JP2002198561A

JP2002198561A - 半導体発光装置

Info

Publication number: JP2002198561A
Application number: JP2000396957A
Authority: JP
Inventors: Koichi Nitta; 田康一新; Hirohisa Abe; 部洋久阿; Kuniaki Konno; 野邦明紺; Yasuo Idei; 井康夫出
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2000-12-27
Filing date: 2000-12-27
Publication date: 2002-07-12
Anticipated expiration: 2020-12-27
Also published as: JP4008656B2

Abstract

(57)【要約】（修正有）【課題】色調のばらつきが少ない発光素子を提供す
る。【解決手段】電流注入により第１の波長の光を放射す
る活性層１０４を含む半導体発光チップ１００と、半導
体発光チップの表面の一部に接着され、第１の波長の光
により励起されて第２の波長の光を放射する発光層１１
２を含む半導体層１１０と、を備える。また、基板と、
基板上に形成されたバッファ層と、前記バッファ層上に
形成されたｎ型ＧａＮ系半導体層と、ｎ型ＧａＮ系半導
体層上に形成され電流注入により第１の波長の光を放射
するＧａＮ系半導体からなる活性層と、活性層上に形成
されたｐ型ＧａＮ系半導体層と、を少なくとも備え、活
性層の一部に、フッ素、酸素、窒素、炭素、硫黄の中か
ら選ばれたイオンが注入され第２の波長の光を放出する
領域を形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体発光素子に
関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、白熱電球や蛍光灯の置き換えとし
て、白色半導体発光素子が注目されている。白色半導体
発光素子は、駆動回路が簡単であること、寿命が長いこ
と、消費電力が小さいこと等の特徴を有している。

【０００３】この白色半導体発光素子の構成は、例え
ば、特開平１０−２４２５１３公報、特開平１０−１２
９１６公報、特開平１１−１２１８０６公報に記載され
ている。

【０００４】特開平１０−２４２５１３公報の半導体発
光素子は、青色発光する窒化物半導体発光チップと、青
色発光を吸収して黄色発光するＹＡＧ：Ｃｅ蛍光体と、
を備え、青色発光と黄色発光とにより白色発光を実現し
ている。ここで、ＹＡＧ：Ｃｅ蛍光体は、樹脂に混ぜて
半導体発光チップ周辺に塗布されている。

【０００５】また、特開平１０−１２９１６公報の半導
体発光素子は、紫外発光する窒化物半導体発光チップ
と、紫外発光を吸収して赤色、緑色、および青色に発光
する３種類の蛍光体と、を備え、赤色発光、緑色発光、
青色発光により白色発光を実現している。ここでも、蛍
光体は、樹脂に混ぜて半導体発光チップ周辺に塗布され
ている。

【０００６】また、特開平１１−１２１８０６公報の半
導体発光素子は、赤色発光する活性層と、緑色発光する
活性層と、青色発光する活性層と、の３種類の活性層を
備え、赤色発光、緑色発光、青色発光により白色発光を
実現している。ここで、３種類の活性層は別々に設けら
れ、それぞれの活性層に別々に電流が注入されている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかし、本発明者の試
作・評価の結果、従来の白色半導体発光素子には、以下
のように、白色光の色調がばらついてしまうという問題
があることが判明した。

【０００８】まず、特開平１０−２４２５１３公報の半
導体発光素子のように、蛍光体を樹脂に混ぜ半導体チッ
プ周辺に塗布すると、素子ごとに蛍光体量を一定にする
ことが難しいために、素子ごとに蛍光体量がばらついて
いた。そして、例えば、蛍光体量が多いと、黄色発光が
多くなり、白色光の色調は黄色に近くなっていた。逆
に、蛍光体量が少ないと、黄色発光が少なくなり、色調
は青色に近くなっていた。このため素子ごとに白色光の
色調がばらついていた。

【０００９】次に、特開平１０−１２９１６公報の半導
体発光素子のように、３種類の蛍光体を用いると、蛍光
体の調合が難しいために、素子ごとに蛍光体の偏りが生
じていた。そして、例えば、青色発光蛍光体の量が多い
と、色調は青色に近くなっていた。このため素子ごとに
白色光の色調がばらついていた。

【００１０】さらに、特開平１０−１２９１６公報の半
導体発光素子のように、赤色発光、緑色発光、青色発光
の３種類の活性層を用いた構造では、それぞれの発光は
注入電流に依存して変化するため、３色の発光バランス
を調整するのが難しかった。そして、例えば、青色発光
活性層への注入電流が多すぎると、白色光の色調は青色
に近くなっていた。このため、白色光の色調がばらつい
ていた。

【００１１】このように、従来の白色半導体発光素子に
は、白色光の色調がばらついてしまうという問題がある
ことが判明した。

【００１２】もっとも、一般的には、この色調のばらつ
きは大きな問題点として認識されていなかった。すなわ
ち、従来、一般には、白色半導体発光素子では輝度の向
上が主な目的とされ、その目的の達成に大きな目標を置
いていたからである。

【００１３】本発明は、かかる独自の課題の認識に基づ
いてなされたものである。すなわち、その目的は、色調
のばらつきの少ない発光素子を提供することである。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明の半導体発光素子
は、電流注入により第１の波長の光を放射する活性層を
含む半導体発光チップと、前記半導体発光チップの表面
の一部に接着され、前記第１の波長の光により励起され
て第２の波長の光を放射する発光層を含む半導体層と、
を備えることを特徴とする。

