JP2002252371A - 半導体発光装置 - Google Patents
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Abstract
白色光源用のLEDを提供すること。 【解決手段】 第1の波長領域の色光を発光する第1の
半導体発光素子13と、第2の波長領域の色光を発光する
第2の半導体発光素子14と、これらの第1および第2の
半導体発光素子とを設置するフレーム電極11と、これら
を一体にモールド成型するパッケージ19とを備えてい
る。前記第1の半導体発光素子13はInGaAlP系材料によ
り構成され、このInGaAlP系材料により構成された発光
素子に含まれる活性層34は互いに異なる波長の色光を発
光する複数の複合発光層54、55、56、57により構成さ
れ、これらの複数の発光層からの発光スペクトルは、少
なくとも一部で重なっている。また、前記各複合発光層
54、55、56、57は、ほぼ同一の波長の色光を発光する複
数の発光層58により構成されている。
Description
導体発光装置に関し、特に、白色光源用の半導体発光装
置に関する。
EDという。) は、小型、低消費電力、高信頼性などの
特徴を兼ね備えている。このため、発光の高輝度化とと
もに屋外での表示機や通信用光源としても用いられ、そ
の用途は飛躍的に拡大している。現在実用化されている
高輝度LED材料としてはAlGaAs,GaAlP,GaP,InGaAlPなど
が、それぞれ、赤色、橙色、黄色、緑色を発光する素子
材料として、低コストで供給されている。これに加え近
年、GaN系材料を用いた青色、緑色LEDが実用化され、こ
れにより、RGB(赤、緑、赤)の三原色を高輝度で発光す
るLEDが実現された。したがって、RGBをそれぞれ発光す
る複数個のLEDを組み合わせることによりフルカラー表
示が可能となった。
わせによるもう一つの利点は、白色光の発光が可能であ
ることにある。これは照明用光源として期待されるもの
であり、信頼性やコストの観点から照明用電球、液晶表
示装置用バックライト光源あるいは自動車のインジケー
タ等との置き換えがもたらす効果は大きい。
近、青色発光素子と黄色発光源との組み合わせで白色光
源が実現されている。具体的にはGaN系青色発光LEDと黄
色発光蛍光体の組み合わせ、あるいはZnSa系青色発光LE
Dと黄色ルミネッセンス発光基板との組み合わせが用い
られており、双方とも青色LEDで黄色を励起発光させる
ことを特徴としている。
であり、小型化できるとともに、黄色発光のスペクトル
帯域が広いことから、2色混合の白色でありながら演色
性が比較的高くできる特徴を持つ。
子の活性層内に、RGBをそれぞれ発光する複数の発光層
を形成した白色光源用のLEDも提案されている。この白
色光源用のLEDは、さらに小型化が可能となる。
ような白色光源用のLEDにおいては、青色発光LEDにより
励起発光される黄色発光が不安定であることが問題視さ
れている。
をそれぞれ発光する複数の発光層を形成した白色光源用
のLEDは、Rの発光輝度が十分に得られないため、実用化
が困難であった。
分な輝度を有し、演色性に優れた白色光源用のLEDを提
供することにある。
波長領域の色光を発光する第1の半導体発光素子と、こ
の第1の半導体発光素子に隣接配置され、第2の波長領域
の色光を発光する第2の半導体発光素子とを備え、前記
第1の半導体発光素子はInGaAlP系材料により構成さ
れ、このInGaAlP系材料により構成された発光素子に含
まれる活性層は互いに異なる波長の色光を発光する複数
の複合発光層により構成され、これらの複数の発光層か
らの発光スペクトルは、少なくとも一部で重なってお
り、かつ、前記各複合発光層は、ほぼ同一の波長の色光
を発光する複数の発光層により構成されていることを特
徴とするものである。
光を発光する第1の半導体発光素子と、この第1の半導
体発光素子に隣接配置され、第2の波長領域の色光を発
光する第2の半導体発光素子とを備え、前記第1の半導
体発光素子はInGaAlP系材料により構成され、このInGaA
lP系材料により構成された発光素子は互いに異なる波長
の色光を発光する複数の発光層を有し、かつ、これらの
複数の発光層からの発光スペクトルは、少なくとも一部
で重なっていることを特徴とするものである。
る色光、たとえば、互いに補色の関係にある青と黄色を
発光する2個の半導体発光素子が同一のフレーム電極上
に隣接して設置されている。そして、これらの内の黄色
