JP3559446B2 - 半導体発光素子および半導体発光装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体発光素子および半導体発光装置に関し、特に、窒化ガリウム系半導体からなる半導体発光素子であって、光を受けてその波長を変換する第２の発光層を備えた半導体発光素子および半導体発光装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
窒化ガリウム系半導体（ＢＩｎＡｌＧａＮ）は、その光学遷移が直接遷移型であるため高効率の発光再結合が可能であり、またその遷移エネルギーが２〜６．２ｅＶと広い。このため、短波長半導体レーザあるいは高輝度可視ＬＥＤ（ｌｉｇｈｔ ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｄｉｏｄｅ）などの高効率発光素子あるいは半導体発光装置の材料としてその開発が行われている。
【０００３】
なお、本願において「窒化ガリウム系半導体」とは、ＢｘＩｎｙＡｌｚＧａ（１−ｘ−ｙ−ｚ）Ｎ（Ｏ≦ｘ≦１、Ｏ≦ｙ≦１、Ｏ≦ｚ≦１）で表される化学式の組成ｘ、ｙ、ｚをそれぞれの範囲内で任意に設定したあらゆる化合物を含み、さらに、Ｖ族元素としては、Ｎに加えてリン（Ｐ）や砒素（Ａｓ）などを含有する混晶も含むものとする。
【０００４】
例えば、窒化ガリウム系半導体混晶のひとつであるＩｎｘＧａ１−ｘＮはＩｎ組成ｘを調節することにより、バンドギャップエネルギーをＧａＮの３．４ｅＶからＩｎＮの２ｅＶまで変えることができ、可視光の波長帯の発光素子用の活性層として用いることができる。現在のところ、このＩｎＧａＮ混晶を発光層としたＬＥＤが実現され、また半導体レーザにおいても電流注入によるレーザ発振が実現されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、ＩｎＧａＮ混晶の問題点として、結晶成長が困難とされるミスシビリティギャップの存在がある。現在のところ実現されている可視光ＬＥＤは、ＩｎＧａＮ混晶発光層を薄膜化して歪み格子系の接合を形成し、この格子歪エネルギーによって得られる準安定領域を用いてその結晶成長を可能にしている。
【０００６】
しかしながら、このようにして成長した混晶は、もともと不安定であるために、電流注入により発生する熱やデバイスの使用環境条件などの影響を受けやすく、これらが原因で特性劣化を起こしてしまうという問題があった。特に、緑色や黄色に対応する長波長の発光素子では、Ｉｎ組成ｘが高い混晶が必要とされるが、結晶の安定性はＩｎ組成の増加と共に低下していく。従って、従来はこれらの混晶系を用いた半導体発光素子において、高出力と長寿命とを実現することが困難であった。
【０００７】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものである。すなわち、その目的は、十分な寿命を有し、且つ青色や緑色など幅広い波長領域において発光波長を選択することができる半導体発光素子および半導体発光装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
すなわち、本発明の半導体発光素子は、第１の発光層と第２の発光層とを備え、前記第１の発光層に電子と正孔とを注入してこれらの再結合により第１の波長の光を放出させ、前記第１の発光層から放出された前記第１の波長の光を前記第２の発光層に吸収させて前記第１の波長の光とは異なる第２の波長の光を放出させるようにしたことを特徴とし、長寿命で高信頼性かつ発光波長や発光特性が良好な半導体発光素子を提供することができる。
【０００９】
または、本発明の半導体発光素子は、第１導電型の第１の半導体層と、前記第１の半導体層の上に設けられ第１のバンドギャップを有する第１の発光層と、前記第１の発光層の上に設けられた第２導電型の第２の半導体層と、前記第１のバンドギャップよりも小さい第２のバンドギャップを有する第２の発光層と、を備えたことを特徴とし、前記第１の発光層から放出した１次光を第２の発光層に吸収させて２次光を得ることができる。
【００１０】
または、本発明の半導体発光素子は、第１導電型の第１の半導体層と、前記第１の半導体層の上に設けられ第１のバンドギャップを有する第１の発光層と、前記第１の発光層の上に設けられた第２導電型の第２の半導体層と、前記第１のバンドギャップよりも小さい第２のバンドギャップを有する第２の発光層と、を備え、電圧を印加することにより前記第１の半導体層から前記第１の発光層に第１導電型のキャリアを注入し、前記第２の半導体層から前記第１の発光層に第２導電型のキャリアを注入し、前記第１の発光層に注入された前記第１導電型のキャリアと前記第２導電型のキャリアとが再結合することにより生ずる第１の波長の光を放出させ、前記第１の波長の光を前記第２の発光層に吸収させて、前記第１の波長よりも長い第２の波長の光を放出させるようにしたことを特徴とする。
【００１１】
ここで、前記第１の波長の光は、紫外線であり、前記第２の波長の光は、可視光であることを特徴とすることにより、可視光領域の種々の波長の発光を容易且つ高い信頼性で得ることができる。
【００１２】
また、前記第１の発光層から放出される光を反射する反射鏡をさらに備えたことにより、波長変換効率をさらに向上させることができる。
【００１３】
また、前記第２の発光層として、ＩｎＧａＮを用いることにより、従来は困難であった不安定な混晶領域の材料から高い信頼性の発光を得ることができる。
【００１４】
一方、本発明の半導体発光装置は、電流を注入して第１の波長の光を放出する半導体発光素子と、前記第１の波長の光を吸収して前記第１の波長とは異なる第２の波長の光を放出する半導体層と、を備えたことを特徴とし、長寿命、高信頼性で幅ひろい発光波長を選択することができる。
【００１５】
ここで、前記第１の波長の光は、紫外線であり、前記第２の波長の光は、可視光であることを特徴とすることにより、窒化ガリウム系半導体の発光素子からの紫外線を効率よく可視光に変換して高い信頼性の可視光を得ることができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明の骨子は、第１の発光層からの光を吸収し、波長を変換して放出する第２の発光層を具備し、発光特性や素子寿命などの点で優れた半導体発光素子を提供するものである。すなわち、本発明は、窒化ガリウム系半導体の積層構造からなり、ＧａＮを第１の発光層とし、さらにこの発光層からの発光を吸収して光励起として発光するＩｎＧａＮ系の第２の発光層を有することを特徴する。
【００１７】
以下に図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。
図１は本発明の第１の実施の形態に係わる窒化ガリウム系半導体発光素子の概略構成を表す断面図である。同図中、１０１はサファイア基板、１０２はバッファ層、１０３はＧａＮ層、１０４はＩｎＧａＮ系化合物からなる第２の発光層、１０５はＡｌＧａＮ系化合物からなるｎ型クラッド層兼コンタクト層、１０６は第１のＧａＮ発光層、１０７はＡｌＧａＮ系化合物からなるｐ型クラッド兼コンタクト層である。
【００１８】
