(57)【要約】【課題】モノリシック白色発光素子を提供する。【解決手段】活性層４とは別途に、波長変換による長波長の光を発生させるパッシブ層２を備える発光素子である。活性層４とパッシブ層２からの光の適切な調節により白色光を具現しうる。このようなモノリシック白色発光素子は製作が容易でかつ安い。また、その応用分野が既存の蛍光体の助けによる白色光発光素子に比べて広い。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｎ−型窒化物クラッド層、ｐ−型窒化物クラッド層、およびそれらの間に活性層を有する能動的発光部と、
前記発光部からの光を吸収し、該発光部からの光より長波長の光を発生させるものであって、窒化物半導体にドーピングされた元素によるドーピング準位を有するパッシブ層と、
前記発光部とパッシブ層とを支持する絶縁性基板と、を備えることを特徴とする白色発光素子。
【請求項２】
前記窒化物クラッド層はＧａＮであることを特徴とする請求項１に記載の白色発光素子。
【請求項３】
前記活性層はＧａＮ障壁層とＩｎＧａＮウェル層とを含むことを特徴とする請求項１に記載の白色発光素子。
【請求項４】
前記パッシブ層のドーピング元素は希土類金属であることを特徴とする請求項３に記載の白色発光素子。
【請求項５】
前記パッシブ層のドーピング元素は過量（１０１９／ｃｍ２以上）のシリコンであることを特徴とする請求項３に記載の白色発光素子。
【請求項６】
前記ｎ−型クラッド層はＳｉのドーピングされたＧａＮであり、ｐ−型クラッド層はＭｇのドーピングされたＧａＮであることを特徴とする請求項１に記載の白色発光素子。
【請求項７】
前記パッシブ層の厚さは１〜２００μｍであることを特徴とする請求項１に記載の白色発光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は白色発光素子に係り、特にモノリシック白色発光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、白色発光素子は、半導体発光と蛍光体発光により白色光を発生させる（特許文献１および特許文献２を参照）。
【０００３】
このような白色発光素子は、半導体発光により得られた光を蛍光体に吸収させることによって、白色に近い光を発現する。主に、半導体発光は、青色系列で行われ、蛍光体発光は半導体発光から得られた青色光を吸収して、緑色／赤色光を発生させる。したがって、蛍光体は緑色および赤色蛍光物質の混合体である。
【０００４】
したがって、このような構造のハイブリッド白色発光素子によれば、既存の半導体製造工程による集積回路だけでは具現し難く、よってその応用分野が制限される。
【０００５】
一方、Ｔ．Ｍｕｋａｉは、多重のバンドエミッションを用いた蛍光体のない白色発光ＬＥＤを提案した（非特許文献１）。このＴ．Ｍｕｋａｉの技術によるＬＥＤによれば、複数波長の光線を発生させるための多重の活性層を有する。
【０００６】
このような白色発光素子、たとえばバックライト装置用として多用されるＬＥＤなどの課題としては、製作が容易で、かつ高い発光効率および白色度の具現である。
【特許文献１】米国特許第６，０６９，４４０号明細書
【特許文献２】米国特許第５，９９８，９２５号明細書
【非特許文献１】「Ｐｈｏｓｐｈｏｒ  Ｆｒｅｅ  Ｈｉｇｈ−Ｌｕｍｉｎｏｕｓ−Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ  Ｗｈｉｔｅ  Ｌｉｇｈｔ−Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｄｉｏｄｅｓ  Ｃｏｍｐｏｓｅｄ  ｏｆ  ＩｎＧａＮ  Ｍｕｌｔｉ−Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｗｅｌｌ」（ＪＪＡＰ４１（３Ａ）Ｌ２４６２００２）  Ｊｐｎ．Ｊ．  Ａｐｐｌ．  Ｐｈｙｓ．Ｖｏｌ  ４１  （２００２）  ｐｐ．  Ｌ２４６−Ｌ２４８  Ｐａｒｔ  ２．  Ｎｏ．  ３Ａ，  １  Ｍａｒｃｈ  ２００２  Ｔｈｅ  Ｊａｐａｎ  Ｓｏｃｉｅｔｙ  ｏｆ  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  発行
