発光素子
【課題】量産時における色合いの制御が的確に行うことができ、出力、温度等が変化しても色合いの変化を抑制することができる発光素子を提供する。
【解決手段】単結晶基板１０１の上に少なくとも第１のｎ型半導体層１０３、活性層１０４、ｐ型半導体層１０６及び第２のｎ型半導体層１０９をこの順に有し、単結晶基板１０１は第１のドナー性不純物及び第１のアクセプタ性不純物が添加され活性層１０４から放出される光により励起されると蛍光を生じる第１蛍光領域を含み、第２のｎ型半導体層１０９は第２のドナー性不純物及び第２のアクセプタ性不純物が添加され活性層１０４から放出される光により励起されると蛍光を生じる第２蛍光領域を含んでいる。
【解決手段】単結晶基板１０１の上に少なくとも第１のｎ型半導体層１０３、活性層１０４、ｐ型半導体層１０６及び第２のｎ型半導体層１０９をこの順に有し、単結晶基板１０１は第１のドナー性不純物及び第１のアクセプタ性不純物が添加され活性層１０４から放出される光により励起されると蛍光を生じる第１蛍光領域を含み、第２のｎ型半導体層１０９は第２のドナー性不純物及び第２のアクセプタ性不純物が添加され活性層１０４から放出される光により励起されると蛍光を生じる第２蛍光領域を含んでいる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、表示分野、照明分野等への応用が期待されている半導体材料を用いた発光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
化合物半導体ｐｎ接合による発光素子として、発光ダイオードが広く実用化され、主に光伝送、表示や特殊照明用途に用いられている。近年、窒化物半導体と蛍光体を用いた白色発光ダイオードも実用化され、今後は一般照明用途への展開が大いに期待されている。しかし、特に白色発光ダイオードにおいては、エネルギー変換効率が既存の蛍光灯と比較して不十分であるため、一般照明用途に対しては大幅な効率改善が必要である。さらに、高い演色性、低コストかつ大光束の発光ダイオードを実現するためには、多くの課題が残されている。
【０００３】
現在市販されている白色発光ダイオードとして、図４に示すような構成が用いられている（例えば、特許文献１参照）。図４に示すように、この白色発光ダイオードは、青色ＬＥＤチップ３０１をリードフレーム３０２に実装し、例えばＹＡＧ：Ｃｅにより構成される黄色蛍光体層３０３を被せた後に、エポキシ樹脂等からなるモールドレンズ３０４で覆われることにより構成される。青色ＬＥＤチップ３０１からは青色光が放出され、黄色蛍光体層３０３を通り抜ける際にその一部が吸収され黄色光に変換される。青色と黄色は互いに補色の関係にあることから、両者が混じり合うと白色光となる。また、この構成をさらに発展させ、赤色蛍光体を含有させることで演色性を改善したものも実現されている。
【特許文献１】特開２００４−１１１８８２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、これらの白色発光ダイオードは、ＬＥＤチップと粉体である蛍光体の２種類の材料が用いられるため、製造には高精度の実装工程が不可欠となる。しかし、実装工程における蛍光体の塗布量、分散性等にばらつきが生じやすく、量産時の色合いの制御が困難であり、色合いに関する歩留まりが著しく低くなる。また、白色発光ダイオードの出力、周辺温度、チップ温度等が変化すると、ＬＥＤチップと蛍光体の温度特性が異なることから、互いの発光強度比に変化が生じ、色合いが大きく変化することも大きな問題となっている。
【０００５】
本発明は、前記事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、量産時における色合いの制御が的確に行うことができ、出力、温度等が変化しても色合いの変化を抑制することのできる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】
【０００６】
前記目的を達成するため、本発明では、
単結晶基板の上に、少なくとも第１のｎ型半導体層、活性層、ｐ型半導体層及び第２のｎ型半導体層を前記単結晶基板側からこの順で有し、
前記単結晶基板は、第１のドナー性不純物及び第１のアクセプタ性不純物が添加され前記活性層から放出される光により励起されると蛍光を生じる第１蛍光領域を含み、
前記第２のｎ型半導体層は、第２のドナー性不純物及び第２のアクセプタ性不純物が添加され前記活性層から放出される光により励起されると蛍光を生じる第２蛍光領域を含む発光素子が提供される。
【０００７】
この発光素子によれば、第１のｎ型半導体層、活性層及びｐ型半導体層から構成される半導体ダブルヘテロ構造を用いている。そして、ｐ型半導体層の上に第２のドナー性不純物及び第２のアクセプタ性不純物が添加された第２のｎ型半導体が配置され、第２のｎ型半導体では、活性層で生じた光の一部をドナーアクセプタ対遷移により他の波長の光に変換させる。また、半導体ダブルヘテロ構造を成長させる単結晶基板に第１のドナー性不純物及び第１のアクセプタ性不純物が添加され、単結晶基板では、活性層で生じた光の一部をドナーアクセプタ対遷移により他の波長の光に変換させる。すなわち、第２のｎ型半導体及び単結晶基板は、従来の蛍光体としての役割を持ち、従来のように発光素子と別個に蛍光体を実装することなく、発光素子単独で白色光を作ることが可能となる。また、半導体材料によって全ての可視光が生成され、各半導体材料は蛍光体と比べれば温度特性が類似していることから、出力、温度等が変化しても色合いの変化が抑制される。
【０００８】
また、上記発光素子において、
前記第２のｎ型半導体層における前記第２のドナー性不純物のイオン化エネルギーが１００ｍｅＶ以下であり、
前記第２のｎ型半導体層における前記第２のアクセプタ性不純物のイオン化エネルギーが２００ｍｅＶ以上であり、
前記第２のドナー性不純物の濃度が前記第２のアクセプタ性不純物の濃度よりも高いことが好ましい。
【０００９】
また、上記発光素子において、
前記活性層から放出される光のピーク波長が３７０ｎｍから４２０ｎｍの範囲にあり、
前記単結晶基板の前記第１蛍光領域にて生じる蛍光のピーク波長が、５５０ｎｍから６５０ｎｍの範囲にあり、
前記第２のｎ型半導体層の前記第２蛍光領域にて生じる蛍光のピーク波長が、４５０ｎｍから５５０ｎｍの範囲にあることが好ましい。
【００１０】
また、前記目的を達成するため、本発明では、
単結晶基板の上に、少なくとも第１のｎ型半導体層、活性層、ｐ型半導体層及び第２のｎ型半導体層を前記単結晶基板側からこの順で有し、
前記単結晶基板は、可視光を透過する材料により構成され、
前記第２のｎ型半導体層は、ドナー性不純物及びアクセプタ性不純物が添加され前記活性層から放出される光により励起されると蛍光を生じる蛍光領域を含む発光素子が提供される。
【００１１】
この発光素子によれば、第１のｎ型半導体層、活性層及びｐ型半導体層から構成される半導体ダブルヘテロ構造を用いている。そして、ｐ型半導体層の上部にドナー性不純物及びアクセプタ性不純物が添加された第２のｎ型半導体が配置され、第２のｎ型半導体では、活性層で生じた光の一部をドナーアクセプタ対遷移により他の波長の光に変換させる。すなわち、第２のｎ型半導体は、従来の蛍光体としての役割を持ち、従来のように発光素子と別個に蛍光体を実装することなく、発光素子単独で白色光を作ることが可能となる。また、半導体材料によって全ての可視光が生成され、各半導体材料は蛍光体と比べれば温度特性が類似していることから、出力、温度等が変化しても色合いの変化が抑制される。
【００１２】
また、上記発光素子において、
前記第２のｎ型半導体層における前記ドナー性不純物のイオン化エネルギーが１００ｍｅＶ以下であり、
前記第２のｎ型半導体層における前記アクセプタ性不純物のイオン化エネルギーが２００ｍｅＶ以上であり、
