JPS6187381A

JPS6187381A - 半導体装置

Info

Publication number: JPS6187381A
Application number: JP59194303A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Komatsu; 博志小松; Hajime Kurihara; 一栗原; Hiroyuki Oshima; 弘之大島
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 1984-09-17
Filing date: 1984-09-17
Publication date: 1986-05-02

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】〔技術的分野〕本発明は半導体装置に関するものであり、とりわけ可視
領域の発光機能を有する半導体装置に関するものである
。さらに本発朋は、赤色緑色および青色発光体を画素と
する、画像表示機能を有した半導体装置に関するもので
ある。

〔従来技術〕

近年のエレクトロニクス技術の発展に伴い、社会の情報
化が進むにつれ、事業所や個人など情報系の端末間での
情報交換が積極的に行なわれている。そうした中で情報
密度の高い視覚情報を受ける端末装置すなわち画像ディ
スプレイの性能９機能性が重要視されている。一般に画
像・文字表示用ディスプレイに要求される性能としては
、高解像度、高フントラスト、高輝度、広視野角、フル
カラー、高忠実度等があげられる。機能面では、ハンデ
ィタイプのもの、大画面のもの、薄型のもの等が望まれ
ている〇こうした要求に応えるべく、現在では高性能な○ＲＴ、
ポケットサイズの液晶カラーテレビ、子画面薄型のＩＴ
Ｊディスプレイ、プラズマディスプレイ等か商品化され
、多くの市場を占めている。

ＣＲＴは前述の要求される性能は充分溝たしているもの
の、その機構上の制約から小型、軽量、低消費電力化′
に向かず、薄型ハンディタイプにはならない。ＣＲＴと
は逆に、前述の機能面を満たしてくれるのが、液晶ディ
スプレイとＫＬディスプレイである。しかし、液晶ディ
スプレイは受光型の表示装置であるゆえにコントラスト
、輝度が低く、その特性上視野角が狭くなるといった液
晶独白の性能上の欠点を備えている。また、ＥＬディス
プレイ、プラズマディスプレイは駆動電圧が高く、階調
が出しにくくフルカラー化が容易でないなどの欠点があ
る。

今後の情報社会の中では、前述の性能を十分に具備した
ディスプレイは不可欠で、しかもそれに多機能化のため
の柔軟性が伴なわなければならない。そのようなディス
プレイの一つとして提案されるものに自己発光型でフル
カラー化、子画面化の容易な発光ダイオードアレイがあ
る０現在発光ダイオードは赤色、緑色、青色という三原
色がおのおの作られ表示用に市販されている。

この三原色の発光ダイオードを平面上にマトリクス状に
並べ、適当な位置の発光ダイオードを選択して点灯すれ
ば、任意の画像表示が行なえる。この方式のディスプレ
イは画素子が自己発光するため、ＣＲＴ並のコントラス
トと輝度が出せ、発光ダイオード数を増やせば解像度が
あがるためディスプレイとしての性能を高められる。ま
た平坦化が容易である。

しかし、現存の発光ダイオードアレイは赤、緑、青色発
光素子を各チップ単位で並べるハイブリッド構成である
ため、集積度が上がらず小型化が難しいことや、歩留り
が悪いといった問題点がある０〔目　的〕本発明は、このような発光ダイオードアレイの問題点を
克服し、解像度が高くしかも小型化が容易な高集積化さ
れた自己発光型画像ディスプレイを供給するところにそ
の目的がある。

〔概　要〕

赤色光を発光せしめるりん化カリウムエピタキシャル薄
膜と、緑色光を発光せしめるりん化ガリウムエピタキシ
ャル薄膜と、青色光を発光せしめる硫化亜鉛エピタキシ
ャル薄膜を、シリコン単結晶基板上にそれぞれ結晶成長
させ・赤色、緑色および青色を発する発光体をマトリク
ス状にモノリシックに形成する。赤、緑および青色のそ
れぞれの発光体は個々の画素となり得るため、マルチカ
ラーの画像表示機能を有した画像ディスプレイが得られ
る。またシリコン基板上には各画素を駆動するための能
動電子回路を形成できる。

