JP4008656B2

JP4008656B2 - Semiconductor light emitting device

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Publication number: JP4008656B2
Application number: JP2000396957A
Authority: JP
Inventors: 田康一新; 部洋久阿; 野邦明紺; 井康夫出
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2000-12-27
Filing date: 2000-12-27
Publication date: 2007-11-14
Anticipated expiration: 2020-12-27
Also published as: JP2002198561A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体発光素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、白熱電球や蛍光灯の置き換えとして、白色半導体発光素子が注目されている。白色半導体発光素子は、駆動回路が簡単であること、寿命が長いこと、消費電力が小さいこと等の特徴を有している。
【０００３】
この白色半導体発光素子の構成は、例えば、特開平１０−２４２５１３公報、特開平１０−１２９１６公報、特開平１１−１２１８０６公報に記載されている。
【０００４】
特開平１０−２４２５１３公報の半導体発光素子は、青色発光する窒化物半導体発光チップと、青色発光を吸収して黄色発光するＹＡＧ：Ｃｅ蛍光体と、を備え、青色発光と黄色発光とにより白色発光を実現している。ここで、ＹＡＧ：Ｃｅ蛍光体は、樹脂に混ぜて半導体発光チップ周辺に塗布されている。
【０００５】
また、特開平１０−１２９１６公報の半導体発光素子は、紫外発光する窒化物半導体発光チップと、紫外発光を吸収して赤色、緑色、および青色に発光する３種類の蛍光体と、を備え、赤色発光、緑色発光、青色発光により白色発光を実現している。ここでも、蛍光体は、樹脂に混ぜて半導体発光チップ周辺に塗布されている。
【０００６】
また、特開平１１−１２１８０６公報の半導体発光素子は、赤色発光する活性層と、緑色発光する活性層と、青色発光する活性層と、の３種類の活性層を備え、赤色発光、緑色発光、青色発光により白色発光を実現している。ここで、３種類の活性層は別々に設けられ、それぞれの活性層に別々に電流が注入されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、本発明者の試作・評価の結果、従来の白色半導体発光素子には、以下のように、白色光の色調がばらついてしまうという問題があることが判明した。
【０００８】
まず、特開平１０−２４２５１３公報の半導体発光素子のように、蛍光体を樹脂に混ぜ半導体チップ周辺に塗布すると、素子ごとに蛍光体量を一定にすることが難しいために、素子ごとに蛍光体量がばらついていた。そして、例えば、蛍光体量が多いと、黄色発光が多くなり、白色光の色調は黄色に近くなっていた。逆に、蛍光体量が少ないと、黄色発光が少なくなり、色調は青色に近くなっていた。このため素子ごとに白色光の色調がばらついていた。
【０００９】
次に、特開平１０−１２９１６公報の半導体発光素子のように、３種類の蛍光体を用いると、蛍光体の調合が難しいために、素子ごとに蛍光体の偏りが生じていた。そして、例えば、青色発光蛍光体の量が多いと、色調は青色に近くなっていた。このため素子ごとに白色光の色調がばらついていた。
【００１０】
さらに、特開平１０−１２９１６公報の半導体発光素子のように、赤色発光、緑色発光、青色発光の３種類の活性層を用いた構造では、それぞれの発光は注入電流に依存して変化するため、３色の発光バランスを調整するのが難しかった。そして、例えば、青色発光活性層への注入電流が多すぎると、白色光の色調は青色に近くなっていた。このため、白色光の色調がばらついていた。
【００１１】
このように、従来の白色半導体発光素子には、白色光の色調がばらついてしまうという問題があることが判明した。
【００１２】
もっとも、一般的には、この色調のばらつきは大きな問題点として認識されていなかった。すなわち、従来、一般には、白色半導体発光素子では輝度の向上が主な目的とされ、その目的の達成に大きな目標を置いていたからである。
【００１３】
本発明は、かかる独自の課題の認識に基づいてなされたものである。すなわち、その目的は、色調のばらつきの少ない発光素子を提供することである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明の半導体発光素子は、
電流注入により第１の波長の光を放射する活性層を含む半導体発光チップと、
前記半導体発光チップの基板の表面に接着され、前記第１の波長の光により励起されて第２の波長の光を放射する発光層と、
を備え、
前記発光層が前記基板の表面の一部に形成され、
前記発光層が、前記発光層のバンドギャップよりもバンドギャップの大きな一対のクラッド層に、挟まれており、
前記基板と前記発光層との間に、前記発光層からの第２の波長の光を反射し、前記活性層からの第１の波長の光を透過するフィルタが形成された、
ことを特徴とする。
【００１５】
前記活性層は、ＧａＮ系半導体からなる活性層とすることができる。ここで、ＧａＮ系半導体とは、Ｉｎ_ｘＧａ_ｙＡｌ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０≦ｘ＋ｙ≦１、０≦ｘ、ｙ≦１）からなる半導体を意味し、ＧａＮ系半導体からなる活性層には、例えば、ＩｎＧａＮとＧａＮの多重量子井戸構造の活性層も含まれる。また、前記発光層はＩｎＧａＡｌＰ系半導体からなる発光層とすることができる。ここで、ＩｎＧａＡｌＰ系半導体とは、Ｉｎ_ｓＧａ_ｔＡｌ_{１−ｓ−ｔ}Ｐ（０≦ｓ＋ｔ≦１、０≦ｓ、ｔ≦１）からなる半導体を意味する。
【００１７】
ここで、ｎ型ＧａＮ系半導体層とは、Ｉｎ_ａＧａ_ｂＡｌ_{１−ａーｂ}Ｎ（０≦ａ＋ｂ≦１、０≦ａ、ｂ≦１）からなるｎ型の半導体層を意味する。例えば、ｎ型ＧａＮとＡｌＧａＮとの超格子構造も、ｎ型ＧａＮ系半導体層に含まれる。ｐ型ＧａＮ系半導体層も同様である。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下に、図面を参照にしつつ本発明の実施の形態の半導体発光素子について説明する。以下では、ＧａＮ系半導体発光チップからの青色発光と、この青色発光を変換して得られる黄色発光と、により白色発光を行う半導体発光素子について説明する。
【００２０】
以下の第１〜第６の実施の形態では、上述の黄色発光を得る方法を変えた白色半導体発光素子について説明する。まず、第１〜第４の実施の形態では、黄色発光を放射する半導体層を備えた白色半導体発光素子について説明する。次に、第５の実施の形態では、ＧａＮ系半導体発光チップの活性層の一部にイオンを注入して、黄色発光するイオン注入領域を備えた白色半導体発光素子について説明する。次に、第６の実施の形態では、黄色発光を放射する蛍光体を反射板の一部に塗布した白色半導体発光素子について説明する。本実施形態の白色半導体発光素子は、色調のばらつきが少ないことを特徴の１つとする。
【００２１】
（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態に係わる白色半導体発光素子を表す断面図である。電流注入により青色発光を放射する半導体発光チップ１００と、この青色発光により励起されて黄色発光を放射する半導体層１１０と、は白色半導体発光素子を構成している。この素子からの発光は、光取り出し面１２０から取り出される。
【００２２】
まず、半導体発光チップ１００について説明する。サファイア基板１０１の下側の面（第１の面）上には、ＧａＮからなるバッファ層１０２、ｎ型ＧａＮからなるコンタクト層１０３、ＩｎＧａＡｌＮからなる活性層１０４、ｐ型ＡｌＧａＮからなるクラッド層１０５、ｐ型ＧａＮからなるコンタクト層１０６が順次形成されている。これらの積層層１０１〜１０６は、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）法や、分子線エピキャシタル法（ＭＢＥ法）などにより成長形成することができる。ここで、この積層層１０１〜１０６の厚さは数μｍであり、サファイア基板１０１の厚さは数百μｍであるが、図１では、積層層１０１〜１０６の説明のため、倍率を変えて示している。
