JPH04266072A - Semiconductor light-emitting diode and its manufacture - Google Patents

Semiconductor light-emitting diode and its manufacture

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JPH04266072A
JPH04266072A JP3026184A JP2618491A JPH04266072A JP H04266072 A JPH04266072 A JP H04266072A JP 3026184 A JP3026184 A JP 3026184A JP 2618491 A JP2618491 A JP 2618491A JP H04266072 A JPH04266072 A JP H04266072A
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JP
Japan
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crystal layer
semiconductor crystal
emitting diode
type
semiconductor
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JP3026184A
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Japanese (ja)
Inventor
Tetsuo Minemura
哲郎 峯村
Yoshiaki Yazawa
義昭 矢澤
Tsunehiro Unno
恒弘 海野
Junko Asano
純子 浅野
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Hitachi Cable Ltd
Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Cable Ltd
Hitachi Ltd
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Publication date
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Abstract

PURPOSE:To achieve an improved p-n junction and a high brightness by using the liquid phase epitaxy method in a switching element and a semiconductor light-emitting diode in a structure which can be integrated monolithically. CONSTITUTION:A p-type semiconductor layer 1 and an n-type semiconductor layer 2 with a p-n junction interface are located on a semiconductor substrate 3, dopants determining each conduction type are equal, and reduction in carrier concentration near the p-n junction interface is 1/10 or less of each carrier concentration.

Description

【発明の詳細な説明】[Detailed description of the invention]

【0001】0001

【産業上の利用分野】本発明は、スイッチング素子とモ
ノリシックに集積化可能でかつ高輝度な発光の得られる
構造を持つ半導体発光ダイオード及びその製造方法に関
する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a semiconductor light emitting diode having a structure that can be monolithically integrated with a switching element and which can emit high-intensity light, and a method for manufacturing the same.

【0002】0002

【従来の技術】近い公知例として、アプライド  フィ
ジックス  レタ−ス,9(6),1966年,第22
1頁から第223頁(Appl.Phys.Lett.
,9(6),1966,PP221−223)が挙げら
れる。すなわち半導体発光ダイオードは、p型半導体層
とn型半導体層と、それぞれ接続する電極及び、これら
保持する半導体基板から構成されるのが最も一般的な素
子構造であるが、p型半導体層とn型半導体層は同一な
結晶成長法で従来作製されている。これらの成長法には
液相成長法(LPE)、分子線エピタシ−法(MBE)
や有機金属気相成長法(MOCVD)のような気相成長
法(VPE)が一般に知られている。そのうち、特に高
輝度な半導体発光ダイオードを安価に作製できる方法と
して特にLPEが広く用いられている。この成長法での
ド−パントとしてたとえば砒化ガリウム(GaAs)系
化合物半導体に対しては、p型半導体層には亜鉛、n型
半導体層にはテルルが一般的である。この場合、それぞ
れの半導体層を成長させるため別々の融液を用いなけれ
ばならない。このプロセスをより単純化し低価格化を図
るため、成長温度によってn型及びp型半導体層が形成
できるド−パントであるSiをド−パントとして用いる
方法がある。Siは半導体発光ダイオードの高輝度化に
効果が大きいがド−パントである。
[Prior Art] As a well-known example, Applied Physics Letters, 9(6), 1966, No. 22
Pages 1 to 223 (Appl. Phys. Lett.
, 9(6), 1966, PP221-223). In other words, the most common device structure of a semiconductor light emitting diode is composed of a p-type semiconductor layer and an n-type semiconductor layer, electrodes that connect them to each other, and a semiconductor substrate that holds them. The type semiconductor layer is conventionally manufactured using the same crystal growth method. These growth methods include liquid phase epitaxy (LPE) and molecular beam epitaxy (MBE).
Vapor phase epitaxy (VPE) methods such as metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) and metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) are generally known. Among these, LPE is particularly widely used as a method for manufacturing particularly high-luminance semiconductor light-emitting diodes at low cost. As a dopant in this growth method, for example, for a gallium arsenide (GaAs) based compound semiconductor, zinc is generally used in the p-type semiconductor layer and tellurium is generally used in the n-type semiconductor layer. In this case, separate melts must be used to grow each semiconductor layer. In order to further simplify this process and reduce its cost, there is a method of using Si, which is a dopant that can form n-type and p-type semiconductor layers depending on the growth temperature, as a dopant. Si is a dopant that is highly effective in increasing the brightness of semiconductor light emitting diodes.

【0003】また、従来のシリコン集積回路と発光機能
をモノリシックに集積化し、これまでにない高機能な発
光デバイスを実現するため、たとえば、アイイ−イ−イ
−エレクトロン  デバイス  レタ−ス,EDL−7
(9),1986年,第500頁から第502頁(IE
EE  Electron  Device  Let
t.,EDL−7(9),1986,PP500−50
2)に記載のように半導体発光ダイオードの半導体基板
にSiウェハを用いることが試みられている。
[0003] Furthermore, in order to monolithically integrate the conventional silicon integrated circuit and the light emitting function to realize a light emitting device with unprecedented high functionality, for example, the IEE Electron Device Letters, EDL-7
(9), 1986, pp. 500-502 (IE
EE Electron Device Let
t. , EDL-7(9), 1986, PP500-50
As described in 2), attempts have been made to use Si wafers as semiconductor substrates for semiconductor light emitting diodes.

