JP2002335010A - 窒化物半導体発光素子 - Google Patents
窒化物半導体発光素子Info
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Abstract
ップを用いて構成することができる発光ダイオードを提
供する。 【解決手段】 透光性基板の一方の主面上に、n型窒化
ガリウム系化合物半導体層と発光層とp型窒化ガリウム
系化合物半導体層とが形成されてなる窒化物半導体発光
素子において、発光層が発光する光の一部を吸収してそ
の吸収した光の波長より長い波長の光を発光することが
できる蛍光体を含むSiO2層が透光性基板の他方の主
面上に形成され、SiO2層を介して光を出力させるこ
とにより、蛍光体が発光する光のみにより発光色を得る
ことができると共に寿命の長い発光ダイオードが得られ
る。
Description
関する。
いて構成された発光素子チップと蛍光体とを組み合わせ
た、白色光の発光が可能な発光ダイオード(白色発光ダ
イオード)が開発され、使用されるようになってきてい
る。この発光ダイオードは、発光素子チップから出力さ
れる青色の光の一部を蛍光体により波長変換して、その
波長変換された光と発光素子チップから青色の光との混
色により、白色の光を発光させるものであり、従来は、
例えば、発光素子チップがマウントされたパッケージ等
を蛍光体を含む樹脂でモールドすることにより作製され
ていた。
白色の発光ダイオードは、蛍光体を含む樹脂を用いて構
成しているので、より波長の短い光を用いると樹脂が劣
化するために、青色より波長の短い光の発光素子を用い
て十分な信頼性を有する発光ダイオードを構成すること
が困難であった。
発光する発光素子チップと蛍光体とを用いて構成するこ
とも可能な発光ダイオードを提供することを目的とす
る。
めに、本発明に係る窒化物半導体発光素子は、透光性基
板の一方の主面上に、n型窒化ガリウム系化合物半導体
層と発光層とp型窒化ガリウム系化合物半導体層とが形
成されてなる窒化物半導体発光素子において、上記発光
層が発光する光の一部を吸収してその吸収した光の波長
より長い波長の光を発光することができる蛍光体を含む
SiO2層が上記透光性基板の他方の主面上に形成さ
れ、該SiO2層を介して光を出力することを特徴とす
る。
において、上記発光層を紫外領域の光を発光するように
構成し、上記蛍光体を、 (1)Re5(PO4)3Q:Eu, Re'(但し、R
eはMg、Ca、Ba、Sr、Znから選択される少な
くとも1種と、Qはハロゲン元素のF、Cl、Br、I
から選択される少なくとも1種と、Re'はMn、F
e、Cr、Snから選択される少なくとも1種とを有す
る。) (2)Re5(PO4)3Q:Eu(但し、ReはS
r、Ca、Ba、Mgから選択される少なくとも一種、
Qはハロゲン元素のF、Cl、Br、Iから選択される
少なくとも1種とを有する。)、 (3)BaMg2Al16O27:Eu、 (4)BaMg2Al16O27:Eu,Mn、 (5)(SrEu)O・Al2O3、 (6)3.5MgO・0.5MgF2・GeO2:M
n、 (7)Y2O2S:Eu、 (8)Mg6As2O11:Mn、 (9)Gd2O2S:Eu及び (10)La2O2S:Euからなる群から選択された
少なくとも1つの蛍光体とすることができる。このよう
にすると、蛍光体の発光のみが観測される発光素子を構
成することができる。
において、上記発光層を青色の光を発光するように構成
し、上記蛍光体として、Ceで付活されたイットリウム
・アルミニウム・ガーネット(YAG)系蛍光体を用い
て構成してもよい。
子においては、上記透光性基板の一方の主面上にそれぞ
れ上記n型窒化ガリウム系化合物半導体層と上記発光層
と上記p型窒化ガリウム系化合物半導体層を含んでなる
複数の発光領域を形成するようにしてもよい。
においては、上記複数の発光領域をそれぞれ長方形に形
成し、各発光領域を短辺方向に並置するようにしてもよ
い。
においては、上記複数の発光領域を直列に接続するよう
にしてもよいし、上記複数の発光領域を並列に接続する
ようにしてもよい。
に係る実施の形態の窒化物半導体発光素子について説明
する。 実施の形態1.本実施の形態1の窒化物半導体発光素子
は、図1に示すように、例えば、1000μm×100
0μmのサファイア透光性基板11の一方の面に長方形
の3つの発光素子1,2,3を互いに平行に配置して、
透光性基板11を介して光を出力するように構成した発
光素子であって、透光性基板11の他方の面(発光観測
面)に蛍光体71を含むSiO2膜70を形成したこと
を特徴とする。ここで、発光素子1,2,3はそれぞ
れ、紫外領域の波長を有する紫外光を発光する素子であ
り、蛍光体71は紫外光を吸収して所定の色の光を発生
