JPH03116879A

JPH03116879A - 多波長発光素子

Info

Publication number: JPH03116879A
Application number: JP1252435A
Authority: JP
Inventors: Masahito Yamada; 雅人山田; Takuo Takenaka; 卓夫竹中; Yukihiro Yamaguchi; 幸弘山口
Original assignee: Shin Etsu Handotai Co Ltd
Current assignee: Shin Etsu Handotai Co Ltd
Priority date: 1989-09-29
Filing date: 1989-09-29
Publication date: 1991-05-17

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は、中−のｐｎ接合で異なる発光波長の光を同時
に発光することができる多波長発光素子に関する。

（従来の技術）多色発光素子は、−個の素子で複数の色を同時に、又そ
れぞれ単独に発光させることによって。

光電スイッチ等に便利に用いられているが、近年、赤外
光が可視光でないことを利用する用途が拡大するに及び
、化合物半導体を利用した赤外線発光素子の需要も増大
しつつある。

所かる赤外線発光素子は、その発光が赤外領域にあるた
め、当該素子が動作不良であることを目視て判断するこ
とが困難であり、これを利用した電子装置の性能維持に
問題があった。

ところて、赤外発光と可視発光を１つの発光素子で可能
にする化合物半導体素子として、例えば特開昭５７−２
８３７１号公報には、ｎ型ＧａＡｓ結晶基板の一面にエ
ピタキシャル成長させたｎ型Ｇ　ａ　Ｘ　Ａ　ｌ　ｔ　
＋ｆｉ　Ａ　Ｓ結晶層、及びｐ　５　Ｇ　ａ　ＸＡｌ　
＋−ｍ　Ａ　ｓ結晶層により形成された第１のｐｎ接合
部と、前記ｎＰ！１ＧａＡｓ結晶基板の少なくとも一部
を除去して露出した前記ｎ型ＧａｘＡＪｌ　ｌ　−Ｗ　
Ａ　ｓ結晶層に、不純物を拡散して形成された第２のｐ
ｎ接合部とから成り、これら２つのｐｎ接合部を利用し
て発光させる多色発光半導体素子が提案されている。

（発明が解決しようとす、る課題）しかしながら、斯かる多色発光半導体素子にあって、赤
と赤外の２色を発光てきるものを製作する場合には、Ｇ
ａＡ３結晶基板の上にｎ型ＧａｘＡ見ｒ−ｍＡｓ結晶の
エピタキシャル成長層を形成し、該成長層表面にＺｎ拡
散によるｐＪ！！層を形成し、更にＧａＡｓ結晶基板を
除去して成長層１ν面に同じく２５層を形成することに
よって、ＧａｘＡ皇＋−＊Ａｓ混晶層に２つの逆方向の
ｐｎ接合部を形成させる必要がある。従って、その製造
工程が複雑であるばかりでなく、赤と赤外の２色を同時
に発光させるときにそれぞれのバイヤス電流のｍ節か必
要であり、赤外発光のモニターとして赤色可視光を用い
ることか難しい等の問題がある。

本発明は上記問題に鑑みてなされたもので、その目的と
する処は、単一のｐｎ接合によりて、多色、特に赤及び
赤外の２色を単一順方向バイヤス１「流によって同時に
発光し、特に赤外発光モニターとして利用することがで
きる経済的な多波長発光素子を提供することにある。

（課題を解決するための手段）上記目的を達成すべく本発明は、多波長発光素子を製造
するに際し、該多波長発光素子を、単一のｐｎ接合部を
有し、少数キャリアの拡散範囲内にバンドギャップの異
なる２種以上の発光層を有し、且つＧａＡｓ単結晶基板
上に少なくともＰ型Ｇ　ａ　ｔ−ｘｔＡ　Ｉ　ＸＩＡ　
Ｓ層、Ｐ　’！！　Ｇ　ａ　ｔ−ｘｚＡ　Ｉ　ＸｌＡ　
Ｓ層、Ｐ　’！！！　Ｇ　ａ　ｔ−ｘ３Ａ　ＪＩ　Ｘ３
Ａ　Ｓ層、ｎ型Ｇａ、−。

