JP4158519B2

JP4158519B2 - White light emitting device and method for manufacturing the same

Info

Publication number: JP4158519B2
Application number: JP2002377113A
Authority: JP
Inventors: 勝史秋田; 誠木山
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2002-12-26
Filing date: 2002-12-26
Publication date: 2008-10-01
Anticipated expiration: 2022-12-26
Also published as: JP2004207610A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は白色発光素子およびその製造方法に関し、とくに窒化ガリウム系化合物半導体を用いた白色発光素子およびその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、発光ダイオード（ＬＥＤ:Light Emitting Diode）の効率は飛躍的に向上しており、とくに発光材料として窒化ガリウム（ＧａＮ）が実用化されてから、青色や白色の発光が可能となり、ＬＥＤの適用範囲が大きく広がっている。このなかで白色発光素子は、液晶表示装置のバックライトへの適用にとどまらず、白熱電灯や蛍光灯に取って代わる可能性を秘めており、これまでに多くの提案がなされている。
【０００３】
その一つの類型として、ＩｎＧａＮＳＱＷ(Superlattice Quantum Well)を用いた青色ＬＥＤと、黄色を中心に発光する蛍光体であるＹＡＧ（Yttrium Aluminum Garnet）とを組み合わせる白色発光素子が提案されている（特許文献１）。この白色発光素子では、ＹＡＧを青色光で励起して、青色光と黄色光との混合によって白色光を得る。
【０００４】
また、他の例として、ＩｎとＧａとを含む窒化物半導体内の単一層領域において２つ以上の発光スペクトルピークを発光する発光素子が提案されている（特許文献２）。この発光素子では、単一層内においてＩｎ組成比が異なる２以上の混晶領域を形成し、各混晶領域でバンドギャップが相違すること、すなわち発光波長が変化することを利用する。
【０００５】
また、窒化物半導体の発光層内に２以上のスペクトルピークを含む光を発光する多重構造を備えた発光素子が提案されている（特許文献３）。この多重構造を含む発光層は、複数の井戸層を有する多重量子井戸からなっている。この２つ以上のスペクトルピークを含む光は混合されて、白色光を提供する。
【０００６】
【特許文献１】
特開平５−１５２６０９号公報
【０００７】
【特許文献２】
特開２０００−１９６１４２号公報
【０００８】
【特許文献３】
特開２００２−１７６１９８号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の蛍光体を用いた白色発光素子では次のような問題がある。(１)蛍光材料の寿命が約５０００〜１００００時間と短いこと、(２)蛍光体の光変換効率が１００％にならず（Stokes Shift）、発光効率に原理的制約があること、(３)青色光の強度の増加につれて蛍光材料の発光強度が飽和すること、および(４)青色と黄色との演色性に限界があること、などの問題がある。
【００１０】
また、単一層内のＩｎ組成比が異なる混晶を用いて２つ以上の発光ピークを得る発光素子では、Ｉｎの組成不安定領域が形成される成長条件を用いて発光層を形成する。このため、Ｉｎ組成比の異なる混晶領域を安定して再現することができない。
【００１１】
また、多重量子井戸構造により２つ以上の発光ピークを含む光を出す発光素子では、膜厚が厚くなり成膜時間が長くなり、製造費用の低減が制限される。さらに、複数の井戸に電流注入して発光させるため、縦方向の電気抵抗が高くなることが避けられない。
【００１２】
本発明は、長寿命で、発光効率が高く、演色性が高く、製造しやすい白色発光素子およびその製造方法を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明の白色発光素子は、貫通転位がその密度を変化させて分布している基板上に形成された発光層を含む窒化ガリウム系半導体発光素子において、発光層は、周りの半導体の禁止帯幅より小さい禁止帯幅を有する粒状半導体である量子ドットを複数個含む。そして、複数の量子ドットの外径は、貫通転位の密度の分布と相関して各々異なっており、各量子ドットはその外径で決まる禁止帯幅に対応した複数波長の光を発し、複数波長の光の混色で白色を得る。
【００１４】
複数の量子ドットはバンドギャップ（禁止帯幅の大きさ）が周囲の半導体のバンドギャップより小さく、そのキャリアが閉じ込められるので、高い発光効率で発光させることができる。そして、発光波長は量子ドットの外径に対応する。すなわち、量子ドットにおいては、微小領域への閉じ込めにより、伝導帯や価電子帯は離散化し、その離散化の広がりの程度は外径が小さいほど大きくなる。このため、発光波長も量子ドットの外径サイズに対応して変化する。上記のように、量子ドットの外径は同一ではなく変動範囲内に分布をもつので、発光波長も幅を持つ。たとえば赤色光から青色光にわたる波長域の光を発光させ、これらを混合すれば、所望の白色光を得ることができる。
【００１５】
したがって、高い演色性を確保することができる。量子ドットからの発光は、上述のように、非常に発光効率が高いことが知られており、優れた発光効率を得ることができる。また、蛍光材料のように寿命を制約する因子がないので、長寿命を得ることができる。
【００１６】
上記量子ドットは、成膜条件の調整などにより自発的に自己形成されることが知られており、成膜条件を把握すれば製造は容易である。また、量子ドットの外径は、後に説明するように、たとえば発光層の下地層の貫通転位密度を変動させて分布させることにより、その貫通転位密度と相関をもつように自己形成することができる。また、他の方法で上記の外径を変動させてもよい。なお、上記量子ドットはＴＥＭ(Transmission Electron Microscopy：薄膜透過電子顕微鏡観察）、カソードルミネッセンス観察、ＡＦＭ(Atomic Force Microscopy)などにより容易に観察することができる。また、その他の市販のナノテクノロジ用の観察装置を用いて観察してもよい。この後で説明する量子細線や量子井戸についても同様である。
【００１７】
本発明の別の白色発光素子は、貫通転位がその密度を変化させて分布している基板上に形成された発光層を含む窒化ガリウム系半導体発光素子において、発光層は、周りの半導体の禁止帯幅より小さい禁止帯幅を有する線状半導体である量子細線を複数本含む。そして、複数本の量子細線の幅は、貫通転位の密度の分布と相関して各々異なっており、各量子細線はその幅で決まる禁止帯幅に対応した複数波長の光を発し、その複数波長の光の混色で白色を得る。
【００１８】
上記量子ドットがキャリアの閉じ込めによる高効率発光のゼロ次元（点）版とすると、上記構成における量子細線は、その１次元（線）版といえる。このため、製造方法を除いて、上記量子ドットで述べた作用効果をそのまま引用することができる。製造方法については、基板を傾斜させるなどして成膜することにより量子細線を得ることができる。その他、これまでに既知の方法を適用することができる。
【００１９】
本発明のさらに別の白色発光素子は、貫通転位がその密度を変化させて分布している基板上に形成された発光層を含む窒化ガリウム系半導体発光素子において、発光層は、周りの半導体の禁止帯幅より小さい禁止帯幅を有する層状半導体である量子井戸層を含む。そして、量子井戸層の厚みは、貫通転位の密度の分布と相関して各々異なっており、量子井戸は各位置でその厚みで決まる禁止帯幅に対応した複数波長の光を発し、その複数波長の光の混色で白色を得る。
【００２０】
上記量子井戸は多くの半導体装置において用いられており、容易に形成することができる。量子井戸層の厚みの変動は、たとえば、上記のように貫通転位密度の高低を空間的に配置し、エピタキシャル成膜の際の成膜速度の差を利用して形成することができる。
【００２１】
本発明の上記白色発光素子を包含する発明は、貫通転位がその密度を変化させて分布している基板上に形成された発光層を含む窒化ガリウム系半導体発光素子において、発光層は、周りの半導体の禁止帯幅より小さい禁止帯幅を有する半導体部を含む。そして、小さい禁止帯幅の半導体部の寸法が、貫通転位の密度の分布と相関して各々異なっており、半導体部は、各位置において、その寸法で決まる禁止帯幅に対応した複数波長の光を発し、その複数波長の光の混色で白色を得る。
【００２２】
上記の構造により、波長対応寸法（寸法）が単一ではなく幅をもって分布するので、高い発光効率で発光する光の波長も幅を持つ。このためこれら複数の波長の光を適宜混合することにより、優れた演色性を確保して、所望のトーンの白色を得ることができる。上記の波長対応寸法（寸法）は、量子ドットの場合は外径寸法であり、量子細線の場合は細線の幅寸法であり、量子井戸層の場合は厚み寸法である。
【００２３】
また、上記の白色発光素子は、基板上に形成された下地のエピタキシャル層をさらに備えている。そして、発光層は下地のエピタキシャル層上に形成されており、下地のエピタキシャル層における貫通転位は、基板から継承され延ばされたものである。
【００２４】
エピタキシャル成長において、下地膜中の貫通転位はその上に形成されるエピタキシャル膜に継承される。そして、エピタキシャル膜中の貫通転位は、量子ドットの外径などの寸法や、Ｉｎなどの不純物の濃度に大きな影響を及ぼす。このため、下地膜に貫通転位をその密度を調整して分布させることにより、量子ドットなどの寸法やＩｎ濃度を意図するように変化させて分布させることができる。
【００２５】
ここで、上記の基板では、貫通転位がその密度を変化させて分布しており、発光層はその基板上にエピタキシャル成長された多層構造の中に形成されており、発光層の下地のエピタキシャル層における貫通転位は、基板から継承され延ばされるようにできる。
【００２６】
上記の基板として、たとえば、平均の貫通転位密度５Ｅ７ｃｍ^-2以上の閉鎖欠陥集合領域Ｈと、平均の貫通転位密度５Ｅ６ｃｍ^-2以下の単結晶低転位余領域Ｙと、平均の貫通転位密度３Ｅ７ｃｍ^-2以下の単結晶低転位随伴領域Ｚとを有するＧａＮ基板を用いるのがよい。高密度に貫通転位が分布する閉鎖欠陥集合領域Ｈと、中程度の貫通転位密度の単結晶低転位随伴領域Ｚと、低い貫通転位密度の単結晶低転位余領域Ｙとが適当に分布するように、ＧａＮの単結晶を製造することができる。以後の説明において、このような基板を転位密度分布基板と呼ぶ。
【００２７】
上記基板中の貫通転位は、エピタキシャル成長した半導体層に引き継がれ、発光層を形成する際の下地層に延長される。このため、貫通転位の密度の高低のある下地層の上に発光層を形成することになる。貫通転位密度の高低は、量子ドットなどの形成において外径を変化させる作用を有し、このため、上記下地層上に接して形成される発光層中の量子ドットの径に大小を生起させる。このため、容易に量子ドットの外径や量子井戸の厚みなどの波長対応寸法を変動させることができる。
【００２８】
上記の基板とその発光層との間に、開口部を有する選択成長マスクをさらに備え、下地のエピタキシャル層における貫通転位は、その選択成長マスクの上にエピタキシャル成長された半導体層から上方の前記発光層側へと生じている貫通転位を継承し延ばしたものである。
【００２９】
上記の下地膜中の貫通転位は、成膜途中に選択成長マスクを用いて、基板とは無関係に貫通転位密度の高低を位置によって変化するように形成したものを継承している。開口部を有する選択成長マスクにエピタキシャル膜を形成するとき、平面的に見て開口部の中央付近に結晶配列の食い違いが集積し、貫通転位密度は最も高くなる。また、隣り合う開口部と開口部との中間位置のマスク部（遮蔽部）上において、開口部を埋めた薄膜同士が会合するので、やはり結晶配列の食い違いが集積し、中程度の貫通転位密度となる。その他の部分の貫通転位密度は、上記部分より低くなる。このような、貫通転位密度分布を、上方に形成されるエピタキシャル膜に継承させ延ばすことにより、量子ドットサイズやＩｎ濃度を位置によって変動させることができる。また、上記基板と選択成長マスクとの両方を組み合わせてもよい。
【００３０】
また、上記の発光層において光を発する部分の寸法を、１ｎｍ以上１００ｎｍ以下とすることができる。
【００３１】
上記半導体の部分の寸法をこの寸法範囲内に分布させることにより、キャリア閉じ込めの量子効果を得ることができ、伝導帯や価電子帯の離散化による高い発光効率と、発光波長の変調を得ることができる。これら寸法は、上述のＴＥＭ、ＡＦＭ、カソードルミネッセンス観察などを用いて測定することができる。
【００３２】
また、発光層はＩｎを含み、発光層におけるＩｎの濃度が発光層内で均一でなく位置によって変化するようにできる。さらに、光を発する部分の半導体内におけるＩｎの濃度が、各々異なっており、前記光を発する部分の寸法に応じてＩｎ濃度が変化している。
【００３３】
Ｉｎ濃度が高くなると、禁止帯のギャップが小さくなり長波長の発光をする。このため、上記キャリア閉じ込めの量子効果に加えて、Ｉｎ濃度による波長変動を得ることができる。
【００３４】
本発明の上記と相違する白色発光素子は、貫通転位がその密度を変化させて分布している基板上に形成され、Ｉｎを含む発光層を備える窒化ガリウム系半導体発光素子において、発光層は、貫通転位がその密度を変化させて分布する下地のエピタキシャル層の上にエピタキシャル成長している。そして、下地のエピタキシャル層における貫通転位は、基板の貫通転位が継承され延びたものであり、Ｉｎ濃度がその発光層のなかで均一でなく位置によって変化しており、そのＩｎ濃度の分布の変化が、貫通転位の密度の分布と相関して各々異なっており、各Ｉｎ濃度で決まる禁制帯幅に対応した複数波長の光を発し、その複数波長の光の混色で白色を得る。
【００３５】
上記の構成により、貫通転位密度の高低に応じて発光層中のＩｎ濃度が変動する現象を利用して、Ｉｎ濃度が高い領域と、低い領域とを容易に形成することができる。上記の貫通転位密度は、上述のように、基板の貫通転位が継承され延びたものとしてもよいし、その選択成長マスクの上にエピタキシャル成長された半導体層から上方の前記発光層側へと生じている貫通転位が継承され延びたものとしてもよい。
【００３６】
このため、たとえば、発光層をＡｌＧａＩｎＮ層とする場合、Ｉｎ濃度が高い領域はＡｌ濃度が低くなり、Ｉｎ濃度の変化よりもバンドギャップの狭小化を促進させることができる。
【００３７】
また、上記Ｉｎ濃度の空間変動とは別に、発光層は、周りの半導体の禁止帯幅より小さい禁止帯幅を有する半導体部を含み、小さい禁止帯幅の半導体部の寸法が、同一に揃わずまた均一にならず各々異なっている。
【００３８】
この構成により、キャリア閉じ込めサイズの変動による多色発光に加えて、Ｉｎ濃度の変動による多色発光を得ることができる。このため、演色性を向上させることができる。上記の発光層は、貫通転位がその密度を変化させて分布する基板上にエピタキシャル成長された多層構造の中に形成されてもよい。この場合、Ｉｎ濃度の分布が、基板の貫通転位の密度の分布と相関している。また、上記発光層は、貫通転位がその密度を変化させて分布する半導体層の上にエピタキシャル成長されており、Ｉｎ濃度の分布が、貫通転位の密度の分布と相関するようにすることもできる。
【００３９】
また、上記の発光層は、ｐ型およびｎ型窒化ガリウム系半導体によってはさまれるように配置するのがよい。
【００４０】
この構成により、発光層にキャリアを注入することができ、外部からの入力により持続的な発光を行なうことができる。
【００４１】
また、白色発光素子が形成される基板として、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＧａＡｓ、Ｓｉ、サファイア、ＳｉＣおよびＺｒＢ₂のうちのいずれかの材料を用いることができる。これらの基板は入手が容易であり、これら基板を用いてエピタキシャル成長した多層構造を形成することができ、白色発光素子を製造することができる。また、貫通転位密度の分布の制御を容易に行なうことができる。
【００４２】
また、選択成長マスクが、ＳｉＯ₂、ＳｉＮおよびＳｉＯＮのいずれかの材料から形成されるようにできる。これらの材料は、化学的安定性、熱的安定性、機械強度に優れるために、安定して歩留りよく上記の目的を達成することができる。これらの材料から形成される選択成長マスクを用いて、貫通転位密度が位置によって変化しているエピタキシャル成長膜を得ることができる。
【００４３】
上記の選択成長マスクは絶縁体であるので、ｐ型電極およびｎ型電極の２つの電極の間に、選択成長マスクを介在させないように上記２つの電極を配置する。
【００４４】
本発明の白色発光素子の製造方法は、発光層を備える窒化ガリウム系半導体発光素子の製造方法であって、貫通転位密度が変化して分布する基板を準備する工程と、基板上にエピタキシャル膜を成長させ、発光する半導体の部分を含む発光層を形成する工程とを備える。
【００４５】
また、貫通転位密度の分布と相関して決まる禁止帯幅に対応した複数波長の光を発光層が発し、複数波長の光の混色で白色を得るように、基板は、貫通転位密度の分布を制御して製造されたものである。
【００４６】
この構成により、たとえば白色ＬＥＤ１個当り、必ず貫通転位密度の高い領域を含ませ、ウェハに形成する各ＬＥＤに確実に所定の波長域の発光を可能にすることができる。すなわち、歩留りのよい白色ＬＥＤの製造を可能にする。
【００４７】
本発明の上記とは別の白色発光素子の製造方法は、基板上に形成され、発光層を備える窒化ガリウム系半導体発光素子の製造方法であって、貫通転位密度が変化して分布する基板を準備する工程と、基板上に、複数の開口部が設けられた選択成長マスクを配置する工程と、開口部における基板の表面に第１の半導体膜を成長させて覆い、さらに開口部を埋める工程と、第１の半導体膜の上に第２の半導体膜を成長させる工程と、第２の半導体膜の上に発光層を形成する工程とを備える。そして、基板は、貫通転位密度の分布を制御して製造されたものであり、貫通転位密度の分布と相関して決まる禁止帯幅に対応した複数波長の光を発光層が発し、複数波長の光の混色で白色を得るように、選択成長マスクの開口部の存在により、第２の半導体膜を、その中の貫通転位密度が変化して分布するように形成する。
【００４８】
この方法によれば、平面的に見て、（ａ1）開口部の中央部分、および（ａ2）隣り合う開口部を埋めた膜同士の縁が会合する部分において貫通転位密度は高くなる。（ａ1）の方が（ａ2）のそれより貫通転位密度は高くなる。したがって、貫通転位密度の高い部分、中くらいの部分、低い部分のように３レベルの領域を得ることができる。これらの３レベルの領域が１つのＬＥＤに含まれるように選択成長マスクを形成することができる。なお、第１の半導体膜と第２の半導体膜との間に、他の半導体膜が形成されてもよい。
【００４９】
上記発光層を形成する工程では、周りの半導体の禁止帯幅より小さい禁止帯幅を有する半導体部を含む窒化ガリウム系半導体膜を形成し、小さい禁止帯幅の半導体部の寸法を、同一に揃えずまた均一にせず各々異なっているように形成することができる。また、発光層を形成する工程では、Ｉｎを含む窒化ガリウム系半導体層を形成し、そのＩｎ濃度がその発光層内で均一にならず位置によって変動するように形成することができる。