する蛍光体である。また、本実施の形態1の窒化物半導
体発光素子において、SiO2膜70に含まれる蛍光体
71の量は、SiO2膜70を介して出力される光が実
質的に蛍光体71によって波長変換された光のみになる
ように設定することが好ましい。
導体発光素子では、従来例のように発光素子チップが発
生する青色光と蛍光体により波長変換された光との混色
により白色光を得るのではなく、紫外線により励起され
た蛍光体71が発生する所定の色の光のみを利用してい
るので、発光色のばらつきを非常に小さく抑えることが
できる。すなわち、従来の混色を利用した白色発光ダイ
オードは、発光素子チップの発光輝度が変化すると、青
色光と黄色光の割合が変化するので、青みを帯びた白色
になったり黄色を帯びた白色光になったりするなど、色
が変化する。これに対して、本実施の形態1の窒化物半
導体発光素子では、紫外線により励起された蛍光体71
が発生する光のみを利用しているので、発光素子チップ
の発光輝度が変化しても蛍光体の発光色そのものはほと
んど変化することはなく、発光色の変化を極めて小さく
できる。
光体の含有量がばらついた場合においても、青色光と黄
色光の割合が変化するので、色が変化するが、本実施の
形態1の窒化物半導体発光素子では、蛍光体の含有量が
変化しても蛍光体の発光色そのものはほとんど変化する
ことはなく、発光色の変化を極めて小さくできる。ま
た、従来の構成では、発光素子チップを基板等に実装し
た後に、蛍光体を含む樹脂をモールドしているので、例
えば、チップの実装位置がばらついた場合に、色むらや
色度ばらつきが生じるという問題があったが、本発明の
構成では、発光領域と蛍光体の位置関係は常に一定とで
きるので、かかる問題点を解決することができる。
素子における蛍光体71、及びその蛍光体71を含むS
iO2層70について説明する。本実施の形態1におい
て、蛍光体71として紫外光により励起されて所定の色
の光を発生する蛍光体であれば用いることができ、具体
例として、例えば、 (1)Re5(PO4)3Q:Eu, Re'(但し、R
eはMg、Ca、Ba、Sr、Znから選択される少な
くとも1種と、Qはハロゲン元素のF、Cl、Br、I
から選択される少なくとも1種と、Re'はMn、F
e、Cr、Snから選択される少なくとも1種とを有す
る。)(白色) (2)Re5(PO4)3Q:Eu(但し、ReはS
r、Ca、Ba、Mgから選択される少なくとも一種、
Qはハロゲン元素のF、Cl、Br、Iから選択される
少なくとも1種とを有する。)(青色)、 (3)BaMg2Al16O27:Eu(青色)、 (4)BaMg2Al16O27:Eu,Mn(緑
色)、 (5)(SrEu)O・Al2O3(緑色)、 (6)3.5MgO・0.5MgF2・GeO2:Mn
(赤色)、 (7)Y2O2S:Eu(赤色)、 (8)Mg6As2O11:Mn(赤色)、 (9)Gd2O2S:Eu(赤色)及び (10)La2O2S:Eu(赤色)等が挙げられる。
また、これらの蛍光体は、単独で用いても良いし、混合
して用いてもよい。
ップと複数の蛍光体を組み合わせる場合についてより具
体的に説明する。本実施の形態では、1つのSiO2層
70に異種の蛍光体(例えば、赤、緑、青の蛍光体)を
混合して分散させるようにしてもよく、このようにする
と、異なる蛍光体からの光の混色による白色光が得られ
る。この場合、各蛍光物質から発光される光をより良く
混色しかつ色ムラを減少させるために、各蛍光体の平均
粒径及び形状は類似していることが好ましく、また、各
蛍光体はSiO2層70に均一に分散されていることが
好ましい。
の別々のSiO2層に分散させ、それらを積層すること
により多重構造のSiO2層70を形成するようにして
もよい。このようにSiO2層を多重薄膜として構成す
る場合、それぞれの蛍光物質の紫外光透過率を考慮し
て、素子上に赤色蛍光物質層、緑色蛍光物質層、及び青
色蛍光物質層という順に積層すると、全ての層に均等に
紫外光を吸収させることができ好ましい。更に、多重薄
層であるSiO2層70において下層から上層にかけて
各層中の蛍光物質の粒径が小さくなるように、各蛍光物
質の平均粒径の大小関係を青色蛍光物質>緑色蛍光物質
>赤色蛍光物質とすると最上層まで良好に紫外光を透過
させることができると共に多重薄膜層であるSiO2層
70に紫外光をもれなく吸収させることができる。
トライアングル状となるように各蛍光体が含まれる各色
変換部を配置するようにしてSiO2層70を形成する
ようにしてもよい。また、各色変換部の間に間隔を設け
て配置させるようにしてもよく、これにより混色性を良
好にできる。またさらに、素子の周囲を全て覆うように
SiO2層を形成すると、紫外光の漏れを防止できるの
で好ましい。
は、例えば、シラノール(Si(OEt)3OH)とエ
タノールとを所定の割合で混合してなるシリカゾル中に
