JP2007142426A - 窒化物半導体発光素子 - Google Patents

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Abstract

【課題】互いに異なる波長光を放出する複数の活性層を有する窒化物半導体発光素子から発生される色分布のバラツキを活性層の配置と数で解決すること。
【解決手段】p型及びn型窒化物層とその間に順次に形成された互いに異なる波長光を発する複数の活性層を有する窒化物半導体発光素子において、上記複数の活性層は少なくとも第1波長光を放出する第1活性層24と、上記第1波長光より長波長である第2波長光を放出する第2活性層26とを含み、上記第1活性層及び第2活性層は各々交互に形成された少なくとも一つの量子井戸層と量子障壁層とを有し、上記第1活性層は上記第2活性層よりp型窒化物層に隣接するように配置され、上記第1活性層の量子井戸層24aの数は上記第2活性層の量子井戸層26aの数より少なくする。
【選択図】 図2b

Description

本発明は、窒化物半導体発光素子に関し、より詳しくは互いに異なる波長光を発する少なくとも2つの活性層を単一素子形態に実現したモノリシック窒化物半導体発光素子に関する。
一般的に、LEDを利用した白色発光素子は優れた高輝度及び高効率が可能であるため、照明装置またはディスプレイ装置のバックライトに広く使用されている。
このような白色発光素子の実現方案は、個別LEDに製造した青色、赤色、及び緑色LEDを単純組み合わせる方式と蛍光体を利用する方式が広く知られている。多色の個別LEDを同じ印刷回路基板に組み合わせる方式はそのための複雑な駆動回路が要求され、これにより小型化が難しいという短所がある。そのため、蛍光体を利用した白色発光素子の製造方法が普遍的に使用されている。
従来の蛍光体を利用した白色発光素子の製造方法では、青色発光素子を利用する方法と紫外線発光素子を利用する方法がある。例えば、青色発光素子を利用する場合にはYAG蛍光体を利用して青色光を白色光に波長変換する。即ち、青色LEDから発生された青色波長がYAG(Yittrium Aluminum Garnet)蛍光体を励起させ最終的に白色光を得ることができる。しかしながら、蛍光体粉末による素子特性の不利益な影響が生じたり、蛍光体を励起する際に光効率が減少し色補正指数が低下され優れた色感を得ることができなかったりするという限界がある。
このような問題を解決するための新たな方案として、蛍光体なしに異なる波長光を発する複数の活性層を有するモノリシック発光素子に対する研究が活発に行われている。赤色、青色、緑色のための活性層、または青色、オレンジ色のための活性層を単一発光素子に実現したり、その中の一部である青色及び緑色のための活性層を単一発光素子に実現し、他の赤色発光素子を結合する方式で実現したりすることができる。複数の活性層を有するモノリシック発光素子の一例として、図1には互いに異なる波長光を放出する2つの活性層を有する窒化物半導体発光素子が示されている。
図1に示すように、上記窒化物半導体発光素子10は基板11上に順次に形成された第1導電型窒化物層12と、第1活性層14及び第2活性層16と、第2導電型窒化物層17とを含む。なお、上記第1導電型窒化物層12及び第2導電型窒化物層17にはそれぞれ第1電極19a及び第2電極19bが提供される。
図1に示された構造において、上記第1活性層14及び第2活性層16は、例えば各々青色、オレンジ色または青色、緑色の光を生成するように互いに異なる組成を有するInxGa1-xN(0<x≦1)から成る。
しかしながら、2つ以上の活性層を有する窒化物発光素子では、正孔の注入長さ(injection length)が電子の注入長さより非常に短いので、p型窒化物層に隣接した一つの活性層でのみ再結合が発生される問題がある。このように、各活性層の固有な色の光が適切に分布されないので、好適な色分布による白色光を得るためのモノリシック素子として実現されるのに限界があった。
