JP2009212243A - 線状発光素子 - Google Patents

Abstract

【課題】均一に発光する線状発光素子を提供する。
【解決手段】グラファイトストリップを一方の電極として用いると共に、ＧａＮ層をその上に成長させることにより線状の発光素子が製造できることを見いだした。すなわち、窒化ガリウム系発光素子において、一方の電極となるグラファイトストリップと、該グラファイトストリップの表面の一部又は全面に、ｎ型窒化ガリウム半導体層とｐ型窒化ガリウム半導体層に挟まれた活性層と、前記最外層の半導体層に他方の電極となる部分電極と、を設けた線状発光素子である。
【選択図】図１

Description

本発明は、線状に発光する窒化ガリウム系化合物半導体発光素子に関し、液晶ディスプレイに使用されるバックライト用光源や、蛍光灯のような管状あるいは電球のような球状の内部に設けられる線状発光素子に関する。

近年、原油の高騰などエネルギー危機が現実のものとなってきており、化石燃料に由来しない、またはエネルギー効率の良い素材が注目を集めている。
照明業界においては、半導体発光素子の低電力動作性に着眼し、白熱灯、蛍光灯、冷陰極管等、種々の照明装置を半導体発光素子に置き換えようとする動きが見られている。

従来、半導体素子は、高集積化を目指していたことにより、用いられる発光素子も１ｍｍ角に満たない小さなものしかなかった。
例えば、青色発光のＧａＮ−ＬＥＤは、サファイア基板の上に、バッファ層を形成し、ｎ型のＧａＮ半導体層と、ｐ型のＧａＮ半導体層との間に、ＩｎＧａＮ／ＧａＮよりなる発光層を設けてなる、単一量子井戸構造又は多重量子井戸構造ＬＥＤが知られている。これらのＬＥＤは、０．３ｍｍ乃至１ｍｍ角のチップに切断してパッケージ化される。
そのため、発光装置として利用すると点光源となり、均一に照射することができないという欠点を有する。

これを一般的な照明装置として使用するには、まず、半導体を切り分けるサイズを大きくすることが考えられる。しかし、半導体発光素子が大きくなると、バンドギャップエネルギーが面内において均一でないことにより、発光にムラが生じることが判明している。
したがって、小さな発光素子を均等に整列させ、発光させるのが現実的な手段であった（特許文献１及び特許文献２）。

しかし、結局は点光源の集合体であるため、発光ムラを完全に無くすことはできない。また、発光ムラを低減するためには、発光素子の配列密度を大きくする必要があるが、実装する発光素子が増えれば、品質のばらつきという別の要因で、発光ムラ・発光抜けが生じ易くなるというリスクもあった。

特許第３８１９４４８号公報 特許第３９９８６７０号公報

したがって、従来なかった均一に発光する線状発光素子が求められている。

本発明者は、グラファイトストリップを一方の電極として用いると共に、ＧａＮ層をその上に成長させることにより線状の発光素子が製造できることを見いだした。
すなわち、窒化ガリウム系発光素子において、一方の電極となるグラファイトストリップと、該グラファイトストリップの表面の一部又は全面に、ｎ型窒化ガリウム半導体層とｐ型窒化ガリウム半導体層に挟まれた活性層と、前記最外層の半導体層に他方の電極となる部分電極と、を設けたことを特徴とする線状発光素子である。
前記グラファイトスリップは可撓性を有するものとした線状発光素子とすることができる。
また、前記グラファイトストリップの表面に窒化ガリウム系バッファ層を設けた線状発光素子とすることができる。
また、前記最外層の半導体層の表面に微細な凹凸を形成した線状発光素子とすることができる。
また、前記活性層は、多重量子井戸構造を有する線状発光素子とすることができる。

本発明の線状発光素子は、ムラなく均一に照射が可能である。可撓性を有するものとすれば、直線状の照明器具としてだけではなく、環状等自由に曲げ加工した照明器具とすることもできる。

