JP3732626B2 - 半導体発光素子 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体発光素子に関する。より具体的には、本発明は、黄色から緑色の波長帯において高輝度、且つ低コストで製造することができる半導体発光素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
半導体発光素子は、コンパクト且つ低消費電力であり、信頼性に優れるなどの多くの利点を有し、近年では、高い発光輝度が要求される室内外の表示板、鉄道／交通信号、車載用灯具などについても広く応用されつつある。特に、４元化合物半導体であるｌｎＧａＡｌＰ系材料を発光層として用いたものは、その組成を調節することにより、赤色から緑色までの幅広い波長帯において発光させることができる。
【０００３】
なお、本明細書において「ｌｎＧａＡｌＰ系化合物半導体」とは、組成式ｌｎx Ｇａy Ａｌ1-x-y Ｐにおける組成比ｘおよびｙを、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、但し（ｘ＋ｙ）≦１の範囲で変化させたあらゆる組成の半導体を含むものとする。
図７は、従来のｌｎＧａＡｌＰ系半導体発光素子の概略構成を表す断面模式図である。すなわち、発光素子１００は、ｎ型ＧａＡｓ基板１０１の上に、ｎ型ＧａＡｓバッファ層１０２、ｎ型ｌｎＡｌＰクラッド層１０３、ＩｎＧａＡｌＰ活性層１０４、ｐ型ＩｎＡｌＰクラッド層１０５、ｐ型ＧａＡｌＡｓ電流拡散層１０６が順次積層され、さらに、ｐ側電極１０８、およびｎ側電極１０９が形成されている。各半導体層１０１〜１０６は、例えば、有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）によりエピタキシャル成長して形成される。
【０００４】
同図に示した構成は、いわゆる「ダブルヘテロ型」といわれる構造である。このような「ダブルヘテロ型」発光素子においては、一般にｎ型クラッド層１０３とｐ型クラッド層１０５との間に、不純物がドーピングされない活性層１０４が設けられていることが特徴とされている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、図７に示したような従来のｌｎＧａＡｌＰ系発光素子においては、発光波長を短くするに従って発光輝度が大きく低下するという問題があった。以下、この問題について詳述する。
【０００６】
図８は、従来のｌｎＧａＡｌＰ系発光素子の発光波長と発光効率との関係を表すグラフ図である。すなわち、同図の横軸は活性層の発光波長を表し、それぞれの波長に対応する発光色も併せて示されている。同図から、ｌｎＧａＡｌＰ系発光素子においては、発光波長が短くなるにつれて発光効率が低下し、黄緑色から緑色の波長帯においては、発光効率は、黄色の１／１０以下にまで低下することが分かる。
【０００７】
このような発光効率の低下の原因は、活性層中に形成される非発光再結合中心である。活性層中にこのような非発光再結合中心が形成される原因は、不純物シリコン（Ｓｉ）である。すなわち、ＭＯＣＶＤ法によりｌｎＧａＡｌＰ層を成長する場合に、原料として用いるトリメチル・ガリウム（ＴＭＧ）、トリメチル・アルミニウム（ＴＭＡ）、トリメチル・インジウム（ＴＭＩ）などに含有される不純物シリコンが、ｌｎＧａＡｌＰ層に混入される。本発明者は、ｌｎＧａＡｌＰ活性層中に混入される不純物シリコンの量と、発光素子の発光効率との関係を独自に調べた。
【０００８】
図９は、この結果を表すグラフ図である。すなわち、同図の横軸は緑色ＬＥＤの活性層の不純物シリコン濃度を表し、縦軸はその発光効率を表す。活性層に混入する不純物シリコンの濃度は、１０15〜１０17ｃｍ-3のオーダであり、混入量が増加するに従って、発光効率が顕著に低下することが分かる。
【０００９】
発光効率を改善するためには、不純物シリコンの混入を遮断すれば良い。しかし、このような不純物シリコンは結晶成長の原料に含有されているので、その混入を完全に遮断することは容易でないという問題がある。
【００１０】
