JP2010153496A - 発光素子 - Google Patents

Abstract

【課題】４元発光層を有する発光素子において、従来のバルク型活性層の長寿命、低抵抗という利点を維持しつつ、ＭＱＷ型発光素子の持つ高い発光効率（特に内部量子効率）を保持した発光素子を提供する。
【解決手段】少なくとも、ｐ型クラッド層と活性層と障壁層とｎ型クラッド層とを有する（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_ｙＩｎ_１−ｙＰ（０＜ｘ＜１，０．４＜ｙ＜０．６）からなる発光層を有する化合物半導体基板を用いて製造された発光素子であって、前記障壁層は前記活性層よりＡｌ組成が高く、また前記ｐ型クラッド層及び前記ｎ型クラッド層に接しておらず、前記活性層は、厚さが１５〜５０ｎｍ、層の数が少なくとも８層以上、且つその厚さの合計が５００ｎｍ以下であり、前記活性層と前記障壁層は交互に積層されたものであることを特徴とする発光素子。
【選択図】図１

Description

本発明は、照明や表示機の光源となる有色の発光素子に関し、具体的には多重の活性層を有する発光素子に関するものである。

ＡｌＧａＩｎＰを発光層に持つ発光素子は従来の有色の発光素子に比べて１桁以上明るいため、車載照明やＬＣＤバックライトなど従来の発光ダイオードとは異なる用途で需要が拡大している。このＡｌＧａＩｎＰが直接遷移型であるということも寄与しているが、更に透明かつ厚い窓層を設けることで外部量子効率を高めていることも明るくなっている要因にある。

一方、内部量子効率を高めるため、厚い透明導電層を基板及び窓層に設けるとともに、多重量子井戸（ＭＱＷ）を設けることで発光効率を高めることができることが、例えば非特許文献１などに示されている。

また、ＡｌＧａＩｎＰ系発光素子ではＡｌＧａＡｓ若しくはＧａＰが窓層として用いられるが、ＡｌＧａＡｓ層は水分に対して劣化する特性上の問題があり、一般的にはＧａＰが用いられている。しかしながら、厚いＧａＰ層を設けるためにはＡｌＧａＩｎＰ発光層部に直接ＧａＰ基板を接合するか、ＧａＰの厚膜を結晶成長しなければならない。
例えばＧａＰ基板を直接接合する方法では、例えば特許文献１に示されているようにＧａＰとの接合界面での障壁層が生じる問題があり、これを回避するために、長時間かつ高温の熱処理が必要となる。

また、窓層は一方の面に設けても発光効率の向上には有効だが、他方の面すなわち発光層の上下に設けた方が、より外部量子効率が高まることが知られている。
この場合、他方の窓層は、貼り合わせ、若しくは結晶成長によって形成されるが、ＧａＡｓ基板は光吸収層として機能するため、他方の窓層形成前に基板を除去する必要がある。ＧａＡｓ基板上にＡｌＧａＩｎＰ系材料で発光層を形成する場合、選択エッチング法を用いる事によりＧａＡｓ基板は容易に剥離することができる。

発光素子に必要なＡｌＧａＩｎＰ系材料からなる発光層は一般にはＧａＡｓ基板上にＭＯＶＰＥ法（有機金属気相成長法：Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｖａｐｏｒ Ｐｈａｓｅ Ｅｐｉｔａｘｙ）で形成するが、その総膜厚はせいぜい１０μｍ前後である。ＡｌＧａＩｎＰ系とＧａＡｓ系は格子整合系ながら、選択エッチング法の利用が可能であり、そのため、選択エッチングに要する層を適切にＧａＡｓ基板とＡｌＧａＩｎＰ層との間に挿入することでＧａＡｓ基板を除去することができる。

ただし、発光層を作るために必要なＡｌＧａＩｎＰ系材料の総膜厚はせいぜい１０μｍ程度であり、ＡｌＧａＩｎＰ層のみでＧａＡｓ基板を除去すると残存ウエハの膜厚は１０μｍ前後になってしまう。１０μｍ前後の膜厚のウエハは実験的にはハンドリングは可能だが、割れやすく、工業的な工程を通すために必要な機械的強度を有しない。
そこで、ＧａＡｓ基板除去前に機械的強度を保つための強度保持板（あるいはウエハ）を、ＡｌＧａＩｎＰ成長面側に貼り付けてから除去する方法も考えられる。この場合、除去されたＧａＡｓ基板面側にＧａＰ基板を貼り付けるわけだが、ＧａＰ基板を貼り付けた後、強度保持板（あるいはウエハ）は剥離（除去）しなければならず、剥離に伴って洗浄が必要であったり、汚染などの懸念もあり、工業的にはコストが上がるばかりであまりメリットがない。

従って、省コストで工業的な工程を通すためには、ＧａＡｓ基板除去前に、厚膜ＧａＰ層を結晶成長することでウエハに機械的強度を持たせる方法を選択する方が、ＧａＰ層部で光取り出し層（窓層）と強度保持板を兼ねることができるため合理的である。
ＧａＰ厚膜層を結晶成長で形成する際、工業的工程を通すために十分な機械的強度を持たせるために必要な厚さは２０μｍ以上である。ここで、２０μｍ以上の膜厚のＧａＰ層を結晶成長するためには数〜十数時間が必要である。ＧａＰ層は厚膜になるほどＧａＰ側面からの光取り出し増大効果が望めるため、外部量子効率が増すことになる。

