JP4948980B2 - 窒化物半導体発光素子 - Google Patents

Description

本発明は、窒化物半導体発光素子に関し、より詳しくは互いに異なる波長光を発する少なくとも２つの活性層を単一素子形態に実現したモノリシック窒化物半導体発光素子に関する。

一般的に、ＬＥＤを利用した白色発光素子は優れた高輝度及び高効率が可能であるため、照明装置またはディスプレイ装置のバックライトに広く使用されている。

このような白色発光素子の実現方案は、個別ＬＥＤに製造した青色、赤色、及び緑色ＬＥＤを単純組み合わせる方式と蛍光体を利用する方式が広く知られている。多色の個別ＬＥＤを同じ印刷回路基板に組み合わせる方式はそのための複雑な駆動回路が要求され、これにより小型化が難しいという短所がある。そのため、蛍光体を利用した白色発光素子の製造方法が普遍的に使用されている。

従来の蛍光体を利用した白色発光素子の製造方法では、青色発光素子を利用する方法と紫外線発光素子を利用する方法がある。例えば、青色発光素子を利用する場合にはＹＡＧ蛍光体を利用して青色光を白色光に波長変換する。即ち、青色ＬＥＤから発生された青色波長がＹＡＧ（Ｙｉｔｔｒｉｕｍ Ａｌｕｍｉｎｕｍ Ｇａｒｎｅｔ）蛍光体を励起させ最終的に白色光を得ることができる。しかしながら、蛍光体粉末による素子特性の不利益な影響が生じたり、蛍光体を励起する際に光効率が減少し色補正指数が低下され優れた色感を得ることができなかったりするという限界がある。

このような問題を解決するための新たな方案として、蛍光体なしに異なる波長光を発する複数の活性層を有するモノリシック発光素子に対する研究が活発に行われている。赤色、青色、緑色のための活性層、または青色、オレンジ色のための活性層を単一発光素子に実現したり、その中の一部である青色及び緑色のための活性層を単一発光素子に実現し、他の赤色発光素子を結合する方式で実現したりすることができる。複数の活性層を有するモノリシック発光素子の一例として、図１には互いに異なる波長光を放出する２つの活性層を有する窒化物半導体発光素子が示されている。

図１に示すように、上記窒化物半導体発光素子１０は基板１１上に順次に形成された第１導電型窒化物層１２と、第１活性層１４及び第２活性層１６と、第２導電型窒化物層１７とを含む。なお、上記第１導電型窒化物層１２及び第２導電型窒化物層１７にはそれぞれ第１電極１９ａ及び第２電極１９ｂが提供される。

図１に示された構造において、上記第１活性層１４及び第２活性層１６は、例えば各々青色、オレンジ色または青色、緑色の光を生成するように互いに異なる組成を有するＩｎ_xＧａ_1-xＮ（０＜ｘ≦１）から成る。

しかしながら、２つ以上の活性層を有する窒化物発光素子では、正孔の注入長さ（ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ ｌｅｎｇｔｈ）が電子の注入長さより非常に短いので、ｐ型窒化物層に隣接した一つの活性層でのみ再結合が発生される問題がある。このように、各活性層の固有な色の光が適切に分布されないので、好適な色分布による白色光を得るためのモノリシック素子として実現されるのに限界があった。

本発明は上述した従来技術の問題を解決するためのもので、その目的は互いに異なる波長光を有する複数の活性層の固有な発光が所望のレベルの分布を有することができるように、上記活性層の配置と数を波長に応じて異にして実現した新たな窒化物半導体発光素子を提供することである。

