JP2000058906A - 発光素子 - Google Patents
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Classifications
-
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- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L33/00—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
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- H01L33/26—Materials of the light emitting region
- H01L33/30—Materials of the light emitting region containing only elements of Group III and Group V of the Periodic Table
-
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- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
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Abstract
(57)【要約】
【課題】ＡｌＧａＩｎＰ活性領域を有する発光素子の発
光効率を最適化する。 【解決手段】発光素子は第１導電型を有する半導体基板
上に、全吸光度を有する素子層を形成する。素子層は基
板上に形成された第１導電型ＡｌＧａＩｎＰ合金下部閉
じ込め層（１４Ａ）と、下部閉じ込め層上に形成された
０．２未満の吸光度を有するＡｌＧａＩｎＰ活性領域
（１２）と、活性領域上に形成された第２導電型ＡｌＧ
ａＩｎＰ合金上部閉じ込め層（１４Ｂ）とを含む。活性
領域（１２）の吸光度は少なくとも全吸光度の５分の１
である。所望により活性層と閉じ込め層の間に阻止層を
挿入して特性の改善がなされる。
光効率を最適化する。 【解決手段】発光素子は第１導電型を有する半導体基板
上に、全吸光度を有する素子層を形成する。素子層は基
板上に形成された第１導電型ＡｌＧａＩｎＰ合金下部閉
じ込め層（１４Ａ）と、下部閉じ込め層上に形成された
０．２未満の吸光度を有するＡｌＧａＩｎＰ活性領域
（１２）と、活性領域上に形成された第２導電型ＡｌＧ
ａＩｎＰ合金上部閉じ込め層（１４Ｂ）とを含む。活性
領域（１２）の吸光度は少なくとも全吸光度の５分の１
である。所望により活性層と閉じ込め層の間に阻止層を
挿入して特性の改善がなされる。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、活性層と活性層にキャ
リアを注入するｐ−ｎ接合とを形成するためにＡｌＧａ
ＩｎＰ化合物半導体層を使用して基板上に形成された半
導体発光素子に関し、活性層およびその他の構成層の厚
さを発光効率が最適化されるように選択した半導体発光
素子に関する。
リアを注入するｐ−ｎ接合とを形成するためにＡｌＧａ
ＩｎＰ化合物半導体層を使用して基板上に形成された半
導体発光素子に関し、活性層およびその他の構成層の厚
さを発光効率が最適化されるように選択した半導体発光
素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】発光ダイオード（ＬＥＤ）は、電力消費
が少なく小型でかつ高信頼性を要求する数多くの用途で
広く受け入れられている。黄緑から赤色領域までの可視
スペクトル領域で光を放射するエネルギー効率の良いダ
イオードは、ＡｌＧａＩｎＰ合金から形成された活性層
を含有している。図１で示すように従来のＡｌＧａＩｎ
Ｐ ＬＥＤは、下部接点と上部接点間にＧａＡｓ等の半
導体基板と、下部閉じ込め層と、活性層と、上部閉じ込
め層とを含んでおり、これらの全ては、「ダブルへテロ
構造」を形成するように配置され、続いて所望により窓
層が配置される。閉じ込め層は透明な半導体からできて
おり、再結合して光の放射を行なう活性層中の電子―正
孔対の割合として定義されたＬＥＤの「内部量子効率」
を向上させる。窓層もまた透明半導体であって、活性層
全体に亘って電流の広がりを増大し、またダイオードの
内部量子効率を向上させる。
が少なく小型でかつ高信頼性を要求する数多くの用途で
広く受け入れられている。黄緑から赤色領域までの可視
スペクトル領域で光を放射するエネルギー効率の良いダ
イオードは、ＡｌＧａＩｎＰ合金から形成された活性層
を含有している。図１で示すように従来のＡｌＧａＩｎ
Ｐ ＬＥＤは、下部接点と上部接点間にＧａＡｓ等の半
導体基板と、下部閉じ込め層と、活性層と、上部閉じ込
め層とを含んでおり、これらの全ては、「ダブルへテロ
構造」を形成するように配置され、続いて所望により窓
層が配置される。閉じ込め層は透明な半導体からできて
おり、再結合して光の放射を行なう活性層中の電子―正
孔対の割合として定義されたＬＥＤの「内部量子効率」
を向上させる。窓層もまた透明半導体であって、活性層
全体に亘って電流の広がりを増大し、またダイオードの
内部量子効率を向上させる。
【０００３】ＡｌＧａＩｎＰ ＬＥＤの内部量子効率
は、とりわけ活性層の厚さおよび活性層の合金組成（放
射光の色を決定する）、ならびに閉じ込め層の合金組成
に依存する。図２の曲線ａは、活性層の厚さが変化する
時の吸収基板ＡｌＧａＩｎＰＬＥＤの内部量子効率の変
化を示す。ＬＥＤの効率は、活性層中で電子または正孔
（少数キャリアの種類は問わない）が発光しながら再結
合する程度に依存する。閉じ込め層の合金組成およびド
ーピング濃度は、活性層と閉じ込め層との間にポテンシ
ャルエネルギー障壁を生成するように選択する。注入さ
れた少数キャリアのうちの比較的少数が障壁を乗り越え
られる程度に十分な運動エネルギーをもち、活性層の外
に拡散する。従って、活性層の厚さが少数キャリアの拡
散長よりも短い場合、（素子に定電流が流れていれば）
閉じ込め層が存在することによって少数キャリア濃度が
増大する。このことによって、キャリアが発光しながら
再結合する割合がキャリア濃度と共に増大するため、内
部量子効率が増大する結果となる。活性層の厚さが拡散
長よりも大きくなると、閉じ込め層がキャリア濃度を増
大させることはないため、内部量子効率が減少する。
は、とりわけ活性層の厚さおよび活性層の合金組成（放
射光の色を決定する）、ならびに閉じ込め層の合金組成
に依存する。図２の曲線ａは、活性層の厚さが変化する
時の吸収基板ＡｌＧａＩｎＰＬＥＤの内部量子効率の変
化を示す。ＬＥＤの効率は、活性層中で電子または正孔
（少数キャリアの種類は問わない）が発光しながら再結
合する程度に依存する。閉じ込め層の合金組成およびド
ーピング濃度は、活性層と閉じ込め層との間にポテンシ
ャルエネルギー障壁を生成するように選択する。注入さ
れた少数キャリアのうちの比較的少数が障壁を乗り越え
られる程度に十分な運動エネルギーをもち、活性層の外
に拡散する。従って、活性層の厚さが少数キャリアの拡
散長よりも短い場合、（素子に定電流が流れていれば）
閉じ込め層が存在することによって少数キャリア濃度が
増大する。このことによって、キャリアが発光しながら
再結合する割合がキャリア濃度と共に増大するため、内
部量子効率が増大する結果となる。活性層の厚さが拡散
長よりも大きくなると、閉じ込め層がキャリア濃度を増
大させることはないため、内部量子効率が減少する。
【０００４】閉じ込め層の組成は、ＡｌＧａＩｎＰ物質
系で閉じ込めエネルギーを最大にするように選択する
が、このエネルギーは、十分な大きさではないため、活
性層の外へキャリアが「リーク」することを完全に防ぐ
ことはできない。閉じ込め層に利用される広禁制帯幅合
金（（ＡｌxＧａ1-x）0.5Ｉｎ0.5Ｐ、ｘ＞０．５５）に
おいては、非発光再結合が高い割合で起こるため、活性
層の外へリークしたキャリアは本質的には失われ、ＬＥ
Ｄの内部量子効率は悪化する。リークキャリアの大きさ
は、活性層およびこれに隣接する層の合金組成、ならび
にその組成から生じるこれらの層の禁制帯幅の差を用い
て求められる。従って、禁制帯幅を広くした活性層を使
用して波長５９０ｎｍの光を発生すると、ＬＥＤのその
他の条件は全て同じでも、キャリア閉じ込めは、活性層
で波長６３０ｎｍの光を発生する場合よりも悪くなる。
当業者ならば、ＬＥＤが１波長だけの光を放射するわけ
ではないことに気付くであろう。ＬＥＤの波長は、最大
光量子放出点で定義される。その上キャリアが活性層か
ら脱出する割合は、活性層と閉じ込め層との間の界面に
位置するキャリアの濃度に関係する。この濃度は、活性
層の厚さが増大するにつれて減少する。これら２つの影
響（リークキャリアおよびキャリア濃度）を合わせて解
釈すると、内部量子効率が最大になる活性層の厚さは、
放射される光の色と共に変ることになる。これは、図２
の曲線ｂで図示されており、図２の曲線ｂは、短い方の
波長で発光する第２ＡｌＧａＩｎＰ ＬＥＤの内部量子
効率を、活性層の厚さの関数として示している。閉じ込
めエネルギーが小さくなるために、最適な活性層はより
厚くなる。
系で閉じ込めエネルギーを最大にするように選択する
が、このエネルギーは、十分な大きさではないため、活
性層の外へキャリアが「リーク」することを完全に防ぐ
ことはできない。閉じ込め層に利用される広禁制帯幅合
金（（ＡｌxＧａ1-x）0.5Ｉｎ0.5Ｐ、ｘ＞０．５５）に
おいては、非発光再結合が高い割合で起こるため、活性
層の外へリークしたキャリアは本質的には失われ、ＬＥ
Ｄの内部量子効率は悪化する。リークキャリアの大きさ
は、活性層およびこれに隣接する層の合金組成、ならび
にその組成から生じるこれらの層の禁制帯幅の差を用い
て求められる。従って、禁制帯幅を広くした活性層を使
用して波長５９０ｎｍの光を発生すると、ＬＥＤのその
他の条件は全て同じでも、キャリア閉じ込めは、活性層
で波長６３０ｎｍの光を発生する場合よりも悪くなる。
当業者ならば、ＬＥＤが１波長だけの光を放射するわけ
ではないことに気付くであろう。ＬＥＤの波長は、最大
光量子放出点で定義される。その上キャリアが活性層か
ら脱出する割合は、活性層と閉じ込め層との間の界面に
位置するキャリアの濃度に関係する。この濃度は、活性
層の厚さが増大するにつれて減少する。これら２つの影
響（リークキャリアおよびキャリア濃度）を合わせて解
釈すると、内部量子効率が最大になる活性層の厚さは、
放射される光の色と共に変ることになる。これは、図２
の曲線ｂで図示されており、図２の曲線ｂは、短い方の
波長で発光する第２ＡｌＧａＩｎＰ ＬＥＤの内部量子
効率を、活性層の厚さの関数として示している。閉じ込
めエネルギーが小さくなるために、最適な活性層はより
厚くなる。
【０００５】米国特許第５，１５３，８８９号の明細書
において、Sugawara等は、吸収基板ＡｌＧａＩｎＰ Ｌ
ＥＤの活性層が注入された少数キャリアの拡散長よりも
厚い場合、ダブルへテロ構造により活性層内に電子およ
び正孔をさらに閉じ込めることはできないという事実を
示している。一方、活性層が薄すぎる場合（発明者等に
よると１５０ｎｍ未満の場合）、活性層内のキャリア密
度が高くなり、それらの実質部分が閉じ込め層の中に脱
出する。正味の正孔濃度約５×１０16ｃｍ-3を有するｐ
型活性層、および正味の正孔濃度約５×１０17ｃｍ-3を
有する組成（Ａｌ0.7Ｇａ0.3）0.5Ｉｎ0.5Ｐの上部閉じ
込め層に対して、最適な活性層の厚さは、１５０乃至７
５０ｎｍであると明示されている。米国特許第５，７１
０，４４０号明細書では、Okagawa等が、吸収基板ＬＥ
Ｄについて、正味の正孔濃度約３×１０17ｃｍ-3を有す
る（Ａｌ0.7Ｇａ0.3）0.5Ｉｎ0.5Ｐ上部閉じ込め層を用
いると、最適な活性層の厚さは、１．１乃至１．３μｍ
の範囲であることを示している。
において、Sugawara等は、吸収基板ＡｌＧａＩｎＰ Ｌ
ＥＤの活性層が注入された少数キャリアの拡散長よりも
厚い場合、ダブルへテロ構造により活性層内に電子およ
び正孔をさらに閉じ込めることはできないという事実を
示している。一方、活性層が薄すぎる場合（発明者等に
よると１５０ｎｍ未満の場合）、活性層内のキャリア密
度が高くなり、それらの実質部分が閉じ込め層の中に脱
出する。正味の正孔濃度約５×１０16ｃｍ-3を有するｐ
型活性層、および正味の正孔濃度約５×１０17ｃｍ-3を
有する組成（Ａｌ0.7Ｇａ0.3）0.5Ｉｎ0.5Ｐの上部閉じ
込め層に対して、最適な活性層の厚さは、１５０乃至７
５０ｎｍであると明示されている。米国特許第５，７１
０，４４０号明細書では、Okagawa等が、吸収基板ＬＥ
Ｄについて、正味の正孔濃度約３×１０17ｃｍ-3を有す
る（Ａｌ0.7Ｇａ0.3）0.5Ｉｎ0.5Ｐ上部閉じ込め層を用
いると、最適な活性層の厚さは、１．１乃至１．３μｍ
の範囲であることを示している。
【０００６】特に短波長発光型ＬＥＤに関して、内部量
子効率を改善することができる別の方法は、多重量子井
戸（ＭＱＷ）構造を用いる方法である。これらの素子で
