JP2000286506A - ＧａＮ系発光素子 - Google Patents
ＧａＮ系発光素子Info
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- JP2000286506A JP2000286506A JP9168299A JP9168299A JP2000286506A JP 2000286506 A JP2000286506 A JP 2000286506A JP 9168299 A JP9168299 A JP 9168299A JP 9168299 A JP9168299 A JP 9168299A JP 2000286506 A JP2000286506 A JP 2000286506A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】単一の製造工程により多色発光分布を有する半
導体活性層を形成することにより、活性層全体としての
発光色の調節の自由度を高め、あるいは白色発光を得る
ことを可能とする。 【解決手段】基板上に形成したＶ字型溝内に形成したＧ
ａＮ1-y Ａｓy またはＧａＮ1-x Ｐxを活性層として用
いる。
導体活性層を形成することにより、活性層全体としての
発光色の調節の自由度を高め、あるいは白色発光を得る
ことを可能とする。 【解決手段】基板上に形成したＶ字型溝内に形成したＧ
ａＮ1-y Ａｓy またはＧａＮ1-x Ｐxを活性層として用
いる。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は任意色の発光が可能
な半導体発光素子構造に関するものであり、特に工業上
有用な白色発光を得ることが出来る半導体発光素子に関
する。
な半導体発光素子構造に関するものであり、特に工業上
有用な白色発光を得ることが出来る半導体発光素子に関
する。
【０００２】
【従来の技術】一般に、半導体発光素子とは活性層を構
成する半導体層材料に固有のエネルギーバンドギャップ
あるいは不純物準位に対応した波長の光を放出、即ち発
光するものである。半導体発光素子に所望の波長の光を
発光させるには、その発光波長に対応するエネルギーバ
ンドギャップを有する半導体を活性層材料として使用す
ることが必要となるが、使用しうる活性層材料は前記半
導体層をその上に形成する基体として用いる基板材料に
よって制約を受けるため、任意波長の半導体素子を構成
することは容易ではない。
成する半導体層材料に固有のエネルギーバンドギャップ
あるいは不純物準位に対応した波長の光を放出、即ち発
光するものである。半導体発光素子に所望の波長の光を
発光させるには、その発光波長に対応するエネルギーバ
ンドギャップを有する半導体を活性層材料として使用す
ることが必要となるが、使用しうる活性層材料は前記半
導体層をその上に形成する基体として用いる基板材料に
よって制約を受けるため、任意波長の半導体素子を構成
することは容易ではない。
【０００３】一例として最近試作が行われているＧａＮ
系半導体発光素子について説明する。この種の半導体素
子は、例えば、基体としてのサファイア基板の上にＡｌ
Ｎバッファー層、Ｓｉドープｎ型ＧａＮクラッド層、Ｉ
ｎz Ｇａ1-z Ｎ活性層、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層、ｐ
型ＧａＮコンタクト層のような半導体積層構造がＭＯＣ
ＶＤやＧＳＭＢＥなどの成長技術を用いて形成されてお
り、さらにこのような構造の上下に、駆動電流を供給す
るためのｐｎ各電極がフォトレジスト、化学エッチング
など周知のパターニング技術や蒸着技術を用いて形成さ
れている。
系半導体発光素子について説明する。この種の半導体素