前記ドナー性不純物の濃度が前記アクセプタ性不純物の濃度よりも高いことが好ましい。
【００１３】
また、上記発光素子において、
前記活性層から放出される光のピーク波長が４３０ｎｍから４９０ｎｍの範囲にあり、
前記第２のｎ型半導体層の前記蛍光領域にて生じる蛍光のピーク波長が、５５０ｎｍから６００ｎｍの範囲にあることが好ましい。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、量産時における色合いの制御が的確に行うことができ、出力、温度等が変化しても色合いの変化を抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
図１は、本発明の第１の実施形態を示す白色ＬＥＤチップの概略模式断面図である。
【００１６】
図１に示すように、白色ＬＥＤチップ１００は、単結晶基板としてのＳｉＣ基板１０１上に、バッファ層１０２、第１のｎ型半導体層としてのｎコンタクト層１０３、多重量子井戸活性層１０４、電子ブロック層１０５、ｐ型半導体層としてのｐ接続層１０６、ｐトンネル接合層１０７、ｎトンネル接合層１０８、第２のｎ型半導体層としての蛍光コンタクト層１０９がこの順で連続的に積層されている。
【００１７】
ＳｉＣ基板１１０は、例えば厚さが３５０μｍであり、６層ごとに周期的な構造をとる６Ｈ型のＳｉＣ結晶によって形成され、ドナー不純物として窒素（Ｎ）を含むとともに、アクセプタ不純物としてホウ素（Ｂ）を含んでいる。６Ｈ型ＳｉＣ結晶における窒素のイオン化はエネルギーは１５５ｍｅＶであり、ホウ素のイオン化エネルギーは７２０ｍｅＶである。ＳｉＣ基板１０１の製造方法は任意であるが、例えば昇華法、化学気相成長法によってＳｉＣ結晶を成長させて製造することができる。このとき、結晶成長中の雰囲気における窒素ガス（Ｎ２）の分圧を適度に調整することにより、ＳｉＣ基板１０１における窒素濃度を任意に設定することができる。一方、ホウ素単体またはホウ素化合物を原料に対して適量混合させることにより、ＳｉＣ基板１１０におけるホウ素濃度を任意に設定することができる。ＳｉＣ基板１０１には、ホウ素が例えば１×１０１９ｃｍ−３、窒素が例えば２×１０１９ｃｍ−３の濃度で添加されている。ＳｉＣ基板１０１は、多重量子井戸活性層１０４から放出される光により励起されるとドナーとアクセプタの再結合により蛍光を生じる。本実施形態においては、ＳｉＣ基板１０１の全体の領域にて蛍光が生じる。
【００１８】
バッファ層１０２は、ＳｉＣ基板１０１上に形成され、ＡｌＧａＮで構成されている。ｎコンタクト層１０３は、バッファ層１０２上に形成され、ｎ−ＧａＮで構成されている。多重量子井戸活性層１０４は、ｎコンタクト層１０３上に形成され、ＧａｌｎＮ／ＧａＮで構成され、電子及び正孔の注入によりピーク波長が３８５ｎｍの近紫外光を発する。電子ブロック層１０５は、多重量子井戸活性層１０４上に形成され、ｐ―ＡＩＧａＮで構成されている。ｐ接続層１０６は、電子ブロック層１０５上に形成され、ｐ−ＧａＮで構成されている。
【００１９】
ｐトンネル接合層１０７は、ｐ接続層１０６上に形成され、ｐ＋−ＧａＮで構成されている。また、ｎトンネル接合層１０８は、ｐトンネル接合層１０７上に形成され、ｎ＋−ＧａＩｎＮで構成されている。ｐトンネル接合層１０７には、アクセプタ性不純物としてのＭｇが１０１９ｃｍ−３以上の濃度で包含され、キャリア濃度の高いｐ型半導体とされている。ｎトンネル接合層１０８には、ドナー性不純物としてのＳｉが１０１９ｃｍ−３以上の濃度で包含され、キャリア濃度の高いｎ型半導体とされている。これにより、ｐトンネル接合層１０７とｎトンネル接合層１０８では、わずかな逆バイアス電圧を印加することにより、容易にトンネル電流が流れるようになっている。
【００２０】
蛍光コンタクト層１０９は、ｎトンネル接合層１０８上に形成され、井戸層をなすＧａＩｎＮとバリア層をなすＧａＩｎＮとからなる多重量子井戸構造を有している。蛍光コンタクト層１０９は、例えば、膜厚３ｎｍの井戸層及び膜厚６ｎｍのバリア層を１０ペア積層することにより構成される。具体的に、蛍光コンタクト層１０９は、ｎ−Ｇａ１−ｘＩｎｘＮ／Ｇａ１−ｙＩｎｙＮ（０＜ｘ＜ｙ＜１）の組成式で表現される。蛍光コンタクト層１０９には、全体にドナー性不純物としてのＳｉが例えば２×１０１９ｃｍ−３の濃度で添加されている。また、蛍光コンタクト層１０９のＧａ１−ｘＩｎｘＮ井戸層には、Ｓｉに加えてアクセプタ性不純物としてのＺｎが例えば１×１０１９ｃｍ−３の濃度で添加されている。ここで、ＧａＩｎＮにおけるＳｉ及びＺｎのイオン化はエネルギーは、ＧａとＩｎの比率によって変化する。ＧａＩｎＮにおけるＳｉのイオン化エネルギーは、例えば、１０〜３０ｍｅＶであり、Ｚｎのイオン化エネルギーは、例えば、２００〜３００ｍｅＶである。このように構成された蛍光コンタクト層１０９では、多重量子井戸活性層１０４の近紫外光によりバンド間で励起されるので、ドナー及びアクセプタの再結合による発光が高効率となる。本実施形態においては、ＳｉＣ基板１０１の全体領域を第１蛍光領域とすると、蛍光コンタクト層１０９の井戸層が、多重量子井戸活性層１０４から放出される光により励起されると蛍光を生じる第２蛍光領域をなしている。
【００２１】
このように、本実施形態においては、バッファ層１０２から蛍光コンタクト層１０９まで、全て窒化物半導体で構成されている。白色ＬＥＤチップ１００の製造にあたっては、近接昇華法によってエピタキシャル成長させつつ、各層に対応する不純物を適量ドープさせることにより、バッファ層１０２、ｎコンタクト層１０３、多重量子井戸活性層１０４、電子ブロック層１０５、ｐ接続層１０６、ｐトンネル接合層１０７、ｎトンネル接合層１０８及び蛍光コンタクト層１０９が順次積層される。
【００２２】
アノード電極１１０は、蛍光コンタクト層１０９上に形成され、仕事関数が比較的低く、高反射率を有している。具体的に、アノード電極１１０は、蛍光コンタクト層１０９上に形成されたＡｇ層と、Ａｇ層上に形成されたＴｉ層と、Ｔｉ層上に形成されたＡｕ層と、を有している。
【００２３】
カソード電極１１１は、蛍光コンタクト層１０９からｎコンタクト層１０３が露出するまでエッチングされた表面に形成され、仕事関数が比較的低く、高反射率を有している。本実施形態においては、カソード電極１１１はアノード電極１１０と同様の構成であり、ｎコンタクト層１０３上に形成されたＡｇ層と、Ａｇ層上に形成されたＴｉ層と、Ｔｉ層上に形成されたＡｕ層と、を有している。
【００２４】
Ａｇ／Ｔｉ／Ａｕの構成をとるアノード電極１１０及びカソード電極１１１は、例えば、電極を構成する金属を順に蒸着することにより形成される。尚、湿式の手法によってアノード電極１１０及びカソード電極１１１を積層することも可能である。尚、アノード電極１１０及びカソード電極１１１は、高反射率を有していれば他の金属により構成することも可能である。
【００２５】
以上のように構成された白色ＬＥＤチップ１００は、アノード電極１１０とカソード電極１１１に対して電圧を印加すると、逆バイアス接合となるｐトンネル接合層１０７とｎトンネル接合層１０８との間でトンネル電流が流れ、ｐトンネル接合層１０７から多重量子井戸活性層１０４へ向かって正孔が注入される。同時に、ｎコンタクト層１０３からは電子が注入され、多重量子井戸活性層１０４において、電子及び正孔の再結合により近紫外光が放出される。
【００２６】
