JP3622031B2

JP3622031B2 - 発光素子

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Publication number: JP3622031B2
Application number: JP2000124874A
Authority: JP
Inventors: 誠嘉数; 小林　　直樹
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2000-04-25
Filing date: 2000-04-25
Publication date: 2005-02-23
Anticipated expiration: 2020-04-25
Also published as: JP2001308382A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、紫外光から可視光の領域において、高輝度で発光スペクトル波長幅のきわめて狭い発光素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の発光素子としては、基板上にＧａＮ層を設け、その上に絶縁性スペーサーを介して蛍光体、ＩＴＯ膜を塗布したガラス板を設けた素子がある。図６（ｃ）は、このような発光素子の一例の概略断面図である。この図に示されるように、従来の発光素子は、基板４１上にＧａＮ層４２を形成し、その上に絶縁性スペーサー４４を設け、該スペーサーを介して、蛍光体４５やＩＴＯ膜４６を塗布したガラス板４７を設けた構造を有している。この発光素子は、例えば、図６（ａ）から６（ｃ）に示す工程を経て製造される。工程（ａ）では、導電性を有するＳｉＣのような基板４１上にＧａＮ層４２をエピタキシャル成長させる。次に工程（ｂ）で基板４１の、ＧａＮ層４２とは反対側の面に電極４３を形成する。工程（ｃ）で、ＧａＮ層４２上に絶縁性スペーサー４４を設置し、該絶縁スペーサー４４上に蛍光体４５、ＩＴＯ膜４６を塗布したガラス板４７を設置する。このようにして得られた発光素子は、電極４３に負側の電圧をかけ、ＩＴＯ膜４６に正側の電圧を印加することにより、図６（ｄ）に示されるように、ＧａＮ表面から電子が放出され、蛍光体４５に衝突し、発光する。光はガラス板４７を通して外部に取り出される。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
以上のように、従来の発光素子は、ＧａＮ層と、蛍光体層やＩＴＯ膜を設けたガラス板との間に絶縁性スペーサーを設置するが、絶縁性スペーサーの高さ、即ちＧａＮ層と蛍光体層との間隔は、１０ミクロンから１００ミクロンである。このような微細構造の絶縁性スペーサーを、ＧａＮ層と、蛍光体層やＩＴＯ層を備えたガラス板との間に設置し、固定することは製造上きわめて困難であった。
【０００４】
また、上記のような発光素子は、輝度のばらつきなどが大きく、特性の再現性にも問題があった。
【０００５】
本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたものであり、従来の素子よりも構造および製造が簡便であり、発光特性および輝度の改善された発光素子を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、Ａｌ_ｘＢ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ半導体層（但し、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、ｘ＋ｙ≦１）に蛍光体を添加し、前記Ａｌ_ｘＢ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ半導体層に電子と正孔を注入し、前記蛍光体を発光させることを特徴とする発光素子である。
【０００７】
さらに、本発明の好ましい態様では、第一の電極および第二の電極との間に形成された発光部を備えた発光素子であって、前記発光部が導電性基板上にＡｌ_ｘＢ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ半導体層（但し、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、ｘ＋ｙ≦１）を設けた構造を有し、前記Ａｌ_ｘＢ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ半導体層に蛍光体を添加し、前記第一の電極および第二の電極に電圧を印加することにより前記Ａｌ_ｘＢ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ半導体層中の発光体を発光させることを特徴とする発光素子が提供される。
