JP2937439B2 - 半導体発光装置 - Google Patents
半導体発光装置Info
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- light
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Description
【発明の詳細な説明】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明は、化合物半導体材料を用いた半導体発光装置
に関わり、特に活性層にInGaAlPを用いた半導体発光装
置に関する。
に関わり、特に活性層にInGaAlPを用いた半導体発光装
置に関する。
（従来の技術） 発光ダイオード（light emitting diode:LED）は低消
費電力、高効率、高信頼性の得られる光源として、通信
や光情報処理など各種の分野での応用に用いられてい
る。特に可視波長域ではプリンタ用光源などとして、高
効率のLEDが用いられている。これらのLED用材料として
GaP、GaAsP、GaAlAsなどの化合物半導体が用いられてい
る。特にGaAsP系材料によるLEDは黄色、橙色、赤色の発
光が得られ、また、選択拡散によりｐ−ｎ接合を容易に
形成できるため、複数個の発光素子をアレイ状に形成す
ることができ、LEDプリンタ用光源として広く用いられ
ている。このような用途に用いられるLEDとしては、発
光点が十分小さく、素子間の距離を十分小さくできるこ
とが、印字における高い分解能を得るために重要であ
る。一方、印字速度の高速化のためには、感光材料の感
度の高い波長域で、高出力の発光が重要になる。高出力
の発光を得る一つの方法として、注入電流を大きくする
ことが考えられるが、通常熱の発生により光出力の飽
和、他素子への発熱の影響、素子の劣化などにつなが
り、信頼性の高い機能を呈することができない。これを
回避しつつ、高い光出力を得る方法としては、素子の高
効率化が重要である。
費電力、高効率、高信頼性の得られる光源として、通信
や光情報処理など各種の分野での応用に用いられてい
る。特に可視波長域ではプリンタ用光源などとして、高
効率のLEDが用いられている。これらのLED用材料として
GaP、GaAsP、GaAlAsなどの化合物半導体が用いられてい
る。特にGaAsP系材料によるLEDは黄色、橙色、赤色の発
光が得られ、また、選択拡散によりｐ−ｎ接合を容易に
形成できるため、複数個の発光素子をアレイ状に形成す
ることができ、LEDプリンタ用光源として広く用いられ
ている。このような用途に用いられるLEDとしては、発
光点が十分小さく、素子間の距離を十分小さくできるこ
とが、印字における高い分解能を得るために重要であ
る。一方、印字速度の高速化のためには、感光材料の感
度の高い波長域で、高出力の発光が重要になる。高出力
の発光を得る一つの方法として、注入電流を大きくする
ことが考えられるが、通常熱の発生により光出力の飽
和、他素子への発熱の影響、素子の劣化などにつなが
り、信頼性の高い機能を呈することができない。これを
回避しつつ、高い光出力を得る方法としては、素子の高
効率化が重要である。
通常のGaAsP系LEDの構造を第３図に示す。図中301はG
aP基板、302は、GaAsP組成変化層、303はGaAsP組成一定
層、304はn-−GaAsP層、305はｐ拡散領域、306はｐ電
極、307はｎ電極である。n-−GaAsP層304に形成され
た。ｐ拡散領域305によりｐ−ｎ接合が形成され、電流
注入により発光が起こる。このとき、黄色、橙色の発光
を得るためには、発光層のGaAsPは間接遷移型の組成で
あり、その発光効率は非常に低い。このような低効率の
発光を有効に取り出すために、基板、組成変化層、組成
一定層などは発光波長に対して透明なものが用いられ、
基板裏面からの反射光などをも表面から取り出されてい
る。このように基板を発光波長に対し透明にし、高効率
の発光を得ようとする構造は、GaAsP系LEDのみならず、
GaP、GaAlAsなどの材料を用いた場合でも用いられてい
る。一方、このような構造では、信頼性、生産性の観点
から、基板の厚さが100μｍ程度以上である。このよう
な厚さの基板を用いると、特に裏面からの反射光により
発光点が広がり、高い分解能を得ることがむずかしくな
る。実際このようなLEDによるアレイをプリンタ用に用
いた場合、１インチあたり300ドット程度の高精細化が
限度であった。
aP基板、302は、GaAsP組成変化層、303はGaAsP組成一定
層、304はn-−GaAsP層、305はｐ拡散領域、306はｐ電
極、307はｎ電極である。n-−GaAsP層304に形成され
た。ｐ拡散領域305によりｐ−ｎ接合が形成され、電流
注入により発光が起こる。このとき、黄色、橙色の発光
を得るためには、発光層のGaAsPは間接遷移型の組成で
