JPH11233816A - 半導体発光装置およびその製造方法 - Google Patents
半導体発光装置およびその製造方法Info
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Abstract
る。 【解決手段】 第1〜第5の半導体層104〜107,
103は、Al組成比が異なるAlGaAs層であり、
第1〜第5の半導体層104〜107,103のエネル
ギーバンドギャップをそれぞれEg1,Eg2,Eg
3,Eg4,Eg5とすると、Eg1<Eg2<Eg3
<Eg4、Eg1<Eg5である。p型領域130a,
130b,130cと半導体基板100のn型領域とに
よるpnフロント131a,131b,131cは、そ
れぞれ第1の半導体層104内、第2の半導体層105
内、第3の半導体層106内に形成されている。LED
140a,140b,140cは、pnフロントが形成
されている半導体層のエネルギーバンドギャップに応じ
た波長で発光する。これらのLEDは、p型領域130
のピッチ寸法またはp型電極110のピッチ寸法で集積
されている。
Description
発光ダイオード(Light Emitting Diode:LED)等の
発光素子を半導体基板に集積した半導体発光装置に関す
る。
LEDの構造を示す断面図である。図14(a)のLE
Dは、GaP基板11上にn型GaP層12/p型Ga
P層13によるホモ接合を形成した半導体基板10と、
LEDの個別電極となるp側電極14と、複数のLED
の共通電極となるn側電極15とにより構成され、前記
ホモ接合面をpn接合面16とする構造である。
基板21上にp型Alx Ga1-x As(x=0.35)
層22/n型Alx Ga1-x As(x=0.65)層2
3のシングルヘテロ接合を形成した半導体基板20と、
個別電極となるn側電極24と、共通電極となるp側電
極25とにより構成され、前記ヘテロ接合面をpn接合
面とする構造である。
x Ga1-x As(x=0.65)層31/p型Alx G
a1-x As(x=0.35)層22/n型Alx Ga
1-x As(x=0.65)層23のダブルヘテロ接合を
形成した半導体基板30と、n側電極24と、p側電極
25により構成され、AlGaAs(x=0.35)層
32/AlGaAs(x=0.65)層33のヘテロ接
合面をpn接合面とする構造である。
(c)のLEDの場合には、発光波長は発光層であるp
型AlGaAs(x=0.35)層22のエネルギーバ
ンドギャップに応じた波長となる。
来の半導体装置のLEDは決められた単一波長で発光す
るものであり、上記従来の構造では異なる発光波長のL
EDを高密度に集積することは困難であった。
ためになされたものであり、発光波長が異なるLEDを
高密度に集積することができる半導体発光装置を提供す
ることを目的とする。
めに本発明の半導体発光装置は、半導体基板と、前記半
導体基板の第1導電型領域にコンタクトする第1導電側
電極と、前記半導体基板の複数の第2導電型領域にそれ
ぞれ個別にコンタクトする複数の第2導電側電極とを備
え、前記半導体基板が、発光層となる半導体層群と、半
導体層群を部分的に含む前記第1導電型領域と、それぞ
れ基板上面の一部から半導体層群に達する前記複数の第
2導電型領域と、前記第1導電型領域と前記複数の第2
導電型領域によりそれぞれ形成された複数のpn接合面
とを有し、前記半導体層群が、エネルギーバンドギャッ
プの異なる複数の半導体層をエネルギーバンドギャップ
の小さい順に基板下面側から上面側に積層したものであ
り、それぞれの半導体層の内部または上面に、1個以上
のpn接合面のフロント部が形成されていることを特徴
とするものである。
は、エネルギーバンドギャップの異なる複数の第1導電
型半導体層をエネルギーバンドギャップの小さい順に基
板下面側から上面側に積層した半導体層群を有する半導
体基板を用意する工程と、互いに分離された複数の基板
上面領域から異なる深さまで第2導電型不純物をドープ
することにより、前記半導体層のそれぞれの第1導電型
半導体の内部または上面に1個以上のpn接合面のフロ
ント部が位置するように、複数の第2導電型領域と前記
半導体基板の第1導電型領域とによる複数のpn接合面
を形成する工程とを含むことを特徴とするものである。
面図である。また、図2は本発明の第1の実施形態の半
導体発光装置の構造を示す上面図であり、上記図1は図
2のA−A’間の断面図である。図1および図2の半導
体発光装置は、半導体基板100と、層間絶縁膜109
と、p側電極110a,110b,110cと、n側電
極111とを備えている。
ガリウム)基板101上に、n型GaAsバッファ層1
02、n型Als Ga1-s As(砒素とガリウムとアル
ミニウムの混晶)層(第5の半導体層)103、n型A
lx Ga1-x As層(第1の半導体層)104、n型A
ly Ga1-y As層(第2の半導体層)105、n型A
lz Ga1-z As層(第3の半導体層)106、n型A
lt Ga1-t As層(第4の半導体層)107、および
半絶縁性GaAs層108の各半導体層を積層し、p型
領域130a,130b,130cを形成したものであ
る。上記のx,y,z,t,sはAsに対するAlの組
成比であり、1−x,1−y,1−z,1−t,1−s
はAsに対するGaの組成比である。第1〜第3の半導
体層104〜106は、発光層となる半導体層群120
を構成している。
ャップの異なる半導体層をエネルギーバンドギャップの
小さい順に下から上に(半導体基板100の下面(裏
面)側から上面(表面)側に)積層した構造を有するも
のであり、第1の半導体層104、第2の半導体層10
5、第3の半導体層106の順にエネルギーバンドギャ
