(57)【要約】【課題】半導体発光素子に窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いる場合に、従来と異なる手法により、発光波長が長波長化しても発光効率の低下を容易に防止することができる半導体発光素子およびこのような半導体発光素子を容易に製造することができる半導体発光素子の製造方法を提供する。【解決手段】ｐ側クラッド層とｎ側クラッド層との間に一つまたは複数の井戸層を有する活性層が挟まれた構造を有する、窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いた半導体発光素子において、活性層の少なくとも一つの井戸層の組成をこの井戸層に垂直な方向に変調する。【選択図】図７
2008235606.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｐ側クラッド層とｎ側クラッド層との間に一つまたは複数の井戸層を有する活性層が挟まれた構造を有する、窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いた半導体発光素子において、
上記活性層の少なくとも一つの上記井戸層の組成が当該井戸層に垂直な方向に変調されている
ことを特徴とする半導体発光素子。
【請求項２】
上記井戸層の組成が、上記ｎ側クラッド層から上記ｐ側クラッド層に向かってバンドギャップエネルギーが増加または減少するように変調されていることを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子。
【請求項３】
上記井戸層はＩｎを含む窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなることを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子。
【請求項４】
上記半導体発光素子は発光ダイオードまたはレーザダイオードであることを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子。
【請求項５】
ｐ側クラッド層とｎ側クラッド層との間に一つまたは複数の井戸層を有する活性層が挟まれた構造を有する、窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いた半導体発光素子の製造方法において、
上記活性層を成長させる際に、少なくとも一つの上記井戸層の組成を当該井戸層に垂直な方向に変調するようにした
ことを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
【請求項６】
上記井戸層を成長させる際に成長条件を変調することにより上記井戸層の組成を変調するようにしたことを特徴とする請求項５記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項７】
上記井戸層を成長させる際に成長温度を変調することにより上記井戸層の組成を変調するようにしたことを特徴とする請求項５記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項８】
上記活性層を成長させた後の最高成長温度Ｔ（℃）は発光波長をλ（ｎｍ）とするとＴ＜１３５０−０．７５λを満たすことを特徴とする請求項５記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項９】
上記活性層を成長させた後の最高成長温度Ｔ（℃）は発光波長をλ（ｎｍ）とするとＴ＜１２５０−０．７５λを満たすことを特徴とする請求項５記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項１０】
赤色発光の半導体発光素子、緑色発光の半導体発光素子および青色発光の半導体発光素子をそれぞれ複数個配列したバックライトにおいて、
上記赤色発光の半導体発光素子、上記緑色発光の半導体発光素子および上記青色発光の半導体発光素子のうちの少なくとも一つの半導体発光素子が、
ｐ側クラッド層とｎ側クラッド層との間に一つまたは複数の井戸層を有する活性層が挟まれた構造を有する、窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いた半導体発光素子において、
上記活性層の少なくとも一つの上記井戸層の組成が当該井戸層に垂直な方向に変調されているものである
ことを特徴とするバックライト。
【請求項１１】
赤色発光の半導体発光素子、緑色発光の半導体発光素子および青色発光の半導体発光素子をそれぞれ複数個配列した表示装置において、
上記赤色発光の半導体発光素子、上記緑色発光の半導体発光素子および上記青色発光の半導体発光素子のうちの少なくとも一つの半導体発光素子が、
ｐ側クラッド層とｎ側クラッド層との間に一つまたは複数の井戸層を有する活性層が挟まれた構造を有する、窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いた半導体発光素子において、
上記活性層の少なくとも一つの上記井戸層の組成が当該井戸層に垂直な方向に変調されているものである
ことを特徴とする表示装置。
【請求項１２】
一つまたは複数の半導体発光素子を有する電子機器において、
少なくとも一つの上記半導体発光素子が、
ｐ側クラッド層とｎ側クラッド層との間に一つまたは複数の井戸層を有する活性層が挟まれた構造を有する、窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いた半導体発光素子において、
上記活性層の少なくとも一つの上記井戸層の組成が当該井戸層に垂直な方向に変調されているものである
ことを特徴とする電子機器。
【請求項１３】
一つまたは複数の半導体発光素子と当該半導体発光素子から放出される光が入射する色変換材料とを有する発光装置において、
少なくとも一つの上記半導体発光素子が、
ｐ側クラッド層とｎ側クラッド層との間に一つまたは複数の井戸層を有する活性層が挟まれた構造を有する、窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いた半導体発光素子において、
上記活性層の少なくとも一つの上記井戸層の組成が当該井戸層に垂直な方向に変調されているものである
ことを特徴とする発光装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、半導体発光素子、半導体発光素子の製造方法、バックライト、表示装置、電子機器および発光装置に関し、例えば、窒化ガリウム系化合物半導体を用いた半導体発光素子およびこの半導体発光素子を用いた各種の機器または装置に適用して好適なものである。
【背景技術】
【０００２】
窒化ガリウム系化合物半導体を用いた半導体発光素子は、混晶組成や厚さで活性層（発光層）のバンドギャップエネルギーを制御することにより紫外〜赤外の発光波長を実現することができる。すでに紫外〜青色〜緑色の発光波長の発光ダイオードは市販され、ディスプレイ、照明装置、検査装置、消毒など幅広い用途に使われている。また、青紫色の発光波長のレーザダイオード（半導体レーザ）も開発され、大容量光ディスクの書き込みや読み取り用のピックアップの光源として使用されている。
【０００３】
この窒化ガリウム系化合物半導体を用いた半導体発光素子においては、井戸層と障壁層とを交互に積層した多重量子井戸構造を有する活性層を用いることが一般的であるが、この多重量子井戸構造を有する活性層に関しては、発光効率の向上のために様々な技術が提案されている。例えば、井戸層の数を規定する技術（特許文献１、２参照。）、井戸層および障壁層の混晶組成を規定する技術（特許文献３、４参照。）、相異なる発光波長を有する井戸層間の障壁層に多重量子障壁構造を導入して複数の発光ピークの発光強度比を制御する技術（特許文献５参照。）などがある。これらの半導体発光素子の多重量子井戸構造の活性層においては、すべて同じ組成、厚さおよび構造を有する障壁層が用いられている。
【０００４】
多重量子井戸構造の活性層において障壁層の組成を層ごとに変化させる技術も提案されており（例えば、特許文献６参照。特に、請求項３、図４、図５参照。）、意図的にｐ型クラッド層に近い井戸層に正孔と電子とを集中させることができるとされている。
また、窒化ガリウム系化合物半導体を用いた半導体発光素子に限定されないが、電子移動度と正孔移動度とが互いに異なることによる多層井戸活性層における再結合の不均一を解消するため、活性層に非対称構造を用いることが提案されている（例えば、特許文献７参照。）。特許文献７には、井戸層の組成および厚さ、障壁層の組成および厚さを活性層内で変える様々な実施例が開示されており、「バリア層は、ｎ型の下部封層３４により近いところにあるバリア層がｎ型の下部封層からずっと離れたところにあるバリア層よりも厚くなるように」（特許文献７の段落００３２）との記載がある。しかしながら、特許文献７においては、窒化ガリウム系化合物半導体を用いた半導体発光素子に関しては障壁層の組成を段階的に変えた計算例が示されているのみで、実際に発光効率が向上しうる障壁層の厚さに関する非対称性は具体的には規定されていないだけではなく、井戸層の組成を層内で変調することについては何ら開示も示唆もされていない。
【０００５】
【特許文献１】特開平１０−２６１８３８号公報
【特許文献２】特開平１０−２５６６５７号公報
【特許文献３】特開２０００−２６１１０６号公報
【特許文献４】特開２０００−９１６２９号公報
【特許文献５】特開２００２−３６８２６８号公報
【特許文献６】特開２００４−１７９４２８号公報
【特許文献７】特表２００３−５２０４５３号公報
【特許文献８】特開２００２−３１９７０２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
窒化ガリウム系化合物半導体を用いた半導体発光素子においては、窒化ガリウム系化合物半導体からなる多重量子井戸構造を作製する際に、井戸層のＩｎ組成を増やしていくと原理的には発光ピークが長波長側にシフトしていくと同時に発光効率が低下していくことが知られており、互いに発光波長が異なる複数の半導体発光素子を組み合わせて用いる場合などに不都合が生じていた。
