JP3791765B2

JP3791765B2 - Ｉｉｉ族窒化物系化合物半導体発光素子

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Publication number: JP3791765B2
Application number: JP2001174912A
Authority: JP
Inventors: 隆弘小澤; 直樹柴田
Original assignee: Toyoda Gosei Co Ltd; Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyoda Gosei Co Ltd; Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 2001-06-08
Filing date: 2001-06-08
Publication date: 2006-06-28
Anticipated expiration: 2021-06-08
Also published as: US20030006430A1; JP2002368265A; US7247884B2

Description

【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、
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、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_ｘＧａ_１−ｘＮ、Ａｌ_ｘＩｎ_１−ｘＮ及びＧａ_ｘＩｎ_１−ｘＮ（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（Ｔｌ）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、Ｂｅ、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〜５６０ｎｍ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３００ｎｍ〜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４００ｎｍ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−ｘ１−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III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＝１：０．０１：０．０５〜１：０．５：１０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６００℃〜１１００℃の範囲、成長速度を０．００２〜１μｍ／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＜ｘ１＜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、ＴＭＩ）＝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−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、Ｔｅ、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／ｃｍ^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２．０〜２．８ｅＶ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−ａＮ（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）、Ｔｂ（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（ＴＭＧ）、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。

【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、ＧａＮ、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１１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、Ａｇ１、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Ｉｎ_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３５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。

【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ＤＰＭ_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ＡｌＧａＩｎＮ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。

【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６０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】
１６１、７１発光素子
２３ＬＥＤ
１１基板
１２バッファ層
３０３１リードフレーム
５０封止レジン

Claims

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であって、
前記光励起半導体層は、ｍλ／２ｎ（ただし、ｍは自然数、λは前記発光層での発光ピーク波長、ｎは前記光励起半導体層での屈折率）の厚さで、組成の異なる層を交互に積層した構造である、ことを特徴とするIII族窒化物系化合物半導体発光素子。
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。
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（Ｔｅ）、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。
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。
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。
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。
前記光励起半導体層を構成する組成の異なる層は、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。
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１〜７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。
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８に記載のIII族窒化物系化合物半導体発光素子。