WO2002049121A1 - Element lumineux a longueurs d'onde multiples - Google Patents

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WO2002049121A1
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WO
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light
wavelength
group
well
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PCT/JP2001/010769
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Inventor
Kazuyuki Tadatomo
Hiroaki Okagawa
Yoichiro Ouchi
Takashi Tsunekawa
Original Assignee
Mitsubishi Cable Industries, Ltd.
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L33/00—Semiconductor devices with at least one potential-jump barrier or surface barrier 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 with at least one potential-jump barrier or surface barrier 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 with at least one potential-jump barrier or surface barrier 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
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
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    • H01L33/02—Semiconductor devices with at least one potential-jump barrier or surface barrier 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
    • H01L33/04—Semiconductor devices with at least one potential-jump barrier or surface barrier 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 quantum effect structure or superlattice, e.g. tunnel junction
    • H01L33/06—Semiconductor devices with at least one potential-jump barrier or surface barrier 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 quantum effect structure or superlattice, e.g. tunnel junction within the light emitting region, e.g. quantum confinement structure or tunnel barrier

Definitions

  • Multi-wavelength light emitting device Multi-wavelength light emitting device
  • the present invention relates to a compound semiconductor device, particularly to a light emitting device.
  • An LED emitting white light has been developed and put into practical use by combining a blue LED and a phosphor that emits yellow fluorescence when excited by blue light emitted from the LED.
  • a white light source using such an LED is expected as a light source for the next generation of new lighting.
  • the white light source is also realized by a combination of an ultraviolet LED and a phosphor for converting ultraviolet light into multiple wavelengths, or a method of combining visible LEDs of a plurality of colors such as blue, green, and red.
  • the method using UV LEDs is considered to have a large energy loss due to wavelength conversion because UV energy emitted by injecting a high-energy carrier into low-energy visible light is likely to have a limited energy use efficiency. .
  • This problem also exists when used in combination with blue LEDs and phosphors.
  • the method of obtaining white light in a complementary color relationship using visible LEDs of multiple colors has the advantage that energy efficiency is excellent because there is no wavelength conversion.
  • it becomes a multi-point light source mixing light is poor, the driving voltage is different for each emission wavelength, the driving circuit becomes complicated, and the deterioration mode differs for each emission wavelength, and the color tone changes over time. It has many.
  • the present inventors have attempted to develop a multi-wavelength light-emitting element that does not include a wavelength conversion step using a phosphor or the like and is directly energy efficient and that has high energy use efficiency. completed.
  • the present invention is different from the conventional concept described above in that a single light-emitting layer emits light of multiple wavelengths, and a new concept that emits multicolor light simply by injecting current into a pair of p-type and n-type electrodes. It is an object of the present invention to provide a light-emitting element based on. Because of the single light-emitting layer, there is no change in color tone due to the difference in deterioration mode, excellent wavelength mixing properties, and an easy-to-handle white light source with a simplified driving circuit.
  • the multi-wavelength light-emitting device of the present invention is a light-emitting device including an n-type semiconductor layer, a p-type semiconductor layer, and a light-emitting layer having a multilayer structure, wherein the light-emitting spectrum includes at least two or more peaks. It is characterized in that the light emitting layer has a multilayer structure that emits light.
  • the light emitting layer preferably has a multiple quantum well structure.
  • the light emission wavelength is changed by changing one or more of the following: a band gap, a well layer width, a doping amount or type, and a piezo electric field intensity.
  • Multiple wavelengths can be achieved by arranging at least two different quantum well layers in a multiple quantum well structure.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of the multi-wavelength light emitting device of the present invention.
  • FIG. 2 is a schematic diagram showing a band structure of a light emitting layer of the three-wavelength light emitting device according to the present invention.
  • FIG. 3 is a schematic diagram showing a band structure of a light emitting layer of the two-wavelength light emitting device according to the present invention.
  • 1 is the substrate
  • 2 1 is the II-GaN contact layer
  • 2 2 is 18 10 a N cladding layer
  • 23 is P-GaN contact layer
  • 3 is light emitting layer
  • 31 a, 31 b, 31 c are well layers
  • 32 a, 32 b, 32 c are paria layers Respectively.
  • a multiple quantum well structure used as a light emitting layer in a light emitting device generally has a structure in which a plurality of well layers having the same characteristics (such as a band gap) are arranged in order to increase luminous efficiency. That is, the well layer has the same structure (composition, band gap, well width) as the barrier layer / well layer / barrier layer / well layer barrier / barrier layer. The width may be modulated, but the composition (pand gap) is often the same except at both ends.
  • the device structure developed by the present inventors is characterized by modulating the composition (pand gap) and width of a well layer and / or a barrier layer forming a multiple quantum well structure in one light emitting layer.
  • highly efficient multicolor light emission particularly white light emission
  • a single light emitting layer That is, by mixing two or more types of pairs of well layers and barrier layers having different properties in a layer recognized as one light emitting layer in a normal light emitting device structure, light emission of different wavelengths for each pair is obtained.
  • a light-emitting element having at least two or more light-emission peaks in a light-emission spectrum is formed. According to such a configuration, since the direct light-to-light conversion method using no phosphor is used, the energy use efficiency is good, and the appearance of the light emitting layer is one, so that the device structure is not complicated.
