JP3543498B2 - ３族窒化物半導体発光素子 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、白色発光が可能な３族窒化物半導体発光素子に関する。
【０００２】
【従来技術】
従来、サファイア基板上に３族窒化物半導体を形成した発光素子が知られている。その発光素子は光の３原色の１つである青色を発光することから、フルカラーディスプレイ等への応用が期待されている。
【０００３】
一方、白色は人間の色感覚上、好感を持てる色であり、白色発光の発光ダイオード（ＬＥＤ）の開発が期待されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、従来の発光ダイオードにおいて、白色の発光を得るには、青色ＬＥＤ、赤色ＬＥＤ、緑色ＬＥＤの３つのチップを同一ステム上に配置して、各チップから発光する光の混合により白色発光を得ていた。このため、白色を得るためのチップ数が多くなり、製造が複雑になり、製造に時間がかかると共にコストが高くなるという問題が存在した。又、一般に、任意の混色発光のＬＥＤにおいても、３原色の各色を発光するＬＥＤを同一面に配列しなければならず、同様な問題がある。
【０００５】
従って、本発明は、上記の課題を解決するために成されたものであり、単一画素で任意の色度（彩度、色相）の光を発光するようにすることである。特に、等エネルギー白色と、略、等価な白色発光が得られるようにすることである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
多重量子井戸構造の各井戸層の混晶比を変化させることで禁制帯幅を変化させることができるので、発光のピーク波長を混晶比により変化させることができる。請求項１の発明では、３族窒化物半導体を用いた多重量子井戸構造の発光素子において、正負一対の電極により発光する積層された複数の井戸層の混晶比を変化させることにより、各井戸層からの発光の合成光の波長強度特性を所望の特性としたので、単一画素から任意の色度を有する光を発光させることができる。よって、従来のように、複数チップ、又は、複数画素からの光の混合により任意の色度を得るものではないので、製造が簡単となり、製造コストを削減することができる。
更に、人の感じる発光色の明度は、発光強度に依存するが、その発光強度は井戸層の厚さにより制御することができる。よって、請求項１のように構成することで、合成光の波長強度特性を変化させることができる。即ち、１画素で色度を変化させることができる。
【０００７】
井戸層の混晶比を変化させることで、発光のピーク波長を変化させることができるので、混晶比により発光のｘｙ色度図上における座標点を変化させることができる。よって、請求項２のように、発光する各井戸層のそれぞれの混晶比を、ｘｙ色度図上において、各井戸層の発光の各色度座標の平均値が、所望の座標となるような比とすることで、各井戸層からの光の合成光の色度を所望の値とすることができる。
【０００８】
又、請求項３のように、各井戸層からの発光の色度座標を、その各光の明度により加重した平均値が、所望の色度となるように、各井戸層の混晶比を選択することで、所望の色度の合成光を得ることができる。
【０００９】
又、請求項４のように、所望の色度座標を、略、等エネルギー白色光の座標（1/3,1/3)とすることで、１画素で白色光を得ることができる。
【００１０】
又、請求項５のように、少なくとも２つの発光する井戸層のそれぞれの混晶比を、各井戸層の発光の色度座標が、ｘｙ色度図上補色関係にある２点となるような比とすることで、１画素で白色光を得ることができる。
【００１２】
又、請求項６のように、各井戸層から放射された光の波長強度特性の総和が白色光の波長強度特性となるように、各井戸層のそれぞれの混晶比を設定することで、１画素により白色光を得ることができる。
【００１３】
又、請求項７のように、複数の井戸層は、光取出面に近い側から禁制帯幅が広くなるように混晶比を設定することで、各井戸層からの発光を前方に存在する井戸層での光吸収を防止することができ、光の取出効率が高くなるともに、色度の制御性が向上する。
【００１４】
さらに、請求項８のように、３族窒化物半導体として、(AlxGa1-X)yIn1-yN(0 ≦x ≦1;0 ≦y ≦1)を用い、各井戸層の混晶比ｘ，ｙを変化させることで、各井戸層の禁制帯幅を変化させ、発光のピーク波長を変化させることができる。Alの混晶比が高くなるほど禁制帯幅は広くなり、Inの混晶比が高くなるほど禁制帯幅は狭くなる。
【００１５】
さらに、請求項９に示すように、各井戸層の混晶比の変化に加えて、各井戸層又は／及びバリア層に、アクセプタ不純物又は／及びドナー不純物を、その種類又は／及び濃度を変化させて添加することで、各井戸層からの発光の色度を変化させることができ、混晶比と不純物とにより、発光の色度をより精密に制御することができる。更に、人の感じる発光色の明度は、発光強度に依存するが、その発光強度は井戸層の厚さにより制御することができる。よって、請求項５、請求項９に記載の発明に請求項１０のように構成を追加することで、合成光の波長強度特性を変化させることができる。即ち、１画素で色度を変化させることができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を具体的な実施例に基づいて説明する。なお本発明は下記実施例に限定されるものではない。
図１は本願実施例の発光素子100 全体図を示す。発光素子100 は、サファイア基板１を有しており、そのサファイア基板１上に0.05μｍのAlN バッファ層２が形成されている。
【００１７】
そのバッファ層２の上には、順に、膜厚約4.0 μｍ、電子濃度2 ×1018/cm3のシリコン(Si)ドープGaN から成る高キャリア濃度ｎ+ 層３、膜厚約0.5 μｍの電子濃度5 ×1017/cm3のシリコン(Si)ドープのGaN から成るｎ層４、全膜厚約65nmのInGaN の多重量子井戸から成る発光層５、膜厚約10ｎｍ，ホール濃度 2×1017/cm3, マグネシウム（Mg) 濃度 5×1019/cm3ドープのAl0.08Ga0.92N から成るｐ伝導型のクラッド層７１、膜厚約35ｎｍ，ホール濃度 3×1017/cm3のマグネシウム（Mg) 濃度 5×1019/cm3ドープのGaN から成る第１コンタクト層７２、膜厚約5 ｎｍ，ホール濃度 6×1017/cm3のマグネシウム（Mg) 濃度 1×1020/cm3ドープのGaN から成るｐ+ の第２コンタクト層７３が形成されている。そして、第２コンタクト層７３の上面全体にNi/Au の２重層からなる透明電極９が形成されその透明電極９の隅の部分にNi/Au の２重層からなるボンディングのためのパッド１０が形成されている。又、ｎ+ 層３上にはAlから成る電極８が形成されている。
