JPH11220175A - 化合物半導体発光素子 - Google Patents

化合物半導体発光素子

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JPH11220175A
JPH11220175A JP10332248A JP33224898A JPH11220175A JP H11220175 A JPH11220175 A JP H11220175A JP 10332248 A JP10332248 A JP 10332248A JP 33224898 A JP33224898 A JP 33224898A JP H11220175 A JPH11220175 A JP H11220175A
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light emitting
conductive layer
layer
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zns
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JP10332248A
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Yoshitaka Tomomura
好隆 友村
Masahiko Kitagawa
雅彦 北川
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Sharp Corp
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 従来、発光素子本体に電流が必ずしも狭窄さ
れないという問題があり、そのため発光素子本体側面を
電流がリークするから、発光素子本体に電流を狭窄し、
高密度の電流を発光層に注入されないという問題があっ
た。 【解決手段】 本発明の化合物半導体発光素子では、基
板上に、少なくとも、第1導電型の導電層と、前記第1
導電型の導電層の一部領域に立設され、少なくとも前記
発光層とからなる発光素子本体と、を有する化合物半導
体発光素子において、前記発光素子本体から舌状に接続
された前記第1導電型の導電層の露出部分に設けられた
第1の電極と、前記発光素子本体の上方に設けられた第
2の電極と、前記第1の電極と前記第2の電極との間に
発光素子表面に設けられた絶縁層と、を備えていること
を特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は化合物半導体発光素
子に関し、特に青色発光ダイオードをはじめとする紫外
光から可視領域にわたる化合物半導体発光素子に関する
ものである。
【0002】
【従来の技術】一般に、II-VI族化合物半導体ZnS、
ZnSe等は青色発光ダイオードをはじめとする紫外光
から可視領域にわたる高効率発光素子用の材料である。
【0003】このII-VI族化合物半導体を用いた発光素
子において、従来用いられている構造の例を図17に示
す。図中、71はハロゲン化学輸送法により成長させた
ZnSバルク単結晶を1000℃の溶融亜鉛中で100
時間熱処理し、低抵抗したn型ZnS単結晶基板であ
る。この低抵抗化n型ZnS基板71上に分子線エピタ
キシー(MBE)法、あるいは有機金属熱分解(MOC
VD)法を用いてn型ZnSからなる発光層74、絶縁
性ZnSからなる絶縁層75を順次エピタキシャル成長
させ、上記絶縁層75上に金(Au)を蒸着して正電極
77とし、低抵抗化n型基板71の裏面にインジウム
(In)を用いたオーミック電極を形成し、これを負電
極78として、MIS型発光素子が製作されている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述の
従来の発光素子の構造では、導電性基板を必要とした。
しかし、青色発光素子などのワイドギャップ半導体にお
いては、必ずしも導電性基板を得ることが容易でなかっ
た。例えば、上述の従来の化合物発光素子では、基板の
低抵抗化のために、溶融亜鉛中での熱処理工程が必要で
あった。高抵抗もしくは絶縁性の基板を用いる場合、発
光素子の上面に正、負の両方の電極を形成することが考
えられるが、この場合には発光を有効に取り出せないと
いう問題が生じた。すなわち、電極や発光素子外部より
電流を供給するために、電極に接続されるリード線によ
り、発光の取り出しが遮られていた。特に、青色発光素
子の場合、発光効率が小さいため、発光の取り出し効率
を高めることは重要であった。
【0005】また、正、負電極を両方とも発光素子の上
面に形成する場合において、発光層の下層である導電層
を露出させる必要があるが、青色発光素子などのワイド
ギャップ半導体において、ドライエッチングにより露出
したp型半導体表面に電極を形成すると、電極部分での
抵抗が高くなるという問題が判明した。これは、青色発
光素子などのワイドギャップ半導体においては、良好な
正電極の形成が難しく、正電極を接続する半導体表面は
適切に形成される必要があるためである。
【0006】本発明は係る点に鑑みてなされたもので、
発光の取り出し効率の高い化合物半導体発光素子と、そ
の化合物半導体発光素子の電極における抵抗を小さくし
た製造方法を提供することを目的とするものである。
【0007】さらに、上述の従来の発光素子の構造で
は、発光層を含む主要部、つまり発光素子本体に電流が
