JP3445977B2 - 半導体発光素子 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、３端子構成の発光
ダイオード素子又は半導体レーザ素子等の半導体発光素
子及びその駆動装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】発光ダイオード素子は、リモートコント
ロール装置や光ファイバ通信における安価で且つ高信頼
性を有する発光素子として広く用いられている。

【０００３】しかしながら、従来の発光ダイオード素子
は高速通信、すなわち高速変調を行なうには応答速度が
遅く、その上、変調周波数の上限が低いという問題があ
る。

【０００４】発光ダイオード素子を始めとする半導体発
光素子の動作速度を制限する要因の一つに、活性層に注
入されたキャリアが再結合する際の再結合速度による制
約がある。発光素子が有する活性領域に注入されたキャ
リアは、電流の注入が停止されてもすぐには消失せず、
再結合速度により決まる時定数により徐々に減少してい
く。

【０００５】キャリアが活性領域に残留している間は発
光状態が持続するため、これが発光素子の変調時におけ
る高速応答を妨げる原因となる。特に、発光ダイオード
素子は自然放出光を利用しており、その発光量は活性領
域のキャリア量にほぼ比例するため、残留キャリアによ
る応答速度に対する影響が大きい。例えば、III-Ｖ族の
ヒ化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＡｓ）系の化合物
半導体からなる発光ダイオード素子は、通常、キャリア
の再結合速度の時定数が数ナノ秒（ｎｓ）であるため、
変調周波数が１ＧＨｚを超えるような高速変調を行なう
ことは困難である。

【０００６】キャリア再結合速度による変調速度の制約
を解消する従来技術として、トランジスタ素子と同様の
３端子構成を用いる発光素子が特開昭６０−１６７３９
０号公報に開示されている。

【０００７】図１７は前記公報に開示された３端子発光
素子の断面構成を示している。

【０００８】図１７に示すように、前記公報の半導体発
光素子は、バイポーラトランジスタと同様に、ｐ型の半
導体基板９０１上に順次形成された、ｐ型のコレクタ層
９０２、ｎ型のベース層９０３及びｐ型のエミッタ層９
０５を備えている。

【０００９】ベース層９０３とエミッタ層９０５との間
には、活性層９０４が設けられており、活性層９０４の
周囲はｎ型の埋込み層９０７により埋め込まれている。

【００１０】エミッタ層９０５の上にはｐ型コンタクト
層９０６を介してエミッタ電極９０９が形成され、埋込
み層９０７の上にはｎ型コンタクト層９０８を介してベ
ース電極９１０がエミッタ電極９０９を囲むように形成
されている。半導体基板９０１のコレクタ層９０２と反
対側の面上にはコレクタ電極９１１が形成されている。

【００１１】以下、前記従来の半導体発光素子の動作を
説明する。

【００１２】図１８は従来の半導体発光素子における発
光時の電子のエネルギー帯のバンド構造を示している。
縦軸は電子のエネルギーを表わし、Ｅ_C は伝導帯の下端
のエネルギー、Ｅ_V は価電子帯の上端のエネルギー、Ｅ
_F は電子又はホールの擬フェルミレベルのエネルギーの
概要をそれぞれ表わしている。また、エネルギー準位に
付した符号は図１７に示した半導体層とそれぞれ対応し
ている。

【００１３】ここでは、発光時の駆動電圧の一例とし
て、ベース層９０４とエミッタ層９０５との間に順方向
（順バイアス）電圧を印加し、ベース層９０４とコレク
タ層９０２とを等電位の０Ｖとしている。

【００１４】ベース層９０３とエミッタ層９０５との間
に順バイアス電圧が印加されているため、活性層９０４
には、ベース層９０３から注入される電子とエミッタ層
９０５から注入されるホールとが蓄積されて、これら電
子とホールとが再結合して発光する。ｐ型のコレクタ層
９０２とｎ型のベース層９０３との間はｐｎ接合による
空乏層が生成されるが、ベース層９０３の少なくとも一
部は空乏化されないため、空乏化されない部分から活性
層９０４に電子が供給される。また、ベース層９０３は
ホールを活性層に閉じ込める障壁として機能する。

【００１５】次に、消光時には、ベース層９０３とコレ
クタ層９０２との間に逆方向（逆バイアス）電圧を印加
する。その結果、図１９のバンド図に示すように、ベー
ス層９０４がほぼ全域にわたって空乏化され、活性層９
０４に閉じ込められていたホールはコレクタ層９０２に
引き抜かれる。このとき、十分に高い効率で活性層９０
４のホールを引き抜くことができれば、活性層９０４に
おけるホール濃度は低下し、発光再結合の結合量が減少
して発光が抑制される。また、このホールの引き抜き動
作はキャリアの発光再結合速度に依存しないので、発光
を速やかに停止でき、その結果、高速変調が可能とな
る。

【００１６】

【発明が解決しようとする課題】本願発明者らは、前記
従来の３端子構成の半導体発光素子に対して種々の検討
を重ねた結果、消光動作時に低電圧駆動を行なうと、ホ
ールの一部が活性層９０４に残留してしまい、消光時に
も発光が残ってしまうという問題を見出している。すな
わち、発光時と消光時との発光量の比からなる消光比の
値を大きく取ることが困難であるという問題である。

【００１７】図２０は従来の半導体発光素子の消光時に
おける活性層９０４及びその近傍の価電子帯の上端のバ
ンド構造を拡大して表わしている。図２０に示すよう
に、消光時には、活性層９０４とベース層９０３との間
には両者間のヘテロ接合に起因する価電子帯オフセット
によって界面障壁（スパイク）９２０が発生する。コレ
クタ層９０２に印加する逆バイアス電圧の電位差を増大
してもこの界面障壁９２０の高さ（エネルギーの大き
さ）は変わらず、ホールがコレクタ層９０２に引き抜か
れる際の障壁となる。ホールの一部は逆バイアス電圧に
より界面障壁９２０を越えてコレクタ方向に移動する
が、この界面障壁９２０の高さよりも低いエネルギーの
ホールは活性層９０４とベース層９０３との界面に残留
してしまう。より高い逆バイアス電圧を印加すれば、低
エネルギーのホールもその一部はトンネル電流によって
コレクタ層９０２に輸送されるが、逆バイアス電圧の絶
対値を大きくすると素子自体の発熱量も増大し、また消
費電力が増大する。

【００１８】このとき、エミッタ層９０５から活性層９
０４にホールが供給されるため、活性層９０４とベース
層９０３との界面でホール濃度が高くなると、活性層９
０４全体でのホールの蓄積量が増加する。このため、従
来の半導体発光素子においては、低い逆バイアス電圧で
活性層９０４におけるホールの量を十分に減少させるこ
とは困難であり、消光時にも活性層９０４において相当
量の発光が生じてしまう。

【００１９】このように、前記従来の３端子構成の半導
体発光素子は、低電圧駆動時に消光比を大きくすること
は困難である。

【００２０】本発明は、前記従来の問題を解決し、低電
圧で高速動作と実用的な消光比とを得られるようにする
ことを目的とする。

【００２１】

【課題を解決するための手段】前記の目的を達成するた
め、本発明に係る半導体発光素子は、それぞれが第１導
電型の第１の半導体層及び第２の半導体層と、第１の半
導体層及び第２の半導体層の間に設けられた第２導電型
の第３の半導体層と、第２の半導体層と第３の半導体層
との間に設けられ、第２の半導体層及び第３の半導体層
から注入される電荷により発光する活性層と、活性層と
第３の半導体層との間に設けられ、活性層との界面では
活性層の組成とほぼ同一で且つ第３の半導体層との界面
では第３の半導体層の組成とほぼ同一となるように、そ
の組成が変化する傾斜組成層とを備え、第３の半導体層
に電荷を注入するベース電極は、傾斜組成層及び活性層
を介在させて第３の半導体層と接続されており、活性層
の禁制帯幅は第３の半導体層の禁制帯幅よりも小さい。
本発明の半導体発光素子において、活性層及び傾斜組成
層におけるベース電極と第２の半導体層との間の領域が
除去されていることが好ましい。 本発明の半導体発光素
子において、第２の半導体層の不純物濃度は、少なくと
も第１の半導体層と対向する側の領域が第１の半導体層
の不純物濃度よりも大きいことが好ましい。

【００２２】

【００２３】

【００２４】

【００２５】

【００２６】

【００２７】

【００２８】

【００２９】

【００３０】

【００３１】

【００３２】

【００３３】

【００３４】

【００３５】

【００３６】

【発明の実施の形態】（第１の実施形態）本発明の第１
の実施形態について図面を参照しながら説明する。

【００３７】本発明の各実施形態においては、３端子構
成の半導体発光素子における３種類の半導体層にバイポ
ーラトランジスタと同様の呼称を用いる。すなわち、第
１導電型の第１の半導体層をコレクタ層と呼び、第１導
電型の第２の半導体層をエミッタ層と呼び、第２導電型
の第３の半導体層をベース層と呼ぶ。

【００３８】図１は本発明の第１の実施形態に係る３端
子構成の半導体発光素子であって、ＧａＡｓ／ＧａＩｎ
Ｐ系の化合物半導体からなるｐｎｐ型の半導体発光素子
の断面構成を示している。

