JP2004207610A - 白色発光素子およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】基板1上に形成され、発光層4を含む窒化ガリウム系半導体発光素子において、発光層4は、周りの半導体の禁止帯幅より小さい禁止帯幅を有する粒状半導体である量子ドット5を複数個含み、複数の量子ドット5a,5b,5cの外径は、同一に揃わず変動範囲内にあり、各量子ドットはその外径に対応した波長の光を発する。
【選択図】 図1
Description
【発明の属する技術分野】
本発明は白色発光素子およびその製造方法に関し、とくに窒化ガリウム系化合物半導体を用いた白色発光素子およびその製造方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
近年、発光ダイオード(LED:Light Emitting Diode)の効率は飛躍的に向上しており、とくに発光材料として窒化ガリウム(GaN)が実用化されてから、青色や白色の発光が可能となり、LEDの適用範囲が大きく広がっている。このなかで白色発光素子は、液晶表示装置のバックライトへの適用にとどまらず、白熱電灯や蛍光灯に取って代わる可能性を秘めており、これまでに多くの提案がなされている。
【0003】
その一つの類型として、InGaN SQW(Superlattice Quantum Well)を用いた青色LEDと、黄色を中心に発光する蛍光体であるYAG(Yttrium Aluminum Garnet)とを組み合わせる白色発光素子が提案されている(特許文献1)。この白色発光素子では、YAGを青色光で励起して、青色光と黄色光との混合によって白色光を得る。
【0004】
また、他の例として、InとGaとを含む窒化物半導体内の単一層領域において2つ以上の発光スペクトルピークを発光する発光素子が提案されている(特許文献2)。この発光素子では、単一層内においてIn組成比が異なる2以上の混晶領域を形成し、各混晶領域でバンドギャップが相違すること、すなわち発光波長が変化することを利用する。
【0005】
また、窒化物半導体の発光層内に2以上のスペクトルピークを含む光を発光する多重構造を備えた発光素子が提案されている(特許文献3)。この多重構造を含む発光層は、複数の井戸層を有する多重量子井戸からなっている。この2つ以上のスペクトルピークを含む光は混合されて、白色光を提供する。
【0006】
【特許文献1】
特開平5−152609号公報
【0007】
【特許文献2】
特開2000−196142号公報
【0008】
【特許文献3】
特開2002−176198号公報
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の蛍光体を用いた白色発光素子では次のような問題がある。(1)蛍光材料の寿命が約5000〜10000時間と短いこと、(2)蛍光体の光変換効率が100%にならず(Stokes Shift)、発光効率に原理的制約があること、(3)青色光の強度の増加につれて蛍光材料の発光強度が飽和すること、および(4)青色と黄色との演色性に限界があること、などの問題がある。
【0010】
また、単一層内のIn組成比が異なる混晶を用いて2つ以上の発光ピークを得る発光素子では、Inの組成不安定領域が形成される成長条件を用いて発光層を形成する。このため、In組成比の異なる混晶領域を安定して再現することができない。
【0011】
また、多重量子井戸構造により2つ以上の発光ピークを含む光を出す発光素子では、膜厚が厚くなり成膜時間が長くなり、製造費用の低減が制限される。さらに、複数の井戸に電流注入して発光させるため、縦方向の電気抵抗が高くなることが避けられない。
【0012】
本発明は、長寿命で、発光効率が高く、演色性が高く、製造しやすい白色発光素子およびその製造方法を提供することを目的とする。
【0013】
【課題を解決するための手段】
本発明の白色発光素子は、基板上に形成され、発光層を含む窒化ガリウム系半導体発光素子において、発光層は、周りの半導体の禁止帯幅より小さい禁止帯幅を有する粒状半導体である量子ドットを複数個含む。そして、複数の量子ドットの外径は、同一に揃わず変動範囲内にあり、各量子ドットはその外径に対応した波長の光を発する。
【0014】
複数の量子ドットはバンドギャップ(禁止帯幅の大きさ)が周囲の半導体のバンドギャップより小さく、そのキャリアが閉じ込められるので、高い発光効率で発光させることができる。そして、発光波長は量子ドットの外径に対応する。すなわち、量子ドットにおいては、微小領域への閉じ込めにより、伝導帯や価電子帯は離散化し、その離散化の広がりの程度は外径が小さいほど大きくなる。このため、発光波長も量子ドットの外径サイズに対応して変化する。上記のように、量子ドットの外径は同一ではなく変動範囲内に分布をもつので、発光波長も幅を持つ。たとえば赤色光から青色光にわたる波長域の光を発光させ、これらを混合すれば、所望の白色光を得ることができる。
【0015】
