JP2008010516A

JP2008010516A - 半導体発光素子用基板およびそれを用いる半導体発光素子

Info

Publication number: JP2008010516A
Application number: JP2006177289A
Authority: JP
Inventors: Tomoya Iwahashi; 友也岩橋; Takayoshi Takano; 隆好高野; Takanori Akeda; 孝典明田; Kazuyuki Yamae; 和幸山江
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 2006-06-27
Filing date: 2006-06-27
Publication date: 2008-01-17

Abstract

【課題】搭載する発光素子によって発生された光を、含有する蛍光体によって所望とする色の光に変換して出射する半導体発光素子用基板において、前記発光素子が窒化物半導体から成る場合に高い発光効率を得られるようにする。
【解決手段】ｎＧａＮ層４、発光層５およびｐＧａＮ層６から成る発光素子３を搭載する基板２において、該基板２をＩｎＧａＮ結晶から構成し、ユーロピウム（Ｅｕ）およびテルビウム（Ｔｂ）から成る蛍光体Ａ１，Ａ２を含有させる。したがって、Ｅｕの蛍光体Ａ１からは参照符号α１で示すような赤色光が出射され、Ｔｂの蛍光体Ａ２からは参照符号α２で示すような緑色光が出射され、基板２に吸収されなかった参照符号α３で示す青色の成分と、白色光を発生することができる。したがって、発光素子３の結晶欠陥が少なくなり、高い発光効率を得ることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、照明用途や掲示板のバックライトなどのために、発光素子で発生された光を波長変換して、好適には白色光で出射するようにした半導体発光素子およびそれに用いる基板に関する。

現在用いられている白色光を発生する発光ダイオードは、大別すると、発光素子で青色を発生し、その被覆部材に含有した黄色蛍光体で波長変換して得られた黄色光と前記青色光とによって疑似白色光を作成するもの、前記発光素子をＲ，Ｇ，Ｂの３チップ構成とするもの、発光素子は紫外光を発生し、その被覆部材に含有した３色の蛍光体によって波長変換を行い、白色光を作成するものの３種類ある。

しかしながら、先ず黄色蛍光体を用いて疑似白色光を作成する構成では、発光素子から出射された光がドーム状の被覆部材に入射するが、その被覆部材の厚さが部位によって異なり、したがって前記青色光が黄色蛍光体を通過する長さが部位によって異なり、また黄色蛍光体自体の濃度ばらつきもあり、出射される光に色むらが生じるという問題がある。また、疑似白色光であり、演色性が乏しいという問題もある。

次に、発光素子をＲ，Ｇ，Ｂの３チップ構成とするものでは、前記演色性は高いものの、発光材料の異なる発光素子を作成しなければならず、素子の作成自体にコストがかかるとともに、駆動回路や制御回路が複雑になることでもコストがかかるという問題がある。

続いて、３色の蛍光体によって波長変換を行うものでも、前記演色性は高いものの、高効率の紫外発光ＬＥＤが存在しないために、実用化が困難であるとともに、ＬＥＤの発光波長と各蛍光体の変換波長との差が大きく、大きな損失が生じるという問題がある。また、ドーム状の被覆部材に前記蛍光体が分散されるので、前記色むらが生じるという問題もある。

そこで、このような問題を解決するために特許文献１では、可視光で励起可能で、かつ可視光域の蛍光が可能であり、ＬＥＤ作成基板として使用可能なドーピング・シリコンカーバイト（ＳｉＣ）が提案されている。
特開２００５−１８７７９１号公報

前記特許文献１の従来技術では、基板自体に蛍光体が含有されているので、色むらが生じ難く、演色性に優れている。しかしながら、近年、半導体発光素子として注目を浴びている窒化物半導体（窒化ガリウム（ＧａＮ））、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化インジウム（ＩｎＮ）、もしくは多種混晶（ＡｌＩｎＧａＮ）など）の基板として用いると、格子定数が大きく異なるために、素子内に多くの欠陥が入り、発光効率が低下するという問題がある。

本発明の目的は、発光素子からの光を波長変換して出力するにあたって、窒化物半導体に対して高い発光効率を得ることができる半導体発光素子用基板およびそれを用いる半導体発光素子を提供することである。

本発明の半導体発光素子用基板は、窒化物半導体から成る発光素子を積層する半導体発光素子用基板において、Ａｌ_ｉＩｎ_ｊＧａ_{１−ｉ−ｊ}Ｎ（０≦ｉ≦１、０≦ｊ≦１、かつ０≦ｉ＋ｊ≦１）結晶から成り、蛍光体を含有し、前記発光素子から入射された光を波長変換して出射することを特徴とする。

