【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、化合物半導体ＬＥＤに関し、特に窒化物半導体層から成る白色ＬＥＤに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、半導体照明という言葉が現実のものとなりつつある。これは、化合物半導体エピタキシャル成長技術と発光素子プロセス技術の急速な進歩によって、電気から光への変換効率が非常に高いＬＥＤが開発され、極めて高い輝度を有する可視光ＬＥＤが固体光源として実用化されたためである。化合物半導体を用いた可視光ＬＥＤは、従来の照明用光源と比較して、消費電力が小さく、衝撃にも強く、小型軽量、高速応答、高輝度、高寿命といった数々の長所を備えているため、各種照明用光源の代替品として理想的なものであり、次世代照明の有力な候補として期待が高まっている。
【０００３】
特に、近年におけるＩｎＧａＮ（インジウムガリウムナイトライド）系材料を用いた緑色及び青色ＬＥＤの開発や、ＡｌＧａＡｓ（アルミニウムガリウムアルセニック）系材料を用いた超高輝度、高効率の赤色ＬＥＤの開発によって、これらの可視光ＬＥＤを用いたフルカラー表示が可能となったことは特筆すべきことである。これにより、信号灯器、自動車の計器パネル、携帯電話の液晶パネル用バックライトなどの各種表示パネル用光源として、その使用範囲が大幅に広がりつつある。可視光領域の中でも特に、白色光は、蛍光灯、ハロゲンランプ、白熱電球などその用途が極めて広範にわたるため、それらの代替物としての役割が大いに期待されている。これに伴ない、これらの可視光ＬＥＤを用いて白色発光光源を構成するための種々の試みがなされている。
【０００４】
白色ＬＥＤの実現には、現在、大きく分けて以下の３つの方法が検討されている。
【０００５】
（１）３種類のＬＥＤ（赤色、緑色、及び青色）を近接して配置させ、これらＬＥＤが発する三原色光を混色させて白色光を得る方法。
【０００６】
（２）紫外ＬＥＤが発する紫外光によって、赤色、緑色、及び青色光をそれぞれ発する蛍光体を励起させ、これら蛍光体が発する三原色光を混合させて白色光を得る方法。（たとえば、特許文献１参照）。
【０００７】
（３）青色ＬＥＤが発する青色光によって、その補色関係にある黄色光を発する物質を励起させて、これら青色光及び黄色光を混色させて白色光を得る方法。
【０００８】
この方法は更に以下の２つの方法に分類される。
【０００９】
（３−ａ）窒化物系青色ＬＥＤが発する青色光と、ＬＥＤとは別途に用意された黄色蛍光体が青色光の一部を吸収し発光中心が励起されて発する黄色光を混色させて白色光を得る方法。（例えば、特許文献２参照）。
【００１０】
（３−ｂ）ＺｎＳｅ（セレン化亜鉛）にＩをドープしたＺｎＳｅ：Ｉ（ヨウ素ドープセレン化亜鉛）基板上に、ＺｎＳｅエピタキシャル発光層から成る青色ＬＥＤ層を形成し、青色ＬＥＤ層が発する青色光と、この青色光の一部をＺｎＳｅ：Ｉ基板が吸収することにより、ＺｎＳｅ：Ｉ基板が発する黄色光とを混色させて白色光を得る方法。（たとえば、特許文献３参照）。
【００１１】
【特許文献１】
特開２００１−１２７３６４号公報
【００１２】
【特許文献２】
特開２０００−２０８８１５号公報
【００１３】
【特許文献３】
特開２００１−０１５８１０号公報
しかしながら、上述した従来技術には以下の問題がある。
【００１４】
（１）の問題：赤色、青色、及び緑色ＬＥＤからの発光を混色する場合、各ＬＥＤの発光強度、及び発光波長特性によって白色光の見え方が大きく変化するという問題が生じる。また、３種類のＬＥＤを組み合わせることになるため、単一のＬＥＤを用いた場合と比較して、コストが高くなる。更には、駆動回路の設計も複雑になる上、消費電力も増大するといった問題も生じる。
【００１５】
（２）及び（３−ａ）の問題：ＬＥＤ以外に蛍光体が別途必要となる上、蛍光体はパッケージに塗布することが多く、パッケージに収めた状態で初めて白色の色調が決定されることになるため、コスト・歩留まりに問題が生じる。
【００１６】
（３−ｂ）の問題：ＺｎＳｅはイオン結合性結晶であるため、元素同士の結合力が共有結合や金属結合と比較して弱く、高出力を得るために大電流を流すとデバイス自体が劣化してしまうため、高輝度のＬＥＤを得ることが難しいといった問題が生じる。
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】
このように、従来の白色ＬＥＤにおいては、発光の安定性、製造コスト・歩留まりなどに問題を抱えており、白色ＬＥＤの確実な実用化に向けて、これらの問題を解決することが重要な課題となっている。
【００１８】
本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、蛍光体を不要とし、更には化合物半導体層が窒化物半導体から成る白色ＬＥＤを提供することを目的とする。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するための手段として、請求項１に記載の白色ＬＥＤは、ｐ型クラッド層とｎ型クラッド層とこれらｐ型及びｎ型クラッド層の間に設けられた活性層とを備え、電流注入によって青色光を発する化合物半導体から成る第一の発光層と、前記青色光の一部を吸収して黄色光を発する化合物半導体からなる第二の発光層とを有することを特徴とするものである。
【００２０】
本発明によれば、お互いに補色関係にある青色及び黄色光を化合物半導体層のみで発光させることができるので、従来のようにＹＡＧ蛍光体などのフォトルミネセンス蛍光体を別途必要とせずに白色光を得ることが可能となる。更に、蛍光体が不要となるため、実装コストが安価になる。更には、チップ自体が白色光を発するので、チップ状態で白色の色調の検査が可能となるため、製造コスト・歩留まりを改善できる。
【００２１】
請求項２に記載の白色ＬＥＤは、請求項１に記載の白色ＬＥＤであって、前記青色光は、４００〜４８５ｎｍの領域に発光波長を有し、前記黄色光は、５５０〜５８５ｎｍの領域に発光波長を有することを特徴とするものである。
【００２２】
本発明によれば、第一の発光層が発する青色光及び第二の発光層が発する黄色光の波長領域を上記の範囲に制限することによって、白色光を得ることが可能となる。
【００２３】
請求項３に記載の白色ＬＥＤは、請求項１又は２に記載の白色ＬＥＤであって、前記第一の発光層は、少なくともＧａとＩｎとを含む化学量論組成を有する窒化物半導体から成り、前記第二の発光層は、少なくともＧａを含む非化学量論組成を有する窒化物半導体から成ることを特徴とするものである。
【００２４】
本発明によれば、第一及び第二の発光層として特に窒化物半導体を用いることによって、ＺｎＳｅ半導体を用いた場合と比較して、大電流注入を行っても素子の劣化が小さく、高輝度の白色ＬＥＤを製造することが可能となる。また、第一の発光層を少なくともＧａとＩｎとを含む化学量論組成とし、第二の発光層を少なくともＧａを含む非化学量論組成とすることによって、第一の発光層の発する青色光の波長領域及び第二の発光層が発する黄色光の波長領域を請求項２に記載の範囲とすることが可能となる。
【００２５】
請求項４に記載の白色ＬＥＤは、請求項１乃至３に記載の白色ＬＥＤであって、前記第一の発光層は、主組成がＩｎｘＧａ１−ｘＮｙであり、混晶比ｘ及び化学量論組成比ｙが０．１３≦ｘ≦０．４５且つｙ＝１．０を満たし、前記第二の発光層は、主組成がＩｎｘＧａ１−ｘＮｙであり、混晶比ｘ及び化学量論組成比ｙが０≦ｘ≦０．４５且つｙ＜１．０を満たすことを特徴とするものである。
【００２６】
本発明によれば、白色光の色調を決めるパラメータとして、特に第一及び第二の発光層の混晶比ｘと第二の発光層の化学量論組成比ｙを上記のように調整することによって、第一の発光層が発する青色光及び第二の発光層が発する黄色光の波長領域を請求項２に記載の範囲に制御することが可能となる。したがって、請求項２の効果を一層確実なものとすることが可能となる。
【００２７】
請求項５に記載の白色ＬＥＤは、請求項１乃至４に記載の白色ＬＥＤであって、前記第二の発光層は、ｎ型半導体であることを特徴とするものである。
【００２８】
