JPH1187773A - 発光素子 - Google Patents
発光素子Info
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- JPH1187773A JPH1187773A JP24272897A JP24272897A JPH1187773A JP H1187773 A JPH1187773 A JP H1187773A JP 24272897 A JP24272897 A JP 24272897A JP 24272897 A JP24272897 A JP 24272897A JP H1187773 A JPH1187773 A JP H1187773A
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Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L33/00—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L33/02—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies
- H01L33/08—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies with a plurality of light emitting regions, e.g. laterally discontinuous light emitting layer or photoluminescent region integrated within the semiconductor body
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 簡単な構造で、広いスペクトル範囲での同時
発光を可能にする。 【解決手段】バンドギャップエネルギ−の異なる複数の
活性層を設け、キャリアオ−バ−フロ−を利用して複数
活性層での発光を可能とする。
発光を可能にする。 【解決手段】バンドギャップエネルギ−の異なる複数の
活性層を設け、キャリアオ−バ−フロ−を利用して複数
活性層での発光を可能とする。
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、化合物半導体材料
を用いた発光素子に係わり、特に複数の活性層を有する
発光素子に関する。
を用いた発光素子に係わり、特に複数の活性層を有する
発光素子に関する。
【0002】
【従来の技術】屋外、屋内表示用等への応用を目的とし
て各種半導体材料による発光素子の開発が進められてい
る。発光波長が可視領域にある材料としてはGaAlA
s系、GaAsP系、InGaAlP系、CdZnMg
SSe系、InGaAlN系等があり、それぞれ様々な
素子構造が提案、開発されている。このような発光素子
を多色表示に用いる場合には、通常異なる発光波長の素
子を別々あるいは一つのモジュ−ルに収めたものが使わ
れる。
て各種半導体材料による発光素子の開発が進められてい
る。発光波長が可視領域にある材料としてはGaAlA
s系、GaAsP系、InGaAlP系、CdZnMg
SSe系、InGaAlN系等があり、それぞれ様々な
素子構造が提案、開発されている。このような発光素子
を多色表示に用いる場合には、通常異なる発光波長の素
子を別々あるいは一つのモジュ−ルに収めたものが使わ
れる。
【0003】一方、1チップで多色発光を可能とする集
積素子も提案されている。例えば 1) 特開平7−183576号公報 2) 特開平8−88407号公報 等には、複数の活性層と複数の電極を設けた発光ダイオ
−ドが開示されている。このような素子は1チップで発
光色を変えられるため多色表示には有用である。一方、
用途によっては、発光色は変えられなくても、発光スペ
クトル幅の広い発光素子が必要とされる場合がある。例
えば、液晶ディスプレイのバックライトや照明用電球の
代替である。このような用途では、必ずしも発光色を変
える必要はなく、例えば白色で発光する素子があれば良
い。しかしながら、従来の素子では上記のように複数の
電極を必要とするなど、素子構造が複雑になるという問
題があった。
積素子も提案されている。例えば 1) 特開平7−183576号公報 2) 特開平8−88407号公報 等には、複数の活性層と複数の電極を設けた発光ダイオ
−ドが開示されている。このような素子は1チップで発
光色を変えられるため多色表示には有用である。一方、
用途によっては、発光色は変えられなくても、発光スペ
クトル幅の広い発光素子が必要とされる場合がある。例
えば、液晶ディスプレイのバックライトや照明用電球の
代替である。このような用途では、必ずしも発光色を変
える必要はなく、例えば白色で発光する素子があれば良
い。しかしながら、従来の素子では上記のように複数の
電極を必要とするなど、素子構造が複雑になるという問
