JP2006173506A - 半導体発光素子および半導体発光素子の製造方法 - Google Patents

半導体発光素子および半導体発光素子の製造方法 Download PDF

Info

Publication number
JP2006173506A
JP2006173506A JP2004366939A JP2004366939A JP2006173506A JP 2006173506 A JP2006173506 A JP 2006173506A JP 2004366939 A JP2004366939 A JP 2004366939A JP 2004366939 A JP2004366939 A JP 2004366939A JP 2006173506 A JP2006173506 A JP 2006173506A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
layer
light emitting
semiconductor
rare earth
light
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
JP2004366939A
Other languages
English (en)
Inventor
Yasuhiro Fujimoto
康弘 藤本
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Panasonic Holdings Corp
Original Assignee
Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Matsushita Electric Industrial Co Ltd filed Critical Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Priority to JP2004366939A priority Critical patent/JP2006173506A/ja
Publication of JP2006173506A publication Critical patent/JP2006173506A/ja
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/42—Wire connectors; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/47—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process
    • H01L2224/48—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process of an individual wire connector
    • H01L2224/4805—Shape
    • H01L2224/4809—Loop shape
    • H01L2224/48091—Arched
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/42—Wire connectors; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/47—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process
    • H01L2224/48—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process of an individual wire connector
    • H01L2224/481—Disposition
    • H01L2224/48151—Connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive
    • H01L2224/48221—Connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked
    • H01L2224/48245—Connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked the item being metallic
    • H01L2224/48247—Connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked the item being metallic connecting the wire to a bond pad of the item
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/42—Wire connectors; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/47—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process
    • H01L2224/48—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process of an individual wire connector
    • H01L2224/481—Disposition
    • H01L2224/48151—Connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive
    • H01L2224/48221—Connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked
    • H01L2224/48245—Connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked the item being metallic
    • H01L2224/48257—Connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked the item being metallic connecting the wire to a die pad of the item
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/42—Wire connectors; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/47—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process
    • H01L2224/49—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process of a plurality of wire connectors
    • H01L2224/491—Disposition
    • H01L2224/49105—Connecting at different heights
    • H01L2224/49107—Connecting at different heights on the semiconductor or solid-state body

Landscapes

  • Led Device Packages (AREA)
  • Led Devices (AREA)

