CN103283041A - 发光元件 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种发光元件，其是使用化合物半导体基板而制造出来的发光元件，所述化合物半导体基板具有p型包覆层、多重有源层部及n型包覆层，其中多重有源层部是由以(AlxGa1-x)yIn1-yP(0≤x≤0.6，0.4≤y≤0.6)所组成的3层以上的有源层和2层以上的障壁层交互积层而成，且障壁层的Al含有率x高于该有源层，并且，所述障壁层中，相较于靠近n型包覆层侧的障壁层，靠近p型包覆层侧的障壁层的能带隙较小，且化合物半导体基板是在多重有源层部与n型包覆层之间或是在n型包覆层中具有超晶格障壁层的基板。由此，本发明提供了一种长寿命、低电阻，且保持高发光效率(特别是内部量子效率)的发光元件。
Description
技术领域
本发明涉及一种有色发光元件，所述有色发光元件成为照明或显示机器的光源，具体来说，是涉及具有多重有源层的发光元件。
背景技术
由于发光层中保有AlGaInP的发光元件，相较于先前的有色发光元件，亮度大了十倍以上，因此对于这样的发光元件的需求，在车载照明或LCD背光等的与先前的发光二极管不同的用途上持续扩大。除了AlGaInP为直接迁移型的这点有所帮助，设置透明且厚的窗层来提高外部量子效率也是使发光元件变亮的重要原因。
另一方面，例如在非专利文献1中公开了一种方法，此方法为了提高内部量子效率，而在基板及窗层上设置厚的透明导电层，并设置多量子阱(MQW：Multiple Quantum Well)来提高发光效率。
在AlGaInP系发光元件中，使用AlGaAs或GaP来作为窗层。因为AlGaAs层有因水分而劣化的特性上的问题，一般使用GaP。然而，为了设置厚GaP层，必须直接将GaP基板接合于AlGaInP发光层部、或是使GaP的厚膜结晶成长。在直接接合GaP基板的方法中，例如专利文献2中所示，有在与GaP基板的接合界面上产生障壁层的问题，而为了避免此问题，需要长时间且高温的热处理。
又，已知虽然在发光层的其中一面上设置窗层也可有效地改善发光效率，但在另一面上也设置窗层，也即在发光层的上下均设置窗层可更加提高外部量子效率。在此情况下，设置于另一面上的窗层也根据贴合或结晶成长来形成，但由于GaAs基板作为光吸收层而发挥功能，故在窗层形成前必须除去该基板。
发光元件中所必要的由AlGaInP系材料所组成的层状结构，一般是在GaAs基板上利用MOVPE法来形成。层状结构的总膜厚顶多到10μm前后。AlGaInP系与GaAs系虽然是晶格匹配系，但也能够利用选择蚀刻法，因此，利用将选择蚀刻中所需要的层适当地插入GaAs基板与AlGaInP层之间，能够蚀刻除去GaAs基板。
但是，为了制作发光所必要的功能层而需要的AlGaInP系材料的总膜厚顶多为10μm程度，若除去GaAs基板而仅剩下AlGaInP层，所述残存晶片(wafer)的膜厚会变成10μm前后。膜厚10μm前后的晶片虽然能够在实验中进行处理，但这样的晶片容易破裂而不具有通过工业性工序所必要的机械性强度。
因此，也考虑在GaAs基板除去前，先将用来保持机械性强度的强度保持板(或是晶片)贴附在AlGaInP成长面侧然后再除去GaAs基板的方法。在此情况下，在GaAs被除去的面侧上贴附GaP基板后，必须剥离(除去)强度保持板(或是晶片)，并且伴随剥离需要进行洗净，也会担心造成污染等，就工业上来说只会使成本上升而没什么优点。因此，为了在节省成本下通过工业性工序，在GaAs基板除去前根据使厚膜GaP层结晶成长而让晶片保有机械性强度的方法，由于可将GaP层部兼用为光取出层与强度保持板而较为合理。
这样一来，使厚膜GaP层结晶成长的情况下，使GaP层保有足够的通过工业性工序的机械性强度所需厚度为20μm以上。为了使这个膜厚20μm以上的GaP层结晶成长，需要数小时～十数小时。由于GaP层成为越厚的膜，外部量子效率便越增加，因此需要很长的成长时间。又，GaP层成长所必要的温度，会需要与一般用来成长AlGaInP层所必要的温度相等或更高的高温，于是，AlGaInP发光层部将长时间暴露在MOVPE成长时的温度或是比该温度更高的温度下。