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は構造がさらに簡単で製作が容易な新たな構造のモノリシックな白色発光素子を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明による白色発光素子は、ｎ−型窒化物クラッド層、ｐ−型窒化物クラッド層およびそれらの間に活性層を有する能動的発光部と、前記発光部からの光を吸収し、該発光部からの光より長波長の光を発生させるものであって、窒化物半導体にドーピングされた元素によるドーピング準位を有するパッシブ層と、前記発光部とパッシブ層とを支持する絶縁性基板と、を備える。
【０００９】
前記窒化物クラッド層は、ＧａＮであり、前記活性層はＧａＮ障壁層とＩｎＧａＮウェル層を含み、望ましくは、前記ドーピング元素はシリコンまたは希土類金属であることが望ましい。
【００１０】
本発明の発光素子において、前記ｎ−型クラッド層は、ＳｉがドーピングされたＧａＮであり、ｐ−型クラッド層はＭｇがドーピングされたＧａＮである。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、白色発光が半導体層で行われるモノリシックな白色発光素子が提供される。このような白色発光素子は、従来の白色発光素子のような蛍光体の助け無しにも白色発光が可能である。したがって製作が容易である。特に、全体構造が１つの単一構造を有するためにその応用分野が非常に広く、かつ製作コストもダウンさせうる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、添付した図面に基づいて本発明によるモノリシック白色発光素子の望ましい実施例を詳細に説明する。
【００１３】
図１は、本発明の実施例による発光素子の垂直構造を示す概略的断面図であり、図２は、図１に示された発光素子の発光メカニズムを説明するためのエネルギー分布図である。
【００１４】
まず、図１を参照すれば、サファイアのような絶縁性基板１上に波長変換層としてのパッシブ層２が形成されており、その上にｎ−型半導体層としてＳｉがドーピングされたｎ−クラッド層（ｎ−ＧａＮ）３が形成されている。
【００１５】
ｎ−クラッド層３上には、多重量子ウェル構造の活性層（ＭＱＷ）４が形成されており、その上にはｐ−型半導体層としてＭｇがドーピングされたｐ−クラッド層（ｐ−ＧａＮ）５が形成されている。
【００１６】
前記活性層のウェル層は、ＩｎＧａＮであり、障壁層はＡｌＧａＩｎＮを含み、それらの積層は、たとえば、５周期ほど積層される。
【００１７】
本発明の特徴によって、前記ｎ−クラッド層の下部にシリコン（Ｓｉ）または希土類金属などの不純物がドーピングされた半導体物質層であるパッシブ層２が形成されている。このパッシブ層２はＡｌＧａＮまたはＧａＮなどの窒化物半導体であり、望ましくは、ＡｌＧａＮである。そして、パッシブ層２にドープ（添加）される不純物は、望ましくは１０１９／ｃｍ２〜１０２３／ｃｍ２の濃度のＳｉまたは希土類（ＲＥ）金属であり、パッシブ層２の厚さは１〜２００μｍである。
【００１８】
このようにパッシブ層２は窒化物半導体に不純物がドーピングされたものである。これによりパッシブ層２は窒化物半導体にドーピングされた元素によるドーピング準位を有する。なお、ドーピング準位とは、窒化物半導体に不純物がドーピングされることによって有するようになるエネルギーレベルを意味し、窒化物半導体に不純物がドーピンされると窒化物の禁止バンドギャップ（ｆｏｒｂｉｄｄｅｎ  ｂａｎｄ  ｇａｐ）間に新たなエネルギーレベルが表れ、これがドーピング準位である。
【００１９】