【０００８】
また、本発明の他の態様では、第一の電極および第二の電極との間に形成された発光部とを備えた発光素子であって、前記発光部が、導電性基板上に、ｐ型Ａｌ_ｘ２Ｂ_ｙ２Ｇａ_{１−ｘ２−ｙ２}Ｎ半導体層（但し、０≦ｘ２≦１、０≦ｙ２≦１、ｘ２＋ｙ２≦１）およびｎ型Ａｌ_ｘ２Ｂ_ｙ２Ｇａ_{１−ｘ２−ｙ２}Ｎ半導体層（但し、０≦ｘ２≦１、０≦ｙ２≦１、ｘ２＋ｙ２≦１）により挟まれたＡｌ_ｘ１Ｂ_ｙ１Ｇａ_{１−ｘ１−ｙ１}Ｎ半導体層（但し、０≦ｘ１≦１、０≦ｙ１≦１、ｘ１＋ｙ１≦１）を設けた構造を有し、前記Ａｌ_ｘ１Ｂ_ｙ１Ｇａ_{１−ｘ１−ｙ１}Ｎ半導体層に蛍光体を添加し、前記第一の電極および第二の電極に電圧を印加することにより前記Ａｌ_ｘ１Ｂ_ｙ１Ｇａ_{１−ｘ１−ｙ１}Ｎ半導体層中の蛍光体を発光させることを特徴とする発光素子が提供される。
【０００９】
本発明の好ましい態様では、前記発光体が、ＣａＷＯ_４、Ｇｄ_２Ｏ_２Ｓ：Ｔｂ、Ｉｎ_２Ｏ_３、Ｌａ_２Ｏ_２Ｓ：Ｔｂ、ＭｇＳｉＯ_３：Ｍｎ、Ｙ_２Ｏ_２Ｓ：Ｅｕ、Ｙ_２Ｏ_２Ｓ：Ｔｂ、Ｙ_２Ｏ_３：Ｅｕ、Ｙ_２ＳｉＯ_５：Ｃｅ、Ｙ_３（Ａｌ，Ｇａ）_５Ｏ_１２：Ｃｅ、Ｙ_３Ａｌ_５Ｏ_１２：Ｃｅ、Ｙ_３Ａｌ_５Ｏ_１２：Ｔｂ、ＹＶＯ_４：Ｅｕ、Ｚｎ_２ＳｉＯ_４：Ｍｎ、Ｚｎ_３（ＰＯ_４）_２：Ｍｎ、ＺｎＯ：Ｚｎ、ＺｎＳ：Ａｇ、ＺｎＳ：Ａｌ、ＺｎＳ：Ａｕ、ＺｎＳ：Ｃｕ、ＺｎＳ：Ｍｎ、（Ｚｎ，Ｃｄ）Ｓ：Ａｌ、（Ｚｎ，Ｃｄ）Ｓ：Ｃｕ、（Ｚｎ，Ｃｄ）Ｓ：Ａｕまたはこれらの混合物から選択されることを特徴とする。
【００１０】
以上のように、本発明は、半導体層自体に蛍光体を添加することを特徴とする。そして、その半導体層に高電圧を印加することにより、半導体層内に添加された蛍光体内で電子の遷移を起こさせ、これに伴う発光を起こさせるものである。従って、従来の素子構造よりきわめて簡便なものである。また、本発明の発光素子は、輝度および特性の再現性の優れるものである。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下に本発明を詳細に説明する。
【００１２】
本発明は、Ａｌ_ｘＢ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ半導体層に蛍光体を添加し、前記Ａｌ_ｘＢ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ半導体層に電子と正孔を注入し、前記蛍光体を発光させることを特徴とする発光素子である。蛍光体は、本発明の発光素子に適合するものであれば特に限定されないが、ＣａＷＯ_４、Ｇｄ_２Ｏ_２Ｓ：Ｔｂ、Ｉｎ_２Ｏ_３、Ｌａ_２Ｏ_２Ｓ：Ｔｂ、ＭｇＳｉＯ_３：Ｍｎ、Ｙ_２Ｏ_２Ｓ：Ｅｕ、Ｙ_２Ｏ_２Ｓ：Ｔｂ、Ｙ_２Ｏ_３：Ｅｕ、Ｙ_２ＳｉＯ_５：Ｃｅ、Ｙ_３（Ａｌ，Ｇａ）_５Ｏ_１２：Ｃｅ、Ｙ_３Ａｌ_５Ｏ_１２：Ｃｅ、Ｙ_３Ａｌ_５Ｏ_１２：Ｔｂ、ＹＶＯ_４：Ｅｕ、Ｚｎ_２ＳｉＯ_４：Ｍｎ、Ｚｎ_３（ＰＯ_４）_２：Ｍｎ、ＺｎＯ：Ｚｎ、ＺｎＳ：Ａｇ、ＺｎＳ：Ａｌ、ＺｎＳ：Ａｕ、ＺｎＳ：Ｃｕ、ＺｎＳ：Ｍｎ、（Ｚｎ，Ｃｄ）Ｓ：Ａｌ、（Ｚｎ，Ｃｄ）Ｓ：Ｃｕおよび（Ｚｎ，Ｃｄ）Ｓ：Ａｕのような蛍光体を使用することができる。なお、上記の蛍光体の例において、Ａ：Ｂのような記載は、Ｂを添加したＡを表す。例えばＧｄ_２Ｏ_２Ｓ：Ｔｂであれば、Ｔｂを添加したＧｄ_２Ｏ_２Ｓを意味する。このような添加物を添加した蛍光体の添加物の量は、当業者に周知の通りである。本発明の好ましい蛍光体では、表１に示す組成比を有する。
【００１３】
【表１】

【００１４】
蛍光体は、発光を起こさせるのに十分な量を添加する。具体的には、使用する蛍光体により異なるが、例えば、１０^１７から１０^２１ｃｍ^−３程度の量を添加することが好ましい。この蛍光体を添加したＡｌ_ｘＢ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ半導体層を、例えば基板上に有機金属気相エピタキシャル法により成長させる。Ａｌ_ｘＢ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ半導体層の厚みは０．１〜１０μｍであることが好ましい。
