JP2003347588A - White-light emitting device - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】[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。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a white light emitting device capable of generating white light having a single element structure and usable for illumination, display, liquid crystal backlight, and the like.
【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LE
D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L
EDによって作り出す事ができる。[0002] Numerous light emitting diodes (LEDs) and semiconductor lasers (LDs) have been manufactured and sold as small light emitting elements.
Red LEDs, yellow LEDs, green LEDs, blue LEDs, and the like are commercially available as high-brightness LEDs. Red LE
D is an LED having an active layer of AlGaAs, GaAsP or the like. Yellow and green LEDs with GaP as the light emitting layer
There is. Orange / yellow is L with AlGaInP as the light emitting layer
Can be created by ED.
【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、ZnS
e、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。Blue, which requires a wide band gap interband transition, has been the most difficult and difficult. SiC, ZnS
e, GaN-based ones were tried and competed, but it was found that GaN-based ones with high brightness and long life were overwhelmingly superior, and the win or loss was already attached. Since the active layer of InGaN-based LEDs is actually InGaN, InGaN-based LEDs and InGaN
-The substrate will be sapphire and the main body of the layer structure will be GaN, although it will be written as LED hereinafter. These LEDs and LD
Such a semiconductor light-emitting element uses a band gap transition to emit monochromatic light having a narrow spectrum width. As it is, a complex color cannot be created by a semiconductor device.
【0004】[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。BACKGROUND OF THE INVENTION Illumination light sources are useless with monochromatic light sources. A backlight for liquid crystal cannot be a monochromatic light source. Lighting requires a white light source. In particular, white having high color rendering properties is desirable. A backlight for liquid crystal also needs a white light source. Incandescent lamps and fluorescent lamps are still used exclusively as illumination light sources. Incandescent lamps are suitable for lighting because of their high color rendering properties, but have the disadvantages of poor efficiency and short life. A fluorescent lamp has a short life, requires a heavy object, and is a large and heavy device.
【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。[0005] The emergence of smaller, longer-life, higher-efficiency, and less expensive white light sources is awaited.
If it is light weight, small size, long life and high efficiency, it seems that it is only a semiconductor element.
【0006】事実、青色LED、緑色LED、赤色LE
D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。In fact, blue LED, green LED, red LE
Since D exists, white should be synthesized by combining these ternary colors of light. Blue, green, red 3
If the same type of LED is uniformly mounted on the panel and emits light simultaneously, it should be white. Such three color mixing LED
Seems to have already been proposed and partially implemented.
Although white can be produced by mixing three colors, it must not be seen as a separate single color, so that three kinds of LEDs must be distributed at high density.
【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。[0007] In addition, since the three types of LEDs have different current, voltage and light emission characteristics, a separate power supply is required, resulting in three power supplies. Difficult to align because of variations in brightness.
Although there is such a problem, above all, a large number of three types of LEDs are densely arranged in parallel, so that it becomes an expensive light source.
【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。[0008] Expensive light sources are not popular or useless. We would like to make a smaller white light emitting element at lower cost as a semiconductor device. There are two known techniques of a semiconductor light emitting device 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 to dope impurities into the ZnSe substrate of the ZnSe-LED to make it a phosphor and to excite the ZnSe phosphor by the blue color of the ZnSe-LED light-emitting part (ZnCdSe) (referred to as SA emission).
Then, yellow / orange is generated, and white is obtained by a combination of blue and yellow / orange. Briefly, the former is a GaN-based white light emitting device (A), and the latter is a ZnSe-based white light emitting device (B).
Let's call it. Each will be described.
【0009】(A)GaN系白色発光素子(YAG+I
nGaN‐LED;図1)
これはInGaN‐LEDを用いるもので、例えば、
「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。(A) GaN-based white light emitting device (YAG + I
nGaN-LED; FIG. 1) This uses an InGaN-LED. For example, “Optical Functional Materials Manual”, Optical Functional Materials Manual Editing Board, edited by Optoelectronics, p457,
It was described in June 1997. FIG. 1 shows the structure.
【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。A concave portion 3 is provided in a horizontal portion of the mold lead 2,
The InGaN-LED 4 is attached to the bottom of the recess 3. The concave portion 3 accommodates a resin 5 in which a Ce-added YAG fluorescent agent is dispersed. The YAG fluorescent agent has a property of absorbing blue light and generating yellow having lower energy. Such low-energy light that is emitted when a material absorbs high-energy light and is excited by electrons and the excited electrons return to the original level is called fluorescence. The material that emits it is called a fluorescent agent. It returns to the original level through various levels, so there is a spread of energy and the spectrum of fluorescence is wide. The loss of energy becomes heat.
【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。The electrodes 6 and 7 of the InGaN-LED 4 are connected to the lead 2 and the lead 10 by wires 8 and 9, respectively.
The upper portions of the leads 2 and 10 and the fluorescent resin 5 are covered with a transparent resin 20. Thereby, a bullet-type white light emitting element is manufactured. Since an InGaN-LED uses an insulating sapphire substrate, an n-electrode cannot be provided on the bottom surface, and an n-electrode and a p-electrode are formed at two places on the upper surface, and two wires are required.
【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。This involves surrounding the InGaN-based blue LED 4 with a resin layer 5 in which a YAG fluorescent agent is dispersed, and converting a part of the blue light B into yellow light Y by the fluorescent agent. And the yellow light Y, the white W
(= B + Y). White light can be produced with a single light emitting element. Here, a Ce-activated YAG fluorescent agent is used. 460 nm light is used as blue light B of the InGaN-LED. The center wavelength of the yellow light Y converted by YAG is about 570 nm. That is, YAG absorbs 460 nm blue light and converts it into yellow light having a broad peak at about 570 nm.
【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。[0013] Since the InGaN-LED light emitting device has high luminance and long life, this white light emitting device also has the 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系白色発光素子(ZnCd
Se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ZnC
dSe‐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、(B) ZnSe-based white light emitting device (ZnCd
Se emission, ZnSe substrate fluorescent agent; Fig. 2) This is ZnC instead of InGaN-LED as blue light source.
Use dSe-LED. Uses fluorescence but does not use a separate fluorescent agent. An excellent and clever element. Become the applicant,
【0015】 特願平10−316169号「白色L
ED」Japanese Patent Application No. 10-316169 “White L
ED "
【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ZnS
e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)。Has been proposed for the first time. 3 shows the structure of the LED shown in FIG. ZnS instead of GaN substrate
An e-substrate 22 is used. A light emitting layer composed of a ZnCdSe epitaxial layer is provided on the impurity-doped ZnSe substrate 22. ZnCdSe emits 485 nm blue.