多重量子井戸活性層１０４から放出された近紫外光は、蛍光コンタクト層１０９へ向かう成分と、ＳｉＣ基板１０１へ向かう成分とを有する。本実施形態においては、近紫外光のうち、蛍光コンタクト層１０９へ向かう成分とＳｉＣ基板１０１へ向かう成分とはほぼ半分ずつである。そして、蛍光コンタクト層１０９へ入射した近紫外光は、蛍光コンタクト層１０９に吸収されて、蛍光コンタクト層１０９から青から緑にかけての広いスペクトルを持つ光を放出する。蛍光コンタクト層１０９から放出された青緑光は、アノード電極１１０へ向かう成分と、ＳｉＣ基板１０１へ向かう成分とを有する。本実施形態においては、青緑光のうち、アノード電極１１０へ向かう成分とＳｉＣ基板１０１へ向かう成分とはほぼ半分ずつである。青緑光のうちアノード電極１１０へ入射した光は、アノード電極１１０で反射されてＳｉＣ基板１０１へ向かうことから、蛍光コンタクト層１０９から放出された青緑光のほぼ全てが、ＳｉＣ基板１０１へ入射する。ＳｉＣ基板１０１へ入射した青緑光は、ＳｉＣ基板１０１を透過して素子外部へ放出される。
【００２７】
一方、多重量子井戸活性層１０４で生成された近紫外光のうち、ＳｉＣ基板１０１へ向かった光は、ＳｉＣ基板１０１の内部で吸収されて黄橙光に変換されてから素子外部へ放出される。これにより、素子外部へは、青緑光と黄橙光の混合された光が放出され、演色性の優れた白色光が取り出される。この結果、従来のように蛍光体等を用いることなく、実装する前の素子単体の状態で演色性の優れた白色光を得ることができる。従って、量産時における色合いの制御が的確に行うことができる。また、同種あるいは類似の半導体材料によって、全ての可視光が生成されるので、出力、温度等が変化しても色合いの変化を抑制することができる。
【００２８】
図２は、第１の実施形態の層構成を有する白色ＬＥＤチップの発光スペクトルの一例を示す。図２においては、蛍光コンタクト層１０９の発光スペクトルと、ＳｉＣ基板１０１の発光スペクトルとを別個に示している。この白色ＬＥＤチップにおいては、蛍光コンタクト層１０９の組成を、Ｇａ０．９Ｉｎ０．１Ｎ／Ｇａ０．９８Ｉｎ０．０２Ｎとし、１０の量子井戸を構成した。また、多重量子井戸活性層１０４については、５つの量子井戸とし、井戸層の組成をＧａ０．９Ｉｎ０．１Ｎとするとともに、障壁層の組成をＧａＮとした。
【００２９】
図２に示すように、この白色ＬＥＤチップでは、蛍光コンタクト層１０９またはＳｉＣ基板１０１のピーク波長における発光強度を基準とした半値幅で、青色領域から赤色領域におよぶ広いスペクトルが得られていることがわかる。具体的には、半値幅でおよそ４５０ｎｍから６５０ｎｍにおよぶスペクトルが得られている。このように、この白色ＬＥＤチップで得られる白色光は、蛍光コンタクト層１０９での発光スペクトルと、ＳｉＣ基板１０１での発光スペクトルとを重ね合わせた発光スペクトルとなることから、可視光のほぼ全てをカバーした演色性に優れたものとなっている。
【００３０】
尚、多重量子井戸活性層１０４から放出される光のピーク波長が３７０ｎｍから４２０ｎｍの範囲にあり、ＳｉＣ基板１０１の蛍光領域にて生じる蛍光のピーク波長が５５０ｎｍから６５０ｎｍの範囲にあり、蛍光コンタクト層１０９の蛍光領域にて生じる蛍光のピーク波長が４５０ｎｍから５５０ｎｍの範囲にあると、可視光のほぼ全てをカバーした白色光を得ることができる。
【００３１】
また、第１の実施形態においては、多重量子井戸活性層１０４が、ピーク波長が３８５ｎｍの近紫外光を発するものを示したが、ピーク波長はこれに限定されるものではない。ただし、ＳｉＣ基板１０１及び蛍光コンタクト層１０９はその吸収端の波長以下の波長で励起することで高効率で発光することから、多重量子井戸活性層１０４から発せられる光のピーク波長をＳｉＣ基板１０１及び蛍光コンタクト層１０９の吸収端の波長以下とすることが好ましい。
【００３２】
また、第１の実施形態では、アノード電極１１０の反射率を高くして、ＳｉＣ基板１０１の裏面（多重量子井戸発光層１０４等が形成される面と反対側の面）から主として光を取り出す構成としたが、例えば、ＳｉＣ基板１０１の裏面に高反射率の膜を形成し、アノード電極１１０を透明電極として、蛍光コンタクト層１０９から光を取り出すようにしてもよい。
【００３３】
また、第１の実施形態の白色ＬＥＤチップ１００において、ＳｉＣ基板１０１とバッファ層１０２の間にＳｉＣ基板１０１及び蛍光コンタクト層１０９と異なる波長で蛍光を発するＳｉＣ層を設けてもよい。また、バッファ層１０２、ｐトンネル接合層１０７及びｎトンネル接合層１０８の組成や、これらを設けるか否かは任意であり、単結晶基板であるＳｉＣ基板１０１の上に少なくとも第１のｎ型半導体層、活性層、ｐ型半導体層及び第２のｎ型半導体層をＳｉＣ基板１０１側からこの順で有するものであれば、白色光を得ることができる。
【００３４】
図３は、本発明の第２の実施形態を示す白色ＬＥＤチップの概略模式断面図である。
【００３５】
図３に示すように、白色ＬＥＤチップ２００は、単結晶基板としてのサファイア基板２０１上に、バッファ層１０２、第１のｎ型半導体層としてのｎコンタクト層１０３、多重量子井戸活性層２０４、電子ブロック層１０５、ｐ型半導体層としてのｐ接続層１０６、ｐトンネル接合層１０７、ｎトンネル接合層１０８、第２のｎ型半導体層としての蛍光コンタクト層１０９がこの順で連続的に積層されている。本実施形態においては、単結晶基板としてサファイア基板２０１を用いるとともに、多重量子井戸活性層２０４が青色領域にピーク波長を持つ光を発することを除いては、第１の実施形態と同様の構成である。本実施形態においては、多重量子井戸活性層２０４は、電子及び正孔の注入によりピーク波長が４５０ｎｍの青色光を発する。
【００３６】
以上のように構成された白色ＬＥＤチップ１００は、アノード電極１１０とカソード電極１１１に対して電圧を印加すると、逆バイアス接合となるｐトンネル接合層１０７とｎトンネル接合層１０８との間でトンネル電流が流れ、ｐトンネル接合層１０７から多重量子井戸活性層２０４へ向かって正孔が注入される。同時に、ｎコンタクト層１０３からは電子が注入され、多重量子井戸活性層２０４において、電子及び正孔の再結合により青色光が放出される。
【００３７】
多重量子井戸活性層２０４から放出された青色光は、蛍光コンタクト層１０９へ向かう成分と、サファイア基板２０１へ向かう成分とを有する。本実施形態においては、青色光のうち、蛍光コンタクト層１０９へ向かう成分とサファイア基板２０１へ向かう成分とはほぼ半分ずつである。そして、蛍光コンタクト層１０９へ入射した青色光は、蛍光コンタクト層１０９に吸収されて、蛍光コンタクト層１０９から黄色付近の広いスペクトルを持つ光を放出する。蛍光コンタクト層１０９から放出された黄色光は、アノード電極１１０へ向かう成分と、サファイア基板２０１へ向かう成分とを有する。本実施形態においては、黄色光のうち、アノード電極１１０へ向かう成分とサファイア基板２０１へ向かう成分とはほぼ半分ずつである。黄色光のうちアノード電極１１０へ入射した光は、アノード電極１１０で反射されてサファイア基板２０１へ向かうことから、蛍光コンタクト層１０９から放出された黄色光のほぼ全てが、サファイア基板２０１へ入射する。サファイア基板２０１へ入射した黄色光は、サファイア基板２０１を透過して素子外部へ放出される。
【００３８】
一方、多重量子井戸活性層２０４で生成された青色光のうち、サファイア基板２０１へ向かった光は、そのままサファイア基板２０１を透過して素子外部へ放出される。これにより、素子外部へは、青色光と黄色光の混合された光が放出され、白色光が取り出される。従って、従来のように蛍光体等を用いることなく、実装する前の素子単体の状態で白色光を得ることができる。
【００３９】
図４は、第２の実施形態の層構成を有する白色ＬＥＤチップの発光スペクトルの一例を示す。図４においては、蛍光コンタクト層１０９の発光スペクトルと、多重量子井戸活性層２０４の発光スペクトルとを別個に示している。この白色ＬＥＤチップにおいては、蛍光コンタクト層１０９の組成を、Ｇａ０．８２Ｉｎ０．１８Ｎ／Ｇａ０．９５Ｉｎ０．０５Ｎとし、１０の量子井戸を構成した。また、多重量子井戸活性層２０４については、５つの量子井戸とし、井戸層の組成をＧａ０．９Ｉｎ０．１Ｎとするとともに、障壁層の組成をＧａＮとした。
【００４０】
