JP2012142361A - 発光素子 - Google Patents

Abstract

【課題】長寿命、低抵抗で、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。
【解決手段】ｐ型クラッド層と、（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_ｙＩｎ_１−ｙＰ（０≦ｘ≦０．６，０．４≦ｙ≦０．６）からなる３層以上の活性層及び該活性層よりＡｌ含有率ｘが高い２層以上の障壁層が交互に積層された多重活性層部と、ｎ型クラッド層と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、障壁層は、ｎ型クラッド層に近い側の障壁層に比べ、ｐ型クラッド層に近い側の障壁層の方がバンドギャップが小さく、かつ、化合物半導体基板は、多重活性層部とｎ型クラッド層の間に、又は、ｎ型クラッド層中に、超格子障壁層を有するものである発光素子。
【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。ＡｌＧａＩｎＰが直接遷移型であるということも寄与しているが、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：Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｗｅｌｌ）を設けることで、発光効率を高めることが、例えば非特許文献１などに示されている。
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。ＡｌＧａＡｓ層は水分に対して劣化するという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の厚膜を結晶成長させなければならない。ＧａＰ基板を直接接合する方法では、例えば特許文献２に示されているように、ＧａＰ基板との接合界面で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、窓層は発光層の一方の面に設けても発光効率の向上には有効だが、他方の面にも設ける、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、他方の面に設ける窓層も、貼り合せ、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、窓層形成前に当該基板を除去する必要がある。

発光素子に必要なＡｌＧａＩｎＰ系材料からなる層構造は、一般にはＧａＡｓ基板上にＭＯＶＰＥ法で形成する。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、ＧａＡｓ基板とＡｌＧａＩｎＰ層との間に適切に挿入することで、ＧａＡｓ基板をエッチング除去することができる。

ただし、発光に必要な機能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、ＧａＡｓ基板を除去してＡｌＧａＩｎＰ層のみになると、その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さない。

このため、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、ＧａＡｓ基板が除去された面側に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層を結晶成長させることでウエハに機械的強度を持たせる方法が、ＧａＰ層部で光取出し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。

このように厚膜ＧａＰ層を結晶成長させる場合、工業的工程を通すために十分な機械的強度を持たせるのに必要な厚さは２０μｍ以上である。この２０μｍ以上の膜厚のＧａＰ層を結晶成長させるためには、数〜十数時間が必要である。ＧａＰ層は厚膜になるほど外部量子効率が増すため、長い成長時間が必要である。また、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と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。

ｐ導電型クラッド層にはＭｇやＺｎなどのｐ型不純物がドーピングされており、上記のような結晶成長の際、加熱されることにより、熱力学にしたがって拡散し、活性層中にも拡散する可能性がある。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に大きく依存し、Ａｌ組成ｘが少なければ不純物の拡散が早いため、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。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ない。このため、クラッド層に存在する不純物は活性層中へ拡散する。

不純物の拡散があっても、活性層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光活性部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厚さ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、厚さ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、この厚さ５０ｎｍ程度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。

このように、バルク型活性層は不純物拡散の影響抑止という点では利点がある活性層だが、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はできず、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。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３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。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、バルク活性層と比べると大幅に各層の厚さは薄い。このため、前述したように活性層への不純物拡散の影響が大きくなる。ＭＱＷにおける活性層の層数を増やせば解決できる可能性もあるが、大幅に増やす必要があり、活性層の自己吸収で内部量子効率は低下する。

また、ＭＱＷに擬似的な形で、各層をド・ブロイ波長以上の膜厚に設定して、少ない層数で発光効率を高める方法もある。この場合、不純物拡散は適切に制御されるため、寿命試験時に問題がおきにくく、長寿命の発光素子の作製が可能である。
ＡｌＧａＩｎＰ系以外の別の材料系でも別組成の層を挟むことでＭｇ拡散抑制の効果が示され、例えば特許文献４などにその効果を見ることができる。