本発明によれば、第二の発光層をｎ型半導体とすることによって、第二の発光層の上に電極を形成しても第一の発光層に電流注入を行うことが可能となる。
【００２９】
請求項６に記載の白色ＬＥＤは、請求項１乃至５に記載の白色ＬＥＤであって、前記第一及び第二の発光層は、サファイア基板上にエピタキシャル成長させたことを特徴とするものである。
【００３０】
本発明によれば、第一及び第二の発光層をサファイア基板上にエピタキシャル成長させることによって、実用的な白色ＬＥＤを提供することが可能になる。また、サファイアは化学的に安定であり、且つ耐熱性にすぐれたものであるため、窒化物半導体から成る第一及び第二の発光層を形成する上で都合がよい。
【００３１】
請求項７に記載の白色ＬＥＤは、請求項１乃至６に記載の白色ＬＥＤであって、前記第一及び第二の発光層は、前記サファイア基板上に前記第一の発光層、前記第二の発光層の順にエピタキシャル成長させたことを特徴とするものである。
【００３２】
本発明によれば、サファイア基板上に、第一の発光層、第二の発光層の順にエピタキシャル成長させることによって、第一の発光層が発する青色光及び第二の発光層が発する黄色光の外部への放射の割合を制御することが容易になり、白色光の色調を良好なものとすることが可能となる。
【００３３】
請求項８に記載の白色ＬＥＤは、請求項１乃至７に記載の白色ＬＥＤであって、前記第二の発光層は、結晶欠陥（窒素欠陥）を導入したものである。
【００３４】
本発明によれば、第二の発光層に結晶欠陥（窒素欠陥）を導入することによって、ｎ型導電性を得るとともに、４００〜４８５ｎｍの領域に発光波長を有する第一の発光層が発する青色光を吸収して５５０〜５８５ｎｍの領域に発光波長を有する黄色光を発することが可能となる。
【００３５】
請求項９に記載の白色ＬＥＤは、請求項１乃至７に記載の白色ＬＥＤであって、前記第二の発光層が、前記結晶欠陥に加え、Ｓｉをドープしたものである。
【００３６】
本発明によれば、第二の発光層より５５０〜５８０ｎｍの領域に発光波長を有する黄色光を得られる上、キャリア（電子）濃度をＳｉドープ量により制御することによって、所望のｎ型導電性を得ることが可能になる。
【００３７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図１から図７に基づき詳細に説明する。本発明の白色ＬＥＤの特徴は、２つの窒化物半導体発光層（すなわち、電流注入によって青色光を発する窒化物エピタキシャル発光層と、この青色光の一部を吸収し黄色光を発するｎ型窒化物半導体発光層）を積層しただけの簡単な構造によって高効率且つ高輝度の白色光を得ることにある。
【００３８】
図１は、本発明に係る白色ＬＥＤの一実施形態の概略構成を示す断面図である。本実施形態における白色ＬＥＤは、サファイア基板１、サファイア基板１との格子不整合を緩和して、Ｇａ，Ｉｎ，Ａｌ等のＩＩＩ族元素とＮから構成される窒化物エピタキシャル発光層（以下、窒化物エピタキシャル発光層）３（後述）の転位密度を低減するＧａＮバッファ層２、電流注入によって青色光を発する窒化物エピタキシャル発光層３、窒化物エピタキシャル発光層３が発する青色光の一部を吸収し、黄色光を発する結晶欠陥（窒素欠陥）を導入したＧａ，Ｉｎ，Ａｌ等のＩＩＩ族元素とＮから構成される窒化物ｎ型ＧａＮ半導体発光層（以下、ｎ型窒化物半導体発光層）４、ｎ型ＧａＮコンタクト層５、ｎ型ＧａＮコンタクト層５上に形成したｎ型電極層６、及び窒化物エピタキシャル発光層３に含まれるｐ型ＧａＮコンタクト層３１（後述）上に形成したｐ型電極層７を順次積層させた多層構造を有する。
【００３９】
本発明に係る白色ＬＥＤは、サファイア基板１上にＧａＮやＩｎＧａＮ（インジウムガリウムナイトライド）を主組成とする窒化物半導体層を、有機金属気相エピキタシー（ＭＯＶＰＥ）法、分子エピキタシーＭＢＥ法、又はガスソースＭＢＥ法などの方法を用いて順次エピタキシャル成長させることによって作製される。
【００４０】
ＭＯＶＰＥ法は、基板を設置した反応容器内に、反応ガスとして有機金属化合物ガスを供給し、結晶成長温度をおよそ５００〜１１００℃の高温で保持して、基板上に化合物半導体結晶のエピタキシャル層を成長させる方法である。
【００４１】
この方法を用いて、ＧａＮ（ガリウムナイトライド）をエピタキシャル成長させる場合には、まずサファイア基板１上にＨ２ガスを供給し、１０５０〜１１００℃の温度条件下で加熱処理をしてサファイア基板表面の酸化膜を除去し、次いで原料輸送ガス（キャリアガス）となるＮ２とＨ２に加え、ＩＩＩ族ガスとしてＴＭＧ（トリメチルガリウム）ガス、Ｖ族ガスとなるＮＨ３（アンモニア）を供給し、５００〜５５０℃の温度条件下でバッファ層を形成し、次いで、ＴＭＧガス及びＮＨ３ガスのみを止めて、昇温した後、１０００〜１０５０℃の温度条件下で再度ＴＭＧガス、ＮＨ３ガスを供給してエピタキシャル層を成長させればよい。
【００４２】
また、ＩｎＧａＮ（インジウムガイリウムナイトライド）をエピタキシャル成長させる場合には、７００〜８００℃の温度条件下で、ＴＭＧガスに加えてＴＭＩ（トリメチルインジウム）ガスも供給する。
【００４３】
このような作製方法によって、本実施形態では、まず最初に、図１に示すように、サファイア基板１（図１）上に形成したＧａＮバッファ層２を形成し、次いで窒化物エピタキシャル発光層３、ｎ型窒化物半導体層４、ｎ型ＧａＮコンタクト層５を順次形成していく。窒化物エピタキシャル発光層３の詳細は図２の断面図に示されている。ｐ型ＧａＮコンタクト層３１、ｐ型ＧａＮクラッド層３２、ＩｎＧａＮ活性（発光）層３３、及びｎ型ＧａＮクラッド層３４などを順次積層させた構造となっている。
【００４４】
活性層とクラッド層とのバンドギャップ差を大きく取りたい場合には、ｐ型ＧａＮクラッド層３２及びｎ型ＧａＮクラッド層３４をＡｌＧａＮ（アルミニウムガリウムナイトライド）としてもよい。
【００４５】
窒化物エピタキシャル発光層３中の各層の典型的な厚さは、ｐ型ＧａＮコンタクト層３１は１２００Å、ｐ型ＧａＮクラッド層３２は６００Å、ＩｎＧａＮ活性層３３は数１０〜１００Å、ｎ型ＧａＮクラッド層３４は３００Åなどである。このとき、ｎ型ＧａＮコンタクト層５及びＧａＮバッファ層２（図１）の典型的な厚さは、それぞれ４０００Å及び５００Åなどである。
【００４６】
ＩｎＧａＮ活性層３３は、ＧａＮ及びＩｎＮの混晶であるＩｎｘＧａ１−ｘＮを主組成とする化学量論組成を有する窒化物半導体である。ＧａＮ及びＩｎＮは、室温でそれぞれ３．４ｅＶ及び１．９ｅＶのバンドギャップエネルギー（Ｅｇ）を有する直接遷移型半導体であり、これらの固有発光波長λは次の関係式：
λ（ｎｍ）＝１２４０／Ｅｇ（ｅＶ） （１）
から求めることができ、それぞれ３６５ｎｍ及び６５０ｎｍとなる。したがって、混晶比ｘを変化させることによって、３６５ｎｍの近紫外領域から６５０ｎｍの赤色領域までの発光波長を有するＬＥＤを実現することが可能である。
【００４７】
本発明においては、窒化物エピタキシャル発光層３（ＩｎＧａＮ活性層３３）の発光波長としては青色光の波長領域を想定している。
【００４８】
本発明においては、窒化物エピタキシャル発光層３は、ｎ型及びｐ型電極層間６、７に電流を注入したときに、電子及び正孔をＩｎＧａＮ活性層３３に効果的に閉じ込める構造であればいかなるものでもよく、図２はあくまでもその一例を示したものである。本発明のＩｎＧａＮ活性層３３としては、ｐ型ＧａＮクラッド層３２及びｎ型ＧａＮクラッド層３４の間に設けられた構造であれば、いかなるものでも構わず、例えば活性層をバンドギャップが異なる２種類の組成の積層により構成する多重量子井戸構造などが考えられる。
【００４９】
本実施形態においては、このようなプロセスを経て成長させた窒化物エピタキシャル発光層３上に、窒化物エピタキシャル発光層３と同じくＧａ、Ｉｎ、Ａｌ等のＩＩＩ族元素とＮから構成されるｎ型窒化物半導体層（以下、ｎ型窒化物半導体発光層）４（後述）、ｎ型ＧａＮコンタクト層５の順にエピタキシャル成長させ、積層させる。
【００５０】
本実施形態における白色ＬＥＤのこのような構成（サファイア基板１上に、窒化物エピタキシャル発光層３、ｎ型窒化物半導体発光層４の順にエピタキシャル成長させる構成）によれば、ｎ型ＧａＮクラッド層３４及びコンタクト層５は低抵抗にしやすいからｎ型電極層６が狭い電極構造であってもよくなり、低抵抗にするのが困難なｐ型ＧａＮクラッド層３２及びコンタクト層３１には広い面積のｐ型電極層７を形成でき、接触抵抗を減らすことが可能となるなどの電気的に好ましい構造を得ることが可能となる。