は、発光ＡｌＧａＩｎＰから成る複数（通常５層以上）
の薄膜量子井戸活性層（単に「井戸」とも呼ばれる）の
中で発光が起きており、これらの薄膜量子井戸活性層
は、可視光に対し透明で活性層とは別の合金組成のＡｌ
ＧａＩｎＰから成る複数の「障壁」層の間に位置してい
る。活性領域は、１つ以上の発光層から成る。ＭＱＷ構
造では、光学的に透明で活性層よりも広い禁制帯幅を有
する障壁層が活性層を分離している。活性領域の厚さの
合計は、全ての活性層（井戸）および障壁層の厚さの和
である。活性層の厚さの合計は、個々の発光活性層（井
戸）全ての厚さの和である。単一発光層素子について
は、活性層と活性領域の厚さは同一である。量子井戸
（ここではキャリアが量子サイズ効果を示す）を形成す
るため、井戸の厚さは、２０ｎｍ未満でなければなら
ず、これは、ＡｌＧａＩｎＰの中の熱電子の波動関数の
有効質量近似での概算の長さである。正確な厚さは、量
子井戸および障壁層の合金組成に依存する。薄膜量子井
戸の外にリークしたキャリアが第２井戸、第３井戸、第
４等井戸等々他の井戸で再結合することができれば、Ｌ
ＥＤの内部量子効率は改善される。この理由は、量子井
戸ＬＥＤが通常、活性領域中に数十個の井戸を有するか
らである。更に、井戸の合計厚さは、光が障壁から放射
されないため、活性層の厚さとして説明される。米国特
許第５，４１０，１５９号の明細書において、Sugawara
等は、効率の高い吸収基板ＬＥＤを製作するための井戸
の厚さおよび井戸の数の最適組み合わせを決定する方法
を開示している。彼らは、合金組成（Ａｌ0.3Ｇａ0.7）
0.5Ｉｎ0.5Ｐを有する４０個の５ｎｍ厚の井戸（活性層
の合計厚さ２００ｎｍ）を利用して、駆動電流２０ｍ
Ａ、発光波長５７５ｎｍで、外部量子効率約２．７％を
得た。また、ファング（Ｈｕａｎｇ）等は、米国特許第
５，６６１，７４２号の明細書においてＭＱＷ活性領域
の使用を開示しているが、発明者等は得られた外部量子
効率を明示していない。
子効率を改善することができる別の方法は、多重量子井
戸（ＭＱＷ）構造を用いる方法である。これらの素子で
は、発光ＡｌＧａＩｎＰから成る複数（通常５層以上）
の薄膜量子井戸活性層（単に「井戸」とも呼ばれる）の
中で発光が起きており、これらの薄膜量子井戸活性層
は、可視光に対し透明で活性層とは別の合金組成のＡｌ
ＧａＩｎＰから成る複数の「障壁」層の間に位置してい
る。活性領域は、１つ以上の発光層から成る。ＭＱＷ構
造では、光学的に透明で活性層よりも広い禁制帯幅を有
する障壁層が活性層を分離している。活性領域の厚さの
合計は、全ての活性層（井戸）および障壁層の厚さの和
である。活性層の厚さの合計は、個々の発光活性層（井
戸）全ての厚さの和である。単一発光層素子について
は、活性層と活性領域の厚さは同一である。量子井戸
（ここではキャリアが量子サイズ効果を示す）を形成す
るため、井戸の厚さは、２０ｎｍ未満でなければなら
ず、これは、ＡｌＧａＩｎＰの中の熱電子の波動関数の
有効質量近似での概算の長さである。正確な厚さは、量
子井戸および障壁層の合金組成に依存する。薄膜量子井
戸の外にリークしたキャリアが第２井戸、第３井戸、第
４等井戸等々他の井戸で再結合することができれば、Ｌ
ＥＤの内部量子効率は改善される。この理由は、量子井
戸ＬＥＤが通常、活性領域中に数十個の井戸を有するか
らである。更に、井戸の合計厚さは、光が障壁から放射
されないため、活性層の厚さとして説明される。米国特
許第５，４１０，１５９号の明細書において、Sugawara
等は、効率の高い吸収基板ＬＥＤを製作するための井戸
の厚さおよび井戸の数の最適組み合わせを決定する方法
を開示している。彼らは、合金組成（Ａｌ0.3Ｇａ0.7）
0.5Ｉｎ0.5Ｐを有する４０個の５ｎｍ厚の井戸（活性層
の合計厚さ２００ｎｍ）を利用して、駆動電流２０ｍ
Ａ、発光波長５７５ｎｍで、外部量子効率約２．７％を
得た。また、ファング（Ｈｕａｎｇ）等は、米国特許第
５，６６１，７４２号の明細書においてＭＱＷ活性領域
の使用を開示しているが、発明者等は得られた外部量子
効率を明示していない。
【０００７】内部量子効率は、ＬＥＤの「外部量子効
率」を決定する一因子であり、接点を介してＬＥＤに入
り込む電子の数に対するＬＥＤを脱出する光量子の数の
比として定義される。別の因子は「光取り出し効率」で
あり、活性層内で生成された光量子のうちＬＥＤ半導体
表面から脱出してその周囲の物質に入り込む部分の割合
として定義される。光学窓層は、より多くの光が半導体
物質を脱出できるようにすることによって、光取り出し
効率を向上させている。ＬＥＤの光取り出し効率は、吸
収基板（ＡＳ）よりも透明基板（ＴＳ）上に下部閉じ込
め層を成長させるか、あるいは透明基板に下部閉じ込め
層を機械的に結合させるかの何れかによって、かなり改
善することができる。ＴＳ―ＡｌＧａＩｎＰ ＬＥＤの
光取り出し効率は、ＡＳ―ＡｌＧａＩｎＰ ＬＥＤの約
２倍の高さにすることが可能であり、このことによって
ＬＥＤの外部量子効率を約２倍に改善する。
率」を決定する一因子であり、接点を介してＬＥＤに入
り込む電子の数に対するＬＥＤを脱出する光量子の数の
比として定義される。別の因子は「光取り出し効率」で
あり、活性層内で生成された光量子のうちＬＥＤ半導体
表面から脱出してその周囲の物質に入り込む部分の割合
として定義される。光学窓層は、より多くの光が半導体
物質を脱出できるようにすることによって、光取り出し
効率を向上させている。ＬＥＤの光取り出し効率は、吸
収基板（ＡＳ）よりも透明基板（ＴＳ）上に下部閉じ込
め層を成長させるか、あるいは透明基板に下部閉じ込め
層を機械的に結合させるかの何れかによって、かなり改
善することができる。ＴＳ―ＡｌＧａＩｎＰ ＬＥＤの
光取り出し効率は、ＡＳ―ＡｌＧａＩｎＰ ＬＥＤの約
２倍の高さにすることが可能であり、このことによって
ＬＥＤの外部量子効率を約２倍に改善する。
【０００８】透明基板ＬＥＤ（ＴＳ−ＬＥＤ）の光取り
出し効率は、発光層と同等またはこれより小さい禁制帯
幅を有する何らかの層がＬＥＤ中に存在することによっ
て減少する。これは、活性層によって放射された光の一
部が吸収層を通過してからＬＥＤを脱出することに因
る。通常、全てがそうというわけではないが、吸収層
は、（ＡｌxＧａ1-x）0.5Ｉｎ0.5Ｐ（ｘ＜０．５５）合
金から形成されているか、あるいは、ＡｌyＧａ1-yＡｓ
およびそれと同族の合金から形成される。これらの層
は、活性層と窓層との間と、下部閉じ込め層と基板との
間とに位置させることができる。これらの吸収層は、活
性層内の転位またはその他の欠陥の数を減少させるとの
理由で組み込まれていたり、あるいは、ＬＥＤの製造工
程を単純化するために使用される。また別の影響は、ヘ
テロ界面でのバンド・オフセットを減少していることで
あり、このことによって、特定電流をダイオードに流す
ために接点に印加しなければならない電圧は低減され
る。吸収層は、波長の長い光よりも波長の短い光を効果
的に吸収する傾向があり、５９０ｎｍ波長で発光するＬ
ＥＤは、吸収層があることによって、６４０ｎｍで発光
するＬＥＤよりも大きな性能低下を受ける。
出し効率は、発光層と同等またはこれより小さい禁制帯
幅を有する何らかの層がＬＥＤ中に存在することによっ
て減少する。これは、活性層によって放射された光の一
部が吸収層を通過してからＬＥＤを脱出することに因
る。通常、全てがそうというわけではないが、吸収層
は、（ＡｌxＧａ1-x）0.5Ｉｎ0.5Ｐ（ｘ＜０．５５）合
金から形成されているか、あるいは、ＡｌyＧａ1-yＡｓ
およびそれと同族の合金から形成される。これらの層
は、活性層と窓層との間と、下部閉じ込め層と基板との
間とに位置させることができる。これらの吸収層は、活
性層内の転位またはその他の欠陥の数を減少させるとの
理由で組み込まれていたり、あるいは、ＬＥＤの製造工
程を単純化するために使用される。また別の影響は、ヘ
テロ界面でのバンド・オフセットを減少していることで
あり、このことによって、特定電流をダイオードに流す
ために接点に印加しなければならない電圧は低減され
る。吸収層は、波長の長い光よりも波長の短い光を効果
的に吸収する傾向があり、５９０ｎｍ波長で発光するＬ
ＥＤは、吸収層があることによって、６４０ｎｍで発光
するＬＥＤよりも大きな性能低下を受ける。
【０００９】また、活性領域内での吸収により、光取り
出し効率が減少する。図３は、透明基板ＡｌＧａＩｎＰ
ＬＥＤを透過する光の概念図である。矢印は、電流が
ＬＥＤの接点を通ってｐ−ｎ接合に注入された時、活性
層によって放射された光を表す。この光線は、素子の底
部に向かって放射されて、下部接点の裏で反射されて、
再び、基板と下部閉じ込め層と活性層とを通過する。光
線を表す線を細くすることで示すように、活性層は、通
過する光線の一部を通過につれて再吸収する。活性層の
吸収率は通常、ＬＥＤの狭禁制帯幅層の吸収率と同じで
はない。しかし、光線は、ＬＥＤの内側面で数回反射し
て（活性層を数回通過して）から脱出するので、放射さ
れた光のかなりの部分は、活性層中で吸収することがで
きる。これとは対照的に、吸収基板ＬＥＤの活性層によ
って放射された光は、内部表面で反射された光が一般的
には基板によって完全に吸収されるため、一度しか活性
層を通過しない。従って、活性層での吸収は、吸収基板
ＬＥＤ(ＡＳ−ＬＥＤ)の外部量子効率に殆ど影響しな
い。
出し効率が減少する。図３は、透明基板ＡｌＧａＩｎＰ
ＬＥＤを透過する光の概念図である。矢印は、電流が
ＬＥＤの接点を通ってｐ−ｎ接合に注入された時、活性
層によって放射された光を表す。この光線は、素子の底
部に向かって放射されて、下部接点の裏で反射されて、
再び、基板と下部閉じ込め層と活性層とを通過する。光
線を表す線を細くすることで示すように、活性層は、通
過する光線の一部を通過につれて再吸収する。活性層の
吸収率は通常、ＬＥＤの狭禁制帯幅層の吸収率と同じで
はない。しかし、光線は、ＬＥＤの内側面で数回反射し
て（活性層を数回通過して）から脱出するので、放射さ
れた光のかなりの部分は、活性層中で吸収することがで
きる。これとは対照的に、吸収基板ＬＥＤの活性層によ
って放射された光は、内部表面で反射された光が一般的
には基板によって完全に吸収されるため、一度しか活性
層を通過しない。従って、活性層での吸収は、吸収基板
ＬＥＤ(ＡＳ−ＬＥＤ)の外部量子効率に殆ど影響しな
い。
【００１０】光が活性層（単一層または、多重量子井戸
配置に配列された複数層の何れか）によって吸収される
時、電子−正孔対が形成されて、発光しながらまたは発
光なしで再結合することができる。ＡｌＧａＩｎＰ活性
層では、吸収された光量子の一部分のみが再放射され
る。この部分は、活性層の内部量子効率と等価なもので
あり、活性層の合金組成（例えばＬＥＤの発光波長等）
と、電子−正孔対が結晶欠陥または不純物を介して発光
せずに再結合する傾向とによって決定される。通常、発
光波長５９０ｎｍのLEDに対して、吸収された光量子の
５乃至５０％しか活性層で再放射されない。従って、最
初に活性層によって放射されてから実質上その活性層で
吸収された光の９５乃至５０％が回復できないほどに失
われており、その結果、素子の光取り出し効率と外部量
子効率とが減少する。
配置に配列された複数層の何れか）によって吸収される
時、電子−正孔対が形成されて、発光しながらまたは発
光なしで再結合することができる。ＡｌＧａＩｎＰ活性
層では、吸収された光量子の一部分のみが再放射され
る。この部分は、活性層の内部量子効率と等価なもので
あり、活性層の合金組成（例えばＬＥＤの発光波長等）
と、電子−正孔対が結晶欠陥または不純物を介して発光
せずに再結合する傾向とによって決定される。通常、発
光波長５９０ｎｍのLEDに対して、吸収された光量子の
５乃至５０％しか活性層で再放射されない。従って、最
初に活性層によって放射されてから実質上その活性層で
吸収された光の９５乃至５０％が回復できないほどに失
われており、その結果、素子の光取り出し効率と外部量
子効率とが減少する。
【００１１】先行技術におけるＡｌＧａＩｎＰ ＬＥＤ
の効率を改善する技術では、内部量子効率を最も高くす
る活性層の厚さを決定することと、吸収基板を無くすこ
とによってＬＥＤの光取り出し効率を増大させることと
に照準を合わせていた。
の効率を改善する技術では、内部量子効率を最も高くす
る活性層の厚さを決定することと、吸収基板を無くすこ
とによってＬＥＤの光取り出し効率を増大させることと
に照準を合わせていた。
【００１２】ＴＳ−ＬＥＤの光取り出し効率は、活性層
を含む全ての吸収層を可能な限り薄くすることによって
更に改善することができよう。しかし、ＡｌＧａＩｎＰ
ＬＥＤにおいては、超薄膜活性層がＬＥＤの内部量子
効率を減少させる結果となる。活性層の光学的厚さによ
って、光取り出し効率増加の影響と内部量子効率減少の
影響とのバランスがとられる。だが結果的にＬＥＤの外
部量子効率が最大になっている時、ＴＳ−ＬＥＤの光取
り出し効率と内部量子効率は最適ではない。
を含む全ての吸収層を可能な限り薄くすることによって
更に改善することができよう。しかし、ＡｌＧａＩｎＰ
ＬＥＤにおいては、超薄膜活性層がＬＥＤの内部量子