【００１５】
Ａｌ_ｘＢ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ半導体層の組成比は、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、ｘ＋ｙ≦１であることが好ましい。
【００１６】
このような発光素子に電子および正孔を注入し、蛍光体を発光させる。電子および正孔の注入は、従来の方法を用いることができる。
【００１７】
本発明の好ましい態様では、例えば上記のような基板上に成長させた、蛍光体を添加したＡｌ_ｘＢ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ半導体層を電極で挟み、この半導体層に高電圧を印加する。電圧は、５０Ｖ〜５ｋＶを使用可能である。このように高電圧を印加することにより、半導体層内に添加された蛍光体内で電子の遷移を起こさせ、これに伴う発光を起こさせる。上記のような、基板上に成長させた、蛍光体を添加したＡｌ_ｘＢ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ半導体層を電極で挟んだ構成の発光体は、電極と半導体層の境界面で電子および正孔の注入を起こさせることができるので、電極と半導体層の界面において主に発光が起こる。
【００１８】
発光した光は、電極の一方に透明なＩＴＯ膜のような導電層を用いることにより取り出すことができる。
【００１９】
本発明のさらに好ましい態様では、Ａｌ_ｘＢ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ半導体層を、ＡｌＢＧａＮ系のｎ型半導体層とｐ型半導体層の間に設ける。このように構成した発光素子では、ｎ型半導体層に正側の電圧をかけ、ｐ型半導体層に負側の電圧をかけることにより、ｎ型半導体層とｐ型半導体層からそれぞれ電子および正孔が注入され、蛍光体を添加した半導体層全体を発光させることができる。
【００２０】
また、本発明の発光素子の電極、基板等は、従来の発光素子で用いられた材料であればよく、また厚み等も従来通りとすることができる。例えば、基板としては、ｎ型の基板またはｐ型の基板の何れも使用することができる。例えば、基板としては、Ｓｉ（１１１）、６Ｈ−ＳｉＣ（０００１）、又はシリコンにホウ素をドープした基板（ｐ型基板）などを使用することができる。電極としては、金属、例えばＴｉ、Ｎｉ、Ａｕ等、または酸化スズのようなスズ化合物のＩＴＯ膜等を使用することができる。また、これらの厚みは、１００Å〜０．１μｍとすることができる。さらに、電極は、蒸着のような手段で成長させることが可能である。
【００２１】
上述のように、本発明の発光素子は、蛍光体を半導体層自体に添加したことにより、スペーサー等の部材を必要とせず、従来の素子よりきわめて簡便な構造を有し、製造も簡便である。また、本発明の発光素子は、輝度のばらつき等がなく、発光特性の再現性の優れた素子である。
【００２２】
【作用】
本発明の発光素子は、半導体層自体にに蛍光体を添加したことにより、従来の素子に比べ簡便に素子を製造することができる。これにより、従来の素子構造では乏しかった再現性を著しく向上させることができる。
【００２３】
【実施例】
以下に図面を参照して本発明の実施例を具体的に説明する。なお、以下の実施例は、例示であり、本発明を制限するものではない。
【００２４】
（実施例１）
本実施例を図１および図２により説明する。図１は、本発明の発光素子の第一の実施例である。図１（ａ）は、ｎ型の基板を使用した場合の発光素子の断面構造を表わす概略図であり、図１（ｂ）は、この発光素子の発光の様子を表す概略図である。図１（ｃ）は、ｐ型の基板を使用した場合の発光素子の断面構造および発光の様子を表す概略図である。図２は、本実施例の光学素子の製造工程の概略図である。図１に示されるように、本発明の発光素子は、ｎ型の基板およびｐ型の基板の何れも用いることができる。
【００２５】
まず、図１（ａ）を参照してｎ型の基板を用いた場合の発光素子について説明する。
【００２６】
