JP2000068555A - 照明システム - Google Patents
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- JP2000068555A JP2000068555A JP23255398A JP23255398A JP2000068555A JP 2000068555 A JP2000068555 A JP 2000068555A JP 23255398 A JP23255398 A JP 23255398A JP 23255398 A JP23255398 A JP 23255398A JP 2000068555 A JP2000068555 A JP 2000068555A
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- light emitting
- light
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- semiconductor
- illumination system
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 窒化ガリウム系半導体を用いた省エネルギー
の白色照明を実現すること。 【解決手段】 選択成長による結晶成長により、ＬＥＤ
が形成される基板上に組成波長の異なる複数の発光領域
を形成する。そして、当該発光領域を構成するに好適な
材料として、小さな組成変化で禁制帯幅が大きく変わる
ＧａＮ1-(x1+x2)Ａｓx1Ｓｂx2（０≦x1,x2≦１）等の混
晶半導体を用いる。 【効果】 上記構成を組み合わせることにより、成長面
内の任意の箇所の発光波長を赤色から青色まで自由に制
御することが可能となり、良質な白色光源を得ることが
可能となる。
の白色照明を実現すること。 【解決手段】 選択成長による結晶成長により、ＬＥＤ
が形成される基板上に組成波長の異なる複数の発光領域
を形成する。そして、当該発光領域を構成するに好適な
材料として、小さな組成変化で禁制帯幅が大きく変わる
ＧａＮ1-(x1+x2)Ａｓx1Ｓｂx2（０≦x1,x2≦１）等の混
晶半導体を用いる。 【効果】 上記構成を組み合わせることにより、成長面
内の任意の箇所の発光波長を赤色から青色まで自由に制
御することが可能となり、良質な白色光源を得ることが
可能となる。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は照明装置に係り、そ
の光源として窒化ガリウムに代表される窒素を構成元素
に含むIII-Ｖ族化合物半導体を用いた発光ダイオード又
はレーザダイオードなどの半導体光デバイスを用いた照
明装置又は照明システムに関する。
の光源として窒化ガリウムに代表される窒素を構成元素
に含むIII-Ｖ族化合物半導体を用いた発光ダイオード又
はレーザダイオードなどの半導体光デバイスを用いた照
明装置又は照明システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】従来、屋内外の照明装置として白熱球や
蛍光燈などの熱や電子線を光に変換する方式が利用され
てきた。
蛍光燈などの熱や電子線を光に変換する方式が利用され
てきた。
【０００３】一方、近年窒化ガリウム系化合物半導体を
用いた長寿命且つ高輝度の青色光（〜2.6eV）及び緑色
光（c.a.2.6〜2.4eV）の発光ダイオードが既に実用化さ
れ、さらに、青色ＬＥＤ（Light Emitting Diode：発光
ダイオード）で蛍光体を励起し、白色光を発するＬＥＤ
も発表された。上記窒化ガリウム系化合物半導体とは、
構成元素として少なくとも窒素を含むIII-Ｖ族化合物半
導体のことを総称するもので、青紫色の発光波長に相当
するワイド・バンドギャップのＩｎＧａＮ等がこの範疇
に含まれる。このような窒化ガリウム系化合物からなる
半導体発光素子から発生される（他種の半導体発光素子
に比べて）エネルギーの高い（波長の短い）光を蛍光物
質に照射させ、白色光を得る技術（以下、白色ＬＥＤと
呼ぶ）は、例えば、特開平５-１５２６０９号公報、特
開平７-９９３４５号公報、並びに特開平１０-１９００
６６号公報に記載されている。
用いた長寿命且つ高輝度の青色光（〜2.6eV）及び緑色
光（c.a.2.6〜2.4eV）の発光ダイオードが既に実用化さ
れ、さらに、青色ＬＥＤ（Light Emitting Diode：発光
ダイオード）で蛍光体を励起し、白色光を発するＬＥＤ
も発表された。上記窒化ガリウム系化合物半導体とは、
構成元素として少なくとも窒素を含むIII-Ｖ族化合物半
導体のことを総称するもので、青紫色の発光波長に相当
するワイド・バンドギャップのＩｎＧａＮ等がこの範疇
に含まれる。このような窒化ガリウム系化合物からなる
