JP2004179493A - Semiconductor light emitting device - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To make a one-chip type semiconductor light emitting element emit light with a plurality of wavelengths. <P>SOLUTION: A multi-well layer sandwiched between a layer formed of p-type Al<SB>x</SB>Ga<SB>1-x</SB>N (0≤x≤1) and a layer of n-type Al<SB>y</SB>Ga<SB>1-y</SB>N (0≤y≤1) includes a layer formed by alternately laminating well layers formed of In<SB>q</SB>Ga<SB>1-q</SB>N (0<q≤1), and barrier layers formed of In<SB>r</SB>Ga<SB>1-r</SB>N (0≤r<1) adjacently to the well layer and have relation r<q with the adjacent well layer; and well layers to be made to emit light have mutually different constitution ratios (q), and a well layer having smaller band gap energy than the well layer emitting the light is excited with the light emitted by the well layer to emit light. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数の波長で発光する半導体発光素子に関する。特に、窒化ガリウム系化合物半導体が積層された半導体発光素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、照明用の白色光源や、液晶のバックライトには、蛍光管を用いていた。蛍光管は、高電圧を必要とし、発光効率も必ずしも高くはない。また、ＬＥＤの低価格化に伴い、ＬＥＤを白色光源として利用することも始まった。ＬＥＤでは白色として発光するほどの広波長は得られないため、異なる波長で発光するＬＥＤチップを複数配置し、それぞれのＬＥＤチップを発光させていた。つまり、白色の光源を得るためには、赤、緑、青の３原色でそれぞれ発光させて、混色として白色を実現していた（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
例えば、図１に３チップのＬＥＤを搭載したキャビティの例を示す。図１において、５１は赤で発光するＬＥＤチップ、５２は緑で発光するＬＥＤチップ、５３は青で発光するＬＥＤチップ、５４は３チップのＬＥＤを搭載するキャビティである。図１に示すように、白色で発光させるために、それぞれ、赤、緑、青で発光するＬＥＤチップ５１、５２、５３を同一のキャビティ５４内に載置し、それぞれのＬＥＤチップを発光させて、混色としての白色を得ていた。
【０００４】
しかし、３つのチップを搭載すると、キャビティ構造が複雑になり、駆動回路や周辺回路もそれだけ、多く必要になっていた。
【０００５】
【特許文献１】
特開平７−２８８３４１号公報 （第１図）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、このような問題を解決するために、１チップの半導体発光素子において複数の波長で発光させることを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
前述した目的を達成するために、本願発明は、ｐ型ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）からなる層と、ｎ型ＡｌｙＧａ１−ｙＮ（０≦ｙ≦１）からなる層とではさまれた多重井戸層が、ＩｎｑＧａ１−ｑＮ（０＜ｑ≦１）からなる井戸層と、該井戸層に隣接するＩｎｒＧａ１−ｒＮ（０≦ｒ＜１）からなる障壁層であって隣接する井戸層との間ではｒ＜ｑの関係になる障壁層とが交互に複数積層された層を含み、発光させる井戸層はそれぞれ異なる構成比ｑを有し、井戸層で発光させた光で、発光した該井戸層よりもバンドギャップエネルギーの小さい井戸層を励起して発光させる半導体発光素子である。
【０００８】
本願他の発明は、ｐ型ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）からなる層と、ｎ型ＡｌｙＧａ１−ｙＮ（０≦ｙ≦１）からなる層とではさまれた多重井戸層が、ＩｎｑＧａ１−ｑＮ（０＜ｑ≦１）からなる井戸層と、該井戸層に隣接するＩｎｒＧａ１−ｒＮ（０≦ｒ＜１）からなる障壁層であって隣接する井戸層との間ではｒ＜ｑの関係になる障壁層とが交互に複数積層された層を含み、発光させる井戸層の構成比ｑをｐ型ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）からなる層の側から漸増させた半導体発光素子である。
【０００９】
本願他の発明は、前記発明の半導体発光素子において、前記井戸層がそれぞれ異なる厚さを有することを特徴とする半導体発光素子である。
【００１０】
本願他の発明は、前記発明の半導体発光素子において、発光させる井戸層と他の発光させる井戸層との間の障壁層がそれぞれ異なる厚さを有することを特徴とする半導体発光素子である。
【００１１】
本願他の発明は、前記発明の半導体発光素子において、前記井戸層で発光させた光を前記ｐ型ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）からなる層の側から面出射させることを特徴とする半導体発光素子である。
【００１２】
本願他の発明は、前記発明の半導体発光素子において、発光させた複数の光の混色が白色になるように、発光させる井戸層の構成比ｑを設定することを特徴とする半導体発光素子である。
【００１３】
これらの本願発明により、バンドギャップエネルギーの大きい井戸層で発光した光が半導体発光素子から出射すると同時に、発光した井戸層よりもバンドギャップエネルギーの小さい井戸層で吸収されると、吸収した井戸層では励起により、吸収した光の波長よりも長いその井戸層特有の波長で発光する。このように、光結合により、１つの半導体発光素子チップにおいて複数の異なる波長で発光させることができる。
【００１４】
また、本願発明は、ｐ型ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）からなる層と、ｎ型ＡｌｙＧａ１−ｙＮ（０≦ｙ≦１）からなる層とではさまれた多重井戸層が、ＩｎｑＧａ１−ｑＮ（０＜ｑ≦１）からなる井戸層と、該井戸層に隣接するＩｎｒＧａ１−ｒＮ（０≦ｒ＜１）からなる障壁層であって隣接する井戸層との間ではｒ＜ｑの関係になる障壁層とが交互に複数積層された層を含み、発光させる井戸層はそれぞれ異なる構成比ｑを有し、前記ｐ型ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）からなる層から供給された正孔と前記ｎ型ＡｌｙＧａ１−ｙＮ（０≦ｙ≦１）からなる層から供給された電子とを前記井戸層で再結合させることにより異なる波長で発光させる半導体発光素子である。
【００１５】
また、本願他の発明は、ｐ型ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）からなる層と、ｎ型ＡｌｙＧａ１−ｙＮ（０≦ｙ≦１）からなる層とではさまれた多重井戸層が、ＩｎｑＧａ１−ｑＮ（０＜ｑ≦１）からなる井戸層と、該井戸層に隣接するＩｎｒＧａ１−ｒＮ（０≦ｒ＜１）からなる障壁層であって隣接する井戸層との間ではｒ＜ｑの関係になる障壁層とが交互に複数積層された層を含み、発光させる井戸層はそれぞれ異なる構成比ｑを有し、前記障壁層の構成比ｒをｐ型ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）からなる層の側から漸減させた半導体発光素子である。
【００１６】
また、本願他の発明は、前記の半導体発光素子において、発光させる井戸層の構成比ｑを前記ｐ型ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）からなる層の側から漸増させることを特徴とする半導体発光素子である。
【００１７】
また、本願他の発明は、前記発明の半導体発光素子において、発光させる井戸層と該井戸層のｎ型ＡｌｙＧａ１−ｙＮ（０≦ｙ≦１）からなる層の側に隣接する障壁層とのバンドギャップエネルギー差を、前記ｐ型ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）からなる層の側から漸減させたことを特徴とする半導体発光素子である。
【００１８】
また、本願他の発明は、前記発明の半導体発光素子において、発光させる井戸層と他の発光させる井戸層との間の障壁層がそれぞれ異なる厚さを有することを特徴とする半導体発光素子である。
【００１９】
また、本願他の発明は、前記発明の半導体発光素子において、前記井戸層で発光させた光を前記ｐ型ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）からなる層の側から面出射させることを特徴とする半導体発光素子である。
【００２０】
また、本願他の発明は、前記発明の半導体発光素子において、発光させた複数の光の混色が白色になるように、発光させる井戸層の構成比ｑを設定することを特徴とする半導体発光素子である。
【００２１】
これらの本願発明により、正孔がｐ型ＡｌｘＧａ１−ｘＮからなる層から井戸層を容易に移動できるようにすると、それぞれの井戸層で電子との再結合により発光させることができる。それぞれの井戸層は異なるバンドギャップエネルギーを持つため、その井戸層特有の波長で発光する。このように、正孔と電子との再結合により、１つの半導体発光素子チップにおいて複数の異なる波長で発光させることができる。
【００２２】
さらに、本願発明は、ｐ型ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）からなる層と、ｎ型ＡｌｙＧａ１−ｙＮ（０≦ｙ≦１）からなる層とではさまれた多重井戸層が、ＩｎｑＧａ１−ｑＮ（０＜ｑ≦１）からなる井戸層と、該井戸層に隣接するＩｎｒＧａ１−ｒＮ（０≦ｒ＜１）からなる障壁層であって隣接する井戸層との間ではｒ＜ｑの関係になる障壁層とが交互に複数積層された層を含み、発光させる井戸層がそれぞれ異なる構成比ｑを有し、隣接する井戸層にトンネル効果で存在させた正孔と電子とを再結合させることにより発光させる半導体発光素子である。