【００５１】
ｎ型窒化物半導体発光層４は、ＧａＮ及びＩｎＧａＮの混晶であるＩｎｘＧａ１−ｘＮｙを主組成とする非化学量論組成（すなわち、化学量論組成比ｙがｙ＜１を満たす）を有する窒化物半導体である。なお、本実施形態では、混晶比ｘがｘ＝０の場合について示している。
【００５２】
図３に、本発明に係る非化学量論組成を有するｎ型窒化物半導体発光層４の発光の典型的なＰＬ（フォトルミネセンス）スペクトルを示す。ＧａＮのバンド端発光に起因する３６５ｎｍ付近の紫外域の強い発光とともに、５８０ｎｍ付近にブロードな発光線が確認される。図３中の５５０〜５８０ｎｍの波長領域の発光は黄色光である。
【００５３】
この発光線は、伝導帯に押し上げられた電子が、結晶欠陥（窒素欠陥）又は格子間金属（この場合、Ｇａ）に起因するバンドギャップ中央に作られた準位に非輻射的に遷移し、更にそこから輻射的に正孔と価電子帯の正孔とが再結合することにより生じるもの（いわゆる、深い準位の発光）とされており、化学量論組成からのずれが大きくなればなるほどこの発光線は増大する（例えば、酸化亜鉛はバンドギャップが室温で約３．３７ｅＶと紫外線域にバンド端発光を有するが、酸化欠陥の大きな結晶をつくり緑色域（５００ｎｍ付近）の発光を増大させることにより緑色蛍光体として使用される例もある）。
【００５４】
通常のＬＥＤの応用においては、この深い準位の発光はバンド端発光の効率を低下させるので、窒化物半導体エピタキシャル層の成長条件を制限することによって、化学量論組成に近い結晶を得ている。しかし、本発明においては、後述するように、この深い準位の発光が本質的なものとなる。すなわち、本発明においては、非化学量論組成を有するｎ型窒化物半導体発光層４が、窒化物エピタキシャル発光層３の発する青色光の一部を吸収し、窒素欠陥などによって導入された非バンド端発光が黄色光を発するということが重要となる。
【００５５】
幸いにして、この深い準位の発光（非バンド端発光）が支配的な非化学量論組成の結晶を得ることは、技術的には比較的容易である。
【００５６】
ｎ型窒化物半導体発光層４はノンドープであってもｎ型半導性を示すので、ｎ型ＧａＮ半導体発光層４の上に電極を形成しても窒化物エピタキシャル発光層３に効果的に電流注入を行うことが可能となる。
【００５７】
もちろん、このｎ型窒化物半導体発光層４に、Ｓｉ（シリコン）、Ｇｅ（ゲルマニウム）、Ｓｅ（セレン）、Ｔｅ（テルリウム）、Ｏ（酸素）、及びＣ（炭素）などの不純物をドープしてもよい。不純物のドープによりｎ型窒化物半導体層４のｎ型導電性を制御することが可能になる。ドープする不純物としてはＳｉが制御性、電気的活性性から望ましい。このときＳｉをドーピングするためのガスとしては、ＳｉＨ４（モノシラン）、ＳｉＨ２Ｃｌ２（ジクロールシラン）が適当である。なお、不純物をドープしても、ｎ型窒化物半導体層の発光スペクトルの特性はほとんど変化しない。
【００５８】
ここで、本発明に係る２つの窒化物半導体層（窒化物エピタキシャル発光層３及びｎ型窒化物半導体発光層４）から成るＬＥＤが白色光を発する原理について説明する。図４は、本発明に係る白色ＬＥＤの白色光の発光原理を示した概念図である。まず、ｎ型及びｐ型電極層６、７（図１）から、ｎ型窒化物半導体発光層４などを介して、窒化物エピタキシャル発光層３に対して順方向に電流を流すと、ＩｎＧａＮ活性層３３は青色光（Ｂ）を発する。このとき、ＧａＮエピタキシャル発光層３（ＩｎＧａＮ活性層３３）から発せられた青色光は、側面からの外部への放射を無視して考えた場合、上向きに放射されることになる。したがって、青色光は全部ｎ型窒化物半導体発光層４に達することになる。すると、ｎ型窒化物半導体発光層４は、入射された青色光の一部であるバンドギャップに準じた青色光を吸収する。そして、吸収された青色光のエネルギーによって励起されたｎ型窒化物半導体発光層４は、バンド端発光となる紫外光、及び非バンド端発光となる黄色光（Ｙ）を発する。この黄色光は全部上向きに外部に放射される。そして最終的に、窒化物エピタキシャル発光層３から上向きに放射された青色光及びｎ型窒化物半導体発光層４から上向きに放射された黄色光が外部で混色されることになる。このときの混色光が、肉眼では白色（Ｗ＝Ｂ＋Ｙ）として認知される。また、ｎ型窒化物半導体層４から黄色光とともに発する紫外光は、白色の色調に影響を及ぼさない。
【００５９】
本実施形態における白色ＬＥＤの構成（サファイア基板１上に、窒化物エピタキシャル発光層３、ｎ型窒化物半導体発光層４の順にエピタキシャル成長させる構成）によれば、ｎ型窒化物半導体発光層４の厚みに比例して黄色光の発光を増加させることが可能となるので、白色光の色調を制御することが容易となる。
【００６０】
ところで、上記のような原理を用いて白色ＬＥＤを作製するにあたって、窒化物エピタキシャル発光層３の発光の波長と、この窒化物エピタキシャル発光層３の発光を吸収してｎ型窒化物半導体発光層４が発する発光の波長はお互いに補色関係を満たさなければならない。
【００６１】
そこで、図５に示す色度図から白色光を発する組み合わせについて検討する。図５は、本発明に係る白色ＬＥＤの発光の波長に対応した色度の補色関係を示す砲弾型ＬＥＤ色度図である。色度図とは、人間の網膜中の３種類の錐体の感知する赤、緑、及び青に相当する色刺激量を数値化したものであって、すべての色をＸＹの２次元座標系で表すことができる。ここで、赤に対応する色刺激量をｘ、緑に対応する色刺激量をｙ、青に対応する色刺激量をｚとしたときに、Ｘ＝ｘ／（ｘ＋ｙ＋ｚ）であり、Ｙ＝ｙ／（ｘ＋ｙ＋ｚ）である。
【００６２】
図３に示すように、ｎ型窒化物半導体発光層４からの非バンド端発光はおよそ５５０〜５８０ｎｍの領域に発光波長を有する黄色光である。これらの上限値及び下限値を色度で表すと、図５の白丸となる。色度図においては、２つの色を合成した場合、その合成色の色度は、もとの色の色度（白丸）と白色領域を介した反対側の単色カーブ上の補色の色度（黒丸）の間を結ぶ直線上に乗る。したがって、この白丸で表される波長の発光とその補色である黒丸で表される波長の発光とを適当な割合で合成すると白色光が得られることがわかる。本発明においては、黒丸で示すように、５５０ｎｍに対しては４００ｎｍ、５８０ｎｍに対しては４８５ｎｍという補色関係を考える。
【００６３】
したがって、ｎ型窒化物半導体発光層４からの非バンド端発光の波長領域の補色となる波長領域は４００〜４８５ｎｍとなる。この波長領域の発光は青色光であり、前述したように窒化物エピタキシャル発光層３の活性層はＧａＮとＩｎＮとの混晶であるＩｎｘＧａ１−ｘＮｙを主組成としているので、本発明においては、この領域の発光波長はカバーされている。また、この波長領域を選択することは、ＩｎＧａＮを活性層に用いるＬＥＤの外部量子効果が最大となることも都合がよい。
【００６４】
上記のバンド端発光の波長領域（４００〜４８５ｎｍ）を有する青色光を得るために必要とされる窒化物エピタキシャル発光層３の混晶比ｘ、及び上記非バンド端発光の波長領域（５５０〜５８０ｎｍ）を有する黄色光を得るために必要とされるｎ型窒化物半導体発光層４の混晶比ｘと非化学量論組成比ｙは、以下のようにして算出される。
【００６５】
ＧａＮエピタキシャル発光層３（主組成：ＩｎｘＧａ１−ｘＮ）が発する青色光は、上述したように、４００〜４８５ｎｍの領域に発光波長を有する。前述した関係式（１）から、この波長領域に対応するギャップエネルギーは、２．５６〜３．１ｅＶとなることがわかる。また、ＩｎＧａＮのバンドギャップエネルギーＥｇＩｎＧａＮと混晶比ｘとの間には次の関係式：
ＥｇＩｎＧａＮ＝ＥｇＧａＮ＋ＥｇＩｎＮ―Ｂ・ｘ（１−ｘ） （２）
が成り立つことが知られている。ここで、ＥｇＩｎＧａＮ及びＥｇＩｎＮはそれぞれＩｎＧａ、及びＩｎＮのバンドギャップエネルギーを表し、Ｂはボーイングパラメータを表す。そこで、この関係式（２）に、ＥｇＩｎＧａＮ＝２．５６ｅＶ及び３．１ｅＶ、ＥｇＩｎＧａ＝３．４ｅＶ、ＥｇＩｎＮ＝１．９ｅＶ、Ｂ＝１．０ｅＶを代入してｘの上限値と下限値を算出すると、４００〜４８５ｎｍの波長領域に対応する混晶比ｘの範囲は、０．１３≦ｘ≦０．４５となることがわかる。
