JP2875437B2 - 半導体発光素子およびその製造方法 - Google Patents
半導体発光素子およびその製造方法Info
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Description
その製造方法に関し、詳しくは、多色発光可能で、か
つ、高輝度、高精細のフラットパネルディスプレイを作
製し得る半導体発光素子およびその製造方法に関する。
が活発である。特に、液晶表示装置(LCD)は消費電
力は少なく、コンパクトに作れるので一般に普及してい
る。しかし、周囲が明るい場合には見にくいなどの欠点
を有する。
いところでも見やすく、各種表示ランプなどのディスプ
レイ装置に広く用いられている。緑、黄緑のLEDとし
ては発光部にNをドープしたGaPを用いた素子、黄色
のLEDとしては発光部にNをドープしたGaAsPを
用いた素子、赤のLEDとしては発光部にZn−Oをド
ープしたGaAsPまたはAlGaAsを用いた素子が
あり、それぞれ製品化されている。
を有する。すなわち、GaP,GaAsPは間接遷移型
の半導体であり、不純物を添加して発光中心を形成して
いるため、この発光中心の濃度が低い。従って、電流を
増加すると発光出力がすぐに飽和してしまい、高輝度が
得られない。また、AlxGa1-xAs(0≦x≦1)
は、ストップランプなどの高輝度LEDとして使用され
ているが、Al組成比xが0.45より大きくなると間
接遷移となる。よって、Al組成比が増大するほど、す
なわち発光波長が短くなるほど効率が低下する。さら
に、GaP、GaAsP、AlGaAs系の半導体で
は、青色発光が得られない。
として、InGaN系材料の研究が進められている。I
nGaNでは、図7に示すようにIII族の組成を変える
ことにより赤から紫外の発光を得ることができる。特
に、サファイア基板とGaNを用いてなる素子の研究が
進められている。例えば、Appl.Phys.Lett.48(1986)p.3
53に示されるように、サファイア基板とGaNの間にA
lNからなるバッファ層を導入することにより、良好な
GaNの結晶が得られる。また、Jpn.J.Appl.Phys.30(1
991)L1705に示されるように、サファイア基板とGaN
との間に低温成長のGaNからなるバッファ層を導入す
ることにより良好なGaNの結晶が得られる。さらに、
Jpn.J.Appl.Phys.28(1989)L2112に示されるように、M
gドープGaNに電子線を照射することにより、p型G
aNが得られ、高輝度の青色LEDが得られている。
め、画素密度を大きくする試みがなされている。例え
ば、図8に示すように、異なる波長を発光するLEDを
複数備えた発光装置が製品化されている。
は、複数の素子を1つにモールドするため、集積化に限
界がある。さらに集積化を進めるためには、1つの素子
で異なる波長を発光できる素子が必要である。
ものであり、組成の異なるInGaN層を格子歪を緩和
して積層させ、多色発光可能で、かつ、高輝度、高精細
のフラットパネルディスプレイを作製し得る半導体発光
素子およびその製造方法を提供することを目的とする。
は、基板上に、InxGa1-xN(0≦x≦1)からなる半
導体層が積層形成され、該半導体層がpn接合された複
数の発光部を有する半導体発光素子であって、複数の該
発光部の間に介装されたバッファ層と、Mgドープ半導
体層とを有し、該Mgドープ半導体層は、該Mgドープ
半導体層の上に形成された該半導体層の一部の欠落によ
り露出され、該発光部を構成する露出部分であるp型領
域と、非露出部分である高抵抗領域とを有し、そのこと
により上記課題を達成することができる。本発明の別の
局面において、本発明の半導体発光素子は、基板上に、
In x Ga 1-x N(0≦x≦1)からなる半導体層が積層形
