JP2003055656A

JP2003055656A - 発光体および発光装置

Info

Publication number: JP2003055656A
Application number: JP2001247188A
Authority: JP
Inventors: Katsunori Yanashima; 克典簗嶋
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2001-08-16
Filing date: 2001-08-16
Publication date: 2003-02-26

Abstract

(57)【要約】（修正有）【課題】任意の波長の光を発光できる発光体、およ
び真空状態や高電圧を必要とせず簡単な構成を有し、か
つ実質的に劣化がない発光装置を提供する。【解決手段】紫外線を照射することにより、励起され
て発光する発光層が、式（Ｉ）Ｂ_ａＡｌ_ｂＧａ_ｃＩｎ_ｄＮ_ｗＡｓ_ｘＰ_ｙＳｂ_ｚ
（Ｉ）（式中、ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｗ，ｘ，ｙ，ｚは次式を満た
す。ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ＝１；ａ，ｂ，ｃ，ｄ≧０；ｗ＋ｘ
＋ｙ＋ｚ＝１；ｗ，ｘ，ｙ，ｚ≧０）で示されるIII−
Ｖ族化合物を含む半導体積層構造からなる発光体、およ
び該発光体と紫外線源としての半導体レーザまたは発光
ダイオードとを有する発光装置。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、紫外線照射により
発光する発光体および該発光体を有する発光装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来、紫外線照射により発光する発光装
置は、蛍光ランプなどで代表されるように、真空封止さ
れたガラス管の内壁に、ＢａＭｇ_２Ａｌ_１６Ｏ_２７：Ｅ
ｕ^２＋（青）、ＣｅＭｇＡｌ_１１Ｏ_１９：Ｔｂ
^３＋（緑）、Ｙ_２Ｏ_３：Ｅｕ^３＋（赤）などの蛍光体を
塗布し、管内に水銀とアルゴンを封入して作製されてい
た。管内に設けられた電極に高電圧を印加して放電によ
り水銀が発する２５４ｎｍの紫外線が前記蛍光体を励起
し、その結果蛍光体が発光していた。

【０００３】上述したように、蛍光体を効率よく励起さ
せるためには真空状態で励起光（紫外線）を蛍光体に照
射する必要があり、また紫外線を発生させるために高電
圧が必要とされていた。このため、蛍光体を用いた上記
従来の発光装置では装置が比較的大掛かりで複雑にな
り、さらに使用中における真空度の低下による発光装置
の劣化が避けられないという問題点があった。

【０００４】また、蛍光体の発光は、母体結晶構成イオ
ンの一部が発光イオンにより置換されて発光中心とな
り、該発光中心のイオン内遷移により発光するというメ
カニズムを有する。発光波長は母体結晶構造、発光中心
の位置もしくは密度または不純物の量などに依存するた
め、一般に蛍光体ピーク波長をもった幅広い発光特性を
有しており、色純度が悪いという欠点もあった。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記問題点
に鑑みてなされたものであり、任意の波長を有し、かつ
色純度のよい発光体、および真空状態や高電圧を必要と
せず簡単な構成を有し、かつ実質的に劣化がない発光装
置を提供することを目的としている。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明者は、上記目的を
達成すべく鋭意検討した結果、紫外線照射により励起さ
れて発光する発光体として従来用いられていた蛍光体の
代わりに、半導体積層構造を有する発光体を用いれば、
紫外線源として半導体レーザまたは発光ダイオード等を
用いることができ、発光に際して真空状態や高電圧を必
要としないため、小型でかつ長寿命の発光装置を得るこ
とができるということを知見した。また、本発明者は、
上記半導体積層構造を有する発光体は、発光波長の分布
がシャープであり、色純度が蛍光体に比べてよいという
ことも知見した。さらに、該発光体は、半導体積層構造
の組成または構成などを変更することにより、任意の波
長の光を発光することができるという思いがけない知見
をも得た。本発明者らは、さらに検討を重ね、本発明を
完成した。

【０００７】すなわち、本発明は、（１）紫外線照射に
より励起されて発光する発光層を含む半導体積層構造を
有することを特徴とする発光体、（２）発光層が、式
（Ｉ）；Ｂ_ａＡｌ_ｂＧａ_ｃＩｎ_ｄＮ_ｗＡｓ_ｘＰ_ｙＳｂ_ｚ（Ｉ）（式中、ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｗ，ｘ，ｙ，ｚは次式を満た
す。ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ＝１；ａ，ｂ，ｃ，ｄ≧０；ｗ＋ｘ
＋ｙ＋ｚ＝１；ｗ，ｘ，ｙ，ｚ≧０）で示されるIII−
Ｖ族化合物半導体からなることを特徴とする前記（１）
に記載の発光体、（３）III−Ｖ族化合物半導体に不純
物元素が導入されていることを特徴とする前記（２）に
記載の発光体、（４）不純物元素が、II族元素、IV族元
素およびVI族元素からなる群から選ばれる１種以上の元
素であることを特徴とする前記（３）に記載の発光体、
（５）式（Ｉ）中、ｗが０でないことを特徴とする前記
（２）に記載の発光体、（６）半導体に不純物元素が導
入されていることを特徴とする前記（５）に記載の発光
体、（７）不純物元素が、II族元素、IV族元素およびVI
族元素からなる群から選ばれる１種以上の元素であるこ
とを特徴とする前記（６）に記載の発光体、に関する。

