JP2002368265A - Ｉｉｉ族窒化物系化合物半導体発光素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 発光層で発光される光の一部を波長変換し、
発光層で発光される光と異なる発光色の発光が可能なII
I族窒化物系化合物半導体発光素子であって、製造コス
トが低く、品質むらが生じにくく、更には高効率で発光
する新規な構成のものを提供する。 【解決手段】 基板とIII族窒化物系化合物半導体から
なる発光層との間に、発光層よりもバンドギャップエネ
ルギーの小さな光励起半導体層を設ける。光励起半導体
層は発光層からの光を受けて該光よりも波長の長い光を
発光する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、III族窒化物系化合物
半導体発光素子に関する。詳しくは、発光層で発光され
た光を波長変換することにより、発光層からの光と異な
る色の発光が可能なIII族窒化物系化合物半導体発光素
子に関する。本発明の発光素子は、例えば、多色光源、
白色系の光源に利用できる。

【０００２】

【従来の技術】III族窒化物系化合物半導体発光素子と
蛍光体とを組み合わせ、発光素子の発光層で発光した光
の一部を蛍光体により波長変換することにより、発光素
子本来の発光色と異なる色を発光可能な発光素子又は発
光装置（ＬＥＤ）が知られている。例えば、青色系の発
光色を有するIII族窒化物系化合物半導体発光素子と青
色系の光により励起して黄色系の光を発光する蛍光体と
を組み合わせ、白色系の発光を可能としたＬＥＤが実用
化されている。かかるＬＥＤでは、蛍光体を含有する光
透過性の樹脂でIII族窒化物系化合物半導体発光素子の
光放出側を被覆した構成が一般的である。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記構成のＬＥＤで
は、まず発光素子を製造し、その後、蛍光体を含有する
樹脂をコーティングする必要があるため、即ち製造工程
が煩雑であり、また、製造コストが高いものであった。
また、蛍光体を含有する樹脂のコーティング方法は、一
般に、塗布、ディッピング等であって当該樹脂の厚さの
制御は容易でないことから、蛍光体の添加量にむらが生
じ易く、その結果、均一な品質（発光色、発光強度等）
でＬＥＤを製造することは容易でなかった。さらに、発
光素子における発光部（発光層）から離れた位置に蛍光
体が配置されること、及び蛍光体を含有する樹脂の界面
において発光素子からの光の一部がロスすることから、
蛍光体を必ずしも高い効率で発光できず、ＬＥＤの発光
効率が低いものであった。本発明は、以上の課題に鑑み
なされたものであり、その目的とするところは、発光層
で発光される光の一部を波長変換し、発光層で発光され
る光と異なる発光色の発光が可能なIII族窒化物系化合
物半導体発光素子であって、製造コストが低く、品質む
らが生じにくく、更には高効率で発光する新規な構成の
発光素子を提供することである。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明は、以上の目的を
達成すべくなされたものであり、次の構成からなる。基
板と、III族窒化物系化合物半導体からなる発光層と、I
II族窒化物系化合物半導体からなり、前記発光層で発光
した光を受けて該光よりも波長の長い光を発光する光励
起半導体層と、を備えるIII族窒化物系化合物半導体発
光素子、である。

【０００５】このような構成では、III族窒化物系化合
物半導体発光素子を構成する半導体層の一つとして光励
起半導体層が設けられ、発光層で発光した光の一部が当
該光励起半導体層により波長変換される。したがって、
上記従来の構成のように、発光素子を製造後、蛍光体を
含有する樹脂等をコーティングする工程が不要となり、
低コストで品質むらの少ない発光素子ないしは発光装置
を製造することが可能となる。また、光励起半導体層が
発光素子に内在することから、発光層と光励起半導体層
とを近接させて配置することができ、発光層で発光した
光を効率的に光励起半導体層に照射し、これを発光させ
ることができる。したがって、発光効率の高い発光素子
が提供されることとなる。更に、蛍光体を含有する樹脂
をコーティング等することなく製造されるため、いわゆ
るベアチップとして使用可能であることから、種々の実
装方法に対応することができ、製品設計の自由度が高い
といった利点も有する。

【０００６】

【発明の実施の形態】以下、本発明のIII族窒化物系化
合物半導体発光素子を構成する各要素について詳細に説
明する。本発明のIII族窒化物系化合物半導体発光素子
は、基板、発光層、及び光励起半導体層を備える。尚、
発光素子の構成としてはホモ構造、シングルヘテロ構造
若しくはダブルへテロ構造のものを用いることができ
る。更には発光層に量子井戸構造を含むものを用いるこ
とができる。また、その製造方法は 周知の有機金属気
相成長法（ＭＯＣＶＤ法）、分子線結晶成長法（ＭＢＥ
法）、ハライド系気相成長法（ＨＶＰＥ法）、スパッタ
法、イオンプレーティング法等によって形成することが
できる。基板の材質はその上にIII族窒化物系化合物半
導体層を成長させられるものであれば特に限定されず、
サファイア、スピネル、シリコン、炭化シリコン、酸化
亜鉛、リン化ガリウム、ヒ化ガリウム、酸化マグネシウ
ム、酸化マンガン、III族窒化物系化合物半導体単結晶
等を用いることができる。