【００２３】
さらに、本願他の発明は、ｐ型ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）からなる層と、ｎ型ＡｌｙＧａ１−ｙＮ（０≦ｙ≦１）からなる層とではさまれた多重井戸層が、ＩｎｑＧａ１−ｑＮ（０＜ｑ≦１）からなる井戸層と、該井戸層に隣接するＩｎｒＧａ１−ｒＮ（０≦ｒ＜１）からなる障壁層であって隣接する井戸層との間ではｒ＜ｑの関係になる障壁層とが交互に複数積層された層を含み、発光させる井戸層がそれぞれ異なる構成比ｑを有し、障壁層の厚さを１０ｎｍ以下であって、且つ前記ｐ型ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）からなる層の側から順に薄くなるように設定した半導体発光素子である。
【００２４】
さらに、本願他の発明は、前記発明の半導体発光素子において、井戸層の構成比ｑを前記ｐ型ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）からなる層の側から漸増させたことを特徴とする半導体発光素子である。
【００２５】
さらに、本願他の発明は、前記発明の半導体発光素子において、前記井戸層で発光させた光を前記ｐ型ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）からなる層の側から面出射させることを特徴とする半導体発光素子である。
【００２６】
さらに、本願他の発明は、前記発明の半導体発光素子において、発光させた複数の光の混色が白色であることを特徴とする半導体発光素子である。
【００２７】
これらの本願発明により、井戸層と井戸層との間の障壁層を、正孔と電子がトンネル効果で隣接する井戸層に存在する程度に薄くすると、複数の井戸層で正孔と電子とを再結合させることができる。それぞれの井戸層のバンドギャップエネルギーを異なるように設定すると、１つの半導体発光素子チップにおいて複数の異なる波長で発光させることができる。
【００２８】
【発明の実施の形態】
以下、本願第１発明の実施の形態について、添付の図面を参照して説明する。
（実施の形態１）
本願発明の実施の形態である半導体発光素子のエネルギーバンド図を図２、図３に示す。図２、図３において、１１はｐ型ＡｌｘＧａ１−ｘＮからなる層、１２はｎ型ＡｌｙＧａ１−ｙＮからなる層、１３はＩｎｑＧａ１−ｑＮからなる井戸層、１４はＩｎｒＧａ１−ｒＮからなる障壁層、１５は多重井戸層である。
【００２９】
図２において、ｐ型ＡｌｘＧａ１−ｘＮからなる層１１とｎ型ＡｌｙＧａ１−ｙＮからなる層１２との間に多重井戸層１５を設けている。多重井戸層１５は、ＩｎｑＧａ１−ｑＮ（０＜ｑ≦１）からなる井戸層１３と、井戸層に隣接するＩｎｒＧａ１−ｒＮ（０≦ｒ＜１）からなる障壁層１４とを交互に複数積層して構成されている。障壁層のバンドギャップエネルギーは隣接する井戸層のバンドギャップエネルギーよりも大きく、また、井戸層のバンドギャップエネルギーは、ｐ型ＡｌｘＧａ１−ｘＮからなる層１１からｎ型ＡｌｙＧａ１−ｙＮからなる層１２に向けて漸減させている。
【００３０】
ｐ型ＡｌｘＧａ１−ｘＮからなる層１１とｎ型ＡｌｙＧａ１−ｙＮからなる層１２との間に電圧を印加すると、ｐ型ＡｌｘＧａ１−ｘＮからなる層１１からは正孔が供給され、ｎ型ＡｌｙＧａ１−ｙＮからなる層１２からは電子が供給される。電子の有効質量は小さいため、各井戸層のバンドギャップエネルギーを適切に調整すると、電子をｎ型ＡｌｙＧａ１−ｙＮからなる層１２から最もバンドギャップエネルギーの大きい井戸層まで達するようにすることができる。一方、正孔の有効質量は電子に比較して大きいため、ｐ型ＡｌｘＧａ１−ｘＮからなる層１１から最初の井戸層で電子と再結合して発光する。
【００３１】
ｐ型ＡｌｘＧａ１−ｘＮからなる層１１から最初の井戸層で、電子と正孔との再結合によって発光する。発光した光の波長をλ３とする。波長λ３の光のうち、ｐ型ＡｌｘＧａ１−ｘＮからなる層１１に向かった光は半導体発光素子から出射する。一方、ｎ型ＡｌｙＧａ１−ｙＮからなる層１２の方向に向かった波長λ３の光は、ｐ型ＡｌｘＧａ１−ｘＮからなる層１１から最初の井戸層よりもバンドギャップエネルギーの小さい井戸層で吸収される。吸収された光によって励起された井戸層は、その井戸層のバンドギャップエネルギーに対応する波長で発光する。発光した光の波長をλ２とする。
【００３２】
波長λ２の光のうち、ｐ型ＡｌｘＧａ１−ｘＮからなる層１１に向かった光は、ｐ型ＡｌｘＧａ１−ｘＮからなる層１１から最初の井戸層のバンドギャップエネルギーに対応する波長よりも長いため、その井戸層で吸収されることなく、半導体発光素子から出射する。一方、ｎ型ＡｌｙＧａ１−ｙＮからなる層１２の方向に向かった波長λ１、又は波長λ２の光は、波長λ１、又は波長λ２に対応するバンドギャップエネルギーよりも小さいバンドギャップエネルギーの井戸層で吸収される。吸収された光によって励起された井戸層は、その井戸層のバンドギャップエネルギーに対応する波長で発光する。発光した光の波長をλ１とする。
【００３３】
波長λ１の光のうち、ｐ型ＡｌｘＧａ１−ｘＮからなる層１１に向かった光は、ｐ型ＡｌｘＧａ１−ｘＮからなる層１１の側にある井戸層のバンドギャップエネルギーに対応する波長よりも長いため、その井戸層で吸収されることなく、半導体発光素子から出射する。
【００３４】
このような半導体発光素子とすることにより、バンドギャップエネルギーの異なる井戸層で発光させれば、１チップの半導体発光素子において、異なる波長で発光させることができる。
【００３５】
図３において、井戸層１３の厚さをｐ型ＡｌｘＧａ１−ｘＮからなる層１１の側から漸増するように設定している。図３において、例えば、λ３で発光した光がλ２で発光する井戸層で吸収される量よりも、λ３、又はλ２で発光した光がλ１で発光する井戸層で吸収される量の方が少ないときは、λ１で発光する井戸層の厚さを厚くすることにより、吸収される量を増加させることができる。逆に、λ１で発光する井戸層で吸収される量の方が多いときは、λ１で発光する井戸層の厚さを薄くすることにより、吸収される量を減少させることができる。この構造により、それぞれの井戸層で発光する光の強度を制御することができる。
【００３６】
また、発光させる井戸層と他の発光させる井戸層との間の障壁層の厚さを調整することによって、井戸層で発光した光が他の井戸層に結合する割合も変化する。例えば、障壁層の厚さを厚くすると、井戸層で発光した光が他の井戸層に結合する割合が小さくなり、障壁層の厚さを薄くすると、井戸層で発光した光が他の井戸層に結合する割合が大きくなる。この構造により、それぞれの井戸層で発光する光の強度を制御することができる。
【００３７】
それぞれの井戸層のバンドギャップエネルギーを調整することによって、それぞれの井戸層で発光する波長を制御すれば、所望の色彩を得ることができる。また、井戸層の厚さ又は障壁層の厚さを調整することによって、発光する光の強度を制御すれば、所望の色彩を得ることができる。さらに、それぞれの井戸層のバンドギャップエネルギーと井戸層の厚さと障壁層の厚さとを組み合わせて調整することによって、所望の色彩を得ることができる。
【００３８】
従って、本実施の形態の半導体発光素子とすることにより、１チップの半導体発光素子において複数の波長で発光させることができる。
【００３９】
発光した光をｎ型ＡｌｙＧａ１−ｙＮからなる層１２の側から出射させると、発光した光が他の井戸層で吸収されることがないため、効率的に出射させることができるが、ｐ型ＡｌｘＧａ１−ｘＮからなる層１１の側から出射させてもよい。また、端面出射させてもよい。
【００４０】
発光する波長λ１、λ２、λ３をそれぞれ、赤、緑、青とすると、混色によって白色とすることができる。正確に赤、緑、青としなくても、強度と波長を制御して、混色で白色にすることもできる。４以上の波長でも同様である。また、２つの波長で発光させて、強度と波長を制御して白色とすることもできる。さらに、強度と波長とを制御することによって、所望の色彩とすることもできる。
【００４１】
バンドギャップエネルギーの大きい井戸層で発光した光がバンドギャップエネルギーの小さい井戸層で吸収される割合は５％以上であることが好ましい。
【００４２】
（実施の形態２）
本願発明の実施の形態である半導体発光素子のエネルギーバンド図を図４乃至図７に示す。図４、図５、図６、図７において、１１はｐ型ＡｌｘＧａ１−ｘＮからなる層、１２はｎ型ＡｌｙＧａ１−ｙＮからなる層、１３はＩｎｑＧａ１−ｑＮからなる井戸層、１４はＩｎｒＧａ１−ｒＮからなる障壁層、１５は多重井戸層である。
【００４３】
本実施の形態では、ｐ型ＡｌｘＧａ１−ｘＮからなる層１１から供給された正孔とｎ型ＡｌｙＧａ１−ｙＮからなる層１２から供給された電子とを多重井戸層のそれぞれの井戸層で再結合させる際に、それぞれの井戸層に異なるバンドギャップエネルギーを持たせることにより、それぞれの井戸層において異なる波長で発光させる半導体発光素子である。一つの井戸層で総ての正孔と電子を再結合させないよう、正孔及び電子を隣接する井戸層に漏出させて、複数の井戸層で正孔と電子を再結合させることによって、それぞれの井戸層において発光させる。
【００４４】
図４において、ｐ型ＡｌｘＧａ１−ｘＮからなる層１１とｎ型ＡｌｙＧａ１−ｙＮからなる層１２との間に多重井戸層１５を設けている。多重井戸層１５は、ＩｎｑＧａ１−ｑＮ（０＜ｑ≦１）からなる井戸層１３と、井戸層に隣接するＩｎｒＧａ１−ｒＮ（０≦ｒ＜１）からなる障壁層１４とを交互に複数積層して構成されている。障壁層は隣接する井戸層との関係では、バンドギャップエネルギーが大きくなるように、また、ｐ型ＡｌｘＧａ１−ｘＮからなる層１１からｎ型ＡｌｙＧａ１−ｙＮからなる層１２に向けて、バンドギャップエネルギーが漸減するように設定されている。井戸層はそれぞれのバンドギャップエネルギーが異なるように設定されている。
【００４５】
このような構成の半導体発光素子にｐ型ＡｌｘＧａ１−ｘＮからなる層１１から供給された正孔とｎ型ＡｌｙＧａ１−ｙＮからなる層１２から供給された電子とを、それぞれの井戸層に漏出させて、それぞれの井戸層で再結合させることにより、それぞれの井戸層のバンドギャップエネルギーに応じた波長で発光させることができる。また、井戸層から隣接する井戸層への正孔又は電子の漏出する量を調整することによって、各井戸層で発光する光の強度を制御することができる。
【００４６】
