JP4653671B2 - 発光装置 - Google Patents

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Description

本発明は、発光装置に係わり、特に窒化物系III−Ｖ族化合物半導体を用いた発光装置や蛍光体を用いた発光装置に関する。
従来の白色蛍光灯の代わりにＧａＮ及びその混晶から構成される発光ダイオード（ＬＥＤ）を用い、ピーク波長が互いに異なる複数種の光を発光させて白色光を得る試みがなされている（例えば、特許文献１参照）。この公報では、発光ダイオードの多重量子井戸（ＭＱＷ）発光層において発生した青色光によりＳｉドープＧａＮ光励起発光層が励起されて黄色光が発生し、これらの光が補色関係にあることを利用して白色光を得ている。しかしながら、上記公報に記載の発光素子では赤色を発生させることができず、このため光の演色性が劣っており、従来の白色蛍光灯に置き換わるには十分とは言い難かった。
近年、ＧａＮ及びその混晶から構成されるＬＥＤを励起光源とし、ＬＥＤと蛍光体とを組み合わせた白色ランプが照明用として利用されつつある。しかし、効率と演色性の点では従来の水銀放電管を用いた蛍光灯に及ばないのが問題であった。理由は、用いられている蛍光体のスペクトル幅が広いことと、発光効率が低いことにある。特に、最大の原因は赤色蛍光体の発光効率が低いことである。
従来の白色蛍光灯では、赤色蛍光体として3価の状態の希土類元素Ｅｕを添加した酸化物（例えばＹ２Ｏ３：Ｅｕ３＋）等が用いられている。このＥｕを添加した酸化物は、３価の状態の希土類元素Ｅｕに特有の内核遷移により６２０ｎｍ付近の非常に波長分布が狭い赤色発光を示す。波長分布が狭いために視感度が低い長波長域での発光による無駄がなく、効率と演色性の改善に大きく寄与している。
この３価の状態の希土類元素Ｅｕ原子の内核遷移は禁制遷移であり、３５０ｎｍ以下の短波長の光により励起する場合に効率が急激に上昇する。したがって、ＧａＮ及びその混晶から構成されるＬＥＤを利用する場合、ＧａＮの発光波長が３６５ｎｍであるので、この波長よりも短い波長で励起する必要があることになる。しかしながら、発光波長を短波長化する場合、サファイア基板等の上に形成されたＧａＮによる光吸収等により十分な効率を得ることができないと考えられる。
特開２００１−３５２０９８号公報
以上述べたように、ＧａＮ及びその混晶等の半導体から構成される発光ダイオードを用いて赤色蛍光体を励起する場合、赤色蛍光体の発光効率が低く、その発光効率を向上させるために発光波長を短波長化しても、ＧａＮ等の半導体による光吸収等により十分な効率を得ることができないと考えられる。このため、ＧａＮ及びその混晶等の半導体から構成される発光ダイオードを用いて赤色蛍光体を効率良く発光させることができなかった。また、他の可視光蛍光体と組み合わせて高効率、高演色の発光装置を実現することは難しかった。
本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、その目的は赤色蛍光体を効率良く発光させる発光装置を提供し、発光ダイオードと蛍光体を用いた効率と演色性に優れた発光装置を提供することにある。
上述した課題を解決するために、本発明は、第１と第２の面を有する透明基板と、前記透明基板の前記第１の面上に設けられた半導体層と、前記半導体層の上に設けられ前記半導体層の半導体の禁制帯幅よりも大きいエネルギーに相当する波長を含む第１の紫外光を発する第１の発光層と、前記第１の発光層と前記半導体層との間に設けられ前記第１の発光層で発せられる前記第１の紫外光を吸収し前記半導体層の半導体の禁制帯幅よりも小さいエネルギーに相当する波長を含む第２の紫外光を発する第２の発光層と、前記第１の発光層よりも禁制帯幅が広く、前記第１の発光層の上に設けられた第１のコンタクト層と、前記第１のコンタクト層の上に設けられた前記第１の電極と、前記第１の発光層に対して通電を行うために前記第１の電極に対応して、前記第１の発光層よりも下方に設けられた第２の電極とを具備することを特徴とする発光装置を提供する。
本発明の発光装置によれば、半導体層の半導体の禁制帯幅よりも大きいエネルギーに相当する波長を含む第１の紫外光を発する第１の発光層と、第１の紫外光を吸収し、半導体層の半導体の禁制帯幅よりも小さいエネルギーに相当する波長を含む第２の紫外光を発する第２の発光層を具備するので、効率と演色性に優れた発光装置を提供することが可能となる。
以下、図面を参照しつつ本発明の実施形態について説明する。
（第１の実施形態）
図１に示すように、本実施形態に係る発光装置は、サファイア基板上に形成されたＧａＮ系化合物半導体から構成される発光ダイオードである。即ち、表面がサファイアｃ面からなる基板１上に、高炭素濃度の第１ＡｌＮバッファ層２（炭素濃度３×１０１８〜５×１０２０／ｃｍ３、膜厚３〜２０ｎｍ）、高純度第２ＡｌＮバッファ層３（炭素濃度1×１０１８〜３×１０１８／ｃｍ３、膜厚２μｍ）、ノンド−プＧａＮバッファ層４（膜厚３μｍ）、Ｓｉド−プｎ型ＧａＮコンタクト層５（Ｓｉ濃度１×１０１８〜５×１０１８／ｃｍ３、膜厚２〜５μｍ）が順に積層されている。
さらに、Ｓｉド−プｎ型ＧａＮコンタクト層５上にＳｉド−プｎ型Ａｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎ第１閉じ込め層６（Ｓｉ濃度１×１０１８／ｃｍ３、膜厚２０ｎｍ）、Ｓｉド−プｎ型ＧａＮ第１吸収層７（Ｓｉ濃度１×１０１８／ｃｍ３、膜厚１００ｎｍ）、Ｓｉド−プｎ型ＧａＩｎＮ光励起近紫外発光層８（Ｓｉ濃度１×１０１８／ｃｍ３、膜厚３．５ｎｍ、波長３８０ｎｍ）、Ｓｉド−プｎ型ＧａＮ第２吸収層９（Ｓｉ濃度１×１０１８／ｃｍ３、膜厚１００ｎｍ）、Ｓｉド−プｎ型Ａｌ０．１１Ｇａ０．８９Ｎ第２閉じ込め層１０（Ｓｉ濃度１×１０１８／ｃｍ３、膜厚２０ｎｍ）、Ｓｉド−プｎ型Ａｌ０．０６Ｇａ０．９４Ｎ電流注入紫外光発光層１１（Ｓｉ濃度１×１０１８／ｃｍ３、膜厚３．０ｎｍ、波長３４５ｎｍ）、ノンドープＡｌ０．１１Ｇａ０．８９Ｎスペ−サ層１２（膜厚２０ｎｍ）、Ｍｇド−プｐ型Ａｌ０．２８Ｇａ０．７２Ｎ電子バリア層１３（Ｍｇ濃度１×１０１９／ｃｍ３、膜厚１０ｎｍ）、Ｍｇド−プｐ型Ａｌ０．１１Ｇａ０．８９Ｎコンタクト層１４（Ｍｇ濃度１×１０１９／ｃｍ３、膜厚１００ｎｍ）、高濃度Ｍｇド−プｐ型Ａｌ０．１１Ｇａ０．８９Ｎコンタクト層１５（Ｍｇ濃度２×１０２０／ｃｍ３、膜厚２０ｎｍ）、高濃度Ｓｉド−プｎ型Ａｌ０．１１Ｇａ０．８９Ｎコンタクト層１６（Ｓｉ濃度1×１０２０／ｃｍ３、膜厚２０ｎｍ）、Ｓｉド−プｎ型Ａｌ０．１１Ｇａ０．８９Ｎコンタクト層１７（Ｓｉ濃度５×１０１８／ｃｍ３、膜厚１００ｎｍ）が順に積層されている。
Ｓｉド−プｎ型ＧａＮコンタクト層５の露出した一部の上面にはＴｉ（０．０５μｍ）／Ｐｔ（０．０５μｍ）／Ａｕ（１．０μｍ）が順に堆積された複合膜からなるｎ側電極１８が形成されている。Ｓｉド−プｎ型Ａｌ０．１１Ｇａ０．８９Ｎコンタクト層１７の一部の上面にもＴｉ（０．０５μｍ）／Ｐｔ（０．０５μｍ）／Ａｕ（１．０μｍ）が順に堆積された複合膜からなるｐ側電極１９が形成されている。