  • FIG. 1 shows an embodiment of the compound semiconductor light-emitting device of the present invention, in which a sapphire C-plane substrate 1, a low-temperature grown GaN buffer layer 11 and an undoped GaN layer 1 2 are shown from below.
  • Si-doped ti-GaN contact layer 21 1, multi-quantum well structure (MQW) light-emitting layer 3 with multiple well layers 3, Mg-doped p-A1 GaN cladding layer 22, Consisting of Mg-added p-GaN contact layer 23, n-electrode 3 1 at exposed portion of n-GaN contact layer 21 1 p-electrode at surface of p-GaN contact layer 23 32 are provided respectively.
  • MQW multi-quantum well structure
  • the light emitted from the light emitting layer 3 emits light. It is characterized in that it has a multilayer structure including at least two or more peaks in the optical spectrum. Note that the peak referred to here includes not only a steep peak but also a broad peak, and also includes a case where two broad peaks overlap to form an apparently one peak.
  • the light-emitting layer 3 has a multilayer structure including at least two or more peaks in the light-emission spectrum.
  • This multilayer structure is typically a multiple quantum well structure.
  • the multiple quantum well structure is a structure in which a well layer and a barrier layer are formed as one pair, and such pairs are stacked in a plurality of stages.
  • the stacked beams are classified according to the number of peak light beams to be generated, that is, if the light is a three-wavelength light emitting element, the light is grouped into three, and for each group, for example, a band gap, a well, etc.
  • FIG. 2 is an example of a case where a band gap is varied for each section among the above-described parameters, and is a diagram schematically illustrating a band structure of the light emitting layer 3 in the case of a three-wavelength light emitting device.
  • the light-emitting layer 3 is divided into three by changing the band gap of the well layer, and is composed of a first group 3a, a second group 3b, and a third group 3c. It consists of G a N.
  • the first group 3 a composed of three well layers 31 a emitting a vermilion of about 600 nm from the n-GaN contact layer 21 side and a parlia layer 32 a therebetween.
  • a third group 3c composed of the layer 31c and the adjacent barrier layer 32c is arranged.
  • the mean free path of holes injected into the active layer is said to be several tens of nm, and how to efficiently inject and diffuse holes into the multiple quantum well layer, and
  • the electrons are diffused uniformly, and the emission wavelength balance is almost determined by the hole distribution. Therefore, the side that supplies holes p-
  • the third group 3c that emits blue light is disposed on the AlGaN cladding layer 22 side, the well layer 31c is a single layer because the density of holes is high.
  • the second group 3b that emits green light is arranged at the intermediate position.However, although the hole density slightly decreases, the visibility of green is high, so that a single layer of the well layer 31b is sufficient. . Finally, the first group, which emits vermilion light, is arranged on the n-GaN contact layer 21 side.However, since the hole density decreases and the visibility decreases, three well layers 31a are included. .
  • the band gaps of the barrier layers 32a, 32b, and 32c are also reduced from the P-A 1 G aN clad layer 22 side, which is the hole supply side. is there.
  • the band gap EB [eV] of the barrier layer is EB + EWL + 0.8. Linking the band gap of the barrier layer with the band gap of the well layer in this way is advantageous because it provides a potential field for holes that are very difficult to move.
  • the multicolor light-emitting device fabricated in this way has three peak wavelengths of about 60 O nm, 535 m, and 470 nm emitted from each group, and these emitted lights interfere with each other to be output. Becomes white light.
  • the output was 20 mW (when 2 OmA was applied), and the drive voltage was 3.6 V (average value), the same as for a blue LED. .
  • FIG. 3 similarly shows an example in which the band gap is different for each group, and schematically shows the band structure of the light emitting layer 3 in the case of a two-wavelength light emitting element.
  • the light-emitting layer 3 is composed of a first group 3a and a second group 3b, which are divided into two by making the band gap of the well layer different, and all are unattached as in the example of Fig. 2. It consists of additional InGaN. In the example shown in Fig. 3, it can be considered that the electrons are diffused uniformly, and it is considered that the emission wavelength balance is almost determined by the hole distribution.
  • a second group 3 b composed of two well layers 33 b and a barrier layer 34 b emitting blue light of about 475 nm on the p-A 1 G a N clad layer 22 side, that is, on the hole injection side.
  • a first group 3a composed of 4a was disposed on the n—GaN contact layer 21 side. This takes into account the fact that the hole density decreases and the visibility decreases.
  • the band gaps of the barrier layers 34 a and 34 b were also reduced from the p-A 1 GaN cladding layer 22 side to make holes more easily diffused.
  • the multicolor light-emitting device fabricated in this way is a white light source having two peak wavelengths of approximately 575 nm and 475 nm.
  • the sapphire C-plane substrate is exemplified, but in addition, the sapphire A-plane (R-plane), S i C (6H, 4H, 3C), GAN, A1N, Si, spinel, Although ZnO, GaAs, NGOs and the like can be used, other materials may be used if they correspond to the purpose of the invention.
  • the plane orientation of the substrate is not particularly limited, and may be a just substrate or a substrate having an off angle.
  • a GaN-based semiconductor of several ⁇ is epitaxially grown on a sapphire substrate or the like. Is also good.