を発光する半導体発光素子の構成材料には、InGaAlP系
の材料が用いられるとともに、このInGaAlPからの発光
スペクトが広帯域化されたものである。
が赤から緑色に対し直接遷移型を有するためこの波長範
囲における高輝度LED材料としてすでに広く実用化され
ている。本発明者は、このInGaAlP系黄色LEDとGaN系材
料により構成される青色LEDとを組み合わせることによ
り、高輝度白色光源の実用化が可能であることに着目し
た。しかしながら他方において、GaN系青色LED の発光
スペクトルは比較的広いが、InGaAlP系の高輝度LEDによ
る発光は直接遷移バンド構造からの発光であるため、発
光スペクトルが狭く、混色の演色性が十分高くはできな
いことが判明した。
素子の発光スペクトルを示す。ここで約490nmにピーク
を持つ発光はGaN系LEDからのもので、約590nmにピーク
を持つ発光はInGaAlP系LEDからの発光である。これらを
同一フレーム上にマウントして、共に動作電流20mAで動
作させている。図からわかるように、InGaAlP系LEDから
の発光は半値幅が狭く、混色により白色発光は得られる
ものの、その演色性が低いことが予想される。
成された発光素子内に、互いに異なる波長の色光を発光
する複数の発光層を形成して、発光スペクトルを広帯域
化し、これによって2個の半導体発光素子から得られる
混色光あるいは白色光の演色性を高めるようにしたもの
である。
施形態を説明する。
体発光装置の構造を示す断面図である。第1のフレーム
電極11の上端部に形成された皿状凹部12内には、第1お
よび第2のLED13、14が隣接して設置されている。第1のL
ED13は、InGaAlP系材料により構成された黄色光を発光
する黄色LEDであり、素子の下面のn型電極は、第1の
フレーム電極11の上端部に直接接続される。また、素子
の上面のp型電極は、第2のフレーム電極15の上端部に
ワイヤー16によりボンディング接続されている。第2の
フレーム電極15は、第1のフレーム電極11と平行に配置
された一対のフレーム電極により構成されている。
成され、青色光を発光する青色LEDである。第2のLED14
素子の上面にはp型電極が形成されており、この電極
は、ワイヤー17により、第2のフレーム電極15を構成す
る他方のフレーム電極の上端にボンディング接続されて
いる。また、第2のLED14素子のn型電極は、第1のフレ
ーム電極11の上端部にワイヤー18によりボンディング接
続されている。そして、第1および第2のフレーム電極1
1、15の上端部は、第1のフレーム電極11の皿状凹部12
内に設置された、第1および第2のLED13、14とともに、
ドーム形状の透明な樹脂モールドパッケージ19により覆
われている。ドーム形状の透明な樹脂モールドパッケー
ジ19は、第1および第2のLED13、14から矢印21、22で示
される方向に射出される黄色および青色光を、集光する
レンズ機能を有している。
す断面図である。この素子は、同図(A)に示すよう
に、n-GaAs基板31、n-InAlPクラッド層32、In0.5(Ga0.3
Al0.7)0.5Pガイド層33、活性層34、In0.5(Ga0.3Al0.7)
0.5Pガイド層35、p-InAlPクラッド層36、p-Ga0.2Al0.8A
s電流拡散層37、p-GaAsコンタクト層38が順次積層され
ている。そして、この積層体の下面にはn型キャリアー
電流注入用電極39が形成され、上面にはp型キャリアー
電流注入用電極40が形成されている。
る。 32 n-InAlPクラッド層 1μm 33 In0.5(Ga0.3Al0.7)0.5Pガイド層 0.05μm 35 In0.5(Ga0.3Al0.7)0.5Pガイド層 0.05μm 36 p-InAlPクラッド層 1μm 37 p-Ga0.2Al0.8As電流拡散層 10μm 38 p-GaAsコンタクト層 0.01μm 図3(A)の活性層34は、図3(B)の拡大図に示されるよ
うに、3個のIn0.5(Ga0.3Al0.7)0.5P区画用障壁層51、5
2、53により分離された4個の複合発光層54、55、56、57
により構成されている。これらの各複合発光層54、55、
56、57は、それぞれ20層のIn0.5(Ga1-xAlx)0.5P発光層5
8-1、58-2、…、58-20 (図ではそれぞれ3層のみ示されて
いる。) を含んでいる。各複合発光層に含まれる発光層
58は区画用障壁層51、52、53より薄いIn0.5(Ga0.3Al0.