【００３９】図１に示すように、第１の実施形態に係る
半導体発光素子は、ｐ型ヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）から
なる基板１０１上に順次形成された、ｐ型リン化ガリウ
ムインジウム（ＧａＩｎＰ）からなるコレクタ層１０
２、膜厚が約３００ｎｍのｎ型ＧａＩｎＰからなるベー
ス層１０３、膜厚が約５０ｎｍの傾斜組成層１０４、膜
厚が約１００ｎｍのＧａＡｓからなる活性層１０５、及
びｐ型ＧａＩｎＰからなるエミッタ層１０６を有してい
る。

【００４０】第１の実施形態の特徴である、ベース層１
０３と活性層１０５との間に設けられた傾斜組成層１０
４は、その組成がベース層１０３との界面では該ベース
層１０３の組成とほぼ同一であり、活性層１０５との界
面では該活性層１０５の組成とほぼ同一となるように構
成されている。なお、傾斜組成層１０４の膜厚は約５ｎ
ｍ〜約１００ｎｍであれば、界面障壁の発生を抑制する
ことができる。また、傾斜組成層１０４の組成は、連続
的に変化させても良く、段階的に変化させても良い。ま
た、傾斜組成層１０４における活性層１０５側の領域は
発光光が生成されるため、該領域は活性層１０５の一部
とみなすこともできる。

【００４１】基板１０１のコレクタ層１０２と反対側の
面上にはｐ型コレクタ電極１０８が形成されている。

【００４２】活性層１０５の上面は露出しており、露出
した領域上にはエミッタ層１０６の側面から間隔をおい
てｎ型ベース電極１０９が形成されている。このよう
に、第１の実施形態に係るｎ型ベース電極１０９は、ベ
ース層１０３の上面に直接に設けるのではなく、傾斜組
成層１０４及び活性層１０５を介在させて設けている。
このように、電子のエネルギー帯の禁制帯幅がベース層
１０３の禁制帯幅よりも小さい活性層１０５をｎ型ベー
ス電極１０９の実質的なコンタクト層として用いている
ため、ｎ型ベース電極１０９のコンタクト抵抗を低減す
ることができる。

【００４３】また、電子の注入効率を優先するため、活
性層１０５及び傾斜組成層１０４におけるｎ型ベース電
極１０９とエミッタ層１０６との間の領域が除去されず
に残されているが、この領域を除去することにより、エ
ミッタ層１０６から注入されるホールの閉じ込め効率を
向上することもできる。

【００４４】エミッタ層１０６の上には、その一部に高
濃度のｐ型ＧａＡｓからなるｐ型コンタクト層１０７が
形成されており、該ｐ型コンタクト層１０７の上にはｐ
型エミッタ電極１１０が形成されている。

【００４５】第１の実施形態においては、傾斜組成層１
０４及び活性層１０５の不純物濃度を約６×１０¹⁶ｃｍ
^-3とし、コレクタ層１０２、ベース層１０３及びエミッ
タ層１０６の不純物濃度をいずれも約１×１０¹⁷ｃｍ^-3
としている。

【００４６】また、第１の実施形態においては、コレク
タ層１０２、ベース層１０３及びエミッタ層１０６に、
ＧａＡｓからなる基板１０１にほぼ格子整合する組成を
持つＧａＩｎＰからなる混晶を用いている。これによ
り、ＧａＩｎＰからなるコレクタ層１０２、ベース層１
０３及びエミッタ層１０６と、ＧａＡｓからなる活性層
１０５との間のバンドオフセットを大きく取りながら、
コレクタ層１０２、ベース層１０３及びエミッタ層１０
６の各抵抗率を低く抑えることができる。

【００４７】また、ベース層１０３と活性層１０５とを
互いに分離して設けているため、ｎ型ベース電極１０９
から基板面に平行な方向に注入されるキャリアの注入抵
抗が小さくなるので、素子抵抗に起因する動作遅延や消
費電力の増大を抑制することができる。

【００４８】以下、前記のように構成された半導体発光
素子の発光動作及び消光動作を説明する。

【００４９】第１の実施形態に係る半導体発光素子は、
発光時には、ベース層１０３とエミッタ層１０６との間
に順バイアス電圧を印加し、且つベース層１０３とコレ
クタ層１０２との間の電位を０Ｖとすることによりキャ
リアを活性層１０５に閉じ込める。閉じ込められたキャ
リア、すなわち電子とホールとが活性層１０５において
再結合することにより発光光が生成される。

【００５０】消光時は、ベース層１０３とコレクタ層１
０２との間に逆バイアス電圧を印加する。このときの活
性層１０５及びその近傍の価電子帯端のバンド構造を図
２に示す。図２において、エネルギー準位に付した符号
は図１に示した半導体層とそれぞれ対応している。

【００５１】図２に示すように、活性層１０５とベース
層１０３との間には、活性層１０５との界面で該活性層
１０５の組成とほぼ同一で且つベース層１０３との界面
で該ベース層１０３の組成とほぼ同一となるようにその
組成が徐々に変化する傾斜組成層１０４を設けているた
め、活性層１０５とベース層１０３との間の界面障壁は
図１７に示した従来例に係る半導体発光素子と比べて大
幅に低下する。このため、比較的に低い逆バイアス電圧
であっても、活性層１０５と傾斜組成層１０４との界面
に達したホールは速やかにコレクタ層１０３に移動する
ので、活性層１０５のベース層１０３側の領域における
ホール濃度が著しく低減する。その結果、活性層１０５
の全体に蓄積されるホールの総量も減少するので、消光
時における半導体発光素子の残留発光量を大幅に低減す
ることができる。

【００５２】また、図示はしていないが、発光時におい
ても、活性層１０５とベース層１０３との間に傾斜組成
層１０４を設けたことにより、活性層１０５とベース層
１０３との間の伝導帯の下端のエネルギー障壁（スパイ
ク）も低減される。これにより、発光時における活性層
１０５への電子の注入効率も向上する。

【００５３】以上説明したように、第１の実施形態によ
ると、従来例に係る半導体発光素子の場合よりも低い逆
バイアス電圧で高い消光比を実現できる。このため、発
光動作と消光動作との高速駆動が可能となる。

【００５４】また、第１の実施形態に係る半導体発光素
子は、従来の発光ダイオード素子と異なり、ベース・コ
レクタ間の空乏層が発光時においても生成されるため、
ベース層１０３とコレクタ層１０２との間の静電容量が
小さくなり、高速変調による動作に適する。

【００５５】また、ベース層１０３をｎ型としているた
め、ベース層１０３から注入される多数キャリアが、ホ
ールと比べて移動度が高い電子となるので、基板面に平
行な方向の電荷注入における注入抵抗が低減する。逆
に、ｐ型のエミッタ層１０６からｎ型のベース層１０３
に注入される少数キャリアが、電子と比べて拡散長が短
いホールとなるので、基板面に平行な方向の少数キャリ
アの拡散を抑制することができる。

【００５６】（第２の実施形態）以下、第２の実施形態
について図面を参照しながら説明する。

【００５７】図３は本発明の第２の実施形態に係る３端
子構成の半導体発光素子であって、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ
系の化合物半導体からなるｎｐｎ型の半導体発光素子の
断面構成を示している。

【００５８】図３に示すように、第２の実施形態に係る
半導体発光素子は、サファイア（Ａｌ₂Ｏ₃）からなる絶
縁性基板２０１上に順次形成された、ｎ型窒化ガリウム
（ＧａＮ）からなるエミッタ層２０２、窒化インジウム
ガリウム（ＩｎＧａＮ）からなる活性層２０３、傾斜組
成層２０４、膜厚が約４００ｎｍのｐ型ＧａＮからなる
ベース層２０５、及びｎ型ＧａＮからなるコレクタ層２
０６を有している。

【００５９】第２の実施形態においても、活性層２０３
とベース層２０５との間に設けられた傾斜組成層２０４
は、その膜厚が約５ｎｍ〜約１００ｎｍであって、その
組成が活性層２０３との界面では該活性層２０３の組成
とほぼ同一であり、ベース層２０５との界面では該ベー
ス層２０５の組成とほぼ同一となるように構成されてい
る。また、傾斜組成層２０４における活性層２０３側の
領域は発光光が生成されるため、該領域は活性層２０３
の一部とみなすこともできる。

【００６０】エミッタ層２０２の上面は露出しており、
露出した領域上には活性層２０３及び傾斜組成層２０４
等の側面から間隔をおいてｎ型エミッタ電極２０９が形
成されている。また、ベース層２０５の上面は露出して
おり、露出した領域上にはコレクタ層２０６の側面から
間隔をおいてｐ型ベース電極２１０が形成されている。

【００６１】コレクタ層２０６の上には、その一部に高
濃度のｎ型ＧａＡｓからなるｎ型コンタクト層２０７が
形成されており、該ｎ型コンタクト層２０７の上にはｎ
型コレクタ電極２０８が形成されている。

【００６２】第２の実施形態に係る半導体発光素子にお
いて、エミッタ層２０２におけるｐ型ベース電極２１０
と対向する領域であって、コレクタ層２０６と対向しな
い領域にはイオン注入により形成された高抵抗領域２０
２ａが設けられている。このように、ｎ型のエミッタ層
２０２におけるｎ型のコレクタ層２０６と対向しない領
域に高抵抗領域２０２ａを設けることにより、ｎ型のエ
ミッタ層２０２におけるｎ型のコレクタ層２０６と対向
しない領域から活性層２０３へのキャリアの注入が抑制
されるため、消光時において、コレクタ層２０６からの
キャリア（電子）の引き抜きが十分に行なえずに残留す
るキャリアによって生じる発光による消光比の劣化を防
ぐことができる。

