(57)【要約】【課題】  高いエネルギー変換効率を実現することが可能なＳｉＣ蛍光体および発光ダイオードを提供する。【解決手段】蛍光量子効率は、アクセプタ不純物の濃度に強く依存し、７０％以上の蛍光量子効率を得るためには５×１０17ｃｍ-3以上のアクセプタ不純物の濃度が必要である。一方、アクセプタ不純物の濃度がドナー不純物の濃度を超えると蛍光量子効率は急激に減少するため、ドナー不純物の濃度よりもアクセプタ不純物の濃度を少なく設定する。さらに、ＳｉＣ単結晶においてはドナー不純物の濃度が１０19ｃｍ-3を超えると結晶品質が急激に低下するため、ドナー不純物の濃度を１０19ｃｍ-3以下とする。【選択図】図１
2007058153.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＳｉＣ結晶中にアクセプタ不純物が５×１０17ｃｍ-3以上含まれるとともに、
同ＳｉＣ結晶中にドナー不純物が１×１０19ｃｍ-3以下、かつ、上記アクセプタ不純物よりも多く含まれることを特徴とするＳｉＣ蛍光体。
【請求項２】
上記ドナー不純物が窒素であることを特徴とする請求項１に記載のＳｉＣ蛍光体。
【請求項３】
上記アクセプタ不純物がホウ素またはアルミニウムまたはガリウムであることを特徴とする請求項１または請求項２のいずれかに記載のＳｉＣ蛍光体。
【請求項４】
上記ＳｉＣ結晶は６Ｈ型の結晶構造を有することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載のＳｉＣ蛍光体。
【請求項５】
アクセプタ不純物が５×１０17ｃｍ-3以上含まれるとともに、ドナー不純物が１×１０19ｃｍ-3以下、かつ、上記アクセプタ不純物よりも多く含まれるＳｉＣ蛍光層と、
上記ＳｉＣ蛍光層に積層されるとともに、同ＳｉＣ蛍光層の励起光を発光する発光層とを具備することを特徴とする発光ダイオード。
【請求項６】
互いに異なる上記アクセプタ不純物が含まれる複数の上記ＳｉＣ蛍光層が形成されることを特徴とする請求項５に記載の発光ダイオード。
【請求項７】
複数の上記ＳｉＣ蛍光層にて発光される蛍光の色が互いに略補色関係となることを特徴とする請求項６に記載の発光ダイオード。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はＳｉＣ蛍光体および発光ダイオードに関し、特にアクセプタ不純物とドナー不純物を含むＳｉＣ蛍光体に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、化合物半導体によって形成された発光素子として発光ダイオードが広く実用化されており、主に光伝送や表示や特殊照明等に用いられている。また、窒化物半導体を利用した青色発光ダイオードにて青色光を発光させ、ＹＡＧ系黄色蛍光体を透過させることに白色光を生成する白色発光ダイオードが実用化されている。ＹＡＧ系黄色蛍光体においては青色光の一部が黄色光に変換される。そして、変換された黄色光と、変換されなかった青色光とが混色されることにより、白色光を得ることが可能であった。このような白色発光ダイオードは、一般照明等にも利用することができ、種々の用途への展開が大いに期待されている。【０００３】
しかし、上述した白色発光ダイオードにおいてはエネルギー変換効率が既存の蛍光灯と比較して不十分であるという課題があった。また、青色成分と黄色成分のみから白色光を合成するため、赤色成分が不足し、照明光源として演色性に劣るという課題があった。なお、黄色蛍光体に赤色蛍光体を組み合わせることにより演色性を改善する手法も提案されているが、現状、赤色蛍光体の変換効率は低く、演色性とエネルギー変換効率との両立は不可能となっている。また、黄色蛍光体の膜厚および濃度が均一でないと、発光部位によっては黄色または青色の色味が生じるという課題もあった。【０００４】
一方、ＳｉＣの結晶中にアクセプタ不純物とドナー不純物とをドーピングさせたＳｉＣ蛍光体も提案されている（例えば、特許文献１、参照。）。かかる構成において、近紫外発光ダイオード等から発光された近紫外光によって励起することにより、ドナー電子とアクセプタ正孔を再結合させることができ、その際のエネルギー遷移よって蛍光を生成することができる。この蛍光の波長はドナー準位とアクセプタ準位のエネルギーギャップに依存するため、アクセプタ不純物やドナー不純物として混入させる元素を選択することにより、任意の色の蛍光を発光させることができる。【０００５】
同文献においては、ＳｉＣ結晶中にアクセプタ不純物としてそれぞれホウ素とアルミニウムをドープさせた２層のＳｉＣ蛍光体を設けることにより、黄色および青色の蛍光を生成し、これらの蛍光を混色することにより、白色光を得ている。ドナー電子とアクセプタ正孔の再結合によって生じる蛍光の波長は、黄色および青色がピークであるものの比較的広い波長帯域を有しているため、演色性が良好な白色光を得ることもできる。また、ＳｉＣ基板から発光ダイオードの積層していく課程において容易にＳｉＣ蛍光体を形成することができ、後から蛍光体のみを付加する必要はなくて済む。
【特許文献１】国際公開第２００５／０９０５１５号パンフレット