【００１８】
発光層５は、図２に示すように、In0.1Ga0.9N から成るバリア層５１１とIn0.68Ga0.32N から成る井戸層５１２で構成された厚さ35nmの第１多重量子井戸５１と、In0.3Ga0.7N から成る井戸層５２２とIn0.05Ga0.95N から成るバリア層５２１で構成された厚さ30nmの第２多重量子井戸５２とで構成されている。
【００１９】
次に、この構造の半導体素子の製造方法について説明する。
上記発光素子100 は、有機金属気相成長法（以下ＭＯＶＰＥ）による気相成長により製造された。
用いられたガスは、アンモニア(NH3) 、キャリアガス（H2）、トリメチルガリウム(Ga(CH3)3)（以下「TMG 」と記す) 、トリメチルアルミニウム(Al(CH3)3)（以下「TMA 」と記す) 、トリメチルインジウム(In(CH3)3)（以下「TMI 」と記す) 、シラン(SiH4)、ジエチル亜鉛(Zn(C2H5)2) （以下、「DEZ 」と記す）とシクロペンタジエニルマグネシウム(Mg(C5H5)2)(以下「CP2Mg 」と記す）である。
【００２０】
まず、有機洗浄及び熱処理により洗浄したａ面を主面とし、単結晶のサファイア基板１をM0VPE 装置の反応室に載置されたサセプタに装着する。次に、常圧でH2を流速2 liter/分で約30分間反応室に流しながら温度1100℃でサファイア基板１をベーキングした。
【００２１】
次に、温度を 400℃まで低下させて、H2を20 liter／分、NH3 を10 liter／分、TMA を 1.8×10-5モル／分で約90秒間供給してAlN のバッファ層２を約0.05μｍの厚さに形成した。次に、サファイア基板１の温度を1150℃に保持し、H2を20liter／分、NH3 を10 liter／分、TMG を 1.7×10-4モル／分、H2ガスにより0.86ppm に希釈されたシランを20×10-8モル／分で40分導入し、膜厚約4.0 μｍ、電子濃度 1×1018/cm3、シリコン濃度 4×1018/cm3のシリコン(Si)ドープGaN から成る高キャリア濃度ｎ+ 層３を形成した。
【００２２】
上記の高キャリア濃度ｎ+ 層３を形成した後、続いて温度を1100°C に保持し、H2を20 liter／分、NH3 を10 liter／分、TMG を 1.12 ×10-4モル／分、H2ガスにより0.86ppm に希釈されたシランを10×10-9モル／分で30分導入し、膜厚約0.5 μｍ、電子濃度 5×1017/cm3、シリコン濃度 1×1018/cm3のシリコン(Si)ドープGaN から成るｎ層４を形成した。
【００２３】
その後、サファイア基板１の温度を660 ℃に保持し、N2又はH2を20 liter／分、NH3 を10 liter／分、TMG を2.0 ×10-4モル／分、TMI を0.03×10-4モル／分で1.5 分間導入して、成長速度0.1 μm/h で、膜厚約 5nmのIn0.1Ga0.9N から成るバリア層５１１を形成した。次に、サファイア基板１の温度を同一に保持して、N2又はH2、NH3 の供給量を一定として、TMG を7.2 ×10-5モル／分、TMI を0.19×10-4モル／分で1.5 分間導入して、成長速度0.1 μm/h で、膜厚約 5nmのIn0.68Ga0.32N から成る井戸層５１２を形成した。このような手順の繰り返しにより、図２に示すように、バリア層５１１と井戸層５１２とを交互に、４層と３層だけ積層した厚さ70nmの第１量子井戸５１を形成した。
【００２４】
次に、同様に、サファイア基板１の温度を660 ℃に保持し、N2又はH2の供給量は変化させることなく、TMG を1.6 ×10-4モル／分、TMI を0.08×10-4モル／分で1.5 分間導入して、成長速度0.1 μm/h で、膜厚約 5nmのIn0.3Ga0.7N から成る井戸層５２２を形成した。次に、サファイア基板１の温度を同一に保持して、N2又はH2の供給量を変化させることなく、TMG を2.1 ×10-4モル／分、TMI を0.01×10-4モル／分で1.5 分間導入し、成長速度0.1 μm/h で、膜厚約 5nmのIn0.05Ga0.95N から成るバリア層５２１を形成した。このような手順の繰り返しにより、図２に示すように、井戸層５２２とバリア層５２１とを交互に、それぞれ、３層だけ積層し厚さ60nmの第２量子井戸５２を形成した。
【００２５】
続いて、温度を1100℃に保持し、N2又はH2を20 liter／分、NH3 を10 liter／分、TMG を0.5 ×10-4モル／分、TMA を0.47×10-5モル／分、及び、CP2Mg を2 ×10-7モル／分で２分間導入し、膜厚約10ｎｍのマグネシウム(Mg)ドープのAl0.08Ga0.92N から成るクラッド層７１を形成した。クラッド層７１のマグネシウム濃度は 5×1019/cm3である。この状態では、クラッド層７１は、まだ、抵抗率108 Ωcm以上の絶縁体である。
【００２６】
次に、温度を1100℃に保持し、N2又はH2を20 liter／分、NH3 を10 liter／分、TMG を0.5 ×10-4モル／分、及び、CP2Mg を 2×10-8モル／分で４分間導入し、膜厚約35ｎｍのマグネシウム(Mg)ドープのGaN から成る第１コンタクト層７２を形成した。第１コンタクト層７２のマグネシウム濃度は 5×1019/cm3である。この状態では、第１コンタクト層７２は、まだ、抵抗率108 Ωcm以上の絶縁体である。
【００２７】
次に、温度を1100℃に保持し、N2又はH2を20 liter／分、NH3 を10 liter／分、TMG を0.5 ×10-4モル／分、及び、CP2Mg を 4×10-8モル／分で１分間導入し、膜厚約5 ｎｍのマグネシウム(Mg)ドープのGaN から成るｐ+ の第２コンタクト層７３を形成した。第２コンタクト層７３のマグネシウム濃度は 1×1020/cm3である。この状態では、第２コンタクト層７３は、まだ、抵抗率108 Ωcm以上の絶縁体である。
【００２８】
次に、電子線照射装置を用いて、第２コンタクト層７３，第１コンタクト層７２及びクラッド層７１に一様に電子線を照射した。電子線の照射条件は、加速電圧約10KV、資料電流１μＡ、ビームの移動速度0.2mm/sec 、ビーム径60μｍφ、真空度5.0 ×10-5Torrである。この電子線の照射により、第２コンタクト層７３，第１コンタクト層７２及びクラッド層７１は、それぞれ、ホール濃度 6×1017/cm3,3×1017/cm3,2×1017/cm3、抵抗率 2Ωcm, 1 Ωcm,0.7Ωcmのｐ伝導型半導体となった。このようにして多層構造のウエハが得られた。