【０００８】また、本発明は、（８）発光層が、式（I
I）；Ａｌ_ｂＧａ_ｃＩｎ_ｄＮ（II）（式中、ｂ，ｃ，ｄは次式を満たす。ｂ＋ｃ＋ｄ＝１；
ｂ，ｃ，ｄ＞０）で示される半導体からなることを特徴
とする前記（１）に記載の発光体、（９）式（II）で示
される半導体に不純物元素が導入されていることを特徴
とする前記（８）に記載の発光体、（１０）不純物元素
が、II族元素、IV族元素およびVI族元素からなる群から
選ばれる１種以上の元素であることを特徴とする前記
（９）に記載の発光体、（１１）発光層が、式（II
I）；Ｇａ_ｃＩｎ_ｄＮ（III）（式中、ｃ，ｄは次式を満たす。ｃ＋ｄ＝１；ｃ，ｄ＞
０）で示される半導体からなることを特徴とする前記
（１）に記載の発光体、（１２）式（III）で示される
半導体に不純物元素が導入されていることを特徴とする
前記（１１）に記載の発光体、（１３）不純物元素が、
II族元素、IV族元素およびVI族元素からなる群から選ば
れる１種以上の元素であることを特徴とする前記（１
２）に記載の発光体、に関する。

【０００９】また、本発明は、（１４）半導体積層構造
が、ヘテロ構造であることを特徴とする前記（１）に記
載の発光体、（１５）ヘテロ構造が、ダブルヘテロ構造
であることを特徴とする前記（１４）に記載の発光体、
（１６）ヘテロ構造が、ＳＣＨ構造（Separated Confin
ement Hetero-structure）であることを特徴とする前記
（１４）に記載の発光体、（１７）発光層が、量子井戸
構造を有することを特徴とする前記（１４）に記載の発
光体、（１８）量子井戸構造における井戸層の厚さが、
０を越えて１５ｎｍ以下であることを特徴とする前記
（１７）に記載の発光体、に関する。

【００１０】また、本発明は（１９）発光層が、組成の
異なる２層以上の半導体層からなる積層構造を有するこ
とを特徴とする請求項１に記載の発光体、（２０）各半
導体層が、式（Ｉ）；Ｂ_ａＡｌ_ｂＧａ_ｃＩｎ_ｄＮ_ｗＡｓ_ｘＰ_ｙＳｂ_ｚ（Ｉ）（式中、ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｗ，ｘ，ｙ，ｚは次式を満た
す。ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ＝１；ａ，ｂ，ｃ，ｄ≧０；ｗ＋ｘ
＋ｙ＋ｚ＝１；ｗ，ｘ，ｙ，ｚ≧０）で示されるIII−
Ｖ族化合物半導体からなることを特徴とする前記（１
９）に記載の発光体、（２１）式（Ｉ）中、ｗが０でな
いことを特徴とする前記（２０）に記載の発光体、（２
２）各半導体層が、式（II）；Ａｌ_ｂＧａ_ｃＩｎ_ｄＮ（II）（式中、ｂ，ｃ，ｄは次式を満たす。ｂ＋ｃ＋ｄ＝１；
ｂ，ｃ，ｄ＞０）で示される半導体からなることを特徴
とする前記（１９）に記載の発光体、（２３）各半導体
層が、式（III）；Ｇａ_ｃＩｎ_ｄＮ（III）（式中、ｃ，ｄは次式を満たす。ｃ＋ｄ＝１；ｃ，ｄ＞
０）で示される半導体からなることを特徴とする前記
（１９）に記載の発光体、（２４）半導体に不純物元素
が導入されていることを特徴とする前記（２０）〜（２
３）に記載の発光体、（２５）不純物元素が、II族元
素、IV族元素およびVI族元素からなる群から選ばれる１
種以上の元素であることを特徴とする前記（２４）に記
載の発光体、に関する。

【００１１】また、本発明は（２６）発光層が、式（II
I）；Ｇａ_ｃＩｎ_ｄＮ（III）（式中、ｃ，ｄは次式を満たす。ｃ＋ｄ＝１；ｃ，ｄ＞
０）で示される半導体からなる量子井戸構造を有し、か
つ、前記発光層の上面と下面にＳｉがドープされている
前記式（III）で示される半導体からなる半導体層が積
層されていることを特徴とする前記（１）に記載の発光
体、（２７）式（III）；Ｇａ_ｃＩｎ_ｄＮ（III）（式中、ｃ，ｄは次式を満たす。ｃ＋ｄ＝１；ｃ，ｄ＞
０）で示される半導体からなる量子井戸構造を有する発
光層が、Ｓｉがドープされている前記式（III）で示さ
れる半導体からなる半導体層によって挟まれている積層
構造を有し、さらに、式（II）；Ａｌ_ｂＧａ_ｃＩｎ_ｄＮ（II）（式中、ｂ，ｃ，ｄは次式を満たす。ｂ＋ｃ＋ｄ＝１；
ｂ，ｃ，ｄ＞０）で示される半導体からなる半導体層が
前記積層構造の一方側に積層されており、かつ、前記式
（II）で示される半導体からなる半導体層が積層されて
いない前記Ｓｉがドープされている前記式（III）で示
される半導体からなる半導体層が励起光の受光層となる
ことを特徴とする前記（２６）に記載の発光体、に関す
る。

