JPH04253381A

JPH04253381A - 半導体発光素子及びその製造方法

Info

Publication number: JPH04253381A
Application number: JP3009383A
Authority: JP
Inventors: Yasuo Idei; 出井　康夫; Kazumi Unno; 海野　和美; Hideki Nozaki; 秀樹野崎
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1991-01-29
Filing date: 1991-01-29
Publication date: 1992-09-09

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】［発明の目的］

【０００２】

【産業上の利用分野】この発明は、小型で高輝度の多色
発光が得られる半導体発光素子及びその製造方法に関す
る。

【０００３】

【従来の技術】発光ダイオード（ＬＥＤ）は、高輝度特
性を利用した表示用光源、例えば屋内や駅構内用の情報
表示板、屋外で用いられる道路表示用情報板、自動車の
停止ランプ、信号機等として使用され、また、応答速度
が早い特徴を利用して例えばプラスティックファイバを
用いる光通信用光源として使用されており、様々な分野
に多用されている。

【０００４】このような発光ダイオードとしては赤色Ｌ
ＥＤと緑色ＬＥＤが基本であり、赤色ＬＥＤとしてはＧ
ａＡｓＰ赤色ＬＥＤあるいはＧａＡｌＡｓ赤色ＬＥＤが
多用され、緑色ＬＥＤとしては窒素を添加したＧａＰ緑
色ＬＥＤが多用されている。また、これら２色を混合し
て黄色等の他の表示色を得ている。

【０００５】それぞれのＬＥＤの輝度は、ＧａＡｓＰ赤
色ＬＥＤで３００（ｍｃｄ　）程度、ＧａＡｌＡｓ赤色
ＬＥＤではＳＨ（シングルヘテロ）構造の場合に５００
（ｍｃｄ　）程度、ＤＨ（ダブルヘテロ）構造でＧａＡ
ｌＡｓ基板の超高輝度の場合で３０００（ｍｃｄ　）程
度であり、一方、ＧａＰ（Ｎ添加）緑色ＬＥＤで５００
（ｍｃｄ　）程度が得られている。

【０００６】このように、直接遷移型のＧａＡｌＡｓ赤
色ＬＥＤでは、１（ｃｄ）以上の輝度が得られているが
、間接遷移型のＧａＰ緑色ＬＥＤでは、その最高輝度と
して、５００（ｍｃｄ　）程度しか得られていない。こ
のため、緑色ＬＥＤは、１（ｃｄ）以上の輝度が必要と
なる屋外の表示用光源としては輝度不足のため十分に機
能できず、使用が困難であった。また、赤色と緑色との
混色によるマルチカラーの表示用光源にあっても、緑色
ＬＥＤの輝度が不十分であるため屋外での使用が制限さ
れることになる。このように、緑色ＬＥＤは使用範囲が
限られていた。

【０００７】一方、赤色ＬＥＤと緑色ＬＥＤの両ＬＥＤ
を用いて２色以上の発光を得る場合には、それぞれのＬ
ＥＤが形成された半導体チップを同一のパッケージ内に
収納配置するため、単色の場合に比してコストが大幅に
上昇し、多数のＬＥＤを配列してなるモジュール型表示
用光源の製造コストも上昇することになる。

【０００８】これに対して、１チップ上にＧａＰ赤色Ｌ
ＥＤとＧａＰ緑色ＬＥＤの両ＬＥＤを形成し、２色発光
を可能とした多色発光素子が、特開昭５７−７９６８７
号公報に開示されている。しかしながら、この多色発光
素子では、ＧａＰ赤色ＬＥＤの輝度が１００（ｍｃｄ　
）程度しか得られない。したがって、上述したように、
屋外用表示光源としては使用が困難となり、使用範囲が
限られていた。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】以上説明したように、
従来の緑色ＬＥＤにあっては、輝度不足のため用途が限
定されるといった不具合を招いていた。さらに、緑色Ｌ
ＥＤを用いた多色ＬＥＤにおいても同様の不具合を招い
ていた。

【００１０】また、多色発光を実現する場合には、赤色
及び緑色ＬＥＤが形成されたチップを組合せるため、構
成の大型化やコストの上昇を招いていた。

【００１１】一方、１チップで多色発光を実現した構成
にあっては、上述したと同様に輝度不足のため用途が制
限されていた。

【００１２】このように、従来の発光ダイオードにあっ
ては、１チップ化と高輝度多色発光との両者を満足させ
ることができなかった。

【００１３】そこで、この発明は、上記に鑑みてなされ
たものであり、その目的とするところは、単一基板で多
色高輝度発光を達成し得る半導体発光素子及びその製造
方法を提供することにある。