Abstract

【課題】 簡便な方法で、同一の半導体層が電流狭窄と発光の二つの機能を備え、発光強度の強い任意の色合いの発光、特に白色光の発光を実現する半導体発光素子および半導体発光素子の製造方法を提供することを目的とする。
【解決手段】 半導体層である希土類ドープ層１８が発光層１５の上方に設けられて少なくとも一部に希土類元素を添加し、希土類ドープ層１８に隣接するコンタクト層を備えることにより、希土類ドープ層１８は発光層１５からの発光によって励起されて蛍光を生じ、かつ電流狭窄する層として用いることができるので、簡便な方法で、同一の半導体層が電流狭窄と発光の二つの機能を備え、発光強度の強い任意の色合いの発光、特に白色光の発光を実現する半導体発光素子および半導体発光素子の製造方法を提供することができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、半導体発光素子および半導体発光素子の製造方法に関するものであり、特に、白色発光ダイオードなどとして好適に用いることのできる半導体発光素子および半導体発光素子の製造方法に関するものである。
一般に、白色光照明装置は蛍光体およびこれを励起する発光素子から構成され、図６に示すような構造を有している。図６は従来の白色光照明装置の構成を模式的に示す断面図である。具体的には、一般式ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（但しｘは０≦ｘ≦１である）で表される窒化物半導体からなり、１ｍｍ角以下に切断された発光素子６１と、その発光素子６１から放出された青色光によって励起されて５７０ｎｍ付近に発光ピークを有する波長を発光する蛍光体６２と、発光素子６１を保持するメタルステム６３と、発光素子６１を包囲し、蛍光体６２が充填された樹脂モールド６４とを備えている。
発光素子６１は、メタルステム６３に接し、サファイアからなる絶縁物基板（図示せず）と、絶縁物基板の上に設けられたｎ型層６１ａと、ｎ型層６１ａの上に活性層（図示せず）を挟んで設けられたｐ型層６１ｂとを有している。発光素子６１の裏面はサファイアの絶縁物基板（図示せず）であるため、発光素子６１の裏面から電極を取り出すことはできない。したがって、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ層からなるｎ型層６１ａをメタルステム６３と電気的に接続するために、発光素子６１の一部のｐ型層６１ｂを除去してｎ型層６１ａを露出させ、その部分の上にｎ側電極６６を設け、ｎ側電極６６とメタルステム６３を配線６５によって接続する方法がとられている。また、絶縁膜６８は電流狭窄としての役割を果たしている。
照明装置からの光は、発光素子６１から放出される青色光と蛍光体６２から放出される黄色光とが混合されたものであるため、観察者は白色光として感知する（例えば、特許文献１，特許文献２，特許文献３参照）。
特開平５−１５２６０９号公報 特開２０００−９１７０３号公報 特開２００２−２３１９９５号公報
しかしながら、上記の樹脂モールドに蛍光体を充填する従来構造の場合、赤色光成分が弱く演色性が悪いという問題点があった。すなわち、赤色の物質に白色光が当たったときに少しオレンジ色に見えてしまうため、このような白色光をバックライトで使用するには、カラーフィルタに工夫をして対処するしかなかった。
さらに、蛍光体の厚さによって、白色光の色合いが非常に敏感に変化してしまうという問題点があった。例えば、蛍光体の厚さが薄すぎる場合には、発光ダイオード（以下ＬＥＤという）から放出された青色光が所望量以上の量で蛍光体を透過してしまう。その結果、蛍光体の黄色光よりもＬＥＤの青色光が優勢となるために、ＬＥＤと蛍光体の合成光出力は青味がかって見える。一方、蛍光体が厚すぎる場合には、ＬＥＤから発光された青色光が蛍光体層を透過する量は所望量より少なくなる。その結果、ＬＥＤの青色光よりも蛍光体の黄色光が優勢となるために、ＬＥＤと蛍光体の合成光出力は黄味がかって見える。
このように、蛍光体の厚さはＬＥＤと蛍光体との合成光出力に影響を及ぼす重要な変数であり、蛍光体厚さの変動は白色光照明用途に適さない白色光（青味がかった色や黄色味がかった色）をもたらしてしまう。しかしながら、白色光照明装置を大規模生産する際に蛍光体の厚さを精密に制御するのは困難であるため、製造歩留りは許容し得ないほどに低くなることがあった。
また、電流を狭窄する絶縁膜としてシリコン酸化膜やシリコン窒化膜などの外部から化学的気相成長（以下ＣＶＤという）法などで堆積して形成する膜を用いているため、窒化物半導体に対する密着性が低いことやシリコン酸化膜やシリコン窒化膜において細孔の密度が高い、すなわちピンホール密度が高いなどの問題点もあった。
本発明の目的は、上記従来の問題点を解決するものであり、簡便な方法で、同一の半導体層が電流狭窄と発光の二つの機能を備え、発光強度の強い任意の色合いの発光、特に白色光の発光を実現する半導体発光素子および半導体発光素子の製造方法を提供することにある。
