JP3005115B2 - 半導体発光素子 - Google Patents

半導体発光素子

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JP3005115B2 JP16151092A JP16151092A JP3005115B2 JP 3005115 B2 JP3005115 B2 JP 3005115B2 JP 16151092 A JP16151092 A JP 16151092A JP 16151092 A JP16151092 A JP 16151092A JP 3005115 B2 JP3005115 B2 JP 3005115B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、カラーディスプレー等
に用いられる波長720nmから450nm程度の赤色
から青色の光を出すことが可能な半導体発光素子、例え
ば発光ダイオード素子や、高密度光ディスクシステムに
おいて半導体レーザ素子等として用いられる半導体発光
素子に関する。
【0002】
【従来の技術】電流注入型の半導体発光素子は、発光効
率が高いため、小型、高輝度の表示素子や、半導体レー
ザ素子等として広く用いられている。
【0003】フルカラーディスプレーやフルカラーレー
ザプリンターを実現するためには、赤色、緑色、青色の
三原色の発光が必要であるため、赤色から青色の可視光
領域全体で高効率発光可能な発光ダイオード素子および
半導体レーザの開発が進められている。
【0004】従来、pn接合を用いた電流注入型の半導
体発光素子として、例えば、ガリウムヒ素系材料(Ga
As/GaAlAs、GaAs/InGaAlP)等の
III−V族化合物半導体材料を用いて形成された半導体
発光素子が知られている。しかし、これらの材料は禁制
帯幅が小さいため、これら材料を用いた半導体発光素子
では近赤外から赤色までの領域の発光しか得られなかっ
た。
【0005】青色の光を出す半導体発光素子を得るに
は、より禁制帯幅の大きな材料を用いる必要がある。
【0006】禁制帯幅の大きな材料として直接遷移型の
窒化ガリウム系(GaN/InGaAlN)材料が挙げ
られる。しかし、この系の材料はその禁制帯幅が十分に
大きいものの格子整合がとれる適当な半導体基板がな
い。そのため、格子定数が近似しているものの誘電体で
あるサファイア基板等を用いなければならないため電極
の作製が難しい。また、基板とその上に積層された半導
体層との間に大きな歪みが発生するため、素子の信頼性
が十分に得られない。
【0007】また、間接遷移型材料の炭化珪素(Si
C)や不純物発光を用いるリン化ガリウム(GaP)が
発光ダイオード材料として用いられていた。しかし、こ
れらの材料は直接遷移型のガリウムヒ素系等の材料に比
べると発光効率が悪く、高輝度化が難しい。しかも、S
iCを用いた場合には、半導体レーザ素子として用い得
る半導体発光素子を作製できない。
【0008】上記禁制帯幅の大きな材料としては、セレ
ン化亜鉛系(ZnuCd1-u)(SvSe1-v)(uおよび
vは0以上1以下である)に代表されるII−VI族化合物
半導体材料が最も有望なものとして検討されている。こ
のセレン化亜鉛系材料においては、図7に示すように、
高品質の大型基板が得られやすいGaAsと格子定数が
ほぼ一致する材料を得ることが可能であり、すなわちG
aAsと格子整合がとれるという大きな特徴がある。
【0009】しかし、上記セレン化亜鉛系の材料におい
てGaAsと格子整合がとれるという条件のもとでは、
禁制帯幅を変えられる範囲が狭く、460nm〜470
nm程度の青色光しか得ることができない。発光波長を
長くする方法としては、Cdの量を増やし、GaAsの
格子定数と数%ずれた格子定数を有するZnCdSe層
を用いて活性層を作製する方法がある。しかし、この方
法では、発光層と基板との間に大きな応力がかかるため
に結晶欠陥が増大する。そのため、発光層を厚く形成す
ることができないため、発光ダイオードとして用い得る
高効率の半導体発光素子を作製することが困難である。
【0010】特開平1−175788号公報には、Ga
P基板上に、該基板と格子整合するカルコパイライト族
化合物半導体であるCu(GaAl)(SSe)2材料
を用いて形成した半導体レーザ素子が開示されている。
上記カルコパイライト族化合物半導体は、図7に示すよ
うに、GaPと格子整合可能な組成比の範囲において緑
色から紫外領域の発光が可能である。しかしながら、こ
の半導体レーザ素子においては、GaPと格子整合可能
な組成比の範囲では赤色光は得られず、赤色光を得るた
めには、不純物発光を用いなければならず、変換効率が
よい電流注入型の3原色発光はできない。
【0011】なお、カルコパイライト族化合物半導体と
