JPH0621508A - 半導体発光素子 - Google Patents

半導体発光素子

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JPH0621508A
JPH0621508A JP17664092A JP17664092A JPH0621508A JP H0621508 A JPH0621508 A JP H0621508A JP 17664092 A JP17664092 A JP 17664092A JP 17664092 A JP17664092 A JP 17664092A JP H0621508 A JPH0621508 A JP H0621508A
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悌二 山本
Makoto Inai
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ATR Optical and Radio Communications Research Laboratories
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 発光波長の選択性を向上させることができる
とともに、従来に比較して高い発光効率を有する半導体
発光素子を提供する。 【構成】 平坦部間に斜面部が形成されるように段差を
形成した化合物半導体基板上に、結晶成長法によって活
性層となる多重量子井戸層、半導体超格子型井戸層、又
は障壁層部分のみに両性不純物をドープした化合物半導
体層を形成し、その上に化合物半導体にてなるコンタク
ト層を形成することによって、上記段差によって形成さ
れる上記活性層の平坦部と斜面部との間において伝導型
の違いで横方向のp−n接合を形成した。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、横方向のp−n接合を
利用する半導体発光素子に関する。
【0002】
【従来の技術】従来、III−V族化合物半導体基板に斜面
部を形成し、当該斜面部が形成された基板上に、それぞ
れIV族元素をドーピングしたGaAs層又はAlGaA
s層を種々の結晶成長法を用いて、いわゆる横方向のp
−n接合を形成した後、各電極を形成して半導体発光素
子を形成してきた。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の半導体発光素子において、その発光波長はp−n接
合を形成するバルク材料の禁制帯幅に依存しかつ用いる
ことができる当該バルク材料が限定されるため、種々の
発光波長を選択することができない。また、発光効率も
低いという問題点があった。
【0004】本発明の目的は以上の問題点を解決し、発
光波長の選択性を向上させることができるとともに、従
来に比較して高い発光効率を有する半導体発光素子を提
供することにある。
【0005】
【課題を解決するための手段】本発明に係る請求項1記
載の半導体発光素子は、平坦部間に斜面部が形成される
ように段差を形成した化合物半導体基板上に、結晶成長
法によって活性層となる多重量子井戸層、半導体超格子
型井戸層、又は障壁層部分のみに両性不純物をドープし
た化合物半導体層を形成し、その上に化合物半導体にて
なるコンタクト層を形成することによって、上記段差に
よって形成される上記活性層の平坦部と斜面部との間に
おいて伝導型の違いで横方向のp−n接合を形成したこ
とを特徴とする。
【0006】また、請求項2記載の半導体発光素子は、
上記多重量子井戸層、上記半導体超格子型井戸層、又は
上記化合物半導体層と、上記化合物半導体基板との間
に、光を反射する反射層を形成したことを特徴とする。
【0007】
【作用】以上のように構成された半導体発光素子におい
て、上記横方向のp−n接合に順方向電圧を印加するこ
とによって、上記p−n接合に順方向電流が流れると
き、上記p−n接合の部分でサブバンドの電子と正孔の
結合が生じ、これによって、サブバンド間による量子効
果の遷移によって発光が生じる。
【0008】さらに、好ましくは、上記多重量子井戸
層、上記半導体超格子型井戸層、又は上記化合物半導体
層と、上記化合物半導体基板との間に、光を反射する反
射層を形成することにより、上記発光した光を上記化合
物半導体基板に対して垂直な方向でより高い効率で放射
させることができる。
【0009】
【実施例】以下、図面を参照して本発明に係る実施例に
ついて説明する。
【0010】<第1の実施例>図1は、本発明に係る第
1の実施例である多重量子井戸型半導体発光素子の構成
を示す縦断面図である。
【0011】この第1の実施例の多重量子井戸型半導体
発光素子は、平坦部1b,1c間に斜面部1aが形成さ
れるように段差を形成したGaAs基板1上に、1対の
量子井戸層10がSiがドープされたGaAs層11と
SiがドープされないAlGaAs層12とからなりそ
の15対の量子井戸層10−1乃至10−15からなる
多重井戸層3を形成した後、コンタクト層であるGaA
