JP3674410B2 - 化合物半導体発光素子及び発光ダイオードアレイ - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、化合物半導体発光素子及び発光ダイオードアレイに関する。
【0002】
【従来の技術】
AlGaAs系の発光ダイオード(以下「LED」という。)は、表示素子用、光プリンタの書き込み光源用か、あるいはコンパクトディスク等の読取り光源用として盛んに開発され実用化が進められている。近年、半導体素子を含む電子機器には低消費電力化が厳しく要求されるようになり、発光素子に対してもより低い電力で高い発光出力が得られること、すなわち発光効率の向上が強く要求されている。
【0003】
この種の発光素子の基本構造は、発光層の表裏両面に発光層よりもバンドギャップが広いクラッド層が形成されたダブルヘテロ構造(以下「DH構造」という。)とするのが一般的である。このDH構造により、発光層とクラッド層との界面に電位障壁が生じ、発光層に注入された電子・正孔(キャリア)をこの層内に閉じ込めることが可能となる。この閉じ込められたキャリアが発光再結合することにより、発光出力が得られる。
【0004】
しかし、発光層や発光層とクラッド層との界面に結晶欠陥があると、キャリアは欠陥の準位を介して非発光再結合してしまい、発光効率が著しく低下する。これらの欠陥を低減させることが発光効率を向上させる上での鍵となる。
【0005】
図3は従来のAlGaAsレーザダイオードの断面図である。図4は従来の発光ダイオードアレイの発光部の断面図である。
【0006】
図3に示すAlGaAsレーザダイオードは、n型GaAs基板1上に、n型GaAsバッファ層2、n型Al0.4 Ga0.6 Asクラッド層3、p型Al0.1 Ga0.9 As発光層4、p型Al0.4 Ga0.6 Asクラッド層5及びp型Al0.1 Ga0.9 As電極コンタクト層6をこの順序でMOVPE法で成長させたものが用いられている。
【0007】
このp型Al0.1 Ga0.9 As電極コンタクト層6上に絶縁膜7が形成され、この絶縁膜7にストライプ状の窓が形成された後、アノード電極8が形成され、n型GaAs基板1の裏面にカソード電極9が形成されたものである。
【0008】
図4に示す発光ダイオードアレイは、クラッド層11にn型GaInPを適用したLEDアレイの一発光部であり、n型GaAs基板1上に、n型GaAsバッファ層2、n型Al0.4 Ga0.6 Asクラッド層3、p型Al0.2 Ga0.8 As発光層10、p型Al0.4 Ga0.6 Asクラッド層5及びp型Al0.1 Ga0.9 As電極コンタクト層6をこの順序でMOVPE法で成長させたものが用いられている。
【0009】
p型Al0.1 Ga0.9 As電極コンタクト層6は、光の吸収層となるため、アノード電極8との接触部を除き、エッチングにより除去されている。発光部はメサエッチングにより電気的に分離されている。発光部表面には光の取り出し効率向上と機械的保護とを兼ねて絶縁膜7が形成されている。n型GaAs基板1の裏面にはカソード電極9が形成されている。
【0010】
これらAlGaAsやGaAsを発光層とする発光素子には、AlGaAsがクラッド層に用いられるのが一般的であった。これは、AlGaAsが組成によらずGaAsと格子整合することや、組成を変えることによりバンドギャップが1.42eV〜2.16eVの広い範囲で可変なこと等の理由により、理想的なDH構造が容易に実現できると考えられたからである。
【0011】
また、発光素子は基本的にpn接合デバイスであり、一方のクラッド層をp型とし、他方のクラッド層をn型とし、これらのクラッド層の間にp型か、あるいはn型の発光層を形成することによりpn接合を構成するのが一般的であった。クラッド層や発光層は、エピタキシャル成長法によりGaAs基板上に成長される。エピタキシャル成長法としては、当初、液層エピタキシー法(以下「LPE法」という。)が主流であった。このLPE法は良質なエピタキシャル層を得る上で非常に有効である。
【0012】