【００１２】また、本発明は、（２８）紫外線を出射す
ることができる半導体レーザまたは発光ダイオードと、
該紫外線源により放射される紫外線により発光する発光
体とを有することを特徴とする発光装置、（２９）半導
体レーザまたは発光ダイオードが、式（Ｉ'）；Ｂ_ａＡｌ_ｂＧａ_ｃＩｎ_ｄＮ_ｗＡｓ_ｘＰ_ｙＳｂ_ｚ
（Ｉ'）（式中、ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｗ，ｘ，ｙ，ｚは次式を満た
す。ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ＝１；ａ，ｂ，ｃ，ｄ≧０；ｗ＋ｘ
＋ｙ＋ｚ＝１；ｗ＞０；ｘ，ｙ，ｚ≧０）で示される窒
化物半導体からなることを特徴とする前記（２８）に記
載の発光装置、（３０）発光体が、前記（１）〜（２
７）のいずれかに記載の発光体であることを特徴とする
前記（２８）に記載の発光装置、に関する。

【００１３】

【発明の実施の形態】本発明の好ましい実施の形態を以
下に説明する。本発明に係る発光体における発光層とし
ては、式（Ｉ）；Ｂ_ａＡｌ_ｂＧａ_ｃＩｎ_ｄＮ_ｗＡｓ_ｘＰ_ｙＳｂ_ｚ（Ｉ）（式中、ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｗ，ｘ，ｙ，ｚは次式を満た
す。ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ＝１；ａ，ｂ，ｃ，ｄ≧０；ｗ＋ｘ
＋ｙ＋ｚ＝１；ｗ，ｘ，ｙ，ｚ≧０）で示されるIII−
Ｖ族化合物半導体からなることが好ましい。III−Ｖ族
化合物半導体には、前記式（Ｉ）におけるIII族元素の
組成ａ，ｂ，ｃ，ｄおよびＶ族元素の組成ｗ，ｘ，ｙ，
ｚをそれぞれの範囲内で任意に設定したあらゆる化合物
が含まれる。発光層がIII−Ｖ族化合物半導体からなる
場合は、発光体の発光層以外の半導体層もIII−Ｖ族化
合物半導体からなることが好ましい。

【００１４】本発明に係る発光体における発光層は、前
記III−Ｖ族化合物半導体の式（Ｉ）において、さらに
Ｗが０でない式（Ｉ'）で示される窒化物半導体からな
ることがより好ましい。これは、窒化物半導体が、直接
遷移型のバンド構造をもち、光学遷移効率が他の間接遷
移型半導体に比べて圧倒的に大きく、さらに伝導帯と価
電子帯の遷移間エネルギーに対応する光がほぼ可視光お
よび近紫外域に対応しているため、発光効率がよく、か
つ各種色の発光層が実現できることによる。

【００１５】前記窒化物半導体の具体的な例として、Ａ
ｌ_ｂＧａ_ｃＩｎ_ｄＮ（II）（式中、ｂ＋ｃ＋ｄ＝１；
ｂ，ｃ，ｄ＞０）や、Ｇａ_ｃＩｎ_ｄＮ（III）（式中、
ｃ＋ｄ＝１；ｃ，ｄ＞０）などが挙げられる。これら半
導体の化学式において、ｂ，ｃ，ｄまたはｃ，ｄをそれ
ぞれの範囲で任意に設定することにより各種発光層が得
られる。例えば、それぞれの発光波長が、約６８９ｎｍ
のＩｎＮ、約３６５ｎｍのＧａＮおよび約２００ｎｍの
ＡｌＮを、各種割合で混晶にすることにより約２００〜
６８９ｎｍ程度の広い範囲において任意の波長の光を発
光することができる発光体が製造できる。また、それぞ
れの発光波長が、約６８９ｎｍのＩｎＮと約３６５ｎｍ
のＧａＮを各種割合で混晶にする場合には、約３６５〜
６８９ｎｍ程度の範囲において任意の波長の光を発光す
ることができる発光体が得られる。そのための具体的手
段は従来充分に確立されているので、本発明においても
それに従ってよい。

【００１６】さらに、前記発光層に、II族、IＶ族、ＶI
族元素、希土類元素のうち一または複数の元素を不純物
として導入することにより長波長化することができる。
一例として、ＩｎＮ化合物にＭｇとＳｉを不純物として
ドープすると、発光波長が約６８９ｎｍから約７４０ｎ
ｍへと長波長化できる。