蛍光体(粉体)71を分散させて、その蛍光体が分散さ
れたシリカゾルを透光性基板11の他方の主面にスピン
ナーによりコートした後、縮合重合することにより形成
することができる。このようにして形成されたSiO2
層70は、従来の樹脂とは異なり無機物であるため、紫
外線による劣化が樹脂に比べて極めて小さく、紫外光を
発光する発光ダイオード(紫外域発光ダイオード)と組
み合わせて用いることができる。これに対して、従来例
のように樹脂の中に蛍光体を分散させた構成では、ほと
んどの樹脂が紫外線により劣化するために長時間の使用
に耐え得る素子を構成することができないので、紫外域
発光ダイオードを用いた白色発光ダイオードの実用化は
困難であった。
70に含まれる蛍光体71の含有量は、SiO2膜70
を介して出力される光が実質的に蛍光体71によって波
長変換された白色光のみになるように、すなわち、発光
素子チップにより発光された紫外光のほとんどが蛍光体
71に吸収されて該蛍光体71を励起するように比較的
大きく設定することが好ましい。このようにすると発光
効率(発光素子に入力された電力に対する出力される光
の比)を高くすることができる。
の量は、所望の色調に対応させて種々の値に設定される
ものであり、本発明は蛍光体の含有量により限定される
ものではないが、本発明者らの検討によると、SiO2
膜70に含まれる蛍光体71の含有量が多くなると、透
光性基板11に対するSiO2膜70の付着強度が強く
なることが確認されている。かかる付着強度の面を考慮
すると、SiO2膜70における蛍光体の含有量は、3
0wt%〜80wt%に設定することが好ましく、基板
11に対するSiO2膜70のより高い付着強度を得る
ためには、40wt%〜80wt%に設定することがさ
らに好ましい。
素子の発光素子1,2,3において、各半導体層及び電
極はそれぞれ以下のように形成される。 (1)n型窒化ガリウム系化合物半導体層12(n層1
2)は、例えば、サファイアからなる透光性基板11上
のほぼ全面に成長されたn型窒化ガリウム系化合物半導
体層が分離溝41により分離されて、平面形状が長方形
になるように形成される。
の長さとn層12より狭い幅を有する長方形であって、
その1つの長辺がn層12の1つの長辺に実質的に一致
するようにn層12上に形成される。このように形成す
ることにより、n層12上に活性層10に沿ってn側オ
ーミック電極を形成するための領域が確保される。ここ
で、本実施の形態1では、活性層10の幅は、n側オー
ミック電極から離れた側に位置する長辺とn側オーミッ
ク電極との距離L1,L2,L3が220μmになるよ
うに設定した。このように、距離L1,L2,L3を2
20μmに設定した理由は、n側オーミック電極から2
20μm以上離れた位置にある活性層に注入される電流
は減少するからである。ここで、本実施の形態1におい
て、活性層10はInの含有量を変化させることにより
発光波長を変えることができるInxGa1−xN層に
より構成し、このInの量を紫外光の発光が可能な値に
設定する。
は、活性層10とほぼ同一の長さを有し、n層12上
に、活性層10に沿ってかつ活性層10と近接して形成
される。また、n側オーミック電極14(14a)は、
例えば、n層12とのオーミック接触を良好にできるW
とAlを含む層により構成する。一例を挙げれば、W層
(200Å)、Al層(1000Å)、W層(500
Å)、Pt層(3000Å)、Ni層(60Å)を順次
積層することによりn側オーミック電極14(14a)
を形成する。
は、活性層10と同一平面形状を有し活性層10上に重
ねて形成される。実際には、活性層10及びp型窒化ガ
リウム系半導体層13は、n層12上に活性層10及び
p層13を重ねて形成した後、n側オーミック電極14
を形成するn層12表面を露出させるために一括してエ
ッチングすることにより形成する。
化ガリウム系半導体層13上のほぼ全面に形成され、p
層13と良好なオーミック接触を得るために、例えば、
Ni層とPt層とを積層することにより構成する。
a)は、例えば、膜厚3000ÅのPtからなり、p側
オーミック電極15上において、n側オーミック電極1
4とは離れた側に位置するp側オーミック電極15の長
辺に沿って形成される。
導体発光素子において、上述のように構成された発光素
子1,2,3は、絶縁保護膜17により素子間が分離さ
れ、接続電極21により以下のように接続される。絶縁
保護膜17は、各発光素子のpパッド電極16(16
a)上及びn側オーミック電極14(14a)上を除い
て素子全体を覆うように形成される。接続電極21は、
発光素子1のn側オーミック電極14a上、分離溝41
に形成された絶縁膜17上及び発光素子2のp側オーミ
ック電極16a上に連続して間の形成され、これによ