【００１５】前記活性層は、ＧａＮ系半導体からなる活
性層とすることができる。ここで、ＧａＮ系半導体と
は、Ｉｎ_ｘＧａ_ｙＡｌ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０≦ｘ＋ｙ≦１、
０≦ｘ、ｙ≦１）からなる半導体を意味し、ＧａＮ系半
導体からなる活性層には、例えば、ＩｎＧａＮとＧａＮ
の多重量子井戸構造の活性層も含まれる。また、前記発
光層はＩｎＧａＡｌＰ系半導体からなる発光層とするこ
とができる。ここで、ＩｎＧａＡｌＰ系半導体とは、Ｉ
ｎ_ｓＧａ_ｔＡｌ_{１−ｓ−ｔ}Ｐ（０≦ｓ＋ｔ≦１、０≦
ｓ、ｔ≦１）からなる半導体を意味する。

【００１６】また、本発明の半導体発光素子は、基板
と、前記基板上に形成されたバッファ層と、前記バッフ
ァ層上に形成されたｎ型ＧａＮ系半導体層と、前記ｎ型
ＧａＮ系半導体層上に形成され電流注入により第１の波
長の光を放射するＧａＮ系半導体からなる活性層と、前
記活性層上に形成されたｐ型ＧａＮ系半導体層と、を少
なくとも備え、前記活性層の一部に、フッ素、酸素、窒
素、炭素、硫黄の中から選ばれたイオンが注入され第２
の波長の光を放出する領域が形成されていることを特徴
とする。

【００１７】ここで、ｎ型ＧａＮ系半導体層とは、Ｉｎ
_ａＧａ_ｂＡｌ_{１−ａーｂ}Ｎ（０≦ａ＋ｂ≦１、０≦ａ、
ｂ≦１）からなるｎ型の半導体層を意味する。例えば、
ｎ型ＧａＮとＡｌＧａＮとの超格子構造も、ｎ型ＧａＮ
系半導体層に含まれる。ｐ型ＧａＮ系半導体層も同様で
ある。

【００１８】また、本発明の半導体発光素子は、電流注
入により第１の波長の光を放射する活性層を含む半導体
発光チップと、前記半導体発光チップからの前記第１の
波長の光を反射する反射板と、前記反射板の一部に塗布
され前記第１の波長の光により励起されて第２の波長の
光を放射する蛍光体と、を備えることを特徴とする。

【００１９】

【発明の実施の形態】以下に、図面を参照にしつつ本発
明の実施の形態の半導体発光素子について説明する。以
下では、ＧａＮ系半導体発光チップからの青色発光と、
この青色発光を変換して得られる黄色発光と、により白
色発光を行う半導体発光素子について説明する。

【００２０】以下の第１〜第６の実施の形態では、上述
の黄色発光を得る方法を変えた白色半導体発光素子につ
いて説明する。まず、第１〜第４の実施の形態では、黄
色発光を放射する半導体層を備えた白色半導体発光素子
について説明する。次に、第５の実施の形態では、Ｇａ
Ｎ系半導体発光チップの活性層の一部にイオンを注入し
て、黄色発光するイオン注入領域を備えた白色半導体発
光素子について説明する。次に、第６の実施の形態で
は、黄色発光を放射する蛍光体を反射板の一部に塗布し
た白色半導体発光素子について説明する。本実施形態の
白色半導体発光素子は、色調のばらつきが少ないことを
特徴の１つとする。

【００２１】（第１の実施の形態）図１は、本発明の第
１の実施の形態に係わる白色半導体発光素子を表す断面
図である。電流注入により青色発光を放射する半導体発
光チップ１００と、この青色発光により励起されて黄色
発光を放射する半導体層１１０と、は白色半導体発光素
子を構成している。この素子からの発光は、光取り出し
面１２０から取り出される。

【００２２】まず、半導体発光チップ１００について説
明する。サファイア基板１０１の下側の面（第１の面）
上には、ＧａＮからなるバッファ層１０２、ｎ型ＧａＮ
からなるコンタクト層１０３、ＩｎＧａＡｌＮからなる
活性層１０４、ｐ型ＡｌＧａＮからなるクラッド層１０
５、ｐ型ＧａＮからなるコンタクト層１０６が順次形成
されている。これらの積層層１０１〜１０６は、有機金
属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）法や、分子線エピキャシタ
ル法（ＭＢＥ法）などにより成長形成することができ
る。ここで、この積層層１０１〜１０６の厚さは数μｍ
であり、サファイア基板１０１の厚さは数百μｍである
が、図１では、積層層１０１〜１０６の説明のため、倍
率を変えて示している。

