JP2021052168A - 発光色可変型発光半導体素子ならびにマイクロｌｅｄディスプレイ - Google Patents

Abstract

【課題】青色・緑色・赤色を発光可能な１個のＬＥＤチップで１画素を構成して、多様な色表現を可能とすることにより、画素の超小型化を図り、超小型・高精細マイクロＬＥＤディスプレイの提供を可能とする発光半導体素子技術を提供する。【解決手段】注入電流の制御により発光色の色調が変化する発光色可変型発光半導体素子であって、基板上に、ｐ型層とｎ型層に挟まれた活性層を有しており、活性層が、ＧａＮ、ＩｎＮ、ＡｌＮ、またはこれらのいずれか２つ以上の混晶であるＡｌＧａＩｎＮ系材料に、ＥｕおよびＭｇを添加して形成されている発光色可変型発光半導体素子。前記発光色可変型発光半導体素子を有する画素が集積されて、表示部が形成されているマイクロＬＥＤディスプレイ。【選択図】図５

Description

本発明は、発光色可変型発光半導体素子ならびにマイクロＬＥＤディスプレイに関し、より詳しくは、注入電流の制御によって発光色の色調が変化する発光色可変型発光半導体素子、ならびに、前記発光色可変型発光半導体素子を画素として備えて超小型で高精細な描画が可能なマイクロＬＥＤディスプレイに関する。

従来のマイクロＬＥＤディスプレイでは、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ系材料で作製された青色ＬＥＤチップおよび緑色ＬＥＤチップ、ＡｌＧａＩｎＰ／ＧａＡｓ系材料で作製された赤色ＬＥＤチップの各々を１つの基材上に物理的に配置して１画素を構成させ、各チップに対しての注入電流を制御することにより各チップからの発光強度を調整して、画素毎の様々な色表現を可能にしている（例えば、特許文献１、２）。

近年、スマートフォンやタブレット端末などのモバイル機器の発展が目覚しく、それに合わせて、超小型で高精細な描画が可能なマイクロＬＥＤディスプレイ（超小型・高精細マイクロＬＥＤディスプレイ）に対する社会的要請は、益々大きくなっている。

超小型・高精細マイクロＬＥＤディスプレイの実現に向け、鍵を握るキーテクノロジーは、「如何にして、チップサイズの小さい青色・緑色・赤色ＬＥＤを同一基板上に集積するか」である。しかし、従来のマイクロＬＥＤディスプレイでは、青色ＬＥＤと緑色ＬＥＤとは窒化物半導体であるため、同一基板上に集積することができるものの、赤色ＬＥＤは窒化物半導体ではないため、青色ＬＥＤと緑色ＬＥＤと共に同一基板上へ集積することができない。

このため、赤色ＬＥＤを窒化物半導体で実現して、青色ＬＥＤと緑色ＬＥＤと共に同一基板上に集積できるようにすることが望まれていた。

このような状況下、本発明者等は、希土類元素の一つであるユーロピウム（Ｅｕ）が添加されたＧａＮを用いた狭帯域・波長超安定赤色ＬＥＤを世界に先駆けて発明して、青色・緑色・赤色ＬＥＤの同一基板上での集積へと繋がる技術を開発した（特許文献３）。

特開２００８−１９８６１４号公報 特開２０１７−１９９７５７号公報 特許６２２２６８４号公報

しかしながら、青色・緑色・赤色ＬＥＤの同一基板上での集積方法が、同一基板上に３個のＬＥＤチップを物理的に配置して１画素を構成させている限り、マイクロＬＥＤディスプレイの超小型化や高精細化には限度がある。

即ち、各ＬＥＤチップは、小さくても、２０μｍ角の大きさを有しているため、これらを同一基板上に物理的に配置した場合、画素サイズはチップサイズの整数倍となるため、画素の超小型化には限度があり、マイクロＬＥＤディスプレイを十分に超小型・高精細化することが困難であった。

そこで、本発明は、青色・緑色・赤色を発光可能な１個のＬＥＤチップで１画素を構成して、多様な色表現を可能とすることにより、画素の超小型化を図り、超小型・高精細マイクロＬＥＤディスプレイの提供を可能とする発光半導体素子技術を提供することを課題とする。

本発明者は、鋭意検討を行い、以下に記載する発明により上記課題が解決できることを見出し、本発明を完成させるに至った。

請求項１に記載の発明は、
注入電流の制御により発光色の色調が変化する発光色可変型発光半導体素子であって、
基板上に、ｐ型層とｎ型層に挟まれた活性層を有しており、
前記活性層が、ＧａＮ、ＩｎＮ、ＡｌＮ、またはこれらのいずれか２つ以上の混晶であるＡｌＧａＩｎＮ系材料に、ＥｕおよびＭｇを添加して形成されていることを特徴とする発光色可変型発光半導体素子である。

