JP2007019455A - 白色発光素子 - Google Patents

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Abstract

【課題】複数の活性層中長波長側の活性層を連続的な層構造ではない量子点または量子結晶体のような不連続的な構造に代替することにより短波長側の活性層の再結合効率を向上させた新たなモノリシック発光素子を提供する。
【解決手段】モノリシックの白色発光素子30である半導体発光素子は、基板31上に第1及び第2導電型窒化物層とその間に順次に形成された異なる波長光を発光する複数の活性層35〜37を有する。これら活性層は複数の第1量子障壁層37aと第1量子井戸層37bで構成された少なくとも一つの第1活性層と、上記第1活性層の発光波長より大きい発光波長を有する第2活性層を含み、上記第2活性層は複数の第2量子障壁層とその複数の第2量子障壁層との間に各々形成された多数の量子点または結晶体(crystallites)37bからなる少なくとも一つの不連続的な量子井戸構造を有する。
【選択図】 図3

Description

本発明は、半導体発光素子、特に白色発光素子に関するものであり、より詳細には異なる波長光を発光する少なくとも2個の活性層を単一の素子の形態に具現化したモノリシック白色発光素子に関する。
一般的に、LEDを利用した白色発光素子は優れた高輝度及び高効率を実現することが可能なため、照明装置またはディスプレー装置のバックライトとして広く使用されている。
このような白色発光素子の具現方案は個別LEDから製造された青色、赤色及び緑色LEDを単純に組合わせる方式と、蛍光体を利用する方式が広く知られている。多色の個別LEDを同一印刷回路基板に組合わせる方式はそのための複雑な駆動回路が要求され、これにより小型化が難しいという短所がある。従って、蛍光体を利用した白色発光素子の製造方法が普遍的に使用されている。
従来の蛍光体を利用した白色発光素子の製造方法としては、青色発光素子を利用する方法と紫外線発光素子を利用する方法がある。例えば、青色発光素子を利用する場合は、YAG蛍光体を利用し青色光を白色光に波長変換する。すなわち、青色LEDから発生された青色波長がYAG(Yittrium Aluminum Garnet)蛍光体を励起させ最終的に白色光を得ることが可能である。
しかし、上述の従来の蛍光体を利用した白色発光素子の製造方法は、蛍光体粉末による素子特性の不利益な影響が発生するか、または蛍光体励起時光効率が減少し、色補正指数が低下し、優秀な色感を得ることが不可能であるという限界がある。
このような問題を解決するための新たな方案として、蛍光体無しで異なる波長光を発光する複数の活性層を具備したモノリシック白色発光素子に対する研究が活発に進んでいる。図1は従来の白色発光素子の一例を示す概略図である。また、図2は従来の白色発光素子の活性領域に対するエネルギーバンド図である。このようなモノリシック白色発光素子の一形態として、例えば特許文献1[米国特許第5、684、309号明細書(登録公告日:1997年11月4日、譲受人:North Carolina State University)]には図1に図示された白色発光素子が開示されている。
図1に示すように、上記白色発光素子10はバッファ層12が形成された基板11上に形成された第1導電型窒化物層13と第2導電型窒化物層18を含み、上記第1及び第2導電型窒化物層13、18の間には3個の異なる波長光を生成する第1ないし第3活性層15、16、17とバリア層14a、14b、14cが形成された構造を有する。また、上記第1及び第2導電型窒化物層13、18には各々第1及び第2電極19a、19bが設けられている。
図1に図示された構造において、上記第1及びないし第3活性層15、16、17は例えば各々青色、緑色、赤色の光を生成するため、異なる組成を有するInx Ga1-x N(すなわち、xが異なる)からなる。各活性層15、16、17から得られた青色、緑色及び赤色光は組合わされ最終的に所望の白色光を生成することが可能である。