【００２３】
上述の、ＩｎＧａＡｌＮ活性層１０４から放射される光の波長は、活性層のＩｎ、Ａｌの組成比を調整し、青色発光をするものとして構成される。ここでＡｌ組成を０として活性層をＩｎＧａＮとしても良い。また、この活性層１０４の厚さを数１ｎｍ〜１０ｎｍ程度の薄膜を有する単一量子井戸構造或いは多重量子井戸構造にすることで高輝度が実現できる。この活性層１０４には、ｎ型コンタクト層１０３に形成されたｎ型電極１０７、ｐ型コンタクト１０６に形成されたｐ型電極１０８から電流が注入される。ここで、ｐ電極１０８とｎ電極１０７は、活性層１０４からの青色発光を反射する反射率の高い材料となるＮｉ／Ａｕ、Ｔｉ／Ａｌが望ましい。このようにすることで、活性層１０４から下側に放射された青色発光を、ｐ電極１０８、ｎ電極１０７で反射して、光取り出し面１２０から取り出すことができる。なお、図中でｐ電極１０８、ｎ電極１０７のように斜線で示した部分は、青色発光、黄色発光を反射する性質を持つ部分であることを示している。
【００２４】
次に、半導体層１１０について説明する。半導体層１１０は、ＩｎＧａＡｌＰからなる発光層１１２を、ＩｎＧａＡｌＰからなるｐ型クラッド層１１１及び、ＩｎＧａＡｌＰからなるｎ型クラッド層１１３で挟んだ構造になっている。発光層１１２は、ＩｎＧａＡｌＰのIII属元素Ｉｎ、Ｇａ、Ａｌの組成比を調整し、黄色発光をするものとして構成される。発光層１１２の厚さは１ｎｍ〜１０μｍが望ましい。すなわち、発光層１１２を１ｎｍ〜数十ｎｍの薄膜からなる単一量子井戸構造または多重量子井戸構造とすると黄色発光の発光効率が高くなって黄色発光の強度が増加し、また発光層１１２の厚さを数十ｎｍ〜１０μｍにすると青色発光の吸収効率が高くなって黄色発光の強度が増加する。この発光層１１２の両側の２つのクラッド層１１１及び１１３は、発光層１１２よりもバンドギャップが大きい。つまり、半導体層１１０はダブルへテロ構造になっている。このようにダブルへテロ構造とすることで、半導体発光チップ１００からの青色発光により発生した電子、正孔を、発光層１１２内に有効に閉じこめることができ、黄色発光の発光効率が高くなって、黄色発光の強度が増加する。ここで、本実施形態のように、発光層１１２を挟むクラッド層をｐ型とｎ型にすることにより、発光層１１２の黄色発光の強度がさらに増加する。これは、本発明者の実験により得られた結果であり、その理由は、内部電界により吸収効率が増加するためであると解析される。また、ここで、クラッド層１１１及び１１３をアンドープにすることも可能である。このようにアンドープにした場合には、発光層１１２の結晶性が向上し、つまり発光層１１２の非発光センタが減少し、発光層１１２での黄色発光の強度が増加する。
【００２５】
この半導体層１１０は、図１に示すように、半導体発光チップのサファイア基板１０１の上側（第２の面側）の一部に接着されている。後述のように、半導体層１１０の面積は、サファイア基板の面積の1／３〜２／３とすることが望ましい。この半導体層１１０は、例えば、ＧａＡｓ基板上にｎ型クラッド層１１３、発光層１１２、ｐ型クラッド層１１１を順に形成した後、不活性ガス中で４６０℃から７５０℃で熱処理することによりサファイア基板１０１の上側にｐ型クラッド層１１１を接着し、基板であるＧａＡｓをエッチング除去して、形成することができる。
【００２６】
以上説明した、半導体発光チップ１００と半導体層１１０とでは、半導体発光チップ１００の活性層１０４から青色発光が放射され、この青色発光の一部が半導体層１１０に入射し、この入射した青色発光により半導体層１１０の発光層１１２が励起され、発光層１１２から黄色発光が放射される。このようにして、活性層１０４からの青色発光と、発光層１１２からの黄色発光とで、白色発光を実現できる。
【００２７】
この白色発光を図２の色度図を用いてさらに詳しく説明する。図２は、国際照明委員会（ＣＩＥ）が定めたｘｙ色度図である。図１の半導体発光チップ１００の活性層１０４のようなＩｎＧａＡｌＮ活性層の発光波長は、図２の左側に示すように、３８０ｎｍから５００ｎｍにすることができる。また、半導体層１１０の発光層１１２のようなＩｎＧａＡｌｐ発光層の発光波長は、図２の右側に示すように、５４０ｎｍから７５０ｎｍにすることができる。ここで、例えば、ＩｎＧａＡｌＮ活性層からの波長４７６ｎｍの青色発光と、ＩｎＧａＡｌＰ発光層からの波長５７８ｎｍの黄色発光とを混色する場合は、図中の左下のｂｌｕｅ領域の４７６の白丸と、図中の右上のｙｅｌｌｏｗ領域の５７８の白丸とを結んだ直線を考える。すると、この直線は、白色の領域ｗｈｉｔｅを通過することが分かる。このように、図２から、半導体発光チップ１００からの青色発光と、半導体層１１０からの黄色発光との混色により白色発光が実現できることがわかる。
【００２８】
以上説明した、図１の半導体発光素子では、素子ごとの色調バラツキを少なくすることできる。これは、半導体層１１０の膜厚、組成、その他の特性、面積等が、蛍光体と異なり、素子ごとにほとんどばらつかないからである。すなわち、半導体層１１０は、半導体素子の製造に一般的に用いられている画一的な量産プロセスにより、膜厚、組成、その他の特性がほとんどばらつかないように再現性良く製造することができ、しかも、容易に同一面積に加工することができる。そして半導体層１１０の膜厚、組成、その他の特性、面積等が素子ごとに均一になることにより、半導体発光チップ１００からの青色発光と、半導体層１１０からの黄色発光との比率が素子ごとにばらつかなくなり、素子ごとに色調がばらつかなくなる。
【００２９】
また、図１の半導体発光素子では、半導体層１１０の面積を変えることにより、色調の調整が容易にできる。これにより、例えば、何らかの原因で半導体層１１０の発光効率がずれたような場合でも、簡単に色調を調整することができる。例えば、半導体層１１０の発光効率が低くなった場合には、半導体層１１０の面積を広くすれば良い。
【００３０】
また、必要に応じて白色発光の色調を変えたい場合も、上述のように半導体層１１０の面積を変えることにより、容易に行うことができる。例えば、表示用の素子として青色に近い色調の白色の素子が欲しい場合には、黄色発光する半導体層１１０の面積を減らせばよい。
【００３１】
さらに、図１の半導体発光素子では、従来の素子よりも発光輝度を向上させることができる。すなわち、図１の素子では、半導体層１１０を光取り出し面１２０の一部のみに形成したので、波長変換領域となる半導体層１１０を通過しない青色発光、すなわち半導体発光チップ１００からの輝度の高い直接の青色発光を利用することができ、発光輝度を向上させることができる。そして、本発明者の実験によれば、半導体層１１０の面積をサファイア基板の面積の１／３〜２／３にすることで再現良く高輝度の白色発光素子が実現でる。
【００３２】
（第２の実施の形態）
第２の実施の形態が第１の実施の形態と異なる点の１つは、図３から分かるように、素子を上下逆向きにし、光取り出し面２２０を、ｐ型ＧａＮコンタクト層側にした点である。
【００３３】
図３は、本発明の第２の実施の形態に係わる白色半導体発光素子を表す断面図である。第１の実施の形態（図１）と同様に、電流注入により活性層２０４から青色発光を放射する半導体発光チップ２００と、この青色発光により励起されて発光層２１２から黄色発光を放射する半導体層２１０と、は白色半導体発光素子を構成している。この素子からの発光は、光取り出し面２２０から取り出される。
【００３４】
まず半導体発光チップ２００について説明する。サファイア基板２０１の上側の面（第１の面）上には、ＧａＮからなるバッファ層２０２、ｎ型ＧａＮからなるコンタクト層２０３、ＩｎＧａＮからなる活性層２０４、ｐ型ＡｌＧａＮからなるクラッド層２０５、ｐ型ＧａＮからなるコンタクト層２０６が順次形成されている。この活性層２０４には、ｎ型コンタクト層２０３に形成されたＴｉ／Ａｌからなるｎ型電極２０７と、ｐ型コンタクト層２０６上に形成された透明電極２０８上のＮｉ／Ａｌからなるｐ型電極２０８ａと、から電流が注入される。ここで、図２の素子は光取り出し面２２０がｐ型ＧａＮ層２０６側であるため、透明電極２０８を用いている。透明電極２０８は金属薄膜または導電性酸化物からなり、活性層２０４からの青色発光、および、発光層２１２からの黄色発光に対して透光性を有している。
