JP2000150954A

JP2000150954A - 半導体発光素子

Info

Publication number: JP2000150954A
Application number: JP32424398A
Authority: JP
Inventors: Kazuaki Sasaki; 和明佐々木
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 1998-11-13
Filing date: 1998-11-13
Publication date: 2000-05-30
Anticipated expiration: 2018-11-13
Also published as: JP3606545B2

Abstract

(57)【要約】【課題】発光の軸上拡がりが小さく、低抵抗で発光効
率の高い半導体発光素子を提供する。【解決手段】半導体発光素子は、第１導電型の半導体
基板と、第２導電型の電流拡散層と、半導体基板と電流
拡散層との間に設けられたＧａＡｓまたはＡｌＧａＡｓ
またはＧａＩｎＡｓからなる活性層を含む発光層と、発
光層上に形成された第２導電型の下地層と、下地層の一
部の上に形成された第１導電型の電流ブロック層とを有
する。第２導電型の電流拡散層は、第２導電型の下地層
および第１導電型の電流ブロック層を覆って形成され
る。下地層および該電流拡散層は、第２導電型のＧａＰ
からなる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は半導体発光素子に関
し、特に、赤外帯の集光特性の優れた空間伝送用発光ダ
イオードに関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、光通信や情報表示パネル等に発光
ダイオード（ＬＥＤ）が広く用いられている。固体発光
素子である発光ダイオードは、長寿命、消費電力の少な
さ、応答速度の速さなどの利点を有しているため、様々
な応用分野への展開が期待されている。

【０００３】光通信の分野において、赤外光を放射する
赤外帯のＬＥＤが光空間伝送用として用いられている。
このような赤外光を発光するために、ＬＥＤの発光層に
ＧａＡｓまたはＡｌＧａＡｓまたはＧａＩｎＡｓからな
る活性層を設けることが知られている。

【０００４】一方で、光出力の低下を抑制して効率のよ
い発光を達成するために、ＬＥＤの発光層と電極との間
の電流拡散層に、電流拡散層とは逆導電型の電流ブロッ
ク層を設ける技術が、例えば、特開平５−３４３７３６
号公報に開示されている。この技術においては、電流ブ
ロック層が、発光層を流れる電流を発光層の中央領域付
近に集中させるので、素子の側面からの影響による光出
力の低下を抑制することができる。このような技術を用
いることにより、安定して高輝度が得られるＬＥＤが得
られる。

【０００５】図７（ａ）および図７（ｂ）を参照して、
以下に従来のＧａＡｓ層を活性層とする赤外帯のＬＥＤ
（従来例１）の構造および製造工程を説明する。

【０００６】図７に示すＬＥＤ５００においては、ｎ−
ＧａＡｓ基板５０上に、液相成長法を用いて、ｎ−Ａｌ
_0.3Ｇａ_0.7Ａｓ第１クラッド層５１（Ｔｅ−ドープ、キ
ャリア濃度５×１０¹⁷ｃｍ^-3、厚さ１．５μｍ）、ｐ−
ＧａＡｓ活性層５２（Ｍｇ−ドープ、キャリア濃度２×
１０¹⁸ｃｍ^-3厚さ０．７μｍ）、ｐ−Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａ
ｓ第２クラッド層５３（Ｍｇ−ドープ、キャリア濃度２
×１０¹⁸ｃｍ^-3、厚さ１．５μｍ）および電流狭窄層
（電流ブロック層）５８を形成するためのｎ−ＧａＡｓ
層（Ｔｅ−ドープ、キャリア濃度２×１０¹⁸ｃｍ^-3、厚
さ０．４μｍ）が順次連続して成長されている。

【０００７】ｎ−ＧａＡｓ層は、図７（ａ）に示されて
いるように１００μｍφの円形状にエッチングされ、素
子中央を発光領域とするためのｎ−ＧａＡｓ電流狭窄層
５８が完成する。

【０００８】この上に、有機金属気相成長（ＭＯＣＶ
Ｄ）法を用いて、ｐ−Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓ第２クラッド
層５３の上記エッチングされた円形に対応する領域とｎ
−ＧａＡｓ電流狭窄層５８とを覆うようにｐ−Ａｌ_0.3
Ｇａ_0.7Ａｓ電流拡散層５４（Ｍｇ−ドープ、キャリア
濃度３×１０¹⁸ｃｍ^-3、厚さ６μｍ）が再成長されてお
り、更に電流拡散層５４上にｐ−ＧａＡｓオーミックコ
ンタクト層５５（Ｍｇ−ドープ、キャリア濃度３×１０
¹⁸ｃｍ^-3、厚さ０．５μｍ）が成長されている。

【０００９】最後に、第１電極５６および第２電極５７
が、基板５０および電流拡散層５４上にそれぞれ形成さ
れる。オーミックコンタクト層５５および第２電極５７
は、電流狭窄層５８の円形状エッチング領域に対応する
形状と大きさの部分がエッチングにより除去されてい
る。

