JP4351600B2 - Semiconductor light emitting device - Google Patents
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Description
本発明は、半導体発光素子に関し、詳しくは白色発光ダイオードなどとして好適に用いることのできる半導体発光素子に関する。 The present invention relates to a semiconductor light emitting device, and more particularly to a semiconductor light emitting device that can be suitably used as a white light emitting diode.
近年、様々な色の発光ダイオード（ＬＥＤ）の需要が増大している。ＬＥＤは消費電力が少なく、寿命も長いため、これまでのような単なる表示用のＬＥＤとしてだけではなく、消費電力の低減、エネルギー消費削減に伴うＣＯ2削減の観点から、照明用としてその需要増加が期待されている。 In recent years, demand for light emitting diodes (LEDs) of various colors has increased. LEDs have low power consumption and long life, so they are not only used for conventional display LEDs, but also increase in demand for lighting from the viewpoint of reducing power consumption and CO 2 reduction associated with energy consumption reduction. Is expected.
ＬＥＤとしては、これまで、ＧａＡｓ系、ＡｌＧａＡｓ系、ＧａＰ系、ＧａＡｓＰ系、ＩｎＧａＡｌＰ系などで、赤色から黄緑色までのＬＥＤが実用化され、特に表示用として様々な用途に用いられてきた。近年、ＧａＮ系において青色、緑色のＬＥＤが実現されたことから、ＬＥＤでほぼ全色がでそろい、全ての色で表示ができるようになった他、フルカラーディスプレイも実現できるようになった。また、ＲＧＢを用いた白色ＬＥＤや、青色ＬＥＤの上に黄色の蛍光体をまぶし、二色をもとにした白色ＬＥＤが実用化されるにいたり、ＬＥＤによる照明が実現されつつある。 As LEDs, GaAs-based, AlGaAs-based, GaP-based, GaAsP-based, and InGaAlP-based LEDs have been put into practical use, and have been used for various purposes, particularly for display. In recent years, blue and green LEDs have been realized in the GaN system, so that almost all colors can be arranged with LEDs, and all colors can be displayed, and a full color display can also be realized. In addition, white LEDs using RGB and yellow phosphors are coated on blue LEDs, and white LEDs based on two colors are being put into practical use, and illumination by LEDs is being realized.
しかし、ＲＧＢを用いた白色ＬＥＤはそれぞれ異なるＬＥＤチップを用い、コスト高となるため、照明用として実用化するのは困難と見られている。また、二色白色ＬＥＤは三原色でないため、この白色光のもとでは、フルカラーが認識できないという問題点がある。また、その輝度についてもまだ２５１ｍ／Ｗ程度しか実現されておらず、蛍光灯の９０１ｍ／Ｗには及んでいない。 However, since white LEDs using RGB use different LED chips and are expensive, it is considered difficult to put them into practical use for illumination. Further, since the two-color white LED is not the three primary colors, there is a problem that the full color cannot be recognized under the white light. In addition, the luminance is still only about 251 m / W, and does not reach the 901 m / W of fluorescent lamps.
以上のことから、三原色でより高効率のＬＥＤが、低エネルギーで環境問題が解決できる照明用として、全世界で渇望されている。実際、このような白色照明用のＬＥＤを実現するために、日本における国家プロジェクトだけではなく、米国、欧州でも多くの大手電気メーカーが積極的に開発に乗り出しているところである。 From the above, LEDs with higher efficiency in the three primary colors are craved all over the world for illumination that can solve environmental problems with low energy. In fact, in order to realize such an LED for white illumination, not only a national project in Japan, but also many major electric manufacturers are actively developing in the United States and Europe.
三原色以上の白色ＬＥＤを作製するためには、紫外ＬＥＤを作製して、この紫外線により三原色の蛍光体を発光させて白色ＬＥＤを得る試みがなされている。しかし、この方法は、その原理は蛍光灯と基本的には同じであり、蛍光灯における水銀放電による紫外発光を紫外ＬＥＤに置き換えるものである。このため、三原色の蛍光体を別途必要とする点から、コスト的なデメリットがある。また、ＧａＮ系では青色ＬＥＤができているが、紫外ＬＥＤのように短波長化すると、青色ＬＥＤに比べて発光効率が激減するという問題がある。 In order to produce a white LED having three or more primary colors, an attempt has been made to produce a white LED by producing an ultraviolet LED and emitting phosphors of the three primary colors with this ultraviolet ray. However, the principle of this method is basically the same as that of a fluorescent lamp, and the ultraviolet light emitted by mercury discharge in the fluorescent lamp is replaced with an ultraviolet LED. For this reason, there is a cost demerit in that three primary color phosphors are separately required. In addition, although a blue LED is made in the GaN system, there is a problem that when the wavelength is shortened like an ultraviolet LED, the light emission efficiency is drastically reduced as compared with the blue LED.
この発光効率の激減については、以下のように考えられている。ＧａＮ系のエピタキシャル膜をサファイアなど格子定数が一致しない基板上に成長させると、エピタキシャル膜と基板の界面にミスフィット転位が発生し、これがエピタキシャル膜中、さらにはその上に形成された発光層中に伝播するために、転位密度が著しく増大する。 This drastic decrease in luminous efficiency is considered as follows. When a GaN-based epitaxial film is grown on a substrate such as sapphire whose lattice constants do not match, misfit dislocations occur at the interface between the epitaxial film and the substrate, and this occurs in the epitaxial film and further in the light emitting layer formed thereon. Therefore, the dislocation density is remarkably increased.
しかしながら、サファイア基板上に作製したＧａＮ系の青色、緑色の発光ダイオードでは、発光層として用いるＩｎＧａＮ系のエピタキシャル層の中で、Ｉｎが局在化し、そのためにキャリヤが局在化して閉じ込められる。このため、転位が存在する位置までキャリヤが移動することなく再結合するため、十分な発光効率が得られる。 However, in the GaN blue and green light emitting diodes fabricated on the sapphire substrate, In is localized in the InGaN epitaxial layer used as the light emitting layer, carriers are localized and confined therefor. For this reason, since the carriers are recombined without moving to the position where the dislocation exists, sufficient luminous efficiency can be obtained.