図４に示すように、この白色ＬＥＤチップでは、青色領域及び黄色領域にピーク波長を有するスペクトルが得られていることがわかる。尚、多重量子井戸活性層２０４から放出される光のピーク波長が４３０ｎｍから４９０ｎｍの範囲にあり、蛍光コンタクト層１０９の蛍光領域にて生じる蛍光のピーク波長が５５０ｎｍから６００ｎｍの範囲にあれば、この白色ＬＥＤチップ１００と同様の白色光を得ることができる。
【００４１】
尚、第２の実施形態においては、多重量子井戸活性層２０４のピーク波長が４５０ｎｍであるものを示したが、ピーク波長はこれに限定されるものではない。ただし、蛍光コンタクト層１０９はその吸収端の波長以下の波長で励起することで高効率で発光することから、多重量子井戸活性層２０４から発せられる光のピーク波長を蛍光コンタクト層１０９の吸収端の波長以下とすることが好ましい。
【００４２】
また、第２の実施形態では、アノード電極１１０の反射率を高くして、サファイア基板２０１の裏面（多重量子井戸発光層２０４等が形成される面と反対側の面）から主として光を取り出す構成としたが、例えば、サファイア基板２０１の裏面に高反射率の膜を形成し、アノード電極１１０を透明電極として、蛍光コンタクト層１０９から光を取り出すようにしてもよい。
【００４３】
また、バッファ層１０２、ｐトンネル接合層１０７及びｎトンネル接合層１０８の組成や、これらを設けるか否かは任意であり、単結晶基板であるサファイア基板２０１の上に少なくとも第１のｎ型半導体層、活性層、ｐ型半導体層及び第２のｎ型半導体層をこの順に有するものであれば、白色光を得ることができる。
【００４４】
また、第１及び第２の実施形態においては、ＳｉＣ基板１０１に、ドナー性不純物としてＮを、アクセプタ性不純物としてＢを用いたが、ドナー性不純物及びアクセプタ性不純物として他の元素を用いてもよい。ドナー性不純物のイオン化エネルギーがアクセプタ性不純物のイオン化エネルギーよりも小さい場合は、室温においてドナーがある程度イオン化するため、ドナー電子とアクセプタ正孔が過不足なく再結合できるように、ドナー濃度をアクセプタ濃度よりも高くなるようにすることが好ましい。
【００４５】
また、第１及び第２の実施形態では、蛍光コンタクト層１０９に、ドナー性不純物としてＳｉを、アクセプタ性不純物としてＺｎを用いたが、ドナー性不純物及びアクセプタ性不純物として他の元素を用いてもよい。例えば、ドナー性不純物としてＧｅ、Ｔｅ等を用いることができ、アクセプタ性不純物としてＣｄ、Ｃ等を用いることができる。このように他の元素を用いる場合であっても、第１の実施形態と同様に、イオン化エネルギーが１００ｍｅＶ以下の浅いドナーと、イオン化エネルギーが２００ｍｅＶ以上の深いアクセプタの組合せが好ましい。
このようなドナーとアクセプタの組合せが好ましい理由は、光励起によって自由電子、自由正孔を同時に生成しないことが、高効率発光には必要だからである。自由電子と自由正孔は、自由に空間を移動できるキャリアで、結晶中に欠陥があると、両者がそこに到達して、非発光再結合によって消滅するとともに発熱する。結晶が極めて高品質化される場合を除いては、結晶中の欠陥における非発光再結合の成分を極力抑えることが必要となる。そして、第１及び第２の実施形態のようにアクセプタのみイオン化エネルギーを高めておくと、光励起されて生成されたキャリアのうち、正孔は非常に高速にアクセプタに捕獲される。このときの正孔は、アクセプタ準位に緩和したことになり、捕獲されると自由には動くことができないため非発光再結合は生じない。尚、電子は自由のままであるが、非発光再結合のためには電子の対となる正孔もないと成り立たない。一方、ドナー及びアクセプタの両方に大きなイオン化エネルギーを持たせても第１及び第２の実施形態のような高効率光励起発光は可能であるが、第１及び第２の実施形態においてはトンネル接合層に対するコンタクト層の機能が別途必要である。従って、アクセプタのみならず、ドナーもイオン化エネルギーを大きくすると、自由キャリアが全くない高抵抗半導体となってしまい、電流輸送ができなくなるという不具合が生じる。この結果、ドナーとアクセプタの一方だけイオン化エネルギーを大きくする方法が最も望ましい。
【００４６】
また、第１及び第２の実施形態では、蛍光コンタクト層１０９として２種類の組成の異なる井戸層と障壁層により構成されたものを用いたが、蛍光コンタクト層１０９を単一層の構成としたり、３種類以上の異なる組成の層を混在させた構成であってもよい。また、蛍光コンタクト層１０９として、実質的にトンネル接合を形成できる窒化物以外の半導体にドナー性不純物及びアクセプタ性不純物を同時に添加したものであってもよい。すなわち、第２のｎ型半導体層として例えばＺｎＯ、ＩＴＯ(Indium Tin Oxide)等を用い、これにドナー性不純物及びアクセプタ性不純物を添加してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明の第１の実施形態を示す白色発光ダイオードの構造を示す模式図である。
【図２】第１の実施形態の層構成を有する白色ＬＥＤチップの発光スペクトルの一例を示す。
【図３】本発明の第２の実施形態を示す白色発光ダイオードの構造を示す模式図である。
【図４】第２の実施形態の層構成を有する白色ＬＥＤチップの発光スペクトルの一例を示す。
【図５】従来の白色発光ダイオードの構造を示す模式図である。
【符号の説明】
【００４８】
１００ 白色ＬＥＤチップ
１０１ ＳｉＣ基板
１０２ バッファ層
１０３ ｎコンタクト層
１０４ 多重量子井戸活性層
１０５ 電子ブロック層
１０６ ｐ接続層
１０７ ｐトンネル接合層
１０８ ｎトンネル接合層
１０９ 蛍光コンタクト層
１１０ アノード電極
１１１ カソード電極
２００ 白色ＬＥＤチップ
２０１ サファイア基板
２０４ 多重量子井戸活性層
【技術分野】
【０００１】
本発明は、表示分野、照明分野等への応用が期待されている半導体材料を用いた発光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
化合物半導体ｐｎ接合による発光素子として、発光ダイオードが広く実用化され、主に光伝送、表示や特殊照明用途に用いられている。近年、窒化物半導体と蛍光体を用いた白色発光ダイオードも実用化され、今後は一般照明用途への展開が大いに期待されている。しかし、特に白色発光ダイオードにおいては、エネルギー変換効率が既存の蛍光灯と比較して不十分であるため、一般照明用途に対しては大幅な効率改善が必要である。さらに、高い演色性、低コストかつ大光束の発光ダイオードを実現するためには、多くの課題が残されている。
【０００３】
現在市販されている白色発光ダイオードとして、図４に示すような構成が用いられている（例えば、特許文献１参照）。図４に示すように、この白色発光ダイオードは、青色ＬＥＤチップ３０１をリードフレーム３０２に実装し、例えばＹＡＧ：Ｃｅにより構成される黄色蛍光体層３０３を被せた後に、エポキシ樹脂等からなるモールドレンズ３０４で覆われることにより構成される。青色ＬＥＤチップ３０１からは青色光が放出され、黄色蛍光体層３０３を通り抜ける際にその一部が吸収され黄色光に変換される。青色と黄色は互いに補色の関係にあることから、両者が混じり合うと白色光となる。また、この構成をさらに発展させ、赤色蛍光体を含有させることで演色性を改善したものも実現されている。
【特許文献１】特開２００４−１１１８８２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、これらの白色発光ダイオードは、ＬＥＤチップと粉体である蛍光体の２種類の材料が用いられるため、製造には高精度の実装工程が不可欠となる。しかし、実装工程における蛍光体の塗布量、分散性等にばらつきが生じやすく、量産時の色合いの制御が困難であり、色合いに関する歩留まりが著しく低くなる。また、白色発光ダイオードの出力、周辺温度、チップ温度等が変化すると、ＬＥＤチップと蛍光体の温度特性が異なることから、互いの発光強度比に変化が生じ、色合いが大きく変化することも大きな問題となっている。
