JP2004140306A

JP2004140306A - １チップで３色を発光する半導体白色発光素子

Info

Publication number: JP2004140306A
Application number: JP2002335805A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Aoki; 青木　武
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2002-10-15
Filing date: 2002-10-15
Publication date: 2004-05-13

Abstract

【課題】一つの基板上に３波長の発光素子を実現して、白色または多様な混合色を形成でき、かつ、組み立て工程費用を低減することのできる白色発光素子及びその製造方法を提供する。
【解決手段】共通のＧａＡｓ基板上に、ＧａＡｓに格子整合するＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体発光素子およびＩＩ−ＶＩ族化合物半導体発光素子よりなる赤、緑および青の各半導体発光素子構成部を隣接させる構成とする。
【選択図】　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体発光素子（以下、発光素子という）の構造、特に一つの基板に３波長の発光素子構成部を有する半導体白色発光素子（以下、白色発光素子という）の構造に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、色の異なる単色光の発光素子を組み合わせて他の色を合成していた。例えば、単色の赤色発光素子（Ｒ）と、単色の緑色発光素子（Ｇ）、単色の青色発光素子（Ｂ）とを組み合わせ、この３色の発光素子（Ｒ，Ｇ，Ｂ）の発光強度比を調整することにより、すべての色の発光素子光標示板を作ることができる。また、前述の全色発光可能な発光素子光標示板は白色光の合成も可能であるため、発光素子は、指示信号や情報標示板以外に照明にも応用することができる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、３色（赤、緑、青）発光素子を用いた白色発光素子は、各々の単色光のチップを組み立てて作るため、組み立て費用が上昇するという問題があった。又、情報標示板に使用する場合、３色の個別のチップを組み立てる方法では、これ以上の小型化が難しく、画素を細かくして表現力を高めることができなかった。
【０００４】
本発明は上記した従来技術の諸問題点を解決するため、一つの基板上に３波長の発光素子構成部を形成して、白色または多様な混合色を形成することができる白色発光素子の提供を目的とするものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
第１の本発明は、図１にその一例の断面図を示すように、共通のＧａＡｓ基板１上に、ＧａＡｓに格子整合するＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体およびＩＩ−ＶＩ族化合物半導体よりなる各半導体発光素子構成部２１Ｒ、２１Ｇおよび２１Ｂを隣接させる構成とする。
【０００６】
第２の本発明は、上述の構成において、そのＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体発光素子構成部をＡｌＧａＩｎＰ系化合物半導体より構成し、ＩＩ−ＶＩ族化合物半導体発光素子構成部を下記（化１）の組成によるＩＩ−ＶＩ族化合物半導体より構成する。
【０００７】
【化１】Ｚｎ_{１−ｘ−ｙ}Ｍｇ_ｘＣｄ_ｙＳ_ａＴｅ_ｂＳｅ_{１−ａ−ｂ}（０≦ｘ＜１、０≦ｙ＜１、０≦ａ＜１、０≦ｂ＜１）
【０００８】
第３の本発明は、各赤、緑および青の各半導体発光素子構成部を、ダブルヘテロ構造とする。
【０００９】
第４の本発明は、共通の基板上に、該基板にピーク波長の異なる３つの各半導体発光素子構成部が隣接する構造とする。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例を図面に従って説明する。
本発明は、図１にその一例の断面図を示すように、共通のＧａＡｓ基板１上に、ＧａＡｓに格子整合するＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体およびＩＩ−ＶＩ族化合物半導体よりなる赤、緑および青の３色の発光素子構成部が隣接する構造とする。