【００６３】また、絶縁性基板２０１は、発光光の波長
に対して透明であるため、該絶縁性基板２０１のエミッ
タ層２０２と反対側の面から発光光の大部分を外部に取
り出すことができる。

【００６４】第２の実施形態に係る半導体発光素子は、
ｎｐｎ型の構成であるため、発光時にはベース層２０５
からホールが供給されると共に、エミッタ層２０２から
電子が供給される。

【００６５】一方、消光時には活性層２０３からコレク
タ層２０６に電子が引き抜かれて、電子とホールとの再
結合が停止する。このとき、活性層２０３とベース層２
０５との間には、活性層２０３との界面で該活性層２０
３の組成とほぼ同一で且つベース層２０５との界面で該
ベース層２０５の組成とほぼ同一となるようにその組成
が徐々に変化する傾斜組成層２０４を設けているため、
低電圧で迅速なキャリアの引き抜きが可能となるので、
第１の実施形態と同様に、低電圧で消光比が大きい高速
変調を実現できる。

【００６６】（第３の実施形態）以下、本発明の第３の
実施形態について図面を参照しながら説明する。

【００６７】図４は本発明の第３の実施形態に係る３端
子構成の半導体発光素子であって、ＡｌＧａＡｓ系の化
合物半導体からなるｐｎｐ型の半導体発光素子の断面構
成を示している。

【００６８】図４に示すように、第３の実施形態に係る
半導体発光素子は、ｐ型ＧａＡｓからなる基板３０１上
に順次形成された、ｐ型ヒ化アルミニウムガリウム（Ａ
ｌ_{0. 4}Ｇａ_0.6Ａｓ）からなるコレクタ層３０２、膜厚が
約７０ｎｍの傾斜組成層３０３、膜厚が約３００ｎｍの
ｎ型ＧａＡｓからなるベース層３０４、及びｐ型Ａｌ
_0.3Ｇａ_0.7Ａｓからなるエミッタ層３０５を有してい
る。

【００６９】第３の実施形態の特徴である、コレクタ層
３０２とベース層３０４との間に設けられた傾斜組成層
３０３は、その組成がコレクタ層３０２との界面では該
コレクタ層３０２の組成とほぼ同一であり、ベース層３
０４との界面では該ベース層３０４の組成とほぼ同一と
なるように構成されている。なお、傾斜組成層３０３の
膜厚は約５ｎｍ〜約１００ｎｍであればよい。

【００７０】また、ｎ型ＧａＡｓからなるベース層３０
４における電子のエネルギー帯の禁制帯幅は、ｐ型Ａｌ
ＧａＡｓからなるコレクタ層３０２及びエミッタ層３０
５の禁制帯幅よりも小さい。

【００７１】基板３０１のコレクタ層３０２と反対側の
面上にはｐ型コレクタ電極３０７が形成されている。

【００７２】ベース層３０４の上面は露出しており、露
出した領域上にはエミッタ層３０５の側面から間隔をお
いてｎ型ベース電極３０８が形成されている。

【００７３】エミッタ層３０５の上には、その一部に高
濃度のｐ型ＧａＡｓからなるｐ型コンタクト層３０６が
形成されており、該ｐ型コンタクト層３０６の上にはｐ
型エミッタ電極３０９が形成されている。

【００７４】第３の実施形態においては、コレクタ層３
０２、傾斜組成層３０３及びベース層３０４の不純物濃
度を約１×１０¹⁷ｃｍ^-3としている。一方、エミッタ層
３０５の不純物濃度は１×１０¹⁸ｃｍ^-3としており、コ
レクタ層３０２の不純物濃度と比べて１０倍程度の高い
値に設定している。これにより、エミッタ層３０５にお
けるホールの擬フェルミレベルがコレクタ層３０２にお
けるホールの擬フェルミレベルと比べて価電子帯の上端
に接近するため、エミッタ層３０５からベース層３０４
へのキャリアの注入効率がコレクタ層３０２からベース
層３０４への注入効率と比べて向上する。なお、エミッ
タ層３０５の不純物濃度は、コレクタ層３０２の不純物
濃度の２倍程度に大きくすれば、エミッタ層３０５から
のキャリアの注入効率をコレクタ層３０２から注入され
る場合よりも大きくすることができる。また、エミッタ
層３０５の不純物濃度は、少なくともコレクタ層３０２
と対向する部位が２倍以上高ければ効果を奏する。

【００７５】また、エミッタ層３０５にはｐ型Ａｌ_0.3
Ｇａ_0.7Ａｓを用い、コレクタ層３０２にはエミッタ層
３０５と比べてアルミニウムの組成が大きいｐ型Ａｌ
_0.4Ｇａ_{0 .6}Ａｓを用いている。これにより、コレクタ層
３０２の電子のエネルギー帯における電子親和力と禁制
帯幅との和は約５０ｍｅＶ大きくなる。言い換えると、
コレクタ層３０２の価電子帯の上端のエネルギー値は、
エミッタ層３０５の価電子帯の上端のエネルギー値より
も約５０ｍｅＶ小さくなる。なお、コレクタ層３０２の
価電子帯の上端のエネルギー値は、エミッタ層３０５よ
りも１０ｍｅＶ程度小さければ、発光時におけるホール
のコレクタ層３０２への流出を抑制することができる。
また、エミッタ層３０５からコレクタ層３０２へのリー
ク電流を抑制できると共に、コレクタ層３０２からベー
ス層３０４へのキャリアの逆注入をも抑制することがで
きる。

【００７６】以下、前記のように構成された半導体発光
素子の発光動作及び消光動作を説明する。

【００７７】まず、発光時の動作を説明する。

【００７８】図５は発光時におけるベース層３０４とそ
の近傍の電子のエネルギー帯のバンド構造を表わしてい
る。図５において、エネルギー準位に付した符号は図４
に示した半導体層とそれぞれ対応している。第３の実施
形態に係る半導体発光素子は第１及び第２の実施形態に
係る半導体発光素子と異なり、ベース層３０４とエミッ
タ層３０５との間に独立した活性層を設けていない。前
述したように、べース層３０４の禁制帯幅がコレクタ層
及びエミッタ層３０５と比べて小さいため、ベース層３
０４とエミッタ層３０５との間及びベース層３０４とコ
レクタ層３０２との間に、順バイアス電圧を同時に印加
することにより、ベース層３０４に多数キャリアである
電子とエミッタ層３０５から供給されるホールとを閉じ
込めることができるため、ベース層３０４において電子
とホールとの再結合により発光する。すなわち、第３の
実施形態に係るベース層３０４は、電子の輸送及び供給
の機能と活性層としての機能とを併せもつ。

【００７９】発光時のベース・コレクタ間の電圧は、ベ
ース・エミッタ間の電圧よりも約０．１Ｖ低く設定して
いる。これにより、エミッタ層３０５からのみホールを
供給でき、コレクタ層３０２からベース層３０４へのホ
ールの注入が抑制される。

【００８０】この結果、図４において、ベース層３０４
におけるエミッタ層３０５が除去されれている領域では
発光せずに、ベース層３０４とエミッタ層３０５とが互
いに対向する領域のみで発光する。

【００８１】ここで、コレクタ層３０２の価電子帯の上
端のエネルギー値がエミッタ層３０５と比べて１０ｍｅ
Ｖ以上小さいことにより、エミッタ層３０５からベース
層３０４に注入されたホールがコレクタ層３０２に流出
するリーク電流を抑制できる。また、コレクタ層３０２
からベース層３０４へのホールの注入が抑制される。

【００８２】次に、消光時の動作を説明する。

【００８３】図６は消光時におけるベース層３０４とそ
の近傍の電子のエネルギー帯のバンド構造を表わしてい
る。

【００８４】消光時には、ベース層３０４とエミッタ層
３０５との間に順バイアス電圧を印加すると共に、ベー
ス層３０４とコレクタ層３０２とを等電位とする。これ
によりベース層３０４とコレクタ層３０２との間に空乏
層が拡がるため、ベース層３０４は傾斜組成層３０３と
の界面でホールを閉じ込められなくなる。その結果、ベ
ース層３０４に蓄積されていたホールがコレクタ層３０
２に放出されるので、ベース層３０４のホール濃度が低
減して、素子の発光量が減少する。このホールの放出動
作はキャリアの再結合速度に依存しないので高速であ
る。

【００８５】また、第３の実施形態に係る半導体発光素
子は、ベース層３０４とコレクタ層３０２との間に、ベ
ース層３０４との界面では該ベース層３０４の組成とほ
ぼ同一で且つコレクタ層３０２との界面では該コレクタ
層３０２の組成とほぼ同一となるようにその組成が徐々
に変化する傾斜組成層３０３を設けているため、消光時
におけるベース層３０４とコレクタ層３０２との間の界
面障壁は、傾斜組成層３０３を設けない素子と比べて大
幅に低下する。これにより、ベース層３０４と傾斜組成
層３０３との界面に達したホールは速やかにコレクタ層
３０２に移動するため、消光時の素子発光はさらに抑制
される。