そこで、この発明が解決しようとする課題は、半導体発光素子に窒化ガリウム系化合物半導体、より一般的には窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いる場合に、従来と異なる手法により、発光波長が長波長化しても発光効率の低下を容易に防止することができる半導体発光素子およびこのような半導体発光素子を容易に製造することができる半導体発光素子の製造方法を提供することである。
この発明が解決しようとする課題は、より一般的には、発光効率を容易に制御することができる半導体発光素子およびこのような半導体発光素子を容易に製造することができる半導体発光素子の製造方法を提供することである。
この発明が解決しようとする他の課題は、上記のような半導体発光素子を用いたバックライト、ディスプレイ、電子機器および発光装置を提供することである。
上記課題および他の課題は、添付図面を参照した本明細書の記述により明らかとなるであろう。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明者らは、上記の課題を解決するために鋭意研究を行った。その結果、窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いた半導体発光素子において、多重量子井戸構造の活性層の井戸層の組成を変化させていった時に発光効率が低下していくことを実験的に検証し、その現象に対して発光効率の低下を防止するための具体的な手法を見出した。その概要について説明すると次の通りである。
図１に示すようなＧａＮ系発光ダイオードを作製した。すなわち、有機金属化学気相成長法により、Ｃ面を主面とするサファイア基板１１を用いて水素からなるキャリアガス中１０５０℃で１０分クリーニングを行った後、温度を５００℃に下げて窒素原料であるアンモニアを供給し、加えてガリウム原料であるトリメチルガリウム（Trimethylgallium，ＴＭＧ）をバルブの切り替えにより供給して低温ＧａＮバッファ層１２を厚さ３０ｎｍ成長させた。一旦、ＴＭＧの供給を停止した状態で温度を１０２０℃まで上昇させた後、再びＴＭＧの供給を開始することでアンドープＧａＮ層１３を厚さ１μｍ成長させ、引き続きシリコン原料であるシラン（ＳｉＨ4 ）の供給を開始することでＳｉドープのｎ型ＧａＮ層１４を厚さ３μｍ成長させた。このｎ型ＧａＮ層１４のＳｉのドーピング濃度は５×１０18／ｃｍ3 である。次に、ＳｉＨ4 の供給を停止し、アンモニアおよびＴＭＧを供給してアンドープＧａＮ層１５を厚さ５ｎｍ成長させた。次に、ＴＭＧおよびＳｉＨ4 の供給を停止し、キャリアガスを水素から窒素に切り替えるとともに、温度を７５０℃まで下降させた。ここでＧａ原料としてトリエチルガリウム（Trimethylgallium，ＴＥＧ）を供給しながら、Ｉｎ原料としてトリメチルインジウム（Trimethylindium,ＴＭＩ）の供給をバルブの切り替えにより行うことにより、図１および図２に示すように、厚さ３ｎｍのＩｎＧａＮ層１６ａからなる井戸層と厚さ１５ｎｍのＧａＮ層１６ｂからなる障壁層とを交互に成長させてＩｎＧａＮ／ＧａＮ多重量子井戸構造の活性層１６を成長させた。この活性層１６は９層の井戸層を８層の障壁層が隔てた９井戸の多重量子井戸構造を有する。井戸層のＩｎＧａＮ層１６ａのＩｎ組成は０．２３で、これは発光波長５１５ｎｍに相当する。次に、活性層１６上に厚さ１０ｎｍのアンドープＧａＮ層１７を成長させながら温度を８００℃まで上昇させ、Ａｌ原料としてトリメチルアルミニウム（Trimethylaluminium，ＴＭＡ）、Ｍｇ原料としてビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Biscyclopentadienyl magnesium,Ｃｐ2 Ｍｇ）の供給を開始することによりＭｇドープでＡｌ組成０．１５のｐ型ＡｌＧａＮ層１８を厚さ２０ｎｍ成長させた。このｐ型ＡｌＧａＮ層１８のＭｇのドーピング濃度は５×１０19／ｃｍ3 である。次に、ＴＥＧ、ＴＭＡおよびＣｐ2 Ｍｇの供給を停止するとともに、キャリアガスを窒素から水素に切り替えて８５０℃まで温度を上げ、ＴＭＧおよびＣｐ2 Ｍｇの供給を開始することでＭｇドープのｐ型ＧａＮ層１９を厚さ１００ｎｍ成長させた。このｐ型ＧａＮ層１９のＭｇのドーピング濃度は５×１０19／ｃｍ3 である。この後、ＴＭＧおよびＣｐ2 Ｍｇの供給を停止するとともに温度を下げ、６００℃でアンモニアの供給を停止し、室温まで温度を下げて結晶の成長を終えた。ここで、活性層１６の成長後に行う成長の成長温度に関しては発光波長をλ（ｎｍ）としたとき、１３５０−０．７５λ（℃）、望ましくは１２５０−０．７５λ（℃）よりも低い温度としている。これに関しては、特に、発光波長の長いＧａＮ系半導体発光素子において有効な技術である（例えば、特許文献８参照。）。
【０００８】
上述のようにして結晶成長を終えたサファイア基板１１を窒素雰囲気中で８００℃、１０分のアニールを行ってｐ型ＡｌＧａＮ層１８およびｐ型ＧａＮ層１９中にドーピングされたＭｇの活性化を行った。
この後、通常の発光ダイオードのウェハプロセス〜チップ化工程と同様に、フォトリソグラフィー、エッチング、金属蒸着などの工程を経て、ダイシングにより分離してチップ化、樹脂モールドとパッケージ化とを行うことで砲弾型や面実装型などの種々のＧａＮ系発光ダイオードを作製することができる。ここでは、評価と簡略化の目的で、図３に示すように、リソグラフィーおよびエッチングによりｎ型ＧａＮ層１４を露出させ、ｐ型ＧａＮ層１９上にＡｇ／Ｎｉからなるｐ側電極２０、ｎ型ＧａＮ層１４上にＴｉ／Ａｌからなるｎ側電極２１を形成し、プローバでプローブ２２、２３をそれぞれｐ側電極２０およびｎ側電極２１上に立てて通電を行い、サファイア基板１１の裏面に放射される光２４を光検出器２５により検出した。なお、図３においては、低温ＧａＮバッファ層１２、アンドープＧａＮ層１３、アンドープＧａＮ層１５およびアンドープＧａＮ層１７の図示を省略した。
【０００９】
このＧａＮ系発光ダイオードについて測定を行った結果、６０Ａ／ｃｍ2 の駆動電流密度において発光ピーク波長は５１５ｎｍ、発光効率は１８０ｍＷ／Ａであった。なお、市販の発光ダイオードのように発光ダイオードを高反射率マウント上に実装して高屈折率の樹脂モールドを行えば全光束測定で約２倍以上の発光効率を得ることができる。
井戸層のＩｎＧａＮ層１６ａのＩｎ組成を種々変えて上記と同様なＧａＮ系発光ダイオードを作製し、エレクトロルミネッセンス測定を行った。この測定においては、Ｋｒレーザによる波長４０７ｎｍで出力３ｍＷの連続発振（ＣＷ）レーザ光を倍率５倍のレンズを通して照射することにより励起を行った。励起強度は同一とした。発光波長に対する発光強度の変化をプロットしたものを図４に示す。図４において、横軸は発光波長、縦軸は対応する発光波長の光の発光強度を任意単位（Ａ．Ｕ．）で示している。図４から分かるように、Ｉｎ組成が０．２３（発光波長５１５ｎｍ）より大きくなっていくあたりから発光効率の低下の割合が大きくなっていく様子が見られる。
【００１０】
井戸層のＩｎＧａＮ層１６ａのＩｎ組成を増やしていくと発光効率の低下が起きる原因に関しては、次のようなモデルが考えられる。すなわち、ＩｎＧａＮ層１６ａのＩｎ組成を増やしていくと、ＧａＮとＩｎＮとの格子定数の差から生じるピエゾ電界が大きくなっていき、その結果、活性層１６内において厚さ方向に電位差が生じ、ＩｎＧａＮ層１６ａのＩｎ組成が大きくなるに従ってこの電位差も大きくなる。
図５Ａ〜Ｃに、それぞれ紫外、青色および緑色の発光波長の場合のＩｎＧａＮ層１６ａおよびその近傍の価電子帯および伝導帯を模式的に示す。図５Ａ〜Ｃにおいて、ＥV は価電子帯の上端のエネルギー、ＥC は伝導帯の下端のエネルギーを示す。図５Ａに示す場合においては、活性層１６内に生じる電位差が小さく、ピエゾ電界Ｅpiezo はＥpiezo ≦１ＭＶ／ｃｍ以下であるため、ＩｎＧａＮ層１６ａの価電子帯および伝導帯はほぼフラットであり、電子の波動関数分布と正孔の波動関数分布との位置は互いにほぼ一致しており、理想的な波動関数分布になっている。これに対し、ＩｎＧａＮ層１６ａのＩｎ組成がより大きい図５Ｂに示す場合においては、活性層１６内に生じる電位差が大きく、Ｅpiezo ≒２．２〜２．４ＭＶ／ｃｍとなるため、電子の波動関数分布と正孔の波動関数分布との位置が互いにかなりずれ、これが発光効率の低下をもたらす。ＩｎＧａＮ層１６ａのＩｎ組成がさらに大きい図５Ｃに示す場合においては、活性層１６内に生じる電位差がさらに大きく、Ｅpiezo ≒３．１〜３．４ＭＶ／ｃｍとなるため、電子の波動関数分布と正孔の波動関数分布との位置が互いにさらに大きくずれ、発光効率はさらに低下する。すなわち、発光波長を長波長にしようとＩｎＧａＮ層１６ａのＩｎ組成を増やしていくと、電子の波動関数分布と正孔の波動関数分布との位置が互いに離れてしまうため、図３に示したような発光波長の長波長化に伴う発光効率の低下が起きていると考えられる。
【００１１】
この現象に対して、電子の波動関数分布と正孔の波動関数分布との位置を互いに近づけるために、電子と正孔との有効質量の差を利用することが考えられる。ここで、ＧａＮ系化合物半導体における電子および正孔の有効質量はそれぞれ０．１９ｍ0 および１．６６ｍ0 （ｍ0 は電子の静止質量）であり、電子の有効質量は正孔の有効質量の１／８程度である。具体的には、井戸層のＩｎＧａＮ層１６ａのバンドラインアップを、Ｉｎ組成を変化させることで制御し、このＩｎＧａＮ層１６ａにおいてｎ層側よりｐ層側の方のバンドギャップエネルギーを大きくしたり小さくしたりすることが考えられる。その模式図を図６Ａおよび図７Ａに示す。図６Ｂおよび図７Ｂはそれぞれ図６Ａおよび図７Ａに示すＩｎＧａＮ層１６ａのＩｎ組成の分布を示す。図６Ａに示す例（以下「タイプＡ」という。）は、ＩｎＧａＮ層１６ａの成長中にＩｎ組成を徐々に多くすることでｎ層側よりｐ層側の方が価電子帯と伝導帯との電位差が小さくなるようにしたもの、図７Ａに示す例（以下「タイプＢ」という。）は、ＩｎＧａＮ層１６ａの成長中にＩｎ組成を徐々に小さくすることでｎ層側よりｐ層側の方が価電子帯より伝導帯の電位差が大きくなるようにしたものである。図６Ａおよび図７Ａにおいて、破線はＩｎ組成が一定の場合を示す。
【００１２】
上述のタイプＡおよびタイプＢの活性層１６のＩｎＧａＮ層１６ａを比較した時、活性層１６内の価電子帯と伝導帯との電位差から考えて、波動関数分布はタイプＡの場合、電子、正孔ともにｐ層側に寄り、タイプＢの場合はともにｎ層側に寄ると考えられる。この場合、電子および正孔の有効質量を考慮すると、電子は正孔に比べて有効質量がかなり小さいため、波動関数分布が移動しやすいと考えられる。ＧａＮ系化合物半導体の場合、上述のように、電子の有効質量は正孔の有効質量の１／８程度であるため、図６Ａおよび図７Ａにおいては、正孔の波動関数分布の移動を無視した場合の波動関数分布の様子を示した。