上記の構成によれば、前記Ａｌ_ｉＩｎ_ｊＧａ_{１−ｉ−ｊ}Ｎ結晶に含有させることができる蛍光体としては、ユーロピウム（Ｅｕ），プラセオジム（Ｐｒ）またはテルビウム（Ｔｂ），エルビウム（Ｅｒ）、もしくはツリウム（Ｔｍ）があり、窒化物半導体から成る前記発光素子からの波長幅に拡がりを持った出射光の内、基板のバンドギャップエネルギーに相当する波長よりも短い波長成分は基板に吸収されて前記蛍光体の励起に使用され、これによって前記蛍光体からは異なる波長の光が出射され、長波長成分は基板を透過する。そして、前記蛍光体として、たとえばＥｕまたはＰｒを用いることで、その吸収された光を赤色光に変換することができ、ＴｂまたはＥｒを用いることで緑色光に変換することができ、Ｔｍを用いることで青色光に変換することができる。

したがって、搭載する発光素子によって発生された光を、含有する蛍光体によって所望とする色の光に変換して出射する半導体発光素子用基板において、前記発光素子が窒化物半導体から成る場合、Ａｌ_ｉＩｎ_ｊＧａ_{１−ｉ−ｊ}Ｎ結晶で作成することで、発光素子の結晶欠陥が少なくなり、高い発光効率を得ることができる。

また、本発明の半導体発光素子は、前記の半導体発光素子用基板を用い、前記発光素子の発光波長は４５０ｎｍ付近であり、前記蛍光体は、少なくとも５７０〜７２０ｎｍの光を発生する蛍光体および少なくとも４８０〜５８０ｎｍの光を発生する蛍光体から成り、該蛍光体の含有量を調整することで、色度座標で、ｘ＝０．２〜０．４５、ｙ＝０．２〜０．４５の範囲にある白色光を発生することを特徴とする。

上記の構成によれば、前記の半導体発光素子用基板に、蛍光体として、少なくとも５７０〜７２０ｎｍの光を発生する蛍光体、たとえばＥｕ、および少なくとも４８０〜５８０ｎｍの光を発生する蛍光体、たとえばＴｂを含有させるとともに、前記発光素子の発光波長を発光効率の良い４５０ｎｍ付近とすると、前記５７０〜７２０ｎｍの光を発生する蛍光体によって赤色光が発生され、４８０〜５８０ｎｍの光を発生する蛍光体によって赤色光が発生され、基板に吸収されなかった青色光と白色光を発生することになる。そして、２つの蛍光体の含有量を調整することで、色度座標で、ｘ＝０．２〜０．４５、ｙ＝０．２〜０．４５の範囲にある白色光を発生することができ、照明用途や掲示板のバックライトなどとして好適である。

さらにまた、本発明の半導体発光素子は、前記の半導体発光素子用基板を用い、前記発光素子の発光波長は４００〜４７０ｎｍであり、前記蛍光体は、少なくとも５３０〜５８０ｎｍの光を発生する蛍光体から成り、該蛍光体の含有量を調整することで、色度座標で、ｘ＝０．２〜０．４５、ｙ＝０．２〜０．４５の範囲にある疑似白色光を発生することを特徴とする。

上記の構成によれば、前記の半導体発光素子用基板に蛍光体として、少なくとも５３０〜５８０ｎｍの光を発生する蛍光体を含有させるとともに、前記発光素子の発光波長を４００〜４７０ｎｍとすると、前記５３０〜５８０ｎｍの光を発生する蛍光体によって緑色から黄色の光が発生され、基板に吸収されなかった青色光と白色光を発生することになる。そして、蛍光体の含有量を調整することで、色度座標で、ｘ＝０．２〜０．４５、ｙ＝０．２〜０．４５の範囲にある白色光を発生することができ、照明用途や掲示板のバックライトなどとして好適である。

本発明の半導体発光素子用基板は、以上のように、搭載する発光素子によって発生された光を、含有する蛍光体によって所望とする色の光に変換して出射する半導体発光素子用基板において、前記発光素子が窒化物半導体から成る場合、Ａｌ_ｉＩｎ_ｊＧａ_{１−ｉ−ｊ}Ｎ結晶で作成する。

