JP2006278458A - LIGHT EMITTING ELEMENT, ITS MANUFACTURING METHOD, AND LIGHTING DEVICE - Google Patents
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Abstract
【課題】 電気−光変換効率が極めて高いレーザ発振状態を利用しながらも単純で安価な構成を有していてかつレーザ光が外部に漏れない安全な発光素子を提供する。
【解決手段】 発光素子は、電流の注入によって誘導放出光を発生する活性層(104)と、互いに対向する一対の反射鏡(109、110)によって誘導放出光を閉じ込める光共振器を備え、一対の反射鏡のうちの少なくとも一方の反射鏡(109)において、誘導放出光を吸収して可視光を放出する蛍光体が含まれていることを特徴としている。
【選択図】 図1PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a safe light-emitting element having a simple and inexpensive configuration and utilizing a laser oscillation state with extremely high electro-optical conversion efficiency and preventing leakage of laser light to the outside.
A light emitting device includes an active layer (104) that generates stimulated emission light by current injection, and an optical resonator that confines stimulated emission light by a pair of reflecting mirrors (109, 110) facing each other. At least one of the reflecting mirrors (109) includes a phosphor that absorbs stimulated emission light and emits visible light.
[Selection] Figure 1
Description
本発明は、発光素子とその製造方法およびそれを利用した照明装置の改善に関する。 The present invention relates to a light emitting element, a method for manufacturing the same, and an improvement of a lighting device using the light emitting element.
近年では、白熱電球や蛍光灯のような従来からの照明装置に代って、半導体発光素子と蛍光体を用いた照明装置が開発されている。半導体発光デバイスの一例としてはIII−V族化合物半導体の発光層を含む発光ダイオードを挙げることができ、赤色から青色さらには白色で発光する素子が実用化されている。発光ダイオードを用いた照明装置は、小型かつ安価であって消費電力が少なくて寿命が長く、従来の照明装置にない特徴を有している。他方、発光ダイオードを用いた照明装置は、白熱電球や蛍光灯ほどの大きな光出力を有し得ないことから、現在のところでは主としてディスプレイのバックライト、イルミネーション、インジケータなどとして利用されるに留まっている。 In recent years, instead of conventional illumination devices such as incandescent bulbs and fluorescent lamps, illumination devices using semiconductor light emitting elements and phosphors have been developed. As an example of a semiconductor light emitting device, a light emitting diode including a light emitting layer of a III-V compound semiconductor can be cited, and an element that emits light from red to blue or white has been put into practical use. A lighting device using a light-emitting diode is small and inexpensive, has low power consumption, has a long lifetime, and has characteristics that are not found in conventional lighting devices. On the other hand, since lighting devices using light emitting diodes cannot have as large light output as incandescent bulbs and fluorescent lamps, they are currently mainly used as display backlights, illuminations, indicators, etc. Yes.
半導体発光デバイスとしては、III−V族化合物半導体による半導体レーザを用いた照明装置も考案されている。特許文献1の特開平7−282609号公報には、半導体レーザ素子と、その素子からのレーザ光を拡散させるレンズと、そこからの拡散レーザ光を励起光として可視光に変換する蛍光体とを備えた照明装置が開示されている。また、特許文献1には、赤、緑、および青の三色の半導体レーザの出力光を重ね合わせることによって白色照明を得る構成が開示されている。半導体レーザを光源に用いた場合、発光ダイオードと比較して電気−光変換効率が極めて高く、また大幅な高出力化が可能となることが期待される。
半導体レーザを用いた照明装置は電気−光変換効率が極めて高くて高出力化が可能であるという利点があるものの、発光ダイオードと比べて構成が複雑化する問題がある。半導体レーザの出力光は指向性が強くて一方向に高密度で放射されるので、特許文献1に開示されているような拡散レンズやコリメータレンズのように光の拡がりを調節するための光学系が必要となる。また、レンズ系を用いた場合でも、半導体レーザを高出力で動作させている時に見られる大きな自然放出光の成分はレンズに結合されず、レンズとの結合損失が大きくなったり、または迷光として外部に出てくるという問題も生じ得る。
Although an illumination device using a semiconductor laser has an advantage that the electro-optical conversion efficiency is extremely high and high output is possible, there is a problem that the configuration is complicated as compared with a light emitting diode. Since the output light of the semiconductor laser has high directivity and is radiated at a high density in one direction, an optical system for adjusting the spread of light like the diffusion lens and collimator lens disclosed in
さらに、本発明者の検討によれば、半導体レーザを蛍光体に対する励起光源とした場合、光源の光強度が非常に強いので、蛍光体で吸収され切らずにそのまま外部に出てくる場合があり、安全性に問題が生じ得ることがわかった。これを防ぐためには、レーザ光の散乱の程度を大きくすることまたは蛍光物質の密度を高めることが有効であるが、いずれの場合にも外部に取り出すことができる蛍光量が著しく低下する結果となる。また、励起光が外部に出てこないように散乱・蛍光体での吸収の程度を調節しても、環境温度の変化によってレーザの発振波長がシフトした場合には蛍光体の吸収線とレーザ発振波長とが一致しなくなり、その場合においてもレーザ光がそのまま外部に出てくることがある。 Further, according to the study of the present inventor, when a semiconductor laser is used as an excitation light source for a phosphor, the light intensity of the light source is very strong. It has been found that safety problems can arise. In order to prevent this, it is effective to increase the degree of scattering of the laser light or increase the density of the fluorescent material, but in any case, the amount of fluorescence that can be extracted to the outside is significantly reduced. . If the laser oscillation wavelength shifts due to changes in the ambient temperature even if the degree of absorption by the scattering / phosphor is adjusted so that excitation light does not come out, the absorption line of the phosphor and the laser oscillation In this case, the laser beam may come out as it is.