【００２９】
次に、図２に示すように、第２コンタクト層７３の上に、Tiを2000Åの厚さに形成し、そのTi層の上にNiを9000Åの厚さに形成してTi/Ni の金属マスク層１１を形成した。そして、その金属マスク層１１の上に、フォトレジスト１２を塗布した。そして、フォトリソグラフにより、図２に示すように、第２コンタクト層７３上において、高キャリア濃度ｎ+ 層３に対する電極形成部位Ａ' のフォトレジスト１２を除去した。次に、図３に示すように、フォトレジスト１２によって覆われていない金属マスク層１１を酸性エッチング液で除去した。
【００３０】
次に、金属マスク層１１によって覆われていない部位の第２コンタクト層７３、第１コンタクト層７２、クラッド層７１、発光層５、ｎ層４を、真空度0.04Torr、高周波電力0.44W/cm2 、BCl3ガスを10 ml/分の割合で供給しドライエッチングした後、Arでドライエッチングした。この工程で、図４に示すように、高キャリア濃度ｎ+ 層３に対する電極取出しのための孔Ａが形成された。その後、金属マスク層１１を除去した。
【００３１】
次に、一様にNi/Au の２層を蒸着し、フォトレジストの塗布、フォトリソグラフィー工程、エッチング工程を経て、第２コンタクト層７３の上に透明電極９を形成した。そして、その透明電極９の一部にNi/Au の２層を蒸着してパッド１０を形成した。一方、ｎ+ 層３に対しては、アルミニウムを蒸着して電極８を形成した。その後、上記のごとく処理されたウエハは、各素子毎に切断され、図１に示す構造の発光ダイオードを得た。
【００３２】
この構造の発光ダイオード100 は、第１多重量子井戸５１からは、ピーク波長570nm の黄緑色を発光し、第２多重量子井戸５２からは、ピーク波長450nm の青色を発光した。この発光は、図４に示す色度図において、Ｖ点とＵ点とで表され、Ｖ点とＵ点とを結ぶ直線は、座標（1/3,1/3)の等エネルギー白色点を通る。即ち、Ｖ点の色度とＵ点の色度とは補色関係にある。よって、この２つの発光の混合により、白色発光を得ることができる。
【００３３】
尚、より精密な白色発光を得るためには、Ｖ点発光の明度とＵ点発光の明度とで重み付けして、Ｖ点の色度座標とＵ点の色度座標とを平均した値が座標（1/3,1/3)になるように、設計すれば良い。
【００３４】
即ち、
【数１】
｛( ｘV,ｙV ) ・ＭV ＋( ｘU,ｙU ) ・ＭU ｝／( ＭV ＋ＭU )=（1/3,1/3)
但し、( ｘV,ｙV ) はＶ点の色度座標、( ｘU,ｙU ) はＵ点の色度座標、ＭV , ＭU は、それぞれ、Ｖ点, Ｕ点の発光の明度である。
【００３５】
明度を決める発光強度は、各井戸層５１２、各井戸層５２２の厚さを変化させれば良い。量子井戸構造の場合には、井戸層の厚さをより薄くすることで発光効率が向上し、発光強度を増加させることができる。このように、第１多重量子井戸５１の混晶比を変化させることで、Ｖ点の色度座標を変化させることができ、第２多重量子井戸５２の混晶比を変化させることで、Ｕ点の色度座標を変化させることができる。よって、第１多重量子井戸５１の発光の色度座標及び明度と、第２多重量子井戸５２の発光の色度座標及び明度とが、上記の数１式を満たすように、それらの混晶比及び厚さを制御することで、純粋な白色発光を得ることができる。
【００３６】
又、上記の実施例では、発光波長の短い、即ち、禁制帯幅の広い第２多重量子井戸５２が、発光波長の長い、即ち、禁制帯幅の狭い第１多重量子井戸５１よりも光の取出面（透明電極９）側に存在する。このため、波長の長い570nm の発光は、第２多重量子井戸で吸収されることなく、外部に放出されるので、光の取出効率を高くすることができる。
【００３７】
上記の実施例では、発光波長を450nm と570nm に設定したが、上記の数１式の関係が満たされるならば、他の波長との組み合わせでも、純粋な白色光を得ることができる。さらに、数１式の左辺が得たい光の色度座標と等しくなるように、第１多重量子井戸５１と第２多重量子井戸５２の混晶比と厚さを決定することで、所望の色度の光を得ることができる。
【００３８】
さらに、上記の多重量子井戸を３つ以上設けても良い。例えば、図５に示すように、色度Ｔ，色度Ｒ，色度Ｓの光を放射する第１多重量子井戸、第２多重量子井戸、第３多重量子井戸を、基板１に近い側から設けることで、三角形ＴＲＳの内部に存在する任意の色度の光を得ることができる。この場合には、得たい光の色度座標を( ｘO,ｙO ) 、色度Ｔ，色度Ｒ，色度Ｓの座標と明度を、それぞれ、( ｘT,ｙT ) 、( ｘR,ｙR ) 、( ｘS,ｙS ) 、ＭT,ＭR,ＭS とすれば、次式を満たすように、各発光点の色度、明度を設定すれば良い。
【００３９】
【数２】
( ｘO,ｙO ) ＝｛( ｘT,ｙT ) ・ＭT ＋( ｘR,ｙR ) ・ＭR ＋( ｘS,ｙS ) ・ＭS ｝／( ＭT ＋ＭR ＋ＭS )
【００４０】
尚、各点での発光の輝度をＩT,ＩR,ＩS とする時、ＭT ＝ＩT ／ｙT ，ＭR ＝ＩR ／ｙR ,ＭS ＝ＩS ／ｙS でもある。この光の合成について、さらに、説明する。図６において、発光層５が、井戸層がIn0.5Ga0.5N の第１多重量子井戸５１、井戸層がIn0.46Ga0.54N の第２多重量子井戸５２、井戸層がIn0.43Ga0.57N の第３多重量子井戸５３とで構成されているとする。この時、第１多重量子井戸５１はピーク波長510nm 、第２多重量子井戸５２はピーク波長500nm 、第３多重量子井戸５３はピーク波長490nm の光を発光し、その波長強度特性は、図６に示すようになる。これらの光を合成することで、図７に示すように、スペクトルに広がりを持った光を得ることができる。即ち、純粋な白色に近い光を得ることができる。
【００４１】
さらに、各井戸層の混晶比を変化させると共に、井戸層の厚さを変化させることで、図８に示すような、波長強度特性を持つ光を各井戸層から発光させることができる。この合成光は、図８に示す波長強度特性を示し、より、等エネルギー白色を得ることができる。
【００４２】
尚、上記実施例では、各色度座標の発光を得るのに、多重量子井戸を用いているが、単一量子井戸で構成しても良い。即ち、１井戸層毎に混晶比を変化させた量子井戸構造で発光層５を構成しても良い。又、上記実施例では、InGaN 半導体で井戸層とバリア層とを形成したが、一般式(AlxGa1-X)yIn1-yN(0 ≦x1;0≦y ≦1)を満たす半導体により井戸層とバアリ層とを形成しても良い。
