JPH05347432A

JPH05347432A - 半導体発光素子

Info

Publication number: JPH05347432A
Application number: JP15541492A
Authority: JP
Inventors: Shinji Kaneiwa; 進治兼岩; 智彦 ▲吉▼田; Tomohiko Yoshida; Masafumi Kondo; 雅文近藤; Naohiro Suyama; 尚宏須山; Toshio Hata; 俊雄幡; Hiroyuki Hosobane; 弘之細羽; Takeshi Obayashi; 健大林
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 1992-06-15
Filing date: 1992-06-15
Publication date: 1993-12-27

Abstract

(57)【要約】【目的】１つの基板上に同一系の半導体からなる層を
形成することにより作製され、赤色から青色の領域内で
発光可能で、しかも半導体レーザとしても利用し得る半
導体発光素子を提供する。【構成】発光部１１、１４、１２、１５、１３、１６
を形成する材料としてＣｕ、Ｓｅ、ＧａおよびＡｌのう
ちの少なくとも１方を含有するカルコパイライト族化合
物半導体を用いる。この半導体においては、赤色から青
色の領域内の光が放射される組成比の範囲内において、
基板４０を形成するＧａＡｓ_1-xＰ_x層１０１の格子定数
とその格子定数が一致するので、該基板４０に格子整合
する半導体層を得られる。さらに、上記組成比の範囲内
で選択される異なる組成比の半導体の間では、十分に大
きな禁制帯幅の差を得ることができるので、半導体レー
ザとして利用できる半導体発光素子を作製し得る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、カラーディスプレー等
に用いられる波長６６０ｎｍから４４０ｎｍ程度の赤色
から青色の光を出すことが可能な半導体発光素子、例え
ば発光ダイオード素子や、高密度光ディスクシステムに
おいて半導体レーザ素子等として用いられる半導体発光
素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】電流注入型の半導体発光素子は、発光効
率が高いため、小型、高輝度の表示素子や、半導体レー
ザ素子等として広く用いられている。

【０００３】従来、電流注入型の半導体発光素子とし
て、例えば、ガリウムヒ素系材料（ＧａＡｓ／ＧａＡｌ
Ａｓ、ＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｌＰ）、ガリウムヒ素リン
（ＧａＡｓＰ）、ガリウムリン（ＧａＰ）等のIII−Ｖ
族化合物半導体材料を用いて形成された半導体発光素子
が知られている。しかし、これらの材料は、禁制帯幅が
小さいため、これら材料を用いた半導体発光素子では近
赤外から赤色、黄色、緑色までの領域の発光しか得られ
なかった。

【０００４】フルカラーディスプレーを作製するために
は、赤色、緑色、青色の三原色の発光が必要であるた
め、青色領域の高効率発光ダイオード素子の開発が進め
られている。

【０００５】青色の光を出す半導体発光素子を得るに
は、より禁制帯幅の大きな材料を用いる必要がある。そ
のため従来では、間接遷移型材料の炭化珪素（ＳｉＣ）
が用いられていた。しかし、この材料はガリウムヒ素系
等の材料に比べると発光効率が悪く、高輝度化が難し
い。しかも、ＳｉＣを用いた場合には、半導体レーザ素
子として用い得る半導体発光素子を作製できない。

【０００６】また、直接遷移型の窒化ガリウム系（Ｇａ
Ｎ／ＩｎＧａＡｌＮ）材料を用いる場合には適当な半導
体基板がなく、誘電体であるサファイア基板等を用いな
ければならないため電極の作製が難しい。また、基板と
その上に積層された半導体層との間に大きな歪みが発生
するため、素子の信頼性が十分に得られない。

【０００７】上記禁制帯幅の大きな材料としては、セレ
ン化亜鉛系（ＺｎＳｅ／ＺｎＳＳｅ）に代表されるII−
VI族化合物半導体材料が最も有望なものとして検討され
ている。セレン化亜鉛系材料においては、高品質の大型
基板が得られやすいＧａＡｓと格子定数がほぼ一致する
材料を得ることが可能であり、すなわちＧａＡｓと格子
整合がとれるという大きな特徴がある。

【０００８】しかし、上記セレン化亜鉛系の材料におい
てＧａＡｓと格子整合がとれるという条件のもとでは、
ＳとＳｅの組成比を変えても青色光しか得ることができ
ず、緑色発光する発光素子を得ることができない。さら
に、上記セレン化亜鉛系材料では、青色発光する条件に
おいて組成比を変えても、活性層およびクラッド層とな
りうるために十分な禁制帯幅の差が得られないため、半
導体レーザとして十分に利用可能な半導体発光素子を得
られない。