  • the heat resistance of InGaN with a high InN mixed crystal ratio may be a problem.
  • a film from the short wavelength side it can be avoided by stacking InGaN with a high InN mixed crystal ratio last.
  • a multi-wavelength light emitting device having a well layer that emits short wavelength light is provided on the electron supply side (n-type semiconductor layer side). That is, in the case of the multi-wavelength light emitting device of the embodiment shown in FIG. 2, if the above-mentioned problem of thermal damage is emphasized, it is possible to place the n-G.
  • a quantum well portion of the third group 3c which emits 470 blue light, which is the shortest wavelength, is arranged, and a vermilion light emission of 600 nm, which is the longest wavelength, is formed on the p-A1GAN cladding layer 22 side.
  • One group 3a may be arranged. Also in the case of the embodiment shown in FIG. 3, the locations of the first group 3a and the second group 3b may be switched.
  • the bandgap is made different and the emission wavelength is made different mainly by changing the composition of the well layer.
  • other examples include the well layer width, the doping amount or the type.
  • a method in which one or more of the piezo electric field strength and the like are made different can be adopted.
  • the width of the well layer When the width of the well layer is changed, the effective band gap due to the quantum effect changes and the emission wavelength changes, and the effective band gap changes due to the tilt of the band structure due to the piezoelectric field. There is an effect that a typical band gap changes. If the width of the well layer is increased, the effect of the piezo electric field is increased, and the emission wavelength shifts to a longer wavelength, so that the emission wavelength can be made different. For example, in order to emit blue light of about 475 nm and yellow light of about 575 nm, the width of the well layer may be set to 2.5 nm and 7.5 nm, respectively.
  • the doping amount or type added to the well layer can be adjusted to make the emission wavelength different.
  • the emission wavelength can be adjusted by adding Zn, or Zn and Si to a specific well layer.
  • the piezo electric field strength can control the stress applied to the well layer by the layer structure design, and can make the emission wavelength different by making the effective band gap different.
  • the composition of the barrier layer sandwiching the well layer is adjusted so that the lattice constant becomes smaller.
  • the emission wavelength can be adjusted by adjusting the composition of the barrier layer or the cladding layer in the light emitting layer, the thickness of the underlayer, the substrate, and the like, and changing the stress.
  • a sapphire C-plane substrate with a thickness of 500 ⁇ was used, and a normal atmospheric pressure MOVPE (metal organic vapor phase epitaxy) apparatus was used as the crystal growth apparatus.
  • MOVPE metal organic vapor phase epitaxy
  • the sapphire substrate was mounted in an OVPE apparatus, and the temperature was raised to 1100 ° C in a hydrogen rich air flow. After performing thermal etching while holding for a predetermined time, the temperature was lowered to 450 ° C., and a low-temperature grown GaN buffer layer was grown to about 20 nm. Subsequently, the temperature was raised to 1000 ° C.
  • the substrate was taken out of the MOVPE furnace and subjected to etching and electrode formation using conventional photolithography technology, electron beam evaporation technology, reactive ion etching (RIE) technology, etc., and finally processed into LED chips. .
  • RIE reactive ion etching
  • the obtained LED chip was processed into an LED lamp using an epoxy resin, and the emission characteristics were measured and evaluated.
  • the emission wavelength is a white light source with three peak wavelengths of approximately 600 nm, 535 nm, and 470 nm.
  • the emission output is 20 mW (when 20 mA is applied), and the drive voltage is the same as the blue LED, 3.6 V (average). Value).
  • the lamp was nearly twice as bright as a white light source using conventional phosphors.
  • a multicolor light emitting device was manufactured in the same manner as in Example 1.
  • the obtained LED chip was processed into an LED lamp using an epoxy resin, and the emission characteristics were measured and evaluated.
  • the emission spectrum has a white light source with two peaks at approximately 575 nm and 470 nm.
  • the emission output is 25 mW (when 2 OmA is applied), and the driving voltage is the same as the blue LED, 3.6 V (average value). Met.
  • the lamp was about twice as bright as the white light source using conventional phosphors.
  • the multi-wavelength light emitting device of the present invention as described above can be suitably used as an LED-type white light source.
  • the direct light-to-light conversion method using no phosphor is used, so that the energy use efficiency is good, and the appearance of the light emitting layer is one layer, so that the device structure is not complicated. Therefore, it is possible to realize a white light source which can simplify the driving circuit and has high efficiency, and has no change in color tone due to a difference in deterioration mode due to a single light emitting layer, and also has excellent wavelength mixing properties.