【００５０】
【発明の実施の形態】
次に図面を用いて本発明の実施の形態について説明する。図１（ａ）、（ｂ）〜図３（ａ）、（ｂ）は、本発明の実施の形態における白色発光素子１０を示す概略断面図である。図１（ａ）では、発光層４の中に外径の異なる量子ドット５ａ，５ｂ，５ｃが形成されている。発光層４はＩｎＧａＮにより形成され、量子ドット５はＩｎＧａＮによって形成されている。外径の寸法は、大きい径の量子ドット５ａ、中サイズの量子ドット５ｂ、小サイズの量子ドット５ｃのように、必ずしも周期的に並んで配置されている必要はない。量子ドット間の間の距離もとくに限定はなく、ランダムであってもよいし、ある部分は間隔がなく密集していてもよい。
【００５１】
図１（ｂ）では発光層４は、隣接層よりバンドギャップが小さい量子井戸２５として形成されている。量子井戸の厚さについても、厚い量子井戸部２５ａ、中くらいの厚さの部分２５ｂおよびそれより薄い厚さの部分２５ｃ、のように周期的に並んでいる必要はない。量子井戸２５として形成されている発光層４は、ＩｎＧａＮにより形成されている。
【００５２】
図２（ａ）は、発光層４の中に、発光層４を形成するＩｎＧａＮのＩｎ濃度の高低の変動が厚み方向にも生じている場合を示す図である。Ｉｎ濃度の高濃度領域３５ａ、中濃度領域３５ｂ、低濃度領域３５ｃが形成されている。図２（ｂ）の場合は、発光層の厚み方向に沿ってＩｎ濃度は一定であるが、平面的に見てＩｎ濃度の変動が生じている。すなわち断面においてパッチ状に一定濃度範囲内のＩｎの分布域が生じている。
【００５３】
図３（ａ）は量子ドット中のＩｎ濃度がその外径に応じて変化していることを示す図である。同図では、外径が大きい量子ドット内のＩｎ濃度が高い場合を示しているが、外径が大きい量子ドットのＩｎ濃度が低い場合もある。図３（ｂ）は、発光層中に厚みが変動する量子井戸が配置され、さらに発光層にＩｎ濃度の変動が生じている場合を示す図である。同図では、量子井戸の厚い部分にＩｎ濃度が高い部分が重畳しているが、量子井戸の薄い部分にＩｎ濃度の低い部分が重畳してもよい。
【００５４】
図４は、量子ドットの発光原理を示す図である。発光層４は、ｐ型半導体層とｎ型半導体層とにはさまれており、外側から順方向電圧を印加され電流を注入されると、発光層内に、それぞれの半導体層における多数キャリアが注入される。これらキャリアは、バンドギャップが小さい量子ドット中に流れ込み、量子ドット中に閉じ込められる。量子ドット内では、伝導帯に位置する電子と価電子帯に位置する正孔とが再結合して光を放出する。量子ドットのバンドギャップは周囲の発光層のバンドギャップより小さいので、キャリアの閉じ込めが生じる。このため、発光効率は非常に高いものが得られる。このようなキャリアの閉じ込めは、量子細線や量子井戸でも生じ、同様に高い発光効率を得ることができる。
【００５５】
量子ドットの外径や量子井戸の厚みを１ｎｍ〜１００ｎｍに設定する理由は次の理由による。すなわち、量子ドットの径を小さくしてゆくと、原子（イオン）が規則配列した固体の範疇を超え、伝導帯および価電子帯という概念が成り立たなくなり、図５に示すように、バンドは個々の原子のエネルギ準位に離散化される。量子ドットの外径や量子井戸の厚みが、１ｎｍより小さい場合、バンド理論は適用できなくなり、個々の原子レベルの準位が形成され、可視光域の光の放出は望めなくなる。また、１００ｎｍより大きい場合には、伝導帯や価電子帯のエネルギ準位の離散化が生じず、量子ドットの外径に応じた波長の発光を得ることが困難になる。１ｎｍ〜１００ｎｍの範囲内において、寸法を変えることにより、発光波長を上記寸法に応じて変化させることができる。このため、量子ドットの外径、量子細線の幅、量子井戸の厚みは、１ｎｍ〜１００ｎｍとすることができる。
【００５６】
上記の量子ドット、量子細線、量子井戸は、たとえば後に説明するように、発光層形成の際の下地膜内の貫通転位の密度分布を調整することによりなされる。また、別の方法により形成されてもよい。
【００５７】
図６は、上記量子サイズが１ｎｍ〜１００ｎｍの範囲内で発光波長が変化することを示す図である。図５に示すように、離散化はエネルギレベルの上下方向に生じるので、発光スペクトルの半値幅は広くなる。離散化におけるエネルギ準位の変化の仕方から、量子サイズが大きいほうが発光波長が長くなる。しかし、Ｉｎ濃度の効果が追加される場合には、Ｉｎ濃度変動の効果が量子サイズ効果を上回り、量子サイズが大きいほうが発光波長が短くなる場合もある。
【００５８】
図７は、発光波長に及ぼすＩｎ濃度の影響を示す図である。Ｉｎ濃度が高いほうがエネルギギャップが小さくなり、発光波長は長くなる。とくに発光層をＩｎＧａＮで形成した場合、Ｉｎ比率が高くなると、発光波長は長くなる。
【００５９】
上記の発光波長の制御因子である、量子サイズおよび／またはＩｎ濃度を調整することにより、複数の波長の発光を得ることができる。そして、これら複数の発光波長をＲＧＢに対応させ、それぞれの発光強度を調整することにより、優れた演色性の白色光を得ることができる。図８は、上記の複数波長の発光を混合して得た白色光の一例を示す図である。
【００６０】
（実施例１）
図９は、本発明の実施例１の白色発光素子を製造したＭＯＶＰＥ(Metal Organic Vapor Phase Epitaxy：有機金属気相成長法)装置を示す図である。フローチャネルＧ１，Ｇ２，Ｇ３からチャンバ内に導入された原料ガスは、基板１上に蒸着される。基板１は、サセプタ５８の上に保持され、下方からヒータ５６によって加熱される。反応が終了したガスは排出チャネルＧ４から排出される。
【００６１】
用いる基板はＧａＮ基板１であり、図１０に示すように、貫通転位の高密度領域１１ａと、中密度領域１１ｂと、低密度領域１１ｃとが、分布している。すなわち、上述の転位密度分布基板を用いた。この貫通転位密度の分布はランダムでもよいし、規則配列していてもよい。ＧａＮ基板１をＭＯＶＰＥ装置内に配置した後、ＮＨ3とＨ2との混合ガス中でＧａＮ基板をクリーニングした後、トリメチルガリウムＴＭＧａ、ＮＨ3、ＳｉＨ4を炉内に流し、ｎ型ＧａＮ膜を成膜する。
【００６２】
その後、８００℃でＴＭＧａ、トリメチルインジウムＴＭＩｎ、ＮＨ3を炉内に流し、ＩｎＧａＮ発光層を成膜させる。このＩｎＧａＮ発光層の成膜中に、ＩｎＧａＮ量子ドットが自己形成される。量子ドットの外径は、貫通転位の高密度領域から離れるにつれて変化する。また、Ｉｎ組成についても貫通転位の高密度領域から離れるにつれて変化する。次いで、ＩｎＧａＮ発光層の上にさらにｐ型窒化ガリウム系半導体層を成膜した。
【００６３】
図１１は、Ｉｎ濃度の変動は省略して量子ドットのみを示す図である。また、図１２は、量子ドットの配列は省略してＩｎ濃度の分布３５のみを示す図である。ＧａＮ基板１の貫通転位１１は、エピタキシャル成長したｎ型ＧａＮ層２およびｎ型ＡｌＧａＮ層３に引き継がれて、発光層４に引き継がれる。そして、高密度の貫通転位部分に、大きい外径サイズの量子ドットを形成する。また、Ｉｎ濃度については、高いＩｎ濃度領域が高密度の貫通転位部分に形成される。貫通転位密度と量子サイズとの関係や、貫通転密度とＩｎ濃度との関係は、条件によっては逆転し、貫通転位密度の高い領域において、量子サイズは小さくなり、またＩｎ濃度が低くなる場合もある。発光層および量子ドットは、ノンドープＩｎＧａＮによって構成されている。
【００６４】
発光層４の上にｐ型ＡｌＧａＮ層６を形成し、次いで、ｐ型ＧａＮ層７を形成する。この後、表面にｐ型電極８を、また基板裏面にｎ型電極９を形成した。
【００６５】
上記ｐ型電極８とｎ型電極９との間に電流を流したところ、貫通転位の高密度領域から離れるにつれて発光波長が変化し、全体として白色の発光が得られた。この白色発光素子の発光層は一層であり、コンパクトに構成されている。上記において、（ｂ1）Ｉｎ濃度の分布と、（ｂ2）量子ドットの外径サイズの変化とによって、複数波長の発光が得られている。上記（ｂ1）および（ｂ2）は、ＧａＮ基板における貫通転位密度の変動の分布に起因してもたらされたものである。上記ＧａＮ基板における貫通転位密度の分布の調整は、ＧａＮ基板の形成時に容易に行なうことができる。この結果、長寿命の白色発光素子を安価に製造することができる。
【００６６】
（実施例２）
本発明の実施例２では、選択成長マスクを用いて発光層の形成の際の下地層に貫通転位密度の分布を形成する点に特徴がある。成膜装置は、図９に示したＭＯＶＰＥ装置を用いた。
【００６７】
まず、ＧａＮ基板上に、図１３に示すような、厚さ０．１μｍ程度のＳｉＯ2膜にドット状の規則的な開口部、たとえば直径１００μｍ程度、ピッチ５００μｍ以下の開口部、を設けた選択成長マスクを形成する。開口部の直径は１〜２００μｍの範囲とするのがよい。ＬＥＤチップのサイズは一辺が３００μｍ程度の四角形となるので、その中に少なくとも１つの開口部が含まれるピッチとする。選択成長マスク２０を形成したＧａＮ基板をＭＯＶＰＥチャンバ内に配置し、ＮＨ3とＨ2との混合ガス中でクリーニングした。
【００６８】
次いで、ＴＭＧａ、ＮＨ3およびＳｉＨ4をチャンバ内に流し、１０５０℃でｎ型ＧａＮ層２を成膜し、その上にｎ型ＡｌＧａＮ層３をエピタキシャル成長させた。その後、８００℃でＴＭＧａ、ＴＭＩｎおよびＮＨ3を炉内に流し、ＩｎＧａＮ量子井戸２５からなる発光層４を成長させた。この発光層の成長において、ＩｎＧａＮ井戸層の厚みは、選択成長マスクのマスク部（遮蔽部）から離れるにつれて変化した。また、Ｉｎ組成比も、選択成長マスクのマスク部（遮蔽部）から離れるにつれて変化した。図１４に示すように、平面的に見て、開口部の中心付近の貫通転位密度が最も高く、マスクの上に接して形成されるＡｌＧａＮ２が隣り合う同じ膜と会合する部分は、その次に高い貫通転位密度を有する。
【００６９】
図１４では、貫通転位密度の高い個所で、Ｉｎ濃度が高く、量子井戸の厚さが薄くなっている。しかし、貫通転位密度と、これらＩｎ濃度および量子井戸の厚さとの相関があればよく。貫通転位密度が大きく部分でこれらＩｎ濃度および量子井戸の厚さが大きくなる必要はない。
【００７０】
発光層４の上に、さらにｐ型窒化ガリウム系半導体層６を成膜し、エピタキシャル層表面にｐ型電極（図示せず）を形成する。また、ｎ型電極（図示せず）は次のように、ｐ型電極との間に選択成長マスクを電極の間に介在させないように形成する。すなわち、所定のｎ型電極形成領域における、ｐ型窒化ガリウム系半導体層６、発光層４およびｎ型ＡｌＧａＮ層３をエッチングにより除去し、ｎ型ＧａＮ層２を露出させ、その露出したｎ型ＧａＮ層部分にｎ型電極を形成する（図１５における電極の配置を参照）。このようにｐ型およびｎ型電極を配置することにより、この両電極間の電気抵抗を低く抑えることができる。
【００７１】
これら二つの電極間に電流を流したところ、白色発光を得ることができた。この発光において、選択成長マスクのマスク部から離れるにつれて発光波長が変化する。この場合も実施例１と同様に、単一層から複数波長の発光を得ることができる。また、本実施例によれば、ＧａＮ基板の貫通転位密度分布によらず、成膜時に貫通転位を半導体層中に導入することができるので、素材の制約を受けることがない。
【００７２】
上記の実施例では、基板に貫通転位が形成されていなくても、選択成長マスクを用いることにより、半導体薄膜中に貫通転位の密度を変化させた分布を形成することができる。
【００７３】
上記の選択成長マスクを用いる方法を、量子ドットに用いてもよい。図１５は、選択成長マスクを用いて量子ドットが形成された発光層を有する白色発光素子を示す図である。この白色発光素子のｎ型電極は、上記ｎ型電極形成領域をエッチングによりパターニングして、ｎ型ＧａＮ層２を露出させ、その露出したＧａＮ層２の部分に形成されている。このため、両電極間の電気抵抗を低く保つことができるので、効率よい発光を得ることができる。
【００７４】
（実施の形態に対する付言）
(１)本実施の形態では、Ｉｎ濃度と、量子ドットの外径などの量子サイズとを、ともに変えることにより発振波長を変えているが、いずれか一方、たとえばＩｎ濃度だけを変動させた白色発光素子であってもよい。
(２)高密度の貫通転位部において、成膜条件ＡによりＩｎ濃度の高い領域および／または量子サイズが大きい領域が形成され、かつ成膜条件ＢによりＩｎ濃度の低い領域および／または量子サイズが小さい領域が形成される、という２つの成膜条件がある必要はない。いずれか一方の成膜条件が満たされるだけであってもよい。
(３)ＧａＮ基板に形成された貫通転位密度分布を利用する場合、選択成長マスクを用いなくても発光層の下のエピタキシャル成長膜には貫通転位密度分布が形成される。また、ＧａＮ基板に上記の貫通転位密度分布がない場合またはその他の場合に、選択成長マスクを用いてエピタキシャル成長層に貫通転位密度分布を形成する。上記の実施の形態では、基板における貫通転位密度分布の利用および選択成長マスクの利用のいずれか一方の実施例のみを示した。しかし、貫通転位密度分布を備えたＧａＮ基板を用い、さらに選択成長マスクを用いてもよい。
(４)選択成長マスクを用いる場合、その選択成長マスクを白色発光素子に残したまま、電気抵抗を低く保つ２つの電極の配置構造のみを、上記実施例では示した。しかし、ＧａＮ基板および選択成長マスクを除いて、ｎ型ＧａＮ層の底部を露出させ、そこにｎ型電極を形成する構造であってもよい。この場合、白色発光素子の形状を堅固に保つために、別の基板を用いることが望ましい。
【００７５】
上記において、本発明の実施の形態について説明を行ったが、上記に開示された本発明の実施の形態は、あくまで例示であって、本発明の範囲はこれら発明の実施の形態に限定されない。本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むものである。
【００７６】
【発明の効果】
本発明の白色発光素子およびその製造方法を用いることにより、長寿命で、発光効率が高く、演色性が高く、製造しやすい白色発光素子を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態において、（ａ）は量子ドットを含む白色発光素子を示し、（ｂ）は量子井戸を含む白色発光素子を示す図である。
【図２】本発明の実施の形態の白色発光素子において、（ａ）は発光層の断面でパッチ状にＩｎ濃度一定領域が形成される変動分布を示し、（ｂ）は発光層の厚み方向に一定のＩｎ濃度一定領域が形成される変動分布を示す図である。
【図３】本発明の実施の形態の白色発光素子において、（ａ）は量子ドットとＩｎ濃度の変化とが重畳される図であり、（ｂ）は量子井戸とＩｎ濃度の変化とが重畳される図である。
【図４】本発明の実施の形態における量子ドットを含む白色発光素子の発光原理を示す図である。
【図５】図４において、量子ドットの外径が小さくなり、発光波長が変化することを示す図である。
【図６】量子サイズと発光波長との関係を示す図である。
【図７】Ｉｎ組成と発光波長との関係を示す図である。
【図８】各発光波長を合成した白色の波長分布を示す図である。
【図９】実施例１および２において白色発光素子を作製するＭＯＶＰＥ装置を示す図である。
【図１０】実施例１のＧａＮ基板における貫通転位密度の分布を示す図である。
【図１１】図１０のＧａＮ基板に形成した白色発光素子において、量子ドットの配置のみを示す図である。
【図１２】図１０のＧａＮ基板に形成した白色発光素子において、Ｉｎ濃度分布の配置のみを示す図である。
【図１３】実施例２における選択成長マスクを示す平面図である。
【図１４】実施例２において量子井戸およびＩｎ濃度変動分布を含む白色発光素子を示す図である。
【図１５】実施例２において量子ドットおよびＩｎ濃度変動分布を含む白色発光素子を示す図である。
【符号の説明】
１ＧａＮ基板、２ｎ型ＧａＮ層、３ｎ型ＡｌＧａＮ層、４発光層（ノンドープＩｎＧａＮ層）、５，５ａ，５ｂ，５ｃ量子ドット、６ｐ型ＡｌＧａＮ層、７ｐ型ＧａＮ層、８ｐ型電極、９ｎ型電極、１１，１１ａ，１１ｂ，１１ｃ所定密度の貫通転位分布域、２５，２５ａ，２５ｂ，２５ｃ量子井戸、３５，３５ａ，３５ｂ，３５ｃ所定濃度範囲のＩｎ分布域、５６ヒータ、５８サセプタ。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a white light emitting device and a manufacturing method thereof, and more particularly to a white light emitting device using a gallium nitride compound semiconductor and a manufacturing method thereof.
[0002]
[Prior art]
In recent years, the efficiency of light emitting diodes (LEDs) has improved dramatically. In particular, after gallium nitride (GaN) has been put to practical use as a light emitting material, it has become possible to emit blue and white light. The range is greatly expanded. Among these, the white light emitting element is not limited to the application to the backlight of the liquid crystal display device, and has the potential to replace incandescent lamps and fluorescent lamps, and many proposals have been made so far.
[0003]
As one of the types, a white light-emitting element that combines a blue LED using InGaN SQW (Superlattice Quantum Well) and a YAG (Yttrium Aluminum Garnet) that is a phosphor emitting mainly yellow is proposed (Patent Literature). 1). In this white light emitting element, YAG is excited with blue light, and white light is obtained by mixing blue light and yellow light.
[0004]
As another example, a light emitting element that emits two or more emission spectrum peaks in a single layer region in a nitride semiconductor containing In and Ga has been proposed (Patent Document 2). In this light-emitting element, two or more mixed crystal regions having different In composition ratios are formed in a single layer, and the fact that the band gap is different in each mixed crystal region, that is, the emission wavelength is changed.
