JP2005175473A - 発光ダイオード - Google Patents

Abstract

【課題】 長時間発光させても光出力が低下しない高信頼性のＬＥＤを提供すること。
【解決手段】 発光層６を、該発光層よりエネルギーギャップの広い第１導電型の第１クラッド層４及び第２導電型の第２クラッド層７とで挟持してなるダブルヘテロ構造の発光ダイオードにおいて、前記発光層と前記第１または第２クラッド層の間に、前記発光層と同導電型で、隣接する第１または第２クラッド層と異なる導電型からなり、前記発光層のエネルギーギャップより広く、前記第１または第２クラッド層のエネルギーギャップより狭いエネルギーギャップを有する中間障壁層５を設けたことを特徴とする発光ダイオードにより上記課題が達成される。
【選択図】 図１

Description

本発明はダブルヘテロ接合構造の発光ダイオード（以下「ＬＥＤ」という）の構造に関する。より詳しくは、ＬＥＤに通電して発光させたとき、光出力が低下するのを防止する技術に関する。

いわゆるダブルヘテロ構造のＬＥＤは発光効率が高く、大きな光出力が得られるので表示用や光通信用光源等に広く用いられている。

従来の代表的なダブルヘテロ構造のＬＥＤ８００の横断面図を示したものが図１２である。本従来例は赤色から緑色の発光が得られるＧａＡｓ基板に格子整合するＩｎＧａＡｌＰ系ＬＥＤの層構成を示したもので、
基板１：ｎ型ＧａＡｓ、
第１バッファー層２：ｎ型ＧａＡｓ、
光反射（ＤＢＲ）層３：ｎ型（Ａｌ_0.4Ｇａ_0.6）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ層と
ｎ型Ａｌ_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ層とを交互に積層した層、
第１クラッド層４：ｎ型Ａｌ_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ、不純物はＳｉ、
不純物濃度：５×１０¹⁷ｃｍ^-3、厚さ１μｍ、
発光層６：ｐ型（Ｇａ_0.7Ａｌ_0.3）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ、厚さ０．５μｍ、
第２クラッド層７：ｐ型Ａｌ_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ、不純物はＺｎ、
不純物濃度：５×１０¹⁷ｃｍ^-3、厚さ１μｍ、
第１電流拡散層９１：ｐ型Ａｌ_0.7Ｇａ_0.3Ａｓ、不純物はＺｎ、
不純物濃度：１×１０¹⁸ｃｍ^-3、厚さ１μｍ、
電流拡散層９２：ｐ型Ａｌ_0.7Ｇａ_0.3Ａｓ、不純物はＺｎ、
不純物濃度：３×１０¹⁸ｃｍ^-3、厚さ６μｍ、
をこの順序で積層したものである。

基板１にはＡｕＧｅ膜を通常の蒸着法により作製してｎ側電極１１とし、ｐ型電流拡散層９にはＡｕＺｎ膜を同じく蒸着法により作製してｐ側電極１０としている。該ｐ側電極１０は外部導体と接続するための金属ワイヤをボンディングする部分を通常のホトリソグラフィー法により円形にパターンニングして残し、電極を除去した部分から発光層６で発生した光が外部へ放射される。

第１バッファー層２は基板１の欠陥や汚染物の影響を取り除くためのもので基板の表面処理が良好な場合には不要である。ＤＢＲ層３は発光層６で発生した光のうち基板側に放射される光が基板１で吸収されないように上部へ反射してＬＥＤ８００の輝度を向上させるためのものである。

電流拡散層９は抵抗率を低くしてｐ側電極１０とのオーミックコンタクトを取り易くするとともにｐ側電極１０から注入された電流が発光層６全体に広がるように拡散させるために設けてあり、不純物濃度を十分高くしてある。この時、不純物であるＺｎが発光層６へ拡散することを防止するために発光層６側に低濃度の第１電流拡散層９１を設けてある。

また、従来、発光効率の高いＬＥＤは図１５に示すようなダブルヘテロ構造を取っている。図１５は、ＧａＡｓ基板１に格子整合したＡｌＧａＩｎＰ系ＬＥＤによる例である。図１５は層構造を示すための横断面図を示し、各層の構造は以下のようである。

基板１０１：ｎ型ＧａＡｓ、
バッファー層１０２：ｎ型ＧａＡｓ
ｎ型第１クラッド層１０３：ｎ型（Ｇａ_0.3Ａｌ_0.7）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ、不純物はＳｉ、
不純物濃度：１×１０¹⁸ｃｍ^-3、厚さ１μｍ、
発光層１０４：ｐ型（Ｇａ_0.7Ａｌ_0.3）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ、厚さ０．５μｍ、
ｐ型第２クラッド層１０５：ｐ型Ａｌ_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ、不純物はＺｎ、
不純物濃度：５×１０¹⁷ｃｍ^-3、厚さ１μｍ、
第１電流拡散層６１：ｐ型Ｇａ_0.3Ａｌ_0.7Ａｓ、
不純物はＺｎ、不純物濃度：１×１０¹⁸ｃｍ^-3、厚さ１μｍ、
第２電流拡散層６２：ｐ型Ｇａ_0.3Ａｌ_0.7Ａｓ、
不純物はＺｎ、不純物濃度：３×１０¹⁸ｃｍ^-3、厚さ６μｍ、
コンタクト層１０８：ｐ型ＧａＡｓ。

基板１にはｎ側電極１０９が形成され、コンタクト層１０８にはｐ側電極１０７が形成されている。

図１２のＡｌＧａＩｎＰ系ＬＥＤ８００の作成後、電流を注入することによって発光される。発光開始初期の光出力と発光層６の不純物濃度との関係を示したものが図１３の破線Ａである。発光開始初期は発光層６の不純物濃度が１×１０^１７ｃｍ^−３のとき、最も光出力が大きくなる。しかし、長時間発光させると光出力は徐々に低下してくる。例えば、室温で５０ｍＡの電流を流して１０００時間発光させた後の光出力と発光層６の不純物濃度との関係を示したものが図１３の破線Ｂである。１０００時間発光後では発光開始初期と異なり、発光層６の不純物濃度が１×１０^１７ｃｍ^−３のときは発光開始初期より光出力が減少しているのに対し、発光層６の不純物濃度が５×１０^１７ｃｍ^−３のときは発光開始初期より光出力は増加し、光出力が最大となっている。