本発明の実施形態によれば、線状発光素子は、窒化ガリウム系発光素子において、一方の電極となるグラファイトストリップと、該グラファイトストリップの表面の一部又は全面に、ｎ型窒化ガリウム半導体層とｐ型窒化ガリウム半導体層に挟まれた活性層と、前記最外層の半導体層に他方の電極となる部分電極と、を設けたことを特徴とする線状発光素子である。

本発明に用いられるグラファイトストリップは、例えばポリイミド系樹脂、ポリアミド系樹脂、フェノール系樹脂、アクリル系樹脂、ポリアクリロニトリル等の有機ポリマーを焼成して得られる。ストリップとするためには、例えばポリマーフィルム又はシートを焼成して得られたグラファイトフィルム又はシートを所定の幅にスリットする方法、所定の大きさの径を有するポリマーフィラメントを焼成する方法を挙げることができる。焼成条件・装置は原料となるポリマーの種類に依存するが、既知の装置により、グラファイトとなる温度、圧力等の条件を適宜選択すれば良い。可撓性をストリップの大きさは、その断面の最大径が０．２〜１ｍｍとすることが好ましい。断面の最大径が０．２ｍｍより小さい場合は、許容電流が低すぎるため、所望の発光強度が得られない。また、断面の最大径が１ｍｍより大きい場合、発光ムラが発生しやすくなり、好ましくない。
また、上記したグラファイトストリップは、可撓性のないものの場合、所定の形状、例えば棒状のものであれば直管式照明装置等に使用範囲が限定されるが、可撓性を有する場合、所望の形状に賦形することができるので、本発明の実施においては、より好適に用いられうる。

本発明における各半導体層及び活性層は、グラファイトストリップの表面上で、例えば物理蒸着法（ＰＶＤ）、有機金属化学蒸着法（ＭＯＣＶＤ）、プラズマ化学蒸着法（ＰＥＣＶＤ）、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）等の手法により、設けることができる。

窒化ガリウム半導体とは、一般式がＩｎ_XＧａ_YＡｌ_ZＮ（０≦Ｘ≦１，０≦Ｙ≦１，０≦Ｚ≦１，Ｘ＋Ｙ＋Ｚ＝１）で表される化合物半導体である。例えば、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ等が挙げられる。

ｎ型窒化ガリウム半導体層とは、Ｓｉ、Ｇｅ等のｎ型ドーパントがドープされた窒化ガリウム半導体からなり、ｐ型窒化ガリウム半導体層とは、Ｍｇ、Ｚｎ等のｐ型ドーパントがドープされた窒化ガリウム半導体からなる。

また、活性層は、量子井戸構造をとることが好ましく、多重量子井戸構造（ＭＱＷ）であるとさらに好ましい。多重量子井戸構造としては、例えばＩｎＧａＮ／ＧａＮ又はＡｌＧａＮ／ＧａＮからなる層構成を２単位以上繰返してなるものである。

本発明の実施形態として、図１にリボン状グラファイトストリップ２に各半導体層を設けた線状発光素子１の長手方向に直交する断面の模式図を示した。リボン状グラファイトストリップは、断面が幅０．５ｍｍ、厚さ０．１ｍｍであり、その両表面にｎ型窒化ガリウム半導体層３（ｎ−Ｇａｎ：Ｓｉ）、活性層４（ＩｎＧａＮ／ＧａＮ４単位のＭＱＷ）、ｐ型窒化ガリウム半導体層５（ｐ−ＧａＮ：Ｍｇ）の順に各半導体層を成長させた。各層の厚さは、それぞれ６μｍ、１０ｎｍ、１００ｎｍである。さらに最外層となるｎ型窒化ガリウム半導体層５の表面に金からなる部分電極６を設けた。