本構造はＭＯＣＶＤ（ｍｅｔａｌ ｏｒｇａｎｉｃ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法で成長を行い、原料ガスとしては、例えばＧａ源のトリメチルガリウムやトリエチルガリウム、Ｉｎ源としてトリメチルインジウムやトリエチルインジウム、Ａｌ源としてトリメチルアルミニウムやトリエチルアルミニウム、Ｎ源としてアンモニアやヒドラジン等を用いることができる。また、ｎ型およびｐ型の不純物としてはそれぞれモノシラン、ビスシクロペンタジエニルマグネシウムを用いた。また１０８および１０９はそれぞれｐ側、ｎ側の電流注入用電極である。
【００１９】
ここで第２の発光層１０４は、ＩｎＧａＮを井戸層、ＧａＮを障壁層とした多重量子井戸構造としてあり、その井戸数は１５である。また井戸層のバンドギャップは、青色の発光波長に対応するようにＩｎ組成の調整を行っている。
【００２０】
この発光素子に順方向バイアスを加えて動作させたところ、基板１０１の裏面側から青色の発光が観察された。これは電流注入によりＧａＮからなる第１の発光層１０６から紫外光が発生し、その紫外光が第２の発光層１０４を構成するＩｎＧａＮ多重量子井戸に吸収されて波長が変換されて放出されたものである。
【００２１】
この発光の原理をバンド構造図を用いて説明する。
図２は、本発明による半導体発光素子の発光のメカニズムを説明するバンド構造図である。すなわち、順方向電圧を印加することにより、ｎ型クラッド層１０５から電子が第１の発光層１０６に注入され、また、ｐ型クラッド層１０７から正孔が第１の発光層１０６に注入される。このようにして第１の発光層１０６に注入された電子と正孔とは、再結合して発光が生ずる。ここで、ＧａＮからなる第１の発光層１０６は、約３．４ｅＶのバンドギャップを有し、そのバンドギャップに対応した波長約３６５ｎｍの紫外線領域の光を放出する。放出された紫外光は、第２の発光層１０４に到達する。ここで、第２の発光層を構成するＩｎＧａＮの多重量子井戸は、そのバンドギャップがおよそ２．７５ｅＶであるので、第１の発光層１０６から放出された紫外光をバンド間遷移により吸収し、キャリアが励起される。そして、第２の発光層１０４において励起されたキャリアが再結合する際に、そのバンドギャップに対応して、波長約４５０ｎｍの青色光を放出する。すなわち、第１の発光層１０６から放出された紫外光は、第２の発光層１０４において吸収され、波長が変換されて青色の光として放出される。
【００２２】
本発明によれば、結晶の安定性が懸念されるＩｎＧａＮ混晶に駆動電流が直接、注入されないために、素子の安定動作を実現できる。すなわち、ミスシビリティギャップを有する半導体層は、熱力学的に不安定であり、駆動電流を注入して発光動作を続けると、結晶の劣化が生じやすい。しかし、本発明によれば、第２の発光層には、駆動電流を注入する必要がないので、このような不安定な混晶を用いて、所定の波長の発光を安定して得ることができる。
【００２３】
また、本発明によれば第２の発光層１０４をＧａＮ層１０３とｎ型のＡｌＧａＮ層１０５とに隣接して配置している。すなわち、第２の発光層を構成するＩｎＧａＮ系多重量子井戸構造の近接層には、拡散しやすいｐ型不純物（Ｍｇ）のドーピングが行われていないため、その拡散による結晶品質の低下が起こらずに量子効率の高い発光層を形成することができる。その結果として、この素子では１００００時間を超える安定動作が確認できた。
【００２４】
また、本実施形態においては、第１の発光層１０６から放出される紫外光のうちで、図１の上方に向けて放出された光を、ｐ側電極１０８により反射して、第２の発光層１０４に効率良く吸収させることができる。その結果として、第２の発光層１０４による波長変換効率を高くすることができる。
【００２５】
本実施形態において、図示しない光反射層を設けても良い。例えば、第１の発光層１０６の上側と、第２の発光層１０４の下側、すなわち基板側にそれぞれ光反射層を設けることにより、第１の発光層１０６から放出された紫外光を反射させて第２の発光層１０４に効率良く救出させることができる。このような光反射層としては、例えば、異なる屈折率を有する２種類の材料を周期的に積層した、いわゆるブラッグ反射鏡を挙げることができる。例えば、ＢＩｎＡｌＧａＮの組成を適宜調節して、光屈折率が異なり、格子定数がおおむね合致するような２種類の層を周期的に積層することにより、ブラッグ反射鏡を形成することができる。
【００２６】
また、窒化ガリウム系半導体の積層構造の外側にこのようなブラッグ反射鏡を設けても良い。この場合には、発光素子の各層と格子定数が合致する必要もなく、例えば、酸化シリコン（ＳｉＯ２）と酸化チタン（ＴｉＯ２）との積層構造からなるブラッグ反射鏡を用いることもできる。
【００２７】
さらに、このようなブラッグ反射鏡は、それぞれの層の屈折率と層厚とを調節することにより、特定の波長に対して高い反射率を有するように構成することができる。そこで、第１の発光層から放出される波長に対して高い反射率を有するブラッグ反射鏡を設けることにより、第１の発光層からの光を高い効率で第２の発光層に吸収させ、しかも、第２の発光層から放出される光を外部に透過させることもできる。
【００２８】
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。
図３は、本発明の第２の実施形成に係わる半導体発光素子の概略断面図である。同図中、３０１はサファイア基板、３０２はバッファ層、３０３はｎ型ＧａＮ層コンタクト層、３０４はＡｌＧａＮ系化合物からなるｎ型クラッド層、３０５はＧａＮ系化合物からなる第１の発光層、３０６はＡｌＧａＮ系化合物からなる第１のｐ型クラッド層、３０７はｎ型ＧａＮからなる電流狭窄層、３０８はＡｌＧａＮ系化合物からなる第２のｐ型クラッド層兼コンタクト層、３０９はＩｎＧａＮ系化合物からなる第２の発光層である。また、３１０および３１１はそれぞれｐ側、ｎ側の電流注入用電極である。
【００２９】
ここで、ＩｎＧａＮ系材料からなる第２の発光層３０９は、ＩｎＧａＮを井戸層、ＧａＮを障壁層に用いた多重量子井戸構造とし、その井戸数は１５である。また井戸層のバンドギャップは青色の発光波長に対応するようにＩｎ組成が調整されている。
【００３０】
この半導体発光素子の積層構造の成長方法については、第１実施形態に準ずるものである。この半導体発光素子の製造工程について概略的に説明すると以下の如くである。まず、バッファ層３０２からｎ型ＧａＮ電流狭窄層３０７までＭＯＣＶＤ法で連続成長を行う。次に、パターン化マスキングを施し、ドライエッチングによりｎ型ＧａＮ電流狭窄層３０７の一部を取り除く。次に、再度ＭＯＣＶＤ法にて第２のＡ１ＧａＮ系ｐ型クラッド兼コンタクト層３０８と第２のｌｎＧａＮ系発光層３０９を成長する。次に、パターン化マスキングとドライエッチングにより、第２の発光層３０９を、ｎ型ＧａＮ電流狭窄層３０７の開口部分に対応するパターンに加工する。さらに、パターン化マスキングとドライエッチングにより、積層構造をエッチングしてｎ型ＧａＮ層コンタクト層３０３の一部を露出させる。最後に、第２のＡｌＧａＮ系ｐ型クラッド層兼コンタクト層３０８とｎ型ＧａＮ層コンタクト層３０３の表面に、それぞれｐ側電極３１０とｎ側電極３１１とを形成する。
【００３１】