【００１４】［発明の構成］

【００１５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、この発明は、同一の半導体基板上にそれぞれ独立し
てバイアス可能な（Ｉｎ−Ｇａ−Ａｌ−Ｐ）系混晶の発
光層が、少なくとも２層以上形成されて構成される。

【００１６】

【作用】上記構成において、この発明は、混晶の組成比
により所定の発光波長範囲内において直接遷移型の発光
を実現し、基板と混晶層との格子整合を良好とし、良質
な混晶膜を得るようにしている。

【００１７】

【実施例】以下、図面を用いてこの発明の実施例を説明
する。

【００１８】図１はこの発明に係る半導体発光素子の一
実施例における断面構造を示す図である。同図に示す実
施例の発光素子は、同一の基板における赤色発光と緑色
発光の２色発光を実現したものである。

【００１９】図１において、不純物濃度を１×１０１８
ｃｍ−３程度とするｎ型の例えばＧａＡｓからなる化合
物半導体基板（以下「基板」と呼ぶ）１上には、表１に
組成等を示す第１クラッド層２、第１活性層３、第２ク
ラッド層４、第２活性層５、第３クラッド層６がこの順
序で例えばＭＯＣＶＤ法により順次エピタキシャル成長
形成されている。なお、それぞれの層はＭＢＥ法により
エピタキシャル成長させてもよい。

【００２０】

【表１】

【００２１】それぞれの成長層の表１に示す組成におい
て、その組成比ｘ，ｙ，ｚ，ｗ，ｖは、以下に示すよう
に設定される。まず、組成比ｙは、第１活性層３を６２
０〜６７０（ｎｍ）程度の発光波長とする赤色発光層と
するために、Ｏ≦ｙ≦０．２とし、組成比ｗは、第２活
性層５を５５０〜５７５（ｎｍ）程度の発光波長とする
緑色発光層とするために、０．３５≦ｗ≦０．６に設定
される。また、それぞれの層の組成比は、ｙ≦ｘ、ｗ，
ｙ≦ｚ、ｗ≦ｖで示す関係か満たされるように設定され
る。

【００２２】このような組成比においては、発光層とな
るそれぞれの活性層３，５の禁制帯幅は、それぞれの活
性層３，５を挾み込む両クラッド層の禁制帯幅よりも小
さくなり、それぞれの活性層の両端面においてダブルヘ
テロ接合が形成されることになる。

【００２３】第２クラッド層４，、第２活性層５、第３
クラッド層６の一部には、Ｐ型の不純物となるＺｎを選
択拡散させて、第２クラッド層４に電圧を印加するため
のオーミック領域７が形成されている。Ｚｎが選択拡散
されたオーミック領域７とＺｎが拡散されていない領域
との境界部分には、第２活性層５に所定の電圧が印加さ
れて緑色発光するように、第２クラッド層４に達する溝
８がドライエッチング法あるいはウェットエッチング法
により形成され、緑色発光する第２活性層５とオーミッ
ク領域７とが電気的に確実に分離されている。

【００２４】基板１及び第３クラッド層６の一方の面に
は、Ａｕ−Ｇｅからなるオーミック電極９，１０が形成
され、オーミック領域７の一方の面には、Ａｕ−Ｚｎか
らなるオーミック電極１１が形成されている。

【００２５】このような構造において、Ｉｎ−Ｇａ−Ａ
ｌ−Ｐ系の四元混晶は、Ａｌの組成比を変化させること
によって赤色から緑色の発光範囲において直接遷移型と
なり、基板１のＧａＡｓとの格子整合が極めて良好とな
り、良質な成長膜が得られる。

【００２６】したがって、例えば四元混晶層の組成比を
、ｘ＝ｚ＝ｖ＝０．７、ｙ＝０．１３、ｗ＝０．４程度
に設定した場合、電極９側が（−）、電極１１側が（＋
）となる極性の電圧を印加して電極９と電極１１間に電
流を流すと、第１活性層３において１（ｃｄ）以上の高
輝度で６３０（ｎｍ）程度の発光波長の赤色発光が得ら
れ、電極１０側が（−）、電極１１側が（＋）となる極
性の電圧を印加して電極１０と電極１１間に電流を流す
と、第２活性層５において１（ｃｄ）以上の高輝度で５
６０（ｎｍ）程度の発光波長の緑色発光が得られる。

【００２７】また、それぞれの活性層を流れる電流値を
適宜調整することによって、それぞれの活性層において
赤色から緑色の発光範囲で任意の色調の発光が高輝度で
得ることが可能となる。

