JPH0821757B2 - Semiconductor light emitting device - Google Patents

Semiconductor light emitting device

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JPH0821757B2
JPH0821757B2 JP31203286A JP31203286A JPH0821757B2 JP H0821757 B2 JPH0821757 B2 JP H0821757B2 JP 31203286 A JP31203286 A JP 31203286A JP 31203286 A JP31203286 A JP 31203286A JP H0821757 B2 JPH0821757 B2 JP H0821757B2
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康 松井
順 雄谷
智昭 宇野
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Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は半導体発光装置に関し、特に可視光半導体レ
ーザに代表されるInGaAlP系の発光素子を安価に提供で
きる構造を提供するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a semiconductor light emitting device, and particularly to a structure capable of inexpensively providing an InGaAlP-based light emitting element represented by a visible light semiconductor laser.

従来の技術 従来半導体レーザはAlGaAs,あるいはInGaAsP系のもの
が使われており、基板としてはGaAsあるいはInPが使わ
れている。半導体レーザは高電流注入で高光電界となる
ため、高い電気→光変換効率が必要であり、不純物,や
欠陥の少ない良質の薄膜多層エピタキシャル成長技術が
必要である。従って、基板結晶としては欠陥の少ない結
晶性の良いものが必要であり、さらに、その上に成長さ
せる層の格子不整合は10-3以下とする必要があった。と
ころが結晶成長技術の進歩によって、最近Si基板上に格
子定数の不整を緩和するバッファ層を介してGaAs単結晶
が得られるようになり、AlGaAsレーザの発振が確認でき
るところまでに至ってきた。Si上のGaAs層のエピタキシ
ャル成長においてバッファ層として試みられたものとし
て代表的に低温成長GaAs層,GaP,GaAsなどの超格子層な
どを挙げることができる(エレクトロニクス レターズ
(Electronics Letters)20.No.22.916.(1984))。
2. Description of the Related Art AlGaAs or InGaAsP semiconductor lasers have been used as conventional semiconductor lasers, and GaAs or InP has been used as a substrate. Since a semiconductor laser has a high photo-electric field due to high current injection, high electric-to-light conversion efficiency is required, and a high-quality thin film multilayer epitaxial growth technique with few impurities and defects is required. Therefore, the substrate crystal needs to have few defects and good crystallinity, and further, the lattice mismatch of the layer grown thereon needs to be 10 −3 or less. However, due to advances in crystal growth technology, GaAs single crystals have recently been obtained on a Si substrate via a buffer layer that alleviates irregularities in the lattice constant, and the oscillation of an AlGaAs laser can be confirmed. Typical low-temperature grown GaAs layers and superlattice layers such as GaP and GaAs have been tried as buffer layers in the epitaxial growth of GaAs layers on Si (Electronics Letters 20.No.22.916). (1984)).

発明が解決しようとする問題点 しかし、このようにして得られたGaAs結晶も結晶欠陥
が多く、また、格子不整や膨脹係数の差による格子状模
様が発生したり、良質の成長膜を得るところまでには至
っていない。
Problems to be Solved by the Invention However, the GaAs crystal thus obtained also has many crystal defects, and a lattice pattern is generated due to lattice irregularity or a difference in expansion coefficient. Not up to.

そこで、本発明はSi基板に良質の結晶成長膜を得る方
法を提供するものであり、さらに、この良質な結晶層構
造を用いて半導体レーザ,や発光ダイオードを提供する
ものである。
Therefore, the present invention provides a method for obtaining a good quality crystal growth film on a Si substrate, and further provides a semiconductor laser and a light emitting diode using this good quality crystal layer structure.

問題点を解決するための手段 本発明はSi基体上にInxGa1-xP層を介在させることに
よってInGaP,InGaAlP,InGaAsPなどの良好な結晶膜を得
ることができるようにしたものである。すなわち、Si基
体上にInxGa1-xP(0x1)を含む第1の層を有
し、この第1の層上にAlGaInP,InGaPあるいはInGaAsP層
を発光のキャリア再結合活性領域とする第2の層を有す
ることを特徴とする半導体発光装置であり、さらに、In
xGa1-xP第1層を組成xを順次変化させた組成勾配を有
する層とするかまたはInxGa1-xP,InyGa(1-y)P(0y
1,y≠x)なる複数組成の多重積層によって構成する
ことによって、その層上に形成される発光領域の結晶性
を改良し、良好な発光装置を得ようとするものである。
Means for Solving the Problems The present invention is intended to obtain a good crystal film of InGaP, InGaAlP, InGaAsP, etc. by interposing an In x Ga 1-x P layer on a Si substrate. . That is, the first layer containing In x Ga 1-x P (0x1) is provided on the Si substrate, and the AlGaInP, InGaP or InGaAsP layer is used as the carrier recombination active region for light emission on the first layer. A semiconductor light-emitting device having two layers, further comprising:
x Ga 1-x P The first layer is a layer having a composition gradient in which the composition x is sequentially changed, or In x Ga 1-x P, In y Ga (1-y) P (0y
It is intended to obtain a good light emitting device by improving the crystallinity of the light emitting region formed on the layer by forming a multi-layered stack of a plurality of compositions such that 1, y ≠ x).