上述ような問題に鑑み、本発明の目的は、電気−光変換効率が極めて高いレーザ発振状態を利用しながらも単純で安価な構成を有していてかつレーザ光が外部に漏れない安全な発光素子を提供することである。そして、このような発光素子は、照明装置の光源として好ましく利用され得るものである。 In view of the above-described problems, an object of the present invention is to provide a safe light emission that has a simple and inexpensive configuration and does not leak laser light to the outside while utilizing a laser oscillation state with extremely high electro-optical conversion efficiency. It is to provide an element. And such a light emitting element can be preferably utilized as a light source of an illuminating device.
本発明による発光素子は、電流の注入によって誘導放出光を発生する活性層と、互いに対向する一対の反射鏡によって誘導放出光を閉じ込める光共振器を備え、一対の反射鏡のうちの少なくとも一方の反射鏡において、誘導放出光を吸収して可視光を放出する蛍光体が含まれていることを特徴としている。 A light emitting device according to the present invention includes an active layer that generates stimulated emission light by current injection, and an optical resonator that confines stimulated emission light by a pair of reflecting mirrors facing each other, and includes at least one of the pair of reflecting mirrors. The reflecting mirror includes a phosphor that absorbs stimulated emission light and emits visible light.
なお、光共振器はファブリペロー型であり得て、少なくとも前端面の反射鏡に蛍光体が含まれていることが好ましい。反射鏡は分布反射型であってもよく、少なくとも前端面の反射鏡は半導体と蛍光体含有物質との周期構造からなることが好ましい。 The optical resonator may be a Fabry-Perot type, and it is preferable that at least a reflecting mirror on the front end surface includes a phosphor. The reflecting mirror may be of a distributed reflection type, and at least the reflecting mirror on the front end face preferably has a periodic structure of a semiconductor and a phosphor-containing material.
また、活性層から発生する誘導放出光が蛍光体を含む反射鏡から外部に放出されないように、反射鏡の反射率および吸収が設定されていることが好ましい。活性層から発生する誘導放出光が後端面の反射鏡から外部に放出されないように、その反射鏡の反射率が設定されていることも好ましい。後端面の反射鏡は金属コーティングで形成され得る。その金属コーティングは、アルミニウムまたは銀で形成することができる。 Further, it is preferable that the reflectance and absorption of the reflecting mirror are set so that the stimulated emission light generated from the active layer is not emitted to the outside from the reflecting mirror including the phosphor. It is also preferable that the reflectance of the reflecting mirror is set so that the stimulated emission light generated from the active layer is not emitted to the outside from the reflecting mirror on the rear end face. The rear end reflector may be formed of a metal coating. The metal coating can be formed of aluminum or silver.
光共振器は垂直共振器であってもよく、その場合には、少なくとも上端面の反射鏡に蛍光体が含まれていることが好ましい。 The optical resonator may be a vertical resonator. In this case, it is preferable that a phosphor is included in at least the reflecting mirror on the upper end surface.
反射鏡は分布反射型であり得て、そのブラッグ波長が前記蛍光体の吸収線に実質的に一致させられていることが好ましい。 The reflecting mirror may be of a distributed reflection type, and the Bragg wavelength is preferably substantially matched to the absorption line of the phosphor.
活性層および光共振器内の構造はAlGaInN材料を含むダブルヘテロ構造で形成することができ、誘導放出光の波長は380nmから420nmの範囲内にあることが好ましい。蛍光体は、誘導放出光を吸収して白色の蛍光を発することが好ましい。 The structure in the active layer and the optical resonator can be formed of a double heterostructure including an AlGaInN material, and the wavelength of stimulated emission light is preferably in the range of 380 nm to 420 nm. The phosphor preferably absorbs stimulated emission light and emits white fluorescence.
発光素子はp型用とn型用のオーミック電極を備え、それらの電極は可視光を反射する金属材料からなることが好ましい。 The light-emitting element includes p-type and n-type ohmic electrodes, and these electrodes are preferably made of a metal material that reflects visible light.