【００１０】このように形成したＬＥＤ５００において
は、第１電極５６と第２電極５７との間に電圧を印加す
ることにより、第１クラッド層５１と第２クラッド層５
３と活性層５２とを含むダブルヘテロ構造の発光層にお
いて電子と正孔とが再結合されて発光が行われる。ＬＥ
Ｄ５００は、電流拡散層５４とは逆導電型の電流狭窄層
５８を有しているので、注入された電流（キャリアの流
れ）を素子中央の領域に集中して流し得、発光層におけ
る発光スポットを小さくすることができる。これによ
り、樹脂にモールドした後のＬＥＤ素子の集光特性を良
好にでき、空間伝送用ＬＥＤとしての性能が向上する。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来例１のＬＥＤ５００においては、ｐ−Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7
Ａｓ電流拡散層５４を再成長させる前の下地の一部であ
る、ｐ−Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓ第２クラッド層５３の表面
（界面５９）に、酸素が取り込まれる場合がある。この
酸素は、エッチング等の工程により電流狭窄層５８を形
成した後、電流拡散層５４を再成長させるまでの間に、
界面５９が露出した状態で空気中に曝されることによっ
て取り込まれる。この場合、取り込まれた酸素と、第２
クラッド層５３に含まれるＡｌとが反応して、高抵抗の
酸化アルミニウム膜が形成される。その結果、界面５９
が高抵抗となったり、注入されたキャリアがそこで非発
光再結合したりすることによって、発光に対するロスが
生じていた。このようにして形成された発光素子の典型
的な素子特性は、２０ｍＡ通電時に、波長８３０ｎｍ、
軸上広がりが±２°で、発光強度１ｍＷ、動作電圧２．
２Ｖであった。

【００１２】また、第２クラッド層がＡｌを含まないＬ
ＥＤとしては、図８に示す構造（従来例２）のＬＥＤ６
００が知られている（断面図のみ）。

【００１３】従来例２のＬＥＤ６００が有する電流狭窄
層６８及び電流拡散層５４上の第２電極５７の形状は、
図７に示した従来例１のＬＥＤ５００と同じである。

【００１４】ＬＥＤ６００においては、ｎ−ＧａＡｓ基
板５０上に、ＭＯＣＶＤ法により、ｎ−Ｇａ_0.5Ｉｎ_0.5
Ｐ第１クラッド層６１（Ｓｉ−ドープ、キャリア濃度５
×１０¹⁷ｃｍ^-3、厚さ１．５μｍ）、ノンドープＧａＩ
ｎＡｓ活性層６２（厚さ０．７μｍ）、ｐ−Ｇａ_0.5Ｉ
ｎ_0.5Ｐ第２クラッド層６３（Ｚｎ−ドープ、キャリア
濃度５×１０¹⁷ｃｍ^-3、厚さ１．５μｍ）、ｎ−Ｇａ
_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ電流狭窄層６８（Ｓｉ−ドープ、キャリア
濃度２×１０¹⁸ｃｍ^-3、厚さ０．４μｍ）、ｐ−Ａｌ
_0.3Ｇａ_0.7Ａｓ電流拡散層５４（Ｍｇ−ドープ、キャリ
ア濃度３×１０¹⁸ｃｍ ^-3、厚さ６μｍ）、ｐ−ＧａＡｓ
オーミックコンタクト層５５（Ｍｇ−ドープ、キャリア
濃度３×１０¹⁸ｃｍ^-3、厚さ０．５μｍ）が形成されて
いる。

【００１５】従来例１と同様に、ｎ−ＧａＩｎＰ電流狭
窄層６８は素子中央を発光領域とするように、１００μ
ｍφの円形状にエッチングされており、ｐ−Ａｌ_0.3Ｇ
ａ_0.7Ａｓ電流拡散層５４はその上に再成長されてい
る。

【００１６】本従来例２のＬＥＤ６００は、ｐ−Ａｌ
_0.3Ｇａ_0.7Ａｓ電流拡散層５４を再成長させる時の下地
層の一部となるｐ型第２クラッド層６３が、Ａｌを含ま
ないＧａＩｎＰ層であるという点で、従来例１のＬＥＤ
５００とは大きく異なる。この層が再成長時の下地とな
るため酸素が取り込まれにくく、界面５９の状態は従来
例１と比較して改善される。しかしながら、本従来例２
においても、得られたＬＥＤ６００の特性は、２０ｍＡ
通電時に波長８５０ｎｍ、軸上拡がり±２°で、発光強
度は１．２ｍＷ、動作電圧２．０Ｖと充分なものではな
かった。これは再成長下地（第２クラッド層６３）がｐ
−ＧａＩｎＰ層である一方、再成長層（電流拡散層５
４）がｐ−Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓ層であり、Ｖ族がＡｓと
Ｐとで異なっているためである。このことにより、第２
クラッド層６３と電流拡散層５４との間でストイキオメ
トリーがずれ、界面５９の状態が依然として良好でない
ので、やはり高抵抗層となり、注入されたキャリアのロ
スが生じることになる。

【００１７】従って、電流狭窄層としての電流ブロック
層を有するＬＥＤにおいて、電流拡散層の下地となる層
と電流拡散層との界面の特性を良好にするという課題が
あった。

【００１８】本発明は上記課題を解決するためになされ
たものであり、電流狭窄層としての電流ブロック層を有
する半導体発光素子において、発光の軸上拡がりが小さ
く、低抵抗で発光効率の高い半導体発光素子を提供する
ことを目的とする。

【００１９】

【課題を解決するための手段】本発明の半導体発光素子
は、第１導電型の半導体基板と、第２導電型の電流拡散
層と、該半導体基板と該電流拡散層との間に設けられた
ＧａＡｓまたはＡｌＧａＡｓまたはＧａＩｎＡｓからな
る活性層を含む発光層と、該発光層上に形成された第２
導電型の下地層と、該下地層の一部の上に形成された第
１導電型の電流ブロック層とを有しており、該第２導電
型の電流拡散層は、該第２導電型の下地層および該第１
導電型の電流ブロック層を覆って形成されており、該下
地層および該電流拡散層は第２導電型のＧａＰからなっ
ており、そのことによって上記目的を達成する。

