(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の波長領域の色光を発光する第１の半導体発光素子と、この第１の半導体発光素子に隣接配置され、第２の波長領域の色光を発光する第２の半導体発光素子とを備え、前記第１の半導体発光素子は、互いに障壁層で分離され、ＩｎＧａＡｌＰ系材料からなる複数の発光層により構成され、これらの複数の発光層は互いに異なるＡｌの組成比を有するとともに、互いに異なる波長の色光を発光する多重量子井戸構造を有し、かつ、前記複数の発光層からの発光スペクトルは、少なくとも一部で重なっていることを特徴とする半導体発光装置。
【請求項２】
前記各発光層は、互いにほぼ同一のＡｌ組成比を有し、それぞれ同一の波長の色光を発光するとともに、互いに障壁層で分離された多重量子井戸構造の複合発光層であることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光装置。
【請求項３】
前記各複合発光層は、前記障壁層と同じ組成で膜厚が前記障壁層より厚い区画障壁層により、相互に区画されていることを特徴とする請求項２に記載の半導体発光装置。
【請求項４】
前記第１の半導体発光素子は、黄色光を発光する第１の半導体発光ダイオードであり、前記第２の半導体発光素子は、青色光を発光する第２の半導体発光ダイオードであることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光装置。
【請求項５】
前記第２の半導体発光素子は、G a N系材料により構成されることを特徴とする請求項４に記載の半導体発光装置。
【請求項６】
前記第１および第２の半導体発光ダイオードは、共通のフレーム電極上に設置され、一体にモールド成型されていることを特徴とする請求項４に記載の半導体発光装置。
【請求項７】
前記フレーム電極は、前記第１および第２の半導体発光ダイオードが隣接して設置され、各半導体発光ダイオードの一方の電極が共通に接続される第１のフレーム電極と、前記第１および第２の半導体発光ダイオードの他方の電極が接続される第２および第３のフレーム電極とから構成されていることを特徴とする請求項６に記載の半導体発光装置。
【請求項８】
前記第２及び第３のフレーム電極は、前記第１のフレーム電極と平行に配置されていることを特徴とする請求項６に記載の半導体発光装置。
【請求項９】
前記第１の半導体発光ダイオードは、n型半導体基板上に形成されたn - I n A 1 Pクラッドと、このクラッド層上に形成されたI n ( G a A 1 ) Pガイド層と、このガイド層上に形成された前記複数の発光層からなる活性層と、この活性層上に形成されたI n ( G a A 1 ) Pガイド層と、このガイド層上に形成されたp - I n A 1 Pクラッド層と、このクラッド層上に形成されたp - G a A 1 As電流拡散層と、この電流拡散層上に形成されたp - G a A sコンタクト層と、このように形成された積層体の下面に形成されたn型キャリアー電流注入用電極と、前記積層体の上面に形成されたp型キャリアー電流注入用電極とを備えたことを特徴とする請求項４に記載の半導体発光装置。
【請求項１０】
前記各発光層に含まれるA 1の組成比は、前記nクラッド層側からpクラッド層側に向かって順次増加することを特徴とする請求項４に記載の半導体発光装置。
【請求項１１】
前記第１および第２の半導体発光ダイオードは、前記第１のフレーム電極の上端部に形成された凹部内に設置されていることを特徴とする請求項６に記載の半導体発光装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は混色光を発光する半導体発光装置に関し、特に、白色光源用の半導体発光装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
可視光を発光する半導体発光素子(以下LEDという。)  は、小型、低消費電力、高信頼性などの特徴を兼ね備えている。このため、発光の高輝度化とともに屋外での表示機や通信用光源としても用いられ、その用途は飛躍的に拡大している。現在実用化されている高輝度LED材料としてはAlGaAs,GaAlP,GaP,InGaAlPなどが、それぞれ、赤色、橙色、黄色、緑色を発光する素子材料として、低コストで供給されている。これに加え近年、GaN系材料を用いた青色、緑色LEDが実用化され、これにより、RGB(赤、緑、赤)の三原色を高輝度で発光するLEDが実現された。したがって、RGBをそれぞれ発光する複数個のLEDを組み合わせることによりフルカラー表示が可能となった。
