説明

ナノワイヤ蛍光体を採用した発光素子

ナノワイヤ蛍光体を採用した発光素子が開示される。この発光素子は、紫外線の波長範囲、青色光の波長範囲及び緑色光の波長範囲内で主ピークを有する第1波長の光を放射する発光ダイオードと、前記発光ダイオードから放射された前記第1波長の光の少なくとも一部を前記第1波長に比べて長い波長の第2波長の光に変換させるナノワイヤ蛍光体とを含む。ナノワイヤ蛍光体を採用することによって、発光素子の製造費用を節減することができ、非発光再結合に起因した光損失を減少させることができる。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、発光素子に関し、より詳細には、ナノワイヤ蛍光体を採用して波長変換による光損失を減少させることができる発光素子に関する。
【背景技術】
【0002】
紫外線または青色光を放射するガリウムナイトライド(GaN)系、特にアルミニウム−インジウム−ガリウムナイトライド(AlInGaN)系の発光ダイオードと、発光ダイオードから放射された光の一部を吸収し、変換された波長の光を放射する蛍光体とを含み、多色光、例えば白色光を具現する発光素子が特許文献1に開示されている。このような白色発光素子は、光源として単一波長の光源を使用するので、複数の異なる波長の光源を使う白色発光素子に比べて構造が非常に単純である。
【0003】
白色発光素子に使用される蛍光体の例として、セリウムイオン(Ce3+)を活性イオン(activator)として使うイットリウム−アルミニウム−ガーネット(YAG:Ce)、ユロピウムイオン(Eu2+)を活性イオンとして使うSrSiO:Euに代表されるオルソシリケイト(orthosilicate)、及びCaGa:Euなどのようなチオガレート(thiogallate)蛍光体が挙げられる。
【0004】
これらの蛍光体は、一般的に、固相反応法によって粉末形態で形成され、これらの蛍光体を合成するために非常に高い純度を有する原料及び厳格な化学定量が要求される。特に、YAG:Ceを合成するために1300℃以上の高温熱処理を必要とする。これは、蛍光体の費用を増加させ、その結果、白色発光素子の製造費用を増加させる。
【0005】
また、このような粉末蛍光体は、内部に多くのトラップ(trap)を有するので、非発光再結合(non−radiative recombination)が発生しやすい。このような非発光再結合は、光損失につながり、波長変換効率を大きく減少させる。
【0006】
【特許文献1】米国特許第6812500号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
本発明の目的は、高純度で且つ容易に形成することができる蛍光体を採用した発光素子を提供することにある。
また、本発明の他の目的は、非発光再結合に起因した光損失を減少させることができる蛍光体を採用した発光素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0008】
上記目的を達成するためになされた本発明による発光素子は、紫外線の波長範囲、青色光の波長範囲又は緑色光の波長範囲内で主ピークを有する第1波長の光を放射する発光ダイオードと、前記発光ダイオードから放射された前記第1波長の光の少なくとも一部を前記第1波長に比べて長い波長の第2波長の光に変換させるナノワイヤ蛍光体とを含む。
【0009】
ナノワイヤ蛍光体は、従来の粉末蛍光体に比べてトラップの数を減少させることができ、これにより、非発光再結合に起因した光損失が減少する。
ここで、「ナノワイヤ」(nanowire)とは、直径に比べて長さが相対的に長く、直径が1μm未満のナノスケールの構造体を意味する。
【0010】
前記ナノワイヤ蛍光体は、ZnOか、AgドーピングされたZnOか、Al,Ga,In及び/又はLiがドーピングされたZnOか、ZnO:Cu,Gaか、ZnS:Cu,Gaか、ZnS(1−x)Te(ここで、0<x<1)か、ZnSでキャッピングされたCdS:Mnか、ZnSeか、ZnSiO:Mnか、(Ba、Sr、Ca)SiO:Euか、あるいは一般式AlInGa(1−x−y)N(ここで、0≦x<1、0<y<1、0<x+y≦1)で表される窒化物ナノワイヤとであることが好ましい。
これらのナノワイヤ蛍光体の組成比を適宜選択することによって、前記第1波長の光を可視光線領域の第2波長に変換させることができる。
