(57)【要約】【課題】従来、半導体発光素子を封入したエポキシ樹脂に蛍光体を混入することによって、半導体発光素子の発光する波長の光と蛍光体の発光する波長の光を混合する方法があった。しかし、蛍光を利用する白色発光素子は波長の変換効率が悪く、十分な輝度を得ることが困難であった。【解決手段】上記課題を解決するために、本発明は、半導体発光素子の活性層で発光した光の一部でその半導体発光素子の半導体層を励起し、フォトルミネセンス発光させた光と、半導体発光素子の活性層で発光した光の一部とを混合することによって白色光を得る白色発光素子である。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
活性層で発光した光により高転位領域の半導体層を励起してフォトルミネセンス発光させる半導体発光素子。
【請求項２】
半導体基板と、該半導体基板上に横方向エピタキシャル成長させるためのマスクと、横方向エピタキシャル成長した半導体層と、該半導体層上部に設けられた活性層と、を含む半導体発光素子であって、
該活性層で発光した光により、該マスク中央部と該活性層との間の半導体層、又は該マスクの間の中間部と該活性層との間の半導体層を励起してフォトルミネセンス発光させる半導体発光素子。
【請求項３】
前記半導体層の一部を除去したことを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体発光素子。
【請求項４】
前記半導体基板の外側面に、前記活性層で発光した光及び前記半導体層でフォトルミネセンス発光させた光のうち少なくともいずれかを反射させる反射層を設けたことを特徴とする請求項１から３に記載のいずれかの半導体発光素子。
【請求項５】
前記半導体発光素子がＡｌｘＧａｙＩｎ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）で表されるＩＩＩ族窒化物系化合物半導体発光素子であることを特徴とする請求項１から４に記載のいずれかの半導体発光素子。
【請求項６】
前記半導体層に希土類元素の材料をドープしたことを特徴とする請求項５に記載の半導体発光素子。
【請求項７】
前記半導体層のＡｌ又はＩｎの組成比を増減することによってフォトルミネセンス発光させる波長をシフトしたことを特徴とする請求項５に記載の半導体発光素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体発光素子に関する。特に、フォトルミネセンス現象を利用して複数の波長で発光させる半導体発光素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体発光素子は低消費電力で発光効率が高いことから、表示器やディスプレイ素子として使用されている。さらに、その小型、低消費電力特性を活かしてバックライトや照明素子への応用が期待されている。バックライトや照明素子として利用するためには、白色発光させることが望ましい。
【０００３】
通常の半導体発光素子の発光スペクトラムは比較的狭く、かつ単色で発光する特性を持っている。そのため、白色光を得るには、それぞれの波長で発光する半導体発光素子を複数設置して、それぞれの波長の光を混合していた。この方法によれば、複数の半導体発光素子を必要とするため、構成が複雑にならざるを得ない。また、それぞれの波長の半導体発光素子は寿命が異なるため、経年劣化により混合された光の色彩に変化をきたすという欠点もある。
【０００４】
さらに、半導体発光素子を封入したエポキシ樹脂に蛍光体を混入することによって、半導体発光素子の発光する波長の光と蛍光体の発光する波長の光を混合する方法もある（例えば、特許文献１参照。）。
【０００５】
図７にエポキシ樹脂に蛍光体を混入する従来の白色発光素子の構成を示す。図７において、５１は半導体発光素子、５２はエポキシ樹脂に混入した蛍光体である。まず、半導体発光素子５１を発光させる。発光した光の一部は外部に出射する。発光した光の一部をエポキシ樹脂に混入した蛍光体５２に吸収させ、蛍光体５２で蛍光により発光させる。蛍光により発光した光は外部に出射する。半導体発光素子５１の発光する光と蛍光体５２の蛍光で発光する光とを混合することによって白色光を得る。
【０００６】
しかし、蛍光を利用する白色発光素子は波長の変換効率が悪く、十分な輝度を得ることが困難であった。さらに、蛍光体をエポキシ樹脂に混入させる際に均一に散在させることが難しく、半導体発光素子の発光角度や発光方向によって蛍光体の発光する光の強度が異なり、結果として白色発光素子としての色彩の調整が困難であった。
【０００７】
【特許文献１】
特開２００１−１７７１５８号公報  （第（３）頁〜第（４）頁、第１図）