上記目的を達成するために、本発明の請求項１記載の半導体発光素子は、半導体基板と、前記半導体基板上に形成され第１の導電型のコンタクト層，第２の導電型のコンタクト層および発光層を備えるダブルへテロ構造層と、前記ダブルへテロ構造層上に形成され少なくとも一部に希土類元素を含む半導体層と、前記ダブルへテロ構造層を貫通して前記第１の導電型のコンタクト層と接続する第１の導電型の電極と、露出された前記第２の導電型のコンタクト層と接続する第２の導電型の電極とを有し、前記半導体層が前記発光層の発光によって励起されて蛍光を生じると共に、電流狭窄することを特徴とする。
請求項２記載の半導体発光素子は、請求項１記載の半導体発光素子において、前記発光層のバンドギャップエネルギーが前記半導体層のバンドギャップエネルギーよりも大きく、さらに、前記コンタクト層のバンドギャップエネルギーが前記発光層のバンドギャップエネルギーよりも大きいことを特徴とする。
請求項３記載の半導体発光素子は、請求項１または請求項２のいずれかに記載の半導体発光素子において、前記希土類元素は、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｔｂ、Ｅｒ、ＴｍおよびＹｂのうち少なくとも１つであることを特徴する。
請求項４記載の半導体発光素子は、請求項１または請求項２または請求項３のうちのいずれかに記載の半導体発光素子において、前記希土類元素の濃度は、１×１０１８ｃｍ−３以上５×１０２２ｃｍ−３以下であることを特徴とする。
請求項５記載の半導体発光素子は、一対の反射ミラーを備える半導体発光素子であって、発光層の上方に設けられた少なくとも一部に希土類元素を含む半導体層を有し、前記半導体層が前記発光層の発光によって励起されて蛍光を生じると共に、電流狭窄することを特徴とする。
請求項６記載の半導体発光素子の製造方法は、半導体基板上に第１の導電型のコンタクト層，第２の導電型のコンタクト層および発光層を備えるダブルへテロ構造層を形成する工程と、前記ダブルへテロ構造層上に半導体層を形成する工程と、前記半導体層の少なくとも一部に希土類元素を添加する工程と、前記ダブルへテロ構造層および前記半導体層を部分的にエッチングすることにより前記第２の導電型のコンタクト層の一部を露出する工程と、前記ダブルへテロ構造層を貫通して前記第１の導電型のコンタクト層と接続する第１の導電型の電極を形成する工程と、露出された前記第２の導電型のコンタクト層と接続する第２の導電型の電極を形成する工程とを有することを特徴とする。
請求項７記載の半導体発光素子の製造方法は、請求項６記載の半導体発光素子の製造方法において、前記半導体層への希土類元素の添加をイオン注入法によって行うことを特徴とする。
請求項８記載の半導体発光素子の製造方法は、請求項７記載の半導体発光素子の製造方法において、前記希土類元素を１×１０１３ｃｍ−２以上１×１０１７ｃｍ−２以下の注入量で注入することを特徴とする。
請求項９記載の半導体発光素子の製造方法は、請求項６または請求項７または請求項８のうちのいずれかに記載の半導体発光素子の製造方法において、前記希土類元素としてＣｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｔｂ、Ｅｒ、ＴｍおよびＹｂのうちのいずれかを用いることを特徴とする。
以上のように、簡便な方法で、同一の半導体層が電流狭窄と発光の二つの機能を備え、発光強度の強い任意の色合いの発光、特に白色光の発光を実現する半導体発光素子および半導体発光素子の製造方法を提供することができる。
本発明の半導体発光素子は、半導体層が発光層の上方に設けられて少なくとも一部に希土類元素を添加し、半導体層に隣接するコンタクト層を備えることにより、半導体層は発光層からの発光によって励起されて蛍光を生じ、かつ電流狭窄する層として用いることができるので、簡便な方法で、同一の半導体層が電流狭窄と発光の二つの機能を備え、発光強度の強い任意の色合いの発光、特に白色光の発光を実現する半導体発光素子および半導体発光素子の製造方法を提供することができる。
本発明の半導体発光素子は、発光層と、前記発光層の上方に設けられ、少なくとも一部に希土類元素を含む半導体層と、前記半導体層に隣接するコンタクト層を備える半導体発光素子であって、前記半導体層は前記発光層からの発光によって励起され、蛍光を生じかつ電流狭窄する層として用いるものである。
このような半導体発光素子において、発光層からの光によって半導体層に含まれる希土類元素が励起されると、その元素に固有の波長の蛍光が発せられる。つまり、希土類元素を適宜選択して半導体層に導入することにより、所望の色合いの発光を実現することができる。従来の白色発光素子では赤色光成分が弱いという問題点があったが、本発明では、赤色を発光する希土類元素を選択することにより、赤色成分を補うことができる。また、従来の白色発光素子では蛍光体の厚さに依存して白色光の色合いが変化しやすいという問題点もあったが、本発明では、蛍光体を用いなくてもよいため、安定した白色光を得ることができる。さらに、従来の白色発光素子では電流を狭窄する絶縁膜として、ＣＶＤ法などでシリコン酸化膜やシリコン窒化膜などを堆積して形成するため、窒化物半導体に対する密着性が低いことやシリコン酸化膜やシリコン窒化膜中のピンホール密度が高いなどの問題点もあったが、本発明では希土類元素を含んだ半導体層が電流を狭窄するために、そのようなことを引き起こすこともない。