本発明者等は鋭意研究した結果、このような長時間の発光による光出力の変化は、ｎ型第１クラッド層４とｐ型発光層６とのｐｎ接合界面で発生した非発光再結合中心と発光層６への不純物拡散の影響であることが分かった。

図１４に発光層６付近のエネルギーバンド状態を示す。図１４（ａ）は発光開始初期の状態を示し、図１４（ｂ）は長時間発光後の状熊を示したものである。

前記ｐｎ接合界面４０は図１４（ａ）に示すようなエネルギーギャップの値が大きく異なる層が接するヘテロ界面であり、大きな内部応力が存在している。発光させるためｐ側電極１０とｎ側電極１１の間に電圧を印加するとヘテロ界面４０に高い電界が印加される。

その結果、長時間発光させると前記内部応力、発光層６で発生した光のエネルギーと相俟って該ヘテロ界面４０で、結晶欠陥が発生し、電界に沿って発光層６内にも成長していく。該結晶欠陥により図１４（ｂ）に示すような深い準位である非発光準位２０が該ヘテロ界面４０近傍に形成される。該深い準位を通してキャリアであるホールと電子は発光せずに結合するので、このような深い準位のことを非発光準位と呼ぶ。ＬＥＤの発光再結合３０は自然放出過程であるため、該非発光準位２０を通した非発光再結合３１の方が早く生じてしまう。このため該非発光準位２０が増加すると、ＬＥＤ８００の発光効率が低下する。

長時間発光を継続させると結晶欠陥がさらに成長し、発光層６内に広がっていく。即ち、上記非発光準位２０が発光層６内に多数発生する。このため、ＬＥＤ８００の発光効率が益々低下し、一定の電流値で発光させるとＬＥＤ８００の光出力が減少する。

図１２の類似の構造として、特開平２−１５１０８５号公報に、厚さが約１０Ａよりも厚く約２００Ａよりも薄い、エネルギーギャップの値が発光層６とクラッド層４、７との間の中間クラッド層を、該発光層６とクラッド層４、７との間に挟む半導体発光素子構造が開示されている（以下「従来例２」という）。該従来例２をＬＥＤに適用した場合、ヘテロ界面はクラッド層４、７と前記中間クラッド層、または前記中間クラッド層と発光層６との間に形成されるが、該ヘテロ界面におけるエネルギーギャップの値の差を小さくできるので内部応力が小さくなり、結晶欠陥が発生しにくくなるため非発光再結合中心の発生が少なくなる。

しかし、従来例２のＬＥＤではｐｎ接合が前記中間層と発光層６との界面に形成されているため、発光させた時の結晶欠陥は従来例のＬＥＤと同様、電界がかかる発光層６の界面に生成される。このため、従来例２のＬＥＤでは光出力の劣化を遅らせる効果はあるものの、長時間発光させると該中間クラッド層とクラッド層４、６の界面で発生した結晶欠陥が成長して発光層６に影響を与え、光出力を劣化させる。

尚、長時間発光させると発光層６の不純物濃度が高い方が光出力が大きくなるという現象は以下のように説明される。発光層６の不純物濃度が最適濃度より高いと発光層６の抵抗が低くなり、クラッド層４とのｐｎ接合界面にかかる電界が低くなるため発光開始初期は光出力が小さい。長時間発光させると該電界や発光層６近傍で発生した熱の影響で発光層６内の過剰な不純物が拡散して該電界が増加し光出力も増加する。しかし、ｐｎ接合界面で欠陥が発生することには変わりがないため、長時間発光させると発光効率は低下していく。

図１５に示すＬＥＤ９００では、バッファー層１０２は基板１０１の欠陥や汚染物の影響を取り除くためのもので基板１０１の表面処理が良好な場合には不要である。コンタクト層１０８はｐ側電極１０７とのオーミックコンタクトを取り易くするため、Ａｌを含まないＧａＡｓとしている。該コンタクト層１０８のＧａＡｓは発光層１０４で発生する光に対し不透明であるが、電極１０７直下のみに設けられているので支障は無い。

図１５に示すＬＥＤ９００において、発光層１０４とクラッド層１０３、１０５のエネルギーギャップはＡｌ混晶比で制御されている。ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体ではＡｌとＧａを置換しても格子定数は殆ど変わらず、Ａｌの割合が大きいほどエネルギーギャップが大きくなる。このため、ＡｌとＧａの総量に対するＡｌの割合をＡｌの混晶比として以下の説明を行う。

ＬＥＤの高出力化のためには発光層１０４とクラッド層１０３，１０５のエネルギーギャップ差を充分大きくしてキャリアの発光層１０４への閉じ込めを良くすることが必要である。本従来例のＬＥＤでは（Ｇａ_0.7Ａｌ_0.3）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ発光層１０４がエネルギーギャップの大きなｎ型（Ｇａ_0.3Ａｌ_0.7）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ第１クラッド層１０３、ｐ型（Ｇａ_0.3Ａｌ_0.7）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ第２クラッド層１０５で挟まれたダブルヘテロ構造となっている。発光層１０４のＡｌ混晶比は０．３であり、クラッド層１０３および１０５のＡｌ混晶比は０．７である。

ＬＥＤ９００の高出力化のためには電極１０７から注入されたキャリアを発光層１０４全体に拡散させることが必要である。このためには電流拡散層１０６の不純物濃度を十分高くして電流拡散層１０６の抵抗率を下げる必要がある。一般に、基板１０１にはｎ型半導体を用いるので、電流拡散層１０６はｐ型半導体となる。しかし、ｐ型半導体の不純物であるＺｎやＭｇ等は拡散を生じやすく、特に、不純物濃度の大きく異なる層が接している部分は不純物濃度勾配が大きくなるので、電気エネルギーと発光層１０４から生じた光エネルギーとの相互作用により不純物が拡散しやすくなる。