【0004】0004

【発明が解決しようとする課題】しかし、前者の従来技
術の液相成長法によれば、pn接合付近のキャリア分布
には図2に示すようにキャリア濃度の低い部分が形成さ
れ、pn接合での電子及び正孔分布の急峻な変化が得ら
れない。この低キャリア濃度領域はダイオードの高抵抗
化につがなり、効率の良い発光の妨げとなる。さらにシ
リコンを含むガリウム融液はLPE用の融液だめの材料
であるカ−ボンと反応しやすく、n型及びp型の両半導
体層を形成するために二つの融液だめを用いるのは困難
であるという問題点がある。
However, according to the former conventional liquid phase growth method, a region with low carrier concentration is formed in the carrier distribution near the pn junction, as shown in FIG. A sharp change in the electron and hole distribution cannot be obtained. This low carrier concentration region leads to high resistance of the diode, which hinders efficient light emission. Furthermore, gallium melt containing silicon easily reacts with carbon, which is the material of the melt reservoir for LPE, making it difficult to use two melt reservoirs to form both n-type and p-type semiconductor layers. There is a problem that.

【0005】また後者の従来技術で、高輝度な半導体発
光ダイオードを安価に提供できるLPEによって発光素
子となる砒化ガリウム(GaAs)系化合物半導体をシ
リコン基板上に直接成長することはガリウム融液により
シリコンが溶けてしまうため不可能である。
In addition, in the latter conventional technique, a gallium arsenide (GaAs)-based compound semiconductor, which becomes a light emitting element, is directly grown on a silicon substrate by LPE, which can provide a high brightness semiconductor light emitting diode at a low cost. This is impossible because it will melt.

【0006】本発明の目的は、半導体発光ダイオードに
関して作製プロセスが単純である単一なド−パントでp
型半導体層とn型半導体層が形成された高輝度な発光ダ
イオードを提供しようとするものである。さらに、シリ
コンスイッチング素子などとモノリシックに集積化可能
な半導体発光ダイオードとこれを容易に提供できる製造
方法を提供せんとするものである。
It is an object of the present invention to provide a semiconductor light emitting diode with a single dopant, which has a simple manufacturing process.
The present invention aims to provide a high-brightness light emitting diode in which a n-type semiconductor layer and an n-type semiconductor layer are formed. Furthermore, it is an object of the present invention to provide a semiconductor light emitting diode that can be monolithically integrated with a silicon switching element or the like, and a manufacturing method that can easily provide the same.

【0007】[0007]

【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を達
成するために、半導体基板上にpn接合界面を持つp型
半導体層とn型半導体層があり、それぞれの導電型をき
めるド−パントが同一でかつpn接合界面付近でのキャ
リア濃度の低下がそれぞれのキャリア濃度の1/10以
下であることを特徴としている。さらにこの構造により
一層の高輝度な半導体発光ダイオードを得るには、それ
ぞれのキャリア濃度が1×1018/cm3以上である
ことが望ましい。これらを実現するため、具体的なp型
半導体層とn型半導体層の作製方法は異なる。この作製
方法としては、液相成長法、気相成長法や固体拡散法が
有効である。p型半導体層とn型半導体層を形成する半
導体結晶層には砒化ガリウム(GaAs)系化合物半導
体が適し、ド−パントにはシリコンが好適である。
[Means for Solving the Problems] In order to achieve the above object, the present invention provides a p-type semiconductor layer and an n-type semiconductor layer having a pn junction interface on a semiconductor substrate, and a doped layer that determines the conductivity type of each layer. They are characterized in that the punts are the same and the decrease in carrier concentration near the pn junction interface is 1/10 or less of the respective carrier concentrations. Furthermore, in order to obtain a semiconductor light-emitting diode with even higher brightness using this structure, it is desirable that the carrier concentration of each of them is 1×10 18 /cm 3 or more. In order to realize these, specific methods for manufacturing the p-type semiconductor layer and the n-type semiconductor layer are different. As a manufacturing method, a liquid phase growth method, a vapor phase growth method, and a solid diffusion method are effective. A gallium arsenide (GaAs) based compound semiconductor is suitable for the semiconductor crystal layer forming the p-type semiconductor layer and the n-type semiconductor layer, and silicon is suitable for the dopant.

【0008】本発明では、こうした半導体発光ダイオー
ドをスイッチング素子などとモノリシックに集積化した
高機能な光デバイスを実現するため、半導体発光ダイオ
ードの半導体基板をシリコン基板あるいはシリコン基板
上にすでに化合物半導体結晶層を堆積した基板とするこ
とが特徴である。この場合、シリコン基板上に堆積する
半導体結晶層、もしくはド−パントを含み発光層となる
半導体結晶層は液相成長法以外の方法を用いる。この場
合、半導体発光ダイオードにおけるpn接合界面をn型
半導体結晶層の上部に形成された構造が単純な作製プロ
セスを実現する上で都合が良い。
In the present invention, in order to realize a highly functional optical device in which such a semiconductor light emitting diode is monolithically integrated with a switching element, etc., the semiconductor substrate of the semiconductor light emitting diode is a silicon substrate or a compound semiconductor crystal layer is already formed on a silicon substrate. It is characterized by having a substrate on which is deposited. In this case, a method other than liquid phase growth is used to form a semiconductor crystal layer deposited on a silicon substrate or a semiconductor crystal layer containing a dopant and serving as a light emitting layer. In this case, a structure in which the pn junction interface in the semiconductor light emitting diode is formed on top of the n-type semiconductor crystal layer is convenient for realizing a simple manufacturing process.