図５において、ｐ型ＡｌｘＧａ１−ｘＮからなる層１１とｎ型ＡｌｙＧａ１−ｙＮからなる層１２との間に多重井戸層１５を設けている。多重井戸層１５は、ＩｎｑＧａ１−ｑＮ（０＜ｑ≦１）からなる井戸層１３と、井戸層に隣接するＩｎｒＧａ１−ｒＮ（０≦ｒ＜１）からなる障壁層１４とを交互に複数積層して構成されている。障壁層は隣接する井戸層との関係では、バンドギャップエネルギーが大きくなるように、また、井戸層はそれぞれのバンドギャップエネルギーが異なるように設定されている。さらに、ｐ型ＡｌｘＧａ１−ｘＮからなる層１１からｎ型ＡｌｙＧａ１−ｙＮからなる層１２に向けて、井戸層とｎ型ＡｌｙＧａ１−ｙＮからなる層１２の側の障壁層とのバンドギャップエネルギー差が漸減するように設定されている。
【００４７】
このような構成の半導体発光素子にｐ型ＡｌｘＧａ１−ｘＮからなる層１１から供給された正孔とｎ型ＡｌｙＧａ１−ｙＮからなる層１２から供給された電子とを、それぞれの井戸層に漏出させて、それぞれの井戸層で再結合させることにより、それぞれの井戸層のバンドギャップエネルギーに応じた波長で発光させることができる。また、井戸層から隣接する井戸層への正孔又は電子の漏出する量を調整することによって、各井戸層で発光する光の強度を制御することができる。
【００４８】
図６において、ｐ型ＡｌｘＧａ１−ｘＮからなる層１１とｎ型ＡｌｙＧａ１−ｙＮからなる層１２との間に多重井戸層１５を設けている。多重井戸層１５は、ＩｎｑＧａ１−ｑＮ（０＜ｑ≦１）からなる井戸層１３と、井戸層に隣接するＩｎｒＧａ１−ｒＮ（０≦ｒ＜１）からなる障壁層１４とを交互に複数積層して構成されている。障壁層は隣接する井戸層との関係では、バンドギャップエネルギーが大きくなるように、また、井戸層のバンドギャップエネルギーはｐ型ＡｌｘＧａ１−ｘＮからなる層１１からｎ型ＡｌｙＧａ１−ｙＮからなる層１２に向けて、漸減するように設定されている。
【００４９】
このような構成の半導体発光素子にｐ型ＡｌｘＧａ１−ｘＮからなる層１１から供給された正孔とｎ型ＡｌｙＧａ１−ｙＮからなる層１２から供給された電子とを、それぞれの井戸層に漏出させて、それぞれの井戸層で再結合させることにより、それぞれの井戸層のバンドギャップエネルギーに応じた波長で発光させることができる。また、出射側の井戸層のバンドギャップエネルギーが大きくなるように、それぞれの井戸層を配置することによって、発光した光が井戸層で吸収され難くすることができる。また、井戸層から隣接する井戸層への正孔又は電子の漏出する量を調整することによって、各井戸層で発光する光の強度を制御することができる。
【００５０】
図７において、ｐ型ＡｌｘＧａ１−ｘＮからなる層１１とｎ型ＡｌｙＧａ１−ｙＮからなる層１２との間に多重井戸層１５を設けている。多重井戸層１５は、ＩｎｑＧａ１−ｑＮ（０＜ｑ≦１）からなる井戸層１３と、井戸層に隣接するＩｎｒＧａ１−ｒＮ（０≦ｒ＜１）からなる障壁層１４とを交互に複数積層して構成されている。障壁層は隣接する井戸層との関係では、バンドギャップエネルギーが大きくなるように、また、ｐ型ＡｌｘＧａ１−ｘＮからなる層１１からｎ型ＡｌｙＧａ１−ｙＮからなる層１２に向けて、バンドギャップエネルギーが漸減するように設定されている。さらに、ｐ型ＡｌｘＧａ１−ｘＮからなる層１１からｎ型ＡｌｙＧａ１−ｙＮからなる層１２に向けて、井戸層とｎ型ＡｌｙＧａ１−ｙＮからなる層１２の側の障壁層とのバンドギャップエネルギー差が漸減するように設定されている。また、井戸層のバンドギャップエネルギーはｐ型ＡｌｘＧａ１−ｘＮからなる層１１からｎ型ＡｌｙＧａ１−ｙＮからなる層１２に向けて、漸減するように設定されている。
【００５１】
このような構成の半導体発光素子にｐ型ＡｌｘＧａ１−ｘＮからなる層１１から供給された正孔とｎ型ＡｌｙＧａ１−ｙＮからなる層１２から供給された電子とを、それぞれの井戸層に漏出させて、それぞれの井戸層で再結合させることにより、それぞれの井戸層のバンドギャップエネルギーに応じた波長で発光させることができる。また、出射側の井戸層のバンドギャップエネルギーが大きくなるように、それぞれの井戸層を配置することによって、発光した光が井戸層で吸収され難くすることができる。また、井戸層から隣接する井戸層への正孔又は電子の漏出する量を調整することによって、各井戸層で発光する光の強度を制御することができる。
【００５２】
また、発光させる井戸層と他の発光させる井戸層との間の障壁層の厚さを調整することによって、井戸層から隣接する井戸層への正孔又は電子の漏出する量を変化させることができる。例えば、障壁層の厚さを厚くすると、井戸層から隣接する井戸層への正孔又は電子の漏出する量が少なくなり、障壁層の厚さを薄くすると、井戸層から隣接する井戸層への正孔又は電子の漏出する量が多くなる。この構造により、それぞれの井戸層で発光する光の強度を制御することができる。
【００５３】
それぞれの井戸層のバンドギャップエネルギーを調整することによって、それぞれの井戸層で発光する波長を制御すれば、所望の色彩を得ることができる。また、井戸層のバンドギャップエネルギーと障壁層のバンドギャップエネルギーと障壁層の厚さとを組み合わせて調整することによって、発光する光の強度を制御すれば、所望の色彩を得ることができる。さらに、それぞれの井戸層のバンドギャップエネルギーと障壁層のバンドギャップエネルギーと障壁層の厚さとを組み合わせて調整することによって、発光する光の波長と強度とを同時に制御すれば、所望の色彩を得ることができる。
【００５４】
従って、本実施の形態の半導体発光素子とすることにより、１チップの半導体発光素子において複数の波長で発光させることができる。
【００５５】
発光した光をｎ型ＡｌｙＧａ１−ｙＮからなる層１２の側から出射させると、効率的に出射させることができるが、ｐ型ＡｌｘＧａ１−ｘＮからなる層１１の側から出射させてもよい。また、端面出射させてもよい。
【００５６】
発光する波長λ１、λ２、λ３をそれぞれ、赤、緑、青とすると、混色によって白色とすることができる。正確に赤、緑、青としなくても、強度と波長を制御して、混色で白色にすることもできる。４以上の波長でも同様である。また、２つの波長で発光させて、強度と波長とを制御して白色とすることもできる。さらに、強度と波長とを同時に制御することによって、所望の色彩とすることもできる。
【００５７】
井戸層と隣接する障壁層とのバンドギャップエネルギー差は、１００ｍｅＶ以下であることが好ましい。
【００５８】
（実施の形態３）
本願発明の実施の形態である半導体発光素子のエネルギーバンド図を図８に示す。図８において、１１はｐ型ＡｌｘＧａ１−ｘＮからなる層、１２はｎ型ＡｌｙＧａ１−ｙＮからなる層、１３はＩｎｑＧａ１−ｑＮからなる井戸層、１４はＩｎｒＧａ１−ｒＮからなる障壁層、１５は多重井戸層である。
【００５９】
図８において、ｐ型ＡｌｘＧａ１−ｘＮからなる層１１とｎ型ＡｌｙＧａ１−ｙＮからなる層１２との間に多重井戸層１５を設けている。多重井戸層１５は、ＩｎｑＧａ１−ｑＮ（０＜ｑ≦１）からなる井戸層１３と、井戸層に隣接するＩｎｒＧａ１−ｒＮ（０≦ｒ＜１）からなる障壁層１４とを交互に複数積層して構成されている。障壁層１４の厚さは、正孔と電子の波長よりも短い１０ｎｍ以下とすることが望ましい。
【００６０】
ｐ型ＡｌｘＧａ１−ｘＮからなる層１１とｎ型ＡｌｙＧａ１−ｙＮからなる層１２との間に電圧を印加すると、ｐ型ＡｌｘＧａ１−ｘＮからなる層１１からは正孔が供給され、ｎ型ＡｌｙＧａ１−ｙＮからなる層１２からは電子が供給される。井戸層と隣接する井戸層との間の障壁層の厚さを正孔及び電子の波長よりも短い１０ｎｍ以下とすると、トンネル効果により電子と正孔は隣接する井戸層にも存在させることができる。このため、それぞれの井戸層で正孔と電子とが再結合して発光する。井戸層はそれぞれのバンドギャップエネルギーが異なるように設定されている。
【００６１】
電子の有効質量は正孔の有効質量より小さいため、トンネル効果による正孔と電子の再結合は正孔に律則されることになる。そこで、障壁層の厚さを、ｐ型ＡｌｘＧａ１−ｘＮからなる層１１の側から順に薄くなるように設定すると、正孔をｎ型ＡｌｙＧａ１−ｙＮからなる層１２に近い井戸層にも存在させることができる。図８においては、ｔ１＞ｔ２とすることになる。障壁層の厚さを調整することによって、トンネル効果による正孔と電子の再結合の割合を変化させることができる。つまり、トンネル効果による隣接する井戸層での正孔と電子の存在確率を調整することによって、各井戸層で発光する光の強度を制御することができる。また、それぞれの井戸層のバンドギャップエネルギーを調整することによって、そのバンドギャップエネルギーに応じた波長で発光させることができる。
【００６２】
従って、本実施の形態の半導体発光素子とすることにより、１チップの半導体発光素子において複数の波長で発光させることができる。
【００６３】
発光した光をｎ型ＡｌｙＧａ１−ｙＮからなる層１２の側から出射させると、効率的に出射させることができるが、ｐ型ＡｌｘＧａ１−ｘＮからなる層１１の側から出射させてもよい。また、端面出射させてもよい。
発光する波長λ１、λ２、λ３をそれぞれ、赤、緑、青とすると、混色によって白色とすることができる。正確に赤、緑、青としなくても、強度と波長を調整して、混色で白色にすることもできる。４以上の波長でも同様である。また、２つの波長で発光させて、強度と波長を調整して白色とすることもできる。さらに、強度と波長を調整することによって、所望の色彩とすることもできる。
【００６４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば１チップの半導体発光素子において複数の波長で発光させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の半導体白色発光素子の構成を説明する図である。
【図２】本願発明の実施形態である発光した光による励起を説明するエネルギーバンド図である。
【図３】本願発明の実施形態である発光した光の吸収する量を変化させたエネルギーバンドを説明する図である。
【図４】本願発明の実施形態である正孔及び電子の漏出を説明するエネルギーバンド図である。
【図５】本願発明の実施形態である正孔及び電子の漏出を説明するエネルギーバンド図である。
【図６】本願発明の実施形態である正孔及び電子の漏出を説明するエネルギーバンド図である。
【図７】本願発明の実施形態である正孔及び電子の漏出を説明するエネルギーバンド図である。
【図８】本願発明の実施形態である正孔及び電子のトンネル結合を説明するエネルギーバンド図である。
【符号の説明】
１１：ｐ型ＡｌｘＧａ１−ｘＮからなる層
１２：ｎ型ＡｌｙＧａ１−ｙＮからなる層
１３：ＩｎｑＧａ１−ｑＮからなる井戸層
１４：ＩｎｒＧａ１−ｒＮからなる障壁層
