JPH06163989A - 半導体発光素子および発光デバイス - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 複数の波長で発光する半導体発光素子を提供
する。 【構成】 単結晶半導体発光素子上にアモルファスをは
じめとするエピタキシャル成長が起こらない材料を用い
て成膜したものを基板とし、内部にｐｎ接合、ｐｉｎ接
合もしくはこれに類する接合を有する多結晶半導体発光
素子を形成して、それぞれの発光を独立に制御できる半
導体発光素子。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、注入型の半導体発光素
子に関し、特にマルチカラーディスプレイ等で利用でき
る多波長出力が可能な半導体発光素子および半導体発光
デバイスに関する。

【０００２】

【従来の技術】発光素子の代表的なものとして発光ダイ
オード（ＬＥＤ(Light EmittingDiode)）と、半導体レ
ーザあるいはレーザダイオード（ＬＤ(Laser Diode)）
が知られている。発光ダイオードや半導体レーザは化合
物半導体（ＧａＡｓ、ＧａＰ、ＡｌＧａＡｓ等）にｐｎ
またはｐｉｎの接合を形成し、これに順方向電圧を印加
することにより接合内部にキャリアを注入、その再結合
の過程で生じる発光現象を利用したものである。このよ
うなＬＥＤやＬＤは従来、ＧａＡｓやＩｎＰなどの単結
晶基板上にＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＩｎＧａ
ＡｓＰなどそれぞれの基板に格子整合した化合物半導体
をＬＰＥ(liquid phase epitaxy)法、ＭＯＣＶＤ(metal
organic chemical vapor deposition)法、ＶＰＥ(vapo
rphase epitaxy)法、ＭＢＥ(molecular beam epitaxy)
法などの結晶成長法を用いてエピタキシャル成長させ、
加工を施すことで製造されてきた。すなわちＬＥＤやＬ
Ｄはｎ型またはｐ型の単結晶基板の片面に、単結晶基板
と同じ導電型の半導体材料とそれとは異なった導電型を
示す半導体材料を順次エピタキシャル成長させてｐｎ接
合もしくはｐｉｎ接合が形成されている。そして単結晶
基板とエピタキシャル成長膜の表面に設けられた電極間
に電流を流すことで発光させている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】一方、ＬＥＤを用いた
マルチカラーディスプレイは、図５に示したように発光
波長の異なる発光ダイオードを並べることで製造されて
いる。図５は面発光型の赤と緑の２色の発光ダイオード
を用いた場合である。セラミック多層配線基板５０に赤
色発光ダイオード５１と緑色発光ダイオード５２を一対
としてＸ配線５３上にダイボンドされており、発光ダイ
オードの他方の電極はそれぞれＹＲ配線５４、ＹＧ配線
５５にボンディングされている。図６はこのマトリック
ス配線で、たとえばＸ₂−Ｙ₁Ｇ間に順方向電圧を印加す
ると緑色の発光ダイオードＤ₂₁Ｇが点灯する。またＸ₃
−Ｙ₂ＲおよびＸ₃−Ｙ₂Ｇに同時に電界を印加するとＤ
₃₂ＲとＤ₃₂Ｇが同時に発光し、黄色で発光しているよう
に観測される。ところが、このディスプレイでは１ドッ
トを形成するのに２つの素子が必要となっている。その
ため、ディスプレイの製造作業に多大のコストがかかっ
ていた。そこで本発明では、ディスプレイ等を製造する
に際して、１つの素子で多波長出力が可能な半導体発光
素子を提供し、該発光素子を用いた発光デバイスの製造
工程を短縮させることを目的としている。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明の上記目的は次の
構成により達成される。すなわち、ｐｎ接合、ｐｉｎ接
合またはこれに類する接合に電流を注入して発光させる
単結晶半導体発光素子上にエピタキシャル成長が起こら
ない材料からなる膜を形成し、さらにこの膜上に内部に
少なくともｐｎ接合、ｐｉｎ接合あるいはこれに類する
接合を有し、電流注入により発光する多結晶半導体発光
素子を形成し、前記単結晶半導体発光素子および前記多
結晶半導体発光素子の接合に独立したバイアスを印加で
きる構造を有し、それぞれの発光の制御が可能である半
導体発光素子または該発光素子を用いた発光デバイスで
ある。ここで、前記単結晶半導体発光素子のｐｎ接合、
ｐｉｎ接合またはこれに類する接合と多結晶半導体発光
素子のｐｎ接合、ｐｉｎ接合またはこれに類する接合と
で、発光メカニズムが異なり、あるいは接合を形成する
半導体材料のバンドギャップが異なり、両者で異なった
波長で発光する構成とすることができる。