p导电型包覆层中掺杂有Mg或Zn等p型不纯物，在上述结晶成长时，这些p型不纯物由于受到加热而依据热力学进行扩散，而有也扩散到有源层(主动层(active layer))中的可能性。由于扩散到有源层中的p型不纯物容易形成缺陷，因此在根据通电等来进行的元件寿命试验时会形成缺陷，结果引发载子注入效率降低、光吸收增加等情况，而在寿命试验时引发光输出降低的现象。
p型不纯物的扩散，大幅依存于(AlxGa1-x)yIn1-yP中的Al组成x，若Al组成x较少则不纯物的扩散较快，因而使不纯物不易滞留。例如，有源层由于Al组成x较少，故有源层中的不纯物扩散速度比Al组成x较高的包覆层相对较快，因而使不纯物不易滞留。虽然不纯物浓度会根据邻接层的不纯物浓度而变化，但与有源层邻接的层上需要用来封锁载子的包覆层，故一般而言包覆层会受到掺杂。由于包覆层比有源层更需要宽能带隙，故Al组成x较大，不纯物扩散比有源层慢。又，为了不使对有源层的注入效率降低，包覆层必须保持某种程度以上的浓度的不纯物。因此，存在于包覆层中的不纯物会向有源层中扩散。
即使发生不纯物的扩散，若有源层具有某种程度以上的厚度，则可在会由于不纯物扩散而造成影响的不纯物浓度以下，设计光活化部(感光部)。例如，发生由于不纯物朝向有源层中扩散所造成的形成缺陷的部位，其厚度是50nm程度，且发光再结合所必要的有效有源层膜厚是500nm程度的情况下，若以550nm程度的均匀厚度来设置相同构成的有源层，则即使发生不纯物扩散也可维持有源层中的发光再结合。但是，此厚度50nm程度的不纯物扩散污染层，其非发光再结合比其他有源层更大，因此会成为发光效率降低的重要原因。为了方便，在此将这种形态的有源层称为体型(bulk)有源层。
这样一来，虽然体型有源层在抑制不纯物扩散的影响这点上是具有优点的有源层，但只能期待体型有源层具有封锁被夹在p型与n型包覆层中的载子的效果，且被不纯物污染的部位具有非发光再结合层的功能，因此发光效率不容易上升。在体型有源层中，只有60%程度的内部量子效率，而需要进一步提高内部量子效率。
作为提高内部量子效率的方法，例如有如专利文献3等所示的使用多量子阱(MQW)结构的方法。根据采用MQW结构，可根据对量子阱的封锁效果而提高发光效率。然而，MQW中各层的厚度是数nm～十几nm且为半导体内的电子的德布罗意波长程度，因此各层的厚度比体型有源层薄得多。因此，如上述朝向有源层的不纯物扩散的影响会变大。虽然若增加MQW中的有源层的层数有可能可以解决上述问题，但由于需要大幅增加有源层的层数，内部量子效率会因有源层的自我吸收而降低。
又，也有以拟似于MQW的形态，将各层设定成德布罗意波长以上的膜厚，利用少量层数来提高发光效率的方法。在此情况下，不纯物扩散受到适当地控制，因此在寿命试验时不容易发生问题，而可制作长寿命的发光元件。
AlGaInP系以外的其他材料系列，也可利用包夹其他构成的层而显现出抑制Mg扩散的效果，例如可在专利文献4等中见到该效果。
然而，在德布罗意波长以上的膜厚下，设置在有源层与有源层之间的障壁层中的隧穿现象不会发生，因此自有源层至相邻的其他有源层的载子输送只能仰赖激发(pumping)。电子由于等效质量较小，激发比较容易，但空穴的等效质量比电子大得多，穿越高障壁层的激发的统计机率比电子低，因此特别在载子少的低电流域中，有源层中的载子注入效率与伴随载子注入效率之发光效率降低。进而，由于载子注入效率的降低会招来串连电阻成分增大的结果。此效果在发光二极管这种使用于低电流域的元件中会成为大问题。不过，载子的激发不易发生的这件事，也就代表载子的封锁效果增加，故发光效率根据被封锁于有源层中的载子的效果而上升。
根据插入比有源层更宽能带隙的材料而使串联电阻成分增大，这种与上述相同的效果，例如公开于专利文献5。