題があった。
【0004】一方、本発明者らは、バンドギャップエネ
ルギ−の異なる複数の活性層を設けた半導体発光装置を
提案している。 3) 特開平6−268332号公報 この発光装置では例えば2色での発光が可能であるが、
より広い波長範囲でかつ所望の発光強度分布で同時発光
する素子の実現は困難であった。
ルギ−の異なる複数の活性層を設けた半導体発光装置を
提案している。 3) 特開平6−268332号公報 この発光装置では例えば2色での発光が可能であるが、
より広い波長範囲でかつ所望の発光強度分布で同時発光
する素子の実現は困難であった。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】このように従来、発光
スペクトル幅の広い発光ダイオ−ドあるいは白色発光素
子は簡単な素子構造で実現することは困難であった。本
発明は、上記事情を考慮してなされたもので、その目的
とするところは、簡単な構造で発光スペクトル幅の広い
発光素子(発光ダイオ−ド)を提供することにある。
スペクトル幅の広い発光ダイオ−ドあるいは白色発光素
子は簡単な素子構造で実現することは困難であった。本
発明は、上記事情を考慮してなされたもので、その目的
とするところは、簡単な構造で発光スペクトル幅の広い
発光素子(発光ダイオ−ド)を提供することにある。
【0006】
【課題を解決するための手段】本発明の骨子は、バンド
ギャップエネルギ−の異なる複数の活性層を設けて、キ
ャリアのオ−バ−フロ−を利用することにより、簡単な
構造で複数の波長の同時発光を可能とすることにある。
ギャップエネルギ−の異なる複数の活性層を設けて、キ
ャリアのオ−バ−フロ−を利用することにより、簡単な
構造で複数の波長の同時発光を可能とすることにある。
【0007】即ち本発明は、障壁層で分離されたバンド
ギャップエネルギ−の異なる複数の活性層を備えた発光
素子であって、前記活性層が窒素を含む化合物半導体か
らなることを特徴とする。
ギャップエネルギ−の異なる複数の活性層を備えた発光
素子であって、前記活性層が窒素を含む化合物半導体か
らなることを特徴とする。
【0008】また本発明は障壁層で分離されたバンドギ
ャップエネルギ−の異なる複数の活性層を備えた発光素
子であって、前記活性層の少なくとの1つがII−VI
族化合物半導体からなることを特徴とする。
ャップエネルギ−の異なる複数の活性層を備えた発光素
子であって、前記活性層の少なくとの1つがII−VI
族化合物半導体からなることを特徴とする。
【0009】ここで、本発明の望ましい実施態様として
は次のものが挙げられる。 (1) 前記活性層がアンド−プまたはp型であるこ
と。 (2) 前記活性層および障壁層がInGaAlBNか
らなること。 (3) 活性層と、それに隣接するp電極側の障壁層と
のバンドギャップエネルギ−差が、活性層のバンドギャ
ップエネルギ−の20%以下であること。
は次のものが挙げられる。 (1) 前記活性層がアンド−プまたはp型であるこ
と。 (2) 前記活性層および障壁層がInGaAlBNか
らなること。 (3) 活性層と、それに隣接するp電極側の障壁層と
のバンドギャップエネルギ−差が、活性層のバンドギャ
ップエネルギ−の20%以下であること。
【0010】本発明によれは、バンドギャップエネルギ
−の異なる複数の活性層を設けた発光素子で、活性層を
窒素を含む化合物半導体またはII−VI族化合物半導
体とすることにより、簡単な構造で広い波長範囲におけ
る複数波長の同時発光が可能となる。
−の異なる複数の活性層を設けた発光素子で、活性層を
窒素を含む化合物半導体またはII−VI族化合物半導
体とすることにより、簡単な構造で広い波長範囲におけ
る複数波長の同時発光が可能となる。
【0011】
【発明の実施の態形】以下、本発明に詳細を図示の実態
形態によって説明する。 図1は本発明の第1の実態形
態に関わる発光素子の概略構成を示す断面図である。図
中10はサファイヤ基板であり、この基板の上にGaN
バッファ層11、n−GaNクラッド部12、InGa
N第1活性層13、p−InGaN第1障壁14、p−
InGaNからなる積層部15、p−GaNクラッド部
16が形成されている。ここでp−InGaN積層部1
5はバンドギャップエネルギ−のそれぞれ異なる複数の
p−InGaN活性層と各活性層の間のp−InGaN
障壁層とからなる。これらの結晶成長はMOCVD法あ
るいはMBE法によって行われる。
形態によって説明する。 図1は本発明の第1の実態形
態に関わる発光素子の概略構成を示す断面図である。図
中10はサファイヤ基板であり、この基板の上にGaN
バッファ層11、n−GaNクラッド部12、InGa
N第1活性層13、p−InGaN第1障壁14、p−
InGaNからなる積層部15、p−GaNクラッド部
16が形成されている。ここでp−InGaN積層部1
5はバンドギャップエネルギ−のそれぞれ異なる複数の
p−InGaN活性層と各活性層の間のp−InGaN