従って、高輝度な発光素子を作製するために、成長時間が長くはなっても短くなる事はない。しかしながらＧａＰ層の成長に要する温度は、一般にＡｌＧａＩｎＰ層を成長するために必要な温度より同等以上の高温が必要であり、ＡｌＧａＩｎＰ発光層部はＭＯＶＰＥ成長時の温度、若しくはそれより高い温度に長時間さらされることになる。

ところで、通常発光素子に用いられるウエハでは、発光層の窓層に接する部分には、キャリアを閉じ込めるための導電型がｐ型とｎ型のｐ型クラッド層とｎ型クラッド層と呼ばれる層が設けられており、更にｐ型クラッド層とｎ型クラッド層の間には活性層と呼ばれる層がある。またｐ型クラッド層にはｐ型の窓層が、ｎ型クラッド層にはｎ型の窓層が接している。そしてこのｐ型クラッド層にはＭｇやＺｎなどのｐ型不純物がドーピングされており、加熱されることによって、熱力学に従って拡散し、活性層中にも拡散することが知られている。活性層中に拡散したｐ型不純物は欠陥を形成しやすいため、通電などによる素子寿命試験時に欠陥を形成し、その結果、キャリア注入効率の低下、光吸収の増大等を引き起こし、寿命試験時に光出力の低下現象を引き起こす。

ｐ型不純物の拡散は、（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_ｙＩｎ_１−ｙＰ中のＡｌ組成ｘに大きく依存するため、Ａｌ組成ｘが少なければ不純物の拡散が早く、不純物が滞留しにくい。
例えば、活性層はＡｌ組成ｘが少ないため、活性層中の不純物拡散速度は、Ａｌ組成ｘの高いクラッド層より相対的に早く、不純物が滞在しにくい。不純物濃度は隣接する層の不純物濃度によって変わるが、活性層に隣接する層にはキャリア閉じ込めのためのクラッド層が必要であり、一般にクラッド層はドーピングされている。

このクラッド層は、活性層よりワイドバンドギャップである必要があるため、Ａｌ組成ｘが大きく、不純物拡散は活性層より遅い。また、活性層への注入効率を落とさないため、クラッド層はある程度以上の濃度の不純物を保持していなければならず、クラッド層に存在する不純物は活性層中へ拡散する。この不純物の拡散があっても、活性層の厚さがある程度以上の厚さを有していれば、不純物拡散による影響が起こる不純物濃度以下に活性層を設計することができる。

例えば、活性層中への不純物拡散による欠陥形成が起こる部位が５０ｎｍ程度で、発光再結合に必要な有効活性層膜厚が５００ｎｍ程度である場合は、５５０ｎｍ程度の均一で一様組成の活性層を設けておけば、不純物の拡散があっても活性層における発光再結合は維持される。ただし、本例における５０ｎｍの不純物拡散汚染層は非発光再結合が他の活性層より大きい層でもあり、発光効率が低下する要因になる。便宜上、この型の活性層をバルク型活性層と呼ぶ。

このようなバルク型活性層は不純物拡散の影響を抑止する点では利点がある活性層だが、これではｐ型とｎ型のクラッド層に挟まれたキャリア閉じ込め効果しか期待できない上、不純物で汚染された部位は非発光再結合層の機能を有するため、発光効率を上げにくい。そしてこのようなバルク型活性層では６０％程度の内部量子効率しかなく、さらに内部量子効率を高める必要がある。

内部量子効率を高める方法として、例えば特許文献２などに示されているように多重量子井戸（ＭＱＷ）構造を用いる方法がある。
このようにＭＱＷ構造をとることにより、量子井戸への閉じ込め効果によって発光効率を高めることができる。しかしながら、ＭＱＷの各層の厚さは数〜十数ｎｍと半導体内の電子のド・ブロイ波長程度であるため、バルク型の活性層の場合と比べると大幅に各層の厚さは薄く、前述したように活性層に与える不純物拡散の影響が大きくなる。ＭＱＷにおける活性層の総厚をバルク型程度に増やせば解決できる可能性もあるが、大幅に層数を増やす必要があり、活性層の自己吸収で内部量子効率は低下する。

また、活性層中への不純物拡散は完全にゼロにはできない。例えば厚さ５０μｍ以上のＧａＰを積層する方法を選択した場合、０．５〜１×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３程度のドーパントが活性層中に残留することになり、そしてこの条件下でＭＱＷ型の多重活性層を作製すると発光効率が低下する。

Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ Ｖｏ．７４ Ｎｏ．１５ ｐｐ．２２３０−２２３２ 特開２００６−３２８３７号公報 特開２００３−４６２００号公報