【００６６】
次に、ｎ型窒化物半導体発光層４（主組成：ＩｎｘＧａ１−ｘＮｙ）の混晶比ｘは、上述の計算結果に応じて、０≦ｘ≦０．４５を満たせばよい。このように、ｎ型窒化物半導体発光層４の発するバンド端発光の波長を４８５ｎｍ以下にすることによって、白色の色合いが良好なものとなる。一方、このバンド端発光の波長が４８５ｎｍを越えると、緑がかった白色光になってしまい、輝度が落ちることになる。
【００６７】
この前提の下で、化学量論組成比ｙは、ｙ＜１．０であればよい。もっとも、望ましくは０．５＜ｙ＜１．０、更に望ましくは０．５＜ｘ＜０．７５の範囲であるとよい。
【００６８】
本発明に係る白色ＬＥＤのこのような構成によれば、サファイア基板１上にエピタキシャル成長させた窒化物エピタキシャル発光層３が発する４００〜４８５ｎｍの領域に発光波長を有する青色光と、青色光の一部を吸収し、発光中心が励起されてｎ型窒化物半導体発光層４が発する５５０〜５８５ｎｍの領域に発光波長を有する黄色光が外部で混色されることにより高効率且つ高輝度の白色を発することが可能となる。
【００６９】
このように、本発明においては、サファイア基板上に窒化物半導層を形成することのみで高効率且つ高輝度の白色ＬＥＤを実現できる。また、本発明においては、蛍光体が不要となるために実装コストが安価になる。更には、チップの状態で白色の色合いの検査が可能となり、製造コスト・歩留まりを改善できる。また、共有結合性結晶である窒化物半導体層のみから構成されるＬＥＤは、イオン結合性結晶であるＺｎＳｅ半導体層のみから構成されるＬＥＤと比較して、電流注入による素子の劣化が極めて小さいため、大電流注入による高輝度化が可能である。
【００７０】
次に、本実施形態における白色ＬＥＤの応用例について説明する。なお、以降の説明においては、上記実施形態と同一の構造については同一の記号を用い、説明が冗長になるのを避けるため、相違点のみについて説明する。
【００７１】
図６は、本発明に係る白色ＬＥＤの一つの応用例を示す図である。図６（ａ）は、本応用例に係る白色ＬＥＤの概略構成を示す断面図である。図６（ｂ）は、図６（ａ）の白色ＬＥＤの窒化物エピタキシャル発光層の詳細な構成を示す断面図である。図６（ｃ）は、本応用例に係る白色ＬＥＤの白色光の発生原理を示す概念図である。
【００７２】
図６（ａ）に示すように、本応用例においては、ｎ型窒化物半導体発光層４Ａを、サファイア基板１及びＧａＮバッファ層２と、ＧａＮエピタキシャル発光層３Ａとの間に形成し、ｎ型及びｐ型電極層６、７を図１と逆に形成する。このとき、窒化物エピタキシャル発光層３Ａは、図６（ｂ）に示すように、上から順に、ｐ型ＧａＮクラッド層３２、ＩｎＧａＮ活性層３３、ｎ型ＧａＮクラッド層３４と積層させた構造となる。
【００７３】
本応用例の構成では、先の実施形態と比較した場合、図６（ｃ）に示すように、白色光の発生原理は図４の場合と同様であるが、外部へ出射される白色光の色調に多少の違いが生じる。
【００７４】
本応用例の場合、ｎ型及びｐ型電極層６、７（図６（ａ））から、ｎ型窒化物半導体発光層４Ａなどを介して、窒化物エピタキシャル発光層３Ａに対して順方向に電流を流すと、ＩｎＧａＮ活性層３３は青色光（Ｂ）を発する。このとき、窒化物エピタキシャル発光層３Ａ（ＩｎＧａＮ活性層３３）より発せられた青色光は方向性を持たないため、青色光は、図６（ｃ）に示すように様々な方向に対して放射される。したがって、この青色光は、側面からの外部への放射を無視して考えた場合、上下方向におよそ５０％ずつの割合で放射されることになる。このとき、上向きに放射される青色光は外部に放射され、下向きに放射される青色光はｎ型窒化物半導体発光層４Ａに達することになる。そして、図４のところで説明したように、このｎ型窒化物半導体発光層４Ａは、入射された青色光の一部を吸収し、吸収された青色光のエネルギーによって励起されたｎ型窒化物半導体発光層４Ａ中の発光中心が、黄色光（Ｙ）を非バンド端発光として発することになる。そして最終的に、窒化物エピタキシャル発光層３Ａから上向きに放射された青色光及びｎ型窒化物半導体発光層４から上向きに放射された黄色光が外部で混色されることになる。このときの混色光が、肉眼では白色（Ｗ＝Ｂ＋Ｙ）として認知される。
【００７５】
したがって、本応用例の白色ＬＥＤにおいては、外部へ放射される青色光（Ｂ）の割合が全体の５０％を越えることになる。このような青色光と黄色光との放射の割合の偏りは、ｎ型窒化物半導体発光層４Ａにあらかじめ窒素欠陥量やｎ型窒化物半導体層４の厚さを制御することによって解消可能である。
【００７６】
図７は、本発明に係る白色ＬＥＤのその他の応用例を示す図である。図７（ａ）は、本応用例に係る白色ＬＥＤを示す断面図である。図７（ｂ）は、図７（ａ）の白色ＬＥＤの応用例を示す断面図である。
【００７７】
本応用例では、サファイア基板１の代わりに、例えばＳｉなどの導電性基板９を使用する。図７（ａ）に示す応用例では、下から順に、ｐ型電極層７、導電性基板９、窒化物エピタキシャル発光層３、ｎ型窒化物半導体発光層４、ｎ型ＧａＮコンタクト層５、ｎ型電極層６などといった順に積層させた構造を有する。また、図７（ｂ）に示す応用例は、積層構造が図７（ａ）の応用例とは逆で、下から順に、ｎ型電極層６、導電性基板９、ｎ型窒化物半導体発光層４Ａ、窒化物エピタキシャル発光層３Ａ、ｐ型ＧａＮコンタクト層８、ｐ型電極層７などといった順に積層させた構造を有する。
【００７８】
このようにすれば、図１の場合とは異なり、ｐ型電極層を図７に示すように基板の裏面に形成できるので、チップの小型化が可能となる。
【００７９】
なお、以上で説明した実施形態及びその応用例においては、すべて正立基板構造を有しているが、本発明の白色ＬＥＤの実装時には、基板をエピタキシャル発光層よりも上にした倒立基板（エピサイドダウン）構造であってもかまわない。
【００８０】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によれば、蛍光体が不要な白色ＬＥＤが作成できる。更に、製造工程において、チップの段階で白色の色合いの検査が可能となり、コスト・歩留まりを改善できる。また、ＬＥＤ発光層を窒化物半導体とすることにより、大電流でも素子の劣化が小さく、高輝度の白色ＬＥＤを製造できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る白色ＬＥＤの一実施形態の概略構成を示す断面図である。
【図２】図１の窒化物エピタキシャル発光層の詳細な構成を示す断面図である。
【図３】本発明に係る非化学量論組成を有するｎ型窒化物半導体層のフォトルミネセンススペクトル図である。
【図４】本発明に係る白色ＬＥＤの白色光の発生原理を示す概念図である。
【図５】本発明に係る白色ＬＥＤの発光の波長に対応した色度の補色関係を示す砲弾型ＬＥＤ色度図である。
【図６】本発明に係る白色ＬＥＤの一つの応用例を示す図である。図６（ａ）は、本応用例に係る白色ＬＥＤの概略構成を示す断面図である。図６（ｂ）は、図６（ａ）の白色ＬＥＤの窒化物エピタキシャル発光層の詳細な構成を示す断面図である。図６（ｃ）は、本応用例に係る白色ＬＥＤの白色光の発生原理を示す概念図である。
【図７】本発明に係る白色ＬＥＤのその他の応用例を示す図である。図７（ａ）は、本応用例に係る白色ＬＥＤを示す断面図である。図７（ｂ）は、図７（ａ）の白色ＬＥＤの応用例を示す断面図である。
【符号の説明】
１ サファイア基板
２ ＧａＮバッファ層
３ 窒化物エピタキシャル発光層
３１ ｐ型ＧａＮコンタクト層
３２ ｐ型ＧａＮクラッド層
３３ ＩｎＧａＮ活性層
３４ ｎ型クラッド層
３Ａ 窒化物エピタキシャル発光層
４ ｎ型窒化物半導体発光層
４Ａ ｎ型窒化物半導体発光層
５ ｎ型ＧａＮコンタクト層
６ ｎ型電極層
７ ｐ型電極層
８ ｐ型ＧａＮコンタクト層
９ 導電性基板[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a compound semiconductor LED, and more particularly, to a white LED including a nitride semiconductor layer.
