JP2008016591A - 半導体発光素子 - Google Patents
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Abstract
【課題】白色光を効率よく発光可能な半導体発光素子を提供すること。
【解決手段】基板1と、基板1に積層されたn型半導体層3、活性層4、およびp型半導体層5とを備えており、活性層4は、その波長が430〜570nmである青色光、青緑色光、または緑色光を発光する半導体発光素子A1であって、基板1は、Crが添加されたサファイアからなり、基板1とn型半導体層3との間には、AlNからなるバッファ層2が介在しており、n型半導体層3は、その組成がn−AlxGa1-xN(0≦x≦1)で表され、かつバッファ層2側の端部よりも活性層4側の端部の方がAlの含有量が小とされている。
【選択図】 図1
【解決手段】基板1と、基板1に積層されたn型半導体層3、活性層4、およびp型半導体層5とを備えており、活性層4は、その波長が430〜570nmである青色光、青緑色光、または緑色光を発光する半導体発光素子A1であって、基板1は、Crが添加されたサファイアからなり、基板1とn型半導体層3との間には、AlNからなるバッファ層2が介在しており、n型半導体層3は、その組成がn−AlxGa1-xN(0≦x≦1)で表され、かつバッファ層2側の端部よりも活性層4側の端部の方がAlの含有量が小とされている。
【選択図】 図1
Description
本発明は、III族窒化物系化合物半導体であるGaNを含み、白色光を発するのに適した半導体発光素子に関する。
従来より、III族窒化物系化合物半導体であるGaNを含む活性層にInを含有させることにより、青色光、青緑色光、または青緑色光を発光可能とされた半導体発光素子が知られている(たとえば、特許文献1参照)。図4は、このような半導体発光素子の一例を示している。同図に示された半導体発光素子Xは、基板91上にバッファ層92、n型半導体層93、活性層94、およびp型半導体層95が積層された構造とされている。活性層94は、井戸層94aと2つのバリア層94bとからなる。井戸層94aは、InvGa1-vNの組成で表されるIII族窒化物半導体からなる。Inの組成比であるvを0.2〜0.3程度とすることにより、活性層94からは、青色光、青緑色光、または緑色光が発せられる。
しかしながら、半導体発光素子の利用分野においては、省電力かつ高輝度である白色光源の需要が高まってきている。たとえば、青色光、緑色光、または青緑色光を発光可能な半導体発光素子Xと、赤色光を発光可能な別の半導体発光素子とを隣接させることにより、混色を利用した白色光の発光は可能である。しかし、1つの半導体発光素子によって白色光を発することは、これを照明光源として用いる機器の小型化などに必須である。あるいは、白色光を発する手段として、青色光を発する活性層と黄色蛍光体とを組み合わせた構成や、紫外線を発する活性層とRGB蛍光体とを組み合わせた構成が知られている。しかし、これらの蛍光体を利用した構成は、濁りが少ない白色光を発することが困難であった。
本発明は、上記した事情のもとで考え出されたものであって、白色光を効率よく発光可能な半導体発光素子を提供することをその課題とする。
本発明によって提供される半導体発光素子は、基板と、上記基板に積層されたn型半導体層、活性層、およびp型半導体層とを備えており、上記活性層は、その波長が430〜570nmである青色光および緑色光、または青緑色光を発光する半導体発光素子であって、上記基板は、Crが添加されたサファイアからなり、上記基板と上記n型半導体層との間には、AlNからなるバッファ層が介在しており、上記n型半導体層は、その組成がn−AlxGa1-xN(0≦x≦1)で表され、かつ上記バッファ層側の端部よりも上記活性層側の端部の方がAlの組成比が小とされていることを特徴としている。
このような構成によれば、上記活性層からの青色光および緑色光、または青緑色光が上記基板に入射すると、Crが1%程度添加されたサファイアに光励起現象が生じる。これによって、波長が490nm程度の赤色光が発せられる。この赤色光と青色光および緑色光、または青緑色光とが混色し、肉眼には白色光に見える光が出射される。したがって、たとえば照明器具、プロジェクター、および薄型テレビなど、濁りの少ない白色光が必要とされる機器の光源として用いるのに適している。
上記n型半導体層のうち上記バッファ層側の端部は、その組成が上記バッファ層とほぼ同一である。また、n型半導体層のうち上記活性層側にある端部は、その組成が上記活性層とほぼ同一である。このため、上記n型半導体層と上記バッファ層または上記活性層との界面においては、これらの界面を挟んで屈折率が大きく異なることが無い。したがって、上記活性層からの光がこれらの界面において反射されることを防止することが可能であり、上記基板へと適切に入射させることができる。これは、上記半導体発光素子の高輝度化に有利である。