s層4,5,6を形成し、その斜面部にn型オーミック
電極9を形成する一方、その平坦部にp型オーミック電
極7,8を形成して、当該段差における横方向のp−n
結合により発光することを特徴としている。
【0012】図1に示すように、半絶縁性のGaAs基
板1の上面である面方位(111)Aの面に対して、面
方位(311)Aを有する斜面部1aが形成されるよう
に、ウエットエッチング法によって段差加工を行い、こ
れによって、当該斜面部1aの両側に、面方位(11
1)Aを有する平坦部1b,1cが形成される。次い
で、段差を有するGaAs基板1上に、分子線エピタキ
シャル法によってAl0.5Ga0.5AsにてなるAlGa
As層2を成長させて形成する。さらに、当該AlGa
As層2上に、分子線エピタキシャル法によって、活性
層となる15対の量子井戸層10−1乃至10−15を
積層して成長させることによって、段差を有し層3a,
3b,3cからなる多重量子井戸層3を形成する。ここ
で、1対の量子井戸層10は、好ましくは1×1018
-3乃至5×1018cm-3のドープ量でSiがドープさ
れ厚さ30Åを有するGaAs層11と、当該GaAs
層11上に形成されAl0.5Ga0.5Asにてなり厚さ2
00Åを有するドープされないAlGaAs層12にて
なる。
【0013】さらに、上記多重量子井戸層3上に、分子
線エピタキシャル法によって、好ましくは1×1018
-3乃至5×1018cm-3のドープ量でSiがドープさ
れ厚さ200Åを有するコンタクトであるGaAs層
4,5,6を形成する。本実施例においては、Siなど
のIV族原子がGaAsなどのIII−V族化合物半導体内で
不純物として動作するとき、基板の面方位に依存してp
型又はn型になる性質を用いている。特に、面方位(1
11)Aではp型のアクセプタになりやすく、他の面方
位(100)Bや(111)Bにおいてはn型のドナー
となる。従って、斜面部に形成されたGaAs層6と、
当該GaAs層6の直下の多重量子井戸層3c内のGa
As層11(以下、符号を3c−11とする。)はn型
となり、平坦部に形成されたGaAs層4,5と、当該
GaAs4,5の各々直下の多重量子井戸層3a,3b
内のGaAs層11(以下、それぞれ符号を3a−1
1,3b−11とする。)はp型となる。従って、n型
GaAs層3c−11とp型GaAs層3a−11との
間、並びにn型GaAs層3c−11とp型GaAs層
3b−11との間に横方向のp−n接合が形成される。
【0014】最後に、フォトリソグラフィー法と金属蒸
着法を用いて、p型GaAs層4,5の平坦部上にそれ
ぞれ、Zn/Ni/Auにてなるp型オーミック電極
7,8を形成するとともに、n型GaAs層6の斜面部
上にAuGe/Ni/Auにてなるn型オーミック電極
6を形成して、電極の合金化を行った。次いで、電極7
と9の間の直下部及び電極9と8の間の直下部に位置す
る、コンタクト層4,5,6の接合部を選択的にエッチ
ングして除去して、図1のデバイスを得る。さらに、電
極7.9間、及び電極8,9間に直流電源50を順方向
で接続して、各横方向のp−n接合に順方向電圧を印加
した。
【0015】以上のように構成された第1の実施例の半
導体発光素子における動作について以下に説明する。
【0016】例えばGaAs/AlGaAs量子井戸構
造において、GaAs層11の厚さである量子井戸幅が
100Å以上のとき、GaAs量子井戸内に形成される
量子準位のエネルギーは井戸材料本来のバンドギャップ
と概ね同じである。しかしながら、量子井戸幅が100
Å未満であるとき、図3に示すように比較的高いエネル
ギー準位の位置に、サブバンドと呼ばれる量子準位が形
成される。また、n型GaAs層3c−11においては
伝導帯側のサブバンドに電子が比較的多く存在する一
方、p型GaAs層3a−11,3b−11においては
価電子帯側のサブバンドに正孔が比較的多く存在する。
これによって、2個の横方向のp−n接合(図4におい
てその接合面を200で示す。)が形成され、その接合
に矢印110,120で示すように順方向の電流を流す
ことによって、それらの接合近傍の領域で矢印130,
140で示すようにサブバンドの電子と正孔の結合が生
じ、これによって、量子効果によるサブバンド間の遷移
によって発光が生じ、当該光が各電極7,9間と各電極
8,9間から基板面に対して垂直な方向である矢印10
0方向で放射される。
【0017】図2は第1の実施例の多重量子井戸型半導
体発光素子の発光スペクトルを示すスペクトル図であ
る。図2に示すように、GaAs量子井戸に形成された
伝導帯側のサブバンドと価電子帯側のサブバンドとの間
で発光が生じるので、GaAsバルク材料の本来の禁制
帯である860nmでなく、当該波長よりも極めて短い
波長700nmで発光する。
【0018】従って、第1の実施例においては、サブバ
ンド間の量子効果による遷移によって発光が生じるの
で、井戸材料の禁制帯幅よりも短い波長で発光する。ま
た、量子効果による形成された量子準位のバンド構造の
ために、電子と正孔のエネルギーの分布がバルク材料の