【００１７】本発明に係る発光体における発光層は、組
成の異なる２層以上の半導体層からなる積層構造を有し
ていてもよい。なかでも、本発明における発光層は、上
述の式（Ｉ）で示される半導体または所望により不純物
元素を含有する前記半導体からなる半導体層が２層以上
積層されている積層構造を有し、各半導体層を構成する
半導体の構成元素の組成比が異なっていることが好まし
い。特に、式（Ｉ）で示される半導体は、式（Ｉ'）、
式（II）または式（III）で示される半導体であること
がより好ましい。このように、組成の異なる半導体層、
すなわち異なる波長の光を発光することができる半導体
層を複数層積層することで、本発明に係る発光体は白色
などの混合色を発光することもできるようになる。

【００１８】本発明に係る発光体における半導体積層構
造として、異なる半導体層を積層したヘテロ構造が挙げ
られる。該ヘテロ構造の好ましい例として、活性層をク
ラッド層により挟んだダブルヘテロ構造や、活性層とク
ラッド層との間にさらに光ガイド層が設けられたＳＣＨ
構造（Separated Confinement Hetero-structure）等が
挙げられる。例えば、前記発光層を該発光層より禁制帯
幅の大きい半導体層で挟んだダブルヘテロ構造にする
と、発光層の両側に電位障壁が形成され、キャリヤの閉
じ込めがよくなり発光効率のよい発光体が得られる。そ
のための具体的手段は従来充分に確立されているので、
本発明においてもそれに従ってよい。

【００１９】本発明に係る発光体では、半導体レーザの
ように電圧を印加して反転分布を形成させるものでない
ので、その構造をｐ-ｎジャンクションとしなくてよ
い。すなわち、ｐ型・ｎ型に関係なく積層構造を形成さ
せることができ、電気的な制御を必要としない。このた
め、窒化物半導体はｐ型が作りにくいという欠点を有す
るが、これに左右されず発光特性のよい窒化物半導体が
利用できる。そのための具体的手段は従来充分に確立さ
れているので、本発明においてもそれに従ってよい。

【００２０】本発明に係る発光層を含む半導体積層構造
は、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）や分子線エピタ
キシー法など公知の方法により作製することができる。
例えば、ＧａＮ（半導体層）／ＧａＩｎＮ（発光層）／
ＧａＮ（半導体層）の構造からなる発光体の場合、ＭＯ
ＣＶＤ法により、原料ガスとして、例えば、Ｇａ源のト
リメチルガリウムやトリエチルガリウム、Ｉｎ源として
トリメチルインジウム、Ｎ源としてアンモニアやヒドラ
ジンなどを用いて、例えばサファイア基板、あるいはＧ
ａＮ基板やＳｉＣ基板などの公知の基板上に上記半導体
層を順次堆積して、上記発光体を形成することができ
る。

【００２１】本発明に係る発光体における発光層は、量
子井戸構造を有することが好ましい。該量子井戸構造に
おいては、量子井戸層の厚さを０を超えて約１５ｎｍ程
度以下とすることが好ましく、また障壁層の厚さを０を
超えて約２０ｎｍ程度以下とすることが好ましい。電子
のドブロイ波長程度の厚さとすることによりキャリヤの
再結合の割合を増やし発光を高効率にすることができる
ので、量子井戸層および障壁層の厚さは上記範囲が好ま
しい。量子井戸構造は単一量子井戸構造であってもよい
し、多重量子井戸構造であってもよい。

【００２２】発光層が量子井戸構造をとる場合、該発光
層を含む半導体積層構造を有する発光体の具体的な一例
として、発光層がＧａ_ｃＩｎ_ｄＮ（III）（式中、ｃ＋
ｄ＝１；ｃ，ｄ＞０）からなる量子井戸構造を有し、Ｓ
ｉが不純物としてドープされたＧａ_ｃＩｎ_ｄＮ（III）
（式中、ｃ＋ｄ＝１；ｃ，ｄ＞０）からなる半導体層が
前記発光層を挟むように発光層の上面と下面とに積層さ
れている発光体が挙げられる。前記半導体化合物の化学
式において、ｃ，ｄをそれぞれの範囲で任意に設定する
ことにより各種波長の光を発光できる発光体が得られ
る。ただし、発光層を構成する半導体のＩｎの組成比ｄ
は、発光層の上面と下面とに積層されている半導体層を
構成する半導体のＩｎの組成比ｄよりも大きいことが好
ましい。また、前記発光層となる量子井戸層を挟む半導
体層にドープする不純物としては、Ｓｉ以外にIＶ族元
素やＶI族元素を用いることができ、非常に薄い量子井
戸構造の場合にでも良好な発光体が得られる。そのため
の具体的手段は従来充分に確立されているので、本発明
においてもそれに従ってよい。