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、このような問題を解決するために、２つの発光色で発光する輝度の高い半導体発光素子を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、半導体発光素子の活性層で発光した光の一部でその半導体発光素子の半導体層を励起し、フォトルミネセンス発光させることを基本構成とする。この基本構成を基に、半導体発光素子の活性層で発光した光とフォトルミネセンス発光させた光とを同時に出力することによって、混合した光を得る発光素子である。フォトルミネセンス発光する光は励起する光のエネルギよりも小さいエネルギの光となるため、フォトルミネセンス発光する光の波長は励起する光の波長よりも長くなる。
【００１０】
半導体発光素子の活性層で発光した波長の短い光と、半導体発光素子の半導体層でフォトルミネセンス発光した波長の長い光との色彩の相対関係が適当であれば、両者を混合することにより白色光が得られる。
【００１１】
具体的には、本願第一発明は、活性層で発光した光により高転位領域の半導体層を励起してフォトルミネセンス発光させる半導体発光素子である。
【００１２】
本願第一発明には、前記半導体層の一部を除去した半導体発光素子も含まれることがある。
【００１３】
また、本願第一発明には、前記半導体基板の外側面に、前記活性層で発光した光及び前記半導体層でフォトルミネセンス発光させた光のうち少なくともいずれかを反射させる反射層を設けた半導体発光素子も含まれることがある。
【００１４】
また、本願第一発明には、前記半導体発光素子がＡｌｘＧａｙＩｎ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）で表されるＩＩＩ族窒化物系化合物半導体発光素子も含まれることがある。
【００１５】
また、本願第一発明には、前記半導体層に希土類元素の材料をドープした半導体発光素子も含まれることがある。
【００１６】
また、本願第一発明には、前記半導体層のＡｌ又はＩｎの組成比を増減することによってフォトルミネセンス発光させる波長をシフトした半導体発光素子も含まれることがある。
【００１７】
さらに、本願第二発明は、半導体基板と、該半導体基板上に横方向エピタキシャル成長させるためのマスクと、横方向エピタキシャル成長した半導体層と、該半導体層上部に設けられた活性層と、を含む半導体発光素子であって、該活性層で発光した光により、該マスク中央部と該活性層との間の半導体層、又は該マスクの間の中間部と該活性層との間の半導体層を励起してフォトルミネセンス発光させる半導体発光素子である。
【００１８】
本願第二発明には、前記半導体層の一部を除去した半導体発光素子も含まれることがある。
【００１９】
また、本願第二発明には、前記半導体基板の外側面に、前記活性層で発光した光及び前記半導体層でフォトルミネセンス発光させた光のうち少なくともいずれかを反射させる反射層を設けた半導体発光素子も含まれることがある。
【００２０】
また、本願第二発明には、前記半導体発光素子がＡｌｘＧａｙＩｎ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）で表されるＩＩＩ族窒化物系化合物半導体発光素子も含まれることがある。
【００２１】
また、本願第二発明には、前記高転位領域の半導体層に希土類元素の材料をドープした半導体発光素子も含まれることがある。
【００２２】
また、本願第二発明には、前記半導体層のＡｌ又はＩｎの組成比を増減することによってフォトルミネセンス発光させる波長をシフトした半導体発光素子も含まれることがある。
なお、これらの各構成は、可能な限り組み合わせることができる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本願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。
まず、本願発明の半導体発光素子についてその製造方法を説明する。図１は本願発明の半導体発光素子の製造工程を説明する図である。図１において、１１は半導体基板、１２はマスク、１３はＥＬＯ（選択横方向成長：ＥｐｉｔａｘｉａｌＬａｔｅｒａｌ  Ｏｖｅｒｇｒｏｗｔｈ）成長領域、１４は半導体層、１５は活性層である。
【００２４】
ＩＩＩ族窒化物系化合物半導体発光素子の場合は、半導体基板１１としてＧａＮを用いることが好ましい。なお、ＧａＮよりなる半導体基板が得られない場合は、サファイアをベースにＡｌＧａＮからなる層を成長させたものを半導体基板としてもよいし、サファイアをベースにＧａＮからなる層を低温成長させたものを半導体基板としてもよいし、サファイアをベースにＡｌＧａＮからなる層の上にＧａＮからなる層を低温成長させたものを半導体基板として用いてもよい。また、サファイアに替えてＳｉＣ、Ｓｉ又はＧａＡｓなどを用いてもよい。
【００２５】
