JP4110198B2

JP4110198B2 - 半導体発光装置

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Publication number: JP4110198B2
Application number: JP2007196158A
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Inventors: 田康一新; 部洋久阿; 野邦明紺; 井康夫出
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Filing date: 2007-07-27
Publication date: 2008-07-02
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Description

本発明は、半導体発光素子に関する。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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１／３〜２／３の面積に複数に分かれて形成され、且つ、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ｐ型とｎ型の一対のクラッド層に、挟まれている、
ことを特徴とする。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

（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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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きる。

（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。

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。

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。

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。

（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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

（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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

（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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

（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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。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。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。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。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。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。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。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

Claims

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１／３〜２／３の面積に複数に分かれて形成され、且つ、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ｐ型とｎ型の一対のクラッド層に、挟まれている、
ことを特徴とする半導体発光素子。
前記半導体発光チップが、前記基板と、前記基板上に形成されたバッファ層と、前記バッファ層上に形成されたｎ型ＧａＮ系半導体層と、前記ｎ型ＧａＮ系半導体層上に形成された前記活性層と、前記活性層上に形成されたｐ型ＧａＮ系半導体層と、を少なくとも備えていることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
前記半導体発光チップが、前記基板としての、互いに向き合う第１および第２の面を有する、サファイア基板と、前記サファイア基板の前記第１の面上に形成されたＧａＮバッファ層と、前記ＧａＮバッファ層上に形成されたｎ型ＧａＮコンタクト層と、前記活性層としての、前記ｎ型ＧａＮコンタクト層上に形成された、ＩｎＧａＡｌＮ活性層と、前記ＩｎＧａＡｌＮ活性層上に形成されたｐ型ＡｌＧａＮクラッド層と、前記ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層上に形成されたｐ型ＧａＮコンタクト層と、を少なくとも備え、前記第２の面側から光を取り出すものとして構成されており、
前記発光層が、前記サファイア基板の前記第２の面の一部に接着されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。