以上のことより、タイプＢのように、ＩｎＧａＮ層１６ａ内でＩｎ組成を徐々に減少させた方が、このＩｎＧａＮ層１６ａ内における電子と正孔との波動関数分布のずれは小さくなり、これに伴って発光効率は上昇すると考えられる。
あるいは、逆に、ＩｎＧａＮ層１６ａ内でＩｎ組成を徐々に増加させることにより、このＩｎＧａＮ層１６ａ内における電子と正孔との波動関数分布のずれを大きくし、発光効率を低下させることができる。
これらのことから、ＩｎＧａＮ層１６ａ内でこのＩｎＧａＮ層１６ａに垂直な方向にＩｎ組成を変調させることにより、発光効率を制御することができることが分かる。
言い換えると、ピエゾ電界Ｅpiezo の向きに対してＩｎＧａＮ層１６ａのＩｎ組成を減少または増加させることにより、発光効率を制御することができる。
以上は多重量子井戸構造の活性層の井戸層がＩｎＧａＮ層である場合であるが、同様なことは、井戸層がＩｎＧａＮ層と異なる組成を有する場合においても成立する。
【００１３】
この発明は、本発明者らによる上記の検討に基づいてさらに検討を行った結果、案出されたものである。
すなわち、上記課題を解決するために、第１の発明は、
ｐ側クラッド層とｎ側クラッド層との間に一つまたは複数の井戸層を有する活性層が挟まれた構造を有する、窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いた半導体発光素子において、
上記活性層の少なくとも一つの上記井戸層の組成が当該井戸層に垂直な方向に変調されている
ことを特徴とするものである。
【００１４】
第２の発明は、
ｐ側クラッド層とｎ側クラッド層との間に一つまたは複数の井戸層を有する活性層が挟まれた構造を有する、窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いた半導体発光素子の製造方法において、
上記活性層を成長させる際に、少なくとも一つの上記井戸層の組成を当該井戸層に垂直な方向に変調するようにした
ことを特徴とするものである。
【００１５】
第１および第２の発明において、井戸層の組成は、半導体発光素子の発光効率を増加または減少させる場合に応じて、ｎ側クラッド層からｐ側クラッド層に向かってバンドギャップエネルギーが増加または減少するように変調される。一般的には、井戸層を成長させる際に成長条件（成長温度、成長原料の蒸気圧、成長原料の輸送に用いるキャリガスの流量など）を変調することにより井戸層の組成を変調する。典型的には、井戸層を成長させる際に成長温度を変調することにより井戸層の組成を変調する。
活性層は典型的には多重量子井戸構造であるが、単一量子井戸構造であってもよい。
ｎ側クラッド層は、典型的にはｎ型であるが、ｎ型層とアンドープ層との複合層であってもよい。同様に、ｐ側クラッド層は、典型的にはｐ型であるが、ｐ型層とアンドープ層との複合層であってもよい。
半導体発光素子の発光波長をλ（ｎｍ）とすると、活性層を成長させた後の最高成長温度Ｔ（℃）をＴ＜１３５０−０．７５λ、好ましくはＴ＜１２５０−０．７５λを満たすようにすることにより、活性層の成長後に成長させる層の成長温度に起因する活性層の劣化を防止することができる。
半導体発光素子の発光波長は、一般的には紫外〜赤外の発光波長に対応する３７０ｎｍ以上６５０ｎｍ以下、例えば青色〜緑色の発光波長に対応する４３０ｎｍ以上５５０ｎｍ以下、例えば青色の発光波長に対応する４３０ｎｍ以上４８０ｎｍ以下、例えば緑色の発光波長に対応する５００ｎｍ以上５５０ｎｍ以下に選ばれる。
半導体発光素子の駆動電流密度は必要に応じて選ばれるが、例えば、１０Ａ／ｃｍ2 以上あるいは５０Ａ／ｃｍ2 以上あるいは１００Ａ／ｃｍ2 以上である。半導体発光素子の駆動時には、発光量の一部または全ての変調を駆動電流振幅変調で行ってもよいし、電流パルス幅変調と電流振幅変調とを組み合わせて行ってもよいし、電流密度変調と電流振幅変調とを組み合わせて行ってもよい。
【００１６】
半導体発光素子を構成する窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体は、ＩＩＩ族元素としてＡｌ、Ｂ、Ｇａ、ＩｎおよびＴｌからなる群より選ばれた少なくとも一種の元素を含み、一般的には、ＡｌX Ｂy Ｇａ1-x-y-z Ｉｎz Ａｓu Ｎ1-u-v Ｐv （ただし、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、０≦ｕ≦１、０≦ｖ≦１、０≦ｘ＋ｙ＋ｚ＜１、０≦ｕ＋ｖ＜１）であり、より具体的には、ＡｌX Ｂy Ｇａ1-x-y-z Ｉｎz Ｎ（ただし、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、０≦ｘ＋ｙ＋ｚ＜１）であり、典型的にはＡｌX Ｇａ1-x-z Ｉｎz Ｎ（ただし、０≦ｘ≦１、０≦ｚ≦１）である。窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の具体例を挙げると、ＧａＮ、ＩｎＮ、ＡｌＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＩｎＮなどである。井戸層は、典型的には、Ｉｎを含む窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなり、より典型的には、ＩｎおよびＧａを含む窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる。このＩｎおよびＧａを含む窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体は、具体的には、ＡｌX Ｂy Ｇａ1-x-y-z Ｉｎz Ａｓu Ｎ1-u-v Ｐv （ただし、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０＜ｚ≦１、０≦ｕ≦１、０≦ｖ≦１、０≦ｘ＋ｙ＋ｚ＜１、０≦ｕ＋ｖ＜１）であり、より具体的には、ＡｌX Ｂy Ｇａ1-x-y-z Ｉｎz Ｎ（ただし、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０＜ｚ≦１、０≦ｘ＋ｙ＋ｚ＜１）であり、典型的には、ＡｌX Ｇａ1-x-z Ｉｎz Ｎ（ただし、０≦ｘ≦１、０＜ｚ≦１）であり、具体例を挙げると、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＩｎＮなどであるが、これに限定されるものではない。
【００１７】
窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体は、典型的には、有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）、ハイドライド気相エピタキシャル成長あるいはハライド気相エピタキシャル成長（ＨＶＰＥ）、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）などの各種のエピタキシャル成長法により成長させることができるが、これに限定されるものではない。この窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を成長させる基板としては種々のものを用いることができるが、具体的には、例えば、サファイア（Ｃ面、Ａ面、Ｒ面などを含み、これらの面からオフした面のものも含む）、ＳｉＣ（６Ｈ、４Ｈ、３Ｃを含む）、Ｓｉ、ＺｎＳ、ＺｎＯ、ＬｉＭｇＯ、ＧａＡｓ、スピネル（ＭｇＡｌ2 Ｏ4 、ＳｃＡｌＭｇＯ4 ）、ガーネット、窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体（例えば、ＧａＮ）などからなる基板を用いることができる。
窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の成長は基板上にＣ面配向で成長されることが一般的であるが、特にＧａ面成長（Ｃ＋面とも呼ばれる）が望ましく、さらには活性層の主面がＣ面から０．２５度以上２度以下傾斜していることが望ましく、０．３度以上１度以下傾斜していることがより望ましい。
半導体発光素子は、発光ダイオードやレーザダイオードなどである。
半導体発光素子が発光ダイオードである場合、この発光ダイオードには、活性層からの光を光取り出し面側に反射して光取り出し効率の向上を図るために、好適には、反射層が設けられ、この反射層と活性層との間の距離は、この半導体発光素子を構成する窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の屈折率をｎ、発光波長をλ（ｎｍ）としたとき、０．５×λ／ｎより大きく、λ／ｎより小さく選ばれる。この反射層としては、この発光ダイオードの電極（例えば、ｐ側電極）を用いることができるが、これに限定されるものではない。
【００１８】
活性層が、井戸層と障壁層とが交互に積層された多重量子井戸構造を有する場合、この多重量子井戸構造を有する活性層における井戸層密度はその厚さ方向に一定であってもよいが、半導体発光素子の動作電流密度の増加に伴う発光波長の大きなシフトを抑制し、しかも一層広範囲の輝度制御を行うことができるようにする観点からは、この活性層のｎ側クラッド層側の井戸層密度をｄ1 、ｐ側クラッド層側の井戸層密度をｄ2 としたとき、ｄ1 ＜ｄ2 を満足するように活性層における井戸層を配置する。このように活性層における井戸層密度を異ならせるためには、例えば、井戸層の厚さを一定とし、障壁層の厚さを異ならせる（具体的には、活性層におけるｐ側クラッド層側の障壁層の厚さを、ｎ側クラッド層側の障壁層の厚さよりも小さくする）のが好ましいが、これに限定されるものではなく、障壁層の厚さを一定とし、井戸層の厚さを異ならせる（具体的には、活性層におけるｐ側クラッド層側の井戸層の厚さを、ｎ側クラッド層側の井戸層の厚さよりも大きくする）ようにしてよいし、井戸層の厚さおよび障壁層の厚さの両方を異ならせてもよい。
【００１９】