【００２０】前記電流ブロック層は、素子の周辺領域に
形成された第１導電型のＧａＰからなる層であってよ
い。

【００２１】前記発光層が、前記活性層を挟持する、前
記半導体基板側に設けられた第１クラッド層と前記電流
拡散層側に設けられた第２クラッド層とをさらに有して
おり、該第１クラッド層は、第１導電型のＡｌＧａＡｓ
またはＧａＩｎＰまたはＡｌＧａＩｎＰからなり、該第
２クラッド層は第２導電型のＡｌＧａＡｓまたはＧａＩ
ｎＰまたはＡｌＧａＩｎＰからなっていてもよい。

【００２２】前記下地層の厚さが２．５μｍ以下である
ことが望ましい。

【００２３】前記下地層のキャリア濃度が２×１０¹⁸ｃ
ｍ^-3以下であり、前記電流拡散層のキャリア濃度が２×
１０¹⁸ｃｍ^-3以上であることが望ましい。

【００２４】以下に本発明の作用について説明する。

【００２５】第２導電型下地層と第２導電型電流拡散層
との間に部分的に形成された、第１導電型電流ブロック
層は、第２導電型電流拡散層からのキャリアの移動（す
なわち電流の流れ）を制限するように作用する。これに
より、所望の領域において集中的にキャリアの再結合を
行うことが可能になる。

【００２６】同時に、第２導電型ＧａＰからなる下地層
はＡｌを含まないので、製造工程中、下地層の一部が酸
素に触れた場合にも、この部分において酸素を取り込ん
で、高抵抗の酸化アルミニウム膜を形成することがな
い。さらに、これらを覆って形成される電流拡散層は、
下地層と同一材料のＧａＰから形成されているため、下
地層と界面においてストイオキメトリーのずれによる界
面準位の発生もない。従って、電流拡散層と下地層との
界面は、低抵抗となり得、かつ、キャリアが非発光再結
合することを低減できる。

【００２７】また、電流ブロック層を、第１導電型のＧ
ａＰから形成し、且つ、素子の周辺領域において形成す
ることにより、電流を素子中央領域に集中して流すとい
う電流狭窄効果をより確実にできる。従って、発光スポ
ットを小さくすることができ、モールド後の発光素子の
集光特性を良好にすることができる。

【００２８】また、発光層を、第１クラッド層と第２ク
ラッド層とが活性層を挟持する、いわゆるダブルヘテロ
構造にすることにより、活性層においてキャリアの再結
合が効率よく行われうる。

【００２９】下地層の厚さを２．５μｍ以下にすれば、
下地層に於いて、その上に電流ブロック層が設けられて
いない領域へ電流が拡散することを低減することができ
る。従って、電流ブロック層の電流成分制御効果をより
確実にできる。

【００３０】下地層のキャリア濃度を２×１０¹⁸ｃｍ^-3
以下にし、電流拡散層のキャリア濃度を２×１０¹⁸ｃｍ
^-3以上にすれば、これらの層の第２導電型を作る不純物
が活性層へと拡散することを抑制することができる。こ
れにより半導体発光素子の発光強度が大きくなる。

【００３１】

【発明の実施の形態】（実施形態１）図１（ａ）および
図１（ｂ）を参照して、本実施形態１のＬＥＤ１００の
構造および製造方法を説明する。

【００３２】実施形態１のＬＥＤ１００において、ｎ−
ＧａＡｓ基板１０上に、ｎ−ＧａＡｓバッファ層１１
（Ｓｉ−ドープ、キャリア濃度５×１０¹⁷ｃｍ^-3、厚さ
１．０μｍ）と、ｎ−Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓ第１クラッド
層１２（Ｓｉ−ドープ、キャリア濃度５×１０¹⁷ｃ
ｍ^-8、厚さ１．５μｍ）と、ｐ−ＧａＡｓ活性層１３
（Ｚｎ−ドープ、キャリア濃度２×１０¹⁸ｃｍ^-3厚さ
０．７μｍ）と、ｐ−Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓ第２クラッド
層１４（Ｚｎ−ドープ、キャリア濃度２×１０¹⁸ｃ
ｍ^-3、厚さ１．５μｍ）とが順次形成されている。ここ
で、ｐ−ＧａＡｓ活性層１３と、これを挟持するｎ−Ａ
ｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓ第１クラッド層１２およびｐ−Ａｌ
_0.3Ｇａ_0.7Ａｓ第２クラッド層１４とによって発光層１
３Ａが構成されており、すなわち、本実施形態において
発光層１３Ａはダブルヘテロ構造をなしている。

【００３３】発光層１３Ａ上（具体的にはｐ−Ａｌ_0.3
Ｇａ_0.7Ａｓ第２クラッド層１４上）には、ｐ−ＧａＰ
下地層１５（Ｚｎ−ドープ、キャリア濃度１×１０¹⁸ｃ
ｍ、厚さ１．５μｍ）が設けられている。また、ｐ−Ｇ
ａＰ下地層１５上の一部の上にｎ−ＧａＰ電流ブロック
層１６（Ｓｉ−ドープ、キャリア濃度１×１０¹⁸ｃ
ｍ^-3、厚さ０．５μｍ）が形成されている。このｎ−Ｇ
ａＰ電流ブロック層１６は、図１（ａ）に示すように素
子の中央領域の、例えば１００μｍφの円形状の領域
（開口部１６ａ）が除去されており、素子の周辺領域に
おいて形成されている。なお、本明細書において素子の
中央領域とは、ＬＥＤの基板１０と実質的に垂直に形成
された素子側壁に対する基板と平行な面上での中央の領
域を指し、素子の周辺領域とはこの側壁に近い領域を指
す。

