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 - Google Patents
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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
【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、AliInjGa1−i−jN(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AliInjGa1−i−jN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、AliInjGa1−i−jN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、AliInjGa1−i−jN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。
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、AliInjGa1−i−jN(0≦i≦1、0≦j≦1、かつ0≦i+j≦1)結晶であればよい。また、前記AliInjGa1−i−jN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(NH3)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(NH3)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、H2を用いる。なお、Si原料としては、シラン(SiH4)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In0.18Ga0.82Nから成る井戸層と、5nmのIn0.01Ga0.99N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H2からN2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N2からH2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(Cp2Mg)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(NH3)を含むガスを2SLM供給することで、Al0.20Ga0.80N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。
1,11 発光ダイオード
2,2a 基板
3,3a 発光素子
4,4a nGaN層
5,5a 発光層
6,6a pGaN層
7 p型電極
8 n型電極
2,2a 基板
3,3a 発光素子
4,4a nGaN層
5,5a 発光層
6,6a pGaN層
7 p型電極
8 n型電極
Claims (3)
- 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、
AliInjGa1−i−jN(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。
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