次に、半導体層２１０について説明する。半導体層２１０は、第１の実施の形態と同様に、ＩｎＧａＡｌＰからなる発光層２１２を、ＩｎＧａＡｌＰからなるｐ型クラッド層２１１及び、ＩｎＧａＡｌＰからなるｎ型クラッド層２１３で挟んだ構造になっている。そして、このｎ型クラッド層２１３の下側には、発光層２１２からの黄色発光を反射する反射膜２１４が形成されている。この反射膜はＡｌ、Ａｇ、Ａｕ、Ｃｕからなる金属膜やその合金で、厚さを０．１μｍ〜１０μｍにすることができる。このようにすることで、発光層２１２から下側に放射された黄色発光を、反射膜２１４で反射して、光取り出し面２２０から取り出すことができる。このようにして構成された半導体層２１０は、半導体発光チップ２００のサファイア基板２０１の下側の面（第２の面）の一部に接着される。
【００３５】
本実施形態のように、光取り出し面２２０をｐ型ＧａＮコンタクト層２０６側にしても、第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。
【００３６】
（第３の実施の形態）
第３の実施の形態が第２の実施の形態（図３）と異なる点の１つは、図４から分かるように、半導体層３１０を、光取り出し面３２０の側の透明電極３０８上に形成した点である。
【００３７】
図４は、本発明の第３の実施の形態に係わる白色半導体発光素子を表す断面図である。第２の実施の形態（図３）と同様に、電流注入により活性層３０４から青色発光を放射する半導体発光チップ３００と、この青色発光により励起されて発光層３１２から黄色発光を放射する半導体層３１０と、は白色半導体発光素子を構成している。この素子からの発光は、光取り出し面３２０から取り出される。
【００３８】
まず半導体発光チップ３００について説明する。サファイア基板３０１の上側の面上には、ＧａＮからなるバッファ層３０２、ｎ型ＧａＮからなるコンタクト層３０３、ＩｎＧａＮからなる活性層３０４、ｐ型ＡｌＧａＮからなるクラッド層３０５、ｐ型ＧａＮからなるコンタクト層３０６が順次形成されている。この活性層３０４には、第２の実施の形態と同様に、ｎ型コンタクト層３０３上に形成されたＴｉ／Ａｌからなるｎ型電極３０７と、ｐ型コンタクト層２０６上に形成された透明電極３０８上のＮｉ／Ａｌからなるｐ型電極２０８ａと、から電流が注入される。ここで、図３の素子も、第２の実施の形態の素子（図２）と同様に、光取り出し面３２０がｐ型ＧａＮ層３０６側であるため、透明電極３０８を用いている。
【００３９】
また、上述の基板３０１の下側には、活性層３０４からの青色発光および発光層３１２からの黄色発光を反射する反射膜３０９が形成されている。この反射膜はＡｌ、Ａｇ、Ａｕ、Ｃｕからなる金属膜やその合金で、厚さを０．１μｍ〜１０μｍにすることができる。このようにすることで、活性層３０４から下側に放射された青色発光、および発光層３１２から下側に放射された黄色発光を、反射膜３０９で反射して、上側の光取り出し面３２０から取り出すことができる。
【００４０】
次に、半導体層３１０について説明する。半導体層３１０は、第２の実施の形態と同様に、ＩｎＧａＡｌＰからなる発光層３１２を、ＩｎＧａＡｌＰからなるｐ型クラッド層３１１及び、ＩｎＧａＡｌＰからなるｎ型クラッド層３１３で挟んだ構造になっている。この半導体層３１０は、半導体発光チップ３００の透明電極３０８上に接着されている。この接着の際には、第１の実施の形態と同様に、不活性ガス中で熱処理を行う。ただし、本発明者の実験によれば、この半導体層３１０の接着温度は、第１の実施の形態の素子の接着温度である４６０℃〜７５０℃と異なり、１５０℃〜４５０℃とすることができる。すなわち、本発明者の実験によれば、透明電極３０８上に半導体層３１０を接着する場合は、サファイア基板３０１に接着する場合に比べて低温で接着しても、高温で接着するのと同等の接着強度になることが判明している。
【００４１】
本実施形態の半導体発光素子のように、半導体層３１０を、光取り出し面３２０の側の透明電極３０８上に形成しても、第２の実施の形態および第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。
【００４２】
また、本実施形態の半導体発光素子では、透明電極３０８上に半導体層３１０を接着したので、透明電極３０８の反射を利用でき、発光層３１２からの黄色発光をさらに有効に取り出すことができる。
【００４３】
（第４の実施の形態）
第４の実施の形態が第１の実施の形態（図１）と異なる点は、図５から分かるように、ｎ型ＧａＮ基板４０１を用いてｎ型電極４０７を基板４０１上に設け、さらに、半導体層４１０にローパスフィルター４１４を設けた点である。
【００４４】
図５は、本発明の第４の実施の形態に係わる白色半導体発光素子を表す断面図である。第１の実施の形態（図１）と同様に、電流注入により活性層４０４から青色発光を放射する半導体発光チップ４００と、この青色発光により励起されて発光層４１２から黄色発光を放射する半導体層４１０と、は白色半導体発光素子を構成している。この素子からの発光は、光取り出し面４２０から取り出される。
【００４５】
まず半導体発光チップ４００について説明する。ｎ型ＧａＮ基板４０１の下側の面（第１の面）上には、ｎ型ＡｌＧａＮからなるバッファ層４０２、ｎ型ＧａＮからなるコンタクト層４０３、ＩｎＧａＮからなる活性層４０４、ｐ型ＡｌＧａＮからなるクラッド層４０５、ｐ型ＧａＮからなるコンタクト層４０６が順次形成されている。この活性層４０４には、ｎ型ＧａＮ基板４０１に形成されたＴｉ／Ａｌからなるｎ型電極４０７と、ｐ型コンタクト層４０６上に形成されたＮｉ／Ａｕからなるｐ型電極４０８と、から電流が注入される。このように、図２の素子では基板４０１に設けられたｎ型電極４０７からバッファ層４０２を介して活性層４０４に電流が注入されるので、バッファ層として、上述のように、ｎ型ＡｌＧａＮを用いている。
【００４６】
次に、半導体層４１０について説明する。半導体層４１０は、ＩｎＧａＡｌＰからなる発光層４１２を、ＩｎＧａＡｌＰからなるｐ型クラッド層４１１及び、ＩｎＧａＡｌＰからなるｎ型クラッド層４１３で挟んだ構造になっている。これに加え、図５の素子では、半導体層４１０に、ローパスフィルタ４１４が設けられている。このローパスフィルタ４１４は、図６に示すように、発光層４１２からの黄色発光に対する反射率が高く、活性層４０４からの青色発光に対する反射率が低くなっている。すなわち、ローパスフィルタ４１４は、発光層４１２からの黄色発光を反射し、活性層４０４からの青色発光を透過する性質を有する。半導体層４１０は、第１の実施の形態と同様に、半導体発光チップ４００の基板４０１の上側（第２の面側）に接着されている。
【００４７】
本実施形態の素子のように、基板としてｎ型ＧａＮ基板４０１を用いると、第１の実施の形態の素子と同様の効果があるのに加え、さらに、活性層４０４を含む結晶成長層４０２〜４０６と基板４０１との格子不整合による歪みが少なくなり、信頼性が高い発光素子が実現できる。
【００４８】
また、本実施形態の素子のようにローパスフィルタ４１４を設けると、発光層４１２からの黄色発光を効率よく取り出すことができ、さらに輝度を上げることが出来る。
【００４９】
以上説明した第４の実施の形態では、基板としてｎ型ＧａＮ基板４０１を用いたが、ｎ型ＳｉＣ基板を用いることもできる。このｎ型ＳｉＣ基板を用いると、放熱特性が良く、８０℃を越える高温でも輝度の低下がない素子を実現できる。
【００５０】
（第５の実施の形態）
第５の実施の形態は、図７に示すように、活性層５０４の一部に、イオン注入領域５０９を設けたことを特徴の１つとする。
【００５１】
図７は、本発明の第５の実施の形態に係わる白色半導体発光素子を表す断面図である。サファイア基板５０１の下側の面上には、ＧａＮからなるバッファ層５０２、ｎ型ＧａＮからなるコンタクト層５０３、ＩｎＧａＮからなる活性層５０４、ｐ型ＡｌＧａＮからなるクラッド層５０５、ｐ型ＧａＮからなるコンタクト層５０６が順次形成されている。
【００５２】
本実施形態の素子の特徴の１つは、イオン注入領域５０９が設けられて、活性層５０４の一部にイオンが注入された領域が形成されていることである。このイオン注入領域５０９のイオンは、活性層５０４で発光中心を形成し、青色発光を吸収して黄色発光を放射する。そして、図７の素子では、活性層５０４からの青色発光と、イオン注入領域５０９から黄色発光とで白色発光を実現している。この素子からの発光は、光取り出し面５２０から取り出される。