【００８６】このように、第３の実施形態によると、低
い逆バイアス電圧で高い消光比を実現できるため、発光
動作と消光動作との高速駆動が可能となる。

【００８７】その上、消光時には、ベース・コレクタ間
の電位を等電位としており、逆バイアス電圧を印加する
必要がないため、駆動回路の構成を簡略化でき、駆動方
法も容易となる。

【００８８】（第４の実施形態）以下、本発明の第４の
実施形態について図面を参照しながら説明する。

【００８９】図７は本発明の第４の実施形態に係る３端
子構成の半導体発光素子であって、ＡｌＧａＡｓ系の化
合物半導体からなるｎｐｎ型の半導体発光素子の断面構
成を示している。

【００９０】図７に示すように、第４の実施形態に係る
半導体発光素子は、ｎ型ＧａＡｓからなる基板４０１上
に順次形成された、ｎ型Ａｌ_0.4Ｇａ_0.6Ａｓからなるコ
レクタ層４０２、膜厚が約２０ｎｍの傾斜組成層４０
３、膜厚が約３００ｎｍのｐ型ＧａＡｓからなるベース
層４０４、及びｎ型Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓからなるエミッ
タ層４０５を有している。

【００９１】第４の実施形態の特徴である、コレクタ層
４０２とベース層４０４との間に設けられた傾斜組成層
４０３は、その組成がコレクタ層４０２との界面では該
コレクタ層４０２の組成とほぼ同一であり、ベース層４
０４との界面では該ベース層４０４の組成とほぼ同一と
なるように構成されている。なお、傾斜組成層４０３の
膜厚は約５ｎｍ〜約１００ｎｍであればよい。

【００９２】また、ｐ型ＧａＡｓからなるベース層４０
４における電子のエネルギー帯の禁制帯幅は、ｎ型Ａｌ
ＧａＡｓからなるコレクタ層４０２及びエミッタ層４０
５の禁制帯幅よりも小さい。

【００９３】基板４０１のコレクタ層４０２と反対側の
面上にはｎ型コレクタ電極４０７が形成されている。

【００９４】ベース層４０４の上面は露出しており、露
出した領域上にはエミッタ層４０５の側面から間隔をお
いてｐ型ベース電極４０８が形成されている。

【００９５】エミッタ層４０５の上には、その一部に高
濃度のｎ型ＧａＡｓからなるｎ型コンタクト層４０６が
形成されており、該ｎ型コンタクト層４０６の上にはｎ
型エミッタ電極４０９が形成されている。

【００９６】第４の実施形態に係る半導体発光素子にお
いて、コレクタ層４０２におけるｐ型ベース電極４０８
と対向する領域であって、エミッタ層４０５と対向しな
い領域にはイオン注入により形成された高抵抗領域４０
２ａが設けられている。

【００９７】また、傾斜組成層４０３及びベース層４０
４の不純物濃度を約１×１０¹⁷ｃｍ ^-3とし、コレクタ層
４０２の不純物濃度を約５×１０¹⁷ｃｍ^-3としている。
一方、エミッタ層４０５の不純物濃度は約１×１０¹⁸ｃ
ｍ^-3としており、コレクタ層４０２の不純物濃度と比べ
て２倍程度の高い値に設定している。これにより、エミ
ッタ層４０５からベース層４０４へのキャリアの注入効
率が向上する。

【００９８】なお、エミッタ層４０５の不純物濃度は、
少なくともコレクタ層４０２と対向する部位が２倍以上
高ければ効果を奏する。

【００９９】第４の実施形態においては、エミッタ層４
０５にはｎ型Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓを用い、コレクタ層４
０２にはエミッタ層４０５と比べてアルミニウムの組成
が大きいｎ型Ａｌ_0.4Ｇａ_0.6Ａｓを用いている。これに
より、コレクタ層４０２の電子のエネルギー帯における
電子親和力は約１０ｍｅＶ小さくなる。言い換えると、
コレクタ層４０２の伝導帯の下端のエネルギー値は、エ
ミッタ層４０５の伝導帯の下端のエネルギー値と比べて
約１０ｍｅＶ大きくなる。これにより、発光時における
電子のコレクタ層４０２への流出を抑制することができ
る。また、エミッタ層４０５からコレクタ層４０２への
リーク電流を抑制できると共に、コレクタ層４０２から
ベース層４０４への電子の逆注入をも抑制することがで
きる。

【０１００】このように、ｎｐｎ型の３端子素子である
第４の実施形態の半導体発光素子は、独立した活性層の
代わりに、ベース層４０４の禁制帯幅をコレクタ層４０
２及びエミッタ層４０５の禁制帯幅よりも小さく設定し
て、該ベース層４０４に再結合光を生成する発光機能を
持たせている。

【０１０１】従って、第４の実施形態に係る係る半導体
発光素子は、第３の実施形態とは逆の導電型であるた
め、発光時にはエミッタ層４０５からベース層４０４に
電子が供給され、消光時にはベース層４０４からコレク
タ層４０２に電子が引き抜かれる。このとき、第３の実
施形態と同様に、ベース層４０４とコレクタ層４０２と
の間に傾斜組成層４０３を設けていること、エミッタ層
４０５の不純物濃度をコレクタ層４０２よりも大きくし
ていること、及びコレクタ層４０２の伝導帯の下端をエ
ミッタ層４０５よりも低くしていることにより、高速動
作を実現することができる。

【０１０２】また、第３の実施形態と同様に、消光時に
ベース・コレクタ間に逆バイアス電圧を印加する必要が
ないため、駆動回路を簡略化できる。

【０１０３】その上、第４の実施形態においては、コレ
クタ層４０２におけるエミッタ層４０５と対向しない領
域に高抵抗領域４０２ａを設けているため、コレクタ層
４０２からベース層４０４へ向かう逆方向のキャリアの
注入を抑制することができる。その結果、コレクタ層４
０２とエミッタ層４０５とに対して等電位を印加したと
しても、ベース層４０４の周縁部において不要な発光光
が生成されることがなくなるので、半導体発光素子に対
する駆動方法が容易となり且つ発光効率も向上する。

【０１０４】（第５の実施形態）以下、本発明の第５の
実施形態について図面を参照しながら説明する。

【０１０５】図８は本発明の第５の実施形態に係る３端
子構成の半導体発光素子であって、ＡｌＧａＡｓ／Ｇａ
Ａｓ／ＧａＩｎＰ系の化合物半導体からなるｐｎｐ型の
半導体発光素子の断面構成を示している。

【０１０６】図８に示すように、第５の実施形態に係る
半導体発光素子は、ｐ型ＧａＡｓからなる基板５０１上
に順次形成された、ｐ型ＧａＩｎＰからなるコレクタ層
５０２、真性のＧａＩｎＰからなるコレクタ側無添加層
５０３ａ及び真性のＧａＡｓからなるベース側無添加層
５０３ｂからなり総膜厚が約１２０ｎｍの無添加半導体
層５０３、膜厚が約３００ｎｍのｎ型ＧａＡｓからなる
ベース層５０４、並びにｐ型Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓからな
り、上部がリッジ状にパターニングされたエミッタ層５
０５を有している。

【０１０７】第５の実施形態の特徴である、コレクタ層
５０２とベース層５０４との間に設けられた無添加半導
体層５０３の不純物濃度は、５×１０¹⁶ｃｍ^-3以下であ
る。

【０１０８】また、ｎ型ＧａＡｓからなるベース層５０
４における電子のエネルギー帯の禁制帯幅は、ｐ型Ｇａ
ＩｎＰからなるコレクタ層５０２及びｐ型ＡｌＧａＡｓ
からなるエミッタ層５０５の禁制帯幅よりも小さい。

【０１０９】基板５０１のコレクタ層５０２と反対側の
面上にはｐ型コレクタ電極５０７が形成されている。

【０１１０】ベース層５０４の上面は露出しており、露
出した領域上にはエミッタ層５０５の側面から間隔をお
いてｎ型ベース電極５０８が形成されている。

【０１１１】エミッタ層５０５のリッジ状領域の上に
は、高濃度のｐ型ＧａＡｓからなるｐ型コンタクト層５
０６が形成されており、また、エミッタ層５０５上で且
つリッジ状領域の側方には二酸化シリコン（ＳｉＯ₂ ）
からなる電流狭窄層５１０がその上面がｐ型コンタクト
層５０６の上面とほぼ一致するように埋め込まれてい
る。電流狭窄層５１０の上にはｐ型コンタクト層５０６
と接触するようにｐ型エミッタ電極５０９が形成されて
いる。

【０１１２】第３の実施形態においては、ベース層５０
４の不純物濃度は約１×１０¹⁷ｃｍ ^-3とし、一方、コレ
クタ層５０２及びエミッタ層５０５の不純物濃度は１×
１０ ¹⁸ｃｍ^-3としている。

【０１１３】また、エミッタ層５０５にはｐ型Ａｌ_0.3
Ｇａ_0.7Ａｓを用い、コレクタ層５０２にはＧａＡｓか
らなる基板５０１とほぼ格子整合する組成を持つｐ型Ｇ
ａＩｎＰを用いている。これにより、コレクタ層５０２
の電子のエネルギー帯における電子親和力と禁制帯幅と
の和はエミッタ層５０５と比べて約５０ｍｅＶ以上大き
くなる。すなわち、コレクタ層５０２の価電子帯の上端
のエネルギー値は、エミッタ層５０５の価電子帯の上端
のエネルギー値よりも約５０ｍｅＶ以上小さくなる。な
お、コレクタ層５０２の価電子帯の上端のエネルギー値
は、エミッタ層５０５よりも１０ｍｅＶ程度小さけれ
ば、発光時におけるホールのコレクタ層５０２への流出
を抑制することができる。