このようにして得られた発光素子に順方向バイアスを加えたところ、第２のＩｎＧａＮ系発光層３０９の表面から青色の発光が観測された。その動作原理は前述した第１実施形態の場合と同様である。すなわち、電極から注入された電流は、ｎ型ＧａＮ電流狭窄層３０７によって選択的に第１のＧａＮ発光層３０５に注入されて紫外光を発光する。第１のＧａＮ発光層３０５から放出された紫外光は、その上部に位置する第２のＩｎＧａＮ系発光層３０９で吸収され、井戸層のバンドギャップに対応した青色の発光として放出される。
【００３２】
本実施形態によれば、前述した第１実施形態の場合と同様に、第２の発光層に電流を直接、注入することなく安定動作が可能であり、さらに、電流を狭窄して得られる点発光を集積化してＬＥＤアレイ構造を容易に作成することもできる。また、点発光光源として使用可能なため光ファイバへのカップリングが容易であり、光通信用光源としての応用も容易となる。
【００３３】
また、本実施形態においても、前述した第１実施形態の場合と同様にブラッグ反射鏡を適宜設けることより、第１の発光層３０５から放出された発光を高い効率で第２の発光層３０９に吸収させることができる。すなわち、波長変換効率をさらに改善することが可能となる。
【００３４】
次に、本発明の第３の実施の形態について説明する。
図４は、本発明の第３の実施形成に係わる半導体発光素子の概略断面図である。同図中、４０１はサファイア基板、４０２はバッファ層、４０３はＩｎＧａＮからなる第２の発光層、４０４はｎ型ＧａＮ層コンタクト層、４０５はＡｌＧａＮ系化合物からなるｎ型クラッド層、４０６はＧａＮ系化合物からなる第１の発光層、４０７はＡｌＧａＮ系化合物からなるｐ型クラッド層、４０８はＩｎＧａＮからなる第２の発光層、４０９はＧａＮからなるｐ型コンタクト層である。また、４１０、４１１は、それぞれｐ側、ｎ側の電流注入用電極である。
【００３５】
本実施形態においても、第１の発光層４０６から放出された紫外光を第２の発光層において波長変換して外部に取り出すことができ、前述した種々の効果を同様に得ることができる。
【００３６】
さらに、本実施形態においては、ＩｎＧａＮからなる第２の発光層をＧａＮからなる第１の発光層４０６の上下の両側に設けた点が特徴的である。すなわち、第１の発光層４０６に電流が注入されて放出された紫外光は、その上下に配置された第２の発光層４０３と４０８にそれぞれ吸収されて波長変換され、外部に放出される。
【００３７】
ここで、ＩｎＧａＮ系材料からなる第２の発光層４０３、４０８は、それぞれ、例えば、ＩｎＧａＮを井戸層、ＧａＮを障壁層に用いた多重量子井戸構造とすることができる。また、その井戸層の組成や層厚、層数は、必要とする発光波長に応じて適宜調節することもできる。
【００３８】
さらに、第２の発光層４０３と４０８の組成を同一のものとしても良く、または別の組成にしても良い。第２の発光層４０３と４０８とを同一の組成とした場合には、第１の発光層４０６から上下に放出された紫外光をその両側において効率良く吸収し、効率良く波長変換することができる。また、第２の発光層４０３と４０８の組成を異なるものとした場合には、第１の発光層４０６からの紫外光を吸収して、それぞれ異なる波長の光に変換して取り出すことができるようにすることもできる。すなわち、いわゆる「２波長型」の発光素子を容易に形成することができる。
また、本実施形態において、更に、図示しない３層目の第２の発光層を適宜設けることにより、いわゆる「３波長型」の発光素子を形成することもできる。例えば、第１の発光層４０６の上下のいずれかに適宜、紫外光を吸収してそれぞれ、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の光を放出する第２の発光層を設けることによりれ、ＲＧＢの３波長の光を放出する発光素子を極めてコンパクトに形成することができる。
【００３９】
この半導体発光素子の積層構造の成長方法については、前述した第１および第２実施形態に準ずるものであるので、その詳細は省略する。また、本実施形態においても、第２実施形態の場合と同様に、電流阻止層を設けても良い。
【００４０】
次に、本発明の第４の実施の形態について説明する。
図５は、本発明の第４の実施形成に係わる半導体発光素子の概略断面図である。同図中、５０１はサファイア基板、５０２はバッファ層、５０３はｎ型ＧａＮ層コンタクト層、５０４はＡｌＧａＮ系化合物からなるｎ型クラッド層、５０５はＧａＮ系化合物からなる第１の発光層、５０６はＡｌＧａＮ系化合物からなるｐ型クラッド層、５０７はブラッグ反射鏡、５０８はｐ型ＧａＮ層、５０９はＩｎＧａＮからなる第２の発光層、５１０はＧａＮからなるｐ型コンタクト層である。また、５１１、５１２は、それぞれｐ側、ｎ側の電流注入用電極である。さらに、５２０は、光反射鏡である。
【００４１】
本実施形態においても、第１の発光層５０５から放出された紫外光を第２の発光層５０９において波長変換して外部に取り出すことができ、前述した種々の効果を同様に得ることができる。
【００４２】
さらに、本実施形態においては、第１の発光層５０５と第２の発光層５０９との間にブラッグ反射鏡５０７を設けた点が特徴的である。ここで、ブラッグ反射鏡５０７は、第１の実施形態において説明したように、屈折率の異なる２種類の層を交互に積層して形成することができる。また、このブラッグ反射鏡５０７は、第１の発光層５０５から放出される紫外光に対しては、透過性を有し、第２の発光層５０９から放出される２次光に対しては、高い反射率を有するように構成することが望ましい。このようにすれば、第１の発光層５０５から放出された紫外光は、ブラッグ反射鏡５０７を透過して第２の発光層５０９において波長変換され、放出された２次光のうちで、第１の発光層５０５の方向に出射した成分をブラッグ反射鏡５０７で効果的に反射して、発光素子の上方に高い効率で取り出すことができる。ここで、ｐ側電極５１１をＩＴＯ（ｉｎｄｉｕｍ ｔｉｎ ｏｘｉｄｅ）などの透光性の材料により形成すれば、光の取り出しがさらに容易となる。また、本実施形態においては、基板の裏面側に光反射鏡５２０を設けたために、第１の発光層５０５から下方向に放出された紫外光を効率良く反射して、第２の発光層に導くことができる。ここで、光反射鏡５２０は、例えば、金属膜とすることができる。
【００４３】
また、本実施形態においては、ブラッグ反射鏡５０７を窒化ガリウム系半導体の積層構造の中に設けるので、上下の半導体層と格子定数がなるべく合致するような材料を用いて構成することが望ましい。例えば、格子定数が近く、光屈折率が異なる２種類の窒化ガリウム系半導体層を交互に積層してブラッグ反射鏡５０７を形成することができる。
【００４４】
また、本実施形態においても第２実施形態において説明した電流阻止層や第３実施形態において説明した複数の第２の発光層を設けることにより、それぞれ同様の効果を得ることができる。
【００４５】
次に、本発明の第５の実施の形態について説明する。
図６は、本発明の第５の実施例に係わるＬＥＤランプの断面構造を表す概略図である。同図に表したように、本実施形態は、チップ表面から透光性導電膜を通して光を取り出すＬＥＤ６０１と、その光を吸収して発光する半導体層６０２とを同一の樹脂６０３中に封入してなる。ＬＥＤ６０１は、ステム６０４の上にマウントされ、ワイア６０５、６０５により接続されている。ここでＬＥＤ６０１は、例えば、活性層６０１−１（第１の発光層）をＧａＮとした紫外発光ＬＥＤとすることができる。また、光を吸収して発光する半導体層６０２（第２の発光層）は、例えば、サファイア基板６０２−１の上に成長したＩｎＧａＮ井戸層とＧａＮ障壁層との多重量子井戸構造とすることができる。その半導体層６０２は、井戸層のバンドギャップが青色に対応するようにＩｎ組成を調整することができる。