それに比較して狭くなり、発光スペクトルの半値幅は狭
くなるとともに、発光効率も高くなるという特有の利点
を有する。
【0019】さらに、例えばGaAsと格子整合するZ
nSSe又はZnCdSeSなどのII−VI族化合物半導
体材料との組み合わせなど、互いに発光波長の異なる材
料を組み合わせることによって、青色、緑色及び赤色
(ここで、赤色はGaAs/AlGaAs系を用い
る。)の発光を実現することができる。従って、本実施
例の半導体発光素子をカラーフラットパネルなどに応用
することができる。
【0020】<第2の実施例>図4は、本発明に係る第
2の実施例である半導体超格子型半導体発光素子の構成
を示す縦断面図であり、図4において図1と同一のもの
については同一の符号を付している。
【0021】この第2の実施例の半導体超格子型半導体
発光素子は、平坦部1b,1c間に斜面部1aが形成さ
れるように段差を形成したGaAs基板1上に、1対の
井戸層30がSiがドープされたGaAs層31とSi
がドープされないAlAs層32とからなりその50対
の半導体超格子型井戸層30−1乃至30−50からな
る半導体超格子型井戸層22を形成した後、コンタクト
であるGaAs層23,24,25を形成し、その斜面
部にp型オーミック電極25を形成する一方、その平坦
部にn型オーミック電極23,24を形成して、当該段
差における横方向のp−n結合により発光することを特
徴としている。
【0022】図4に示すように、半絶縁性のGaAs基
板1の上面である面方位(111)Bの面に対して、面
方位(111)Aを有する斜面部1aが形成されるよう
に、ウエットエッチング法によって段差加工を行い、こ
れによって、当該斜面部1aの両側に、面方位(11
1)Bを有する平坦部1b,1cが形成される。次い
で、段差を有するGaAs基板1上に、分子線エピタキ
シャル法によってSiをドープしないAlAs層21を
成長させて形成する。さらに、当該AlAs層21上
に、分子線エピタキシャル法によって、活性層となる5
0対の井戸層30−1乃至30−50を積層して成長さ
せることによって、段差を有する半導体超格子型井戸層
22を形成する。ここで、1対の井戸層30は、好まし
くは1×1018cm-3乃至5×1018cm-3のドープ量
でSiがドープされ厚さ30Åを有するGaAs層31
と、当該GaAs層31上に形成され厚さ50Åを有す
るAlAs層32にてなる。
【0023】さらに、上記半導体超格子型井戸層22上
に、分子線エピタキシャル法によって、好ましくは1×
1018cm-3乃至5×1018cm-3のドープ量でSiが
ドープされ厚さ200Åを有するコンタクト層であるG
aAs層23,24,25を形成する。ここで、第1の
実施例と同様に、斜面部に形成されたGaAs層25
と、当該GaAs層25の直下の半導体超格子型井戸層
22c内のGaAs層31(以下、符号を22c−31
とする。)はp型となり、平坦部に形成されたGaAs
層23,24及び、当該GaAs層23,24の各々の
直下の半導体超格子型井戸層22a,22b内のGaA
s層31(以下、それぞれ符号を22a−31,22b
−31とする。)はn型となる。従って、n型GaAs
層22a−31とp型GaAs層22c−31との間、
並びにn型GaAs層22b−31とp型GaAs層2
2c−31との間に横方向のp−n接合が形成される。
【0024】最後に、フォトリソグラフィー法と金属蒸
着法を用いて、n型GaAs層23,24の平坦部上に
それぞれ、AuGe/Ni/Auにてなるn型オーミッ
ク電極26,27を形成するとともに、p型GaAs層
25の斜面部上にAuZn/Auにてなるp型オーミッ
ク電極28を形成して、電極の合金化を行った。次い
で、電極26と25の間の直下部及び電極25と27の
間の直下部に位置する、コンタクト層23,24,25
の接合部を選択的にエッチングして除去して、図4のデ
バイスを得る。さらに、電極28,26間、及び電極2
8,27間に直流電源50を順方向で接続して、各横方
向のp−n接合に順方向電圧を印加した。
【0025】以上のように構成された第2の実施例の半
導体発光素子は、半導体超格子型井戸層22における動
作を除いて、第1の実施例と同様に動作し、第1の実施
例と同様の特有の効果を有する。
【0026】<他の実施例>上記第1の実施例におい
て、GaAs基板1の斜面部1aを面方位(311)A
で形成しているが、本発明はこれに限らず、面方位(N
11)A,(N>1.5)で形成してもよい。また、上
記第2の実施例において、GaAs基板1の斜面部1a
を面方位(111)Aで形成しているが、本発明はこれ
に限らず、面方位(N11)A,(N<3)で形成して
もよい。
【0027】以上の実施例において、放射される光を効
率的に放射するために、AlGaAs層2又はAlAs
層21の上面又は下面に、例えばAlGaAs/GaA
sなどの半導体多層薄膜にてなる反射膜を形成してもよ
い。
【0028】以上の実施例において、分子線エピタキシ
ャル法を用いているが、これに代えて、有機金属化学的
