(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
透光性を有するサファイア基板の表面上に、Ｎ型半導体層、発光層、およびＰ型半導体層を備え、上記Ｐ型半導体層の上面、および、上記Ｎ型半導体層の露出面に、それぞれ一つの電極を形成して構成された半導体発光素子であって、
上記サファイア基板の裏面側に、狭帯域波長選択作用を行なう光フィルタ層としてＡｌ2Ｏ3膜とＳｉＯ2膜との組み合わせ、またはＳｉＮ膜とＳｉＯ2膜との組み合わせを積層形成したことを特徴とする、フィルタ付き半導体発光素子。
【請求項２】
上記半導体発光素子の各結晶層は、青色の光を発する積層構造に形成されている、請求項１に記載のフィルタ付き半導体発光素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本願発明は、フィルタ付き半導体発光素子に関し、詳しくは、半導体発光素子から発せられる光を単色に近づけて、鮮明な表示態様等を確保するための技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
周知のように、発光デバイスを構成している半導体発光素子（ＬＥＤ）から発せられる光は、その発光部の周囲を封止している樹脂封止体を透過するなどして外方に照射されるのが一般的である。したがって、上記半導体発光素子からの光は、その光学的特性について何ら変動を受けることなく、発光時のままの状態で外方に照射されることになる。
【０００３】
そして、上記半導体発光素子からの光は、所定の半値幅を有しているのが通例である。すなわち、この種の光は、極めて狭い帯域内の特定波長の光だけでなく、所定幅の帯域内に存在する他の波長の光をも含んでいるのである。
【０００４】
一方、近年においては、有機金属化学気相成長法（以下、ＭＯＣＶＤ法という）を利用して、サファイア基板上に窒化ガリウム系化合物半導体の結晶を成長させることなどにより、高輝度特性を備えた青色発光用の半導体発光素子が開発されるに至っている。
【０００５】
上記高輝度の半導体発光素子の構造例を述べると、サファイア基板上にＧａＮのバッファ層を成長させ、このバッファ層の上に、Ｎ型半導体層（ＧａＮ層、ＡｌＧａＮ層）、発光層（ＩｎＧａＮ層）、およびＰ型半導体層（ＡｌＧａＮ層、ＧａＮ層）を積層状に成長させたものである。
【０００６】
そして、この種の青色発光用の半導体発光素子から発せられた光は、上記半値幅が広いという特性を備えていることも、周知の事項である。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記従来の半導体発光素子から発せられる光は、いずれの発光色の素子においても、上述の半値幅を有している関係上、その光の鮮明度等の光学的特性が劣るという難点があった。これは、この種の発光色が単色から遠ざかることにより、所定帯域内の種々の波長の光の複合光もしくは集合光として、視覚を通じて認識されることによる。そして、このような問題は、半値幅の広い上記青色発光用の半導体発光素子においては、より一層顕著になる。
【０００８】
また、発光色の異なる種々の半導体発光素子を用いてカラーディスプレイ等の表示装置を製作した場合には、個々の半導体発光素子が上記半値幅を備えていることにより、その表示装置に映し出される文字や画像等は、色彩的に優れたものとは言えず、また鮮明度あるいは鮮やかさの点においても、最良のものを得ることはできない。
【０００９】
したがって、この種の半導体発光素子は、光学的特性面における改良の余地があり、品質上の問題を残存させているのが実情である。
【００１０】
本願発明は、上述の事情のもとで考え出されたものであって、この種の半導体発光素子から発せられた光が所定の半値幅を備えていることに起因する光学的特性上の問題を可及的に抑制して、鮮明度や品質面において優れた特性が得られるようにすることをその課題とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するため、本願発明では、次の技術的手段を講じている。
【００１４】
すなわち、請求項１に係る発明は、透光性を有するサファイア基板の表面上に、Ｎ型半導体層、発光層、およびＰ型半導体層を備え、上記Ｐ型半導体層の上面、および、上記Ｎ型半導体層の露出面に、それぞれ一つの電極を形成して構成された半導体発光素子であって、上記サファイア基板の裏面側に、狭帯域波長選択作用を行なう光フィルタ層としてＡｌ2Ｏ3膜とＳｉＯ2膜との組み合わせ、またはＳｉＮ膜とＳｉＯ2膜との組み合わせを積層形成したことを特徴とする。
【００１５】
また、上記狭帯域波長選択作用による大きな効果を得るには、上記半導体発光素子の各結晶層が、青色の光を発する積層構造に形成されていることが好ましい（請求項２）。