請求項２に記載の発明は、
前記活性層が、ＡｌＧａＩｎＮ系材料の障壁層とＡｌＧａＩｎＮ系材料の井戸層とが、交互に積層された量子井戸構造により構成されており、
前記障壁層のＡｌＧａＩｎＮ系材料を、Ａｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_1-ｘ-ｙＮ、
前記井戸層のＡｌＧａＩｎＮ系材料を、Ａｌ_ｘ’Ｇａ_ｙ’Ｉｎ_{1-ｘ’-ｙ’}Ｎで表した時、
前記Ａｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_1-ｘ-ｙＮの電子親和力κ_{（ｂａｒｒｉｅｒ）}、および禁制帯幅ε_{ｇ（ｂａｒｒｉｅｒ）}と、前記Ａｌ_ｘ’Ｇａ_ｙ’Ｉｎ_{1-ｘ’-ｙ’}Ｎの電子親和力κ_{（ｗｅｌｌ）}、および禁制帯幅ε_{ｇ（ｗｅｌｌ）}とが、下記式を満足するように、ｘ、ｘ’、ｙ、ｙ’が設定されていることを特徴とする請求項１に記載の発光色可変型発光半導体素子である。
κ_{（ｂａｒｒｉｅｒ）}＜κ_{（ｗｅｌｌ）}
κ_{（ｂａｒｒｉｅｒ）}＋ε_{ｇ（ｂａｒｒｉｅｒ）}＞κ_{（ｗｅｌｌ）}＋ε_{ｇ（ｗｅｌｌ）}

請求項３に記載の発明は、
前記障壁層がＡｌＧａＮ層、前記井戸層がＧａＮ層であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の発光色可変型発光半導体素子である。

請求項４に記載の発明は、
前記井戸層の各々における前記Ｅｕの添加量が、１×１０^１７〜５×１０^２１ｃｍ^−３であることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の発光色可変型発光半導体素子である。

請求項５に記載の発明は、
前記井戸層の各々における前記Ｍｇの添加量が、１×１０^１8〜１×１０^２0ｃｍ^−３であることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の発光色可変型発光半導体素子である。

請求項６に記載の発明は、
前記井戸層の各々に、さらに、Ｓｉが添加されていることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の発光色可変型発光半導体素子である。

請求項７に記載の発明は、
前記井戸層の各々における前記Ｓｉの添加量が、１×１０^１７〜５×１０^２１ｃｍ^−３であることを特徴とする請求項６に記載の発光色可変型発光半導体素子である。

請求項８に記載の発明は、
前記障壁層の厚さが、１層あたり０．５〜５０ｎｍであり、
前記井戸層の厚さが、１層あたり０．１〜２０ｎｍであることを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載の発光色可変型発光半導体素子である。

請求項９に記載の発明は、
前記障壁層と前記井戸層との間に、ｕｄ−ＧａＮ層が緩衝層として形成されていることを特徴とする請求項１ないし請求項８のいずれか１項に記載の発光色可変型発光半導体素子である。

請求項１０に記載の発明は、
前記緩衝層の厚さが、１層あたり０．１〜２０ｎｍであることを特徴とする請求項９に記載の発光色可変型発光半導体素子である。

請求項１１に記載の発明は、
請求項１ないし請求項１０のいずれか１項に記載の発光色可変型発光半導体素子を有する画素が集積されて、表示部が形成されていることを特徴とするマイクロＬＥＤディスプレイである。

請求項１２に記載の発明は、
ＧａＮ、ＩｎＮ、ＡｌＮ、またはこれらのいずれか２つ以上の混晶であるＡｌＧａＩｎＮ系材料に、Ｅｕが添加された発光半導体素子と、
ＧａＮ、ＩｎＮ、ＡｌＮ、またはこれらのいずれか２つ以上の混晶であるＡｌＧａＩｎＮ系材料に、Ｍｇが添加された発光半導体素子とが、
同一画素基板上に配置されて形成された画素が集積されて、表示部が形成されていることを特徴とするマイクロＬＥＤディスプレイである。

本発明によれば、青色・緑色・赤色を発光可能な１個のＬＥＤチップで１画素を構成して、多様な色表現を可能とすることにより、画素の超小型化を図り、超小型・高精細マイクロＬＥＤディスプレイの提供を可能とする発光半導体素子技術を提供することができる。