【０００７】発光層は、III族窒化物系化合物半導体か
らなる。ここで、III族窒化物系化合物半導体とは、一
般式としてＡｌ_ＸＧａ_ＹＩｎ_{１−Ｘ−Ｙ}Ｎ（０≦Ｘ≦
１、０≦Ｙ≦１、０≦Ｘ＋Ｙ≦１）の四元系で表され、
ＡｌＮ、ＧａＮ及びＩｎＮのいわゆる２元系、Ａｌ_ｘＧ
ａ_１−ｘＮ、Ａｌ_ｘＩｎ_１−ｘＮ及びＧａ_ｘＩｎ_１−ｘ
Ｎ（以上において０＜ｘ＜１）のいわゆる３元系を包含
する。III族元素の一部をボロン（Ｂ）、タリウム（Ｔ
ｌ）等で置換しても良く、また、窒素（Ｎ）の一部も
リン（Ｐ）、ヒ素（Ａｓ）、アンチモン（Ｓｂ）、ビス
マス（Ｂｉ）等で置換できる。III族窒化物系化合物半
導体層は任意のドーパントを含むものであっても良い。
ｎ型不純物として、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｅ、Ｔｅ、Ｃ等を用
いることができる。ｐ型不純物として、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｂ
ｅ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ等を用いることができる。

【０００８】発光層で発光される光の波長は特に限定さ
れないが、例えば、発光ピーク波長が４００ｎｍ〜５６
０ｎｍの範囲にある光を発光する発光層を採用すること
ができる。好ましくは、発光ピーク波長が４５０ｎｍ〜
４９０ｎｍの範囲にある光を発光する発光層を採用す
る。発光層で発光した光の一部は、後述の光励起半導体
層の励起に利用される。その結果、発光層で発光した光
の中で励起光として利用されない光と、蛍光層（光励起
半導体層）の発光による光とが混色して外部放射され
る。それらの混色により様々な色調の光を発光する発光
素子を得ることが出来る。

【０００９】また発光層での発光ピーク波長が３００ｎ
ｍ〜４００ｎｍの範囲にある紫外領域の光を発光する発
光層を採用することができる。好ましくは、発光ピーク
波長が３４０ｎｍ〜４００ｎｍの範囲にある光を発光す
る発光層を採用する。高いエネルギーを有する紫外領域
の光により、光励起半導体層をより高い効率で発光させ
ることができるため、光励起半導体層から高輝度の発光
を得ることが出来る。また、後述のように、光励起半導
体層に蛍光体を含有させる場合、及び／又は蛍光体を含
む層を設ける場合には、当該蛍光体を効率的に励起、発
光させることもできる。発光層で発光した紫外領域の光
は、略全て後述の光励起半導体層の励起に利用され、光
励起半導体層が複数の発光ピーク波長を有する光を発光
する場合、あるいは複数の光励起半導体層が設けられそ
れぞれ異なる波長の光を発光する場合には、それらの混
色により、様々な色調の光を発光する発光素子を得るこ
とが出来る。

【００１０】発光層として、異なる発光ピーク波長を有
する２以上の光を発光する構成のものを採用することも
できる。これは、発光素子においてバンドギャップエネ
ルギーの異なる複数の発光層を形成することで可能とな
る。また１つの発光層内でエネルギーバンドギャップの
異なる複数の領域を形成してもよい。このような構成に
よれば、発光層で複数の色の光（紫外領域の光を含む）
が発光し、それらの混色により様々な色調の光を発光す
る発光素子を得ることができる。発光層で発光した光の
一部は、後述の光励起半導体層の励起に利用される。そ
の結果、発光層で発光した光の中で励起光として利用さ
れない光と、光励起半導体層の発光による光とが混色し
て外部放射される。例えば、発光ピーク波長が紫外領域
にある光と可視領域にある光とを発光する発光層を採用
することができる。この場合には、紫外領域の光により
光励起半導体層を高い効率で発光させることができ、光
励起半導体層から高輝度の発光を得ることができる。し
たがって、この光励起半導体層からの光と、発光層で発
光した可視領域の光とが混色されて外部放射される光の
輝度（強度）を高めることができる。発光層における紫
外領域の光としては、例えば、発光ピーク波長が４００
ｎｍ以下にあるものを挙げることができる。即ち、発光
ピーク波長が４００ｎｍ以下の紫外領域の光及び可視領
域の光を発光する発光層を採用することができる。かか
る条件を満たす発光層であれば、例えば紫外領域に二つ
以上の発光ピークを有する発光層を用いることもでき、
また、可視領域に二つ以上の発光ピークを有する発光層
を用いることもできる。発光ピーク波長が紫外領域にあ
る光は、高効率で光励起半導体層を励起可能な光である
ことが好ましい。従って、光励起半導体層の励起波長付
近に発光ピーク波長を有することが好ましく、さらに
は、光励起半導体層の励起波長付近に単一の発光ピーク
波長を有することが好ましい。例えば、紫外領域の光を
波長３００ｎｍ〜４１０ｎｍの範囲に発光ピークを有す
るものとすることができる。尚、後述のように、光励起
半導体層に蛍光体を含有させる場合、及び／又は蛍光体
を含む層を設ける場合には、当該蛍光体の励起波長、発
光波長を考慮して発光層を構成することができる。例え
ば、当該蛍光体を高効率で発光できる発光層を採用す
る。

【００１１】発光層で発光される可視領域の光は、後述
の光励起半導体層から発光する光と混合されて放出され
る。即ち、本発明の発光素子からは、発光素子の発光層
から発光する可視領域の光と蛍光体からの光とが混合さ
れた色の発光が得られる。従って、可視領域の光の色
（波長）は、光励起半導体層からの光の色（波長）及び
発光素子全体の発光色を考慮して適宜選択することがで
きる。別の見方をすれば、可視領域の光の色（波長）を
変化させることにより、発光素子の発光色を変化させる
ことができる。具体的には、可視領域の光を発光ピーク
波長が４３０ｎｍ〜５６０ｎｍの範囲に有するものとす
ることができる。また、発光ピーク波長が４５０ｎｍ〜
４９０ｎｍの範囲に有するものとすることができる。