【０１１４】このように、エミッタ層５０５にＡｌＧａ
Ａｓを用い、コレクタ層５０２にＧａＩｎＰを用い、ベ
ース層５０４にＧａＡｓを用いることにより、各半導体
層のヘテロ接合面によるバンドオフセットを大きくしな
がら、コレクタ層５０２の抵抗率を低く抑えることがで
きる。

【０１１５】なお、第５の実施形態に係る半導体発光素
子は、その上面がｐ型エミッタ電極５０９により覆われ
且つ電流狭窄層５１０を有する構成を採るため、ベース
層５０４で生成される発光光は基板５０１の表裏方向で
はなく、発光素子のへき開端面から放出される。

【０１１６】第５の実施形態の特徴として、コレクタ層
５０２とベース層５０４との間に、不純物濃度が５×１
０¹⁶ｃｍ^-3以下である無添加半導体層５０３を設けてい
るため、エミッタ層５０５とコレクタ層５０２との不純
物濃度をほぼ同一の値に設定しても、エミッタ層５０５
からコレクタ層５０２へのリーク電流を抑制することが
できる。その上、コレクタ層５０２からベース層５０４
への逆方向のホール注入をも抑制することができる。

【０１１７】さらに、無添加半導体層５０３により、発
光時のベース・コレクタ間の静電容量が低下するため、
高速駆動が容易になる。

【０１１８】また、消光時には、図９（ａ）のバンド構
造に示すように、無添加半導体層５０３により、ベース
・コレクタ間の界面障壁（スパイク）における電位勾配
が急峻となるため、該界面障壁にホールが蓄積されにく
くなり、消光比の値を大きくすることができる。図９
（ｂ）は比較用であって、ベース層５０４とコレクタ層
５０２との間に無添加半導体層５０３を設けない場合の
消光時のバンド構造を示している。図９（ｂ）に示すよ
うに、ベース層５０４とコレクタ層５０２との間に無添
加半導体層５０３を設けない場合には、ベース層５０４
とコレクタ層５０２との界面にバンドオフセットによる
界面障壁が発生する。

【０１１９】第５の実施形態は、第３の実施形態と同様
に、消光時にベース・コレクタ間に逆バイアス電圧を印
加する必要がないため、駆動回路を簡略化することがで
きる。

【０１２０】なお、第５の実施形態においては、無添加
半導体層５０３をコレクタ側無添加層５０３ａとベース
側無添加層５０３ｂとにより構成して、コレクタ層５０
２及びベース層５０４の両界面にそれぞれ無添加層を設
けているが、このうちの一方のみを無添加層とすること
もできる。

【０１２１】また、ベース層５０４又はコレクタ層５０
２の各不純物分布を制御することにより、ベース層５０
４及びコレクタ層５０２の界面における不純物濃度を抑
制することは容易である。

【０１２２】なお、無添加半導体層５０３を構成するコ
レクタ側無添加層５０３ａとベース側無添加層５０３ｂ
との間に無添加の傾斜組成層を設けてもよい。このよう
にすると、消光時の界面障壁を低減することができる。
また、この場合に、コレクタ側無添加層５０３ａ及びベ
ース側無添加層５０３ｂに代えて、無添加半導体層５０
３を傾斜組成層のみとしてもよい。

【０１２３】また、第５の実施形態においては、ベース
層５０４にＧａＡｓを用いているが、アルミニウムを添
加したＡｌ_xＧａ_1-xＡｓ（但し、ｘは０＜ｘ≦０．３と
する。）を用いて、ベース層５０４の禁制帯幅を拡大す
ると、発光光の短波長化を図ることができる。

【０１２４】また、エミッタ層５０２にＡｌＧａＡｓを
用いているが、コレクタ層５０２と同様にＧａＩｎＰを
用いると、ベース層５０４におけるキャリアの閉じ込め
効果を向上することができる。逆に、コレクタ層５０２
にＡｌＧａＡｓを用いることにより、ベース層５０４と
コレクタ層５０２との間に無添加半導体層５０３又は傾
斜組成層を形成する際の製造プロセスを容易にすること
ができる。

【０１２５】（第６の実施形態）以下、本発明の第６の
実施形態について図面を参照しながら説明する。

【０１２６】図１０は本発明の第６の実施形態に係る３
端子構成の半導体発光素子であって、ＧａＡｓ／ＡｌＧ
ａＡｓ系の化合物半導体からなるｐｎｐ型の半導体発光
素子の断面構成を示している。

【０１２７】図１０に示すように、第６の実施形態に係
る半導体発光素子は、ｐ型ＧａＡｓからなる基板６０１
上に順次形成された、ｐ型Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓからなる
コレクタ層６０２、ｎ型の低濃度ベース層６０３、膜厚
が約３００ｎｍのｎ型ＧａＡｓからなるベース層６０
４、及びｐ型Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓからなるエミッタ層６
０５を有している。

【０１２８】ｎ型ＧａＡｓからなるベース層６０４にお
ける電子のエネルギー帯の禁制帯幅は、ｐ型ＡｌＧａＡ
ｓからなるコレクタ層６０２及びエミッタ層６０５の禁
制帯幅よりも小さい。

【０１２９】第６の実施形態の特徴である、コレクタ層
６０２とベース層６０４との間に設けられた低濃度ベー
ス層６０３は、コレクタ層６０２側から順次形成され
た、膜厚が約３５ｎｍのｎ型Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓからな
るコレクタ側低濃度層６０３ａ、膜厚が約２５ｎｍの傾
斜組成層６０３ｂ、及び膜厚が約１０ｎｍのｎ型ＧａＡ
ｓからなるベース側低濃度層６０３ｃとにより構成され
ている。ここで、コレクタ側低濃度層６０３ａ、傾斜組
成層６０３ｂ及びベース側低濃度層６０３ｃの不純物濃
度はいずれも１×１０¹⁷ｃｍ^-3に設定されている。

【０１３０】また、傾斜組成層６０３ｂは、その組成が
ベース側低濃度層６０３ｃとの界面では該ベース側低濃
度層６０３ｃの組成とほぼ同一であり、コレクタ側低濃
度層６０３ａとの界面では該コレクタ側低濃度層６０３
ａの組成とほぼ同一となるように構成されている。

【０１３１】基板６０１のコレクタ層６０２と反対側の
面上にはｐ型コレクタ電極６０７が形成されている。

【０１３２】ベース層６０４の上面は露出しており、露
出した領域上にはエミッタ層６０５の側面から間隔をお
いてｎ型ベース電極６０８が形成されている。

【０１３３】エミッタ層６０５の上には、その一部に高
濃度のｐ型ＧａＡｓからなるｐ型コンタクト層６０６が
形成されており、該ｐ型コンタクト層６０６の上にはｐ
型エミッタ電極６０９が形成されている。

【０１３４】第６の実施形態においては、ベース層６０
４の不純物濃度を約１×１０¹⁸ｃｍ ^-3とし、コレクタ層
６０５の不純物濃度を約１×１０¹⁷ｃｍ^-3としている。
一方、エミッタ層６０５の不純物濃度は１×１０¹⁸ｃｍ
^-3としており、コレクタ層６０２の不純物濃度と比べて
１０倍程度の高い値に設定している。これにより、エミ
ッタ層６０５からベース層６０４へのキャリアの注入効
率がコレクタ層６０２からベース層６０４への注入効率
と比べて向上する。なお、エミッタ層６０５の不純物濃
度は、コレクタ層６０２の不純物濃度の２倍程度に大き
くすればエミッタ層６０５からの注入効率の向上に有効
である。また、エミッタ層６０５の不純物濃度は、少な
くともコレクタ層６０２と対向する部位が２倍以上高け
れば効果を奏する。

【０１３５】また、コレクタ側低濃度層６０３ａの電子
のエネルギー帯における電子親和力と禁制帯幅との和は
ベース層６０４と比べて約２０ｍｅＶ以上大きいことが
好ましい。すなわち、コレクタ側低濃度層６０３ａの価
電子帯の上端のエネルギー値は、ベース層６０４の価電
子帯の上端のエネルギー値よりも約２０ｍｅＶ以上小さ
いことが好ましい。このようにすると、発光時におい
て、コレクタ・ベース間に順バイアス電圧を印加して
も、コレクタ層６０２からベース層６０４に移動するキ
ャリアに対する障壁が発生する。

【０１３６】また、半導体発光素子の導電型をそれぞれ
反転させる場合であって、コレクタ側低濃度層６０３ａ
の導電型をｎ型とする場合には、伝導帯の下端のエネル
ギー値がベース層６０４よりも約２０ｍｅＶ以上大きい
ことが好ましい。

【０１３７】以下、前記のように構成された半導体発光
素子の発光動作及び消光動作を説明する。

【０１３８】まず、発光時の動作を説明する。

【０１３９】図１１は発光時におけるベース層６０４と
その近傍の電子のエネルギー帯のバンド構造を表わして
いる。図１１において、エネルギー準位に付した符号は
図１０に示した半導体層とそれぞれ対応している。

