JP2005260246A - モノリシック白色発光素子 - Google Patents

Abstract

【課題】 モノリシック白色発光素子を提供する。
【解決手段】 活性層にサブバンドを形成するシリコンまたは稀土類金属がドーピングされている発光素子であり、活性層３は、一層または二層であり、二層である場合には、その間にクラッド層が介在される。かかる発光構造により、白色光の半導体発光が可能になり、従って蛍光体の助けが必須でなくなる。このようなモノリシック白色発光素子は、製作が容易かつ低廉である。また、その応用分野が既存の蛍光体の助けによる白色光発光素子に比べて広い。
【選択図】 図１

Description

本発明は、白色発光素子に係り、特に自発白色発光の可能なモノリシック白色発光素子に関する。

一般的に、白色発光素子は、半導体発光及び蛍光体発光により白色光を発生する（例えば、特許文献１、特許文献２参照）。このような白色発光素子は、半導体発光により得られた光を蛍光体に吸収させることによって白色に近い光を実現する。主に、半導体発光は、青色系列よりなり、蛍光体発光は、半導体発光から得られた青色光を吸収して緑色／赤色光を発生する。従って、蛍光体は、緑色及び赤色蛍光物質の混合体である。

このような構造のハイブリッド白色発光素子によれば、既存の半導体製造工程による集積回路を具現し難く、従ってその応用分野が制限される。

一方、非特許文献１では、多重のバンドにミッションを利用した蛍光体のない白色発光ＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｅｖｉｃｅ）が提案されている。該非特許文献１によるＬＥＤは、異なる波長の光を発生するための多重の活性層を有する。

このように、バックライト装置用に主に多用されるＬＥＤの課題は、製作の容易さ、高い発光効率及び白色度の具現である。
米国特許第６，０６９，４４０号明細書 米国特許第５，９９８，９２５号明細書 Ｔ．Ｍｕｋａｉ，ＪＪＡＰ４１ （３Ａ） Ｌ２４６ ２００２

本発明の解決しようとする課題は、構造がさらに簡単であって製作の容易な新しい構造のモノリシック白色発光素子を提供することにある。

前記課題を解決するために、本発明による白色発光素子の一類型は、ｎ型窒化物半導体層と、ｐ型窒化物半導体層と、ｎ型及びｐ型窒化物半導体層間に設けられる量子ウェル構造による活性層とを含み、前記活性層は、量子準位による発光とドーピング元素によるドーピング準位による発光が同時に起こる物質構造を有する点を特徴とする。

本発明による白色発光素子の他の類型は、ｎ型窒化物半導体層と、ｐ型窒化物半導体層と、ｎ型及びｐ型窒化物半導体層間に設けられる量子ウェル構造による第１活性層と、第２活性層と、前記第１活性層と第２活性層間の窒化物クラッド層とを含む。

本発明の望ましい実施形態によれば、前記第１活性層では、ドーピング元素により形成されたドーピング準位による発光が起こると共に、第２活性層では、量子準位による発光が起こる構造を有する。

前記窒化物半導体層は、ＧａＮであり、前記第１及び第２活性層は、ＧａＮバリア層とＩｎＧａＮウェル層とを含み、望ましくは前記ウェル層にドーピング元素が含まれていることが望ましく、前記ドーピング元素は、シリコンまたは稀土類金属であることが望ましい。

本発明の発光素子において、前記ｎ型半導体層は、ＳｉがドーピングされたＧａＮであり、ｐ型半導体層は、ＭｇがドーピングされたＧａＮである。

本発明は、白色発光が半導体層でなされるモノリシック白色発光素子を提供する。このような白色発光素子は、従来の白色発光素子でのような蛍光体の助けなしに白色発光が可能であり、従って製作が容易である。特に、全体構造が１つの単一構造を有するために、応用分野が非常に広くて製作費用もまた低廉である。

以下、添付された図面を参照しつつ本発明によるモノリシック白色発光素子の望ましい実施形態を詳細に説明する。

図１は、本発明の第１実施形態による発光素子の垂直構造を示した概略的断面図であり、図２は、図１に図示された発光素子の発光メカニズムを説明するためのエネルギー分布図である。

まず、図１をサファイアのような絶縁性基板１上にｎ型半導体層として、Ｓｉがドーピングされたｎクラッド層（ｎ−ＧａＮ）２が形成されている。ｎクラッド層２上には、本発明を特徴づける多重量子ウェル構造（ＭＱＷ：Ｍｕｌｔｉ−Ｑｕａｎｔｕｍ Ｗｅｌｌ）の活性層３が形成されている。そして、その上には、ｐ型半導体層としてＭｇがドーピングされたｐクラッド層（ｐ−ＧａＮ）４が形成されている。前記活性層のバリア層は、ＧａＮであり、ウェル層は、ＡｌＧａＮを含み、それら積層は、例えば５周期ほど積層される。

