JP2001352101A - 発光装置 - Google Patents

発光装置

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JP2001352101A
JP2001352101A JP2000168493A JP2000168493A JP2001352101A JP 2001352101 A JP2001352101 A JP 2001352101A JP 2000168493 A JP2000168493 A JP 2000168493A JP 2000168493 A JP2000168493 A JP 2000168493A JP 2001352101 A JP2001352101 A JP 2001352101A
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light emitting
nitride
emitting device
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English (en)
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Satoshi Chikutei
諭 竹亭
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Nichia Chemical Industries Ltd
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Nichia Chemical Industries Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】本発明は、発光素子からの紫外発光を吸収し波
長変換して発光させる蛍光物質を有する発光装置に係わ
り、特に使用環境によらず高輝度、高効率且つ信頼性良
く発光可能な発光装置に関する。 【解決手段】本発明は、少なくとも発光層が窒化物半導
体である発光素子と、該発光素子が発光する発光の少な
くとも一部を吸収し波長変換して蛍光を発する無機蛍光
体とを有する発光装置であって、発光素子からの発光ス
ペクトルが主ピークとして３６０ｎｍから３９０ｎｍ内
にあると共に、無機蛍光体が赤外の蛍光を発し、ＬｉＡ
ｌＯ2：Ｆｅ、Ａｌ2Ｏ3：Ｃｒ、ＣｄＳ：Ａｇ、ＧｄＡ
ｌＯ3：Ｃｒ、Ｙ3Ａｌ5Ｏ12：Ｃｒから選択される少な
くとも一種の蛍光体であることを特徴とする発光装置で
ある。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、ＬＥＤディスプレイ、
バックライト光源、信号機、光センサー、光プリンター
ヘッド、照光式スイッチ、インジケータ及び各種照明な
どに利用される発光装置などに係わる。
【０００２】
【従来技術】発光ダイオード（以下、ＬＥＤともいう）
やレーザーダイオード（以下、ＬＤともいう）は、小型
で効率が良く鮮やかな色の発光をする。また、半導体素
子であるため球切れなどの心配がない。振動やON／OFF
点灯の繰り返しに強いという特徴を有する。そのため各
種インジケータや種々の光源として利用されている。最
近、超高輝度高効率な発光ダイオードとしてＲＧＢ
（赤、緑、青色）などの発光ダイオードがそれぞれ開発
された。これに伴いＲＧＢの三原色を利用したＬＥＤデ
ィスプレイが省電力、長寿命、軽量などの特長を生かし
て飛躍的に発展を遂げつつある。
【０００３】発光ダイオードは使用される発光層の半導
体材料、形成条件などによって紫外から赤外まで種々の
発光波長を放出させることが可能とされている。また、
優れた単色性のピーク波長を有する。
【発明が解決する課題】
【０００４】しかしながら、より広い分野において様々
な発光波長が高輝度に求められている現在では、十分で
はなく、更なる改良が求められている。
【０００５】
【課題を解決するための手段】本発明の請求項１に記載
の発光装置は、少なくとも発光層が窒化物半導体である
発光素子と、該発光素子が発光する発光の少なくとも一
部を吸収し波長変換して蛍光を発する無機蛍光体とを有
する発光装置である。特に、発光素子からの発光スペク
トルは主ピークとして３６０ｎｍから３９０ｎｍ内にあ
り、無機蛍光体は赤外の蛍光を発し、ＬｉＡｌＯ2：Ｆ
ｅ、Ａｌ2Ｏ3：Ｃｒ、ＣｄＳ：Ａｇ、ＧｄＡｌＯ3：Ｃ
ｒ、Ｙ3Ａｌ5Ｏ12：Ｃｒ、から選択される少なくとも一
種の蛍光体である。
【０００６】本発明の請求項２に記載の発光装置は、前
記発光素子がｎ型窒化物系化合物半導体層と、ｐ型窒化
物系化合物半導体層との間に、ダブルへテロ構造となり
ｎ型不純物を含むＩｎαＧａ1-αＮ層の活性層を有し、
前記ｎ型不純物濃度が５×１０17／ｃｍ3未満、前記Ｉ
ｎαＧａ1-αＮ層のα値が０より大きく０．１以下、前
記ＩｎαＧａ1-αＮ層の膜厚が１００オングストローム
以上、１０００オングストローム以下の発光素子である
ことを特徴とする発光装置である。
【０００７】本発明の請求項３に記載の発光装置は、前
記発光素子がｎ型窒化物系化合物半導体層と、ｐ型窒化
物系化合物半導体層との間に、ダブルへテロ構造となり
ｎ型不純物を含むＩｎδＧａ1-δＮ層の活性層を有し、
前記不純物濃度が５×１０17／ｃｍ3以上、前記Ｉｎδ
Ｇａ1-δＮ層のδ値が０より大きく０．１以下、前記Ｉ
ｎδＧａ1-δＮ層の膜厚が１００オングストローム以上
の発光素子であることを特徴とする発光装置である。
【０００８】本発明の請求項４に記載の発光装置は、前
記発光素子がＡｌを含有するＧａＮ基板上にｎ型及びｐ
型窒化物系化合物半導体を積層してなる発光装置であ
る。
【０００９】
【発明の実施の形態】本発明者は、種々の実験の結果、
光エネルギーが非常に高い発光波長を発光する発光素子
からの発光波長を蛍光物質によって変換させる発光装置
において、特定の発光素子及び特定の蛍光物質を選択す
ることにより高輝度、長時間の使用時における発光効率
低下や色ずれを防止し高輝度に発光できることを見出し
本発明を成すに至った。
【００１０】特に本発明の発光素子に用いられる窒化物
系化合物半導体は、紫外光（発光波長の主ピークが３６
０ｎｍから３９０ｎｍ）を効率よく発光することができ
る。しかしながら蛍光物質から見ると励起光源の励起波
長範囲が上述の如く極めて狭く、且つピーク性を持って
いる。そのため、発光装置の発光効率を向上させるため
には選択された特定の発光素子及び特定の蛍光物質との
組み合わせが必要となる。
【００１１】即ち、発光装置に用いられる蛍光物質とし
ては、 １．耐光性に優れていることが要求される。特に、発光
素子などの微小領域から強放射されるために発光素子に
接して或いは近接して設けられた蛍光物質は、太陽光の
約３０倍から４０倍にもおよぶ強照射強度にも十分耐え
る必要がある。
【００１２】２．発光光率を向上させるため、窒化物系
化合物半導体からの発光波長に対して効率よく励起され
ること。
【００１３】３．励起によって効率よく発光可能なこ
と。
【００１４】４．発光素子近傍に配置される場合、温度
特性が良好であること。
【００１５】５．発光ダイオードの利用環境に応じて耐
候性があること
【００１６】６．発光素子などを損傷しないこと。
【００１７】７．色調が組成比或いは複数の蛍光物質の
混合比で連続的に変化可能なことなどの特徴を有するこ