【０００５】
本発明は、前記事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、量産時における色合いの制御が的確に行うことができ、出力、温度等が変化しても色合いの変化を抑制することのできる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】
【０００６】
前記目的を達成するため、本発明では、
単結晶基板の上に、少なくとも第１のｎ型半導体層、活性層、ｐ型半導体層及び第２のｎ型半導体層を前記単結晶基板側からこの順で有し、
前記単結晶基板は、第１のドナー性不純物及び第１のアクセプタ性不純物が添加され前記活性層から放出される光により励起されると蛍光を生じる第１蛍光領域を含み、
前記第２のｎ型半導体層は、第２のドナー性不純物及び第２のアクセプタ性不純物が添加され前記活性層から放出される光により励起されると蛍光を生じる第２蛍光領域を含む発光素子が提供される。
【０００７】
この発光素子によれば、第１のｎ型半導体層、活性層及びｐ型半導体層から構成される半導体ダブルヘテロ構造を用いている。そして、ｐ型半導体層の上に第２のドナー性不純物及び第２のアクセプタ性不純物が添加された第２のｎ型半導体が配置され、第２のｎ型半導体では、活性層で生じた光の一部をドナーアクセプタ対遷移により他の波長の光に変換させる。また、半導体ダブルヘテロ構造を成長させる単結晶基板に第１のドナー性不純物及び第１のアクセプタ性不純物が添加され、単結晶基板では、活性層で生じた光の一部をドナーアクセプタ対遷移により他の波長の光に変換させる。すなわち、第２のｎ型半導体及び単結晶基板は、従来の蛍光体としての役割を持ち、従来のように発光素子と別個に蛍光体を実装することなく、発光素子単独で白色光を作ることが可能となる。また、半導体材料によって全ての可視光が生成され、各半導体材料は蛍光体と比べれば温度特性が類似していることから、出力、温度等が変化しても色合いの変化が抑制される。
【０００８】
また、上記発光素子において、
前記第２のｎ型半導体層における前記第２のドナー性不純物のイオン化エネルギーが１００ｍｅＶ以下であり、
前記第２のｎ型半導体層における前記第２のアクセプタ性不純物のイオン化エネルギーが２００ｍｅＶ以上であり、
前記第２のドナー性不純物の濃度が前記第２のアクセプタ性不純物の濃度よりも高いことが好ましい。
【０００９】
また、上記発光素子において、
前記活性層から放出される光のピーク波長が３７０ｎｍから４２０ｎｍの範囲にあり、
前記単結晶基板の前記第１蛍光領域にて生じる蛍光のピーク波長が、５５０ｎｍから６５０ｎｍの範囲にあり、
前記第２のｎ型半導体層の前記第２蛍光領域にて生じる蛍光のピーク波長が、４５０ｎｍから５５０ｎｍの範囲にあることが好ましい。
【００１０】
また、前記目的を達成するため、本発明では、
単結晶基板の上に、少なくとも第１のｎ型半導体層、活性層、ｐ型半導体層及び第２のｎ型半導体層を前記単結晶基板側からこの順で有し、
前記単結晶基板は、可視光を透過する材料により構成され、
前記第２のｎ型半導体層は、ドナー性不純物及びアクセプタ性不純物が添加され前記活性層から放出される光により励起されると蛍光を生じる蛍光領域を含む発光素子が提供される。
【００１１】
この発光素子によれば、第１のｎ型半導体層、活性層及びｐ型半導体層から構成される半導体ダブルヘテロ構造を用いている。そして、ｐ型半導体層の上部にドナー性不純物及びアクセプタ性不純物が添加された第２のｎ型半導体が配置され、第２のｎ型半導体では、活性層で生じた光の一部をドナーアクセプタ対遷移により他の波長の光に変換させる。すなわち、第２のｎ型半導体は、従来の蛍光体としての役割を持ち、従来のように発光素子と別個に蛍光体を実装することなく、発光素子単独で白色光を作ることが可能となる。また、半導体材料によって全ての可視光が生成され、各半導体材料は蛍光体と比べれば温度特性が類似していることから、出力、温度等が変化しても色合いの変化が抑制される。
【００１２】
また、上記発光素子において、
前記第２のｎ型半導体層における前記ドナー性不純物のイオン化エネルギーが１００ｍｅＶ以下であり、
前記第２のｎ型半導体層における前記アクセプタ性不純物のイオン化エネルギーが２００ｍｅＶ以上であり、
前記ドナー性不純物の濃度が前記アクセプタ性不純物の濃度よりも高いことが好ましい。
【００１３】
また、上記発光素子において、
前記活性層から放出される光のピーク波長が４３０ｎｍから４９０ｎｍの範囲にあり、
前記第２のｎ型半導体層の前記蛍光領域にて生じる蛍光のピーク波長が、５５０ｎｍから６００ｎｍの範囲にあることが好ましい。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、量産時における色合いの制御が的確に行うことができ、出力、温度等が変化しても色合いの変化を抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
図１は、本発明の第１の実施形態を示す白色ＬＥＤチップの概略模式断面図である。
【００１６】
図１に示すように、白色ＬＥＤチップ１００は、単結晶基板としてのＳｉＣ基板１０１上に、バッファ層１０２、第１のｎ型半導体層としてのｎコンタクト層１０３、多重量子井戸活性層１０４、電子ブロック層１０５、ｐ型半導体層としてのｐ接続層１０６、ｐトンネル接合層１０７、ｎトンネル接合層１０８、第２のｎ型半導体層としての蛍光コンタクト層１０９がこの順で連続的に積層されている。
【００１７】
ＳｉＣ基板１１０は、例えば厚さが３５０μｍであり、６層ごとに周期的な構造をとる６Ｈ型のＳｉＣ結晶によって形成され、ドナー不純物として窒素（Ｎ）を含むとともに、アクセプタ不純物としてホウ素（Ｂ）を含んでいる。６Ｈ型ＳｉＣ結晶における窒素のイオン化はエネルギーは１５５ｍｅＶであり、ホウ素のイオン化エネルギーは７２０ｍｅＶである。ＳｉＣ基板１０１の製造方法は任意であるが、例えば昇華法、化学気相成長法によってＳｉＣ結晶を成長させて製造することができる。このとき、結晶成長中の雰囲気における窒素ガス（Ｎ２）の分圧を適度に調整することにより、ＳｉＣ基板１０１における窒素濃度を任意に設定することができる。一方、ホウ素単体またはホウ素化合物を原料に対して適量混合させることにより、ＳｉＣ基板１１０におけるホウ素濃度を任意に設定することができる。ＳｉＣ基板１０１には、ホウ素が例えば１×１０１９ｃｍ−３、窒素が例えば２×１０１９ｃｍ−３の濃度で添加されている。ＳｉＣ基板１０１は、多重量子井戸活性層１０４から放出される光により励起されるとドナーとアクセプタの再結合により蛍光を生じる。本実施形態においては、ＳｉＣ基板１０１の全体の領域にて蛍光が生じる。
【００１８】
バッファ層１０２は、ＳｉＣ基板１０１上に形成され、ＡｌＧａＮで構成されている。ｎコンタクト層１０３は、バッファ層１０２上に形成され、ｎ−ＧａＮで構成されている。多重量子井戸活性層１０４は、ｎコンタクト層１０３上に形成され、ＧａｌｎＮ／ＧａＮで構成され、電子及び正孔の注入によりピーク波長が３８５ｎｍの近紫外光を発する。電子ブロック層１０５は、多重量子井戸活性層１０４上に形成され、ｐ―ＡＩＧａＮで構成されている。ｐ接続層１０６は、電子ブロック層１０５上に形成され、ｐ−ＧａＮで構成されている。
【００１９】
ｐトンネル接合層１０７は、ｐ接続層１０６上に形成され、ｐ＋−ＧａＮで構成されている。また、ｎトンネル接合層１０８は、ｐトンネル接合層１０７上に形成され、ｎ＋−ＧａＩｎＮで構成されている。ｐトンネル接合層１０７には、アクセプタ性不純物としてのＭｇが１０１９ｃｍ−３以上の濃度で包含され、キャリア濃度の高いｐ型半導体とされている。ｎトンネル接合層１０８には、ドナー性不純物としてのＳｉが１０１９ｃｍ−３以上の濃度で包含され、キャリア濃度の高いｎ型半導体とされている。これにより、ｐトンネル接合層１０７とｎトンネル接合層１０８では、わずかな逆バイアス電圧を印加することにより、容易にトンネル電流が流れるようになっている。
