JP2010087038A - 発光素子および照明装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 キャリアオーバーフロー抑制と、キャリアの発光層への注入効率低下防止とを両立することができ、発光効率を向上させることができる発光素子を提供する。
【解決手段】 発光素子１０は、ｎ型半導体層である第１導電型半導体層２ａと、発光層２ｂと、ｐ型半導体層である第２導電型半導体層２ｃとを備え、第１導電型半導体層２ａと発光層２ｂとの間および発光層２ｂと第２導電型半導体層２ｃとの間に、第１、第２および第３障壁層７ａ，７ｃ，７ｅを介して連結する第１量子井戸層７ｂと第２量子井戸層７ｄとを具備している。そして、第１量子井戸層７ｂの量子化レベルｎの量子準位のエネルギーＥｎと、第２量子井戸層７ｄの量子化レベルｍの量子準位のエネルギーＥｍとが、ｎ≠ｍにおいて、Ｅｎ＝Ｅｍとなる。
【選択図】 図２

Description

本発明は、窒化物ガリウム系化合物半導体を利用した発光ダイオード（Light Emitting
Diode、略称ＬＥＤ）などの発光素子および該発光素子を備える照明装置に関する。

近年、Ａｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{（１−ｘ−ｙ）}Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、ｘ＋ｙ≦１）で表される窒化ガリウム系化合物半導体を用いて、紫外光、青色光、緑色光などを発光する発光素子である発光ダイオード（ＬＥＤ）、半導体レーザ（ＬＤ）などの開発が盛んに行われている。窒化ガリウム系化合物半導体は、ＡｌＮ、ＩｎＮ、ＧａＮなどの組み合わせにより、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＩｎＧａＡｌＮなどの混晶を形成できる。このような混晶は、その構成元素や組成を選択することによりバンドギャップを変化させることができるため、可視光領域から紫外光領域までの発光が可能となる。さらには、上記の発光ダイオードと蛍光体とを組み合わせることにより、白色光を発光する装置への応用が期待される。現在では、発光ダイオードの省エネルギー性や長寿命などの利点から、白熱電球、蛍光ランプなどの代替品として有望視され、実用化が始まっている。しかしながら、この発光素子の発光効率は、蛍光灯に比較すると低いため、更なる高輝度、高効率化が求められている。

一般に、ＬＥＤ素子の駆動電流を増加させると、発光層からの注入されたキャリアのオーバーフローにより発光効率が低下する現象が生じる。そこで、ｐ型もしくはｎ型導電層と発光層との間に、発光層よりも禁制帯幅の広い半導体層をブロック層として挟む構造をとることで、高電流注入時のキャリアオーバーフローを抑制することが提案されている。

特開２００２−２２３０４２号公報

しかしながら、ｐ型もしくはｎ型導電層と発光層との間に、発光層よりも禁制帯幅の広い半導体層をブロック層として挟む構造においては、キャリアオーバーフロー抑制とキャリア注入との両立をなすことは難しい。つまり、たとえば、ｐ型導電層と発光層との間に、発光層よりも禁制帯幅の広い半導体層をブロック層として挟む構造においては、電子がトンネリングを起こさない厚みを有するブロック層を用いると、電子の発光層からのオーバーフローの抑制に関しては効果があるが、正孔の発光層への注入に対してはブロック層が障壁となるという問題がある。一方、正孔の発光層への注入を効率的にするために、ブロック層の厚みを正孔がトンネリングできる程度に薄くすると、電子もまたトンネリングを起こすのでキャリアオーバーフロー抑制が効果的ではなくなるという問題がある。

また、ブロック層において、各井戸層の膜厚と組成を同一とし、また各障壁層の膜厚と組成を同一として障壁層と井戸層が各々繰り返し規則的に積層された超格子構造で構成した場合においても、キャリアオーバーフロー抑制とキャリア注入の両立をなすことは難しい。たとえば、ｐ型導電層から発光層へ正孔を注入するとき、超格子構造が形成するミニバンドを通して注入される。しかしながら、電子準位に対してもミニバンドが形成されるため、電子がミニバンドに相当するエネルギーを有すると、容易にミニバンドを通してｐ層側へ電子オーバーフローが生じるという問題がある。

