JP4770058B2 - 発光素子及び装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、発光素子、あるいはそれを光源として、ドットマトリックス状に配置したＬＥＤディスプレイ、バックライト、交通信号灯、イメージスキャナ、に使用されるものであり、主に窒化物半導体（例えば、ＩｎＸＡｌＹＧａ１−Ｘ−ＹＮ、０≦X、０≦Y、X＋Y≦１）を用いた素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
窒化物半導体は高輝度純緑色発光ＬＥＤ、青色ＬＥＤとして、既にフルカラーＬＥＤディスプレイ、交通信号灯、イメージスキャナー光源、バックライト等の各種光源で実用化されている。これらのＬＥＤ素子は基本的に、サファイア基板上にＧａＮよりなるバッファ層と、ＳｉドープＧａＮよりなるｎ側コンタクト層と、単一量子井戸構造、若しくは多重量子井戸構造のＩｎＧａＮ層を包含する活性層と、ＭｇドープＡｌＧａＮよりなるｐ側クラッド層と、ＭｇドープＧａＮよりなるｐ側コンタクト層とが順に積層された構造を有しており、２０ｍＡにおいて、発光波長４５０ｎｍの青色ＬＥＤで５ｍＷ、外部量子効率９．１％、５２０ｎｍの緑色ＬＥＤで３ｍＷ、外部量子効率６．３％と非常に優れた特性を示す。
【０００３】
また、本出願人は窒化物半導体基板の上に、活性層を含む窒化物半導体レーザ素子を作製して、世界で初めて室温での連続発振１万時間以上を達成したことを発表した（ICNS'97 予稿集,October 27-31,1997,P444-446、及びJpn.J.Appl.Phys.Vol.36(1997）pp.L1568-1571、Part2,No.12A,1 December 1997）。
【０００４】
また、窒化物半導体のバンドギャップは、上記の組成式において、１．９５ｅＶ〜６．０ｅＶまであり、紫外〜赤色の発光素子の材料として従来より注目されている。近年、この窒化物半導体を用いた青色ＬＥＤ、青緑色ＬＥＤ、緑色ＬＥＤが実用化され、さらに、長波長発光のＬＥＤの研究も試みられている。これら、窒化物半導体を用いたＬＥＤの多色化は、様々な分野への応用を可能にするものであり、それを開発することは産業上重要である。また上記単色光に限らず、ブロードな波長域をもった混合色の発光装置も様々な分野への応用が期待される。なかでも特に白色の発光装置は液晶のバックライトなどに利用でき、注目されている。このような混合色の発光装置は、従来複数の発光素子を組み合わせてその混色光として得られるものである。このため、白色に代表される混合色を発する発光装置は、単色光を発する発光装置に比べて大きなものとなってしまい、近年における急激な小型化・軽量化への要求に対し、弊害となる。またこのように複数の発光素子を用いると、発光むらが発生し、発光色を制御することも容易ではない。
【０００５】
以上のように、複数の発光素子（光源）を用いるのではなく、１つの素子から複数の発光色を有する、すなわち複数のピーク波長を有する素子、１つの素子からそれによる混色光を得るものについても、様々な試みが成されている。例えば図３に示すように、発光素子の発光層が、異なる波長の光が得られるように、異なるバンドギャップエネルギーの層を複数設けて、発光素子から発光を得るものなどがある。このことは、可視域での極めて広い範囲で発光が可能な窒化物半導体を利用することで、所望の波長の光を得ようとするものである。
【０００６】
すなわち図３に示すように、積層構造１１０に、複数の波長（ピーク波長）の光を発する発光層１０４、１０５を形成することになる。具体的には、このような発光層を形成するには、ｐｎ接合部に多重量子井戸構造（障壁層１０３）などの複数の発光層（井戸層）１０４、１０５を有する活性層１１０を設けて、これら複数の発光層から異なる波長の発光を得るものとなる。しかし、このような発光層を用いるには、Ｉｎ混晶比が高いと良好な結晶成長が困難になり、電流注入による発光では、活性層の破壊が発生し易くなり、高い素子信頼性を得ることが困難になる。
【０００７】
窒化物半導体発光デバイスにはＩｎＧａＮよりなる井戸層を有する単一量子井戸構造、若しくは多重量子井戸構造の活性層を有するダブルへテロ構造が採用されている。しかし活性層を多重量子井戸構造とすると、単一量子井戸構造のものに比較して、活性層全体の膜厚が厚いため、縦方向の直列抵抗が高くなり、例えばＬＥＤ素子ではＶｆ（順方向電圧）が高くなる傾向にある。
【０００８】
Ｖｆを低下させる技術とほぼ同じ技術内容として、例えば特開平９−２９８３４１号に活性層よりも上にあるｐ側の光導波層、コンタクト層等をＩｎＡｌＧａＮ層を含む超格子層とするレーザ素子が記載されている。この技術はｐ型の窒化物半導体層をＩｎを含む窒化物半導体層を含む超格子構造とすることによって、ｐ層のキャリア濃度を増加させ、レーザ素子の閾値を低減させようとするものである。しかし、現実にはＩｎＡｌＧａＮのような４元混晶の窒化物半導体は結晶性が悪く、またＩｎを含む窒化物半導体はｐ型になりにくいため、実際に素子を作製することは難しい傾向にある。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
従って本発明は比較的実用化しやすい構成であり、高い発光信頼性を有し、複数の発光成分を有する混合色の発光素子及び装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の発光素子及び装置は、上記事情に鑑みなされたものであり、発光素子構造中に、活性層からの発光を、一部吸収して、異なる波長の励起光を発するフォトルミネセンス層を設けることで様々な混合色を発光する発光素子が得られ、さらに該発光素子からの発光の一部を吸収し、該発光素子からの光と異なる波長の光を発光する蛍光体を付与することで、さらに多彩な混合色を発光する発光装置が得られることを見いだし、本発明を完成するに至ったものである。
本発明の発光素子及び装置は、以下の構成によることを特徴とするものである。
【００１１】
（１）基板上に、ｎ型層と、Ｉｎを含む窒化物半導体層を有し可視光域の光を発する活性層と、ｐ型層と、が順に積層された構造を有する発光素子において、前記活性層からの光の一部を吸収し、該活性層からの光と異なる波長の光を発するフォトルミネセンス層が、前記ｐ型層、ｎ型層の少なくとも一方に設けられ、該フォトルミネセンス層が、Ｉｎを含む窒化物半導体からなる第１の層と、第１の層よりもバンドギャップエネルギーの大きい窒化物半導体からなる第２の層とを少なくとも有する超格子多層膜であることを特徴とする。
（２）前記フォトルミネセンス層が、窒化物半導体を有することを特徴とする。この構成により、可視光域に広域なバンドギャップエネルギーを有する窒化物半導体であることで、フォトルミネセンス層から可視光域における様々な波長の光を取り出すことが可能となり、演色性に優れる発光素子を得られる。
（３）前記フォトルミネセンス層が、前記ｐ型層に設けられると共に、ｐ型不純物を有することを特徴とする。この構成により、フォトルミネセンス層において、良好な光励起、波長変換を実現できる。
（４）前記フォトルミネセンス層が、前記ｎ型層に設けられると共に、ｎ型不純物を有することを特徴とする。この構成により、フォトルミネセンス層において、良好な光励起、波長変換を実現できる。
（５）前記活性層がＩｎを含む窒化物半導体層を有し、前記フォトルミネセンス層が、Ｉｎを含む窒化物半導体層を有すると共に、該Ｉｎを含む窒化物半導体層のＩｎ混晶比が該活性層中のＩｎを含む窒化物半導体層のＩｎ混晶比より大きいことを特徴とする。この構成により、Ｉｎを含む窒化物半導体を有する活性層を用いた発光素子において、活性層からの光を、フォトルミネセンス層中のＩｎを含む窒化物半導体でもって、異なる波長の光を取り出すことができ、発光素子から様々な可視光域の光を得ることができる。具体的には、活性層がＩｎ_aＧａ_1-aＮ（０≦ａ＜１）層を有し、フォトルミネセンス層がＩｎ_bＧａ_1-bＮ（０≦ｂ＜１）層を有する際に、ａ＜ｂを満たすように各層を設ける。
（６）前記ｎ型層がｎ型窒化物半導体層、前記ｐ型層がｐ型窒化物半導体層であって、前記活性層がＩｎ_aＧａ_1-aＮ（０≦ａ＜１）層を有し、前記フォトルミネセンス層が、第１の窒化物半導体層と、該第１の窒化物半導体層と異なる組成を有する第２の窒化物半導体層とが積層されてなるｎ側多層膜層を有することを特徴とする。
（７）前記フォトルミネセンス層を構成する第１の窒化物半導体層、又は第２の窒化物半導体層のうち少なくとも一方の層の膜厚が、１００Å以下であることを特徴とする。
（８）前記第１の層がＩｎ_ＸＧａ_１−ＸＮ（０＜Ｘ＜１）よりなり、前記第２の層がＩｎ_ＹＧａ_１−ＹＮ（０≦Ｙ＜１、Ｙ＜Ｘ）よりなることを特徴とする。