【０００５】本発明では通常の単結晶発光素子上に絶縁
性のアモルファス、セラミック、金属、多結晶あるいは
単結晶の材料で覆い、この上に多結晶半導体発光素子を
形成することを特徴とするものである。多結晶半導体発
光素子は、シリコン電子デバイスの例から検討すると特
性的に単結晶のものには及ばない。ところがＬＥＤの場
合にはそのサイズが数十μｍで機能するため、各々のグ
レインが数十μｍ以上であれば、単結晶発光素子と遜色
ないものを得ることが可能である。もちろんグレインの
サイズがそれ以下であっても、ＬＥＤとして作用する。
本発明では、従来の化合物半導体基板よりも安価なアモ
ルファスあるいは多結晶の基板に作製したＬＥＤに関す
るものである。アモルファス基板として代表的なガラス
は、大面積のものが容易に入手できることから、プリン
タやイメージセンサ用の１０ｃｍ以上の長さの発光素子
アレイを１枚の基板から切り出すことができ、従来必要
であった素子のアライメントが必要でなくなる。

【０００６】本発明の特徴は単結晶半導体発光素子の上
に形成する多結晶半導体発光素子がエピタキシャル成長
が起こらない材料から成る基板上に発光素子として機能
する多結晶半導体を形成することである。ここで、エピ
タキシャル成長が起こらない材料から成る基板は単結晶
である必要はなく、アモルファス、多結晶の物質を使用
することができる。したがって、ガラス、セラミック等
の材料が使用可能であるので、非常に広範囲のデバイス
材料を利用することができる。本発明を実施するにあた
り、最も大きな問題はアモルファス、セラミック、多結
晶等のエピタキシャル成長が起こらない材料からなる基
板にサイズの大きなグレイン（多結晶膜中の単結晶）か
らなる多結晶膜を作製することにある。サイズの大きな
グレインが形成できれば、半導体発光素子として機能さ
せることができる。

【０００７】多結晶基板上に多結晶膜を成膜する際、グ
レインのサイズは基板のグレインサイズに影響される
が、例えばアモルファス基板である石英ガラス基板上に
ＭＯＣＶＤ法で多結晶膜を作製する場合、そのグレイン
の大きさは成長条件に依存して変化する。例えば、グレ
イン成長温度、グレイン成長圧力、グレイン成長速度、
原料供給速度、キャリアガス流量を制御することで、グ
レインのサイズをコントロールできる。例えば、成長温
度が高いほど、また成長圧力が低いほど得られるグレイ
ンのサイズは大きくなる。１０Ｔｏｒｒの圧力のもとで
８５０℃でＧａＡｓの成長を試みた予備実験では、直径
が３０μｍ以上のグレインからなる多結晶膜が得られ
た。

【０００８】以上のように、ＭＯＣＶＤ法で条件を最適
化することで上記予備実験で得られたものよりもサイズ
の大きなグレインからなる多結晶膜を製造することが可
能となる。この基板上に、ｐ型とｎ型のＡｌＧａＡｓ膜
を成長すれば、そのｐ型およびｎ型の膜も基板である多
結晶の膜と同程度もしくはそれ以上のサイズからなる多
結晶となる。そのサイズがＬＥＤのサイズに相当するも
のであれは、単結晶素子と変わらない特性が得られる。
逆にグレインのサイズが素子のサイズよりも小さいとき
には、素子内に少なからずグレインバウンダリを持つこ
ととなる。グレインバウンダリではキャリアは非発光再
結合が生じる。しかしながら、これはキャリアのすべて
非発光再結合する事を意味するのではなく、グレインの
サイズによっては発光再結合が支配的にもなる。すなわ
ち単結晶ＬＥＤに比べて多少性能は劣るもののＬＥＤと
して十分に機能するものが得られる。また、本発明でｐ
ｎ接合またはｐｉｎ接合に類した接合とは半導体と金属
が接触したときに生じるショットキ接合のような接合を
言う。