あり、その発光効率は非常に低い。このような低効率の
発光を有効に取り出すために、基板、組成変化層、組成
一定層などは発光波長に対して透明なものが用いられ、
基板裏面からの反射光などをも表面から取り出されてい
る。このように基板を発光波長に対し透明にし、高効率
の発光を得ようとする構造は、GaAsP系LEDのみならず、
GaP、GaAlAsなどの材料を用いた場合でも用いられてい
る。一方、このような構造では、信頼性、生産性の観点
から、基板の厚さが100μｍ程度以上である。このよう
な厚さの基板を用いると、特に裏面からの反射光により
発光点が広がり、高い分解能を得ることがむずかしくな
る。実際このようなLEDによるアレイをプリンタ用に用
いた場合、１インチあたり300ドット程度の高精細化が
限度であった。
（発明が解決しようとする課題） このように、従来のLEDでは発光点が小さく、かつ高
効率の発光を得ることは困難であった。
効率の発光を得ることは困難であった。
本発明は、上記事情を考慮してなされもので、その目
的とするところは、発光点が小さく、かつ高効率の発光
が可能な半導体発光装置を提供することにある。
的とするところは、発光点が小さく、かつ高効率の発光
が可能な半導体発光装置を提供することにある。
（課題を解決するための手段） 本発明の骨子は、半導体基板上に形成され、InGaAlP
からなる活性層を有し、上記半導体基板と反対側の発光
面上の一部に形成された電極以外の面上から光を取り出
す半導体発光装置により、発光点が小さく、かつ高効率
の発光が可能にすることにある。
からなる活性層を有し、上記半導体基板と反対側の発光
面上の一部に形成された電極以外の面上から光を取り出
す半導体発光装置により、発光点が小さく、かつ高効率
の発光が可能にすることにある。
すなわち本発明は、半導体基板上に形成され、InGaAl
Pからなる活性層を有し、上記半導体基板と反対側の面
上の一部に形成された電極以外の面上から光を取り出す
半導体発光装置において、上記半導体基板のバンドギャ
ップを、発光波長のエネルギーより小さくし、上記半導
体基板と上記活性層の距離を上記活性層と上記発光面の
距離より小さくすることによって、発光点が小さく、か
つ高効率の発光が可能な半導体発光装置を実現したもの
である。
Pからなる活性層を有し、上記半導体基板と反対側の面
上の一部に形成された電極以外の面上から光を取り出す
半導体発光装置において、上記半導体基板のバンドギャ
ップを、発光波長のエネルギーより小さくし、上記半導
体基板と上記活性層の距離を上記活性層と上記発光面の
距離より小さくすることによって、発光点が小さく、か
つ高効率の発光が可能な半導体発光装置を実現したもの
である。
（作用） 本発明によれば、活性層にInGaAlP系材料を用い、基
板による光吸収を利用することによって、小さな発光点
を保持しつつ、高効率の発光が得られる。
板による光吸収を利用することによって、小さな発光点
を保持しつつ、高効率の発光が得られる。
（実施例） 以下、本発明の詳細を図示の実施例によって説明す
る。
る。
第１図は本発明の実施例の一実施例に関わる半導体発
光装置の構造の概要を断面図で示す。図中101はｎ−GaA
s基板、102はｎ−InGaAlPクラッド層、103はInGaAlP
層、104はｐ−InGaAlPクラッド層、105はｐ−GaAlAs
層、106はGaAsコンタクト層、107はAuZnからなるｐ側電
極、108はAuGeからなるｎ側電極である。InGaAlP活性層
103のエネルギーギャップはクラッド層102、104のそれ
より小さくなるように混晶組成が設定されており、光お
よびキャリアを活性層に閉じ込めるダブルヘテロ構造を
なしている。ｐ−GaAlAsの組成は活性層からの発光波長
に対し略透明になるように設定されている。なお、以下
はこのようなダブルヘテロ構造を持つLEDについて記す
が、活性層部の層構造は本質ではなく、シングルヘテロ
構造や、ホモ接合構造でも同様に考えることができる。
また、本実施例では基板側がｐ型の導電型としたが、導
電型を逆にした構造でも同様に考えることができる。
光装置の構造の概要を断面図で示す。図中101はｎ−GaA
s基板、102はｎ−InGaAlPクラッド層、103はInGaAlP
層、104はｐ−InGaAlPクラッド層、105はｐ−GaAlAs
層、106はGaAsコンタクト層、107はAuZnからなるｐ側電
極、108はAuGeからなるｎ側電極である。InGaAlP活性層
103のエネルギーギャップはクラッド層102、104のそれ
より小さくなるように混晶組成が設定されており、光お
よびキャリアを活性層に閉じ込めるダブルヘテロ構造を
なしている。ｐ−GaAlAsの組成は活性層からの発光波長
に対し略透明になるように設定されている。なお、以下
はこのようなダブルヘテロ構造を持つLEDについて記す
が、活性層部の層構造は本質ではなく、シングルヘテロ