作为用来解决以上问题的方法，如专利文献6所示，利用在上下设置厚膜透明层并交互积层有源层与障壁层的结构来降低p型侧障壁层的能带隙，由此减低VF(顺向电压)而可得到高亮度且长寿命的发光元件。但是，对于亮度低下的问题等的解决情形尚不够充分，因而要追求更高品质的元件。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2006-32837号公报。
专利文献2：日本特开2003-46200号公报。
专利文献3：日本特开平06-283825号公报。
专利文献4：日本特开平11-251687号公报。
专利文献5：日本特开2010-087270号公报。
专利文献6：日本特开平06-283822号公报。
专利文献7：日本特开平06-310813号公报。
专利文献8：日本特开平08-088404号公报。
非专利文献
非专利文献1：Applied Physics Letters,Vo.74,No.15,pp.2230～2232。
发明内容
[发明所要解决的课题]
在有源层部的上下方向具有厚膜透明膜的结构，是一种重视从元件的横方向而非从元件的上下方向将光取出的结构。要在这种形态的元件下谋求降低成本时，缩小元件的截面积是有效的，这意味着使电流流动方向的截面积缩小，而上述结构适用于流过小电流的元件，而不适用于流过大电流的元件。
但是，由于在这种小电流条件下的偏压差异不大，注入有源层中的第一导电型载子，因为到达以第二导电型进行掺杂的层的溢流现象而使载子自第一导电型的有源层回流至包覆层，而这样的现象会成为问题。此现象的发生会造成载子无法充分地滞留于有源层内，因此发生亮度降低的问题。
作为抑制溢流的手段，已知有例如专利文献7所示的将超晶格障壁设置成比有源层更靠近p型侧的方法。然而，此文献是对于n型载子自有源层向p导电型层溢流的对策，且限定于有源层的电流密度大且施加电压大的情况。
但是，在小电流条件下，并未施加足以使n型载子溢出至p导电型层的大电压，且有源层的载子的电流密度也不高。因此，无法解决上述用于小电流条件下的元件结构的溢流课题。
又，专利文献8中，虽然在n型包覆层侧设置超晶格障壁层，但有源层为单纯的MQW结构，而难以成为长寿命元件。
本发明是鉴于上述问题点而完成的，其目的在于提供一种长寿命、低电阻且保持高发光效率(特别是内部量子效率)的发光元件。
[用来解决课题的方法]
为了达成上述目的，本发明提供一种发光元件，其是使用化合物半导体基板而制造出来的发光元件，所述化合物半导体基板至少具有p型包覆层、多重有源层部及n型包覆层，其中多重有源层部是由以(AlxGa1-x)yIn1-yP(0≤x≤0.6，0.4≤y≤0.6)所组成的3层以上的有源层和2层以上的障壁层交互积层而成，且障壁层的Al含有率x高于该有源层，并且，所述发光元件的特征在于：
前述障壁层中，相较于靠近前述n型包覆层侧的障壁层，靠近前述p型包覆层侧的障壁层的能带隙较小，且前述化合物半导体基板是在前述多重有源层部与上述n型包覆层之间或是在上述n型包覆层中具有超晶格障壁层的基板。
这样一来，若障壁层中，相较于靠近n型包覆层侧的障壁层，靠近p型包覆层侧的障壁层的能带隙较小，则可增加障壁层中的p型载子的跳跃(hopping)机率。由此，可使n型、p型两种载子均匀地分布于有源层中，在减少串联电阻的同时，也可谋求提高内部量子效率。进而，在多重有源层部与n型包覆层之间或是n型包覆层中若具有超晶格障壁层，则可抑制载子的溢流而防止亮度降低。又，由于采用多重有源层结构，可减低不纯物扩散的影响而使元件长寿。又，在n型包覆层中具有超晶格障壁层的情况中，由于不需要考虑因离子化的不纯物所导致的载子捕捉，因此是一种发光元件，其超晶格障壁层的掺杂浓度等的设计自由度较高。
根据以上方式，若根据本发明，可成为一种长寿命、低电阻且高发光效率的发光元件。
此时，前述超晶格障壁层，优选是由以(AlxGa1-x)yIn1-yP(0≤x≤1，0.4≤y≤0.6)和/或AlzGa1-zAs(0≤z≤1)所组成的能带隙不同的层彼此交互积层而成。
若是这种超晶格障壁层，则可成为一种有效地抑制载子的溢流的发光元件。
此时，前述超晶格障壁层，优选是由能带隙不同且厚度在15nm以下的层彼此交互积层而成。
