(57)【要約】【課題】発光チップから発せられる１次光を波長変換して所望の色を種々に実現することができ、均一な色の発光により製品の信頼性と品質を高めることができ、既存の半導体工程を活用することにより製造が容易であり、工程を単純化させて工程コスト及び工程時間を削減することができる他、製品を小型化することができる発光ダイオードを提供する。【解決手段】本発明による発光ダイオードは、基板と、前記基板の上に形成されたＮ型半導体層及びＰ型半導体層を含む発光層と、前記発光層の上に形成された波長変換層と、を備え、前記波長変換層は、希土類元素によりドープされた第ＩＩＩ族窒化物半導体であることを特徴とする。前記希土類元素は、Ｔｍ、Ｅｒ、Ｅｕのうち少なくともいずれか１種を含んでもよい。【選択図】  図１
2008544541.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板の上に形成されたＮ型半導体層及びＰ型半導体層を含む発光層と、
前記発光層の上に形成された波長変換層と、を備え、
前記波長変換層は、希土類元素によりドープされた第ＩＩＩ族窒化物半導体であることを特徴とする発光ダイオード。
【請求項２】
基板と、
前記基板の上に形成されたＮ型半導体層及びＰ型半導体層を含む発光層と、
前記基板の背面の上に形成された波長変換層と、を備え、
前記波長変換層は、希土類元素によりドープされた第ＩＩＩ族窒化物半導体であることを特徴とする発光ダイオード。
【請求項３】
前記基板は透光性または半透光性の基板であり、前記発光層の上には反射電極がさらに形成されていることを特徴とする請求項２に記載の発光ダイオード。
【請求項４】
前記希土類元素は、Ｔｍ、Ｅｒ及びＥｕのうち少なくともいずれか１種を含むことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の発光ダイオード。
【請求項５】
前記波長変換層は、少なくとも１層により前記発光層から発せられる光の波長よりも長い波長の光を発することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の発光ダイオード。
【請求項６】
前記波長変換層が２層またはそれ以上の層からなり、波長の短い光を発する波長変換層が最初に形成されることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の発光ダイオード。
【請求項７】
前記発光層は、前記Ｎ型半導体層と前記Ｐ型半導体層との間に挟持された活性層をさらに含むことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の発光ダイオード。
【請求項８】
前記波長変換層は、Ｐ型半導体層、Ｎ型半導体層及び基板の側面まで延設されていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の発光ダイオード。
【請求項９】
前記波長変換層は、有機金属化学蒸着法（ＭＯＣＶＤ、Ｍｅｔａｌ  Ｏｒｇａｎｉｃ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）、化学蒸着法（ＣＶＤ、Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）、プラズマ化学蒸着法（ＰＣＶＤ、Ｐｌａｓｍａ−ｅｎｈａｎｃｅｄ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）、分子線エピタキシャル成長（ｅｐｉｔａｘｙ、以下単に「成長」という）法（ＭＢＥ、Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ  Ｂｅａｍ  Ｅｐｉｔａｘｙ）及び水素化物気相成長法（ＨＶＰＥ、Ｈｙｄｒｉｄｅ  Ｖａｐｏｒ  Ｐｈａｓｅ  Ｅｐｉｔａｘｙ）のうちいずれかの方法により成長することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の発光ダイオード。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は発光ダイオードに係り、さらに詳しくは、発光チップ本来の発光色を波長変換して所望の色の光として均一に発光することのできる発光ダイオードに関する。
【背景技術】
【０００２】