Zn, Se, I, Al, In, Ga, Cl, Br
Is doped as a luminescent center. The impurity-doped ZnSe substrate 22 absorbs a part of blue and
Generates a broad yellow light centered at Blue light B and yellow light Y are combined to create white W (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。Actually, the ZnCdSe-LED of FIG. 2 is also attached to the lead and surrounded by a transparent resin to form a shell-type light emitting element like the element 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 epi-layer ZnCdSe emits blue light, and the ZnSe substrate emits yellow fluorescence. Together, they form white W.
【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。The substrate is essential because it is an LED. The substrate functions not only as a physical holding function of the light emitting layer but also as a fluorescent plate. That is, it has a sophisticated structure in which the substrate is effectively used twice. No separate fluorescent agent such as YAG is required. That is a great advantage.
【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、100
00K〜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。The light emission of impurity-doped ZnSe is referred to as SA.
Called self-activated. This uses blue light at 485 nm and yellow light at a center wavelength of 585 nm,
A white color having an arbitrary color temperature between 00K and 2500K is realized. When the thickness of the ZnSe substrate is reduced or the impurity concentration is reduced, the fluorescence becomes inferior and the blue light of the ZnCdSe light emitting layer becomes effective. A white color with a high color temperature is obtained. When the thickness of the ZnSe substrate is increased or the impurity concentration is increased, fluorescence is superior, so that white with a low color temperature can be obtained. With such a little contrivance, white with various color temperatures can be obtained.
【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L
ED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。As described above, there are three semiconductors having a wide band gap: ZnSe, SiC, and GaN. SiC
Is inefficient because of indirect transition and does not compete from the beginning. ZnSe, which can produce a single crystal substrate, was the primary one, but currently, InGaN blue light from GaN and InGaN thin films on a sapphire substrate has long life, high brightness, and low cost.
He has won as ED. InGaN / sapphire-LEDs can produce shorter wavelength (higher energy) blue light, have longer lifetimes and are brighter.
【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。Although ZnSe has a short life and low energy (long wavelength), it lags behind as a blue light LED. However, this white light emitting element B is economical because the substrate itself is a fluorescent plate, no special fluorescent agent is required, and economy is low. It may grow into a costly white light emitting device.
【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。(C) Chromaticity diagram (FIG. 3) The rule of synthesis of white W = blue B + yellow Y is difficult to understand strictly by itself. Let's explain with a chromaticity diagram. FIG. 3 is a chromaticity diagram. The chromaticity diagram is a two-dimensional graph expressing the stimulus values to the human eye for the three primary colors red, green, and blue for the visible light source or the object color.
Speaking of the light source, among the light source light, x is a stimulus value that human eyes perceive as red, y is a stimulus value that perceives as green, and z is a stimulus value that perceives blue. It is difficult to understand, but human vision is the standard, and the energy of light (Nhν; N is the number of photons, ν
Is not the frequency). Even with the same energy, green visibility is high, and blue visibility is low. Two-dimensional display is not possible if there are three variables. Moreover, since the color tone is considered, the total stimulus amount does not matter.
【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。Therefore, a two-dimensional coordinate space in which red and green are adopted and blue is omitted is assumed. X = x / (x
+ Y + z) and normalized green is given by Y = y / (x
+ Y + z). The chromaticity diagram shows the normalized red on the horizontal axis and the normalized green on the vertical axis. Naturally, X + Y <1 must be satisfied. Any color is represented by a point on its two-dimensional coordinates. The monochromatic (the spectrum becomes a δ function) is shown on a diagonal horseshoe-shaped curve (shown by a solid line; abcdefghijkmnpq). The limit a at the lower right of the horseshoe curve is the red limit. 620, 610
.. Represents the wavelength expressed in nm. 620
Although 530 nm (abcdef) is close to a straight line, since the blue component z is small, the portion becomes such a straight line as X + Y is close to 1.
【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。The curve falls from 520 nm (g) of green,
510, 505, 500,... (Hi), but this has a shape along the Y axis since there are almost no red components and strong blue and green components. It can be said that the decrease from 520 nm is the blue component. The x component slightly increases 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 blue go? It actually appears on the chromaticity diagram as a value obtained by multiplying the distance between the oblique line of X + Y = 1 and the coordinate point by 21/2 .
【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a
bcdefghijkmnpq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。The end n of the horseshoe curve is purple. The straight line npqa connecting purple and red is called a pure purple curve. Monochromatic is this curve a
bcdefghijkmnpq. However, the pure purple curve npqa is not necessarily monochromatic and is difficult to explain. This part is not yet mature in color theory and is not an issue here.
【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。All complex colors are inside this curve.
When colors are mixed intricately, they are represented by more interior points. The area surrounded by the broken line in the center is the white area W.
It is. The chromaticity diagram itself is originally only a device for displaying color components two-dimensionally, but since the linearity is maintained for blue, red and green from the above definition, a mixed tone of two or three colors There is an extremely convenient property that corresponds to the mixing operation on the chromaticity diagram.
【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。Here, the color temperature will be briefly described. White, reddish, yellowish,
It is bluish and various. As a method of expressing white, there is a method of expressing the coordinates by coordinate points on a chromaticity diagram. It lacks intuition, however. As described above, the expression by the color tone of reddish or bluish is easy to understand, but lacks quantitativeness. Although it varies from person to person, there is also an expression based on color temperature.
In the present invention, since white is represented by color temperature, its definition will be described.
【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Light having a frequency of ν has energy of hν.
Because photons are bosons
【0029】[0029]
【数1】 (Equation 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/2
πである。k空間において球対称なのでdkxdkyd
kz=4πk2dk=32π4ν3dν/c3であるか
ら、確率分布はThe Bose statistic is followed. We want to find the average value Em = <hν> of the photon energy per unit volume. There is one state for small volume dk x dk y dk z = 1 in wave number space. The frequency ν is ν = c / λ = ck / 2
π. Since spherical symmetry in k-space dk x dk y d
Since k z = 4πk 2 dk = 32π 4 ν 3 dν / c 3 , the probability distribution is
【0031】[0031]
【数2】 (Equation 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。It can be written as follows. That is the energy distribution of photons of blackbody radiation. When hv is multiplied and integrated, the distribution becomes blackbody radiation (such as an incandescent light bulb). The denominator absolute temperature T is the color temperature.
【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。νma
x/T=const1、νm/T=const2とな
る。平均値で言えばνm=const2×Tとなる。Assuming that the frequency showing the maximum distribution is νmax or the average frequency νm, they are proportional to T. νma
x / T = const1, and νm / T = const2. In terms of an average value, νm = const2 × T.
【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。If it is not blackbody radiation, the distribution is not equation (1). F (ν) in equation (1), where the spectrum is g (ν)
And calculate the average value of ν. The color temperature T can be calculated by dividing it by νm and dividing it by const2. The white color temperature of T means that the same average value as the energy distribution when the temperature of the distribution function is T by black body radiation is given. Therefore, it is possible to define and calculate the color temperature even in the white spectrum apart from blackbody radiation.