成され、該半導体層がpn接合された複数の発光部を有
する半導体発光素子であって、複数の前記発光部の間に
バッファ層が介装され、複数の該発光部間で、前記基板
に最も近い該発光部におけるpn接合を構成するn型半
導体層が、他の該発光部におけるpn接合を構成するn
型半導体層よりも厚い。 本発明の別の局面において、基
板上に、In x Ga 1-x N(0≦x≦1)からなる半導体層
が積層形成され、該半導体層がpn接合された複数の発
光部を有する半導体発光素子であって、複数の前記発光
部の間にバッファ層が介装され、複数の該発光部間で、
該基板に近い方がIn x Ga 1-x N半導体層のxの値が小
さい。
はGaN層からなるものであってもよい。
らなる層と、InyGa1-yN(0≦y≦1)層とが交互に
積層形成されてなるものであってもよい。上記バッファ
層を複数有し、該バッファ層のそれぞれが、AlN層ま
たはGaN層からなる層と、In y Ga 1-y N(0≦y≦
1)層とが交互に積層形成されてなり、複数の該バッフ
ァ層間で、上記基板に近い方が該In y Ga 1-y N(0≦
y≦1)層のyの値が小さい構成であってもよい。
板上に、InxGa1-xN(0≦x≦1)からなる半導体層
が積層形成され、該半導体層でpn接合された複数の発
光部を有し、複数の該発光部の間にバッファ層が介装さ
れ、該発光部の上方が、該発光部の上に形成された該半
導体層の一部の欠落により露出されている半導体発光素
子の製造方法であって、該InxGa1-xNからなる複数
の該半導体層を積層形成する工程と、該半導体層の一部
を欠落させて該発光部となる部分を露出させる工程と、
該露出された部分に荷電粒子を照射してpn接合された
該発光部を形成する工程とを含み、そのことにより上記
課題を達成することができる。
1)半導体層からなる各発光部の間に、AlN層または
GaN層を有するバッファ層が設けられているので、各
発光部同志の格子定数の違いによる格子歪みが緩和でき
る。InGaNは、直接遷移型の半導体であるので、高
輝度、高効率の発光が得られる。
の発光部の露出部分に荷電粒子を照射することにより各
半導体層にpn接合が形成されている。よって、発光を
分離制御することができる。
する。
導体発光素子を示す断面図である。
(0001)面上に、AlNまたはGaNからなるバッ
ファ層2、SiドープnーInxGa1-xN層3、Mgド
ープ高抵抗InxGa1-xN層4、AlNまたはGaNか
らなるバッファ層2、SiドープnーInxGa1-xN層
5、Mgドープ高抵抗InxGa1-xN層6、AlNまた
はGaNからなるバッファ層2、SiドープnーInx
Ga1-xN層7およびMgドープ高抵抗InxGa1-xN
層8が積層形成されている。該AlNまたはGaNから
なるバッファ層2、SiドープnーInxGa1-xN層
5、Mgドープ高抵抗InxGa1-xN層6、AlNまた
はGaNからなるバッファ層2、SiドープnーInN
層7およびMgドープ高抵抗InN層8は、Mgドープ
高抵抗InxGa1-xN層4およびMgドープ高抵抗In
xGa1-xN層6が露出するように部分的に除去されてい
る。該Mgドープ高抵抗InxGa1-xN層8の一部、M
gドープ高抵抗InxGa1-xN層4およびMgドープ高
抵抗InxGa1-xN層6の露出部分は、p型領域4a、6
a、8aとして形成され、該p型領域4a、6a、8aの上に
は、p型Al電極10、11、12が設けられ、半導体を露出
させなかった方の側面には、n型Al電極9が設けられ
ている。
して説明する。
1を基板温度1150℃でサーマルクリーニングした。
その後、基板温度を600℃に下げ、サファイア基板1
の(0001)面上に、AlNまたはGaNからなるバ
ッファ層2を成長させ、続いて、基板温度を800℃に
上げ、SiドープnーInxGa1-xN層3およびMgド
