYAGは460nmの青色光を吸収して570nm程度にブロードなピークをもつ黄色光に変換するのである。
【0013】
発光素子のInGaN‐LEDは高輝度で長寿命だから、この白色発光素子も長寿命という利点がある。しかしYAGが不透明な材料なので青色光が強く吸収されてしまい、しかも変換効率は良くない。これは色温度7000K程度の白色発光素子を実現している。
【0014】
(B)ZnSe系白色発光素子(ZnCdSe発光、ZnSe基板蛍光剤;図2)
これは青色光源としてInGaN‐LEDでなくZnCdSe‐LEDを使う。蛍光を利用するが独立した蛍光剤を用いない。優れて巧妙な素子である。本出願人になる、
【0015】
▲2▼ 特願平10−316169号「白色LED」
【0016】
によって初めて提案されたものである。図2に示すLEDの構造を示す。GaN基板でなくZnSe基板22を用いる。不純物ドープされたZnSe基板22の上にZnCdSeエピタキシャル層よりなる発光層を設ける。ZnCdSeは485nmの青色を出す。ZnSe基板には、I、Al、In、Ga、Cl、Brの何れかが発光中心としてドープしてある。不純物ドープZnSe基板22は青色の一部を吸収して585nmに中心をもつブロードな黄色光を発生する。青色光Bと黄色光Yが合成されて、白色Wを作り出す(W=B+Y)。
【0017】
実際には図2のZnCdSe‐LEDもリードに付け透明樹脂で囲んで図1の素子のように砲弾型の発光素子にするのであるが、それは図示を略した。これはn型ZnSe基板に不純物ドープしてn型基板自体を蛍光板として利用する。エピ層のZnCdSeは青色を発し、ZnSe基板は黄色の蛍光を発生する。両者が合わさって白色Wとなる。
【0018】
LEDであるから基板は必須である。基板は発光層の物理的な保持機能の他に蛍光板としても機能している。つまり基板を二重に有効利用する精緻な構造となっている。YAGのような独立の蛍光剤が不要である。それが大きい利点である。
【0019】
不純物ドープZnSeの発光のことをSA発光(self activated)と呼ぶ。これは、485nmの青色光と中心波長585nmの黄色光を使用し、10000K〜2500Kの間の任意の色温度の白色を実現している。ZnSe基板を薄くするか不純物濃度を下げると蛍光が劣勢になりZnCdSe発光層の青色光が有力になる。色温度の高い白色が得られる。ZnSe基板を厚くするか不純物濃度を上げると蛍光が優越するから色温度の低い白色が得られる。そのようにちょっとした工夫でいろいろな色温度の白色を得ることができる。
【0020】
先述のようにバンドギャップの広い半導体としてZnSe、SiC、GaNの3つがある。SiCは間接遷移で効率が悪く初めから競争にならない。単結晶基板を製造できるZnSeが一次有力であったが、現在はサファイヤ基板上のGaN、InGaN薄膜によるInGaN青色光が長寿命、高輝度、低コストの青色LEDとして勝利を納めている。InGaN/サファイヤ‐LEDはより波長の短い(エネルギーの高い)青色光を発生できるし、長寿命であり高輝度である。
【0021】
ZnSeは寿命が短くエネルギーが低い(波長が長い)ので青色光LEDとして遅れをとったが、この白色発光素子Bでは基板自体を蛍光板とし特別な蛍光剤を不要とし経済性に優れ低コストの白色発光素子に成長する可能性がある。
【0022】
(C)色度図(図3)
白色W=青色B+黄色Yという合成の法則はそれだけでは厳密に理解しにくい。色度図によって説明しよう。図3は色度図である。色度図というのは可視光源または物体色について、三原色である赤、緑、青に対する人間の目への刺激値を2次元のグラフに表現したものである。光源についていえば光源光の内、人間の視覚が赤だと感じる刺激値をx、緑だと感じる刺激値をy、青だと感じる刺激値をzとする。分かりにくいが人間の視覚が基準となっており光のエネルギー(Nhν;Nは光子数、νは振動数)ではないということである。同じエネルギーであっても緑の視感度は高く、青の視感度は低い。3つの変数があるのでは二次元表示できない。しかも色調を考えるのだから総刺激量はどうでもよいことである。
【0023】
そこで赤と緑を採用し、青を捨象した二次元座標空間を想定する。規格化した赤XをX=x/(x+y+z)によって与え、規格化した緑をY=y/(x+y+z)によって与える。規格化赤を横軸に、規格化緑を縦軸にして表示したものが色度図なのである。当然にX+Y<1でなければならない。どのような色もその二次元座標上の一点によって表現される。単色(スペクトルがδ関数になる)は斜め馬蹄形の曲線(実線で示す;abcdefghijkmnpq)に載る。馬蹄形曲線の右下の極限aが赤の極限である。620、610…というのは波長をnmで表現したものである。620〜530nm(abcdef)は直線に近いが、青成分zが小さいので、その部分はX+Yが1に近くてそのような直線状になる。
【0024】
緑の520nm(g)から曲線は下がり、510、505、500…と下がる(hi)が、これは赤成分が殆どなく青成分と緑成分が強いのでY軸に沿うような形になる。520nmからの低下分が青成分だといってよい。495nm(i)からx成分も少し増えるが、それは赤成分が含まれてくるからである。赤と緑をx、y座標に用いており青が捨象されている。それでは青はどこへいったのか?それはX+Y=1の斜線と座標点の距離を21/2倍したものとして実は色度図上に表れている。
【0025】
馬蹄形曲線の終端nは紫である。紫と赤を結ぶ直線npqaは純紫曲線と呼ぶ。単色はこの曲線abcdefghijkmnpq上にある。但し、純紫曲線npqaは必ずしも単色でなく説明困難である。この部分は色彩論がなお成熟していないし、ここでは問題にしない。
【0026】
複合した色は全てこの曲線の内部にある。色彩が複雑に混合するとより内部の点によって表現されるようになる。中央部の破線で囲んだ部分が白色領域Wである。色度図自体はもともと色成分を二次元表示するための工夫にすぎないが、先述の定義から青、赤、緑について線形性が保持されいるので、二つないし三つの色の混合した色調が色度図上の混合操作に対応するという極めて便利な性質がある。
【0027】
ここで色温度について簡単に説明する。白色といっても赤みがかったもの、黄色みがかったもの、青みがかったものと様々である。白色の表現方法として色度図の座標点で表現する方法もある。それはしかし直観性を欠く。先述のように赤みがかった、青みがかかったという色調による表現は分かりやすいが定量性を欠く。人によって様々であるが色温度による表現もある。本発明では白色を色温度によって表現するので、その定義を述べよう。
【0028】
振動数νの光はhνのエネルギーを持つ。光子はボソンであるから
【0029】
【数1】
【0030】
というボーズ統計に従う。単位体積当たりの光子のエネルギーの平均値Em=<hν>を求めたい。波数空間の微小体積dkxdkydkz=1について一つの状態がある。振動数νはν=c/λ=ck/2πである。k空間において球対称なのでdkxdkydkz=4πk2dk=32π4ν3dν/c3であるから、確率分布は
【0031】
【数2】
【0032】
というように書くことができる。それが黒体輻射の光子のエネルギー分布である。それにhνを掛けて積分すると、黒体輻射(白熱電球など)の分布となる。分母の絶対温度Tが色温度である。
【0033】
分布最大を示す振動数を、νmaxや平均の振動数νmとすると、それらはTに比例する。νmax/T=const1、νm/T=const2となる。平均値で言えばνm=const2×Tとなる。
【0034】
黒体輻射でない場合、分布が式(1)ではない。スペクトルをg(ν)として式(1)のf(ν)に置き換えて、νの平均値を計算する。それをνmとし、それをconst2で割ると色温度Tを計算できる。色温度がTの白色というのは黒体輻射で分布関数の温度がTである場合のエネルギー分布と同じ平均値を与えるという意味である。だから黒体輻射から離れたスペクトルの白色でも色温度を定義でき計算もできる。
【0035】
白色を評価するもう一つのパラメータは演色性である。それは黒体輻射(3)からのズレを表したものである。黒体輻射は当然演色性が100%で、白熱電球がこれにあたる。本発明では演色性をあまり問題にしないから演色性については述べない。
【0036】
先述の(A)GaN系白色発光素子のInGaN‐LEDは図3の色度図において、460nmの青色(m点)を発生し、CeドープYAG蛍光剤は青色光を吸収して568nmにピークのある黄色(d点)を発生する。だから(A)GaN系白色発光素子(YAG+InGaN‐LED)は直線md上の点に対応する複合的な色を生成できる。直線mdは白色領域Wの左端を横切る。だから白色を作り出すことができる。先述の7000Kの白色というのはWの内部のX=0.31、Y=0.32の点である。色温度がかなり高い白色になるのはInGaN‐LEDの発光する光が青色光といっても波長が短かいからである。
【0037】
もう一つの(B)ZnSe系白色発光素子(ZnCdSe/ZnSe基板)は活性層のZnCdSeが485nmの青色光を発生し図3の色度図のj点に対応する。不純物(Al、In、Br、Cl、Ga、I)ドープZnSeの蛍光は585nm程度の黄色光の蛍光を発生する。図3においてそれはc点にあたる。活性層からの485nmの青色光(j点)と、ZnSe基板からの585nmの黄色光(c点)が合成されると直線jc上の任意の色を作り出すことができる。好都合なことに、この直線jcは白色領域Wを左から右まで横切る。ということはZnSe厚み、不純物濃度を変化させて様々の色温度の白色を作り出す事ができるということである。
【0038】
ここで10000K、8000K、7000K、6000K、5000K、4000K、3000K、2500Kの色温度の白色の座標を点によって示した。そのようにZnSe系白色発光素子は直線jcの傾きがゆるくて白色領域を長く横切る。そのおかげで多様な色調(色温度)の白色を作ることができる。その点で(A)のGaN系白色発光素子より便利である。
【0039】
【発明が解決しようとする課題】
[1.ZnSe系白色発光素子の利点と欠点]
ZnSe系白色発光素子の色の合成を色度図(図3)で見ると、ZnCdSe‐LEDの青色光B(485nm、j点)とZnSe基板の黄色光Y(585nm、c点)を結んだ直線jcが、白色光の軌跡(10000K〜2500K)と、ほぼ一致している。ZnSe基板厚みを変える、不純物濃度を変えるなどして青色光Bと黄色光Yの割合を変えるだけで任意の色温度(10000K〜2500K)の白色を得ることができる。素子構造が小型、簡単であり電極も単純であるなどの利点はある。
【0040】
しかしながらZnSe系LEDは劣化しやすく寿命が短いことが欠点である。発光のため大電流を流すので欠陥が増加して劣化が進行する。劣化すると発光効率が低下する。やがて発光しなくなる。短命であること、それはZnSe基板上の発光素子に共通の難点である。
【0041】
また青色光Bと黄色光Yを混ぜて白色Wを合成する場合、必要な青色光Bと黄色光Yの比率が問題である。エネルギーの高い445nm近辺の波長の青色光を使用したとき必要な青色光の比率が最も小さくなる。エネルギーのより低い485nm近辺(j点)の青色光を使用したとき、445nmの青色光と比べて2倍程度の青色光が必要となる(B:Y=2:1)。