【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。Another parameter for evaluating white is color rendering. It shows the deviation from blackbody radiation (3). Black body radiation naturally has a color rendering property of 100%, such as an incandescent light bulb. In the present invention, the color rendering property is not considered so much, so the color rendering property will not be described.
【0036】先述の(A)GaN系白色発光素子のIn
GaN‐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7
000K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。The (A) GaN-based white light emitting device described above
In the chromaticity diagram of FIG. 3, the GaN-LED emits blue light (point m) at 460 nm, and the Ce-doped YAG fluorescent agent absorbs blue light and generates yellow light (point d) having a peak at 568 nm. Therefore, (A) GaN-based white light emitting device (YAG
+ InGaN-LED) can generate complex colors corresponding to points on the straight line md. The straight line md crosses the left end of the white area W. So you can create white. 7 mentioned above
000K white color means X = 0.31, Y inside W
= 0.32. The reason why the color temperature is considerably high is that the wavelength of the light emitted from the InGaN-LED is short even though it is blue light.
【0037】もう一つの(B)ZnSe系白色発光素子
(ZnCdSe/ZnSe基板)は活性層のZnCdS
e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。Another (B) ZnSe-based white light-emitting device (ZnCdSe / ZnSe substrate) is a ZnCdS active layer.
e generates 485 nm blue light and corresponds to point j in the chromaticity diagram of FIG. Impurities (Al, In, Br, Cl, Ga,
I) Fluorescence of doped ZnSe generates fluorescence of yellow light of about 585 nm. In FIG. 3, it corresponds to the point c. When 485 nm blue light (point j) from the active layer and 585 nm yellow light (point c) from the ZnSe substrate are combined, an arbitrary color on the straight line jc can be created. Advantageously, this line jc crosses the white area W from left to right. This means that white with various color temperatures can be produced by changing the ZnSe thickness and the impurity concentration.
【0038】ここで10000K、8000K、700
0K、6000K、5000K、4000K、3000
K、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。Here, 10,000K, 8000K, 700
0K, 6000K, 5000K, 4000K, 3000
K, the coordinates of white at a color temperature of 2500 K are indicated by dots. As described above, in the ZnSe-based white light emitting element, the slope of the straight line jc is gentle, and the ZnSe-based white light emitting element crosses the white region long. Thanks to this, it is possible to produce whites of various colors (color temperatures). In that respect, it is more convenient than the GaN-based white light emitting device (A).
【0039】[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。[Problems to be solved by the invention] [1. Advantages and Disadvantages of ZnSe-Based White Light-Emitting Element] The chromaticity diagram (FIG. 3) of the synthesis of the ZnSe-based white light-emitting element shows that the ZnCdSe-LED
A straight line jc connecting the blue light B (at 485 nm, j point) and the yellow light Y (at 585 nm, c point) of the ZnSe substrate almost coincides with the locus of white light (10000K to 2500K). By changing the ratio of the blue light B and the yellow light Y by changing the thickness of the ZnSe substrate or changing the impurity concentration, it is possible to obtain a white color having an arbitrary color temperature (10000K to 2500K). There are advantages such as a small and simple element structure and simple electrodes.
【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。However, the disadvantage of ZnSe-based LEDs is that they tend to deteriorate and have a short life. Since a large current flows for light emission, defects increase and deterioration proceeds. When it deteriorates, the luminous efficiency decreases. Eventually, it stops emitting light. It is short-lived, which is a common disadvantage of light emitting devices on a ZnSe substrate.
【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)。When the white light W is synthesized by mixing the blue light B and the yellow light Y, a necessary ratio between the blue light B and the yellow light Y is a problem. When blue light having a wavelength near 445 nm, which has high energy, is used, the necessary ratio of blue light is the smallest. When blue light having a lower energy near 485 nm (point j) is used, about twice as much blue light as 445 nm blue light is required (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。Here, the blue light has a lower luminous efficiency than the yellow light, so that the smaller the ratio of the blue light, the higher the luminous efficiency.
Therefore, a ZnSe-based white light emitting element that requires more blue light is disadvantageous in terms of efficiency.
【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〜44
5nm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。[2. Advantages and disadvantages of GaN-based white light emitting element] (A) GaN-based (InGaN-LED)
+ YAG) white light emitting element has a blue color of 460 nm to 44
The energy is high at 5 nm and the required power ratio is B: Y
= 1: 1, and the blue color needs only half the ZnSe-based color.
This is advantageous in terms of efficiency. Since a GaN-based light-emitting element has a long life, a white light-emitting element using it also has a long life. There are such advantages.
【0044】しかし反面、欠点もある。YAG+InG
aN‐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(1
0000K〜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。However, there are disadvantages. YAG + InG
The aN-LED white light emitting element, as can be seen from FIG.
A straight line md connecting the blue light m and the yellow light d is a white locus (1
(0000K-2500K), it has a gradient that makes contact at 7000K, so that white with an arbitrary color temperature cannot be synthesized. A white color having a color temperature lower than around 7000K (6000K, 5000K, 2500K, etc.) cannot be synthesized.
【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。Generally, the color temperature of a white light bulb is a low color temperature around 3500K. An InGaN-based white light-emitting element can only realize white having a color temperature different from that of a white light bulb. That is, it cannot be used as a white light emitting element for illumination. Although it can be used for a liquid crystal backlight, there is a disadvantage that the color temperature is too high.
【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。Therefore, despite having excellent characteristics (lifetime and efficiency), replacement of a white light bulb has not been sufficiently advanced.
【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。A lower color temperature, specifically 6000K
It is a first object of the present invention to provide a small white light emitting device capable of producing a white color having a lower color temperature. It is a second object of the present invention to provide a long-life white light emitting device. Without long life, incandescent bulbs and fluorescent lamps cannot be replaced.
【0048】[0048]
【課題を解決するための手段】1. 本発明は、InG
aN‐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。[Means for Solving the Problems] The present invention relates to InG
We propose a white light-emitting device in which ZnSSe bulk fluorescent plates are stacked on an aN-LED. A part of the InGaN-LED emission that emits blue light having a short wavelength is converted to yellow light by a bulk phosphor plate made of ZnSSe crystal, and white W (W = B + Y) is obtained by mixing blue light B and yellow light Y.
Are synthesized.
【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:485n
m;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。2. The wavelength of blue light generated by the InGaN-LED is set to 410 nm to 460 nm. This is a shorter wavelength even in blue light, and corresponds to light emission in the lower left portion of mn in the chromaticity diagram of FIG. Such short-wavelength blue light is a ZnSe-based (ZnCdSe active layer: 485n).
m; j point) cannot be made. Therefore, GaN-based (InGaN
(Active layer) LED is used. InGaN / Sapphire
LEDs are easy to use in terms of track record, lifetime, cost and reliability. Therefore, the present invention is common to the above-described prior art (A) YAG + InGaN-LED in terms of LED. However, the fluorescent material is not YAG. Use new substances.