本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであって、４元発光層を有する発光素子において、従来のバルク型活性層の長寿命、低抵抗という利点を維持しつつ、ＭＱＷ型発光素子の持つ高い発光効率（特に内部量子効率）を保持した発光素子を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明では、少なくとも、ｐ型クラッド層と活性層と障壁層とｎ型クラッド層とを有する（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_ｙＩｎ_１−ｙＰ（０＜ｘ＜１，０．４＜ｙ＜０．６）からなる発光層を有する化合物半導体基板を用いて製造された発光素子であって、前記障壁層は前記活性層よりＡｌ組成が高く、また前記ｐ型クラッド層及び前記ｎ型クラッド層に接しておらず、前記活性層は、厚さが１５〜５０ｎｍ、層の数が少なくとも８層以上、且つその厚さの合計が５００ｎｍ以下であり、前記活性層と前記障壁層は交互に積層されたものであることを特徴とする発光素子を提供する（請求項１）。

このように、障壁層のＡｌ組成を活性層より高くし、またｐ型クラッド層とｎ型クラッド層に接しないようにする。そして活性層を、厚さが１５〜５０ｎｍ、層の数が少なくとも８層以上、且つその厚さの合計が５００ｎｍ以下とする。更に、活性層と障壁層を交互に積層させたものとする。
活性層の厚さを１５ｎｍ以上とすることで、ｐ型クラッド層から拡散してきて障壁層に滞留するｐ型不純物によって活性層に発生する欠陥の影響をほぼ無くすことができるため、素子寿命試験時に光出力が低下することもなく、従来のバルク型と同等の寿命特性が得られるとともに、多重構造によるキャリアの閉じ込め効果を損なうことを抑制することができる。そして、厚さを５０ｎｍ以下とすることで、Ｖｆが増加し消費電力が大きくなってしまう不具合の発生を防止することができる。
また、活性層の数を少なくとも８層以上とすることで、活性層領域の不足による発光出力の低下を防ぐことができ、ＭＱＷ型発光素子と同等の高い発光効率が得られる発光素子とすることができる。
更に、活性層の厚さの合計を５００ｎｍ以下とすることによって、光吸収による出力低下が起こることを防止することができ、Ｖｆが上昇することも抑制することができる。

ここで、前記活性層及び前記障壁層のｐ型不純物の濃度の平均値が、５×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下であることが好ましい（請求項２）。
このように、活性層と障壁層のｐ型不純物の濃度の平均が５×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下であれば、障壁層に滞留するｐ型不純物による欠陥の発生を抑制することができ、より発光効率を高めることができる。

また、前記活性層及び前記障壁層のｐ型不純物が、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｃのうちの少なくとも１種類であることが好ましい（請求項３）。
このように、ｐ型不純物がＭｇ、Ｚｎ、Ｃのうちの少なくとも１種類であれば、更にｐ型不純物の拡散による欠陥の発生を抑制することができ、従って更に発光効率を高めることができる。

そして、前記障壁層は、厚さが１５〜５０ｎｍであることが好ましい（請求項４）。
このように、障壁層の厚さも１５ｎｍ以上とすることで、ｐ型クラッド層から拡散して障壁層に滞留するＭｇ等のｐ型不純物の拡散によって発生する活性層中の欠陥の影響をより確実に抑制することができる。よって、従来のバルク型と同等の寿命特性をより確実に得ることができるとともに、多重構造によるキャリアの閉じ込め効果を損なう危険性を確実に避けることができる。そして、５０ｎｍ以下とすることで、Ｖｆが増加し消費電力が大きくなってしまう不具合をよりしっかりと防止することができる。

更に、前記障壁層は、前記ｎ型クラッド層に近い側の障壁層が前記ｐ型クラッド層に近い側の障壁層に比べてＡｌ組成が同じか高いものであることが好ましい（請求項５）。
このように、障壁層のうち、ｎ型クラッド層に近い側の障壁層のＡｌ組成をｐ型クラッド層に近い側の障壁層のＡｌ組成よりも高くすること、即ちｐ型クラッド層に近い側の障壁層のバンドギャップをｎ型クラッド層に近い側の障壁層のバンドギャップより小さくすることで、ｎ型キャリアをｐ型クラッド層近傍まで拡散できるようにすることができる。
また、ｐ型キャリアはｎ型キャリアより有効質量が重いため、障壁層におけるキャリアホッピング確率がｎ型キャリアより低かったが、上述のように障壁を下げることで、ｐ型クラッド層側での障壁のホッピング確率を増加させることができ、活性層中での滞在確率を増加させることができる。そしてその結果、バンドギャップが均一の障壁層を有する場合に比べ、活性層中にｎ型、ｐ型両者のキャリアを均一に分布させることができる。これらの効果によって、直列抵抗の減少と同時に内部量子効率の向上を図ることができる。

以上説明したように、本発明によれば、４元発光層を有する発光素子において、従来のバルク型活性層の長寿命、低抵抗という利点を維持しつつ、ＭＱＷ型発光素子の持つ高い発光効率（特に内部量子効率）を保持した発光素子が提供される。

以下、本発明についてより具体的に説明する。
本発明者は、前述の課題を解決するための手段について鋭意検討を重ねた結果、ｐ型クラッド層とｎ型クラッド層に挟まれた活性層領域を従来のＭＱＷに比べて厚くし、また活性層と、活性層よりもバンドギャップが大きい障壁層を交互に形成する構造とし、また活性層の厚さや層の数、そのトータルの厚さを限定することで上記課題を解決できることを見出し、本発明を完成させた。