１５：多重井戸層[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor light emitting device that emits light at a plurality of wavelengths. In particular, the present invention relates to a semiconductor light emitting device in which gallium nitride-based compound semiconductors are stacked.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, a fluorescent tube has been used as a white light source for illumination or a backlight of a liquid crystal. The fluorescent tube requires a high voltage, and the luminous efficiency is not always high. Also, with the price reduction of LEDs, the use of LEDs as white light sources has begun. Since an LED cannot provide a wide wavelength enough to emit white light, a plurality of LED chips that emit light at different wavelengths are arranged, and each LED chip emits light. That is, in order to obtain a white light source, light is emitted in each of the three primary colors of red, green, and blue to realize white as a mixed color (for example, see Patent Document 1).
[0003]
For example, FIG. 1 shows an example of a cavity in which a three-chip LED is mounted. In FIG. 1, 51 is an LED chip that emits red light, 52 is an LED chip that emits green light, 53 is an LED chip that emits blue light, and 54 is a cavity in which three-chip LEDs are mounted. As shown in FIG. 1, in order to emit light in white, LED chips 51, 52, and 53 that emit red, green, and blue light are respectively placed in the same cavity 54, and each LED chip emits light. , As a mixed color.
[0004]
However, when three chips are mounted, the cavity structure becomes complicated, and many drive circuits and peripheral circuits are required.
[0005]
[Patent Document 1]
JP-A-7-288341 (FIG. 1)
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
An object of the present invention is to make a single-chip semiconductor light-emitting device emit light at a plurality of wavelengths in order to solve such a problem.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above-mentioned object, the present invention provides a p-type Al x Ga 1-x N (0 ≦ x ≦ 1) layer and n-type Al y Ga 1-y A multi-well layer sandwiched between layers of N (0 ≦ y ≦ 1) forms In q Ga 1-q A well layer made of N (0 <q ≦ 1), and an In layer adjacent to the well layer. r Ga 1-r A barrier layer made of N (0 ≦ r <1) and a plurality of barrier layers alternately stacked with an adjacent well layer having a relation of r <q are included. This is a semiconductor light-emitting element that has a different composition ratio q and emits light by emitting light from a well layer to a well layer having a smaller band gap energy than the emitted well layer.
[0008]
Another invention of the present application is a p-type Al x Ga 1-x N (0 ≦ x ≦ 1) layer and n-type Al y Ga 1-y A multi-well layer sandwiched between layers of N (0 ≦ y ≦ 1) forms In q Ga 1-q A well layer made of N (0 <q ≦ 1), and an In layer adjacent to the well layer. r Ga 1-r The structure of a well layer that emits light includes a plurality of layers in which barrier layers made of N (0 ≦ r <1) are alternately stacked with adjacent well layers in a relationship of r <q. The ratio q is p-type Al x Ga 1-x This is a semiconductor light emitting element whose number is gradually increased from the side of a layer composed of N (0 ≦ x ≦ 1).
[0009]
Another invention of the present application is the semiconductor light-emitting device according to the invention, wherein the well layers have different thicknesses.
[0010]
Another invention of the present application is the semiconductor light emitting device according to the above invention, wherein the barrier layers between the light emitting well layer and the other light emitting well layers have different thicknesses.
[0011]
Another invention of the present application is the semiconductor light emitting device according to the invention, wherein the light emitted from the well layer is converted to the p-type Al. x Ga 1-x This is a semiconductor light emitting element characterized in that light is emitted from the side of a layer made of N (0 ≦ x ≦ 1).
[0012]
Another invention of the present application is the semiconductor light emitting device according to the above invention, wherein the composition ratio q of the well layer to emit light is set so that the color mixture of the plurality of emitted lights becomes white. .
[0013]
According to these inventions of the present application, when light emitted from a well layer having a large band gap energy is emitted from a semiconductor light emitting element and simultaneously absorbed by a well layer having a smaller band gap energy than the light emitting well layer, the absorbed well layer has Upon excitation, light is emitted at a wavelength unique to the well layer, which is longer than the wavelength of the absorbed light. As described above, light can be emitted at a plurality of different wavelengths in one semiconductor light emitting element chip by optical coupling.