米国特許第5、684、309号明細書
しかし、上記特許文献1に記載された白色発光素子は高い発光効率を有せず、白色光を得るための三色の一定の分布を構成するのは非常に難しい。その理由は、図2に図示された通り、青色及び緑色に該当する活性層15、16のエネルギーバンドギャップEg1、Eg2に比べ、赤色を発光する活性層17が相対的に非常に低いエネルギーバンドギャップEg3を有するからである。例えば、青色及び緑色に該当する活性層15、16のエネルギーバンドギャップEg1、Eg2は各々約2.7eV、2.4eVであるのに対し、赤色を発光する活性層17のエネルギーバンドギャップEg3は約1.8eVに過ぎず相対的に非常に低い。
このように、長波長側の活性層17の低いエネルギーバンドギャップEg3により、上記第2導電型窒化物層18から供給されるキャリアが赤色活性層17を通過することが不可能になる、キャリア集中化現象(carrier localization)が発生する。結果的に、大部分のキャリアが赤色活性層17で拘束されて光に転換し、青色及び緑色活性層15、16まで到達する確率が低くなる。このような現象は第2導電型窒化物層18がp型窒化物層の場合、赤色活性層17に拘束されるキャリアが前者に比べ低い移動度を有するホールであるため、より深刻になる。
このように、従来の白色発光素子においては、長波長のための活性層のキャリア拘束により短波長のための活性層が低すぎる再結合効率を有するため、適切な色分布を通じた白色光を得難いという問題がある。
本発明は上述の従来技術の問題を解決するためのものであり、その目的は異なる波長光を生成する複数の活性層中長波長側の活性層を連続的な層構造ではない量子点または量子結晶体のような不連続的な構造に代替することにより短波長側の活性層の再結合効率を向上させた新たなモノリシック発光素子を提供することにある。
上述の技術的課題を達成するため、本発明は、第1及び第2導電型窒化物層とその間に順次に形成された異なる波長光を発光する複数の活性層を有する窒化物発光素子において、前記複数の活性層は複数の第1量子障壁層と第1量子井戸層で構成された少なくとも一つの第1活性層と、前記第1活性層の発光波長より大きい発光波長を有する第2活性層を含み、前記第2活性層は複数の第2量子障壁層と前記複数の第2量子障壁層との間に各々形成された多数の量子点または結晶体(crystallites)からなる少なくとも一つの不連続的な量子井戸構造を有することを特徴とする半導体発光素子を提供する。
このように、本発明では、キャリア拘束を引き起こす長波長のための第2活性層は量子点または結晶体(crystallites)からなる不連続的な構造に形成することにより、短波長のための第1活性層に提供されるキャリア注入効率を実質的に向上させることが可能である。
上記記不連続的な量子井戸構造を構成する多数の量子点または結晶体の形成面は該当する上記第2量子障壁層上面の全体面積に対し約20〜75%であることが好ましい。不連続的な量子井戸構造の形成面積が20%未満の場合、充分な輝度を得難く、75%を超える場合は短波長のための第1活性層の再結合効率を充分向上させ難い。
好ましくは、上記活性層は少なくとも4個の量子障壁層を含み、上記少なくとも4個の量子障壁層の間に各々形成された多数の量子点または結晶体からなる少なくとも3個の不連続的な量子井戸構造を有する。これは不連続的な量子井戸構造を通じ充分な発光輝度を得るためである。
本発明の一実施形態では、上記第1活性層は各々約450〜475nmの発光波長と約510〜535nmの発光波長を有する2個の活性層を含み、上記第2活性層は約600〜635nmの発光波長を有することが可能である。すなわち、上記2個の第1活性層は各々青色及び緑色発光波長を有し、上記第2活性層は赤色発光波長を有することにより、最終的に白色出力光を得ることが可能である。
本発明の他の実施形態では、上記第1活性層は約450〜475nmの発光波長を有し、上記第2活性層は約550〜600nmの発光波長を有することが可能である。すなわち、上記第1活性層は緑色変異された青色の発光波長を有し、上記第2活性層は黄色発光波長を有することにより、最終的に白色出力光を得ることも可能である。
