(57)【要約】  高い反射率を有するＡｇで構成されたＡｇ層１８ａを有するアノード電極１８を形成する。さらに、Ａｇ層１８ａを上下からＴｉで構成された保護層１８ｂ１，１８ｂ２で挟み込むとともに、保護層１８ｂ１をトンネル接合部１７とオーミック接触させる。仕事関数の小さいＴｉ／Ａｇで構成されたアノード電極１８では低抵抗が実現できるとともに、トンネル電流によってトンネル接合部１７との導通を確保することができる。これにより、カソード電極１９もアノード電極１８と同じ素材で形成することができ、双方ともＡｇによって高い反射率とすることができる。従って、高い光の取り出し効率を実現することができる。
2007136097.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高反射金属によって形成された第１電極と、
第２電極と、
上記第１電極とオーミック接触するとともに、上記第１電極と上記第２電極との間に逆バイアス電圧を印加することによりトンネル電流を生じさせるトンネル接合層と、
上記トンネル接合層と上記第２電極との間に形成された発光層とを具備することを特徴とする半導体発光素子。
【請求項２】
上記第１電極は、少なくともＡｇ層を具備することを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
【請求項３】
上記第１電極は、Ａｇとは異なる材料によって形成され上記Ａｇ層を被覆する保護層を具備することを特徴とする請求項２に記載の半導体発光素子。
【請求項４】
上記保護層は、Ｔｉによって形成されることを特徴とする請求項３に記載の半導体発光素子。
【請求項５】
上記トンネル接合層は、Ｔｉによって形成された上記保護層とオーミック接触するｎ型ＧａＩｎＮ層を具備することを特徴とする請求項４に記載の半導体発光素子。
【請求項６】
上記トンネル接合層は、ドナー性不純物とアクセプタ性不純物を包含することにより、上記発光層にて発光された光に応じた蛍光を生じさせる蛍光層を具備することを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載の半導体発光素子。
【請求項７】
上記蛍光層は、多重量子井戸構造を有することを特徴とする請求項６に記載の半導体発光素子。
【請求項８】
ドナー性不純物とアクセプタ性不純物を包含することにより、上記発光層にて発光された光に応じた蛍光を生じさせる６Ｈ型ＳｉＣで形成された蛍光基板を具備することを特徴とする請求項１から請求項７のいずれかに記載の半導体発光素子。
【請求項９】
上記発光層および上記トンネル接合層を構成する各層はすべて窒化物半導体によって構成されることを特徴とする請求項１から請求項８のいずれかに記載の半導体発光素子。
【請求項１０】
上記トンネル接合層を構成するｐ型半導体層とｎ型半導体層との接触界面付近における実効的な不純物濃度が１０19ｃｍ-3以上であることを特徴とする請求項１から請求項９のいずれかに記載の半導体発光素子。
【請求項１１】
上記第２電極は、上記第１電極と同じ素材によって形成されることを特徴とする請求項１から請求項１０のいずれかに記載の半導体発光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、半導体発光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の発光ダイオードにおいて、ＧａＮで構成されたトンネル接合部を形成し、その上にオーミック接触するアノード電極を形成するものが知られている（例えば、特許文献１，２、参照。）。
トンネル接合によれば、低い電圧での発光が可能となるとともに、アノード電極もカソード電極も同じ材料で形成することができ電極を効率的に製造することが可能であった。なお、特許文献１においてＧａＮに対して良好にオーミック接触する電極材料としてＡｕＧｅ／Ｎｉが使用されている。
【特許文献１】特開２０００−１８２５４２号公報