本発明は上述した従来技術の問題を解決するためのもので、その目的は互いに異なる波長光を有する複数の活性層の固有な発光が所望のレベルの分布を有することができるように、上記活性層の配置と数を波長に応じて異にして実現した新たな窒化物半導体発光素子を提供することである。
上記した技術的課題を解決するために、本発明は、p型及びn型窒化物層とその間に順次に形成された互いに異なる波長光を発する複数の活性層を有する窒化物半導体発光素子において、上記複数の活性層は少なくとも第1波長光を放出する第1活性層と、上記第1波長光より長波長である第2波長光を放出する第2活性層とを含み、上記第1活性層及び第2活性層は各々交互に形成された少なくとも一つの量子井戸層と量子障壁層とを有し、上記第1活性層は上記第2活性層よりp型窒化物層に隣接するように配置され、上記第1活性層の量子井戸層の数は上記第2活性層の量子井戸層の数より少ないことを特徴とする窒化物半導体発光素子を提供する。
好ましくは、上記第2活性層の量子井戸層の数は上記第1活性層の量子井戸層の数の少なくとも2倍である。
本発明の具体的な実施形態では、上記第1活性層及び第2活性層の量子井戸層は各々In1-x1Gax1N及びIn1-x2Gax2Nから成り、上記第1活性層及び第2活性層の量子障壁層はIn1-yGayNから成り、ここでx2<1、0<x1<x2、0≦y<x1である。
本発明の第1活性層及び第2活性層は白色発光に必要な特定波長を有するように実現することができる。例えば、上記第1活性層は約450〜約475nmの発光波長を有し、上記第2活性層は約550〜600nmの発光波長を有することができる。これと異なって、上記第1活性層は約450〜約475nmの発光波長を有し、上記第2活性層は約510〜約535nmの発光波長を有する形態であり得る。このような形態は別途の赤色(600〜635nm)光を有する発光素子と結合して反モノリシックで白色発光素子に実現することができるが、さらに約600〜約635nmの波長光を放出する第3活性層を含む完全なモノリシックで実現することもできる。この場合に、上記第3活性層は上記第2活性層より上記n型窒化物半導体層に隣接するように配置することが好ましい。
上記第1活性層が約450〜約475nmの発光波長を有し、上記第2活性層は約510〜約535nmの発光波長を有する発光素子の場合に、上記第2活性層の量子井戸層の数は上記第1活性層の量子井戸層の数の少なくとも5倍であることが好ましく、上記第1活性層の量子井戸層は1つであり、上記第2活性層の量子井戸層は5つ、またはそれ以上であることがより好ましい。
また、正孔の注入長さを考慮して、上記複数個の活性層のうち上記第1活性層を除いた他の活性層の全体厚さは200nm以下であることが好ましく、上記複数個の活性層のうち上記第1活性層を除いた他の活性層の量子井戸層の数は5つ以下であることが好ましい。
このように、本発明は2つ以上の活性層を採用したモノリシック窒化物発光素子から発生される色分布の深刻なバラツキ問題を活性層の配置と数で解決する方案を提供する。
本発明者は色分布の深刻なバラツキ問題が基本的に孔の注入長さが電子の注入長さより遙に短いという事実だけでなく、異なる波長を有する活性層の固有なエネルギーバンドギャップによってその影響が大きいという事実に着目した。即ち、互いに異なる波長を有す
るために選択された他の組成で形成された活性層は、そのエネルギーバンドギャップの差によって異なる活性層における再結合効率を低下させる傾向がある。
本発明者はこれを解決するために重ねた実験過程から、異なる波長光を放出するための2つ以上の活性層の配列と各量子井戸層の数を適切に設計する方案を模索した。