（９）本発明の発光装置は前記発光素子と、該発光素子からの光の少なくとも一部を吸収し、該発光素子からの光と異なる波長の光を発する蛍光体とを有することを特徴とする。
（１０）前記蛍光体は、Ｃｅで付活されたＹ₂Ｏ₃・５／３Ａｌ₂Ｏ₃、Ｅｕ及び／又はＣｒで付活された窒素含有ＣａＯ-Ａｌ₂Ｏ₃-ＳｉＯ₂から選ばれた少なくとも一種であることを特徴とする。
（１１）前記発光装置において、前記発光素子は、光拡散材及び前記蛍光体を含有した透光性モールド部材によって被覆されていることを特徴とする。
（１２）前記発光装置において、前記発光素子は、青色の波長域を含む単色性のピーク波長が発光可能な活性層と、緑色及び／又は黄色の波長域を含む発光が可能なフォトルミネッセンス層とを有すると共に、前記蛍光体は黄色及び／又は赤色の波長域を含む光を発することを特徴とする。
この構成により、窒化物半導体でのｐ−ｎ接合の素子構造における発光出力を向上させることができる。また、活性層よりもＩｎ混晶比の大きいフォトルミネセンス層であっても、良好な結晶性でもって窒化物半導体の積層構造体内に設けることが可能となり、長波長域での光励起を可能とする。加えて、フォトルミネセンス層をｎ側多層膜層とすることで、ｎ型層において、様々な位置にフォトルミネセンス層を設けることが可能となり、特に、活性層に近接して、設けることが可能となることから、発光出力が向上する。ｎ側多層膜層の上に、活性層を設ける場合においては、ｎ側多層膜層がＩｎを含む窒化物半導体の形成において、結晶性を良好なものとするように作用する。このことで、比較的結晶性の悪いＩｎを含む窒化物半導体を有する、活性層、及びフォトルミネセンス層の形成において、有利に働き、発光素子の特性向上に寄与する。
また本発明の発光装置は、上記発光素子に蛍光体が付与されている。蛍光体からは、窒化物半導体では発光が困難な黄色又は赤色の長波長の光を得ることができる。このため本発明の発光装置は多彩な混合色を発光することができ、特に光の三原色である赤、緑、青色成分を有する色むらの少ない白色の発光も可能となる。
（１３）量子井戸構造の活性層が、ｐ型層と、ｎ型層とに挟まれた構造を有する発光素子において、前記活性層からの光の少なくとも一部を吸収し、該活性層からの光と異なる波長の光を発するフォトルミネセンス層が、前記ｐ導電型層、ｎ導電型層の少なくとも一方に設けられ、該フォトルミネセンス層が、Ｉｎを含む窒化物半導体からなる第１の層と、第１の層よりもバンドギャップエネルギーの大きい窒化物半導体からなる第２の層とを少なくとも有する超格子多層膜であり、前記第２の層が、前記活性層の障壁層よりも膜厚が小さいことを特徴とする。この構成により、量子井戸構造の活性層内の障壁層よりも膜厚の小さい第２の層と第１の層とが交互に積層された超格子多層膜のフォトルミネセンス層を形成でき、電流が注入された場合に、ｐ−ｎ接合部である活性層、井戸層に効率的にキャリアが注入され、フォトルミネセンス層では、第１の層よりバンドギャップエネルギーが大きな第２の層が障壁層よりも薄膜で形成されることから、キャリアの活性層への注入を阻害せず、良好に発光素子の構造内にフォトルミネセンス層を設けることができる。また、この構成（１３）は、他の構成（１）〜（１２）、（１４）、（１５）と組み合わせることもできる。
（１４）量子井戸構造の活性層が、ｐ型層と、ｎ型層とに挟まれた構造を有する発光素子において、前記活性層からの光の少なくとも一部を吸収し、該活性層からの光と異なる波長の光を発するフォトルミネセンス層が、前記ｐ導電型層、ｎ導電型層の少なくとも一方に設けられ、該フォトルミネセンス層が、Ｉｎを含む窒化物半導体からなる第１の層と、第１の層よりもバンドギャップエネルギーの大きい窒化物半導体からなる第２の層とを少なくとも有する超格子多層膜であり、前記第１の層の数が、前記活性層内の井戸層の数よりも多いことを特徴とする。この構成により、活性層内の井戸層の数よりも積層数の多い第１の層を有するフォトルミネセンス層を形成することで、活性層内では発光再結合が積層数の少ない井戸層で起こり、そこから得られた発光を励起光として、積層数の多い第１の層でフォトルミネセンスを引き起こし、効率的に波長変化される発光装置が得られる。これは、井戸層の積層数を多くしても、ある一定以上では、発光出力が上がらずに、Ｖｆなどが大きくなる傾向にあるためであり、一方で超格子多層膜のフォトルミネセンス層では、主に発光の得られる第１の層の積層数が多くなることで、光変換効率を高めた構造とできる。また、この構成は、他の構成（１）〜（１３）、（１５）と組み合わせることができる。
（１５）量子井戸構造の活性層が、ｐ型層と、ｎ型層とに挟まれた構造を有する発光素子において、前記活性層からの光の少なくとも一部を吸収し、該活性層からの光と異なる波長の光を発するフォトルミネセンス層が、前記ｐ導電型層、ｎ導電型層の少なくとも一方に設けられ、該フォトルミネセンス層が、Ｉｎを含む窒化物半導体からなる第１の層と、第１の層よりもバンドギャップエネルギーの大きい窒化物半導体からなる第２の層とを少なくとも有する超格子多層膜であり、前記第１の層と第２の層とのバンドギャップエネルギー差が、前記活性層における井戸層と障壁層とのバンドギャップエネルギー差よりも大きいことを特徴とする。この構成により、活性層に比較して大きなバンドギャップエネルギー差を多層膜のフォトルミネセンス層に設けることで、所望の発光が得られるようにバンドギャップエネルギーが設けられた第１の層と、それよりもバンドギャップエネルギーの大きな第２の層との間で、バンドギャップエネルギー差を大きく設けることで、サブバンドの形成を促し、キャリアを効率的にフォトルミネセンス層を移動させることができ、活性層内への効率的なキャリアの注入を実現できる素子構造となる。また、この構成（１５）は、他の構成（１）〜（１４）と組み合わせることができる。
以下、本発明の発光素子及び装置における作用・効果について、説明する。
本発明の発光素子は、図２に示すように、ｐ−ｎ接合部を含む電流注入領域内に、電流注入により発光する層２２と、その光２０１を吸収して波長の異なる励起光２０２を得る層とが設けられたものである。このことは、従来の窒化物半導体を用いた発光素子において、その素子構造内部に、ＬＥＤ光を異なる波長の光に変換するフォトルミネセンス光を生み出す層が設けられているものである。すなわち、発光素子中のｐ−ｎ接合を構成するｐ型層、ｎ型層の少なくとも一方に、フォトルミネセンス層を有するものである。また、本発明の発光素子を異なる観点からとらえると、ｐ−ｎ接合を有する積層体の内部に、電流注入による発光の一部を吸収して、波長変換するフォトルミネセンス層を有している発光素子である。
【００１２】
本発明では、電流注入により光を発する活性層を、ｐ型層と、ｎ型層とで挟む構造を有する発光素子に、前記フォトルミネセンス層が設けられるものである。この時、フォトルミネセンス層は、ｎ型層に設けることが好ましく、なぜなら、ｐ型層に設けた場合では、ｎ型層に設ける場合に比べて、励起光が得られる効率に極めて劣ったものとなるためである。この傾向は、窒化物半導体を用いたｐ型層、ｎ型層に観られ、ｐ型層に設けられたフォトルミネセンス層では、電流注入による発光の光がほとんど励起されずに、励起光を得ることが困難となる。このため、素子から得られる光の内、フォトルミネセンス層からの光成分（光の強度が全体に占める割合）は、僅かなものとなり、所望の発光色の光を得ることが困難な素子となる。
【００１３】
本発明における前記ｐ型層、ｎ型層にフォトルミネセンス層を設けることの違いは、電流注入により発光する発光素子構造内に、波長変換するフォトルミネセンス層が設けられているためであると考えられる。すなわち、発光素子の発光効率を最大限のものとし、その上で、フォトルミネセンス層における光の波長変換を効率的に実現しうる素子となるように、発光素子構造内部にフォトルミネセンス層を設けることが要求されるからである。
【００１４】
また、本発明のフォトルミネセンス層としては、活性層もしくはそれを構成し電流注入により発光する層のバンドギャップエネルギーが、フォトルミネセンス層のバンドギャップエネルギーより大きくすることで、好ましい光の励起が実現される。具体的には、活性層がＩｎ_aＧａ_1-aＮ（０≦ａ＜１）層を有し、前記フォトルミネセンス層が、Ｉｎ_bＧａ_1-bＮ（０≦ｂ＜１）層である場合に、ｂ＞ａとすることである。本発明のフォトルミネセンス層の組成としては、特に限定されないが、Ｉｎ_XＡｌ_YＧａ_1-X-YＮ（０≦X、０≦Y、X＋Y≦１）で表される組成で、活性層もこの組成式で表されるものとすることで、可視光域において、様々な発光色の発光素子が得られる。また、別の具体例を挙げると、活性層から青色の波長の光、フォトルミネセンス層でその光から青色と補色の関係にある黄色の波長の光、がそれぞれ得られるように、上記Ｉｎを含む窒化物半導体の混晶比を決定することで、白色の発光素子が得られる。
