JP3140123B2

JP3140123B2 - 半導体発光素子

Info

Publication number: JP3140123B2
Application number: JP34100191A
Authority: JP
Inventors: 暁渡辺
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 1991-12-24
Filing date: 1991-12-24
Publication date: 2001-03-05
Anticipated expiration: 2016-03-05
Also published as: JPH05175546A

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、
特に半導体基板上に導電型の異なる少なくとも二層の半
導体層を島状に形成した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法
やＭＢＥ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２に基づいて説
明する。図２は、従来の半導体発光素子の断面図であ
り、１は例えばｐ−ＧａＡｓなどから成る半導体基板、
２はバッファ層、３は半導体基板１と同じ導電型を呈す
る第一の半導体層、４は第一の半導体層３と半導体接合
部を形成する逆導電型を呈する第二の半導体層、５はバ
ンドギャップを大きくするために半導体の混晶比を変え
た第三の半導体層、６は上部電極８とオーミックコンタ
クトをとるための逆導電型不純物を多量に含むオーミッ
クコンタクト層、７は例えば窒化シリコン（ＳｉＮx ）
などから成る絶縁層である。このオーミックコンタクト
層６上の絶縁層７には、小孔７ａが形成されており、こ
の小孔７ａを介してオーミックコンタクト層６が上部電
極８に接続されている。また、半導体基板１の裏面側に
は、半導体基板１とオーミックコンタクトをとるための
下部電極９が設けられている。

【０００４】このように構成された半導体発光素子の動
作を説明すると、上部電極８を正、下部電極９を負とし
て順バイアス方向に電圧を印加すると、逆導電型を呈す
る第二の半導体層４より、第一の半導体層３へ少数キャ
リアが注入され、第二の半導体層４と第一の半導体層３
の界面である半導体接合部の第一の半導体層３側界面に
て、キャリアが再結合して発光する。発光した光は、第
二の半導体層４、第三の半導体層５、および絶縁層７を
通り、外部へ取り出される。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところが、上述した従
来の半導体発光素子では、下部電極９を半導体基板１の
裏面側の全面に形成していることから、上部電極８直下
の半導体接合部に電流が集中して流れ、したがって上部
電極８直下の半導体接合部が最も強く発光するものの、
その大部分は上部電極８によって外部への光の取り出し
が妨げられ、その結果、外部発光効率が著しく減少する
という問題があった。

【０００６】

【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を解決するために
なされたものであり、その特徴とするところは、半導体
基板上に導電型の異なる少なくとも二層の半導体層を島
状に形成して、この半導体層上から半導体基板上にかけ
て絶縁膜を形成するとともに、この半導体層上と半導体
基板上との前記絶縁膜に小孔を設け、この小孔を電極と
の接続部とした半導体発光素子であって、前記半導体層
上部の小孔を半導体層上部の端部に設けるとともに、前
記半導体基板上の小孔を前記半導体層上部の小孔が形成
された端部とは反対の端部側の半導体基板上に設けた点
にある。

【０００７】

【作用】上記のように構成すると、半導体接合部で発光
した光が直上部の電極に妨げられることなく外部に取り
出されるため、外部発光効率が著しく向上する。

【０００８】

【実施例】以下、本発明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は半導体基板、２はバッファ
層、３は半導体基板１と同じ導電型を呈する第一の半導
体層、４は第一の半導体層３と半導体接合部を形成する
逆導電型の不純物を含有する第二の半導体層、５は第三
の半導体層、６は上部電極８とオーミックコンタクトを
とるための逆導電型不純物を多量に含むオーミックコン
タクト層、７は例えば窒化シリコン（ＳｉＮx ）などか
ら成る絶縁膜である。

【０００９】前記半導体基板１は、例えばｎ−ＧａＡｓ
などのIII-Ｖ族化合物半導体から成る半導体基板、ある
いは（１００）面から（００１）面に２°オフして切り
出した単結晶シリコン基板などで構成され、アンチモン
（Ｓｂ）などから成るドナーを１０¹⁷個／ｃｍ³程度含
有させた半導体基板が用いられる。

【００１０】前記半導体基板１上には、一導電型、例え
ばｎ型不純物を含有するバッファ層２が形成されてい
る。このバッファ層２は、例えばＧａＡｓなどのIII-Ｖ
族化合物半導膜などから成る。このバッファ層２は、シ
リコン（Ｓｉ）などから成るドナーを１０¹⁸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ＴＭＧ
ａガス、ＡｓＨ₃ガス、および半導体用不純物元素源と
なるＳｉＨ₄ガスを用いたＭＯＣＶＤ法によりＧａＡｓ
膜を成長させるとともに、６００〜６５０℃に上げてＧ
ａＡｓ膜を成長（二段階成長法）させ、次に３００〜９
００℃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、シリコン基板１
とＧａＡｓ層２の格子定数の相違に起因するミスフィッ
ト転移を低減させるように形成する。

【００１１】前記バッファ層２上には、一導電型不純物
を含有する第一の半導体層３が形成されている。この第
一の第一の半導体層３は、例えばＡｌ_XＧａ_1-XＡｓな
どから成り、シリコンなどから成るドナーを１０¹⁷個／
ｃｍ³程度含有している。このＡｌ_XＧａ_1-XＡｓなど
から成る第一の半導体層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法により形成され、Ａ
ｌの混晶比Ｘは、例えば０．３または０．６５などに設
定される。