なお、半導体層は発光層の上方に設けられていると上述しているが、この構造には、半導体発光素子が基板を有している場合に、基板の上に設けられた発光層の上に半導体層が設けられている構造だけではなく、基板と発光層との間に半導体層が設けられている構造も含まれるとする。
本発明の実施の形態について、図面を参照して以下に説明する。
（実施の形態１）
まず、図１を用いて実施の形態１における半導体発光素子の構造を説明する。
図１は本発明の実施の形態１における半導体発光素子の構造を示す断面図である。
図１に示すように、本実施の形態の半導体発光素子１０は、（０００１）面方位のサファイア基板１１と、サファイア基板１１の上に設けられたＧａＮからなる厚さ２００ｎｍの下地層１２と、ＧａＮ下地層の上に設けられたｎ型のＧａＮからなる厚さ３００ｎｍのｎ型コンタクト層１３と、ｎ型コンタクト層１３の上に設けられたｎ型のＡｌ０．１０Ｇａ０．９０Ｎからなる厚さ５００ｎｍのｎ型クラッド層１４と、ｎ型クラッド層１４の上に設けられ、厚さ２ｎｍのＩｎ０．１０Ｇａ０．９０Ｎ井戸層と厚さ６ｎｍのＧａＮ障壁層とが交互に３周期積層された量子井戸構造からなる発光層１５と、発光層１５の上に設けられたｐ型のＡｌ０．１０Ｇａ０．９０Ｎからなる厚さ５００ｎｍのｐ型クラッド層１６と、ｐ型クラッド層１６の上に設けられたｐ型のＧａＮからなる厚さ３００ｎｍのｐ型コンタクト層１７と、ｐ型コンタクト層１７の上に設けられた半導体層であって、厚さ１００ｎｍのＩｎ０．２０Ｇａ０．８０Ｎから成りＥｕがドープされた希土類ドープ層１８とを有している。希土類ドープ層１８はｐ型コンタクト層１７を露出するｐ側電極形成領域を設けており、このｐ側電極形成領域上にｐ側電極２０を設けている。また、ｎ側電極形成領域として希土類ドープ層１８、ｐ型コンタクト層１７、ｐ型クラッド層１６、発光層１５、ｎ型クラッド層１４の一部、およびｎ型コンタクト層１３の上層部をエッチング除去し、ｎ型コンタクト層１３が露出する部分の上にｎ側電極１９を設けている。また、希土類ドープ層１８に注入されているＥｕの濃度が１×１０１８ｃｍ−３以上５×１０２２ｃｍ−３の範囲になるようにＥｕをドープしている。
次に、本実施の形態における半導体発光素子の製造工程について、図２（ａ）〜（ｅ），図３を参照しながら説明する。図２は本発明の実施の形態１における半導体発光素子の製造工程を模式的に示す工程断面図、図３は本発明の実施の形態１における半導体発光素子のＥｕ注入量と発光強度の関係を示す図である。
まず、図２（ａ）に示す工程で、サファイア基板１１の（０００１）面上に、有機金属気相成長法を用いて、ＧａＮからなる厚さ２００ｎｍの下地層１２を堆積する。その上に、ｎ型不純物（ドナー）としてＳｉをドープしながら厚さ３００ｎｍのＧａＮを成長させることによりｎ型コンタクト層１３を形成し、その上に、同じくＳｉをドープしながら厚さ５００ｎｍのＡｌ０．１０Ｇａ０．９０Ｎを成長させることによりｎ型クラッド層１４を形成する。その後、ｎ型クラッド層１４の上に、厚さ２ｎｍのＩｎ０．１０Ｇａ０．９０Ｎからなる井戸層と厚さ６ｎｍのＧａＮからなる障壁層とを交互に３回成長させることにより、合計膜厚２４ｎｍの発光層１５を形成し、その上に、ｐ型不純物（アクセプタ）としてＭｇをドープしながら厚さ５００ｎｍのＡｌ０．１０Ｇａ０．９０Ｎを成長させることによりｐ型クラッド層１６を形成し、さらに、同じくＭｇをドープしながら厚さ３００ｎｍのＧａＮを成長させることにより、ｐ型コンタクト層１７を形成する。その後、ｐ型コンタクト層１７の上に厚さ１００ｎｍのＩｎ０．２０Ｇａ０．８０Ｎからなる希土類ドープ層１８を形成する。希土類ドープ層１８の膜厚は、薄膜中に均一に希土類元素がドープされていると仮定すると、膜厚が厚くなるにしたがって発光強度は増加するが、ある一定量を超えると結晶性の低下を引き起こすため、厚さ１００ｎｍ以上５００ｎｍ以下の範囲が望ましい。
なお、本実施の形態では発光層１５が量子井戸構造である場合について説明しているが、本発明では発光層１５としてバルクを用いてもよい。また、発光層１５の導電型は特に指定していないが、ｐ型、ｎ型およびアンドープのいずれであってもよい。また、希土類ドープ層１８はＩｎ０．２０Ｇａ０．８０Ｎ単層膜であるが、複数の層を有する多層膜であってもよい。例えば、Ｉｎ０．２０Ｇａ０．８０Ｎ層とＧａＮ層とがそれぞれ３ｎｍの厚さで２０周期積層された多層膜を用いた場合、Ｉｎ０．２０Ｇａ０．８０Ｎ単層膜を用いた場合と比較して発光強度を強くすることができる。
次に、図２（ｂ）に示す工程で、イオン注入法を用いて、希土類ドープ層１８の中にＥｕ２１を注入する。Ｅｕの注入される量がある一定量に達するまではその量が多くなるにしたがって発光強度は増加するが、Ｅｕの注入される量がその一定量を超えると発光強度が減少するため、Ｅｕの注入量は１×１０１３〜１×１０１７ｃｍ−２の範囲とする。図３は実際に厚さ１００ｎｍのＩｎ０．２０Ｇａ０．８０Ｎからなる希土類ドープ層１８に注入したＥｕ量を変化させた場合の発光強度結果を示すグラフであり、図３からわかるように、Ｅｕ注入量の増加に伴って発光強度は増加するが、これらの量がある一定量（１×１０１７ｃｍ−２）を超えた場合には、発光強度は急激に減衰することがわかる。なお、Ｅｕ注入量が１×１０１３〜１×１０１７ｃｍ−２の範囲において、絶縁性があることを確認している。