以下、本発明について図面を参照して詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
図１（ａ）は本発明の発光素子の概略、図１(ｂ)はその発光素子に用いられる化合物半導体基板の概略、図１（ｃ）はその化合物半導体基板の発光層のバンドギャップの一例を示した図である。

図１（ａ）に示したように、本発明の発光素子１０は、少なくとも、化合物半導体基板１００と、その表面上に形成された電極１１からなるものである。

そして図１(ｂ)に示すように、この半導体基板１００は、例えば、少なくとも、第一層として、厚さが３０〜１５０μｍ、ドーピング濃度が５．０×１０^１７〜５．０×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３のｎ型ＧａＰ層１０１、第二層として、厚さが５〜５０ｎｍ、ドーピング濃度が１．０×１０^１８〜１．０×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３のｎ型Ｉｎ_ＸＧａ_１−ＸＰ（０．５＜ｘ＜０．９）緩衝層１０２、第三層として、厚さが０．１〜１．５μｍ、ドーピング濃度が１．０×１０^１７〜１．０×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３（ドーパントはＳｉまたはＳｅ）のｎ型（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_ｙＩｎ１_−ｙＰ（０．５≦ｘ≦０．７，０．４５≦ｙ≦０．５５）拡散抑止層１０３、第五層として、厚さが０．１〜１．５μｍ、ドーピング濃度が１．０×１０^１７〜１．０×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３（ドーパントはＭｇまたはＺｎ）のｐ型（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_ｙＩｎ_１−ｙＰ（０．５≦ｘ≦０．７，０．４５≦ｙ≦０．５５）拡散抑止層１０９、第六層として、厚さが５〜５０ｎｍ、ドーピング濃度が１．０×１０^１８〜１．０×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３のｐ型Ｉｎ_ＸＧａ_１−ＸＰ（０．５＜ｘ＜０．９）緩衝層１１０、第七層として、厚さ５〜２００μｍのｐ型ＧａＰ窓層１１１、第三層と第五層の間の第四層として発光層１０７からなるものである。

そしてこの発光層１０７は、厚さ０．５〜１．５μｍ、ドーピング濃度が１．０×１０^１７〜１．０×１０^１８個／ｃｍ^３（ドーパントはＳｉまたはＳｅ）の（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_ｙＩｎ_１−ｙＰ（０．６≦ｘ≦１．０，０．４５≦ｙ≦０．５５）からなるｎ型クラッド層１０４、厚さ０．５〜１．５μｍ、ドーピング濃度が１．０×１０^１７〜１．０×１０^１８個／ｃｍ^３（ドーパントはＭｇまたはＺｎ）の（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_ｙＩｎ_１−ｙＰ（０．６≦ｘ≦１．０，０．４５≦ｙ≦０．５５）からなるｐ型クラッド層１０８、第三層及び第五層のいずれの層よりもＡｌ組成が少なく、またその数が少なくとも８層以上で厚さが１５〜５０ｎｍである（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_ｙＩｎ_１−ｙＰ（０．０≦ｘ≦０．４，０．４５≦ｙ≦０．５５）からなる活性層１０５、活性層１０５と活性層１０５の間にあり、また少なくとも７層以上の（Ａｌ_ｘＧａ１_−ｘ）_ｙＩｎ_１−ｙＰ（０．３≦ｘ≦０．７，０．４５≦ｙ≦０．５５）からなる障壁層１０６とからなるものである。

またこの障壁層１０６は、図１（ｃ）に示すように、活性層１０５よりバンドギャップが大きいものであり、かつ活性層１０５と障壁層１０６は交互に積層されたものとなっている。
また障壁層１０６は、ｎ型クラッド層１０４及びｐ型クラッド層１０８よりバンドギャップが同じか小さいものとすることが望ましい。
また、活性層１０５の厚さの合計は５００ｎｍ以下とする。

ここで、本発明のように、障壁層１０６がｎ型クラッド層１０４及びｐ型クラッド層１０８にともに接しておらず、また活性層１０５と障壁層１０６が交互に積層され、かつ活性層１０５の数が少なくとも８層以上となるには、障壁層１０６は少なくとも７層以上必要となる。

また、それぞれの活性層の厚さを１５ｎｍ以上とすることによって、ｐ型クラッド層から拡散してきたｐ型不純物がＡｌ組成の高い障壁層に滞留することによって発生する欠陥が活性層へ与える影響を従来に比べて格段に小さなものとすることができる。これによって、発光出力の低下と発光寿命の劣化を抑制することができ、バルク型と同等の寿命特性の発光素子とすることができる。また、それぞれの活性層の厚さを５０ｎｍ以下とすることによって、順方向電圧Ｖｆの増加を防止でき、消費電力の増加を防止することができる。

また、活性層を少なくとも８層以上とすることによって、活性層の厚さ不足による発光出力の低下を防ぐことができ、従来のＭＱＷ型発光素子と同等の高い発光効率を得ることができる。
また、活性層の厚さの合計は５００ｎｍ以下とすることで、光吸収による出力低下が起こることもなく、Ｖｆが上昇するという不具合が発生することも抑制することができる。