【０００９】活性層の禁制帯幅とクラッド層の禁制帯幅
との十分な差を得るためには、ＧａＡｓと数％格子不整
合があるＺｎＣｄＳｅを材料とし、ＺｎＣｄＳｅ歪み量
子井戸活性層を用いて半導体発光素子を作製することが
可能である。しかし、この素子においては、発光波長が
ＺｎＳｅより長くなり、青緑色光が得られるが、青色光
が得られない。

【００１０】また、特開平１−１７５７８８号公報に
は、ＧａＰ基板上に、該基板と格子整合するカルコパイ
ライト族化合物半導体であるＣｕ（ＧａＡｌ）（Ｓｅ
Ｓ）₂材料を用いて形成した半導体レーザ素子が開示さ
れている。上記カルコパイライト族化合物半導体は、図
６に示すように、ＧａＰと格子整合可能な組成比の範囲
において緑色から紫外領域の発光が可能である。しかし
ながら、ＧａＰと格子整合可能な組成比の範囲では、赤
色光は得られない。

【００１１】なお、カルコパイライト族化合物半導体と
は、カルコパイライト型の結晶構造を有する化合物半導
体のことをいう。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】上述のように、様々な
材料系の半導体を用いて発光層を形成した半導体発光素
子が提案されているが、上記従来の半導体発光素子のい
ずれにおいても、赤色、緑色、青色の三原色のすべてを
発光できるものはなく、同一系の半導体からなる層を１
つの基板上に形成して作製した半導体発光素子の発光色
にはかなりの制限があるという欠点がある。

【００１３】本発明の目的は、上記欠点を解決しようと
するものであり、１つの基板上に同一系の半導体からな
る層を形成することにより作製され、赤色から青色の領
域内で発光可能で、しかも半導体レーザとしても利用し
得る半導体発光素子を提供することにある。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明の半導体発光素子
は、ＧａＡｓ層またはＧａＰ層の上にＧａＡｓ_1-xＰ_x層
（ｘは０より大で１未満）が形成された半導体基板に対
し、ＧａＡｓ_1-xＰ_x層上に半導体層が積層形成され、該
半導体層が、該基板の格子定数とほぼ等しい格子定数を
有し、かつＣｕ、Ｓｅ、ならびにＧａとＡｌのうちの少
なくとも１方を含有するカルコパイライト族化合物半導
体からなり、そのことにより上記目的が達成される。

【００１５】

【作用】本発明の半導体発光素子にあっては、発光部を
形成する材料としてＣｕ、Ｓｅ、ならびにＧａとＡｌの
うちの少なくとも１方を含有するカルコパイライト族化
合物半導体を用いる。この半導体においては、赤色から
青色の領域内の光が発振される組成比の範囲内におい
て、基板を形成するＧａＡｓ_1-xＰ_xの格子定数とその格
子定数が一致するので、基板に格子整合する半導体層を
得られる。さらに、上記組成比の範囲内で選択される異
なる組成比の半導体の間では、十分に大きな禁制帯幅の
差を得ることができるので、半導体レーザとして利用で
きる半導体発光素子が得られる。

【００１６】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面を参照して説明
する。

【００１７】（実施例１）図１は本発明の半導体発光素
子の実施例１を示す模式図である。この半導体発光素子
において使用されるｎ型基板１０は、ＧａＡｓまたはＧ
ａＰからなる層（以下、基層という）１００と、気相成
長法等で該基層の上に成長されたＧａＡｓ_1-xＰ_x層１０
１（ｘは０より大で１未満である）とで形成されてい
る。このような基板１０は、半導体発光素子の材料とし
て市販されている。

【００１８】基板１０のＧａＡｓ_1-xＰ_x層１０１上に
は、それぞれＣｕ（Ｇａ_1-yＡｌ_y）Ｓｅ₂（ｙは０以上
１未満である）からなるカルコパイライト族化合物半導
体で形成された第１ｎ型半導体層１１、第２ｎ型半導体
層１２、第３ｎ型半導体層１３が形成されている。第２
ｎ型半導体層１２および第３ｎ型半導体層１３は、それ
ぞれ一部が除去され、その下の層が一部露出されてい
る。図中斜線で示した部分、すなわち、第１ｎ型層１１
においてその上面が露出された部分１４、第２ｎ型半導
体層１２においてその上面が露出された部分１５およ
び、第３ｎ型半導体層１３の上部１６は、拡散不純物が
拡散されておりｐ型層となっている。これにより、第１
ｎ型半導体層１１、第２ｎ型半導体１２、第３ｎ型半導
体層１３とそれぞれのｐ型拡散領域１４、１５、１６と
の接合部分においてそれぞれｐｎ接合が形成される。基
板１０側にはｎ型電極２０が、半導体層側にはｐ型電極
２１、２２、２３が形成されている。