それゆえ、発光素子の結晶欠陥が少なくなり、高い発光効率を得ることができる。

また、本発明の半導体発光素子は、以上のように、前記の半導体発光素子用基板に、蛍光体として、少なくとも５７０〜７２０ｎｍの光を発生する蛍光体、たとえばＥｕ、および少なくとも４８０〜５８０ｎｍの光を発生する蛍光体、たとえばＴｂを含有させるとともに、前記発光素子の発光波長を発光効率の良い４５０ｎｍ付近とする。

それゆえ、前記５７０〜７２０ｎｍの光を発生する蛍光体によって赤色光が発生され、４８０〜５８０ｎｍの光を発生する蛍光体によって赤色光が発生され、基板に吸収されなかった青色光と白色光を発生することになる。そして、２つの蛍光体の含有量を調整することで、色度座標で、ｘ＝０．２〜０．４５、ｙ＝０．２〜０．４５の範囲にある白色光を発生することができ、照明用途や掲示板のバックライトなどとして好適である。

さらにまた、本発明の半導体発光素子は、以上のように、前記の半導体発光素子用基板に蛍光体として、少なくとも５３０〜５８０ｎｍの光を発生する蛍光体を含有させるとともに、前記発光素子の発光波長を４００〜４７０ｎｍとする。

それゆえ、前記５３０〜５８０ｎｍの光を発生する蛍光体によって緑色から黄色の光が発生され、基板に吸収されなかった青色光と白色光を発生することになる。そして、蛍光体の含有量を調整することで、色度座標で、ｘ＝０．２〜０．４５、ｙ＝０．２〜０．４５の範囲にある白色光を発生することができ、照明用途や掲示板のバックライトなどとして好適である。

［実施の形態１］
図１は、本発明の実施の第１の形態に係る半導体発光素子である発光ダイオード１の構造を模式的に示す断面図である。この発光ダイオード１は、大略的に、基板２上に発光素子３が積層されて成り、前記発光素子３は、ｎ型窒化物半導体層としてＳｉがドープされたｎＧａＮ層４、発光層５およびｐ型窒化物半導体層としてＭｇがドープされたｐＧａＮ層６が順次形成されて成る。前記ｐＧａＮ層６上にｐ型電極７が、前記ｎＧａＮ層４の露出した一部分上にｎ型電極８がそれぞれ形成されて成る。

そして注目すべきは、本実施の形態では、前記基板２は、ＩｎＧａＮ結晶から成り、少なくとも５７０〜７２０ｎｍの光を発生する蛍光体Ａ１、たとえばユーロピウム（Ｅｕ）、および少なくとも４８０〜５８０ｎｍの光を発生する蛍光体Ａ２、たとえばテルビウム（Ｔｂ）を含有し、前記発光素子３から入射された光を波長変換して、前記発光素子３が積層された面とは反対側の面から出射することである。前記電極７，８は、発光素子３から出射された光を基板２側へ反射する反射鏡としての機能も有する。このように構成することで、搭載する発光素子３によって発生された光を、含有する蛍光体によって所望とする色の光に変換して出射する半導体発光素子用基板２において、前記発光素子２が窒化物半導体から成る場合、前記ＩｎＧａＮ結晶で作成することで、発光素子３の結晶欠陥が少なくなり、高い発光効率を得ることができる。

なお、窒化物半導体から成る発光素子３を搭載するにあたって、基板２は、前記ＩｎＧａＮ結晶に限らず、Ａｌ_ｉＩｎ_ｊＧａ_{１−ｉ−ｊ}Ｎ（０≦ｉ≦１、０≦ｊ≦１、かつ０≦ｉ＋ｊ≦１）結晶であればよい。また、前記Ａｌ_ｉＩｎ_ｊＧａ_{１−ｉ−ｊ}Ｎ結晶に含有させることができる蛍光体としては、前記Ｅｕ，Ｔｂ以外に、たとえばプラセオジム（Ｐｒ）、エルビウム（Ｅｒ）、もしくはツリウム（Ｔｍ）などを用いることができる。

そして、図２で示すように、前記発光素子３の発光波長は４５０ｎｍ付近であり、そうすると、その４５０ｎｍを中心として両側に±５０ｎｍ程度の広がりがあり、前記基板２のバンドギャップエネルギーに相当する波長よりも短い青から紫外の成分が基板２に吸収され、前記蛍光体Ａ１，Ａ２が励起発光する。すなわち、基板２のバンドギャップエネルギーをＥとすると、波長λ（ｎｍ）は、１２４０／Ｅから求めることができる。