り、発光素子1のn側オーミック電極14aと発光素子
2のp側オーミック電極16aが接続される。また、接
続電極21は、発光素子2と発光素子3との間において
も同様に形成され、これにより、発光素子2のn側オー
ミック電極14aと発光素子3のp側オーミック電極1
6aが接続される。接続電極21は、Pt又はAu等、
種々の金属で構成することができる。
1のpパッド電極16上に接続電極21と同様の材料か
らなる外部接続用電極26が形成され、発光素子3のn
パッド電極14上に接続電極21と同様の材料からなる
外部接続用電極24が形成される。
化物半導体発光素子は、透光性基板11の他方の面に、
無機物でありかつ紫外線による劣化がほとんどないSi
O2層70に蛍光体を含有させて形成しているので、発
光素子チップとして紫外域発光ダイオードを用いること
が可能となる。これにより、発光素子チップの光と蛍光
体の光との混色によらず、蛍光体からの光のみを利用し
て発光ダイオードを構成することができ、色変化の極め
て少ない発光ダイオードを実現できる。また、本実施の
形態1の窒化物半導体発光素子は、蛍光体を含む無機物
であるSiO2層70を用いて構成しているので、蛍光
体を含む層を従来の樹脂層に比較して耐環境特性を良好
にできるので、素子の寿命を長くできる。
光素子と同様の構成において、紫外光を発光する発光素
子を35個に増やしてそれらの素子を直列に接続し、蛍
光体71として、例えば、Ca10(PO4)6FC
l:Eu,Mnを用いることにより、比較的広い発光面
積を有する照明用の窒化物半導体発光素子を構成でき
る。このように構成された照明用の窒化物半導体発光素
子は、100Vの一般家庭電源に直接接続して使用した
ときに、各素子の電流値を、発光効率及び寿命の点でほ
ぼ最適な20mA程度に設定でき、信号機や家庭用の照
明等に利用できる。
形態2の窒化物半導体発光素子について、図4を参照し
ながら説明する。本実施の形態2の集積型窒化物半導体
発光素子は、以下の点で実施の形態1の窒化物半導体発
光素子と異なる。 相違点1.実施の形態1の集積型窒化物半導体発光素子
において、接続電極21及び外部接続電極24,26を
形成することなく、素子全体を覆うように絶縁保護膜3
0を形成し、発光素子1,2,3のpパッド電極上にそ
れぞれ絶縁保護膜30を貫通するスルーホール61を形
成し、発光素子1,2,3の各n側オーミック電極上に
それぞれ絶縁保護膜30を貫通するスルーホール62を
形成する。
ルーホール61を介して、発光素子1,2,3のpパッ
ド電極間を互いに接続電極51で接続する。 相違点3.絶縁保護膜30に形成されたスルーホール6
2を介して、発光素子1,2,3のn側オーミック電極
間を互いに接続電極52で接続する。以上の相違点1,
2,3以外は、実施の形態1の集積型窒化物半導体発光
素子と同様に構成する。すなわち、実施の形態2の集積
型窒化物半導体発光素子は、実施の形態1の素子におい
て発光素子1,2,3を並列に接続したものである。以
上のように構成された実施の形態2の窒化物半導体発光
素子は、実施の形態1と同様の作用効果を有する。
3つの場合について説明したが、本発明はこれに限られ
るものではなく、4以上の発光領域で構成したものであ
ってもよい。例えば、図5に示すように、多数(m個)
の発光領域1〜mを各領域の短辺方向に並置して形成す
ることにより、輝度が高くかつ発光色のばらつきが少な
くしかも広い面積の面発光が可能な発光ダイオードを実
現できる。
3つの場合について説明したが、本発明はこれに限られ
るものではなく、1つの発光領域のみを有する例えば、
300μm×300μmの一般的に良く用いられる大き
さの発光ダイオードに適用することもできることはいう
までもない。この場合、個々の素子への分離は、例え
ば、図6に示すように、分割すべき素子と素子との間の
SiO2層70を除去して、溝72を形成し、その溝7
2において、スクライビング又はダイシングにより分割
するようにすればよい。
光素子チップを用いた本発明に係るより好ましい実施の
形態について説明したが、本発明はこれに限られるもの
ではなく、青色の発光素子チップと該チップの青色光に
より励起され黄色の光を発生する、以下に説明するイッ
トリウム・アルミニウム・ガーネット(YAG)系の蛍
光体とを組み合わせて白色発光ダイオードを構成しても
よい。
化物系半導体を発光層とする半導体発光素子から発光さ
れた光を励起させて発光できるセリウムで付活されたイ
ットリウム・アルミニウム酸化物系蛍光物質をベースと
したものである。具体的なイットリウム・アルミニウム
酸化物系蛍光物質としては、YAlO3:Ce、Y3A
l5O12:Ce(YAG:Ce)やY4Al2O9:
Ce、更にはこれらの混合物などが挙げられる。イット
リウム・アルミニウム酸化物系蛍光物質にBa、Sr、