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、ＳｉＣ蛍光体において高いエネルギー変換効率を実現させるために、どれだけのアクセプタ不純物とドナー不純物をドープさせるのが最適であるかという検討が十分になされていなかった。特に、アクセプタ不純物量とドナー不純物量の相対的な関係が解明されていなかったため、高いエネルギー変換効率を実現することができないという問題があった。
本発明は上記課題にかんがみてなされたもので、高いエネルギー変換効率を実現することが可能なＳｉＣ蛍光体および発光ダイオード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】
【０００７】
上記課題を解決するために請求項１にかかる発明は、ＳｉＣ結晶中にアクセプタ不純物が５×１０17ｃｍ-3以上含まれるとともに、同ＳｉＣ結晶中にドナー不純物が１×１０19ｃｍ-3以下、かつ、上記アクセプタ不純物よりも多く含まれる構成としてある。【０００８】
上記のように構成した請求項１の発明において、ＳｉＣ蛍光体はＳｉＣ結晶によって形成され、ＳｉＣ結晶中にアクセプタ不純物が５×１０17ｃｍ-3以上含まれる。さらに、ＳｉＣ結晶中にドナー不純物が１×１０19ｃｍ-3以下、かつ、上記アクセプタ不純物よりも多く含まれる。なお、アクセプタ不純物が５×１０17ｃｍ-3以上含まれるとは、ＳｉＣ結晶１ｃｍ3中にアクセプタ不純物が５×１０17個以上含まれることを意味する。同様に、ドナー不純物が１×１０19ｃｍ-3以下含まれるとは、ＳｉＣ結晶１ｃｍ3中にドナー不純物が１×１０19個以下含まれることを意味する。【０００９】
アクセプタ不純物とドナー不純物をドープさせるにあたっては、基板上にてＳｉＣ結晶を成長させる際にドープさせてもよいし、ＳｉＣのバルク結晶を作成する際にドープさせてもよい。アクセプタ不純物とドナー不純物として種々の元素を適用することができ、複数の種類のアクセプタ不純物やドナー不純物が含まれていてもよい。アクセプタ不純物とドナー不純物の含有量を整理すると下記のようになる。
５×１０17ｃｍ-3≦（アクセプタ不純物）≦（ドナー不純物）≦１×１０19ｃｍ-3【００１０】
まず、アクセプタ不純物とドナー不純物の濃度を５×１０17ｃｍ-3以上とすることにより、アクセプタ正孔とドナー電子の絶対数を多く確保することができ、高いエネルギー変換効率を実現することができる。アクセプタ不純物とドナー不純物の濃度を１×１０19ｃｍ-3以下とすることにより、過剰な不純物量によってＳｉＣ結晶の結晶品質の低下を防止し、エネルギー変換効率の低下を防止することができる。さらに、ドナー不純物の濃度をアクセプタ不純物の濃度よりも高く設定することにより、ドナー電子の不足を防止することができる。ドナー不純物はアクセプタ不純物よりもイオン化エネルギーが小さいため、イオン化するドナー不純物の量を見越して同ドナー不純物の濃度を予め高くしておくことにより、励起状態におけるアクセプタ正孔とドナー電子の数量を同程度にすることができる。これにより、価電子帯からアクセプタ準位に緩和したにもかかわらずドナー電子と再結合することができないアクセプタ正孔が生じることが防止でき、励起光のエネルギーを無駄なく変換することができる。【００１１】
また、請求項２にかかる発明では、上記ドナー不純物が窒素である構成としてある。
上記のように構成した請求項２の発明において、上記ドナー不純物として窒素がドープされる。窒素によれば安価かつ容易にＳｉＣ蛍光体を作成することができる。【００１２】
さらに、請求項３にかかる発明では、上記アクセプタ不純物がホウ素またはアルミニウムまたはガリウムである構成としてある。
上記のように構成した請求項３の発明において、上記アクセプタ不純物としてホウ素またはアルミニウムまたはガリウムがドープされる。上記アクセプタ不純物としてドープさせる元素をいずれかに調整することにより、ドナー準位とアクセプタ準位とのエネルギー差を調整することができ、アクセプタ正孔とドナー電子との再結合によって放出される光子のエネルギーを制御することができる。光子のエネルギーと波長には一義的な関係があるため、上記アクセプタ不純物としてドープさせる元素を選択することにより、生成される蛍光の色を選択することができる。【００１３】
また、請求項４にかかる発明では、上記ＳｉＣ結晶は６Ｈ型の結晶構造を有する構成としてある。
上記のように構成した請求項４の発明において、６Ｈ型のＳｉＣ結晶においては大きいバンドギャップを実現することができ、添加する不純物によっては短波長の青色蛍光も生成することができる。【００１４】
さらに、請求項５にかかる発明では、アクセプタ不純物が５×１０17ｃｍ-3以上含まれるとともに、ドナー不純物が１×１０19ｃｍ-3以下、かつ、上記アクセプタ不純物よりも多く含まれるＳｉＣ蛍光層と、上記ＳｉＣ蛍光層に積層されるとともに、同ＳｉＣ蛍光層の励起光を発光する発光層とを具備する構成としてある。【００１５】
上記のように構成した請求項５の発明において、アクセプタ不純物が５×１０17ｃｍ-3以上含まれるとともに、ドナー不純物が１×１０19ｃｍ-3以下、かつ、上記アクセプタ不純物よりも多く含まれるＳｉＣ蛍光層を形成し、さらに同ＳｉＣ蛍光層に発光層を積層する。上記発光層は、上記蛍光層を励起することが可能な励起光を発光する。これにより、上記発光層にて励起光を発光するとともに、同励起光を上記ＳｉＣ蛍光層にて変換した蛍光を出力する発光ダイオードを形成することができる。【００１６】