ここでは、イオン注入することにより希土類元素の添加を行ったが、その他の方法で添加することも可能である。
次に、図２（ｃ）に示す工程で、希土類ドープ層１８の上に開口を有するエッチングマスク（図示せず）を形成してウェットエッチングあるいはドライエッチングを行うことにより、希土類ドープ層１８を選択的に除去してｐ側電極形成領域を形成する。その後、エッチングマスクを除去する。
次に、図２（ｄ）に示す工程で、ｎ側電極形成領域を形成するために、希土類ドープ層１８の上に開口を有するエッチングマスク（図示せず）を形成して、ウェットエッチングあるいはドライエッチングを行うことにより、ｐ型コンタクト層１７、ｐ型クラッド層１６、発光層１５、ｎ型クラッド層１４およびｎ型コンタクト層１３の上層部の一部とを除去する。その後、エッチングマスクを除去する。
次に、図２（ｅ）に示す工程で、ｎ型コンタクト層１３の上にＴｉ／Ａｌ等からなるｎ側電極１９を形成し、ｐ型コンタクト層１７の上にＮｉ／ＡｕやＮｉ／Ｐｔ／Ａｕ等からなるｐ側電極２０を形成することにより、ダブルへテロ構造を有する窒化物半導体発光素子１０が完成する。
本実施の形態における窒化物半導体発光素子１０のｐ側電極２０とｎ側電極１９との間に３．５Ｖの電圧を印加して２０ｍＡの電流を流したところ、高効率の赤色発光を確認することができた。
本実施の形態では、発光層１５から青紫色光が発生し、青紫色光の一部によって希土類ドープ層１８に含まれるＥｕが励起されて、赤色光が発光される。従来の白色発光素子では、コンタクト層上に電流を狭窄する絶縁膜を用いているために、絶縁膜の剥がれやピンホールによる動作不良を引き起こしていたが、絶縁膜を堆積せずに絶縁性のある希土類ドープ層を形成することで、電流を効率よく注入でき、動作不良を引き起こさず、簡便な方法で、同一の半導体層が電流狭窄と発光の二つの機能を備え、発光強度の強い任意の色合いの発光、特に白色光の発光を実現する半導体発光素子および半導体発光素子の製造方法を提供することができる。
なお、従来の白色発光素子では赤色光成分が弱いという不具合が生じていたが、本実施の形態により赤色光を含む光を得ることができる。また、従来の白色発光素子では光の色合いが変化しやすかったが、本実施の形態で用いたＥｕに加えて緑や青の光を発生させる希土類元素を用いると、色合いの安定した白色光を得ることができる。例えば、緑色発光を得るためにはＴｂやＥｒを、青色発光を得るためにはＣｅ、ＰｒまたはＴｍを用いることができる。
（実施の形態２）
図４は本発明の実施の形態２における半導体発光素子のアレー構造を示す概略図である。
図４に示すように、本実施の形態の半導体発光素子４０は、ｎ型の導電性を有するＧａＮ、ＡｌＧａＮまたはＳｉＣからなる基板４１上に、実施の形態１と同様のダブルへテロ構造４２（例えば、図１に示すようにＧａＮからなる厚さ２００ｎｍの下地層１２を堆積した後、Ｓｉをドープした厚さ３００ｎｍのＧａＮからなるｎ型コンタクト層１３と、同じくＳｉをドープした厚さ５００ｎｍのＡｌ０．１０Ｇａ０．９０Ｎからなるｎ型クラッド層１４と、厚さ２ｎｍのＩｎ０．１０Ｇａ０．９０Ｎからなる井戸層と厚さ６ｎｍのＧａＮからなる障壁層とを交互に３回成長し合計膜厚２４ｎｍの発光層１５と、Ｍｇをドープした厚さ５００ｎｍのＡｌ０．１０Ｇａ０．９０Ｎからなるｐ型クラッド層１６と、同じくＭｇをドープした厚さ３００ｎｍのＧａＮからなるｐ型コンタクト層１７を順次形成したもの）と、Ｅｕが注入された希土類ドープ層４３が設けられ、さらに希土類ドープ層４３の開口部４５には露出したダブルへテロ構造４２の最表面にＩＴＯのような光を取り出せる透明電極４６が設けられている。また、基板４１の裏面にはｎ側電極４４が設けられている。希土類ドープ層４３にドープされているＥｕの濃度は１×１０１８以上５×１０２２ｃｍ−３以下の範囲である。この濃度でドープすることにより、電流が狭窄できることに加え、希土類元素を含まない場合と比較して発光強度を高くすることができる。また、各々の電気的な素子分離は、希土類ドープ層４３を用いて行っている。
本実施の形態では、Ｅｕが含まれる希土類ドープ層４３のバンドギャップエネルギー（Ｅｇｓ）より、ダブルへテロ構造４２のバンドギャップエネルギー（多層膜のうち、発光層１５とｐ型コンタクト層１７に相当し、発光層１５とｐ型コンタクト層１７のバンドギャップエネルギーをそれぞれＥｇａ、ＥｇｃとするとＥｇｃ＞Ｅｇａである）の方が大きくなるように材料を選択している（例えば希土類ドープ層４３にＩｎ０．２０Ｇａ０．８０Ｎ層を使用）。この場合には、希土類ドープ層４３の方がダブルへテロ構造４２（多層膜のうち、発光層１５とｐ型コンタクト層１７に相当）よりも大きなバンドギャップエネルギーを有する場合と比較して、発光層１５の発光（発光エネルギー）のうち希土類ドープ層４３で吸収されるものの割合が高くなる。そのため、希土類元素の励起効率を高くすることができる。事実、希土類ドープ層４３をＡｌ０．１０Ｇａ０．９０Ｎ層にした場合（Ｅｇｓ＞Ｅｇａ、Ｅｇｃの関係に相当）と比較して、約３倍の赤色発光を確認した。
