JP4403629B2

JP4403629B2 - 半導体発光装置

Info

Publication number: JP4403629B2
Application number: JP2000105279A
Authority: JP
Inventors: 正美内藤; 正一恩田
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2000-04-06
Filing date: 2000-04-06
Publication date: 2010-01-27
Anticipated expiration: 2020-04-06
Also published as: JP2001291900A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体発光素子として用いられる半導体発光装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
発光ダイオード（ＬＥＤ）による白色発光は、小型、軽量、長寿命、低消費電力であることから、一般に使用されている白熱電球や蛍光灯に取って代わる可能性を秘めている。
【０００３】
ＬＥＤによって、白色発光を得る方法として、赤色、緑色、青色それぞれのＬＥＤを組み合わせて白色を得る方法と、青色ＬＥＤと青色光の励起により黄色を発光する蛍光体とを組み合わせて白色を得る方法がある。
【０００４】
しかしながら、前者は、ＬＥＤが３チップも必要なことからコストが高いという問題を有し、後者は、蛍光体を使用することからコストが高くなると共に、外部に放出される効率が悪くなるという問題を有している。
【０００５】
これに対し、ＬＥＤ１チップで白色発光を得る方法が考案されている。一つは、ＺｎＳｅで作製した青色ＬＥＤと青色光の励起により黄色を発光するＺｎＳｅ基板とを組み合わせて白色を得る方法（日経エレクトロニクス１９９９年５月１７日号ｐ．７４３参照）、もう一つは、赤色、緑色、青色それぞれを発光する活性層を積層するＬＥＤ構造を作製し白色を得る方法（特開平９−２３２６２７号公報参照）である。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記した各方法によれば、ＬＥＤチップ１つだけで白色発光が得られる。
【０００７】
しかしながら、前者の方法では、ＺｎＳｅで青色発光を行う発光素子を作製しているため、ＧａＮの発光素子と比べて青色の発光強度が低く、寿命も短いという問題がある。また、後者の方法では、三色を発光させる構造を結晶成長することが難しく、しかも駆動電圧が高いという問題がある。
【０００８】
本発明は上記点を解決するために、作製が容易な１チップの発光装置で高輝度な白色発光が得られる半導体発光装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、炭化珪素基板（１０）と、炭化珪素基板上に形成された青色を発光する発光素子（１２〜１６）とを備えてなり、炭化珪素基板が発光素子から発光された青色の光に励起されて黄色の光を発光することを特徴としている。
【００１０】
このように、炭化珪素基板を用いて黄色の発光が成されるようにすることで、発光素子からの青色の光と、基板からの黄色の光とが組み合わさり、１チップで白色に近い発光色を出すことができる。
【００１１】
請求項２に記載の発明では、炭化珪素基板には、少なくともボロン、窒素とボロン、窒素とガリウム、窒素とスカンジウム、若しくは窒素とベリリウムのいずれかがドープされていることを特徴としている。
【００１２】
これらの不純物を導入することにより、炭化珪素基板から黄色の発光が得られ、強度の強い白色に近い発光を得ることができる。なお、不純物を炭化珪素基板の広範囲に導入すれば、広範囲で黄色の発光を得ることができる。また、不純物を炭化珪素基板の一部にのみ導入しても、その一部から十分な黄色の発光を得ることが可能である。この場合には、不純物が導入されない領域があり、この領域の内部抵抗値は変化しない。従って、不純物導入による抵抗値変化が原因で素子の電気特性が変化してしまうことを防止することができる。
