(57)【要約】【課題】１チップの半導体発光素子において複数の波長で発光させる。【解決手段】ｐ型ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ≦１）からなる層と、ｎ型ＡｌｙＧａ１−ｙＮ（０＜ｙ≦１）からなる層とではさまれた多重井戸層が、ＩｎｑＧａ１−ｑＮ（０＜ｑ≦１）からなる井戸層と、井戸層に隣接するＩｎｒＧａ１−ｒＮ（０≦ｒ＜１）からなる障壁層であって隣接する井戸層との間ではｒ＜ｑの関係になる障壁層とが交互に複数積層された層を含み、発光させる井戸層はそれぞれ異なる構成比ｑを有し、井戸層で発光させた光で、発光した井戸層よりもバンドギャップエネルギーの小さい井戸層を励起して発光させる。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｐ型ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ≦１）からなる層と、ｎ型ＡｌｙＧａ１−ｙＮ（０＜ｙ≦１）からなる層とではさまれた多重井戸層が、
ＩｎｑＧａ１−ｑＮ（０＜ｑ≦１）からなる井戸層と、該井戸層に隣接するＩｎｒＧａ１−ｒＮ（０≦ｒ＜１）からなる障壁層であって隣接する井戸層との間ではｒ＜ｑの関係になる障壁層とが交互に複数積層された層を含み、
発光させる井戸層はそれぞれ異なる構成比ｑを有し、
井戸層で発光させた光で、発光した該井戸層よりもバンドギャップエネルギーの小さい井戸層を励起して発光させる半導体発光素子。
【請求項２】
ｐ型ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ≦１）からなる層と、ｎ型ＡｌｙＧａ１−ｙＮ（０＜ｙ≦１）からなる層とではさまれた多重井戸層が、
ＩｎｑＧａ１−ｑＮ（０＜ｑ≦１）からなる井戸層と、該井戸層に隣接するＩｎｒＧａ１−ｒＮ（０≦ｒ＜１）からなる障壁層であって隣接する井戸層との間ではｒ＜ｑの関係になる障壁層とが交互に複数積層された層を含み、
発光させる井戸層の構成比ｑをｐ型ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ≦１）からなる層の側から漸増させた半導体発光素子。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の半導体発光素子において、前記井戸層がそれぞれ異なる厚さを有することを特徴とする半導体発光素子。
【請求項４】
ｐ型ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ≦１）からなる層と、ｎ型ＡｌｙＧａ１−ｙＮ（０＜ｙ≦１）からなる層とではさまれた多重井戸層が、
ＩｎｑＧａ１−ｑＮ（０＜ｑ≦１）からなる井戸層と、該井戸層に隣接するＩｎｒＧａ１−ｒＮ（０≦ｒ＜１）からなる障壁層であって隣接する井戸層との間ではｒ＜ｑの関係になる障壁層とが交互に複数積層された層を含み、
発光させる井戸層はそれぞれ異なる構成比ｑを有し、
前記ｐ型ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ≦１）からなる層から供給された正孔と前記ｎ型ＡｌｙＧａ１−ｙＮ（０＜ｙ≦１）からなる層から供給された電子とを前記井戸層で再結合させることにより異なる波長で発光させる半導体発光素子。
【請求項５】
ｐ型ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ≦１）からなる層と、ｎ型ＡｌｙＧａ１−ｙＮ（０＜ｙ≦１）からなる層とではさまれた多重井戸層が、
ＩｎｑＧａ１−ｑＮ（０＜ｑ≦１）からなる井戸層と、該井戸層に隣接するＩｎｒＧａ１−ｒＮ（０≦ｒ＜１）からなる障壁層であって隣接する井戸層との間ではｒ＜ｑの関係になる障壁層とが交互に複数積層された層を含み、
発光させる井戸層はそれぞれ異なる構成比ｑを有し、
前記障壁層の構成比ｒをｐ型ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ≦１）からなる層の側から漸減させた半導体発光素子。
【請求項６】
請求項４又は５に記載の半導体発光素子において、発光させる井戸層と該井戸層のｎ型ＡｌｙＧａ１−ｙＮ（０＜ｙ≦１）からなる層の側に隣接する障壁層とのバンドギャップエネルギー差を、前記ｐ型ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ≦１）からなる層の側から漸減させたことを特徴とする半導体発光素子。
【請求項７】