したがって本発明の目的は、キャリアオーバーフロー抑制と、キャリアの発光層への注入効率低下防止とを両立することができ、発光効率を向上させることができる発光素子を提供することであり、該発光素子を備える照明装置を提供することである。

本発明は、ｎ型半導体層と、発光層と、ｐ型半導体層とを具備する発光素子であって、
ｎ型半導体層と発光層との間と、発光層とｐ型半導体層との間との少なくともいずれか一方の間に、障壁層を介して連結する第１量子井戸層と第２量子井戸層とを具備し、
前記第１量子井戸層の量子化レベルｎ（ｎは１以上の整数）の量子準位のエネルギーＥｎと、前記第２量子井戸層の量子化レベルｍ（ｍは１以上の整数）の量子準位のエネルギーＥｍとが、ｎ≠ｍにおいて、Ｅｎ＝Ｅｍとなる発光素子である。

また本発明は、前記第１量子井戸層の厚みと、前記第２量子井戸層の厚みとが異なる。
また本発明は、前記第２量子井戸層の量子化レベルｍが１である。

また本発明は、前記第２量子井戸層の量子化レベルｍが１であり、前記第１量子井戸層の量子化レベルｎが２である。

また本発明は、前記の発光素子と、前記発光素子からの発光を受けて光を発する蛍光体と燐光体との少なくともいずれか一方とを具備している照明装置である。

本発明によれば、発光素子は、ｎ型半導体層と発光層とｐ型半導体層とを具備し、ｎ型半導体層と発光層との間と、発光層とｐ型半導体層との間との少なくともいずれか一方の間に、障壁層を介して連結する第１量子井戸層と第２量子井戸層とを具備している。そして、第１量子井戸層の量子化レベルｎの量子準位のエネルギーＥｎと、第２量子井戸層の量子化レベルｍの量子準位のエネルギーＥｍとが、ｎ≠ｍにおいて、Ｅｎ＝Ｅｍとなる。

たとえば、ｐ型半導体層と発光層との間において、第１量子井戸層の正孔に対する量子化レベルｎの量子準位のエネルギーＥｎと、第１量子井戸層よりもｐ型半導体層側に位置する第２量子井戸層の正孔に対する量子化レベルｍの量子準位のエネルギーＥｍとが、ｎ≠ｍ（ｍ＜ｎ）においてＥｎ＝Ｅｍとなる場合、第１量子井戸層と第２量子井戸層との正孔のエネルギー準位が共鳴しているので、正孔は共鳴トンネリングにより第１および第２量子井戸層間をトンネルでき、正孔が効率的にｐ型半導体層から発光層に注入される。また、電子に対しては、発光層よりも禁制帯幅の広い第１量子井戸層を形成することで、トンネリングによるキャリアオーバーフローが抑制できる。さらに、電子が第１量子井戸層の電子の最低エネルギーに相当するエネルギーを有していたとしても、第１量子井戸層の電子の最低エネルギー準位よりも第２量子井戸層の電子の最低エネルギー準位が高くなり、かつ、準位がエネルギー共鳴しないため、トンネリングによる電子のｐ型半導体層側へのキャリアオーバーフローが抑制できる。したがって、電子のオーバーフロー抑制と、正孔の発光層への注入効率低下防止とを両立することができ、発光効率を向上させることができる。

一方、ｎ型半導体層と発光層との間において、第１量子井戸層の電子に対する量子化レベルｎの量子準位のエネルギーＥｎと、第１量子井戸層よりもｎ型半導体層側に位置する第２量子井戸層の電子に対する量子化レベルｍの量子準位のエネルギーＥｍとが、ｎ≠ｍ（ｍ＜ｎ）においてＥｎ＝Ｅｍとなる場合、第１量子井戸層と第２量子井戸層との電子のエネルギー準位が共鳴しているので、電子は共鳴トンネリングにより第１および第２量子井戸層間をトンネルでき、電子が効率的にｎ型半導体層から発光層に注入される。また、正孔に対しては、発光層よりも禁制帯幅の広い第１量子井戸層を形成することで、トンネリングによるキャリアオーバーフローが抑制できる。さらに、正孔が第１量子井戸層の正孔の最低エネルギーに相当するエネルギーを有していたとしても、第１量子井戸層の正孔の最低エネルギー準位よりも第２量子井戸層の正孔の最低エネルギー準位が高くなり、かつ、準位がエネルギー共鳴しないため、トンネリングによる正孔のｎ型半導体層側へのキャリアオーバーフローが抑制できる。したがって、正孔のオーバーフロー抑制と、電子の発光層への注入効率低下防止とを両立することができ、発光効率を向上させることができる。