は、カルコパイライト型の結晶構造を有する化合物半導
体のことをいう。
【0012】
【発明が解決しようとする課題】上述のように、様々な
材料系の半導体を用いて発光層を形成した半導体発光素
子が提案されているが、上記従来の半導体発光素子のい
ずれにおいても、赤色、緑色、青色の三原色のすべてを
発光できるものはなく、同一系の半導体からなる層を1
つの基板上に形成して作製した半導体発光素子の発光色
にはかなりの制限があるという欠点があった。
【0013】本発明の目的は、上記欠点を解決しようと
するものであり、品質の高い1つの基板上に同一系の半
導体からなる層を形成することにより作製され、赤色か
ら青色の領域内で高効率発光が可能で、しかも半導体レ
ーザとしても利用し得る半導体発光素子を提供すること
にある。
【0014】
【課題を解決するための手段】本発明の半導体発光素子
は、InP半導体基板上に複数の半導体層を含む積層構
造が形成され、該積層構造が、それぞれカルコパライト
族化合物半導体層であって発光波長がお互いに異なるA
gIn(SzSe1-z2第1層、AgGa(Sz
1-z2第2層、及びAgAl(SzSe1-z2第3層
(但しzは0より大で1未満であり、各層のzの値は異
なっても良い)を含み、該第1層、該第2層、及び該第
3層の各々の格子定数が該InP半導体基板の格子定数
にほぼ等しく、そのことにより上記目的が達成される。
ある実施形態では、前記第1層、前記第2層、及び前記
第3層が階段形状に形成されており、該第1層、該第2
層、及び該第3層の各々に対する電極が設けられてい
る。他の実施形態では、前記積層構造は、前記InP基
上に、前記第1層、前記第2層、前記第3層の順に形
成されて成る。そして、前記積層構造は、前記InP基
板と前記第1層との間にAg(In w Ga 1-w )(S z
1-z 2 層が設けられると共に、前記第1層と前記第2
層との間にAg(Ga w Al 1-w )(S z Se 1-z 2
(但しz,wは0より大で1未満であり、各層のz,w
の値は異なっても良い)が設けられても良い。例えば、
前記第1層、前記第2層、及び前記第3層が、それぞれ
AgIn(S0.82Se0.182層、AgGa(S0.49
0.512層、及びAgAl(S0.35Se0.652層で
【0015】
【作用】本発明の半導体発光素子にあっては、高品質の
InP基板を用い、発光部を形成する材料としてAg、
Se、SならびにGa、AlおよびInのうちの少なく
とも1種を含有するカルコパイライト族化合物半導体を
用いる。この半導体においては、赤色から青色の領域内
の光が発振される組成比の範囲内において、基板を形成
するInPの格子定数とその格子定数が一致するので、
基板に格子整合する半導体層を得られる。さらに、上記
組成比の範囲内で選択される異なる組成比の半導体の間
では、十分に大きな禁制帯幅の差を得ることができるの
で、半導体レーザとして利用できる半導体発光素子が得
られる。
【0016】
【実施例】以下、本発明の実施例を図面を参照して説明
する。
【0017】(実施例1)図1は、本発明の半導体発光
素子の一実施例の要部斜視図である。この半導体発光素
子においては、n型InP基板100上に、n型InP
バッファ層101が形成されており、さらにその上に、
それぞれAgGa(SzSe1-z2層(zは0より大で
1未満である)からなるn型半導体層11、p型半導体
層12が形成されている。p型半導体層12の上には、
p型InPコンタクト層13が積層形成されている。こ
の積層体においてn型InP基板100側にはAuとS
nからなるオーミック電極15が、p型InPコンタク
ト層13側にはAu、Znからなるオーミック電極14
が蒸着形成されており、これらから素子本体16が構成
されている。素子本体16は、n側のオーミック電極1
5を下側にしてステム25a上にマウントされて半導体
チップ23とされ、ワイア26によって後述するステム
25bと接続されている。
【0018】上記半導体発光素子の作製方法を、図2を
参照して説明する。
【0019】まず、ウェハー状のn型InP基板100
上に上記した半導体層をそれぞれ積層形成する。この半
導体発光素子における半導体層の成長工程は、例えば、
以下に示すような通常の分子線エピタキシー(MBE)
法等を用いて行うことができる。
【0020】ところで、基板100の表面には不純物が
付着していたり、該表面を研磨した際に生じた結晶欠陥
等が存在していることが多く、このような状態にある基
板表面に直接上記半導体層を成長させると品質の優れた
結晶を得られにくいことがある。これを避けるために
は、カルコパイライト族化合物半導体を成長させる第1
の成長室と、InPを成長させるために用い、該第1の
成長室と真空中において接続および分離が可能な第2の