【００４６】
本構造の優れた特徴は、前述した第１実施形態および第２実施形態の構造と同様に、安定動作が可能であることにある。また、第２の発光層６０２の材料を適宜選択することにより、様々な波長域の発光を安定して得ることができる。
【００４７】
本実施形態においてＬＥＤ６０１に順方向バイアスを加えたところ、半導体層４０２の基板側から青色の発光が観察された。動作電流を２０ｍＡにしたとき、青色の発光は放射角度８°で１ｃｄの光出力を示した。
【００４８】
以上、具体例を参照しつつ本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明は、これらの具体例に限定されるものでは無い。例えば、前述した具体例においては、第１の発光層をアンドープのＧａＮ層としているが本発明は、これに限定されるものではない。すなわち、第１の発光層は、第２の発光層よりも大きいバンドギャップを有する材料であれば良い。また、その発光強度が最大となるように不純物を適宜ドーピングしても良い。その材料も、ＧａＮに限定されず、例えば、ＢやＡｌやＩｎなどを適宜混合しても良い。さらに、その膜厚についても適宜調整する必要があることは言うまでもない。
【００４９】
一方、第２の発光層についても、前述した具体例においては、ｌｎＧａＮ／ＧａＮ系多重量子井戸構造などとしたが、その他にも、ＢＩｎＡｌＧａＮを適宜用いた構造により同様の効果を得ることができる。すなわち、第１の発光層よりも小さいバンドギャップを有する材料を採用したものであれば良い。また、多重量子井戸構造において、井戸層や障壁層の膜厚や層数についても、適宜調節することができる。すなわち、井戸層の組成や膜厚により発光波長を調節することができ、層数によって発光強度を調節できることもまた言うまでもない。また、多重量子井戸でなくとも良い。
【００５０】
一方、電極との接触を確保するコンタクト層の材料も前述したＡｌＧａＮ層に限定されず、必要に応じてＧａＮ層やＩｎＧａＮ層を用いることができる。
【００５１】
また、半導体層をエピタキシャル成長させる基板も、前述したサファイアに限定されず、その他にも、例えば、スピネル、ＳｃＡｌＭｇＯ４、ＬａＳｒＧａＯ４、（ＬａＳｒ）（ＡｌＴａ）Ｏ３などの絶縁性基板や、ＳｉＣ、ＭｇＯ、Ｓｉなどの導電性基板も同様に用いてそれぞれの効果を得ることができる。
【００５２】
一方、第２実施形態においては、いわゆる電流狭窄構造を有する半導体発光素子を示したが、電流狭窄層を備えない場合でも光取り出し特性は若干低下するものの、製造が簡便になるメリットは大きい。
【００５３】
また、前述した具体例においては、第１の発光層と第２の発光層とは同一素子中に成長し、あるいは組み合わせ構造型ランプとして示したが、これら２つの発光層をそれぞれ別々の半導体積層構造に形成し、これらの半導体積層構造を接着してひとつの発光素子として構成してもよい。
【００５４】
その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施可能である。
【００５５】
【発明の効果】
本発明は以上説明した形態で実施され以下に説明する効果を奏する。
【００５６】
まず、本発明によれば、第２の発光層に対して直接、駆動電流を高い密度で注入することなく、発光させることができる。その結果として、第２の発光層の劣化を防止し、従来よりもはるかに安定した発光特性を得ることができる。また、第２の発光層における発熱が抑制されるので、発熱に起因した劣化も顕著に抑制することができる。その結果として、例えば、ＩｎＧａＮ混晶系におけるミスシビリティギャップの組成領域の化合物を発光層として用いた場合においても、従来よりはるかに劣化が少なく、長寿命の発光素子を提供することができる。
【００５７】
また、本発明によれば、このように第２の発光層の材料の選択範囲を大きく広げることができるので、従来よりもはるかに容易に、種々の波長の発光を得ることができるようになる。さらに、複数の第２の発光層を設けることにより、いわゆる「多波長型」の発光素子を容易に実現することができる。
【００５８】
さらに、本発明によれば、第２の発光層に対しては、電子と正孔とを注入する必要がない。従って、第２の発光層の上下をｐ型とｎ型の半導体層で挟む必要がない。また、第２の発光層に光を閉じこめるためにクラッド層で挟む場合においても、クラッド層をドーピングする必要がない。その結果として、隣接層から第２の発光層へマグネシウムなどの不純物が拡散することによる劣化を解消することができる。
【００５９】
さらに、本発明によれば、ブラッグ反射鏡などの反射層を適宜設けることにより光変換効率を改善して、高出力で高信頼性且つ長寿命の発光素子を容易に実現することができる。
【００６０】
以上詳述したように、本発明によれば、高信頼性且つ高性能の半導体発光素子を実現することができ、産業上のメリットは多大である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係わる窒化ガリウム系半導体発光素子の概略構成を表す断面図である。
【図２】本発明による半導体発光素子の発光のメカニズムを説明するバンド構造図である。
【図３】本発明の第２の実施形成に係わる半導体発光素子の概略断面図である。
【図４】本発明の第３の実施形成に係わる半導体発光素子の概略断面図である。
【図５】本発明の第４の実施形成に係わる半導体発光素子の概略断面図である。
【図６】本発明の第３の実施例に係わるＬＥＤランプの断面構造を表す概略図である。
【符号の説明】
１０１、３０１、４０１、５０１ 基板
１０２、３０２、４０２、５０２ バッファ層
１０３、５０８ ＧａＮ層
１０４、３０９、４０３、４０８、５０９ 第２の発光層
１０５、３０３、４０４ ｎ型コンタクト層兼クラッド層
１０６、３０５、４０６、５０５ 第１の発光層
１０７、３０８、４０７、５０６ ｐ型クラッド層
１０８、３１０、４１０、５１１ ｐ側電極
１０９、３１１、４１１、５１２ ｎ側電極
５０７ ブラッグ反射鏡
５２０ 光反射鏡
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体発光素子および半導体発光装置に関し、特に、窒化ガリウム系半導体からなる半導体発光素子であって、光を受けてその波長を変換する第２の発光層を備えた半導体発光素子および半導体発光装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
窒化ガリウム系半導体（ＢＩｎＡｌＧａＮ）は、その光学遷移が直接遷移型であるため高効率の発光再結合が可能であり、またその遷移エネルギーが２〜６．２ｅＶと広い。このため、短波長半導体レーザあるいは高輝度可視ＬＥＤ（ｌｉｇｈｔ ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｄｉｏｄｅ）などの高効率発光素子あるいは半導体発光装置の材料としてその開発が行われている。
【０００３】
なお、本願において「窒化ガリウム系半導体」とは、ＢｘＩｎｙＡｌｚＧａ（１−ｘ−ｙ−ｚ）Ｎ（Ｏ≦ｘ≦１、Ｏ≦ｙ≦１、Ｏ≦ｚ≦１）で表される化学式の組成ｘ、ｙ、ｚをそれぞれの範囲内で任意に設定したあらゆる化合物を含み、さらに、Ｖ族元素としては、Ｎに加えてリン（Ｐ）や砒素（Ａｓ）などを含有する混晶も含むものとする。
