(57)【要約】【課題】蛍光体を不要とした単純な構造を有する高輝度の白色ＬＥＤを提供すること。【解決手段】４００〜４８５ｎｍの領域に発光波長を有する青色光を発する窒化物エピタキシャル発光層３と、この青色光を吸収し５５０〜５８０ｎｍの領域に発光波長を有する黄色光を発するｎ型窒化物半導体発光層４とを、サファイア基板１上に順次エピタキシャル成長によって積層させ、これら青色及び黄色光を混色させて白色光を得る。【選択図】    図１
2004335716.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
白色ＬＥＤであって、
ｐ型クラッド層とｎ型クラッド層とこれらｐ型及びｎ型クラッド層の間に設けられた活性層とを備え、電流注入によって青色光を発する化合物半導体から成る第一の発光層と、
前記青色光の一部を吸収し黄色光を発する化合物半導体から成る第二の発光層と、
を有することを特徴とする白色ＬＥＤ。
【請求項２】
前記青色光は、４００〜４８５ｎｍの領域に発光波長を有し、前記黄色光は、５５０〜５８５ｎｍの領域に発光波長を有することを特徴とする請求項１に記載の白色ＬＥＤ。
【請求項３】
前記第一の発光層は、少なくともＧａとＩｎとを含む化学量論組成を有する窒化物半導体から成り、前記第二の発光層は、少なくともＧａを含む非化学量論組成を有する窒化物半導体から成ることを特徴とする請求項１又は２に記載の白色ＬＥＤ。
【請求項４】
前記第一の発光層は、主組成がＩｎｘＧａ１−ｘＮｙであり、混晶比ｘ及び化学量論組成比ｙが０．１３≦ｘ≦０．４５且つｙ＝１．０を満たし、前記第二の発光層は、主組成がＩｎｘＧａ１−ｘＮｙであり、混晶比ｘ及び化学量論組成比ｙが０≦ｘ≦０．４５且つｙ＜１．０を満たすことを特徴とする請求項１乃至３に記載の白色ＬＥＤ。
【請求項５】
前記第二の発光層は、ｎ型半導体であることを特徴とする請求項１乃至４に記載の白色ＬＥＤ。
【請求項６】
前記第一及び第二の発光層は、サファイア基板上にエピタキシャル成長させたことを特徴とする請求項１乃至５に記載の白色ＬＥＤ。
【請求項７】
前記第一及び第二の発光層は、サファイア基板上に前記第一の発光層、前記第二の発光層の順にエピタキシャル成長させたことを特徴とする請求項１乃至６に記載の白色ＬＥＤ。
【請求項８】
前記第二の発光層は、結晶欠陥（窒素欠陥）を導入したことを特徴とする請求項１乃至７に記載の白色ＬＥＤ。
【請求項９】
前記第二の発光層は、前記結晶欠陥に加え、Ｓｉをドープしたことを特徴とする請求項１乃至７に記載の白色ＬＥＤ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、化合物半導体ＬＥＤに関し、特に窒化物半導体層から成る白色ＬＥＤに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、半導体照明という言葉が現実のものとなりつつある。これは、化合物半導体エピタキシャル成長技術と発光素子プロセス技術の急速な進歩によって、電気から光への変換効率が非常に高いＬＥＤが開発され、極めて高い輝度を有する可視光ＬＥＤが固体光源として実用化されたためである。化合物半導体を用いた可視光ＬＥＤは、従来の照明用光源と比較して、消費電力が小さく、衝撃にも強く、小型軽量、高速応答、高輝度、高寿命といった数々の長所を備えているため、各種照明用光源の代替品として理想的なものであり、次世代照明の有力な候補として期待が高まっている。
【０００３】
特に、近年におけるＩｎＧａＮ（インジウムガリウムナイトライド）系材料を用いた緑色及び青色ＬＥＤの開発や、ＡｌＧａＡｓ（アルミニウムガリウムアルセニック）系材料を用いた超高輝度、高効率の赤色ＬＥＤの開発によって、これらの可視光ＬＥＤを用いたフルカラー表示が可能となったことは特筆すべきことである。これにより、信号灯器、自動車の計器パネル、携帯電話の液晶パネル用バックライトなどの各種表示パネル用光源として、その使用範囲が大幅に広がりつつある。可視光領域の中でも特に、白色光は、蛍光灯、ハロゲンランプ、白熱電球などその用途が極めて広範にわたるため、それらの代替物としての役割が大いに期待されている。これに伴ない、これらの可視光ＬＥＤを用いて白色発光光源を構成するための種々の試みがなされている。
【０００４】
白色ＬＥＤの実現には、現在、大きく分けて以下の３つの方法が検討されている。
【０００５】