【００４３】
さらに、上記実施例では、井戸層を不純物無添加としたが、シリコン等のドナー不純物や、亜鉛等のアクセプタ不純物、その他、２族、４族、６族元素を不純物として添加しても良い。又、井戸層にドナー不純物とアクセプタ不純物とを共に添加しても良い。例えば、図９に示すように、発光層５を(AlxGa1-X)yIn
1-yN で井戸層５５２とバリア層５５１とで構成し、井戸層５５２にシリコンと亜鉛とを、それぞれ、1 ×1017〜1 ×1020/cm3範囲に添加しても良い。
【００４４】
又、図１０に示すように、バリア層５６１は無添加で、井戸層５６２について、ドナー不純物（例えば、シリコン）とアクセプタ不純物（例えば、亜鉛）を交互に添加しても良い。さらに、図１１に示すように、井戸層５７２にドナー不純物（例えば、シリコン）を添加し、バリア層５７１にアクセプタ不純物（例えば、亜鉛）を添加しても良いし、逆に、井戸層５７２にアクセプタ不純物を添加し、バリア層５７１にドナー不純物を添加しても良い。これらの不純物分布に関する特徴は、井戸層及びバリア層の混晶比と共に発光波長を変化させることができる。尚、井戸層、バリア層は、ｎ型でもｐ型でも半絶縁性でも良い。
【００４５】
上記実施例では、サファイア基板を用いたがSiC 、MgAl2O4 等を用いることができる。又、バッファ層にはAlN を用いたがAlGaN 、GaN 、InAlGaN 等を用いることができる。さらに、ｎ層４には、GaN を用いているが、InxGayAl1-x-yN等の３族窒化物半導体を用いることができる。同様に、クラッド層７１、第１コンタクト層７２、第２コンタクト層７３も、任意組成比のInxGayAl1-x-yN等の３族窒化物半導体を用いることができる。
【００４６】
コンタクト層は２層構造としたが１層構造でも良い。又、クラッド層７１の厚さは２nm〜70nm、第１コンタクト層７２の厚さは２nm〜100nm 、第２コンタクト層７３の厚さは２nm〜50nmが望ましい。クラッド層７１の厚さが２nmよりも薄いと、キャリアの閉じ込め効果が低下するため発光効率が低下するので望ましくない。第１コンタクト層７２の厚さが２nmよりも薄いと、注入されるホール数が減少するので発光効率が低下するので望ましくない。第２コンタクト層７３が２nmよりも薄いと、オーミック性が悪くなり接触抵抗が増大するので望ましくない。又、各層が上記の上限厚さを越えると、発光層がその成長温度以上に曝される時間が長くなり発光層の結晶性の改善効果が低下するので望ましくない。
【００４７】
又、クラッド層７１のホール濃度は1 ×1017〜 1×1018／cm3 が望ましい。ホール濃度が 1×1018／cm3 以上となると、不純物濃度が高くなり結晶性が低下し発光効率が低下するので望ましくなく、 1×1017／cm3 以下となると、直列抵抗が高くなり過ぎるので望ましくない。
【００４８】
第１コンタクト層７２は、マグネシウム(Mg)が１×１０19〜５×１０20／cm3 の範囲で第２コンタクト層７３のマグネシウム(Mg)濃度より低濃度に添加されｐ伝導型を示す層とすることで、その層のホール濃度を３×1017〜８×1017／cm3 と最大値を含む領域とすることができる。これにより、発光効率を低下させることがない。
【００４９】
第２コンタクト層７３は、マグネシウム(Mg)濃度を１×１０20〜１×１０21／cm3 とする場合が望ましい。マグネシウム(Mg)が１×１０20〜１×１０21／cm3 に添加されたｐ伝導型を示す層は、金属電極に対してオーミック性を向上させることができるが、ホール濃度が１×1017〜８×1017／cm3 とやや低下する。（駆動電圧５Ｖ以下にできる範囲を含む、オーミック性の改善からMg濃度が上記の範囲が良い。)
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の具体的な実施例に係る発光ダイオードの構成を示した構成図。
【図２】同実施例の発光ダイオードの製造工程を示した断面図。
【図３】同実施例の発光ダイオードの製造工程を示した断面図。
【図４】同実施例の発光ダイオードの色度の合成を示した説明図。
【図５】他の実施例の発光ダイオードの色度の合成を示した説明図。
【図６】他の実施例の発光ダイオードの量子井戸構造と各井戸層からの発光の波長強度特性の合成を示した説明図。
【図７】他の実施例の発光ダイオードの各井戸層からの発光の波長強度特性における光の合成を示した説明図。
【図８】他の実施例の発光ダイオードの各井戸層からの波長強度特性における光の合成を示した説明図。
【図９】他の実施例の発光ダイオードの発光層の構成を示した断面図。
【図１０】他の実施例の発光ダイオードの発光層の構成を示した断面図。
【図１１】他の実施例の発光ダイオードの発光層の構成を示した断面図。
【符号の説明】
１００…発光ダイオード
１…サファイア基板
２…バッファ層
３…高キャリア濃度ｎ+ 層
４…ｎ層
５…発光層
５１…第１多重量子井戸
５２…第２多重量子井戸
５３…第３多重量子井戸
５１２，５２２，５５２，５６２，５７２…井戸層
５１１，５２１，５５１，５６１，５７１……バリア層
７１…クラッド層
７２…第１コンタクト層
７２…第２コンタクト層
９…透明電極
【発明の属する技術分野】
本発明は、白色発光が可能な３族窒化物半導体発光素子に関する。
【０００２】
【従来技術】
従来、サファイア基板上に３族窒化物半導体を形成した発光素子が知られている。その発光素子は光の３原色の１つである青色を発光することから、フルカラーディスプレイ等への応用が期待されている。
【０００３】
一方、白色は人間の色感覚上、好感を持てる色であり、白色発光の発光ダイオード（ＬＥＤ）の開発が期待されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、従来の発光ダイオードにおいて、白色の発光を得るには、青色ＬＥＤ、赤色ＬＥＤ、緑色ＬＥＤの３つのチップを同一ステム上に配置して、各チップから発光する光の混合により白色発光を得ていた。このため、白色を得るためのチップ数が多くなり、製造が複雑になり、製造に時間がかかると共にコストが高くなるという問題が存在した。又、一般に、任意の混色発光のＬＥＤにおいても、３原色の各色を発光するＬＥＤを同一面に配列しなければならず、同様な問題がある。
【０００５】
従って、本発明は、上記の課題を解決するために成されたものであり、単一画素で任意の色度（彩度、色相）の光を発光するようにすることである。特に、等エネルギー白色と、略、等価な白色発光が得られるようにすることである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