通常、発光ダイオードとは、化合物半導体のｐｎ接合構造を用いて注入された少数キャリア（電子または正孔）を作り出し、これらの再結合により所定の光を発する素子を言う。発光ダイオードは、消耗電力が低く、耐久性に優れていることから、種々の製品分野に応用されており、単一チップまたはマルチチップを用いて所望の色の発光を行うことができる。
【０００３】
例えば、単一チップの場合、ＧａＡｓＰなどを用いた発光チップを用いて赤色を発光し、ＧａＰなどを用いた発光チップを用いて緑色を発光し、ＩｎＧａＮ／ＡｌＧａＮのダブルへテロ構造を用いた発光チップを用いて青色を発光することができる。
【０００４】
また、マルチチップの場合、赤色、緑色、青色を発光する発光チップを併用して白色発光を実現することができる。しかしながら、多数の発光チップを用いて色を発光する場合には、周りの温度に応じてそれぞれの発光チップの出力が変化してしまい、色座標が異なってくることがあり、各発光チップの電流及び電圧要求条件など異なる性能特性を考慮しなければならない。
【０００５】
一方、単一チップの場合には、化合物半導体の発光チップと、発光チップから発せられる１次光を波長変換する蛍光物質により所望の色の発光を実現することができる。
【０００６】
例えば、青色を発光する発光チップの上に、その光の一部を励起源とする黄緑色または黄色の発光蛍光体を塗布し、発光チップから発せられる青色と蛍光体から発せられる黄緑色または黄色を混合することにより白色を得ることができる。また、紫外線を発光する発光チップの上に、発光された紫外線を吸収して緑色から赤色までの可視光を発光する蛍光体を塗布することにより、可視光への波長変換を行うことが可能である。
【０００７】
通常、発光ダイオードの１次光に対する波長変換は、反射器カップの充填に用いられるエポキシ中に蛍光物質を注入することにより行われる。すなわち、蛍光物質粉末入りの液状エポキシを発光チップ付き反射器またはレセプター中に充填すれば、これが経時的に硬化する。また、発光ダイオードは、蛍光物質粉末入りの液状エポキシを注射器に入れ、ディスペンサーを介して所定量を前記発光ダイオードチップの上にポットする工程によっても形成可能である。
【０００８】
しかしながら、エポキシに蛍光物質粉末を混合する場合、蛍光物質の粒径が揃っていないため、硬化中に比較的大きい蛍光物質粒子が比較的小さい蛍光物質粒子よりも早く沈んでしまう。このような蛍光体の沈殿により、液状エポキシ樹脂中に濃度ムラが生じ、発光ダイオードチップから光が一様に発せられないために色の再現性に不都合が生じる他、所望の色の均一光が得られ難いという欠点がある。
【０００９】
なお、液状エポキシ樹脂が側方に漏れることを防ぐために、レセプター、反射器または突起を別設したり、蛍光物質粉末入りの液状エポキシを、ディスペンサーを用いて発光チップの上にポットしているが、これはさらなる製造工数を必要とするために製造時間および製造コストの増大を招いてしまうという問題がある。しかも、製品の生産時における蛍光物質の量が均一ではないため、歩留まりの問題による色の不安定化を来たすという不都合もある。
【００１０】
近年、製品としての発光ダイオードは、液晶表示部の背面発光やディスプレイの用途に加えて、軽薄短小な携帯用無線通信機器などの電子製品や自動車などの液晶表示部の背面発光にも使用されるようになり、その小型化への要求がますます強くなってきているが、従来の方式には、製造される発光ダイオード製品を小型化するのにある程度の限界があるという問題がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、発光チップから発せられる１次光を波長変換して所望の色を均一に且つ安定して実現することのできる発光ダイオードを提供するところにある。
【００１２】
本発明の他の目的は、波長変換方式を応用する発光ダイオードにおいて、既存の工程を活用して製造が容易であり、作業工数及び工程コストが削減できる他、軽薄短小な電子製品に用いられる液晶表示部の背面の発光とディスプレイの用途に適するように薄型に製作することのできる発光ダイオードを提供するところにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上述した目的を達成するために、本発明の一態様によれば、基板と、前記基板の上に形成されたＮ型半導体層及びＰ型半導体層を含む発光層と、前記発光層の上に形成された波長変換層と、を備え、前記波長変換層は、希土類元素によりドープされた第ＩＩＩ族窒化物半導体であることを特徴とする発光ダイオードが提供される。