[0002]
[Prior art]
In recent years, the term semiconductor lighting has become a reality. This is because with the rapid progress of compound semiconductor epitaxial growth technology and light emitting device process technology, LEDs with extremely high conversion efficiency from electricity to light were developed, and visible light LEDs with extremely high brightness were commercialized as solid state light sources. It is. Compared to conventional illumination light sources, visible light LEDs using compound semiconductors have many advantages such as low power consumption, strong impact resistance, small size and light weight, high speed response, high brightness, and long life. It is ideal as a substitute for various light sources for lighting, and is expected to be a promising candidate for next-generation lighting.
[0003]
In particular, the recent development of green and blue LEDs using InGaN (indium gallium nitride) -based materials and the development of ultra-high-brightness, high-efficiency red LEDs using AlGaAs (aluminum gallium arsenic) -based materials. It is noteworthy that full-color display using visible light LEDs has become possible. As a result, the range of use as a light source for various display panels such as signal lamps, instrument panels for automobiles, and backlights for liquid crystal panels for mobile phones has been greatly expanding. Particularly in the visible light region, white light has a very wide range of uses, such as fluorescent lamps, halogen lamps, and incandescent lamps, and is expected to play a role as a substitute for them. Accordingly, various attempts have been made to construct a white light source using these visible light LEDs.
[0004]
At present, the following three methods are being studied to realize a white LED.
[0005]
(1) A method of arranging three types of LEDs (red, green, and blue) in close proximity and mixing the three primary colors emitted by these LEDs to obtain white light.
[0006]
(2) A method in which phosphors that emit red, green, and blue light, respectively, are excited by ultraviolet light emitted by an ultraviolet LED, and the three primary colors emitted by these phosphors are mixed to obtain white light. (For example, see Patent Document 1).
[0007]
(3) A method in which a blue light emitted from a blue LED excites a substance that emits yellow light having a complementary color relationship, and the blue light and yellow light are mixed to obtain white light.
[0008]
This method is further classified into the following two methods.
[0009]
(3-a) The blue light emitted from the nitride-based blue LED is mixed with the yellow light emitted by the yellow phosphor separately prepared from the LED absorbing a part of the blue light to excite the emission center and white. How to get light. (For example, see Patent Document 2).
[0010]
(3-b) A blue LED layer composed of a ZnSe epitaxial light emitting layer is formed on a ZnSe: I (iodine doped zinc selenide) substrate doped with I in ZnSe (zinc selenide), and a blue light emitted from the blue LED layer is formed. A method in which a part of this blue light is absorbed by a ZnSe: I substrate to mix white light emitted from the ZnSe: I substrate to obtain white light. (For example, see Patent Document 3).
[0011]
[Patent Document 1]
JP 2001-127364 A
[0012]
[Patent Document 2]
JP 2000-208815 A
[0013]
[Patent Document 3]
JP 2001-015810 A
However, the above-described prior art has the following problems.
[0014]
Problem (1): When light emitted from red, blue, and green LEDs is mixed, there is a problem that the appearance of white light greatly changes depending on the light emission intensity and light emission wavelength characteristics of each LED. In addition, since three types of LEDs are combined, the cost is higher than when a single LED is used. Further, there is a problem that the design of the driving circuit is complicated and power consumption is increased.
[0015]
Problems (2) and (3-a): A phosphor is separately required in addition to the LED, and the phosphor is often applied to a package, and a white color tone is determined only when the phosphor is contained in the package. Therefore, problems arise in cost and yield.
[0016]
Problem (3-b): Since ZnSe is an ion-bonding crystal, the bonding strength between elements is weaker than that of a covalent bond or a metal bond, and the device itself deteriorates when a large current is applied to obtain high output. Therefore, there is a problem that it is difficult to obtain a high-brightness LED.
[0017]
[Problems to be solved by the invention]
As described above, the conventional white LED has problems in light emission stability, manufacturing cost, yield, and the like, and it is important to solve these problems for reliable practical use of the white LED. It has become.
[0018]
The present invention has been made in view of the above problem, and has as its object to provide a white LED which does not require a phosphor and further has a compound semiconductor layer made of a nitride semiconductor.
[0019]
[Means for Solving the Problems]
As means for solving the above problems, the white LED according to claim 1 includes a p-type cladding layer, an n-type cladding layer, and an active layer provided between the p-type and n-type cladding layers, A light-emitting device comprising: a first light-emitting layer made of a compound semiconductor that emits blue light by current injection; and a second light-emitting layer made of a compound semiconductor that emits yellow light by absorbing a part of the blue light. It is.
[0020]
According to the present invention, it is possible to emit blue and yellow light, which are complementary to each other, only by the compound semiconductor layer, so that white light can be obtained without separately requiring a photoluminescent phosphor such as a YAG phosphor as in the related art. Light can be obtained. Further, since no phosphor is required, the mounting cost is reduced. Furthermore, since the chip itself emits white light, it is possible to inspect a white color tone in the state of the chip, so that manufacturing cost and yield can be improved.
[0021]
The white LED according to claim 2 is the white LED according to claim 1, wherein the blue light has an emission wavelength in a range of 400 to 485 nm, and the yellow light has an emission wavelength in a range of 550 to 585 nm. It has an emission wavelength.
[0022]
According to the present invention, white light can be obtained by limiting the wavelength regions of the blue light emitted by the first light emitting layer and the yellow light emitted by the second light emitting layer to the above ranges.
[0023]
The white LED according to claim 3 is the white LED according to claim 1 or 2, wherein the first light emitting layer is made of a nitride semiconductor having a stoichiometric composition containing at least Ga and In. The second light emitting layer is made of a nitride semiconductor having a non-stoichiometric composition containing at least Ga.
[0024]
According to the present invention, the use of a nitride semiconductor as the first and second light-emitting layers makes it possible to reduce the deterioration of the element even when a large current is injected and to achieve a high luminance, as compared with the case where a ZnSe semiconductor is used. Can be manufactured. The first light-emitting layer has a stoichiometric composition containing at least Ga and In, and the second light-emitting layer has a non-stoichiometric composition containing at least Ga. And the wavelength range of yellow light emitted by the second light emitting layer can be set in the range described in claim 2.
[0025]
The white LED according to claim 4 is the white LED according to claims 1 to 3, wherein the first light-emitting layer has a main composition of In. x Ga 1-x N y Wherein the mixed crystal ratio x and the stoichiometric composition ratio y satisfy 0.13 ≦ x ≦ 0.45 and y = 1.0, and the main composition of the second light emitting layer is In. x Ga 1-x N y Wherein the mixed crystal ratio x and the stoichiometric composition ratio y satisfy 0 ≦ x ≦ 0.45 and y <1.0.