【００１９】上記半導体素子においては、分子線エピタ
キシー（ＭＢＥ）法によって各半導体層を形成すること
ができる。カルコパイライト族化合物半導体の原料とし
ては、高純度のＣｕ、Ｇａ、Ａｌ、Ｓｅを用い、ｎ型ド
−ピング材料としてＳｉを用い、基板温度５５０℃で半
導体層を成長させた。成長時には、過剰のＳｅを成長面
に供給し、Ｃｕの供給量とＧａおよびＡｌの供給量の比
を一定に保つようにして化学量論を満足させ、ＧａとＡ
ｌの割合ｙのみを必要に応じて変えて所望の発光色が得
られる層となるように調節する。ＭＢＥ法においては、
複数の蒸気圧の高い元素、例えば、ＳとＳｅとを制御し
て格子整合条件を満足させることは困難であるが、この
実施例の半導体発光素子では、VI族元素としてＳｅのみ
を使用する構成であるので容易に格子整合が取れる。そ
の場合の格子不整合は０．３％以内に抑えることができ
る。

【００２０】第３ｎ型半導体層１３を形成後、通常のホ
トリソグラフィーおよびイオンビームエッチングを２回
繰り返すことにより、第２ｎ型半導体層１２および第３
ｎ型半導体層１３の一部を除去し、それらの下の層を一
部露出させる。次いで、通常のホトリソグラフィーおよ
び不純物拡散を用いて、ｐ型拡散領域１４、１５、１６
を形成する。さらに、基層１００側にｎ型電極２０、半
導体層側にｐ型電極２１、２２、２３を形成する。

【００２１】この半導体発光素子に電流を注入すると、
第１ｎ型半導体層１１とそのｐ型拡散領域１４との界
面、第２ｎ型半導体層１２とそのｐ型拡散領域１５との
界面、第３ｎ型半導体層１３とそのｐ型拡散領域１６と
の界面のそれぞれの界面においてｐｎ接合が形成されて
いるため、接合面において電子と正孔の再結合がおこ
り、各層の禁制帯幅に対応した発光λ₁、λ₂、λ₃が得
られる。

【００２２】本実施例においては、基層１００としてＧ
ａＡｓを用い、ＧａＡｓ_1-xＰ_x層１０１の組成比ｘは以
下に示す値であり、また拡散不純物としてはＺｎを用い
た。Ｃｕ（Ｇａ_1-yＡｌ_y）Ｓｅ₂によって形成される第
１ｎ型半導体層１１、第２ｎ型半導体層１２及び第３ｎ
型半導体層１３におけるＡｌの組成比ｙをそれぞれ
ｙ₁、ｙ₂、ｙ₃とし、各半導体層の詳細及び各層におけ
る発色光を以下に示す。

【００２３】ＧａＡｓ_1-xＰ_x層１０１：ｘ＝０．３、第
１ｎ型半導体層１１：ｙ₁＝０．３２、λ₁＝６３５ｎｍ
（赤色）、第２ｎ型半導体層１２：ｙ₂＝０．６、λ₂＝
５５０ｎｍ（緑色）、第３ｎ型半導体層１３：ｙ₃＝
１、λ₃＝４６０ｎｍ（青色）。

【００２４】本発明において、基板上に形成される半導
体層の材料として用いられるカルコパイライト族化合物
半導体は、上記組成比のものだけに限定されず、基板が
有するＧａＡｓ_1-xＰ_x層と格子整合でき、かつＣｕ、Ｓ
ｅ、ＧａおよびＡｌのうち少なくとも１方を含有するカ
ルコパイライト族化合物半導体が使用される。

【００２５】図６には、ＧａＡｓ_1-xＰ_xおよびＣｕ（Ｇ
ａ_1-yＡｌ_y）（Ｓｅ_1-zＳ_z）₂における格子定数と禁制
帯幅との関係および発光波長との関係が示されている。

【００２６】本発明に使用されるＣｕ（Ｇａ_1-yＡｌ_y）
（Ｓｅ_1-zＳ_z）₂においては、図６に示したように、波
長７８０ｎｍ〜４００ｎｍの範囲内の光、すなわち近赤
外から紫外の領域内の光を得ることが可能な組成比を有
する。しかも、その組成比においては、ＧａＡｓ_1-xＰ_x
の格子定数とほぼ一致する格子定数を有する。