半導体発光素子から発生される（他種の半導体発光素子
に比べて）エネルギーの高い（波長の短い）光を蛍光物
質に照射させ、白色光を得る技術（以下、白色ＬＥＤと
呼ぶ）は、例えば、特開平５-１５２６０９号公報、特
開平７-９９３４５号公報、並びに特開平１０-１９００
６６号公報に記載されている。
【０００４】上述した窒化ガリウム系化合物半導体から
なる発光素子（ＬＥＤ等）はエネルギー変換効率が従来
のＬＥＤに比べて高いため、消費電力を抑制することが
可能である。また、このＬＥＤを照明装置や表示装置と
いったシステムに応用することにより、当該システム自
体の小型軽量化が容易であることから、特に上述の窒化
ガリウム系化合物半導体からなる光デバイスを応用した
システムは、次世代の省エネルギー照明装置として注目
されている。
なる発光素子（ＬＥＤ等）はエネルギー変換効率が従来
のＬＥＤに比べて高いため、消費電力を抑制することが
可能である。また、このＬＥＤを照明装置や表示装置と
いったシステムに応用することにより、当該システム自
体の小型軽量化が容易であることから、特に上述の窒化
ガリウム系化合物半導体からなる光デバイスを応用した
システムは、次世代の省エネルギー照明装置として注目
されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】ところで、現在上述の
白色ＬＥＤは、青色光で蛍光体を励起するためのエネル
ギー変換工程において、損失（変換ロス）が生じること
や、発光強度により発色が変化することが問題となって
いる。例えば、特開平１０-１９００６６号公報では、
青色系ＬＥＤからの光が照射される蛍光体を保持する合
成樹脂の基体が、上記蛍光体から発する白色光を減衰さ
せる問題について言及されている。即ち、蛍光体に照射
されるＬＥＤ光が青緑色から紫色へと短波長（λ＝500
〜400ｎｍ）側にシフトすると、その分上記基体の材料
たる合成樹脂に吸収され易くなり、上記蛍光体へのＬＥ
Ｄ光供給が減少する。また、当該合成樹脂もＬＥＤ光を
吸収することにより着色されるため、当該蛍光体から発
せられる白色光をより多く吸収してしまうのである。
白色ＬＥＤは、青色光で蛍光体を励起するためのエネル
ギー変換工程において、損失（変換ロス）が生じること
や、発光強度により発色が変化することが問題となって
いる。例えば、特開平１０-１９００６６号公報では、
青色系ＬＥＤからの光が照射される蛍光体を保持する合
成樹脂の基体が、上記蛍光体から発する白色光を減衰さ
せる問題について言及されている。即ち、蛍光体に照射
されるＬＥＤ光が青緑色から紫色へと短波長（λ＝500
〜400ｎｍ）側にシフトすると、その分上記基体の材料
たる合成樹脂に吸収され易くなり、上記蛍光体へのＬＥ
Ｄ光供給が減少する。また、当該合成樹脂もＬＥＤ光を
吸収することにより着色されるため、当該蛍光体から発
せられる白色光をより多く吸収してしまうのである。
【０００６】一方、上記白色ＬＥＤに代えて、既存の
青、緑、赤のＬＥＤを並べて配置し、夫々からの光を合
わせることにより白色光を得る方式は、生産コスト抑制
やプロセスの簡略化、さらには発光の色むらの抑止がま
まならないという問題があった。色むら（青みや赤みが
強くなるという）の問題は、波長の異なるＬＥＤに供給
する電流を夫々のＬＥＤからの発光強度に合わせて調整
すれば、理論的には抑止できるが、照明装置や表示装置
（例えば、液晶ディスプレイのバックライト）に適用す
るには問題がある。即ち、発光強度をモニタする受光素
子を設けると、これにより照明や表示に提供せんとする
光の強度を損なうため、省エネルギーにして高輝度とい
うＬＥＤ光源ならではの利点を損ねてしまうのである。
青、緑、赤のＬＥＤを並べて配置し、夫々からの光を合
わせることにより白色光を得る方式は、生産コスト抑制
やプロセスの簡略化、さらには発光の色むらの抑止がま
まならないという問題があった。色むら（青みや赤みが
強くなるという）の問題は、波長の異なるＬＥＤに供給
する電流を夫々のＬＥＤからの発光強度に合わせて調整
すれば、理論的には抑止できるが、照明装置や表示装置
（例えば、液晶ディスプレイのバックライト）に適用す
るには問題がある。即ち、発光強度をモニタする受光素
子を設けると、これにより照明や表示に提供せんとする
光の強度を損なうため、省エネルギーにして高輝度とい
うＬＥＤ光源ならではの利点を損ねてしまうのである。
【０００７】本発明の目的は、白色光を発生するに好適
な波長の異なる複数の発光領域を有し、これらを安定に
駆動し得る照明装置又は表示装置（以下、「照明システ
ム」と総称する）を提供することにある。また、本発明
の更なる目的は、このような照明システムを簡素なプロ
セスで再現性よく生産するに好適なシステム構成を提供
することにある。
な波長の異なる複数の発光領域を有し、これらを安定に