【００１２】発光層を四元系で形成する場合の一例を示
せば、発光層をＡｌ_ｘ１Ｇａ_{１−ｘ １−ｘ２}Ｉｎ_x2Ｎ
（０＜ｘ１＜１、０＜ｘ２＜１、ｘ１＞ｘ２）からなる
領域と、Ａｌ_ｙ２Ｇａ_{１−ｙ１−ｙ２}Ｉｎ_ｙ１Ｎ（０＜
ｙ１＜１、０＜ｙ２＜１、ｙ１＞ｙ２）からなる領域と
を有するものとする。前者の領域は、Ａｌをその組成に
多く含むため、バンドギャップが比較的大きくなり、発
光波長の比較的短い紫外領域の光を発光することができ
る。他方、後者の領域は、Ｉｎをその組成に多く含むた
め、バンドギャップが比較的小さくなり、発光波長の長
い可視領域の光を発光することができる。これら両領域
は単一の層内に混晶の状態で形成させることが好まし
い。このような発光層は、例えば、ＭＯＣＶＤ法により
形成することができる。通常、ＭＯＣＶＤ法を用いてII
I族窒化物系化合物半導体からなる発光層を形成するに
は、所定の温度に昇温したＭＯＣＶＤ装置内に、アンモ
ニアガスとIII族元素のアルキル化合物ガス、例えばト
リメチルガリウム（ＴＭＧ）、トリメチルアルミニウム
（ＴＭＡ）やトリメチルインジウム（ＴＭＩ）等を供給
して熱分解反応させる。発光層の成長条件、即ち、成長
温度、アンモニアガスの流量、アルキル化合物ガスの比
率及び流量、アンモニアガスとアルキル化合物ガスの流
量比、成長速度等を調整することにより、上記の混晶か
らなる発光層を形成することができる。

【００１３】本発明者らの検討によれば、供給する原料
ガスの比率を、ＴＭＧ：ＴＭＡ：ＴＭＩ＝１：０．０
１：０．０５〜１：０．５：１０の範囲、アンモニアガ
ス：III族元素原料ガス（ＴＭＧ、ＴＭＡ、ＴＭＩ）＝
１０００：１〜１０００００：１の範囲、成長温度を６
００℃〜１１００℃の範囲、成長速度を０．００２〜１
μｍ／分の範囲で発光層を成長させることにより、結晶
性のよいＡｌ_ｘ１Ｇａ_{１ −ｘ１−ｘ２}Ｉｎ_x2Ｎ（０＜ｘ
１＜１、０＜ｘ２＜１、ｘ１＞ｘ２）とＡｌ_ｙ２Ｇａ
_{１−ｙ１−ｙ２}Ｉｎ_ｙ１Ｎ（０＜ｙ１＜１、０＜ｙ２＜
１、ｙ１＞ｙ２）との混晶からなる発光層を成長するこ
とができる。好ましくは、ＴＭＧ：ＴＭＡ：ＴＭＩ＝
１：０．０２：０．４〜１：０．２：２の範囲、アンモ
ニアガス：III族元素原料ガス（ＴＭＧ、ＴＭＡ、ＴＭ
Ｉ）＝５０００：１〜８００００：１の範囲、成長温度
を７００℃〜９００℃の範囲、成長速度を０．０１〜
０．１μｍ／分の範囲で発光層を成長させる。尚、発光
層の成長条件を適宜調整することにより、Ａｌ_ｘ１Ｇａ
_{１−ｘ１−ｘ ２}Ｉｎ_x2Ｎ（０＜ｘ１＜１、０＜ｘ２＜
１、ｘ１＞ｘ２）からなる領域と、Ａｌ _ｙ２Ｇａ
_{１−ｙ１−ｙ２}Ｉｎ_ｙ１Ｎ（０＜ｙ１＜１、０＜ｙ２＜
１、ｙ１＞ｙ２）からなる領域の比率が異なる発光層を
形成することができる。

【００１４】光励起半導体層は、III族窒化物系化合物
半導体層からなり、発光層で発光した光を受けて該光よ
りも波長の長い光を発光する層である。例えば、光励起
半導体層として不純物をドープしたIII族窒化物系化合
物半導体を採用することができる。光励起半導体層にド
ープする不純物の種類は、例えば、Ｓｉ、Ｓ、Ｓｅ、Ｔ
ｅ、Ｇｅ、Ｃ、Ｏ、Ｚｎ、Ｍｇ、Ｂ、Ｔｌのいずれか又
はこれらの中から任意に選択される複数の元素を不純物
として使用することが出来る。好ましくは、Ｓｉ、Ｓ、
Ｓｅ、Ｔｅ、Ｇｅ、Ｃ又はＯの内の１または２以上の元
素をドープしたものを採用することができる。

【００１５】本発明者らの検討によれば、光励起半導体
層における当該不純物のドープ量を、１×１０^１６／ｃ
ｍ^３〜５×１０^２１／ｃｍ^３、好ましくは１×１０^１８
／ｃｍ^３〜５×１０^２０／ｃｍ^３とすることにより、当
該不純物が光励起半導体層を構成するIII族窒化物系化
合物半導体のバンドギャップ内に高密度の不純物準位を
形成する。発光層で発光した光の一部は光励起半導体層
のバンドギャップ、及び／又は当該不純物準位を介して
吸収・再結合することで波長変換され、該光よりも波長
の長い光となって光励起半導体層より放射される。ここ
で、不純物の添加量（含有量）は、蛍光体からの発光量
を考慮して適宜調整することができる。また、不純物の
添加量は、光励起半導体層の結晶性に影響を与えない程
度であることが好ましい。尚、不純物の選択には、発光
素子から外部放射される光の色が考慮される。換言すれ
ば、所望の発光色が得られるように不純物を適宜選択す
る。