子は、例えば、基体としてのサファイア基板の上にＡｌ
Ｎバッファー層、Ｓｉドープｎ型ＧａＮクラッド層、Ｉ
ｎz Ｇａ1-z Ｎ活性層、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層、ｐ
型ＧａＮコンタクト層のような半導体積層構造がＭＯＣ
ＶＤやＧＳＭＢＥなどの成長技術を用いて形成されてお
り、さらにこのような構造の上下に、駆動電流を供給す
るためのｐｎ各電極がフォトレジスト、化学エッチング
など周知のパターニング技術や蒸着技術を用いて形成さ
れている。
【０００４】上記素子により得られる発光波長は、発光
層である活性層を構成するＩｎz Ｇａ 1-z Ｎに固有のバ
ンドギャップにより定まるが、格子整合条件などから、
選択しうるｚの範囲は0.15〜0.60であり、得られる発光
色の範囲は青〜黄色までであり、任意の発光が得られる
訳ではない。
層である活性層を構成するＩｎz Ｇａ 1-z Ｎに固有のバ
ンドギャップにより定まるが、格子整合条件などから、
選択しうるｚの範囲は0.15〜0.60であり、得られる発光
色の範囲は青〜黄色までであり、任意の発光が得られる
訳ではない。
【０００５】このような事情は、上記したＧａＮ系半導
体発光素子に限らず、全ての半導体発光素子に共通のも
のである。
体発光素子に限らず、全ての半導体発光素子に共通のも
のである。
【０００６】また特に白色発光に関しては、照明用途、
車載光源、液晶ディスプレイ用のライトなど広い利用分
野があり、低消費電力、低発熱が期待できる白色発光半
導体素子の工業上の価値は極めて大きく、その実現が強
く望まれているにも拘わらず未だ実用に至っていないの
が現状である。
車載光源、液晶ディスプレイ用のライトなど広い利用分
野があり、低消費電力、低発熱が期待できる白色発光半
導体素子の工業上の価値は極めて大きく、その実現が強
く望まれているにも拘わらず未だ実用に至っていないの
が現状である。
【０００７】従来検討されてきた白色発光半導体素子と
しては、特定色の半導体発光素子とその発光色と補色関
係にある蛍光材料を組み合わせて用いることで白色発光
を得るものと、光の三原色である赤緑青を発光する半導
体発光素子を基板上に作り込んで各発光素子の出力を調
整して白色発光を得るものがある。
しては、特定色の半導体発光素子とその発光色と補色関
係にある蛍光材料を組み合わせて用いることで白色発光
を得るものと、光の三原色である赤緑青を発光する半導
体発光素子を基板上に作り込んで各発光素子の出力を調
整して白色発光を得るものがある。
【０００８】これら従来技術が実用に至っていない理由
としては、前者については蛍光材料の蛍光強度に限界が
あり任意の強度の白色発光を得ることが難しいことや、
後者については、比較適狭い領域に赤緑青三種類の発光
素子構造を作り込まなければならないために構造が複雑
化して高額化、低信頼性化を招くことなどがある。
としては、前者については蛍光材料の蛍光強度に限界が
あり任意の強度の白色発光を得ることが難しいことや、
後者については、比較適狭い領域に赤緑青三種類の発光
素子構造を作り込まなければならないために構造が複雑
化して高額化、低信頼性化を招くことなどがある。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、上記
の問題点を解決することであり、単一の製造工程で設け
た半導体層から多色発光を得ることを可能とすることで
必要とする任意の発光色を有する半導体素子設計の自由
度を高めることであり、さらには、従来工業上作製が困
難であった白色発光半導体素子の提供を可能とすること
である。
の問題点を解決することであり、単一の製造工程で設け
た半導体層から多色発光を得ることを可能とすることで