7)0.5P障壁層59により互いに分離されて積層されてい
る。
まれる20層のIn0.5(Ga1-xAlx)0.5P発光層58-1、58-2、…、
58-20は、ほぼ同一の組成を有し、同一の波長の色光を
発光する。しかし、異なる複合発光層54、55、56、57に
含まれる発光層58-1、58-2、…、58-20 は、Al組成(x)が少
しずつ異なり、これによって、各複合発光層54、55、5
6、57は、異なる波長の色光を発光する。そしてこれら
の各複合発光層54、55、56、57からの発光スペクトル
は、少なくとも一部で重なるように、互いに近接した波
長の色光を発光するようにAl組成(x)が選択調整されて
いる。
55、56、57内の発光層58-1、58-2、…、58-20および障壁層
59の構造の詳細は以下のようになっている。 54: 58-1/59 In0.5Ga0.5P/In0.5(Ga0.3Al0.7)0.5P 55: 58-2/59 In0.5(Ga0.8Al0.2)0.5P/In0.5(Ga0.3Al0.
7)0.5P 56: 58-3/59 In0.5(Ga0.7Al0.3)0.5P/In0.5(Ga0.3Al0.
7)0.5P 57: 58-4/59 In0.5(Ga0.6Al0.4)0.5P/In0.5(Ga0.3Al0.
7)0.5P ここで各複合発光層54、55、56、57内の発光層構造はそ
れぞれ井戸数20の多重量子井戸構造(MQW)となってい
る。また井戸層および障壁層の膜厚は、それぞれ5 nm、
4nmとした。また、各複合発光層54、55、56、57を区画
する区画用障壁層51、52、53の厚さは20nmと厚く設定し
ている。
や分子線エピタキシャル成長法(MBE)を用いて結晶成長
される。この実施例で示す素子構造はMOCVD法を用い、5
族原料としてAsH3およびPH3,3族原料としてトリメチル
インジウム(TMI)、トリメチルガリウム(TMG)、トリメチ
ルアルミニウム(TMA)を成長原料とした。pおよびn型の
不純物原料としてはジメチル亜鉛(DMZ)、モノシラン(Si
H4)をそれぞれ用いた。以下に成長手順を記す。まず基
板として用いるGaAs基板31を有機溶剤と硫酸系のエッチ
ャントを用いて基板表面のクリーニングを行う。次に加
熱用サセプタ上へ前記基板を搭載する。このとき、ロー
ドロック機構を介して成長炉内への酸素(空気)の混入を
防いでいる。水素キャリアガスとAsH3を供給しつつGaAs
基板を730℃へ昇温し、10分聞のサーマルクリーニング
を行う。次にTMGとTMAとSiH4を供給してn-InAlPクラッ
ド層32の成長を行う。次に一旦TMG、TMA、SiH4の供給を
停止し、TMI、TMG、TMAを供給してInGaAlPガイド層33の
成長を行う。以降同様に成長原料(3族原料と不純物原
料)の供給/停止を繰り返して、活性層34を含めてp-GaA
sコンタクト層38までの成長を連続で行う。ここで各層
の膜厚は成長原料の供給量と成長時間で制御し、各層の
組成は成長原料の供給比を制御して成長する。また、本
成長では基板への格子整合条件を確保しながら成長する
ことが重要であり、この条件から外れると結晶欠陥が発
生し、ひいては素子特性の劣化につながることになる。
p-GaAsコンタクト層38を成長した後、成長原料のTMGと
不純物原料のDMZの供給を停止し、これと同時に基板温
度を室温まで降温する。この降温過程において、基板温
度が高い状態(〜400℃)では成長された結晶中からの5族
元素の再蒸発が顕著であるため5族原料(この場合はAsH
3)を供給しつつ行う。基板温度が室温に下がった後、再
度ロードロック機構を介して炉外に基板を取り出す。電
流注入用の電極はフォトエッチングプロセスを用いて必
要な形状にパターニング形成される。次にダイシングま