ここで、井戸層密度ｄ1 および井戸層密度ｄ2 は以下のように定義する。すなわち、総厚ｔ0 の活性層を厚さ方向に２つに分割したとき、ｎ側クラッド層側の活性層の領域である第１領域の厚さをｔ1 、ｐ側クラッド層側の活性層の領域である第２領域の厚さをｔ2 とする。ただし、ｔ0 ＝ｔ1 ＋ｔ2 である。また、第１領域に含まれる井戸層の数をＷＬ1 （正数であり、整数には限定されない）、第２領域に含まれる井戸層の数をＷＬ2 （正数であり、整数には限定されず、井戸層の総数ＷＬ＝ＷＬ1 ＋ＷＬ2 ）とする。なお、第１領域と第２領域とに跨がって１つの井戸層（厚さｔIF）が存在する場合には、第１領域内のみに含まれる井戸層の数をＷＬ’1 、第２領域内のみに含まれる井戸層の数をＷＬ’2 とし、第１領域と第２領域とに跨がった井戸層における第１領域に含まれる厚さを厚さｔIF-1、第２領域に含まれる厚さを厚さｔIF-2（ｔIF＝ｔIF-1＋ｔIF-2）としたとき、
ＷＬ1 ＝ＷＬ’1 ＋ΔＷＬ1 
ＷＬ2 ＝ＷＬ’2 ＋ΔＷＬ2 
である。ただし、
ΔＷＬ1 ＋ΔＷＬ2 ＝１
であり、
ＷＬ＝ＷＬ1 ＋ＷＬ2 
＝ＷＬ’1 ＋ＷＬ’2 ＋１
ΔＷＬ1 ＝ｔIF-1／ｔIF
ΔＷＬ2 ＝ｔIF-2／ｔIF
である。
【００２０】
そして、井戸層密度ｄ1 および井戸層密度ｄ2 は以下の式から求めることができる。ただし、ｋ≡（ｔ0 ／ＷＬ）である。
ｄ1 ＝（ＷＬ1 ／ＷＬ）／（ｔ1 ／ｔ0 ）
＝ｋ（ＷＬ1 ／ｔ1 ）                                （１）
ｄ2 ＝（ＷＬ2 ／ＷＬ）／（ｔ2 ／ｔ0 ）
＝ｋ（ＷＬ2 ／ｔ2 ）                                （２）
【００２１】
ここで、活性層におけるｎ側クラッド層側の界面から厚さ（２ｔ0 ／３）までの第１領域内の井戸層密度をｄ1 、ｐ側クラッド層側の界面から厚さ（ｔ0 ／３）までの第２領域内の井戸層密度をｄ2 としたとき、ｄ1 ＜ｄ2 を満足するように活性層における井戸層が配置されている構成とすることができ、あるいは、活性層におけるｎ側クラッド層側の界面から厚さ（ｔ0 ／２）までの第１領域内の井戸層密度をｄ1 、ｐ側クラッド層側の界面から厚さ（ｔ0 ／２）までの第２領域内の井戸層密度をｄ2 としたとき、ｄ1 ＜ｄ2 を満足するように活性層における井戸層が配置されている構成とすることができ、あるいは、活性層におけるｎ側クラッド層側の界面から厚さ（ｔ0 ／３）までの第１領域内の井戸層密度をｄ1 、ｐ側クラッド層側の界面から厚さ（２ｔ0 ／３）までの第２領域内の井戸層密度をｄ2 としたとき、ｄ1 ＜ｄ2 を満足するように活性層における井戸層が配置されている構成とすることができる。ここで、１＜ｄ2 ／ｄ1 ≦２０、好ましくは１．２≦ｄ2 ／ｄ1 ≦１０、より好ましくは１．５≦ｄ2 ／ｄ1 ≦５を満足するように、活性層における井戸層が配置されていることが望ましい。活性層における井戸層の数（ＷＬ）は、２以上、好ましくは４以上である。
【００２２】
上述のような活性層を有する半導体発光素子においては、動作電流密度を３０Ａ／ｃｍ2 としたときの活性層の発光波長をλ2 （ｎｍ）、動作電流密度を３００Ａ／ｃｍ2 としたときの活性層の発光波長をλ3 （ｎｍ）としたとき、
５００（ｎｍ）≦λ2 ≦５５０（ｎｍ）
０≦｜λ2 −λ3 ｜≦５（ｎｍ）
を満足することが望ましく、あるいは、動作電流密度を１Ａ／ｃｍ2 としたときの活性層の発光波長をλ1 （ｎｍ）、動作電流密度を３０Ａ／ｃｍ2 としたときの活性層の発光波長をλ2 （ｎｍ）、動作電流密度を３００Ａ／ｃｍ2 としたときの活性層の発光波長をλ3 （ｎｍ）としたとき、
５００（ｎｍ）≦λ2 ≦５５０（ｎｍ）
０≦｜λ1 −λ2 ｜≦１０（ｎｍ）
０≦｜λ2 −λ3 ｜≦５（ｎｍ）
を満足することが望ましい。なお、この半導体発光素子の動作電流密度とは、動作電流値を活性層面積（接合領域の面積）で除した値である。
【００２３】
あるいは、上述のような活性層を有する半導体発光素子において、動作電流密度を３０Ａ／ｃｍ2 としたときの活性層の発光波長をλ2 （ｎｍ）、動作電流密度を３００Ａ／ｃｍ2 としたときの活性層の発光波長をλ3 （ｎｍ）としたとき、
４３０（ｎｍ）≦λ2 ≦４８０（ｎｍ）
０≦｜λ2 −λ3 ｜≦２（ｎｍ）
を満足することが望ましく、あるいは、動作電流密度を１Ａ／ｃｍ2 としたときの活性層の発光波長をλ1 （ｎｍ）、動作電流密度を３０Ａ／ｃｍ2 としたときの活性層の発光波長をλ2 （ｎｍ）、動作電流密度を３００Ａ／ｃｍ2 としたときの活性層の発光波長をλ3 （ｎｍ）としたとき、
４３０（ｎｍ）≦λ2 ≦４８０（ｎｍ）
０≦｜λ1 −λ2 ｜≦５（ｎｍ）
０≦｜λ2 −λ3 ｜≦２（ｎｍ）
を満足することが望ましい。
この半導体発光素子は、各種の装置または機器（バックライト、ディスプレイ、照明装置、電子機器など）に用いることができる。
【００２４】
第３の発明は、
赤色発光の半導体発光素子、緑色発光の半導体発光素子および青色発光の半導体発光素子をそれぞれ複数個配列したバックライトにおいて、
上記赤色発光の半導体発光素子、上記緑色発光の半導体発光素子および上記青色発光の半導体発光素子のうちの少なくとも一つの半導体発光素子が、
ｐ側クラッド層とｎ側クラッド層との間に一つまたは複数の井戸層を有する活性層が挟まれた構造を有する、窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いた半導体発光素子において、
上記活性層の少なくとも一つの上記井戸層の組成が当該井戸層に垂直な方向に変調されているものである
ことを特徴とするものである。
【００２５】
このバックライトは、典型的には、発光ダイオードバックライトである。この発光ダイオードバックライトは、具体的には、半導体発光素子を発光ダイオードとして構成し、例えば、赤色発光の発光ダイオード、緑色発光の発光ダイオードおよび青色発光の発光ダイオードをそれぞれ複数個配列したものであり、赤色発光の発光ダイオード、緑色発光の発光ダイオードおよび青色発光の発光ダイオードが１単位（１画素）を構成する。赤色発光の発光ダイオードとしては、例えばＡｌＧａＩｎＰ系半導体を用いたものを用いることができ、緑色発光の発光ダイオードおよび青色発光の発光ダイオードとしては例えば、窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いたものを用いることができるが、これに限定されるものではない。
【００２６】
第４の発明は、
赤色発光の半導体発光素子、緑色発光の半導体発光素子および青色発光の半導体発光素子をそれぞれ複数個配列した表示装置において、
上記赤色発光の半導体発光素子、上記緑色発光の半導体発光素子および上記青色発光の半導体発光素子のうちの少なくとも一つの半導体発光素子が、
ｐ側クラッド層とｎ側クラッド層との間に一つまたは複数の井戸層を有する活性層が挟まれた構造を有する、窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いた半導体発光素子において、
上記活性層の少なくとも一つの上記井戸層の組成が当該井戸層に垂直な方向に変調されているものである
ことを特徴とするものである。
【００２７】
この表示装置には各種のものが含まれる。この表示装置は、具体的には、例えば、上記の半導体発光素子を発光ダイオードとして構成し、この発光ダイオードを含む画素をマトリックス状に複数配列した発光ダイオードディスプレイ（アクティブマトリックス方式またはパッシブマトリックス方式）、上記の発光ダイオードを少なくとも一つ用いたバックライト（発光ダイオードバックライト）と液晶パネルとを有する透過型または半透過型の液晶ディスプレイ、上記の発光ダイオードを少なくとも一つ用いた光源（発光ダイオード光源）とライトバルブ素子とを有するプロジェクションディスプレイなどである。ライトバルブ素子としては、例えば、透過型または反射型の液晶パネルや、ＭＥＭＳ（micro electro mechanical systems）、例えばＤＭＤ（digital micro-mirror device)を用いることができる。
【００２８】
第５の発明は、
一つまたは複数の半導体発光素子を有する電子機器において、
少なくとも一つの上記半導体発光素子が、
ｐ側クラッド層とｎ側クラッド層との間に一つまたは複数の井戸層を有する活性層が挟まれた構造を有する、窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いた半導体発光素子において、
上記活性層の少なくとも一つの上記井戸層の組成が当該井戸層に垂直な方向に変調されているものである
ことを特徴とするものである。
【００２９】
この電子機器は、液晶ディスプレイのバックライト、表示、照明その他の目的で少なくとも一つの半導体発光素子を有するものであれば、基本的にはどのようなものであってもよく、携帯型のものと据え置き型のものとの双方を含み、具体例を挙げると、上記の各種の表示装置に加えて、携帯電話、モバイル機器、ロボット、パーソナルコンピュータ、車載機器、各種家庭電気製品などである。
【００３０】
第６の発明は、
一つまたは複数の半導体発光素子と当該半導体発光素子から放出される光が入射する色変換材料とを有する発光装置において、
少なくとも一つの上記半導体発光素子が、
ｐ側クラッド層とｎ側クラッド層との間に一つまたは複数の井戸層を有する活性層が挟まれた構造を有する、窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いた半導体発光素子において、
上記活性層の少なくとも一つの上記井戸層の組成が当該井戸層に垂直な方向に変調されているものである
ことを特徴とするものである。
この発光装置においては、半導体発光素子から放出される光が色変換材料に入射することにより色変換を行うことができる。例えば、青色発光の半導体発光素子と緑色の色変換材料、黄色の色変換材料および赤色の色変換材料のうちの少なくとも一つの色変換材料とを用いる場合には、青色発光の半導体発光素子から放出される青色の発光波長の光によりこの色変換材料を励起して緑色、黄色および赤色のうちの少なくとも一つの色の光を発光させることができる。これらの色変換材料としては、例えば、蛍光体含有材料が用いられる。
第３〜第５の発明においては、上記以外のことについては、第１および第２の発明に関連して説明したことが成立する。
【００３１】
上述のように構成された第１〜第６の発明においては、半導体発光素子の活性層の少なくとも一つの井戸層の組成がこの井戸層に垂直な方向に変調されていることにより、半導体発光素子の動作時におけるこの井戸層内の電子の波動関数分布と正孔の波動関数分布との相対的な位置を制御することができ、それによって半導体発光素子の発光効率を制御することができる。