効率を減少させる結果となる。活性層の光学的厚さによ
って、光取り出し効率増加の影響と内部量子効率減少の
影響とのバランスがとられる。だが結果的にＬＥＤの外
部量子効率が最大になっている時、ＴＳ−ＬＥＤの光取
り出し効率と内部量子効率は最適ではない。
【００１３】ＬＥＤは、第１導電型基板上に形成された
素子層を含む。素子層は、全吸光度を有するものとす
る。これらの素子層は、第１導電型ＡｌＧａＩｎＰ合金
下部閉じ込め層と、第２導電型ＡｌＧａＩｎＰ活性領域
と、第２導電型ＡｌＧａＩｎＰ合金上部閉じ込め層等で
ある。活性領域の吸光度は、全吸光度の少なくとも５分
の１であり、かつ０．２未満である。信頼性および生産
性を改善するため、ＬＥＤには、任意選択で１層または
２層のＡｌＧａＩｎＰ阻止層を組み込むことが可能であ
り、この阻止層は、閉じ込め層の一方と活性領域との間
に介在する。阻止層は、完成ＬＥＤ中でｐ−ｎ接合を同
じ位置に維持する一方で、高温処理中にドーパント原子
が移動する領域を提供する。更に、阻止層は、ＬＥＤの
温度変化に対する内部量子効率の感度を低減することが
できる。また、ｐ型上部閉じ込め層には、ＬＥＤの信頼
性を改善するために酸素ドープすることができる。
素子層を含む。素子層は、全吸光度を有するものとす
る。これらの素子層は、第１導電型ＡｌＧａＩｎＰ合金
下部閉じ込め層と、第２導電型ＡｌＧａＩｎＰ活性領域
と、第２導電型ＡｌＧａＩｎＰ合金上部閉じ込め層等で
ある。活性領域の吸光度は、全吸光度の少なくとも５分
の１であり、かつ０．２未満である。信頼性および生産
性を改善するため、ＬＥＤには、任意選択で１層または
２層のＡｌＧａＩｎＰ阻止層を組み込むことが可能であ
り、この阻止層は、閉じ込め層の一方と活性領域との間
に介在する。阻止層は、完成ＬＥＤ中でｐ−ｎ接合を同
じ位置に維持する一方で、高温処理中にドーパント原子
が移動する領域を提供する。更に、阻止層は、ＬＥＤの
温度変化に対する内部量子効率の感度を低減することが
できる。また、ｐ型上部閉じ込め層には、ＬＥＤの信頼
性を改善するために酸素ドープすることができる。
【００１４】
【実施例】図４は、ＡｌＧａＩｎＰ透明基板発光ダイオ
ード（ＴＳ−ＬＥＤ）の内部量子効率：ηinternalと、
光取り出し効率：ηextractionと、外部量子効率η
externalの活性層厚さへの依存性を示している。外部量
子効率は、内部量子効率と光取り出し効率との積であ
る： ηexternal＝ηinternal×ηextraction 。 図４で示した活性層の厚さの一範囲については、外部量
子効率が内部量子効率によって制限されているが、これ
より厚い活性層厚さの別の範囲では、外部量子効率は、
光取り出し効率によって制限されている。外部量子効率
が最大であるＴＳ−ＬＥＤは、点ａで示すように、内部
量子効率および光取り出し効率の影響のバランスをとる
ように選択した活性層の厚さを有する。これとは対照的
に、外部量子効率が最適であるＡＳ−ＬＥＤは、最適内
部量子効率を有しており、活性層の最適厚さは、点ｂで
示すように、この効率を最大にするように選択される。
ＬＥＤの内部量子効率が数多くの層の特定の性質、例え
ば素子層の組成および添加不純物に依存するため、外部
量子効率を最大にする活性層の厚さは変化する。これら
の効率の特定の活性層厚さへの依存性の一部を以下で説
明する。
ード（ＴＳ−ＬＥＤ）の内部量子効率：ηinternalと、
光取り出し効率：ηextractionと、外部量子効率η
externalの活性層厚さへの依存性を示している。外部量
子効率は、内部量子効率と光取り出し効率との積であ
る： ηexternal＝ηinternal×ηextraction 。 図４で示した活性層の厚さの一範囲については、外部量
子効率が内部量子効率によって制限されているが、これ
より厚い活性層厚さの別の範囲では、外部量子効率は、
光取り出し効率によって制限されている。外部量子効率
が最大であるＴＳ−ＬＥＤは、点ａで示すように、内部
量子効率および光取り出し効率の影響のバランスをとる
ように選択した活性層の厚さを有する。これとは対照的
に、外部量子効率が最適であるＡＳ−ＬＥＤは、最適内
部量子効率を有しており、活性層の最適厚さは、点ｂで
示すように、この効率を最大にするように選択される。
ＬＥＤの内部量子効率が数多くの層の特定の性質、例え
ば素子層の組成および添加不純物に依存するため、外部
量子効率を最大にする活性層の厚さは変化する。これら
の効率の特定の活性層厚さへの依存性の一部を以下で説
明する。
【００１５】光取り出し効率は、この領域における吸収
がＬＥＤの中の全吸収のかなりの割合である場合に限
り、活性層の厚さに依存する。一方の極限では、活性層
は、例えば透明基板ＬＥＤ等のＬＥＤ中のただ一つの吸
収層となり、この層の厚さを変更することが光取り出し
効率に大きな影響を及ぼす。もう一方の極限では、例え
ば薄膜（＜２００ｎｍ）活性層をもつ吸収基板ＬＥＤ等
の場合、活性層は、その素子における全吸収には殆ど寄
与せず、その厚さを減少させても光取り出し効率を著し
く改善することはない。
がＬＥＤの中の全吸収のかなりの割合である場合に限
り、活性層の厚さに依存する。一方の極限では、活性層
は、例えば透明基板ＬＥＤ等のＬＥＤ中のただ一つの吸
収層となり、この層の厚さを変更することが光取り出し
効率に大きな影響を及ぼす。もう一方の極限では、例え
ば薄膜（＜２００ｎｍ）活性層をもつ吸収基板ＬＥＤ等
の場合、活性層は、その素子における全吸収には殆ど寄
与せず、その厚さを減少させても光取り出し効率を著し
く改善することはない。
【００１６】特定層が光を吸収する程度は、下記の（式
１）を用いて、本明細書におけるその層に対する吸光度
を定義することによって定量化できる。 （式１）：（吸光度）＝１−exp[-α（λpeak）・L]、 ここで、α（λpeak）はＬＥＤの発光スペクトルのピー
ク波長λpeakにおけるその層の吸収率であって、Ｌは同
層の厚さである。”exp[a]”は自然対数の底（２．７１
８２８）のa乗を表す。
１）を用いて、本明細書におけるその層に対する吸光度
を定義することによって定量化できる。 （式１）：（吸光度）＝１−exp[-α（λpeak）・L]、 ここで、α（λpeak）はＬＥＤの発光スペクトルのピー
ク波長λpeakにおけるその層の吸収率であって、Ｌは同
層の厚さである。”exp[a]”は自然対数の底（２．７１
８２８）のa乗を表す。
【００１７】吸光度を定義する時、光は、垂直入射で層
を通過するものと仮定する。層を斜めに通過する光は、
明らかにＬよりも大きい層の厚さを通って進行するの
で、（式１）は活性層が有する最小吸光度を表す。半導
体層がその下の層を部分的に被覆する場合、吸光度は、
半導体層の面積のＬＥＤの面積に対する比について計算
すべきであることは、当業者には自明であろう。
を通過するものと仮定する。層を斜めに通過する光は、
明らかにＬよりも大きい層の厚さを通って進行するの
で、（式１）は活性層が有する最小吸光度を表す。半導
体層がその下の層を部分的に被覆する場合、吸光度は、
半導体層の面積のＬＥＤの面積に対する比について計算
すべきであることは、当業者には自明であろう。
【００１８】（式１）によれば、吸収率が高いかまたは
厚さが厚い層は、吸収率が低いかまたは厚さが薄い層よ
りも光の吸収が多い。図５は、直接遷移型発光ＡｌＧａ
ＩｎＰについて、光量子エネルギー（発光波長を基準と
した差分波長）の関数としてｃｍ-1単位で表された吸収
率を示す。エネルギーは、入射光量子のエネルギーとＡ
ｌＧａＩｎＰ層が放射する光量子のエネルギーとの差と
して表されている。ＬＥＤ中には、通常、数層の吸収層
があり、素子層（基板を除いたＬＥＤ中の全ての層）に
おける全吸収光度は、下記の（式２）を用いて求められ
る。
厚さが厚い層は、吸収率が低いかまたは厚さが薄い層よ
りも光の吸収が多い。図５は、直接遷移型発光ＡｌＧａ
ＩｎＰについて、光量子エネルギー（発光波長を基準と
した差分波長）の関数としてｃｍ-1単位で表された吸収
率を示す。エネルギーは、入射光量子のエネルギーとＡ
ｌＧａＩｎＰ層が放射する光量子のエネルギーとの差と
して表されている。ＬＥＤ中には、通常、数層の吸収層
があり、素子層（基板を除いたＬＥＤ中の全ての層）に
おける全吸収光度は、下記の（式２）を用いて求められ
る。
【００１９】（式２）：（全吸光度）＝１−exp[-Σiα
i（λpeak）・Li]、 ここで、i は素子の中で活性層によって放射された光を
吸収する層の第i番目の層を示し、該層は活性層それ自
体（または、１層よりも多い場合は、複数の活性層）を
含みかつ基板を除く（但しここでも、光が層に垂直入射
することを仮定する）。iの上限はIである。αi（λpea
k）はＬＥＤの発光スペクトルのピーク波長λpeakにお
けるi番目の層の吸収率であって、Ｌiは同層の厚さであ
る。Σiはαi（λpeak）・Liの総和をとることをしめ
す。活性層の厚さを減少させることの利益を最大にする
ために、活性層と「寄生」吸収層との好適な相対吸収
は、活性領域の吸光度を素子層の全吸光度と数学的に比
較することによって表すことができる。活性領域の吸光
度：活性領域吸光度は、下記の和により求められる。
i（λpeak）・Li]、 ここで、i は素子の中で活性層によって放射された光を
吸収する層の第i番目の層を示し、該層は活性層それ自
体（または、１層よりも多い場合は、複数の活性層）を
含みかつ基板を除く（但しここでも、光が層に垂直入射
することを仮定する）。iの上限はIである。αi（λpea
k）はＬＥＤの発光スペクトルのピーク波長λpeakにお
けるi番目の層の吸収率であって、Ｌiは同層の厚さであ
る。Σiはαi（λpeak）・Liの総和をとることをしめ
す。活性層の厚さを減少させることの利益を最大にする
ために、活性層と「寄生」吸収層との好適な相対吸収
は、活性領域の吸光度を素子層の全吸光度と数学的に比
較することによって表すことができる。活性領域の吸光
度：活性領域吸光度は、下記の和により求められる。
【００２０】（式３）：（活性領域吸光度）＝１−exp
[-Σjαj AL(λpeak）・Lj AL]、 ここで、下付き文字ＡＬは、ＬＥＤ中の発光活性層につ
いての量であることを指す。ｊはｊ番目の活性層を示
し、「活性層の厚さ」とは全活性層の厚さの和である。
jの上限はJである。また、最適な素子については下記の
条件Aが成り立つ。 （条件A）:活性領域吸光度は全吸光度の５分の一以上で
ある。 すなわち、活性領域の吸光度は、半導体素子層における
全吸光度の少なくとも５分の１でなければならない。
[-Σjαj AL(λpeak）・Lj AL]、 ここで、下付き文字ＡＬは、ＬＥＤ中の発光活性層につ
いての量であることを指す。ｊはｊ番目の活性層を示
し、「活性層の厚さ」とは全活性層の厚さの和である。
jの上限はJである。また、最適な素子については下記の
条件Aが成り立つ。 （条件A）:活性領域吸光度は全吸光度の５分の一以上で
ある。 すなわち、活性領域の吸光度は、半導体素子層における
全吸光度の少なくとも５分の１でなければならない。
【００２１】通常、ＬＥＤの寄生吸収層の厚さは、「大
きな価電子帯不連続を有するｐ−ｐアイソタイプＩｎＧ
ａＡｌＰ／ＧａＡｓヘテロ接合の電流・電圧特性（"Cur
rent-voltage characteristics of p-p isotype InGaAI
P/GaAs heterojunction witha large valence-band dis
continuity," Japanese Journal of Applied Physics,
vol. 32, pp. 1919-1922, 1993）」においてItaya等に
よって示された、１０乃至１００ｎｍオーダーであるこ
とに基づくものである。この厚さは、特に層が、ＬＥＤ
の活性領域と窓層との間に位置している場合、ＭＯＣＶ
Ｄ（有機金属気相成長法）またはＭＢＥ（分子線エピタ
キシャル成長法）による大量製造において十分に再現可
能であって所望の効果をもつ厚さの層を成長させる必要
性のため、上記厚さ範囲の下限が与えられ、更に、寄生
損を最小にする必要によって、上記厚さ範囲の上限が与
えられる。寄生層がＩｎ0.5Ｇａ0.5Ｐから形成されてお
り、これが（ＡｌxＧａ1-x）0.5Ｉｎ0.5Ｐ合金に対する
最悪の場合の吸収率を有する場合、上記の厚さは、（直
接遷移型ＡｌＧａＩｎＰからの最短発光波長である発光
波長５５５ｎｍに対し）０．０４乃至０．３４の範囲の
吸光度に対応する。上述から、最小活性領域吸光度は、
０．００８乃至０．０６８の範囲になければならない。
きな価電子帯不連続を有するｐ−ｐアイソタイプＩｎＧ
ａＡｌＰ／ＧａＡｓヘテロ接合の電流・電圧特性（"Cur
rent-voltage characteristics of p-p isotype InGaAI
P/GaAs heterojunction witha large valence-band dis
continuity," Japanese Journal of Applied Physics,
vol. 32, pp. 1919-1922, 1993）」においてItaya等に
よって示された、１０乃至１００ｎｍオーダーであるこ