必ずしも狭窄されないという問題があった。これは発光
素子本体側面を電流がリークするからである。本発明は
係る点に鑑みてなされたもので、発光素子本体に電流を
狭窄し、発光層に高密度の電流を注入することを特徴と
する。
【0008】
【課題を解決するための手段】本発明による化合物半導
体発光素子は、基板上に、少なくとも、第1導電型の導
電層と、前記第1導電型の導電層の一部領域に立設さ
れ、少なくとも前記発光層とからなる発光素子本体と、
を有する化合物半導体発光素子において、前記発光素子
本体から舌状に接続された前記第1導電型の導電層の露
出部分に設けられた第1の電極と、前記発光素子本体の
上方に設けられた第2の電極と、前記第1の電極と前記
第2の電極との間に発光素子表面に設けられた絶縁層
と、を備えていることを特徴とするものである。
【0009】この発明における基板としては、低抵抗n
型ZnS、低抵抗n型ZnSeあるいは低抵抗n型Zn
SexSe1-x等からなるものや、絶縁性ZnS、絶縁性
ZnSeあるいは絶縁性ZnSxSe1-x等からなるもの
が好ましいものとして挙げられる。また、GaAsやG
aPあるいはSi等の材料も適用可能である。
【0010】そして、例えば、低抵抗n型ZnS基板
(や低抵抗n型ZnSe基板あるいは低抵抗n型ZnS
xSe1-x基板)としては、ハロゲン化学輸送法により成
長させたZnSバルク単結晶(やZnSeバルク単結晶
あるいはZnSxSe1-xバルク単結晶)を1000℃の
溶融亜鉛中で約100時間熱処理することにより、それ
ぞれ以下に示す抵抗率を有する低抵抗化した基板を用い
るのが好ましい。 ZnS:抵抗率(Ω・cm)として1〜10が好まし
く、1程度がより好ましい。 ZnSe:10-2〜10が好ましく、1程度がより好ま
しい。 ZnSxSe1-x:1〜10が好ましく、1程度がより好
ましい。 この際、上記各基板を作成する上でn型不純物として
は、Al,Ga等やCl,Brが用いられ、InやI等
も適用可能である。
【0011】また、絶縁性ZnS[絶縁性ZnSe(あ
るいは絶縁性ZnSxSe1-x)]は、ハロゲン輸送法、
昇華法あるいは高圧溶融法により成長させたZnSバル
ク単結晶(やZnSeバルク単結晶あるいはZnSx
1-xバルク単結晶)をそれぞれ低抵抗化処理せずに用
いるのが好ましい。
【0012】この発明における発光部としては、n型Z
nSあるいはn型ZnSe等からなる。いわゆるZnS
MIS型あるいはZnSe MIS型の発光素子を構
成する発光層や、一対のn型ZnSeおよびp型ZnS
e等からなる、いわゆるプレーナ構造を含むモノリシッ
ク素子構造のpn接合発光素子を構成する発光層が好ま
しいものとして挙げられる。
【0013】導電層ならびに発光層を作成する上でn型
不純物としては、III族元素のホウ素(B)、アルミニ
ウム(Al)、ガリウム(Ga)、インジウム(I
n)、タリウム(Tl)等を、あるいはVII族元素の
塩素(Cl)、臭素(Br)、フッ素(F)、ヨウ素
(I)等のうち少なくとも一つ、あるいは上記のIII族
元素とVII族元素とを少なくとも一つずつ組み合わせた
ものが用いられる。一方、p型不純物としては、Ia族
元素のリチウム(Li)、ナトリウム(Na)、カリウ
ム(K)、ルビジウム(Rb)、セシウム(Cs)等
や、Ib族元素の銅(Cu)、銀(Ag)、金(Au)
を、あるいはIII族元素のタリウム(Tl)やV族元素
の窒素(N)、リン(P)、砒素(As)、アンチモン
(Sb)、ビスマス(Bi)等のうち少なくとも一つ、
あるいは上記のIa族、Ib族ならびにV族の元素と、
III族ならびにVII族とを少なくとも一つずつ組み合わせ
たものが用いられる。
【0014】次に、本発明において、発光素子本体が実
質的に基板の一部領域上に立設されるとは、基板が、発
光素子本体を配設しうる第1領域と少なくとも発光素子
本体の側面を包囲する絶縁部を配設しうる第2領域とを
有することを意味するものであり、発光素子本体が基板
の上面全体に渡って配設されていないことを意味する。
【0015】すなわち、発光素子本体は、例えば、30
0μm×300μmの素子(チップ)寸法に対して、図
13、図14に示すように、直径D1が30〜100μ
m程度(より好ましくは50μm)の円柱構造を有する
ものが好ましいものとして挙げられる。
【0016】また、絶縁部としては、材料としてZn
S、ZnSe、ZnSxSe1-x等のII-VI族化合物半導
体からなる絶縁層が挙げられる。CaSやCaSe、S
rSあるいはSrSeも適用可能である。そして、抵抗
率としては1010〜1015Ω・cmが好ましく、1015
Ω・cmがより好ましく、その絶縁層における上記発光
素子本体の側面を包囲する部分である包囲壁の肉厚W
(図13参照)は2〜10μmが好ましく、5μmがよ
り好ましい。
【0017】さらに、本発明においては、導電部は、電
子濃度1018cm-3以上(あるいは正孔濃度1017cm
-3以上)の低抵抗(抵抗率として10-1〜10-3Ω・c
mが好ましく、5×10-3Ω・cmがより好ましい)
の、例えば、n型(あるいはp型)ZnSe層やZnS
xSe1-x層から構成される。そして、発光部は、n型発
光層の場合、電子濃度として1015〜1018cm-3が好
ましく、p型発光層の場合では、正孔濃度として1014
〜1017cm-3が好ましい。
【0018】
【発明の実施の形態】以下図に示す実施例にもとづいて
この発明を詳述する。なお、これによってこの発明は限