ップが大きくなる。第4の半導体層107および第5の
半導体層103は、クラッド層となる半導体層であり、
第4の半導体層107は第3の半導体層106よりもエ
ネルギーバンドギャップが大きく、第5の半導体層10
3は第1半導体層104よりもエネルギーバンドギャッ
プが大きい。従って、第1の半導体層104〜第4の半
導体層107、第5の半導体層103のエネルギーバン
ドギャップをそれぞれEg1,Eg2,Eg3,Eg
4,Eg5とすると、第1の半導体層104〜第4の半
導体層107、第5の半導体層103には、 Eg1<Eg2<Eg3<Eg4 (1) Eg1<Eg5 (2) となる半導体材料を用いる。
07および第5の半導体層103の半導体材料であるA
lGaAsは、Al組成比が大きいほどエネルギーバン
ドギャップが大きくなるので、第1〜第5の半導体層1
04〜107,103におけるAl組成比x,y,z,
t,sが (0≦)x<y<z<t(≦1) (3) (0≦)x<s(≦1) (4) となるようにする。例えば、x=0.1、y=0.2
5、z=0.4、t=s=0.6とすることができる。
は、半導体基板100の上面からp型不純物を選択的に
ドープすることにより形成されたものである。p型不純
物には、例えばZn(亜鉛)を用いる。第1のp型領域
130aは、GaAs層108および第4の半導体層1
07〜第1の半導体層104の部分領域に形成されてい
る。第2のp型領域130bは、GaAs層108およ
び第4の半導体層107〜第2の半導体層105の部分
領域に形成されている。第3のp型領域130cは、G
aAs層108および第4の半導体層107〜第3の半
導体層106の部分領域に形成されている。従って、第
1の半導体層104〜第4の半導体層107には、p型
領域とn型領域とが形成されており、GaAs層108
にはp型領域と半絶縁性領域とが形成されている。
層103〜第4の半導体層107のn型領域とは第1の
pn接合面を形成している。第2のp型領域130b
と、第2の半導体層105〜第4の半導体層107のn
型領域とは第2のpn接合面を形成している。第3のp
型領域130cと、第3の半導体層106〜第4の半導
体層107のn型領域とは、第3のpn接合面を形成し
ている。第1のpn接合面のフロント部(pnフロン
ト)131aは第1の半導体層104の内部にあり、第
2のpn接合面のフロント部131bは第2の半導体層
105の内部にあり、第3のpn接合面のフロント部1
31cは第3の半導体層106の内部にある。ここで、
pn接合面のフロント部(pnフロント)は、p型領域
130とn型領域とによるpn接合面の、半導体基板1
00上面から最も深いところに位置する、半導体基板1
00上面に対して略平行な部分である。
上面(GaAs層108の上面)に形成されている。こ
の層間絶縁膜109には、p型領域130a,130
b,130cの表面をそれぞれ露出させる開口部112
a,112b,112cが形成されている。また、p側
電極110a,110b,110cは、層間絶縁膜10
9が形成された半導体基板100の上面側にそれぞれ個
別の電極として設けられている。第1のp側電極110
aは第1の開口部112aにおいて第1のp型領域13
0aにオーミックコンタクトしており、第2のp側電極
110bは第2の開口部112bにおいて第2のp型領
域130bにオーミックコンタクトしており、第3のp
側電極110cは第3の開口部112cにおいて第3の
p型領域130cにオーミックコンタクトしている。な
お、半導体基板100の最上層のGaAs層108は、
p側電極110をp型領域130にオーミックコンタク
トさせるために設けられたものである。また、n側電極
111は、半導体基板100の下面(n型GaAs基板
101の下面)に共通の電極として設けられており、半
導体基板100のn型領域(n型GaAs基板101)
にオーミックコンタクトしている。
130aと半導体基板100のn型領域とn側電極11
1とは、第1のLED140aを構成している。第2の
p側電極110bと第2のp型領域130bと半導体基
板100のn型領域とn側電極111とは、第2のLE
D140bを構成している。第3のp側電極110cと
第1のp型領域130cと半導体基板100のn型領域
とn側電極111とは、第3のLED140cを構成し
ている。すなわち、図1および図2の半導体発光装置に
は、発光波長が異なる3種類(3個)のLEDが集積さ
れている。また、これらのLEDは、p型領域130ま
たはp側電極110のピッチ寸法で高密度に集積されて
いる。
動作を説明する。図3は第1のLED140a(LED
1)、第2のLED140b(LED2)、第3のLE
D140c(LED3)の電流−電圧特性を示す図であ
る。また、図4はLED1、LED2、LED3のエネ
ルギーバンド模式図であり、(a)はLED1のエネル
ギーバンド図、(b)はLED2のエネルギーバンド
図、(c)はLED3のエネルギーバンド図である。図
4は外部から電圧を印加していないときのエネルギーバ
ンド図であり、pnフロントを含む深さ方向のエネルギ
ーバンド図である。なお、図中のEfはフェルミ準位を
示す。
V1以上の電圧を第1のp側電極110aとn側電極1
11の間に印加すると電流が立ち上がり、波長λ1で発
光する。LED2は、閾値電圧V2以上の電圧を第2の
p側電極110bとn側電極111の間に印加すると波
長λ2で発光する。LED3は、閾値電圧V3以上の電
圧を第1のp側電極110aとn側電極111に印加す
ると波長λ3で発光する。ここで、V1<V2<V3で
ある。また、λ1>λ2>λ3である。例えば、第1の
半導体層104〜第3の半導体層106のAl組成比
x,y,zが、x=0.1、y=0.25、z=0.4
であるときには、V1は約1.6[V]、V2は約1.