請求項４乃至６に記載の半導体発光素子において、発光させる井戸層の構成比ｑを前記ｐ型ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ≦１）からなる層の側から漸増させることを特徴とする半導体発光素子。
【請求項８】
請求項１乃至７に記載の半導体発光素子において、発光させる井戸層と他の発光させる井戸層との間の障壁層がそれぞれ異なる厚さを有することを特徴とする半導体発光素子。
【請求項９】
ｐ型ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ≦１）からなる層と、ｎ型ＡｌｙＧａ１−ｙＮ（０＜ｙ≦１）からなる層とではさまれた多重井戸層が、
ＩｎｑＧａ１−ｑＮ（０＜ｑ≦１）からなる井戸層と、該井戸層に隣接するＩｎｒＧａ１−ｒＮ（０≦ｒ＜１）からなる障壁層であって隣接する井戸層との間ではｒ＜ｑの関係になる障壁層とが交互に複数積層された層を含み、
発光させる井戸層がそれぞれ異なる構成比ｑを有し、
隣接する井戸層にトンネル効果で存在させた正孔と電子とを再結合させることにより発光させる半導体発光素子。
【請求項１０】
請求項９に記載の半導体発光素子において、井戸層の構成比ｑを前記ｐ型ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ≦１）からなる層の側から漸増させたことを特徴とする半導体発光素子。
【請求項１１】
請求項１乃至１０に記載の半導体発光素子において、前記井戸層で発光させた光を前記ｐ型ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ≦１）からなる層の側から面出射させることを特徴とする半導体発光素子。
【請求項１２】
請求項１乃至１１に記載の半導体発光素子において、発光させた複数の光の混色が白色であることを特徴とする半導体発光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の波長で発光する半導体発光素子に関する。特に、窒化ガリウム系化合物半導体が積層された半導体発光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、照明用の白色光源や、液晶のバックライトには、蛍光管を用いていた。蛍光管は、高電圧を必要とし、発光効率も必ずしも高くはない。また、ＬＥＤの低価格化に伴い、ＬＥＤを白色光源として利用することも始まった。ＬＥＤでは白色として発光するほどの広波長は得られないため、異なる波長で発光するＬＥＤチップを複数配置し、それぞれのＬＥＤチップを発光させていた。つまり、白色の光源を得るためには、赤、緑、青の３原色でそれぞれ発光させて、混色として白色を実現していた（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
例えば、図１に３チップのＬＥＤを搭載したキャビティの例を示す。図１において、５１は赤で発光するＬＥＤチップ、５２は緑で発光するＬＥＤチップ、５３は青で発光するＬＥＤチップ、５４は３チップのＬＥＤを搭載するキャビティである。図１に示すように、白色で発光させるために、それぞれ、赤、緑、青で発光するＬＥＤチップ５１、５２、５３を同一のキャビティ５４内に載置し、それぞれのＬＥＤチップを発光させて、混色としての白色を得ていた。
【０００４】
しかし、３つのチップを搭載すると、キャビティ構造が複雑になり、駆動回路や周辺回路もそれだけ、多く必要になっていた。
【０００５】
【特許文献１】特開平７−２８８３４１号公報  （第１図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、このような問題を解決するために、１チップの半導体発光素子において複数の波長で発光させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前述した目的を達成するために、本願発明は、ｐ型ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ≦１）からなる層と、ｎ型ＡｌｙＧａ１−ｙＮ（０＜ｙ≦１）からなる層とではさまれた多重井戸層が、ＩｎｑＧａ１−ｑＮ（０＜ｑ≦１）からなる井戸層と、該井戸層に隣接するＩｎｒＧａ１−ｒＮ（０≦ｒ＜１）からなる障壁層であって隣接する井戸層との間ではｒ＜ｑの関係になる障壁層とが交互に複数積層された層を含み、発光させる井戸層はそれぞれ異なる構成比ｑを有し、井戸層で発光させた光で、発光した該井戸層よりもバンドギャップエネルギーの小さい井戸層を励起して発光させる半導体発光素子である。
【０００８】