（１）３種類のＬＥＤ（赤色、緑色、及び青色）を近接して配置させ、これらＬＥＤが発する三原色光を混色させて白色光を得る方法。
【０００６】
（２）紫外ＬＥＤが発する紫外光によって、赤色、緑色、及び青色光をそれぞれ発する蛍光体を励起させ、これら蛍光体が発する三原色光を混合させて白色光を得る方法。（たとえば、特許文献１参照）。
【０００７】
（３）青色ＬＥＤが発する青色光によって、その補色関係にある黄色光を発する物質を励起させて、これら青色光及び黄色光を混色させて白色光を得る方法。
【０００８】
この方法は更に以下の２つの方法に分類される。
【０００９】
（３−ａ）窒化物系青色ＬＥＤが発する青色光と、ＬＥＤとは別途に用意された黄色蛍光体が青色光の一部を吸収し発光中心が励起されて発する黄色光を混色させて白色光を得る方法。（例えば、特許文献２参照）。
【００１０】
（３−ｂ）ＺｎＳｅ（セレン化亜鉛）にＩをドープしたＺｎＳｅ：Ｉ（ヨウ素ドープセレン化亜鉛）基板上に、ＺｎＳｅエピタキシャル発光層から成る青色ＬＥＤ層を形成し、青色ＬＥＤ層が発する青色光と、この青色光の一部をＺｎＳｅ：Ｉ基板が吸収することにより、ＺｎＳｅ：Ｉ基板が発する黄色光とを混色させて白色光を得る方法。（たとえば、特許文献３参照）。
【００１１】
【特許文献１】
特開２００１−１２７３６４号公報
【００１２】
【特許文献２】
特開２０００−２０８８１５号公報
【００１３】
【特許文献３】
特開２００１−０１５８１０号公報
しかしながら、上述した従来技術には以下の問題がある。
【００１４】
（１）の問題：赤色、青色、及び緑色ＬＥＤからの発光を混色する場合、各ＬＥＤの発光強度、及び発光波長特性によって白色光の見え方が大きく変化するという問題が生じる。また、３種類のＬＥＤを組み合わせることになるため、単一のＬＥＤを用いた場合と比較して、コストが高くなる。更には、駆動回路の設計も複雑になる上、消費電力も増大するといった問題も生じる。
【００１５】
（２）及び（３−ａ）の問題：ＬＥＤ以外に蛍光体が別途必要となる上、蛍光体はパッケージに塗布することが多く、パッケージに収めた状態で初めて白色の色調が決定されることになるため、コスト・歩留まりに問題が生じる。
【００１６】
（３−ｂ）の問題：ＺｎＳｅはイオン結合性結晶であるため、元素同士の結合力が共有結合や金属結合と比較して弱く、高出力を得るために大電流を流すとデバイス自体が劣化してしまうため、高輝度のＬＥＤを得ることが難しいといった問題が生じる。
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】
このように、従来の白色ＬＥＤにおいては、発光の安定性、製造コスト・歩留まりなどに問題を抱えており、白色ＬＥＤの確実な実用化に向けて、これらの問題を解決することが重要な課題となっている。
【００１８】
本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、蛍光体を不要とし、更には化合物半導体層が窒化物半導体から成る白色ＬＥＤを提供することを目的とする。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するための手段として、請求項１に記載の白色ＬＥＤは、ｐ型クラッド層とｎ型クラッド層とこれらｐ型及びｎ型クラッド層の間に設けられた活性層とを備え、電流注入によって青色光を発する化合物半導体から成る第一の発光層と、前記青色光の一部を吸収して黄色光を発する化合物半導体からなる第二の発光層とを有することを特徴とするものである。
【００２０】
本発明によれば、お互いに補色関係にある青色及び黄色光を化合物半導体層のみで発光させることができるので、従来のようにＹＡＧ蛍光体などのフォトルミネセンス蛍光体を別途必要とせずに白色光を得ることが可能となる。更に、蛍光体が不要となるため、実装コストが安価になる。更には、チップ自体が白色光を発するので、チップ状態で白色の色調の検査が可能となるため、製造コスト・歩留まりを改善できる。
【００２１】
請求項２に記載の白色ＬＥＤは、請求項１に記載の白色ＬＥＤであって、前記青色光は、４００〜４８５ｎｍの領域に発光波長を有し、前記黄色光は、５５０〜５８５ｎｍの領域に発光波長を有することを特徴とするものである。
【００２２】
本発明によれば、第一の発光層が発する青色光及び第二の発光層が発する黄色光の波長領域を上記の範囲に制限することによって、白色光を得ることが可能となる。
【００２３】