これによって、Ｅｕの蛍光体Ａ１からは参照符号α１で示すような赤色光が出射され、Ｔｂの蛍光体Ａ２からは参照符号α２で示すような緑色光が出射され、前記バンドギャップエネルギーに相当する波長よりも長く基板２に吸収されなかった参照符号α３で示す青色光と白色光を発生することになる。そして、ＥｕとＴｂの含有量を調整することで、図３で示すように、色度座標で、ｘ＝０．２〜０．４５、ｙ＝０．２〜０．４５の範囲にある白色光を発生することができ、照明用途や掲示板のバックライトなどとして好適である。

以下に、前記蛍光体Ａ１，Ａ２を含有する基板２の作成方法を説明する。本実施の形態の結晶育成方法は、概略的には、電気炉内のアルミナるつぼに貯留されたナトリウム（Ｎａ）、リチウム（Ｌｉ）、カリウム（Ｋ）などのアルカリ金属またはカルシウム（Ｃａ）などのアルカリ土類金属の少なくとも１つのフラックス原料と、ガリウム（Ｇａ）およびインジウム（Ｉｎ）などのIII族金属と、前記蛍光体Ａ１，Ａ２となるＥｕおよびＴｂとを含む出発原料を溶解し、得られた融液に、ガスボンベから加圧した窒素ガスやアンモニアガスなどの窒素原子を含ませたガスを連続的に供給して溶け込ませることで、前記ＥｕおよびＴｂを含有したＩｎＧａＮ結晶を作成するナトリウムフラックス法を用いる。

詳しくは、グローブボックス内で、前記アルミナるつぼに前述の出発原料がそれぞれ規定の量ずつ取分けられ、ＳＵＳチューブに封入される。前記グローブボックスから取出されたＳＵＳチューブは電気炉内に封入され、圧力調整機を介して前記ガスボンベに接続される。

その後、結晶成長可能な圧力（１０気圧以上、好ましくは２５〜７５気圧）まで加圧した後、その圧力を維持しながら、電気炉内の温度を数時間かけて結晶成長可能な温度（５００℃以上、好ましくは８００〜９００℃程度）まで昇温させて、その温度を保持する。こうして結晶の育成が行われ、育成期間は、たとえば１５０時間である。育成が終了すると、電気炉内の温度を室温まで低下させた後、前記ＳＵＳチューブを取出し、カットしてアルミナるつぼを取出す。そのアルミナるつぼ１３をエタノール水に浸漬することで、フラックス材料とエタノールとを反応させて除去することで、基板２となる結晶を取出すことができる。取出された結晶は、適宜機械研磨等が行われ、前記基板２となる。

また、以下には、発光素子３の作製方法の一例を示す。本実施の形態では、有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）によって作製を行うことを前提としているが、結晶の成長方法はこれに限定されるものではなく、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）、ハイドライド気相成長（ＨＶＰＥ）またはスパッタ法等の装置を用いても作製可能であることは公知である。以下、特に断らない限り、ＭＯＣＶＤ装置を用いるものとする。

先ず、前記基板２をＭＯＣＶＤ装置の反応炉へ導入した後、成長圧力を７６Ｔｏｒｒに減圧し、Ｎ原料であるアンモニア（ＮＨ_３）を含むガスを供給しながら、基板２の温度を１０５０℃まで上昇させる。前記温度に達すると、温度および圧力を一定に保ったまま、Ｇａ原料としてトリメチルガリウム（ＴＭＧａ）を２０ＳＣＣＭおよびＮ原料であるアンモニア（ＮＨ_３）を２ＳＬＭ供給することで、ＧａＮを成長させる。このとき、Ｓｉ原料であるテトラエチルシリコン（ＴＥＳｉ）を０．０１ＳＣＣＭ供給することで、前述のようにｎ型窒化物半導体層としてＳｉがドープされたｎＧａＮ層４を２００ｎｍ形成する。キャリアガスには、Ｈ_２を用いる。なお、Ｓｉ原料としては、シラン（ＳｉＨ_４）などを用いてもよい。

続いて、圧力は一定のまま、温度を７５０℃まで低下させ、前記発光層５として多重量子井戸を作成する。多重量子井戸は、たとえば３ｎｍのＩｎ_０．１８Ｇａ_０．８２Ｎから成る井戸層と、５ｎｍのＩｎ_０．０１Ｇａ_０．９９Ｎから成る障壁層とが５層積層されて構成される。その作成には、キャリアガスをＨ_２からＮ_２に変更し、Ｉｎ原料としてトリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）を供給し、その流量を変化することでＩｎ組成の異なる井戸層と障壁層とを作成することができる。