構造や、ホモ接合構造でも同様に考えることができる。
また、本実施例では基板側がｐ型の導電型としたが、導
電型を逆にした構造でも同様に考えることができる。
第１図に示した構造において、各層の厚さ、キャリア
濃度は以下のように設定されている。ｎ−GaAs基板101
（250μｍ、３×1018cm-3）、ｎ−InGaAlPクラッド層10
2（１μｍ、５×1017cm-3）、InGaAlP活性層103（0.5μ
ｍ、アンドープ）、ｐ−InGaAlPクラッド層104（１μ
ｍ、７×1017cm-3）、ｐ−GaAlAs層105（５μｍ、３×1
018cm-3）、GaAsコンタクト層106（0.1μｍ、３×1018c
m-3）である。
濃度は以下のように設定されている。ｎ−GaAs基板101
（250μｍ、３×1018cm-3）、ｎ−InGaAlPクラッド層10
2（１μｍ、５×1017cm-3）、InGaAlP活性層103（0.5μ
ｍ、アンドープ）、ｐ−InGaAlPクラッド層104（１μ
ｍ、７×1017cm-3）、ｐ−GaAlAs層105（５μｍ、３×1
018cm-3）、GaAsコンタクト層106（0.1μｍ、３×1018c
m-3）である。
上記構造が従来のLEDと異なる点は、活性層をInGaAlP
とし、その発光面からの距離が、発光波長に対し吸収層
となるGaAs基板からなの距離に比べ小さく設定したこと
であり、この構造の優位性については以下に説明する。
とし、その発光面からの距離が、発光波長に対し吸収層
となるGaAs基板からなの距離に比べ小さく設定したこと
であり、この構造の優位性については以下に説明する。
InGaAlP活性層103で発光した光は、一部は基板側へ、
一部は発光面側へ進む。このときGaAs基板101に達した
光のエネルギーが、基板のエネルギーギャップより小さ
い場合、基板により吸収される。したがって、基板側へ
発せられた光は外部へ取り出されないため、従来例に見
られたような、基板裏面からの反射による発光面積の拡
大は起こらず、小さな発光点を得ることができた。一
方、InGaAlP材料を活性層とした場合、緑色、黄色、橙
色、赤色の広い範囲で、有機金属気相成長法などにより
良好なエピタキシャル結晶が成長でき、また、GsAsに格
子整合をとりながら、高効率の発光に必須なダブルヘテ
ロ構造を容易に形成できることができた。活性層In1-y
（Ga1-xAlx）yPの組成（ｘ、ｙ）を（0.45、0.5）とし
たとき緑色（560nm）で0.5％、（0.3、0.5）としたとき
黄色（585nm）で1.5％、橙色（610nm）で4.5％の高い外
部発光効率が基板を発光波長に対して透明にすることな
く得られた。これらは従来の透明基板でのGaAsPによる
黄色や橙色での外部発光効率（いずれも0.3％程度）に
比べ、５〜10倍の倍光効率の改善ができたことを示す。
これはInGaAlP系材料がこの波長域において直接遷移型
バンドギャップを有することによると考えられる。この
ように、活性層にInGaAlP系材料を用い、基板による光
吸収を利用することによって、小さな発光点を保持しつ
つ、高効率の発光を得ることができた。
一部は発光面側へ進む。このときGaAs基板101に達した
光のエネルギーが、基板のエネルギーギャップより小さ
い場合、基板により吸収される。したがって、基板側へ
発せられた光は外部へ取り出されないため、従来例に見
られたような、基板裏面からの反射による発光面積の拡
大は起こらず、小さな発光点を得ることができた。一
方、InGaAlP材料を活性層とした場合、緑色、黄色、橙
色、赤色の広い範囲で、有機金属気相成長法などにより
良好なエピタキシャル結晶が成長でき、また、GsAsに格
子整合をとりながら、高効率の発光に必須なダブルヘテ
ロ構造を容易に形成できることができた。活性層In1-y
（Ga1-xAlx）yPの組成（ｘ、ｙ）を（0.45、0.5）とし
たとき緑色（560nm）で0.5％、（0.3、0.5）としたとき
黄色（585nm）で1.5％、橙色（610nm）で4.5％の高い外
部発光効率が基板を発光波長に対して透明にすることな
く得られた。これらは従来の透明基板でのGaAsPによる
黄色や橙色での外部発光効率（いずれも0.3％程度）に
比べ、５〜10倍の倍光効率の改善ができたことを示す。
これはInGaAlP系材料がこの波長域において直接遷移型
バンドギャップを有することによると考えられる。この
ように、活性層にInGaAlP系材料を用い、基板による光
吸収を利用することによって、小さな発光点を保持しつ
つ、高効率の発光を得ることができた。
第２図は本発明の他の実施例に係わる半導体発光装置
の構造の概要を示す斜視図である。図中201〜208は第１
の実施例における101ないし108に相当する。第１の実施
例との違いは複数の電極を備え各電極への電流注入を個
別に制御する機構を備えていることである。すなわち、
１つの電極と隣りあう電極の間のGaAlAs層205を選択的
