JP4544253B2 - 発光装置 - Google Patents

Description

本発明は、発光ダイオードを備えた発光装置に関するものである。

発光ダイオード（Light Emitting Diode：ＬＥＤ）は、その半導体の種類を選択することによりいろいろな色を発光することができる。最近ＧａＮやＡｌＧａＩｎＰの発光ダイオードが開発されたことから、青色から緑色の高輝度の発光が可能となった。これにより、すべての可視光の発光が可能となった。いろいろな色の発光が可能となったことから、フルカラーディスプレーの用途が広がり、屋外表示から装置の表示、そして最近では携帯電話用などと、その用途は広がっている。

しかしながら、フルカラーの発光を行なうためには、複数の波長の光が必要であり、複数の発光ダイオードを用いる必要があった。発光波長の異なる発光ダイオードでは、発光層のバンドギャップエネルギーが異なるため、駆動電圧が異なってしまう。

例えば、緑色及び青色を高輝度発光するＬＥＤチップとして発光色のバンドギャップなどとの関係から窒化物半導体材料（ＩｎaＧａbＡｌ1-a-bＮ、０≦ａ、０≦ｂ、ａ＋ｂ≦１）が実用化されている。他方、赤色を高輝度に発光するＬＥＤチップの材料としては、ＧａＡｓＰ、ＧａＡｌＡｓ、ＡｌＧａＩｎＰが実用化されている。しかし、窒化物半導体材料はバンドギャップや結晶性などとの関係上ＧａＡｓＰ、ＧａＡｌＡｓ、ＡｌＧａＩｎＰなどの材料とは異なり駆動電圧が高い。

この違いに対応する方法としては、発光波長の異なる発光ダイオードごとに駆動電圧の異なる電源を用いる方法がある。この方法では、電源が異なるため、大規模なディスプレーパネルなどでは、対応可能であるが、携帯電話などのように小型の光源として用いるには、電源の方が大きくなり、実用的ではない。

もう一つの方法として、電源は同じ物を用い、発光波長が異なる発光ダイオードごとに異なる抵抗を挿入して、実際に発光ダイオードそのものに印可される電圧を調整する方法がある。この方法は、複数の電源を用いる方法に比べれば、小型で済む。しかし、発光ダイオード１個ごとに１個の抵抗を用いることになる。
発光ダイオードが小さいことから、実際の抵抗を実装するには場所も相当必要となる。またその実装の手間も単純に考えて２倍になる。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、発光波長の異なる発光ダイオードを同じ駆動電源で、且つ外部回路的に電圧抵抗を付加すること無く使用できるようにすることにある。

上記目的を達成するため、本発明は、結晶基板上に半導体のｐ型層とｎ型層を形成して、そのｐ型層側とｎ型層側に金属電極を形成したものであって、かつ、緑色発光ダイオードと同時に使用される赤色発光ダイオードが、当該赤色発光ダイオードと前記緑色発光ダイオードを同じ駆動電源で、かつ、外部回路的に電圧抵抗を付加すること無く使用できるように、以下の（ア）から（エ）の少なくとも１つの構成を有するものであり、これら赤色および緑色の発光ダイオードを備えた発光装置である。
（ア）ｐ型層中またはｎ型層中またはｐ型層とｎ型層の界面、またはｐ型層と金属電極界面、またはｎ型層と金属電極界面に発光ダイオードの駆動電圧を高めるための高抵抗層を挿入した構成、
（イ）ｐ型層中またはｎ型層中またはｐ型層とｎ型層の界面、またはｐ型層と金属電極界面、またはｎ型層と金属電極界面に発光ダイオードの駆動電圧を高めるためのヘテロ障壁を挿入した構成、
（ウ）ｐ型層とｎ型層から形成される活性層の表面または活性層と基板の間に導電型が異なるエピタキシャル層を部分的に挿入することにより電流狭窄効果を起こす構造を形成し、これにより電流分散抵抗を高くして発光ダイオードの駆動電圧を高めた構成、
（エ）ｐｎ接合の上で金属電極の下に導電型が基板と同じエピタキシャル層を形成し、これにより発光ダイオードの駆動電圧を高めた構成。

このように、ＬＥＤのエピタキシャル層内、または表面電極の界面に、高抵抗層となるエピタキシャル層またはヘテロ障壁層となるエピタキシャル層を挿入することにより、外部回路的に電圧抵抗を付加する必要なしに、赤色発光ダイオードの駆動電圧を緑色発光ダイオードの駆動電圧と同じにすることができる。

以上説明したように本発明の発光装置に用いられる赤色発光ダイオードは、結晶基板上に形成したｐ型層中またはｎ型層中またはｐ型層とｎ型層の界面、またはｐ型層と金属電極界面、またはｎ型層と金属電極界面に、高抵抗層又はヘテロ障壁を挿入するか、ｐｎ接合の上で金属電極の下に基板と同じ導電型のエピタキシャル層を形成するか、又は活性層の表面または活性層と基板の間に導電型が異なるエピタキシャル層を部分的に挿入して電流狭窄構造を形成し、外部回路的に電圧抵抗を付加する必要なしに、発光ダイオードの駆動電圧を高め、赤色発光ダイオードの駆動電圧を緑色発光ダイオードと同じにすることに特徴がある。