たとえば、電流拡散層１０６とｐ型第２クラッド層１０５、ｐ型第２クラッド層１０５と発光層１０４の間では上記のような関係が成立しているので不純物拡散が生じ易い。

もともと発光層１０４にｐ型不純物が入れられている場合でも濃度は最適な値になっており、該濃度が変わるとやはり発光層１０４の発光効率は低下する。また、拡散により入ってきたｐ型不純物は正規の格子位置に入らず、非発光再結合中心となる深い準位を作る場合が多い。

図１５の従来のＬＥＤ９００では不純物濃度勾配を小さくしてＺｎの拡散を防止するため、電流拡散層１０６を２分して発光層１０４側に不純物濃度の低い第１電流拡散層６１を設けている（従って、第１電流拡散層６１、第２電流拡散層６２は同じＡｌ混晶比である）。

従来はクラッド層１０３、１０５のＡｌ混晶比は０．７程度であったが、キャリアの閉じ込めを良くし、ＬＥＤの一層の高出力化を図るためにクラッド層のＡｌ混晶比を１まで高くした場合、上記従来の方法では不純物の拡散を防止するには不十分であることが分かった。即ち、上記ｐ型不純物の拡散はＡｌの混晶比が大きい場合に顕著である。

従って、本発明の目的は、長時間発光させても光出力が低下しない高信頼性のＬＥＤを提供することである。そのために、発光層内への不純物の拡散を防止する。このことは、（１）ｐｎ接合界面で発生する欠陥が発光層内に拡散しないように中間障壁層を設けること、（２）ｐ型クラッド層のＡｌ混晶比を高くしてキャリアの閉じ込めを良くすることで可能になる。

本発明の発光ダイオードは、少なくともＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体材料からなり、エネルギーギャップの大きいクラッド層でエネルギーギャップの狭い発光層を挟持してなるダブルヘテロ接合型発光ダイオードにおいて、該クラッド層のうちｐ型クラッド層は、該発光層に近い側にあるＡｌ混晶比が小さく不純物濃度の低いｐ型第２中間障壁層とＡｌ混晶比が大きく不純物濃度の高いｐ型第２クラッド層とからなることを特徴とする。

前記ｐ型第２中間障壁層のＡｌ比は０．５以下、前記ｐ型第２クラッド層のＡｌ比は０．７以上であってもよい。

前記ｐ型第２中間障壁層の不純物濃度は３×１０¹⁷ｃｍ^-3以下であり、前記ｐ型第２中間障壁層の厚さは０．１μｍ以上、０．５μｍ以下であってもよい。

また、本発明の発光ダイオードは、
基板：ＧａＡｓ、
ｎ型第１クラッド層：（Ｇａ_1-x2Ａｌ_x2）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ
（但し、Ｘ１＜Ｘ２≦１）、
発光層：（Ｇａ_1-x1Ａｌ_x1）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ（但し、０≦ｘ１＜ｘ２，ｘ３）
ｐ型第２中間障壁層：（Ｇａ_1-x4Ａｌ_x4）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ
（但し、ｘ１＜ｘ４＜ｘ３、不純物濃度は５×１０¹⁷ｃｍ^-3未満）、
ｐ型第２クラッド層：（Ｇａ_1-x3Ａｌ_x3）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ
（但し、ｘ１＜ｘ３≦１、不純物濃度は５×１０¹⁷ｃｍ^-3以上）、
なる層からなることを特徴としてもよい。

以上の説明から明らかなとおり、本発明によれば長時間発光させても光出力の低下が小さいＬＥＤを実現できる。

特に、本発明にかかるＬＥＤによれば、クラッド層のＡｌ混晶比が高い高輝度のＬＥＤを長時間発光させても電流拡散層やｐ型第２クラッド層からの拡散しやすいｐ型不純物が発光層にまで広がることを防止することができ、光出力の低下を防止することが可能である。

本発明にかかるＬＥＤによれば、該ｐ型第２中間障壁層のＡｌ比は０．５以下、該ｐ型第２クラッド層のＡｌ比は０．７以上とする。そのことにより、ｐ型第２中間障壁層の結晶性が良好に維持され、不純物の拡散防止が可能である。

本発明にかかるＬＥＤによれば、該ｐ型第２中間障壁層があっても該ｐ型第２クラッド層によるキャリアの閉込め効果が維持されるので高出力化が可能であるとともに、高温でも特性を維持することが可能である。また、不純物濃度が低いので拡散してきた不純物を吸収し、発光層にまで拡散させない。

本発明にかかるＬＥＤによれば、赤色から緑色の波長域において高輝度で長時間発光させても電流拡散層やｐ型第２クラッド層からの拡散しやすいｐ型不純物が発光層にまで広がることを防止することができ、光出力の低下を防止することが可能である。

以下、本発明の実施形態を添付図面に基づき詳細に説明する。

（実施形態１）
図１は本発明にかかる実施形態１のＬＥＤ１００の横断面構造を示す図である。簡単のため、従来のＬＥＤ８００と同じ機能を有する部分には同じ番号を付した。即ち、以下のような構成を有する。

基板１：ＧａＡｓ、
第１クラッド層４：（Ｇａ_1-x2Ａｌ_x2）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ、
（但し、ｘ１＜ｘ２≦１）、
発光層６：（Ｇａ_1-x1Ａｌ_x1）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ、（但し、０≦ｘ１＜１）、
中間障壁層５：（Ｇａ_1-x4Ａｌ_x4）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ、
（但し、ｘ１＜ｘ４＜ｘ２、ｘ３）、
第２クラッド層７：（Ｇａ_1-X3Ａｌ_X3）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ、
（但し、ｘ１＜ｘ３≦１）、
なる構成を有する。