また本発明によれば、発光素子は、第１量子井戸層の厚みと、第２量子井戸層の厚みとが異なる。これによって、第１量子井戸層の量子準位のエネルギーＥｎと、第２量子井戸層の量子準位のエネルギーＥｍとを、異なる量子化レベルで一致させることができる。

また本発明によれば、第２量子井戸層の量子化レベルｍが１である。つまり、第１量子井戸層の量子準位のエネルギーＥｎと、第２量子井戸層の量子準位のエネルギーＥｍとが、ｍ＝１で一致している。ｐ型半導体層、もしくはｎ型半導体層から注入されるキャリアが第２量子井戸層に到達したとき、キャリアは最低エネルギー状態であるｍ＝１の量子化レベルに緩和し、ｍ≧２の状態に存在するキャリア数はｍ＝１の状態に存在するキャリア数に比べて圧倒的に少なくなりうる。そのため、第２量子井戸層の量子化レベルｍ＝１における量子準位のエネルギーＥｍと、第１量子井戸層の量子化レベルｎのいずれかの量子準位のエネルギーＥｎとを一致させることで、キャリアの発光層への注入が高くなる。

また本発明によれば、第２量子井戸層の量子化レベルｍが１であり、第１量子井戸層の量子化レベルｎが２である。つまり、第１量子井戸層の量子準位のエネルギーＥｎと、第２量子井戸層の量子準位のエネルギーＥｍとが、ｍ＝１かつｎ＝２で一致している。第１量子井戸層の量子化レベルｎが大きい値において、第１量子井戸層の量子準位のエネルギーＥｎと、第２量子井戸層の量子準位のエネルギーＥｍとを一致することでキャリアをトンネリングさせようとすると、もう片方のキャリアに対しての障壁が低くなる。したがって、第１量子井戸層の量子化レベルｎ＝２における量子準位のエネルギーＥｎと、第２量子井戸層の量子化レベルｍ＝１における量子準位のエネルギーＥｍとを一致させることで、キャリアオーバーフローの抑制効果が高まり、発光効率を高めることができる。

また本発明によれば、照明装置は、前記発光素子と、発光素子からの発光を受けて光を発する蛍光体と燐光体との少なくともいずれか一方とを具備している。照明装置は、発光効率の高い前記発光素子を具備しているので、高輝度の照明装置となる。

以下、本発明の発光素子および該発光素子を備えた照明装置について、図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、本発明は以下の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で変更、改良等を施すことは何ら差し支えない。

図１は、本発明の実施の一形態である発光素子１０の構成を示す断面図である。発光素子１０は、半導体を利用した発光ダイオード（ＬＥＤ）、半導体レーザ（ＬＤ）などの発光素子である。発光素子１０は、基板１と、半導体層２と、電極３，４と、パッド電極５，６とを含んで構成される。

基板１は、半導体層２を成長させることが可能な基材であればよい。具体的に、基板１としては、サファイア（Ａｌ_２Ｏ_３）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ），シリコンカーバイド（ＳｉＣ）、シリコン（Ｓｉ）などが挙げられる。基板１の厚みとしては、１００〜１０００μｍ程度である。基板１上における半導体層２の成長方法としては、分子線エピタキシー（Molecular Beam Epitaxy、略称ＭＢＥ）法、有機金属エピタキシー（Metal Organic Vapor Phase Epitaxy、略称ＭＯＶＰＥ）法、ハイドライド気相成長（Hydride Vapor Phase Epitaxy、略称ＨＶＰＥ）法、パルスレーザデポジション（Pulse Laser Deposition、略称ＰＬＤ）法などが用いられる。