[0014]
Further, the present invention provides a p-type Al x Ga 1-x N (0 ≦ x ≦ 1) layer and n-type Al y Ga 1-y A multi-well layer sandwiched between layers of N (0 ≦ y ≦ 1) forms In q Ga 1-q A well layer made of N (0 <q ≦ 1), and an In layer adjacent to the well layer. r Ga 1-r A barrier layer made of N (0 ≦ r <1) and a plurality of barrier layers alternately stacked with an adjacent well layer having a relation of r <q are included. P-type Al having a different composition ratio q x Ga 1-x Holes supplied from a layer comprising N (0 ≦ x ≦ 1) and the n-type Al y Ga 1-y A semiconductor light emitting device that emits light at different wavelengths by recombining electrons supplied from a layer of N (0 ≦ y ≦ 1) with the well layer.
[0015]
Further, the other invention of the present application is a p-type Al x Ga 1-x N (0 ≦ x ≦ 1) layer and n-type Al y Ga 1-y A multi-well layer sandwiched between layers of N (0 ≦ y ≦ 1) forms In q Ga 1-q A well layer made of N (0 <q ≦ 1), and an In layer adjacent to the well layer. r Ga 1-r A barrier layer made of N (0 ≦ r <1) and a plurality of barrier layers alternately stacked with an adjacent well layer having a relation of r <q are included. Have different composition ratios q, and the composition ratio r of the barrier layer is p-type Al x Ga 1-x This is a semiconductor light emitting device in which the number of layers gradually decreases from the side of a layer made of N (0 ≦ x ≦ 1).
[0016]
In another aspect of the present invention, in the semiconductor light emitting device, the composition ratio q of the well layer to emit light is changed to the p-type Al x Ga 1-x A semiconductor light emitting device characterized by gradually increasing from the side of a layer composed of N (0 ≦ x ≦ 1).
[0017]
According to another aspect of the present invention, there is provided a semiconductor light emitting device according to the present invention, wherein a well layer for emitting light and an n-type Al y Ga 1-y The band gap energy difference between the barrier layer adjacent to the layer made of N (0 ≦ y ≦ 1) and x Ga 1-x A semiconductor light emitting device characterized in that it is gradually reduced from the side of a layer composed of N (0 ≦ x ≦ 1).
[0018]
According to another aspect of the present invention, there is provided the semiconductor light emitting device according to the above invention, wherein the barrier layers between the light emitting well layer and the other light emitting well layers have different thicknesses. .
[0019]
Another aspect of the present invention is the semiconductor light emitting device according to the invention, wherein the light emitted from the well layer is converted to the p-type Al. x Ga 1-x This is a semiconductor light emitting element characterized in that light is emitted from the side of a layer made of N (0 ≦ x ≦ 1).
[0020]
According to another aspect of the present invention, there is provided the semiconductor light emitting device according to the invention, wherein the composition ratio q of the well layer to emit light is set so that the mixed color of the plurality of emitted lights becomes white. It is.
[0021]
According to these inventions of the present application, holes are p-type Al x Ga 1-x When the well layer can be easily moved from the N layer, light can be emitted by recombination with electrons in each well layer. Since each well layer has a different band gap energy, light is emitted at a wavelength specific to the well layer. In this manner, one semiconductor light emitting element chip can emit light at a plurality of different wavelengths by recombination of holes and electrons.
[0022]
Further, the present invention provides a p-type Al x Ga 1-x N (0 ≦ x ≦ 1) layer and n-type Al y Ga 1-y A multi-well layer sandwiched between layers of N (0 ≦ y ≦ 1) forms In q Ga 1-q A well layer made of N (0 <q ≦ 1), and an In layer adjacent to the well layer. r Ga 1-r A barrier layer composed of N (0 ≦ r <1) and a plurality of barrier layers alternately stacked with an adjacent well layer having a relationship of r <q are included, and each of the well layers to emit light is This is a semiconductor light emitting device having a different composition ratio q and emitting light by recombining holes and electrons existing in an adjacent well layer by a tunnel effect.
[0023]
Further, another invention of the present application is a p-type Al x Ga 1-x N (0 ≦ x ≦ 1) layer and n-type Al y Ga 1-y A multi-well layer sandwiched between layers of N (0 ≦ y ≦ 1) forms In q Ga 1-q A well layer made of N (0 <q ≦ 1), and an In layer adjacent to the well layer. r Ga 1-r A barrier layer composed of N (0 ≦ r <1) and a plurality of barrier layers alternately stacked with an adjacent well layer having a relationship of r <q are included, and each of the well layers to emit light is Different composition ratios q, the thickness of the barrier layer is 10 nm or less, and the p-type Al x Ga 1-x This is a semiconductor light emitting element that is set so as to become thinner in order from the side of a layer composed of N (0 ≦ x ≦ 1).
[0024]
Furthermore, another aspect of the present invention is the semiconductor light emitting device according to the invention, wherein the composition ratio q of the well layer is changed to the p-type Al x Ga 1-x A semiconductor light emitting device characterized by gradually increasing from the side of a layer composed of N (0 ≦ x ≦ 1).
[0025]
Further, another aspect of the present invention is the semiconductor light emitting device according to the invention, wherein the light emitted from the well layer is converted to the p-type Al. x Ga 1-x This is a semiconductor light emitting element characterized in that light is emitted from the side of a layer made of N (0 ≦ x ≦ 1).
[0026]
Further, another aspect of the present invention is the semiconductor light emitting device according to the above invention, wherein a mixed color of a plurality of emitted lights is white.
[0027]
According to these inventions of the present application, when the barrier layer between the well layers is thinned to such an extent that holes and electrons exist in the adjacent well layers due to the tunnel effect, the holes and electrons are reduced by the plurality of well layers. Can be recombined. When the band gap energies of the respective well layers are set to be different, light can be emitted at a plurality of different wavelengths in one semiconductor light emitting device chip.
[0028]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, an embodiment of the first invention of the present application will be described with reference to the accompanying drawings.
(Embodiment 1)
FIGS. 2 and 3 show energy band diagrams of the semiconductor light emitting device according to the embodiment of the present invention. 2 and 3, reference numeral 11 denotes p-type Al x Ga 1-x A layer made of N, 12 is an n-type Al y Ga 1-y A layer made of N, 13 is In q Ga 1-q A well layer made of N; r Ga 1-r An N barrier layer 15 is a multiple well layer.
[0029]
In FIG. 2, p-type Al x Ga 1-x N layer 11 and n-type Al y Ga 1-y The multiple well layer 15 is provided between the N-type layer 12 and the N-type layer 12. The multiple well layer 15 is made of In q Ga 1-q A well layer 13 made of N (0 <q ≦ 1) and In adjacent to the well layer r Ga 1-r It is configured by alternately laminating a plurality of barrier layers 14 made of N (0 ≦ r <1). The band gap energy of the barrier layer is larger than the band gap energy of the adjacent well layer, and the band gap energy of the well layer is p-type Al. x Ga 1-x N-type Al from layer 11 of N y Ga 1-y It is gradually reduced toward the layer 12 made of N.
[0030]
p-type Al x Ga 1-x N layer 11 and n-type Al y Ga 1-y When a voltage is applied between the N-type layer 12 and the N-type layer 12, the p-type Al x Ga 1-x Holes are supplied from the N layer 11 and n-type Al y Ga 1-y Electrons are supplied from the N layer 12. Since the effective mass of electrons is small, if the band gap energy of each well layer is appropriately adjusted, electrons can be converted into n-type Al. y Ga 1-y It is possible to reach from the N layer 12 to the well layer having the largest band gap energy. On the other hand, since the effective mass of holes is larger than that of electrons, p-type Al x Ga 1-x Light is emitted by recombination with electrons in the first well layer from the N layer 11.
[0031]
p-type Al x Ga 1-x Light is emitted by recombination of electrons and holes in the first well layer from the N layer 11. The wavelength of the emitted light is λ3. Of the light of wavelength λ3, p-type Al x Ga 1-x Light traveling toward the layer 11 made of N is emitted from the semiconductor light emitting element. On the other hand, n-type Al y Ga 1-y The light of wavelength λ3 directed toward the layer 12 made of N is p-type Al x Ga 1-x The N layer 11 is absorbed by the well layer having a smaller band gap energy than the first well layer. The well layer excited by the absorbed light emits light at a wavelength corresponding to the band gap energy of the well layer. The wavelength of the emitted light is λ2.
[0032]
Of the light of wavelength λ2, p-type Al x Ga 1-x The light traveling toward the layer 11 made of N is p-type Al. x Ga 1-x Since the wavelength from the layer 11 made of N is longer than the wavelength corresponding to the band gap energy of the first well layer, the light is emitted from the semiconductor light emitting element without being absorbed by the well layer. On the other hand, n-type Al y Ga 1-y Light having the wavelength λ1 or λ2 directed toward the layer 12 made of N is absorbed by the well layer having a bandgap energy smaller than the bandgap energy corresponding to the wavelength λ1 or λ2. The well layer excited by the absorbed light emits light at a wavelength corresponding to the band gap energy of the well layer. The wavelength of the emitted light is λ1.