【0050】3. 黄色光の波長を570nm〜580
nm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+I
nGaN‐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n
m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。3. The wavelength of yellow light is 570 nm to 580
nm. This expresses the novel concept of the present invention by wavelength. The aforementioned prior art (A) YAG + I
Since the nGaN-LED uses Ce-doped YAG that emits 568 nm (d point) fluorescence, it can synthesize only 7000K white. Point d is closer to yellow-green than yellow light. The present invention produces a longer wavelength near red light. In the chromaticity diagram, 570 nm (point v) and 580 nm (u
Produces a yellow that is closer to red in the range between (dots). In that case, the blue light emits light in the range of the line segment nm,
The yellow light emits fluorescence in the range of the line segment uv. Line segment n
The straight line connecting m and the line segment uv corresponds to the light emission of the white light emitting device of the present invention. A straight line (dashed-dotted line) connecting the line segment nm and the line segment uv enters a white region deeper than the line segment md corresponding to YAG. One of the ideas of the present invention is where the yellow side of the straight line is slightly lowered.
【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、I
n、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。4. In order to slightly lower the yellow light side (shift to the red side), a new fluorescent material other than YAG is required. The present invention relates to ZnSSe, which is a mixed crystal of ZnSe and ZnS.
Use crystals. High purity ZnSSe does not emit fluorescence.
A dopant that becomes an emission center is required. The dopant is any of Al, In, Ga, Cl, Br, and I.
The fluorescent material used in the present invention contains Al, I in ZnSSe crystal.
An impurity (dopant) of at least one element of n, Ga, Cl, Br, and I is contained at a concentration of 1 × 10 17 cm −3 or more. If it is less than this, fluorescence is not sufficiently generated. The specific gravity of yellow light (uv) can be changed by changing the dopant concentration or the thickness of the fluorescent material. In other words, a point indicating a color in the blue light / yellow light line segment (mn to uv) on the chromaticity diagram can be moved up and down along the line segment. Conventional example using YAG (A; md)
Since the stranded line penetrates deeply into the white region, white with various color temperatures can be synthesized. By increasing the thickness of the fluorescent material and the dopant concentration, the specific gravity of yellow light (uv) can be increased to produce white with a low color temperature.
【0052】ドーパントとしてAl、In、Ga、C
l、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。Al, In, Ga, C as dopants
The use of any one of l, Br, and I is the same as the conventional example (B) using a ZnSe substrate as a fluorescent plate. However, the present invention uses ZnSSe instead of ZnSe as the fluorescent plate. Further, the LED is InGaN instead of ZnCdSe.
【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ZnS
xSe1−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Z
nSe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。5. ZnSe has a narrow band gap,
Since ZnS has a wide band gap, depending on the mixed crystal ratio x
Band gaps in between can be made.
The phosphor material of the present invention is made of ZnS in ZnSSe crystal.
The composition ratio is x, the composition ratio of ZnSe is (1-x), and x is
0.1 to 0.4. To be exact, ZnS
xSe1-x(0.1 ≦ x ≦ 0.4)
However, the mixed crystal ratio x is omitted for simplicity. If x = 0, Z
nSe becomes a fluorescent plate, which is the same as the fluorescent plate of the conventional example (B).
You. However, if it is used as a fluorescent screen, blue kn and yellow c
Only the color of the line segment (kn-c) connecting
It shifts to the lower side of the color area W. Wide range of any color temperature
I can't make a good white. So ZnSe (x =
0) is negated.
【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。On the other hand, if the whole is made of ZnS (x = 1), the fluorescence wavelength is too short and the conventional example (A) YAG + InGaN
-Only white with a high color temperature can be produced, like the LED. Therefore, the present invention sets the mixed crystal ratio to x = 0.1 to 0.4. The wavelength of the fluorescence is not the band gap itself. The relationship will be described later.
【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ZnSS
e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 alum
inum 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。6. As described above, ZnSSe is used in a lump shape. This is an important device of the present invention. Should not be in powder form. Furthermore, ZnSS that constitutes the fluorescent screen
It is desirable that the average particle size of the e crystal be larger than the thickness of the phosphor screen. In the conventional example (A), YAG is YAG (yttrium aluminum).
Inum garnet) powder is dispersed in a transparent resin and used as a fluorescent agent. In the first place, a fluorescent plate is often a material in which fine powder of a material that emits fluorescent light is dispersed in transparent glass or resin. If it is made into a lump rather than a powder, the light does not enter the inside, so the internal fluorescent agent is useless. The fluorescent agent is made into a fine powder and dispersed in a transparent resin or glass so that the light can be easily irradiated and the conversion efficiency is improved as much as possible. This is because light passes through the transparent resin, the light easily hits the fluorescent powder, the concentration of the fluorescent substance can be easily adjusted, and it can be formed (formed) into an arbitrary shape.
【0056】しかし前記の不純物をドープしたZnSS
e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Z
nSSeを用いる。However, ZnSS doped with the above impurities
It has been found that dispersing fine powder of e-polycrystal in resin has disadvantages not found in YAG or the like. ZnSSe has water absorption. When the powder is dispersed in the resin, water enters the resin, and the powder ZnSSe easily absorbs water and is easily deteriorated. Unless such difficulties are overcome, they cannot be used as fluorescent agents.
Therefore, unlike conventional fluorescent agents, bulk polycrystalline or single crystal ZnSSe is used instead of powder. This is important in the present invention. When it is made into a lump, the surface area is small, so that water hardly enters and stays near the surface even if it enters. Deterioration due to water absorption is also limited to near the surface. That's why the mass Z
nSSe is used.
【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(grai
n)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。Even in the case of polycrystal, the larger the particle size, the better.
This is because water can easily enter the grain boundaries, but it is not the only one. Light may be irregularly reflected and absorbed at the grain boundaries, causing optical loss. Therefore, the larger the grain boundary, the better. It is more suitable that the average particle size of the polycrystal is equal to or larger than the thickness of the fluorescent plate. In this case,
n) also keeps a single crystal in the thickness direction, and the average particle size is defined in the plane direction of the phosphor plate.
【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(bo
undary)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。7. More preferably, the ZnSSe fluorescent plate is made of single-crystal ZnSSe. Polycrystalline grain boundaries (bo
Undary) causes optical loss, so it is better not to have grain boundaries. A single crystal is ideal if it has no grain boundaries. Therefore, an impurity-doped ZnSSe single crystal is optimal as the fluorescent plate of the present invention. Nevertheless, ZnSSe single crystals cannot be easily made. It can be made by chemical transport but is time consuming and expensive. In terms of cost reduction, massive polycrystalline ZnSSe will be used.