半導体層２は、基板１上に形成される、ＩＩＩＢ族窒化物半導体からなる層である。ここで、ＩＩＩＢ族窒化物半導体とは、元素周期律表におけるＩＩＩＢ族（１３族）元素の窒化物から構成される半導体を意味する。半導体層２を構成するＩＩＩＢ族窒化物半導体は、化学式Ａｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{（１−ｘ−ｙ）}Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、ｘ＋ｙ≦１）で表すことができる。ＩＩＩＢ族窒化物半導体としては、たとえば、窒化ガリウム（ＧａＮ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化インジウム（ＩｎＮ）などが挙げられる。

半導体層２は、ｎ型半導体層である第１導電型半導体層２ａと、発光層２ｂと、ｐ型半導体層である第２導電型半導体層２ｃとが、この順で基板上に形成された積層構造を有しており、第１導電型半導体層２ａと発光層２ｂとの間と、第２導電型半導体層２ｃと発光層２ｂとの間との少なくともいずれか一方の間には、キャリアオーバーフローを抑制するブロック層が配置される。本実施の形態では、第１導電型半導体層２ａと発光層２ｂとの間にブロック層２ｅが配置され、第２導電型半導体層２ｃと発光層２ｂとの間にはブロック層２ｄが配置されている。また、基板１と半導体層２との間には、バッファ層が配置されるようにしてもよい。

ＩＩＩＢ族窒化物半導体からなる第１導電型半導体層２ａをｎ型とするには、元素周期律表においてＩＶＢ族の元素であるＳｉ（シリコン）などをドーパントとして層中に混入させればよい。第１導電型半導体層２ａの厚みは２〜３μｍ程度である。また、ＩＩＩＢ族窒化物半導体からなる第２導電型半導体層２ｃをｐ型とするには、元素周期律表においてＩＩＡ族の元素であるＭｇ（マグネシウム）などをドーパントとして層中に混入させればよい。第２導電型半導体層２ｃの厚みは２００〜５００ｎｍ程度である。

発光層２ｂは、第１導電型半導体層２ａと第２導電型半導体層２ｃとの間に設けられる。発光層２ｂは、禁制帯幅の広い発光層側障壁層と禁制帯幅の狭い発光層側井戸層とからなる量子井戸構造が複数回（たとえば約３回）繰り返し規則的に積層された多層量子井戸構造（ＭＱＷ）としてもよい。なお、前記発光層側障壁層としては、Ｉｎ_０．０１Ｇａ_０．９９Ｎ層などが挙げられる。また、前記発光層側井戸層としては、Ｉｎ_０．１１Ｇａ_０．８９Ｎ層などが挙げられる。発光層側障壁層の厚みは５〜１５ｎｍ程度、発光層側井戸層の厚みは２〜１０ｎｍ程度である。発光層２ｃの厚みは２５〜１５０ｎｍ程度である。

電極３は第１導電型半導体層２ａに接続され、電極４は第２導電型半導体層２ｃに接続されている。また、パッド電極５は電極３に接続される電極端子で、パッド電極６は電極４に接続される電極端子である。電極３，４としては、たとえば、アルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）、ニッケル（Ｎｉ）、クロム（Ｃｒ）、インジウム（Ｉｎ）、錫（Ｓｎ）、モリブデン（Ｍｏ）、銀（Ａｇ）、金（Ａｕ）、ニオブ（Ｎｂ）、タンタル（Ｔａ）、バナジウム（Ｖ）、白金（Ｐｔ）、鉛（Ｐｂ）、ベリリウム（Ｂｅ）、酸化錫（ＳｎＯ_２）、酸化インジウム（Ｉｎ_２Ｏ_３）、酸化インジウム錫（ＩＴＯ）、金−シリコン（Ａｕ−Ｓｉ）合金、金−ゲルマニウム（Ａｕ−Ｇｅ）合金、金−亜鉛（Ａｕ−Ｚｎ）合金、金−ベリリウム（Ａｕ−Ｂｅ）合金などの薄膜を好適に用いることができる。また、電極３，４は、上記材質の中から選択した層を複数層積層したものとしても構わない。また、電極３は、基板１が導電性の場合には基板１の裏面側に設けてもよい。