定を受けるものではない。図1は本発明の第1の実施例
の発光素子を模式的に示した断面図である。同図におい
て、1は抵抗率1Ωcmの低抵抗n型ZnS基板、2は
低抵抗n型ZnSからなる第1導電層、3は第1導電層
2よりも高いキャリア濃度をもつ低抵抗n型ZnSから
なる第2導電層、4はn型ZnS発光層、5は絶縁性Z
nSからなる正孔注入用絶縁層、7は正電極、8は負電
極である。
【0019】この素子において、第1導電層2、発光層
4、正孔注入用絶縁層5はMBE法を用いて基板1上に
順次エピタキシャル成長させた単結晶半導体層である。
【0020】そして、第1導電層2より高いキャリア濃
度を有する第2導電層3は、第1導電層2の成長時に、
成長層表面の一部に光(例えば波長193nmのArF
エキシマレーザ光)を照射することにより形成される。
すなわち、光を照射しながら成長することにより、光照
射部分に不純物元素が高濃度に添加され、非照射部と比
較して約1桁キャリア濃度の高い領域を形成することが
できた。第1導電層2は厚さ5μm、電子濃度1018
-3とし、第2導電層3は第1導電層2のほぼ全層にわ
たって形成し、電子濃度を上記の成長法を用いて第1導
電層1の約10倍の1019cm-3程度とした。この場合
抵抗率は第1導電層2が5×10-2Ωcm、第2導電層
3のそれは5×10-3Ωcmであった。
【0021】この際、第2導電層3は電流が十分に狭窄
されるように、例えば、300μm×300μmの素子
(チップ)寸法に対して、径d1を50μm程度に設定
する。発光層4は厚さ2μm、電子濃度1017cm-3
し、正孔注入用の絶縁層5は20〜700Åの厚さとし
た。
【0022】そして、正孔注入用の絶縁層5としては、
不純物を添加せずに成長させた絶縁性のZnS、あるい
は上述したn型不純物とV族元素の窒素(N)、リン
(P)、砒素(As)、アンチモン(Sb)等のp型不
純物を同時に添加して成長させた絶縁性ZnSを用いる
ことにより安定した特性が得られた。
【0023】正電極7は絶縁層5上の第2導電層3の直
上の位置に金(Au)を500〜1000Å蒸着して形
成した。負電極8は、基板1の裏側全面にインジウム−
水銀(In−Hg)を塗布し、高純度水素(H2)中で
約400℃(30sec)加熱することにより形成した
オーミック電極である。
【0024】以上のZnSMIS型発光素子において、
素子内の電流経路は第1および第2導電層2および3中
において、高キャリア濃度で、より低い抵抗率をもつ第
2導電層3中に狭窄され、発光層4へ高密度の電流を注
入することが可能となり、従来のZnS MIS型発光
素子と比較して5〜10倍の輝度を有する青色発光が正
電極7、絶縁層5ならびに素子端面を通して観察され
た。
【0025】図2は上記実施例の発光素子において、高
キャリア濃度の第2導電層をリング状に形成した、第2
の実施例であるZnS MIS型発光素子を模式的に示
す断面図である。同図において基板1、第1導電層2、
発光層4、絶縁層5は上記実施例に示す発光素子と同様
のものであり、第2導電層13は、第1導電層2を成長
する際にArFレーザー光をリング状に照射することで
形成した内径d230μm、外径d3100μmのリング
状の高キャリア濃度層である。各層の膜厚ならびにキャ
リア濃度は、上記第1実施例の発光素子と同程度に設定
した。正電極7として、直径30〜100μmのAu蒸
着電極を絶縁層5上の第2導電層13の直上の位置に形
成し、負電極8として、基板1裏面にIn−Hgを用
い、リング状のオーミック電極を形成した。
【0026】この場合においても、第2導電層13によ
り発光層4に流れる電流が狭窄され、高輝度の青色発光
が得られた。さらに、高いキャリア濃度をもつ第2導電
層13は第1導電層2に対して低い屈折率をもつため、
発光層4の正電極7と第2導電層13に挟まれた発光部
より生じた光は、リング状の第2導電層13に囲まれ
た、より高い屈折率を持つ第1導電層2中に閉じ込めら
れ、素子端面より漏れることなく基板1の裏面より素子
外部へ効率良く取り出すことができた。本実施例により
高輝度でしかも高い取り出し効率をもつZnS MIS
型発光素子を実現することができた。
【0027】図3は本発明による第3の実施例の発光素
子を模式的に示す断面図である。同図において、21は
絶縁性ZnSe基板、22は低抵抗n型ZnSeからな
る第1導電層、23は第1導電層22より高キャリア濃
度のn型ZnSeからなる第2導電層、24はn型Zn
Se発光層、25はp型ZnSe発光層、26は低抵抗
p型ZnSeからなる導電層、7は正電極、8は負電極
である。
【0028】この素子において、絶縁性ZnSe基板2
1としては、ハロゲン輸送法、昇華法、あるいは高圧溶
融法により成長させたZnSeバルク単結晶を低抵抗化
処理せずに用い、この基板21上にMBE法を用いて各
半導体層を順次エピタキシャル成長させる。n型ZnS
eからなる導電層22,23、発光層24は実施例1の
ZnS MIS型発光素子とほぼ同様の形状、寸法、特
性とし、この上にp型ZnSeからなる厚さ2μm、正
孔濃度5×1016cm-3の発光層25、厚さ5μm、正
孔濃度5×1017cm-3の低抵抗p型ZnSe導電層2
6を形成し、p型ZnSe導電層26の端部にAuを蒸
着して正電極7とし、成長層の一部を化学エッチングあ
るいは反応性イオンエッチング(RIE)等を用いて除
去し、露出させたn型ZnSeからなる第1導電層22
上にInを蒸着して負電極8とし、プレーナ構造のZn