【特許文献２】米国特許第６，５２６，０８２号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
一方、発光ダイオードにおいて光を取り出し方向に案内するために、電極を反射面として利用し、電極にて反射した光を効率よく外部に取り出すことが行われている。電極の反射率が高い方が光の取り出し効率が高くなるが、上述したＡｕＧｅ／Ｎｉによる電極では高い反射率を得ることができず、良好な光の取り出し効率を実現することができないという課題があった。
この発明は、上記課題にかんがみてなされたものであり、低電圧での動作が可能であるとともに、光の取り出し効率の高い半導体発光素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
こうした目的を達成するため、第１電極と第２電極が備えられ、少なくとも第１電極が高反射金属によって形成される。この第１電極はトンネル接合層とオーミック接触する。第１電極と第２電極との間に、トンネル接合層の逆バイアス電圧を印加することにより、トンネル接合層においてはトンネル電流が流れ、第１電極と第２電極との間に電流を供給することができる。従って、トンネル接合層と第２電極との間に形成された発光層に電流を供給することができ、発光層にて発光させることができる。さらに、発光層にて発光された光を高反射金属によって形成された第１電極によって効率よく反射させることができ、光を効率よく取り出し方向に案内することができる。【０００５】
第１電極として使用する素材は、高い反射率を有する金属であればよく、例えば高反射金属としてＡｇ（銀）やＡｌ（アルミニウム）やこれらの合金を使用することができる。特に、Ａｇは最も高い反射率を備えた金属であるため、第１電極に少なくともＡｇ層を備えさせることにより、より高い光の取り出し効率を実現することができる。少なくともＡｇ層を備えていればよく、材料の異なる他の層と組み合わせて第１電極を形成するようにしてもよい。【０００６】
Ａｇ層によって第１電極の一部を構成させる場合、Ａｇ層を被覆する保護層を形成するのが好ましい。Ａｇは空気中や素子中に含まれる酸素によって容易に酸化銀化されて反射率が劣化するため、酸化からＡｇ層を保護する保護層を設けておくことが望ましい。また、保護層の素材としては、Ｔｉ（チタン）を適用することが好ましい。Ｔｉは充填性に優れるため、Ａｇ層を被覆することにより外部からの酸素が透過してＡｇ層に到達することが防止できる。また、Ｔｉは仕事関数が低いため、第１電極を低い抵抗で形成することができる。同様に、仕事関数が低いＭｇ（マグネシウム）やＨｆ（ハフニウム）やＺｒ（ジルコニウム）やＴａ（タンタル）やＩｎ（インジウム）やＮｂ（ニオビウム）やＣｄ（カドミウム）によっても低抵抗の第１電極を実現することができる。【０００７】
また、トンネル接合層にｎ型ＧａＩｎＮ層を備えさせ、このｎ型ＧａＩｎＮ層に対してＴｉで形成した保護層を接触させることにより、これらの間で良好なオーミック接触を実現させることができる。このような組合せにおいては、第１電極の高い反射率を長期間にわたって維持することができるとともに、第１電極を低抵抗とすることができるため、低電圧にて高い発光効率を得ることができる。また、ＧａＩｎＮは比較的低温で成長させることができ、ｎ型ＧａＩｎＮ層を内部応力が小さく、歪みが小さい状態で形成することができる。【０００８】
さらに、トンネル接合層を構成するいずれかの層にドナー性不純物とアクセプタ性不純物を包含させることにより、蛍光層を形成することができる。もともと、トンネル効果を生じさせるためにトンネル接合層を構成する各層においてはドナー性不純物とアクセプタ性不純物のいずれかが包含されるが、いずれかの層においてドナー性不純物とアクセプタ性不純物を双方とも包含させることにより、蛍光層を形成することができる。この蛍光層は、発光層にて発光された光によって励起してドナー電子とアクセプタ正孔が再結合することにより、バンドギャップと不純物準位に対応した蛍光を発生させる。例えば、蛍光層をＧａＩｎＮ層とし、Ｍｇ（マグネシウム）をアクセプタ性不純物として包含させることにより、赤みを有する蛍光を発生させることができる。また、ドナー性不純物の濃度をアクセプタ性不純物の濃度よりも大きくすることにより、ｎ型ＧａＩｎＮ層を蛍光層として形成することができる。発光された蛍光についても第１電極によって反射することができる。また、蛍光層にて多重量子井戸構造を適用してもよい。このようにすることにより、効率よく蛍光を発生させることができる。【０００９】