ープ高抵抗InxGa1-xN層4を成長させた。次に、基
板温度を600℃に下げ、AlNまたはGaNからなる
バッファ層2を成長させ、続いて、基板温度を800℃
に上げ、SiドープnーInxGa1-xN層5およびMg
ドープ高抵抗InxGa1-xN層6を成長させた。さら
に、基板温度を600℃に下げ、AlNまたはGaNか
らなるバッファ層2を成長させ、続いて、基板温度を8
00℃に上げ、SiドープnーInxGa1-xN層7およ
びMgドープ高抵抗InxGa1-xN層8を成長させた。
CVD法(有機金属化合物気相成長法)、ガスソースM
BE法(分子線エピタキシー法)が好ましい。上記各半
導体層を形成する原子のソースおよびドーパント材料と
しては、以下の化合物を用いることができる。
G)またはトリエチルガリウム(TEG)など、Alソ
ース:トリメチルアルミニウム(TMA)またはトリエ
チルアルミニウム(TEA)など、Inソース:トリメ
チルインジウム(TMI)またはトリエチルインジウム
(TEI)など、Nソース:アンモニア(NH3)な
ど、ドーパント材料:シラン(SiH4)(n型ドーパ
ント用)およびビスシクロペンタジエニルマグネシウム
(Cp2Mg)(p型ドーパント用)など。
または選択エッチングにより、AlNまたはGaNから
なるバッファ層2、SiドープnーInxGa1-xN層
5、Mgドープ高抵抗InxGa1-xN層6、AlNまた
はGaNからなるバッファ層2、SiドープnーInx
Ga1-xN層7およびMgドープ高抵抗InxGa1-xN
層8を、Mgドープ高抵抗InxGa1-xN層4およびM
gドープ高抵抗InxGa1-xN層6が露出するように部
分的に除去した。
層8の一部、Mgドープ高抵抗InxGa1-xN層4およ
びMgドープ高抵抗InxGa1-xN層6の露出部分に、
電子の到達深さが0.5μm程度になるように電子線を照
射し、p型領域4a、6a、8aを形成した。
a、6a、8aの上に、500μmφのp型Al電極10、11、12
を、また、半導体層を露出させなかった方の側面に、n
型Al電極9を蒸着する。各Al電極形成後、ダイシン
グによりチップに分割し、半導体発光素子とした。
いて多波長発光素子を実現するためには、III族の組成
が異なる半導体層を連続成長させる必要がある。しか
し、図8に示すように、格子定数に違いがあるため、連
続成長させた場合には格子歪が生じる。格子歪は格子欠
陥を誘発し、ピット(穴)、クラック(ひび割れ)によ
り発光効率が低下する。そこで、本発明の半導体素子は
各半導体層の間にAlNまたはGaNからなるバッファ
層を介装している。そのバッファ層により、上記格子歪
を緩和することができる。
各層の発光を分離、制御するための素子構造が必要であ
る。そこで、本発明の半導体発光素子の製造方法では、
上方の半導体層の一部を欠落させて下方の半導体層を露
出させるエッチング工程と、露出された部分に荷電粒子
を照射する工程とを含む。このため、各半導体層の発光
部が分離独立して形成され、よって、発光を分離制御す
ることができる。
とした。
0.7N、厚み2μm Mgドープ高抵抗InxGa1-xN層4:In0.3Ga0.7
N、厚み0.5μm SiドープnーInxGa1-xN層5:In0.7Ga
0.3N、厚み1μm Mgドープ高抵抗InxGa1-xN層6:In0.7Ga0.3
N、厚み0.5μm SiドープnーInxGa1-xN層7:InN、厚み1μ
m Mgドープ高抵抗InxGa1-xN層8:InN、厚み
0.5μm 各半導体層は、ピット、クラックなどの格子欠陥が見ら
れなかった。
赤、緑、青の高効率、高輝度な発光が得られた。
2の半導体発光素子の露出部分を形成する前の状態を示
す断面図であり、図4(b)はその半導体発光素子のバ
ッファ層を示す断面図である。
a、40b、40cは、20オングストロームのAlN層41と