多重量子井戸構造の各井戸層の混晶比を変化させることで禁制帯幅を変化させることができるので、発光のピーク波長を混晶比により変化させることができる。請求項１の発明では、３族窒化物半導体を用いた多重量子井戸構造の発光素子において、正負一対の電極により発光する積層された複数の井戸層の混晶比を変化させることにより、各井戸層からの発光の合成光の波長強度特性を所望の特性としたので、単一画素から任意の色度を有する光を発光させることができる。よって、従来のように、複数チップ、又は、複数画素からの光の混合により任意の色度を得るものではないので、製造が簡単となり、製造コストを削減することができる。
更に、人の感じる発光色の明度は、発光強度に依存するが、その発光強度は井戸層の厚さにより制御することができる。よって、請求項１のように構成することで、合成光の波長強度特性を変化させることができる。即ち、１画素で色度を変化させることができる。
【０００７】
井戸層の混晶比を変化させることで、発光のピーク波長を変化させることができるので、混晶比により発光のｘｙ色度図上における座標点を変化させることができる。よって、請求項２のように、発光する各井戸層のそれぞれの混晶比を、ｘｙ色度図上において、各井戸層の発光の各色度座標の平均値が、所望の座標となるような比とすることで、各井戸層からの光の合成光の色度を所望の値とすることができる。
【０００８】
又、請求項３のように、各井戸層からの発光の色度座標を、その各光の明度により加重した平均値が、所望の色度となるように、各井戸層の混晶比を選択することで、所望の色度の合成光を得ることができる。
【０００９】
又、請求項４のように、所望の色度座標を、略、等エネルギー白色光の座標（1/3,1/3)とすることで、１画素で白色光を得ることができる。
【００１０】
又、請求項５のように、少なくとも２つの発光する井戸層のそれぞれの混晶比を、各井戸層の発光の色度座標が、ｘｙ色度図上補色関係にある２点となるような比とすることで、１画素で白色光を得ることができる。
【００１２】
又、請求項６のように、各井戸層から放射された光の波長強度特性の総和が白色光の波長強度特性となるように、各井戸層のそれぞれの混晶比を設定することで、１画素により白色光を得ることができる。
【００１３】
又、請求項７のように、複数の井戸層は、光取出面に近い側から禁制帯幅が広くなるように混晶比を設定することで、各井戸層からの発光を前方に存在する井戸層での光吸収を防止することができ、光の取出効率が高くなるともに、色度の制御性が向上する。
【００１４】
さらに、請求項８のように、３族窒化物半導体として、(AlxGa1-X)yIn1-yN(0 ≦x ≦1;0 ≦y ≦1)を用い、各井戸層の混晶比ｘ，ｙを変化させることで、各井戸層の禁制帯幅を変化させ、発光のピーク波長を変化させることができる。Alの混晶比が高くなるほど禁制帯幅は広くなり、Inの混晶比が高くなるほど禁制帯幅は狭くなる。
【００１５】
さらに、請求項９に示すように、各井戸層の混晶比の変化に加えて、各井戸層又は／及びバリア層に、アクセプタ不純物又は／及びドナー不純物を、その種類又は／及び濃度を変化させて添加することで、各井戸層からの発光の色度を変化させることができ、混晶比と不純物とにより、発光の色度をより精密に制御することができる。更に、人の感じる発光色の明度は、発光強度に依存するが、その発光強度は井戸層の厚さにより制御することができる。よって、請求項５、請求項９に記載の発明に請求項１０のように構成を追加することで、合成光の波長強度特性を変化させることができる。即ち、１画素で色度を変化させることができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を具体的な実施例に基づいて説明する。なお本発明は下記実施例に限定されるものではない。
図１は本願実施例の発光素子100 全体図を示す。発光素子100 は、サファイア基板１を有しており、そのサファイア基板１上に0.05μｍのAlN バッファ層２が形成されている。
【００１７】
そのバッファ層２の上には、順に、膜厚約4.0 μｍ、電子濃度2 ×1018/cm3のシリコン(Si)ドープGaN から成る高キャリア濃度ｎ+ 層３、膜厚約0.5 μｍの電子濃度5 ×1017/cm3のシリコン(Si)ドープのGaN から成るｎ層４、全膜厚約65nmのInGaN の多重量子井戸から成る発光層５、膜厚約10ｎｍ，ホール濃度 2×1017/cm3, マグネシウム（Mg) 濃度 5×1019/cm3ドープのAl0.08Ga0.92N から成るｐ伝導型のクラッド層７１、膜厚約35ｎｍ，ホール濃度 3×1017/cm3のマグネシウム（Mg) 濃度 5×1019/cm3ドープのGaN から成る第１コンタクト層７２、膜厚約5 ｎｍ，ホール濃度 6×1017/cm3のマグネシウム（Mg) 濃度 1×1020/cm3ドープのGaN から成るｐ+ の第２コンタクト層７３が形成されている。そして、第２コンタクト層７３の上面全体にNi/Au の２重層からなる透明電極９が形成されその透明電極９の隅の部分にNi/Au の２重層からなるボンディングのためのパッド１０が形成されている。又、ｎ+ 層３上にはAlから成る電極８が形成されている。
【００１８】
発光層５は、図２に示すように、In0.1Ga0.9N から成るバリア層５１１とIn0.68Ga0.32N から成る井戸層５１２で構成された厚さ35nmの第１多重量子井戸５１と、In0.3Ga0.7N から成る井戸層５２２とIn0.05Ga0.95N から成るバリア層５２１で構成された厚さ30nmの第２多重量子井戸５２とで構成されている。
【００１９】
次に、この構造の半導体素子の製造方法について説明する。
上記発光素子100 は、有機金属気相成長法（以下ＭＯＶＰＥ）による気相成長により製造された。
用いられたガスは、アンモニア(NH3) 、キャリアガス（H2）、トリメチルガリウム(Ga(CH3)3)（以下「TMG 」と記す) 、トリメチルアルミニウム(Al(CH3)3)（以下「TMA 」と記す) 、トリメチルインジウム(In(CH3)3)（以下「TMI 」と記す) 、シラン(SiH4)、ジエチル亜鉛(Zn(C2H5)2) （以下、「DEZ 」と記す）とシクロペンタジエニルマグネシウム(Mg(C5H5)2)(以下「CP2Mg 」と記す）である。
【００２０】
まず、有機洗浄及び熱処理により洗浄したａ面を主面とし、単結晶のサファイア基板１をM0VPE 装置の反応室に載置されたサセプタに装着する。次に、常圧でH2を流速2 liter/分で約30分間反応室に流しながら温度1100℃でサファイア基板１をベーキングした。