上記した技術的課題を解決するために、本発明は、ｐ型及びｎ型窒化物層とその間に順次に形成された互いに異なる波長光を発する複数の活性層を有する窒化物半導体発光素子において、上記複数の活性層は少なくとも第１波長光を放出する第１活性層と、上記第１波長光より長波長である第２波長光を放出する第２活性層とを含み、上記第１活性層及び第２活性層は各々交互に形成された少なくとも一つの量子井戸層と量子障壁層とを有し、上記第１活性層は上記第２活性層よりｐ型窒化物層に隣接するように配置され、上記第１活性層の量子井戸層の数は上記第２活性層の量子井戸層の数より少ないことを特徴とする窒化物半導体発光素子を提供する。

好ましくは、上記第２活性層の量子井戸層の数は上記第１活性層の量子井戸層の数の少なくとも２倍である。

本発明の具体的な実施形態では、上記第１活性層及び第２活性層の量子井戸層は各々Ｉｎ_1-x1Ｇａ_x1Ｎ及びＩｎ_1-x2Ｇａ_x2Ｎから成り、上記第１活性層及び第２活性層の量子障壁層はＩｎ_1-yＧａ_yＮから成り、ここでｘ _１ ＜１、０＜ｘ _２ ＜ｘ _１ 、０≦１−ｙ＜１−ｘ₁である。

本発明の第１活性層及び第２活性層は白色発光に必要な特定波長を有するように実現することができる。例えば、上記第１活性層は約４５０〜約４７５ｎｍの発光波長を有し、上記第２活性層は約５５０〜６００ｎｍの発光波長を有することができる。これと異なって、上記第１活性層は約４５０〜約４７５ｎｍの発光波長を有し、上記第２活性層は約５１０〜約５３５ｎｍの発光波長を有する形態であり得る。このような形態は別途の赤色（６００〜６３５ｎｍ）光を有する発光素子と結合して反モノリシックで白色発光素子に実現することができるが、さらに約６００〜約６３５ｎｍの波長光を放出する第３活性層を含む完全なモノリシックで実現することもできる。この場合に、上記第３活性層は上記第２活性層より上記ｎ型窒化物半導体層に隣接するように配置することが好ましい。

上記第１活性層が約４５０〜約４７５ｎｍの発光波長を有し、上記第２活性層は約５１０〜約５３５ｎｍの発光波長を有する発光素子の場合に、上記第２活性層の量子井戸層の数は上記第１活性層の量子井戸層の数の少なくとも５倍であることが好ましく、上記第１活性層の量子井戸層は１つであり、上記第２活性層の量子井戸層は５つ、またはそれ以上であることがより好ましい。

また、正孔の注入長さを考慮して、上記複数個の活性層のうち上記第１活性層を除いた他の活性層の全体厚さは２００ｎｍ以下であることが好ましく、上記複数個の活性層のうち上記第１活性層を除いた他の活性層の量子井戸層の数は５つ以下であることが好ましい。

このように、本発明は２つ以上の活性層を採用したモノリシック窒化物発光素子から発生される色分布の深刻なバラツキ問題を活性層の配置と数で解決する方案を提供する。

本発明者は色分布の深刻なバラツキ問題が基本的に孔の注入長さが電子の注入長さより遙に短いという事実だけでなく、異なる波長を有する活性層の固有なエネルギーバンドギャップによってその影響が大きいという事実に着目した。即ち、互いに異なる波長を有す
るために選択された他の組成で形成された活性層は、そのエネルギーバンドギャップの差によって異なる活性層における再結合効率を低下させる傾向がある。

本発明者はこれを解決するために重ねた実験過程から、異なる波長光を放出するための２つ以上の活性層の配列と各量子井戸層の数を適切に設計する方案を模索した。

本発明によれば、複数の活性層のうち短波長である活性層をｐ型窒化物層側に隣接するように配置し、さらにその量子井戸層数を長波長である活性層の数より少なくすることによって、互いに異なる波長光を有する複数の活性層の固有な発光が所望のレベルの分布を有することができる。このような技術はモノリシック白色発光素子を製造するのに非常に有用に採用することができる。