【0009】また、半導体発光ダイオードの半導体基板
を化合物半導体結晶層を堆積したシリコン基板とした場
合、p型半導体層とn型半導体層のいずれも液相成長法
で形成しても高輝度な半導体発光ダイオードが実現する
。この場合、p型半導体層とn型半導体層のド−パント
は、それぞれ亜鉛とテルルが良好なpn接合が形成でき
るため好適である。
Furthermore, when the semiconductor substrate of the semiconductor light emitting diode is a silicon substrate on which a compound semiconductor crystal layer is deposited, even if both the p-type semiconductor layer and the n-type semiconductor layer are formed by liquid phase growth, a high-brightness semiconductor can be obtained. Light emitting diodes become a reality. In this case, the dopants for the p-type semiconductor layer and the n-type semiconductor layer are preferably zinc and tellurium, respectively, because they can form a good pn junction.

【0010】以上のようなp型半導体層とn型半導体層
を主表面に形成した半導体基板をシリコン基板あるいは
シリコン基板上にすでに化合物半導体結晶層を堆積した
基板とする半導体発光ダイオードでは基板に近い半導体
層内には発光効率を低下させる結晶欠陥が比較的多く存
在する。従って、発光のため順方向電流がこの領域を流
れにくい各導電型を有する半導体結晶層に接続された電
極が半導体層表面あるいは側面に形成された構造が半導
体発光ダイオードの高輝度化の実現に望ましい。
[0010] In a semiconductor light emitting diode in which a semiconductor substrate having a p-type semiconductor layer and an n-type semiconductor layer formed on the main surface as described above is used as a silicon substrate or a substrate on which a compound semiconductor crystal layer has already been deposited, a semiconductor substrate close to the substrate is used. There are relatively many crystal defects within the semiconductor layer that reduce luminous efficiency. Therefore, a structure in which electrodes connected to the semiconductor crystal layer having each conductivity type are formed on the surface or side surface of the semiconductor layer, in which forward current for light emission is difficult to flow through this region, is desirable for realizing high brightness of the semiconductor light emitting diode. .

【0011】また、発光層には周期律表のIII族元素
としてアルミニウム,ガリウム,インジウム、V族元素
として窒素,リン,砒素,アンチモンから成るIII−
V族の2元化合物半導体あるいはこれらの3元ないし4
元化合物混晶材料を用いる。III−V族化合物半導体
は直接遷移型半導体が多いために発光効率が高く、化合
物の種類によってバンドギャップが変化し得るのでいろ
いろな波長の発光素子が実現可能である。さらに固定さ
れたエネルギ−バンドギャップを持つ2元化合物だけで
なく、3元ないし4元化合物混晶材料を用いることによ
って2元化合物では実現できない波長帯域の発光材料を
得ることができる。また、同様に周期律表のII族元素
として亜鉛,カドミウム,水銀、VI族元素として硫黄
,セレン,テルルから成るII−VI族の2元化合物半
導体あるいはこれらの混晶材料やI−III−VIある
いはII−V−VII族のカルコパイライト系化合物も
用いる。これら化合物半導体の多くはIII−V族化合
物半導体よりもエネルギ−バンドギャップが大きく、ほ
とんどが直接遷移型半導体で発光素子化が可能で、可視
光の半導体発光ダイオードとして期待できる。
[0011] In addition, the light-emitting layer contains a group III element consisting of aluminum, gallium, and indium as elements of group III of the periodic table, and nitrogen, phosphorus, arsenic, and antimony as elements of group V of the periodic table.
Group V binary compound semiconductor or these ternary or quaternary compound semiconductors
An original compound mixed crystal material is used. Group III-V compound semiconductors have a high luminous efficiency because they contain many direct transition type semiconductors, and since the band gap can change depending on the type of compound, it is possible to realize light-emitting elements with various wavelengths. Furthermore, by using not only a binary compound having a fixed energy bandgap but also a ternary or quaternary compound mixed crystal material, it is possible to obtain a luminescent material with a wavelength band that cannot be realized with a binary compound. Similarly, group II-VI binary compound semiconductors or mixed crystal materials of these, consisting of zinc, cadmium, and mercury as group II elements of the periodic table, and sulfur, selenium, and tellurium as group VI elements, and I-III-VI Alternatively, a group II-V-VII chalcopyrite compound may also be used. Many of these compound semiconductors have larger energy band gaps than III-V compound semiconductors, and most of them are direct transition type semiconductors that can be made into light-emitting devices, and can be expected to be used as visible light semiconductor light-emitting diodes.

【0012】0012

【作用】本発明は、半導体発光ダイオードにおいてp型
半導体結晶層とn型半導体結晶層の作製に液相成長法を
含む異なった作製法を適用し、p型半導体結晶層とn型
半導体結晶層を生成するためのド−パントが同一の元素
から成り、p型半導体結晶層とn型半導体結晶層のpn
接合界面における電子及び正孔のキャリア濃度の低下が
小さくかつ導電型が急峻に変化することを特徴とする半
導体発光ダイオードを実現した。このようなpn接合界
面での電子及び正孔キャリア濃度の分布の急峻な変化は
、これまでの方法によって実現したpn接合に比べ、発
光させるためにpn接合に順方向電圧を印加する際のこ
の部分でのダイオード抵抗を小さくして半導体発光ダイ
オードでの電流に対する発光効率を極めて向上させる。
[Operation] The present invention applies different manufacturing methods including a liquid phase growth method to the manufacturing of a p-type semiconductor crystal layer and an n-type semiconductor crystal layer in a semiconductor light emitting diode. The dopants for producing the p-n of the p-type semiconductor crystal layer and the n-type semiconductor crystal layer are
We have realized a semiconductor light-emitting diode characterized by a small drop in electron and hole carrier concentration at the junction interface and a sharp change in conductivity type. Such a steep change in the distribution of electron and hole carrier concentrations at the p-n junction interface is due to this sharp change in the distribution of electron and hole carrier concentrations when applying a forward voltage to the p-n junction to emit light, compared to p-n junctions realized using conventional methods. To greatly improve the light emitting efficiency with respect to current in a semiconductor light emitting diode by reducing the diode resistance at the portion.