また、請求項６にかかる発明では、互いに異なる上記アクセプタ不純物が含まれる複数の上記ＳｉＣ蛍光層が形成される構成としてある。
上記のように構成した請求項６の発明において、互いに異なる上記アクセプタ不純物が含まれる複数の上記ＳｉＣ蛍光層が形成することにより、各ＳｉＣ蛍光層にて異なる色の蛍光を生成することができる。従って、各ＳｉＣ蛍光層にて発光された異なる蛍光を合成した光を外部に出力することができ、単一の上記ＳｉＣ蛍光層のみでは再現できない蛍光色を再現することが可能となる。【００１７】
さらに、請求項７にかかる発明では、複数の上記ＳｉＣ蛍光層にて発光される蛍光の色が互いに略補色関係となる構成としてある。
上記のように構成した請求項７の発明において、複数の上記ＳｉＣ蛍光層にて発光される蛍光の色が互いに略補色関係となるように、各ＳｉＣ蛍光層における上記アクセプタ不純物の種類が選択される。略補色関係の蛍光を合成することにより、略白色の蛍光を生成することができる。
【発明の効果】
【００１８】
以上説明したように請求項１および請求項５の発明によれば、高いエネルギー変換効率を実現することが可能なＳｉＣ蛍光体および発光ダイオードを提供することができる。
請求項２の発明によれば、安価にＳｉＣ蛍光体を作成することができる。
請求項３の発明によれば、蛍光色を調整することができる。
請求項４の発明によれば、青色蛍光を発光することができる。
請求項６の発明によれば、多様な蛍光色を再現することができる。
請求項７の発明によれば、演色性が良好な白色ダイオードを作成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の一実施形態にかかるＳｉＣ蛍光体の構造を示す模式図である。
【図２】ＳｉＣ結晶における不純物準位を示す図である。
【図３】不純物濃度と蛍光量子効率との関係を示すグラフである。
【図４】温度と蛍光量子効率との関係を示すグラフである。
【図５】変形例にかかるＳｉＣ蛍光体の構造を示す模式図である。
【図６】本発明の一実施形態にかかる白色発光ダイオードの構造を示す模式図である。
【符号の説明】
【００２０】
１０，１１０…ＳｉＣ蛍光体
１１，１１１…ＳｉＣ基板
１２，１１２ａ，１１２ｂ，２１２…ＳｉＣ蛍光層
２１０…白色発光ダイオード
２１１…ＳｉＣ蛍光基板（ＳｉＣ蛍光層）
２１３…バッファ層
２１４…第一コンタクト層
２１５…第一クラッド層
２１６…多重量子井戸活性層
２１７…電子ブロック層
２１８…第二クラッド層
２１９…第二コンタクト層
２２０…ｐ電極
２２１…ｎ電極
Ｅｇ…バンドギャップエネルギー
ＥA，ＥD…束縛エネルギー
ＮA…アクセプタ準位
ＮD…ドナー準位
Ｅ１…伝導帯
Ｅ２…荷電子帯
ａ…自由電子
ａ ’…ドナー電子
ｂ…自由正孔
ｂ ’…アクセプタ正孔
ｃ…光子
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
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）ＳｉＣ蛍光体の構造、作成方法および作用：
（２）不純物濃度の設定：
（３）ＳｉＣ蛍光体の変形例：
（４）白色発光ダイオードの構造、作成方法および作用：
（５）まとめ：【００２２】
（１）ＳｉＣ蛍光体の構造、作成方法および作用：
図１は、第一の実施形態にかかるＳｉＣ蛍光体の構造を模式的に示している。同図において、ＳｉＣ蛍光体１０はＳｉＣ基板１１とＳｉＣ蛍光層１２とから構成されている。ＳｉＣ基板１１は、６層ごとに周期的な構造をとる６Ｈ型のＳｉＣ結晶によって形成されている。ＳｉＣ蛍光層１２には、アクセプタ不純物としてホウ素（Ｂ）が含まれるとともに、ドナー不純物として窒素（Ｎ）が含まれている。ＳｉＣ蛍光層１２の膜厚は２００μｍであり、表面が平坦なＳｉＣ基板１１上にて薄膜状に形成されている。ＳｉＣ蛍光層１２に含まれるホウ素の濃度は２×１０18ｃｍ-3であり、ＳｉＣ蛍光層１２に含まれる窒素の濃度は３×１０18ｃｍ-3であり、これらの不純物はＳｉＣ蛍光層１２にてほぼ均一に分布している。アクセプタ不純物とドナー不純物の濃度がともに５×１０17ｃｍ-3以上、かつ、≦１×１０19ｃｍ-3を満足し、さらにアクセプタ不純物よりもドナー不純物の濃度が高い条件を満足している。【００２３】
ＳｉＣ蛍光体１０を作成するにあたっては、まず６Ｈ型のＳｉＣ結晶で構成されたＳｉＣ基板１１を用意する。ＳｉＣ基板１１は、例えば昇華法によって作成される。ＳｉＣ基板１１の表面は平坦に形成され、その表面にＳｉＣ結晶をエピタキシャル成長させることにより薄膜状のＳｉＣ蛍光層１２を形成する。例えば近接昇華法によってＳｉＣ結晶をエピタキシャル成長させることができる。結晶成長中の雰囲気における窒素ガスＮ2の分圧を適度に調整することにより、ＳｉＣ蛍光層１２における窒素濃度が３×１０18ｃｍ-3となるように窒素をドープさせることができる。一方、ホウ素は、ホウ素単体またはホウ素化合物を原料に対して適量混合させることにより、ＳｉＣ蛍光層１２におけるホウ素濃度が２×１０18ｃｍ-3となるようにホウ素をドープさせることができる。【００２４】