発光素子は、アレイ状に並んだ複数の発光点を含むことができる。また、発光素子は、マトリックス状に配列された複数の発光点を含むこともできる。 The light emitting element can include a plurality of light emitting points arranged in an array. The light emitting element can also include a plurality of light emitting points arranged in a matrix.
本発明による発光素子の製造方法は、半導体のダブルヘテロ積層構造を形成する工程と、その積層構造の一部に周期的なスリット状の垂直エッチングを施す工程と、そのスリット部に蛍光体含有物質を充填する工程とを含むことを特徴としている。そのダブルヘテロ積層構造は、AlGaInN材料によって形成され得る。 A method for manufacturing a light emitting device according to the present invention includes a step of forming a semiconductor double hetero stacked structure, a step of periodically performing vertical slit-shaped etching on a part of the stacked structure, and a phosphor-containing substance in the slit portion. And a step of filling. The double hetero stacked structure can be formed of AlGaInN material.
上述のような発光素子を利用することによって好ましい照明装置を得ることができる。 A preferable lighting device can be obtained by using the light emitting element as described above.
以上のような本発明によれば、電気−光変換効率が極めて高くて高強度で可視光の蛍光を発する発光素子が得られる。また、本発明による発光素子は、蛍光体を励起する光を外部に漏さないので安全であり、小型かつ安価であってアライメントフリーで製造することができる。さらに、本発明による発光素子では、線状発光または面状発光を容易に得ることができる。そして、本発明による発光素子を利用することによって、電気−光変換効率が極めて高い照明装置を構成することができる。 According to the present invention as described above, it is possible to obtain a light-emitting element that emits visible light fluorescence with high intensity and extremely high electro-optical conversion efficiency. The light-emitting element according to the present invention is safe because it does not leak the light that excites the phosphor to the outside, and can be manufactured in a small and inexpensive manner without alignment. Furthermore, in the light emitting device according to the present invention, linear light emission or planar light emission can be easily obtained. And by using the light emitting element by this invention, the illuminating device with very high electro-optical conversion efficiency can be comprised.
(実施例1)
図1の模式的断面図において、本発明の実施例1による発光素子が図解されている。この発光素子100においては、n型GaN基板101上に、厚さ2μmのn型GaNバッファ層102、厚さ2μmのn型Al0.06Ga0.94N下クラッド層103、アンドープGaN/InGaN三重量子井戸活性層104、厚さ1μmのp型Al0.04Ga0.96N上クラッド層105、厚さ0.1μmのp型GaNコンタクト層106が順次積層されている。
Example 1
In the schematic cross-sectional view of FIG. 1, a light-emitting device according to Example 1 of the present invention is illustrated. In the
図1の断面図には表されていないが、発光素子100は電流狭窄構造を含んでおり、すなわち広いリッジ幅(10μm)を有するリッジ型導波路を含んでいる。そして、その共振器長は2mmにされ得る。共振器の前方端面には前端面用多層反射膜109が形成され、その後方端面には後端面用多層反射膜110が形成されている。さらに、p型GaNコンタクト層106上にp型用オーミック電極107が形成され、n型GaN基板101の下面上にn型用オーミック電極108が形成されている。
Although not shown in the cross-sectional view of FIG. 1, the
本実施例1の発光素子1の特徴は、劈開端面のコーティング膜にある。すなわち、前端面の反射膜109として極めて高い反射率の多層反射膜が施されており、それは厚さλ/4(λ:共振波長)の酸化シリコン(SiO2)膜と厚さλ/4の酸化チタン(TiO2)膜とのペアの15組を含んでいている。ここで、SiO2膜とTiO2膜の各々には、赤色(Y2O2S:Eu3+)、緑色(ZnS:Cu、Al)、および青色{(Sr、Ca、Ba、Mg)10(PO4)6Cl2:Eu2+}の蛍光を発する蛍光体が分散されている。後端面の反射膜110としては極めて高い反射率の反射鏡が設けられており、それは劈開面上に順次積層された厚さλ/4のSiO2膜とアルミニウム膜とを含んでいる。
The feature of the light-emitting
図1の発光素子は、ジャンクションアップにて銅製のヒートシンクにマウントされ、透明樹脂によるキャップが付いたパッケージに封入される。そして、この発光素子100に対して上下の電極107、108を通して電流を流せば、前端面の反射膜109内に分散された蛍光体から赤色、緑色、および青色の蛍光が発せられ、それらの蛍光が混合することによって白色発光111が得られる。
The light emitting device of FIG. 1 is mounted on a copper heat sink by junction-up and sealed in a package with a cap made of transparent resin. When current is passed through the upper and