とに基づくものである。この厚さは、特に層が、ＬＥＤ
の活性領域と窓層との間に位置している場合、ＭＯＣＶ
Ｄ（有機金属気相成長法）またはＭＢＥ（分子線エピタ
キシャル成長法）による大量製造において十分に再現可
能であって所望の効果をもつ厚さの層を成長させる必要
性のため、上記厚さ範囲の下限が与えられ、更に、寄生
損を最小にする必要によって、上記厚さ範囲の上限が与
えられる。寄生層がＩｎ0.5Ｇａ0.5Ｐから形成されてお
り、これが（ＡｌxＧａ1-x）0.5Ｉｎ0.5Ｐ合金に対する
最悪の場合の吸収率を有する場合、上記の厚さは、（直
接遷移型ＡｌＧａＩｎＰからの最短発光波長である発光
波長５５５ｎｍに対し）０．０４乃至０．３４の範囲の
吸光度に対応する。上述から、最小活性領域吸光度は、
０．００８乃至０．０６８の範囲になければならない。
【００２２】条件Aを満足する場合、活性層の厚さを変
更して、ＬＥＤの光取り出し効率に意味のある効果が得
られる。例えば、ＬＥＤ中の活性層の吸光度が全吸光度
の５分の１よりも僅かに小さい場合、活性層厚さを２分
の１減少させることで素子の全吸光度が約１０％減少す
る。光取り出し効率は、素子内の反射損のため、わずか
に増加する。しかし、素子性能改善の大きさは、外部量
子効率の実験値中の雑音と再現性よく見分けることがで
きない。それ故、活性層吸光度は、外部量子効率に対し
て比較的大きな影響を与えるのがよく、条件Aは、この
要件を満す。
更して、ＬＥＤの光取り出し効率に意味のある効果が得
られる。例えば、ＬＥＤ中の活性層の吸光度が全吸光度
の５分の１よりも僅かに小さい場合、活性層厚さを２分
の１減少させることで素子の全吸光度が約１０％減少す
る。光取り出し効率は、素子内の反射損のため、わずか
に増加する。しかし、素子性能改善の大きさは、外部量
子効率の実験値中の雑音と再現性よく見分けることがで
きない。それ故、活性層吸光度は、外部量子効率に対し
て比較的大きな影響を与えるのがよく、条件Aは、この
要件を満す。
【００２３】最適ＬＥＤの最大活性領域吸光度は、活性
領域の内部量子効率に依存する。波長５９０ｎｍの光を
発光するＬＥＤについては、内部量子効率が５％に低下
することがある。活性領域吸光度が０．４５（従来技術
において通常利用されている活性層の厚さ７５０ｎｍに
対応する）である場合、光線は活性層を通過する各回ご
とに、通過後、通過前強度の０．５７倍になる。最適活
性層では、光線は最小限の影響しか受けず、その一回通
過後強度は通過前強度の少なくとも０．８倍と定められ
る。一回通過後強度に関わるこの条件は、検討した全て
の透明基板ＡｌＧａＩｎＰ ＬＥＤで満足されており、
外部量子効率を改善する結果になる。内部量子効率５％
のＡｌＧａＩｎＰについては、この条件は活性層の厚さ
３８０ｎｍ、吸光度０．２６に対応する。ＡｌＧａＩｎ
Ｐ ＬＥＤの一部、特に緑色で発光するものは、内部量
子効率が５％よりも低い。内部量子効率が＜＜５％（殆
ど０）の活性層に対応するため、活性領域吸光度の上限
は、厚さ２８０ｎｍの活性層に対応する０．２に設定す
ることができる。内部量子効率がこれよりも高いＬＥＤ
では、単一通過透過率の０．８倍を維持しながら、活性
領域吸光度を、０．２よりも大きくすることができる。
しかし、これよりも薄い活性層では、優れた光取り出し
効率が得られて好適である。従って、光取り出し効率を
最適化するため、活性領域吸光度には、条件A以外に下
限はない。
領域の内部量子効率に依存する。波長５９０ｎｍの光を
発光するＬＥＤについては、内部量子効率が５％に低下
することがある。活性領域吸光度が０．４５（従来技術
において通常利用されている活性層の厚さ７５０ｎｍに
対応する）である場合、光線は活性層を通過する各回ご
とに、通過後、通過前強度の０．５７倍になる。最適活
性層では、光線は最小限の影響しか受けず、その一回通
過後強度は通過前強度の少なくとも０．８倍と定められ
る。一回通過後強度に関わるこの条件は、検討した全て
の透明基板ＡｌＧａＩｎＰ ＬＥＤで満足されており、
外部量子効率を改善する結果になる。内部量子効率５％
のＡｌＧａＩｎＰについては、この条件は活性層の厚さ
３８０ｎｍ、吸光度０．２６に対応する。ＡｌＧａＩｎ
Ｐ ＬＥＤの一部、特に緑色で発光するものは、内部量
子効率が５％よりも低い。内部量子効率が＜＜５％（殆
ど０）の活性層に対応するため、活性領域吸光度の上限
は、厚さ２８０ｎｍの活性層に対応する０．２に設定す
ることができる。内部量子効率がこれよりも高いＬＥＤ
では、単一通過透過率の０．８倍を維持しながら、活性
領域吸光度を、０．２よりも大きくすることができる。
しかし、これよりも薄い活性層では、優れた光取り出し
効率が得られて好適である。従って、光取り出し効率を
最適化するため、活性領域吸光度には、条件A以外に下
限はない。
【００２４】図６は、ＡｌＧａＩｎＰ ＴＳ−ＬＥＤウ
ェーハ数枚を透過する光の百分率透過率を示しており、
ウェーハ毎に活性層の厚さが異なっている。この図で
は、最小限の吸収で活性層を透過する光の透過性に対す
る活性層の厚さの影響を示す。また、これらのＬＥＤに
存在する追加層に因る吸収も示す。波長５９０ｎｍの光
を発光するＡｌＧａＩｎＰ ＴＳ−ＬＥＤの一実施例で
は、活性層の吸光度は、０．１５であって、寄生層の吸
光度も、０．１５である。このＬＥＤは、活性層吸光度
が０．４５である他は全て同じである先行技術によるＬ
ＥＤよりも外部量子効率が２８％大きい。
ェーハ数枚を透過する光の百分率透過率を示しており、
ウェーハ毎に活性層の厚さが異なっている。この図で
は、最小限の吸収で活性層を透過する光の透過性に対す
る活性層の厚さの影響を示す。また、これらのＬＥＤに
存在する追加層に因る吸収も示す。波長５９０ｎｍの光
を発光するＡｌＧａＩｎＰ ＴＳ−ＬＥＤの一実施例で
は、活性層の吸光度は、０．１５であって、寄生層の吸
光度も、０．１５である。このＬＥＤは、活性層吸光度
が０．４５である他は全て同じである先行技術によるＬ
ＥＤよりも外部量子効率が２８％大きい。
【００２５】最適の活性層厚さを決定する他のパラメー
タは、活性層の合金組成である（これはＬＥＤが放射す
る光の色を決定する）。図７は、透明基板と、この基板
上に形成されたＡｌ0.5Ｉｎ0.5Ｐ下部閉じ込め層と、下
部閉じ込め層上に形成されており、（Ａｌ0.3Ｇａ0.7）
0.5Ｉｎ0.5Ｐ活性層（波長５９０ｎｍで発光）と、活性
層上に形成されたＡｌ0.5Ｉｎ0.5Ｐ上部閉じ込め層と、
窓層とを含んで成るＬＥＤについて、活性層の厚さを変
えた時の相対外部量子効率を示す。外部量子効率は、活
性層の厚さが１０乃至２００ｎｍの範囲で増大する時、
増加する。この効率は、活性層の厚さがさらに７５０ｎ
ｍへ向かって増大するにつれて減少する。活性層の厚さ
が２００乃至７５０ｎｍの範囲での外部量子効率の減少
は、活性層が厚くなって光取り出し効率とキャリア密度
とが減少した結果であり、この減少によって発光再結合
の割合が低下する。活性層の厚さが１００ｎｍ未満に減
少すると、活性層外への少数キャリアのリーク率が高く
なるため、素子効率はこの範囲全体に亘って減少する。
ＬＥＤ中の構成層の特性は完全には制御することができ
ないため、活性層の最適厚さは、吸光度０．０８乃至
０．１８に対応する１００乃至２５０ｎｍの範囲で変す
る。６００ｎｍ未満の波長で発光するＬＥＤでは、活性
層の吸光度のこの範囲全体に亘り素子性能が改善された
ことが示されている。
タは、活性層の合金組成である（これはＬＥＤが放射す
る光の色を決定する）。図７は、透明基板と、この基板
上に形成されたＡｌ0.5Ｉｎ0.5Ｐ下部閉じ込め層と、下
部閉じ込め層上に形成されており、（Ａｌ0.3Ｇａ0.7）
0.5Ｉｎ0.5Ｐ活性層（波長５９０ｎｍで発光）と、活性
層上に形成されたＡｌ0.5Ｉｎ0.5Ｐ上部閉じ込め層と、
窓層とを含んで成るＬＥＤについて、活性層の厚さを変
えた時の相対外部量子効率を示す。外部量子効率は、活
性層の厚さが１０乃至２００ｎｍの範囲で増大する時、
増加する。この効率は、活性層の厚さがさらに７５０ｎ
ｍへ向かって増大するにつれて減少する。活性層の厚さ
が２００乃至７５０ｎｍの範囲での外部量子効率の減少
は、活性層が厚くなって光取り出し効率とキャリア密度
とが減少した結果であり、この減少によって発光再結合
の割合が低下する。活性層の厚さが１００ｎｍ未満に減
少すると、活性層外への少数キャリアのリーク率が高く
なるため、素子効率はこの範囲全体に亘って減少する。
ＬＥＤ中の構成層の特性は完全には制御することができ
ないため、活性層の最適厚さは、吸光度０．０８乃至
０．１８に対応する１００乃至２５０ｎｍの範囲で変す
る。６００ｎｍ未満の波長で発光するＬＥＤでは、活性
層の吸光度のこの範囲全体に亘り素子性能が改善された
ことが示されている。
【００２６】前図と比較して図８は、透明基板と、この
基板上に形成されたＡｌ0.5Ｉｎ0.5Ｐ下部閉じ込め層
と、下部閉じ込め層上に形成されており、（Ａｌ0.1Ｇ
ａ0.9）0.5Ｉｎ0.5Ｐ活性層（波長６３０ｎｍで発光）
と、活性層上に形成されたＡｌ0.5Ｉｎ0.5Ｐ上部閉じ込
め層と、窓層とを含んでを成るＬＥＤについて、活性層
の厚さが変る時の相対外部量子効率を示している。外部
量子効率は、活性層の厚さが１０乃至７５０ｎｍの範囲
で増大する時、減少する。最大外部量子効率は、（吸光
度０．０４に対応する）活性層の厚さ５０ｎｍ未満に対
して得られる。前述した影響によると、内部量子効率
は、活性層の厚さが１０ｎｍ以下のある点を超えると減
少する。赤色ＬＥＤ中の活性層の禁制帯幅は、アンバー
ＬＥＤよりも小さいけれども、両ＬＥＤで閉じ込め層の
合金組成が同じであるため、赤色ＬＥＤ内でのキャリア
閉じ込めは優れたものとなる。従って、赤色素子におい
ては、活性層からのキャリアのリークの影響は、活性層
がかなり薄くなった場合に限り重要となり、最適活性層
はかなり薄くなる。６２０ｎｍより長い波長で発光する
ＬＥＤでは、活性層の厚さ２０乃至１５０ｎｍの範囲全
体に亘って性能が改善されたことを示している。同様
に、活性層の厚さが５０乃至２５０ｎｍの範囲にある
時、波長範囲６００乃至６２０ｎｍで発光するＬＥＤ
は、最適外部量子効率を有することを示すデータが存在
する。
基板上に形成されたＡｌ0.5Ｉｎ0.5Ｐ下部閉じ込め層
と、下部閉じ込め層上に形成されており、（Ａｌ0.1Ｇ
ａ0.9）0.5Ｉｎ0.5Ｐ活性層（波長６３０ｎｍで発光）
と、活性層上に形成されたＡｌ0.5Ｉｎ0.5Ｐ上部閉じ込
め層と、窓層とを含んでを成るＬＥＤについて、活性層
の厚さが変る時の相対外部量子効率を示している。外部
量子効率は、活性層の厚さが１０乃至７５０ｎｍの範囲
で増大する時、減少する。最大外部量子効率は、（吸光
度０．０４に対応する）活性層の厚さ５０ｎｍ未満に対
して得られる。前述した影響によると、内部量子効率
は、活性層の厚さが１０ｎｍ以下のある点を超えると減
少する。赤色ＬＥＤ中の活性層の禁制帯幅は、アンバー
ＬＥＤよりも小さいけれども、両ＬＥＤで閉じ込め層の
合金組成が同じであるため、赤色ＬＥＤ内でのキャリア
閉じ込めは優れたものとなる。従って、赤色素子におい
ては、活性層からのキャリアのリークの影響は、活性層
がかなり薄くなった場合に限り重要となり、最適活性層
はかなり薄くなる。６２０ｎｍより長い波長で発光する
ＬＥＤでは、活性層の厚さ２０乃至１５０ｎｍの範囲全
体に亘って性能が改善されたことを示している。同様
に、活性層の厚さが５０乃至２５０ｎｍの範囲にある
時、波長範囲６００乃至６２０ｎｍで発光するＬＥＤ
は、最適外部量子効率を有することを示すデータが存在
する。
【００２７】活性層が薄くなる事の問題１つは、内部量
子効率が閉じ込め層中のドーピングレベルの変化に対し
て一層敏感になることであり、これによって、歩留まり
が減少してＬＥＤのコストが増大する。ＡｌＧａＩｎＰ
ＬＥＤの一実施形態では、上部閉じ込め層は成膜中に
例えばＺｎまたはＭｇ等のｐ型ドーパントをドープされ
る。ウェーハがこの後の高温処理工程を受ける時、ｐ型
ドーパントは上部閉じ込め層の外に拡散する。ｐ−ｎ接
合が正確に活性層とｎ型下部閉じ込め層との間の界面に
位置している時、内部量子効率は最も大きくなる。これ
は、ヘテロ接合が、ｐ−ｎ接合がｐ型活性層中へ注入す
る電子の数を増大させるからである。成膜中およびこの
後の処理中のドーパント再拡散によって、ｐ−ｎ接合は
最適位置からずれる。
子効率が閉じ込め層中のドーピングレベルの変化に対し
て一層敏感になることであり、これによって、歩留まり
が減少してＬＥＤのコストが増大する。ＡｌＧａＩｎＰ
ＬＥＤの一実施形態では、上部閉じ込め層は成膜中に
例えばＺｎまたはＭｇ等のｐ型ドーパントをドープされ
る。ウェーハがこの後の高温処理工程を受ける時、ｐ型
ドーパントは上部閉じ込め層の外に拡散する。ｐ−ｎ接
合が正確に活性層とｎ型下部閉じ込め層との間の界面に
位置している時、内部量子効率は最も大きくなる。これ
は、ヘテロ接合が、ｐ−ｎ接合がｐ型活性層中へ注入す
る電子の数を増大させるからである。成膜中およびこの
後の処理中のドーパント再拡散によって、ｐ−ｎ接合は
最適位置からずれる。
【００２８】活性層が薄く、この活性層と隣合う閉じ込
め層がドープされている場合、閉じ込め層中の初期ドー