若是这种超晶格障壁层，则可成为一种发光元件，可获得较大障壁而确实地抑制载子的溢流。
此时，上述超晶格障壁层，可与上述多重有源层部邻接而形成。
作为本发明的超晶格障壁层，能以上述方式地与多重有源层部邻接而形成。
[发明的效果]
如以上所述，若根据本发明，则例如在伴随GaP厚膜成长的发光元件中，可提供一种发光元件，所述发光元件兼有多重有源层型发光元件所保有的长寿命与高发光效率(特别是内部量子效率)。
附图说明
图1(a)是表示本发明的第1实施方式的发光元件的一个实例的概略图；图1(b)是表示用于制造该发光元件的化合物半导体基板的一个实例的概略图。
图2是表示化合物半导体基板的多重有源层部的一个实例的概略图，所述化合物半导体基板是用于制造本发明的第1实施方式的发光元件。
图3是表示化合物半导体基板的多重有源层部的能带排列的图，所述化合物半导体基板是用于制造本发明的第1实施方式的发光元件。
图4是表示化合物半导体基板的超晶格障壁层的一个实例的概略图，所述化合物半导体基板是用于制造本发明的第1实施方式的发光元件。
图5是表示化合物半导体基板的超晶格障壁层的能带排列的图，所述化合物半导体基板是用于制造本发明的第1实施方式的发光元件。
图6(a)是表示本发明的第2实施方式的发光元件的一个实例的概略图；图6(b)是表示用于制造该发光元件的化合物半导体基板的一例的概略图。
图7是表示化合物半导体基板的多重有源层部的一个实例的概略图，所述化合物半导体基板是用于制造本发明的第2实施方式的发光元件。
图8是表示化合物半导体基板的多重有源层部的能带排列的图，所述化合物半导体基板是用于制造本发明的第2实施方式的发光元件。
图9是表示化合物半导体基板的超晶格障壁层的一个实例的概略图，所述化合物半导体基板是用于制造本发明的第2实施方式的发光元件。
图10是表示化合物半导体基板的超晶格障壁层的能带排列的图，所述化合物半导体基板是用于制造本发明的第2实施方式的发光元件。
具体实施方式
关于本发明，以下作为实施方式的一个实例，一边参照附图一边进行详细说明，但本发明并非限定于此例子。
图1(a)是表示本发明的第1实施方式的发光元件的概略图；图1(b)是表示用于所述发光元件的化合物半导体基板的概略图。图2是表示多重有源层部的概略图。
如图1(a)所示，本发明的发光元件10，例如是由化合物半导体基板100与形成于所述化合物半导体基板100的表面上的电极11所构成。发光元件10，是在后述将说明的化合物半导体基板100的p型表面与n型表面上形成电极11，然后切割(dicing)成晶粒状而得到。
如图1(b)与图2所示，化合物半导体基板100，用于制造上述本发明的第1实施方式的发光元件10，所述化合物半导体基板100，具有p型包覆层107、多重有源层部106及n型包覆层104，其中多重有源层部106是由以(AlxGa1-x)yIn1-yP(0<x≤0.6，0.4≤y≤0.6)所组成的3层以上的有源层106A和2层以上的障壁层106B、106C交互积层而成，而障壁层106B、106C的Al含有率x高于所述有源层106A。
并且，障壁层中，相较于靠近n型包覆层104侧的障壁层106B，靠近p型包覆层107侧的障壁层106C的能带隙较小，且化合物半导体基板100是在多重有源层部106与n型包覆层104之间具有超晶格障壁层105的基板。
这样一来，利用具有多重有源层部106，作成可抑制不纯物扩散的影响的长寿命元件。又，在着眼于电流密度高的激光元件的结构中，会在p型包覆层侧设置超晶格障壁层，但在电流密度低的LED等中，与上述激光元件不同，利用在相反侧的多重有源层部106与n型包覆层104之间设置超晶格障壁层105，可有效地抑制溢流。
又，单纯仅设置超晶格障壁层105，特别在低温时等的情况，VF(顺向电压)会上升。因此，对于多重有源层部106的障壁层106B、106C，障壁层106C是以能带隙比障壁层106B低的材料来构成。利用作成这样的不均匀障壁层，可增加p型载子在障壁层的跳跃机率，而增加p-n接面附近的p型载子滞留机率。因此，可使n型、p型两者的载子均匀分布于有源层中，而可有效地降低VF。