7[V]、V3は約1.9[V]となり、λ1は約78
0[nm]、λ2は約730[nm]、λ3は約650
[nm]となる。
順に基板下面側から上面側に積層したN個(Nは2以上
の整数)の半導体層(基板下面側から順に第1の半導体
層〜第Nの半導体層とする)により半導体層群120を
構成し、第1〜第Nのp型領域および第1〜第Nのp側
電極を設け、第k(kは1からNまでの任意整数)のp
型領域による第kのpnフロントが第kの半導体層の内
部に位置するようにすれば、異なる発光波長のN個のL
EDを集積することができる。
が形成されている半導体層よりも上層(基板上面側)に
ある各半導体層のエネルギーバンドギャップが、pnフ
ロントが形成されている半導体層のエネルギーバンドギ
ャップよりも大きい構造なので、LED140において
は、pnフロント131がある半導体層よりも上層にあ
る半導体層に形成されたpn接合を通してキャリアが注
入されることはなく、ほぼ全ての電流がpnフロント1
31がある半導体層内のpn接合を通して流れ、pnフ
ロント131がある半導体層内のpn接合近傍でほぼ全
ての光が発生する。これにより、LED140の発光波
長は、pnフロント131がある半導体層(発光層)の
エネルギーバンドギャップに相当する波長となる。さら
に、発光層よりもエネルギーバンドギャップの大きい上
層においては、発光層で発生した光の吸収がないので、
発光効率を高くすることができる。また、発光層に注入
された電子は上層の半導体層のエネルギー障壁により閉
じ込められ、発光層に注入された正孔は下層の半導体層
のエネルギー障壁により閉じ込められるので、この注入
キャリアの閉じ込め効果によっても発光効率を高くする
ことができる。
うに、n側電極111から第1の半導体層104に注入
された電子および第1のp側電極110aから第1の半
導体層104に注入された正孔は、それぞれ第2の半導
体層105と第1の半導体層104の界面に形成された
エネルギー障壁(電導帯側のエネルギー障壁)および第
5の半導体層103と第1の半導体層104の界面に形
成されたエネルギー障壁(価電子帯側のエネルギー障
壁)により第1の半導体層104内に閉じ込められ、第
1の半導体層104内のpn接合近傍で再結合し、光を
発生する。この光は第2の半導体層105〜第4の半導
体層107では全く吸収されずに通過し、第1の開口部
112aおよびその周辺部から放射される。LED2に
おいては、図4(b)に示すように、注入されたキャリ
アは、第2の半導体層105内に閉じ込められ、第2の
半導体層105内のpn接合近傍で再結合し、光を発生
する。この光は第3の半導体層106〜第4の半導体層
107では全く吸収されずに通過し、第2の開口部11
2bおよびその周辺部から放射される。LED3におい
ては、図4(c)に示すように、注入されたキャリア
は、第3の半導体層106内に閉じ込められ、第3の半
導体層106内のpn接合近傍で再結合し、光を発生す
る。この光は第4の半導体層107では全く吸収されず
に通過し、第3の開口部112cその周辺部から放射さ
れる。
製造工程の一例を説明する。図5ないし図8は本発明の
第1の実施形態の半導体発光素子の製造工程を説明する
断面図である。まず、図5に示すように、半導体基板、
例えばn型GaAs基板上にMOCVD法やMBE法に
より半導体層をエピタキシャル成長して半導体基板10
0を作成する。すなわち、n型GaAs基板101上
に、n型GaAsバッファ層102、n型Als Ga
1-s As層(第5の半導体層)103、n型AlxGa
1-x As層(第1の半導体層)104、n型Aly Ga
1-y As層(第2の半導体層)105、n型Alz Ga
1-z As層(第3の半導体層)106、n型Alt Ga
1-t As層(第4の半導体層)107、および半絶縁性
GaAs層108の各エピタキシャル層を順次形成す
る。ここでは、第1の半導体層104〜第4の半導体層
107および第5の半導体層103のAl組成比を、x
=0.1、y=0.25、z=0.4、t=s=0.6
とする。また、n型GaAsバッファ層102の厚さを
約0.1[μm]、第1〜第4の半導体層104〜10
7および第5の半導体層103をいずれも約0.3[μ
m]、半絶縁性GaAs層108の厚さを約0.05
[μm]とする。このとき、各エピタキシャル層の合計
の層厚は約1.65[μm]となり、また基板上面から
第1の半導体層104までの合計の層厚は1.6[μ
m]となる。
aAs層108の上面)に拡散マスク膜701(層間絶
縁膜109)を成膜し、この拡散マスク膜701に、半
導体基板100上面の第1のp型予定領域(p型不純物
をドープする基板上面領域)を露出させる第1の開口部
112aと、第2のp型予定領域を露出させる第2の開
口部112bと、第3のp型予定領域を露出させる第3
の開口部112cとを形成する。拡散マスク膜701に
は、例えばSiN膜(シリコン窒化膜)を用いる。な
お、拡散マスク膜701は、後述するp型不純物の拡散
工程においてp型不純物の半導体基板100内への拡散
を阻止することができる絶縁膜であれば良い。
プ制御膜)702を形成する。拡散制御膜702として
は、例えばSiN膜(窒化シリコン膜)を用いる。すな
わち、拡散マスク膜701および開口部112a,11
2b,112cの形成が済んだ半導体基板100上に、
拡散制御膜702となる第1のSiN膜を約100
[Å]を成膜し、第1の開口部112aおよび第2の開
口部112b上の第1のSiN膜を除去し、この上に拡
散制御膜702となる第2のSiN膜を約100[Å]
を成膜し、第1の開口部112a上の第2のSiN膜を
除去する。これにより、第1の開口部112a内の第1
のp型予定領域が露出し、第2の開口部112b内の第
2のp型予定領域が約100[Å]の拡散制御膜702
で被覆され、第3の開口部112c内の第1のp型予定
領域が約200[Å]の拡散制御膜702で被覆された
構造ができる。なお、拡散制御膜702は、その膜厚を