それに加えて、窒化物半導体を用いた発光素子では、可視光域において、青色系（純青色を含む）、緑色系（純緑色を含む）の光は、高輝度の発光素子が得られているため、フォトルミネセンス層で、それよりも長波長の光、例えば赤色系の光、が得られるような上記窒化物半導体のＩｎ混晶比とすることで、可視光域において、演色性に優れる発光素子が得られる。これは、上述した発光素子とフォトルミネセンス層における発光効率、波長変換効率（光励起効率）との関係を考慮したものであり、発光素子として発光効率の良好な波長領域の光を、活性層から取り出し、フォトルミネセンス層において、その光を、それよりも長波長の光として取り出すことにある。従って、窒化物半導体を用いた発光素子において、様々な発光色の光を、効率よく得ることが可能である。
【００１５】
本発明において、フォトルミネセンス層には、不純物が含まれることが、光の励起において重要なものとなる。これは、不純物が含まれないと、フォトルミネセンス層における光の励起がほとんど発生しなくなり、従来のフォトルミネセンス層を有していない窒化物半導体のＬＥＤに比べて、その光の変化が僅かなものにとどまる。このため、従来のＬＥＤとほとんど変化のない発光色の発光素子では、従来以上の応用を期待することは難しい。このため、本発明におけるフォトルミネセンス層には、不純物をドープすることが好ましく、その含有量として具体的には、１×１０¹⁶〜１×１０²²／cm³の範囲である。この時、不純物量を多くすることで、光の変換効率が良好になる傾向がみられる。
【００１６】
ここで、フォトルミネセンス層に用いるｎ型不純物としては、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｓ等のIV族、VI族元素を好ましく選択し、さらに好ましくはＳｉ、Ｓｎを用いる。また、これらｎ型不純物に、Ｚｎを加えても良い。この時、これらｎ型不純物に加えて、Ｚｎを添加すると、フォトルミネセンス層のバンドギャップエネルギーの光とは別に、それより長い波長の光、すなわち長波長にシフトした光も取り出すことが可能となり、フォトルミネセンス層から得られる光の波長域が広がり、結果として素子から得られる光についても様々な光が取り出せることとなり、その応用において、有利に働くものとなる。これは、ｎ型不純物に加えて、Ｚｎを含有することで、深い準位が形成され、このことでフォトルミネセンス層のバンドギャップエネルギーからの光と異なり、その光よりも波長の長い光を得ることができるものと考えられる。このｎ型不純物を含むフォトルミネセンス層は、発光素子のｐ−ｎ接合の積層体において、ｎ型層内に、設けることで、フォトルミネセンス層からの発光が得られる素子となる。
【００１７】
また、フォトルミネセンス層に用いるｐ型不純物としては、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｃａ、Ｂｅ等の周期律表第IIＡ族、IIＢ族元素を選択し、好ましくはＭｇ、Ｃａ等をｐ型不純物とする。このｐ型不純物を含むフォトルミネセンス層は、発光素子のｐ−ｎ接合の積層体において、ｐ型層内に、設けることで、フォトルミネセンス層からの発光が得られる素子となる。
以上のように、本発明の発光素子では、フォトルミネセンス層に各導電型の不純物をドープすることで、良好な光励起、波長変換効率を得ることができ、また後述するように、フォトルミネセンス層が多層膜層である場合には、多層膜中に含まれ、主に光励起、波長変換を担う層に少なくともドープすることである。この時、上記光励起、波長変換を主に担う層が複数形成されている場合には、それぞれをほぼ同様なドープ量としてもよく、各層ごとにドープ量を変化させても良い。具体的には、第１の窒化物半導体層にｎ型不純物がドープし、第２の窒化物半導体層をアンドープとするような変調ドープと呼ばれるもので、変調ドープすることにより、活性層からの発光出力が向上しやすい傾向にある。
【００１８】
また、本発明のフォトルミネセンス層をｎ型層に設ける場合において、特に位置は限定されるものではない。具体的には、ｎ型窒化物半導体のクラッド層、ｎ型窒化物半導体のコンタクト層、の内部、もしくはフォトルミネセンス層がそれらクラッド層、コンタクト層として機能するようにしたものでも良い。好ましくは、後述する第２多層膜層をフォトルミネセンス層とするように、活性層に近いことであり、接して設けられていても良い。クラッド層、コンタクト層として、機能するフォトルミネセンス層としては、多層膜で構成し、その多層膜の少なくとも１層をフォトルミネセンス層とし、別の少なくとも１層を、発光層からの光で励起光を発しない層を設けることで、実現しうる。
【００１９】
加えて、半導体層の積層方向において、特に活性層から離れた位置にフォトルミネセンス層を設ける場合に、図１で示すようなコンタクト層に設けると、電流注入による発光の位置からフォトルミネセンス層に至るまでに、各層の界面を伝播することとなるため、その界面での光の反射などによる損失を考慮しなければならない。これは、電流注入による発光の位置、活性層、からフォトルミネセンス層に、光が到達するまでに、それらの間に介在する各層の屈折率差により、光の反射などが少なからず起こり、フォトルミネセンス層に到達する光の量が減少することにある。結果として、活性層とフォトルミネセンス層との間に、その他の層が設けられていると、得られる発光素子の発光効率の低下に、重要な要因となる。
【００２０】
例えば、窒化物半導体を用いた素子である実施例１において、ｎ側コンタクト層に設ける場合、さらに基板に近い位置のｎ側コンタクト層の下側、すなわち電流注入領域であるｐ−ｎ接合の外側に設ける場合、とを比べると、ｎ側コンタクト層の下側に設けたフォトルミネセンス層では、活性層からの光がその途中でほとんど反射され、フォトルミネセンス層にまで伝播しない傾向にある。これは、屈折率の高いｎ側コンタクト層側に活性層からの光が集まるためであり、可視光域のバンドギャップエネルギーを有するＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮなどを用いたフォトルミネセンス層では、従来結晶性の良いことからコンタクト層として多用されているＧａＮのコンタクト層に光が集まることとなるからである。また、図２に示すように、基板２０に対し同一面側に、電極を設けるような構造では、光が面内方向（ｐ−ｎ接合面に平行な方向）を光伝播の容易方向となり、例えば、実施例１において、ｎ側コンタクト層と基板との間にフォトルミネセンス層を設けた場合には、フォトルミネセンス層に到達する光は大きな損失を伴うこととなる。
本発明では、光電変換部であるｐ−ｎ接合構造内部に、光変換部であるフォトルミネセンス層を設けてあることで、上述のような光の損失を低く抑え、好ましくは活性層に隣接することで、最小限に抑えることができる。
【００２１】
以上説明したように、本発明において、ｐ―ｎ接合領域内におけるフォトルミネセンス層の位置が、得られる素子の発光色に大きく影響を及ぼすことになるため、これを十分に考慮して配置することが重要である。実際に、フォトルミネセンス層からの光を調整するためには、フォトルミネセンス層の膜厚、不純物の含有量を変化させることでもって、調整する。このとき、層の膜厚を考慮するに際し、後述するｎ側多層膜のように、フォトルミネセンス層が多層膜構造であって、それを構成する層の全てが、光変換として機能しない場合には、光変換として機能する層の総膜厚を考慮する。この時、フォトルミネセンス層の膜厚としては、１００Å以上とすることで、発光色を変化させた発光素子が得られる。
【００２２】
本発明のフォトルミネセンス層を多層膜層として、形成してもよい。この時、具体的には、多層膜として、Ｉｎを含む窒化物半導体層を活性層からの光を励起する層と、それとは別の層とを有するものとし、多層膜を構成する少なくとも一層が波長の異なる光を発する層として機能する。このような多層膜からなるフォトルミネセンス層は、活性層を挟むｐ型層、ｎ型層のどちらにも用いることができる。好ましくは、以下の第１の窒化物半導体層、第２の窒化物半導体層を有するｎ側多層膜層とすることで、電流注入による発光に好適に作用し、活性層からの良好な発光が得られると共に、その光がフォトルミネセンス層に効率的に到達して、得られる励起光の強度も向上する。
【００２３】