【0042】
ここで青色光は黄色光と比べて視感度が低いので青色光の比率が小さい方が発光効率が高くなる。したがって、青色光をより多く必要とするZnSe系の白色発光素子は効率の点で不利である。
【0043】
[2.GaN系白色発光素子の利点と欠点]
それに対して(A)GaN系(InGaN‐LED+YAG)の白色発光素子では青色が460nm〜445nmでエネルギーが高く、必要なパワーの比はB:Y=1:1であり、青色がZnSe系に比べ半分で済む。だから効率の点で有利である。GaN系の発光素子が長寿命であるから、それを利用した白色発光素子も長寿命である。そのような長所がある。
【0044】
しかし反面、欠点もある。YAG+InGaN‐LED白色発光素子は、図3から分かるように、青色光mと黄色光dを結んだ直線mdが白色の軌跡(10000K〜2500K)に対して7000Kで接するような勾配を持っているので、任意の色温度の白色を合成することができない。7000K付近より低い色温度(6000K、5000K、2500K等)の白色を合成できない。
【0045】
一般に白色電球の色温度は3500K近辺の低い色温度である。InGaN系白色発光素子は、白色電球とは異なった色温度の白色しか実現できない。つまり照明用の白色発光素子としては使えない。液晶バックライトに利用できる可能性はあるが色温度が高すぎるという欠点がある。
【0046】
そのため優れた特性(寿命、効率)を有しているにもかかわらず、白色電球の代替が充分に進んでいない。
【0047】
色温度のより低い、具体的には6000Kよりも低い色温度の白色を作り出せる小型の白色発光素子を提供することが本発明の第1の目的である。長寿命の白色発光素子を提供することが本発明の第2の目的である。長寿命でなければ白熱球や蛍光灯を代替することができない。
【0048】
【課題を解決するための手段】
1. 本発明は、InGaN‐LEDの上にZnSSe塊状蛍光板を積み重ねた白色発光素子を提案する。波長の短い青色光を発光するInGaN‐LED発光の一部をZnSSe結晶からなる塊状の蛍光板によって黄色光に変換し、青色光Bと黄色光Yを混ぜ合わせる事によって白色W(W=B+Y)を合成する。
【0049】
2. InGaN‐LEDによって発生する青色光の波長を410nm〜460nmにする。これは青色光でも短波長の方であり図3の色度図において左下のmnの部分の発光に対応する。そのような短波長の青色光はZnSe系(ZnCdSe活性層:485nm;j点)では作れない。それでGaN系(InGaN活性層)のLEDを用いる。InGaN/サファイヤ‐LEDは実績、寿命、コスト、信頼性の点でも使いやすいものである。だから本発明は、LEDの点では先述の従来技術(A)YAG+InGaN‐LEDのものと共通する。しかし蛍光材がYAGでない。新規な物質を用いる。
【0050】
3. 黄色光の波長を570nm〜580nmにする。これが本発明の新規な着想を波長によって表現したものである。先述の従来技術(A)YAG+InGaN‐LEDは568nm(d点)の蛍光を発生するCeドープYAGを使っているから7000Kの白色しか合成できない。d点は黄色光というよりは黄緑に近い。本発明はもっと波長の長い赤に近い黄色光を発生させる。色度図で570nm(v点)と580nm(u点)の間の範囲のより赤に近い黄色を発生させる。そのようにすると青色光の方では線分nmの範囲で発光し、黄色光の方では線分uvの範囲で蛍光を発する。線分nmと線分uvを結んだ直線が本発明の白色発光素子の発光に対応する。線分nmと線分uvを結んだ直線(一点鎖線)は、YAGに対応する線分mdより深く白色領域に入る。そのように直線の黄色側を少し下げたところに本発明の工夫の一つがある。
【0051】
4. 黄色光側を少し下げる(赤色側へずらす)ためにはYAG以外の新規な蛍光材が必要である。本発明はZnSeとZnSの混晶であるZnSSe結晶を用いる。高純度のZnSSeは蛍光を発しない。発光中心となるドーパントが必要である。ドーパントはAl、In、Ga、Cl、Br、Iのいずれかである。本発明で用いる蛍光材は、ZnSSe結晶中にAl、In、Ga、Cl、Br、Iの少なくとも1元素以上の不純物(ドーパント)が1×1017cm−3以上の濃度含まれているものである。これ以下だと蛍光を充分に発生しない。ドーパント濃度を変えたり、蛍光材の厚みを変えることによって黄色光(uv)の比重を変更させることができる。つまり色度図上の青色光・黄色光の線分(mn〜uv)において色を示す点を線分に沿って上下させることができる。YAGを使う従来例(A;md)より線分が白色領域に深く進入しているから、いろいろな色温度の白色を合成できる。蛍光材厚みを増やす、ドーパント濃度を上げることによって黄色光(uv)の比重を高め低い色温度の白色を作ることができる。
【0052】
ドーパントとしてAl、In、Ga、Cl、Br、Iの何れかを使うのはZnSe基板を蛍光板として使う従来例(B)と同じである。しかし本発明はZnSeではなく、ZnSSeを蛍光板とする。さらにLEDがZnCdSeでなくInGaNである。
【0053】
5. ZnSeはバンドギャップが狭く、ZnSはバンドギャップが広いので、混晶比xによってその中間のバンドギャップのものを作ることができる。本発明の蛍光材の材料は、ZnSSe結晶中のZnSの組成比をx、ZnSeの組成比を(1−x)とし、xを0.1〜0.4にする。正しくは混晶比を入れてZnSxSe1−x(0.1≦x≦0.4)と書けばよいのであるが簡単のため混晶比xを略している。x=0ならZnSeが蛍光板となり従来例(B)の蛍光板と同一になる。しかし、それを蛍光板とすると、青色knと黄色cを結ぶ線分(kn〜c)の色しかできないことになり白色領域Wの下側へずれてしまう。広い範囲の任意の色温度の白色を作る事ができない。だからZnSe(x=0)は否定されるのである。
【0054】
かといって全部をZnS(x=1)にすると蛍光波長が短すぎて従来例(A)YAG+InGaN‐LEDと同様に高い色温度の白色しかできないようになる。それで本発明は混晶比をx=0.1〜0.4とする。蛍光の波長はバンドギャップそのものではない。その関係は後で述べる。
【0055】
6. 先述のようにZnSSeは塊状のものを用いる。これが本発明の重要な工夫である。粉末状ではいけない。さらに言えば蛍光板を構成するZnSSe結晶の平均粒径を蛍光板の厚みより大きくするのが望ましい。従来例(A)のYAGはYAG(yttrium aluminum garnet)の粉末を透明な樹脂に分散したものを蛍光剤として利用している。そもそも蛍光板というのは蛍光を発する材料の微粉末を透明のガラス、樹脂に分散させたものが多い。粉末ではなく塊にすると光は内部へ入らないのだから内部の蛍光剤は無駄である。できるだけ光が当たり易く変換効率が良くなるように蛍光剤は微粉末とし透明樹脂、ガラスに分散する。透明樹脂に光が通り蛍光粉末に光が当たり易く、蛍光物質濃度の調整が容易であるし、任意の形状に賦形(造形)できるからである。
【0056】
しかし前記の不純物をドープしたZnSSe多結晶の微粉末を樹脂に分散させるとYAGなどにない不都合があるということが分かった。ZnSSeは吸水性がある。粉末にして樹脂に分散すると樹脂に水が進入し粉末ZnSSeが水を吸って劣化しやすい。そのような難点を克服しなければ蛍光剤として利用できない。そこで従来の蛍光剤と違って粉末ではなく、塊状の多結晶、単結晶のZnSSeを使うことにする。ここが本発明において重要である。塊状にすると表面積が狭いので水が入りにくく入っても表面の近くに留まる。吸水による劣化も表面近傍に限定される。そのような訳で塊のZnSSeを用いる。
【0057】
多結晶の場合でも粒径が大きい方が良い。それは粒界に水が進入しやすいということもあるが、それだけではない。粒界で光が乱反射され吸収されることがあり光学的な損失の原因になる。それで粒界が大きい方が良いのである。多結晶の平均粒径が蛍光板の厚み以上のものがより適している。この場合どの粒塊(grain)も厚み方向には単結晶を保ち、平均粒径は蛍光板の面方向において定義される。
【0058】
7. より好ましくはZnSSe蛍光板を単結晶ZnSSeによって構成する。多結晶の粒界(boundary)は光学的な損失の原因となるから粒界はない方が良い。粒界がない理想的なものと言えば単結晶である。だから不純物ドープZnSSe単結晶が本発明の蛍光板として最適である。そうはいうもののZnSSe単結晶は簡単に作れない。化学輸送法で作ることができるが時間がかかり高コストである。コストを下げるという点では塊状の多結晶のZnSSeを用いることになろう。
【0059】
8. 青色光発光LEDとして発光波長410nm〜460nmのInGaN系LEDを用いる。これは既に述べているが色度図において青色光の発光領域をmnにし黄色光と青色光を結ぶ線分が白色領域Wを深く横切るようにするためである。それによって7000Kより低い色温度の白色を得る。
【0060】
9. ZnSSe結晶中のZnSの組成比をx、ZnSeの組成比を(1−x)とし、青色光発光LEDの発光波長をλLEDとしたとき、λLED≧1239/(2.65+1.63x−0.63x2)nmとするのが望ましい。ZnSeのバンドギャップは2.7eVで吸収端波長が460nmである。ZnSのバンドギャップは.3.7eVで吸収端波長は335nmである。発光波長λLEDの式の中は2.65となっており、バンドギャップは2.7となっている。混晶ZnSxSe1−xのバンドギャップは近似的にEg=2.7+1.63x−0.63x2によって与えられる。バンドギャップで1239(=hc)を割ると吸収端波長をnm単位で表現したものになる。つまり上の式は本発明で使う蛍光材の混晶ZnSSeのバンドギャップより低いエネルギーを持つ(長波長の)青色光で蛍光材を励起するのが良いと言っているのである。それは色度図上でmn〜uvが白色領域Wを縦断するというのとは全く別の話しである。少し複雑であるが、この条件はInGaN‐LEDの青色光がZnSSe蛍光材の表面で吸収されず内部にまで到達して内部で吸収されて蛍光を発生するという条件である。半導体はバンドギャップより高いエネルギー(短波長)の光をすぐに吸収してしまう。塊状としたといっても蛍光材の表面は吸水の為劣化している可能性がある。だから表面を使いたくない。内部まで青色光が到達して内部でドーパントを励起して発光するようにしたいものである。そのため吸収されにくいZnSSeのバンドギャップよりも低いエネルギーの青色光を用いるということである。
【0061】
10. Zn雰囲気で熱処理を施したZnSSe結晶を蛍光板として使用するのが良い。熱処理によって欠陥が減少し散乱や非蛍光吸収が減少するからである。
【0062】
【発明の実施の形態】
7000Kより低い色温度の白色を発生させたいという上記の課題を解決するためには、発光波長445nm(mn間点)近辺のLEDから放出された青色光の一部を、中心波長575nm(uvの中点)近辺の光に変換する蛍光材が存在すればよいことになる。
【0063】