【００１３】
請求項３に記載の発明では、発光素子は窒化物系化合物半導体で形成されていることを特徴としている。これにより、青色の強い発光強度が得られ、その結果、強度の強い白色に近い発光色が発光されるようにできる。
【００１４】
請求項４に記載の発明では、発光素子から発光された色と炭化珪素基板から発光された色とが補色関係にあり、発光素子から発光された色と炭化珪素基板から発光された色とが組み合わさって白色が発光されるようになっていることを特徴としている。
【００１５】
このように、補色関係にある色を発光素子から発光することにより、１チップで白色の発光を出すことができる。
【００１６】
請求項５に記載の発明においては、第１導電型の炭化珪素基板（１０）と、炭化珪素基板の上に形成された第１導電型の半導体層（１２）と、半導体層の上に形成された第１導電型のクラッド層（１３）と、第１導電型のクラッド層上に形成され、青色発光を行う活性層（１４）と、活性層上に形成された第２導電型のクラッド層（１５、１６）と、第２導電型のクラッド層の上に形成された第１の電極（２１）と、炭化珪素基板の裏面に形成された第２の電極（２０）とを備え、炭化珪素基板には、少なくともボロン、窒素とボロン、窒素とガリウム、窒素とスカンジウム、若しくは窒素とベリリウムのいずれかがドープされており、炭化珪素基板が青色発光に励起されて黄色の光を発光することを特徴としている。
【００１７】
このような構成により、請求項１、２と同様の効果を得ることができる。なお、この場合においても、炭化珪素基板の広範囲に不純物を導入するようにしてもよく、一部に不純物を導入するようにしてもよい。
【００１８】
請求項７に記載の発明においては、窒素がドープされているｎ型炭化珪素基板（１０）と、ｎ型炭化珪素基板上に形成されたｎ型半導体層（１２）と、半導体層の上に形成されたｎ型クラッド層（１３）と、クラッド層上に形成され、青色発光を行う活性層（１４）と、活性層上に形成されたｐ型クラッド層（１５、１６）と、ｐ型クラッド層の上に形成された第１の電極（２１）と、半導体基板の裏面に形成された第２の電極（２０）とを備え、ｎ型炭化珪素基板には、少なくともボロン、ガリウム、スカンジウム、若しくはベリリウムのいずれかがドープされており、ｎ型炭化珪素基板が青色発光に励起されて黄色の光を発光することを特徴としている。
【００１９】
このような構成により、請求項１、２と同様の効果を得ることができると共に、電子を多数キャリアとするｎ型炭化珪素基板を用いているため、より駆動電圧を低くすることができる。なお、この場合においても、炭化珪素基板の広範囲に不純物を導入するようにしてもよく、一部に不純物を導入するようにしてもよい。
【００２０】
請求項８に記載の発明では、活性層は、窒化物系化合物半導体であることを特徴としている。これにより、青色の強い発光強度が得られ、その結果、強度の強い白色に近い発光色が発光されるようにできる。
【００２１】
請求項９に記載の発明では、活性層は、（Ａｌ_xＧａ_1-x）_yＩｎ_1-yＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）で構成されていることを特徴としている。このような構成とすることにより、発光素子となる活性層から広範囲の波長の光が得られ、その結果、様々な白色（例えば、微妙に色調の異なる白色や、黄色、ピンクに近い白色等）を発光させることができる。
【００２２】
請求項１０に記載の発明では、活性層から発光された色と活性層から発光された光に励起されて炭化珪素基板から発光された色とが補色関係にあり、活性層から発光された色と活性層から発光された光に励起されて炭化珪素基板から発光された色とが組み合わさって白色が発光されるようになっていることを特徴としている。これにより、請求項４と同様の効果を得ることができる。
【００２３】