高炭素濃度の第１ＡｌＮバッファ層２は基板との結晶型の差異を緩和する働きをし、特に螺旋転位を低減する。また、高純度第２ＡｌＮバッファ層３は、表面が原子レベルで平坦化し、この上に成長するノンド−プＧａＮバッファ層４の欠陥を低減するための層であり、このためには１μｍよりも厚くすることが好ましい。又、歪みによるそり防止のためには４μｍ以下が望ましい。高純度第２ＡｌＮバッファ層３はＡｌＮに限定されず、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０．８≦ｘ≦１）でも良くウエハのそりを補償できる。
ノンド−プＧａＮバッファ層４は、高純度第２ＡｌＮバッファ層上の３次元島状成長により欠陥低減の役割を果たす。成長表面の平坦化にはノンド−プＧａＮバッファ層４の平均膜厚は２μｍ以上必要である。再現性とそり低減の観点からノンド−プＧａＮバッファ層４の総膜厚は４〜１０μｍが適切である。
本実施形態の発光装置では、Ａｌ０．０６Ｇａ０．９４Ｎ紫外光発光層１１に対して、ｎ型Ａｌ０．１１Ｇａ０．８９Ｎ第２閉じ込め層１０から電子が注入され、さらにＡｌ０．１１Ｇａ０．８９Ｎスペ−サ層１２を介してＭｇド−プｐ型Ａｌ０．２８Ｇａ０．７２Ｎ電子バリア層１３から正孔が注入され、Ａｌ０．０６Ｇａ０．９４Ｎ紫外光発光層１１において波長３４５ｎｍの紫外光が放出される。ｐ側電極１９側に放出された紫外光は、Ａｌ０．１１Ｇａ０．８９Ｎスペ−サ層１２からＳｉド−プｎ型Ａｌ０．１１Ｇａ０．８９Ｎコンタクト層１７までの各層を透過して効率良く外部に放出される。これは、これらの層の禁制帯幅が放出される紫外光の波長に相当するエネルギーよりも大きいからである。
一方、基板１側に放出された紫外光は、Ｓｉド−プｎ型ＧａＮ第２吸収層９とＳｉド−プｎ型ＧａＮ第１吸収層７により吸収され、発生した電子と正孔がＳｉド−プｎ型ＧａＩｎＮ光励起近紫外発光層８にて再結合することにより３８０ｎｍの近紫外光が放射される。この光はＧａＮの禁制帯幅よりも小さいエネルギ−を持つので、ｎ型ＧａＮコンタクト層５やノンド−プＧａＮバッファ層４等に吸収されることなく高効率に基板１から外部へ取り出される。この光は、ｐ側電極１９側にも放出され、Ｓｉド−プｎ型ＧａＮ第２吸収層９からｎ型Ａｌ０．１１Ｇａ０．８９Ｎコンタクト層１７までの各層を吸収されることなく透過して効率良く外部に放出される。
ｎ型ＧａＮ第１吸収層７とｎ型ＧａＮ第２吸収層９の合計膜厚は、吸収効率と励起キャリアの損失とのトレ−ドオフから０．１〜０．３μｍが適切である。このように吸収部と発光部とを分離した構造ではＧａＩｎＮ発光層の膜厚を薄くすることができる。このように薄くすることにより、歪により誘起されるピエゾ電界の影響が軽減されるとともに、合金散乱によるキャリアの移動度低下が顕著になって欠陥への捕獲速度が低下するため結晶欠陥による非発光再結合を抑制できる。したがって、高い発光効率を得ることが可能である。
図２は、代表的な高圧水銀灯用の赤色蛍光体であるＹＶＯ４：Ｅｕ３＋の励起スペクトルを示す特性図である。図２に示されるように、３５０ｎｍ以下の短波長の光により励起する場合に発光効率が急激に上昇する。これは3価の状態の希土類元素Ｅｕ原子の内核遷移が禁制遷移であり、より高エネルギ−の外核準位が関係した励起が必要とされることに基づいている。本実施形態の発光装置によれば、ｐ側電極１９側に放出された３４５ｎｍの紫外光は、３価のＥｕを発光中心とする蛍光体（例えばＹＶＯ４：Ｅｕ３）を効率良く励起し６２０ｎｍ付近の波長分布の狭い光に変換される。即ち、３５０ｎｍ以下の短波長の紫外光により赤色可視光を効率良く得ることが可能である。
また、Ｓｉド−プｎ型ＧａＩｎＮ光励起近紫外発光層８において発生した３８０ｎｍの近紫外光は、基板１側やｐ側電極１９側に放出され、この光も有効に利用することが可能である。例えば、この光を利用して赤色以外の可視光を発する蛍光体を励起して、赤色以外の可視光を効率良く得ることができる。本実施形態の発光装置と赤色蛍光体や他の色の蛍光体を組み合わせることにより、白色光その他様々な色の光を得ることが可能である。白色光を発生する白色ＬＥＤについては後述する。
その他、本実施形態の発光装置によれば、高濃度Ｍｇド−プｐ型Ａｌ０．１１Ｇａ０．８９Ｎコンタクト層１５と高濃度Ｓｉド−プｎ型Ａｌ０．１１Ｇａ０．８９Ｎコンタクト層１６によりトンネル接合が形成されるため、ｐｎ接合の逆方向動作条件下でも低い電圧降下にて通電できる。したがって、ｐ側電極１９側に低抵抗で透明度の高いｎ型ＡｌＧａＮをコンタクト層及び電流拡散層として使用することができ、高効率と低電圧動作を実現することが可能である。
次に、本実施形態に係る発光装置の製造方法について説明する。まず、サファイア基板１を、ＭＯＣＶＤ装置のヒーターを兼ねたサセプタ上に載置する。ガス導入管から高純度水素（Ｈ２）ガスを毎分２×１０−２／ｍ３導入して反応管内の大気を置換した後に、内部の圧力を１０〜３０ｋＰａの範囲に設定する。次いで、サファイア基板１を水素（Ｈ２）ガス中で加熱し表面を清浄化する。
次に、１１５０〜１２００℃の基板温度にてアンモニア（ＮＨ３）ガスとトリメチルアルミニウム（Ａｌ（ＣＨ３）３）蒸気を導入して高炭素濃度の第１ＡｌＮバッファ層２を３〜２０ｎｍ成長する。ここで、第１ＡｌＮバッファ層２の結晶方位の乱れを少なくするためにはＶ族原料とIII族原料の反応管への供給比（Ｖ／III比）の制御が重要である。穴のない高品質膜の成長にはＶ／III比０．７〜５０の範囲が必要であり、十分な品質を再現性良く得るにはＶ／III比を１．２〜２．４の範囲に制御することが望ましい。次いで、基板温度を１２５０〜１３５０℃に昇温し、高純度第２ＡｌＮバッファ層３を１〜５μｍ成長し、表面を平坦化する。高純度第２ＡｌＮバッファ層３の成長には、Ｖ／III比を２５０〜１００００程度にする。
さらに、基板温度を従来のＧａＮの成長温度よりも高温である１１５０〜１２５０℃に設定し、ノンド−プＧａＮバッファ層４を成長する。その後、成長温度を１１００〜１２００℃に低下させ、モノシラン（ＳｉＨ４）ガスを添加しＳｉド−プｎ型ＧａＮコンタクト層５を成長する。これらの高純度第２ＡｌＮバッファ層３上に成長する各層を成長する場合、Ｖ／III比を数１００以上と高い比率にすることが望ましい。
次に、基板温度を１０００℃から１０５０℃に設定した後、発光ダイオードの素子構造部（ｎ型Ａｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎ第１閉じ込め層６からｎ型Ａｌ０．１１Ｇａ０．８９Ｎコンタクト層７までの各層）を成長する。III族原料としては、トリメチルアルミニウム（Ａｌ（ＣＨ３）３）、トリメチルガリウム（Ｇａ（ＣＨ３）３）、トリメチルインジウム（Ｉｎ（ＣＨ３）３）を用いる。Ｖ族原料としては、アンモニア（ＮＨ３）ガスを用いる。ｎ型ドーピング用原料としては、モノシラン（ＳｉＨ４）ガスを用いる。ｐ型ドーピング用原料としては、ビスシクロペンタディエニールマグネシウム（Ｃｐ２Ｍｇ）又はビスメチルシクロペンタディエニールマグネシウム（Ｍ２Ｃｐ２Ｍｇ）を使用する。