本発明における赤色発光および緑色発光のメカニズムを説明する図である。 本発明の一実施の形態に係る発光色可変型発光半導体素子におけるパルス電流の注入に伴う発光色の変化を説明する図である。 本発明の一実施の形態に係る発光色可変型発光半導体素子において、不純物としてＭｇが添加されたＧａＮ：Ｅｕ層における発光を説明する図である。 本発明の一実施の形態に係る発光色可変型発光半導体素子によって発光可能な色の範囲を説明する色度図（ＣＩＥ色度図）である。 本発明の一実施の形態に係る発光色可変型発光半導体素子の構成の一例を示す模式図である。 本実施の形態の量子井戸構造におけるエネルギー準位を示す図である。

［１］本発明の基本的な考え方
本発明の具体的な実施の形態について説明する前に、本発明の基本的な考え方について説明する。

前記したように、本発明者等は、Ｅｕが添加されたＧａＮを用いた狭帯域・波長超安定赤色ＬＥＤ（ＧａＮ：Ｅｕ ＬＥＤ）を、世界に先駆けて発明して、青色・緑色・赤色ＬＥＤの同一基板上での集積へと繋がる技術を開発している。

しかし、その後、さらに検討を進めたところ、このＧａＮ：Ｅｕ ＬＥＤは、電流注入条件を変えると、驚くべきことに、赤色だけでなく、緑色の発光も得られることが分かった。

具体的には、ＧａＮ：Ｅｕ ＬＥＤの場合、Ｅｕ^３＋イオンが４ｆ殻内で^５Ｄ_０から^７Ｆ_２に遷移すること（４ｆ殻内^５Ｄ_０→^７Ｆ_２遷移）によって赤色発光を呈するが、その発光寿命は２００〜３００μｓと比較的長いため、その発光寿命より短い間隔でパルス状に電流を注入した場合には、Ｅｕ^３＋イオンが^５Ｄ_０準位よりも高いエネルギーの準位（^５Ｄ_１）へとさらに励起されて、新たに^５Ｄ_１から^７Ｆ_２への４ｆ殻内遷移を生じて、緑色発光を呈することが分かった。そして、注入電流を制御することにより、赤色発光と緑色発光とが適宜ミックスされて、赤からオレンジ、オレンジから緑へと多様な色表現が可能であることが分かった。

そして、さらに検討を進めたところ、Ｅｕ添加ＧａＮに、さらにＭｇを不純物として添加したところ、Ｅｕ^３＋イオンによる赤色発光に加えて、Ｍｇが関与する青色発光が観測でき、注入電流を制御することにより、赤色発光と青色発光の発光強度が変化することが分かった。そして、このような赤色、青色が混合された発光の場合、フィルターを掛けることにより青色発光を単独で取り出すことができるため、上記したＥｕ添加ＧａＮにおける赤色発光と緑色発光に加えて、光の３原色が確保できることが分かった。

このように、不純物としてＭｇが添加されたＧａＮ：Ｅｕ ＬＥＤでは、赤色、緑色、青色、光の３原色の各々の色の発光が可能であるため、電流注入条件を適切に制御して、これらの発光色を適宜ミックスすることにより、自在な色表現が可能となる。

この知見に基づけば、１個のＬＥＤチップ（不純物としてＭｇが添加されたＧａＮ：Ｅｕ ＬＥＤチップ）で１画素とすることが可能となり、素子自体のサイズを極限まで小さくして、画素サイズを従来のサイズの１／３にまで十分に小型化することができ、画面の高精細化を図ることができる。

そして、このような知見は、世界で初めての発見であり、超小型・高精細マイクロＬＥＤディスプレイの提供への道を大きく切り開くものである。

［２］本発明における発光のメカニズム
次に、本発明に係る発光色可変型発光半導体素子における発光のメカニズムについて説明する。

（１）赤色発光および緑色発光
図１は、本発明における赤色発光および緑色発光のメカニズムを説明する図である。なお、図１において、左図は、Ｅｕ^３＋イオンのエネルギー準位と遷移スキームを説明する図である。そして、右図は、注入電流の変化による発光スペクトル強度と波長との関係を示す図である。

１０ｍＡ以下の低注入電流の場合、Ｅｕ^３＋イオンは、まず、図１の左図において上向実線で示すように、^７Ｆ_０準位から^５Ｄ_ｊ準位（ｊ＝０〜３）へと励起され、その後、下向実線に示すように、^５Ｄ_０準位（^５Ｄ_３準位、^５Ｄ_２準位、^５Ｄ_１準位へ励起されたＥｕ^３＋イオンも、発光することなく^５Ｄ_０準位へと遷移）から^７Ｆ₁準位や^７Ｆ_２準位へと遷移するが、その際、図１の右図に示すように、波長が約６２２ｎｍの赤色を発光する。

