JP2005306961A - 発光体及び発光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 任意の波長の光を発光できる発光体、及び発光装置、表示装置を提供する。
【解決手段】 電子線又は紫外線照射により励起されて発光する窒化物半導体層からなる発光層を含む発光体であって、該窒化物半導体層の超格子構造が、欠陥濃度の低い領域と欠陥濃度の高い領域を有する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、電子線又は紫外線照射により発光する発光体及び該発光体を有する発光装置に関する。

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、種々の遷移金属酸化物蛍光体を塗布し、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。

例えば、蛍光表示管やＦＥＤ、電子線励起光源には低速電子線励起蛍光体が使用される。代表的な蛍光体として、ＺｎＯ：Ｚｎ、ＺｎＳ：Ｚｎ、ＺｎＳ：Ｃｕ、Ａｌ等が知られている。さらに、ＺｎやＳｉをドープしたＧａＮ蛍光体が研究されている。

しかしながら、硫化物蛍光体は電子線励起時に硫化物ガスの放出や蛍光体物質の分解飛散により発光効率低下を引き起こす。つまり励起源となる電子線による耐久性が低く、短寿命化を引き起こす。一方、耐電子線の高いＧａＮ系発光体では発光効率が従来蛍光体に比べて著しく低く、蛍光表示管、ＦＥＤ、電子線励起光源への実用が困難であった。

又、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る。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。

そこで、下記特許文献１には、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で、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、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るとともに、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開示されている。
特開２００３−５５６５６号公報

従来の硫化物蛍光体やＧａＮ系発光体が、蛍光表示管、ＦＥＤ、電子線励起光源への実用が困難であったことに鑑み、本発明は、耐電子線性が高く、発光効率の高い発光体を提供する。又、任意の発光波長を作り出し、白色の発光も可能である発光体を提供する。更に、電子線だけでなく、紫外線励起によっても発光する発光体を提供する。

本発明者らは、特定の窒化物半導体層を含む発光体により、上記課題が解決されることを見出し本発明に至った。

即ち、第１に、本発明は発光体の発明であり、電子線又は紫外線照射により励起されて発光する窒化物半導体層からなる発光層を含む発光体であって、該窒化物半導体層の超格子構造が、欠陥濃度の低い領域と欠陥濃度の高い領域を有する。窒化物半導体層の超格子構造の欠陥濃度を制御することで、欠陥の少ない領域からは青色発光し、欠陥の多い領域からは黄色発光し、これらが合成され、任意の発光波長を作り出す。例えば、白色の発光も可能である。

ここで、窒化物半導体としては、下記式（１）で示されるＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体が好ましい。
Ｂ_ａＡｌ_ｂＧａ_ｃＩｎ_ｄＮ_ｗＡｓ_ｘＰ_ｙＳｂ_ｚ （１）
（式中、ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｗ，ｘ，ｙ，ｚは、ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ＝１であり、ａ，ｂ，ｃ，ｄ≧０であり、ｗ＋ｘ＋ｙ＋ｚ＝１であり、ｗ＞０であり、ｘ，ｙ，ｚ≧０である）

前記ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体には不純物元素がドーピングされていても良い。不純物元素としては、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種以上の元素が好ましい。

第２に、本発明は、電子線又は紫外線を出射することができる出射部と、該電子線又は紫外線照射により励起されて発光する窒化物半導体層からなる発光層を含む発光体とからなる発光装置の発明であり、該発光体が、電子線又は紫外線照射により励起されて発光する窒化物半導体層からなる発光層を含み、該窒化物半導体層の超格子構造が、欠陥濃度の低い領域と欠陥濃度の高い領域を有するものである。出射部としては、半導体レーザまたは発光ダイオードであると装置がコンパクトになる。

第３に、本発明は、電子線又は紫外線を出射することができる出射部と、該電子線又は紫外線照射により励起されて発光する窒化物半導体層からなる発光層を含む発光体とからなる表示装置の発明であり、該発光体が、電子線又は紫外線照射により励起されて発光する窒化物半導体層からなる発光層を含み、該窒化物半導体層の超格子構造が、欠陥濃度の低い領域と欠陥濃度の高い領域を有するものである。出射部としては、半導体レーザまたは発光ダイオードであると装置がコンパクトになる。

窒化物半導体層の超格子構造の欠陥濃度を制御することで、欠陥の少ない領域からは青色発光し、欠陥の多い領域からは黄色発光し、これらが合成される。これにより、本発明の発光体は、任意の発光波長を作り出す。例えば、１つの素子からブロードな発光スペクトルが得られ、白色の発光も可能である。