【０１４０】発光時には、ベース層６０４とエミッタ層
６０５とに、及びベース層６０４とコレクタ層６０２と
にそれぞれ同電位の順バイアス電圧を印加する。

【０１４１】図１１に示すように、第６の実施形態にお
いては、エミッタ層６０５とコレクタ層６０２のそれぞ
れの価電子帯の上端のエネルギー値は同等であるが、ｎ
型のベース層６０４とｐ型のコレクタ層６０２との間に
ｎ型の低濃度ベース層６０３を設けていることにより、
該低濃度ベース層６０３とコレクタ層６０２とのｐｎ接
合により、ベース層６０４とコレクタ層６０２との間に
ホールに対するエネルギー障壁６００が発生する。この
エネルギー障壁６００により、エミッタ層６０５の電位
とコレクタ層６０２の電位とを全く同一の値としてもコ
レクタ層６０２からベース層６０４への逆方向のホール
注入を防ぐことができる。その結果、図１０に示すベー
ス層６０４におけるｎ型ベース電極６０８の下側部分及
びベース層６０４の露出部分での発光光の生成を抑制す
ることができる。

【０１４２】その上、エミッタ層６０５とコレクタ層６
０２との電位を同一の値に設定できるため、素子の駆動
方法が容易となり、且つエミッタ層６０５からコレクタ
層６０２へのリーク電流も生じない。

【０１４３】また、コレクタ層６０２からベース層６０
４への逆方向のキャリアの注入を防ぐことができるた
め、第４の実施形態のようにコレクタ層４０２に高抵抗
領域４０２ａを設ける必要がなく、素子の製造プロセス
が簡単化する。

【０１４４】また、低濃度ベース層６０３により生じる
エネルギー障壁６００により、発光時においてエミッタ
層６０５とコレクタ層６０２と電位が多少異なっていて
も、エミッタ層６０５とコレクタ層６０２との間のリー
ク電流が抑制される。

【０１４５】さらに、発光時には、低濃度ベース層６０
３とコレクタ層６０２との界面に空乏層が生じるため、
ベース層６０４とコレクタ層６０２との間の静電容量が
低下するので、低濃度ベース層６０３を設けない素子と
比べて高速駆動時の応答が改善される。

【０１４６】以下、第６の実施形態に係る半導体発光素
子の消光動作を説明する。

【０１４７】図１２は消光時における電子のエネルギー
帯のバンド構造を表わしている。図１２において、エネ
ルギー準位に付した符号は図１０に示した半導体層とそ
れぞれ対応している。

【０１４８】消光時には、エミッタ層６０５をベース層
６０４に対して順バイアス電圧を印加すると共に、コレ
クタ層６０２とベース層６０４とを等電位とする。これ
により、コレクタ層６０２がベース層６０４に対して、
順バイアス電圧の印加時と比べて空乏層の幅が拡大する
ため、低濃度ベース層６０３及びコレクタ層６０２によ
るホールの閉じ込めができなくなる。その結果、ベース
層６０４のホールがコレクタ層６０２に引き出されてエ
ミッタ・コレクタ間に多くの電流が流れる一方、ベース
層６０４のホール濃度が低下してベース層６０４からの
発光量は抑制される。

【０１４９】第６の実施形態においては、コレクタ側低
濃度層６０３ａとベース側低濃度層６０３ｃとの間に傾
斜組成層６０３ｂを設けているため、コレクタ側低濃度
層６０３ａとベース側低濃度層６０３ｃとの間の界面障
壁が緩和されるので、特に、消光時のキャリアに対する
引き抜き効果が向上する。その結果、第６の実施形態に
係る半導体発光素子は高速な発光動作及び消光動作を行
なうことができる。

【０１５０】また、第６の実施形態においては、消光時
にベース・コレクタ間に逆バイアス電圧を印加する必要
がなく、さらには、コレクタ層６０２からベース層６０
４へのホールの逆注入が抑制されるため、素子の製造の
みならず駆動方法も容易となる。

【０１５１】以下、第６の実施形態の一変形例として、
コレクタ側低濃度層６０３ａとベース側低濃度層６０３
ｃの間の傾斜組成層６０３ｂを省略した構成を説明す
る。このようにすると、その成長時に組成を徐々に変化
させる必要がある傾斜組成層６０３ｂを形成しなくても
済むため、素子の製造プロセスを簡略化することができ
る。

【０１５２】図１３及び図１４は本変形例に係る半導体
発光素子におけるバンド構造であって、図１３は発光時
を表わし、図１４は消光時を表わしている。

【０１５３】図１４に示すように、消光時はベース層６
０４とコレクタ層６０２との間に、エネルギーバンドの
不連続に起因する界面障壁（スパイク）が発生するが、
コレクタ側低濃度層６０３ａを設けていることにより、
スパイクの位置が高電界の空乏層の中央部に位置するた
め、スパイクの影響が抑制される。その結果、ベース層
６０４に蓄積されていたホールをコレクタ層６０２に確
実に引き抜くことができ、消光時の素子の発光を抑える
ことができる。

【０１５４】なお、第６の実施形態及びその変形例にお
いて、低濃度ベース層６０３の不純物濃度は、ベース層
６０４の不純物濃度の２分の１以下であることが好まし
い。

【０１５５】さらには、低濃度ベース層６０３の不純物
濃度が１×１０¹⁶ｃｍ^-3〜５×１０ ¹⁷ｃｍ^-3であり、そ
の膜厚が３０ｎｍ〜４００ｎｍであることが好ましい。
これにより、エミッタ層６０５とコレクタ層６０２とを
等電位とすると、低濃度ベース層６０３がキャリアに対
するエネルギー障壁として機能し、また、ベース層６０
４とコレクタ層６０２とを等電位とすると、該エネルギ
ー障壁を除去できるため、第６の実施形態に係る半導体
発光素子の駆動を容易に且つ確実に行なえるようぬな
る。

【０１５６】また、低濃度ベース層６０３における、コ
レクタ側低濃度層６０３ａ、傾斜組成層６０３ｂ及びベ
ース側低濃度層６０３ｃの不純物濃度の制御は、例えば
コレクタ側低濃度層６０３ａを例に採ると、まず、コレ
クタ層６０２と同等のｐ型不純物イオンをドープしなが
ら成膜しておき、その後、コレクタ側低濃度層６０３ａ
の形成部分に対してｎ型不純物イオンをドープすること
により、コレクタ側低濃度層６０３ａのｎ型不純物濃度
を低濃度としてもよい。

【０１５７】なお、第１〜第６の各実施形態において
は、半導体発光素子の一例として、自然放出光を利用す
る発光ダイオード素子を挙げたが、本発明は誘導放出光
を利用する端面出射型又は面発光型の半導体レーザ素子
等にも応用することもできる。

【０１５８】また、半導体発光素子を構成する半導体材
料には、III-Ｖ族化合物半導体、例えば、ＧａＡｓ、Ａ
ｌＡｓ、ＩｎＡｓ、ＧａＰ、ＡｌＰ、ＩｎＰ、ＧａＮ、
ＡｌＮ又はＩｎＮ等を用いることができる。また、II−
VI族化合物半導体、例えば、ＺｎＳｅ、ＣｄＳｅ、Ｍｇ
Ｓｅ、ＺｎＳ、ＣｄＳ、ＺｎＴｅ、ＣｄＴｅ、ＺｎＯ、
ＣｄＯ又はＭｇＯ等を用いることができる。さらには、
ＡｌＧａＡｓ、ＧａＩｎＰ、ＡｌＧａＩｎＰ、ＩｎＧａ
ＡｓＰ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＺｎＣｄＳｅ又はＭ
ｇＺｎＯ等の化合物半導体の混晶材料を用いてもよい。

【０１５９】また、半導体発光素子の基板材料には、上
記の化合物半導体のうち導電性を持つ半導体基板を用い
ることにより、基板の素子形成面と反対側の面に電極を
形成できるため、素子の製造プロセスを簡単化すること
ができる。

【０１６０】一方、基板材料に、上記の化合物半導体の
うちの半絶縁性基板、又はサファイア若しくは酸化シリ
コン等からなる絶縁性基板を用いることにより、発光素
子の静電容量が低減するため高周波特性が向上する。そ
の上、複数の素子を形成する際に素子同士が絶縁される
ので、素子の集積化が容易となる。

【０１６１】（第７の実施形態）以下、本発明の第７の
実施形態について図面を参照しながら説明する。

【０１６２】図１５は本発明の第７の実施形態に係る半
導体発光素子の駆動装置の機能ブロックの構成を示して
いる。

【０１６３】図１５に示すように、第７の実施形態に係
る半導体発光素子の駆動装置は、ｐｎｐ型であって、エ
ミッタ、ベース及びコレクタの３端子構成の半導体発光
素子７０１と、第１の電源電圧Ｖ_CC1 を受け、半導体発
光素子７０１のエミッタに所定の駆動電流Ｉ_E を供給す
る定電流制御手段としての定電流生成回路７０２と、制
御信号と第２の電源電圧Ｖ_CC2 とを受け、半導体発光素
子７０１のコレクタの電位を制御することにより半導体
発光素子７０１の発光状態を制御する発光状態制御手段
としての発光制御回路７０３とを有している。