【０００４】
例えば、窒化ガリウム系半導体混晶のひとつであるＩｎｘＧａ１−ｘＮはＩｎ組成ｘを調節することにより、バンドギャップエネルギーをＧａＮの３．４ｅＶからＩｎＮの２ｅＶまで変えることができ、可視光の波長帯の発光素子用の活性層として用いることができる。現在のところ、このＩｎＧａＮ混晶を発光層としたＬＥＤが実現され、また半導体レーザにおいても電流注入によるレーザ発振が実現されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、ＩｎＧａＮ混晶の問題点として、結晶成長が困難とされるミスシビリティギャップの存在がある。現在のところ実現されている可視光ＬＥＤは、ＩｎＧａＮ混晶発光層を薄膜化して歪み格子系の接合を形成し、この格子歪エネルギーによって得られる準安定領域を用いてその結晶成長を可能にしている。
【０００６】
しかしながら、このようにして成長した混晶は、もともと不安定であるために、電流注入により発生する熱やデバイスの使用環境条件などの影響を受けやすく、これらが原因で特性劣化を起こしてしまうという問題があった。特に、緑色や黄色に対応する長波長の発光素子では、Ｉｎ組成ｘが高い混晶が必要とされるが、結晶の安定性はＩｎ組成の増加と共に低下していく。従って、従来はこれらの混晶系を用いた半導体発光素子において、高出力と長寿命とを実現することが困難であった。
【０００７】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものである。すなわち、その目的は、十分な寿命を有し、且つ青色や緑色など幅広い波長領域において発光波長を選択することができる半導体発光素子および半導体発光装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
すなわち、本発明の半導体発光素子は、第１の発光層と第２の発光層とを備え、前記第１の発光層に電子と正孔とを注入してこれらの再結合により第１の波長の光を放出させ、前記第１の発光層から放出された前記第１の波長の光を前記第２の発光層に吸収させて前記第１の波長の光とは異なる第２の波長の光を放出させるようにしたことを特徴とし、長寿命で高信頼性かつ発光波長や発光特性が良好な半導体発光素子を提供することができる。
【０００９】
または、本発明の半導体発光素子は、第１導電型の第１の半導体層と、前記第１の半導体層の上に設けられ第１のバンドギャップを有する第１の発光層と、前記第１の発光層の上に設けられた第２導電型の第２の半導体層と、前記第１のバンドギャップよりも小さい第２のバンドギャップを有する第２の発光層と、を備えたことを特徴とし、前記第１の発光層から放出した１次光を第２の発光層に吸収させて２次光を得ることができる。
【００１０】
または、本発明の半導体発光素子は、第１導電型の第１の半導体層と、前記第１の半導体層の上に設けられ第１のバンドギャップを有する第１の発光層と、前記第１の発光層の上に設けられた第２導電型の第２の半導体層と、前記第１のバンドギャップよりも小さい第２のバンドギャップを有する第２の発光層と、を備え、電圧を印加することにより前記第１の半導体層から前記第１の発光層に第１導電型のキャリアを注入し、前記第２の半導体層から前記第１の発光層に第２導電型のキャリアを注入し、前記第１の発光層に注入された前記第１導電型のキャリアと前記第２導電型のキャリアとが再結合することにより生ずる第１の波長の光を放出させ、前記第１の波長の光を前記第２の発光層に吸収させて、前記第１の波長よりも長い第２の波長の光を放出させるようにしたことを特徴とする。
【００１１】
ここで、前記第１の波長の光は、紫外線であり、前記第２の波長の光は、可視光であることを特徴とすることにより、可視光領域の種々の波長の発光を容易且つ高い信頼性で得ることができる。
【００１２】
また、前記第１の発光層から放出される光を反射する反射鏡をさらに備えたことにより、波長変換効率をさらに向上させることができる。
【００１３】
また、前記第２の発光層として、ＩｎＧａＮを用いることにより、従来は困難であった不安定な混晶領域の材料から高い信頼性の発光を得ることができる。
【００１４】
一方、本発明の半導体発光装置は、電流を注入して第１の波長の光を放出する半導体発光素子と、前記第１の波長の光を吸収して前記第１の波長とは異なる第２の波長の光を放出する半導体層と、を備えたことを特徴とし、長寿命、高信頼性で幅ひろい発光波長を選択することができる。
【００１５】
ここで、前記第１の波長の光は、紫外線であり、前記第２の波長の光は、可視光であることを特徴とすることにより、窒化ガリウム系半導体の発光素子からの紫外線を効率よく可視光に変換して高い信頼性の可視光を得ることができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明の骨子は、第１の発光層からの光を吸収し、波長を変換して放出する第２の発光層を具備し、発光特性や素子寿命などの点で優れた半導体発光素子を提供するものである。すなわち、本発明は、窒化ガリウム系半導体の積層構造からなり、ＧａＮを第１の発光層とし、さらにこの発光層からの発光を吸収して光励起として発光するＩｎＧａＮ系の第２の発光層を有することを特徴する。
【００１７】
以下に図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。
図１は本発明の第１の実施の形態に係わる窒化ガリウム系半導体発光素子の概略構成を表す断面図である。同図中、１０１はサファイア基板、１０２はバッファ層、１０３はＧａＮ層、１０４はＩｎＧａＮ系化合物からなる第２の発光層、１０５はＡｌＧａＮ系化合物からなるｎ型クラッド層兼コンタクト層、１０６は第１のＧａＮ発光層、１０７はＡｌＧａＮ系化合物からなるｐ型クラッド兼コンタクト層である。
【００１８】
本構造はＭＯＣＶＤ（ｍｅｔａｌ ｏｒｇａｎｉｃ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法で成長を行い、原料ガスとしては、例えばＧａ源のトリメチルガリウムやトリエチルガリウム、Ｉｎ源としてトリメチルインジウムやトリエチルインジウム、Ａｌ源としてトリメチルアルミニウムやトリエチルアルミニウム、Ｎ源としてアンモニアやヒドラジン等を用いることができる。また、ｎ型およびｐ型の不純物としてはそれぞれモノシラン、ビスシクロペンタジエニルマグネシウムを用いた。また１０８および１０９はそれぞれｐ側、ｎ側の電流注入用電極である。
【００１９】
ここで第２の発光層１０４は、ＩｎＧａＮを井戸層、ＧａＮを障壁層とした多重量子井戸構造としてあり、その井戸数は１５である。また井戸層のバンドギャップは、青色の発光波長に対応するようにＩｎ組成の調整を行っている。
【００２０】
この発光素子に順方向バイアスを加えて動作させたところ、基板１０１の裏面側から青色の発光が観察された。これは電流注入によりＧａＮからなる第１の発光層１０６から紫外光が発生し、その紫外光が第２の発光層１０４を構成するＩｎＧａＮ多重量子井戸に吸収されて波長が変換されて放出されたものである。
【００２１】
この発光の原理をバンド構造図を用いて説明する。
