白色ＬＥＤの製造装置と方法
【課題】 混色により白色となる２色以上の発光部を、単一の発光層内に、任意の面積比率で緻密に形成することができる白色ＬＥＤの製造装置と方法を提供する。
【解決手段】 基板上に有機金属気相成長法又は分子線エピタキシー法により結晶を成長させる結晶成膜装置１０と、基板表面に加熱用レーザ光２１を照射する加熱レーザ照射装置２０とを備える。加熱用レーザ光２１は、成長基板のバンドギャップより大きいエネルギー範囲の波長を有する。加熱レーザ照射装置２０は、加熱用レーザ光２１を基板２上で１次元もしくは２次元的に照射するレーザ照射光学装置２３を備え、基板上の一部に加熱用レーザ光を局所的に照射し、発光層成膜時に、同一発光層１に混色により白色となる複数の発光部１ａ，１ｂ，１ｃを形成する。
【解決手段】 基板上に有機金属気相成長法又は分子線エピタキシー法により結晶を成長させる結晶成膜装置１０と、基板表面に加熱用レーザ光２１を照射する加熱レーザ照射装置２０とを備える。加熱用レーザ光２１は、成長基板のバンドギャップより大きいエネルギー範囲の波長を有する。加熱レーザ照射装置２０は、加熱用レーザ光２１を基板２上で１次元もしくは２次元的に照射するレーザ照射光学装置２３を備え、基板上の一部に加熱用レーザ光を局所的に照射し、発光層成膜時に、同一発光層１に混色により白色となる複数の発光部１ａ，１ｂ，１ｃを形成する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、同一の発光層で白色発光が可能な白色ＬＥＤの製造装置と方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
白色発光が可能な白色ＬＥＤは、ワン・チップ型とマルチ・チップ型に大別することができる。
【０００３】
ワン・チップ型白色ＬＥＤは、青色ＬＥＤ又は紫外ＬＥＤと蛍光体を組み合わせ、青色ＬＥＤ又は紫外ＬＥＤを励起用光源として用い、蛍光体を励起して白色光を得るものであり、特許文献１〜３に開示されている。
しかし、ワン・チップ型白色ＬＥＤは、自然光に近い演色性に優れた白色光を得られるが、赤、青、緑の３原色からなる白色ではないため、色の再現性が悪く、ディスプレイなどの画像表示機器用の白色光としては性能的に不十分であった。また、ＬＥＤ（発光ダイオード）のほかに蛍光体が必要であり、白色ＬＥＤが大型化する。さらに、ＬＥＤの発光特性にマッチした蛍光体の製造が困難である、等の問題点があった。
【０００４】
一方、マルチ・チップ型白色ＬＥＤは、２色以上のＬＥＤを１つのチップに組み込んで同時に発光させ、それらの光を混合して白色光を得るものである。マルチ・チップ型白色ＬＥＤは、２色以上から白色光が得られるため、色純度の高い白色光を得ることができる特徴がある。
マルチ・チップ型白色ＬＥＤは、例えば、特許文献４〜６に開示されている。
【０００５】
特許文献４は、３色ＬＥＤの原価低減と小型化を図ることを目的としている。
そのためこの文献では、図１０に示すように、３色ＬＥＤ５０は、絶縁基板５１上に一組の赤色ＬＥＤ素子５８ａ，緑色ＬＥＤ素子５８ｂ，青色ＬＥＤ素子５８ｃが近接して形成される。各色のＬＥＤ素子は基板５１上に形成されたＩＩＩ族元素の窒化物半導体より成るバッファ層５５と、その上のｐｎ接合されたＩＩＩ族元素の窒化物半導体層５６，５７を有する。ｐｎ接合半導体層は各色によってＩＩＩ族元素の組織化が異なる。例えば赤色素子のｐｎ接合層はＩｎｘ・Ｇａ（１−ｘ）・Ｎ（ｘ＝１．０）とされ、緑色素子ではＩｎｘ・Ｇａ（１−ｘ）・Ｎ（ｘ≒０．４）とされ、青色素子ではＩｎｘ・Ｇａ（１−ｘ）・Ｎ（ｘ≒０．１）とされるものである。
【０００６】
特許文献５は、単一層領域から異なる発光スペクトルピークを発光可能な発光素子を目的とする。
そのため、この文献では、図１１に示すように、ｐ型窒化物半導体６７とｎ型窒化物半導体６６との間に少なくともＩｎとＧａを含有する窒化物半導体の発光層６１を有する発光素子である。特に、発光層６１は単一層内でＩｎの組成比が異なる複数の混晶領域を有する発光素子である。
【０００７】
特許文献６は、液晶用バックライトや表示関連機器用として性能的に十分な色再現性が良い白色光を発光することができる窒化物半導体発光素子を目的とする。
そのため、この文献では、図１２に示すように、基板７１上に、窒化物半導体からなるｎ型層、活性層、及びｐ型層が積層されてなる窒化物半導体発光素子において、互いにバンドギャップエネルギーの異なる複数の活性層７５、７７、７９の間に、ｎ型ドーパントとｐ型ドーパントが共にドープされたキャリア発生層７６、７８を形成する。複数の活性層７５、７７、７９は、赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）、青色（Ｂ）を発光する３つの活性層であり、そのバンドギャップエネルギーは基板７１に近いものほど小さくなっている。
【０００８】
【特許文献１】特開２００４−１２７９８８号公報、「白色発光装置」
【特許文献２】特開２００３−３０６６７４号公報、「白色ＬＥＤ用蛍光体とそれを用いた白色ＬＥＤ」
【特許文献３】特開２００５−８８４４号公報、「蛍光体及びそれを用いた発光装置」
【特許文献４】特開平１１−１２１８１１号公報、「３色ＬＥＤとそれを用いた表示パネル及び表示装置と製法」
【特許文献５】特許第３５１１９２３号公報、「発光素子」
【特許文献６】特開２００６−３０３２５９号公報、「窒化物半導体発光素子と窒化物半導体の成長方法」
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
特許文献４の３色ＬＥＤは、各色のｐｎ接合される半導体材料を共通のＩＩＩ族元素（Ｉｎ，Ｇａ，Ａｌ等）の窒化物を用い、その組成比を変えることによってＲ，Ｇ，Ｂの各色を発光させると共に、絶縁基板にサファイア等を用いて共用化を図っている。
しかし、特許文献４の３色ＬＥＤの製造方法は、Ｒ，Ｇ，Ｂの各色のＬＥＤをエッチング除去して形成したホールに順次形成するので、エッチング工程と成膜工程を繰り返す必要があり、製造工程が複雑である。また、各色のＬＥＤをエッチングで区分する必要があるため緻密化が困難である問題点があった。
【００１０】
特許文献５の発光素子の製造方法は、発光層の成長時に、発光層が、単一層内から混色により白色となる複数の発光スペクトルピークを発光し、且つ、短波長側の発光スペクトルの半値幅が、より長波長側の発光スペクトルの半値幅よりも狭く、且つ、短波長側の発光スペクトルピーク強度が、より長波長側の発光スペクトルピーク強度よりも低いピーク強度比を有するものとなるように、原料ガス中のＨ２分圧を高くものである。
しかし、この特許文献５の製造方法は、発光層が単一量子井戸構造の場合、組成不安定領域の形成を利用するため、原理的に２色の発光しかできない。また、発光層が多層量子井戸構造の場合には、原理的には３色の発光が可能であるが、各層毎に原料ガス中のＨ２分圧を変化させてそれぞれ独立した条件で成膜するため、製造工程が複雑になる問題点があった。
【００１１】
特許文献６の窒化物半導体の成長方法は、互いにバンドギャップエネルギーの異なる複数の活性層の間に、ｎ型ドーパントとｐ型ドーパントが共にドープされたキャリア発生層を形成するため、各層毎にそれぞれ独立した条件で成膜するため、製造工程が複雑になる問題点があった。
【００１２】