Description

明細書
多波長発光素子
技術分野
本発明は、 化合物半導体素子、 特に発光素子に関するものである。
背景技術
青色 LEDと該 LEDから発する青色光で励起され黄色の蛍光を発する蛍光体 との組み合わせで白色発光する LEDが開発され、 実用化されている。 この様な LED (固体発光素子） を使った白色光源は、 次世代の新規な照明用の光源とし て期待されている。 該白色光源は、 他に紫外 LEDと紫外光を多波長に変換する 蛍光体との組み合わせや、 さらに青色、 緑色、 赤色などの複数色の可視 LEDを 組み合わせる方法等によっても実現されている。
しかし、 紫外 LEDを使う方法は、 高エネルギーのキヤリャを注入し発光した 紫外線を低エネルギーの可視光に変換するために、 波長変換によるェネルギー損 失が大きく、 エネルギー利用効率に限界があると考えられる。 この問題は、 青色 LEDと蛍光体と組み合わせて使用する場合も同様に存在する。 一方、 複数色の 可視 LEDを使い補色関係で白色光を得る方法は、 波長変換が無いためにエネル ギー利用効率は優れるといった利点がある。 しかし、 多点光源となり光の混合が 悪い、 駆動電圧が発光波長毎に異なるので駆動回路が複雑になる、 劣化モードが 発光波長毎に異なるために、 経時的に色調が変化するなどの問題点を多く有して いる。
上記の問題点を鑑み、 本発明者らは、 蛍光体などを使った波長変換工程を含ま ない、 直接電光変換されるエネルギー利用効率の高い多波長発光素子を開発する ことを試み、 本発明を完成した。
ところで、 1つのチップから多波長を発光する LEDは種々考案され、 また開 発されてきた。 し力 し、 その大半は発光波長毎に異なる発光層として積層され、 各発光層の両側に n型半導体層及ぴ p型半導体層を配した構造になっている。 そ のため、 各発光層に少なくとも 1つの外部取出し電極が必要となり、 駆動回路の 複雑さ、 劣化モードの違いによる色調の変化などの問題は何ら解決されていない 発明の開示
本発明は、 上記の従来のコンセプトと異なり、 単一の発光層から複数の波長の 光を発し、 しかも一組の p型及ぴ n型電極に電流を注入するだけで多色発光する 新しいコンセプトに基づく発光素子を提供することを目的とする。 単一発光層故 に劣化モードの違いに起因した色調の変化も無く、 波長混合性にも優れ、 駆動回 路も単純化された扱い易い白色光源を提供するものである。
従来の白色光源の、 ①紫外線 L E D或いは青色 L E Dと蛍光体の組み合わせ、 ②複数色の可視 L E Dの組み合わせ、 ③従来の多色発光チップを使った方式、 に おける上記問題点を解決するため、 単一の発光層から多色の発光が得られる新し い素子構造を開発した。
即ち、 本発明の多波長発光素子は、 n型半導体層と、 p型半導体層と、 多層構 造からなる発光層を備える発光素子において、 発光スぺクトル中に少なくとも 2 つ以上のピークを含む光を発する多層構造を発光層内に有することを特徴とする ものである。
上記発光層は多重量子井戸構造からなることが好ましく、 この場合、 パンドギ ヤップ、 井戸層幅、 ドーピング量又は種類、 及ぴピエゾ電界強度のいずれか一種 又は二種以上を異ならせることで発光波長を異ならせた、 少なくとも 2つ以上の 量子井戸層を、 多重量子井戸構造中に配置することで多波長化を達成できる。
図面の簡単な説明
図 1は、 本発明の多波長発光素子の断面図である。
図 2は、 本発明にかかる 3波長発光素子の発光層のパンド構造を示す摸式図で ある。
図 3は、 本発明にかかる 2波長発光素子の発光層のパンド構造を示す摸式図で ある。
各図において、 1は基板、 2 1は II — G a Nコンタクト層、 2 2は 一八 1 0 a Nクラッド層、 2 3は P— G a Nコンタクト層、 3は発光層、 3 1 a， 3 1 b ， 3 1 cは井戸層、 3 2 a , 3 2 b , 3 2 cはパリア層をそれぞれ表している。
発明の詳細な説明
一般に、 発光素子中の発光層として使われる多重量子井戸構造は、 通常同じ特 性 （パンドギャップ等） を有する井戸層を、 発光効率を上げるために複数配した 構造をしている。 即ち、 障壁層/井戸層/障壁層 井戸層ノ · · /障壁層なる多 重量子井戸層にぉレ、て、 井戸層は同じ構造 （組成、 パンドギャップ、 井戸幅） で あり、 障壁層も幅に関しては変調をかける場合もあるが、 組成 （パンドギャップ ) は両端を除いて同一の場合が多い。
これに対し本発明者らの開発した素子構造は、 一つの発光層中の多重量子井戸 構造を形成する井戸層及び/又は障壁層の組成 （パンドギャップ） や幅を変調す る事を特長にしており、 単一の発光層から高効率の多色発光、 特に白色発光が得 られる。 すなわち、 通常の発光素子構造において一つの発光層として認識されて いる層中に、 互いに性質の異なる井戸層と障壁層とのペアを二種以上混在させる ことで各ペア毎に異なる波長の発光を得ることができるようにし、 もって発光ス ぺクトル中に少なくとも 2つ以上の発光ピークを有する発光素子を構成するもの である。 かかる構成によれば、 蛍光体を用いない直接電光変換方式であるのでェ ネルギー利用効率は良く、 また発光層は見かけ上は一層であるので素子構造の複 雑化等を伴うことはない。