【0013】半導体発光ダイオードの半導体基板をシリ
コン基板にした場合、p型あるいはn型のいずれの半導
体結晶層も液相成長法では基板上に直接形成できないた
め、他の作製法と複合化することがよい。さらに半導体
基板を化合物半導体結晶層を堆積したシリコン基板とし
た場合、同一のド−パントでのp型半導体層とn型半導
体層形成が可能であることはもちろん、化合物半導体結
晶層によって液相成長法でのガリウム融液とシリコン基
板との反応が防止できるため、p型及びn型の両半導体
結晶層を液相成長法で作製することが可能である。この
場合、従来の気相成長法ですべて半導体結晶層を作製し
たものに比べ結晶欠陥が少なく発光寿命に優れた半導体
発光ダイオードが実現できる。
When a silicon substrate is used as the semiconductor substrate of a semiconductor light emitting diode, either a p-type or n-type semiconductor crystal layer cannot be directly formed on the substrate by liquid phase growth, so it is necessary to combine it with other manufacturing methods. Good. Furthermore, if the semiconductor substrate is a silicon substrate on which a compound semiconductor crystal layer has been deposited, it is not only possible to form a p-type semiconductor layer and an n-type semiconductor layer using the same dopant, but also to form liquid phase growth using the compound semiconductor crystal layer. Since the reaction between the gallium melt and the silicon substrate in the method can be prevented, it is possible to produce both p-type and n-type semiconductor crystal layers by the liquid phase growth method. In this case, it is possible to realize a semiconductor light emitting diode that has fewer crystal defects and has an excellent light emitting life compared to a semiconductor light emitting diode in which all semiconductor crystal layers are produced by the conventional vapor phase growth method.

【0014】この作製法によれば、液相成長法での融液
とシリコン基板との反応を気にすることなく発光に寄与
する半導体結晶層に周期律表のIII族元素とV族元素
から成るIII−V族の2元化合物半導体あるいはこれ
らの3元ないし4元化合物混晶材料、さらにはII−V
I族化合物半導体やI−III−VIあるいはII−V
−VII族のカルコパイライト系化合物の可視光の発光
ダイオードを液相成長法によって形成することができる
According to this manufacturing method, the semiconductor crystal layer that contributes to light emission can be made from group III elements and group V elements of the periodic table without worrying about the reaction between the melt and the silicon substrate in the liquid phase growth method. Group III-V binary compound semiconductors or mixed crystal materials of these ternary or quaternary compounds, and furthermore, II-V
Group I compound semiconductor, I-III-VI or II-V
A visible light emitting diode made of a group VII chalcopyrite compound can be formed by a liquid phase growth method.

【0015】以上のように半導体発光ダイオードの半導
体基板に発光層とは異なるシリコン基板あるいはシリコ
ン基板上にあらかじめ化合物半導体を堆積した基板を用
いた場合、半導体発光ダイオードを形成した同一のシリ
コン基板上に発光素子駆動用スイッチング回路や増幅回
路を形成することができ、モノリシックに集積化したよ
りコンパクトな発光デバイスを得ることができる。
As described above, when a silicon substrate different from the light-emitting layer or a substrate on which a compound semiconductor is deposited in advance is used as the semiconductor substrate of the semiconductor light-emitting diode, the semiconductor light-emitting diode may be formed on the same silicon substrate on which the semiconductor light-emitting diode is formed. A switching circuit and an amplifier circuit for driving a light emitting element can be formed, and a more compact light emitting device that is monolithically integrated can be obtained.

【0016】[0016]