障壁層とからなる。これらの結晶成長はMOCVD法あ
るいはMBE法によって行われる。
【0012】p−GaNクラッド部16からn−GaN
クラッド部12はリッジ部を除いてn−GaNクラッド
部の途中までエッチング等で除去され、n−GaNクラ
ッド部の露出部にはn電極17、p−GaNクラッド部
の一部にはp電極18が形成される。表1は本実地形態
における各層の組成、厚さおよびキャリア濃度の例を示
したものである。この例では7個の活性層を用いてい
る。
クラッド部12はリッジ部を除いてn−GaNクラッド
部の途中までエッチング等で除去され、n−GaNクラ
ッド部の露出部にはn電極17、p−GaNクラッド部
の一部にはp電極18が形成される。表1は本実地形態
における各層の組成、厚さおよびキャリア濃度の例を示
したものである。この例では7個の活性層を用いてい
る。
【0013】
【表1】
【0014】本発明の特徴は、p型層中に複数の活性層
を設け、そこでのキャリアオ−バ−フロ−を利用して、
各活性層にキャリアを注入していることである。従来、
このような発光素子では、p型層へのキャリアオ−バ−
フロ−は無効電流となるため、効率低下の要因であった
が、本発明はこのオ−バ−フロ−キャリアを別の活性層
で再利用するため、全体として極めて高い発光効率が得
られる。一般にこの材料系ではp型の高濃度ド−ピング
や高バンドギャップ差のクラッド層の実現が困難である
ため、キャリアオ−バ−フロ−が生ずるが、本発明はこ
れを積極的に利用したものである。
を設け、そこでのキャリアオ−バ−フロ−を利用して、
各活性層にキャリアを注入していることである。従来、
このような発光素子では、p型層へのキャリアオ−バ−
フロ−は無効電流となるため、効率低下の要因であった
が、本発明はこのオ−バ−フロ−キャリアを別の活性層
で再利用するため、全体として極めて高い発光効率が得
られる。一般にこの材料系ではp型の高濃度ド−ピング
や高バンドギャップ差のクラッド層の実現が困難である
ため、キャリアオ−バ−フロ−が生ずるが、本発明はこ
れを積極的に利用したものである。
【0015】図2は、この構造におけるバンドダイアグ
ラムおよび電子、正孔のキャリア密度分布を示したもの
である。図3(b)から、キャリアのオ−バ−フロ−が
生じ、各活性層に電子、正孔が注入されていることがわ
かる。
ラムおよび電子、正孔のキャリア密度分布を示したもの
である。図3(b)から、キャリアのオ−バ−フロ−が
生じ、各活性層に電子、正孔が注入されていることがわ
かる。
【0016】図3は自然放出再結合の割合と電子電流、
正孔電流の分布を示したものである。電子電流、正孔電
流は各活性層で段階的に変化し、それに伴って各活性層
で自然放出際結合が生じていることがわかる。また図4
(a)からわかるように、これらの自然放出は423n
mの青紫色から611nmの赤色まで。ほど同じ割合で
起こっている。これは、表1において、各層のパラメ−
タ−を最適設計してあるからである。これにより、青紫
色から赤色までの広い発光スペクトルを持った発光ダイ
オ−ドが実現できる。
正孔電流の分布を示したものである。電子電流、正孔電
流は各活性層で段階的に変化し、それに伴って各活性層
で自然放出際結合が生じていることがわかる。また図4
(a)からわかるように、これらの自然放出は423n
mの青紫色から611nmの赤色まで。ほど同じ割合で
起こっている。これは、表1において、各層のパラメ−
タ−を最適設計してあるからである。これにより、青紫
色から赤色までの広い発光スペクトルを持った発光ダイ
オ−ドが実現できる。
【0017】図3(a)に示した自然放出の割合は、各
層のパラメ−タ−により、分布を変えることも可能であ
る。表2は各層の組成の別の設計例を示したものであ
る。この例では活性層は6個とした。
層のパラメ−タ−により、分布を変えることも可能であ
る。表2は各層の組成の別の設計例を示したものであ
る。この例では活性層は6個とした。
【0018】
【表2】
【0019】図4、図5に、この設計に対するバンドダ
イアグラム、電子、正孔のキャリア密度分布、自然放出
再結合の割合、電子電流、正孔電流の分布をそれぞれ示
す。図5(a)からわかるように、自然放出再結合の割
合は各活性層で異なっている。これらは波長による視感
度を補正して短波調側および長波長側の発光出力を大き
く設計したものである。これにより、白色発光のLED
が得えられる。
イアグラム、電子、正孔のキャリア密度分布、自然放出
再結合の割合、電子電流、正孔電流の分布をそれぞれ示
す。図5(a)からわかるように、自然放出再結合の割
合は各活性層で異なっている。これらは波長による視感
度を補正して短波調側および長波長側の発光出力を大き
く設計したものである。これにより、白色発光のLED
が得えられる。
【0020】なお、活性層の数は本実施例の場合に限ら
れる訳ではなく、これにより多くても少なくても設計が
可能である。例えばRGBに対応する3種類でも良い。