図１（ａ）に示されるように、本発明の光学素子は、基板１１上に、蛍光体を添加した半導体層１２を設け、これらの層（以下発光部とも称する。）を第一の電極１３および第二の電極１４で挟んだ構造を有する。
【００２７】
本発明では、この半導体層１２自体に蛍光体を添加したことを特徴とする。蛍光体は、本発明の発光素子に適合するものであれば特に限定されないが、上述の表１に示したような蛍光体を用いることができる。蛍光体は、発光を起こさせるのに十分な量を添加する。例えば、本実施例の場合（ＺｎＳ：Ａｇ）、１０^１９ｃｍ^−３の量を添加する。また、Ａｌ_ｘＢ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ半導体層の組成比は、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、ｘ＋ｙ≦１であることが好ましい。本実施例では、ｘ＝０．８、ｙ＝０．１である。
【００２８】
基板１１は、導電性材料である６Ｈ−ＳｉＣ（０００１）を使用した。この基板は、ｎ型の基板である。基板の厚みは、３５０μｍであればよい。
【００２９】
本実施例では、第一の電極１３は、Ａｌ_ｘＢ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ半導体層１２上に、第二の電極１４は、基板１１の裏側にそれぞれ設けられ、蒸着のような手段で作成される。なお、第二の電極１４は、基板の端面に設けてもよい。該電極の厚さは、１００Å〜０．１μｍであればよい。
【００３０】
図１（ｂ）に示されるように、第二の電極１４に正側の電圧を、第一の電極１３に負側の電圧を印加する。これにより、基板１１と第一の電極１３からそれぞれ電子と正孔が注入される。本実施例では、電極および基板と、半導体層の境界面で電子および正孔の注入を起こさせることができるので、電極および基板と、半導体層の界面において主に発光が起こる。印加した電圧は、０から２．５ｋＶである。蛍光体中の電子の遷移によって半導体層１２で発光し、この発光した光が第一の電極１３を通して外部に取り出される。第一の電極１３は、発光した光を取り出すために透明であることが好ましい。透明度は５０％以上あればよい。第一の電極１３は、Ｎｉのような金属、酸化スズのような酸化膜（例えば、ＩＴＯ膜）で形成することができる。第二の電極１４は、Ｔｉなどを使用することができる。
【００３１】
図１（ｃ）は、ｐ型の基板を使用した例を示す。本実施例の場合、基板１１は、シリコンにホウ素をドープしたものを使用することができる。基板の厚みは、３５０μｍであればよい。
【００３２】
この図に示されるように、第二の電極１４に負側の電圧を、第一の電極１３に正側の電圧を印加する。これにより、基板１１と第一の電極１３からそれぞれ正孔と電子が注入される。本実施例では、電極および基板と、半導体層の境界面で孔子および電子の注入を起こさせることができるので、電極および基板と、半導体層の界面において主に発光が起こる。印加した電圧は、０から２．５ｋＶである。蛍光体中の電子の遷移によって半導体層１２で発光し、この発光した光が第一の電極１３を通して外部に取り出される。第一の電極１３は、発光した光を取り出すために透明であることが好ましい。透明度は５０％以上あればよい。第一の電極１３は、Ｔｉのような金属、酸化スズのような酸化膜（例えば、ＩＴＯ膜）で形成することができる。第二の電極１４は、Ｎｉなどを使用することができる。
【００３３】
また、本実施例の図１（ｂ）および図１（ｃ）で示される発光素子は、光を第一の電極１３の側から取り出す例を示したが、本発明はこれに限定されず、透明な基板１１を用い、透明な電極１４を用いるか、または電極を基板の端面に設けることにより、基板１１側から光を取り出すことも可能である。さらに、本発明では、半導体層１２の端面から光を取り出すことも可能である。
【００３４】
以下に図１（ａ）に示す本実施例の発光素子の製造工程を図２に従って具体的に説明する。本実施例では表１のＺｎＳ：Ａｇを使用した製造方法を示す。
【００３５】