とが求められる。
【００１８】これらの条件を満たすものとして本発明
は、発光素子として発光層に高エネルギーバンドギャッ
プを有する窒化物系化合物半導体素子を、蛍光物質とし
て本発明の無機蛍光体から選択される少なくとも一種を
用いる。これにより発光素子から放出された高エネルギ
ー光を長時間近傍で高輝度に照射した場合であっても発
光色の色ずれや発光輝度の低下が極めて少ない発光装置
とすることができる。
【００１９】具体的な発光装置の一例として、チップタ
イプＬＥＤを図１に示す。チップタイプＬＥＤの筐体１
０３内に窒化ガリウム系半導体を用いたＬＥＤチップ１
０２を半田１０５を用いてフリップチップボンド固定さ
せてある。ＬＥＤチップ１０２の各電極と筐体に設けら
れた各電極１０４は固定され、それぞれ電気的に接続さ
せてある。本発明の無機蛍光体から選択される少なくと
も一種をＳｉＯ2と混合分散させたものを筐体の一部を
構成するガラス１０６に塗布する。筐体上に封止用のガ
ラスを配置させることでチップタイプＬＥＤを構成させ
ることができる。このような発光ダイオードに電力を供
給させることによってＬＥＤチップ１０２を発光させる
ことができる。ＬＥＤチップ１０２からの紫外光によっ
て励起された蛍光物質からの発光による発光装置とする
ことができる。以下、本発明の構成部材について詳述す
る。
【００２０】（蛍光物質）本発明に用いられる蛍光物質
は、発光素子の紫外光により励起されて赤外光を発光す
る無機蛍光体である。具体的な蛍光物質としては、Ｌｉ
ＡｌＯ2：Ｆｅ、Ａｌ2Ｏ3：Ｃｒ、ＣｄＳ：Ａｇ、Ｇｄ
ＡｌＯ3：Ｃｒ、Ｙ3Ａｌ5Ｏ12：Ｃｒ、から選択される
少なくとも一種の蛍光体である。
【００２１】蛍光物質の分布は、蛍光物質を含有する部
材、形成温度、粘度や蛍光物質の形状、粒径、粒度分布
などを調整させることによって種々形成させることがで
きる。したがって、使用条件などにより蛍光物質の分布
濃度を、種々選択することができる。このような分布を
分散性よく制御する目的で蛍光物質の平均粒径が０．２
μｍから０．７μｍであることが好ましい。また、粒度
分布が０．２＜ｌｏｇシグマ＜０．４５であることが好
ましい。
【００２２】また、複数種の蛍光物質を利用する場合
は、コーティング部及び／又はモールド部材などである
硝子などの透光性無機部材や樹脂などの透光性有機部材
中に複数の蛍光物質を混合させて形成させてもよいし、
各蛍光物質ごとの多層膜として形成させてもよい。さら
に、透光性無機部材である硝子などの内壁及び／又は外
壁に蛍光物質をバインダーと共に塗布する。塗布後バイ
ンダーを焼却するなどによりバインダーを飛ばした蛍光
物質に発光素子からの励起波長を照射させ発光させるこ
ともできる。
【００２３】上記蛍光物質を用い、紫外光と赤外光の両
方が発光可能な発光装置とすることで、両方の機能を合
わせ持つ光センサーや、赤外光による加熱と紫外光によ
る光硬化を同時に行うことができる樹脂等の硬化装置に
応用することができる。一方、発光素子が発光し蛍光物
質で変換されなかった光をピグメントなどにより吸収さ
せることで蛍光物質からの蛍光のみを外部に放出させる
こともできる。
【００２４】本発明に用いられる蛍光物質に加えて、発
光素子が放出する紫外光の一部を吸収して効率良く発光
する無機蛍光体としては、以下に示す蛍光体が挙げられ
る。
【００２５】青色発光する無機蛍光体としては、（Ｓ
ｒ，Ｃａ，Ｂａ，Ｍｇ）5（ＰＯ4）3Ｃｌ：Ｅｕ、（Ｓ
ｒ，Ｃａ，Ｍｇ）5（ＰＯ4）3Ｃｌ：Ｅｕ、（Ｂａ，Ｃ
ａ）5（ＰＯ4）3Ｃｌ：Ｅｕ、Ｓｒ5（ＰＯ4）3Ｃｌ：Ｅ
ｕ、Ｓｒ3（ＰＯ4）2：Ｅｕ、（Ｓｒ，Ｍｇ）2Ｐ2Ｏ7：
Ｅｕ、Ｓｒ2Ｐ2Ｏ7：Ｅｕ、Ｓｒ2Ｐ2Ｏ7：Ｓｎ、Ｂａ2
Ｐ 2Ｏ7：Ｔｉ、（Ｓｒ，Ｃａ）10（ＰＯ4）6Ｃｌ2・Ｂ2
Ｏ3：Ｅｕ、（Ｓｒ，Ｍｇ）3（ＰＯ4）2：Ｃｕ、２Ｓｒ
Ｏ・（Ｐ2Ｏ5・Ｂ2Ｏ3）：Ｅｕ、（Ｂａ，Ｍｇ）Ｓｉ2
Ｏ5：Ｅｕ、（Ｓｒ，Ｂａ）Ａｌ2Ｓｉ2Ｏ8：Ｅｕ、Ｂａ
3ＭｇＳｉ2Ｏ8：Ｅｕ、Ｓｒ2Ｓｉ3Ｏ8・２ＳｒＣｌ2：
Ｅｕ、Ｚｎ2ＳｉＯ4：Ｔｉ、ＢａＡｌ8Ｏ13：Ｅｕ、Ｂ
ａＭｇ2Ａｌ16Ｏ27：Ｅｕ，Ｍｎ、ＣａＡｌ2Ｏ4：Ｅ
ｕ，Ｎｄ、Ｓｒ4Ａｌ14Ｏ25：Ｅｕ、ＳｒＭｇＡｌ10Ｏ
17：Ｅｕ、ＢａＭｇＡｌ10Ｏ17：Ｅｕ、ＳｒＡｌ4Ｏ7：
Ｅｕ，Ｄｙ、Ｓｒ4Ａｌ14Ｏ25：Ｅｕ，Ｄｙ、ＣａＷ
Ｏ4、ＣａＷＯ 4：Ｐｂ、ＭｇＷＯ4、ＺｎＳ：Ａｇ，Ｎ
ｉ、ＺｎＳ：Ａｇ，Ｃｌ、ＺｎＳ：Ａｇ，Ｃｕ、Ｚｎ
Ｓ：Ａｇ，Ｆｅ，Ａｌ、ＺｎＳ：Ｃｕ，Ａｇ，Ｃｌ、Ｚ
ｎＳ：Ｃｕ，Ａｕ，Ａｌ、ＺｎＳ：Ｔｍ、ＺｎＳ：Ｐ
ｂ，Ｃｕ、ＺｎＳ：Ｚｎ、ＺｎＳ：Ｚｎ，Ｇａ、ＺｎＧ
ａ2Ｏ4、Ｚｎ（Ｓ，Ｓｅ）：Ａｇ、（Ｚｎ，Ｃｄ）Ｓ：
Ａｇ，Ｎｉ、（Ｚｎ，Ｃｄ）Ｓ：Ａｇ，Ａｌ、Ｙ2Ｓｉ
Ｏ5：Ｍ1（但し、Ｍ1はＴｍ、Ｃｅより選択される少な
くとも１種）、（Ｃａ，Ｍｇ）ＳｉＯ3：Ｔｉ、ＣａＦ
２：Ｅｕ、Ｍ2 2Ｏ2Ｓ：Ｔｍ（但し、Ｍ2はＹ、Ｌａ、Ｇ
ｄ、Ｌｕより選択される少なくとも１種）、Ｍ2ＯＸ：
Ｃｅ（但し、Ｍ2はＹ、Ｌａ、Ｇｄ、Ｌｕより選択され
る少なくとも１種であり、ＸはＢｒ、Ｃｒより選択され
る少なくとも１種）、（Ｍ2，Ｍ3）ＴａＯ４：Ｎｂ（但
し、Ｍ2はＹ、Ｌａ、Ｇｄ、Ｌｕより選択される少なく
とも１種であり、Ｍ3はＭｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａより選
択される少なくとも１種）、が挙げられる。
【００２６】緑色発光する無機蛍光体としては、ＢａＡ
ｌ12Ｏ19：Ｍｎ、Ｃａ10（ＰＯ4）6Ｆ2：Ｓｂ，Ｍｎ、
ＣｅＭｇＡｌ11Ｏ19：Ｔｂ、ＧｄＭｇＢ5Ｏ10：Ｃｅ，
Ｔｂ、Ｌａ2Ｏ3・０．２ＳｉＯ2・０．９Ｐ2Ｏ5：Ｃ
ｅ，Ｔｂ、ＭｇＡｌ11Ｏ19：Ｃｅ，Ｔｂ，Ｍｎ、ＭｇＧ
ａ2Ｏ4：Ｍｎ、ＳｒＡｌ2Ｏ4：Ｅｕ、ＳｒＡｌ2Ｏ4：Ｅ
ｕ，Ｄｙ、Ｙ2Ｏ3・Ａｌ2Ｏ3：Ｔｂ、Ｙ2ＳｉＯ5：Ｃ
ｅ，Ｔｂ、ＹＢＯ3：Ｔｂ、Ｚｎ2ＧｅＯ4：Ｍｎ、Ｓｒ5
（ＰＯ4）3Ｆ：Ｓｂ、ＢａＭｇ2Ａｌ16Ｏ27：Ｅｕ，Ｍ
ｎ、ＺｎＳ：Ａｕ，Ａｌ、ＺｎＳ：Ｃｕ，Ａｕ，Ａｌ、
ＺｎＳ：Ｃｕ，Ｃｌ、Ｚｎ（Ｓ，Ｓｅ）：Ａｇ、（Ｚ
ｎ，Ｃｄ）Ｓ：Ａｇ，Ｃｌ、（Ｚｎ，Ｃｄ）Ｓ：Ａｕ，
Ａｌ、（Ｚｎ，Ｃｄ）Ｓ：Ａｕ，Ｃｕ，Ａｌ、（Ｚｎ，
Ｃｄ）Ｓ：Ｃｕ，Ａｌ、（Ｚｎ，Ｃｄ）Ｓ：Ｃｕ，Ｃ
ｌ、（Ｚｎ，Ｃｄ）Ｓ：Ａｇ，Ｎｉ、ＺｎＯ：Ｚｎ、Ｍ
2 2Ｏ2Ｓ：Ｔｂ（但し、Ｍ2はＹ、Ｌａ、Ｇｄ、Ｌｕより
選択される少なくとも１種）、Ｍ2 2Ｏ2Ｓ：Ｐｒ（但
し、Ｍ2はＹ、Ｌａ、Ｇｄ、Ｌｕより選択される少なく
とも１種）、Ｍ2ＯＸ：Ｔｂ（但し、Ｍ2はＹ、Ｌａ、Ｇ
ｄ、Ｌｕより選択される少なくとも１種であり、ＸはＢ
ｒ、Ｃｒより選択される少なくとも１種）、ＩｎＢ
Ｏ3：Ｔｂ、Ｌｉ5Ｚｎ8Ａｌ5（ＧｅＯ4）4：Ｍｎ、Ｓｒ
Ｇａ2Ｓ4：Ｅｕ、Ｙ2（Ｓｉ，Ｇｅ）Ｏ5：Ｔｂ、Ｙ2Ｓ
ｉＯ5：Ｐｒ、Ｙ2ＳｉＯ5：Ｔｂ、Ｙ3Ａｌ5Ｏ12：Ｃ
ｒ，Ｔｂ、Ｙ3（Ａｌ，Ｇａ）5Ｏ12：Ｔｂ、Ｙ3Ａｌ5Ｏ
12：Ｔｂ、ＹＦ3：Ｅｒ、Ｚｎ2ＳｉＯ4：Ｍｎ、Ｚｎ2Ｓ
ｉＯ4：Ｍｎ，Ａｌ、Ｚｎ2ＳｉＯ4：Ｍｎ，Ａｓ、
（Ｍ2，Ｍ3）ＴａＯ４：Ｔｂ（但し、Ｍ2はＹ、Ｌａ、
Ｇｄ、Ｌｕより選択される少なくとも１種であり、Ｍ3
はＭｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａより選択される少なくとも１