しかし、ド・ブロイ波長以上の膜厚では、活性層と活性層の間に設ける障壁層におけるトンネル現象は起こらないため、活性層から隣接する他の活性層へのキャリア輸送はポンピングに頼るしかない。電子は有効質量が小さいため、ポンピングは比較的容易だが、正孔は有効質量が電子よりも大幅に大きく、高い障壁層を越えるポンピングの統計的確率は電子に比べて低下するため、特にキャリアが少ない低電流域では、活性層におけるキャリア注入効率とそれに伴う発光効率が低下する。さらに、キャリア注入効率の低下から結果として直列抵抗成分の増大を招く。この効果は発光ダイオードのような低電流域で使用するデバイスにおいては大きな問題となる。しかし、キャリアのポンピングが生じにくくなるという事は、キャリアの閉じ込め効果が増すことと同義であり、活性層に閉じ込められるキャリアの効果により発光効率は上昇する。
活性層よりワイドバンドギャップの材料を挿入することによって直列抵抗成分が増大する前述と同様の効果は、例えば特許文献５に示されている。

以上の問題を解決するための方法として、特許文献６に示されるように、上下に厚膜透明層を設けると共に活性層と障壁層を交互に積層した構造で、ｐ型側の障壁層のバンドギャップを下げることで、ＶＦ（順方向電圧）が低減され、高輝度で長寿命の発光素子を得ることができる。しかし、輝度低下の問題等の解決には不十分であり、さらに高品質の素子が求められていた。

特開２００６−３２８３７号公報 特開２００３−４６２００号公報 特開平０６−２８３８２５号公報 特開平１１−２５１６８７号公報 特開２０１０−０８７２７０号公報 特開平０６−２８３８２２号公報 特開平０６−３１０８１３号公報 特開平０８−０８８４０４号公報

Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ Ｖｏ．７４ Ｎｏ．１５ ｐｐ．２２３０−２２３２

活性層部の上下に厚膜の透明膜を有する構造は、素子の上下方向からではなく、素子の横方向からの光取り出しを重視した構造である。この型の素子ではコストダウンを図る際に、素子の断面積を小さくする事が有効であり、これは、電流が流れる方向の断面積が小さくなることを意味し、上記構造は、大きな電流を流す素子ではなく、小電流を流す素子に好適な構造である。
しかし、このような小電流条件下ではバイアス差異が大きくないため、活性層に注入された第一導電型のキャリアが、第二導電型でドーピングされている層へ到達するオーバーフロー現象より、第一導電型の活性層からクラッド層へキャリアが戻る現象が問題となる。この現象の発生によって、活性層にキャリアが十分に滞在できなくなるため、輝度低下の問題を発生していた。

オーバーフローを抑制する手段として、例えば特許文献７に示される様に超格子バリアを活性層よりもｐ型側へ設ける方法が知られている。しかしながら、この文献は、ｎ型キャリアの活性層からｐ導電型の層へのオーバーフローの対策であり、活性層の電流密度が大きく、且つ、印加電圧が大きい場合に限定される。
しかし、小電流条件下では、ｎ型キャリアがｐ導電型の層にあふれるほど大きな電圧を印加しておらず、活性層のキャリアの電流密度も高くない。従って、上記した小電流条件で用いられる素子構造のオーバーフローの課題の解決にはならない。
また、特許文献８において、ｎ型クラッド層側に超格子障壁層を設けているが、活性層は単純なＭＱＷ構造であり、長寿命な素子とはなりがたい。

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであって、長寿命、低抵抗で、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。

上記目的を達成するために、本発明は、少なくとも、ｐ型クラッド層と、（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_ｙＩｎ_１−ｙＰ（０≦ｘ≦０．６，０．４≦ｙ≦０．６）からなる３層以上の活性層及び該活性層よりＡｌ含有率ｘが高い２層以上の障壁層が交互に積層された多重活性層部と、ｎ型クラッド層と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ｎ型クラッド層に近い側の障壁層に比べ、前記ｐ型クラッド層に近い側の障壁層の方がバンドギャップが小さく、かつ、前記化合物半導体基板は、前記多重活性層部と前記ｎ型クラッド層の間に、又は、前記ｎ型クラッド層中に、超格子障壁層を有するものであることを特徴とする発光素子を提供する。

このように、障壁層は、ｎ型クラッド層に近い側の障壁層に比べ、ｐ型クラッド層に近い側の障壁層の方がバンドギャップが小さいものであれば、障壁層でのｐ型キャリアのホッピング確率を増加させることができる。これにより、活性層中にｎ型、ｐ型の両キャリアを均一に分布させることができ、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。さらに、多重活性層部とｎ型クラッド層の間に、又は、ｎ型クラッド層中に、超格子障壁層を有するものであれば、キャリアのオーバーフローを抑制して輝度低下を防止することができる。また、多重活性層構造を取っているため、不純物拡散の影響を低減でき、長寿命とすることができる。また、ｎ型クラッド層中に超格子障壁層を有する場合は、イオン化した不純物によるキャリアトラップを考慮しなくともよいため、超格子障壁層のドーピング濃度等の設計自由度が高い発光素子となる。
以上より、本発明によれば、長寿命で、低抵抗且つ高発光効率の発光素子となる。