[0005]
In addition, a light-emitting element having a multiple structure that emits light including two or more spectral peaks in a light-emitting layer of a nitride semiconductor has been proposed (Patent Document 3). The light emitting layer including the multiple structure is composed of a multiple quantum well having a plurality of well layers. The light containing the two or more spectral peaks is mixed to provide white light.
[0006]
[Patent Document 1]
JP-A-5-152609
[0007]
[Patent Document 2]
JP 2000-196142 A
[0008]
[Patent Document 3]
JP 2002-176198 A
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
However, white light emitting devices using the above phosphors have the following problems. (1) The lifetime of the fluorescent material is as short as about 5000 to 10000 hours, (2) The light conversion efficiency of the phosphor is not 100% (Stokes Shift), and the light emission efficiency is limited in principle, (3) There are problems such as that the emission intensity of the fluorescent material saturates as the intensity of blue light increases, and (4) the color rendering properties of blue and yellow are limited.
[0010]
In a light-emitting element that obtains two or more emission peaks using mixed crystals having different In composition ratios in a single layer, the light-emitting layer is formed using growth conditions in which an In composition unstable region is formed. For this reason, mixed crystal regions having different In composition ratios cannot be stably reproduced.
[0011]
In addition, in a light-emitting element that emits light including two or more light emission peaks due to a multiple quantum well structure, the film thickness is increased, the film formation time is increased, and reduction in manufacturing cost is limited. Further, since current is injected into a plurality of wells to emit light, it is inevitable that the electrical resistance in the vertical direction becomes high.
[0012]
An object of the present invention is to provide a white light-emitting element having a long lifetime, high luminous efficiency, high color rendering, and easy to produce, and a method for producing the same.
[0013]
[Means for Solving the Problems]
The white light emitting device of the present invention is a gallium nitride based semiconductor light emitting device including a light emitting layer formed on a substrate in which threading dislocations are distributed with varying densities, and the light emitting layer has a forbidden band width of a surrounding semiconductor. A plurality of quantum dots, which are granular semiconductors having a smaller band gap, are included. The outer diameters of the plurality of quantum dots are different in correlation with the density distribution of threading dislocations, and each quantum dot corresponds to a forbidden band width determined by the outer diameter. Multiple Emit light of wavelength And obtain white color by mixing light of multiple wavelengths .
[0014]
Since the plurality of quantum dots have a band gap (the size of the forbidden band width) smaller than that of the surrounding semiconductor and the carriers are confined, light can be emitted with high luminous efficiency. The emission wavelength corresponds to the outer diameter of the quantum dot. That is, in the quantum dot, the conduction band and the valence band are discretized by confinement in a minute region, and the extent of the discretization increases as the outer diameter decreases. For this reason, the emission wavelength also changes corresponding to the outer diameter size of the quantum dots. As described above, since the outer diameters of the quantum dots are not the same and have a distribution within the fluctuation range, the emission wavelength also has a width. For example, desired white light can be obtained by emitting light in a wavelength range from red light to blue light and mixing them.
[0015]
Therefore, high color rendering properties can be ensured. As described above, light emission from the quantum dots is known to have very high light emission efficiency, and excellent light emission efficiency can be obtained. Further, since there is no factor that limits the lifetime as in the fluorescent material, a long lifetime can be obtained.
[0016]
It is known that the quantum dots are spontaneously formed by adjusting the film forming conditions and the like, and manufacturing is easy if the film forming conditions are grasped. Further, as will be described later, the outer diameter of the quantum dots can be self-formed so as to have a correlation with the threading dislocation density, for example, by varying the threading dislocation density of the underlayer of the light emitting layer and distributing it. . Further, the outer diameter may be varied by other methods. The quantum dots can be easily observed by TEM (Transmission Electron Microscopy), cathodoluminescence observation, AFM (Atomic Force Microscopy), or the like. Moreover, you may observe using the observation apparatus for other commercially available nanotechnology. The same applies to quantum wires and quantum wells described later.
[0017]
Another white light emitting device of the present invention is a gallium nitride-based semiconductor light emitting device including a light emitting layer formed on a substrate in which threading dislocations are distributed with varying density, and the light emitting layer is prohibited from surrounding semiconductors. A plurality of quantum wires, which are linear semiconductors having a forbidden band width smaller than the band width, are included. The widths of the plurality of quantum wires are different in correlation with the density distribution of threading dislocations, and each quantum wire corresponds to the forbidden band width determined by the width. Multiple Emit light of wavelength And obtain a white color by mixing the light of multiple wavelengths. .
[0018]
If the quantum dot is a zero-dimensional (dot) version of high-efficiency light emission by carrier confinement, the quantum wire in the above configuration can be said to be a one-dimensional (line) version. For this reason, the effects described in the quantum dots can be cited as they are, except for the manufacturing method. As for the manufacturing method, quantum wires can be obtained by forming a film by tilting the substrate. In addition, known methods can be applied.
[0019]
Yet another white light emitting device of the present invention is a gallium nitride based semiconductor light emitting device including a light emitting layer formed on a substrate in which threading dislocations are distributed with varying density. A quantum well layer which is a layered semiconductor having a forbidden band width smaller than the forbidden band width is included. The thicknesses of the quantum well layers are different in correlation with the density distribution of threading dislocations, and the quantum wells correspond to the forbidden band width determined by the thickness at each position. Multiple Emit light of wavelength And obtain a white color by mixing the light of multiple wavelengths. .
[0020]
The quantum well is used in many semiconductor devices and can be easily formed. The variation in the thickness of the quantum well layer can be formed, for example, by spatially arranging the threading dislocation density as described above and utilizing the difference in film formation rate during epitaxial film formation.
[0021]
The invention including the above-described white light emitting device of the present invention is a gallium nitride based semiconductor light emitting device including a light emitting layer formed on a substrate in which threading dislocations are distributed with varying densities. A semiconductor portion having a forbidden bandwidth smaller than that of the semiconductor is included. The dimensions of the semiconductor portion with a small forbidden band width are different from each other in correlation with the density distribution of threading dislocations, and the semiconductor portion corresponds to the forbidden band width determined by the size at each position. Multiple Emit light of wavelength And obtain a white color by mixing the light of multiple wavelengths. .
[0022]