本発明は、上述した問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、少ない製造工程で、混色により白色となる２色以上の発光部を、単一の発光層内に、任意の面積比率で緻密に形成することができる白色ＬＥＤの製造装置と方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明によれば、基板上に有機金属気相成長法又は分子線エピタキシー法により結晶を成長させる結晶成膜装置と、基板表面に加熱用レーザ光を照射する加熱レーザ照射装置とを備え、
前記加熱用レーザ光は、成長基板のバンドギャップより大きいエネルギー範囲の波長を有し、
加熱レーザ照射装置は、前記加熱用レーザ光を基板上で１次元もしくは２次元的に照射するレーザ照射光学装置を備え、
発光層成膜時に、基板上の一部に前記加熱用レーザ光を局所的に照射して、同一発光層に混色により白色となる複数の発光部を形成する、ことを特徴とする白色ＬＥＤの製造装置が提供される。
【００１４】
本発明の好ましい実施形態によれば、前記レーザ照射光学装置は、前記加熱用レーザ光を１次元もしくは２次元的に走査するガルバノミラーからなるレーザ走査ミラーと、基板上に前記加熱用レーザ光を集光するｆθレンズとからなる。
また、別の好ましい実施形態によれば、前記レーザ照射光学装置は、前記加熱用レーザ光を１次元もしくは２次元的にスポット状のビーム群を形成する回折光学素子からなる。
【００１５】
また、基板表面に表面反応を促進する反応促進用レーザ光を照射する反応促進レーザ照射装置を備え、
該反応促進用レーザ光は、成長表面の反応を促進させるため、成長層が吸収する波長を有し、前駆体を励起・分解して結晶膜を成長させるエネルギーに相当する波長のレーザ光である。
【００１６】
また本発明によれば、窒化アルミニウムインジウムガリウムを発光層とする白色ＬＥＤの製造方法であって、
単一の発光層を２以上の発光部に区分し、各発光部の組成を、混色により白色となるように設定し、
同一の成膜条件において、前記２以上の発光部を成膜できる複数の処理温度を設定し、
有機金属気相成長法又は分子線エピタキシー法により前記発光層を形成する際に、基板の加熱温度を前記処理温度の最低温度又はそれ以下に設定し、
前記発光部の一部又は全部に、加熱用レーザ光を照射し、局所的に基板の温度を上昇させる、ことを特徴とする白色ＬＥＤの製造方法が提供される。
【００１７】
本発明の好ましい実施形態によれば、前記発光層が吸収する波長を有し、前駆体を励起・分解して結晶膜を成長させるエネルギーに相当する波長の反応促進用レーザ光を、基板に照射し、成長表面の反応を促進させる、ことが好ましい。
【発明の効果】
【００１８】
窒化物半導体の発光層（ＡｌＩｎＧａＮの組成で形成される）を成長させる場合、後述するように、成長温度を変化させるとＩｎＧａＮ層のＩｎの組成（モル分率）が減少することを、本発明の発明者らは基礎研究において確認している。
すなわち組成が例えば、Ｉｎモル分率０．４の場合に赤色を発光し、Ｉｎモル分率０．３では緑色が発光する。本発明はかかる知見に基づくものである。
【００１９】
すなわち、上記本発明の装置および方法によれば、
結晶成膜装置により、有機金属気相成長法又は分子線エピタキシー法により前記発光層を形成する際に、基板の加熱温度を前記処理温度の最低温度又はそれ以下に設定し、
加熱レーザ照射装置を用いて、前記発光部の一部又は全部に、加熱用レーザ光を照射し、局所的に基板の温度を上昇させるので、
同一の成膜条件において、同一の発光層内に２以上の発光部を複数の処理温度で区分して成膜でき、各発光部の組成が処理温度に依存した組成となる。
従ってこの装置および方法により、少ない製造工程で、混色により白色となる２色以上の発光部を、単一の発光層内に、任意の面積比率で緻密に形成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明の好ましい実施形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。
【００２１】
図１は、本発明により製造される白色ＬＥＤの模式的断面図である。
この図において、発光層１は、発光層１は、窒化アルミニウムインジウムガリウム（ＡｌｘＩｎｙＧａ１−x-ｙＮ：０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）の単一量子井戸構造からなる。
以下、ＡｌｘＩｎｙＧａ１−x-ｙＮを単にＡｌＩｎＧａＮと記載する。
また、以下、発光層１が窒化インジウムガリウムＩｎＧａＮである場合について主に説明するが、ＡｌＩｎＧａＮにも同様に本発明を適用することができる。
【００２２】
図１において、単一の発光層１は、２以上の発光部１ａ，１ｂ，１ｃに区分され、各部分１ａ，１ｂ，１ｃのＩｎモル比率は、混色により白色となるように設定されている。
【００２３】
またこの図において、２は基板、３はＧａＮからなるバッファ層、４はｎ−ＧａＮからなるｎ型層、５はｐ−ＡｌＧａＮからなるｐ型クラッド層、６はｐ−ＧａＮからなるｐ型コンタクト層、７はｎ型電極、８はｐ型電極である。
これらの各層は、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）又は分子線エピタキシー法（ＭＢＥ）により成長形成される。
【００２４】
基板２は、好ましくはサファイア基板であるが、他にシリコン、ＳｉＣ等を用いることができる。また、バッファ層３は、この例ではＧａＮであるが、他にＧａＡｌＮ、ＡｌＮ、ＡｌＩｎＮ等で構成することができる。
【００２５】
ｐ型電極８にはニッケル（Ｎｉ）や金（Ａｕ）等の金属を用いることができ、ｎ型電極７にはアルミニウム（Ａｌ）やチタン（Ｔｉ）等の金属を用いることができる。
【００２６】
上述した構成により、ｐ型電極８を＋、ｎ型電極７を−に印加することにより、単一の発光層１の２以上の発光部１ａ，１ｂ，１ｃを異なる波長で発光させ、その混色により白色光を発光させることができる。
【００２７】
図２は、ＡｌＩｎＧａＮのバンドギャップエネルギーを示す図である。
この図における縦軸はバンドギャップエネルギーＥ（ｅＶ）であり、その位置に相当するＡｌＩｎＧａＮが発生する光の波長λ（μｍ）とは、式（１）の関係がある。
Ｅ（ｅＶ）＝１．２４／λ（μｍ）・・・（１）
【００２８】
この図から、ＡｌおよびＩｎモル比率を変化させることにより、任意の可視光（例えば赤色、緑色、青色）を発光できることがわかる。
【００２９】
図３は、ＩｎＧａＮ中のＩｎのモル分率とバンドギャップエネルギーとの関係図である。
この図からも、ＩｎＧａＮ中のＩｎのモル分率を変化させることにより、任意の可視光を発光できることがわかる。
【００３０】
図４は、ＩｎＧａＮの発光層中のＩｎモル比率と発光波長との関係図である。
この図から、例えば赤色、緑色、青色の波長範囲をそれぞれ０．６４〜０．７７μｍ、０．４９〜０．５５μｍ、０．４３〜０．４９μｍとすると、Ｉｎモル比率をそれぞれ０．４前後、０．３前後、０．２前後にすればよいことがわかる。なおこの比率は一例であり、任意に調整することができる。
【００３１】
図５は、ある成膜条件における成膜温度と発光層中のＩｎモル比率との関係図である。
この図から、同一の成膜条件において成膜温度を変化させることにより、発光層中のＩｎモル比率を変えることができることがわかる。
【００３２】
図６は、本発明による白色ＬＥＤ製造装置の模式図である。