６Ｈ型ＳｉＣによって形成された基板上に各層を積層することにより大きなバンドギャップを得ることができ、発光層にて波長の短い光を発光することができる。さらに、この基板にドナー性不純物とアクセプタ性不純物を包含させることにより、蛍光基板を形成してもよい。トンネル接合層の蛍光層や蛍光基板を含め異種の材料や不純物で形成された蛍光部を複数形成することにより、種々の波長の蛍光を生じさせることができ、各蛍光を合成した光を出力することができる。種々の波長の蛍光が合成できるため演色性に優れた光を得ることができる。例えば、照明用として広く使用されている色温度２８００Ｋ程度の白色光を合成することも可能である。【００１０】
発光層および上記トンネル接合層を構成する各層をすべて窒化物半導体によって構成させることにより、発光層において大きいバンドギャップを確保することができ、短波長の光を発光することができる。【００１１】
トンネル接合層をｐ型半導体層とｎ型半導体層によって形成するとともに、これらの接触界面付近における実効的な不純物濃度を１０19ｃｍ-3以上とすることにより、トンネル電流を確実に生じさせることができる。さらに、第２電極を第１電極と同様の素材によって形成するようにしてもよい。第１電極をドンネル接合層とオーミック接触させることにより、双方の電極を同一の導電型の半導体と接合させることができ、同一の材料で形成することができる。例えば、上述した第１電極と同様に、Ａｇ層とＴｉによる保護層を有する第２電極を形成するようにしてもよい。このような第２電極においても、高い反射率を実現できる。また、双方の電極を同時に形成することができるため、製造効率もよい。
【発明の効果】
【００１２】
以上説明したように請求項１にかかる発明によれば、低電圧での動作が可能であるとともに、光の取り出し効率の高い半導体発光素子を提供することができる。
請求項２にかかる発明よれば、高い反射率を実現することができる。
請求項３および請求項４にかかる発明によれば、Ａｇ層の酸化を防止することができる。
請求項５にかかる発明によれば、良好なオーミック接触を実現することができる。【００１３】
請求項６にかかる発明によれば、トンネル効果を生じさせる不純物を利用して蛍光を生じさせることができる。
請求項７にかかる発明によれば、効率よく蛍光を生じさせることができる。
請求項８にかかる発明によれば、基板においても蛍光を生じさせることができる。
請求項９にかかる発明によれば、短波長の光を出力することができる。
請求項１０にかかる発明によれば、確実にトンネル電流を生じさせることができる。
請求項１１にかかる発明によれば、双方の電極とも高い反射率とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】白色発光ダイオードの構造を示す構造模式図である。
【図２】電極の構造を示す構造模式図である。
【図３】白色発光ダイオードの構造を示す構造模式図である。
【図４】白色発光ダイオードの構造を示す構造模式図である。
【図５】白色発光ダイオードの構造を示す構造模式図である。
【符号の説明】
【００１５】
１，２，３，４…白色発光ダイオード
１０，１１０，２１０，３１０…蛍光基板
１１，１１１，３１６…蛍光層
１２，１１２，２１２，３１２…バッファ層
１３，１１３，２１３，３１３…ｎコンタクト層
１４，１１４，２１４，３１４…多重量子井戸活性層
１５，１１５，２１５，３１５…電子ブロック層