Due to the above structure, wavelength-compatible dimensions (Size) However, the wavelength of light emitted with high luminous efficiency also has a width. For this reason, by appropriately mixing these light beams having a plurality of wavelengths, it is possible to ensure excellent color rendering and obtain a desired tone of white. The above wavelength compatible dimensions (Size) Is the outer diameter dimension in the case of quantum dots, the width dimension of the thin lines in the case of quantum thin lines, and the thickness dimension in the case of quantum well layers.
[0023]
Also, above White light emitting device Is An underlayer epitaxial layer formed on the substrate is further provided. The light emitting layer is formed on the underlying epitaxial layer, and threading dislocations in the underlying epitaxial layer are inherited and extended from the substrate. The
[0024]
In epitaxial growth, threading dislocations in the underlying film are inherited by the epitaxial film formed thereon. The threading dislocations in the epitaxial film have a great influence on dimensions such as the outer diameter of the quantum dots and the concentration of impurities such as In. For this reason, by distributing the threading dislocations in the base film by adjusting the density thereof, the dimensions of the quantum dots and the In concentration can be changed and distributed as intended.
[0025]
Here, in the above substrate, threading dislocations are distributed by changing the density thereof, and the light emitting layer is formed in a multilayer structure epitaxially grown on the substrate, and in the underlying epitaxial layer of the light emitting layer. The threading dislocations can be inherited and extended from the substrate.
[0026]
As the above substrate, for example, an average threading dislocation density of 5E7 cm ^-2 The above closed defect gathering region H and average threading dislocation density 5E6 cm ^-2 The following single crystal low dislocation residual region Y and average threading dislocation density 3E7 cm ^-2 A GaN substrate having the following single crystal low dislocation associated region Z is preferably used. The closed defect assembly region H in which threading dislocations are distributed at high density, the single crystal low dislocation associated region Z having a moderate threading dislocation density, and the single crystal low dislocation residual region Y having a low threading dislocation density are appropriately distributed. In addition, a single crystal of GaN can be manufactured. In the following description, such a substrate is called a dislocation density distribution substrate.
[0027]
The threading dislocation in the substrate is inherited by the epitaxially grown semiconductor layer and extended to the base layer when the light emitting layer is formed. For this reason, a light emitting layer is formed on an underlayer having a high threading dislocation density. The level of threading dislocation density has the effect of changing the outer diameter in the formation of quantum dots and the like. For this reason, the size of the quantum dots in the light emitting layer formed in contact with the base layer is increased or decreased. For this reason, the wavelength-corresponding dimensions such as the outer diameter of the quantum dots and the thickness of the quantum well can be easily changed.
[0028]
A selective growth mask having an opening is further provided between the substrate and the light emitting layer. ,under The threading dislocations in the ground epitaxial layer inherit and extend threading dislocations generated from the semiconductor layer epitaxially grown on the selective growth mask to the upper light emitting layer side.
[0029]
The threading dislocations in the base film are inherited from those formed by using a selective growth mask during film formation so that the threading dislocation density varies depending on the position regardless of the substrate. When an epitaxial film is formed on a selective growth mask having an opening, crystal dislocations accumulate near the center of the opening as viewed in plan, and the threading dislocation density is the highest. Moreover, since the thin films filling the openings meet on the mask part (shielding part) at the intermediate position between the adjacent openings, the dislocations of the crystal arrangement are accumulated, and the threading dislocation density is moderate. It becomes. The threading dislocation density in the other part is lower than that in the above part. By extending such threading dislocation density distribution to the epitaxial film formed above, the quantum dot size and the In concentration can be varied depending on the position. Further, both the substrate and the selective growth mask may be combined.
[0030]
Also, above Emits light in the light emitting layer The dimension of the part can be 1 nm or more and 100 nm or less.
[0031]
By distributing the dimensions of the semiconductor portion within this size range, it is possible to obtain a quantum effect of carrier confinement, and to obtain high emission efficiency and modulation of the emission wavelength by discretization of the conduction band and valence band. Can do. These dimensions can be measured using the above-mentioned TEM, AFM, cathodoluminescence observation and the like.
[0032]
Further, the light emitting layer contains In, and the concentration of In in the light emitting layer is not uniform in the light emitting layer but can be changed depending on the position. further, Emit light The concentration of In in the portion of the semiconductor is Each is different ,in front Emit light According to the dimensions of the part In concentration is It has changed.
[0033]
When the In concentration is increased, the gap of the forbidden band is reduced and long wavelength light is emitted. For this reason, in addition to the quantum effect of the carrier confinement, the wavelength variation due to the In concentration can be obtained.
[0034]
The white light emitting device different from the above of the present invention is a gallium nitride based semiconductor light emitting device including a light emitting layer containing In, which is formed on a substrate in which threading dislocations are distributed with varying density. The threading dislocations are epitaxially grown on the underlying epitaxial layer distributed with varying density. The threading dislocations in the underlying epitaxial layer are inherited and extended from the threading dislocations of the substrate, and the In concentration is not uniform in the light emitting layer but varies depending on the position, and the change in the distribution of In concentration However, each correlate with the density distribution of threading dislocations and correspond to the forbidden band width determined by each In concentration. Multiple Emit light of wavelength And obtain a white color by mixing the light of multiple wavelengths. .
[0035]
With the above configuration, a region with a high In concentration and a region with a low In concentration can be easily formed by utilizing a phenomenon in which the In concentration in the light emitting layer varies depending on the threading dislocation density. As described above, the threading dislocation density may be obtained by inheriting and extending the threading dislocations of the substrate, or may be generated from the semiconductor layer epitaxially grown on the selective growth mask to the upper light emitting layer side. The threading dislocations that are inherited may be inherited and extended.
[0036]
Therefore, for example, when the light emitting layer is an AlGaInN layer, the Al concentration is low in a region where the In concentration is high, and the narrowing of the band gap can be promoted more than the change in In concentration.
[0037]
In addition to the spatial variation of the In concentration, the light emitting layer includes a semiconductor portion having a forbidden bandwidth smaller than that of the surrounding semiconductor, and a semiconductor portion having a small forbidden bandwidth. of Dimensions are not uniform and uniform Each different ing.
[0038]
With this configuration, in addition to multicolor light emission due to variation in carrier confinement size, multicolor light emission due to variation in In concentration can be obtained. For this reason, color rendering properties can be improved. The light emitting layer may be formed in a multilayer structure epitaxially grown on a substrate in which threading dislocations are distributed with varying densities. In this case, the distribution of In concentration correlates with the distribution of threading dislocation density in the substrate. Further, the light emitting layer is epitaxially grown on a semiconductor layer in which threading dislocations are distributed by changing the density thereof, and the distribution of In concentration can be correlated with the density distribution of threading dislocations.