変えることにより、後述するp型不純物の拡散工程にお
いてp型不純物の半導体基板100内への拡散深さを制
御できる絶縁膜であれば良い。また、拡散制御膜702
として、例えばSiO2 膜を使用することも可能であ
る。
させるための拡散源膜704およびアニールキャップ膜
705を成膜する。拡散源膜704は、上記のp型不純
物を含む膜である。また、拡散源膜704上にこれを被
覆するように形成されるアニールキャップ膜705は、
p型不純物が拡散炉を汚染するのを防止するための絶縁
膜である。p型不純物として、ここではZn(亜鉛)を
用いる。また、拡散源膜704として、ここではZnS
iO膜(Znを含むSiO2 膜)を用いる。また、アニ
ールキャップ膜705には、例えばAlN膜(窒化アル
ミ膜)を用いる。
nを半導体基板100中に拡散させ、半導体基板100
中の上面および内部にp型領域130a,130b,1
30cを形成する。すなわち、アニールキャップ膜70
5の成膜が済んだ半導体基板100を拡散アニールする
ことにより、Znを開口部112a,112b,112
cの第1〜第3のp型予定領域のみから半導体基板10
0中にそれぞれ拡散制御膜702の膜厚に応じた異なる
深さまで拡散させ、第1の半導体層104内にpnフロ
ント131aがある第1のp型領域130aと、第2の
半導体層105内にpnフロント131bがある第2の
p型領域130bと、第3の半導体層106内にpnフ
ロント131cがある第3のp型領域130cとを形成
する。ここでは、窒素雰囲気中において650[℃]で
4時間アニールする拡散アニール条件を用いる。基板上
面から第1の半導体層104までの合計の層厚は上述し
たように1.6[μm]と薄いので、横方向拡散距離は
小さい。なお、上記の拡散制御膜702の膜厚および拡
散条件は一例であり、所望の拡散深さが得られる膜厚お
よび条件を適宜設定すれば良い。
膜705、拡散源膜704、および拡散制御膜702を
除去し(拡散マスク膜701は層間絶縁膜109として
残す)、半導体基板100の上面側にp側電極110
a,110b,110cを形成する。このp側電極11
0には、例えばAlを用いる。すなわち、拡散制御膜7
02の除去が済んだ半導体基板100の上面側にAl膜
を成膜し、このAl膜をパターニングしてp側電極パタ
ーンを形成し、そのあとシンタすることにより、第1の
開口部112a内において第1のp型領域130aにオ
ーミックコンタクトする第1のp側電極110aと、第
2の開口部112b内において第2のp型領域130b
にオーミックコンタクトする第2のp側電極110b
と、第3の開口部112c内において第3のp型領域1
30cにオーミックコンタクトする第3のp側電極11
0cとを形成する。なお、p側電極110の金属材料
は、半絶縁性GaAs層108に形成されたp型領域1
30にオーミックコンタクトできる金属であれば良く、
例えばAlを含む金属でも良い。
側電極111を形成する。このn側電極111には、例
えばAu(金)合金を用いる。すなわち、p側電極11
0の形成が済んだ半導体基板100の裏面(n型GaA
s基板101)を研磨し、研磨が済んだ裏面にAu合金
膜を形成し、そのあとシンタすることにより、半導体基
板100の裏面全面にn型GaAs基板101にオーミ
ックコンタクトするn側電極111を形成する。以上の
工程により、第1のLED140aと、第2のLED1
40bと、第3のLED140cとを集積した図1およ
び図2の半導体発光装置が完成する。
置によれば、半導体基板に、エネルギーバンドギャップ
が異なるN個の半導体層をエネルギーバンドギャップが
小さい順に基板下面側から上面側に順に大きくなるよう
に積層した半導体層群120と(基板下面側から順に第
1の半導体層〜第Nの半導体層とする)、第1〜第Nの
p型領域とを設け、半導体基板のn型領域と第kのp型
領域による第kのpnフロントが第kの半導体層の内部
に位置する構造としたことにより、互いに異なる発光波
長を有する第1〜第NのLEDをp型領域またはp側電
極のピッチ寸法で高密度に集積することができる。
ば、拡散アニールの前にp型不純物をドープする第1〜
第Nの基板上面領域上に膜厚の異なる拡散制御膜をそれ
ぞれ形成し(拡散制御膜を形成しない基板上面領域もあ
る)、1回の拡散アニールでpnフロントの深さが異な
る第1〜第Nのp型領域を同時に形成するようにしたこ
とにより、pnフロントの深さを正確に制御することが
できる。また、固相拡散法を用いたことにより、pnフ
ロント位置が浅く、高濃度(低抵抗)のp型領域を容易
に形成することができるとともに、基板上面にエッチン
グ溝などの凹凸が形成されないので、そのあとのp側電
極(あるいはp側電極およびn側電極)の形成が容易に
なる。また、各半導体層をMOCVD法あるいはMBE
法により形成した半導体エピタキシャル層としたことに
より、基板上面から半導体層群までの合計の層厚を精度
良くかつ薄く形成することができ、これにより浅いpn
接合形成が可能となって横方向拡散を小さくできるの
で、LEDを高密度に集積することができる。
一列に配置された場合(発光素子アレイ)を例にとって
説明しているが、本発明の半導体発光装置は、LEDが
1列に配置されていないものであっても良い。
る発光波長を有する第1〜第NのLEDをそれぞれ1個
ずつ集積した場合を例にとって説明しているが、本発明
の半導体発光装置は、LEDの合計個数が発光波長の個
数(半導体層群の半導体層の個数)よりも多くても良
い。例えば第1〜第NのLEDをそれぞれ2個ずつ集積
したものであっても良い。また、発光層となる半導体層
群を構成する各半導体層は、エネルギーバンドギャップ
が異なる半導体材料であれば良く、Al組成比の異なる
AlGaAsに限定されるものではない。また、上記第
1の実施形態の製造工程では、固相拡散法を用いてp型
領域を形成したが、気相拡散法またはイオンインプラン
テーション法を用いてp型領域を形成しても良い。
を示す断面図である。なお、図9において、図1と同じ