【００２１】
次に、温度を 400℃まで低下させて、H2を20 liter／分、NH3 を10 liter／分、TMA を 1.8×10-5モル／分で約90秒間供給してAlN のバッファ層２を約0.05μｍの厚さに形成した。次に、サファイア基板１の温度を1150℃に保持し、H2を20liter／分、NH3 を10 liter／分、TMG を 1.7×10-4モル／分、H2ガスにより0.86ppm に希釈されたシランを20×10-8モル／分で40分導入し、膜厚約4.0 μｍ、電子濃度 1×1018/cm3、シリコン濃度 4×1018/cm3のシリコン(Si)ドープGaN から成る高キャリア濃度ｎ+ 層３を形成した。
【００２２】
上記の高キャリア濃度ｎ+ 層３を形成した後、続いて温度を1100°C に保持し、H2を20 liter／分、NH3 を10 liter／分、TMG を 1.12 ×10-4モル／分、H2ガスにより0.86ppm に希釈されたシランを10×10-9モル／分で30分導入し、膜厚約0.5 μｍ、電子濃度 5×1017/cm3、シリコン濃度 1×1018/cm3のシリコン(Si)ドープGaN から成るｎ層４を形成した。
【００２３】
その後、サファイア基板１の温度を660 ℃に保持し、N2又はH2を20 liter／分、NH3 を10 liter／分、TMG を2.0 ×10-4モル／分、TMI を0.03×10-4モル／分で1.5 分間導入して、成長速度0.1 μm/h で、膜厚約 5nmのIn0.1Ga0.9N から成るバリア層５１１を形成した。次に、サファイア基板１の温度を同一に保持して、N2又はH2、NH3 の供給量を一定として、TMG を7.2 ×10-5モル／分、TMI を0.19×10-4モル／分で1.5 分間導入して、成長速度0.1 μm/h で、膜厚約 5nmのIn0.68Ga0.32N から成る井戸層５１２を形成した。このような手順の繰り返しにより、図２に示すように、バリア層５１１と井戸層５１２とを交互に、４層と３層だけ積層した厚さ70nmの第１量子井戸５１を形成した。
【００２４】
次に、同様に、サファイア基板１の温度を660 ℃に保持し、N2又はH2の供給量は変化させることなく、TMG を1.6 ×10-4モル／分、TMI を0.08×10-4モル／分で1.5 分間導入して、成長速度0.1 μm/h で、膜厚約 5nmのIn0.3Ga0.7N から成る井戸層５２２を形成した。次に、サファイア基板１の温度を同一に保持して、N2又はH2の供給量を変化させることなく、TMG を2.1 ×10-4モル／分、TMI を0.01×10-4モル／分で1.5 分間導入し、成長速度0.1 μm/h で、膜厚約 5nmのIn0.05Ga0.95N から成るバリア層５２１を形成した。このような手順の繰り返しにより、図２に示すように、井戸層５２２とバリア層５２１とを交互に、それぞれ、３層だけ積層し厚さ60nmの第２量子井戸５２を形成した。
【００２５】
続いて、温度を1100℃に保持し、N2又はH2を20 liter／分、NH3 を10 liter／分、TMG を0.5 ×10-4モル／分、TMA を0.47×10-5モル／分、及び、CP2Mg を2 ×10-7モル／分で２分間導入し、膜厚約10ｎｍのマグネシウム(Mg)ドープのAl0.08Ga0.92N から成るクラッド層７１を形成した。クラッド層７１のマグネシウム濃度は 5×1019/cm3である。この状態では、クラッド層７１は、まだ、抵抗率108 Ωcm以上の絶縁体である。
【００２６】
次に、温度を1100℃に保持し、N2又はH2を20 liter／分、NH3 を10 liter／分、TMG を0.5 ×10-4モル／分、及び、CP2Mg を 2×10-8モル／分で４分間導入し、膜厚約35ｎｍのマグネシウム(Mg)ドープのGaN から成る第１コンタクト層７２を形成した。第１コンタクト層７２のマグネシウム濃度は 5×1019/cm3である。この状態では、第１コンタクト層７２は、まだ、抵抗率108 Ωcm以上の絶縁体である。
【００２７】
次に、温度を1100℃に保持し、N2又はH2を20 liter／分、NH3 を10 liter／分、TMG を0.5 ×10-4モル／分、及び、CP2Mg を 4×10-8モル／分で１分間導入し、膜厚約5 ｎｍのマグネシウム(Mg)ドープのGaN から成るｐ+ の第２コンタクト層７３を形成した。第２コンタクト層７３のマグネシウム濃度は 1×1020/cm3である。この状態では、第２コンタクト層７３は、まだ、抵抗率108 Ωcm以上の絶縁体である。
【００２８】
次に、電子線照射装置を用いて、第２コンタクト層７３，第１コンタクト層７２及びクラッド層７１に一様に電子線を照射した。電子線の照射条件は、加速電圧約10KV、資料電流１μＡ、ビームの移動速度0.2mm/sec 、ビーム径60μｍφ、真空度5.0 ×10-5Torrである。この電子線の照射により、第２コンタクト層７３，第１コンタクト層７２及びクラッド層７１は、それぞれ、ホール濃度 6×1017/cm3,3×1017/cm3,2×1017/cm3、抵抗率 2Ωcm, 1 Ωcm,0.7Ωcmのｐ伝導型半導体となった。このようにして多層構造のウエハが得られた。
【００２９】
次に、図２に示すように、第２コンタクト層７３の上に、Tiを2000Åの厚さに形成し、そのTi層の上にNiを9000Åの厚さに形成してTi/Ni の金属マスク層１１を形成した。そして、その金属マスク層１１の上に、フォトレジスト１２を塗布した。そして、フォトリソグラフにより、図２に示すように、第２コンタクト層７３上において、高キャリア濃度ｎ+ 層３に対する電極形成部位Ａ' のフォトレジスト１２を除去した。次に、図３に示すように、フォトレジスト１２によって覆われていない金属マスク層１１を酸性エッチング液で除去した。
【００３０】
次に、金属マスク層１１によって覆われていない部位の第２コンタクト層７３、第１コンタクト層７２、クラッド層７１、発光層５、ｎ層４を、真空度0.04Torr、高周波電力0.44W/cm2 、BCl3ガスを10 ml/分の割合で供給しドライエッチングした後、Arでドライエッチングした。この工程で、図４に示すように、高キャリア濃度ｎ+ 層３に対する電極取出しのための孔Ａが形成された。その後、金属マスク層１１を除去した。
【００３１】