[0039]
The light emitting layer is preferably arranged so as to be sandwiched between p-type and n-type gallium nitride semiconductors.
[0040]
With this configuration, carriers can be injected into the light emitting layer, and continuous light emission can be performed by an external input.
[0041]
Moreover, as a substrate on which a white light emitting element is formed, GaN, AlN, GaAs, Si, sapphire, SiC, and ZrB ₂ Any of these materials can be used. These substrates are easily available, and can be used to form a multilayer structure epitaxially grown using these substrates, thereby producing a white light emitting device. Also, the threading dislocation density distribution can be easily controlled.
[0042]
The selective growth mask is made of SiO. ₂ , SiN and SiON. Since these materials are excellent in chemical stability, thermal stability, and mechanical strength, the above-described object can be achieved stably with a high yield. Using a selective growth mask formed from these materials, an epitaxially grown film in which the threading dislocation density varies depending on the position can be obtained.
[0043]
Since the selective growth mask is an insulator, the two electrodes are arranged so that the selective growth mask is not interposed between the two electrodes of the p-type electrode and the n-type electrode.
[0044]
A method for manufacturing a white light emitting device according to the present invention is a method for manufacturing a gallium nitride based semiconductor light emitting device including a light emitting layer, comprising preparing a substrate in which threading dislocation density varies and distributing an epitaxial film on the substrate. Forming a light emitting layer including a portion of a semiconductor that is grown and emits light.
[0045]
Also, The light emitting layer emits light of a plurality of wavelengths corresponding to the forbidden band width determined in correlation with the distribution of threading dislocation density, so that white is obtained by mixing the light of the plurality of wavelengths. The substrate is manufactured by controlling the distribution of threading dislocation density.
[0046]
With this configuration, for example, a region having a high threading dislocation density is always included for each white LED, and each LED formed on the wafer can surely emit light in a predetermined wavelength region. That is, it is possible to manufacture a white LED with a high yield.
[0047]
According to another aspect of the present invention, there is provided a method for manufacturing a white light-emitting element, which is a method for manufacturing a gallium nitride based semiconductor light-emitting element formed on a substrate and including a light-emitting layer. A step of preparing, a step of disposing a selective growth mask provided with a plurality of openings on the substrate, a step of growing and covering a first semiconductor film on the surface of the substrate in the openings, and further filling the openings And a step of growing a second semiconductor film on the first semiconductor film and a step of forming a light emitting layer on the second semiconductor film. And the substrate is manufactured by controlling the distribution of threading dislocation density, The light emitting layer emits light of a plurality of wavelengths corresponding to the forbidden band width determined in correlation with the distribution of threading dislocation density, so that white is obtained by mixing the light of the plurality of wavelengths. Due to the presence of the opening of the selective growth mask, the second semiconductor film is formed so that the threading dislocation density therein varies and is distributed.
[0048]
According to this method, the threading dislocation density is high in a plane where (a1) the central portion of the opening and (a2) the edges of the films filling the adjacent openings meet. The threading dislocation density in (a1) is higher than that in (a2). Therefore, three-level regions such as a high part, a middle part, and a low part of threading dislocation density can be obtained. The selective growth mask can be formed so that these three-level regions are included in one LED. Note that another semiconductor film may be formed between the first semiconductor film and the second semiconductor film.
[0049]
The light emitting layer The Formation Do In the process, a gallium nitride based semiconductor film including a semiconductor portion having a forbidden band width smaller than that of the surrounding semiconductor is formed, and a semiconductor portion having a small forbidden band width is formed. of Do not make the dimensions the same or uniform Each is different Can be formed. The light emitting layer The Formation Do In the process, a gallium nitride based semiconductor layer containing In can be formed, and the In concentration can be formed so as not to be uniform in the light emitting layer but to vary depending on the position.
[0050]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIGS. 1A and 1B to FIGS. 3A and 3B are schematic cross-sectional views showing a white light emitting element 10 according to an embodiment of the present invention. In FIG. 1A, quantum dots 5 a, 5 b and 5 c having different outer diameters are formed in the light emitting layer 4. The light emitting layer 4 is made of InGaN, and the quantum dots 5 are made of InGaN. The outer diameter does not necessarily have to be periodically arranged side by side like the large-diameter quantum dots 5a, the medium-sized quantum dots 5b, and the small-sized quantum dots 5c. There is no particular limitation on the distance between the quantum dots, and the distance between the quantum dots may be random, or a certain portion may be dense without a gap.
[0051]
In FIG. 1B, the light emitting layer 4 is formed as a quantum well 25 having a band gap smaller than that of an adjacent layer. Also regarding the thickness of the quantum well, it is not necessary to arrange periodically like the thick quantum well portion 25a, the middle thickness portion 25b, and the thinner thickness portion 25c. The light emitting layer 4 formed as the quantum well 25 is made of InGaN.
[0052]
FIG. 2A is a diagram showing a case in which the fluctuation of the In concentration of InGaN forming the light emitting layer 4 varies in the thickness direction in the light emitting layer 4. An In concentration high concentration region 35a, a medium concentration region 35b, and a low concentration region 35c are formed. In the case of FIG. 2B, the In concentration is constant along the thickness direction of the light emitting layer, but the variation of the In concentration occurs in plan view. That is, an In distribution region within a certain concentration range is generated in a patch shape in the cross section.
[0053]
FIG. 3A is a diagram showing that the In concentration in the quantum dots changes according to the outer diameter. Although the figure shows a case where the In concentration in a quantum dot having a large outer diameter is high, the In concentration of a quantum dot having a large outer diameter may be low. FIG. 3B is a diagram showing a case where a quantum well having a varying thickness is disposed in the light emitting layer, and further, the In concentration varies in the light emitting layer. In the figure, a portion with a high In concentration is superimposed on a thick portion of the quantum well, but a portion with a low In concentration may be superimposed on a thin portion of the quantum well.
[0054]
FIG. 4 is a diagram showing the light emission principle of quantum dots. The light emitting layer 4 is sandwiched between a p-type semiconductor layer and an n-type semiconductor layer, and when a forward voltage is applied from the outside and current is injected, majority carriers in the respective semiconductor layers are formed in the light emitting layer. Injected. These carriers flow into the quantum dots having a small band gap and are confined in the quantum dots. Within the quantum dot, electrons located in the conduction band and holes located in the valence band recombine to emit light. Since the band gap of the quantum dots is smaller than that of the surrounding light emitting layer, carrier confinement occurs. For this reason, the thing with very high luminous efficiency is obtained. Such confinement of carriers also occurs in quantum wires and quantum wells, and similarly high luminous efficiency can be obtained.