請求項３に記載の白色ＬＥＤは、請求項１又は２に記載の白色ＬＥＤであって、前記第一の発光層は、少なくともＧａとＩｎとを含む化学量論組成を有する窒化物半導体から成り、前記第二の発光層は、少なくともＧａを含む非化学量論組成を有する窒化物半導体から成ることを特徴とするものである。
【００２４】
本発明によれば、第一及び第二の発光層として特に窒化物半導体を用いることによって、ＺｎＳｅ半導体を用いた場合と比較して、大電流注入を行っても素子の劣化が小さく、高輝度の白色ＬＥＤを製造することが可能となる。また、第一の発光層を少なくともＧａとＩｎとを含む化学量論組成とし、第二の発光層を少なくともＧａを含む非化学量論組成とすることによって、第一の発光層の発する青色光の波長領域及び第二の発光層が発する黄色光の波長領域を請求項２に記載の範囲とすることが可能となる。
【００２５】
請求項４に記載の白色ＬＥＤは、請求項１乃至３に記載の白色ＬＥＤであって、前記第一の発光層は、主組成がＩｎｘＧａ１−ｘＮｙであり、混晶比ｘ及び化学量論組成比ｙが０．１３≦ｘ≦０．４５且つｙ＝１．０を満たし、前記第二の発光層は、主組成がＩｎｘＧａ１−ｘＮｙであり、混晶比ｘ及び化学量論組成比ｙが０≦ｘ≦０．４５且つｙ＜１．０を満たすことを特徴とするものである。
【００２６】
本発明によれば、白色光の色調を決めるパラメータとして、特に第一及び第二の発光層の混晶比ｘと第二の発光層の化学量論組成比ｙを上記のように調整することによって、第一の発光層が発する青色光及び第二の発光層が発する黄色光の波長領域を請求項２に記載の範囲に制御することが可能となる。したがって、請求項２の効果を一層確実なものとすることが可能となる。
【００２７】
請求項５に記載の白色ＬＥＤは、請求項１乃至４に記載の白色ＬＥＤであって、前記第二の発光層は、ｎ型半導体であることを特徴とするものである。
【００２８】
本発明によれば、第二の発光層をｎ型半導体とすることによって、第二の発光層の上に電極を形成しても第一の発光層に電流注入を行うことが可能となる。
【００２９】
請求項６に記載の白色ＬＥＤは、請求項１乃至５に記載の白色ＬＥＤであって、前記第一及び第二の発光層は、サファイア基板上にエピタキシャル成長させたことを特徴とするものである。
【００３０】
本発明によれば、第一及び第二の発光層をサファイア基板上にエピタキシャル成長させることによって、実用的な白色ＬＥＤを提供することが可能になる。また、サファイアは化学的に安定であり、且つ耐熱性にすぐれたものであるため、窒化物半導体から成る第一及び第二の発光層を形成する上で都合がよい。
【００３１】
請求項７に記載の白色ＬＥＤは、請求項１乃至６に記載の白色ＬＥＤであって、前記第一及び第二の発光層は、前記サファイア基板上に前記第一の発光層、前記第二の発光層の順にエピタキシャル成長させたことを特徴とするものである。
【００３２】
本発明によれば、サファイア基板上に、第一の発光層、第二の発光層の順にエピタキシャル成長させることによって、第一の発光層が発する青色光及び第二の発光層が発する黄色光の外部への放射の割合を制御することが容易になり、白色光の色調を良好なものとすることが可能となる。
【００３３】
請求項８に記載の白色ＬＥＤは、請求項１乃至７に記載の白色ＬＥＤであって、前記第二の発光層は、結晶欠陥（窒素欠陥）を導入したものである。
【００３４】
本発明によれば、第二の発光層に結晶欠陥（窒素欠陥）を導入することによって、ｎ型導電性を得るとともに、４００〜４８５ｎｍの領域に発光波長を有する第一の発光層が発する青色光を吸収して５５０〜５８５ｎｍの領域に発光波長を有する黄色光を発することが可能となる。
【００３５】
請求項９に記載の白色ＬＥＤは、請求項１乃至７に記載の白色ＬＥＤであって、前記第二の発光層が、前記結晶欠陥に加え、Ｓｉをドープしたものである。
【００３６】
本発明によれば、第二の発光層より５５０〜５８０ｎｍの領域に発光波長を有する黄色光を得られる上、キャリア（電子）濃度をＳｉドープ量により制御することによって、所望のｎ型導電性を得ることが可能になる。
【００３７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図１から図７に基づき詳細に説明する。本発明の白色ＬＥＤの特徴は、２つの窒化物半導体発光層（すなわち、電流注入によって青色光を発する窒化物エピタキシャル発光層と、この青色光の一部を吸収し黄色光を発するｎ型窒化物半導体発光層）を積層しただけの簡単な構造によって高効率且つ高輝度の白色光を得ることにある。