Se pn接合発光素子とした。
【0029】この際、p型ZnSeからなる発光層25
ならびに導電層26に対するp型不純物としては、Ia
族元素のリチウム(Li)、ナトリウム(Na)、カリ
ウム(K)、Ib族の銅(Cu)、銀(Ag)、金(A
u)、III族元素のタリウム(Tl)、V族元素の窒素
(N)、リン(P)、砒素(As)、アンチモン(S
b)、ビスマス(Bi)等を用いた。
【0030】正電極7をp型ZnSe導電層26の端部
に形成することによって、電極が発光を遮ることを最小
限にすることができ、発光を発光素子上部より有効に取
り出すことができた。なお、基板21として昇華法で成
長させた無色透明の絶縁性ZnSSe単結晶基板を用い
ることにより、基板側からも高輝度の発光を取り出すこ
とができた。
【0031】この青色発光素子のようにワイドギャップ
半導体を用いた場合には、n型半導体を反応性イオンエ
ッチングによって露出させることによって、負電極を形
成しているので、抵抗の低い、電極部での発熱の小さ
く、信頼性の高い化合物半導体発光素子が得られた。
【0032】また、絶縁性基板21を用いたプレーナ構
造とすることにより、基板結晶の低抵抗化処理が不要と
なり、素子作成プロセスが大幅に簡素化されるととも
に、素子抵抗の低減により、素子の低損失化が可能とな
った。本実施例により、高輝度のpn接合型発光素子を
実現することができた。
【0033】図4は、本発明による第4の実施例である
ZnSe pn接合型発光素子の断面模式図を示す。基
本的な素子構造は上記第3の実施例と同様であるが、低
抵抗n型ZnSeからなる第1導電層22中にこの第1
導電層22より高いキャリア濃度の低抵抗n型ZnSe
からなる第2導電層33が複数形成されている。
【0034】この場合、個々の第2導電層33の位置で
電流が狭窄され高輝度の発光が生じる。10μm×10
μm程度以上の微小寸法からなる矩形の第2導電層33
を複数、任意の形状に配列することにより、第2導電層
33の配列に対応した形状の高輝度の発光が得られた。
【0035】さらに、本発明の発光素子の第5の実施例
の概略図を図5に示す。図中、1はn型ZnS単結晶基
板である。この低抵抗n型ZnS基板1上に、低抵抗n
型ZnS層ならびに低抵抗n型イオウ・セレン化亜鉛合
金(ZnSxSe1-x)層を連続にエピタキシャル成長さ
せ、その後、化学エッチングあるいは反応性イオンエッ
チング(RIE)等のエッチング法により、上記n型Z
nSxSe1-x層を、発光部の下部に相当する部分を残し
て除去し、低抵抗n型ZnS層を再び成長させ、n型Z
nSからなる第1導電層2と、この第1導電層2中にn
型ZnSxSe1-xからなる第2導電層131とを形成す
る。ZnSの屈折率は2.4であり、ZnSxSe1-x
屈折率はイオウ(S)組成(x)に応じてZnSの屈折
率2.7からZnSeの屈折率2.4まで連続的に変化
し、第1導電層2に対し、第2導電層131は高い屈折
率をもつ。さらに、この第1導電層2上にn型ZnSか
らなる発光層4ならびに絶縁性のZnSからなる絶縁層
5を積層し、絶縁層5上にAu電極を蒸着し、正電極7
とし、低抵抗化n型ZnS基板1裏面にInオーミック
電極を形成し、負電極8とし、MIS型発光素子とす
る。
【0036】各半導体層のエピタキシャル成長には、M
BE法、あるいはMOCVD法を用いる。すなわち、い
ずれの成長法においても、供給する原料の種類、量を変
えることにより各層を制御性良く成長させることができ
た。また、ZnS絶縁層5は不純物を添加しないことで
得られるが、絶縁性の低い高抵抗n型ZnSとなる場合
は、p型ZnS形成用の不純物であるIa族元素のリチ
ウム、ナトリウム、カリウム、ルビジウム、セシウム、
Ib族元素の銅、銀、金、III族元素タリウム、V族元
素リン、砒素、アンチモン、ビスマスうち少なくとも一
つ、あるいは、上記のIa族、Ib族ならびにV族の元
素と、III族の元素とを少なくとも一つずつ組み合わせ
たものを添加することにより、高い絶縁性を示すZnS
を成長させることができた。
【0037】そして、第1導電層2及び第2導電層13
1は素子の電気抵抗を下げるために電子濃度を略約10
18〜1019cm-3として抵抗率を小さく(例えば5×1
-2〜5×16-3Ωcm)設定する。この場合、第2導
電層131の抵抗率を第1導電層2のそれより小さくす
ることにより電流は第2導電層131中を主に流れ、発
光層4中に高密度の電流注入が生じることにより高輝度
の青色発光を得ることが可能となる。第2導電層131
を形成するZnSxSe1-xは第1導電層1にたいして十
分大きな屈折率となるように、イオウ(S)の組成
(x)を0.5以下とし、発光層から放射された光が効
率良く基板側に導かれるように厚さを10μm程度とす
る。第1導電層2の厚さは、第2導電層131との間に
おいて、界面の歪が緩和されるよう各2μm程度とす
る。
【0038】発光層4は高い発光効率を得るために、電
子濃度を1017cm-3程度に、導電層より低く抑えた高
い結晶性を有するn型ZnS層で形成し、厚さは約1〜
5μmとする。絶縁層5は電流注入の効率を最大とする
範囲で薄くし、20〜700Åとする。
【0039】正電極7は発光層から上方へ放射された光
が基板側へ全反射されるように2000〜3000Åの
厚さとし、これを第2導電層131の直上に形成する。
負電極8は、青色発光が基板裏面より取り出せるように
リング状に形成する。
【0040】本実施例において、発光層4より放射され