【0059】8. 青色光発光LEDとして発光波長4
10nm〜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700
0Kより低い色温度の白色を得る。8. Emission wavelength 4 as blue light emitting LED
An InGaN LED of 10 nm to 460 nm is used.
This is because, as already described, in the chromaticity diagram, the blue light emitting region is set to mn, and the line connecting the yellow light and the blue light crosses the white region W deeply. Thereby 700
A white color with a color temperature below 0K is obtained.
【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≧1
239/(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ZnS
xSe1−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InGa
N‐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Zn
SSe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。9. When 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 , λ LED ≧ 1
239 / (2.65 + 1.63x-0.63x 2) nm
It is desirable that The band gap of ZnSe is 2.
The absorption edge wavelength is 460 nm at 7 eV. The band gap of ZnS is. At 3.7 eV, the absorption edge wavelength is 335 nm. The equation for the emission wavelength λLED is 2.65, and the band gap is 2.7. Mixed ZnS
the band gap of x Se 1-x is approximately Eg = 2.7
+ Provided by 1.63x-0.63x 2. When 1239 (= hc) is divided by the band gap, the absorption edge wavelength is expressed in nm. In other words, the above equation says that it is better to excite the fluorescent material with blue light (of a longer wavelength) having an 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-uv traversing the white area W on the chromaticity diagram. Although slightly complicated, this condition
The condition is that the blue light of the N-LED is not absorbed by the surface of the ZnSSe fluorescent material but reaches the inside and is absorbed inside to generate fluorescence. Semiconductors readily absorb light with energy (short wavelength) higher than the band gap. Even if it is made into a lump, the surface of the fluorescent material may be deteriorated due to water absorption. So I don't want to use the surface. It is desired that blue light reaches the inside and excites the dopant therein to emit light. Therefore, Zn that is hardly absorbed
That is, blue light having energy lower than the band gap of SSe is used.
【0061】10. Zn雰囲気で熱処理を施したZn
SSe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。10. Zn heat treated in Zn atmosphere
It is preferable to use an SSe crystal as the fluorescent plate. This is because the heat treatment reduces defects and reduces scattering and non-fluorescence absorption.
【0062】[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。DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS In order to solve the above-mentioned problem of generating a white color having a color temperature lower than 7000K,
It suffices if there is a fluorescent material that converts a part of the blue light emitted from the LED near the light emission wavelength of 445 nm (the midpoint of mn) to light near the center wavelength of 575 nm (the midpoint of uv).
【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。InGaN-LEDs emitting 445 nm exist and are commercially available. The fluorescent material is the problem. A fluorescent material emitting a wavelength of 575 nm is required. The fluorescence of Ce-YAG of the conventional example (A) has a center wavelength of 568 nm.
(Point d). It is too short. As described in the conventional example (B), a group 3 element or a group 7 element (Al,
When In, Ga, Br, Cl, and I) are mixed, the emission wavelength is around 585 nm (point c). This is too long. I want fluorescence with a wavelength between u and v between points d and c.
【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。A common fluorescent agent such as Ce-YAG is Ce
Since there is only a parameter such as the dopant concentration, the center wavelength of the fluorescence cannot be changed. When the Ce concentration is increased, only the color coordinates on the line segment md approach the point d, and the point d itself cannot be moved. This is because Ce itself works as an isolated color center in the YAG matrix.
【0065】しかしZnSeとZnSの混晶であるZn
SxSe1−x結晶ではドーパント(Al、In、G
a、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。However, Zn which is a mixed crystal of ZnSe and ZnS
In the S x Se 1-x crystal, dopants (Al, In, G
In addition to a, Br, Cl, and I), the mixed crystal ratio x exists as a freely selectable parameter. ZnSe with x = 0 has a band gap of Eg ZnSe = 2.7 eV, and ZnS with x = 1 has a band gap of Eg ZnS = 3.7 eV. That is, it is larger by about 1 eV. The band gap changes depending on x. It has been found that the fluorescence of ZnSSe is likely due to the donor-acceptor transition. The addition of Group 3 and Group 7 dopants produces both relatively deep donors and acceptors. Fluorescence is emitted by the donor-acceptor transition. Therefore, the fluorescence center wavelength Δq is considerably longer than the band gap wavelength λg (= hc / Eg).
【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。Then, when the band gap Eg is changed, the wavelength Δq of the fluorescence due to the donor-acceptor transition can be changed. It is a convenient point of ZnSSe that the fluorescence center wavelength Δq depends on the band gap Eg. This is not a case of using ZnSe as an active LED in terms of passive fluorescence. It's complicated, but don't confuse them.
【0067】不純物ドープZnSeの蛍光中心波長Λq
ZnSe=585nmであり、所望の蛍光中心波長が5
80nm〜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〜5
80nm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。The fluorescence center wavelength Δq of impurity-doped ZnSe
ZnSe = 585 nm and the desired fluorescence center wavelength is 5
80 nm to 570 nm (between u and v), so 10 nm
It just needs to be as short as possible. The fluorescent wavelength when ZnS is used as the fluorescent material is around 470 nm. The ZnSSe band gap and fluorescence wavelength will change continuously with x. If so, the desired fluorescence wavelength is 570 nm to 5 nm.
80 nm should be obtained with a mixed crystal ZnS x Se 1-x where x is chosen appropriately.
【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。Therefore, if the composition ratio x of ZnS is appropriately selected and the group 3 element or group 7 element is mixed in the ZnS x Se 1-x crystal, it should be possible to obtain fluorescence at around 575 nm. Suitable values of x will be described later.
【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。Here, if the mixing density is low, sufficient light emission cannot be obtained. It is necessary to mix (dope) impurities (dopants) of about 1 × 10 17 cm −3 or more. If the density is higher than this, increasing the density can increase the specific gravity of yellow light, and decreasing the density can increase the specific gravity of blue light. Such a thing is also possible by changing the thickness of the fluorescent material.
【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Z
nSSe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。However, ZnSe, ZnSSe and ZnS
There is a problem that the fluorescent material of the system lacks water resistance. Absorbs water and degrades over time. Because of that, Z
A white light emitting device in which an nSSe-based material is used as a fluorescent agent in combination with an InGaN-based LED has not been put to practical use.
Ordinary fluorescent agents such as YAG are used by dispersing powder in transparent resin or transparent glass. The fine powder ZnSSe immediately absorbs water and immediately deteriorates and becomes unusable. The problem of water absorption degradation must be overcome.
【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。Here, the problem of water resistance becomes a problem when the surface area of the fluorescent agent is relatively large. In order to increase the water resistance, it is effective to reduce the surface area as much 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. To lower the ratio, the radius r should be increased.