パント濃度の僅かな変化が原因となって、ｐ−ｎ接合が
誤った位置にくることも起こり得る。例えば、上部閉じ
込め層中のドーパント原子濃度が２０％変化した場合に
は、１００ｎｍ厚の活性層を有するＬＥＤの外部量子効
率に７倍の変化が見られた。
め層がドープされている場合、閉じ込め層中の初期ドー
パント濃度の僅かな変化が原因となって、ｐ−ｎ接合が
誤った位置にくることも起こり得る。例えば、上部閉じ
込め層中のドーパント原子濃度が２０％変化した場合に
は、１００ｎｍ厚の活性層を有するＬＥＤの外部量子効
率に７倍の変化が見られた。
【００２９】このような感受性は、阻止層を使用するこ
とにより低減する。阻止層は、活性層と閉じ込め層との
間に介在する自然にドープされる層であって、閉じ込め
層からのドーパント原子が成膜中または処理中に阻止層
中へ拡散する。阻止層の厚さは、上部阻止層のみを有す
る素子の場合で、素子製造工程全体の終わりに、ｐ−ｎ
接合が、下部閉じ込め層／活性層へテロ界面に位置する
ように選択される。下部阻止層を有する素子の場合で
は、ｐ−ｎ接合の最適位置は、下部阻止層／活性層へテ
ロ界面と下部閉じ込め層／下部阻止層ヘテロ界面との間
となる。処理工程の温度および継続時間はもとより、素
子中の異なる層を通るドーパントの拡散係数によって、
阻止層の必要な厚さが決定される。更に阻止層は、活性
層によって放射された光に対して透明である複数の相異
なる半導体合金層または半導体化合物層から形成するこ
とができる。また阻止層は、合金組成が、例えば線形に
傾斜したり、または放物線状に傾斜する等、空間的に変
化する層を含んで成るものであってもよい。
とにより低減する。阻止層は、活性層と閉じ込め層との
間に介在する自然にドープされる層であって、閉じ込め
層からのドーパント原子が成膜中または処理中に阻止層
中へ拡散する。阻止層の厚さは、上部阻止層のみを有す
る素子の場合で、素子製造工程全体の終わりに、ｐ−ｎ
接合が、下部閉じ込め層／活性層へテロ界面に位置する
ように選択される。下部阻止層を有する素子の場合で
は、ｐ−ｎ接合の最適位置は、下部阻止層／活性層へテ
ロ界面と下部閉じ込め層／下部阻止層ヘテロ界面との間
となる。処理工程の温度および継続時間はもとより、素
子中の異なる層を通るドーパントの拡散係数によって、
阻止層の必要な厚さが決定される。更に阻止層は、活性
層によって放射された光に対して透明である複数の相異
なる半導体合金層または半導体化合物層から形成するこ
とができる。また阻止層は、合金組成が、例えば線形に
傾斜したり、または放物線状に傾斜する等、空間的に変
化する層を含んで成るものであってもよい。
【００３０】図９Ａは、薄膜活性層１２とＡｌ0.5Ｉｎ
0.5Ｐ閉じ込め層１４Ａ、１４Ｂとを有するＬＥＤ１０
Ａを示している。この素子においては、上部閉じ込め層
１４Ｂに過剰のｐ型ドーパントがある場合、このドーパ
ントがｎ型下部閉じ込め層中へ拡散する可能性があり、
ｐ−ｎ接合を誤った位置に配置する。図９Ｂは、薄膜活
性層１２と、ＡｌＧａＩｎＰ上部阻止層１６と、Ａｌ
0.5Ｉｎ0.5Ｐ閉じ込め層１４Ａ、１４Ｂとを有するＬＥ
Ｄ１０Ｂを示している。上部阻止層１６はドープされて
いない。窓層１８の成膜中、ｐ型ドーパントは、上部閉
じ込め層１４Ｂと、上部阻止層１６と、活性層１２とに
拡散する。上部阻止層１６の厚さ、または任意選択の下
部阻止層の厚さは、全ての高温処理工程の完了後、ｐ−
ｎ接合が適切に配置される可能を最大にするように選択
する。これらの図面では下部阻止層をはっきりと示して
いないが、この層は、メモリ効果またはｎ型ドーパント
の拡散を吸収するために使用することができる。
0.5Ｐ閉じ込め層１４Ａ、１４Ｂとを有するＬＥＤ１０
Ａを示している。この素子においては、上部閉じ込め層
１４Ｂに過剰のｐ型ドーパントがある場合、このドーパ
ントがｎ型下部閉じ込め層中へ拡散する可能性があり、
ｐ−ｎ接合を誤った位置に配置する。図９Ｂは、薄膜活
性層１２と、ＡｌＧａＩｎＰ上部阻止層１６と、Ａｌ
0.5Ｉｎ0.5Ｐ閉じ込め層１４Ａ、１４Ｂとを有するＬＥ
Ｄ１０Ｂを示している。上部阻止層１６はドープされて
いない。窓層１８の成膜中、ｐ型ドーパントは、上部閉
じ込め層１４Ｂと、上部阻止層１６と、活性層１２とに
拡散する。上部阻止層１６の厚さ、または任意選択の下
部阻止層の厚さは、全ての高温処理工程の完了後、ｐ−
ｎ接合が適切に配置される可能を最大にするように選択
する。これらの図面では下部阻止層をはっきりと示して
いないが、この層は、メモリ効果またはｎ型ドーパント
の拡散を吸収するために使用することができる。
【００３１】本発明の一実施例においては、ＬＥＤが受
ける高温処理工程によりｐ型ドーパントがｐ型上部閉じ
込め層から５００乃至１０００ｎｍの範囲に拡散する。
必然的に薄膜活性層ＬＥＤでは、活性層と上部阻止層と
の合計の厚さが最適の５００乃至１０００ｎｍ、好適に
は７５０ｎｍとなるであろう。２００ｎｍ厚の活性層と
５５０ｎｍ厚の上部阻止層とを有する波長５９０ｎｍの
光を発光するＬＥＤは、優れた性能を提供することが分
かっている。発光波長６３０ｎｍのＬＥＤについては、
最適素子は、７００ｎｍ厚の上部阻止層を伴う５０ｎｍ
厚活性層を有するものでよい。これらの素子の外部量子
効率は、上部閉じ込め層のドーピングレベルの変化２０
％に対して５％を超える変化は観測されていない。この
ことは、製造工程の歩留まりを改善する阻止層の有効性
を明らかにしている。
ける高温処理工程によりｐ型ドーパントがｐ型上部閉じ
込め層から５００乃至１０００ｎｍの範囲に拡散する。
必然的に薄膜活性層ＬＥＤでは、活性層と上部阻止層と
の合計の厚さが最適の５００乃至１０００ｎｍ、好適に
は７５０ｎｍとなるであろう。２００ｎｍ厚の活性層と
５５０ｎｍ厚の上部阻止層とを有する波長５９０ｎｍの
光を発光するＬＥＤは、優れた性能を提供することが分
かっている。発光波長６３０ｎｍのＬＥＤについては、
最適素子は、７００ｎｍ厚の上部阻止層を伴う５０ｎｍ
厚活性層を有するものでよい。これらの素子の外部量子
効率は、上部閉じ込め層のドーピングレベルの変化２０
％に対して５％を超える変化は観測されていない。この
ことは、製造工程の歩留まりを改善する阻止層の有効性
を明らかにしている。
【００３２】阻止層がＬＥＤ中で使用される時には、活
性層に隣接するため、阻止層の組成が内部量子効率に影
響する。透明基板と、この基板上に形成されたＡｌ0.5
Ｉｎ0.5Ｐ下部閉じ込め層と、下部閉じ込め層上に形成
された２００ｎｍ厚の（Ａｌ0.3Ｇａ0.7）0.5Ｉｎ0.5Ｐ
活性層と、活性層上に形成された５５０ｎｍ厚の（Ａｌ
0.65Ｇａ0.35）0.5Ｉｎ0.5Ｐ薄膜上部阻止層と、上部阻
止層上に形成されたＡｌ0.5Ｉｎ0.5Ｐ上部閉じ込め層
と、窓層とを含んで成る好適なＬＥＤの外部量子効率
は、５ｍＡで１８．４％となる。上部阻止層をＡｌ0.5
Ｉｎ0.5Ｐで形成する他はすべて同じにしたＬＥＤは外
部量子効率がより劣る。このＬＥＤの外部量子効率は、
５ｍＡで１６．７％であって、好適なＬＥＤよりも１０
％低い。加えて、上部阻止層が、（Ａｌ0.8Ｇａ0.2）
0.5Ｉｎ0.5Ｐおよび（Ａｌ0.5Ｇａ0.5）0.5Ｉｎ0.5Ｐか
ら形成されているＬＥＤについて測定を行なった。これ
らの何れの場合においても、ＬＥＤの外部量子効率は、
（Ａｌ0.65Ｇａ0.35）0.5Ｉｎ0.5Ｐから形成された上部
阻止層を有するＬＥＤよりも高くはならなかった。従っ
て好適なＬＥＤは、ＡｌＧａＩｎＰのこの特定組成から
形成された上部阻止層を有するものである。阻止層の組
成により活性層から外へのリークキャリアの量が減少す
るため、素子の内部量子効率が改善する。このリークキ
ャリアの減少の一部は、阻止層中の非発光再結合の割合
が低くなることによって起こる。
性層に隣接するため、阻止層の組成が内部量子効率に影
響する。透明基板と、この基板上に形成されたＡｌ0.5
Ｉｎ0.5Ｐ下部閉じ込め層と、下部閉じ込め層上に形成
された２００ｎｍ厚の（Ａｌ0.3Ｇａ0.7）0.5Ｉｎ0.5Ｐ
活性層と、活性層上に形成された５５０ｎｍ厚の（Ａｌ
0.65Ｇａ0.35）0.5Ｉｎ0.5Ｐ薄膜上部阻止層と、上部阻
止層上に形成されたＡｌ0.5Ｉｎ0.5Ｐ上部閉じ込め層
と、窓層とを含んで成る好適なＬＥＤの外部量子効率
は、５ｍＡで１８．４％となる。上部阻止層をＡｌ0.5
Ｉｎ0.5Ｐで形成する他はすべて同じにしたＬＥＤは外
部量子効率がより劣る。このＬＥＤの外部量子効率は、
５ｍＡで１６．７％であって、好適なＬＥＤよりも１０
％低い。加えて、上部阻止層が、（Ａｌ0.8Ｇａ0.2）
0.5Ｉｎ0.5Ｐおよび（Ａｌ0.5Ｇａ0.5）0.5Ｉｎ0.5Ｐか
ら形成されているＬＥＤについて測定を行なった。これ
らの何れの場合においても、ＬＥＤの外部量子効率は、
（Ａｌ0.65Ｇａ0.35）0.5Ｉｎ0.5Ｐから形成された上部
阻止層を有するＬＥＤよりも高くはならなかった。従っ
て好適なＬＥＤは、ＡｌＧａＩｎＰのこの特定組成から
形成された上部阻止層を有するものである。阻止層の組
成により活性層から外へのリークキャリアの量が減少す
るため、素子の内部量子効率が改善する。このリークキ
ャリアの減少の一部は、阻止層中の非発光再結合の割合
が低くなることによって起こる。
【００３３】リークキャリアに影響を及ぼす別の要因
は、活性層と阻止層の相対ドーピングレベルである。リ
ークキャリアは、上部阻止層が更に高濃度でドープされ
ると低くなる。Ａｌ0.5Ｉｎ0.5Ｐから形成された上部阻
止層を有するＬＥＤでは、上部阻止層のドーピングレベ
ルは、（Ａｌ0.65Ｇａ0.35）0.5Ｉｎ0.5Ｐから形成され
た上部阻止層よりも低い。これは、高温処理工程中、阻
止層から活性層へのｐ型ドーパントの拡散と蓄積とによ
って引き起こされる。（Ａｌ0.65Ｇａ0.35）0.5Ｉｎ0.5
Ｐの禁制帯幅は、Ａｌ0.5Ｉｎ0.5Ｐよりも小さく、結果
的に（Ａｌ0.65Ｇａ0.35）0.5Ｉｎ0.5Ｐ阻止層内のドー
ピングレベルは高くなる。従って、（Ａｌ0.65Ｇ
ａ0.35）0.5Ｉｎ0.5Ｐ阻止層の方がＡｌ0.5Ｉｎ0.5Ｐ阻
止層よりも好適である。
は、活性層と阻止層の相対ドーピングレベルである。リ
ークキャリアは、上部阻止層が更に高濃度でドープされ
ると低くなる。Ａｌ0.5Ｉｎ0.5Ｐから形成された上部阻
止層を有するＬＥＤでは、上部阻止層のドーピングレベ
ルは、（Ａｌ0.65Ｇａ0.35）0.5Ｉｎ0.5Ｐから形成され
た上部阻止層よりも低い。これは、高温処理工程中、阻
止層から活性層へのｐ型ドーパントの拡散と蓄積とによ
って引き起こされる。（Ａｌ0.65Ｇａ0.35）0.5Ｉｎ0.5
Ｐの禁制帯幅は、Ａｌ0.5Ｉｎ0.5Ｐよりも小さく、結果
的に（Ａｌ0.65Ｇａ0.35）0.5Ｉｎ0.5Ｐ阻止層内のドー
ピングレベルは高くなる。従って、（Ａｌ0.65Ｇ
ａ0.35）0.5Ｉｎ0.5Ｐ阻止層の方がＡｌ0.5Ｉｎ0.5Ｐ阻
止層よりも好適である。
【００３４】また（Ａｌ0.65Ｇａ0.35）0.5Ｉｎ0.5Ｐか
ら形成された上部阻止層を有するＬＥＤの優れたキャリ
ア閉じ込めによって、温度変化がある場合にＬＥＤが内
部量子効率を維持する能力が改善される。波長５９０ｎ
ｍで発光する通常のＡｌＧａＩｎＰ ＬＥＤにおいて、
内部量子効率は、ＬＥＤが摂氏１度温度上昇する毎に約
１乃至２％減少する。効率が減少する割合は、活性層の
合金組成に依存しており、この割合はＬＥＤの波長が長
くなっても減少する。（Ａｌ0.65Ｇａ0.35）0. 5Ｉｎ0.5
Ｐから形成された上部阻止層を含んで成るＡｌＧａＩｎ
Ｐ ＬＥＤの内部量子効率は、更にこれよりも高いＡｌ
モル分率をもつ合金から形成した阻止層を有するＬＥＤ
に比べると、温度上昇でそれほど急速には減少しない。
Ａｌ0.5Ｉｎ0.5Ｐから形成された下部閉じ込め層と、下
部閉じ込め層上で（Ａｌ0.3Ｇａ0.7）0.5Ｉｎ0.5Ｐから
形成された２００ｎｍ厚の活性層と、活性層上で（Ａｌ
0.65Ｇａ0.35）0.5Ｉｎ0.5Ｐから形成された上部阻止層
と共に透明基板上に形成されたＬＥＤは、−１．３％／
℃の内部量子効率の減少を示したが、一方、上部阻止層
が（Ａｌ0.8Ｇａ0.2）0.5Ｉｎ0.5Ｐから形成されたこと
以外は同一のＬＥＤは、−１．４％／℃の減少を示し
た。
ら形成された上部阻止層を有するＬＥＤの優れたキャリ
ア閉じ込めによって、温度変化がある場合にＬＥＤが内
部量子効率を維持する能力が改善される。波長５９０ｎ
ｍで発光する通常のＡｌＧａＩｎＰ ＬＥＤにおいて、
内部量子効率は、ＬＥＤが摂氏１度温度上昇する毎に約
１乃至２％減少する。効率が減少する割合は、活性層の
合金組成に依存しており、この割合はＬＥＤの波長が長
くなっても減少する。（Ａｌ0.65Ｇａ0.35）0. 5Ｉｎ0.5
Ｐから形成された上部阻止層を含んで成るＡｌＧａＩｎ
Ｐ ＬＥＤの内部量子効率は、更にこれよりも高いＡｌ
モル分率をもつ合金から形成した阻止層を有するＬＥＤ
に比べると、温度上昇でそれほど急速には減少しない。
Ａｌ0.5Ｉｎ0.5Ｐから形成された下部閉じ込め層と、下
部閉じ込め層上で（Ａｌ0.3Ｇａ0.7）0.5Ｉｎ0.5Ｐから
形成された２００ｎｍ厚の活性層と、活性層上で（Ａｌ
