JP2006253180A - 半導体発光素子 - Google Patents

Abstract

【課題】発光効率の向上した半導体発光素子を提供する。
【解決手段】 活性層１３の両側に、活性層１３よりも大きなバンドギャップを有する第１キャリア閉じ込め層１２および第２キャリア閉じ込め層１４、更にこれら第１キャリア閉じ込め層１２および第２キャリア閉じ込め層１４の両側に第１光ガイド層１１および第２光ガイド層１５が配置されている。第１光ガイド層１１および第２光ガイド層１５は、活性層１３の発光波長に相当するエネルギーより大きなバンドギャップを有し、かつ第１キャリア閉じ込め層１２および第２キャリア閉じ込め層１４よりも大きな屈折率を有する。第１光ガイド層１１および第２光ガイド層１５の屈折率は、これら光ガイド層を含む積層構造全体の実効屈折率よりも大きい。
【選択図】 図１

Description

本発明は可視領域の光を発光する半導体発光素子に係り、特に化合物半導体層の積層方向の屈折率分布を改良した半導体発光素子に関する。

近年、液晶表示装置やプロジェクタの光源として、高出力の発光ダイオード（ＬＥＤ；Light Emitting Diode）等の半導体発光素子が求められている。高出力の半導体発光素子の１つとして、例えば、赤色から橙色までの領域の光を発光するＡｌＧａＩｎＰ（アルミニウム・ガリウム・インジウム・リン）系ＬＥＤが挙げられる。

ここで、上記したＬＥＤの基本構造とその動作について簡単に説明する。ＬＥＤは、基板上に、一対のキャリア閉じ込め層が形成され、その対のキャリア閉じ込め層の間に発光領域となる活性層を有している。このような構造のＬＥＤでは、一対のキャリア閉じ込め層に電圧を印加すると、一方のキャリア閉じ込め層から電子が、他方のキャリア閉じ込め層から正孔が活性層へ注入される。そして、活性層に注入された電子と正孔が再結合することにより光子が発生（発光）する。

ところで、ＡｌＧａＩｎＰ系ＬＥＤでは、活性層で発生した光がチップ内を伝播する間に活性層で吸収されてしまう光吸収の割合が他の材料系と比べて大きく、また、活性層で吸収された光のエネルギーを利用して再度光が発生する現象（フォトンリサイクリング）の割合は他の材料系と比べて低い。そこで、活性層での光の吸収を抑制する方法として、活性層の厚さを薄くしたり、幅を小さくしたりして活性層の体積を小さくすることが考えられる（特許文献１）。しかしながら、活性層の厚さを薄くすると、活性層内のキャリア密度が高くなり、キャリアの閉じ込めが困難となるので、キャリア・オーバーフローが生じ易くなり、そのため発光効率が低下してしまう。だからといって、キャリア・オーバーフローを低減させるために、活性層の厚さを厚くすると、上記したように活性層での光の吸収が多くなってしまう。このように活性層での光の吸収の抑制と、キャリア・オーバーフローの抑制とを同時に実現するのは非常に困難である。

また、ＡｌＧａＩｎＰ系ＬＥＤでは、一般的にＧａＡｓ基板が用いられるが、このＧａＡｓ基板は活性層の発光波長に相当するエネルギーよりも小さなバンドギャップを有しており、活性層から染み出した光を吸収してしまうという性質を有している。このため、上記のように、活性層の厚さを薄くして、活性層から染み出した光が基板へ放出される量を多くすると、活性層から染み出した光が基板で吸収される量が大きくなるため、外部量子効率が低下してしまう。そこで、活性層を基準として基板と反対側に屈折率の大きな層を設けることが考えられる（特許文献２）。これにより、光密度分布を、活性層を基準として基板と反対側に移動させて、活性層から染み出した光が基板へ放出される量、ひいては基板に吸収される量を減少させることができる。

特開２０００−５８９０６号公報 特開２００４−１３４６５０号公報

しかしながら、上記の方法では、活性層から基板側への光の染み出しを抑えているものの、活性層内での光密度は依然として高いため活性層での光の吸収を充分に抑制することができない。また、活性層の厚さを十分厚くすることができないため、キャリア・オーバーフローを抑制することもできず、そのため発光効率の向上を図ることは困難であった。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、活性層での光密度を低下させて、発光効率を向上させることのできる半導体発光素子を提供することにある。