【００１４】
また、上述した目的を達成するために、本発明の他の態様によれば、基板と、前記基板の上に形成されたＮ型半導体層及びＰ型半導体層を含む発光層と、前記基板の背面の上に形成された波長変換層と、を備え、前記波長変換層は、希土類元素によりドープされた第ＩＩＩ族窒化物半導体であることを特徴とする発光ダイオードが提供される。
好ましくは、前記基板は透光性または半透光性の基板であり、前記発光層の上には反射電極がさらに形成されている。
【００１５】
前記希土類元素は、Ｔｍ、Ｅｒ及びＥｕのうち少なくともいずれか１種を含んでいてもよい。
【００１６】
好ましくは、前記波長変換層は、少なくとも１層により前記発光層から発せられる光の波長よりも長い波長の光を発する。
より好ましくは、前記波長変換層が２層またはそれ以上の層からなり、波長の短い光を発する波長変換層が最初に形成される。
【００１７】
前記発光層は、前記Ｎ型半導体層と前記Ｐ型半導体層との間に挟持された活性層をさらに含む。
前記波長変換層は、Ｐ型半導体層、Ｎ型半導体層及び基板の側面まで延設されていてもよい。
前記波長変換層は、有機金属化学蒸着法（ＭＯＣＶＤ）、化学蒸着法（ＣＶＤ）、プラズマ化学蒸着法（ＰＣＶＤ）、分子線エピタキシャル成長（ｅｐｉｔａｘｙ、以下単に「成長」という）法（ＭＢＥ）及び水素化物気相成長法（ＨＶＰＥ）のうちいずれかの方法により成長してもよい。
【発明の効果】
【００１８】
本発明による発光ダイオードは、発光チップから発せられる１次光を波長変換して所望の色を種々に実現することができ、均一な色の発光により製品の信頼性と品質を高めることができる。
また、波長変換方式を応用する発光ダイオードにおいて、既存の半導体工程を延ばして活用することにより製造が容易であり、工程を単純化させて工程コスト及び工程時間を削減することができる他、製品を小型化することができるというメリットがある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以上の本発明の目的・特徴・利点、及びそれ以外の本発明の目的・特徴・利点は、以下に図面を参照しながら説明する好ましい実施例の記述により、明らかになるであろう。
【００２０】
図１は、本発明による第１の実施形態を示す断面図である。
【００２１】
図２は、本発明による第２の実施形態を示す断面図である。
【００２２】
図３は、本発明による第３の実施形態を示す断面図である。
【００２３】
図４は、本発明による第４の実施形態を示す断面図である。
【００２４】
図５は、本発明による第４の実施形態の変形例を示す断面図である。
【００２５】
以下、添付図面に基づき、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。しかし、本発明は後述する実施の形態に限定されるものではなく、これらの実施形態と相異なる形でも具現可能である。これらの実施の形態は、単に本発明の開示を完全なものにし、且つ、この技術分野における通常の知識を持つ者に発明の範疇を完全に報知するために提供されるものである。なお、図中、同じ構成要素には同じ符号を付してある。
【００２６】
本発明の発光ダイオードは、従来の窒化物半導体発光ダイオードの構造に希土類元素をドープした窒化物半導体を成長させて波長変換層として用いる。
【００２７】
希土類元素とは、周期律表の６番目の行において、原子番号が５８から７１までの元素をいい、これらの元素は、原子価殻が満たされた状態で内側の４ｆ殻が満たされていく元素である。希土類元素において、電子が完全に満たされていない４ｆ殻は多くのエネルギー準位間の遷移を可能にし、この理由から、希土類元素はさまざまな発光線を有している。
【００２８】
広域バンドギャップを有する第ＩＩＩ族窒化物半導体にドープされる希土類元素は、発光過程にあづかるエネルギー準位を決めることにより発光色を決め、その発光色は、窒化物半導体内にドープされたイオンが有する基底状態と励起状態のエネルギー差により決まる。例えば、Ｔｍ元素がドープされたＧａＮ半導体は、電子遷移により４７７ｎｍ領域の発光スペクトルを形成し、青色の発光現象を示す。Ｅｒ元素がドープされたＧａＮ半導体は電子遷移により５３７ｎｍと５５８ｎｍ領域の発光スペクトルを形成し、緑色の発光現象を示す。Ｅｕ元素がドープされたＧａＮ半導体は、電子遷移により６２１ｎｍ領域の主なピークを有する発光スペクトルを形成し、赤色の発光現象を示す。また、ＧａＮ半導体にＥｒ元素とＴｍ元素を均一にドープして薄青い色（ｔｕｒｑｕｏｉｓｅ）の発光現象を得ることができ、ＧａＮ半導体にＥｒ元素とＥｕ元素を均一にドープして黄色の発光現象を得ることができる。