種）、が挙げられる。
【００２７】赤色発光する無機蛍光体としては、Ｍ2Ｂ
Ｏ3：Ｅｕ（但し、Ｍ2はＹ、Ｌａ、Ｇｄ、Ｌｕより選択
される少なくとも１種）、（Ｓｒ，Ｍｇ）3（Ｐ
Ｏ4）2：Ｓｎ、Ｍｇ6Ａｓ2Ｏ11：Ｍｎ、ＣａＳｉＯ3：
Ｐｂ，Ｍｎ、Ｃｄ2Ｂ2Ｏ5：Ｍｎ、ＹＶＯ4：Ｅｕ、（Ｃ
ａ，Ｚｎ，Ｍｇ）3（ＰＯ4）2：Ｓｎ、（Ｃｅ，Ｇｄ，
Ｔｂ）ＭｇＢ5Ｏ10：Ｍｎ、Ｍｇ4ＦＧｅＯ6：Ｍｎ、Ｍ
ｇ4Ｆ（Ｇｅ，Ｓｉ）Ｏ6：Ｍｎ、ＳｒＴｉＯ3：Ｐｒ，
Ａｌ、ＣａＴｉＯ3：Ｅｕ、Ｇｄ2Ｏ3：Ｅｕ、（Ｇｄ，
Ｍ 4）2Ｏ3：Ｅｕ（但し、Ｍ4はＹ、Ｌａ、Ｌｕより選択
される少なくとも１種）、Ｇｄ2Ｏ2Ｓ：Ｅｕ、（Ｇｄ，
Ｍ4）2Ｏ2Ｓ：Ｅｕ（但し、Ｍ4はＹ、Ｌａ、Ｌｕより選
択される少なくとも１種）、Ｍ2 2Ｏ2Ｓ：Ｅｕ，Ｍｇ，
Ｍ5（但し、Ｍ2はＹ、Ｌａ、Ｇｄ、Ｌｕより選択される
少なくとも１種であり、Ｍ5はＴｉ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｇａ
より選択される少なくとも１種）、ＭｇＦ2：Ｍｎ、
（ＫＦ，ＭｇＦ2）：Ｍｎ、（Ｚｎ，Ｂｅ）2ＳｉＯ4：
Ｍｎ、Ｚｎ3（ＰＯ4）2：Ｍｎ、（Ｚｎ，Ｃａ）3（ＰＯ
4）2：Ｍｎ、（Ｚｎ，Ｃｄ）Ｓ：Ａｇ，Ｃｌ、（Ｚｎ，
Ｃｄ）Ｓ：Ｃｕ，Ａｌ、（Ｚｎ，Ｃｄ）Ｓ：Ｃｕ，Ｃ
ｌ、（Ｚｎ，Ｍｇ）Ｆ2：Ｍｎ、ＣａＳｉＯ3：Ｐｂ，Ｍ
ｎ、Ｃｄ5Ｃｌ（ＰＯ4）3：Ｍｎ、ＩｎＢＯ3：Ｅｕ、Ｍ
ｇＧｅＯ4：Ｍｎ、ＭｇＳｉＯ3：Ｍｎ、ＳｎＯ2：Ｅ
ｕ、ＹＶＯ4：Ｅｕ、ＺｒＯ2：Ｅｕ、（Ｍ2，Ｍ3）Ｔａ
Ｏ４：Ｅｕ（但し、Ｍ2はＹ、Ｌａ、Ｇｄ、Ｌｕより選
択される少なくとも１種であり、Ｍ3はＭｇ、Ｃａ、Ｓ
ｒ、Ｂａより選択される少なくとも１種）、が挙げられ
る。
【００２８】白色発光する無機蛍光体としては、３Ｃａ
3（ＰＯ4）2・Ｃａ（Ｆ，Ｃｌ）2：Ｓｂ、ＹＶＯ4：Ｄ
ｙ、Ｙ2Ｏ2Ｓ：Ｔｂ，Ｓｍ、（Ｚｎ，Ｃｄ）Ｓ：Ａｕ，
Ａｇ，Ａｌ、又は上記に示した各色発光の蛍光体の混合
物から成る白色発光する混合蛍光体が挙げられる。
【００２９】また、上記に示した蛍光体の混合物から成
る混合蛍光体により、中間色を発光する無機蛍光体とす
ることができる。
【００３０】例えば、本発明に用いられる赤外発光の無
機蛍光体に加えて、上記に示した青色、緑色、赤色の各
色発光の無機蛍光体を用いることにより、植物育成に必
要な分光分布を有する発光装置を得ることができる。一
般に、植物育成用の光源は、人間生活における照明用と
は異なり、青色から赤外までの太陽光に近い分光分布が
必要とされる。これは、植物の光合成反応の進行には、
照射光の量のほかに、照射光の分光分布が関連してお
り、植物栽培に用いる光源としては、分光分布が葉緑素
生合成スペクトルに類似していることが望ましいためで
ある。
【００３１】（発光素子）本発明に用いられる発光素子
として、上記蛍光物質を効率良く励起できる窒化物系化
合物半導体が挙げられる。発光素子は、ＭＯＣＶＤ法や
ＨＶＰＥ法等により基板上に窒化物系化合物半導体を形
成させてある。窒化物系化合物半導体としては、Ｉｎα
ＡｌβＧａ1-α-βＮ（但し、０≦α、０≦β、α＋β
≦１）を発光層として形成させてある。半導体の構造と
しては、ＭＩＳ接合、ＰＩＮ接合やｐｎ接合などを有す
るホモ構造、ヘテロ構造あるいはダブルへテロ構成のも
のが挙げられる。半導体層の材料やその混晶度によって
発光波長を種々選択することができる。また、半導体活
性層を量子効果が生ずる薄膜に形成させた単一量子井戸
構造や多重量子井戸構造とすることもできる。
【００３２】窒化物系化合物半導体を形成させる基板に
はサファイアＣ面の他、Ｒ面、Ａ面を主面とするサファ
イア、その他、スピネル（ＭｇＡ１2Ｏ4）のような絶縁
性の基板の他、ＳｉＣ（６Ｈ、４Ｈ、３Ｃを含む）、Ｓ
ｉ、ＺｎＯ、ＧａＡｓ、ＧａＮ結晶等の材料を用いるこ
とができる。結晶性の良い窒化物系化合物半導体を比較
的簡単に形成させるためにはサファイヤ基板（Ｃ面）を
用いることが好ましく、サファイヤ基板との格子不整合
を是正するためにバッファー層を形成することが望まし
い。バッファー層は、低温で形成させた窒化アルミニウ
ムや窒化ガリウムなどで形成させることができる。ま
た、バッファ層はその上に形成する窒化物系化合物半導
体の結晶性を左右するため２層以上で形成させても良
い。
【００３３】この場合、サファイア基板上に低温成長バ
ッファ層、その上に第２のバッファ層とすることができ
る。低温成長バッファ層の上に接して成長させる第２の
バッファ層はアンドープの窒化物系化合物半導体、特に
好ましくはアンドープのＧａＮとすることが望ましい。
アンドープＧａＮとするとその上に成長させるｎ型不純
物をドープした窒化物系化合物半導体の結晶性をより良
く成長させることができる。この第２のバッファ層の膜
厚は１００オングストローム以上、１０μｍ以下、さら
に好ましくは０．１μｍ以上、５μｍ以下の膜厚で成長
させることが望ましい。
【００３４】また、第２のバッファ層はクラッド層では
なく、ＧａＮ基板を作製するための下地層とする場合、
Ａｌ混晶比のｖ値が０．５以下のＡｌvＧａ1-vＮ（０≦
ｖ≦０．５）とすることが好ましい。Ａｌ混晶比のｖ値
が０．５を超えると、結晶欠陥というよりもむしろ結晶
自体にクラックが入りやすくなってしまう。そのため、
結晶成長自体が困難になる傾向にある。また膜厚は１０
μｍ以下に調整することがより好ましい。また、この第
２のバッファ層にＳｉ、Ｇｅ等のｎ型不純物をドープし
ても良い。
【００３５】更に、本発明の発光素子は、発光スペクト
ルが主ピークとして３６０ｎｍから３９０ｎｍに発光可
能なものであり、発光素子と蛍光体との光利用効率を高
めるためには、Ａｌを含有するＧａＮ基板上にｎ型及び
ｐ型窒化物半導体を積層したものが好ましい。このよう
なＡｌを含有するＧａＮ基板は、ＭＯＣＶＤ法によって
サファイア基板上に低温でＧａＮバッファ層を形成させ
る。次に、成膜温度を上げ、バッファ層上にＧａＮを成
膜させる。続いてサファイア基板まで部分的にエッチン
グさせ、平面から見るとストライプ状のＧａＮ層を露出
させる。この上にＨＤＶＰＥ法によりＧａＮを厚膜で形
成する。さらに、ＳｉＯ2をストライプ状に形成後、Ａ
ｌを含有させたＧａＮをＭＯＣＶＤ法によって形成す
る。Ａｌを含有させたＧａＮまで研磨することで、、Ａ
ｌを含有するＧａＮ基板を形成させることができる。こ
の基板を用いることにより、発光素子から放出される光
の吸収を抑制し、発光装置全体の出力を上げることがで
きる。
【００３６】窒化物系化合物半導体を使用したｐｎ接合
を有する発光素子例としては、バッファー層上に、ｎ型
窒化ガリウムで形成した第１のコンタクト層、ｎ型窒化
アルミニウム・ガリウムで形成させた第１のクラッド
層、Ｚｎなどｐ型不純物を添加させた窒化インジウム・
ガリウムで形成した活性層、ｐ型窒化アルミニウム・ガ
リウムで形成した第２のクラッド層、ｐ型窒化ガリウム
で形成した第２のコンタクト層を順に積層させた構成な
どとすることができる。
【００３７】窒化ガリウム系半導体は、不純物をドープ
しない状態でｎ型導電性を示す。発光効率を向上させる
など所望のｎ型窒化ガリウム半導体を形成させる場合
は、ｎ型ドーパントとしてＳｉ、Ｇｅ、Ｓｅ、Ｔｅ、Ｃ
等を適宜導入することが好ましい。一方、Ｐ型窒化ガリ
ウム半導体を形成させる場合は、Ｐ型ドーパンドである