図２は、本発明による半導体発光素子の発光のメカニズムを説明するバンド構造図である。すなわち、順方向電圧を印加することにより、ｎ型クラッド層１０５から電子が第１の発光層１０６に注入され、また、ｐ型クラッド層１０７から正孔が第１の発光層１０６に注入される。このようにして第１の発光層１０６に注入された電子と正孔とは、再結合して発光が生ずる。ここで、ＧａＮからなる第１の発光層１０６は、約３．４ｅＶのバンドギャップを有し、そのバンドギャップに対応した波長約３６５ｎｍの紫外線領域の光を放出する。放出された紫外光は、第２の発光層１０４に到達する。ここで、第２の発光層を構成するＩｎＧａＮの多重量子井戸は、そのバンドギャップがおよそ２．７５ｅＶであるので、第１の発光層１０６から放出された紫外光をバンド間遷移により吸収し、キャリアが励起される。そして、第２の発光層１０４において励起されたキャリアが再結合する際に、そのバンドギャップに対応して、波長約４５０ｎｍの青色光を放出する。すなわち、第１の発光層１０６から放出された紫外光は、第２の発光層１０４において吸収され、波長が変換されて青色の光として放出される。
【００２２】
本発明によれば、結晶の安定性が懸念されるＩｎＧａＮ混晶に駆動電流が直接、注入されないために、素子の安定動作を実現できる。すなわち、ミスシビリティギャップを有する半導体層は、熱力学的に不安定であり、駆動電流を注入して発光動作を続けると、結晶の劣化が生じやすい。しかし、本発明によれば、第２の発光層には、駆動電流を注入する必要がないので、このような不安定な混晶を用いて、所定の波長の発光を安定して得ることができる。
【００２３】
また、本発明によれば第２の発光層１０４をＧａＮ層１０３とｎ型のＡｌＧａＮ層１０５とに隣接して配置している。すなわち、第２の発光層を構成するＩｎＧａＮ系多重量子井戸構造の近接層には、拡散しやすいｐ型不純物（Ｍｇ）のドーピングが行われていないため、その拡散による結晶品質の低下が起こらずに量子効率の高い発光層を形成することができる。その結果として、この素子では１００００時間を超える安定動作が確認できた。
【００２４】
また、本実施形態においては、第１の発光層１０６から放出される紫外光のうちで、図１の上方に向けて放出された光を、ｐ側電極１０８により反射して、第２の発光層１０４に効率良く吸収させることができる。その結果として、第２の発光層１０４による波長変換効率を高くすることができる。
【００２５】
本実施形態において、図示しない光反射層を設けても良い。例えば、第１の発光層１０６の上側と、第２の発光層１０４の下側、すなわち基板側にそれぞれ光反射層を設けることにより、第１の発光層１０６から放出された紫外光を反射させて第２の発光層１０４に効率良く救出させることができる。このような光反射層としては、例えば、異なる屈折率を有する２種類の材料を周期的に積層した、いわゆるブラッグ反射鏡を挙げることができる。例えば、ＢＩｎＡｌＧａＮの組成を適宜調節して、光屈折率が異なり、格子定数がおおむね合致するような２種類の層を周期的に積層することにより、ブラッグ反射鏡を形成することができる。
【００２６】
また、窒化ガリウム系半導体の積層構造の外側にこのようなブラッグ反射鏡を設けても良い。この場合には、発光素子の各層と格子定数が合致する必要もなく、例えば、酸化シリコン（ＳｉＯ２）と酸化チタン（ＴｉＯ２）との積層構造からなるブラッグ反射鏡を用いることもできる。
【００２７】
さらに、このようなブラッグ反射鏡は、それぞれの層の屈折率と層厚とを調節することにより、特定の波長に対して高い反射率を有するように構成することができる。そこで、第１の発光層から放出される波長に対して高い反射率を有するブラッグ反射鏡を設けることにより、第１の発光層からの光を高い効率で第２の発光層に吸収させ、しかも、第２の発光層から放出される光を外部に透過させることもできる。
【００２８】
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。
図３は、本発明の第２の実施形成に係わる半導体発光素子の概略断面図である。同図中、３０１はサファイア基板、３０２はバッファ層、３０３はｎ型ＧａＮ層コンタクト層、３０４はＡｌＧａＮ系化合物からなるｎ型クラッド層、３０５はＧａＮ系化合物からなる第１の発光層、３０６はＡｌＧａＮ系化合物からなる第１のｐ型クラッド層、３０７はｎ型ＧａＮからなる電流狭窄層、３０８はＡｌＧａＮ系化合物からなる第２のｐ型クラッド層兼コンタクト層、３０９はＩｎＧａＮ系化合物からなる第２の発光層である。また、３１０および３１１はそれぞれｐ側、ｎ側の電流注入用電極である。
【００２９】
ここで、ＩｎＧａＮ系材料からなる第２の発光層３０９は、ＩｎＧａＮを井戸層、ＧａＮを障壁層に用いた多重量子井戸構造とし、その井戸数は１５である。また井戸層のバンドギャップは青色の発光波長に対応するようにＩｎ組成が調整されている。
【００３０】
この半導体発光素子の積層構造の成長方法については、第１実施形態に準ずるものである。この半導体発光素子の製造工程について概略的に説明すると以下の如くである。まず、バッファ層３０２からｎ型ＧａＮ電流狭窄層３０７までＭＯＣＶＤ法で連続成長を行う。次に、パターン化マスキングを施し、ドライエッチングによりｎ型ＧａＮ電流狭窄層３０７の一部を取り除く。次に、再度ＭＯＣＶＤ法にて第２のＡ１ＧａＮ系ｐ型クラッド兼コンタクト層３０８と第２のｌｎＧａＮ系発光層３０９を成長する。次に、パターン化マスキングとドライエッチングにより、第２の発光層３０９を、ｎ型ＧａＮ電流狭窄層３０７の開口部分に対応するパターンに加工する。さらに、パターン化マスキングとドライエッチングにより、積層構造をエッチングしてｎ型ＧａＮ層コンタクト層３０３の一部を露出させる。最後に、第２のＡｌＧａＮ系ｐ型クラッド層兼コンタクト層３０８とｎ型ＧａＮ層コンタクト層３０３の表面に、それぞれｐ側電極３１０とｎ側電極３１１とを形成する。
【００３１】
このようにして得られた発光素子に順方向バイアスを加えたところ、第２のＩｎＧａＮ系発光層３０９の表面から青色の発光が観測された。その動作原理は前述した第１実施形態の場合と同様である。すなわち、電極から注入された電流は、ｎ型ＧａＮ電流狭窄層３０７によって選択的に第１のＧａＮ発光層３０５に注入されて紫外光を発光する。第１のＧａＮ発光層３０５から放出された紫外光は、その上部に位置する第２のＩｎＧａＮ系発光層３０９で吸収され、井戸層のバンドギャップに対応した青色の発光として放出される。
【００３２】
本実施形態によれば、前述した第１実施形態の場合と同様に、第２の発光層に電流を直接、注入することなく安定動作が可能であり、さらに、電流を狭窄して得られる点発光を集積化してＬＥＤアレイ構造を容易に作成することもできる。また、点発光光源として使用可能なため光ファイバへのカップリングが容易であり、光通信用光源としての応用も容易となる。
【００３３】
また、本実施形態においても、前述した第１実施形態の場合と同様にブラッグ反射鏡を適宜設けることより、第１の発光層３０５から放出された発光を高い効率で第２の発光層３０９に吸収させることができる。すなわち、波長変換効率をさらに改善することが可能となる。
【００３４】
次に、本発明の第３の実施の形態について説明する。