た光は導電層中を透過する際に、屈折率の高い第2導電
層131中に閉じ込められ、基板側に効率良く取り出す
ことが可能となり、従来構造の素子と比較して1桁高い
取り出し効率を有するZnSMIS型青色発光素子を実
現することができた。
【0041】なお、本実施例において、n型ZnS発光
層4の上に、絶縁層5のかわりに正孔濃度1014〜10
17cm-3p型ZnSからなる発光層を積層することによ
り、上述のMIS型発光素子の場合と同様に、従来のp
n接合型あるいはTln接合型の素子と比較してさらに
約1桁高い取り出し効率を有するZnSpn接合型発光
素子を実現できた。
【0042】図6はZnSMIS型発光素子において、
第2導電層131を凸レンズ状の形状とした本発明によ
る発光素子の第6の実施例を示す概略図である。同図に
おいて、各層は、MOCVD法を用い、成長層であるZ
nSあるいはZnSxSe1-xの禁制帯幅よりも大きなエ
ネルギーをもつ光、例えば波長193nmのArFエキ
シマレーザ光、あるいは、分光出力50mW/nm/c
2のキセノンランプより分光した単色光等を基板に照
射しながら成長を行う。光照射により、光を照射しない
通常の場合には、ほとんど成長の生じない(0.001
μm/h以下)低い成長温度(200〜350℃)にお
いても十分な成長が得られ、しかも光の強度により、概
数0.01μm/h〜10μm/hにわたる広い範囲で
成長速度を制御することができる。
【0043】この光照射成長法を用い、まず低抵抗化n
型ZnS基板1上に図7の実線Aで示される強度分布を
もつ光の照射下で低抵抗のn型ZnSを成長させ、中央
部での厚さが約2μm、端部での厚さが約7μmの中央
部にすり鉢状の凹部を有する第1導電層の下部層12a
を形成する。続けて図7の破線Bで示される強度分布を
もつ光の照射下で低抵抗のn型ZnSxSe1-xを成長さ
せ、上記の第1導電層の下部層12aに形成された凹部
上に中央部の厚さが約10μmの凸レンズ状の第2導電
層131を形成し、再び図7の実線Aで示される強度分
布の光照射下で低抵抗n型ZnSを成長させて第1導電
層の上部層12bを形成し、導電層とする。
【0044】次にこの導電層上にn型ZnS発光層4、
絶縁性ZnSからなる絶縁層5を成長させ、絶縁層5に
正電極7、低抵抗化n型ZnS基板1の裏面に負電極8
を形成し、ZnS MIS型発光素子とする。
【0045】このような構成では、第1導電層12a、
12bより高い屈折率をもつ第2導電層131が凸レン
ズ状の形状を有することから、発光層4から生じた光に
集光性ならびに指向性を持たせることが可能となり、発
光を素子外部の任意の方向にさらに効率良く取り出すこ
とができた。
【0046】次に、本発明による第7の実施例の概略図
を図8に示す。同図において、基板は、ハロゲン化学輸
送法で成長させたZnSxSe1-xバルク単結晶を低抵抗
化処理せずに用いた絶縁性ZnSxSe1-x基板21aで
あり、この基板上に低抵抗n型ZnSySe1-yからなる
第1導電層32と、低抵抗n型ZnSeからなり、第1
導電層32より屈折率の高い第2導電層33とを形成す
る。この場合、第1導電層32に対して第2導電層23
が十分に高い屈折率を持つように第1導電層32を形成
するZnSySe1-yのイオウ(S)組成(y)を0.5
以上とする。
【0047】次にこの導電層上にn型ZnSeからなる
発光層24ならびにp型ZnSeからなる発光層25を
形成し、p型ZnSe発光層25にAuを用いたオーミ
ック電極を形成し正電極7とし、発光層の一部をエッチ
ングにより除去し露出させたn型ZnSySe1-yからな
る第1導電層32にInを用いたオーミック電極を形成
し、負電極8とし、pn接合型発光素子とする。この素
子は基板がZnSe発光層よりソイドギャップであり、
基板による再吸収が無く、さらにプレーナ型構造である
ため、基板21a裏面に電極が形成されず、発光を有効
に取り出すことが可能である。
【0048】本実施例においてさらに高い取り出し効率
を有するZnSe pn接合型発光素子と実現すること
ができた。次に本発明による第8の実施例の概略図を図
9に示す。同図において、基板はハロゲン化学輸送法に
より成長させたZnSeバルク単結晶を低抵抗化せずに
用いた絶縁性のZnSe基板21である。この基板21
上に低抵抗p型ZnSeからなる導電層38、p型Zn
Se発光層25、n型ZnSe発光層24エピタキシャ
ル成長させた後、層厚10μmの低抵抗n型ZnSy
1-yからなる第1導電層32ならびに第1導電層32
中に低抵抗n型ZnSkSe1-k(k<y)からなる第2
導電層133とを形成し、第1導電層32上にInを用
いた負電極8を、エッチングにより露出させたP型Zn
Se導電層38にAuを用いた正電極7を、それぞれ形
成し、pn接合型発光素子とする。
【0049】なお、第1導電層32を形成するZnSy
Se1-yのイオウ(S)組成(y)は、ZnSkSe1-k
で形成される第2導電層133の屈折率が第1導電層3
2の屈折率より十分に大きくなるようにy>k+0.5
とする。
【0050】本実施例においては、絶縁性のZnSe基
板21を用いたプレーナ構造とすることにより、基板結
晶の低抵抗化処理が不要となり、素子作製プロセスが簡
素化された。また、負電極8を低抵抗n型ZnSySe
1-y層32の端部に形成することによって、負電極8が
発光を遮ることを最小限にすることができ、発光素子上
部より発光を有効に取り出すことができた。更に、発光
素子外部より電流を発光素子に供給する為の各リード線