【０００３】
一方、RGBをそれぞれ発光するLEDの組み合わせによるもう一つの利点は、白色光の発光が可能であることにある。これは照明用光源として期待されるものであり、信頼性やコストの観点から照明用電球、液晶表示装置用バックライト光源あるいは自動車のインジケータ等との置き換えがもたらす効果は大きい。
【０００４】
このような白色光源用のLEDとして、最近、青色発光素子と黄色発光源との組み合わせで白色光源が実現されている。具体的にはGaN系青色発光LEDと黄色発光蛍光体の組み合わせ、あるいはZnSa系青色発光LEDと黄色ルミネッセンス発光基板との組み合わせが用いられており、双方とも青色LEDで黄色を励起発光させることを特徴としている。
【０００５】
これらの白色光源用のLEDは、構造が簡略であり、小型化できるとともに、黄色発光のスペクトル帯域が広いことから、2色混合の白色でありながら演色性が比較的高くできる特徴を持つ。
【０００６】
また、InGaAlN材料により、単一の発光素子の活性層内に、RGBをそれぞれ発光する複数の発光層を形成した白色光源用のLEDも提案されている。この白色光源用のLEDは、さらに小型化が可能となる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のような白色光源用のLEDにおいては、青色発光LEDにより励起発光される黄色発光が不安定であることが問題視されている。
【０００８】
また、単一の発光素子の活性層内に、RGBをそれぞれ発光する複数の発光層を形成した白色光源用のLEDは、Rの発光輝度が十分に得られないため、実用化が困難であった。
【０００９】
したがって、本発明の目的は、小型で、十分な輝度を有し、演色性に優れた白色光源用のLEDを提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明のLEDは、第１の波長領域の色光を発光する第１の半導体発光素子と、この第１の半導体発光素子に隣接配置され、第２の波長領域の色光を発光する第2の半導体発光素子とを備え、前記第１の半導体発光素子は、互いに障壁層で分離され、ＩｎＧａＡｌＰ系材料からなる複数の発光層により構成され、これらの複数の発光層は互いに異なるＡｌの組成比を有するとともに、互いに異なる波長の色光を発光する多重量子井戸構造を有し、かつ、前記複数の発光層からの発光スペクトルは、少なくとも一部で重なっていることを特徴とするものである。
【００１１】
また、前記各発光層は、互いにほぼ同一のＡｌ組成比を有し、それぞれ同一の波長の色光を発光するとともに、互いに障壁層で分離された多重量子井戸構造の複合発光層であることを特徴とするものである。
【００１２】
本発明のLEDのより具体的な構成は、異なる色光、たとえば、互いに補色の関係にある青と黄色を発光する２個の半導体発光素子が同一のフレーム電極上に隣接して設置されている。そして、これらの内の黄色を発光する半導体発光素子の構成材料には、InGaAlP系の材料が用いられるとともに、このInGaAlPからの発光スペクトが広帯域化されたものである。
【００１３】
すなわち、InGaAlP材料はそのバンド構造が赤から緑色に対し直接遷移型を有するためこの波長範囲における高輝度LED材料としてすでに広く実用化されている。本発明者は、このInGaAlP系黄色LEDとGaN系材料により構成される青色LEDとを組み合わせることにより、高輝度白色光源の実用化が可能であることに着目した。しかしながら他方において、GaN系青色LED の発光スペクトルは比較的広いが、InGaAlP系の高輝度LEDによる発光は直接遷移バンド構造からの発光であるため、発光スペクトルが狭く、混色の演色性が十分高くはできないことが判明した。
【００１４】
図１に従来の実施の形態に関わる白色発光素子の発光スペクトルを示す。ここで約490nmにピークを持つ発光はGaN系LEDからのもので、約590nmにピークを持つ発光はInGaAlP系LEDからの発光である。これらを同一フレーム上にマウントして、共に動作電流20mAで動作させている。図からわかるように、InGaAlP系LEDからの発光は半値幅が狭く、混色により白色発光は得られるものの、その演色性が低いことが予想される。
【００１５】
そこで本発明は、InGaAlP系材料により構成された発光素子内に、互いに異なる波長の色光を発光する複数の発光層を形成して、発光スペクトルを広帯域化し、これによって２個の半導体発光素子から得られる混色光あるいは白色光の演色性を高めるようにしたものである。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。