本願他の発明は、ｐ型ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ≦１）からなる層と、ｎ型ＡｌｙＧａ１−ｙＮ（０＜ｙ≦１）からなる層とではさまれた多重井戸層が、ＩｎｑＧａ１−ｑＮ（０＜ｑ≦１）からなる井戸層と、該井戸層に隣接するＩｎｒＧａ１−ｒＮ（０≦ｒ＜１）からなる障壁層であって隣接する井戸層との間ではｒ＜ｑの関係になる障壁層とが交互に複数積層された層を含み、発光させる井戸層の構成比ｑをｐ型ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ≦１）からなる層の側から漸増させた半導体発光素子である。
【０００９】
本願他の発明は、前記発明の半導体発光素子において、前記井戸層がそれぞれ異なる厚さを有することを特徴とする半導体発光素子である。
【００１０】
本願他の発明は、前記発明の半導体発光素子において、発光させる井戸層と他の発光させる井戸層との間の障壁層がそれぞれ異なる厚さを有することを特徴とする半導体発光素子である。
【００１１】
本願他の発明は、前記発明の半導体発光素子において、前記井戸層で発光させた光を前記ｐ型ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ≦１）からなる層の側から面出射させることを特徴とする半導体発光素子である。
【００１２】
本願他の発明は、前記発明の半導体発光素子において、発光させた複数の光の混色が白色になるように、発光させる井戸層の構成比ｑを設定することを特徴とする半導体発光素子である。
【００１３】
これらの本願発明により、バンドギャップエネルギーの大きい井戸層で発光した光が半導体発光素子から出射すると同時に、発光した井戸層よりもバンドギャップエネルギーの小さい井戸層で吸収されると、吸収した井戸層では励起により、吸収した光の波長よりも長いその井戸層特有の波長で発光する。このように、光結合により、１つの半導体発光素子チップにおいて複数の異なる波長で発光させることができる。
【００１４】
また、本願発明は、ｐ型ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ≦１）からなる層と、ｎ型ＡｌｙＧａ１−ｙＮ（０＜ｙ≦１）からなる層とではさまれた多重井戸層が、ＩｎｑＧａ１−ｑＮ（０＜ｑ≦１）からなる井戸層と、該井戸層に隣接するＩｎｒＧａ１−ｒＮ（０≦ｒ＜１）からなる障壁層であって隣接する井戸層との間ではｒ＜ｑの関係になる障壁層とが交互に複数積層された層を含み、発光させる井戸層はそれぞれ異なる構成比ｑを有し、前記ｐ型ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ≦１）からなる層から供給された正孔と前記ｎ型ＡｌｙＧａ１−ｙＮ（０＜ｙ≦１）からなる層から供給された電子とを前記井戸層で再結合させることにより異なる波長で発光させる半導体発光素子である。
【００１５】
また、本願他の発明は、ｐ型ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ≦１）からなる層と、ｎ型ＡｌｙＧａ１−ｙＮ（０＜ｙ≦１）からなる層とではさまれた多重井戸層が、ＩｎｑＧａ１−ｑＮ（０＜ｑ≦１）からなる井戸層と、該井戸層に隣接するＩｎｒＧａ１−ｒＮ（０≦ｒ＜１）からなる障壁層であって隣接する井戸層との間ではｒ＜ｑの関係になる障壁層とが交互に複数積層された層を含み、発光させる井戸層はそれぞれ異なる構成比ｑを有し、前記障壁層の構成比ｒをｐ型ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ≦１）からなる層の側から漸減させた半導体発光素子である。
【００１６】
また、本願他の発明は、前記の半導体発光素子において、発光させる井戸層の構成比ｑを前記ｐ型ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ≦１）からなる層の側から漸増させることを特徴とする半導体発光素子である。
【００１７】
また、本願他の発明は、前記発明の半導体発光素子において、発光させる井戸層と該井戸層のｎ型ＡｌｙＧａ１−ｙＮ（０＜ｙ≦１）からなる層の側に隣接する障壁層とのバンドギャップエネルギー差を、前記ｐ型ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ≦１）からなる層の側から漸減させたことを特徴とする半導体発光素子である。
【００１８】
また、本願他の発明は、前記発明の半導体発光素子において、発光させる井戸層と他の発光させる井戸層との間の障壁層がそれぞれ異なる厚さを有することを特徴とする半導体発光素子である。