請求項１１に記載の発明では、炭化珪素基板が６Ｈ−ＳｉＣ、４Ｈ−ＳｉＣ又は１５Ｒ−ＳｉＣであることを特徴としている。これらの基板を用いれば、基板から黄色の発光が得られ、その結果、強度の強い白色に近い発光色が発光されるようにできる。
【００２９】
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
【００３０】
【発明の実施の形態】
（第１実施形態）
以下、図に示す実施形態について説明する。
【００３１】
図１に、本発明の第１実施形態における半導体発光装置の断面構成を示す。以下、図１に基づいて、半導体発光装置の構成について説明する。
【００３２】
図１に示すように、窒素がドーピングされたｎ型ＳｉＣ基板１０の（０００１）面の表層部には、ｎ型ＳｉＣ１１が形成されている。このｎ型ＳｉＣ１１は、ｎ型ＳｉＣ基板１０の表面に不純物となるボロンをイオン注入することによって形成されている。
【００３３】
そして、このｎ型ＳｉＣ基板１０上に発光素子を構成する窒化物系化合物半導体が複数層配置されている。まず、ｎ型ＳｉＣ基板１０上には、ｎ型窒化物半導体層１２とｎ型ＡｌＧａＮ層１３が形成されている。これらのうちｎ型ＡｌＧａＮ層１３がｎ型クラッド層に相当する。また、ｎ型ＡｌＧａＮ層１３上には、活性層としてのＩｎＧａＮ層１４が備えられている。さらに、このＩｎＧａＮ層１４上には、ｐ型ＡｌＧａＮ層１５とｐ型ＧａＮ層１６が順次積層されている。このｐ型ＡｌＧａＮ層１５がｐ型のクラッド層に相当する。
【００３４】
さらに、ｎ型ＳｉＣ基板１０の裏面にはｎ型オーミック電極２０が形成されており、ｐ型ＧａＮ層１６の表面にはｐ型オーミック電極２１が形成されている。
【００３５】
次に、上記構成の半導体発光装置の動作について、図２に示す断面図を用いて説明する。
【００３６】
まず、ｐ型オーミック電極２１とｎ型オーミック電極２０の間に順方向に電圧を印加すると、これら両電極２１、２０の間に電流が流れる。このとき、活性層を窒化物系化合物半導体であるＩｎＧａＮ層１４で構成しているため、電流の流れに伴ってＩｎＧａＮ層１４が青色に発光する。そして、この青色の発光の一部が表面に向かい、また一部が裏面に向かう。そして、裏面に向かった光は、ｎ型ＳｉＣ１１を透過する。すると、青色の光に励起されて、ｎ型ＳｉＣ１１中に電子正孔対が発生し、それが窒素とボロン間の準位で再結合する。その結果、黄色の発光が得られる。
【００３７】
このように、ｎ型ＳｉＣ１１から黄色が発光され、また活性層としてのＩｎＧａＮ層１４から青色が発光されるので、これら補色関係にある二色が組み合わさると、半導体発光装置の表面から白色に近い光が発光される。
【００３８】
また、ｎ型ＳｉＣ基板１０からの黄色の発光の強度や波長は、ＳｉＣ基板にドープされた窒素やボロン等の量や活性化率、ドープされた領域の厚さによって変化し、室温でおよそ５５０ｎｍから５９０ｎｍのピークをもつ発光スペクトルが得られる。このスペクトルに発光素子から発光する青色の波長と組み合わせることにより、白色または、白色に近い色を発光させることができる。
【００３９】
このように、炭化珪素からなるｎ型ＳｉＣ基板１０を用いることにより、ＩｎＧａＮ層１４からの青色の光と、ｎ型ＳｉＣ基板１０からの黄色の光とが組み合わさり、１チップで白色に近い発光色を出すことができる。
【００４０】
続いて、図１に示す半導体発光装置の製造工程を図３に示し、この図に基づいて半導体発光装置の製造方法を説明する。
【００４１】
まず、図３（ａ）に示すように、例えば、窒素がドープされたｎ型ＳｉＣ基板１０を用意する。そして、ＳｉＣ基板１０を例えば５００℃以上の高温にしたのち、ｎ型ＳｉＣ基板１０の表面にボロンをイオン注入し、その後、活性化アニールをする。これにより、図３（ｂ）に示すように、深さ１μｍ程度のｎ型ＳｉＣ１１が形成される。
【００４２】
ここで、ボロンはｐ型ドーパントであるが、窒素によるｎ型キャリア濃度がボロンによるｐ型キャリア濃度より高く形成してあるため、ｎ型ＳｉＣ１１はｎ型であるがキャリア濃度がｎ型ＳｉＣ基板１０より低い濃度となる。