ここで、活性層１０５及び障壁層１０６中のｐ型不純物濃度の平均値を５×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下とすることができる。
これによって、活性層や主に障壁層に滞留するｐ型不純物量を少ないものとすることができ、よって活性層や障壁層に欠陥が発生することを抑制することができる。よって発光効率をより高いものとすることができる。

また、活性層１０５及び障壁層１０６に存在するｐ型不純物が、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｃのうちの少なくとも１種類であるものとすることができる。
活性層１０５及び障壁層１０６に存在するｐ型不純物、すなわちｐ型クラッド層１０８から拡散してきたｐ型不純物がＭｇ、Ｚｎ、Ｃのうちの少なくとも１種類であれば、より活性層や障壁層に欠陥が発生することを抑制することができる。そして発光効率をより高いものとすることができる。

そして、活性層１０５の厚さを１５〜５０ｎｍとするのみならず、障壁層１０６の厚さも１５〜５０ｎｍとすることができる。
障壁層もその厚さを１５ｎｍ以上とすることによって、ｐ型クラッド層から拡散してきたｐ型不純物が障壁層に滞留することによって発生する欠陥が活性層へ与える影響を従来に比べて更に小さくでき、発光出力の低下を抑制することができる。また発光寿命の劣化も抑制することができる。また５０ｎｍ以下とすることによって、順方向電圧Ｖｆの増加を防止でき、消費電力の増加をより確実に防止することができる。

ここで、本発明の第二の形態として、図２に示すように、障壁層２０６のＡｌ組成、即ちバンドギャップを除いて基本的には第一の形態と同じ構造の発光素子とすることができる。
そして障壁層２０６のバンドギャップが、ｎ型クラッド層２０４に近い側からｐ型クラッド層２０８に近づくにつれて徐々に減少していく構造とすることができる。
尚、以下図３〜５においても同様だが、図２においては、判りやすくするために活性層数を８層で記載してあるが、実際はこれより多くしてもよく活性層は少なくとも８層以上、障壁層は７以上であればよい。

そして、本発明の第三の形態として、図３（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示すように、障壁層３０６ａ、３０６ｂ、３０６ｃのＡｌ組成、即ちバンドギャップを除いて基本的には第一の形態と同じ構造の発光素子とすることができる。
そして障壁層３０６ａ、３０６ｂ、３０６ｃのバンドギャップが、ｐ型クラッド層３０８ａ、３０８ｂ、３０８ｃに近い側の障壁層は厚さ方向にＡｌ組成が変化しており、中央部が最大で両側が小さな構造とすることができる。また、ｐ型クラッド層３０８ａ、３０８ｂ、３０８ｃ側の障壁層のＡｌ組成が、ｎ型クラッド層３０４ａ、３０４ｂ、３０４ｃ側の障壁層のＡｌ組成より大きくなることはないものとすることが望ましい。

更に、本発明の第四の形態として、図４（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）、（ｅ）、（ｆ）に示すように、障壁層４０６ａ、４０６ｂ、４０６ｃ、４０６ｄ、４０６ｅ、４０６ｆのＡｌ組成、即ちバンドギャップを除いて基本的には第一の形態と同じ構造の発光素子とすることができる。
そして障壁層４０６ａ、４０６ｂ、４０６ｃ、４０６ｄ、４０６ｅ、４０６ｆのバンドギャップが、ｐ型クラッド層４０８ａ、４０８ｂ、４０８ｃ、４０８ｄ、４０８ｅ、４０８ｆに近い側の障壁層は厚さ方向にＡｌ組成が変化しており、ｎ型クラッド層４０４ａ、４０４ｂ、４０４ｃ、４０４ｄ、４０４ｅ、４０４ｆ側またはｐ型クラッド層４０８ａ、４０８ｂ、４０８ｃ、４０８ｄ、４０８ｅ、４０８ｆ側が最大で反対側に向かって減少する構造とすることができる。また、第三の形態と同様に、ｐ型クラッド層側の障壁層のＡｌ組成がｎ型クラッド層側の障壁層のＡｌ組成より大きくなることはないものとすることが望ましい。

また、本発明の第五の形態として、図５に示すように、障壁層５０６のＡｌ組成、即ちバンドギャップを除いて基本的には第一の形態と同じ構造の発光素子とすることができるが、障壁層５０６のバンドギャップが、ｐ型クラッド層５０８に近い側の障壁層のＡｌ組成がｎ型クラッド層５０４側の障壁層のＡｌ組成より少ない構造とすることができる。

以上の４つの形態に例示されるように、ｎ型クラッド層に近い側の障壁層のＡｌ組成をｐ型クラッド層に近い側の障壁層よりも同じが高くする、言い換えればｐ型クラッド層に近い側の障壁層のバンドギャップの平均をｎ型クラッド層に近い側の障壁層のバンドギャップの平均より同じか小さくすることができる。
これによって、ｎ型キャリアをｐ型クラッド層近傍まで拡散させることができるようになる。また、ｐ型キャリアはｎ型キャリアより有効質量が重いため、障壁層におけるキャリアホッピング確率がｎ型キャリアより低かったが、このように障壁を下げることによって、ｐ型クラッド層側での障壁へのホッピング確率が増して活性層中での滞在確率が増し、結果としてバンドギャップが均一の障壁層を有する場合より、活性層中にｎ型、ｐ型両者のキャリアが均一に分布させることができる。そして、更に直列抵抗の減少と同時に内部量子効率の向上を図ることができ、より高輝度且つ長寿命の発光素子とすることができる。