【実施例１】
【００２９】
図１は、本発明の好適な第１の実施形態を示す断面図である。
【００３０】
本発明の発光ダイオードは、基板１０と、前記基板１０の上に形成された発光層５０と、前記発光層５０の上に形成された波長変換層６０と、を備えている。発光層５０は、Ｎ型半導体層２０と、活性層３０及びＰ型半導体層４０を備え、基板１０と発光層５０との間に結晶を成長させる際に基板１０と後続層との間の格子不整合を低減するためのバッファ層をさらに備えることができる。
【００３１】
基板１０とは、発光ダイオードを製作するための通常のウェーハをいい、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＣ、ＺｎＯ、Ｓｉ、ＧａＡｓ、ＧａＰ、ＬｉＡｌ２Ｏ３、ＢＮ、ＡｌＮ及びＧａＮのうち少なくともいずれか１種の基板を用いる。この実施形態においては、サファイア製の結晶成長基板が用いられている。
【００３２】
Ｎ型半導体層２０は電子が生成される層であって、Ｎ型化合物半導体層とＮ型クラッド層から形成可能である。このとき、Ｎ型化合物半導体層はＮ型不純物がドープされているＧａＮを用いることが好ましいが、これに限定されるものではなく、種々の半導体性を有する物質層が採用可能である。Ｐ型半導体層４０は正孔が生成される層であって、Ｐ型クラッド層とＰ型化合物半導体層から形成可能である。このとき、Ｐ型化合物半導体層はＰ型不純物がドープされているＡｌＧａＮを用いることが好ましいが、これに限定さされるものではなく、種々の半導体性を有する物質層が採用可能である。
【００３３】
活性層３０は所定のバンドギャップと量子井戸が形成されて電子及び正孔が再結合される領域であって、ＩｎＧａＮを含んでいてもよい。また、活性層３０を構成する物質の種類に応じて、電子及び正孔が結合して発生する発光波長が変わる。このため、目標とする波長に応じて、活性層３０に含まれる半導体材料を調節することが好ましい。
【００３４】
上記の発光層５０の上に発光層５０から発せられる１次光を波長変換する波長変換層６０を形成する。この実施形態においては、前記波長変換層６０として、希土類元素がドープされた窒化物半導体を用い、ＧａＮ化合物半導体を用いることが好ましい。通常、希土類元素ドーパントとして、青色発光用のＴｍ、赤色発光用のＥｕ、緑色発光用のＥｒを含む。
【００３５】
本発明の発光ダイオードにおける前記波長変換層６０は、上述した多数の物質層の成長に用いられる通常の蒸着法及び成長法により形成できるというメリットがある。すなわち、上述した物質層は、有機金属化学蒸着法（ＭＯＣＶＤ：Ｍｅｔａｌ  Ｏｒｇａｎｉｃ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）、化学蒸着法（ＣＶＤ：Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）、プラズマ化学蒸着法（ＰＣＶＤ：Ｐｌａｓｍａ−ｅｎｈａｎｃｅｄ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）、分子線成長法（ＭＢＥ：Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ  Ｂｅａｍ  Ｅｐｉｔａｘｙ）、水素化物気相成長法（ＨＶＰＥ：Ｈｙｄｒｉｄｅ  Ｖａｐｏｒ  Ｐｈａｓｅ  Ｅｐｉｔａｘｙ）などをはじめとする種々の蒸着及び成長方法により形成される。
【００３６】
このように、別の工程を必要とせず、既存の工程を活用して波長変換層６０を形成することができるので、工程を単純化することができ、工程時間及び工程コストを削減することができる。すなわち、樹脂が側方に漏れることを防ぐために必要となる別のレセプター、反射器または突起を形成する工程を省くことにより作業工数を減らし、蛍光顔料を別の液状のエポキシ樹脂に混合して個々の発光ダイオードチップの上にポットするなどの煩雑な作業を省くことができる。
【００３７】
上述した本発明の発光ダイオードを電気接続して駆動するとき、発光層５０は１次光を発する。前記１次光は波長変換層６０に衝突し、この波長変換層６０はこれに衝突する一部または全部の１次光をその波長よりも長い波長の光に変換する。発光層５０の材料及び構成、波長変換層６０の種類などは特に限定されるものではなく、所望の発光色及び構成に応じて種々に形成可能であるが、前記波長変換方式を応用するために発光ダイオードの発光層５０から発せられる１次光の発光波長は波長変換層６０の発光波長よりも短いことが好ましい。