気相成長法(MOCVD)又は液相成長法などの他の結
晶成長法を用いてもよい。
【0029】以上の実施例において、多重量子井戸層3
又は半導体超格子型井戸層22を用いているが、本発明
はこれに限らず、例えばSiなどの不純物を成長面の1
原子層にのみに供給して形成されるプレーナドープ構造
(δドープ構造)を用いてもよい。また、多重量子井戸
層3又は半導体超格子型井戸層22内のAlxGa1-x
s層12,32などの障壁層にのみSiなどの両性不純
物をドーピングする変調ドープ構造(HEMT構造)を
用いてもよい。当該変調ドープ構造は、以下のようにし
て形成される。すなわち、半絶縁性のGaAs基板の上
面である面方位(111)Aの面に対して、面方位(3
11)Aの面を有する斜面部が形成されるようにウエッ
トエッチング法によって段差加工を行った後、分子線エ
ピタキシャル法によってドープされないGaAs層を成
長して形成し、次いで、SiがドープされたAlGaA
s層を成長して形成する。このとき、平面部におけるG
aAs層とAlGaAs層との境界面に2次元正孔ガス
が形成される一方、斜面部のGaAs層とAlGaAs
層との境界面には2次元電子ガスが形成され、それぞれ
の斜面部と平面部の接点において横方向のp−n接合が
形成される。
【0030】
【発明の効果】以上詳述したように本発明によれば、平
坦部間に斜面部が形成されるように段差を形成した化合
物半導体基板上に、結晶成長法によって活性層となる多
重量子井戸層、半導体超格子型井戸層、又は障壁層部分
のみに両性不純物をドープした化合物半導体層を形成
し、その上に化合物半導体にてなるコンタクト層を形成
することによって、上記段差によって形成される上記活
性層の平坦部と斜面部との間において伝導型の違い横方
向のp−n接合を形成したので、本発明に係る半導体光
発光素子は次の特有の効果を有する。 (1)サブバンド間の量子効果による遷移によって発光
が生じるので、井戸材料の禁制帯幅よりも短い波長で発
光する。従って、従来に比較して発光波長の選択性を向
上させることができる。 (2)また、量子効果による形成された量子準位のバン
ド構造のために、電子と正孔のエネルギーの分布がバル
ク材料のそれに比較して狭くなり、発光スペクトルの半
値幅は狭くなるとともに、発光効率も高くなる。 (3)上述のように、互いに発光波長の異なる材料を組
み合わせることによって、青色、緑色及び赤色の発光を
実現することができる。従って、本実施例の半導体発光
素子をカラーフラットパネルなどに応用することができ
る。 (4)横方向のp−n接合を利用しているので、発光部
分が配線電極で覆われないので、半絶縁性半導体基板上
に2次元の集積化が容易である。従って、他の集積回路
と組み合わせた回路を従来に比較して小型化することが
できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明に係る第1の実施例である多重量子井
戸型半導体発光素子の構成を示す縦断面図である。
【図2】 図1の多重量子井戸型半導体発光素子の発光
スペクトルを示すスペクトル図である。
【図3】 図1の多重量子井戸型半導体発光素子の発光
原理を示すエネルギーバンド図である。
【図4】 本発明に係る第2の実施例である半導体超格
子型半導体発光素子の構成を示す縦断面図である。
【符号の説明】
1…GaAs基板、 1a…GaAs基板の斜面部、 1b,1c…GaAs基板の平坦部、 2…AlGaAs層、 3…多重量子井戸層、 4,5…p型GaAs層、 6…n型GaAs層、 7,9…p型オーミック電極、 8…n型オーミック電極、 10−1乃至10−15…1対の量子井戸層、 11…GaAs層、 12…AlGaAs層、 21…AlAs層、 22…半導体超格子型井戸層、 23,24…p型GaAs層、 25…n型GaAs層、 26,27…n型オーミック電極、 28…p型オーミック電極、 30−1乃至30−50…1対の井戸層、 31…GaAs層、 32…AlAs層、 50…直流電源。

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 平坦部間に斜面部が形成されるように段
    差を形成した化合物半導体基板上に、結晶成長法によっ
    て活性層となる多重量子井戸層、半導体超格子型井戸
    層、又は障壁層部分のみに両性不純物をドープした化合
    物半導体層を形成し、その上に化合物半導体にてなるコ
    ンタクト層を形成することによって、上記段差によって
    形成される上記活性層の平坦部と斜面部との間において
    伝導型の違いで横方向のp−n接合を形成したことを特
    徴とする半導体発光素子。
  2. 【請求項2】 上記多重量子井戸層、上記半導体超格子
    型井戸層、又は上記化合物半導体層と、上記化合物半導
    体基板との間に、光を反射する反射層を形成したことを
    特徴とする請求項1記載の半導体発光素子。
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