【０１６４】ここで、半導体発光素子７０１のベース
は、所定電位印加手段である第１の接地端子７０４と接
続されている。

【０１６５】定電流生成回路７０２は、駆動電流Ｉ_E を
半導体発光素子７０１のエミッタにエミッタ・ベース間
が順バイアスとなるように供給する。

【０１６６】発光制御回路７０３は、外部から入力され
る制御信号に応じて半導体発光素子７０１のコレクタを
高電位状態又は高抵抗状態と低電位の状態との間で変化
させる。

【０１６７】半導体発光素子７０１は、例えば、第１の
実施形態に係る半導体発光素子のように、コレクタ・ベ
ース間の順方向を正電位とすると、コレクタ電位がベー
ス電位よりも高い電位、すなわち順バイアス状態又は等
電位とされた場合に発光状態となる。逆に、十分に低い
電位、すなわち逆バイアス状態とされた場合に消光状態
となる。

【０１６８】以下、第７の実施形態に係る半導体発光素
子の駆動装置の発光時及び消光時のの駆動方法の具体例
を説明する。

【０１６９】まず、発光動作を説明する。

【０１７０】外部からの制御信号により発光制御回路７
０３を操作し、半導体発光素子７０１のコレクタからみ
て発光制御回路７０３を高抵抗状態とすることにより、
半導体発光素子７０１は、コレクタの電位がベースとエ
ミッタとの中間の電位となって発光状態となる。また、
他の方法として、半導体発光素子７０１は、例えばコレ
クタを第２の接地端子７０５と接地すると、コレクタ・
ベース間が等電位となって発光状態となる。

【０１７１】次に、消光動作を説明する。

【０１７２】外部からの制御信号により発光制御回路７
０３を操作して、半導体発光素子７０１のコレクタに第
２の電源電圧Ｖ_CC2 を印加すると、コレクタ・ベース間
が逆バイアス状態となる。この逆バイアス状態により、
第２の電源電圧Ｖ_CC2 が十分に大きければ、エミッタか
ら注入される電荷の大部分がコレクタに引き抜かれるた
め、活性層のキャリア密度が低下する。さらに、活性層
におけるキャリアの閉じ込め効果が低下して、コレクタ
にキャリアが引き抜かれ始めると、エミッタからの注入
電流が増加しようとするが、第７の実施形態において
は、定電流生成回路７０２によってエミッタに供給され
る電流量が一定となるよう制御されている。

【０１７３】従って、エミッタ・ベース間の順バイアス
電圧は低下し、エミッタと活性領域との界面におけるエ
ミッタ側の擬フェルミ準位が低下する。これにより、活
性領域とベースとの界面だけでなく、該活性領域とエミ
ッタとの界面においてもキャリア密度が低下するため、
活性領域のキャリア密度は大幅に低下し、半導体発光素
子７０１の発光状態はさらに抑制される。

【０１７４】このように、第７の実施形態によると、３
端子構成の半導体発光素子７０１の消光比を容易に且つ
確実に高めることができる。

【０１７５】なお、第７の実施形態に係る発光制御回路
７０３の一例として、例えばｎｐｎ型のバイポーラトラ
ンジスタを用いてもよい。該バイポーラトランジスタの
コレクタ端子を半導体発光素子７０１のコレクタと接続
し、エミッタ端子を第２の電源電圧Ｖ_CC2 と接続し、ベ
ース端子に制御信号が入力されるように接続することに
より容易に実現することができる。

【０１７６】また、発光制御回路７０３に、ｐｎｐ型の
バイポーラトランジスタを用いることもできる。この場
合は、バイポーラトランジスタのエミッタ端子を半導体
発光素子７０１のコレクタと接続し、コレクタ端子を第
２の電源電圧Ｖ_CC2 と接続し、ベース端子に制御信号が
入力されるようにする。

【０１７７】発光制御回路７０３の回路構成は、これら
ｎｐｎ型又はｐｎｐ型のバイポーラトランジスタに限ら
れない。すなわち、多段のトランジスタ構成でも良く、
電界効果型トランジスタ（ＦＥＴ）又は高電子移動度ト
ランジスタ（ＨＥＭＴ）等を用いることにより、駆動動
作の安定化及び高速化を図ることも可能である。従っ
て、発光制御回路７０３の機能を実現できれば、回路構
成は限定されない。

【０１７８】（第８の実施形態）以下、本発明の第８の
実施形態について図面を参照しながら説明する。

【０１７９】図１６は本発明の第８の実施形態に係る半
導体発光素子の駆動装置の機能ブロックの構成を示して
いる。

【０１８０】図１６に示すように、第８の実施形態に係
る半導体発光素子の駆動装置は、ｐｎｐ型であって、エ
ミッタ、ベース及びコレクタの３端子構成の半導体発光
素子８０１と、第１の電源電圧Ｖ_CC1 を受け、半導体発
光素子８０１のエミッタに所定の駆動電流Ｉ_E を供給す
る定電流制御手段としての定電流生成回路８０２と、制
御信号を受け、半導体発光素子８０１のエミッタ又はコ
レクタの電位を制御することにより半導体発光素子８０
１の発光状態を制御する発光状態制御手段としての発光
制御回路８０３とを有している。

【０１８１】ここで、半導体発光素子８０１のベース
は、所定電位印加手段である第１の接地端子８０４と接
続されている。

【０１８２】定電流生成回路８０２は、駆動電流Ｉ_E を
半導体発光素子８０１のエミッタにエミッタ・ベース間
が順バイアスとなるように供給する。

【０１８３】発光制御回路８０３は、外部から入力され
る制御信号に応じて半導体発光素子８０１のコレクタを
高電位状態又は高抵抗状態と低電位の状態との間で変化
させる。

【０１８４】半導体発光素子８０１は、例えば、第３の
実施形態に係る半導体発光素子のように、コレクタ・ベ
ース間の順方向を正電位とすると、コレクタ電位がベー
ス電位よりも高い電位、すなわち順バイアス状態とされ
た場合に発光状態となる。逆に、ほぼ等電位とされた場
合に消光状態となる。

【０１８５】以下、第８の実施形態に係る半導体発光素
子の駆動装置の発光時及び消光時のの駆動方法の具体例
を説明する。

【０１８６】まず、発光動作を説明する。

【０１８７】外部からの制御信号により発光制御回路８
０３を操作し、半導体発光素子８０１のコレクタからみ
て発光制御回路８０３を高抵抗状態とすることにより、
該半導体発光素子８０１は、コレクタの電位がエミッタ
とほぼ等電位となり、且つベースに対して順バイアス状
態となるため発光する。なお、この場合、発光制御回路
８０３は半導体発光素子８０１のエミッタと接続されて
いる必要はない。また、他の方法として、半導体発光素
子８０１は、コレクタをエミッタと直接に接続すると、
コレクタ・ベース間が順バイアス状態となるため発光す
る。

【０１８８】次に、消光動作を説明する。

【０１８９】外部からの制御信号により発光制御回路８
０３を操作して、半導体発光素子８０１のコレクタを第
２の接地端子８０５と接続して接地電位を印加すると、
コレクタ・ベース間でキャリアの閉じ込めができなくな
る。その結果、エミッタから注入される電荷の大部分が
コレクタに引き抜かれるため、ベースのキャリア密度が
低下する。このとき、第７の実施形態と同様に、定電流
生成回路８０２によってエミッタに供給される電流量が
一定となるよう制御されているため、エミッタ・ベース
間の順バイアス電圧が低下し、ベースのキャリア密度は
大幅に低下し、素子の発光はさらに抑制される。

【０１９０】このように、第８の実施形態によると、３
端子構成の半導体発光素子８０１の消光比を容易に且つ
確実に高めることができる。

【０１９１】なお、第８の実施形態に係る発光制御回路
８０３の一例として、例えばｎｐｎ型のバイポーラトラ
ンジスタを用いてもよい。該バイポーラトランジスタの
コレクタ端子を半導体発光素子８０１のコレクタと接続
し、エミッタ端子を第２の接地端子８０５と接続し、ベ
ース端子に制御信号が入力されるように接続することに
より容易に実現することができる。この場合の制御信号
として、例えば発光時には０Ｖ（接地電位）の制御電圧
を用い、消光時には０．８Ｖ以上の正の制御電圧を用い
る。これにより、発光時はバイポーラトランジスタのコ
レクタ端子の状態が高抵抗状態となり、消光時は接地状
態に近い低電位状態（低抵抗状態）となって、本実施形
態に係る発光動作及び消光動作の制御が可能となる。

【０１９２】また、発光制御回路８０３に、ｐｎｐ型の
バイポーラトランジスタを用いることもできる。すなわ
ち、バイポーラトランジスタのエミッタ端子を半導体発
光素子８０１のコレクタと接続し、コレクタ端子を第２
の接地端子８０５と接続し、ベース端子に制御信号が入
力されるようにする。この場合の制御信号として、例え
ば発光時には、半導体発光素子８０１の発光時のエミッ
タ電位よりも高い制御電圧を用い、消光時には０Ｖ（接
地電位）の制御電圧を用いる。これにより、発光時に
は、バイポーラトランジスタのエミッタ端子が高抵抗状
態となり、消光時は接地電位に近い０．７Ｖ程度の低電
位状態（低抵抗状態）となるため、本実施形態に係る発
光動作及び消光動作の制御が可能となる。