必要とする任意の発光色を有する半導体素子設計の自由
度を高めることであり、さらには、従来工業上作製が困
難であった白色発光半導体素子の提供を可能とすること
である。
【００１０】
【課題を解決するための手段】本発明は基板上に形成し
たＶ字型溝部分にＧａＮ1-y Ａｓy 活性層またはＧａＮ
1-x Ｐx 活性層を設けたことを特徴とするＧａＮ系発光
素子である。
たＶ字型溝部分にＧａＮ1-y Ａｓy 活性層またはＧａＮ
1-x Ｐx 活性層を設けたことを特徴とするＧａＮ系発光
素子である。
【００１１】一般的な半導体発光素子と同様、本発明に
係るＧａＮ系発光素子も、基板上に形成したバッファ層
やクラッド層などの半導体積層構造上に活性層その他の
半導体層を積層した構成を前提とするが、本発明の構成
要件であるＶ字型溝は、基板上に直接形成しても良く、
後述する本発明の実施の形態のように、基板上に形成し
たバッファ層やクラッド層などの半導体積層構造に形成
しても良い。
係るＧａＮ系発光素子も、基板上に形成したバッファ層
やクラッド層などの半導体積層構造上に活性層その他の
半導体層を積層した構成を前提とするが、本発明の構成
要件であるＶ字型溝は、基板上に直接形成しても良く、
後述する本発明の実施の形態のように、基板上に形成し
たバッファ層やクラッド層などの半導体積層構造に形成
しても良い。
【００１２】また、本発明に係るＧａＮ1-y Ａｓy 活性
層またはＧａＮ1-x Ｐx 活性層は、上記のように形成さ
れたＶ字型溝中に形成されるが、後述する本発明の実施
の形態のように、活性層に加えてクラッド層やコンタク
ト層など、活性層以外の半導体積層構造も同時にＶ字型
溝中に形成したものであっても構わない。
層またはＧａＮ1-x Ｐx 活性層は、上記のように形成さ
れたＶ字型溝中に形成されるが、後述する本発明の実施
の形態のように、活性層に加えてクラッド層やコンタク
ト層など、活性層以外の半導体積層構造も同時にＶ字型
溝中に形成したものであっても構わない。
【００１３】本発明によれば、Ｖ字型溝部分の斜面上に
積層されるＧａＮ1-y Ａｓy 活性層またはＧａＮ1-x Ｐ
x 活性層の組成がＶ字型溝内の位置によって自己形成的
に変化して各部分における発光色が変化することとな
り、外部から観察される活性層全体の発光色はこれら各
部分の合成発光色となるために、Ｖ字型溝形状や活性層
の成長条件（例えばＭＯＣＶＤ法で成長を行う場合のフ
ラックス強度）を調整することで、多様な合成発光色を
得ることができる。
積層されるＧａＮ1-y Ａｓy 活性層またはＧａＮ1-x Ｐ
x 活性層の組成がＶ字型溝内の位置によって自己形成的
に変化して各部分における発光色が変化することとな
り、外部から観察される活性層全体の発光色はこれら各
部分の合成発光色となるために、Ｖ字型溝形状や活性層
の成長条件（例えばＭＯＣＶＤ法で成長を行う場合のフ
ラックス強度）を調整することで、多様な合成発光色を
得ることができる。
【００１４】即ち、ＧａＮ1-y Ａｓy は、ｙ値が０．０
２から０．１２の範囲で青色、０．０５〜０．０７で緑
色、０．１〜０．１２の範囲で赤色の発光が得られる材
料であり、ＧａＮ1-x Ｐx は、ｘ値が０．０５から０．
０７の範囲で青色、０．０８〜０．１で緑色、０．１１
〜０．１５の範囲で赤色の発光が得られる材料であり、
Ｖ字型溝の深さや傾斜角度あるいは成長条件を調整すれ
ば、単一成長によってＶ字型溝内に青から赤に到る発光
部分を作り込むことが可能となり、活性層全体としての
発光色の選択の自由度を高めることが出来るのである。
２から０．１２の範囲で青色、０．０５〜０．０７で緑
色、０．１〜０．１２の範囲で赤色の発光が得られる材
料であり、ＧａＮ1-x Ｐx は、ｘ値が０．０５から０．