また、ドーピング準位はドーピングの程度によって相違するが、上記濃度範囲とすることで、適切なドーピング準位の変化により目的とする波長の発光が得られるようになる。特に不純物の濃度が１０１９／ｃｍ２未満の場合には、適切な発光強度を有することができないので好ましくない。一方、上限値については、これ以上にドーピングされるとこれ以上はドーピングとして見なされず、二つの原子が固溶体（ｓｏｌｉｄ  ｓｏｌｕｔｉｏｎ）を形成してしまうため好ましくないものである。
【００２０】
したがって、図１および図２に示されたように、活性層４では量子準位によるバンド対バンド発光（ｂａｎｄ  ｔｏ  ｂａｎｄ  ｅｍｉｓｓｉｏｎ）による短波長の光が発生し、この短波長の光はその下部のパッシブ層２を励起させ、これにより長波長の光が発生する。すなわち、前記パッシブ層２を波長変換層として、前記活性層４からの光と共に白色光を示すようになる。
【００２１】
前述したようなパッシブ層２での光吸収による蛍光は、自然な欠陥（ｎａｔｕｒａｌ  ｄｅｆｅｃｔ）ではないシリコンまたは希土類金属イオン（ＲＥ−ｉｏｎ）の注入による不純物の欠陥によりなされる。希土類金属としては、５８０〜６３０ｎｍの波長のためにＥｕ、Ｓｍ、Ｐｒなどが用いられ、４３０〜４８０ｎｍの波長のためにＥｒ、Ｈｏ、Ｔｂ等が用いられ、そして５４０〜５９０ｎｍの波長のためにはＳｉが用いられ得る。
【００２２】
したがって、前記パッシブ層２は、前記活性層４からの光と共に白色光を示すために、前記のような希土類金属またはＳｉなどが単独あるいは適切な分布でドーピングされうる。
【００２３】
図３は、本発明による発光素子の発光特性を検討するためのサンプルに対するフォトルミネッセンス（ｐｈｏｔｏ−ｌｕｍｉｎａｎｃｅ、以下ＰＬと略記する）スペクトル測定結果を示す。図３においてはｙｅｌｌｏｗ  ｐｈｏｔｏ  ｌｕｍｉｎａｎｃｅと記す。
【００２４】
図３は、活性層のＧａＮ障壁にＳｉが７７５℃で０．３５ｓｃｃｍのシランガスを用いてドーピングされたサンプルに対してＰＬを測定したスペクトルを示す。ここで、ＭＱＷは、ＩｎＧａＮ／ＧａＮが５周期で積層されたものである。このサンプルは、活性層自体にＳｉをドーピングすることによって、活性層自体にパッシブ領域を形成したものであって、４５０〜７００ｎｍのＰＬ波長帯域で蛍光が発生するか否かを把握するためのものである。図３を通じて活性層自体から蛍光が得られることが分かる。
【００２５】
このような本願発明の理解を助けるために幾つかの模範的な実施例が説明され、添付された図面に図示されたが、このような実施例は単に広い発明を例示しているだけで、これを制限するものではないという点を理解せねばならず、また、本発明は図示され、説明された構造および配列に限定されるものではないということを理解せねばならない。これは多様な他の修正が当業者によって行われうるからである。
【産業上の利用可能性】
【００２６】
本発明は、窒化物半導体の活性層とは別途に、不純物がドーピングされたパッシブ層を形成することによって、パッシブ層のサブバンドより蛍光を誘導することによって、多様な分野で白色光源として使用できる素子の構造を提示する。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の実施例による発光素子の垂直構造を示す概略的断面図である。
【図２】図１に示された発光素子の発光メカニズムを説明するためのエネルギー分布図である。
【図３】本発明による発光素子の性能を検討するためのＰＬ（ｐｈｏｔｏ−ｌｕｍｉｎａｎｃｅ）スペクトル測定結果を示す図面である。
【符号の説明】
【００２８】
１…絶縁性基板、
２…パッシブ層、
３…ｎ−クラッド層、
４…活性層（ＭＱＷ）、
５…ｐ−クラッド層。
【図１】
2005268803.tif 000003
【図２】
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【図３】
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