以上のような構成としたＳｉＣ蛍光層１２に対して波長３５１ｎｍのアルゴン（Ａｒ）レーザ光を入射させることにより、同Ａｒレーザ光を蛍光に変換して外部へ放出することができる。図２は、Ａｒレーザ光が蛍光に変換される様子を模式的に説明している。同図において、ＳｉＣ蛍光層１２のエネルギーバンド構造が示され、縦軸がエネルギーを示している。ＳｉＣ蛍光層１２は主にＳｉＣ結晶で構成されているため、６Ｈ型ＳｉＣ結晶のバンドギャップエネルギーＥgが形成されている。ＳｉＣ蛍光層１２にＡｒレーザ光を入射させると、ＳｉＣ蛍光層１２が励起し、ドナー不純物としての窒素から自由電子ａが生じ、アクセプタ不純物としてのホウ素から自由正孔ｂが生じる。このとき、自由電子ａのエネルギーは伝導帯Ｅ１にあり、自由正孔ｂのエネルギーは荷電子帯Ｅ２にある。【００２５】
しかし、数ｎｓから数μｓの短時間のうちに、自由電子ａは束縛エネルギーＥDに抗してドナー準位ＮDへ緩和し、ドナー電子ａ’となる。同様に、自由正孔ｂは束縛エネルギーＥAに抗してアクセプタ準位ＮAへと緩和し、アクセプタ正孔ｂ’となる。さらに、エネルギーギャップが緩和されたドナー電子ａ’とアクセプタ正孔ｂ’が再結合し、その遷移エネルギー（Ｅg−ＥD−ＥA）に相当するエネルギーを有する光子ｃがＳｉＣ蛍光体１０の外部に放出される。ＳｉＣ蛍光体１０の外部に放出された光子ｃの波長は、遷移エネルギー（Ｅg−ＥD−ＥA）に依存する。【００２６】
本実施形態のような６Ｈ型ＳｉＣ結晶のバンドギャップエネルギーＥｇと窒素の束縛エネルギーＥDとホウ素の束縛エネルギーＥAとの組み合わせにおいて、光子ｃ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となって放出される。従って、本実施形態のＳｉＣ蛍光体１０によれば緑色から赤色にかけて広い波長スペクトルを持つ良好な蛍光を生成することができる。【００２７】
（２）不純物濃度の設定：
図３は、不純物濃度と蛍光量子効率との関係をグラフによって示している。同図において、縦軸は蛍光量子効率を示しており、横軸はホウ素濃度［１０17ｃｍ -3］を示している。なお、蛍光量子効率はＡｒレーザから蛍光へのエネルギー変換効率を意味し、単位時間当たりに入射したＡｒレーザのフォトン数に対する放出された蛍光のフォトン数の割合を意味しており、損失がない場合には１００％となる。窒素濃度を３×１０18ｃｍ-3が一定であり様々なホウ素濃度を有するＳｉＣ蛍光体１０を複数作成し、室温において各ＳｉＣ蛍光体１０に対してＡｒレーザを入射させることにより、蛍光量子効率のホウ素濃度依存性を調査した。【００２８】
蛍光量子効率は、ホウ素濃度に強く依存し、７０％以上の蛍光量子効率を得るためには５×１０17ｃｍ-3以上のホウ素濃度が必要であることがわかる。一方、ホウ素濃度が窒素濃度と同じ３×１０18ｃｍ-3を超えると蛍光量子効率は急激に減少している。従って、窒素濃度よりもホウ素濃度を少なく設定しておくことが望ましいということができる。いいかえれば、ホウ素濃度よりも窒素濃度を多めに設定しておくことが望ましいということができる。【００２９】
窒素のイオン化エネルギーはホウ素よりも小さいため、室温においてある程度の窒素がイオン化する。すると、励起されたドナー電子ａ’が再度伝導帯Ｅ１に遷移することとなり、アクセプタ正孔ｂ’と対になるドナー電子ａ’が不足することとなる。対となるドナー電子ａ’がないアクセプタ正孔ｂ’は、蛍光発光に寄与することができず、そのアクセプタ正孔ｂ’を励起するためのエネルギーが無駄に消費されたこととなる。すなわち、ドナー電子ａ’とアクセプタ正孔ｂ’が過不足なく再結合できるように予めイオン化する窒素量を見越してホウ素濃度よりも窒素濃度を多めに設定しておくことにより、高い蛍光量子効率を実現することができる。【００３０】
また、ＳｉＣ単結晶においては窒素濃度が１０19ｃｍ-3を超えると結晶品質が急激に低下することが知られている。結晶品質が低下すると励起時における非発光再結合率が大幅に増大するため、窒素濃度の上限は１０19ｃｍ-3と設定することが望ましい。上述したとおりホウ素濃度は窒素濃度よりも少ないことが望ましいため、必然的にホウ素濃度も１０19ｃｍ-3を上回らない程度に設定される。以上説明したホウ素（アクセプタ）濃度と窒素（ドナー）濃度の最適条件をまとめると下記式（１）のようになる。
５×１０17ｃｍ-3≦（アクセプタ濃度）≦（ドナー濃度）≦１×１０19ｃｍ-3・・（１）【００３１】
図４は、温度と蛍光量子効率との関係をグラフによって示している。同図において、縦軸は蛍光量子効率を示しており、横軸は温度［Ｋ］を示している。ＳｉＣ蛍光層１２におけるホウ素濃度を２×１０18ｃｍ-3とし窒素濃度を３×１０18ｃｍ-3としたＳｉＣ蛍光体１０にＡｒレーザを入射して、各温度における蛍光量子効率を調査した結果をプロットしている。蛍光量子効率は、低温では低いものの２００Ｋを超えてから急激に上昇し、室温の約３００Ｋでは、９６％の蛍光量子効率が得られている。温度が高いほど自由電子ａと自由正孔ｂの運動エネルギーが大きくなるため、これらがドナー準位ＮDとアクセプタ準位ＮAへ緩和しやすくなるからである。このように、ＳｉＣ蛍光層１２におけるホウ素濃度を２×１０18ｃｍ-3とし窒素濃度を３×１０18ｃｍ-3とすることにより、ＳｉＣ蛍光体１０の蛍光量子効率が室温において十分に確保できることが確認できた。【００３２】
（３）ＳｉＣ蛍光体の変形例：