445nmを出すInGaN‐LEDは存在し市販されており入手可能である。蛍光材が問題である。575nmの波長を出す蛍光材が必要である。従来例(A)のCe‐YAGの蛍光は中心波長が568nm(d点)である。それは短すぎる。従来例(B)で述べたように、ZnSe結晶に3族元素や7族元素(Al、In、Ga、Br、Cl、I)を混入させた場合の発光波長は585nm(c点)近辺である。これは長すぎる。d点とc点の中間のu〜vの波長の蛍光が欲しい。
【0064】
Ce‐YAGのような通常の蛍光剤はCeなどのドーパント濃度しかパラメータがないので蛍光の中心波長を変えることができない。Ce濃度を増やすと線分md上で色座標がd点に近付くだけでありd点自体を動かすことはできない。それはYAGのマトリックスの中で、Ce自体が孤立した色中心として働いているからである。
【0065】
しかしZnSeとZnSの混晶であるZnSxSe1−x結晶ではドーパント(Al、In、Ga、Br、Cl、I)の他に混晶比xが自由に選べるパラメータとして存在する。x=0のZnSeはバンドギャップEgZnSe=2.7eV、x=1のZnSはバンドギャップがEgZnS=3.7eVである。つまり1eV程度大きい。xによってバンドギャップは変化する。ZnSSeの蛍光はドナー・アクセプタ遷移によるらしいということが分かってきた。3族、7族ドーパントを入れることによって比較的深いドナー、アクセプタの両方が生成される。そのドナー・アクセプタ遷移によって蛍光が出る。だから蛍光中心波長Λqはバンドギャップ波長λg(=hc/Eg)よりかなり長いものとなる。
【0066】
すると、バンドギャップEgを変えるとドナー・アクセプタ遷移による蛍光の波長Λqも変化させることができるということである。蛍光中心波長ΛqがバンドギャップEgによるということがZnSSeの便利な点である。これは受動的な蛍光の話しでZnSeを能動的なLEDとする場合の話ではない。複雑であるが両者を混同してはいけない。
【0067】
不純物ドープZnSeの蛍光中心波長ΛqZnSe=585nmであり、所望の蛍光中心波長が580nm〜570nm(u〜v間)であるから10nmほど短くすれば良いだけである。ZnSを蛍光材とした場合の蛍光波長は470nm近辺である。ZnSSeバンドギャップと蛍光波長はxによって連続的に変化するであろう。だとすれば、所望の蛍光波長570nm〜580nmはxを適当に選んだ混晶ZnSxSe1−xによって得られる筈である。
【0068】
そこでZnSの組成比xを適当に選び、そのZnSxSe1−x結晶に3族元素や7族元素を混入させると575nm近辺での蛍光を得ることは可能である筈である。好適なxの値については後に述べる。
【0069】
ここで混入密度が小さいと充分な発光を得ることができない。1×1017cm−3程度以上の不純物(ドーパント)の混入(ドーピング)が必要である。これ以上の濃度であって濃度を増やすと黄色光の比重を高め、濃度を減らすと青色光の比重を高めることができる。蛍光材の厚みを変化させることによっても、そのようなことは可能である。
【0070】
ただしZnSe系やZnSSe系やZnS系の蛍光材料は耐水性に欠けるという問題がある。経年変化によって水を吸収し劣化する。そのためもあってZnSSe系の材料を蛍光剤としてInGaN系LEDと組み合わせた白色発光素子は実用化されていなかった。YAGなど通常の蛍光剤は粉末を透明樹脂、透明ガラスに分散して使う。微粉末ZnSSeは直ちに吸水し、たちまち劣化し使用できなくなる。吸水劣化の問題を克服しなければならない。
【0071】
ここで耐水性の問題であるが、蛍光剤の表面積が相対的に大きい場合に問題となる。耐水性を高めるためには表面積を極力狭くするのが効果的である。半径rの球の表面積は4πr2であり、体積は4πr3/3である。表面積/体積の比は3/rである。その比を下げようと思えば半径rを大きくすれば良いのである。
【0072】
そのためには粉末状のZnSSeを使用するより、大きい塊状の単結晶もしくは多結晶ZnSSeの蛍光板を使用すれば良い。塊状の蛍光材というのは自己矛盾のようで聞き慣れないが、ZnSSeは塊状にすれば蛍光材として利用できよう。そうすれば、蛍光材体積に対する表面積の割合が非常に小さくなるので、耐水性が格段に向上する筈である。
【0073】
通常、粉末だから「蛍光剤」と書くのである。本発明では微粉末でない塊状のZnSSeを使うから「蛍光材」または「蛍光板」と書くことにしよう。
【0074】
ただし、仮に上記のような蛍光板を使用しても蛍光板表面近傍で青色光が全て吸収され、蛍光板内部に青色光が進入することなく、蛍光板の表面のみが蛍光を発生するような場合は、表面の影響が強く出るので、やはり耐水性の問題が顕在化する。それにLED光が蛍光板表面で殆ど吸収されるならば内部の蛍光材は無駄になり非効率である。そもそも通常の蛍光体で蛍光剤を粉末とし樹脂に分散するのは全ての蛍光剤に光が当たるようにするための工夫であった。本発明では塊状の蛍光板としているのだから、光が表面に留まらず内部まで入るようにすることが必要である。それが通常の蛍光剤と多いに事情の異なるところである。内部までLED光を入れるにはどうすれば良いのか?
【0075】
LEDの青色光に対し、ZnSSeが殆ど透明であれば良いのである。通常の蛍光剤は不透明でそんなことはないが本発明では塊状の蛍光板を使うからLED光に対し透明のものを用いる。では透明にするにはどうすれば良いか?本発明者は、蛍光板を構成するZnSSe結晶の禁制帯幅(バンドギャップ;Eg)より小さなエネルギーを持った青色光を使用すれば良い、ということに気付いた。
【0076】
幸運なことにZnSはバンドギャップが広くて、InGaN‐LEDの出すLED光のエネルギーよりも高い。ZnSeのバンドギャップはInGaN‐LEDの光のエネルギーより低い。適当な混晶比xで、InGaN青色発光素子の発光波長λLEDに対応するエネルギーに等しいバンドギャップEgをもつZnSSeが存在する。その臨界混晶比より大きい混晶比xをもつZnSSeを蛍光材とすれば、バンドギャップが広くなりLED光に対し透明になる。LED光は蛍光板の内部まで浸透できるはずである。塊状の蛍光材をLED光に対し透明にするという課題はそれによって鮮やかに解決される。
【0077】
そうすれば、青色光に対する蛍光板の吸収係数が小さくなり、蛍光板内部にまで青色光が進入し、蛍光板全体で青色光が発光することになる。劣化した表面の影響が小さくなるし、内部の蛍光材も有効に利用できる。
【0078】
反対に青色光LEDの発光波長λLEDがZnSSe混晶蛍光材のバンドギャップよりも長い(エネルギーが低い)としてもよい。
【0079】
ZnSSe結晶中のZnS組成をxとする(ZnSxSe1−x)と、その禁制帯幅は
【0080】
EgZnSSe=2.7+1.63x−0.63x2(eV) (4)
【0081】
で与えられる。エネルギーをeVで表現し、波長をnmで表現するとそれらは反比例し、その比例定数は1239であるから、LED青色光波長λLEDとZnS組成xの関係として、
【0082】
【数3】
【0083】
を満たせばよい。これは蛍光材の組成xが決まったとしてInGaN‐LEDの波長範囲を決める不等式である。混晶比xを変化させてZnSSeバンドギャップEg、バンドギャップ波長λgを(5)によって計算すると次のようになる。
【0084】
【表1】
【0085】
InyGa1−yN‐LEDの発光波長はInの混晶比yを変化させることによって変動させることができる。先述にようにInGaNの好ましい発光波長は410nm〜460nmとしているが、InGaNはそれ以上の480nmの光まで出すことができる。Inの比率yが高いと長波長側に発光波長が移動し、Gaの比率1−yが高いと短波長側へ発光波長が変化する。410nmに対応するZnS混晶比はx=0.252である。それより大きいxに対してバンドギャップ波長λgは410nmよりも短くなる。だから1>x>0.252の範囲では最早式(5)はInGaN‐LEDの発光波長λLEDを限定する条件にはならない。0<x≦0.252の範囲ではバンドギャップ波長が410nm以上であるから、(5)式がInGaN‐LEDの発光波長λLEDを限定する条件となる。
【0086】
λLEDは410nm〜460nmとするので、例えばx=0.1の場合は460nm>λLED>441nm、x=0.2の場合は460nm>λLED>420nmとなる。x=0の場合は式(5)からλLED>467nmとなるが、それは460nm以下という条件を満足しない。だからx=0は不適である。色度図において蛍光波長が570nm〜580nm(u〜v)でなければならないという点でもx=0が不適であるが、それとは別に独立の(LED光が蛍光板内部へ入る)条件によっても不適なのである。
【0087】
逆にInGaN‐LEDの波長λLEDが先に決まっており、それに対する蛍光板のZnS混晶比xを限定するものだというようにも式(5)を解釈することもできる。
【0088】
蛍光板のZnS組成xはこれだけではなくて先述のように蛍光波長Λqが570nm〜580nmの範囲でなければならないのでそのような条件が全て満足されるように決めるべきである。ZnSSeの蛍光波長ΛqはバンドギャップEgによって決まるのであるが、その関係は未だ解析的にハッキリしたものではない。後に実験の結果によって、それを説明する。
【0089】
さてZnSSe蛍光板であるが単結晶であるのが最適である。単結晶では粒界が存在しないという利点がある。それに加えて微細なZnSSe蛍光板を作成する上で加工し易いという利点がある。つまり適当な厚みを持った面方位(100)ZnSSe基板を劈開することによって、任意の大きさの立方体状のZnSSe蛍光板を容易に作成することができる。しかし必ずしも単結晶でなくても良い。多結晶でも構わない。多結晶では劈開によって分割できないが機械的に切断すればよい。多結晶粒界での光吸収や光散乱が変換効率を低下させてしまうので、多結晶の粒界が大きい方が好ましい。できれば平均粒界がZnSSe蛍光板の板厚より大きいことが望ましい。
【0090】
ZnSSe蛍光板の青色光が入射する側の面は、入射効率を高めるためにミラー研磨する事が望ましい。粗面であると乱反射するからである。ZnSSe蛍光板のそれ以外の面に関しては必ずしもミラー研磨する必要はないが、加工上の必要に応じてミラー研磨してもよい。加えて入射面に反射防止膜を形成すればよりいっそう好ましいと考えられる。反射防止膜は透明な誘電体膜で形成する。一層でも可能であるが多層膜にすると反射防止の性能が向上する。
【0091】
またZnSSe蛍光板内で発生した黄色光の出射効率を高めるための表面加工を施すのも有用である。
【0092】
青色光の波長であるが、445nm近辺が有利だと説明した。しかしながら必ずしも445nmでなければならないというものではない。LEDの青色光の発光波長の違いによる発光効率の変化や、蛍光板の変換効率の変化もあるので、本当に最適の波長は青色光発光LEDの技術動向によって変化する。
【0093】
しかしながら、ZnSSe蛍光板を使用して青色光の一部を黄色光に変換するのであるから変換ということから考えると青色光発光の波長が410nm〜480nmの範囲になければならない。それをはずれると明らかに効率が低下してしまう。だから410nm〜480nmの範囲の波長の青色光を使用すべきである。しかし色度図を見て白色を作るということから考えるとInGaN‐LED青色光の波長は410nm〜460nmとするのがよい。