このとき、前記超格子障壁層は、（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_ｙＩｎ_１−ｙＰ（０≦ｘ≦１，０．４≦ｙ≦０．６）及び／又はＡｌ_ｚＧａ_１−ｚＡｓ（０≦ｚ≦１）からなり、バンドギャップが異なる層同士が交互に積層されたものであることが好ましい。
このような超格子障壁層であれば、キャリアのオーバーフローが効果的に抑制される発光素子となる。

このとき、前記超格子障壁層は、バンドギャップが異なり、厚さが１５ｎｍ以下の層同士が交互に積層されたものであることが好ましい。
このような超格子障壁層であれば、障壁を大きくとることができ、キャリアのオーバーフローを確実に抑制できる発光素子となる。

このとき、前記超格子障壁層は、前記多重活性層部に隣接して形成されたものとすることができる。
本発明の超格子障壁層としては、このように多重活性層部に隣接して形成することができる。

以上のように、本発明によれば、例えばＧａＰ厚膜の成長を伴う発光素子において、多重活性層型発光素子の持つ長寿命と高い発光効率（特に内部量子効率）を両立させた発光素子を提供することができる。

（ａ）本発明の第１の実施形態の発光素子及び、（ｂ）該発光素子の製造に用いられる化合物半導体基板の一例を示した概略図である。 本発明の第１の実施形態の発光素子の製造に用いられる化合物半導体基板の多重活性層部の一例を示した概略図である。 本発明の第１の実施形態の発光素子の製造に用いられる化合物半導体基板の多重活性層部のバンドラインナップを示す図である。 本発明の第１の実施形態の発光素子の製造に用いられる化合物半導体基板の超格子障壁層の一例を示した概略図である。 本発明の第１の実施形態の発光素子の製造に用いられる化合物半導体基板の超格子障壁層のバンドラインナップを示す図である。 （ａ）本発明の第２の実施形態の発光素子及び、（ｂ）該発光素子の製造に用いられる化合物半導体基板の一例を示した概略図である。 本発明の第２の実施形態の発光素子の製造に用いられる化合物半導体基板の多重活性層部の一例を示した概略図である。 本発明の第２の実施形態の発光素子の製造に用いられる化合物半導体基板の多重活性層部のバンドラインナップを示す図である。 本発明の第２の実施形態の発光素子の製造に用いられる化合物半導体基板の超格子障壁層の一例を示した概略図である。 本発明の第２の実施形態の発光素子の製造に用いられる化合物半導体基板の超格子障壁層のバンドラインナップを示す図である。

以下、本発明について、実施態様の一例として、図を参照しながら詳細に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。

図１は、（ａ）本発明の第１の実施形態の発光素子及び、（ｂ）それに用いられる化合物半導体基板を示した概略図である。図２は、多重活性層部を示した概略図である。
図１（ａ）に示すように、本発明の発光素子１０は、例えば、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。発光素子１０は、下記で説明する化合物半導体基板１００のｐ型表面とｎ型表面に電極１１を形成し、ダイス形状にダイシングして得られる。

上記の本発明の第１の実施形態の発光素子１０の製造に用いられる化合物半導体基板１００は、図１（ｂ）及び図２に示すように、ｐ型クラッド層１０７と、（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_ｙＩｎ_１−ｙＰ（０＜ｘ≦０．６，０．４≦ｙ≦０．６）からなる３層以上の活性層１０６Ａ及び該活性層１０６ＡよりＡｌ含有率ｘが高い２層以上の障壁層１０６Ｂ、１０６Ｃが交互に積層された多重活性層部１０６と、ｎ型クラッド層１０４とを有する。
そして、障壁層は、ｎ型クラッド層１０４に近い側の障壁層１０６Ｂに比べ、ｐ型クラッド層１０７に近い側の障壁層１０６Ｃの方がバンドギャップが小さく、かつ、化合物半導体基板１００は多重活性層部１０６とｎ型クラッド層１０４の間に超格子障壁層１０５を有するものである。