【００１６】光励起半導体層はｎ型不純物をドープした
Ｉｎ_ｘＡｌ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦
１、０≦ｘ＋ｙ≦１、ｙ≦ｘ）により構成することもで
きる。好ましくは、発光層層よりもバンドギャップエネ
ルギーの小さなIII族窒化物系化合物半導体により光励
起半導体層を構成する。例えば、バンドギャップエネル
ギーが１．９〜３．４ｅＶの光励起半導体層とする。好
ましくは、バンドギャップエネルギーが２．０〜２．８
ｅＶの光励起半導体層とする。このような光励起半導体
層としては、ｎ型不純物をドープしたＩｎ_ａＧａ_１−ａ
Ｎ（０≦ａ＜１）からなるものが挙げられる。このよう
な光励起半導体層は、青色〜紫外領域の光を受けて黄色
〜赤色系の光を発光する。ただし、不純物準位を介して
発光層からの光が波長変換され、所望の発光が得られる
場合には、光励起半導体層のバンドギャップエネルギー
が発光層のバンドギャップエネルギーよりも広くてもよ
いことはいうまでもない。

【００１７】光励起半導体層を複数設けることもでき
る。この場合、全ての光励起半導体層を同一の組成で形
成することもできるが、一部の光励起半導体層について
その組成を他の光励起半導体層と異なるものにすること
ができる。また、一部の光励起半導体層についてドープ
する不純物の種類、ドープ量を変えることもできる。光
励起半導体層は、その組成、及び／又はドープする不純
物の種類、ドープ量によって、発光層からの光を受ける
ことにより発光する光の波長が定まる。つまり、組成の
異なる発光層からは異なる波長の光が得られる。したが
って、組成、及び／又はドープする不純物の種類、ドー
プ量の異なる光励起半導体層を複数設ければ、波長の異
なる複数の光が光励起半導体層より発光されることとな
り、発光素子全体の発光色を変化、補正することができ
る。また光励起半導体層は組成の異なる複数の層を積層
した構造とすることができる。例えば、発光層での発光
ピーク波長λ、光励起半導体層での屈折率ｎに対して、
光励起半導体層の厚さｄを略ｍλ／２ｎ（ｍは自然数）
となるように設定し、当該厚さで組成の異なる光励起半
導体層を交互に積層した構造とすれば、発光層で発光し
た光が干渉効果によって光励起半導体層内で多重反射さ
れることにより、光励起半導体層での波長変換効率が向
上して、光励起半導体層から高輝度の発光を得ることが
できる。同時に、基板１１側に向かった光は光励起半導
体層で反射されるため、発光層から見て光励起半導体層
の反射側への光の取出し効率が向上して、当該方向を光
の取出し方向とした場合の発光効率の向上が図れる。こ
の場合、発光層と光励起半導体層とは近接しているた
め、基板の半導体層が形成されない面（裏面）、あるい
は素子の外部に反射鏡を設けるなどの方法に比べて、光
の取出し効率をより向上させることが出来る。

【００１８】光励起半導体層の形成位置は特に限定され
ず、基板と発光層との間、又は基板からみて発光層の上
方に光励起半導体層を形成することができる。基板とし
て光透過性の材料を用いる場合には、基板からみて発光
層が形成される側と反対側に光励起半導体層を形成して
もよい。また、基板又は発光層に接して光励起半導体層
を設けてもよいが、光励起半導体層と基板又は発光層と
の間にIII族窒化物系化合物半導体層を介在させること
もできる。この場合のIII族窒化物系化合物半導体層は
複数であってもよい。

【００１９】複数の光励起半導体層を設ける場合には、
各光励起半導体層をそれぞれ上記いずれかの位置に形成
することができる。例えば、二つの光励起半導体層を基
板と発光層の間に設けることができる。また、光励起半
導体層に発光層が挟まれるように二つの光励起半導体層
を設けることができる。また、光励起半導体層に基板が
挟まれるように二つの光励起半導体層を設けることがで
きる。

【００２０】光励起半導体層に蛍光体を含有させること
ができる。蛍光体は、発光層で発光した光により励起さ
れ、発光するものを用いる。このような構成にすれば、
発光層からの光により蛍光体が励起して発光し、発光素
子全体の発光色を変化、補正することができる。ここで
の蛍光体としては、発光層からの光により励起されて発
光するものであればその種類は限定されないが、例え
ば、Ｌａ（ランタン）、Ｃｅ（セリウム）、Ｐｒ（プラ
セオジム）、Ｎｄ（ネオジウム）、Ｓｍ（サマリウ
ム）、Ｇｄ（ガドリニウム）、Ｄｙ（ジスプロシウ
ム）、Ｅｒ（エルビウム）、Ｅｕ（ユーロビウム）、Ｔ
ｂ（テルビウム）、Ｈｏ（ホルミウム）、Ｔｍ（ツリウ
ム）、Ｙｂ（イッテルビウム）、Ｌｕ（ルテチウム）等
の希土類元素を用いることができる。これらの蛍光体は
単独で用いられることは勿論のこと、これらの中から任
意に選択されるニ以上の蛍光体を組み合わせて用いるこ
ともできる。好ましくは、Ｅｕ及び／又はＴｂを蛍光体
として用いる。これらの蛍光体からの発光は鋭い線スペ
クトルを有する。

【００２１】蛍光体の添加量（含有量）は、蛍光体から
の発光量を考慮して適宜調整することができる。また、
蛍光体の添加量は、光励起半導体層の結晶性に影響を与
えない程度であることが好ましい。素子機能の低下を防
止するためである。蛍光体は、光励起半導体層の形成過
程において組み込むことができる。例えば、ＭＯＣＶＤ
法によりIII族窒化物系化合物半導体層を形成する場合
には、半導体層の原料ガス（トリメチルガリウム（ＴＭ
Ｇ）、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、トリメチル
インジウム（ＴＭＩ）、アンモニアガス）に加えて蛍光
体をＭＯＣＶＤ装置内に供給して結晶構造を成長させる
ことにより、蛍光体がドープされた光励起半導体層を形
成することができる。また、蛍光体を含有する光励起半
導体層の形成方法は上記のＭＯＣＶＤ法に限定されず、
周知の分子線結晶成長法（ＭＢＥ法）、ハライド気相成
長法（ＨＶＰＥ法）、スパッタ法、イオンプレーテイン
グ法等によっても形成することができる。尚、蛍光体の
選択には、発光素子から外部放射される光の色が考慮さ
れる。換言すれば、所望の発光色が得られるように蛍光
体を適宜選択する。