以上のように、希土類元素を含む半導体層のバンドギャップエネルギーより、発光層およびコンタクト層のバンドギャップエネルギーを大きくすることにより、発光時の希土類元素の励起効率を高めて赤色発光強度を高めることができる。また、半導体層の絶縁性を利用して素子分離ができるため、１素子ごとにへき開分離することなく、大出力光を得ることができる。
（実施の形態３）
図５は本発明の実施の形態３における半導体発光素子の構造を示す断面図である。
図５に示すように、本実施の形態の半導体発光素子５０は、ｎ型の導電性を有するＧａＮ、ＡｌＧａＮまたはＳｉＣからなる基板５１と、基板５１上に設けられたＳｉをドープした厚さ３５ｎｍのｎ型Ａｌ０．３４Ｇａ０．６６Ｎと厚さ３３ｎｍのｎ型ＧａＮとを交互に３５回成長し合計膜厚２３８０ｎｍのｎ型多層膜ミラー５２ａと、Ｓｉをドープした厚さ２５６ｎｍのＧａＮからなるｎ型クラッド層と厚さ１８４ｎｍのＩｎ０．１０Ｇａ０．９０Ｎからなる井戸層とＭｇをドープした厚さ２５６ｎｍのＧａＮからなるｐ型クラッド層を順次形成した発光層５３と、Ｅｕが注入された厚さ１００ｎｍのＩｎ０．２０Ｇａ０．８０Ｎからなる希土類ドープ層５４を備え、希土類ドープ層５４の開口部にはＭｇをドープした厚さ５０ｎｍのＧａＮからなるｐ型コンタクト層５５が設けられ、ｐ型コンタクト層５５の上にＩＴＯのような光を取り出せる透明電極５７と、厚さ４５ｎｍのチタン酸化膜と厚さ４８ｎｍのシリコン酸化膜とが交互に６周期積層されて合計膜厚５６０ｎｍのｐ型多層膜ミラー５２ｂを備えている。また、基板５１の裏面にはｎ側電極５６が設けられている。
本実施の形態では、希土類ドープ層５４により電流が狭窄されて、効率よく発光層５３に電流が注入されかつ、ｎ型多層膜ミラー５２ａとｐ型多層膜ミラー５２ｂからなる一対の反射ミラーにより発光層５３の発光は強められ、発光層５３の発光によって希土類ドープ層５４に含まれるＥｕが励起されるため、赤色発光強度を高めることができる。
このとき、希土類ドープ層５４に含まれるＥｕの濃度が１×１０１８ｃｍ−３以上５×１０２２ｃｍ−３の範囲であることにより、結晶性を低下しにくくすることができる。
なお、従来の白色発光素子では赤色光成分が弱いという問題点があったが、本実施の形態の手段を用いることにより赤色光を含む光を得ることができる。また、従来の白色発光素子では光の色合いが変化しやすかったが、本実施の形態で用いたＥｕに加えて緑や青の光を発生させる希土類元素を用いると、色合いの安定した白色光を得ることができる。例えば、緑色発光を得るためにはＴｂやＥｒを、青色発光を得るためにはＣｅ、ＰｒまたはＴｍを用いることができる。
以上、実施の形態１〜実施の形態３について具体的に説明したが、本発明は、これらの実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。例えば、上述の実施の形態において挙げた数値、素子構造、基板、プロセス、成長方法などはあくまでも例に過ぎず、必要に応じてこれらと異なる数値、素子構造、プロセス、成長方法などを用いてもよい。具体的には、上述の実施の形態においては、有機金属気相成長法を用いているが、例えば分子線エピタキシー法などの他のエピタキシャル成長法を用いてもよい。また、上述の実施の形態においては、発明を白色発光素子や赤色発光素子に適用する場合についてのみ説明したが、２色以上を混色する多色発光素子にも適用することができる。
本発明の半導体発光素子および半導体発光素子の製造方法では、簡便な方法で、同一の半導体層が電流狭窄と発光の二つの機能を備え、発光強度の強い任意の色合いの発光、特に白色光の発光を実現する半導体発光素子および半導体発光素子の製造方法を提供することができ、白色発光ダイオードなどとして好適に用いることのできる半導体発光素子および半導体発光素子の製造方法等に有用である。
本発明の実施の形態１における半導体発光素子の構造を示す断面図 本発明の実施の形態１における半導体発光素子の製造工程を模式的に示す工程断面図 本発明の実施の形態１における半導体発光素子のＥｕ注入量と発光強度の関係を示す図 本発明の実施の形態２における半導体発光素子のアレー構造を示す概略図 本発明の実施の形態３における半導体発光素子の構造を示す断面図 従来の白色光照明装置の構成を模式的に示す断面図
符号の説明
１０ 半導体発光素子
１１ サファイア基板
１２ 下地層
１３ ｎ型コンタクト層
１４ ｎ型クラッド層
１５ 発光層
１６ ｐ型クラッド層
１７ ｐ型コンタクト層
１８ 希土類ドープ層
１９ ｎ側電極
２０ ｐ側電極
２１ Ｅｕ
４０ 半導体発光素子
４１ 基板
４２ ダブルへテロ構造
４３ 希土類ドープ層
４４ ｎ側電極
４５ 開口部
４６ 透明電極
５０ 半導体発光素子
５１ 基板
５２ａ ｎ型多層膜ミラー
５２ｂ ｐ型多層膜ミラー
５３ 発光層
５４ 希土類ドープ層
５５ ｐ型コンタクト層
５６ ｎ側電極
５７ 透明電極
６１ 発光素子
６１ａ ｎ型層
６１ｂ ｐ型層
６２ 蛍光体
６３ メタルステム
６４ 樹脂モールド
６５ 配線
６６ ｎ側電極
６７ ｐ側電極
６８ 絶縁膜