ブロック層２ｄおよび２ｅは、キャリアオーバーフローを抑制するための層である。図２は、発光素子１０におけるバンドダイアグラムを模式的に示す図である。ブロック層２ｄとブロック層２ｅとは同様に構成されており、禁制帯幅の広いブロック層側障壁層と禁制帯幅の狭いブロック層側井戸層とから成る量子井戸構造が複数回繰り返し積層された多層量子井戸構造である。本実施の形態では、ブロック層２ｄおよび２ｅは、量子井戸構造が２回繰り返された多層量子井戸構造であり、たとえば、発光層２ｂと第２導電型半導体層２ｃとの間に配置されるブロック層２ｄでは、発光層２ｂから第２導電型半導体層２ｃに向かって、第１障壁層７ａ、第１量子井戸層７ｂ、第２障壁層７ｃ、第２量子井戸層７ｄ、第３障壁層７ｅが、この順で積層されている。

本発明の発光素子１０においては、第１量子井戸層７ｂの量子化レベルｎ（ｎは１以上の整数）の量子準位のエネルギーＥｎと、第２量子井戸層７ｄの量子化レベルｍ（ｍは１以上の整数）の量子準位のエネルギーＥｍとが、ｎ≠ｍにおいて、Ｅｎ＝Ｅｍとなるように構成されている。

たとえば、ｐ型半導体層である第２導電型半導体層２ｃと発光層２ｂとの間において、第１量子井戸層７ｂの正孔に対する量子化レベルｎの量子準位のエネルギーＥｎと、第１量子井戸層７ｂよりも第２導電型半導体層２ｃ側に位置する第２量子井戸層７ｄの正孔に対する量子化レベルｍの量子準位のエネルギーＥｍとが、ｎ≠ｍ（ｍ＜ｎ）においてＥｎ＝Ｅｍとなる場合、第１量子井戸層７ｂと第２量子井戸層７ｄとの正孔のエネルギー準位が共鳴しているので、正孔は共鳴トンネリングにより第１および第２量子井戸層７ｂ，７ｄ間をトンネルでき、正孔が効率的に第２導電型半導体層２ｃから発光層２ｂに注入される。また、電子に対しては、発光層２ｂよりも禁制帯幅の広い第１量子井戸層７ｂを形成することで、トンネリングによるキャリアオーバーフローが抑制できる。さらに、電子が第１量子井戸層７ｂの電子の最低エネルギーに相当するエネルギーを有していたとしても、第１量子井戸層７ｂの電子の最低エネルギー準位よりも第２量子井戸層７ｄの電子の最低エネルギー準位が高くなり、かつ、準位がエネルギー共鳴しないため、トンネリングによる電子の第２導電型半導体層２ｃ側へのキャリアオーバーフローが抑制できる。したがって、電子のオーバーフロー抑制と、正孔の発光層２ｂへの注入効率低下防止とを両立することができ、発光効率を向上させることができる。

一方、ｎ型半導体層である第１導電型半導体層２ａと発光層２ｂとの間に配置されるブロック層２ｅでは、前述したブロック層２ｄと同様に、発光層２ｂから第１導電型半導体層２ａに向かって、第１障壁層７ａ、第１量子井戸層７ｂ、第２障壁層７ｃ、第２量子井戸層７ｄ、第３障壁層７ｅが、この順で積層されている。そして、第１量子井戸層７ｂの量子化レベルｎ（ｎは1以上の整数）の量子準位のエネルギーＥｎと、第２量子井戸層７ｄの量子化レベルｍ（ｍは１以上の整数）の量子準位のエネルギーＥｍとが、ｎ≠ｍにおいて、Ｅｎ＝Ｅｍとなるように構成されている。