【００２３】上述の、ＩｎＧａＡｌＮ活性層１０４から
放射される光の波長は、活性層のＩｎ、Ａｌの組成比を
調整し、青色発光をするものとして構成される。ここで
Ａｌ組成を０として活性層をＩｎＧａＮとしても良い。
また、この活性層１０４の厚さを数１ｎｍ〜１０ｎｍ程
度の薄膜を有する単一量子井戸構造或いは多重量子井戸
構造にすることで高輝度が実現できる。この活性層１０
４には、ｎ型コンタクト層１０３に形成されたｎ型電極
１０７、ｐ型コンタクト１０６に形成されたｐ型電極１
０８から電流が注入される。ここで、ｐ電極１０８とｎ
電極１０７は、活性層１０４からの青色発光を反射する
反射率の高い材料となるＮｉ／Ａｕ、Ｔｉ／Ａｌが望ま
しい。このようにすることで、活性層１０４から下側に
放射された青色発光を、ｐ電極１０８、ｎ電極１０７で
反射して、光取り出し面１２０から取り出すことができ
る。なお、図中でｐ電極１０８、ｎ電極１０７のように
斜線で示した部分は、青色発光、黄色発光を反射する性
質を持つ部分であることを示している。

【００２４】次に、半導体層１１０について説明する。
半導体層１１０は、ＩｎＧａＡｌＰからなる発光層１１
２を、ＩｎＧａＡｌＰからなるｐ型クラッド層１１１及
び、ＩｎＧａＡｌＰからなるｎ型クラッド層１１３で挟
んだ構造になっている。発光層１１２は、ＩｎＧａＡｌ
ＰのIII属元素Ｉｎ、Ｇａ、Ａｌの組成比を調整し、黄
色発光をするものとして構成される。発光層１１２の厚
さは１ｎｍ〜１０μｍが望ましい。すなわち、発光層１
１２を１ｎｍ〜数十ｎｍの薄膜からなる単一量子井戸構
造または多重量子井戸構造とすると黄色発光の発光効率
が高くなって黄色発光の強度が増加し、また発光層１１
２の厚さを数十ｎｍ〜１０μｍにすると青色発光の吸収
効率が高くなって黄色発光の強度が増加する。この発光
層１１２の両側の２つのクラッド層１１１及び１１３
は、発光層１１２よりもバンドギャップが大きい。つま
り、半導体層１１０はダブルへテロ構造になっている。
このようにダブルへテロ構造とすることで、半導体発光
チップ１００からの青色発光により発生した電子、正孔
を、発光層１１２内に有効に閉じこめることができ、黄
色発光の発光効率が高くなって、黄色発光の強度が増加
する。ここで、本実施形態のように、発光層１１２を挟
むクラッド層をｐ型とｎ型にすることにより、発光層１
１２の黄色発光の強度がさらに増加する。これは、本発
明者の実験により得られた結果であり、その理由は、内
部電界により吸収効率が増加するためであると解析され
る。また、ここで、クラッド層１１１及び１１３をアン
ドープにすることも可能である。このようにアンドープ
にした場合には、発光層１１２の結晶性が向上し、つま
り発光層１１２の非発光センタが減少し、発光層１１２
での黄色発光の強度が増加する。

【００２５】この半導体層１１０は、図１に示すよう
に、半導体発光チップのサファイア基板１０１の上側
（第２の面側）の一部に接着されている。後述のよう
に、半導体層１１０の面積は、サファイア基板の面積の
1／３〜２／３とすることが望ましい。この半導体層１
１０は、例えば、ＧａＡｓ基板上にｎ型クラッド層１１
３、発光層１１２、ｐ型クラッド層１１１を順に形成し
た後、不活性ガス中で４６０℃から７５０℃で熱処理す
ることによりサファイア基板１０１の上側にｐ型クラッ
ド層１１１を接着し、基板であるＧａＡｓをエッチング
除去して、形成することができる。

【００２６】以上説明した、半導体発光チップ１００と
半導体層１１０とでは、半導体発光チップ１００の活性
層１０４から青色発光が放射され、この青色発光の一部
が半導体層１１０に入射し、この入射した青色発光によ
り半導体層１１０の発光層１１２が励起され、発光層１
１２から黄色発光が放射される。このようにして、活性
層１０４からの青色発光と、発光層１１２からの黄色発
光とで、白色発光を実現できる。

【００２７】この白色発光を図２の色度図を用いてさら
に詳しく説明する。図２は、国際照明委員会（ＣＩＥ）
が定めたｘｙ色度図である。図１の半導体発光チップ１
００の活性層１０４のようなＩｎＧａＡｌＮ活性層の発
光波長は、図２の左側に示すように、３８０ｎｍから５
００ｎｍにすることができる。また、半導体層１１０の
発光層１１２のようなＩｎＧａＡｌｐ発光層の発光波長
は、図２の右側に示すように、５４０ｎｍから７５０ｎ
ｍにすることができる。ここで、例えば、ＩｎＧａＡｌ
Ｎ活性層からの波長４７６ｎｍの青色発光と、ＩｎＧａ
ＡｌＰ発光層からの波長５７８ｎｍの黄色発光とを混色
する場合は、図中の左下のｂｌｕｅ領域の４７６の白丸
と、図中の右上のｙｅｌｌｏｗ領域の５７８の白丸とを
結んだ直線を考える。すると、この直線は、白色の領域
ｗｈｉｔｅを通過することが分かる。このように、図２
から、半導体発光チップ１００からの青色発光と、半導
体層１１０からの黄色発光との混色により白色発光が実
現できることがわかる。