これにより、赤色から緑色の波長域において長時間発光させても光出力の低下の小さいＬＥＤを実現することができる。

さらに、具体的には、
基板１：ｎ型ＧａＡｓ、
第１バッファー層２：ｎ型ＧａＡｓ、
光反射（ＤＢＲ）層３：ｎ型（Ａｌ_0.4Ｇａ_0.6）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ層と
ｎ型Ａｌ_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ層とを交互に積層した層、
第１クラッド層４：ｎ型Ａｌ_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ、不純物はＳｉ、
不純物濃度５×１０¹⁷ｃｍ^-3、厚さ１μｍ、
中間障壁層５：ｐ型（Ｇａ_0.5Ａｌ_0.5）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ、不純物Ｚｎ、
不純物濃度：１×１０¹⁷ｃｍ^-3、厚さ０．２μｍ、
発光層６：ｐ型（Ｇａ_0.7Ａｌ_0.3）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ、不純物Ｚｎ、
不純物濃度：１×１０¹⁷ｃｍ^-3、厚さ０．５μｍ、
第２クラッド層７：ｐ型Ａｌ_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ、不純物はＺｎ、
不純物濃度：５×１０¹⁷ｃｍ^-3、厚さ１μｍ、
第２バッファー層８：ｐ型（Ａｌ_0.05Ｇａ_0.95）_0.95Ｉｎ_0.05Ｐ、
不純物はＺｎ、不純物濃度：１×１０¹⁸ｃｍ^-3、厚さ０．１５μｍ、
電流拡散層９：ｐ型（Ａｌ_0.01Ｇａ_0.99）_0.99Ｉｎ_0.01Ｐ、不純物はＺｎ、
不純物濃度：５×１０¹⁸ｃｍ^-3、厚さ７μｍ。

具体例において、図１２のＬＥＤ８００と異なる点は、発光層６とクラッド層４の間に、発光層６と同導電型で、隣接するクラッド層４と異なる導電型からなり、発光層６のエネルギーギャップより広く、クラッド層４のエネルギーギャップより狭いエネルギーギャップを有する中間障壁層５を設けたことである。なお、ｐ型発光層６の不純物であるＺｎの不純物濃度は発光効率が発光初期に最適となる１×１０¹⁷ｃｍ^-3としている。

また具体例において、電流拡散層９は従来のＬＥＤ８００と異なりＩｎＧａＡｌＰを用い、光吸収をできるだけ小さくし、光出力が大きくなるように配慮した。

しかし、ＧａＡｓ基板には格子整合していない。抵抗率を低くするためにＡｌ混晶比を０．０１と低くする必要があるので、Ｉｎの混晶比も０．０１と低くして、Ａｌ混晶比を低くすることによるエネルギーギャップの減少を防止している。Ｉｎを０．０１入れることによりＧａＰより電極形成面が平滑となり、電極の剥がれ等が生じにくい。一方、Ｉｎの混晶比を０．０１と小さくしているため電流拡散層９は基板１から第２クラッド層７までの層との格子整合が取れない。そこで、第２クラッド層７との間に基板１等の格子定数と電流拡散層９の格子定数との中間の格子定数を有するＡｌ混晶比、Ｉｎ混晶比がともに０．０５の第２バッファー層８を設けて格子定数が合わないことによる結晶欠陥の発生を防止している。

中間障壁層５の効果を図２を用いて説明する。

図２（ｂ）は本ＬＥＤ１００を長時間発光させた後のバンド状態をあらわしている。

図１４同様、順バイアスで発光層６にキャリアを注入した状態を図２（ａ）に示す。中間障壁層５はｎ型第１クラッド層４とｐ型発光層６のエネルギーギャップの中間の値になるようにＡｌ混晶比が設定されている。中間障壁層５はｐ型であるのでｐｎ接合はｎ型第１クラッド層４−ｐ型中間障壁層５間で形成されている。

注入されたキャリアはｐｎ接合近傍で再結合しようとするが、ホール、電子とも存在するのは該ｐｎ接合近傍のエネルギーギャップが小さい側、即ち、中間障壁層５側である。中間障壁層５が注入された少数キャリアの拡散長より十分薄い場合は発光層６にも十分な数の少数キャリアが注入される。中間障壁層５より発光層６の方が発光再結合時間が短いため、注入されたキャリアは発光層６で消費される割合の方が多く、常に発光層６におけるキャリアの数が不足となるので中間障壁層５に入った少数キャリアは速やかに発光層６に移動する。中間障壁層５にも多数のホールと電子が存在しているが、発光再結合時間はエネルギーギャップが狭い方が短いため、発光層６で発光再結合が効率よく生じる。

このように本発明では、中間障壁層５によって発光動作、発光効率にほとんど影響の無いようにできる。

図２（ｂ）は、中間障壁層５を設けたＬＥＤ１００を長期に発光させた後のバンド状態を示している。中間障壁層５を入れた場合も長期に発光させることによりｐｎ接合近傍に非発光再結合準位２０が形成される。しかし、中間障壁層５内のキャリアは上記説明の如く速やかに発光層６に拡散するため、該ｐｎ接合近傍に発生した非発光再結合準位２０を通して再結合するキャリアは少なく、発光効率を低下することがないようにできる。

このように発光層６と同一導電型で隣接するｎ型第１クラッド層４と異なる導電型からなり、発光層６とｎ型第１クラッド層４の間に該発光層６のエネルギーギャップより広く、ｎ型第１クラッド層４のエネルギーギャップより狭いエネルギーギャップを有する中間障壁層５を設けることにより、発光初期にも発光効率を低下させること無く、長期に発光させても発光層６の発光効率が低下しないＬＥＤ１００を実現することができる。

なお、電子の拡散長は通常０．５〜１．５μｍである。実施形態１のＬＥＤ１００の如きＧａＡｓ基板１に格子整合したＩｎの組成比が０．５付近のＩｎＧａＡｌＰ系の半導体層では拡散長は略０．５μｍである。このため、本実施形態１のＬＥＤ１００では中間障壁層５の厚さを０．２μｍとしている。また、長時間発光を続けると、従来例のＬＥＤと同様ｐｎ接合のあるｐ型中間障壁層５とｎ型第１クラッド層４の界面付近で結晶欠陥が発生する。該結晶欠陥が成長して実用的な発光時間の間に発光層６に影響を及ぼさないようにするために、ｐ型中間障壁層５の厚さは０．１μｍ以上と厚くすることが望ましい。