本発明の半導体発光素子は、活性層と、活性層より大きなバンドギャップを有し、活性層の両側に配置された一対のキャリア閉じ込め層と、活性層の発光波長に相当するエネルギーより大きなバンドギャップを有すると共に、キャリア閉じ込め層より大きな屈折率を有し、一対のキャリア閉じ込め層の両側にそれぞれ配置された光ガイド層と備えたものである。

本発明の半導体発光素子では、活性層で発生した光は、キャリア閉じ込め層よりも大きな屈折率を有する光ガイド層によって引き出される。これにより、活性層内での光密度は低下し、活性層での光の吸収が充分に抑制される。

本発明の半導体発光素子によれば、キャリア閉じ込め層の両側における光ガイド層のバンドギャップを活性層の発光波長に相当するエネルギーより大きくすると共に、その屈折率をキャリア閉じ込め層のそれよりも大きくするようにしたので、活性層内での光密度が低下し、キャリア・オーバーフローが抑制されると共に活性層での光の吸収が抑制される。これにより発光効率が向上する。また、上記したように光の吸収が抑制されるので、活性層の厚さを厚くすることも可能である。そのため、活性層の厚さを例えば２００ｎｍ程度にした場合には、活性層内の光密度がより低下し、キャリア・オーバーフローがより抑制されるので、発光効率がより一層向上する。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。

図１（Ａ）は、本発明の一実施の形態に係る発光ダイオード（ＬＥＤ）１の断面構造を表したものである。この発光ダイオード１は、基板１０の一面側に、第１光ガイド層１１、第１キャリア閉じ込め層１２、活性層１３、第２キャリア閉じ込め層１４、第２光ガイド層１５およびコンタクト層１６をこの順に積層した積層構造を有する。コンタクト層１６の表面には中央に開口１７Ａを有するｐ側電極１７、基板１０の裏面にはｎ側電極１８がそれぞれ形成されている。この発光ダイオード１は、活性層１３から発せられた発光光線をコンタクト層１６の表面からｐ側電極１７の開口１７Ａを通して出射するように構成された上面発光型の発光素子である。

第１光ガイド層１１、第１キャリア閉じ込め層１２、活性層１３、第２キャリア閉じ込め層１４、第２光ガイド層１５およびコンタクト層１６は、ＡｌＧａＩｎＰ系半導体によりそれぞれ構成されている。なお、ＡｌＧａＩｎＰ系半導体とは、長周期型周期表における３Ｂ族元素のアルミニウム（Ａｌ），ガリウム（Ｇａ）またはインジウム（Ｉｎ）と、５Ｂ族元素のリン（Ｐ）とを含む化合物半導体のことをいう。

活性層１３は、例えば量子井戸層と障壁層とを交互に積層してなる多重量子井戸構造を備えており、例えば、アンドープＩｎ_a Ｇａ_1-a Ｐ（０＜ａ＜１）からなる量子井戸層とアンドープ（Ａｌ_b Ｇａ_1-b ）_1-c Ｉｎ_c Ｐ（０＜ｂ≦１，０＜ｃ＜１）からなる障壁層とを一組として、それを複数積層して構成される。

活性層１３のＩｎ組成の値ａ，ｃおよびＡｌ組成の値ｂは、発光波長や発光波長幅、光密度などを勘案して決定されるものである。具体的には、量子井戸層のＩｎ組成の値ａは、５０％程度であることが望ましく、障壁層のＩｎ組成の値ｃは、５０％程度であることが望ましく、障壁層のＡｌ組成の値ｂは、４０％以上１００％以下であることが望ましい。また、量子井戸層の厚さは、３ｎｍ以上１０ｎｍ以下であることが望ましく、障壁層の厚さは、３ｎｍ以上１０ｎｍ以下であることが望ましい。また、活性層１３における量子井戸層全体の厚さ（本発明における活性層の厚さに相当する）は、活性層１３での光密度が過度に高くならない程度の厚さであればよく、２００ｎｍ以上であることが望ましい。これにより、活性層１３でのキャリア・オーバーフローを防止することが可能となる。

