JP2912782B2

JP2912782B2 - 半導体発光素子

Info

Publication number: JP2912782B2
Application number: JP34750692A
Authority: JP
Inventors: 喜文尾藤
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 1992-12-28
Filing date: 1992-12-28
Publication date: 1999-06-28
Anticipated expiration: 2014-06-28
Also published as: JPH06204559A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は半導体発光素子に関し、
例えばページプリンターの感光ドラム用光源などに用い
られる半導体発光素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、半導体発光素子は、ＭＯＣＶＤ
（有機金属化学気相成長）法やＭＢＥ（分子線エピタキ
シャル成長）法等の化合物半導体結晶成長技術の進歩に
ともなって盛んに研究されている。

【０００３】従来の半導体発光素子を図３に基づいて説
明する。図３は、従来の半導体発光素子を示す断面図で
あり、２１はｎ型のシリコン基板、２２はｎ型のガリウ
ム砒素層、２３はｎ型のアルミニウムガリウム砒素層、
２４はｐ型のアルミニウムガリウム砒素層、２５はｐ型
のガリウム砒素層である。

【０００４】ｎ型のアルミニウムガリウム砒素層２３と
ｐ型のアルミニウムガリウム砒素層２４で半導体接合が
形成される。また、ｎ型のガリウム砒素層２２は、シリ
コン基板２１とアルミニウムガリウム砒素層２３との格
子定数の相違に起因するミスフィット転位を防止するた
めのバッファ層として作用する。また、ｐ型のガリウム
砒素層２５は、オーミックコンタクト層として作用す
る。このようなガリウム砒素層２２、２５やアルミニウ
ムガリウム砒素層２３、２４は、それぞれ単結晶の薄膜
で構成され、ＭＯＣＶＤ法やＭＢＥ法で形成される。ま
た、ｎ型のガリウム砒素層２２は、厚み２．０μｍ程度
に、ｎ型のアルミニウムガリウム砒素層２３は、厚み
２．０μｍ程度に、ｐ型のアルミニウムガリウム砒素層
２４は、厚み１〜２．０μｍ程度に、およびｐ型のガリ
ウム砒素層２５は、厚み０．５〜１．０μｍ程度にそれ
ぞれ形成される。

【０００５】ｐ型のガリウム砒素層２５上には、窒化シ
リコン（ＳｉＮ_x）などから成るパシベーション層２６
が形成されており、このパシベーション層２６上には、
正電極２７が形成されている。また、シリコン基板２１
の裏面側には負電極２８が形成されている。

【０００６】このように構成された半導体発光素子は、
順方向にバイアス電圧を印加すると、ｎ型のアルミニウ
ムガリウム砒素層２３からｐ型のアルミニウムガリウム
砒素層２４へ電子が注入され、ｐ型のアルミニウムガリ
ウム砒素層２４で、正孔と再結合してフォノンを発生し
て発光する。発光した光は、パシベーション層２６を通
って外部へ取り出される。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ところが、この従来の
半導体発光素子では、電流の広がりが悪いため、発光領
域が小さいという問題があった。すなわち、オーミック
コンタクト層となるｐ型のガリウム砒素層２５は、光の
取り出しを遮らないように小面積に形成しなければなら
ない。また、光センサーの光感度が良好な７００ｎｍ程
度の波長の光を発光させるためには、ｐ型のアルミニウ
ムガリウム砒素（（ＡｌＡｓ）_y（ＧａＡｓ）_1-y）層
２４のアルミニウム砒素（ＡｌＡｓ）_yの組成比ｙは
０．３０程度に設定しなければならない。アルミニウム
ガリウム砒素層２４のアルミニウム砒素の組成比ｙを
０．３０程度に設定すると、半導体用不純物を高濃度に
含有させることができず、このｐ型のアルミニウムガリ
ウム砒素層２４は高抵抗になり、ｐ型のアルミニウムガ
リウム砒素層２４での電流の広がりが遮られる。このよ
うに、電流の広がりが正電極２７の下に集中すると、発
光劣化が早くなる。