【００５３】
上述の活性層５０４には、ｎ型コンタクト層５０３に形成されたｎ型電極５０７と、ｐ型コンタクト５０６に形成されたｐ型電極５０８とから電流が注入される。ここで、ｐ型電極５０８とｎ型電極５０７は、青色発光および黄色発光を反射する反射率の高い材料となるＡｕ／Ｎｉ、Ｔｉ／Ａｌが望ましい。このようにすることで、活性層５０４から下側に放射された青色発光、およびイオン注入領域５０９のイオンから下側に放射された黄色発光を、ｐ電極５０８、ｎ電極５０７で反射して、上側、すなわち光取り出し面５２０側から取り出すことができる。
【００５４】
図７の半導体発光素子では、素子ごとの色調バラツキを少なくすることできる。これは、イオン注入領域５０９のイオン濃度や注入領域が素子ごとにほとんどばらつかないからである。すなわち、イオン注入は、半導体素子の製造に一般的に用いられている画一的なプロセスにより高い再現性で行うことができるので、イオン注入領域５０９のイオン濃度や注入領域は素子ごとに均一になる。そして、これにより、活性層５０４からの青色発光と、イオン注入領域５０９から黄色発光との比率が素子ごとにばらつかなくなる。よって、素子ごとに色調がばらつかなくなる。
【００５５】
また、図７の素子では、何らかの原因で活性層５０４の発光効率が変化した場合でも、青色発光と黄色発光の比率は同じであるため、色調がずれない。例えば、活性層５０４からの発光効率が何らかの原因で低くなっても、青色発光と黄色発光が共に同じ割合で弱くなり、青色発光と黄色発光の比率は同じであるので、色調はずれない。このように、図７の素子では色調のばらつきを極めて少なくすることができる。
【００５６】
また、図７の半導体発光素子では、イオン注入領域５０９の面積を変えることにより、色調の調整が容易にできる。これにより、必要に応じて白色発光の色調を容易に変えることできる。例えば、表示用の素子として青色に近い色調の白色の素子が欲しい場合には、イオン注入領域５０９の面積を減らせばよい。
【００５７】
さらに、図７の半導体発光素子では、従来の素子よりも発光輝度を向上させることができる。すなわち、図７の素子では、半導体発光チップからの直接の発光を利用することができ、発光輝度を向上させることができる。
【００５８】
（第６の実施の形態）
第６の実施の形態は、図８に示すように、黄色発光する蛍光体６０３を、反射板６０２の一部に形成したことを特徴の１つとする。
【００５９】
図８は、本発明の第６の実施の形態に係わる白色半導体発光素子を表す断面図である。青色発光を放射する半導体発光チップ６０１と、この半導体発光チップ６０１の青色発光を反射する反射板６０２と、反射板６０２の反射面の一部に塗布された青色発光を波長変換して黄色発光する蛍光体６０３と、は半導体発光素子を構成している。半導体発光チップ６０１と反射板６０２は、モールド樹脂６０４により一体に形成されている。ここで、半導体発光チップ６０１は、例えば、第２の実施の形態（図３）の半導体発光チップ２００を用いることができる。また、蛍光体６０３としては、例えば、ＹＡＧ：Ｃｅを用いることができる。この蛍光体６０３は、反射板６０２の反射面の一部に、薄く、広く塗布されている。
【００６０】
図８の素子では、半導体発光チップ６０１からの青色発光Ｂと、反射板６０２によって反射される青色発光Ｂ’と、蛍光体６０３からの黄色発光Ｙと、により白色発光を実現している。
【００６１】
図８の半導体発光素子では、素子ごとの色調バラツキを少なくすることできる。これは、以下の理由による。
【００６２】
まず、蛍光体６０３を塗布する蛍光体領域の面積は素子ごとにほとんどばらつかない。すなわち、反射板６０２の表面は平坦であるから、面積の調整が容易で、蛍光体領域の面積が素子ごとにほとんどばらつかない。
【００６３】
次に、蛍光体６０３を塗布する蛍光体領域の面積が同一で体積が変化した場合、つまり蛍光体領域の厚さが変化した場合でも、素子ごとの色調ばらつきが少ない。すなわち、蛍光体領域の蛍光体６０３で青色発光を黄色発光に変換する変換効率が高いのは半導体発光チップ６００に近い部分の蛍光体、つまり蛍光体領域の表面付近の蛍光体６０３であって、蛍光体領域の厚さが変化しても、蛍光体領域の表面付近にある変換効率が高い蛍光体６０３の量は変わらず、変換効率が低い蛍光体６０３の量が変化するだけである。このように、蛍光体領域の厚さが変化しても、黄色発光の強度に大きく影響する変換効率が高い蛍光体６０３の量はほとんど変化しない。よって、蛍光体領域の厚さが変化しても、黄色発光の強度への影響は少なく、色調の変化が少ない。
【００６４】
このようにして、図８の半導体発光素子では、素子ごとの色調バラツキを少なくすることできる。
【００６５】
また、図８の半導体発光素子では、蛍光体６０３を塗布する蛍光体領域の面積を変えることにより、色調の調整が容易にできる。これにより、例えば、蛍光体６０３の変換効率が変化したような場合でも、簡単に色調を調整することができる。例えば、蛍光体６０３の変換効率が低くなった場合には、蛍光体領域の面積を広くすれば良い。
【００６６】
また、図８の半導体発光素子では、蛍光体６０３を塗布する蛍光体領域の面積を変えることにより、色調の調整が容易にできる。これにより、必要に応じて白色発光の色調を容易に変えることできる。例えば、表示用の素子として青色に近い色調の白色の素子が欲しい場合には、蛍光体領域の面積を減らせばよい。
【００６７】
また、図８の半導体発光素子では、反射板に蛍光体を塗布したので、視野角の調整が容易にできる。
【００６８】
さらに、図８の半導体発光素子では、従来の素子よりも発光輝度を向上させることができる。すなわち、図８の素子では、半導体発光チップからの直接の発光を利用することができ、さらに、蛍光体を薄く広く塗布することによって蛍光体６０３の変換効率を高くすることができるので、発光輝度を向上させることができる。
【００６９】
【発明の効果】
本発明によれば、電流注入により青色発光するＧａＮ系半導体発光チップと、このＧａＮ系半導体発光チップの表面の一部に接着され青色発光により励起されて黄色発光する半導体層と、により白色半導体発光素子を構成したので、色調のばらつきを少なくすることができる。
【００７０】
また、本発明によれば、青色発光するＧａＮ系半導体発光チップの活性層の一部に、イオンが注入され黄色発光する領域を形成して白色半導体発光素子を構成したので、色調のばらつきを少なくすることができる。
【００７１】
また、本発明によれば、青色発光するＧａＮ系半導体発光チップと、青色発光を反射する反射板と、青色発光により励起されて黄色発光を放射する蛍光体と、により白色半導体発光素子を構成し、この蛍光体を反射板の一部に塗布したので、色調のばらつきの少なくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態の半導体発光素子の構造を示す図。
【図２】本発明の第１の実施の形態の半導体発光素子の色度を説明するための色度図で、国際照明委員会（ＣＩＥ）が定めたｘｙ色度図。
【図３】本発明の第２の実施の形態の半導体発光素子の構造を示す図。
【図４】本発明の第３の実施の形態の半導体発光素子の構造を示す図。
【図５】本発明の第４の実施の形態の半導体発光素子の構造を示す図。
【図６】本発明の第４の実施の形態の半導体発光素子のローパスフィルターの特性を示す図。
【図７】本発明の第５の実施の形態の半導体発光素子の構造を示す図。
【図８】本発明の第６の実施の形態の半導体発光素子の構造を示す図。
【符号の説明】
１００、２００、３００、４００、６００半導体発光チップ
１１０、２１０、３１０、４１０半導体層
１０１、２０１、３０１、５０１サファイア基板
４０１ＧａＮ基板
１０２、２０２、３０２、５０２ＧａＮバッファ層
４０２ｎ型ＡｌＧａＮバッファ層
１０３、２０３、３０３、４０３、５０３ｎ型ＧａＮコンタクト層
１０４ＩｎＧａＡｌＮ活性層
２０４、３０４、４０４、５０４ＩｎＧａＮ活性層
１０５、２０５、３０５、４０５、５０５ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層
１０６、２０６、３０６、４０６、５０６ｐ型ＧａＮコンタクト層
６０２反射板
６０３蛍光体[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor light emitting device.