しかし、注入電流を高くした場合には、^５Ｄ_１準位から^５Ｄ_０準位へ遷移することなく、そのまま、図１の左図において下向点線で示す^５Ｄ_１準位から^７Ｆ_３準位への遷移や、下向一点鎖線で示す^５Ｄ_１準位から^７Ｆ₁準位や^７Ｆ_２準位への遷移が発生するようになり、それぞれ、黄オレンジ色、緑黄色、緑色の発光を呈するようになる。即ち、図１の右図に示すように、波長約５４５ｎｍを中心とした緑色の発光が生成され、その強度は、注入電流が高くなるにつれて大きくなるが、その一方で、波長約６２２ｎｍの赤色の発光はその強度が一定の大きさで飽和されてしまうため、緑色発光と赤色発光とが混合されて、注入電流の高さに合わせて、緑色、緑黄色、黄オレンジ色と発光色が連続的に変化していく。

このような注入電流による発光色の変化は、^５Ｄ_１準位に励起されたＥｕ^３＋イオンを閉じ込めて、^５Ｄ_１準位から^５Ｄ_０準位に遷移させないこと（キャリア閉じ込め）により発生する。

そこで、本発明においては、上記したように、^５Ｄ_０準位からの遷移の発生、即ち、赤色発光の発光寿命（２００〜３００μｓ）の内に、短い間隔で方形のパルス電流を注入してＥｕ^３＋イオンを^５Ｄ_１準位へと再励起させることにより、発光色の変化を得ている。

図２は、本発明の一実施の形態に係る発光色可変型発光半導体素子におけるパルス電流の注入に伴う発光色の変化を説明する図である。図２において、左図は、周波数６０Ｈｚの条件下における「ＯＮ」時間（デューティサイクル）を示す図である。そして、右図は、注入電流の変化に伴う発光色の変化を示しており、上段は、所定の二乗平均平方根パワーＰ_ｒｍｓの電力（１５０ｍｗ）および周波数ｆ（６０Ｈｚ）の条件下でデューティサイクルの変化が、どのように発光色の変化をもたらすかを示す図であり、下２段は、所定のピーク電流（２００ｍＡ）の条件下で周波数およびデューティサイクルの変化が、どのように発光色の変化をもたらすかを示す図である。

図２の右図の上段では、Ｐ_ｒｍｓ１５０ｍｗ、ｆ６０Ｈｚの場合、デューティサイクルの減少に伴って、発光色が赤から黄へと変化しており、注入電流の変化により発光色が変化することが分かる。そして、図２の右図の下２段では、ピーク電流が２００ｍＡに固定されている場合、周波数の大小にかかわらず、デューティサイクルの減少に伴って、発光色が黄から赤へと変化しており、注入電流の変化により発光色が変化することが分かる。

この結果より、ＧａＮ：Ｅｕ ＬＥＤチップにおいて、注入電流の変化により発光色を変化できることが確認できた。

（２）青色発光
Ｍｇが添加されたＧａＮ層が青色を呈することは知られていたが、ＧａＮ：Ｅｕ層に、Ｍｇを不純物として添加した場合、どのような発光色を呈するかは、これまで検討されていなかった。そして、実験と検討の結果、不純物としてＭｇが添加されたＧａＮ：Ｅｕ層の場合、Ｅｕ^３＋イオンによる赤色発光に加えて、Ｍｇが関与する青色発光が観測できることが分かった。

図３は、本発明の一実施の形態に係る発光色可変型発光半導体素子において、不純物としてＭｇが添加されたＧａＮ：Ｅｕ層における発光を説明する図である。図３において、左図ａは、Ｍｇ添加ＧａＮ：Ｅｕ層に約７５ｍＡの電流を注入した時のＥＬ発光スペクトルと波長との関係を示す図である。そして、右図ｂは、注入電流の変化に伴う発光色の変化を示しており、上段は、デューティサイクル固定（９９．９％）の条件下で、注入電流の変化が、どのように発光色の変化をもたらすかを示す図であり、下２段は、所定のピーク電流（９０ｍＡ）の条件下で周波数およびデューティサイクルの変化が、どのように発光色の変化をもたらすかを示す図である。