表1、表2の設計例では、長波長発光に対応する活性層
のIn組成を大きくしてあるが、不純物準位を利用した
別の設計も可能である。すなわち、In組成はもっと小
さく設計し、Zn等の不純物をド−ピングして長波長側
で発光させることも可能である。不純物準位を利用した
発光はバンド端発光よりスペクトル幅が広いため、通常
の用途での単色LEDでは望ましくないが、本発明では
スペクトル範囲を広げることが目的であるので十分使用
可能である。
れる訳ではなく、これにより多くても少なくても設計が
可能である。例えばRGBに対応する3種類でも良い。
表1、表2の設計例では、長波長発光に対応する活性層
のIn組成を大きくしてあるが、不純物準位を利用した
別の設計も可能である。すなわち、In組成はもっと小
さく設計し、Zn等の不純物をド−ピングして長波長側
で発光させることも可能である。不純物準位を利用した
発光はバンド端発光よりスペクトル幅が広いため、通常
の用途での単色LEDでは望ましくないが、本発明では
スペクトル範囲を広げることが目的であるので十分使用
可能である。
【0021】図6は本発明の第2の実地形態に係わる発
光素子の素子構造を示す断面図である。図中20はサフ
ァイア基板であり、この基板の上にGaNバッファ層2
1、n−GaNクラッド部22、第1活性層23、p−
InGaN第1障壁層24、p−InGaNからなる積
層部25、p−GaNクラッド部26、n−GaN電流
阻止層27が形成されている。p−InGaN積層部2
5の構成は第1の実施形態と同様であり、様々な設計が
可能である。n−GaN電流阻止層は一部を残してエッ
チング除去され、その上に、p−GaNコンタクト層2
8が形成される。また29はn電極、30はp電極であ
る。本実施例ではn−GaN電流阻止層27を設けるこ
とにより、電極30直下への電流注入を減らし、光の取
り出し効果を上げている。
光素子の素子構造を示す断面図である。図中20はサフ
ァイア基板であり、この基板の上にGaNバッファ層2
1、n−GaNクラッド部22、第1活性層23、p−
InGaN第1障壁層24、p−InGaNからなる積
層部25、p−GaNクラッド部26、n−GaN電流
阻止層27が形成されている。p−InGaN積層部2
5の構成は第1の実施形態と同様であり、様々な設計が
可能である。n−GaN電流阻止層は一部を残してエッ
チング除去され、その上に、p−GaNコンタクト層2
8が形成される。また29はn電極、30はp電極であ
る。本実施例ではn−GaN電流阻止層27を設けるこ
とにより、電極30直下への電流注入を減らし、光の取
り出し効果を上げている。
【0022】図7は本発明の第3の実地形態に係わる発
光素子の素子構造を示す断面図である。図中49はサフ
ァイア基板であり、この基板の上にGaNバッファ層4
1、n−GaNクラッド部42、InGa第1活性層4
3、p−InGaN第1障壁層44、p−InGaNか
らなる積層部45、p−GaNクラッド部46、n−G
aN電流阻止層47が形成されている。p−InGaN
積層部45の構成はこれまでの説明と同様である。n−
GaN電流阻止層47は一部を残してエッチング除去さ
れ、その上にp−GaNコンタクト層48が形成され
る。また49はn電極、50はp電極である。
光素子の素子構造を示す断面図である。図中49はサフ
ァイア基板であり、この基板の上にGaNバッファ層4
1、n−GaNクラッド部42、InGa第1活性層4
3、p−InGaN第1障壁層44、p−InGaNか
らなる積層部45、p−GaNクラッド部46、n−G
aN電流阻止層47が形成されている。p−InGaN
積層部45の構成はこれまでの説明と同様である。n−
GaN電流阻止層47は一部を残してエッチング除去さ
れ、その上にp−GaNコンタクト層48が形成され
る。また49はn電極、50はp電極である。
【0023】本実施例では、n−GaN電流阻止層47
を設けて、光の取り出し効果を上げている点で図8の実
地形態と同様であるが、光取り出し部が図8とは異な
る。図8は本発明の第4の実地形態に係わる発光素子の
素子構造を示す断面図である。
を設けて、光の取り出し効果を上げている点で図8の実
地形態と同様であるが、光取り出し部が図8とは異な
る。図8は本発明の第4の実地形態に係わる発光素子の
素子構造を示す断面図である。
【0024】図中60はn−GaAs基板であり、この
基板の上にn−GaAsバッファ層61、n−InGa
AlPクラッド部62、InGaP第1活性層、p−I
nGaAlPからなる第1積層部63、p−InGaA
lPクラッド64、p−InAlP中間層65、p−Z
nSeクラッド66、p−CdZnSeからなる第2積
層部67、p−ZnSeクラッド層68、p−ZnTe
コンタクト層69が積層されている。これらの結晶成長
はMOCVD法あるいはMBE法で行われる。なお、7
0はn電極、71はp電極である。
基板の上にn−GaAsバッファ層61、n−InGa
