JP2008218645A - 発光装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】２種類以上の波長ピークを持つ偏光光を取り出すことができる発光装置、つまり、たとえば、偏光した白色光を取り出すことができる発光装置を提供する。
【解決手段】この発光装置は、支持基板１０に青色発光ダイオードチップ７１Ｂおよび黄色発光ダイオードチップ７１Ｙを搭載して構成されている。発光ダイオードチップ７１Ｂ，７１Ｙは、ｍ面を結晶成長の主面としたIII族窒化物半導体からなる発光ダイオード構造を有している。そのため、これらの発光ダイオードチップ７１Ｂ，７１Ｙから発生する光は、ａ軸方向に強い偏光成分を有している。青色および黄色発光ダイオードチップ７１Ｂ，７１Ｙは、それらの偏光成分強度の強い方位、すなわち、ａ軸方向が平行で、かつｃ軸方向も平行になるように、支持基板１０にアライメントされて搭載されている。発光ダイオードチップ７１の光取り出し方向は、支持基板１０の主面に垂直な方向である。
【選択図】図１
【解決手段】この発光装置は、支持基板１０に青色発光ダイオードチップ７１Ｂおよび黄色発光ダイオードチップ７１Ｙを搭載して構成されている。発光ダイオードチップ７１Ｂ，７１Ｙは、ｍ面を結晶成長の主面としたIII族窒化物半導体からなる発光ダイオード構造を有している。そのため、これらの発光ダイオードチップ７１Ｂ，７１Ｙから発生する光は、ａ軸方向に強い偏光成分を有している。青色および黄色発光ダイオードチップ７１Ｂ，７１Ｙは、それらの偏光成分強度の強い方位、すなわち、ａ軸方向が平行で、かつｃ軸方向も平行になるように、支持基板１０にアライメントされて搭載されている。発光ダイオードチップ７１の光取り出し方向は、支持基板１０の主面に垂直な方向である。
【選択図】図１
Description
この発明は、窒化物半導体で構成した発光ダイオードを備える発光装置に関する。
III-Ｖ族半導体においてＶ族元素として窒素を用いた半導体は「III族窒化物半導体」と呼ばれ、その代表例は、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、窒化インジウム（ＩｎＮ）である。一般には、ＡｌxＩｎyＧａ1-x-yＮ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０≦ｘ＋ｙ≦１）と表わすことができる。
ｃ面を主面とする窒化ガリウム（ＧａＮ）基板上にIII族窒化物半導体を有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）によって成長させる窒化物半導体の製造方法が知られている。この方法を適用することにより、ｎ型層およびｐ型層を有するＧａＮ半導体積層構造を形成することができ、この積層構造を利用した発光デバイスを作製できる。このような発光デバイスは、たとえば、液晶パネル用バックライトの光源として利用可能である。
ｃ面を主面とする窒化ガリウム（ＧａＮ）基板上にIII族窒化物半導体を有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）によって成長させる窒化物半導体の製造方法が知られている。この方法を適用することにより、ｎ型層およびｐ型層を有するＧａＮ半導体積層構造を形成することができ、この積層構造を利用した発光デバイスを作製できる。このような発光デバイスは、たとえば、液晶パネル用バックライトの光源として利用可能である。
ｃ面を主面とするＧａＮ基板上に再成長されたＧａＮ半導体の主面はｃ面である。このｃ面から取り出される光は、ランダム偏光（無偏光）状態となっている。そのため、液晶パネルに入射する際に、入射側偏光板に対応した特定偏光以外は遮蔽され、出射側への輝度に寄与しない。そのため、高輝度な表示を実現し難い（効率は最大でも５０％）という問題がある。
この問題を解決するために、ｃ面以外、すなわち、ａ面、ｍ面等の非極性（ノンポーラ）面、または半極性（セミポーラ）面を主面とするＧａＮ半導体を成長させて、発光デバイスを作製することが検討されている。非極性面または半極性面を主面とするＧａＮ半導体層によってｐ型層およびｎ型層を有する発光デバイスを作製すると、強い偏光状態の発光が可能である。そこで、このような発光デバイスの偏光の方向と、液晶パネルの入射側偏光板の通過偏光の方向とを一致させておくことにより、入射側偏光板での損失を少なくすることができる。その結果、高輝度な表示を実現できる。
T. Takeuchi et al., Jap. J. Appl. Phys. 39, 413-416, 2000
T. Takeuchi et al., Jap. J. Appl. Phys. 39, 413-416, 2000
たとえば、白色発光を実現しようとすると、従来からの白色ＬＥＤ（発光ダイオード）の場合と同様に、蛍光体と組み合わせることになる。すなわち、発光デバイスから発した偏光光を蛍光体に入射させ、この蛍光体から放出される光を外部に取り出すことによって、白色発光を実現できる。
ところが、蛍光体から放出される光は、散乱光であり、偏光方向がランダムな無偏光光である。したがって、液晶パネルのバックライト用光源として適用するとすれば、偏光板での大きな損失が避けられず、高輝度な表示を実現できない。また、蛍光体から放出される光の大部分が偏光板で減衰するから、液晶セル内に進入する光が白色光とならない。
ところが、蛍光体から放出される光は、散乱光であり、偏光方向がランダムな無偏光光である。したがって、液晶パネルのバックライト用光源として適用するとすれば、偏光板での大きな損失が避けられず、高輝度な表示を実現できない。また、蛍光体から放出される光の大部分が偏光板で減衰するから、液晶セル内に進入する光が白色光とならない。