図３ａに示すように、Ｍｇ添加ＧａＮ：Ｅｕ層では、Ｅｕ^３＋イオンの^５Ｄ_０準位から^７Ｆ_２準位への遷移に伴う約６２０ｎｍでの赤色発光に加えて、ＧａＮの近バンド端（ＮＢＥ：ｎｅａｒ−ｂａｎｄ−ｅｄｇｅ）である約４２０ｎｍにＭｇに起因する青色発光が表れて、中央の写真に示すように、赤色と青色が混合された紫色の発光として捉えられている。なお、左側の写真は、この発光に６００ｎｍのショートパスフィルターを使用して得られた青色発光を示し、一方、右側の写真は、この発光に６００ｎｍのロングパスフィルターを使用して得られた赤色発光を示しており、フィルターの使用により、赤色発光、または青色発光を単独で取り出せることが分かる。

なお、この青色発光は、不純物として添加されたＭｇが、価電子帯近傍にＧａＮのネイティブ欠陥よりも浅いレベルを形成し、注入されたキャリアがＧａＮ：Ｅｕ層における禁制帯幅（ε_{ｇ（ｗｅｌｌ）}）よりも狭いエネルギー幅で再結合することにより（欠陥制御：Ｄｅｆｅｃｔ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ）得られるものである。

そして、図３ｂの上段では、注入電流の増加に伴って発光色が赤から紫、紫からピンクへと変化しており、注入電流の変化により発光色が変化することが分かる。また、図３ｂの下２段では、ピーク電流が９０ｍＡに固定されている場合、周波数の大小にかかわらず、デューティサイクルの減少に伴って、ピンクから紫、紫から赤へと変化しており、注入電流の変化により発光色が変化することが分かる。

なお、Ｍｇの添加量が少なすぎる場合には十分な青色発光が得られず、一方、多すぎる場合には青色発光が飽和することを考慮すると、好ましいＭｇの添加量は、１×１０^１8〜１×１０^２0ｃｍ^−３である。そして、Ｍｇに加えて、Ｓｉを共に添加した場合には、青色発光の発光強度がより高くなることが分かった。この場合、具体的なＳｉの添加量としては、１×１０^１８〜１×１０^２０ｃｍ^−３であることが好ましい。

（３）色度
次に、上記した赤色発光、緑色発光、青色発光により、表現可能な発光色について説明する。

図４は、本実施の形態に係る発光色可変型発光半導体素子によって発光可能な色の範囲を説明する色度図（ＣＩＥ色度図）であり、赤色発光（Ｅｕ^３＋イオンの^５Ｄ_０状態）、緑色発光（Ｅｕ^３＋イオンの^５Ｄ_１状態）、青色発光（ＧａＮのＮＢＥレベルからの分離発光）の３つの発光状態を頂点とする三角形が形成されている。

なお、ＧａＮのＮＢＥレベルからの発光については、６００ｎｍショートパスフィルターおよび６００ｎｍロングパスフィルターを使用して、青色または赤色に分離している（図４において、各写真を囲む円環が、フィルターの使用を示す）。また、図４上部には、各頂点における発光状態、即ち、Ｅｕ^３＋イオンの^５Ｄ_０遷移による赤色発光、Ｅｕ^３＋イオンの^５Ｄ₁遷移による緑色発光、添加ＭｇのＮＢＥによる青色発光を、左から順に示している。

図４より、右側に示したキャリアの閉じ込めによる赤色から緑色への変化、および下側に示した意図的な欠陥制御との組み合わせによる赤色から青色への変化、さらには、フィルターにより分離された青色を用いた青色から緑色への変化を、適宜、組み合わせることにより、ＬＥＤの発光色域を大幅に拡大できることが分かる。

即ち、ＣＩＥ色度図上でこれらの３つの点を結んで作成された三角形の中の色は、これら赤色、緑色、青色のレベルからの発光を加算的に混合することによって、適宜、発光させることができるため、本実施の形態によって、多様な色表現の発光が可能となる。

具体的には、これら３つの発光状態の寿命は数桁離れているため、例えば、パルス電流注入中にデューティサイクルを流れる電流の時間スケールを変更するなどして、注入電流密度を上げることで、１つの状態からの発光を抑制し、より短い寿命で別の状態からの発光を増強することができるため、色調を自在に調整することができる。

上記した「キャリア閉じ込め」と「欠陥制御」との組み合わせを同時に行って、発光色の色調を連続的に変化させるという技術は、本発明者等によって初めて示されたものであり、１つのＥｕ添加ＧａＮ ＬＥＤが３色の発光色可変型発光半導体素子として利用でき、素子自体のサイズを極限まで小さくできる可能性を示す点で画期的なものである。

［３］具体的な実施の形態
次に、具体的な実施の形態を挙げて、本発明について、さらに詳しく説明する。なお、本発明は、以下に例示する実施の形態に限定されるものではなく、本発明と同一および均等の範囲内において、種々の変更を加えることが可能である。