１６，１１６，２１６…ｐ接続層
１７，１１７，２１７…トンネル接合層
１８，１１８，２１８…アノード電極
１８ａ…Ａｇ層
１８ｂ１，１８ｂ２…保護層
１８ｃ…Ａｕ層
１９，１１９，２１９…カソード電極
３１７…ｐコンタクト層
３１８…ｐ電極
３１９…ｎ電極
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
ここでは、下記の順序に従って本発明の実施形態について説明する。
（１）第１の実施形態
（２）第２の実施形態
（３）第３の実施形態
（４）まとめ【００１７】
（１）第１の実施形態：
図１は、本発明の一実施形態にかかる半導体発光素子としての白色発光ダイオードの構造を模式的に示している。同図において、白色発光ダイオード１は蛍光基板１０と蛍光層１１とバッファ層１２とｎコンタクト層１３と多重量子井戸活性層１４と電子ブロック層１５とｐ接続層１６とトンネル接合層１７とアノード電極１８とカソード電極１９とから構成されている。なお、アノード電極１８とカソード電極１９は、それぞれ本発明の第１電極と第２電極に相当する。最下層を構成する略板状の蛍光基板１０は、６Ｈ型ＳｉＣ単結晶で構成されている。蛍光基板１０においては、アクセプタ性不純物としてのＢ（ホウ素）とドナー性不純物としてのＮ（窒素）が包含されており、これらの濃度は１０17〜１０19ｃｍ-3程度とされている。【００１８】
蛍光層１１は蛍光基板１０上に積層されており、蛍光基板１０と同じく６Ｈ型ＳｉＣ単結晶で構成され、ドナー性不純物としての窒素（Ｎ）が包含されている。一方、アクセプタ性不純物としてＡｌ（アルミニウム）が蛍光層１１に包含されている。蛍光層１１における各不純物Ａｌ，Ｎの濃度も１０17〜１０19ｃｍ-3程度とされている。バッファ層１２は、蛍光層１１上に積層されており、ＡｌＧａＮで構成されている。ｎコンタクト層１３は、バッファ層１２上に積層されており、ｎ−ＧａＮで構成されている。多重量子井戸活性層１４は、ｎコンタクト層１３上に積層されており、ＧａＩｎＮ／ＧａＮで構成された多重量子井戸構造を有している。電子ブロック層１５は、多重量子井戸活性層１４上に積層されており、ｐ−ＡｌＧａＮで構成されている。なお、多重量子井戸活性層１４と電子ブロック層１５は、本発明の発光層に相当する。ｐ接続層１６は、電子ブロック層１５上に積層されており、ｐ−ＧａＮで構成されている。【００１９】
トンネル接合層１７は、ｐ接続層１６上に積層されており、ｐ型半導体層１７ａとｎ型半導体層１７ｂとから構成されている。ｐ型半導体層１７ａは、ｐ接続層１６上に積層されており、ｐ+−ＧａＮで構成されている。ｐ型半導体層１７ａには、アクセプタ性不純物としてのＭｇが１０19ｃｍ-3以上の濃度で包含され、キャリア濃度の高いｐ型半導体とされている。ｎ型半導体層１７ｂは、ｐ型半導体層１７ａ上に積層されており、ｎ+−ＧａＩｎＮで構成されている。ｎ型半導体層１７ｂには、ドナー性不純物としてのＳｉが１０19ｃｍ-3以上の濃度で包含され、キャリア濃度の高いｎ型半導体とされている。また、ｎ型半導体層１７ｂは、ＩｎＮのモル分率が２５％とされており、膜厚は２０ｎｍとしされている。アノード電極１８はトンネル接合層１７におけるｎ型半導体層１７ｂ上に積層されており、カソード電極１９はｎコンタクト層１３上に積層されている。以上の構成において、白色発光ダイオード１が有する半導体層１０〜１７は、蛍光基板１０と蛍光層１１を除いて、すべて窒化物半導体で構成されることとなる。【００２０】