ものには同じ符号を付してある。また、第2の実施形態
の半導体発光装置の上面図は、図2において、p型領域
およびp型電極をそれぞれn型領域およびn側電極とし
たものである。図9の半導体発光装置は、図1において
p型領域とn型領域を反転させ、p側電極とn側電極を
反転させたものである。つまり、図1の半導体発光装置
が半導体基板のn型領域にp型不純物をドープしてpn
接合を形成したものであるに対し、図9の半導体発光装
置は、半導体基板のp型領域にn型不純物をドープして
pn接合を形成したものである。
0と、層間絶縁膜109と、n側電極210a,210
b,210cと、p側電極211とを備えている。半導
体基板200は、p型GaAs基板201上に、p型G
aAsバッファ層202、p型Als Ga1-s As層
(第5の半導体層)203、p型Alx Ga1-x As層
(第1の半導体層)204、p型Aly Ga1-y As層
(第2の半導体層)205、p型Alz Ga1-z As層
(第3の半導体層)206、p型Alt Ga1-tAs層
(第4の半導体層)107、および半絶縁性GaAs層
108の各半導体層を積層し、これにn型不純物をドー
プすることにより、n型領域230a,230b,23
0cを形成したものである。第1〜第3の半導体層20
3〜205は、発光層となる半導体層群220を構成し
ている。第1〜第5の半導体層204〜207,203
のエネルギーバンドギャップEg1,Eg2,Eg3,
Eg4,Eg5およびAl組成比x,y,z,t,s
は、上記の(1)〜(4)式の条件を満たしている。
ば上記第1の実施形態と同様に、MOCVD法やMBE
法などの半導体エピタキシャル法を用いて半導体基板2
00を作製し、この半導体基板200に固相拡散法を用
いてn型領域230a,230b,230cを形成する
ものである。第1〜第5の半導体層204〜207,2
03のAl組成比は、例えば上記第1の実施形態と同様
に、x=0.1、y=0.25、z=0.4、t=s=
0.6とする。また、n型不純物としては、例えばSn
(すず)またはSi(珪素)を用いる。なお、図9の半
導体発光装置の動作は上記第1の実施形態と同様なので
その説明を省略する。
のp型領域にn型不純物のドープにより第1〜第Nのn
型領域を形成した構造としても、上記第1の実施形態と
同様に、互いに異なる発光波長を有する第1〜第NのL
EDを高密度に集積することができる。
造を示す断面図である。なお、図10において、図1と
同じものには同じ符号を付してある。また、図10の半
導体発光装置の上面図は、図2と同じである。図10の
半導体発光装置は、図1において、pnフロントを発光
層となる半導体層の上面に形成したものである。つま
り、図1の半導体装置が半導体層群の第1の半導体層1
04〜第3の半導体層106の内部にそれぞれpnフロ
ントを形成したものであるのに対し、図10の半導体装
置は第1の半導体層104〜第3の半導体層106の上
面(その上層の半導体層との界面)にpnフロントを形
成したものである。
0は、n型GaAs基板101上に、n型GaAsバッ
ファ層102〜半絶縁性GaAs層108の各半導体層
を積層し、上面からp型不純物(例えばZn)を選択的
にドープすることにより、p型領域330a,330
b,330cを形成したものである。第1のp型領域3
30aによる第1のpnフロント331aは、第1の半
導体層104の上面(第1の半導体層104と第2の半
導体層105の界面)に形成されている。第2のp型領
域330bによる第2のpnフロント331bは、第2
の半導体層105の上面(第2の半導体層105と第3
の半導体層106の界面)に形成されている。第3のp
型領域330cによる第3のpnフロント331cは、
第3の半導体層106の上面(第3の半導体層106と
第4の半導体層107の界面)に形成されている。pn
フロントが半導体層の界面にあるp型領域330a,3
30b,330cは、例えば上記第1の実施形態で説明
した固相拡散法を用いた製造工程により形成することが
できる。
330aと半導体基板300のn型領域とn側電極11
1とは、第1のLED340aを構成している。第2の
p側電極110bと第2のp型領域330bと半導体基
板300のn型領域とn側電極111とは、第2のLE
D340bを構成している。第3のp側電極110cと
第1のp型領域330cと半導体基板300のn型領域
とn側電極111とは、第3のLED340cを構成し
ている。
の上層(基板上面側)にある各半導体層エネルギーバン
ドギャップが、pnフロントが形成されている半導体層
(この第3の実施形態においてはpnフロント下面の半
導体層)のエネルギーバンドギャップよりも大きい構造
なので、LED340においては、pnフロント331
の上層にある半導体層に形成されたpn接合を通して電
子が注入されることはなく、ほぼ全ての電流がpnフロ
ント331を通して流れる。p型領域330のエネルギ
ーバンドギャップが、このp型領域330とpnフロン
ト331を形成するn型領域のエネルギーバンドギャッ
プよりも大きいので、pnフロント331近傍のn型領
域でほぼ全ての光が発生する。例えばLED304aで
は、pnフロント331a近傍の第1の半導体層104
で光が発生し、この光は第2の半導体層105〜第4の
半導体層107では全く吸収されずに通過し、第1の開
口部112aおよびその周辺部から放射される。
331下面の半導体層(発光層)のエネルギーバンドギ
ャップに相当する波長となるので、第1のLED340
aの発光波長は図1の第1のLED140aと同じであ
り、第2のLED340bの発光波長は図1の第2のL
ED140bと同じであり、第3のLED340cの発
光波長は図1の第3のLED140cと同じである。
大きい上層においては、発光層で発生した光の吸収はな
く、また発光層の上層および下層の半導体層のエネルギ
ー障壁により注入キャリアが発光層内に閉じ込められる