この図において、本発明の白色ＬＥＤ製造装置は、基板２上に有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）又は分子線エピタキシー法（ＭＢＥ）により結晶を成長させる結晶成膜装置１０と、基板表面に加熱用レーザ光２１を照射する加熱レーザ照射装置２０と、基板表面に表面反応を促進する反応促進用レーザ光３１を照射する反応促進レーザ照射装置３０とを備える。
【００３３】
結晶成膜装置１０は、反応容器１２、基板移動装置１４及びガス導入装置１６を備える。
【００３４】
反応容器１２は、内部に基板２を収容し、排気装置（例えば真空ポンプ：図示せず）及びガス導入装置１６により内部を所定の圧力及びガス雰囲気に調整できる気密容器である。内部圧力は、成長させる半導体結晶膜に応じて加圧又は減圧するようになっている。
また、反応容器１２の一部（この例では上部）に、加熱用レーザ光２１と反応促進用レーザ光３１を通すレーザ光透過窓１３が気密に設けられている。
【００３５】
基板移動装置１４は、反応容器１２の内部において、基板２を保持し、図示しない駆動装置によって基板２を水平移動するようになっている。この例では、複数の基板２が基板移動装置１４の上面に水平に載せられ、水平面内において旋回又は平行移動するようになっている。
また、基板２は、反応容器１２内で図示しない温度調節手段（例えばヒータ）により所定温度（例えば６００℃）に保持される。基板２は好ましくはサファイアであるが、他にＳｉ、ＳｉＣであっても良い。
【００３６】
ガス導入装置１６は、成長させるべき窒化物半導体膜の種類に応じた前駆体を供給する。
ＩｎＧａＮを成長させる場合には、供給するガスは、Ｉｎ（インジウム），Ｇａ（ガリウム），Ｎ（窒素）の前駆体である。
ＧａＮを成長させる場合には、供給するガスは、Ｇａ、Ｎの前駆体である。
ＡｌＩｎＧａＮを成長させる場合には、供給するガスは、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｎの前駆体である。
Ｉｎの前駆体としてはＴＭＩ（トリメチルインジウム）、Ｇａの前駆体としてはＴＭＧ（トリメチルガリウム）あるいはＴＥＧ(トリエチルガリウム)、Ｎの前駆体としてはアンモニア、Ｎ２Ｈ２（ヒドラジン）又はＴＭＮＨ２（トリメチルアミン）を使用することができる。
【００３７】
また、ｐ型又はｎ型の窒化物半導体を成長させる場合には、ガス導入装置１６は、上述した窒化物半導体の前駆体とともに、ｐ型ドーパントとｎ型ドーパントの一方又は双方を反応容器内に供給する。
ｎ型ドーパントにはＣ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｔｅ、Ｓｅを用いることができ、ｐ型ドーパントにはＭｇ、Ｂｅ、Ｚｎ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｃｄを用いることができる。
【００３８】
加熱レーザ照射装置２０は、レーザ発生装置２２とレーザ照射光学装置２３からなり、基板表面に加熱用レーザ光２１を照射する。レーザ照射光学装置２３は、この例では、レーザ走査ミラー２４とｆθレンズ２６からなる。
【００３９】
レーザ発生装置２２は、ＣＷ（連続発振）のレーザもしくは高パルスの擬似ＣＷレーザであることが望ましい。かかるレーザ発生装置２２としては、Ｈｅ−Ｎｅレーザ、Ａｒレーザ、エキシマレーザ等を用いることができる。
また、ＣＷのレーザを音響光学素子や電気光学素子により、パルス状に照射することで、上昇温度を制御してもよい。
【００４０】
図７は、本発明によるレーザ照射光学装置２３によるレーザ走査説明図である。
この図において、レーザ走査ミラー２４は、２台のガルバノミラーからなり、加熱用レーザ光２１を基板２に平行な２方向ｘ、ｙに２次元的に走査するようになっている。
また、ｆθレンズ２６は、基板２における歪曲特性がｙ＝ｆ・θ・・・（２）となっているレンズであり、基板上に加熱用レーザ光２１を集光し、かつレーザ走査ミラー２４の揺動角度θと焦点距離ｆの積ｙを基板２上の変位とすることができる。
かかるｆθレンズは２枚のレンズ面の曲率を変えることにより、レンズ周辺部と中心部で走査速度が一定になるように設計されている。
【００４１】
上述した加熱レーザ照射装置２０の構成により、発光層１の成膜時に、成長基板２（具体的にはｎ型層４）が吸収する波長を有する加熱用レーザ光２１を基板２に照射し、局所的に基板２の温度を上昇させることができる。
なおこの温度上昇は、発光する波長に対応する組成のＩｎＧａＮが成長するようにレーザの出力、照射時間等を調整する。
【００４２】
図６において、反応促進レーザ照射装置３０は、レーザ発生装置３２及びレーザ走査ミラー３４を備え、基板表面に表面反応を促進する反応促進用レーザ光３１を照射する。
反応促進用レーザ光３１は、エキシマレーザやＹＡＧレーザ等の高出力パルスレーザが好適であるが、成長表面の反応を促進させるため、成長層が吸収する波長を有し、前駆体を励起・分解して結晶膜を成長させることができるエネルギーに相当する波長のレーザ光を出射できるものであればこれに限定されない。
なお、基板全面に均一に反応促進用レーザ光３１を照射するため、均一化する光学系などにより均一化されたビームで照射することが望ましい。
【００４３】
図８は、ガス組成中のＩｎ／Ｇａモル比率と発光層中のＩｎモル比率との関係図である。この図において、横軸は発光層成膜時のガス組成中のＩｎ／Ｇａのモル比率であり、縦軸は発光層中のＩｎモル分率である。また図中の各線は各成膜温度における理論値であり、○●□は実験値である。
この図から、成膜時のガス組成中が一定の場合（例えば図でＩｎ／Ｇａのモル比率が０．５の場合）でも、成膜温度を変えることにより、発光層中のＩｎモル分率を変化させることができることがわかる。
【００４４】
次に、本発明による白色ＬＥＤの製造方法を説明する。
本発明の製造方法では、図１に示したように、単一の発光層１を、２以上の発光部１ａ，１ｂ，１ｃに区分し、各部分１ａ，１ｂ，１ｃのＩｎモル比率を、混色により白色となるように設定する。
例えば、発光部１ａ，１ｂ，１ｃがそれぞれ赤色、緑色、青色を発光する場合、図４からＩｎモル比率をそれぞれ０．４前後、０．３前後、０．２前後に設定すればよいことがわかる。
各部分１ａ，１ｂ，１ｃの大きさは、レーザ光の走査により実現できる限りで任意であり、直径１μｍ以下であるのが好ましいが、直径１ｍｍ以上であってもよい。
また、各部分１ａ，１ｂ，１ｃの面積比率は、各部分の発光強度に応じて、混色により白色となる限りで、任意に設定するのがよい。
【００４５】
次に、上記各Ｉｎモル比率を成膜できる処理温度を図５又は図８から設定する。
例えば、Ｉｎモル比率が０．４前後、０．３前後、０．２前後に対し、図５から発光部１ａ，１ｂ，１ｃの処理温度をそれぞれ約６５０℃、約６７５℃、約７２０℃に設定する。
【００４６】
有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）又は分子線エピタキシー法（ＭＢＥ）により発光層１を形成する際に、基板２の加熱温度を上記処理温度の最低温度（例えば６５０℃）に設定する。
なお、この最低温度を７００℃以上にすると、Ｉｎが凝集してドロップレットを形成したり、相分離が起こるため、処理温度の最低温度は７００℃以下が望ましい。
この構成により、加熱用レーザ光２１が照射されない領域１ａは、例えば赤発光のＩｎ組成（Ｉｎモル比率が０．４前後）のＩｎＧａＮ層が成長する。
【００４７】
