(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｎ型ＧａＰエピタキシャル層と、
該ｎ型ＧａＰエピタキシャル層の上に形成された、第１色を発色するための、第１のｐ型ＧａＰエピタキシャル層と、
該第１のｐ型ＧａＰエピタキシャル層の上に形成された、該第１色と異なる第２色を発色するための、第２のｐ型ＧａＰエピタキシャル層とを備え、
メルトバックにより該第１のｐ型ＧａＰエピタキシャル層厚みが変更されており、そのことにより適宜調整されたドミナント波長を有する、単一のＰＮ接合のみを有する、２色の発光波長を有する半導体発光素子。
【請求項２】
前記第１色が、緑色であり、前記第１のｐ型ＧａＰエピタキシャル層が、窒素を有する層であり、そして前記第２色が、赤色であり、前記第２のｐ型ＧａＰエピタキシャル層が、Ｚｎ−Ｏを有する層である、
請求項１に記載の半導体発光素子。
【請求項３】
前記ｎ型ＧａＰエピタキシャル層が、ｎ型ＧａＰ単結晶基板上に形成され、
前記第１のｐ型ＧａＰエピタキシャル層が、窒素ドープされており、
前記第２のｐ型ＧａＰエピタキシャル層が、亜鉛および酸素でドープされている、
請求項１に記載の半導体発光素子。
【請求項４】
単一のＰＮ接合のみを有する、２色の発光波長を有する半導体発光素子の製造方法であって、
ｎ型ＧａＰエピタキシャル層を形成する工程と、
該ｎ型ＧａＰエピタキシャル層の上に、第１色を発色するための、第１のｐ型ＧａＰエピタキシャル層を形成する工程と、
該第１のｐ型ＧａＰエピタキシャル層をメルトバックして層厚みを変更し、そのことによりドミナント波長を調整し、次いで、該第１色と異なる第２色を発色するための、第２のｐ型ＧａＰエピタキシャル層を形成する工程とを包含する、方法。
【請求項５】
前記ｎ型ＧａＰエピタキシャル層が、ｎ型ＧａＰ単結晶基板上に形成され、
前記第１のｐ型ＧａＰエピタキシャル層が、窒素ドープされており、
前記第２のｐ型ＧａＰエピタキシャル層が、亜鉛および酸素でドープされている、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記第１のｐ型ＧａＰエピタキシャル層は、バックグラウンド濃度において形成され、そして前記第２のｐ型ＧａＰエピタキシャル層は、Ｚｎをドーパントとする、請求項４に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、多色発光する半導体発光素子に関する。本発明の半導体発光素子は、特に、表示パネル等に利用され得る。
【０００２】
【従来の技術】
半導体発光素子は、その半導体材料が有するバンド構造で決まる波長を有し、それを中心として熱エネルギー分のスペクトル拡がりしか持たない、単色性に優れた光源である。また、省電力で且つ長寿命という、他の光源に無い優れた特徴を持っている。
【０００３】
しかし、半導体発光素子は、単色性が高すぎるため、すべての可視領域の波長をカバーすることができない。このため、任意の波長の可視光線を得るためには、通常、２種類以上の半導体発光素子を用い、可視領域の波長を一部補っている。例えば、ＧａＰ半導体発光素子の緑色発光とＧａＡｓＰ半導体発光素子の赤色発光とを同時点灯させ、アンバー色発光を得ることが行われている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
この様に２種類の半導体発光素子を用いた場合には、光源のサイズが大きくなるため、製品としての表示ユニットのサイズが制限されるという欠点がある。
【０００５】
一方、１つの半導体ウエハ上に複数種の材料、組成等を導入する事で複数の発光色を得ようとするアイデアがある。しかし、その実現は困難である。また、この方法で製造された光源は、結晶内部の歪みが大きく、信頼性が問題となる。具体的には、外部応力による発光出力の通電に対する信頼性が低下する。