たはスクライビングによりチップ分離をおこない、図2
に示す素子を形成する。
造は活性層を4つの各複合発光層54、55、56、57に分け
て構成され、それぞれの発光を素子外部に取り出すもの
である。
6、57により構成される多重量子井戸構造発光層のエネ
ルギーバンドを示す概略構造図である。同図(A)は複合
発光層54、55、56、57からなる活性層34の断面図、同図
(B)は各複合発光層54、55、56、57に対応するエネルギ
ーバンド構造図である。同図の横軸はエネルギーを示
し、縦軸は活性層34の膜厚方向の距離を示している。そ
して同図中のグラフ61、62は、それぞれ、伝導体および
荷電子帯のエネルギーレベルを示している。
光スペクトルを示す。このように各複合発光層からの色
光が重なり合い、全体として波長帯域の広いスペクトル
を示していることが解る。
3とGaN系青色発光素子である第2のLED14とを同一のフレ
ーム電極11にマウントした半導体発光装置の発光スペク
トルを示す。ここで、GaN系青色発光素子は、図示しない
が、サファイア基板上に、n-GaNコンタクト・クラッド層、
InGaN活性層、p-AlGaNクラッド層およびp-GaNコンタクト
層を順次積層し、n-GaNコンタクト・クラッド層とp-GaN
コンタクト層に電流注入用電極を形成したものである。
また、これらの第1および第2の素子の動作電流はそれぞ
れ20mAとした。従来例の図1と比較しても明らかなよう
に、本発明の素子を用いた方が発光波長の帯域が広く、
このことから演色性の高い白色光が得られることがわか
る。
発光装置に使用する第1の半導体発光素子の断面図であ
る。同図においては、図3の素子構成と同一部分には同
一符号を付し、詳細な説明は省略する。この実施形態に
おける発光素子が図3の素子構成と異なるところは発光
層領域34´の構造にある。
る60層の発光層60-1、60-2、60-3、…、60-60が、それ
ぞれ障壁層59を介して積層されている。これらの60個の
発光層63-1、63-2、63-3、…、63-60は、それぞれAl組
成(x)がnクラッド層32側からpクラッド層36側に向かっ
て増加させていることにある。すなわち、60個の発光層
63-1、63-2、63-3、…、63-60の組成がそれぞれ異な
り、1層目63-1はAl組成が0のInGaPで、60層目63-60はA
l組成0.4のIn0.5(Ga0.6Al0.4)0.5Pとし、発光領域34´
全体として見たときにAl組成が徐々に変化している。こ
こで、障壁層59はIn0.5(Ga0.3Al0.7)0.5Pで統一した。
井戸層である発光層63-1、63-2、63-3、…、63-60、障
壁層59の膜厚はそれぞれ4 nm、5nmと一定にした。
1の実施形態の場合とほぼ同様であるため、説明は省略
する。
圧を印加したとき得られる発光スペクトルはピーク分離
の起こらない単一ピークで、半値幅として約80nmの広帯
域発光が得られた。また、本素子を第1のLEDとして用い
た図2に示す白色光源用半導体発光装置では、第1の実施
形態と同様に従来例と比較して演色性の高い特性を得る
ことができた。
に限るものではなく、例えばInGaAlP系LEDの基板にはGa
Asを用いているが、発光に対して透明なGaP基板を用い
ることで光取り出し効率を格段に向上することができ
る。このときGaP基板とInGaAlP層は結晶成長によるもの
とは別に貼り付けによっても結合できる。
の無効域への流入を防ぐ電流阻止層の導入や裏面放射光
を反射する反射層の導入も効果的である。
ているが、不純物をドーピングすることで発光強度が増
し、さらには不純物準位を介した発光はスペクトルが拡
大するため有効である。さらに、発光層を構成する井戸
層および障壁層の膜厚はその組成と共に変化させてもよ