このような層の形成を有機金属を用いる成長法や、塩
化物による方法、MBE法などの気相成長法によって行な
うものである。
Such a layer is formed by a growth method using an organic metal, a chloride method, a vapor phase growth method such as an MBE method.

作用 本発明はSi単結晶とInGaP,AlGaInP,InGaAsPなどの異
種物質の積層成長であり、なおかつ、格子定数が大きく
異なり、熱膨脹係数が異なる物質の積層単結晶成長を、
結晶性の良い状態で行なうことができるものである。
Action The present invention is a layered growth of different materials such as Si single crystal and InGaP, AlGaInP, InGaAsP, and yet, the lattice constant is greatly different, the layered single crystal growth of the material having a different thermal expansion coefficient,
It can be performed in a state of good crystallinity.

この方法として、Si上にInGaPという格子緩和層を形
成することによって、その上の成長層の結晶性を改良し
たものであり、さらに発光装置へ適用したものである。
As this method, a lattice relaxation layer called InGaP is formed on Si to improve the crystallinity of the growth layer thereon, and is further applied to a light emitting device.

実 施 例 本発明の半導体発光素子の実施例の断面構造を第1図
に示す。図において、1はn型Si基体、2はn型GaP組
成から順次InP組成を増加させていきn型InxGa1-xPのグ
レーデット層(格子緩和層)、3と5はn型およびp型
AlGaInPクラッド層、4はInxGa1-xP活性層、6はp型Al
GaInP埋込み層、7はn型AlGaInP埋込み層である。8お
よび9はp型,n型の電極である。
Example FIG. 1 shows a sectional structure of an example of the semiconductor light emitting device of the present invention. In the figure, 1 is an n-type Si substrate, 2 is a n-type In x Ga 1-x P graded layer (lattice relaxation layer), 3 and 5 are n-type And p-type
AlGaInP clad layer, 4 In x Ga 1-x P active layer, 6 p-type Al
GaInP buried layer, 7 is an n-type AlGaInP buried layer. 8 and 9 are p-type and n-type electrodes.

8および9電極に印加される順方向バイアスによって
電流は3,4,5の層を通して流れ活性領域4において電子
と正孔は再結合し発光する。発光した光は一部が、活性
領域に比べて低屈折率の3,5,6,7層でとじ込められて、
第1図断面構造に対して垂直な方向に出射する。
Due to the forward bias applied to the 8 and 9 electrodes, a current flows through the layers 3, 4 and 5, and electrons and holes recombine in the active region 4 to emit light. Part of the emitted light is confined in the 3,5,6,7 layer, which has a lower refractive index than the active region,
FIG. 1 Emit in a direction perpendicular to the sectional structure.

この実施例における構造の各組成を第2図に示す。第
2図はInP−GaP−InAs−GaAs4元系の状態図およびAlP−
InP−GaP3元系の状態図を示し、実施例における格子定
数の一定な組成をC−B−A−D−Eで示す。
Each composition of the structure in this example is shown in FIG. Figure 2 shows the phase diagram of the InP-GaP-InAs-GaAs quaternary system and AlP-
The phase diagram of an InP-GaP ternary system is shown, and the composition with a constant lattice constant in an Example is shown by CBADE.