１．発光色可変型発光半導体素子
（１）全体の構成
本実施の形態に係る発光色可変型発光半導体素子は、基板上に、ｐ型層とｎ型層に挟まれた活性層を有しており、活性層が、ＧａＮ、ＩｎＮ、ＡｌＮ、またはこれらのいずれか２つ以上の混晶であるＡｌＧａＩｎＮ系材料に、ＥｕおよびＭｇを添加して形成されている。

図５は、本実施の形態に係る発光色可変型発光半導体素子の構成の一例を示す模式図である。本実施の形態において、基板としては、例えば、図５に示すような、サファイア基板上に、サファイアとＧａＮの格子定数の差によるクラックの発生を防止するためのＬＴ−ＧａＮ層、および、サファイア基板による転位の影響を抑制するためのｕｄ−ＧａＮ層等が形成されたテンプレートなどが用いられる。なお、サファイア基板に替えて、ＳｉＣ、Ｓｉ、ＧａＮなどを用いてもよい。

そして、基板上に、活性層となるＧａＮ：Ｅｕ層（Ｍｇ添加）が形成されるが、このとき、より高い発光強度を得るためには、図５に示すように、障壁層であるＡｌＧａＮと、井戸層であるＧａＮ：Ｅｕ層とを交互に積層させて（図５では１３ペア）、量子井戸構造により構成されていることが好ましい。このような量子井戸構造を設けることにより、井戸層へＥｕ^３＋イオンをドープさせてキャリア密度を増加させることができるため、より高い発光強度を得ることができる。また、不純物として添加されたＭｇも、この井戸層内を遷移するため、より高い発光強度の青色を発光させることができる。

本実施の形態において、障壁層は、薄すぎると井戸層へドープしたＥｕ^３＋イオンが抜け出してＥｕ周りのキャリア密度を増加させることができない一方、厚すぎても効果は飽和するため、１層あたり０．５〜５０ｎｍの厚さであることが好ましい。

また、井戸層は、薄すぎると十分にＥｕ^３＋イオンをドープできず、キャリア密度を増加させることができない一方、厚すぎても効果は飽和するため、１層あたり０．１〜２０ｎｍの厚さであることが好ましい。

なお、本実施の形態においては、図５に示すように、障壁層と井戸層との間に、障壁層へのＥｕ^３＋イオンの拡散を防ぐ緩衝層として、ｕｄ−ＧａＮ層が設けられていることが好ましい。これにより、十分にＥｕ^３＋イオンをドープすることができる。なお、緩衝層の厚さは、１層あたり０．１〜２０ｎｍであることが好ましい。

本実施の形態において、井戸層におけるＥｕの添加量は、少なすぎるとＥｕ^３＋イオンの量が不足し、多すぎると赤色発光が飽和することを考慮すると、１×１０^１７〜５×１０^２１ｃｍ^−３であることが好ましい。

（２）量子井戸構造
次に、上記した量子井戸構造について、詳しく説明する。図６は、本実施の形態の量子井戸構造におけるエネルギー準位を示す図である。なお、図６においては、Ａｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_1-ｘ-ｙＮが障壁層（ｂａｒｒｉｅｒ）、Ａｌ_ｘ’Ｇａ_ｙ’Ｉｎ_{1-ｘ’-ｙ’}Ｎが井戸層（ｗｅｌｌ）であり、Ｅｃは伝導帯下端、Ｅｖは価電子帯上端、κは電子親和力、ε_ｇは禁制帯幅を示している。また、Ｖａｃｕｕｍ ｌｅｖｅｌは、真空準位である。

本実施の形態において、障壁層や井戸層としては、以下に示す２つの式を満足するようにｘ、ｘ’、ｙ、ｙ’が設定されたＡｌＧａＩｎＮ系材料が使用される。
κ_{（ｂａｒｒｉｅｒ）}＜κ_{（ｗｅｌｌ）}
κ_{（ｂａｒｒｉｅｒ）}＋ε_{ｇ（ｂａｒｒｉｅｒ）}＞κ_{（ｗｅｌｌ）}＋ε_{ｇ（ｗｅｌｌ）}

なお、図５に示したＡｌＧａＮの障壁層は、上記式を満足するＡｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_1-ｘ-ｙＮにおいて、Ｉｎ組成が０の材料である。同様に、ＧａＮの井戸層は、上記式を満足するＡｌ_ｘ’Ｇａ_ｙ’Ｉｎ_{1-ｘ’-ｙ’}Ｎにおいて、Ｉｎ組成およびＡｌ組成が０の材料である。