【００２７】すなわち、Ｃｕ（Ｇａ_1-yＡｌ_y）（Ｓｅ
_1-zＳ_z）₂では、組成比ｙが０以上１以下の範囲および
組成比ｚが０以上１未満の範囲内で、所望の波長の発光
が得られるように上記組成比ｙ、ｚを選択することがで
き、該組成比のＣｕ（Ｇａ_1-yＡｌ_y）（Ｓｅ_1-zＳ_z）₂
における格子定数とＧａＡｓ_1-xＰ_xの格子定数とが一致
するように組成比ｙ、ｚおよびｘを調節することによ
り、Ｃｕ（Ｇａ_1-yＡｌ_y）（Ｓｅ_1-zＳ_z）₂層とＧａＡ
ｓ_1-xＰ_x層とを格子整合させることができる。例えば、
本発明に用いる基板の市販品においては、ＧａＡｓ_1-x
Ｐ_x層の組成比ｘが０．３、０．３９のものが最も一般
的である。これら市販されている基板を用いた場合、Ｃ
ｕ（Ｇａ_1-yＡｌ_y）（Ｓｅ_1-zＳ_z）₂でなる半導体層
は、組成比ｘが０．３の基板であれば、組成比ｚが０の
場合において、また、組成比ｘが０．３９の基板であれ
ば該組成比ｚが０．１１の場合において、組成比ｙは０
以上１以下の全ての範囲で基板と格子整合することがで
きる。実施例１では、上記組成比ｘが０．３で、組成比
ｚが０の場合を示した。

【００２８】上述のように、Ｃｕ（Ｇａ_1-yＡｌ_y）（Ｓ
ｅ_1-zＳ_z）₂は、禁制帯幅が大きくなるように組成比
ｙ、ｚを変えてもＧａＡｓ_1-xＰ_xの格子定数とほぼ一致
する格子定数が得られる。よって、上記基板上にＣｕ
（Ｇａ_1-yＡｌ_y）（Ｓｅ_1-zＳ_z）₂でなる発光部を作製
することによって、広い領域の光の発振が可能で、しか
も基板と半導体層とが格子整合しているため歪みが生じ
ない半導体発光素子を作製することができる。そして、
基板上にＣｕ（Ｇａ_1-yＡｌ_y）（Ｓｅ_1-zＳ_z）₂からな
る半導体層を複数形成し、それぞれの層における上記組
成比ｙ、ｚを変化させることによって複数の色で発色可
能な半導体発光素子が得られる。

【００２９】また、所望の発色が可能で、ＧａＡｓ_1-x
Ｐ_xと格子整合できる組成比の範囲内においては、十分
に大きな禁制帯幅の差が得られるように、異なる組成比
の半導体材料を選択することができるので、これら半導
体材料を用いてクラッド層と活性層を形成することによ
って、半導体レーザ素子として十分利用し得る半導体発
光素子が得られる。

【００３０】この実施例に示した半導体発光素子におい
ては、通電する電極を選択することによって任意の発光
波長を得ることができ、さらに、各層への電流注入量を
調節することによりフルカラー発光または白色発光が可
能になる。

【００３１】この実施例の半導体発光素子は、発光ダイ
オード素子として用いることができる。

【００３２】なお、この半導体発光素子においては、Ｍ
ＢＥ法を用いて基板１０の上に第１ｎ型半導体層１１、
第２ｎ型半導体層１２、第３ｎ型半導体層１３を形成し
たが、有機金属気相エピタキシー（ＭＯＶＰＥ）法およ
びその変形である原子層エピタキシー（ＡＬＥ）法等を
用いて形成することも可能である。

【００３３】（実施例２）図２は本発明の半導体発光素
子の実施例２を示す模式図である。この半導体発光素子
において使用されるｎ型基板３０は、実施例１で使用さ
れた基板１０と同様の構造であり、ｎ型基層３００とｎ
型ＧａＡｓ_1-xＰ_x層３０１とで形成されている。

【００３４】基板３０のｎ型ＧａＡｓ_1-xＰ_x層３０１上
には、それぞれＣｕ（Ｇａ_1-yＡｌ_y）（Ｓｅ_1-zＳ_z）₂
からなるカルコパイライト族化合物半導体でなる第１ｎ
型半導体層３１、第２ｎ型半導体層３２が形成されてい
る。第１ｎ型半導体層３１および第２ｎ型半導体層３２
はそれぞれ一部が除去され、その下の層が一部露出され
ている。この半導体発光素子においては、図中、斜線で
示した部分すなわち、ｎ型ＧａＡｓ_1-xＰ_x層３０１にお
いて、その上面が露出された部分３０２、第１ｎ型層１
１においてその上面が露出された部分３３および第２ｎ
型半導体層３２の上部３４は、拡散不純物が拡散されて
おりｐ型層となっている。これにより、ＧａＡｓ_1-xＰ_x
層３０１、第１ｎ型半導体層３１、第２ｎ型半導体層３
２とそれぞれのｐ型拡散領域３０２、３３、３４との接
合部分においてそれぞれｐｎ接合が形成される。基層３
００側にはｎ型電極３５が、半導体層側にはｐ型電極３
６、３７、３８が形成されている。