【００１９】
また、本願他の発明は、前記発明の半導体発光素子において、前記井戸層で発光させた光を前記ｐ型ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ≦１）からなる層の側から面出射させることを特徴とする半導体発光素子である。
【００２０】
また、本願他の発明は、前記発明の半導体発光素子において、発光させた複数の光の混色が白色になるように、発光させる井戸層の構成比ｑを設定することを特徴とする半導体発光素子である。
【００２１】
これらの本願発明により、正孔がｐ型ＡｌｘＧａ１−ｘＮからなる層から井戸層を容易に移動できるようにすると、それぞれの井戸層で電子との再結合により発光させることができる。それぞれの井戸層は異なるバンドギャップエネルギーを持つため、その井戸層特有の波長で発光する。このように、正孔と電子との再結合により、１つの半導体発光素子チップにおいて複数の異なる波長で発光させることができる。
【００２２】
さらに、本願発明は、ｐ型ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ≦１）からなる層と、ｎ型ＡｌｙＧａ１−ｙＮ（０＜ｙ≦１）からなる層とではさまれた多重井戸層が、ＩｎｑＧａ１−ｑＮ（０＜ｑ≦１）からなる井戸層と、該井戸層に隣接するＩｎｒＧａ１−ｒＮ（０≦ｒ＜１）からなる障壁層であって隣接する井戸層との間ではｒ＜ｑの関係になる障壁層とが交互に複数積層された層を含み、発光させる井戸層がそれぞれ異なる構成比ｑを有し、隣接する井戸層にトンネル効果で存在させた正孔と電子とを再結合させることにより発光させる半導体発光素子である。
【００２３】
さらに、本願他の発明は、ｐ型ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ≦１）からなる層と、ｎ型ＡｌｙＧａ１−ｙＮ（０＜ｙ≦１）からなる層とではさまれた多重井戸層が、ＩｎｑＧａ１−ｑＮ（０＜ｑ≦１）からなる井戸層と、該井戸層に隣接するＩｎｒＧａ１−ｒＮ（０≦ｒ＜１）からなる障壁層であって隣接する井戸層との間ではｒ＜ｑの関係になる障壁層とが交互に複数積層された層を含み、発光させる井戸層がそれぞれ異なる構成比ｑを有し、障壁層の厚さを１０ｎｍ以下であって、且つ前記ｐ型ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ≦１）からなる層の側から順に薄くなるように設定した半導体発光素子である。
【００２４】
さらに、本願他の発明は、前記発明の半導体発光素子において、井戸層の構成比ｑを前記ｐ型ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ≦１）からなる層の側から漸増させたことを特徴とする半導体発光素子である。
【００２５】
さらに、本願他の発明は、前記発明の半導体発光素子において、前記井戸層で発光させた光を前記ｐ型ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ≦１）からなる層の側から面出射させることを特徴とする半導体発光素子である。
【００２６】
さらに、本願他の発明は、前記発明の半導体発光素子において、発光させた複数の光の混色が白色であることを特徴とする半導体発光素子である。
【発明の効果】
【００２７】
これらの本願発明により、井戸層と井戸層との間の障壁層を、正孔と電子がトンネル効果で隣接する井戸層に存在する程度に薄くすると、複数の井戸層で正孔と電子とを再結合させることができる。それぞれの井戸層のバンドギャップエネルギーを異なるように設定すると、１つの半導体発光素子チップにおいて複数の異なる波長で発光させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
以下、本願第１発明の実施の形態について、添付の図面を参照して説明する。
（実施の形態１）
本願発明の実施の形態である半導体発光素子のエネルギーバンド図を図２、図３に示す。図２、図３において、１１はｐ型ＡｌｘＧａ１−ｘＮからなる層、１２はｎ型ＡｌｙＧａ１−ｙＮからなる層、１３はＩｎｑＧａ１−ｑＮからなる井戸層、１４はＩｎｒＧａ１−ｒＮからなる障壁層、１５は多重井戸層である。
【００２９】
図２において、ｐ型ＡｌｘＧａ１−ｘＮからなる層１１とｎ型ＡｌｙＧａ１−ｙＮからなる層１２との間に多重井戸層１５を設けている。多重井戸層１５は、ＩｎｑＧａ１−ｑＮ（０＜ｑ≦１）からなる井戸層１３と、井戸層に隣接するＩｎｒＧａ１−ｒＮ（０≦ｒ＜１）からなる障壁層１４とを交互に複数積層して構成されている。障壁層のバンドギャップエネルギーは隣接する井戸層のバンドギャップエネルギーよりも大きく、また、井戸層のバンドギャップエネルギーは、ｐ型ＡｌｘＧａ１−ｘＮからなる層１１からｎ型ＡｌｙＧａ１−ｙＮからなる層１２に向けて漸減させている。