に除去することにより、各電極に対応する発光を個別に
制御できる。また、ｎ−InGaAlPなどによる絶縁層209上
にボンティングパッド210を設け、電極207との間を配線
211することにより、外部に設けた各素子に対応する電
源からの注入電流を注入できる。電極207の直径を10μ
ｍ、素子間の距離を25μｍ、GaAlAs層205の分離幅を５
μｍとした。
の構造の概要を示す斜視図である。図中201〜208は第１
の実施例における101ないし108に相当する。第１の実施
例との違いは複数の電極を備え各電極への電流注入を個
別に制御する機構を備えていることである。すなわち、
１つの電極と隣りあう電極の間のGaAlAs層205を選択的
に除去することにより、各電極に対応する発光を個別に
制御できる。また、ｎ−InGaAlPなどによる絶縁層209上
にボンティングパッド210を設け、電極207との間を配線
211することにより、外部に設けた各素子に対応する電
源からの注入電流を注入できる。電極207の直径を10μ
ｍ、素子間の距離を25μｍ、GaAlAs層205の分離幅を５
μｍとした。
このような素子においても、個別の素子特性としては
第１の実施例と同等の効率が得られた。また、電極207
から注入された電極は、GaAlAs層205で横方向に広が
り、GaAlAs層205/p−InGaAlPクラッド層204の界面では
ほぼ均一な注入が可能であった。一方、ｐ−InGaAlPク
ラッド層204では低効率が高く、電流の広がりは１μｍ
程度以下であり、結果として活性層203への注入はGaAlA
s層のほぼ直下にのみおこり、従って発光点もこの部分
にのみ限られた。これにより、発光点の小さく、高輝度
の発光が容易に得られ、黄色、橙色の200〜2000個のア
レイを使うことにより、１インチあたり1000ドットの高
精細な印字を、GaAsP系に比べ５〜10倍の速度で印刷す
ることが可能であった。
第１の実施例と同等の効率が得られた。また、電極207
から注入された電極は、GaAlAs層205で横方向に広が
り、GaAlAs層205/p−InGaAlPクラッド層204の界面では
ほぼ均一な注入が可能であった。一方、ｐ−InGaAlPク
ラッド層204では低効率が高く、電流の広がりは１μｍ
程度以下であり、結果として活性層203への注入はGaAlA
s層のほぼ直下にのみおこり、従って発光点もこの部分
にのみ限られた。これにより、発光点の小さく、高輝度
の発光が容易に得られ、黄色、橙色の200〜2000個のア
レイを使うことにより、１インチあたり1000ドットの高
精細な印字を、GaAsP系に比べ５〜10倍の速度で印刷す
ることが可能であった。
上記実施例では基板としてGaAsを用いているが、InGa
AlP活性層の発光波長に対して吸収が大きければ、他の
基板を用いてもその効果は同様である。すなわち、Si、
Geなどを基板に用いても良い。また、上記実施例ではGa
AlAs層の選択除去によって素子分離を行ったが、各電極
から注入される電流が隣接する素子に影響しないように
素子分離がされていれば同様の効果があるのは言うまで
もない。例えば、GaAlAs層やInGaAlPクラッド層に対す
るイオン打ち込みによる高抵抗化や、２回の結晶成長に
より電流阻止層を形成しても良い。また、上記実施例で
は、ボンティングパッド下の絶縁層としてｎ−InGaAlP
を用いたが、他の半導体や絶縁膜たとえばｎ−GaAsやSi
O2などでもかまわないことは言うまでもない。その他、
本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施する
ことができる。
AlP活性層の発光波長に対して吸収が大きければ、他の
基板を用いてもその効果は同様である。すなわち、Si、
Geなどを基板に用いても良い。また、上記実施例ではGa
AlAs層の選択除去によって素子分離を行ったが、各電極
から注入される電流が隣接する素子に影響しないように
素子分離がされていれば同様の効果があるのは言うまで
もない。例えば、GaAlAs層やInGaAlPクラッド層に対す
るイオン打ち込みによる高抵抗化や、２回の結晶成長に
より電流阻止層を形成しても良い。また、上記実施例で
は、ボンティングパッド下の絶縁層としてｎ−InGaAlP
を用いたが、他の半導体や絶縁膜たとえばｎ−GaAsやSi
O2などでもかまわないことは言うまでもない。その他、
本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施する
ことができる。
以上詳述したように、本発明によれば、半導体基板上
に形成され、InGaAlPからなる活性層を有し、上記半導
体基板と反対側の面上の一部に形成された電極以外の面
上から光を取り出す半導体発光装置において、上記半導
体基板のバンドギャップを、発光波長のエネルギーより
小さくし、上記半導体基板と上記活性層の距離を上記活