ブロック層２ｅにおいて、第１量子井戸層７ｂの電子に対する量子化レベルｎの量子準位のエネルギーＥｎと、第１量子井戸層７ｂよりも第１導電型半導体層２ａ側に位置する第２量子井戸層７ｄの電子に対する量子化レベルｍの量子準位のエネルギーＥｍとが、ｎ≠ｍ（ｍ＜ｎ）においてＥｎ＝Ｅｍとなる場合、第１量子井戸層７ｂと第２量子井戸層７ｄとの電子のエネルギー準位が共鳴しているので、電子は共鳴トンネリングにより第１および第２量子井戸層７ｂ，７ｄ間をトンネルでき、電子が効率的に第１導電型半導体層２ａから発光層２ｂに注入される。また、正孔に対しては、発光層２ｂよりも禁制帯幅の広い第１量子井戸層７ｂを形成することで、トンネリングによるキャリアオーバーフローが抑制できる。さらに、正孔が第１量子井戸層７ｂの正孔の最低エネルギーに相当するエネルギーを有していたとしても、第１量子井戸層７ｂの正孔の最低エネルギー準位よりも第２量子井戸層７ｄの正孔の最低エネルギー準位が高くなり、かつ、準位がエネルギー共鳴しないため、トンネリングによる正孔の第１導電型半導体層２ａ側へのキャリアオーバーフローが抑制できる。したがって、正孔のオーバーフロー抑制と、電子の発光層２ｂへの注入効率低下防止とを両立することができ、発光効率を向上させることができる。

また、ＩＩＩＢ族窒化物半導体において、正孔バンドは３つ存在する。第１量子井戸層７ｂの量子化レベルｎ（ｎは１以上の整数）の量子準位のエネルギーＥｎと第２量子井戸層７ｄの量子化レベルｍ（ｍは１以上の整数）の量子準位のエネルギーＥｍとが、ｎ≠ｍにおいて、Ｅｎ＝Ｅｍ（ｍ＜ｎ）とする際、異なる正孔バンドでエネルギー共鳴する構成を採ってもよい。

また、本実施の形態では、第１量子井戸層７ｂの正孔に対する量子化レベルｎ＝２における量子準位のエネルギーＥｎと、第２量子井戸層７ｄの正孔に対する量子化レベルｍ＝１における量子準位のエネルギーＥｍとが一致するように、第１量子井戸層７ｂ、第２量子井戸層７ｄ、第１障壁層７ａ、第２障壁層７ｃおよび第３障壁層７ｅの組成や膜厚がそれぞれ独立して選択される。このとき、第１量子井戸層７ｂの電子に対する量子化レベルｎ＝２における量子準位のエネルギーＥｎと、第２量子井戸層７ｄの電子に対する量子化レベルｍ＝１における量子準位のエネルギーＥｍとは、電子と正孔の有効質量の違いにより共鳴させないように設計できる。

ブロック層２ｄおよび２ｅを上記のように構成することで、第１量子井戸層７ｂと第２量子井戸層７ｄとの正孔のエネルギー準位が共鳴しているので、正孔は、共鳴トンネリングにより第１量子井戸層７ｂと第２量子井戸層７ｄとの間をトンネルでき、効率的に第１および第２導電型半導体層２ａ，２ｃから発光層２ｂに注入される。また、電子に対しては、発光層２ｂよりも禁制帯幅の広い第１量子井戸層７ｂを形成することで、トンネリングによるキャリアオーバーフローが抑制できる。さらに、たとえ電子が第１量子井戸層７ｂの電子の最低エネルギーに相当するエネルギーを有していたとしても、第１量子井戸層７ｂの電子の最低エネルギー準位よりも第２量子井戸層７ｄの電子の最低エネルギー準位が高くエネルギー共鳴しないため、トンネリングによる電子の発光層２ｂ側へのキャリアオーバーフローが抑制できる。したがって、電子のオーバーフロー抑制と正孔の発光層２ｂへの注入効率低下防止を両立することができ、発光効率を向上させることができる。