作为用于制造本发明的发光元件10的化合物半导体基板100，例如可设置：n型GaP基板101(厚度30～150μm，掺杂浓度5×1017/cm3～5×1018/cm3)作为第一层部；n型InGaP缓冲层102(厚度10～100nm，0.5<x<0.9，掺杂浓度1×1018/cm3～1×1019/cm3)作为第二层部；以及n型AlGaInP层103((AlxGa1-x)yIn1-yP(0.5≤x≤0.7，0.45≤y≤0.55)，厚度0.1～1.5μm，掺杂浓度1×1017/cm3～1×1018/cm3)作为第三层部。
并且，可在第四层部上设置：例如n型AlGaInP层((AlxGa1-x)yIn1-yP(0.6≤x≤1，0.45≤y≤0.55)，厚度0.5～1.5μm，掺杂浓度1×1017/cm3～1×1018/cm3)作为n型包覆层104。
又，可在第七层部上设置：例如p型AlGaInP层((AlxGa1-x)yIn1-yP(0.5≤x≤0.7，0.45≤y≤0.55)，厚度0.1～1.5μm，掺杂浓度5×1015/cm3～1×1018/cm3)作为p型包覆层107。
进而，可设置：p型AlGaInP层108((AlxGa1-x)yIn1-yP(0.5≤x≤1，0.45≤y≤0.55)，厚度0.1～1.5μm，掺杂浓度5×1016/cm3～3×1018/cm3)作为第八层部；p型InGaP缓冲层109(GayIn1-yP(0.45≤y<1)，厚度0.001～0.5μm，掺杂浓度3×1017/cm3～3×1019/cm3)作为第九层部；p型GaP窗层110(厚度30～150μm，掺杂浓度5×1017/cm3～5×1018/cm3)作为第十层部。
又，如图2所示的第六层部的多重有源层部106，是由3层以上的有源层106A与2层以上的障壁层106B、106C所构成，所述障壁层106B、106C被设置于有源层106A之间且如图3所示具有比有源层106A更大的能带隙。此有源层106A与障壁层106B、106C交互积层，且有源层106A被设置成与p型包覆层107和超晶格障壁层105邻接。此外，图3是多重有源层部的能带排列(band line up)。
而且，本发明中，例如利用将障壁层106B的构成作成Al0.85GaInP，并将障壁层106C的构成作成Al0.60GaInP，可如图3所示，作出一种多重有源层部106，其靠近p型包覆层107侧的障壁层106C的能带隙，比靠近n型包覆层104侧的障壁层106B的能带隙小。
多重有源层部106的结构中，作为有源层106A与障壁层106B、106C的膜厚，优选是15～150nm。
例如在形成n型GaP基板101或p型GaP窗层110时，需要使层102～层109成长时以上的温度与时间。若多重有源层部106的各层的厚度在15nm以上，即使暴露在上述般形成n型GaP基板101或p型GaP窗层110时的大量热能下，也能抑制p型掺杂物扩散至有源层而造成光寿命特性恶化的情况。又，若厚度在150nm以下，可减低有源层106本身的光吸收而可防止光输出降低。
这样一来，以10nm以上的膜厚来构成障壁层106B、106C的情况，在先前技术中会有VF上升的问题。VF上升的原因在于等效质量较大的p型载子，由于载子不易越过障壁层106C，因而导致VF上升。然而，如本发明，利用作出一种多重有源层部106，其靠近p型包覆层107侧的障壁层106C的能带隙比靠近n型包覆层104侧的障壁层106B的能带隙小，可有效地抑制这种VF上升。
又，对于多重有源层部106，也可不必进行积极的掺杂，但由于在形成n型GaP基板101或p型GaP窗层110的过程中，p型掺杂物会扩散而存在，故有时会有1×1017/cm3以下浓度的p型掺杂物Mg或Zn存在。