まず、基板（材料６Ｈ−ＳｉＣ（０００１）、厚さ３５０μｍ）１１上に、蛍光体ＺｎＳ：Ａｇを１０^１９ｃｍ^−３添加したＡｌ_ｘＢ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（ｘ＝０．８、ｙ＝０．１）半導体層１２を有機金属気相エピタキシャル法により１μｍの厚さに成長させ、発光部を形成する（図２（ａ））。次に、Ａｌ_ｘＢ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ半導体層１２上に金属、ＩＴＯ膜のような酸化膜（酸化スズ）などの電極１３を蒸着する（図２（ｂ））。さらに、基板１１の裏面、即ちＡｌ_ｘＢ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ半導体層１２とは逆の面、または基板１１の端面に電極１４（材料：Ｔｉ）を蒸着する（図２（ｃ））。電極の厚さは、上述の発光素子の説明で述べた通りである。なお、図２（ｃ）では、基板の裏面全体に電極１４を蒸着した例を示した。さらに、電圧の印加のための機器等を設け、本発明の発光素子を製造することができる（図２（ｄ））。
【００３６】
図２（ｄ）に示すように、電圧を印加する。これにより、基板１１と第一の電極１３からそれぞれ電子と正孔が注入される。本実施例では、電極および基板と、半導体層の境界面で電子および正孔の注入を発生させることができるので、電極および基板と、半導体層の界面において主に発光が起こる。この光が電極１３を通して外部に取り出される。電極１３は、発光した光を取り出すために透明である。透明度は５０％以上あればよい。また、本実施例では、光を第一の電極１３の側から取り出す例を示したが、本発明はこれに限定されず、透明な基板１１および透明な電極１４を用いるか、または電極を基板の端面に設けることにより、基板１１側から光を取り出すことも可能である。さらに、本発明では、半導体層１２の端面から光を取り出すことも可能である。
【００３７】
本実施例により製造した発光素子の発光スペクトルを測定したところ、発光波長は４５０ｎｍであった。
【００３８】
半導体層１２に種々の蛍光体を添加して本実施例の発光素子の発光スペクトルを測定した。半導体層１２に添加する種々の蛍光体とその発光ピーク波長は、表２に示すとおりであった。
【００３９】
【表２】

【００４０】
また、発光特性を従来の発光素子と比較した。その結果を後述する実施例２（図３および図４）に示す発光素子の結果とともに図５に示した。従来の素子では、２．５ｋＶでの輝度は、１５０ｃｄ／ｍ^２であったが、実施例１の素子では、５×１０^４ｃｄ／ｍ^２であり、３．３×１０^２倍輝度が向上した。また、特性の再現性についても、従来３０％あった輝度のばらつきが実施例１の素子では１％と飛躍的に向上した。
【００４１】
（実施例２）
本実施例を図３および図４により説明する。
【００４２】
図３は本発明の発光素子の第二の実施例である。図３（ａ）は、ｎ型基板を用いた場合の発光体素子の断面構造を表わす概略図であり、図３（ｂ）は、発光素子の発光の様子を表す概略図である。図３（ｃ）は、ｐ型基板を用いた場合の発光素子の断面構造および発光素子の発光の様子を表す概略図である。図４は、本実施例の光学素子の製造工程を示す概略図である。本実施例においても、ｎ型基板またはｐ型基板の何れも用いることができる。
【００４３】
図３（ａ）に示されるように、本発明の光学素子は、ｎ型基板２１上にｎ型不純物を添加したｎ型Ａｌ_ｘ２Ｂ_ｙ２Ｇａ_{１−ｘ２−ｙ２}Ｎ半導体層２２を設け、この層上に発光体を添加したＡｌ_ｘ１Ｂ_ｙ１Ｇａ_{１−ｘ１−ｙ１}Ｎ半導体層２３を設け、さらにこの層上にｐ型不純物を添加したｐ型Ａｌ_ｘ２Ｂ_ｙ２Ｇａ_{１−ｘ２−ｙ２}Ｎ半導体層２４を設け、これらの基板２１および半導体層２２から２４（以下発光部とも称する。）を第一の電極２５および第二の電極２６の間に挟んだ構造を有する。
【００４４】
本発明では、前記半導体層２３自体に蛍光体を添加したことを特徴とする。蛍光体は、本発明の発光素子に適合するものであれば特に限定されないが、上述の表１に示したような蛍光体を用いることができる。蛍光体は、発光を起こさせるのに十分な量を添加する。例えば、本実施例の場合（ＺｎＳ：Ａｇ）、１０^１９ｃｍ^−３の量を添加する。また、Ａｌ_ｘ１Ｂ_ｙ１Ｇａ_{１−ｘ１−ｙ１}Ｎ半導体層２３の組成比は、０≦ｘ１≦１、０≦ｙ１≦１、ｘ１＋ｙ１≦１であることが好ましい。本実施例のＡｌ_ｘ１Ｂ_ｙ１Ｇａ_{１−ｘ１−ｙ１}Ｎ半導体層２３の組成比は、ｘ１＝０．７、ｙ１＝０．１である。
【００４５】
本発明では、この半導体層２３を、ｎ型半導体層２２とｐ型半導体層２４の間に挟む。ｎ型Ａｌ_ｘ２Ｂ_ｙ２Ｇａ_{１−ｘ２−ｙ２}Ｎ半導体層２２は、ケイ素のようなｎ型不純物を、例えば１０^２０ｃｍ^−３添加したものである。またｐ型半導体層２４は、Ｍｇのようなｐ型不純物を、例えば１０^１９ｃｍ^−３添加したものである。