次に、ブロック層２ｄおよび２ｅにおける、第１量子井戸層７ｂ、第２量子井戸層７ｄ、第１障壁層７ａ、第２障壁層７ｃおよび第３障壁層７ｅの組成、膜厚について説明する。

第１量子井戸層７ｂおよび第２量子井戸層７ｄでは、化学式Ａｌ_ｘ１Ｇａ_ｙ１Ｉｎ_{（１−ｘ１−ｙ１）}Ｎ（０≦ｘ１≦１、０≦ｙ１≦１、ｘ１＋ｙ１≦１）で表される組成からなり、第１量子井戸層７ｂの厚みと、第２量子井戸層７ｄの厚みとが、２〜１０ｎｍ程度の範囲内において、互いに異なるように構成することによって、第１量子井戸層７ｂの量子準位のエネルギーＥｎと、第２量子井戸層７ｄの量子準位のエネルギーＥｍとを、異なる量子化レベルで一致させることができる。

以上のように、第１量子井戸層７ｂの量子準位のエネルギーＥｎと第２量子井戸層７ｄの量子準位のエネルギーＥｍとが異なる量子化レベルで一致する発光素子１０は、第１量子井戸層７ｂおよび第２量子井戸層７ｄの膜厚を変化させることによって作製できる。また、第１量子井戸層７ｂを構成する組成と第２量子井戸層７ｄを構成する組成とが異なることでも、異なる量子化レベルを用いてエネルギー準位を一致させることも可能ではあるが、第１量子井戸層７ｂと第２量子井戸層７ｄとにおいて、組成を同一とし、膜厚を異なるように設定して、第１量子井戸層７ｂの量子準位のエネルギーＥｎと第２量子井戸層７ｄの量子準位のエネルギーＥｍとが異なる量子化レベルで一致するように構成するのが好ましい。これは、ＭＢＥ法、ＭＯＶＰＥ法、ＨＶＰＥ法などにより発光素子１０を作製する場合、一般的に膜厚の制御に関しては成長時間を制御するだけでよく、組成比制御と比較して容易なためである。

第１障壁層７ａ、第２障壁層７ｃおよび第３障壁層７ｅでは、組成と膜厚とが各層ごとに同一でも異なっていてもよいが、本実施の形態では、各障壁層７ａ，７ｃ，７ｅにおける組成および膜厚は同一である。第１、第２および第３障壁層７ａ，７ｃ，７ｅを構成する組成としては、Ａｌ_０．２０Ｇａ_０．８０Ｎが挙げられる。また、第１、第２および第３障壁層７ａ，７ｃ，７ｅの膜厚は、１〜５ｎｍ程度に設定される。

次に、本発明の照明装置について説明する。図３は、本発明の実施の一形態である照明装置２０の構成を示す図である。照明装置２０は、前述した本発明の発光素子１０と、発光素子１０からの発光を受けて光を発する蛍光体と燐光体との少なくともいずれか一方とを備える。具体的には、照明装置２０は、シリコーン樹脂などの透明樹脂、ガラスなどの透明部材２１で、発光素子１０を覆うか内包するようにし、該透明部材２１に蛍光体や燐光体を混入させた構成とすればよい。そして、発光素子１０は、パッド電極５，６に接続されたボンディングワイヤ２２を介して回路基板２３に接続されて実装されている。そして、照明装置２０では、透明部材２１で覆われ、回路基板２３に実装された発光素子１０が、透明部材２１が外方を向くようにパッケージ２４に収納されている。

照明装置２０において、発光素子１０は、発光層２ｂを含む半導体層２にバイアス電流が流れると、発光層２ｂで波長３５０〜６００ｎｍ程度の光を発生する。そして、透明部材２１に混入された蛍光体や燐光体は、発光層２ｂが発する紫外光から近紫外光の光を白色光に変換するものである。本発明の照明装置２０は、発光効率の高い発光素子１０を具備しているので、輝度および照度の高い照明装置となる。また、照明装置２０には、集光性を高めるために、透明部材２１に凹面鏡などの光反射部材を設けることもできる。このような照明装置２０は、従来の蛍光灯などよりも消費電力が小さく、小型であることから、小型で高輝度の照明装置として有効である。

以下に、量子井戸層の膜厚を調整して、電場を考慮していない有限深さ量子井戸構造における固有値エネルギーの計算をおこなった。なお、計算には、シュレディンガー方程式および固有関数から導出した以下の式（固有値方程式）を用いた。