図２は、アノード電極１８の構造を模式的に示している。なお、カソード電極１９もアノード電極１８と同様の構成とされているため、図示および説明を省略する。図２において、アノード電極１８はＡｇで構成されたＡｇ層１８ａと、Ｔｉで構成された１対の保護層１８ｂ１，１８ｂ２と、Ａｕ（金）で構成されたＡｕ層１８ｃとから構成されている。まず、ｎ型半導体層１７ｂ上に保護層１８ｂ１が積層され、その上にＡｇ層１８ａが積層されている。さらに、Ａｇ層１８ａ上に保護層１８ｂ２が積層され、さらにその上にＡｕ層１８ｃが積層されている。保護層１８ｂ１の厚みは例えば２ｎｍとされ、Ａｇ層１８ａの厚みは例えば１００ｎｍとされている。保護層１８ｂ２の厚みは例えば２０ｎｍとされており、Ａｕ層１８ｃの厚みは例えば３００ｎｍとされている。なお、Ａｇ層１８ａはＡｇのみで構成されるものに限られず、例えばＡｇ層１８ａにＣｕおよびＰｄを数％を含ませることによって、Ａｇ層１８ａの熱的安定性および化学的安定性を確保してもよい。また、Ａｇ層１８ａにＢｉを数％を含ませることによっても、熱的安定性および化学的安定性を確保することができる。【００２１】
次に、以上説明した白色ダイオード１の作成方法について説明する。まず、ＢとＮを適量ドープさせつつ例えば昇華法によって６Ｈ型ＳｉＣ単結晶を成長させることにより、蛍光基板１０を作成する。蛍光基板１０が形成できると、ＡｌとＮを適量ドープさせつつ例えば近接昇華法によって６Ｈ型ＳｉＣ単結晶をステップフロー成長させることにより、蛍光層１１を積層する。さらに、母材となるＡｌＧａＮとＧａＮとＧａＩｎＮ／ＧａＮとＡｌＧａＮとＧａＮとＧａＩｎＮを順に近接昇華法によってエピタキシャル成長させつつ、各層に対応する不純物を適量ドープさせることにより、バッファ層１２とｎコンタクト層１３と多重量子井戸活性層１４と電子ブロック層１５とｐ接続層１６とトンネル接合層１７とを順次積層していく。なお、ＩｎＮのモル分率を２５％としたｎ型半導体層１７ｂの成長においては、比較的低温で結晶成長を行うことができる。【００２２】
以上のようにして各半導体層１０〜１７を形成すると、次にｎコンタクト層１３の上部と多重量子井戸活性層１４と電子ブロック層１５とｐ接続層１６とトンネル接合層１７の一部分をエッチングする。これにより、ｎコンタクト層１３の一部を上方に露出させる。そして、最後にトンネル接合層１７のｎ型半導体層１７ｂ上にアノード電極１８を積層しつつ、ｎコンタクト層１３における上方露出部にカソード電極１９を積層する。アノード電極１８とカソード電極１９の形成においては、Ｔｉ／Ａｇ／Ｔｉ／Ａｕを順に積層していけばよい。例えば、これらの金属を順に蒸着することによりアノード電極１８とカソード電極１９を積層することができる。むろん、湿式の手法によってアノード電極１８とカソード電極１９を積層することも可能である。【００２３】
以上のようにして形成した白色発光ダイオード１のアノード電極１８とカソード電極１９に対して順バイアス電圧を印加すると白色発光ダイオード１が発光することとなる。アノード電極１８とカソード電極１９に対して順バイアス電圧を印加すると、ｐ型半導体層１７ａとｎ型半導体層１７ｂによるＰＮ接合を構成するトンネル接合層１７に対して逆バイアス電圧が印加されることとなる。従って、ｎ型半導体層１７ｂと接触する保護層１８ｂ１との界面付近においては空乏層が形成されることとなる。しかし、ｎ型半導体層１７ｂにはドナー性不純物としてＳｉが１０19ｃｍ-3以上の高濃度で包含されているため、この空乏層の厚みをｎ型半導体層１７ｂよりも薄い１０ｎｍ程度とすることができる。【００２４】
すなわち、Ｔｉで構成された保護層１８ｂ１とｎ型半導体層１７ｂとを、トンネル効果によって実質的にオーミック接触させることができる。ｎ型半導体層１７ｂにおけるＩｎＮのモル分率が２５％であるため、そのバンドギャップが２．１ｅＶ程度と小さく、また低温成長による応力緩和によって歪みが少ないため、低電圧でも確実にトンネル接合層１７にてトンネル電流を生じさせることができる。さらに、アノード電極１８を構成するＴｉ／Ａｇは仕事関数が小さい金属であるため、カソード電極１９における抵抗が小さく、低電圧でもトンネル電流を生じさせることができる。ただし、オーミック接触面においては厚み方向に適度な抵抗が得られるため、トンネル接合層１７において面方向の電流密度を均一化させることができる。一方、ｎ−ＧａＮで構成されたｎコンタクト層１３とカソード電極１９との界面は順バイアス電圧となるため、これらの間で電流が流れることとなる。【００２５】