【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。For this purpose, a bulky single crystal or polycrystalline ZnSSe is used rather than using powdery ZnSSe.
Fluorescent plate may be used. Lumped phosphors are self-contradictory and unfamiliar to hear, but ZnSSe could be used as a phosphor if lumped. Then, since the ratio of the surface area to the volume of the fluorescent material becomes very small, the water resistance should be remarkably improved.
【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。Usually, it is written as "fluorescent agent" because it is a powder. In the present invention, since a lump of ZnSSe which is not a fine powder is used, the term "fluorescent material" or "fluorescent plate" will be used.
【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?However, even if the above-described fluorescent plate is used, all of the blue light is absorbed in the vicinity of the fluorescent plate surface, and the blue light does not enter the fluorescent plate, and only the surface of the fluorescent plate emits fluorescence. In this case, the effect of the surface is strong, so that the problem of water resistance also becomes apparent. In addition, if the LED light is almost absorbed on the surface of the fluorescent plate, the internal fluorescent material is wasted and inefficient. In the first place, making a fluorescent agent into a powder with a normal fluorescent material and dispersing it in a resin was a device for allowing all the fluorescent agents to be exposed to light. In the present invention, since the fluorescent plate is formed as a block, it is necessary to allow the light to enter the inside instead of staying at the surface. That is where the situation is different from that of ordinary fluorescent agents. How do I get LED light inside?
【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L
ED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Zn
SSe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。It suffices that ZnSSe is almost transparent to the blue light of the LED. Normal fluorescent agents are opaque and this is not the case, but in the present invention, since a massive fluorescent plate is used, L
One that is transparent to ED light is used. So how do you make it transparent? The present inventor has considered that Zn constituting the fluorescent screen
It has been noticed that blue light having energy smaller than the forbidden band width (band gap; Eg) of the SSe crystal may be used.
【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ZnSS
e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。Fortunately, ZnS has a wide band gap and is higher than the energy of the LED light emitted from the InGaN-LED. The band gap of ZnSe is InGaN-
It is lower than the light energy of the LED. With an appropriate mixed crystal ratio x,
ZnSS having a band gap Eg equal to the energy corresponding to the emission wavelength λ LED of the InGaN blue light emitting device
e exists. If ZnSSe having a mixed crystal ratio x larger than the critical mixed crystal ratio is used as the fluorescent material, the band gap is widened and the LED is transparent to LED light. The LED light should be able to penetrate inside the phosphor screen. The task of making the bulk phosphor transparent to LED light is thereby vividly solved.
【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。Then, the absorption coefficient of the fluorescent plate for the blue light is reduced, and the blue light enters the inside of the fluorescent plate,
Blue light is emitted from the entire phosphor plate. The influence of the deteriorated surface is reduced, and the fluorescent material inside can be effectively used.
【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。On the contrary, the emission wavelength λ LED of the blue LED may be longer (the energy is lower) than the band gap of the ZnSSe mixed crystal phosphor.
【0079】ZnSSe結晶中のZnS組成をxとする
(ZnSxSe1−x)と、その禁制帯幅はIf the ZnS composition in the ZnSSe crystal is x (ZnS x Se 1-x ), the forbidden band width is
【0080】 EgZnSSe=2.7+1.63x−0.63x2(eV) (4)Eg ZnSSe = 2.7 + 1.63 × −0.63 × 2 (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λ
LEDとZnS組成xの関係として、Is given by When the energy is expressed in eV and the wavelength is expressed in nm, they are inversely proportional. Since the proportionality constant is 1239, the LED blue light wavelength λ
As the relationship between LED and ZnS composition x,
【0082】[0082]
【数3】 (Equation 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。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. The ZnSSe band gap Eg and band gap wavelength λg are calculated by (5) by changing the mixed crystal ratio x as follows.
【0084】[0084]
【表1】 [Table 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。I
n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λ
gは410nmよりも短くなる。だから1>x>0.2
52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。The emission wavelength of the In y Ga 1-y N-LED can be changed by changing the mixed crystal ratio y of In. As described above, the preferred emission wavelength of InGaN is 410 nm to 460 nm.
Can emit light of up to 480 nm. I
When the ratio y of n is high, the emission wavelength shifts to the longer wavelength side, and Ga
If the ratio 1-y of the above is high, the emission wavelength changes to the shorter wavelength side.
The ZnS mixed crystal ratio corresponding to 410 nm is x = 0.252. Band gap wavelength λ for larger x
g becomes shorter than 410 nm. So 1>x> 0.2
In the range of 52, equation (5) is no longer a condition for limiting the emission wavelength λ LED of the InGaN-LED. 0 <x ≦
In the range of 0.252, the band gap wavelength is 410 nm.
From the above, equation (5) is a condition for limiting the emission wavelength λ LED of the InGaN-LED.
【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>λ
LED>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。Since the λ LED has a wavelength of 410 nm to 460 nm, for example, when x = 0.1, 460 nm> λ LED
> 441 nm, and 460 nm> λ when x = 0.2
LED > 420 nm. In the case of x = 0, λ LED > 467 nm from equation (5), but does not satisfy the condition of 460 nm or less. Therefore, x = 0 is inappropriate. In the chromaticity diagram, the fluorescence wavelength is 570 nm to 580 nm.
Although x = 0 is unsuitable in that it must be (u to v), it is also unsuitable under an independent condition (the LED light enters the inside of the phosphor plate).
【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。On the contrary, the equation (5) can be interpreted as if the wavelength λ LED of the InGaN-LED was previously determined and the ZnS mixed crystal ratio x of the fluorescent plate was limited thereto.
【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。The ZnS composition x of the fluorescent plate is not limited to this, and as described above, the fluorescent wavelength Δq is 570 nm to 580 nm.
Should be determined so that all such conditions are satisfied. The fluorescence wavelength Δq of ZnSSe is determined by the band gap Eg, but the relationship is not yet analytically clear. This will be explained later based on the results of experiments.
【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。The ZnSSe fluorescent plate is most preferably a single crystal. Single crystals have the advantage that there are no grain boundaries. In addition to this, there is an advantage that processing is easy in producing a fine ZnSSe fluorescent plate. In other words, by cleaving a (100) ZnSSe substrate having an appropriate thickness and a plane orientation, a cubic ZnSSe having an arbitrary size is obtained.
A fluorescent plate can be easily created. However, it does not necessarily have to be a single crystal. It may be polycrystalline. In the case of polycrystal, it cannot be divided by cleavage, but may be cut mechanically. Since light absorption and light scattering at the polycrystalline grain boundaries reduce the conversion efficiency, it is preferable that the polycrystalline grain boundaries be large.
Preferably, the average grain boundary is larger than the thickness of the ZnSSe fluorescent plate.