したがって、高い演色性を確保することができる。量子ドットからの発光は、上述のように、非常に発光効率が高いことが知られており、優れた発光効率を得ることができる。また、蛍光材料のように寿命を制約する因子がないので、長寿命を得ることができる。
【0016】
上記量子ドットは、成膜条件の調整などにより自発的に自己形成されることが知られており、成膜条件を把握すれば製造は容易である。また、量子ドットの外径は、後に説明するように、たとえば発光層の下地層の貫通転位密度を変動させて分布させることにより、その貫通転位密度と相関をもつように自己形成することができる。また、他の方法で上記の外径を変動させてもよい。なお、上記量子ドットはTEM(Transmission Electron Microscopy:薄膜透過電子顕微鏡観察)、カソードルミネッセンス観察、AFM(Atomic Force Microscopy)などにより容易に観察することができる。また、その他の市販のナノテクノロジ用の観察装置を用いて観察してもよい。この後で説明する量子細線や量子井戸についても同様である。
【0017】
本発明の別の白色発光素子は、発光層を含む窒化ガリウム系半導体発光素子において、発光層は、周りの半導体の禁止帯幅より小さい禁止帯幅を有する線状半導体である量子細線を複数本含む。そして、複数本の量子細線の幅は、同一に揃わず変動範囲内にあり、各量子細線はその幅に対応した波長の光を発する。
【0018】
上記量子ドットがキャリアの閉じ込めによる高効率発光のゼロ次元(点)版とすると、上記構成における量子細線は、その1次元(線)版といえる。このため、製造方法を除いて、上記量子ドットで述べた作用効果をそのまま引用することができる。製造方法については、基板を傾斜させるなどして成膜することにより量子細線を得ることができる。その他、これまでに既知の方法を適用することができる。
【0019】
本発明のさらに別の白色発光素子は、発光層を含む窒化ガリウム系半導体発光素子において、記発光層は、周りの半導体の禁止帯幅より小さい禁止帯幅を有する層状半導体である量子井戸層を含む。そして、量子井戸層の厚みは、均一でなく変動範囲内にあり、量子井戸は各位置でその厚みに対応した波長の光を発する。
【0020】
上記量子井戸は多くの半導体装置において用いられており、容易に形成することができる。量子井戸層の厚みの変動は、たとえば、上記のように貫通転位密度の高低を空間的に配置し、エピタキシャル成膜の際の成膜速度の差を利用して形成することができる。
【0021】
本発明の上記白色発光素子を包含する発明は、基板上に形成され、発光層を含む窒化ガリウム系半導体発光素子において、発光層は、周りの半導体の禁止帯幅より小さい禁止帯幅を有する半導体部を含む。そして、小さい禁止帯幅の半導体部は、発光波長に対応する半導体部の波長対応寸法が、同一に揃わずまたは均一でなく変動範囲内にあり、半導体部は、各位置において、その波長対応寸法に対応した波長の光を発する。
【0022】
上記の構造により、波長対応寸法が単一ではなく幅をもって分布するので、高い発光効率で発光する光の波長も幅を持つ。このためこれら複数の波長の光を適宜混合することにより、優れた演色性を確保して、所望のトーンの白色を得ることができる。上記の波長対応寸法は、量子ドットの場合は外径寸法であり、量子細線の場合は細線の幅寸法であり、量子井戸層の場合は厚み寸法である。
【0023】
また、上記の発光層は、貫通転位がその密度を変化させて分布する下地のエピタキシャル層の上にエピタキシャル成長しており、発光波長に対応する半導体の部分の寸法の分布が、貫通転位の密度の分布と相関するようにできる。
【0024】
エピタキシャル成長において、下地膜中の貫通転位はその上に形成されるエピタキシャル膜に継承される。そして、エピタキシャル膜中の貫通転位は、量子ドットの外径などの寸法や、Inなどの不純物の濃度に大きな影響を及ぼす。このため、下地膜に貫通転位をその密度を調整して分布させることにより、量子ドットなどの寸法やIn濃度を意図するように変化させて分布させることができる。
【0025】
ここで、上記の基板では、貫通転位がその密度を変化させて分布しており、発光層はその基板上にエピタキシャル成長された多層構造の中に形成されており、発光層の下地のエピタキシャル層における貫通転位は、基板から継承され延ばされるようにできる。
【0026】
上記の基板として、たとえば、平均の貫通転位密度5E7cm-2以上の閉鎖欠陥集合領域Hと、平均の貫通転位密度5E6cm-2以下の単結晶低転位余領域Yと、平均の貫通転位密度3E7cm-2以下の単結晶低転位随伴領域Zとを有するGaN基板を用いるのがよい。高密度に貫通転位が分布する閉鎖欠陥集合領域Hと、中程度の貫通転位密度の単結晶低転位随伴領域Zと、低い貫通転位密度の単結晶低転位余領域Yとが適当に分布するように、GaNの単結晶を製造することができる。以後の説明において、このような基板を転位密度分布基板と呼ぶ。
【0027】
上記基板中の貫通転位は、エピタキシャル成長した半導体層に引き継がれ、発光層を形成する際の下地層に延長される。このため、貫通転位の密度の高低のある下地層の上に発光層を形成することになる。貫通転位密度の高低は、量子ドットなどの形成において外径を変化させる作用を有し、このため、上記下地層上に接して形成される発光層中の量子ドットの径に大小を生起させる。このため、容易に量子ドットの外径や量子井戸の厚みなどの波長対応寸法を変動させることができる。
