JPH06188456A - 半導体発光素子及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 発光中心波長の異なる複数の発光層を有した
発光ダイオードを構成するに当たり、電極の数の少ない
半導体発光素子とその製造方法を提供する。 【構成】 図示しないＰ型基板上に、Ｐ型クラッド層２
ａ、第一の発光層２ｂ、Ｎ型クラッド層２ｃをＬＰＥ法
により膜厚約１００μｍ程度の第一の二重ヘテロ構造部
２を形成させ、その後ＭＯＣＶＤ法により、上部の発光
層３ｂからの光は反射して下部の発光層２ｂからの光は
透過するような選択的な反射層４、Ｎ型クラッド層３
ａ、第二の発光層３ｂ、Ｐ型クラッド層３ｃを順次積層
する。そして、エッチングにより形成したＮ型電極形成
面に、Ｎ型電極６を、Ｐ型クラッド層２ａの下面全面に
Ｐ型電極５を、Ｐ型クラッド層３ｃの上面にＰ型電極７
を設置した構造になっている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、面発光型の半導体発光
素子に係わり、特に発光中心波長の異なる発光層を複数
有した半導体発光素子に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、光通信や、表示装置などに面発光
型の発光ダイオード（半導体発光素子）が多用されてい
る。このような発光ダイオードは、基板上にＬＰＥ（液
相成長法）法や、ＭＢＥ（分子線エピタキシー法）法、
ＭＯＣＶＤ（有機金属気相成長法）法等の結晶成長法を
用いてＰＮ接合を形成させている。

【０００３】半導体結晶の厚膜成長に適した上記ＬＰＥ
法で発光ダイオードを作成する場合には、厚膜の半導体
結晶層を作成し、光を吸収してしまう基板を除去して光
の発光出力の低下を防いでいた。ところが近年では、膜
厚の制御性及び均一性に優れたＭＯＣＶＤ（有機金属気
相成長法）法や、ＭＢＥ（分子線エピタキシー法）法を
用いて半導体発光装置を製造しようとする試みが行われ
ている。しかしながら、これらＭＯＣＶＤ法やＭＢＥ法
は薄膜制御性や再現性には優れているが、光を吸収して
しまう基板を除去できるまでの厚膜を成長させることは
できない。

【０００４】そこでＭＯＣＶＤ法やＭＢＥ法によって半
導体発光装置を製造するに当たって、半導体発光装置の
出力向上のために、発光層と基板との間に形成させてい
るのが多層反射層である。この多層反射層は、ブラック
反射に基づく光波干渉を利用し、この多層反射層に入射
する光を選択的に反射できる半導体結晶層である。この
反射層の反射中心波長は、その反射層を構成する半導体
結晶層の膜厚ｄにより決まり、この膜厚ｄは、反射中心
波長をλ、反射層の屈折率をｎとすれば、ｄ＝λ／４ｎ
で決まる。発光層から発生する光の発光中心波長の光を
反射する反射層を基板と発光層との間に形成させておけ
ば、基板による光の吸収がなくなるのでＭＯＣＶＤ法
や、ＭＢＥ法等の薄膜しか形成できない結晶成長法でも
高発光出力の発光ダイオードを作成できた。

【０００５】しかし、上述のように反射層を形成して高
発光出力の発光ダイオードであっても、一つの発光層し
か有していないので、この発光ダイオードより発生する
光は、一つの発光中心波長の光だけである。実際に発光
ダイオードを使用する状況下では、発光中心波長の異な
る発光ダイオードを複数組み合わせて使用することが多
かったため、従来より複数の発光中心波長をもつ光を発
生する発光ダイオードが望まれていた。このように複数
の発光中心波長を有する発光ダイオードを構成するため
に、複数の発光層を有した発光ダイオードを構成するに
は、ある発光層で発生した光が他の発光層に吸収されな
いようにしなくてはならない。光は、その波長が長いほ
どエネルギーが小さいので、ある発光層から出力した光
が、他の発光層に吸収されないような構造にしなくては
ならない。そのためには、発光ダイオードの上面に設け
た光出力窓に近い発光層ほど発光中心波長が短くなるよ
うに発光層を形成し、かつ発光層と発光層との間には、
上部の発光層からの光は反射して下部の発光層からの光
は透過するように構成した選択的反射層を形成すれば良
い。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところで、複数の発光
中心波長を有する光を出力する発光ダイオードを構成す
るには、上述したような構成にすれば良いのであるが、
複数の発光中心波長を有する光を出力させるためには、
発光ダイオードの電極の数が複数必要となる。しかし、
電極と半導体結晶との接触面積は、通常数百μｍ² 以上
必要であるため、積層する発光層の数を増やすほど最下
部の発光層の面積を大きしなくてはいけない。ＭＯＣＶ
Ｄ法によって二重ヘテロ構造の半導体結晶層を積層する
場合、Ｎ型クラッド層の上に発光層とＰ型クラッド層を
積層させるのが一般的であるため、例えば、ＭＯＣＶＤ
法を用いて２つの発光層を形成する場合、発光層と発光
層との間に２つの電極を設置する構造となってしまう。
これはＭＯＣＶＤ法による結晶成長技術の性質上やむを
得ないことである。