【００３４】さらにｐ−ＧａＰ電流拡散層１７（Ｚｎ−
ドープ、キャリア濃度３×１０¹⁸ｃｍ^-3、厚さ５μｍ）
が、開口部１６ａ内のｐ−ＧａＰ下地層１５およびｎ−
ＧａＰ電流ブロック層１６を覆うように形成されてい
る。

【００３５】また、ｎ−ＧａＡｓ基板１０の下面および
ｐ−ＧａＰ電流拡散層１７の上面には、第１電極１８お
よび第２電極１９がそれぞれ設けられている。本実施形
態においては、第１電極１８は、ＡｕＧｅ／Ａｕから形
成され、第２電極１９は、ＡｕＢｅ／Ａｕから形成され
る。ただし、電極の材料はこれらの材料に限られない。
例えば、第１電極１８はＡｕＧｅから、第２電極１９は
ＡｕＢｅ／Ｍｏ／Ａｕから形成されていてもよい。な
お、電流拡散層１７上の第２電極１９は、ｎ−ＧａＰ電
流ブロック層１６と同様に、素子中央領域に円形状の開
口部１９ａを有する形状に形成されている。

【００３６】本実施形態１のＬＥＤ１００においても、
従来のＬＥＤと同様の動作により発光が行われる。ま
ず、第１電極１８と第２電極１９との間に所定の順方向
バイアス電圧を印加する。これにより、第２電極１９か
らｐ−ＧａＰ電流拡散層１７に注入された正孔は、ｐ−
ＧａＰ電流拡散層１７とは逆導電型であるｎ−ＧａＰ電
流ブロック層１６を回避して、開口部１６ａを通り、ｐ
−ＧａＰ下地層１５を介して発光層１３Ａのｐ−ＧａＡ
ｓ活性層１３へと移動し、第１電極１８からｎ−ＧａＡ
ｓ基板１０に注入された電子とｐ−ＧａＡｓ活性層１３
において再結合する。このようにして、ｐ−ＧａＡｓ活
性層１３における正孔と電子との再結合により、赤外光
（波長約８３０ｎｍ）が発光される。発生した赤外光
は、第２電極１９の開口部１９ａから外部に照射され
る。なお、ｎ−ＧａＡｓバッファ層１１は、ｎ−ＧａＡ
ｓ基板１０の結晶欠陥を緩和し、その上に形成される層
の結晶性を良好にするために設けられている。

【００３７】本実施形態においては、ｐ−ＧａＰ下地層
１５とｐ−ＧａＰ電流拡散層１７との間に形成されたｎ
−ＧａＰ電流ブロック層１６が、電流狭窄効果を付与す
る。ｎ−ＧａＰ電流ブロック層１６は、第２電極１９か
ら注入されたキャリアである正孔の移動をブロックし、
素子中央領域に設けられた開口部１６ａを通るように作
用する（すなわち電流成分を開口部１６ａに集束させ
る）。従って、発光層の素子中央領域において集中的に
再結合（発光）させることができる。このようにするこ
とで、素子側壁近傍において結晶欠陥等によって光出力
が低下するといった影響を受けることなく発光が行われ
るので、高効率の発光が可能である。また、発光スポッ
トを小さくできるので、出力光の軸対称拡がり（ＬＥＤ
から出力される光が拡がる程度）を小さくでき、モール
ド後の素子の集光特性を良好にすることができる。

【００３８】また、拡散層および下地層はｐ−ＧａＰ層
から形成されているので、ｐ−ＧａＡｓ活性層１３から
出力される赤外光の波長に対して十分透明（すなわち、
発光波長に対して光吸収がない）である。従って、これ
らの層において出力光の輝度が低下することを防ぐこと
ができる。さらに、ｐ−ＧａＰ拡散層は、Ａｌを含んで
いないので、耐湿性も高い。

【００３９】このように、本実施形態のＬＥＤ１００で
は、発光層上にｐ−ＧａＰ下地層を設け、その上にｎ−
ＧａＰ電流ブロック層およびｐ−ＧａＰ電流拡散層を設
ける構造にしているので、従来のように、電流拡散層と
その下地の一部となる発光層との界面において生じる、
光出力の低下等を引き起こす問題を解決することができ
る。

【００４０】以下に、本実施形態１のＬＥＤ１００の製
造工程について説明する。

【００４１】まず、例えば有機金属気相成長（ＭＯＣＶ
Ｄ）法により、ｎ−ＧａＡｓ基板１０上にｎ−ＧａＡｓ
バッファ層１１、ｎ−Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓ第１クラッド
層１２、ｐ−ＧａＡｓ活性層１３、ｐ−Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7
Ａｓ第２クラッド層１４、ｐ−ＧａＰ下地層１５および
ｎ−ＧａＰ電流ブロック層１６を形成するためのｎ−Ｇ
ａＰ層を連続して成長させる。この成長工程は、ＭＯＣ
ＶＤ装置内において、例えば、温度７３０℃、圧力０．
１気圧の条件で行われてよい。また、ＩＩＩ族材料とし
て、トリメチルガリウム、トリメチルアルミニウムが、
Ｖ族材料として、アルシン、ホスフィンが、ドーピング
用材料として、ジエチルジンク、モノシランが用いられ
得る。

【００４２】ここで、一度、膜成長を停止し、ＭＯＣＶ
Ｄ装置の外ヘ上記の各層が形成されたウェハを取り出
し、所望のパターニングを行った後、熱硫酸等を用いて
素子中央領域のｎ−ＧａＰ層を例えば１００μｍφの円
形状にエッチングして除去することにより、ｎ−ＧａＰ
電流ブロック層１６を形成した。その後、ウェハをＭＯ
ＣＶＤ装置内に戻し、再度ＭＯＣＶＤ法を用いてｐ−Ｇ
ａＰ電流拡散層１７を、ｐ−ＧａＰ下地層１５およびｎ
−ＧａＰ電流ブロック層１６の上に再成長させた。