【００３８】
図１は、本発明に係る白色ＬＥＤの一実施形態の概略構成を示す断面図である。本実施形態における白色ＬＥＤは、サファイア基板１、サファイア基板１との格子不整合を緩和して、Ｇａ，Ｉｎ，Ａｌ等のＩＩＩ族元素とＮから構成される窒化物エピタキシャル発光層（以下、窒化物エピタキシャル発光層）３（後述）の転位密度を低減するＧａＮバッファ層２、電流注入によって青色光を発する窒化物エピタキシャル発光層３、窒化物エピタキシャル発光層３が発する青色光の一部を吸収し、黄色光を発する結晶欠陥（窒素欠陥）を導入したＧａ，Ｉｎ，Ａｌ等のＩＩＩ族元素とＮから構成される窒化物ｎ型ＧａＮ半導体発光層（以下、ｎ型窒化物半導体発光層）４、ｎ型ＧａＮコンタクト層５、ｎ型ＧａＮコンタクト層５上に形成したｎ型電極層６、及び窒化物エピタキシャル発光層３に含まれるｐ型ＧａＮコンタクト層３１（後述）上に形成したｐ型電極層７を順次積層させた多層構造を有する。
【００３９】
本発明に係る白色ＬＥＤは、サファイア基板１上にＧａＮやＩｎＧａＮ（インジウムガリウムナイトライド）を主組成とする窒化物半導体層を、有機金属気相エピキタシー（ＭＯＶＰＥ）法、分子エピキタシーＭＢＥ法、又はガスソースＭＢＥ法などの方法を用いて順次エピタキシャル成長させることによって作製される。
【００４０】
ＭＯＶＰＥ法は、基板を設置した反応容器内に、反応ガスとして有機金属化合物ガスを供給し、結晶成長温度をおよそ５００〜１１００℃の高温で保持して、基板上に化合物半導体結晶のエピタキシャル層を成長させる方法である。
【００４１】
この方法を用いて、ＧａＮ（ガリウムナイトライド）をエピタキシャル成長させる場合には、まずサファイア基板１上にＨ２ガスを供給し、１０５０〜１１００℃の温度条件下で加熱処理をしてサファイア基板表面の酸化膜を除去し、次いで原料輸送ガス（キャリアガス）となるＮ２とＨ２に加え、ＩＩＩ族ガスとしてＴＭＧ（トリメチルガリウム）ガス、Ｖ族ガスとなるＮＨ３（アンモニア）を供給し、５００〜５５０℃の温度条件下でバッファ層を形成し、次いで、ＴＭＧガス及びＮＨ３ガスのみを止めて、昇温した後、１０００〜１０５０℃の温度条件下で再度ＴＭＧガス、ＮＨ３ガスを供給してエピタキシャル層を成長させればよい。
【００４２】
また、ＩｎＧａＮ（インジウムガイリウムナイトライド）をエピタキシャル成長させる場合には、７００〜８００℃の温度条件下で、ＴＭＧガスに加えてＴＭＩ（トリメチルインジウム）ガスも供給する。
【００４３】
このような作製方法によって、本実施形態では、まず最初に、図１に示すように、サファイア基板１（図１）上に形成したＧａＮバッファ層２を形成し、次いで窒化物エピタキシャル発光層３、ｎ型窒化物半導体層４、ｎ型ＧａＮコンタクト層５を順次形成していく。窒化物エピタキシャル発光層３の詳細は図２の断面図に示されている。ｐ型ＧａＮコンタクト層３１、ｐ型ＧａＮクラッド層３２、ＩｎＧａＮ活性（発光）層３３、及びｎ型ＧａＮクラッド層３４などを順次積層させた構造となっている。
【００４４】
活性層とクラッド層とのバンドギャップ差を大きく取りたい場合には、ｐ型ＧａＮクラッド層３２及びｎ型ＧａＮクラッド層３４をＡｌＧａＮ（アルミニウムガリウムナイトライド）としてもよい。
【００４５】
窒化物エピタキシャル発光層３中の各層の典型的な厚さは、ｐ型ＧａＮコンタクト層３１は１２００Å、ｐ型ＧａＮクラッド層３２は６００Å、ＩｎＧａＮ活性層３３は数１０〜１００Å、ｎ型ＧａＮクラッド層３４は３００Åなどである。このとき、ｎ型ＧａＮコンタクト層５及びＧａＮバッファ層２（図１）の典型的な厚さは、それぞれ４０００Å及び５００Åなどである。
【００４６】
ＩｎＧａＮ活性層３３は、ＧａＮ及びＩｎＮの混晶であるＩｎｘＧａ１−ｘＮを主組成とする化学量論組成を有する窒化物半導体である。ＧａＮ及びＩｎＮは、室温でそれぞれ３．４ｅＶ及び１．９ｅＶのバンドギャップエネルギー（Ｅｇ）を有する直接遷移型半導体であり、これらの固有発光波長λは次の関係式：
λ（ｎｍ）＝１２４０／Ｅｇ（ｅＶ）  （１）
から求めることができ、それぞれ３６５ｎｍ及び６５０ｎｍとなる。したがって、混晶比ｘを変化させることによって、３６５ｎｍの近紫外領域から６５０ｎｍの赤色領域までの発光波長を有するＬＥＤを実現することが可能である。
【００４７】
本発明においては、窒化物エピタキシャル発光層３（ＩｎＧａＮ活性層３３）の発光波長としては青色光の波長領域を想定している。