そこで、この発明の目的は、２種類以上の波長ピークを持つ偏光光を取り出すことができる発光装置、つまり、たとえば、偏光した白色光を取り出すことができる発光装置を提供することである。
上記の目的を達成するための請求項１記載の発明は、非極性面または半極性面を結晶成長の主面とするIII族窒化物半導体で構成されたｐ型層、発光層およびｎ型層を有する発光ダイオードを複数個備え、この複数個の発光ダイオードの発光波長が互いに異なり、当該複数個の発光ダイオードが、偏光成分強度の強い方位が揃うようにアライメントしてある、発光装置である。
この構成によれば、III族窒化物半導体を用いた複数の発光ダイオードの発光波長が異なり、これらの発光ダイオードが各偏光成分の強度の強い方位が揃うようにアライメントしてある。これにより、複数個の発光ダイオードに同時に通電して発光させると、見かけ上、複数の発光ダイオードの発光色の混色光が観測されることになる。この混色光は２種類以上の波長ピークを持つ偏光光となる。むろん、複数個の発光ダイオードを同時に発光させる必要はなく、それらのうちの一つまたは複数個を発光させることもできる。これにより、複数色の偏光光を発生させることができる。
前記発光層は、ＡｌxＩｎyＧａ1-x-yＮ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０≦ｘ＋ｙ≦１）からなるものであることが好ましい。
請求項２に記載されているように、前記複数の発光ダイオードは、個別のチップからなるものであってもよい。これにより、個々の発光波長のチップを個別に製造できるので、製造工程が簡単になる。
請求項２に記載されているように、前記複数の発光ダイオードは、個別のチップからなるものであってもよい。これにより、個々の発光波長のチップを個別に製造できるので、製造工程が簡単になる。
請求項３記載の発明は、前記複数の発光ダイオードは、発光波長が４３０ｎｍ〜４８０ｎｍの青色発光ダイオード、および発光波長が５５０ｎｍ〜６００ｎｍの黄色発光ダイオードを含む、請求項１または２記載の発光装置である。この構成によれば、青色発光ダイオードおよび黄色発光ダイオードを同時に発光させることによって、見かけ上、白色発光の偏光光を発生させることができる。
請求項４記載の発明は、前記複数の発光ダイオードは、発光波長が４３０ｎｍ〜４８０ｎｍの青色発光ダイオード、発光波長が５００ｎｍ〜５５０ｎｍの緑色発光ダイオード、および発光波長が６００ｎｍ〜７００ｎｍの赤色発光ダイオードを含む、請求項１または２記載の発光装置である。この構成によれば、青色発光ダイオード、緑色発光ダイオードおよび赤色発光ダイオードを同時に発光させることによって、見かけ上、白色発光の偏光光を発生させることができる。また、青色、緑色および赤色の各発光ダイオードの発光輝度を複数階調に制御することによって、見かけ上、任意の色（フルカラー）の偏光光を発生させることができる。
各発光ダイオードは、ｃ面以外（すなわち、非極性面または半極性面）の積層主面を有するIII族窒化物半導体積層構造を備えたものであることが好ましい。これにより、偏光を発生させることができる。非極性面の例は、ｍ面（１０-１０）およびａ面（１１-２０）である。半極性面の例としては、（１０-１-１）面、（１０-１-３）面、（１１-２２）面を挙げることができる。
前記III族窒化物半導体積層構造は、ｃ面以外の主面を有する基板の表面に成長させられたものであってもよい。前記基板としては、サファイア基板（たとえば、ｒ面を主面とするもの）、ＬｉＡｌ2Ｏ3基板、炭化シリコン基板（たとえばｍ面を主面とするもの）、窒化ガリウム基板（たとえば、ａ面またはｍ面を主面とするもの）などを用いることができる。ｒ面サファイア基板上にはａ面III族窒化物半導体層を形成でき、ＬｉＡｌ2Ｏ3基板上にはｍ面III族窒化物半導体層を形成でき、ｍ面炭化シリコン基板上にはｍ面III族窒化物半導体層を形成でき、ａ面窒化ガリウム基板上にはａ面III族窒化物半導体層を形成でき、ｍ面窒化ガリウム基板上にはｍ面III族窒化物半導体層を形成できる。
以下では、この発明の実施の形態を、添付図面を参照して詳細に説明する。
図１は、この発明の一実施形態に係る発光装置の構成を説明するための図解的な斜視図である。この発光装置は、支持基板１０に青色発光ダイオードチップ７１Ｂおよび黄色発光ダイオードチップ７１Ｙ（以下、これらを総称するときには「発光ダイオードチップ７１」という。）を搭載して構成されている。青色発光ダイオードチップ７１Ｂおよび黄色発光ダイオードチップ７１Ｙは、後述するとおり、ｍ面を結晶成長の主面としたIII族窒化物半導体からなる発光ダイオード構造を有している。そのため、これらの発光ダイオードチップ７１から発生する光は、ａ軸方向に強い偏光成分を有している。青色および黄色発光ダイオードチップ７１Ｂ，７１Ｙは、それらの偏光成分強度の強い方位、すなわち、ａ軸方向が平行で、かつｃ軸方向も平行になるように、支持基板１０にアライメントされて搭載されている。発光ダイオードチップ７１Ｂ，７１Ｙの光取り出し方向は、互いに平行であり、この実施形態では、支持基板１０の主面に垂直な方向である。