次に、一様にNi/Au の２層を蒸着し、フォトレジストの塗布、フォトリソグラフィー工程、エッチング工程を経て、第２コンタクト層７３の上に透明電極９を形成した。そして、その透明電極９の一部にNi/Au の２層を蒸着してパッド１０を形成した。一方、ｎ+ 層３に対しては、アルミニウムを蒸着して電極８を形成した。その後、上記のごとく処理されたウエハは、各素子毎に切断され、図１に示す構造の発光ダイオードを得た。
【００３２】
この構造の発光ダイオード100 は、第１多重量子井戸５１からは、ピーク波長570nm の黄緑色を発光し、第２多重量子井戸５２からは、ピーク波長450nm の青色を発光した。この発光は、図４に示す色度図において、Ｖ点とＵ点とで表され、Ｖ点とＵ点とを結ぶ直線は、座標（1/3,1/3)の等エネルギー白色点を通る。即ち、Ｖ点の色度とＵ点の色度とは補色関係にある。よって、この２つの発光の混合により、白色発光を得ることができる。
【００３３】
尚、より精密な白色発光を得るためには、Ｖ点発光の明度とＵ点発光の明度とで重み付けして、Ｖ点の色度座標とＵ点の色度座標とを平均した値が座標（1/3,1/3)になるように、設計すれば良い。
【００３４】
即ち、
【数１】
｛( ｘV,ｙV ) ・ＭV ＋( ｘU,ｙU ) ・ＭU ｝／( ＭV ＋ＭU )=（1/3,1/3)
但し、( ｘV,ｙV ) はＶ点の色度座標、( ｘU,ｙU ) はＵ点の色度座標、ＭV , ＭU は、それぞれ、Ｖ点, Ｕ点の発光の明度である。
【００３５】
明度を決める発光強度は、各井戸層５１２、各井戸層５２２の厚さを変化させれば良い。量子井戸構造の場合には、井戸層の厚さをより薄くすることで発光効率が向上し、発光強度を増加させることができる。このように、第１多重量子井戸５１の混晶比を変化させることで、Ｖ点の色度座標を変化させることができ、第２多重量子井戸５２の混晶比を変化させることで、Ｕ点の色度座標を変化させることができる。よって、第１多重量子井戸５１の発光の色度座標及び明度と、第２多重量子井戸５２の発光の色度座標及び明度とが、上記の数１式を満たすように、それらの混晶比及び厚さを制御することで、純粋な白色発光を得ることができる。
【００３６】
又、上記の実施例では、発光波長の短い、即ち、禁制帯幅の広い第２多重量子井戸５２が、発光波長の長い、即ち、禁制帯幅の狭い第１多重量子井戸５１よりも光の取出面（透明電極９）側に存在する。このため、波長の長い570nm の発光は、第２多重量子井戸で吸収されることなく、外部に放出されるので、光の取出効率を高くすることができる。
【００３７】
上記の実施例では、発光波長を450nm と570nm に設定したが、上記の数１式の関係が満たされるならば、他の波長との組み合わせでも、純粋な白色光を得ることができる。さらに、数１式の左辺が得たい光の色度座標と等しくなるように、第１多重量子井戸５１と第２多重量子井戸５２の混晶比と厚さを決定することで、所望の色度の光を得ることができる。
【００３８】
さらに、上記の多重量子井戸を３つ以上設けても良い。例えば、図５に示すように、色度Ｔ，色度Ｒ，色度Ｓの光を放射する第１多重量子井戸、第２多重量子井戸、第３多重量子井戸を、基板１に近い側から設けることで、三角形ＴＲＳの内部に存在する任意の色度の光を得ることができる。この場合には、得たい光の色度座標を( ｘO,ｙO ) 、色度Ｔ，色度Ｒ，色度Ｓの座標と明度を、それぞれ、( ｘT,ｙT ) 、( ｘR,ｙR ) 、( ｘS,ｙS ) 、ＭT,ＭR,ＭS とすれば、次式を満たすように、各発光点の色度、明度を設定すれば良い。
【００３９】
【数２】
( ｘO,ｙO ) ＝｛( ｘT,ｙT ) ・ＭT ＋( ｘR,ｙR ) ・ＭR ＋( ｘS,ｙS ) ・ＭS ｝／( ＭT ＋ＭR ＋ＭS )
【００４０】
尚、各点での発光の輝度をＩT,ＩR,ＩS とする時、ＭT ＝ＩT ／ｙT ，ＭR ＝ＩR ／ｙR ,ＭS ＝ＩS ／ｙS でもある。この光の合成について、さらに、説明する。図６において、発光層５が、井戸層がIn0.5Ga0.5N の第１多重量子井戸５１、井戸層がIn0.46Ga0.54N の第２多重量子井戸５２、井戸層がIn0.43Ga0.57N の第３多重量子井戸５３とで構成されているとする。この時、第１多重量子井戸５１はピーク波長510nm 、第２多重量子井戸５２はピーク波長500nm 、第３多重量子井戸５３はピーク波長490nm の光を発光し、その波長強度特性は、図６に示すようになる。これらの光を合成することで、図７に示すように、スペクトルに広がりを持った光を得ることができる。即ち、純粋な白色に近い光を得ることができる。
【００４１】
さらに、各井戸層の混晶比を変化させると共に、井戸層の厚さを変化させることで、図８に示すような、波長強度特性を持つ光を各井戸層から発光させることができる。この合成光は、図８に示す波長強度特性を示し、より、等エネルギー白色を得ることができる。
【００４２】
尚、上記実施例では、各色度座標の発光を得るのに、多重量子井戸を用いているが、単一量子井戸で構成しても良い。即ち、１井戸層毎に混晶比を変化させた量子井戸構造で発光層５を構成しても良い。又、上記実施例では、InGaN 半導体で井戸層とバリア層とを形成したが、一般式(AlxGa1-X)yIn1-yN(0 ≦x1;0≦y ≦1)を満たす半導体により井戸層とバアリ層とを形成しても良い。
【００４３】
さらに、上記実施例では、井戸層を不純物無添加としたが、シリコン等のドナー不純物や、亜鉛等のアクセプタ不純物、その他、２族、４族、６族元素を不純物として添加しても良い。又、井戸層にドナー不純物とアクセプタ不純物とを共に添加しても良い。例えば、図９に示すように、発光層５を(AlxGa1-X)yIn
1-yN で井戸層５５２とバリア層５５１とで構成し、井戸層５５２にシリコンと亜鉛とを、それぞれ、1 ×1017〜1 ×1020/cm3範囲に添加しても良い。
【００４４】
又、図１０に示すように、バリア層５６１は無添加で、井戸層５６２について、ドナー不純物（例えば、シリコン）とアクセプタ不純物（例えば、亜鉛）を交互に添加しても良い。さらに、図１１に示すように、井戸層５７２にドナー不純物（例えば、シリコン）を添加し、バリア層５７１にアクセプタ不純物（例えば、亜鉛）を添加しても良いし、逆に、井戸層５７２にアクセプタ不純物を添加し、バリア層５７１にドナー不純物を添加しても良い。これらの不純物分布に関する特徴は、井戸層及びバリア層の混晶比と共に発光波長を変化させることができる。尚、井戸層、バリア層は、ｎ型でもｐ型でも半絶縁性でも良い。
【００４５】
上記実施例では、サファイア基板を用いたがSiC 、MgAl2O4 等を用いることができる。又、バッファ層にはAlN を用いたがAlGaN 、GaN 、InAlGaN 等を用いることができる。さらに、ｎ層４には、GaN を用いているが、InxGayAl1-x-yN等の３族窒化物半導体を用いることができる。同様に、クラッド層７１、第１コンタクト層７２、第２コンタクト層７３も、任意組成比のInxGayAl1-x-yN等の３族窒化物半導体を用いることができる。