ここで、不純物シリコンは、特にＴＭＡに多く含有されている。従って、活性層のアルミニウム組成を高くするほど、すなわち発光波長を短くするほど、不純物シリコンの混入量が増加し、発光効率が低下するという問題があった。
また、本発明者は、活性層の発光波長と不純物シリコンのエネルギ準位との関係についても独自に調べた。
図１０は、この結果を表すグラフ図である。すなわち、同図の横軸はｌｎＧａＡｌＰ活性層の発光波長を表し、縦軸は不純物シリコンのエネルギ準位を表す。ここで、縦軸のエネルギ準位は、ｌｎＧａＡｌＰの伝導帯からみた値が示されている。同図から分かるように、活性層の発光波長が短くなるほど、不純物シリコンのエネルギ準位は深くなる。このようにエネルギ準位が深くなると、非発光再結合中心としての作用がより顕著になり、発光素子の発光効率が著しく低下する。つまり、従来のｌｎＧａＡｌＰ系発光素子においては、発光波長が短くなるほど、不純物シリコンのエネルギ準位が深くなり、発光効率が低下する。
【００１１】
以上説明したように、従来のｌｎＧａＡｌＰ系発光素子においては、発光波長が短くなるほど、不純物シリコンの混入量が増加し、しかも、不純物シリコンの非発光再結合中心としての作用が顕著となるために、発光効率が顕著に低下してしまうという問題があった。
【００１２】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものである。すなわち、本発明は、ｌｎＧａＡｌＰ系半導体発光素子において、不純物シリコンによる非発光再結合中心の作用を抑制することにより、短波長においても発光効率が高い半導体発光素子を提供することを目的とするものである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
すなわち、本発明の半導体発光素子は、基板と、前記基板上に形成されたｌｎＧａＡｌＰ系化合物半導体からなる第１のクラッド層と、前記第１のクラッド層の上に形成されたｌｎＧａＡｌＰ系化合物半導体からなる活性層と、前記活性層の上に形成されたｌｎＧａＡｌＰ系化合物半導体からなる第２のクラッド層と、を備えた半導体発光素子であって、前記活性層は、非発光再結合中心を形成する不純物元素と、前記非発光再結合中心を不活性化させることにより、励起キャリアの非発光再結合過程による再結合のライフタイムを長くする元素と、を含有してなることを特徴とするものして構成され、非発光再結合中心の作用が抑制されて高い発光効率を得ることができる。
【００１４】
ここで、非発光再結合中心を形成する不純物元素としては、シリコンが挙げられ、非発光再結合中心を不活性化させる元素としては、亜鉛を挙げることができる。
【００１５】
また、活性層における前記シリコンの含有量は、５×１０16ｃｍ-3以下で、前記活性層における前記亜鉛の含有量は、５×１０16ｃｍ-3以上、且つ２×１０17ｃｍ-3以下とすると、従来の約１．５倍の発光効率を得ることができる。
【００１６】
さらに、前記活性層における前記シリコンの含有量は、１×１０16ｃｍ-3以下であり、前記活性層における前記亜鉛の含有量は、５×１０16ｃｍ-3以上、且つ２×１０17ｃｍ-3以下とすると、従来の約３倍の発光効率を得ることができる。
ここで、前記活性層を構成する前記ｌｎＧａＡｌＰ系化合物半導体の発光波長は、５５０ｎｍ以上で５８０ｎｍ以下とすると、発光効率の改善が顕著となる。
また、前記活性層は、多重量子井戸型構造とすることにより、発光特性をさらに改善することができるようになる。
【００１７】
また、前記活性層の層厚は、０．８μｍ以上、且つ２．０μｍ以下とすることにより、発光効率を顕著に改善することができる。
【００１８】
一方、前記半導体発光素子は電流拡散層と電極とをさらに備え、且つ、前記前記第２のクラッド層と前記電流拡散層との間に前記電極に対応して部分的に形成され、前記電極の下部における電流を抑制する電流ブロック層を設けることにより光の取り出し効率を改善することができる。
【００１９】