を電極に形成する場合には、正電極に対して負電極が低
抵抗n型ZnSySe1-y層32上の最も離間した端部位
置に設けられているので、発光素子上部より取り出され
る発光を遮ることなく、リード線を発光素子の外側に向
かって引き出すことができた。
【0051】また、本実施例の発光素子においては、発
光層上方の負電極が、発光層下部のp型ZnSeからな
る導電層38の露出部に設けられた正電極7とは最も離
間した端部位置に設けられたので、中央付近を含めて発
光層のほぼ全体に電流が流れて発光するので、発光素子
上部より発光を有効に取り出すことができた。
【0052】次に本発明による第9の実施例の概略図を
図10に示す。同図において、基本的な構造は、上述し
たZnS MIS型発光素子と同様であるが、第2導電
層43はイオウ(S)とセレン(Se)の組成比が厚さ
方向(Y方向)に段階的あるいは連続的に変化するn型
ZnSx(l)Se1-x(l)[l:第2導電層43の底面43
aから厚さ方向(Y方向)へ向かう変位量]より形成さ
れている。
【0053】すなわち、この第2導電層43のS組成
[x(l)]は第1導電層2との界面(l=0,l=
L,L:第2導電層43の厚み)でx(0)=x(L)
=1とし、中央部(l=L/2)で最小となるようにす
る。このときの最小値X(X=x(L/2))は第2導
電層43が第1導電層2に対して十分高い屈折率を持つ
ようにX<0.5とする。
【0054】このように、第2導電層43の組成が第1
導電層2との界面よりZnSからZnSxSe1-xまで連
続的に変化しているため、界面での各層の格子定数の違
いによる欠陥の発生を完全に抑えることができる。本実
施例においても、高い取り出し効率をもつZnS MI
S型あるいはpn接合型発光素子を実現することができ
た。
【0055】次に、本発明による第10の実施例の概略
図を図11に示す。同図において、基本的な構造は上述
したZnS MIS型発光素子と同様であるが、第2の
導電層131が台形状の断面を有し、幅方向に中央部に
対して両端部の厚みが小さくなっている。
【0056】この場合、低抵抗化n型ZnS基本1上に
低抵抗n型ZnSxSe1-x層の第2導電層131を順次
エピタキシャル成長させた後、低抵抗n型ZnSxSe
1-x層を台形状にエッチングし、その上に再び低抵抗n
型ZnS層をエピタキシャル成長させ、第1導電層2お
よび第2導電層131を形成する。
【0057】このような構成では、第2導電層131は
第1の導電層2に対して高い屈折率をもち、第2の導電
層131の端部、すなわち、第1の導電層2と第2導電
層131の界面が発光層に対して傾斜した部分におい
て、入射した光は中央部に向かって屈折するため、発光
層より放射される光を基板側へ向かって集光させること
が可能となり、さらに取り出し効率を向上させることが
できる。本実施例においてさらに取り出し効率の高いZ
nS MIS型あるいはpn接合型発光素子を実現する
ことができた。
【0058】なお、上記実施例7、8および9の発光素
子においても本実施例と同様に第2導電層を台形状とす
ることで、発光層より放射される光に集光性を持たせる
ことが可能となり、発光を素子外部へ効率良く取り出す
ことができた。
【0059】さらに第2導電層131の形状を図12に
示す本発明による第11の実施例のように、フレネルレ
ンズ構造とすることにより、発光層から生じる光に高い
集光性ならびに指向性を与えることが可能となり、発光
を素子外部に任意の方向に高い効率で取り出すことがで
きる発光素子を実現することができる。
【0060】このように、上記第5〜第11の実施例に
よれば、発光の集光性、指向性、ならびに取り出効率を
大幅に高めた高効率の化合物半導体発光素子を実現する
ことができ、情報表示処理用高輝度青色発光装置をはじ
めとして、極めて有用なオプトエレクトロニクス用光源
を提供することが可能となった。
【0061】さらに、本発明の請求項4による発光素子
の第12の実施例の概略図を図13に示す。図中、1a
はハロゲン化学輸送法により成長させたZnSeバルク
単結晶を1000℃の溶融亜鉛中で100時間熱処理
し、低抵抗化した抵抗率約1Ωcmのn型ZnSe基板
である。この低抵抗化n型ZnSe基板1a上に直径3
0〜100μmの円形孔をもつマスクを設置し、MBE
法により電子濃度1018cm-3以上の低抵抗n型ZnS
eからなる導電層53、電子濃度が5×1016cm-3
度のn型ZnSeからなる発光層42、絶縁性のZnS
eからなる正孔注入用絶縁層144を順次エピタキシャ
ル成長させ、続けて金(Au)からなる正電極7を堆積
させる。
【0062】この際、MBE法では原料分子線が方向性
をもつため、基板を各原料分子線の入射方向に対して垂
直に配置することにより基板上のマスクの円形孔に対応
した位置に直径30〜100μmの円柱状の発光素子主
要部を制御性よく部分成長させることができた。
【0063】次に、マスクを除去し、絶縁性のZnSe
からなる絶縁層115をエピタキシャル成長させる。こ
の際、基板を各分子線の入射方向に対して傾斜させて配
置し、基板を回転させながら成長を行い、円柱構造の側
面に厚く成長させる。
【0064】その後、正電極7上に堆積した余剰の絶縁
性ZnSeを化学エッチング等により除去し、低抵抗化
n型ZnSe基板1aの裏面にInを用いたリング状の
オーミック電極を負電極8として形成し、MIS型発光
素子とする。
【0065】本実施例においては、素子内の電流は円柱