本発明の特徴により、前記活性層には、不純物としてシリコンまたは稀土類金属がドーピングされる。このとき、不純物は、ウェル層やバリア層にドーピングされ、望ましくはウェル層にドーピングされる。すなわち、不純物のドーピングは、活性層全体または部分的になされ、図１及び図２に図示されたように、活性層では、量子準位によるバンド対バンド発光（ｂａｎｄ ｔｏ ｂａｎｄ ｅｍｉｓｓｉｏｎ）、及びドーピング元素により形成されたドーピング準位によるサブバンド発光（ｓｕｂ−ｂａｎｄ ｅｍｉｓｓｉｏｎ）が同時に起こり、白色光を得ることができる。このような本発明の白色発光は、自然的な欠陥（ｎａｔｕｒａｌ ｄｅｆａｃｔ）ではないシリコンまたは稀土類金属イオン（ＲＥ（Ｒａｒｅ Ｅａｒｔｈ ｍｅｔａｌ）−ｉｏｎ）の注入による不純物欠陥によりなされる。稀土類金属としては、４３０ないし４８０ｎｍの中心波長のためには、Ｔｍが使われ、５２０ないし５７０ｎｍの中心波長のためには、Ｅｒ，Ｈｏ，Ｔｂなどが使われ、５４０ないし５９０ｎｍの中心波長のためには、Ｓｉが使われ、そして５８０ないし６３０ｎｍの中心波長のためには、Ｅｕ，Ｓｍ，Ｐｒなどが使われうる。

図３は、本発明の第２実施形態による発光素子の垂直構造を示した概略的断面図であり、図４は、図３に図示された発光素子の発光メカニズムを説明するためのエネルギー分布図である。

本発明の第２実施形態による発光素子は、前述した第１実施形態とは異なり、活性層３が二層の活性層３ａ，３ｂを有し、それら第１及び第２活性層３ａ，３ｂは、クラッド層３ｃにより分離されている。

図３を参照すれば、サファイアのような絶縁性基板１上に、ｎ型半導体層としてＳｉがドーピングされたｎクラッド層（ｎ−ＧａＮ）２が形成されている。ｎクラッド層２上には、中間クラッド層（ＧａＮ）３ｃを挟み、本発明を特徴づけるＭＱＷを有する第１及び第２活性層３ａ，３ｂが形成されている。そして、その上には、ｐ型半導体層としてＭｇがドーピングされたｐクラッド層（ｐ−ＧａＮ）４が形成されている。前記活性層のバリア層は、ＧａＮであり、ウェル層は、ＡｌＧａＮを含み、それら積層は、例えば５周期ほど積層される。

本発明の特徴により、前記第１活性層３ａまたは第２活性層３ｂ、本実施形態では、第１活性層３ａには、不純物として稀土類金属がドーピングされ、第２活性層３ｂを不純物のドーピングがない既存のＭＱＷによる活性層構造を有する。

前記第１活性層３ａで、不純物は、ウェル層やバリア層にドーピングされ、望ましくはウェル層にドーピングされる。すなわち、不純物のドーピングは、活性層全体または部分的になされる。

そして、第２活性層３ｂは、従来構造のＭＱＷを有する。

従って、図３及び図４に図示されたように、従来構造の第２活性層３ｂでは、量子準位によるバンド対バンド発光が起こり、そしてシリコンまたは稀土類金属イオンがドーピングされた第１活性層３ａでは、ドーピング元素により形成されたドーピング準位によるサブバンド発光が起こる。

図５は、本発明による発光素子のＥＬ（Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ）及びＰＬ（Ｐｈｏｔｏ−Ｌｕｍｉｎａｎｃｅ）スペクトル測定結果を示す。

図５は、活性層のＧａＮバリアに、Ｓｉが７７５℃で、０．３５，０．３，０．２５ｓｃｃｍシランガスを利用してドーピングされた３つのサンプルＡ，Ｂ，ＣのＥＬ、及びサンプルＢに対してＰＬを測定したスペクトルを示す。ここで、ＭＱＷは、ＧａＮ／ＡｌＧａＮが５周期で積層され、２０ｍＡの電流で駆動される状態で測定した結果である。

図５に示すように、活性層に対するドーピング濃度の変化によりＹＬ（Ｙｅｌｌｏｗ Ｌｉｇｈｔ）が変化することが分かる。Ｅｌ波長とＰＬ波長との比較を介し、ＹＥ（Ｙｅｌｌｏｗ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ）のオリジンがパッケージではない半導体層自体から得られることが分かる。