さらに、圧力は一定のまま、温度を再び１０５０℃まで上昇させるとともに、キャリアガスをＮ_２からＨ_２に再び変更し、Ｍｇ原料であるビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ_２Ｍｇ）を２０ＳＣＣＭ、Ａｌ原料としてトリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）、Ｇａ原料として前記トリメチルガリウム（ＴＭＧａ）、Ｎ原料として前記アンモニア（ＮＨ_３）を含むガスを２ＳＬＭ供給することで、Ａｌ_０．２０Ｇａ_０．８０Ｎを２０ｎｍ積層する。引続き、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）の供給を停止して、ＧａＮを５０ｎｍ積層することで、前記ｐＧａＮ層６を作成する。

こうして結晶成長されると、基板２は反応炉から取出され、真空蒸着装置において、電極７，８が形成される。先ず、前記ｐＧａＮ層６上に、ｐ型電極７用の金属、たとえばＮｉ／Ａｕが蒸着される。なお、電極材料は、前記Ｎｉ／Ａｕに限らず、ｐＧａＮ層６上にオーミックコンタクトできるものであればよい。その後、通常のフォトリソグラフィとエッチングとを用いてｎ型電極８の領域がｎＧａＮ層４まで彫り込まれる。このプロセスは通常の発光ダイオードの作成プロセスと同様であり、当業者にとっては公知である。

続いて、ウエハ全面にフォトレジストが塗布され、露光・現像によって前記ｎ型電極８の領域のレジストが除去され、全面にｎ型電極８用の金属、たとえばＴｉ／Ａｕが蒸着装置によって蒸着され、リフトオフ法によってレジスト上の金属をレジストと共に取り除くことによってｎ型電極８が形成される。

［実施の形態２］
本発明の実施の第２の形態に係る発光ダイオードの構造は、前述の図１と同様であり、図示を省略する。この発光ダイオードで注目すべきは、前記ｎＧａＮ層４、発光層５およびｐＧａＮ層６から成る発光素子３の発光波長は４００〜４７０ｎｍに設定され、基板２には、少なくとも５３０〜５８０ｎｍの光を発生する蛍光体が含有されることである。これによって、蛍光体からは緑色から黄色の光が発生され、基板２に吸収されなかった青色光と白色光を発生することになる。そして、蛍光体の含有量を調整することで、前記色度座標で、ｘ＝０．２〜０．４５、ｙ＝０．２〜０．４５の範囲にある疑似白色光を発生することができ、照明用途や掲示板のバックライトなどとして好適である。

本発明の実施の第１の形態に係る半導体発光素子である発光ダイオードの構造を模式的に示す断面図である。図１で示す発光ダイオードの発光スペクトラムを説明するための図である。色度座標を説明するためのグラフである。

符号の説明

１，１１発光ダイオード
２，２ａ基板
３，３ａ発光素子
４，４ａｎＧａＮ層
５，５ａ発光層
６，６ａｐＧａＮ層
７ｐ型電極
８ｎ型電極

Claims

窒化物半導体から成る発光素子を積層する半導体発光素子用基板において、
Ａｌ_ｉＩｎ_ｊＧａ_{１−ｉ−ｊ}Ｎ（０≦ｉ≦１、０≦ｊ≦１、かつ０≦ｉ＋ｊ≦１）結晶から成り、蛍光体を含有し、前記発光素子から入射された光を波長変換して出射することを特徴とする半導体発光素子用基板。
前記請求項１記載の半導体発光素子用基板を用い、
前記発光素子の発光波長は４５０ｎｍ付近であり、
前記蛍光体は、少なくとも５７０〜７２０ｎｍの光を発生する蛍光体および少なくとも４８０〜５８０ｎｍの光を発生する蛍光体から成り、該蛍光体の含有量を調整することで、色度座標で、ｘ＝０．２〜０．４５、ｙ＝０．２〜０．４５の範囲にある白色光を発生することを特徴とする半導体発光素子。
前記請求項１記載の半導体発光素子用基板を用い、
前記発光素子の発光波長は４００〜４７０ｎｍであり、
前記蛍光体は、少なくとも５３０〜５８０ｎｍの光を発生する蛍光体から成り、該蛍光体の含有量を調整することで、色度座標で、ｘ＝０．２〜０．４５、ｙ＝０．２〜０．４５の範囲にある疑似白色光を発生することを特徴とする半導体発光素子。