すなわち、転位の存在が発光効率に影響しないのではなく、Ｉｎの局在化に伴いキャリヤが局在化され、非発光中心として作用する転位の位置までキャリヤが移動する前にキャリヤが再結合して発光するため、上記ＧａＮ系の青色、緑色の発光ダイオードで十分な発光効率を得ることができるものである。 In other words, the presence of dislocations does not affect the light emission efficiency, but the carriers are localized as In is localized, and the carriers recombine before moving to the position of the dislocations that act as non-emission centers. Therefore, sufficient light emission efficiency can be obtained with the GaN blue and green light emitting diodes.
しかしながら、紫外ＬＥＤを作製するためには、発光層中のＩｎの濃度を低減させることが要求される。このため、Ｉｎの局在化が起こらなくなるため、キャリヤの拡散長が長くなり、転位が存在する位置までキャリヤが移動するため再結合しやすくなる。したがって、もともと高転位密度である青色ＬＥＤよりも、紫外ＬＥＤでは発光効率が大幅に低減される。このため、転位密度の低減を図るべく各種の方法が考案されている。 However, in order to produce an ultraviolet LED, it is required to reduce the concentration of In in the light emitting layer. For this reason, since localization of In does not occur, the diffusion length of the carrier becomes long, and the carrier moves to a position where dislocation exists, so that it becomes easy to recombine. Therefore, the light emission efficiency of the ultraviolet LED is significantly reduced as compared with the blue LED that originally has a high dislocation density. For this reason, various methods have been devised to reduce the dislocation density.
例えば、エピタキシャル成長の途中で、ＳｉＯ2などのストライプのマスクを作製して、エピタキシャル膜／基板界面で発生したミスフィット転位がエピタキシャル膜上に伝播することを防止し、これによって前記マスク上に転位密度が低減された発光層を形成する方法が提案されている。しかしながら、この方法は、プロセスが複雑であり、製造コストが高くなるほか、厚いＧａＮ系膜を成長させるため、基板が反ってしまい、実際、デバイスプロセスに使用すると大半の基板が割れてしまうという決定的な問題点があり、実用化を妨げている。 For example, during the epitaxial growth, a stripe mask such as SiO 2 is prepared to prevent misfit dislocations generated at the epitaxial film / substrate interface from propagating on the epitaxial film, thereby dislocation density on the mask. There has been proposed a method of forming a light emitting layer with reduced luminescence. However, this method is complicated in the process, increases the manufacturing cost, and grows a thick GaN-based film, which causes the substrate to be warped. In fact, most of the substrate is cracked when used in the device process. There are general problems that prevent practical use.
また、転位密度を低減させるために、ＧａＮ系の格子整合エピタキシャル成長ができるように、バルクのＧａＮ結晶を成長させる試みがなされている。このような方法としては、高圧溶液成長法、気相成長法、フラックス法などがある。しかし、現在のところ、ＬＥＤを工業的に製造できるような大型単結晶の育成にはまだ目処はたっていない。 Also, in order to reduce the dislocation density, attempts have been made to grow bulk GaN crystals so that GaN-based lattice-matched epitaxial growth can be performed. Examples of such a method include a high pressure solution growth method, a vapor phase growth method, a flux method, and the like. However, at present, there is no plan for growing large single crystals that can be used for industrially manufacturing LEDs.
さらに、転位密度が低いバルクのＧａＮ結晶を得るために、ＨＶＰＥ法を用いて、格子整合する酸化物などの基板上に厚いＧａＮ単結晶を成長させ、その後、もとの基板を除去して、バルクＧａＮ単結晶基板を得る試みもなされているが、未だＬＥＤを工業的に製造できるような高品質の単結晶基板は得られるようになっていない。 Furthermore, in order to obtain a bulk GaN crystal having a low dislocation density, a GaN single crystal is grown on a substrate such as a lattice-matching oxide using the HVPE method, and then the original substrate is removed, Attempts have been made to obtain a bulk GaN single crystal substrate, but a high quality single crystal substrate capable of industrially manufacturing LEDs has not yet been obtained.
このような状況であるため、紫外ＬＥＤを用いて蛍光体を光らせて作る三原色以上の白色ＬＥＤについては、高い発光効率が得られる技術的見通しがないという問題がある。 Since it is such a situation, there is a problem that there is no technical prospect that high luminous efficiency can be obtained for white LEDs of three or more primary colors that are made by illuminating phosphors using ultraviolet LEDs.
本発明は、転位密度の大小に関係なく、任意の色度の光を生成することのできるＬＥＤ、特に三原色以上の白色ＬＥＤとして好適に使用することが可能な、新規な半導体発光素子を提供することを目的とする。 The present invention provides a novel semiconductor light-emitting device that can be suitably used as an LED capable of generating light of any chromaticity regardless of the dislocation density, particularly as a white LED having three or more primary colors. For the purpose.