【００１２】前記第一の半導体層３上には、第二の半導
体層４が形成される。この第二の半導体層４は、例えば
Ａｌ_yＧａ_1-yＡｓなどから成り、逆導電型、例えばｐ
型半導体用不純物となる亜鉛（Ｚｎ）などのアクセプタ
を１０¹⁷個／ｃｍ³程度含有している。このＡｌ_yＧａ
_1-yＡｓなどから成る第二の半導体層４は、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ＭＯＣＶＤ法によ
り形成され、７００ｎｍ程度の波長を有する光を発光す
るためにＡｌの混晶比ｙは、例えば０．３などに設定さ
れる。前述の第一の半導体層３とこの第二の半導体層４
とで半導体接合部が形成され、発光部が形成される。

【００１３】前記第二の半導体層４上には、第三の半導
体層５が形成されている。この第三の半導体層５は、例
えばＡｌ_zＧａ_1-zＡｓなどから成り、厚みは１μｍ程
度に形成される。このＡｌ_zＧａ_1-zＡｓなどから成る
第三の半導体層５も、ＴＭＡｌガス、ＴＭＧａガス、Ａ
ｓＨ₃ガス、および逆導電型、例えばｐ型を呈する半導
体用不純物元素源となるＤＭＺｎガスを用いたＭＯＣＶ
Ｄ法により形成される。この第三の半導体層５のＡｌ_z
Ｇａ_1-zＡｓのＡｌの混晶比ｚは、バンドギャップを大
きくするために、例えばｚ＝０．６５などに設定して形
成される。

【００１４】前記第三の半導体層５上には、逆導電型不
純物を多量に含有するオーミックコンタクト層６が形成
されている。このオーミックコンタクト層６は、例えば
ＧａＡｓなどのIII-Ｖ族化合物半導体で構成され、上部
電極７とオーミックコンタクトをとるために、亜鉛（Ｚ
ｎ）などから成る逆導電型不純物を高濃度に含有させて
ある。

【００１５】上記半導体基板１上のバッファ層２、第一
ないし第三の半導体層３、４、５、およびオーミックコ
ンタクト層６は、発光素子の輪郭形状を形成するように
エッチングなどによって島状に形成されている。

【００１６】前記半導体基板１および島状に形成された
複数の半導体層２〜６上には、保護層となる絶縁層７が
形成されている。この絶縁層７は、例えば窒化シリコン
膜（ＳｉＮ_X）や酸化シリコン膜（ＳｉＯ₂）などで形
成される。この絶縁層７は、例えばシランガスとアンモ
ニアガスや笑気ガスなどを用いたプラズマＣＶＤ法など
で形成される。

【００１７】前記絶縁層７のオーミックコンタクト層６
上と半導体基板１上には、小孔７ａ、７ｂが形成されて
いる。この小孔７ａ、７ｂは、例えば弗酸などを用いた
エッチングによって形成される。

【００１８】前記オーミックコンタクト層６上の小孔７
ａには、上部電極８が形成されており、半導体基板１上
の小孔７ｂには、下部電極９が形成されている。この上
部電極８と下部電極９とは、Ａｇ、Ａｇ／Ｚｎ、或いは
Ａｕ／Ｃｒなおから成り、蒸着法などで厚み５０００Å
程度に形成される。この場合、図１に示すようにオーミ
ックコンタクト層６上部の小孔７ａをオーミックコンタ
クト層６上部の端部に設けるとともに、半導体基板１上
の小孔７ｂをオーミックコンタクト層６上部の小孔７ａ
が形成された端部とは反対の端部側の半導体基板１上に
設ける。すなわち、このように形成すると、電流は、島
状の複数の半導体層を斜めに横切るように流れ、しかも
上部電極８が発光の妨げにもならない。また、本発明で
は、バッファ層２、第一の半導体層３、第二の半導体層
４、第三の半導体層５、およびオーミックコンタクト層
６から成る複数の半導体層を設けたが、この例に限定さ
れるものではなく、半導体接合部を形成できる少なくと
も二層の半導体層があればよい。

【００１９】以上のように構成された半導体発光素子で
は、上部電極８を負、下部電極９を正として順バイアス
方向に電流を印加すると、第二の半導体層４より第一の
半導体層３へ少数キャリアが注入され、第一の半導体層
３と第二の半導体層４の界面である半導体接合部の第一
の半導体層３側界面にて再結合して発光する。そして、
上部電極８とオーミックコンタクト層６との接続部と下
部電極９を対向する位置に設けたことにより、上部電極
８から下部電極９への電流の流れが、第一の半導体層３
と第二の半導体層４の界面である半導体接合部全体に広
がり、よって発光した光が上部電極８に妨げられること
なく有効に取り出される。

【００２０】

【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、半導体層上から半導体基板上にかけて形
成した絶縁膜の半導体層上と半導体基板上とに小孔を設
けて電極との接続部とした半導体発光素子において、上
記半導体層上部の小孔を半導体層上部の端部に設けると
ともに、半導体基板上の小孔を半導体層上部の小孔が形
成された端部とは反対の端部側の半導体基板上に設けた
ことから、発光部である半導体接合部全体に電流が広が
り、発光した光が電極に妨げられることなく有効に外部
に取り出すことができ、もって発光効率を大幅に向上さ
せることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る半導体発光素子の断面図である。

【図２】従来の半導体発光素子の断面図である。

【符号の説明】

１・・・半導体基板、２〜６半導体層、７・・・絶縁
膜、８、９・・・電極。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】半導体基板上に導電型の異なる少なくと
も二層の半導体層を島状に形成して、この半導体層上か
ら半導体基板上にかけて絶縁膜を形成するとともに、こ
の半導体層上と半導体基板上との前記絶縁膜に小孔を設
け、この小孔を電極との接続部とした半導体発光素子で
あって、前記半導体層上部の小孔を半導体層上部の端部
に設けるとともに、前記半導体基板上の小孔を前記半導
体層上部の小孔が形成された端部とは反対の端部側の半
導体基板上に設けたことを特徴とする半導体発光素子。