Claims (9)

  1. 半導体基板と、
    前記半導体基板上に形成され第１の導電型のコンタクト層，第２の導電型のコンタクト層および発光層を備えるダブルへテロ構造層と、
    前記ダブルへテロ構造層上に形成され少なくとも一部に希土類元素を含む半導体層と、
    前記ダブルへテロ構造層を貫通して前記第１の導電型のコンタクト層と接続する第１の導電型の電極と、
    露出された前記第２の導電型のコンタクト層と接続する第２の導電型の電極と
    を有し、前記半導体層が前記発光層の発光によって励起されて蛍光を生じると共に、電流狭窄することを特徴とする半導体発光素子。
  2. 前記発光層のバンドギャップエネルギーが前記半導体層のバンドギャップエネルギーよりも大きく、さらに、前記コンタクト層のバンドギャップエネルギーが前記発光層のバンドギャップエネルギーよりも大きいことを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子。
  3. 前記希土類元素は、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｔｂ、Ｅｒ、ＴｍおよびＹｂのうち少なくとも１つであることを特徴する請求項１または請求項２のいずれかに記載の半導体発光素子。
  4. 前記希土類元素の濃度は、１×１０１８ｃｍ−３以上５×１０２２ｃｍ−３以下であることを特徴とする請求項１または請求項２または請求項３のうちのいずれかに記載の半導体発光素子。
  5. 一対の反射ミラーを備える半導体発光素子であって、
    発光層の上方に設けられた少なくとも一部に希土類元素を含む半導体層
    を有し、前記半導体層が前記発光層の発光によって励起されて蛍光を生じると共に、電流狭窄することを特徴とする半導体発光素子。
  6. 半導体基板上に第１の導電型のコンタクト層，第２の導電型のコンタクト層および発光層を備えるダブルへテロ構造層を形成する工程と、
    前記ダブルへテロ構造層上に半導体層を形成する工程と、
    前記半導体層の少なくとも一部に希土類元素を添加する工程と、
    前記ダブルへテロ構造層および前記半導体層を部分的にエッチングすることにより前記第２の導電型のコンタクト層の一部を露出する工程と、
    前記ダブルへテロ構造層を貫通して前記第１の導電型のコンタクト層と接続する第１の導電型の電極を形成する工程と、
    露出された前記第２の導電型のコンタクト層と接続する第２の導電型の電極を形成する工程と
    を有することを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
  7. 前記半導体層への希土類元素の添加をイオン注入法によって行うことを特徴とする請求項６記載の半導体発光素子の製造方法。
  8. 前記希土類元素を１×１０１３ｃｍ−２以上１×１０１７ｃｍ−２以下の注入量で注入することを特徴とする請求項７記載の半導体発光素子の製造方法。
  9. 前記希土類元素としてＣｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｔｂ、Ｅｒ、ＴｍおよびＹｂのうちのいずれかを用いることを特徴とする請求項６または請求項７または請求項８のうちのいずれかに記載の半導体発光素子の製造方法。
JP2004366939A 2004-12-20 2004-12-20 半導体発光素子および半導体発光素子の製造方法 Withdrawn JP2006173506A (ja)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2004366939A JP2006173506A (ja) 2004-12-20 2004-12-20 半導体発光素子および半導体発光素子の製造方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2004366939A JP2006173506A (ja) 2004-12-20 2004-12-20 半導体発光素子および半導体発光素子の製造方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2006173506A true JP2006173506A (ja) 2006-06-29