以上のようにアノード電極１８とカソード電極１９との間に順バイアスの電圧を印加することにより、これらの間に電流を供給することができる。従って、アノード電極１８とカソード電極１９との間に積層されている多重量子井戸活性層１４や電子ブロック層１５にも電流を供給することができ、多重量子井戸活性層１４を発光させることができる。多重量子井戸活性層１４においては、例えば波長３８５ｎｍの近紫外光が放出される。放出された近紫外光はそれぞれアクセプタ性不純物とドナー性不純物がドープされた蛍光基板１０と蛍光層１１に入射し、これらの層にて吸収される。蛍光基板１０と蛍光層１１においては、多重量子井戸活性層１４にて発光された近紫外光によって励起されたドナー電子とアクセプタ正孔が再結合し、蛍光が発光されることとなる。【００２６】
蛍光基板１０と蛍光層１１は、ともに６Ｈ型のＳｉＣ単結晶を母材としており、基本的にバンドギャップは同じとなっているが、それぞれ添加されているアクセプタ性不純物が異なっている。すなわち、蛍光基板１０と蛍光層１１においては、アクセプタ準位の深さが互いに異なっており、ドナー電子とアクセプタ正孔が再結合する際の遷移エネルギーが互いに異なっている。従って、蛍光基板１０と蛍光層１１において生成される蛍光の波長帯域は互いに異なっている。アクセプタ性不純物としてホウ素を含有する蛍光基板１０においては緑色から赤色にかけての広い波長スペクトルを持つ蛍光が出力され、アクセプタ性不純物としてアルミニウムを含有する蛍光層１１においては青色から緑色にかけての広い波長スペクトルを持つ蛍光が出力される。そして、これらの蛍光が合成されることにより、最終的に演色性の良好な白色光を得ることができる。この白色光は蛍光基板１０の下面を介して外部に取り出され、表示や照明等に利用される。【００２７】
多重量子井戸活性層１４にて生じた近紫外光は白色発光ダイオード１の内部において、下方または上方に放射される。多重量子井戸活性層１４から下方に放射された近紫外光はそのまま蛍光基板１０と蛍光層１１に到達して、蛍光基板１０と蛍光層１１にて蛍光を生じさせる。一方、多重量子井戸活性層１４から上方に放射された近紫外光は、一度、アノード電極１７に到達し、アノード電極１７にて全反射されることにより、下方に進行して蛍光基板１０と蛍光層１１にて蛍光を生じさせる。アノード電極１７においては、極めて反射率の高いＡｇによるＡｇ層１８ａが備えられているため、アノード電極１７に到達した近紫外光をほぼ損失させることなく下方に反射させることができる。従って、多重量子井戸活性層１４にて発光された近紫外光を効率よく蛍光に変換することができる。また、白色発光ダイオード１における屈折率が異なる各層の界面において光が反射することにより、一部の光がカソード電極１８に到達する場合もある。この場合も、アノード電極１７と同じ素材で形成されたカソード電極１８によって確実に光を下方に反射させることができる。【００２８】
Ａｇ層１８ａは保護層１８ｂ１，１８ｂ２によって上下から挟まれており、高反射率に寄与するＡｇがＴｉによって被覆されている。Ｔｉは、Ａｕのようにポーラス状でなく、充填された構造を有しているため、Ａｕ層１８ｃを透過した酸素を保護層１８ｂ２にて遮断することができ、酸素がＡｇ層１８ａに到達することが防止できる。従って、Ａｇが酸化されることが防止でき、経時的にＡｇ層１８ａの反射率が劣化することが防止できる。従って、高い発光効率を長期間にわたって維持することができる。一方、光が入射する保護層１８ｂ１の厚みが２ｎｍとされているため、保護層１８ｂ１を光が透過し、Ａｕ層１８ｃにて反射させることができる。また、Ａｇ層１８ａの厚みは１００ｎｍとされているため、光がＡｇ層１８ａを透過することなく、高反射率で反射させることができる。【００２９】