図１は、この発明の一実施形態に係る発光装置の構成を説明するための図解的な斜視図である。この発光装置は、支持基板１０に青色発光ダイオードチップ７１Ｂおよび黄色発光ダイオードチップ７１Ｙ（以下、これらを総称するときには「発光ダイオードチップ７１」という。）を搭載して構成されている。青色発光ダイオードチップ７１Ｂおよび黄色発光ダイオードチップ７１Ｙは、後述するとおり、ｍ面を結晶成長の主面としたIII族窒化物半導体からなる発光ダイオード構造を有している。そのため、これらの発光ダイオードチップ７１から発生する光は、ａ軸方向に強い偏光成分を有している。青色および黄色発光ダイオードチップ７１Ｂ，７１Ｙは、それらの偏光成分強度の強い方位、すなわち、ａ軸方向が平行で、かつｃ軸方向も平行になるように、支持基板１０にアライメントされて搭載されている。発光ダイオードチップ７１Ｂ，７１Ｙの光取り出し方向は、互いに平行であり、この実施形態では、支持基板１０の主面に垂直な方向である。
このような構成により、青色および黄色発光ダイオードチップ７１Ｂ，７１Ｙの両方に通電して、これらを同時に発光させると、それらから生じる青色光および黄色光が見かけ上混合され、それらの混色光である白色光が観測される。こうして、青色領域（４３０ｎｍ〜４８０ｎｍ）に一つの波長ピークを持ち、黄色領域（５５０ｎｍ〜６００ｎｍ）に別の波長ピークを持つ偏光光を発生することができる。したがって、この白色偏光光を液晶パネルのバックライト光源として用い、偏光板の偏光方向と発光ダイオードチップ７１の偏光方向（ａ軸方向）とを平行としておけば、液晶セル内に青色光および黄色光の混色光（白色光）を効率良く進入させることができ、偏光板での減衰を抑制できる。むろん、青色発光ダイオードチップ７１Ｂのみに通電して青色光のみを発生させたり、黄色発光ダイオードチップ７１Ｙのみに通電して黄色光のみを発生させたりすることもできる。
図２は、この発明の他の実施形態に係る発光装置の構成を説明するための図解的な斜視図である。この発光装置は、支持基板１０に赤色発光ダイオードチップ７１Ｒ、緑色発光ダイオードチップ７１Ｇおよび青色発光ダイオードチップ７１Ｂ（以下、これらを総称するときには「発光ダイオードチップ７１」という。）を搭載して構成されている。赤色発光ダイオードチップ７１Ｒ、緑色発光ダイオードチップ７１Ｇおよび青色発光ダイオードチップ７１Ｂは、後述するとおり、ｍ面を結晶成長の主面としたIII族窒化物半導体からなる発光ダイオード構造を有している。そのため、これらの発光ダイオードチップ７１から発生する光は、ａ軸方向に強い偏光成分を有している。赤色、緑色および青色発光ダイオードチップ７１Ｒ，７１Ｇ，７１Ｂは、それらの偏光成分強度の強い方位、すなわち、ａ軸方向が平行で、かつｃ軸方向も平行になるように、支持基板１０にアライメントされて搭載されている。発光ダイオードチップ７１Ｒ，７１Ｇ，７１Ｂの光取り出し方向は、互いに平行であり、この実施形態では、支持基板１０の主面に垂直な方向である。
このような構成により、赤色発光ダイオードチップ７１Ｒ、緑色発光ダイオードチップ７１Ｇおよび青色発光ダイオードチップ７１Ｂのすべてに通電して、これらを同時に発光させると、それらから生じる赤色光、緑色光および青色光が見かけ上混合され、それらの混色光である白色光が観測される。こうして、赤色領域（６００ｎｍ〜７００ｎｍ）に第１のピークを持ち、緑色領域（５００ｎｍ〜５５０ｎｍ）に第２のピークを持ち、青色領域（４３０ｎｍ〜４８０ｎｍ）に第３の波長ピークを持つ偏光光を発生することができる。
したがって、この白色偏光光を液晶パネルのバックライト光源として用い、偏光板の偏光方向と発光ダイオードチップ７１の偏光方向（ａ軸方向）とを平行としておけば、液晶セル内に赤色光、緑色光および青色光の混色光（白色光）を効率良く進入させることができ、偏光板での減衰を抑制できる。
むろん、赤色発光ダイオードチップ７１Ｒのみに通電して赤色光のみを発生させたり、緑色発光ダイオードチップ７１Ｇのみに通電して緑色光のみを発生させたり、青色発光ダイオードチップ７１Ｂのみに通電して青色光のみを発生させたりすることもできる。さらに、赤色発光ダイオードチップ７１Ｒおよび緑色発光ダイオードチップ７１Ｇの２つにのみ通電して赤色光および緑色光の混色光（黄色光）を発生させたり、緑色発光ダイオードチップ７１Ｇおよび青色発光ダイオードチップ７１Ｂの２つにのみ通電して緑色光および青色光の混色光（水色（シアン）光）を発生させたり、青色発光ダイオードチップ７１Ｂおよび赤色発光ダイオードチップ７１Ｒの２つにのみ通電して青色光および赤色光の混色光（紫色（マゼンタ）光）を発生させたりすることもできる。
むろん、赤色発光ダイオードチップ７１Ｒのみに通電して赤色光のみを発生させたり、緑色発光ダイオードチップ７１Ｇのみに通電して緑色光のみを発生させたり、青色発光ダイオードチップ７１Ｂのみに通電して青色光のみを発生させたりすることもできる。さらに、赤色発光ダイオードチップ７１Ｒおよび緑色発光ダイオードチップ７１Ｇの２つにのみ通電して赤色光および緑色光の混色光（黄色光）を発生させたり、緑色発光ダイオードチップ７１Ｇおよび青色発光ダイオードチップ７１Ｂの２つにのみ通電して緑色光および青色光の混色光（水色（シアン）光）を発生させたり、青色発光ダイオードチップ７１Ｂおよび赤色発光ダイオードチップ７１Ｒの２つにのみ通電して青色光および赤色光の混色光（紫色（マゼンタ）光）を発生させたりすることもできる。
さらには、赤色、緑色および青色発光ダイオードチップ７１Ｒ，７１Ｇ，７１Ｂの各発光強度を複数階調に制御すれば、任意の色の光を発生させることができ、フルカラーの発光装置を構成することができる。たとえば、このような発光装置を複数個二次元配列（たとえば、マトリクス配列）して、個々の発光装置に含まれる発光ダイオードチップ７１Ｒ，７１Ｇ，７１Ｂの発光強度の階調制御を行えば、フルカラーの二次元表示装置を構成することができる。