【0094】
この範囲の青色光を使用して白色を実現するためには、ZnSSe蛍光板の発光の中心波長は570nm〜580nmにすべきである。これは色度図を見て分かることである。
【0095】
このような中心波長をもつ蛍光を示すにはZnSSe結晶中のZnSの組成比xを0.1〜0.4にすればよい。その根拠は後に述べる。
【0096】
青色LEDとしてInGaN系のLEDを使用する場合、現在の技術では400nm近辺の波長で最も発光効率が高く、それよりも長波長になると発光効率が低下する。発光効率から言って青色光の波長は460nmより短い方が好ましい。 だから青色光LEDとしてInGaN‐LEDを用いる場合は、その発光波長は410nm〜460nmということになる。だから先述の青色光の範囲の内460nm〜480nmは、白色を作る570nm〜580nm蛍光を出すことはできるがLEDの効率が低くなるので省かれる部分である。
【0097】
ZnSSe結晶の青色光に対する吸収係数であるが、Zn雰囲気中での熱処理の温度によって調整することができる。熱処理によって青色光の吸収が増えるようになる。したがって、白色を合成するために適当な量の青色光を黄色光に変換させるためには、この吸収係数の調整が有用である。
【0098】
【実施例】
[実施例1(ZnS混晶比xによる蛍光波長の変化)]
ZnSSe蛍光板発光のZnS組成比(x)依存性を調べるために、x=0、0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6のZnSSe結晶をヨウ素を輸送媒体とする化学輸送法で作製した。この結晶から切り出したZnSSe基板に1000℃の温度でZn雰囲気で50時間熱処理し、ZnSSe蛍光板を作製した。
【0099】
このZnSSe基板に波長440nmの光を照射したときに発せられる蛍光の波長分布から、中心波長(色度図上の点)を見積もった。結果を表2に示す。
【0100】
【表2】
【0101】
色度図の分析から、蛍光は570nm〜580nmである事が条件となる。ZnS混晶比が0.4を越えると570nmより短くなる。0.1以下であると580nmを越えてしまう。この結果からZnS組成比xは0.1〜0.4が最適であることが判明した。蛍光の中心波長というのはLEDの発光波長のように鋭いピークを持つものではない。蛍光だから、なだらかな山になり、その中心波長である。
【0102】
[実施例2(x=0.4、λLED=420nm、Λq=570nm)]
ZnS組成x=0.4のZnS0.4Se0.6単結晶から切り出した厚み200ミクロン、面方位(100)のZnSSe基板をZn雰囲気中1000℃で熱処理した。熱処理は青色光の吸収係数を調整するために行った。このZnSSe基板を両面ミラー研磨して厚み100ミクロンにした。このZnSSe基板をスクライブブレークして、300ミクロン角・厚み100ミクロンのZnSSe蛍光板を作製した。
【0103】
またサファイヤ基板を使用したInGaN活性層を持つ発光波長420nmの青色LEDチップを準備した。このLEDチップを図4にあるように、フリップチップ型に実装し、LEDの上側(サファイヤ基板の上側)にZnSSe蛍光板を透明樹脂を介して張り付けた。図4において、大きいΓ型リード24、小さいΓ型リード25を組み合わせている。リードは複雑な組み合わせになっており、大Γリード24の孔に小Γリード25が挿入されるようになっている。Γ型のリード24には窪み26があり、その中にInGaN‐LED27が実装される。サファイヤ基板のInGaNなので電極30、32はエピタキシャル成長面の方に設けられる。
【0104】
通常は図1のように2本のワイヤによって電極とリードを接続するのであるが、ここではワイヤボンディングではなくて、電極30を大Γ型リード24に、電極32を小Γ型リード25に裏返して付けている。リード24、25は相互に浸透し合っているが接触していない。InGaN‐LED27は裏返しなので青色光はサファイヤ基板の方から上に向かって発射される。サファイヤ基板の上にZnSSe蛍光板28が載っている。窪み26には拡散剤(SiC粉末)を分散した透明樹脂が充填してある。それらをモールド樹脂36でモールドし砲弾型の発光素子を製作した。それに通電すると、InGaN‐LED27から青色光が出て、それが蛍光板で黄色となる。それが透明樹脂で拡散されて広がってゆく。それによって色温度が5000Kの白色を得る事ができた。図5は青色光Bによって黄色光Yが励起され青色光Bと黄色光Yが混合して外部へ出てゆき白色となる様子を示す。
【0105】
InGaN‐LEDを使いつつ、そのような低温の色温度の白色ができるのは一つには蛍光の波長が568nm(Ce‐YAG)ではなくて569nm(ZnS0.4Se0.6)だからである。もう一つはInGaN‐LEDの波長を420nmと短くしているからである。
【0106】
[実施例3(x=0.25、λLED=440nm、Λq=575nm)]
実施例2のZnSの組成比xを0.25に変え、また青色LEDの発光波長を440nmにし、他は同様にして、図4に示すような白色発光素子を作製した。この白色発光素子に通電して発光させたところ、色温度3500Kの白色を得ることができた。
【0107】
【発明の効果】
本発明は、410nm〜460nmで発光するInGaN‐LEDを青色光源とし、570nm〜580nmに中心波長をもつ蛍光を発するZnSSeバルク結晶蛍光板を用い、青色LEDの青色光の一部を蛍光板によって黄色光に変換し青色と合成することによって白色を発生する白色発光素子を与える。YAG/InGaN‐LEDよりも低い色温度の白色を作り出すことができる。5000Kより低い色温度の白色を合成することもできる。InGaN‐LEDを使うので小型、軽量で、劣化が少なく長寿命である。二つの色の組み合わせなので演色性は良くない。しかし高輝度で低色温度の白色を発生するので液晶バックライトなどに用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 CeドープYAG蛍光剤を分散させた透明樹脂によって青色発光InGaN‐LEDを囲んでLEDの青とYAGの黄色の組み合わせによって高い色温度の白色を生成できる従来例▲1▼にかかる砲弾型にした白色LED(YAG/InGaN‐LED)の構造を示す断面図。
【図2】 Al、Ga、In、Br、Cl、Iの何れかをドーパントとして含むZnSe基板上にZnCdSeエピタキシャル層を形成し、ZnCdSe発光部からの青色によってZnSe基板の不純物を励起して黄色を発生させZnCdSeの青色とSA発光の黄色を組み合わせることによって白色を生成する従来例▲2▼にかかる白色LED(ZnSe/ZnCdSe)の構造を示す断面図。
【図3】 白色をLEDの青色と蛍光の黄色との組み合わせによって生成する白色発光素子の白色の原理を説明するための色度図。
【図4】 波長の短い青色を発生するInGaN‐LEDとAl、Ga、In、Br、Cl、Iの何れかをドーパントとして含むZnSSe蛍光板とを組み合わせ、InGaN‐LEDの青色によってZnSSe蛍光板を励起して黄色を発生させ5000K以下の色温度の白色を発生させることのできる本発明の白色LEDの構造を示す断面図。
【図5】 InGaN‐LEDの青色光によって、ZnSSe蛍光板を励起し黄色の蛍光を発生し、青色光と黄色光を混合することによって白色を得る本発明の原理を説明する図4のLED、蛍光材の部分の拡大断面図。
【符号の説明】
2 Γ型リード
3 凹部
4 InGaN‐LED
5 YAG蛍光剤を分散させた樹脂
6 電極
7 電極
8 ワイヤ
9 ワイヤ
10 直線リード
20 透明樹脂
22 不純物ドープZnSe基板
24 Γ型リード
25 Γ型リード
26 凹部
27 InGaN‐LED
28 ZnSSe蛍光板
29 拡散剤を分散した透明樹脂
30 電極
32 電極
36 モールド樹脂[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a white light-emitting element that can generate white light that can be used for illumination, display, liquid crystal backlight, and the like with a single element structure.
[0002]
Many light emitting diodes (LEDs) and semiconductor lasers (LDs) are manufactured and sold as small light emitting elements. As LEDs having high luminance, red LEDs, yellow LEDs, green LEDs, blue LEDs, and the like are commercially available. The red LED is an LED having AlGaAs, GaAsP or the like as an active layer. Yellow and green are LEDs having GaP as a light emitting layer. Orange and yellow can be produced by an LED having a light emitting layer of AlGaInP.
[0003]
The blue color requiring wide band gap interband transition was the most difficult and difficult. SiC, ZnSe, and GaN-based materials have been tried and competed. However, it has been found that GaN-based materials with high brightness and long life are overwhelmingly superior, and wins and losses are already attached. Since the GaN-based LED actually has an active layer of InGaN, it will be referred to as an InGaN-based LED, InGaN-LED, etc., but the substrate is sapphire and the main layer structure is GaN. Since these semiconductor light emitting elements such as LEDs and LD use band gap transition, naturally they emit light of a single color with a narrow spectrum width. If it is as it is, it is not possible to make a complex color with semiconductor elements.