以上説明した実施形態では、アクセプタ不純物としてホウ素をドープさせるとともに、ドナー不純物として窒素をドープさせるものを例示したが、他の不純物元素をドープさせてもよい。また、これらをドープさせるＳｉＣ結晶についても他の結晶構造を適用することができる。上述したとおり本発明のＳｉＣ蛍光体１０から放出される蛍光の色は、ドナー電子ａ’とアクセプタ正孔ｂ’の再結合における遷移エネルギー（Ｅg−Ｅ D−ＥA）に相当する。従って、ＳｉＣ結晶を他の結晶構造とすることによりバンドギャップエネルギーＥgを調整し、蛍光の色を調整することができる。なお、短波長の蛍光も出力させるためには、広いバンドギャップが得られる６Ｈ型のＳｉＣ結晶を使用するのが好適である。一方、アクセプタ不純物とドナー不純物として他の不純物元素を選択しても、束縛エネルギーＥA，ＥDを調整し、蛍光の色を調整することができる。【００３３】
例えば、６Ｈ型のＳｉＣ結晶にアクセプタ不純物としてアルミニウム（Ａｌ）をドープさせることにより、波長４６０ｎｍ付近をピークとする青色から緑色にかけての蛍光を生成することができる。アルミニウムはホウ素よりもアクセプタ準位ＮAが低く、再結合における遷移エネルギーを大きくすることができ、短波長の蛍光を出力することができる。また、アクセプタ不純物としてガリウム（Ｇａ）をドープさせてもよい。６Ｈ型のＳｉＣ結晶にガリウムをドープさせても、アルミニウムと同系色の蛍光を得ることができる。むろん、アクセプタとして振る舞う元素であればよく、他の元素をアクセプタ不純物としてドープさせてもよい。また、いずれのアクセプタ不純物とドナー不純物を適用した場合であっても、普遍的にドナー不純物の方がアクセプタ不純物よりもイオン化エネルギーが小さいということができるため、上記式（１）のドープ濃度にて良好な蛍光量子効率を実現することができる。【００３４】
さらに、以上は単層のＳｉＣ蛍光層１２が設けられるＳｉＣ蛍光体１０を例示したが、異なる色の蛍光が発光可能な複数層のＳｉＣ蛍光層１２を設けてもよい。図５は、２層のＳｉＣ蛍光層１１２ａ，１１２ｂが設けられたＳｉＣ蛍光体１１０の構造を模式的に示している。ＳｉＣ基板１１１上に形成されたＳｉＣ蛍光層１１２ａには６Ｈ型のＳｉＣ結晶にアクセプタ不純物としてホウ素がドープされており、表層のＳｉＣ蛍光層１１２ｂには６Ｈ型のＳｉＣ結晶にアクセプタ不純物としてホウ素がドープされている。いずれのＳｉＣ蛍光層１１２ａ，１１２ｂにおいてもドナー不純物として窒素がドープされ、各不純物の濃度は上記式（１）を満足する濃度とされている。【００３５】
下層のＳｉＣ蛍光層１１２ａ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を高効率で出力することができ、表層のＳｉＣ蛍光層１１２ｂ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を高効率で出力することができる。そして、ＳｉＣ蛍光体１１０全体として両蛍光を合成した光を出力することができる。これらの蛍光は、互いの色相角が１８０度反転した補色の関係にあるため、これらを合成することにより白色蛍光を得ることができる。いずれの蛍光においても広い範囲の波長スペクトルが含まれるため、演色性に優れた白色蛍光を得ることができ、照明等に好適なＳｉＣ蛍光体１１０を提供することができる。【００３６】
ＳｉＣ蛍光層１１２ａ，１１２ｂの作成においては、共通の６Ｈ型ＳｉＣ結晶を成長させつつドープするアクセプタ不純物のみを変更すればよいため、ほぼ連続的に作成することができ、作成が容易である。また、精度よく膜厚を制御することができるため、発光された蛍光に色の偏りやムラが生じることもない。なお、ＳｉＣ蛍光層は必ずしも基板上に成長させる必要はなく、バルク結晶を作成する際に不純物濃度を制御することによっても作成することも可能である。【００３７】
（４）白色発光ダイオードの構造、作成方法および作用：
以上説明した実施形態においては外部光源からの励起光によって蛍光を生成するものを例示したが、励起光源をＳｉＣ蛍光層と一体的に形成することも可能である。図６は、本発明を適用した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２１０は、それぞれが層状に形成されたＳｉＣ蛍光基板２１１とＳｉＣ蛍光層２１２とバッファ層２１３と第一コンタクト層２１４と第一クラッド層２１５と多重量子井戸活性層２１６と電子ブロック層２１７と第二クラッド層２１８と第二コンタクト層２１９とｐ電極２２０とｎ電極２２１とから構成されている。【００３８】
同図において最下層を構成する板状のＳｉＣ蛍光基板２１１は６Ｈ型のＳｉＣ結晶で構成されており、アクセプタ不純物としてのホウ素と、ドナー不純物としての窒素が含まれている。ＳｉＣ蛍光基板２１１は例えば昇華法によって作成することができ、その際に原料にホウ素を混入させることにより、ホウ素をドープさせることができる。一方、窒素は昇華法にて結晶を成長させる際の雰囲気における窒素ガスＮ2の分圧を適度に制御することによって添加することができる。ＳｉＣ蛍光基板２１１におけるホウ素と窒素の濃度は、それぞれ２×１０18ｃｍ-3と３×１０18ｃｍ-3とされ、上記式（１）を満足している。ＳｉＣ蛍光基板２１１上には６Ｈ型のＳｉＣ結晶で構成されたＳｉＣ蛍光層２１２が積層されている。ＳｉＣ蛍光層２１２にはアクセプタ不純物としてのアルミニウムと、ドナー不純物としての窒素が含まれており、これらの濃度はそれぞれ２×１０18ｃｍ-3と３×１０18ｃｍ-3とされ、上記式（１）を満足している。なお、ＳｉＣ蛍光層２１２は、例えば近接昇華法によって形成することができる。結晶成長中の雰囲気における窒素ガスＮ2の分圧を適度に調整することにより窒素をＳｉＣ蛍光層２１２に適量ドープさせることができ、アルミニウムを原料に対して適量混合させることによりアルミニウムをＳｉＣ蛍光層２１２に適量ドープさせることができる。【００３９】