【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。It is desirable that the surface of the ZnSSe phosphor plate on the side where blue light is incident be mirror-polished in order to increase the incidence efficiency. This is because a rough surface causes irregular reflection. ZnSSe
It is not always necessary to perform mirror polishing on the other surface of the phosphor plate, but mirror polishing may be performed as required for processing. In addition, it is considered more preferable to form an antireflection film on the incident surface. The antireflection film is formed of a transparent dielectric film. Although a single layer is possible, a multilayer film improves the antireflection performance.
【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。It is also useful to perform surface processing to enhance the emission efficiency of yellow light generated in the ZnSSe fluorescent plate.
【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。The wavelength of blue light has been described as being advantageous around 445 nm. However, it does not always have to be 445 nm. Since there is also a change in the luminous efficiency due to the difference in the emission wavelength of the blue light of the LED and a change in the conversion efficiency of the fluorescent plate, the really optimum wavelength changes according to the technical trend of the blue light emitting LED.
【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〜460
nmとするのがよい。However, since part of the blue light is converted to yellow light using the ZnSSe fluorescent plate, the wavelength of the blue light emission is 410 nm or more from the viewpoint of conversion.
Must be in the 480 nm range. Any deviations will obviously reduce efficiency. So 410nm ~
Blue light with a wavelength in the range of 480 nm should be used.
However, considering that a white color is formed by looking at the chromaticity diagram, the wavelength of the InGaN-LED blue light is 410 nm to 460.
nm.
【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57
0nm〜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。In order to realize white using blue light in this range, the center wavelength of light emitted from the ZnSSe phosphor plate is 57
It should be between 0 nm and 580 nm. This can be seen from the chromaticity diagram.
【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。In order to exhibit fluorescence having such a center wavelength, the ZnS composition ratio x in the ZnSSe crystal is set to 0.1 to 0.4.
What should I do? The grounds will be described later.
【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46
0nm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。When an InGaN-based LED is used as a blue LED, the current technology has the highest luminous efficiency at a wavelength near 400 nm, and the luminous efficiency decreases at longer wavelengths. From the viewpoint of luminous efficiency, the wavelength of blue light is 46
It is preferably shorter than 0 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 above-mentioned range of blue light can emit 570 nm to 580 nm fluorescent light for producing white light, but is omitted because the efficiency of the LED is reduced.
【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。The absorption coefficient of ZnSSe crystal for blue light can be adjusted by the temperature of the heat treatment in a Zn atmosphere. The heat treatment increases the absorption of blue light. Therefore, in order to convert an appropriate amount of blue light into yellow light to synthesize white, it is useful to adjust the absorption coefficient.
【0098】[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。EXAMPLES Example 1 (Change in Fluorescence Wavelength Due to ZnS Mixed Crystal Ratio x) ZnS Composition Ratio (x) of ZnSSe Phosphor Emission
To check for dependencies, x = 0, 0.1, 0.2, 0.
3, 0.4, 0.5, and 0.6 ZnSSe crystals were produced by a chemical transport method using iodine as a transport medium. A ZnSSe substrate cut out from the crystal was heat-treated at 1000 ° C. in a Zn atmosphere for 50 hours to produce a ZnSSe fluorescent plate.
【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。The center 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. Table 2 shows the results.
【0100】[0100]
【表2】 [Table 2]
【0101】色度図の分析から、蛍光は570nm〜5
80nm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。From the analysis of the chromaticity diagram, the fluorescence was 570 nm to 5 nm.
The condition is that it is 80 nm. ZnS mixed crystal ratio of 0.4
Exceeds 570 nm. If it is less than 0.1, it exceeds 580 nm. From this result, it was found that the ZnS composition ratio x was optimally 0.1 to 0.4. The center wavelength of the fluorescence does not have a sharp peak like the emission wavelength of the LED. Because it is fluorescent, it becomes a gentle mountain and its central wavelength.
【0102】[実施例2(x=0.4、λLED=42
0nm、Λq=570nm)]ZnS組成x=0.4の
ZnS0.4Se0.6単結晶から切り出した厚み20
0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Z
nSSe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。Example 2 (x = 0.4, λ LED = 42
0 nm, Δq = 570 nm)] A thickness 20 cut out of a ZnS 0.4 Se 0.6 single crystal having a ZnS composition x = 0.4
0 micron, ZnSSe substrate with plane orientation (100)
Heat treatment was performed at 1000 ° C. in an atmosphere. The heat treatment was performed to adjust the absorption coefficient of blue light. This ZnSSe substrate was mirror-polished on both sides to a thickness of 100 microns. This Z
The nSSe substrate was scribe-breaked to produce a 300 μm square, 100 μm thick ZnSSe phosphor plate.
【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。InGaN using a sapphire substrate
A blue LED chip having an active layer and an emission wavelength of 420 nm was prepared. As shown in FIG. 4, this LED chip was mounted in a flip-chip type, and a ZnSSe fluorescent plate was adhered to the upper side of the LED (the upper side of the sapphire substrate) via a transparent resin. In FIG. 4, a large {type lead 24, a small}
The mold leads 25 are combined. The leads are in a complicated combination, and the small lead 25 is inserted into the hole of the large lead 24. Γ type lead 24
Has an indentation 26 in which an InGaN-LED 27
Is implemented. Since the sapphire substrate is InGaN, the electrodes 30 and 32 are provided on the epitaxial growth surface.
【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。Normally, the electrode and the lead are connected by two wires as shown in FIG. 1, but here, the electrode 30 is connected to the large O
In addition, the electrode 32 is attached to the small lead 25 upside down. The leads 24, 25 penetrate each other but are not in contact. Since the InGaN-LED 27 is turned upside down, blue light is emitted upward from the sapphire substrate. A ZnSSe fluorescent plate 28 is mounted on a sapphire substrate. The depression 26 is filled with a transparent resin in which a diffusing agent (SiC powder) is dispersed. These were molded with a molding resin 36 to produce a shell-type light emitting device. When electricity is supplied to the LED, blue light is emitted from the InGaN-LED 27, which turns yellow on the fluorescent screen. It is spread by the transparent resin and spreads. As a result, a white color having a color temperature of 5000 K was obtained. FIG. 5 shows a state in which the yellow light Y is excited by the blue light B, and the blue light B and the yellow light Y are mixed and go outside to become white.
【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。One reason that such a low color temperature white can be obtained while using an InGaN-LED is that the fluorescence wavelength is not 568 nm (Ce-YAG) but 569 nm.
(ZnS 0.4 Se 0.6 ). Another reason is that the wavelength of the InGaN-LED is shortened to 420 nm.
【0106】[実施例3(x=0.25、λLED=4
40nm、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。Example 3 (x = 0.25, λ LED = 4
40 nm, Δq = 575 nm)] A white light-emitting device as shown in FIG. 4 was manufactured in the same manner as in Example 2 except that the composition ratio x of ZnS was changed to 0.25, the emission wavelength of the blue LED was changed to 440 nm, and the other conditions were the same. did. When the white light emitting element was energized to emit light, white light having a color temperature of 3500 K was obtained.