本発明によれば、複数の活性層のうち短波長である活性層をp型窒化物層側に隣接するように配置し、さらにその量子井戸層数を長波長である活性層の数より少なくすることによって、互いに異なる波長光を有する複数の活性層の固有な発光が所望のレベルの分布を有することができる。このような技術はモノリシック白色発光素子を製造するのに非常に有用に採用することができる。
以下、添付された図面を用いて本発明の実施例を参照して、本発明をより詳しく説明する。
適切な活性層構造を案出するために、青色及び緑色の活性層を有するモノリシック窒化物発光素子において各活性層の順序及び量子井戸層の数を異にして電気発光(EL)特性を測定する方式で実験を行った。
下記のように、異なる2つの波長光を放出する活性層の条件を有する発光ダイオード(A、B、C)を作製して各々の発光特性を測定した。
<青色活性層(×3)と緑色活性層(×3)>
先ず、サファイア基板上に1.2μm厚さのn型GaN層を形成した。その後、上記n型GaN層上に3対のIn0.1Ga0.9N量子井戸層24aとGaN量子障壁層24bとを有する青色活性層24と、3対のIn0.15Ga0.85N量子井戸層26aとGaN量子障壁層26bとを有する緑色活性層26とで構成された多重量子井戸構造の活性層を形成した(図2a参照)。
上記緑色活性層26上に0.5μmの厚さのp型AlGaN層と約1.5μmの厚さを有するp型GaN層を順次に形成した。その後、n型GaN層の一部の領域が露出するようにメサエッチングした後、p側電極及びn側電極を設けた。
<緑色活性層(×5)と青色活性層(×3)>
前例と同様に、多重量子井戸構造の活性層のみを異にして窒化物発光素子を作製した。即ち、本実施例の活性層では、図2bに示すように、上記n型GaN層上に5対のIn0.15Ga0.85N量子井戸層26aとGaN量子障壁層26bで構成された緑色活性層26を形成し、その後3対のIn0.1Ga0.9N量子井戸層24aとGaN量子障壁層24bで構成された青色活性層24を形成した。
<緑色活性層(×5)と青色活性層(×1)>
前例とほぼ同じ条件で、多重量子井戸構造の活性層のみを異にして窒化物発光素子を作製した。即ち、本例の活性層では、図2cに示すように、上記n型GaN層上に5対のIn0.15Ga0.85N量子井戸層26aとGaN量子障壁層26bとで構成された緑色活性層26を形成し、その後1対のIn0.1Ga0.9N量子井戸層24aとGaN量子障壁層24
bとで構成された青色活性層24を形成した。
こうして3つのサンプルに作製した各窒化物発光素子の活性層は、各々図2a乃至図2cに示されたエネルギーバンドダイヤグラムを有するものであることが理解できる。
各窒化物発光素子(A、B、C)に対して5mA、20mA、100mAと駆動電流を変化させながら電気発光(EL)スペクトラムを測定した。その測定した結果は図3a乃至図3cに示されている。
図3aを参照すると、A形態の窒化物発光素子は約510〜約535nmの波長である緑色だけが現れ、青色発光はほとんど現われなかった。これに反して、図3b及び図3c(図3cの場合、実線参照)に示すように、BとC形態の窒化物発光素子の場合には約450〜約475nmの波長である青色光が優勢であるが、約510〜約535nmの波長である緑色光も僅かであるが確認された。
これは長波長の活性層と短波長の活性層の積層順序による影響として理解することができる。より具体的には、このような現象は、正孔の移動度が電子の移動度に比べて著しく低いため、p型窒化物層に隣接した活性層が相対的に大きいバンドギャップを有する場合にn型窒化物層に隣接した活性層に注入される正孔が増加されるためである。
例えば、A形態の窒化物発光素子の場合には、青色発光のための量子井戸層24aのバンドギャップ(Eg1)より低いバンドギャップ(Eg2)を有する緑色発光のための量子井戸層26aがp型窒化物層に隣接して配置されるので、BまたはC形態の窒化物発光素子におけるよりもp型窒化物層から注入される正孔に対するバリヤが高く、ほとんど緑色活性層でのみ再結合が発生する。