【０００９】上記説明では多結晶基板として石英ガラス
を用いた場合について述べたが、これに限ることなく、
たとえば金属、多成分系ガラス、結晶化ガラス、セラミ
ック、半導体なども用いることができる。また種々の基
板上にＣＶＤ法、スパッタ法あるいは蒸着法などにより
形成したＳｉＯ₂をはじめとする種々の酸化物、ＳｉＮ
などの窒化物、ＳｉＣなどの炭化物、あるいは金属から
なる膜などのいかなるアモルファスあるいは多結晶材料
を用いても構わない。ただし光を基板側にも取り出す場
合には、出射光に対して基板が透明あるいは半透明でな
ければならない。

【００１０】また、多結晶半導体発光素子としてＡｌＧ
ａＡｓの成長について述べたが、これに限ることなくＧ
ａＰ、ＩｎＰ、ＩｎＧａＡｓＰ、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、Ｃ
ｄＴｅなど種々の半導体材料に応用できる。さらに、多
結晶膜の形成方法としては前記ＭＯＣＶＤ法の他にたと
えばＭＢＥ法やＶＰＥ法など他の結晶膜成長法も用いる
ことができる。本発明は単結晶発光素子上に多結晶発光
素子を形成した多波長の出力が可能な半導体発光素子で
あるが、この半導体発光素子からデバイスを形成するこ
ともできる。

【００１１】

【作用】アモルファス、セラミックあるいは多結晶の基
板、もしくは基板の結晶構造が作製する半導体材料とは
異なる単結晶基板、あるいは結晶構造が同じであっても
格子定数に大きな差がある基板上には、基板全面にわた
る結晶のエピタキシャル成長は起こらない。しかしなが
ら、成長初期に基板上に生じる微結晶が結晶核として作
用し、核が成長して多結晶の膜となる。多結晶膜の各グ
レインのサイズがデバイスサイズよりも大きければ、そ
の多結晶膜上に作製したデバイスは単結晶デバイスと同
程度の特性が得られることになる。こうして、本発明に
よれば、単結晶半導体発光素子の上に多結晶半導体発光
素子を形成することができ、それぞれ異なる波長で発光
させることができる。

【００１２】

【実施例】本発明の実施例を図面とともに説明する。 実施例１ 本発明の第一の実施例で作製した素子の斜視模式図を図
１に示す。単結晶のｎ−ＧａＰ基板１に液相エピタキシ
ャル成長（ＬＰＥ）法により発光中心となるＮをドープ
したｎ−ＧａＰ層２、ｐ−ＧａＰ層３を順次成長した。
この際、ｎ型不純物としてＴｅを、ｐ型不純物としてＺ
ｎを用いた。こうして得られた単結晶半導体上にＣＶＤ
法で０．５μｍのＳｉＯ₂膜４を成膜した。ついで、こ
の基板をＭＯＣＶＤチャンバに導入して８５０℃まで昇
温し、圧力１０Ｔｏｒｒで第１回目のＺｎをドープした
ｐ型多結晶ＡｌＧａＡｓ層の成長を行った。ここで３族
原料としてトリメチルガリウム、トリメチルアルミニウ
ム、５族原料としてアルシン（ＡｓＨ₃）を用い、また
キャリアガスとして水素を用いた。（５族原料単位時間
あたりのモル流量）／（３族原料単位時間あたりのモル
流量）で表される５／３比を４０とし、１時間原料を供
給した。この結果、ＳｉＯ₂膜４上にはＡｌＧａＡｓ
（ｘ＝０．４）から成る直径３０μｍ程度のグレイン
（図示せず）が成長した。多結晶膜の電気的特性を向上
させるために、続いて圧力を常圧として８００℃でＺｎ
をドープしたｐ型多結晶ＡｌＧａＡｓ（ｘ＝０．４）層
５を１時間成長させた。ついで、常圧８００℃でＳｅを
ドープしたｎ型多結晶ＡｌＧａＡｓ（ｘ＝０．４）層６
を３０分間成長させた。こうして得られた多結晶ＡｌＧ
ａＡｓ層６の表面にｎ型電極１０、エッチングで露出さ
せたｐ型多結晶ＡｌＧａＡｓ層５上にｐ型電極９、Ｓｉ
Ｏ₂膜を除去し、単結晶ｐ型ＧａＰ層３を露出させた上
にｐ型電極８を、そして単結晶ＧａＰ基板１の裏面にｎ
型電極７をそれぞれ蒸着で形成した。