[0026]
According to the present invention, as the parameters for determining the color tone of white light, in particular, the mixed crystal ratio x of the first and second light emitting layers and the stoichiometric composition ratio y of the second light emitting layer are adjusted as described above. Accordingly, the wavelength ranges of the blue light emitted from the first light emitting layer and the yellow light emitted from the second light emitting layer can be controlled within the range described in claim 2. Therefore, the effect of claim 2 can be further ensured.
[0027]
A white LED according to a fifth aspect is the white LED according to the first to fourth aspects, wherein the second light emitting layer is an n-type semiconductor.
[0028]
According to the present invention, by using an n-type semiconductor for the second light emitting layer, it is possible to inject current into the first light emitting layer even if an electrode is formed on the second light emitting layer.
[0029]
The white LED according to claim 6 is the white LED according to any one of claims 1 to 5, wherein the first and second light emitting layers are epitaxially grown on a sapphire substrate. .
[0030]
According to the present invention, a practical white LED can be provided by epitaxially growing the first and second light emitting layers on a sapphire substrate. In addition, sapphire is chemically stable and has excellent heat resistance, which is convenient for forming the first and second light-emitting layers made of a nitride semiconductor.
[0031]
The white LED according to claim 7, wherein the first and second light-emitting layers are formed on the sapphire substrate, the first light-emitting layer, the second light-emitting layer, and the second light-emitting layer. Characterized in that the light-emitting layers are epitaxially grown in this order.
[0032]
According to the present invention, the first light-emitting layer and the second light-emitting layer are epitaxially grown on the sapphire substrate in this order, so that the blue light emitted from the first light-emitting layer and the yellow light emitted from the second light-emitting layer can be reduced. It is easy to control the ratio of radiation to the light, and it is possible to improve the color tone of white light.
[0033]
The white LED according to claim 8 is the white LED according to any one of claims 1 to 7, wherein the second light emitting layer has a crystal defect (nitrogen defect) introduced therein.
[0034]
According to the present invention, n-type conductivity is obtained by introducing a crystal defect (nitrogen defect) into the second light emitting layer, and blue light emitted from the first light emitting layer having a light emission wavelength in a range of 400 to 485 nm is obtained. It becomes possible to absorb light and emit yellow light having an emission wavelength in the range of 550 to 585 nm.
[0035]
The white LED according to claim 9 is the white LED according to any one of claims 1 to 7, wherein the second light emitting layer is doped with Si in addition to the crystal defects.
[0036]
According to the present invention, yellow light having an emission wavelength in the range of 550 to 580 nm can be obtained from the second light emitting layer, and the desired n-type conductivity can be obtained by controlling the carrier (electron) concentration by the Si doping amount. Can be obtained.
[0037]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to FIGS. The white LED of the present invention is characterized by two nitride semiconductor light emitting layers (namely, a nitride epitaxial light emitting layer that emits blue light by current injection, and an n-type nitride that absorbs a part of the blue light and emits yellow light). It is to obtain high-efficiency and high-brightness white light with a simple structure in which semiconductor light-emitting layers are simply stacked.
[0038]
FIG. 1 is a sectional view showing a schematic configuration of an embodiment of a white LED according to the present invention. The white LED according to the present embodiment reduces the lattice mismatch between the sapphire substrate 1 and the sapphire substrate 1 to form a nitride epitaxial light emitting layer (hereinafter, referred to as nitride) composed of a group III element such as Ga, In, and Al and N. Buffer layer 2 for reducing dislocation density of nitride epitaxial light emitting layer 3 (described later), nitride epitaxial light emitting layer 3 emitting blue light by current injection, and absorbing part of blue light emitted from nitride epitaxial light emitting layer 3 A nitride n-type GaN semiconductor light-emitting layer (hereinafter, referred to as an n-type nitride semiconductor light-emitting layer) 4 composed of N and a group III element such as Ga, In, or Al, into which a crystal defect (nitrogen defect) emitting yellow light is introduced. N-type GaN contact layer 5, n-type electrode layer 6 formed on n-type GaN contact layer 5, and p-type GaN contact Having a multilayer structure obtained by sequentially stacking a p-type electrode layer 7 formed on the layer 31 (described later).
[0039]
In the white LED according to the present invention, a nitride semiconductor layer mainly composed of GaN or InGaN (indium gallium nitride) is formed on a sapphire substrate 1 by a metal organic vapor phase epitaxy (MOVPE) method, a molecular epitaxy MBE method, or a gas. It is manufactured by sequentially performing epitaxial growth using a method such as a source MBE method.
[0040]
In the MOVPE method, an organometallic compound gas is supplied as a reaction gas into a reaction vessel in which a substrate is placed, and a crystal growth temperature is maintained at a high temperature of about 500 to 1100 ° C. to form an epitaxial layer of a compound semiconductor crystal on the substrate. It is a way to grow.
[0041]
When GaN (gallium nitride) is epitaxially grown using this method, first, H is deposited on the sapphire substrate 1. 2 A gas is supplied, and a heat treatment is performed under a temperature condition of 1050 to 1100 ° C. to remove an oxide film on the surface of the sapphire substrate. 2 And H 2 , TMG (trimethylgallium) gas as group III gas, and NH as group V gas 3 (Ammonia), a buffer layer is formed under a temperature condition of 500 to 550 ° C., and then TMG gas and NH 3 After stopping only the gas and raising the temperature, the TMG gas and NH were again heated under a temperature condition of 1000 to 1050 ° C. 3 A gas may be supplied to grow the epitaxial layer.
[0042]
In the case where InGaN (indium gallium nitride) is epitaxially grown, a TMI (trimethylindium) gas is supplied in addition to the TMG gas under a temperature condition of 700 to 800 ° C.
[0043]
According to such a manufacturing method, in the present embodiment, first, as shown in FIG. 1, a GaN buffer layer 2 formed on a sapphire substrate 1 (FIG. 1) is formed, and then a nitride epitaxial light emitting layer 3, An n-type nitride semiconductor layer 4 and an n-type GaN contact layer 5 are sequentially formed. Details of the nitride epitaxial light emitting layer 3 are shown in the sectional view of FIG. The structure is such that a p-type GaN contact layer 31, a p-type GaN cladding layer 32, an InGaN active (light-emitting) layer 33, an n-type GaN cladding layer 34, and the like are sequentially stacked.
[0044]
When it is desired to increase the band gap difference between the active layer and the cladding layer, the p-type GaN cladding layer 32 and the n-type GaN cladding layer 34 may be made of AlGaN (aluminum gallium nitride).
[0045]
The typical thickness of each layer in the nitride epitaxial light emitting layer 3 is 1200 ° for the p-type GaN contact layer 31, 600 ° for the p-type GaN cladding layer 32, several tens to 100 ° for the InGaN active layer 33, and n-type GaN cladding layer. 34 is 300 ° or the like. At this time, typical thicknesses of the n-type GaN contact layer 5 and the GaN buffer layer 2 (FIG. 1) are 4000 ° and 500 °, respectively.
[0046]
The InGaN active layer 33 is composed of In which is a mixed crystal of GaN and InN. x Ga 1-x It is a nitride semiconductor having a stoichiometric composition mainly composed of N. GaN and InN have bandgap energies (E) of 3.4 eV and 1.9 eV, respectively, at room temperature. g ), Whose intrinsic emission wavelength λ has the following relational expression:
λ (nm) = 1240 / Eg (eV) (1)
, Which are 365 nm and 650 nm, respectively. Therefore, by changing the mixed crystal ratio x, it is possible to realize an LED having an emission wavelength from the near ultraviolet region of 365 nm to the red region of 650 nm.
[0047]
In the present invention, the wavelength region of blue light is assumed as the emission wavelength of the nitride epitaxial light emitting layer 3 (InGaN active layer 33).
[0048]
In the present invention, the nitride epitaxial light emitting layer 3 has any structure as long as electrons and holes are effectively confined in the InGaN active layer 33 when current is injected into the n-type and p-type electrode layers 6 and 7. FIG. 2 shows only an example. As the InGaN active layer 33 of the present invention, any structure may be used as long as it is provided between the p-type GaN cladding layer 32 and the n-type GaN cladding layer 34. For example, two types of active layers having different band gaps may be used. A multi-quantum well structure or the like constituted by lamination of the above composition can be considered.
[0049]
In the present embodiment, on the nitride epitaxial light-emitting layer 3 grown through such a process, an n-type n-type A nitride semiconductor layer (hereinafter referred to as an n-type nitride semiconductor light emitting layer) 4 (described later) and an n-type GaN contact layer 5 are epitaxially grown and stacked in this order.