本発明の別の実施形態として、図２にフィラメント状グラファイトストリップ１２に各半導体層を設けた線状発光素子１１の長手方向に直交する断面の模式図を示した。フィラメント状グラファイトストリップ１２は、断面の直径が０．７ｍｍであり、その表面にｎ型窒化ガリウム半導体層１３、活性層１４、ｐ型窒化ガリウム半導体層１５の順に各半導体層を成長させた（各層の組成は上記の実施形態と同じ）。さらに最外層となるｐ型窒化ガリウム半導体層１５の表面に金からなる部分電極１６を設けた。

なお、上記した２つの実施形態では、ｎ型窒化ガリウム半導体層、活性層、ｐ型窒化ガリウム半導体層の順に設けたが、これは逆の順番であっても構わない。
また、グラファイトストリップの表面に、まずバッファ層を成長させ、その上にｎ型窒化ガリウム半導体層、活性層、ｐ型窒化ガリウム半導体層からなる層を設けることができる。バッファ層としては、ＧａＮを１μｍ未満の厚さで設けることが好ましい。
また、ｎ型窒化ガリウム半導体層、活性層、ｐ型窒化ガリウム半導体層の間に別の層を設けることもできる。

また、最外層の窒化ガリウム半導体層の表面に微細な凹凸をつけることができる。表面に微細な凹凸をつけることにより、発光素子から放射される光線の発光強度が向上する。表面の凹凸は、０．０５〜２μｍの範囲であることが発光強度を高めるためには好ましい。

微細な凹凸をつける手段としては、例えば光電気化学酸化／エッチング法が挙げられる。
酸化溶液としては、過酸化水素、ペルオキソ二硫酸カリウム等の酸化剤と、硫酸、フッ化水素酸、塩酸、リン酸、硝酸、酢酸等の酸又は水酸化カリウム、水酸化ナトリウム、アンモニア等のアルカリを混合した酸化性水溶液が用いられる。
照射系には、可視光から紫外光に亙って照射可能な水銀灯又はキセノン灯が用いられ、通常は２００ｍＷ／ｃｍ²未満の照射強度で行われる。
バイアス電流を使用するときは、−１０〜＋１０Ｖの間にコントロールする。酸化性水溶液の組成を変化させることにより、最外層の窒化ガリウム半導体層の表面の凹凸をコントロールすることが可能である。

本発明の線状発光素子は、特に可撓性を有するものとすれば、直線状の照明器具としてだけではなく、環状等自由に曲げ加工した照明器具とすることもできる。例えば、液晶ディスプレイのバックライト用光源として、また、白熱灯、蛍光灯、ネオンサイン等の代替用照明器具としての使用が可能である。また、低電力であり、水銀などの毒性の強い材料を使用していないため、環境への負荷を低減することが期待される。

リボン状のグラファイトストリップを用いた、本発明の実施形態である。 フィラメント状のグラファイトストリップを用いた、本発明の別の実施形態である。

符号の説明

１，１１ 線状発光素子
２，１２ グラファイトストリップ
３，１３ ｎ型窒化ガリウム半導体層
４，１４ 活性層
５，１５ ｐ型窒化ガリウム半導体層
６，１６ 部分電極

Claims (5)

1. 窒化ガリウム系発光素子において、
   一方の電極となるグラファイトストリップと、
   該グラファイトストリップの表面の一部又は全面に、ｎ型窒化ガリウム半導体層とｐ型窒化ガリウム半導体層に挟まれた活性層と、
   前記最外層の半導体層に他方の電極となる部分電極と、
   を設けたことを特徴とする線状発光素子。
2. 前記グラファイトストリップが可撓性を有することを特徴とする請求項１記載の線状発光素子。
3. 前記グラファイトストリップの表面に窒化ガリウム系バッファ層を設けたことを特徴とする請求項１記載の線状発光素子。
4. 前記最外層の半導体層の表面に微細な凹凸を形成したことを特徴とする請求項１記載の線状発光素子。
5. 前記活性層は、多重量子井戸構造であることを特徴とする請求項１記載の線状発光素子。