【００１６】
【発明の作用および効果】
本願発明によれば、基本的に、半導体発光素子から発せられた光は、光フィルタ層による狭帯域波長選択作用を受けた後に、外方に向かって照射される。したがって、上記半導体発光素子の発光時における光が、所定の半値幅を有していることにより多数種の波長の複合光であっても、狭い帯域内にある特定波長の光のみが上記光フィルタ層を透過し、他の波長の光は上記光フィルタによりその透過を阻止される。
【００１７】
この結果、上記半導体発光素子から光フィルタ層を透過して外方に照射される光の色は、単色に近づくことになり、鮮明な色の光として視覚を通じて認識されることになる。また、種々の半導体発光素子を用いてカラーディスプレイ等の表示装置を製作した場合であっても、個々の半導体発光素子からの光は単色に近いものであることから、これに映し出される画像等は、色彩および鮮やかさにおいて優れたものになる。
【００１８】
なお、光フィルタ層は、屈折率の異なる２層以上の透明膜で構成することが望ましく、この場合には、いわゆる干渉フィルタと同一の作用、すなわち上記透明膜による干渉を利用して特定の波長領域の光だけを透過または反射させるという作用が行われる。詳しくは、透過させたい光の波長に対して、その１層の厚さが同一または１／２の整数倍などになるように設定することにより、一層の透明膜の両側に存在する屈折率相違境界面の相互間に生じる光波干渉によってその透過させたい波長の光の強度が低下せずかつ他の波長の光の強度が弱められるという結果が得られるように構成する。そして、このような光波干渉による波長選択作用が、各層毎に複数段階にわたって行われることから、より厳密かつ高精度に特定波長の光の選択作用が行われることになる。
【００１９】
さらに、本願発明においては、透光性を有するサファイア基板の表面上に所定の積層構造の結晶層を形成するとともに、このサファイア基板の裏面側に上記光フィルタ層を形成しているので、表面側の電極による発光阻害を適度に回避した上で半導体発光素子の裏面側からの発光が可能になることに加えて、光フィルタ層の形成が容易にかつ確実になされる。詳しくは、上記サファイア基板の裏面は、上記所定の積層構造の結晶層の最表面よりも平滑であることから、光フィルタ層の付着状態が強固になるとともに、その付着作業も容易に行えることになる。
【００２０】
なお、半導体発光素子が青色発光に対応する積層構造の結晶層を備えたものであれば、この青色光の半値幅が広いことから、上記狭帯域波長選択作用に伴う上述の効果が顕著に得られることになる。
【００２１】
【実施例の説明】
以下、本願発明の好ましい実施例を、図面を参照しつつ具体的に説明する。
【００２２】
図１は本願発明に係るフィルタ付き半導体発光素子を示す縦断正面図、図２は上記フィルタ付き半導体発光素子の平面図である。
【００２３】
図１に示すように、上記フィルタ付き半導体発光素子１は、基本的には、絶縁基板であるサファイア基板２上に、Ｎ型半導体層３と、発光層４と、Ｐ型半導体層５とを備えてなる積層部６を形成したものである。そして、上記サファイア基板２は透明（半透明も含む）であって、その表面上には窒化ガリウムのバッファ層７が形成されている。
【００２４】
詳細には、上記積層部６は、バッファ層７であるＧａＮ層の表面上に、下層部分から順に、Ｎ型ＧａＮの層３１と、Ｎ型Ａｌ0.2 Ｇａ0.8 Ｎの層３２と、発光層４であるＩｎ0.15Ｇａ0.85Ｎの層と、Ｐ型Ａｌ0.2 Ｇａ0.8 Ｎの層５１と、Ｐ型ＧａＮの層５２と、を形成したものである。
【００２５】
加えて、上記Ｎ型ＧａＮの層３１およびＮ型Ａｌ0.2 Ｇａ0.8 Ｎの層３２には、Ｓｉが添加され、Ｐ型Ａｌ0.2 Ｇａ0.8 Ｎの層５１およびＰ型ＧａＮの層５２には、Ｍｇが添加されているとともに、上記Ｉｎ0.15Ｇａ0.85Ｎの層４にはＺｎが添加されている。
【００２６】
そして、上記Ｉｎ0.15Ｇａ0.85Ｎの層４におけるＩｎのＧａに対する組成比（混晶比）を増加させた場合には、この層４から発せられる光の波長が長くなるとともに、上記Ｚｎの添加量を増加させた場合には、上記組成比を増加させた場合よりもさらに光の波長が長くなるという特性を備えている。なお、上記各層の厚みは、下層側から各層３１、３２、４、５１、５２のそれぞれの順に、たとえば３μｍ、３００ｎｍ、５０ｎｍ、３００ｎｍ、１５０ｎｍに設定されている。
【００２７】