[0002]
[Prior art]
In recent years, white semiconductor light emitting devices have attracted attention as replacements for incandescent bulbs and fluorescent lamps. The white semiconductor light emitting element has features such as a simple driving circuit, a long life, and low power consumption.
[0003]
The configuration of the white semiconductor light emitting element is described in, for example, Japanese Patent Laid-Open Nos. 10-242513, 10-12916, and 11-121806.
[0004]
A semiconductor light emitting device disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 10-242513 includes a nitride semiconductor light emitting chip that emits blue light and a YAG: Ce phosphor that absorbs blue light and emits yellow light, and emits white light by blue light emission and yellow light emission. Is realized. Here, the YAG: Ce phosphor is mixed around the resin and applied around the semiconductor light emitting chip.
[0005]
A semiconductor light emitting device disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 10-12916 includes a nitride semiconductor light emitting chip that emits ultraviolet light, and three types of phosphors that absorb ultraviolet light and emit red, green, and blue light. White light emission is realized by light emission, green light emission, and blue light emission. Again, the phosphor is mixed around the resin and applied around the semiconductor light emitting chip.
[0006]
Further, the semiconductor light emitting device disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-121806 includes three types of active layers, an active layer that emits red light, an active layer that emits green light, and an active layer that emits blue light. White light emission is realized by blue light emission. Here, three types of active layers are provided separately, and currents are separately injected into the respective active layers.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
However, as a result of trial manufacture and evaluation by the present inventor, it has been found that the conventional white semiconductor light emitting device has a problem that the color tone of white light varies as follows.
[0008]
First, as in the semiconductor light emitting device disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 10-242513, when a phosphor is mixed with resin and applied around the semiconductor chip, it is difficult to make the amount of phosphor constant for each device. The amount varied. For example, when the amount of the phosphor is large, yellow light emission is increased, and the color tone of white light is close to yellow. On the contrary, when the amount of the phosphor is small, the yellow light emission is small and the color tone is close to blue. For this reason, the color tone of white light varied from element to element.
[0009]
Next, when three types of phosphors are used as in the semiconductor light emitting device disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 10-12916, the phosphors are biased for each device because it is difficult to prepare the phosphors. For example, when the amount of the blue light emitting phosphor is large, the color tone is close to blue. For this reason, the color tone of white light varied from element to element.
[0010]
Further, in a structure using three types of active layers of red light emission, green light emission, and blue light emission, as in the semiconductor light emitting element of Japanese Patent Laid-Open No. 10-12916, each light emission changes depending on the injection current. It was difficult to adjust the light emission balance of the three colors. For example, when there is too much injection current into the blue light emitting active layer, the color tone of the white light is close to blue. For this reason, the color tone of white light varied.
[0011]
Thus, it has been found that the conventional white semiconductor light emitting device has a problem that the color tone of white light varies.
[0012]
In general, however, this variation in color tone has not been recognized as a major problem. That is, in general, in white semiconductor light-emitting elements, the main purpose is to improve the luminance, and a large goal has been set to achieve that purpose.
[0013]
The present invention has been made based on recognition of such unique problems. That is, the object is to provide a light-emitting element with little variation in color tone.
[0014]
[Means for Solving the Problems]
The semiconductor light emitting device of the present invention is
A semiconductor light-emitting chip including an active layer that emits light of a first wavelength by current injection;
A light emitting layer that is bonded to the surface of the substrate of the semiconductor light emitting chip and is excited by the light of the first wavelength to emit light of the second wavelength;
With
The light emitting layer is formed on a part of the surface of the substrate;
The light emitting layer is sandwiched between a pair of clad layers having a band gap larger than the band gap of the light emitting layer,
Between the substrate and the light emitting layer, a filter that reflects light of the second wavelength from the light emitting layer and transmits light of the first wavelength from the active layer is formed,
It is characterized by that.
[0015]
The active layer can be an active layer made of a GaN-based semiconductor. Here, the GaN-based semiconductor is In _x Ga _y Al _1-xy It means a semiconductor made of N (0 ≦ x + y ≦ 1, 0 ≦ x, y ≦ 1), and the active layer made of a GaN-based semiconductor includes, for example, an active layer having a multiple quantum well structure of InGaN and GaN. The light emitting layer may be a light emitting layer made of an InGaAlP-based semiconductor. Here, the InGaAlP-based semiconductor is In _s Ga _t Al _1-st It means a semiconductor composed of P (0 ≦ s + t ≦ 1, 0 ≦ s, t ≦ 1).
[0017]
Here, the n-type GaN-based semiconductor layer is In _a Ga _b Al _1-ab It means an n-type semiconductor layer made of N (0 ≦ a + b ≦ 1, 0 ≦ a, b ≦ 1). For example, a superlattice structure of n-type GaN and AlGaN is also included in the n-type GaN-based semiconductor layer. The same applies to the p-type GaN-based semiconductor layer.
[0019]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, semiconductor light emitting devices according to embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. Hereinafter, a semiconductor light emitting element that emits white light by blue light emission from the GaN-based semiconductor light emitting chip and yellow light emission obtained by converting the blue light emission will be described.
[0020]
In the following first to sixth embodiments, white semiconductor light-emitting elements in which the method for obtaining yellow light emission described above is changed will be described. First, in the first to fourth embodiments, a white semiconductor light emitting element including a semiconductor layer that emits yellow light will be described. Next, in the fifth embodiment, a white semiconductor light-emitting element including an ion-implanted region that emits yellow light by implanting ions into a part of an active layer of a GaN-based semiconductor light-emitting chip will be described. Next, in a sixth embodiment, a white semiconductor light emitting element in which a phosphor that emits yellow light is applied to a part of a reflector will be described. One feature of the white semiconductor light emitting device of this embodiment is that there is little variation in color tone.
[0021]
(First embodiment)
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a white semiconductor light emitting device according to the first embodiment of the present invention. The semiconductor light emitting chip 100 that emits blue light by current injection and the semiconductor layer 110 that emits yellow light when excited by this blue light constitute a white semiconductor light emitting device. Light emitted from this element is extracted from the light extraction surface 120.
[0022]
First, the semiconductor light emitting chip 100 will be described. On the lower surface (first surface) of the sapphire substrate 101, a buffer layer 102 made of GaN, a contact layer 103 made of n-type GaN, an active layer 104 made of InGaAlN, a cladding layer 105 made of p-type AlGaN, A contact layer 106 made of p-type GaN is sequentially formed. These stacked layers 101 to 106 can be grown and formed by metal organic chemical vapor deposition (MOCVD), molecular beam epitaxy (MBE), or the like. Here, the thickness of the stacked layers 101 to 106 is several μm, and the thickness of the sapphire substrate 101 is several hundred μm. However, in FIG. 1, the magnification is changed for explaining the stacked layers 101 to 106. Show.
[0023]
The wavelength of the light emitted from the InGaAlN active layer 104 described above is configured to emit blue light by adjusting the composition ratio of In and Al in the active layer. Here, the Al composition may be 0 and the active layer may be InGaN. Further, high brightness can be realized by making the thickness of the active layer 104 a single quantum well structure or a multiple quantum well structure having a thin film of about several nanometers to 10 nm. Current is injected into the active layer 104 from an n-type electrode 107 formed on the n-type contact layer 103 and a p-type electrode 108 formed on the p-type contact 106. Here, the p electrode 108 and the n electrode 107 are preferably made of Ni / Au or Ti / Al, which is a highly reflective material that reflects blue light emission from the active layer 104. By doing so, blue light emitted downward from the active layer 104 can be reflected by the p-electrode 108 and the n-electrode 107 and extracted from the light extraction surface 120. In the figure, hatched portions such as the p-electrode 108 and the n-electrode 107 indicate portions that reflect blue light emission and yellow light emission.