【0028】
上記の基板とその発光層との間に、開口部を有する選択成長マスクをさらに備え、発光層の下地のエピタキシャル層における貫通転位は、その選択成長マスクの上にエピタキシャル成長された半導体層から上方の発光層側へと生じている貫通転位を継承し延ばしたものである。
【0029】
上記の下地膜中の貫通転位は、成膜途中に選択成長マスクを用いて、基板とは無関係に貫通転位密度の高低を位置によって変化するように形成したものを継承している。開口部を有する選択成長マスクにエピタキシャル膜を形成するとき、平面的に見て開口部の中央付近に結晶配列の食い違いが集積し、貫通転位密度は最も高くなる。また、隣り合う開口部と開口部との中間位置のマスク部(遮蔽部)上において、開口部を埋めた薄膜同士が会合するので、やはり結晶配列の食い違いが集積し、中程度の貫通転位密度となる。その他の部分の貫通転位密度は、上記部分より低くなる。このような、貫通転位密度分布を、上方に形成されるエピタキシャル膜に継承させ延ばすことにより、量子ドットサイズやIn濃度を位置によって変動させることができる。また、上記基板と選択成長マスクとの両方を組み合わせてもよい。
【0030】
また、上記の発光波長に対応する半導体の部分の寸法を、1nm以上100nm以下とすることができる。
【0031】
上記半導体の部分の寸法をこの寸法範囲内に分布させることにより、キャリア閉じ込めの量子効果を得ることができ、伝導帯や価電子帯の離散化による高い発光効率と、発光波長の変調を得ることができる。これら寸法は、上述のTEM、AFM、カソードルミネッセンス観察などを用いて測定することができる。
【0032】
また、発光層はInを含み、発光層におけるInの濃度が発光層内で均一でなく位置によって変化するようにできる。さらに、発光する部分の半導体内におけるInの濃度が、発光波長が対応するその半導体の部分について同一に揃わずまた均一でなく、半導体の部分の寸法に応じて変化するようにできる。
【0033】
In濃度が高くなると、禁止帯のギャップが小さくなり長波長の発光をする。このため、上記キャリア閉じ込めの量子効果に加えて、In濃度による波長変動を得ることができる。
【0034】
本発明の上記と相違する白色発光素子は、基板上に形成され、Inを含む発光層を備える窒化ガリウム系半導体発光素子において、発光層は、貫通転位がその密度を変化させて分布する下地のエピタキシャル層の上にエピタキシャル成長している。そして、In濃度がその発光層のなかで均一でなく位置によって変化しており、そのIn濃度の分布の変化が、前記下地膜の貫通転位密度の分布と相関している。
【0035】
上記の構成により、貫通転位密度の高低に応じて発光層中のIn濃度が変動する現象を利用して、In濃度が高い領域と、低い領域とを容易に形成することができる。上記の貫通転位密度は、上述のように、基板の貫通転位が継承され延びたものとしてもよいし、その選択成長マスクの上にエピタキシャル成長された半導体層から上方の前記発光層側へと生じている貫通転位が継承され延びたものとしてもよい。
【0036】
このため、たとえば、発光層をAlGaInN層とする場合、In濃度が高い領域はAl濃度が低くなり、In濃度の変化よりもバンドギャップの狭小化を促進させることができる。
【0037】
また、上記In濃度の空間変動とは別に、発光層は、周りの半導体の禁止帯幅より小さい禁止帯幅を有する半導体部を含み、小さい禁止帯幅の半導体部は、発光波長に対応する半導体部の波長対応寸法が、同一に揃わずまた均一でなく変動範囲内で変動するようにできる。
【0038】
この構成により、キャリア閉じ込めサイズの変動による多色発光に加えて、In濃度の変動による多色発光を得ることができる。このため、演色性を向上させることができる。上記の発光層は、貫通転位がその密度を変化させて分布する基板上にエピタキシャル成長された多層構造の中に形成されてもよい。この場合、In濃度の分布が、基板の貫通転位の密度の分布と相関している。また、上記発光層は、貫通転位がその密度を変化させて分布する半導体層の上にエピタキシャル成長されており、In濃度の分布が、貫通転位の密度の分布と相関するようにすることもできる。
【0039】
また、上記の発光層は、p型およびn型窒化ガリウム系半導体によってはさまれるように配置するのがよい。
【0040】
この構成により、発光層にキャリアを注入することができ、外部からの入力により持続的な発光を行なうことができる。
【0041】
また、白色発光素子が形成される基板として、GaN、AlN、GaAs、Si、サファイア、SiCおよびZrB2のうちのいずれかの材料を用いることができる。これらの基板は入手が容易であり、これら基板を用いてエピタキシャル成長した多層構造を形成することができ、白色発光素子を製造することができる。また、貫通転位密度の分布の制御を容易に行なうことができる。
【0042】