本发明中，第五层部的超晶格障壁层105，例如图4所示的超晶格障壁层，此超晶格障壁层是由(AlxGa1-x)yIn1-yP(0≤x≤1，0.4≤y≤0.6)和/或AlzGa1-zAs(0≤z≤1)所组成的能带隙不同的层105A、105B彼此交互积层而成。在此情况下，如图5所示，可将超晶格障壁层105的其中一方的层105A的能带隙制作成比另一方的层105B更小的能带隙。此外，图4是表示超晶格障壁层的概略图，而图5是超晶格障壁层的能带排列。
此时，超晶格障壁层105，优选是由能带隙不同且厚度在15nm以下的层彼此交互积层而成。
将膜厚设定为15nm以下，是为了根据超晶格作成来形成小能带。超晶格障壁层105，具有以德布罗意波长15nm以下的膜厚所形成的交互积层结构，而为了形成小能带，具有比构成材料中的最低能带隙更大的能带隙。因此，根据将膜厚制作成15nm以下，可进行构成材料以上的能带隙设计。
又，层105B的能带隙，优选是由能带隙大于n型包覆层104的材料所组成。
配合小能带形成的想法，也可用能带隙小于n型包覆层104的材料来形成层105B。但是，若考虑到提高n导电型侧的障壁，则更佳是由层105B的能带隙大于n型包覆层104的能带隙的材料所组成。
又，层105A的能带隙，优选是与有源层106A的能带隙在同等程度以上。
若是这种层105A的能带隙，则不易成为光的吸收层。由于这种光吸收特别是在膜厚较厚的情况下会显著发生，若能带隙小的层105A的膜厚与有源层106A为同程度的膜厚，则光吸收的影响可以被容许，但这样的方法在设计上较不佳。因此，层105A，优选是具有使能带隙大于有源层106A的构成，特别是具有使能带隙在n型包覆层104以上的构成。
从这点看来，例如在n型包覆层104是以Al0.85GaInP所组成的情况下，层105B适合为AlInP，而层105A适合由Al0.85GaInP所组成。
又，本实施方式的超晶格障壁层105的掺杂浓度，优选是低于n型包覆层104，例如制作成1×1016/cm3～8×1017/cm3。
若是上述掺杂浓度，可充分地降低有源层附近的离子化不纯物，所述离子化不纯物会成为载子捕捉(carrier trap)的重要原因而使输出降低，进而，上述掺杂浓度可抑制载子在超晶格障壁层105处被捕捉的情况。
继而，说明关于本发明的第2实施方式。第2实施方式中，与第1实施方式不同之处在于n型包覆层中具有超晶格障壁层。
图6(a)是表示本发明的第2实施方式的发光元件的概略图，而图6(b)是表示用于制造所述发光元件的化合物半导体基板的概略图。图7是表示多重有源层部的概略图，而图8是多重有源层部的能带排列。图9是表示超晶格障壁层的概略图，而图10是超晶格障壁层的能带排列。
如图6(a)所示，本发明的发光元件20，是例如由化合物半导体基板200与形成于化合物半导体基板200的表面上的电极21所构成。
而且，图6(b)所示的化合物半导体基板200中，包含p型包覆层208、n型包覆层204在内的各层201－204、208－211，可制作成与第1实施方式的化合物半导体基板100的各层101－104、107－110相同。
图6(b)所示的化合物半导体基板200中，关于图7所示的多重有源层部207的有源层207A与障壁层207B、207C，也可作成与第1实施方式的多重有源层部106的有源层106A与障壁层106B、106C相同。
因此，形成一种结构，此结构中的靠近p型包覆层208侧的障壁层207C的能带隙小于靠近n型包覆层204侧的障壁层207B的能带隙，而成为如图8所示的能带排列。由此可缩小VF。
图6(b)所示的化合物半导体基板200中，关于图9所示的n型包覆层204、206中所设置的超晶格障壁层205的层205A、205B，也可作成与第1实施方式的超晶格障壁层105的层105A、105B相同，且这些图9所示的层205A、205B，可作成如图10所示的能带排列。但是，第2实施方式中，如以下所说明，由于在n型包覆层204、206中具有超晶格障壁层205，故能够在更广的范围中设定超晶格障壁层205的掺杂浓度范围。
第2实施方式中也可根据设置于n型包覆层204、206中的超晶格障壁层205来抑制溢流。