なお、本実施形態では６Ｈ型ＳｉＣ基板を用いたが、例えば４Ｈ型や３Ｃ型や１５Ｒ型等の他のポリタイプのＳｉＣ基板を用いてもよい。さらに、例えばサファイアのような他の単結晶基板においても、高効率化や低電圧化などの効果を得ることができるため、有効である。さらに、アノード電極１７およびカソード電極１８にはＡｇ以外にも、Ａｌのような仕事関数が小さく反射率の高い材料を適用することもできる。また、本実施形態においては多重量子井戸活性層１４に電子ブロック層１５を接合することにより高効率の発光を実現したが、ダブルへテロ構造等の他の発光構造を適用することも可能である。【００３０】
（２）第２の実施形態：
図３は、第２の実施形態にかかる白色発光ダイオード２の構造を模式的に示している。同図に示すように、白色発光ダイオード２の構成は図１に示した前実施形態の白色発光ダイオード１とほぼ同様の構成となっているが、トンネル接合層１１７におけるｎ型半導体層１１７ｂの構成のみが前実施形態と相違している。本実施形態のｎ型半導体層１１７ｂは、ｎ+−ＧａＩｎＮ／ＧａＮによる多重量子井戸構造を有している。また、ｎ型半導体層１１７ｂは、ｎ型化のためのドナー性不純物であるＳｉを含有するとともに、アクセプタ不純物としてのＭｇを含有している。ｎ型半導体層１１７ｂにおいてＭｇの濃度はほぼ一定であるが、Ｓｉの濃度はｎ型半導体層１１７ｂの界面付近のみがＳｉの濃度がＭｇの濃度よりも１０19ｃｍ-3以上高くなるようにされている。これにより、ｎ型半導体層１１７ｂの界面付近を高キャリア濃度のｎ型としている。【００３１】
ｎ型半導体層１１７ｂの界面付近が高キャリア濃度のｎ型とされ、アノード電極１１８とのオーミック接触が実現されるため、前実施形態と同様にアノード電極１１８とカソード電極１１９間に電圧を印加することによりトンネル接合層１１７にてトンネル電流を生じさせることができる。これにより、アノード電極１１８とカソード電極１１９間に存在する多重量子井戸活性層１１４にて近紫外光を発光させることができる。【００３２】
多重量子井戸活性層１１４から下方に放射された近紫外光はそのまま蛍光基板１１０と蛍光層１１１に到達して、蛍光基板１１０と蛍光層１１１にて蛍光を生じさせる。一方、多重量子井戸活性層１４から上方に放射された近紫外光は、多重量子井戸構造を有し、さらにドナー性不純物Ｓｉとアクセプタ不純物Ｍｇを双方とも含有するｎ型半導体層１１７ｂに到達する。多重量子井戸構造におけるＧａＩｎＮにおけるＩｎＮのモル分率を高くすることにより、ｎ型半導体層１１７ｂのバンドギャップは小さいものとなっている。さらに、アクセプタ性不純物のＭｇは、深いアクセプタ準位を有するため、ｎ型半導体層１１７ｂにおいて近紫外光によって励起されたドナー電子とアクセプタ正孔とが再結合する際の遷移エネルギーを小さくすることができる。従って、ｎ型半導体層１１７ｂにて波長の長い赤色蛍光を出力することができる。ｎ型半導体層１１７ｂは、多重量子井戸構造を有しているため、ドナー電子とアクセプタ正孔の閉じ込め効果により、効率よく蛍光変換を行うことができる。また、トンネル接合に寄与するｎ型半導体層１１７ｂの界面付近のみが高キャリア濃度とされ、その他の部分については蛍光変換に適した不純物濃度となっているため、高い蛍光変換効率を実現することができる。従って、ｎ型半導体層１１７ｂを薄く形成することができる。【００３３】
蛍光基板１１０においても緑色から赤色にかけての蛍光が出力されるが、蛍光基板１１０よりもバンドギャップの小さいｎ型半導体層１１７ｂにおいては、より赤みの強い長波長蛍光を出力することができる。従って、蛍光基板１１０と蛍光層１１１とｎ型半導体層１１７ｂのそれぞれにて出力された蛍光を合成することにより、より演色性の良好な白色光を得ることができ、色温度が２８００Ｋ程度の暖色照明も実現することができる。前実施形態と同様に、アノード電極１１８およびカソード電極１１９も図２に示す前実施形態と同様の構成となっているため、いずれの波長の光も高い反射率で反射できる。従って、高効率で光を蛍光基板１１０の下面から取り出すことができる。本実施形態のｎ型半導体層１１７ｂにおいては、アノード電極１１８とのオーミック接触と、長波長蛍光の生成とを双方とも実現でき、これらの目的のために別々の層を形成しなくても済む。従って、材料コストや製造コストの安い白色発光ダイオードを実現することができる。なお、本実施形態のｎ型半導体層１１７ｂは、本発明の蛍光層に相当する。【００３４】