【００１３】本実施例で得られた単結晶のＧａＰ半導体
（層１〜３）のｐｎ接合は通常の発光ダイオードで見ら
れる電流電圧特性が得られるが、多結晶ＡｌＧａＡｓ半
導体（層５〜６）のｐｎ接合も図２に示すように良好な
整流特性を示した。電極７−８間に順方向バイアスを印
加したところ、領域１１から約５５０ｎｍをピークとす
る緑色の発光が観測され、また電極９−１０間に順方向
バイアスを印加したところ領域１２から赤色の発光が観
測された。この発光のスペクトルは図３に示すように、
６４０ｎｍ付近と７３０ｎｍ付近に２つのピークをもっ
ており、前者はバンド端に基づく発光、後者は深い準位
に基づく発光である。上記実施例では単結晶半導体発光
素子の片面に多結晶半導体発光素子を形成させた例を示
したが、本発明はこれに限らず、単結晶半導体発光素子
の両面で発光層の組成を変える、あるいは発光メカニズ
ムが異なった材料を用いることで異なった波長で発振さ
せることも可能である。

【００１４】実施例２ 本発明の第２の実施例として、ＭＯＣＶＤ法によりＧａ
Ｐ発光ダイオード上に多結晶ＡｌＧａＡｓを材料とした
ｐｉｎ接合型の発光ダイオードを作製した例について、
図４を用いて説明する。基板としては実施例１で示した
ＬＰＥ法により作製したＮをドープしたｐｎ接合を有す
る単結晶ＧａＰ半導体（層１〜３）を用いた。この単結
晶ＧａＰ半導体上にＣＶＤ法で０．５μｍのＳｉＯ₂膜
１４を成膜した。ついで、この基板をＭＯＣＶＤチャン
バに導入して８５０℃まで昇温し、圧力１０Ｔｏｒｒで
第１回目のＺｎをドープしたｐ型多結晶ＡｌＧａＡｓ層
の成長を行った。ここで３族原料としてトリメチルガリ
ウム、トリメチルアルミニウム、５族原料としてアルシ
ン（ＡｓＨ₃）を用い、またキャリアガスとして水素を
用いた。（５族原料単位時間あたりのモル流量）／（３
族原料単位時間あたりのモル流量）で表される５／３比
を４０とし、１時間原料を供給した。この結果、ＳｉＯ
₂膜１４上にはＡｌＧａＡｓ（ｘ＝０．４）から成る直
径３０μｍ程度のグレイン（図示せず）が成長した。多
結晶膜の電気的特性を向上させるために、続いて圧力を
常圧として８００℃でＺｎをドープしたｐ型多結晶Ａｌ
ＧａＡｓ（ｘ＝０．４）層１５を１時間成長させた。つ
いでノンドープのＡｌＧａＡｓ（ｘ＝０．４）層１６を
０．１μｍ程度成長させた。ついで、常圧８００℃でＳ
ｅをドープしたｎ型多結晶ＡｌＧａＡｓ（ｘ＝０．４）
層１７を３０分間成長させた。こうして得られた多結晶
ＡｌＧａＡｓ層１７の表面にｎ型電極２１、エッチング
で露出させたｐ型多結晶ＡｌＧａＡｓ層１５上にｐ型電
極２０、ＳｉＯ₂膜を除去し、単結晶ｐ型ＧａＰ３を露
出させた上にｐ型電極１９を、そして単結晶ＧａＰ基板
１の裏面にｎ型電極１８をそれぞれ蒸着で形成した。