Mg、Ca、Znの少なくとも一種が含有されていても
よい。また、Siを含有させることによって、結晶成長
の反応を抑制し蛍光物質の粒子を揃えることができる。
トリウム・アルミニウム酸化物系蛍光物質は特に広義に
解釈するものとし、イットリウムの一部あるいは全体
を、Lu、Sc、La、Gd及びSmからなる群から選
ばれる少なくとも1つの元素に置換したもの、あるい
は、アルミニウムの一部あるいは全体をBa、Tl、G
a、Inの何れが又は両方で置換したものなどの蛍光作
用を有する蛍光体を含む広い意味に使用する。
1−z)3Al5O12:Ce(但し、0<z≦1)で
示されるフォトルミネッセンス蛍光体や一般式(Re
1−aSma)3Re’5O12:Ce(但し、0≦a
<1、0≦b≦1、Reは、Y、Gd、La、Scから
選択される少なくとも一種、Re’は、Al、Ga、I
nから選択される少なくとも一種である。)で示される
フォトルミネッセンス蛍光体を用いることができる。
め、熱、光及び水分に強く、励起スペクトルのピークを
450nm付近に設定することができる。また、発光ピ
ークも、580nm付近にあり700nmまですそを引
くブロードな発光スペクトルを持つ。さらに、所望に応
じてCeに加えTb、Cu、Ag、Au、Fe、Cr、
Nd、Dy、Co、Ni、Ti、Eu、およびPr等を
含有させてもよい。
にGd(ガドリニウム)を含有することにより、460
nm以上の長波長域の励起発光効率を高くすることがで
きる。Gdの含有量の増加により、発光ピーク波長が長
波長に移動し全体の発光波長も長波長側にシフトする。
すなわち、赤みの強い発光色が必要な場合、Gdの置換
量を多くすることで達成できる。一方、Gdが増加する
と共に、青色光によるフォトルミネセンスの発光輝度は
低下する傾向にある。
ウム・アルミニウム・ガーネット系蛍光体の組成のう
ち、Alの一部をGaで置換することで発光波長が短波
長側にシフトする。また、組成のYの一部をGdで置換
することで、発光波長が長波長側にシフトする。
置換を1割未満にし、且つCeの含有(置換)を0.0
3から1.0に設定することが好ましい。Gdへの置換
が2割未満では緑色成分が大きく赤色成分が少なくなる
が、Ceの含有量を増やすことで赤色成分を補え、輝度
を低下させることなく所望の色調を得ることができる。
このような組成にすると温度特性が良好となり発光ダイ
オードの信頼性を向上させることができる。また、赤色
成分を多く有するように調整されたフォトルミネセンス
蛍光体を使用すると、ピンク等の中間色を発光すること
が可能な発光装置を形成することができる。
Y、Gd、Al、及びCeの原料として酸化物、又は高
温で容易に酸化物になる化合物を使用し、それらを化学
量論比で十分に混合して原料を得る。又は、Y、Gd、
Ceの希土類元素を化学量論比で酸に溶解した溶解液を
蓚酸で共沈したものを焼成して得られる共沈酸化物と、
酸化アルミニウムとを混合して混合原料を得る。これに
フラックスとしてフッ化バリウムやフッ化アンモニウム
等のフッ化物を適量混合して坩堝に詰め、空気中135
0〜1450°Cの温度範囲で2〜5時間焼成して焼成
品を得、つぎに焼成品を水中でボールミルして、洗浄、
分離、乾燥、最後に篩を通すことで得ることができる。
ようなフォトルミネセンス蛍光体は、2種類以上のセリ
ウムで付活されたイットリウム・アルミニウム・ガーネ
ット(ざくろ石型)蛍光体や他の蛍光体を混合してもよ
い。
が発光可能な蛍光体としては、Eu及び/又はCrで付
活されたサファイア(酸化アルミニウム)蛍光体やEu
及び/又はCrで付活された窒素含有Ca−Al2O3
−SiO2蛍光体(オキシナイトライド蛍光硝子)等が
挙げられる。これらの蛍光体を利用して発光素子からの
光と蛍光体からの光の混色により白色光を得ることもで
きる。
発明で用いられる蛍光物質の平均粒径は10μm〜50
μmが好ましく、より好ましくは15μm〜30μmで
ある。ここで平均粒径とは、空気透過法を基本原理とし
てサブシーブサイザーにて測定された平均粒子径を示
す。このような粒径を有する蛍光物質は光の吸収率及び
変換効率が高く且つ励起波長の幅が広い。このように、
光学的に優れた特徴を有する大粒径蛍光物質を含有させ
ることにより、発光素子の主波長周辺の光をも良好に変
換し発光することが可能となり、発光装置の量産性が向
上される。
頻度高く含有されていることが好ましく、頻度値は20
%〜50%が好ましい。このように粒径のバラツキが小
さい蛍光物質を用いることにより色ムラが抑制され良好
な色調を有する発光装置が得られる。
光体として、Eu及び/又はCrで付活された窒素含有
CaO-Al2O3-SiO2蛍光体が挙げられる。この
Eu及び/又はCrで付活された窒素含有CaO-Al
2O3-SiO2蛍光体は、酸化アルミニウム、酸化イ