【００１７】
図2は本発明の第１の実施形態である半導体発光装置の構造を示す断面図である。第１のフレーム電極11の上端部に形成された皿状凹部12内には、第1および第2のLED13、14が隣接して設置されている。第1のLED13は、InGaAlP系材料により構成された黄色光を発光する黄色LEDであり、素子の下面のｎ型電極は、第１のフレーム電極11の上端部に直接接続される。また、素子の上面のｐ型電極は、第2のフレーム電極15の上端部にワイヤー16によりボンディング接続されている。第2のフレーム電極15は、第１のフレーム電極11と平行に配置された一対のフレーム電極により構成されている。
【００１８】
他方、第2のLED14は、GaN系材料により構成され、青色光を発光する青色LEDである。第2のLED14素子の上面にはｐ型電極が形成されており、この電極は、ワイヤー17により、第2のフレーム電極15を構成する他方のフレーム電極の上端にボンディング接続されている。また、第2のLED14素子のｎ型電極は、第１のフレーム電極11の上端部にワイヤー18によりボンディング接続されている。そして、第１および第2のフレーム電極11、15の上端部は、第１のフレーム電極11の皿状凹部12内に設置された、第1および第2のLED13、14とともに、ドーム形状の透明な樹脂モールドパッケージ19により覆われている。ドーム形状の透明な樹脂モールドパッケージ19は、第1および第2のLED13、14から矢印21、22で示される方向に射出される黄色および青色光を、集光するレンズ機能を有している。
【００１９】
図3は図2に示す第1のLED13の素子構造を示す断面図である。この素子は、同図（A）に示すように、n-GaAs基板31、n-InAlPクラッド層32、In0.5(Ga0.3Al0.7)0.5Pガイド層33、活性層34、In0.5(Ga0.3Al0.7)0.5Pガイド層35、p-InAlPクラッド層36、p-Ga0.2Al0.8As電流拡散層37、p-GaAsコンタクト層38が順次積層されている。そして、この積層体の下面にはn型キャリアー電流注入用電極39が形成され、上面にはp型キャリアー電流注入用電極40が形成されている。
【００２０】
上記各層の組成と膜厚は以下の通りである。
32  n-InAlPクラッド層  1μm
33  In0.5(Ga0.3Al0.7)0.5Pガイド層  0.05μm
35  In0.5(Ga0.3Al0.7)0.5Pガイド層  0.05μm
36  p-InAlPクラッド層  1μm
37  p-Ga0.2Al0.8As電流拡散層  10μm
38  p-GaAsコンタクト層  0.01μm
図3（A）の活性層34は、図3（B）の拡大図に示されるように、３個のIn0.5(Ga0.3Al0.7)0.5P区画用障壁層51、52、53により分離された4個の複合発光層54、55、56、57により構成されている。これらの各複合発光層54、55、56、57は、それぞれ20層のIn0.5(Ga1-xAlx)0.5P発光層58-1、58-2、…、58-20 (図ではそれぞれ３層のみ示されている。) を含んでいる。各複合発光層に含まれる発光層58は区画用障壁層51、52、53より薄いIn0.5(Ga0.3Al0.7)0.5P障壁層59により互いに分離されて積層されている。
【００２１】
ここで、各複合発光層54、55、56、57に含まれる20層のIn0.5(Ga1-xAlx)0.5P発光層58-1、58-2、…、58-20は、ほぼ同一の組成を有し、同一の波長の色光を発光する。しかし、異なる複合発光層54、55、56、57に含まれる発光層58-1、58-2、…、58-20 は、Al組成(x)が少しずつ異なり、これによって、各複合発光層54、55、56、57は、異なる波長の色光を発光する。そしてこれらの各複合発光層54、55、56、57からの発光スペクトルは、少なくとも一部で重なるように、互いに近接した波長の色光を発光するようにAl組成(x)が選択調整されている。
【００２２】
上記活性層34におけるの各複合発光層54、55、56、57内の発光層58-1、58-2、…、58-20および障壁層59の構造の詳細は以下のようになっている。
54: 58-1/59   In0.5Ga0.5P/In0.5(Ga0.3Al0.7)0.5P
55: 58-2/59  In0.5(Ga0.8Al0.2)0.5P/In0.5(Ga0.3Al0.7)0.5P
56: 58-3/59  In0.5(Ga0.7Al0.3)0.5P/In0.5(Ga0.3Al0.7)0.5P