０７の範囲で青色、０．０８〜０．１で緑色、０．１１
〜０．１５の範囲で赤色の発光が得られる材料であり、
Ｖ字型溝の深さや傾斜角度あるいは成長条件を調整すれ
ば、単一成長によってＶ字型溝内に青から赤に到る発光
部分を作り込むことが可能となり、活性層全体としての
発光色の選択の自由度を高めることが出来るのである。
【００１５】また同様に成長条件やＶ字型溝形状を最適
化してＶ字型溝内の活性層の青色発光部分、緑色発光部
分、赤色発光部分の分布を調整することにより、活性層
全体としての合成光の発光色を白色とすることが出来
る。
化してＶ字型溝内の活性層の青色発光部分、緑色発光部
分、赤色発光部分の分布を調整することにより、活性層
全体としての合成光の発光色を白色とすることが出来
る。
【００１６】なお、白色光を得る目的の場合には、Ｖ字
型溝の寸法形状としては、Ｖ字型溝底部の開口角を３０
〜６０度とし、溝深さを０．５〜５μｍの範囲とするこ
とが好ましい。
型溝の寸法形状としては、Ｖ字型溝底部の開口角を３０
〜６０度とし、溝深さを０．５〜５μｍの範囲とするこ
とが好ましい。
【００１７】
【発明の実施の形態】以下に本発明の実施の形態を説明
する。まず清浄化したシリコン基板１をガスソース分子
線エピタキシャル成長装置に導入し、成長温度を６４０
℃として、ジメチルヒドラジン（５×１０-5Ｔｏｒｒ）
とメタルＧａ（５×１０-7Ｔｏｒｒ）を照射して５０オ
ングストロームのＧａＮバッファー層２を成長し、続い
て成長温度を８５０℃とし、メタルＧａ（５×１０-7Ｔ
ｏｒｒ）、アンモニア（５×１０-6Ｔｏｒｒ）、Ｓｉ
（５×１０-9Ｔｏｒｒ）を原料として２μｍ厚のＳｉド
ープＧａＮ層３を成長した後、サンプルを成長装置より
取り出して、ドライエッチング法により２μｍのＳｉＯ
2 ストライプ状のエッチンマスク４を形成し、ドライエ
ッチングによりＳｉドープＧａＮ層３に深さ１．８μ
ｍ、底頂角度６０度のＶ字型溝列５を形成した（図１参
照）。
する。まず清浄化したシリコン基板１をガスソース分子
線エピタキシャル成長装置に導入し、成長温度を６４０
℃として、ジメチルヒドラジン（５×１０-5Ｔｏｒｒ）
とメタルＧａ（５×１０-7Ｔｏｒｒ）を照射して５０オ
ングストロームのＧａＮバッファー層２を成長し、続い
て成長温度を８５０℃とし、メタルＧａ（５×１０-7Ｔ
ｏｒｒ）、アンモニア（５×１０-6Ｔｏｒｒ）、Ｓｉ
（５×１０-9Ｔｏｒｒ）を原料として２μｍ厚のＳｉド
ープＧａＮ層３を成長した後、サンプルを成長装置より
取り出して、ドライエッチング法により２μｍのＳｉＯ
2 ストライプ状のエッチンマスク４を形成し、ドライエ
ッチングによりＳｉドープＧａＮ層３に深さ１．８μ
ｍ、底頂角度６０度のＶ字型溝列５を形成した（図１参
照）。
【００１８】なお、Ｖ字型溝はドライエッチングの他、
ウェットエッチングによっても形成が可能であり、形成
するＶ字型溝の深さや角度はそれぞれ、エッチング速度
又はエッチング時間等の条件をかえることにより調整す
ることが可能である。
ウェットエッチングによっても形成が可能であり、形成
するＶ字型溝の深さや角度はそれぞれ、エッチング速度
又はエッチング時間等の条件をかえることにより調整す
ることが可能である。
【００１９】次にサンプルを成長装置に戻し、膜厚０．
２μｍのｎ型ＧａＮクラッド層６、膜厚２００オングス
トロームのノンドープＧａＮ1-y Ａｓy 活性層７、膜厚
０．２μｍのｐ型ＧａＮクラッド層８を順次積層成長し
て図２のような半導体積層構造を成長した。
２μｍのｎ型ＧａＮクラッド層６、膜厚２００オングス
トロームのノンドープＧａＮ1-y Ａｓy 活性層７、膜厚
０．２μｍのｐ型ＧａＮクラッド層８を順次積層成長し
て図２のような半導体積層構造を成長した。
【００２０】このとき、ｎ型ＧａＮクラッド層は成長温