【００２３】本発明に係る発光体は、Ｇａ_ｃＩｎ_ｄＮ
（III）（式中、ｃ＋ｄ＝１；ｃ，ｄ＞０）からなる量
子井戸構造の発光層が、Ｓｉが不純物としてドープされ
たＧａ _ｃＩｎ_ｄＮ（III）（式中、ｃ＋ｄ＝１；ｃ，ｄ
＞０）からなる半導体層によって挟まれている積層構造
を有し、さらに前記積層構造の一方側に、Ａｌ_ｂＧａ_ｃ
Ｉｎ_ｄＮ（II）（式中、ｂ＋ｃ＋ｄ＝１；ｂ，ｃ，ｄ＞
０）からなる半導体層を積層し、Ａｌ_ｂＧａ_ｃＩｎ_ｄＮ
半導体層が積層されていない側におけるＳｉが不純物と
してドープされたＧａ_ｃＩｎ_ｄＮ半導体層を励起光の受
光層とする構造を有していてもよい。

【００２４】本発明に係る発光体に紫外線を照射する紫
外線源として、半導体レーザまたは発光ダイオードを用
いることが好ましい。紫外線源としてかかる半導体素子
を用いることにより、発光に際し高電圧をかける必要が
なく、また、小さくて消費電力が少ない発光装置を作製
することができるという利点がある。

【００２５】前記紫外線を照射できる半導体レーザの具
体的な一例として、サファイア基板上に形成した、Ａｌ
ＧａＮ系化合物からなるｐ型クラッド／ＧａＩｎＮから
なる活性層／ＡｌＧａＮ系化合物からなるｎ型クラッド
を含む構造の半導体レーザが挙げられる。より具体的に
は、図４に示す半導体レーザが挙げられる

【００２６】前記紫外線源を用いて、本発明に係る発光
体に紫外線を照射することにより、室温、空気中で発光
する本発明に係る発光装置が得られる。装置の構成とし
ては特に限定されず各種の形態が可能である。例えば、
紫外線源となる半導体レーザもしくは発光ダイオード
と、本発明に係る発光体とを別素子として形成し、前記
半導体レーザもしくは発光ダイオードに接着することな
どによって本発明に係る発光装置が得られる。

【００２７】また、本発明に係る発光装置の他の態様と
しては、上述した本発明に係る発光体を並べ、この面に
対して前記紫外線源となる半導体レーザもしくは発光ダ
イオードを上方に配置し、該紫外線源をスキャンさせて
発光体に照射するという面発光体装置が挙げられる。

【００２８】以下に、図面を用いて、本発明に係る発光
体と発光装置の製造方法について、代表的な一実施例を
示す。図１〜３に本発明に係る紫外線照射により励起さ
れて青色、緑色および赤色に発光する発光層を含む半導
体積層構造のそれぞれ一例を断面図にて示す。本実施例
では、発光層は、量子井戸構造より構成されている。本
発明による発光体は、サファイア基板８の上に、Ｇａ
Ｎ：Ｓｉ（ＳｉがドープされたＧａＮをいう。以下同
じ）層(厚さ約４μｍ)１、Ａｌ_０．０７ＧａＮ：Ｓｉ層
(厚さ約０．５μｍ)２、ＧａＮ：Ｓｉ層(厚さ約０．１
μｍ)３、発光層として、青色の場合はＧａＩｎ
_０．２５Ｎ／ＧａＩｎ_０．０２Ｎからなる３量子井戸層
（厚さ約３ｎｍ／３ｎｍ）４、緑色の場合はＧａＩｎ
_０．３５Ｎ／ＧａＩｎ_０．０２Ｎからなる３量子井戸層
（厚さ約３ｎｍ／３ｎｍ）６、赤色の場合はＧａＩｎ
_０．９５Ｎ／ＧａＩｎ_０．０２Ｎからなる３量子井戸層
（厚さ約３ｎｍ／３ｎｍ）７、およびＧａＮ：Ｓｉ層
(厚さ約０．２μｍ)５の構成よりなる。

【００２９】図４に、紫外線源として用いる波長約４０
０ｎｍの紫外線発光レーザの一例を断面図にて示す。該
発光レーザは、窒化ガリウム系半導体の積層構造からな
り、サファイア基板８、ＧａＮ：Ｓｉ層(厚さ約４μｍ)
９、Ａｌ_０．０７ＧａＮ：Ｓｉ層(厚さ約１５μｍ)１
０、ＧａＮ：Ｓｉ光ガイド層(厚さ約０．２μｍ)１１、
ＧａＩｎ_０．０８Ｎ／ＧａＩｎ_０．０２Ｎからなる３量
子井戸層（厚さ約３ｎｍ／３ｎｍ）１２、ＧａＮ：Ｍｇ
光ガイド層(厚さ約０．２μｍ)１３、Ａｌ_０．０ _７Ｇａ
Ｎ：Ｍｇ層(厚さ約０．５μｍ)１４、ＧａＮ：Ｍｇ層
(厚さ約０．１μｍ)１５、ｐ電極１６およびｎ電極１７
の構成よりなる。