本発明の好ましい実施の形態においては、上記活性層は、その組成がInyGa1-yN(0.13≦y≦0.17)とされた1以上の第1井戸層と、その組成がInzGa1-zN(0.20≦z≦0.24)とされた1以上の第2井戸層とを有しており、上記第1井戸層は、上記第2井戸層よりも上記基板寄りに配置されている。このような構成によれば、上記第1井戸層からは、その波長が430〜460nm程度の青色光が発せられ、上記第2井戸層からは、その波長が500〜570nm程度の緑色光が発せられる。これらの青色光および緑色光と上記基板における光励起によって発せられる赤色光とが混色することにより、濁りが少ない白色光を発することができる。また、上記半導体発光素子を製造する際には、上記第2井戸層を形成した後に、たとえばMOCVD法(有機金属気相成長法)によってその他の層を成長させることを少なくすることができる。したがって、相対的にInの組成比が高い上記第2井戸層が高い雰囲気温度にさらされることを回避することが可能であり、上記第2井戸層からInが不当に昇華してしまうことを抑制することができる。
本発明の好ましい実施の形態においては、上記活性層は、その組成がInwGa1-wN(0.18≦w≦0.21)とされた1以上の井戸層を有している。このような構成によれば、上記活性層からは、その波長が495nm程度の青緑色光が発せられる。この青緑色光と上記基板における光励起による赤色光とを混色させることによって白色光を発することができる。
本発明のその他の特徴および利点は、添付図面を参照して以下に行う詳細な説明によって、より明らかとなろう。
以下、本発明の好ましい実施の形態につき、図面を参照して具体的に説明する。
図1は、本発明に係る半導体発光素子の第1実施形態を示している。本実施形態の半導体発光素子A1は、基板1、バッファ層2、n型半導体層3、活性層4、およびp型半導体層5を備えている。半導体発光素子A1は、基板1を透して白色光を出射可能に構成されている。
基板1は、半導体発光素子A1の製造においてバッファ層2、n型半導体層3、活性層4、およびp型半導体層5を成長させるための基材として用いられるとともに、これらを支持するためのものである。基板1は、サファイアにCrが1.0±0.1wt%添加された材質からなる。
バッファ層2は、サファイアからなる基板1とn型半導体層3との格子歪みを緩和するためのものであり、AlNからなる。バッファ層2は、たとえばMOCVD法によって形成することができる。
n型半導体層3は、その組成がAlxGa1-xN(0≦x≦1)で表される物質がn型にドーピングされたものであり、活性層4に対して電子を供給するためのものである。図2に示すように、n型半導体層3のAl組成比であるxは、バッファ層2と接する部分において1.0とされており、活性層4と接する部分において0とされている。すなわち、n型半導体層3のうちバッファ層2と接する端部は、その組成がAlNとされており、活性層4と接する端部は、その組成比がGaNとされている。また、n型半導体層3におけるAlの組成比xの分布は、バッファ層2から活性層4に向かう方向において線形単調減少とされている。
n型半導体層3は、たとえばMOCVD法によって形成することができる。n型半導体層3の形成には、H2ガス、N2ガス、および原料ガスとしてのNH3ガス、トリメチルガリウム(以下、TMG)ガス、トリメチルアルミニウム(以下、TMA)ガスを用いる。また、n型のドーパントであるたとえばSiのドープを行うために、SiH4ガスを同時に供給する。n型半導体層3の形成開始時には、TMGガスの流量を0としておく。これにより、バッファ層2上にGaを含まないAlNが成長する。次いで、TMGガスの流量を徐々に増加させる。また、これとともにTMAガスの流量を徐々に減少させる。そして、所望の厚さのn型半導体層3の成長が完了する時点においては、TMAガスの流量を0とする。これにより、n型半導体層3のうちバッファ層2からもっとも離れた部分は、Alを含まないGaNが成長する。以上の工程により、その組成がn−AlxGa1-xNで表されるとともに、Alの組成比xが図2に示された分布とされたn型半導体層3が得られる。
活性層4は、第1井戸層41、第2井戸層42、および3つのバリア層44を備えたMQW(量子井戸:multiple-quantum well)構造とされており、電子と正孔とが再結合することにより発せられる光を増幅させるための層である。第1井戸層41は、その組成がInyGa1-yN(0.13≦y≦0.17)で表され、波長が430〜460nm程度の青色光Lbを発光する部分である。第2井戸層42は、その組成がInzGa1-yzN(0.20≦z≦0.24)で表され、波長が500〜570nm程度の緑色光Lgを発光する部分である。本実施形態においては、青色光Lbを発する第1井戸層41が緑色光Lgを発する第2井戸層42よりも基板1寄りに配置されている。3つのバリア層44は、GaN、または第1井戸層41および第2井戸層42よりもInの組成比が小とされたInGaNからなり、第1井戸層41および第2井戸層42を挟んだ配置とされている。活性層4の形成は、たとえばキャリアガスとしてのH2ガス、N2ガス、および原料ガスとしてのNH3ガス、TMGガスおよびトリメチルインジウム(以下、TMIn)ガスを用いたMOCVD法によって行うことができる。なお、活性層4とn型半導体層3との間に、超格子層を有する構成としてもよい。