本発明に採用される少なくとも一つの第1活性層はInx1Ga1-x1N(0≦x1≦1)からなることが可能である。本発明の一実施形態のように、2個の活性層を形成する場合は、In含量(x1)を適切に異なるようにすることにより所望の発光波長を有する活性層を提供することが可能である。
また、上記第2活性層はInx2Ga1-x2N(0<x2≦1)からなることが可能である。この場合、In含量の増加による結晶性低下及び波長変異などの問題を解決するため、上記第2活性層中不連続的な量子井戸構造はAlyInzGa1-(y+z)N(0<y<1、0<z<1)または(AlvGa1-vuIn1-uP(0≦v≦1、0≦u≦1)に形成されることが好ましい。
上記第1及び第2導電型窒化物半導体層は各々n型及びp型窒化物半導体層の場合、上記第2活性層は上記第2導電型窒化物半導体層に隣接して位置することが可能である。さらに、上記少なくとも一つの第1活性層は異なる発光波長を有する複数の場合、上記複数の第1活性層及び上記第2活性層はその発光波長が長波長であるほど上記第2導電型窒化物半導体層に近接して位置するよう配列され得る。
特に、上記第2活性層をAlyIn2Ga1-(y+2)N(0<y<1、0<z<1)または(AlvGa1-vuIn1-uP(0≦v≦1、0≦u≦1)に形成する場合は、蒸着工程による成長温度を考慮し、上記第2活性層は他の第1活性層より遅く形成されることが好ましい。
本発明によると、異なる発光波長を有する2個以上の活性層中、キャリア集中現象を引き起こす長波長側の活性層のみを選択し量子点または結晶体のような不連続的な量子井戸構造に代替することにより、短波長活性層の再結合効率が向上した半導体発光素子を提供することが可能である。特に、本発明は各波長用の活性層において比較的均一な色分布を可能とするため、特定の波長光を組合わせて高効率を有するモノリシック白色発光素子を製造するのに有益に使用することが可能である。
以下、添付の図面を参照し本発明をより詳細に説明する。図3は本発明の一実施形態による白色発光素子を示す断面図である。図3を参照すると、白色発光素子30は、基板31とその上に形成されたバッファ層32と、第1導電型窒化物層33と第2導電型窒化物層38を含み、第1及び第2導電型窒化物層33、38の間には青色、緑色及び赤色の発光波長を有する活性層35、36、37が形成される。
青色及び緑色活性層35、36は各々通常の連続的な層からなり、通常の複数の量子井戸層と(図示しない)量子障壁層で構成された多重量子井戸構造であり得る。また、青色及び緑色活性層35、36は各々約450〜475nmの発光波長と約510〜535nmの発光波長を有する量子井戸層を有することが可能である。好ましくは、青色及び緑色活性層35、36は異なるインジウム含量(x1)を有するInx1Ga1-x1N(0≦x1≦1)からなることが可能である。
本実施形態に採用された赤色活性層37は4個の量子障壁層37aと、複数の量子障壁層37aの間に各々形成された多数の量子点または結晶体(crystallites)37bからなる3個の不連続的な量子井戸構造を有するものとして例示されている。本明細書において使用されている"不連続的な量子井戸構造(discontinuous quantum well structure)"という用語は、一面全体に連続的に成長された完全な層構造の量子井戸層が排除されることを意味し、全面積にわたって多数の量子点または結晶体が配列された構造を称する。ここで、赤色活性層37の障壁層37aは量子点または結晶体37bをサンドイッチする構造を有する。すなわち、障壁層37aは量子点または結晶体37bの成長面を提供すると同時に、下面に位置した量子点または結晶体37bのためのキャッピング層の役割をする。
本発明の不連続的な量子井戸構造37b、すなわち多数の量子点または結晶体は赤色発光波長のための量子井戸(quantum well)を提供する。すなわち、約600〜635nmの発光波長を有する半導体物質からなる。ここで、上記赤色活性層37の障壁層37aと不連続的な量子井戸構造37bは各々異なる組成を有するInx2Ga1-x2N(0≦x2≦1)からなることが可能である。