【００３５】この半導体発光素子においては、ガスソー
ス分子線エピタキシー（ＧＳＭＢＥ）法を用いて基板３
０の上に第１ｎ型半導体層３１、第２ｎ型半導体層３２
を作製することができる。半導体層の成長材料として
は、実施例１で用いた成長材料に加えてVI族原料として
Ｈ₂Ｓｅ、Ｈ₂Ｓを用い、ｎ型ドーピング材料としてはＳ
ｉを用い、基板温度５００℃で半導体層を成長させた。

【００３６】この実施例においては、Ｓが含有されたカ
ルコパイライト族化合物半導体を用いているので、第１
ｎ型半導体層３１および第２ｎ型半導体層３２を成長さ
せる際には、Ｈ₂ＳｅおよびＨ₂Ｓの供給量をマスフロー
コントローラーにより厳密に制御し、基板を形成するＧ
ａＡｓ_1-xＰ_x層３０１と基板３０上に形成されるＣｕ
（Ｇａ_1-yＡｌ_y）（Ｓｅ_1-zＳ_z）₂からなる層とが格子
整合できるように調節する。これにより、本実施例の半
導体発光素子においては、格子不整合を０．１％以内に
抑えることができる。Ｃｕの供給量とＧａおよびＡｌの
供給量の比ｙを一定に保つようにして化学量論を満足さ
せ、ＧａとＡｌの割合のみを必要に応じて変え所望の発
光色が得られる層となるように調節することは実施例１
と同様である。

【００３７】第２ｎ型半導体層３２を形成後、通常のホ
トリソグラフィーおよびイオンビームエッチングを２回
繰り返すことにより、第１ｎ型半導体層３１および第２
ｎ型半導体層３２の一部を除去し、それらの下層を一部
露出させる。次いで実施例１と同様の方法を用いて、ｐ
型拡散領域３０２、３３、３４を形成する。さらに、ｎ
型電極３５およびｐ型電極３６、３７、３８を形成す
る。

【００３８】この半導体発光素子に電流を注入すると、
ｎ型ＧａＡｓ_1-xＰ_x層３０１とそのｐ型拡散領域３０２
との界面、第１ｎ型半導体層３１とそのｐ型拡散領域３
３との界面、第２ｎ型半導体層３２とそのｐ型拡散領域
３３との界面のそれぞれの界面においてｐｎ接合が形成
されているため、接合面において電子と正孔の再結合が
おこり、各層の禁制帯幅に対応した発光λ₄、λ₅、λ₆
が得られる。

【００３９】本実施例においては、基層３００としてＧ
ａＡｓを用い、ＧａＡｓ_1-xＰ_x層３０１の組成比ｘは以
下に示す値であり、また、拡散不純物としてはＺｎを用
いた。第１ｎ型半導体層３１および第２ｎ型半導体層３
２を形成するＣｕ（Ｇａ_1-yＡｌ_y）（Ｓｅ_1-zＳ_z）₂に
おけるＡｌの組成比ｙをそれぞれｙ₄、ｙ₅とし、Ｓの組
成比ｚをそれぞれｚ₄、ｚ₅とし、各半導体層の詳細およ
び各層における発色光を以下に示す。

【００４０】ＧａＡｓ_1-xＰ_x層３０１：ｘ＝０．３９、
λ₄＝６６０ｎｍ（赤色）第１ｎ型半導体層３１：ｙ₄＝０．５、ｚ₄＝０．１１、
λ₅＝５５０ｎｍ（緑色）、第２ｎ型半導体層３２：ｙ₅
＝１．０、ｚ₅＝０．１１、λ₆＝４４０ｎｍ（青色）。

【００４１】よって、この半導体発光素子においては、
第１実施例と同様に、通電する電極を選択することによ
り任意の発光波長を得ることができ、さらに、各層への
電流注入量を調節することによりフルカラー発光または
白色発光が可能になる。

【００４２】本実施例の半導体発光素子においては、基
板に含まれるＧａＡｓ_1-xＰ_x層も発光部として利用して
いるので、基板上に積層形成するカルコパイライト族半
導体層が２層であっても３色の発光色をまたは白色発光
が可能になる。

【００４３】この実施例の半導体発光素子は、発光ダイ
オード素子として用いることができる。

【００４４】（実施例３）図３は本発明の半導体発光素
子の実施例３を示す模式図である。この半導体発光素子
において使用されるｎ型基板４０は実施例１に示した基
板と同様の構造であり、ｎ型基層４００とｎ型ＧａＡｓ
_1-xＰ_x層４０１とで形成されている。

【００４５】基板４０のｎ型ＧａＡｓ_1-xＰ_x層４０１上
には、それぞれＣｕ（Ｇａ_1-yＡｌ_y）Ｓｅ₂からなるカ
ルコパイライト族化合物半導体でなるノンドープ第１バ
リア層４１、ノンドープ第１発光層４２、ノンドープ第
２バリア層４３、ノンドープ第２発光層４４、ノンドー
プ第３バリア層４５、ｐ型コンタクト層４６が形成され
ている。ｐ型コンタクト層４６の上にはｐ型電極４８が
形成されており、基層４００側には、全面にｎ型電極４
７が形成されている。