そしてこのような発光素子の製造方法について、以下に説明するが、もちろんこれに限定されるものではない。

先ず、成長用単結晶基板として、ｎ型のＧａＡｓ基板を準備し、洗浄した後にＭＯＣＶＤのリアクターに入れる。
そして、先に導入したＧａＡｓ基板上に、ｎ型ＩｎＧａＰ緩衝層、更にｎ型ＡｌＧａＩｎＰ層をエピタキシャル成長させる。
更に、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰ層の表面上に、ＭＯＣＶＤ法により、ｎ型クラッド層をエピタキシャル成長させる。

次に、ｎ型クラッド層の表面上に、活性層（厚さ１５〜５０ｎｍ）、障壁層（例えばその厚さを１５〜５０ｎｍとすることができる）を、Ａｌの組成比ｘを変更して、所望の構造となるように、適宜ＭＯＣＶＤ法でエピタキシャル成長させ、その後ｐ型クラッド層をエピタキシャル成長させて発光層を形成する。
ここで、障壁層のバンドギャップは活性層より大きくし、またｎ型クラッド層及びｐ型クラッド層より同じか小さくなるようにすることが望ましい。
また、活性層は少なくとも８層以上、障壁層は少なくとも７層以上とし、そして活性層のトータル厚さが５００ｎｍ以下となるようにする。
そして、活性層と障壁層は交互に積層させ、更に障壁層と障壁層は、互いに隣接させず、更にｎ型クラッド層、ｐ型クラッド層にも接しない構造とする。

その後、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰ層、ｐ型ＩｎＧａＰ緩衝層を、ｐ型クラッド層の表面上にＭＯＣＶＤ法によりエピタキシャル成長させて、ＭＯエピタキシャル基板を得る。
次に、ｐ型ＧａＰ窓層を形成する。
この窓層の形成では、先に得たＭＯエピタキシャル基板をＭＯＣＶＤのリアクターから取り出し、ＨＶＰＥ法のリアクター内に入れる。そして、Ｚｎをドープし、ｐ型ＧａＰ窓層をエピタキシャル成長させる。

次に、ＧａＡｓ基板を除去する。これによりｎ型ＩｎＧａＰ緩衝層を露出させる。
そして、ＧａＡｓ基板を除去することで露出したｎ型ＩｎＧａＰ緩衝層の表面に、ｎ型ＧａＰ基板を貼り付けるか、またはＨＶＰＥ法を用いエピタキシャル成長によりｎ型ＧａＰ層を形成することで、化合物半導体基板を得ることができる。
上記ＭＯＣＶＤ法やＨＶＰＥ法によって気相成長させる際には一般的な条件を用いればよい。

そしてこの得られた化合物半導体基板を切断し、チップに加工して、電極付け等を行うことで、発光素子が得られる。

以下、実験例を示して本発明をより具体的に説明するが、もちろん本発明はこれらに限定されるものではない。

（実験例１）
上述の図１に示すような発光素子において、障壁層１０６を９層、厚さを１５ｎｍ、活性層１０５を１０層で固定し、厚さを１２〜７０ｎｍまでの範囲で変えた場合の発光素子の出力上昇（従来のバルク型の出力を１００％として）、寿命特性（従来のバルク型の寿命を１００％として）、２０ｍＡの電流を流すのに必要な電圧（Ｖｆ）の結果をまとめたものを表１に示す。
尚、本実験例１〜３における従来のバルク型の発光素子とは、発光層がｎ型クラッド層とｐ型クラッド層および活性層からなる以外は、本発明の発光素子と同様の組成及び厚さのもののことである。

表１に示すように、活性層の厚さが２５ｎｍ±５ｎｍ付近で出力上昇が最も良い領域を有することが判った。そして活性層の厚さが２５ｎｍの発光素子のＭｇ不純物のＳＩＭＳ分析結果（Ｍｇ不純物濃度の深さ方向分布）を図６に示す。ここでＭｇの濃度は３つの同位体（^２４Ｍｇ，^２５Ｍｇ，^２６Ｍｇ）から得られた濃度をそれぞれ示している。この図から活性層領域の平均的不純物濃度は５×１０^１７／ｃｍ^３未満に抑制されていることが判った。

また、厚さが１５ｎｍ未満となると、出力は急速に低下し始める。これは、このような量子構造を選択した場合、通常はミニバンドが活性層〜障壁層に渡って形成されるため、発光波長は短波長側にシフトする。しかし、厚膜ＧａＰ窓層を１５０μｍ以上厚く積む場合、活性層の厚さが１２ｎｍ程度の発光素子は、活性層の厚さが１５ｎｍ以上の発光素子に比べて発光波長は長波長側にシフトする。この事は量子効果によって形成されるサブバンドの効果ではなく、バルク結晶に似た特性が表れていることが示唆される。