上記目的を達成すべく、本発明の半導体発光素子は、Ａｌ、Ｇａ、及びＩｎの少なくとも一つを含む窒化物半導体からなる基層中に、Ａｌ、Ｇａ、及びＩｎの少なくとも一つを含み、前記窒化物半導体よりも面内格子定数の大きい追加の窒化物半導体からなる、それぞれが孤立した複数の島状結晶を含んでなる発光層を具え、前記基層を構成する前記窒化物半導体のバンドギャップ（ＢＧ１）、及び前記島状結晶を構成する前記追加の窒化物半導体のバンドギャップ(ＢＧ２)がＢＧ１＞ＢＧ２の関係を満たし、前記発光層を構成する前記複数の島状結晶は、希土類元素及び遷移金属元素から選ばれる少なくとも一種の元素を添加元素として含有するとともに、前記基層及び前記島状結晶間の界面にも、希土類元素及び遷移金属元素から選ばれる少なくとも一種の元素を吸着させて、発光層全体として任意の色度の光を生成するようにしたことを特徴とする。
In order to achieve the above object, a semiconductor light emitting device of the present invention includes at least one of Al, Ga, and In in a base layer made of a nitride semiconductor including at least one of Al, Ga, and In, A band gap of the nitride semiconductor comprising the light emitting layer comprising a plurality of isolated island-like crystals, each of which is made of an additional nitride semiconductor having a larger in-plane lattice constant than the nitride semiconductor, and constituting the base layer ( BG1), and the additional nitride semiconductor bandgap constituting the island crystals (BG2) satisfies the relation of BG1> BG2, wherein the plurality of island-like crystals constituting the light emitting layer is a rare earth element and transition together contain as an additive element, at least one element selected from metal elements, also at the interface between the base layer and the island-like crystals, rare earth elements and transition metal elements By adsorbing at least one element, characterized in that so as to generate light of an arbitrary chromaticity as a whole light-emitting layer.
近年においては、発光層として、格子不整合する系で孤立した小さい島状結晶を形成させ、これを発光させてなるＬＥＤについて研究が盛んになされている。本発明者らは、上記のような島状結晶を有する発光層を具えた半導体発光素子の有する潜在的な性能に着目し、前記半導体発光素子の製造条件などを検討することにより改良を加えた。 In recent years, research has been actively conducted on LEDs in which small island crystals isolated by lattice mismatch are formed as a light emitting layer and light is emitted therefrom. The present inventors paid attention to the potential performance of a semiconductor light emitting device having a light emitting layer having an island-shaped crystal as described above, and made improvements by examining the manufacturing conditions of the semiconductor light emitting device. .
しかしながら、島状結晶を有する発光層を具える半導体発光素子を単に形成したのみでは、実用に足る発光強度を有するとともに、所望する色度の光、特に白色光を生成することが困難であった。そこで、本発明者らは、前記発光層を構成する前記島状結晶及びこの島状結晶が存在する基層中の少なくとも一方に、希土類元素及び遷移金属元素から選ばれる少なくとも一種の元素を添加元素として含有させることを想到した。 However, simply forming a semiconductor light emitting device having a light emitting layer having island-shaped crystals has a light emission intensity sufficient for practical use and it is difficult to generate light of a desired chromaticity, particularly white light. . Therefore, the present inventors have added at least one element selected from a rare earth element and a transition metal element as an additive element to at least one of the island-shaped crystals constituting the light-emitting layer and the base layer in which the island-shaped crystals exist. I thought of making it contain.
希土類元素及び遷移金属元素は外部からエネルギーを得て励起されると、その希土類元素及び遷移金属元素に固有の波長を有する光を発する。したがって、希土類元素及び／又は遷移金属元素を前記発光層中に含有させることによって、前記希土類元素及び／又は前記遷移金属元素は前記発光層を構成する前記複数の島状結晶からの発光によって励起されて固有の波長の光を発する。 When the rare earth element and the transition metal element are excited by obtaining energy from the outside, the rare earth element and the transition metal element emit light having a wavelength unique to the rare earth element and the transition metal element. Therefore, by including a rare earth element and / or a transition metal element in the light emitting layer, the rare earth element and / or the transition metal element are excited by light emission from the plurality of island-like crystals constituting the light emitting layer. Emits light of a specific wavelength.
したがって、前記発光層中に添加する希土類元素及び／又は遷移金属元素の種類を適宜に選択し、これらの元素からの発光を利用することにより、任意の色度の光、特に白色光の生成を簡易に行うことができる。励起が容易であること、並びに種々の固有波長を有することにより多彩な色度の光を容易に生成することができることから、好ましくは希土類元素を用いる。 Therefore, by appropriately selecting the kind of rare earth element and / or transition metal element added to the light emitting layer and utilizing the light emitted from these elements, it is possible to generate light of any chromaticity, particularly white light. It can be done easily. Rare earth elements are preferably used because excitation is easy and light of various chromaticities can be easily generated by having various natural wavelengths.
また、互いに異なる複数の種類の希土類元素、例えば、青色領域の波長の光を生成させるためのＴｍ、緑色領域の波長の光を生成するためのＥｒ、さらに、赤色領域の波長の光を生成するためのＥｕ又はＰｒを添加した場合は、これら希土類元素からの発光が重畳されるのみで白色光あるいは任意の色度の光を生成することができる。 Also, a plurality of different rare earth elements, for example, Tm for generating light with a wavelength in the blue region, Er for generating light with a wavelength in the green region, and light with a wavelength in the red region are generated. When Eu or Pr is added, white light or light having an arbitrary chromaticity can be generated only by superimposing light emission from these rare earth elements.
本発明は上記のような膨大かつ長期に渡る研究開発の結果としてなされたものである。 The present invention has been made as a result of the enormous and long-term research and development as described above.
なお、前記島状結晶は、例えば前記島状結晶の下地層として機能するクラッド層を構成する窒化物半導体の面内格子定数に対して、前記島状結晶を構成する前記第２の窒化物半導体の面内格子定数が大きくなるようにする。この場合、前記クラッド層上に通常の成膜処理を施すことにより、形成すべき膜に対して前記クラッド層から圧縮応力が作用し、前記膜が一様に平坦に形成されることなく、ドット状に形成されて、上記のような島状結晶が形成されるものである。 The island-shaped crystal is, for example, the second nitride semiconductor constituting the island-shaped crystal with respect to the in-plane lattice constant of the nitride semiconductor constituting the cladding layer functioning as an underlayer of the island-shaped crystal. To increase the in-plane lattice constant. In this case, by performing a normal film forming process on the clad layer, a compressive stress acts on the film to be formed from the clad layer, and the film is not formed uniformly and flat. In this way, island-like crystals as described above are formed.