[0050]
According to such a configuration of the white LED of the present embodiment (a configuration in which the nitride epitaxial light emitting layer 3 and the n-type nitride semiconductor light emitting layer 4 are epitaxially grown on the sapphire substrate 1 in this order), the n-type GaN cladding layer 34 and the Since the contact layer 5 can easily have a low resistance, the n-type electrode layer 6 may have a narrow electrode structure, and the p-type GaN cladding layer 32 and the contact layer 31, which are difficult to reduce the resistance, have a large area of p-type. The electrode layer 7 can be formed, and it is possible to obtain an electrically preferable structure such that the contact resistance can be reduced.
[0051]
The n-type nitride semiconductor light emitting layer 4 is made of In which is a mixed crystal of GaN and InGaN. x Ga 1-x N y Is a nitride semiconductor having a non-stoichiometric composition (i.e., the stoichiometric composition ratio y satisfies y <1). In this embodiment, the case where the mixed crystal ratio x is x = 0 is shown.
[0052]
FIG. 3 shows a typical PL (photoluminescence) spectrum of light emission of the n-type nitride semiconductor light emitting layer 4 having a non-stoichiometric composition according to the present invention. A broad emission line near 580 nm is observed along with strong emission around 365 nm due to GaN band edge emission. The light emission in the wavelength region of 550 to 580 nm in FIG. 3 is yellow light.
[0053]
In this emission line, electrons pushed up to the conduction band non-radiatively transition to a level created in the center of the band gap caused by crystal defects (nitrogen defects) or interstitial metals (Ga in this case), Further, it is assumed that the radiative recombination of holes and holes in the valence band (so-called deep-level light emission) is generated from the recombination. This emission line increases (for example, zinc oxide has band edge emission in the ultraviolet region with a band gap of about 3.37 eV at room temperature, but forms crystals with large oxidation defects and increases emission in the green region (around 500 nm). In some cases, it is used as a green phosphor.
[0054]
In ordinary LED applications, this deep level emission reduces the efficiency of band edge emission, so that crystals close to the stoichiometric composition are obtained by limiting the growth conditions of the nitride semiconductor epitaxial layer. . However, in the present invention, as described later, this deep level emission becomes essential. That is, in the present invention, the n-type nitride semiconductor light-emitting layer 4 having a non-stoichiometric composition absorbs a part of the blue light emitted from the nitride epitaxial light-emitting layer 3 and the non-band introduced by the nitrogen defect or the like. It is important that the edge emission emits yellow light.
[0055]
Fortunately, it is technically relatively easy to obtain a non-stoichiometric crystal in which this deep level emission (non-band edge emission) is dominant.
[0056]
Since the n-type nitride semiconductor light-emitting layer 4 exhibits n-type semiconductivity even if it is non-doped, even if an electrode is formed on the n-type GaN semiconductor light-emitting layer 4, the nitride epitaxial light-emitting layer 3 effectively has an electric current. The injection can be performed.
[0057]
Of course, the n-type nitride semiconductor light emitting layer 4 is doped with impurities such as Si (silicon), Ge (germanium), Se (selenium), Te (tellurium), O (oxygen), and C (carbon). Is also good. The doping of the impurity makes it possible to control the n-type conductivity of the n-type nitride semiconductor layer 4. As an impurity to be doped, Si is desirable from the viewpoint of controllability and electrical activity. At this time, the gas for doping Si is SiH 4 (Monosilane), SiH 2 Cl 2 (Dichlorosilane) is suitable. It should be noted that doping with an impurity hardly changes the emission spectrum characteristics of the n-type nitride semiconductor layer.
[0058]
Here, the principle of emitting white light by the LED comprising the two nitride semiconductor layers (the nitride epitaxial light emitting layer 3 and the n-type nitride semiconductor light emitting layer 4) according to the present invention will be described. FIG. 4 is a conceptual diagram showing the principle of white light emission of the white LED according to the present invention. First, when a current flows in the forward direction from the n-type and p-type electrode layers 6 and 7 (FIG. 1) to the nitride epitaxial light emitting layer 3 via the n-type nitride semiconductor light emitting layer 4 and the like, the InGaN active Layer 33 emits blue light (B). At this time, the blue light emitted from the GaN epitaxial light emitting layer 3 (InGaN active layer 33) is emitted upward when radiation from the side to the outside is ignored. Therefore, all the blue light reaches the n-type nitride semiconductor light emitting layer 4. Then, the n-type nitride semiconductor light emitting layer 4 absorbs blue light according to the band gap, which is a part of the incident blue light. Then, the n-type nitride semiconductor light emitting layer 4 excited by the energy of the absorbed blue light emits ultraviolet light that emits band edge light and yellow light (Y) that emits non-band edge light. All of this yellow light is emitted upward and outward. Finally, the blue light emitted upward from the nitride epitaxial light emitting layer 3 and the yellow light emitted upward from the n-type nitride semiconductor light emitting layer 4 are mixed outside. The mixed color light at this time is recognized as white (W = B + Y) by the naked eye. Further, ultraviolet light emitted from the n-type nitride semiconductor layer 4 together with yellow light does not affect the white color tone.
[0059]
According to the configuration of the white LED (the configuration in which the nitride epitaxial light-emitting layer 3 and the n-type nitride semiconductor light-emitting layer 4 are epitaxially grown on the sapphire substrate 1 in this order) in the present embodiment, the thickness of the n-type nitride semiconductor light-emitting layer 4 Since it becomes possible to increase the emission of yellow light in proportion to, it is easy to control the color tone of white light.
[0060]
By the way, when producing a white LED using the above principle, the wavelength of light emission of the nitride epitaxial light emitting layer 3 and the light emission of the n-type nitride semiconductor light emitting layer 4 Must emit light having mutually complementary colors.
[0061]
Therefore, a combination that emits white light from the chromaticity diagram shown in FIG. 5 will be examined. FIG. 5 is a shell-type LED chromaticity diagram showing a complementary color relationship of chromaticity corresponding to the emission wavelength of the white LED according to the present invention. The chromaticity diagram is a numerical representation of color stimulus amounts corresponding to red, green, and blue sensed by three types of cones in the human retina, and all colors are expressed in a two-dimensional XY coordinate system. Can be represented by Here, when the color stimulus amount corresponding to red is x, the color stimulus amount corresponding to green is y, and the color stimulus amount corresponding to blue is z, X = x / (x + y + z), and Y = y / (X + y + z).
[0062]
As shown in FIG. 3, the non-band edge emission from the n-type nitride semiconductor light emitting layer 4 is yellow light having an emission wavelength in a region of about 550 to 580 nm. If these upper and lower limits are represented by chromaticity, they become white circles in FIG. In the chromaticity diagram, when two colors are combined, the chromaticity of the combined color is represented by the chromaticity of the original color (open circle) and the chromaticity of the complementary color on the single color curve on the opposite side of the white area (white circle). Ride on the straight line between the black circles). Therefore, it can be seen that white light can be obtained by synthesizing the light emission of the wavelength represented by the white circle and the light emission of the wavelength represented by the black circle as a complementary color thereof at an appropriate ratio. In the present invention, as shown by black circles, a complementary color relationship of 400 nm for 550 nm and 485 nm for 580 nm is considered.
[0063]
Therefore, the wavelength range that is complementary to the wavelength range of non-band-edge emission from the n-type nitride semiconductor light emitting layer 4 is 400 to 485 nm. The emission in this wavelength region is blue light, and as described above, the active layer of the nitride epitaxial light emitting layer 3 is a mixed crystal of GaN and InN. x Ga 1-x N y , The emission wavelength in this region is covered in the present invention. Selecting this wavelength region is also convenient in that the external quantum effect of the LED using InGaN for the active layer is maximized.
[0064]
The mixed crystal ratio x of the nitride epitaxial light emitting layer 3 required to obtain blue light having the above-mentioned band edge emission wavelength region (400 to 485 nm), and the above non-band edge emission wavelength region (550 to 580 nm) The mixed crystal ratio x and the non-stoichiometric composition ratio y of the n-type nitride semiconductor light emitting layer 4 required to obtain yellow light having the following formula (1) are calculated as follows.
[0065]
GaN epitaxial light emitting layer 3 (main composition: In x Ga 1-x As described above, the blue light emitted by N) has an emission wavelength in the range of 400 to 485 nm. From the above-mentioned relational expression (1), it can be seen that the gap energy corresponding to this wavelength region is 2.56 to 3.1 eV. Also, the band gap energy Eg of InGaN InGaN And the mixed crystal ratio x between:
Eg InGaN = Eg GaN + Eg InN -Bx (1-x) (2)
Is known to hold. Where Eg InGaN And Eg InN Represents the band gap energy of InGa and InN, respectively, and B represents the bowing parameter. Therefore, this relational expression (2) shows that Eg InGaN = 2.56 eV and 3.1 eV, Eg InGa = 3.4 eV, Eg InN = 1.9 eV and B = 1.0 eV are substituted to calculate the upper limit and the lower limit of x, the range of the mixed crystal ratio x corresponding to the wavelength region of 400 to 485 nm is 0.13 ≦ x ≦ 0. It turns out that it becomes 45.