駆動し得る照明装置又は表示装置（以下、「照明システ
ム」と総称する）を提供することにある。また、本発明
の更なる目的は、このような照明システムを簡素なプロ
セスで再現性よく生産するに好適なシステム構成を提供
することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】上述の目的に対し、本発
明では上述の窒化ガリウム系化合物半導体からなる発光
素子の発光領域を構成する半導体層の混晶組成を、その
結晶成長時における成長領域毎に変化させることで、一
発光素子内に白色光を発生するに好適な波長の異なる複
数の発光領域を形成し、これらの領域に並列に電流を注
入するように構成する。
明では上述の窒化ガリウム系化合物半導体からなる発光
素子の発光領域を構成する半導体層の混晶組成を、その
結晶成長時における成長領域毎に変化させることで、一
発光素子内に白色光を発生するに好適な波長の異なる複
数の発光領域を形成し、これらの領域に並列に電流を注
入するように構成する。
【０００９】シリコン酸化膜やシリコン窒化膜等のアモ
ルファス膜をマスクとした選択成長において、当該マス
クに設けられた間隙（マスクから結晶成長基体が露出し
た部分）におけるIII-Ｖ族化合物半導体の結晶成長速度
は、この間隙の幅やその両側に形成されたマスクの幅に
依存する。殊に、III族元素又はＶ族元素の少なくとも
一方が複数の種類を含む混晶半導体の場合、この成長速
度の相違が元素ごとの組成比に反映される。例えば、II
I元素としてＩｎとＧａを含むＩｎＧａＮで発光領域を
形成する場合、同じ間隙幅においても、その両側のマス
ク幅を狭めるにつれてＧａの組成比は高まり、発光波長
も短波長側にシフトする。このため、発光素子を形成せ
んとする基体上に、幅又は間隔の異なるストライプ状の
間隙を有するマスクを形成し、その後、当該マスク上に
窒化ガリウム系化合物半導体の混晶からなる発光領域を
含めたIII-Ｖ族化合物半導体結晶を成長させることによ
り、基体上に発光波長の異なる複数の発光領域が再現性
良く形成できるのである。
ルファス膜をマスクとした選択成長において、当該マス
クに設けられた間隙（マスクから結晶成長基体が露出し
た部分）におけるIII-Ｖ族化合物半導体の結晶成長速度
は、この間隙の幅やその両側に形成されたマスクの幅に
依存する。殊に、III族元素又はＶ族元素の少なくとも
一方が複数の種類を含む混晶半導体の場合、この成長速
度の相違が元素ごとの組成比に反映される。例えば、II
I元素としてＩｎとＧａを含むＩｎＧａＮで発光領域を
形成する場合、同じ間隙幅においても、その両側のマス
ク幅を狭めるにつれてＧａの組成比は高まり、発光波長
も短波長側にシフトする。このため、発光素子を形成せ
んとする基体上に、幅又は間隔の異なるストライプ状の
間隙を有するマスクを形成し、その後、当該マスク上に
窒化ガリウム系化合物半導体の混晶からなる発光領域を
含めたIII-Ｖ族化合物半導体結晶を成長させることによ
り、基体上に発光波長の異なる複数の発光領域が再現性
良く形成できるのである。
【００１０】発光領域を窒素を含むIII-Ｖ族化合物の混
晶半導体とすることで、複数の発光領域から自然放出さ
れる光を合波させて、所謂白色光にし易くなる。その理
由は、夫々の発光領域に赤色、緑色、及び青色という白
色光を構成するに望ましい波長成分を分配し易くなるか
らである。そして、上述のIII-Ｖ族化合物の混晶半導体
からなる発光領域は、Ｖ族元素として窒素を５０％以上
含むものが望ましい。即ち、ＩｎＧａＡｓ等のIII-Ｖ族
化合物混晶半導体に５％程度の窒素を添加した半導体で
は、ボウイング（Bowing）現象により発光波長が赤外領
域へとシフトし、上述の波長配分が困難となるからであ
る。
晶半導体とすることで、複数の発光領域から自然放出さ
れる光を合波させて、所謂白色光にし易くなる。その理
由は、夫々の発光領域に赤色、緑色、及び青色という白
色光を構成するに望ましい波長成分を分配し易くなるか
らである。そして、上述のIII-Ｖ族化合物の混晶半導体
からなる発光領域は、Ｖ族元素として窒素を５０％以上
含むものが望ましい。即ち、ＩｎＧａＡｓ等のIII-Ｖ族
化合物混晶半導体に５％程度の窒素を添加した半導体で
は、ボウイング（Bowing）現象により発光波長が赤外領
域へとシフトし、上述の波長配分が困難となるからであ
る。
【００１１】以上の如く構成される本発明の照明システ
ムを、発光領域の形成方法から更に詳述すると次のとお
りである。上述のように結晶成長領域周辺のマスク（選
択成長マスク）の幅を基体上において局所的に変えて形
成し、これに結晶成長の原料ガス（トリメチルガリウ
ム、アルシン、アンモニア等）を供給すると、当該基体
面内に存在する異なる幅のマスクに挟まれた各結晶成長
領域には、一定の、換言すれば同じ量の原料ガスが供給