【００４８】
本発明においては、窒化物エピタキシャル発光層３は、ｎ型及びｐ型電極層間６、７に電流を注入したときに、電子及び正孔をＩｎＧａＮ活性層３３に効果的に閉じ込める構造であればいかなるものでもよく、図２はあくまでもその一例を示したものである。本発明のＩｎＧａＮ活性層３３としては、ｐ型ＧａＮクラッド層３２及びｎ型ＧａＮクラッド層３４の間に設けられた構造であれば、いかなるものでも構わず、例えば活性層をバンドギャップが異なる２種類の組成の積層により構成する多重量子井戸構造などが考えられる。
【００４９】
本実施形態においては、このようなプロセスを経て成長させた窒化物エピタキシャル発光層３上に、窒化物エピタキシャル発光層３と同じくＧａ、Ｉｎ、Ａｌ等のＩＩＩ族元素とＮから構成されるｎ型窒化物半導体層（以下、ｎ型窒化物半導体発光層）４（後述）、ｎ型ＧａＮコンタクト層５の順にエピタキシャル成長させ、積層させる。
【００５０】
本実施形態における白色ＬＥＤのこのような構成（サファイア基板１上に、窒化物エピタキシャル発光層３、ｎ型窒化物半導体発光層４の順にエピタキシャル成長させる構成）によれば、ｎ型ＧａＮクラッド層３４及びコンタクト層５は低抵抗にしやすいからｎ型電極層６が狭い電極構造であってもよくなり、低抵抗にするのが困難なｐ型ＧａＮクラッド層３２及びコンタクト層３１には広い面積のｐ型電極層７を形成でき、接触抵抗を減らすことが可能となるなどの電気的に好ましい構造を得ることが可能となる。
【００５１】
ｎ型窒化物半導体発光層４は、ＧａＮ及びＩｎＧａＮの混晶であるＩｎｘＧａ１−ｘＮｙを主組成とする非化学量論組成（すなわち、化学量論組成比ｙがｙ＜１を満たす）を有する窒化物半導体である。なお、本実施形態では、混晶比ｘがｘ＝０の場合について示している。
【００５２】
図３に、本発明に係る非化学量論組成を有するｎ型窒化物半導体発光層４の発光の典型的なＰＬ（フォトルミネセンス）スペクトルを示す。ＧａＮのバンド端発光に起因する３６５ｎｍ付近の紫外域の強い発光とともに、５８０ｎｍ付近にブロードな発光線が確認される。図３中の５５０〜５８０ｎｍの波長領域の発光は黄色光である。
【００５３】
この発光線は、伝導帯に押し上げられた電子が、結晶欠陥（窒素欠陥）又は格子間金属（この場合、Ｇａ）に起因するバンドギャップ中央に作られた準位に非輻射的に遷移し、更にそこから輻射的に正孔と価電子帯の正孔とが再結合することにより生じるもの（いわゆる、深い準位の発光）とされており、化学量論組成からのずれが大きくなればなるほどこの発光線は増大する（例えば、酸化亜鉛はバンドギャップが室温で約３．３７ｅＶと紫外線域にバンド端発光を有するが、酸化欠陥の大きな結晶をつくり緑色域（５００ｎｍ付近）の発光を増大させることにより緑色蛍光体として使用される例もある）。
【００５４】
通常のＬＥＤの応用においては、この深い準位の発光はバンド端発光の効率を低下させるので、窒化物半導体エピタキシャル層の成長条件を制限することによって、化学量論組成に近い結晶を得ている。しかし、本発明においては、後述するように、この深い準位の発光が本質的なものとなる。すなわち、本発明においては、非化学量論組成を有するｎ型窒化物半導体発光層４が、窒化物エピタキシャル発光層３の発する青色光の一部を吸収し、窒素欠陥などによって導入された非バンド端発光が黄色光を発するということが重要となる。
【００５５】
幸いにして、この深い準位の発光（非バンド端発光）が支配的な非化学量論組成の結晶を得ることは、技術的には比較的容易である。
【００５６】
ｎ型窒化物半導体発光層４はノンドープであってもｎ型半導性を示すので、ｎ型ＧａＮ半導体発光層４の上に電極を形成しても窒化物エピタキシャル発光層３に効果的に電流注入を行うことが可能となる。
【００５７】
もちろん、このｎ型窒化物半導体発光層４に、Ｓｉ（シリコン）、Ｇｅ（ゲルマニウム）、Ｓｅ（セレン）、Ｔｅ（テルリウム）、Ｏ（酸素）、及びＣ（炭素）などの不純物をドープしてもよい。不純物のドープによりｎ型窒化物半導体層４のｎ型導電性を制御することが可能になる。ドープする不純物としてはＳｉが制御性、電気的活性性から望ましい。このときＳｉをドーピングするためのガスとしては、ＳｉＨ４（モノシラン）、ＳｉＨ２Ｃｌ２（ジクロールシラン）が適当である。なお、不純物をドープしても、ｎ型窒化物半導体層の発光スペクトルの特性はほとんど変化しない。
【００５８】