【0011】
一方、前記AlInGa(1−x−y)Nナノワイヤ蛍光体は、前記第2波長の光が少なくとも2つの主ピークを有するように、その長さ方向に沿って組成比が変わることができる。これにより、1つの種類のナノワイヤ蛍光体を使用して、前記第1波長の光以外に、2つ以上の多色光を具現することができる。
一方、これらのナノワイヤ蛍光体は、有機金属化学気相蒸着法(MOCVD)、有機金属水素化物気相成長法(MOHVPE)または分子線成長(MBE)法を用いて基板上に形成することができる。前記基板は、特に限定されず、例えば、シリコン(Si)基板であることができる。その後、前記基板から前記ナノワイヤ蛍光体が分離される。したがって、前記ナノワイヤ蛍光体を容易に製造することができるので、製造費用を減少させることができる。
【0012】
樹脂、例えばエポキシ又はシリコン(silicone)が前記発光ダイオードを覆うことができる。前記ナノワイヤ蛍光体は、前記樹脂内に分散されることができる。
一方、前記ナノワイヤ蛍光体は、コアナノワイヤと、前記コアナノワイヤを取り囲むナノシェルとを含むことができる。前記ナノシェルは、前記コアナノワイヤの表面で発生する非発光再結合を防止する。このために、前記ナノシェルは、前記コアナノワイヤに比べてバンドギャップが大きい物質で形成されることが好ましい。
【発明の効果】
【0013】
本発明によれば、ナノワイヤ蛍光体を採用することによって、製造工程が簡便なので、製造費用を節減することができ、非発光再結合に起因した光損失を減少させて発光素子の効率を増加させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0014】
以下、添付の図面を参照して本発明の実施形態を詳しく説明する。
下記の実施形態は、当業者に本発明の思想が充分に伝達され得るように例として提供されるものである。したがって、本発明は、後述する実施形態に限定されず、他の形態で具体化されることもできる。なお、図面において、構成要素の幅、長さ、厚さなどは、便宜のために誇張されて表現されることもできる。明細書全体にわたって同一の参照番号は同一の構成要素を示す。
【0015】
図1は、本発明の一実施形態に係る発光素子10を説明するための概略的な断面図である。
図1を参照すると、発光素子10は、発光ダイオード13と、ナノワイヤ蛍光体20とを含む。発光ダイオード13は、紫外線、青色光または緑色光を放射するAlInGa(1−x−y)N(ここで、0≦x、y、x+y≦1)系の発光ダイオードである。特に、発光ダイオード13は、420〜480nm範囲の青色光を放射する発光ダイオードであることができる。
【0016】
一般的に、発光ダイオード13は、外部電源に接続されるために2つの電極(図示せず)を具備する。電極は、発光ダイオード13の同一側面(side)または互いに反対側面上に位置することができる。電極は、接着剤を介してリード端子(図示せず)に電気的に接続させるか、又はボンディングワイヤ(図示せず)を介してリード端子に接続させることができる。
【0017】
発光ダイオード13は、反射カップ17内に配置されることができる。反射カップ17は、発光ダイオード3から放射された光を所要の視野角内に反射させて、一定の視野角内の輝度を増加させる。したがって、反射カップ17は、所要の視野角によって一定の傾斜面を有する。
【0018】
一方、ナノワイヤ(nanowire)蛍光体20は、発光ダイオード13の上部に位置し、発光ダイオード13から放射された光の一部をそれより相対的に長い波長の光に変換させる。この時、ナノワイヤ蛍光体20は、透明物質15内に分散されて位置することができる。透明物質15は、発光ダイオード13を覆い、大気中水分または外力のような外部環境から発光ダイオード13を保護する。透明物質15は、エポキシまたはシリコン(silicone)であることができ、図に示すのように反射カップ17内に位置することができる。
【0019】
発光ダイオード13が青色光を放射する場合、ナノワイヤ蛍光体20は、青色光によって励起され、黄色光を放射することができる。これとは異なって、青色光により励起されて緑色光を放射するナノワイヤ蛍光体と赤色光を放射するナノワイヤ蛍光体が一緒に発光ダイオード13の上部に位置することができる。