この場合においても、障壁層を含む活性層領域の平均的なｐ型不純物濃度は５×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３未満に抑制されているが、前述したようにＡｌ組成が高い障壁層にはｐ型不純物であるＭｇが滞留しやすい。すなわち活性層でのＭｇ濃度は低減しているものの、障壁層でのＭｇ濃度が高いため、その結果、ＳＩＭＳ分析での活性層〜障壁層領域での平均的なＭｇ組成が５×１０^１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３前後を示していると推定される。
通常、障壁層領域にはＭｇが活性層より多く滞留しているため、ＧａＰ窓層成長や接合時の熱処理の際の熱エネルギーにより障壁層から活性層へｐ型不純物が拡散し、欠陥を形成しやすい。しかしながら、障壁層中のｐ型不純物量は一定量を超えることがないため、発光を阻害する欠陥を形成する領域が活性層において一定の幅以上には広がらないと推定される。

本実験例１においては、活性層の厚さが１５ｎｍ程度から発光強度が下がり始めることから、この障壁層からの不純物の影響を受ける活性層の厚さは、障壁層から５ｎｍ程度有していると推定される。従って、多重活性層型構造においては、高Ａｌ組成である障壁層から５ｎｍ以上の幅を持つ活性層を設けることが肝要であると言える。多重活性層型構造の場合は、活性層の両側に高Ａｌ組成の障壁層があるため、１０ｎｍを下回る事は発光素子の出力を上げるために有効な方法ではない。本発明においては、多重活性層を有する構造において活性層領域の不純物の影響で、活性層の厚さが１５ｎｍ以上の場合において多重構造による閉じ込め効果が認められると考えられる。

そして、図７に、この実験例１の場合の多重活性層型構造において、表１と同様に活性層の厚さを変更させた場合の発光素子の発光層の内部量子効率の変化の計算値を示す。
このように、計算上は活性層の厚さを減じるにつれて一様に内部量子効率は増加するはずであるが、この結果は本実験例１とは一致しない。これは、活性層中に不純物が存在しない理想状態では図７のようになるが、本実験例１と一致しないことから、計算の前提（不純物による阻害がない状態）のような状態ではなく、障壁層の不純物による影響が活性層に現れているためと類推される。
また、５０ｎｍより厚い場合、Ｖｆが大きいため、好ましい発光素子とはならない。
このように、活性層の厚さは１５〜５０ｎｍの範囲とすることが重要であることが判った。

（実験例２）
同様に図１に示すような発光素子において、障壁層を１５ｎｍ、活性層の厚さを４０ｎｍに固定し、活性層の数を４〜１６の範囲で変化させたときの出力上昇（従来のバルク型の出力を１００％として）、寿命特性（従来のバルク型の寿命を１００％として）、２０ｍＡの電流を流すのに必要な電圧（Ｖｆ）の結果を表２に示す。

表２に示すように、出力上昇率は活性層数が８以上のときでは高い出力上昇率となったが、６以下の時には多重構造の効果が薄くなってくることが判った。このように、活性層数が少ない構造の場合は、活性層領域が不足して出力が低下することが推定される。

（実験例３）
同様に図１に示すような発光素子において、障壁層の厚さを１５ｎｍ、活性層１５ｎｍに固定し、活性層の数を６〜４６の範囲で変化させたときの出力上昇（従来のバルク型の出力を１００％として）、寿命特性（従来のバルク型の寿命を１００％として）、２０ｍＡの電流を流すのに必要な電圧（Ｖｆ）の結果を表３に示す。

表３に示すように、活性層数が８以上の場合に出力が従来に比べて高くなっているのが判った。
また、実験例２及び３から、活性層数の上限によらず、活性層のトータル厚さが５００ｎｍまでは高い出力が維持されていることが判った。
これらのことから、活性層数は少なくとも８層以上必要であり、また活性層の厚さの合計が５００ｎｍ以下とすることも重要であることが判った。

以下、実施例を示して本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
（実施例１）
図１（ｃ）に示すようなバンドギャップの発光層の発光素子において、障壁層１０６（ｘ＝０．９）の厚さを１５ｎｍ、活性層（ｘ＝０．１）の厚さ５０ｎｍ、障壁層１０６の数を９層として発光素子を作製し、出力上昇（従来のバルク型の出力を１００％として）、寿命特性（従来のバルク型の寿命を１００％として）、２０ｍＡの電流を流すのに必要な電圧（Ｖｆ）の各特性を調べた。以下実施例２〜５における各特性も、これら３つのことを指す。

（実施例２）
図２に示すようなバンドギャップの発光層の発光素子において、障壁層２０６の厚さを１５ｎｍ、活性層（ｘ＝０．１）の厚さ５０ｎｍ、障壁層２０６の数を９層とし、障壁層のＡｌ組成ｘをｎ型クラッド層側に近い６層についてはｘ＝０．９とし、７層目をｘ＝０．８、８層目をｘ＝０．７、９層目をｘ＝０．６と変化させた発光素子を製造し、各特性を調べた。