ので、上記第1の実施形態と同様に発光効率を高くする
ことができる。さらに、発生した光が、発光層のp型領
域を通過しない構造であり、発光層内のp型領域におけ
る光の吸収がないので、上記第1の実施形態よりもさら
に発光効率を高くすることができる。
フロントを発光層となる半導体層の上面に形成すること
により、LEDの発光効率を上記第1の実施形態よりも
さらに高くすることができる。
造を示す上面図である。また、図12は第4の実施形態
の半導体発光装置の構造を示す断面図であり、図11に
おけるB−B’間の断面図である。なお、図11および
図12において、図1または図2と同じものには同じ符
号を付してある。図11および図12の半導体発光装置
は、図1および図2において、n側電極を基板下面では
なく基板上面側に設けたものである。
半導体基板500と、層間絶縁膜109と、p側電極1
10a,110b,110cと、n側電極511とを備
えている。半導体基板500は、半絶縁性GaAs基板
501上に、半絶縁性GaAsバッファ層502、第5
の半導体層103〜半絶縁性GaAs層108の各半導
体層を積層し、基板上面からp型不純物を選択的にドー
プすることによりp型領域130a,130b,130
cを形成したものである。半導体基板500のn側領域
は、第5の半導体層103と、第1〜第4の半導体層1
04〜107のp型領域130以外の領域である。
面側に設けられており、第4の半導体層107のn型領
域にオーミックコンタクトしている。このn側電極51
1は、層間絶縁膜109およびGaAs層108に第4
の半導体層107を露出させる開口部513を形成し、
この開口部513を含む基板上面側領域にn側電極51
1となる金属(例えばAu合金)をパターニングし、そ
のあとシンタすることにより形成できる。なお、GaA
s層108を開口せずに、GaAs層108に部分的に
形成した、第4の半導体層107に至るn型領域にn側
電極511をオーミックコンタクトさせた構造でも良
い。
130aと半導体基板500のn型領域とn側電極51
1とは、図示しない第1のLEDを構成している。第2
のp側電極110bと第2のp型領域130bと半導体
基板500のn型領域とn側電極511とは、第2のL
ED540bを構成している。第3のp側電極110c
と第1のp型領域130cと半導体基板500のn型領
域とn側電極511とは、図示しない第3のLEDを構
成している。この第4の実施形態の半導体装置のLED
においても、n側電極511から半導体基板500のn
型領域に注入されたほぼ全ての電子は、pnフロント1
31を通してp側領域130に注入されるので、上記第
1の実施形態と同様に、発光効率を高くすることができ
る。なお、GaAsバッファ層502およびGaAs基
板501は、n型またはp型でも良い。GaAsバッフ
ァ層502を半絶縁性とすることにより、電子がGaA
sバッファ層およびGaAs基板内に拡散しないので、
このキャリアの閉じ込め効果により発光効率をより高く
することができる。
基板下面ではなく基板上面側に設けた構造としても、上
記第1の実施形態と同様に、互いに異なる発光波長を有
するLEDを高密度に集積することができる。
造を示す断面図である。なお、図13において、図1、
図11、または図12と同じものには同じ符号を付して
ある。また、第5の実施形態の半導体発光装置の上面図
は、図11において、p型領域130a,130b,1
30cをそれぞれ630a,630b,630cとした
ものであり、この上面図(図11)のA−A’間の断面
図が図13である。図13の半導体発光装置は、n側電
極を基板上面側に設けた上記第4の実施形態の半導体発
光装置において、クラッド層となる第4の半導体層10
7および第5の半導体層103を設けない構造である。
と、層間絶縁膜109と、p側電極110a,110
b,110cと、n側電極511(図11参照、図13
には図示していない)とを備えている。半導体基板60
0は、半絶縁性GaAs基板501上に、半絶縁性Ga
Asバッファ層502、n型Alx Ga1-x As層(第
1の半導体層)104、n型Aly Ga1-y As層(第
2の半導体層)105、n型Alz Ga1-z As層(第
3の半導体層)106、および半絶縁性GaAs層10
8の各半導体層を積層し、基板上面からp型不純物(例
えばZn)を選択的にドープすることにより、p型領域
630a,630b,630cを形成したものである。
08および第3の半導体層106〜第1の半導体層10
4の部分領域に形成されている。第2のp型領域630
bは、GaAs層108および第3の半導体層106〜
第2の半導体層105の部分領域に形成されている。第
3のp型領域630cは、GaAs層108および第3
の半導体層106の部分領域に形成されている。p型領
域630a,630b,630cによるpnフロント1
31a,131b,131cは、上記第1または第4の
実施形態と同様に、第1の半導体層104、第2の半導
体層105、第3の半導体層106の内部にそれぞれ形
成されている。半導体基板600のn側領域は、第1〜
第3の半導体層104〜106のp型領域630以外の
領域である。また、n側電極511は、半導体基板60
0の上面側に設けられており、第3の半導体層106の
n型領域またはGaAs層108に部分的に形成され
た、第3の半導体層106に至るn型領域にオーミック
コンタクトしている。
630aと半導体基板600のn型領域とn側電極51
1とは、第1のLED640aを構成している。第2の
p側電極110bと第2のp型領域630bと半導体基
板600のn型領域とn側電極511とは、第2のLE
D640bを構成している。第3のp側電極110cと
第1のp型領域630cと半導体基板600のn型領域
とn側電極511とは、第3のLED640cを構成し
ている。
形態のLEDと同様に、pnフロント131がある半導
体層よりも上層にある半導体層に形成されたpn接合を
通してキャリアが注入されることはなく、ほぼ全ての電