【００３０】
ｐ型ＡｌｘＧａ１−ｘＮからなる層１１とｎ型ＡｌｙＧａ１−ｙＮからなる層１２との間に電圧を印加すると、ｐ型ＡｌｘＧａ１−ｘＮからなる層１１からは正孔が供給され、ｎ型ＡｌｙＧａ１−ｙＮからなる層１２からは電子が供給される。電子の有効質量は小さいため、各井戸層のバンドギャップエネルギーを適切に調整すると、電子をｎ型ＡｌｙＧａ１−ｙＮからなる層１２から最もバンドギャップエネルギーの大きい井戸層まで達するようにすることができる。一方、正孔の有効質量は電子に比較して大きいため、ｐ型ＡｌｘＧａ１−ｘＮからなる層１１から最初の井戸層で電子と再結合して発光する。
【００３１】
ｐ型ＡｌｘＧａ１−ｘＮからなる層１１から最初の井戸層で、電子と正孔との再結合によって発光する。発光した光の波長をλ３とする。波長λ３の光のうち、ｐ型ＡｌｘＧａ１−ｘＮからなる層１１に向かった光は半導体発光素子から出射する。一方、ｎ型ＡｌｙＧａ１−ｙＮからなる層１２の方向に向かった波長λ３の光は、ｐ型ＡｌｘＧａ１−ｘＮからなる層１１から最初の井戸層よりもバンドギャップエネルギーの小さい井戸層で吸収される。吸収された光によって励起された井戸層は、その井戸層のバンドギャップエネルギーに対応する波長で発光する。発光した光の波長をλ２とする。
【００３２】
波長λ２の光のうち、ｐ型ＡｌｘＧａ１−ｘＮからなる層１１に向かった光は、ｐ型ＡｌｘＧａ１−ｘＮからなる層１１から最初の井戸層のバンドギャップエネルギーに対応する波長よりも長いため、その井戸層で吸収されることなく、半導体発光素子から出射する。一方、ｎ型ＡｌｙＧａ１−ｙＮからなる層１２の方向に向かった波長λ１、又は波長λ２の光は、波長λ１、又は波長λ２に対応するバンドギャップエネルギーよりも小さいバンドギャップエネルギーの井戸層で吸収される。吸収された光によって励起された井戸層は、その井戸層のバンドギャップエネルギーに対応する波長で発光する。発光した光の波長をλ１とする。
【００３３】
波長λ１の光のうち、ｐ型ＡｌｘＧａ１−ｘＮからなる層１１に向かった光は、ｐ型ＡｌｘＧａ１−ｘＮからなる層１１の側にある井戸層のバンドギャップエネルギーに対応する波長よりも長いため、その井戸層で吸収されることなく、半導体発光素子から出射する。
【００３４】
このような半導体発光素子とすることにより、バンドギャップエネルギーの異なる井戸層で発光させれば、１チップの半導体発光素子において、異なる波長で発光させることができる。
【００３５】
図３において、井戸層１３の厚さをｐ型ＡｌｘＧａ１−ｘＮからなる層１１の側から漸増するように設定している。図３において、例えば、λ３で発光した光がλ２で発光する井戸層で吸収される量よりも、λ３、又はλ２で発光した光がλ１で発光する井戸層で吸収される量の方が少ないときは、λ１で発光する井戸層の厚さを厚くすることにより、吸収される量を増加させることができる。逆に、λ１で発光する井戸層で吸収される量の方が多いときは、λ１で発光する井戸層の厚さを薄くすることにより、吸収される量を減少させることができる。この構造により、それぞれの井戸層で発光する光の強度を制御することができる。
【００３６】
また、発光させる井戸層と他の発光させる井戸層との間の障壁層の厚さを調整することによって、井戸層で発光した光が他の井戸層に結合する割合も変化する。例えば、障壁層の厚さを厚くすると、井戸層で発光した光が他の井戸層に結合する割合が小さくなり、障壁層の厚さを薄くすると、井戸層で発光した光が他の井戸層に結合する割合が大きくなる。この構造により、それぞれの井戸層で発光する光の強度を制御することができる。
【００３７】
それぞれの井戸層のバンドギャップエネルギーを調整することによって、それぞれの井戸層で発光する波長を制御すれば、所望の色彩を得ることができる。また、井戸層の厚さ又は障壁層の厚さを調整することによって、発光する光の強度を制御すれば、所望の色彩を得ることができる。さらに、それぞれの井戸層のバンドギャップエネルギーと井戸層の厚さと障壁層の厚さとを組み合わせて調整することによって、所望の色彩を得ることができる。
【００３８】
従って、本実施の形態の半導体発光素子とすることにより、１チップの半導体発光素子において複数の波長で発光させることができる。
【００３９】