【００４６】
ｎ型Ａｌ_ｘ２Ｂ_ｙ２Ｇａ_{１−ｘ２−ｙ２}Ｎ半導体層２２およびｐ型Ａｌ_ｘＢ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ半導体層２４の組成比は、０≦ｘ２≦１、０≦ｙ２≦１、ｘ２＋ｙ２≦１であることが好ましい。また、半導体層２２、２３および２４において、組成は、ｘ１≦ｘ２、ｙ１≦ｙ２である。本実施例では、ｎ型Ａｌ_ｘ２Ｂ_ｙ２Ｇａ_{１−ｘ２−ｙ２}Ｎ半導体層２２およびｐ型Ａｌ_ｘ２Ｂ_ｙ２Ｇａ_{１−ｘ２−ｙ２}Ｎ半導体層２４の組成比は、ｘ２＝０．８、ｙ２＝０．１である。各半導体層２２、２３、２４の厚さは、各々１μｍ、０．１μｍ、０．５μｍである。
【００４７】
ｎ型の基板２１は、導電性材料である６Ｈ−ＳｉＣ（０００１）を使用することができる。この基板２１の厚さは、３００〜４００μｍである。
【００４８】
本実施例では、第一の電極２５は、ｎ型Ａｌ_ｘ２Ｂ_ｙ２Ｇａ_{１−ｘ２−ｙ２}Ｎ半導体層２４上に、第二の電極２６は、基板１１の裏側にそれぞれ設けられ、蒸着のような手段で作成される。なお、第二の電極２６は、基板１１の端面に設けてもよい。これらの電極の厚さは、１００Å〜０．１μｍであればよい。
【００４９】
図３（ｂ）に示されるように、第二の電極２６に正側の電圧を、第一の電極２５に負側の電圧を印加することにより、半導体層２２と半導体層２４から、半導体層２３へそれぞれ電子と正孔が注入される。印加した電圧は、０から２．５ｋＶである。半導体層２３へ電子と正孔が注入されることにより、半導体層２３中で電子の移動が起こり、蛍光体中の電子を遷移させ、半導体層２３が発光する。この発光した光が、ｐ型半導体層２４および第一の電極２５を通して外部に取り出される。ｐ型半導体層２４および第一の電極２５は、発光した光を取り出すために透明であることが好ましい。透明度はそれぞれ５０％以上あればよい。第一の電極２５は、Ｎｉのような金属、酸化スズのような酸化膜（例えば、ＩＴＯ膜）で形成することができる。第二の電極２６は、Ｔｉを使用することができる。
【００５０】
図３（ｃ）は、ｐ型の基板を使用した例を示す。本実施例の場合、基板２１は、シリコンにホウ素をドープしたものを使用することができる。基板の厚みは、３００〜４００μｍであればよい。
【００５１】
ｐ型の基板を用いる場合には、ｎ型の基板を用いる場合と異なり、第一の電極２５側にｎ型半導体層２２が設けられ、基板２１側にｐ型半導体層２４が設けられる。
【００５２】
図３（ｃ）に示されるように、第二の電極２６に負側の電圧を、第一の電極２５に正側の電圧を印加することにより、半導体層２２と半導体層２４から、半導体層２３へそれぞれ正孔と電子が注入される。印加した電圧は、０から２．５ｋＶである。半導体層２３へ正孔と電子が注入されることにより、半導体層２３中で電子の移動が起こり、蛍光体中の電子を遷移させ、半導体層２３が発光する。この発光した光が、ｎ型半導体層２２および第一の電極２５を通して外部に取り出される。ｎ型半導体層２２および第一の電極２５は、発光した光を取り出すために透明であることが好ましい。透明度はそれぞれ５０％以上あればよい。第一の電極２５は、Ｔｉのような金属、酸化スズのような酸化膜（ＩＴＯ膜）で形成することができる。第二の電極２６は、Ｎｉを使用することができる。
【００５３】
また、本実施例のうち、図３（ｂ）では、光を第一の電極２５の側から取り出す例を示したが、本発明はこれに限定されず、透明な基板２１、透明なｎ型半導体層２２、および透明な電極２６を用いるか、または電極を基板の端面に設けることにより、基板２１側から光を取り出すことも可能である。さらに、本発明では、蛍光体を含んだ半導体層２３の端部から光を取り出すことも可能である。また、図３（ｃ）の発光素子では、透明な基板２１、透明なｐ型半導体層２４、および透明な電極２６を用いるか、または電極を基板の端面に設けることにより、基板２１側から光を取り出すことも可能である。さらに、本発明では、蛍光体を含んだ半導体層２３の端部から光を取り出すことも可能である。
【００５４】
本発明では、半導体層２３を、ｎ型およびｐ型半導体層で挟んだ構造としたことにより、発光部の発光効率をさらに高めることができる。
【００５５】
以下に図３（ａ）に示す本実施例の発光素子の製造工程を図４に従って具体的に説明する。