【００４３】
なお、このとき、ボロンをイオン注入する前に、カーボンをイオン注入しておいてもよい。このようにすることで、ボロンの活性化率を向上させることができ、黄色の発光強度を向上させることができる。
【００４４】
続いて、ＭＯＣＶＤ法により、図３（ｃ）に示すように、ＳｉＣ基板１０の表面に、ｎ型窒化物半導体層１２、ｎ型ＡｌＧａＮ層１３、ＩｎＧａＮ層１４、ｐ型ＡｌＧａＮ層１５、ｐ型ＧａＮ層１６を順次エピタキシャル成長させる。そして、図３（ｄ）に示すように、ｎ型ＳｉＣ基板１０の裏面にｎ型オーミック電極２０を形成すると共に、ｐ型ＧａＮ層１６の上にｐ型オーミック電極２１を形成する。これにより、図１に示す半導体発光装置が完成する。
【００４５】
（第２実施形態）
第１実施形態では、ｎ型ＳｉＣ基板１０にボロンをイオン注入することでｎ型ＳｉＣ１１を形成しているが、最初から窒素とボロンをドープして結晶成長させた基板をｎ型ＳｉＣ基板１０として用いてもよい。
【００４６】
この場合、ｎ型ＳｉＣ基板１０上に直接、ｎ型窒化物半導体層１２、ｎ型ＡｌＧａＮ層１３、ＩｎＧａＮ層１４、ｐ型ＡｌＧａＮ層１５、ｐ型ＧａＮ層１６を順次積層する。そして、ｎ型ＳｉＣ基板１０の裏面にｎ型オーミック電極２０を形成し、ｐ型ＧａＮ層１６の表面にｐ型オーミック電極２１を形成すれば、半導体発光装置が完成する。
【００４７】
（他の実施形態）
上記第１実施形態では、ボロンをドープしたｎ型ＳｉＣ１１をｎ型ＳｉＣ基板１０の表面に形成したが、この位置に限るものではない。例えば、ｎ型ＳｉＣ基板１０の裏面に形成してもよく、また、両面に形成してもよい。
【００４８】
さらに、ｎ型ＳｉＣ基板１０の表面全面ではなく、表面の一部分だけにボロンを導入し、ｎ型ＳｉＣ１１を形成しても良い。ｎ型ＳｉＣ基板１０の全面にボロンを導入すれば、広範囲で黄色の光を得ることができるが、一部だけに導入するようにしても、その一部から十分な黄色の発光を得ることが可能である。また、この場合には、ｎ型ＳｉＣ基板１０の全面にボロンが導入されないため、ボロンが導入されていない領域があり、この領域では内部抵抗値が変化しない。つまり、ボロンが導入された領域はｎ型半導体がボロンによって補償されるため高抵抗となるが、ボロンが導入されていない領域は高抵抗にならない。従って、抵抗値変化によって素子の電気特性が変化してしまうことを防止することができる。
【００４９】
また、上記各実施形態では、ｐ型不純物としてボロンを例に挙げて説明したが、ボロン以外にも、ガリウム、スカンジウム、若しくはベリリウムのいずれを用いてもよい。
【００５０】
また、上記各実施形態では、活性層をＩｎＧａＮ層１４としているが、活性層を（Ａｌ_xＧａ_1-x）_yＩｎ_1-yＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）で構成するようにしてもよい。このような構成とすることにより、活性層から広範囲の波長の光が得られ、その結果、様々な白色（例えば、微妙に色調の異なる白色や、黄色、ピンクに近い白色等）を発光させることができる。
【００５１】
なお、上記各実施形態では基板をｎ型としたが、基板をｐ型とし、各層の導電型を逆にしてもよい。但し、ｎ型の基板の場合には、電子を多数キャリアとするため、より駆動電圧を低くできる。
【００５２】
また、図１に示した半導体発光装置を上下反対にし、基板側から青色と黄色を組み合わせた白色に近い光を発光させるようにしてもよい。さらに、エピタキシャル成長法としてＭＯＣＶＤ法を用いて行ったが、ＭＢＥ（分子線エピタキシャル成長）法を用いてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態における半導体発光装置の断面構成を示す図である。
【図２】図１に示す半導体発光装置の動作説明を示す説明図である。
【図３】図１に示す半導体発光装置の製造工程を示す図である。
【符号の説明】
１０…ｎ型ＳｉＣ基板、１１…ｎ型ＳｉＣ、１２…ｎ型窒化物半導体層、