ＡｌｖＡｓ層を順次エピタキシャルＪ＆、反させて成り
ものとし、前記各層のＡｌｌ混晶比Ｘ　ｔ　＋　Ｘ２　
＋Ｘ３．Ｙの間に。

Ｙ＞Ｘ３　＞ＸｓＸ＋　　＞Ｘ！なる関係か成立するようにしたことをその特徴とする。

ここで、赤と赤外との２色の発光を実現するためには、
前記／ｌ混晶比ｘ２は約０６口５、Ｘ、は約０．３８が
それぞれ選ばれる。

又、ＧａＡｓ結晶基板を除去して多波長発光素子を製造
すれば、Ｐ　！１１０　ａ　ｌ−＋ｓｍＡ　ｌ　ｘｍＡ
　ｓ層とこれの発光面の両側においてバンドギャップの
大きい化合物半導体層とによってダブルへテロ構造が構
成されるため、Ｐ型Ｇ　ａ　ｌ−１ＩｘＡ　Ｊｌ　ｗｓ
Ａ　５層を発光層とする赤外発光の吸収が全くなくなり
、当該多波長発光素子は全体としてその外部発光効率か
高められる。

更に、Ｐ　’！！　Ｇ　ａ　１−Ｘ３Ａ　ｌ　ｗｓＡ　
ｓ層を発光層とする赤色発光においては、Ｐ　１１Ｇ　
Ｍ　＋−ｘａＡ　ｌ　ｘｗＡ　ｓ層が吸収層となるが、
これの片側のｎ型Ｇａ＋−ｖＡｉｖ　Ａｓ層とｐ　５　
Ｇ　ａ　ｌ−Ｘ２Ａ　Ｉ　ＸｊＡ　Ｓ層よりバンドギャ
ップの大きい化合物半導体層とでシングルへテロ構造か
構成されるため、高効率の発光な得ることができる。

（作用）本発明に係る多波長発光素子は、順方向のバイヤス電流
を加えたとき、ｎ５Ｇａ　ｌ−ｖ　ＡｌｖＡｓ層から注
入された電子は、先ず最初のｐ型Ｇ　ａ　＋　−ｘ３Ａ
　４１　ＸｊＡ　ｓ層で赤色発光し、　；：　ノｐ　５
Ｇａ＋−６ＡｎゎＡｓ層を通過した電子は次いで第２の
Ｐ　ｙ！！ｉＧ　ａ　ｌ−ｘｍＡ　ｉＬｗｔＡ　ｓ層に
到達するが、ここでは第３のＰ型’　ａ　ｔ−ｘｔＡ　
Ｉ　ＸＩＡ　ｓ層よりもＡｌ混晶比を少なく設定しであ
るのて、注入電子の拡散かエネルギー井戸のなかで阻止
され、この第２のＰ　ｍ　Ｇ　ａ　＋　−ＸｚＡ　ｇ、
ＸｚＡ　５層での電子密度か高められ、ホールとの再結
合によりバンドギャップに相当する強い発光が得られる
。

そして、第２のＰＩ！Ｇａ＋−ｘｔＡｌｘｘＡｓ層を通
過した注入電子は、第３のｐ型Ｇａｔ−ｘ＋Ａ皇×亀Ａ
ｓ層に到達するが、前述したようにこのバンドギャップ
は大きくなるように設定されているため、ここで注入電
子はエネルギー障壁のために、これを越えるのか難しく
なる。

而して１本発明に係る多波長発光素子のａ造的な特徴は
、前述したように、バンドエネルギー構造において、注
入電子の再結合のためのエネルギー井戸及び無用な拡散
を阻止するエネルギー阻止壁にある。

（実施例）以下に本発明の実施例を添付図面に基づいて説明する。

第１１ｇは本発明に係る多波長発光素子の構成を示す断
面図、第２図、第３図は同発光素子への順方向電流の印
加前、後におけるエネルギーバンド構造を示す図、第４
図は同発光素子の発光スペクトル図である。

第１図に本発明に係る多波長発光素子ｌＯの構成を示す
が、該多波長発光素子ｌＯはＧａＡｓ単結晶基板１１の
上に、エピタキシャル層としてｐ型層１，２．３を３層
、ｎ型層４を１層形成して構成される。