図４は、本発明の第３の実施形成に係わる半導体発光素子の概略断面図である。同図中、４０１はサファイア基板、４０２はバッファ層、４０３はＩｎＧａＮからなる第２の発光層、４０４はｎ型ＧａＮ層コンタクト層、４０５はＡｌＧａＮ系化合物からなるｎ型クラッド層、４０６はＧａＮ系化合物からなる第１の発光層、４０７はＡｌＧａＮ系化合物からなるｐ型クラッド層、４０８はＩｎＧａＮからなる第２の発光層、４０９はＧａＮからなるｐ型コンタクト層である。また、４１０、４１１は、それぞれｐ側、ｎ側の電流注入用電極である。
【００３５】
本実施形態においても、第１の発光層４０６から放出された紫外光を第２の発光層において波長変換して外部に取り出すことができ、前述した種々の効果を同様に得ることができる。
【００３６】
さらに、本実施形態においては、ＩｎＧａＮからなる第２の発光層をＧａＮからなる第１の発光層４０６の上下の両側に設けた点が特徴的である。すなわち、第１の発光層４０６に電流が注入されて放出された紫外光は、その上下に配置された第２の発光層４０３と４０８にそれぞれ吸収されて波長変換され、外部に放出される。
【００３７】
ここで、ＩｎＧａＮ系材料からなる第２の発光層４０３、４０８は、それぞれ、例えば、ＩｎＧａＮを井戸層、ＧａＮを障壁層に用いた多重量子井戸構造とすることができる。また、その井戸層の組成や層厚、層数は、必要とする発光波長に応じて適宜調節することもできる。
【００３８】
さらに、第２の発光層４０３と４０８の組成を同一のものとしても良く、または別の組成にしても良い。第２の発光層４０３と４０８とを同一の組成とした場合には、第１の発光層４０６から上下に放出された紫外光をその両側において効率良く吸収し、効率良く波長変換することができる。また、第２の発光層４０３と４０８の組成を異なるものとした場合には、第１の発光層４０６からの紫外光を吸収して、それぞれ異なる波長の光に変換して取り出すことができるようにすることもできる。すなわち、いわゆる「２波長型」の発光素子を容易に形成することができる。
また、本実施形態において、更に、図示しない３層目の第２の発光層を適宜設けることにより、いわゆる「３波長型」の発光素子を形成することもできる。例えば、第１の発光層４０６の上下のいずれかに適宜、紫外光を吸収してそれぞれ、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の光を放出する第２の発光層を設けることによりれ、ＲＧＢの３波長の光を放出する発光素子を極めてコンパクトに形成することができる。
【００３９】
この半導体発光素子の積層構造の成長方法については、前述した第１および第２実施形態に準ずるものであるので、その詳細は省略する。また、本実施形態においても、第２実施形態の場合と同様に、電流阻止層を設けても良い。
【００４０】
次に、本発明の第４の実施の形態について説明する。
図５は、本発明の第４の実施形成に係わる半導体発光素子の概略断面図である。同図中、５０１はサファイア基板、５０２はバッファ層、５０３はｎ型ＧａＮ層コンタクト層、５０４はＡｌＧａＮ系化合物からなるｎ型クラッド層、５０５はＧａＮ系化合物からなる第１の発光層、５０６はＡｌＧａＮ系化合物からなるｐ型クラッド層、５０７はブラッグ反射鏡、５０８はｐ型ＧａＮ層、５０９はＩｎＧａＮからなる第２の発光層、５１０はＧａＮからなるｐ型コンタクト層である。また、５１１、５１２は、それぞれｐ側、ｎ側の電流注入用電極である。さらに、５２０は、光反射鏡である。
【００４１】
本実施形態においても、第１の発光層５０５から放出された紫外光を第２の発光層５０９において波長変換して外部に取り出すことができ、前述した種々の効果を同様に得ることができる。
【００４２】
さらに、本実施形態においては、第１の発光層５０５と第２の発光層５０９との間にブラッグ反射鏡５０７を設けた点が特徴的である。ここで、ブラッグ反射鏡５０７は、第１の実施形態において説明したように、屈折率の異なる２種類の層を交互に積層して形成することができる。また、このブラッグ反射鏡５０７は、第１の発光層５０５から放出される紫外光に対しては、透過性を有し、第２の発光層５０９から放出される２次光に対しては、高い反射率を有するように構成することが望ましい。このようにすれば、第１の発光層５０５から放出された紫外光は、ブラッグ反射鏡５０７を透過して第２の発光層５０９において波長変換され、放出された２次光のうちで、第１の発光層５０５の方向に出射した成分をブラッグ反射鏡５０７で効果的に反射して、発光素子の上方に高い効率で取り出すことができる。ここで、ｐ側電極５１１をＩＴＯ（ｉｎｄｉｕｍ ｔｉｎ ｏｘｉｄｅ）などの透光性の材料により形成すれば、光の取り出しがさらに容易となる。また、本実施形態においては、基板の裏面側に光反射鏡５２０を設けたために、第１の発光層５０５から下方向に放出された紫外光を効率良く反射して、第２の発光層に導くことができる。ここで、光反射鏡５２０は、例えば、金属膜とすることができる。
【００４３】
また、本実施形態においては、ブラッグ反射鏡５０７を窒化ガリウム系半導体の積層構造の中に設けるので、上下の半導体層と格子定数がなるべく合致するような材料を用いて構成することが望ましい。例えば、格子定数が近く、光屈折率が異なる２種類の窒化ガリウム系半導体層を交互に積層してブラッグ反射鏡５０７を形成することができる。
【００４４】
また、本実施形態においても第２実施形態において説明した電流阻止層や第３実施形態において説明した複数の第２の発光層を設けることにより、それぞれ同様の効果を得ることができる。
【００４５】
次に、本発明の第５の実施の形態について説明する。
図６は、本発明の第５の実施例に係わるＬＥＤランプの断面構造を表す概略図である。同図に表したように、本実施形態は、チップ表面から透光性導電膜を通して光を取り出すＬＥＤ６０１と、その光を吸収して発光する半導体層６０２とを同一の樹脂６０３中に封入してなる。ＬＥＤ６０１は、ステム６０４の上にマウントされ、ワイア６０５、６０５により接続されている。ここでＬＥＤ６０１は、例えば、活性層６０１−１（第１の発光層）をＧａＮとした紫外発光ＬＥＤとすることができる。また、光を吸収して発光する半導体層６０２（第２の発光層）は、例えば、サファイア基板６０２−１の上に成長したＩｎＧａＮ井戸層とＧａＮ障壁層との多重量子井戸構造とすることができる。その半導体層６０２は、井戸層のバンドギャップが青色に対応するようにＩｎ組成を調整することができる。
【００４６】
本構造の優れた特徴は、前述した第１実施形態および第２実施形態の構造と同様に、安定動作が可能であることにある。また、第２の発光層６０２の材料を適宜選択することにより、様々な波長域の発光を安定して得ることができる。
【００４７】
本実施形態においてＬＥＤ６０１に順方向バイアスを加えたところ、半導体層４０２の基板側から青色の発光が観察された。動作電流を２０ｍＡにしたとき、青色の発光は放射角度８°で１ｃｄの光出力を示した。
【００４８】
以上、具体例を参照しつつ本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明は、これらの具体例に限定されるものでは無い。例えば、前述した具体例においては、第１の発光層をアンドープのＧａＮ層としているが本発明は、これに限定されるものではない。すなわち、第１の発光層は、第２の発光層よりも大きいバンドギャップを有する材料であれば良い。また、その発光強度が最大となるように不純物を適宜ドーピングしても良い。その材料も、ＧａＮに限定されず、例えば、ＢやＡｌやＩｎなどを適宜混合しても良い。さらに、その膜厚についても適宜調整する必要があることは言うまでもない。