く上記の実施形態に限定されるものではない。その他、
本発明の骨子を逸脱しない範囲において種々変形して作
成できる。
数有し、かつそれぞれからの発光スペクトルが重なるよ
うに設定することにより発光波長帯域の広い素子を作成
することができる。この素子と青色発光素子を組み合わ
せることにより演色性の高い白色光源を実現することが
できる。
ルを示す図である。
の構造を示す断面図である。
である。
造発光層のエネルギーバンドを示す概略構造図である。
図である。
示す図である。
使用する第1の半導体発光素子の断面図である。
Claims (22)
- 【請求項1】 第1の波長領域の色光を発光する第1の
半導体発光素子と、この第1の半導体発光素子に隣接配
置され、第2の波長領域の色光を発光する第2の半導体発
光素子とを備え、前記第1の半導体発光素子はInGaAlP
系材料により構成され、このInGaAlP系材料により構成
された発光素子に含まれる活性層は互いに異なる波長の
色光を発光する複数の複合発光層により構成され、これ
らの複数の発光層からの発光スペクトルは、少なくとも
一部で重なっており、かつ、前記各複合発光層は、ほぼ
同一の波長の色光を発光する複数の発光層により構成さ
れていることを特徴とする半導体発光装置。 - 【請求項2】 前記複数の複合発光層は、量子井戸構造
の発光層および障壁層が交互に積層された多重量子井戸
構造を有することを特徴とする請求項1記載の半導体発
光装置。 - 【請求項3】 前記各複合発光層に属する複数の発光層
は、Alの組成比がほぼ同一のInGaAlP系材料により構成
されており、異なる複合発光層に属する発光層は、Alの
組成比が互いに異なるInGaAlP系材料により構成されて
いることを特徴とする請求項2記載の半導体発光装置。 - 【請求項4】 前記各複合発光層は、前記障壁層と同じ
組成で膜厚が前記障壁層より厚い区画障壁層により、相
互に区画されていることを特徴とする請求項3記載の半
導体発光装置。 - 【請求項5】 前記第1の半導体発光素子は、黄色光を
発光する半導体発光素子であり、前記第2の半導体発光
素子は、青色光を発光する半導体発光素子であることを
特徴とする請求項4記載の半導体発光装置。 - 【請求項6】 前記第1の半導体発光素子は、n型半導
体基板上に形成されたn-InAlPクラッド層と、このクラ
ッド層上に形成されたIn(GaAl)Pガイド層と、このガイ
ド層上に形成された前記複数の複合発光層からなる活性
層と、この活性層上に形成されたIn(GaAl)Pガイド層
と、このガイド層上に形成されたp-InAlPクラッド層
と、このクラッド層上に形成されたp-GaAlAs電流拡散層
と、この電流拡散層上に形成されたp-GaAsコンタクト層
と、この用にして形成された積層体の下面に形成された
n型キャリアー電流注入用電極と、前記積層体の上面に
形成されたp型キャリアー電流注入用電極とを備えたこ
とを特徴とする請求項5記載の半導体発光装置。 - 【請求項7】 前記第2の半導体発光素子は、GaN系材料
により構成されることを特徴とする請求項6記載の半導
体発光装置。 - 【請求項8】 前記第1および第2の半導体発光素子
は、共通のフレーム電極上に設置され、一体にモールド
成型されていることを特徴とする請求項7記載の半導体
発光装置。 - 【請求項9】 前記フレーム電極は、前記第1および第2
の半導体発光素子が隣接して設置され、各半導体発光素
子の一方の電極が共通に接続される第1のフレーム電極
と、前記第1および第2の半導体発光素子の他方の電極が
接続される第2のフレーム電極とから構成されているこ
とを特徴とする請求項8記載の半導体発光装置。 - 【請求項10】 前記第1および第2の半導体発光素子
は、前記第1のフレーム電極の上端部に形成された皿状