本発明の発光素子において、ｎ型層に設けられるｎ側多層膜層（フォトルミネセンス層）としては、Ｉｎを含む第１の窒化物半導体層と、その第１の窒化物半導体層と異なる組成を有する第２の窒化物半導体層とが積層されたｎ側多層膜層を有するものである。この時、前記第１の窒化物半導体層、または前記第２の窒化物半導体層の内の少なくとも一方の膜厚が１００Å以下であると好ましい。好ましくは第１の窒化物半導体層および第２の窒化物半導体層の両方を１００Å以下、さらに好ましくは７０Å以下、最も好ましくは５０Å以下にする。このように膜厚を薄くすることにより、多層膜層が超格子構造となって、多層膜層の結晶性が良くなるので、出力が向上する傾向にある。なお、活性層は少なくともＩｎを含む窒化物半導体、好ましくはＩｎＧａＮよりなる井戸層を有する単一量子井戸構造、若しくは多重量子井戸構造とすることが望ましい。この時、第１の窒化物半導体層は、主にフォトルミネセンス層としての機能である光励起、波長変換を担い、このため上述したｎ型不純物のドープは、少なくともこの第１の窒化物半導体層に対してなされている。第１の窒化物半導体層はＩｎ_XＧａ_1-XＮ（０＜X＜１）とし、第２の窒化物半導体層はＩｎ_YＧａ_1-YＮ（０≦Y＜１、Y＜X）、好ましくはＧａＮとすることが最も好ましい。
【００２４】
さらに、このｎ側多層膜層は、前記第１の窒化物半導体層または前記第２の窒化物半導体層の内の少なくとも一方の膜厚が、近接する第１の窒化物半導体層または第２の窒化物半導体層同士で互いに異なることを特徴とする。即ち、第１の窒化物半導体層または第２の窒化物半導体層を複数層積層した多層膜層を形成した場合に、第２の窒化物半導体層（第１の窒化物半導体層）を挟んだ第１の窒化物半導体層（第２の窒化物半導体層）の膜厚が互いに異なることを意味する。
【００２５】
ｎ側多層膜層は活性層と離間して形成されていても良いが、最も好ましくは活性層に接して形成されているようにする。活性層に接して形成する方がより活性層からの発光出力が向上しやすい傾向にある。
【００２６】
また、本発明の第２の窒化物半導体層がアンドープであることが好ましい。アンドープとは意図的に不純物をドープしない状態を指し、例えば隣接する窒化物半導体層から拡散により混入される不純物も本発明ではアンドープという。なお拡散により混入される不純物は層内において不純物濃度に勾配がついていることが多い。
【００２７】
さらに本発明の好ましい態様として、前記ｐ側の窒化物半導体層には、Ａｌを含む第３の窒化物半導体層と、第３の窒化物半導体と異なる組成を有する第４の窒化物半導体層とが積層されてなるｐ側多層膜層を有し、前記第３の窒化物半導体層、または前記第４の窒化物半導体の層の内の少なくとも一方の膜厚が１００Å以下であることを特徴とする。好ましくは第３の窒化物半導体層、および第４の窒化物半導体層の両方を１００Å以下、さらに好ましくは７０Å以下、最も好ましくは５０Å以下にする。このように膜厚を薄くすることにより、多層膜層が超格子構造となって、多層膜層の結晶性が良くなるので、活性層からの発光出力が向上する傾向にある。
【００２８】
第３の窒化物半導体層はＡｌ_aＧａ_1-aＮ（０＜ａ≦１）とし、前記第４の窒化物半導体層はＩｎ_bＧａ_1-bＮ（０≦b＜１、b＜a）、好ましくはＧａＮとする。
【００２９】
さらに好ましくは、前記第３の窒化物半導体層、または前記第４の窒化物半導体層の内の少なくとも一方の膜厚が、近接する第３の窒化物半導体層または第４の窒化物半導体層同士で互いに異なることを特徴とする。即ち、第３の窒化物半導体層または第２の窒化物半導体層を複数層積層した多層膜層を形成した場合に、第３の窒化物半導体層（第４の窒化物半導体層）を挟んだ第４の窒化物半導体層（第３の窒化物半導体層）の膜厚が互いに異なることを意味する。
【００３０】
さらにまた、前記第３の窒化物半導体層、または前記第４の窒化物半導体層の内の少なくとも一方のIII族元素の組成が、近接する第３の窒化物半導体層または第４の窒化物半導体層の同一III族元素の組成同士で互いに異なることを特徴とする。即ち、第３の窒化物半導体層または第４の窒化物半導体層を複数層積層した多層膜層を形成した場合に、第３の窒化物半導体層（第４の窒化物半導体層）を挟んだ第４の窒化物半導体層（第３の窒化物半導体層）のIII族元素の組成比が互いに異なることを意味する。
【００３１】
ｐ側多層膜層は、ｎ側多層膜層と同じく活性層と離間して形成されていても良いが、最も好ましくは活性層に接して形成されているようにする。活性層に接して形成する方がより出力が向上しやすい傾向にある。
【００３２】
また、本発明の第３の窒化物半導体層および第４の窒化物半導体層がアンドープであることを特徴とする。ｐ側の多層膜層をアンドープとする場合、その膜厚は０．１μｍ以下にすることが望ましい。０．１μｍよりも厚いと、活性層に正孔が注入されにくくなって、出力が低下しやすい傾向にある。なお、アンドープの定義についてはｎ側多層膜層と同じであるので省略する。
【００３３】
さらに第３の窒化物半導体層または第４の窒化物半導体層のいずれか一方に、ｐ型不純物がドープされていてもよい。変調ドープすることにより、出力が向上しやすい傾向にある。なおｐ型不純物としては、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｃｄ、Ｂｅ、Ｃａ等のII族元素を好ましく選択し、好ましくは、Ｍｇ、Ｂｅを用いる。
【００３４】
また第３の窒化物半導体層および第４の窒化物半導体層の両方にｐ型不純物がドープされていてもよい。ｐ型不純物をドープする場合、不純物濃度は１×１０²²／cm³以下、好ましくは５×１０²⁰／cm³以下に調整する。１×１０²²／cm³よりも多いと窒化物半導体層の結晶性が悪くなって、出力が低下する傾向にある。これは変調ドープの場合も同様である。
【００３５】
本発明の発光装置は、図２に示すように本発明の発光素子に蛍光体を付与したものである。この蛍光体は該発光素子からの光によって励起され、該発光素子からの光と異なる波長の光を発するものである。すなわち蛍光体の励起波長において青色光付近にピークがあり、発光波長において赤色、黄色付近にピークがあることが好ましく、特に蛍光体としてはＣｅで付活された（Ｙ₂Ｏ₃・５／３Ａｌ₂Ｏ₃）ＹＡＧ、Ｅｕ及び／又はＣｒで付活された窒素含有ＣａＯ-Ａｌ₂Ｏ₃-ＳｉＯ₂より選ばれた一種であることが好ましい。
また本発明の発光装置は、図２に示すように蛍光体を含有する透光性モールド部材が、発光素子表面を被覆する構造をとることが好ましい。これにより蛍光体は発光素子からの光の一部を効率よく吸収し、より長波長の光を発光することができ、かつ色むらの少ない混合色を得ることができる。
【００３６】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の一実施例に係るＬＥＤ素子の構造を示す模式的な断面図である。このＬＥＤ素子はサファイア基板１の上に、ＧａＮよりなる第１のバッファ層２、アンドープＧａＮよりなる第２のバッファ層３、ＳｉドープＧａＮよりなるｎ側コンタクト層４、アンドープＧａＮ層よりなる第３のバッファ層５、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ超格子構造よりなるｎ側多層膜層６、ＩｎＧａＮ／ＧａＮよりなる多重量子井戸構造の活性層７、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子構造よりなるｐ側多層膜層８、ＭｇドープＧａＮよりなるｐ側コンタクト層９が順に積層された構造を有する。
【００３７】
本発明の窒化物半導体を用いた発光素子では、図１に示すように、活性層７を挟んで下部にあるｎ側窒化物半導体層に、Ｉｎを含む第１の窒化物半導体層と、その第１の窒化物半導体層と異なる組成を有する第２の窒化物半導体層とが積層されたｎ側多層膜層６を有している。ｎ側多層膜層において、第１の窒化物半導体層、第２の窒化物半導体層はそれぞれ少なくとも一層以上形成し、合計で３層以上、さらに好ましくはそれぞれ少なくとも２層以上積層し、合計で４層以上積層することが望ましい。ｎ側多層膜層が活性層に接して形成されている場合、活性層の最初の層（井戸層、若しくは障壁層）と接する多層膜層は第１の窒化物半導体層でも、第２の窒化物半導体層いずれでも良く、ｎ側多層膜層の積層順序は特に問うものではない。なお、図１ではｎ側多層膜層６が、活性層７に接して形成されているが、この多層膜層と活性層との間に、他のｎ型窒化物半導体よりなる層を有していても良い。このｎ側多層膜層を構成する第１の窒化物半導体層または第２の窒化物半導体層の少なくとも一方の膜厚を１００Å以下、好ましくは７０Å以下、最も好ましくは５０Å以下とすることにより、薄膜層が弾性臨界膜厚以下となって結晶が良くなり、その上に積層する第１、若しくは第２の窒化物半導体層の結晶性が良くなり、多層膜層全体の結晶性が良くなるため、素子の出力が向上する。