【００２０】
蛍光コンタクト層１０９は、ｎトンネル接合層１０８上に形成され、井戸層をなすＧａＩｎＮとバリア層をなすＧａＩｎＮとからなる多重量子井戸構造を有している。蛍光コンタクト層１０９は、例えば、膜厚３ｎｍの井戸層及び膜厚６ｎｍのバリア層を１０ペア積層することにより構成される。具体的に、蛍光コンタクト層１０９は、ｎ−Ｇａ１−ｘＩｎｘＮ／Ｇａ１−ｙＩｎｙＮ（０＜ｘ＜ｙ＜１）の組成式で表現される。蛍光コンタクト層１０９には、全体にドナー性不純物としてのＳｉが例えば２×１０１９ｃｍ−３の濃度で添加されている。また、蛍光コンタクト層１０９のＧａ１−ｘＩｎｘＮ井戸層には、Ｓｉに加えてアクセプタ性不純物としてのＺｎが例えば１×１０１９ｃｍ−３の濃度で添加されている。ここで、ＧａＩｎＮにおけるＳｉ及びＺｎのイオン化はエネルギーは、ＧａとＩｎの比率によって変化する。ＧａＩｎＮにおけるＳｉのイオン化エネルギーは、例えば、１０〜３０ｍｅＶであり、Ｚｎのイオン化エネルギーは、例えば、２００〜３００ｍｅＶである。このように構成された蛍光コンタクト層１０９では、多重量子井戸活性層１０４の近紫外光によりバンド間で励起されるので、ドナー及びアクセプタの再結合による発光が高効率となる。本実施形態においては、ＳｉＣ基板１０１の全体領域を第１蛍光領域とすると、蛍光コンタクト層１０９の井戸層が、多重量子井戸活性層１０４から放出される光により励起されると蛍光を生じる第２蛍光領域をなしている。
【００２１】
このように、本実施形態においては、バッファ層１０２から蛍光コンタクト層１０９まで、全て窒化物半導体で構成されている。白色ＬＥＤチップ１００の製造にあたっては、近接昇華法によってエピタキシャル成長させつつ、各層に対応する不純物を適量ドープさせることにより、バッファ層１０２、ｎコンタクト層１０３、多重量子井戸活性層１０４、電子ブロック層１０５、ｐ接続層１０６、ｐトンネル接合層１０７、ｎトンネル接合層１０８及び蛍光コンタクト層１０９が順次積層される。
【００２２】
アノード電極１１０は、蛍光コンタクト層１０９上に形成され、仕事関数が比較的低く、高反射率を有している。具体的に、アノード電極１１０は、蛍光コンタクト層１０９上に形成されたＡｇ層と、Ａｇ層上に形成されたＴｉ層と、Ｔｉ層上に形成されたＡｕ層と、を有している。
【００２３】
カソード電極１１１は、蛍光コンタクト層１０９からｎコンタクト層１０３が露出するまでエッチングされた表面に形成され、仕事関数が比較的低く、高反射率を有している。本実施形態においては、カソード電極１１１はアノード電極１１０と同様の構成であり、ｎコンタクト層１０３上に形成されたＡｇ層と、Ａｇ層上に形成されたＴｉ層と、Ｔｉ層上に形成されたＡｕ層と、を有している。
【００２４】
Ａｇ／Ｔｉ／Ａｕの構成をとるアノード電極１１０及びカソード電極１１１は、例えば、電極を構成する金属を順に蒸着することにより形成される。尚、湿式の手法によってアノード電極１１０及びカソード電極１１１を積層することも可能である。尚、アノード電極１１０及びカソード電極１１１は、高反射率を有していれば他の金属により構成することも可能である。
【００２５】
以上のように構成された白色ＬＥＤチップ１００は、アノード電極１１０とカソード電極１１１に対して電圧を印加すると、逆バイアス接合となるｐトンネル接合層１０７とｎトンネル接合層１０８との間でトンネル電流が流れ、ｐトンネル接合層１０７から多重量子井戸活性層１０４へ向かって正孔が注入される。同時に、ｎコンタクト層１０３からは電子が注入され、多重量子井戸活性層１０４において、電子及び正孔の再結合により近紫外光が放出される。
【００２６】
多重量子井戸活性層１０４から放出された近紫外光は、蛍光コンタクト層１０９へ向かう成分と、ＳｉＣ基板１０１へ向かう成分とを有する。本実施形態においては、近紫外光のうち、蛍光コンタクト層１０９へ向かう成分とＳｉＣ基板１０１へ向かう成分とはほぼ半分ずつである。そして、蛍光コンタクト層１０９へ入射した近紫外光は、蛍光コンタクト層１０９に吸収されて、蛍光コンタクト層１０９から青から緑にかけての広いスペクトルを持つ光を放出する。蛍光コンタクト層１０９から放出された青緑光は、アノード電極１１０へ向かう成分と、ＳｉＣ基板１０１へ向かう成分とを有する。本実施形態においては、青緑光のうち、アノード電極１１０へ向かう成分とＳｉＣ基板１０１へ向かう成分とはほぼ半分ずつである。青緑光のうちアノード電極１１０へ入射した光は、アノード電極１１０で反射されてＳｉＣ基板１０１へ向かうことから、蛍光コンタクト層１０９から放出された青緑光のほぼ全てが、ＳｉＣ基板１０１へ入射する。ＳｉＣ基板１０１へ入射した青緑光は、ＳｉＣ基板１０１を透過して素子外部へ放出される。
【００２７】
一方、多重量子井戸活性層１０４で生成された近紫外光のうち、ＳｉＣ基板１０１へ向かった光は、ＳｉＣ基板１０１の内部で吸収されて黄橙光に変換されてから素子外部へ放出される。これにより、素子外部へは、青緑光と黄橙光の混合された光が放出され、演色性の優れた白色光が取り出される。この結果、従来のように蛍光体等を用いることなく、実装する前の素子単体の状態で演色性の優れた白色光を得ることができる。従って、量産時における色合いの制御が的確に行うことができる。また、同種あるいは類似の半導体材料によって、全ての可視光が生成されるので、出力、温度等が変化しても色合いの変化を抑制することができる。
【００２８】
図２は、第１の実施形態の層構成を有する白色ＬＥＤチップの発光スペクトルの一例を示す。図２においては、蛍光コンタクト層１０９の発光スペクトルと、ＳｉＣ基板１０１の発光スペクトルとを別個に示している。この白色ＬＥＤチップにおいては、蛍光コンタクト層１０９の組成を、Ｇａ０．９Ｉｎ０．１Ｎ／Ｇａ０．９８Ｉｎ０．０２Ｎとし、１０の量子井戸を構成した。また、多重量子井戸活性層１０４については、５つの量子井戸とし、井戸層の組成をＧａ０．９Ｉｎ０．１Ｎとするとともに、障壁層の組成をＧａＮとした。
【００２９】
図２に示すように、この白色ＬＥＤチップでは、蛍光コンタクト層１０９またはＳｉＣ基板１０１のピーク波長における発光強度を基準とした半値幅で、青色領域から赤色領域におよぶ広いスペクトルが得られていることがわかる。具体的には、半値幅でおよそ４５０ｎｍから６５０ｎｍにおよぶスペクトルが得られている。このように、この白色ＬＥＤチップで得られる白色光は、蛍光コンタクト層１０９での発光スペクトルと、ＳｉＣ基板１０１での発光スペクトルとを重ね合わせた発光スペクトルとなることから、可視光のほぼ全てをカバーした演色性に優れたものとなっている。
【００３０】
尚、多重量子井戸活性層１０４から放出される光のピーク波長が３７０ｎｍから４２０ｎｍの範囲にあり、ＳｉＣ基板１０１の蛍光領域にて生じる蛍光のピーク波長が５５０ｎｍから６５０ｎｍの範囲にあり、蛍光コンタクト層１０９の蛍光領域にて生じる蛍光のピーク波長が４５０ｎｍから５５０ｎｍの範囲にあると、可視光のほぼ全てをカバーした白色光を得ることができる。
【００３１】
また、第１の実施形態においては、多重量子井戸活性層１０４が、ピーク波長が３８５ｎｍの近紫外光を発するものを示したが、ピーク波長はこれに限定されるものではない。ただし、ＳｉＣ基板１０１及び蛍光コンタクト層１０９はその吸収端の波長以下の波長で励起することで高効率で発光することから、多重量子井戸活性層１０４から発せられる光のピーク波長をＳｉＣ基板１０１及び蛍光コンタクト層１０９の吸収端の波長以下とすることが好ましい。
【００３２】