発光した光をｎ型ＡｌｙＧａ１−ｙＮからなる層１２の側から出射させると、発光した光が他の井戸層で吸収されることがないため、効率的に出射させることができるが、ｐ型ＡｌｘＧａ１−ｘＮからなる層１１の側から出射させてもよい。また、端面出射させてもよい。
【００４０】
発光する波長λ１、λ２、λ３をそれぞれ、赤、緑、青とすると、混色によって白色とすることができる。正確に赤、緑、青としなくても、強度と波長を制御して、混色で白色にすることもできる。４以上の波長でも同様である。また、２つの波長で発光させて、強度と波長を制御して白色とすることもできる。さらに、強度と波長とを制御することによって、所望の色彩とすることもできる。
【００４１】
バンドギャップエネルギーの大きい井戸層で発光した光がバンドギャップエネルギーの小さい井戸層で吸収される割合は５％以上であることが好ましい。
【００４２】
（実施の形態２）
本願発明の実施の形態である半導体発光素子のエネルギーバンド図を図４乃至図７に示す。図４、図５、図６、図７において、１１はｐ型ＡｌｘＧａ１−ｘＮからなる層、１２はｎ型ＡｌｙＧａ１−ｙＮからなる層、１３はＩｎｑＧａ１−ｑＮからなる井戸層、１４はＩｎｒＧａ１−ｒＮからなる障壁層、１５は多重井戸層である。
【００４３】
本実施の形態では、ｐ型ＡｌｘＧａ１−ｘＮからなる層１１から供給された正孔とｎ型ＡｌｙＧａ１−ｙＮからなる層１２から供給された電子とを多重井戸層のそれぞれの井戸層で再結合させる際に、それぞれの井戸層に異なるバンドギャップエネルギーを持たせることにより、それぞれの井戸層において異なる波長で発光させる半導体発光素子である。一つの井戸層で総ての正孔と電子を再結合させないよう、正孔及び電子を隣接する井戸層に漏出させて、複数の井戸層で正孔と電子を再結合させることによって、それぞれの井戸層において発光させる。
【００４４】
図４において、ｐ型ＡｌｘＧａ１−ｘＮからなる層１１とｎ型ＡｌｙＧａ１−ｙＮからなる層１２との間に多重井戸層１５を設けている。多重井戸層１５は、ＩｎｑＧａ１−ｑＮ（０＜ｑ≦１）からなる井戸層１３と、井戸層に隣接するＩｎｒＧａ１−ｒＮ（０≦ｒ＜１）からなる障壁層１４とを交互に複数積層して構成されている。障壁層は隣接する井戸層との関係では、バンドギャップエネルギーが大きくなるように、また、ｐ型ＡｌｘＧａ１−ｘＮからなる層１１からｎ型ＡｌｙＧａ１−ｙＮからなる層１２に向けて、バンドギャップエネルギーが漸減するように設定されている。井戸層はそれぞれのバンドギャップエネルギーが異なるように設定されている。
【００４５】
このような構成の半導体発光素子にｐ型ＡｌｘＧａ１−ｘＮからなる層１１から供給された正孔とｎ型ＡｌｙＧａ１−ｙＮからなる層１２から供給された電子とを、それぞれの井戸層に漏出させて、それぞれの井戸層で再結合させることにより、それぞれの井戸層のバンドギャップエネルギーに応じた波長で発光させることができる。また、井戸層から隣接する井戸層への正孔又は電子の漏出する量を調整することによって、各井戸層で発光する光の強度を制御することができる。
【００４６】
図５において、ｐ型ＡｌｘＧａ１−ｘＮからなる層１１とｎ型ＡｌｙＧａ１−ｙＮからなる層１２との間に多重井戸層１５を設けている。多重井戸層１５は、ＩｎｑＧａ１−ｑＮ（０＜ｑ≦１）からなる井戸層１３と、井戸層に隣接するＩｎｒＧａ１−ｒＮ（０≦ｒ＜１）からなる障壁層１４とを交互に複数積層して構成されている。障壁層は隣接する井戸層との関係では、バンドギャップエネルギーが大きくなるように、また、井戸層はそれぞれのバンドギャップエネルギーが異なるように設定されている。さらに、ｐ型ＡｌｘＧａ１−ｘＮからなる層１１からｎ型ＡｌｙＧａ１−ｙＮからなる層１２に向けて、井戸層とｎ型ＡｌｙＧａ１−ｙＮからなる層１２の側の障壁層とのバンドギャップエネルギー差が漸減するように設定されている。
【００４７】
このような構成の半導体発光素子にｐ型ＡｌｘＧａ１−ｘＮからなる層１１から供給された正孔とｎ型ＡｌｙＧａ１−ｙＮからなる層１２から供給された電子とを、それぞれの井戸層に漏出させて、それぞれの井戸層で再結合させることにより、それぞれの井戸層のバンドギャップエネルギーに応じた波長で発光させることができる。また、井戸層から隣接する井戸層への正孔又は電子の漏出する量を調整することによって、各井戸層で発光する光の強度を制御することができる。
【００４８】
図６において、ｐ型ＡｌｘＧａ１−ｘＮからなる層１１とｎ型ＡｌｙＧａ１−ｙＮからなる層１２との間に多重井戸層１５を設けている。多重井戸層１５は、ＩｎｑＧａ１−ｑＮ（０＜ｑ≦１）からなる井戸層１３と、井戸層に隣接するＩｎｒＧａ１−ｒＮ（０≦ｒ＜１）からなる障壁層１４とを交互に複数積層して構成されている。障壁層は隣接する井戸層との関係では、バンドギャップエネルギーが大きくなるように、また、井戸層のバンドギャップエネルギーはｐ型ＡｌｘＧａ１−ｘＮからなる層１１からｎ型ＡｌｙＧａ１−ｙＮからなる層１２に向けて、漸減するように設定されている。