このように、多重活性層部１０６を有することで、不純物拡散の影響を抑制し、長寿命の素子とすることができる。また、電流密度の高いレーザー素子を主眼においた構造では、ｐ型クラッド層側に超格子障壁層が設けられるのと異なり、電流密度の低いＬＥＤ等では、逆側の多重活性層部１０６とｎ型クラッド層１０４の間に超格子障壁層１０５を設けることで、オーバーフローを効果的に抑制することができる。
また、単に超格子障壁層１０５を設けるのみでは、特に低温時等にＶＦが上昇する。このため、多重活性層部１０６の障壁層１０６Ｂ，１０６Ｃについて、障壁層１０６Ｃは障壁層１０６Ｂよりも低バンドギャップの材料で構成する。このような不均一障壁層とすることで、ｐ型キャリアの障壁層でのホッピング確率を増加させて、ｐ／ｎジャンクション付近でのｐ型キャリアの滞在確率を増加させることができる。このため、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、ＶＦを効果的に低下させることができる。

本発明の発光素子１０の製造に用いられる化合物半導体基板１００としては、例えば、第一層部としてｎ型ＧａＰ基板１０１（厚さ３０〜１５０μｍ、ドーピング濃度５×１０^１７／ｃｍ^３〜５×１０^１８／ｃｍ^３）、第二層部としてｎ型ＩｎＧａＰ緩衝層１０２（厚さ１０〜１００ｎｍ、０．５＜ｘ＜０．９、ドーピング濃度１×１０^１８／ｃｍ^３〜１×１０^１９／ｃｍ^３）、第三層部としてｎ型ＡｌＧａＩｎＰ層１０３（（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_ｙＩｎ_１−ｙＰ（０．５≦ｘ≦０．７、０．４５≦ｙ≦０．５５）、厚さ０．１〜１．５μｍ、ドーピング濃度１×１０^１７／ｃｍ^３〜１×１０^１８／ｃｍ^３）を設けることができる。
そして、第四層部にｎ型クラッド層１０４として、例えばｎ型ＡｌＧａＩｎＰ層（（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_ｙＩｎ_１−ｙＰ（０．６≦ｘ≦１、０．４５≦ｙ≦０．５５）、厚さ０．５〜１．５μｍ、ドーピング濃度１×１０^１７／ｃｍ^３〜１×１０^１８／ｃｍ^３）を設けることができる。

また、第七層部にｐ型クラッド層１０７として、例えばｐ型ＡｌＧａＩｎＰ層（（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_ｙＩｎ_１−ｙＰ（０．５≦ｘ≦０．７、０．４５≦ｙ≦０．５５）、厚さ０．１〜１．５μｍ、ドーピング濃度５×１０^１５／ｃｍ^３〜１×１０^１８／ｃｍ^３）を設けることができる。
さらに、第八層部としてｐ型ＡｌＧａＩｎＰ層１０８（（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_ｙＩｎ_１−ｙＰ（０．５≦ｘ≦１、０．４５≦ｙ≦０．５５）、厚さ０．１〜１．５μｍ、ドーピング濃度５×１０^１６／ｃｍ^３〜３×１０^１８／ｃｍ^３）、第九層部としてｐ型ＩｎＧａＰ緩衝層１０９（Ｇａ_ｙＩｎ_１−ｙＰ（０．４５≦ｙ＜１）、厚さ０．００１〜０．５μｍ、ドーピング濃度３×１０^１７／ｃｍ^３〜３×１０^１９／ｃｍ^３）、第十層部としてｐ型ＧａＰ窓層１１０（厚さ３０〜１５０μｍ、ドーピング濃度５×１０^１７／ｃｍ^３〜５×１０^１８／ｃｍ^３）を設けることができる。

また、図２に示すような第六層部の多重活性層部１０６は、３層以上の活性層１０６Ａと、活性層１０６Ａの間に設けられ、図３に示すように活性層１０６Ａよりも大きなバンドギャップを有する２層以上の障壁層１０６Ｂ，１０６Ｃからなる。この活性層１０６Ａと障壁層１０６Ｂ，１０６Ｃは交互に積層され、活性層１０６Ａがｐ型クラッド層１０７及び超格子障壁層１０５と隣接するように設けられる。なお、図３は、多重活性層部のバンドラインナップである。
そして、本発明では、例えば、障壁層１０６Ｂの組成はＡｌ_０．８５ＧａＩｎＰで、障壁層１０６Ｃの組成はＡｌ_０．６０ＧａＩｎＰとすることで、図３に示すように、ｎ型クラッド層１０４に近い側の障壁層１０６Ｂに比べ、ｐ型クラッド層１０７に近い側の障壁層１０６Ｃの方がバンドギャップが小さいものとすることができる。