[0004]
[Prior art]
Illumination light sources are useless with monochromatic light sources. A liquid crystal backlight cannot be a monochromatic light source. A white light source is required for illumination. In particular, white with high color rendering properties is desirable. A liquid crystal backlight also requires a white light source. Incandescent bulbs and fluorescent lamps are still used exclusively as illumination light sources. Incandescent light bulbs are suitable for lighting because of their high color rendering properties, but they have the disadvantages of poor efficiency and short life. Fluorescent lamps have a short life span, require heavy objects, and are large and heavy equipment.
[0005]
The appearance of a white light source that is smaller, has a longer life, is more efficient, and is less expensive is awaited. If it is light weight, small size, long life, and high efficiency, it seems that it is already only a semiconductor element.
[0006]
In fact, there are blue LEDs, green LEDs, and red LEDs, so if these three light colors are combined, white should be synthesized. If three types of LEDs of blue, green, and red are uniformly attached to the panel and light is emitted at the same time, it should be white. It seems that such a three-color mixed LED has already been proposed and implemented in part. Three colors can produce a white color, but it must not appear as a separate single color, so the three types of LEDs must be distributed at a high density.
[0007]
In addition, since the three types of LEDs have different current, voltage, and light emission characteristics, they must be separated from each other, resulting in three power sources. Difficult to align due to variations in brightness. Although there is such a problem, above all, a large number of three kinds of LEDs are densely arranged in parallel, so that it becomes an expensive light source.
[0008]
Expensive light sources are not widespread and useless. We would like to make a low-cost small white light emitting element as a semiconductor device. There are two known technologies for semiconductor light-emitting devices using a single light-emitting device. One is a composite LED in which an InGaN-LED (light emitting element on a GaN substrate) is surrounded by a YAG phosphor. The other is that the ZnSe-LED ZnSe substrate is doped with impurities to form a phosphor, and the ZnSe fluorescent part is excited by the blue color of the ZnSe-LED light-emitting part (ZnCdSe) (referred to as SA emission) to generate yellow and orange colors. White is obtained by combining yellow and orange. For simplicity, the former will be referred to as a GaN-based white light-emitting element (A), and the latter will be referred to as a ZnSe-based white light-emitting element (B). Each will be described.
[0009]
(A) GaN-based white light emitting device (YAG + InGaN-LED; FIG. 1)
This uses InGaN-LED, for example
(1) “Optical Functional Materials Manual”, Optical Functional Materials Manual Editorial Board, Optoelectronics, p457, June 1997
Explained. FIG. 1 shows the structure.
[0010]
A recess 3 is provided in the horizontal portion of the Γ-
[0011]
The
[0012]
This is because the InGaN blue LED 4 is surrounded by a
[0013]
Since the light-emitting element InGaN-LED has high brightness and long life, this white light-emitting element also has an advantage of long life. However, since YAG is an opaque material, blue light is strongly absorbed, and the conversion efficiency is not good. This realizes a white light emitting element having a color temperature of about 7000K.
[0014]
(B) ZnSe-based white light emitting device (ZnCdSe emission, ZnSe substrate fluorescent agent; FIG. 2)
This uses ZnCdSe-LED instead of InGaN-LED as a blue light source. Uses fluorescence but does not use a separate fluorescent agent. Excellent and clever element. Become the applicant,
[0015]
(2) Japanese Patent Application No. 10-316169 "White LED"
[0016]
It was first proposed by The structure of LED shown in FIG. 2 is shown. A
[0017]
Actually, the ZnCdSe-LED of FIG. 2 is also attached to the lead and surrounded by a transparent resin to form a bullet-type light emitting device like the device of FIG. 1, but this is not shown. In this method, an n-type ZnSe substrate is doped with impurities and the n-type substrate itself is used as a fluorescent plate. The epilayer ZnCdSe emits blue, and the ZnSe substrate emits yellow fluorescence. Together, they become white W.
[0018]
Since it is LED, a board | substrate is essential. The substrate functions as a fluorescent plate in addition to the physical holding function of the light emitting layer. That is, it has an elaborate structure that effectively uses the substrate twice. An independent fluorescent agent such as YAG is unnecessary. That is a great advantage.
[0019]
The emission of impurity-doped ZnSe is called SA emission (self activated). This uses blue light with a wavelength of 485 nm and yellow light with a center wavelength of 585 nm, and realizes white having an arbitrary color temperature between 10,000 K and 2500 K. When the ZnSe substrate is thinned or the impurity concentration is lowered, the fluorescence becomes inferior and the blue light of the ZnCdSe light emitting layer becomes dominant. A white color having a high color temperature is obtained. When the ZnSe substrate is thickened or the impurity concentration is increased, the fluorescence becomes superior, so that white having a low color temperature can be obtained. With such a little ingenuity, whites with various color temperatures can be obtained.
[0020]
As described above, there are three semiconductors with wide band gaps: ZnSe, SiC, and GaN. SiC is indirect transition and is not efficient and does not compete from the beginning. ZnSe, which can produce a single crystal substrate, was primary. Currently, InGaN blue light from GaN and InGaN thin films on sapphire substrates is winning as a long-life, high-brightness, low-cost blue LED. InGaN / Sapphire-LEDs can generate blue light with shorter wavelengths (higher energy), have a longer lifetime, and have higher brightness.
[0021]
Since ZnSe has a short life and low energy (long wavelength), it has been delayed as a blue light LED. However, in this white light emitting element B, the substrate itself is a fluorescent plate, a special fluorescent agent is not required, and it is excellent in economic efficiency and low cost. There is a possibility of growing into a light emitting device.
[0022]
(C) Chromaticity diagram (Fig. 3)
The law of synthesis of white W = blue B + yellow Y alone is difficult to understand strictly. Let's explain with a chromaticity diagram. FIG. 3 is a chromaticity diagram. The chromaticity diagram is a two-dimensional graph representing stimulus values for the human eye for the three primary colors red, green, and blue for a visible light source or object color. Speaking of the light source, let x be the stimulus value that the human eye feels red, y the stimulus value that feels green, and z the stimulus value that feels blue. Although it is difficult to understand, human vision is the standard and it is not the energy of light (Nhν; N is the number of photons and ν is the frequency). Even with the same energy, the green visibility is high and the blue visibility is low. Two-dimensional display is not possible if there are three variables. Moreover, since the color tone is considered, the total amount of stimulation is irrelevant.
[0023]
Therefore, a two-dimensional coordinate space is assumed in which red and green are adopted and blue is discarded. Normalized red X is given by X = x / (x + y + z), and normalized green is given by Y = y / (x + y + z). A chromaticity diagram is displayed with normalized red on the horizontal axis and normalized green on the vertical axis. Of course, X + Y <1 must be satisfied. Any color is represented by a point on its two-dimensional coordinates. A single color (the spectrum becomes a δ function) is placed on an oblique horseshoe-shaped curve (shown by a solid line; abcdefghijkmmnpq). The limit a at the lower right of the horseshoe curve is the red limit. 620, 610... Represents the wavelength in nm. Although 620 to 530 nm (abcdef) is close to a straight line, since the blue component z is small, the portion becomes such a straight line with X + Y being close to 1.
[0024]
The curve falls from 520 nm (g) of green and falls to 510, 505, 500... (Hi), but this has a shape along the Y axis because there is almost no red component and strong blue and green components. It can be said that the decrease from 520 nm is the blue component. The x component also increases slightly from 495 nm (i) because the red component is included. Red and green are used for the x and y coordinates, and blue is discarded. So where did the blue go? The distance between the diagonal line of X + Y = 1 and the coordinate point is 2 1/2 As a result of doubling, it actually appears on the chromaticity diagram.
[0025]
The end n of the horseshoe curve is purple. A straight line npqa connecting purple and red is called a pure purple curve. The single color is on this curve abcdefghijkmmnpq. However, the pure purple curve npqa is not always monochromatic and difficult to explain. This part is not yet mature in color theory and is not a problem here.
[0026]
All the combined colors are inside this curve. When colors are mixed in a complicated manner, they are expressed by internal points. A portion surrounded by a broken line in the center is a white region W. The chromaticity diagram itself is originally only a device for displaying two-dimensional color components. However, since the linearity is maintained for blue, red, and green from the above definition, a mixed tone of two or three colors can be obtained. There is a very convenient property that corresponds to the mixing operation on the chromaticity diagram.
[0027]
Here, the color temperature will be briefly described. Even though it is white, it is variously reddish, yellowish, and bluish. As a white expression method, there is also a method of expressing with coordinate points of a chromaticity diagram. It lacks intuition, however. As mentioned above, the expression based on the color tone that is reddish or bluish is easy to understand, but lacks quantitativeness. There are various expressions depending on the color temperature. In the present invention, white is expressed by color temperature, so the definition will be described.
[0028]
Light having a frequency ν has an energy of hν. Because photons are bosons
[0029]
[Expression 1]
[0030]
Follow Bose statistics. We want to find the average value Em = <hν> of photon energy per unit volume. Micro volume dk of wave number space x dk y dk z There is one state for = 1. The frequency ν is ν = c / λ = ck / 2π. dk because it is spherically symmetric in k-space x dk y dk z = 4πk 2 dk = 32π 4 ν 3 dν / c 3 So the probability distribution is
[0031]
[Expression 2]
[0032]
Can be written as follows. That is the energy distribution of photons of blackbody radiation. If it is multiplied by hν and integrated, black body radiation (incandescent light bulb etc.) distribution is obtained. The absolute temperature T of the denominator is the color temperature.
[0033]
If the frequency showing the maximum distribution is νmax or the average frequency νm, they are proportional to T. νmax / T = const1, νm / T = const2. In terms of average value, νm = const2 × T.
[0034]
If it is not blackbody radiation, the distribution is not equation (1). The average value of ν is calculated by replacing the spectrum with g (ν) and f (ν) in equation (1). By setting it as νm and dividing it by const2, the color temperature T can be calculated. White having a color temperature of T means that the same average value as that of the energy distribution when the temperature of the distribution function is T with black body radiation is given. Therefore, it is possible to define and calculate the color temperature even in the white of the spectrum away from blackbody radiation.
[0035]
Another parameter for evaluating white color is color rendering. It represents the deviation from blackbody radiation (3). Naturally, black body radiation has a color rendering of 100%, and an incandescent light bulb corresponds to this. In the present invention, color rendering is not a problem, so the color rendering is not described.
[0036]
The InGaN-LED of the GaN-based white light emitting element (A) described above generates blue (m point) of 460 nm in the chromaticity diagram of FIG. 3, and the Ce-doped YAG fluorescent agent absorbs blue light and has a peak at 568 nm. Some yellow (d point) is generated. Therefore, (A) a GaN-based white light emitting device (YAG + InGaN-LED) can generate a composite color corresponding to a point on the straight line md. The straight line md crosses the left end of the white area W. So white can be created. The white color of 7000K described above is a point of X = 0.31 and Y = 0.32 inside W. The reason why the color temperature becomes white is that the light emitted from the InGaN-LED is blue light, but the wavelength is short.