される。しかしながら、夫々の結晶成長領域に堆積する
III族元素又はＶ族元素の配分は、各々を挟むマスクの
幅に応じて再現性良く決まる。したがって、選択成長マ
スクのパターンを形成すれば、他のプロセス条件は特に
変えずとも、基体面内に発光波長の異なる所望の発光領
域を形成できるのである。
ムを、発光領域の形成方法から更に詳述すると次のとお
りである。上述のように結晶成長領域周辺のマスク（選
択成長マスク）の幅を基体上において局所的に変えて形
成し、これに結晶成長の原料ガス（トリメチルガリウ
ム、アルシン、アンモニア等）を供給すると、当該基体
面内に存在する異なる幅のマスクに挟まれた各結晶成長
領域には、一定の、換言すれば同じ量の原料ガスが供給
される。しかしながら、夫々の結晶成長領域に堆積する
III族元素又はＶ族元素の配分は、各々を挟むマスクの
幅に応じて再現性良く決まる。したがって、選択成長マ
スクのパターンを形成すれば、他のプロセス条件は特に
変えずとも、基体面内に発光波長の異なる所望の発光領
域を形成できるのである。
【００１２】実用上、発光波長の異なる領域毎に選択成
長で形成する発光領域の面積差を少なくすることが望ま
しい。このような要請に対し、発光領域を構成する混晶
半導体層のＶ族元素として窒素以外に砒素（Ａｓ）やア
ンチモン（Ｓｂ）を含めることが推奨される。その理由
は、これら窒素以外のＶ族元素の添加により、僅かなＶ
族元素の組成変化で当該混晶半導体の禁制帯幅が大きく
変化するからである。
長で形成する発光領域の面積差を少なくすることが望ま
しい。このような要請に対し、発光領域を構成する混晶
半導体層のＶ族元素として窒素以外に砒素（Ａｓ）やア
ンチモン（Ｓｂ）を含めることが推奨される。その理由
は、これら窒素以外のＶ族元素の添加により、僅かなＶ
族元素の組成変化で当該混晶半導体の禁制帯幅が大きく
変化するからである。
【００１３】窒化ガリウム系化合物半導体からなる発光
層を六方晶系の結晶で形成する場合、基体としてサファ
イア（Ａｌ2Ｏ3）を用い、ｐ及びｎ側電極を基体と反対
側（結晶成長面側）に設ける。この形状は、サファイア
の導電性が極めて低いため既存の窒化ガリウム系化合物
半導体の六方晶系結晶からなるＬＥＤやレーザ・ダイオ
ードで採用されているが、本発明における照明システム
では、この基体を発光面として利用できる利点がある。
即ち、上述のとおり白色光を発生するには青色光を他の
波長の光と同様に発光領域から取り出すことが重要とな
るが、サファイアの屈折率はIII-Ｖ族化合物半導体に比
べて低いため、短波長の光に対しても吸収損失が小さく
なるからである。
層を六方晶系の結晶で形成する場合、基体としてサファ
イア（Ａｌ2Ｏ3）を用い、ｐ及びｎ側電極を基体と反対
側（結晶成長面側）に設ける。この形状は、サファイア
の導電性が極めて低いため既存の窒化ガリウム系化合物
半導体の六方晶系結晶からなるＬＥＤやレーザ・ダイオ
ードで採用されているが、本発明における照明システム
では、この基体を発光面として利用できる利点がある。
即ち、上述のとおり白色光を発生するには青色光を他の
波長の光と同様に発光領域から取り出すことが重要とな
るが、サファイアの屈折率はIII-Ｖ族化合物半導体に比
べて低いため、短波長の光に対しても吸収損失が小さく
なるからである。
【００１４】以上の議論に基づき、本発明者は次の構成
の照明システムを提供する。
の照明システムを提供する。
【００１５】その第１は、選択成長を用い単一素子内で
少なくとも２種類以上の波長の光を発光する領域を有す
ることを特徴とする窒化ガリウム系化合物半導体発光素
子を用いた照明システムである。
少なくとも２種類以上の波長の光を発光する領域を有す
ることを特徴とする窒化ガリウム系化合物半導体発光素
子を用いた照明システムである。
【００１６】第２として、上記発光領域をＡｌx1Ｇａ
1-(x1+x2)Ｉｎx2Ｎ1-(y1+y2+y3)Ａｓy1Ｐy2Ｓｂy3（０
≦x1,x2,y1,y2,y3≦１）なる混晶半導体で形成してなる
構成を推奨する。上述の議論では、ボウイング現象を回
避するためにＮの組成比を0.5以上とすることを推奨し
たが、組み合わせられる他のＶ族元素又は、III族元素
の組み合わせでＮの組成比が0.5未満でも実用に耐える
発光領域を実現できる場合はその限りでないものであ
る。
1-(x1+x2)Ｉｎx2Ｎ1-(y1+y2+y3)Ａｓy1Ｐy2Ｓｂy3（０
≦x1,x2,y1,y2,y3≦１）なる混晶半導体で形成してなる
構成を推奨する。上述の議論では、ボウイング現象を回
避するためにＮの組成比を0.5以上とすることを推奨し
たが、組み合わせられる他のＶ族元素又は、III族元素
の組み合わせでＮの組成比が0.5未満でも実用に耐える
発光領域を実現できる場合はその限りでないものであ
る。
【００１７】第３として、上記発光領域をＧａＡｓy1Ｎ