[0024]
Next, the semiconductor layer 110 will be described. The semiconductor layer 110 has a structure in which a light emitting layer 112 made of InGaAlP is sandwiched between a p-type cladding layer 111 made of InGaAlP and an n-type cladding layer 113 made of InGaAlP. The light emitting layer 112 is configured to emit yellow light by adjusting the composition ratio of group III elements In, Ga, and Al of InGaAlP. The thickness of the light emitting layer 112 is desirably 1 nm to 10 μm. That is, when the light emitting layer 112 has a single quantum well structure or a multiple quantum well structure made of a thin film having a thickness of 1 nm to several tens of nm, the light emission efficiency of yellow light emission is increased, the intensity of yellow light emission is increased, and the thickness of the light emitting layer 112 is increased. When the thickness is several tens of nm to 10 μm, the absorption efficiency of blue light emission increases and the intensity of yellow light emission increases. The two clad layers 111 and 113 on both sides of the light emitting layer 112 have a band gap larger than that of the light emitting layer 112. That is, the semiconductor layer 110 has a double hetero structure. By adopting such a double hetero structure, electrons and holes generated by blue light emission from the semiconductor light emitting chip 100 can be effectively confined in the light emitting layer 112, and the luminous efficiency of yellow light emission is increased. The intensity of yellow emission increases. Here, the intensity of yellow light emission of the light emitting layer 112 is further increased by making the clad layer sandwiching the light emitting layer 112 p-type and n-type as in this embodiment. This is a result obtained by the inventor's experiment, which is analyzed because the absorption efficiency is increased by the internal electric field. Here, the cladding layers 111 and 113 can also be undoped. When undoped in this way, the crystallinity of the light emitting layer 112 is improved, that is, the non-light emitting center of the light emitting layer 112 is reduced, and the intensity of yellow light emission in the light emitting layer 112 is increased.
[0025]
As shown in FIG. 1, the semiconductor layer 110 is bonded to a part on the upper side (second surface side) of the sapphire substrate 101 of the semiconductor light emitting chip. As will be described later, the area of the semiconductor layer 110 is preferably 1/3 to 2/3 of the area of the sapphire substrate. The semiconductor layer 110 is formed, for example, by sequentially forming an n-type cladding layer 113, a light emitting layer 112, and a p-type cladding layer 111 on a GaAs substrate, and then heat-treating them in an inert gas at 460 ° C. to 750 ° C. The p-type cladding layer 111 is bonded to the upper side of the substrate 101, and the substrate GaAs is removed by etching.
[0026]
In the semiconductor light emitting chip 100 and the semiconductor layer 110 described above, blue light emission is emitted from the active layer 104 of the semiconductor light emitting chip 100, and a part of the blue light emission enters the semiconductor layer 110, and the incident blue light emission The light emitting layer 112 of the semiconductor layer 110 is excited, and yellow light emission is emitted from the light emitting layer 112. In this way, white light emission can be realized by blue light emission from the active layer 104 and yellow light emission from the light emitting layer 112.
[0027]
This white light emission will be described in more detail with reference to the chromaticity diagram of FIG. FIG. 2 is an xy chromaticity diagram defined by the International Commission on Illumination (CIE). The emission wavelength of an InGaAlN active layer such as the active layer 104 of the semiconductor light emitting chip 100 of FIG. 1 can be 380 nm to 500 nm as shown on the left side of FIG. In addition, the emission wavelength of the InGaAlp light emitting layer such as the light emitting layer 112 of the semiconductor layer 110 can be 540 nm to 750 nm as shown on the right side of FIG. Here, for example, in the case where blue light emission with a wavelength of 476 nm from the InGaAlN active layer is mixed with yellow light emission with a wavelength of 578 nm from the InGaAlP light emission layer, Consider a straight line connecting 578 white circles in the upper right yellow region. Then, it turns out that this straight line passes the white area | region white. Thus, it can be seen from FIG. 2 that white light emission can be realized by mixing the blue light emission from the semiconductor light emitting chip 100 and the yellow light emission from the semiconductor layer 110.
[0028]
In the semiconductor light emitting device of FIG. 1 described above, variation in color tone for each device can be reduced. This is because the thickness, composition, other characteristics, area, and the like of the semiconductor layer 110 hardly vary from element to element, unlike phosphors. That is, the semiconductor layer 110 can be manufactured with good reproducibility so that the film thickness, composition, and other characteristics hardly vary by a uniform mass production process generally used for manufacturing semiconductor devices. And it can process to the same area easily. The film thickness, composition, other characteristics, area, and the like of the semiconductor layer 110 are uniform for each element, so that the ratio of blue light emission from the semiconductor light emitting chip 100 to yellow light emission from the semiconductor layer 110 is different for each element. The color tone does not vary from device to device.
[0029]
In the semiconductor light emitting device of FIG. 1, the color tone can be easily adjusted by changing the area of the semiconductor layer 110. Thereby, for example, even when the light emission efficiency of the semiconductor layer 110 is deviated for some reason, the color tone can be easily adjusted. For example, when the light emission efficiency of the semiconductor layer 110 is lowered, the area of the semiconductor layer 110 may be increased.
[0030]
Further, when it is desired to change the color tone of white light emission as necessary, it can be easily performed by changing the area of the semiconductor layer 110 as described above. For example, when a white element having a color tone close to blue is desired as a display element, the area of the semiconductor layer 110 that emits yellow light may be reduced.
[0031]
Furthermore, in the semiconductor light emitting device of FIG. 1, the light emission luminance can be improved as compared with the conventional device. That is, in the element of FIG. 1, since the semiconductor layer 110 is formed only on a part of the light extraction surface 120, blue light emission that does not pass through the semiconductor layer 110 serving as the wavelength conversion region, that is, high luminance directly from the semiconductor light emitting chip 100 is directly applied. Blue light emission can be used, and the light emission luminance can be improved. According to the experiments of the present inventors, a white light emitting element with high brightness can be realized with good reproducibility by setting the area of the semiconductor layer 110 to 1/3 to 2/3 of the area of the sapphire substrate.
[0032]
(Second Embodiment)
One of the differences of the second embodiment from the first embodiment is that, as can be seen from FIG. 3, the device is turned upside down and the light extraction surface 220 is on the p-type GaN contact layer side. It is.
[0033]
FIG. 3 is a cross-sectional view showing a white semiconductor light emitting device according to the second embodiment of the present invention. Similar to the first embodiment (FIG. 1), the semiconductor light emitting chip 200 that emits blue light from the active layer 204 by current injection, and the semiconductor layer that emits yellow light from the light emitting layer 212 when excited by the blue light emission. 210 constitutes a white semiconductor light emitting element. Light emitted from this element is extracted from the light extraction surface 220.
[0034]
First, the semiconductor light emitting chip 200 will be described. On the upper surface (first surface) of the sapphire substrate 201, a buffer layer 202 made of GaN, a contact layer 203 made of n-type GaN, an active layer 204 made of InGaN, a clad layer 205 made of p-type AlGaN, p Contact layers 206 made of type GaN are sequentially formed. The active layer 204 includes an n-type electrode 207 made of Ti / Al formed on the n-type contact layer 203 and a p-type electrode made of Ni / Al on the transparent electrode 208 formed on the p-type contact layer 206. From 208a, a current is injected. 2 uses the transparent electrode 208 because the light extraction surface 220 is on the p-type GaN layer 206 side. The transparent electrode 208 is made of a metal thin film or a conductive oxide, and has translucency for blue light emission from the active layer 204 and yellow light emission from the light emitting layer 212.
Next, the semiconductor layer 210 will be described. As in the first embodiment, the semiconductor layer 210 has a structure in which a light emitting layer 212 made of InGaAlP is sandwiched between a p-type cladding layer 211 made of InGaAlP and an n-type cladding layer 213 made of InGaAlP. A reflective film 214 that reflects yellow light emitted from the light emitting layer 212 is formed below the n-type cladding layer 213. The reflective film is a metal film made of Al, Ag, Au, or Cu, or an alloy thereof, and can have a thickness of 0.1 μm to 10 μm. By doing so, yellow light emitted downward from the light emitting layer 212 can be reflected by the reflective film 214 and extracted from the light extraction surface 220. The semiconductor layer 210 thus configured is bonded to a part of the lower surface (second surface) of the sapphire substrate 201 of the semiconductor light emitting chip 200.
[0035]
As in the present embodiment, even if the light extraction surface 220 is on the p-type GaN contact layer 206 side, the same effect as in the first embodiment can be obtained.
[0036]
(Third embodiment)
One of the differences between the third embodiment and the second embodiment (FIG. 3) is that the semiconductor layer 310 is formed on the transparent electrode 308 on the light extraction surface 320 side, as can be seen from FIG. This is the point.