１３…ｎ型ＡｌＧａＮ層、１４…ＩｎＧａＮ層、１５…ｐ型ＡｌＧａＮ層、
１６…ｐ型ＧａＮ層、２０…ｎ型オーミック電極、２１…ｐ型オーミック電極。

Claims

炭化珪素基板（１０）と、前記炭化珪素基板上に形成された青色を発光する発光素子（１２〜１６）とを備えてなり、
前記炭化珪素基板が、前記発光素子から発光された青色の光に励起されて黄色の光を発光することを特徴とする半導体発光装置。
前記炭化珪素基板には、少なくともボロン、窒素とボロン、窒素とガリウム、窒素とスカンジウム、若しくは窒素とベリリウムのいずれかがドープされていることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光装置。
前記発光素子は窒化物系化合物半導体で形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体発光装置。
前記発光素子から発光された色と前記炭化珪素基板から発光された色とが補色関係にあり、前記発光素子から発光された色と前記炭化珪素基板から発光された色とが組み合わさって白色が発光されるようになっていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１つに記載の半導体発光装置。
第１導電型の炭化珪素基板（１０）と、
前記炭化珪素基板上に形成された第１導電型の半導体層（１２）と、
前記半導体層の上に形成された第１導電型のクラッド層（１３）と、
前記クラッド層上に形成され、青色発光を行う活性層（１４）と、
前記活性層上に形成された第２導電型のクラッド層（１５、１６）と、
前記第２導電型のクラッド層の上に形成された第１の電極（２１）と、
前記炭化珪素基板の裏面に形成された第２の電極（２０）とを備え、
前記炭化珪素基板には、少なくともボロン、窒素とボロン、窒素とガリウム、窒素とスカンジウム、若しくは窒素とベリリウムのいずれかがドープされており、前記炭化珪素基板が青色発光に励起されて黄色の光を発光することを特徴とする半導体発光装置。
前記炭化珪素基板のうち、ボロン、窒素とボロン、窒素とガリウム、窒素とスカンジウム、若しくは窒素とベリリウムのいずれかがドープされている領域は第１導電型になっていることを特徴とする請求項５に記載の半導体発光装置。
窒素がドープされているｎ型炭化珪素基板（１０）と、
前記ｎ型炭化珪素基板上に形成されたｎ型半導体層（１２）と、
前記半導体層の上に形成されたｎ型クラッド層（１３）と、
前記クラッド層上に形成され、青色発光を行う活性層（１４）と、
前記活性層上に形成されたｐ型クラッド層（１５、１６）と、
前記ｐ型クラッド層の上に形成された第１の電極（２１）と、
前記半導体基板の裏面に形成された第２の電極（２０）とを備え、
前記ｎ型炭化珪素基板には、少なくともボロン、ガリウム、スカンジウム、若しくはベリリウムのいずれかがドープされており、前記ｎ型炭化珪素基板が青色発光に励起されて黄色の光を発光することを特徴とする半導体発光装置。
前記活性層は、窒化物系化合物半導体であることを特徴とする請求項５乃至７のいずれか１つに記載の半導体発光装置。
前記活性層は、（Ａｌ_xＧａ_1-x）_yＩｎ_1-yＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）で構成されていることを特徴とする請求項５乃至８のいずれか１つに記載の半導体発光装置。
前記活性層から発光された色と前記活性層から発光された光に励起されて前記炭化珪素基板から発光された色とが補色関係にあり、前記活性層から発光された色と前記活性層から発光された光に励起されて前記炭化珪素基板から発光された色とが組み合わさって白色が発光されるようになっていることを特徴とする請求項５乃至９のいずれか１つに記載の半導体発光装置。
前記炭化珪素基板は６Ｈ−ＳｉＣ、４Ｈ−ＳｉＣ又は１５Ｒ−ＳｉＣであることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１つに記載の半導体発光装置。