AlPクラッド部62、InGaP第1活性層、p−I
nGaAlPからなる第1積層部63、p−InGaA
lPクラッド64、p−InAlP中間層65、p−Z
nSeクラッド66、p−CdZnSeからなる第2積
層部67、p−ZnSeクラッド層68、p−ZnTe
コンタクト層69が積層されている。これらの結晶成長
はMOCVD法あるいはMBE法で行われる。なお、7
0はn電極、71はp電極である。
【0025】本実施例においても、InGaP、InG
aAlP、CdZnSeからなる各活性層のバンドギャ
ップエネルギ−が異なり、赤色〜青色までの広い範囲で
の同時発光が可能である。以上の例では第1活性層を除
いて、活性層はp型の例を挙げたが、活性層はアンド−
プ層であっても良い。
aAlP、CdZnSeからなる各活性層のバンドギャ
ップエネルギ−が異なり、赤色〜青色までの広い範囲で
の同時発光が可能である。以上の例では第1活性層を除
いて、活性層はp型の例を挙げたが、活性層はアンド−
プ層であっても良い。
【0026】
【発明の効果】以上詳述したように、本発明によれば、
ハンドギャップエネルギ−の異なる複数の活性層を設け
て、キャリアのオ−バ−フロ−を利用することにより、
簡単な構造で複数の波長の同時発光が可能な発光素子が
実現できる。
ハンドギャップエネルギ−の異なる複数の活性層を設け
て、キャリアのオ−バ−フロ−を利用することにより、
簡単な構造で複数の波長の同時発光が可能な発光素子が
実現できる。
【図1】本発明の第1の実施形態に係わる発光素子構造
を示す断面図。
を示す断面図。
【図2】バンドダイアグラムおよび電子、正孔のキャリ
ア密度分布を示す図。
ア密度分布を示す図。
【図3】自然放出再結合の割合と電子電流、正孔電流の
分布を示す図。
分布を示す図。
【図4】図2とは別の例のバンドダイアグラムおよび電
子、正孔のキャリア密度分布を示す図。
子、正孔のキャリア密度分布を示す図。
【図5】図3とは別の例の自然放出再結合の割合と電子
電流の分布を示す図。
電流の分布を示す図。
【図6】第2の実施形態に係わる発光素子の素子構造を
示す断面図。
示す断面図。
【図7】第3の実施形態に係わる発光素子の素子構造を
示す断面図。
示す断面図。
【図8】第4の実施形態に係わる発光素子の素子構造を
示す断面図。
示す断面図。
10,20,40… サファイア基板 11,21,41… GaNバッファ層 12,22,42… n−GaNクラッド部 13,23,43…InGaN第1活性層 14,24,44…p−InGaN第1障壁層 15,25,45… p−InGa積層部 16,26,46… p−GaNグラッド部 27,47… n−GaN電流阻止層 28,48… p−GaNコンタクト層 17,29,49… n電極 18,30,50… p電極
Claims (3)
- 【請求項1】 障壁層で分離されたバントギャップエネ
ルギ−の異なる複数の活性層を備えた発光素子であっ
て、前記活性層が窒素を含む化合物半導体からなること
を特徴とする発光素子。 - 【請求項2】 障壁層で分離されたバントギャップエネ
ルギ−の異なる複数の活性層を備えた発光素子であっ
て、前記活性層の少なくとも1つがII−VI族化合物
半導体からなることを特徴とする発光素子。 - 【請求項3】 前記活性化層がアンド−プまたはp型で
あることを特徴とする請求項1または2に記載の発光素
子。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP24272897A JPH1187773A (ja) | 1997-09-08 | 1997-09-08 | 発光素子 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP24272897A JPH1187773A (ja) | 1997-09-08 | 1997-09-08 | 発光素子 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH1187773A true JPH1187773A (ja) | 1999-03-30 |
Family
ID=17093371
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP24272897A Pending JPH1187773A (ja) | 1997-09-08 | 1997-09-08 | 発光素子 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPH1187773A (ja) |
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-
1997
- 1997-09-08 JP JP24272897A patent/JPH1187773A/ja active Pending
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