【０００７】即ち、発光層を２つ形成させようとする場
合でも発光ダイオードの最下部半導体結晶の面積を大き
くしないと、高発光出力の発光ダイオードを得ることが
できない。よって、複数の発光中心波長を有する光を出
力させようとすると発光ダイオードチップが大きくなっ
てしまい、実用的でなくなってしまう。

【０００８】そこで、本発明は上記の点に着目してなさ
れたものであり、発光中心波長の異なる複数の発光層を
有した発光ダイオードを構成するに当たり、電極の数を
少なくした構造の半導体発光素子とその製造方法を提供
することを目的とするものである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を達
成するための手段として、発光中心波長の異なる複数の
発光層を有し、かつ前記発光層と発光層との間に反射層
を形成した半導体発光素子であって、前記発光層と発光
層との間の前記反射層を含む半導体結晶層は、同じ電気
伝導型の半導体結晶で形成したことを特徴とする半導体
発光素子を提供しようとするものである。

【００１０】また、本発明は、上記目的を達成するため
の手段として、上記半導体発光素子の製造方法におい
て、基板上に最初に積層する前記発光層を含む半導体結
晶層は液相成長法により積層し、以降前記反射層、前記
発光層と発光中心波長の異なる発光層を含む半導体結晶
層、を順次積層していくことを特徴とする半導体発光素
子の製造方法を提供しようとするものである。

【００１１】

【実施例】以下、添付図面を参照して本発明の一実施例
を説明する。なお、以下の説明は、二つの発光層を有し
た発光ダイオードに付いて行う。図１は、本発明の一実
施例である半導体発光素子の構造を示す図である。同図
において、本実施例の半導体発光素子１は、Ｐ型クラッ
ド層２ａと、第一発光層２ｂと、Ｎ型クラッド層２ｃ
と、で構成される第一の二重ヘテロ構造部２、Ｎ型クラ
ッド層３ａと、第一発光層３ｂと、Ｐ型クラッド層３ｃ
と、で構成される第二の二重ヘテロ構造部３、及び第一
の二重ヘテロ構造部２と第二の二重ヘテロ構造部３との
間に形成された、上述した選択的反射層４で構成され、
かつＰ型クラッド層２ａの下面にはＰ型オーミック電極
５、Ｎ型クラッド層２ｃの一部上面にＮ型オーミック電
極６、Ｐ型クラッド層上面にはＰ型オーミック電極７が
それぞれ設置してある。そして、前述したように、第一
発光層２ｂの発光中心波長は第二発光層３ｂの発光中心
波長よりも長くなるように、その組成がコントロールさ
れている。

【００１２】ところで、発光ダイオード１は、第一の発
光層２ｂと第二の発光層３ｂとの間の半導体結晶層の電
気伝導型が等しくなるように構成されている。このた
め、第一の二重ヘテロ構造部２と第二の二重ヘテロ構造
部３とのカソード電極を共通に使用することができる。
即ち、Ｎ型電極６は、第一の二重ヘテロ構造部２のカソ
ード電極であって、かつ第二の二重ヘテロ構造部３のカ
ソード電極でもある。

【００１３】この発光ダイオード１のＰ型電極５，６、
及びＮ型電極７に順方向電流を流すと、第一の発光層２
ｂ、第二の発光層３ｂより光が発生する。第一の発光層
２ｂより上側に発生した光は、上記の選択的反射層４を
透過し、発光ダイオード１上部に設けた光出力窓８より
出力する。また、第一の発光層２ｂから下側に発生した
光は、Ｐ型電極５によりその方向を光出力窓方向に反射
され、光出力窓８より出力する。また、第二の発光層３
ｂより上側に発生した光は、光出力窓８よりそのまま出
力し、第二の発光層３ｂより下側に発生した光は、選択
的反射層４によってその方向を光出力窓方向に反射さ
れ、光出力窓８より出力する。