なお、上記において、特に、ｐ型中間障壁層５のエネルギーギャップを発光層６のエネルギーギャップより０．２ｅＶ以上、本実施形態１のＬＥＤ１００に用いるＧａＡｓに格子整合したＩｎＧａＡｌＰ系の半導体ではＡｌの混晶比差ｘ４−ｘ１で０．１５以上とすれば、大半のホールと電子が発光層６で発光再結合して、さらに効果的である。

また、中間障壁層５のＡｌ混晶比を０．５以上にする。ＩｎＧａＡｌＰ系半導体は間接遷移型半導体となるので、中間障壁層５では発光再結合３０は殆ど生じなくなり発光層６での発光再結合の効率を更に高くすることができ有用である。本実施形態１のＬＥＤでは、中間障壁層５のＡｌ混晶比ｘ４を０．５とし、間接遷移型半導体層として中間障壁層５での発光を生じにくくしているので、注入されたホールと電子はほぼ全てが発光層６で発光再結合する。

本実施形態１にかかる素子を多数作製し、図１３と同様の条件である室温で駆動電流５０ｍＡ、１０００時間通電後の光出力を測定した結果、平均６５０μＷであり、発光初期の駆動電流２０ｍＡでの光出力の±２％以内と実用上充分小さい変化率のＬＥＤが得られた。

（実施形態２）
図３に本発明にかかる実施形態２のＬＥＤ２００の横断面を示す。簡単のため、実施形態１のＬＥＤ１００と同じ機能を有する部分には同じ番号を付した。

実施形態１のＬＥＤ１００と異なる点は、発光層６を不純物を入れていないアンドープ層としたことと、このアンドープとしたためｎ型となる発光層６とｐ型クラッド層７の間にエネルギーギャップが発光層６より大きくｐ型クラッド層７より小さいｎ型中間障壁層５０：
ｎ型（Ｇａ_0.5Ａｌ_0.5）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ、不純物Ｓｉ、
不純物濃度：１×１０¹⁶ｃｍ^-3、厚さ０．２μｍ、
を設けたことである。

ＬＥＤ２００を長時間発光させた後のバンド状態を図４に示す。

ＧａＡｓ基板１に格子整合したＩｎＧａＡｌＰ系の材料では、発光層６に不純物を入れない場合ｎ型の導電型になる。本実施例は発光層６がｎ型の場合を説明する。

発光層６がｎ型の場合、中間障壁層５０をｎ型としてこの中間障壁層５０をｎ型発光層６とｐ型第２クラッド層７の間に挿入する構成となる。中間障壁層５０には不純物としてＳｉをドープしている。不純物濃度は１×１０¹⁷ｃｍ^-3以下とすることが望ましい。中間障壁層５０の厚さはやはり少数キャリアであるホールの拡散長より薄くする。ホールの拡散長は電子の拡散長に比べて短く、０．３μｍ程度であるので、本実施形態２のＬＥＤでは中間障壁層５０の厚さは０．２μｍとした。この値は、中間障壁層５０とｐ型第２クラッド層７とで形成されるｐｎ接合で発生した結晶欠陥の影響が発光層６に及ばない厚さである０．１μｍより大きいので、第１実施形態のＬＥＤと同様、長時間発光させても光出力の低下は実用上十分小さかった。

長時間発光させた場合、ｐ型不純物であるＺｎは拡散することが良く知られている。Ｚｎが発光層６に拡散していくと発光層６の発光効率が低下する。特に高出力ＬＥＤでは電流拡散層９やｐ型第２クラッド層７には抵抗率を下げるために、Ｚｎを大量に入れるので発光層６へＺｎ拡散が顕著となり、発光効率が低下する。

しかし、本実施形態２のＬＥＤ２００のように低不純物濃度の中間障壁層５０をｐクラッド層７と発光層６との間に挟むと上記のようなＺｎの発光層６への拡散が防止され、発光効率の低下を防ぐことができる。特に、中間障壁層５０はＡｌの混晶比が小さいためＺｎの拡散も小さく、Ｚｎ拡散防止に効果的である。その結果、動作電圧を低くするために電流拡散層９の不純物濃度を高くしても発光効率が長時間低下しないＬＥＤを実現することができた。

本実施形態２のＬＥＤ２００ではｐ型電流拡散層９やｐ型クラッド層７からのＺｎの拡散も無いため光出力は殆ど低下しなかった。例えば、図２と同様の条件である室温で駆動電流５０ｍＡ、１０００時間通電後の光出力は、発光初期の駆動電流２０ｍＡでの光出力４５０μＷの±２％以内であった。但し、駆動電圧は第１の実施形態に比較して１０％程度低くすることができた。

（実施形態３）
図５に本発明にかかる実施形態３のＬＥＤ３００の横断面を示す。簡単のため、実施形態１のＬＥＤ１００と同じ機能を有する部分には同じ番号を付した。

実施形態１のＬＥＤ１００と異なる点は、ｎ型第１クラッド層４とｐ型発光層６の間に設けたｐ型第１中間障壁層５１（実施形態１では符号５）に加えて、発光層６とｐ型第２クラッド層７の間にｐ型第２中間障壁層５２：
ｐ型（Ｇａ_0.5Ａｌ_0.5）_0.51Ｉｎ_0.49Ｐ、不純物Ｚｎ、
不純物濃度：１×１０¹⁷ｃｍ^-3、厚さ０．２μｍ、
を設けたことである。

本実施形態３のＬＥＤ３００の長時間発光後のバンド状態図を図６に示す。

実施形態１のＬＥＤ１００の構成に加えて、ｐｎ接合界面でない発光層６とｐ型第２クラッド層７の間にｐ型第２中間障壁層５２を設けている。該第２中間障壁層５２は従来例２で説明したような発光層６と第２クラッド層７との界面でのエネルギーギャップ差による結晶欠陥の発生を防止する効果があり、実施の形態１のＬＥＤ１００より光出力の低下を防止する効果が大きい。

また、低不純物濃度でＡｌの混晶比の小さいｐ型第２中間障壁層５２をｐ型クラッド層７と発光層６との間に挟んでいるので、上記実施形態２のＬＥＤにおいて説明したのと同様、ｐ型電流拡散層９やｐ型クラッド層７からのＺｎの発光層６への拡散が防止され発光効率の低下を防ぐことができる。