【００５６】
まず、基板（材料：６Ｈ−ＳｉＣ（０００１）、厚さ３５０μｍ）２１上に、Ｓｉをｎ型不純物として１０^２０ｃｍ^−３添加したｎ型Ａｌ_ｘ２Ｂ_ｙ２Ｇａ_{１−ｘ２−ｙ２}Ｎ（ｘ２＝０．８、ｙ２＝０．１）半導体層２２を有機金属気相エピタキシャル法により１μｍの厚さに成長させた（図４（ａ））。
【００５７】
次に、ｎ型Ａｌ_ｘ２Ｂ_ｙ２Ｇａ_{１−ｘ２−ｙ２}Ｎ半導体層２２の上に、蛍光体ＺｎＳ：Ａｇを１０^１９ｃｍ^−３添加したＡｌ_ｘ１Ｂ_ｙ１Ｇａ_{１−ｘ１−ｙ１}Ｎ（ｘ＝０．７、ｙ＝０．１）半導体層２３を有機金属気相エピタキシャル法により０．１μｍの厚さに成長させた（図４（ｂ））。
【００５８】
次に、蛍光体を添加したＡｌ_ｘ１Ｂ_ｙ１Ｇａ_{１−ｘ１−ｙ１}Ｎ半導体層２３上に、Ｍｇをｐ型不純物として１０^１９ｃｍ^−３添加したｐ型Ａｌ_ｘ２Ｂ_ｙ２Ｇａ_{１−ｘ２−ｙ２}Ｎ（ｘ２＝０．８，ｙ２＝０．１）半導体層２４を有機金属気相エピタキシャル法により０．５μｍの厚さに成長させた（図４（ｃ））。これにより、本実施例の発光部を形成した。
【００５９】
ｐ型Ａｌ_ｘ２Ｂ_ｙ２Ｇａ_{１−ｘ２−ｙ２}Ｎ半導体層２４に金属、ＩＴＯ膜のような酸化膜（酸化スズ）などの電極２５を蒸着する。さらに、基板２１の裏面、即ちｎ型半導体層２２とは逆の面、または基板２１の端面に電極２６を蒸着する（図４（ｄ））。なお、図４（ｄ）では、基板の裏面全体に電極２６を蒸着した例を示した。各電極の厚さは、上記実施例２の発光素子の説明で示したとおりである。
【００６０】
さらに、電圧の印加のための機器等を設け、本発明の発光素子を製造することができる（図４（ｅ））。
【００６１】
図４（ｅ）に示すように、第二の電極２６に正側の電圧を、第一の電極２５に負側の電圧を印加することにより、半導体層２２と半導体層２４から、半導体層２３へそれぞれ電子と正孔が注入される。半導体層２３へ電子と正孔が注入されることにより、半導体層２３中で電子の移動が起こり、蛍光体中の電子を遷移させ、半導体層２３が発光する。この光がｐ型半導体層２４を介して電極２５を通り、外部に取り出される。ｐ型半導体層および電極２５は、発光した光を取り出すために透明である。透明度はそれぞれ５０％以上あればよい。
【００６２】
本実施例では、光を第一の電極２５の側から取り出す例を示したが、本発明はこれに限定されず、透明な基板２１、透明なｎ型半導体層２２、および透明な電極２６を用いるか、または電極を基板の端面に設けることにより、基板２１側から光を取り出すことも可能である。さらに、本発明では、蛍光体を含んだ半導体層２３の端部から光を取り出すことも可能である。
【００６３】
本実施例により製造した発光素子の発光スペクトルを測定したところ、発光波長は４５０ｎｍであった。
【００６４】
半導体層２３に種々の発光体を添加して発光素子の発光スペクトルを測定した。Ａｌ_ｘ１Ｂ_ｙ１Ｇａ_{１−ｘ１−ｙ１}Ｎ半導体２３に添加する種々の蛍光体とその発光ピーク波長は、上記表２に示すとおりであった。
【００６５】
また、発光特性を従来の発光素子と比較した。その結果を実施例１に示した発光素子の結果とともに図５に示した。従来の素子では、２．５ｋＶでの輝度は、１５０ｃｄ／ｍ^２であったが、実施例２の素子では、５．５×１０^４ｃｄ／ｍ^２であり、３．７×１０^２倍輝度が向上した。また、特性の再現性についても、従来３０％あった輝度のばらつきが実施例２の素子では０．５％と飛躍的に向上した。さらに、本実施例は、ｎ型半導体層２２およびｐ型半導体層２４を設けたことにより、蛍光体を添加した半導体層２３に電子および正孔を効率よく注入できるので、このような層を設けない発光素子（実施例１）よりもさらに輝度および特性の再現性を高めることができる。
【００６６】
【発明の効果】
本発明の発光素子は、半導体層自体にに蛍光体を添加したことにより、従来の素子に比べ簡便に素子を製造することができる。
【００６７】
さらに、本発明の発光素子は、従来の素子構造では乏しかった再現性を著しく向上させることができ、併せて従来の素子に比べ、輝度も大幅に向上した。
【００６８】
また、本発明の好ましい態様では、発光素子の発光部に、ｎ型半導体層およびｐ型半導体層を設けることができる。このような層を設けることにより、さらに輝度および特性の再現性を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）はｎ型の基板を用いた本発明の一態様の発光素子の断面構造を表す概略図であるである。（ｂ）は、（ａ）の発光素子の発光の様子を表す概略図である。（ｃ）は、ｐが他の基板を用いた本発明の一太陽の発光素子の断面構造および発光の様子を表す概略図である。