1-y1（０＜y1≦１）又はＧａＳｂy3Ｎ1-y3（０＜y3≦
１）からなる第１層とＧａＮからなる第２層で形成して
なる構成を推奨する。
1-y1（０＜y1≦１）又はＧａＳｂy3Ｎ1-y3（０＜y3≦
１）からなる第１層とＧａＮからなる第２層で形成して
なる構成を推奨する。
【００１８】以上のいずれの構成において、上記発光領
域をｐ型とｎ型の窒化ガリウム系半導体層間に挿入し、
更に上記波長の異なる発光領域に電流を供給するｐ型並
びにｎ型の電極層を上記窒化ガリウム系化合物半導体発
光素子内で共有させ、各発光領域に並列に電流を供給す
るように構成することを推奨する。
域をｐ型とｎ型の窒化ガリウム系半導体層間に挿入し、
更に上記波長の異なる発光領域に電流を供給するｐ型並
びにｎ型の電極層を上記窒化ガリウム系化合物半導体発
光素子内で共有させ、各発光領域に並列に電流を供給す
るように構成することを推奨する。
【００１９】また、上記第１乃至第３の構成からなる照
明システムに含まれる上記窒化ガリウム系化合物半導体
発光素子内に発光波長の異なる３種類以上の発光領域を
形成し、この発光領域の少なくとも一は赤色の波長帯域
に、少なくとも他の一は緑色の波長帯域に、少なくとも
残りの一は青色の波長帯域に夫々対応する波長組成を有
するように構成することを推奨する。そして、この構成
において各波長領域の発光強度をこれらの合波が白色光
になるように調節するよう構成することが望ましい。
明システムに含まれる上記窒化ガリウム系化合物半導体
発光素子内に発光波長の異なる３種類以上の発光領域を
形成し、この発光領域の少なくとも一は赤色の波長帯域
に、少なくとも他の一は緑色の波長帯域に、少なくとも
残りの一は青色の波長帯域に夫々対応する波長組成を有
するように構成することを推奨する。そして、この構成
において各波長領域の発光強度をこれらの合波が白色光
になるように調節するよう構成することが望ましい。
【００２０】以上に列挙した本発明の照明システムの具
体的な実施態様は、次の発明の実施の形態の欄において
詳述されよう。
体的な実施態様は、次の発明の実施の形態の欄において
詳述されよう。
【００２１】
【発明の実施の形態】本発明の照明システムの具体的な
実施の形態を、実施例１並びに２及びこれらの関連図面
を参照して説明する。
実施の形態を、実施例１並びに２及びこれらの関連図面
を参照して説明する。
【００２２】＜実施例１＞本実施例では、図１並びに２
を参照し、ＧａＮＡｓ−ＧａＮ多重量子井戸構造からな
る発光領域を有する白色光ＬＥＤで構成される照明シス
テムに関して説明する。
を参照し、ＧａＮＡｓ−ＧａＮ多重量子井戸構造からな
る発光領域を有する白色光ＬＥＤで構成される照明シス
テムに関して説明する。
【００２３】本実施例の照明システムを構成する半導体
発光素子の部分的な断面を図１に、その表面（基体上に
成長された窒化ガリウム系化合物半導体の積層構造の上
面）を図２に示す。図１において、六方晶構造を有する
サファイア（Ａｌ2Ｏ3）の単結晶基板101のｃ面（（000
1）面）上にアモルファスのＡｌＮバッファ層102（厚
さ：ｄ＝５ｎｍ）、Ｓｉ元素をドープしたｎ型のＧａＮ
層103（ドーパント濃度：ｎ＝１×１０18ｃｍ-3，ｄ＝
３μｍ）が成長されている。
発光素子の部分的な断面を図１に、その表面（基体上に
成長された窒化ガリウム系化合物半導体の積層構造の上
面）を図２に示す。図１において、六方晶構造を有する
サファイア（Ａｌ2Ｏ3）の単結晶基板101のｃ面（（000
1）面）上にアモルファスのＡｌＮバッファ層102（厚
さ：ｄ＝５ｎｍ）、Ｓｉ元素をドープしたｎ型のＧａＮ
層103（ドーパント濃度：ｎ＝１×１０18ｃｍ-3，ｄ＝
３μｍ）が成長されている。
【００２４】上記ｎ−ＧａＮ層103の上面に間隙パター
ンを有するＳｉＯ2選択成長マスク104を形成した後、Ｓ
ｉ元素をドープしたｎ型のＧａＮ層105（ドーパント濃
度：ｎ＝５×１０17ｃｍ-3，ｄ＝0.5μｍ）、ノンドー
プのＧａＡｓxＮ1-x（０＜x＜１）とＧａＮとを交互に
積層してなる歪量子井戸活性層106（各膜厚５ｎｍとし
て３周期積層）、Ｍｇ元素をドープしたｐ型のＧａＮ層
107（ドーパント濃度：ｐ＝５×１０17ｃｍ-3，ｄ＝0.5
μｍ）、Ｃ元素をドープしたｐ型のＡｌＮのキャップ層
108（ドーパント濃度：ｐ＝１×１０19ｃｍ-3，ｄ＝0.2
μｍ）を順次成長させた。このｎ−ＧａＮ層105からｐ
−ＡｌＮキャップ層108迄が結晶成長される領域を制限
する（離間する）ＳｉＯ2マスク104の長さが上記歪量子
井戸活性層の井戸層（禁制帯幅の狭い層）を構成するＧ
ａＡｓxＮ1-xのＡｓ組成（x）を決めるのである。そし
て、ｐ−ＡｌＮキャップ層108上には金属又は合金から
なるｐ側電極層109が形成される。
ンを有するＳｉＯ2選択成長マスク104を形成した後、Ｓ