ットリウム、窒化珪素及び酸化カルシウムなどの原料に
希土類原料を所定比に混合した粉末を窒素雰囲気下にお
いて1300℃から1900℃(より好ましくは150
0℃から1750℃)において溶融し成形させる。成形
品をボールミルして洗浄、分離、乾燥、最後に篩を通し
て蛍光体を形成させることができる。これにより450
nmにピークをもった励起スペクトルと約650nmに
ピークがある青色光により赤色発光が発光可能なEu及
び/又はCrで付活されたCa-Al-Si-O-N系オキ
シナイトライド蛍光硝子とすることができる。
a-Al-Si-O-N系オキシナイトライド蛍光硝子の窒
素含有量を増減することによって発光スペクトルのピー
クを575nmから690nmに連続的にシフトするこ
とができる。同様に、励起スペクトルも連続的にシフト
させることができる。そのため、Mg、Znなどの不純
物がドープされたGaNやInGaNを発光層に含む窒
化ガリウム系化合物半導体からの光と、約580nmの
蛍光体の光の合成光により白色系を発光させることがで
きる。特に、約490nmの光が高輝度に発光可能なI
nGaNを発光層に含む窒化ガリウム系化合物半導体か
らなる発光素子との組合せに理想的に発光を得ることも
できる。
光体とEu及び/又はCrで付活された窒素含有Ca-
Al-Si-O-N系オキシナイトライド蛍光硝子とを組
み合わせることにより青色系が発光可能な発光素子を利
用してRGB(赤色、緑色、青色)成分を高輝度に含む
極めて演色性の高い発光ダイオードを形成させることも
できる。このため、所望の顔料を添加するだけで任意の
中間色も極めて簡単に形成させることができる。本発明
においては何れの蛍光体も無機蛍光体であり、有機の光
散乱剤やSiO2などを利用して高コントラストを有し
かつ量産性に優れた発光ダイオードを構成することがで
きる。
用いた窒化物半導体発光素子は、蛍光体を含む無機物で
あるSiO2層70を用いて構成しているので、蛍光体
を含む層を従来の樹脂層に比較して耐環境特性を良好に
でき、素子の寿命を長くできる。
明はこれに限定されるものではない。 [実施例1] (透光性基板11)サファイア(C面)よりなる透光性
基板11をMOVPEの反応容器内にセットし、水素を
流しながら、基板の温度を1050℃まで上昇させ、基
板のクリーニングを行う。この透光性基板11としては
他にR面、A面を主面とするサファイア基板、スピネル
(MgAl2O4)のような絶縁性基板、GaN基板な
どでもよい。
2)基板をクリーニング後、n型窒化ガリウム系化合物
半導体層12を次の構成で成長させる。基板の温度を5
10℃まで下げ、透光性基板11上にGaNよりなるバ
ッファ層を100Å成長させる。次にバッファ層成長
後、温度を1050℃まで上昇させ、アンドープGaN
層121を1.5μmの膜厚で成長させる。続いて10
50℃で、Siを4.5×1018/cm3ドープした
GaN層122を2.2μmの膜厚で成長させる。
123を3000Åの膜厚で、さらにSiを4.5×1
018/cm3ドープしたGaN層124を300Å、
さらにアンドープGaN層125を50Åの膜厚で成長
させる。
りなる第1の層を40Å、温度を800℃にして、続い
てアンドープIn0.13Ga0.87Nよりなる第2
の層を20Åの膜厚で成長させ、これらの操作を繰り返
し、第1+第2+の順で交互に10層ずつ積層させ、最
後に第1の層を積層させた、n型多層膜層126を成長
させる。
合物半導体層12を成長後、アンドープGaNよりなる
障壁層を200Åの膜厚で成長させ、続いて温度を80
0℃にして、Siを5×1017/cm3ドープしたI
n0.03Ga0.97Nよりなる井戸層を30Åの膜
厚で成長させる。そして障壁+井戸+障壁+井戸・・・
・の順で障壁層を6層と、井戸層5層を交互に積層し
て、総膜厚1350Åの多重量子井戸よりなる活性層1
3を積層させる。以上のようにして、370nmの紫外
領域の光を発光する活性層を形成する。
4)活性層13成長後、p型窒化ガリウム系化合物半導
体14を次の構成で成長させる。次に1050℃で、M
gを5×1019/cm3ドープしたp型Al0.1G
a0.9Nよりなる第3の層を25Åの膜厚で成長さ
せ、続いてアンドープGaNよりなる第4の層を25Å
の膜厚で成長させ、これらの操作を繰り返し、第3+第
4の順で交互に4層ずつ積層した超格子よりなるp型多
層膜層を200Åの膜厚で成長させる。続いて1050
℃で、Mgを1×1020/cm3ドープしたp型Ga
Nよりなる層を2700Åの膜厚で成長させる。反応終
了後、温度を室温まで下げ、窒素雰囲気中で700℃で
アニーリングを行い、p型層をさらに低抵抗化する。
導体を成長させたウエハーを反応容器から取り出し、分
離溝を形成する部分を除きウエハ全体にSiO2マスク