【００３８】
第１の窒化物半導体層はＩｎを含む窒化物半導体、好ましくは３元混晶のＩｎ_ＸＧａ_１−ＸＮ（０＜X＜１）とし、好ましくは、ｎ型不純物をドープすることである。一方、第２の窒化物半導体層は第１の窒化物半導体層と組成が異なる窒化物半導体であれば良く、特に限定しないが、結晶性の良い第２の窒化物半導体を成長させるためには、第１の窒化物半導体よりもバンドギャップエネルギーが大きい２元混晶あるいは３元混晶の窒化物半導体を成長させ、その中でもＧａＮとすると、全体に結晶性の良い多層膜層が成長できる。従って最も好ましい組み合わせとしては、第１の窒化物半導体層でｎ型不純物ドープのＩｎ_XＧａ_1-XＮであり、第２の窒化物半導体層がＧａＮとの組み合わせである。
【００３９】
好ましい態様として、第１および第２の窒化物半導体層の膜厚を１００Å以下、好ましくは７０Å以下、最も好ましくは５０Å以下にする。単一窒化物半導体層の膜厚を１００Å以下とすることにより、窒化物半導体単一層の弾性臨界膜厚以下となり、厚膜で成長させる場合に比較して結晶性の良い窒化物半導体が成長できる。また、両方を７０Å以下にすることによって、多層膜層が超格子構造となり、この結晶性の良い超格子構造の上に活性層を成長させると、多層膜層がバッファ層のような作用をして、活性層が結晶性よく成長できる。
【００４０】
さらにまた、第１、または前記第２の窒化物半導体層の内の少なくとも一方の膜厚を、近接する第１、または第２の窒化物半導体層同士で互いに異なるようにすることも好ましい。例えば第１の窒化物半導体層をＩｎＧａＮとし、第２の窒化物半導体層をＧａＮとした場合、ＧａＮ層とＧａＮ層との間のＩｎＧａＮ層の膜厚を、活性層に接近するに従って次第に厚くしたり、また薄くしたりすることにより、多層膜層内部において屈折率が変化するため、実質的に屈折率が次第に変化する層を形成することができる。即ち、実質的に組成傾斜した窒化物半導体層を形成するのと同じ効果が得られる。
【００４１】
また、第１、または前記第２の窒化物半導体層の内の少なくとも一方のIII族元素の組成を、近接する第１または第２の窒化物半導体層の同一III族元素の組成同士で互いに異なるようにすることも望ましい。例えば、第１の窒化物半導体層をＩｎＧａＮとし、第２の窒化物半導体層をＧａＮとした場合、ＧａＮ層とＧａＮ層との間のＩｎＧａＮ層のＩｎ組成を活性層に接近するに従って次第に多くしたり、また少なくしたりすることにより、前述の態様と同じく、多層膜層内部において屈折率を変化させて、実質的に組成傾斜した窒化物半導体層を形成することができる。なおＩｎ組成が減少するに従い、屈折率は小さくなる傾向にある。
【００４２】
第１および第２の窒化物半導体層は両方ともアンドープでも良いし、両方にｎ型不純物がドープされていても良いし、またいずれか一方に不純物がドープされていてもよい。結晶性を良くするためには、アンドープが最も好ましく、次に変調ドープ、その次に両方ドープの順である。なお両方にｎ型不純物をドープする場合、第１の窒化物半導体層のｎ型不純物濃度と、第２の窒化物半導体層のｎ型不純物濃度は異なっていても良い。
【００４３】
さらに本発明の態様では、ｐ側窒化物半導体層側に、図１に示すように、活性層７を挟んで上部にあるｐ側窒化物半導体層に、Ａｌを含む第３の窒化物半導体層と、その第３の窒化物半導体層と異なる組成を有する第４の窒化物半導体層とが積層されたｐ側多層膜層８を有している。ｐ側多層膜層８において、ｎ側の多層膜層６と同様に第３の窒化物半導体層、第４の窒化物半導体層それぞれ少なくとも一層以上形成し、合計で３層以上、さらに好ましくはそれぞれ少なくとも２層以上積層し、合計で４層以上積層することが望ましい。さらに、ｐ側にも多層膜層を設ける場合、ｎ側の多層膜層よりも膜厚を薄くする方が、素子のＶｆ、閾値が低下しやすくなる傾向にある。ｐ側多層膜層が活性層に接して形成されている場合、活性層の最終層（井戸層、若しくは障壁層）と接するｐ側多層膜層は第３の窒化物半導体層でも、第４の窒化物半導体層いずれでも良い。なお、図１ではｐ側多層膜層８が、活性層７に接して形成されているが、この多層膜層８と活性層７との間に、他の窒化物半導体よりなる層を有していても良い。
【００４４】
さらにまた、第３、または第４の窒化物半導体層の内の少なくとも一方の膜厚を、近接する第３、または第４の窒化物半導体層同士で互いに異なるようにすることも好ましい。例えば第３の窒化物半導体層をＡｌＧａＮとし、第４の窒化物半導体層をＧａＮとした場合、ＧａＮ層とＧａＮ層との間のＡｌＧａＮ層の膜厚を、活性層に接近するに従って次第に厚くしたり、また薄くしたりすることにより、多層膜層内部において屈折率を変化させることができるため、実質的に屈折率が次第に変化する層を形成することができる。即ち、実質的に組成傾斜した窒化物半導体層を形成するのと同じ効果が得られる。
【００４５】
また、第３、または第４の窒化物半導体層の内の少なくとも一方のIII族元素の組成を、近接する第３、または第４の窒化物半導体層の同一III族元素の組成同士で互いに異なるようにすることも望ましい。例えば、第１の窒化物半導体層をＡｌＧａＮとし、第２の窒化物半導体層をＧａＮとした場合、ＧａＮ層とＧａＮ層との間のＡｌＧａＮ層のＡｌ組成を活性層に接近するに従って次第に多くしたり、また少なくしたりすることにより、前述の態様と同じく、多層膜層内部において屈折率を変化させて、実質的に組成傾斜した窒化物半導体層を形成することができる。なおＡｌ組成が増加するに従い、屈折率は小さくなる。従って目的に応じて、これら組成傾斜した層をｐ層側に配することができる。
【００４６】
第３の窒化物半導体層はＡｌを含む窒化物半導体、好ましくは３元混晶のＡｌ_aＧａ_1-aＮ（０＜X＜１）とし、最も好ましくはａ値が０．５以下のＡｌ_aＧａ_1-aＮとする。０．５を超えると結晶性が悪くなってクラックが入りやすい傾向にある。一方、第４の窒化物半導体層は第３の窒化物半導体層と組成が異なる窒化物半導体であれば良く、特に限定しないが、結晶性の良い第４の窒化物半導体を成長させるためには、第１の窒化物半導体よりもバンドギャップエネルギーが小さい２元混晶あるいは３元混晶の窒化物半導体を成長させ、その中でもＧａＮとすると、全体に結晶性の良い多層膜層が成長できる。従って最も好ましい組み合わせとしては、第３の窒化物半導体層がａ値が０．５以下のＡｌ_aＧａ_1-aＮであり、第４の窒化物半導体層がＧａＮとの組み合わせである。
【００４７】
さらに、第３の窒化物半導体層の膜厚を１００Å以下、好ましくは７０Å以下、最も好ましくは５０Å以下にする。同様に第４の窒化物半導体層の膜厚も１００Å以下、好ましくは７０Å以下、最も好ましくは５０Å以下とする。このように単一窒化物半導体層の膜厚を１００Å以下とすることにより、窒化物半導体の弾性臨界膜厚以下となり、厚膜で成長させる場合に比較して結晶性の良い窒化物半導体が成長でき、また窒化物半導体層の結晶性が良くなるので、ｐ型不純物を添加した場合にキャリア濃度が大きく抵抗率の小さいｐ層が得られ、素子のＶｆ、閾値等が低下しやすい傾向にある。
【００４８】
第３の窒化物半導体層および第４の窒化物半導体層は両方ともアンドープでも良いし、両方にｐ型不純物がドープされていても良いし、またいずれか一方にｐ型不純物がドープされていてもよい。キャリア濃度の高いｐ層を得るには、変調ドープが最も好ましい。なお、先にも述べたようにアンドープとした場合にはその膜厚は０．１μｍ以下、好ましくは７００Å以下、さらに好ましくは５００Å以下にする。０．１μｍを超えると、アンドープ層の抵抗値が高くなる傾向にあるからである。両方にｐ型不純物をドープする場合、第３の窒化物半導体層のｐ型不純物濃度と、第４の窒化物半導体層のｐ型不純物濃度は異なっていても良い。
【００４９】
次に本発明の発光装置には、発光素子から放出された光によって励起され、それよりも長波長の黄色や赤色系が発光可能な蛍光体を付与する。蛍光体には無機蛍光体と有機蛍光体がある。有機蛍光体は励起波長と発光波長とを比較的近づけることができ、且つ効率よく発光させることができる。したがって有機蛍光体は、青色より長波長の緑色の光を吸収して、より長波長の黄色や赤色光を発光させることもできる。これによって色味を調整させやすくすることもできる。また無機蛍光体は、発光素子に近接して設けても長時間にわたって信頼性よく発光できる特徴をもつ。
このような蛍光体として、具体的にはＣｅで付活されたＹ₂Ｏ₃・５／３Ａｌ₂Ｏ₃、Ｅｕ及び／又はＣｒで付活された窒素含有ＣａＯ−Ａｌ₂Ｏ₃−ＳｉＯ_２が挙げられる。他にもＭｇ₅Ｌｉ₆Ｓｂ₂Ｏ₁₃：Ｍｎ、Ｍｇ₂ＴｉＯ₄：Ｍｎ、Ｙ₂Ｏ₃：Ｅｕ、Ｙ₂Ｏ₂Ｓ：Ｅｕ、３．５ＭｇＯ・ＭｇＦ₂・ＧｅＯ₂：Ｍｎやペリレン系誘導体などを好適に挙げることができる。