性層と上記発光面の距離より小さくすることによって、
発光点が小さく、かつ高効率の発光が可能な半導体発光
装置を実現することができる。
に形成され、InGaAlPからなる活性層を有し、上記半導
体基板と反対側の面上の一部に形成された電極以外の面
上から光を取り出す半導体発光装置において、上記半導
体基板のバンドギャップを、発光波長のエネルギーより
小さくし、上記半導体基板と上記活性層の距離を上記活
性層と上記発光面の距離より小さくすることによって、
発光点が小さく、かつ高効率の発光が可能な半導体発光
装置を実現することができる。
第１図は本発明の一実施例に関わる半導体発光装置の概
略構造を示す断面図、第２図は本発明の他の実施例の概
略構造を示す斜視図、第３図は従来の半導体発光装置の
概略を示す断面図である。 101、201…GaAs基板 102、202…ｎ−InGaAlPクラッド層 103、203…InGaAlP活性層 104、204…ｐ−InGaAlPクラッド層 105、205…ｐ−GaAlAs層 106、206…ｐ−GaAsコンタクト層 107、207…ｐ側電極 108、208…ｎ側電極
略構造を示す断面図、第２図は本発明の他の実施例の概
略構造を示す斜視図、第３図は従来の半導体発光装置の
概略を示す断面図である。 101、201…GaAs基板 102、202…ｎ−InGaAlPクラッド層 103、203…InGaAlP活性層 104、204…ｐ−InGaAlPクラッド層 105、205…ｐ−GaAlAs層 106、206…ｐ−GaAsコンタクト層 107、207…ｐ側電極 108、208…ｎ側電極
Claims (3)
- 【請求項１】半導体基板上に形成され、In1-y（Ga1-xAl
x）yP（０≦ｘ＜１、０≦ｙ＜１）からなる活性層を有
し、前記半導体基板と反対側の面上の一部に形成された
電極以外の発光面上から光を取り出す半導体発光装置に
おいて、前記半導体基板のバンドギャップが、発光波長
のエネルギーより小さく、前記半導体基板と前記活性層
の距離が前記活性層と前記発光面の距離より小さいこと
を特徴とする半導体発光装置。 - 【請求項２】前記半導体基板がGaAsであることを特徴と
する請求項１記載の半導体発光装置。 - 【請求項３】前記電極が複数個形成され、各電極から注
入する電流を個別に制御することにより、各電極付近の
電極以外の面上から取り出す光を個別に制御することを
特徴とする請求項１または請求項２記載の半導体発光装
置。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP21708090A JP2937439B2 (ja) | 1990-08-20 | 1990-08-20 | 半導体発光装置 |
| US07/747,128 US5153889A (en) | 1989-05-31 | 1991-08-19 | Semiconductor light emitting device |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP21708090A JP2937439B2 (ja) | 1990-08-20 | 1990-08-20 | 半導体発光装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH04100278A JPH04100278A (ja) | 1992-04-02 |
| JP2937439B2 true JP2937439B2 (ja) | 1999-08-23 |
Family
ID=16698515
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP21708090A Expired - Lifetime JP2937439B2 (ja) | 1989-05-31 | 1990-08-20 | 半導体発光装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2937439B2 (ja) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP3198016B2 (ja) | 1994-08-25 | 2001-08-13 | シャープ株式会社 | 発光ダイオードアレイ及びその製造方法 |
| JP3797748B2 (ja) | 1997-05-30 | 2006-07-19 | シャープ株式会社 | 発光ダイオードアレイ |
-
1990
- 1990-08-20 JP JP21708090A patent/JP2937439B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH04100278A (ja) | 1992-04-02 |
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