[0055]
The reason why the outer diameter of the quantum dots and the thickness of the quantum well are set to 1 nm to 100 nm is as follows. That is, when the diameter of the quantum dot is reduced, the concept of the conduction band and the valence band does not hold because the atoms (ions) exceed the category of the regularly arranged solid, and as shown in FIG. Discretized into atomic energy levels. When the outer diameter of the quantum dot or the thickness of the quantum well is smaller than 1 nm, the band theory cannot be applied, individual atomic level is formed, and light emission in the visible light region cannot be expected. On the other hand, if it is larger than 100 nm, energy levels in the conduction band and valence band are not discretized, and it becomes difficult to obtain light emission having a wavelength corresponding to the outer diameter of the quantum dot. By changing the size within the range of 1 nm to 100 nm, the emission wavelength can be changed according to the above size. For this reason, the outer diameter of a quantum dot, the width | variety of a quantum wire, and the thickness of a quantum well can be 1-100 nm.
[0056]
The quantum dots, quantum wires, and quantum wells described above are formed, for example, by adjusting the density distribution of threading dislocations in the base film when forming the light emitting layer, as will be described later. Moreover, you may form by another method.
[0057]
FIG. 6 is a diagram showing that the emission wavelength changes when the quantum size is in the range of 1 nm to 100 nm. As shown in FIG. 5, since the discretization occurs in the vertical direction of the energy level, the half width of the emission spectrum becomes wide. From the way of changing the energy level in the discretization, the larger the quantum size, the longer the emission wavelength. However, when the effect of In concentration is added, the effect of variation in In concentration exceeds the quantum size effect, and the emission wavelength may be shorter as the quantum size is larger.
[0058]
FIG. 7 is a diagram showing the influence of the In concentration on the emission wavelength. The higher the In concentration, the smaller the energy gap and the longer the emission wavelength. In particular, when the light emitting layer is formed of InGaN, the emission wavelength increases as the In ratio increases.
[0059]
By adjusting the quantum size and / or the In concentration, which are the above-mentioned control factors of the emission wavelength, light emission of a plurality of wavelengths can be obtained. Then, by making these plural emission wavelengths correspond to RGB and adjusting the respective emission intensities, it is possible to obtain white light with excellent color rendering properties. FIG. 8 is a diagram illustrating an example of white light obtained by mixing the light emission of the plurality of wavelengths.
[0060]
(Example 1)
FIG. 9 is a view showing a MOVPE (Metal Organic Vapor Phase Epitaxy) apparatus for manufacturing the white light emitting device of Example 1 of the present invention. The source gas introduced into the chamber from the flow channels G1, G2, G3 is deposited on the substrate 1. The substrate 1 is held on the susceptor 58 and is heated by the heater 56 from below. The gas for which the reaction has ended is discharged from the discharge channel G4.
[0061]
The substrate to be used is the GaN substrate 1, and as shown in FIG. 10, threading dislocation high density regions 11a, medium density regions 11b, and low density regions 11c are distributed. That is, the above-mentioned dislocation density distribution substrate was used. This threading dislocation density distribution may be random or ordered. After the GaN substrate 1 is placed in the MOVPE apparatus, the GaN substrate is cleaned in a mixed gas of NH3 and H2, and then trimethylgallium TMGa, NH3, and SiH4 are flowed into the furnace to form an n-type GaN film.
[0062]
Thereafter, TMGa, trimethylindium TMIn, and NH3 are flowed into the furnace at 800 ° C. to form an InGaN light emitting layer. During the formation of the InGaN light emitting layer, InGaN quantum dots are self-formed. The outer diameter of the quantum dot changes with distance from the high density region of threading dislocations. In addition, the In composition also changes as the distance from the high density region of threading dislocations increases. Next, a p-type gallium nitride semiconductor layer was further formed on the InGaN light emitting layer.
[0063]
FIG. 11 is a diagram showing only quantum dots while omitting variation in In concentration. FIG. 12 is a diagram showing only the In concentration distribution 35 with the quantum dot arrangement omitted. The threading dislocations 11 of the GaN substrate 1 are inherited by the epitaxially grown n-type GaN layer 2 and n-type AlGaN layer 3 and are inherited by the light emitting layer 4. Then, quantum dots having a large outer diameter are formed at high density threading dislocations. As for the In concentration, a high In concentration region is formed in a high-density threading dislocation. The relationship between threading dislocation density and quantum size, and the relationship between threading dislocation density and In concentration may be reversed depending on conditions. In a region where threading dislocation density is high, the quantum size may be small and the In concentration may be low. is there. The light emitting layer and the quantum dots are made of non-doped InGaN.
[0064]
A p-type AlGaN layer 6 is formed on the light emitting layer 4, and then a p-type GaN layer 7 is formed. Thereafter, a p-type electrode 8 was formed on the front surface, and an n-type electrode 9 was formed on the back surface of the substrate.
[0065]
When an electric current was passed between the p-type electrode 8 and the n-type electrode 9, the emission wavelength changed as the distance from the threading dislocation high-density region increased, and white light emission was obtained as a whole. The white light emitting element has a single light emitting layer and is compact. In the above, light emission of a plurality of wavelengths is obtained by (b1) In concentration distribution and (b2) change in outer diameter size of quantum dots. The above (b1) and (b2) are caused by the distribution of fluctuations in threading dislocation density in the GaN substrate. The distribution of threading dislocation density in the GaN substrate can be easily adjusted when the GaN substrate is formed. As a result, a long-life white light emitting element can be manufactured at low cost.
[0066]
(Example 2)
The second embodiment of the present invention is characterized in that a threading dislocation density distribution is formed in an underlayer when forming a light emitting layer using a selective growth mask. As the film forming apparatus, the MOVPE apparatus shown in FIG. 9 was used.
[0067]
First, selective growth in which a dot-like regular opening, for example, an opening having a diameter of about 100 μm and a pitch of 500 μm or less, is provided on a GaN substrate as shown in FIG. 13 in a SiO 2 film having a thickness of about 0.1 μm. A mask is formed. The diameter of the opening is preferably in the range of 1 to 200 μm. Since the size of the LED chip is a quadrangle having a side of about 300 μm, the pitch is set to include at least one opening. The GaN substrate on which the selective growth mask 20 was formed was placed in a MOVPE chamber and cleaned in a mixed gas of NH3 and H2.
[0068]
Next, TMGa, NH3 and SiH4 were flowed into the chamber, the n-type GaN layer 2 was formed at 1050 ° C., and the n-type AlGaN layer 3 was epitaxially grown thereon. Thereafter, TMGa, TMIn and NH3 were allowed to flow into the furnace at 800 ° C. to grow the light emitting layer 4 composed of the InGaN quantum well 25. In the growth of the light emitting layer, the thickness of the InGaN well layer changed as the distance from the mask portion (shielding portion) of the selective growth mask increased. In addition, the In composition ratio also changed with distance from the mask portion (shielding portion) of the selective growth mask. As shown in FIG. 14, when viewed in plan, the threading dislocation density in the vicinity of the center of the opening is the highest, and the portion where AlGaN 2 formed in contact with the mask is adjacent to the same film is the next. High threading dislocation density.