【００１１】
ここで、比較的長波長の赤の半導体発光素子構成部２１Ｒと、緑の半導体発光素子構成部２１Ｇとは、ＩＩＩ−Ｖ族系構成とし、短波長の青の半導体発光素子構成部２１ＢをＩＩ−ＶＩ族系構成とする。
【００１２】
ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体発光素子構成部は、ＡｌＧａＩｎＰ系化合物半導体により構成することが望まれ、ＩＩ−ＶＩ族化合物半導体発光素子構成部は、前記（化１）の組成によるＩＩ−ＶＩ族化合物半導体より構成することが望まれる。
【００１３】
そして、図１に示すように、ＧａＡｓ基板１の下方側に第１電極４１でオーミックコンタクトを形成し、各半導体発光素子構成部２１Ｒ、２１Ｇおよび２１Ｂの各上方側（ＧａＡｓ基板１とは反対側）にそれぞれ第２、第３および第４電極４２、４３および４４でオーミックコンタクトを形成する。
【００１４】
電極の構成は、第１電極を共通として、第２電極および第１電極間、第３電極および第１電極間、第４電極および第１電極間にそれぞれ所要の駆動電圧を供給することによって、各発光素子構成部２１Ｒ、２１Ｇ、２１Ｂを独立に制御できる。したがって、これら発光素子構成部２１Ｒ、２１Ｇ、２１Ｂを組み合わせ発光させることにより、カラー発光や白色発光を行うことができる。
【００１５】
図２〜図４を用いて本発明による白色発光素子の製造方法を説明する。
【００１６】
図２の（１）に概略的断面図を示すように、ｎ型のＧａＡｓ基板１上に、先ず赤の発光素子構成部２１Ｒをエピタキシーする。この赤の発光素子構成部２１Ｒは、例えば厚さ０．５μｍのｎ型の（Ａｌ_０．６Ｇａ_０．４）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐよりなる第１のクラッド層１１Ｒと、例えば厚さ０．３μｍのアンドープあるいは低濃度のｎ型もしくはｐ型の（Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐよりなる活性層１２Ｒと、例えば厚さ０．５μｍのｐ型の（Ａｌ_０．６Ｇａ_０．４）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐよりなる第２のクラッド層１３Ｒとを順次エピタキシーして形成する。
【００１７】
次に、図２の（２）に示すように、窒化シリコン５１をＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｖａｐｏｒ　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：化学気相エピタキシー）法によりウェハー全面に１０００Å（オングストローム）程度の厚さに形成する。そして、図２の（３）に示すように、穴をあけない部分に選択的にレジスト５２を塗布し、これをエッチングマスクとし、図２の（４）に示すように、不要な窒化シリコンを除去し、ＡｌＧａＩｎＰ系の赤の発光素子構成部２１Ｒを例えば塩酸の水溶液、あるいは塩酸と過酸化水素水との混合液によるエッチング液による化学的エッチングを行う。
【００１８】
この場合、このエッチングはＡｌＧａＩｎＰによる発光素子構成部２１Ｒに関しては良好にそのエッチングがなされるが、ＧａＡｓ基板１に関してはそのエッチング速度が極めて遅いことから、このエッチングによって発光素子構成部２１Ｒがパターンエッチングされ、ＧａＡｓ基板１による基板が外部に露呈すると、ここで見掛け上エッチングが停止するので、この時点でエッチングを停止する。
【００１９】
図２の（５）に示すように、レジストを除去する。
【００２０】
そして、図２の（６）に示すように、選択エッチングによりあけた穴に緑の発光素子構成部２１Ｇをエピタキシーする。この緑の発光素子構成部２１Ｇは、例えば厚さ０．５μｍのｎ型（Ａｌ_０．７Ｇａ_０．３）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐよりなる第１のクラッド層１１Ｇと、例えば厚さ０．３μｍのアンドープあるいは低濃度のｎ型もしくはｐ型の（Ａｌ_０．６Ｇａ_０．４）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐよりなる活性層１２Ｇと、例えば厚さ０．５μｍのｐ型の（Ａｌ_０．７Ｇａ_０．３）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐよりなる第２のクラッド層１３Ｇとを順次エピタキシーして形成する。このとき、窒化シリコンの上には堆積しない。したがって穴の中だけに堆積する。