【図２】図１（ａ）の光学素子の製造工程を示す概略図である。
【図３】（ａ）はｎ型の基板を使用した本発明の別の態様の発光素子の断面構造を表す概略図であるである。（ｂ）は、（ａ）の発光素子の発光の様子を表す概略図である。（ｃ）は、ｐ型の基板を使用した本発明の別の態様の発光素子の断面構造および発光の様子を表す概略図である。
【図４】図３（ａ）の光学素子の製造工程を示す概略図である。
【図５】本発明の発光素子と従来の発光素子の発光特性を表すグラフである。
【図６】従来の発光素子の製造工程を表す概略図である。
【符号の説明】
１１基板
１２蛍光体を添加したＡｌ_ｘＢ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ半導体層
１３電極
１４電極
２１基板
２２ｎ型Ａｌ_ｘ２Ｂ_ｙ２Ｇａ_{１−ｘ２−ｙ２}Ｎ半導体層
２３蛍光体を添加したＡｌ_ｘ１Ｂ_ｙ１Ｇａ_{１−ｘ１−ｙ１}Ｎ半導体層
２４ｐ型Ａｌ_ｘ２Ｂ_ｙ２Ｇａ_{１−ｘ２−ｙ２}Ｎ半導体層
２５電極
２６電極
４１基板
４２ＧａＮ半導体層
４３電極
４４絶縁性スペーサー
４５蛍光体
４６ＩＴＯ膜（透明電極）
４７ガラス板

Claims

Ａｌ_ｘＢ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ半導体層（但し、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、ｘ＋ｙ≦１）に蛍光体を添加し、前記Ａｌ_ｘＢ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ半導体層に電子と正孔を注入し、前記蛍光体を発光させることを特徴とする発光素子。
第一の電極および第二の電極との間に形成された発光部を備えた発光素子であって、前記発光部が導電性基板上にＡｌ_ｘＢ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ半導体層（但し、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、ｘ＋ｙ≦１）を設けた構造を有し、前記Ａｌ_ｘＢ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ半導体層に蛍光体を添加し、前記第一の電極および第二の電極に電圧を印加することにより前記Ａｌ_ｘＢ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ半導体層中の蛍光体を発光させることを特徴とする発光素子。
第一の電極および第二の電極との間に形成された発光部とを備えた発光素子であって、前記発光部が、導電性基板上に、ｐ型Ａｌ_ｘ２Ｂ_ｙ２Ｇａ_{１−ｘ２−ｙ２}Ｎ半導体層およびｎ型Ａｌ_ｘ２Ｂ_ｙ２Ｇａ_{１−ｘ２−ｙ２}Ｎ半導体層（但し、０≦ｘ２≦１、０≦ｙ２≦１、ｘ２＋ｙ２≦１）により挟まれたＡｌ_ｘ１Ｂ_ｙ１Ｇａ_{１−ｘ１−ｙ１}Ｎ半導体層（但し、０≦ｘ１≦１、０≦ｙ１≦１、ｘ１＋ｙ１≦１）を設けた構造を有し、前記Ａｌ_ｘ１Ｂ_ｙ１Ｇａ_{１−ｘ１−ｙ１}Ｎ半導体層に蛍光体を添加し、前記第一の電極および第二の電極に電圧を印加することにより前記Ａｌ_ｘ１Ｂ_ｙ１Ｇａ_{１−ｘ１−ｙ１}Ｎ半導体層中の蛍光体を発光させることを特徴とする発光素子。
前記発光体が、ＣａＷＯ_４、Ｇｄ_２Ｏ_２Ｓ：Ｔｂ、Ｉｎ_２Ｏ_３、Ｌａ_２Ｏ_２Ｓ：Ｔｂ、ＭｇＳｉＯ_３：Ｍｎ、Ｙ_２Ｏ_２Ｓ：Ｅｕ、Ｙ_２Ｏ_２Ｓ：Ｔｂ、Ｙ_２Ｏ_３：Ｅｕ、Ｙ_２ＳｉＯ_５：Ｃｅ、Ｙ_３（Ａｌ，Ｇａ）_５Ｏ_１２：Ｃｅ、Ｙ_３Ａｌ_５Ｏ_１２：Ｃｅ、Ｙ_３Ａｌ_５Ｏ_１２：Ｔｂ、ＹＶＯ_４：Ｅｕ、Ｚｎ_２ＳｉＯ_４：Ｍｎ、Ｚｎ_３（ＰＯ_４）_２：Ｍｎ、ＺｎＯ：Ｚｎ、ＺｎＳ：Ａｇ、ＺｎＳ：Ａｌ、ＺｎＳ：Ａｕ、ＺｎＳ：Ｃｕ、ＺｎＳ：Ｍｎ、（Ｚｎ，Ｃｄ）Ｓ：Ａｌ、（Ｚｎ，Ｃｄ）Ｓ：Ｃｕ、（Ｚｎ，Ｃｄ）Ｓ：Ａｕまたはこれらの混合物から選択されることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の発光素子。