ＳｉＣ蛍光層２１２上に、ＡｌＧａＮで構成されたバッファ層２１３と、ｎ−ＧａＮで構成された第一コンタクト層２１４と、ｎ−ＡｌＧａＮで構成された第一クラッド層２１５と、ＧａＩｎＮ／ＧａＮで構成された多重量子井戸活性層２１６と、ｐ−ＡｌＧａＮで構成された電子ブロック層２１７と、ｐ−ＡｌＧａＮで構成された第二クラッド層２１８と、ｐ−ＧａＮで構成された第二コンタクト層２１９とが例えば有機金属化合物気相成長法によって連続的に積層されている。第二コンタクト層２１９表面にはＮｉ／Ａｕからなるｐ電極２２０が積層されている。また、第二コンタクト層２１９から第一コンタクト層２１４の途中までの所定領域を厚み方向にエッチングすることにより、第一コンタクト層２１４を表面に露出させるとともに、同露出した部位にｎ電極２２１を形成している。【００４０】
以上のようして形成された白色発光ダイオード２１０のｐ電極２２０とｎ電極２２１に順方向の電圧を印加すると、第一コンタクト層２１４と第二コンタクト層２１９によって挟まれた各層２１５〜２１８に電流が供給され、本発明の発光層としての多重量子井戸活性層２１６において、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不純物とドナー不純物がドープされたＳｉＣ蛍光基板２１１とＳｉＣ蛍光層２１２に入射し、これらの層にて吸収される。ＳｉＣ蛍光基板２１１とＳｉＣ蛍光層２１２においては、多重量子井戸活性層２１６にて発光された近紫外光を励起光として図２に示したようにドナー電子ａ’とアクセプタ正孔ｂ’が再結合し、蛍光が発光されることとなる。【００４１】
ただし、ＳｉＣ蛍光基板２１１とＳｉＣ蛍光層２１２においてはアクセプタ不純物が異なっているため、ドナー電子ａ’とアクセプタ正孔ｂ’の再結合における遷移エネルギーが異なる。従って、ＳｉＣ蛍光基板２１１とＳｉＣ蛍光層２１２にて異なる色の蛍光を発光することができる。具体的には、ＳｉＣ蛍光基板２１１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を出力することができ、ＳｉＣ蛍光層２１２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を出力することができる。そして、白色発光ダイオード２１０全体として両蛍光を合成した光を出力することができる。これらの蛍光は、互いの色相角が１８０度反転した補色の関係にあるため、これらを合成することにより白色蛍光を得ることができる。いずれの蛍光においても広い範囲の波長スペクトルが含まれるため、演色性に優れた白色蛍光を得ることができ、照明等に好適な白色発光ダイオード２１０を提供することができる。【００４２】
ＳｉＣ蛍光基板２１１とＳｉＣ蛍光層２１２のいずれにおいてもアクセプタ不純物の濃度とドナー不純物の濃度が上記式（１）を満足しているため、多重量子井戸活性層２１６にて発光された近紫外光を高効率で白色蛍光に変換することができる。なお、近紫外の励起光をＳｉＣ蛍光基板２１１とＳｉＣ蛍光層２１２に侵入させ、これらにおいて全て吸収させるためには、ＳｉＣ蛍光基板２１１とＳｉＣ蛍光層２１２の合計膜厚が２００μｍ以上必要である。このようにすることにより、６０ｌｍ／Ｗ〜１５０ｌｍ／Ｗ程度の高い効率が得られる。なお、ＳｉＣ蛍光基板２１１とＳｉＣ蛍光層２１２の膜厚比は任意に設定することができ、同膜厚比を調整することにより出力される蛍光の色合いや色温度を調整することができる。例えば、ＳｉＣ蛍光基板２１１の膜厚比を大きくすることにより暖色系の白色蛍光を出力することができ、ＳｉＣ蛍光層２１２の膜厚比を大きくすることにより寒色系の白色蛍光を出力することができる。【００４３】
上記の実施形態においては複数層のＳｉＣ蛍光層（ＳｉＣ蛍光基板）を具備した白色発光ダイオードを例示したが、単層や３層以上のＳｉＣ蛍光層が備えられる発光ダイオードを作成することも可能である。例えば、上記の実施形態においてＳｉＣ蛍光層２１２を形成することなく発光ダイオード２１０を形成すると、暖白色系や青緑色の蛍光を出力することができる。また、上記の実施形態において、ＳｉＣ蛍光層２１２のアクセプタ不純物としてガリウムをドープさせても同様に白色蛍光が得られることはいうまでもない。【００４４】
（５）まとめ：
蛍光量子効率は、アクセプタ不純物の濃度に強く依存し、７０％以上の蛍光量子効率を得るためには５×１０17ｃｍ-3以上のアクセプタ不純物の濃度が必要である。一方、アクセプタ不純物の濃度がドナー不純物の濃度を超えると蛍光量子効率は急激に減少するため、ドナー不純物の濃度よりもアクセプタ不純物の濃度を少なく設定する。さらに、ＳｉＣ単結晶においてはドナー不純物の濃度が１０19ｃｍ-3を超えると結晶品質が急激に低下するため、ドナー不純物の濃度を１０19ｃｍ-3以下とする。【００４５】