本素子は(100)Si基体上に有機金属気相成長法にて
エピタキシャル成長によって成長される。まずSi基体上
に、構成されるグレーデット層2は第2図において、Ga
P組成より組成A点に向けて順次組成をずらして行った
ものであり、3および5の組成はA点と格子定数の一致
したB点組成のものである。さらに4はA点の組成をも
つInGaAs層である。6,7層はB点、あるいはC点組成のA
lGaInPあるいはAlInP層である。このような構成にする
ことによって中心波長が620nmの値をもつ発光素子を受
ることができた。さらに、本素子の再端面を劈開にて共
振器を構成すると半導体レーザを得ることができる。
This device is grown by epitaxial growth on a (100) Si substrate by metalorganic vapor phase epitaxy. First, the graded layer 2 formed on the Si substrate is shown in FIG.
The composition was sequentially shifted from the P composition toward the composition A point, and compositions 3 and 5 were compositions at the point B in which the lattice constant was the same as that at the point A. Further, 4 is an InGaAs layer having a composition of point A. Layers 6 and 7 are A with B point or C point composition
lGaInP or AlInP layer. With such a structure, a light emitting device having a center wavelength of 620 nm could be received. Furthermore, a semiconductor laser can be obtained by forming a resonator by cleaving the re-facet of this device.

活性層をB点組成とし、3,5,6,7層をC点とするとさ
らに短波長の光を得ることができる。
When the active layer has a composition of B point and the 3, 5, 6, 7 layers have a C point, light having a shorter wavelength can be obtained.

第2の実施例として第1の実施例と同様な構成におい
てInGaAsP系発光素子およびレーザを得ることができ
る。1としてのSi基体上にInGaPのグレーデッド層を形
成して格子定数の不整合を緩和することは同一である
が、3の活性領域として第2図におけるD点組成としク
ラッド層3,5をA点組成とする。このようにすることに
よってInGaAsP活性層においても600nm程度の波長の光を
得ることができる。
As the second embodiment, an InGaAsP light emitting device and a laser can be obtained with the same structure as the first embodiment. It is the same that the InGaP graded layer is formed on the Si substrate as No. 1 to alleviate the mismatch of the lattice constant, but the active region of No. 3 has the composition at point D in FIG. The composition is point A. By doing so, light having a wavelength of about 600 nm can be obtained even in the InGaAsP active layer.

Si基板上の各エピタキシャル層の格子定数変化を第3
図に示す。以上の例は2層を組成を順次InP側にずらす
ことによって格子定数を変化させたものであるがグレー
デッドな変化のかわりにGaP,InGaP組成あるいは組成の
違うInGaPの超格子によってもその上に良質のエピタキ
シャル膜を得ることができる。
Change the lattice constant of each epitaxial layer on the Si substrate to the third
Shown in the figure. In the above example, the lattice constant is changed by shifting the composition of the two layers to the InP side in sequence, but instead of the graded change, the GaP, InGaP composition or the InGaP superlattice with a different composition can be used to form a layer on it. A good quality epitaxial film can be obtained.

第4図に第1図における2の格子緩和層を超格子構造
とした例を示す。Si基体1上にGaP層11を約50Å形成
し、その上に第2図におけるA点組成のInGaP層12を約5
0Å形成する。さらに、この上に同様なくり返して各10
層を形成する。このように格子緩和層2を形成した上
に、第1図と同様に3,4,5層をエピタキシャル成長さ
せ、レーザを構成する。超格子構造を有する格子緩和層
上の結晶においても良好な単結晶エピタキシャル膜を形
成することが可能であり、レーザ発振が実現される。
FIG. 4 shows an example in which the lattice relaxation layer 2 in FIG. 1 has a superlattice structure. About 50 Å of GaP layer 11 is formed on Si substrate 1, and about 5 InGaP layer 12 of point A composition in FIG. 2 is formed thereon.
0Å form. In addition, each of these 10 turns back as well
Form the layers. On the lattice relaxation layer 2 thus formed, 3,4,5 layers are epitaxially grown in the same manner as in FIG. 1 to form a laser. It is possible to form a good single crystal epitaxial film even with crystals on the lattice relaxation layer having a superlattice structure, and laser oscillation is realized.

また、緩和用格子としてGaP/InGaPだけでなく、GaPを
第1層とし、InGaPの組成の違うものの超格子において
も同様な良質の膜を得ることができる。
Further, not only GaP / InGaP as the relaxation lattice but also GaP as the first layer and a superlattice having a different composition of InGaP can obtain a similar good quality film.

以上は半導体レーザで実施例を説明したが発光ダイオ
ードに適用できることは言うまでもない。
Although the embodiment has been described with reference to the semiconductor laser, it goes without saying that it can be applied to a light emitting diode.