【００２８】以上説明した、図１の半導体発光素子で
は、素子ごとの色調バラツキを少なくすることできる。
これは、半導体層１１０の膜厚、組成、その他の特性、
面積等が、蛍光体と異なり、素子ごとにほとんどばらつ
かないからである。すなわち、半導体層１１０は、半導
体素子の製造に一般的に用いられている画一的な量産プ
ロセスにより、膜厚、組成、その他の特性がほとんどば
らつかないように再現性良く製造することができ、しか
も、容易に同一面積に加工することができる。そして半
導体層１１０の膜厚、組成、その他の特性、面積等が素
子ごとに均一になることにより、半導体発光チップ１０
０からの青色発光と、半導体層１１０からの黄色発光と
の比率が素子ごとにばらつかなくなり、素子ごとに色調
がばらつかなくなる。

【００２９】また、図１の半導体発光素子では、半導体
層１１０の面積を変えることにより、色調の調整が容易
にできる。これにより、例えば、何らかの原因で半導体
層１１０の発光効率がずれたような場合でも、簡単に色
調を調整することができる。例えば、半導体層１１０の
発光効率が低くなった場合には、半導体層１１０の面積
を広くすれば良い。

【００３０】また、必要に応じて白色発光の色調を変え
たい場合も、上述のように半導体層１１０の面積を変え
ることにより、容易に行うことができる。例えば、表示
用の素子として青色に近い色調の白色の素子が欲しい場
合には、黄色発光する半導体層１１０の面積を減らせば
よい。

【００３１】さらに、図１の半導体発光素子では、従来
の素子よりも発光輝度を向上させることができる。すな
わち、図１の素子では、半導体層１１０を光取り出し面
１２０の一部のみに形成したので、波長変換領域となる
半導体層１１０を通過しない青色発光、すなわち半導体
発光チップ１００からの輝度の高い直接の青色発光を利
用することができ、発光輝度を向上させることができ
る。そして、本発明者の実験によれば、半導体層１１０
の面積をサファイア基板の面積の１／３〜２／３にする
ことで再現良く高輝度の白色発光素子が実現でる。

【００３２】（第２の実施の形態）第２の実施の形態が
第１の実施の形態と異なる点の１つは、図３から分かる
ように、素子を上下逆向きにし、光取り出し面２２０
を、ｐ型ＧａＮコンタクト層側にした点である。

【００３３】図３は、本発明の第２の実施の形態に係わ
る白色半導体発光素子を表す断面図である。第１の実施
の形態（図１）と同様に、電流注入により活性層２０４
から青色発光を放射する半導体発光チップ２００と、こ
の青色発光により励起されて発光層２１２から黄色発光
を放射する半導体層２１０と、は白色半導体発光素子を
構成している。この素子からの発光は、光取り出し面２
２０から取り出される。

【００３４】まず半導体発光チップ２００について説明
する。サファイア基板２０１の上側の面（第１の面）上
には、ＧａＮからなるバッファ層２０２、ｎ型ＧａＮか
らなるコンタクト層２０３、ＩｎＧａＮからなる活性層
２０４、ｐ型ＡｌＧａＮからなるクラッド層２０５、ｐ
型ＧａＮからなるコンタクト層２０６が順次形成されて
いる。この活性層２０４には、ｎ型コンタクト層２０３
に形成されたＴｉ／Ａｌからなるｎ型電極２０７と、ｐ
型コンタクト層２０６上に形成された透明電極２０８上
のＮｉ／Ａｌからなるｐ型電極２０８ａと、から電流が
注入される。ここで、図２の素子は光取り出し面２２０
がｐ型ＧａＮ層２０６側であるため、透明電極２０８を
用いている。透明電極２０８は金属薄膜または導電性酸
化物からなり、活性層２０４からの青色発光、および、
発光層２１２からの黄色発光に対して透光性を有してい
る。次に、半導体層２１０について説明する。半導体層
２１０は、第１の実施の形態と同様に、ＩｎＧａＡｌＰ
からなる発光層２１２を、ＩｎＧａＡｌＰからなるｐ型
クラッド層２１１及び、ＩｎＧａＡｌＰからなるｎ型ク
ラッド層２１３で挟んだ構造になっている。そして、こ
のｎ型クラッド層２１３の下側には、発光層２１２から
の黄色発光を反射する反射膜２１４が形成されている。
この反射膜はＡｌ、Ａｇ、Ａｕ、Ｃｕからなる金属膜や
その合金で、厚さを０．１μｍ〜１０μｍにすることが
できる。このようにすることで、発光層２１２から下側
に放射された黄色発光を、反射膜２１４で反射して、光
取り出し面２２０から取り出すことができる。このよう
にして構成された半導体層２１０は、半導体発光チップ
２００のサファイア基板２０１の下側の面（第２の面）
の一部に接着される。

【００３５】本実施形態のように、光取り出し面２２０
をｐ型ＧａＮコンタクト層２０６側にしても、第１の実
施の形態と同様の効果を得ることができる。

【００３６】（第３の実施の形態）第３の実施の形態が
第２の実施の形態（図３）と異なる点の１つは、図４か
ら分かるように、半導体層３１０を、光取り出し面３２
０の側の透明電極３０８上に形成した点である。