Ｚｎ、Ｍｇ、Ｂｅ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ等をドープさせ
る。窒化ガリウム系化合物半導体は、ｐ型ドーパントを
ドープしただけでは低抵抗化しにくいためｐ型ドーパン
ト導入後に、炉による加熱、低速電子線照射やプラズマ
照射等によりｐ型化させることが好ましい。
【００３８】特に、３６０〜３９０ｎｍの紫外域に発光
させる場合は、ｎ型窒化ガリウムと、ｐ型窒化ガリウム
との間に、ダブルへテロ構造とさせｎ型不純物濃度が５
×１０17／ｃｍ3未満の窒化インジウム・ガリウム（Ｉ
ｎαＧａ1-αＮ）であって、膜厚が１００オングストロ
ーム以上１０００オングストローム以下、Ｉｎの値αは
０より多く０．１以下とすることで高効率に発光するこ
とができる。なお、ｎ型不純物とはＳｉ、Ｓ、Ｇｅ、Ｓ
ｅから選択される少なくとも一種である。膜厚として１
００オングストローム以上、１０００オングストローム
以下が好ましく、更に好ましくは、２００オングストロ
ーム以上、８００オングストローム以下、最も好ましく
は２５０オングストローム以上、７００オングストロー
ム以下である。
【００３９】同様に、ｎ型窒化ガリウムと、ｐ型窒化ガ
リウムとの間に、ダブルへテロ構造とさせｎ型不純物濃
度が５×１０17／ｃｍ3以上の窒化インジウム・ガリウ
ム（ＩｎδＧａ1-δＮ）であって、膜厚が１００オング
ストローム以上、Ｉｎの値δは０より多く０．１以下と
することで３６０〜３９０ｎｍの紫外域において高効率
に発光することができる。なお、ｎ型不純物とはＳｉ、
Ｓ、Ｇｅ、Ｓｅから選択される少なくとも一種である。
膜厚として１００オングストローム以上が好ましく、更
に好ましくは、２００オングストローム以上である。い
ずれの場合も、活性層にＡｌを含有させることができ
る。
【００４０】紫外域に高出力を有する発光素子としてＧ
ａＮとすると、およそ３６５ｎｍの発光を得ることがで
きる。しかしながら、出力は非常に低くＡｌを含有させ
るとさらに出力が低下する傾向にある。これは、ＡｌＧ
ａＮ、ＩｎＡｌＮの結晶性によると推測される。ＡｌＧ
ａＮ、ＩｎＡｌＮなどを活性層にすると、バンドギャッ
プエネルギーの関係からＡｌ混晶比の高いクラッド層を
形成する必要がある。Ａｌ混晶比の高いクラッド層は結
晶性の良いものが得られにくい傾向にあるため、総合的
にＡｌを含む窒化物系化合物半導体を活性層とすると発
光素子の寿命が短くなる傾向にある。ところが、上述の
紫外域を高出力に発光する発光素子は、ＧａＮ活性層に
微量のＩｎを含有させるだけで発光素子の出力が飛躍的
に向上し、例えばＩｎをわずかに含むＧａＮを活性層と
すると、ＧａＮよりも１０倍以上出力が向上する。従っ
て、ＩｎαＧａ1-αＮ、ＩｎδＧａ1-δＮのα値、δ値
とも０．１以下、好ましくは０．０５以下、さらに好ま
しくは０．０２以下、最も好ましくは０．０１以下に調
整する。なお、ここでＩｎＧａＮとはＡｌを全く含まな
いのではなく拡散などにより生ずる、例えばＩｎよりも
Ａｌ含有量が少ない状態のＡｌをも含むものである。
【００４１】さらに、本発明に利用される発光素子は、
ＩｎαＧａ1-αＮ、ＩｎδＧａ1-δＮを含有する活性層
に接して、ＡｌXＧａ1-XＮ（０＜Ｘ≦０．４）である窒
化物系化合物半導体を有しても良い。このＡｌXＧａ1-X
Ｎ層は活性層の２つの主面のうち、いずれか一方に接し
ていれば良く、必ずしも両方に接している必要はない。
このようなＡｌXＧａ1-XＮのＸ値は０＜Ｘ≦０．４の範
囲が好ましく、０＜Ｘ≦０．２の範囲がより好ましく、
０＜Ｘ≦０．１の範囲が最も好ましい。
【００４２】０．４よりも大きいとＡｌXＧａ1-XＮ層中
にクラックが入りやすい傾向にある。クラックが入ると
その上に他の半導体を積層して素子構造を形成すること
が難しくなる傾向にある。ＡｌXＧａ1-XＮの膜厚は０．
５μｍ以下、さらに好ましくは０．３μｍ以下、最も好
ましくは０．１μｍ以下の膜厚で形成する。０．５μｍ
を越えるとＡｌ混晶比を少なくしても、ＡｌXＧａ1-XＮ
中にクラックが入りやすくなる傾向にあるからである。
【００４３】Ａｌの混晶比が特定の範囲にある窒化物系
化合物半導体層を活性層の両主面側に接して形成した場
合、それらの窒化物系化合物半導体層の膜厚が互いに異
なることが望ましい。ｎ層側のＡｌXＧａ1-XＮ層を薄く
した方が出力が向上しやすい傾向にあった。なおｎ層
側、ｐ層側のＡｌXＧａ1-XＮの窒化物系化合物半導体は
異なるＡｌ混晶比を有していても良い。
【００４４】さらにまた、ＡｌXＧａ1-XＮ（０＜X≦
０．４）である窒化物系化合物半導体よりも活性層から
離れた位置にＩｎsＧａ1-sＮ（０≦ｓ＜０．１、ｊ＞
ｓ、ｍ＞ｓ）若しくはＡｌtＧａ1-tＮ（０＜ｔ≦０．
４）である窒化物系化合物半導体を有することもでき
る。この窒化物系半導体はＧａＮが好適に用いられる。
なお、ＡｌXＧａ1-XＮの窒化物系化合物半導体層と同様
に、ｎ層内、ｐ層内のいずれか一方に形成されていれば
良く、必ずしも両方に形成されている必要はない。Ｉｎ
sＧａ1-sＮ、若しくはＡｌtＧａ1-tＮの膜厚は特に限定
するものではないが、ｎ層側に形成する場合には１０μ
ｍ以下、さらに好ましくは８μｍ以下に調整する。一
方、ｐ層側に形成する場合にはｎ層側よりも薄く形成す
ることが望ましく、２μｍ以下、さらに好ましくは１μ
ｍ以下の膜厚で形成する。なお、ＩｎsＧａ1 -sＮ、若し
くはＡｌtＧａ1-tＮは同一導電側の層に複数あっても良
い。
【００４５】また、ｎ層側、またはｐ層側の少なくとも
一方に、バンドギャップエネルギーの小さなＧａＮ層と
バンドギャップエネルギーの大きなＡｌuＧａ1-uＮ（０
＜ｕ≦１）層とが積層された超格子構造よりなる窒化物
系半導体層を有してもよい。ＡｌuＧａ1-uＮは活性層に
接して形成しても良いし、また活性層から離れた位置に
形成しても良い。好ましくは活性層から離れた位置に形
成して、キャリア閉じ込めとしてのクラッド層、若しく
は電極を形成するためのコンタクト層として形成するこ
とが望ましい。このＡｌuＧａ1-uＮは同じく同一導電側
の層に複数あっても良い。
【００４６】超格子構造とする場合、ＧａＮ層及びＡｌ
uＧａ1-uＮ層の膜厚は１００オングストローム以下、さ
らに好ましくは７０オングストローム以下、最も好まし
くは５０オングストローム以下に調整する。１００オン
グストロームより厚いと、超格子層を構成する各半導体
層が弾性歪み限界以上の膜厚となり、膜中に微少なクラ
ック、あるいは結晶欠陥が入りやすい傾向にある。ま
た、膜厚の下限は特に限定せず１原子以上であればよ
い。ＡｌuＧａ1-uＮを超格子の構成層とすると、膜厚の
厚いものに比較して、Ａｌ混晶比の高いものでもクラッ
クが入りにくい。これはＡｌuＧａ1-uＮ層を弾性臨界膜
厚以下の膜厚で成長させていることによる。さらに、Ａ
ｌuＧａ1-uＮとＧａＮとは同一温度で成長できるため、
超格子としやすい。一方が、ＩｎＧａＮであると成長雰
囲気も変えなければならず、ＡｌＧａＮとＩｎＧａＮと
で超格子を構成することは、ＡｌuＧａ1-uＮとＧａＮと
で超格子層を作る場合に比較して難しい。
【００４７】ＧａＮ層及びＡｌuＧａ1-uＮ層とを有する
超格子層が光閉じ込め層、及びキャリア閉じ込め層とし
てクラッド層を形成する場合、活性層の井戸層よりもバ
ンドギャップエネルギーの大きい窒化物系化合物半導体