第１図において多波長発光素子１０はＧａＡｓ単結晶基
板１１（これは後にエツチングによりて除去される）上
にＰ型層　ａ　ｏ、　ｘ　Ａ　ｆｌ　ｏ、　ｔ　Ａ　Ｓ
　Ｎｊｌ、ダブルへテロ型の発光層であるＰ　５！　Ｇ
　ａ　ｏ、　５ｓＡｆＪ、□。％Ａｓ層２、シングルへ
テロ型の発光層であるＰ　’Ｉ　Ｇ　ａ　ｏ、　ｇｍＡ
　ｌ　ｏ　ｚａＡ　ｓ層３、ｎ型Ｇａｏ３Ａｌ。マＡｓ
層４を順次エピタキシャルＪ＆長させて構成される。即
ら、該多波長発光素子ｌＯは単一のｐｎ接合部を有して
おり、前記ｐ型発光Ｊｉ５２，３は少数キャリアの拡散
範囲内に形成されている。

尚、前記Ｐ型Ｇａｏ　３Ａｌｏ、ｔ　Ａｓ層ｌはＺｎを
２×ｌＯ鳳’／　Ｃｍ　’　ドープした厚さ１５ＱＩＬ
ｍの層であり、Ｐ型層　ａ　ｏ、　ｓｓＡ　ｌ　ｏ、　
ｏｓＡ　ｓ層２はＺｎを２ＸＩＯ’ツ／　ｃ　ｍコドー
プした厚さ１７ｚｍの層であり、ｐ型層　ａ　Ｏ，ｔｌ
Ａ　ｌ　ｏ３ａＡ　５層３はＺｎをｌＸｌ０”／ｃｍ’
　ｌ’−−プした厚さ５μｍの層である。又、前記ｎｙ
ｉＩＧａｏ、ｚ　Ａｌｏ、ｔ　Ａｓ層４はＴｅをｌ　Ｘ
　１０　”／　ｃ　ｍ’ドープした厚さ５０μｍの層で
ある。

ところで、ｐ型層である上記成長層１，２．３において
、ｐｎ接合を越えて拡散する電子の拡散長は３０ＪＬｍ
と長＜、ｐ型層　ａ　ｏ、　ｇｍＡ　ｌ　ｏ、　ｓｎＡ
　５層３である程度の強度で発光させるには、該Ｇａ６
．ａｍＡ文。３６Ａ　ｓ層３としては前述の如く５＃Ｌ
ｍ程度の厚さとＩＸＩＱｔ１″／ｃｍ’程度のホール濃
度、が必要である。

又、前記ｐ　ＪＪｌＧ　ａ　ｏ、　ｓｓＡ　ｌ　ｏ、　
ｏｓＡ　５層２は通常自己吸収等を考慮すると、その厚
さがＩｇｍ程度のときが最も発光効率が高るなる。

更に、前記ｐ型Ｇａｏ、ｘ　Ａｌｏ、ｔ　ＡｓＷｌは。

発光吸収層となるＧａＡｓ結晶基板１１を除去する場合
、取り扱い等の関係から、その厚さとしては１００〜Ｉ
ＳＯＪＬｍ程度が好ましい、尚、前記ｎ）ｊｌＧａ。、
、ＡＩＬＧ、？　Ａｓ層４は発光効率を考慮した場合、
厚さ４０１Ｌｍ以上が好ましい。

ところで、ｒｆａ記各層１，２，３．４の／ｌ＆晶比を
それぞれＸｔ　　（＝０．７　）　、　Ｘｔ　　（＝０
．０５）、Ｘ３　　（＝０．：１８）　、　Ｙ　（＝０
．７　）とすれば、これらｘ、、ｘ、、ｘ、、ｙの間に
は次の大小関係か成立している。

Ｙ　＞　Ｘ　ｚ　＞　Ｘ　ｔ　　・−（１）Ｘｔ　　＞
Ｘコ　　　　　・・・　（２）従って、該多波長発光素
子ｌＯのエネルギーバンド構造は第２図に示され、この
・状態ではｎ領域の電子１２・・・とｐ領域のホール１
３・・・か拡散しない熱平衡状態に保たれている。尚、
第２図中、Ｅ、はフェルミ・レベルを示す。