【００２２】蛍光体を含有した層（蛍光体層）を別途設
けることもできる。このような構成を採用した場合に
は、上記の光励起半導体層に蛍光体を含有させた場合と
同様の効果が得られる。即ち、発光層からの光を受けて
生ずる蛍光体からの光を発光素子の発光色の変化、補正
に利用できる。例えば、蛍光体を含有する光透過性の樹
脂からなる層を発光素子の光放出面側に設ける。また、
蛍光体を含有したIII族窒化物系化合物半導体層を素子
構造内に設けることもできる。かかる半導体層の形成位
置は特に限定されない。例えば、ｎ型III族窒化物系化
合物半導体層、発光層、ｐ型III族窒化物系化合物半導
体層を備える素子構造を採用した場合には、いずれかの
層又はこれらの中から任意に選択される複数の層に蛍光
体を含有させることができる。また、基板とｎ型III族
窒化物系化合物半導体層との間にIII族窒化物系化合物
半導体からなるバッファ層を用いる場合には、当該バッ
ファ層に蛍光体を含有させることもできる。また、任意
に選択される二つのIII族窒化物系化合物半導体層の間
に、蛍光体を含有させたIII族窒化物系化合物半導体層
を別途形成させることもできる。さらには、全てのIII
族窒化物系化合物半導体層に蛍光体を含有させることも
できる。

【００２３】蛍光体を多く添加する必要がある場合に
は、ｎコンタクト層のような膜厚の大きなIII族窒化物
系化合物半導体層に蛍光体を含有させることが好まし
い。膜厚の大きな層であれば、その結晶性に与える影響
を抑えつつ大量の蛍光体を添加することが可能だからで
ある。勿論、複数の半導体層に蛍光体を含有させること
により、より多くの蛍光体を添加することもできる。多
重量子井戸構造の発光層を採用した場合には、量子障壁
層（バリア層）に蛍光体を含有させることが可能であ
る。量子井戸層で発光した光を効率的に蛍光体に照射す
ることができるからである。尚、蛍光体は、上記の光励
起半導体層において説明したものと同様のものを採用す
ることができる。

【００２４】本発明によれば、白色系の光をはじめとし
て様々な色（波長）の光を発光する発光素子を構成し得
る。本発明の発光素子を用いて発光装置、例えば砲弾
型、ＳＭＤタイプ等のＬＥＤを構成することができる。
かかる発光装置は、例えば、信号、表示板、ディスプレ
ー等の各種表示デバイス用の光源として用いることがで
きる。発光装置を構成する場合には、本発明の発光素子
に、更に蛍光体を組み合わせることができる。かかる蛍
光体としては、発光素子の発光層から発せられる光、光
励起半導体層からの光、又は発光素子に含有される蛍光
体からの光（光励起半導体層が蛍光体を含有する場合又
は蛍光体を含有する層を設けた場合）のいずれかにより
励起されるものを用いることができる。このような蛍光
体を用いることにより、発光装置から放射される光の発
光色を変化、補正することができる。

【００２５】

【実施例】実施例１ 以下、本発明の実施例を用いて本発明の構成をより詳細
に説明する。図１は本発明の一の実施例であるIII族窒
化物系化合物半導体発光素子１の構成を模式的に示した
図である。発光素子１の各層のスペックは次の通りであ
る。 層 ： 組成：ドーパント （膜厚） 透光性電極１９ ： Ａｕ（6nm）／Ｃｏ（1.5nm） 第６層１８ ： ｐ−ＡｌＧａＮ：Ｍｇ （0.05μｍ） 第５層１７ ： ｐ−ＡｌＧａＮ：Ｍｇ （0.03μｍ） 第４層１６ ： ＩｎＧａＮ層を含む 第３層１５ ： ｎ−ＡｌＧａＮ：Ｓｉ （0.2μｍ） 第２層１４ ： ｎ−ＧａＮ：Ｓｉ （1μｍ） 第１層１３ ： ＩｎＧａＮ：Ｓｉ、Ｓｅ （3μｍ） バッファ層１２ ： ＡｌＮ （10ｎｍ） 基板１１ ： サファイア （300μｍ）

【００２６】バッファ層１２は高品質の半導体層を成長
させるために用いられ、ＭＯＣＶＤ法等により基板１１
表面上に形成される。本実施例ではＡｌＮをバッファ層
として用いたが、これに限定されるわけでなく、Ｇａ
Ｎ、ＩｎＮの二元系、Ａｌ_ｘＧａ_ｙＮ、Ａｌ_ｘＩｎ
_１−ｘＮ及びＧａ_ｘＩｎ_１−ｘＮ（以上において０＜ｘ
＜１）のいわゆる三元系、さらにはＡｌ_ａＧａ_ｂＩｎ
_{１−ａ−ｂ}Ｎ（０＜ａ＜１、０＜ｂ＜１、ａ＋ｂ≦１）
で表されるIII族窒化物系化合物半導体（四元系）を用
いることもできる。

【００２７】バッファ層１２を形成した後、光励起半導
体層として第１層１３を形成する。第１層１３はＳｉ及
びＳｅがドープされたｎ型ＧａＮからなる層であって、
次のように形成される。即ち、アンモニアガスとIII族
元素のアルキル化合物ガスであるＴＭＧを原料ガスと
し、更に、ドーパントの供給源としてシランガス及びジ
エチルセレンを用いる。Ｓｉ、Ｓｅのドープ量はそれぞ
れ１×１０^１８／ｃｍ^３、３×１０^１８／ｃｍ^３であ
る。