を成長させる必要がある。バンドギャップエネルギーの
大きな窒化物系化合物半導体層とは、即ちＡｌの混晶比
の高い窒化物系化合物半導体である。Ａｌの混晶比の高
い窒化物系化合物半導体を厚膜で成長させると、クラッ
クが入りやすくなり結晶成長が非常に難しい。
【００４８】しかしながら超格子層にすると、超格子層
を構成する単一層をＡｌ混晶比の多少高い層としても、
弾性臨界膜厚以下の膜厚で成長させているのでクラック
が入りにくい。そのため、Ａｌの混晶比の高い層を結晶
性良く成長できることにより、光閉じ込め、キャリア閉
じ込め効果が高くなり、ＬＤでは閾値電圧、ＬＥＤでは
Ｖｆ（順方向電圧）を低下させることができる。
【００４９】更に、超格子層にはその超格子層の導電型
を決定する不純物がドープされており、ＡｌuＧａ1-uＮ
層とＧａＮ層とのｎ型不純物濃度が異なる変調ドープと
することができる。例えば一方の層のｎ型不純物濃度を
小さく、好ましくは不純物をドープしない状態（アンド
ープ）として、もう一方を高濃度にドープすると、閾値
電圧、Ｖｆ等を低下させることができる。これは不純物
濃度の低い層を超格子層中に存在させることにより、そ
の層の移動度が大きくなり、また不純物濃度が高濃度の
層も同時に存在することにより、キャリア濃度が高いま
まで超格子層が形成できることによる。不純物濃度が低
い移動度の高い層と、不純物濃度が高いキャリア濃度が
大きい層とが同時に存在することにより、キャリア濃度
が大きく、移動度も大きい層が形成される。そのため閾
値電圧、Ｖｆが低下すると推察される。
【００５０】バンドギャップエネルギーの大きな窒化物
系化合物半導体に高濃度に不純物をドープした場合、こ
の変調ドープにより高不純物濃度層と、低不純物濃度層
との間に二次元電子ガスができ、この二次元電子ガスの
影響により抵抗率が低下すると推察される。例えば、ｎ
型不純物がドープされたバンドギャップの大きい窒化物
系化合物半導体と、バンドギャップが小さいアンドープ
の窒化物系化合物半導体とを積層した超格子層では、ｎ
型不純物を添加した層と、アンドープの層とのヘテロ接
合界面で、障壁層側が空乏化しバンドギャップの小さい
層側の厚さ前後の界面に電子（二次元電子ガス）が蓄積
する。
【００５１】この二次元電子ガスがバンドギャップの小
さい側にできるので、電子が走行するときに不純物によ
る散乱を受けないため、超格子の電子の移動度が高くな
り抵抗率が低下する。なおｐ側の変調ドープも同様に二
次元正孔ガスの影響によると推察される。またｐ層の場
合、ＡｌＧａＮはＧａＮに比較して抵抗率が高い。そこ
でＡｌＧａＮの方にｐ型不純物を多くドープすることに
より抵抗率が低下するために、超格子層の実質的な抵抗
率が低下するので発光素子を作製した場合に、閾値が低
下する傾向にあると推察される。また、抵抗率が下がる
ことにより、電極とのオーミックが得やすくなる。ま
た、膜中のシリーズ抵抗も小さくなり閾値電圧、Ｖｆの
低い発光素子が得られる。
【００５２】一方、バンドギャップエネルギーの小さな
窒化物系化合物半導体層に高濃度に不純物をドープした
場合、以下のような作用があると推察される。例えばＡ
ｌuＧａ1-uＮ層とＧａＮ層にｐ型不純物であるＭｇを同
量でドープした場合、ＡｌuＧａ1-uＮ層ではＭｇのアク
セプター準位の深さが大きく、活性化率が小さい。一
方、ＧａＮ層のアクセプター準位の深さはＡｌuＧａ1-u
Ｎ層に比べて浅く、Ｍｇの活性化率は高い。例えばＭｇ
を１×１０20／cm3ドープするとＧａＮでは１×１０18
／cm3程度のキャリア濃度が得られるのに対し、ＡｌuＧ
ａ1-uＮでは１×１０17／cm3程度のキャリア濃度しか得
られない。
【００５３】そこでＡｌuＧａ1-uＮ／ＧａＮとで超格子
層とし、高キャリア濃度が得られるＧａＮ層の方に多く
不純物をドープする。これにより高キャリア濃度の超格
子層が得られる。しかも超格子構造としているためトン
ネル効果でキャリアは不純物濃度の少ないＡｌuＧａ1-u
Ｎ層を移動する。そのため実質的にキャリアはＡｌuＧ
ａ1-uＮ層の作用は受けず、ＡｌuＧａ1-uＮ層はバンド
ギャップエネルギーの高いクラッド層として作用する。
バンドギャップエネルギーの小さな方の窒化物系化合物
半導体層に不純物を多くドープしても、ＬＤ、ＬＥＤの
閾値を低下させる上で非常に効果的である。なおこの説
明はｐ型層側に超格子を形成する例について説明した
が、ｎ層側に超格子を形成する場合においても、同様の
効果がある。
【００５４】バンドギャップエネルギーが大きな窒化物
系化合物半導体にｎ型不純物を多くドープする場合、バ
ンドギャップエネルギーが大きな窒化物系化合物半導体
への好ましいドープ量としては、１×１０17／cm3〜１
×１０20／cm3、さらに好ましくは１×１０18／cm3〜５
×１０19／cm3の範囲である。１×１０17／cm3よりも少
ないと、バンドギャップエネルギーが小さな窒化物系化
合物半導体との差が少なくなって、キャリア濃度の大き
い層が得られにくい傾向にある。また１×１０ 20／cm3
よりも多いと、発光素子自体のリーク電流が多くなりや
すい傾向にある。一方、バンドギャップエネルギーが小
さな窒化物系化合物半導体のｎ型不純物濃度はバンドギ
ャップエネルギーが大きな窒化物系化合物半導体よりも
少なければ良く、好ましくは１／１０以上少ない方が望
ましい。最も好ましくはアンドープとすると最も移動度
の高い層が得られるが、膜厚が薄いため、バンドギャッ
プエネルギーが大きな窒化物系化合物半導体側から拡散
してくるｎ型不純物があると考えられる。そのため、ｎ
型不純物の量は１×１０19／cm3以下が望ましい。ｎ型
不純物としてはＳｉ、Ｇｅ、Ｓｅ、Ｓ、Ｏ等の周期律表
第IVＢ族、VIＢ族元素を選択することができる。より好
ましくはＳｉ、Ｇｅ、Ｓをｎ型不純物とすることができ
る。この作用は、バンドギャップエネルギーが大きな窒
化物系化合物半導体層にｎ型不純物を少なくドープし
て、バンドギャップエネルギーが小さな窒化物系化合物
半導体層にｎ型不純物を多くドープする場合も同様であ
る。
【００５５】以上、超格子層に不純物を好ましく変調ド
ープする場合について述べたが、バンドギャップエネル
ギーが大きい窒化物系化合物半導体層とバンドギャップ
エネルギーが小さい窒化物系化合物半導体層との不純物
濃度を等しくすることもできる。
【００５６】上述の超格子層がｐ側層に形成されている
と、超格子構造が発光素子に与える作用は、超格子にｎ
側層の作用と同じであるが、さらにｎ層側に形成した場
合に加えて次のような作用がある。即ち、ｐ型窒化物系
化合物半導体はｎ型窒化物系化合物半導体に比べて、通
常抵抗率が２桁以上高い。そのため超格子層をｐ層側に
形成することにより、Ｖｆの低下が顕著に現れる。
【００５７】窒化物系化合物半導体はｐ型結晶が非常に
得られにくい半導体であることが知られている。ｐ型結
晶を得るためｐ型不純物をドープした窒化物系化合物半
導体層をアニーリングして、水素を除去する技術が知ら
れている。しかしｐ型が得られたといっても単にアニー
リングしただけでは、その抵抗率は数Ω・cm以上もある
場合がある。そこで、ｐ型層を超格子層とすることによ
り結晶性が良くなる。そのため抵抗率が１桁以上低下す
るためＶｆの低下が現れやすい。
【００５８】超格子層である上述の窒化物系化合物半導
体層がｐ側層に形成されている場合、バンドギャップエ
ネルギーが大きな窒化物系化合物半導体層とバンドギャ