0.65Ｇａ0.35）0.5Ｉｎ0.5Ｐから形成された上部阻止層
と共に透明基板上に形成されたＬＥＤは、−１．３％／
℃の内部量子効率の減少を示したが、一方、上部阻止層
が（Ａｌ0.8Ｇａ0.2）0.5Ｉｎ0.5Ｐから形成されたこと
以外は同一のＬＥＤは、−１．４％／℃の減少を示し
た。
【００３５】米国特許第５，７３２，０９８号の明細書
において、Nisitani等は、活性層とＡｌ0.5Ｉｎ0.5Ｐ閉
じ込め層との間に介在する（ＡｌxＧａ1-x）0.5Ｉｎ0.5
Ｐ層を有するＡｌＧａＩｎＰ ＬＥＤを開示しており、
この介在層の禁制帯幅は、閉じ込め層よりも小さいか、
または介在層のアルミニウム・モル分率が閉じ込め層よ
りも小さい。しかし、活性層内での電子閉じ込め、また
は素子の他の性能特性を改善する目的で、阻止層内のＡ
ｌＧａＩｎＰ組成は、閉じ込め層または活性層と格子整
合しないように選択することが可能であり、更に、閉じ
込め層よりも禁制帯幅が広いか、あるいは、上部閉じ込
め層よりもＡｌモル分率が高いものにすることができ
る。Ａｌ0.5Ｉｎ0.5Ｐ下部閉じ込め層と、下部閉じ込め
層上に形成された２００ｎｍ厚の（Ａｌ0.3Ｇａ0.7）
0.5Ｉｎ0.5Ｐ活性層と、活性層上に形成された５０ｎｍ
厚のＡｌ0.615Ｉｎ0.385Ｐ第１阻止層と、第１阻止層上
で（Ａｌ0.65Ｇａ0.35）0.5Ｉｎ0.5Ｐから形成された５
００ｎｍの厚の第２阻止層と、第２阻止層上でＡｌ0.5
Ｉｎ0.5Ｐから形成された上部閉じ込め層とを有する透
明基板ＡｌＧａＩｎＰ ＬＥＤの外部量子効率は、第１
阻止層が存在せず、第２阻止層の厚さが５５０ｎｍであ
ること以外は全部同じであるＬＥＤよりも１０％大き
い。Ａｌ0.615Ｉｎ0.385Ｐから形成された第１阻止層
は、上部閉じ込め層および第２阻止層よりも禁制帯幅が
広いため、内部量子効率が高くなり、活性層の外へのリ
ークキャリアを小さくする結果となる。
において、Nisitani等は、活性層とＡｌ0.5Ｉｎ0.5Ｐ閉
じ込め層との間に介在する（ＡｌxＧａ1-x）0.5Ｉｎ0.5
Ｐ層を有するＡｌＧａＩｎＰ ＬＥＤを開示しており、
この介在層の禁制帯幅は、閉じ込め層よりも小さいか、
または介在層のアルミニウム・モル分率が閉じ込め層よ
りも小さい。しかし、活性層内での電子閉じ込め、また
は素子の他の性能特性を改善する目的で、阻止層内のＡ
ｌＧａＩｎＰ組成は、閉じ込め層または活性層と格子整
合しないように選択することが可能であり、更に、閉じ
込め層よりも禁制帯幅が広いか、あるいは、上部閉じ込
め層よりもＡｌモル分率が高いものにすることができ
る。Ａｌ0.5Ｉｎ0.5Ｐ下部閉じ込め層と、下部閉じ込め
層上に形成された２００ｎｍ厚の（Ａｌ0.3Ｇａ0.7）
0.5Ｉｎ0.5Ｐ活性層と、活性層上に形成された５０ｎｍ
厚のＡｌ0.615Ｉｎ0.385Ｐ第１阻止層と、第１阻止層上
で（Ａｌ0.65Ｇａ0.35）0.5Ｉｎ0.5Ｐから形成された５
００ｎｍの厚の第２阻止層と、第２阻止層上でＡｌ0.5
Ｉｎ0.5Ｐから形成された上部閉じ込め層とを有する透
明基板ＡｌＧａＩｎＰ ＬＥＤの外部量子効率は、第１
阻止層が存在せず、第２阻止層の厚さが５５０ｎｍであ
ること以外は全部同じであるＬＥＤよりも１０％大き
い。Ａｌ0.615Ｉｎ0.385Ｐから形成された第１阻止層
は、上部閉じ込め層および第２阻止層よりも禁制帯幅が
広いため、内部量子効率が高くなり、活性層の外へのリ
ークキャリアを小さくする結果となる。
【００３６】活性層の内部量子効率に影響を及ぼす他の
パラメータは、活性層のドーピングレベルである。発光
再結合の割合は、電子密度と正孔密度との積に比例す
る。閉じ込め層は、活性層中の電子および正孔密度を増
大することによってＬＥＤの効率を増加させる。また、
この密度は、活性層中により多くのドーパント原子を導
入することによっても増大する。図１０は、活性層中の
ｐ型ドーピングレベル（活性層の正味ホール濃度）が変
化する時の発光波長５９０ｎｍのLEDの外部量子効率
（視感度効率）を示しており、このＬＥＤは、２００ｎ
ｍ厚の活性層と、（Ａｌ0.65Ｇａ0.35）0.5Ｉｎ0.5Ｐ上
部阻止層とを有するものである。この図は、ドーピング
レベルが１×１０17ｃｍ-3を超える時に外部量子効率が
改善されることと、外部量子効率にはドーピングレベル
が増加するにつれて増大する傾向があることとを示して
いる。一定濃度（約１×１０19ｃｍ-3、但しドーパント
原子に依存する）を超えた高いドーパント原子の濃度
は、ＬＥＤの内部量子効率を減少させる転位またはその
他の欠陥形成の原因となる。従って、好適なＬＥＤで
は、１×１０17乃至１×１０19ｃｍ-3の濃度で活性層に
ドープする。
パラメータは、活性層のドーピングレベルである。発光
再結合の割合は、電子密度と正孔密度との積に比例す
る。閉じ込め層は、活性層中の電子および正孔密度を増
大することによってＬＥＤの効率を増加させる。また、
この密度は、活性層中により多くのドーパント原子を導
入することによっても増大する。図１０は、活性層中の
ｐ型ドーピングレベル（活性層の正味ホール濃度）が変
化する時の発光波長５９０ｎｍのLEDの外部量子効率
（視感度効率）を示しており、このＬＥＤは、２００ｎ
ｍ厚の活性層と、（Ａｌ0.65Ｇａ0.35）0.5Ｉｎ0.5Ｐ上
部阻止層とを有するものである。この図は、ドーピング
レベルが１×１０17ｃｍ-3を超える時に外部量子効率が
改善されることと、外部量子効率にはドーピングレベル
が増加するにつれて増大する傾向があることとを示して
いる。一定濃度（約１×１０19ｃｍ-3、但しドーパント
原子に依存する）を超えた高いドーパント原子の濃度
は、ＬＥＤの内部量子効率を減少させる転位またはその
他の欠陥形成の原因となる。従って、好適なＬＥＤで
は、１×１０17乃至１×１０19ｃｍ-3の濃度で活性層に
ドープする。
【００３７】内部量子効率は、特に短波長ＬＥＤに関し
ては、活性層を多重量子井戸活性領域に代えることによ
って改善することが可能であり、この多重量子井戸活性
領域は、透明ＡｌＧａＩｎＰ合金の複数層の間に複数
（＞５）の薄膜ＡｌＧａＩｎＰ層を使用することによっ
て形成することができる。量子井戸を形成するために、
ＡｌＧａＩｎＰ活性層の厚さは、ＡｌＧａＩｎＰにおけ
る電子波動関数の波長（約２０ｎｍ）よりも小さくする
必要がある。大量生産の環境では、多重量子井戸活性層
の組成および厚さを均一に維持することが困難であるた
め、より厚い井戸を使用することが好適である。井戸を
厚くすると、発光波長を短くするなどの量子閉じ込め効
果を示さない。より厚い井戸を多重化して使用すること
で、より厚い単一活性層と比べて活性領域の内部量子効
率は増大する。それは、井戸の中のキャリア密度がより
高くなり、その結果発光再結合の割合が増大するためた
めである。同時に、（（式３）を用いて計算される）活
性層の吸光度は、０．２未満という要件を満足するはず
である。
ては、活性層を多重量子井戸活性領域に代えることによ
って改善することが可能であり、この多重量子井戸活性
領域は、透明ＡｌＧａＩｎＰ合金の複数層の間に複数
（＞５）の薄膜ＡｌＧａＩｎＰ層を使用することによっ
て形成することができる。量子井戸を形成するために、
ＡｌＧａＩｎＰ活性層の厚さは、ＡｌＧａＩｎＰにおけ
る電子波動関数の波長（約２０ｎｍ）よりも小さくする
必要がある。大量生産の環境では、多重量子井戸活性層
の組成および厚さを均一に維持することが困難であるた
め、より厚い井戸を使用することが好適である。井戸を
厚くすると、発光波長を短くするなどの量子閉じ込め効
果を示さない。より厚い井戸を多重化して使用すること
で、より厚い単一活性層と比べて活性領域の内部量子効
率は増大する。それは、井戸の中のキャリア密度がより
高くなり、その結果発光再結合の割合が増大するためた
めである。同時に、（（式３）を用いて計算される）活
性層の吸光度は、０．２未満という要件を満足するはず
である。
【００３８】図１１は、ＬＥＤにおける多重井戸（ＭＱ
Ｗ）活性層の略図を示す。この図では、活性層と、（Ａ
ｌxＧａ1-x）0.5Ｉｎ0.5Ｐから形成された上部阻止層
（USL）と、Ａｌ0.5Ｉｎ0.5Ｐから形成された上下閉じ
込め層（UCL,LCL）とを有するＬＥＤを示している。活
性領域内の活性層の間に位置する障壁層は、（ＡｌxＧ
ａ1-x）0.5Ｉｎ0.5Ｐ（ｘ＝０．５５乃至１．０）から
形成されている。障壁層は、格子整合または格子不整合
のＡｌＧａＩｎＰまたはＡｌＧａＡｓ等の活性層によっ
て放射される光に対して透明である物質であるならば如
何なる半導体物質からでも形成することができる。（井
戸および障壁）層の組成および厚さは、ＬＥＤの外部量
子効率を最大化するように選択しており、最適値は、井
戸の合金組成（従って発光波長）が異なれば異なること
が予想される。
Ｗ）活性層の略図を示す。この図では、活性層と、（Ａ
ｌxＧａ1-x）0.5Ｉｎ0.5Ｐから形成された上部阻止層
（USL）と、Ａｌ0.5Ｉｎ0.5Ｐから形成された上下閉じ
込め層（UCL,LCL）とを有するＬＥＤを示している。活
性領域内の活性層の間に位置する障壁層は、（ＡｌxＧ
ａ1-x）0.5Ｉｎ0.5Ｐ（ｘ＝０．５５乃至１．０）から
形成されている。障壁層は、格子整合または格子不整合
のＡｌＧａＩｎＰまたはＡｌＧａＡｓ等の活性層によっ
て放射される光に対して透明である物質であるならば如
何なる半導体物質からでも形成することができる。（井
戸および障壁）層の組成および厚さは、ＬＥＤの外部量
子効率を最大化するように選択しており、最適値は、井
戸の合金組成（従って発光波長）が異なれば異なること
が予想される。
【００３９】図１２では、３種類の相異なるＬＥＤの外
部量子効率を視感度効率で電流の関数（Ｌ−Ｉ曲線）と
して示している。曲線ａは、７５０ｎｍ厚の活性層と、
Ａｌ0.5Ｉｎ0.5Ｐから形成された閉じ込め層とを有する
発光波長５９０ｎｍのLEDに対するＬ−Ｉ曲線である。
曲線ｂは、２００ｎｍ厚の活性層と、（Ａｌ0.65Ｇａ
0.35）0.5Ｉｎ0.5Ｐから形成された５５０ｎｍ厚の上部
阻止層と、Ａｌ0.5Ｉｎ0.5Ｐから形成された閉じ込め層
とを有する別の発光波長５９０ｎｍのLEDに対するＬ−
Ｉ曲線である。曲線ｃは、５０ｎｍ厚の活性層を４層含
む活性領域を有する発光波長５９０ｎｍのLEDに対する
Ｌ−Ｉ曲線であり、各活性層を介在させる、５０ｎｍ厚
の（Ａｌ0.65Ｇａ0.35）0.5Ｉｎ0.5Ｐ障壁層が存在す
る。また、ＬＥＤは、４００ｎｍ厚の（Ａｌ0.65Ｇａ
0.35）0.5Ｉｎ0.5Ｐ上部阻止層とＡｌ0.5Ｉｎ0.5Ｐ閉じ
込め層とをも含む。ＬＥＤを２０ｍＡで駆動した場合、
曲線ａに対応する素子の外部量子効率は４．５％であっ
て、曲線ｂに対応する素子の外部量子効率は、５．８％
であって、曲線ｃに対応する素子の外部量子効率は７．
８％である。ＭＱＷ活性層中の「井戸」は、量子閉じ込
め効果（有効禁制帯幅の拡大等）を生ずるのに十分なほ
ど薄くはない。そのため、３種類全てのＬＥＤの発光波
長はほぼ同じになる。同じ傾向は、前述し、図７、８に
て示したように、相異なる波長に対する活性層の厚さに
関わる外部量子効率で観察されている。ＭＱＷ構造は、
数層の発光層を含んでいるため、活性層の厚さは、多重
井戸の場合では全ての発光層の厚さの和となる。光学的
に透明な障壁層の厚さは、この合計の厚さに含まれてい
ない。
部量子効率を視感度効率で電流の関数（Ｌ−Ｉ曲線）と
して示している。曲線ａは、７５０ｎｍ厚の活性層と、
Ａｌ0.5Ｉｎ0.5Ｐから形成された閉じ込め層とを有する
発光波長５９０ｎｍのLEDに対するＬ−Ｉ曲線である。
曲線ｂは、２００ｎｍ厚の活性層と、（Ａｌ0.65Ｇａ
0.35）0.5Ｉｎ0.5Ｐから形成された５５０ｎｍ厚の上部
阻止層と、Ａｌ0.5Ｉｎ0.5Ｐから形成された閉じ込め層
とを有する別の発光波長５９０ｎｍのLEDに対するＬ−
Ｉ曲線である。曲線ｃは、５０ｎｍ厚の活性層を４層含
む活性領域を有する発光波長５９０ｎｍのLEDに対する
Ｌ−Ｉ曲線であり、各活性層を介在させる、５０ｎｍ厚
の（Ａｌ0.65Ｇａ0.35）0.5Ｉｎ0.5Ｐ障壁層が存在す
る。また、ＬＥＤは、４００ｎｍ厚の（Ａｌ0.65Ｇａ
0.35）0.5Ｉｎ0.5Ｐ上部阻止層とＡｌ0.5Ｉｎ0.5Ｐ閉じ
込め層とをも含む。ＬＥＤを２０ｍＡで駆動した場合、
曲線ａに対応する素子の外部量子効率は４．５％であっ
て、曲線ｂに対応する素子の外部量子効率は、５．８％
であって、曲線ｃに対応する素子の外部量子効率は７．
８％である。ＭＱＷ活性層中の「井戸」は、量子閉じ込
め効果（有効禁制帯幅の拡大等）を生ずるのに十分なほ
ど薄くはない。そのため、３種類全てのＬＥＤの発光波
長はほぼ同じになる。同じ傾向は、前述し、図７、８に
て示したように、相異なる波長に対する活性層の厚さに
関わる外部量子効率で観察されている。ＭＱＷ構造は、
数層の発光層を含んでいるため、活性層の厚さは、多重
井戸の場合では全ての発光層の厚さの和となる。光学的
に透明な障壁層の厚さは、この合計の厚さに含まれてい
ない。
【００４０】内部量子効率は、井戸の中に組み込まれる
ｐ型ドーパント原子が増大するため、ある程度は改善さ
れる。このことは、井戸の中の正孔濃度を増大させて、