【０００８】また、従来の半導体発光素子では、構造が
単純なｐｎ接合であるため、この半導体接合部分に、電
子やホールを閉じ込めることができず、発光効率が悪い
という問題があった。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明に係る半導体発光
素子は、このような従来技術の問題点に鑑みてなされた
ものであり、その特徴とするところは、ｎ型のシリコン
基板上に、ｎ型のガリウム砒素層、ｎ型のアルミニウム
ガリウム砒素層、ｐ型のアルミニウムガリウム砒素層、
およびｐ型のガリウム砒素層を順次積層して設け、前記
シリコン基板とｐ型のガリウム砒素層上に電極を形成し
て成る半導体発光素子において、前記ｐ型のアルミニウ
ムガリウム砒素層とガリウム砒素層との間に、前記ｐ型
のアルミニウムガリウム砒素層よりも半導体不純物濃度
とアルミニウム砒素の混晶比が大きく、且つ全体がほぼ
同一の混晶比を有する第二のｐ型のアルミニウムガリウ
ム砒素層を形成した点にある。

【００１０】

【作用】上記のように構成すると、第二のｐ型のアルミ
ニウムガリウム砒素層は、低抵抗になることから、この
層で電流が広がり、発光領域が増大すると共に、発光強
度が増し、寿命も長くなる。また、シングルヘテロ構造
のため、電子とホールが半導体接合部の近傍に閉じ込め
られ、再結合の確立が高くなって、発光効率は上がり、
強度も増す。

【００１１】

【実施例】以下、本発明の実施例を添付図面に基づき詳
細に説明する。図１は、本発明に係る半導体発光素子の
一実施例を示す断面図であり、１はｎ型のシリコン基
板、２はｎ型のガリウム砒素層、３はｎ型のアルミニウ
ムガリウム砒素層、４はｐ型のアルミニウムガリウム砒
素層、５は第二のｐ型のアルミニウムガリウム砒素層、
６はｐ型のガリウム砒素層、７はパシベーション層、
８、９は電極である。

【００１２】前記ｎ型のシリコン基板１は、例えば（１
００）面から（０１１）面に２°オフして切り出した単
結晶シリコン（Ｓｉ）基板などで構成される。このｎ型
の単結晶シリコン基板１は、アンチモン（Ｓｂ）などか
ら成るドナーを１０¹⁹個／ｃｍ³程度含有している。

【００１３】前記ｎ型のシリコン基板１上には、ｎ型の
ガリウム砒素層２が形成されている。このｎ型のガリウ
ム砒素（ＧａＡｓ）層２は、シリコン（Ｓｉ）などから
成るドナーを１×１０¹⁷個／ｃｍ³程度含有し、二段階
成長法や熱サイクル法を適宜採用したＭＯＣＶＤ法など
で、厚み１〜１．５μｍ程度に形成される。すなわち、
ＭＯＣＶＤ装置内を９００〜１０００℃で一旦加熱した
後に、４００〜４５０℃に下げて、ＴＭＧａガス、Ａｓ
Ｈ₃ガス、および半導体用不純物元素源となるＳｉＨ₄
ガスなどを用いたＭＯＣＶＤ法により単結晶ガリウム砒
素層を成長させると共に、６００〜６５０℃に上げて単
結晶ガリウム砒素層を成長させ（二段階成長法）、次に
３００〜９００℃の範囲で温度を上下させ（熱サイクル
法）、熱膨張係数の相違に起因する内部応力を発生さ
せ、上述のシリコン基板１とガリウム砒素層２の格子定
数の相違に起因するミスフィット転位を低減させるよう
にして形成する。

【００１４】前記ｎ型のガリウム砒素層２上には、ｎ型
のアルミニウムガリウム砒素層３が形成されている。こ
のｎ型のアルミニウムガリウム砒素（（ＡｌＡｓ）
_x（ＧａＡｓ）_1-x）層３には、シリコンなどから成る
ドナーを１×１０¹⁶〜１０¹⁷個／ｃｍ³含有している。
このｎ型のアルミニウムガリウム砒素層３は、ＴＭＡｌ
ガス、ＴＭＧａガス、ＡｓＨ₃ガス、および半導体用不
純物元素となるＳｉＨ₄ガスを用いたＭＯＣＶＤ法など
により形成される。