【００４９】
このような構成の半導体発光素子にｐ型ＡｌｘＧａ１−ｘＮからなる層１１から供給された正孔とｎ型ＡｌｙＧａ１−ｙＮからなる層１２から供給された電子とを、それぞれの井戸層に漏出させて、それぞれの井戸層で再結合させることにより、それぞれの井戸層のバンドギャップエネルギーに応じた波長で発光させることができる。また、出射側の井戸層のバンドギャップエネルギーが大きくなるように、それぞれの井戸層を配置することによって、発光した光が井戸層で吸収され難くすることができる。また、井戸層から隣接する井戸層への正孔又は電子の漏出する量を調整することによって、各井戸層で発光する光の強度を制御することができる。
【００５０】
図７において、ｐ型ＡｌｘＧａ１−ｘＮからなる層１１とｎ型ＡｌｙＧａ１−ｙＮからなる層１２との間に多重井戸層１５を設けている。多重井戸層１５は、ＩｎｑＧａ１−ｑＮ（０＜ｑ≦１）からなる井戸層１３と、井戸層に隣接するＩｎｒＧａ１−ｒＮ（０≦ｒ＜１）からなる障壁層１４とを交互に複数積層して構成されている。障壁層は隣接する井戸層との関係では、バンドギャップエネルギーが大きくなるように、また、ｐ型ＡｌｘＧａ１−ｘＮからなる層１１からｎ型ＡｌｙＧａ１−ｙＮからなる層１２に向けて、バンドギャップエネルギーが漸減するように設定されている。さらに、ｐ型ＡｌｘＧａ１−ｘＮからなる層１１からｎ型ＡｌｙＧａ１−ｙＮからなる層１２に向けて、井戸層とｎ型ＡｌｙＧａ１−ｙＮからなる層１２の側の障壁層とのバンドギャップエネルギー差が漸減するように設定されている。また、井戸層のバンドギャップエネルギーはｐ型ＡｌｘＧａ１−ｘＮからなる層１１からｎ型ＡｌｙＧａ１−ｙＮからなる層１２に向けて、漸減するように設定されている。
【００５１】
このような構成の半導体発光素子にｐ型ＡｌｘＧａ１−ｘＮからなる層１１から供給された正孔とｎ型ＡｌｙＧａ１−ｙＮからなる層１２から供給された電子とを、それぞれの井戸層に漏出させて、それぞれの井戸層で再結合させることにより、それぞれの井戸層のバンドギャップエネルギーに応じた波長で発光させることができる。また、出射側の井戸層のバンドギャップエネルギーが大きくなるように、それぞれの井戸層を配置することによって、発光した光が井戸層で吸収され難くすることができる。また、井戸層から隣接する井戸層への正孔又は電子の漏出する量を調整することによって、各井戸層で発光する光の強度を制御することができる。
【００５２】
また、発光させる井戸層と他の発光させる井戸層との間の障壁層の厚さを調整することによって、井戸層から隣接する井戸層への正孔又は電子の漏出する量を変化させることができる。例えば、障壁層の厚さを厚くすると、井戸層から隣接する井戸層への正孔又は電子の漏出する量が少なくなり、障壁層の厚さを薄くすると、井戸層から隣接する井戸層への正孔又は電子の漏出する量が多くなる。この構造により、それぞれの井戸層で発光する光の強度を制御することができる。
【００５３】
それぞれの井戸層のバンドギャップエネルギーを調整することによって、それぞれの井戸層で発光する波長を制御すれば、所望の色彩を得ることができる。また、井戸層のバンドギャップエネルギーと障壁層のバンドギャップエネルギーと障壁層の厚さとを組み合わせて調整することによって、発光する光の強度を制御すれば、所望の色彩を得ることができる。さらに、それぞれの井戸層のバンドギャップエネルギーと障壁層のバンドギャップエネルギーと障壁層の厚さとを組み合わせて調整することによって、発光する光の波長と強度とを同時に制御すれば、所望の色彩を得ることができる。
【００５４】
従って、本実施の形態の半導体発光素子とすることにより、１チップの半導体発光素子において複数の波長で発光させることができる。
【００５５】
発光した光をｎ型ＡｌｙＧａ１−ｙＮからなる層１２の側から出射させると、効率的に出射させることができるが、ｐ型ＡｌｘＧａ１−ｘＮからなる層１１の側から出射させてもよい。また、端面出射させてもよい。
【００５６】
発光する波長λ１、λ２、λ３をそれぞれ、赤、緑、青とすると、混色によって白色とすることができる。正確に赤、緑、青としなくても、強度と波長を制御して、混色で白色にすることもできる。４以上の波長でも同様である。また、２つの波長で発光させて、強度と波長とを制御して白色とすることもできる。さらに、強度と波長とを同時に制御することによって、所望の色彩とすることもできる。
