JP3822624B2

JP3822624B2 - 半導体発光素子

Info

Publication number: JP3822624B2
Application number: JP2004359321A
Authority: JP
Inventors: 幸男尺田; 俊次中田; 幸生松本
Original assignee: Rohm Co Ltd
Current assignee: Rohm Co Ltd
Priority date: 2004-12-13
Filing date: 2004-12-13
Publication date: 2006-09-20
Anticipated expiration: 2017-03-13
Also published as: JP2005072628A

Description

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に関する。

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。

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。

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。

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。

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。

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色の光を発光する半導体発光素子を安価に提供することを目的とする。

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を提供することにある。

基板と、前記基板上に積層される第１発光層形成部を有する第１の発光部と、前記第１発光層形成部上に積層される一方導電型層およびその上に積層される他方導電型層から形成される第２発光層形成部とを有する第２の発光部と、からなる半導体発光素子であって、
前記第１の発光部は、前記第２発光層形成部の一部をエッチングにより除去して露出した前記一方導電型層を前記第１発光層形成部上に有し、前記一方導電型層上に設けられた第１電極と、前記基板の第１の発光部が形成される側と反対側に設けられた第２電極と、を備え、
前記第２の発光部は、前記第２の発光部を構成する一方導電型層上に設けられた第３電極と、前記他方導電型層上に設けられた第４電極と、を備え、
前記第１の発光部と前記第２の発光部との間には、前記第１の発光部を構成する前記一方導電型層と前記第２発光層形成部を構成する前記一方導電型層とを分離するとともに、第１発光層形成部と前記第２発光層形成部下の第１発光層形成部とを分離する分離溝を有しており、これによって、前記第１の発光部と前記第２の発光部とが分離されており、
前記第１の発光部が、前記第１電極及び第２電極との間に印加される順方向電圧によって前記第１発光層形成部から発光し、前記第２の発光部が、前記第３電極及び第４電極との間に印加される順方向電圧によって前記第２発光層形成部から発光し、これによって、前記第１の発光部と前記第２の発光部とから発光する光が異なる波長であることを特徴とする。
このような構造にすることにより、第１の発光部および第２の発光部が分離溝によって分離されるとともに、それぞれに電極が独立して設けられているので、両発光部の発光を独立して制御することができる。また、第１の発光部と第２の発光部とが同一の基板を用いているので、２個のチップを用いるより素子が小型化し、コストダウンをすることができるとともに、同一光源から少なくとも２色の光を発光したり、任意の混色の光を発光することができる。

また、前記第１の発光部が赤色系の波長の光を発光し、前記第２の発光部が緑色系の波長の光を発光することを特徴とする。また、前記第１発光層形成部が、ＡｌＧａＩｎＰ系またはＡｌＧａＡｓ系化合物半導体を含み、ｎ形半導体層と活性層とｐ形半導体層とからなるダブルへテロ接合構造であることを特徴とする。さらに、前記第２発光層形成部が、ＧａＰ化合物半導体からなり、ｐ形半導体層とｎ形半導体層とからなるホモｐｎ接合構造であることを特徴とする。
このような構造にすることにより、赤色系と緑色系の少なくとも２色の１チップ型発光素子を得ることができる。また、両発光部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、混色の色の変化させることができる。

ここにＡｌＧａＩｎＰ系化合物半導体とは、（Ａｌ_x Ｇａ_1-x ）_0.51Ｉｎ_0.49Ｐ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、（Ａｌ_x Ｇａ_1-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。

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。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。

つぎに、図面を参照しながら本発明の半導体発光素子について説明をする。

本発明の半導体発光素子は、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。

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。

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。

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（Ａｌ_0.7 Ｇａ_0.3 ）_0.51Ｉｎ_0.49Ｐ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（Ａｌ_0.25Ｇａ_0.75）_0.51Ｉｎ_0.49Ｐ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（Ａｌ_0.7 Ｇａ_0.3 ）_0.51Ｉｎ_0.49Ｐ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。

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Ｈ₂Ｓｅ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）。

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。

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。

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。

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た。参考例として、図２を参照して、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とする構成について説明する。このように、第１の発光部の一方の電極と、第２の発光部の一方の電極とを、共通して設ける構成とすれば、電極の数を減らすことができる。これにより、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。

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。

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。

本発明の半導体発光素子の一実施形態の断面説明図である。半導体発光素子の参考例の断面説明図である。従来の半導体発光素子の構造例を示す図である。

符号の説明

１基板
２ｎ形クラッド層
４ｐ形クラッド層
５発光層形成部
６ａｐ形ＧａＰ層
７ｎ形ＧａＰ層
８発光層形成部
１５第１の発光部
１６第２の発光部

Claims

基板と、前記基板上に積層される第１発光層形成部を有する第１の発光部と、前記第１発光層形成部上に積層される一方導電型層およびその上に積層される他方導電型層から形成される第２発光層形成部とを有する第２の発光部と、からなる半導体発光素子であって、
前記第１の発光部は、前記第２発光層形成部の一部をエッチングにより除去して露出した前記一方導電型層を前記第１発光層形成部上に有し、前記一方導電型層上に設けられた第１電極と、前記基板の第１の発光部が形成される側と反対側に設けられた第２電極と、を備え、
前記第２の発光部は、前記第２の発光部を構成する一方導電型層上に設けられた第３電極と、前記他方導電型層上に設けられた第４電極と、を備え、
前記第１の発光部と前記第２の発光部との間には、前記第１の発光部を構成する前記一方導電型層と前記第２発光層形成部を構成する前記一方導電型層とを分離するとともに、第１発光層形成部と前記第２発光層形成部下の第１発光層形成部とを分離する分離溝を有しており、これによって、前記第１の発光部と前記第２の発光部とが分離されており、
前記第１の発光部が、前記第１電極及び第２電極との間に印加される順方向電圧によって前記第１発光層形成部から発光し、前記第２の発光部が、前記第３電極及び第４電極との間に印加される順方向電圧によって前記第２発光層形成部から発光し、これによって、前記第１の発光部と前記第２の発光部とから発光する光が異なる波長であることを特徴とする半導体発光素子。
前記第１の発光部が赤色系の波長の光を発光し、前記第２の発光部が緑色系の波長の光を発光することを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
前記第１発光層形成部が、ＡｌＧａＩｎＰ系またはＡｌＧａＡｓ系化合物半導体を含むことを特徴とする請求項１または２に記載の半導体発光素子。
前記第１発光層形成部が、ｎ形半導体層と活性層とｐ形半導体層とからなるダブルへテロ接合構造であることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の半導体発光素子。
前記第２発光層形成部が、ＧａＰ化合物半導体からなることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の半導体発光素子。
前記第２発光層形成部が、ｐ形半導体層とｎ形半導体層とからなるホモｐｎ接合構造であることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の半導体発光素子。