成長室とを用意し、該第2の成長室で300℃程度に加
熱したn型InP基板100上にInPバッファ層10
1を成長させ、品質の高いInP面を形成する。n型I
nPバッファ層101形成後、ウェハーを真空中にて第
1の成長室へ移動させる。
【0021】カルコパイライト族化合物半導体の成長材
料として純度99.99%以上の高純度のAg、Ga、
S、Se、Alを用い、真空にした第1の成長室内で、
550℃程度に過熱した基板100上に上記材料の分子
線を照射して結晶を成長させ、上記n型半導体層11お
よびp型半導体層12を形成する。第1の成長室内にお
けるSとSeの原子の量の割合は、成長される半導体層
がInP基板100と格子整合できるように調節してお
く。ただし、その総量は、他の原子より十分多い量とし
ておく。ドーピング材料としては、n型材料としてS
i、p型材料としてNを用いた。
【0022】p型半導体層12を形成した後、上記ウェ
ハーを真空雰囲気中で第2の成長室に運び、p型InP
コンタクト層13を積層形成する。このウェハーを第2
の成長室から取り出し、n型InP基板1側にはAuお
よびSnを、p型InPコンタクト層13側にはAuお
よびZnを蒸着させて真空中で昇温し、それぞれオーミ
ック電極15、14を形成する。以上により図2(a)
に示した積層体が形成される。
【0023】次に、図2(b)に示すように、上記で得
られた積層体においてp側の電極14上にホトレジスト
20を塗布する。その後、通常のホトリソグラフィー法
によって、上記ホトレジスト20を直径100μm程度
の円形状のホトレジストパターン21を残して除去し、
このホトレジストパターン21をマスクとして用い、通
常のイオンビームエッチング法等、例えばArイオンビ
ーム22を用いて電極14およびp型InPコンタクト
層13を除去する。エッチング終了後、上記ウェハーは
切断されて素子本体16となり、この素子本体16はヒ
ートシンク、あるいはヒートシンクを兼ねたステム25
a上にIn(図示せず)により融着されて半導体チップ
23となる。
【0024】上記で得られた半導体チップ23は、図2
(c)に示されるように、ワイア26によってステム2
5bに接続される。これらはポリカーボネート、ポリメ
チルメタクリレート(PMMA)等の透明な樹脂14に
よってモールドされ、半導体発光素子が形成される。
【0025】上記半導体発光素子の動作原理は、通常の
シングルヘテロ構造型発光ダイオードと同様である。n
型InP基板100側の電極15を負電位に、p型In
Pコンタクト層13側の電極14を正電位にすることに
より、n側からは電子が、p側からは正孔が注入され
る。電子は速やかに拡散するが、正孔はp型層内に溜
り、n側にはあまり拡散しない。そのため電子はp側に
溜っている正孔と効率よく再結合して発光する。
【0026】この実施例おける基板100および基板1
00上に形成した各半導体層の詳細は、以下の通りであ
る。
【0027】InP基板100:厚さ300μm、In
Pバッファ層101:厚さ1μm、n型半導体層11:
AgGa(S0.49Se0.512、厚さ1μm、p型半導
体層12:AgGa(S0.49Se0.512、厚さ1μ
m、InPコンタクト層:厚さ0.5μm。
【0028】この半導体発光素子の発振波長はおよそ5
55nmであり、緑色の発光を得た。この半導体発光素
子は、発光ダイオード素子として利用することができ
る。
【0029】本発明に用いられる化合物半導体はこの実
施例で使用されたものに限らず、InP基板とその格子
定数がほぼ一致し、Ag、S、Se並びにGa、Alお
よびInのうちの少なくとも1種を含有するカルコパイ
ライト族化合物半導体が使用される。
【0030】図7には、ZnCdSSe系材料とAgG
aAlInSSe系材料の格子定数と禁制帯幅との関係
および発光波長との関係が示されている。ZnCdSS
e系材料は、図7に示すように、高品質の大型基板が得
られやすいGaAsと格子定数がほぼ一致し、格子整合
がとれる。しかし、GaAsと格子整合がとれる組成比
の範囲内においてSとSeの割合を変えても、青色光し
か得ることができず、また、禁制帯幅の差が大きな混晶
は得られない。
【0031】AgGaAlInSSe系材料は、図7に
示したように、波長720nm〜450nmの範囲内の
光、すなわち赤色から青色の領域内の光を得ることがで
きる組成比を有し、しかも、その組成比においてはIn
Pの格子定数とほぼ一致する格子定数を有する。すなわ
ち、Ag(GawAlxIny)(SzSe1-z2では、上
記組成比w、x、yおよびzの値が、w、x、yは0以
上1以下の範囲内、zは0より大で1未満の範囲内にあ
って、InPの格子定数とほぼ等しい格子定数が得られ
る。
【0032】実施例1においては、n型半導体層11お
よびp型半導体層12を、Ag(GawAlxIny