p型半導体層5は、GaNまたはInGaNがp型にドーピングされたものであり、活性層4に対して正孔を供給するためのものである。p型半導体層5の形成は、MOCVD法を用いて、たとえばNH3ガス、H2ガス、N2ガス、およびTMGガス、TMInガスと、p型のドーパントであるMgのドープを行うためのCp2Mgガスとを同時に供給することにより行うことができる。
次に、半導体発光素子A1の作用について説明する。
本実施形態によれば、第1井戸層41からの青色光Lbと第2井戸層42からの緑色光Lgとが基板1に入射すると、Crが1%程度添加されたサファイアからなる基板1において光励起現象が生じる。これにより、ピーク波長が690nm程度の赤色光が発せられる。この赤色光と、活性層4からの青色光Lbおよび緑色光Lgが基板1の裏面から出射されると、これらの光が混色することにより、肉眼には白色光Lwが発せられているように見えることとなる。この白色光Lwは、光の三原色である青、緑、赤の光が混色されたものであるため、濁りの少ない白色として見える。したがって、半導体発光素子A1は、たとえば照明器具、プロジェクター、および薄型テレビなど、濁りの少ない白色光Lwが必要とされる機器の光源として用いるのに適している。
n型半導体層3のうちバッファ層2と接する端部は、その組成がAlNとされており、実質的にバッファ層2と同一の組成とされている。このため、n型半導体層3のうちバッファ層2と接する端部とバッファ層2とは、互いの屈折率がほぼ等しい。これにより、n型半導体層3とバッファ層2との界面においては、ほとんど光が反射されない。また、n型半導体層3のうち活性層4と接する端部は、その組成がGaNとされている。このため、n型半導体層3のうち活性層4と接する端部と、活性層4のバリア層44とは、互いの屈折率がほぼ等しい。これにより、n型半導体層3と活性層4との界面においては、ほとんど光が反射されない。さらに、AlNからなるバッファ層2とサファイアからなる基板1とは、互いの屈折率がほぼ等しい。したがって、活性層4の第1井戸層41から発せられた青色光Lbと第2井戸層42から発せられた緑色光Lgとが反射されることを回避可能であり、これらの光を基板1へと効率よく入射させることができる。したがって、基板1の裏面から発せられる白色光Lwの輝度を高めるのに好適である。特に、n型半導体層3のAlの組成比xの分布が図2に示された線形分布とされていることにより、n型半導体層3の厚さ方向において屈折率が極端に変化することを防止できる。これは、活性層4からの光がn型半導体層3内において乱反射されることを防止するのに有利である。
第1井戸層41および第2井戸層42に含まれるInは、半導体発光素子A1を製造する際に、たとえばMOCVD法における雰囲気温度が高いほど昇華してしまいやすい。本実施形態の半導体発光素子A1の製造においては、第1井戸層41を形成した後に、第2井戸層42を形成する。このため、相対的にInの組成比が高い第2井戸層42を形成した後に、第2井戸層42が高い雰囲気温度にさらされることを抑制することができる。したがって、第2井戸層42からInが不当に昇華してしまうことを合理的に抑制することが可能であり、第1井戸層41および第2位同層42から所望の波長の光を発光させることができる。
なお、上述した実施形態とは異なり、複数の第1井戸層41および複数の第2井戸層42を備える構成としてもよい。この場合も、複数の第2井戸層41を複数の第2井戸層42よりも基板1寄りに配置すれば、製造工程において、第2井戸層42からInが不当に昇華してしまうことを防止することができる。
図3は、本発明に係る半導体発光素子の第2実施形態を示している。なお、本図において、上記実施形態と同一または類似の要素には、上記実施形態と同一の符号を付している。本実施形態の半導体発光素子A2は、活性層4の構成が上述した第1実施形態と異なっている。本実施形態においては、活性層4は、井戸層43とこれを挟む2つのバリア層44とからなる。井戸層43は、その組成がInwGa1-wN(0.18≦w≦0.21)で表され、波長が495nm程度の青緑色光Lbgを発光する。本実施形態においても、n型半導体層3は、第1実施形態と同様にAlの組成比xが図2に示す分布とされている。
このような実施形態によっても、活性層4からの青緑色光Lbgが基板1に入射すると、光励起現象によって赤色光が発せられる。この赤色光と青緑色光Lbgとが混色することにより濁りの少ない白色光Lwが得られる。また、n型半導体層3とバッファ層2または活性層4との界面において青緑色光Lbgが不当に反射されることが無い。したがって、高輝度な白色光Lwを発することができる。なお、本実施形態とは異なり、複数の井戸層43とこれらの井戸層43を挟む複数のバリア層44を備える構成としてもよい。
本発明に係る半導体発光素子は、上述した実施形態に限定されるものではない。本発明に係る半導体発光素子の各部の具体的な構成は、種々に設計変更自在である。