発光再結合の割合を増大させるが、内部量子効率もまた
増大させる。曲線ｃに対応する素子のＳＩＭＳ（２次イ
オン質量分析）によって井戸内のドーパント濃度に３倍
の増加が観測された。ＬＥＤが高温処理工程を受ける
時、ドーパント原子は、障壁層の外、それも井戸の中へ
拡散する。ドーパント原子は、井戸を形成する狭禁制帯
幅のＡｌＧａＩｎＰ合金中への方が、これよりも広い禁
制帯幅の障壁層を形成するＡｌＧａＩｎＰ合金の中へよ
りも、より一層溶け易いため、ドーパント原子は井戸の
中に集まる。内部量子効率か改善するもう１つの理由
は、大多数の電荷キャリア（電子または正孔）は、禁制
帯幅が広い方の障壁層を出て禁制帯幅が狭い方の井戸へ
拡散する傾向があることである。このことは、発光再結
合の割合を更に増大させている。
ｐ型ドーパント原子が増大するため、ある程度は改善さ
れる。このことは、井戸の中の正孔濃度を増大させて、
発光再結合の割合を増大させるが、内部量子効率もまた
増大させる。曲線ｃに対応する素子のＳＩＭＳ（２次イ
オン質量分析）によって井戸内のドーパント濃度に３倍
の増加が観測された。ＬＥＤが高温処理工程を受ける
時、ドーパント原子は、障壁層の外、それも井戸の中へ
拡散する。ドーパント原子は、井戸を形成する狭禁制帯
幅のＡｌＧａＩｎＰ合金中への方が、これよりも広い禁
制帯幅の障壁層を形成するＡｌＧａＩｎＰ合金の中へよ
りも、より一層溶け易いため、ドーパント原子は井戸の
中に集まる。内部量子効率か改善するもう１つの理由
は、大多数の電荷キャリア（電子または正孔）は、禁制
帯幅が広い方の障壁層を出て禁制帯幅が狭い方の井戸へ
拡散する傾向があることである。このことは、発光再結
合の割合を更に増大させている。
【００４１】動作中、外部量子効率を維持するＬＥＤの
能力は、重要な性能パラメータの１つである。上部阻止
層の組成は、ＬＥＤの信頼性に影響を及ぼす。図１３
は、２００ｎｍ厚の活性層と、種々の組成の（ＡｌxＧ
ａ1-x）0.5Ｉｎ0.5Ｐ（ｘ＝１．０，０．６５，０．
５）から成る５５０ｎｍ厚の上部阻止層とを有する波長
５９０ｎｍＬＥＤについて、動作中の外部量子効率の経
時変化を示している。この図では、上部阻止層がＡｌ分
率の低いＡｌＧａＩｎＰから形成される場合、外部量子
効率の経時劣化が小さいことを示している。（Ａｌ0.5
Ｇａ0.5）0.5Ｉｎ0.5Ｐ上部阻止層を有するＬＥＤの信
頼性は、（Ａｌ0.65Ｇａ0.35）0.5Ｉｎ0.5Ｐ上部阻止層
を有するＬＥＤよりも優れているが、前述した外部量子
効率の利点のため、上部阻止層が、（Ａｌ0.65Ｇ
ａ0.35）0.5Ｉｎ0.5Ｐから形成される時に、この組成が
好適となる。換言すれば、長時間動作の後、（Ａｌ0.65
Ｇａ0.35）0.5Ｉｎ0.5Ｐ阻止層を有するＬＥＤの残留外
部量子効率は、（Ａｌ0.5Ｇａ0.5）0.5Ｉｎ0.5Ｐ阻止層
を有するＬＥＤよりも大きくなる。
能力は、重要な性能パラメータの１つである。上部阻止
層の組成は、ＬＥＤの信頼性に影響を及ぼす。図１３
は、２００ｎｍ厚の活性層と、種々の組成の（ＡｌxＧ
ａ1-x）0.5Ｉｎ0.5Ｐ（ｘ＝１．０，０．６５，０．
５）から成る５５０ｎｍ厚の上部阻止層とを有する波長
５９０ｎｍＬＥＤについて、動作中の外部量子効率の経
時変化を示している。この図では、上部阻止層がＡｌ分
率の低いＡｌＧａＩｎＰから形成される場合、外部量子
効率の経時劣化が小さいことを示している。（Ａｌ0.5
Ｇａ0.5）0.5Ｉｎ0.5Ｐ上部阻止層を有するＬＥＤの信
頼性は、（Ａｌ0.65Ｇａ0.35）0.5Ｉｎ0.5Ｐ上部阻止層
を有するＬＥＤよりも優れているが、前述した外部量子
効率の利点のため、上部阻止層が、（Ａｌ0.65Ｇ
ａ0.35）0.5Ｉｎ0.5Ｐから形成される時に、この組成が
好適となる。換言すれば、長時間動作の後、（Ａｌ0.65
Ｇａ0.35）0.5Ｉｎ0.5Ｐ阻止層を有するＬＥＤの残留外
部量子効率は、（Ａｌ0.5Ｇａ0.5）0.5Ｉｎ0.5Ｐ阻止層
を有するＬＥＤよりも大きくなる。
【００４２】ＡｌＧａＩｎＰ ＬＥＤの信頼性を改善す
る別の方法は、活性領域に隣接する層に対して酸素ドー
ピングを使用することであり、これは英国特許第２，３
０１，９３４Ａ号においてストックマン（Ｓｔｏｃｋｍ
ａｎ）等により開示されている。ストックマン等は、酸
素またはその他の不純物が電子または正孔寿命を低下さ
せる欠陥の形成または拡大を妨ぐことによって、ＬＥＤ
の信頼性が改善することを開示している。活性層に隣接
する層ではリークキャリアが最も高く、また、これらの
層中に欠陥が形成されるとリークキャリアが増大するた
め、活性層に隣接する層には酸素をドープすべきであ
る。活性層から遠い位置にある層は、リークキャリアが
少なく、それ故、これらの層への酸素ドーピングがＬＥ
Ｄの信頼性を改善することは予想されていなかった。
る別の方法は、活性領域に隣接する層に対して酸素ドー
ピングを使用することであり、これは英国特許第２，３
０１，９３４Ａ号においてストックマン（Ｓｔｏｃｋｍ
ａｎ）等により開示されている。ストックマン等は、酸
素またはその他の不純物が電子または正孔寿命を低下さ
せる欠陥の形成または拡大を妨ぐことによって、ＬＥＤ
の信頼性が改善することを開示している。活性層に隣接
する層ではリークキャリアが最も高く、また、これらの
層中に欠陥が形成されるとリークキャリアが増大するた
め、活性層に隣接する層には酸素をドープすべきであ
る。活性層から遠い位置にある層は、リークキャリアが
少なく、それ故、これらの層への酸素ドーピングがＬＥ
Ｄの信頼性を改善することは予想されていなかった。
【００４３】図１４は、２００ｎｍ厚の活性層と５５０
ｎｍ厚の（Ａｌ0.65Ｇａ0.35）0.5Ｉｎ0.5Ｐ上部阻止層
とを有する発光波長５９０ｎｍのLEDについて、長時間
動作後の外部量子効率の低下を示している。曲線ａは、
酸素ドーパントを全く含まない素子を示す。曲線ｂは、
上部閉じ込め層中にのみ酸素を含む素子を示す。曲線ｃ
は、上部閉じ込め層と介在する上部阻止層の両層中に酸
素を含む素子を示す。酸素が遠い位置の上部閉じ込め層
中に存在する時、隣接上部阻止層に酸素がドープされて
いるか否かを問わず、長時間動作後のＬＥＤの保持外部
量子効率は最も高くなる。阻止層が複数の相異なる半導
体物質層から形成されている場合、活性層から遠いこれ
らの層のどれかに酸素をドープしてＬＥＤの信頼性を向
上できることとは、当業者にとって明らかであろう。
ｎｍ厚の（Ａｌ0.65Ｇａ0.35）0.5Ｉｎ0.5Ｐ上部阻止層
とを有する発光波長５９０ｎｍのLEDについて、長時間
動作後の外部量子効率の低下を示している。曲線ａは、
酸素ドーパントを全く含まない素子を示す。曲線ｂは、
上部閉じ込め層中にのみ酸素を含む素子を示す。曲線ｃ
は、上部閉じ込め層と介在する上部阻止層の両層中に酸
素を含む素子を示す。酸素が遠い位置の上部閉じ込め層
中に存在する時、隣接上部阻止層に酸素がドープされて
いるか否かを問わず、長時間動作後のＬＥＤの保持外部
量子効率は最も高くなる。阻止層が複数の相異なる半導
体物質層から形成されている場合、活性層から遠いこれ
らの層のどれかに酸素をドープしてＬＥＤの信頼性を向
上できることとは、当業者にとって明らかであろう。
【００４４】これらの素子の外部量子効率を比較した場
合、効率（ストレスを受ける前）は、酸素が使用されて
いない時に最も高くなり、酸素が上部閉じ込め層と上部
阻止層の両層中に存在する時には最も低くなることが見
出された。更に、上部閉じ込め層内の酸素ドーピングレ
ベルが異なった場合の影響の測定に基づいて、酸素濃度
（ＳＩＭＳにて測定）が１×１０17ｃｍ-3未満である
時、ＬＥＤの信頼性はあまりよくないことが見出されて
いる。また、酸素濃度が５×１０18ｃｍ-3を超えた時、
ＬＥＤの内部量子効率はあまりよくない。従って、上部
閉じ込め層中の酸素ドーパント濃度の好適な範囲は、１
×１０17乃至５×１０18ｃｍ-3である。
合、効率（ストレスを受ける前）は、酸素が使用されて
いない時に最も高くなり、酸素が上部閉じ込め層と上部
阻止層の両層中に存在する時には最も低くなることが見
出された。更に、上部閉じ込め層内の酸素ドーピングレ
ベルが異なった場合の影響の測定に基づいて、酸素濃度
（ＳＩＭＳにて測定）が１×１０17ｃｍ-3未満である
時、ＬＥＤの信頼性はあまりよくないことが見出されて
いる。また、酸素濃度が５×１０18ｃｍ-3を超えた時、
ＬＥＤの内部量子効率はあまりよくない。従って、上部
閉じ込め層中の酸素ドーパント濃度の好適な範囲は、１
×１０17乃至５×１０18ｃｍ-3である。
【００４５】当業者ならば、これらの原理および開示内
容は、他の物質系（例えばＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＮ
等）で製造されたＬＥＤは勿論のこと、活性層と基板と
の間に介在するミラー層を有する吸収基板ＬＥＤ等、多
数のＬＥＤ素子構造体にまで拡張可能であることに気付
くであろう。そこで、本発明の広汎な応用に鑑み、以下
に本発明の実施態様のいくつかを例示して、本発明の実
施の参考に供する。
容は、他の物質系（例えばＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＮ
等）で製造されたＬＥＤは勿論のこと、活性層と基板と
の間に介在するミラー層を有する吸収基板ＬＥＤ等、多
数のＬＥＤ素子構造体にまで拡張可能であることに気付
くであろう。そこで、本発明の広汎な応用に鑑み、以下
に本発明の実施態様のいくつかを例示して、本発明の実
施の参考に供する。
【００４６】（実施態様１）第１導電型を有する半導体
基板と、全吸光度を有し、前記半導体基板上に形成され
た第１導電型ＡｌＧａＩｎＰ合金下部閉じ込め層（１４
Ａ）と、前記下部閉じ込め層上に形成された０．２未満
の吸光度を有するＡｌＧａＩｎＰ活性領域（１２）と、
前記活性領域上に形成された第２導電型ＡｌＧａＩｎＰ
合金上部閉じ込め層（１４Ｂ）とを含む、前記半導体基
板上に形成された素子層とを含んで成り、前記活性領域
の吸光度が少なくとも全吸光度の５分の１である、発光
素子。
基板と、全吸光度を有し、前記半導体基板上に形成され
た第１導電型ＡｌＧａＩｎＰ合金下部閉じ込め層（１４
Ａ）と、前記下部閉じ込め層上に形成された０．２未満
の吸光度を有するＡｌＧａＩｎＰ活性領域（１２）と、
前記活性領域上に形成された第２導電型ＡｌＧａＩｎＰ
合金上部閉じ込め層（１４Ｂ）とを含む、前記半導体基
板上に形成された素子層とを含んで成り、前記活性領域
の吸光度が少なくとも全吸光度の５分の１である、発光
素子。
【００４７】（実施態様２）更に前記上部閉じ込め層上
に形成された前記第２導電型の半導体窓層（１８）を含
んで成り、前記半導体窓層が前記活性領域によって放射
された光に対して透明である、実施態様１に記載の発光
素子。 （実施態様３）前記下部閉じ込め層と前記上部閉じ込め
層のいずれかと前記活性領域との間に介在するＡｌＧａ
ＩｎＰ合金阻止層（１６）を更に含んで成り、前記阻止
層の合金組成が（ＡｌxＧａ1-x）yＩｎ1-yＰ、ｘ≧０．
５５、０≦ｙ≦１である、実施態様１に記載の発光素
子。
に形成された前記第２導電型の半導体窓層（１８）を含
んで成り、前記半導体窓層が前記活性領域によって放射
された光に対して透明である、実施態様１に記載の発光
素子。 （実施態様３）前記下部閉じ込め層と前記上部閉じ込め
層のいずれかと前記活性領域との間に介在するＡｌＧａ
ＩｎＰ合金阻止層（１６）を更に含んで成り、前記阻止
層の合金組成が（ＡｌxＧａ1-x）yＩｎ1-yＰ、ｘ≧０．
５５、０≦ｙ≦１である、実施態様１に記載の発光素
子。
【００４８】（実施態様４）前記上部閉じ込め層（１４
Ｂ）が、酸素ドープされており、前記酸素の濃度が１×
１０17乃至５×１０18ｃｍ-3である、実施態様３に記載
の発光素子。 （実施態様５）前記阻止層（１６）が、前記活性領域と
前記上部閉じ込め層との間に位置しており、かつ濃度１
×１０15乃至５×１０16ｃｍ-3で酸素ドープされてい
る、実施態様４に記載の発光素子。
Ｂ）が、酸素ドープされており、前記酸素の濃度が１×
１０17乃至５×１０18ｃｍ-3である、実施態様３に記載
の発光素子。 （実施態様５）前記阻止層（１６）が、前記活性領域と
前記上部閉じ込め層との間に位置しており、かつ濃度１
×１０15乃至５×１０16ｃｍ-3で酸素ドープされてい
る、実施態様４に記載の発光素子。
【００４９】（実施態様６）更に前記活性領域（１２）
が、光を放射するJ層のＡｌＧａＩｎＰ合金活性層と、
前記活性層によって放射された光に対して透明であって
各障壁層が２層の活性層の間に介在するJ−１層の障壁
層とから成る、実施態様３に記載の発光素子。 （実施態様７）更に前記活性領域（１２）が、光を放射
するJ層のＡｌＧａＩｎＰ合金活性層と、前記活性層に
よって放射された光に対して透明であって、各障壁層が
２層の活性層の間に介在するJ−１層の障壁層とから成
る、実施態様１に記載の発光素子。
が、光を放射するJ層のＡｌＧａＩｎＰ合金活性層と、
前記活性層によって放射された光に対して透明であって
各障壁層が２層の活性層の間に介在するJ−１層の障壁
層とから成る、実施態様３に記載の発光素子。 （実施態様７）更に前記活性領域（１２）が、光を放射