【００２１】
次に、緑の発光素子構成部２１Ｇ以外の所に青の発光素子構成部２１Ｂを堆積するための穴をあける。はじめに、図３の（７）に示すように、堆積した緑の発光素子構成部２１Ｇを窒化シリコン５１で塞ぎ、ウェハー全面を窒化シリコン５１で覆う状態にする。次に、図３の（８）に示すように、穴をあけない部分に選択的にレジスト５２を塗布し、これをエッチングマスクとし、図３の（９）に示すように、不要な窒化シリコン５１を除去し、ＡｌＧａＩｎＰ系の赤の発光素子構成部２１Ｒを例えば塩酸の水溶液、あるいは塩酸と過酸化水素水との混合液によるエッチング液による化学的エッチングを行う。
【００２２】
この場合、このエッチングはＡｌＧａＩｎＰによる発光素子構成部２１Ｒに関しては良好にそのエッチングがなされるが、ＧａＡｓ基板１に関してはそのエッチング速度が極めて遅いことから、このエッチングによって発光素子構成部２１Ｒがパターンエッチングされ、ＧａＡｓ基板１による基板が外部に露呈すると、ここで見掛け上エッチングが停止するので、この時点でエッチングを停止する。
【００２３】
この青の発光素子構成部２１Ｂのための一連の穴あけ工程は、緑の発光素子構成部２１Ｇのための穴あけ工程と同様である。
【００２４】
図３の（１０）に示すように、レジスト５２を除去する。
【００２５】
そして、図３の（１１）に示すように、選択エッチングによりあけた穴に青の発光素子構成部２１Ｂをエピタキシーする。この青の発光素子構成部２１Ｂは、例えば厚さ０．５μｍのｎ型のＺｎ（Ｓ_０．０７Ｓｅ_０．９３）による第１のクラッド層１１Ｂと、例えば厚さ６ｎｍのＺｎＳｅのバリア層と厚さ４ｎｍの（Ｚｎ_０．９Ｃｄ_０．１）Ｓｅの量子井戸層との繰り返し積層によるＴＱＷ（３重量子井戸）構造の活性層１２Ｂと、例えば厚さ０．５μｍのｐ型の層Ｚｎ（Ｓ_０．０７Ｓｅ_０．９３）による第２のクラッド層１３Ｂとを順次エピタキシーして形成する。このとき、窒化シリコンの上には堆積しない。したがって、穴の中だけに堆積する。
【００２６】
次に、図３の（１２）に示すように、窒化シリコン５１を全て除去する。
【００２７】
上述のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体による各赤および緑の発光素子構成部２１Ｒおよび２１Ｇは、ＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔａｌ　Ｏｒｇａｎｉｃ　ＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒ　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：有機金属化学気相エピタキシー）によって形成し、ＩＩ−ＶＩ族化合物半導体による青の発光素子構成部２１Ｂは、ＭＢＥ（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ　Ｂｅａｍ　Ｅｐｉｔａｘｙ：分子線エピタキシー）によってエピタキシーする。
【００２８】
このようにして、ＧａＡｓ基板１上に、赤の発光素子構成部２１Ｒと、緑の発光素子構成部２１Ｇと、青の発光素子構成部２１Ｂが隣接した発光素子構成基板２１が形成される。
【００２９】
続いて、発光素子構成基板２１の各半導体発光素子構成部２１Ｒ、２１Ｇおよび２１Ｂに対する電極の形成を行う。
【００３０】
電極を形成する方法は、はじめに、ＧａＡｓ基板１の下方側に真空中でＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕを蒸着する。そして、熱処理を行う。その後、発光素子面に同様に真空中でＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕを蒸着する。ＧａＡｓ基板１の下方側は全面にレジストを塗付し、発光素子面は、電極の部分だけ選択的にレジストを塗布する。これをマスクとして不要な電極は除去する。その後、レジストをすべて除去し、熱処理を行う。図４の（１３）に示すように、電極が形成される。
【００３１】