以下、添付された図面を用いて本発明の実施例を参照して、本発明をより詳しく説明する。

適切な活性層構造を案出するために、青色及び緑色の活性層を有するモノリシック窒化物発光素子において各活性層の順序及び量子井戸層の数を異にして電気発光（ＥＬ）特性を測定する方式で実験を行った。

下記のように、異なる２つの波長光を放出する活性層の条件を有する発光ダイオード（Ａ、Ｂ、Ｃ）を作製して各々の発光特性を測定した。

＜青色活性層（×３）と緑色活性層（×３）＞
先ず、サファイア基板上に１．２μｍ厚さのｎ型ＧａＮ層を形成した。その後、上記ｎ型ＧａＮ層上に３対のＩｎ_0.1Ｇａ_0.9Ｎ量子井戸層２４ａとＧａＮ量子障壁層２４ｂとを有する青色活性層２４と、３対のＩｎ_0.15Ｇａ_0.85Ｎ量子井戸層２６ａとＧａＮ量子障壁層２６ｂとを有する緑色活性層２６とで構成された多重量子井戸構造の活性層を形成した（図２ａ参照）。

上記緑色活性層２６上に０．５μｍの厚さのｐ型ＡｌＧａＮ層と約１．５μｍの厚さを有するｐ型ＧａＮ層を順次に形成した。その後、ｎ型ＧａＮ層の一部の領域が露出するようにメサエッチングした後、ｐ側電極及びｎ側電極を設けた。

＜緑色活性層（×５）と青色活性層（×３）＞
前例と同様に、多重量子井戸構造の活性層のみを異にして窒化物発光素子を作製した。即ち、本実施例の活性層では、図２ｂに示すように、上記ｎ型ＧａＮ層上に５対のＩｎ_0.15Ｇａ_0.85Ｎ量子井戸層２６ａとＧａＮ量子障壁層２６ｂで構成された緑色活性層２６を形成し、その後３対のＩｎ_0.1Ｇａ_0.9Ｎ量子井戸層２４ａとＧａＮ量子障壁層２４ｂで構成された青色活性層２４を形成した。

＜緑色活性層（×５）と青色活性層（×１）＞
前例とほぼ同じ条件で、多重量子井戸構造の活性層のみを異にして窒化物発光素子を作製した。即ち、本例の活性層では、図２ｃに示すように、上記ｎ型ＧａＮ層上に５対のＩｎ_0.15Ｇａ_0.85Ｎ量子井戸層２６ａとＧａＮ量子障壁層２６ｂとで構成された緑色活性層２６を形成し、その後１対のＩｎ_0.1Ｇａ_0.9Ｎ量子井戸層２４ａとＧａＮ量子障壁層２４
ｂとで構成された青色活性層２４を形成した。

こうして３つのサンプルに作製した各窒化物発光素子の活性層は、各々図２ａ乃至図２ｃに示されたエネルギーバンドダイヤグラムを有するものであることが理解できる。

各窒化物発光素子（Ａ、Ｂ、Ｃ）に対して５ｍＡ、２０ｍＡ、１００ｍＡと駆動電流を変化させながら電気発光（ＥＬ）スペクトラムを測定した。その測定した結果は図３ａ乃至図３ｃに示されている。

図３ａを参照すると、Ａ形態の窒化物発光素子は約５１０〜約５３５ｎｍの波長である緑色だけが現れ、青色発光はほとんど現われなかった。これに反して、図３ｂ及び図３ｃ（図３ｃの場合、実線参照）に示すように、ＢとＣ形態の窒化物発光素子の場合には約４５０〜約４７５ｎｍの波長である青色光が優勢であるが、約５１０〜約５３５ｎｍの波長である緑色光も僅かであるが確認された。

これは長波長の活性層と短波長の活性層の積層順序による影響として理解することができる。より具体的には、このような現象は、正孔の移動度が電子の移動度に比べて著しく低いため、ｐ型窒化物層に隣接した活性層が相対的に大きいバンドギャップを有する場合にｎ型窒化物層に隣接した活性層に注入される正孔が増加されるためである。

