JPH10173219A

JPH10173219A - 半導体発光素子

Info

Publication number: JPH10173219A
Application number: JP32633096A
Authority: JP
Inventors: Yukio Shakuda; 幸男尺田; Shunji Nakada; 俊次中田; Masayuki Sonobe; 雅之園部; Takeshi Tsutsui; 毅筒井; Norikazu Ito; 範和伊藤
Original assignee: Rohm Co Ltd
Current assignee: Rohm Co Ltd
Priority date: 1996-12-06
Filing date: 1996-12-06
Publication date: 1998-06-26

Abstract

(57)【要約】【課題】所望の発光波長より短い波長の光をカットし
て、所望の波長の純粋な光を発光する半導体発光素子を
提供する。【解決手段】基板１上に半導体層が積層されて発光層
（活性層４）を形成し、該積層された半導体層の表面か
ら所望の波長の光を放射する半導体発光素子であって、
前記所望の波長の光を発生させるバンドギャップエネル
ギーより大きく、かつ、発光する光の一部を吸収し得る
半導体からなるフィルタ層６が、前記積層された半導体
層の表面側に設けられている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はフィルタ付き半導体
発光素子に関する。さらに詳しくは、所望の発光波長よ
り短い波長の光をカットした半導体発光素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、たとえば青色系の光を発光する半
導体発光素子は、図３に示されるような構造になってい
る。すなわち、サファイア基板２１上にたとえばＧａＮ
からなる低温バッファ層２２と、高温でｎ形のＧａＮが
エピタキシャル成長されたｎ形層（クラッド層）２３
と、バンドギャップエネルギーがクラッド層のそれより
も小さくなる材料、たとえばＩｎ_xＧａ_1-xＮ（０≦ｘ
≦０.５）からなる活性層２４と、ｐ形のＧａＮからな
るｐ形層（クラッド層）２５とからなり、その表面にｐ
側（上部）電極２８が設けられ、積層された半導体層の
一部がエッチングされて露出したｎ形層２３の表面にｎ
側（下部）電極２９が設けられることにより形成されて
いる。

【０００３】この構造で、活性層２４に用いられる材料
のバンドギャップエネルギーにより、その発光波長が定
まる。すなわち活性層２４として、Ｉｎ_xＧａ_1-xＮを
用いれば、Ｉｎの混晶比率ｘが大きくなれば（バンドギ
ャップエネルギーが小さくなる）発光波長が長くなり、
ｘが小さくなる（バンドギャップエネルギーが大きくな
る）と発光波長が短くなる。したがって、発光波長が４
５０ｎｍ程度の青色の光を発光させようとすると、Ｉｎ
の混晶比率ｘを０.４程度にすることが好ましい。しか
し、Ｉｎの混晶比率ｘが大きくなると、その半導体層を
エピタキシャル成長する際に、その結晶性が劣り、発光
効率が低下するという問題がある。そのため、たとえば
Ｉｎの混晶比率ｘの値を０.２程度（発光波長は４００
〜４２０ｎｍ程度）とし、その活性層内にＺｎをドープ
して発光波長を４５０ｎｍ程度に長くしている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】前述のように、不純物
をドープして発光波長のピークを所望の値になるように
ずらせると、図４に発光波長に対する放射光の強度が示
されるように、所望の波長（４５０ｎｍ）の所に発光波
長のピークは現れるものの、活性層の半導体自身のバン
ドギャップエネルギーに符合する波長のところにも弱い
発光ピークが現れる。そのため、純粋な青色にならずに
紫色がかって不純な色になったり、紫外線が放射されて
他の機器などに悪影響を及ぼすという問題がある。

【０００５】本発明はこのような問題を解決するために
なされたもので、所望の発光波長より短い波長の光をカ
ットして、所望の波長の純粋な光を発光する半導体発光
素子を提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明による半導体発光
素子は、基板上に半導体層が積層されて発光層を形成
し、該積層された半導体層の表面から所望の波長の光を
放射する半導体発光素子であって、前記所望の波長の光
を発生させるバンドギャップエネルギーより大きく、か
つ、前記発光層で発光する光の一部を吸収し得る半導体
からなるフィルタ層が、前記積層された半導体層の表面
側に設けられている。この構造にすることにより、半導
体層はそのバンドギャップエネルギーにより定まる波長
の光を発光すると共に、その波長以下の光を吸収する性
質も有しているため、フィルタ層のバンドギャップエネ
ルギーにより定まる波長以下の波長の光を吸収し、その
光は外部に放射されない。一方、フィルタ層のバンドギ
ャップエネルギーより大きいバンドギャップエネルギー
により発光する所望の波長の光に対しては吸収しないた
め、所望の波長の光は減衰することなく放射される。