【００３０】本構造による発光体は、図５に示す有機金
属気相成長（ＭＯＣＶＤ）装置により作製される。水素
純化装置５１により高純度化された水素ガスがキャリア
ガスとしてバブラ５３内に供給される。バブラ５３内に
はＧａ原料としてトリメチルガリウム（ＴＭＧ）が、ボ
ンベ５２内にはＳｉ原料として２０ｐｐｍに窒素で希釈
したモノシランが入っている。バブラ５３内に水素ガス
を供給することにより、バブラ５３から、蒸気圧分の原
料ガスが、キャリアガスとしての水素ガスとともに、反
応管ライン５４を通って反応管５５に供給される。Ｎ原
料としてアンモニア（ＮＨ_３）を用いており、アンモニ
ア容器から供給されるアンモニアは、マスフローコント
ローラ６３により流量制御され、バルブＶ５およびＶ６
により反応管５５またはベントライン５８への導入の切
り換えが行われる。反応管５５内には、ヒータ６４上に
設置されたサセプタ５６があり、その上にサファイア基
板５７が置かれる。

【００３１】また、図示していないが、Ｂを導入する場
合には例えばトリエチルボロンを、Ａｌの場合には例え
ばトリメチルアルミニウムを、Ｉｎの場合には例えばト
リメチルインジウムを原料として用い、前記Ｇａの場合
と同様な装置構成とすることで窒化物半導体化合物層を
形成することができる。

【００３２】バブラ５３から発生した原料ガスの反応管
ライン５４とベントライン５８との切り換えは、バブル
Ｖ３とＶ４の開閉により行われる。ボンベ５２からの原
料は、マスフローコントローラ５９により流量制御さ
れ、反応管ライン５４とベントライン５８との間での切
り換えは、バルブＶ１、Ｖ２の開閉により行われる。な
お、符号６０〜６２は、水素純化装置５１から供給され
る水素ガスの流量制御のためのマスフローコントローラ
を示す。本実施例では図示していないが、水素以外のキ
ャリアガスとして例えば窒素などを用いた場合には、窒
素純化装置を通した窒素を水素と同様な装置構成を組む
ことで反応管や原料に供給することができる。

【００３３】以下に、青色発光を示す発光体の一例を、
図５に示した装置を用いて作製した例を示す。反応管５
５内のサセプタ５６上に載置されたサファイア基板５７
を、始めに水素のみの雰囲気で、約１１００℃まで加熱
し、約１０分間サーマルエッチングを行い、基板５７表
面の酸化膜などを除去する。次に、温度を約５００℃に
下げ、アンモニアを導入し、反応管５５内にＧａ原料と
してＴＭＧ、Ｓｉ原料としてモノシランを供給する。Ｔ
ＭＧとシランの供給量は、それぞれ２５μｍｏｌ／分お
よび０．５×１０^−３μｍｏｌ／分、アンモニアの供給
量は１０ＳＬＭである。これにより、基板５７表面にＧ
ａＮのアモルファス層を堆積した後、ＴＭＧとシランの
供給を止め、基板５７の温度を約１０００℃まで上げ
る。その後、再度ＴＭＧとシランを供給することでＧａ
Ｎ：Ｓｉ単結晶を作製することができる。ここでの原料
供給量は、ＴＭＧとシランについてはそれぞれ５０μｍ
ｏｌ／分および１．５×１０^−３μｍｏｌ／分、アンモ
ニアについては１０ＳＬＭである。

【００３４】ＧａＮ：Ｓｉ層を約４μｍの厚さに作製し
た後、Ａｌ原料としてトリメチルアルミニウム（ＴＭ
Ａ）を１０μｍｏｌ／分の速度で供給することで、Ａｌ
ＧａＮ：Ｓｉ層を約０.５μｍの厚さに作製する。

【００３５】その後、基板温度を約７５０℃に下げ、キ
ャリアガスを窒素に切り換え、トリメチルインジウム
（ＴＭＩ）を供給することでＧａＩｎＮ：Ｓｉ層を作製
する。ここでは、ＴＭＩの供給量を、５μｍｏｌ／分と
１００μｍｏｌ／分に交互に切り換えて厚みを３ｎｍ毎
として多重量子井戸を作製する。周期は３周期である。
Ｉｎ組成が２％、すなわちＧａＩｎ_０．０２Ｎ層と、Ｉ
ｎ組成が２５％、すなわちＧａＩｎ_０．２５Ｎ層を積層
し、これを３セット積層させた発光層ができたところ
で、ＴＭＩの供給を止め、再度ＧａＮ：Ｓｉ層を作製す
る。このまま、ＧａＮ：Ｓｉ層を０．２μｍ厚さに作成
し青色の発光体を作製することができる。

【００３６】緑色や赤色の発光体あるいは他の波長の光
を発光する発光体に関しても、図５の装置を用い、ＴＭ
Ｉの供給量や成長温度を制御することにより、上記と同
様の方法で作製することができる。