また、前記第１のクラッド層を構成する前記第３の窒化物半導体のバンドギャップ、前記基層を構成する前記第４の窒化物半導体のバンドギャップ、及び前記島状結晶を構成する前記第５の窒化物半導体のバンドギャップの大きさに対する上記順列は、前記島状結晶を構成する前記第５の窒化物半導体をエネルギー的に閉じ込めて、前記島状結晶からの発光を実現させるために要求されるものである。 In addition, a band gap of the third nitride semiconductor constituting the first cladding layer, a band gap of the fourth nitride semiconductor constituting the base layer, and the fifth gap constituting the island-shaped crystal. The permutation with respect to the size of the band gap of the nitride semiconductor is required for energetic confinement of the fifth nitride semiconductor constituting the island-shaped crystal to realize light emission from the island-shaped crystal. Is.
以上説明したように、本発明の半導体発光素子は、互いに孤立した複数の島状結晶を有する発光層を具えている。そして、前記発光層を構成する前記島状結晶に、希土類元素及び遷移金属元素から選ばれる少なくとも一種の添加元素を含有している。したがって、これら添加元素及び吸着元素の種類を適宜に調節することにより、任意に色度の光、さらには白色光を実用的な発光効率で生成することが可能な半導体発光素子を提供することができる。 As described above, the semiconductor light emitting device of the present invention includes a light emitting layer having a plurality of island crystals isolated from each other. Then, the island-like crystals constituting the light-emitting layer and contains an additive at least one element selected from rare earth elements and transition metal elements. Accordingly, it is possible to provide a semiconductor light emitting device capable of arbitrarily generating chromatic light, and further white light with practical light emission efficiency by appropriately adjusting the types of these additive elements and adsorbing elements. it can.
以下、本発明を発明の実施の形態に即して詳細に説明する。
図１は、本発明の第１の半導体発光素子の一例を示す断面図である。図１に示す半導体発光素子２０は、基板１と、この基板１上に第１の窒化物半導体としてＡｌＮからなる下地層２と、この下地層２上に形成された第２の窒化物半導体としてｎ−ＡｌＧａＮからなる第１の導電層３とを含む。
Hereinafter, the present invention will be described in detail according to embodiments of the invention.
FIG. 1 is a cross-sectional view showing an example of the first semiconductor light emitting device of the present invention. A semiconductor
さらに、この第１の導電層３上に形成された第３の窒化物半導体としてｎ−ＡｌＧａＮからなる第１のクラッド層４と、このクラッド層４上に形成された発光層５と、この発光層５上に形成された第６の窒化物半導体としてｐ−ＡｌＧａＮからなる第２のクラッド層６とを含む。また、この第２のクラッド層６上に形成された第７の窒化物半導体としてｐ−ＡｌＧａＮからなる第２の導電層７を具えている。
Further, a first cladding layer 4 made of n-AlGaN as a third nitride semiconductor formed on the first
第１の導電層３の一部は露出しており、この露出した表面にはＡｌ／Ｐｔなる構成のｎ−電極８が形成されている。また、第２の導電層７上にはＡｕ／Ｎｉなる構成のｐ−電極９が形成されている。
A part of the first
図２は、図１に示す半導体発光素子２０における発光層５の部分を拡大して示す図である。図２から明らかなように、発光層５は、第４の窒化物半導体としてｉ−ＧａＮからなる基層１７中に、第５の窒化物半導体としてｉ−ＡｌＧａＩｎＮからなる島状結晶１２−１〜１２−５が形成されている。
FIG. 2 is an enlarged view showing a portion of the
なお、図１及び２においては、本発明の特徴を明確に説明すべく、各構成部分については実際のものと異なるように記載している。 In FIGS. 1 and 2, each component is described so as to be different from the actual one in order to clearly explain the features of the present invention.
本発明の半導体発光素子においては、第１のクラッド層４を構成する第３の窒化物半導体の面内格子定数に対して、島状結晶１２を構成する第５の窒化物半導体の面内格子定数が大きくすることが好ましい。例えば、これらの面内格子定数差が、第３の窒化物半導体の格子定数を基準として０．４〜１４％であることが好ましく、さらには２〜８％であることが好ましい。これによって、簡易に島状結晶を形成することができる。 In the semiconductor light emitting device of the present invention, the in-plane lattice of the fifth nitride semiconductor constituting the island-like crystal 12 with respect to the in-plane lattice constant of the third nitride semiconductor constituting the first cladding layer 4. It is preferable to increase the constant. For example, the in-plane lattice constant difference is preferably 0.4 to 14%, more preferably 2 to 8%, based on the lattice constant of the third nitride semiconductor. Thereby, an island-like crystal can be easily formed.
また、発光層５を構成する島状結晶１２−１〜１２−５は、希土類元素及び遷移金属元素から選ばれる少なくとも一種の添加元素を含有していることが必要である。前記添加元素の含有量については特に限定されるものではなく、添加元素の種類、島状結晶を構成する第５の窒化物半導体の材料組成、及び所望する発光強度などによって任意に選択されるものである。
Further, island crystals 12-1 to 12-5 that make up the light-emitting
望ましくは、本発明のように第５の窒化物半導体をＡｌ、Ｇａ、及びＩｎの少なくとも一つを含有してなる窒化物半導体から構成する場合、結晶性を劣化させない範囲内で、できるだけ多く含有させる。具体的には、０．０１〜７原子％の範囲で含有させることが好ましい。これによって、希土類元素や遷移金属元素の種類などによらず、実用に足る８０ ｌｍ／Ｗ程度の発光強度の光を生成することができる。 Desirably, when the fifth nitride semiconductor is composed of a nitride semiconductor containing at least one of Al, Ga, and In as in the present invention, it is contained as much as possible within a range in which the crystallinity is not deteriorated. Let Specifically, it is preferable to make it contain in 0.01-7 atomic%. This makes it possible to generate light having a light emission intensity of about 80 lm / W, which is sufficient for practical use, regardless of the type of rare earth element or transition metal element.
