JPH1187773A - 発光素子 - Google Patents

発光素子

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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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JP
Japan
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ingan
gan
light emitting
layer
active layers
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JP24272897A
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English (en)
Inventor
Genichi Hatagoshi
玄一 波多腰
Leney John
レニ− ジョン
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Toshiba Corp
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Toshiba Corp
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L33/00Semiconductor 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
    • H01L33/02Semiconductor 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
    • H01L33/08Semiconductor 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。

Description

【発明の詳細な説明】
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【図面の簡単な説明】
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【符号の説明】
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)

    【特許請求の範囲】
  1. 【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。
  2. 【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。
  3. 【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。
JP24272897A 1997-09-08 1997-09-08 発光素子 Pending JPH1187773A (ja)

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