【００３７】図４は、本発明の第３の実施の形態に係わ
る白色半導体発光素子を表す断面図である。第２の実施
の形態（図３）と同様に、電流注入により活性層３０４
から青色発光を放射する半導体発光チップ３００と、こ
の青色発光により励起されて発光層３１２から黄色発光
を放射する半導体層３１０と、は白色半導体発光素子を
構成している。この素子からの発光は、光取り出し面３
２０から取り出される。

【００３８】まず半導体発光チップ３００について説明
する。サファイア基板３０１の上側の面上には、ＧａＮ
からなるバッファ層３０２、ｎ型ＧａＮからなるコンタ
クト層３０３、ＩｎＧａＮからなる活性層３０４、ｐ型
ＡｌＧａＮからなるクラッド層３０５、ｐ型ＧａＮから
なるコンタクト層３０６が順次形成されている。この活
性層３０４には、第２の実施の形態と同様に、ｎ型コン
タクト層３０３上に形成されたＴｉ／Ａｌからなるｎ型
電極３０７と、ｐ型コンタクト層２０６上に形成された
透明電極３０８上のＮｉ／Ａｌからなるｐ型電極２０８
ａと、から電流が注入される。ここで、図３の素子も、
第２の実施の形態の素子（図２）と同様に、光取り出し
面３２０がｐ型ＧａＮ層３０６側であるため、透明電極
３０８を用いている。

【００３９】また、上述の基板３０１の下側には、活性
層３０４からの青色発光および発光層３１２からの黄色
発光を反射する反射膜３０９が形成されている。この反
射膜はＡｌ、Ａｇ、Ａｕ、Ｃｕからなる金属膜やその合
金で、厚さを０．１μｍ〜１０μｍにすることができ
る。このようにすることで、活性層３０４から下側に放
射された青色発光、および発光層３１２から下側に放射
された黄色発光を、反射膜３０９で反射して、上側の光
取り出し面３２０から取り出すことができる。

【００４０】次に、半導体層３１０について説明する。
半導体層３１０は、第２の実施の形態と同様に、ＩｎＧ
ａＡｌＰからなる発光層３１２を、ＩｎＧａＡｌＰから
なるｐ型クラッド層３１１及び、ＩｎＧａＡｌＰからな
るｎ型クラッド層３１３で挟んだ構造になっている。こ
の半導体層３１０は、半導体発光チップ３００の透明電
極３０８上に接着されている。この接着の際には、第１
の実施の形態と同様に、不活性ガス中で熱処理を行う。
ただし、本発明者の実験によれば、この半導体層３１０
の接着温度は、第１の実施の形態の素子の接着温度であ
る４６０℃〜７５０℃と異なり、１５０℃〜４５０℃と
することができる。すなわち、本発明者の実験によれ
ば、透明電極３０８上に半導体層３１０を接着する場合
は、サファイア基板３０１に接着する場合に比べて低温
で接着しても、高温で接着するのと同等の接着強度にな
ることが判明している。

【００４１】本実施形態の半導体発光素子のように、半
導体層３１０を、光取り出し面３２０の側の透明電極３
０８上に形成しても、第２の実施の形態および第１の実
施の形態と同様の効果を得ることができる。

【００４２】また、本実施形態の半導体発光素子では、
透明電極３０８上に半導体層３１０を接着したので、透
明電極３０８の反射を利用でき、発光層３１２からの黄
色発光をさらに有効に取り出すことができる。

【００４３】（第４の実施の形態）第４の実施の形態が
第１の実施の形態（図１）と異なる点は、図５から分か
るように、ｎ型ＧａＮ基板４０１を用いてｎ型電極４０
７を基板４０１上に設け、さらに、半導体層４１０にロ
ーパスフィルター４１４を設けた点である。

【００４４】図５は、本発明の第４の実施の形態に係わ
る白色半導体発光素子を表す断面図である。第１の実施
の形態（図１）と同様に、電流注入により活性層４０４
から青色発光を放射する半導体発光チップ４００と、こ
の青色発光により励起されて発光層４１２から黄色発光
を放射する半導体層４１０と、は白色半導体発光素子を
構成している。この素子からの発光は、光取り出し面４
２０から取り出される。

【００４５】まず半導体発光チップ４００について説明
する。ｎ型ＧａＮ基板４０１の下側の面（第１の面）上
には、ｎ型ＡｌＧａＮからなるバッファ層４０２、ｎ型
ＧａＮからなるコンタクト層４０３、ＩｎＧａＮからな
る活性層４０４、ｐ型ＡｌＧａＮからなるクラッド層４
０５、ｐ型ＧａＮからなるコンタクト層４０６が順次形
成されている。この活性層４０４には、ｎ型ＧａＮ基板
４０１に形成されたＴｉ／Ａｌからなるｎ型電極４０７
と、ｐ型コンタクト層４０６上に形成されたＮｉ／Ａｕ
からなるｐ型電極４０８と、から電流が注入される。こ
のように、図２の素子では基板４０１に設けられたｎ型
電極４０７からバッファ層４０２を介して活性層４０４
に電流が注入されるので、バッファ層として、上述のよ
うに、ｎ型ＡｌＧａＮを用いている。