図2の模式的グラフは、発光素子100における白色発光の強度(縦軸)と注入電流(横軸)との関係を示している。このグラフに示されているように、20mA以上の電流において急激に蛍光強度が強くなり、この電流値を閾値電流として強い白色蛍光が発せられる。
The schematic graph of FIG. 2 shows the relationship between the intensity of white light emission (vertical axis) and the injection current (horizontal axis) in the
発光素子100では、上下の電極107、108を通して注入された電流によって、多重量子井戸活性層104から波長405nmの発光が生じる。この波長405nmの発光は、両劈開端面により構成されたファブリペロー共振器内で誘導放出を伴いながら増幅され、レーザ発振状態に至る。両端面には極めて高い反射率の多層反射膜109、110が施されているので、レーザ光は外部にはほとんど放出されず、共振器内に閉じ込められた状態となる。他方、前端面の反射膜109には複数種の蛍光体が含有されており、レーザ発振状態となった共振器内の波長405nmの誘導放出光の一部はそれらの蛍光体で吸収される。そして、それらの蛍光体からの蛍光が混合されて、白色蛍光111として放射される。
In the
発光素子100では、レーザ発振状態となった波長405nmの光を蛍光体に対する励起光として利用しているので、発光ダイオードに比べて電気−光変換効率が極めて高い。また、レーザ発振状態となっているファブリペロー共振器内の励起光密度は極めて高く、蛍光体含有層109で吸収される以外にはほとんど損失を受けない。したがって、得られる白色蛍光111も、非常に高い効率でかつ非常に強い強度で発光する。
In the
また、励起光である波長405nmの光は、前後の端面間のファブリペロー共振器内に閉じ込められているので、ほとんど外部に漏れることはない。多層反射膜と言えども完全に100%の反射率を得るのは困難であるが、前端面の多層反射膜109には蛍光体が分散されており、波長405nmの誘導放出光の一部を吸収する。そして、この吸収の効果と多層膜による高い反射率の効果とによって、波長405nmの誘導放出光が前端面から外部に漏れることがないように設定されている。
Further, the light having a wavelength of 405 nm, which is excitation light, is confined in the Fabry-Perot resonator between the front and rear end faces, and therefore hardly leaks to the outside. Even if it is a multilayer reflective film, it is difficult to obtain 100% reflectivity completely, but phosphor is dispersed in the multilayer
さらに、レーザ発振機構と蛍光体部109とが一体となっているので、特許文献1におけるようなレーザ光を拡散させたり反射させる光学系が不要となり、発光素子100は小型かつ安価にアライメントフリーで製造することができる。
Furthermore, since the laser oscillation mechanism and the
なお、本実施例1における後端面の反射鏡110はアルミニウム膜を含む完全反射鏡にされているが、劈開端面上に直接にアルミニウム膜を設ければ上下の電極107、108が電気的にショートするので、劈開端面とアルミニウム膜との間に厚さλ/2のSiO2膜を設けて絶縁している。ここで、後端面の反射鏡110に用いる金属としては、青色光または紫外光に対して高い反射率を持つアルミニウムまたは銀などを用いるのが好ましい。また、後端面上の反射鏡として、前端面上におけると同様に、反射率を十分に高めた誘電体の多層構造を用いてもよいことは言うまでもない。
The rear
図1においては、前方のミラー部109に含まれる蛍光体からの蛍光111が外部へ放出される様子が示されているが、蛍光は外部のみならず素子内部へも放出され得る。そこで、上下の電極107、108および後端面の反射膜110において可視光を反射する金属材料を用いることによって、素子内部へ放出された蛍光を損失させないようにすることができる。また、発光素子100の側壁面についても、同様に可視光を反射する構成を取り得る。さらに、素子内部へ放出された蛍光を効率的に外部へ取り出すために、公知の各種構成を導入し得ることは言うまでもない。
Although FIG. 1 shows a state in which the
(実施例2)
図3の模式的断面図において、本発明の実施例2による発光素子が示されている。この発光素子200では、図1中の複数の層101から108に相当する複数の層201から208を含んでいる。
(Example 2)
In the schematic cross-sectional view of FIG. 3, a light-emitting device according to Example 2 of the present invention is shown. The
しかし、実施例1では前端面のミラーを劈開と多層膜コーティングによって形成しているのに対して、本実施例2では半導体211と蛍光体212とを交互に10周期にわたって配置することによって極めて高い反射率のDBR(distributed Bragg reflector)ミラー209を設けていることにおいて異なっている。蛍光体212としては、赤色(Y2O2S:Eu3+)、緑色(ZnS:Cu、Al)、および青色{(Sr、Ca、Ba、Mg)10(PO4)6Cl2:Eu2+}を用いることができ、これらの蛍光体は波長405nmの光を吸収して蛍光を発する。ただし、ここでいう蛍光体212はもちろん蛍光体そのものであってもよいが、蛍光体を含む樹脂もしくはガラスまたは誘電体であってもよい。
However, in the first embodiment, the front end mirror is formed by cleavage and multilayer coating, whereas in the second embodiment, the
なお、図3の断面図においても電流狭窄構造は表されていないが、本実施例2においても実施例1の場合と同様のリッジ構造を採用することができる。発光素子200の共振器長は、たとえば3mmにすることができる。図3の発光素子はジャンクションアップにて銅製のヒートシンクにマウントされ、透明樹脂によるキャップが付いたパッケージに封入される。そして、その発光素子200に対して上下電極207、208から電流を流せば、前端面から強い白色蛍光213が発せられる。
