JP3817323B2 - 半導体発光素子の製法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、1チップで少なくとも2色の色の光を発光する半導体発光素子の製法に関する。さらに詳しくは、1つの半導体基板上に異なる半導体材料により発光層形成部が少なくとも2個形成される1チップ型の半導体発光素子の製法に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、半導体発光素子は、p形層とn形層とが直接接合するpn接合、またはその間に活性層が挟持されるダブルヘテロ接合の構造になっており、p形層とn形層との間に順方向の電圧が印加されることにより、pn接合部または活性層でキャリアが再結合して発光する。
【0003】
このような半導体発光素子で、たとえば赤色系(赤色から黄色)の光を発光する発光素子チップ(以下、LEDチップという)の一例は、図3(a)に示されるような構造になっている。すなわち、n形のGaAsからなる半導体基板21上に、たとえばn形のAlGaInP系の半導体材料からなるn形クラッド層22、クラッド層よりバンドギャップエネルギーが小さくなる組成のノンドープのAlGaInP系の半導体材料からなる活性層23、p形のAlGaInP系の半導体材料からなるp形クラッド層24がそれぞれエピタキシャル成長され、ダブルヘテロ接合構造の発光層形成部29が形成されている。さらにその表面にGaPからなるp形のウィンドウ層(電流拡散層)25が順次エピタキシャル成長され、その表面にp側電極27、半導体基板21の裏面側にn側電極28がそれぞれAu-Zn-Ni合金やAu-Ge-Ni合金などにより形成されることにより構成されている。このAlGaInP系化合物半導体を用いた発光素子は、その組成を変えても赤色から黄色までの1つの波長しか発光しない。
【0004】
一方、図3(b)に示されるようなn形のGaP基板31上にn形GaP層32およびp形GaP層33が形成され、それぞれにp側電極34およびn側電極35が設けられる発光素子は黄色から緑色の1色しか発光しない。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
前述のように、従来の半導体発光素子は、1チップで1色の光しか発光しない。しかし、市場では同一発光源からの2色以上の発光や、2色以上を混合した任意の色の発光が要求されたり、3原色の混合によるフルカラーの発光源が望まれている。このような場合、2個以上の発光素子チップをダイボンディングしたり、2個以上の発光素子を装置内に組み込まなければならず、装置が大型化したり、コストアップの原因となる。
【0006】
一方、AlGaInP系化合物半導体を用いた赤色系の発光素子では、前述のように、電流拡散層とするために緑色の発光用のGaP層が用いられる場合がある。
【0007】
本発明は、このような状況に鑑みてなされたもので、1チップで少なくとも2色の光を発光する安価な半導体発光素子の製法を提供することを目的とする。
【0008】
本発明の他の目的は、前述の少なくとも2色の光を発光する具体的な構造の半導体発光素子の製法を提供することにある。
【0009】
【課題を解決するための手段】
本発明による半導体発光素子の製法は、半導体基板上に第1の発光部を形成するように半導体層を積層することにより第1の発光層形成部を形成し、該第1の発光層形成部上に直接、該第1の発光層形成部に対してウインドウ層となる半導体からなる第1導電形層を成長し、さらにその上に第2導電形層を成長して、第2の発光部を形成するように積層することにより第2の発光層形成部を形成し、該第2の発光層形成部を構成する前記第1導電形層および第2導電形層の一部を前記第1導電形層が露出するまでエッチングすることにより露出して残存する前記第1導電形層を前記第1の発光部のウインドウ層とし、該露出した前記第1導電形層の表面から前記第1の発光層形成部に分離溝を形成することにより前記第1および第2の発光部を分離し、該分離溝を挟んで両側に露出する前記第1導電形層の露出面に第1の発光部用および第2の発光部用として電極を形成すると共に、前記第2の発光層形成部上の第2導電形層の露出面および前記半導体基板の露出面にそれぞれ電極を形成することを特徴とする。
【0010】
前記第1の発光層形成部をAlGaInP系またはAlGaAs系化合物半導体により形成し、前記第2の発光層形成部をGaP化合物半導体により形成することにより少なくとも2色の1チップ型発光素子が得られる。さらに具体的には、前記第1の発光部を、GaAs基板上にAlGaInP系化合物半導体の積層構造からなる第1の発光層形成部と、GaP層からなるウインドウ層との積層構造により形成し、前記第2の発光部を、前記第1の発光部のGaP層と、該GaP層の導電形と異なる導電形のGaP層との積層構造により形成することができる。
【0011】