度８５０℃として、材料としてはメタルＧａ（４×１０
-7Ｔｏｒｒ）、アンモニア（５×１０-5Ｔｏｒｒ）およ
びＳｉ（５×１０-9Ｔｏｒｒ）を用い、ＧａＮ1-y Ａｓ
y 活性層は成長温度８００℃として、材料としてはアン
モニア（５×１０-5Ｔｏｒｒ）、メタルＧａ（４×１０
-7Ｔｏｒｒ）、アルシン（６×１０-7Ｔｏｒｒ）を用
い、ｐ型ＧａＮクラッド層は成長温度８５０℃として、
材料としては、メタルＧａ（４×１０-7Ｔｏｒｒ）、ア
ンモニア（５×１０-5Ｔｏｒｒ）およびＭｇ（８×１０
-9Ｔｏｒｒ）を用いて成長した。
度８５０℃として、材料としてはメタルＧａ（４×１０
-7Ｔｏｒｒ）、アンモニア（５×１０-5Ｔｏｒｒ）およ
びＳｉ（５×１０-9Ｔｏｒｒ）を用い、ＧａＮ1-y Ａｓ
y 活性層は成長温度８００℃として、材料としてはアン
モニア（５×１０-5Ｔｏｒｒ）、メタルＧａ（４×１０
-7Ｔｏｒｒ）、アルシン（６×１０-7Ｔｏｒｒ）を用
い、ｐ型ＧａＮクラッド層は成長温度８５０℃として、
材料としては、メタルＧａ（４×１０-7Ｔｏｒｒ）、ア
ンモニア（５×１０-5Ｔｏｒｒ）およびＭｇ（８×１０
-9Ｔｏｒｒ）を用いて成長した。
【００２１】上記のようにして作製した半導体積層体上
に、プラズマＣＶＤを用いてＳｉＯ膜を堆積させ、フォ
トレジスト、及び化学エッチングを用いてマスクパター
ンを形成した後、Ａｕ／Ｎｉよりなるｐ側電極を設け、
更にシリコン基板側にはＴｉ／Ａｌよりなるｎ側電極を
設けてＬＥＤ素子を作製し、電圧を印加して発光させた
ところ、高輝度の白色発光を得ることができた。
に、プラズマＣＶＤを用いてＳｉＯ膜を堆積させ、フォ
トレジスト、及び化学エッチングを用いてマスクパター
ンを形成した後、Ａｕ／Ｎｉよりなるｐ側電極を設け、
更にシリコン基板側にはＴｉ／Ａｌよりなるｎ側電極を
設けてＬＥＤ素子を作製し、電圧を印加して発光させた
ところ、高輝度の白色発光を得ることができた。
【００２２】これは、上述の条件で形成したＧａＮ1-y
Ａｓy 活性層のＶ字型溝内の組成分布は図２において、
Ｖ字型溝の底部に近い符号Ａで示した付近ではｙ値が概
ね０．９８程度、上端部に近い符号Ｂで示した付近では
ｙ値が概ね０．９９程度、その中間のＣで示した付近で
はｙ値が概ね０．９５程度の結晶が分布して形成されて
おり、それぞれの領域がそれぞれ青色、赤色、緑色の発
光を行い、活性層全体としての合成光の色調として白色
が得られたものである。
Ａｓy 活性層のＶ字型溝内の組成分布は図２において、
Ｖ字型溝の底部に近い符号Ａで示した付近ではｙ値が概
ね０．９８程度、上端部に近い符号Ｂで示した付近では
ｙ値が概ね０．９９程度、その中間のＣで示した付近で
はｙ値が概ね０．９５程度の結晶が分布して形成されて
おり、それぞれの領域がそれぞれ青色、赤色、緑色の発
光を行い、活性層全体としての合成光の色調として白色
が得られたものである。
【００２３】なお、上記実施の形態においては、活性層
としてＧａＮ1-y Ａｓy を用いた場合について説明した
が、ＧａＮ1-x Ｐx を活性層材料として使用した場合も
同様に、Ｖ字型溝形状および成長条件を別途調整するこ
とにより、白色発光を得ることが可能である。
としてＧａＮ1-y Ａｓy を用いた場合について説明した
が、ＧａＮ1-x Ｐx を活性層材料として使用した場合も
同様に、Ｖ字型溝形状および成長条件を別途調整するこ
とにより、白色発光を得ることが可能である。
【００２４】また、本発明は基板の種類の影響を直接受
けるものではないため、上記したシリコン基板以外に、
ＧａＮ系半導体成長の基体として用いることが可能な、
ＳｉＣ基板、ＧａＡｓ基板、ＧａＰ基板、サファイア基
板などが使用可能である。
けるものではないため、上記したシリコン基板以外に、