状の主要部に狭窄され発光層に高密度の電流を注入する
ことが可能となり、高輝度のZnSe MIS型発光素
子を実現することができた。なお、本実施例における発
光素子の基板ならびに発光層をはじめとする各半導体を
ZnSあるいはイオウ・セレン化亜鉛合金(ZnSx
1-x)により構成したMIS型発光素子においても高
輝度の発光を得ることができた。
【0066】次に本発明の請求項4による第13の実施
例の概略図を図14に示す。同図において、上記第1実
施例と同様の低抵抗化ZnSe基板1a上にMOCVD
法あるいはMBE法を用いて電子濃度1018cm-3のn
型ZnSeからなる導電層53、電子濃度1017cm-3
のn型ZnSeからなる発光層24、ならびに正孔濃度
が1016cm-3のp型ZnSeからなる発光層25を順
次エピタキシャル成長させる。
【0067】次に、化学エッチングあるいは反応性イオ
ンビームエッチング等により、上記成長層を低抵抗化n
型ZnSe基板1の一部とともに直径50μmの円柱状
にエッチングし、発光素子の主要部(発光素子本体)を
形成した後、絶縁性のZnSxSe1-xをエピタキシャル
成長させてこれを絶縁層125とする。この絶縁性Zn
xSe1-xは、発光層24、25を含む主要部を構成す
るZnSeに対して十分屈折率が低く、かつ格子定数の
差が大きくならないようにイオウ(S)組成(x)を
0.3〜0.7程度とする。
【0068】次に、p型ZnSe発光層25上に成長し
た絶縁性ZnSxSe1-xをエッチングにより除去し、露
出したp型ZnSe発光層25上にAuを用いたオーミ
ック電極を形成し正電極7とし、低抵抗化n型ZnSe
基板1aの裏面にInを用いたオーミック電極を形成し
負電極8とし、pn接合型発光素子とする。
【0069】本実施例においては、上記第12の実施例
と同様に発光層における電流密度を上げることが可能と
なるとともに、絶縁層が発光層を含む主要部より低い屈
折率をもつため、発光層で生じた光が主要部内に閉じ込
められ、発光を基板側から効率良くとり出すことが可能
となり、高輝度でしかも高い取り出し効率を有するZn
Sepn接合型発光素子を実現することができた。
【0070】なお、本実施例において、基板ならびに発
光層を含む主要部をZnSySe1−y(0.5>y>
0)で、絶縁層を上記ZnSSe1-yよりS組成
(z)が0.5程度大きいZnSzSe1-zで構成するこ
とにより、同様に高輝度で高い取り出し効率を有するZ
nSySe1-ypn接合型発光素子を実現することができ
た。
【0071】次に、本発明の請求項4による第14の実
施例の概略図を図15に示す。同図において、基板は、
ハロゲン化学輸送法により成長させたZnSxSe1-x
ルク単結晶を1000℃の溶融亜鉛中で100時間熱処
理し、低抵抗化した抵抗率約1Ωcmのn型ZnSx
1-x基板121であり、この基板上にMOCVD法あ
るいはMBE法を用いて電子濃度1019cm-3のn型Z
nSxSe1-x導電層63、電子濃度1017cm-3のn型
ZnSeからなる発光層24、正孔濃度1016cm-3
p型ZnSeからなる発光層25ならびに5×1017
-3の正孔濃度をもつp型ZnSxSe1-xからなる導電
層27を順次エピタキシャル成長させる。
【0072】次に上記第13の実施例と同様に上記成長
層を円柱状にエッチングし、絶縁性のZnSySe1-y
らなる絶縁層135、Auを用いた正電極7ならびにI
nを用いた負電極8を形成してpn接合型発光素子とす
る。この際、n型およびp型導電層63、27を形成す
るZnSxSe1-xのS組成(x)を発光層24、25を
形成するZnSeに対して禁制帯幅が0.1eV程度大
きくなるようにx=0.1程度とし、絶縁層135を形
成するZnSySe1-yのS組成(y)は主要部に対して
十分に低い屈折率が得られ、かつ格子定数の差が大きく
ならないようにy=0.3〜0.7程度とする。
【0073】本実施例において上記第13の実施例と同
様に、電流狭窄ならびに発光の閉じ込めが可能となると
ともに、ZnSeからなる発光層がZnSeより禁制帯
幅の大きいZnSxSe1-xからなる導電層で狭まれてお
り、キャリアが発光層中に閉じ込められるため、高い発
光効率を得ることが可能となり、高輝度、高効率のZn
Se pn接合型発光素子を実現することができた。
【0074】なお、本実施例においては、発光層をS組
成(z)が0.5以下のZnSzSe1-zにより形成した
場合においても導電層ならびに絶縁層のS組成をそれぞ
れzだけ増加させることにより、高輝度、高効率のZn
SSe pn接合型発光素子を実現することができた。
【0075】第12〜第14の実施例においては、発光
素子本体が一部領域に立設され、発光素子本体の側面が
絶縁層で直接覆われているので、発光素子本体側面にダ
メージが生じにくくなり、発光素子本体側面付近のダメ
ージや側面に付着した汚れを通じて、発光に寄与しない
リーク電流が発生することが抑制され、つまり、電流狭
窄が実現され、発光層における電流密度を高めることが
できた。
【0076】次に、本発明の請求項5による第15の実
施例の概略図を図16に示す。図中、21はハロゲン化
学輸送法により成長させたZnSeバルク単結晶を低抵
抗化せずに用いた絶縁性のZnSe基板である。この絶
縁性ZnSe基板21上に上記第2の実施例と同様の方
法でn型ZnSe導電層53、n型ZnSe発光層24
ならびにp型ZnSe発光層25を順次エピタキシャル
成長した後、成長層をn型ZnSe導電層が露出するま