一方、ナノワイヤ蛍光体20が青色光によって励起され、緑色光及び赤色光を一緒に放射することもできる。これにより、発光ダイオード13から放射された青色光とナノワイヤ蛍光体20から放射された黄色光、または緑色光と赤色光が混合され、白色光が外部に放射される。
【0020】
一方、発光ダイオード13が紫外線を放射する場合、ナノワイヤ蛍光体20は、紫外線によって励起され、青色光及び黄色光、または青色光、緑色光及び黄色光を放射することができる。
その結果、発光ダイオード13から放射された光の一部を波長変換させるナノワイヤ蛍光体20を採用して多様な色の組み合わせよりなる多色光を具現することができる。
【0021】
図2は、本発明の一実施形態に係るナノワイヤ蛍光体20を示す斜視図である。
図2を参照すると、ナノワイヤ蛍光体20は、直径に比べて長さが相対的に長く、直径が1μm未満のナノスケールの構造体である。
【0022】
ナノワイヤ蛍光体20は、ZnOか、AgドーピングされたZnOか、Al,Ga,In及び/またはLiがドーピングされたZnOか、ZnO:Cu,Gaか、ZnS:Cu,Gaか、ZnS(1−x)Te(ここで、0<x<1)か、ZnSでキャッピングされたCdS:Mnか、ZnSeか、ZnSiO:Mnか、(Ba、Sr、Ca)SiO:Euか、あるいは一般式AlInGa(1−x−y)N(ここで、0≦x<1、0<y<1、0<x+y≦1)で表される窒化物ナノワイヤであることができる。
【0023】
ZnOは、通常、緑色と黄色領域にわたる広い帯域の光を放射し、AgドーピングされたZnOは、緑色と黄色とに分離された帯域の光を放射する。
また、Al,Ga,In及び/またはLiがドーピングされたZnOは、緑色と黄色の光放射を強化させる。一方、ZnO:Cu,Gaは、濃い緑色光を放射し、ZnS:Cu,Gaは、青色光を放射する。一方、ZnSでキャッピングされたCdS:Mnは、黄色光を放射する。
【0024】
ZnS(1−x)Teは、GaAsまたはSi基板上で分子線成長(molecular beam epitaxy;MBE)法を用いて成長させたものが知られており、xを変化させれば、可視光線の全ての波長領域から所望する波長の光を放射することができる。
ZnSiO:Mnは、α相とβ相を有し、α相は、緑色光を、β相は、黄色近くの光を放射する。さらに、(Ba、Sr、Ca)SiO:Euは、Ba、Sr及びCaの組成比を調節して可視光線領域の多様な色の光を放射することができる。
【0025】
一方、AlInGa(1−x−y)N(ここで、0≦x<1、0<y<1、0<x+y≦1)で表される窒化物ナノワイヤは、AlとInの組成比によって可視光線領域内の多様な色の光を放射することができる。
ナノワイヤ蛍光体20は、ロッド(rod)形状であるが、これに限定されるものではなく、長さ方向に沿って曲がった(curved)ワイヤ形状であってもよい。
【0026】
図3は、本発明の他の実施形態に係るナノワイヤ蛍光体30を示す断面図である。
図3を参照すると、ナノワイヤ蛍光体30は、コア(core)ナノワイヤ25と、コアナノワイヤ25を取り囲むナノシェル(nano shell)23とを含む。コアナノワイヤ25は、前述したナノワイヤ蛍光体20と同一の物質で形成することができる。
【0027】
一方、ナノシェル25は、コアナノワイヤ23に比べてバンドギャップが大きい物質で形成することが好ましい。これにより、コアナノワイヤ23の表面で発生する非発光再結合を防止し、光損失をさらに減少させる。
例えば、コアナノワイヤ25がAlInGa(1−x−y)N(ここで、0≦x<1、0<y<1、0<x+y≦1)の場合、ナノシェル23は、一般式AlInGa(1−x−y)N(ここで、0≦x≦1、0≦y<1、0≦x+y≦1)で表される窒化物であることができる。
【0028】
図4は、本発明の実施形態に係るナノワイヤ蛍光体20を製造する方法を説明するための断面図である。
図4を参照すると、ナノワイヤ蛍光体20は、基板11上に形成される。基板11は、ナノワイヤ蛍光体20と格子整合する必要がない。例えば、ナノワイヤ蛍光体20がAlInGa(1−x−y)Nで形成される場合、基板11は、サファイア基板またはSiC基板である必要がない。基板11は、特に制限されないので、安価なシリコン(Si)基板またはガラス基板であってもよい。
【0029】