【００５７】
井戸層と隣接する障壁層とのバンドギャップエネルギー差は、１００ｍｅＶ以下であることが好ましい。
【００５８】
（実施の形態３）
本願発明の実施の形態である半導体発光素子のエネルギーバンド図を図８に示す。図８において、１１はｐ型ＡｌｘＧａ１−ｘＮからなる層、１２はｎ型ＡｌｙＧａ１−ｙＮからなる層、１３はＩｎｑＧａ１−ｑＮからなる井戸層、１４はＩｎｒＧａ１−ｒＮからなる障壁層、１５は多重井戸層である。
【００５９】
図８において、ｐ型ＡｌｘＧａ１−ｘＮからなる層１１とｎ型ＡｌｙＧａ１−ｙＮからなる層１２との間に多重井戸層１５を設けている。多重井戸層１５は、ＩｎｑＧａ１−ｑＮ（０＜ｑ≦１）からなる井戸層１３と、井戸層に隣接するＩｎｒＧａ１−ｒＮ（０≦ｒ＜１）からなる障壁層１４とを交互に複数積層して構成されている。障壁層１４の厚さは、正孔と電子の波長よりも短い１０ｎｍ以下とすることが望ましい。
【００６０】
ｐ型ＡｌｘＧａ１−ｘＮからなる層１１とｎ型ＡｌｙＧａ１−ｙＮからなる層１２との間に電圧を印加すると、ｐ型ＡｌｘＧａ１−ｘＮからなる層１１からは正孔が供給され、ｎ型ＡｌｙＧａ１−ｙＮからなる層１２からは電子が供給される。井戸層と隣接する井戸層との間の障壁層の厚さを正孔及び電子の波長よりも短い１０ｎｍ以下とすると、トンネル効果により電子と正孔は隣接する井戸層にも存在させることができる。このため、それぞれの井戸層で正孔と電子とが再結合して発光する。井戸層はそれぞれのバンドギャップエネルギーが異なるように設定されている。
【００６１】
電子の有効質量は正孔の有効質量より小さいため、トンネル効果による正孔と電子の再結合は正孔に律則されることになる。そこで、障壁層の厚さを、ｐ型ＡｌｘＧａ１−ｘＮからなる層１１の側から順に薄くなるように設定すると、正孔をｎ型ＡｌｙＧａ１−ｙＮからなる層１２に近い井戸層にも存在させることができる。図８においては、ｔ１＞ｔ２とすることになる。障壁層の厚さを調整することによって、トンネル効果による正孔と電子の再結合の割合を変化させることができる。つまり、トンネル効果による隣接する井戸層での正孔と電子の存在確率を調整することによって、各井戸層で発光する光の強度を制御することができる。また、それぞれの井戸層のバンドギャップエネルギーを調整することによって、そのバンドギャップエネルギーに応じた波長で発光させることができる。
【００６２】
従って、本実施の形態の半導体発光素子とすることにより、１チップの半導体発光素子において複数の波長で発光させることができる。
【００６３】
発光した光をｎ型ＡｌｙＧａ１−ｙＮからなる層１２の側から出射させると、効率的に出射させることができるが、ｐ型ＡｌｘＧａ１−ｘＮからなる層１１の側から出射させてもよい。また、端面出射させてもよい。
発光する波長λ１、λ２、λ３をそれぞれ、赤、緑、青とすると、混色によって白色とすることができる。正確に赤、緑、青としなくても、強度と波長を調整して、混色で白色にすることもできる。４以上の波長でも同様である。また、２つの波長で発光させて、強度と波長を調整して白色とすることもできる。さらに、強度と波長を調整することによって、所望の色彩とすることもできる。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１】従来の半導体白色発光素子の構成を説明する図である。
【図２】本願発明の実施形態である発光した光による励起を説明するエネルギーバンド図である。
【図３】本願発明の実施形態である発光した光の吸収する量を変化させたエネルギーバンドを説明する図である。
【図４】本願発明の実施形態である正孔及び電子の漏出を説明するエネルギーバンド図である。
【図５】本願発明の実施形態である正孔及び電子の漏出を説明するエネルギーバンド図である。
【図６】本願発明の実施形態である正孔及び電子の漏出を説明するエネルギーバンド図である。
【図７】本願発明の実施形態である正孔及び電子の漏出を説明するエネルギーバンド図である。
【図８】本願発明の実施形態である正孔及び電子のトンネル結合を説明するエネルギーバンド図である。
【符号の説明】
【００６５】
１１：ｐ型ＡｌｘＧａ１−ｘＮからなる層
１２：ｎ型ＡｌｙＧａ１−ｙＮからなる層
１３：ＩｎｑＧａ１−ｑＮからなる井戸層
１４：ＩｎｒＧａ１−ｒＮからなる障壁層
１５：多重井戸層
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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