（３）第３の実施形態：
図４は、第３の実施形態にかかる白色発光ダイオード３の構造を模式的に示している。同図に示すように、白色発光ダイオード２の構成は図２に示した前実施形態の白色発光ダイオード２とほぼ同様の構成となっているが、蛍光層１１１が省略されている点において前実施形態と相違している。すなわち、本実施形態においては、蛍光基板２１０の上に直接バッファ層２１２が積層されている。蛍光層１１１が省略されるため長波長成分が前実施形態と比較して不足しがちとなる。しかし、長波長蛍光を出力するｎ型半導体層２１７ｂのＧａＩｎＮ／ＧａＮ組成を調整したり不純物濃度を調整することにより、ｎ型半導体層２１７ｂから発光される蛍光の長波長成分を増大させることができる。従って、蛍光層１１１による長波長成分の不足を補い、バランスのよい白色蛍光を生成することができる。なお、具体的にはｎ型半導体層２１７ｂにおけるＩｎＮのモル分率を増加させたり、アクセプタ準位を深くすることにより、ドナー・アクセプタ対の再結合における遷移エネルギーを抑制することができ、長波長蛍光を増大させることができる。【００３５】
なお、白色光の長波長成分を補強する目的において、ＧａＩｎＮ／ＧａＮの多重量子井戸構造を有する蛍光層を挿入することが有効であり、必ずしも、この蛍光層が半導体層と電極とのオーミック接触に寄与する必要はない。すなわち、ＧａＩｎＮ／ＧａＮの多重量子井戸構造を有する蛍光層を任意の位置に挿入することにより、白色光の色温度を暖色系に調整することができる。図５においては、ｐ電極とｎ電極をそれぞれの導電型を有するコンタクト層に接合させた白色発光ダイオード４の構造を模式的に示している。白色発光ダイオード４は、ｎ−ＧａＮで構成されたｎコンタクト層３１３とｐ−ＧａＮで構成されたｐコンタクト層３１７を有しており、ｎコンタクト層３１３にはｎ電極３１９が接合し、ｐコンタクト層３１７にはｐ電極３１８が接合している。白色発光ダイオード４は、蛍光基板３１０とバッファ層３１２と多重量子井戸活性層３１４と電子ブロック層３１５を有しており、これらの層は前実施形態と同様の構成とされている。【００３６】
そして、ＧａＩｎＮ／ＧａＮの多重量子井戸構造を有する蛍光層３１６を電子ブロック層３１５とｐコンタクト層３１７との間に挿入している。蛍光層３１６は、前実施形態のｎ型半導体層１１７ｂと同様の構成とされている。従って、蛍光層３１６には、ドナー性不純物としてのＳｉと、アクセプタ不純物としてのＭｇが含有されている。ただし、ＳｉとＭｇの濃度は蛍光層３１６がｐ型となるようにされている。このような構成においても、ＧａＩｎＮ／ＧａＮの多重量子井戸構造を有する蛍光層３１６にて長波長蛍光を出力することができ、暖色系の白色光を出力することができる。【００３７】
（４）まとめ：
高い反射率を有するＡｇで構成されたＡｇ層１８ａを有するアノード電極１８を形成する。さらに、Ａｇ層１８ａを上下からＴｉで構成された保護層１８ｂ１，１８ｂ２で挟み込むとともに、保護層１８ｂ１をトンネル接合部１７とオーミック接触させる。仕事関数の小さいＴｉ／Ａｇで構成されたアノード電極１８では低抵抗が実現できるとともに、トンネル電流によってトンネル接合部１７との導通を確保することができる。これにより、カソード電極１９もアノード電極１８と同じ素材で形成することができ、双方ともＡｇによって高い反射率とすることができる。従って、高い光の取り出し効率を実現することができる。
【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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【国際調査報告】
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