次に、成長した各層を反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）により選択的にエッチングし、Ｓｉド−プｎ型ＧａＮコンタクト層５を部分的に露出させ、露出部の一部にＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ複合膜からなるｎ側電極１８をリフトオフ法により形成する。Ｓｉド−プｎ型Ａｌ０．１１Ｇａ０．８９Ｎコンタクト層１７上の一部にもＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ複合膜からなるｐ側電極１９をリフトオフ法により形成する。次いで、劈開若しくはダイアモンドブレード等により切断し個別のＬＥＤ素子とする。
以上説明したように、本実施形態に係る発光装置の製造方法によれば、基板及びＧａＮバッファ層を削除する特殊な後工程を用いることが不要であり、高効率の紫外発光ダイオ−ドを高歩留まりで安価に生産できる。
ところで、前述のように、第１の実施形態では、ＡｌＧａＮ紫外発光層１１において、波長３４５ｎｍの紫外光が放出され、ｐ側電極１９側に放出されるとともに、基板１側に放出された上記紫外光は、そのエネルギーより小さい禁制帯幅のＳｉド−プｎ型ＧａＮ第２吸収層９とＳｉド−プｎ型ＧａＮ第１吸収層７により吸収され、発生した電子と正孔がＳｉド−プｎ型ＧａＩｎＮ近紫外発光層８にて再結合することにより３８０ｎｍの近紫外光が放射される。この３８０ｎｍの近紫外光は、ＧａＮの禁制帯幅よりも小さいエネルギ−を持つので、ｎ型ＧａＮコンタクト層５やノンド−プＧａＮバッファ層４等に吸収されることなく高効率に基板１から外部へ取り出されるとともに、ｐ側電極１９側にも放出される。
然しながら、第１の実施形態は上記の組み合わせに限定されるものではなく、上部の第１の発光層１１から、より波長の長い、例えば３７０ｎｍの近紫外光を放出し、これにより下部の第２の発光層８より、例えば３８０ｎｍの近紫外光を放出させるように構成することもできる。即ち、第１の発光層１１より放出される光は、ＧａＮの禁制帯に近いエネルギーに相当する波長の光を主として含むが、ＧａＮの禁制帯よりも大きいエネルギーに相当する波長の光をも含むので、ＧａＮ吸収層９，７に吸収され効率が低下するが、第２の発光層８の井戸層で吸収され、発生した電子と正孔が第２の発光層８の井戸層にて再結合することにより、３８０ｎｍの近紫外光を放出させることができるのである。
図３は、このような変形例に係る発光装置の断面図である。図において、図１と同一部分には、同一番号を付して、重複する説明を省略する。発光装置の下部の参照番号１〜５は、図１とほぼ同様であり、サファイア基板１上に、高炭素濃度の第１ＡｌＮ単結晶バッファ層２（膜厚５ｎｍ）、高純度第２ＡｌＮバッファ層３（膜厚２μｍ）、ノンド−プＧａＮバッファ層４（膜厚２μｍ）、Ｓｉド−プｎ型ＧａＮコンタクト層５（膜厚３μｍ）が順に積層されている。Ｓｉド−プｎ型ＧａＮコンタクト層５の露出した一部の上面にはＴｉ／Ｐｔ／Ａｕが順に堆積された複合膜からなるｎ側電極１８が形成されている。
Ｓｉド−プｎ型ＧａＮコンタクト層５上には、本変形例の特徴である第２の多重量子構造１０９（後述）が形成され、さらにその上のはＳｉド−プｎ型ＡｌＧａＮ閉じ込め層１０（Ａｌ組成１５％、膜厚２０ｎｍ）を介して第１の多重量子井戸構造１１９（後述）が形成されている。
さらにその上には、第一の実施形態と同様に、Ｍｇド−プｐ型ＡｌＧａＮ電子バリア層１３（Ａｌ組成３５％、膜厚２５ｎｍ）、Ｍｇド−プｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層１４（Ａｌ組成２％、膜厚０．２μｍ）、高濃度Ｍｇド−プｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層１５（Ａｌ組成２％、膜厚１０ｎｍ）、高濃度Ｓｉド−プｎ型ＡｌＧａＮコンタクト層１６（Ａｌ組成２％、膜厚１０ｎｍ）、Ｓｉド−プｎ型ＡｌＧａＮコンタクト層１７（Ａｌ組成２％、膜厚１μｍ）が順に積層されている。Ｓｉド−プｎ型Ａｌ０．１１Ｇａ０．８９Ｎコンタクト層１７の一部の上面にはＴｉ／Ｐｔ／Ａｕが順に堆積された複合膜からなるｐ側電極１９が形成されている。
次に、本変形例の特徴である第１及び第２の多重量子井戸構造について説明する。Ｓｉド−プｎ型ＡｌＧａＮ閉じ込め層１０と電子バリア層１３の間には、波長３７０ｎｍの複数の電流注入近紫外発光層１２０１、１２０２からなる第１の多重量子井戸構造１１９が形成されている。即ちＳｉド−プｎ型ＡｌＧａＮ閉じ込め層１０上には、ＡｌＩｎＧａＮ第１バリア層（Ａｌ組成７％、Ｉｎ組成０．５％、膜厚４ｎｍ）１２１が形成され、その上には、Ｓｉドープｎ型ＡｌＩｎＧａＮ第２バリア層（Ａｌ組成７％、Ｉｎ組成０．５％、膜厚４ｎｍ）１２２、さらにその上には第１ＩｎＧａＮ電流注入近紫外発光層（Ｉｎ組成４％、膜厚４ｎｍ、波長３７０ｎｍ）１２３、さらにその上にはＳｉドープｎ型ＡｌＩｎＧａＮ第３バリア層（Ａｌ組成７％、Ｉｎ組成０．５％、膜厚４ｎｍ）１２４、更にその上には、ＡｌＩｎＧａＮ第４バリア層（Ａｌ組成７％、Ｉｎ組成０．５％、膜厚４ｎｍ）１２５が形成されている。
さらに、この第４バリア層１２５の上には、第２バリア層１２２と同じ構成の第５バリア層１２２´、第５バリア層の上には、第２ＩｎＧａＮ電流注入近紫外発光層（Ｉｎ組成４％、膜厚４ｎｍ、波長３７０ｎｍ）１２３´、さらにその上には第３バリア層１２４と同じ構成の第６バリア層１２４´、更にその上には、第４バリア層１２５と同じ構成の第７バリア層１２５´が形成されている。
ＳｉドープＧａＮコンタクト層５とＳｉド−プｎ型ＡｌＧａＮ閉じ込め層１０の間には第２の多重量子井戸構造１０９が形成されているが、これは、波長３８０ｎｍの光励起近紫外発光層１１０が２５周期形成されたものである。
上記の光励起近紫外発光層１１０は、Ｓｉド−プｎ型ＡｌＩｎＧａＮ第８バリア層（Ａｌ組成７％、Ｉｎ組成０．５％、膜厚４ｎｍ）１１１、ＩｎＧａＮ光励起近紫外発光層（Ｉｎ組成５％、膜厚４ｎｍ、波長３８０ｎｍ）１１２、Ｓｉド−プｎ型ＡｌＩｎＧａＮ第９バリア層１１３（Ａｌ組成７％、Ｉｎ組成０．５％、膜厚４ｎｍ）からなる。第１の多重量子井戸構造１０９は、この光励起近紫外発光層１１０が２５周期繰り返して積み上げられたものである。
以上のように、第１の実施形態によれば、２つの異なる波長の紫外光あるいは近紫外光を出射することができ、演色性に優れた発光装置を実現することができる。
（第２の実施形態）
図４は、本発明の第２の実施形態に係る発光装置の構成を示す断面図である。図１と同一部分には同一符号を付して示す。この図に示すように、本実施形態に係る発光装置は、第１の実施形態における図１の発光ダイオードに蛍光体を組み合わせた白色ＬＥＤである。即ち、図４に示すようにセラミックス等からなる容器３１の内面に反射膜３２が設けられており、反射膜３２は容器３１の内側面と底面に分離して設けられている。反射膜３２は、例えばアルミニウム等からなるものである。このうち容器３１の底面に設けられた反射膜３２の上に図１の発光ダイオードが載置されている。３０はバッファ層や素子構造部である。
ｎ側電極１８及びｐ側電極１９はそれぞれ、容器３１側に設けられた図示しない電極に対してそれぞれ金合金等からなるボンディングワイヤ３３、３４により接続されている。この接続は、内側面の反射膜３２と底面の反射膜３２との間の部分において行われている。また、発光ダイオードやボンディングワイヤ３３、３４を覆うように赤色蛍光体を含む蛍光体層３５が形成されており、この蛍光体層３５の上には青色、緑色或いは黄色の蛍光体を含む蛍光体層３６が形成されている。この蛍光体層３６上にはシリコン樹脂からなる蓋部３７が設けられている。