【００３８】
例えば、緑色を発光する発光層５０の上にＥｕ元素がドープされたＧａＮ化合物半導体を用いて波長変換層６０を形成する。発光層５０は緑色の１次光を発生させ、この１次光は波長変換層６０に衝突する。この波長変換層６０はここに衝突する一部または全部の１次光をその波長よりも長い波長である赤色光に変換する。このとき、波長変換層６０のドープ濃度及び分布や波長変換層６０の厚さを調節することにより、変換度を調節することができる。すなわち、１次光を全て赤色光に変換して赤色発光を得ることができ、また、波長変換層６０により変換された赤色光と励起させずに波長変換層６０を通過した緑色光と結合して最終的に黄色発光を得ることもできる。波長変換層６０に対するドーパントの量及び分布、波長変換層６０の厚さをさらに精度よく測定して制御することにより、未変換状態で波長変換層６０を通過する１次光の比率を予測して制御することが可能であろう。
【００３９】
また、希土類元素がＧａＮ半導体に均一にドープされて分布された波長変換層６０を発光層５０の上に形成することにより、１次光の均一な波長変換を行って色の安定性と均一性を期待することができる。
【００４０】
このような波長変換方式を応用して現在多用されている白色発光ダイオードを製造することができる。例えば、青色発光する発光層５０の上にＥｕ元素とＥｒ元素が一緒に均一にドープされたＧａＮ化合物半導体を用いて波長変換層６０を形成する。発光層５０は青色の１次光を発生させ、この１次光は波長変換層６０に衝突してその一部が波長変換されて黄色光に変換される。発光層５０の１次発光の一部である青色光と波長変換層６０により波長変換された黄色光が混色されて白色を実現することができる。
【実施例２】
【００４１】
前記波長変換層６０は、上述したとおり、一つの層に限定されるものではなく、図２に示す本発明の第２の実施形態のように多数の層を形成して所望の通りに構成することもできる。
【００４２】
図２は、本発明の第２の実施形態を示す断面図である。
【００４３】
本発明の発光ダイオードは、基板１０と、前記基板１０の上に形成された発光層５０と、前記発光層５０の上に形成された多数の波長変換層６０と、を備えている。発光層５０は、Ｎ型半導体層２０、活性層３０、Ｐ型半導体層４０を備え、基板１０と発光層５０との間に結晶を成長させる際に基板１０と後続層との間の格子不整合を低減するためのバッファ層をさらに備えることができる。これは、前記第１の実施形態の構成とほとんど同様であり、単に、第２の実施形態は、発光層５０の上に多数の波長変換層６０を備える。発光層５０と波長変換層６０は、上述したように、基板１０の上に有機金属化学蒸着法（ＭＯＣＶＤ）、化学蒸着法（ＣＶＤ）、プラズマ化学蒸着法（ＰＣＶＤ）、分子線成長法（ＭＢＥ）、水素化物気相成長法（ＨＶＰＥ）などをはじめとする種々の蒸着及び成長方法により形成される。
【００４４】
発光層５０の材料及び構成、波長変換層６０の種類などは限定されるものではなく、所望の発光色及び構成に応じて種々に形成可能であるが、前記波長変換方式を応用するために発光ダイオードの発光層５０から発せられる１次光の発光波長は波長変換層６０の発光波長よりも短いことが好ましい。
【００４５】
前記波長変換層６０としては、希土類元素がドープされた窒化物半導体を用い、ＧａＮ化合物半導体を用いることが好ましい。通常、希土類元素のドーパントとして、青色発光用のＴｍ、赤色発光用のＥｕ、及び緑色発光用のＥｒを備える。発光層５０の上にこのような波長変換層６０を多数順次に形成することにより、発光層５０から発せられる１次発光の効率よい波長変換を行い、所望の色の発光を得ることができる。このとき、多数の波長変換層６０は、発光波長の短いものが先に形成されることが好ましい。すなわち、上層に進むにつれて波長変換層６０の発光波長が長くなることを特徴とする。
【００４６】