【００２８】このように、上記構造にあっては、１（ｃ
ｄ）以上の高輝度赤色及び緑色発光が同時に可能になる
ため、屋外用の多色表示用光源に用いることができるよ
うになり、半導体発光素子の使用範囲を拡大することが
できる。さらに、高輝度多色発光を同一の基板で実現し
ているので、表示用光源の１チップ化が可能となり、安
価で小型な表示用光源を提供することができるようにな
る。

【００２９】次に、この発明の他の実施例を説明する。

【００３０】図２はこの発明に係る半導体発光素子の他
の実施例における断面構造を示す図である。同図に示す
実施例の発光素子における特徴とするところは、ＧａＡ
ｓからなる化合物半導体基板２１上に、第１赤色クラッ
ド層２２、第１赤色活性層２３、第２赤色クラッド層２
４がエピタキシャル成長形成されてなる赤色発光部と、
第１緑色クラッド層２５、第１緑色活性層２６、第２緑
色クラッド層２７がエピタキシャル成長形成されてなる
緑色発光部とが、それぞれ独立分離して形成されている
ことにあり、それぞれの成長層の組成等は表２に示す通
りである。

【００３１】

【表２】

【００３２】なお、基板２１及び第２赤色クラッド層２
４、第２緑色クラッド層２７には、オーミック電極とし
てＡｕ−Ｇｅからなる電極２８及びＡｕ−Ｚｎからなる
電極２９，３０が形成されている。

【００３３】このような構造において、それぞれの成長
層における組成比ｘ，ｙ，ｚ，ｕ，ｖ，ｗは、ｙ≦ｘ，
ｚかつｖ≦ｗ，ｕで示す関係を満足するように設定され
る。したがって、赤色あるいは緑色の発光層となるそれ
ぞれの活性層２３，２６の禁制帯幅は、それぞれの活性
層２３，２６を挾み込む両クラッド層の禁制帯幅よりも
小さくなり、それぞれの活性層の両端面においてダブル
ヘテロ接合が形成される。

【００３４】次に、上記構造を得るための一製造方法を
図３乃至図８に示す製造工程断図を参照して説明する。

【００３５】まず、不純物が１×１０１８ｃｍ−３程度
含む基板２１上に、シリコン酸化膜（Ｓｉ　Ｏ２　膜）
３１を選択的に形成する（図３）。

【００３６】次に、第１赤色クラッド層２２、第１赤色
活性層２３、第２赤色クラッド層２４をこれらの順序で
例えばＭＯＣＶＤ法により表２に示す不純物濃度及び厚
さで順次エピタキシャル成長させて形成する（図４）。

【００３７】次に、上記工程で形成されたそれぞれの成
長層のうち赤色発光部となる部分の成長層上にレジスト
膜３２を選択形成する（図５）。

【００３８】次に、レジスト膜３２下のそれぞれの成長
層を除くそれぞれの成長層をＨ３　ＰＯ４　系のエッチ
ング液でエッチング除去し、続いてＳｉ　Ｏ２　膜３１
をＨＦ系エッチング液によりエッチング除去する。その
後、基板２１上に形成されたそれぞれの成長層の最上層
となる第２赤色クラッド層２４上に、Ｓｉ　Ｏ２　膜３
３を選択形成する（図６）。

【００３９】次に、第１緑色クラッド層２５、第１緑色
活性層２６、第２緑色クラッド層２７をこれらの順序で
例えばＭＯＣＶＤ法により表２に示す不純物濃度及び厚
さで順次エピタキシャル成長させて形成する。この後、
上記工程で形成されたそれぞれの成長層のうち緑色発光
部となる部分の成長層上にレジスト膜３４を選択形成す
る（図７）。

【００４０】最後に、図６に示した工程と同様にしてそ
れそれの成長層及びＳｉ　Ｏ２　膜３３を除去する。こ
の後、レジスト膜３４を除去して、それぞれの成長層か
らなる赤色発光部と緑色発光部が基板２１上にそれぞれ
電気的に独立分離して形成される（図８）。

【００４１】このようにして得られる構造にあっては、
前述した実施例に示した構造と同様に、それぞれの発光
範囲において直接遷移型となり、良質な成長膜が得られ
る。このため、四元混晶層のＡｌの組成比を、例えばｙ
＝０．１３に設定した場合に、電極２８と電極２９間に
電圧を印加すると、第１赤色活性層において１（ｃｄ）
以上の高輝度で６３０（ｎｍ）程度の発光波長の赤色発
光が得られ、組成比ｖ＝０．４に設定して、電極２８と
電極３０間に電圧を印加すると、第１緑色活性層２６に
おいて１（ｃｄ）以上の高輝度で５６０（ｎｍ）程度の
発光波長の緑色発光が得られる。また、それぞれの活性
層を流れる電流値を適宜調整することによって、それぞ
れの活性層において赤色から緑色の発光範囲で任意の色
調の発光が高輝度で得ることが可能となる。