なお、活性層１３は、多重量子井戸構造以外の構造、例えば単一量子井戸構造やバルク構造を有するものであってもよい。

第１キャリア閉じ込め層１２は、例えばｎ型（Ａｌ_d Ｇａ_1-d ）_1-e Ｉｎ_e Ｐ（０＜ｄ≦１，０＜ｅ＜１）、第２キャリア閉じ込め層１４は、例えばｐ型（Ａｌ_d Ｇａ_1-d ）_1-e Ｉｎ_e Ｐによりそれぞれ構成されている。これら第１キャリア閉じ込め層１２および第２キャリア閉じ込め層１４は、それぞれ活性層１３より大きなバンドギャップを有すると共に、第１光ガイド層１１および第２光ガイド層１５より小さな屈折率を有している。

第１キャリア閉じ込め層１２および第２キャリア閉じ込め層１４のＡｌ組成およびＩｎ組成は、活性層１３に対するキャリアの閉じ込め性や注入性を勘案して決定される。具体的には、Ａｌ組成の値ｄは、５０％以上１００％以下であることが望ましく、Ｉｎ組成の値ｅは、５０％程度であることが望ましい。また、厚さは、トンネル効果によってキャリアがすり抜けられない程度の厚さであると共に、第１光ガイド層１１および第２光ガイド層１５が活性層から光を引き出すことができる程度の厚さであり、具体的には３０ｎｍ以上５００ｎｍ以下であることが望ましい。これにより、活性層１３でのキャリア・オーバーフローを防止することができると共に、活性層１３での光密度を低下させることが可能となる。なお、第１キャリア閉じ込め層１２および第２キャリア閉じ込め層１４におけるＡｌ組成ａおよびＩｎ組成ｂの値ならびに厚さは、互いに等しいことが望ましいが、互いに異なっていても構わない。

第１光ガイド層１１は、例えばｎ型（Ａｌ_f Ｇａ_1-f ）_1-g Ｉｎ_g Ｐ（０＜ｆ＜１，０＜ｇ＜１）、第２光ガイド層１５は、例えばｐ型（Ａｌ_f Ｇａ_1-f ）_1-g Ｉｎ_g Ｐ（０＜ｆ＜１，０＜ｇ＜１）によりそれぞれ構成されている。第１光ガイド層１１および第２光ガイド層１５は、活性層１３の発光波長に相当するエネルギーより大きなバンドギャップを有すると共に、その屈折率は、第１キャリア閉じ込め層１２および第２キャリア閉じ込め層１４より大きく、かつ活性層１３より小さくなっている。

第１光ガイド層１１および第２光ガイド層１５のＡｌ組成およびＩｎ組成は、活性層から光を引き出すことができる程度の屈折率となるように決定されるものであり、好ましくは光密度のピーク値の１／５程度の密度の光を第１光ガイド層１１および第２光ガイド層１５に引き出すことができる程度の屈折率となるように決定される。具体的には、Ａｌ組成の値ｆは、２０％以上５０％以下であることが望ましく、３０％以上４０％以下であることがより望ましい。また、Ｉｎ組成の値ｇは、５０程度であることが望ましい。また、厚さは、光ガイドの効果を充分に得ることができる程度であり、具体的には、活性層１３での発光波長λの１／２以上となることが望ましい。これにより、活性層１３で発光した光が第１光ガイド層１１および第２光ガイド層１５で吸収されることがなく、さらに、活性層１３での光密度を低下させ、光の吸収を抑制することができる。なお、第１光ガイド層１１および第２光ガイド層１５のＡｌ組成の値ｆ、Ｉｎ組成の値ｇおよび厚さは、互いに等しいことが望ましいが、互いに異なっていてもよい。

基板１０は、例えば平板形状のＧａＡｓ（ガリウム砒素）基板やＧａＰ（ガリウム燐）基板などにより構成される。なお、光を吸収する性質を有するＧａＡｓ基板を用いる場合には、この基板１０と第１光ガイド層１１との間にＤＢＲ反射層を設けることが望ましい。また、基板１０の裏面側の表面形状を放物線状にして高反射な構造としてもよい。コンタクト層１６は、例えばｐ型ＧａＰにより構成される。

ｐ側電極１７は、例えば、チタン（Ｔｉ）層，白金（Ｐｔ）層および金（Ａｕ）層をコンタクト層１６の側から順に積層したものであり、コンタクト層１６と電気的に接続されている。また、ｎ側電極１８は、例えば、金（Ａｕ）とゲルマニウム（Ｇｅ）との合金層，ニッケル（Ｎｉ）層および金（Ａｕ）層とを基板１０の側から順に積層した構造を有しており、基板１０と電気的に接続されている。なお、ｎ側電極１８は、基板１０の裏面に限らず、基板１０を拡大し、その表面の第１ガイド層１１に隣接する位置に併設するようにしてもよい。