（実施例３）
図３（ａ）に示すようなバンドギャップの発光層の発光素子において、障壁層３０６ａの厚さを１５ｎｍ、活性層（ｘ＝０．１）の厚さ５０ｎｍ、障壁層３０６ａの数を９層とし、障壁層３０６ａのＡｌ組成ｘをｎ型クラッド層に近い６層についてはｘ＝０．９とし、７層目から９層目については、層の中央部のＡｌ組成が最大値（ｘ＝０．９）とし、両側に徐々に減少し活性層と接触する位置で最小値（ｘ＝０．６）となるように変化させた発光素子を製造し、各特性を調べた。

（実施例４）
図４（ａ）に示すようなバンドギャップの発光層の発光素子において、障壁層４０６ａの厚さを１５ｎｍ、活性層（ｘ＝０．１）の厚さ５０ｎｍ、障壁層４０６ａの数を９層とし、障壁層４０６ａのＡｌ組成ｘをｎ型クラッド層に近い６層についてはｘ＝０．９とし、７層目から９層目については、層のｎ型クラッド層側から中央部のＡｌ組成が最大値（ｘ＝０．９）とし、ｐ型クラッド層側に徐々に減少し活性層と接触する位置で最小値（ｘ＝０．６）となるように変化させた発光素子を製造し、各特性を調べた。

（実施例５）
図５に示すようなバンドギャップの発光層の発光素子において、障壁層５０６の厚さを１５ｎｍ、活性層（ｘ＝０．１）の厚さ５０ｎｍ、障壁層５０６の数を９層とし、障壁層５０６のＡｌ組成ｘをｎ型クラッド層側に近い６層についてはｘ＝０．９とし、７層目から９層目をｘ＝０．６とした発光素子を製造し、各特性を調べた。
そして実施例１〜５の各特性の評価結果を表４にまとめて示す。

表４に示すようにいずれの場合も従来に比べて出力が増加しており、また寿命特性も遜色なく、Ｖｆも十分に実用的な水準であることが判った。

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。

本発明の発光素子に用いられる化合物半導体基板の概略の一例を示した図である。 本発明の発光素子に用いられる化合物半導体基板の発光層のバンドギャップの大きさの一例の概略を示した図である。 本発明の発光素子に用いられる化合物半導体基板の発光層のバンドギャップの大きさの他の三つの例の概略を示した図である。 本発明の発光素子に用いられる化合物半導体基板の発光層のバンドギャップの大きさの他の六つの例の概略を示した図である。 本発明の発光素子に用いられる化合物半導体基板の発光層のバンドギャップの大きさの他の一例の概略を示した図である。 本発明の実験例１の発光素子のＭｇ不純物濃度の深さ方向分布の関係を示したグラフである。 本発明の実験例１の発光素子において、活性層の厚さと発光素子の内部効率の関係の計算結果を示したグラフである。

符号の説明

１０…発光素子、
１１…電極、
１００…化合物半導体基板、
１０１…ｎ型ＧａＰ基板、
１０２…ｎ型ＩｎＧａＰ緩衝層、
１０３…ｎ型ＡｌＧａＩｎＰ層、
１０４，２０４，３０４ａ，３０４ｂ，３０４ｃ，４０４ａ，４０４ｂ，４０４ｃ，４０４ｄ，４０４ｅ，４０４ｆ，５０４…ｎ型クラッド層、
１０５…活性層、
１０６，２０６，３０６ａ，３０６ｂ，３０６ｃ，４０６ａ，４０６ｂ，４０６ｃ，４０６ｄ，４０６ｅ，４０６ｆ，５０６…障壁層、
１０７…発光層、
１０８，２０８，３０８ａ，３０８ｂ，３０８ｃ，４０８ａ，４０８ｂ，４０８ｃ，４０８ｄ，４０８ｅ，４０８ｆ，５０８…ｐ型クラッド層、
１０９…ｐ型ＡｌＧａＩｎＰ層、
１１０…ｐ型ＩｎＧａＰ緩衝層、
１１１…ｐ型ＧａＰ窓層。

Claims (5)

1. 少なくとも、ｐ型クラッド層と活性層と障壁層とｎ型クラッド層とを有する（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_ｙＩｎ_１−ｙＰ（０＜ｘ＜１，０．４＜ｙ＜０．６）からなる発光層を有する化合物半導体基板を用いて製造された発光素子であって、
   前記障壁層は前記活性層よりＡｌ組成が高く、また前記ｐ型クラッド層及び前記ｎ型クラッド層に接しておらず、
   前記活性層は、厚さが１５〜５０ｎｍ、層の数が少なくとも８層以上、且つその厚さの合計が５００ｎｍ以下であり、
   前記活性層と前記障壁層は交互に積層されたものであることを特徴とする発光素子。
2. 前記活性層及び前記障壁層のｐ型不純物の濃度の平均値が、５×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下であることを特徴とする請求項１に記載の発光素子。
3. 前記活性層及び前記障壁層のｐ型不純物が、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｃのうちの少なくとも１種類であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の発光素子。
4. 前記障壁層は、厚さが１５〜５０ｎｍであることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の発光素子。
5. 前記障壁層は、前記ｎ型クラッド層に近い側の障壁層が前記ｐ型クラッド層に近い側の障壁層に比べてＡｌ組成が同じか高いものであることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の発光素子。

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