蛍光体層３５は、樹脂及びこの樹脂中に分散された赤色蛍光体を含む。赤色蛍光体としては、例えばＹ２Ｏ３やＹＶＯ４等を母材として用いることができ、これに３価のＥｕ（Ｅｕ３＋）を付活物質として含ませる。即ち、ＹＶＯ４：Ｅｕ３＋やＹ２Ｏ３：Ｅｕ３＋等を赤色蛍光体とし用いることができる。Ｅｕ３＋の濃度はモル濃度で１〜１０％である。赤色蛍光体の母材としてはＹ２Ｏ３やＹＶＯ４の他にＬａＯＳやＹ２（Ｐ，Ｖ）Ｏ４等を用いることができる。Ｅｕ３＋の他にＭｎ４＋等を利用することも可能である。特に、ＹＶＯ４母体に３価のＥｕとともに少量のＢｉを添加することにより３５０ｎｍの吸収が増大するので、さらに発光効率を高くすることができる。また、樹脂としては、シリコン樹脂等を用いることができる。
また、蛍光体層３６は、樹脂及びこの樹脂中に分散された青色、緑色或いは黄色の蛍光体を含む。青色蛍光体と緑色蛍光体を組み合わせて用いてもよいし、青色蛍光体と黄色蛍光体を組み合わせたり、青色蛍光体、緑色蛍光体、及び黄色蛍光体を組み合わせて用いてもよい。
青色蛍光体としては、例えば（Ｓｒ，Ｃａ）１０（ＰＯ４）６Ｃｌ２：Ｅｕ２＋やＢａＭｇ２Ａｌ１６Ｏ２７：Ｅｕ２＋等を用いることができる。緑色蛍光体としては、例えば３価のＴｂを発光中心とするＹ２ＳｉＯ５：Ｃｅ３＋，Ｔｂ３＋を用いることができる。ＣｅイオンからＴｂイオンへエネルギーが伝達されることにより励起効率が向上する。また、緑色蛍光体としてＳｒ４Ａｌ１４Ｏ２５：Ｅｕ２＋等を用いることができる。黄色蛍光体としては、例えばＹ３Ａｌ５：Ｃｅ３＋等を用いることができる。また、樹脂としては、シリコン樹脂等を用いることができる。特に、３価のＴｂは視感度が最大となる５５０ｎｍ付近に鋭い発光を示すので、３価のＥｕの鋭い赤色発光と組み合わせると発光効率が著しく向上する。
本実施形態の発光装置によれば、ｐ側電極１９側に放出された３４５ｎｍの紫外光は、蛍光体層３５に含まれる３価のＥｕ等を発光中心とする上記蛍光体を効率良く励起し６２０ｎｍ付近の波長分布の狭い光に変換される。即ち、３５０ｎｍ以下の短波長の紫外光により赤色可視光を効率良く得ることが可能である。
また、Ｓｉド−プｎ型ＧａＩｎＮ近紫外発光層８において発生した３８０ｎｍの近紫外光は、基板１側やｐ側電極１９側に放出され、反射膜３２における反射をも利用することにより、当該光も有効に利用することが可能である。即ち、この３８０ｎｍの近紫外光により蛍光体層３６に含まれる青色、緑色、黄色の蛍光体が効率良く励起され、青色、緑色、黄色の可視光を効率良く得ることができる。
したがって、赤色可視光の他、青色、緑色、黄色の可視光をも効率良く発生させることができ、これらの混色として白色光その他様々な色の光を高効率でかつ演色性良く得ることが可能である。
次に、本実施形態に係る発光装置の製造方法について説明する。図１の発光ダイオードを作製する工程は第１の実施形態の工程と同様である。まず、容器３１の内面に反射膜となる金属膜をスパッタリング法により形成し、この金属膜をパターニングして容器３１の内側面と底面にそれぞれ反射膜３２を残す。次に、第１の実施形態で作製された発光ダイオード（図４の１、３０、１８、１９に相当。）を、容器３１の底面の反射膜３２上に載置して固定する。この固定には接着剤による接着や半田等を用いることが可能である。
次に、ｎ側電極１８及びｐ側電極１９をそれぞれ、容器３１側に設けられた図示しない電極に対してそれぞれボンディングワイヤー３３、３４により接続する。さらに、発光ダイオードやボンディングワイヤー３３、３４を覆うように赤色蛍光体を含む蛍光体部材３５を形成し、この蛍光体部材３５上に青色、緑色或いは黄色の蛍光体を含む蛍光体部材３６を形成する。蛍光体部材３５、３６のそれぞれの形成方法は、各蛍光体を樹脂原料混合液に分散させたものを滴下し、さらに熱処理を行うことにより熱重合させて樹脂を硬化させる。なお、各蛍光体を含有する樹脂原料混合液を滴下してしばらく放置した後に硬化させることにより、各蛍光体の微粒子が沈降し、蛍光体部材３５、３６の下層に各蛍光体の微粒子を偏在させることができ、各蛍光体の発光効率を適宜制御することが可能である。その後、蛍光体部材３６上に蓋部３７を設け、本実施形態に係る白色ＬＥＤが作製される。
（第３の実施形態）
図５は、本発明の第３の実施形態に係る発光装置の構成を示す断面図である。図１、図４と同一部分には同一符号を付して示す。図５に示すように、本実施形態に係る発光装置も、第１の実施形態における図１の発光ダイオードに蛍光体を組み合わせた白色ＬＥＤである。第２の実施形態と異なる点は、発光ダイオードの下にも蛍光体層を配置した点である。
図５に示すように、容器３１の底面の反射膜３２上に青色、緑色或いは黄色の蛍光体を含む蛍光体層４１が形成されており、この蛍光体層４１上に図１の発光ダイオードが載置され固定されている。この発光ダイオードの固定には接着剤による接着や半田等を用いることが可能である。ｎ側電極１８及びｐ側電極１９はそれぞれ、容器３１側に設けられた図示しない電極に対してそれぞれボンディングワイヤ３３、３４により接続されている。ボンディングワイヤ３３、３４はそれぞれ蛍光体層４１を貫通して設けられている。この接続は、第２の実施形態と同様に内側面の反射膜３２と底面の反射膜３２との間の部分において行われている。発光ダイオードやボンディングワイヤ３３、３４を覆うように赤色蛍光体を含む蛍光体層４２が形成されており、この蛍光体層４２の上には青色、緑色或いは黄色の蛍光体を含む蛍光体層４３が形成されている。
本実施形態に係る白色ＬＥＤによれば、第２の実施形態で得られる効果の他に、以下の効果を奏する。即ち、発光ダイオードの下にも蛍光体層４１が設けられているので、発光ダイオードのＳｉド−プｎ型ＧａＩｎＮ光励起近紫外発光層８において発生した３８０ｎｍの近紫外光のうち基板１側に放出された光は蛍光体部材４１にも入射し、この蛍光体部材４１中の蛍光体を励起することができる。したがって、反射膜３２により反射された光が蛍光体部材４３中の蛍光体を励起して発光させるだけでなく、蛍光体部材４１の蛍光体をも励起して発光させることができるので、発光効率をより一層向上させることができる。また、この蛍光体部材４１には３８０ｎｍの近紫外光が主に照射され赤色以外の光を発するので色温度の調節を独立して行えるので、演色性も一層向上させることが可能である。
（第４の実施形態）
図６は、本発明の第４の実施形態に係る発光装置の構成を示す断面図である。図１と同一部分には同一符号を付して示す。この図に示すように、本実施形態に係る発光装置は、サファイア基板上に形成されたＧａＮ系化合物半導体から構成される発光ダイオードである。図１の発光ダイオードと異なる点は、ＧａＮ吸収層とＧａＩｎＮ光励起近紫外発光層の構成である。
図６に示されるように、本実施形態に係る発光ダイオードのＧａＮ吸収層とＧａＩｎＮ光励起近紫外発光層の構成は、Ｓｉド−プｎ型ＧａＮ第１吸収層５１（Ｓｉ濃度１×１０１８／ｃｍ３、膜厚５０ｎｍ）、Ｓｉド−プｎ型ＧａＩｎＮ第１光励起近紫外発光層５２（Ｓｉ濃度１×１０１８／ｃｍ３、膜厚３ｎｍ、波長３８０ｎｍ）、Ｓｉド−プｎ型ＧａＮ第２吸収層５３（Ｓｉ濃度１×１０１８／ｃｍ３、膜厚１００ｎｍ）、Ｓｉド−プｎ型ＧａＩｎＮ第２光励起近紫外発光層５４（Ｓｉ濃度１×１０１８／ｃｍ３、膜厚３ｎｍ、波長３８０ｎｍ）、Ｓｉド−プｎ型ＧａＮ第３吸収層５５（Ｓｉ濃度１×１０１８／ｃｍ３、膜厚５０ｎｍ）が順に積層されたものとなっている。