本発明の発光装置に用いられる赤色発光ダイオードは、通常販売されているＬＥＤに対して、駆動電圧が高くなる。同じ駆動電源で、２色またはそれ以上のＬＥＤに同じ電流を流すことができるようになることから、ＬＥＤの駆動電源及び回路が従来に比べ大幅に低減できる。

以下、本発明を図示の実施形態に基づいて説明する。

本発明の一実施形態を説明するための発光ダイオードの構造を図１に示す。この発光ダイオードの構造は、第一導電型基板としてのｎ型のＧａＡｓ基板２上に、第一導電型クラッド層であるｎ型のＡｌＧａＩｎＰ下部クラッド層３と、ｐ型のＡｌＧａＩｎＰ活性層４と、第二導電型クラッド層であるｐ型のＡｌＧａＩｎＰ上部クラッド層５とから成るダブルヘテロ構造の発光領域層（発光部）を有する。なお、ｎ型ＧａＡｓ基板２とｎ型ＡｌＧａＩｎＰ下部クラッド層３との間には、ｎ型ＧａＡｓバッファ層を設けてもよい。

さらに、上記した発光部の上、正確には上部クラッド層５上には、第二導電型電流分散層であるｐ型ＧａＰ電流分散層６、第二導電型高抵抗層であるｐ型ＧａＰ高抵抗層７、第二導電型電流分散層であるｐ型ＧａＰ表面側電流分散層８の各エピタキシャル層が形成されている。

チップ表面には、その中央に円形の部分電極（ｐ側金属電極）から成る表面側電極９が形成され、また裏面には、その一部分または全面にｎ側用金属電極から成る基板側電極１が形成されている。

この発光ダイオードの構造は、従来のＬＥＤに比べて、高抵抗層７がｐ型層中に挿入されていることに特徴があり、その高抵抗層７が２０ｍＡ程度の低い駆動電流時に２．０Ｖ以上に駆動電圧を上昇させることにある。

この発光ダイオードを製作するためには、ＭＯＶＰＥ法により、ＧａＡｓ基板２上に、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰ下部クラッド層３、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰ活性層４、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰ上部クラッド層５、ｐ型ＧａＰ電流分散層６、ｐ型ＧａＰ高抵抗層７、ｐ型ＧａＰ表面側電流分散層８の各エピタキシャル層を成長させる。

このエピタキシャル層の成長は通常の成長とほとんど同じであり、高抵抗のＧａＰ層（高抵抗層７）を挿入する点でのみ相違する。このＧａＰ高抵抗層７は、キャリア濃度を低く、且つ厚くして挿入するだけであり特に問題はない。ただし、この実施形態では、ドーパント拡散等によりキャリア濃度が高くなってしまうことを抑止するために、拡散の起こりにくいＭｇドーパントを用いる。その理由は、Ｍｇドーパントを用いることにより、高抵抗のエピタキシャル層（高抵抗層７）を薄く形成すれば済むためである。

この高抵抗層７の厚さを制御することにより、発光ダイオードの駆動電圧を高くすることができた。６５０ｎｍの発光波長の発光ダイオードで、駆動電圧は２．２Ｖであった。これにより同じ電源から、２．２Ｖの電圧を印可することにより、緑色ＬＥＤと赤色ＬＥＤの両方に２０ｍＡの電流を流すことができた。電源スイッチを切りかえることにより、赤色、橙色、緑色の発光ができた。

またＧａＰ高抵抗層７の膜厚を厚くすることにより、赤色ＬＥＤと緑色ＬＥＤの駆動電圧を青色発光ダイオードと同じ２．８Ｖまで高くすることができた。これにより、青色ＬＥＤと緑色ＬＥＤそして赤色ＬＥＤの三種の発光ダイオードを、同じ駆動電圧で動作させることができた。３色そろった場合には、スイッチを切りかえるだけで、赤色、橙色、緑色、青緑色、青色、白色の６色を発光させることができた。もちろんＬＥＤへの駆動電流を制御することにより、フルカラーの表示が可能となる。

通常発光ダイオードにおいては、駆動電圧を如何に低くできるかが課題である。また同じ発光色なら、駆動電圧が同じでないと回路上置き換えができないため、同じ駆動電圧が要求され、許容誤差の範囲はせいぜい高くても０．１Ｖ程度が限界である。これに対して本実施形態のＬＥＤは同じ発光色の従来のＬＥＤに対して、駆動電圧が０．２Ｖ以上高いため、従来のＬＥＤの置き換えには使用できないが、新たな用途として有利な特性を有している。