なお、式中において、Ｌは量子井戸層の膜厚、ｑ_Ａは量子井戸層におけるキャリアの波数、ｑ_Ｂは障壁層におけるキャリアの波数、ｍ_Ａは量子井戸層におけるキャリアの有効質量、ｍ_Ｂは障壁層におけるキャリアの有効質量、ηはプランク定数、Ｅは量子準位のエネルギー、Ｖは障壁高さを示す。

発光素子１０のブロック層２ｄ，２ｅの量子井戸構造における量子化エネルギーを計算し、第１量子井戸層７ｂの正孔に対する量子化レベルｎ＝２における量子準位のエネルギーＥｎと、第２量子井戸層７ｄの正孔に対する量子化レベルｍ＝１における量子準位のエネルギーＥｍとが一致するように、第１量子井戸層７ｂおよび第２量子井戸層７ｄの組成、膜厚を設計した。
なお、量子化エネルギーを計算するときに用いた各種物性値を表１に示す。

ブロック層２ｄ，２ｅにおいて、第１障壁層７ａ、第２障壁層７ｃおよび第３障壁層７ｅは、組成をＡｌ_０．２０Ｇａ_０．８０Ｎとし、膜厚を正孔がトンネリングできる厚さである３ｎｍに設定した。そして、第１量子井戸層７ｂと第２量子井戸層７ｄとの組成を同一のＧａＮとし、第１量子井戸層７ｂの膜厚を２．１ｎｍ、第２量子井戸層７ｄの膜厚を５．１ｎｍとした。

以上のように構成されたブロック層２ｄ，２ｅでは、第１量子井戸層７ｂの正孔に対する量子化レベルｎ＝２における量子準位のエネルギーＥｎと、第２量子井戸層７ｄの正孔に対する量子化レベルｍ＝１における量子準位のエネルギーＥｍとが、Ｅｎ＝Ｅｍ＝０．０２５ｅＶで、差異度（Ｅｎ／Ｅｍ）が１のレベルで一致する。なお、前記差異度が「１」に近いほど、一致レベルが高いことを示す。

本発明の実施の一形態である発光素子１０の構成を示す断面図である。 発光素子１０におけるバンドダイアグラムを模式的に示す図である。 本発明の実施の一形態である照明装置２０の構成を示す図である。

符号の説明

１ 基板
２ 半導体層
２ａ 第１導電型半導体層
２ｂ 発光層
２ｃ 第２導電型半導体層
２ｄ，２ｅ ブロック層
３，４ 電極
５，６ パッド電極
７ａ 第１障壁層
７ｂ 第１量子井戸層
７ｃ 第２障壁層
７ｄ 第２量子井戸層
７ｅ 第３障壁層
１０ 発光素子
２０ 照明装置
２１ 透明部材
２２ ボンディングワイヤ
２３ 回路基板
２４ パッケージ

Claims (5)

1. ｎ型半導体層と、発光層と、ｐ型半導体層とを具備する発光素子であって、
   ｎ型半導体層と発光層との間と、発光層とｐ型半導体層との間との少なくともいずれか一方の間に、障壁層を介して連結する第１量子井戸層と第２量子井戸層とを具備し、
   前記第１量子井戸層の量子化レベルｎ（ｎは１以上の整数）の量子準位のエネルギーＥｎと、前記第２量子井戸層の量子化レベルｍ（ｍは１以上の整数）の量子準位のエネルギーＥｍとが、ｎ≠ｍにおいて、Ｅｎ＝Ｅｍとなる発光素子。
2. 前記第１量子井戸層の厚みと、前記第２量子井戸層の厚みとが異なる請求項１に記載の発光素子。
3. 前記第２量子井戸層の量子化レベルｍが１である請求項１または２に記載の発光素子。
4. 前記第２量子井戸層の量子化レベルｍが１であり、前記第１量子井戸層の量子化レベルｎが２である請求項１〜３のいずれか１つに記載の発光素子。
5. 請求項１〜４のいずれか１つに記載の発光素子と、前記発光素子からの発光を受けて光を発する蛍光体と燐光体との少なくともいずれか一方とを具備している照明装置。

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