例えば、赤色活性層37はGaN量子障壁層とIn0.7Ga0.3N量子点からなることが可能である。但し、In含量が多い場合、結晶性が低下され、相分離(phase separation)により所望しない波長変異が引き起こされるため、赤色発光のための不連続的な量子井戸構造37bはAlyIn2Ga1-(y+2)N(0<y<1、0<z<1)または(AlvGa1-vuIn1-uP(0≦v≦1、0≦u≦1)で形成することが好ましい。
第1及び第2導電型窒化物半導体層33、38は各々n型及びp型窒化物半導体層であり得る。この場合、本実施形態のように、赤色活性層37は第2導電型窒化物半導体層38に隣接して位置することが好ましい。また、青色及び緑色活性層35、36もその発光波長が長波長であるほど第2導電型窒化物の半導体層38に近接して位置するよう配列されることが好ましい。これは成長温度のような工程条件によることであり、図5を参照して、より詳細に説明する。
このように、本発明で採用された量子点または結晶体を利用した不連続的な量子井戸構造37bは局部的な領域で第2導電型窒化物半導体層38から提供されるキャリアを直接緑色活性層36に提供することが可能である。
すなわち、図4aに示すように、量子点または結晶体37bが形成される領域を通過するキャリア経路(A−A')では、図2に図示された従来と類似するエネルギーバンドを形成する。ここで、第1導電型窒化物半導体層38から提供されるキャリアが赤色活性層37の量子井戸構造37bを経由するため、適切な赤色発光を誘導する。
一方、図4bに示すように、量子点または結晶体37bが形成されない領域を通過するキャリア経路(B−B')によると、第1導電型窒化物半導体層38から供給されるキャリアは赤色活性層で量子井戸構造無しでGaNのような量子障壁層37aのみ通過し直接緑色活性層36に供給される。このように、長波長の赤色活性層37の量子井戸構造37bでキャリアが拘束される確率を減少させることにより、短波長のための緑色または青色活性層35、36におけるキャリア注入効率を高めることが可能である。
但し、赤色活性層37は不連続的な構造により連続的な青色または緑色活性層35、36に比べ低い発光効率を有する。このような問題を緩和するため、本実施形態のように、赤色活性層37は少なくとも4個の量子障壁層37aと少なくとも3個の不連続的な量子井戸構造37bで形成することが好ましい。
図5は本発明の一活性層で採用された不連続量子構造の形成面を示す斜視図である。図5は、図4と類似する発光素子を製造する過程中一量子点構造を形成した段階の後を示したもの理解することができる。
図5のように、基板51上にバッファ層52、第1導電型窒化物半導体層53、青色活性層55及び緑色活性層56が順次に形成された後、赤色活性層57を形成する。赤色活性層57の形成工程は量子障壁層57aと量子点または結晶体のような不連続的な量子井戸構造57bを形成する過程として具現される。
不連続の量子井戸構造57bは、上述した通り、Inx2Ga1-x2N(0≦x2≦1)からなることが可能であるが、好ましくは、AlyInzGa1-(y+z)N(0<y<1、0<z<1)または(AlvGa1-vuIn1-uP(0≦v≦1、0≦u≦1)で形成する。このような不連続の量子井戸構造57bは当業者であれば公知の工程を通じ容易に形成することが可能である。
また、長波長活性層、すなわち赤色活性層57は本実施形態のように他の発光波長の活性層55、56を形成した後形成することが好ましい。特に、AlInGaN系の不連続の量子井戸構造57bを形成する場合は、成長温度を考慮し他の活性層55、56を形成した後に形成することが要求される。従って、一般的にp型窒化物半導体層が最上部に位置するため、最終発光素子で赤色活性層57はp型窒化物半導体層に隣接して位置し、青色及び緑色活性層55、56でもその発光波長が長波長であるほどp型窒化物半導体層に隣接し位置するよう配列されたことが好ましい。