上述したように、励起が容易であること、並びに種々の固有波長を有することにより多彩な色度の光を容易に生成することができることから、希土類元素を用いることが好ましい。 As described above, it is preferable to use rare earth elements because excitation is easy and light having various chromaticities can be easily generated by having various natural wavelengths.
希土類元素の種類についても特には限定されず、所望する発光波長に応じて任意に選択することができる。上述したように、例えば、青色領域の波長の光を生成させるためには、Ｔｍを用いることができ、緑色領域の波長の光を生成するためには、Ｅｒを用いることができる。さらに、赤色領域の波長の光を生成するためには、Ｅｕ又はＰｒを用いることができる。 The type of rare earth element is not particularly limited, and can be arbitrarily selected according to a desired emission wavelength. As described above, for example, Tm can be used to generate light with a wavelength in the blue region, and Er can be used to generate light with a wavelength in the green region. Further, Eu or Pr can be used to generate light having a wavelength in the red region.
したがって、これらの希土類元素を島状結晶１２−１〜１２−５に含有させることにより、青色領域、緑色領域、赤色領域の光が互いに重畳されて、これら希土類元素からの発光のみで白色光あるいは任意の色度の光を生成することができる。 Therefore, by including these rare earth elements in the island crystals 12-1 to 12-5 , the light of the blue region, the green region, and the red region is superimposed on each other, and only the light emitted from these rare earth elements is white light or Light of arbitrary chromaticity can be generated.
また、遷移金属元素としては、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｕ、及びＺｎなどを例示することができる。 Examples of the transition metal element include Fe, Co, Mn, Ni, Cu, and Zn.
図３は、図２に示す発光層の変形例を示す図である。図３に示す発光層５においては、発光層１８を構成する基層１８中に島状結晶１３−１〜１３−５、１４−１〜１４−５及び１５−１〜１５−５が段状に形成されている。
FIG. 3 is a diagram showing a modification of the light emitting layer shown in FIG. In the
本発明によれば、多段に形成された島状結晶に上述した希土類元素を含有させる。このように多段に形成された島状結晶を有する発光層の島状結晶中に希土類元素を含有させることによって、多種類の希土類元素を適当に分散させて含有させることができ、任意の色度の光、特に白色光の生成を簡易かつ正確に行うことができる。 According to the present invention, the inclusion of the above-mentioned rare earth elements in multiple stages in the formed island crystals. By including rare earth elements in the island-like crystals of the light-emitting layer having the island-like crystals formed in multiple stages in this way, it is possible to appropriately disperse various kinds of rare earth elements and to add any chromaticity Of light, particularly white light, can be generated easily and accurately.
前記添加元素は、所定の希土類元素源及び／又は遷移金属元素源から、前記基層及び／又は前記島状結晶を作製する間に、ＭＢＥ法に基づいた分子線を照射することによって形成することができる。 The additive element may be formed by irradiating a molecular beam based on the MBE method while producing the base layer and / or the island-like crystal from a predetermined rare earth element source and / or transition metal element source. it can.
なお、本発明において、発光層を構成する島状結晶はＡｌ、Ｇａ、及びＩｎの少なくとも一つを含むことが必要であるが、必要に応じてＧｅ、Ｓｉ、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｂｅ、Ｐ、及びＢなどの添加元素を含むことができる。また、意識的に添加した元素に限らず、成膜条件、原料、及び反応管材質に含まれる微量不純物を含むこともできる。 In the present invention, that make up the light-emitting layer island crystals Al, Ga, and it is necessary to include at least one of an In, Ge optionally, Si, Mg, Zn, Be, P , And B can be included. Moreover, it is not restricted to the element added consciously, It can also contain the trace amount impurity contained in film-forming conditions, a raw material, and the reaction tube material.
また、基板としては、サファイア単結晶、ＺｎＯ単結晶、ＬｉＡｌＯ２単結晶、ＬｉＧａＯ２単結晶、ＭｇＡｌ２Ｏ４単結晶、ＭｇＯ単結晶などの酸化物単結晶、Ｓｉ単結晶、ＳｉＣ単結晶などのIV族あるいはIV−IV族単結晶、ＧａＡｓ単結晶、ＡｌＮ単結晶、ＧａＮ単結晶、及びＡｌＧａＮ単結晶などのIII−Ｖ族単結晶、ＺｒＢ２などのホウ化物単結晶などの、公知の基板材料から構成することができる。 As the substrate, sapphire single crystal, ZnO single crystal, LiAlO 2 single crystal, LiGaO 2 single crystal, MgAl 2 O 4 single crystal, oxide single crystal such as MgO single crystal, Si single crystal, SiC single crystal, etc. Known substrate materials such as Group IV or IV-IV single crystals, GaAs single crystals, AlN single crystals, GaN single crystals, III-V single crystals such as AlGaN single crystals, and boride single crystals such as ZrB 2 It can consist of
特にサファイア単結晶基板を用いる場合については、下地膜を形成すべき主面に対して表面窒化処理を施すことが好ましい。前記表面窒化処理は、前記サファイア単結晶基板をアンモニアなどの窒素含有雰囲気中に配置し、所定時間加熱することによって実施する。そして、窒素濃度や窒化温度、窒化時間を適宜に制御することによって、前記主面に形成される窒化層の厚さを制御する。 In particular, when a sapphire single crystal substrate is used, it is preferable to subject the main surface on which the base film is to be formed to surface nitriding. The surface nitriding treatment is performed by placing the sapphire single crystal substrate in a nitrogen-containing atmosphere such as ammonia and heating it for a predetermined time. Then, the thickness of the nitride layer formed on the main surface is controlled by appropriately controlling the nitrogen concentration, nitriding temperature, and nitriding time.
