JP2002185044A - 窒化物半導体多色発光素子 - Google Patents
窒化物半導体多色発光素子Info
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Abstract
できる素子とその製造方法を提供することにより、高精
細なディスプレイを実現できる。 【構成】 基板上に第一の活性層を有する窒化物半導体
層を形成した後、第一の活性層とは別に、第一の活性層
とバンドギャップエネルギーが異なる第二の活性層を有
する窒化物半導体層を部分的に成長させることにより。
同一基板上に互いにバンドギャップエネルギーが異なる
窒化物半導体よりなる活性層を有する単位発光素子が隔
離して形成できるため、一チップで多色発光が可能とな
る。
Description
lYGa1−X−YN、0≦X、0≦Y、X+Y≦1)より
なるLED等の発光素子に係り、特に異なるバンドギャ
ップエネルギーを有する窒化物半導体が同一素子内に形
成された多色発光素子に関する。
ーが1.96eV〜6.16eVまであり、この材料一
つでフルカラーディスプレイが実現できる可能性がある
ため、従来より発光素子の材料として研究されている。
そして最近、高輝度な青色LEDと純緑色に発光する緑
色LEDが個々に実用化された。またこの材料を用いた
同一発光素子内での多色発光素子の作製も試みられてい
る。
平6−29574号公報に窒化物半導体よりなる多色発
光素子が示されている。これらの公報では、バンドギャ
ップエネルギーの異なるi型のInGaNを活性層と
し、この活性層をn型層の上に積層した多色発光素子が
示されている。しかしこの技術は高抵抗なi型層を活性
層とするため、発光効率が悪く実用性に乏しいと言う問
題がある。
低抵抗なInGaNを活性層とした単一ダブルへテロ構
造を基板上に複数積層した多色発光素子が示されてい
る。この技術はpn接合を複数積層するため、同一素子
内において発光素子がサイリスタになる可能性がある。
また、前記技術と同様に電極を取り出すために多くのエ
ッチング工程が必要となり製造工程上好ましくない。ま
た活性層と基板との間に、バンドギャップエネルギーの
異なる他の活性層が存在するので、単一色を発光させる
場合に他の活性層が発光してしまう可能性がある。
角以上あるので、精細な画像を得ることは不可能であ
る。そのためLEDディスプレイはスタジアム、劇場の
ような大画面を必要とする場所にしか使用できなかっ
た。
が構成できれば精細な画像を実現することができる。ま
た、細かい画素を多数含む一枚のウェーハで一画面を構
成することも可能となる。従って本発明の目的とすると
ころは、窒化物半導体を用いて多色発光できる素子とそ
の製造方法を提供することにより、高精細なディスプレ
イを実現することにある。
色発光素子は、互いにバンドギャップエネルギーが異な
る窒化物半導体よりなる活性層を有する複数の単位発光
素子が同一基板上に隔離して設けられてなる窒化物半導
体多色発光素子であって、前記単位発光素子はそれぞ
れ、前記基板上形成されたn型GaNからなり前記複数
の単位発光素子に共通のn型コンタクト層と、該n型コ
ンタクト層上に分離独立して形成された活性層と、該活
性層に接して形成されたAlを含む窒化物半導体からな
るp型クラッド層と、該p型クラッド層の上に形成され
たp型GaNからなるp型コンタクト層とを含んでな
り、かつ各単位発光素子は前記n型コンタクト層とp型
コンタクト層との間に1つのp−n接合を有し、第1の
InGaNからなる活性層を有する第1の発光素子の一
部がエッチングにより露出された面に、第2のInGa
Nからなる活性層を有する第2の発光素子が形成されて
なり、該第2のInGaNからなる活性層は該第1のI
nGaNからなる活性層よりもバンドギャップが小さい