図３は、前記発光ダイオードチップ７１の構造例を説明するための図解的な断面図である。この発光ダイオードチップ７１（窒化物半導体発光素子）は、ＧａＮ（窒化ガリウム）基板１上にIII族窒化物半導体積層構造（発光ダイオード構造）を形成するIII族窒化物半導体層２を成長させて構成されている。
III族窒化物半導体層２は、ＧａＮ基板１側から順に、ｎ型コンタクト層２１、活性層（発光層）としての多重量子井戸（ＭＱＷ：Multiple-Quantum Well）層２２、ＧａＮファイナルバリア層２５、ｐ型電子阻止層２３およびｐ型コンタクト層２４を積層した積層構造を有している。ｐ型コンタクト層２４層の表面には、透明電極としてのアノード電極３が形成されている。さらに、このアノード電極３の一部には、配線接続のための接続部４が接合されている。また、ｎ型コンタクト層２１には、カソード電極５が接合されている。
III族窒化物半導体層２は、ＧａＮ基板１側から順に、ｎ型コンタクト層２１、活性層（発光層）としての多重量子井戸（ＭＱＷ：Multiple-Quantum Well）層２２、ＧａＮファイナルバリア層２５、ｐ型電子阻止層２３およびｐ型コンタクト層２４を積層した積層構造を有している。ｐ型コンタクト層２４層の表面には、透明電極としてのアノード電極３が形成されている。さらに、このアノード電極３の一部には、配線接続のための接続部４が接合されている。また、ｎ型コンタクト層２１には、カソード電極５が接合されている。
ＧａＮ基板１は、支持基板（配線基板）１０に接合されている。支持基板１０の表面には、配線１１，１２が形成されている。そして、接続部４と配線１１とがボンディングワイヤ１３で接続されており、カソード電極５と配線１２とがボンディングワイヤ１４で接続されている。さらに、III族窒化物半導体層２、アノード電極３、接続部４およびカソード電極５、ならびにボンディングワイヤ１３，１４が、エポキシ樹脂等の透明樹脂によって支持基板１０上で封止される。
ｎ型コンタクト層２１は、シリコンをｎ型ドーパントとして添加したｎ型ＧａＮ層からなる。層厚は３μｍ以上とすることが好ましい。シリコンのドーピング濃度は、たとえば、１０18cm-3とされる。より具体的には、ｎ型コンタクト層２１は、ＧａＮ基板１上（またはＡｌＮ層８上）に結晶成長させられたｎ型ＧａＮ半導体からなる。
多重量子井戸層２２は、それぞれ、たとえば、シリコンをドープした量子井戸層としてのＩｎＧａＮ層（たとえば３ｎｍ厚）とバリア層としてのＧａＮ層（たとえば９ｎｍ厚）とを交互に所定周期（たとえば５周期）積層したものである。多重量子井戸層２２と、ｐ型電子阻止層２３との間には、ＧａＮファイナルバリア層２５（たとえば４０ｎｍ厚）が積層されている。
多重量子井戸層２２は、それぞれ、たとえば、シリコンをドープした量子井戸層としてのＩｎＧａＮ層（たとえば３ｎｍ厚）とバリア層としてのＧａＮ層（たとえば９ｎｍ厚）とを交互に所定周期（たとえば５周期）積層したものである。多重量子井戸層２２と、ｐ型電子阻止層２３との間には、ＧａＮファイナルバリア層２５（たとえば４０ｎｍ厚）が積層されている。
多重量子井戸層２２は、ｎ型コンタクト層２１とｐ型コンタクト層２４との間に挟まれて発光ダイオード構造を形成する。この多重量子井戸層２２の発光波長は、青色発光ダイオードチップ７１Ｂの場合には４３０ｎｍ〜４８０ｎｍ（たとえば、４６０ｎｍ）とされ、黄色発光ダイオードチップ７１Ｙの場合には５５０ｎｍ〜６００ｎｍ（たとえば、５７０ｎｍ）とされる。すなわち、黄色発光ダイオードチップ７１Ｙの多重量子井戸層２２の発光波長は、青色発光ダイオードチップ７１Ｂの多重量子井戸層２２の発光波長よりも長くされている。換言すれば、黄色発光ダイオードチップ７１Ｙの多重量子井戸層２２のバンドギャップ（より具体的には量子井戸層としてのＩｎＧａＮ層のバンドギャップ）は、青色発光ダイオードチップ７１Ｂの多重量子井戸層２２のバンドギャップ（より具体的には量子井戸層としてのＩｎＧａＮ層のバンドギャップ）よりも小さくされている。バンドギャップの調整は、インジウム（Ｉｎ）の組成比を調整することによって行うことができる。
同様に、多重量子井戸層２２の発光波長は、赤色発光ダイオードチップ７１Ｒの場合には６００ｎｍ〜７００ｎｍ（たとえば、６５０ｎｍ）とされ、緑色発光ダイオードチップ７１Ｇの場合には５００ｎｍ〜５５０ｎｍ（たとえば、５３０ｎｍ）とされる。これらの発光波長の制御も、インジウム（Ｉｎ）の組成比を調整することによって行われる。
ｐ型電子阻止層２３は、ｐ型ドーパントとしてのマグネシウムを添加したＡｌＧａＮ層からなる。層厚は、たとえば、２８ｎｍである。マグネシウムのドーピング濃度は、たとえば、３×１０19cm-3とされる。
ｐ型電子阻止層２３は、ｐ型ドーパントとしてのマグネシウムを添加したＡｌＧａＮ層からなる。層厚は、たとえば、２８ｎｍである。マグネシウムのドーピング濃度は、たとえば、３×１０19cm-3とされる。
ｐ型コンタクト層２４は、ｐ型ドーパントとしてのマグネシウムを高濃度に添加したＧａＮ層からなる。層厚は、たとえば、７０ｎｍである。マグネシウムのドーピング濃度は、たとえば、１０20cm-3とされる。
アノード電極３は、ＮｉとＡｕとから構成される透明な薄い金属層（たとえば、２００Å以下）で構成される。
アノード電極３は、ＮｉとＡｕとから構成される透明な薄い金属層（たとえば、２００Å以下）で構成される。
カソード電極は、ＴｉとＡｌ層とから構成される膜である。
ＧａＮ基板１は、ｃ面以外の主面を有するＧａＮからなる基板である。より具体的には、非極性面または半極性面を主面とするものである。好ましくは、非極性面の面方位から±１°以内のオフ角を有する面、または半極性面の面方位から±１°以内のオフ角を有する面を主面とするＧａＮ単結晶基板である。III族窒化物半導体層２の各層の積層主面は、ＧａＮ基板１の主面の結晶面に従う。すなわち、III族窒化物半導体層２の構成層の主面は、いずれも、ＧａＮ基板１の主面の結晶面と同じ結晶面を有する。