【００４６】この実施例では、ＭＯＶＰＥ法を用いて基
板４２０上に半導体層を形成した。成長材料としては、
高純度のシクロペンタジエニルトリエチルフォスフィン
銅（Ｃ₅Ｈ₅Ｃｕ・Ｐ（Ｃ₂Ｈ₅）₃、トリエチルガリウム
（Ｇａ（Ｃ₂Ｈ₅）₃）、トリエチルアルミニウム（Ａｌ
（Ｃ₂Ｈ₅）₃）、Ｈ₂Ｓｅを用い、実施例１と同様にＳを
含有しないカルコパイライト族化合物半導体を用いて各
層を形成した。ドーピング材料としては、ｐ型材料とし
てＮを用いた。半導体層成長時の基板温度は６００℃と
した。成長時には、成長面に過剰のＳｅを供給し、Ｃｕ
の供給量とＧａおよびＡｌの供給量の比を一定に保つよ
うにして化学量論を満足させ、実施例２と同様にしてＧ
ａとＡｌの割合ｙのみを必要に応じて変え所望の発光色
が得られる層となるように調節することは実施例１と同
様である。本実施例においても、格子不整合は小さく、
０．３％程度以内に抑えられる。

【００４７】ｐ型コンタクト層４６形成後、基板４０側
のｎ型電極４７およびｐ型コンタクト層４６側のｐ型電
極を蒸着によって形成する。

【００４８】図４においてこの半導体発光素子の要部の
禁制帯幅構造を示す。図５中、ｎ型ＧａＡｓ_1-xＰ_x層４
０１の禁制帯幅を４０１ａ、ノンドープ第１バリア層４
１の禁制帯幅を４１ａ、ノンドープ第１発光層４２の禁
制帯幅を４２ａ、ノンドープ第２バリア層４３の禁制帯
幅を４３ａ、ノンドープ第２発光層４４の禁制帯幅を４
４ａ、ノンドープ第３バリア層４５の禁制帯幅を４５
ａ、ｐ型コンタクト層４６の禁制帯幅を４６ａで示す。

【００４９】この半導体発光素子に電流を注入すると、
ノンドープ第１バリア層４１からノンドープ第３バリア
層４５にいたるノンドープ層に電子ｅおよび正孔ｈが注
入され、エネルギー障壁に囲まれたノンドープ第１発光
層４２およびノンドープ第２発光層４４において上記電
子ｅおよび正孔ｈが再結合することによって各層の禁制
帯幅に対応した発光が得られる。ノンドープ第３バリア
層４５はエネルギー障壁に囲まれていないが、その層厚
が厚いため、ノンドープ第３バリア層４５内において電
子と正孔が再結合する確率が大きくなるため発光するこ
とが可能となる。すなわち、ノンドープ第３バリア層４
５は発光層としての機能も有する。よって、この半導体
素子おいても各層の禁制帯幅に対応した発光λ₇、λ₈、
λ₉が得られる。

【００５０】この実施例においては、基層４００として
ＧａＡｓを用い、ＧａＡｓ_1-xＰ_x層４０１の組成比ｘは
以下に示す値であり、ｎ型ＧａＡｓ_1-xＰ_x層４０１上の
Ｃｕ（Ｇａ_1-yＡｌ_y）（Ｓｅ_1-zＳ_z）₂からなる第１バ
リア層４１、第１発光層４２、第２バリア層４３、第２
発光層４４、第３バリア層４５およびｐ型コンタクト層
４６のＡｌ組成比ｙをそれぞれｙ₆、ｙ₇、ｙ₈、ｙ₉、ｙ
₁₀、ｙ₁₁とする。各半導体層の詳細および各層における
発色光を以下に示す。

【００５１】ＧａＡｓ_1-xＰ_x層４０１：ｘ＝０．３、第
１バリア層４１：ｙ₆＝０．６、第１発光層４２：ｙ₇＝
０．３２、λ₇＝６３５ｎｍ（赤色）、第２バリア層４
３：ｙ₈＝０．８２、第２発光層４４：ｙ₉＝０．６、λ
₈＝５５０ｎｍ（緑色）、第３バリア層４５ｙ₁₀＝１、
λ₉＝４６０ｎｍ（青色）ｐ型コンタクト層４６：ｙ₁₁＝１。