【０００６】
本発明は、複数のｐｎ接合を用いる必要がなく、そして、上記の欠点がなく、緑色から赤色にわたる可視領域のすべての波長を発光させることが出来る、ＧａＰ半導体発光素子およびその製造方法を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の本発明の２色の発光波長を有する半導体発光素子は、ｎ型ＧａＰエピタキシャル層と、該ｎ型ＧａＰエピタキシャル層の上に形成された、第１色を発色するための、第１のｐ型ＧａＰエピタキシャル層と、該第１のｐ型ＧａＰエピタキシャル層の上に形成された、該第１色と異なる第２色を発色するための、第２のｐ型ＧａＰエピタキシャル層とを備え、メルトバックにより該第１のｐ型ＧａＰエピタキシャル層厚みが変更されており、そのことにより適宜調整されたドミナント波長を有する発光素子である。
【０００８】
１つの実施態様では、前記第１色が、緑色であり、前記第１のｐ型ＧａＰエピタキシャル層が、窒素を有する層であり、そして前記第２色が、赤色であり、前記第２のｐ型ＧａＰエピタキシャル層が、Ｚｎ−Ｏを有する層である。
【０００９】
１つの実施態様では、前記ｎ型ＧａＰエピタキシャル層が、ｎ型ＧａＰ単結晶基板上に形成され、前記第１のｐ型ＧａＰエピタキシャル層が、窒素ドープされており、前記第２のｐ型ＧａＰエピタキシャル層が、亜鉛および酸素でドープされている。
【００１０】
別の局面において、本発明の、２色の発光波長を有する半導体発光素子の製造方法は、ｎ型ＧａＰエピタキシャル層を形成する工程と、該ｎ型ＧａＰエピタキシャル層の上に、第１色を発色するための、第１のｐ型ＧａＰエピタキシャル層を形成する工程と、該第１のｐ型ＧａＰエピタキシャル層をメルトバックしてドミナント波長を調整し、次いで、該第１色と異なる第２色を発色するための、第２のｐ型ＧａＰエピタキシャル層を形成する工程とを包含する。
【００１１】
本発明の方法の１つの実施態様では、前記ｎ型ＧａＰエピタキシャル層が、ｎ型ＧａＰ単結晶基板上に形成され、前記第１のｐ型ＧａＰエピタキシャル層が、窒素ドープされており、前記第２のｐ型ＧａＰエピタキシャル層が、亜鉛および酸素でドープされている。
【００１２】
本発明の方法の１つの実施態様では、前記第１のｐ型ＧａＰエピタキシャル層は、バックグラウンド濃度において形成され、そして前記第２のｐ型ＧａＰエピタキシャル層は、Ｚｎをドーパントとする。
【００１３】
【発明の実施の形態】
（本発明の半導体発光素子）
まず、本発明の半導体発光素子について説明する。
【００１４】
本発明の半導体発光素子は、ｎ型ＧａＰエピタキシャル層２、第１のｐ型ＧａＰエピタキシャル層３、および第２のｐ型ＧａＰエピタキシャル層４を備える。
【００１５】
ＧａＰは、原子比１：１のＧａおよびＰの化合物である。
【００１６】
ＧａＰエピタキシャル層は、液相成長法であるエピタキシャル法を利用して形成されたＧａＰの単結晶の層である。
【００１７】
ｎ型ＧａＰエピタキシャル層は、ＧａＰにｎ型不純物を添加したｎ型半導体である。ｎ型不純物としては、シリコンＳｉおよびサルファＳなどが使用可能である。
【００１８】
ｐ型ＧａＰエピタキシャル層は、ＧａＰにｐ型不純物を添加したｐ型半導体である。ｐ型不純物としては、亜鉛Ｚｎ、およびカーボンＣなどが使用可能である。
【００１９】
ｎ型ＧａＰエピタキシャル層２は、従来公知の材料を用いて、従来公知の方法により作製される。
【００２０】
第１のｐ型ＧａＰエピタキシャル層３は、従来公知の材料を用いて、従来公知の方法により作製される。
【００２１】
第１のｐ型ＧａＰエピタキシャル層３は、ｎ型ＧａＰエピタキシャル層２の上に形成される。
【００２２】
第１のｐ型ＧａＰエピタキシャル層３は、第１色を発色するように調製される。ｐ型ＧａＰエピタキシャル層３に発色機能を付与するための材料および調製方法は、従来公知の材料および方法が利用可能である。