ここで、本発明に係る２つの窒化物半導体層（窒化物エピタキシャル発光層３及びｎ型窒化物半導体発光層４）から成るＬＥＤが白色光を発する原理について説明する。図４は、本発明に係る白色ＬＥＤの白色光の発光原理を示した概念図である。まず、ｎ型及びｐ型電極層６、７（図１）から、ｎ型窒化物半導体発光層４などを介して、窒化物エピタキシャル発光層３に対して順方向に電流を流すと、ＩｎＧａＮ活性層３３は青色光（Ｂ）を発する。このとき、ＧａＮエピタキシャル発光層３（ＩｎＧａＮ活性層３３）から発せられた青色光は、側面からの外部への放射を無視して考えた場合、上向きに放射されることになる。したがって、青色光は全部ｎ型窒化物半導体発光層４に達することになる。すると、ｎ型窒化物半導体発光層４は、入射された青色光の一部であるバンドギャップに準じた青色光を吸収する。そして、吸収された青色光のエネルギーによって励起されたｎ型窒化物半導体発光層４は、バンド端発光となる紫外光、及び非バンド端発光となる黄色光（Ｙ）を発する。この黄色光は全部上向きに外部に放射される。そして最終的に、窒化物エピタキシャル発光層３から上向きに放射された青色光及びｎ型窒化物半導体発光層４から上向きに放射された黄色光が外部で混色されることになる。このときの混色光が、肉眼では白色（Ｗ＝Ｂ＋Ｙ）として認知される。また、ｎ型窒化物半導体層４から黄色光とともに発する紫外光は、白色の色調に影響を及ぼさない。
【００５９】
本実施形態における白色ＬＥＤの構成（サファイア基板１上に、窒化物エピタキシャル発光層３、ｎ型窒化物半導体発光層４の順にエピタキシャル成長させる構成）によれば、ｎ型窒化物半導体発光層４の厚みに比例して黄色光の発光を増加させることが可能となるので、白色光の色調を制御することが容易となる。
【００６０】
ところで、上記のような原理を用いて白色ＬＥＤを作製するにあたって、窒化物エピタキシャル発光層３の発光の波長と、この窒化物エピタキシャル発光層３の発光を吸収してｎ型窒化物半導体発光層４が発する発光の波長はお互いに補色関係を満たさなければならない。
【００６１】
そこで、図５に示す色度図から白色光を発する組み合わせについて検討する。図５は、本発明に係る白色ＬＥＤの発光の波長に対応した色度の補色関係を示す砲弾型ＬＥＤ色度図である。色度図とは、人間の網膜中の３種類の錐体の感知する赤、緑、及び青に相当する色刺激量を数値化したものであって、すべての色をＸＹの２次元座標系で表すことができる。ここで、赤に対応する色刺激量をｘ、緑に対応する色刺激量をｙ、青に対応する色刺激量をｚとしたときに、Ｘ＝ｘ／（ｘ＋ｙ＋ｚ）であり、Ｙ＝ｙ／（ｘ＋ｙ＋ｚ）である。
【００６２】
図３に示すように、ｎ型窒化物半導体発光層４からの非バンド端発光はおよそ５５０〜５８０ｎｍの領域に発光波長を有する黄色光である。これらの上限値及び下限値を色度で表すと、図５の白丸となる。色度図においては、２つの色を合成した場合、その合成色の色度は、もとの色の色度（白丸）と白色領域を介した反対側の単色カーブ上の補色の色度（黒丸）の間を結ぶ直線上に乗る。したがって、この白丸で表される波長の発光とその補色である黒丸で表される波長の発光とを適当な割合で合成すると白色光が得られることがわかる。本発明においては、黒丸で示すように、５５０ｎｍに対しては４００ｎｍ、５８０ｎｍに対しては４８５ｎｍという補色関係を考える。
【００６３】
したがって、ｎ型窒化物半導体発光層４からの非バンド端発光の波長領域の補色となる波長領域は４００〜４８５ｎｍとなる。この波長領域の発光は青色光であり、前述したように窒化物エピタキシャル発光層３の活性層はＧａＮとＩｎＮとの混晶であるＩｎｘＧａ１−ｘＮｙを主組成としているので、本発明においては、この領域の発光波長はカバーされている。また、この波長領域を選択することは、ＩｎＧａＮを活性層に用いるＬＥＤの外部量子効果が最大となることも都合がよい。
【００６４】
上記のバンド端発光の波長領域（４００〜４８５ｎｍ）を有する青色光を得るために必要とされる窒化物エピタキシャル発光層３の混晶比ｘ、及び上記非バンド端発光の波長領域（５５０〜５８０ｎｍ）を有する黄色光を得るために必要とされるｎ型窒化物半導体発光層４の混晶比ｘと非化学量論組成比ｙは、以下のようにして算出される。
【００６５】
ＧａＮエピタキシャル発光層３（主組成：ＩｎｘＧａ１−ｘＮ）が発する青色光は、上述したように、４００〜４８５ｎｍの領域に発光波長を有する。前述した関係式（１）から、この波長領域に対応するギャップエネルギーは、２．５６〜３．１ｅＶとなることがわかる。また、ＩｎＧａＮのバンドギャップエネルギーＥｇＩｎＧａＮと混晶比ｘとの間には次の関係式：