[0037]
FIG. 4 is a cross-sectional view showing a white semiconductor light emitting device according to the third embodiment of the present invention. Similar to the second embodiment (FIG. 3), the semiconductor light emitting chip 300 that emits blue light from the active layer 304 by current injection, and the semiconductor layer that emits yellow light from the light emitting layer 312 when excited by this blue light emission. 310 constitutes a white semiconductor light emitting element. Light emitted from this element is extracted from the light extraction surface 320.
[0038]
First, the semiconductor light emitting chip 300 will be described. On the upper surface of the sapphire substrate 301, a buffer layer 302 made of GaN, a contact layer 303 made of n-type GaN, an active layer 304 made of InGaN, a clad layer 305 made of p-type AlGaN, and a contact layer made of p-type GaN. 306 are sequentially formed. As in the second embodiment, the active layer 304 includes an n-type electrode 307 made of Ti / Al formed on the n-type contact layer 303 and a transparent electrode formed on the p-type contact layer 206. A current is injected from the p-type electrode 208 a made of Ni / Al on 308. Here, the device of FIG. 3 also uses the transparent electrode 308 because the light extraction surface 320 is on the p-type GaN layer 306 side, similarly to the device of the second embodiment (FIG. 2).
[0039]
A reflective film 309 that reflects blue light emission from the active layer 304 and yellow light emission from the light emitting layer 312 is formed below the substrate 301. The reflective film is a metal film made of Al, Ag, Au, or Cu, or an alloy thereof, and can have a thickness of 0.1 μm to 10 μm. In this way, the blue light emitted from the active layer 304 to the lower side and the yellow light emitted from the light emitting layer 312 to the lower side are reflected by the reflective film 309 and are emitted from the upper light extraction surface 320. It can be taken out.
[0040]
Next, the semiconductor layer 310 will be described. Similar to the second embodiment, the semiconductor layer 310 has a structure in which a light emitting layer 312 made of InGaAlP is sandwiched between a p-type cladding layer 311 made of InGaAlP and an n-type cladding layer 313 made of InGaAlP. The semiconductor layer 310 is bonded onto the transparent electrode 308 of the semiconductor light emitting chip 300. At the time of bonding, heat treatment is performed in an inert gas as in the first embodiment. However, according to the experiments of the present inventors, the bonding temperature of the semiconductor layer 310 is 150 ° C. to 450 ° C., which is different from 460 ° C. to 750 ° C. which is the bonding temperature of the element of the first embodiment. it can. That is, according to the experiment of the present inventor, when the semiconductor layer 310 is bonded on the transparent electrode 308, even when bonded at a lower temperature than when bonded to the sapphire substrate 301, it is equivalent to bonding at a high temperature. It has been found to be adhesive strength.
[0041]
Even if the semiconductor layer 310 is formed on the transparent electrode 308 on the light extraction surface 320 side as in the semiconductor light emitting device of this embodiment, the same effects as those of the second embodiment and the first embodiment are obtained. Can be obtained.
[0042]
In the semiconductor light emitting device of this embodiment, since the semiconductor layer 310 is bonded onto the transparent electrode 308, the reflection of the transparent electrode 308 can be used, and yellow light emission from the light emitting layer 312 can be extracted more effectively.
[0043]
(Fourth embodiment)
The fourth embodiment is different from the first embodiment (FIG. 1) in that an n-type electrode 407 is provided on a substrate 401 using an n-type GaN substrate 401 as shown in FIG. The low-pass filter 414 is provided in the semiconductor layer 410.
[0044]
FIG. 5 is a cross-sectional view showing a white semiconductor light emitting element according to the fourth embodiment of the present invention. Similar to the first embodiment (FIG. 1), the semiconductor light emitting chip 400 that emits blue light emission from the active layer 404 by current injection, and the semiconductor layer that emits yellow light emission from the light emitting layer 412 when excited by this blue light emission. 410 constitutes a white semiconductor light emitting element. Light emitted from this element is extracted from the light extraction surface 420.
[0045]
First, the semiconductor light emitting chip 400 will be described. On the lower surface (first surface) of the n-type GaN substrate 401, a buffer layer 402 made of n-type AlGaN, a contact layer 403 made of n-type GaN, an active layer 404 made of InGaN, and made of p-type AlGaN. A cladding layer 405 and a contact layer 406 made of p-type GaN are sequentially formed. The active layer 404 has a current from an n-type electrode 407 made of Ti / Al formed on the n-type GaN substrate 401 and a p-type electrode 408 made of Ni / Au formed on the p-type contact layer 406. Is injected. As described above, in the element of FIG. 2, current is injected from the n-type electrode 407 provided on the substrate 401 to the active layer 404 via the buffer layer 402. Therefore, as described above, n-type AlGaN is used as the buffer layer. Used.
[0046]
Next, the semiconductor layer 410 will be described. The semiconductor layer 410 has a structure in which a light emitting layer 412 made of InGaAlP is sandwiched between a p-type cladding layer 411 made of InGaAlP and an n-type cladding layer 413 made of InGaAlP. In addition to this, in the element of FIG. 5, a low-pass filter 414 is provided in the semiconductor layer 410. As shown in FIG. 6, the low-pass filter 414 has a high reflectance for yellow light emission from the light emitting layer 412 and a low reflectance for blue light emission from the active layer 404. That is, the low-pass filter 414 has a property of reflecting yellow light emission from the light emitting layer 412 and transmitting blue light emission from the active layer 404. Similar to the first embodiment, the semiconductor layer 410 is bonded to the upper side (second surface side) of the substrate 401 of the semiconductor light emitting chip 400.
[0047]
When an n-type GaN substrate 401 is used as a substrate as in the element of the present embodiment, the same effect as that of the element of the first embodiment is obtained, and in addition, crystal growth layers 402 to 402 including an active layer 404 are provided. A distortion due to lattice mismatch between 406 and the substrate 401 is reduced, and a light-emitting element with high reliability can be realized.
[0048]
Further, when the low-pass filter 414 is provided as in the element of this embodiment, yellow light emission from the light emitting layer 412 can be efficiently extracted, and the luminance can be further increased.
[0049]
In the fourth embodiment described above, the n-type GaN substrate 401 is used as the substrate, but an n-type SiC substrate can also be used. When this n-type SiC substrate is used, it is possible to realize an element having good heat dissipation characteristics and no reduction in luminance even at a high temperature exceeding 80 ° C.
[0050]
(Fifth embodiment)
As shown in FIG. 7, the fifth embodiment is characterized in that an ion implantation region 509 is provided in a part of the active layer 504.
[0051]
FIG. 7 is a cross-sectional view showing a white semiconductor light emitting device according to the fifth embodiment of the present invention. On the lower surface of the sapphire substrate 501, a buffer layer 502 made of GaN, a contact layer 503 made of n-type GaN, an active layer 504 made of InGaN, a cladding layer 505 made of p-type AlGaN, and a contact made of p-type GaN. Layers 506 are formed sequentially.
[0052]
One of the features of the element of this embodiment is that an ion implantation region 509 is provided, and a region where ions are implanted into a part of the active layer 504 is formed. The ions in the ion implantation region 509 form a light emission center in the active layer 504, absorb blue light emission, and emit yellow light emission. In the element of FIG. 7, white light emission is realized by blue light emission from the active layer 504 and yellow light emission from the ion implantation region 509. Light emitted from this element is extracted from the light extraction surface 520.
[0053]
Current is injected into the active layer 504 from the n-type electrode 507 formed on the n-type contact layer 503 and the p-type electrode 508 formed on the p-type contact 506. Here, the p-type electrode 508 and the n-type electrode 507 are preferably made of Au / Ni or Ti / Al, which is a highly reflective material that reflects blue light emission and yellow light emission. By doing so, the blue light emission emitted downward from the active layer 504 and the yellow light emission emitted downward from the ions in the ion implantation region 509 are reflected by the p electrode 508 and the n electrode 507, The light can be extracted from the upper side, that is, the light extraction surface 520 side.
[0054]
In the semiconductor light emitting device of FIG. 7, variation in color tone for each device can be reduced. This is because the ion concentration and implantation region of the ion implantation region 509 hardly vary from device to device. That is, since ion implantation can be performed with high reproducibility by a uniform process generally used in the manufacture of semiconductor devices, the ion concentration and implantation region of the ion implantation region 509 are uniform for each device. Become. As a result, the ratio of blue light emission from the active layer 504 and yellow light emission from the ion implantation region 509 does not vary from device to device. Therefore, the color tone does not vary from element to element.