なお、基板２の加熱温度を上記処理温度の最低温度（例えば６５０℃）より低く設定し、加熱用レーザ光２１を照射して最低温度に達するようにしてもよい。
【００４８】
さらに、本発明の方法では、発光部１ａ，１ｂ，１ｃの一部又は全部（例えば、最低温度以外の処理温度部分、すなわち緑色、青色を発光する発光部１ｂ，１ｃ）に、加熱用レーザ光２１を照射し、局所的に基板２の温度を上昇させる。
この際、緑色を発光する発光部１ｂは、約６７５℃まで加熱して、Ｉｎモル比率を０．３前後まで下げる。また、青色を発光する発光部１ｃは、約７２０℃まで加熱して、Ｉｎモル比率を０．２前後まで下げる。
また、基板２の加熱温度を処理温度の最低温度（例えば６５０℃）より低く設定した場合には、発光部１ａにも加熱用レーザ光２１を照射して最低温度に達するようにする。
なおこの温度上昇は、レーザの出力、照射時間等を調整することにより行うことができる。また、レーザ照射により加熱される領域の温度は７００℃を超えても、局所的な加熱であるため、上述したドロップレットや相分離を回避することができる。
【００４９】
図９は、本発明により製造した白色ＬＥＤの発光層におけるＩｎモル分率の分布を示す模式図である。
上述した本発明の装置及び方法によれば、この図に示すように、窒化物半導体の同一の発光層内に例えば赤、緑、青の３色が発光する領域を形成させ、色純度の高い白色光を得ることができる。また、青色、黄色発光領域を同一発光層に形成させれば、演色性の高い白色光を得ることができる。
【００５０】
また、本発明による白色ＬＥＤの発光層１は、好ましくは赤、緑、青の３色を発光する３つの発光部１ａ，１ｂ，１ｃを有するので、これらの発光部１ａ，１ｂ，１ｃからの発光の混色により得られる白色光は、色再現性が良く、液晶用バックライトや表示関連機器用として性能的に十分な色再現性をもつ窒化物半導体発光素子が得られる。
【００５１】
また、上述した発光層１を形成した後に、さらに、急速熱アニール（ＲＴＡ：Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ａｎｎｅａｌ）を行っても良い。このように、発光層１を形成し、かつ、ＲＴＡを行うことにより、発光層１の発光プロファイルをブロード化することができ、これにより、一般照明用の白色光に要求されている自然光に近い演色性の良い白色光を発光することができる白色ＬＥＤが得られる。
【００５２】
上述したように、窒化物半導体の発光層（ＡｌＩｎＧａＮの組成で形成される）を成長させる場合、成長温度を変化させるとＩｎＧａＮ層のＩｎモル分率が減少する。
この特性を利用して、本発明では、組成の最も高いＩｎＧａＮを成長させるための成長条件（原料ガス濃度、基板温度）で成長させながら、基板面にＣＷレーザを局所的（必要な場所）に照射して、照射部分のみを温度上昇させて、Ｉｎ組成を減少させることで、レーザ照射された部分とされない部分において異なる発光波長を有する発光層を形成する。
例えば、青色発光の発光層と黄色発光の発光を形成することにより、白色発光の発光層を同一面内に形成することができる。
【００５３】
なお、本発明は上述した実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更の加え得ることは勿論である。例えば、上記実施形態では、窒化インジウムガリウムについて詳述したが、窒化アルミニウムインジウムガリウム（ＡｌｘＩｎｙＧａ１−x-ｙＮ：０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）にも同様に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】本発明により製造される白色ＬＥＤの模式的断面図である。
【図２】窒化アルミニウムインジウムガリウム（ＡｌｘＩｎｙＧａ１−x-ｙＮ：０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）の光のエネルギーを示す図である。
【図３】ＩｎＧａＮ中のＩｎのモル分率とバンドギャップエネルギーとの関係図である。
【図４】発光層中のＩｎモル比率と発光波長との関係図である。
【図５】成膜温度と発光層中のＩｎモル比率との関係図である。
【図６】本発明による白色ＬＥＤ製造装置の模式図である。
【図７】本発明によるレーザ照射光学装置によるレーザ走査説明図である。
【図８】ガス組成中のＩｎ／Ｇａモル比率と発光層中のＩｎモル比率との関係図である。
【図９】本発明による白色ＬＥＤの発光層におけるＩｎモル分率の分布を示す模式図である。
【図１０】特許文献４の３色ＬＥＤの模式図である。
【図１１】特許文献５の発光素子の模式図である。
【図１２】特許文献６の発光素子の模式図である。
【符号の説明】
【００５５】
１ 発光層、１ａ，１ｂ，１ｃ 発光部、
２ 基板、３ バッファ層、４ ｎ型超格子層、
５ ｐ型クラッド層、６ ｐ型コンタクト層、
７ ｎ型電極、８ ｐ型電極、
１０ 結晶成膜装置、
１２ 反応容器、１３ レーザ光透過窓、
１４ 基板移動装置、１６ ガス導入装置、
２０ 加熱レーザ照射装置、
２１ 加熱用レーザ光、２２ レーザ発生装置、
２３ レーザ照射光学装置、２４ レーザ走査ミラー、
２６ ｆθレンズ、
３０ 反応促進レーザ照射装置、
３１ 反応促進用レーザ光、３２ レーザ発生装置、
３４ レーザ走査ミラー
【技術分野】
【０００１】
本発明は、同一の発光層で白色発光が可能な白色ＬＥＤの製造装置と方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
白色発光が可能な白色ＬＥＤは、ワン・チップ型とマルチ・チップ型に大別することができる。
【０００３】
ワン・チップ型白色ＬＥＤは、青色ＬＥＤ又は紫外ＬＥＤと蛍光体を組み合わせ、青色ＬＥＤ又は紫外ＬＥＤを励起用光源として用い、蛍光体を励起して白色光を得るものであり、特許文献１〜３に開示されている。
しかし、ワン・チップ型白色ＬＥＤは、自然光に近い演色性に優れた白色光を得られるが、赤、青、緑の３原色からなる白色ではないため、色の再現性が悪く、ディスプレイなどの画像表示機器用の白色光としては性能的に不十分であった。また、ＬＥＤ（発光ダイオード）のほかに蛍光体が必要であり、白色ＬＥＤが大型化する。さらに、ＬＥＤの発光特性にマッチした蛍光体の製造が困難である、等の問題点があった。
【０００４】
一方、マルチ・チップ型白色ＬＥＤは、２色以上のＬＥＤを１つのチップに組み込んで同時に発光させ、それらの光を混合して白色光を得るものである。マルチ・チップ型白色ＬＥＤは、２色以上から白色光が得られるため、色純度の高い白色光を得ることができる特徴がある。
マルチ・チップ型白色ＬＥＤは、例えば、特許文献４〜６に開示されている。
【０００５】
特許文献４は、３色ＬＥＤの原価低減と小型化を図ることを目的としている。
そのためこの文献では、図１０に示すように、３色ＬＥＤ５０は、絶縁基板５１上に一組の赤色ＬＥＤ素子５８ａ，緑色ＬＥＤ素子５８ｂ，青色ＬＥＤ素子５８ｃが近接して形成される。各色のＬＥＤ素子は基板５１上に形成されたＩＩＩ族元素の窒化物半導体より成るバッファ層５５と、その上のｐｎ接合されたＩＩＩ族元素の窒化物半導体層５６，５７を有する。ｐｎ接合半導体層は各色によってＩＩＩ族元素の組織化が異なる。例えば赤色素子のｐｎ接合層はＩｎｘ・Ｇａ（１−ｘ）・Ｎ（ｘ＝１．０）とされ、緑色素子ではＩｎｘ・Ｇａ（１−ｘ）・Ｎ（ｘ≒０．４）とされ、青色素子ではＩｎｘ・Ｇａ（１−ｘ）・Ｎ（ｘ≒０．１）とされるものである。