流がpnフロント131がある半導体層内のpn接合を
通して流れる。LED640の発光波長は、pnフロン
ト131が形成された半導体層(発光層)のエネルギー
バンドギャップに相当する波長となるので、LED64
0a,640b,640cの発光波長は、それぞれ図1
のLED140a,140b,140cと同じである。
また、発光層よりもエネルギーバンドギャップの大きい
上層においては、発光層で発生した光の吸収がないの
で、発光効率を高くすることができる。
ッド層となる第4の半導体層107(図1または図12
参照)を設けていないが、半絶縁性であるGaAs層1
08によって第3のLED640cにおける注入された
電子の閉じ込め効果がある。また、クラッド層となる第
5の半導体層103(図1または図12参照)を設けて
いないが、GaAsバッファ層502とGaAs基板5
01は半絶縁性なので、第1のLED640aにおける
注入された正孔の閉じ込め効果がある。第1の半導体層
104下面のGaAsバッファ層502を半絶縁性とし
ているので、この半絶縁性GaAsバッファ層502の
エネルギー障壁により、第1の半導体層104へ注入さ
れた正孔は、GaAsバッファ層502およびGaAs
基板501内へ拡散することができないので、第1の半
導体層104のn型領域に閉じ込めることができる。
は、第4の半導体層107および第5の半導体層103
を設けないので、各半導体層の合計の層厚を上記第1の
実施形態よりも薄くすることができる。例えば、各半導
体層をエピタキシャル層とし、上記第1の実施形態で説
明したエピタキシャル法により、各半導体層を形成する
ものとし、上記第1の実施形態と同様に第1〜第3の半
導体層104〜106の層厚をそれぞれ0.3[μ
m]、GaAsバッファ層502の層厚を0.1[μ
m]、GaAs層108の層厚を0.05[μm]とす
れば、合計の層厚を約1[μm]とすることができる。
特に第1の半導体層104〜GaAs層108の合計の
層厚を薄くできることにより、p型領域630a,63
0b,630cの拡散深さを上記第1の実施形態のp型
領域130a,130b,130cよりも浅くできるの
で、横方向拡散が小さくなり、より高密度にLEDを集
積することができる。また、GaAs基板501に各半
導体層を形成する工程を簡略化でき、この工程およびp
型領域を形成する工程にかかる時間を短縮することがで
きるので、製造コストを安くすることができる。
層となる半導体層群120の上面および下面にクラッド
層となる半導体層を設けず、半導体層群120下面のG
aAsバッファ層502を半絶縁性としたことにより、
より高密度にLEDを集積することができるとともに、
製造コストを安くすることができる。
ネルギーバンドギャップが異なるN個の半導体層をエネ
ルギーバンドギャップが小さい順に基板下面側から上面
側に順に大きくなるように積層した半導体層群(基板下
面側から順に第1の半導体層〜第Nの半導体層とする)
を有する半導体基板に、深さの異なる第1〜第Nのp型
領域を形成し、半導体基板の第1導電型領域と第kのp
型領域による第kのpnフロントが第kの半導体層の内
部または上面に位置する構造としたことにより、互いに
異なる発光波長を有する第1〜第NのLEDをp型領域
またはp側電極のピッチ寸法で高密度に集積することが
できるという効果がある。
造を示す断面図である。
造を示す上面図である。
けるLEDの電流−電圧特性を示す図である。
けるLEDのエネルギーバンド模式図である。
造工程の一例を説明する断面図である(その1)。
造工程の一例を説明する断面図である(その2)。
造工程の一例を説明する断面図である(その3)。
造工程の一例を説明する断面図である(その4)。
造を示す断面図である。
構造を示す断面図である。
発光装置の構造を示す上面図である。
構造を示すB−B’間の断面図である。
構造を示すA−A’間の断面図である。
ある。
板、 103,203Als Ga1-s As層(第5の半
導体層)、 104,204 Alx Ga1-xAs層
(第1の半導体層)、 105,205 Aly Ga
1-y As層(第2の半導体層)、 106,206 A
lz Ga1-z As層(第3の半導体層)、107,20
7 Alt Ga1-t As層(第4の半導体層)、 10
8 GaAs層、 110,211 p側電極、 11
1,210,511 n側電極、112,513 開口
部、 120,220 半導体層群、 130,33
0,630 p型領域、 131,331 pnフロン
ト、 140,340,540,640 LED、 2
30 n型領域、 502 半絶縁性GaAsバッファ
層、 701 拡散マスク膜、 702 拡散制御膜、
704 拡散源膜、705 アニールキャップ膜。
Claims (17)
- 【請求項1】 発光波長が異なる複数の発光素子を有す
る半導体発光装置であって、 半導体基板と、 前記半導体基板の第1導電型領域にコンタクトする第1
導電側電極と、 前記半導体基板の複数の第2導電型領域にそれぞれ個別
にコンタクトする複数の第2導電側電極とを備え、 前記半導体基板が、 発光層となる半導体層群と、 半導体層群を部分的に含む前記第1導電型領域と、 それぞれ基板上面の一部から半導体層群に達する前記複
数の第2導電型領域と、 前記第1導電型領域と前記複数の第2導電型領域により
それぞれ形成された複数のpn接合面とを有し、 前記半導体層群が、エネルギーバンドギャップの異なる
複数の半導体層をエネルギーバンドギャップの小さい順
に基板下面側から上面側に積層したものであり、 それぞれの半導体層の内部または上面に、1個以上のp
n接合面のフロント部が形成されていることを特徴とす
る半導体発光装置。 - 【請求項2】 前記半導体層群は、Al組成比の異なる
複数のAlGaAs層をAl組成比が小さき順に基板下
面側から上面側に積層したものであることを特徴とする
請求項1記載の半導体発光装置。 - 【請求項3】 前記半導体基板が、さらに、前記半導体