[0037]
Another (B) ZnSe-based white light-emitting element (ZnCdSe / ZnSe substrate) generates blue light having an active layer ZnCdSe of 485 nm, which corresponds to point j in the chromaticity diagram of FIG. The fluorescence of impurity (Al, In, Br, Cl, Ga, I) doped ZnSe generates yellow light fluorescence of about 585 nm. In FIG. 3, it corresponds to point c. When the 485 nm blue light (j point) from the active layer and the 585 nm yellow light (c point) from the ZnSe substrate are combined, an arbitrary color on the straight line jc can be created. Conveniently, this straight line jc crosses the white area W from left to right. This means that white of various color temperatures can be produced by changing the ZnSe thickness and impurity concentration.
[0038]
Here, white coordinates of color temperatures of 10,000K, 8000K, 7000K, 6000K, 5000K, 4000K, 3000K, and 2500K are indicated by dots. As such, the ZnSe white light emitting element has a gentle slope of the straight line jc and traverses the white region for a long time. Thanks to this, it is possible to create whites with various colors (color temperatures). In this respect, it is more convenient than the GaN-based white light-emitting element (A).
[0039]
[Problems to be solved by the invention]
[1. Advantages and disadvantages of ZnSe-based white light-emitting elements]
When the composition of the color of the ZnSe-based white light emitting element is viewed in the chromaticity diagram (FIG. 3), the blue light B (485 nm, j point) of the ZnCdSe-LED and the yellow light Y (585 nm, c point) of the ZnSe substrate are connected. The straight line jc substantially coincides with the locus of white light (10000K to 2500K). A white color having an arbitrary color temperature (10000 K to 2500 K) can be obtained simply by changing the ratio of the blue light B and the yellow light Y by changing the thickness of the ZnSe substrate or the impurity concentration. There are advantages such as a small and simple element structure and simple electrodes.
[0040]
However, ZnSe-based LEDs are liable to deteriorate and have a short lifetime. Since a large current flows for light emission, defects increase and deterioration progresses. When it deteriorates, the luminous efficiency decreases. Eventually it will stop emitting light. Being short-lived is a common problem for light-emitting elements on a ZnSe substrate.
[0041]
When the white light W is synthesized by mixing the blue light B and the yellow light Y, the necessary ratio of the blue light B and the yellow light Y is a problem. When blue light having a wavelength of around 445 nm with high energy is used, the required blue light ratio is the smallest. When blue light having a lower energy around 485 nm (j point) is used, about twice as much blue light is required as compared with 445 nm blue light (B: Y = 2: 1).
[0042]
Here, since blue light has lower visibility than yellow light, the smaller the ratio of blue light, the higher the light emission efficiency. Therefore, a ZnSe-based white light emitting element that requires more blue light is disadvantageous in terms of efficiency.
[0043]
[2. Advantages and disadvantages of GaN-based white light-emitting elements]
On the other hand, in (A) GaN-based (InGaN-LED + YAG) white light emitting element, blue has a high energy at 460 nm to 445 nm, and the required power ratio is B: Y = 1: 1. Half is enough. Therefore, it is advantageous in terms of efficiency. Since a GaN-based light emitting device has a long life, a white light emitting device using the light emitting device also has a long life. There are such advantages.
[0044]
However, there are disadvantages. As can be seen from FIG. 3, the YAG + InGaN-LED white light emitting element has a gradient such that the straight line md connecting the blue light m and the yellow light d is in contact with the white locus (10000K to 2500K) at 7000K. It is not possible to synthesize white with any color temperature. A white color with a color temperature lower than around 7000K (6000K, 5000K, 2500K, etc.) cannot be synthesized.
[0045]
In general, the color temperature of a white light bulb is a low color temperature around 3500K. The InGaN-based white light emitting element can only realize white having a color temperature different from that of the white light bulb. That is, it cannot be used as a white light emitting element for illumination. Although there is a possibility that it can be used for a liquid crystal backlight, there is a drawback that the color temperature is too high.
[0046]
Therefore, despite having excellent characteristics (lifetime and efficiency), the replacement of the white light bulb is not sufficiently advanced.
[0047]
It is a first object of the present invention to provide a small white light emitting device capable of producing white having a lower color temperature, specifically, a color temperature lower than 6000K. It is a second object of the present invention to provide a long-life white light emitting device. Unless it has a long life, incandescent bulbs and fluorescent lamps cannot be substituted.
[0048]
[Means for Solving the Problems]
1. The present invention proposes a white light emitting device in which ZnSSe bulk fluorescent plates are stacked on an InGaN-LED. Part of InGaN-LED light emission that emits blue light with a short wavelength is converted into yellow light by a bulk fluorescent plate made of ZnSSe crystal, and by mixing blue light B and yellow light Y, white W (W = B + Y) is obtained. Synthesize.
[0049]
2. The wavelength of blue light generated by the InGaN-LED is set to 410 nm to 460 nm. This is the shorter wavelength of blue light and corresponds to the light emission of the lower left part mn in the chromaticity diagram of FIG. Such a short wavelength blue light cannot be produced by a ZnSe system (ZnCdSe active layer: 485 nm; j point). Therefore, a GaN-based (InGaN active layer) LED is used. InGaN / Sapphire-LEDs are easy to use in terms of performance, lifetime, cost, and reliability. Therefore, the present invention is in common with the prior art (A) YAG + InGaN-LED described above in terms of LEDs. However, the fluorescent material is not YAG. Use new substances.
[0050]
3. The wavelength of yellow light is set to 570 nm to 580 nm. This is a novel idea of the present invention expressed by wavelength. Since the prior art (A) YAG + InGaN-LED described above uses Ce-doped YAG that generates fluorescence at 568 nm (d point), it can only synthesize white at 7000K. The point d is closer to yellowish green than yellow light. The present invention produces yellow light close to red having a longer wavelength. In the chromaticity diagram, a yellow color closer to red is generated in a range between 570 nm (point v) and 580 nm (point u). As a result, the blue light emits light in the range of the line segment nm, and the yellow light emits fluorescence in the range of the line segment uv. A straight line connecting the line segment nm and the line segment uv corresponds to light emission of the white light emitting element of the present invention. A straight line (one-dot chain line) connecting the line segment nm and the line segment uv enters the white region deeper than the line segment md corresponding to YAG. One of the ideas of the present invention is such that the yellow side of the straight line is slightly lowered.
[0051]
4). In order to lower the yellow light side slightly (shift to the red side), a new fluorescent material other than YAG is required. The present invention uses a ZnSSe crystal that is a mixed crystal of ZnSe and ZnS. High purity ZnSSe does not emit fluorescence. A dopant that becomes the emission center is required. The dopant is any one of Al, In, Ga, Cl, Br, and I. The fluorescent material used in the present invention contains 1 × 10 impurities (dopants) of at least one element of Al, In, Ga, Cl, Br, and I in the ZnSSe crystal. 17 cm -3 The above concentrations are included. If it is less than this, sufficient fluorescence will not be generated. The specific gravity of yellow light (uv) can be changed by changing the dopant concentration or changing the thickness of the fluorescent material. That is, the point indicating the color in the line segment (mn to uv) of blue light / yellow light on the chromaticity diagram can be moved up and down along the line segment. Since the line segment has entered deeper into the white region than in the conventional example (A; md) using YAG, white of various color temperatures can be synthesized. By increasing the thickness of the fluorescent material and increasing the dopant concentration, it is possible to increase the specific gravity of yellow light (uv) and produce a white color with a low color temperature.
[0052]
The use of Al, In, Ga, Cl, Br, or I as a dopant is the same as in the conventional example (B) in which a ZnSe substrate is used as a fluorescent plate. However, the present invention uses not ZnSe but ZnSSe as a fluorescent plate. Furthermore, the LED is InGaN instead of ZnCdSe.
[0053]
5. Since ZnSe has a narrow bandgap and ZnS has a wide bandgap, an intermediate bandgap can be produced according to the mixed crystal ratio x. In the fluorescent material of the present invention, the composition ratio of ZnS in the ZnSSe crystal is x, the composition ratio of ZnSe is (1-x), and x is 0.1 to 0.4. Correctly add ZnS and add ZnS x Se 1-x (0.1 ≦ x ≦ 0.4) may be written, but the mixed crystal ratio x is omitted for simplicity. If x = 0, ZnSe becomes a fluorescent plate, which is the same as the fluorescent plate of the conventional example (B). However, if it is a fluorescent plate, only the color of the line segment (kn to c) connecting blue kn and yellow c can be produced, and the white region W is shifted to the lower side. It is not possible to make white with a wide range of arbitrary color temperatures. Therefore, ZnSe (x = 0) is denied.
[0054]
However, if all of them are made of ZnS (x = 1), the fluorescence wavelength is too short, and only white having a high color temperature can be produced as in the conventional example (A) YAG + InGaN-LED. Therefore, the present invention sets the mixed crystal ratio to x = 0.1 to 0.4. The wavelength of fluorescence is not the band gap itself. The relationship will be described later.
[0055]
6). As described above, ZnSSe is used in a lump. This is an important device of the present invention. It must not be in powder form. Furthermore, it is desirable to make the average grain size of the ZnSSe crystal constituting the fluorescent plate larger than the thickness of the fluorescent plate. YAG of the conventional example (A) uses YAG (yttrium aluminum garnet) powder dispersed in a transparent resin as a fluorescent agent. In the first place, many fluorescent plates are obtained by dispersing fine powders of fluorescent materials in transparent glass or resin. If it is made into a lump instead of a powder, light does not enter the interior, so the internal fluorescent agent is useless. The fluorescent agent is made into a fine powder and dispersed in a transparent resin and glass so that light can be easily hit as much as possible and conversion efficiency is improved. This is because light passes through the transparent resin and light easily strikes the fluorescent powder, the concentration of the fluorescent substance can be easily adjusted, and it can be shaped (molded) into an arbitrary shape.
[0056]
However, it has been found that if the fine powder of ZnSSe polycrystal doped with the above impurities is dispersed in the resin, there is a disadvantage that YAG does not have. ZnSSe has water absorption. When powdered and dispersed in the resin, water enters the resin and the powder ZnSSe easily absorbs water and deteriorates. It cannot be used as a fluorescent agent unless such difficulties are overcome. Therefore, unlike conventional fluorescent agents, bulk polycrystalline or single crystal ZnSSe is used instead of powder. This is important in the present invention. If it is made agglomerated, the surface area is narrow, so it is difficult for water to enter and stays close to the surface. Deterioration due to water absorption is also limited to the vicinity of the surface. For that reason, lump ZnSSe is used.