【００１５】本実施例で作製した単結晶のＧａＰ半導体
（層１〜３）のｐｉｎ接合は、通常の発光ダイオードで
みられる電流電圧特性が得られた。また多結晶ＡｌＧａ
Ａｓ半導体（層１５〜１７）も図２と同様な整流性を有
する電流電圧特性が得られた。電極１８−１９間に順方
向バイアスを印加したところ、領域２２から約５５０ｎ
ｍをピークとする緑色の発，光が観測され、また電極２
０−２１間に順方向バイアスを印加したところ領域２３
から赤色の発光が観測された。この発光のスペクトルは
図３に示すように、６４０ｎｍ付近と７３０ｎｍ付近に
２つのピークをもっており、前者はバンド端に基づく発
光、後者は深い準位に基づく発光である。上記実施例で
は単結晶半導体発光素子の片面に多結晶半導体発光素子
を形成させた例を示したが、本発明はこれに限らず、単
結晶半導体発光素子の両面で発光層の組成を変える、あ
るいは発光メカニズムの異なった材料を用いることで異
なった波長で発光させることも可能である。

【００１６】

【発明の効果】本発明による発光素子は単一の半導体発
光素子で２以上の異なる波長の光を発光させることがで
きるので、たとえばこれをマルチカラーディスプレイに
応用した場合、素子数を１／２以上に低減することが可
能となる。また光プリンタに応用した場合、一方の波長
の光を感光ドラムの消去用、他方を書き込み用とする事
で、従来必要であった消去用光源を別途準備する必要が
なくなる。さらに光通信への応用では、波長多重通信用
の光源の提供が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の一実施例になるＧａＰ単結晶発光素
子上に作製したＡｌＧａＡｓ（ｐｎ接合）多結晶発光素
子の模式図である。

【図２】 図１の発光素子の電流電圧特性図である。

【図３】 図１の発光素子の発光スペクトルを示す図で
ある。

【図４】 本発明の一実施例になるＧａＰ単結晶発光素
子上に作製したＡｌＧａＡｓ（ｐｉｎ接合）多結晶発光
素子の模式図である。

【図５】 従来のＬＥＤディスプレイのレイアウトを示
す図である。

【図６】 図５のＬＥＤディスプレイの配線図である。

【符号の説明】

１…ｎ型単結晶ＧａＰ基板、２…ｎ−ＧａＰ層、３…ｐ
−ＧａＰ層、４、１４…ＳｉＯ₂膜、５、１５…ｐ型多
結晶ＡｌＧａＡｓ層、６、１７…ｎ型多結晶ＡｌＧａＡ
ｓ層、７、１０、１８、２１…ｎ型電極、８、９、１
９、２０…ｐ型電極、１６…ノンドープＡｌＧａＡｓ
層、５０…アルミナ多層配線基板、５１…赤色発光ダイ
オード、５２…緑色発光ダイオード、５３…Ｘ配線、５
４…ＹＲ配線、５５…ＹＧ配線

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ｐｎ接合、ｐｉｎ接合またはこれに類す
   る接合に電流を注入して発光させる単結晶半導体発光素
   子上にエピタキシャル成長が起こらない材料からなる膜
   を形成し、さらにこの膜上に内部に少なくともｐｎ接
   合、ｐｉｎ接合あるいはこれに類する接合を有し、電流
   注入により発光する多結晶半導体発光素子を形成し、前
   記単結晶半導体発光素子および前記多結晶半導体発光素
   子の接合に独立したバイアスを印加できる構造を有し、
   それぞれの発光の制御が可能であることを特徴とする半
   導体発光素子。
2. 【請求項２】 前記単結晶半導体発光素子のｐｎ接合、
   ｐｉｎ接合またはこれに類する接合と多結晶半導体発光
   素子のｐｎ接合、ｐｉｎ接合またはこれに類する接合と
   で、発光メカニズムが異なり、あるいは接合を形成する
   半導体材料のバンドギャップが異なり、両者で異なった
   波長で発光する構成を持つことを特徴とする請求項１の
   半導体発光素子。
3. 【請求項３】 請求項１または２記載の半導体発光素子
   を用いた発光デバイス。