ナノワイヤ蛍光体20は、有機金属化学気相蒸着(MOCVD)法、有機金属水素化物気相成長(MOHVPE)法または分子線成長(MBE)法を用いて形成することができる。
シリコン基板上にHVPE法を用いて形成したInGaNナノワイヤは、2003年9月26日公開された(published)本発明者の論文“InGaN nanorods grown on (111) silicon substrate by hydride vapor phase epitaxy”(Chemical Physics Letters 380 (2003)181−184)に開示されている。
【0030】
前記論文によれば、Ga及びIn金属とHClを反応させてGaとInの前駆体を合成し、前駆体をNHとともにシリコン基板(111)面の領域に運搬し、シリコン基板上にInGa1−xNナノワイヤを形成する。この時、基板温度510℃で平均直径及び平均長さがそれぞれ約50nm及び約10μmのナノワイヤが得られる。一方、In0.1Ga0.9Nの陰極線ルミネッセンス(cathodoluminescence;CL)スペクトルは、428nmで主ピークを有する。InGaNでInの含量が増加するほどバンドギャップが小くなるので、In含量を増加させれば、CLスペクトルは、長波長側に移動させることができる。
【0031】
GaとInの前駆体としては、トリメチルガリウム(TMG)及びトリメチルインジウム(TMI)を使用することができる。また、Alの前駆体、例えばトリメチルアルミニウム(TMA)をシリコン基板領域に運搬し、AlInGa(1−x−y)Nを形成することもできる。一方、Ga、In及びAl前駆体の流量を調節して、多様な組成比のAlInGa(1−x−y)Nを形成することができ、同一ワイヤ内でも長さによって組成比が異なる窒化物ナノワイヤを形成することができる。
【0032】
基板11上に形成されたナノワイヤ蛍光体20は、基板11から分離した後、発光素子(図1の10)の製造に使われる。
一方、基板11上にナノワイヤ蛍光体20を形成した後、ナノワイヤ蛍光体20を覆うナノシェル(図3の23)を形成することができる。これにより、基板11上に図3のナノワイヤ蛍光体30が形成され、ナノワイヤ蛍光体20は、コアナノワイヤ(図3の25)になる。
【0033】
ナノシェルもMOCVD法、MOHVPE法またはMBE法を用いて形成することができ、コアナノワイヤ25を形成した同一反応器内でインサイチュ(in−situ)で成長させることができる。
具体的には、コアナノワイヤ25を形成した後、反応器内の残留ガスを排出し、Ga及びNの前駆体をそれぞれ10〜200sccm及び100〜2000sccmの流量でさらに反応器内に供給する。反応器の温度は、400〜800℃であることができる。この時、Al前駆体及び/またはIn前駆体を一緒に供給することができる。これにより、コアナノワイヤ25を覆うAlInGa(1−x−y)N(ここで、0≦x≦1、0≦y<1及び0≦x+y≦1)のナノシェル23が形成される。
ナノシェルは、コアナノワイヤよりバンドギャップが大きい物質で形成される。例えば、コアナノワイヤがInGaNである場合、ナノシェルは、GaNであることができる。
【0034】
図5は、InGa(1−x)NコアナノワイヤとGaNナノシェルよりなるナノワイヤ蛍光体試料33、35、37、39のCLスペクトルを示すグラフである。ここで、InGaNのIn含量xを変化させて前記試料を準備した。すなわち、試料33のIn含量xは、0.22、試料35は、0.33、試料37は、0.40、試料39は、0.55であった。
【0035】
図5を参照すると、コアナノワイヤのIn含量が増加するほど、InGaNのバンドギャップが減少するので、CLスペクトルの波長が長波長側に移動する。一方、試料33は青色波長範囲で、試料35は緑色波長範囲で、試料37は黄色波長範囲で、試料39は赤色波長範囲で主ピークを有する。
その結果、コアナノワイヤのIn含量を調節することによって、可視光線の全領域にわたって光を放射するナノワイヤ蛍光体を提供することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【0036】
【図1】本発明の一実施形態に係る発光素子の概略的な断面図である。
【図2】本発明の一実施形態に係るナノワイヤ蛍光体の斜視図である。