【０００６】
特許文献５は、単一層領域から異なる発光スペクトルピークを発光可能な発光素子を目的とする。
そのため、この文献では、図１１に示すように、ｐ型窒化物半導体６７とｎ型窒化物半導体６６との間に少なくともＩｎとＧａを含有する窒化物半導体の発光層６１を有する発光素子である。特に、発光層６１は単一層内でＩｎの組成比が異なる複数の混晶領域を有する発光素子である。
【０００７】
特許文献６は、液晶用バックライトや表示関連機器用として性能的に十分な色再現性が良い白色光を発光することができる窒化物半導体発光素子を目的とする。
そのため、この文献では、図１２に示すように、基板７１上に、窒化物半導体からなるｎ型層、活性層、及びｐ型層が積層されてなる窒化物半導体発光素子において、互いにバンドギャップエネルギーの異なる複数の活性層７５、７７、７９の間に、ｎ型ドーパントとｐ型ドーパントが共にドープされたキャリア発生層７６、７８を形成する。複数の活性層７５、７７、７９は、赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）、青色（Ｂ）を発光する３つの活性層であり、そのバンドギャップエネルギーは基板７１に近いものほど小さくなっている。
【０００８】
【特許文献１】特開２００４−１２７９８８号公報、「白色発光装置」
【特許文献２】特開２００３−３０６６７４号公報、「白色ＬＥＤ用蛍光体とそれを用いた白色ＬＥＤ」
【特許文献３】特開２００５−８８４４号公報、「蛍光体及びそれを用いた発光装置」
【特許文献４】特開平１１−１２１８１１号公報、「３色ＬＥＤとそれを用いた表示パネル及び表示装置と製法」
【特許文献５】特許第３５１１９２３号公報、「発光素子」
【特許文献６】特開２００６−３０３２５９号公報、「窒化物半導体発光素子と窒化物半導体の成長方法」
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
特許文献４の３色ＬＥＤは、各色のｐｎ接合される半導体材料を共通のＩＩＩ族元素（Ｉｎ，Ｇａ，Ａｌ等）の窒化物を用い、その組成比を変えることによってＲ，Ｇ，Ｂの各色を発光させると共に、絶縁基板にサファイア等を用いて共用化を図っている。
しかし、特許文献４の３色ＬＥＤの製造方法は、Ｒ，Ｇ，Ｂの各色のＬＥＤをエッチング除去して形成したホールに順次形成するので、エッチング工程と成膜工程を繰り返す必要があり、製造工程が複雑である。また、各色のＬＥＤをエッチングで区分する必要があるため緻密化が困難である問題点があった。
【００１０】
特許文献５の発光素子の製造方法は、発光層の成長時に、発光層が、単一層内から混色により白色となる複数の発光スペクトルピークを発光し、且つ、短波長側の発光スペクトルの半値幅が、より長波長側の発光スペクトルの半値幅よりも狭く、且つ、短波長側の発光スペクトルピーク強度が、より長波長側の発光スペクトルピーク強度よりも低いピーク強度比を有するものとなるように、原料ガス中のＨ２分圧を高くものである。
しかし、この特許文献５の製造方法は、発光層が単一量子井戸構造の場合、組成不安定領域の形成を利用するため、原理的に２色の発光しかできない。また、発光層が多層量子井戸構造の場合には、原理的には３色の発光が可能であるが、各層毎に原料ガス中のＨ２分圧を変化させてそれぞれ独立した条件で成膜するため、製造工程が複雑になる問題点があった。
【００１１】
特許文献６の窒化物半導体の成長方法は、互いにバンドギャップエネルギーの異なる複数の活性層の間に、ｎ型ドーパントとｐ型ドーパントが共にドープされたキャリア発生層を形成するため、各層毎にそれぞれ独立した条件で成膜するため、製造工程が複雑になる問題点があった。
【００１２】
本発明は、上述した問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、少ない製造工程で、混色により白色となる２色以上の発光部を、単一の発光層内に、任意の面積比率で緻密に形成することができる白色ＬＥＤの製造装置と方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明によれば、基板上に有機金属気相成長法又は分子線エピタキシー法により結晶を成長させる結晶成膜装置と、基板表面に加熱用レーザ光を照射する加熱レーザ照射装置とを備え、
前記加熱用レーザ光は、成長基板のバンドギャップより大きいエネルギー範囲の波長を有し、
加熱レーザ照射装置は、前記加熱用レーザ光を基板上で１次元もしくは２次元的に照射するレーザ照射光学装置を備え、
発光層成膜時に、基板上の一部に前記加熱用レーザ光を局所的に照射して、同一発光層に混色により白色となる複数の発光部を形成する、ことを特徴とする白色ＬＥＤの製造装置が提供される。
【００１４】
本発明の好ましい実施形態によれば、前記レーザ照射光学装置は、前記加熱用レーザ光を１次元もしくは２次元的に走査するガルバノミラーからなるレーザ走査ミラーと、基板上に前記加熱用レーザ光を集光するｆθレンズとからなる。
また、別の好ましい実施形態によれば、前記レーザ照射光学装置は、前記加熱用レーザ光を１次元もしくは２次元的にスポット状のビーム群を形成する回折光学素子からなる。
【００１５】
また、基板表面に表面反応を促進する反応促進用レーザ光を照射する反応促進レーザ照射装置を備え、
該反応促進用レーザ光は、成長表面の反応を促進させるため、成長層が吸収する波長を有し、前駆体を励起・分解して結晶膜を成長させるエネルギーに相当する波長のレーザ光である。
【００１６】
また本発明によれば、窒化アルミニウムインジウムガリウムを発光層とする白色ＬＥＤの製造方法であって、
単一の発光層を２以上の発光部に区分し、各発光部の組成を、混色により白色となるように設定し、
同一の成膜条件において、前記２以上の発光部を成膜できる複数の処理温度を設定し、
有機金属気相成長法又は分子線エピタキシー法により前記発光層を形成する際に、基板の加熱温度を前記処理温度の最低温度又はそれ以下に設定し、
前記発光部の一部又は全部に、加熱用レーザ光を照射し、局所的に基板の温度を上昇させる、ことを特徴とする白色ＬＥＤの製造方法が提供される。
【００１７】
本発明の好ましい実施形態によれば、前記発光層が吸収する波長を有し、前駆体を励起・分解して結晶膜を成長させるエネルギーに相当する波長の反応促進用レーザ光を、基板に照射し、成長表面の反応を促進させる、ことが好ましい。
【発明の効果】
【００１８】
窒化物半導体の発光層（ＡｌＩｎＧａＮの組成で形成される）を成長させる場合、後述するように、成長温度を変化させるとＩｎＧａＮ層のＩｎの組成（モル分率）が減少することを、本発明の発明者らは基礎研究において確認している。
すなわち組成が例えば、Ｉｎモル分率０．４の場合に赤色を発光し、Ｉｎモル分率０．３では緑色が発光する。本発明はかかる知見に基づくものである。
【００１９】
すなわち、上記本発明の装置および方法によれば、
結晶成膜装置により、有機金属気相成長法又は分子線エピタキシー法により前記発光層を形成する際に、基板の加熱温度を前記処理温度の最低温度又はそれ以下に設定し、
加熱レーザ照射装置を用いて、前記発光部の一部又は全部に、加熱用レーザ光を照射し、局所的に基板の温度を上昇させるので、
同一の成膜条件において、同一の発光層内に２以上の発光部を複数の処理温度で区分して成膜でき、各発光部の組成が処理温度に依存した組成となる。