又、本発明の発光体は、耐電子線性が高く、発光効率の高い。例えば、ＺｎＳ蛍光体に対して耐電子線性が高く、ＺｎＳ蛍光体に対して３倍以上の高輝度に発光する。

更に、本発明の発光体は、電子線だけでなく、紫外線励起によっても発光する汎用性・実用性の高いものである。

図１に、欠陥濃度を制御した超格子構造発光材料の模式図を示す。窒化物半導体層の超格子構造の欠陥濃度を制御し、欠陥の少ない領域と欠陥の多い領域を作り分ける。欠陥の少ない領域からは青色発光し、欠陥の多い領域からはイエローバンドと呼ばれる黄緑色〜黄色発光し、これらが合成される。これにより、本発明の発光体は、任意の発光波長を作り出す。例えば、青色発光と黄色発光が合成され、１つの素子からブロードな発光スペクトルを得ることも可能であり、白色の発光となる。

窒化物半導体層の超格子構造の欠陥濃度は、サファイア等の基板の結晶欠陥や汚れが原因である場合や、基板状に製膜されたＧａＮ等の下地層の結晶欠陥が原因の場合もある。本発明においては、窒化物半導体層の超格子構造の欠陥濃度を制御し、欠陥の少ない領域と欠陥の多い領域を作り分ける方法は何ら限定されない。

窒化物半導体としては、下記式（１）で示されるＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体が好ましい。
Ｂ_ａＡｌ_ｂＧａ_ｃＩｎ_ｄＮ_ｗＡｓ_ｘＰ_ｙＳｂ_ｚ （１）
（式中、ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｗ，ｘ，ｙ，ｚは、ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ＝１であり、ａ，ｂ，ｃ，ｄ≧０であり、ｗ＋ｘ＋ｙ＋ｚ＝１であり、ｗ＞０であり、ｘ，ｙ，ｚ≧０である）
より、具体的には、下記式（２）で示されるＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体が好ましい。
ＡｌｂＧａｃＩｎｄＮ （２）
（式中、ｂ，ｃ，ｄは、ｂ＋ｃ＋ｄ＝１であり、ｂ，ｃ，ｄ＞０である）
より、具体的には、下記式（３）で示されるＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体が好ましい。
ＧａｃＩｎｄＮ （３）
（式中、ｃ，ｄは、ｃ＋ｄ＝１であり、ｃ，ｄ＞０である）

これら半導体の化学式（１）〜（３）において、ａ，ｂ，ｃ，ｄ、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、ＩｎＮでは約６８９ｎｍの基本波長の発光が得られる。同様に、ＧａＮでは約３６５ｎｍの基本波長の発光が得られる。

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７４０ｎｍへと長波長化できる。

また、上記に示される２種類以上の格子不整合の小さい組成をヘテロ接合し、格子不整が発生しない臨界原子層数を超えない層を交互に積層成長させることにより、超格子を成長させることで、高輝度かつ、発光波長のブロードな発光体を得ることができる。本発明に係わる半導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。本発明の発光層は量子井戸構造を有することが望ましい。量子井戸構造は、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アの再結合の割合を増やし発光効率を高めることができる。量子井戸構造は単一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。高効率な発光体を得るためには、貫通欠陥が超格子の成長が妨げるため、欠陥を低減することが望ましい。

本発明に係る発光体における超格子発光材料は、欠陥濃度の異なる２以上の領域を有する。このように、欠陥濃度の異なる半導体層、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有することで、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。

本発明に係る発光体では、半導体レーザのように、その構造をｐ‐ｎ接合としなくてよい。すなわち、ｐ型‐ｎ型に関係なく超格子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。

本発明に係る超格子半導体構造は、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、ＭＯＣＶＤ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ＧａＮ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。

本発明に係る発光体に電子線又は紫外線を照射する装置は周知のものを利用できる。例えば、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。

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、ＡｌＧａＮ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。

電子線又は紫外線源を用いて、本発明に係る発光体に電子線又は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、電子線源となる装置又は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、本発明の発光体と結合することなどによって本発明に係る発光装置又は表示装置が得られる。

また、本発明に係る発光装置又は表示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、この面に対して電子線源となる装置又は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、該電子線又は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。

以下に、代表的な一実施例を示す。
サファイア基板上にバッファー層としてＧａＮを２μｍ成長させる。Ｇａ_０．８Ｉｎ_０．２Ｎを超格子量子井戸層としてＧａＮを障壁層として約１００周期を積層させる。各層の厚さは、
下面側…ＧａＮ：約４ｎｍ／ＩｎＧａＮ：約３．５ｎｍ
上面側…ＧａＮ：約９ｎｍ／ＩｎＧａＮ：約６ｎｍ
の構成よりなる。本構造による発光体は有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）装置やＭＢＥ法（分子線エピタキシャル成長法）により作製される。

図２に、サファイア基板からＧａＮ層、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ超格子層までの断面写真を示す。図２に示されるように、ひとつの発光体で超格子構造の欠陥濃度が高い領域（Ｂ）と欠陥濃度が低い領域（Ａ）を作り分けている。