ップエネルギーが小さな窒化物系化合物半導体層とのｐ
型不純物濃度が異なり、一方の層の不純物濃度を大き
く、もう一方の層の不純物濃度を小さくする。超格子の
ｎ側層と同様に、バンドギャップエネルギーの大きな窒
化物系化合物半導体層の方のｐ型不純物濃度を大きくし
て、バンドギャップエネルギーの小さな窒化物系化合物
半導体層の方のｐ型不純物濃度を小さく、好ましくはア
ンドープとすると、閾値電圧、Ｖｆ等を低下させること
ができる。またその逆でも良い。つまりバンドギャップ
エネルギーの大きな窒化物系化合物半導体層のｐ型不純
物濃度を小さくして、バンドギャップエネルギーの小さ
な窒化物系化合物半導体層のｐ型不純物濃度を大きくし
ても良い。理由は先に述べたとおりである。
【００５９】超格子層とする場合、ｐ型不純物の好まし
いドープ量としては１×１０18／cm 3〜１×１０21／c
m3、さらに好ましくは５×１０18／cm3〜５×１０20／c
m3の範囲である。１×１０18／cm3よりも少ないと、他
の窒化物系化合物半導体層との差が少なくなって、キャ
リア濃度の大きい層が得られにくい傾向にある。また、
１×１０21／cm3よりも多いと結晶性が悪くなる傾向に
ある。一方、バンドギャップエネルギーが小さな窒化物
系化合物半導体のｐ型不純物濃度はバンドギャップエネ
ルギーが大きな窒化物系化合物半導体よりも少なければ
良く、好ましくは１／１０以上少ない方が望ましい。最
も好ましくはアンドープとすると最も移動度の高い層が
得られるが、膜厚が薄いため、バンドギャップエネルギ
ーが大きな窒化物系化合物半導体側から拡散してくるｐ
型不純物が考えられるため、ｐ型不純物の量は１×１０
20／cm3以下が望ましい。ｐ型不純物としてはＭｇ、Ｚ
ｎ、Ｃａ、Ｂｅ等の周期律表第IIＡ族、IIＢ族元素が好
ましく、より好ましくはＭｇ、Ｃａ等である。この作用
は、バンドギャップエネルギーが大きい窒化物系化合物
半導体層にＰ型不純物を少なくドープして、バンドギャ
ップエネルギーが小さい窒化物系化合物半導体層にｐ型
不純物を多くドープする場合も同様である。
【００６０】超格子を構成する窒化物系化合物半導体
は、不純物が高濃度にドープされる層が厚さ方向に対し
半導体層中心部近傍の不純物濃度が大きく、両端部近傍
の不純物濃度が小さい（好ましくはアンドープ）とする
ことがより望ましい。具体的には、ｎ型不純物としてＳ
ｉをドープしたＡｌＧａＮと、アンドープのＧａＮ層と
で超格子層を形成した場合、ＡｌＧａＮはＳｉをドープ
しているのでドナーとして電子を伝導帯に出すが、電子
はポテンシャルの低いＧａＮの伝導帯に落ちる。ＧａＮ
結晶中にはドナー不純物をドープしていないので、不純
物によるキャリアの散乱を受けない。そのため電子は容
易にＧａＮ結晶中を動くことができ、実質的な電子の移
動度が高くなる。これは前述した二次元電子ガスの効果
と類似しており、電子横方向の実質的な移動度が高くな
り、抵抗率が小さくなる。さらに、バンドギャップエネ
ルギーの大きいＡｌＧａＮの中心領域にｎ型不純物を高
濃度にドープすると効果はさらに大きくなる。即ちＧａ
Ｎ中を移動する電子によっては、ＡｌＧａＮ中に含まれ
るｎ型不純物イオン（この場合Ｓｉ）の散乱を多少とも
受ける。しかしＡｌＧａＮ層の厚さ方向に対して両端部
をアンドープとするとＳｉの散乱を受けにくくなるの
で、さらにアンドープＧａＮ層の移動度が向上するので
ある。作用は若干異なるが、ｐ層側のバンドギャップエ
ネルギーが大きな窒化物系化合物半導体とバンドギャッ
プエネルギーが小さな窒化物系化合物半導体とで超格子
を構成した場合も類似した効果があり、バンドギャップ
エネルギーの大きい窒化物系化合物半導体の中心領域
に、ｐ型不純物を多くドープし、両端部を少なくする
か、あるいはアンドープとすることが望ましい。一方、
バンドギャップエネルギーの小さな窒化物系化合物半導
体にｎ型不純物を多くドープした層を、前述した不純物
濃度の構成とすることもできる。
【００６１】絶縁性基板を用いた発光素子の場合は、絶
縁性基板の一部を除去する、或いは半導体表面側からｐ
型及びｎ型用の電極面をとるためにｐ型半導体及びｎ型
半導体の露出面をエッチングなどによりそれぞれ形成さ
せる。各半導体層上にスパッタリング法や真空蒸着法な
どによりＡｕ、Ａｌやそれら合金を用いて所望の形状の
各電極を形成させる。発光面側に設ける電極は、全被覆
せずに発光領域を取り囲むようにパターニングするか、
或いは金属薄膜や金属酸化物などの透明電極を用いるこ
とができる。なお、ｐ型ＧａＮと好ましいオーミックが
得られる電極材料としては、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｎｉ／
Ａｕ、Ｐｔ／Ａｕ、Ｐｄ／Ａｕ等が好適に挙げることが
できる。ｎ型ＧａＮと好ましいオーミックが得られる電
極材料としてはＡｌ、Ｔｉ、Ｗ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｓｎ、Ｉ
ｎ等の金属若しくは合金等が好適に挙げることができ
る。このように形成された発光素子をそのまま利用する
こともできるし、個々に分割してＬＥＤチップやＬＤ素
子の如き構成とし使用してもよい。
【００６２】ＬＥＤチップやＬＤ素子として利用する場
合は、形成された半導体ウエハー等をダイヤモンド製の
刃先を有するブレードが回転するダイシングソーにより
直接フルカットするか、又は刃先幅よりも広い幅の溝を
切り込んだ後（ハーフカット）、外力によって半導体ウ
エハーを割る。あるいは、先端のダイヤモンド針が往復
直線運動するスクライバーにより半導体ウエハーに極め
て細いスクライブライン（経線）を例えば碁盤目状に引
いた後、外力によってウエハーを割り半導体ウエハーか
らチップ状にカットする。このようにして窒化ガリウム
系化合物半導体であるＬＥＤチップなどの発光素子を形
成させることができる。
【００６３】以下、本発明の実施例について説明する
が、本発明は具体的実施例のみに限定されるものではな
いことは言うまでもない。
【００６４】
【実施例】（実施例１）ＬＥＤチップの発光層が少なく
とも窒化ガリウム系化合物半導体として活性層がＩｎ
0.01Ｇａ0.99Ｎであり、主発光ピークが３６８ｎｍのＬ
ＥＤチップを用いる。ＬＥＤチップは、洗浄させたサフ
ァイヤ基板上にＴＭＧ（トリメチルガリウム）ガス、Ｔ
ＭＩ（トリメチルインジュウム）ガス、窒素ガス及びド
ーパントガスをキャリアガスと共に流し、ＭＯＣＶＤ法
で窒化ガリウム系化合物半導体を成膜させることにより
形成させる。ドーパントガスとしてＳｉＨ4とＣｐ2Ｍｇ
と、を切り替えることによって形成させてある。サファ
イヤ基板上に低温で形成させた窒化ガリウム半導体であ
るバッファ層と、ｎ導電性を有する窒化ガリウム半導体
であるコンタクト層、ｎ型導電性を有する窒化ガリウム
アルミニウム半導体であるクラッド層と、ｐ型導電性を
有する窒化ガリウムアルミニウム半導体であるクラッド
層、ｐ型導電性を有するコンタクト層との間にＩｎＧａ
Ｎの活性層を形成しｐｎ接合を形成させる。（なお、ｐ
型コンタクト層は、活性層側に不純物であるＭｇの拡散
がなされないようにｐ型クラッド層上の低不純物濃度の
窒化ガリウム層と、電極と接触する高不純物濃度の窒化
ガリウム層とを設けてある。また、活性層を４００オン
グストロームの膜厚で成長させる。Ｐ型導電性を有する
半導体は、成膜後４００℃以上でアニールさせてあ