ＧａＮ基板１は、ｃ面以外の主面を有するＧａＮからなる基板である。より具体的には、非極性面または半極性面を主面とするものである。好ましくは、非極性面の面方位から±１°以内のオフ角を有する面、または半極性面の面方位から±１°以内のオフ角を有する面を主面とするＧａＮ単結晶基板である。III族窒化物半導体層２の各層の積層主面は、ＧａＮ基板１の主面の結晶面に従う。すなわち、III族窒化物半導体層２の構成層の主面は、いずれも、ＧａＮ基板１の主面の結晶面と同じ結晶面を有する。
配線１１，１２から、アノード電極３およびカソード電極５間に順方向電圧を印加すると、多重量子井戸層２２は、電流注入によって励起されて発光する。発光メカニズムは、ダイオード発光であってもよいし、ＥＬ（エレクトロスミネッセンス）発光であってもよい。ＧａＮ基板１の主面がｃ面以外の所定の結晶面（非極性面または半極性面）であるため、多重量子井戸層２２の主面もまたｃ面以外の結晶面（ＧａＮ基板１と同一結晶面）となる。そのため、多重量子井戸層２２は偏光光を発生することになる。
図４は、III族窒化物半導体の結晶構造のユニットセルを表した図解図である。III族窒化物半導体の結晶構造は、六方晶系で近似することができ、六角柱の軸方向に沿うｃ軸を法線とする面（六角柱の頂面）がｃ面（０００１）である。III族窒化物半導体では、分極方向がｃ軸に沿っている。そのため、ｃ面は、＋ｃ軸側と−ｃ軸側とで異なる性質を示すので、極性面(Polar Plane)と呼ばれる。一方、六角柱の側面がそれぞれｍ面（１０-１０）であり、隣り合わない一対の稜線を通る面がａ面（１１-２０）である。これらは、ｃ面に対して直角な結晶面であり、分極方向に対して直交しているため、極性のない平面、すなわち、非極性面(Nonpolar Plane)である。さらに、ｃ面に対して傾斜している（平行でもなく直角でもない）結晶面は、分極方向に対して斜めに交差しているため、若干の極性のある平面、すなわち、半極性面(Semipolar Plane)である。半極性面の具体例は、（１０-１-１）面、（１０-１-３）面、（１１-２２）面などである。
非特許文献１に、ｃ面に対する結晶面の偏角と当該結晶面の法線方向の分極との関係が示されている。この非特許文献１から、（１１-２４）面、（１０-１２）面なども分極の少ない結晶面であり、大きな偏光状態の光を取り出すために採用される可能性のある有力な結晶面であると言える。
たとえば、ｍ面を主面とするＧａＮ単結晶基板は、ｃ面を主面としたＧａＮ単結晶から切り出して作製することができる。切り出された基板のｍ面は、たとえば、化学的機械的研磨処理によって研磨され、（０００１）方向および（１１−２０）方向の両方に関する方位誤差が、±１°以内（好ましくは±０．３°以内）とされる。こうして、ｍ面を主面とし、かつ、転位や積層欠陥といった結晶欠陥のないＧａＮ単結晶基板が得られる。このようなＧａＮ単結晶基板の表面には、原子レベルの段差が生じているにすぎない。
たとえば、ｍ面を主面とするＧａＮ単結晶基板は、ｃ面を主面としたＧａＮ単結晶から切り出して作製することができる。切り出された基板のｍ面は、たとえば、化学的機械的研磨処理によって研磨され、（０００１）方向および（１１−２０）方向の両方に関する方位誤差が、±１°以内（好ましくは±０．３°以内）とされる。こうして、ｍ面を主面とし、かつ、転位や積層欠陥といった結晶欠陥のないＧａＮ単結晶基板が得られる。このようなＧａＮ単結晶基板の表面には、原子レベルの段差が生じているにすぎない。
このようにして得られるＧａＮ単結晶基板上に、ＭＯＣＶＤ法によって、III族窒化物半導体層２を成長させることができる。
ｍ面を主面とするＧａＮ単結晶基板１上にｍ面を成長主面とするIII族窒化物半導体層２を成長させてａ面に沿う断面を電子顕微鏡（ＳＴＥＭ：走査透過電子顕微鏡）で観察すると、III族窒化物半導体層２には、転位の存在を表す条線が見られない。そして、表面状態を光学顕微鏡で観察すると、ｃ軸方向への平坦性（最後部と最低部との高さの差）は１０Å以下であることが分かる。このことは、多重量子井戸層２２のｃ軸方向への平坦性が１０Å以下であることを意味し、発光スペクトルの半値幅を小さくすることができる。
ｍ面を主面とするＧａＮ単結晶基板１上にｍ面を成長主面とするIII族窒化物半導体層２を成長させてａ面に沿う断面を電子顕微鏡（ＳＴＥＭ：走査透過電子顕微鏡）で観察すると、III族窒化物半導体層２には、転位の存在を表す条線が見られない。そして、表面状態を光学顕微鏡で観察すると、ｃ軸方向への平坦性（最後部と最低部との高さの差）は１０Å以下であることが分かる。このことは、多重量子井戸層２２のｃ軸方向への平坦性が１０Å以下であることを意味し、発光スペクトルの半値幅を小さくすることができる。
このように、無転位でかつ積層界面が平坦なｍ面III族窒化物半導体を成長させることができる。ただし、ＧａＮ単結晶基板１の主面のオフ角は±１°以内（好ましくは±０．３°以内）とすることが好ましく、たとえば、オフ角を２°としたｍ面ＧａＮ単結晶基板上にＧａＮ半導体層を成長させると、ＧａＮ結晶がテラス状に成長し、オフ角を±１°以内とした場合のような平坦な表面状態とすることができないおそれがある。
ｍ面を主面としたＧａＮ単結晶基板上に結晶成長させられるIII族窒化物半導体は、ｍ面を成長主面として成長する。ｃ面を主面として結晶成長した場合には、ｃ軸方向の分極の影響で、発光層１０での発光効率が悪くなるおそれがある。これに対して、ｍ面を結晶成長主面とすれば、量子井戸層での分極が抑制され、発光効率が増加する。