ここにAlGaInP系化合物半導体とは、(Alx Ga1-x )0.51In0.49Pの形で表され、xの値が0と1との間で種々の値のときの材料を意味する。なお、(Alx Ga1-x )とInの混晶比率の0.51および0.49はAlGaInP系化合物半導体が積層されるGaAsなどの半導体基板と格子整合される比率であることを意味する。また、AlGaAs系化合物半導体とは、AlとGaの混晶比率が種々変わり得ることを意味する。他の化合物半導体についても同様である。
【0013】
【発明の実施の形態】
つぎに、図面を参照しながら本発明の半導体発光素子の製法について説明をする。
【0014】
本発明の製法により得られる半導体発光素子は、その一実施形態の断面説明図が図1(a)に示されるように、同一の半導体基板1上に第1の発光部15と第2の発光部16とが形成され、それぞれの発光部に独立して電極9、10および11、12が設けられている。図1(a)に示される例では、第1の発光部15はその発光層形成部5がAlGaInP系化合物半導体からなり赤色系の光を発光し、第2の発光部16はその発光層形成部8がGaP化合物半導体からなり緑色系の光を発光する。すなわち、1つの半導体基板1上に赤色系と緑色系の異なる波長の光を発光する発光部15、16が少なくとも2つ設けられていることに特徴がある。
【0015】
第1の発光部15は、n形GaAs基板1上にn形AlGaInP系化合物半導体からなるn形クラッド層2と、該クラッド層よりバンドギャップエネルギーの小さい組成のノンドープのAlGaInP系化合物半導体からなる活性層3と、n形クラッド層2と同じ組成のp形AlGaInP系化合物半導体からなるp形クラッド層4とからなる発光層形成部5が積層され、その表面にp形GaPからなるウインドウ層6が設けられ、その表面にp側電極9が、GaAs基板1の裏面にn側電極10が、それぞれAu-Ti合金またはAu-Zn-Ni合金やAu-Ge-Ni合金などにより設けられることにより形成されている。
【0016】
第2の発光部16は、第1の発光部15の各半導体層が積層された後に、第1の発光部15のウインドウ層6とされた層と同じ層のp形GaP層6aの上にn形GaP層7がさらに積層されることにより、発光層形成部8が形成され、その表面に前述と同様の材料により、n側電極12およびn形GaP層7の一部がエッチングされて露出するp形GaP層6aに設けられるp側電極11とにより構成されている。
【0017】
このような半導体発光素子を製造するには、半導体層を積層した状態の工程の断面説明図が図1(b)に示されるように、たとえば有機金属化学気相成長法(MOCVD法)により、n形のGaAs基板1をMOCVD装置内に入れ、反応ガスのトリエチルガリウム(以下、TEGという)またはトリメチルガリウム(以下、TMGという)、トリメチルアルミニウム(以下、TMAという)、トリメチルインジウム(以下、TMInという)、およびホスフィン(以下、PH3 という)と、SeのドーパントガスであるH2 Seとをキャリアガスの水素(H2 )と共に導入し、たとえば(Al0.7 Ga0.3 )0.51In0.49Pからなるn形クラッド層2を0.5μm程度、反応ガスのTMAを減らしてTEGまたはTMGを増やし、たとえばノンドープの(Al0.25Ga0.75)0.51In0.49Pからなる活性層3を0.5μm程度、n形クラッド層2と同様の反応ガスで、H2 Seの代わりに、Znのドーパントガスとしてのジメチル亜鉛(DMZn)を導入して(Al0.7 Ga0.3 )0.51In0.49Pからなるp形クラッド層4を0.5μm程度エピタキシャル成長し、発光層形成部5を形成する。
【0018】
さらに、反応ガスをTEGまたはTMGとPH3 にして、p形のGaPからなるウインドウ層6を1〜20μm程度成長する。さらに、ドーパントガスをH2 Seに変えてさらにn形のGaP層7を積層し、前述のウインドウ層のp形GaP層6と共に発光層形成部8とする(図1(b)参照)。
【0019】
その後、第1の発光部15の部分および第2の発光部16の電極形成部とする部分のn形GaP層7を水酸化ナトリウムを用いる化学エッチングまたは塩素ガスを用いる反応性イオンエッチングによりエッチングをしてウインドウ層6およびp形GaP層6aの一部を露出させる。その後、さらにマスクをしなおして、第1の発光部15と第2の発光部16とを分離すべく、その境界部で、積層された半導体層のn形クラッド層2(または基板1)が露出するまでエッチングをして図1(a)に示されるように、分離溝13を形成する。
【0020】
その後、エッチングにより露出するGaP層の分離溝13により分離された両側(ウインドウ層6の表面およびp形GaP層6aの表面)、積層された半導体層のn形GaP層7の表面、および半導体基板1の裏面にそれぞれAu-Ti合金またはAu-Zn-Ni合金などからなるp側電極9、11およびAu-Ge-Ni合金などからなるn側電極12、10をそれぞれ形成し、ダイシングしてチップ化する。
【0021】