ＥｇＩｎＧａＮ＝ＥｇＧａＮ＋ＥｇＩｎＮ―Ｂ・ｘ（１−ｘ）  （２）
が成り立つことが知られている。ここで、ＥｇＩｎＧａＮ及びＥｇＩｎＮはそれぞれＩｎＧａ、及びＩｎＮのバンドギャップエネルギーを表し、Ｂはボーイングパラメータを表す。そこで、この関係式（２）に、ＥｇＩｎＧａＮ＝２．５６ｅＶ及び３．１ｅＶ、ＥｇＩｎＧａ＝３．４ｅＶ、ＥｇＩｎＮ＝１．９ｅＶ、Ｂ＝１．０ｅＶを代入してｘの上限値と下限値を算出すると、４００〜４８５ｎｍの波長領域に対応する混晶比ｘの範囲は、０．１３≦ｘ≦０．４５となることがわかる。
【００６６】
次に、ｎ型窒化物半導体発光層４（主組成：ＩｎｘＧａ１−ｘＮｙ）の混晶比ｘは、上述の計算結果に応じて、０≦ｘ≦０．４５を満たせばよい。このように、ｎ型窒化物半導体発光層４の発するバンド端発光の波長を４８５ｎｍ以下にすることによって、白色の色合いが良好なものとなる。一方、このバンド端発光の波長が４８５ｎｍを越えると、緑がかった白色光になってしまい、輝度が落ちることになる。
【００６７】
この前提の下で、化学量論組成比ｙは、ｙ＜１．０であればよい。もっとも、望ましくは０．５＜ｙ＜１．０、更に望ましくは０．５＜ｘ＜０．７５の範囲であるとよい。
【００６８】
本発明に係る白色ＬＥＤのこのような構成によれば、サファイア基板１上にエピタキシャル成長させた窒化物エピタキシャル発光層３が発する４００〜４８５ｎｍの領域に発光波長を有する青色光と、青色光の一部を吸収し、発光中心が励起されてｎ型窒化物半導体発光層４が発する５５０〜５８５ｎｍの領域に発光波長を有する黄色光が外部で混色されることにより高効率且つ高輝度の白色を発することが可能となる。
【００６９】
このように、本発明においては、サファイア基板上に窒化物半導層を形成することのみで高効率且つ高輝度の白色ＬＥＤを実現できる。また、本発明においては、蛍光体が不要となるために実装コストが安価になる。更には、チップの状態で白色の色合いの検査が可能となり、製造コスト・歩留まりを改善できる。また、共有結合性結晶である窒化物半導体層のみから構成されるＬＥＤは、イオン結合性結晶であるＺｎＳｅ半導体層のみから構成されるＬＥＤと比較して、電流注入による素子の劣化が極めて小さいため、大電流注入による高輝度化が可能である。
【００７０】
次に、本実施形態における白色ＬＥＤの応用例について説明する。なお、以降の説明においては、上記実施形態と同一の構造については同一の記号を用い、説明が冗長になるのを避けるため、相違点のみについて説明する。
【００７１】
図６は、本発明に係る白色ＬＥＤの一つの応用例を示す図である。図６（ａ）は、本応用例に係る白色ＬＥＤの概略構成を示す断面図である。図６（ｂ）は、図６（ａ）の白色ＬＥＤの窒化物エピタキシャル発光層の詳細な構成を示す断面図である。図６（ｃ）は、本応用例に係る白色ＬＥＤの白色光の発生原理を示す概念図である。
【００７２】
図６（ａ）に示すように、本応用例においては、ｎ型窒化物半導体発光層４Ａを、サファイア基板１及びＧａＮバッファ層２と、ＧａＮエピタキシャル発光層３Ａとの間に形成し、ｎ型及びｐ型電極層６、７を図１と逆に形成する。このとき、窒化物エピタキシャル発光層３Ａは、図６（ｂ）に示すように、上から順に、ｐ型ＧａＮクラッド層３２、ＩｎＧａＮ活性層３３、ｎ型ＧａＮクラッド層３４と積層させた構造となる。
【００７３】
本応用例の構成では、先の実施形態と比較した場合、図６（ｃ）に示すように、白色光の発生原理は図４の場合と同様であるが、外部へ出射される白色光の色調に多少の違いが生じる。
【００７４】
本応用例の場合、ｎ型及びｐ型電極層６、７（図６（ａ））から、ｎ型窒化物半導体発光層４Ａなどを介して、窒化物エピタキシャル発光層３Ａに対して順方向に電流を流すと、ＩｎＧａＮ活性層３３は青色光（Ｂ）を発する。このとき、窒化物エピタキシャル発光層３Ａ（ＩｎＧａＮ活性層３３）より発せられた青色光は方向性を持たないため、青色光は、図６（ｃ）に示すように様々な方向に対して放射される。したがって、この青色光は、側面からの外部への放射を無視して考えた場合、上下方向におよそ５０％ずつの割合で放射されることになる。このとき、上向きに放射される青色光は外部に放射され、下向きに放射される青色光はｎ型窒化物半導体発光層４Ａに達することになる。そして、図４のところで説明したように、このｎ型窒化物半導体発光層４Ａは、入射された青色光の一部を吸収し、吸収された青色光のエネルギーによって励起されたｎ型窒化物半導体発光層４Ａ中の発光中心が、黄色光（Ｙ）を非バンド端発光として発することになる。そして最終的に、窒化物エピタキシャル発光層３Ａから上向きに放射された青色光及びｎ型窒化物半導体発光層４から上向きに放射された黄色光が外部で混色されることになる。このときの混色光が、肉眼では白色（Ｗ＝Ｂ＋Ｙ）として認知される。