このような量子井戸構造を構成させた場合、図６に示すように、井戸層へＥｕ^３＋イオンを十分に移動させて、Ｅｕ周りのキャリア密度を増加させることができるため、ＧａＮ：Ｅｕ層から、より高い発光強度の赤色や緑色を発光させることができる。

また、不純物として添加されたＭｇは、ＧａＮのネイティブ欠陥よりも浅いレベルへ導入されて、ＧａＮ：Ｅｕ層における禁制帯幅（ε_{ｇ（ｗｅｌｌ）}）よりも狭い禁制帯幅を移動して青色発光するため、低い注入電流であっても、赤色発光と同時に、高い発光強度で青色発光させることができる。そして、前記したように、Ｍｇに加えてＳｉを共に添加した場合には、青色発光の発光強度をより高めることができ好ましい。なお、この量子井戸層は、１層であってもよい。

（３）発光色可変型発光半導体素子の製造
以下、本実施の形態に係る発光色可変型発光半導体素子の製造手順について、具体的な一例として、図５に示す発光色可変型発光半導体素子の製造を挙げて、説明する。

最初に、有機金属気相成長法（ＯＭＶＰＥ法）を用いて、（０００１）サファイア基板上にＬＴ−ＧａＮ層を形成し、その後、ＬＴ−ＧａＮ層上に厚さ約１μｍのｕｄ−ＧａＮ層を形成した。

このようなＬＴ−ＧａＮ層およびｕｄ−ＧａＮ層を設けることにより、サファイアとＧａＮの格子定数の差によるクラックの発生を防止すると共に、サファイア基板による転位の影響を抑制することができる。

次に、同様にＯＭＶＰＥ法を用いて、ｕｄ−ＧａＮ層上に厚さ約１．５μｍのｎ−ＧａＮ層を形成した。

次に、同様にＯＭＶＰＥ法を用いて、ｎ−ＧａＮ層上に、厚さ約５ｎｍのＡｌＧａＮ層（Ａｌ濃度２０％）、厚さ約１ｎｍのｕｄ−ＧａＮ層、厚さ約１ｎｍのＧａＮ：Ｅｕ層、厚さ約１ｎｍのｕｄ−ＧａＮ層の順に形成する工程を１３回繰り返し、最後に、厚さ約５ｎｍのＡｌＧａＮ層を形成させることにより、１３周期のＡｌＧａＮ／ＧａＮ：Ｅｕ多重量子井戸（ＭＱＷ）構造とした（成長温度：９６０℃）。なお、ＧａＮ：Ｅｕ層の形成に際しては、Ｅｕ添加と共に、不純物としてのＭｇおよびＳｉを同時に添加した。

次に、同様にＯＭＶＰＥ法を用いて、ＡｌＧａＮ層上にｐ^＋−ＧａＮ／ｐ−ＧａＮ層を形成した。これにより、先に形成したｎ−ＧａＮ層との間で、ｐｎ接合ダイオード構造とすることができる。

なお、上記した各工程は、反応容器中の圧力を１００ｋＰａに維持して、途中で試料を反応容器より取り出すことなく、一連の工程で行った。そして、上記した各工程において、Ｇａ原料としてトリメチルガリウム（ＴＭＧａ）を、窒素原料としてアンモニア（ＮＨ_３）を、Ａｌ原料としてトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）を用いた。また、Ｅｕ原料として、ＥｕＣｐ^ｐｍ _２、Ｅｕ（ＤＰＭ）_３などの有機Ｅｕ化合物の内から、蒸気圧が高いＥｕＣｐ^ｐｍ _２を用いた（供給温度：１２５℃、）。さらに、Ｍｇ原料としてＣｐ_２Ｍｇを、Ｓｉ原料としてモノメチルシラン（ＭＭＳｉ）を用いた。

作製された素子について、二次イオン質量分析により各活性層のＥｕ濃度を測定したところ、５．６×１０^１９ｃｍ^−３と推定された。また、Ｍｇ濃度は１×１０^１９ｃｍ^−３、Ｓｉ濃度は３×１０^１８ｃｍ^−３と推定された。

２．マイクロＬＥＤディスプレイ
上記したように、本実施の形態に係る素子は、１個のＥｕ添加ＧａＮ ＬＥＤを発光色可変型発光半導体素子として利用することができるため、１個のＬＥＤチップで１画素を構成させることができ、画素のサイズを極限まで小さくできる。このため、このような発光半導体素子を有する画素を集積させて、表示部とした場合には、マイクロＬＥＤディスプレイの超小型化が可能となり、また、同じ面積により多くの画素が配置できるため、画面をより高精細化させることができる。