また、選択成長マスクが、SiO2、SiNおよびSiONのいずれかの材料から形成されるようにできる。これらの材料は、化学的安定性、熱的安定性、機械強度に優れるために、安定して歩留りよく上記の目的を達成することができる。これらの材料から形成される選択成長マスクを用いて、貫通転位密度が位置によって変化しているエピタキシャル成長膜を得ることができる。
【0043】
上記の選択成長マスクは絶縁体であるので、p型電極およびn型電極の2つの電極の間に、選択成長マスクを介在させないように上記2つの電極を配置する。
【0044】
本発明の白色発光素子の製造方法は、発光層を備える窒化ガリウム系半導体発光素子の製造方法であって、貫通転位密度が変化して分布する基板を準備する工程と、基板上にエピタキシャル膜を成長させ、発光する半導体の部分を含む発光層を形成する工程とを備える。
【0045】
また、基板は、貫通転位密度の基板内での分布を制御して製造されたものとすることができる。
【0046】
この構成により、たとえば白色LED1個当り、必ず貫通転位密度の高い領域を含ませ、ウェハに形成する各LEDに確実に所定の波長域の発光を可能にすることができる。すなわち、歩留りのよい白色LEDの製造を可能にする。
【0047】
本発明の上記とは別の白色発光素子の製造方法は、基板上に形成され、発光層を備える窒化ガリウム系半導体発光素子の製造方法であって、基板上に、複数の開口部が設けられた選択成長マスクを配置する工程と、開口部における半導体の表面に第1の半導体膜を成長させて覆い、さらに開口部を埋める工程とを備える。また、第1の半導体膜の上に第2の半導体膜を成長させる工程と、さらに第2の半導体膜の上に発光層を形成する工程を備える。そして、選択成長マスクの開口部の存在により、第2の半導体膜を、その中の貫通転位密度が変化して分布するように形成する。
【0048】
この方法によれば、平面的に見て、(a1)開口部の中央部分、および(a2)隣り合う開口部を埋めた膜同士の縁が会合する部分において貫通転位密度は高くなる。(a1)の方が(a2)のそれより貫通転位密度は高くなる。したがって、貫通転位密度の高い部分、中くらいの部分、低い部分のように3レベルの領域を得ることができる。これらの3レベルの領域が1つのLEDに含まれるように選択成長マスクを形成することができる。なお、第1の半導体膜と第2の半導体膜との間に、他の半導体膜が形成されてもよい。
【0049】
上記発光層の形成工程では、周りの半導体の禁止帯幅より小さい禁止帯幅を有する半導体部を含む窒化ガリウム系半導体膜を形成し、小さい禁止帯幅の半導体部における、発光波長に対応する半導体部の波長対応寸法を、同一に揃えずまた均一にせず変動範囲内で変動させるように形成することができる。また、発光層の形成工程では、Inを含む窒化ガリウム系半導体層を形成し、そのIn濃度がその発光層内で均一にならず位置によって変動するように形成することができる。
【0050】
【発明の実施の形態】
次に図面を用いて本発明の実施の形態について説明する。図1(a)、(b)〜図3(a)、(b)は、本発明の実施の形態における白色発光素子10を示す概略断面図である。図1(a)では、発光層4の中に外径の異なる量子ドット5a,5b,5cが形成されている。発光層4はInGaNにより形成され、量子ドット5はInGaNによって形成されている。外径の寸法は、大きい径の量子ドット5a、中サイズの量子ドット5b、小サイズの量子ドット5cのように、必ずしも周期的に並んで配置されている必要はない。量子ドット間の間の距離もとくに限定はなく、ランダムであってもよいし、ある部分は間隔がなく密集していてもよい。
【0051】
図1(b)では発光層4は、隣接層よりバンドギャップが小さい量子井戸25として形成されている。量子井戸の厚さについても、厚い量子井戸部25a、中くらいの厚さの部分25bおよびそれより薄い厚さの部分25c、のように周期的に並んでいる必要はない。量子井戸25として形成されている発光層4は、InGaNにより形成されている。
【0052】
図2(a)は、発光層4の中に、発光層4を形成するInGaNのIn濃度の高低の変動が厚み方向にも生じている場合を示す図である。In濃度の高濃度領域35a、中濃度領域35b、低濃度領域35cが形成されている。図2(b)の場合は、発光層の厚み方向に沿ってIn濃度は一定であるが、平面的に見てIn濃度の変動が生じている。すなわち断面においてパッチ状に一定濃度範囲内のInの分布域が生じている。
【0053】
図3(a)は量子ドット中のIn濃度がその外径に応じて変化していることを示す図である。同図では、外径が大きい量子ドット内のIn濃度が高い場合を示しているが、外径が大きい量子ドットのIn濃度が低い場合もある。図3(b)は、発光層中に厚みが変動する量子井戸が配置され、さらに発光層にIn濃度の変動が生じている場合を示す図である。同図では、量子井戸の厚い部分にIn濃度が高い部分が重畳しているが、量子井戸の薄い部分にIn濃度の低い部分が重畳してもよい。
【0054】