本発明では、不連続の量子井戸構造57bを有する長波長の赤色活性層57においてキャリア拘束を緩和させるため、非形成面積が多いほど好ましいが、非形成面積が多すぎる場合は却って短波長の赤色活性層57の発光効率を充分保障し難くなる問題があり得る。従って、上記多数の量子点または結晶体が形成された総面積(ΣSd)は量子障壁層57a上面の全体面積(St)に対し20〜75%であることが好ましい。このような形成面積範囲は成長過程から温度及び時間を制御し量子点または結晶体の大きさと密度を適切に調節することにより得ることが可能である。
上記の実施形態は異なる発光波長を有する3個の活性層を有する構造と例示されているが、本発明はこれに限定されない。すなわち、本発明の範囲は2個の活性層または4個以上の活性層を有する発光素子を含む。例えば、本発明は図6に図示された通り、異なる発光波長を有する2個の活性層を有する発光素子で具現し得る。
図6を参照すると、白色発光素子60は図3に示すものと同様に、バッファ層62が形成された基板61上に形成された第1導電型窒化物層63と第2導電型窒化物層68を含み、第1及び第2導電型窒化物層63、68の間には異なる発光波長を有する第1及び第2活性層65、67が形成される。ここで、白色発光を具現するため、第1活性層65は約450〜475nmの発光波長を有し、第2活性層67は約550〜600nmの発光波長を有するように構成することが可能である。
第1活性層65は各々通常の連続的な層としてInx1Ga1-x1N(0≦x1≦1)からなるものであることが可能で、通常の複数の量子井戸層と(図示しない)量子障壁層で構成された多重量子井戸構造であるのに対し、第2活性層67は3個の量子障壁層67aと、3個の量子障壁層67aの間に各々形成された多数の量子点または結晶体からなる2個の不連続的な量子井戸構造67bからなるものであることが可能である。
ここで、第2活性層67の障壁層67aと不連続的な量子井戸構造67bは各々異なる組成を有するInx2Ga1-x2N(0≦x2≦1)からなることが可能で、好ましくは、不連続的な量子井戸構造67bをAlyIn2Ga1-(y+2)N(0<y<1、0<z<1)または(AlvGa1-vuIn1-uP(0≦v≦1、0≦u≦1)物質で形成する。
このような、異なる波長の光を有する2個の活性層においても長波長側の第2活性層に不連続的な量子井戸構造に採用することにより、上記第2活性層から発生されるキャリア拘束を防止し、第1活性層の発光効率を向上させることが可能である。これによって、白色光を組合わせるための第1及び第2活性層の色分布を適切に具現することが可能である。
本発明は、従来の多数の連続的な活性層構造において長波長側の活性層から発生されるキャリア集中化を緩和するため長波長側の活性層に不連続的な量子井戸構造を導入する方案を提供する。従って、上述した通り、活性層の個数または白色発光素子に限定されず、本発明は異なる発光波長を有する2個以上の活性層を組合わせて特定光を生成する半導体発光素子において、キャリア集中現象を引き起こす長波長側の活性層のみ選択し、量子点または結晶体のような不連続的な量子井戸構造に代替した全ての発光素子の形態を含むものとする。
従って、本発明は上述の実施形態及び添付の図面により限定されず、添付の請求範囲により限定されるべきものである。請求範囲に記載された本発明の技術的思想を外れない範囲内で当技術分野の通常の知識を有する者により多様な形態の置換、変形及び変更をなすことが可能であり、これらもまた本発明の範囲に属すると言える。
以上のように、本発明の半導体発光素子は照明装置またはディスプレー装置のバックライトに有用であり、特に、特定の波長光を組合わせて高効率を有するモノリシック白色発光素子を製造するのに適している。