以下図面に基づいて、 本発明の実施態様につき説明する。
図 1は本発明の化合物半導体発光素子の一実施例を示しており、 下側よりサフ アイァ C面基板 1、 低温成長された G a Nバッファ層 1 1、 無添加の G a N層 1 2、 S i添加の ti - G a Nコンタクト層 2 1、 複数の井戸層を有する多重量子井 戸構造 （MQW) の発光層 3、 M g添加の p - A 1 G a Nクラッド層 2 2、 M g 添加の p -G a Nコンタクト層 2 3からなり、 n - G a Nコンタクト層 2 1の露出 部には n電極 3 1力 p -G a Nコンタクト層 2 3の表面には ρ電極 3 2がそれ ぞれ設けられている。 本発明においては、 上記発光層 3から発せられる光が、 発 光スぺクトル中に少なくとも 2つ以上のピークを含むような多層構造とされてい る点に特徴がある。 なお、 ここで言うピークとは、 急峻なピークに限らずブロー ドなピークをも含むものとし、 またブロードな 2つのピークが重なって見かけ上 1つのピークを形成しているような場合も包含する。
上述の通り、 発光層 3は発光スペク トル中に少なくとも 2つ以上のピークを含 むような多層構造とされる。 この多層構造は、 代表的には多重量子井戸構造とさ れる。 該多重量子井戸構造は、 井戸層とパリア層を 1つのペアとし、 このような ペアが複数段積重されている構造である。 そして本発明では、 前記積重されたぺ ァを発生させたいピーク光の数に応じて区分けして、 即ち 3波長発光素子ならば 3つにグループ化して、 そのグループ毎に例えばパンドギャップ、 井戸層幅、 ド 一ピング量又は種類、 及ぴピエゾ電界強度のパラメータいずれか一種又は二種以 上を異ならせることで複数の発光波長の光を発生させるようにするものである。 図 2は、 上記したパラメータのうち、 区画毎にパンドギャップを異ならせた場 合の例であって、 3波長発光素子とした場合の発光層 3のパンド構造を模式的に 示した図である。 発光層 3は井戸層のパンドギャップを異ならせることで 3つに 区画した、 第 1グループ 3 a、 第 2グループ 3 b、 第 3グループ 3 cからなつて おり、 これらは全て無添加の I n G a Nで構成している。 詳細には、 n - G a N コンタクト層 2 1側より、 約 6 0 0 n mの朱色を発する 3層の井戸層 3 1 aとそ の間のパリア層 3 2 aからなる第 1グループ 3 a、 約 5 3 5 n mの緑色を発する 1層の井戸層 3 1 b及ぴ隣接するパリア層 3 2 bからなる第 2グループ 3 b、 及 ぴ約 4 7 0 n mの青色を発する 1層の井戸層 3 1 c及ぴ隣接するパリア層 3 2 c からなる第 3グループ 3 cが配置されている。
本材料系の場合、 活性層内に注入された正孔の平均自由工程が数十 n mと言わ れており、 正孔を如何に効率良く多重量子井戸層内に注入，拡散させるか、 また パランスの取れた多色発光を得るためには如何なる層構造にするベきが課題とな る。 図 2の例では、 電子は均一に拡散していると考えて良く、 発光波長のパラン スは正孔の分布によってほぼ決定される。 従って、 正孔を供給する側である p - A l G aNクラッド層 22側に青色発光をなす第 3グループ 3 cを配しているが 、 正孔の密度も高いために井戸層 31 cは単層とした。 次に中間位置に緑色発光 をなす第 2グループ 3 bを配しているが、 正孔密度は若干低下するものの緑色の 視感度が高いためにこれも井戸層 31 bは単層で十分である。 最後に n- G a N コンタク ト層 21側に朱色発光をなす第 1グループを配したが、 正孔密度は低下 し視感度も低下するので井戸層 31 aを 3層入れて構成している。
また、 正孔がより拡散し易くするためにパリア層 32 a , 32 b, 32 cのパ ンドギャップも、 正孔供給側である P- A 1 G a Nクラッド層 22側から低減さ せてある。 設計では、 障壁層の両端を除き、 障壁層に隣接する井戸層のパンドギ ャプの大きい方を EWL [e V] とすると、 該障壁層のパンドギャップ EB [e V] は、 EBく EWL + 0. 8とした。 この様に障壁層のパンドギャップを井戸 層のパンドギャップとリンクさせることは、 非常に動き難い正孔にポテンシャル 場を与えて好都合である。
このようにして作製した多色発光素子は、 各グループから発せられるほぼ 60 O nm、 535 m, 470 n mの 3つのピーク波長を持ち、 これらの発光光が 互いに干渉することで、 出力されるのは白色光となる。 このような白色光源をラ ンプに加工して発光出力を計測したところ、 出力は 20mW (2 OmA通電時） 、 駆動電圧は青色 LEDと同じ 3. 6 V (平均値） が得ることができた。