而且，如图6(b)所示的本发明的第2实施方式中，化合物半导体基板200，在多重有源层部207与超晶格障壁层205之间设有内侧n型包覆层206。作为此n型包覆层206，例如优选是制作成以相较于外侧n型包覆层204为较低浓度来进行掺杂而成的n型AlGaInP层((AlxGa1-x)yIn1-yP(0.6≤x≤1，0.45≤y≤0.55)，厚度0.5～1.5μm，掺杂浓度1×1016/cm3～5×1017/cm3)。在此情况下，超晶格障壁层205，被设置于n型包覆层的掺杂均匀层与掺杂减少层的边界附近。
利用具有这种内侧n型包覆层206，便不需要考虑由离子化的不纯物所造成的载子捕捉的影响，因此超晶格障壁层205的掺杂浓度可作成与外侧n型包覆层204同等的浓度，而可在1×1017/cm3～1×1018/cm3的范围中进行设定。
又，在n型包覆层206是0.5μm以下的厚度的薄膜的情况下，为了确实地消除离子化的不纯物的影响，可将超晶格障壁层205的掺杂浓度作成比n型包覆层204的掺杂浓度更少，或是也可使掺杂浓度自超晶格障壁层205的n型包覆层204界面朝向n型包覆层206界面呈倾斜状或阶梯状变化。
作为上述本发明的发光元件的制造方法，并未特别限定于任何方法，但例如有以下的方法。
首先，准备n型GaAs基板作为成长用单结晶基板，然后根据MOCVD法，在所述GaAs基板上气相成长以下各层：n型InGaP缓冲层、n型包覆层、超晶格障壁层、多重有源层部、p型包覆层等。然后，根据HVPE法掺杂Zn并气相成长最表层的p型GaP窗层，然后，除去GaAs基板。由此露出n型InGaP缓冲层。
然后，在因除去GaAs基板而露出的n型InGaP缓冲层的表面上，贴附n型GaP基板或者根据使用HVPE法的气相成长来形成n型GaP层，由此可得到化合物半导体基板。
根据上述MOCVD法或HVPE法来进行气相成长时，使用一般的条件即可。
在如此得到的化合物半导体基板上形成电极，并将所述化合物半导体基板切断而加工成晶片后，得到本发明的发光元件。
[实施例]
以下，表示实施例及比较例来更具体地说明本发明，但本发明并非限定于这些实施例。
(实施例1、2)
作为实施例1，制作出图1所示的本发明的第1实施方式的发光元件10。又，作为实施例2，制作出图6所示的本发明的第2实施方式的发光元件20。
实施例1、2中，均将多重有源层部106、207的障壁层106B、207B的组成设为Al0.85GaInP，并将障壁层106C、207C的组成设为Al0.60GaInP。由此，使靠近p型包覆层侧的障壁层的能带隙比靠近n型包覆层侧的障壁层的能带隙更小。
又，实施例1、2中，超晶格障壁层105、205，均将层105A、205A作成膜厚15nm的高Al能带隙层材料(AlInP层)，且均将层105B、205B作成膜厚15nm的低能带隙层材料(Al0.85GaInP)，并将这些层的交互积层反复进行20次而形成。
以下进行这种发光元件的特性评价。表1中表示流过20mA电流所需的电压(VF)与光输出(PO)。
(比较例)
与实施例1同样地制作出发光元件，但是在比较例的发光元件中不设置超晶格障壁层105。
进行这种发光元件的特性评价并将结果表示于表1。
表1
| VF20mA[V] | PO20mA[mW] | |
| 实施例1 | 2.05 | 3.86 |
| 实施例2 | 2.07 | 3.78 |
| 比较例 | 2.04 | 3.48 |
如表1所示，20mA通电时的VF值在比较例及实施例1、2之间没有太大的差异，又，可确认到实施例1、2这边的光输出(PO)上升的情况。
此外，虽然实施例1、2中将超晶格障壁层的各层膜厚作成15nm，但可根据将膜厚作成更薄而使次能带(subband)的形成能阶变化至更高能量侧，而可取得更大的障壁。由于次能带设计可利用低能带隙层与高能带隙层的膜厚来适当地设计，在本质上两者的膜厚当然不必相同。
(实施例3、4)
作为实施例3，制作出图1所示的本发明的第1实施方式的发光元件10。又，作为实施例4，制作出图6所示的本发明的第2实施方式的发光元件20。