従ってこの装置および方法により、少ない製造工程で、混色により白色となる２色以上の発光部を、単一の発光層内に、任意の面積比率で緻密に形成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明の好ましい実施形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。
【００２１】
図１は、本発明により製造される白色ＬＥＤの模式的断面図である。
この図において、発光層１は、発光層１は、窒化アルミニウムインジウムガリウム（ＡｌｘＩｎｙＧａ１−x-ｙＮ：０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）の単一量子井戸構造からなる。
以下、ＡｌｘＩｎｙＧａ１−x-ｙＮを単にＡｌＩｎＧａＮと記載する。
また、以下、発光層１が窒化インジウムガリウムＩｎＧａＮである場合について主に説明するが、ＡｌＩｎＧａＮにも同様に本発明を適用することができる。
【００２２】
図１において、単一の発光層１は、２以上の発光部１ａ，１ｂ，１ｃに区分され、各部分１ａ，１ｂ，１ｃのＩｎモル比率は、混色により白色となるように設定されている。
【００２３】
またこの図において、２は基板、３はＧａＮからなるバッファ層、４はｎ−ＧａＮからなるｎ型層、５はｐ−ＡｌＧａＮからなるｐ型クラッド層、６はｐ−ＧａＮからなるｐ型コンタクト層、７はｎ型電極、８はｐ型電極である。
これらの各層は、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）又は分子線エピタキシー法（ＭＢＥ）により成長形成される。
【００２４】
基板２は、好ましくはサファイア基板であるが、他にシリコン、ＳｉＣ等を用いることができる。また、バッファ層３は、この例ではＧａＮであるが、他にＧａＡｌＮ、ＡｌＮ、ＡｌＩｎＮ等で構成することができる。
【００２５】
ｐ型電極８にはニッケル（Ｎｉ）や金（Ａｕ）等の金属を用いることができ、ｎ型電極７にはアルミニウム（Ａｌ）やチタン（Ｔｉ）等の金属を用いることができる。
【００２６】
上述した構成により、ｐ型電極８を＋、ｎ型電極７を−に印加することにより、単一の発光層１の２以上の発光部１ａ，１ｂ，１ｃを異なる波長で発光させ、その混色により白色光を発光させることができる。
【００２７】
図２は、ＡｌＩｎＧａＮのバンドギャップエネルギーを示す図である。
この図における縦軸はバンドギャップエネルギーＥ（ｅＶ）であり、その位置に相当するＡｌＩｎＧａＮが発生する光の波長λ（μｍ）とは、式（１）の関係がある。
Ｅ（ｅＶ）＝１．２４／λ（μｍ）・・・（１）
【００２８】
この図から、ＡｌおよびＩｎモル比率を変化させることにより、任意の可視光（例えば赤色、緑色、青色）を発光できることがわかる。
【００２９】
図３は、ＩｎＧａＮ中のＩｎのモル分率とバンドギャップエネルギーとの関係図である。
この図からも、ＩｎＧａＮ中のＩｎのモル分率を変化させることにより、任意の可視光を発光できることがわかる。
【００３０】
図４は、ＩｎＧａＮの発光層中のＩｎモル比率と発光波長との関係図である。
この図から、例えば赤色、緑色、青色の波長範囲をそれぞれ０．６４〜０．７７μｍ、０．４９〜０．５５μｍ、０．４３〜０．４９μｍとすると、Ｉｎモル比率をそれぞれ０．４前後、０．３前後、０．２前後にすればよいことがわかる。なおこの比率は一例であり、任意に調整することができる。
【００３１】
図５は、ある成膜条件における成膜温度と発光層中のＩｎモル比率との関係図である。
この図から、同一の成膜条件において成膜温度を変化させることにより、発光層中のＩｎモル比率を変えることができることがわかる。
【００３２】
図６は、本発明による白色ＬＥＤ製造装置の模式図である。
この図において、本発明の白色ＬＥＤ製造装置は、基板２上に有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）又は分子線エピタキシー法（ＭＢＥ）により結晶を成長させる結晶成膜装置１０と、基板表面に加熱用レーザ光２１を照射する加熱レーザ照射装置２０と、基板表面に表面反応を促進する反応促進用レーザ光３１を照射する反応促進レーザ照射装置３０とを備える。
【００３３】
結晶成膜装置１０は、反応容器１２、基板移動装置１４及びガス導入装置１６を備える。
【００３４】
反応容器１２は、内部に基板２を収容し、排気装置（例えば真空ポンプ：図示せず）及びガス導入装置１６により内部を所定の圧力及びガス雰囲気に調整できる気密容器である。内部圧力は、成長させる半導体結晶膜に応じて加圧又は減圧するようになっている。
また、反応容器１２の一部（この例では上部）に、加熱用レーザ光２１と反応促進用レーザ光３１を通すレーザ光透過窓１３が気密に設けられている。
【００３５】
基板移動装置１４は、反応容器１２の内部において、基板２を保持し、図示しない駆動装置によって基板２を水平移動するようになっている。この例では、複数の基板２が基板移動装置１４の上面に水平に載せられ、水平面内において旋回又は平行移動するようになっている。
また、基板２は、反応容器１２内で図示しない温度調節手段（例えばヒータ）により所定温度（例えば６００℃）に保持される。基板２は好ましくはサファイアであるが、他にＳｉ、ＳｉＣであっても良い。
【００３６】
ガス導入装置１６は、成長させるべき窒化物半導体膜の種類に応じた前駆体を供給する。
ＩｎＧａＮを成長させる場合には、供給するガスは、Ｉｎ（インジウム），Ｇａ（ガリウム），Ｎ（窒素）の前駆体である。
ＧａＮを成長させる場合には、供給するガスは、Ｇａ、Ｎの前駆体である。
ＡｌＩｎＧａＮを成長させる場合には、供給するガスは、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｎの前駆体である。
Ｉｎの前駆体としてはＴＭＩ（トリメチルインジウム）、Ｇａの前駆体としてはＴＭＧ（トリメチルガリウム）あるいはＴＥＧ(トリエチルガリウム)、Ｎの前駆体としてはアンモニア、Ｎ２Ｈ２（ヒドラジン）又はＴＭＮＨ２（トリメチルアミン）を使用することができる。
【００３７】
また、ｐ型又はｎ型の窒化物半導体を成長させる場合には、ガス導入装置１６は、上述した窒化物半導体の前駆体とともに、ｐ型ドーパントとｎ型ドーパントの一方又は双方を反応容器内に供給する。
ｎ型ドーパントにはＣ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｔｅ、Ｓｅを用いることができ、ｐ型ドーパントにはＭｇ、Ｂｅ、Ｚｎ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｃｄを用いることができる。
【００３８】
加熱レーザ照射装置２０は、レーザ発生装置２２とレーザ照射光学装置２３からなり、基板表面に加熱用レーザ光２１を照射する。レーザ照射光学装置２３は、この例では、レーザ走査ミラー２４とｆθレンズ２６からなる。
【００３９】
レーザ発生装置２２は、ＣＷ（連続発振）のレーザもしくは高パルスの擬似ＣＷレーザであることが望ましい。かかるレーザ発生装置２２としては、Ｈｅ−Ｎｅレーザ、Ａｒレーザ、エキシマレーザ等を用いることができる。
また、ＣＷのレーザを音響光学素子や電気光学素子により、パルス状に照射することで、上昇温度を制御してもよい。
【００４０】
図７は、本発明によるレーザ照射光学装置２３によるレーザ走査説明図である。
この図において、レーザ走査ミラー２４は、２台のガルバノミラーからなり、加熱用レーザ光２１を基板２に平行な２方向ｘ、ｙに２次元的に走査するようになっている。