【実施例】(実施例1)本発明の一実施例を図1によっ
て説明する。図は半導体基板3上にn型半導体結晶層2
を形成してから、その上にp型半導体結晶層1を形成し
てpn接合界面をn型半導体結晶層2の上部に形成した
半導体発光ダイオードで、p型及びn型電極41、42
は、それぞれp型半導体結晶層1表面及び半導体基板3
裏面に形成されている。本実施例ではこの構造において
半導体基板3にリンド−プされた低抵抗の砒化ガリウム
(GaAs)を用い、n型半導体結晶層2としてシリコ
ンを2.0×1018cm3ド−プした砒化ガリウム(
GaAs)を分子線エピタキシ−法で4μm厚さ結晶成
長し、更にp型半導体結晶層1としてシリコンを2.0
×1018cm3ド−プした砒化ガリウム(GaAs)
を液相エピタキシ−法で4μm厚さ結晶成長してpn接
合を形成した。分子線エピタキシ−法ではガリウム、砒
素及びシリコンの蒸発源にクヌンセン−セルを用い、成
長時の基板温度は600℃とした。液相エピタキシ−法
にはスライドボ−ド法を用いた。成長温度は750℃と
して成長時のガリウム融液の冷却速度を10℃/分に保
ち成長させた。p型及びn型電極41、42には、金属
三層膜を真空蒸着法で形成し、ホトレジストによるリフ
トオフ法で成形した。p型電極41に金−亜鉛合金/ニ
ッケル/金、n型電極42に金−ゲルマニウム合金/ニ
ッケル/金をそれぞれ用いた。これらは成形後、400
℃で10分熱処理してオ−ミック接合を形成した。
[Embodiment] (Embodiment 1) An embodiment of the present invention will be explained with reference to FIG. The figure shows an n-type semiconductor crystal layer 2 on a semiconductor substrate 3.
This is a semiconductor light emitting diode in which a p-type semiconductor crystal layer 1 is formed on the p-type semiconductor crystal layer 1 and a p-n junction interface is formed on the top of the n-type semiconductor crystal layer 2.
are the surface of the p-type semiconductor crystal layer 1 and the semiconductor substrate 3, respectively.
It is formed on the back side. In this embodiment, in this structure, phosphorus-doped low-resistance gallium arsenide (GaAs) is used as the semiconductor substrate 3, and 2.0 x 1018 cm3 of silicon-doped gallium arsenide (GaAs) is used as the n-type semiconductor crystal layer 2.
GaAs) was grown to a thickness of 4 μm using the molecular beam epitaxy method, and silicon was further grown to a thickness of 2.0 μm as a p-type semiconductor crystal layer 1.
×1018cm3 Doped gallium arsenide (GaAs)
A pn junction was formed by growing a crystal to a thickness of 4 μm using a liquid phase epitaxy method. In the molecular beam epitaxy method, a Knunsen cell was used as an evaporation source for gallium, arsenic, and silicon, and the substrate temperature during growth was 600°C. A slide board method was used for the liquid phase epitaxy method. The growth temperature was 750° C., and the cooling rate of the gallium melt during growth was maintained at 10° C./min. For the p-type and n-type electrodes 41 and 42, a three-layer metal film was formed by a vacuum evaporation method and molded by a lift-off method using photoresist. Gold-zinc alloy/nickel/gold was used for the p-type electrode 41, and gold-germanium alloy/nickel/gold was used for the n-type electrode 42. After molding, these are 400
An ohmic junction was formed by heat treatment at .degree. C. for 10 minutes.

【0017】この半導体発光ダイオードの厚さ方向に沿
ったキャリア濃度分布を電気化学的電流−容量測定法で
調べた。図3に示すようにp型及びn型のキャリア濃度
はいずれも2.0×1018cm3程度で、pn接合付
近でのキャリア濃度の低下は見られず急峻なキャリア濃
度変化を示した。この構造の発光特性を調べた結果、外
部量子化効率が10%を超える高い値を示し、高輝度な
発光ダイオードが作製できた。
The carrier concentration distribution along the thickness direction of this semiconductor light emitting diode was investigated by electrochemical current-capacitance measuring method. As shown in FIG. 3, the p-type and n-type carrier concentrations were both about 2.0×10 18 cm 3 , and a steep carrier concentration change was observed without any decrease in carrier concentration near the pn junction. As a result of examining the light emitting characteristics of this structure, it was possible to fabricate a high-brightness light emitting diode with a high external quantization efficiency of over 10%.

【0018】(実施例2)本発明の次の実施例を図4に
示す。本実施例では半導体基板1にシリコンを用い、構
造上図1と異なる点はp型及びn型電極41、42のい
ずれもがそれぞれの半導体結晶層上に形成されている点
にある。p型半導体結晶層1及びn型半導体結晶層2の
作製法及び電極形成プロセスは実施例1とほぼ同じであ
る。異なる点はn型半導体結晶層2となるシリコンド−
プ砒化ガリウム(GaAs)を分子線エピタキシ−法で
成長する際、成長初期の0.2μm厚さは350℃の低
温で成長した後600℃で残り層を成長したこと、及び
p型半導体結晶層1及びn型半導体結晶層2の厚さが3
μmであったことにある。
(Embodiment 2) The next embodiment of the present invention is shown in FIG. In this embodiment, silicon is used for the semiconductor substrate 1, and the structural difference from that in FIG. 1 is that both p-type and n-type electrodes 41 and 42 are formed on their respective semiconductor crystal layers. The method for manufacturing the p-type semiconductor crystal layer 1 and the n-type semiconductor crystal layer 2 and the electrode formation process are almost the same as in Example 1. The difference is that the silicon dome that becomes the n-type semiconductor crystal layer 2
When growing gallium arsenide (GaAs) by the molecular beam epitaxy method, the initial thickness of 0.2 μm is due to the fact that the remaining layer was grown at 600°C after being grown at a low temperature of 350°C, and that the p-type semiconductor crystal layer 1 and the thickness of the n-type semiconductor crystal layer 2 is 3
The reason is that it was μm.

【0019】実施例1と同様にこの半導体発光ダイオー
ドの厚さ方向に沿ったキャリア濃度分布を電気化学的電
流−容量測定法で調べた結果、図3に示したのとほぼ同
様にpn接合付近でのキャリア濃度の低下は見られず急
峻なキャリア濃度変化を示した。なお、比較として液相
エピタキシ−法(スライドボ−ト法)によってシリコン
の半導体基板1上に直接p型半導体結晶層1及びn型半
導体結晶層2の成長を試みたが、成長途中に基板はガリ
ウム融液と反応して溶けてしまった。従って、シリコン
を基板とするこのダイオード構造は本発明によって実現
できた構造であるといえる。そこでされに比較のため図
4の構造を持ち、p型半導体結晶層1及びn型半導体結
晶層2のいずれも分子線エピタキシ−法で成長した発光
ダイオードを作製した。この場合、p型及びn型半導体
結晶層のド−パントとなる元素にはベリリウムとシリコ
ンを用いた。この発光ダイオードと本実施例の発光ダイ
オードの発光強度を比較した結果、本実施例の方が相対
強度で約50%も高輝度であることがわかった。
As in Example 1, the carrier concentration distribution along the thickness direction of this semiconductor light emitting diode was investigated by electrochemical current-capacitance measuring method, and as a result, almost the same as shown in FIG. No decrease in carrier concentration was observed at , but a steep change in carrier concentration was observed. For comparison, an attempt was made to grow a p-type semiconductor crystal layer 1 and an n-type semiconductor crystal layer 2 directly on a silicon semiconductor substrate 1 by a liquid phase epitaxy method (slide boat method), but during the growth, the substrate was exposed to gallium. It reacted with the melt and melted. Therefore, it can be said that this diode structure using silicon as a substrate is a structure realized by the present invention. Therefore, for comparison, a light emitting diode having the structure shown in FIG. 4 was fabricated in which both the p-type semiconductor crystal layer 1 and the n-type semiconductor crystal layer 2 were grown by the molecular beam epitaxy method. In this case, beryllium and silicon were used as dopants for the p-type and n-type semiconductor crystal layers. As a result of comparing the light emitting intensities of this light emitting diode and the light emitting diode of this example, it was found that the light emitting diode of this example has a higher luminance by about 50% in terms of relative intensity.