[0033]
Of the light of wavelength λ1, p-type Al x Ga 1-x The light traveling toward the layer 11 made of N is p-type Al. x Ga 1-x Since the wavelength is longer than the wavelength corresponding to the band gap energy of the well layer on the side of the layer 11 made of N, the light is emitted from the semiconductor light emitting element without being absorbed by the well layer.
[0034]
With such a semiconductor light emitting device, if light is emitted from well layers having different band gap energies, light emission can be performed at different wavelengths in a single chip semiconductor light emitting device.
[0035]
In FIG. 3, the thickness of the well layer 13 is p-type Al x Ga 1-x It is set so as to gradually increase from the side of the layer 11 made of N. In FIG. 3, for example, the amount of light emitted at λ3 or λ2 is absorbed by the well layer emitting at λ1 than the amount of light emitted at λ3 is absorbed by the well layer emitting at λ2. In some cases, the absorption amount can be increased by increasing the thickness of the well layer that emits light at λ1. Conversely, when the amount of light absorbed by the well layer that emits light at λ1 is larger, the amount of absorbed light can be reduced by reducing the thickness of the well layer that emits light at λ1. With this structure, the intensity of light emitted from each well layer can be controlled.
[0036]
Also, by adjusting the thickness of the barrier layer between the light emitting well layer and the other light emitting well layer, the ratio of light emitted from the well layer to the other well layer also changes. For example, when the thickness of the barrier layer is increased, the ratio of light emitted from the well layer to the other well layer is reduced, and when the thickness of the barrier layer is decreased, the light emitted from the well layer is transmitted to the other well layer. The ratio of binding to becomes larger. With this structure, the intensity of light emitted from each well layer can be controlled.
[0037]
By adjusting the bandgap energy of each well layer to control the wavelength of light emitted in each well layer, a desired color can be obtained. In addition, a desired color can be obtained by controlling the intensity of emitted light by adjusting the thickness of the well layer or the thickness of the barrier layer. Furthermore, a desired color can be obtained by adjusting the band gap energy of each well layer, the thickness of the well layer, and the thickness of the barrier layer in combination.
[0038]
Therefore, with the semiconductor light emitting device of the present embodiment, it is possible to emit light at a plurality of wavelengths in a single chip semiconductor light emitting device.
[0039]
The emitted light is n-type Al y Ga 1-y When the light is emitted from the N layer 12 side, the emitted light is not absorbed by the other well layers, so that the light can be efficiently emitted. x Ga 1-x The light may be emitted from the side of the layer 11 made of N. Further, the light may be emitted from the end face.
[0040]
If the wavelengths λ1, λ2, λ3 to emit light are red, green, and blue, respectively, white can be obtained by mixing colors. Even if the colors are not exactly red, green, and blue, it is also possible to control the intensity and the wavelength so that a mixed color is made white. The same applies to four or more wavelengths. It is also possible to emit light at two wavelengths and control the intensity and wavelength to make the color white. Further, a desired color can be obtained by controlling the intensity and the wavelength.
[0041]
It is preferable that the ratio of light emitted from the well layer having a large band gap energy to be absorbed by the well layer having a small band gap energy is 5% or more.
[0042]
(Embodiment 2)
4 to 7 show energy band diagrams of the semiconductor light emitting device according to the embodiment of the present invention. 4, 5, 6, and 7, reference numeral 11 denotes p-type Al. x Ga 1-x A layer made of N, 12 is an n-type Al y Ga 1-y A layer made of N, 13 is In q Ga 1-q A well layer made of N; r Ga 1-r An N barrier layer 15 is a multiple well layer.
[0043]
In the present embodiment, p-type Al x Ga 1-x The holes supplied from the N layer 11 and the n-type Al y Ga 1-y When electrons supplied from the N layer 12 are recombined in each well layer of the multi-well layer, each well layer has a different bandgap energy so that each well layer has a different wavelength. It is a semiconductor light emitting element that emits light. To prevent all holes and electrons from being recombined in one well layer, holes and electrons are leaked to adjacent well layers, and holes and electrons are recombined in a plurality of well layers. Light is emitted in the well layer.
[0044]
In FIG. 4, p-type Al x Ga 1-x N layer 11 and n-type Al y Ga 1-y The multiple well layer 15 is provided between the N-type layer 12 and the N-type layer 12. The multiple well layer 15 is made of In q Ga 1-q A well layer 13 made of N (0 <q ≦ 1) and In adjacent to the well layer r Ga 1-r It is configured by alternately laminating a plurality of barrier layers 14 made of N (0 ≦ r <1). The barrier layer is formed so that the band gap energy becomes large in relation to the adjacent well layer, and the p-type Al x Ga 1-x N-type Al from layer 11 of N y Ga 1-y The band gap energy is set so as to gradually decrease toward the N layer 12. The well layers are set to have different band gap energies.
[0045]
A p-type Al is applied to the semiconductor light emitting device having such a configuration. x Ga 1-x The holes supplied from the N layer 11 and the n-type Al y Ga 1-y The electrons supplied from the N layer 12 are leaked to the respective well layers and are recombined in the respective well layers, so that light is emitted at a wavelength corresponding to the band gap energy of the respective well layers. it can. The intensity of light emitted from each well layer can be controlled by adjusting the amount of holes or electrons leaking from the well layer to the adjacent well layer.
[0046]
In FIG. 5, p-type Al x Ga 1-x N layer 11 and n-type Al y Ga 1-y The multiple well layer 15 is provided between the N-type layer 12 and the N-type layer 12. The multiple well layer 15 is made of In q Ga 1-q A well layer 13 made of N (0 <q ≦ 1) and In adjacent to the well layer r Ga 1-r It is configured by alternately laminating a plurality of barrier layers 14 made of N (0 ≦ r <1). The barrier layer is set so as to have a large band gap energy with respect to the adjacent well layer, and the well layers are set so that the band gap energies are different from each other. Furthermore, p-type Al x Ga 1-x N-type Al from layer 11 of N y Ga 1-y A well layer and n-type Al y Ga 1-y The band gap energy difference between the N-type layer 12 and the barrier layer is set so as to gradually decrease.
[0047]
A p-type Al is applied to the semiconductor light emitting device having such a configuration. x Ga 1-x The holes supplied from the N layer 11 and the n-type Al y Ga 1-y The electrons supplied from the N layer 12 are leaked to the respective well layers and are recombined in the respective well layers, so that light is emitted at a wavelength corresponding to the band gap energy of the respective well layers. it can. The intensity of light emitted from each well layer can be controlled by adjusting the amount of holes or electrons leaking from the well layer to the adjacent well layer.
[0048]
In FIG. 6, p-type Al x Ga 1-x N layer 11 and n-type Al y Ga 1-y The multiple well layer 15 is provided between the N-type layer 12 and the N-type layer 12. The multiple well layer 15 is made of In q Ga 1-q A well layer 13 made of N (0 <q ≦ 1) and In adjacent to the well layer r Ga 1-r It is configured by alternately laminating a plurality of barrier layers 14 made of N (0 ≦ r <1). The barrier layer has a large band gap energy in relation to an adjacent well layer, and the band gap energy of the well layer is p-type Al. x Ga 1-x N-type Al from layer 11 of N y Ga 1-y It is set so as to gradually decrease toward the layer 12 made of N.
[0049]
A p-type Al is applied to the semiconductor light emitting device having such a configuration. x Ga 1-x The holes supplied from the N layer 11 and the n-type Al y Ga 1-y The electrons supplied from the N layer 12 are leaked to the respective well layers and are recombined in the respective well layers, so that light is emitted at a wavelength corresponding to the band gap energy of the respective well layers. it can. In addition, by arranging each well layer so that the band gap energy of the well layer on the emission side is increased, emitted light can be made hard to be absorbed by the well layer. The intensity of light emitted from each well layer can be controlled by adjusting the amount of holes or electrons leaking from the well layer to the adjacent well layer.
[0050]
In FIG. 7, p-type Al x Ga 1-x N layer 11 and n-type Al y Ga 1-y The multiple well layer 15 is provided between the N-type layer 12 and the N-type layer 12. The multiple well layer 15 is made of In q Ga 1-q A well layer 13 made of N (0 <q ≦ 1) and In adjacent to the well layer r Ga 1-r It is configured by alternately laminating a plurality of barrier layers 14 made of N (0 ≦ r <1). The barrier layer is formed so that the band gap energy becomes large in relation to the adjacent well layer, and the p-type Al x Ga 1-x N-type Al from layer 11 of N y Ga 1-y The band gap energy is set so as to gradually decrease toward the N layer 12. Furthermore, p-type Al x Ga 1-x N-type Al from layer 11 of N y Ga 1-y A well layer and n-type Al y Ga 1-y The band gap energy difference between the N-type layer 12 and the barrier layer is set so as to gradually decrease. The band gap energy of the well layer is p-type Al x Ga 1-x N-type Al from layer 11 of N y Ga 1-y It is set so as to gradually decrease toward the layer 12 made of N.