[0057]
Even in the case of polycrystal, it is better that the particle size is large. It is not only that water can easily enter the grain boundaries. Light may be diffusely reflected and absorbed at the grain boundary, causing optical loss. Therefore, the larger grain boundary is better. It is more suitable that the average grain size of the polycrystal is larger than the thickness of the fluorescent plate. In this case, every grain retains a single crystal in the thickness direction, and the average particle diameter is defined in the plane direction of the fluorescent screen.
[0058]
7. More preferably, the ZnSSe phosphor plate is made of single crystal ZnSSe. It is better that there are no grain boundaries because polycrystalline grain boundaries cause optical loss. Speaking of an ideal one without grain boundaries, it is a single crystal. Therefore, an impurity-doped ZnSSe single crystal is optimal as the fluorescent plate of the present invention. Nevertheless, a ZnSSe single crystal cannot be made easily. It can be made by chemical transport, but it is time consuming and expensive. In terms of reducing costs, bulk polycrystalline ZnSSe would be used.
[0059]
8). An InGaN-based LED having an emission wavelength of 410 nm to 460 nm is used as the blue light emitting LED. This is because, as already described, in the chromaticity diagram, the blue light emission region is set to mn so that the line segment connecting the yellow light and the blue light crosses the white region W deeply. Thereby a white color temperature lower than 7000K is obtained.
[0060]
9. The composition ratio of ZnS in the ZnSSe crystal is x, the composition ratio of ZnSe is (1-x), and the emission wavelength of the blue light emitting LED is λ. LED Where λ LED ≧ 1239 / (2.65 + 1.63x−0.63x 2 ) Nm is desirable. ZnSe has a band gap of 2.7 eV and an absorption edge wavelength of 460 nm. The band gap of ZnS is. The absorption edge wavelength is 335 nm at 3.7 eV. The formula of the emission wavelength λLED is 2.65, and the band gap is 2.7. Mixed crystal ZnS x Se 1-x The band gap of Eg is approximately Eg = 2.7 + 1.63x−0.63x 2 Given by. When 1239 (= hc) is divided by the band gap, the absorption edge wavelength is expressed in nm. In other words, the above formula says that it is better to excite the fluorescent material with blue light (long wavelength) having energy lower than the band gap of the mixed crystal ZnSSe of the fluorescent material used in the present invention. It is a completely different story from mn to uv traversing the white region W on the chromaticity diagram. Although slightly complicated, this condition is a condition that the blue light of the InGaN-LED reaches the inside without being absorbed by the surface of the ZnSSe fluorescent material and is absorbed inside to generate fluorescence. A semiconductor immediately absorbs light having a higher energy (short wavelength) than the band gap. Even if it is said that it is a lump, the surface of the fluorescent material may be deteriorated due to water absorption. So I don't want to use the surface. The blue light reaches the inside and the dopant is excited inside to emit light. For this reason, blue light having energy lower than the band gap of ZnSSe which is difficult to be absorbed is used.
[0061]
10. A ZnSSe crystal that has been heat-treated in a Zn atmosphere is preferably used as the fluorescent plate. This is because heat treatment reduces defects and reduces scattering and non-fluorescence absorption.
[0062]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
In order to solve the above-described problem of generating white color having a color temperature lower than 7000 K, a part of blue light emitted from an LED near an emission wavelength of 445 nm (point between mn) is changed to a center wavelength of 575 nm (uv (Midpoint) It is sufficient that there is a fluorescent material that converts light in the vicinity.
[0063]
InGaN-LEDs that emit 445 nm exist and are commercially available. Fluorescent materials are a problem. A fluorescent material that emits a wavelength of 575 nm is required. The fluorescence of Ce-YAG in the conventional example (A) has a center wavelength of 568 nm (d point). It's too short. As described in the conventional example (B), the emission wavelength when a group 3 element or a
[0064]
Conventional fluorescent agents such as Ce-YAG cannot change the central wavelength of fluorescence because only the concentration of dopant such as Ce has parameters. When the Ce density is increased, the color coordinate only approaches the point d on the line segment md, and the point d itself cannot be moved. This is because Ce itself acts as an isolated color center in the YAG matrix.
[0065]
However, ZnS is a mixed crystal of ZnSe and ZnS. x Se 1-x In the crystal, in addition to the dopant (Al, In, Ga, Br, Cl, I), the mixed crystal ratio x exists as a parameter that can be freely selected. ZnSe with x = 0 is the band gap Eg ZnSe = 2.7 eV, x = 1 ZnS has a band gap of Eg ZnS = 3.7 eV. That is, it is about 1 eV larger. The band gap changes with x. It has been found that the fluorescence of ZnSSe appears to be due to donor-acceptor transition. By adding a Group 3 or
[0066]
Then, when the band gap Eg is changed, the fluorescence wavelength Λq due to the donor-acceptor transition can also be changed. The convenient point of ZnSSe is that the fluorescence center wavelength Λq depends on the band gap Eg. This is a passive fluorescence story, not a case where ZnSe is an active LED. Complex but not to be confused.
[0067]
Fluorescence center wavelength Λq of impurity-doped ZnSe ZnSe = 585 nm, and the desired fluorescence center wavelength is 580 nm to 570 nm (between u and v). The fluorescence wavelength when ZnS is used as the fluorescent material is around 470 nm. The ZnSSe band gap and fluorescence wavelength will vary continuously with x. If so, the desired fluorescence wavelength of 570 nm to 580 nm is a mixed crystal ZnS in which x is appropriately selected. x Se 1-x Is obtained from
[0068]
Therefore, the composition ratio x of ZnS is appropriately selected, and the ZnS x Se 1-x If a group 3 element or a
[0069]
Here, if the mixing density is low, sufficient light emission cannot be obtained. 1 × 10 17 cm -3 It is necessary to mix (doping) impurities (dopants) of a degree or more. If the concentration is higher than this and the concentration is increased, the specific gravity of yellow light can be increased, and if the concentration is decreased, the specific gravity of blue light can be increased. Such a thing is also possible by changing the thickness of the fluorescent material.
[0070]
However, there is a problem that ZnSe-based, ZnSSe-based, and ZnS-based fluorescent materials lack water resistance. It absorbs water and deteriorates over time. For this reason, a white light emitting element in which a ZnSSe-based material is combined with an InGaN-based LED as a fluorescent agent has not been put into practical use. Ordinary fluorescent agents such as YAG are used by dispersing powder in transparent resin and transparent glass. The fine powder ZnSSe immediately absorbs water and soon deteriorates and cannot be used. The problem of water absorption deterioration must be overcome.
[0071]
Although it is a water resistance problem here, it becomes a problem when the surface area of a fluorescent agent is relatively large. In order to increase the water resistance, it is effective to make the surface area as narrow as possible. The surface area of a sphere of radius r is 4πr 2 And the volume is 4πr. 3 / 3. The surface area / volume ratio is 3 / r. If the ratio is to be lowered, the radius r can be increased.
[0072]
For that purpose, a large lump single crystal or polycrystalline ZnSSe fluorescent plate may be used rather than powdered ZnSSe. A bulky fluorescent material is self-consistent and unfamiliar, but ZnSSe can be used as a fluorescent material if it is made bulky. By doing so, the ratio of the surface area to the fluorescent material volume becomes very small, so that the water resistance should be remarkably improved.
[0073]
Because it is usually a powder, it is written as “fluorescent agent”. In the present invention, lump-shaped ZnSSe that is not fine powder is used, so that it will be written as “fluorescent material” or “fluorescent plate”.
[0074]
However, if all of the blue light is absorbed in the vicinity of the fluorescent plate surface even if the above fluorescent plate is used, and only the surface of the fluorescent plate generates fluorescence without entering the fluorescent plate, As a result, the problem of water resistance becomes apparent. In addition, if the LED light is almost absorbed by the fluorescent plate surface, the internal fluorescent material is wasted and inefficient. In the first place, it was an idea to make all the fluorescent agents irradiate with light by dispersing the fluorescent agent in the form of powder with a normal phosphor. In the present invention, since it is a massive fluorescent plate, it is necessary to allow light to enter the interior without staying on the surface. That is where the situation differs from ordinary fluorescent agents. What should I do to put LED light into the interior?
[0075]
It is sufficient that ZnSSe is almost transparent to the blue light of the LED. A normal fluorescent agent is opaque and is not such a thing. However, in the present invention, a bulky fluorescent plate is used, so that a transparent one for LED light is used. How can we make it transparent? The inventor has realized that it is only necessary to use blue light having an energy smaller than the forbidden band width (band gap; Eg) of the ZnSSe crystal constituting the fluorescent plate.
[0076]
Fortunately, ZnS has a wide band gap and is higher than the energy of LED light emitted by InGaN-LEDs. The band gap of ZnSe is lower than the light energy of InGaN-LED. Light emission wavelength λ of InGaN blue light emitting device with appropriate mixed crystal ratio x LED ZnSSe having a band gap Eg equal to the energy corresponding to. If ZnSSe having a mixed crystal ratio x larger than the critical mixed crystal ratio is used as a fluorescent material, the band gap becomes wide and the LED light becomes transparent. The LED light should be able to penetrate into the fluorescent screen. The problem of making the massive fluorescent material transparent to LED light is thereby solved vividly.
[0077]
If it does so, the absorption coefficient of the fluorescent plate with respect to blue light will become small, blue light will approach into the inside of a fluorescent plate, and blue light will light-emit on the whole fluorescent plate. The influence of the deteriorated surface is reduced, and the internal fluorescent material can be used effectively.
[0078]
Conversely, the emission wavelength λ of the blue light LED LED May be longer (low energy) than the band gap of the ZnSSe mixed crystal phosphor.
[0079]
The ZnS composition in the ZnSSe crystal is x (ZnS x Se 1-x ) And its forbidden bandwidth is
[0080]
Eg ZnSSe = 2.7 + 1.63x-0.63x 2 (EV) (4)
[0081]
Given in. If the energy is expressed in eV and the wavelength in nm, they are inversely proportional and the proportionality constant is 1239, so the LED blue light wavelength λ LED And ZnS composition x as
[0082]
[Equation 3]
[0083]
Should be satisfied. This is an inequality that determines the wavelength range of the InGaN-LED assuming that the composition x of the fluorescent material is determined. When the mixed crystal ratio x is changed and the ZnSSe band gap Eg and the band gap wavelength λg are calculated according to (5), the result is as follows.
[0084]
[Table 1]
[0085]
In y Ga 1-y The emission wavelength of the N-LED can be changed by changing the mixed crystal ratio y of In. As described above, the preferable emission wavelength of InGaN is 410 nm to 460 nm, but InGaN can emit light of 480 nm beyond that. When the In ratio y is high, the emission wavelength shifts to the long wavelength side, and when the Ga ratio 1-y is high, the emission wavelength changes to the short wavelength side. The ZnS mixed crystal ratio corresponding to 410 nm is x = 0.252. For larger x, the bandgap wavelength λg is shorter than 410 nm. Therefore, in the range of 1>x> 0.252, the earliest equation (5) is the emission wavelength λ of the InGaN-LED. LED It is not a condition to limit Since the band gap wavelength is 410 nm or more in the range of 0 <x ≦ 0.252, the equation (5) is the emission wavelength λ of the InGaN-LED. LED It becomes the condition which limits.