【0020】(実施例3)図5は本実施例で示す半導体
発光ダイオードの構造である。本実施例での半導体基板
1はシリコンウェハにあらかじめド−ピングなしの高抵
抗の砒化ガリウム(GaAs)をバッファ半導体結晶層
5として分子線エピタキシ−法によって成長させてある
基板を用いた。実施例2と特に異なるのはp型半導体結
晶層1及びn型半導体結晶層2ともに液相エピタキシ−
法によって成長した点にある。この場合、p型及びn型
半導体結晶層のド−パントとなる元素には亜鉛及びテル
ルをそれぞれ用い、p型が5.0×1018cm3及び
n型が1.5×1018cm3ド−プした。発光ダイオ
ード形成プロセスは実施例2と同じである。
(Embodiment 3) FIG. 5 shows the structure of a semiconductor light emitting diode shown in this embodiment. The semiconductor substrate 1 in this embodiment is a silicon wafer on which undoped high-resistance gallium arsenide (GaAs) is grown in advance as a buffer semiconductor crystal layer 5 by molecular beam epitaxy. What is particularly different from Example 2 is that both the p-type semiconductor crystal layer 1 and the n-type semiconductor crystal layer 2 are formed by liquid phase epitaxy.
It lies in the fact that it has grown through the law. In this case, zinc and tellurium were used as dopants for the p-type and n-type semiconductor crystal layers, respectively, and the p-type was doped with 5.0×10 18 cm 3 and the n-type was doped with 1.5×10 18 cm 3 . The light emitting diode forming process is the same as in Example 2.

【0021】こうして作製した半導体発光ダイオードの
発光強度は実施例2で比較に用いた分子線エピタキシ−
法によって成長した発光ダイオードと同等の強度を得た
。特に本実施例の発光ダイオードの特長は図6に示すよ
うに発光強度の経時安定性に優れることにある。すなわ
ち、分子線エピタキシ−法によって成長した発光ダイオ
ードの発光強度は100mA通電により時間とともに低
下し、5時間で50%以下になってしまうのに対し本実
施例の発光ダイオードはその低下が80%程度に留まっ
ている。以上のように本発明によってより安定な半導体
発光ダイオードが実現できた。
The emission intensity of the semiconductor light emitting diode thus prepared was compared with that of the molecular beam epitaxy used for comparison in Example 2.
We obtained an intensity equivalent to that of a light-emitting diode grown by the method. In particular, the feature of the light emitting diode of this example is that, as shown in FIG. 6, the light emitting intensity is excellent in stability over time. That is, the light emitting intensity of the light emitting diode grown by the molecular beam epitaxy method decreases over time when a current of 100 mA is applied, and becomes less than 50% in 5 hours, whereas the light emitting diode of this example decreases by about 80%. remains. As described above, a more stable semiconductor light emitting diode has been realized by the present invention.

【0022】[0022]

【発明の効果】本発明によれば、半導体発光ダイオード
に関して作製プロセスが単純な液相エピタキシ−法によ
って単一なド−パントでp型半導体層とn型半導体層が
形成された高輝度な発光ダイオードを提供することがで
きる。さらに、シリコンスイッチング素子などとモノリ
シックに集積化可能な半導体発光ダイオードが実現でき
る。
Effects of the Invention According to the present invention, a semiconductor light emitting diode can produce high-brightness light by forming a p-type semiconductor layer and an n-type semiconductor layer with a single dopant using a simple liquid phase epitaxy process. A diode can be provided. Furthermore, a semiconductor light emitting diode that can be monolithically integrated with a silicon switching element or the like can be realized.

【0023】特に従来の気相成長法で作製した発光ダイ
オードに比べ、発光強度の経時劣化が半分以下の安定な
発光ダイオードが実現できる。さらにシリコンを基板と
した場合、熱伝導率が良いことからこれまで以上に高密
度に配列された発光ダイオードアレイやマトリックス、
さらには半導体レ−ザのアレイやマトリックスも実現で
きる。
In particular, it is possible to realize a stable light emitting diode whose luminous intensity deteriorates by half or less over time compared to a light emitting diode manufactured by the conventional vapor phase growth method. Furthermore, when silicon is used as a substrate, it has good thermal conductivity, so it is possible to use light emitting diode arrays and matrices arranged more densely than ever before.
Furthermore, arrays and matrices of semiconductor lasers can also be realized.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

【図1】発明の基本となる発光ダイオード構造の断面図
である。
FIG. 1 is a cross-sectional view of a light emitting diode structure that is the basis of the invention.