【００４３】その後、ｎ−ＧａＡｓ基板１０の下面に、
例えばＡｕ−Ｇｅ膜を蒸着して第１電極１８を形成する
一方で、ｐ−ＧａＰ電流拡散層１７の上面に、例えばＡ
ｕ−Ｂｅ／Ａｕ膜を蒸着し、これをフォトリソグラフィ
および例えばヨウ素系エッチャントでのエッチングを用
いて、例えば１００μｍφの円形状の開口部を形成する
ようにパターニングすることによって第２電極１９を形
成した。さらに、第２電極１９と電流拡散層１７との接
触面において、ｐ−ＧａＡｓ層からなるオーミックコン
タクト層が設けられてもよい。

【００４４】上述の製造工程においては、各層の形成方
法としてＭＯＣＶＤ法を用いているが、これに限られる
ものではない。例えば、ＭＢＥ法（分子線エピタキシー
法）を用いて各層を形成してもよい。

【００４５】本実施形態においては、ｐ−ＧａＰ電流拡
散層１７を再成長させる前の開口部１６ａ内での下地
は、従来例１に示すＬＥＤ５００のようにｐ−ＡｌＧａ
Ａｓ第２クラッド層ではなく、Ａｌを含まないｐ−Ｇａ
Ｐ下地層１５で形成されているので、ＭＯＣＶＤ装置の
外で下地層表面が露出する場合にも、ｐ−ＧａＰ電流拡
散層１７を再成長させる前に界面２０に酸素が取り込ま
れて、界面２０に高抵抗の酸化アルミニウム膜が形成さ
れるということがない。これにより、界面２０が高抵抗
となることや、この界面２０においてキャリアが非発光
再結合することを防ぐことができる。

【００４６】さらに、電流拡散層１７と下地層１５とが
同一材料であるｐ−ＧａＰから形成されているため、従
来例２に示すＬＥＤ６００のように、これらの界面２０
でストイキオメトリーがずれるということがなく、従っ
て、界面準位の発生を防ぐことができる。この場合、界
面準位を通じて正孔と電子とが再結合することを防ぐこ
とができるので、発光のために有効に再結合するキャリ
アのロスが抑制される。また、従来のように、異種材料
（例えば従来例２においては、ｐ−ＧａＩｎＰとｐ−Ａ
ｌＧａＡｓ）が接触して形成された場合に生じる、バン
ドギャップの不連続性に起因する接触面の高抵抗化を生
じることもない。

【００４７】本実施形態のＬＥＤ１００を樹脂にモール
ドして（直径５ｍｍφの樹脂モールド）、素子特性を測
ったところ、発光波長８３０ｎｍで、２０ｍＡ駆動時に
発光強度２．１ｍＷ、動作電圧１．８Ｖと良好であっ
た。

【００４８】図２は、ｐ−ＧａＰ電流拡散層１７の再成
長前の下地層である、ｐ−ＧａＰ下地層１５の層厚を変
化させた時の、ＬＥＤ１００の発光強度を示すグラフで
ある。ここでは、ｐ−ＧａＰ電流拡散層１７の層厚は５
μｍと一定にした。図２からわかるように、ｐ−ＧａＰ
下地層１５の層厚が２．５μｍを越えると、素子の発光
強度は急激に低下する。これは、ｐ−ＧａＰ下地層１５
の層厚を厚くすると、ｐ−ＧａＰ下地層１５において、
電流ブロック層の直下に位置する素子周辺領域へ逃げる
電流成分が増えるためであると考えられる。したがって
ｐ−ＧａＰ下地層１５の厚さは２．５μｍ以下にするこ
とが望ましい。

【００４９】なお、上記実施形態においては、より発光
効率を高める目的で、発光層１３Ａがｎ−ＡｌＧａＡｓ
第１クラッド層１２およびｐ−ＡｌＧａＡｓ第２クラッ
ド層１４を有するダブルへテロ型構造の場合について説
明したが、ｎ−ＡｌＧａＡｓ第１クラッド層１２を有さ
ないシングルヘテロ型構造の場合にも、本実施形態のｎ
−ＧａＰ下地層およびｎ−ＧａＰ電流拡散層が好適に適
応されることはいうまでもない。

【００５０】また、ｐ−ＧａＰ下地層１５およびｐ−Ｇ
ａＰ電流拡散層１７を除く上記各層に用いた材料は例示
的なものであり、他の材料を用いて各層が形成されてい
てもよい。例えば、活性層はｎ型、ｐ型またはノンドー
プのＧａＡｓまたはＡｌＧａＡｓまたはＧａＩｎＡｓか
らなっていてもよく、第１クラッド層はｎ型のＡｌＧａ
ＡｓまたはＧａＩｎＰまたはＡｌＧａＩｎＰからなって
いてもよく、第２クラッド層はｐ型のＡｌＧａＡｓまた
はＧａＩｎＰまたはＡｌＧａＩｎＰからなっていてもよ
い。さらに、これらの組成比についても任意の値をとり
うる。

【００５１】（実施形態２）図３（ａ）および図３
（ｂ）を参照して、実施形態２のＬＥＤ２００について
説明する。これらの図において、図１に示す部材と同じ
機能を有する部材は、同じ参照符号によって示してい
る。