多重活性層部１０６の構造において、活性層１０６Ａと障壁層１０６Ｂ，１０６Ｃの膜厚としては、１５〜１５０ｎｍの厚さが好ましい。
例えばｎ型ＧａＰ基板１０１やｐ型ＧａＰ窓層１１０を形成する際に、層１０２〜層１０９を成長させる以上の温度と時間が必要である。多重活性層部１０６の各層の厚さが１５ｎｍ以上であれば、上記のようなｎ型ＧａＰ基板１０１やｐ型ＧａＰ窓層１１０形成時の大きな熱エネルギーにさらされた場合でも、ｐ型ドーパンドが活性層に拡散し、光寿命特性が悪化することを抑制できる。また、厚さが１５０ｎｍ以下であれば、活性層１０６Ａ自体の光吸収を低減でき、光出力の低下を防止できる。

このような障壁層１０６Ｂ，１０６Ｃを、１０ｎｍ以上の膜厚で構成する場合、従来ではＶＦが上昇する問題があった。ＶＦ上昇の原因は有効質量の大きいｐ型キャリアにあり、障壁層１０６Ｃをキャリアが超えにくくなるために生じる。しかし、本発明のように、ｎ型クラッド層１０４に近い側の障壁層１０６Ｂに比べ、ｐ型クラッド層１０７に近い側の障壁層１０６Ｃの方がバンドギャップが小さいものとすることで、このようなＶＦ上昇は効果的に抑制される。

また、多重活性層部１０６には、積極的なドーピングは行わなくてもよいが、ｎ型ＧａＰ基板１０１やｐ型ＧａＰ窓層１１０を形成する過程でｐ型ドーパントが拡散して存在するため、１×１０^１７／ｃｍ^３以下の濃度でｐ型ドーパントのＭｇあるいはＺｎが存在する場合がある。

本発明において、第五層部の超格子障壁層１０５は、例えば、図４に示すように、（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_ｙＩｎ_１−ｙＰ（０≦ｘ≦１，０．４≦ｙ≦０．６）及び／又はＡｌ_ｚＧａ_１−ｚＡｓ（０≦ｚ≦１）からなり、バンドギャップが異なる層１０５Ａ，１０５Ｂ同士が交互に積層されたものとすることができる。この場合、図５に示すように、超格子障壁層１０５の一方の層１０５Ａのバンドギャップを他方の層１０５Ｂより小さいバンドギャップとすることができる。なお、図４は、超格子障壁層を示した概略図であり、図５は、超格子障壁層のバンドラインナップである。

この際、超格子障壁層１０５は、バンドギャップが異なり、厚さが１５ｎｍ以下の層同士が交互に積層されたものであることが好ましい。
膜厚を１５ｎｍ以下に設定するのは超格子作成によってミニバンドを形成させるためである。ドブロイ波長１５ｎｍ以下の膜厚で形成された交互積層構造の超格子障壁層１０５は、ミニバンドを形成するため、構成材の最低バンドギャップより大きなバンドギャップを有する。従って、１５ｎｍ以下の膜厚とすることによって、構成材料以上のバンドギャップの設計が可能となる。

また、層１０５Ｂのバンドギャップは、ｎ型クラッド層１０４より大きなバンドギャップの材料で構成されることが好ましい。
ミニバンド形成の考え方から鑑みると、ｎ型クラッド層１０４より小さなバンドギャップの材料で層１０５Ｂを形成することも可能である。しかし、ｎ導電型側の障壁を高めることを考慮すると、層１０５Ｂのバンドギャップはｎ型クラッド層１０４より大きなバンドギャップの材料で構成されることがより望ましい。