【図2】従来例のp型及びn型半導体結晶層の膜厚方向
のキャリア濃度分布図である。
FIG. 2 is a carrier concentration distribution diagram in the thickness direction of p-type and n-type semiconductor crystal layers of a conventional example.

【図3】本発明のp型及びn型半導体結晶層の膜厚方向
のキャリア濃度分布図である。
FIG. 3 is a carrier concentration distribution diagram in the film thickness direction of p-type and n-type semiconductor crystal layers of the present invention.

【図4】本発明の他の実施例を示す断面図である。FIG. 4 is a sectional view showing another embodiment of the present invention.

【図5】本発明の他の実施例を示す断面図である。FIG. 5 is a sectional view showing another embodiment of the present invention.

【図6】本発明の発光ダイオードの発光強度の経時変化
を示す図である。
FIG. 6 is a diagram showing changes over time in the emission intensity of the light emitting diode of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1    p型半導体結晶層 2    n型半導体結晶層 3    半導体基板 5    バッファ半導体結晶層 41  p型電極 42  n型電極 1 P-type semiconductor crystal layer 2 N-type semiconductor crystal layer 3 Semiconductor substrate 5 Buffer semiconductor crystal layer 41 p-type electrode 42 N-type electrode

Claims (10)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】  少なくともp型半導体結晶層とn型半
導体結晶層とが接合して形成されている半導体結晶層と
、これを主表面に形成した半導体基板と、各導電型を有
する半導体結晶層に接続された電極からなる素子で、こ
の電極間に順方向電流を流すことによって発する光を利
用した半導体発光ダイオードにおいて、p型半導体結晶
層とn型半導体結晶層を生成するためのド−パントが同
一の元素から成り、p型半導体結晶層とn型半導体結晶
層のpn接合界面における電子及び正孔のキャリア濃度
の低下がそれぞれのキャリア濃度の1/10以下と小さ
くかつ導電型が急峻に変化することを特徴とする半導体
発光ダイオード。
1. A semiconductor crystal layer formed by joining at least a p-type semiconductor crystal layer and an n-type semiconductor crystal layer, a semiconductor substrate having the semiconductor crystal layer formed on its main surface, and a semiconductor crystal layer having each conductivity type. A dopant for producing a p-type semiconductor crystal layer and an n-type semiconductor crystal layer in a semiconductor light emitting diode that uses light emitted by passing a forward current between these electrodes. are made of the same element, the drop in carrier concentration of electrons and holes at the pn junction interface between the p-type semiconductor crystal layer and the n-type semiconductor crystal layer is small, less than 1/10 of the respective carrier concentrations, and the conductivity type is steep. A semiconductor light-emitting diode characterized by change.
【請求項2】  請求項1に記載の半導体発光ダイオー
ドにおいて、p型半導体結晶層とn型半導体結晶層の正
孔及び電子濃度がそれぞれ1×1018/cm3以上で
あることを特徴とする半導体発光ダイオード。
2. The semiconductor light emitting diode according to claim 1, wherein the p-type semiconductor crystal layer and the n-type semiconductor crystal layer each have hole and electron concentrations of 1×10 18 /cm 3 or more. diode.
【請求項3】  請求項1又は2に記載の半導体発光ダ
イオードにおいて、p型及びn型の導電型を形成するた
めのド−パントとなる元素がシリコンであることを特徴
とする半導体発光ダイオード。
3. The semiconductor light emitting diode according to claim 1, wherein the element serving as a dopant for forming p-type and n-type conductivity is silicon.
【請求項4】請求項1〜3のいずれかに記載の半導体発
光ダイオードにおいて、発光ダイオードを形成する半導
体基板をシリコン基板あるいはシリコン基板上に化合物
半導体を堆積した基板とすることを特徴とする半導体発
光ダイオード。
4. The semiconductor light emitting diode according to claim 1, wherein the semiconductor substrate forming the light emitting diode is a silicon substrate or a substrate in which a compound semiconductor is deposited on a silicon substrate. light emitting diode.
【請求項5】請求項1〜4のいずれかに記載の半導体発
光ダイオードにおいて、pn接合界面をn型半導体結晶
層の上部に形成することを特徴とする半導体発光ダイオ
ード。
5. The semiconductor light emitting diode according to claim 1, wherein the pn junction interface is formed above the n-type semiconductor crystal layer.
【請求項6】少なくともp型半導体結晶層とn型半導体
結晶層とが接合して形成されている半導体結晶層と、こ
れを主表面に形成した化合物半導体を堆積したシリコン
基板と、各導電型を有する半導体結晶層に接続された電
極からなる素子で、この電極間に順方向電流を流すこと
によって発する光を利用した半導体発光ダイオードにお
いて、半導体結晶層が砒化ガリウム(GaAs)系化合
物半導体でp型半導体結晶層とn型半導体結晶層のド−
パントがテルル及び亜鉛であることを特徴とする半導体
発光ダイオード。
6. A semiconductor crystal layer formed by joining at least a p-type semiconductor crystal layer and an n-type semiconductor crystal layer, a silicon substrate on which a compound semiconductor is deposited with the semiconductor crystal layer formed on the main surface, and each conductivity type. A semiconductor light-emitting diode is an element consisting of an electrode connected to a semiconductor crystal layer having a p-type semiconductor crystal layer, which utilizes light emitted by passing a forward current between the electrodes. type semiconductor crystal layer and n-type semiconductor crystal layer
A semiconductor light emitting diode characterized in that the punt is tellurium and zinc.
【請求項7】請求項4〜6のいずれかに記載の半導体発
光ダイオードにおいて、各導電型を有する半導体結晶層
に接続された電極が、この電極間に順方向電流を流すこ
とによって発光する際にその電流がシリコン半導体と半
導体結晶層の界面を流れないように配置形成されたこと
を特徴とする半導体発光ダイオード。