【発明の効果】
【００３２】
この発明によれば、活性層の井戸層の組成の変調により発光効率を容易に制御することができ、特に、発光波長が長波長化しても発光効率の低下を容易に防止することができる半導体発光素子およびこのような半導体発光素子を容易に製造することができる半導体発光素子の製造方法を提供することである。そして、この半導体発光素子を用いて高性能のバックライト、ディスプレイ、電子機器などを実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３３】
以下、この発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、実施形態の全図において、同一または対応する部分には同一の符号を付す。
まず、この発明の第１の実施形態によるＧａＮ系発光ダイオードについて説明する。
図８はこのＧａＮ系発光ダイオード、図９はこのＧａＮ系発光ダイオードの活性層の詳細を示す。
図８に示すように、このＧａＮ系発光ダイオードにおいては、例えばＣ面を主面とするサファイア基板３１上に、低温ＧａＮバッファ層３２、アンドープＧａＮ層３３、例えばＳｉドープのｎ型ＧａＮ層３４、アンドープＧａＮ層３５、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ多重量子井戸構造の活性層３６、アンドープＧａＮ層３７、例えばＭｇドープのｐ型ＡｌＧａＮ層３８および例えばＭｇドープのｐ型ＧａＮ層３９が順次積層されている。ｎ型ＧａＮ層３４が主としてｎ側クラッド層を構成し、ｐ型ＡｌＧａＮ層３８が主としてｐ側クラッド層を構成している。
【００３４】
図９に示すように、活性層３６は、ＩｎＧａＮ層３６ａからなる井戸層とＧａＮ層３６ｂからなる障壁層とを交互に積層したものである。この活性層３６においては、ＩｎＧａＮ層３６ａからなる井戸層のＩｎ組成が、図７Ｂに示すと同様に、ｎ型ＧａＮ層３４からｐ型ＡｌＧａＮ層３８に向かう方向に徐々に減少し、あるいは、図６Ｂに示すと同様に、ｎ型ＧａＮ層３４からｐ型ＡｌＧａＮ層３８に向かう方向に徐々に増加していることが特徴である。これに伴い、このＩｎＧａＮ層３６ａからなる井戸層のバンドギャップエネルギーは、図７Ａに示すと同様に、ｎ型ＧａＮ層３４からｐ型ＡｌＧａＮ層３８に向かう方向に徐々に増加し、あるいは、図７Ｂに示すと同様に、ｎ型ＧａＮ層３４からｐ型ＡｌＧａＮ層３８に向かう方向に徐々に減少している。ここで、ＩｎＧａＮ層３６ａ内のＩｎ組成の変化幅は１％以上が望ましく、２％以上がより望ましい。あるいは、ＩｎＧａＮ層３６ａのバンドギャップＥg の変化幅は２０ｍｅＶ以上が望ましく、４０ｍｅＶ以上がより望ましい。
【００３５】
このＧａＮ系発光ダイオードを構成する各層の厚さなどの具体例を挙げると、低温ＧａＮバッファ層３２の厚さは３０ｎｍ、アンドープＧａＮ層３３の厚さは１μｍ、ｎ型ＧａＮ層３４は厚さが３μｍでＳｉのドーピング濃度が５×１０18／ｃｍ3 、アンドープＧａＮ層３５の厚さは５ｎｍである。活性層３６は、厚さ３ｎｍのＩｎＧａＮ層３６ａからなる井戸層と厚さ１５ｎｍのＧａＮ層３６ｂからなる障壁層とが交互に積層されたものであり、９層の井戸層を８層の障壁層が隔てた９井戸の多重量子井戸構造を有する（図９参照）。井戸層のＩｎＧａＮ層３６ａの平均のＩｎ組成は発光波長に応じて決められ、例えば平均Ｉｎ組成０．２３は発光波長５１５ｎｍに相当する。アンドープＧａＮ層３７の厚さは１０ｎｍ、ｐ型ＡｌＧａＮ層３８は厚さが２０ｎｍ、Ｍｇのドーピング濃度が５×１０19／ｃｍ3 でＡｌ組成が０．１５、ｐ型ＧａＮ層３９は厚さが１００ｎｍ、Ｍｇのドーピング濃度が５×１０19／ｃｍ3 である。
【００３６】
図示および説明は省略するが、このＧａＮ系発光ダイオードにおいては、例えば、ｎ型ＧａＮ層３４の上層部、アンドープＧａＮ層３５、活性層３６、アンドープＧａＮ層３７、ｐ型ＡｌＧａＮ層３８およびｐ型ＧａＮ層３９が所定のメサ形状にパターニングされ、ｐ型ＧａＮ層３９上にｐ側電極が形成され、メサ部に隣接する部分のｎ型ＧａＮ層３４上にｎ側電極が形成される。ｐ側電極としては例えばＡｇ／Ｎｉが、ｎ側電極としては例えばＴｉ／Ａｌが用いられるが、これに限定されるものではない。
【００３７】
次に、このＧａＮ系発光ダイオードの製造方法について説明する。
図８に示すように、例えばＭＯＣＶＤ法により、Ｃ面を主面とするサファイア基板３１を用いて水素からなるキャリアガス中１０５０℃で１０分クリーニングを行った後、温度を５００℃に下げて窒素原料であるアンモニアを供給し、加えてガリウム原料であるＴＭＧをバルブの切り替えにより供給して低温ＧａＮバッファ層３２を成長させる。一旦、ＴＭＧの供給を停止した状態で温度を１０２０℃まで上昇させた後、再びＴＭＧの供給を開始することでアンドープＧａＮ層３３を成長させ、引き続きＳｉＨ4 の供給を開始することでＳｉドープのｎ型ＧａＮ層３４を成長させる。次に、ＳｉＨ4 の供給を停止し、アンモニアおよびＴＭＧを供給してアンドープＧａＮ層３５を成長させる。次に、ＴＭＧおよびＳｉＨ4 の供給を停止し、キャリアガスを水素から窒素に切り替えるとともに、温度を７５０℃まで下降させる。
【００３８】
次に、Ｇａ原料としてＴＥＧを供給しながら、Ｉｎ原料としてＴＭＩの供給をバルブの切り替えにより行うことにより、図９に示すように、ＩｎＧａＮ層３６ａからなる井戸層とＧａＮ層３６ｂからなる障壁層とを交互に成長させてＩｎＧａＮ／ＧａＮ多重量子井戸構造の活性層３６を成長させる。この活性層３６の成長の際には、ＩｎＧａＮ層３６ａからなる井戸層の成長条件を選択することにより、このＩｎＧａＮ層３６ａのＩｎ組成がｎ型ＧａＮ層３４からｐ型ＡｌＧａＮ層３８に向かう方向に徐々に減少し、あるいは、徐々に増加するようにする。このために、例えば、このＩｎＧａＮ層３６ａの成長温度を徐々に高くしたり、Ｉｎ原料の蒸気圧を低くしたり、Ｉｎ原料の輸送に用いているキャリアガスの流量を減らしたり、これらの方法を組み合わせたりしてＩｎの取り込み量を少なくし、あるいは、このＩｎＧａＮ層３６ａの成長温度を徐々に低くしたり、Ｉｎ原料の蒸気圧を高くしたり、Ｉｎ原料の輸送に用いているキャリアガスの流量を増やしたり、これらの方法を組み合わせたりしてＩｎの取り込み量を多くする。ＩｎＧａＮ層３６ａの成長温度を変化させる例を図１０ＡおよびＢに示す。図１０ＡはＩｎＧａＮ層３６ａのＩｎ組成がｎ型ＧａＮ層３４からｐ型ＡｌＧａＮ層３８に向かう方向に徐々に増加する場合（タイプＡ）、図１０ＢはＩｎＧａＮ層３６ａのＩｎ組成がｎ型ＧａＮ層３４からｐ型ＡｌＧａＮ層３８に向かう方向に徐々に減少する場合（タイプＢ）を示す。図１０ＡおよびＢにはそれぞれ、成長温度シーケンスにおける設定温度および基板表面実温度（実際に測定された温度）が示されている。図１０Ａでは、成長温度の下降幅は例えば約３℃である。図１０Ｂでは、成長温度の上昇幅は５℃以上が望ましく、７℃以上がより望ましく、１０℃以上がさらに望ましいが、これに限定されるものではない。この成長温度の上昇幅は、活性層３６を６００〜８５０℃、望ましくは６５０〜８００℃の成長温度で成長させる場合に適用して好ましいものである。
【００３９】
次に、活性層３６上にアンドープＧａＮ層３７を成長させながら温度を８００℃まで上昇させ、Ａｌ原料としてＴＭＡ、Ｍｇ原料としてＣｐ2 Ｍｇの供給を開始することによりＭｇドープのｐ型ＡｌＧａＮ層３８を厚さ２０ｎｍ成長させる。次に、ＴＥＧ、ＴＭＡおよびＣｐ2 Ｍｇの供給を停止するとともに、キャリアガスを窒素から水素に切り替えて８５０℃まで温度を上げ、ＴＭＧおよびＣｐ2 Ｍｇの供給を開始することでＭｇドープのｐ型ＧａＮ層３９を成長させる。この後、ＴＭＧおよびＣｐ2 Ｍｇの供給を停止するとともに温度を下げ、６００℃でアンモニアの供給を停止し、室温まで温度を下げて結晶の成長を終える。この場合、活性層３６の成長後の最高成長温度Ｔ（℃）はｐ型ＧａＮ層３９の成長温度である８５０℃であるが、λ＜６６６ｎｍであれば、Ｔ＜１３５０−０．７５λを満たしており、従って活性層３６の劣化を防止することができる。
【００４０】
上述のようにして結晶成長を終えたサファイア基板３１を窒素雰囲気中で８００℃、１０分のアニールを行ってｐ型ＡｌＧａＮ層３８およびｐ型ＧａＮ層３９中にドーピングされたＭｇの活性化を行う。
この後、通常の発光ダイオードのウェハプロセス〜チップ化工程と同様に、フォトリソグラフィー、エッチング、金属蒸着などの工程を経て、ダイシングにより分離してチップ化、樹脂モールドとパッケージ化とを行うことで砲弾型や面実装型などの種々のＧａＮ系発光ダイオードを作製することができる。
【００４１】
タイプＡおよびタイプＢのＧａＮ系発光ダイオードを同一励起条件下で励起したときの発光波長に対する発光強度の変化の様子を図１１に示す。ここで、図１１の横軸は発光波長、縦軸はその時の発光強度を任意単位で示している。タイプＡとタイプＢとを比較すると、発光波長５２５ｎｍ付近からタイプＢの方がタイプＡよりも発光強度が高くなり、発光波長５３０ｎｍでは１割程度、発光波長５４０ｎｍでは５割程度タイプＢの方がタイプＡよりも発光強度が高いことが確認された。このことより、タイプＡと比較してタイプＢは特に発光波長が５３０ｎｍ以上の領域で発光強度が高く、従って低電力、高出力のＧａＮ系発光ダイオードの実現が可能であるといえる。
【００４２】
以上のように、この第１の実施形態によれば、活性層３６のＩｎＧａＮ層３６ａからなる井戸層のＩｎ組成が、図７Ｂまたは図６Ｂに示すと同様に、ｎ型ＧａＮ層３４からｐ型ＡｌＧａＮ層３８に向かう方向に徐々に減少し、あるいは、徐々に増加しており、このＩｎＧａＮ層３６ａからなる井戸層のバンドギャップエネルギーが、図７Ａまたは図６Ａに示すと同様に、ｎ型ＧａＮ層３４からｐ型ＡｌＧａＮ層３８に向かう方向に徐々に増加し、あるいは、徐々に減少しているので、ＩｎＧａＮ層３６ａからなる井戸層における電子の波動関数分布と正孔の波動関数分布との位置が互いに近づくようにすることができ、あるいは、逆に互いに離れるようにすることができる。前者の場合には、ＧａＮ系発光ダイオードの発光効率を高くすることができ、後者の場合には発光効率を低くすることができる。特に前者の場合には、従来のＧａＮ系発光ダイオードにおける発光波長が長波長化した時の発光効率の低下の問題点を解決することができ、ＧａＮ系発光ダイオードでは発光効率の低下のため従来不可能であると考えられていた黄色〜赤色の発光波長のＧａＮ系発光ダイオードを実現することができる。また、上述の発光効率が高いＧａＮ系発光ダイオードをディスプレイなどに応用することにより、低消費電力化を図ることができるだけでなく、ＧａＮ系発光ダイオードをパルス駆動させる場合のパルス幅も同一輝度で比較した場合、短くすることができるため、長寿命化を図ることができる。一方、後者の場合には、例えば、互いに発光波長が異なる二種類以上のＧａＮ系発光ダイオード同士の発光効率を揃えることができる。