Although the current confinement structure is not shown in the cross-sectional view of FIG. 3, a ridge structure similar to that in the first embodiment can also be adopted in the second embodiment. The resonator length of the
この発光素子200が白色発光する原理は、実施例1の場合と同様である。すなわち、注入された電流によって多重量子井戸活性層204から波長405nmの誘導放出光が発せられ、そのレーザ発振状態において放出光の一部が前端面の反射膜209に含まれる蛍光体212に吸収されて白色蛍光213が発せられる。蛍光体212に対する励起光は光密度の高いレーザ発振状態となっており、その誘導放出光は反射膜209内の蛍光体212による吸収以外には損失を受けないので、高い電気−光変換効率と非常に強い白色蛍光が得られる。また、蛍光体に対する励起光となる波長405nmの光は素子外部に漏れることはなく、発光素子200は小型かつ安価にアライメントフリーで製造することができる。さらに、本実施例2では、前端面構造209として、互いに屈折率差が大きな半導体211と蛍光体212とのペア(後端面構造210は半導体/空気層のペア)を用いたDBRミラー構造を採用しているので、その反射率をほぼ100%とすることができる。
The principle that the
前端面部の半導体/蛍光体構造209は、図4の模式的断面図に示すような工程で作製され得る。すなわち、図4において、(a)ダブルヘテロ半導体積層構造201−206の形成、(b)Moの蒸着とフォトリソグラフィを用いたMoマスク214の形成、(c)半導体積層構造の選択的なドライエッチングによる複数のスリットの形成、そして(d)Moマスクの除去と前端面DBRの複数スリット内への蛍光体212の充填とが行われる。このような方法を用いることによって、前端面において高濃度に蛍光体が充填された端面反射鏡を簡便に製造することができる。この場合、劈開工程が必要でなくなり、発光素子200はモノリシックに形成することができる。
The semiconductor /
実施例1では誘電体の端面コーティング膜内に蛍光体を分散させるので蛍光体の密度をあまり高めることができないが、本実施例2ではドライエッチングにより形成されたスリット内へ高密度に蛍光体を充填することができ、より強い蛍光が得られる。また、端面をDBRミラーにした場合、そのブラッグ波長を蛍光体の吸収線に一致させることによって、誘導放出光を効率的に蛍光体に吸収させることができる。さらに、発光素子200の温度変化による誘導放出光の波長変化を小さいくすることができ、環境温度が変化した場合でも安定した白色蛍光が得られる。
In Example 1, since the phosphor is dispersed in the dielectric end face coating film, the density of the phosphor cannot be increased so much. In Example 2, however, the phosphor is densely inserted into the slit formed by dry etching. It can be filled and stronger fluorescence is obtained. Further, when the end face is a DBR mirror, the stimulated emission light can be efficiently absorbed by the phosphor by matching the Bragg wavelength with the absorption line of the phosphor. Furthermore, the wavelength change of the stimulated emission light due to the temperature change of the
なお、図3および図4の例では蛍光体212として青色、緑色、および赤色の各色で発光する複数種の蛍光体を混在させてスリット内に充填する場合について述べたが、図5の模式的断面図に示すように、赤色を発光する蛍光体215、緑色を発光する蛍光体216、および青色を発光する蛍光体217を互いに異なるスリット内へ分離して充填してもよいことは言うまでもない。この点は、他の実施例においても同様である。なお、図5においては各色蛍光体のために2つのスリットを用意して計6つのスリット内に蛍光体を埋め込んでいるが、蛍光体を埋め込むスリットの数は任意に設定することができる。また、各色の蛍光体の発光効率に合わせて、各色に対して設けるスリットの数の分配比を割り振ってもよい。
In the example of FIGS. 3 and 4, the case where a plurality of types of phosphors emitting blue, green, and red light are mixed and filled in the slit as the
さらに、本実施例2では後端面において半導体と空気との多層構造によるDBRミラー210を設ける例が説明されたが、実施例1の場合と同様にアルミニウムなどの金属膜による完全反射鏡を設けてもよいことは言うまでもない。
Further, in the second embodiment, an example in which the
(実施例3)
図6の模式的斜視図において、本発明の実施例3による発光素子が示されている。この発光素子300中の積層体301は図1中の複数の層101−108に相当する複数の層を含んでおり、すなわち半導体ダブルヘテロ構造を含んでいる。図6では、電流狭窄構造に関して、複数のリッジ部302および複数の電流狭窄層303が図示されている。それらの電流狭窄層303は、たとえばポリイミドによって簡便に形成することができる。
(Example 3)
In the schematic perspective view of FIG. 6, the light emitting element by Example 3 of this invention is shown. The stacked body 301 in the
本実施例3の発光素子300では、実施例2の場合に類似して、その前端面において半導体層と蛍光体層とが交互に並んだ構造による極めて高い反射率のDBRミラー304が設けられ、後端面には半導体層と空気層とが交互に並んだ構造による極めて高い反射率のDBRミラー305が設けられている。そして、図6に示されているように、5μmの幅a3を有するリッジの複数本(図6では6本)が5μmの間隔b3で配列されている。すなわち、発光素子300は、アレイ型の発光素子である。前端面のミラー部304において充填されている蛍光体は、実施例2の場合と同様であり得る。また、発光素子300の共振器長は、たとえば3mmにすることができる。図6の発光素子は、ジャンクションアップにて銅製のヒートシンクにマウントされ、透明樹脂によるキャップが付いたパッケージに封入される。その発光素子300に対して上下の電極から電流を流せば、前端面から極めて強い白色蛍光306が発せられる。
In the