例えば、Ａ形態の窒化物発光素子の場合には、青色発光のための量子井戸層２４ａのバンドギャップ（Ｅｇ１）より低いバンドギャップ（Ｅｇ２）を有する緑色発光のための量子井戸層２６ａがｐ型窒化物層に隣接して配置されるので、ＢまたはＣ形態の窒化物発光素子におけるよりもｐ型窒化物層から注入される正孔に対するバリヤが高く、ほとんど緑色活性層でのみ再結合が発生する。

かかる実験結果により、相対的に短波長の活性層は長波長の活性層よりｐ型窒化物層に隣接して配置することが好ましいことが確認できた。

また、本実験では、発光波長による活性層の積層順序に、さらにＢとＣ形態の対比により、各活性層の量子井戸層の数も発光波長に応じて適切に設計することが要求されることが確認できた。

図３ｃを参照すると、同じ２０ｍＡの条件において、Ｂ形態の窒化物発光素子（点線で表示）に比べＣ形態の窒化物発光素子（実線で表示）で緑色の発光効率がより向上されることが確認できた。このような結果は各活性層の量子井戸層の数を異にして選択したことに起因するものと理解し得る。

即ち、Ｃ形態の窒化物発光素子はＢ形態の窒化物発光素子より青色発光のための量子井戸層２４ａを少なく形成することによって、緑色発光のための量子井戸層２６ａによる正孔の拘束現象を増加させ再結合の効率を向上させることができた。

このように、ｐ型窒化物層に隣接した短波長の活性層の量子井戸層の数を減少させ、これにより全体的な活性層の厚さを減少させることでｎ型窒化物層に隣接した長波長の活性層への正孔注入確率を高めることができる。

かかる実験結果により、正孔注入長さを考慮するための好ましい条件としては、上記緑色活性層の量子井戸層の数が上記青色活性層の量子井戸層の数の少なくとも５倍程度であることが要求されるが、ｐ型窒化物層に隣接した青色活性層を減少させることが重要であるので、青色活性層の量子井戸層は１つであり、上記緑色活性層の量子井戸層は５つ、ま
たはそれ以上であることがより好ましい。

特に、一般的な正孔の注入長さを考慮しなければならないので、本実施例でｐ型窒化物層に隣接して配置された青色活性層の厚さは２００ｎｍ以下であることが好ましい。

上記した実施例と異なって、互いに異なる発光波長を有する３つの活性層を採用した発光素子形態も考慮することができる。この場合にも、少なくともｎ型窒化物層に隣接した長波長の活性層を除いた他の活性層の全体厚さは２００ｎｍ以下であることが好ましく、上記複数の活性層のうち上記長波長の活性層を除いた他の活性層の量子井戸層の数は５つ以下に形成することが好ましい。

本発明が適用可能な窒化物発光素子において、活性層の発光波長は一般的に量子井戸層に含有されたインジウム含量により決められる。この場合に、短波長の活性層と長波長の活性層の量子井戸層は各々Ｉｎ_1-x1Ｇａ_x1Ｎ及びＩｎ_1-x2Ｇａ_x2Ｎで構成することができ、各量子障壁層はＩｎ_1-yＧａ_yＮから成り、ここでｘ _１ ＜１、０＜ｘ _２ ＜ｘ _１ 、０≦１−ｙ＜１−ｘ₁であり得る。

より具体的には、本発明の短波長及び長波長の活性層は白色発光に必要な適切な波長を有するように実現することができる。例えば、短波長の活性層は約４５０〜約４７５ｎｍの発光波長を有し、長波長の活性層は約５５０〜６００ｎｍの発光波長を有することができる。