また、第１の実施形態では、アノード電極１１０の反射率を高くして、ＳｉＣ基板１０１の裏面（多重量子井戸発光層１０４等が形成される面と反対側の面）から主として光を取り出す構成としたが、例えば、ＳｉＣ基板１０１の裏面に高反射率の膜を形成し、アノード電極１１０を透明電極として、蛍光コンタクト層１０９から光を取り出すようにしてもよい。
【００３３】
また、第１の実施形態の白色ＬＥＤチップ１００において、ＳｉＣ基板１０１とバッファ層１０２の間にＳｉＣ基板１０１及び蛍光コンタクト層１０９と異なる波長で蛍光を発するＳｉＣ層を設けてもよい。また、バッファ層１０２、ｐトンネル接合層１０７及びｎトンネル接合層１０８の組成や、これらを設けるか否かは任意であり、単結晶基板であるＳｉＣ基板１０１の上に少なくとも第１のｎ型半導体層、活性層、ｐ型半導体層及び第２のｎ型半導体層をＳｉＣ基板１０１側からこの順で有するものであれば、白色光を得ることができる。
【００３４】
図３は、本発明の第２の実施形態を示す白色ＬＥＤチップの概略模式断面図である。
【００３５】
図３に示すように、白色ＬＥＤチップ２００は、単結晶基板としてのサファイア基板２０１上に、バッファ層１０２、第１のｎ型半導体層としてのｎコンタクト層１０３、多重量子井戸活性層２０４、電子ブロック層１０５、ｐ型半導体層としてのｐ接続層１０６、ｐトンネル接合層１０７、ｎトンネル接合層１０８、第２のｎ型半導体層としての蛍光コンタクト層１０９がこの順で連続的に積層されている。本実施形態においては、単結晶基板としてサファイア基板２０１を用いるとともに、多重量子井戸活性層２０４が青色領域にピーク波長を持つ光を発することを除いては、第１の実施形態と同様の構成である。本実施形態においては、多重量子井戸活性層２０４は、電子及び正孔の注入によりピーク波長が４５０ｎｍの青色光を発する。
【００３６】
以上のように構成された白色ＬＥＤチップ１００は、アノード電極１１０とカソード電極１１１に対して電圧を印加すると、逆バイアス接合となるｐトンネル接合層１０７とｎトンネル接合層１０８との間でトンネル電流が流れ、ｐトンネル接合層１０７から多重量子井戸活性層２０４へ向かって正孔が注入される。同時に、ｎコンタクト層１０３からは電子が注入され、多重量子井戸活性層２０４において、電子及び正孔の再結合により青色光が放出される。
【００３７】
多重量子井戸活性層２０４から放出された青色光は、蛍光コンタクト層１０９へ向かう成分と、サファイア基板２０１へ向かう成分とを有する。本実施形態においては、青色光のうち、蛍光コンタクト層１０９へ向かう成分とサファイア基板２０１へ向かう成分とはほぼ半分ずつである。そして、蛍光コンタクト層１０９へ入射した青色光は、蛍光コンタクト層１０９に吸収されて、蛍光コンタクト層１０９から黄色付近の広いスペクトルを持つ光を放出する。蛍光コンタクト層１０９から放出された黄色光は、アノード電極１１０へ向かう成分と、サファイア基板２０１へ向かう成分とを有する。本実施形態においては、黄色光のうち、アノード電極１１０へ向かう成分とサファイア基板２０１へ向かう成分とはほぼ半分ずつである。黄色光のうちアノード電極１１０へ入射した光は、アノード電極１１０で反射されてサファイア基板２０１へ向かうことから、蛍光コンタクト層１０９から放出された黄色光のほぼ全てが、サファイア基板２０１へ入射する。サファイア基板２０１へ入射した黄色光は、サファイア基板２０１を透過して素子外部へ放出される。
【００３８】
一方、多重量子井戸活性層２０４で生成された青色光のうち、サファイア基板２０１へ向かった光は、そのままサファイア基板２０１を透過して素子外部へ放出される。これにより、素子外部へは、青色光と黄色光の混合された光が放出され、白色光が取り出される。従って、従来のように蛍光体等を用いることなく、実装する前の素子単体の状態で白色光を得ることができる。
【００３９】
図４は、第２の実施形態の層構成を有する白色ＬＥＤチップの発光スペクトルの一例を示す。図４においては、蛍光コンタクト層１０９の発光スペクトルと、多重量子井戸活性層２０４の発光スペクトルとを別個に示している。この白色ＬＥＤチップにおいては、蛍光コンタクト層１０９の組成を、Ｇａ０．８２Ｉｎ０．１８Ｎ／Ｇａ０．９５Ｉｎ０．０５Ｎとし、１０の量子井戸を構成した。また、多重量子井戸活性層２０４については、５つの量子井戸とし、井戸層の組成をＧａ０．９Ｉｎ０．１Ｎとするとともに、障壁層の組成をＧａＮとした。
【００４０】
図４に示すように、この白色ＬＥＤチップでは、青色領域及び黄色領域にピーク波長を有するスペクトルが得られていることがわかる。尚、多重量子井戸活性層２０４から放出される光のピーク波長が４３０ｎｍから４９０ｎｍの範囲にあり、蛍光コンタクト層１０９の蛍光領域にて生じる蛍光のピーク波長が５５０ｎｍから６００ｎｍの範囲にあれば、この白色ＬＥＤチップ１００と同様の白色光を得ることができる。
【００４１】
尚、第２の実施形態においては、多重量子井戸活性層２０４のピーク波長が４５０ｎｍであるものを示したが、ピーク波長はこれに限定されるものではない。ただし、蛍光コンタクト層１０９はその吸収端の波長以下の波長で励起することで高効率で発光することから、多重量子井戸活性層２０４から発せられる光のピーク波長を蛍光コンタクト層１０９の吸収端の波長以下とすることが好ましい。
【００４２】
また、第２の実施形態では、アノード電極１１０の反射率を高くして、サファイア基板２０１の裏面（多重量子井戸発光層２０４等が形成される面と反対側の面）から主として光を取り出す構成としたが、例えば、サファイア基板２０１の裏面に高反射率の膜を形成し、アノード電極１１０を透明電極として、蛍光コンタクト層１０９から光を取り出すようにしてもよい。
【００４３】
また、バッファ層１０２、ｐトンネル接合層１０７及びｎトンネル接合層１０８の組成や、これらを設けるか否かは任意であり、単結晶基板であるサファイア基板２０１の上に少なくとも第１のｎ型半導体層、活性層、ｐ型半導体層及び第２のｎ型半導体層をこの順に有するものであれば、白色光を得ることができる。
【００４４】
また、第１及び第２の実施形態においては、ＳｉＣ基板１０１に、ドナー性不純物としてＮを、アクセプタ性不純物としてＢを用いたが、ドナー性不純物及びアクセプタ性不純物として他の元素を用いてもよい。ドナー性不純物のイオン化エネルギーがアクセプタ性不純物のイオン化エネルギーよりも小さい場合は、室温においてドナーがある程度イオン化するため、ドナー電子とアクセプタ正孔が過不足なく再結合できるように、ドナー濃度をアクセプタ濃度よりも高くなるようにすることが好ましい。
【００４５】
また、第１及び第２の実施形態では、蛍光コンタクト層１０９に、ドナー性不純物としてＳｉを、アクセプタ性不純物としてＺｎを用いたが、ドナー性不純物及びアクセプタ性不純物として他の元素を用いてもよい。例えば、ドナー性不純物としてＧｅ、Ｔｅ等を用いることができ、アクセプタ性不純物としてＣｄ、Ｃ等を用いることができる。このように他の元素を用いる場合であっても、第１の実施形態と同様に、イオン化エネルギーが１００ｍｅＶ以下の浅いドナーと、イオン化エネルギーが２００ｍｅＶ以上の深いアクセプタの組合せが好ましい。
このようなドナーとアクセプタの組合せが好ましい理由は、光励起によって自由電子、自由正孔を同時に生成しないことが、高効率発光には必要だからである。自由電子と自由正孔は、自由に空間を移動できるキャリアで、結晶中に欠陥があると、両者がそこに到達して、非発光再結合によって消滅するとともに発熱する。結晶が極めて高品質化される場合を除いては、結晶中の欠陥における非発光再結合の成分を極力抑えることが必要となる。そして、第１及び第２の実施形態のようにアクセプタのみイオン化エネルギーを高めておくと、光励起されて生成されたキャリアのうち、正孔は非常に高速にアクセプタに捕獲される。このときの正孔は、アクセプタ準位に緩和したことになり、捕獲されると自由には動くことができないため非発光再結合は生じない。尚、電子は自由のままであるが、非発光再結合のためには電子の対となる正孔もないと成り立たない。一方、ドナー及びアクセプタの両方に大きなイオン化エネルギーを持たせても第１及び第２の実施形態のような高効率光励起発光は可能であるが、第１及び第２の実施形態においてはトンネル接合層に対するコンタクト層の機能が別途必要である。従って、アクセプタのみならず、ドナーもイオン化エネルギーを大きくすると、自由キャリアが全くない高抵抗半導体となってしまい、電流輸送ができなくなるという不具合が生じる。この結果、ドナーとアクセプタの一方だけイオン化エネルギーを大きくする方法が最も望ましい。