〔実施例〕

シリコン単結晶とりん化ガリウム単結晶および硫化亜鉛
単結晶とは結晶構造が良く似ている。それぞれの単結晶
構造はシリコンがダイアモンド構造、りん化ガリウムお
よび硫化亜鉛（β−ＺｎＳ　）が閃亜鉛構造をとる０こ
れらの結晶の格子定数はシリコンが５．４３１　Ａ　、
りん化ガリウムが５、４４９５　Ａ　、硫化亜鉛が５．
４０９５　Ａであり、これら３種類の単結晶間の格子定
数差はわずか１％未満で、よく格子整合する。したがっ
て、りん化ガリウム単結晶、硫化亜鉛単結晶をシリコン
単結晶基板上に転移等の欠陥の発生を極力おさえて、ヘ
テロエピタキシャル成長させることが可能である。また
、りん化ガリウム単結晶と硫化亜鉛単結晶相互間におい
ても格子整合が良くとれるため、たとえばシリコン単結
晶基板上にりん化ガリウム単結晶を成長させ、さらにそ
のりん化ガリウム単結晶膜上に硫化亜鉛単結晶を成長さ
せた積層構造のへテロエピタキシャル膜の形成が可能で
あるＯりん化ガリウム単結晶は、その室温でのバンドギ
ャップエネルギーが２．２５　ｅ　Ｖの間接遷移型半導
体である。しかし、間接遷移型にもかかわらず、Ｐ型頭
域のアクセプタとして例えば亜鉛や酸素を適度にドーピ
ングすることにより発光ピーク波長が７００ｎｒｎ程の
ｐｎ接合ダイオードのような赤色発光体を作ることが可
能である０またりん化ガリウム単結晶に窒素Ｎをドーピ
ングすれば電子遷移エネルギーがバンドギャップエネル
ギーにより近くなる。その結果発光ピーク波長が５６０
ｎｒｎ程度のｐｎ接合ダイオードのような緑色発光体が
形成できる。さらにアクセプタやドナーとなりうる他の
不純物を導入することにより赤色か−ら緑色までの多種
類の光を発する、発光ダイオードを作り出すことが可能
である０硫化亜鉛は、その室温でのバンドギャップエネルギーが
５．５４　ｅＶと大きいＯこの硫化亜鉛に不純物を導入
し、禁止帯中に適当な準位を作ることで波長が４８０？
Ｌｒｎ程度の青色発光体を得ることができる。

これらの赤色、緑色および青色発光体をシリコン基板上
にモノリシックに形成し、三色の発光体を適当な明るさ
に光らせることで、可視領域の任意の色をすべて網羅す
る発光体が得られる０第１図に本発明の一実施例を示す
Ｏ第１図中の（α）図および（６）図は（Ｃ）図中に示
されたａα′断面およびｂｂ’断面をそれぞれ表わして
いる０第１図において１は外形シリコン単結晶基板であ
る０２および５はシリコン基板表面にＭｏＣｖＤ法によ
りエピタキシャル成長させたイオウドープの外形りん化
ガリウム（ｎ−Ｇ（ＩＦ：Ｓ）層である。３および６は
前記ｎ−ＧａＰ：Ｓ層表面上にＭＯＣＶＤ法によりノン
ドープのりん化ガリウム単結晶を連続的に成長させた後
、３に表す層には亜鉛と酸素を、そして６に示す層には
亜鉛をそれぞれ適当な凪イオン注入法により選択的にド
ーピングしたｐ形りん化ガリウム層である。これらのり
ん化ガリウム層の形成終了後に不必要なりん化ガリウム
膜をエツチングによって除去し・ストライプ状の層を形
成する。８はＭＯＣＶＤ法によりシリコン基板上に成長
させた外形硫化亜鉛エピタキシャル層、９は前記外形硫
化亜鉛上に連続成長させたｐ形硫化亜鉛工ビタキンヤル
層である。４，７および１０はそれぞれ３，６および９
に示したｐｑりん化ガリウムおよびｐ形硫化亜鉛層から
オーミックコンタクトがとれるように形成した透明導電
膜である。

オーミックコンタクトをとるためには、例えば、ｐ形り
ん化ガリウム又はｐ形硫化亜鉛上に選択的に亜鉛、金、
ニッケルをスパッタ法又は蒸着法で付着させ、高温にて
ンンタリングした後、工Ｔ。

（インジウム・ナイン・オキサイド）透明膜等を形成す
ればよい。

第１図のうち、２，５および４で示した層は、りん化ガ
リウムｐ　−ｎ接合発光ダイオードで赤色発光体である
。５，６および７で示した層はりん化ガリウムｐ　−ｎ
接合発光ダイオードで緑色発光体である。