しかし、膜厚や組成の制御性が悪いという問題があり、最近では、有機金属気相エピタキシー法(以下「MOVPE法」という。)や分子線エピタキシー(以下「MBE法」という。)が主に用いられるようになっている。
【0013】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、MOVPE法やMBE法でn型AlGaAs層を成長させると、このn型AlGaAs層内にはドナーに起因する結晶欠陥が生じる。これは、一般的にDXセンタと呼ばれ、AlAs混晶比が高い程、また添加されるドナーの密度が高い程欠陥は高密度に発生する。n型AlGaAsクラッド層は、電子の閉じ込め効果を高くするため、AlAs混晶比とキャリア濃度をいずれも高くする必要がある。このため、クラッド層内には比較的高密度の結晶欠陥が存在する。このようなクラッド層を発光素子に用いた場合、この層と発光面との界面でキャリアの非発光再結合が起こる。この非発光再結合により、LEDの場合は発光出力が低下し、レーザダイオード(以下「LD」という。)の場合は誘導放出を得るのに必要な閾電流密度が増加する。すなわち、いずれの発光素子においても発光効率が著しく低下するという問題があった。
【0014】
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、発光層とクラッド層との界面の結晶欠陥を低減させ、発光効率の高い化合物半導体発光素子及び発光ダイオードアレイを提供することにある。
【0015】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明の化合物半導体発光素子は、AlGaAsか、あるいはGaAsを主構成材料とする発光層と、発光層を挟むように形成され発光層の材料よりもバンドギャップが広いクラッド層とを有するダブルヘテロ構造の化合物半導体発光素子において、クラッド層の一方がn型GaInP、n型AlInPまたはn型AlGaInPのいずれかで構成されており、クラッド層の他方がp型AlGaAsで構成されているものである。
【0016】
本発明の発光ダイオードアレイは、AlGaAsか、あるいはGaAsを主構成材料とする発光層と、発光層を挟むように形成され発光層の材料よりもバンドギャップが広いクラッド層とを有するダブルヘテロ構造の発光ダイオードが同一チップ上に複数個形成された発光ダイオードアレイにおいて、クラッド層の一方がn型GaInP、n型AlInPまたはn型AlGaInPのいずれかで構成されており、クラッド層の他方がp型AlGaAsで構成されているものである。
【0017】
ここで、GaInP、AlInP、AlGaInPは、MOVPE法で比較的容易に成長させることができ、組成制御によりGaAsと格子整合させることが可能である。GaInPは、GaP混晶比が約0.5でGaAsと格子整合し、この時のバンドギャップは約1.9eVである。AlInPも、AlP混晶比が約0.5でGaAsと格子整合し、この時のバンドギャップは約2.4eVである。AlGaInPの場合は、InP混晶比が約0.5の時、AlPとGaPとの混晶比によらずGaAsと格子整合する。この時のバンドギャップは概ね1.9eV〜2.4eVの範囲である。
【0018】
DH構造の発光素子では、発光層に比べてクラッド層のバンドギャップを広くする必要がある。GaAsやAlGaAsを発光層とする発光素子では、発光層の組成により発光ピーク波長を概ね660nm〜870nmの範囲で変えることができる。この時のバンドギャップは概ね1.4〜1.9eVの範囲である。
【0019】
LDでは、誘導放出を得る必要があり、発光層のバンドギャップとクラッド層のバンドギャップとの差は、0.3eV以上必要である。従って、発光層のバンドギャップが1.6eV以下の場合は、GaInP、AlInP、AlGaInPの全てがクラッド層に適用できる。また、発光層のバンドギャップが1.6eVを超える場合は、AlInPまたはAlGaInPがクラッド層に適用できる。
【0020】
LEDの場合は、発光層のバンドギャップとクラッド層のバンドギャップとの差が0.15eV以上あれば十分なキャリアの閉じ込め効果が得られる。従って、発光層のバンドギャップが1.75eV以下の場合は、GaInP、AlInP、AlGaInPの全てがクラッド層に適用できる。また、発光層のバンドギャップが1.75eVを超える場合は、AlInPまたはAlGaInPがクラッド層に適用できる。