【００５０】
例えばＥｕ及び／又はＣｒで付活された窒素含有ＣａＯ−Ａｌ₂Ｏ₃−ＳｉＯ_２蛍光体はＣａ−Ａｌ−Ｓｉ−Ｏ−Ｎ系オキシナイトライド蛍光硝子とも呼ばれる。以下に作製例を示す。酸化アルミニウム、酸化イットリウム、窒化珪素及び酸化カルシウムなどの原料に希土類元素を含む原料を所定比に混合した粉末を窒素雰囲気下において１３００℃以上、１９００℃以下、より好ましくは１５００℃以上、１７５０℃以下の温度にて溶融する。そして得られた焼成品をボールミルなどにより粉砕し、洗浄、分離、乾燥を行い、最後に篩を通す。このようにして作製された蛍光体は約４５０ｎｍの青色光により励起され、赤色の光を発光する。
なおこのＥｕ及び／又はＣｒで付活された窒素含有ＣａＯ−Ａｌ₂Ｏ₃−ＳｉＯ_２蛍光体は、窒素含有量を増減することによって発光スペクトルのピ−クを５７５ｎｍから６９０ｎｍに連続的にシフトすることができる。同様に励起スペクトルも連続的にシフトさせることができる。このため本発明の発光装置において、活性層及びフォトルミネッセンス層から混合色の発光が可能である発光素子と組み合わせることで、色の三原色である赤色、緑色、青色光を含んだ極めて演色性に優れた白色光を得ることができる。
【００５１】
また本発明の発光装置に適した蛍光体としてＹ₂Ｏ₂Ｓ：Ｅｕも挙げられる。Ｙ₂Ｏ₃とＥｕ₂Ｏ₃を塩酸で溶解後、しゅう酸塩として共沈させる。この沈殿物を空気中で８００℃以上、１０００℃以下の温度にて焼成し、酸化物とする。さらに硫黄と炭酸ソーダ及びフラックスを混合しアルミナの坩堝に入れ１０００℃以上、１２００℃以下の温度にて空気中で２時間から３時間焼成して焼成品を得る。焼成品を粉砕、洗浄、分離乾燥して最後に篩に通すことでＹ₂Ｏ₂Ｓ：Ｅｕの蛍光体を得る。この蛍光体は、発光素子からの青色光を効率よく吸収して赤色系の光を発光することができる。蛍光体は１種類でもよいし、２種類以上を混合させて用いることもできる。
【００５２】
このようにして得られた蛍光体は、エポキシ樹脂やシリコーン樹脂或いは低融点硝子などのバインダーと混合し樹脂スラリーとする。上述した青色及び緑色がそれぞれ発光可能な活性層及びフォトルミネッセンス層を有する発光素子に、蛍光体含有の樹脂スラリーを塗布、硬化させて発光装置を形成する。この蛍光体含有の樹脂スラリーはダイボンド樹脂として併用することもできる。より具体的には、まず回路基板上に発光素子を配置させて金線などの導電性ワイヤーやＡｇペーストなどの導電性ペーストを利用して電気的に接続させる。次にこの蛍光体含有の樹脂スラリーを塗布、注入、または印刷などの方法によって発光素子に被覆させたり、または蛍光体含有物質を張り合わせたりすることによって、発光素子に蛍光体を付与することができる。発光素子からの光を吸収してより長波長の光を発光することができる限り、発光素子上に被覆するものだけでなく、近接配置させるだけのものでも良い。
【００５３】
こうして形成された発光装置の電極に外部から電流を流すと約４６０ｎｍにピークがある単色性の発光と、約５００ｎｍから６００ｎｍに波長があるブロードな励起光を発光素子が発光する。そして、蛍光体からは発光素子からの光によって励起され、それよりも長波長の赤色系が主として発光することができる。そのため発光素子上に１種類の蛍光体を塗布等する極めて簡単な構成、且つ簡便な方法でＲＧＢの発光色をもち色むらの少ない白色光を発光させることができる。
なお、色むらや色ズレなどを抑制できる限り、上記蛍光体に加えて種々の蛍光体や発光素子を利用できることもいうまでもない。
【００５４】
【他の実施形態】
本発明の発光装置において、上述した発光装置に組み合わせて適応できる変形例として、以下に示す形態を用いることができる。
この実施形態において、活性層は、障壁層と井戸層とを有する量子井戸構造を有し、フォトルミネセンス層が、Ｉｎを含む窒化物半導体からなる第１の層と、第１の層よりもバンドギャップエネルギーの大きい窒化物半導体からなる第２の層とを少なくとも有する超格子多層膜で形成され、具体的には上記ｎ側多層膜層、ｐ側多層膜層をフォトルミネセンス層とできる。また、図６は、この実施形態について説明するバンド構造を示す模式図であり、ｎ型層３０５、ｐ型層３０８に挟まれた活性層３０７を有する構造で、フォトルミネセンス層３０６が設けられ、このフォトルミネセンス層には第１の層４０１とそれよりもバンドギャップエネルギーの大きな第２の層４０２を有し、活性層には井戸層４０３とそれよりバンドギャップエネルギーの大きな障壁層４０４が設けられている。
【００５５】
先ず、第１の実施形成としては、第１の層よりバンドギャップエネルギーの大きな第２の層の膜厚を、活性層内の障壁層の膜厚よりも小さくする。これは、活性層内において、障壁層は、井戸層内へキャリアを閉込める働きを担い、一方、素子構造内に設けられたフォトルミネセンス層は、障壁となる第２の層を活性層の障壁層と同様な膜厚で形成すると、第１の層にキャリアが閉じ込められ、フォトルミネセンス層内で、注入されたキャリアの発光再結合が起こり、光励起によるフォトルミネセンスを阻害する。しかしながら、第２の層の膜厚を障壁層よりも小さくすることで、活性層内では、膜厚の大きな障壁層により効率的に井戸層内にキャリアを閉じ込める障壁として機能させ光電変換を実施させ、フォトルミネセンス層内の第２の層は、障壁層よりも膜厚が小さくされることで、キャリアを積極的にトンネルさせて、フォトルミネセンス層内で効率的なキャリアの移動を実現させることができる。ここで、障壁層の膜厚としては、図６に示すように、井戸層４０３（多重量子井戸構造）との間に挟まれた障壁層４０４の膜厚であり、井戸層間に複数の障壁層を有する場合には、それらの膜厚の総和となり、単一量子井戸構造の場合に井戸層と、活性層と隣接層との界面、との間に、複数の障壁層を有する場合にも同様に、その複数の障壁層の膜厚の総和となる。また、フォトルミネセンス層についても同様で、図６に示すように、第１の層４０１と第２の層４０２とが交互に積層された構造においては、第１の層に対して障壁となる第２の層の膜厚であり、これら第１の層、第２の層と異なるバンドギャップエネルギーの層を有する別の層（複数の層）が設けられて、周期的に積層される構造の場合には、最もバンドギャップエネルギーの小さい第１の層とそれよりもバンドギャップエネルギーの大きな層が積層された構造において、第１の層と第１の層との間に挟まれる各層の膜厚の総和となる。
【００５６】
また、別の実施形態として、超格子多層膜構造のフォトルミネセンス層においてバンドギャップエネルギーの小さい第１の層の積層数を、活性層内の井戸層の積層数より多くすることにある。図６に示すように、光の励起により異なる波長の発光がある第１の層の積層数を多くすることで、超格子多層膜構造内を通る活性層からの発光を効率的に光変換させることができる。一方で、活性層内の井戸層は、注入された電子とホールの再結合により、発光させるが、活性層内においてもその光を吸収して電子を励起する形態が存在し、井戸層の積層数を多くすると光励起される確率も高まり、発光効率の低下を招くこととなる。この実施形態では、井戸層の数をフォトルミネセンス層内の第１の層の数より、少なくすることで、フォトルミネセンス層において主に光励起を発生させ、活性層の井戸層において光電変換を実施する機能分離された素子構造とできる。この時、井戸層の積層数としては、組成、膜厚などにも依存するが、２０以下とすることで、良好な発光効率が得られる傾向にある。
【００５７】
また、別の実施形態としては、第１の層と第２の層とのバンドギャップエネルギー差が、前記活性層における井戸層と障壁層とのバンドギャップエネルギー差よりも大きいことを特徴とする。これは、図６に示すように、超格子多層膜のフォトルミネセンス層において、第１の層と第２の層とのバンドギャップエネルギー差を大きくすることで、サブバンドの形成を促し、フォトルミネセンス層内を効率的にキャリアの移動が実現され、井戸層内にキャリアを効率的に注入させることができる。フォトルミネセンス層のバンドギャップエネルギー差が大きいことで、キャリアの活性層への注入を促す一方で、大きなバンドギャップエネルギー差により、いくらかのキャリアがフォトルミネセンス層内にとどまる構造とでき、そのことにより、光の励起を促すことができる。
【００５８】