発明の効果 以上のように本発明によれば、InP−GaP系格子緩和層
を採用し、グレーデッドな組成変化を持たす、あるいは
超格子構造とすることによって、Si基体上に良好なエピ
タキシャル層を形成することが可能となった。このよう
にInP−GaP系の格子緩和層の導入によって、 (1) As系を導入することなしに、AlP−GaP−InP系
の良好なエピタキシャル層を形成することが可能とな
る。
EFFECTS OF THE INVENTION As described above, according to the present invention, a good epitaxial layer is formed on a Si substrate by adopting an InP-GaP system lattice relaxation layer and having a graded composition change or a superlattice structure. It has become possible to form. Thus, by introducing the InP-GaP-based lattice relaxation layer, (1) it becomes possible to form a good AlP-GaP-InP-based epitaxial layer without introducing As-based.

成長における制御成分の減少であり、成長条件が簡単
になる。
It is a reduction of the control component in the growth, and the growth condition becomes simple.

(2) Si基体上にSiと格子定数の異なる広い組成範囲
のAlGaInP,InGaP,InGaAsP層を成長させることが可能と
なる。
(2) It becomes possible to grow an AlGaInP, InGaP, InGaAsP layer having a wide composition range having a lattice constant different from that of Si on a Si substrate.

(3) Si基体上にInGaP,AlGaInP,InGaAsPを活性層と
する発光ダイオードおよび半導体レーザを構成すること
が可能となる。
(3) It becomes possible to construct a light emitting diode and a semiconductor laser using InGaP, AlGaInP, InGaAsP as an active layer on a Si substrate.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

第1図は本発明の実施例における発光装置の断面図、第
2図はInGaAsPおよびAlGaInP系相図、第3図は各成長層
とその格子定数変化を示す特性図、第4図は本発明の他
の実施例の超格子型格子緩和層の断面図である。 1……Si基体、2……n型InGaPグレーデッド層、4…
…InGaP活性層、8,9……電極。
FIG. 1 is a sectional view of a light emitting device according to an embodiment of the present invention, FIG. 2 is an InGaAsP and AlGaInP system phase diagram, FIG. 3 is a characteristic diagram showing each growth layer and its lattice constant change, and FIG. 4 is the present invention. FIG. 6 is a cross-sectional view of a superlattice type lattice relaxation layer of another example. 1 ... Si substrate, 2 ... n-type InGaP graded layer, 4 ...
… InGaP active layer, 8,9 …… electrode.

フロントページの続き (72)発明者 雄谷 順 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (72)発明者 宇野 智昭 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (72)発明者 山本 博昭 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (56)参考文献 特開 昭63−155781(JP,A)Front page continuation (72) Inventor Jun Otani 1006 Kadoma, Kadoma City, Osaka Prefecture Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. (72) Tomoaki Uno 1006 Kadoma, Kadoma City, Osaka Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. (72) Invention Person Hiroaki Yamamoto 1006 Kadoma, Kadoma-shi, Osaka Prefecture Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. (56) Reference JP-A-63-155781 (JP, A)

Claims (2)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】Si基体上にInXGa1-XP(0≦x≦1)を含
む第1の層を有し、前記第1の層上にAlGaInP層,InGaP
層,あるいはInGaAsP層を発光のキャリア再結合活性領
域とする第2の層を有してなる半導体発光装置であっ
て、 前記InXGa1-XPを含む第1の層は、組成xを順次変化さ
せた組成勾配を有する層であるか、あるいはInXGa
1-XP、InYGa1-YP(0≦y≦1,y≠x)なる複数の組成の
多重積層によって構成された層である半導体発光装置。
1. A first layer containing In X Ga 1-X P (0 ≦ x ≦ 1) is formed on a Si substrate, and an AlGaInP layer and InGaP are formed on the first layer.
A semiconductor light emitting device having a second layer having a layer or an InGaAsP layer as a carrier recombination active region for light emission, wherein the first layer containing In X Ga 1 -X P has a composition x A layer with a composition gradient that changes in sequence, or In X Ga
A semiconductor light emitting device, which is a layer formed by a multi-layer stack of a plurality of compositions of 1-X P, In Y Ga 1-Y P (0 ≦ y ≦ 1, y ≠ x).
【請求項2】InXGa1-XP層は、各元素を含む気相より成
長させた層で構成した特許請求の範囲第1項に記載の半
導体発光装置。
2. The semiconductor light emitting device according to claim 1, wherein the In X Ga 1-X P layer is composed of a layer grown from a vapor phase containing each element.
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