Family

ID=36673890

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2004366939A Withdrawn JP2006173506A (ja) 2004-12-20 2004-12-20 半導体発光素子および半導体発光素子の製造方法

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP2006173506A (ja)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2010109170A (ja) * 2008-10-30 2010-05-13 Stanley Electric Co Ltd 半導体発光装置
WO2010073539A1 (ja) * 2008-12-25 2010-07-01 昭和電工株式会社 半導体発光素子及び半導体発光素子の製造方法、ランプ
KR100992743B1 (ko) 2008-12-26 2010-11-05 엘지이노텍 주식회사 발광소자 및 그 제조방법
CN102290508A (zh) * 2011-09-14 2011-12-21 武汉大学 一种无荧光粉的白光led

Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2010109170A (ja) * 2008-10-30 2010-05-13 Stanley Electric Co Ltd 半導体発光装置
WO2010073539A1 (ja) * 2008-12-25 2010-07-01 昭和電工株式会社 半導体発光素子及び半導体発光素子の製造方法、ランプ
TWI453955B (zh) * 2008-12-25 2014-09-21 Toyoda Gosei Kk 半導體發光元件及半導體發光元件之製造方法、燈
US8969905B2 (en) 2008-12-25 2015-03-03 Toyoda Gosei Co., Ltd. Semiconductor light emitting device and method for manufacturing semiconductor light emitting device, and lamp
KR100992743B1 (ko) 2008-12-26 2010-11-05 엘지이노텍 주식회사 발광소자 및 그 제조방법
US7977683B2 (en) 2008-12-26 2011-07-12 Lg Innotek Co., Ltd. Light emitting device
US8431938B2 (en) 2008-12-26 2013-04-30 Lg Innotek Co., Ltd. Light emitting device
CN102290508A (zh) * 2011-09-14 2011-12-21 武汉大学 一种无荧光粉的白光led

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5129161B2 (ja) 光変換のための希土類ドープされた層または基板
KR101611412B1 (ko) 발광 소자
US20040056258A1 (en) Multi-wavelength luminous element
EP2200100A1 (en) Iii nitride semiconductor light emitting element
CN108292693B (zh) 具有琥珀色到红色光发射（＞600nm）的III族氮化物半导体光发射设备以及用于制作所述设备的方法
JP2006295132A (ja) 発光装置
US8237152B2 (en) White light emitting device based on polariton laser
JP2010532926A (ja) 放射線放出半導体ボディ
JP2009530803A (ja) モノリシック白色発光ダイオード
US7915607B2 (en) Nitride semiconductor device
WO2007136097A1 (ja) 半導体発光素子
KR20080003901A (ko) 질화물 반도체 발광 소자
JP2007109885A (ja) 半導体発光装置及びその製造方法
JP2005101533A (ja) 発光素子およびその製造方法
KR20130141945A (ko) 전자 차단층을 갖는 발광 소자
JP2007088269A (ja) 半導体発光素子およびそれを用いる照明装置ならびに半導体発光素子の製造方法
KR100422944B1 (ko) 반도체 엘이디(ｌｅｄ) 소자
JP5236847B2 (ja) Ｉｉ−ｖｉ族化合物半導体結晶および光電変換機能素子
JP2006173506A (ja) 半導体発光素子および半導体発光素子の製造方法
TW200832758A (en) GaN semiconductor light emitting element
JP5060823B2 (ja) 半導体発光素子
JP6058946B2 (ja) 複数の活性層を有する窒化物半導体素子、窒化物半導体発光素子、窒化物半導体受光素子、及び、窒化物半導体素子の製造方法
JP2005340231A (ja) 半導体発光素子およびその製造方法
JP2000058916A (ja) 窒化ガリウム系化合物半導体発光素子
JP2001291900A (ja) 半導体発光装置およびその製造方法

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20060817

RD04 Notification of resignation of power of attorney

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7424

Effective date: 20080430

A761 Written withdrawal of application

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A761

Effective date: 20080709