【００５２】図３に示すように、実施形態２では実施形
態１と異なり、電流ブロック層２６の開口部２６ａおよ
び第２電極２９の開口部２９ａを、素子中央領域におい
て矩形状に設けることにより、発光領域を矩形状に形成
している。この形状は、例えば縦８０μｍ横１２０μｍ
の長方形であり得る。また、縦横１００μｍの正方形ま
たは縦１２０μｍ横８０μｍの長方形であってもよい。
このように発光領域を素子中央部で矩形状にすることに
よっても、高効率の発光が可能である。また、出力光の
軸対称拡がりを小さくでき、モールド後の素子の集光特
性を良好にすることができる。

【００５３】本実施形態２のＬＥＤ２００は、ｐ−Ａｌ
ＧａＡｓ第２クラッド層１４とｐ−ＧａＰ下地層１５と
の間にｐ−（Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8）_0.75Ｉｎ_0.25Ｐ中間層２
１（Ｚｎ−ドープ、キャリア濃度１×１０¹⁸ｃｍ^-3、厚
さ０．２μｍ）を更に有している点において実施形態１
のＬＥＤ１００と異なっている。ここでｐ−ＧａＰ下地
層１５の厚さは０．５μｍとした。また、電流ブロック
層１７は、実施形態１のＬＥＤ１００の電流ブロック層
１７と同一材料であるｎ−ＧａＰ（厚さ０．５μｍ）で
形成されている。ｐ−（Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8）_0.75Ｉｎ_0.25
Ｐ中間層２１は、ｐ−ＡｌＧａＡｓ第２クラッド層１４
とｐ−ＧａＰ下地層１５との中間のバンドギャップを有
する層であり、この界面の抵抗を低下させるように作用
する。従って、本実施形態２のＬＥＤ２００は、さらに
低抵抗で、光出力効率が高いＬＥＤでありうる。

【００５４】本実施形態のＬＥＤ２００は以下のように
して製造される。まず、例えば有機金属気相成長（ＭＯ
ＣＶＤ）法により、ｎ−ＧａＡｓ基板１０上にｎ−Ｇａ
Ａｓバッファ層１１、ｎ−Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓ第１クラ
ッド層１２、ｐ−ＧａＡｓ活性層１３、ｐ−Ａｌ_0.3Ｇ
ａ_0.7Ａｓ第２クラッド層１４、ｐ−（Ａｌ_0.2Ｇ
ａ_0.8）_0.75Ｉｎ_0.25Ｐ中間層２１、ｐ−ＧａＰ下地層
１５およびｎ−ＧａＰ電流ブロック層２６を形成するた
めのｎ−ＧａＰ層を連続して成長させる。この成長工程
は、ＭＯＣＶＤ装置内において、例えば、温度７５０
℃、圧力０．０５気圧の条件で行われてよい。また、Ｉ
ＩＩ族材料として、トリメチルガリウム、トリメチルア
ルミニウム、トリメチルインジウムが、Ｖ族材料とし
て、ターシャリーブチルアルシン、ターシャリーブチル
ホスフィンが、ドーピング用材料として、ジメチルジン
ク、ジシランが用いられ得る。

【００５５】その後、矩形状の開口部２６ａが形成され
るようにｎ−ＧａＰ層をパターニングしてｎ−ＧａＰ電
流ブロック層２６を形成し、再度ＭＯＣＶＤ装置内でｐ
−ＧａＰ電流拡散層１７を、ｐ−ＧａＰ下地層１５およ
びｎ−ＧａＰ電流ブロック層２６の上に再成長させる工
程は、上述の実施形態１と同様にして行ってよい。本実
施形態２においても、開口部２６ａ内でのｐ−ＧａＰ電
流拡散層１７の下地層はｐ−ＧａＰ下地層１５であるの
で、界面２０は実施形態１と同様に良好な状態である。

【００５６】その後、ｎ−ＧａＡｓ基板１０の下面に第
１電極１８を形成し、ｐ−ＧａＰ電流拡散層１７の上面
に第２電極２９を形成する工程も、実施形態１の工程と
同様に行われてよい。ただし、第２電極は、ｎ−ＧａＰ
電流ブロック層２６と同様に素子中央部に矩形状開口部
２９ａを有するようにパターニングされる。

【００５７】本実施形態のＬＥＤ２００を樹脂にモール
ドし、素子特性を測ったところ、発光波長８３０ｎｍ
で、２０ｍＡ駆動時に、発光強度２．２ｍＷ、動作電圧
１．７Ｖと良好であった。

【００５８】図４は、ｐ−ＧａＰ下地層１５およびｐ−
ＧａＰ電流拡散層１７のキャリア濃度を変化させた時
の、ＬＥＤ２００の発光強度をプロットしたグラフであ
る。グラフからわかるように、下層のｐ−ＧａＰ層１５
のキャリア濃度が小さく、上層のｐ−ＧａＰ層１７のキ
ャリア濃度が大きい場合に、素子の発光強度を高くする
ことができる。この効果は、ｐ−ＧａＰ下地層１５およ
びｐ−ＧａＰ電流拡散層１７に含まれる不純物（本実施
形態においてはＺｎ）の活性層１３への拡散が低減され
ることに起因する。より具体的には、下層のｐ−ＧａＰ
下地層１５のキャリア濃度が２×１０¹⁸ｃｍ^-3以下であ
ることが好ましい。また、上層のｐ−ＧａＰ電流拡散層
１７のキャリア濃度が２×１０¹⁸ｃｍ^-3以上であること
が好ましい。キャリア濃度がこのような適正範囲にある
場合、ＬＥＤ２００の発光強度はさらに高められる。

【００５９】（実施形態３）図５を参照して、実施形態
３のＬＥＤ３００を説明する。図５において、図１に示
す部材と同じ機能を有する部材は、同じ参照符号によっ
て示している。ｎ−ＧａＰ電流ブロック層１６は、実施
形態１と同様に素子中央領域が円形状にエッチングされ
ている。