【００４６】次に、半導体層４１０について説明する。
半導体層４１０は、ＩｎＧａＡｌＰからなる発光層４１
２を、ＩｎＧａＡｌＰからなるｐ型クラッド層４１１及
び、ＩｎＧａＡｌＰからなるｎ型クラッド層４１３で挟
んだ構造になっている。これに加え、図５の素子では、
半導体層４１０に、ローパスフィルタ４１４が設けられ
ている。このローパスフィルタ４１４は、図６に示すよ
うに、発光層４１２からの黄色発光に対する反射率が高
く、活性層４０４からの青色発光に対する反射率が低く
なっている。すなわち、ローパスフィルタ４１４は、発
光層４１２からの黄色発光を反射し、活性層４０４から
の青色発光を透過する性質を有する。半導体層４１０
は、第１の実施の形態と同様に、半導体発光チップ４０
０の基板４０１の上側（第２の面側）に接着されてい
る。

【００４７】本実施形態の素子のように、基板としてｎ
型ＧａＮ基板４０１を用いると、第１の実施の形態の素
子と同様の効果があるのに加え、さらに、活性層４０４
を含む結晶成長層４０２〜４０６と基板４０１との格子
不整合による歪みが少なくなり、信頼性が高い発光素子
が実現できる。

【００４８】また、本実施形態の素子のようにローパス
フィルタ４１４を設けると、発光層４１２からの黄色発
光を効率よく取り出すことができ、さらに輝度を上げる
ことが出来る。

【００４９】以上説明した第４の実施の形態では、基板
としてｎ型ＧａＮ基板４０１を用いたが、ｎ型ＳｉＣ基
板を用いることもできる。このｎ型ＳｉＣ基板を用いる
と、放熱特性が良く、８０℃を越える高温でも輝度の低
下がない素子を実現できる。

【００５０】（第５の実施の形態）第５の実施の形態
は、図７に示すように、活性層５０４の一部に、イオン
注入領域５０９を設けたことを特徴の１つとする。

【００５１】図７は、本発明の第５の実施の形態に係わ
る白色半導体発光素子を表す断面図である。サファイア
基板５０１の下側の面上には、ＧａＮからなるバッファ
層５０２、ｎ型ＧａＮからなるコンタクト層５０３、Ｉ
ｎＧａＮからなる活性層５０４、ｐ型ＡｌＧａＮからな
るクラッド層５０５、ｐ型ＧａＮからなるコンタクト層
５０６が順次形成されている。

【００５２】本実施形態の素子の特徴の１つは、イオン
注入領域５０９が設けられて、活性層５０４の一部にイ
オンが注入された領域が形成されていることである。こ
のイオン注入領域５０９のイオンは、活性層５０４で発
光中心を形成し、青色発光を吸収して黄色発光を放射す
る。そして、図７の素子では、活性層５０４からの青色
発光と、イオン注入領域５０９から黄色発光とで白色発
光を実現している。この素子からの発光は、光取り出し
面５２０から取り出される。

【００５３】上述の活性層５０４には、ｎ型コンタクト
層５０３に形成されたｎ型電極５０７と、ｐ型コンタク
ト５０６に形成されたｐ型電極５０８とから電流が注入
される。ここで、ｐ型電極５０８とｎ型電極５０７は、
青色発光および黄色発光を反射する反射率の高い材料と
なるＡｕ／Ｎｉ、Ｔｉ／Ａｌが望ましい。このようにす
ることで、活性層５０４から下側に放射された青色発
光、およびイオン注入領域５０９のイオンから下側に放
射された黄色発光を、ｐ電極５０８、ｎ電極５０７で反
射して、上側、すなわち光取り出し面５２０側から取り
出すことができる。

【００５４】図７の半導体発光素子では、素子ごとの色
調バラツキを少なくすることできる。これは、イオン注
入領域５０９のイオン濃度や注入領域が素子ごとにほと
んどばらつかないからである。すなわち、イオン注入
は、半導体素子の製造に一般的に用いられている画一的
なプロセスにより高い再現性で行うことができるので、
イオン注入領域５０９のイオン濃度や注入領域は素子ご
とに均一になる。そして、これにより、活性層５０４か
らの青色発光と、イオン注入領域５０９から黄色発光と
の比率が素子ごとにばらつかなくなる。よって、素子ご
とに色調がばらつかなくなる。

【００５５】また、図７の素子では、何らかの原因で活
性層５０４の発光効率が変化した場合でも、青色発光と
黄色発光の比率は同じであるため、色調がずれない。例
えば、活性層５０４からの発光効率が何らかの原因で低
くなっても、青色発光と黄色発光が共に同じ割合で弱く
なり、青色発光と黄色発光の比率は同じであるので、色
調はずれない。このように、図７の素子では色調のばら
つきを極めて少なくすることができる。

【００５６】また、図７の半導体発光素子では、イオン
注入領域５０９の面積を変えることにより、色調の調整
が容易にできる。これにより、必要に応じて白色発光の
色調を容易に変えることできる。例えば、表示用の素子
として青色に近い色調の白色の素子が欲しい場合には、
イオン注入領域５０９の面積を減らせばよい。

【００５７】さらに、図７の半導体発光素子では、従来
の素子よりも発光輝度を向上させることができる。すな
わち、図７の素子では、半導体発光チップからの直接の
発光を利用することができ、発光輝度を向上させること
ができる。