【００２３】
１つの実施態様において、第１色は、緑色である。
【００２４】
１つの実施態様では、第１のｐ型ＧａＰエピタキシャル層が、窒素ドープされている。
【００２５】
第２のｐ型ＧａＰエピタキシャル層４は、従来公知の材料を用いて、従来公知の方法により作製される。
【００２６】
第２のｐ型ＧａＰエピタキシャル層４は、第１のｐ型ＧａＰエピタキシャル層３の上に形成される。
【００２７】
（本発明の製造方法）
次に、本発明の製造方法について説明する。なお、本発明の製造方法に使用される材料は、上記本発明の発光素子について説明したものが使用可能である。
【００２８】
（ｎ型ＧａＰエピタキシャル層２の形成）
本発明の半導体発光素子の製造方法においては、まず、ｎ型ＧａＰエピタキシャル層２を形成する。
【００２９】
１つの実施態様において、ｎ型ＧａＰエピタキシャル層２は、ｎ型ＧａＰ単結晶基板１上に形成される。
【００３０】
好ましくは、以下の様な方法で、ｎ型ＧａＰエピタキシャル層２を形成する：ＧａＰ溶液に、予めｎ型ドーパントであるＳｉを所定量添加する。好ましくは、９５０〜１０５０℃、より好ましくは、９８０〜１０２０℃にて充分に飽和させたＧａＰ溶液を、好ましくは、０〜１５℃、より好ましくは、５〜１０℃冷却した時点で、ＧａＰ単結晶基板に接触させて、結晶の成長を開始させる。
【００３１】
引き続き、好ましくは、０．２〜１．０℃／分、より好ましくは、０．３〜０．７℃／分の冷却速度で、好ましくは、９２０〜９６０℃、より好ましくは、９３０〜９５０℃まで徐冷して、結晶を成長させる。これにより、好ましくはキャリア濃度０．８〜５．０×１０17ｃｍ-3、より好ましくはキャリア濃度１．０〜３．０×１０17ｃｍ-3、好ましくは、厚さ３０〜７０μｍ、より好ましくは厚さ４０〜６０μｍのｎ型ＧａＰエピタキシャル層２が形成する。
【００３２】
（第１のｐ型ＧａＰエピタキシャル層３の形成）
次いで、ｎ型ＧａＰエピタキシャル層２の上に、第１色を発色するための、第１のｐ型ＧａＰエピタキシャル層３を形成する。
【００３３】
１つの実施態様において、第１のｐ型ＧａＰエピタキシャル層３は、窒素ドープされている。
【００３４】
１つの実施態様において、第１のｐ型ＧａＰエピタキシャル層３は、バックグラウンド濃度において形成される。
【００３５】
ここで、「バックグラウンド濃度」とは、ＧａＰ中における液相エピタキシャル成長用カーボンボート材であるカーボン”Ｃ”の濃度をいう。バックグラウンド濃度は、好ましくは、０．５〜５×１０16であり、より好ましくは、０．８〜３．０×１０17である。
【００３６】
好ましくは、第１色を発色するための、第１のｐ型ＧａＰエピタキシャル層３は、以下の様な方法で形成される：
ＮＨ3ガスを成長室に供給し、９２０〜９６０℃で２０〜６０分間温度を維持し、充分に、ＧａＰ溶液中にＮ原子を取り込ませる。このＮ原子は、アイソエレクトロニックトラップとして働く。この後、ＮＨ3ガスを供給し続けながら、０．２〜１．０℃／分の冷却速度で８５０〜９００℃まで徐冷して、結晶を成長させる。その後、自然冷却させる。ＧａＰ溶液中のＳｉは、ＮＨ3ガスとの反応定数が大きいため結晶中には取り込まれない。このためバックグラウンド濃度により、ｐ型で、キャリア濃度が０．５〜５．０×１０17ｃｍ-3、厚さ３０〜５０μｍ程度のＮ：ＧａＰエピタキシャル層３が形成される。
【００３７】
（第２のｐ型ＧａＰエピタキシャル層４の形成）
次いで、第１のｐ型ＧａＰエピタキシャル層３の上に、第２色を発色するための、第２のｐ型ＧａＰエピタキシャル層４を形成する。
【００３８】
１つの実施態様において、第２のｐ型ＧａＰエピタキシャル層４は、酸素ドープされている。
【００３９】
１つの実施態様において、第２のｐ型ＧａＰエピタキシャル層４は、Ｚｎをドーパントとする。
【００４０】