【００４３】
次に、この発明の第２の実施形態について説明する。
この第２の実施形態においては、活性層３６の構成が第１の実施形態と異なる。具体的には、活性層３６のｎ型ＧａＮ層３４側の井戸層密度をｄ1 、ｐ型ＡｌＧａＮ層３８側の井戸層密度をｄ2 としたとき、ｄ1 ＜ｄ2 を満足するように活性層３６における井戸層が配置されている。このように活性層３６における井戸層密度を異ならせるためには、例えば、井戸層の厚さを一定とし、障壁層の厚さを異ならせる（具体的には、活性層３６におけるｐ型ＡｌＧａＮ層３８側の障壁層の厚さを、ｎ型ＧａＮ層３４側の障壁層の厚さよりも小さくする）のが好ましいが、これに限定されるものではなく、障壁層の厚さを一定とし、井戸層の厚さを異ならせる（具体的には、活性層３６におけるｐ型ＡｌＧａＮ層３８側の井戸層の厚さを、ｎ型ＧａＮ層３４側の井戸層の厚さよりも大きくする）ようにしてよいし、井戸層の厚さおよび障壁層の厚さの両方を異ならせてもよい。ここで、１＜ｄ2 ／ｄ1 ≦２０、好ましくは１．２≦ｄ2 ／ｄ1 ≦１０、より好ましくは１．５≦ｄ2 ／ｄ1 ≦５を満足するように、活性層３６における井戸層が配置される。
【００４４】
活性層３６が９層の井戸層および８層の障壁層からなる多重量子井戸構造を有する緑色発光のＧａＮ系発光ダイオードを作製し、このＧａＮ系発光ダイオードを発光させた場合に活性層３６の各井戸層からの発光割合がどのようになっているかを視覚化する実験を行った。ただし、このＧａＮ系発光ダイオードにおいては、ｎ型ＧａＮ層３４の厚さは３μｍであり、ｐ型ＡｌＧａＮ層３８およびｐ型ＧａＮ層３９の代わりに厚さ１２０ｎｍのｐ型ＧａＮ層を用い、アンドープＧａＮ層３３、３８の厚さはそれぞれ５ｎｍとした。活性層３６における井戸層のＩｎＧａＮ層３６ａの組成は実際には第１の実施形態と同様に変調されるが、ここでは０．２３に設定した。このＩｎＧａＮ層３６ａの厚さは３ｎｍ、障壁層のＧａＮ層３６ｂの厚さは１５ｎｍである。このＧａＮ系発光ダイオード（試料１）においては動作電流密度６０Ａ／ｃｍ2 での発光ピーク波長が５１５ｎｍであり、発光効率は１８０ｍＷ／Ａであった。
【００４５】
次に、試料１のＧａＮ系発光ダイオードと同様の層構造を有するが、活性層３６における９層の井戸層のうちの特定の１層のみ厚さ３ｎｍのＩｎ0.15Ｇａ0.85Ｎ層としたＧａＮ系発光ダイオードを作製した。ｎ型ＧａＮ層３４側から第１番目の井戸層がＩｎ0.15Ｇａ0.85Ｎ層であるＧａＮ系発光ダイオードを試料２、第３番目の井戸層がＩｎ0.15Ｇａ0.85Ｎ層であるＧａＮ系発光ダイオードを試料３、第５番目の井戸層がＩｎ0.15Ｇａ0.85Ｎ層であるＧａＮ系発光ダイオードを試料４、第７番目の井戸層がＩｎ0.15Ｇａ0.85Ｎ層であるＧａＮ系発光ダイオードを試料５、第９番目の井戸層がＩｎ0.15Ｇａ0.85Ｎ層であるＧａＮ系発光ダイオードを試料６と呼ぶ。これらの試料２〜６のＧａＮ系発光ダイオードにおいては、他の井戸層は上述のように厚さ３ｎｍのＩｎ0.23Ｇａ0.77Ｎ層からなる。これらの試料２〜６のＧａＮ系発光ダイオードにおいても、動作電流密度６０Ａ／ｃｍ2 での発光ピーク波長が５１５ｎｍであり、発光効率は１８０ｍＷ／Ａであった。しかしながら、いくつかの試料では、緑色の発光（発光波長約５１５ｎｍ）以外に、Ｉｎ0.15Ｇａ0.85Ｎ層からなる井戸層の存在に起因して、青色の発光領域（発光波長約４５０ｎｍ）にも小さな発光ピークが見られた。この青色の発光ピーク成分の全体に占める割合を図１２にプロットした。図１２の横軸の第１層目、第３層目、…はＩｎ0.15Ｇａ0.85Ｎ層からなる井戸層のｎ型ＧａＮ層３４側からの位置を示す。図１２の横軸の第Ｎ層目（Ｎ＝１、３、５、７、９）に該当する青色の発光ピーク成分の全体に占める割合のデータは、活性層３６における第Ｎ層目の井戸層がＩｎ0.15Ｇａ0.85Ｎ層からなるＧａＮ系発光ダイオードにおける青色の発光ピーク成分の全体に占める割合の動作電流密度毎のデータを示す。
【００４６】
図１２から明らかなように、発光はどの動作電流密度においても、多重量子井戸構造を有する活性層３６におけるｐ型ＧａＮ層３４側、活性層３６の厚さ方向約２／３の領域に偏っている。また、発光の８０％は、ｐ型ＧａＮ層３４側の活性層３６の厚さ方向１／２までの領域からの発光で占められている。このように発光が著しく偏る理由として、電子および正孔の移動度の違いが挙げられる。ＧａＮ系化合物半導体においては正孔の移動度が小さいため、正孔はｐ型ＧａＮ層３４の近傍の活性層３６の井戸層までしか到達せず、正孔と電子との再結合による発光がｐ型ＧａＮ層３４側に偏ると考えられる。また、井戸層と障壁層とからなるヘテロ障壁のキャリアに対する透過率という点でも、有効質量の大きな正孔は複数の障壁層を越えてｎ型ＧａＮ層３４側の活性層３６の井戸層まで到達することが困難であるという要因も考えられる。
このことから、ｐ型ＧａＮ層３４側に偏った発光を有効に利用するためには、井戸層の分布をｐ型ＧａＮ層３４側に偏らせた非対称分布の井戸層を有する多重量子井戸構造を採用することが有効である。さらに、発光分布のピークは、ｐ型ＧａＮ層３４側の活性層３６の厚さ方向１／３〜１／４の領域に位置していることが分かる。
【００４７】
実施例について説明する。
実施例１のＧａＮ系発光ダイオードは、活性層３６の構成および構造を除いて試料１のＧａＮ系発光ダイオードと同様の構成を有する。
活性層３６を構成する多重量子井戸構造の詳細を表１に示す。なお、表１あるいは後述する表２中、井戸層の厚さおよび障壁層の厚さの値の右側の括弧内の数字は、活性層３６におけるｎ型ＧａＮ層３４側の界面（より具体的には、実施例１においてはアンドープＧａＮ層と活性層３６との界面）からの積算厚さを示す。
【００４８】
【表１】
2008235606.tif 000003
【００４９】
実施例１においては、活性層３６の総厚をｔ0 とし、活性層３６におけるｎ型ＧａＮ層３４側の界面（より具体的には、実施例１においてはアンドープＧａＮ層と活性層３６との界面）から厚さ（２ｔ0 ／３）までの活性層３６の第１領域内の井戸層密度をｄ1 、ｐ型ＡｌＧａＮ層３８側の界面（より具体的には、実施例１においてはアンドープＧａＮ層と活性層３６との界面）から厚さ（ｔ0 ／３）までの活性層３６の第２領域内の井戸層密度をｄ2 としたとき、ｄ1 ＜ｄ2 を満足するように活性層３６における井戸層が配置されている。
【００５０】
具体的には、井戸層密度ｄ1 および井戸層密度ｄ2 を式（１）、（２）から求めると、以下のとおりとなる。
〈実施例１〉
ｄ2 ＝（ＷＬ2 ／ＷＬ）／（ｔ2 ／ｔ0 ）
＝（４／１０）／（５０／１５０）
＝１．２０
ｄ1 ＝（ＷＬ1 ／ＷＬ）／（ｔ1 ／ｔ0 ）
＝（６／１０）／（１００／１５０）
＝０．９０
【００５１】
比較のために、表１に比較例１として示す活性層３６を有するＧａＮ系発光ダイオードを作製した。
実施例１および比較例１のＧａＮ系発光ダイオードにおいては、活性層３６の面積（接合領域の面積）を６×１０-4ｃｍ2 とした。したがって、ＧａＮ系発光ダイオードの動作電流密度は、動作電流値を６×１０-4ｃｍ2 で除した値となる。例えば、２０ｍＡの駆動電流を流した場合の動作電流密度は３３Ａ／ｃｍ2 となる。
比較例１における井戸層密度ｄ1 および井戸層密度ｄ2 を式（１）、（２）から求めると、以下のとおりとなる。
〈比較例１〉
ｄ2 ＝（ＷＬ2 ／ＷＬ）／（ｔ2 ／ｔ0 ）
＝｛（３＋１／３）／１０｝／（４９／１４７）
＝１．００
ｄ1 ＝（ＷＬ1 ／ＷＬ）／（ｔ1 ／ｔ0 ）
＝｛（６＋２／３）｝／１０｝／（９８／１４７）
＝１．００
【００５２】
ＧａＮ系発光ダイオードの動作電流密度と光出力との関係を測定した結果を図１３に示すが、実施例１のＧａＮ系発光ダイオードの光出力は比較例１よりも増加している。そして、実施例１のＧａＮ系発光ダイオードと比較例１のＧａＮ系発光ダイオードとの光出力の差は、動作電流密度が５０Ａ／ｃｍ2 以上で顕著となり、動作電流密度が１００Ａ／ｃｍ2 以上では１割以上の差となる。すなわち、実施例１のＧａＮ系発光ダイオードは、動作電流密度が５０Ａ／ｃｍ2 以上、好ましくは動作電流密度が１００Ａ／ｃｍ2 以上で、比較例１のＧａＮ系発光ダイオードよりも光出力が大きく増加するので、動作電流密度が５０Ａ／ｃｍ2 以上、好ましくは動作電流密度が１００Ａ／ｃｍ2 以上での使用が望ましいといえる。
【００５３】
さらには、ＧａＮ系発光ダイオードの動作電流密度と発光ピーク波長との関係を図１４に示す。動作電流密度を０．１Ａ／ｃｍ2 から３００Ａ／ｃｍ2 へと増加させると、比較例１ではΔλ＝−１９ｎｍであるのに対して、実施例１ではΔλ＝−８ｎｍと、小さな発光波長シフトが実現されている。特に、動作電流密度が３０Ａ／ｃｍ2 以上では、ほとんど波長シフトが観測されない。言い換えれば、動作電流密度を３０Ａ／ｃｍ2 以上とする場合、発光波長の変化がわずかしか生じないので、発光波長や発光色の管理の面で好ましい。特に、動作電流密度が５０Ａ／ｃｍ2 以上、あるいは１００Ａ／ｃｍ2 以上においては、実施例１のＧａＮ系発光ダイオードは、比較例１のＧａＮ系発光ダイオードよりも顕著に波長シフトが小さく、優位性が明らかである。
【００５４】
なお、このようなＧａＮ系発光ダイオードの発光量（輝度）の制御は駆動電流のピーク電流値で行う方法に加えて、駆動電流のパルス幅制御で行ってもよいし、駆動電流のパルス密度制御で行ってもよいし、これらの組合せで行ってもよい。
なお、活性層３６の総厚をｔ0 とし、活性層３６におけるｎ型ＧａＮ層３４側の界面（より具体的には、アンドープＧａＮ層と活性層３６との界面）から厚さ（ｔ0 ／２）までの活性層３６の第１領域内の井戸層密度をｄ1 、ｐ型ＡｌＧａＮ層３８側の界面（より具体的には、アンドープＧａＮ層と活性層３６との界面）から厚さ（ｔ0 ／２）までの活性層３６の第２領域内の井戸層密度をｄ2 としたとき、ｄ1 ＜ｄ2 を満足するように活性層３６における井戸層が配置されているとした場合の、井戸層密度ｄ1 および井戸層密度ｄ2 を式（１）、（２）から求めると、以下のとおりとなる。