实施例3、4中，均将多重有源层部106、207的障壁层106B、207B的组成设为Al0.85GaInP，并将障壁层106C、207C的组成设成Al0.60GaInP。由此，使靠近p型包覆层侧的障壁层的能带隙比靠近n型包覆层侧的障壁层的能带隙更小。
又，实施例3、4中，超晶格障壁层105、205，均将层105A、205A作成膜厚15nm的高Al能带隙层材料(AlInP层)，且均将层105B、205B作成膜厚15nm的低能带隙层材料(GaInP)，并将这些层的交互积层反复进行20次而形成。
进行这种发光元件的特性评价，并将结果表示于表2。作为参考也表示比较例的结果。
表2
| VF20mA[V] | PO20mA[mW] | |
| 实施例3 | 2.07 | 3.62 |
| 实施例4 | 2.02 | 3.55 |
| 比较例 | 2.04 | 3.48 |
与实施例1、2同样地，相较于比较例，在VF值上几乎没有差异。又，实施例3、4中也确认到光输出(PO)上升的情况。但是，相较于实施例1、2，实施例3、4的光输出上升程度较低。此原因被认为是由于在具有小于有源层的能带隙的GaInP层部发生光吸收，而使实施例3、4的光输出低于实施例1、2。但是，即使发生光吸收也不会损及超晶格障壁层的效果，而使实施例3、4的光输出高于比较例。
(实施例5、6)
作为实施例5，制作出图1所示的本发明的第1实施方式的发光元件10。又，作为实施例6，制作出图6所示的本发明的第2实施方式的发光元件20。
实施例5、6中，均将多重有源层部106、207的障壁层106B、207B的组成设为Al0.85GaInP，并将障壁层106C、207C的组成设为Al0.60GaInP。由此，使靠近p型包覆层侧的障壁层的能带隙比靠近n型包覆层侧的障壁层的能带隙更小。
又，实施例5、6中，超晶格障壁层105、205，均将层105A、205A作成膜厚15nm的高Al能带隙层材料(AlInP层)，且均将层105B、205B作成膜厚15nm的低能带隙层材料(Al0.3Ga0.7As)，并将这些层的交互积层反复进行20次而形成。
进行这种发光元件的特性评价，并将结果表示于表3。作为参考也表示比较例的结果。
表3
| VF20mA[V] | PO20mA[mW] | |
| 实施例5 | 2.08 | 3.71 |
| 实施例6 | 2.06 | 3.79 |
| 比较例 | 2.04 | 3.48 |
与实施例1、2同样地，相较于比较例，在VF值上几乎没有改变。又，实施例5、6中也确认到光输出上升的情况。
此外，本发明并不限定于上述实施方式。上述实施方式仅为例示，任何具有与本发明的权利要求书所述的技术性思想为实质上相同的构成且发挥相同作用效果的实施方式，也包含于本发明的技术性范围中。
Claims (4)
1.一种发光元件，其是使用化合物半导体基板而制造出来的发光元件，所述化合物半导体基板至少具有p型包覆层、多重有源层部及n型包覆层，所述多重有源层部是由以(AlxGa1-x)yIn1-yP(0≤x≤0.6，0.4≤y≤0.6)所组成的3层以上的有源层和2层以上的障壁层交互积层而成，且所述障壁层的Al含有率x高于该有源层，并且，所述发光元件的特征在于：
前述障壁层中，相较于靠近前述n型包覆层侧的障壁层，靠近前述p型包覆层侧的障壁层的能带隙较小，且前述化合物半导体基板是在前述多重有源层部与前述n型包覆层之间或是在前述n型包覆层中具有超晶格障壁层的基板。
2.如权利要求1所述的发光元件，其中，前述超晶格障壁层，是由以(AlxGa1-x)yIn1-yP(0≤x≤1，0.4≤y≤0.6)和/或AlzGa1-zAs(0≤z≤1)所组成的能带隙不同的层彼此交互积层而成。
3.如权利要求1或2所述的发光元件，其中，前述超晶格障壁层，是由能带隙不同且厚度在15nm以下的层彼此交互积层而成。
4.如权利要求1至3中的任一项所述的发光元件，其中，前述超晶格障壁层，与前述多重有源层部邻接而形成。
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