第２色を発色するための、第２のｐ型ＧａＰエピタキシャル層４は、好ましくは、以下の方法で形成される：
ＧａＰ溶液に、予めｐ型ドーパントＺｎ、およびＺｎとペアでアイソエレクトロニックトラップを形法させるＧａ2Ｏ3としてのＯ（酸素））を添加する。９８０〜１０５０℃にて充分に飽和したＧａＰ溶液を、第１回目の液相エピタキシャル成長で得られた第１のｐ型Ｎ：ＧａＰエピタキシャル層３上に接触させる。
【００４１】
次いで、△Ｔ（℃）だけ加温し、所望のメルトバックを得るために必要な時間（例えば、１０〜３０分間）温度を保持し、第１のｐ型Ｎ：ＧａＰエピタキシャル層３をメルトバックさせる。メルトバック量は、△Ｔ（℃）により決まる。次いで、徐冷成長させる。この時、ＺｎがＧａＰ溶液から蒸発するのを防止するために、別の供給源よりＺｎ蒸気を成長室近傍に送り込むことが好ましい。
【００４２】
上記の方法により、第２のｐ型Ｚｎ−Ｏ：ＧａＰエピタキシャル層４が形成される。
【００４３】
第１および第２のエピタキシャル成長により形成する結晶の断面の例を図２Ｂに示す。ｎ型ＧａＰ単結晶基板１上に、第１のｎ型ＧａＰエピタキシャル層２、第１のｐ型Ｎ：ＧａＰエピタキシャル層３、および第２のｐ型Ｚｎ−Ｏ：ＧａＰエピタキシャル層４が順次形成されている。
【００４４】
このような方法により、２色の発光波長を有する発光素子が提供される。ここで、第１のｐ型Ｎ：ＧａＰエピタキシャル層厚と第１のｐ型Ｎ：ＧａＰエピタキシャル層厚とを適宜調整することにより、発光波長を適宜調整することができる。
【００４５】
具体的には、例えば、上記方法中のメルトバック量を変えることにより、ドミナント波長を任意に変更することができる。
【００４６】
以下に、本発明の非限定的な実施例を示す。
【００４７】
【実施例】
（結晶成長の実施例）
本発明の実施例として、液相エピタキシャル成長での作製例を示す。
【００４８】
液相エピタキシャル成長を、２回に分けて実施した。図１Ａに、第１回目の液相エピタキシャル成長プログラムを示す。
【００４９】
ＧａＰ溶液に、予めｎ型ドーパントであるＳｉを所定量添加した。１０００℃にて充分に飽和させたＧａＰ溶液を、５℃冷却した時点で、ＧａＰ単結晶基板に接触させて、結晶の成長を開始させた。引き続き０．２〜０．５℃／分の冷却速度で９５０℃まで徐冷して、結晶を成長させた。これにより、キャリア濃度１〜３×１０17ｃｍ-3、厚さ５０μｍのｎ型ＧａＰエピタキシャル層が形成した。次に、ＮＨ3ガスを成長室に供給し、９５０℃で３０分間温度を維持し、充分に、ＧａＰ溶液中にＮ原子を取り込ませた。このＮ原子は、アイソエレクトロニックトラップとして働く。この後、ＮＨ3ガスを供給し続けながら、０．２〜０．５℃／分の冷却速度で９３０℃まで徐冷して、結晶を成長させた。ＧａＰ溶液中のＳｉは、ＮＨ3ガスとの反応定数が大きいため結晶中には取り込まれない。このためバックグラウンド濃度により、ｐ型で、キャリア濃度が０．５〜３×１０16ｃｍ-3、厚さ３０μｍ程度のＮ：ＧａＰエピタキシャル層が形成された。
【００５０】
形成された結晶の断面を第図２Ａに示す。ｎ型ＧａＰ単結晶基板１上に、キャリア濃度１〜３×１０17ｃｍ-3、厚み５０μｍ程度の第１のｎ型ＧａＰエピタキシャル層２、第１のｐ型で、キャリア濃度０．５〜３×１０16ｃｍ-3、厚さ３０μｍ程度のＮ：ＧａＰエピタキシャル層３が形成された。この第１のｐ型Ｎ：ＧａＰエピタキシャル層が、緑色系の発光層となる。
【００５１】
図１Ｂに第２回目の液相エピタキシャル成長プログラムを示す。
【００５２】
ＧａＰ溶液に、予めｐ型ドーパントであるＺｎ、そしてＺｎとペアでアイソエレクトロニックトラップを形法させるＯ（酸素）をＧａ2Ｏ3として、それぞれ所定量添加した。１０００℃にて充分に飽和したＧａＰ溶液を、第１回目の液相エピタキシャル成長で得られた第１のｐ型Ｎ：ＧａＰエピタキシャル層上に接触させた。その後、△Ｔ（℃）だけ加温し、３０分間温度を保持し、第１のｐ型Ｎ：ＧａＰエピタキシャル層をＸ（μｍ）メルトバックさせた。△Ｔを制御して、メルトバック量Ｘμｍを調整した。次いで、冷却速度２〜４℃／分で９５０℃まで徐冷成長させた。この時、ＺｎがＧａＰ溶液から蒸発するのを防止するため、別の供給源よりＺｎ蒸気を成長室近傍に送り込んだ。