【００２８】その後、第１層１３の上に第２層１４、第
３層１５、第４層１６、第５層１７、第６層１８を順次
形成する。第４層１６の構造としては多重量子井戸構造
や単一量子井戸構造を含むものであってもよい。

【００２９】第１層１３と基板１１との間、又は基板１
１の半導体層が形成されない面に反射層を設けることも
できる。反射層を設けることにより、第４層１６内で生
じて基板１１側に向かった光、及び第１層１３で生じて
基板１１側に向かった光を基板１１から電極２１、２２
に向かう方向へ反射することができ、当該方向を光の取
り出し方向とした場合の発光効率の向上が図れる。反射
層は、窒化チタン、窒化ジルコニウム、窒化タンタル、
及びＴｉＡｌＮ等の金属窒化物、Ａｌ、Ｉｎ、Ｃｕ、Ａ
ｇ１、Ｐｔ、Ｉｒ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｗ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｎｉ
等の金属の単体又はこれらの中から任意に選択される２
種以上の金属からなる合金を反射層の材料として用いる
ことができる。

【００３０】第４層１６と第５層１７との間にマグネシ
ウム等のアクセプタをドープしたバンドキャップの広い
Ａｌ_ＸＧａ_ＹＩｎ_{１−Ｘ−Ｙ}Ｎ（０≦Ｘ≦１、０≦Ｙ≦
１、Ｘ＋Ｙ≦１）層を介在させることができる。これは
第４層１６の中に注入された電子が第５層１７に拡散す
るのを防止するためである。第５層１７はマグネシウム
等のアクセプタをドープしたｐ型Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ
（０＜Ｘ＜１）からなるが、ｐ型ＧａＮあるいはｐ型Ｉ
ｎ_ｙＧａ_１−ｙＮ（０＜ｙ＜１）を用いてもよい。な
お、第３層及び第５層は発光層を含む第４層１６に含ま
れていてもよい。

【００３１】ｎ電極２２はＡｌとＶの２層で構成され、
第６層１８を形成した後、第６層１８、第５層１７、第
４層１６、第３層１５及び第２層１４の一部をエッチン
グにより除去し、その後、蒸着により第２層１４上に形
成される。透光性電極１９は金を含む薄膜であり、第６
層１８上面へ広範囲に渡って形成される。ｐ電極２１は
蒸着により透光性電極１９上に形成される。上記工程の
後、各チップの分離工程を行う。

【００３２】図１に示す発光素子１を用いて図２に示す
ＬＥＤ２を次のように製造した。まず、発光素子１をリ
ードフレーム３０に設けられるカップ部３３に接着剤３
５を用いてマウントした。接着剤３５はエポキシ樹脂の
中に銀をフィラーとして混合させた銀ペーストである。
かかる銀ペーストを用いることにより発光素子１からの
熱の放散がよくなる。発光素子１のｐ電極２１及びｎ電
極２２は、それぞれワイヤ４１及び４０によりリードフ
レーム３１及び３０にワイヤボンディングされる。その
後、発光素子１、リードフレーム３０、３１の一部、及
びワイヤ４０、４１はエポキシ樹脂からなる封止レジン
５０により封止される。封止レジン５０の材料は透明で
あれば特に限定はされないが、エポキシ樹脂の他、シリ
コン樹脂、尿素樹脂、又はガラスが好適に用いられる。

【００３３】封止レジン５０は、素子構造の保護等の目
的で設けられるが、封止レジン５０の形状を目的に応じ
て変更することにより封止レジン５０にレンズ効果を付
与することができる。例えば、図２に示される砲弾型の
他、凹レンズ型、又は凸レンズ型等に成形することがで
きる。また、光の取り出し方向（図２において上方）か
ら見て封止レジン５０の形状を円形、楕円形、又は矩形
とすることができる。

【００３４】封止レジン５０内に発光素子1からの光
（第４層１６内からの光又は第１層１３からの光）によ
り励起し、発光する蛍光体を含有させることができる。
かかる蛍光体を含有する樹脂をリードフレーム３０のカ
ップ部３３に充填させてもよい。封止レジン５０に拡散
剤を含ませることができる。拡散剤を用いることによ
り、発光素子１からの光の指向性を緩和させることがで
きる。拡散剤としては、酸化チタン、窒化チタン、窒化
タンタル、酸化アルミニウム、酸化珪素、チタン酸バリ
ウム等が用いられる。

【００３５】さらに、封止レジン５０に着色剤を含ませ
ることもできる。着色剤は、蛍光体が発光素子１の点灯
状態又は消灯状態において特有の色を示すことを防止す
るために用いられる。尚、蛍光体、拡散剤、及び着色剤
は、単独で、又はこれらから任意に２以上を選択して封
止レジン５０に含ませることができるものである。

【００３６】以上のように構成されたＬＥＤ２では、ま
ず、第４層１６から青色系の光が発光される。この第４
層１６からの光の一部を受けることにより、第１層１３
は黄色系の光を発光する。その結果、第４層１６内から
の発光に利用されなかった青色系の光と第１層１３から
の黄色系の光とが混色されて全体として白色系の発光が
得られる。ＬＥＤ２では、発光素子１の基板１１を接着
面として、発光素子１をリードフレーム３０のカップ部
３３にマウントする構成としたが、図３に示す様にフリ
ップチップ状に発光素子をマウントすることもできる。
図３は、プレナータイプ・ツェナー発光素子６０を用い
てＬＥＤ３を構成した場合の例であって、マウントリー
ド３０のカップ部３３部分を拡大した図である。発光素
子６０は、上記発光素子１と同様に、基板１１上に各半
導体層１３〜１８を形成したものをフリップチップの形
にシリコン基板７０上に固定したものである。シリコン
基板７０のｐ型領域には発光素子６０の第６層１８が金
属電極層７１を介して接続される。この金属電極層７１
の材料はシリコン基板７０と第６層１８との間にオーミ
ックコンタクトが得られるものであれば特に限定されな
いが、例えば金合金などを用いることができる。シリコ
ン基板７０のｎ型領域には発光素子６０の第２層１４が
金属電極７２を介して接続される。この金属電極層７２
の材料はシリコン基板７０と第２層１４との間にオーミ
ックコンタクトが得られるものであれば特に限定されな
いが、例えばＡｌ合金などを用いることができる。シリ
コン基板７０のｐ型部分はワイヤ４１によりリードフレ
ーム３１に接続される。