る。）エッチングによりｐｎ各半導体表面を露出させた
後、スパッタリング法により各電極をそれぞれ形成させ
る。こうして出来上がった半導体ウエハーをスクライブ
ラインを引いた後、外力により分割させ発光素子として
ＬＥＤチップを形成させる。
【００６５】銀メッキした銅製リードフレームの先端に
カップを有するマウント・リードにＬＥＤチップをエポ
キシ樹脂でダイボンディングする。ＬＥＤチップの各電
極とマウント・リード及びインナー・リードと、をそれ
ぞれ金線でワイヤーボンディングし電気的導通を取る。
【００６６】ＬｉＡｌＯ2：Ｆｅ無機蛍光体を次のよう
にして作製する。Ａｌ（ＯＨ）3１５６．０ｇ、Ｌｉ2Ｃ
Ｏ3７３．９ｇ及びＦｅ（ＮＯ3）3・９Ｈ2Ｏ４．８５ｇ
をボールミルにより十分に混合し、混合原料を得る。こ
れをアルミナルツボに入れ、空気中で１２５０℃、２時
間焼成する。焼成品を粉砕し、篩を通してＬｉＡｌ
Ｏ 2：Ｆｅ無機蛍光体を得る。得られた蛍光体は赤外に
発光し、発光スペクトルのピーク波長は７４６ｎｍであ
る。発光スペクトルを図３に示す。
【００６７】この蛍光体５０重量部をマウント・リード
上のカップ内に入れる。ゾルゲル法を用いて蛍光物質を
ＴｉＯ2層に閉じこめる。こうしてＬＥＤチップ上に蛍
光物質が含有されたコーティング部が形成される。その
後、さらにＬＥＤチップや蛍光物質を外部応力、水分及
び塵芥などから保護する目的で各リードと絶縁を採りつ
つガラスレンズを金属枠ではめ込みＮ2でパージしたキ
ャンタイプの発光ダイオードを形成させる。
【００６８】さらに耐侯試験として温度２５℃６０ｍＡ
通電、温度２５℃２０ｍＡ通電、温度６０℃９０％ＲＨ
下で２０ｍＡ通電の各試験においても５００時間経過後
においても蛍光物質に起因する変化は観測されない。
【００６９】（実施例２）発光素子を以下の工程により
形成させる。サファイア基板（Ｃ面）を、反応容器内に
おいて水素雰囲気中、１０５０℃で表面のクリーニング
を行う。続いて、水素雰囲気中、５１０℃で、アンモニ
アとＴＭＧ（トリメチルガリウム）を用い、サファイア
基板上にＧａＮよりなる低温成長バッファ層を約２００
オングストロームの膜厚で成長させる。低温バッファ層
成長後、１０５０℃で、ＴＭＧ及びアンモニアを用い、
アンドープＧａＮ層よりなる第２のバッファ層を１μｍ
の膜厚で成長させる。
【００７０】１０５０℃で原料ガスとしてＴＭＧ、アン
モニア及びシラン（ＳｉＨ4）を用い、Ｓｉを１×１０
18／cm3ドープしたｎ型ＧａＮよりなるｎ側コンタクト
層を２μｍの膜厚で成長させる。
【００７１】１０５０℃でＴＭＧ、ＴＭＡ（トリメチル
アルミニウム）アンモニア及びシランを用い、ｎ側クラ
ッド層をアンドープのＧａＮ層、５０オングストローム
と、Ｓｉを１×１０18／cm3ドープしたＡｌ0.1Ｇａ0.9
Ｎ層５０オングストロームとを交互に積層してなる総膜
厚３００オングストロームの超格子構造として成長させ
る。
【００７２】窒素雰囲気中、７００℃でＴＭＩ、ＴＭ
Ｇ、アンモニアを用い、ｎ型不純物濃度が５×１０17／
ｃｍ3未満となるノンドープＩｎ0.05Ｇａ0.95Ｎよりな
る活性層を４００オングストロームの膜厚で成長させ
る。
【００７３】水素雰囲気中、１０５０℃でＴＭＧ、ＴＭ
Ａ、アンモニア、Ｃｐ2Ｍｇ（シクロペンタジエニルマ
グネシウム）を用い、ｐ側クラッド層をアンドープのＧ
ａＮ層５０オングストロームと、Ｍｇを１×１０19／cm
3ドープしたＡｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ層５０オングストローム
とを交互に積層してなる総膜厚６００オングストローム
の超格子構造として成長させる。
【００７４】続いて、ＴＭＧ、アンモニア、Ｃｐ2Ｍｇ
で、Ｍｇを１×１０20／cm3ドープしたＧａＮよりなる
ｐ側コンタクト層を０．１２μｍの膜厚で成長させる。
【００７５】成長終了後、窒素雰囲気中、ウェーハを反
応容器内において、７００℃でアニーリングを行い、ｐ
型層をさらに低抵抗化した後、ウェーハを反応容器から
取り出し、最上層のｐ側コンタクト層の表面に所定の形
状のマスクを形成し、ＲＩＥ（反応性イオンエッチン
グ）装置でｐ側コンタクト層側からエッチングを行い、
ｎ側コンタクト層の表面を露出させる。
【００７６】エッチング後、最上層にあるｐ側コンタク
ト層のほぼ全面に膜厚２００オングストロームのＮｉと
Ａｕを含む透光性のｐ電極と、そのｐ電極の上にボンデ
ィング用のＡｕよりなるｐパッド電極を０．２μｍの膜
厚で形成する。一方エッチングにより露出させたｎ型コ
ンタクト層の表面にはＷとＡｌを含むｎ電極を形成す
る。最後にｐ電極の表面を保護するためにＳｉＯ2より
なる絶縁膜を形成した後、ウェーハをスクライブにより
分離して３５０μｍ角の発光素子とする。順方向電圧２
０ｍＡにおいて、およそ３７８ｎｍの発光を示し、Ｖｆ
は３．３Ｖ、出力は５ｍＷを示す。
【００７７】上述の発光素子とＡｌ2Ｏ3：Ｃｒ無機蛍光
体とした以外は実施例１と同様にして発光装置を形成さ
せる。
【００７８】（実施例３）実施例２において活性層をＳ
ｉを１×１０18／cm3ドープ、膜厚が５００オングスト
ロームであるＩｎ0.05Ｇａ0.95Ｎ層とした他は実施例２
と同様にして発光装置を作製する。実施例２と同様の発
光特性を示す。
【００７９】（実施例４）実施例２において、発光素子
をｎ側クラッド層をアンドープのＡｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ層５
０オングストロームと、Ｓｉを１×１０18／cm3ドープ
したＧａＮ層５０オングストロームとを交互に積層して
なる総膜厚３００オングストロームの超格子構造とし、
さらにｐ側クラッド層をアンドープのＡｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ
層５０オングストロームと、Ｍｇを１×１０19／cm3ド
ープしたＧａＮ層５０オングストロームとを交互に積層
してなる総膜厚６００オングストロームの超格子構造と
する。
【００８０】上述の発光素子とＣｄＳ：Ａｇ無機蛍光体
とした以外は実施例２と同様にして発光装置を形成させ
る。
【００８１】（実施例５）発光素子として活性層がＩｎ
0.05Ｇａ0.95Ｎであり、主発光ピークが３６８ｎｍのＬ
Ｄ素子を用いる。
【００８２】サファイア基板の上に、ＧａＮよりなる低
温成長バッファ層、アンドープＧａＮ層よりなる第２の
バッファ層、第２のバッファ層の表面にストライプ幅２
０μｍ、ストライプ間隔（窓部）５μｍのＳｉＯ2より
なる保護膜を０．１μｍの膜厚で、ストライプがＧａＮ
の（１１−００）方向に平行になるように形成する。保
護膜形成後、Ａｌ含有のＧａＮよりなるＧａＮ層を１０
μｍの膜厚で成長させＡｌ含有のＧａＮ基板を形成させ
る。ＧａＮ基板上にＳｉを１×１０18／cm3以上ドープ
したｎ型ＧａＮよりなるｎ側コンタクト層、Ｓｉを５×
１０18／cm3ドープしたＩｎ0.1Ｇａ0.9Ｎよりなるクラ
ック防止層、次にＳｉを１×１０19／cm 3ドープしたｎ
型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎよりなる層を４０オングストローム
と、アンドープのＧａＮ層を４０オングストロームの膜
厚で成長させ、これらの層を交互に、それぞれ１００層
ずつ積層した、総膜厚０．８μｍの超格子よりなるｎ側