【００５３】
キャリア濃度８〜２０×１０17ｃｍ-3の第２のｐ型Ｚｎ−Ｏ：ＧａＰエピタキシャル層が形成された。厚さは３５μｍ程度であった。第１および第２のエピタキシャル成長により形成した結晶の断面を図２Ｂに示す。ｎ型ＧａＰ単結晶基板１上に、キャリア濃度１〜３×１０17ｃｍ-3、厚み５０μｍ程度の第１のｎ型ＧａＰエピタキシャル層２、キャリア濃度０．５〜３×１０16ｃｍ-3、厚みＹ（＝３０−Ｘ）μｍ程度の第１のｐ型Ｎ：ＧａＰエピタキシャル層３、および、キャリア濃度８〜２０×１０17ｃｍ-3、厚み３５μｍ程度の第２のｐ型Ｚｎ−Ｏ：ＧａＰエピタキシャル層４が順次形成されている。
【００５４】
第図３Ａに、得られた半導体発光素子による発光スペクトルを示す。図３Ｂには第１のｐ型Ｎ：ＧａＰエピタキシャル層厚Ｙとドミナント波長の関係を示す。緑色領域と赤色領域のスペクトル強度比を変えること、すなわち、メルトバック量を変えることにより、ドミナント波長を５７０ｎｍから６５０ｎｍまで変える事ができた。ドミナント波長６５０ｎｍは、第１のｐ型Ｎ：ＧａＰエピタキシャル層をすべてメルトバックさせることにより得られた。一方、ドミナント波長５７０ｎｍは、殆どメルトバックをさせない（メルトバック量約５μｍ以下）場合に得られた。この理由は、本発明の半導体発光素子の場合、少数キャリアは電子であり、第１のｐ型Ｎ：ＧａＰエピタキシャル層内に注入された電子は、その拡散長から２５μｍまで届かないためと考えられる。
【００５５】
【発明の効果】
本発明によれば、１種類の結晶で、１つの素子で、かつ、１つのｐｎ接合で、緑色から赤色までの発光色を持つ半導体発光素子を得ることができる。
【００５６】
本発明のＧａＰ半導体発光素子は、１つのｐｎ接合だけを有し、窒素およびＺｎ−Ｏペアによるトラップレベルを有するエピタキシャル層をそれぞれ形成することで、緑色から赤色の可視領域の色調を網羅できる事を特徴としている。これにより、光源のサイズは、従来の単色の半導体発光素子と同様のサイズまで小さくする事ができる。本発明の半導体発光素子はまた、ＧａＰだけしか用いないので、従来の半導体発光素子の製造プロセスを大きく変える必要がなく、量産性に適している。更に本発明の半導体発光素子は、複数の異なる材料、組成を用いる必要がないため、結晶内出歪みが無く、信頼性を損なう事がない。
【図面の簡単な説明】
【図１Ａ】  本実施例における、第１回目の液相エピタキシャル成長プログラム。
【図１Ｂ】  本実施例において、第２回目の液相エピタキシャル成長により形成された結晶の断面図。
【図２Ａ】  本実施例において、第１のエピタキシャル成長により形成した結晶の断面図。
【図２Ｂ】  本実施例において、第１および第２のエピタキシャル成長により形成した結晶の断面図。
【図３Ａ】  上記実施例で得られた半導体発光素子の発光スペクトル。
【図３Ｂ】  第１のｐ型Ｎ：ＧａＰエピタキシャル層厚Ｙとドミナント波長の関係を示すグラフ。
【符号の説明】
１  ｎ型ＧａＰ単結晶基板
２  第１のｎ型ＧａＰエピタキシャル層
３  第１のｐ型Ｎ：ＧａＰエピタキシャル層
４  第２のｐ型Ｚｎ−Ｏ：ＧａＰエピタキシャル層
【図１Ａ】
0003859383.tif 000002
【図１Ｂ】
0003859383.tif 000003
【図２Ａ】
0003859383.tif 000004
【図２Ｂ】
0003859383.tif 000005
【図３Ａ】
0003859383.tif 000006
【図３Ｂ】
0003859383.tif 000007