ことを特徴とする。
発光素子に共通の負電極が形成されたことを特徴とす
る。
つのダブルヘテロ接合を有することを特徴とする。
1−XN(0≦X<1)、障壁層はInYGa1−YN
(Y<X、この場合Y=0を含む)で構成された多重量
子井戸構造であることを特徴とする。
子の構造を示す模式的な断面図である。この発光素子は
互いに分離独立して形成された3つのダブルへテロ構造
を有し、共通の基板1の上に、共通のn型コンタクト層
2を有する。第一の構造はn型コンタクト層の上2に、
第一の活性層31、第一のp型クラッド層41、第一の
p型コンタクト層51を有する。第二の構造は第一の構
造と独立して、第二の活性層32、第二のp型クラッド
層42、第三のp型コンタクト層52を有する。さらに
第三の構造は、第一の構造及び第二の構造と独立して、
第三の活性層33と第三のp型クラッド層43、第三の
p型コンタクト層53とを有する。さらにn型コンタク
ト層2の表面には共通の負電極40が設けられ、p型コ
ンタクト層51、52、53の表面にはそれぞれ正電極
10、20、30とが設けられている。
面、A面、R面を含む)、スピネル(MgAl2O4、1
11面を含む)、SiC、Si、GaN等窒化物半導体
を成長させるために提案されている基板を使用できる。
Ga1−X−YN(0≦X、0≦Y、X+Y≦1)で構成す
ることができ、特にGaNとするとキャリア濃度が高い
層が得られ、負電極材料と好ましいオーミック接触が得
られる。なおn型ドーパントとしては、例えばSi、G
e、Sn、Se等を使用でき、これらのn型ドーパント
を半導体成長時にドープすることにより好ましいn型と
できる。なおこのコンタクト層2はクラッド層としても
作用している。
三の活性層33はいずれもコンタクト層2、p型クラッ
ド層41、42、43よりもバンドギャップエネルギー
の小さいInXAlYGa1−X−YN(0≦X、0≦
Y、X+Y≦1)で構成することができ、好ましくはIn
XGa1−XNとすると、紫〜赤色まで発光させること
ができる。さらにこの活性層に前記したn型ドーパン
ト、および/またはMg、Zn、Cd、Be、Ca等の
p型ドーパントをドープして発光波長を調整しても良
い。特に好ましくはこの活性層を単一量子井戸(SQW:
Single-Quantum-Well)構造、若しくは多重量子井戸(M
QW:Multi-Quantum-Well)構造を有するInXGa
1−XN(0≦X<1)とすると高出力な素子が得られ
る。SQW、MQWとはノンドープのInGaNによる
量子準位間の発光が得られる活性層の構造を指し、例え
ばSQWでは活性層を単一組成のInXGa1−XN
(0≦X<1)で構成した層であり、InXGa1−X
Nの膜厚を10nm以下、さらに好ましくは7nm以下
とすることにより量子準位間の強い発光が得られる。ま
たMQWは組成比の異なるInXGa1−XN(この場
合X=0、X=1を含む)の薄膜を複数積層した多層膜と
する。このように活性層をSQW、MQWとすることに
より量子準位間発光で、約365nm〜660nmまで
の発光が得られる。量子構造の井戸層の厚さとしては、
前記のように7nm以下が好ましい。多重量子井戸構造
では井戸層はInXGa1−XNで構成し、障壁層は同
じくInYGa1− YN(Y<X、この場合Y=0を含
む)で構成することが望ましい。障壁層の膜厚は15n
m以下、さらに好ましくは12nm以下にすると高出力
な発光素子が得られる。また、活性層31、32、33
とn型コンタクト層2との間に、活性層よりもバンドギ
ャップの大きいn型の窒化物半導体よりなるクラッド層
を一層、または複数層形成しても良い。
p型クラッド層42、第三のp型クラッド層43はp型
ドーパントがドープされて活性層よりもバンドギャップ
エネルギーの大きいp型InXAlYGa1−X−YN