また、ｍ面を結晶成長の主面とすることにより、III族窒化物半導体結晶の成長を極めて安定に行うことができ、ｃ面やａ面を結晶成長主面とする場合よりも、結晶性を向上することができる。これにより、高性能の発光ダイオード構造を作製できる。
また、ｍ面を結晶成長の主面とすることにより、III族窒化物半導体結晶の成長を極めて安定に行うことができ、ｃ面やａ面を結晶成長主面とする場合よりも、結晶性を向上することができる。これにより、高性能の発光ダイオード構造を作製できる。
また、この実施形態では、基板１としてＧａＮ単結晶基板を用いているので、III族窒化物半導体層２は、欠陥の少ない高い結晶品質を有することができる。その結果、高性能の発光ダイオードを実現できる。
さらにまた、実質的に転位のないＧａＮ単結晶基板上にIII族窒化物半導体層２を成長させることにより、このIII族窒化物半導体層２は基板１の再成長面（ｍ面）からの積層欠陥や貫通転位が生じていない良好な結晶とすることができる。これにより、欠陥に起因する発光効率低下などの特性劣化を抑制することができる。
さらにまた、実質的に転位のないＧａＮ単結晶基板上にIII族窒化物半導体層２を成長させることにより、このIII族窒化物半導体層２は基板１の再成長面（ｍ面）からの積層欠陥や貫通転位が生じていない良好な結晶とすることができる。これにより、欠陥に起因する発光効率低下などの特性劣化を抑制することができる。
図５は、III族窒化物半導体層２を構成する各層を成長させるための処理装置の構成を説明するための図解図である。処理室３０内に、ヒータ３１を内蔵したサセプタ３２が配置されている。サセプタ３２は、回転軸３３に結合されており、この回転軸３３は、処理室３０外に配置された回転駆動機構３４によって回転されるようになっている。これにより、サセプタ３２に処理対象のウエハ３５を保持させることにより、処理室３０内でウエハ３５を所定温度に昇温することができ、かつ、回転させることができる。ウエハ３５は、前述のＧａＮ基板１を構成する、たとえば、ＧａＮ単結晶ウエハである。
処理室３０には、排気配管３６が接続されている。排気配管３６はロータリポンプ等の排気設備に接続されている。これにより、処理室３０内の圧力は、１／１０気圧〜常圧（好ましくは１／５気圧程度）とされ、処理室３０内の雰囲気は常時排気されている。
一方、処理室３０には、サセプタ３２に保持されたウエハ３５の表面に向けて原料ガスを供給するための原料ガス供給路４０が導入されている。この原料ガス供給路４０には、窒素原料ガスとしてのアンモニアを供給する窒素原料配管４１と、ガリウム原料ガスとしてのトリメチルガリウム（ＴＭＧ）を供給するガリウム原料配管４２と、アルミニウム原料ガスとしてのトリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）を供給するアルミニウム原料配管４３と、インジウム原料ガスとしてのトリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）を供給するインジウム原料配管４４と、マグネシウム原料ガスとしてのエチルシクロペンタジエニルマグネシウム（ＥｔＣｐ2Ｍｇ）を供給するマグネシウム原料配管４５と、シリコンの原料ガスとしてのシラン（ＳｉＨ4）を供給するシリコン原料配管４６とが接続されている。これらの原料配管４１〜４６には、それぞれバルブ５１〜５６が介装されている。各原料ガスは、いずれも水素もしくは窒素またはこれらの両方からなるキャリヤガスとともに供給されるようになっている。
一方、処理室３０には、サセプタ３２に保持されたウエハ３５の表面に向けて原料ガスを供給するための原料ガス供給路４０が導入されている。この原料ガス供給路４０には、窒素原料ガスとしてのアンモニアを供給する窒素原料配管４１と、ガリウム原料ガスとしてのトリメチルガリウム（ＴＭＧ）を供給するガリウム原料配管４２と、アルミニウム原料ガスとしてのトリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）を供給するアルミニウム原料配管４３と、インジウム原料ガスとしてのトリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）を供給するインジウム原料配管４４と、マグネシウム原料ガスとしてのエチルシクロペンタジエニルマグネシウム（ＥｔＣｐ2Ｍｇ）を供給するマグネシウム原料配管４５と、シリコンの原料ガスとしてのシラン（ＳｉＨ4）を供給するシリコン原料配管４６とが接続されている。これらの原料配管４１〜４６には、それぞれバルブ５１〜５６が介装されている。各原料ガスは、いずれも水素もしくは窒素またはこれらの両方からなるキャリヤガスとともに供給されるようになっている。
たとえば、ｍ面を主面とするＧａＮ単結晶ウエハをウエハ３５としてサセプタ３２に保持させる。この状態で、バルブ５２〜５６は閉じておき、窒素原料バルブ５１を開いて、処理室３０内に、キャリヤガスおよびアンモニアガス（窒素原料ガス）が供給される。さらに、ヒータ３１への通電が行われ、ウエハ温度が１０００℃〜１１００℃（たとえば、１０５０℃）まで昇温される。これにより、表面の荒れを生じさせることなくＧａＮ半導体を成長させることができるようになる。
ウエハ温度が１０００℃〜１１００℃に達するまで待機した後、窒素原料バルブ５１、ガリウム原料バルブ５２およびシリコン原料バルブ５６が開かれる。これにより、原料ガス供給路４０から、キャリヤガスとともに、アンモニア、トリメチルガリウムおよびシランが供給される。その結果、ウエハ３５の表面に、シリコンがドープされたＧａＮ層からなるｎ型コンタクト層２１が成長する。