【００１４】このように、本実施例の発光ダイオード１
では、２つの発光中心波長を有する光を出力し、かつ、
その出力する光も高出力にすることができる。

【００１５】次に、図２を用いて本発明の一実施例であ
る発光ダイオード１の製造方法に付いて説明する。図２
は、発光ダイオード１の製造方法を示したもので、各図
は、主要工程での側断面図を概略的に示している。最初
に、同図（Ａ）において、Ｐ型ＧａＡｓ基板９上に、Ｐ
型クラッド層２ａ、第一の発光層２ｂ、Ｎ型クラッド層
２ｃをＬＰＥ法による厚膜成長技術を用いて膜厚約１０
０μｍ程度の第一の二重ヘテロ構造部２を形成させる。
この時、第一の発光層２ｂは、組成をコントロールする
ことにより、後に積層する第二の発光層３ｂよりも発光
中心波長が長くなるようにされている。次に、同図
（Ｂ）において、Ｎ型クラッド層２ｃ上にＭＯＣＶＤ法
等の薄膜制御性に優れた結晶成長技術を用いて反射層
４、Ｎ型クラッド層３ａ、第二の発光層３ｂ、Ｐ型クラ
ッド層３ｃを順次積層する。そして、更に、Ｐ型クラッ
ド層３ｃ上面にＣＶＤ法等によりＳｉＯ₂ 絶縁膜１３を
被着させ、リソグラフィー技術等を用いて、絶縁膜１３
をＮ型電極形成面加工のためのパターンにエッチングす
る。なお、上述のＮ型クラッド層２ｃ，３ａは、第一の
二重ヘテロ構造部２、及び第二の二重ヘテロ構造部３で
共通に使用するため、それぞれの結晶成長時間は比較的
短い時間で十分である。次に、同図（Ｃ）において、エ
ッチングによってＮ型電極形成面１５を形成する。この
とき、電極形成面１５は、第二の二重ヘテロ構造部２の
Ｎ型クラッド層２ｃの上面部分に形成される。そして、
ＳｉＯ₂ 絶縁膜１３、Ｐ型ＧａＡｓ基板９が、エッチン
グにより除去される。最後に、同図（Ｄ）に示すよう
に、Ｐ型電極５をＰ型クラッド層２ａ下面全面に設置
し、Ｎ型電極６を電極形成面１５に設置し、Ｐ型電極７
をＰ型クラッド層３ｃ上面の光出力窓８以外の部分に設
置し、素子毎に分離すると、同図（Ｄ）に示す発光ダイ
オード１を得る。

【００１６】以上のように、本実施例の発光ダイオード
１によれば、第一の発光層２ｂと第二の発光層３ｃとの
間が同じ電気伝導型の半導体結晶で形成されているの
で、第一の二重ヘテロ構造部１のＮ型電極と、第二の二
重ヘテロ構造部３のＮ型電極とを共通の電極にできる。
即ち、本実施例の発光ダイオード１のように発光層を二
つにした場合は、全電極数を３つにすることができ、か
つ上述した製造方法により高発光出力の発光ダイオード
１を得ることができる。

【００１７】なお、上述した発光ダイオード１及びその
製造方法は、本発明の技術的思想を説明するための一例
であり、その構造及びその製造方法は、本発明に基づき
適宜変更可能である。

【００１８】

【発明の効果】以上説明したように本発明の半導体発光
素子によれば、発光層と発光層との間の半導体結晶層の
電気伝導型が同一であるので、上部の半導体結晶層と下
部の半導体結晶層とを共通の一つの電極とすることがで
きる。また、上部の半導体結晶層と下部の半導体結晶層
とで電極を共通にして半導体発光層素子の上面と下面と
の電極以外の電極の数を少なくすることができるので、
半導体発光素子を実用的な大きさに構成することができ
る。また、基板上に最初に積層する発光層を含む半導体
結晶層は、液相成長法により厚膜の半導体結晶層を積層
して基板を除去できるので、基板による光吸収を防止す
ることができ、高発光出力の半導体発光素子を製造する
ことができる等の効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例である半導体発光素子の構造
を示す図である。

【図２】発光ダイオード１の製造方法を示した図であ
る。

【符号の説明】

１ 発光ダイオード（半導体発光素子） ２ 第一の二重ヘテロ構造部 ２ａ Ｐ型クラッド層 ２ｂ 第一の発光層 ２ｃ Ｎ型クラッド層 ３ 第二の二重ヘテロ構造部 ３ａ Ｎ型クラッド層 ３ｂ 第一の発光層 ３ｃ Ｐ型クラッド層 ４ 反射層 ５，７ Ｐ型電極 ６ Ｎ型電極

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】発光中心波長の異なる複数の発光層を有
   し、かつ前記発光層と発光層との間に反射層を形成した
   半導体発光素子であって、 前記発光層と発光層との間の前記反射層を含む半導体結
   晶層は、同じ電気伝導型の半導体結晶で形成したことを
   特徴とする半導体発光素子。
2. 【請求項２】請求項１記載の半導体発光素子の製造方法
   において、 基板上に最初に積層する前記発光層を含む半導体結晶層
   は液相成長法により積層し、以降前記反射層、前記発光
   層と発光中心波長の異なる発光層を含む半導体結晶層、
   を順次積層していくことを特徴とする半導体発光素子の
   製造方法。