(0≦X、0≦Y、X+Y≦1)で構成することができ、特
に好ましくはAlYGa1−YNのように少なくともA
lを含む窒化物半導体が活性層と接するようにすると高
出力な素子が得られる。
p型コンタクト層52、第三のp型コンタクト層3も同
じくp型ドーパントがドープされたp型InXAlYG
a1 −X−YN(0≦X、0≦Y、X+Y≦1)で構成する
ことができ、特にp型GaNとすると高キャリア濃度の
p型層が得られるので正電極の材料と好ましいオーミッ
ク接触が得られる。また本発明の発光素子において、p
型コンタクト層とp型クラッド層との間、またはp型ク
ラッド層と活性層との間に他のp型窒化物半導体よりな
るクラッド層を形成しても良い。
るバンドギャップエネルギーを有する活性層41、4
2、43を含む単位発光素子がそれぞれ隔離して形成さ
れている。このため、活性層41とn型コンタクト層2
との間には、他のバンドギャップエネルギーを有する活
性層が存在しない。しかも第一のp型コンタクト層51
とn型コンタクト層2との間にはp−n接合が一ヶ所し
かないため、電流を流しても発光素子として作用するの
みであってサイリスタにならない。従って、全ての電極
に電流を流した状態でおいて、それぞれの活性層が独自
のバンドギャップエネルギーに相当する発光を示すた
め、単一色でも混色することなく発光可能である。
ップエネルギーの大きい活性層を先に成長させ、次にエ
ネルギーの小さい活性層を成長させる。この理由はエネ
ルギーの大きい活性層の方が分解しにくいことによる。
例えば第一の活性層をIn組成の小さいInGaN、第
二の活性層をIn組成の大きいInGaNとすると、第
二の活性層成長中に、先に成長させた第一の活性層が分
解しにくい。このため、波長の揃った多色発光素子を実
現できる。
いて詳説する。以下の実施例は有機金属気相成長法によ
る窒化物半導体の成長方法を述べており、図2乃至図8
は本発明の実施例の一工程において得られる発光素子の
構造を示す模式的な断面図である。
料ガスにTMG(トリメチルガリウム)、アンモニアを
用いて、500℃でGaNよりなるバッファ層を200
オングストロームの膜厚で成長させた。なおこのバッフ
ァ層は特に図示していない。バッファ層は他にAlN、
GaAlN等が成長されるが基板の種類によっては成長
されない場合もある。
TMG、アンモニア、不純物ガスとしてシランガスを用
い、Siドープn型GaNよりなるn型コンタクト層2
を10μmの膜厚で成長させた。
I(トリメチルインジウム)、アンモニアを用い、ノン
ドープのIn0.25Ga0.75Nよりなる第一の活性層31
を20オングストロームの膜厚で成長させた。この第一
の活性層31は膜厚が非常に薄いため量子効果により単
一量子井戸構造となっている。この活性層は本来の組成
であれば435nmに主発光波長を有しているが、量子
効果と結晶の歪みにより、およそ450nmに発光す
る。
G、TMA(トリメチルアルミニウム)、アンモニア、
不純物ガスとしてCp2Mg(シクロペンタジエニルマ
グネシウム)を用い、Mgドープp型Al0.2Ga0.8N
よりなる第一のp型クラッド層41を0.2μmの膜厚
で成長させた。
を用い、Mgドープp型GaNよりなる第一のp型コン
タクト層51を0.5μmの膜厚で成長させた。以上ま
で窒化物半導体を積層したウェーハの断面図が図2であ
る。
の第一のp型コンタクト層51の一部にフォトリソグラ
フィー技術を用いて保護膜を形成し、第一のp型コンタ
クト層51、第一のp型クラッド層41、第一の活性層
31、およびn型コンタクト層2の一部をエッチングに
より除去し、n型コンタクト層2の第一のエッチング面
を露出させた。
素子の表面にSiO2よりなる第一のマスク70を形成
した。第一のマスク70形成後のウェーハの部分的な構