【００４２】したがって、このような実施例の発光素子
にあっても、前述した発光素子と同様の効果を得ること
ができる。

【００４３】なお、本発明は上記実施例に限定されるこ
とはなく、様々な応用例が考えられる。

【００４４】例えば、図９に示すように、図１に示した
構造に対して溝８を設けないようにした構造、あるいは
図１０に示すように、図９に示した構造に対してＺｎが
選択拡散されたオーミック領域７を設けず、緑色発光部
における第２クラッド層４、第２活性層５、第３クラッ
ド層６の一部を除去し、第１活性層３の上部に第２クラ
ッド層４を介して電極１１を設けるようにしていもよい
。このような構造にあっては、Ｚｎが選択拡散されて形
成されたオーミック領域７が第１活性層３の赤色発光を
多少吸収するのに対して、オーミック領域７が形成され
ていないために、赤色発光の吸収は回避され、輝度をよ
り一層高めることができる。

【００４５】また、発光層となる活性層を２層以上形成
し、発光領域を２ケ所以上設けるようにしてもよい。例
えば、図１１あるいは図１２に示すように、前記四元混
晶の発光層となる活性層４１，４２，４３を３層形成し
、３箇所の発光領域において、赤色から緑色の発光波長
の範囲で任意の発光波長でかつ独立に発光させるように
してもよい。このような場合にあっては、高輝度の多色
発光を容易に実現することができる。

【００４６】さらに、上述した四元混晶の積層構造にお
いて、基板は、基板上に成長形成される四元混晶との格
子整合が良好となり良質な成長膜が得られるようなもの
であれば、ＧａＡｓに限ることはなく、また導電型もＰ
型であってもよい。

【００４７】また、発光層となるそれぞれの活性層の構
造は、シングルヘテロ構造やホモ接合構造でもよく、ダ
ブルヘテロ構造に限ることはない。

【００４８】一方、基板と基板上に形成される第１クラ
ッド層との間に、基板と同じ組成で同一の導電型、例え
ばｎ型のＧａＡｓからなり、基板と第１クラッド層との
接合領域の結晶性を改善して結晶欠陥を抑制するバッフ
ァ層を介在させるようにしてもよい。

【００４９】また、電極とクラッド層との間に、クラッ
ド層と同一導電型かつ低抵抗で発光波長に対して透明な
電流拡散層、例えば１×１０１８（ｃｍ−３）程度のｎ
型の不純物を含むＧａＡｌＡｓからなる電流拡散層を設
けるようにしてもよい。このような電流拡散層を設ける
ことによって、活性層に均一に電流が流れ、活性層での
均一な発光を促進することができる。

【００５０】

【発明の効果】以上説明したように、この発明によれば
、単一の半導体基板上に、（Ｉｎ−Ｇａ−Ａｌ−Ｐ）系
混晶からなる発光層を複数層設けるようにしたので、基
板と良好な格子整合を有する混晶膜が形成されて、良質
な混晶膜を得ることが可能となり、かつ、直接遷移型の
発光を実現することができる。

【００５１】この結果、発光層の組成及びバイアスを変
えることによって高輝度で多色発光を達成することがで
きる。さらに、このような発光素子が同一基板において
得られるので、１チップ化が可能となり、安価で小型化
を図ることができる。また、上述した効果により用途を
拡大することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明に係る半導体発光素子の一実施例にお
ける断面構造を示す図である。