また、層１０５Ａのバンドギャップは、活性層１０６Ａのバンドギャップと同程度以上であることが望ましい。
このような層１０５Ａのバンドギャップであれば、光の吸収層とはなりにくい。このような光吸収は、特に膜厚が厚い場合に顕著に発生するため、バンドギャップの小さい層１０５Ａの膜厚が、活性層１０６Ａと同程度の膜厚であるならば、その影響は許容されうるが、設計上望ましくない。従って、層１０５Ａは、活性層１０６Ａより大きなバンドギャップとなる組成、特にｎ型クラッド層１０４以上のバンドギャップとなる組成を有する事が望ましい。
この点から、例えば、ｎ型クラッド層１０４がＡｌ_０．８５ＧａＩｎＰで構成されている場合、層１０５ＢはＡｌＩｎＰが好適であり、層１０５ＡはＡｌ_０．８５ＧａＩｎＰで構成することが好適である。

また、本実施形態の超格子障壁層１０５のドーピング濃度は、ｎ型クラッド層１０４より低く、例えば１×１０^１６／ｃｍ^３〜８×１０^１７／ｃｍ^３とすることが好ましい。
上記ドーピング濃度であれば、キャリアトラップ要因となり出力を低下させる活性層近傍のイオン化した不純物を十分に低減でき、さらに、超格子障壁層１０５でキャリアがトラップされることも抑制できる。

次に、本発明の第２の実施形態について、説明する。第２の実施形態では、ｎ型クラッド層中に超格子障壁層を有する点が第１の実施形態と異なる。

図６は、（ａ）本発明の第２の実施形態の発光素子及び、（ｂ）その製造に用いられる化合物半導体基板を示した概略図である。図７は、多重活性層部を示した概略図であり、図８は、多重活性層部のバンドラインナップである。図９は、超格子障壁層を示した概略図であり、図１０は、超格子障壁層のバンドラインナップである。

図６（ａ）に示すように、本発明の発光素子２０は、例えば、化合物半導体基板２００と、その表面上に形成された電極２１からなるものである。
そして、図６（ｂ）に示す化合物半導体基板２００のｐ型クラッド層２０８、ｎ型クラッド層２０４を含む各層２０１−２０４，２０８−２１１は、第１の実施形態の化合物半導体基板１００の各層１０１−１０４，１０７−１１０と同様のものとすることができる。

図６（ｂ）に示す化合物半導体基板２００において、図７に示す多重活性層部２０７の活性層２０７Ａと障壁層２０７Ｂ，２０７Ｃについても、第１の実施形態の多重活性層部１０６の活性層１０６Ａと障壁層１０６Ｂ，１０６Ｃと同様のものとすることができる。
従って、ｎ型クラッド層２０４に近い側の障壁層２０７Ｂに比べ、ｐ型クラッド層２０８に近い側の障壁層２０７Ｃの方がバンドギャップが小さい構造とし、図８に示すようなバンドラインナップとする。これによりＶＦを小さくすることができる。

図６（ｂ）に示す化合物半導体基板２００において、図９に示すｎ型クラッド層２０４、２０６中に設けられる超格子障壁層２０５の層２０５Ａ，２０５Ｂについても、第１の実施形態の超格子障壁層１０５の層１０５Ａ，１０５Ｂと同様のものとし、図１０に示すようなバンドラインナップのものとすることができる。ただし、第２の実施形態では、以下に説明するように、ｎ型クラッド層２０４，２０６中に超格子障壁層２０５を有するため、超格子障壁層２０５のドーピング濃度の範囲はより広い範囲で設定可能である。
第２の実施形態においても、ｎ型クラッド層２０４、２０６中に設けられる超格子障壁層２０５により、オーバーフローを抑制することができる。

そして、図６（ｂ）に示す本発明の第２の実施形態では、化合物半導体基板２００は、多重活性層部２０７と超格子障壁層２０５の間に、内側のｎ型クラッド層２０６が設けられている。このｎ型クラッド層２０６としては、例えば、外側のｎ型クラッド層２０４よりも低濃度でドープしたｎ型ＡｌＧａＩｎＰ層（（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_ｙＩｎ_１−ｙＰ（０．６≦ｘ≦１，０．４５≦ｙ≦０．５５）、厚さ０．５〜１．５μｍ、ドーピング濃度１×１０^１６／ｃｍ^３〜５×１０^１７／ｃｍ^３）とするのが好ましい。この場合、超格子障壁層２０５は、ｎ型クラッド層のドーピング一定層とドーピング減少層の境界付近に設けられることになる。