20オングストロームのInyGa1-yN(0≦y≦1)層
42とを交互に積層してなる多層体(150周期)である。
この実施例では、yの値は、バッファ層40aでは0.3、
バッファ層40bでは0.7、バッファ層40cでは1.0として
ある。
て、AlNバッファ層41とInyGa1 -yN(0≦y≦
1)バッファ層42とを交互に積層させた以外は、実施例
1と同様の構成とし、同様の成長方法で作成した。
子欠陥が見られなかった。
ため、実施例1のバッファ層より、さらに格子歪の緩和
効果が高く、また、サーマルクリーニングなどによって
除去されない不純物などが基板上に残留していても、そ
の不純物は超格子にトラップされるので、その悪影響を
除くことができる。
赤、緑、青の高効率、高輝度な発光が得られた。
3の半導体発光素子の露出部分を形成する前の状態を示
す断面図であり、図5(b)はその半導体発光素子のバ
ッファ層を示す断面図である。
a、50b、50cは、InGaN層の厚みを変えた以外は
実施例2の半導体発光素子のバッファ層40a、40b、40
cと同様の構成である。具体的には、以下のような構成
となっている。AlN層51の上のInyGa1-yN(0≦
y≦1)層52は20オングストロームであり、その上の
AlN層51の上のInyGa1-yN(0≦y≦1)層53は
30オングストロームであり、その上のAlN層51の上
のInyGa1-yN(0≦y≦1)層54は40オングスト
ロームであり、・・・その上のAlN層51の上のIny
Ga1-yN(0≦y≦1)層55は90オングストローム
であり、その上のAlN層51の上のInyGa1-yN(0
≦y≦1)層56は100オングストロームというよう
に、AlN層51とInyGa1-yN層(0≦y≦1)とを
積層してなる。
て、AlN層51とInxGa1-xN(0≦x≦1)層52、
53、54・・・55、56とを交互に積層させた以外は、実施
例1と同様にして作成した。
子欠陥が見られなかった。
子構造になっているため、実施例1のバッファ層より、
さらに格子歪の緩和効果が高い。
赤、緑、青の高効率、高輝度な発光が得られた。
4の半導体発光素子の露出部分を形成する前の状態を示
す断面図であり、図6(b)はその半導体発光素子のバ
ッファ層を示す断面図である。
a、60b、60cは、AlNまたはGaNからなる層61と
AlN層62およびInyGa1-yN(0≦y≦1)層63と
を積層してなる。この実施例では、yの値は、バッファ
層40aでは0.3、バッファ層40bでは0.7、バッファ層40
cでは1.0としてある。
て、AlN層61と、AlN層62およびInyGa1-yN
(0≦y≦1)層63とを交互に積層させた以外は、実施
例1と同様にして作成した。
子欠陥が見られなかった。
子構造になっているため、実施例1のバッファ層より、
さらに格子歪の緩和効果が高い。
赤、緑、青の高効率、高輝度な発光が得られた。
色の半導体発光素子について述べたが、半導体層のIII
族元素の組成を変えることにより、赤から紫外領域まで
の発光が得られる。例えば、x=0.75ならば、黄色の半
導体発光素子が、x=0.9ならば、オレンジ色の半導体
発光素子が、x=0ならば、紫外域の半導体発光素子が
得られる。
いたが、それ以外に半絶縁性のZnO基板またはSiC
基板などを用いることができる。
よれば、組成の異なる直接遷移型のInGaNを格子歪
みを緩和して積層できるので、高輝度、高効率の多色発
光が得られる半導体発光素子を提供できる。この半導体
発光素子は、1つの基板上に複数の発光部を有している
ので、多色発光可能で、かつ高輝度、高効率で高精細の
フラットパネルディスプレイを実現させることができ
る。
を示す図である。
を示す図である。
図である。
露出部分を形成する前の状態を示す断面図であり、
(b)は本発明の実施例2の半導体発光素子のバッファ
層を示す断面図である。