このような構成を有する発光ダイオード１は、例えば次のようにして製造することができる。

この発光ダイオード１を製造するためには、例えばＧａＡｓからなる基板１０上のＡｌＧａＩｎＰ系半導体層を、例えば、ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition ；有機金属化学気相成長）法により形成する。この際、ＡｌＧａＩｎＰ系半導体の原料としては、例えば、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）、ホスフィン (ＰＨ₃ ) を用い、ドナー不純物の原料としては、例えばセレン化水素（Ｈ₂ Ｓｅ）を用い、アクセプタ不純物の原料としては、例えばジメチル亜鉛（ＤＭＺｎ）を用いる。

具体的には、まず、基板１０の表面に、第１光ガイド層１１、第１キャリア閉じ込め層１２、活性層１３、第２キャリア閉じ込め層１４、第２光ガイド層１５およびコンタクト層１６をこの順に積層させる。

次に、コンタクト層１６の表面上に例えば真空蒸着法によりリング状のｐ側電極１７を形成する。続いて、基板１０の裏面側からエッチングして基板１０の厚さを調節したのち、同じく真空蒸着法によりｎ側電極１８を形成する。なお、基板としてＧａＰ基板を用いる場合には、基板１０をエッチングにより除去したのち、ＧａＰ基板を第１光ガイド層１１側に貼り合わせ、この貼り合わせたＧａＰ基板を基板１０とし、この基板１０にｎ側電極１８を形成する。

次に、上記発光ダイオード１の作用・効果について説明する。

この発光ダイオード１では、ｐ側電極１７とｎ側電極１８との間に所定の電圧が印加されると、ｎ側電極１８から電子が、ｐ側電極１７から正孔がそれぞれ活性層１３へ注入される。そして、この活性層１３に注入された電子と正孔が再結合することにより光子が発生し、その結果発光光がｐ側電極１７の開口部１７Ａを通じて外部に出射される。

ところで、この発光ダイオード１では、第１光ガイド層１１および第２光ガイド層１５の屈折率ｎ３が第１キャリア閉じ込め層１２および第２キャリア閉じ込め層１４の屈折率ｎ２より大きくなっているので、第１キャリア閉じ込め層１２および第２キャリア閉じ込め層１４内をそれぞれ導波する光の一部は、第１光ガイド層１１，第２光ガイド層１５側に引き出される。これにより第１キャリア閉じ込め層１２および第２キャリア閉じ込め層１４内の光密度が低下すると共に、活性層１３内での光密度が低下する。その結果、活性層１３での光の吸収を充分に抑制することができる。

また、第１キャリア閉じ込め層１２および第２キャリア閉じ込め層１４のバンドギャップＥｇ２は活性層１３のバンドギャップＥｇ１より大きくなっているので、キャリアが活性層１３外に洩れ出すことなく、活性層１３内に効率よく閉じ込められる。すなわち、活性層１３からのキャリア・オーバーフローが抑制される。

以上より、本実施の形態の発光ダイオード１では、活性層１３からのキャリア・オーバーフローを抑制しつつ、活性層１３での光の吸収を充分に抑制することができ、その結果発光効率を向上させることができる。

また、図２（Ａ），（Ｂ）に示したように、第１光ガイド層１１および第２光ガイド層１５の屈折率を、第１光ガイド層１１および第２光ガイド層１５を含む積層構造全体の実効屈折率ｎ４より大きくした場合には、活性層１３ならびに第１キャリア閉じ込め層１２および第２キャリア閉じ込め層１４内を導波する光の多くが、屈折率の大きな第１光ガイド層１１および第２光ガイド層１５側に引き出される。ここで、実効屈折率とは、光導波路内を伝播する光の伝播定数を波数で規格化し、屈折率の形で表したものであり、導波路内を伝播する光に対する実効的な屈折率で、導波モードの固有値として定義される。なお、本実施の形態では、導波モードとしては、基本モードまたは最低次のモードの値のみが考慮される。これにより、活性層１３ならびに第１キャリア閉じ込め層１２および第２キャリア閉じ込め層１４内での光密度が低下し、活性層１３での光の吸収をより一層抑制することができ、その結果、発光効率がより一層向上する。