【図3】本発明の他の実施形態に係るナノワイヤ蛍光体の断面図である。
【図4】本発明の実施形態に係るナノワイヤ蛍光体を製造する方法を説明するための斜視図である。
【図5】本発明の一実施形態に係るInGaNナノワイヤ蛍光体のIn含量による陰極線ルミネッセンスを示すグラフである。
【符号の説明】
【0037】
10 発光素子
11 基板
13 発光ダイオード
15 透明物質
17 反射カップ
20、30 ナノワイヤ蛍光体
23 ナノシェル
25 コアナノワイヤ


【特許請求の範囲】
【請求項1】
紫外線の波長範囲、青色光の波長範囲、及び緑色光の波長範囲から選択された少なくとも1つの波長範囲内で主ピークを有する第1波長の光を放射する発光ダイオードと、
前記発光ダイオードから放射された前記第1波長の光の少なくとも一部を前記第1波長に比べて長い波長の第2波長の光に変換させるナノワイヤ(nanowire)蛍光体とを有することを特徴とする発光素子。
【請求項2】
前記ナノワイヤ蛍光体は、ZnOと、AgがドーピングされたZnOと、Al,Ga,In及びLiから選択された少なくとも1つの元素がドーピングされたZnOと、ZnO:Cu,Gaと、ZnS:Cu,Gaと、ZnS(1−x)Te(ここで、0<x<1)と、ZnSでキャッピングされた(capped)CdS:Mnと、ZnSeと、ZnSiO:Mnと、(Ba、Sr、Ca)SiO:Euとよりなるナノワイヤの群から選択された少なくとも1つのナノワイヤであることを特徴とする請求項1に記載の発光素子。
【請求項3】
前記ナノワイヤ蛍光体は、一般式AlInGa(1−x−y)N(ここで、0≦x<1、0<y<1、0<x+y≦1)で表される窒化物ナノワイヤであることを特徴とする請求項1に記載の発光素子。
【請求項4】
前記AlInGa(1−x−y)Nナノワイヤ蛍光体は、前記第2波長の光が少なくとも2つの主ピークを有するように、その長さ方向に沿って組成比が変わることを特徴とする請求項3に記載の発光素子。
【請求項5】
前記発光ダイオードを覆う樹脂をさらに有し、前記ナノワイヤ蛍光体は、前記樹脂内に分散されることを特徴とする請求項1に記載の発光素子。
【請求項6】
前記ナノワイヤ蛍光体は、有機金属化学気相蒸着(MOCVD)法、有機金属水素化物気相成長(MOHVPE)法、または分子線成長(MBE)法を用いて基板上に形成した後、該基板から分離して作成されることを特徴とする請求項1に記載の発光素子。
【請求項7】
前記基板は、シリコン基板であることを特徴とする請求項5に記載の発光素子。
【請求項8】
前記ナノワイヤ蛍光体は、コア(core)ナノワイヤと、該コアナノワイヤを取り囲むナノシェル(nano shell)とを含むことを特徴とする請求項1に記載の発光素子。
【請求項9】
前記コアナノワイヤは、一般式AlInGa(1−x−y)N(ここで、0≦x<1、0<y<1、0<x+y≦1)で表される窒化物であり、
前記ナノシェルは、一般式AlInGa(1−x−y)N(ここで、0≦x≦1、0≦y<1、0≦x+y≦1)で表される窒化物であり、
前記ナノシェルを形成する窒化物は、前記コアナノワイヤを形成する窒化物よりもバンドギャップが大きいことを特徴とする請求項8に記載の発光素子。
【請求項10】
前記コアナノワイヤは、前記第2波長の光が少なくとも2つの主ピークを有するように、その長さ方向に沿って組成比が変わることを特徴とする請求項9に記載の発光素子。


【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【図5】
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【公表番号】特表2008−547235(P2008−547235A)
【公表日】平成20年12月25日(2008.12.25)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2008−519163(P2008−519163)
【出願日】平成18年6月5日(2006.6.5)
【国際出願番号】PCT/KR2006/002147
【国際公開番号】WO2007/007954
【国際公開日】平成19年1月18日(2007.1.18)
【出願人】(506029004)ソウル オプト デバイス カンパニー リミテッド (101)
【Fターム(参考)】