その結果、本実施形態３のＬＥＤは第１実施形態のＬＥＤ１００より長期に亘って発光させても発光層６の発光効率が低下しない。

本実施形態３のＬＥＤでは結晶欠陥の発生が実施形態１の場合よりも小さいため光出力も若干高くなった。具体的には図１３と同様の条件である室温で駆動電流５０ｍＡ、１０００時間通電後の光出力を測定した結果、平均７２０μＷであり、発光初期の駆動電流２０ｍＡでの光出力は±２％以内であった。

（実施形態４）
本発明にかかる実施形態４のＬＥＤ４００の横断面構造を図７に示す。簡単のため、実施形態１のＬＥＤ１００と同じ機能を有する部分には同じ番号を付した。

実施形態１のＬＥＤ１００と異なる点は、発光層６０をドブロイ波長より薄いＧａ_0.51Ｉｎ_0.49Ｐ層と（Ｇａ_0.5Ａｌ_0.5）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ層とを交互に積層した多重量子井戸（いわゆるＭＱＷ）構造としたことと、ｐ型ＭＱＷ発光層６０とｎ型第１クラッド層４の間に、実施形態１と同様、それらの中間のエネルギーギャップを有する中間障壁層５を設けたことである。なお、中間障壁層５の厚さを０．０５μｍと薄くしている。

発光層６をＭＱＷ構造とした場合、ｐ型発光層６の結晶に欠陥が発生しにくくなる。そのためｐｎ接合で結晶欠陥が発生しても発光層６０まで結晶欠陥がなかなか成長していくことができない。このため、中間障壁層５を０．０２μｍ程度まで薄くしても光出力の低下を防止することが可能であった。

（実施形態５）
本発明にかかる実施形態５のＬＥＤ５００の横断面構造を図８に示す。簡単のため、実施形態１のＬＥＤと同じ機能を有する部分には同じ番号を付した。

以上の説明はすべてｎ型基板について行ってきたが、本実施形態５は、ｐ型基板においても同様な効果が得られることを示すものである。

本実施形態のＬＥＤ５００と実施形態１のＬＥＤ１００との違いは基板１をｐ型ＧａＡｓとしたこと、以下、具体例を示す。

基板１：ｐ型ＧａＡｓ、
第１バッファー層２：ｐ型ＧａＡｓ、
光反射（ＤＢＲ）層３：ｐ型（Ａｌ_0.4Ｇａ_0.6）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ層と
ｐ型Ａｌ_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ層とを交互に積層した層、
第１クラッド層４：ｐ型Ａｌ_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ、不純物Ｚｎ、
不純物濃度：５×１０¹⁷ｃｍ^-3、厚さ１μｍ、
中間障壁層５：ｎ型（Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ層、不純物はＳｉ、
不純物濃度：５×１０¹⁷ｃｍ^-3、厚さ０．１μｍ、
発光層６：ｎ型（Ｇａ_0.7Ａｌ_0.3）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ、
厚さ０．５μｍ、
第２クラッド層７：ｎ型Ａｌ_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ、不純物はＳｉ、
不純物濃度：５×１０¹⁷ｃｍ^-3、厚さ１μｍ、
第２バッファー層８：ｎ型（Ａｌ_0.05Ｇａ_0.95）_0.95Ｉｎ_0.05Ｐ、
不純物はＳｉ、不純物濃度：１×１０¹⁸ｃｍ^-3、厚さ０．１５μｍ、
電流拡散層９：ｎ型（Ａｌ_0.01Ｇａ_0.99）_0.99Ｉｎ_0.01Ｐ、不純物はＳｉ、
不純物濃度：１×１０¹⁸ｃｍ^-3、厚さ７μｍ。

ｐ型基板はｎ型基板より製作が困難であるため大抵の用途にはｎ型基板のＬＥＤが用いられる。しかし、ｐ型基板のＬＥＤの場合、電流拡散層９がｎ型となるので不純物濃慶をｐ型の場合より低くしても同程度の電流拡散効果が得られ、ｎ側電極とのコンタクト抵抗も低くできる。その結果不純物の拡散による発光効率の低下が殆ど生じないという利点がある。

以上の説明はすべて、ＧａＡｓ基板に格子整合したＩｎＧａＡｌＰ系半導体の場合について説明してきたが、以上の説明より明らかな如く、他の材料、ＡｌＧａＡｓ、ＡｌＧａＩｎＳｂ、ＩｎＧａＡｓＰ、ＡｌＧａＩｎＮ、ＧａＩｎＮＳｂ等のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体、或いはＩＩ−ＶＩ族化合物半導体にも本発明の趣旨にしたがって具体的な層厚、キャリア濃度は変えて適用できることは明らかである。

（実施形態６）
図９は本発明にかかる実施形態のＬＥＤ６００の略横断面構造を示す図である。簡単のため、従来のＬＥＤ９００と同じ機能を有する部分には同じ番号を付した。

従来のＬＥＤ９００と異なる点はｐ型クラッド層１０５を、Ａｌ混晶比が発光層１０４より大きくｐ型クラッド層１０５より小さい、発光層１０４に近い側のｐ型第２中間障壁層５３と、Ａｌ混晶比がキャリアを閉じ込めるのに十分大きい、発光層１０４より遠い側のｐ型第２クラッド層５４とに分けたことである。本実施例において、ｐ型第２中間障壁層５３は、Ａｌ混晶比ｘ＝０．５に設定され、
ｐ型（Ｇａ_0.5Ａｌ_0.5）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ、不純物Ｚｎ、
不純物濃度：２×１０¹⁷ｃｍ^-3、厚さ０．３μｍ、
また、ｐ型第２クラッド層５４は、Ａｌ混晶比１．０のもので、
ｐ型Ａｌ_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ、不純物Ｚｎ、
不純物濃度：５×１０¹⁷ｃｍ^-3、厚さ１．０μｍ、
としている。なお、電流拡散層１０６は単一の層とした。