さらに、８，９および１０で示した層は硫化亜鉛ｐ　−
ｎ接合発光ダイオードで青色発光体である・１１はシリ
コン基板のオーミックコンタクト層である０第２図には第１図に示した赤色、緑色および青色発光ダ
イオードとシリコン基板とのエネルギー準位図を示す。

（ａ）図はりん化ガリウム赤色発光ダイオード、（ｂ）
図はりん化ガリウム緑色発光ダイオード、そして（、＋
）図は硫化亜鉛青色発光ダイオードのエネルギー準位図
をそれぞれ示している◇第１図に示したように赤色、緑
色および青色発光体を同一シリコン基板上に形成し、シ
リコン基板を接地し、４，７および１０に示した導電層
にそれぞれ適当な電位を与え、それぞれ燭光体に適当な
バイアスを加えることにより赤色、緑色および青色が同
時に発せられ、それらの混色として、任意色の発光が得
られる。第１図に示した６種類の発光体のうち、緑色発
光体を窒素ドープのＰ形りん化ガリウム（Ｔｌ−Ｇ（Ｉ
Ｆ：Ｎ）とイオウドープの外形りん化ガリウム（ｎ−Ｇ
ａＰ：Ｓ）とで構成したＰｎ接合発光ダイオードを用い
てもよい。また、硫化亜鉛ｐ％接合ダイオードの代りに
、ｎ形硫化亜鉛表面に絶縁膜を形成し、その表面に導電
膜を形成したＭ工Ｓ（Ｍｅｔａｌ−工ｎｓｕｌａｔｏｒ
−Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）構造の青色発光体を用
いてもよい。

りん化ガリウムのｐ形化およびｎ形化には、前述の亜鉛
、酸素、イオウの他にｐ形化にはカドミウム、ｎ形化に
はセレン、テルル等を用いても良い。また、単結晶膜の
成長技術としてはＭＯＣ！ＶＤ法の他にＭＢＥ法などが
ある。

第３図から第５図に他の実施例を示す＠これらの実施例
において、各エピタキシャル層および発光体の製造法は
基本的に第１図で説明した実施例における技術と同じで
ある。

第３図には、第１図に示した３種類の発光体を多数個シ
リコン基板上に形成した画像表示体の一実施例を示す。

第３図の（α）図および（６）図は（ｃ）図中に示した
Ｃ　Ｏ’断面およびｄ　ｄ’断面をそれぞれ表わす。Ｋ
’、５図において、１２はｐ形シリコン基板、１３はｐ
形シリコン基板表面に複数本ある間隔をおいて平行に形
成されたｎ形溝電層である。

１４〜２２は第１図中に示した２〜１０の構成要素と同
一のもので、１４．１５および１６により赤色発光ダイ
オードを、１７．１８および１９により緑色発光ダイオ
ードを、そして２０．２１および２２により青色発光ダ
イオードを構成している。ここでは、これら赤色、緑色
および青色発光層をｐ形シリコン基板上に１３に示すｎ
形溝電層の長さ方向に垂直に細長く、シかも６種類の発
光層を交互に並ペスイライブ状に形成したところに特徴
がある。各発光ダイオードのｎ形層への電子の注入は基
板上のｎ形シリコン導電層から主として行なわれる。し
たがって、ｎ形シリコン導電層を接地し各発光層表面の
導電層に正の電圧を印加すると、発光はｎ形シリコン導
ＩＩ層とストライプ状の発光層の交点でのみ起こる。こ
のため、発光ダイオードをマトリクス状に番地指定する
ことができる。マトリクス状に形成された赤１　ｍｌ青
色発光ダイオードを任意に選び発光させることにより九
任意の形の任意の色の画像表示が行なえる。

第４図にもう一つの画像表示体構造を示す。第４図中の
２３はｐ形シリコン単結晶基板・２４はｐ形シリコン基
板上に複数本ある間隔をおいて平行に形成されたｎ形溝
電層である。２５は２４のｎ形導電層上にのみ形成され
たｎ形りん化ガリウム単結晶層である。２６は前記ｎ形
りん化ガリウム単結晶層の長さ方向に直交するように細
長く、シリコン基板上およびｎ形りん化ガリウム層表面
上に形成されたｐ形りん化ガリウム層であり、２７はこ
のｐ形りん化ガリウムとオーミンクなコンタクトがとれ
る透明導電層である。前記２５および２６のりん化ガリ
ウムｐ　−ｎ接合ダイオードは赤色光を発する。２８は
前記２６のｐ形りん化ガリウムと平行に形成されたｐ形
りん化ガリウム、２９はオーミックコンタクトがとれる
透明導電層であり、２５のｎ形りん化ガリウムと２８の
ｐ形りん化ガリウムでｐ　−ｎ接合発光ダイオードを形
成し、緑色光を発生する。