【０００７】前記積層された半導体層がチッ化ガリウム
系化合物半導体からなり、前記フィルタ層がＩｎＧａＮ
系（ＩｎとＧａの比率が種々変わり得ることを意味す
る、以下同じ）化合物半導体層であれば、青色の発光素
子で簡単に紫外線の放射を防止することができる。この
場合、発光層としてＺｎなどの不純物がドープされたＩ
ｎ_xＧａ_1-xＮ（０≦ｘ≦０.５）を用い、前記フィル
タ層としてＩｎ_rＧａ_1-r Ｎ（ｘ≦ｒ≦０.５）を用いる
ことができる。そうすることにより、活性層にＩｎの比
率が小さい良好な半導体結晶層が得られるため好まし
い。なお、発光層がＩｎＧａＮ系化合物半導体層からな
る場合に、格子歪みをなくする観点からＩｎＧａＮ系化
合物半導体層とＧａＮやＡｌＧａＮ系（ＡｌとＧａの比
率が種々変わり得ることを意味する、以下同じ）化合物
半導体などの他の半導体層との薄い積層膜として形成さ
れる場合でも、発光層として寄与するのはバンドギャッ
プエネルギーの小さいＩｎＧａＮ系化合物半導体であ
り、これらの場合もＩｎ_xＧａ_1- _xＮに含まれる。

【０００８】ここにチッ化ガリウム系化合物半導体層と
は、III 族元素のＧａとＶ族元素のＮとの化合物または
III 族元素のＧａの一部がＡｌ、Ｉｎなどの他のIII 族
元素と置換したものおよび／またはＶ族元素のＮの一部
がＰ、Ａｓなどの他のＶ族元素と置換した化合物からな
る半導体をいう。

【０００９】

【発明の実施の形態】つぎに、図面を参照しながら本発
明の半導体発光素子について説明をする。図１には、た
とえば青色発光に適したチッ化ガリウム系化合物半導体
層がサファイア基板上に積層される本発明の半導体発光
素子の断面説明図が示されている。

【００１０】本発明の半導体発光素子は、図１に示され
るように、たとえばサファイア（Ａｌ₂Ｏ₃単結晶）な
どからなる基板１の表面に発光層を形成する半導体層２
〜５が積層されて、その表面にさらにフィルタ層６が形
成され、その表面に拡散メタル層７を介して上部電極
（ｐ側電極）８が形成されている。また、積層された半
導体層の一部が除去されて露出したｎ形層３に下部電極
（ｎ側電極）９が形成されている。

【００１１】基板１上に積層される半導体層は、たとえ
ばＧａＮからなる低温バッファ層２が０.０１〜０.２μ
ｍ程度堆積され、ついでｎ形のＧａＮからなるｎ形層
（クラッド層）３が１〜５μｍ程度堆積され、さらに、
バンドギャップエネルギーがクラッド層のそれよりも小
さくなる材料、たとえばＺｎがドープされたＩｎ_xＧａ
_1-xＮ（０≦ｘ≦０.５、たとえばｘ＝０.２）からなる
活性層４が０.０５〜０.３μｍ程度、ｐ形のＡｌＧａＮ
系化合物半導体層５ａおよびＧａＮ層５ｂからなるｐ形
層（クラッド層）５が０.５〜１μｍ程度それぞれ順次
積層されている。本発明の半導体発光素子では、この上
にさらにＩｎ_rＧａ_1-rＮ（０≦ｒ≦０.５、たとえば
ｒ＝０.２）からなるフィルタ層６が０.１〜１μｍ程度
形成されていることに特徴がある。なお、ｐ形層５はＡ
ｌＧａＮ系化合物半導体層５ａとＧａＮ層５ｂとの複層
になっているが、キャリアの閉じ込め効果の点からＡｌ
を含む層が設けられることが好ましいためで、ＧａＮ層
だけでもよい。また、ｎ形層３にもＡｌＧａＮ系化合物
半導体層を設けて複層にしてもよく、またこれらを他の
チッ化ガリウム系化合物半導体層で形成することもでき
る。

【００１２】フィルタ層６は、発光層となる活性層４で
発光させる所望の発光波長の光より短い波長の光をカッ
トするために設けられている。すなわち、所望の発光波
長より短い波長の光に対しては吸収し、所望の発光波長
の光に対しては吸収しないで透過させる半導体層が形成
される。具体的には、前記所望の波長の光を発生させる
バンドギャップエネルギーより大きいバンドギャップエ
ネルギーを有し、かつ、発光層で発光する光の一部を吸
収し得る半導体層が用いられる。この発生する光の波長
は不純物の導入によって調整されてもよい。要は、所望
の発光波長よりも短い波長領域に吸収領域（発光領域）
を有する半導体層であればよい。