【００１５】前記ｎ型のアルミニウムガリウム砒素層３
上には、ｐ型のアルミニウムガリウム砒素（（ＡｌＡ
ｓ）_y（ＧａＡｓ）_1-y）層４が形成されている。この
ｐ型のアルミニウムガリウム砒素層４には、亜鉛（Ｚ
ｎ）などのアクセプタを１×１０¹⁸個／ｃｍ³程度含有
させる。このｐ型のアルミニウムガリウム砒素層４も、
ＴＭＡｌガス、ＴＭＧａガス、ＡｓＨ₃ガス、および半
導体用不純物元素源となるＤＭＺｎガスを用いたＭＯＣ
ＶＤ法などにより形成される。前述のｎ型のアルミニウ
ムガリウム砒素層３とこのｐ型のアルミニウムガリウム
砒素層４とで半導体接合部が形成される。このアルミニ
ウムガリウム砒素層３のアルミニウム砒素の組成比ｙ
は、７００ｎｍ程度の波長の光を発光させるために、
０．３などに設定され、膜厚は２．０μｍ程度に形成さ
れる。

【００１６】前記ｐ型のアルミニウムガリウム砒素層４
上には、このｐ型のアルミニウムガリウム砒素層４より
も、亜鉛（Ｚｎ）などのアクセプタを多量に含む第二の
ｐ型のアルミニウムガリウム砒素（（ＡｌＡｓ）_Z（Ｇ
ａＡｓ）_1-Z）層５が形成されている。すなわち、この
第二のｐ型のアルミニウムガリウム砒素層５は、亜鉛
（Ｚｎ）などのアクセプタを１×１０¹⁸〜１０¹⁹個／ｃ
ｍ³程度含有する。このようにアクセプタを高濃度に含
有させるためには、アルミニウムガリウム砒素層５をや
や低温で形成すればよい。また、この第二のｐ型のアル
ミニウムガリウム砒素層５の膜厚は、０．５μｍ程度に
形成される。この第二のｐ型のアルミニウムガリウム砒
素層５は、最表面の不純物濃度がさらに高濃度になるよ
うにしてもよい。このように、最表面の不純物濃度がさ
らに高濃度になるようにすると、抵抗が下がり、電流を
面内に広げることができる。さらに、この第二のｐ型の
アルミニウムガリウム砒素層５は、光を効率よく取り出
すために、ｐ型のアルミニウムガリウム砒素層４より
も、アルミニウム砒素の混晶比を大きく設定する。つま
り、ｐ型のアルミニウムガリウム砒素層４は、アルミニ
ウム砒素の混晶比が例えば０．３以下に設定され、第二
のｐ型のアルミニウムガリウム砒素層５はアルミニウム
砒素の混晶比が例えば０．３４程度に設定される。

【００１７】図２に、上述のｎ型のアルミニウムガリウ
ム砒素層３、ｐ型のアルミニウムガリウム砒素層４、お
よび第二のｐ型のアルミニウムガリウム砒素層５のエネ
ルギーバンド図を示す。順方向の場合、ｐ型のアルミニ
ウムガリウム砒素層４の電子エネルギーが、ｎ型のガリ
ウム砒素層２とｎ型のアルミニウムガリウム砒素層３の
電子エネルギーよりも低くなる。このとき電圧は、ｐ型
ｎ型に比較して抵抗率の高い、つまりキャリヤのない空
乏層にすべて加わる。その結果、ｎ型のアルミニウムガ
リウム砒素層３中の多数キャリヤである電子が、ｐ型の
アルミニウムガリウム砒素層４中へ少数キャリヤとなっ
て拡散する。ｐ型のアルミニウムガリウム砒素層４へ拡
散した電子は、ｐ型のアルミニウムガリウム砒素層４中
の多数キャリアである正孔と再結合して、フォノンを発
生させながら消滅していく。拡散により流出した電子
は、「−」の電極から補給され、再結合により使われた
正孔は、「＋」の電極から電子を放出することにより発
生する。このとき、本発明では、ｐ型のアルミニウムガ
リウム砒素層４よりもアルミニウム砒素の組成比ｙが大
きく、且つキャリヤ密度も大きな第二のｐ型のアルミニ
ウムガリウム砒素層５を設けていることから、電子は、
ｐ型のアルミニウムガリウム砒素層４に閉じ込められ、
ホールとの再結合の確率が高くなって、発光効率が向上
すると共に、第二のアルミニウムガリウム砒素層５は、
比較的低抵抗であることから、この第二のアルミニウガ
リウム砒素層５で電流が広がり、発光領域も拡大する。