かかる実験結果により、相対的に短波長の活性層は長波長の活性層よりp型窒化物層に隣接して配置することが好ましいことが確認できた。
また、本実験では、発光波長による活性層の積層順序に、さらにBとC形態の対比により、各活性層の量子井戸層の数も発光波長に応じて適切に設計することが要求されることが確認できた。
図3cを参照すると、同じ20mAの条件において、B形態の窒化物発光素子(点線で表示)に比べC形態の窒化物発光素子(実線で表示)で緑色の発光効率がより向上されることが確認できた。このような結果は各活性層の量子井戸層の数を異にして選択したことに起因するものと理解し得る。
即ち、C形態の窒化物発光素子はB形態の窒化物発光素子より青色発光のための量子井戸層24aを少なく形成することによって、緑色発光のための量子井戸層26aによる正孔の拘束現象を増加させ再結合の効率を向上させることができた。
このように、p型窒化物層に隣接した短波長の活性層の量子井戸層の数を減少させ、これにより全体的な活性層の厚さを減少させることでn型窒化物層に隣接した長波長の活性層への正孔注入確率を高めることができる。
かかる実験結果により、正孔注入長さを考慮するための好ましい条件としては、上記緑色活性層の量子井戸層の数が上記青色活性層の量子井戸層の数の少なくとも5倍程度であることが要求されるが、p型窒化物層に隣接した青色活性層を減少させることが重要であるので、青色活性層の量子井戸層は1つであり、上記緑色活性層の量子井戸層は5つ、ま
たはそれ以上であることがより好ましい。
特に、一般的な正孔の注入長さを考慮しなければならないので、本実施例でp型窒化物層に隣接して配置された青色活性層の厚さは200nm以下であることが好ましい。
上記した実施例と異なって、互いに異なる発光波長を有する3つの活性層を採用した発光素子形態も考慮することができる。この場合にも、少なくともn型窒化物層に隣接した長波長の活性層を除いた他の活性層の全体厚さは200nm以下であることが好ましく、上記複数の活性層のうち上記長波長の活性層を除いた他の活性層の量子井戸層の数は5つ以下に形成することが好ましい。
本発明が適用可能な窒化物発光素子において、活性層の発光波長は一般的に量子井戸層に含有されたインジウム含量により決められる。この場合に、短波長の活性層と長波長の活性層の量子井戸層は各々In1-x1Gax1N及びIn1-x2Gax2Nで構成することができ、各量子障壁層はIn1-yGayNから成り、ここでx2<1、0<x1<x2、0≦y<x1であり得る。
より具体的には、本発明の短波長及び長波長の活性層は白色発光に必要な適切な波長を有するように実現することができる。例えば、短波長の活性層は約450〜約475nmの発光波長を有し、長波長の活性層は約550〜600nmの発光波長を有することができる。
これと異なって、上記した実施例と類似した短波長活性層は約450〜約475nmの発光波長を有し、長波長の活性層は約510〜約535nmの発光波長を有する形態であり得る。この場合には、別途の赤色(600〜635nm)光を有する発光素子に接合させることにより白色発光素子に実現することができるが、さらに約600〜約635nmの波長光を放出する赤色活性層を含む完全なモノリシックに実現することも可能である。この場合に、上記赤色活性層はp型窒化物層とエネルギーバンドギャップの差が最も大きいので、他の活性層より上記n型窒化物半導体層に隣接するように配置することが好ましい。
上述した実施形態および添付された図面は好ましき実施形態の例示に過ぎず、本発明は添付された請求範囲によって限定しようとする。なお、本発明は請求範囲に記載された本発明の技術的思想を外れない範囲内において多様な形態の置換、変形および変更を行うことが可能であることは当該技術分野の通常の知識を有する者にとっては自明である。