57: 58-4/59  In0.5(Ga0.6Al0.4)0.5P/In0.5(Ga0.3Al0.7)0.5P
ここで各複合発光層54、55、56、57内の発光層構造はそれぞれ井戸数20の多重量子井戸構造(MQW)となっている。また井戸層および障壁層の膜厚は、それぞれ5 nm、4nmとした。また、各複合発光層54、55、56、57を区画する区画用障壁層51、52、53の厚さは20nmと厚く設定している。
【００２３】
次にこの製造方法について説明する。
【００２４】
InGaAlP混晶は有機金属気相成長法(MOCVD)や分子線エピタキシャル成長法(MBE)を用いて結晶成長される。この実施例で示す素子構造はMOCVD法を用い、5族原料としてAsH3およびPH3,3族原料としてトリメチルインジウム(TMI)、トリメチルガリウム(TMG)、トリメチルアルミニウム(TMA)を成長原料とした。pおよびn型の不純物原料としてはジメチル亜鉛(DMZ)、モノシラン(SiH4)をそれぞれ用いた。以下に成長手順を記す。まず基板として用いるGaAs基板31を有機溶剤と硫酸系のエッチャントを用いて基板表面のクリーニングを行う。次に加熱用サセプタ上へ前記基板を搭載する。このとき、ロードロック機構を介して成長炉内への酸素(空気)の混入を防いでいる。水素キャリアガスとAsH3を供給しつつGaAs基板を730℃へ昇温し、10分聞のサーマルクリーニングを行う。次にTMGとTMAとSiH4を供給してn-InAlPクラッド層32の成長を行う。次に一旦TMG、TMA、SiH4の供給を停止し、TMI、TMG、TMAを供給してInGaAlPガイド層33の成長を行う。以降同様に成長原料(3族原料と不純物原料)の供給/停止を繰り返して、活性層３４を含めてp-GaAsコンタクト層38までの成長を連続で行う。ここで各層の膜厚は成長原料の供給量と成長時間で制御し、各層の組成は成長原料の供給比を制御して成長する。また、本成長では基板への格子整合条件を確保しながら成長することが重要であり、この条件から外れると結晶欠陥が発生し、ひいては素子特性の劣化につながることになる。p-GaAsコンタクト層38を成長した後、成長原料のTMGと不純物原料のDMZの供給を停止し、これと同時に基板温度を室温まで降温する。この降温過程において、基板温度が高い状態(〜400℃)では成長された結晶中からの5族元素の再蒸発が顕著であるため5族原料(この場合はAsH3)を供給しつつ行う。基板温度が室温に下がった後、再度ロードロック機構を介して炉外に基板を取り出す。電流注入用の電極はフォトエッチングプロセスを用いて必要な形状にパターニング形成される。次にダイシングまたはスクライビングによりチップ分離をおこない、図2に示す素子を形成する。
【００２５】
このように製造された第1のLED13の素子構造は活性層を4つの各複合発光層54、55、56、57に分けて構成され、それぞれの発光を素子外部に取り出すものである。
【００２６】
図4は、これらの各複合発光層54、55、56、57により構成される多重量子井戸構造発光層のエネルギーバンドを示す概略構造図である。同図(A)は複合発光層54、55、56、57からなる活性層34の断面図、同図(B)は各複合発光層54、55、56、57に対応するエネルギーバンド構造図である。同図の横軸はエネルギーを示し、縦軸は活性層34の膜厚方向の距離を示している。そして同図中のグラフ61、62は、それぞれ、伝導体および荷電子帯のエネルギーレベルを示している。
【００２７】
図5にこの素子にバイアスを加えた時の発光スペクトルを示す。このように各複合発光層からの色光が重なり合い、全体として波長帯域の広いスペクトルを示していることが解る。
【００２８】
図6に、白色光源を目的として、第1のLED13とGaN系青色発光素子である第2のLED14とを同一のフレーム電極11にマウントした半導体発光装置の発光スペクトルを示す。ここで、GaN系青色発光素子は、図示しないが、サファイア基板上に、n-GaNコンタクト・クラッド層、InGaN活性層、p-AlGaNクラッド層およびp-GaNコンタクト層を順次積層し、n-GaNコンタクト・クラッド層とp-GaNコンタクト層に電流注入用電極を形成したものである。また、これらの第1および第2の素子の動作電流はそれぞれ20mAとした。従来例の図1と比較しても明らかなように、本発明の素子を用いた方が発光波長の帯域が広く、このことから演色性の高い白色光が得られることがわかる。
【００２９】