ＧａＮ系半導体成長の基体として用いることが可能な、
ＳｉＣ基板、ＧａＡｓ基板、ＧａＰ基板、サファイア基
板などが使用可能である。
【００２５】また、上述の実施の形態においては、白色
発光を行う発光素子を例にとり説明したが、活性層を成
長する際の成長温度やフラックス強度あるいは、Ｖ字型
溝の深さや角度を調整することで、Ｖ字型溝内の活性層
の発光色分布を変化させることが可能であるのだから白
色光に限らず、多彩な色調の発光素子を作製することが
可能である。
発光を行う発光素子を例にとり説明したが、活性層を成
長する際の成長温度やフラックス強度あるいは、Ｖ字型
溝の深さや角度を調整することで、Ｖ字型溝内の活性層
の発光色分布を変化させることが可能であるのだから白
色光に限らず、多彩な色調の発光素子を作製することが
可能である。
【００２６】
【発明の効果】本発明によれば、単一の成長による簡易
な製造工程により、白色、あるいは任意色の発光を行う
活性層の形成が可能であり、工業上実用しうる白色発光
半導体素子の提供が可能となり、あるいは、任意色の発
光素子を作製する上での設計の自由度を高めることが可
能となる。
な製造工程により、白色、あるいは任意色の発光を行う
活性層の形成が可能であり、工業上実用しうる白色発光
半導体素子の提供が可能となり、あるいは、任意色の発
光素子を作製する上での設計の自由度を高めることが可
能となる。
【図１】本発明の一実施例の断面構造図である。
【図２】本発明の一実施例における、Ｖ字型溝内の活性
層の組成分布を示した説明図である。
層の組成分布を示した説明図である。
１シリコン基板 ２ＧａＮバッファ層 ３ｎ型ＧａＮ層 ４エッチングマスク ５ｎ型ＧａＮクラッド層 ６活性層 ７ｐ型ＧａＮクラッド層
Claims (1)
- 【請求項１】基板上に形成したＶ字型溝内にＧａＮ1-y
Ａｓy 活性層またはＧａＮ1-x Ｐx 活性層を設けたこと
を特徴とするＧａＮ系発光素子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP9168299A JP2000286506A (ja) | 1999-03-31 | 1999-03-31 | ＧａＮ系発光素子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP9168299A JP2000286506A (ja) | 1999-03-31 | 1999-03-31 | ＧａＮ系発光素子 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2000286506A true JP2000286506A (ja) | 2000-10-13 |
Family
ID=14033277
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP9168299A Pending JP2000286506A (ja) | 1999-03-31 | 1999-03-31 | ＧａＮ系発光素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2000286506A (ja) |
Cited By (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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-
1999
- 1999-03-31 JP JP9168299A patent/JP2000286506A/ja active Pending
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