なお、本発明は上記実施形態に限られるものでないことは言うまでもない。当業者であれば言うまでもないことであるが、上記実施形態の中で開示した相互に置換可能な部材および構成等を適宜その組み合わせを変更して適用すること、上記実施形態の中で開示されていないが、公知技術であって上記実施形態の中で開示した部材および構成等と相互に置換可能な部材および構成等を適宜置換し、またその組み合わせを変更して適用すること、および、上記実施形態の中で開示されていないが、公知技術等に基づいて当業者が上記実施形態の中で開示した部材および構成等の代用として想定し得る部材および構成等と適宜置換し、またその組み合わせを変更して適用することは本発明の一実施形態として開示されるものである。
【図１】
2007058153.tif 000003
【図２】
2007058153.tif 000004
【図３】
2007058153.tif 000005
【図４】
2007058153.tif 000006
【図５】
2007058153.tif 000007
【図６】
2007058153.tif 000008
【手続補正書】
【提出日】平成19年9月10日(2007.9.10)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＳｉＣ結晶を光励起させたときにアクセプタ準位とドナー準位にあるアクセプタ正孔とドナー電子の数が実質的に同数となるように、当該ＳｉＣ結晶中にアクセプタ不純物とドナー不純物の濃度が、
５×１０１７ｃｍ−３≦（アクセプタ不純物）＜（ドナー不純物）≦１×１０１９ｃｍ−３
かつ、（ドナー不純物）−（アクセプタ不純物）＜２５×１０１７ｃｍ−３
を満足することを特徴とするＳｉＣ蛍光体。
【請求項２】
上記ドナー不純物が窒素であることを特徴とする請求項１に記載のＳｉＣ蛍光体。
【請求項３】
上記アクセプタ不純物がホウ素またはアルミニウムまたはガリウムであることを特徴とする請求項１または請求項２のいずれかに記載のＳｉＣ蛍光体。
【請求項４】
（削除）
【請求項５】
光励起させたときにアクセプタ準位とドナー準位にあるアクセプタ正孔とドナー電子の数が実質的に同数となるように、アクセプタ不純物とドナー不純物の濃度が、
５×１０１７ｃｍ−３≦（アクセプタ不純物）＜（ドナー不純物）≦１×１０１９ｃｍ−３
かつ、（ドナー不純物）−（アクセプタ不純物）＜２５×１０１７ｃｍ−３
を満足するＳｉＣ蛍光層と、
上記ＳｉＣ蛍光層に積層されるとともに、同ＳｉＣ蛍光層の励起光を発光する発光層とを具備することを特徴とする発光ダイオード。
【請求項６】
互いに異なる上記アクセプタ不純物が含まれる複数の上記ＳｉＣ蛍光層が形成されることを特徴とする請求項５に記載の発光ダイオード。
【請求項７】
（削除）
【請求項８】
さらにアクセプタ不純物とドナー不純物の濃度が、
（ドナー不純物）−（アクセプタ不純物）＜２０×１０１７ｃｍ−３
を満足することを特徴とする請求項１に記載のＳｉＣ蛍光体。
【請求項９】
上記ＳｉＣ蛍光層の少なくとも一つは上記積層における基板をなすことを特徴とする請求項５または請求項６のいずれか一項に記載の発光ダイオード。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００２】
ャップに依存するため、アクセプタ不純物やドナー不純物として混入させる元素を選択することにより、任意の色の蛍光を発光させることができる。
［０００５］
同文献においては、ＳｉＣ結晶中にアクセプタ不純物としてそれぞれホウ素とアルミニウムをドープさせた２層のＳｉＣ蛍光体を設けることにより、黄色および青色の蛍光を生成し、これらの蛍光を混色することにより、白色光を得ている。ドナー電子とアクセプタ正孔の再結合によって生じる蛍光の波長は、黄色および青色がピークであるものの比較的広い波長帯域を有しているため、演色性が良好な白色光を得ることもできる。また、ＳｉＣ基板から発光ダイオードの積層していく課程において容易にＳｉＣ蛍光体を形成することができ、後から蛍光体のみを付加する必要はなくて済む。
特許文献１：国際公開第２００５／０９０５１５号パンフレット
発明の開示
発明が解決しようとする課題
［０００６］
しかしながら、ＳｉＣ蛍光体において高いエネルギー変換効率を実現させるために、どれだけのアクセプタ不純物とドナー不純物をドープさせるのが最適であるかという検討が十分になされていなかった。特に、アクセプタ不純物量とドナー不純物量の相対的な関係が解明されていなかったため、高いエネルギー変換効率を実現することができないという問題があった。
本発明は上記課題にかんがみてなされたもので、高いエネルギー変換効率を実現することが可能なＳｉＣ蛍光体および発光ダイオード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
［０００７］
上記課題を解決するために請求項１にかかる発明は、ＳｉＣ結晶を光励起させたときにアクセプタ準位とドナー準位にあるアクセプタ正孔とドナー電子の数が実質的に同数となるように、当該ＳｉＣ結晶中にアクセプタ不純物とドナー不純物の濃度が、５×１０１７ｃｍ−３≦（アクセプタ不純物）＜（ドナー不純物）≦１×１０１９ｃｍ−３かつ、（ドナー不純物）−（アクセプタ不純物）＜２５×１０１７ｃｍ−３を満足する構成としてある。