【００５５】
〈実施例１相当〉
ｄ2 ＝（ＷＬ2 ／ＷＬ）／（ｔ2 ／ｔ0 ）
＝（６／１０）／（７５／１５０）
＝１．２０
ｄ1 ＝（ＷＬ1 ／ＷＬ）／（ｔ1 ／ｔ0 ）
＝（４／１０）／（７５／１５０）
＝０．８０
【００５６】
〈比較例１相当〉
ｄ2 ＝（ＷＬ2 ／ＷＬ）／（ｔ2 ／ｔ0 ）
＝（５／１０）／｛（７３＋１／２）／１４７｝
＝１．００
ｄ1 ＝（ＷＬ1 ／ＷＬ）／（ｔ1 ／ｔ0 ）
＝（５／１０）／｛（７３＋１／２）／１４７｝
＝１．００
【００５７】
また、活性層３６の総厚をｔ0 とし、活性層３６におけるｎ型ＧａＮ層３４側の界面（より具体的には、アンドープＧａＮ層と活性層３６との界面）から厚さ（ｔ0 ／３）までの活性層３６の第１領域内の井戸層密度をｄ1 、ｐ型ＡｌＧａＮ層３８側の界面（より具体的には、アンドープＧａＮ層と活性層３６との界面）から厚さ（２ｔ0 ／３）までの活性層３６の第２領域内の井戸層密度をｄ2 としたとき、ｄ1 ＜ｄ2 を満足するように活性層３６における井戸層が配置されているとした場合の、井戸層密度ｄ1 および井戸層密度ｄ2 を式（１）、（２）から求めると、以下のとおりとなる。
【００５８】
〈実施例１相当〉
ｄ2 ＝（ＷＬ2 ／ＷＬ）／（ｔ2 ／ｔ0 ）
＝（８／１０）／（５０／１５０）
＝２．４０
ｄ1 ＝（ＷＬ1 ／ＷＬ）／（ｔ1 ／ｔ0 ）
＝（２／１０）／（１００／１５０）
＝０．３０
【００５９】
〈比較例１相当〉
ｄ2 ＝（ＷＬ2 ／ＷＬ）／（ｔ2 ／ｔ0 ）
＝｛（６＋２／３）／１０｝／（９８／１４７）
＝１．００
ｄ1 ＝（ＷＬ1 ／ＷＬ）／（ｔ1 ／ｔ0 ）
＝｛（３＋１／３）／１０｝／（４９／１４７）
＝１．００
以上のように、いずれの場合においても、実施例１に相当する場合、ｄ1 ＜ｄ2 を満足するように活性層３６における井戸層が配置されている。
【００６０】
次に、実施例２について説明する。この実施例２は実施例１の変形である。実施例２のＧａＮ系発光ダイオードにおいては、活性層３６の井戸層のＩｎ組成比を調整して発光波長を約４４５ｎｍとした。この実施例２のＧａＮ系発光ダイオードにおける活性層３６を構成する多重量子井戸構造の詳細を表２に示す。
【００６１】
【表２】
2008235606.tif 000004
【００６２】
井戸層密度ｄ1 および井戸層密度ｄ2 を式（１）、（２）から求めると、以下のとおりとなる。
〈実施例２〉
ｄ2 ＝（ＷＬ2 ／ＷＬ）／（ｔ2 ／ｔ0 ）
＝｛（５＋２／９）／１０｝／｛（４０＋２／３）／１２２｝
＝１．５７
ｄ1 ＝（ＷＬ1 ／ＷＬ）／（ｔ1 ／ｔ0 ）
＝｛（４＋７／９）／１０｝／｛（８１＋１／３）／１２２｝
＝０．７２
【００６３】
比較のために、表２に比較例２として示す活性層３６を有するＧａＮ系発光ダイオードを作製した。比較例２における井戸層密度ｄ1 および井戸層密度ｄ2 を式（１）、（２）から求めると、以下のとおりとなる。
〈比較例２〉
ｄ2 ＝（ＷＬ2 ／ＷＬ）／（ｔ2 ／ｔ0 ）
＝｛（３＋１／３）／１０｝／｛（４１＋１／２）／（１２４＋１／２）｝
＝１．００
ｄ1 ＝（ＷＬ1 ／ＷＬ）／（ｔ1 ／ｔ0 ）
＝｛（６＋２／３）｝／１０｝／｛８３／（１２４＋１／２）｝
＝１．００
そして、実施例２および比較例２のＧａＮ系発光ダイオードを、実施例１と同様の方法により評価した。
【００６４】
ＧａＮ系発光ダイオードの動作電流密度と発光ピーク波長との関係を図１５に示す。動作電流密度を０．１Ａ／ｃｍ2 から３００Ａ／ｃｍ2 へと増加させると、比較例１ではΔλ＝−９ｎｍであるのに対して、実施例２ではΔλ＝−１ｎｍと、極めて小さな発光波長シフトが実現されている。このように、青色を発光する実施例２のＧａＮ系発光ダイオードは、比較例２のＧａＮ系発光ダイオードよりも顕著に波長シフトが小さく、優位性が明らかである。
この第２の実施形態によれば、第１の実施形態と同様な利点に加えて、動作電流密度の増加に伴う発光波長の大きなシフトを抑制することができ、しかも一層広範囲の輝度制御を行うことができるという利点を得ることができる。
【００６５】
次に、この発明の第３の実施形態について説明する。この第３の実施形態においては、第１の実施形態によるＧａＮ系発光ダイオードを用いた発光ダイオードバックライトを白色光源として用いた透過型液晶ディスプレイについて説明する。
図１６はこの第３の実施形態による透過型液晶ディスプレイを示す。
図１７に示すように、この透過型液晶ディスプレイにおいては、液晶パネル５１の背面にプリズム板５２および拡散板５３を介して発光ダイオードバックライト５４が設けられている。
【００６６】
発光ダイオードバックライト５４においては、赤色発光の発光ダイオード５５、二つの緑色発光の発光ダイオード５６、５７および青色発光の発光ダイオード５８からなるセルがマトリックス状に配列されている。縦方向および横方向のセル数は必要に応じて選ばれる。符号５５ａ、５６ａ、５７ａ、５８ａは凸レンズを示す。ただし、凸レンズ５５ａ、５６ａ、５７ａ、５８ａの代わりに、用途や光学設計などに応じて、凹レンズやその他の複雑な形状のレンズを用いてもよい。赤色発光の発光ダイオード５５、緑色発光の発光ダイオード５６、５７および青色発光の発光ダイオード５８のうちの少なくとも一種類、好適には緑色発光の発光ダイオード５６、５７および青色発光の発光ダイオード５８として第１の実施形態によるＧａＮ系発光ダイオードが用いられる。赤色発光の発光ダイオード５５として例えばＡｌＧａＩｎＰ系発光ダイオードを用い、緑色発光の発光ダイオード５６、５７および青色発光の発光ダイオード５８のうちの少なくとも一種類として第１の実施形態によるＧａＮ系発光ダイオードを用いてもよい。赤色発光の発光ダイオード５５は駆動回路５９により駆動され、緑色発光の発光ダイオード５６、５７は駆動回路６０により駆動され、青色発光の発光ダイオード５８は駆動回路６１により駆動されるようになっている。各セルの駆動回路５９、６０、６１はバックライトコントローラ６２により制御されるようになっており、さらにこのバックライトコントローラ６２はディスプレイコントローラ６３により制御されるようになっている。各セルには光センサ６４が設けられている。この光センサ６４により赤色発光の発光ダイオード５５、緑色発光の発光ダイオード５６、５７および青色発光の発光ダイオード５８の発光強度が検出され、この光センサ６４の出力がバックライトコントローラ６２に入力されるようになっている。
一方、液晶パネル５１は駆動回路６５により駆動されるようになっており、さらにこの駆動回路６５はディスプレイコントローラ６３により制御されるようになっている。
この場合、赤色発光の発光ダイオード５５、緑色発光の発光ダイオード５６、５７および青色発光の発光ダイオード５８の輝度変調は、発光量の一部または全ての変調を駆動電流振幅変調で行っても、電流パルス幅変調と電流振幅変調とを組み合わせて行っても、電流密度変調と電流振幅変調とを組み合わせて行ってもよい。
【００６７】
この第３の実施形態によれば、発光ダイオードバックライト５４の各セルを構成する赤色発光の発光ダイオード５５、緑色発光の発光ダイオード５６、５７および青色発光の発光ダイオード５８としてＧａＮ系発光ダイオードを用いる場合に、このＧａＮ系発光ダイオードの発光効率を高くすることができるため、発光ダイオードバックライト５４を高輝度化することができ、高輝度の透過型液晶ディスプレイを得ることができる。
【００６８】
次に、この発明の第４の実施形態について説明する。この第４の実施形態においては、赤色発光の発光ダイオード光源、緑色発光の発光ダイオード光源および青色発光の発光ダイオード光源と透過型液晶パネルからなるライトバルブ素子とを組み合わせたプロジェクションディスプレイについて説明する。
図１７はこの第４の実施形態によるプロジェクションディスプレイを示す。
図１７に示すように、このプロジェクションディスプレイにおいては、ダイクロイックプリズム７１の互いに直交する三面に近接して高温多結晶シリコン薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）液晶パネル７２、７３、７４が設けられている。高温多結晶シリコンＴＦＴ液晶パネル７２の背面側には赤色発光の発光ダイオードパネル７５が設けられ、高温多結晶シリコンＴＦＴ液晶パネル７３の背面側には緑色発光の発光ダイオードパネル７６が設けられ、高温多結晶シリコンＴＦＴ液晶パネル７４の背面側には青色発光の発光ダイオードパネル７７が設けられている。ダイクロイックプリズム７１の残りの一面に対向してプロジェクションレンズ７８が設けられている。
【００６９】
赤色発光の発光ダイオードパネル７５においては、基板７５ａ上に赤色発光の発光ダイオード７５ｂがマトリックス状に配列されている。縦方向および横方向の発光ダイオード７５ｂの数は必要に応じて選ばれる。これらの発光ダイオード７５ｂとしては例えばＡｌＧａＩｎＰ系発光ダイオードが用いられる。これらの発光ダイオード７５ｂのｐ型層側は配線電極７５ｃと接続されており、ｎ型層側は透明電極７５ｄと接続されている。透明電極７５ｄ上には各発光ダイオード７５ｂに対応した位置に凸レンズ７５ｅが設けられている。また、緑色発光の発光ダイオードパネル７６においては、基板７６ａ上に緑色発光の発光ダイオード７６ｂがマトリックス状に配列されている。縦方向および横方向の発光ダイオード７６ｂの数は必要に応じて選ばれる。この発光ダイオード７６ｂとしては、第１の実施形態によるＧａＮ系発光ダイオードが用いられる。これらの発光ダイオード７６ｂのｐ型層側は配線電極７６ｃと接続されており、ｎ型層側は透明電極７６ｄと接続されている。透明電極７６ｄ上には各発光ダイオード７６ｂに対応した位置に凸レンズ７６ｅが設けられている。また、青色発光の発光ダイオードパネル７７においては、基板７７ａ上に青色発光の発光ダイオード７７ｂがマトリックス状に配列されている。縦方向および横方向の発光ダイオード７７ｂの数は必要に応じて選ばれる。この発光ダイオード７７ｂとしては、第１の実施形態によるＧａＮ系発光ダイオードが用いられる。これらの発光ダイオード７７ｂのｐ型層側は配線電極７７ｃと接続されており、ｎ型層側は透明電極７７ｄと接続されている。透明電極７７ｄ上には各発光ダイオード７７ｂに対応した位置に凸レンズ７７ｅが設けられている。
【００７０】