本実施形態に係る発光ダイオードによれば、第１の実施形態と同様な効果を得ることができ、また、第２、第３の実施形態のように蛍光体と組み合わせて白色ＬＥＤを構成することが可能である。さらに、ＧａＮ吸収層とＧａＩｎＮ光励起近紫外発光層の積層構造において吸収層及び光励起発光層の積層数を増やすことにより、電流注入紫外光発光層からの放射光の吸収効率を維持しつつ各層の膜厚を薄くすることができるため、欠陥の影響を低減することができ、信頼性及び効率の優れた発光ダイオードを提供することが可能となる。
なお、本実施形態では、Ｍｇド−プｐ型Ａｌ０．１１Ｇａ０．８９Ｎコンタクト層１４とＳｉド−プｎ型Ａｌ０．１１Ｇａ０．８９Ｎコンタクト層１７とは直接接しており、これらの間に、高濃度Ｍｇド−プｐ型Ａｌ０．１１Ｇａ０．８９Ｎコンタクト層１５と高濃度Ｓｉド−プｎ型Ａｌ０．１１Ｇａ０．８９Ｎコンタクト層１６が介在していない。これらのコンタクト層１５、１６が存在する構造は抵抗を効果的に下げることができる観点から望ましい構造であるが、要求される抵抗値に対応し必要に応じてコンタクト層１４、１７の濃度を高めるなどしてコンタクト層１５、１６を省略することも可能である。
（第５の実施形態）
図７は、本発明の第５の実施形態に係る発光装置の構成を示す断面図である。図１と同一部分には同一符号を付して示す。この図に示すように、本実施形態に係る発光装置は、サファイア基板上に形成されたＧａＮ系化合物半導体から構成される発光ダイオードである。図１の発光ダイオードと異なる点は、サファイア基板の裏面に反射層を設けた点である。
図７に示されるように、本実施形態に係る発光ダイオードは、サファイア基板１の裏面に反射膜６１が形成されている。この反射膜６１、例えばアルミニウム、銀、ニッケル等からなるものである。反射膜６１が実装容器の底部に位置するようにして発光ダイオードの実装が行われる。反射膜６１の容器３１に対する固定には、接着剤による接着や半田等を用いることが可能である。
本実施形態に係る発光ダイオードによれば、第１の実施形態と同様な効果を得ることができ、また、第２、第３の実施形態のように蛍光体と組み合わせて白色ＬＥＤを構成することが可能である。さらに、反射膜６１はそのまま第２の実施形態における反射膜３２となり、ＬＥＤとしての実装が容易になる。
なお、反射膜６１は第２の実施形態のおける容器３１の底面に反射膜３２を間に介して固定することも可能である。この場合の固定には、半田等を用いることが可能である。
（第６の実施形態）
図８は、本発明の第６の実施形態に係る発光装置の構成を示す断面図である。この図に示すように、本実施形態に係る発光装置は、ＧａＮ基板上に形成されたＧａＮ系化合物半導体から構成される発光ダイオードである。
図８に示すように、表面がＧａ極性のｃ面からなるＳｉド−プｎ型低抵抗ＧａＮ基板７１（Ｓｉ濃度３×１０１８／ｃｍ３、膜厚１００μｍ）上に、Ｓｉド−プｎ型Ａｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎ第１閉じ込め層７２（Ｓｉ濃度１×１０１８／ｃｍ３、膜厚２０ｎｍ）、Ｓｉド−プｎ型ＧａＮ第１吸収層７３（Ｓｉ濃度１×１０１８／ｃｍ３、膜厚１００ｎｍ）、Ｓｉド−プｎ型ＧａＩｎＮ光励起青色発光層７４（Ｓｉ濃度６×１０１８／ｃｍ３、膜厚２ｎｍ、波長４４０ｎｍ）、Ｓｉド−プｎ型ＧａＮ第２吸収層７５（Ｓｉ濃度１×１０１８／ｃｍ３、膜厚１００ｎｍ）、Ｓｉド−プｎ型Ａｌ０．１１Ｇａ０．８９Ｎ第２閉じ込め層７６（Ｓｉ濃度１×１０１８／ｃｍ３、膜厚２０ｎｍ）、Ｓｉド−プｎ型Ａｌ０．０６Ｇａ０．９４Ｎ紫外光発光層７７（Ｓｉ濃度１×１０１８／ｃｍ３、膜厚３ｎｍ、波長３４５ｎｍ）、ノンドープＡｌ０．１１Ｇａ０．８９Ｎスペ−サ層７８（膜厚２０ｎｍ）、Ｍｇド−プｐ型Ａｌ０．２８Ｇａ０．７２Ｎ電子バリア層７９（Ｍｇ濃度１×１０１９／ｃｍ３、膜厚１０ｎｍ）、Ｍｇド−プｐ型Ａｌ０．１１Ｇａ０．８９Ｎコンタクト層８０（Ｍｇ濃度１×１０１９／ｃｍ３、膜厚１００ｎｍ）、高濃度Ｍｇド−プｐ型Ａｌ０．１１Ｇａ０．８９Ｎコンタクト層８１（Ｍｇ濃度２×１０２０／ｃｍ３、膜厚２０ｎｍ）、高濃度Ｓｉド−プｎ型Ａｌ０．１１Ｇａ０．８９Ｎコンタクト層８２（Ｓｉ濃度1×１０２０／ｃｍ３、膜厚２０ｎｍ）、Ｓｉド−プｎ型Ａｌ０．１１Ｇａ０．８９Ｎコンタクト層８３（Ｓｉ濃度５×１０１８／ｃｍ３、膜厚１００ｎｍ）が順に積層されている。ｐ型Ａｌ０．１１Ｇａ０．８９Ｎコンタクト層８１とｎ型Ａｌ０．１１Ｇａ０．８９Ｎコンタクト層８２は第１の実施形態と同様に抵抗を下げるための層である。
ｎ型低抵抗ＧａＮ基板７１の裏面には、Ｔｉ（０．０５μｍ）／Ｐｔ（０．０５μｍ）／Ａｕ（１．０μｍ）が順に堆積された複合膜からなるｎ側電極８４が形成されている。Ｓｉド−プｎ型Ａｌ０．１１Ｇａ０．８９Ｎコンタクト層８３の一部の上面にもＴｉ（０．０５μｍ）／Ｐｔ（０．０５μｍ）／Ａｕ（１．０μｍ）が順に堆積された複合膜からなるｐ側電極８５が形成されている。
本実施形態に係る発光ダイオードでは、第１の実施形態と同様に、Ａｌ０．０６Ｇａ０．９４Ｎ紫外光発光層７７に対して、ｎ型Ａｌ０．１１Ｇａ０．８９Ｎ第２閉じ込め層７６から電子が注入され、さらにＡｌ０．１１Ｇａ０．８９Ｎスペ−サ層７８を介してＭｇド−プｐ型Ａｌ０．２８Ｇａ０．７２Ｎ電子バリア層７９から正孔が注入され、Ａｌ０．０６Ｇａ０．９４Ｎ紫外光発光層７７において波長３４５ｎｍの紫外光が放出される。ｐ側電極８５側に放出された紫外光は、Ａｌ０．１１Ｇａ０．８９Ｎスペ−サ層７８からＳｉド−プｎ型Ａｌ０．１１Ｇａ０．８９Ｎコンタクト層８３までの各層を透過して効率良く外部に放出される。これは、これらの層の禁制帯幅が放出される紫外光の波長に相当するエネルギーよりも大きいからである。
一方、基板７１側に放出された紫外光は、Ｓｉド−プｎ型ＧａＮ第２吸収層７５とＳｉド−プｎ型ＧａＮ第１吸収層７３により吸収され、発生した電子と正孔がＳｉド−プｎ型ＧａＩｎＮ光励起青色発光層７４にて再結合することにより４４０ｎｍの青色光が放射される。この光はＧａＮの禁制帯幅よりも小さいエネルギ−を持つので、ｎ型低抵抗ＧａＮ基板７１等に吸収されることなく高効率に当該基板７１から外部へ取り出される。この光は、ｐ側電極８５側にも放出され、Ｓｉド−プｎ型ＧａＮ第２吸収層７５からｎ型Ａｌ０．１１Ｇａ０．８９Ｎコンタクト層８３までの各層を吸収されることなく透過して効率良く外部に放出される。
ｎ型ＧａＮ第１吸収層７３とｎ型ＧａＮ第２吸収層７５の合計膜厚は、第１の実施形態と同様に吸収効率と励起キャリアの損失とのトレ−ドオフから０．１〜０．５μｍが適切であり、吸収部と発光部とを分離した構造によりＧａＩｎＮ発光層の膜厚を薄くすることができる。このように薄くすることにより、歪により誘起されるピエゾ電界の影響が軽減されるとともに、合金散乱によるキャリアの移動度低下が顕著になって欠陥への捕獲速度が低下するため結晶欠陥による非発光再結合を抑制できる。したがって、高い発光効率を得ることが可能である。