【００５２】この半導体発光素子においては、電流注入
が各発光層で個別に行われず、各層に同時に注入され
る。よって、この素子単独で実施例１、実施例２のよう
に単色光を得ることはできない。しかし、各色の発光強
度を調節することによって白色光を得ることができる。
また、素子の出射端面に各色に対応したフィルターを備
えることにより、それぞれの色に分離した単色光を得る
ことが可能である。

【００５３】本実施例の半導体発光素子は、発光ダイオ
ード素子として使用することができる。

【００５４】（実施例４）図５は、本発明の半導体発光
素子の実施例４を示す模式図である。この半導体発光素
子において使用されるｎ型基板５０は、実施例１に示し
た基板１０と同様の構造であり、ｎ型基層５００とｎ型
ＧａＡｓ_1-xＰ_x層５０１とで形成されている。

【００５５】基板５０のｎ型ＧａＡｓ_1-xＰ_x層５０１上
には、それぞれＣｕ（Ｇａ_1-yＡｌ_y）（Ｓｅ_1-zＳ_z）₂
からなるｎ型クラッド層５１、ノンドープ活性層５２、
ｐ型クラッド層５３が積層形成されている。ｐ型クラッ
ド層５３上には、窒化珪素膜５４が形成されており、こ
の窒化珪素膜５４は部分的に除去されて幅１０μｍのス
トライプ５５が形成されている。基板５０側および窒化
珪素膜５４側には、それぞれ電極５７、５６が形成され
ている。

【００５６】この半導体発光素子は、以下のようにして
作製される。

【００５７】まず、ウェハー状のｎ型基板５０上に上記
したｎ型クラッド層５１、ノンドープ活性層５２および
ｐ型クラッド層５３をそれぞれ積層形成する。この半導
体発光素子におけるこれら半導体層の成長は、実施例１
と同様の成長材料を用い、ＭＢＥ法等を用いて行うこと
ができる。ドーピング材料としては、ｎ型材料としてＳ
ｉ、ｐ型材料としてＮを用いた。半導体層成長時の基板
温度は、５００℃とした。

【００５８】ｐ型クラッド層５３形成後、窒化珪素膜５
４をプラズマ気相成長（ＰＣＶＤ）法によって成長させ
る。この窒化珪素膜５４を、通常のホトリソグラフィー
法およびエッチング法を用いて部分的に除去してストラ
イプ５５を形成する。蒸着により上記電極５７、５６を
形成する。

【００５９】電極５７、５６形成後、ウェハーをストラ
イプ５５と直行する面で劈開して分割し、共振器を形成
し、半導体発光素子とする。この半導体発光素子は、半
導体レーザ素子として使用することができる。

【００６０】上記半導体発光素子を半導体レーザ素子と
して用いる場合には、クラッド層５１、５３と活性層５
２の間にエネルギー障壁が必要となるので、クラッド層
５２、５３および活性層５２を形成するＣｕ（Ｇａ_1-y
Ａｌ_y）（Ｓｅ_1-zＳ_z）₂におけるＡｌの組成比ｙをそれ
ぞれｙ₁₂、ｙ₁₄、ｙ₁₃とし、Ｓの組成比ｚをｚ₁₂、
ｚ₁₄、ｚ₁₃とすると、ｚ₁₂、ｚ₁₄およびｚ₁₃が等しい場
合は、クラッド層のＡｌ組成比ｙ₁₂、ｙ₁₄を活性層のＡ
ｌ組成比ｙ₁₃より大きく設定し、好ましくは、ｙ₁₂、ｙ
₁₄をｙ₁₃より０．２以上大きくする。なお、ｙ₁₂、ｙ₁₄
は通常等しい値である。

【００６１】例えば、基層５００としてＧａＡｓを用
い、ＧａＡｓ_1-xＰ_x層５０１のｘが０．３の場合には、
ｎ型クラッド層５１、ｐ型クラッド層５３およびノンド
ープ活性層５２の各組成比ｙ、ｚを下記表１に示すよう
に設定すると、上記半導体発光素子の発振波長は同表１
に示す値となる。

【００６２】

【表１】

【００６３】ところで、実施例４の半導体発光素子にお
いては、その発振波長を短くしようとするほど、ＧａＡ
ｓ_1-xＰ_x層５０１との禁制帯幅とｎ型クラッド層５１の
禁制帯幅との差が大きくなるため、電流の注入が困難に
なることがある。その場合は、ＧａＡｓ_1-xＰ_x層５０１
とｎ型クラッド層５１との間に、ＧａＡｓ_1-xＰ_x層５０
１の禁制帯幅とｎ型クラッド層５１の禁制帯幅の中間の
値の禁制帯幅をもつＣｕ（Ｇａ_1-yＡｌ_y）（Ｓｅ
_1-zＳ_z）₂からなる中間層を設けるとよい。この中間層
におけるＡｌ組成比ｙをｙ₁₅とすると、ｙ₁₅はクラッド
層５１、５３におけるＡｌ組成比ｙ₁₂、ｙ₁₄より小さい
値とする。