【０１９３】発光制御回路８０３の回路構成は、これら
ｎｐｎ型又はｐｎｐ型のバイポーラトランジスタに限ら
れない。すなわち、多段のトランジスタ構成でも良く、
電界効果型トランジスタ（ＦＥＴ）又は高電子移動度ト
ランジスタ（ＨＥＭＴ）等を用いることにより、駆動動
作の安定化及び高速化を図ることも可能である。従っ
て、発光制御回路８０３の機能を実現できれば、回路構
成は限定されない。

【０１９４】なお、第７及び第８の実施形態において
は、ｐｎｐ型の３端子半導体発光素子を正の電源により
駆動する例を挙げたが、ｎｐｎ型の３端子半導体発光素
子の駆動に適用したり、また電源の正負を逆転させて実
質的に等価な回路構成とすることも容易に行なえる。

【０１９５】また、第７及び第８の実施形態において
は、３端子構成の半導体発光素子のベースを第１の接地
端子と直接に接地しているが、第１の接地端子との間に
抵抗器又はダイオード素子等を挿入して、ベース電位を
接地電位から上昇させることにより、発光動作及び消光
動作の制御性を改善することも可能である。

【０１９６】また、第７及び第８の実施形態において、
外部から入力される制御信号に対し、抵抗器及び静電容
量により構成される微分回路等を設けることにより、発
光動作の開始時の立上がり及び停止時（消光時）の立下
がりの特性を改善することも可能である。

【０１９７】

【発明の効果】本発明に係る第１の半導体発光素子によ
ると、消光時にキャリアが第１の半導体層に引き抜かれ
易くなる。その結果、低い逆バイアス電圧であっても、
活性層のホールの残存量を十分に低下させることができ
るので、低電圧駆動で消光比を大きくすることができ
る。

【０１９８】本発明に係る第２又は第５の半導体発光素
子によると、消光時にキャリアが第１の半導体層に引き
抜かれ易くなる。その結果、低い逆バイアス電圧であっ
ても、第３の半導体層のキャリアの残存量を十分に低下
させることができるので、低電圧駆動で消光比を大きく
することができる。

【０１９９】本発明に係る第３又は第４の半導体発光素
子によると、発光時において第３の半導体層にキャリア
が蓄積され易くなる。その結果、低い逆バイアス電圧で
あっても、発光時に第３の半導体層のキャリアの蓄積量
を十分に大きくすることができるので、低電圧駆動で消
光比を大きくすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態に係る３端子構成のｐ
ｎｐ型の半導体発光素子を示す構成断面図である。

【図２】本発明の第１の実施形態に係る半導体発光素子
における消光時の活性層及びその近傍の価電子帯端の電
子のエネルギー帯を示すバンド図である。

【図３】本発明の第２の実施形態に係る３端子構成のｎ
ｐｎ型の半導体発光素子を示す構成断面図である。

【図４】本発明の第３の実施形態に係る３端子構成のｐ
ｎｐ型の半導体発光素子を示す構成断面図である。

【図５】本発明の第３の実施形態に係る半導体発光素子
の発光時における電子のエネルギー帯のバンド図であ
る。

【図６】本発明の第３の実施形態に係る半導体発光素子
の消光時における電子のエネルギー帯のバンド図であ
る。

【図７】本発明の第４の実施形態に係る３端子構成のｎ
ｐｎ型の半導体発光素子を示す構成断面図である。

【図８】本発明の第５の実施形態に係る３端子構成のｐ
ｎｐ型の半導体発光素子を示す構成断面図である。

【図９】（ａ）は本発明の第５の実施形態に係る半導体
発光素子の消光時における電子のエネルギー帯のバンド
図である。（ｂ）は比較用であって、無添加半導体層を
設けない半導体発光素子の消光時における電子のエネル
ギー帯のバンド図である。

【図１０】本発明の第６の実施形態に係る３端子構成の
ｐｎｐ型の半導体発光素子を示す構成断面図である。

【図１１】本発明の第６の実施形態に係る半導体発光素
子の発光時における電子のエネルギー帯のバンド図であ
る。

【図１２】本発明の第６の実施形態に係る半導体発光素
子の消光時における電子のエネルギー帯のバンド図であ
る。

【図１３】本発明の第６の実施形態の一変形例に係る半
導体発光素子の発光時における電子のエネルギー帯のバ
ンド図である。

【図１４】本発明の第６の実施形態の一変形例に係る半
導体発光素子の消光時における電子のエネルギー帯のバ
ンド図である。

【図１５】本発明の第７の実施形態に係る半導体発光素
子の駆動装置を示す機能ブロック図である。

【図１６】本発明の第８の実施形態に係る半導体発光素
子の駆動装置を示す機能ブロック図である。

【図１７】従来の３端子構成の半導体発光素子を示す構
成断面図である。

【図１８】従来の半導体発光素子の発光時における電子
のエネルギー帯のバンド図である。

【図１９】従来の半導体発光素子の発光時における電子
のエネルギー帯のバンド図である。

【図２０】従来の半導体発光素子における消光時の活性
層及びその近傍の価電子帯端の電子のエネルギー帯を示
すバンド図である。

【符号の説明】

１０１ 基板 １０２ コレクタ層 １０３ ベース層 １０４ 傾斜組成層 １０５ 活性層 １０６ エミッタ層 １０７ ｐ型コンタクト層 １０８ ｐ型コレクタ電極 １０９ ｎ型ベース電極 １１０ ｐ型エミッタ電極 ２０１ 絶縁性基板 ２０２ エミッタ層 ２０２ａ 高抵抗領域 ２０３ 活性層 ２０４ 傾斜組成層 ２０５ ベース層 ２０６ コレクタ層 ２０７ ｎ型コンタクト層 ２０８ ｎ型コレクタ電極 ２０９ ｎ型エミッタ電極 ２１０ ｐ型ベース電極 ３０１ 基板 ３０２ コレクタ層 ３０３ 傾斜組成層 ３０４ ベース層 ３０５ エミッタ層 ３０６ ｐ型コンタクト層 ３０７ ｐ型コレクタ電極 ３０８ ｎ型ベース電極 ３０９ ｐ型エミッタ電極 ４０１ 基板 ４０２ コレクタ層 ４０２ａ 高抵抗領域 ４０３ 傾斜組成層 ４０４ ベース層 ４０５ エミッタ層 ４０６ ｎ型コンタクト層 ４０７ ｎ型コレクタ電極 ４０８ ｐ型ベース電極 ４０９ ｎ型エミッタ電極 ５０１ 基板 ５０２ コレクタ層 ５０３ 無添加半導体層 ５０３ａ コレクタ側無添加層 ５０３ｂ ベース側無添加層 ５０４ ベース層 ５０５ エミッタ層 ５０６ ｐ型コンタクト層 ５０７ ｐ型コレクタ電極 ５０８ ｎ型ベース電極 ５０９ ｐ型エミッタ電極 ５１０ 電流狭窄層 ６００ エネルギー障壁 ６０１ 基板 ６０２ コレクタ層 ６０３ 低濃度ベース層 ６０３ａ コレクタ側低濃度層 ６０３ｂ 傾斜組成層 ６０３ｃ ベース側低濃度層 ６０４ ベース層 ６０５ エミッタ層 ６０６ ｐ型コンタクト層 ６０７ ｐ型コレクタ電極 ６０８ ｎ型ベース電極 ６０９ ｐ型エミッタ電極 ７０１ 半導体発光素子 ７０２ 定電流生成回路（定電流制御手段） ７０３ 発光制御回路（発光状態制御手段） ７０４ 第１の接地端子（所定電位印加手段） ７０５ 第２の接地端子 ８０１ 半導体発光素子 ８０２ 定電流生成回路（定電流制御手段） ８０３ 発光制御回路（発光状態制御手段） ８０４ 第１の接地端子（所定電位印加手段） ８０５ 第２の接地端子

フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭60−167390（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−59793（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−75347（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−280338（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−8340（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−53768（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 33/00 H01S 5/00 - 5/50

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 それぞれが第１導電型の第１の半導体層
   及び第２の半導体層と、 前記第１の半導体層及び第２の半導体層の間に設けられ
   た第２導電型の第３の半導体層と、 前記第２の半導体層と前記第３の半導体層との間に設け
   られ、前記第２の半導体層及び第３の半導体層から注入
   される電荷により発光する活性層と、 前記活性層と前記第３の半導体層との間に設けられ、前
   記活性層との界面では前記活性層の組成とほぼ同一で且
   つ前記第３の半導体層との界面では前記第３の半導体層
   の組成とほぼ同一となるように、その組成が変化する傾
   斜組成層とを備え、 前記第３の半導体層に電荷を注入するベース電極は、前
   記傾斜組成層及び活性層を介在させて前記第３の半導体
   層と接続されており、 前記活性層の禁制帯幅は前記第３の半導体層の禁制帯幅
   よりも小さい ことを特徴とする半導体発光素子。
2. 【請求項２】 前記活性層及び傾斜組成層における前記
   ベース電極と前記第２の半導体層との間の領域が除去さ
   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。
3. 【請求項３】 前記第２の半導体層の不純物濃度は、少
   なくとも前記第１の半導体層と対向する側の領域が前記
   第１の半導体層の不純物濃度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。