このプロジェクションディスプレイにおいては、赤色発光の発光ダイオードパネル７５からの赤色の光、緑色発光の発光ダイオードパネル７６からの緑色の光および青色発光の発光ダイオードパネル７７からの青色の光はそれぞれ高温多結晶シリコンＴＦＴ液晶パネル７２、７３、７４により透過が制御され、これらの赤色の光、緑色の光および青色の光がダイクロイックプリズム７１で合成されて画像が形成され、この画像がプロジェクションレンズ７８を介してスクリーン７９に投影される。
この場合、赤色発光の発光ダイオード７５ｂ、緑色発光の発光ダイオード７６ｂおよび青色発光の発光ダイオード７７ｂの輝度変調については第４の実施形態と同様である。
この第４の実施形態によれば、高輝度のプロジェクションディスプレイを得ることができる。
【００７１】
次に、この発明の第５の実施形態について説明する。この第５の実施形態においては、赤色発光の発光ダイオード光源、緑色発光の発光ダイオード光源および青色発光の発光ダイオード光源とＤＭＤからなるライトバルブ素子とを組み合わせたプロジェクションディスプレイについて説明する。
図１８はこの第５の実施形態によるプロジェクションディスプレイを示す。
図１８に示すように、このプロジェクションディスプレイにおいては、ダイクロイックプリズム８１の互いに直交する三面に対向して赤色発光のパワー発光ダイオード８２、緑色発光のパワー発光ダイオード８３および青色発光のパワー発光ダイオード８４が設けられている。赤色発光のパワー発光ダイオード８２としては例えばＡｌＧａＩｎＰ系発光ダイオードが用いられる。緑色発光のパワー発光ダイオード８３および青色発光のパワー発光ダイオード８４の少なくとも一つとして、第１の実施形態によるＧａＮ系発光ダイオードが用いられる。赤色発光のパワー発光ダイオード８２は発光面上に凸レンズ８２ａを有し、裏面に放熱フィン８２ｂを有する。このパワー発光ダイオード８２からの光は凸レンズ８２ａを通った後、導光部材８５によりダイクロイックプリズム８１の面上に投射される。緑色発光のパワー発光ダイオード８３は発光面上に凸レンズ８３ａを有し、裏面に放熱フィン８３ｂを有する。このパワー発光ダイオード８３からの光は凸レンズ８３ａを通った後、導光部材８６によりダイクロイックプリズム８１の面上に投射される。青色発光のパワー発光ダイオード８４は発光面上に凸レンズ８４ａを有し、裏面に放熱フィン８４ｂを有する。このパワー発光ダイオード８４からの光は凸レンズ８４ａを通った後、導光部材８７によりダイクロイックプリズム８１の面上に投射される。
【００７２】
ダイクロイックプリズム８１の残りの一面に対向してＤＭＤ８８が設けられている。赤色発光のパワー発光ダイオード８２からの赤色の光、緑色発光のパワー発光ダイオード８３からの緑色の光および青色発光のパワー発光ダイオード８４からの青色の光はダイクロイックプリズム８１で混合されて白色光とされ、この白色光がＤＭＤ８８に入射して画像が形成され、この画像がプロジェクションレンズ８９を介してスクリーン９０に投影される。
【００７３】
この場合、赤色発光のパワー発光ダイオード８２、緑色発光のパワー発光ダイオード８３および青色発光のパワー発光ダイオード８４の輝度変調については第３の実施形態と同様である。
この第５の実施形態によれば、高輝度のプロジェクションディスプレイを得ることができる。
【００７４】
次に、この発明の第６の実施形態について説明する。
図１９はこの第６の実施形態によるパッシブマトリックス方式の発光ダイオードディスプレイを示す。
図１９に示すように、この発光ダイオードディスプレイにおいては、赤色発光の発光ダイオード１０１と緑色発光の発光ダイオード１０２と青色発光の発光ダイオード１０３とからなる画素がマトリックス状に配列されている。赤色発光の発光ダイオード１０１としては例えばＡｌＧａＩｎＰ系発光ダイオードが用いられる。緑色発光の発光ダイオード１０２および青色発光の発光ダイオード１０３のうちの少なくとも一つとして、第１の実施形態によるＧａＮ系発光ダイオードが用いられる。縦方向および横方向の画素数は必要に応じて選ばれる。符号Ｃ1 、Ｃ2 、…、Ｃ10、…は行選択線（アドレス線）を示し、行駆動回路１０４に接続されている。符号Ｒ1 、Ｒ2 、…、Ｒ9 、…は列選択線（信号線）を示し、列駆動回路１０５に接続されている。ＰＬＬ（位相同期ループ）／タイミング回路１０６により行駆動回路１０４および列駆動回路１０５が制御されて画素が選択されるとともに、画像データ回路１０７から行駆動回路１０４にＲＧＢ信号が供給される。このＲＧＢ信号に応じて、選択された画素の赤色発光の発光ダイオード１０１、緑色発光の発光ダイオード１０２および青色発光の発光ダイオード１０３に電流が流されて駆動される。駆動走査方式としては、点順次駆動走査方式や線順次駆動走査方式などが用いられる。
この場合、赤色発光の発光ダイオード１０１、緑色発光の発光ダイオード１０２および青色発光の発光ダイオード１０３の輝度変調については第４の実施形態と同様である。
この第６の実施形態によれば、高輝度の発光ダイオードディスプレイを得ることができる。
【００７５】
次に、この発明の第７の実施形態について説明する。
図２０はこの第７の実施形態によるアクティブマトリックス方式の発光ダイオードディスプレイを示す。
図２０に示すように、この発光ダイオードディスプレイにおいては、赤色発光の発光ダイオード１１１と緑色発光の発光ダイオード１１２と青色発光の発光ダイオード１１３とアクティブ素子１１４とからなる画素がマトリックス状に配列されている。赤色発光の発光ダイオード１１１としては例えばＡｌＧａＩｎＰ系発光ダイオードが用いられる。緑色発光の発光ダイオード１１２および青色発光の発光ダイオード１１３のうちの少なくとも一つとして、第１の実施形態によるＧａＮ系発光ダイオードが用いられる。縦方向および横方向の画素数は必要に応じて選ばれる。これらの赤色発光の発光ダイオード１１１、緑色発光の発光ダイオード１１２および青色発光の発光ダイオード１１３のｎ型層側は接地線１１５と接続され、ｐ型層側はアクティブ素子１１４と接続されている。アクティブ素子１１４は赤色発光の発光ダイオード１１１、緑色発光の発光ダイオード１１２および青色発光の発光ダイオード１１３を駆動する能力を有する素子であり、例えばシリコン集積回路などからなる。符号Ｃ1 、Ｃ2 、…、Ｃ6 、…は行選択線（アドレス線）を示し、行駆動回路１１６に接続されている。符号Ｒ1 、Ｒ2 、…、Ｒ6 、…は列選択線（信号線）を示し、列駆動回路１１７に接続されている。行駆動回路１１６および列駆動回路１１７により選択された画素のアクティブ素子１１４が駆動され、これによってこの画素の赤色発光の発光ダイオード１１１、緑色発光の発光ダイオード１１２および青色発光の発光ダイオード１１３に電流が流されて駆動される。
この場合、赤色発光の発光ダイオード１１１、緑色発光の発光ダイオード１１２および青色発光の発光ダイオード１１３の輝度変調については第４の実施形態と同様である。
この第７の実施形態によれば、高輝度の発光ダイオードディスプレイを得ることができる。
【００７６】
以上、この発明の実施形態について具体的に説明したが、この発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、この発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。
例えば、上述の第１〜第７の実施形態において挙げた数値、材料、構造、形状、基板、原料、プロセス、回路構成などはあくまでも例に過ぎず、必要に応じて、これらと異なる数値、材料、構造、形状、基板、原料、プロセス、回路構成などを用いてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００７７】
【図１】本発明者らが行った実験に用いたＧａＮ系発光ダイオードを示す断面図である。
【図２】図１に示すＧａＮ系発光ダイオードの活性層の詳細を示す断面図である。
【図３】本発明者らが行ったエレクトロルミネッセンス測定に用いたＧａＮ系発光ダイオードを示す断面図である。
【図４】本発明者らが行ったエレクトロルミネッセンス測定の結果を示す略線図である。
【図５】本発明の原理を説明するための略線図である。
【図６】本発明の原理を説明するための略線図である。
【図７】本発明の原理を説明するための略線図である。
【図８】この発明の第１の実施形態によるＧａＮ系発光ダイオードを示す断面図である。
【図９】図８に示すＧａＮ系発光ダイオードの活性層の詳細を示す断面図である。
【図１０】この発明の第１の実施形態によるＧａＮ系発光ダイオードの製造方法を説明するための略線図である。
【図１１】この発明の第１の実施形態によるＧａＮ系発光ダイオードについて行ったエレクトロルミネッセンス測定の結果を示す略線図である。
【図１２】この発明の第２の実施形態によるＧａＮ系発光ダイオードを説明するための略線図である。
【図１３】この発明の第２の実施形態によるＧａＮ系発光ダイオードを説明するための略線図である。
【図１４】この発明の第２の実施形態によるＧａＮ系発光ダイオードを説明するための略線図である。
【図１５】この発明の第２の実施形態によるＧａＮ系発光ダイオードを説明するための略線図である。
【図１６】この発明の第３の実施形態による透過型液晶ディスプレイを示す略線図である。
【図１７】この発明の第４の実施形態によるプロジェクションディスプレイを示す略線図である。
【図１８】この発明の第５の実施形態によるプロジェクションディスプレイを示す略線図である。
【図１９】この発明の第６の実施形態によるパッシブマトリックス方式の発光ダイオードディスプレイを示す略線図である。
【図２０】この発明の第７の実施形態によるアクティブマトリックス方式の発光ダイオードディスプレイを示す略線図である。
【符号の説明】
【００７８】
３４…ｎ型ＧａＮ層、３６…活性層、３６ａ…ＩｎＧａＮ層、３６ｂ…ＧａＮ層、３８…ｐ型ＡｌＧａＮ層、５４…発光ダイオードバックライト、５５、７５ｂ、１０１、１１１…赤色発光の発光ダイオード、５６、５７、７６ｂ、１０２、１１２…緑色発光の発光ダイオード、５８、７７ｂ、１０３、１１３…青色発光の発光ダイオード、７８、８９…プロジェクションレンズ、７９、９０…スクリーン、８２…赤色発光のパワー発光ダイオード、８３…緑色発光のパワー発光ダイオード、８４…青色発光のパワー発光ダイオード、１０４、１１６…行駆動回路、１０５、１１７…列駆動回路、１１４…アクティブ素子
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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