この発光素子300が白色発光する原理は、実施例1および2の場合と同様である。他方、本実施例3では複数本のリッジをアレイ状に並べているので幅方向に広く線状に発光し、さらに大きな光量を得ることができる。なお、リッジの本数には制限はなく、その本数をさらに多くすることによって、より広い範囲で線状に発光させることも可能である。
The principle that the
なお、以上の実施例1−3において、発光素子の前端面のみにおいて蛍光体が分散または充填された例が示されたが、後端面にも蛍光体を配して両端面から蛍光が発せられてもよい。また、幅の広いリッジ型導波路を含む半導体レーザ構造の例が示されたが、半導体レーザ構造はリッジ型に限られず、埋込みヘテロ型、電極ストライプ型などの任意の構造にすることもできる。 In Examples 1-3 above, an example in which the phosphor is dispersed or filled only on the front end face of the light emitting element is shown. However, the phosphor is also arranged on the rear end face, and fluorescence is emitted from both end faces. May be. Further, although an example of a semiconductor laser structure including a wide ridge type waveguide has been shown, the semiconductor laser structure is not limited to the ridge type, and may be an arbitrary structure such as a buried hetero type or an electrode stripe type.
(実施例4)
図7の模式的断面図において、本発明の実施例4による発光素子が示されている。この図7は、発光素子400の内部の構造を説明するために、円柱状の半導体メサとその上のドーナツ状上部電極409との中心を通る断面を表している。発光素子400の層構造は、面発光型半導体レーザの設計ルールに基づいて設定されている。
Example 4
In the schematic cross-sectional view of FIG. 7, a light emitting device according to Example 4 of the present invention is shown. FIG. 7 shows a cross section passing through the centers of a cylindrical semiconductor mesa and a donut-shaped
すなわち、n型GaN基板401上に、n型AlN/GaNペアの28組による多層DBRミラー402、GaN光ガイド層403、GaN/InGaN多重量子井戸活性層404、およびGaN光ガイド層405のそれぞれが円形状で順次積層されている。GaN光ガイド層405上には、円形状のSiO2/TiO2多層DBRミラー406が形成されれ、その周囲にドーナツ状のp型GaNコンタクト層407が形成されている。そして、p型コンタクト層407上には、ドーナツ状のp型用電極409が形成されている。
That is, on the n-
このように形成されている円柱状の半導体メサとドーナツ状上部電極409の周囲は、ポリイミド埋込み層408によって埋め込まれている。他方、n型GaN基板410の底面上には、n型用電極410が形成されている。
The periphery of the columnar semiconductor mesa and the doughnut-shaped
ここで、誘電体膜による上下の多層DBRミラー406、402は、それらの反射率がほぼ100%となるように設定されている。そして、上方の多層DBRミラー406においては、各誘電体層中に蛍光体が分散させられている。本実施例4における蛍光体も他の実施例におけると同様の物質であり得て、波長405nmの光を吸収して蛍光を発する。
Here, the upper and lower multilayer DBR mirrors 406 and 402 made of a dielectric film are set so that the reflectance thereof is almost 100%. In the upper
図7の発光素子は、その裏面電極410が銅製のヒートシンクに接するようにマウントされ、透明樹脂によるキャップが付いたパッケージに封入される。その状態において、発光素子400に対して上下電極409、410から電流を流せば、素子の上部から強い白色蛍光411が得られる。
The light emitting element of FIG. 7 is mounted so that its
発光素子400が白色発光する原理は、上述の他の実施例の場合と同様である。なお、本実施例4では共振器を面発光型レーザと同様の垂直共振器としていることから、そのレーザをモノリシックに形成することができ、また蛍光が出始める閾値電流を極めて小さくすることができる。また、DBRミラーのブラッグ波長を蛍光体の吸収スペクトルに一致させることにより、誘導放出光を効率的に蛍光体に吸収させることができる。さらに、発光素子400の温度変化による誘導放出光の波長変化を小さくすることができるので、環境温度が変化した場合でも安定した白色蛍光が得られる。
The principle that the
なお、図7の発光素子は円柱状の半導体メサを含むものとして説明されたが、角柱状の半導体メサを含んでもよいことは言うまでもない。また、以上の実施例1−4では発光素子の層構造として最も単純な構造を例示しているが、たとえば活性層とp型クラッド層との間にキャリアブロック層を設けたり、クラッド層を多層構造にするなどの種々の変形が可能であることも言うまでもない。 7 has been described as including a cylindrical semiconductor mesa, it is needless to say that a prismatic semiconductor mesa may be included. Further, in Examples 1-4 described above, the simplest structure is exemplified as the layer structure of the light-emitting element. For example, a carrier block layer is provided between the active layer and the p-type cladding layer, or the cladding layer is formed in multiple layers. It goes without saying that various modifications such as a structure are possible.