【0107】[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/I
nGaN‐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。According to the present invention, an InGaN-LED emitting at 410 nm to 460 nm is used as a blue light source,
ZnSSe that emits fluorescence with a center wavelength at ~ 580 nm
A white light-emitting device that emits white light by converting a part of blue light of a blue LED into yellow light by a fluorescent plate and combining with blue using a bulk crystal fluorescent plate is provided. YAG / I
A white color having a lower color temperature than an nGaN-LED can be created. White with a color temperature lower than 5000K can also be synthesized. Small size because of using InGaN-LED
Lightweight, with little deterioration and long life. Color rendering is not good because it is a combination of two colors. However, since it generates white light with high luminance and low color temperature, it can be used for a liquid crystal backlight or the like.
【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にかかる砲弾型にした白色LE
D(YAG/InGaN‐LED)の構造を示す断面
図。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a conventional example in which a transparent resin in which a Ce-doped YAG fluorescent material is dispersed surrounds a blue light-emitting InGaN-LED, and a white color with a high color temperature can be generated by a combination of blue of the LED and yellow of YAG. White LE
Sectional drawing which shows the structure of D (YAG / InGaN-LED).
【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にかかる白色L
ED(ZnSe/ZnCdSe)の構造を示す断面図。FIG. 2 shows that a ZnCdSe epitaxial layer is formed on a ZnSe substrate containing any of Al, Ga, In, Br, Cl, and I as a dopant, and an impurity of the ZnSe substrate is excited by blue from a ZnCdSe light emitting unit to emit yellow light. A white L according to a conventional example that generates white by combining the blue of ZnCdSe with the yellow of SA emission
FIG. 4 is a cross-sectional view illustrating a structure of an ED (ZnSe / ZnCdSe).
【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。FIG. 3 is a chromaticity diagram for explaining a white principle of a white light emitting element that generates white by a combination of blue of an LED and yellow of a fluorescent light.
【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、In
GaN‐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。FIG. 4 is an InGaN-LED that emits blue light having a short wavelength.
And a ZnSSe fluorescent plate containing any one of Al, Ga, In, Br, Cl, and I as a dopant.
FIG. 2 is a cross-sectional view showing a structure of a white LED of the present invention that can excite a ZnSSe fluorescent plate with blue light of a GaN-LED to generate yellow light and generate white light having a color temperature of 5000 K or less.
【図5】InGaN‐LEDの青色光によって、ZnS
Se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。FIG. 5 shows that the blue light of an InGaN-LED provides ZnS
FIG. 5 is an enlarged cross-sectional view of a part of the LED and the fluorescent material of FIG. 4 for explaining the principle of the present invention in which a Se fluorescent plate is excited to generate yellow fluorescent light and obtain white by mixing blue light and yellow light.
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 2Γ type lead 3 recess 4 InGaN-LED 5 Resin in which YAG fluorescent agent is dispersed 6 electrodes 7 electrodes 8 wires 9 wires 10 Straight lead 20 Transparent resin 22 Impurity-doped ZnSe substrate 24 mm lead 25mm 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
フロントページの続き Fターム(参考) 4H001 CA04 CA05 CF02 XA07 XA16 XA30 XA31 XA34 XA49 YA13 YA17 YA31 YA35 YA49 YA53 5F041 AA11 AA14 AA44 AA47 CA13 CA40 CA46 CB36 DA04 DA09 DA12 DA16 DA43 DA56 DB01 FF16 Continuation of front page F-term (reference) 4H001 CA04 CA05 CF02 XA07 XA16 XA30 XA31 XA34 XA49 YA13 YA17 YA31 YA35 YA49 YA53 5F041 AA11 AA14 AA44 AA47 CA13 CA40 CA46 CB36 DA04 DA09 DA12 DA16 DA43 DA56 DB01 FF16
Claims (6)
発光するInGaN系LEDと、Al、In、Ga、C
l、Br、Iのうち少なくとも1元素以上の不純物を1
×1017cm−3以上の濃度で含むZnSxSe
1−x結晶からなる塊状の蛍光板とを含み、InGaN
系LEDの青色発光の一部を塊状ZnSxSe1−x結
晶蛍光板によって波長570nm〜580nmの黄色光
に変換し、InGaN系LEDの410nm〜460n
mの青色光と蛍光板の570nm〜580nmの黄色光
を混ぜ合わせることによって白色を合成することを特徴
とする白色発光素子。1. An InGaN-based LED that emits blue light having a wavelength of 410 nm to 460 nm, and Al, In, Ga, C
impurities of at least one element of l, Br and I
ZnS x Se containing at a concentration of × 10 17 cm −3 or more
A lump-shaped fluorescent plate made of 1-x crystal;
A part of the blue light emission of the InGaN-based LED is converted to yellow light having a wavelength of 570 nm to 580 nm by the bulk ZnS x Se 1-x crystal phosphor plate, and the InGaN-based LED is 410 nm to 460 n.
A white light-emitting device, which combines white light by mixing blue light of m and yellow light of 570 nm to 580 nm of a fluorescent plate to synthesize white.
x、ZnSeの組成比を(1−x)とし、xを0.1〜
0.4にすることを特徴とする請求項1に記載の白色発
光素子。2. 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 2.
The white light emitting device according to claim 1, wherein the white light emitting device is set to 0.4.
粒径を蛍光板の厚みより大きくすることを特徴とする請
求項1または2に記載の白色発光素子。3. The white light emitting device according to claim 1, wherein the ZnSSe crystal constituting the phosphor plate has an average particle size larger than the thickness of the phosphor plate.
よって構成することを特徴とする請求項3に記載の白色
発光素子。4. The white light emitting device according to claim 3, wherein the ZnSSe fluorescent plate is made of single crystal ZnSSe.
x、ZnSeの組成比を(1−x)とし、青色発光LE
Dの発光波長をλLEDとしたときλLED≧1239
/(2.65+1.63x−0.63x2)nmとした
ことを特徴とする請求項1〜4の何れかに記載の白色発
光素子。5. A blue light emitting LE having a ZnS composition ratio of x and a ZnSe composition ratio of (1-x) in a ZnSSe crystal.
When the emission wavelength of D is λ LED , λ LED ≧ 1239
White light emitting device according to any one of claims 1 to 4, characterized in that a /(2.65+1.63x-0.63x 2) nm.
e結晶を蛍光板として使用することを特徴とする請求項
1〜5の何れかに記載の白色発光素子。6. A ZnSS heat-treated in a Zn atmosphere.
The white light emitting device according to any one of claims 1 to 5, wherein the e crystal is used as a fluorescent plate.
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