を形成し、RIEによって、サファイア基板に到達する
までエッチングを行うことにより分離溝を形成する。ま
た、上記のような窒化ガリウム系化合物半導体は、所望
に応じてボロンやリンを含有させることも可能である。
さらに分離溝の形成に用いたSiO2マスクを剥離し、
n型窒化ガリウム系化合物半導体層12を露出するため
に、露出させる部分を除くp型窒化ガリウム系化合物半
導体層14の上にSiO2マスクを形成し、RIEによ
って、エッチングを行い、n型窒化ガリウム系化合物半
導体層12(SiドープGaN層122)の表面を露出
させる。
4のほぼ全面を開口させ、他の部分を覆うようにレジス
ト塗布し、開口させたp型窒化ガリウム系化合物半導体
層上にNiを100Å、Ptを500Å積層後、アニー
ルしてp側オーミック電極15を形成する。さらにp側
オーミック電極の一部にPtを3000Å、Niを60
Åからなるp側パッド電極16a(16)を形成する。
次にレジストを除去し、今度はn型窒化ガリウム系化合
物半導体層上にWを200Å、Alを1000Å、Wを
500Å、Ptを3000Å、Niを60Åの順で積層
したn側オーミック電極14を形成する。
7を1.5μmの膜厚で形成し、p側パッド電極とn側
オーミック電極の一部をRIEにより露出させる。さら
に表面に接続電極を形成する部分を開口させるようにマ
スク形成して分離溝を挟むp側パッド電極とn側オーミ
ック電極とを電気的に接続する接続電極として、Tiを
400Å、Ptを6000Å、Auを1000Å、Ni
を60Åの膜厚で形成する。最後にSiO2からなる絶
縁保護膜30を1.5μmの膜厚で形成し、外部と電気
的に接続できるように接続電極24、26上の絶縁保護
膜30をRIEでエッチングすることにより除去する。
成)次に、蛍光体{Ca10(PO4)6FCl:E
u,Mn}、シラノール(Si(OEt)3OH)及び
エタノールを混合したスラリーを作製する。ここで、実
施例1において、スラリーは、蛍光体:シラノール:エ
タノールが重量比で4:1:2となるように混合した。
すなわち、本実施例1において、スラリーに対する蛍光
体の含有量は、57%に設定した。次に、そのスラリー
をノズルからサファイア基板の裏面に滴下して基板を高
速で回転させることにより、基板の裏面全体に均一な膜
厚を有する、蛍光体、シラノール、エタノールからなる
スラリー膜を形成する。そして、スラリー膜が形成され
た基板を300℃のオーブン内で3時間加熱することに
より、スラリー膜内のシラノールを縮合重合して蛍光体
が分散含有されたSiO2膜とする。このようにして、
蛍光体71を含むSiO2層70が形成される。
を有するサファイア基板(ウエハ)を、スクライビング
及びダイシングを用いて個々の素子ごとに分割して、3
50×400μmの発光素子チップを作製する。次に、
その発光素子チップ80を図7に示すように、パッケー
ジ81に発光素子チップ80の正負の電極それぞれパッ
ケージ81の正負の電極に対向させてフリップチップ実
装を行う。そして、発光素子チップを覆うように透光性
のエポキシ樹脂83を形成して、発光素子チップを保護
する。以上のようにして紫外光を発光する発光素子チッ
プを用いた白色発光ダイオードを形成することができ
る。
対する蛍光体の含有量を30%に変更した以外は実施例
1と同様に構成した。以上の実施例2の発光ダイオード
は、製造歩留まりが実施例1に比較して若干低くなった
ものの、実施例1と同等の性能が得られた。
量を40%に変更した以外は実施例1と同様に構成し
た。以上の実施例3の発光ダイオードは、実施例1と同
等の性能が得られ、かつ実施例2に比較して製造歩留ま
りが向上した。
量を70%に変更した以外は実施例1と同様に構成し
た。以上の実施例4の発光ダイオードは、実施例1と同
等の性能が得られ、かつ実施例1に比較して製造歩留ま
りが向上した。
異なる以外は実施例1と同様に構成される。 (1)実施例1において、紫外領域発光素子チップに代
えて、青色発光が可能な発光素子チップを用いる。 (2)蛍光体71として、(Y0.8Gd0.2)3A
l5O12:Ceを用いる。 以下、本実施例5の発光ダイオードについて詳細に説明
する。本実施例5では、発光素子チップとして、InG
aNからなる発光層を有し主発光ピークが470nmの
LEDチップを用いる。このLEDチップは、MOCV
D法を利用して形成する。具体的には、反応室内に洗浄
したサファイア基板を配置して、反応ガスとして、TM
G(トリメチル)ガス、TMI(トリメチルインジウ
ム)ガス、TMA(トリメチルアルミニウム)ガス、ア
ンモニアガス及びキャリアガスとして水素ガス、さらに
は不純物ガスとしてシランガス及びシクロペンタジアマ
グネシウムを利用して成膜する。
ア基板上に低温バッファ層であるAlGaN、結晶性を