[0055]
In the element shown in FIG. 7, even when the luminous efficiency of the active layer 504 is changed for some reason, the ratio of blue light emission to yellow light emission is the same, so the color tone does not shift. For example, even if the light emission efficiency from the active layer 504 is lowered for some reason, both blue light emission and yellow light emission are weakened at the same rate, and the ratio of blue light emission to yellow light emission is the same, so the color tone does not go away. As described above, the variation in color tone can be extremely reduced in the element of FIG.
[0056]
In the semiconductor light emitting device of FIG. 7, the color tone can be easily adjusted by changing the area of the ion implantation region 509. Thereby, the color tone of white light emission can be easily changed as needed. For example, when a white element having a color tone close to blue is desired as a display element, the area of the ion implantation region 509 may be reduced.
[0057]
Furthermore, in the semiconductor light emitting device of FIG. 7, the light emission luminance can be improved as compared with the conventional device. That is, in the element of FIG. 7, direct light emission from the semiconductor light emitting chip can be used, and the light emission luminance can be improved.
[0058]
(Sixth embodiment)
As shown in FIG. 8, the sixth embodiment is characterized in that a phosphor 603 that emits yellow light is formed on a part of the reflector 602.
[0059]
FIG. 8 is a cross-sectional view showing a white semiconductor light emitting device according to the sixth embodiment of the present invention. A semiconductor light emitting chip 601 that emits blue light emission, a reflective plate 602 that reflects blue light emission of the semiconductor light emitting chip 601, and blue light applied to a part of the reflecting surface of the reflective plate 602 is wavelength-converted to emit yellow light. The phosphor 603 constitutes a semiconductor light emitting element. The semiconductor light emitting chip 601 and the reflection plate 602 are integrally formed of a mold resin 604. Here, as the semiconductor light emitting chip 601, for example, the semiconductor light emitting chip 200 of the second embodiment (FIG. 3) can be used. As the phosphor 603, for example, YAG: Ce can be used. The phosphor 603 is thinly and widely applied to a part of the reflection surface of the reflection plate 602.
[0060]
In the element of FIG. 8, white light emission is realized by the blue light emission B from the semiconductor light emitting chip 601, the blue light emission B ′ reflected by the reflector 602, and the yellow light emission Y from the phosphor 603.
[0061]
In the semiconductor light emitting device of FIG. 8, variation in color tone from device to device can be reduced. This is due to the following reason.
[0062]
First, the area of the phosphor region to which the phosphor 603 is applied hardly varies from element to element. That is, since the surface of the reflecting plate 602 is flat, the area can be easily adjusted, and the area of the phosphor region hardly varies from element to element.
[0063]
Next, even when the area of the phosphor region to which the phosphor 603 is applied is the same and the volume is changed, that is, when the thickness of the phosphor region is changed, there is little variation in color tone for each element. That is, the phosphor 603 in the phosphor region has a high conversion efficiency for converting blue light emission to yellow light emission in the portion near the semiconductor light emitting chip 600, that is, the phosphor 603 near the surface of the phosphor region, Even if the thickness of the phosphor region changes, the amount of the phosphor 603 with high conversion efficiency near the surface of the phosphor region does not change, only the amount of the phosphor 603 with low conversion efficiency changes. Thus, even if the thickness of the phosphor region changes, the amount of the phosphor 603 with high conversion efficiency that greatly affects the intensity of yellow light emission hardly changes. Therefore, even if the thickness of the phosphor region changes, there is little influence on the intensity of yellow light emission, and the change in color tone is small.
[0064]
In this way, the semiconductor light emitting device of FIG. 8 can reduce color tone variations from device to device.
[0065]
In the semiconductor light emitting device of FIG. 8, the color tone can be easily adjusted by changing the area of the phosphor region to which the phosphor 603 is applied. Thereby, for example, even when the conversion efficiency of the phosphor 603 changes, the color tone can be easily adjusted. For example, when the conversion efficiency of the phosphor 603 is lowered, the area of the phosphor region may be increased.
[0066]
In the semiconductor light emitting device of FIG. 8, the color tone can be easily adjusted by changing the area of the phosphor region to which the phosphor 603 is applied. Thereby, the color tone of white light emission can be easily changed as needed. For example, when a white element having a color tone close to blue is desired as a display element, the area of the phosphor region may be reduced.
[0067]
In the semiconductor light emitting device of FIG. 8, since the phosphor is applied to the reflector, the viewing angle can be easily adjusted.
[0068]
Furthermore, in the semiconductor light emitting device of FIG. 8, the light emission luminance can be improved as compared with the conventional device. That is, in the element of FIG. 8, direct light emission from the semiconductor light emitting chip can be used, and furthermore, the conversion efficiency of the phosphor 603 can be increased by applying the phosphor thinly and widely, so that the light emission luminance Can be improved.
[0069]
【The invention's effect】
According to the present invention, a GaN-based semiconductor light-emitting chip that emits blue light by current injection and a semiconductor layer that adheres to a part of the surface of the GaN-based semiconductor light-emitting chip and is excited by blue light emission to emit yellow light emit white semiconductor light emission. Since the element is configured, variation in color tone can be reduced.
[0070]
In addition, according to the present invention, the white semiconductor light emitting device is configured by forming a region that emits yellow light by injecting ions into a part of the active layer of the blue light emitting GaN-based semiconductor light emitting chip. can do.
[0071]
In addition, according to the present invention, a white semiconductor light emitting device is configured by a GaN-based semiconductor light emitting chip that emits blue light, a reflector that reflects blue light emission, and a phosphor that emits yellow light when excited by blue light emission. Since this phosphor is applied to a part of the reflector, it is possible to reduce variations in color tone.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a structure of a semiconductor light emitting element according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a chromaticity diagram for explaining the chromaticity of the semiconductor light emitting device according to the first embodiment of the present invention, and is an xy chromaticity diagram defined by the International Commission on Illumination (CIE).
FIG. 3 is a diagram showing a structure of a semiconductor light emitting element according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a diagram showing a structure of a semiconductor light emitting device according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a view showing a structure of a semiconductor light emitting element according to a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a view showing characteristics of a low-pass filter of a semiconductor light emitting device according to a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a diagram showing a structure of a semiconductor light emitting element according to a fifth embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a diagram showing a structure of a semiconductor light emitting element according to a sixth embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
100, 200, 300, 400, 600 Semiconductor light emitting chip
110, 210, 310, 410 Semiconductor layer
101, 201, 301, 501 Sapphire substrate
401 GaN substrate
102, 202, 302, 502 GaN buffer layer
402 n-type AlGaN buffer layer
103, 203, 303, 403, 503 n-type GaN contact layer
104 InGaAlN active layer
204, 304, 404, 504 InGaN active layer
105, 205, 305, 405, 505 p-type AlGaN cladding layer
106, 206, 306, 406, 506 p-type GaN contact layer
602 reflector
603 phosphor

Claims

A semiconductor light-emitting chip including an active layer that emits light of a first wavelength by current injection;
A light emitting layer that is bonded to the surface of the substrate of the semiconductor light emitting chip and is excited by the light of the first wavelength to emit light of the second wavelength;
With
The light emitting layer is formed on a part of the surface of the substrate;
The light emitting layer is sandwiched between a pair of clad layers having a band gap larger than the band gap of the light emitting layer,
Between the substrate and the light emitting layer, a filter that reflects light of the second wavelength from the light emitting layer and transmits light of the first wavelength from the active layer is formed,
A semiconductor light emitting element characterized by the above.

The semiconductor light emitting chip is formed on the substrate, a buffer layer formed on the substrate, an n-type GaN-based semiconductor layer formed on the buffer layer, and the n-type GaN-based semiconductor layer. The semiconductor light-emitting device according to claim 1 , comprising at least an active layer and a p-type GaN-based semiconductor layer formed on the active layer.

The semiconductor light-emitting chip has an n-type GaN substrate having first and second surfaces facing each other as the substrate, and an n-type AlGaN buffer layer formed on the first surface of the n-type GaN substrate. An n-type GaN contact layer formed on the n-type AlGaN buffer layer, an InGaN active layer formed on the n-type GaN contact layer, and a p-type AlGaN cladding layer formed on the InGaN active layer And a p-type GaN contact layer formed on the p-type AlGaN cladding layer, and configured to extract light from the second surface side,
The semiconductor light emitting element according to claim 1 , wherein the light emitting layer is bonded to a part of the second surface of the n-type GaN substrate.