n型半導体層3におけるAlの組成比xの分布は、図2に示したように0から1へと線形に遷移することが好ましいが、本発明は、これに限定されない。n型半導体層3のうち活性層4側の端部よりもバッファ層2側の端部の方がAlの組成比xが小である構成とすれば、Alの組成比xが均一とされたn型半導体層を有する構成と比べて、n型半導体層3とバッファ層2および活性層4との界面における反射を抑制する効果が期待できる。また、n型半導体層3内におけるAl組成比xの分布は、線形分布に限らず非線形の単調減少などであってもよい。
A1,A2 半導体発光素子
1 基板
2 バッファ層
3 n型半導体層
4 活性層
5 p型半導体層
41 第1井戸層
42 第2井戸層
43 井戸層
44 バリア層
1 基板
2 バッファ層
3 n型半導体層
4 活性層
5 p型半導体層
41 第1井戸層
42 第2井戸層
43 井戸層
44 バリア層
Claims (3)
- 基板と、
上記基板に積層されたn型半導体層、活性層、およびp型半導体層とを備えており、
上記活性層は、その波長が430〜570nmである青色光および緑色光、または青緑色光を発光する半導体発光素子であって、
上記基板は、Crが添加されたサファイアからなり、
上記基板と上記n型半導体層との間には、AlNからなるバッファ層が介在しており、
上記n型半導体層は、その組成がn−AlxGa1-xN(0≦x≦1)で表され、かつ上記バッファ層側の端部よりも上記活性層側の端部の方がAlの組成比が小とされていることを特徴とする、半導体発光素子。 - 上記活性層は、その組成がInyGa1-yN(0.13≦y≦0.17)とされた1以上の第1井戸層と、その組成がInzGa1-zN(0.20≦z≦0.24)とされた1以上の第2井戸層とを有しており、
上記第1井戸層は、上記第2井戸層よりも上記基板寄りに配置されている、請求項1に記載の半導体発光素子。 - 上記活性層は、その組成がInwGa1-wN(0.18≦w≦0.21)とされた1以上の井戸層を有している、請求項1に記載の半導体発光素子。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2006185352A JP2008016591A (ja) | 2006-07-05 | 2006-07-05 | 半導体発光素子 |
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JP2006185352A JP2008016591A (ja) | 2006-07-05 | 2006-07-05 | 半導体発光素子 |
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ID=39073339
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Country Status (1)
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JP (1) | JP2008016591A (ja) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2009104874A1 (ko) * | 2008-02-19 | 2009-08-27 | 우리엘에스티 주식회사 | 하이브리드 버퍼층을 이용한 질화물 반도체 발광소자 및 이의 제조방법 |
WO2015072599A1 (ko) * | 2013-11-14 | 2015-05-21 | 안종욱 | 청색 광원과 형광체를 이용한 초고연색 백색 발광 조명용 소자 |
-
2006
- 2006-07-05 JP JP2006185352A patent/JP2008016591A/ja active Pending
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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WO2009104874A1 (ko) * | 2008-02-19 | 2009-08-27 | 우리엘에스티 주식회사 | 하이브리드 버퍼층을 이용한 질화물 반도체 발광소자 및 이의 제조방법 |
KR100974048B1 (ko) | 2008-02-19 | 2010-08-04 | 우리엘에스티 주식회사 | 하이브리드 버퍼층을 이용한 질화물 반도체 발광소자 및이의 제조방법 |
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WO2015072599A1 (ko) * | 2013-11-14 | 2015-05-21 | 안종욱 | 청색 광원과 형광체를 이용한 초고연색 백색 발광 조명용 소자 |
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