JP4000821B2 - 発光装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、発光ダイオードを備えた発光装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
発光ダイオード(Light Emitting Diode:LED)は、その半導体の種類を選択することによりいろいろな色を発光することができる。最近GaNやAlGaInPの発光ダイオードが開発されたことから、青色から緑色の高輝度の発光が可能となった。これにより、すべての可視光の発光が可能となった。いろいろな色の発光が可能となったことから、フルカラーディスプレーの用途が広がり、屋外表示から装置の表示、そして最近では携帯電話用などと、その用途は広がっている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、フルカラーの発光を行なうためには、複数の波長の光が必要であり、複数の発光ダイオードを用いる必要があった。発光波長の異なる発光ダイオードでは、発光層のバンドギャップエネルギーが異なるため、駆動電圧が異なってしまう。
【0004】
例えば、緑色及び青色を高輝度発光するLEDチップとして発光色のバンドギャップなどとの関係から窒化物半導体材料(InaGabAl1-a-bN、0≦a、0≦b、a+b≦1)が実用化されている。他方、赤色を高輝度に発光するLEDチップの材料としては、GaAsP、GaAlAs、AlGaInPが実用化されている。しかし、窒化物半導体材料はバンドギャップや結晶性などとの関係上GaAsP、GaAlAs、AlGaInPなどの材料とは異なり駆動電圧が高い。
【0005】
この違いに対応する方法としては、発光波長の異なる発光ダイオードごとに駆動電圧の異なる電源を用いる方法がある。この方法では、電源が異なるため、大規模なディスプレーパネルなどでは、対応可能であるが、携帯電話などのように小型の光源として用いるには、電源の方が大きくなり、実用的ではない。
【0006】
もう一つの方法として、電源は同じ物を用い、発光波長が異なる発光ダイオードごとに異なる抵抗を挿入して、実際に発光ダイオードそのものに印可される電圧を調整する方法がある。この方法は、複数の電源を用いる方法に比べれば、小型で済む。しかし、発光ダイオード1個ごとに1個の抵抗を用いることになる。発光ダイオードが小さいことから、実際の抵抗を実装するには場所も相当必要となる。またその実装の手間も単純に考えて2倍になる。
【0007】
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、発光波長の異なる発光ダイオードを同じ駆動電源で、且つ外部回路的に電圧抵抗を付加すること無く使用できるようにすることにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明は、結晶基板上に半導体のp型層とn型層を形成して、そのp型層側とn型層側に金属電極を形成したものであって、かつ、青色発光ダイオードと同時に使用される赤色および緑色の発光ダイオードが、当該赤色および緑色の発光ダイオードと前記青色発光ダイオードを同じ駆動電源で、かつ、外部回路的に電圧抵抗を付加すること無く使用できるように、以下の(ア)から(エ)の少なくとも1つの構成を有するものであり、これら青色、赤色および緑色の発光ダイオードを備えた発光装置である。
(ア)p型層中またはn型層中またはp型層とn型層の界面、またはp型層と金属電極界面、またはn型層と金属電極界面に発光ダイオードの駆動電圧を高めるための高抵抗層を挿入した構成、
(イ)p型層中またはn型層中またはp型層とn型層の界面、またはp型層と金属電極界面、またはn型層と金属電極界面に発光ダイオードの駆動電圧を高めるためのヘテロ障壁を挿入した構成、
(ウ)p型層とn型層から形成される活性層の表面または活性層と基板の間に導電型が異なるエピタキシャル層を部分的に挿入することにより電流狭窄効果を起こす構造を形成し、これにより電流分散抵抗を高くして発光ダイオードの駆動電圧を高めた構成、
(エ)pn接合の上で金属電極の下に導電型が基板と同じエピタキシャル層を形成し、これにより発光ダイオードの駆動電圧を高めた構成。
【0009】
上記本発明によれば、赤色、青色、緑色の三種のLEDを用いた白色光源を容易に構築することができ、また、これらのLEDチップをそれぞれドットマトリックス状に配置して同一電圧で駆動することにより、屋内外でも使用できる高輝度フルカラーディスプレイ(LEDドットマトリックス表示器)を構成することができる。
【0010】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図示の実施形態に基づいて説明する。