(SzSe1-z2の組成比x、yがそれぞれ0である材
料、すなわちAlおよびInを含まない材料を用いて形
成したが、n型半導体層11およびp型半導体層12に
おいてIII族原子に関わる組成比w、x、yを調節する
ことにより、発光波長の異なる半導体発光素子を作製す
ることができる。
【0033】例えば、実施例1の半導体発光素子におい
て、n型半導体層11およびp型半導体層12を形成す
る半導体として、AgIn(S0.82Se0.182を用い
た場合には赤色発光する半導体発光素子が得られ、Ag
Al(S0.35Se0.652を用いた場合には青色発光す
る半導体発光素子が得られる。
【0034】また、上記組成比の範囲内、すなわちw、
x、yおよびzの値が、w、x、yは0以上1以下の範
囲内、zは0より大で1未満の範囲内においては、十分
に大きな禁制帯幅の差が得られるように、異なる組成比
の半導体材料を選択することができるので、この半導体
材料を用いてクラッド層と活性層を形成すれば、半導体
レーザ素子として十分利用し得る半導体発光素子が得ら
れる。
【0035】上述のように、本発明に用いられるAgG
aAlInSSe系の半導体は、その組成比が緑色から
青色の領域の光を発振する範囲においてInPの格子定
数とほぼ一致する格子定数が得られる。本発明の半導体
発光素子においては、InP基板と半導体層とが格子整
合しているため歪みが生じない。
【0036】なお、この実施例では、発光部がn型半導
体層11とp型半導体層12との接合部であり、またn
型半導体層11の組成比とp型半導体層12の組成比が
等しいホモ接合となっているが、それぞれの組成比が異
なるn型半導体層11およびp型半導体層12を用いて
形成し、シングルヘテロ構造となっていてもよい。さら
に、この2層11、12をより大きな禁制帯幅を有する
Ag(GawAlxIny)(SzSe1-z2からなる層で
挟み、ダブルヘテロ構造としてもよい。ただし、例え
ば、青色発光素子の例として挙げた上記AgAl(S
0.35Se0.652のようにAlを含んだ層がイオンビー
ムエッチング後に露出する場合には、該層中のAlが酸
化されて素子本体が劣化することを防止するため、上記
樹脂によるモールドには細心の注意を要する。
【0037】本実施例においては、InP基板上に積層
形成した半導体層の上にコンタクト層としてInP層が
あるので、オーミック電極の形成が容易になる。
【0038】(実施例2)図3は本発明の半導体発光素
子の実施例2を示す模式図である。
【0039】このp型InP基板300の上には、p型
InPバッファ層301が形成されており、さらにその
上に、それぞれAg(GawAlxIny)(Se
1-zz2からなるカルコパイライト族化合物半導体で
形成された第1p型半導体層31、第2p型半導体層3
2、第3p型半導体層33が形成されている。第2p型
半導体層32および第3p型半導体層33は、それぞれ
一部が除去され、その下の層が一部露出されており、p
型InPバッファ層301上に積層された半導体層は階
段形状をなしている。図中斜線で示した部分、すなわ
ち、第1p型層31においてその上面が露出された部分
34、第2p型半導体層32においてその上面が露出さ
れた部分35および、第3p型半導体層33の上部36
は、拡散不純物が拡散されておりn型層となっている。
これにより、第1p型半導体層31、第2p型半導体3
2、第3p型半導体層33とそれぞれのn型拡散領域3
4、35、36との接合部分においてそれぞれpn接合
が形成される。基板300にはp型電極310が、半導
体層側にはn型電極37、38、39が形成されてい
る。
【0040】上記半導体発光素子においては、通常のガ
スソース分子線エピタキシー法によって各半導体層を形
成することができる。カルコパイライト族化合物半導体
の原料としては、高純度のAg、Ga、Al、In、セ
レン化水素(H2Se)、硫化水素(H2S)を用い、p
型ド−ピング材料としてはNを用い、拡散不純物として
はSiを用いた。第1n型半導体層31、第2n型半導
体層32および第3n型半導体層33を成長させる際に
は、H2SeおよびH2Sの供給量をマスフローコントロ
ーラーにより厳密に制御し、基板300と基板300上
に形成されるAg(GawAlxIny)(Se1-zz2
からなる層とが格子整合できるように調節する。これに
より、本実施例の半導体発光素子においては、格子不整
合を0.1%以内に抑えることができる。
【0041】第3p型半導体層33を形成後、通常のホ
トリソグラフィーおよびイオンビームエッチングを2回
繰り返すことにより、第2p型半導体層32および第3
p型半導体層33の一部を除去し、それらの下の層を一
部露出させる。その後、拡散領域34、35、36にS
iを拡散し、これらの領域をn型とする。