【００３７】第２実施例 図４は本発明の第２の実施例であるIII族窒化物系化合
物半導体発光素子６１の構成を模式的に示した図であ
る。なお、図１と同一の要素には同一の符号を付してそ
の説明を部分的に省略する。発光素子６１の各層のスペ
ックは次の通りである。 層 ： 組成：ドーパント （膜厚） 第６層１８ ： ｐ−ＡｌＧａＮ：Ｍｇ （0.05μｍ） 第５層１７ ： ｐ−ＡｌＧａＮ：Ｍｇ （0.03μｍ） 第４層１６ ： ＩｎＧａＮ層を含む 第３層１５ ： ｎ−ＡｌＧａＮ：Ｓｉ （0.2μｍ） 第２層１４ ： ｎ−ＧａＮ：Ｓｉ （1.5μｍ） 第７層６２ ： ｎ−ＡｌＧａＮ：Ｇｅ （2μｍ） 第８層６３ ： ＧａＮ （0.5μｍ） バッファ層１２ ： ＡｌＮ （10ｎｍ） 基板１１ ： サファイア （300μｍ） 第９層６４ ： ＧａＮ：Ｓ、Ｅｕ （10μｍ）

【００３８】先ず基板１１の裏面に第９層６４を形成す
る。第９層６４はＳ（硫黄）及びＥｕ（ユーロビウム）
がドープされたｎ型ＧａＮからなる層であって、蛍光体
の供給源として蛍光体Ｅｕ（ユーロビウム）化合物ＤＰ
Ｍ_３Ｅｕ（トリケミカル研究所社製）を、ドーパントの
供給源としてジエチル硫黄を用いる。蛍光体は、ＤＰＭ
_３Ｅｕを３０℃に設定し、Ｈ_２をキャリアガスとして約
５００ｓｃｃｍの流量で反応装置内に供給した。続いて
基板１１を裏返し、基板１１の表面において以下に述べ
る各層を形成する。基板１１の表面にバッファ層１２を
形成した後、ＧａＮからなる第８層６３を形成する。第
８層６３はノンドープの半導体層であり、続いて形成す
る第７層６２の結晶品質向上のために設けられる。第７
層６２は、Ｇｅがドープされたｎ型ＡｌＧａＮであり、
ドーパントの供給源としテトラメチルゲルマニウムを用
いることで形成される。その上に各半導体層１４〜１８
を順次形成する。第４層１６の量子井戸層は四元系のＡ
ｌＧａＩｎＮであって、Ａｌを多く含む領域とＩｎを多
く含む領域からなり、紫外系及び青色系の２つのピーク
を有する発光を呈する。以上のように構成された発光素
子６１を図３に示したＬＥＤ３の構成と同様にフリップ
チップ状にマウントして発光装置を構成した。まず、第
４層１６内から紫外系及び青色系の光が発光される。こ
の紫外系の光は第７層６２及び第９層６４で波長変換さ
れ、第９層６４は赤色系の光を、第７層６２は緑色系の
光を発光する。ここで第４層１６からの青色系の光はそ
のまま外部に放射されるため、その結果、第４層１６で
の青色光、第９層６４での赤色光、および第７層６２か
らの緑色光が混色されて全体として白色系の発光が得ら
れる。この場合に得られる発光は青、赤、緑の光の三原
色に対応した発光ピークを有するため、照明あるいは液
晶バックライトなどに用いた場合に色の再現性がよく演
色性に優れるという特長がある。

【００３９】第３実施例 図５は本発明の第３の実施例であるIII族窒化物系化合
物半導体発光素子７１の構成を模式的に示した図であ
る。この発光素子７１は図４に示した発光素子６１にお
いて、一方の光励起半導体層である第９層６４を省略す
るととも他方の光励起半導体層である第７層６２を光励
起層を含む層７２に置換したものであり、図４に示した
発光素子６２と同一の要素には同一の符号を付してその
説明を部分的に省略する。発光素子７１の各層のスペッ
クは次のとおりである。 層 ： 組成：ドーパント （膜厚） 第６層１８ ： ｐ−ＡｌＧａＮ：Ｍｇ （0.05μｍ） 第５層１７ ： ｐ−ＡｌＧａＮ：Ｍｇ （0.03μｍ） 第４層１６ ： ＩｎＧａＮ層を含む 第３層１５ ： ｎ−ＡｌＧａＮ：Ｓｉ （0.2μｍ） 第２層１４ ： ｎ−ＧａＮ：Ｓｉ （1.5μｍ） 光励起層を含む層７２ ： 下記の周期構造を含む層 第２励起層７２２ ： ｎ−ＩｎＧａＮ：Ｔｅ （0.12μｍ） 第１励起層７２１ ： ｎ−ＡｌＧａＮ：Ｇｅ （0.12μｍ） 第１励起層と第２励起層との繰り返し数： １〜３０ 第８層６３ ： ＧａＮ （0.5μｍ） バッファ層１２ ： ＡｌＮ （10ｎｍ） 基板１１ ： サファイア （300μｍ）