【００３７】これら発光体に照射して励起するための紫
外線発光レーザについても、図５の装置を用いて同様に
作製した。サファイア基板８上に水素をキャリアガスと
して厚さ４μｍのＧａＮ：Ｓｉ層、厚さ約１μｍのＡｌ
_０．０７ＧａＮ：Ｓｉ層、厚さ約０．２μｍのＧａＮ：
Ｓｉ光ガイド層を形成し、ついで基板温度を８００℃、
キャリアガスを窒素として、Ｉｎ組成２％と８％、厚さ
３ｎｍ毎のＧａＩｎＮからなる多重量子井戸を３セット
作製する。その後、キャリアガスを水素に戻し、Ｇａ
Ｎ：Ｍｇ光ガイド層（厚さ０．２μｍ）、Ａｌ_０．０７
ＧａＮ：Ｍｇクラッド層（厚さ０．５μｍ）、ＧａＮ：
Ｍｇ層（厚さ０．１μｍ）を積層し、窒素雰囲気で、約
８００℃、約１０分間アニール処理することでｐｎ接合
を形成し、反応性イオンエッチングなどのプロセス工程
でｐ電極とｎ電極を形成する。出射端面を劈開すること
で共振器を形成し、電流注入型の紫外線発光半導体レー
ザを作製することができる。

【００３８】上記のようにして作製した紫外線発光半導
体レーザの紫外線出射端面に、上記方法で作製した発光
体を設置することにより本発明に係る発光装置を作製す
ることができる。上記方法で作製した各発光装置におい
て、紫外線発光半導体レーザの電極に電圧を印加して発
生した紫外線を、室温、大気中で照射すると、それぞれ
青色、緑色および赤色のフォトルミネセンス（ＰＬ）を
観測することができる。

【００３９】上記実施例では、発光層として多重量子井
戸層の組成、不純物の有無と種類、厚みおよび周期を限
定したが、本発明の発光体はこれらに限定されることな
く、発光層の組成、不純物の有無と種類、厚みおよび周
期などを各種制御することにより、各種の発光波長と発
光特性をもった発光体を設計することができる。また、
発光層を含む半導体積層構造や紫外線発光レーザの構造
についても本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変形し
て実施可能である。

【００４０】

【発明の効果】本発明によれば、発光体を紫外線の照射
により励起されて発光する発光層を含む半導体積層構造
とし、紫外線源として紫外線発光半導体レーザあるいは
紫外線発光ダイオードを用いる構成としたので、室温、
大気中で発光可能であり、従来の蛍光灯などに代表され
る蛍光体発光の場合と比べて、真空雰囲気や高電圧など
の比較的大掛かりな設備を必要としない。さらに使用中
における真空度の低下により発光体が劣化するという心
配がない。

【００４１】また、本発明による発光体は、従来の蛍光
体と比べて純度の高い原料を用いて基板への堆積結晶化
により作製しているので、発光波長の分布が極めてシャ
ープで色純度のよい発光体が得られる。さらに、本発明
による発光体は、発光層の組成、構造等を変化させるこ
とにより、任意の波長よりなる光を発光させるこができ
る。

【００４２】本発明の発光装置を、例えば本発明に係る
発光体を並べ、紫外線源による励起光をスキャンさせる
構成とすることにより、大掛かりな装置構成にする必要
なく各種ディスプレイを得るなどの応用も可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例に係る青色発光を示す半導体
積層構造の一例を表す断面図である。

【図２】本発明の実施例に係る緑色を示す半導体積層
構造の一例を表す断面図である。

【図３】本発明の実施例に係る赤色発光を示す半導体
積層構造の一例を表す断面図である。

【図４】本発明の実施例に係る励起用紫外線発光レー
ザ構造の一例を表す断面図である。

【図５】本発明の実施例に係る有機金属気相成長（Ｍ
ＯＣＶＤ）装置の概略図である。

【符号の説明】

１ＧａＮ：Ｓｉ層２Ａｌ_０．０７ＧａＮ：Ｓｉ層３ＧａＮ：Ｓｉ層４ＧａＩｎ_０．２５Ｎ／ＧａＩｎ_０．０２Ｎからなる
３量子井戸層５ＧａＮ：Ｓｉ層６ＧａＩｎ_０．３５Ｎ／ＧａＩｎ_０．０２Ｎからなる
３量子井戸層７ＧａＩｎ_０．９５Ｎ／ＧａＩｎ_０．０２Ｎからなる
３量子井戸層８サファイア基板９ＧａＮ：Ｓｉ層１０Ａｌ_０．０７ＧａＮ：Ｓｉ層１１ＧａＮ：Ｓｉ光ガイド層１２ＧａＩｎ_０．０８Ｎ／ＧａＩｎ_０．０２Ｎからな
る３量子井戸層１３ＧａＮ：Ｍｇ光ガイド層１４Ａｌ_０．０７ＧａＮ：Ｍｇ層１５ＧａＮ：Ｍｇ層１６ｐ電極１７ｎ電極