【0042】この半導体発光素子に電流を注入すると、
第1p型半導体層31とそのn型領域34との界面、第
2n型半導体層32とそのn型領域35との界面、第3
n型半導体層33とそのn型領域36との界面のそれぞ
れの界面においてpn接合が形成されているため、接合
面において電子と正孔の再結合がおこり、各層31、3
2、33の禁制帯幅に対応した発光λ1、λ2、λ3が得
られる。
【0043】この実施例おける基板300および基板3
00上に形成した各半導体層の詳細は以下の通りであ
る。
【0044】InP基板300:厚さ300μm、In
Pバッファ層301:厚さ1μm、第1p型半導体層3
1:AgIn(S0.82Se0.182、厚さ1μm、第2
p型半導体層32:AgGa(S0.49Se0.512、厚
さ1μm、第3p型半導体層33:AgAl(S0.35
0.652、厚さ1μm。
【0045】発振波長は、λ1=720nm(赤色)、
λ2=555nm(緑色)、λ3=450nm(青色)で
あった。この半導体発光素子は、発光ダイオードとして
利用することができる。
【0046】この実施例に示した半導体発光素子におい
ては、通電する電極を選択することによって任意の発光
波長を得ることができ、さらに、各層への電流注入量を
調節することによりフルカラー発光または白色発光が可
能になる。
【0047】(実施例3)図3は本発明の半導体発光素
子の実施例3を示す模式図である。この半導体発光素子
においては、n型InP基板400の上にn型InPバ
ッファ層401が形成され、さらにその上には、それぞ
れAg(GawAlxIny)(Se1-zz2からなるカ
ルコパイライト族化合物半導体で形成されたノンドープ
第1バリア層41、ノンドープ第1発光層42、ノンド
ープ第2バリア層43、ノンドープ第2発光層44、ノ
ンドープ第3バリア層45、p型キャップ層46が形成
されている。p型キャップ層46の上にはp型部分電極
48が形成されており、基板400側には、全面にn型
電極47が形成されている。
【0048】この実施例では、有機金属気相エピタキシ
ー(MOCVD)法を用いてn型InP基板420上に
半導体層を形成した。成長材料としては、高純度のシク
ロペンタジエニルトリエチルフォスフィン銀(C55
g・P(C253)、トリエチルインジウム(In
(C253)、トリエチルガリウム(Ga(C
253)、トリエチルアルミニウム(Al(C253)、H2Se、H2
を用いた。成長ドーピング材料としては、n型材料とし
てSiを用いた。半導体層成長時の基板温度は600℃
とした。成長させる際には、H2SおよびH2Seの供給
量をそれぞれ一定に保ちつつ、他の元素の量より十分に
多い量としておく。Inの供給量とGaの供給量の比、
またはGaの供給量とAlの供給量との比は一定に保ち
つつ、AgとこれらIII族元素との割合を化学量論を満
足するように設定する。本実施例においても格子不整合
は小さく、0.3%程度以内に抑えられる。
【0049】p型キャップ層46形成後、基板400側
のn型電極47およびp型キャップ層46側のp型電極
48を蒸着によって形成する。
【0050】この半導体発光素子の動作原理を図4を参
照しながら説明する。図4は、この半導体発光素子の要
部の禁制帯幅構造を示している。図4中、n型InPバ
ッファ層401の禁制帯幅を401a、ノンドープ第1
バリア層41の禁制帯幅を41a、ノンドープ第1発光
層42の禁制帯幅を42a、ノンドープ第2バリア層4
3の禁制帯幅を43a、ノンドープ第2発光層44の禁
制帯幅を44a、ノンドープ第3バリア層45の禁制帯
幅を45a、p型キャップ層46の禁制帯幅を46aで
示す。
【0051】この半導体発光素子に電流を注入すると、
ノンドープ第1バリア層41からノンドープ第3バリア
層45にいたるノンドープ層に電子eおよび正孔hが注
入され、エネルギー障壁に囲まれたノンドープ第1発光
層42およびノンドープ第2発光層44において上記電
子eおよび正孔hが再結合することによって各層の禁制
帯幅に対応した発光が得られる。ノンドープ第3バリア
層45とp型キャップ層46との間にはエネルギー障壁
に囲まれていないが、その層厚が厚いため、ノンドープ
第3バリア層45内において電子と正孔が再結合する確
率が大きくなるため発光することが可能となる。すなわ
ち、ノンドープ第3バリア層45は発光層としての機能
も有する。よって、この半導体発光素子おいても各層4
2、44、45の禁制帯幅に対応した発光λ4、λ5、λ
6が得られる。
【0052】この実施例おける基板400および基板4
00上に形成した各半導体層の詳細は以下の通りであ
る。
【0053】InP基板400:厚さ300μm、In
Pバッファ層401:厚さ1μm、第1バリア層41:
Ag(In0.9Ga0.1)(S0.8Se0.22、厚さ0.