このような内側のｎ型クラッド層２０６を有することで、イオン化した不純物によるキャリアトラップの影響を考慮する必要が無くなるため、超格子障壁層２０５のドーピング濃度は、外側のｎ型クラッド層２０４と同等のものとすることができ、１×１０^１７／ｃｍ^３〜１×１０^１８／ｃｍ^３の範囲に設定することができる。
また、ｎ型クラッド層２０６が０．５μｍ以下の厚さの薄膜である場合には、イオン化不純物の影響を確実に無くすために、超格子障壁層２０５のドーピング濃度をｎ型クラッド層２０４のドーピング濃度より少なくしたり、超格子障壁層２０５のｎ型クラッド層２０４界面からｎ型クラッド層２０６界面にかけて傾斜もしくは階段状にドーピング濃度を変化させることもできる。

上記のような本発明の発光素子の製造方法としては、特に限定されないが、例えば以下のような方法がある。
先ず、成長用単結晶基板としてｎ型のＧａＡｓ基板を準備し、そのＧａＡｓ基板上に、ＭＯＣＶＤ法により、ｎ型ＩｎＧａＰ緩衝層等、ｎ型クラッド層、超格子障壁層、多重活性層部、ｐ型クラッド層等の各層を気相成長させる。そして、ＨＶＰＥ法により、Ｚｎをドープし、最表層のｐ型ＧａＰ窓層を気相成長させた後、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法を用い気相成長により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。

このように得られた化合物半導体基板に電極を形成し、切断してチップに加工して、本発明の発光素子が得られる。

以下、実施例及び比較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１，２）
実施例１として、図１に示す本発明の第１の実施形態の発光素子１０を作製した。また、実施例２として、図６に示す本発明の第２の実施形態の発光素子２０を作製した。
実施例１，２ともに、多重活性層部１０６，２０７の障壁層１０６Ｂ、２０７Ｂの組成はＡｌ_０．８５ＧａＩｎＰで、障壁層１０６Ｃ、２０７Ｃの組成はＡｌ_０．６０ＧａＩｎＰとした。これにより、ｎ型クラッド層に近い側の障壁層に比べ、ｐ型クラッド層に近い側の障壁層の方がバンドギャップを小さくした。

また、実施例１，２ともに、超格子障壁層１０５、２０５は、層１０５Ａ、２０５Ａを、膜厚１５ｎｍで、高Ａｌバンドギャップ層の材料（ＡｌＩｎＰ層）とし、層１０５Ｂ、２０５Ｂを、膜厚１５ｎｍで、低バンドギャップ層の材料（Ａｌ_０．８５ＧａＩｎＰ）とし、これらの層の交互積層を２０回繰り返して形成した。
このような発光素子の特性評価を行った。表１に、２０ｍＡの電流を流すのに要した電圧（ＶＦ）と、光出力（ＰＯ）を示す。

（比較例）
実施例１と同様に、ただし、超格子障壁層１０５は設けずに発光素子を作製した。
このような発光素子の特性評価を行った結果を表１に示す。

表１に示すように、２０ｍＡ通電時のＶＦ値は比較例及び実施例１，２の間で大きな差はなく、また、実施例１，２の方が、光出力（ＰＯ）は上昇している事が確認された。
なお、実施例１，２では超格子障壁層の各層の膜厚を１５ｎｍとしたが、これより薄くすることで、サブバンドの形成準位をより高エネルギー側に変化させる事ができ、障壁を大きく取る事が出来る。サブバンド設計は低バンドギャップ層と高バンドギャップ層の膜厚で適宜設計可能なため、本質的に両者の膜厚が同一である必要がないことは言うまでもない。

（実施例３，４）
実施例３として、図１に示す本発明の第１の実施形態の発光素子１０を作製した。また、実施例４として、図６に示す本発明の第２の実施形態の発光素子２０を作製した。
実施例３，４ともに、多重活性層部１０６，２０７の障壁層１０６Ｂ、２０７Ｂの組成はＡｌ_０．８５ＧａＩｎＰで、障壁層１０６Ｃ、２０７Ｃの組成はＡｌ_０．６０ＧａＩｎＰとした。これにより、ｎ型クラッド層に近い側の障壁層に比べ、ｐ型クラッド層に近い側の障壁層の方がバンドギャップを小さくした。

また、実施例３，４ともに、超格子障壁層１０５、２０５は、層１０５Ａ、２０５Ａを、膜厚１５ｎｍで、高Ａｌバンドギャップ層の材料（ＡｌＩｎＰ層）とし、層１０５Ｂ、２０５Ｂを、膜厚１５ｎｍで、低バンドギャップ層の材料（ＧａＩｎＰ）とし、これらの層の交互積層を２０回繰り返して形成した。
このような発光素子の特性評価を行った結果を表２に示す。参考として比較例の結果も示す。