【００７５】
したがって、本応用例の白色ＬＥＤにおいては、外部へ放射される青色光（Ｂ）の割合が全体の５０％を越えることになる。このような青色光と黄色光との放射の割合の偏りは、ｎ型窒化物半導体発光層４Ａにあらかじめ窒素欠陥量やｎ型窒化物半導体層４の厚さを制御することによって解消可能である。
【００７６】
図７は、本発明に係る白色ＬＥＤのその他の応用例を示す図である。図７（ａ）は、本応用例に係る白色ＬＥＤを示す断面図である。図７（ｂ）は、図７（ａ）の白色ＬＥＤの応用例を示す断面図である。
【００７７】
本応用例では、サファイア基板１の代わりに、例えばＳｉなどの導電性基板９を使用する。図７（ａ）に示す応用例では、下から順に、ｐ型電極層７、導電性基板９、窒化物エピタキシャル発光層３、ｎ型窒化物半導体発光層４、ｎ型ＧａＮコンタクト層５、ｎ型電極層６などといった順に積層させた構造を有する。また、図７（ｂ）に示す応用例は、積層構造が図７（ａ）の応用例とは逆で、下から順に、ｎ型電極層６、導電性基板９、ｎ型窒化物半導体発光層４Ａ、窒化物エピタキシャル発光層３Ａ、ｐ型ＧａＮコンタクト層８、ｐ型電極層７などといった順に積層させた構造を有する。
【００７８】
このようにすれば、図１の場合とは異なり、ｐ型電極層を図７に示すように基板の裏面に形成できるので、チップの小型化が可能となる。
【００７９】
なお、以上で説明した実施形態及びその応用例においては、すべて正立基板構造を有しているが、本発明の白色ＬＥＤの実装時には、基板をエピタキシャル発光層よりも上にした倒立基板（エピサイドダウン）構造であってもかまわない。
【００８０】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によれば、蛍光体が不要な白色ＬＥＤが作成できる。更に、製造工程において、チップの段階で白色の色合いの検査が可能となり、コスト・歩留まりを改善できる。また、ＬＥＤ発光層を窒化物半導体とすることにより、大電流でも素子の劣化が小さく、高輝度の白色ＬＥＤを製造できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る白色ＬＥＤの一実施形態の概略構成を示す断面図である。
【図２】図１の窒化物エピタキシャル発光層の詳細な構成を示す断面図である。
【図３】本発明に係る非化学量論組成を有するｎ型窒化物半導体層のフォトルミネセンススペクトル図である。
【図４】本発明に係る白色ＬＥＤの白色光の発生原理を示す概念図である。
【図５】本発明に係る白色ＬＥＤの発光の波長に対応した色度の補色関係を示す砲弾型ＬＥＤ色度図である。
【図６】本発明に係る白色ＬＥＤの一つの応用例を示す図である。図６（ａ）は、本応用例に係る白色ＬＥＤの概略構成を示す断面図である。図６（ｂ）は、図６（ａ）の白色ＬＥＤの窒化物エピタキシャル発光層の詳細な構成を示す断面図である。図６（ｃ）は、本応用例に係る白色ＬＥＤの白色光の発生原理を示す概念図である。
【図７】本発明に係る白色ＬＥＤのその他の応用例を示す図である。図７（ａ）は、本応用例に係る白色ＬＥＤを示す断面図である。図７（ｂ）は、図７（ａ）の白色ＬＥＤの応用例を示す断面図である。
【符号の説明】
１  サファイア基板
２  ＧａＮバッファ層
３  窒化物エピタキシャル発光層
３１  ｐ型ＧａＮコンタクト層
３２  ｐ型ＧａＮクラッド層
３３  ＩｎＧａＮ活性層
３４  ｎ型クラッド層
３Ａ  窒化物エピタキシャル発光層
４  ｎ型窒化物半導体発光層
４Ａ  ｎ型窒化物半導体発光層
５  ｎ型ＧａＮコンタクト層
６  ｎ型電極層
７  ｐ型電極層
８  ｐ型ＧａＮコンタクト層
９  導電性基板
【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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