図4は、量子ドットの発光原理を示す図である。発光層4は、p型半導体層とn型半導体層とにはさまれており、外側から順方向電圧を印加され電流を注入されると、発光層内に、それぞれの半導体層における多数キャリアが注入される。これらキャリアは、バンドギャップが小さい量子ドット中に流れ込み、量子ドット中に閉じ込められる。量子ドット内では、伝導帯に位置する電子と価電子帯に位置する正孔とが再結合して光を放出する。量子ドットのバンドギャップは周囲の発光層のバンドギャップより小さいので、キャリアの閉じ込めが生じる。このため、発光効率は非常に高いものが得られる。このようなキャリアの閉じ込めは、量子細線や量子井戸でも生じ、同様に高い発光効率を得ることができる。
【0055】
量子ドットの外径や量子井戸の厚みを1nm〜100nmに設定する理由は次の理由による。すなわち、量子ドットの径を小さくしてゆくと、原子(イオン)が規則配列した固体の範疇を超え、伝導帯および価電子帯という概念が成り立たなくなり、図5に示すように、バンドは個々の原子のエネルギ準位に離散化される。量子ドットの外径や量子井戸の厚みが、1nmより小さい場合、バンド理論は適用できなくなり、個々の原子レベルの準位が形成され、可視光域の光の放出は望めなくなる。また、100nmより大きい場合には、伝導帯や価電子帯のエネルギ準位の離散化が生じず、量子ドットの外径に応じた波長の発光を得ることが困難になる。1nm〜100nmの範囲内において、寸法を変えることにより、発光波長を上記寸法に応じて変化させることができる。このため、量子ドットの外径、量子細線の幅、量子井戸の厚みは、1nm〜100nmとすることができる。
【0056】
上記の量子ドット、量子細線、量子井戸は、たとえば後に説明するように、発光層形成の際の下地膜内の貫通転位の密度分布を調整することによりなされる。また、別の方法により形成されてもよい。
【0057】
図6は、上記量子サイズが1nm〜100nmの範囲内で発光波長が変化することを示す図である。図5に示すように、離散化はエネルギレベルの上下方向に生じるので、発光スペクトルの半値幅は広くなる。離散化におけるエネルギ準位の変化の仕方から、量子サイズが大きいほうが発光波長が長くなる。しかし、In濃度の効果が追加される場合には、In濃度変動の効果が量子サイズ効果を上回り、量子サイズが大きいほうが発光波長が短くなる場合もある。
【0058】
図7は、発光波長に及ぼすIn濃度の影響を示す図である。In濃度が高いほうがエネルギギャップが小さくなり、発光波長は長くなる。とくに発光層をInGaNで形成した場合、In比率が高くなると、発光波長は長くなる。
【0059】
上記の発光波長の制御因子である、量子サイズおよび/またはIn濃度を調整することにより、複数の波長の発光を得ることができる。そして、これら複数の発光波長をRGBに対応させ、それぞれの発光強度を調整することにより、優れた演色性の白色光を得ることができる。図8は、上記の複数波長の発光を混合して得た白色光の一例を示す図である。
【0060】
(実施例1)
図9は、本発明の実施例1の白色発光素子を製造したMOVPE(Metal Organic Vapor Phase Epitaxy:有機金属気相成長法)装置を示す図である。フローチャネルG1,G2,G3からチャンバ内に導入された原料ガスは、基板1上に蒸着される。基板1は、サセプタ58の上に保持され、下方からヒータ56によって加熱される。反応が終了したガスは排出チャネルG4から排出される。
【0061】
用いる基板はGaN基板1であり、図10に示すように、貫通転位の高密度領域11aと、中密度領域11bと、低密度領域11cとが、分布している。すなわち、上述の転位密度分布基板を用いた。この貫通転位密度の分布はランダムでもよいし、規則配列していてもよい。GaN基板1をMOVPE装置内に配置した後、NH3とH2との混合ガス中でGaN基板をクリーニングした後、トリメチルガリウムTMGa、NH3、SiH4を炉内に流し、n型GaN膜を成膜する。
【0062】
その後、800℃でTMGa、トリメチルインジウムTMIn、NH3を炉内に流し、InGaN発光層を成膜させる。このInGaN発光層の成膜中に、InGaN量子ドットが自己形成される。量子ドットの外径は、貫通転位の高密度領域から離れるにつれて変化する。また、In組成についても貫通転位の高密度領域から離れるにつれて変化する。次いで、InGaN発光層の上にさらにp型窒化ガリウム系半導体層を成膜した。
【0063】
図11は、In濃度の変動は省略して量子ドットのみを示す図である。また、図12は、量子ドットの配列は省略してIn濃度の分布35のみを示す図である。GaN基板1の貫通転位11は、エピタキシャル成長したn型GaN層2およびn型AlGaN層3に引き継がれて、発光層4に引き継がれる。そして、高密度の貫通転位部分に、大きい外径サイズの量子ドットを形成する。また、In濃度については、高いIn濃度領域が高密度の貫通転位部分に形成される。貫通転位密度と量子サイズとの関係や、貫通転密度とIn濃度との関係は、条件によっては逆転し、貫通転位密度の高い領域において、量子サイズは小さくなり、またIn濃度が低くなる場合もある。発光層および量子ドットは、ノンドープInGaNによって構成されている。