上記実施形態では、ｐ型層中に発光ダイオードの駆動電圧を高めるための高抵抗層を挿入したが、ｎ型層中またはｐ型層とｎ型層の界面、またはｐ型層と金属電極の界面、またはｎ型層と金属電極の界面に発光ダイオードの駆動電圧を高めるための高抵抗層を挿入してもよい。

本発明の第二実施形態に係る発光ダイオードの構造を図２に示す。

この発光ダイオードの構造は、第一導電型基板としてのｎ型のＧａＡｓ基板２上に、第一導電型クラッド層であるｎ型のＡｌＧａＩｎＰ下部クラッド層３、ｐ型のＡｌＧａＩｎＰ活性層４、第二導電型クラッド層であるｐ型のＡｌＧａＩｎＰ上部クラッド層５とから成るダブルヘテロ構造の発光領域層（発光部）を設けている。

さらに、上記した発光部の上、正確には上部クラッド層５上には、第二導電型電流分散層であるｐ型ＧａＰ電流分散層６、第二導電型ヘテロ障壁層であるｐ型ＡｌＧａＩｎＰヘテロ障壁層１０、第二導電型電流分散層であるｐ型ＧａＰ表面側電流分散層８の各エピタキシャル層が形成されている。

そして、チップ裏面のＧａＡｓ基板側にはｎ側金属電極から成る基板側電極１が、表面中央には円形のｐ側金属電極から成る表面側電極９が形成されている。

この発光ダイオードの構造は、従来のＬＥＤに比べて、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰヘテロ障壁層１０から成るヘテロ障壁層が挿入されていることに特徴があり、このヘテロ障壁層が２０ｍＡ程度の低い駆動電流時に２．０Ｖ以上に駆動電圧を上昇させることにある。すなわち、この構造の特徴は、図１の実施形態の高抵抗層７の代わりにＡｌＧａＩｎＰのヘテロ障壁層１０を用いていることにある。この場合に、電流を流れにくくする要因が高抵抗ではなくヘテロ障壁にあるため、薄いヘテロ障壁層で駆動電圧を高くすることができた。

この発光ダイオードに抵抗を入れる方法としては、電流狭窄型などにして、電流分散させるために抵抗を高くする方法が適用できる。すなわち、活性層４の表面または活性層４と基板２の間に導電型が異なるエピタキシャル層を部分的に挿入することにより電流狭窄効果を起こす構造とし、これにより電流分散抵抗を高くして発光ダイオードの駆動電圧を高めることができる。

また発光ダイオードの構造中にｐｎ逆接合を挿入することにより、駆動電圧を高くすることもできる。すなわち、基板２上に形成した半導体のｐ型層とｎ型層によるｐｎ接合の上で金属電極の下に、導電型が基板２と同じエピタキシャル層を形成し、これにより発光ダイオードの駆動電圧を高めることができる。

本発明の一実施形態に係る発光ダイオードの構造を示す断面である。 本発明の第二実施形態に係る発光ダイオードの構造を示す断面である。

符号の説明

１ 基板側電極
２ ｎ型ＧａＡｓ基板
３ ｎ型ＡｌＧａＩｎＰ下部クラッド層
４ ｐ型ＡｌＧａＩｎＰ活性層
５ ｐ型ＡｌＧａＩｎＰ上部クラッド層
６ ｐ型ＧａＰ電流分散層
７ ｐ型ＧａＰ高抵抗層
８ ｐ型ＧａＰ表面側電流分散層
９ 表面側電極
１０ ｐ型ＡｌＧａＩｎＰヘテロ障壁層

Claims (1)

1. 結晶基板上に半導体のｐ型層とｎ型層を形成して、そのｐ型層側とｎ型層側に金属電極を形成したものであって、かつ、緑色発光ダイオードと同時に使用される赤色発光ダイオードが、当該赤色発光ダイオードと前記緑色発光ダイオードを同じ駆動電源で、かつ、外部回路的に電圧抵抗を付加すること無く使用できるように、以下の（ア）から（エ）の少なくとも１つの構成を有するものであり、これら赤色および緑色の発光ダイオードを備えたことを特徴とする発光装置。
   （ア）ｐ型層中またはｎ型層中またはｐ型層とｎ型層の界面、またはｐ型層と金属電極界面、またはｎ型層と金属電極界面に発光ダイオードの駆動電圧を高めるための高抵抗層を挿入した構成、
   （イ）ｐ型層中またはｎ型層中またはｐ型層とｎ型層の界面、またはｐ型層と金属電極界面、またはｎ型層と金属電極界面に発光ダイオードの駆動電圧を高めるためのヘテロ障壁を挿入した構成、
   （ウ）ｐ型層とｎ型層から形成される活性層の表面または活性層と基板の間に導電型が異なるエピタキシャル層を部分的に挿入することにより電流狭窄効果を起こす構造を形成し、これにより電流分散抵抗を高くして発光ダイオードの駆動電圧を高めた構成、
   （エ）ｐｎ接合の上で金属電極の下に導電型が基板と同じエピタキシャル層を形成し、これにより発光ダイオードの駆動電圧を高めた構成。

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