【００５８】（第６の実施の形態）第６の実施の形態
は、図８に示すように、黄色発光する蛍光体６０３を、
反射板６０２の一部に形成したことを特徴の１つとす
る。

【００５９】図８は、本発明の第６の実施の形態に係わ
る白色半導体発光素子を表す断面図である。青色発光を
放射する半導体発光チップ６０１と、この半導体発光チ
ップ６０１の青色発光を反射する反射板６０２と、反射
板６０２の反射面の一部に塗布された青色発光を波長変
換して黄色発光する蛍光体６０３と、は半導体発光素子
を構成している。半導体発光チップ６０１と反射板６０
２は、モールド樹脂６０４により一体に形成されてい
る。ここで、半導体発光チップ６０１は、例えば、第２
の実施の形態（図３）の半導体発光チップ２００を用い
ることができる。また、蛍光体６０３としては、例え
ば、ＹＡＧ：Ｃｅを用いることができる。この蛍光体６
０３は、反射板６０２の反射面の一部に、薄く、広く塗
布されている。

【００６０】図８の素子では、半導体発光チップ６０１
からの青色発光Ｂと、反射板６０２によって反射される
青色発光Ｂ’と、蛍光体６０３からの黄色発光Ｙと、に
より白色発光を実現している。

【００６１】図８の半導体発光素子では、素子ごとの色
調バラツキを少なくすることできる。これは、以下の理
由による。

【００６２】まず、蛍光体６０３を塗布する蛍光体領域
の面積は素子ごとにほとんどばらつかない。すなわち、
反射板６０２の表面は平坦であるから、面積の調整が容
易で、蛍光体領域の面積が素子ごとにほとんどばらつか
ない。

【００６３】次に、蛍光体６０３を塗布する蛍光体領域
の面積が同一で体積が変化した場合、つまり蛍光体領域
の厚さが変化した場合でも、素子ごとの色調ばらつきが
少ない。すなわち、蛍光体領域の蛍光体６０３で青色発
光を黄色発光に変換する変換効率が高いのは半導体発光
チップ６００に近い部分の蛍光体、つまり蛍光体領域の
表面付近の蛍光体６０３であって、蛍光体領域の厚さが
変化しても、蛍光体領域の表面付近にある変換効率が高
い蛍光体６０３の量は変わらず、変換効率が低い蛍光体
６０３の量が変化するだけである。このように、蛍光体
領域の厚さが変化しても、黄色発光の強度に大きく影響
する変換効率が高い蛍光体６０３の量はほとんど変化し
ない。よって、蛍光体領域の厚さが変化しても、黄色発
光の強度への影響は少なく、色調の変化が少ない。

【００６４】このようにして、図８の半導体発光素子で
は、素子ごとの色調バラツキを少なくすることできる。

【００６５】また、図８の半導体発光素子では、蛍光体
６０３を塗布する蛍光体領域の面積を変えることによ
り、色調の調整が容易にできる。これにより、例えば、
蛍光体６０３の変換効率が変化したような場合でも、簡
単に色調を調整することができる。例えば、蛍光体６０
３の変換効率が低くなった場合には、蛍光体領域の面積
を広くすれば良い。

【００６６】また、図８の半導体発光素子では、蛍光体
６０３を塗布する蛍光体領域の面積を変えることによ
り、色調の調整が容易にできる。これにより、必要に応
じて白色発光の色調を容易に変えることできる。例え
ば、表示用の素子として青色に近い色調の白色の素子が
欲しい場合には、蛍光体領域の面積を減らせばよい。

【００６７】また、図８の半導体発光素子では、反射板
に蛍光体を塗布したので、視野角の調整が容易にでき
る。

【００６８】さらに、図８の半導体発光素子では、従来
の素子よりも発光輝度を向上させることができる。すな
わち、図８の素子では、半導体発光チップからの直接の
発光を利用することができ、さらに、蛍光体を薄く広く
塗布することによって蛍光体６０３の変換効率を高くす
ることができるので、発光輝度を向上させることができ
る。

【００６９】

【発明の効果】本発明によれば、電流注入により青色発
光するＧａＮ系半導体発光チップと、このＧａＮ系半導
体発光チップの表面の一部に接着され青色発光により励
起されて黄色発光する半導体層と、により白色半導体発
光素子を構成したので、色調のばらつきを少なくするこ
とができる。

【００７０】また、本発明によれば、青色発光するＧａ
Ｎ系半導体発光チップの活性層の一部に、イオンが注入
され黄色発光する領域を形成して白色半導体発光素子を
構成したので、色調のばらつきを少なくすることができ
る。

【００７１】また、本発明によれば、青色発光するＧａ
Ｎ系半導体発光チップと、青色発光を反射する反射板
と、青色発光により励起されて黄色発光を放射する蛍光
体と、により白色半導体発光素子を構成し、この蛍光体
を反射板の一部に塗布したので、色調のばらつきの少な
くすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態の半導体発光素子の
構造を示す図。