以上述べたように、本実施形態の発光ダイオードによれば、波長３５０ｎｍ以下の短波長の紫外光を効率良く外部に取り出すことができ、第１の実施形態で述べた赤色蛍光体を効率良く励起して赤色可視光の発光効率を向上させることが可能である。さらに、Ｓｉド−プｎ型ＧａＩｎＮ光励起青色発光層７４において発生した４４０ｎｍの青色光は、基板７１側やｐ側電極８５側に放出され、この光も有効に利用することが可能である。例えば、この光を利用して赤色以外の可視光を発する蛍光体を励起して、赤色以外の可視光を効率良く得ることができる。本実施形態の発光装置と赤色蛍光体や他の色の蛍光体を組み合わせることにより、白色光その他様々な色の光を得ることが可能である。
また、導電性を有するｎ型低抵抗ＧａＮ基板７１を基板として用いるので、電極形成プロセスが容易になり、容器への実装も容易となる。さらに、ｎ型低抵抗ＧａＮ基板７１の裏面に設けたｎ側電極８４は、Ｓｉド−プｎ型ＧａＩｎＮ光励起青色発光層７４において発生した４４０ｎｍの青色光を反射する役割をも果たし、これによりこの青色光を有効に活用することができるとともに、容器内面の反射膜の形成プロセスを簡略化することが可能となる。
本実施形態に係る発光ダイオードの製造方法としては、第１の実施形態で述べた方法を用いることができる。即ち、ｎ型低抵抗ＧａＮ基板７１としてハイドライド気相成長法を利用した厚膜成長により作製したＧａＮ基板を用い、このＧａＮ基板上に第１の実施形態と同様に発光ダイオードの素子構造部（ｎ型Ａｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎ第１閉じ込め層７２からｎ型Ａｌ０．１１Ｇａ０．８９Ｎコンタクト層８３までの各層）を成長する。ハイドライド気相成長法を用いたＧａＮ基板の作製方法としては、例えば原料ガスとして塩化ガリウムとアンモニアを用い、大気圧、約１０００℃の条件下で、サファイア等からなる基板の上にＧａＮ層の成膜を行う方法を用いることができる。
（第７の実施形態）
図９は、本発明の第７の実施形態に係る発光装置の構成を示す断面図である。図４と同一部分には同一符号を付して示す。この図に示すように、本実施形態に係る発光装置は、第６の実施形態における図８の発光ダイオードに蛍光体を組み合わせた白色ＬＥＤである。即ち、図９に示すように容器３１の内側面に反射膜３２が設けられており、容器３１の底面には図７の発光ダイオードがそのｎ側電極８４が当該底面を向くようにして載置されている。９０は素子構造部である。
ｎ側電極８４は容器３１の底面に設けられた図示しない電極に対して接続されており、ｐ側電極８５は容器３１側に設けられた図示しない電極に対して金合金等からなるボンディングワイヤー８６により接続されている。この接続は、内側面の反射膜３２と底面のｎ側電極８４との間の部分において行われている。また、発光ダイオードやボンディングワイヤー８４を覆うように赤色蛍光体を含む蛍光体層８７が形成されており、この蛍光体層８７の上には青色、緑色或いは黄色の蛍光体を含む蛍光体層８８が形成されている。この蛍光体層８８上には蓋部３７が設けられている。蛍光体層８７、８８の材料としては第２の実施形態で述べた材料を用いることが可能である。
本実施形態の発光装置によれば、ｐ側電極８５側に放出された３４５ｎｍの紫外光は、蛍光体層８７に含まれる３価のＥｕ等を発光中心とする上記蛍光体を効率良く励起し６２０ｎｍ付近の波長分布の狭い光に変換される。即ち、３５０ｎｍ以下の短波長の紫外光により赤色可視光を効率良く得ることが可能である。
また、Ｓｉド−プｎ型ＧａＩｎＮ光励起青色発光層７４において発生した４４０ｎｍの青色光は、基板７１側やｐ側電極８５側に放出され、ｎ側電極８４における反射をも利用することにより、この光も有効に利用することが可能である。即ち、この４４０ｎｍの青色光により蛍光体層８８に含まれる緑色、黄色の蛍光体が効率良く励起され、緑色、黄色の可視光を効率良く得ることができる。
したがって、赤色可視光、４４０ｎｍの青色光、緑色、黄色の可視光を効率良く発生させることができ、これらの混色として白色光その他様々な色の光を高効率でかつ演色性良く得ることが可能である。
（第８の実施形態）
図１０は、本発明の第８の実施形態に係る発光装置の構成を示す断面図である。図１と同一部分には同一符号を付して示す。この図に示すように、本実施形態に係る発光装置は、サファイア基板上に形成されたＧａＮ系化合物半導体から構成される発光ダイオードである。図１の発光ダイオードと異なる点は、ｎ側電極が設けられるコンタクト層を電流注入紫外光発光層と光励起近紫外発光層との間に設けた点である。
図１０に示すように、本実施形態に係る発光装置は、ノンド−プＧａＮバッファ層４上にＡｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎ第１閉じ込め層９１（膜厚２０ｎｍ）、ＧａＮ第１吸収層９２（膜厚５０ｎｍ）、Ｓｉド−プｎ型ＧａＩｎＮ第１光励起近紫外発光層９３（Ｓｉ濃度１×１０１８／ｃｍ３、膜厚３ｎｍ、波長３８０ｎｍ）、ＧａＮ第２吸収層９４（膜厚１００ｎｍ）、Ｓｉド−プｎ型ＧａＩｎＮ第２光励起近紫外発光層９５（Ｓｉ濃度１×１０１８／ｃｍ３、膜厚３ｎｍ、波長３８０ｎｍ）、ＧａＮ第３吸収層９６（膜厚５０ｎｍ）、Ａｌ０．１１Ｇａ０．８９Ｎ第１閉じ込め層９７（膜厚２０ｎｍ）、Ｓｉド−プｎ型Ａｌ０．１０Ｇａ０．９０Ｎコンタクト層９８（Ｓｉ濃度５×１０１８／ｃｍ３、膜厚１．５μｍ）、ノンドープＡｌ０．１１Ｇａ０．８９Ｎスペ−サ層９９（膜厚２０ｎｍ）が順に積層されている。
さらに、Ａｌ０．１１Ｇａ０．８９Ｎスペ−サ層９９上にはＳｉド−プｎ型Ａｌ０．０６Ｇａ０．９４Ｎ電流注入紫外光発光層１１、Ａｌ０．１１Ｇａ０．８９Ｎスペ−サ層１２、Ｍｇド−プｐ型Ａｌ０．２８Ｇａ０．７２Ｎ電子バリア層１３、Ｍｇド−プｐ型Ａｌ０．１１Ｇａ０．８９Ｎコンタクト層１４、Ｓｉド−プｎ型Ａｌ０．１１Ｇａ０．８９Ｎコンタクト層１７が順に積層されている。また、Ｓｉド−プｎ型Ａｌ０．１０Ｇａ０．９０Ｎコンタクト層９８上には、ｎ側電極１００が設けられている。
なお、本実施形態において、Ｍｇド−プｐ型Ａｌ０．１１Ｇａ０．８９Ｎコンタクト層１４とＳｉド−プｎ型Ａｌ０．１１Ｇａ０．８９Ｎコンタクト層１７とは直接接しており、これらの間に、高濃度Ｍｇド−プｐ型Ａｌ０．１１Ｇａ０．８９Ｎコンタクト層１５と高濃度Ｓｉド−プｎ型Ａｌ０．１１Ｇａ０．８９Ｎコンタクト層１６が介在していない。これらのコンタクト層１５、１６が存在する構造は抵抗を効果的に下げることができる観点から望ましい構造であるが、要求される抵抗値に対応し必要に応じてコンタクト層１４、１７の濃度を高めるなどしてコンタクト層１５、１６を省略することも可能である。
本実施形態に係る発光ダイオードでは、Ａｌ０．０６Ｇａ０．９４Ｎ電流注入紫外光発光層１１に対して、Ａｌ０．１１Ｇａ０．８９Ｎスペ−サ層９９を介してＳｉド−プｎ型Ａｌ０．１０Ｇａ０．９０Ｎコンタクト層９８から電子が注入され、さらにＡｌ０．１１Ｇａ０．８９Ｎスペ−サ層１２を介してＭｇド−プｐ型Ａｌ０．２８Ｇａ０．７２Ｎ電子バリア層１３から正孔が注入され、第１の実施形態と同様にＡｌ０．０６Ｇａ０．９４Ｎ電流注入紫外光発光層１１において波長３４５ｎｍの紫外光が放出される。ｐ側電極１９側に放出された紫外光は、Ａｌ０．１１Ｇａ０．８９Ｎスペ−サ層１２からＳｉド−プｎ型Ａｌ０．１１Ｇａ０．８９Ｎコンタクト層１７までの各層を透過して効率良く外部に放出される。