【００４６】
コンタクト層は２層構造としたが１層構造でも良い。又、クラッド層７１の厚さは２nm〜70nm、第１コンタクト層７２の厚さは２nm〜100nm 、第２コンタクト層７３の厚さは２nm〜50nmが望ましい。クラッド層７１の厚さが２nmよりも薄いと、キャリアの閉じ込め効果が低下するため発光効率が低下するので望ましくない。第１コンタクト層７２の厚さが２nmよりも薄いと、注入されるホール数が減少するので発光効率が低下するので望ましくない。第２コンタクト層７３が２nmよりも薄いと、オーミック性が悪くなり接触抵抗が増大するので望ましくない。又、各層が上記の上限厚さを越えると、発光層がその成長温度以上に曝される時間が長くなり発光層の結晶性の改善効果が低下するので望ましくない。
【００４７】
又、クラッド層７１のホール濃度は1 ×1017〜 1×1018／cm3 が望ましい。ホール濃度が 1×1018／cm3 以上となると、不純物濃度が高くなり結晶性が低下し発光効率が低下するので望ましくなく、 1×1017／cm3 以下となると、直列抵抗が高くなり過ぎるので望ましくない。
【００４８】
第１コンタクト層７２は、マグネシウム(Mg)が１×１０19〜５×１０20／cm3 の範囲で第２コンタクト層７３のマグネシウム(Mg)濃度より低濃度に添加されｐ伝導型を示す層とすることで、その層のホール濃度を３×1017〜８×1017／cm3 と最大値を含む領域とすることができる。これにより、発光効率を低下させることがない。
【００４９】
第２コンタクト層７３は、マグネシウム(Mg)濃度を１×１０20〜１×１０21／cm3 とする場合が望ましい。マグネシウム(Mg)が１×１０20〜１×１０21／cm3 に添加されたｐ伝導型を示す層は、金属電極に対してオーミック性を向上させることができるが、ホール濃度が１×1017〜８×1017／cm3 とやや低下する。（駆動電圧５Ｖ以下にできる範囲を含む、オーミック性の改善からMg濃度が上記の範囲が良い。)
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の具体的な実施例に係る発光ダイオードの構成を示した構成図。
【図２】同実施例の発光ダイオードの製造工程を示した断面図。
【図３】同実施例の発光ダイオードの製造工程を示した断面図。
【図４】同実施例の発光ダイオードの色度の合成を示した説明図。
【図５】他の実施例の発光ダイオードの色度の合成を示した説明図。
【図６】他の実施例の発光ダイオードの量子井戸構造と各井戸層からの発光の波長強度特性の合成を示した説明図。
【図７】他の実施例の発光ダイオードの各井戸層からの発光の波長強度特性における光の合成を示した説明図。
【図８】他の実施例の発光ダイオードの各井戸層からの波長強度特性における光の合成を示した説明図。
【図９】他の実施例の発光ダイオードの発光層の構成を示した断面図。
【図１０】他の実施例の発光ダイオードの発光層の構成を示した断面図。
【図１１】他の実施例の発光ダイオードの発光層の構成を示した断面図。
【符号の説明】
１００…発光ダイオード
１…サファイア基板
２…バッファ層
３…高キャリア濃度ｎ+ 層
４…ｎ層
５…発光層
５１…第１多重量子井戸
５２…第２多重量子井戸
５３…第３多重量子井戸
５１２，５２２，５５２，５６２，５７２…井戸層
５１１，５２１，５５１，５６１，５７１……バリア層
７１…クラッド層
７２…第１コンタクト層
７２…第２コンタクト層
９…透明電極
Claims (10)
- ３族窒化物半導体を用いた多重量子井戸構造の発光素子において、正負一対の電極により発光する積層された複数の井戸層の混晶比を変化させることにより、各井戸層からの発光の合成光の波長強度特性を所望の特性とし、
前記各井戸層からの発光の強度は井戸層の厚さにより制御されることを特徴とする３族窒化物半導体発光素子。 - 発光する各井戸層のそれぞれの混晶比を、ｘｙ色度図上において、各井戸層の発光の各色度座標の平均値が、所望の座標となるような比としたことを特徴とする請求項１に記載の３族窒化物半導体発光素子。
- 前記平均値は、前記各井戸層からの発光の明度により加重された平均値であることを特徴とする請求項２に記載の３族窒化物半導体発光素子。
- 前記所望の座標は、略、等エネルギー白色光の座標（1/3,1/3)としたことを特徴とする請求項２又は請求項３に記載の３族窒化物半導体発光素子。
- ３族窒化物半導体を用いた多重量子井戸構造の発光素子において、正負一対の電極により発光する積層された複数の井戸層の混晶比を変化させることにより、各井戸層からの発光の合成光の波長強度特性を所望の特性とし、
少なくとも２つの発光する井戸層のそれぞれの混晶比を、各井戸層の発光の色度座標が、ｘｙ色度図上補色関係にある２点となるような比としたことを特徴とする３族窒化物半導体発光素子。 - 前記複数の井戸層は、各井戸層から放射された光の波長強度特性の総和が白色光の波長強度特性となるように、各井戸層のそれぞれの混晶比が設定されていることを特徴とする請求項１に記載の３族窒化物半導体発光素子。
- 前記複数の井戸層は、光取出面に近い側から禁制帯幅が広くなるように混晶比が設定されていることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の３族窒化物半導体発光素子。
- 前記３族窒化物半導体は(AlxGa1-X)yIn1-yN(0 ≦x ≦1;0 ≦y ≦1)であることを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれかに記載の３族窒化物半導体発光素子。
- ３族窒化物半導体を用いた多重量子井戸構造の発光素子において、正負一対の電極により発光する積層された複数の井戸層の混晶比を変化させることにより、各井戸層からの発光の合成光の波長強度特性を所望の特性とし、
前記各井戸層の混晶比の変化に加えて、前記各井戸層又は／及びバリア層に、アクセプタ不純物又は／及びドナー不純物を、その種類又は／及び濃度を変化させて添加することで、各井戸層からの発光の色度を変化させることを特徴とする３族窒化物半導体発光素子。 - 前記各井戸層からの発光の強度は井戸層の厚さにより制御されることを特徴とする請求項５又は請求項９に記載の３族窒化物半導体発光素子。
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