尚、本発明による半導体白色発光素子を構成する発光素子構成基板２１は、上述した例に限られるものではなく、種々の構成をとることができ、例えば赤の半導体発光素子構成部２１ＲのみをＩＩＩ−Ｖ族、例えばＡｌＧａＩｎＰ系化合物半導体によって構成し、緑および青の半導体発光素子構成部２１Ｇおよび２１ＢをＩＩ−ＶＩ族化合物半導体によって構成することもできる。
【００３２】
この場合の基板２１の一例を図５を参照して説明する。この場合、ｎ型のＧａＡｓ基板１上に、例えばｎ型のＡｌＧａＩｎＰ（例えば（Ａｌ_０．６Ｇａ_０．４）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐ）による第１のクラッド層１１Ｒと、アンドープあるいは低濃度のｎ型もしくはｐ型の例えばＡｌＧａＩｎＰ（例えば（Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐ）による活性層１２Ｒと、ｐ型のＡｌＧａＩｎＰ（例えば（Ａｌ_０．６Ｇａ_０．４）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐ）による第２のクラッド層１３Ｒとの各エピタキシー層による赤の発光素子構成部２１Ｒを構成する。
【００３３】
そして、エッチングにより赤の発光素子構成部２１Ｒの一部に穴をあけ、その穴の中に、例えばｎ型のＺｎＭｇＳＳｅ（例えばＺｎ_０．９Ｍｇ_０．１Ｓ_０．１６Ｓｅ_０．８４）による第１のクラッド層１１Ｇと、アンドープあるいは低濃度のｎ型もしくはｐ型の例えばＺｎＣｄＳｅ（例えばＺｎ_０．８Ｃｄ_０．２Ｓｅ）による活性層１２Ｇと、例えばｐ型のＺｎＭｇＳＳｅ（例えばＺｎ_０．９Ｍｇ_０．１Ｓ_０．１６Ｓｅ_０．８４）による第２のクラッド層１３Ｇの各エピタキシー層による緑の発光素子構成部２１Ｇを構成する。
【００３４】
更に、エッチングにより赤の発光素子構成部２１Ｒの一部に穴をあけ、その穴の中に、例えばｎ型の例えばＺｎＭｇＳＳｅ（例えばＺｎ_０．９Ｍｇ_０．１Ｓ_０．１６Ｓｅ_０．８４）の第１クラッド層１１Ｂと、アンドープあるいは低濃度のｎ型もしくはｐ型の例えばＺｎＳＳｅ（例えばＺｎＳ_０．０６Ｓｅ_０．９４）よる活性層１２Ｂと、ｐ型のＺｎＭｇＳＳｅ（例えばＺｎ_０．９Ｍｇ_０．１Ｓ_０．１６Ｓｅ_０．８４）による第２のクラッド層１３Ｂとの各エピタキシー層による青の発光素子構成部２１Ｂを構成する。
【００３５】
このようにして、各赤、緑および青の各発光素子構成部２１Ｒ、２１Ｇおよび２１Ｂが一つの基板に隣接して並ぶ発光素子構成基板２１を構成する。
【００３６】
本発明は、上記に示した材料以外を用いて構成してもよい。すなわち、基板や発光素子構成部に上記の例で示した材料以外を用いていても、一つの基板に３波長の発光素子構成部が隣接している構造であれば、本発明の範囲内とする。
【００３７】
上述の本発明による複数の半導体発光素子構成部が共通のＧａＡｓ基板１上に形成された発光装置、例えば２次元配列による発光装置は、パーソナルコンピュータ、ワードプロセッサ等のカラーディスプレイ、壁掛けカラーテレビ等の再生画面等を構成できるものであり、３色を合成することにより、白色として発光するため照明とすることができる。また、１次元配列による発光装置は、例えばレーザプリンタ等のカラー光源として構成でき、その使途は広範囲である。
【００３８】
【発明の効果】
本発明構成による半導体発光素子は、３原色の赤、緑および青の発光素子構成部が隣接された構成を採るので、これらを個別に駆動発光させることによって、これらの光の合成によるフルカラー発光を行うことができる。
【００３９】
これらが互いに接近して構成されるので、これら各半導体発光素子構成部２１Ｒ、２１Ｇおよび２１Ｂの発光をその端面から出射させるいわゆる水平型構成とする場合においても、これらの光を容易に合成できフルカラー発光を行うことができるものである。また、これら各半導体発光素子構成部２１Ｒ、２１Ｇおよび２１Ｂの発光をその面方向と交叉する方向とするいわゆる面発光型構成とする場合においてもすぐれたフルカラー発光を行うことができる。
【００４０】
そして、特に本発明構成においては、結晶性にすぐれ廉価に入手でき、またこれの上に、ＩＩＩ−Ｖ族およびＩＩ−ＶＩ族化合物半導体を整合性良くエピタキシーできるＧａＡｓ基板１を用い、これの上に形成する各色の半導体発光素子構成部２１Ｒ、２１Ｇおよび２１Ｂを、ＩＩＩ−Ｖ族およびＩＩ−ＶＩ族化合物半導体によって構成したことにより、各発光素子構成部２１Ｒ、２１Ｇおよび２１Ｂに関して共に結晶性にすぐれた発光素子を構成することができるので、安定して目的とする半導体発光素子を確実に、再現性良く、高い歩留りをもって製造できるものである。