【００１３】具体例としては、図１に示される構造で、
活性層４として、たとえばＺｎをドープしたＩｎ_0.2Ｇ
ａ_0.8Ｎが用いられ、フィルタ層６として、たとえばｐ
形のＩｎ_0.2Ｇａ_0.8Ｎが用いられる。Ｉｎの混晶比率
ｒが０.２のときのＩｎ_rＧａ_1-rＮのバンドギャップ
エネルギーにより発光する波長領域は４００〜４２０ｎ
ｍ程度であるが、Ｚｎがドープされていることにより、
Ｚｎによるエネルギーレベルの影響で、発光波長領域が
長い波長の方にずれる。その結果、前述の図４に示され
るような４５０ｎｍ程度の所に最大のピークを有し、４
００ｎｍ程度の所に小さいピークを有する波長特性の光
を発光する。一方、フィルタ層６は発光波長に影響する
不純物がドープされていないため、４００〜４２０ｎｍ
程度の光を発光するバンドギャップエネルギーを有する
層になっている。

【００１４】つぎに、本発明の半導体発光素子のフィル
タ層６により、所望の発光波長より短い波長の光をカッ
トして所望の波長の光のみを放射する作用について説明
をする。一般に、半導体層は前述の活性層４のように、
ｎ形層３とｐ形層５とで挟持されたダブルヘテロ接合構
造にしたり、ｎ形層とｐ形層とを直接接合させてｐｎ接
合を形成することにより、印加される電圧により正孔と
電子の再結合により光を発生するが、その発生する光の
波長は、発光層である再結合が行われる半導体層のバン
ドギャップエネルギーにより異なる。そのため、所望の
発光波長に応じて半導体材料が選択され、青色系の発光
に対しては前述のようにＩｎＧａＮ系半導体材料が用い
られている。このバンドギャップエネルギーを有する半
導体材料は、発光素子の構造にすればその材料により定
まった波長の光を発光すると共に、発光素子の構造にな
っていなかったり電圧が印加されないときはその波長ま
たはそれより短い波長の光を吸収する特性を有してい
る。

【００１５】そのため、前述のように、発光層が４５０
ｎｍ程度の波長の光を発光する波長領域になっており、
フィルタ層６が４００〜４２０ｎｍ程度の波長の光を発
光するバンドギャップエネルギーになっておれば、発光
層で発光した広帯域の光のうち、４２０ｎｍ以下の波長
の光はフィルタ層６により吸収されてカットされ、それ
より長い波長の光はそのまま透過する。その結果、前述
の図４に示される発光特性を有する発光素子に、本発明
のフィルタ層６が設けられることにより、図２に示され
るように４００ｎｍ近傍の光が非常に大きく減衰し、４
５０ｎｍ近辺の単色光として発光する半導体発光素子と
なる。

【００１６】このフィルタ層６の吸収特性は、前述のよ
うに、発光し得る波長以下の波長の光を吸収し、それよ
り長い波長の光に対しては吸収しないで透過させる性質
を有しているため、Ｉｎの混晶比率が０.４〜０.５（発
光波長が４５０ｎｍ程度のバンドギャップエネルギーに
なる）にならない範囲で大きくすれば４２０ｎｍよりさ
らに長い波長の光を吸収し、４５０ｎｍ以上の光を殆ど
減衰させることなく発光させることができる。なお、Ｉ
ｎＧａＮ系化合物半導体層は、前述のように、Ｉｎの混
晶比率が大きくなると、結晶性が劣り、緻密な成膜をす
ることができないが、このフィルタ層６は発光層ではな
いため、結晶性は余り問題がなく、Ｉｎの混晶比率を大
きくして所望の波長に近いところまでの低い波長の光を
効率的にカットすることができる。そのため、前述のよ
うに、活性層４に不純物をドープして発光波長を長く
し、フィルタ層６として活性層４よりＩｎの混晶比率の
大きい材料を用いれば、発光効率を大きくしながら所望
の波長より短い波長の光をカットすることができる。

【００１７】前述の例では、ｎ形層とｐ形層とで活性層
が挟持されたダブルヘテロ接合構造であるが、ｎ形層と
ｐ形層とが直接接合する構造のものでも、ｐｎ接合近傍
のエネルギーバンドギャップの小さい層側の領域に発光
層が形成され、その発光層のバンドギャップエネルギー
により発光波長が定まり、そのバンドギャップエネルギ
ーより大きく、かつ、発光する光の一部を吸収し得る半
導体層をフィルタ層として用いることができる。

【００１８】また、前述の例では、チッ化ガリウム系化
合物半導体を用いた青色の発光素子であったが、青色系
発光素子の場合はそれより短い波長の紫外線をカットす
ることができるため、周囲の機器や人間に対する悪影響
を阻止することができて好ましい。しかし、チッ化ガリ
ウム系の化合物半導体には限定されず、他の波長の光で
も本発明によれば単色発光に近い半導体発光素子が得ら
れる。