図7は本発明の他の実施形態に係る半導体発光装置に使用する第1の半導体発光素子の断面図である。同図においては、図3の素子構成と同一部分には同一符号を付し、詳細な説明は省略する。この実施形態における発光素子が図3の素子構成と異なるところは発光層領域34´の構造にある。
【００３０】
発光層領域34´は、井戸層により構成される60層の発光層60-1、60-2、60-3、…、60-60が、それぞれ障壁層59を介して積層されている。これらの60個の発光層63-1、63-2、63-3、…、63-60は、それぞれAl組成(x)がnクラッド層32側からpクラッド層36側に向かって増加させていることにある。すなわち、60個の発光層63-1、63-2、63-3、…、63-60の組成がそれぞれ異なり、1層目63-1はAl組成が０のInGaPで、60層目63-60はAl組成0.4のIn0.5(Ga0.6Al0.4)0.5Pとし、発光領域34´全体として見たときにAl組成が徐々に変化している。ここで、障壁層59はIn0.5(Ga0.3Al0.7)0.5Pで統一した。井戸層である発光層63-1、63-2、63-3、…、63-60、障壁層59の膜厚はそれぞれ4 nm、5nmと一定にした。
【００３１】
なお、この素子の製造方法については、第１の実施形態の場合とほぼ同様であるため、説明は省略する。
【００３２】
このように構成された素子に、バイアス電圧を印加したとき得られる発光スペクトルはピーク分離の起こらない単一ピークで、半値幅として約80nmの広帯域発光が得られた。また、本素子を第1のLEDとして用いた図2に示す白色光源用半導体発光装置では、第1の実施形態と同様に従来例と比較して演色性の高い特性を得ることができた。
【００３３】
なお、本発明の実施の形態は上記の実施例に限るものではなく、例えばInGaAlP系LEDの基板にはGaAsを用いているが、発光に対して透明なGaP基板を用いることで光取り出し効率を格段に向上することができる。このときGaP基板とInGaAlP層は結晶成長によるものとは別に貼り付けによっても結合できる。
【００３４】
さらに光取り出しの観点からは、注入電流の無効域への流入を防ぐ電流阻止層の導入や裏面放射光を反射する反射層の導入も効果的である。
【００３５】
また、本実施例の発光層はアンドープにしているが、不純物をドーピングすることで発光強度が増し、さらには不純物準位を介した発光はスペクトルが拡大するため有効である。さらに、発光層を構成する井戸層および障壁層の膜厚はその組成と共に変化させてもよく上記の実施形態に限定されるものではない。その他、本発明の骨子を逸脱しない範囲において種々変形して作成できる。
【００３６】
【発明の効果】
InGaAlP系発光素子において発光層を複数有し、かつそれぞれからの発光スペクトルが重なるように設定することにより発光波長帯域の広い素子を作成することができる。この素子と青色発光素子を組み合わせることにより演色性の高い白色光源を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の白色光源構成から得られる発光スペクトルを示す図である。
【図２】本発明の第１の実施形態である半導体発光装置の構造を示す断面図である。
【図３】図2に示す第1のLED13の素子構造を示す断面図である。
【図４】図2に示す活性層32を構成する多重量子井戸構造発光層のエネルギーバンドを示す概略構造図である。
【図５】図2に示す第1のLED13の発光スペクトルを示す図である。
【図６】図2に示す半導体発光装置の発光スペクトルを示す図である。
【図７】本発明の他の実施形態に係る半導体発光装置に使用する第1の半導体発光素子の断面図である。
【符号の説明】
11  第１のフレーム電極
12  皿状凹部
13  第1のLED
14  第2のLED
15  第2のフレーム電極
16、17、18  ワイヤー
19  パッケージ
31  n-GaAs基板
32  n-InAlPクラッド層
33  In0.5(Ga0.3Al0.7)0.5Pガイド層
34  活性層
35  In0.5(Ga0.3Al0.7)0.5Pガイド層
36  p-InAlPクラッド層
37  p-Ga0.2Al0.8As電流拡散層
38  p-GaAsコンタクト層
39  n型キャリアー電流注入用電極
51、52、53  区画用障壁層
54、55、56、57  複合発光層
58  発光層
59  In0.5(Ga0.3Al0.7)0.5P障壁層
61  伝導体
62  荷電子帯
63  発光層
【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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