【0064】
発光層4の上にp型AlGaN層6を形成し、次いで、p型GaN層7を形成する。この後、表面にp型電極8を、また基板裏面にn型電極9を形成した。
【0065】
上記p型電極8とn型電極9との間に電流を流したところ、貫通転位の高密度領域から離れるにつれて発光波長が変化し、全体として白色の発光が得られた。この白色発光素子の発光層は一層であり、コンパクトに構成されている。上記において、(b1)In濃度の分布と、(b2)量子ドットの外径サイズの変化とによって、複数波長の発光が得られている。上記(b1)および(b2)は、GaN基板における貫通転位密度の変動の分布に起因してもたらされたものである。上記GaN基板における貫通転位密度の分布の調整は、GaN基板の形成時に容易に行なうことができる。この結果、長寿命の白色発光素子を安価に製造することができる。
【0066】
(実施例2)
本発明の実施例2では、選択成長マスクを用いて発光層の形成の際の下地層に貫通転位密度の分布を形成する点に特徴がある。成膜装置は、図9に示したMOVPE装置を用いた。
【0067】
まず、GaN基板上に、図13に示すような、厚さ0.1μm程度のSiO2膜にドット状の規則的な開口部、たとえば直径100μm程度、ピッチ500μm以下の開口部、を設けた選択成長マスクを形成する。開口部の直径は1〜200μmの範囲とするのがよい。LEDチップのサイズは一辺が300μm程度の四角形となるので、その中に少なくとも1つの開口部が含まれるピッチとする。選択成長マスク20を形成したGaN基板をMOVPEチャンバ内に配置し、NH3とH2との混合ガス中でクリーニングした。
【0068】
次いで、TMGa、NH3およびSiH4をチャンバ内に流し、1050℃でn型GaN層2を成膜し、その上にn型AlGaN層3をエピタキシャル成長させた。その後、800℃でTMGa、TMInおよびNH3を炉内に流し、InGaN量子井戸25からなる発光層4を成長させた。この発光層の成長において、InGaN井戸層の厚みは、選択成長マスクのマスク部(遮蔽部)から離れるにつれて変化した。また、In組成比も、選択成長マスクのマスク部(遮蔽部)から離れるにつれて変化した。図14に示すように、平面的に見て、開口部の中心付近の貫通転位密度が最も高く、マスクの上に接して形成されるAlGaN2が隣り合う同じ膜と会合する部分は、その次に高い貫通転位密度を有する。
【0069】
図14では、貫通転位密度の高い個所で、In濃度が高く、量子井戸の厚さが薄くなっている。しかし、貫通転位密度と、これらIn濃度および量子井戸の厚さとの相関があればよく。貫通転位密度が大きく部分でこれらIn濃度および量子井戸の厚さが大きくなる必要はない。
【0070】
発光層4の上に、さらにp型窒化ガリウム系半導体層6を成膜し、エピタキシャル層表面にp型電極(図示せず)を形成する。また、n型電極(図示せず)は次のように、p型電極との間に選択成長マスクを電極の間に介在させないように形成する。すなわち、所定のn型電極形成領域における、p型窒化ガリウム系半導体層6、発光層4およびn型AlGaN層3をエッチングにより除去し、n型GaN層2を露出させ、その露出したn型GaN層部分にn型電極を形成する(図15における電極の配置を参照)。このようにp型およびn型電極を配置することにより、この両電極間の電気抵抗を低く抑えることができる。
【0071】
これら二つの電極間に電流を流したところ、白色発光を得ることができた。この発光において、選択成長マスクのマスク部から離れるにつれて発光波長が変化する。この場合も実施例1と同様に、単一層から複数波長の発光を得ることができる。また、本実施例によれば、GaN基板の貫通転位密度分布によらず、成膜時に貫通転位を半導体層中に導入することができるので、素材の制約を受けることがない。
【0072】
上記の実施例では、基板に貫通転位が形成されていなくても、選択成長マスクを用いることにより、半導体薄膜中に貫通転位の密度を変化させた分布を形成することができる。
【0073】
上記の選択成長マスクを用いる方法を、量子ドットに用いてもよい。図15は、選択成長マスクを用いて量子ドットが形成された発光層を有する白色発光素子を示す図である。この白色発光素子のn型電極は、上記n型電極形成領域をエッチングによりパターニングして、n型GaN層2を露出させ、その露出したGaN層2の部分に形成されている。このため、両電極間の電気抵抗を低く保つことができるので、効率よい発光を得ることができる。
【0074】
(実施の形態に対する付言)
(1)本実施の形態では、In濃度と、量子ドットの外径などの量子サイズとを、ともに変えることにより発振波長を変えているが、いずれか一方、たとえばIn濃度だけを変動させた白色発光素子であってもよい。
(2)高密度の貫通転位部において、成膜条件AによりIn濃度の高い領域および/または量子サイズが大きい領域が形成され、かつ成膜条件BによりIn濃度の低い領域および/または量子サイズが小さい領域が形成される、という2つの成膜条件がある必要はない。いずれか一方の成膜条件が満たされるだけであってもよい。