以上、他の実施形態において、これらの実施形態を組み合わせて用いることが可能であり、上述したフォトルミネセンス層、ｎ側多層膜層、ｐ側多層膜層を組み合わせて用いることができる。また、フォトルミネセンス層の超格子多層膜構造としては、第１の層がＩｎを含む窒化物半導体からなり、第２の層が第１の層よりもバンドギャップエネルギーの大きな窒化物半導体を有するものであり、第１の層、第２の層を交互に積層した構造として、超格子多層膜構造とする。この時、第１の層、第２の層とは異なる層を設けて、周期的に積層した超格子多層膜構造としても良い。第１の層の具体的な組成としては、Ａｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０≦ｘ＜１、０≦ｙ≦１、０＜ｘ＋ｙ≦１）で表される窒化物半導体を用いることである。例えば、紫外域から赤色までの発光波長において、Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０＜ｘ≦１）を好ましく用いて、Ｉｎ組成比を変化させることにより、発光波長を変化させることができる。また第２の層は、第１の層と異なる組成の窒化物半導体とでき、具体的には、Ａｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０＜ｘ＋ｙ≦１）を用いることができ、例えば、クラッド層をかねる場合には、ｙ＞０のＡｌを含む窒化物半導体を用いることができる。このようなフォトルミネセンス層は、上述したｎ側多層膜、ｐ側多層膜として用いることができる。また、フォトルミネセンス層と活性層とが図６に示すように、接して形成される場合には、その接合部において、図６（ｂ）に示すように、バンドギャップエネルギーを大きくする構造とすることで、活性層内に注入されるキャリアをフォトルミネセンス層内にとどまらせることができ、フォトルミネセンス層内でのキャリアの存在確率を高めて、光の励起を促すことが可能となる。また超格子多層膜とする条件は、上述のｎ側多層膜層、ｐ側多層膜層と同様に、１００Å以下の膜厚とすること、好ましくは７０Å以下とすること、更に好ましくは５０Å以下の膜厚で、第１の層、第２の層を形成する。またフォトルミネセンス層をｎ側多層膜層として形成するには、第１の層を第１の窒化物半導体層、第２の層を第２の窒化物半導体層とし、ｐ側多層膜層として形成するには、第１の層を第４の窒化物半導体層、第２の層を第３の窒化物半導体層とする。超格子多層膜構造のフォトルミネセンス層として、第１の層と第２の層とを、少なくとも１層ずつ積層することであり、好ましくは２層ずつ有することであり、両者を交互に積層して構成する。
【００５９】
【実施例】
［実施例１］
図１を元に実施例１について説明する。
サファイア（Ｃ面）よりなる基板１をＭＯＶＰＥの反応容器内にセットし、水素を流しながら、基板の温度を１０５０℃まで上昇させ、基板のクリーニングを行う。基板１にはサファイアＣ面の他、Ｒ面、Ａ面を主面とするサファイア、その他、スピネル（ＭｇＡ１₂Ｏ₄）のような絶縁性の基板の他、ＳｉＣ（６Ｈ、４Ｈ、３Ｃを含む）、Ｓｉ、ＺｎＯ、ＧａＡｓ、ＧａＮ等の半導体基板を用いることができる。
【００６０】
（第１のバッファ層２）
続いて、温度を５１０℃まで下げ、キャリアガスに水素、原料ガスにアンモニアとＴＭＧ（トリメチルガリウム）とを用い、基板１上にＧａＮよりなるバッファ層２を約２００Åの膜厚で成長させる。なおこの低温で成長させる第１のバッファ層２は基板の種類、成長方法等によっては省略できる。
【００６１】
（第２のバッファ層３）
バッファ層２成長後、ＴＭＧのみ止めて、温度を１０５０℃まで上昇させる。１０５０℃になったら、同じく原料ガスにＴＭＧ、アンモニアガスを用い、アンドープＧａＮよりなる第２のバッファ層３を１μｍの膜厚で成長させる。第２のバッファ層は先に成長させた第１のバッファ層よりも高温、例えば９００℃〜１１００℃で成長させ、Ｉｎ_XＡｌ_YＧａ_1-X-YＮ（０≦X、０≦Y、X＋Y≦１）で構成でき、その組成は特に問うものではないが、好ましくはＧａＮ、X値が０．２以下のＡｌ_XＧａ_1-XＮとすると結晶欠陥の少ない窒化物半導体層が得られやすい。また膜厚は特に問うものではなく、バッファ層よりも厚膜で成長させ、通常０．１μｍ以上の膜厚で成長させる。
【００６２】
（ｎ側コンタクト層４）
続いて１０５０℃で、同じく原料ガスにＴＭＧ、アンモニアガス、不純物ガスにシランガスを用い、Ｓｉを３×１０¹⁹／cm³ドープしたＧａＮよりなるｎ側コンタクト層を３μｍの膜厚で成長させる。このｎ側コンタクト層４も第２のバッファ層３と同様に、Ｉｎ_XＡｌ_YＧａ_1-X-YＮ（０≦X、０≦Y、X＋Y≦１）で構成でき、その組成は特に問うものではないが、好ましくはＧａＮ、X値が０．２以下のＡｌ_XＧａ_1-XＮとすると結晶欠陥の少ない窒化物半導体層が得られやすい。膜厚は特に問うものではないが、ｎ電極を形成する層であるので１μｍ以上の膜厚で成長させることが望ましい。さらにｎ型不純物濃度は窒化物半導体の結晶性を悪くしない程度に高濃度にドープすることが望ましく、１×１０¹⁸／cm³以上、５×１０²¹／cm³以下の範囲でドープすることが望ましい。
【００６３】
（第３のバッファ層５）
次にシランガスのみを止め、１０５０℃で同様にしてアンドープＧａＮよりなる第３のバッファ層５を１００Åの膜厚で成長させる。この第３のバッファ層５もＩｎ_XＡｌ_YＧａ_1-X-YＮ（０≦X、０≦Y、X＋Y≦１）で構成でき、その組成は特に問うものではないが、好ましくはＧａＮ、X値が０．２以下のＡｌ_XＧａ_1-XＮ、またはY値が０．１以下のＩｎ_YＧａ_1-YＮとすると結晶欠陥の少ない窒化物半導体層が得られやすい。このアンドープＧａＮ層を成長させることにより、高濃度で不純物をドープしたｎ側コンタクト層４の上に直接活性層を成長させるのと異なり、下地の結晶性が良くなるため、次に成長させる窒化物半導体を成長しやすくする。このように、アンドープの窒化物半導体層よりなる第２のバッファ層３の上に、高濃度でｎ型不純物をドープした窒化物半導体よりなるｎ側コンタクト層４、次にアンドープの窒化物半導体（ｎ側多層膜層も含む。）よりなる第３のバッファ層５を積層した３層構造とすると、ＬＥＤ素子にした場合にＶｆが低下しやすい傾向にある。なおｎ側多層膜層６をアンドープにする場合は第３のバッファ層５を省略することができる。
【００６４】
（ｎ側多層膜層（フォトルミネセンス層）６）次に、同様の温度で、アンドープＧａＮよりなる第２の窒化物半導体層を４０Å成長させ、次に温度を８００℃にして、ＴＭＧ、ＴＭＩ、ＳｉＨ₄、アンモニアを用い、Ｓｉを１．２５ｎmolを供給して、ＳｉドープのＩｎＧａＮよりなる第１の窒化物半導体層を２０Å成長させる。そしてこれらの操作を繰り返し、第２＋第１の順で交互に３０層づつ積層させ、最後にＧａＮよりなる第２の窒化物半導体層を４０Å成長させた超格子構造の多層膜よりなるｎ側第２多層膜層６を１８４０Åの膜厚で成長させる。（活性層７）次に、アンドープＧａＮよりなる障壁層を２００Åの膜厚で成長させ、続いて温度を８００℃にして、ＴＭＧ、ＴＭＩ、アンモニアを用いアンドープＩｎ_{0 . 3}Ｇａ_{0 . 7}Ｎよりなる井戸層を３０Åの膜厚で成長させる。そして障壁＋井戸＋障壁＋井戸・・・・＋障壁の順で障壁層を５層、井戸層４層交互に積層して、総膜厚１１２０Åの多重量子井戸構造よりなる活性層７を成長させる。活性層７は障壁層から積層したが、積層順は井戸層から積層して、井戸層で終わってもよく、また井戸層から積層して障壁層で終わる場合、障壁層から積層して井戸層で終わっても良く積層順は特に問わない。井戸層の膜厚としては１００Å以下、好ましくは７０Å以下、さらに好ましくは５０Å以下に調整する。１００Åよりも厚いと、出力が向上しにくい傾向にある。一方、障壁層の厚さは３００Å以下、好ましくは２５０Å以下、最も好ましくは２００Å以下に調整する。
【００６５】
（ｐ側多層膜層８）
次に、ＴＭＧ、ＴＭＡ、アンモニア、Ｃｐ₂Ｍｇ（シクロペンタジエニルマグネシウム）を用い、Ｍｇを５×１０¹⁹／cm³ドープしたｐ型Ａｌ_0.05Ｇａ_0.95Ｎよりなる第３の窒化物半導体層を２５Åの膜厚で成長させ、続いてＣｐ₂Ｍｇ、ＴＭＡを止めアンドープＧａＮよりなる第４の窒化物半導体層を２５Åの膜厚で成長させる。そしてこれらの操作を繰り返し、第３＋第４の順で交互に４層ずつ積層した超格子よりなるｐ側多層膜層８を２００Åの膜厚で成長させる。
【００６６】
（ｐ側コンタクト層９）
続いて１０５０℃で、ＴＭＧ、アンモニア、Ｃｐ₂Ｍｇを用い、Ｍｇを１×１０²⁰／cm³ドープしたｐ型ＧａＮよりなるｐ側コンタクト層８を７００Åの膜厚で成長させる。ｐ側コンタクト層８もＩｎ_XＡｌ_YＧａ_1-X-YＮ（０≦X、０≦Y、X＋Y≦１）で構成でき、その組成は特に問うものではないが、好ましくはＧａＮとすると結晶欠陥の少ない窒化物半導体層が得られやすく、またｐ電極材料と好ましいオーミック接触が得られやすい。
【００６７】
反応終了後、温度を室温まで下げ、さらに窒素雰囲気中、ウェーハを反応容器内において、７００℃でアニーリングを行い、ｐ型層をさらに低抵抗化する。