造を示す図が図3である。このマスクの表面には窒化物
半導体は成長しない。
反応容器に設置し、第一のエッチング面の表面に、In
0.45Ga0.55Nよりなる第二の活性層32を20オング
ストロームと、Mgドープp型Al0.2Ga0.8Nよりな
る第二のp型クラッド層42を0.2μmと、Mgドー
プp型GaNよりなる第二のp型コンタクト層52を
0.5μmの膜厚で成長させた。この第二の活性層32
はおよそ520nm付近の緑色発光を示す。成長後のウ
ェーハの部分的な構造を示す図が図4である。
し、第一のマスク70をフッ酸で除去した後、先ほどと
同様にして、第一の活性層31と第二のp型コンタクト
層52の表面の一部に保護膜を形成した。さらに同様に
して保護膜の上からエッチングを行いn型コンタクト層
2の第二のエッチング面を露出させた。
1を含む発光素子の表面と、第二の活性層32を含む発
光素子の表面とにまたがって、SiO2よりなる第二の
マスク80を形成した。
器に設置し、第二のエッチング面の表面に、In0.8G
a0.2Nよりなる第三の活性層33を20オングストロ
ームと、Mgドープp型Al0.2Ga0.8Nよりなる第三
のp型クラッド層43を0.2μmと、Mgドープp型
GaNよりなる第三のp型コンタクト層53を0.5μ
mの膜厚で成長させた。この第三の活性層32はおよそ
620nm付近の赤色発光を示す。成長後のウェーハの
部分的な構造を示す図が図6である。
し、第二のマスク80を除去した後、同様にして、第三
のp型コンタクト層53の表面の一部に保護膜を形成し
てエッチングを行い、負電極40を形成すべきn型コン
タクト層2の表面を露出させた。その後、保護膜を除去
して、常法に従い第一のp型コンタクト層51と、第二
のp型コンタクト層52と、第三のp型コンタクト層5
3の表面に、それぞれ正電極10、20、30を形成し
た。また露出させたn型コンタクト層2の表面にも同様
にして負電極40を形成した。電極形成後、それそれの
活性層を有する発光素子が単位基板の上に一個づつ載る
ようにして、ウェーハをチップ状に切断して本発明の多
色発光素子を得た。
て、正電極10、20、30に所定の電流を流ししたと
ころ、単一発光色は色純度良く再現でき、しかも混色も
非常に良好な白色発光を示した。なお図9は本発明の一
実施例に係る多色発光素子を電極側から見た具体的な平
面図であり、図10は図9の発光素子の形状を示す斜視
図である。なお図9及び図10は、図1乃至図8に示す
断面図とは必ずしも対応しておらず、強いて対応させる
ならば図9に示す「コ」の字状の一点鎖線で切断して、
一点鎖線を伸ばした状態が模式的な断面図に相当する。
による多色発光素子の構造を示す模式的な断面図であ
る。この多色発光素子が実施例1の発光素子と異なる点
は、エッチングを行わず選択成長によって、異なるバン
ドギャップエネルギーを有する活性層を含む発光素子を
成長させている。つまり基板上に第一の活性層を有する
窒化物半導体層を形成した後、第一の活性層とは別に、
第一の活性層とバンドギャップエネルギーが異なる第二
の活性層を有する窒化物半導体層を部分的に成長させて
いる。
の上にGaNよりなるバッファ層を介して、Siドープ
n型GaNよりなるn型コンタクト層2を成長させ、そ
の上にIn0.2Ga0.8Nよりなる第一の活性層31を成
長させた後、ウェーハを反応容器から取り出す。
る第四のマスク90を部分的に形成する。つまり、第一
の活性層31を成長させる部分を除いてマスクを形成す
る。そしてマスクが形成されたウェーハを再度反応容器
に戻し、n型コンタクト層2の上に第一の活性層31、
第一のp型クラッド層41、第一のp型コンタクト層5
1を成長させる。成長後のウェーハの部分的な断面図が
図12である。
層31、第一のp型クラッド層41、第一のp型コンタ