５０はｎ形硫化亜鉛単結晶、３１はｐ形硫化亜鉛単結晶
、６２はｐ形硫化亜鉛とオーミックコンタクトのとれる
透明導電層である。３０と３１に示された硫化亜鉛ｐ　
−ｎ接合ダイオードは、青色発光ダイオードとなる◇こ
の青色発光ダイオードへのキャリアは、正孔が３２の透
明導電層から、電子は２５のｎ形りん化ガリウム層から
、それぞれ注入される。画像表示のための動作は第５図
の説明の際記した方法と同様である。第４図のような構
造にすることにより、シリコン基板表面全体にりん化ガ
リウムを覆うことができるので、工程の途中で発生する
シリコンの酸化を防止でき、素子の特性と信頼性および
歩留りを高められるという特徴がある。

第５図はシリコン基板表面に発光素子を駆動するための
能動電子素子を作り込んだ発光体の一実施例を示す。第
５図（α）はシリコン基板の断面を表わす。３３はｐ形
シリコン基板、３５はｎ形シリコンエピタキシャル層、
３４はアイソレーション用ｐ＋形拡散層で隣接する各電
子素子を電気的に分離している。３５はｎ形コレクタ層
、３６はｐ＋形ベース層、３７はｎ　形エミッタ層で、
６５〜３７の各層でｎｐｎバイポーラトランジスタを形
成している。３９および４０は前記シリコンバイポーラ
トランジスタのｎ形コレクタ領域表面上にエピタキシャ
ル成長させたｎ形およびｐ形りん化ガリウム発光ダイオ
ードを示す（又はｎ形およびｐ形硫化亜鉛発光ダイオー
ドでもかまわない）。

４１はシリコン基板表面および発光ダイオード層断面を
保護するための絶縁膜である。４２は前記発光ダイオー
ドのｐ影領域からオーミックコンタクトをとるための導
電膜、４６は前記バイポーラトランジスタのベース電極
、４４は前記バイポーラトランジスタのエミッタ電極で
ある。この構造のデバイスにおいて、エミッタを接地し
、発光タイオードのｐ形側電極４２にそれを発光させる
のに十分な電位を与えたのち、ペース電極４３にトラン
ジスタをｏｎさせるのに十分な電流を流せば、発光ダイ
オードに順方向電流が流れ、発光する。

このとき、コレクタに流れる電流をベース電流で制御す
ることか可能であるので、発光量の制御をも行なうこと
ができる。

また第５図（、）に示した駆動素子付発光ダイオードを
第５図（６）に示したように並べると画像表示用の発光
ダイオードマトリクスが形成できる。４５は前述したシ
リコン基板上のバイポーラトランジスタ１４６は発光ダ
イオード、４７はトランジスタを０ｎ−ＯＦＦさせ、又
は発光ダイオード？！Ｔ１流を制御するためのベース信
号線、４８は発光ダイオードに電位を与え、電流を流し
込む駆動線である０４７のベース信号線と４８の駆動線
を適当に選び、電流制御することで任意の位置の発光ダ
イオードを任意の明るさに光らせることができる。

この発光ダイオード層を第３図や第４図に示したような
赤色、緑色および青色発光層をストライプ状に交互に並
べることでマルチカラー化が可能となる。本実施例では
シリコン基板上に形成する能動素子をバイポーラトラン
ジスタとしたが、この他にもＭ工ＳＦＩ！：Ｔ　、　Ｓ
工Ｔ等を用いてもよい。また発光ダイオードヤトリクス
周辺のシリコン基板上には、信号線および駆動線を選び
動作させるための駆動回路を形成してもよい。

他の実施例としては、第６図、第４図、又は第５図に示
したどの方式でも良いが、赤色、緑色および青色の３原
色発光素子を細長く多数並べ、各素子を同時に発光させ
、その混色として白色を発光させられるような素子を作
ることができる。これは、たとえばファクシミリ、イナ
ージセンサ。

エリアセンサ等の光源として使用することができるＯ〔効　果〕半導体発光素子を同一基板上にモノリシックに並べたこ
とで、従来の発光ダイオードアレイより高密度化が可能
となり小面積でありながら高解像度の画像表示体が得ら
れた。また、平面構造でありながら、自己発光型である
ので、従来の液晶ディスプレイが特徴とする平坦および
軽量という機能性を備えたまま、高輝度、高コントラス
トという性能を得ることができた。