【００４０】発光素子７１において、光励起層を含む層
７２はＧｅドープのｎ型ＡｌＧａＮからなる第１励起層
７２１と、Ｔｅドープのｎ型ＩｎＧａＮからなる第２励
起層７２２が交互に積層された構造であって、その膜厚
は発光層の発光ピーク波長λ（〜４６０ｎｍ）、励起層
の屈折率ｎ（〜２）においてλ／２ｎとほぼ同じとなる
ようにした。第４層１６からの青色系の光の一部は第１
励起層７２１及び第２励起層７２２で波長変換され、第
１励起層７２１は緑色系の光を、第２励起層７２２は黄
色系の光を発光するため、これらが混色されて全体とし
て白色系の発光が得られる。ここで第４層１６からの光
は光励起層を含む層７２内で多重反射されるため波長変
換の効率が向上するとともに、基板１１側に向かった光
を、透光性電極１９に向かう方向に反射することがで
き、当該方向への光の取出し方向とした場合の光の取出
し効率が向上し、高輝度の発光が得られた。

【００４１】この発明は、上記発明の実施の形態の説明
に何ら限定されるものではない。また、本発明は発光素
子の中間体である積層体もその対象とする。特許請求の
範囲の記載を逸脱せず、当業者が容易に想到できる範囲
で種々の変形態様もこの発明に含まれる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、本発明の一実施例である発光素子１の
構成を模式的に示した図である。

【図２】図２は、本発明の実施例における、発光素子１
を用いたＬＥＤ２の構成を模式的に示した図である。

【図３】図３は、本発明の実施例における、発光素子６
０を用いたＬＥＤ３の部分拡大図である。

【図４】図４は本発明の他の実施例である発光素子６１
の構成を模式的に示した図である。

【図５】図５は本発明の他の実施例である発光素子７１
の構成を模式的に示した図である。

【符号の説明】

１ ６１、７１ 発光素子 ２ ３ ＬＥＤ １１ 基板 １２ バッファ層 ３０ ３１ リードフレーム ５０ 封止レジン

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 柴田 直樹 愛知県西春日井郡春日町大字落合字長畑１ 番地 豊田合成株式会社内 Ｆターム(参考） 5F041 AA11 AA12 CA04 CA05 CA34 CA40 CA46 CA49 CA50 CA57 CA88 CB36

Claims (16)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基板と、 III族窒化物系化合物半導体からなる発光層と、 III族窒化物系化合物半導体からなり、前記発光層で発
   光した光を受けて該光よりも波長の長い光を発光する光
   励起半導体層と、を備えるIII族窒化物系化合物半導体
   発光素子。
2. 【請求項２】 前記光励起半導体層が不純物をドープし
   てある、ことを特徴とする請求項１に記載のIII族窒化
   物系化合物半導体発光素子。
3. 【請求項３】 前記光励起半導体層が少なくともシリコ
   ン（Ｓｉ）、硫黄（Ｓ）、セレン（Ｓｅ）、テルル（Ｔ
   ｅ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、炭素（Ｃ）、又は酸素
   （Ｏ）の内の１または２以上の元素をドープしてある、
   ことを特徴とする請求項２に記載のIII族窒化物系化合
   物半導体発光素子。
4. 【請求項４】 前記光励起半導体層のバンドギャップエ
   ネルギーは、前記発光層のバンドギャップエネルギーよ
   りも小さい、ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか
   に記載のIII族窒化物系化合物半導体発光素子。
5. 【請求項５】 前記光励起半導体層は、ｎ型不純物をド
   ープしたＩｎ_ｘＡｌ _ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０≦ｘ≦１、
   ０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１、ｙ≦ｘ）からなる、こと
   を特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のIII族窒
   化物系化合物半導体発光素子。
6. 【請求項６】 前記光励起半導体層は、ｎ型不純物をド
   ープしたＩｎ_ａＧａ _１−ａＮ（０≦ａ＜１）からなる、
   ことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のIII
   族窒化物系化合物半導体発光素子。
7. 【請求項７】 前記光励起半導体層は１又は２以上の蛍
   光体を含有する、ことを特徴とする請求項１〜６のいず
   れかに記載のIII族窒化物系化合物半導体発光素子。
8. 【請求項８】 前記蛍光体は希土類元素からなる、こと
   を特徴とする請求項７に記載のIII族窒化物系化合物半
   導体発光素子。
9. 【請求項９】 前記光励起半導体層は複数設けられる、
   ことを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載のIII
   族窒化物系化合物半導体発光素子。
10. 【請求項１０】 前記複数の光励起半導体層は組成の異
    なる層が交互に積層されてなる、ことを特徴とする請求
    項９に記載のIII族窒化物系化合物半導体発光素子。
11. 【請求項１１】 前記複数の光励起半導体層は、前記発
    光層で発光した光を受けてそれぞれ異なる波長の光を発
    光する、ことを特徴とする請求項９又は１０に記載のII
    I族窒化物系化合物半導体発光素子。
12. 【請求項１２】 前記発光層は、異なる発光ピーク波長
    を有する２以上の光を発光する、ことを特徴とする請求
    項１〜１１のいずれかに記載のIII族窒化物系化合物半
    導体発光素子。
13. 【請求項１３】 前記発光層は可視光領域の光及び発光
    ピーク波長が４００ｎｍ以下の紫外領域の光を発光す
    る、ことを特徴とする請求項１２に記載のIII族窒化物
    系化合物半導体発光素子。
14. 【請求項１４】 蛍光体を含有する層を更に備える、こ
    とを特徴とする請求項１〜１３のいずれかに記載のIII
    族窒化物系化合物半導体発光素子。
15. 【請求項１５】 白色系の光を外部放射する、ことを特
    徴とする請求項１〜１４に記載のIII族窒化物系化合物
    半導体発光素子。
16. 【請求項１６】 基板と、 III族窒化物系化合物半導体からなる発光層と、 前記発光層よりもバンドギャップエネルギーの小さなII
    I族窒化物系化合物半導体層と、を備えることを特徴と
    するIII族窒化物系化合物半導体素子。