【0021】
以上述べたように、GaInP、AlInP、AlGaInPは、GaAsとの格子整合及びバンドギャップの面でクラッド層の必要条件を満たしている。問題はこれらの層をMOVPE法で成長させた場合の結晶欠陥発生の有無である。
【0022】
前述したように、MOVPE法で成長させたn型AlGaAsにはドナーに起因する結晶欠陥が発生するが、同様の方法で成長させたn型GaInP、n型AlInP、n型AlGaInPには同種の結晶欠陥は検出されない。これらのエピタキシャル層を発光素子のクラッド層に適用すれば、発光層とクラッド層との界面の結晶欠陥を大幅に低減できる。この効果を確認するため、n型Al0.15Ga0.85As/n型Al0.4 Ga0.6 As、n型Al0.15Ga0.85As/n型GaInP、n型Al0.15Ga0.85As/n型AlGaInP及びn型Al0.15Ga0.85As/n型AlInPの各界面の非発光再結合速度(S)を時間分解フォトルミネッセンス法により評価した。その結果を表1に示す。
【0023】
【表1】
【0024】
表1に示すように、n型Al0.15Ga0.85As/n型Al0.4 Ga0.6 Asの界面再結合速度が、他の界面に比べて1桁以上大きいという結果が得られた。これは、界面に高密度の結晶欠陥が存在することを示している。
【0025】
一方、n型GaInP、n型AlGaInP、n型AlInPの場合は、界面再結合速度が小さく、欠陥密度が極めて低い界面が実現できているといえる。これらの材料を発光素子のクラッド層に適用することにより、発光効率の大幅な向上が期待できる。
【0026】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を添付図面に基づいて詳述する。
【0027】
図1は本発明の化合物半導体発光素子の一実施の形態を示す断面図である。
【0028】
同図に示す化合物半導体発光素子は、クラッド層11にn型GaInPを用いたLDであり、n型GaAs基板1上に、n型GaAsバッファ層2、n型GaInPクラッド層11、p型Al0.1 Ga0.9 As発光層4、p型Al0.4 Ga0.6 Asクラッド層5及びp型Al0.1 Ga0.9 As電極コンタクト層6をこの順序でMOVPE法で成長させたものが用いられている。
【0029】
n型GaInPクラッド層11は、GaAsの格子定数に略一致する組成で成長させたものである。p型Al0.1 Ga0.9 As電極コンタクト層6上には絶縁膜7が形成され、この絶縁膜7にストライプ状の窓が形成された後、アノード電極8が形成されている。n型GaAs基板1の裏面にはカソード電極9が形成されている。
【0030】
このLDの発光出力特性を評価した結果、図3に示した従来のLDに比べて誘導放出を得るのに必要な電流密度の閾値を約30%低減させることができた。また、低電流駆動における自然放出光の強度も約20%向上した。
【0031】
さらに、n型GaInPの代わりに、n型AlInPまたはn型AlGaInPをクラッド層に適用した同一構造のLDにおいても、電流密度閾値及び自然放出光強度の評価において、同程度の向上を確認することができた。この場合のn型AlInPについてもGaAsの格子定数と略一致する組成でそれぞれ成長させた。
【0032】
図2は本発明の発光ダイオードアレイの一実施の形態を示す断面図である。
【0033】
この発光ダイオードアレイは、クラッド層11にn型GaInPを適用したLEDアレイの一発光部であり、n型GaAs基板1上に、n型GaAsバッファ層2、n型GaInPクラッド層11、p型Al0.2 Ga0.8 As発光層10、p型Al0.4 Ga0.6 Asクラッド層5及びp型Al0.1 Ga0.9 As電極コンタクト層6をこの順序でMOVPE法で成長させたものが用いられている。
【0034】