一方、基板１側に放出された紫外光は、Ｓｉド−プｎ型ＧａＮ第３吸収層９６、Ｓｉド−プｎ型ＧａＮ第２吸収層９４、及びＳｉド−プｎ型ＧａＮ第１吸収層９２により吸収され、発生した電子と正孔がＳｉド−プｎ型ＧａＩｎＮ第２光励起近紫外発光層９５及びＳｉド−プｎ型ＧａＩｎＮ第１光励起近紫外発光層９３にて再結合することにより３８０ｎｍの光が放射される。この光はＧａＮの禁制帯幅よりも小さいエネルギ−を持つので、ノンド−プＧａＮバッファ層４等に吸収されることなく高効率に基板１から外部へ取り出される。この光は、ｐ側電極１９側にも放出され、Ｓｉド−プｎ型ＧａＮ第２吸収層９４からｎ型Ａｌ０．１１Ｇａ０．８９Ｎコンタクト層１７までの各層を吸収されることなく透過して効率良く外部に放出される。
以上述べたように、本実施形態の発光ダイオードによれば、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる他、以下の効果を奏する。即ち、Ａｌ０．０６Ｇａ０．９４Ｎ電流注入紫外光発光層１１に対しては、Ａｌ０．１１Ｇａ０．８９Ｎスペ−サ層９９を介してＳｉド−プｎ型Ａｌ０．１０Ｇａ０．９０Ｎコンタクト層９８から電子が注入される構造となっているので、Ｓｉド−プｎ型Ａｌ０．１１Ｇａ０．８９Ｎ第１閉じ込め層９７より下の各層には電流が流れる必要はない。したがって、これらの層にＳｉをド−プしてｎ型の層とする必要がなく、ＧａＮ第２吸収層９２、９４、９６にＳｉをド−プしないか、若しくはドープしても非常に小さなドープ量とすることができ、吸収層９２、９４、９６においてＧａＮ禁制帯幅相当の波長を有する光が発生することを防止することができる。ＧａＮ禁制帯幅相当の波長を有する光が発生した場合は、上述したようにノンド−プＧａＮバッファ層４等に吸収されてしまうので、その分効率が低下してしまう。以上のことから、Ｓｉド−プｎ型ＧａＩｎＮ第２光励起近紫外発光層９５及びＳｉド−プｎ型ＧａＩｎＮ第１光励起近紫外発光層９３から３８０ｎｍの光を効率良く発生させることが可能である。
（第９の実施形態）
図１１は、本発明の第９の実施形態に係る発光装置の構成を示す断面図である。図１、図１０と同一部分には同一符号を付して示す。この図に示すように、本実施形態に係る発光装置は、サファイア基板上に形成されたＧａＮ系化合物半導体から構成される発光ダイオードである。図１の発光ダイオードと異なる点は、ｎ側電極が設けられるコンタクト層を電流注入紫外光発光層と光励起近紫外発光層との間に追加した点である。
図１１に示すように、本実施形態に係る発光装置は、Ｓｉド−プｎ型ＧａＮコンタクト層５上にＳｉド−プｎ型Ａｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎ第１閉じ込め層１０１（Ｓｉ濃度１×１０１８／ｃｍ３、膜厚２０ｎｍ）、Ｓｉド−プｎ型ＧａＮ第１吸収層１０２（Ｓｉ濃度１×１０１８／ｃｍ３、膜厚５０ｎｍ）、Ｓｉド−プｎ型ＧａＩｎＮ第１光励起近紫外発光層１０３（Ｓｉ濃度１×１０１８／ｃｍ３、膜厚３ｎｍ、波長３８０ｎｍ）、Ｓｉド−プｎ型ＧａＮ第２吸収層１０４（Ｓｉ濃度１×１０１８／ｃｍ３、膜厚１００ｎｍ）、Ｓｉド−プｎ型ＧａＩｎＮ第２光励起近紫外発光層１０５（Ｓｉ濃度１×１０１８／ｃｍ３、膜厚３ｎｍ、波長３８０ｎｍ）、Ｓｉド−プｎ型ＧａＮ第３吸収層１０６（Ｓｉ濃度１×１０１８／ｃｍ３、膜厚５０ｎｍ）、Ｓｉド−プｎ型Ａｌ０．１１Ｇａ０．８９Ｎ第２閉じ込め層１０７（Ｓｉ濃度１×１０１８／ｃｍ３、膜厚２０ｎｍ）が順に積層されたものとなっている。ｎ型Ａｌ０．１１Ｇａ０．８９Ｎ第２閉じ込め層１０７上には第８の実施形態と同様にＳｉド−プｎ型Ａｌ０．１０Ｇａ０．９０Ｎコンタクト層９８からＳｉド−プｎ型Ａｌ０．１１Ｇａ０．８９Ｎコンタクト層１７までが順に積層されている。
また、Ｓｉド−プｎ型ＧａＮコンタクト層５上にはｎ側電極１０８が設けられており、Ｓｉド−プｎ型Ａｌ０．１０Ｇａ０．９０Ｎコンタクト層９８上の中間電極１００とｎ型Ａｌ０．１１Ｇａ０．８９Ｎコンタクト層１７上のｐ側電極１９とともに３端子の電極を構成している。ｐ側電極１９と中間電極１００との間、及びｎ側電極１０８と中間電極１００との間に電圧を印加することにより、Ａｌ０．０６Ｇａ０．９４Ｎ電流注入紫外光発光層１１、Ｓｉド−プｎ型ＧａＩｎＮ第２光励起近紫外発光層１０５及びＳｉド−プｎ型ＧａＩｎＮ第１光励起近紫外発光層１０３のそれぞれに対して電流を供給することができる。
本実施形態に係る発光ダイオードでは、第８の実施形態と同様にＡｌ０．０６Ｇａ０．９４Ｎ紫外光発光層１１において波長３４５ｎｍの紫外光が放出され、ｐ側電極１９側に放出された紫外光は、Ａｌ０．１１Ｇａ０．８９Ｎスペ−サ層１２からＳｉド−プｎ型Ａｌ０．１１Ｇａ０．８９Ｎコンタクト層１７までの各層を透過して効率良く外部に放出される。
一方、基板１側に放出された紫外光は、Ｓｉド−プｎ型ＧａＮ第３吸収層１０６、Ｓｉド−プｎ型ＧａＮ第２吸収層１０４、及びＳｉド−プｎ型ＧａＮ第１吸収層１０２により吸収され、発生した電子と正孔がＳｉド−プｎ型ＧａＩｎＮ第２光励起近紫外発光層１０５及びＳｉド−プｎ型ＧａＩｎＮ第１光励起近紫外発光層１０３にて再結合することにより３８０ｎｍの光が放射される。この光はＧａＮの禁制帯幅よりも小さいエネルギ−を持つので、ノンド−プＧａＮバッファ層４やＳｉド−プｎ型ＧａＮコンタクト層５等に吸収されることなく高効率に基板１から外部へ取り出される。この光は、ｐ側電極１９側にも放出され、Ｓｉド−プｎ型ＧａＮ第２吸収層１０４からｎ型Ａｌ０．１１Ｇａ０．８９Ｎコンタクト層１７までの各層を吸収されることなく透過して効率良く外部に放出される。
以上述べたように、本実施形態の発光ダイオードによれば、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる他、以下の効果を奏する。即ち、本実施形態の構造では光励起近紫外発光層部に電界が印加されないことから電子と正孔を分離する力が働かないため高効率が期待できる。
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。例えば、上記実施形態では、赤色蛍光体を含む蛍光体部材と青色、緑色或いは黄色の蛍光体を含む蛍光体部材とを別々に形成したが、赤色蛍光体と青色、緑色或いは黄色の蛍光体とを一緒に混ぜた蛍光体部材を用いることも可能である。この場合には、蛍光体部材の数を少なくすることができるので、工程の簡略化等を図ることが可能である。また、青色、緑色或いは黄色の蛍光体から選ばれる蛍光体と赤色蛍光体とを一緒に混ぜて一つの蛍光体部材を構成し、この蛍光体層と青色、緑色或いは黄色の蛍光体のうちの他の蛍光体を含む蛍光体部材とを積層することも可能である。
また、透明基板としては、サファイア基板やＧａＮ基板の他、ＳｉＣ基板等、他の材料からなる基板を用いることが可能である。さらにまた、発光層に多重量子井戸を用いたり、不純物ド−プ部に変調ド−ピングを用いることもできる。
その他、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。