実施例１，２と同様に、比較例に比べてＶＦ値の差はほとんど無く、また、実施例３，４でも光出力（ＰＯ）は上昇している事が確認された。ただし、実施例１，２よりも光出力の上昇の程度は低い。この原因は活性層より小さなバンドギャップを有するＧａＩｎＰ層部で光吸収が起こり、実施例１，２より光出力を低下させたものと考えられる。但し、超格子障壁層の効果は光吸収が生じても損なわれておらず、光出力は比較例より上昇している。

（実施例５，６）
実施例５として、図１に示す本発明の第１の実施形態の発光素子１０を作製した。また、実施例６として、図６に示す本発明の第２の実施形態の発光素子２０を作製した。
実施例５，６ともに、多重活性層部１０６，２０７の障壁層１０６Ｂ、２０７Ｂの組成はＡｌ_０．８５ＧａＩｎＰで、障壁層１０６Ｃ、２０７Ｃの組成はＡｌ_０．６０ＧａＩｎＰとした。これにより、ｎ型クラッド層に近い側の障壁層に比べ、ｐ型クラッド層に近い側の障壁層の方がバンドギャップを小さくした。

また、実施例５，６ともに、超格子障壁層１０５、２０５は、層１０５Ａ、２０５Ａを、膜厚１５ｎｍで、高Ａｌバンドギャップ層の材料（ＡｌＩｎＰ層）とし、層１０５Ｂ、２０５Ｂを、膜厚１５ｎｍで、低バンドギャップ層の材料（Ａｌ_０．３Ｇａ_０．７Ａｓ）とし、これらの層の交互積層を２０回繰り返して形成した。
このような発光素子の特性評価を行った結果を表３に示す。参考として比較例の結果も示す。

実施例１，２と同様に、比較例とＶＦはほとんど変わらず、また、実施例５，６も光出力は上昇していることが確認された。

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。

１０、２０…発光素子、 １１、２１…電極、
１０１、２０１…ｎ型ＧａＰ基板、 １０２、２０２…ｎ型ＩｎＧａＰ緩衝層、
１０３、２０３…ｎ型ＡｌＧａＩｎＰ層、
１０４、２０４、２０６…ｎ型クラッド層、 １０５、２０５…超格子障壁層、
１０５Ａ、１０５Ｂ、２０５Ａ、２０５Ｂ…超格子障壁層の積層された層、
１０６、２０７…多重活性層部、 １０６Ａ、２０７Ａ…活性層、
１０６Ｂ，１０６Ｃ、２０７Ｂ、２０７Ｃ…障壁層、
１０７、２０８…ｐ型クラッド層、 １０８、２０９…ｐ型ＡｌＧａＩｎＰ層、
１０９、２１０…ｐ型ＩｎＧａＰ緩衝層、 １１０、２１１…ｐ型ＧａＰ窓層。

Claims (4)

1. 少なくとも、ｐ型クラッド層と、（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_ｙＩｎ_１−ｙＰ（０≦ｘ≦０．６，０．４≦ｙ≦０．６）からなる３層以上の活性層及び該活性層よりＡｌ含有率ｘが高い２層以上の障壁層が交互に積層された多重活性層部と、ｎ型クラッド層と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ｎ型クラッド層に近い側の障壁層に比べ、前記ｐ型クラッド層に近い側の障壁層の方がバンドギャップが小さく、かつ、前記化合物半導体基板は、前記多重活性層部と前記ｎ型クラッド層の間に、又は、前記ｎ型クラッド層中に、超格子障壁層を有するものであることを特徴とする発光素子。
2. 前記超格子障壁層は、（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_ｙＩｎ_１−ｙＰ（０≦ｘ≦１，０．４≦ｙ≦０．６）及び／又はＡｌ_ｚＧａ_１−ｚＡｓ（０≦ｚ≦１）からなり、バンドギャップが異なる層同士が交互に積層されたものであることを特徴とする請求項１に記載の発光素子。
3. 前記超格子障壁層は、バンドギャップが異なり、厚さが１５ｎｍ以下の層同士が交互に積層されたものであることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の発光素子。
4. 前記超格子障壁層は、前記多重活性層部に隣接して形成されたものであることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の発光素子。

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