n型GaInPクラッド層11は、GaAsの格子定数に略一致する組成で成長させたものである。p型Al0.1 Ga0.9 As電極コンタクト層6は、光の吸収層となるため、アノード電極8との接触部を除き、エッチングにより除去されている。発光部はメサエッチングにより電気的に分離されている。発光部表面には光の取り出し効率向上と機械的保護とを兼ねて絶縁膜7が形成されている。n型GaAs基板1の裏面にはカソード電極9が形成されている。
【0035】
このようなLEDアレイの発光特性を評価した結果、図4に示す従来のLEDアレイに比べて発光出力を約30%向上させることができた。
【0036】
さらに、n型GaInPの代わりに、n型AlInPまたはn型AlGaInPをクラッド層に適用した同一構造のLEDアレイにおいても従来構造よりも約30%高い発光出力が得られた。この場合のn型AlInPまたはn型AlGaInPについても、GaAsの格子定数と略一致する組成でそれぞれ成長させた。
【0037】
ここで、図1に示した化合物半導体発光素子の電流密度閾値の低減及び図2に示した発光ダイオードアレイの発光出力の向上については、いずれもn型クラッド層の結晶欠陥低減により、発光層/n型クラッド層界面の非発光再結合速度が低下したことに起因している。その根拠は表1の界面再結合速度の評価結果に示されている。
【0038】
なお、上述した実施の形態では、n型GaAs基板を用いた場合で説明したが、p型GaAs基板を用いた場合でも同様の効果が得られる。この場合、基板上の結晶層の伝導型は発光層を除き逆にしたものとなる。
【0039】
これらの化合物半導体発光素子及び本発光ダイオードアレイは、コンパクトディスク等の読取り光源、光プリンタ用の書き込み光源及び表示用発光素子に適用できる。
【0040】
以上において、本発明の化合物半導体発光素子及び発光ダイオードアレイは、発光層/クラッド層界面の非発光再結合を低減できるので、LDでは電流密度閾値の大幅な低減が可能となり、LEDアレイでは発光出力の大幅な向上が可能となる。この結果、発光素子の発光効率を向上させることができる。
【0041】
【発明の効果】
以上要するに本発明によれば、次のような優れた効果を発揮する。
【0042】
発光層とクラッド層との界面の結晶欠陥を低減させ、発光効率の高い化合物半導体発光素子及び発光ダイオードアレイの提供を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の化合物半導体発光素子の一実施の形態を示す断面図である。
【図2】本発明の発光ダイオードアレイの一実施の形態を示す断面図である。
【図3】従来のAlGaAsレーザダイオードの断面図である。
【図4】従来の発光ダイオードアレイの発光部の断面図である。
【符号の説明】
1 基板(n型GaAs基板)
2 n型GaAsバッファ層
4 発光層(p型Al0.1 Ga0.9 As発光層)
5 クラッド層(p型Al0.4 Ga0.6 Asクラッド層)
6 p型Al0.1 Ga0.9 As電極コンタクト層
7 絶縁膜
8 アノード電極
9 カソード電極
11 クラッド層(n型GaInPクラッド層)
Claims (2)
- AlGaAsか、あるいはGaAsを主構成材料とする発光層と、該発光層を挟むように形成され該発光層の材料よりもバンドギャップが広いクラッド層とを有するダブルヘテロ構造の化合物半導体発光素子において、上記クラッド層の一方がn型GaInP、n型AlInPまたはn型AlGaInPのいずれかで構成されており、上記クラッド層の他方がp型AlGaAsで構成されていることを特徴とする化合物半導体発光素子。
- AlGaAsか、あるいはGaAsを主構成材料とする発光層と、該発光層を挟むように形成され該発光層の材料よりもバンドギャップが広いクラッド層とを有するダブルヘテロ構造の発光ダイオードが同一チップ上に複数個形成された発光ダイオードアレイにおいて、上記クラッド層の一方がn型GaInP、n型AlInPまたはn型AlGaInPのいずれかで構成されており、上記クラッド層の他方がp型AlGaAsで構成されていることを特徴とする発光ダイオードアレイ。
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