例えば、紫外線発光する発光層５０の上にＴｍ、Ｅｒ、Ｅｕ元素がそれぞれドープされたＧａＮ化合物半導体を用いて青色光、緑色光、赤色光を発する３個の波長変換層６１、６２、６３を形成する。すなわち、発光層５０の上に青色光を発する第１の波長変換層６１、緑色光を発する第２の波長変換層６２、赤色光を発する第３の波長変換層６３を順次に形成する。このように発光ダイオードを電気接続して駆動するとき、１次光は第１の波長変換層６１に衝突し、第１の波長変換層６１は１次光の一部または全部を吸収してこれを紫外線波長よりも長い波長の青色光に変換する。そのとき、変換された青色光はその一部を緑色光に変換する第２の波長変換層６２に衝突する。青色光の一部は緑色光に変換され、一部は未変換の状態で第２の波長変換層６２を通過する。また、第２の波長変換層６２は残留する１次光の一部または全部を緑色光に変換することができる。第３の波長変換層６３は青色光を赤色光に変換するか、あるいは、緑色光を赤色光に変換するために形成可能である。このため、第１の波長変換層６１により発せられた所定比率の青色光または第２の波長変換層６２により発せられた所定比率の緑色光は第３の波長変換層６３により赤色光に変換される。また、残留する１次光は第３の波長変換層６３により赤色光に変換される。未変換の青色光及び緑色光の一部は第３の波長変換層６３を通過して赤色光と結合して白色光を形成する。
【００４７】
このように、希土類元素がドープされたＧａＮ半導体を波長変換層６０に用いて種々の発光色を有する発光ダイオードを製造することができ、特に、白色発光ダイオードを製造することができる。
【実施例３】
【００４８】
図３は、本発明の第３の実施形態を示す断面図である。
【００４９】
本発明の第３の実施形態による発光ダイオードは、透光性または半透光性の基板１５と、前記基板１５の上に形成された発光層５０と、前記基板１５の背面上に形成された波長変換層６０と、を備える。好ましくは、発光層５０の表面上に反射電極７０が形成される。発光層５０は、Ｎ型半導体層２０、活性層３０、Ｐ型半導体層４０を備え、基板１５と発光層５０との間に結晶を成長させる際に基板１５と後続層との間の格子不整合を低減するためのバッファ層をさらに備えることができる。これらの物質層は、上述した通り、種々の蒸着及び成長方法により形成される。波長変換層６０は、希土類元素がドープされたＧａＮ化合物半導体を用い、同様に、既存の工程から逸脱することなく、同じ蒸着方法により形成可能である。
【００５０】
この実施形態の具体的な説明は、図１及び図２により開示した上記実施例の説明と同一であるので省略する。もちろん、発光層５０と波長変換層６０の数及び構造などは上記に限定されるものではなく、所望に応じて種々に構成することができる。
【００５１】
この実施形態の発光ダイオードを電気的に接続して駆動するとき、発光層５０は１次光を発する。前記１次光は基板１５を介して伝搬されて波長変換層６０に衝突し、この波長変換層６０はここに衝突する一部または全部の１次光をその波長よりも長い波長の光に変換する。発光層５０の材料及び構成、波長変換層６０の種類などは限定されるものではなく、所望の発光色及び構成に応じて種々に形成可能であるが、前記波長変換方式を応用するために発光ダイオードの発光層５０から発せられる１次光が波長変換層６０の発光波長よりも短いことが好ましい。
【００５２】
また、波長変換層６０のドーパントの濃度及び分布を調節したり、波長変換層６０の厚さを調節することにより、変換度を調節することができる。すなわち、発光層５０から発せられる１次光を全部変換することができ、また、１次光を一部変換した光とそのまま通過した１次光の一部とを混合して発光することもできる。
【００５３】
このとき、波長変換層６０に対するドーパントの量及び分布、波長変換層６０の厚さをさらに精度よく測定して制御することにより、未変換状態で波長変換層６０を通過する１次光の比率を予測可能であり、しかも、制御することができるであろう。このようにして、所望の色の再現性を高め、高品質と信頼性を有する発光ダイオードを得られる。
【００５４】
また、希土類元素がＧａＮ半導体に均一にドープされて分布された波長変換層６０を発光層５０の上に形成することにより、１次光の均一な波長変換を行い、色の安定性と均一性を期待することができる。
【実施例４】
【００５５】
本発明の発光ダイオードは、波長変換層６０の数及び構造が上述に限定されるものではなく、図４または図５に示すように、種々の方法で形成可能である。
【００５６】
図４は、本発明の第４の実施形態を示す断面図である。
【００５７】