ｉ元素をドープしたｎ型のＧａＮ層105（ドーパント濃
度：ｎ＝５×１０17ｃｍ-3，ｄ＝0.5μｍ）、ノンドー
プのＧａＡｓxＮ1-x（０＜x＜１）とＧａＮとを交互に
積層してなる歪量子井戸活性層106（各膜厚５ｎｍとし
て３周期積層）、Ｍｇ元素をドープしたｐ型のＧａＮ層
107（ドーパント濃度：ｐ＝５×１０17ｃｍ-3，ｄ＝0.5
μｍ）、Ｃ元素をドープしたｐ型のＡｌＮのキャップ層
108（ドーパント濃度：ｐ＝１×１０19ｃｍ-3，ｄ＝0.2
μｍ）を順次成長させた。このｎ−ＧａＮ層105からｐ
−ＡｌＮキャップ層108迄が結晶成長される領域を制限
する（離間する）ＳｉＯ2マスク104の長さが上記歪量子
井戸活性層の井戸層（禁制帯幅の狭い層）を構成するＧ
ａＡｓxＮ1-xのＡｓ組成（x）を決めるのである。そし
て、ｐ−ＡｌＮキャップ層108上には金属又は合金から
なるｐ側電極層109が形成される。
【００２５】一方、図１のような断面構造を有し且つ発
光波長の異なる３種類の発光素子を同一のサファイア基
板上に形成した白色ＬＥＤの上面図を示したものが図２
である。図１に示されるサファイア基板上部に間隙パタ
ーンを設けて構成されたＳｉＯ2マスク104は、図２にて
参照番号201として示され、その間隙パターン（ｐ側電
極203として表示）を隔てるＳｉＯ2選択成長マスク201
の幅は、赤色発光領域204、緑色発光領域205、青色発光
領域207の夫々にて異なる。
光波長の異なる３種類の発光素子を同一のサファイア基
板上に形成した白色ＬＥＤの上面図を示したものが図２
である。図１に示されるサファイア基板上部に間隙パタ
ーンを設けて構成されたＳｉＯ2マスク104は、図２にて
参照番号201として示され、その間隙パターン（ｐ側電
極203として表示）を隔てるＳｉＯ2選択成長マスク201
の幅は、赤色発光領域204、緑色発光領域205、青色発光
領域207の夫々にて異なる。
【００２６】各波長領域204,205,207の間隙パターンに
成長した発光領域を含む半導体積層構造（図1の105〜10
8）の間には図示せざるもポリイミド等の絶縁材料又は
高抵抗の半導体領域が形成され、実用上ｐ側電極は上記
半導体積層構造及びその間隙に形成される絶縁又は高抵
抗の領域上を覆うように形成される。一方、ｎ側電極20
2は、ＳｉＯ2選択成長マスク201に設けられた別の間隙
から露出する上記ｎ−ＧａＮ層103の上面に形成され
る。このような電極構成により、各波長領域204,205,20
7に形成される発光領域は、ｐ側電極とｎ側電極との間
に並列に配置される（この形状は、実施例２にて図３を
参照して後述される）。
成長した発光領域を含む半導体積層構造（図1の105〜10
8）の間には図示せざるもポリイミド等の絶縁材料又は
高抵抗の半導体領域が形成され、実用上ｐ側電極は上記
半導体積層構造及びその間隙に形成される絶縁又は高抵
抗の領域上を覆うように形成される。一方、ｎ側電極20
2は、ＳｉＯ2選択成長マスク201に設けられた別の間隙
から露出する上記ｎ−ＧａＮ層103の上面に形成され
る。このような電極構成により、各波長領域204,205,20
7に形成される発光領域は、ｐ側電極とｎ側電極との間
に並列に配置される（この形状は、実施例２にて図３を
参照して後述される）。
【００２７】図１に示すサファイア単結晶基板101のｃ
面上へのＡｌＮバッファ層102からｐ−ＡｌＮキャップ
層108に至る半導体結晶層の成長は有機金属気相成長装
置を用いて行った（ＭＯＣＶＤ法による結晶成長）。原
料には、ＴＭＧａ（トリメチルガリウム）、ＴＭＡｌ
（トリメチルアルミニウム）、ＡｓＨ3、ＮＨ3、ＳｉＨ
4、Ｃ3Ｈ8、及びＣｐ2Ｍｇ（シクロペンタジエニルマグ
ネシウム）を用いた。成長温度は、アモルファスＡｌＮ
バッファ102は8000℃、ＧａＡｓxＮ1-x−ＧａＮ歪量子
井戸活性層106は800℃、その他の層は1050℃とした。
面上へのＡｌＮバッファ層102からｐ−ＡｌＮキャップ
層108に至る半導体結晶層の成長は有機金属気相成長装
置を用いて行った（ＭＯＣＶＤ法による結晶成長）。原
料には、ＴＭＧａ（トリメチルガリウム）、ＴＭＡｌ
（トリメチルアルミニウム）、ＡｓＨ3、ＮＨ3、ＳｉＨ
4、Ｃ3Ｈ8、及びＣｐ2Ｍｇ（シクロペンタジエニルマグ
ネシウム）を用いた。成長温度は、アモルファスＡｌＮ
バッファ102は8000℃、ＧａＡｓxＮ1-x−ＧａＮ歪量子
井戸活性層106は800℃、その他の層は1050℃とした。
【００２８】まず、Ｓｉ元素をドープしてなるｎ型Ｇａ
Ｎ層103まで成長した後、試料全面（ｎ型ＧａＮ層103上
面全域）にＳｉＯ2膜104,201を堆積し、その結晶成長
（予定）領域に幅２０μｍの目明き部（図２のｐ側電極
203に相当）を形成し、その間隔を赤色領域204、緑色領
域205、青色領域207に対し、各々100，50，30μｍとな