で柱状にエッチングする。
【0077】次にn型ZnSe導電層の一部を残してさ
らに成長層を基板の一部とともに柱状にエッチングし、
柱状の主要部と、主要部から舌状に接続したn型ZnS
e導電層53の負電極形成部53aを作成する。
【0078】さらに、この上にS組成(x)が0.3〜
0.7程度の値をもつ、絶縁性のZnSxSe1-xを成長
させてこれを絶縁層125とし、p型ZnSe発光層2
5ならびにn型ZnSe導電層53の舌状部に堆積した
絶縁性ZnSxSe1-xをエッチングにより除去し、露出
したp型ZnSe発光層25上ならびにn型ZnSe導
電層53上に、それぞれ、Auを用いた正電極7、In
を用いた負電極8を形成し、プレーナ型のpn接合型発
光素子とする。
【0079】発光素子本体が一部領域に立設され、発光
素子本体の側面が絶縁層で直接覆われているので、発光
素子本体側面にダメージが生じにくくなり、発光素子本
体側面付近のダメージや側面に付着した汚れを通じて、
発光に寄与しないリーク電流が発生することが抑制さ
れ、つまり、電流狭窄が実現され、発光層における電流
密度を高めることができた。また、本実施例の発光素子
においては、プレーナ型の発光素子であるにもかからわ
ず、発光素子本体が一部領域に立設され、その側面を含
めて正負電極間の導電層表面が、絶縁膜で覆われている
ので、正負電極間付近のダメージや正、負電極間の導電
層に付着した汚れを通じて、発光に寄与しないリーク電
流が発生することが抑制され、つまり、電流狭窄が実現
され、発光層における電流密度を高めることができた。
【0080】このように第12〜15の実施例によれ
ば、高輝度で高い外部効率を有する青色発光を含む化合
物半導体発光素子を実現することが可能となり、各種表
示装置あるいはプリンタ、ファクシミリ等の高エネルギ
ーかつ高輝度の光源として極めて有用である。
【0081】
【発明の効果】本発明は、上述のとおり構成されている
ので、化合物半導体発光素子に付着した付着物などを通
じて発光層を通過しない電流、いわゆるリーク電流の発
生が抑えることができる。また、発光素子本体が、基板
上あるいは第1の導電型の導電層上の一部領域に立設さ
れているので、ウエハーから素子に分離するダイシング
の工程などで発光素子本体にダメージを及ぼさないよう
にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】発明の実施例1を示す構成説明図である。
【図2】発明の第2の実施例を示す構成説明図である。
【図3】発明の第3の実施例を示す構成説明図である。
【図4】発明の第4の実施例を示す構成説明図である。
【図5】発明の第5の実施例を示す構成説明図である。
【図6】発明の第6の実施例を示す構成説明図である。
【図7】上記第6の実施例の発光素子を作成する上で用
いた光照射成長における照射光の強度分布を示す模式図
である。
【図8】発明の第7の実施例を示す構成説明図である。
【図9】発明の第8の実施例を示す構成説明図である。
【図10】発明の第9の実施例を示す構成説明図であ
る。
【図11】発明の第10の実施例を示す構成説明図であ
る。
【図12】発明の第11の実施例を示す構成説明図であ
る。
【図13】発明の第12の実施例を示す構成説明図であ
る。
【図14】発明の第13の実施例を示す構成説明図であ
る。
【図15】発明の第14の実施例を示す構成説明図であ
る。
【図16】発明の第15の実施例を示す構成説明図であ
る。
【図17】従来例を示す構成説明図である。
【符号の説明】
1、71 低抵抗n型ZnS基板 1a 低抵抗n型ZnSe基板 2 n型ZnS第1導電層 3、13 n型ZnS第2導電層 4、74 n型ZnS発光層 5、75 ZnS絶縁層 7、77 正電極 8、78 負電極 12a n型ZnS第1導電層の下層部分 12b n型ZnS第1導電層の上層部分 21 絶縁性ZnSe基板 21a 絶縁性ZnSxSe1-x基板 22 n型第ZnSe第1導電層 23 n型ZnSe第2導電層 24 n型ZnSe発光層 25 p型ZnSe発光層 26、38 p型ZnSe導電層 27 p型ZnSxSe1-x導電層 32 n型ZnSySe1-y第1導電層 33 n型ZnSe第2導電層 42 n型ZnSe発光層 43 n型ZnSx(l)Se1-x(l)第2導電層 53 n型ZnSe導電層 63 n型ZnSxSe1-x導電層 115 ZnSe絶縁層 121 低抵抗n型ZnSxSe1-x基板 125 ZnSxSe1-x絶縁層 131 n型ZnSxSe1-x第2導電層 133 n型ZnSkSe1-k第2導電層 135 ZnSySe1-y絶縁層 144 ZnSe正孔活入用絶縁層

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 基板上に、少なくとも、第1導電型の導
    電層と、前記第1導電型の導電層の一部領域に立設さ
    れ、少なくとも前記発光層とからなる発光素子本体と、
    を有する化合物半導体発光素子において、 前記発光素子本体から舌状に接続された前記第1導電型
    の導電層の露出部分に設けられた第1の電極と、 前記発光素子本体の上方に設けられた第2の電極と、 前記第1の電極と前記第2の電極との間に発光素子表面
    に設けられた絶縁層と、を備えていることを特徴とする
    化合物半導体発光素子。
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