【００６０】本実施形態３のＬＥＤ３００は、ｐ−Ｇａ
Ｐ電流拡散層１７が、ｐ−ＧａＰ第１拡散層１７ａ（Ｚ
ｎ−ドープ、キャリア濃度１×１０¹⁸ｃｍ^-3、厚さ２μ
ｍ）と、ｐ−ＧａＰ第２拡散層１７ｂ（Ｚｎ−ドープ、
キャリア濃度３×１０¹⁸ｃｍ ^-3、厚さ３μｍ）との２層
で構成されている点において実施形態１のＬＥＤ１００
と異なっている。なお、本実施形態３において、ｐ−Ｇ
ａＰ下地層１５は、Ｚｎ−ドープ、キャリア濃度１×１
０¹⁸ｃｍ^-3、厚さ１．５μｍで形成されている。

【００６１】ｐ−ＧａＰ電流拡散層１７を２層構造と
し、下層のｐ−ＧａＰ第１拡散層１７ａのキャリア濃度
を小さく、上層のｐ−ＧａＰ第２拡散層１７ｂのキャリ
ア濃度を大きくすることによって、発光素子の発光強度
を高くすることができる。この効果は、ｐ−ＧａＰ電流
拡散層１７に含まれる不純物（本実施形態においてはＺ
ｎ）の活性層１３への拡散が低減されることに起因す
る。より具体的には、下層のｐ−ＧａＰ第１拡散層１７
ａのキャリア濃度が２×１０¹⁸ｃｍ^-3以下であることが
好ましい。また、上層のｐ−ＧａＰ第２拡散層１７ｂの
キャリア濃度が２×１０¹⁸ｃｍ^-3以上であることが好ま
しい。キャリア濃度がこのような適正範囲にある場合、
ＬＥＤ３００の発光強度はさらに高められる。

【００６２】ＬＥＤ３００の製造において、電流ブロッ
ク層１６を形成するまでの工程については実施形態１と
同様にして行うことができる。ただし、ｐ−ＧａＰ下地
層１５は、Ｚｎ−ドープ、キャリア濃度１×１０¹⁸ｃｍ
^-3、厚さ１．５μｍで形成される。その後、２層構造の
ｐ−ＧａＰ電流拡散層１７を再成長させるために、再度
ＭＯＣＶＤ装置内において、Ｚｎ−ドープ、キャリア濃
度１×１０¹⁸ｃｍ^-3のｐ−ＧａＰ第１拡散層１７ａを厚
さ２μｍに成長させたあと、キャリア濃度を変化させた
Ｚｎ−ドープ、キャリア濃度３×１０¹⁸ｃｍ^-3のｐ−Ｇ
ａＰ第２拡散層１７ｂを厚さ３μｍに、連続的に成長さ
せる。この工程は、公知の膜成長方法を用いて容易に行
われうる。

【００６３】本実施形態においても、開口部１６ａ内に
おいて、ｐ−ＧａＰ電流拡散層１７（具体的にはｐ−Ｇ
ａＰ第１拡散層１７ａ）を再成長させる下地の層がｐ−
ＧａＰ下地層１５であるため、界面２０は、実施形態１
と同様に良好な状態である。

【００６４】ＬＥＤ３００を樹脂にモールドし、素子特
性を測ったところ、発光波長８３０ｎｍで、２０ｍＡ駆
動時に、発光強度で２．３ｍＷ、動作電圧１．９Ｖとや
はり良好な素子特性が得られた。

【００６５】（実施形態４）図６を参照して、実施形態
４のＬＥＤ４００を説明する。図６において、図１に示
す部材と同じ機能を有する部材は、同じ参照符号によっ
て示している。ｎ−ＧａＰ電流ブロック層１６は、実施
形態１と同様に素子中央領域が円形状にエッチングされ
ている。

【００６６】本実施形態４のＬＥＤ４００は、発光層１
３Ａ（具体的にはｎ−ＡｌＧａＡｓ第１クラッド層１
２）とｎ−ＧａＡｓ基板１０との間に、ｎ−Ａｌ_0.3Ｇ
ａ_0.7Ａｓとｎ−ＧａＡｓと（共にＳｉ−ドープ、キャ
リア濃度５×１０¹⁷ｃｍ^-3、厚さ０．０５μｍ）の１０
対からなる光反射層２２が形成されている点において、
実施形態１のＬＥＤ１００と異なっている。このように
光反射層２２を設けることにより、素子の発光強度をさ
らに高めることができる。

【００６７】また、ＬＥＤ４００は、実施形態１のＬＥ
Ｄ１００の製造方法において、ｎ−ＧａＡｓ基板１０上
にｎ−ＧａＡｓバッファ層１１を形成した後、ｎ−Ａｌ
_0.3Ｇａ_0.7Ａｓ第１クラッド層１２を形成する前に、ｎ
−Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓとｎ−ＧａＡｓと（共にＳｉ−ド
ープ、キャリア濃度５×１０¹⁷ｃｍ^-3、厚さ０．０５μ
ｍ）の１０対からなる光反射層２２を形成することによ
って製造される。これらの膜は、連続して形成すること
ができる。その他の工程については、実施形態１のＬＥ
Ｄ１００の製造工程と同様の工程を適用することができ
る。

【００６８】従って、本実施形態においても、開口部１
６ａ内において、ｐ−ＧａＰ電流拡散層１７（具体的に
はｐ−ＧａＰ第１拡散層１７ａ）を再成長させる下地の
層がｐ−ＧａＰ下地層１５であるため、界面２０は実施
形態１と同様に良好な状態である。