[0066]
Next, the n-type nitride semiconductor light emitting layer 4 (main composition: In x Ga 1-x N y The mixed crystal ratio x in ()) may satisfy 0 ≦ x ≦ 0.45 according to the above calculation result. As described above, by setting the wavelength of the band edge emission emitted from the n-type nitride semiconductor light emitting layer 4 to 485 nm or less, a good white tint is obtained. On the other hand, if the wavelength of the band edge emission exceeds 485 nm, the light becomes greenish white light, and the luminance is reduced.
[0067]
Under this assumption, the stoichiometric composition ratio y may be y <1.0. However, it is desirable that the range is preferably 0.5 <y <1.0, more preferably 0.5 <x <0.75.
[0068]
According to such a configuration of the white LED according to the present invention, blue light having an emission wavelength in a region of 400 to 485 nm emitted from the nitride epitaxial light emitting layer 3 epitaxially grown on the sapphire substrate 1 and a part of the blue light To emit white light with high efficiency and high luminance by externally mixing yellow light having an emission wavelength in the 550 to 585 nm region emitted by the n-type nitride semiconductor light emitting layer 4 when the light emission center is excited and the n-type nitride semiconductor light emitting layer 4 is emitted. Becomes possible.
[0069]
Thus, in the present invention, a white LED with high efficiency and high luminance can be realized only by forming a nitride semiconductor layer on a sapphire substrate. Further, in the present invention, since the phosphor is not required, the mounting cost is reduced. Further, it is possible to inspect a white tint in a state of a chip, so that manufacturing cost and yield can be improved. In addition, since the LED composed of only the nitride semiconductor layer that is a covalent crystal has a very small deterioration of the element due to current injection as compared with the LED composed of only the ZnSe semiconductor layer that is an ion coupling crystal. In addition, high brightness can be achieved by injecting a large current.
[0070]
Next, an application example of the white LED in the present embodiment will be described. In the following description, the same symbols are used for the same structures as in the above-described embodiment, and only different points will be described to avoid redundant description.
[0071]
FIG. 6 is a diagram showing one application example of the white LED according to the present invention. FIG. 6A is a cross-sectional view illustrating a schematic configuration of a white LED according to the application example. FIG. 6B is a cross-sectional view showing a detailed configuration of the nitride epitaxial light emitting layer of the white LED of FIG. 6A. FIG. 6C is a conceptual diagram illustrating a principle of generating white light of the white LED according to the application example.
[0072]
As shown in FIG. 6A, in this application example, the n-type nitride semiconductor light emitting layer 4A is formed between the sapphire substrate 1 and the GaN buffer layer 2 and the GaN epitaxial light emitting layer 3A, Then, the p-type electrode layers 6 and 7 are formed in the reverse of FIG. At this time, the nitride epitaxial light emitting layer 3A has a structure in which a p-type GaN cladding layer 32, an InGaN active layer 33, and an n-type GaN cladding layer 34 are sequentially stacked from the top, as shown in FIG. 6B. .
[0073]
In the configuration of this application example, as shown in FIG. 6C, the principle of white light generation is the same as that of FIG. A slight difference in color tone occurs.
[0074]
In the case of this application example, the n-type and p-type electrode layers 6 and 7 (FIG. 6A) are forwardly directed to the nitride epitaxial light-emitting layer 3A via the n-type nitride semiconductor light-emitting layer 4A and the like. When a current flows, the InGaN active layer 33 emits blue light (B). At this time, since the blue light emitted from the nitride epitaxial light emitting layer 3A (InGaN active layer 33) has no directionality, the blue light is emitted in various directions as shown in FIG. You. Therefore, when this blue light is considered ignoring the radiation from the side to the outside, it is radiated in the vertical direction at a rate of about 50% each. At this time, the blue light emitted upward is emitted to the outside, and the blue light emitted downward reaches the n-type nitride semiconductor light emitting layer 4A. As described with reference to FIG. 4, the n-type nitride semiconductor light-emitting layer 4A absorbs a part of the incident blue light and is excited by the energy of the absorbed blue light. The light emission center in the light emitting layer 4A emits yellow light (Y) as non-band edge light emission. Finally, the blue light emitted upward from the nitride epitaxial light emitting layer 3A and the yellow light emitted upward from the n-type nitride semiconductor light emitting layer 4 are mixed externally. The mixed color light at this time is recognized as white (W = B + Y) by the naked eye.
[0075]
Therefore, in the white LED of this application example, the ratio of the blue light (B) radiated to the outside exceeds 50% of the whole. Such a bias in the proportion of the emission of blue light and yellow light can be eliminated by controlling the amount of nitrogen defects and the thickness of the n-type nitride semiconductor layer 4 in the n-type nitride semiconductor light-emitting layer 4A in advance. .
[0076]
FIG. 7 is a diagram showing another application example of the white LED according to the present invention. FIG. 7A is a cross-sectional view illustrating a white LED according to the application example. FIG. 7B is a cross-sectional view showing an application example of the white LED of FIG. 7A.
[0077]
In this application example, a conductive substrate 9 made of, for example, Si is used instead of the sapphire substrate 1. In the application example shown in FIG. 7A, in order from the bottom, a p-type electrode layer 7, a conductive substrate 9, a nitride epitaxial light-emitting layer 3, an n-type nitride semiconductor light-emitting layer 4, an n-type GaN contact layer 5, and n It has a structure in which the pattern electrode layer 6 and the like are stacked in this order. In the application example shown in FIG. 7B, the laminated structure is opposite to that of the application example shown in FIG. 7A, and the n-type electrode layer 6, the conductive substrate 9, and the n-type nitride semiconductor light emitting device are arranged in order from the bottom. It has a structure in which a layer 4A, a nitride epitaxial light emitting layer 3A, a p-type GaN contact layer 8, a p-type electrode layer 7, and the like are stacked in this order.
[0078]
In this way, unlike the case of FIG. 1, the p-type electrode layer can be formed on the back surface of the substrate as shown in FIG. 7, so that the chip can be miniaturized.
[0079]
In the above-described embodiments and their application examples, all have an erect substrate structure. However, when mounting the white LED of the present invention, an inverted substrate (epitaxial substrate) in which the substrate is higher than the epitaxial light emitting layer is used. It may be a side down) structure.
[0080]
【The invention's effect】
As is clear from the above description, according to the present invention, a white LED that does not require a phosphor can be produced. Further, in the manufacturing process, it is possible to inspect a white tint at a stage of a chip, so that cost and yield can be improved. Further, by using a nitride semiconductor for the LED light emitting layer, a high-brightness white LED can be manufactured with little deterioration of the element even at a large current.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating a schematic configuration of an embodiment of a white LED according to the present invention.
FIG. 2 is a sectional view showing a detailed configuration of a nitride epitaxial light emitting layer of FIG.
FIG. 3 is a photoluminescence spectrum diagram of an n-type nitride semiconductor layer having a non-stoichiometric composition according to the present invention.
FIG. 4 is a conceptual diagram illustrating a principle of generating white light of a white LED according to the present invention.
FIG. 5 is a shell-type LED chromaticity diagram showing a complementary color relationship of chromaticity corresponding to the emission wavelength of the white LED according to the present invention.
FIG. 6 is a diagram showing one application example of the white LED according to the present invention. FIG. 6A is a cross-sectional view illustrating a schematic configuration of a white LED according to the application example. FIG. 6B is a cross-sectional view showing a detailed configuration of the nitride epitaxial light emitting layer of the white LED of FIG. 6A. FIG. 6C is a conceptual diagram illustrating a principle of generating white light of the white LED according to the application example.
FIG. 7 is a diagram showing another application example of the white LED according to the present invention. FIG. 7A is a cross-sectional view illustrating a white LED according to the application example. FIG. 7B is a cross-sectional view showing an application example of the white LED of FIG. 7A.
[Explanation of symbols]
1 Sapphire substrate
2 GaN buffer layer
3 Nitride epitaxial light emitting layer
31 p-type GaN contact layer
32 p-type GaN cladding layer
33 InGaN active layer
34 n-type cladding layer
3A Nitride epitaxial light emitting layer
4 n-type nitride semiconductor light emitting layer
4A n-type nitride semiconductor light emitting layer
5 n-type GaN contact layer
6 n-type electrode layer
7 p-type electrode layer
8 p-type GaN contact layer
9 Conductive substrate