半導体基板１１上に、半導体基板１１の表面の一部を露出させる複数の露出部を散在させたマスク１２を形成する（図１（１））。マスク１２は半導体層の成長領域を制限するために設けられる。このマスク１２の材料には例えばＳｉＯ２やＳｉＮを用いることができる。マスク１２は、まず、半導体基板１１の表面にＳｉＯ２やＳｉＮをスパッタ法、ＣＶＤ法、蒸着法等で層を形成し、さらにレジスト膜を塗布し、例えば、フォトリソグラフィー法とウエットエッチング法を用いてパターニングすることで形成する。このパターニングに際し、マスク１２のパターンは、ストライプ状（細長状）としてもよい。三角錐、円錐のように断面が略三角形状となる形状でＥＬＯ成長領域１３が形成されていくのであれば、複数の露出部はストライブ状のパターンに限られず、任意の形状でよい。例えば、格子状でもよいし、円形等の所定の形状を露出部として有するマスク層であってもよい。
【００２６】
ストライプ状に露出部が表れるようにマスク１２を形成する場合、一定の間隔でマスクを設けるのではなく、間隔を一部広めてマスク１２を形成する。例えば、図１の断面図に示したマスク１２の各マスクの幅を１４μｍとし、露出部の幅は例えば２μｍから４μｍとすることができるが、これに限定されない。一方、露出部が任意形状の場合には、面積の大きい露出部であれば同様に考えることができる。
【００２７】
半導体混晶の結晶成長法を大きく分類すると、液相エピタキシャル成長、気相エピタキシャル成長、分子線エピタキシャル成長がある。液相エピタキシャル成長は、固相と液相間の平衡状態をほぼ保ちながら過飽和溶液からの結晶の析出という形で成長を進める結晶成長方法である。気相エピタキシャル成長は、原料ガスを流しながら数Ｔｏｒｒから大気圧の圧力下で結晶成長を行う結晶成長方法である。分子線エピタキシャル成長（ＭＢＥ）は、成長結晶の構成元素の分子あるいは原子が超高真空中を飛来して基板に供給され、これらの分子あるいは原子がほとんど衝突することなく分子ビームとなって基板に到達することで結晶成長を進める結晶成長方法である。
【００２８】
これらエピタキシャル成長の中には、特にハライド気相成長法（ＨＶＰＥ法）、分子線エピタキシー法（ＭＢＥ法）、有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）、など優れたものもあり、本発明の実施の形態として用いられるエピタキシャル成長は、上記種々の結晶成長方法のうち、いずれのものであってもよい。
【００２９】
図１（２）のＥＬＯ成長領域１３は、ＧａＮよりなる層が上記のとおりエピタキシャル成長されることにより形成される。ただし、ＧａＮに限られず、ＩＩＩ族窒化物系化合物であって、一般式ＡｌｘＧａｙＩｎ１−ｘ−ｙＮ（ただし、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）で表される窒化物系化合物であれば任意組成比からなる化合物を用いてよい。
【００３０】
このエピタキシャル成長は、選択横方向成長であるため、半導体基板１１の露出部からＥＬＯ成長領域１３が垂直に成長するだけでなく、やがて図面左右方向である横方向にも成長することでマスク１２の上にもＥＬＯ成長領域１３が形成されることになる（図１（２））。
【００３１】
さらに、半導体層１４を成長させ、その上にＡｌｘＧａｙＩｎ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）からなる活性層１５を形成する（図１（３））。この半導体層を形成する際には、例えばＳｉ、Ｍｇ、Ｚｎをドーパントとして用いることができる。活性層１５の構造は単一層のバルク構造に限らず、ＳＱＷ（Ｓｉｎｇｌｅ−Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｗｅｌｌ）構造やＭＱＷ（Ｍｕｌｔｉ−Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｗｅｌｌ）構造でもよい。活性層１５の上面には、さらに半導体層（図示せず）を積層する。
【００３２】
このようにして製造された、本願発明の半導体発光素子の構造を図２に示す。図２において、１１は半導体基板、１２はマスク、１３はＥＬＯ成長領域、１４は半導体層、１５は活性層、１６は高転位領域である。
【００３３】
ＥＬＯ成長により半導体層１４を積層すると、半導体層１４のうちマスク１２の中央部と活性層１５との間や、マスク１２と隣接するマスク１２との中間部と活性層１５との間には、高転位領域１６が形成される。ＥＬＯ成長領域では、半導体基板１１との格子不整合や、横方向への成長が衝突する場所で格子欠陥が多数含まれることになる。従って、半導体層１４の中で、高転位領域１６は半導体基板１１から活性層１５の方向に向かって形成され、格子欠陥が多数含まれる。
【００３４】
一方、活性層１５は、半導体層１４の影響を受けて成長するため、高転位領域１６の上部の活性層１５にも格子欠陥が生じる。しかし、活性層１５の大部分は半導体層１４のうちの格子欠陥の少ない部分の上部にあるため、高転位領域の影響は少なく、全体では格子欠陥の少ない良好な活性層が形成されることになる。
【００３５】