【００６９】ＬＥＤ４００を樹脂にモールドし、素子特
性を測ったところ、発光波長８３０ｎｍで、２０ｍＡ駆
動時に、発光強度で４ｍＷ、動作電圧１．９Ｖと良好な
特性が得られた。

【００７０】なお、上記実施形態１〜４においては発光
ダイオード（ＬＥＤ）について例示的に説明したが、例
えば半導体レーザなどの半導体発光素子についても、本
発明は好適に適用され得る。

【００７１】

【発明の効果】上述のように、本発明の半導体発光素子
は、第２導電型ＧａＰ下地層において酸素の取り込みが
なく、第２導電型ＧａＰ下地層と第２導電型ＧａＰ電流
拡散層との間でストイキオメトリーのずれによる界面準
位の発生もない。従って、低抵抗かつキャリアロスの少
ない半導体発光素子を得ることができる。また、第１導
電型の電流ブロック層が、第２導電型ＧａＰ下地層の一
部の上に形成されているために、電流拡散層からの電流
成分の流れを制限することができる。電流ブロック層を
素子中央部以外の素子周辺部に設けた場合、電流が素子
中央領域に集中して流れるため、発光層での発光スポッ
トを小さくすることができる。従って、モールド後の集
光特性が良好な半導体発光素子を得ることができる。活
性層はＧａＡｓまたはＡｌＧａＡｓまたはＧａＩｎＡｓ
からなり、かつ下地層および電流拡散層を形成するＧａ
Ｐは、赤外光に対して光吸収を起こさないので、低抵抗
で発光効率が良好な、赤外帯の半導体発光素子が得られ
る。

【００７２】また、下地層を２．５μｍ以下とすること
で電流狭窄効果がさらに高められる。

【００７３】また、第２導電型のＧａＰ下地層のキャリ
ア濃度を２×１０¹⁸ｃｍ^-3以下、かつ、第２導電型のＧ
ａＰ電流拡散層のキャリア濃度を２×１０¹⁸ｃｍ^-3以上
に適性化することで、第２導電型を作る不純物の活性層
への拡散がなく、発光輝度が大きくできる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態１による発光ダイオードを示
す図である。（ａ）は斜視図、（ｂ）は（ａ）のＡ−
Ａ’線に対応する断面図である。

【図２】実施形態１による発光ダイオードにおいて、下
地層となるｐ−ＧａＰ層厚を変化させた時の発光強度を
示すグラフである。

【図３】本発明の実施形態２による発光ダイオードを示
す図である。（ａ）は斜視図、（ｂ）は（ａ）のＡ−
Ａ’線に対応する断面図である。

【図４】実施形態２による発光ダイオードにおいて、下
層のｐ−ＧａＰ下地層と、再成長した上層のｐ−ＧａＰ
電流拡散層とのキャリア濃度を変化させた場合の発光強
度を示すグラフである。

【図５】本発明の実施形態３による発光ダイオードを示
す断面図である。

【図６】本発明の実施形態４による発光ダイオードを示
す断面図である。

【図７】従来の発光ダイオード（従来例１）を示す図で
ある。（ａ）は斜視図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ’線に
対応する断面図である。

【図８】従来の発光ダイオード（従来例２）を示す断面
図である。

【符号の説明】

１０ｎ−ＧａＡｓ基板１１ｎ−ＧａＡｓバッファ層１３Ａ発光層１２ｎ−ＡｌＧａＡｓ第１クラッド層１３ｐ−ＧａＡｓ活性層１４ｐ−ＡｌＧａＡｓ第２クラッド層１５ｐ−ＧａＰ下地層１６ｎ−ＧａＰ電流ブロック層１６ａ開口部１７ｐ−ＧａＰ電流拡散層１８第１電極１９第２電極１９ａ開口部２０界面

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】第１導電型の半導体基板と、第２導電型
の電流拡散層と、該半導体基板と該電流拡散層との間に
設けられたＧａＡｓまたはＡｌＧａＡｓまたはＧａＩｎ
Ａｓからなる活性層を含む発光層と、該発光層上に形成
された第２導電型の下地層と、該下地層の一部の上に形
成された第１導電型の電流ブロック層とを有する半導体
発光素子であって、該第２導電型の電流拡散層は、該第２導電型の下地層お
よび該第１導電型の電流ブロック層を覆って形成されて
おり、該下地層および該電流拡散層は、第２導電型のＧａＰか
らなる、半導体発光素子。
【請求項２】前記電流ブロック層は、素子の周辺領域
に部分的に形成された第１導電型のＧａＰからなる層で
ある、請求項１に記載の半導体発光素子。
【請求項３】前記発光層は、前記活性層を挟持する、
前記半導体基板側に設けられた第１クラッド層と前記電
流拡散層側に設けられた第２クラッド層とをさらに有
し、該第１クラッド層は、第１導電型のＡｌＧａＡｓまたは
ＧａＩｎＰまたはＡｌＧａＩｎＰからなり、該第２クラ
ッド層は第２導電型のＡｌＧａＡｓまたはＧａＩｎＰま
たはＡｌＧａＩｎＰからなる、請求項１または２に記載
の半導体発光素子。
【請求項４】前記下地層の厚さが２．５μｍ以下であ
る、請求項１から３のいずれかに記載の半導体発光素
子。
【請求項５】前記下地層のキャリア濃度が２×１０¹⁸
ｃｍ^-3以下であり、前記電流拡散層のキャリア濃度が２
×１０¹⁸ｃｍ^-3以上である、請求項１から４のいずれか
に記載の半導体発光素子。