[0051]
A p-type Al is applied to the semiconductor light emitting device having such a configuration. x Ga 1-x The holes supplied from the N layer 11 and the n-type Al y Ga 1-y The electrons supplied from the N layer 12 are leaked to the respective well layers and are recombined in the respective well layers, so that light is emitted at a wavelength corresponding to the band gap energy of the respective well layers. it can. In addition, by arranging each well layer so that the band gap energy of the well layer on the emission side is increased, emitted light can be made hard to be absorbed by the well layer. The intensity of light emitted from each well layer can be controlled by adjusting the amount of holes or electrons leaking from the well layer to the adjacent well layer.
[0052]
Further, by adjusting the thickness of the barrier layer between the light emitting well layer and another light emitting well layer, the amount of holes or electrons leaking from the well layer to the adjacent well layer can be changed. it can. For example, when the thickness of the barrier layer is increased, the amount of holes or electrons leaking from the well layer to the adjacent well layer is reduced, and when the thickness of the barrier layer is reduced, the leakage from the well layer to the adjacent well layer is reduced. The leakage amount of holes or electrons increases. With this structure, the intensity of light emitted from each well layer can be controlled.
[0053]
By adjusting the bandgap energy of each well layer to control the wavelength of light emitted in each well layer, a desired color can be obtained. A desired color can be obtained by controlling the intensity of emitted light by adjusting the band gap energy of the well layer, the band gap energy of the barrier layer, and the thickness of the barrier layer in combination. Further, by adjusting the bandgap energy of each well layer, the bandgap energy of the barrier layer, and the thickness of the barrier layer in combination to control the wavelength and intensity of emitted light simultaneously, a desired color can be obtained. be able to.
[0054]
Therefore, with the semiconductor light emitting device of the present embodiment, it is possible to emit light at a plurality of wavelengths in a single chip semiconductor light emitting device.
[0055]
The emitted light is n-type Al y Ga 1-y When the light is emitted from the side of the layer 12 made of N, the light can be efficiently emitted. x Ga 1-x The light may be emitted from the side of the layer 11 made of N. Further, the light may be emitted from the end face.
[0056]
If the wavelengths λ1, λ2, λ3 to emit light are red, green, and blue, respectively, white can be obtained by mixing colors. Even if the colors are not exactly red, green, and blue, it is also possible to control the intensity and the wavelength so that a mixed color is made white. The same applies to four or more wavelengths. In addition, white light can be emitted by emitting light at two wavelengths and controlling the intensity and the wavelength. Further, by simultaneously controlling the intensity and the wavelength, a desired color can be obtained.
[0057]
The difference in band gap energy between the well layer and the adjacent barrier layer is preferably 100 meV or less.
[0058]
(Embodiment 3)
FIG. 8 shows an energy band diagram of the semiconductor light emitting device according to the embodiment of the present invention. In FIG. 8, 11 is p-type Al x Ga 1-x A layer made of N, 12 is an n-type Al y Ga 1-y A layer made of N, 13 is In q Ga 1-q A well layer made of N; r Ga 1-r An N barrier layer 15 is a multiple well layer.
[0059]
In FIG. 8, p-type Al x Ga 1-x N layer 11 and n-type Al y Ga 1-y The multiple well layer 15 is provided between the N-type layer 12 and the N-type layer 12. The multiple well layer 15 is made of In q Ga 1-q A well layer 13 made of N (0 <q ≦ 1) and In adjacent to the well layer r Ga 1-r It is configured by alternately laminating a plurality of barrier layers 14 made of N (0 ≦ r <1). The thickness of the barrier layer 14 is desirably 10 nm or less, which is shorter than the wavelength of holes and electrons.
[0060]
p-type Al x Ga 1-x N layer 11 and n-type Al y Ga 1-y When a voltage is applied between the N-type layer 12 and the N-type layer 12, the p-type Al x Ga 1-x Holes are supplied from the N layer 11 and n-type Al y Ga 1-y Electrons are supplied from the N layer 12. When the thickness of the barrier layer between the well layer and the adjacent well layer is set to 10 nm or less, which is shorter than the wavelength of holes and electrons, electrons and holes can also be present in the adjacent well layer by a tunnel effect. . Therefore, holes and electrons are recombined in each well layer to emit light. The well layers are set to have different band gap energies.
[0061]
Since the effective mass of electrons is smaller than the effective mass of holes, recombination of holes and electrons due to the tunnel effect is governed by holes. Therefore, the thickness of the barrier layer is changed to p-type Al x Ga 1-x When the thickness is set so as to become thinner in order from the side of the layer 11 made of N, the holes become n-type Al. y Ga 1-y It can also be present in a well layer near the N layer 12. In FIG. 8, t1> t2. By adjusting the thickness of the barrier layer, the rate of recombination of holes and electrons due to the tunnel effect can be changed. That is, the intensity of light emitted from each well layer can be controlled by adjusting the existence probability of holes and electrons in adjacent well layers due to the tunnel effect. In addition, by adjusting the band gap energy of each well layer, light can be emitted at a wavelength corresponding to the band gap energy.
[0062]
Therefore, with the semiconductor light emitting device of the present embodiment, it is possible to emit light at a plurality of wavelengths in a single chip semiconductor light emitting device.
[0063]
The emitted light is n-type Al y Ga 1-y When the light is emitted from the side of the layer 12 made of N, the light can be efficiently emitted. x Ga 1-x The light may be emitted from the side of the layer 11 made of N. Further, the light may be emitted from the end face.
If the wavelengths λ1, λ2, λ3 to emit light are red, green, and blue, respectively, white can be obtained by mixing colors. Even if the colors are not exactly red, green, and blue, the intensity and the wavelength can be adjusted to make a mixed color white. The same applies to four or more wavelengths. It is also possible to emit light at two wavelengths and adjust the intensity and wavelength to make the color white. Further, a desired color can be obtained by adjusting the intensity and the wavelength.
[0064]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, a single chip semiconductor light emitting device can emit light at a plurality of wavelengths.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration of a conventional semiconductor white light emitting device.
FIG. 2 is an energy band diagram illustrating excitation by emitted light according to an embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a diagram illustrating an energy band in which the amount of emitted light absorbed is changed according to the embodiment of the present invention.
FIG. 4 is an energy band diagram illustrating leakage of holes and electrons according to an embodiment of the present invention.
FIG. 5 is an energy band diagram illustrating leakage of holes and electrons according to an embodiment of the present invention.
FIG. 6 is an energy band diagram illustrating leakage of holes and electrons according to the embodiment of the present invention.
FIG. 7 is an energy band diagram for explaining leakage of holes and electrons according to the embodiment of the present invention.