また、ｆθレンズ２６は、基板２における歪曲特性がｙ＝ｆ・θ・・・（２）となっているレンズであり、基板上に加熱用レーザ光２１を集光し、かつレーザ走査ミラー２４の揺動角度θと焦点距離ｆの積ｙを基板２上の変位とすることができる。
かかるｆθレンズは２枚のレンズ面の曲率を変えることにより、レンズ周辺部と中心部で走査速度が一定になるように設計されている。
【００４１】
上述した加熱レーザ照射装置２０の構成により、発光層１の成膜時に、成長基板２（具体的にはｎ型層４）が吸収する波長を有する加熱用レーザ光２１を基板２に照射し、局所的に基板２の温度を上昇させることができる。
なおこの温度上昇は、発光する波長に対応する組成のＩｎＧａＮが成長するようにレーザの出力、照射時間等を調整する。
【００４２】
図６において、反応促進レーザ照射装置３０は、レーザ発生装置３２及びレーザ走査ミラー３４を備え、基板表面に表面反応を促進する反応促進用レーザ光３１を照射する。
反応促進用レーザ光３１は、エキシマレーザやＹＡＧレーザ等の高出力パルスレーザが好適であるが、成長表面の反応を促進させるため、成長層が吸収する波長を有し、前駆体を励起・分解して結晶膜を成長させることができるエネルギーに相当する波長のレーザ光を出射できるものであればこれに限定されない。
なお、基板全面に均一に反応促進用レーザ光３１を照射するため、均一化する光学系などにより均一化されたビームで照射することが望ましい。
【００４３】
図８は、ガス組成中のＩｎ／Ｇａモル比率と発光層中のＩｎモル比率との関係図である。この図において、横軸は発光層成膜時のガス組成中のＩｎ／Ｇａのモル比率であり、縦軸は発光層中のＩｎモル分率である。また図中の各線は各成膜温度における理論値であり、○●□は実験値である。
この図から、成膜時のガス組成中が一定の場合（例えば図でＩｎ／Ｇａのモル比率が０．５の場合）でも、成膜温度を変えることにより、発光層中のＩｎモル分率を変化させることができることがわかる。
【００４４】
次に、本発明による白色ＬＥＤの製造方法を説明する。
本発明の製造方法では、図１に示したように、単一の発光層１を、２以上の発光部１ａ，１ｂ，１ｃに区分し、各部分１ａ，１ｂ，１ｃのＩｎモル比率を、混色により白色となるように設定する。
例えば、発光部１ａ，１ｂ，１ｃがそれぞれ赤色、緑色、青色を発光する場合、図４からＩｎモル比率をそれぞれ０．４前後、０．３前後、０．２前後に設定すればよいことがわかる。
各部分１ａ，１ｂ，１ｃの大きさは、レーザ光の走査により実現できる限りで任意であり、直径１μｍ以下であるのが好ましいが、直径１ｍｍ以上であってもよい。
また、各部分１ａ，１ｂ，１ｃの面積比率は、各部分の発光強度に応じて、混色により白色となる限りで、任意に設定するのがよい。
【００４５】
次に、上記各Ｉｎモル比率を成膜できる処理温度を図５又は図８から設定する。
例えば、Ｉｎモル比率が０．４前後、０．３前後、０．２前後に対し、図５から発光部１ａ，１ｂ，１ｃの処理温度をそれぞれ約６５０℃、約６７５℃、約７２０℃に設定する。
【００４６】
有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）又は分子線エピタキシー法（ＭＢＥ）により発光層１を形成する際に、基板２の加熱温度を上記処理温度の最低温度（例えば６５０℃）に設定する。
なお、この最低温度を７００℃以上にすると、Ｉｎが凝集してドロップレットを形成したり、相分離が起こるため、処理温度の最低温度は７００℃以下が望ましい。
この構成により、加熱用レーザ光２１が照射されない領域１ａは、例えば赤発光のＩｎ組成（Ｉｎモル比率が０．４前後）のＩｎＧａＮ層が成長する。
【００４７】
なお、基板２の加熱温度を上記処理温度の最低温度（例えば６５０℃）より低く設定し、加熱用レーザ光２１を照射して最低温度に達するようにしてもよい。
【００４８】
さらに、本発明の方法では、発光部１ａ，１ｂ，１ｃの一部又は全部（例えば、最低温度以外の処理温度部分、すなわち緑色、青色を発光する発光部１ｂ，１ｃ）に、加熱用レーザ光２１を照射し、局所的に基板２の温度を上昇させる。
この際、緑色を発光する発光部１ｂは、約６７５℃まで加熱して、Ｉｎモル比率を０．３前後まで下げる。また、青色を発光する発光部１ｃは、約７２０℃まで加熱して、Ｉｎモル比率を０．２前後まで下げる。
また、基板２の加熱温度を処理温度の最低温度（例えば６５０℃）より低く設定した場合には、発光部１ａにも加熱用レーザ光２１を照射して最低温度に達するようにする。
なおこの温度上昇は、レーザの出力、照射時間等を調整することにより行うことができる。また、レーザ照射により加熱される領域の温度は７００℃を超えても、局所的な加熱であるため、上述したドロップレットや相分離を回避することができる。
【００４９】
図９は、本発明により製造した白色ＬＥＤの発光層におけるＩｎモル分率の分布を示す模式図である。
上述した本発明の装置及び方法によれば、この図に示すように、窒化物半導体の同一の発光層内に例えば赤、緑、青の３色が発光する領域を形成させ、色純度の高い白色光を得ることができる。また、青色、黄色発光領域を同一発光層に形成させれば、演色性の高い白色光を得ることができる。
【００５０】
また、本発明による白色ＬＥＤの発光層１は、好ましくは赤、緑、青の３色を発光する３つの発光部１ａ，１ｂ，１ｃを有するので、これらの発光部１ａ，１ｂ，１ｃからの発光の混色により得られる白色光は、色再現性が良く、液晶用バックライトや表示関連機器用として性能的に十分な色再現性をもつ窒化物半導体発光素子が得られる。
【００５１】
また、上述した発光層１を形成した後に、さらに、急速熱アニール（ＲＴＡ：Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ａｎｎｅａｌ）を行っても良い。このように、発光層１を形成し、かつ、ＲＴＡを行うことにより、発光層１の発光プロファイルをブロード化することができ、これにより、一般照明用の白色光に要求されている自然光に近い演色性の良い白色光を発光することができる白色ＬＥＤが得られる。
【００５２】
上述したように、窒化物半導体の発光層（ＡｌＩｎＧａＮの組成で形成される）を成長させる場合、成長温度を変化させるとＩｎＧａＮ層のＩｎモル分率が減少する。
この特性を利用して、本発明では、組成の最も高いＩｎＧａＮを成長させるための成長条件（原料ガス濃度、基板温度）で成長させながら、基板面にＣＷレーザを局所的（必要な場所）に照射して、照射部分のみを温度上昇させて、Ｉｎ組成を減少させることで、レーザ照射された部分とされない部分において異なる発光波長を有する発光層を形成する。
例えば、青色発光の発光層と黄色発光の発光を形成することにより、白色発光の発光層を同一面内に形成することができる。
【００５３】
なお、本発明は上述した実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更の加え得ることは勿論である。例えば、上記実施形態では、窒化インジウムガリウムについて詳述したが、窒化アルミニウムインジウムガリウム（ＡｌｘＩｎｙＧａ１−x-ｙＮ：０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）にも同様に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】本発明により製造される白色ＬＥＤの模式的断面図である。