従来の白色発光素子を示す断面図である。 従来の白色発光素子の活性領域に対するエネルギーバンド図である。 本発明の一実施形態による白色発光素子を示す断面図である。 図3に図示された白色発光素子の活性領域を各々異なる垂直方向で示したエネルギーバンド図である。 図3に図示された白色発光素子の活性領域を各々異なる垂直方向で示したエネルギーバンド図である。 本発明の一活性層に採用された不連続量子構造の形成面を示す斜視図である。 本発明の他の実施形態による白色発光素子を示す断面図である。
符号の説明
10 白色発光素子
12 バッファ層
11 基板
13 第1導電型窒化物層
15、16、17 活性層
14a、14b、14c バリア層
18 第2導電型窒化物層
19a、19b 電極
30、60 白色発光素子
32、52、62 バッファ層
31、51、61 基板
33、53、63 第1導電型窒化物層
38、58、68 第2導電型窒化物層
35、36、56 緑色活性層
37、57 赤色活性層
37a、57a、67a 量子障壁層
37b、57b、67b 量子点(結晶体)(量子井戸構造)
55 青色活性層
65 第1活性層
67 第2活性層

Claims (10)

  1. 第1及び第2導電型窒化物層とその間に順次に形成された異なる波長の光を発光する複数の活性層を有する窒化物半導体発光素子において、
    前記複数の活性層は複数の第1量子障壁層と第1量子井戸層で構成された少なくとも一つの第1活性層と、前記第1活性層の発光波長より大きい発光波長を有する第2活性層を含み、
    前記第2活性層は複数の第2量子障壁層と前記複数の第2量子障壁層との間に各々形成された多数の量子点または結晶体(crystallites)からなる少なくとも一つの不連続的な量子井戸構造を有することを特徴とする半導体発光素子。
  2. 前記多数の量子点または結晶体が形成された総面積は前記第2量子障壁層上面の全面積に対し20〜75%であることを特徴とする請求項1に記載の半導体発光素子。
  3. 前記活性層は少なくとも4個の量子障壁層を含み、前記少なくとも4個の量子障壁層の間に各々形成された多数の量子点または結晶体からなる少なくとも3個の不連続的な量子井戸構造を有することを特徴とする請求項1または2に記載の半導体発光素子。
  4. 前記第1活性層は約450〜475nmの発光波長を有し、前記第2活性層は約550〜600nmの発光波長を有することを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載の半導体発光素子。
  5. 前記第1活性層は各々約450〜475nmの発光波長と約510〜535nmの発光波長を有する2個の活性層を含み、前記第2活性層は約600〜635nmの発光波長を有することを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載の半導体発光素子。
  6. 前記少なくとも一つの第1活性層はInx1Ga1-x1N(0≦x1≦1)からなることを特徴とする請求項1〜5のいずれか一項に記載の半導体発光素子。
  7. 前記第2活性層はInx2Ga1-x2N(0≦x2≦1)からなることを特徴とする請求項1〜6のいずれか一項に記載の半導体発光素子。
  8. 前記第2活性層中前記不連続的な量子井戸構造はAlyInzGa1-(y+z)N(0<y<1、0<z<1)または(AlvGa1-vuIn1-uP(0≦v≦1、0≦u≦1)からなることを特徴とする請求項7に記載の半導体発光素子。
  9. 前記第1及び第2導電型窒化物半導体層は各々n型及びp型窒化物半導体層であり、
    前記第2活性層は前記第2導電型窒化物半導体層に隣接して位置したことを特徴とする請求項1〜8のいずれか一項に記載の半導体発光素子。
  10. 前記第1及び第2導電型窒化物半導体層は各々n型及びp型窒化物半導体層であり、前記少なくとも一つの第1活性層は異なる発光波長を有する複数個であり、
    前記複数の第1活性層及び前記第2活性層はその発光波長が長波長であるほど前記第2導電型窒化物半導体層に近接して位置するように配列されたことを特徴とする請求項1〜8のいずれか一項に記載の半導体発光素子。
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