一般に、ＡｌｘＧａｙＩｎ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）で表されるＩＩＩ族窒化物系化合物半導体発光素子においては、格子欠陥の少ない発光部では発光部を構成する材料の組成比に対応した第一の発光波長で発光し、格子欠陥の多い発光部ではディープレベル発光となるため第二の発光波長で発光する。従って、活性層では、活性層を構成する材料の組成比に対応した第一の発光波長で発光し、高転位領域では第二の発光波長で発光する。ここで、ＡｌｘＧａｙＩｎ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）で表されるＩＩＩ族窒化物系化合物半導体発光素子の場合の発光スペクトラムの例を図３に示す。図３において、横軸は発光波長、縦軸は発光強度である。図３においては第一の発光波長が４００ｎｍ、第二の発光波長が５５０ｎｍとなっている。ＡｌｘＧａｙＩｎ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）で表されるＩＩＩ族窒化物系化合物半導体発光素子では、活性層の材料の組成比を選択することによって、例えば、４００ｎｍで発光させることもできる。
【００３６】
そこで、例えば、活性層を４００ｎｍで発光させ、４００ｎｍで発光した活性層からの光で高転位領域の半導体層を励起すると、高転位領域の半導体層ではフォトルミネセンスにより５５０ｎｍで発光することになる。活性層で発光した光と高転位領域で発光した光を半導体発光素子から出射させると、活性層で発光した光の強度と高転位領域で発光した光の強度の比率が適当であれば、両者が混合されてほぼ白色光が得られる。
【００３７】
従って、本願発明の半導体発光素子によれば、第二の発光波長の光をフォトルミネセンスにより発光させるため、発光効率を高くすることができた。また、  半導体発光素子の材料の組成比が決まれば、活性層で発光する第一の波長とフォトルミネセンスで発光する第二の波長が決まり、半導体発光素子の構造が決まれば、活性層で発光する第一の波長の光の発光強度とフォトルミネセンスで発光する第二の波長の光の発光強度との比率が決まるため、経年劣化により、第一の波長の光と第二の波長の光とが混合された光の色彩が変化することもない。
【００３８】
活性層で発光する光の発光強度と高転位領域の半導体層でフォトルミネセンス発光する光の発光強度の比率を変えることによって、混合された光の色彩を制御することができる。例えば、一部の高転位領域の半導体層をエッチングや研磨で除去すると高転位領域の半導体層でのフォトルミネセンス発光する光の強度が低くなる。図４は、一部の高転位領域の半導体層をエッチングや研磨で除去した例である。図４において、１１は半導体基板、１２はマスク、１３はＥＬＯ成長領域、１４は半導体層、１５は活性層、１６は高転位領域、２１は除去部分である。図４に示すように、一部の高転位領域１６を除去することによって、フォトルミネセンス発光する光の割合が減少するため、相対的に活性層１５で発光する光の発光強度が大きくなる。
【００３９】
また、例えば、前記高転位領域の半導体層の厚さを厚くすると、高転位領域の半導体層でフォトルミネセンス発光する光の強度が高くなる。反対に、前記高転位領域の半導体層の厚さを薄くすると、高転位領域の半導体層でフォトルミネセンス発光する光の強度が低くなる。半導体発光素子を製造する段階で前記高転位領域の半導体層の厚さを制御してもよいし、半導体発光素子を製造した後に、半導体層の厚さを薄くしてもよい。図５は、高転位領域の半導体層の一部をエッチングや研磨で除去した例である。図５において、１３はＥＬＯ成長領域、１４は半導体層、１５は活性層、１６は高転位領域、２２は除去部分である。図５に示すように、高転位領域１６の一部を除去することによって、フォトルミネセンス発光する光の割合が減少するため、相対的に活性層１５で発光する光の発光強度が大きくなる。
【００４０】
従って、高転位領域の半導体層の一部や、一部の高転位領域の半導体層を除去することによって、活性層で発光する光の発光強度と高転位領域の半導体層でフォトルミネセンス発光する光の発光強度の割合を制御することが可能となり、両者の混合によって得られる光の色彩を可変とすることができた。
【００４１】
また、発明者は、高転位領域の半導体層でフォトルミネセンス発光する光の波長を制御することによって、混合した光の色彩を可変とする方法を案出した。高転位領域の半導体層でフォトルミネセンス発光する光の波長を制御することによって、混合した光の色彩を可変とすることができる。例えば、前記高転位領域の半導体層に希土類元素の材料をドープすると、高転位領域の半導体層でのフォトルミネセンス発光する光の波長が長波長側に偏移することを見出した。希土類元素としては、サマリウム、ユウロピウム、ガドリニウム、テルビウム、エルビウム等がある。また、ＡｌｘＧａｙＩｎ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）で表されるＩＩＩ族窒化物系化合物半導体発光素子では、高転位領域の半導体層でのインディウムの組成比を増大しても、フォトルミネセンス発光する光の波長が長波長側に偏移する。反対に、高転位領域の半導体層でのインディウムの組成比を減少させると、フォトルミネセンス発光する光の波長が短波長側に偏移する。一方、高転位領域の半導体層でのアルミニウムの組成比を増大すると、フォトルミネセンス発光する光の波長が短波長側に偏移する。反対に、高転位領域の半導体層でのアルミニウムの組成比を減少させると、フォトルミネセンス発光する光の波長が長波長側に偏移する。