【0011】
本発明の一実施形態を説明するための発光ダイオードの構造を図1に示す。この発光ダイオードの構造は、第一導電型基板としてのn型のGaAs基板2上に、第一導電型クラッド層であるn型のAlGaInP下部クラッド層3と、p型のAlGaInP活性層4と、第二導電型クラッド層であるp型のAlGaInP上部クラッド層5とから成るダブルヘテロ構造の発光領域層(発光部)を有する。なお、n型GaAs基板2とn型AlGaInP下部クラッド層3との間には、n型GaAsバッファ層を設けてもよい。
【0012】
さらに、上記した発光部の上、正確には上部クラッド層5上には、第二導電型電流分散層であるp型GaP電流分散層6、第二導電型高抵抗層であるp型GaP高抵抗層7、第二導電型電流分散層であるp型GaP表面側電流分散層8の各エピタキシャル層が形成されている。
【0013】
チップ表面には、その中央に円形の部分電極(p側金属電極)から成る表面側電極9が形成され、また裏面には、その一部分または全面にn側用金属電極から成る基板側電極1が形成されている。
【0014】
この発光ダイオードの構造は、従来のLEDに比べて、高抵抗層7がp型層中に挿入されていることに特徴があり、その高抵抗層7が20mA程度の低い駆動電流時に2.0V以上に駆動電圧を上昇させることにある。
【0015】
この発光ダイオードを製作するためには、MOVPE法により、GaAs基板2上に、n型AlGaInP下部クラッド層3、p型AlGaInP活性層4、p型AlGaInP上部クラッド層5、p型GaP電流分散層6、p型GaP高抵抗層7、p型GaP表面側電流分散層8の各エピタキシャル層を成長させる。
【0016】
このエピタキシャル層の成長は通常の成長とほとんど同じであり、高抵抗のGaP層(高抵抗層7)を挿入する点でのみ相違する。このGaP高抵抗層7は、キャリア濃度を低く、且つ厚くして挿入するだけであり特に問題はない。ただし、この実施形態では、ドーパント拡散等によりキャリア濃度が高くなってしまうことを抑止するために、拡散の起こりにくいMgドーパントを用いる。その理由は、Mgドーパントを用いることにより、高抵抗のエピタキシャル層(高抵抗層7)を薄く形成すれば済むためである。
【0017】
この高抵抗層7の厚さを制御することにより、発光ダイオードの駆動電圧を高くすることができた。650nmの発光波長の発光ダイオードで、駆動電圧は2.2Vであった。これにより同じ電源から、2.2Vの電圧を印可することにより、緑色LEDと赤色LEDの両方に20mAの電流を流すことができた。電源スイッチを切りかえることにより、赤色、橙色、緑色の発光ができた。
【0018】
またGaP高抵抗層7の膜厚を厚くすることにより、赤色LEDと緑色LEDの駆動電圧を青色発光ダイオードと同じ2.8Vまで高くすることができた。これにより、青色LEDと緑色LEDそして赤色LEDの三種の発光ダイオードを、同じ駆動電圧で動作させることができた。3色そろった場合には、スイッチを切りかえるだけで、赤色、橙色、緑色、青緑色、青色、白色の6色を発光させることができた。もちろんLEDへの駆動電流を制御することにより、フルカラーの表示が可能となる。
【0019】
通常発光ダイオードにおいては、駆動電圧を如何に低くできるかが課題である。また同じ発光色なら、駆動電圧が同じでないと回路上置き換えができないため、同じ駆動電圧が要求され、許容誤差の範囲はせいぜい高くても0.1V程度が限界である。これに対して本実施形態のLEDは同じ発光色の従来のLEDに対して、駆動電圧が0.2V以上高いため、従来のLEDの置き換えには使用できないが、新たな用途として有利な特性を有している。
【0020】
上記実施形態では、p型層中に発光ダイオードの駆動電圧を高めるための高抵抗層を挿入したが、n型層中またはp型層とn型層の界面、またはp型層と金属電極の界面、またはn型層と金属電極の界面に発光ダイオードの駆動電圧を高めるための高抵抗層を挿入してもよい。
【0021】
本発明の第二実施形態に係る発光ダイオードの構造を図2に示す。
【0022】
この発光ダイオードの構造は、第一導電型基板としてのn型のGaAs基板2上に、第一導電型クラッド層であるn型のAlGaInP下部クラッド層3、p型のAlGaInP活性層4、第二導電型クラッド層であるp型のAlGaInP上部クラッド層5とから成るダブルヘテロ構造の発光領域層(発光部)を設けている。
【0023】
さらに、上記した発光部の上、正確には上部クラッド層5上には、第二導電型電流分散層であるp型GaP電流分散層6、第二導電型ヘテロ障壁層であるp型AlGaInPヘテロ障壁層10、第二導電型電流分散層であるp型GaP表面側電流分散層8の各エピタキシャル層が形成されている。