一方、上記サファイア基板２の裏面２ａには、２層の透明膜８、９で構成される光フィルタ層１０が形成されている。上記内外層の両透明膜８、６としては、Ａｌ2 Ｏ3 膜とＳｉＯ2 膜との組み合わせ、あるいはＳｉＮ膜とＳｉＯ2 膜との組み合わせなどを使用することができる。そして、いずれの組み合わせにおいても、相互間で屈折率が異なるように配慮がなされている。さらに、各透明膜８、９の厚さは、後述する光の特定波長と同一またはその波長の１／２の整数倍などのように、１層の透明膜の両側境界面の相互間において光波干渉が生じた場合にその特定波長の光のみが反射されず他の波長の光が反射されるような厚さに設定されている。
【００２８】
上記図示例のフィルタ付き半導体発光素子１は、最終的に単一のチップとして得られるたとえば平面視が一辺０．５ｍｍの正方形状のものであるが、実際の製造に際しては、所定面積のウエハに対して上記各図に示すような構造のものを複数箇所に一括して形成した後、ダイシングにより複数個のフィルタ付き半導体発光素子１に分割することにより得られる。なお、この半導体発光素子１における積層部６の製造に際しては、ＭＯＣＶＤ法が用いられる。また、上記光フィルタ層１０の形成に際しては、蒸着やスパッタリングなどの手法が用いられる。
【００２９】
また、図２に示すように、上記半導体発光素子１の積層部６は、そのコーナー部がエッチングによりＮ型ＧａＮの層３１の上面部分まで除去されており、この層３１の上面部分に一方の電極１１が形成され、最表面部分であるＰ型ＧａＮの層５２に他方の電極１２が形成されている。したがって、同図に一点鎖線の斜線部で示す領域Ｂが、青色の光を発光させる領域である。なお、上記電極１１、１２の形成は、既存の手法（蒸着およびエッチングによる手法）によって行われる。
【００３０】
そして、この半導体発光素子１は、サファイア基板２の表面側からも光を発することが可能であるが、この半導体発光素子１の実際の使用態様は、図１に矢印で示すように、サファイア基板２の裏面側から光フィルタ層１０を通過した青色の光がサファイア基板２の裏面２ａと直交する方向に向かって発せられるようになっている。
【００３１】
次に、上記実施例の作用を説明する。
【００３２】
このフィルタ付き半導体発光素子１の発光層４から裏側に向かって発せられた青色の光は、他の色の光と比較して半値幅が広い。そして、上記発光色である青色の光としては、色彩面を考慮すれば波長が４７０ｎｍ程度であることが好ましいが、上記発光層４からはその４７０ｎｍ以外にも他の波長の光が同時に発せられる。
【００３３】
しかしながら、上記発光層４から発せられた光は、光フィルタ層１０を通過する際に、その光波干渉作用に基づいて狭い帯域内の特定波長（４７０ｎｍ近傍の波長）のみの光が選択されて外方に向かって照射される。詳しくは、上記光フィルタ層１０を形成している２層の透明膜８、９のそれぞれの屈折率と厚みとに応じた干渉作用に基づく狭帯域波長選択作用が各層毎に行われ、上記光フィルタ層１０の透過光は、狭帯域内に精度良くおさまることになる。また、上記狭帯域を逸脱している光は、上記光フィルタ層４によりその透過を阻止される。
【００３４】
この結果、上記光フィルタ層４を形成しなければ、図４に示す特性曲線Ｙのように半値幅に対応する広い帯域にわたる波長の光が発せられるのであるが、上記のように光フィルタ層４を形成したことにより、図３に示す特性曲線Ｘのように発光色の波長が狭い帯域内におさまることになる。
【００３５】
したがって、上記発光層４から発せられた青色の発光色は広い半値幅を有しているにも拘らず、上記光フィルタ層１０の作用により狭い帯域内の光として外方に照射され、単色に近づくことになるので、その発光色の鮮明度が向上し、優れた光学的特性が得られることになる。
【００３６】
また、このフィルタ付き半導体発光素子１を用いてカラーディスプレイ等の表示装置を製作したならば、青色表示部分の広い半値幅に伴う弊害が回避され、その表示装置に映し出される文字や画像等の鮮やかさが向上し、色彩的に好ましい表示態様が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本願発明の実施例に係るフィルタ付き半導体発光素子を示す縦断正面図であって図２のＡ−Ａ線に沿って切断した断面図である。
【図２】上記実施例に係るフィルタ付き半導体発光素子を示す平面図である。
【図３】上記実施例に係るフィルタ付き半導体発光素子から発せられた光の特性を示すグラフである。
【図４】従来の半導体発光素子から発せられた光の特性を示すグラフである。
【符号の説明】
１  フィルタ付き半導体発光素子
２  基板（サファイア基板）
３  Ｎ型半導体層
４  発光層
５  Ｐ型半導体層
８  透明膜
９  透明膜
１０  光フィルタ層
【図１】
0003646732.tif 000002
【図２】
0003646732.tif 000003
【図３】
0003646732.tif 000004
【図４】
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