クラッド層を成長させる。
【００８３】アンドープＡｌ0.05Ｇａ0.95Ｎよりなるｎ
側光ガイド層、アンドープＩｎ0.01Ｇａ0.99Ｎよりなる
活性層、Ｍｇを１×１０19／cm3ドープしたｐ型Ａｌ0.2
Ｇａ 0.8Ｎであるｐ側キャップ層、Ａｌ0.01Ｇａ0.99Ｎ
であるｐ側光ガイド層を形成させる。
【００８４】次に、Ｍｇを１×１０19／cm3ドープした
ｐ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ層、アンドープＧａＮを４０オン
グストロームとを交互に積層成長した総膜厚０．８μｍ
の超格子構造よりなるｐ側クラッド層を形成させる。
【００８５】最後に、ｐ側クラッド層の上に、Ｍｇを１
×１０20／cm3ドープしたｐ型ＧａＮよりなるｐ側コン
タクト層を形成させる。
【００８６】以上のようにして窒化物系化合物半導体を
成長させたウェーハをアニーリングを行いｐ型不純物を
ドープした層をさらに低抵抗化させた後、最上層のｐ側
コンタクト層と、ｐ側クラッド層とをエッチングして、
活性層よりも上部にある層をストライプ状のリッジ形状
とする。
【００８７】次に、ｎ側コンタクト層の表面を露出さ
せ、ＴｉとＡｌよりなるｎ電極をストライプ状に形成す
る。一方ｐ側コンタクト層のリッジ最表面にはＮｉとＡ
ｕよりなるｐ電極をストライプ状に形成する。
【００８８】ｐ電極と、ｎ電極との間に露出した窒化物
系化合物半導体の表面にＳｉＯ2よりなる絶縁膜を形成
し、絶縁膜を介してｐ電極と電気的に接続したｐパッド
電極を形成する。
【００８９】以上のようにして、ｎ電極とｐ電極とを形
成したウェーハを研磨装置に移送し、窒化物系化合物半
導体を形成していない側のサファイア基板をラッピング
し、除去する。ラッピング後、さらに細かい研磨剤で１
μｍポリシングして基板表面を鏡面状とし、Ａｕ／Ｓｎ
で全面をメタライズする。
【００９０】その後、Ａｕ／Ｓｎ側をスクライブして、
ストライプ状の電極に垂直な方向でバー状に劈開し、劈
開面に共振器を作製する。共振器面にＳｉＯ2とＴｉＯ2
よりなる誘電体多層膜を形成し、最後にｐ電極に平行な
方向で、バーを切断してレーザチップとする。次にチッ
プをフェースアップ（基板とヒートシンクとが対向した
状態）でヒートシンクに設置した。形成されたＬＤは、
室温において、閾値電流密度２．０ｋＡ／cm2、閾値電
圧４．０Ｖで、発振波長３６８ｎｍの連続発振が確認さ
れる。
【００９１】このような発光素子からの紫外レーザーを
スクリーン上にバインダーと共に塗布させたＹ3Ａｌ5Ｏ
12：Ｃｒ無機蛍光体に照射できるよう光学的に接続させ
る。スクリーン上には紫外線を発光する発光素子からの
光を更にレンズで集光させて投影させてある。集光され
た紫外光を偏向ミラーにより走査させスクリーニングす
ることで所望の画像を得ることができる。この場合にお
いても蛍光物質が劣化することなく高輝度に赤外発光す
る。
【００９２】また、蛍光物質として、赤外に発光する上
記Ｙ3Ａｌ5Ｏ12：Ｃｒ無機蛍光体に代えて、青色、緑
色、赤色、白色、又は中間色に発光する無機蛍光体を用
いることができる。この場合も同様に色ずれ、発光効率
の低下の少ない発光装置とすることができる。
【００９３】
【発明の効果】本発明の構成とすることにより高出力の
窒化物系化合物半導体の発光素子と、本発明の無機蛍光
体から選択される少なくとも一種とを利用した発光装置
とすることにより窒化ガリウム系化合物半導体から放出
された紫外光を効率よく蛍光物質によって変換させつ
つ、高輝度且つ長時間の使用によっても色むら、輝度の
低下が極めて少ない高発光効率の発光装置とすることが
できる。また、蛍光物質が短波長の励起波長により励起
されより長波長を発光するため、発光素子からの発光量
に比例して発光装置から蛍光物質の光が放出されること
となる。
【００９４】特に、紫外光と赤外光の両方が発光可能な
発光装置とすることで、両方の機能を合わせ持つ光セン
サーや、赤外光による加熱と紫外光による光硬化を同時
に行うことができる樹脂等の硬化装置に応用することが
できる。また、可視光も含めて発光可能な発光装置とす
ることにより、植物育成用発光装置等への利用が期待さ
れる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の発光装置の模式的断面図であ
る。
【図２】図２は、本発明の別の発光装置の模式的断面図
である。
【図３】図３は、本発明の実施例１に使用される蛍光物
質の発光スペクトル例を示した図である。
【符号の説明】
１０１、２０１・・・蛍光物質が含有されたコーティン
グ部 １０２、２０２・・・発光素子 １０３・・・筐体 １０４・・・筐体に設けられた電極 １０５・・・半田 １０６・・・ガラス ２０３・・・導電性ワイヤー ２０４・・・透光性無機部材となる低融点ガラス ２０５・・・マウント・リード ２０６・・・インナー・リード ２０７・・・パッケージ ２０８・・・絶縁封止剤としての低融点ガラス
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｃ０９Ｋ 11/64 ＣＰＭ Ｃ０９Ｋ 11/64 ＣＰＭ 11/80 ＣＰＭ 11/80 ＣＰＭ

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】少なくとも発光層が窒化物半導体である発
    光素子と、該発光素子が発光する発光の少なくとも一部
    を吸収し波長変換して蛍光を発する無機蛍光体とを有す
    る発光装置であって、 前記発光素子からの発光スペクトルが主ピークとして３
    ６０ｎｍから３９０ｎｍ内にあると共に、前記無機蛍光
    体が赤外の蛍光を発し、 ＬｉＡｌＯ2：Ｆｅ、 Ａｌ2Ｏ3：Ｃｒ、 ＣｄＳ：Ａｇ、 ＧｄＡｌＯ3：Ｃｒ、 Ｙ3Ａｌ5Ｏ12：Ｃｒ、 から選択される少なくとも一種の蛍光体であることを特
    徴とする発光装置。
  2. 【請求項２】前記発光素子がｎ型窒化物系化合物半導体
    層と、ｐ型窒化物系化合物半導体層との間に、ダブルへ
    テロ構造となりｎ型不純物を含むＩｎαＧａ1-αＮ層の
    活性層を有し、 前記ｎ型不純物濃度が５×１０17／ｃｍ3未満、 前記ＩｎαＧａ1-αＮ層のα値が０より大きく０．１以
    下、 前記ＩｎαＧａ1-αＮ層の膜厚が１００オングストロー
    ム以上、１０００オングストローム以下の発光素子であ
    ることを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
  3. 【請求項３】前記発光素子がｎ型窒化物系化合物半導体
    層と、ｐ型窒化物系化合物半導体層との間に、ダブルへ
    テロ構造となりｎ型不純物を含むＩｎδＧａ1-δＮ層の
    活性層を有し、 前記不純物濃度が５×１０17／ｃｍ3以上、 前記ＩｎδＧａ1-δＮ層のδ値が０より大きく０．１以
    下、 前記ＩｎδＧａ1-δＮ層の膜厚が１００オングストロー
    ム以上の発光素子であることを特徴とする請求項１に記
    載の発光装置。
  4. 【請求項４】前記発光素子がＡｌを含有するＧａＮ基板
    上にｎ型及びｐ型窒化物系化合物半導体を積層してなる
    請求項１乃至３に記載の発光装置。
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