(実施例5)
本発明の実施例5においては、図7の面発光型レーザと同様の垂直共振器を有する発光素子が10μm間隔で5個×5個のマトリックス状に並べられる。これによって、広い面積で白色発光する面発光型の光源を得ることができる。
(Example 5)
In Example 5 of the present invention, light emitting elements having vertical resonators similar to the surface emitting laser of FIG. 7 are arranged in a matrix of 5 × 5 at intervals of 10 μm. Thus, a surface-emitting light source that emits white light over a wide area can be obtained.
(実施例6)
本発明の実施例6においては、図1の発光素子が5mm間隔で縦25個×横25個のマトリックス状に並べられる。これによって、電気−光変換効率が極めて高い照明装置を構成することができる。本発明による発光素子は、白熱灯や蛍光灯に代わる照明装置のほか、イルミネーションやディスプレイのバックライトなどにも利用することができる。
(Example 6)
In Example 6 of the present invention, the light-emitting elements of FIG. 1 are arranged in a matrix of 25 × 25 × 25 mm intervals. As a result, it is possible to configure a lighting device with extremely high electrical-light conversion efficiency. The light-emitting element according to the present invention can be used for illumination, a backlight of a display, and the like in addition to an illumination device that replaces an incandescent lamp and a fluorescent lamp.
なお、本発明においては、蛍光体含有層に関して、各実施例に例示した蛍光体材料、および蛍光体を分散させている母材の材料に限られず、任意の材料に置き換えることが可能であることは言うまでもない。また、出力光となる蛍光は必ずしも白色である必要はなく、目的に応じて任意の蛍光体にて任意の色の蛍光を出力させてもよい。 In the present invention, the phosphor-containing layer is not limited to the phosphor material exemplified in each example and the base material in which the phosphor is dispersed, and can be replaced with any material. Needless to say. Further, the fluorescence that becomes the output light does not necessarily have to be white, and an arbitrary color of fluorescence may be output by an arbitrary phosphor according to the purpose.
上述の実施例では前端面の多層反射鏡のみまたは面発光型の上端面の多層反射鏡のみに蛍光体が含まれ、後端面または下端面の多層反射鏡には蛍光体が含まれていない場合が例示されたが、前後端面の両ミラーまたは上下端面の両ミラーに蛍光体が含まれていてもよいことは言うまでもない。 In the above-described embodiment, the phosphor is included only in the multilayer reflector on the front end surface or only the multilayer reflector on the upper surface of the surface emitting type, and the phosphor on the multilayer reflector on the rear end surface or the lower end surface is not included. However, it goes without saying that phosphors may be included in both the front and rear end mirrors or the upper and lower end mirrors.
また、励起光源として用いる半導体レーザの発振波長は必ずしも405nmでなくともよく、蛍光体の吸収線に合わせて調節すればよい。このレーザ発振波長は、蛍光体から発せられる蛍光波長よりも短波長の蛍光体吸収線に合わせればよいが、発光の効率および可視光への変換効率を考慮して検討した結果では、AlGaInN系材料による波長380nm〜420nmのレーザ発振状態を利用することが好ましい。 The oscillation wavelength of the semiconductor laser used as the excitation light source is not necessarily 405 nm and may be adjusted according to the absorption line of the phosphor. The laser oscillation wavelength may be adjusted to the phosphor absorption line having a shorter wavelength than the fluorescence wavelength emitted from the phosphor, but as a result of considering the light emission efficiency and the conversion efficiency to visible light, the AlGaInN-based material It is preferable to use a laser oscillation state with a wavelength of 380 nm to 420 nm.