【図２】この発明に係る半導体発光素子の他の実施例に
おける断面構造を示す図である。

【図３】図２に示す実施例の構造を得るための一製造方
法の工程を示す断面図である。

【図４】図２に示す実施例の構造を得るための一製造方
法の工程を示す断面図である。

【図５】図２に示す実施例の構造を得るための一製造方
法の工程を示す断面図である。

【図６】図２に示す実施例の構造を得るための一製造方
法の工程を示す断面図である。

【図７】図２に示す実施例の構造を得るための一製造方
法の工程を示す断面図である。

【図８】図２に示す実施例の構造を得るための一製造方
法の工程を示す断面図である。

【図９】この発明に係る半導体発光素子の他の実施例に
おける断面構造を示す図である。

【図１０】この発明に係る半導体発光素子の他の実施例
における断面構造を示す図である。

【図１１】この発明に係る半導体発光素子の他の実施例
における断面構造を示す図である。

【図１２】この発明に係る半導体発光素子の他の実施例
における断面構造を示す図である。

【符号の説明】

１，２１，　　ＧａＡｓ基板２，４，６，２２，２４，２５，２７　　クラッド層３
，５，２３，２６，４１，４２，４３　　活性層７　　
オーミック領域

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】　　同一の半導体基板上にそれぞれ独立し
てバイアス可能な（Ｉｎ−Ｇａ−Ａｌ−Ｐ）系混晶の発
光層が、少なくとも２層以上形成されてなることを特徴
とする半導体発光素子。
【請求項２】　　前記それぞれの発光層は、混晶組成比
に応じて所定範囲における任意の発光波長で発光するこ
とを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子。
【請求項３】　　前記基板と基板上に積層形成される前
記混晶からなるクラッド層との間に、基板と同一の導電
型かつ組成の介在層を形成してなることを特徴とする請
求項１記載の半導体発光素子。
【請求項４】　　前記発光層にバイアスを与える電極と
この電極に接合して形成される前記混晶からなるクラッ
ド層との間に、前記電極に与えられる電流を拡散させる
電流拡散層を形成してなることを特徴とする請求項１記
載の半導体発光素子。
【請求項５】　　第１導電型の半導体基板における一方
の面上に、第１導電型の（Ｉｎ−Ｇａ−Ａｌ−Ｐ）系の
混晶からなる第１のクラッド層と第２導電型の前記同系
の混晶からなる第１の発光層と第２導電型の前記同系の
混晶からなる第２のクラッド層と第２導電型の前記同系
の混晶からなる第２の発光層と第１導電型の前記同系の
混晶からなる第３のクラッド層とを順次気相成長法によ
り積層形成し、前記第２のクラッド層、第２の発光層、
第３のクラッド層を選択的に除去して第２のクラッド層
の一部を露出し、前記半導体基板における他方の面上と
前記第３のクラッド層上と前記露出された第２のクラッ
ド層上に、前記第１及び第２の発光層にバイアス電圧を
印加する電極を形成することを特徴とする半導体発光素
子の製造方法。
【請求項６】　　第１導電型の半導体基板における一方
の面上に、第１導電型の（Ｉｎ−Ｇａ−Ａｌ−Ｐ）系の
混晶からなる第１のクラッド層と第２導電型の前記同系
の混晶からなる第１の発光層と第２導電型の前記同系の
混晶からなる第２のクラッド層と第２導電型の前記同系
の混晶からなる第２の発光層と第１導電型の前記同系の
混晶からなる第３のクラッド層とを順次気相成長法によ
り積層形成し、不純物の導入によって前記第２のクラッ
ド層、第２の発光層、第３のクラッド層を選択的に導電
化し、前記半導体基板における他方の面上と導電化され
た前記第３クラッド層上と導電化されていない前記第３
のクラッド層上に、前記第１及び第２の発光層にバイア
ス電圧を印加する電極を形成することを特徴とする半導
体発光素子の製造方法。
【請求項７】　　不純物が導入された領域と導入されて
いない領域を分離する溝をエッチング処理により形成す
る工程を含むことを特徴とする請求項６記載の半導体発
光素子の製造方法。
【請求項８】　　第１導電型の半導体基板における一方
の面上に、第１導電型の（Ｉｎ−Ｇａ−Ａｌ−Ｐ）系の
混晶からなる第１のクラッド層と第２導電型の前記同系
の混晶からなる第１の発光層と第２導電型の前記同系の
混晶からなる第２のクラッド層を順次気相成長法により
積層形成し、積層形成された前記それぞれの層を選択的
に除去し、残存する前記第２のクラッド層上を被覆し、
第１導電型の前記同系の混晶からなる第３のクラッド層
と第２導電型の前記同系の混晶からなる第２の発光層と
第２導電型の第４のクラッド層を順次気相成長法により
積層形成し、積層形成された第３及び第４のクラッド層
と第２の発光層を選択的に除去することによって第１及
び第２のクラッド層と第１の発光層からなる積層構造と
第３及び第４のクラッド層と第２の発光層からなる積層
構造とを前記半導体基板上にそれぞれ独立分離して形成
し、前記半導体基板における他方の面上と導電化された
前記第２のクラッド層上と前記第４のクラッド層上に、
前記第１及び第２の発光層にバイアス電圧を印加する電
極を形成することを特徴とする半導体発光素子の製造方
法。