[0069]
In FIG. 14, the In concentration is high and the quantum well thickness is thin at a location where the threading dislocation density is high. However, it is sufficient if there is a correlation between the threading dislocation density and the In concentration and the quantum well thickness. It is not necessary to increase the In concentration and the quantum well thickness in a portion where the threading dislocation density is large.
[0070]
A p-type gallium nitride based semiconductor layer 6 is further formed on the light emitting layer 4, and a p-type electrode (not shown) is formed on the surface of the epitaxial layer. The n-type electrode (not shown) is formed as follows so that a selective growth mask is not interposed between the electrodes and the p-type electrode. That is, the p-type gallium nitride based semiconductor layer 6, the light emitting layer 4, and the n-type AlGaN layer 3 in a predetermined n-type electrode formation region are removed by etching to expose the n-type GaN layer 2, and the exposed n-type GaN An n-type electrode is formed in the layer portion (see electrode arrangement in FIG. 15). By arranging the p-type and n-type electrodes in this way, the electrical resistance between the two electrodes can be kept low.
[0071]
When an electric current was passed between these two electrodes, white light emission could be obtained. In this light emission, the light emission wavelength changes as the distance from the mask portion of the selective growth mask increases. Also in this case, similarly to Example 1, light having a plurality of wavelengths can be obtained from a single layer. In addition, according to the present embodiment, the threading dislocations can be introduced into the semiconductor layer during the film formation regardless of the threading dislocation density distribution of the GaN substrate, so that the material is not restricted.
[0072]
In the above embodiment, even if threading dislocations are not formed on the substrate, a distribution in which the density of threading dislocations is changed in the semiconductor thin film can be formed by using the selective growth mask.
[0073]
The method using the selective growth mask described above may be used for quantum dots. FIG. 15 is a diagram illustrating a white light emitting element having a light emitting layer in which quantum dots are formed using a selective growth mask. The n-type electrode of the white light-emitting element is formed on the exposed GaN layer 2 by patterning the n-type electrode formation region by etching to expose the n-type GaN layer 2. For this reason, since the electrical resistance between both electrodes can be kept low, efficient light emission can be obtained.
[0074]
(Appendix to the embodiment)
(1) In this embodiment, the oscillation wavelength is changed by changing both the In concentration and the quantum size such as the outer diameter of the quantum dot. It may be a light emitting element.
(2) In a high density threading dislocation, a region having a high In concentration and / or a region having a large quantum size is formed by the film formation condition A, and a region having a low In concentration and / or a quantum size is formed by the film formation condition B. There is no need to have two film formation conditions that a small region is formed. Only one of the film forming conditions may be satisfied.
(3) When the threading dislocation density distribution formed on the GaN substrate is used, the threading dislocation density distribution is formed in the epitaxial growth film below the light emitting layer without using a selective growth mask. Further, when the GaN substrate does not have the threading dislocation density distribution described above or in other cases, the threading dislocation density distribution is formed in the epitaxial growth layer using a selective growth mask. In the above embodiment, only one example of the use of the threading dislocation density distribution and the selective growth mask in the substrate is shown. However, a GaN substrate having a threading dislocation density distribution may be used, and a selective growth mask may be used.
(4) In the case where a selective growth mask is used, only the arrangement structure of two electrodes for keeping the electrical resistance low while leaving the selective growth mask in the white light emitting element is shown in the above embodiment. However, the structure may be such that the bottom of the n-type GaN layer is exposed and the n-type electrode is formed thereon except for the GaN substrate and the selective growth mask. In this case, it is desirable to use another substrate in order to keep the shape of the white light emitting element firm.
[0075]
Although the embodiments of the present invention have been described above, the embodiments of the present invention disclosed above are merely examples, and the scope of the present invention is not limited to these embodiments. The scope of the present invention is indicated by the description of the scope of claims, and further includes meanings equivalent to the description of the scope of claims and all modifications within the scope.
[0076]
【The invention's effect】
By using the white light-emitting device and the method for producing the same of the present invention, a white light-emitting device having a long life, high luminous efficiency, high color rendering properties, and easy to produce can be obtained.
[Brief description of the drawings]
1A is a diagram showing a white light emitting device including quantum dots, and FIG. 1B is a diagram showing a white light emitting device including quantum wells in an embodiment of the present invention.
2A shows a variation distribution in which a constant In concentration region is formed in a patch shape in the cross section of the light emitting layer, and FIG. 2B shows the thickness direction of the light emitting layer in the white light emitting device of the embodiment of the present invention. It is a figure which shows the fluctuation distribution in which constant In concentration constant area | region is formed.
3A is a diagram in which a quantum dot and a change in In concentration are superimposed, and FIG. 3B is a diagram in which a quantum well and a change in In concentration are superimposed in the white light emitting device of the embodiment of the present invention. FIG.
FIG. 4 is a diagram showing a light emission principle of a white light emitting element including quantum dots in the embodiment of the present invention.
5 is a diagram showing that the outer diameter of the quantum dots is reduced and the emission wavelength is changed in FIG.
FIG. 6 is a diagram showing the relationship between quantum size and emission wavelength.
FIG. 7 is a diagram showing the relationship between In composition and emission wavelength.
FIG. 8 is a diagram showing a white wavelength distribution obtained by synthesizing emission wavelengths.
9 is a diagram showing a MOVPE apparatus for producing a white light emitting element in Examples 1 and 2. FIG.
10 is a graph showing the distribution of threading dislocation density in the GaN substrate of Example 1. FIG.
11 is a diagram showing only the arrangement of quantum dots in the white light emitting device formed on the GaN substrate of FIG.
12 is a diagram showing only the arrangement of In concentration distribution in the white light emitting device formed on the GaN substrate of FIG.
13 is a plan view showing a selective growth mask in Example 2. FIG.
14 is a diagram showing a white light emitting device including a quantum well and an In concentration variation distribution in Example 2. FIG.
15 is a view showing a white light emitting element including quantum dots and In concentration variation distribution in Example 2. FIG.
[Explanation of symbols]
1 GaN substrate, 2 n-type GaN layer, 3 n-type AlGaN layer, 4 light emitting layer (non-doped InGaN layer), 5, 5a, 5b, 5c quantum dot, 6 p-type AlGaN layer, 7 p-type GaN layer, 8 p-type Electrode, 9 n-type electrode, 11, 11a, 11b, 11c threading dislocation distribution region of predetermined density, 25, 25a, 25b, 25c quantum well, 35, 35a, 35b, 35c In distribution region of predetermined concentration range, 56 heater, 58 Susceptor.