7. In the semiconductor light emitting diode according to claim 4, when the electrodes connected to the semiconductor crystal layer having each conductivity type emit light by flowing a forward current between the electrodes. A semiconductor light emitting diode characterized in that it is arranged and formed so that the current does not flow through an interface between a silicon semiconductor and a semiconductor crystal layer.
【請求項8】少なくともp型半導体結晶層とn型半導体
結晶層とが接合して形成されている半導体結晶層と、こ
れを主表面に形成した半導体基板と、各導電型を有する
半導体結晶層に接続された電極からなる素子で、この電
極間に順方向電流を流すことによって発する光を利用し
た半導体発光ダイオードであって、p型半導体結晶層と
n型半導体結晶層を生成するためのド−パントが同一の
元素から成り、p型半導体結晶層とn型半導体結晶層の
pn接合界面における電子及び正孔のキャリア濃度の低
下がそれぞれのキャリア濃度の1/10以下と小さくか
つ導電型が急峻に変化する半導体発光ダイオードの製造
方法において、前記の半導体発光ダイオードを構成する
p型及びn型のそれぞれの半導体結晶層を作製する方法
が異なることを特徴とする半導体発光ダイオードの製造
方法。
8. A semiconductor crystal layer formed by joining at least a p-type semiconductor crystal layer and an n-type semiconductor crystal layer, a semiconductor substrate having the semiconductor crystal layer formed on the main surface, and a semiconductor crystal layer having each conductivity type. A semiconductor light-emitting diode that uses light emitted by passing a forward current between these electrodes, and is a semiconductor light-emitting diode that utilizes light emitted by passing a forward current between these electrodes. - The punts are made of the same element, the drop in carrier concentration of electrons and holes at the pn junction interface between the p-type semiconductor crystal layer and the n-type semiconductor crystal layer is small, less than 1/10 of the respective carrier concentrations, and the conductivity type is A method for manufacturing a semiconductor light emitting diode that changes abruptly, characterized in that the methods for manufacturing each of the p-type and n-type semiconductor crystal layers constituting the semiconductor light-emitting diode are different.
【請求項9】少なくともp型半導体結晶層とn型半導体
結晶層とが接合して形成されている半導体結晶層と、こ
れを主表面に形成した半導体基板と、各導電型を有する
半導体結晶層に接続された電極からなる素子で、この電
極間に順方向電流を流すことによって発する光を利用し
た半導体発光ダイオードであって、p型半導体結晶層と
n型半導体結晶層を生成するためのド−パントとなる元
素Siから成り、p型半導体結晶層とn型半導体結晶層
のpn接合界面における電子及び正孔のキャリア濃度の
低下がそれぞれのキャリア濃度の1/10以下と小さく
かつ導電型が急峻に変化する半導体発光ダイオードの製
造方法において、p型半導体結晶層を液相成長法で作製
し、n型半導体結晶層を気相成長法で作製することを特
徴とする発光ダイオードの製造方法。
9. A semiconductor crystal layer formed by joining at least a p-type semiconductor crystal layer and an n-type semiconductor crystal layer, a semiconductor substrate having the semiconductor crystal layer formed on the main surface, and a semiconductor crystal layer having each conductivity type. A semiconductor light-emitting diode that uses light emitted by passing a forward current between these electrodes, and is a semiconductor light-emitting diode that utilizes light emitted by passing a forward current between these electrodes. - It is composed of the element Si, which acts as a punt, and the drop in carrier concentration of electrons and holes at the pn junction interface between the p-type semiconductor crystal layer and the n-type semiconductor crystal layer is small, less than 1/10 of the respective carrier concentrations, and the conductivity type is small. A method for manufacturing a semiconductor light emitting diode that changes abruptly, characterized in that a p-type semiconductor crystal layer is manufactured by a liquid phase growth method, and an n-type semiconductor crystal layer is manufactured by a vapor phase growth method.
【請求項10】少なくともp型半導体結晶層とn型半導
体結晶層とが接合して形成されている半導体結晶層と、
これを主表面に形成した化合物半導体を堆積したシリコ
ン基板と、各導電型を有する半導体結晶層に接続された
電極からなる素子で、この電極間に順方向電流を流すこ
とによって発する光を利用した半導体発光ダイオードで
あって、半導体結晶層が砒化ガリウム(GaAs)系化
合物半導体でp型半導体結晶層とn型半導体結晶層のド
−パントがテルル及び亜鉛である半導体発光ダイオード
の製造方法において、p型半導体結晶層とn型半導体結
晶層を液相成長法で作製することを特徴とする半導体発
光ダイオードの製造方法。
10. A semiconductor crystal layer formed by joining at least a p-type semiconductor crystal layer and an n-type semiconductor crystal layer;
This device consists of a silicon substrate with a compound semiconductor deposited on its main surface, and electrodes connected to semiconductor crystal layers of each conductivity type.The device uses light emitted by passing a forward current between these electrodes. In a method for manufacturing a semiconductor light emitting diode, the semiconductor crystal layer is a gallium arsenide (GaAs)-based compound semiconductor, and the dopants in the p-type semiconductor crystal layer and the n-type semiconductor crystal layer are tellurium and zinc. A method for manufacturing a semiconductor light emitting diode, characterized in that a type semiconductor crystal layer and an n-type semiconductor crystal layer are manufactured by a liquid phase growth method.
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