【００１９】つぎに、図１に示される半導体発光素子の
製法について説明をする。

【００２０】まず、たとえばサファイアからなる絶縁基
板１上に、有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）に
より、キャリアガスのＨ₂と共にトリメチリガリウム
（ＴＭＧ）、アンモニア（ＮＨ₃）などの成長ガスおよ
びｎ形にする場合のドーパントガスとしてのＳｉＨ₄な
どを供給して、ＧａＮ層からなる低温バッファ層２を
０.０１〜０.２μｍ程度、同じ組成でｎ形のｎ形層（ク
ラッド層）３を１〜５μｍ程度成膜する。さらにドーパ
ントガスをジメチル亜鉛（以下、ＤＭＺｎという）に代
え、反応ガスとしてトリメチルインジウム（以下、ＴＭ
Ｉｎという）を追加して、たとえばＺｎが１×１０¹⁷〜
１×１０¹⁹／ｃｍ³程度の不純物濃度のＩｎ _0.2Ｇａ
_0.8Ｎからなる活性層４を０.０５〜０.３μｍ程度成膜
する。

【００２１】ついで、反応ガスのＴＭＩｎをトリメチル
アルミニウム（以下、ＴＭＡという）に変更し、ドーパ
ントガスとしてシクロペンタジエニルマグネシウム（以
下、Ｃｐ₂Ｍｇという）またはＤＭＺｎを導入して、ｐ
形のＡｌＧａＮ系化合物半導体層５ａを０.１〜０.５μ
ｍ程度、さらに再度反応ガスのＴＭＡを止めてｐ形のＧ
ａＮ層５ｂを０.１〜０.５μｍ程度それぞれ積層し、ｐ
形層５を形成する。さらに引き続き、活性層４の成膜と
同様に、ドーパントガスとしてＣｐ₂ＭｇまたはＤＭＺ
ｎを、反応ガスとしてＴＭＩｎを導入してｐ形のＩｎ
_0.2Ｇａ_0.8Ｎからなるフィルタ層６を０.１〜１μｍ
程度成膜する。その後、たとえばＮｉおよびＡｕを蒸着
してシンターすることにより拡散メタル層７を２〜１０
０ｎｍ程度形成する。ついで、下部電極を形成するため
ｎ形層３が露出するように、積層された半導体層の一部
をアルゴンガスなどの不活性ガスに塩素ガスなどの反応
性ガスを混ぜて反応性イオンエッチングによりエッチン
グをし、電極金属を蒸着することにより、上部電極８お
よび下部電極９を形成することにより、図１に示される
半導体発光素子が得られる。

【００２２】このように、本発明によれば発光層を構成
する半導体層の積層と同じプロセスにより、しかもその
工程と連続的にフィルタ層を形成することができるた
め、非常に簡単に形成することができる。

【００２３】

【発明の効果】本発明によれば、所望の発光波長より短
い波長の光をカットすることができる。そのため、広帯
域の混色した光ではなく、単色光の半導体発光素子が得
られる。また、青色の発光素子であれば、それより波長
の短い紫外線をカットすることができるため、他の電子
機器や人間への悪影響を防止することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の半導体発光素子の一実施形態の断面説
明図である。

【図２】図１の半導体発光素子の発光波長に対する発光
特性を示す図である。

【図３】従来の半導体発光素子の一例の斜視説明図であ
る。

【図４】図３の半導体発光素子の発光波長に対する発光
特性を示す図である。

【符号の説明】

３ｎ形層４活性層（発光層）５ｐ形層６フィルタ層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者筒井毅京都市右京区西院溝崎町21番地ローム株式会社内 (72)発明者伊藤範和京都市右京区西院溝崎町21番地ローム株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基板上に半導体層が積層されて発光層を
形成し、該積層された半導体層の表面から所望の波長の
光を放射する半導体発光素子であって、前記所望の波長
の光を発生させるバンドギャップエネルギーより大き
く、かつ、前記発光層で発光する光の一部を吸収し得る
半導体からなるフィルタ層が、前記積層された半導体層
の表面側に設けられてなる半導体発光素子。
【請求項２】前記積層された半導体層がチッ化ガリウ
ム系化合物半導体からなり、前記フィルタ層がＩｎＧａ
Ｎ系化合物半導体層である請求項１記載の半導体発光素
子。
【請求項３】前記発光層が不純物がドープされたＩｎ
_xＧａ_1-xＮ（０≦ｘ≦０.５）であり、前記フィルタ
層がＩｎ_rＧａ_1-rＮ（ｘ≦ｒ≦０.５）である請求項
２記載の半導体発光素子。