【００６８】
アニーリング後、ウェーハを反応容器から取り出し、最上層のｐ側コンタクト層９の表面に所定の形状のマスクを形成し、ＲＩＥ（反応性イオンエッチング）装置でｐ側コンタクト層側からエッチングを行い、図１に示すようにｎ側コンタクト層４の表面を露出させる。
【００６９】
エッチング後、最上層にあるｐ側コンタクト層のほぼ全面に膜厚２００ÅのＮｉとＡｕを含む透光性のｐ電極１０と、そのｐ電極１０の上にボンディング用のＡｕよりなるｐパッド電極１１を０．５μｍの膜厚で形成する。一方、エッチングにより露出させたｎ側コンタクト層４の表面にはＷとＡｌを含むｎ電極１２を形成してＬＥＤ素子とした。
【００７０】
以上のようにして得られる発光素子は、図４に示すようなスペクトルの発光が得られる。図４に示すように、活性層からの発光ピーク波長は、４５０ｎｍの純青色の発光であり、フォトルミネセンス層からの発光は、５５０ｎｍ近傍のブロードなピークを呈している。また、各駆動電流値における発光スペクトルは、活性層からの発光ピーク強度と、フォトルミネセンス層からのピーク強度との比に、変化が現れ、電流注入による発光である活性層からの光強度が大きくなる傾向が観られる。
この時、発光素子から得られる発光色を、色度図上の変化として図５に示す。ここで、ＪＩＳ Ｚ ８７０１色度図中の各点ａ〜ｈは、図５に示す各電流値１，３，５，７，１０ｍＡに対応している。図から明らかなように、得られる発光色は、黄色（ａ）、黄緑色（ｂ）、白色（ｃ，ｄ，ｅ）、青色（ｆ，ｇ，ｈ）と変化する。この用に、本実施例で得られる発光素子は、活性層、フォトルミネセンス層とで、補色関係にある青色、黄色でもって、白色の発光色が得られるばかりでなく、電流値により様々な演色性に優れた発光色が得られる。
【００７１】
本実施例において、ｎ側多層膜層を構成する第２の窒化物半導体層はＧａＮで構成したが、他のＩｎ_XＡｌ_YＧａ_1-X-YＮ（０≦X、０≦Y、X＋Y≦１）、好ましくはＩｎ組成が第１の窒化物半導体よりも小さいＩｎＧａＮで構成することもできる。またｐ側多層膜層を構成する第４の窒化物半導体層はＧａＮで構成したが、他のＩｎ_XＡｌ_YＧａ_1-X-YＮ（０≦X、０≦Y、X＋Y≦１）、好ましくは第３の窒化物半導体よりもＡｌ組成の小さいＡｌＧａＮで構成することもできる。
【００７２】
［実施例２］
［実施例１］と同様に発光素子を作製した。活性層から青色の発光が得られ、フォトルミネッセンス層からは緑色の発光が得られるように組成を調整した。次に以下の方法で蛍光体を作製し、発光素子に被覆した。
酸化アルミニウム、酸化イットリウム、窒化珪素、酸化カルシウム及び酸化ユウロピウムを所定比に混合した。この混合粉末を窒素雰囲気下において１８００℃で８ｈ加熱処理を行った。得られた焼成品について、ヘキサンを有機溶剤として用いボールミルにて粉砕し、乾燥乾燥後、篩を通し、蛍光体粉末とした。
このＥｕで付活された窒素含有ＣａＯ−Ａｌ₂Ｏ₃−ＳｉＯ_２蛍光体（Ｃａ−Ａｌ−Ｓｉ−Ｏ−Ｎ系オキシナイトライド蛍光硝子）粉末に透光性のエポキシ樹脂を加え混練した。そして発光素子を配置した回路に注入し、図２に示したように発光素子表面を蛍光体で被覆した。
このようにして作製された発光装置からは、演色性に優れた色むらの少ない白色光が得られた。これは装置を構成する発光素子から青色と緑色の光が発光し、蛍光体からはより長波長の赤色の蛍光が発光したためである。
【００７３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の発光素子は、ｎ型層とｐ型層とで、活性層を挟む構造の発光素子構造中に、その活性層からの発光の少なくとも一部を吸収して異なる波長の光を発するフォトルミネセンス層を設けることで、可視光域で、演色性にすぐれ、様々な発光色を発するものとなる。特に活性層、フォトルミネセンス層に、Ｉｎを含む窒化物半導体層を用いた発光素子では、従来得ることが困難であった赤色系などの長波長域の光をも、取り出すことが可能となり、窒化物半導体を用いた発光素子の応用に、多大な寄与をもたらすものとなる。
また本発明の発光装置を構成する蛍光体は、窒化物半導体では発光が困難な黄色や赤色の長波長の光を効率よく高輝度で得られる。すなわち本発明の発光装置は、光の三原色のうち発光素子より２色を発光させると共に、残りの１色を蛍光体から発光させて、ＲＧＢ成分を高輝度に含む白色発光が可能である。特に本発明の発光装置は、例えば２端子から電流を供給することで１つの発光装置を発光させているにすぎない。そのため、極めて簡単な構造にも係わらず、色ズレや色むらなく高輝度にＲＧＢ成分を含んだ白色発光装置とすることができる。このように、ＲＧＢ成分を高輝度に含んだ発光装置は、ＲＧＢのフィルタ及び液晶を利用することによって、フルカラーやマルチカラーの表示装置を構成させることができる。同様に、演色性の極めて高い照明用などの発光装置とすることもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例に係る発光素子の構造を示す模式断面図。
【図２】本発明の発光素子及び発光装置を説明する模式断面図。
【図３】従来の発光素子を示す模式断面図。
【図４】本発明の一実施例に係る発光素子の発光特性を示すスペクトル図。
【図５】本発明の一実施例に係る発光素子の発光色を示す色度図。
【図６】本発明の一実施形態についてバンド構造を説明する模式図。
【符号の説明】
１、２０、１０１・・・基板
２・・・第１のバッファ層
３・・・第２のバッファ層
４・・・ｎ側コンタクト層
５・・・第３のバッファ層
６、２４・・・ｎ側多層膜層（実施例１、２ではフォトルミネセンス層）
７、２２、１１０・・・活性層
８・・・ｐ側多層膜層
９・・・ｐ側コンタクト層
１０・・・全面電極
１０２、２１・・・ｎ型層
１０３・・・障壁層
１０４、１０５・・・発光層
１０６、２３・・・ｐ型層
１１、２６、１０８・・・ｐ電極、
１２、２５、１０７・・・ｎ電極。
２０１、２０２、２０３・・・発光素子の各層と蛍光体からの発光（波長が異なる）
２７・・・蛍光体
２８・・・透光性モールド部材

Claims (8)

1. 基板上に、ｎ型層と、Ｉｎを含む窒化物半導体層を有し可視光域で発光する活性層と、ｐ型層と、が順に積層された構造を有する発光素子において、
   前記活性層からの光の一部を吸収し、該活性層からの光と異なる波長の光を発するフォトルミネセンス層が、前記ｐ型層、ｎ型層の少なくとも一方に設けられ、
   該フォトルミネセンス層が、Ｉｎを含む窒化物半導体からなる第１の層と、第１の層よりもバンドギャップエネルギーの大きい窒化物半導体からなる第２の層とを少なくとも有する超格子多層膜であることを特徴とする発光素子。
2. 前記活性層が、井戸層と、障壁層と、を有する量子井戸構造を有し、
   前記第２の層が、前記活性層の障壁層よりも膜厚が小さいことを特徴とする請求項１に記載の発光素子。
3. 前記活性層が、井戸層と、障壁層と、を有する量子井戸構造を有し、
   前記第１の層の数が、前記活性層内の井戸層の数よりも多いことを特徴とする請求項１又は２に記載の発光素子。
4. 前記活性層が、井戸層と、障壁層と、を有する量子井戸構造を有し、
   前記第１の層と第２の層とのバンドギャップエネルギー差が、前記活性層における井戸層と障壁層とのバンドギャップエネルギー差よりも大きいことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の発光素子。
5. 前記第１の層がＩｎ_ＸＧａ_１−ＸＮ（０＜Ｘ＜１）よりなり、
   前記第２の層がＩｎ_ＹＧａ_１−ＹＮ（０≦Ｙ＜１、Ｙ＜Ｘ）よりなることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の発光素子。
6. 前記フォトルミネセンス層が、前記ｎ型層に設けられると共に、ｎ型不純物を有することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の発光素子。
7. 前記請求項１及至６のいずれかに記載の発光素子と、
   該発光素子からの光の少なくとも一部を吸収し、該発光素子からの光と異なる波長の光を発する蛍光体とを有することを特徴とする発光装置。
8. 前記発光素子は、青色の波長域を含む単色性のピーク波長が発光可能な活性層及び、緑色及び／又は黄色の波長域を含む発光が可能なフォトルミネッセンス層とを有すると共に、前記蛍光体は黄色及び／又は赤色の波長域を含む光を発することにより白色系の発光が可能であることを特徴とする請求項７に記載の発光装置。

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