【００４６】
また、第１及び第２の実施形態では、蛍光コンタクト層１０９として２種類の組成の異なる井戸層と障壁層により構成されたものを用いたが、蛍光コンタクト層１０９を単一層の構成としたり、３種類以上の異なる組成の層を混在させた構成であってもよい。また、蛍光コンタクト層１０９として、実質的にトンネル接合を形成できる窒化物以外の半導体にドナー性不純物及びアクセプタ性不純物を同時に添加したものであってもよい。すなわち、第２のｎ型半導体層として例えばＺｎＯ、ＩＴＯ(Indium Tin Oxide)等を用い、これにドナー性不純物及びアクセプタ性不純物を添加してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明の第１の実施形態を示す白色発光ダイオードの構造を示す模式図である。
【図２】第１の実施形態の層構成を有する白色ＬＥＤチップの発光スペクトルの一例を示す。
【図３】本発明の第２の実施形態を示す白色発光ダイオードの構造を示す模式図である。
【図４】第２の実施形態の層構成を有する白色ＬＥＤチップの発光スペクトルの一例を示す。
【図５】従来の白色発光ダイオードの構造を示す模式図である。
【符号の説明】
【００４８】
１００ 白色ＬＥＤチップ
１０１ ＳｉＣ基板
１０２ バッファ層
１０３ ｎコンタクト層
１０４ 多重量子井戸活性層
１０５ 電子ブロック層
１０６ ｐ接続層
１０７ ｐトンネル接合層
１０８ ｎトンネル接合層
１０９ 蛍光コンタクト層
１１０ アノード電極
１１１ カソード電極
２００ 白色ＬＥＤチップ
２０１ サファイア基板
２０４ 多重量子井戸活性層
【特許請求の範囲】
【請求項１】
単結晶基板の上に、少なくとも第１のｎ型半導体層、活性層、ｐ型半導体層及び第２のｎ型半導体層を前記単結晶基板側からこの順で有し、
前記単結晶基板は、第１のドナー性不純物及び第１のアクセプタ性不純物が添加され前記活性層から放出される光により励起されると蛍光を生じる第１蛍光領域を含み、
前記第２のｎ型半導体層は、第２のドナー性不純物及び第２のアクセプタ性不純物が添加され前記活性層から放出される光により励起されると蛍光を生じる第２蛍光領域を含む発光素子。
【請求項２】
前記第２のｎ型半導体層における前記第２のドナー性不純物のイオン化エネルギーが１００ｍｅＶ以下であり、
前記第２のｎ型半導体層における前記第２のアクセプタ性不純物のイオン化エネルギーが２００ｍｅＶ以上であり、
前記第２のドナー性不純物の濃度が前記第２のアクセプタ性不純物の濃度よりも高い請求項１に記載の発光素子。
【請求項３】
前記活性層から放出される光のピーク波長が３７０ｎｍから４２０ｎｍの範囲にあり、
前記単結晶基板の前記第１蛍光領域にて生じる蛍光のピーク波長が、５５０ｎｍから６５０ｎｍの範囲にあり、
前記第２のｎ型半導体層の前記第２蛍光領域にて生じる蛍光のピーク波長が、４５０ｎｍから５５０ｎｍの範囲にある請求項１または２に記載の発光素子。
【請求項４】
単結晶基板の上に、少なくとも第１のｎ型半導体層、活性層、ｐ型半導体層及び第２のｎ型半導体層を前記単結晶基板側からこの順で有し、
前記単結晶基板は、可視光を透過する材料により構成され、
前記第２のｎ型半導体層は、ドナー性不純物及びアクセプタ性不純物が添加され前記活性層から放出される光により励起されると蛍光を生じる蛍光領域を含む発光素子。
【請求項５】
前記第２のｎ型半導体層における前記ドナー性不純物のイオン化エネルギーが１００ｍｅＶ以下であり、
前記第２のｎ型半導体層における前記アクセプタ性不純物のイオン化エネルギーが２００ｍｅＶ以上であり、
前記ドナー性不純物の濃度が前記アクセプタ性不純物の濃度よりも高い請求項４に記載の発光素子。
【請求項６】
前記活性層から放出される光のピーク波長が４３０ｎｍから４９０ｎｍの範囲にあり、
前記第２のｎ型半導体層の前記蛍光領域にて生じる蛍光のピーク波長が、５５０ｎｍから６００ｎｍの範囲にある請求項４または５に記載の発光素子。
【請求項１】
単結晶基板の上に、少なくとも第１のｎ型半導体層、活性層、ｐ型半導体層及び第２のｎ型半導体層を前記単結晶基板側からこの順で有し、
前記単結晶基板は、第１のドナー性不純物及び第１のアクセプタ性不純物が添加され前記活性層から放出される光により励起されると蛍光を生じる第１蛍光領域を含み、
前記第２のｎ型半導体層は、第２のドナー性不純物及び第２のアクセプタ性不純物が添加され前記活性層から放出される光により励起されると蛍光を生じる第２蛍光領域を含む発光素子。
【請求項２】
前記第２のｎ型半導体層における前記第２のドナー性不純物のイオン化エネルギーが１００ｍｅＶ以下であり、
前記第２のｎ型半導体層における前記第２のアクセプタ性不純物のイオン化エネルギーが２００ｍｅＶ以上であり、
前記第２のドナー性不純物の濃度が前記第２のアクセプタ性不純物の濃度よりも高い請求項１に記載の発光素子。
【請求項３】
前記活性層から放出される光のピーク波長が３７０ｎｍから４２０ｎｍの範囲にあり、
前記単結晶基板の前記第１蛍光領域にて生じる蛍光のピーク波長が、５５０ｎｍから６５０ｎｍの範囲にあり、
前記第２のｎ型半導体層の前記第２蛍光領域にて生じる蛍光のピーク波長が、４５０ｎｍから５５０ｎｍの範囲にある請求項１または２に記載の発光素子。
【請求項４】
単結晶基板の上に、少なくとも第１のｎ型半導体層、活性層、ｐ型半導体層及び第２のｎ型半導体層を前記単結晶基板側からこの順で有し、
前記単結晶基板は、可視光を透過する材料により構成され、
前記第２のｎ型半導体層は、ドナー性不純物及びアクセプタ性不純物が添加され前記活性層から放出される光により励起されると蛍光を生じる蛍光領域を含む発光素子。
【請求項５】
前記第２のｎ型半導体層における前記ドナー性不純物のイオン化エネルギーが１００ｍｅＶ以下であり、
前記第２のｎ型半導体層における前記アクセプタ性不純物のイオン化エネルギーが２００ｍｅＶ以上であり、
前記ドナー性不純物の濃度が前記アクセプタ性不純物の濃度よりも高い請求項４に記載の発光素子。
【請求項６】
前記活性層から放出される光のピーク波長が４３０ｎｍから４９０ｎｍの範囲にあり、
前記第２のｎ型半導体層の前記蛍光領域にて生じる蛍光のピーク波長が、５５０ｎｍから６００ｎｍの範囲にある請求項４または５に記載の発光素子。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２００８−２７０６６９（Ｐ２００８−２７０６６９Ａ）
【公開日】平成２０年１１月６日（２００８．１１．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−１１４６２２（Ｐ２００７−１１４６２２）
【出願日】平成１９年４月２４日（２００７．４．２４）
【出願人】（５０７１３４７１４）エルシード株式会社 (8)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年１１月６日（２００８．１１．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年４月２４日（２００７．４．２４）
【出願人】（５０７１３４７１４）エルシード株式会社 (8)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]