このようにして表面窒化層が形成されたサファイア単結晶基板を用いれば、その主面上に順次形成される導電層、クラッド層、及び発光層の結晶性が向上し、発光効率などが改善される。 By using a sapphire single crystal substrate having a surface nitride layer formed in this way, the crystallinity of the conductive layer, the cladding layer, and the light emitting layer sequentially formed on the main surface is improved, and the light emission efficiency is improved. The
前記表面窒化層は、比較的厚く、例えば、ＥＳＣＡ分析によって、前記主面から１ｎｍの深さにおける窒素含有量が５原子％以上となるように厚く形成することが好ましい。 The surface nitride layer is relatively thick, and is preferably formed to have a nitrogen content of 5 atomic% or more at a depth of 1 nm from the main surface by ESCA analysis, for example.
また、図１に示すような本発明の半導体発光素子は、下地層、第１の導電層、及び発光層について上述した要件を満足する限りにおいて、通常の方法にしたがって製造することができる。 Further, the semiconductor light emitting device of the present invention as shown in FIG. 1 can be manufactured according to a usual method as long as the above-described requirements for the underlayer, the first conductive layer, and the light emitting layer are satisfied.
図４は、図２に示す発光層の他の変形例を示す構成図である。図中、図２と類似の部分については同じ符号を用いて表している。なお、図４においては、本発明の特徴を明確に説明すべく、各構成部分については実際のものと異なるように記載している。 FIG. 4 is a block diagram showing another modification of the light emitting layer shown in FIG. In the figure, parts similar to those in FIG. 2 are denoted by the same reference numerals. In FIG. 4, in order to clearly describe the features of the present invention, each component is described differently from the actual one.
図４に示す態様においては、ｉ−ＧａＮからなる基層１７中に、ｉ−ＡｌＧａＩｎＮからなる複数の島状結晶１２−１〜１２−３が形成されている。そして、島状結晶１２−１〜１２−３と基層１７との界面には、希土類元素及び遷移金属元素から選ばれる少なくとも一種の吸着元素１９が吸着されている。
In the embodiment shown in FIG. 4, a plurality of island crystals 12-1 to 12-3 made of i-AlGaInN are formed in the
吸着元素１９の種類については、島状結晶１２〜１〜１２−３を構成する原子のダングリングボンドを消滅させるものであることが好ましい。また、吸着元素１９は島状結晶１２−１〜１２−３の表面に吸着されて発光層５内に存在するため、注入電流によって励起されて所定の蛍光を発することが好ましい。
About the kind of
すなわち、吸着元素１９も所定の蛍光を発し、発光層５の全体から得られる光の成分を構成することが好ましい。このため、吸着元素１９は、発光層５の全体から所望する光が得られるように選択することが好ましい。この際、上述したように、励起が容易であること、並びに種々の固有波長を有することにより多彩な色度の光を容易に生成することができることから、吸着元素は希土類元素及び遷移金属元素から選ばれる少なくとも一種の元素であることが好ましい。
That is, it is preferable that the adsorbing
なお、希土類元素及び遷移金属元素については、上述した島状結晶中に含有させるものと同じものを用いることができる。特に、青色領域の蛍光を生成させるためには、Ｔｍを用いることができ、緑色領域の波長の光を生成するためには、Ｅｒを用いることができる。さらに、赤色領域の波長の光を生成するためには、Ｅｕ又はＰｒを用いることができる。そして、これらを適宜に用いることによって発光層５において白色光を生成することもできる。
In addition, about the rare earth element and the transition metal element, the same thing as what is contained in the island-like crystal mentioned above can be used. In particular, Tm can be used to generate fluorescence in the blue region, and Er can be used to generate light having a wavelength in the green region. Further, Eu or Pr can be used to generate light having a wavelength in the red region. And white light can also be produced | generated in the
そして、吸着元素１９は、所定の希土類元素源及び／又は遷移金属元素源からＭＢＥ法に基づいた分子線を照射することによって形成することができる。
The adsorbing
なお、図４に示す態様においては、吸着元素１９の他に、島状結晶１２−１〜１２−３内に、前述した希土類元素及び遷移金属元素から選ばれる少なくとも一種の元素を含ませる。また、Ａｌ、Ｇａ、及びＩｎの他に、必要に応じてＧｅ、Ｓｉ、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｂｅ、Ｐ、及びＢなどの添加元素を含むことができる。また、意識的に添加した元素に限らず、成膜条件、原料、及び反応管材質に含まれる微量不純物を含むこともできる。
In the embodiment shown in FIG. 4, in addition to the adsorbing
（実施例１）
２インチ径の厚さ４３０μmのサファイア基板をＨ2ＳＯ4＋Ｈ2Ｏ2で前処理した後、ＭＯＣＶＤ装置の中に設置した。ＭＯＣＶＤ装置には、ガス系としてＮＨ3系、ＴＭＡ、ＴＭＧ、ＳｉＨ4が取り付けてある。
(Example 1)
A sapphire substrate having a 2 inch diameter and a thickness of 430 μm was pretreated with H 2 SO 4 + H 2 O 2 and then placed in an MOCVD apparatus. In the MOCVD apparatus, NH 3 type, TMA, TMG, and SiH 4 are attached as gas systems.
最初に、基板を１２００℃まで昇温した後、アンモニアガス（ＮＨ３）を水素キャリアガスとともに５分間流し、前記基板の主面を窒化させた。なお、ＥＳＣＡによる分析の結果、この表面窒化処理によって、前記主面には窒化層が形成されており、前記主面から深さ１ｎｍにおける窒素含有量が７原子％であることが判明した。 First, after raising the temperature of the substrate to 1200 ° C., ammonia gas (NH 3 ) was flowed together with a hydrogen carrier gas for 5 minutes to nitride the main surface of the substrate. As a result of analysis by ESCA, it was found that a nitride layer was formed on the main surface by this surface nitriding treatment, and the nitrogen content at a depth of 1 nm from the main surface was 7 atomic%.