【0024】
そして、チップ裏面のGaAs基板側にはn側金属電極から成る基板側電極1が、表面中央には円形のp側金属電極から成る表面側電極9が形成されている。
【0025】
この発光ダイオードの構造は、従来のLEDに比べて、p型AlGaInPヘテロ障壁層10から成るヘテロ障壁層が挿入されていることに特徴があり、このヘテロ障壁層が20mA程度の低い駆動電流時に2.0V以上に駆動電圧を上昇させることにある。すなわち、この構造の特徴は、図1の実施形態の高抵抗層7の代わりにAlGaInPのヘテロ障壁層10を用いていることにある。この場合に、電流を流れにくくする要因が高抵抗ではなくヘテロ障壁にあるため、薄いヘテロ障壁層で駆動電圧を高くすることができた。
【0026】
この発光ダイオードに抵抗を入れる方法としては、電流狭窄型などにして、電流分散させるために抵抗を高くする方法が適用できる。すなわち、活性層4の表面または活性層4と基板2の間に導電型が異なるエピタキシャル層を部分的に挿入することにより電流狭窄効果を起こす構造とし、これにより電流分散抵抗を高くして発光ダイオードの駆動電圧を高めることができる。
【0027】
また発光ダイオードの構造中にpn逆接合を挿入することにより、駆動電圧を高くすることもできる。すなわち、基板2上に形成した半導体のp型層とn型層によるpn接合の上で金属電極の下に、導電型が基板2と同じエピタキシャル層を形成し、これにより発光ダイオードの駆動電圧を高めることができる。
【0028】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の発光装置に用いられる赤色および緑色の発光ダイオードは、結晶基板上に形成したp型層中またはn型層中またはp型層とn型層の界面、またはp型層と金属電極界面、またはn型層と金属電極界面に、高抵抗層又はヘテロ障壁を挿入するか、pn接合の上で金属電極の下に基板と同じ導電型のエピタキシャル層を形成するか、又は活性層の表面または活性層と基板の間に導電型が異なるエピタキシャル層を部分的に挿入して電流狭窄構造を形成し、外部回路的に電圧抵抗を付加する必要なしに、発光ダイオードの駆動電圧を高め、赤色および緑色の発光ダイオードの駆動電圧を青色発光ダイオードと同じにすることに特徴がある。
【0029】
本発明の発光装置に用いられる赤色および緑色の発光ダイオードは、通常販売されているLEDに対して、駆動電圧が高くなる。同じ駆動電源で、2色またはそれ以上のLEDに同じ電流を流すことができるようになることから、LEDの駆動電源及び回路が従来に比べ大幅に低減できる。このため、廉価なフルカラー表示装置を生産できるようになった。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の一実施形態に係る発光ダイオードの構造を示す断面である。
【図2】 本発明の第二実施形態に係る発光ダイオードの構造を示す断面である。
【符号の説明】
1 基板側電極
2 n型GaAs基板
3 n型AlGaInP下部クラッド層
4 p型AlGaInP活性層
5 p型AlGaInP上部クラッド層
6 p型GaP電流分散層
7 p型GaP高抵抗層
8 p型GaP表面側電流分散層
9 表面側電極
10 p型AlGaInPヘテロ障壁層
Claims (1)
- 結晶基板上に半導体のp型層とn型層を形成して、そのp型層側とn型層側に金属電極を形成したものであって、かつ、青色発光ダイオードと同時に使用される赤色および緑色の発光ダイオードが、当該赤色および緑色の発光ダイオードと前記青色発光ダイオードを同じ駆動電源で、かつ、外部回路的に電圧抵抗を付加すること無く使用できるように、以下の(ア)から(エ)の少なくとも1つの構成を有するものであり、これら青色、赤色および緑色の発光ダイオードを備えたことを特徴とする発光装置。
(ア)p型層中またはn型層中またはp型層とn型層の界面、またはp型層と金属電極界面、またはn型層と金属電極界面に発光ダイオードの駆動電圧を高めるための高抵抗層を挿入した構成、
(イ)p型層中またはn型層中またはp型層とn型層の界面、またはp型層と金属電極界面、またはn型層と金属電極界面に発光ダイオードの駆動電圧を高めるためのヘテロ障壁を挿入した構成、
(ウ)p型層とn型層から形成される活性層の表面または活性層と基板の間に導電型が異なるエピタキシャル層を部分的に挿入することにより電流狭窄効果を起こす構造を形成し、これにより電流分散抵抗を高くして発光ダイオードの駆動電圧を高めた構成、
(エ)pn接合の上で金属電極の下に導電型が基板と同じエピタキシャル層を形成し、これにより発光ダイオードの駆動電圧を高めた構成。
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