Claims

In a gallium nitride based semiconductor light-emitting device including a light-emitting layer formed on a substrate in which threading dislocations are distributed by changing their density,
The light emitting layer includes a plurality of quantum dots that are granular semiconductors having a forbidden band width smaller than that of a surrounding semiconductor;
The outer diameter of the plurality of quantum dots, the correlated with the distribution of the density of threading dislocations are different each, each quantum dot by emitting light of a plurality of wavelengths corresponding to the band gap determined by its outer diameter, the A white light emitting element that obtains white color by mixing light of multiple wavelengths .

In a gallium nitride based semiconductor light-emitting device including a light-emitting layer formed on a substrate in which threading dislocations are distributed by changing their density,
The light emitting layer includes a plurality of quantum wires that are linear semiconductors having a forbidden band width smaller than that of a surrounding semiconductor,
The width of the plurality of quantum wires are different each correlated with the distribution of the density of the threading dislocations, the quantum wire is emitting light of a plurality of wavelengths corresponding to the band gap determined by its width, said plurality A white light-emitting element that obtains white color by mixing light of wavelengths .

In a gallium nitride based semiconductor light-emitting device including a light-emitting layer formed on a substrate in which threading dislocations are distributed by changing their density,
The light emitting layer includes a quantum well layer that is a layered semiconductor having a forbidden band width smaller than that of a surrounding semiconductor,
The thickness of the quantum well layer is different each correlated with the distribution of the density of the threading dislocations, the quantum well layer is emitting light of a plurality of wavelengths corresponding to the band gap determined by the thickness at each position, A white light-emitting element that obtains white color by mixing light of the plurality of wavelengths .

In a gallium nitride based semiconductor light-emitting device including a light-emitting layer formed on a substrate in which threading dislocations are distributed by changing their density,
The light emitting layer includes a semiconductor portion having a forbidden band width smaller than that of a surrounding semiconductor,
The size of the semiconductor portion with the small forbidden band width is different in correlation with the density distribution of the threading dislocations, and the semiconductor portion has a plurality of wavelengths corresponding to the forbidden band width determined by the size at each position. light is outgoing, obtain white light color mixing of light of the plurality of wavelengths, a white light emitting element.

Further comprising an underlying epitaxial layer formed on the substrate;
The light emitting layer is formed on the underlying epitaxial layer;
The white light emitting element according to claim 1, wherein threading dislocations in the underlying epitaxial layer are inherited and extended from the substrate.

A selective growth mask having an opening is further provided between the substrate and the light emitting layer, and threading dislocations in the underlying epitaxial layer are formed on the light emitting layer above the semiconductor layer epitaxially grown on the selective growth mask. The white light emitting element according to claim 5, wherein threading dislocations generated toward the side are inherited and extended.

The white light emitting element in any one of Claims 1-6 whose dimension of the part which emits the said light in the said light emitting layer is 1 nm or more and 100 nm or less.

The white light-emitting element according to claim 1, wherein the light-emitting layer contains In, and the concentration of In in the light-emitting layer is not uniform in the light-emitting layer but varies depending on the position.

The white concentration according to any one of claims 1 to 8, wherein the concentration of In in the semiconductor of the portion that emits light is different, and the In concentration changes according to the size of the portion that emits light. Light emitting element.

In a gallium nitride-based semiconductor light-emitting device that is formed on a substrate in which threading dislocations are distributed by changing the density thereof and includes a light-emitting layer containing In,
The light emitting layer is epitaxially grown on an underlying epitaxial layer in which threading dislocations are distributed with varying density, and the threading dislocations in the underlying epitaxial layer are inherited and extended by threading dislocations in the substrate. Yes,
The In concentration is not uniform in the light emitting layer but varies depending on the position, and the change in the In concentration distribution is different in correlation with the density distribution of the threading dislocations and is determined by each In concentration. and emitting light of a plurality of wavelengths corresponding to the band gap, obtain white light color mixing of light of the plurality of wavelengths, a white light emitting element.

A selective growth mask having an opening is further provided between the substrate and the light emitting layer, and threading dislocations in the underlying epitaxial layer are formed on the light emitting layer above the semiconductor layer epitaxially grown on the selective growth mask. The white light-emitting element according to claim 10, wherein threading dislocations generated toward the side are inherited and extended.

The light emitting layer includes a semiconductor portion having a forbidden band width smaller than that of a surrounding semiconductor, and the semiconductor portions of the small forbidden band width are not uniform and are not uniform and are different from each other. The white light emitting element according to claim 10 or 11.

The white light emitting element according to claim 1, wherein the light emitting layer is sandwiched between p-type and n-type gallium nitride semiconductors.

The white light emitting element according to claim 1, wherein the substrate is made of any material selected from GaN, AlN, GaAs, Si, sapphire, SiC, and ZrB ₂ .

The white light emitting element according to claim 6, wherein the selective growth mask is made of any material of SiO ₂ , SiN, and SiON.

A method for manufacturing a gallium nitride based semiconductor light emitting device including a light emitting layer,
Preparing a substrate in which threading dislocation density changes and is distributed;
A step of growing an epitaxial film on the substrate and forming a light emitting layer including a portion of a semiconductor that emits light,
The substrate has the threading dislocation density such that the light emitting layer emits light of a plurality of wavelengths corresponding to a forbidden band width determined in correlation with the distribution of the threading dislocation density, and obtains a white color by mixing the light of the plurality of wavelengths. A method for producing a white light-emitting element, which is produced by controlling the distribution of light.

A method of manufacturing a gallium nitride based semiconductor light emitting device formed on a substrate and including a light emitting layer,
Preparing a substrate in which threading dislocation density changes and is distributed;
Disposing a selective growth mask provided with a plurality of openings on the substrate;
Growing and covering a first semiconductor film on the surface of the substrate in the opening, and further filling the opening;
Growing a second semiconductor film on the first semiconductor film;
And a step of forming the light emitting layer on the second semiconductor film,
The substrate is manufactured by controlling the distribution of threading dislocation density,
The light emitting layer emits light of a plurality of wavelengths corresponding to a forbidden band width determined in correlation with the distribution of threading dislocation density, and white of the light of the plurality of wavelengths is obtained so that white is obtained . A method of manufacturing a white light emitting element, wherein the second semiconductor film is formed so that the threading dislocation density in the second semiconductor film varies and varies depending on the presence of the second semiconductor film.

In the step of forming the light emitting layer, a gallium nitride based semiconductor film including a semiconductor portion having a forbidden band width smaller than that of the surrounding semiconductor is formed, and the semiconductor portion having the small forbidden band width is made the same in size. The method of manufacturing a white light emitting element according to claim 16 or 17, wherein the white light emitting elements are formed so as not to be uniform or uniform.

19. The step of forming the light emitting layer includes forming a gallium nitride based semiconductor layer containing In and forming the In concentration so as not to be uniform in the light emitting layer but to vary depending on the position. A method for producing a white light emitting device according to claim 1.