クト層51を含む発光素子全面と、n型コンタクト層2
の表面の一部に第五のマスクを形成して、同様にして第
二の活性層32、第二のp型クラッド層42、第二のp
型コンタクト層52を成長させる。この工程以後の断面
図は図12と類似しているので特に図示しない。
マスクを除去して同様にして、第三の活性層33、第二
のp型クラッド層43、第三のp型コンタクト層53を
成長させる。後は常法に従い、各コンタクト層に電極を
設けることにより図11に示す構造の多色発光素子を得
ることができる。
上に数々の保護膜を形成して後、バンドギャップの異な
る活性層を成長させる方法について述べたが、本発明の
方法では、n型コンタクト層2と、第一の活性層31、
第二の活性層32、及び第三の活性層33とをアイラン
ド状に成長させ、それらの活性層の表面を除く部分に新
たな保護膜を形成した後、p型クラッド層、p型コンタ
クト層を一度に形成しても良い。
子は同一基板上に互いにバンドギャップエネルギーが異
なる窒化物半導体よりなる活性層を有する単位発光素子
が、隔離して形成されていることにより、単一発光色が
混色せずに発光できる。しかも活性層を従来のように高
抵抗なi型とせず、低抵抗なInGaNとして、ダブル
へテロ構造とすると低電圧で駆動でき、素子の効率が非
常に優れている。このようにして一チップに複数の窒化
物半導体の発光素子を作製することにより、一画素が小
さくできるため高精細度なディスプレイを実現する上
で、本発明は非常に有利である。また一枚のウェーハ上
に多数の電極を有する素子ができるため、チップ状にウ
ェーハを分離せず、そのままウェーハの電極を接続して
ディスプレイとすることもできる。
を示す模式断面図。
の構造を示す模式断面図。
の構造を示す模式断面図。
の構造を示す模式断面図。
の構造を示す模式断面図。
の構造を示す模式断面図。
の構造を示す模式断面図。
の構造を示す模式断面図。
平面図。
す模式断面図。
子の構造を示す模式断面図。
Claims (4)
- 【請求項1】互いにバンドギャップエネルギーが異なる
窒化物半導体よりなる活性層を有する複数の単位発光素
子が同一基板上に隔離して設けられてなる窒化物半導体
多色発光素子であって、 前記単位発光素子はそれぞれ、前記基板上形成されたn
型GaNからなり前記複数の単位発光素子に共通のn型
コンタクト層と、該n型コンタクト層上に分離独立して
形成された活性層と、該活性層に接して形成されたAl
を含む窒化物半導体からなるp型クラッド層と、該p型
クラッド層の上に形成されたp型GaNからなるp型コ
ンタクト層とを含んでなり、かつ各単位発光素子は前記
n型コンタクト層とp型コンタクト層との間に1つのp
−n接合を有し、 第1のInGaNからなる活性層を有する第1の発光素
子の一部がエッチングにより露出された面に、第2のI
nGaNからなる活性層を有する第2の発光素子が形成
されてなり、 該第2のInGaNからなる活性層は該第1のInGa
Nからなる活性層よりもバンドギャップが小さいことを
特徴とする窒化物半導体多色発光素子。 - 【請求項2】前記n型コンタクト層には前記各単位発光
素子に共通の負電極が形成されたことを特徴とする請求
項1に記載の窒化物半導体多色発光素子。 - 【請求項3】前記窒化物半導体多色発光素子は、3つの
ダブルヘテロ接合を有することを特徴とする請求項1ま
たは請求項2のいずれかに記載の窒化物半導体多色発光
素子。 - 【請求項4】前記活性層は、井戸層はInXGa1−X
N(0≦X<1)、障壁層はInYGa1−YN(Y<
X、この場合Y=0を含む)で構成された多重量子井戸
構造であることを特徴とする請求項1乃至請求項3のい
ずれかに記載の窒化物半導体多色発光素子。
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