上記構成において、ｐ型クラッド層１０５の一方、すなわちｐ型第２クラッド層５４はＡｌ混晶比が充分に高く、キャリアの閉じ込めを良くしＬＥＤの高出力化を可能にする。ｐ型第２クラッド層５４のＡｌ混晶比ｘは上記の高出力化のため０．７以上１までが好ましい。また、ｐ型クラッド層１０５を発光層１０４に近い側にあるＡｌ混晶比が小さく不純物濃度の低いｐ型第２中間障壁層５３とＡｌ混晶比が大きく不純物濃度の大きいｐ型第２クラッド層５４の２層とすることにより、発光による不純物の拡散を防止し、長時間発光させても光出力が低下しないようしている。

特に、ｐ型第２中間障壁層５３とｐ型第２クラッド層５４において、不純物のみならず、Ａｌ混晶比を小さくすることによりｐ型第２中間障壁層の結晶性を改善して不純物の拡散を生じにくくする点が重要である。Ａｌは酸化性が強いため、材料中に含まれる酸素を結晶内に持ち込むのでＡｌ結晶比を高くすると理想的な結晶構造に比ベて不完全なものとなる。そのような結晶内には理想的な結晶における原子の位置に原子が無い空格子点や、理想的な結晶で期待されるより大きな空隙等が発生しやすい。そのため不純物の拡散が理想的な結晶に比べて容易となる。

ｐ型第２クラッド層５４のＡｌ混晶比ｘはキャリアの閉じ込めを良好にするためできるだけ高い方が良い。一般にｘ＝１が用いられる。また、キャリアを発光層全体に拡散させるためｐ型第２クラッド層５４の抵抗率もできるだけ低い方が望ましいので不純物濃度はできるだけ高い方が望ましい。

第１ｐ型クラッド５３層は特にＡｌ混晶比を０．５と低くすることが重要である。そのことにより結晶性が改善され、層厚が薄くても不純物の拡散を防止することが可能となる。

ｐ型第２中間障壁層５３の厚さを厚くすると発光層から溢れたキャリアがｐ型第２中間障壁層５３で発光、または非発光再結合により失われ、発光層１０４での発光効率を低下させてしまう。このような現象を防止するためにはｐ型第２中間障壁層５３の厚さを少数キャリアである電子の拡散長の１／２とすれば良い。通常、Ａｌ混晶比が０．５のＩｎＧａＡｌＰ結晶での電子の拡散長は略０．５μｍであるからｐ型第２中間障壁層の厚さは０．３μｍ以下が望ましい。

なお、不純物濃度と厚さについても最適化することがより望ましい。

図１０（ａ）は発光初期の光出力に対する、室温で５０ｍＡの電流を流して１０００時間発光後の光出力を、ｐ型第２中間障壁層５３の不純物濃度に対してプロットしたものであり、図１０（ｂ）は発光初期の光出力に対する室温で５０ｍＡの電流を流して１０００時間発光後の光出力を、ｐ型第２中間障壁層５３の厚さに対してプロットしたものである。

ｐ型第２中間障壁層５３の不純物濃度を高くした場合、電流拡散層１０６、ｐ型第２クラッド層５４等から拡散してきた不純物によりｐ型第２中間障壁層５３の不純物が発光層に押し出されて発光効率が低下したものと考えられる。

また、ｐ型第２中間障壁層５３の厚さが薄すぎると不純物の一部は発光層１０４まで拡散してしまうので光出力に低下が見られる。

図１０（ａ）からｐ型第２中間障壁層５３の不純物濃度を３．０×１０¹⁷ｃｍ^-3以下と十分低くすることにより、電流拡散層１０６やｐ型第２クラッド層５４から拡散してきたｐ型不純物を発光層１０４まで拡散することを防止し、発光時間１０００時間後の光出力は発光初期の光出力の８０％以内と実用上充分な光強度を得た。

また、図１０（ｂ）は発光層１０４の不純物濃度を１×１０¹⁷ｃｍ^-3としてｐ型第２中間障壁層５３の厚さを変えたときの発光初期の光出力に対する室温で５０ｍＡの電流を流して１０００時間発光後の光出力を測定した結果である。図１０（ｂ）からｐ型第２中間障壁層５３の厚さは０．１μｍ以上とすることがより発光時間１０００時間後の光出力は発光初期の光出力の９０％以内と実用上充分なＬＥＤが実現できることが分かる。

なお、ｐ型第２中間障壁層５３の厚さを厚くするとｐ型第２クラッド層５４でのキャリアの閉込め効果が失われてしまう。即ち、ｐ型第２中間障壁層５３が本来のｐ型クラッド層として振る舞い、ｐ型第２中間障壁層でキャリアは発光再結合等により消費されてしまう。そのため、ｐ型第２中間障壁層の厚さはｐ型層の少数キャリアである電子の拡散長以下とする必要がある。ＧａＡｓに格子整合したＡｌＧａＩｎＰの場合、電子の拡散長は０．５〜１．５μｍであるが、Ａｌ混晶比が０．５の場合は電子の拡散長は略０．５μｍであるので、ｐ型第２中間障壁層５３の厚さは０．５μｍ以下とする必要があり、０．３μｍ以下がより好ましい。

（実施形態７）
図１１に実施形態７の断面図を示す。まず、ｎ型ＧａＡｓ基板２０１上に、ｎ型（Ａｌ_xＧａ_1-x）_yＩｎ_1-yＰ第１クラッド層２１（ｘ＝１．０、ｙ＝０．５、Ｓｉキャリア濃度５×１０¹⁷ｃｍ^-3）を１μｍ、ｎ型（Ａｌ_xＧａ_1-x）_yＩｎ_1-yＰ第１中間障壁層２２（ｘ＝０．５、ｙ＝０．５、Ｓｉキャリア濃度２×１０¹⁷ｃｍ^-3）を０．５μｍ、（Ａｌ_xＧａ_1-x）_yＩｎ_1-yＰ発光層２０３（ｘ＝０．３、ｙ＝０．５）を０．５μｍ、ｐ型（Ａｌ_xＧａ_1-x）_yＩｎ_1-yＰ第２中間障壁層４１（ｘ＝０．５、ｙ＝０．５、Ｚｎキャリア濃度２×１０¹⁷ｃｍ^-3）を０．５μｍ、ｐ型（Ａｌ_xＧａ_1-x）_yＩｎ_1-yＰ第２クラッド層４２（ｘ＝１．０、ｙ＝０．５，Ｚｎキャリア濃度５×１０¹⁷ｃｍ^-3）を１μｍ、（Ａｌ_xＧａ_1-x）_yＩｎ_1-yＰ電流拡散層２０５（ｘ＝０．０５、ｙ＝０．９０，Ｚｎキャリア濃度１×１０¹⁸ｃｍ^-3）を７μｍ順次積層し、さらにｎ側電極２０９、ｐ側電極２０７を形成し発光ダイオードが完成する。