なお、上記した３色の発光色可変型発光半導体素子に替えて、Ｍｇの添加されていない赤色および緑色発光用のＥｕ添加ＧａＮ ＬＥＤと、青色発光用のＭｇ添加ＧａＮ ＬＥＤとが配置された画素を用いて、ディスプレイを構成させることもできる。但し、この場合には、２個のＬＥＤを配置して１画素とすることになるため、従来よりも画素サイズを小型化することはできるものの、その程度は、上記した実施の形態におけるサイズの小型化までには至らない。

Claims (12)

1. 注入電流の制御により発光色の色調が変化する発光色可変型発光半導体素子であって、
   基板上に、ｐ型層とｎ型層に挟まれた活性層を有しており、
   前記活性層が、ＧａＮ、ＩｎＮ、ＡｌＮ、またはこれらのいずれか２つ以上の混晶であるＡｌＧａＩｎＮ系材料に、ＥｕおよびＭｇを添加して形成されていることを特徴とする発光色可変型発光半導体素子。
2. 前記活性層が、ＡｌＧａＩｎＮ系材料の障壁層とＡｌＧａＩｎＮ系材料の井戸層とが、交互に積層された量子井戸構造により構成されており、
   前記障壁層のＡｌＧａＩｎＮ系材料を、Ａｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_1-ｘ-ｙＮ、
   前記井戸層のＡｌＧａＩｎＮ系材料を、Ａｌ_ｘ’Ｇａ_ｙ’Ｉｎ_{1-ｘ’-ｙ’}Ｎで表した時、
   前記Ａｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_1-ｘ-ｙＮの電子親和力κ_{（ｂａｒｒｉｅｒ）}、および禁制帯幅ε_{ｇ（ｂａｒｒｉｅｒ）}と、前記Ａｌ_ｘ’Ｇａ_ｙ’Ｉｎ_{1-ｘ’-ｙ’}Ｎの電子親和力κ_{（ｗｅｌｌ）}、および禁制帯幅ε_{ｇ（ｗｅｌｌ）}とが、下記式を満足するように、ｘ、ｘ’、ｙ、ｙ’が設定されていることを特徴とする請求項１に記載の発光色可変型発光半導体素子。
   κ_{（ｂａｒｒｉｅｒ）}＜κ_{（ｗｅｌｌ）}
   κ_{（ｂａｒｒｉｅｒ）}＋ε_{ｇ（ｂａｒｒｉｅｒ）}＞κ_{（ｗｅｌｌ）}＋ε_{ｇ（ｗｅｌｌ）}
3. 前記障壁層がＡｌＧａＮ層、前記井戸層がＧａＮ層であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の発光色可変型発光半導体素子。
4. 前記井戸層の各々における前記Ｅｕの添加量が、１×１０^１７〜５×１０^２１ｃｍ^−３であることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の発光色可変型発光半導体素子。
5. 前記井戸層の各々における前記Ｍｇの添加量が、１×１０^１8〜１×１０^２0ｃｍ^−３であることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の発光色可変型発光半導体素子。
6. 前記井戸層の各々に、さらに、Ｓｉが添加されていることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の発光色可変型発光半導体素子。
7. 前記井戸層の各々における前記Ｓｉの添加量が、１×１０^１７〜５×１０^２１ｃｍ^−３であることを特徴とする請求項６に記載の発光色可変型発光半導体素子。
8. 前記障壁層の厚さが、１層あたり０．５〜５０ｎｍであり、
   前記井戸層の厚さが、１層あたり０．１〜２０ｎｍであることを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載の発光色可変型発光半導体素子。
9. 前記障壁層と前記井戸層との間に、ｕｄ−ＧａＮ層が緩衝層として形成されていることを特徴とする請求項１ないし請求項８のいずれか１項に記載の発光色可変型発光半導体素子。
10. 前記緩衝層の厚さが、１層あたり０．１〜２０ｎｍであることを特徴とする請求項９に記載の発光色可変型発光半導体素子。
11. 請求項１ないし請求項１０のいずれか１項に記載の発光色可変型発光半導体素子を有する画素が集積されて、表示部が形成されていることを特徴とするマイクロＬＥＤディスプレイ。
12. ＧａＮ、ＩｎＮ、ＡｌＮ、またはこれらのいずれか２つ以上の混晶であるＡｌＧａＩｎＮ系材料に、Ｅｕが添加された発光半導体素子と、
    ＧａＮ、ＩｎＮ、ＡｌＮ、またはこれらのいずれか２つ以上の混晶であるＡｌＧａＩｎＮ系材料に、Ｍｇが添加された発光半導体素子とが、
    同一画素基板上に配置されて形成された画素が集積されて、表示部が形成されていることを特徴とするマイクロＬＥＤディスプレイ。

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