なお、本発明の半導体レーザ素子において、各半導体層に使用される窒化物系化合物半導体混晶は、実施例に例示された以外のIII族元素(ボロンなど)やV族元素(砒素、燐、ピスマスなど)が適宜に混晶化されていてもよいし、不純物元素(Zn、Be、Mg、Te、S、Se、Siなど)が適宜に含まれていてもよい。また、発光素子の基板も実施例に例示されたものに限定されず、他の基板を用いても本発明の効果が得られる。たとえば、サファイア基板、炭化シリコン基板、シリコン基板、砒化ガリウム基板などの単結晶基板を用いることが可能である。これらの基板を結晶成長によって作製する場合、公知の任意の原料を用いた公知の任意の結晶成長方法にて作製することができることは言うまでもない。また、以上の実施例における活性層の量子井戸構造に関して、井戸層数、歪量、井戸層の厚さなどについて特に制限はない。たとえば、量子井戸構造に含まれるバリア層にも、圧縮または引っ張りの歪を導入してもよい。 In the semiconductor laser device of the present invention, the nitride compound semiconductor mixed crystal used in each semiconductor layer is a group III element (such as boron) or a group V element (arsenic, phosphorus, etc.) other than those exemplified in the examples. (Such as bismuth) may be mixed as appropriate, and impurity elements (Zn, Be, Mg, Te, S, Se, Si, etc.) may be included as appropriate. Further, the substrate of the light emitting element is not limited to those exemplified in the embodiments, and the effects of the present invention can be obtained even when other substrates are used. For example, a single crystal substrate such as a sapphire substrate, a silicon carbide substrate, a silicon substrate, or a gallium arsenide substrate can be used. Needless to say, when these substrates are produced by crystal growth, they can be produced by any known crystal growth method using any known raw material. In addition, regarding the quantum well structure of the active layer in the above embodiments, there are no particular limitations on the number of well layers, the amount of strain, the thickness of the well layer, and the like. For example, a compressive or tensile strain may be introduced into the barrier layer included in the quantum well structure.
以上のように、本発明によれば、電気−光変換効率が極めて高くて高強度で可視光の蛍光を放射する発光素子を提供することができる。そして、本発明の発光素子は、蛍光体を励起する光を外部に漏さないので安全であり、小型かつ安価であってアライメントフリーで製造することができる。また、本発明によれば、線状発光またはは面状発光し得る発光素子を容易に提供することができる。そして、本発明の発光素子を利用することによって、電気−光変換効率が極めて高い照明装置を提供することができる。 As described above, according to the present invention, it is possible to provide a light emitting element that emits visible light fluorescence with high intensity and extremely high electro-optical conversion efficiency. The light-emitting element of the present invention is safe because it does not leak the light that excites the phosphor to the outside, and can be manufactured in a small, inexpensive and alignment-free manner. In addition, according to the present invention, it is possible to easily provide a light emitting element capable of linear light emission or planar light emission. And by using the light emitting element of this invention, the illuminating device with very high electro-optical conversion efficiency can be provided.
100、200、300、400 発光素子、101、201、401 基板、102、202 n型バッファ層、103、203 n型下クラッド層、104、204、404 アンドープ多重量子井戸活性層、105、205 p型上クラッド層、106、206 p型コンタクト層、107、108、207、208、409、410 電極、109、209、304 前端面用多層反射構造、110、210、305 後端面用多層反射構造、111、213、306、411 白色蛍光、211 半導体層、212、215、216、217 蛍光体、214 エッチングマスク、301 半導体積層によるダブルヘテロ構造、302 リッジ部、303、408 電流狭窄部、402 下部多層反射鏡、403、405 光ガイド層、406 上部多層反射鏡、407 コンタクト層。 100, 200, 300, 400 Light emitting device, 101, 201, 401 Substrate, 102, 202 n-type buffer layer, 103, 203 n-type lower cladding layer, 104, 204, 404 Undoped multiple quantum well active layer, 105, 205 p Cladding layer on mold, 106, 206 p-type contact layer, 107, 108, 207, 208, 409, 410 electrode, 109, 209, 304 Multi-layer reflective structure for front end surface, 110, 210, 305 Multi-layer reflective structure for rear end surface, 111, 213, 306, 411 White fluorescent light, 211 Semiconductor layer, 212, 215, 216, 217 Phosphor, 214 Etching mask, 301 Double heterostructure with semiconductor stack, 302 Ridge part, 303, 408 Current constriction part, 402 Lower multilayer Reflector, 403, 405 Light guide layer, 406 Upper multilayer reflector, 407 contact layer.
Claims (17)
互いに対向する一対の反射鏡によって前記誘導放出光を閉じ込める光共振器を備え、
前記一対の反射鏡のうちの少なくとも一方の反射鏡において、誘導放出光を吸収して可視光を放出する蛍光体が含まれていることを特徴とする発光素子。 An active layer that generates stimulated emission light by current injection;
An optical resonator for confining the stimulated emission light by a pair of reflecting mirrors facing each other;
At least one of the pair of reflecting mirrors includes a phosphor that absorbs stimulated emission light and emits visible light.
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