FIG. 8 is an energy band diagram illustrating tunneling of holes and electrons according to an embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
11: p-type Al x Ga 1-x Layer consisting of N
12: n-type Al y Ga 1-y Layer consisting of N
13: In q Ga 1-q Well layer made of N
14: In r Ga 1-r Barrier layer made of N
15: Multiple well layer

Claims (13)

ｐ型ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）からなる層と、ｎ型ＡｌｙＧａ１−ｙＮ（０≦ｙ≦１）からなる層とではさまれた多重井戸層が、
ＩｎｑＧａ１−ｑＮ（０＜ｑ≦１）からなる井戸層と、該井戸層に隣接するＩｎｒＧａ１−ｒＮ（０≦ｒ＜１）からなる障壁層であって隣接する井戸層との間ではｒ＜ｑの関係になる障壁層とが交互に複数積層された層を含み、
発光させる井戸層はそれぞれ異なる構成比ｑを有し、
井戸層で発光させた光で、発光した該井戸層よりもバンドギャップエネルギーの小さい井戸層を励起して発光させる半導体発光素子。A multi-well layer sandwiched between a layer composed of p-type Al x Ga 1-x N (0 ≦ x ≦ 1) and a layer composed of n-type Al y Ga 1-y N (0 ≦ y ≦ 1)
In q Ga 1-q N ( 0 <q ≦ 1) and a well layer made of, In r Ga 1-r N (0 ≦ r <1) well adjacent a barrier layer consisting of adjacent well layer A plurality of alternately stacked layers with barrier layers having a relationship of r <q between the layers;
The light emitting well layers each have a different composition ratio q,
A semiconductor light-emitting element in which light emitted from a well layer excites a well layer having a smaller band gap energy than the light-emitting well layer to emit light. ｐ型ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）からなる層と、ｎ型ＡｌｙＧａ１−ｙＮ（０≦ｙ≦１）からなる層とではさまれた多重井戸層が、
ＩｎｑＧａ１−ｑＮ（０＜ｑ≦１）からなる井戸層と、該井戸層に隣接するＩｎｒＧａ１−ｒＮ（０≦ｒ＜１）からなる障壁層であって隣接する井戸層との間ではｒ＜ｑの関係になる障壁層とが交互に複数積層された層を含み、
発光させる井戸層の構成比ｑをｐ型ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）からなる層の側から漸増させた半導体発光素子。A multi-well layer sandwiched between a layer composed of p-type Al x Ga 1-x N (0 ≦ x ≦ 1) and a layer composed of n-type Al y Ga 1-y N (0 ≦ y ≦ 1)
In q Ga 1-q N ( 0 <q ≦ 1) and a well layer made of, In r Ga 1-r N (0 ≦ r <1) well adjacent a barrier layer consisting of adjacent well layer A plurality of alternately stacked layers with barrier layers having a relationship of r <q between the layers;
The composition ratio q of the emitted to the well layer p-type Al x Ga 1-x N ( 0 ≦ x ≦ 1) semiconductor light-emitting device is gradually increased from the side of the layer made of. 請求項１又は２に記載の半導体発光素子において、前記井戸層がそれぞれ異なる厚さを有することを特徴とする半導体発光素子。3. The semiconductor light emitting device according to claim 1, wherein said well layers have different thicknesses. ｐ型ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）からなる層と、ｎ型ＡｌｙＧａ１−ｙＮ（０≦ｙ≦１）からなる層とではさまれた多重井戸層が、
ＩｎｑＧａ１−ｑＮ（０＜ｑ≦１）からなる井戸層と、該井戸層に隣接するＩｎｒＧａ１−ｒＮ（０≦ｒ＜１）からなる障壁層であって隣接する井戸層との間ではｒ＜ｑの関係になる障壁層とが交互に複数積層された層を含み、
発光させる井戸層はそれぞれ異なる構成比ｑを有し、
前記ｐ型ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）からなる層から供給された正孔と前記ｎ型ＡｌｙＧａ１−ｙＮ（０≦ｙ≦１）からなる層から供給された電子とを前記井戸層で再結合させることにより異なる波長で発光させる半導体発光素子。A multi-well layer sandwiched between a layer composed of p-type Al x Ga 1-x N (0 ≦ x ≦ 1) and a layer composed of n-type Al y Ga 1-y N (0 ≦ y ≦ 1)
In q Ga 1-q N ( 0 <q ≦ 1) and a well layer made of, In r Ga 1-r N (0 ≦ r <1) well adjacent a barrier layer consisting of adjacent well layer A plurality of alternately stacked layers with barrier layers having a relationship of r <q between the layers;
The light emitting well layers each have a different composition ratio q,
The holes supplied from the layer made of the p-type Al x Ga 1-x N (0 ≦ x ≦ 1) and the holes supplied from the layer made of the n-type Al y Ga 1-y N (0 ≦ y ≦ 1). A semiconductor light emitting device that emits light at different wavelengths by recombination of the electrons with the well layer. ｐ型ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）からなる層と、ｎ型ＡｌｙＧａ１−ｙＮ（０≦ｙ≦１）からなる層とではさまれた多重井戸層が、
ＩｎｑＧａ１−ｑＮ（０＜ｑ≦１）からなる井戸層と、該井戸層に隣接するＩｎｒＧａ１−ｒＮ（０≦ｒ＜１）からなる障壁層であって隣接する井戸層との間ではｒ＜ｑの関係になる障壁層とが交互に複数積層された層を含み、
発光させる井戸層はそれぞれ異なる構成比ｑを有し、
前記障壁層の構成比ｒをｐ型ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）からなる層の側から漸減させた半導体発光素子。A multi-well layer sandwiched between a layer composed of p-type Al x Ga 1-x N (0 ≦ x ≦ 1) and a layer composed of n-type Al y Ga 1-y N (0 ≦ y ≦ 1)
In q Ga 1-q N ( 0 <q ≦ 1) and a well layer made of, In r Ga 1-r N (0 ≦ r <1) well adjacent a barrier layer consisting of adjacent well layer A plurality of alternately stacked layers with barrier layers having a relationship of r <q between the layers;
The light emitting well layers each have a different composition ratio q,
Semiconductor light-emitting device is gradually decreased from the side of the composed the composition ratio r of the barrier layer from the p-type Al x Ga 1-x N ( 0 ≦ x ≦ 1) layer. 請求項４又は５に記載の半導体発光素子において、発光させる井戸層と該井戸層のｎ型ＡｌｙＧａ１−ｙＮ（０≦ｙ≦１）からなる層の側に隣接する障壁層とのバンドギャップエネルギー差を、前記ｐ型ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）からなる層の側から漸減させたことを特徴とする半導体発光素子。The semiconductor light emitting device according to claim 4 or 5, the barrier layer adjacent to the side of the layer of n-type Al y Ga 1-y N well layers and the well layer to emit light (0 ≦ y ≦ 1) the bandgap energy difference, the p-type Al x Ga 1-x N ( 0 ≦ x ≦ 1) semiconductor light emitting device characterized in that is gradually decreased from the side of the layer made of. 請求項４乃至６に記載の半導体発光素子において、発光させる井戸層の構成比ｑを前記ｐ型ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）からなる層の側から漸増させることを特徴とする半導体発光素子。7. The semiconductor light emitting device according to claim 4, wherein the composition ratio q of the well layer to emit light is gradually increased from the side of the p-type Al x Ga 1 -xN (0 ≦ x ≦ 1) layer. Semiconductor light emitting device. 請求項１乃至７に記載の半導体発光素子において、発光させる井戸層と他の発光させる井戸層との間の障壁層がそれぞれ異なる厚さを有することを特徴とする半導体発光素子。8. The semiconductor light emitting device according to claim 1, wherein barrier layers between the light emitting well layer and another light emitting well layer have different thicknesses. ｐ型ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）からなる層と、ｎ型ＡｌｙＧａ１−ｙＮ（０≦ｙ≦１）からなる層とではさまれた多重井戸層が、
ＩｎｑＧａ１−ｑＮ（０＜ｑ≦１）からなる井戸層と、該井戸層に隣接するＩｎｒＧａ１−ｒＮ（０≦ｒ＜１）からなる障壁層であって隣接する井戸層との間ではｒ＜ｑの関係になる障壁層とが交互に複数積層された層を含み、
発光させる井戸層がそれぞれ異なる構成比ｑを有し、
隣接する井戸層にトンネル効果で存在させた正孔と電子とを再結合させることにより発光させる半導体発光素子。A multi-well layer sandwiched between a layer composed of p-type Al x Ga 1-x N (0 ≦ x ≦ 1) and a layer composed of n-type Al y Ga 1-y N (0 ≦ y ≦ 1)
In q Ga 1-q N ( 0 <q ≦ 1) and a well layer made of, In r Ga 1-r N (0 ≦ r <1) well adjacent a barrier layer consisting of adjacent well layer A plurality of alternately stacked layers with barrier layers having a relationship of r <q between the layers;
The light emitting well layers have different composition ratios q,
A semiconductor light-emitting device that emits light by recombining holes and electrons that exist in an adjacent well layer due to a tunnel effect. ｐ型ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）からなる層と、ｎ型ＡｌｙＧａ１−ｙＮ（０≦ｙ≦１）からなる層とではさまれた多重井戸層が、
ＩｎｑＧａ１−ｑＮ（０＜ｑ≦１）からなる井戸層と、該井戸層に隣接するＩｎｒＧａ１−ｒＮ（０≦ｒ＜１）からなる障壁層であって隣接する井戸層との間ではｒ＜ｑの関係になる障壁層とが交互に複数積層された層を含み、
発光させる井戸層がそれぞれ異なる構成比ｑを有し、
障壁層の厚さを１０ｎｍ以下であって、且つ前記ｐ型ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）からなる層の側から順に薄くなるように設定した半導体発光素子。A multi-well layer sandwiched between a layer composed of p-type Al x Ga 1-x N (0 ≦ x ≦ 1) and a layer composed of n-type Al y Ga 1-y N (0 ≦ y ≦ 1)
In q Ga 1-q N ( 0 <q ≦ 1) and a well layer made of, In r Ga 1-r N (0 ≦ r <1) well adjacent a barrier layer consisting of adjacent well layer A plurality of alternately stacked layers with barrier layers having a relationship of r <q between the layers;
The light emitting well layers have different composition ratios q,
The thickness of the barrier layer comprising at 10nm or less, and the p-type Al x Ga 1-x N ( 0 ≦ x ≦ 1) semiconductor light-emitting elements set as order becomes thinner from the side of the layer made of. 請求項９又は１０に記載の半導体発光素子において、井戸層の構成比ｑを前記ｐ型ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）からなる層の側から漸増させたことを特徴とする半導体発光素子。11. The semiconductor light emitting device according to claim 9, wherein the composition ratio q of the well layer is gradually increased from the side of the p-type Al x Ga 1-x N (0 ≦ x ≦ 1) layer. Semiconductor light emitting device. 請求項１乃至１１に記載の半導体発光素子において、前記井戸層で発光させた光を前記ｐ型ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）からなる層の側から面出射させることを特徴とする半導体発光素子。The semiconductor light emitting device according to claim 1 to 11, that is a surface emitted from the side of the layer composed of the light obtained by emitting p-type Al x Ga 1-x N ( 0 ≦ x ≦ 1) in the well layer Characteristic semiconductor light emitting device. 請求項１乃至１２に記載の半導体発光素子において、発光させた複数の光の混色が白色であることを特徴とする半導体発光素子。13. The semiconductor light emitting device according to claim 1, wherein a mixed color of the plurality of emitted lights is white.
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