而して１発光素子ｌＯに順方向のバイヤス電流を印加す
ると、第３図に示すようにｎ領域からは電子１２・・・
がＰ領域へ注入され、これがＰ領域のホール１３−・・
と両結合するために前記発光層２゜３が発光する。

ところで、各層１，２，３．４のＡｌｌ混晶比Ｘ＋Ｘｔ
Ｘａ　、Ｘｘ　、Ｙの大小関係を前記（１）、（２）式
のように設定したため、各層１〜４のバンドギャップｅ
ｔ　ｔ　８ｔ　＋　ｅｘ　ｌ　ｅ４はそれぞれｅ、＝２
．１　ｅＶ　　、ｅＲ＝１．５　ｅＶ、　ｅｘ　＝１．
８　ｅＶ。

＠４＝２．ｌ　Ｖとなる。

この結果、第３図に示すようにＰ領域に注入された電子
１２・・・を閉じ込めるべき四部（井戸）ａが形成され
るとともに、電子１２・・・の拡散を防げる高いポテン
シャル障壁すが形成される。そして、発光層２　（ｅ２
＝１．５　ｅＶ）では波長の短い赤色光が発光し、バン
ドギャップの小さい発光層３　（ｅ３＝１．８　ｅｖ）
では波長の長い赤外光が発光する。尚、これら赤色光及
び赤外光の発光スペクトルは第４図に示され、それぞれ
の発光波長のピーク値は入＋　＝６５０ｎｍ、λ、＝８
４０ｎｍとなる。

又、本実施例に係る多波長発光素子ｌＯは中−のｐｎ接
合部を有するのみであるため、その構造が単純化される
とともに、これの製造時におけるエビタキシャル工程及
びデバイス工程が簡略化される。

更に、本発光素子ｌＯは赤外光と可視光を同時に発光す
ることができるため、該発光素子ｌＯを安全装置に適用
した場合においても、赤外光の発光を可視光の発光ても
って確認することができ。

これによって安全装置の信頼性が高められる。

（発明の効果）以上の説明で明らかな如く、本発明によれば。

構造が単純であって、単一のｐｎ接合で異なる波長の光
を同時に発光することができる発光効率の高い多波長発
光素子を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る多波長発光素子の構成を示す断面
図、第２図、第３図は同発光素子への順方向電流の印加
前、後におけるエネルギーバンド構造を示す図、第４図
は同発光素子の発光スペクトル図である。１．２．３−ｐ型層ａＡＪＩＡｓ層、４　・・・ｎ型層
ａＡＪＩＡｓ層、１０−・・多波長発光素子、１１−・
・ＧａＡｓ単結晶基板、Ｘ　＋　＋　Ｘｚ　、　Ｘ３　
、　Ｙ”＊Ａｎ混晶比。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）単一のｐｎ接合部を有し、少数キャリアの拡散範
囲内にバンドギャップの異なる２種以上の発光層を有す
る素子であって、ＧａＡｓ単結晶基板上に少なくともｐ
型Ｇａ＿１＿−＿Ｘ＿１Ａｌ＿Ｘ＿１Ａｓ層、ｐ型Ｇａ
＿１＿−＿Ｘ＿２Ａｌ＿Ｘ＿２Ａｓ層、ｐ型Ｇａ＿１＿
−＿Ｘ＿３Ａｌ＿Ｘ＿３Ａｓ層、ｎ型Ｇａ＿１＿−＿Ｙ
Ａｌ＿ＹＡｓ層を順次エピタキシャル成長させて成り、
前記各層のＡｌ混晶比Ｘ＿１、Ｘ＿２、Ｘ＿３、Ｙの間
に、Ｙ＞Ｘ＿３＞Ｘ＿２Ｘ＿１＞Ｘ＿３なる関係が成立することを特徴とする多波長発光素子。
（２）前記ＧａＡｓ単結晶基板は、エピタキシャル成長
終了後に除去されることを特徴とする請求項１記載の多
波長発光素子。