5μm、第1発光層42:AgIn(S0.82Se0.18
2、厚さ0.1μm、第2バリア層43:Ag(Ga0.9
Al0.1)(S0.5Se0.52、厚さ0.1μm、第2発
光層44:AgGa(S0.49Se0.512、厚さ0.1
μm、第3バリア層45:AgAl(S0.35Se0.65
2、厚さ0.3μm、p型キャップ層46:AgAl
(S0.35Se0.652、厚さ1μm、発振波長は、λ4
720nm(赤色)、λ5=555nm(緑色)、λ6
450nm(青色)であった。この半導体発光素子は、
発光ダイオードとして使用することができる。
【0054】この実施例の半導体発光素子においては、
電流注入が各発光層で個別に行われず、各層に同時に注
入される。よって、この素子単独で単色光を得ることは
できない。しかし、各色の発光強度を調節することによ
って白色光を得ることができる。また、素子の出射端面
に各色に対応したフィルターを備えることにより、それ
ぞれの色に分離した単色光を得ることが可能である。
【0055】(実施例4)図6は、本発明の半導体発光
素子の実施例4を示す要部斜視図である。n型InP基
板500上には、n型InPバッファ層501が形成さ
れており、さらにその上にそれぞれAg(GawAlx
y)(SzSe1-z2からなるn型クラッド層51、ノ
ンドープ活性層52、p型クラッド層53、p型InP
コンタクト層55が積層形成されている。p型InPコ
ンタクト層55上には、ポリイミド膜56が形成されて
おり、このポリイミド膜56は部分的に除去されて幅2
0μmのストライプ状の窓部60が形成されている。基
板500側およびポリイミド膜56側には、それぞれn
型オーミック電極58、p型オーミック電極57が形成
されている。
【0056】この半導体発光素子は、積層方法として実
施例1と同様のMBE法を採用することができ、以下の
ようにして作製される。
【0057】まず、第2の成長室でウェハー状のn型I
nP基板500上にn型InPバッファ層501を成長
させる。次に、第1の成長室で、InPバッファ層50
1上にn型クラッド層51、アンドープ活性層52、p
型クラッド層53を形成する。次いで、ウェハーを真空
中で第2の成長室に移動させ、p型InPコンタクト層
55を形成する。
【0058】p型InPコンタクト層55形成後、上記
ウェハーを第2の成長室から取り出し、上記ポリイミド
膜56を塗布し、通常のホトリソグラフィーによって、
窓部60を形成する。その上から、実施例1と同様にし
て電極材料を蒸着し、n型InP基板500側にはその
全面に電極材料を蒸着し、窒素ガス中等で昇温してそれ
ぞれp型オーミック電極57、n型オーミック電極58
を形成する。
【0059】電極58、57を形成した後、上記ウェハ
ーを電極57のストライプと直交する面61a、61b
で劈開し、素子本体を得る。劈開面61a、62aはそ
れぞれレーザ共振器のミラーとして機能する。得られた
素子本体は、ヒートシンクあるいはヒートシンクを兼ね
たステム(図示せず)にIn(図示せず)を用いて融着
され、半導体発光素子とされる。
【0060】この実施例においては、半導体発光素子の
長さ(上記劈開面61a、61bの間の間隔)Lを10
00μm程度に形成した。
【0061】この実施例おける基板500および基板5
00上に形成した各半導体層の詳細は以下の通りであ
る。
【0062】InP基板500:厚さ300μm、In
Pバッファ層501:厚さ1μm、n型クラッド層5
1:AgAl(S0.35Se0.652、厚さ1μm、活性
層52:AgGa(S0.49Se0.512、厚さ0.08
μm、p型クラッド層53:AgAl(S0.35
0.652、厚さ1μm、InPコンタクト層55:厚
さ0.5μm。
【0063】この半導体発光素子の発振波長はおよそ5
55nmであり、緑色光が得られた。この半導体発光素
子は、半導体レーザ素子として使用することができる。
【0064】上記半導体発光素子においても、n型クラ
ッド層51、活性層52、p型クラッド層53を形成す
るAg(GawAlxIny)(SzSe1-z2の各組成比
w、x、y、zを調節することにより、他の色の発振を
する半導体発光素子が得られる。例えば、n型クラッド
層51、活性層52、p型クラッド層53を以下の半導
体を用いて形成すると、赤色光が得られる。
【0065】n型クラッド層51:AgGa(S0.49