Ａｌ混晶比が小さく、不純物濃度の低いｐ型第２中間障壁層４１を０．５μｍと厚くすることによって電流拡散層２０５やｐ型第２クラッド層４２から発光層への不純物の拡散を防止し、発光効率の低下を防止する。また、ｎ型第１中間障壁層を設けることによりＡｌ混晶比が小さく結晶性のよい層でｐｎ接合を形成でき発光効率を向上させることができる。

以上の説明はすベてＧａＡｓ基板に格子整合したＩｎＧａＡｌＰ系半導体の場合について説明してきたが、上記説明より明らかな如く、他の材料、ＡｌＧａＡｓ、ＡｌＧａＩｎＳｂ、ＩｎＧａＡｓＰ、ＡｌＧａＩｎＮ等のＡｌ混晶比によりエネルギーギャップを制御するＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体にも本発明の趣旨にしたがって具体的な層厚、キャリア濃度を変えて適用できることは明らかである。

本発明の実施形態１にかかるＬＥＤの横断面を表す図である。 本発明の実施形態１にかかるＬＥＤの長期発光継続後の発光層近傍のエネルギーバンド状態を表す図である。 本発明の実施形態２にかかるＬＥＤの横断面を表す図である。 本発明の実施形態２にかかるＬＥＤの長期発光継続後の発光層近傍のエネルギーバンド状態を表す図である。 本発明の実施形態３にかかるＬＥＤの横断面を表す図である。 本発明の実施形態３にかかるＬＥＤの長期発光継続後の発光層近傍のエネルギーバンド状態を表す図である。 本発明の実施形態４に係る半導体発光素子の横断面構造を表す図である。 本発明の実施形態５に係る半導体発光素子の横断面構造を表す図である。 本発明の実施形態６にかかるＬＥＤの横断面を表す図である。 本発明の実施の形態６にかかるＬＥＤのｐ型第２中間障壁層の不純物濃度、厚さと長時間発光させた時の光出力の低下率との関係を表す図である。 本発明の実施形態７にかかるＬＥＤの横断面を表す図である。 従来のＬＥＤの横断面構造を表す図である。 従来のＬＥＤの発光開始直後の光出力および長時間発光継続後の光出力と発光層の不純物濃度との関係を表す図である。 従来のＬＥＤの発光層近傍のエネルギーバンド状態を表す図である。 従来のＬＥＤの横断面構造を表す図である。

符号の説明

１ 基板
２ 第１バッファー層
３ 反射（ＤＢＲ）層
４ 第１クラッド層
５ 中間障壁層
６ 発光層
７ 第２クラッド層
８ 第２バッファー層
９ 電流拡散層
１０ ｐ側電極
１１ ｎ側電極
４１ 第２中間障壁層
４２ 第２クラッド層
５０ 中間障壁層
５１ 第１中間障壁層
５２ 第２中間障壁層
５３ ｐ型第２中間障壁層
５４ ｐ型第２クラッド層
６０ ＭＱＷ型発光層
６１ 第１電流拡散層
６２ 第２電流拡散層
９１ 第１電流拡散層
９２ 電流拡散層
１０１ 基板
１０２ バッファ層
１０３ ｎ型第１クラッド層
１０４ 発光層
１０５ ｐ型クラッド層
１０６ 電流拡散層
１０７ ｐ側電極
１０８ コンタクト層
１０９ ｎ側電極
２０１ 基板
２０３ 発光層
２０５ 電流拡散層
２０７ ｐ側電極
２０９ ｎ側電極

Claims (4)

1. 少なくともＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体材料からなり、エネルギーギャップの大きいクラッド層でエネルギーギャップの狭い発光層を挟持してなるダブルヘテロ接合型発光ダイオードにおいて、
   該クラッド層のうちｐ型クラッド層は、該発光層に近い側にあるＡｌ混晶比が小さく不純物濃度の低いｐ型第２中間障壁層とＡｌ混晶比が大きく不純物濃度の高いｐ型第２クラッド層とからなることを特徴とする発光ダイオード。
2. 前記ｐ型第２中間障壁層のＡｌ比は０．５以下、前記ｐ型第２クラッド層のＡｌ比は０．７以上であることを特徴とする請求項１に記載の発光ダイオード。
3. 前記ｐ型第２中間障壁層の不純物濃度は３×１０¹⁷ｃｍ^-3以下であり、
   前記ｐ型第２中間障壁層の厚さは０．１μｍ以上、０．５μｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の発光ダイオード。
4. 基板：ＧａＡｓ、
   ｎ型第１クラッド層：（Ｇａ_1-x2Ａｌ_x2）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ
   （但し、Ｘ１＜Ｘ２≦１）、
   発光層：（Ｇａ_1-x1Ａｌ_x1）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ（但し、０≦ｘ１＜ｘ２，ｘ３）
   ｐ型第２中間障壁層：（Ｇａ_1-x4Ａｌ_x4）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ
   （但し、ｘ１＜ｘ４＜ｘ３、不純物濃度は５×１０¹⁷ｃｍ^-3未満）、
   ｐ型第２クラッド層：（Ｇａ_1-x3Ａｌ_x3）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ
   （但し、ｘ１＜ｘ３≦１、不純物濃度は５×１０¹⁷ｃｍ^-3以上）、
   なる層からなることを特徴とする請求項１に記載の発光ダイオード。

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