また、シリコン単結晶基板を発光素子を形成するだめの
下地基板として選ぶことにより、その表面には発光機能
を有する化合物半導体単結晶を比較的簡単に形成でき、
ｐ　−ｎ接合ダイオードという効率の高い発光素子を実
現できた。ンリコンの基板技術はＬＳＩ等の発展で完全
に確立されており、無欠陥で大面積のシリコン単結晶基
板が安く入手できるため、信頼性が高く安い発光体を歩
留りよく作ることが可能である。さらに、ＬＳＩ等で確
立されたシリコンブレーナ技術により、性能のよい電子
回路を組み込めるのも特徴である。

【図面の簡単な説明】

第１図から第５図までは本発明における実施例を示し、
第１図（α）〜（ｃ）および第２図（α）〜（ｃ）は本
発明においてシリコン基板上に赤、緑、青色発光素子を
形成する際の基本的な説明図を、第３図ｆａ）〜（ｃ）
および第４図（α）〜（ｅ）は、発光素子をマ）　ＩＪ
クス状に並べるという実施例を、そして第５図（α）　
、　（ｂ＋はシリコン基板上に発光素子駆動用の能動電
子回路を形成した発光体の説明図である。１・・・ｎ形シリコン単結晶基板２，１４・・・ｎ形りん化ガリウムエピタキシャル層３．１５・・・ｐ形りん化ガリウムエピタキシャル層４．７，１６．１９・・・透明導電層５．１７・・・ｎ形りん化ガリウムエピタキシャル層６．１８・・・ｐ形りん化ガリウムエピタキシャル層８．２０・・・ｎ形硫化亜鉛９．２１・・・ｐ形硫化亜鉛１０．２２・・・透明導電層１１・・・シリコン基板コンタクト１ＭＪｉ１２．２３
・・・ｐ形シリコン単結晶基板１３．２４・・・ｎ形シ
リコン導電層２５・・・ｎ形りん化ガリウムエピタキシャル層２６・
・・ｐ形りん化ガリウムエピタキシャル層２７．２９・
・・透明導電層２８・・・ｐ形りん化ガリウムエピタキシャル層３０・
・・ｎ形硫化亜鉛３１・・ｐ形硫化亜鉛３２・・透明導電層３６・・・ｐ形シリコン単結晶基板３４・・・ｐ　膨拡散層３５・・・ｎ形シリコンエピタキシャル層、コレクタ領
域３６・・・ｐ　形ベース層３７・・・ｎ　形エミッタ層３９・・ｒＬ形りん化ガリウム層４０・・・ｐ形りん化ガリウム層４１・・・バッシベーショア膜４２・・・透明導電膜４６・・・ベース電極４４・・・エミッタ電極４５・・・駆動用バイポーラトランジスタ４６・・・発
光ダイオード４７・・・ベース信号線４８・・・駆動線第３図第４図

Claims

【特許請求の範囲】

（１）赤色光を発光せしめるりん化ガリウムエピタキシ
ャル薄膜と、緑色光を発光せしめるりん化ガリウムエピ
タキシャル薄膜と、青色光を発光せしめる硫化亜鉛エピ
タキシャル薄膜のうち、少なくとも一種類のエピタキシ
ャル薄膜をシリコン単結晶基板表面上にヘテロエピタキ
シャル成長させるか、もしくは前記赤色、緑色および青
色を発光せしめるエピタキシャル薄膜をシリコン単結晶
基板表面上に積層させてヘテロエピタキシャル成長させ
たことを特徴とする半導体装置。
（２）シリコン単結晶基板上に、該基板の導電型とは異
なる導電型の導電層を形成し、該基板および該導電層上
に、赤色、緑色および青色を発光せしめるエピタキシャ
ル薄膜のうち少なくとも一種類のエピタキシャル薄膜を
ストライプ状又はマトリクス状に形成し、さらに前記エ
ピタキシャル薄膜の最表面に透明な導電膜を形成したこ
とを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の半導体装
置。
（３）前記シリコン基板上の導電層と、前記透明導電膜
を電気配線として用いたことを特徴とする特許請求の範
囲第１項に記載の半導体装置。
（４）シリコン単結晶基板上に、赤色、緑色および青色
発光体を駆動するための能動電子回路を形成したことを
特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の半導体装置。