【００１８】前記第二のｐ型のアルミニウムガリウム砒
素層５上には、ｐ型の半導体不純物を多量に含有するガ
リウム砒素層６が形成されている。このｐ型のガリウム
砒素層６は、オーミックコンタクト層となるものであ
る。すなわち、亜鉛（Ｚｎ）などから成るｐ型の半導体
用不純物を１×１０²⁰〜１０²²個／ｃｍ³程度含有して
いる。

【００１９】このｐ型のガリウム砒素層６上には、パシ
ベーション層７が形成されている。このパシベーション
層７は、窒化シリコン（ＳｉＮ_x）膜や酸化シリコン
（ＳｉＯ）膜などで構成され、例えばプラズマＣＶＤ法
などで形成される。

【００２０】前記パシベーション層７の上記ｐ型のガリ
ウム砒素層６と対峙する部分には、スルーホールが形成
されており、このスルーホールを介して正電極８と接続
されている。この正電極８は、例えばクロム（Ｃｒ）や
金（Ａｕ）、あるいはクロムと金の合金などから成る。

【００２１】また、前記シリコン基板１の裏面側には、
負電極９が形成されている。この負電極９も、例えばク
ロム（Ｃｒ）や金（Ａｕ）、あるいはクロムと金の合金
などから成る。なお、この負電極９は、シリコン基板１
の裏面側に形成する場合に限らず、シリコン基板１の表
面側に形成してもよい。

【００２２】

【発明の効果】以上のように、本発明に係る半導体発光
素子によれば、ｐ型のアルミニウムガリウム砒素層とガ
リウム砒素層との間に、このｐ型のアルミニウムガリウ
ム砒素層よりも半導体不純物濃度とアルミニウム砒素の
混晶比が大きく、且つ全体がほぼ同一の混晶比を有する
第二のｐ型のアルミニウムガリウム砒素層を形成したこ
とから、この第二のｐ型のアルミニウムガリウム砒素層
で電流が広がり、発光領域が増大すると共に、発光強度
が増し、寿命も約１．５倍程度長い半導体発光素子とな
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る半導体発光素子の一実施例を示す
断面図である。

【図２】本発明に係る半導体発光素子のｎ型アルミニウ
ムガリウム砒素層、およびｐ型アルミニウムガリウム砒
素層、および第二のｐ型アルミニウムガリウム砒素層の
エネルギーバンド図である。

【図３】従来の半導体発光素子の断面図である。

【符号の説明】

１・・・ｎ型のシリコン基板、２・・・ｎ型のガリウム
砒素層、３・・・ｎ型のアルミニウムガリウム砒素層、
４・・・ｐ型のアルミニウムガリウム砒素層、５・・・
第二のｐ型のアルミニウムガリウム砒素層、６・・・ｐ
型のガリウム砒素層、７・・・パシベーション層、８・
・・正電極、９・・・負電極。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】ｎ型のシリコン基板上に、ｎ型のガリウ
ム砒素層、ｎ型のアルミニウムガリウム砒素層、ｐ型の
アルミニウムガリウム砒素層、およびｐ型のガリウム砒
素層を順次積層して設け、前記シリコン基板とｐ型のガ
リウム砒素層上に電極を形成して成る半導体発光素子に
おいて、前記ｐ型のアルミニウムガリウム砒素層とガリ
ウム砒素層との間に、前記ｐ型のアルミニウムガリウム
砒素層よりも半導体不純物濃度とアルミニウム砒素の混
晶比が大きく、且つ全体がほぼ同一の混晶比を有する第
二のｐ型のアルミニウムガリウム砒素層を形成したこと
を特徴とする半導体発光素子。