【図２】本発明の第１の実施の形態の半導体発光素子の
色度を説明するための色度図で、国際照明委員会（ＣＩ
Ｅ）が定めたｘｙ色度図。

【図３】本発明の第２の実施の形態の半導体発光素子の
構造を示す図。

【図４】本発明の第３の実施の形態の半導体発光素子の
構造を示す図。

【図５】本発明の第４の実施の形態の半導体発光素子の
構造を示す図。

【図６】本発明の第４の実施の形態の半導体発光素子の
ローパスフィルターの特性を示す図。

【図７】本発明の第５の実施の形態の半導体発光素子の
構造を示す図。

【図８】本発明の第６の実施の形態の半導体発光素子の
構造を示す図。

【符号の説明】

１００、２００、３００、４００、６００半導体発光
チップ１１０、２１０、３１０、４１０半導体層１０１、２０１、３０１、５０１サファイア基板４０１ＧａＮ基板１０２、２０２、３０２、５０２ＧａＮバッファ層４０２ｎ型ＡｌＧａＮバッファ層１０３、２０３、３０３、４０３、５０３ｎ型ＧａＮ
コンタクト層１０４ＩｎＧａＡｌＮ活性層２０４、３０４、４０４、５０４ＩｎＧａＮ活性層１０５、２０５、３０５、４０５、５０５ｐ型ＡｌＧ
ａＮクラッド層１０６、２０６、３０６、４０６、５０６ｐ型ＧａＮ
コンタクト層６０２反射板６０３蛍光体

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者紺野邦明神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地株式会社東芝マイクロエレクトロニクスセンター内 (72)発明者出井康夫神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地株式会社東芝マイクロエレクトロニクスセンター内Ｆターム(参考） 5F041 AA14 CA04 CA05 CA34 CA40 CA46 CA65 CA67 CA71 CA82 CA92 CB15 CB36 EE23 EE25 FF11

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】電流注入により第１の波長の光を放射する
活性層を含む半導体発光チップと、前記半導体発光チップの表面の一部に接着され、前記第
１の波長の光により励起されて第２の波長の光を放射す
る発光層を含む半導体層と、を備えることを特徴とする半導体発光素子。
【請求項２】前記活性層がＧａＮ系半導体からなり、前
記発光層がＩｎＧａＡｌＰ系半導体からなることを特徴
とする請求項１記載の半導体発光素子。
【請求項３】前記半導体発光チップが、基板と、前記基
板上に形成されたバッファ層と、前記バッファ層上に形
成されたｎ型ＧａＮ系半導体層と、前記ｎ型ＧａＮ系半
導体層上に形成された活性層と、前記活性層上に形成さ
れたｐ型ＧａＮ系半導体層と、を少なくとも備えている
ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の半導
体発光素子。
【請求項４】前記半導体発光チップが、互いに向き合う
第１および第２の面を有するサファイア基板と、前記サ
ファイア基板の前記第１の面上に形成されたＧａＮバッ
ファ層と、前記ＧａＮバッファ層上に形成されたｎ型Ｇ
ａＮコンタクト層と、前記ｎ型ＧａＮコンタクト層上に
形成されたＩｎＧａＮ活性層と、前記ＩｎＧａＮ活性層
上に形成されたｐ型ＡｌＧａＮクラッド層と、前記ｐ型
ＡｌＧａＮ層上に形成されたｐ型ＧａＮコンタクト層
と、を少なくとも備え、前記ｐ型ＧａＮコンタクト層側
から光を取り出すものとして構成されており、前記半導体層が、前記サファイア基板の前記第２の面の
一部に接着されていることを特徴とする請求項１または
請求項２に記載の半導体発光素子。
【請求項５】前記半導体発光チップが、互いに向き合う
第１および第２の面を有するｎ型ＧａＮ基板と、前記サ
ファイア基板の前記第１の面上に形成されたｎ型ＡｌＧ
ａＮバッファ層と、前記ｎ型ＡｌＧａＮバッファ層上に
形成されたｎ型ＧａＮクラッド層と、前記ｎ型ＧａＮク
ラッド層上に形成されたＩｎＧａＮ活性層と、前記Ｉｎ
ＧａＮ活性層上に形成されたｐ型ＡｌＧａＮクラッド層
と、前記ｐ型ＡｌＧａＮ層上に形成されたたｐ型ＧａＮ
コンタクト層と、を少なくとも備え、前記第２の面側か
ら光りを取り出すものとして構成されており、前記半導体層が、前記ｎ型ＧａＮ基板の第２の面の一部
に接着されていることを特徴とする請求項１または請求
項２に記載の半導体発光素子。
【請求項６】基板と、前記基板上に形成されたバッファ
層と、前記バッファ層上に形成されたｎ型ＧａＮ系半導
体層と、前記ｎ型ＧａＮ系半導体層上に形成され電流注
入により第１の波長の光を放射するＧａＮ系半導体から
なる活性層と、前記活性層上に形成されたｐ型ＧａＮ系
半導体層と、を少なくとも備え、前記活性層の一部に、
フッ素、酸素、窒素、炭素、硫黄の中から選ばれたイオ
ンが注入され第２の波長の光を放出する領域が形成され
ていることを特徴とする半導体発光素子。
【請求項７】電流注入により第１の波長の光を放射する
活性層を含む半導体発光チップと、前記半導体発光チップからの前記第１の波長の光を反射
する反射板と、前記反射板の一部に塗布され前記第１の波長の光により
励起されて第２の波長の光を放射する蛍光体と、を備えることを特徴とする半導体発光素子。