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】紫外線照射により励起されて発光する発
光層を含む半導体積層構造を有することを特徴とする発
光体。
【請求項２】発光層が、式（Ｉ）；Ｂ_ａＡｌ_ｂＧａ_ｃＩｎ_ｄＮ_ｗＡｓ_ｘＰ_ｙＳｂ_ｚ（Ｉ）（式中、ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｗ，ｘ，ｙ，ｚは次式を満た
す。ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ＝１；ａ，ｂ，ｃ，ｄ≧０；ｗ＋ｘ
＋ｙ＋ｚ＝１；ｗ，ｘ，ｙ，ｚ≧０）で示されるIII−
Ｖ族化合物半導体からなることを特徴とする請求項１に
記載の発光体。
【請求項３】 III−Ｖ族化合物半導体に不純物元素が
導入されていることを特徴とする請求項２に記載の発光
体。
【請求項４】不純物元素が、II族元素、IV族元素およ
びVI族元素からなる群から選ばれる１種以上の元素であ
ることを特徴とする請求項３に記載の発光体。
【請求項５】式（Ｉ）中、ｗが０でないことを特徴と
する請求項２に記載の発光体。
【請求項６】発光層が、式（II）；Ａｌ_ｂＧａ_ｃＩｎ_ｄＮ（II）（式中、ｂ，ｃ，ｄは次式を満たす。ｂ＋ｃ＋ｄ＝１；
ｂ，ｃ，ｄ＞０）で示される半導体からなることを特徴
とする請求項１に記載の発光体。
【請求項７】発光層が、式（III）；Ｇａ_ｃＩｎ_ｄＮ（III）（式中、ｃ，ｄは次式を満たす。ｃ＋ｄ＝１；ｃ，ｄ＞
０）で示される半導体からなることを特徴とする請求項
１に記載の発光体。
【請求項８】発光層が、組成の異なる２層以上の半導
体層からなることを特徴とする請求項１に記載の発光
体。
【請求項９】半導体積層構造が、ヘテロ構造であるこ
とを特徴とする請求項１に記載の発光体。
【請求項１０】ヘテロ構造が、ダブルヘテロ構造であ
ることを特徴とする請求項９に記載の発光体。
【請求項１１】ヘテロ構造が、ＳＣＨ構造（Separate
d Confinement Hetero-structure)であることを特徴と
する請求項９に記載の発光体。
【請求項１２】発光層が、量子井戸構造を有すること
を特徴とする請求項９に記載の発光体。
【請求項１３】量子井戸構造における井戸層の厚さ
が、０を越えて１５ｎｍ以下であることを特徴とする請
求項１２に記載の発光体。
【請求項１４】発光層が、式（III）；Ｇａ_ｃＩｎ_ｄＮ（III）（式中、ｃ，ｄは次式を満たす。ｃ＋ｄ＝１；ｃ，ｄ＞
０）で示される半導体からなる量子井戸構造を有し、か
つ、前記発光層の上面と下面にＳｉがドープされている
前記式（III）で示される半導体からなる半導体層が積
層されていることを特徴とする請求項１に記載の発光
体。
【請求項１５】式（III）；Ｇａ_ｃＩｎ_ｄＮ（III）（式中、ｃ，ｄは次式を満たす。ｃ＋ｄ＝１；ｃ，ｄ＞
０）で示される半導体からなる量子井戸構造を有する発
光層が、Ｓｉがドープされている前記式（III）で示さ
れる半導体からなる半導体層によって挟まれている積層
構造を有し、さらに、式（II）；Ａｌ_ｂＧａ_ｃＩｎ_ｄＮ（II）（式中、ｂ，ｃ，ｄは次式を満たす。ｂ＋ｃ＋ｄ＝１；
ｂ，ｃ，ｄ＞０）で示される半導体からなる半導体層が
前記積層構造の一方側に積層されており、かつ、前記式
（II）で示される半導体からなる半導体層が積層されて
いない前記Ｓｉがドープされている前記式（III）で示
される半導体からなる半導体層が励起光の受光層となる
ことを特徴とする請求項１４に記載の発光体。
【請求項１６】紫外線を出射することができる半導体
レーザまたは発光ダイオードと、該紫外線源により放射
される紫外線により発光する発光体とを有することを特
徴とする発光装置。
【請求項１７】半導体レーザまたは発光ダイオード
が、式（Ｉ'）；Ｂ_ａＡｌ_ｂＧａ_ｃＩｎ_ｄＮ_ｗＡｓ_ｘＰ_ｙＳｂ_ｚ
（Ｉ'）（式中、ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｗ，ｘ，ｙ，ｚは次式を満た
す。ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ＝１；ａ，ｂ，ｃ，ｄ≧０；ｗ＋ｘ
＋ｙ＋ｚ＝１；ｗ＞０；ｘ，ｙ，ｚ≧０）で示される窒
化物半導体からなることを特徴とする請求項１６に記載
の発光装置。
【請求項１８】発光体が、請求項１〜１５のいずれか
に記載の発光体であることを特徴とする請求項１６に記
載の発光装置。