さらに、上記の場合に、第１キャリア閉じ込め層１２および第２キャリア閉じ込め層１４の厚さ、ならびに第１光ガイド層１１および第２光ガイド層１５の屈折率を調節して、光密度のピーク値の１／５程度の密度の光が第１光ガイド層１１および第２光ガイド層１５に引き出されるようにした場合の効果について説明する。

具体例を示すと、量子井戸層のＩｎ組成の値ａを５０％、障壁層のＩｎ組成の値ｃを５０％、障壁層のＡｌ組成の値ｂを５０％、厚さを２００ｎｍ（厚さ５ｎｍの量子井戸層および障壁層を一組として４０組積層した厚さに相当する）にして、屈折率の値ｎ１が３．５９、バンドギャップの値Ｅｇ１が１．９４の活性層１３を設ける。次に、Ａｌ組成の値ｄを１００％、Ｉｎ組成の値ｅを５０％にして、屈折率の値ｎ２が３．１９、バンドギャップの値Ｅｇ２が２．３５の第１および第２キャリア閉じ込め層１２，１４を設ける。続いて、Ａｌ組成の値ｆを３０％、Ｉｎ組成の値ｇを５０％にして、屈折率の値ｎ３が３．４０、バンドギャップの値Ｅｇ３が２．０９の第１光ガイド層１１および第２光ガイド層１５を設ける。なお、上記の組成からなる第１光ガイド層１１、第１キャリア閉じ込め層１２、活性層１３、第２キャリア閉じ込め層１４および第２光ガイド層１５により構成される積層構造の実効屈折率の値ｎ４は３．３６である。

このような構成の発光ダイオード１に対して電圧を印加すると、光密度のピーク値の１／５程度の密度の光を第１光ガイド層１１および第２光ガイド層１５に引き出すことができる。これにより、活性層１３ならびに第１キャリア閉じ込め層１２および第２キャリア閉じ込め層１４内での光密度が顕著に低下する。よって、活性層１３での光の吸収を効果的に抑制することができ、その結果、発光効率が顕著に向上する。

なお、本実施の形態の発光ダイオード１では、第１光ガイド層１１および第２光ガイド層１５の屈折率の値ｎ３は基板１０より一般的に大きいので、光ガイド層から基板１０への光の染み出しが抑制される。このため、仮に基板１０の材料として、活性層１３から染み出した光を吸収する性質を有するものを用いた場合であっても、基板１０での光の吸収を充分に抑制することができる。

以上、実施の形態を挙げて本発明を説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、種々変形可能である。

本発明の一実施の形態に係る発光ダイオードの断面構成図である。 図１に示した発光ダイオードの層方向の屈折率分布およびバンド構造を説明するための概念図である。

符号の説明

１…発光ダイオード、１０…基板、１１…第１光ガイド層、１２…第１キャリア閉じ込め層、１３…活性層、１４…第２キャリア閉じ込め層、１５…第２光ガイド層、１６…コンタクト層、１７…ｐ側電極、１７Ａ…開口部、１８…ｎ側電極

Claims (6)

1. 活性層と、
   前記活性層より大きなバンドギャップを有し、前記活性層の両側に配置された一対のキャリア閉じ込め層と、
   前記活性層の発光波長に相当するエネルギーより大きなバンドギャップを有すると共に、前記キャリア閉じ込め層より大きな屈折率を有し、前記一対のキャリア閉じ込め層の両側にそれぞれ配置された光ガイド層と
   を備えたことを特徴とする半導体発光素子。
2. 前記光ガイド層の屈折率は、前記活性層、キャリア閉じ込め層および光ガイド層を含む積層構造の実効屈折率よりも大きい
   ことを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
3. 前記光ガイド層の厚さは、前記活性層の発光波長の１／２以上である
   ことを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
4. 前記活性層の厚さは、２００ｎｍ以上である
   ことを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
5. 前記活性層は、（Ａｌ_x Ｇａ_1-x ）_1-y Ｉｎ_y Ｐにより構成されている
   ことを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
6. 前記キャリア閉じ込め層の厚さは、３０ｎｍ以上５００ｎｍ以下の範囲である
   ことを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。

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