するJ層のＡｌＧａＩｎＰ合金活性層と、前記活性層に
よって放射された光に対して透明であって、各障壁層が
２層の活性層の間に介在するJ−１層の障壁層とから成
る、実施態様１に記載の発光素子。
【００５０】（実施態様８）前記半導体基板が透明であ
る、実施態様１に記載の発光素子。 （実施態様９）前記第２導電型がｐ型であって、前記活
性領域（１２）が濃度１×１０17乃至１×１０19ｃｍ-3
でｐ型ドーパントを含有する、実施態様８に記載の発光
素子。 （実施態様１０）前記下部閉じ込め層と前記上部閉じ込
め層のいずれかと前記活性領域との間に介在するＡｌＧ
ａＩｎＰ合金阻止層（１６）を更に含んで成り、前記阻
止層の合金組成が（ＡｌxＧａ1-x）yＩｎ1-yＰ、ｘ≧
０．５５、０≦ｙ≦１である、実施態様８に記載の発光
素子。
る、実施態様１に記載の発光素子。 （実施態様９）前記第２導電型がｐ型であって、前記活
性領域（１２）が濃度１×１０17乃至１×１０19ｃｍ-3
でｐ型ドーパントを含有する、実施態様８に記載の発光
素子。 （実施態様１０）前記下部閉じ込め層と前記上部閉じ込
め層のいずれかと前記活性領域との間に介在するＡｌＧ
ａＩｎＰ合金阻止層（１６）を更に含んで成り、前記阻
止層の合金組成が（ＡｌxＧａ1-x）yＩｎ1-yＰ、ｘ≧
０．５５、０≦ｙ≦１である、実施態様８に記載の発光
素子。
【００５１】（実施態様１１）更に前記活性領域（１
２）が、光を放射するJ層のＡｌＧａＩｎＰ合金活性層
と、前記活性層によって放射された光に対して透明であ
って各障壁層が２層の隣合う活性層の間に介在するJ−
１層の障壁層とから成る、実施態様１０に記載の発光素
子。 （実施態様１２）前記活性領域（１２）が、発光波長６
００ｎｍで発光するように動作し、かつ前記活性層の合
計厚さが１００乃至２５０ｎｍである、実施態様１１に
記載の発光素子。
２）が、光を放射するJ層のＡｌＧａＩｎＰ合金活性層
と、前記活性層によって放射された光に対して透明であ
って各障壁層が２層の隣合う活性層の間に介在するJ−
１層の障壁層とから成る、実施態様１０に記載の発光素
子。 （実施態様１２）前記活性領域（１２）が、発光波長６
００ｎｍで発光するように動作し、かつ前記活性層の合
計厚さが１００乃至２５０ｎｍである、実施態様１１に
記載の発光素子。
【００５２】（実施態様１３）前記活性領域（１２）
が、発光波長６００乃至６２０ｎｍで発光するように動
作し、かつ前記活性層の合計厚さが５０乃至２５０ｎｍ
である、実施態様１１に記載の発光素子。 （実施態様１４）前記活性領域（１２）が、発光波長６
２０ｎｍで発光するように動作し、かつ前記活性層の合
計厚さが２０乃至１５０ｎｍである、実施態様１１に記
載の発光素子。
が、発光波長６００乃至６２０ｎｍで発光するように動
作し、かつ前記活性層の合計厚さが５０乃至２５０ｎｍ
である、実施態様１１に記載の発光素子。 （実施態様１４）前記活性領域（１２）が、発光波長６
２０ｎｍで発光するように動作し、かつ前記活性層の合
計厚さが２０乃至１５０ｎｍである、実施態様１１に記
載の発光素子。
【００５３】（実施態様１５）前記上部閉じ込め層（１
４Ｂ）が、酸素ドープされており、前記ドープされた酸
素の濃度が１×１０17乃至５×１０18ｃｍ-3である、実
施態様１０に記載の発光素子。 （実施態様１６）前記阻止層（１６）が前記活性領域と
前記上部閉じ込め層との間に位置しており、かつ酸素ド
ープされて、１×１０15乃至５×１０16ｃｍ-3の酸素濃
度を有する、実施態様１５に記載の発光素子。
４Ｂ）が、酸素ドープされており、前記ドープされた酸
素の濃度が１×１０17乃至５×１０18ｃｍ-3である、実
施態様１０に記載の発光素子。 （実施態様１６）前記阻止層（１６）が前記活性領域と
前記上部閉じ込め層との間に位置しており、かつ酸素ド
ープされて、１×１０15乃至５×１０16ｃｍ-3の酸素濃
度を有する、実施態様１５に記載の発光素子。
【００５４】（実施態様１７）更に前記活性領域（１
２）が、光を放射するJ層のＡｌＧａＩｎＰ合金活性層
と、前記活性層によって放射された光に対して透明であ
って各障壁層が２層の活性層の間に介在するJ−１層の
障壁層とから成る、実施態様８に記載の発光素子。 （実施態様１８）前記活性領域（１２）が、発光波長６
００ｎｍで発光するように動作し、かつ前記活性層の合
計厚さが１００乃至２５０ｎｍである、実施態様８に記
載の発光素子。
２）が、光を放射するJ層のＡｌＧａＩｎＰ合金活性層
と、前記活性層によって放射された光に対して透明であ
って各障壁層が２層の活性層の間に介在するJ−１層の
障壁層とから成る、実施態様８に記載の発光素子。 （実施態様１８）前記活性領域（１２）が、発光波長６
００ｎｍで発光するように動作し、かつ前記活性層の合
計厚さが１００乃至２５０ｎｍである、実施態様８に記
載の発光素子。
【００５５】（実施態様１９）前記活性領域（１２）
が、発光波長６００乃至６２０ｎｍで発光するように動
作し、かつ前記活性層の合計厚さが５０乃至２５０ｎｍ
である、実施態様８に記載の発光素子。 （実施態様２０）前記活性領域（１２）が、発光波長６
２０ｎｍで発光するように動作し、かつ前記活性層の合
計厚さが２０乃至１５０ｎｍである、実施態様８に記載
の発光素子。
が、発光波長６００乃至６２０ｎｍで発光するように動
作し、かつ前記活性層の合計厚さが５０乃至２５０ｎｍ
である、実施態様８に記載の発光素子。 （実施態様２０）前記活性領域（１２）が、発光波長６
２０ｎｍで発光するように動作し、かつ前記活性層の合
計厚さが２０乃至１５０ｎｍである、実施態様８に記載
の発光素子。
【００５６】
【発明の効果】本発明は、ηinternal（内部量子効率）
とηextraction（光取り出し効率）との妥協点を明らか
すると共に透明基板ＬＥＤの優れた外部量子効率を提供
する活性層の厚さを有するＡｌＧａＩｎＰ活性領域を含
むＬＥＤである。ηinternalは数多くの特性、特に活性
領域および閉じ込め層の組成の関数であり、最適の厚さ
は、個々のＡｌＧａＩｎＰ ＬＥＤの設計に固有のもの
である。活性領域中の層の厚さおよび数は、優れた外部
量子効率を提供できるように指定してある。更に、ＬＥ
Ｄの外部量子効率は、長時間の動作でも実質的には変化
しない。特定範囲の活性層の厚さと、閉じ込め層の厚さ
と、その他構成要素の条件とにより、外部量子効率およ
び生産性を向上することができる。
とηextraction（光取り出し効率）との妥協点を明らか
すると共に透明基板ＬＥＤの優れた外部量子効率を提供
する活性層の厚さを有するＡｌＧａＩｎＰ活性領域を含
むＬＥＤである。ηinternalは数多くの特性、特に活性
領域および閉じ込め層の組成の関数であり、最適の厚さ
は、個々のＡｌＧａＩｎＰ ＬＥＤの設計に固有のもの
である。活性領域中の層の厚さおよび数は、優れた外部
量子効率を提供できるように指定してある。更に、ＬＥ
Ｄの外部量子効率は、長時間の動作でも実質的には変化
しない。特定範囲の活性層の厚さと、閉じ込め層の厚さ
と、その他構成要素の条件とにより、外部量子効率およ
び生産性を向上することができる。
【図１】従来技術による透明基板発光素子を示す図であ
る。
る。
【図２】曲線ａ、ｂにて２つのＡＳ−ＬＥＤの内部量子
効率を示す図である。
効率を示す図である。
【図３】図１で示した素子を透過する光を示す図であ
る。
る。
【図４】ＴＳ−ＬＥＤについて量子効率の活性層厚さへ
の依存性を示す図である。
の依存性を示す図である。
【図５】光量子エネルギーの関数としてＡｌＧａＩｎＰ
合金の吸収率を示す図である。
合金の吸収率を示す図である。
【図６】数種類の相異なるＴＳ−ＬＥＤウェーハを透過
した光の割合を示す図である。
した光の割合を示す図である。
【図７】活性層の厚さが異なる場合の波長５９０ｎｍの
ＴＳ−ＬＥＤの相対外部量子効率を示す図である。
ＴＳ−ＬＥＤの相対外部量子効率を示す図である。
【図８】活性層の厚さが異なる場合の波長６３０ｎｍＴ
Ｓ−ＬＥＤの相対外部量子効率を示す図である。
Ｓ−ＬＥＤの相対外部量子効率を示す図である。
【図９Ａ】薄膜活性層とＡｌ0.5Ｉｎ0.5Ｐ閉じ込め層と
を有するが阻止層を持たないＬＥＤの説明図である。
を有するが阻止層を持たないＬＥＤの説明図である。
【図９Ｂ】薄膜活性層とＡｌ0.5Ｉｎ0.5Ｐ閉じ込め層と
阻止層とを有するＬＥＤの説明図である。
阻止層とを有するＬＥＤの説明図である。
【図１０】５９０ｎｍの光を放射する薄膜活性層と、阻
止層とを有しており、活性層のｐ型不純物ドーピングレ
ベルを変更したＬＥＤについて、外部量子効率を示す図
である。
止層とを有しており、活性層のｐ型不純物ドーピングレ
ベルを変更したＬＥＤについて、外部量子効率を示す図
である。
【図１１】多重井戸活性領域素子の特定の一実施形態を
示す図である。
示す図である。
【図１２】従来技術によるＬＥＤ（曲線ａ）、２００ｎ
ｍ厚の活性層を有する本発明のＬＥＤ（曲線ｂ）および
５０ｎｍ厚の発光層４層から成る多重井戸活性層を有す
る本発明のＬＥＤ（曲線ｃ）の外部量子効率を示す図で
ある。
ｍ厚の活性層を有する本発明のＬＥＤ（曲線ｂ）および
５０ｎｍ厚の発光層４層から成る多重井戸活性層を有す
る本発明のＬＥＤ（曲線ｃ）の外部量子効率を示す図で
ある。
【図１３】長時間動作後の、波長５９０ｎｍで発光する
ＬＥＤ３種類の外部量子効率の低下を示す図である。
ＬＥＤ３種類の外部量子効率の低下を示す図である。
【図１４】長時間動作後の、薄膜活性層と阻止層とを含
んで成るＬＥＤの外部量子効率の低下を示す図である。
んで成るＬＥＤの外部量子効率の低下を示す図である。
１２ ＡｌＧａＩｎＰ活性領域 １４Ａ 第１導電型ＡｌＧａＩｎＰ合金下部閉じ込め層 １４Ｂ 第２導電型ＡｌＧａＩｎＰ合金上部閉じ込め層 １６ ＡｌＧａＩｎＰ合金阻止層 １８ 第２導電型窓層
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 フレッド・エー・キッシュ アメリカ合衆国カリフォルニア州サン・ノ ゼ ニューゲイト・コート 5815 (72)発明者 ハーマン・シー・チュイ アメリカ合衆国カリフォルニア州サニーベ イル ウエスト・ニカボカー・ドライブ 863 (72)発明者 スティーブン・エー・ストックマン アメリカ合衆国カリフォルニア州モーガ ン・ヒル ラ・マー・ドライブ 15500 (72)発明者 マイケル・アール・クレイムス アメリカ合衆国カリフォルニア州マウンテ ン・ビュウ フロント・レイン 550 (72)発明者 グロリア・イー・ホフラー アメリカ合衆国カリフォルニア州サニーベ イル カンバーランド・ドライブ 863 (72)発明者 クリストファー・ココット アメリカ合衆国カリフォルニア州パロ・ア ルト ロマ・バード・アベニュー 622 (72)発明者 ニコラス・ジェイ・モル アメリカ合衆国カリフォルニア州ラ・ホン ダ スター・ルート ２ボックス 408
Claims (1)
- 【請求項１】第１導電型を有する半導体基板と、 全吸光度を有し、前記半導体基板上に形成された第１導
電型ＡｌＧａＩｎＰ合金下部閉じ込め層と、前記下部閉
じ込め層上に形成された０．２未満の吸光度を有するＡ
ｌＧａＩｎＰ活性領域と、前記活性領域上に形成された
第２導電型ＡｌＧａＩｎＰ合金上部閉じ込め層とを含
む、前記半導体基板上に形成された素子層とを含んで成
り、 前記活性領域の吸光度が少なくとも全吸光度の５分の１
である、 発光素子。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US122,568 | 1998-07-24 | ||
| US09/122,568 US20010020703A1 (en) | 1998-07-24 | 1998-07-24 | Algainp light emitting devices with thin active layers |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2000058906A true JP2000058906A (ja) | 2000-02-25 |
| JP2000058906A5 JP2000058906A5 (ja) | 2006-11-02 |
Family
ID=22403472
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP20990199A Pending JP2000058906A (ja) | 1998-07-24 | 1999-07-23 | 発光素子 |
Country Status (6)
| Country | Link |
|---|---|
| US (2) | US20010020703A1 (ja) |
| JP (1) | JP2000058906A (ja) |
| KR (1) | KR100734638B1 (ja) |
| DE (1) | DE19911701B4 (ja) |
| GB (1) | GB2339965A (ja) |
| TW (1) | TW410485B (ja) |
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