次いで、Ｈ2を流速１０m／ｓｅｃで流しながら、ＴＭＡとＮＨ3を平均流速１０ｍ／ｓｅｃで流して、下地層としてのＡｌＮ層を厚さ１μmまで成長させた。このＡｌＮ層のＸ線回折ロッキングカーブの半値幅は９０秒で、良質のＡｌＮ層ができることがわかった。 Next, while flowing H 2 at a flow rate of 10 m / sec, TMA and NH 3 were flowed at an average flow rate of 10 m / sec to grow an AlN layer as a base layer to a thickness of 1 μm. The AlN layer had an X-ray diffraction rocking curve half width of 90 seconds, and it was found that a good quality AlN layer could be obtained.
次いで、成長させたＡｌＮ層を保護するために、ＴＭＧとＮＨ3を平均流速１０ｍ／ｓｅｃで流して、ＧａＮ膜を厚さ１００Åに成長させた。成長終了後、ＡｌＮ層とＧａＮ膜のついた基板を取り出し、これをＭＢＥ装置の中に設置した。 Next, in order to protect the grown AlN layer, TMG and NH 3 were flowed at an average flow rate of 10 m / sec to grow a GaN film to a thickness of 100 mm. After the growth was completed, the substrate with the AlN layer and the GaN film was taken out and placed in an MBE apparatus.
ＭＢＥ装置の固体源としては、７ＮのＧａ、７ＮのＩｎ、６ＮのＡｌ、３ＮのＥｒ、Ｔｍ、Ｐｒ、Ｅｕを用いた。窒素源としては、ＳＶＴＡ社の高周波プラズマ装置により発生した原子状窒素を用いた。また、ドーパント源としては、ｎ型のためのＳｉとｐ型のためのＭｇの固体源を設けた。 As solid sources of the MBE apparatus, 7N Ga, 7N In, 6N Al, 3N Er, Tm, Pr, and Eu were used. As the nitrogen source, atomic nitrogen generated by a high-frequency plasma apparatus manufactured by SVTA was used. Further, as a dopant source, a solid source of Si for n-type and Mg for p-type was provided.
まず、基板を９００℃まで加熱した後、Ｈ2とＮＨ3を流すことにより保護層となっていたＧａＮ膜を除去した。その後、基板を１０００℃まで加熱して３０分保持することにより表面の平坦化をした後、第１の導電層として７５０℃でＳｉをドープしたｎ−ＧａＮ層を厚さ１μm成長させた。 First, after heating the substrate to 900 ° C., the GaN film serving as the protective layer was removed by flowing H 2 and NH 3 . Thereafter, the substrate was heated to 1000 ° C. and held for 30 minutes to planarize the surface, and then an n-GaN layer doped with Si at 750 ° C. was grown as a first conductive layer at a thickness of 1 μm.
次いで、このｎ−ＧａＮ層上に、第１のクラッド層として７８０℃でＳｉをドープしたｎ−Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ層を厚さ１μｍに成長させた。その後、この上に発光層を構成する島状結晶を、Ｉｎ0.1Ｇａ0.9Ｎから７００℃で厚さ２０Å、平均直径１００Åで成長させた。その後、発光層を構成する基層を、前記孤立した島状結晶を埋め込むように、ＧａＮ層を７５０℃で厚さ２００Åで成長させた。なお、島状結晶を成長させる際に、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｐｒ、Ｅｕを同時にドープさせた。 Next, an n-Al 0.2 Ga 0.8 N layer doped with Si at 780 ° C. was grown as a first cladding layer on the n-GaN layer to a thickness of 1 μm. Thereafter, island-shaped crystals constituting the light-emitting layer were grown on In 0.1 Ga 0.9 N at 700 ° C. with a thickness of 20 mm and an average diameter of 100 mm. Thereafter, a GaN layer was grown at 750 ° C. to a thickness of 200 mm so that the isolated island-like crystal was embedded in the base layer constituting the light emitting layer. Note that Er, Tm, Pr, and Eu were simultaneously doped when growing the island-like crystals.
次いで、ＧａＮ層上に第２のクラッド層として、７８０℃でＭｇをドープしたｐ−Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ層を厚さ５０Å成長させ、最後に第２の導電層として７８０℃でＭｇをドープしたｐ−ＧａＮ層を厚さ２０００Å成長させた。 Next, a p-Al 0.2 Ga 0.8 N layer doped with Mg at 780 ° C. was grown as a second cladding layer on the GaN layer at a thickness of 50 mm, and finally Mg was doped as a second conductive layer at 780 ° C. A p-GaN layer was grown to a thickness of 2000 mm.
成長終了後、上記のようにして形成した多層膜の一部を第１の導電層が露出するまで除去し、第２の導電層としてのｐ−ＧａＮ層上にＡｕ／Ｎｉからなるｐ−電極を形成し、露出した第１の導電層としてのｎ−ＧａＮ層の表面上にＡｌ／Ｔｉからなるｎ−電極を形成した。 After the growth is completed, a part of the multilayer film formed as described above is removed until the first conductive layer is exposed, and a p-electrode made of Au / Ni is formed on the p-GaN layer as the second conductive layer. And an n-electrode made of Al / Ti was formed on the exposed surface of the n-GaN layer as the first conductive layer.
その後、前記ｐ−電極及び前記ｎ−電極間に電圧３．５Vを印加し、電流２０ｍＡを流したところ、８０ｌｍ／Ｗの効率の白色発光を確認した。 Thereafter, when a voltage of 3.5 V was applied between the p-electrode and the n-electrode and a current of 20 mA was applied, white light emission with an efficiency of 80 lm / W was confirmed.