本発明の発光ダイオードは、透光性または半透光性な基板１５と、前記基板１５の上に形成された発光層５０と、前記基板１５と発光層５０の上に形成された波長変換層６０を備える。発光層５０は、Ｎ型半導体層２０、活性層３０、Ｐ型半導体層４０を備え、基板１５と発光層５０との間に結晶を成長させる際に基板１０と後続層との間の格子不整合を低減するためのバッファ層をさらに備えることができる。これらの物質層は、上述した通りに、種々の蒸着及び成長方法により形成される。波長変換層６０としては、希土類元素がドープされたＧａＮ化合物半導体を用い、同様に、既存の工程から逸脱することなく、同じ蒸着方法により形成可能である。
【００５８】
この実施形態は、図４に示すように、両面発光する発光ダイオードの上下面に波長変換層６０を形成して発光層５０から発せられる１次光の効率よい波長変換を行い、色の安定性と再現性を高めることができる。このような第４の実施形態の発光ダイオードは、図５に示す第４の実施形態の変形例のように、波長変換層６０を発光ダイオードの上下面だけではなく、側面にまで延設することによりその効果がさらに高められる。図５に示す変形例は、図示の如く限定されるものではなく、他の実施形態にも適用可能である。
【００５９】
上述した本発明の発光ダイオードの製造は単なる例示に過ぎず、種々の構造と製造方法が素子の特性及び工程の都合に応じて使用可能である。
例えば、上述した基板の上に発光層、波長変換層が順次に積層された形状の垂直型発光ダイオードだけではなく、水平型発光ダイオードにも本発明の波長変換層を形成することができる。基板の上にＮ型半導体層、活性層、Ｐ型半導体層を順次に積層した後、マスクを用いた写真エッチング工程を行うことにより、Ｎ型半導体層の一部を露出させる。前記Ｐ型半導体層と露出されたＮ型半導体層の上に希土類元素がドープされたＧａＮ半導体を成長させて波長変換層を形成し、この波長変換層が発光層から発光する１次光を波長変換して所望の色の光を実現することができる。もちろん、本発明は上述した例に限定された構造ではなく、種々の他の構造が採用可能である。
【００６０】
このように、本発明の発光ダイオードは、通常の半導体工程を用いて発光ダイオードを製造する既存の工程から大きく逸脱することなく、波長変換方式を応用して所望の色を発光する発光ダイオードを製造することができる。特に、通常の波長の光を発光する発光ダイオードを製造する既存の工程により波長変換方式を用いて白色を発光する発光ダイオードを容易に製造することができ、既存に製造していた製品よりもさらに薄く形成されて小型化された発光ダイオードが得られる。
【００６１】
また、本は発明による発光ダイオードでは均一なドープにより波長変換層を形成しているので、従来の液状エポキシに蛍光体を混合して製造した場合に比べて、より均一で且つ安定した色の発光を得ることができ、製品の品質と信頼性を高めることができる。
【産業上の利用可能性】
【００６２】
以上説明したように、本発明による発光ダイオードは、発光チップから発せられる１次光を波長変換して所望の色を種々に実現することができ、均一な色の発光により製品の信頼性と品質を高めることができる。
【００６３】
また、波長変換方式を応用する発光ダイオードにおいて、既存の半導体工程を延ばして活用することにより製造が容易であり、工程を単純化させて工程コスト及び工程時間を削減することができる他、製品を小型化することができるというメリットがある。
【００６４】
以上、本発明による発光ダイオードについて説明したが、これは単なる例示的なものに過ぎず、本発明はこれらに限定されるものではない。従って、特許請求の範囲において定義された本発明の精神と範囲を逸脱することなく、この技術分野における通常の知識を持つ者であれば誰でも種々の変更実施を行なうことができる。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】は、本発明による第１の実施形態を示す断面図である。
【図２】は、本発明による第２の実施形態を示す断面図である。
【図３】は、本発明による第３の実施形態を示す断面図である。
【図４】は、本発明による第４の実施形態を示す断面図である。
【図５】は、本発明による第４の実施形態の変形例を示す断面図である。
【符号の説明】
【００６６】
１０、１５    基板
２０    Ｎ型半導体層
３０    活性層
４０    Ｐ型半導体層
５０    発光層
６０、６１、６２、６３    波長変換層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【国際調査報告】
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