図 3は、 同様にグループ毎にパンドギャップを異ならせた場合の例であって、 2波長発光素子とした場合の発光層 3のパンド構造を模式的に示している。 発光 層 3は井戸層のパンドギャップを異ならせることで 2つに区画した、 第 1グルー プ 3 a、 第 2グループ 3 bとからなっており、 図 2の例の場合と同様に全て無添 加の I nG a Nで構成している。 図 3の例でも、 電子は均一に拡散していると考 えて良く、 発光波長のパランスは正孔の分布によってほぼ決定されると考えられ る。 ここでは、 p- A 1 G a Nクラッド層 22側、 即ち正孔の注入側に約 475 nmの青色を発する 2層の井戸層 33 b及ぴパリア層 34 bからなる第 2グルー プ 3 bを配し、 約 575 nmの黄色を発する 5層の井戸層 33 a及ぴパリア層 3 4 aからなる第 1グループ 3 aを n— G a Nコンタクト層 2 1側に配した。 これ は、 正孔密度が低下し視感度も低下することを勘案してである。 また、 正孔がよ り拡散し易くするためにパリア層 3 4 a , 3 4 bのバンドギャップも p- A 1 G a Nクラッド層 2 2側から低減させるようにした。
このようにして作製した多色発光素子は、 ほぼ 5 7 5 nm、 4 7 5 n mの 2つ のピーク波長を持つた白色光源であり、 ランプに加工して発光出力を計測したと ころ、 出力は 2 5 mW (2 O mA通電時） 、 駆動電圧は青色 L E Dと同じ 3. 6 V (平均値） が得られた。
上記の 2種類の白色光源を比較すると、 出力的には後者の 2波長発光の方が高 いが、 平均演色評価数で比較すると前者の光源が、 R a = 9 2であるのに対し、 後者は R a = 7 7と低い結果であった。 従って、 平均演色評価数の高い光源用に は発光波長に対応する井戸層の種類を増やす事が重要であると言える。
本発明の多色発光素子において、 発光出力が一定のレベル以上である条件を詳 しく調べた結果を、 図 2を用いて説明する。 井戸層に P- A 1 G a N側より番号 (n) を付け、 そのパンドギャップ EW (n) (便宜的に発光波長 （λ ρ ίμ ηχ ] ) から EW [ e V] = l . 2 3 9 8/1 pで定義する） と、 同様に p- G a N 側パリア層の端層から番号 （m) を付け、 そのバンドギャップ E B (m) ( I n N混晶比を Xとして、 E B [ e V] = 3. 3 9— 2. 5 0 X + X2 で算出、 X は設定値） において、 ① E B (n) 及ぴ E B (n + 1 ) < EW (n) 、 ② EW ( n) 及び E B (m) のそれぞれ n、 mの一次関数近似が負の勾配を持つこと、 が 発光出力が一定のレベル以上である条件であった。
ここではサファイア C面基板を例示したが、 この他に、 サファイア A面 （R面 ) 、 S i C (6 H、 4 H、 3 C) 、 G a N、 A 1 N、 S i、 スピネル、 Z n O, G a A s , NGOなどを用いることができるが、 発明の目的に対応するならばこ のほかの材料を用いてもよい。 なお、 基板の面方位は特に限定されなく、 更にジ ャスト基板でも良いしオフ角を付与した基板であっても良い。 また、 サファイア 基板などに数 μ πιの G a N系半導体をェピタキシャル成長してある基板を用いて も良い。
基板上に成長される半導体層として図 1では G a N、 I nGaN、 A 1 G a N が例示されているが、 本目的を達成するためには A 1 y I n XG a卜 x yN (0 ≤x≤ 1, 0≤ y≤ 1 , 0≤x + y≤ 1) で一般化され x、 yの組成比で規定さ れる適切な層構造を選ぶ事ができる。
井戸層の配置に付いて好適な例をここでは述べたが、 高 I nN混晶比の I nG a Nの耐熱性が問題になる場合がある。 これは、 結晶成長装置に大きくは依存し ているが、 n- G a Nコンタク ト層 21を成長した後、 700°Cに降温して I n 0. 8G a o. 2N井戸層を成長してから、 P- G a Nコンタクト層 23を成長し終 わるまで数時間必要である。 この中の多くの部分は発光層の成長に費やされる。 結晶成長装置によっては、 この間に蒙る熱ダメージが問題になり、 発光出力が上 がらないことになる。
この場合は、 短波長側から製膜することで、 高 I nN混晶比の I nG a Nを最 後に積む事で回避できる。 この場合は電子を供給する側 （n型半導体層側） に短 波長を発光する井戸層を配した多波長発光素子が実現されることになる。 即ち、 図 2に示した実施例の多波長発光素子の場合に、 上記の熱ダメージの問題を重視 するならば、 電子を供給する側である n— G. a Nコンタクト層 21に隣接させて 最も短波長である 470 の青色発光をなす第 3グループ 3 cの量子井戸部分 を配置し、 p— A 1 G a Nクラッド層 22側に最も長波長である 600 nmの朱 色発光をなす第 1グループ 3 aを配置すれば良い。 図 3に示す実施例の場合も、 第 1グループ 3 aと第 2グループ 3 bとの配置場所を入れ替えれば良い。
以上説明した実施例では、 井戸層の組成を主に異ならせることでパンドギヤッ プを異ならせ、 発光波長を異ならせる場合について例示したが、 これ以外にも例 えば、 井戸層幅、 ドーピング量又は種類、 ピエゾ電界強度などのいずれか一種ま たは二種以上を異ならせる方法も採用することができる。