通常の窒化物発光素子を示す断面図である。 活性層の位置と各量子井戸層の数を異にして実現した窒化物半導体発光素子のエネルギーバンドダイヤグラムである。 活性層の位置と各量子井戸層の数を異にして実現した窒化物半導体発光素子のエネルギーバンドダイヤグラムである。 活性層の位置と各量子井戸層の数を異にして実現した窒化物半導体発光素子のエネルギーバンドダイヤグラムである。 図2に基づいた窒化物半導体発光素子の電気発光(EL)スペクトラムを示すグラフである。 図2に基づいた窒化物半導体発光素子の電気発光(EL)スペクトラムを示すグラフである。 図2に基づいた窒化物半導体発光素子の電気発光(EL)スペクトラムを示すグラフである。
符号の説明
10 窒化物半導体発光素子
12 n型窒化物半導体層
14、24 第1活性層
16、26 第2活性層
17 p型窒化物半導体層
19a 第1電極
19b 第2電極
24a、26a 量子井戸層
24b、26b 量子障壁層
Eg1、Eg2 バンドギャップ

Claims (10)

  1. p型及びn型窒化物層とその間に順次に形成された互いに異なる波長光を発する複数の活性層を有する窒化物半導体発光素子において、
    前記複数の活性層は少なくとも第1波長光を放出する第1活性層と、前記第1波長光より長波長である第2波長光を放出する第2活性層とを含み、前記第1活性層及び第2活性層は各々交互に形成された少なくとも一つの量子井戸層と量子障壁層とを有し、
    前記第1活性層は前記第2活性層よりp型窒化物層に隣接するように配置され、前記第1活性層の量子井戸層の数は前記第2活性層の量子井戸層の数より少ないことを特徴とする、窒化物半導体発光素子。
  2. 前記第2活性層の量子井戸層の数は、前記第1活性層の量子井戸層の数の少なくとも2倍であることを特徴とする、請求項1に記載の窒化物半導体発光素子。
  3. 前記第1活性層及び第2活性層の量子井戸層は、各々In1-x1Gax1N及びIn1-x2Gax2Nから成り、前記第1活性層及び第2活性層の量子障壁層はIn1-yGayNから成り、ここでx2<1、0<x1<x2、0≦y<x1であることを特徴とする、請求項1または2に記載の窒化物半導体発光素子。
  4. 前記第1活性層は約450〜約475nmの発光波長を有し、前記第2活性層は約550〜600nmの発光波長を有することを特徴とする、請求項3に記載の窒化物半導体発光素子。
  5. 前記第1活性層は約450〜約475nmの波長光を生成し、前記第2活性層は約510〜約535nmの波長光を生成することを特徴とする、請求項3に記載の窒化物半導体発光素子。
  6. 前記複数個の活性層は約600〜約635nmの波長光を生成し、交互に形成された少なくとも一つの量子井戸層と量子障壁層とから成る第3活性層をさらに含み、
    前記第3活性層は前記第2活性層より前記n型窒化物半導体層に隣接するように配置されたことを特徴とする、請求項5に記載の窒化物半導体発光素子。
  7. 前記第2活性層の量子井戸層の数は、前記第1活性層の量子井戸層の数の少なくとも5倍であることを特徴とする、請求項5または6に記載の窒化物半導体発光素子。
  8. 前記第1活性層の量子井戸層は1つであり、前記第2活性層の量子井戸層は5つ以上であることを特徴とする、請求項5〜7のいずれか一項に記載の窒化物半導体発光素子。
  9. 前記複数個の活性層のうち前記第1活性層を除いた他の活性層の全体厚さは200nm以下であることを特徴とする、請求項1〜8のいずれか一項に記載の窒化物半導体発光素子。
  10. 前記複数個の活性層のうち前記第1活性層を除いた他の活性層の量子井戸層の数は5つ以下であることを特徴とする、請求項1〜9のいずれか一項に記載の窒化物半導体発光素子。
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