層群の上面に位置し、前記半導体群内の最上層の半導体
層よりもエネルギーバンドギャップが大きい半導体層を
有することを特徴とする請求項1記載の半導体発光装
置。 - 【請求項4】 前記半導体層群は、Al組成比の異なる
複数のAlGaAs層をAl組成比が小さき順に基板下
面側から上面側に積層したものであり、 前記エネルギーバンドギャップが大きい半導体層は、前
記半導体群内の最上層のAlGaAs層よりもAl組成
比が大きいAlGaAs層であることを特徴とする請求
項4記載の半導体発光装置。 - 【請求項5】 前記半導体基板が、さらに、前記半導体
層の下面に位置し、前記半導体層群内の最下層の半導体
層よりもエネルギーバンドギャップが大きい半導体層を
有することを特徴とする請求項1記載の半導体発光装
置。 - 【請求項6】 前記半導体層群は、Al組成比の異なる
複数のAlGaAs層をAl組成比が小さき順に基板下
面側から上面側に積層したものであり、 前記エネルギーバンドギャップが大きい半導体層は、前
記半導体群内の最下層のAlGaAs層よりもAl組成
比が大きいAlGaAs層であることを特徴とする請求
項5記載の半導体発光装置。 - 【請求項7】 前記半導体基板が、さらに、前記半導体
層群よりも基板下面側に形成された半絶縁性半導体層を
有し、 前記第1導電側電極および前記第2導電側電極が、前記
半導体基板の上面側に形成されていることを特徴とする
請求項1記載の半導体発光装置。 - 【請求項8】 前記半導体基板が、さらに、最上層に、
前記第2導電側電極とのオーミックコンタクトを形成す
るための半導体層を有し、 前記オーミックコンタクトを形成するための半導体層
が、第2導電型領域と、半絶縁性領域とにより構成され
ていることを特徴とする請求項1記載の半導体発光装
置。 - 【請求項9】 前記第2導電型領域は、基板上面から第
2導電型不純物を選択的にドープすることにより形成さ
れたものであることを特徴とする請求項1記載の半導体
発光装置。 - 【請求項10】 前記半導体基板が、III −V族半導体
であり、 前記第1導電型が、n型であり、 前記第2導電型不純物が、Znである、 ことを特徴とする請求項9の半導体発光装置。 - 【請求項11】前記半導体基板が、III −V族半導体で
あり、 前記第1導電型が、p型であり、 前記第2導電型不純物が、SnまたはSiであることを
特徴とする請求項9の半導体発光装置。 - 【請求項12】 発光波長が異なる複数の発光素子を有
する半導体発光装置の製造方法であって、 エネルギーバンドギャップの異なる複数の第1導電型半
導体層をエネルギーバンドギャップの小さい順に基板下
面側から上面側に積層した半導体層群を有する半導体基
板を用意する工程と、 互いに分離された複数の基板上面領域から異なる深さま
で第2導電型不純物をドープし、前記半導体基板に複数
の第2導電型領域を形成することにより、前記半導体層
群のそれぞれの半導体層の内部または上面に1個以上の
pn接合面のフロント部が位置するように、前記半導体
基板の第1導電型領域と前記第2導電型領域による複数
のpn接合面を形成する工程とを含むことを特徴とする
半導体発光装置の製造方法。 - 【請求項13】 前記第1導電型半導体層が、エピタキ
シャル層であることを特徴とする請求項12記載の半導
体発光装置の製造方法。 - 【請求項14】 前記pn接合面を形成する工程が、 固相拡散法、気相拡散法、またはイオンインプランテー
ション法により第2導電型不純物をドープするものであ
ることを特徴とする請求項12記載の半導体発光装置の
製造方法。 - 【請求項15】 拡散アニールまたはイオンインプラン
テーションの前に、前記複数の基板上面領域に膜厚の異
なるドープ制御膜をそれぞれ形成し、1回の拡散アニー
ルまたはイオンインプランテーションでフロント部の深
さが異なる複数のpn接合を同時に形成するものである
ことを特徴とする請求項14記載の半導体発光装置の製
造方法。 - 【請求項16】 前記pn接合面を形成する工程が、 前記半導体基板の上面に、前記基板上面領域をそれぞれ
露出させる複数の開口部を有する拡散マスク膜を形成す
る工程と、 前記複数の開口部上に膜厚の異なる拡散制御膜をそれぞ
れ形成する工程と、 この上に第2導電型不純物を含む拡散源膜を形成する工
程と、 この上にアニールキャップ膜を形成する工程と、 アニールキャップ膜の形成が済んだ半導体基板をアニー
ルし、前記拡散源膜の前記第2導電型不純物を前記開口
部のみから前記半導体基板中に拡散させる工程とを含む
ことを特徴とする請求項15記載の半導体発光装置の製
造方法。 - 【請求項17】 さらに、 前記半導体基板の第1導電型領域にコンタクトする第1
導電側電極を形成する工程と、 前記半導体基板の複数の第2導電型領域にそれぞれ個別
にコンタクトする複数の第2導電側電極を形成する工程
とを含むことを特徴とする請求項12記載の半導体発光
装置の製造方法。
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JP3120098A JPH11233816A (ja) | 1998-02-13 | 1998-02-13 | 半導体発光装置およびその製造方法 |
US09/188,896 US6144043A (en) | 1998-02-13 | 1998-11-10 | Light emitting semiconductor device having plural light emitting elements with different junction depth |
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JP3120098A JPH11233816A (ja) | 1998-02-13 | 1998-02-13 | 半導体発光装置およびその製造方法 |
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