井戸層幅を異ならせた場合、 量子効果による実効的なパンドギャップが変化し 発光波長が変化する効果と、 ピエゾ電界によるパンド構造の傾斜に起因して実効 的なパンドギヤップが変化する効果が存在する。 井戸層幅を広くするとピエゾ電 界の効果が大きくなり、 発光波長は.長波長にシフトするので、 発光波長を異なら せることができる。 例えば約 475 nmの青色光と約 575 nmの黄色光とを発 するようにするには、 井戸層の幅を 2. 5 nm, 7. 5nmにそれぞれ設定すれ ば良い。
また故意に添加した不純物が形成する深い準位に関係した発光を積極的に利用 することで、 井戸層中に添加するドーピング量又は種類を調整し、 発光波長を異 ならせることができる。 例えば、 特定の井戸層中に Z nを、 或いは Z n及ぴ S i を添加することで、 発光波長の調整を行うことができる。
ピエゾ電界強度は、 井戸層に掛かる応力を層構造の設計で制御する事ができ、 実効的なパンドギヤップを異ならせることによって発光波長を異ならせることが できる。 例えば、 井戸層を挟んでいる障壁層の組成を格子定数の小さくなる様に
、 具体的には障壁層に A 1を半導体組成成分として添加すると井戸層に圧縮歪が 加わり、 やはり実効的なパンドギャップを変化させ、 発光波長が長波長に変化す る。 この様に、 発光層の中の障壁層、 又はクラッド層の組成、 更には下地層の厚 み、 基板などを調整し、 応力を変化させることで、 発光波長の調整を行うことが できる。
実施例
実施例 1
本発明の多波長発光素子の一実施例である図 1に示す断面構造の素子を、 次の ようにして作製した。 500 μπι厚のサファイア C面基板を使い、 結晶成長装置 は通常の常圧 MOVPE (有機金属気相ェピタキシャル成長） 装置を使った。 Μ OVPE装置内に該サファイア基板を装着し、 水素リツチ気流中で 1 100°Cま で昇温した。 所定時間保持してサーマルエッチングを行なった後、 450°Cまで 降温し、 低温成長 G a Nバッファ層を約 20 nm成長した。 続いて 1000°Cま で昇温し、 1000 nmの無添加 G a Nを成長し、 3000 n mの n - G a N層 (S i添加） を成長した。 700 に降温した後、 最初の障壁層 （m=6) I n o. 05 G a。. 95Nを 10 nm成長し、 3層の I n。. 76 G a。. 24 N (2. 5 nm 厚） と 2層の障壁層 I n0. 35G a 0. 65N (6 n m厚） 及ぴ障壁層 I n0. 2G a 0. 8N (m= 3、 6 nm厚） を成長し、 更に、 第 2井戸層 I n0. 55G a 0. 45N (2. 5 nm厚） 、 第 2障壁層 I n0. a 0. 9N (611 m厚） 、 第 1井戸層 I n0. 35G a 0. 75N (2. 5 n m厚） 、 第 1障壁層 I n 0· 。 5 G a 0. 95 N ( 10 nm厚） を成長し、 発光層とした。 尚、 組成は前述の発光波長から算出したパン ドギャップ値から、 E g [e V] = 3. 39 - 2. 50 X + X 2を使って概算し た値を使った。 発光層の成長終了後、 再ぴ 1000DCまで昇温し Mgを添加した 50 nmの A 10. 2G a。. 8Nクラッド層を成長し、 同じく Mgを添加した 10 0 の G a Nコンタクト層を更に成長した。 結晶成長終了後、 850°Cまで温 度が下がった段階でアンモニアガス、 水素ガスを全て窒素ガス流に切り換え、 そ のまま室温近くまで冷却した。 MOVPE炉から基板を取り出し、 通常のフォト リソグラフィ技術、 電子ビーム蒸着技術、 リアクティブイオンエッチング （R I E) 技術などを使ってエッチング加工、 電極形成等を行い、 最終的に LEDチッ プに加工 '分割した。
得られた LEDチップをエポキシ系樹脂を使って LEDランプに加工し、 発光 特性を測定評価した。 発光波長は、 ほぼ 600 nm、 535 nm, 470 nmの 三つのピーク波長を持った白色光源であり、 発光出力は 20 mW (20mA通電 時） 、 駆動電圧は青色 LEDと同じ 3. 6 V (平均値） であった。 従来の蛍光体 を使った白色光源より 2倍近く明るいランプとなった。 平均演色評価数は R a = 92であった。
実施例 2
実施例 1と同様の方法にて、 多色発光素子を作製した。 発光層は、 n- G a N 層 （S i添加） を成長後に 700でに降温し、 n側の障壁層 （m=8) I n 0. 0 5G a。. 95Nを 10 nm成長し、 5層の I n。 68 G a 0. 32 N (2. 5 n m厚） と 4層の障壁層 I n0. 3G a 0. 7N (6 n m厚） 及び第 3障壁層 I n0, tG a。. 9N (6 nm厚） を成長し、 更に、 第 2井戸層 I n0. 35G a 0. 65N (2. 5 n m厚） 、 第 2障壁層. I n 0. XG a o. 9N (6 n m厚） 、 第 1井戸層 I n0. 35G a o. 75N (2. 5 nm厚） 、 第 1障壁層 I n 0. 。 5 G a 0. 95 N (10 n m厚） を成長した。