向上させるノンドープGaN(厚さ約15000Å)、
電極が形成されn型コンタクト層として働くSiドープ
のGaN(厚さ約21650Å)、結晶性を向上させる
ノンドープのGaN(厚さ約3000Å)、n型クラッ
ド層としてノンドープのGaN(厚さ約50Å)、Si
をドープしたGaN(厚さ約300Å)の超格子からな
る多層膜、その上に形成される発光層の結晶性を向上さ
せる、ノンドープのGaN(厚さ約40Å)と、ノンド
ープのInGaN(厚さ約20Å)の超格子からなる多
層膜、多重量子井戸構造からなる発光層として、ノンド
ープのGaN(厚さ約250Å)と、InGaN(厚さ
約30Å)の多層膜、p型コンタクト層として働くMg
がドープされたInGaN(厚さ約25Å)とMgがド
ープされたGaAlN(厚さ約40Å)の超格子からな
る多層膜及びp型コンタクト層であるMgがドープされ
たGaN(厚さ約1200Å)を成膜する。
た半導体ウエハを部分的にエッチングして、p型及びn
型コンタクト層を露出させる。スパッタリング法を利用
して、各コンタクト層上にn型及びp型の電極を形成さ
せた後に、個々の発光素子に分割して青色が発光可能な
発光素子チップを作製する。そして、このようにして作
製した発光素子チップと、(Y0.8Gd0.2) 3A
l5O12:Ce蛍光体とを用いて、実施例1と同様に
して発光ダイオードを作製する。
ードは、混色により白色光が得られ、従来例とは異なり
蛍光体を含む層を無機物で構成しているので、従来例に
比較して耐環境特性が優れている。
れば、紫外光を発光する発光ダイオードを用い、蛍光体
が発光する光のみにより発光色が白色の発光ダイオード
を構成できるので、発光色のバラツキの少ない白色発光
ダイオードを提供できる。また、本発明によれば青色光
を発光する発光ダイオードを用い、蛍光体との混色によ
る発光色が白色の発光ダイオードを構成すると、蛍光体
を含有する層の劣化を極めて小さくできるので、従来例
に比較して寿命の長い白色発光ダイオードを提供でき
る。
光素子の平面図である。
光素子1,2の部分)である。
光素子3の部分)である。
光素子の平面図である。
の平面図である。
て、スクライブ又はダイシングする部分のSiO2層を
除去した時の様子を示す図である。
の断面図である。
Claims (7)
- 【請求項1】 透光性基板の一方の主面上に、n型窒化
ガリウム系化合物半導体層と発光層とp型窒化ガリウム
系化合物半導体層とが形成されてなる窒化物半導体発光
素子において、 上記発光層が発光する光の一部を吸収してその吸収した
光の波長より長い波長の光を発光することができる蛍光
体を含むSiO2層が上記透光性基板の他方の主面上に
形成され、該SiO2層を介して光を出力することを特
徴とする窒化物半導体発光素子。 - 【請求項2】 上記発光層は紫外領域の光を発光し、か
つ上記蛍光体は、 (1)Re5(PO4)3Q:Eu, Re'(但し、R
eはMg、Ca、Ba、Sr、Znから選択される少な
くとも1種と、Qはハロゲン元素のF、Cl、Br、I
から選択される少なくとも1種と、Re'はMn、F
e、Cr、Snから選択される少なくとも1種とを有す
る。) (2)Re5(PO4)3Q:Eu(但し、ReはS
r、Ca、Ba、Mgから選択される少なくとも一種、
Qはハロゲン元素のF、Cl、Br、Iから選択される
少なくとも1種とを有する。)、 (3)BaMg2Al16O27:Eu、 (4)BaMg2Al16O27:Eu,Mn、 (5)(SrEu)O・Al2O3、 (6)3.5MgO・0.5MgF2・GeO2:M
n、 (7)Y2O2S:Eu、 (8)Mg6As2O11:Mn、 (9)Gd2O2S:Eu及び (10)La2O2S:Euからなる群から選択された
少なくとも1つの蛍光体を含む請求項1記載の窒化物半
導体発光素子。 - 【請求項3】 上記発光層は青色の光を発光し、かつ上
記蛍光体は、Ceで付活されたイットリウム・アルミニ
ウム・ガーネット(YAG)系蛍光体である請求項1記
載の窒化物半導体発光素子。 - 【請求項4】 上記透光性基板の一方の主面上に複数の
発光領域が形成され、その発光領域がそれぞれ、上記n
型窒化ガリウム系化合物半導体層と上記発光層と上記p
型窒化ガリウム系化合物半導体層を含んでなる請求項1
〜3のうちのいずれか1つに記載の窒化物半導体発光素
子。 - 【請求項5】 上記複数の発光領域はそれぞれ長方形に
形成され、かつその短辺方向に並置された請求項4記載
の窒化物半導体発光素子。 - 【請求項6】 上記複数の発光領域が直列に接続された
請求項4又は5記載の窒化物半導体発光素子。 - 【請求項7】 上記複数の発光領域が並列に接続された
請求項4又は5記載の窒化物半導体発光素子。
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