（実施例２）
実施例１と同様にして厚さ２０Å、平均直径１００Åの、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｐｒ、及びＥｕをドープしたＩｎ0.1Ｇａ0.9Ｎ島状結晶を作製した後、この島状結晶の表面に前記固体源からＥｕ、Ｅｒ、及びＴｍの分子線を照射し、前記島状結晶の界面にこれらの希土類元素を吸着させた以外は、実施例１と同様にして半導体発光素子を作製した。
(Example 2)
In the same manner as in Example 1, an In 0.1 Ga 0.9 N island-like crystal doped with Er, Tm, Pr, and Eu having a thickness of 20 mm and an average diameter of 100 mm was prepared, and then the solid source was formed on the surface of the island-shaped crystal. A semiconductor light emitting device was fabricated in the same manner as in Example 1, except that the molecular beams of Eu, Er, and Tm were irradiated to adsorb these rare earth elements on the interface between the island crystals.
次いで、前記半導体発光素子の、ｐ−電極及びｎ−電極間に電圧３．５Ｖを印加し、電流２０ｍＡを流したところ、１００ｌｍ／Ｗの効率の白色発光を確認した。 Next, when a voltage of 3.5 V was applied between the p-electrode and the n-electrode of the semiconductor light emitting device and a current of 20 mA was applied, white light emission with an efficiency of 100 lm / W was confirmed.
以上、実施例１及び２より、本発明の半導体発光素子が実用的な白色発光の素子として動作できることが確かめられた。また、島状結晶中にＥｒなどの希土類元素を含有させることに加えて、島状結晶と第１のクラッド層との界面に同じくＥｒなどの希土類元素を吸着させた実施例２の半導体発光素子においては、白色発光の効率が増大していることが分かる。 As described above, from Examples 1 and 2, it was confirmed that the semiconductor light emitting device of the present invention can operate as a practical white light emitting device. Further, in addition to containing rare earth elements such as Er in the island crystals, the semiconductor light emitting device of Example 2 in which rare earth elements such as Er are also adsorbed to the interface between the island crystals and the first cladding layer. It can be seen that the efficiency of white light emission is increased.
以上、具体例を挙げながら、本発明を発明の実施の形態に即して詳細に説明してきたが、本発明は上記内容に限定されるものではなく、本発明の範疇を逸脱しない限りにおいてあらゆる変形や変更が可能である。 As mentioned above, the present invention has been described in detail according to the embodiments of the present invention with specific examples. However, the present invention is not limited to the above-described contents, and is not limited to the scope of the present invention. Variations and changes are possible.
例えば、図１に示す半導体発光素子及び実施例に示す半導体発光素子においては、発光層５を中心として下側の層をｎ型とし、上側の層をｐ型としているが、両者を逆転させて形成することもできる。また、図３においては、島状結晶を３段に形成しているが、２段あるいは４段以上に形成することもできる。
For example, in the semiconductor light emitting device shown in FIG. 1 and the semiconductor light emitting device shown in the example, the lower layer is n-type and the upper layer is p-type with the
さらに、上記各層は、量子井戸構造を含む多層構造とすることもできる。また、素子全体の品質を向上させる目的で、バッファ層を、各種結晶欠陥を低減した膜、例えばＥＬＯ成長させた膜から構成することもできる。また、基板と第１のクラッド層との間に、温度、流量、圧力、原料供給量、及び添加ガス量などの成膜条件を変化させてバッファ層を挿入したり、ひずみ超格子などの多層積層膜を挿入することもできる。 Further, each of the above layers can be a multilayer structure including a quantum well structure. Further, for the purpose of improving the quality of the entire device, the buffer layer can be composed of a film in which various crystal defects are reduced, for example, a film grown by ELO. In addition, a buffer layer is inserted between the substrate and the first cladding layer by changing film formation conditions such as temperature, flow rate, pressure, raw material supply amount, and additive gas amount, and a multilayer such as a strained superlattice. A laminated film can also be inserted.
１ 基板
２ 下地層
３ 第１の導電層
４ 第１のクラッド層
５ 発光層
６ 第２のクラッド層
７ 第２の導電層
８，９ 電極
１２−１〜１２−５，１３−１〜１３−５，１４−１〜１４−５，１５−１〜１５−５ 島状結晶
１７，１８ 基層
１９ 吸着元素
２０ 半導体発光素子
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
Claims (4)
前記基層を構成する前記窒化物半導体のバンドギャップ（ＢＧ１）、及び前記島状結晶を構成する前記追加の窒化物半導体のバンドギャップ(ＢＧ２)がＢＧ１＞ＢＧ２の関係を満たし、
前記発光層を構成する前記複数の島状結晶は、希土類元素及び遷移金属元素から選ばれる少なくとも一種の元素を添加元素として含有するとともに、前記基層及び前記島状結晶間の界面にも、希土類元素及び遷移金属元素から選ばれる少なくとも一種の元素を吸着させて、発光層全体として任意の色度の光を生成するようにしたことを特徴とする、半導体発光素子。 An additional nitride containing at least one of Al, Ga, and In and having a larger in-plane lattice constant than the nitride semiconductor in the base layer made of the nitride semiconductor containing at least one of Al, Ga, and In Comprising a light emitting layer comprising a plurality of isolated island-like crystals made of a semiconductor,
The band gap (BG1) of the nitride semiconductor constituting the base layer and the band gap (BG2) of the additional nitride semiconductor constituting the island-like crystal satisfy the relationship of BG1> BG2,
Wherein the plurality of island-like crystals constituting the light emitting layer is configured to contain as an additive element, at least one element selected from rare earth elements and transition metal elements, also at the interface between the base layer and the island-like crystals, rare earth elements And at least one element selected from transition metal elements is adsorbed to generate light of an arbitrary chromaticity as the entire light emitting layer.
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