【００４２】
また、活性層で発光する光の波長を制御することによって、混合した光の色彩を可変とすることができる。例えば、活性層に希土類元素の材料をドープすると、発光する光の波長が長波長側に偏移する。希土類元素としては、サマリウム、ユウロピウム、ガドリニウム、テルビウム、エルビウム等がある。また、ＡｌｘＧａｙＩｎ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）で表されるＩＩＩ族窒化物系化合物半導体発光素子では、活性層でのインディウムの組成比を増大しても、発光する光の波長が長波長側に偏移する。反対に、活性層でのインディウムの組成比を減少させると、発光する光の波長が短波長側に偏移する。一方、活性層でのアルミニウム組成比を増大すると、発光する光の波長が短波長側に偏移する。反対に、活性層でのアルミニウム組成比を減少させると、発光する光の波長が長波長側に偏移する。
【００４３】
従って、高転位領域の半導体層でフォトルミネセンス発光する光の波長、または活性層で発光する光の波長を制御することが可能となり、活性層で発光する光と高転位領域の半導体層でフォトルミネセンス発光する光とを混合した光の色彩を可変とすることができた。
【００４４】
さらに、出射効率の高い半導体発光素子の構成を図６に示す。図６において、１１は半導体基板、１２はマスク、１３はＥＬＯ成長領域、１４は半導体層、１５は活性層、１６は高転位領域、３１は反射層である。図６では、半導体基板１１の外側面に、反射層３１を設けている。反射層３１は、活性層１５で発光した光及び半導体層１４のうち高転位領域１６でフォトルミネセンス発光させた光のうち少なくともいずれかを反射させるものである。
【００４５】
活性層１５で発光した光及び半導体層１４のうち高転位領域１６でフォトルミネセンス発光させた光の両方を反射層３１で反射させると、半導体発光素子で発光した光の出射効率を高めることができる。活性層１５で発光した光よりも半導体層１４のうち高転位領域１６でフォトルミネセンス発光させた光の反射率を高くすると、半導体発光素子から出射する光の割合はフォトルミネセンス発光した光の方が多くなる。反対に、活性層１５で発光した光よりも半導体層１４のうち高転位領域１６でフォトルミネセンス発光させた光の反射率を低くしたりすると、半導体発光素子から出射する光の割合はフォトルミネセンス発光した光の方が少なくなる。このように、反射層３１に反射する光の波長選択性を持たせることにより、活性層１５で発光した光の発光強度とフォトルミネセンス発光する光の発光強度との割合を制御することが可能となり、半導体発光素子の発光する色彩を可変とすることができる。
【００４６】
従って、半導体基板の外側面に、反射層を設けることによって半導体発光素子の出射効率を高めることができた。また、反射層に反射する光の波長選択性を持った反射層を設けることによって、半導体発光素子の発光する色彩を可変とすることができた。
【００４７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によればフォトルミネセンス発光を利用して１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可能となり、複数の波長の光の色彩関係が適当であれば、複数の波長の光を混合することによりほぼ白色の光源を得る事ができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本願発明の半導体発光素子の製造工程を説明する図である。
【図２】本願発明の半導体発光素子の構造を説明する図である。
【図３】ＩＩＩ族窒化物系化合物半導体発光素子の発光スペクトラムを説明する図である。
【図４】一部の高転位領域の半導体層をエッチングや研磨で除去した半導体発光素子の構造を説明する図である。
【図５】高転位領域の半導体層の一部をエッチングや研磨で除去した半導体発光素子の構造を説明する図である。
【図６】半導体基板の外側面に反射層を設けた半導体発光素子の構造を説明する図である。
【図７】従来の白色発光素子の構造を説明する図である。
【符号の説明】
１１：半導体基板
１２：マスク
１３：ＥＬＯ成長領域
１４：半導体層
１５：活性層
１６：高転位領域
２１：除去部分
２２：除去部分
３１：反射層
５１：半導体発光素子
５２：蛍光体
【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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