【図２】窒化アルミニウムインジウムガリウム（ＡｌｘＩｎｙＧａ１−x-ｙＮ：０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）の光のエネルギーを示す図である。
【図３】ＩｎＧａＮ中のＩｎのモル分率とバンドギャップエネルギーとの関係図である。
【図４】発光層中のＩｎモル比率と発光波長との関係図である。
【図５】成膜温度と発光層中のＩｎモル比率との関係図である。
【図６】本発明による白色ＬＥＤ製造装置の模式図である。
【図７】本発明によるレーザ照射光学装置によるレーザ走査説明図である。
【図８】ガス組成中のＩｎ／Ｇａモル比率と発光層中のＩｎモル比率との関係図である。
【図９】本発明による白色ＬＥＤの発光層におけるＩｎモル分率の分布を示す模式図である。
【図１０】特許文献４の３色ＬＥＤの模式図である。
【図１１】特許文献５の発光素子の模式図である。
【図１２】特許文献６の発光素子の模式図である。
【符号の説明】
【００５５】
１ 発光層、１ａ，１ｂ，１ｃ 発光部、
２ 基板、３ バッファ層、４ ｎ型超格子層、
５ ｐ型クラッド層、６ ｐ型コンタクト層、
７ ｎ型電極、８ ｐ型電極、
１０ 結晶成膜装置、
１２ 反応容器、１３ レーザ光透過窓、
１４ 基板移動装置、１６ ガス導入装置、
２０ 加熱レーザ照射装置、
２１ 加熱用レーザ光、２２ レーザ発生装置、
２３ レーザ照射光学装置、２４ レーザ走査ミラー、
２６ ｆθレンズ、
３０ 反応促進レーザ照射装置、
３１ 反応促進用レーザ光、３２ レーザ発生装置、
３４ レーザ走査ミラー
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に有機金属気相成長法又は分子線エピタキシー法により結晶を成長させる結晶成膜装置と、基板表面に加熱用レーザ光を照射する加熱レーザ照射装置とを備え、
前記加熱用レーザ光は、成長基板のバンドギャップより大きいエネルギー範囲の波長を有し、
加熱レーザ照射装置は、前記加熱用レーザ光を基板上で１次元もしくは２次元的に照射するレーザ照射光学装置を備え、
発光層成膜時に、基板上の一部に前記加熱用レーザ光を局所的に照射して、同一発光層に混色により白色となる複数の発光部を形成する、ことを特徴とする白色ＬＥＤの製造装置。
【請求項２】
前記レーザ照射光学装置は、前記加熱用レーザ光を１次元もしくは２次元的に走査するガルバノミラーからなるレーザ走査ミラーと、基板上に前記加熱用レーザ光を集光するｆθレンズとからなる、ことを特徴とする請求項１に記載の白色ＬＥＤの製造装置。
【請求項３】
前記レーザ照射光学装置は、前記加熱用レーザ光を１次元もしくは２次元的にスポット状のビーム群を形成する回折光学素子からなる、ことを特徴とする請求項１に記載の白色ＬＥＤの製造装置。
【請求項４】
基板表面に表面反応を促進する反応促進用レーザ光を照射する反応促進レーザ照射装置を備え、
該反応促進用レーザ光は、成長表面の反応を促進させるため、成長層が吸収する波長を有し、前駆体を励起・分解して結晶膜を成長させるエネルギーに相当する波長のレーザ光である、ことを特徴とする請求項１に記載の白色ＬＥＤの製造装置。
【請求項５】
窒化アルミニウムインジウムガリウムを発光層とする白色ＬＥＤの製造方法であって、
単一の発光層を２以上の発光部に区分し、各発光部の組成を、混色により白色となるように設定し、
同一の成膜条件において、前記２以上の発光部を成膜できる複数の処理温度を設定し、
有機金属気相成長法又は分子線エピタキシー法により前記発光層を形成する際に、基板の加熱温度を前記処理温度の最低温度又はそれ以下に設定し、
前記発光部の一部又は全部に、加熱用レーザ光を照射し、局所的に基板の温度を上昇させる、ことを特徴とする白色ＬＥＤの製造方法。
【請求項６】
前記発光層が吸収する波長を有し、前駆体を励起・分解して結晶膜を成長させるエネルギーに相当する波長の反応促進用レーザ光を、基板に照射し、成長表面の反応を促進させる、ことを特徴とする請求項５に記載の白色ＬＥＤの製造方法。
【請求項１】
基板上に有機金属気相成長法又は分子線エピタキシー法により結晶を成長させる結晶成膜装置と、基板表面に加熱用レーザ光を照射する加熱レーザ照射装置とを備え、
前記加熱用レーザ光は、成長基板のバンドギャップより大きいエネルギー範囲の波長を有し、
加熱レーザ照射装置は、前記加熱用レーザ光を基板上で１次元もしくは２次元的に照射するレーザ照射光学装置を備え、
発光層成膜時に、基板上の一部に前記加熱用レーザ光を局所的に照射して、同一発光層に混色により白色となる複数の発光部を形成する、ことを特徴とする白色ＬＥＤの製造装置。
【請求項２】
前記レーザ照射光学装置は、前記加熱用レーザ光を１次元もしくは２次元的に走査するガルバノミラーからなるレーザ走査ミラーと、基板上に前記加熱用レーザ光を集光するｆθレンズとからなる、ことを特徴とする請求項１に記載の白色ＬＥＤの製造装置。
【請求項３】
前記レーザ照射光学装置は、前記加熱用レーザ光を１次元もしくは２次元的にスポット状のビーム群を形成する回折光学素子からなる、ことを特徴とする請求項１に記載の白色ＬＥＤの製造装置。
【請求項４】
基板表面に表面反応を促進する反応促進用レーザ光を照射する反応促進レーザ照射装置を備え、
該反応促進用レーザ光は、成長表面の反応を促進させるため、成長層が吸収する波長を有し、前駆体を励起・分解して結晶膜を成長させるエネルギーに相当する波長のレーザ光である、ことを特徴とする請求項１に記載の白色ＬＥＤの製造装置。
【請求項５】
窒化アルミニウムインジウムガリウムを発光層とする白色ＬＥＤの製造方法であって、
単一の発光層を２以上の発光部に区分し、各発光部の組成を、混色により白色となるように設定し、
同一の成膜条件において、前記２以上の発光部を成膜できる複数の処理温度を設定し、
有機金属気相成長法又は分子線エピタキシー法により前記発光層を形成する際に、基板の加熱温度を前記処理温度の最低温度又はそれ以下に設定し、
前記発光部の一部又は全部に、加熱用レーザ光を照射し、局所的に基板の温度を上昇させる、ことを特徴とする白色ＬＥＤの製造方法。
【請求項６】
前記発光層が吸収する波長を有し、前駆体を励起・分解して結晶膜を成長させるエネルギーに相当する波長の反応促進用レーザ光を、基板に照射し、成長表面の反応を促進させる、ことを特徴とする請求項５に記載の白色ＬＥＤの製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２０１０−９２９５２（Ｐ２０１０−９２９５２Ａ）
【公開日】平成２２年４月２２日（２０１０．４．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−２５９２１２（Ｐ２００８−２５９２１２）
【出願日】平成２０年１０月６日（２００８．１０．６）
【出願人】（０００００００９９）株式会社ＩＨＩ (5,014)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年４月２２日（２０１０．４．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１０月６日（２００８．１０．６）
【出願人】（０００００００９９）株式会社ＩＨＩ (5,014)
【Ｆターム（参考）】
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