0.512、厚さ1μm、活性層52:AgIn(S
0.82Se0.182、厚さ0.08μm、、p型クラッド
層53:AgGa(S0.49Se0.512、厚さ1μm。
【0066】この半導体発光素子の発振波長は620n
mであった。
【0067】また、発光色が青色とするには、例えば、
活性層52をAgAlSe2を用いて形成すればよい。
この場合に、クラッド層51、53が活性層52よりも
大きなエネルギーギャップ、低い屈折率を有するように
例えばAgAl(S0.35Se 0. 652を用いると活性層
52の格子定数は上記クラッド層の格子定数から約2.
5%ずれるが、その場合は、歪による結晶性の低下を防
ぐため活性層52の厚さを十分薄く、例えば70オング
ストローム程度とすればよい。
【0068】本構成の場合、活性層52のエネルギーギ
ャップに対応する発光波長は490nm(水色)である
が、活性層厚が十分薄いため量子効果により約470n
mの波長(青色)が得られる。
【0069】さらに、基板と格子整合したAgAl(S
0.35Se0.652を用いて活性層52を形成する場合に
は、例えば、MgSeのように、InPと格子整合可能
で、かつAgAl(S0.35Se0.652より屈折率の低
い半導体材料を用いてクラッド層51、53を形成する
こともできる。MgSeはII−VI族化合物半導体である
が、図7に示すように、InPとほぼ格子整合すること
ができ、かつ禁制帯幅がAgAl(S0.35Se0.652
より十分大きく、また発振光を吸収しない。InPと格
子整合可能で、かつ活性層より低い屈折率を有する材料
であれば、MgSe以外の材料でもクラッド像51、5
3を形成する材料として用いることができる。
【0070】なお、MgSeを用いた場合には、図6中
に破線で示すようにクラッド層53とInPコンタクト
層55との間に、クラッド層53の禁制帯幅とInPコ
ンタクト層55の禁制帯幅の中間の値の禁制帯幅を有す
るバッファ層54を設ける構成とすると好ましい。クラ
ッド層53の禁制帯幅とInPコンタクト層55の禁制
帯幅との差が大きいためにこれら2層の界面ではの抵抗
が大きくなるが、上記バッファ層54を該2層の間に介
在させることによって抵抗の増大を防ぐことができる。
このようなバッファ層54としては、例えば、p型Ag
In(S0.82Se0.182を用いて、厚さ0.3μmに
形成した層が用いられるが、クラッド層53の禁制帯幅
とInPコンタクト層55の禁制帯幅の中間の値の禁制
帯幅を有する材料であればよい。
【0071】活性層52をAgAl(S0.35Se0.65
2を用いて形成し、クラッド層51、53を上記MgS
eを用いて形成し、さらに上記バッファ層54としてp
型AgIn(S0.82Se0.182を用いて形成した半導
体発光素子においては、450nmで発振し、青色光が
得られた。
【0072】実施例4の半導体発光素子においては、簡
単のため、電極ストライプ型のダブルヘテロ構造の素子
とした例を示したが、クラッド層を二重にしたSCH
(Separate Confinement Heterostructure)型、GRI
N−SCH(Graded Index Separate Confinement Hete
rostructure)型等のGaAs系やInP系の半導体レ
ーザ素子として用いられている他の構造においても本発
明を適用することができる。また、通常の埋込リッジス
トライプ型構造とすることにより光学特性が改善され、
光ディスクシステムにも用い得る半導体発光素子とする
ことができる。
【0073】本発明を適用した半導体発光素子において
は、発振されるレーザ光の集光径が最大0.5μm程度
である半導体レーザ素子を提供することが可能である。
よって、従来のGaAs系半導体レーザ素子の集光径が
最大0.8μm程度であることと比較すると、集光径の
上限を40%程度小さくすることができる。そのため、
光ディスク記録システムの記録密度を従来より2.5倍
程度まで向上させることができる。
【0074】
【発明の効果】本発明によれば、赤色から青色の領域内
で高輝度の発光が可能な半導体発光素子を、品質の高い
1つの基板および同一系の半導体材料を用いて形成する
ことができる。よって、3原色のそれぞれの発光が可能
な素子が得られるので、フルカラーディスプレーを実現
することができる。
【0075】さらに、1つの基板を用いて複数の半導体