本発明によれば、同一の半導体基板1上に第1の発光部15と第2の発光部16が設けられており、第1の発光部15は、たとえばAlGaInP系化合物半導体による赤色系の色を発光する。また、第2の発光部16は、第1の発光部15用に積層されたAlGaInP系化合物半導体層上のp形GaP層6aと、その上にさらに積層されるn形のGaP層7との積層構造により発光層形成部8が形成されており、緑色系の光を発光する。そして、それぞれの第1の発光部15および第2の発光部16に電極が別々に設けられているため、第1の発光部15の電極9、10に順方向の電圧が印加されることにより、赤色系の光を発光し、第2の発光部16の電極11、12に順方向の電圧が印加されることにより、緑色系の光を発光する。また、両方を同時に発光させることにより、その混色の発光をさせることができ、さらに、一方の発光部の印加電圧を下げて弱くすることにより、混色の色を変化させることができる。その結果、どちらの発光部の電極に電圧を印加するかにより、または両方を同時に発光させることにより、所望の色の発光をさせることができる。なお、図1(a)では、光が積層される半導体層の表面側に発光するように矢印が示されているが、発光層形成部で発光する光は四方に発光し、たとえば両側面から発光する光を利用して同時に異なる色の光を反対方向に発光させることもできる。
【0022】
前述の例では、第1の発光部と第2の発光部とを発光層形成部が分離するように、分離溝が形成されているため、両発光部を分離して各々に電極を独立して設けることによりそれぞれ独立に発光を制御することができるが、図2に示されるように、両発光部15、16を分離しないで、第1の発光部のp形電極と第2の発光部のp側電極とを共用にして共用電極14とすることもできる。このようにすることにより、電極を設ける面積が小さくなり、同じ発光量を得るのに小さい面積で済み、チップを小形化することができる。この場合でも、それぞれの発光部を独立に制御することができ、前述と同様に所望の色の発光をさせることができる。なお、図2において、図1と同じ部分には同じ符号を付してその説明を省略する。
【0023】
さらに、前述の例では、赤色系の発光部を形成するのにAlGaInP系化合物半導体を用いたが、AlGaAs系化合物半導体を用いることもできる。また、前述の例では赤色系と緑色系の2色の例であったが、青色など他の色との組合せでもよく、もちろん3色以上の発光部が設けられていてもよい。また、2以上の発光部を形成するための半導体層の積層を第1の発光部用の半導体層の上にさらに積層するのではなく、半導体基板上にそれぞれ部分的に選択成長をすることにより、別々に発光部を形成してもよい。このような場合でも、2以上の光を発光するチップの小形化を図ることができる。
【0024】
さらに、前述の例では、第1の発光部は発光層形成部がダブルヘテロ接合構造で、第2の発光部がホモpn接合構造であったが、これらの発光層形成部の構造はこれらに限定されることはなく自由に選択される。また、半導体層を積層して2以上の発光部を形成する場合でも、上下の半導体層の構造やその積層方法も限定されず、自由に選択される。
【0025】
【発明の効果】
本発明によれば、1個の半導体チップで2色以上の発光をすることができるため、多色または所望の色の発光をさせる場合でも、1個の半導体チップを組み込めばよく、小形で安価な所望の色の発光素子を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の製法により得られる半導体発光素子の一例の断面説明図である。
【図2】 本発明の製法により得られる半導体発光素子の他の例の断面説明図である。
【図3】 従来の半導体発光素子の構造例を示す図である。
Claims (3)
- 半導体基板上に第1の発光部を形成するように半導体層を積層することにより第1の発光層形成部を形成し、該第1の発光層形成部上に直接、該第1の発光層形成部に対してウインドウ層となる半導体からなる第1導電形層を成長し、さらにその上に第2導電形層を成長して、第2の発光部を形成するように積層することにより第2の発光層形成部を形成し、該第2の発光層形成部を構成する前記第1導電形層および第2導電形層の一部を前記第1導電形層が露出するまでエッチングすることにより露出して残存する前記第1導電形層を前記第1の発光部のウインドウ層とし、該露出した前記第1導電形層の表面から前記第1の発光層形成部に分離溝を形成することにより前記第1および第2の発光部を分離し、該分離溝を挟んで両側に露出する前記第1導電形層の露出面に第1の発光部用および第2の発光部用として電極を形成すると共に、前記第2の発光層形成部上の第2導電形層の露出面および前記半導体基板の露出面にそれぞれ電極を形成することを特徴とする半導体発光素子の製法。
- 前記第1の発光層形成部をAlGaInP系またはAlGaAs系化合物半導体により形成し、前記第2の発光層形成部をGaP化合物半導体により形成する請求項1記載の半導体発光素子の製法。
- 前記第1の発光部を、GaAs基板上にAlGaInP系化合物半導体の積層構造からなる第1の発光層形成部と、GaP層からなるウインドウ層との積層構造により形成し、前記第2の発光部を、前記第1の発光部のGaP層と、該GaP層の導電形と異なる導電形のGaP層との積層構造により形成する請求項2記載の半導体発光素子の製法。
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