凹部内に設置されていることを特徴とする請求項9記載
の半導体発光装置。 - 【請求項11】 前記第2のフレーム電極は、前記第1
のフレーム電極と平行に配置され、それぞれに前記第1
および第2の半導体発光素子の前記他の電極が接続され
た一対のフレーム電極により構成されていることを特徴
とする請求項10記載の半導体発光装置。 - 【請求項12】 第1の波長領域の色光を発光する第1
の半導体発光素子と、この第1の半導体発光素子に隣接
配置され、第2の波長領域の色光を発光する第2の半導体
発光素子とを備え、前記第1の半導体発光素子はInGaAl
P系材料により構成され、このInGaAlP系材料により構成
された発光素子は互いに異なる波長の色光を発光する複
数の発光層を有し、かつ、これらの複数の発光層からの
発光スペクトルは、少なくとも一部で重なっていること
を特徴とする半導体発光装置。 - 【請求項13】 前記複数の発光層は、量子井戸構造の
発光層および障壁層が交互に積層された多重量子井戸構
造を有することを特徴とする請求項12記載の半導体発
光装置。 - 【請求項14】 前記各発光層は、Alの組成比が互いに
異なるInGaAlP系材料により構成されていることを特徴
とする請求項13記載の半導体発光装置。 - 【請求項15】 前記第1の半導体発光素子は、黄色光
を発光する半導体発光素子であり、前記第2の半導体発
光素子は、青色光を発光する半導体発光素子であること
を特徴とする請求項14記載の半導体発光装置。 - 【請求項16】 前記第1の半導体発光素子は、n型半
導体基板上に形成されたn-InAlPクラッド層と、このク
ラッド層上に形成されたIn(GaAl)Pガイド層と、このガ
イド層上に形成された前記複数の発光層からなる活性層
と、この活性層上に形成されたIn(GaAl)Pガイド層と、
このガイド層上に形成されたp-InAlPクラッド層と、こ
のクラッド層上に形成されたp-GaAlAs電流拡散層と、こ
の電流拡散層上に形成されたp-GaAsコンタクト層と、こ
の用にして形成された積層体の下面に形成されたn型キ
ャリアー電流注入用電極と、前記積層体の上面に形成さ
れたp型キャリアー電流注入用電極とを備えたことを特
徴とする請求項15記載の半導体発光装置。 - 【請求項17】 前記各発光層に含まれるAlの組成比
は、前記nクラッド層側からpクラッド層側に向かって順
次増加することを特徴とする請求項16記載の半導体発
光装置。 - 【請求項18】 前記第2の半導体発光素子は、GaN系材
料により構成されることを特徴とする請求項17記載の
半導体発光装置。 - 【請求項19】 前記第1および第2の半導体発光素子
は、共通のフレーム電極上に設置され、一体にモールド
成型されていることを特徴とする請求項18記載の半導
体発光装置。 - 【請求項20】 前記フレーム電極は、前記第1および
第2の半導体発光素子が隣接して設置され、各半導体発
光素子の一方の電極が共通に接続される第1のフレーム
電極と、前記第1および第2の半導体発光素子の他方の電
極が接続される第2のフレーム電極とから構成されてい
ることを特徴とする請求項19記載の半導体発光装置。 - 【請求項21】 前記第1および第2の半導体発光素子
は、前記第1のフレーム電極の上端部に形成された皿状
凹部内に設置されていることを特徴とする請求項20記
載の半導体発光装置。 - 【請求項22】 前記第2のフレーム電極は、前記第1
のフレーム電極と平行に配置され、それぞれに前記第1
および第2の半導体発光素子の前記他の電極が接続され
た一対のフレーム電極により構成されていることを特徴
とする請求項21記載の半導体発光装置。
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