[0086]
λ LED Is 410 nm to 460 nm, for example, when x = 0.1, 460 nm> λ LED > 441 nm, x = 0.2, 460 nm> λ LED > 420 nm. If x = 0, λ from equation (5) LED Although> 467 nm, it does not satisfy the condition of 460 nm or less. Therefore x = 0 is unsuitable. In the chromaticity diagram, x = 0 is unsuitable in that the fluorescence wavelength must be 570 nm to 580 nm (uv), but it is also unsuitable for independent conditions (LED light enters the inside of the phosphor plate). is there.
[0087]
Conversely, the wavelength λ of InGaN-LED LED The equation (5) can also be interpreted so that the ZnS mixed crystal ratio x of the phosphor plate is limited to that.
[0088]
The ZnS composition x of the fluorescent plate is not limited to this, and the fluorescence wavelength Λq must be in the range of 570 nm to 580 nm as described above, so that all such conditions should be satisfied. Although the fluorescence wavelength Λq of ZnSSe is determined by the band gap Eg, the relationship is not yet analytically clear. This will be explained later by the results of the experiment.
[0089]
The ZnSSe fluorescent plate is optimally single crystal. Single crystals have the advantage that there are no grain boundaries. In addition, there is an advantage that it is easy to process in producing a fine ZnSSe fluorescent plate. That is, by cleaving a plane-oriented (100) ZnSSe substrate having an appropriate thickness, a cubic ZnSSe phosphor plate having an arbitrary size can be easily formed. However, it is not necessarily a single crystal. Polycrystal may be used. Polycrystals cannot be divided by cleavage, but may be cut mechanically. Since the light absorption and light scattering at the polycrystalline grain boundary decrease the conversion efficiency, it is preferable that the polycrystalline grain boundary is large. If possible, it is desirable that the average grain boundary is larger than the thickness of the ZnSSe fluorescent plate.
[0090]
The surface on the blue light incident side of the ZnSSe fluorescent plate is preferably mirror-polished in order to increase the incident efficiency. This is because the rough surface causes irregular reflection. Other surfaces of the ZnSSe phosphor plate need not be mirror-polished, but may be mirror-polished according to processing needs. In addition, it is more preferable to form an antireflection film on the incident surface. The antireflection film is formed of a transparent dielectric film. Even a single layer is possible, but antireflection performance is improved by using a multilayer film.
[0091]
It is also useful to perform surface processing to increase the emission efficiency of yellow light generated in the ZnSSe fluorescent plate.
[0092]
Although it is the wavelength of blue light, it was explained that the vicinity of 445 nm is advantageous. However, it does not necessarily have to be 445 nm. Since there is a change in emission efficiency due to a difference in the emission wavelength of blue light of the LED and a change in conversion efficiency of the fluorescent screen, the really optimum wavelength changes depending on the technical trend of the blue light emitting LED.
[0093]
However, since a part of blue light is converted into yellow light using a ZnSSe fluorescent plate, the wavelength of blue light emission must be in the range of 410 nm to 480 nm in consideration of conversion. Obviously, the efficiency drops. Therefore, blue light having a wavelength in the range of 410 nm to 480 nm should be used. However, considering that the white color is produced by looking at the chromaticity diagram, the wavelength of the InGaN-LED blue light is preferably 410 nm to 460 nm.
[0094]
In order to achieve white using blue light in this range, the central wavelength of light emission of the ZnSSe phosphor plate should be 570 nm to 580 nm. This can be seen by looking at the chromaticity diagram.
[0095]
In order to show fluorescence having such a central wavelength, the composition ratio x of ZnS in the ZnSSe crystal may be set to 0.1 to 0.4. The reason will be described later.
[0096]
When an InGaN-based LED is used as a blue LED, the current technology has the highest light emission efficiency at a wavelength around 400 nm, and the light emission efficiency decreases at longer wavelengths. In terms of luminous efficiency, the wavelength of blue light is preferably shorter than 460 nm. Therefore, when an InGaN-LED is used as the blue light LED, the emission wavelength is 410 nm to 460 nm. Therefore, 460 nm to 480 nm in the blue light range described above is a portion that can emit fluorescence of 570 nm to 580 nm that produces white, but is omitted because the efficiency of the LED is lowered.
[0097]
The absorption coefficient for the blue light of the ZnSSe crystal can be adjusted by the temperature of the heat treatment in the Zn atmosphere. Blue light absorption is increased by the heat treatment. Therefore, the adjustment of the absorption coefficient is useful for converting an appropriate amount of blue light into yellow light for synthesizing white.
[0098]
【Example】
[Example 1 (change in fluorescence wavelength according to ZnS mixed crystal ratio x)]
In order to examine the ZnS composition ratio (x) dependence of ZnSSe phosphor plate emission, iodine was added to ZnSSe crystals of x = 0, 0.1, 0.2, 0.3, 0.4, 0.5, 0.6. It was produced by a chemical transport method using a transport medium. The ZnSSe substrate cut out from this crystal was heat-treated at a temperature of 1000 ° C. in a Zn atmosphere for 50 hours to produce a ZnSSe phosphor plate.
[0099]
The central wavelength (point on the chromaticity diagram) was estimated from the wavelength distribution of fluorescence emitted when the ZnSSe substrate was irradiated with light having a wavelength of 440 nm. The results are shown in Table 2.
[0100]
[Table 2]
[0101]
From the analysis of the chromaticity diagram, the condition is that the fluorescence is 570 nm to 580 nm. When the ZnS mixed crystal ratio exceeds 0.4, it becomes shorter than 570 nm. If it is 0.1 or less, it exceeds 580 nm. From this result, it was found that the optimum ZnS composition ratio x is 0.1 to 0.4. The central wavelength of fluorescence does not have a sharp peak like the emission wavelength of an LED. Because it is fluorescent, it becomes a gentle mountain and its central wavelength.
[0102]
[Example 2 (x = 0.4, λ LED = 420 nm, Λq = 570 nm)]
ZnS with ZnS composition x = 0.4 0.4 Se 0.6 A ZnSSe substrate having a thickness of 200 microns and a plane orientation (100) cut out from a single crystal was heat-treated at 1000 ° C. in a Zn atmosphere. The heat treatment was performed to adjust the absorption coefficient of blue light. This ZnSSe substrate was mirror-polished to a thickness of 100 microns. This ZnSSe substrate was scribed and broken to produce a ZnSSe phosphor plate having a 300-micron square and a thickness of 100 microns.
[0103]
A blue LED chip with an emission wavelength of 420 nm having an InGaN active layer using a sapphire substrate was prepared. As shown in FIG. 4, this LED chip was mounted in a flip chip type, and a ZnSSe fluorescent plate was attached to the upper side of the LED (upper side of the sapphire substrate) via a transparent resin. In FIG. 4, a large Γ-
[0104]
Normally, the electrode and the lead are connected by two wires as shown in FIG. 1, but here the
[0105]
One of the reasons for the white color at such a low color temperature while using an InGaN-LED is that the wavelength of the fluorescence is not 568 nm (Ce-YAG) but 569 nm (ZnS). 0.4 Se 0.6 That's why. Another reason is that the wavelength of the InGaN-LED is shortened to 420 nm.
[0106]
[Example 3 (x = 0.25, λ LED = 440 nm, Λq = 575 nm)]
A white light emitting device as shown in FIG. 4 was produced in the same manner except that the composition ratio x of ZnS in Example 2 was changed to 0.25, the emission wavelength of the blue LED was changed to 440 nm, and the others were the same. When the white light emitting element was energized to emit light, white having a color temperature of 3500 K could be obtained.
[0107]
【The invention's effect】
The present invention uses a ZnSSe bulk crystal phosphor that emits fluorescence having a central wavelength of 570 nm to 580 nm using an InGaN-LED emitting at 410 nm to 460 nm as a blue light source, and converts a part of blue light of the blue LED to yellow light by the phosphor plate. A white light-emitting element that generates white by conversion and synthesis with blue is provided. A white color having a lower color temperature than that of YAG / InGaN-LED can be produced. It is also possible to synthesize white having a color temperature lower than 5000K. Because it uses InGaN-LED, it is small and light, has little deterioration and has a long life. Color rendering is not good because of the combination of two colors. However, it generates white color with high brightness and low color temperature, so that it can be used for a liquid crystal backlight.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 shows a conventional shell (1) capable of generating a white color with a high color temperature by surrounding a blue light-emitting InGaN-LED with a transparent resin in which a Ce-doped YAG fluorescent agent is dispersed and combining the blue and YAG yellow of the LED. Sectional drawing which shows the structure of white LED (YAG / InGaN-LED) made into a type | mold.
FIG. 2 shows that a ZnCdSe epitaxial layer is formed on a ZnSe substrate containing any one of Al, Ga, In, Br, Cl, and I as a dopant, and the blue color from the ZnCdSe light emitting part excites impurities in the ZnSe substrate to cause yellowing. Sectional drawing which shows the structure of the white LED (ZnSe / ZnCdSe) concerning the prior art example (2) which produces | generates white by combining the blue of ZnCdSe and yellow of SA light emission.
FIG. 3 is a chromaticity diagram for explaining the principle of white of a white light emitting element that generates white by a combination of blue of LED and yellow of fluorescence.
FIG. 4 is a combination of an InGaN-LED that generates blue with a short wavelength and a ZnSSe phosphor plate containing any one of Al, Ga, In, Br, Cl, and I as a dopant, and excites the ZnSSe phosphor plate with the blue color of InGaN-LED. Sectional drawing which shows the structure of the white LED of this invention which can generate yellow and can generate white of color temperature below 5000K.
5 illustrates the principle of the present invention in which the blue light of an InGaN-LED excites a ZnSSe phosphor plate to generate yellow fluorescence and obtains white color by mixing blue light and yellow light. FIG. The expanded sectional view of the part of material.
[Explanation of symbols]
2 Γ type lead
3 recess
4 InGaN-LED
5 Resin with YAG fluorescent agent dispersed
6 electrodes
7 electrodes
8 wires
9 wire
10 Straight lead
20 Transparent resin
22 Impurity doped ZnSe substrate
24 Γ type lead
25 Γ type lead
26 recess
27 InGaN-LED
28 ZnSSe fluorescent plate
29 Transparent resin with diffusing agent dispersed
30 electrodes
32 electrodes
36 Mold resin
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