図３は、図２の超格子構造の欠陥濃度が高い領域（Ｂ）を拡大したものであり、ＧａＮ層からＩｎＧａＮ／ＧａＮ層表面までの像である。図３より、超格子構造に欠陥が高濃度に生じていることが分かる。

図４は、図２の超格子構造の欠陥濃度が低い領域（Ａ）を拡大したものであり、図３と同様に、ＧａＮ層からＩｎＧａＮ／ＧａＮ層表面までの像である。図４より、超格子構造に格別の欠陥が存在しないことが分かる。

励起源の照射により、欠陥高濃度領域は黄緑色〜黄色の発光波長となり、欠陥低濃度領域は青色に発光するため素子全体の発光は白色となる。

上記のように作製された発光体を電子線励起（加速電圧２０ｋＶ）すると従来の蛍光体であるＺｎＳ系青色蛍光体（Ｐ２２Ｂ）に対して超格子膜は３倍以上の輝度を得ることができた（超格子膜；２５０，０００ｃｄ／ｍ^２、Ｐ２２Ｂ；７０，０００ｃｄ／ｍ^２）。図５に、従来の蛍光体であるＺｎＳ系青色蛍光体（Ｐ２２Ｂ）に対する、本実施例の欠陥高濃度領域と欠陥低濃度領域での発光スペクトルを対比して示す。

又、図６に、本実施例の発光体の各電流密度におけるＣＬスペクトルを示す。図６より、各電流密度で、ブロードなスペクトルを示すことが分かる。更に、図７に、本実施例の発光体のＰＬスペクトルを示す。図７より、欠陥高濃度領域のピーク４４２ｎｍと欠陥低濃度領域のピーク４９６ｎｍの発光スペクトルが合波されたブロードな白色光であることが分かる。

欠陥濃度の制御方法としては、貫通欠陥の濃度を増やすためにエピ基板表面を荒らしたり、ＧａＮと格子不整を引き起こしやすいつまり格子定数が大きく異なる薄膜をＧａＮバッファー層成膜前に予め基板上に成長させておくなどの方法がある。

本発明の発光体は、任意の発光波長を作り出す。例えば、１つの素子からブロードな発光スペクトルが得られ、白色の発光も可能である。又、本発明の発光体は、耐電子線性が高く、発光効率の高い。更に、本発明の発光体は、電子線だけでなく、紫外線励起によっても発光する汎用性・実用性の高いものである。
これらの利点を生かして、各種発光装置、表示装置への適用が可能となった。

欠陥濃度を制御した超格子構造発光材料の模式図を示す。 サファイア基板からＧａＮ層、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ層までの断面写真を示す。 図２の欠陥濃度が高い領域（Ｂ）を拡大した図。 図２の欠陥濃度が低い領域（Ａ）を拡大した図。 従来の蛍光体であるＺｎＳ系青色蛍光体（Ｐ２２Ｂ）に対する、本実施例の欠陥高濃度領域と欠陥低濃度領域での発光スペクトルを対比して示す。 本実施例の発光体の各電流密度におけるＣＬスペクトルを示す。 本実施例の発光体のＰＬスペクトルを示す。

Claims (8)

1. 電子線又は紫外線照射により励起されて発光する窒化物半導体層からなる発光層を含む発光体であって、該窒化物半導体層の超格子構造が、欠陥濃度の低い領域と欠陥濃度の高い領域を有することを特徴とする発光体。
2. 前記窒化物半導体層が、下記式（１）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乃至３のいずれかに記載の発光体。
   Ｂ_ａＡｌ_ｂＧａ_ｃＩｎ_ｄＮ_ｗＡｓ_ｘＰ_ｙＳｂ_ｚ （１）
   （式中、ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｗ，ｘ，ｙ，ｚは、ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ＝１であり、ａ，ｂ，ｃ，ｄ≧０であり、ｗ＋ｘ＋ｙ＋ｚ＝１であり、ｗ＞０であり、ｘ，ｙ，ｚ≧０である）
3. 前記ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体に不純物元素がドーピングされていることを特徴とする請求項２に記載の発光体。
4. 前記不純物元素が、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。
5. 電子線又は紫外線を出射することができる出射部と、該電子線又は紫外線照射により励起されて発光する窒化物半導体層からなる発光層を含む発光体とからなる発光装置であって、前記発光体が、請求項１〜４のいずれかに記載の発光体であることを特徴とする発光装置。
6. 前記出射部が半導体レーザまたは発光ダイオードであることを特徴とする請求項５に記載の発光装置。
7. 電子線又は紫外線を出射することができる出射部と、該電子線又は紫外線照射により励起されて発光する窒化物半導体層からなる発光層を含む発光体とからなる表示装置であって、前記発光体が、請求項１〜４のいずれかに記載の発光体であることを特徴とする表示装置。
8. 前記出射部が半導体レーザまたは発光ダイオードであることを特徴とする請求項７に記載の表示装置。

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