［０００８］
上記のように構成した請求項１の発明において、ＳｉＣ蛍光体はＳｉＣ結晶によって形成され、ＳｉＣ結晶中にアクセプタ不純物が５×１０１７ｃｍ−３以上含まれる。さらに、ＳｉＣ結晶中にドナー不純物が１×１０１９ｃｍ−３以下、かつ、上記アクセプタ不純物よりも多く含まれる。なお、アクセプタ不純物が５×１０１７ｃｍ−３以上含まれるとは、ＳｉＣ結晶１ｃｍ３中にアクセプタ不純物が５×１０１７個以上含まれることを意味する。同様に、ドナー不純
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００４】
ルギー差を調整することができ、アクセプタ正孔とドナー電子との再結合によって放出される光子のエネルギーを制御することができる。光子のエネルギーと波長には一義的な関係があるため、上記アクセプタ不純物としてドープさせる元素を選択することにより、生成される蛍光の色を選択することができる。
［００１３］
また、上記ＳｉＣ結晶を６Ｈ型の結晶構造を有する構成としてもよい。上記のように構成すると、６Ｈ型のＳｉＣ結晶においては大きいバンドギャップを実現することができ、添加する不純物によっては短波長の青色蛍光も生成することができる。
［００１４］
さらに、請求項５にかかる発明では、光励起させたときにアクセプタ準位とドナー準位にあるアクセプタ正孔とドナー電子の数が実質的に同数となるように、アクセプタ不純物とドナー不純物の濃度が、５×１０１７ｃｍ−３≦（アクセプタ不純物）＜（ドナー不純物）≦１×１０１９ｃｍ−３かつ、（ドナー不純物）−（アクセプタ不純物）＜２５×１０１７ｃｍ−３を満足するＳｉＣ蛍光層と、上記ＳｉＣ蛍光層に積層されるとともに、同ＳｉＣ蛍光層の励起光を発光する発光層とを具備する構成としてある。
［００１５］
上記のように構成した請求項５の発明において、アクセプタ不純物が５×１０１７ｃｍ−３以上含まれるとともに、ドナー不純物が１×１０１９ｃｍ−３以下、かつ、上記アクセプタ不純物よりも多く含まれるＳｉＣ蛍光層を形成し、さらに同ＳｉＣ蛍光層に発光層を積層する。上記発光層は、上記蛍光層を励起することが可能な励起光を発光する。これにより、上記発光層にて励起光を発光するとともに、同励起光を上記ＳｉＣ蛍光層にて変換した蛍光を出力する発光ダイオードを形成することができる。
［００１６］
また、請求項６にかかる発明では、互いに異なる上記アクセプタ不純物が含まれる複数の上記ＳｉＣ蛍光層が形成される構成としてある。
上記のように構成した請求項６の発明において、互いに異なる上記アクセプタ不純物が含まれる複数の上記ＳｉＣ蛍光層が形成することにより、各ＳｉＣ蛍光層にて異なる色の蛍光を生成することができる。従って、各ＳｉＣ蛍光層にて発光された異なる蛍光を合成した光を外部に出力することができ、単一の上記ＳｉＣ蛍光層のみでは再現できない蛍光色を再現することが可能となる。
［００１７］
さらに、複数の上記ＳｉＣ蛍光層にて発光される蛍光の色が互いに略補色関係となる構成としてもよい。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００５】
上記のように構成すると、複数の上記ＳｉＣ蛍光層にて発光される蛍光の色が互いに略補色関係となるように、各ＳｉＣ蛍光層における上記アクセプタ不純物の種類が選択される。略補色関係の蛍光を合成することにより、略白色の蛍光を生成することができる。
発明の効果
［００１８］
以上説明したように請求項１、請求項５、請求項８および請求項９の発明によれば、高いエネルギー変換効率を実現することが可能なＳｉＣ蛍光体および発光ダイオードを提供することができる。
請求項２の発明によれば、安価にＳｉＣ蛍光体を作成することができる。
請求項３の発明によれば、蛍光色を調整することができる。
請求項６の発明によれば、多様な蛍光色を再現することができる。
図面の簡単な説明
［００１９］
［図１］本発明の一実施形態にかかるＳｉＣ蛍光体の構造を示す模式図である。
［図２］ＳｉＣ結晶における不純物準位を示す図である。
［図３］不純物濃度と蛍光量子効率との関係を示すグラフである。
［図４］温度と蛍光量子効率との関係を示すグラフである。
［図５］変形例にかかるＳｉＣ蛍光体の構造を示す模式図である。
［図６］本発明の一実施形態にかかる白色発光ダイオードの構造を示す模式図である。
符号の説明
［００２０］
１０，１１０．．．ＳｉＣ蛍光体
１１，１１１．．．ＳｉＣ基板
１２，１１２ａ，１１２ｂ，２１２．．．ＳｉＣ蛍光層
２１０．．．白色発光ダイオード
２１１．．．ＳｉＣ蛍光基板（ＳｉＣ蛍光層）
【手続補正５】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１】
2007058153.tif 000009
【図２】
2007058153.tif 000010
【図３】
2007058153.tif 000011
【図４】
2007058153.tif 000012
【図５】
2007058153.tif 000013
【図６】
2007058153.tif 000014
【国際調査報告】
2007058153.tif 000015
2007058153.tif 000016