【００６４】なお、上記ＧａＡｓ_1-xＰ_x層５０１におい
てｘが０．３の場合には青色発光する半導体発光素子は
得られないが、青色発光できる組成比ｙ、ｚを有する
（Ｇａ_1-yＡｌ_y）（Ｓｅ_1-zＳ_z）₂層、例えば、ｙが
０．７５、ｚが０．４の（Ｇａ_1-yＡｌ_y）（Ｓｅ
_1-zＳ_z）₂層を用いて発光部を形成し、この層と格子整
合できるようにｘを大きい値とすれば青色発光できる半
導体発光素子が得られることは、図６から明らかであ
る。

【００６５】実施例４の半導体発光素子においては、簡
単のため、電極ストライプ型のダブルヘテロ構造の素子
とした例を示したが、クラッド層を二重にしたＳＣＨ
（Separate Confinement Heterostructure）型、ＧＲＩ
Ｎ−ＳＣＨ（Graded Index Separate Confinement Hete
rostructure）型等のＧａＡｓ系半導体レーザ素子とし
て用いられている他の構造においても本発明を適用する
ことができる。活性層の格子定数を大きくして活性層に
圧縮応力のかかった歪み量子井戸構造、リッジストライ
プ型屈折率導波路構造とするとなお好ましい。

【００６６】本実施例の半導体発光素子においては、発
振されるレーザ光の集光径が最大０．５μｍ程度である
半導体レーザ素子を提供することが可能である。よっ
て、従来のＧａＡｓ系半導体レーザ素子の集光径が最大
０．８μｍ程度であることと比較すると、集光径の上限
を４０％程度小さくすることができる。そのため、光デ
ィスク記録システムの記録密度を従来より２．５倍程度
まで向上させることができる。

【００６７】

【発明の効果】本発明によれば、１つの基板上に同一系
の半導体からなる層を形成することにより作製され、赤
色から青色の領域内で高輝度の発光可能な半導体発光素
子を提供することができる。よって、１つの基板の上に
上記半導体からなる層を複数形成し、それぞれの禁制帯
幅を変化させることによって発光色がそれぞれ異なる複
数の発光部を形成することができ、フルカラーディスプ
レーおよび白色発光するディスプレーを作製することが
できる。

【００６８】また、本発明によれば、青色領域において
高効率発振でき、半導体レーザとして利用できる半導体
発光素子を作製することができる。本発明の半導体発光
素子は、光ディスクシステム、光磁気記録ディスクシス
テム等に好適に使用することができ、本発明の半導体発
光素子を用いることによってこれらシステムの高密度化
を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例１の半導体発光素子を示す模式図であ
る。

【図２】実施例２の半導体発光素子を示す模式図であ
る。

【図３】実施例３の半導体発光素子を示す模式図であ
る。

【図４】実施例４の半導体発光素子における禁制帯幅構
造を示す図である。

【図５】実施例５の半導体発光素子の縦断面図である。

【図６】ＧａＡｓ_1-xＰ_xと（Ｇａ_1-yＡｌ_y）（Ｓｅ_1-z
Ｓ_z）₂における格子定数と禁制帯幅との関係および発光
波長との関係を表す図である。

【符号の説明】

１０、３０、４０、５０基板１００、３００、４００、５００ＧａＡｓ層１０１、３０１、４０１、５０１ＧａＡｓ_1-xＰ_x層１１、１２、１３、３１、３２ｎ型半導体層２１、２２、２３、３０２、３３、３４ｐ型拡散領域４１、４３、４５ノンドープバリア層４２、４３ノンドープ発光層５１ｎ型クラッド層５２活性層５３ｐ型クラッド層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者須山尚宏大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号シャープ株式会社内 (72)発明者幡俊雄大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号シャープ株式会社内 (72)発明者細羽弘之大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号シャープ株式会社内 (72)発明者大林健大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号シャープ株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ＧａＡｓ層またはＧａＰ層の上にＧａＡｓ
_1-xＰ_x層（ｘは０より大で１未満）が形成された半導体
基板に対し、ＧａＡｓ_1-xＰ_x層上に半導体層が積層形成
され、該半導体層が、該基板の格子定数とほぼ等しい格
子定数を有し、かつＣｕ、Ｓｅ、ならびにＧａとＡｌの
うちの少なくとも１方を含有するカルコパイライト族化
合物半導体からなる半導体発光素子。
【請求項２】前記半導体層が、Ｃｕ（Ｇａ_1-yＡｌ_y）
（Ｓｅ_1-zＳ_z）₂（ｙは０以上１以下であり、ｚは０以
上１未満である）からなる層を少なくとも１層有した請
求項１記載の半導体発光素子。