ｎ型コンタクト層２１を形成した後には、次に、シリコン原料バルブ５６が閉じられ、多重量子井戸層２２の成長が行われる。多重量子井戸層２２の成長は、窒素原料バルブ５１、ガリウム原料バルブ５２およびインジウム原料バルブ５４を開いてアンモニア、トリメチルガリウムおよびトリメチルインジウムをウエハ３５へと供給することによりＩｎＧａＮ層を成長させる工程と、インジウム原料バルブ５４を閉じ、窒素原料バルブ５１およびガリウム原料バルブ５２を開いてアンモニアおよびトリメチルガリウムをウエハ３５へと供給することにより、無添加のＧａＮ層（バリア層）を成長させる工程とを交互に実行することによって行える。たとえば、ＧａＮ層を始めに形成し、その上にＩｎＧａＮ層（量子井戸層）を形成する。これを２〜７回（たとえば５回）に渡って繰り返し行った後、最後に、ＩｎＧａＮ層上にＧａＮファイナルバリア層２５が形成される。量子井戸層２２およびＧａＮファイナルバリア層２５の形成時には、ウエハ３５の温度は、たとえば、７００℃〜８００℃（たとえば７３０℃）とされることが好ましい。多重量子井戸層２２の形成時には、インジウム原料ガス、ガリウム原料ガスおよび窒素原料ガスの流量比を調節することによって、ＩｎＧａＮ層の組成が調節される。これにより、ＩｎＧａＮ層のバンドギャップが調節され、その結果、多重量子井戸層２２の発光波長が制御される。
次いで、ｐ型電子阻止層２３が形成される。すなわち、窒素原料バルブ５１、ガリウム原料バルブ５２、アルミニウム原料バルブ５３およびマグネシウム原料バルブ５５が開かれ、他のバルブ５４，５６が閉じられる。これにより、ウエハ３５に向けて、アンモニア、トリメチルガリウム、トリメチルアルミニウムおよびエチルシクロペンタジエニルマグネシウムが供給され、マグネシウムがドープされたＡｌＧａＮ層からなるｐ型電子阻止層２３が形成されることになる。このｐ型電子阻止層２３の形成時には、ウエハ３５の温度は、８００℃以上（たとえば１０００℃）とされることが好ましい。
次に、ｐ型コンタクト層２４が形成される。すなわち、窒素原料バルブ５１、ガリウム原料バルブ５２およびマグネシウム原料バルブ５５が開かれ、他のバルブ５３，５４，５６が閉じられる。これにより、ウエハ３５に向けて、アンモニア、トリメチルガリウムおよびエチルシクロペンタジエニルマグネシウムが供給され、マグネシウムがドープされたＧａＮ層からなるｐ型コンタクト層２４が形成されることになる。ｐ型コンタクト層２４の形成時には、ウエハ３５の温度は、８００℃以上（たとえば１０００℃）とされることが好ましい。
こうして、ウエハ３５上にIII族窒化物半導体層２が成長させられると、このウエハ３５は、エッチング装置に移され、たとえばプラズマエッチングによって、図３に示すように、ｎ型コンタクト層２１を露出させるための凹部７が形成される。凹部７は、多重量子井戸層２２、ｐ型電子阻止層２３およびｐ型コンタクト層２４を島状に取り囲むように形成されてもよく、これにより、多重量子井戸層２２、ｐ型電子阻止層２３およびｐ型コンタクト層２４をメサ形に整形するものであってもよい。
さらに、抵抗加熱または電子線ビームによる金属蒸着装置によって、アノード電極３、接続部４、カソード電極５が形成される。これにより、図３に示す発光ダイオード構造を得ることができる。
このようなウエハプロセスの後に、ウエハ３５の劈開によって個別素子が切り出され、この個別素子は、ダイボンディングおよびワイヤボンディングによってリード電極に接続された後、エポキシ樹脂等の透明樹脂中に封止される。
このようなウエハプロセスの後に、ウエハ３５の劈開によって個別素子が切り出され、この個別素子は、ダイボンディングおよびワイヤボンディングによってリード電極に接続された後、エポキシ樹脂等の透明樹脂中に封止される。
図６は、発光ダイオードチップ７１の他の構成例を説明するための図解図である。この図６において、前述の図３に示された各部に対応する部分には同一の参照符号を付して示す。
この実施形態では、III族窒化物半導体積層構造としてのIII族窒化物半導体層２がＧａＮ基板１の一方の主面（第１主面）に成長させられていて、このＧａＮ基板１の他方主面（第２主面）は、鏡面に加工されて光取り出し面とされている。
この実施形態では、III族窒化物半導体積層構造としてのIII族窒化物半導体層２がＧａＮ基板１の一方の主面（第１主面）に成長させられていて、このＧａＮ基板１の他方主面（第２主面）は、鏡面に加工されて光取り出し面とされている。
III族窒化物半導体層２のｐ型コンタクト層２４の表面に形成されたアノード電極３は、支持基板１０上の配線１１に接合（ダイボンディング）されている。これにより、発光ダイオード構造は、図３の場合とは反転した姿勢で支持基板１０に固定されている。
III族窒化物半導体層２は、支持基板１０側からｎ型コンタクト層２１が露出するまでエッチング（たとえばプラズマエッチング）されていて、凹部１７が形成されている。この凹部１７に、ｎ型コンタクト層２１に接するカソード電極５が形成されている。このカソード電極５と支持基板１０上の配線１２とが、金属ポスト１８によって接続されている。
III族窒化物半導体層２は、支持基板１０側からｎ型コンタクト層２１が露出するまでエッチング（たとえばプラズマエッチング）されていて、凹部１７が形成されている。この凹部１７に、ｎ型コンタクト層２１に接するカソード電極５が形成されている。このカソード電極５と支持基板１０上の配線１２とが、金属ポスト１８によって接続されている。