るようにストライプを形成した。その後、Ｓｉドープの
ｎ型ＧａＮ層105からＣドープのｐ型ＡｌＮ層108まで成
長を行った。ここで、ノンドープの（少なくとも人為的
にドーパントが導入されない）ＧａＡｓxＮ1-x−ＧａＮ
歪量子井戸活性層106の成長において、Ａｓ組成（x）は
青色発光領域207でx＝0.03となるようにＭＯＣＶＤ成長
におけるＡｓＨ3の流量を調整した。その結果、上記歪
量子井戸活性層106のＧａＡｓxＮ1-x井戸層のＡｓ組成
（x）は、緑色領域205でx＝0.06、赤色領域204でx＝0.0
8となった。続いて、ｎ型電極202、ｐ型電極109，203を
形成した。
Ｎ層103まで成長した後、試料全面（ｎ型ＧａＮ層103上
面全域）にＳｉＯ2膜104,201を堆積し、その結晶成長
（予定）領域に幅２０μｍの目明き部（図２のｐ側電極
203に相当）を形成し、その間隔を赤色領域204、緑色領
域205、青色領域207に対し、各々100，50，30μｍとな
るようにストライプを形成した。その後、Ｓｉドープの
ｎ型ＧａＮ層105からＣドープのｐ型ＡｌＮ層108まで成
長を行った。ここで、ノンドープの（少なくとも人為的
にドーパントが導入されない）ＧａＡｓxＮ1-x−ＧａＮ
歪量子井戸活性層106の成長において、Ａｓ組成（x）は
青色発光領域207でx＝0.03となるようにＭＯＣＶＤ成長
におけるＡｓＨ3の流量を調整した。その結果、上記歪
量子井戸活性層106のＧａＡｓxＮ1-x井戸層のＡｓ組成
（x）は、緑色領域205でx＝0.06、赤色領域204でx＝0.0
8となった。続いて、ｎ型電極202、ｐ型電極109，203を
形成した。
【００２９】この発光素子に６Ｖで３０ｍＡの電流を流
したところ、３０ｌｍ（３０ルーメン）の白色発光が得
られた。
したところ、３０ｌｍ（３０ルーメン）の白色発光が得
られた。
【００３０】＜実施例２＞本実施例では、実施例１にて
作製された発光素子を１６個、図３に示すように四行四
列に配列させ、各々のｐ型電極（「く」の字型に形成）
301とｎ型電極302を配線して各素子を直列に接続した１
組の発光素子（アレイ）を構成した。そして、この発光
素子（アレイ）401を図４に示す如くパッケージ内に６
個収納し、当該パッケージに設けられた電極端子402,40
3間において上記発光素子（アレイ）401を並列に電気的
に接続して照明装置を構成した。
作製された発光素子を１６個、図３に示すように四行四
列に配列させ、各々のｐ型電極（「く」の字型に形成）
301とｎ型電極302を配線して各素子を直列に接続した１
組の発光素子（アレイ）を構成した。そして、この発光
素子（アレイ）401を図４に示す如くパッケージ内に６
個収納し、当該パッケージに設けられた電極端子402,40
3間において上記発光素子（アレイ）401を並列に電気的
に接続して照明装置を構成した。
【００３１】この照明装置の電極端子402，403間に100
Ｖの電圧を印加したところ、180ｍＡの電流に値に対
し、2900ｌｍ（2900ルーメン）の白色発光が得られた。
これは、本発明による照明システム（照明装置）が40Ｗ
の蛍光燈と同等以上の輝度の白色光をその半分以下の消
費電流で実現し得ることを示すものである。また、上記
パッケージの大きさも15ｍｍ×20ｍｍ（発光面）×５ｍ
ｍ（厚み）迄小型化できることが確かめられ、本発明に
よる照明装置が既存の照明装置のの輝度を損なうことな
く、その著しいダウンサイジングを可能にすることも明
らかとなった。
Ｖの電圧を印加したところ、180ｍＡの電流に値に対
し、2900ｌｍ（2900ルーメン）の白色発光が得られた。
これは、本発明による照明システム（照明装置）が40Ｗ
の蛍光燈と同等以上の輝度の白色光をその半分以下の消
費電流で実現し得ることを示すものである。また、上記
パッケージの大きさも15ｍｍ×20ｍｍ（発光面）×５ｍ
ｍ（厚み）迄小型化できることが確かめられ、本発明に
よる照明装置が既存の照明装置のの輝度を損なうことな
く、その著しいダウンサイジングを可能にすることも明
らかとなった。
【００３２】
【発明の効果】以上説明したように、本発明のように選
択成長を用い、窒化ガリウム系化合物半導体で白色ＬＥ
Ｄを作製することにより、省エネルギー、高輝度、省ス
ペースで低コストの良質な白色照明が得られ、その産業
上の利用価値は非常に大きい。
択成長を用い、窒化ガリウム系化合物半導体で白色ＬＥ
Ｄを作製することにより、省エネルギー、高輝度、省ス
ペースで低コストの良質な白色照明が得られ、その産業
上の利用価値は非常に大きい。
【図１】本発明の実施例１に記載の白色ＬＥＤの断面図
である。
である。
【図２】本発明の実施例１に記載の白色ＬＥＤの平面図
である。
である。
【図３】本発明の実施例２に記載の白色光源の素子の概
念図である。
念図である。
【図４】本発明の実施例２に記載の白色照明システムの