得られた LEDチップをエポキシ系樹脂を使って LEDランプに加工し、 発光 特性を測定評価した。 発光スペクトルに、 ほぼ 575 nm、 470 n mの 2つの ピークを持った白色光源となっており、 発光出力は 25mW (2 OmA通電時） 、 駆動電圧は青色 LEDと同じ 3. 6 V (平均値） であった。 従来の蛍光体を使 つた白色光源より約 2倍強明るいランプとなった。 平均演色評価数は R a = 77 であった。
産業上の利用分野
以上説明した通りの本発明の多波長発光素子は、 LED式の白色光源として好 適に用いることができる。 この場合従来方式に比べて、 蛍光体を用いない直接電 光変換方式であるのでエネルギー利用効率は良く、 また発光層は見かけ上は一層 であるので素子構造の複雑化等を伴うことはない。 従って、 駆動回路が単純化が 可能で且つ高効率であり、 しかも単一発光層故に劣化モードの違いに起因した色 調の変化も無く、 波長混合性にも優れる白色光源を実現できる。
本出願は、 日本で出願された特願 2000-375326を基礎としておりそ れらの内容は本明細書に全て包含されるものである。 '

Claims

請求の範囲
1 . n型半導体層と、 p型半導体層と、 多層構造からなる発光層とを備える発 光素子において、
発光スぺクトル中に少なくとも 2つ以上のピークを含む光を発する多層構造を 発光層内に有することを特徴とする多波長発光素子。
2 . 発光層が複数の井戸層を有する多重量子井戸構造からなることを特徴とす る請求の範囲 1記載の多波長発光素子。
3 . パンドギャップ、 井戸層幅、 ドーピング量又は種類、 及ぴピエゾ電界強度 のいずれか一種又は二種以上を異ならせることで発光波長を異ならせた、 少なく とも 2つ以上の量子井戸層を、 多重量子井戸構造中に配置したことを特徴とする 請求の範囲 2記載の多波長発光素子。
4 . 発光波長が 5 2 0 n m未満の井戸層と 5 2 0 n m以上の井戸層をそれぞれ 少なくとも一つずつ有する多重量子井戸構造を発光層に有することを特徴とする 請求の範囲 2記載の多波長発光素子。
5 · 発光波長が 5 2 0 n m未満の井戸層のグループを A、 5 2 0 n m以上の井 戸層のグループを Bとして、 正孔を供給する側にグループ Aに属する井戸層を配 したことを特徴とする請求の範囲 4記載の多波長発光素子。
6 . 発光波長が 5 2 0 n m未満の井戸層のグループを A、 5 2 0 n m以上の井 戸層のグループを Bとして、 電子を供給する側にグル プ Aに属する井戸層を配 した事を特徴とする請求の範囲 4記載の多波長発光素子。
7 . 発光波長が 5 0 0 n m未満の井戸層と、 発光波長が 5 0 0 n m以上で 5 5 0 n m未満の井戸層と、 発光波長が 5 5 0 n m以上の井戸層をそれぞれ一つ以上 有する多重量子井戸構造を発光層に有する事を特徴とする請求の範囲 2 '記載の多 波長発光素子。
8 . 発光波長が 5 0 0 n m未満の井戸層のグループを A、 発光波長が 5 0 0 n m以上で 5 5 0 ti m未満の井戸層のグループを B、 発光波長が 5 5 0 n m以上の 井戸層のグループを Cとして、 正孔を供給する側にグループ Aを、 電子を供給す る側にグループ Cを、 これらの中間にグループ Bを配したことを特徴とする請求 の範囲 7記載の多波長発光素子。
9. 発光波長が 500 nm未満の井戸層のグループを A、 発光波長が 500 n m以上で 550 nm未満の井戸層のグループを B、 発光波長が 550 nm以上の 井戸層のグループを Cとして、 電子を供給する側にグループ Aを、 正孔を供給す る側にグループ Cを、 これらの中間にグループ Bを配したことを特徴とする請求 の範囲 7記載の多波長発光素子。
10. 井戸層のパンドギャップを、 正孔を供給する側から電子を供給する側に 向けて小さくなるように構成したことを特徴とする請求の範囲 4又は 7記載の多 波長発光素子。
1 1. 障壁層に隣接する井戸層のパンドギャップの大きい方を EWL [e V] とし、 該障壁層のパンドギャップを E B [ e V] とした時、 EBく EWL+0. 8 [e V] とすることを特徴とする請求の範囲 4又は 7記載の多波長発光素子。
12. 短波長の光を発する井戸層に隣接する障壁層の幅を、 長波長の光を発す る井戸層に隣接する障壁層に比べて厚くすることを特徴とする請求の範囲 4又は
7記載の多波長発光素子。
1 3. 少なくとも、 n型半導体層、 p型半導体層、 発光層が、 A 1 y I nxG a !_Χ_ Ν (0≤ x≤ 1 , 0≤ y≤ 1 , 0≤ χ + y≤ 1 ) で規定される材料を 用いてなる層であることを特徴どする請求の範囲 1記載の多波長発光素子。
14. 当該多波長発光素子から発せられる光が白色光となるように、 発光スぺ クトル中に含まれる 2つ以上のピークの波長が選択されていることを特徴とする 請求の範囲 1記載の多波長発光素子。
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