この構成により、III族窒化物半導体層２の多重量子井戸層２２から発生した偏光光は、ＧａＮ基板１を透過して外部に取り出される。
多重量子井戸層２２で発生した偏光光がＧａＮ基板１で吸収されることを抑制するためには、ＧａＮ基板１は多重量子井戸層２２よりも広いバンドギャップを持つことが好ましい。また、基板１が多重量子井戸層２２の発光波長に対して透明（好ましくは９０％以上の光透過率）であることがより好ましい。
多重量子井戸層２２で発生した偏光光がＧａＮ基板１で吸収されることを抑制するためには、ＧａＮ基板１は多重量子井戸層２２よりも広いバンドギャップを持つことが好ましい。また、基板１が多重量子井戸層２２の発光波長に対して透明（好ましくは９０％以上の光透過率）であることがより好ましい。
以上、この発明の実施形態について説明してきたが、この発明は、さらに他の形態で実施することもできる。たとえば、前述の実施形態では、主としてｍ面を主面とするＧａＮ基板１を用いた例について説明したが、ａ面を主面とするＧａＮ基板を用いてもよい。また、（１０−１１）面、（１０−１３）面、（１１−２２）などといったセミポーラ面を主面とするＧａＮ基板を用いてもよい。
また、前述の例では、ＧａＮ基板１上にIII族窒化物半導体層２を再成長させた例について説明したが、たとえば、ｍ面を主面とした炭化シリコン基板上に、成長主面をｍ面としたＧａＮ半導体を成長させるようにしてもよいし、ｒ面を主面とするサファイア基板上にａ面を主面とするＧａＮ半導体を成長させるようにしてもよい。
さらに、前述の実施形態では、ＭＯＣＶＤ法によってＧａＮ基板１上にＧａＮ半導体をエピタキシャル成長させる例について説明したが、ハイドライド気相成長（ＨＶＰＥ：Hydride Vapor Phase Epitaxy）法などの他のエピタキシャル成長法が適用されてもよい。
さらに、前述の実施形態では、ＭＯＣＶＤ法によってＧａＮ基板１上にＧａＮ半導体をエピタキシャル成長させる例について説明したが、ハイドライド気相成長（ＨＶＰＥ：Hydride Vapor Phase Epitaxy）法などの他のエピタキシャル成長法が適用されてもよい。
その他、特許請求の範囲に記載された事項の範囲で種々の設計変更を施すことが可能である。
１ ＧａＮ基板
２ III族窒化物半導体層
３ アノード電極
４ 接続部
５ カソード電極
７ 凹部
１０ 支持基板
１１，１２ 配線
１３，１４ ボンディングワイヤ
１７ 凹部
１８ 金属ポスト
２１ ｎ型コンタクト層
２２ 多重量子井戸層（発光層）
２３ ｐ型電子阻止層
２４ ｐ型コンタクト層
２５ ファイナルバリア層
３０ 処理室
３１ ヒータ
３２ サセプタ
３３ 回転軸
３４ 回転駆動機構
３５ ウエハ
３６ 排気配管
４０ 原料ガス供給路
４１ 窒素原料配管
４２ ガリウム原料配管
４３ アルミニウム原料配管
４４ インジウム原料配管
４５ マグネシウム原料配管
４６ シリコン原料配管
５１ 窒素原料バルブ
５２ ガリウム原料バルブ
５３ アルミニウム原料バルブ
５４ インジウム原料バルブ
５５ マグネシウム原料バルブ
５６ シリコン原料バルブ
７１ 発光ダイオードチップ
７１Ｂ 青色発光ダイオードチップ
７１Ｙ 黄色発光ダイオードチップ
７１Ｒ 赤色発光ダイオードチップ
７１Ｇ 緑色発光ダイオードチップ
２ III族窒化物半導体層
３ アノード電極
４ 接続部
５ カソード電極
７ 凹部
１０ 支持基板
１１，１２ 配線
１３，１４ ボンディングワイヤ
１７ 凹部
１８ 金属ポスト
２１ ｎ型コンタクト層
２２ 多重量子井戸層（発光層）
２３ ｐ型電子阻止層
２４ ｐ型コンタクト層
２５ ファイナルバリア層
３０ 処理室
３１ ヒータ
３２ サセプタ
３３ 回転軸
３４ 回転駆動機構
３５ ウエハ
３６ 排気配管
４０ 原料ガス供給路
４１ 窒素原料配管
４２ ガリウム原料配管
４３ アルミニウム原料配管
４４ インジウム原料配管
４５ マグネシウム原料配管
４６ シリコン原料配管
５１ 窒素原料バルブ
５２ ガリウム原料バルブ
５３ アルミニウム原料バルブ
５４ インジウム原料バルブ
５５ マグネシウム原料バルブ
５６ シリコン原料バルブ
７１ 発光ダイオードチップ
７１Ｂ 青色発光ダイオードチップ
７１Ｙ 黄色発光ダイオードチップ
７１Ｒ 赤色発光ダイオードチップ
７１Ｇ 緑色発光ダイオードチップ
Claims (4)
- 非極性面または半極性面を結晶成長の主面とするIII族窒化物半導体で構成されたｐ型層、発光層およびｎ型層を有する発光ダイオードを複数個備え、この複数個の発光ダイオードの発光波長が互いに異なり、当該複数個の発光ダイオードが、偏光成分強度の強い方位が揃うようにアライメントしてある、発光装置。
- 前記複数の発光ダイオードは、個別のチップからなる、請求項１記載の発光装置。
- 前記複数の発光ダイオードは、発光波長が４３０ｎｍ〜４８０ｎｍの青色発光ダイオード、および発光波長が５５０ｎｍ〜６００ｎｍの黄色発光ダイオードを含む、請求項１または２記載の発光装置。
- 前記複数の発光ダイオードは、発光波長が４３０ｎｍ〜４８０ｎｍの青色発光ダイオード、発光波長が５００ｎｍ〜５５０ｎｍの緑色発光ダイオード、および発光波長が６００ｎｍ〜７００ｎｍの赤色発光ダイオードを含む、請求項１または２記載の発光装置。
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-
2007
- 2007-03-02 JP JP2007052835A patent/JP2008218645A/ja active Pending
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