概念図である。
概念図である。
101…サファイア基板、102…アモルファスＡｌＮバッフ
ァ層、103…Ｓｉドープｎ型ＧａＮ層、104…ＳｉＯ2選
択成長マスク、105…Ｓｉドープｎ型ＧａＮ層、106…ノ
ンドープＧａＡｓxＮ1-x−ＧａＮ歪量子井戸活性層、10
7…Ｍｇドープｐ型ＧａＮ層、108…Ｃドープｐ型ＡｌＮ
層、109…ｐ側電極、201…ＳｉＯ2選択成長マスク、202
…ｎ側電極、203…ｐ側電極、204…赤色発光領域、205
…緑色発光領域、207…青色発光領域。
ァ層、103…Ｓｉドープｎ型ＧａＮ層、104…ＳｉＯ2選
択成長マスク、105…Ｓｉドープｎ型ＧａＮ層、106…ノ
ンドープＧａＡｓxＮ1-x−ＧａＮ歪量子井戸活性層、10
7…Ｍｇドープｐ型ＧａＮ層、108…Ｃドープｐ型ＡｌＮ
層、109…ｐ側電極、201…ＳｉＯ2選択成長マスク、202
…ｎ側電極、203…ｐ側電極、204…赤色発光領域、205
…緑色発光領域、207…青色発光領域。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 内田 憲治 東京都国分寺市東恋ケ窪一丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内 (72)発明者 丹羽 敦子 東京都国分寺市東恋ケ窪一丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内 Ｆターム(参考） 5F041 AA14 AA24 AA42 CA04 CA05 CA13 CA34 CA40 CA46 CA57 CA65 CB23 CB29 FF01 FF11
Claims (6)
- 【請求項１】選択成長を用い単一素子内で少なくとも２
種類以上の波長の光を発光する領域を有することを特徴
とする窒化ガリウム系化合物半導体発光素子を用いた照
明システム。 - 【請求項２】上記発光領域は、Ａｌx1Ｇａ1-(x1+x2)Ｉ
ｎx2Ｎ1-(y1+y2+y3)Ａｓy1Ｐy2Ｓｂy3（０≦x1,x2,y1,y
2,y3≦１）なる混晶半導体で形成されることを特徴とす
る請求項１に記載の照明システム。 - 【請求項３】上記発光領域は、ＧａＡｓy1Ｎ1-y1（０＜
y1≦１）又はＧａＳｂy3Ｎ1-y3（０＜y3≦１）からなる
第１層とＧａＮからなる第２層とで形成されることを特
徴とする請求項１に記載の照明システム。 - 【請求項４】上記発光領域は、ｐ型とｎ型の窒化ガリウ
ム系半導体層間に挿入されることを特徴とする請求項１
乃至３のいずれかに記載の照明システム。 - 【請求項５】上記窒化ガリウム系化合物半導体発光素子
は、発光波長の異なる３種類以上の発光領域を有し、該
発光領域の少なくとも一は赤色の波長帯域に、他の少な
くとも一は緑色の波長帯域に、残りの少なくとも一は青
色の波長帯域に夫々対応する波長組成を有することを特
徴とする請求項１乃至４に記載の照明システム。 - 【請求項６】上記各発光波長に対応した発光領域の発光
強度を、これらからの光の合波が白色光になるように調
節するように構成したことを特徴とする請求項５に記載
の照明システム。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP23255398A JP2000068555A (ja) | 1998-08-19 | 1998-08-19 | 照明システム |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP23255398A JP2000068555A (ja) | 1998-08-19 | 1998-08-19 | 照明システム |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2000068555A true JP2000068555A (ja) | 2000-03-03 |
Family
ID=16941139
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP23255398A Pending JP2000068555A (ja) | 1998-08-19 | 1998-08-19 | 照明システム |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2000068555A (ja) |
Cited By (21)
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-
1998
- 1998-08-19 JP JP23255398A patent/JP2000068555A/ja active Pending
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