本発明の第１の実施形態に係る発光装置の構成を示す断面図。 赤色蛍光体であるＹＶＯ４：Ｅｒ３＋の励起スペクトルを示す特性図。 第１の実施形態の変形例に係る発光装置の構成を示す断面図。 本発明の第２の実施形態に係る発光装置の構成を示す断面図。 本発明の第３の実施形態に係る発光装置の構成を示す断面図。 本発明の第４の実施形態に係る発光装置の構成を示す断面図。 本発明の第５の実施形態に係る発光装置の構成を示す断面図。 本発明の第６の実施形態に係る発光装置の構成を示す断面図。 本発明の第７の実施形態に係る発光装置の構成を示す断面図。 本発明の第８の実施形態に係る発光装置の構成を示す断面図。 本発明の第９の実施形態に係る発光装置の構成を示す断面図。
符号の説明
１…表面がサファイアｃ面からなる基板
２…高炭素濃度の第１ＡｌＮバッファ層
３…高純度第２ＡｌＮバッファ層
４…ノンド−プＧａＮバッファ層
５…Ｓｉド−プｎ型ＧａＮコンタクト層
６…Ｓｉド−プｎ型Ａｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎ第一閉じ込め層
７…Ｓｉド−プｎ型ＧａＮ第一吸収層
８…Ｓｉド−プｎ型ＧａＩｎＮ近紫外蛍光層
９…Ｓｉド−プｎ型ＧａＮ第二吸収層
１０…Ｓｉド−プｎ型Ａｌ０．１１Ｇａ０．８９Ｎ第二閉じ込め層
１１…Ａｌ０．０６Ｇａ０．９４Ｎ紫外光発光層
１２…Ａｌ０．１１Ｇａ０．８９Ｎスペ−サ層
１３…Ｍｇド−プｐ型Ａｌ０．２８Ｇａ０．７２Ｎ電子バリア層
１４…Ｍｇド−プｐ型Ａｌ０．１１Ｇａ０．８９Ｎコンタクト層
１５…高濃度Ｍｇド−プｐ型Ａｌ０．１１Ｇａ０．８９Ｎコンタクト層
１６…高濃度Ｓｉド−プｎ型Ａｌ０．１１Ｇａ０．８９Ｎコンタクト層
１７…Ｓｉド−プｎ型Ａｌ０．１１Ｇａ０．８９Ｎコンタクト層
１８…ｎ側電極
１９…ｐ側電極
３１…容器
３２…反射膜
３３、３４…ボンディングワイヤ
３５、３６…蛍光体層
３７…蓋部

Claims (22)

  1. 第１と第２の面を有する透明基板と、
    前記透明基板の前記第１の面上に設けられた半導体層と、
    前記半導体層の上に設けられ前記半導体層の半導体の禁制帯幅よりも大きいエネルギーに相当する波長を含む第１の紫外光を発する第１の発光層と、
    前記第１の発光層と前記半導体層との間に設けられ前記第１の発光層で発せられる前記第１の紫外光を吸収し前記半導体層の半導体の禁制帯幅よりも小さいエネルギーに相当する波長を含む第２の紫外光を発する第２の発光層と、
    前記第１の発光層よりも禁制帯幅が広く、前記第１の発光層の上に設けられた第１のコンタクト層と、
    前記第１のコンタクト層の上に設けられた前記第１の電極と、
    前記第１の発光層に対して通電を行うために前記第１の電極に対応して、前記第１の発光層よりも下方に設けられた第２の電極と、
    を具備することを特徴とする発光装置。
  2. 前記第１の紫外光により励起され第１の波長の光を発する第１の蛍光体及び前記第２の紫外光により励起され第２の波長の光を発する第２の蛍光体を含む蛍光体部材を更に具備することを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
  3. 前記蛍光体部材は、前記第１の波長の光を発する第１の蛍光体を含む第１の蛍光体領域と、前記第２の蛍光体を含む第２の蛍光体領域とを含むことを特徴とする請求項２に記載の発光装置。
  4. 前記第１の蛍光体領域は、少なくとも前記第１の発光層の前記透明基板とは反対側に設けられ、前記第２の蛍光体領域は、少なくとも第２の発光層の、前記第１の発光層とは反対側に設けられていることを特徴とする請求項３に記載の発光装置。
  5. 前記第１の波長は前記第２の波長よりも長いことを特徴とする請求項２乃至４のいずれかに記載の発光装置。
  6. 前記第１の蛍光体は３価のＥｕを発光中心とする赤色蛍光体であることを特徴とする請求項２乃至５のいずれかに記載の発光装置。
  7. 前記透明基板の前記第２の主面に設けられた反射層をさらに具備することを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の発光装置。
  8. 前記第１の発光層はＡｌＧａＮを含むことを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の発光装置。
  9. 前記第１の発光層はＡｌＧａＮを含み、前記第１のコンタクト層は前記第１の発光層よりもＡｌ組成が大きなｎ型ＡｌＧａＮ層を含むことを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
  10. 前記第１の発光層と前記第１のコンタクト層の間に設けられ、前記第１の発光層よりもＡｌ組成が大きなｐ型ＡｌＧａＮ層を更に具備することを特徴とする請求項９に記載の発光装置。
  11. 前記ｐ型ＡｌＧａＮ層と前記第１のコンタクト層の間に設けられ、前記ｐ型ＡｌＧａＮ層よりも高い濃度のｐ型不純物を添加された高濃度ｐ型ＡｌＧａＮ部と、前記高濃度ｐ型ＡｌＧａＮ部と前記第１のコンタクト層の間に設けられ、前記第１のコンタクト層よりも高い濃度のｎ型不純物を添加された高濃度ｎ型ＡｌＧａＮ部を更に具備することを特徴とする請求項１０に記載の発光装置。
  12. 前記第２の発光層に近接して設けられた吸収層を更に具備し、前記吸収層の禁制帯幅は前記第２の発光層よりも広くかつ前記第１の発光層よりも狭く、前記第１の紫外光を吸収することを特徴とする請求項１乃至１１のいずれかに記載の発光装置。
  13. 前記第１の発光層はＡｌＧａＮを含み、前記第２の発光層はＧａＩｎＮを含むことを特徴とする請求項１乃至１２のいずれかに記載の発光装置。
  14. 前記第１の電極及び第２の電極は第２の発光層に対しても通電を行うことを特徴とする請求項１乃至１３のいずれかに記載の発光装置。
  15. 前記第２の発光層の前記第１の発光層とは反対側に設けられた、第２のコンタクト層を更に具備し、前記第２のコンタクト層に前記第２の電極が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
  16. 前記第１の発光層よりも禁制帯幅が広く、前記第１の発光層と前記第２の発光層との間に設けられた第２のコンタクト層を更に具備し、前記第２のコンタクト層に前記第２の電極が設けられていることを特徴とする請求項１記載の発光装置。
  17. 前記第１の発光層はＡｌＧａＮを含み、前記第２のコンタクト層は前記第１の発光層よりもＡｌ組成が大きなｎ型ＡｌＧａＮ層を含むことを特徴とする請求項１６に記載の発光装置。
  18. 前記第２の発光層の前記第１の発光層とは反対側に設けられた、第３のコンタクト層を更に具備し、前記第３のコンタクト層に第３の電極が設けられ、前記第３の電極は前記第２の発光層に対して通電を行うことを特徴とする請求項１６または１７に記載の発光装置。
  19. 前記第２の紫外光は前記透明基板を透過することを特徴とする請求項１乃至１８のいずれかに記載の発光装置。
  20. 前記透明基板はサファイア基板であることを特徴とする請求項１乃至１９のいずれかに記載の発光装置。
  21. 前記半導体層はＧａＮ層であることを特徴とする請求項１乃至２０のいずれかに記載の発光装置。
  22. 前記透明基板はサファイア基板であり、前記ＧａＮ層は単結晶ＡｌＮ層を介して前記サファイア基板上に形成されていることを特徴とする請求項２１に記載の発光装置。
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