(3)GaN基板に形成された貫通転位密度分布を利用する場合、選択成長マスクを用いなくても発光層の下のエピタキシャル成長膜には貫通転位密度分布が形成される。また、GaN基板に上記の貫通転位密度分布がない場合またはその他の場合に、選択成長マスクを用いてエピタキシャル成長層に貫通転位密度分布を形成する。上記の実施の形態では、基板における貫通転位密度分布の利用および選択成長マスクの利用のいずれか一方の実施例のみを示した。しかし、貫通転位密度分布を備えたGaN基板を用い、さらに選択成長マスクを用いてもよい。
(4)選択成長マスクを用いる場合、その選択成長マスクを白色発光素子に残したまま、電気抵抗を低く保つ2つの電極の配置構造のみを、上記実施例では示した。しかし、GaN基板および選択成長マスクを除いて、n型GaN層の底部を露出させ、そこにn型電極を形成する構造であってもよい。この場合、白色発光素子の形状を堅固に保つために、別の基板を用いることが望ましい。
【0075】
上記において、本発明の実施の形態について説明を行ったが、上記に開示された本発明の実施の形態は、あくまで例示であって、本発明の範囲はこれら発明の実施の形態に限定されない。本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むものである。
【0076】
【発明の効果】
本発明の白色発光素子およびその製造方法を用いることにより、長寿命で、発光効率が高く、演色性が高く、製造しやすい白色発光素子を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態において、(a)は量子ドットを含む白色発光素子を示し、(b)は量子井戸を含む白色発光素子を示す図である。
【図2】本発明の実施の形態の白色発光素子において、(a)は発光層の断面でパッチ状にIn濃度一定領域が形成される変動分布を示し、(b)は発光層の厚み方向に一定のIn濃度一定領域が形成される変動分布を示す図である。
【図3】本発明の実施の形態の白色発光素子において、(a)は量子ドットとIn濃度の変化とが重畳される図であり、(b)は量子井戸とIn濃度の変化とが重畳される図である。
【図4】本発明の実施の形態における量子ドットを含む白色発光素子の発光原理を示す図である。
【図5】図4において、量子ドットの外径が小さくなり、発光波長が変化することを示す図である。
【図6】量子サイズと発光波長との関係を示す図である。
【図7】In組成と発光波長との関係を示す図である。
【図8】各発光波長を合成した白色の波長分布を示す図である。
【図9】実施例1および2において白色発光素子を作製するMOVPE装置を示す図である。
【図10】実施例1のGaN基板における貫通転位密度の分布を示す図である。
【図11】図10のGaN基板に形成した白色発光素子において、量子ドットの配置のみを示す図である。
【図12】図10のGaN基板に形成した白色発光素子において、In濃度分布の配置のみを示す図である。
【図13】実施例2における選択成長マスクを示す平面図である。
【図14】実施例2において量子井戸およびIn濃度変動分布を含む白色発光素子を示す図である。
【図15】実施例2において量子ドットおよびIn濃度変動分布を含む白色発光素子を示す図である。
【符号の説明】
1 GaN基板、2 n型GaN層、3 n型AlGaN層、4 発光層(ノンドープInGaN層)、5,5a,5b,5c 量子ドット、6 p型AlGaN層、7 p型GaN層、8 p型電極、9 n型電極、11,11a,11b,11c 所定密度の貫通転位分布域、25,25a,25b,25c 量子井戸、35,35a,35b,35c 所定濃度範囲のIn分布域、56 ヒータ、58 サセプタ。
Claims (22)
- 基板上に形成され、発光層を含む窒化ガリウム系半導体発光素子において、
前記発光層は、周りの半導体の禁止帯幅より小さい禁止帯幅を有する粒状半導体である量子ドットを複数個含み、
前記複数の量子ドットの外径は、同一に揃わず変動範囲内にあり、各量子ドットはその外径に対応した波長の光を発する、白色発光素子。 - 発光層を含む窒化ガリウム系半導体発光素子において、
前記発光層は、周りの半導体の禁止帯幅より小さい禁止帯幅を有する線状半導体である量子細線を複数本含み、
前記複数本の量子細線の幅は、同一に揃わず変動範囲内にあり、各量子細線はその幅に対応した波長の光を発する、白色発光素子。 - 発光層を含む窒化ガリウム系半導体発光素子において、
前記発光層は、周りの半導体の禁止帯幅より小さい禁止帯幅を有する層状半導体である量子井戸層を含み、
前記量子井戸層の厚みは、均一でなく変動範囲内にあり、前記量子井戸は各位置でその厚みに対応した波長の光を発する、白色発光素子。 - 基板上に形成され、発光層を含む窒化ガリウム系半導体発光素子において、
前記発光層は、周りの半導体の禁止帯幅より小さい禁止帯幅を有する半導体部を含み、