図６は、図５で得られたサンプルＡ，Ｂ，ＣのＹＥの変化を示した色座標である。

図６に示すように、ＹＥの量がサンプルＣ−Ｂ−Ａと進むほどに多くなることが分かる。または、ＹＥの中心（０．４５，０．５５）とＢＥ（Ｂａｎｄ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ）の中心（０．１７，０．０２）の連結線上（Ｌ）で色変化が可能であることが分かる。ＣＩＥダイヤグラムは、外郭周辺をなしているスペクトルローカス（Ｓｐｅｃｔｒｕｍ ｌｏｃｕｓ）（Ｓ）と内部のプランクローカス（Ｐｌａｎｋｉａｎ ｌｏｃｕｓ）（Ｐ）とを含む。ここで、プランクローカス（Ｐ）上の座標値を有する光が白色と認識されることを考慮するとき、活性層に対するシリコンまたは稀土類金属イオンの濃度調節により、発光の色座標を変化させることができると分かる。図６で、サンプルＡの座標は、色温度（ＣＣＴ）が４，４００Ｋの白色光を示すと見られる。従って、サンプルＡは、それ自体で白色発光素子として実際のバックライト装置に適用されうる。

本発明は、窒化物半導体の活性層内の不純物によるサブバンドからの発光を誘導することにより、白色光源として使用できる素子の構造を提示する。このような本発明は、活性層を構成するウェル層と障壁層のうち、いずれにもドーピングが可能であり、かかるドーピング物質としてＳｉまたは稀土類金属を使用する。

このような本願発明の理解を助けるために、いくつかの模範的な実施形態が説明されて添付された図面に図示されたが、このような実施形態は、単に広い発明を例示するものであり、これを制限するものではないという点を理解せねばならない。そして、本発明は、図示されて説明された構造と配列とに限定されるものではないという点を理解せねばならず、これは多様な他の修正が当分野で当業者に起こりうることであるからである。

本発明のモノリシック白色素子は、バックライト装置用に主に多用されるＬＥＤに効果的に適用可能である。

本発明の第１実施形態による発光素子の垂直構造を示した概略的断面図である。 図１に図示された発光素子の発光メカニズムを説明するためのエネルギー分布図である。 本発明の第２実施形態による発光素子の垂直構造を示した概略的断面図である。 図３に図示された発光素子の発光メカニズムを説明するためのエネルギー分布図である。 本発明による発光素子のＥＬ及びＰＬスペクトル測定結果を示す。 図５で得られたサンプルＡ，Ｂ，Ｃから得られる光の色座標を示したＣＩＥダイヤグラムである。

符号の説明

１…絶縁性基板、
２…ｎクラッド層、
３…活性層、
３ａ…第１活性層、
３ｂ…第２活性層、
３ｃ…中間クラッド層、
４…ｐクラッド層。

Claims (12)

1. ｎ型窒化物半導体層と、
   ｐ型窒化物半導体層と、
   ｎ型及びｐ型窒化物半導体層間に設けられる量子ウェル構造による活性層とを含み、
   前記活性層は、量子準位による発光と、ドーピング元素により形成されたドーピング準位による発光とが同時に起こる構造を有することを特徴とする白色発光素子。
2. 前記窒化物半導体層は、ＧａＮであることを特徴とする請求項１に記載の白色発光素子。
3. 前記活性層は、ＧａＮバリア層とＩｎＧａＮウェル層とを含むことを特徴とする請求項１に記載の白色発光素子。
4. 前記ウェル層にドーピング元素が含まれていることを特徴とする請求項３に記載の白色発光素子。
5. 前記ドーピング元素は、シリコンまたは稀土類金属であることを特徴とする請求項４に記載の白色発光素子。
6. 前記ｎ型半導体層は、ＳｉがドーピングされたＧａＮであり、ｐ型半導体層は、ＭｇがドーピングされたＧａＮであることを特徴とする請求項１に記載の白色発光素子。
7. ｎ型窒化物半導体層と、
   ｐ型窒化物半導体層と、
   ｎ型及びｐ型窒化物半導体層間に設けられる量子ウェル構造による第１活性層と第２活性層と、
   前記第１活性層と第２活性層間に設けられる窒化物クラッド層とを含み、
   前記第１活性層では、ドーピング元素により形成されたドーピング準位による発光が起こると共に、第２活性層では、量子準位による発光が起こる構造を有することを特徴とする白色発光素子。
8. 前記ｎ型及びｐ型窒化物半導体層は、ＧａＮであることを特徴とする請求項７に記載の白色発光素子。
9. 前記活性層は、ＧａＮバリア層とＩｎＧａＮウェル層とを含むことを特徴とする請求項７に記載の白色発光素子。
10. 前記ウェル層にドーピング元素が含まれていることを特徴とする請求項９に記載の白色発光素子。
11. 前記ドーピング元素は、シリコンまたは稀土類金属であることを特徴とする請求項１０に記載の白色発光素子。
12. 前記ｎ型半導体層は、ＳｉがドーピングされたＧａＮであり、ｐ型半導体層は、ＭｇがドーピングされたＧａＮであることを特徴とする請求項７に記載の白色発光素子。

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