露出部分を形成する前の状態を示す断面図であり、
(b)は本発明の実施例3の半導体発光素子のバッファ
層を示す断面図である。
露出部分を形成する前の状態を示す断面図であり、
(b)は本発明の実施例4の半導体発光素子のバッファ
層を示す断面図である。
との関係およびエネルギーギャップとの関係を表す図で
ある。
≦1)層の周期的多層体からなるバッファ層 50a、50b、50c AlN層/InyGa1-yN(0≦y
≦1)層の不規則多層体からなるバッファ層 60a、60b、60c AlNまたはGaNからなる層とA
lN層/InyGa1-yN(0≦y≦1)層の周期的多層
体とからなるバッファ層 41、51、61、63 AlNバッファ層 42、52、53、54、55、56、62 InyGa1-yN(0≦y
≦1)バッファ層
Claims (7)
- 【請求項1】 基板上に、InxGa1-xN(0≦x≦1)
からなる半導体層が積層形成され、該半導体層がpn接
合された複数の発光部を有する半導体発光素子であっ
て、複数の該発光部の間に介装されたバッファ層と、M
gドープ半導体層とを有し、該Mgドープ半導体層は、
該Mgドープ半導体層の上に形成された該半導体層の一
部の欠落により露出され、該発光部を構成する露出部分
であるp型領域と、非露出部分である高抵抗領域とを有
する、半導体発光素子。 - 【請求項2】 基板上に、In x Ga 1-x N(0≦x≦1)
からなる半導体層が積層形成され、該半導体層がpn接
合された複数の発光部を有する半導体発光素子であっ
て、複数の前記発光部の間にバッファ層が介装され、複
数の該発光部間で、前記基板に最も近い該発光部におけ
るpn接合を構成するn型半導体層が、他の該発光部に
おけるpn接合を構成するn型半導体層よりも厚い、半
導体発光素子。 - 【請求項3】 基板上に、In x Ga 1-x N(0≦x≦1)
からなる半導体層が積層形成され、該半導体層がpn接
合された複数の発光部を有する半導体発光素子であっ
て、複数の前記発光部の間にバッファ層が介装され、複
数の該発光部間で、該基板に近い方がIn x Ga 1-x N半
導体層のxの値が小さい、半導体発光素子。 - 【請求項4】 前記バッファ層が、AlN層および/ま
たはGaN層からなる、請求項1から3のいずれかに記
載の半導体発光素子。 - 【請求項5】 前記バッファ層が、AlNまたはGaN
からなる層と、InyGa1-yN(0≦y≦1)層とが交互
に積層形成されてなる、請求項1から3のいずれかに記
載の半導体発光素子。 - 【請求項6】 前記バッファ層を複数有し、該バッファ
層のそれぞれが、AlN層またはGaN層からなる層
と、In y Ga 1-y N(0≦y≦1)層とが交互に積層形成
されてなり、複数の該バッファ層間で、前記基板に近い
方が該In y Ga 1-y N(0≦y≦1)層のyの値が小さ
い、請求項3に記載の半導体発光素子。 - 【請求項7】 基板上に、InxGa1-xN(0≦x≦1)
からなる半導体層が積層形成され、該半導体層がpn接
合された複数の発光部を有し、複数の該発光 部の間にバ
ッファ層が介装され、該発光部の上方が、該発光部の上
に形成された該半導体層の一部の欠落により露出されて
いる半導体発光素子の製造方法であって、 該InxGa1-xNからなる複数の該半導体層を積層形成
する工程と、 該半導体層の一部を欠落させて該発光部となる部分を露
出させる工程と、 該露出された部分に荷電粒子を照射してpn接合された
該発光部を形成する工程と、 を含む、半導体発光素子の製造方法。
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JPH0653549A (ja) | 1994-02-25 |
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