これと異なって、上記した実施例と類似した短波長活性層は約４５０〜約４７５ｎｍの発光波長を有し、長波長の活性層は約５１０〜約５３５ｎｍの発光波長を有する形態であり得る。この場合には、別途の赤色（６００〜６３５ｎｍ）光を有する発光素子に接合させることにより白色発光素子に実現することができるが、さらに約６００〜約６３５ｎｍの波長光を放出する赤色活性層を含む完全なモノリシックに実現することも可能である。この場合に、上記赤色活性層はｐ型窒化物層とエネルギーバンドギャップの差が最も大きいので、他の活性層より上記ｎ型窒化物半導体層に隣接するように配置することが好ましい。

上述した実施形態および添付された図面は好ましき実施形態の例示に過ぎず、本発明は添付された請求範囲によって限定しようとする。なお、本発明は請求範囲に記載された本発明の技術的思想を外れない範囲内において多様な形態の置換、変形および変更を行うことが可能であることは当該技術分野の通常の知識を有する者にとっては自明である。

通常の窒化物発光素子を示す断面図である。 活性層の位置と各量子井戸層の数を異にして実現した窒化物半導体発光素子のエネルギーバンドダイヤグラムである。 活性層の位置と各量子井戸層の数を異にして実現した窒化物半導体発光素子のエネルギーバンドダイヤグラムである。 活性層の位置と各量子井戸層の数を異にして実現した窒化物半導体発光素子のエネルギーバンドダイヤグラムである。 図２に基づいた窒化物半導体発光素子の電気発光（ＥＬ）スペクトラムを示すグラフである。 図２に基づいた窒化物半導体発光素子の電気発光（ＥＬ）スペクトラムを示すグラフである。 図２に基づいた窒化物半導体発光素子の電気発光（ＥＬ）スペクトラムを示すグラフである。

符号の説明

１０ 窒化物半導体発光素子
１２ ｎ型窒化物半導体層
１４、２４ 第１活性層
１６、２６ 第２活性層
１７ ｐ型窒化物半導体層
１９ａ 第１電極
１９ｂ 第２電極
２４ａ、２６ａ 量子井戸層
２４ｂ、２６ｂ 量子障壁層
Ｅｇ１、Ｅｇ２ バンドギャップ

Claims (3)

1. ｐ型及びｎ型窒化物層とその間に順次に形成された互いに異なる波長光を発する複数の活性層を有する窒化物半導体発光素子において、
   前記複数の活性層は少なくとも第１波長光を放出する第１活性層と、前記第１波長光より長波長である第２波長光を放出する第２活性層とを含み、前記第１活性層及び第２活性層は各々交互に形成された少なくとも一つの量子井戸層と量子障壁層とを有し、
   前記第１活性層は前記第２活性層よりｐ型窒化物層に隣接するように配置され、前記第１活性層の量子井戸層の数は１個、前記第２活性層の量子井戸層の数は５個以上であり、
   前記複数の活性層のうち前記第２活性層を除いた他の活性層の全体厚さは２００ｎｍ以下であり、
   前記第１活性層は約４５０〜約４７５ｎｍの発光波長を有し、前記第２活性層は約５５０〜６００ｎｍの発光波長を有し、
   前記複数個の活性層は、約６００〜約６３５ｎｍの波長光を生成し、交互に形成された少なくとも一つの量子井戸層と量子障壁層とから成る第３活性層をさらに含む、ことを特徴とする、窒化物半導体発光素子。
2. 前記第１活性層及び第２活性層の量子井戸層は、各々Ｉｎ_1-x1Ｇａ_x1Ｎ及びＩｎ_1-x2Ｇａ_x2Ｎから成り、前記第１活性層及び第２活性層の量子障壁層はＩｎ_1-yＧａ_yＮから成り、ここでｘ_１＜１、０＜ｘ_２＜ｘ_１、０≦１−ｙ＜１−ｘ₁であることを特徴とする、請求項１に記載の窒化物半導体発光素子。
3. 前記複数個の活性層のうち前記第２活性層を除いた他の活性層の量子井戸層の数は５つ以下であることを特徴とする、請求項１に記載の窒化物半導体発光素子。

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