層を形成し、それぞれの禁制帯幅を変化させることによ
って発光色がそれぞれ異なる複数の発光部を形成するこ
とができるので、単色発光する素子のみならず、1つの
基板を用いてフルカラーディスプレーを形成することが
でき、かつ白色発光するディスプレーをも作製すること
ができる。
【0076】また、本発明によれば、赤色から青色領域
において高効率発振でき、半導体レーザとして利用でき
る半導体発光素子を作製することができる。本発明の半
導体発光素子を使用することによりフルカラーレーザプ
リンタを実現できる。さらに、光ディスクシステム、光
磁気記録ディスクシステム等に好適に使用することがで
き、本発明の半導体発光素子を用いることによってこれ
らシステムの高密度化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】実施例1の半導体発光素子を示す要部斜視図で
ある。
【図2】実施例1の半導体発光素子の製造工程の説明図
である。
【図3】実施例2の半導体発光素子を示す模式図であ
る。
【図4】実施例3の半導体発光素子を示す模式図であ
る。
【図5】実施例3の半導体発光素子の要部の禁制帯幅構
造を示す図である。
【図6】実施例4の半導体発光素子の要部斜視図であ
る。
【図7】InPとAg(GawAlxIny)(SzSe
1-z2における格子定数と禁制帯幅との関係および発光
波長との関係を表す図である。
【符号の説明】
100 InP基板 11 n型半導体層 12 p型半導体層 13 InPコンタクト層 300 InP基板 31、32、33 p型半導体層 34、35、36 n型領域 400 InP基板 41、43、45 ノンドープバリア層 42、44 ノンドープ発光層 500 InP基板 51 n型クラッド層 52 活性層 53 p型クラッド層 55 InPコンタクト層
フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭54−72670(JP,A) 特開 昭54−74673(JP,A) 特開 昭50−57592(JP,A) 特開 平2−283079(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01L 33/00 H01S 3/18

Claims (5)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 InP半導体基板上に複数の半導体層を
    含む積層構造が形成され、該積層構造が、それぞれカル
    コパライト族化合物半導体層であって発光波長がお互い
    に異なるAgIn(SzSe1-z2第1層、AgGa
    (SzSe1-z2第2層、及びAgAl(SzSe1-z2
    第3層(但しzは0より大で1未満であり、各層のzの
    値は異なっても良い)を含み、該第1層、該第2層、及
    び該第3層の各々の格子定数が該InP半導体基板の格
    子定数にほぼ等しい、半導体発光素子。
  2. 【請求項2】 前記第1層、前記第2層、及び前記第3
    層が階段形状に形成されており、該第1層、該第2層、
    及び該第3層の各々に対する電極が設けられている、請
    求項1に記載の半導体発光素子。
  3. 【請求項3】 前記積層構造は、前記InP基板上に、
    前記第1層、前記第2層、前記第3層の順に形成されて
    成る、請求項1又は2に記載の半導体発光素子。
  4. 【請求項4】 前記積層構造は、前記InP基板と前記
    第1層との間にAg(In w Ga 1-w )(S z Se 1-z 2
    層が設けられると共に、前記第1層と前記第2層との間
    にAg(Ga w Al 1-w )(S z Se 1-z 2 層(但しz,
    wは0より大で1未満であり、各層のz,wの値は異な
    っても良い)が設けられて成る、請求項3に記載の半導
    体発光素子。
  5. 【請求項5】 前記第1層、前記第2層、及び前記第3
    層が、それぞれAgIn(S 0.82 Se 0.18 2 層、Ag
    Ga(S 0.49 Se 0.51 2 層、及びAgAl(S 0.35
    0.65 2 層である、請求項1から5のいずれか1項に
    記載の半導体発光素子。
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