前記小さい禁止帯幅の半導体部は、発光波長に対応する前記半導体部の波長対応寸法が、同一に揃わずまたは均一でなく変動範囲内にあり、前記半導体部は、各位置において、その波長対応寸法に対応した波長の光を発する、白色発光素子。 - 前記発光層は、貫通転位がその密度を変化させて分布する下地のエピタキシャル層の上にエピタキシャル成長しており、前記発光波長に対応する半導体の部分の寸法の分布が、前記貫通転位の密度の分布と相関している、請求項1〜4のいずれかに記載の白色発光素子。
- 前記基板では、貫通転位がその密度を変化させて分布しており、前記発光層はその基板上にエピタキシャル成長された多層構造の中に形成されており、前記発光層の下地のエピタキシャル層における貫通転位は、前記基板から継承され延ばされたものである、請求項5に記載の白色発光素子。
- 前記基板とその発光層との間に、開口部を有する選択成長マスクをさらに備え、前記発光層の下地のエピタキシャル層における貫通転位は、その選択成長マスクの上にエピタキシャル成長された半導体層から上方の前記発光層側へと生じている貫通転位を継承し延ばしたものである、請求項5に記載の白色発光素子。
- 前記発光波長に対応する半導体の部分の寸法が、1nm以上100nm以下である、請求項1〜7のいずれかに記載の白色発光素子。
- 前記発光層はInを含み、前記発光層におけるInの濃度が発光層内で均一でなく位置によって変化している、請求項1〜8のいずれかに記載の白色発光素子。
- 前記発光する部分の半導体内におけるInの濃度が、発光波長が対応するその半導体の部分について同一に揃わずまた均一でなく、前記半導体の部分の寸法に応じて変化している、請求項1〜9のいずれかに記載の白色発光素子。
- 基板上に形成され、Inを含む発光層を備える窒化ガリウム系半導体発光素子において、
前記発光層は、貫通転位がその密度を変化させて分布する下地のエピタキシャル層の上にエピタキシャル成長しており、
前記In濃度がその発光層のなかで均一でなく位置によって変化しており、そのIn濃度の分布の変化が、前記下地膜の貫通転位密度の分布と相関している、白色発光素子。 - 前記基板では、貫通転位がその密度を変化させて分布しており、前記発光層はその基板上にエピタキシャル成長された多層構造の中に形成されており、前記発光層の下地のエピタキシャル層における貫通転位は、前記基板の貫通転位が継承され延びたものである、請求項11に記載の白色発光素子。
- 前記基板とその発光層との間に、開口部を有する選択成長マスクをさらに備え、前記発光層の下地のエピタキシャル層における貫通転位は、その選択成長マスクの上にエピタキシャル成長された半導体層から上方の前記発光層側へと生じている貫通転位が継承され延びたものである、請求項11に記載の白色発光素子。
- 前記発光層は、周りの半導体の禁止帯幅より小さい禁止帯幅を有する半導体部を含み、前記小さい禁止帯幅の半導体部は、発光波長に対応する前記半導体部の波長対応寸法が、同一に揃わずまた均一にならず変動範囲内で変動している、請求項11〜13のいずれかに記載の白色発光素子。
- 前記発光層が、p型およびn型窒化ガリウム系半導体によってはさまれている、請求項1〜14のいずれかに記載の白色発光素子。
- 前記白色発光素子が形成される基板が、GaN、AlN、GaAs、Si、サファイア、SiCおよびZrB2、のうちのいずれかの材料である、請求項1〜15のいずれかに記載の白色発光素子。
- 前記選択成長マスクが、SiO2、SiNおよびSiONのいずれかの材料から形成されている、請求項7〜15のいずれかに記載の白色発光素子。
- 発光層を備える窒化ガリウム系半導体発光素子の製造方法であって、
貫通転位密度が変化して分布する基板を準備する工程と、
前記基板上にエピタキシャル膜を成長させ、発光する半導体の部分を含む発光層を形成する工程とを備える、白色発光素子の製造方法。 - 前記基板は、前記貫通転位密度の基板内での分布を制御して製造されたものである、請求項18に記載の白色発光素子の製造方法。
- 基板上に形成され、発光層を備える窒化ガリウム系半導体発光素子の製造方法であって、
前記基板上に、複数の開口部が設けられた選択成長マスクを配置する工程と、
前記開口部における前記半導体の表面に第1の半導体膜を成長させて覆い、さらに前記開口部を埋める工程と、
前記第1の半導体膜の上に第2の半導体膜を成長させる工程と、
さらに第2の半導体膜の上に発光層を形成する工程を備え、
前記選択成長マスクの開口部の存在により、前記第2の半導体膜を、その中の貫通転位密度が変化して分布するように形成する、白色発光素子の製造方法。 - 前記発光層の形成工程では、周りの半導体の禁止帯幅より小さい禁止帯幅を有する半導体部を含む窒化ガリウム系半導体膜を形成し、前記小さい禁止帯幅の半導体部における、発光波長に対応する前記半導体部の波長対応寸法を、同一に揃えずまた均一にせず変動範囲内で変動させるように形成する、請求項17〜20のいずれかに記載の白色発光素子の製造方法。
- 前記発光層の形成工程では、Inを含む窒化ガリウム系半導体層を形成し、そのIn濃度がその発光層内で均一にならず位置によって変動するように形成する、請求項17〜20のいずれかに記載の白色発光素子の製造方法。
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