【００４１】
そして、このようにＩＩＩ−Ｖ族およびＩＩ−ＶＩ族の各半導体発光素子構成部の組み合わせ構成をとることから、例えば、比較的波長が長い赤の発光、更に或る場合は緑の発光を行う発光素子構成部に関しては、ＩＩＩ−Ｖ族系化合物半導体によって構成し、波長の短い少なくとも青、更に或る場合は緑の発光を行う発光素子構成部に関しては、ＩＩ−ＶＩ族系化合物半導体によって構成することにより、全発光素子構成部２１Ｒ、２１Ｇおよび２１Ｂに関してともに発光効率の高い発光素子として構成することができ、広範囲の色相にわたるフルカラー発光を行うことのできる発光半導体カラー発光素子を構成できる。
【００４２】
また、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体発光素子を、ＡｌＧａＩｎＰ系化合物半導体によって構成し、ＩＩ−ＶＩ族系化合物半導体発光素子を、ＺｎＳｅを含むＩＩ−ＶＩ族系化合物半導体によって構成することによって、ＧａＡｓ基板１に対して良く格子整合された目的とする半導体発光素子を得ることができることから、発光効率が高い半導体発光素子をより安定して再現性良く、高い歩留りをもって製造することができるものである。
【００４３】
上述したように、本発明構成によれば、半導体発光素子を、高い発光効率をもって、再現性良く、高い歩留りをもって製造することができ、またこの発光素子構成部を、共通の基板に容易に複数同時に配列形成することができることから、例えばＴＶカラー表示を行うとか、パーソナルコンピュータ，ワードロセッサ等のディスプレイ装置を構成することができる。また、３色を合成することにより、白色として発光するため照明とすることができる。１次元配列によって例えばレーザプリンタの光源として用いることができるなど多くの利益を有するものである。
【００４４】
更に、従来のように、各々の単色光のチップを組み立てて作るのに比較して、組み立て費用が下降する。また、情報標示板に使用する場合、３色の個別のチップを組み立てる方法に比較して、小型化が容易になり、その結果、画素を細かくすることができるので表現力を高めることができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による半導体白色発光素子を構成する発光素子構成基板の一例の概略断面図である。
【図２】本発明による半導体白色発光素子の一例の製造工程の概略断面図である。
【図３】本発明による半導体白色発光素子の一例の製造工程の概略断面図である。
【図４】本発明による半導体白色発光素子の一例の製造工程の概略断面図である。
【図５】本発明による半導体白色発光素子を構成する発光素子構成基板の他の一例の概略断面図である。
【符号の説明】
１ＧａＡｓ基板
１１Ｒ，１１Ｇ，１１Ｂ第１のクラッド層
１２Ｒ，１２Ｇ，１２Ｂ活性層
１３Ｒ，１３Ｇ，１３Ｂ第２のクラッド層
２１発光素子構成基板
２１Ｒ赤の発光素子構成部
２１Ｇ緑の発光素子構成部
２１Ｂ青の発光素子構成部
４１第１の電極
４２第２の電極
４３第３の電極
４４第４の電極
５１窒化シリコン
５２レジスト

Claims

共通のＧａＡｓ基板上に、該ＧａＡｓ基板に格子整合するＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体発光素子およびＩＩ−ＶＩ族化合物半導体発光素子よりなる赤、緑および青の各半導体発光素子構成部が隣接することを特徴とする半導体白色発光素子。
上記ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体発光素子が、ＡｌＧａＩｎＰ系化合物半導体よりなり、上記ＩＩ−ＶＩ族化合物半導体発光素子が、Ｚｎ_{１−ｘ−ｙ}Ｍｇ_ｘＣｄ_ｙＳ_ａＴｅ_ｂＳｅ_{１−ａ−ｂ}（０≦ｘ＜１、０≦ｙ＜１、０≦ａ＜１、０≦ｂ＜１）によるＩＩ−ＶＩ族化合物半導体よりなることを特徴とする請求項１に記載の半導体白色発光素子。
上記各赤、緑および青の各半導体発光素子構成部が、ダブルヘテロ構造とされたことを特徴とする請求項１または２に記載の半導体白色発光素子。
共通の基板上に、該基板に格子整合する赤、緑および青の各半導体発光素子構成部が隣接することを特徴とする半導体白色発光素子。