JP2008016591A

JP2008016591A - 半導体発光素子

Info

Publication number: JP2008016591A
Application number: JP2006185352A
Authority: JP
Inventors: Shinichi Tamai; 慎一玉井
Original assignee: Rohm Co Ltd
Current assignee: Rohm Co Ltd
Priority date: 2006-07-05
Filing date: 2006-07-05
Publication date: 2008-01-24

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−Ａｌ_xＧａ_1-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、Ｉｎ_vＧａ_1-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。

特開２００３−２４３７００号公報

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−Ａｌ_xＧａ_1-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Ｉｎ_yＧａ_1-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Ｉｎ_zＧａ_1-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Ｉｎ_wＧａ_1-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Ａｌ_xＧａ_1-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−Ａｌ_xＧａ_1-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Ｉｎ_yＧａ_1-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Ｉｎ_zＧａ_1-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Ｉｎ_wＧａ_1-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。

本発明に係る半導体発光素子の第１実施形態を示す要部断面図である。本発明に係る半導体発光素子の第１実施形態のｎ型半導体層におけるＡｌ組成比の分布を示すグラフである。本発明に係る半導体発光素子の第２実施形態を示す要部断面図である。従来の半導体発光素子の一例を示す要部断面図である。

符号の説明

Ａ１，Ａ２半導体発光素子
１基板
２バッファ層
３ｎ型半導体層
４活性層
５ｐ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

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−Ａｌ_xＧａ_1-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Ｉｎ_yＧａ_1-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Ｉｎ_zＧａ_1-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Ｉｎ_wＧａ_1-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。