【００４９】
一方、第２の発光層についても、前述した具体例においては、ｌｎＧａＮ／ＧａＮ系多重量子井戸構造などとしたが、その他にも、ＢＩｎＡｌＧａＮを適宜用いた構造により同様の効果を得ることができる。すなわち、第１の発光層よりも小さいバンドギャップを有する材料を採用したものであれば良い。また、多重量子井戸構造において、井戸層や障壁層の膜厚や層数についても、適宜調節することができる。すなわち、井戸層の組成や膜厚により発光波長を調節することができ、層数によって発光強度を調節できることもまた言うまでもない。また、多重量子井戸でなくとも良い。
【００５０】
一方、電極との接触を確保するコンタクト層の材料も前述したＡｌＧａＮ層に限定されず、必要に応じてＧａＮ層やＩｎＧａＮ層を用いることができる。
【００５１】
また、半導体層をエピタキシャル成長させる基板も、前述したサファイアに限定されず、その他にも、例えば、スピネル、ＳｃＡｌＭｇＯ４、ＬａＳｒＧａＯ４、（ＬａＳｒ）（ＡｌＴａ）Ｏ３などの絶縁性基板や、ＳｉＣ、ＭｇＯ、Ｓｉなどの導電性基板も同様に用いてそれぞれの効果を得ることができる。
【００５２】
一方、第２実施形態においては、いわゆる電流狭窄構造を有する半導体発光素子を示したが、電流狭窄層を備えない場合でも光取り出し特性は若干低下するものの、製造が簡便になるメリットは大きい。
【００５３】
また、前述した具体例においては、第１の発光層と第２の発光層とは同一素子中に成長し、あるいは組み合わせ構造型ランプとして示したが、これら２つの発光層をそれぞれ別々の半導体積層構造に形成し、これらの半導体積層構造を接着してひとつの発光素子として構成してもよい。
【００５４】
その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施可能である。
【００５５】
【発明の効果】
本発明は以上説明した形態で実施され以下に説明する効果を奏する。
【００５６】
まず、本発明によれば、第２の発光層に対して直接、駆動電流を高い密度で注入することなく、発光させることができる。その結果として、第２の発光層の劣化を防止し、従来よりもはるかに安定した発光特性を得ることができる。また、第２の発光層における発熱が抑制されるので、発熱に起因した劣化も顕著に抑制することができる。その結果として、例えば、ＩｎＧａＮ混晶系におけるミスシビリティギャップの組成領域の化合物を発光層として用いた場合においても、従来よりはるかに劣化が少なく、長寿命の発光素子を提供することができる。
【００５７】
また、本発明によれば、このように第２の発光層の材料の選択範囲を大きく広げることができるので、従来よりもはるかに容易に、種々の波長の発光を得ることができるようになる。さらに、複数の第２の発光層を設けることにより、いわゆる「多波長型」の発光素子を容易に実現することができる。
【００５８】
さらに、本発明によれば、第２の発光層に対しては、電子と正孔とを注入する必要がない。従って、第２の発光層の上下をｐ型とｎ型の半導体層で挟む必要がない。また、第２の発光層に光を閉じこめるためにクラッド層で挟む場合においても、クラッド層をドーピングする必要がない。その結果として、隣接層から第２の発光層へマグネシウムなどの不純物が拡散することによる劣化を解消することができる。
【００５９】
さらに、本発明によれば、ブラッグ反射鏡などの反射層を適宜設けることにより光変換効率を改善して、高出力で高信頼性且つ長寿命の発光素子を容易に実現することができる。
【００６０】
以上詳述したように、本発明によれば、高信頼性且つ高性能の半導体発光素子を実現することができ、産業上のメリットは多大である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係わる窒化ガリウム系半導体発光素子の概略構成を表す断面図である。
【図２】本発明による半導体発光素子の発光のメカニズムを説明するバンド構造図である。
【図３】本発明の第２の実施形成に係わる半導体発光素子の概略断面図である。
【図４】本発明の第３の実施形成に係わる半導体発光素子の概略断面図である。
【図５】本発明の第４の実施形成に係わる半導体発光素子の概略断面図である。
【図６】本発明の第３の実施例に係わるＬＥＤランプの断面構造を表す概略図である。
【符号の説明】
１０１、３０１、４０１、５０１ 基板
１０２、３０２、４０２、５０２ バッファ層
１０３、５０８ ＧａＮ層
１０４、３０９、４０３、４０８、５０９ 第２の発光層
１０５、３０３、４０４ ｎ型コンタクト層兼クラッド層
１０６、３０５、４０６、５０５ 第１の発光層
１０７、３０８、４０７、５０６ ｐ型クラッド層
１０８、３１０、４１０、５１１ ｐ側電極
１０９、３１１、４１１、５１２ ｎ側電極
５０７ ブラッグ反射鏡
５２０ 光反射鏡
Claims (8)
- 基板上に形成された第１の発光層と、
前記第１の発光層の前記基板とは反対側の面に設けられた第１導電型の第１の半導体層と、
前記第１の半導体層の前記第１の発光層とは反対側の面に設けられた第１の電極と、
前記第１の発光層と前記基板との間に設けられた第２導電型の第２の半導体層と、
前記第２の半導体層と前記基板との間に設けられたＩｎＧａＮからなる第２の発光層と、
前記第２の半導体層の前記第２の発光層とは反対側の面の一部に設けられた第２の電極と、
前記第２の発光層と前記基板との間に設けられた第２導電型の第３の半導体層と、
を備えたことを特徴とする半導体発光素子。 - 前記第２の発光層は、前記第１の発光層よりもバンドギャップが小さいことを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子。
- 前記第１の電極と前記第２の電極との間に電圧を印加することにより前記第１の半導体層から前記第１の発光層に第１導電型のキャリアを注入し、前記第２の半導体層から前記第１の発光層に第２導電型のキャリアを注入し、前記第１の発光層に注入された前記第１導電型のキャリアと前記第２導電型のキャリアとが再結合することにより生ずる第１の波長の光を放出させ、
前記第１の波長の光を前記第２の発光層に吸収させて、前記第１の波長よりも長い第２の波長の光を放出させることを特徴とする請求項１または２記載の半導体発光素子。 - 前記第１の波長の光は、紫外線であり、
前記第２の波長の光は、可視光であることを特徴とする請求項３記載の半導体発光素子。 - 前記第２の波長の光は前記基板を介して外部に放出されることを特徴とする請求項３または４記載の半導体発光素子。
- 前記第１の発光層から放出される光を反射する反射鏡をさらに備えたことを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の半導体発光素子。
- 前記第１の半導体層と前記第１の電極との間にＩｎＧａＮからなる第３の発光層を備えたことを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の半導体発光素子。
- 請求項１乃至７のいずれかに記載の半導体発光素子を備えたことを特徴とする半導体発光装置。
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