また、前記基板と前記第１のクラッド層との間に形成された光反射層をさらに備え、前記活性層からの発光を前記第２のクラッド層の方向に反射するようにすることによって光の取り出し効率をさらに改善することができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
本発明によれば、ｌｎＧａＡｌＰ活性層に所定量の亜鉛をドーピングすることにより、不純物シリコンの非発光再結合中心としての作用を抑制し、短波長においても高輝度を有する半導体発光素子を提供することができる。さらに、不純物シリコンの混入量を所定のレベル以下に抑制することにより、発光効率は顕著に改善される。
【００２１】
以下に図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明する。
図１は、本発明による半導体発光素子の断面構造を例示する概略図である。図７に表したような従来の発光素子との主な相違点は、活性層に所定量の亜鉛がドーピングされている点にある。
【００２２】
すなわち、本発明による発光素子１０は、一例としてダブルヘテロ型の構造を有するものとして構成することができる。そして、ｎ型ＧａＡｓ基板１１（厚さ約２５０μｍ）上に、ｎ型ＧａＡｓバッファ層（０．５μｍ）１２、ｎ型ＩｎＡｌＰクラッド層（０．６μｍ）１３、ＩｎＧａＡｌＰ活性層（１．０μｍ）１４、ｐ型ＩｎＡｌＰクラッド層（１．０μｍ）１５、ｐ型ＧａＡｌＡｓ電流拡散層１６が順次積層された構造を有する。
【００２３】
各半導体層１２〜１６は、例えばＭＯＣＶＤ法によりエピタキシャル成長することができる。ＭＯＣＶＤ法による場合の結晶成長温度は、例えば７００℃程度とすることができる。また、原料としては、例えば、ＴＭＧ、ＴＭＡ、ＴＭＩなどの有機金属と、アルシン（ＡｓＨ3 ）、フォスフィン（ＰＨ3 ）などの水素化ガスとを用いることができる。ここで、ｎ型の半導体層１２、１３には不純物として、例えばシリコンをドーピングし、ｐ型の半導体層１５、１６には、不純物として、例えば亜鉛（Ｚｎ）をドーピングする。シリコンの原料としては、例えばシラン（ＳｉＨ4 ）を用い、亜鉛の原料としては、例えばジメチル亜鉛（ＤＭＺ）を用いることができる。前述した各種の原料ガスは、水素などのキャリアガスと共に、反応炉内に適宜導入され、ＧａＡｓ基板１１上で熱分解を生じて所定の結晶層が成長する。
【００２４】
また、活性層１４は、ｌｎＧａＡｌＰからなる単一層の代わりに、いわゆる多重量子井戸型（ＭＱＷ）構造としても良い。このようなＭＱＷ構造としては、例えば、組成とそれに伴うバンドギャップが互いに異なる２種類のｌｎＧａＡｌＰ層、すなわち、ｌｎＧａＡｌＰ井戸層とｌｎＧａＡｌＰ障壁層とを交互に積層させた構造とすることができる。それぞれの組成は、所定の発光波長に応じて適宜決定することができる。また、ｌｎＧａＡｌＰ井戸層の層厚は５〜１５ｎｍ程度で、ｌｎＧａＡｌＰ障壁層の層厚は５〜２０ｎｍ程度とすることが望ましい。このような井戸層と障壁層の積層数は、１０〜３０周期とすることが望ましい。活性層１４をこのようなＭＱＷ構造とすることにより、発光素子の発光特性が改善される。すなわち、発光波長の単色性や発光強度、温度特性などが改善される。
結晶成長工程の後に、ｐ側電極１８とｎ側電極１９とをそれぞれ形成し、ダイシング法によって一辺が約３００μｍの正方形状のチップに切り出して発光素子１０が完成する。この発光素子は、例えば、ステムなどの図示しない実装部材に実装し、ワイア・ボンディング、樹脂封止によって直径約５ｍｍのＬＥＤランプに組み立てて、発光輝度や発光波長などを評価することができる。
【００２５】
ここで、所定の発光波長を得るためには、活性層１４を構成するｌｎx Ｇａy Ａｌ1-x-y Ｐ混晶の組成比ｘおよびｙを調節すれば良い。すなわち、組成比ｘ、ｙを調節することにより、バンドギャップを変化させて、例えば黄色、黄緑色あるいは緑色などの所定の発光波長を得ることができる。
【００２６】
本発明においては、ｌｎＧａＡｌＰ活性層１４に亜鉛がドーピングされ、不純物シリコンの悪影響が抑制されている。亜鉛のドーピングは、例えばＤＭＺを用いて行うことができる。また、活性層１４を前述したようなＭＱＷ構造とした場合には、ｌｎＧａＡｌＰ井戸層とｌｎＧａＡｌＰ障壁層の両方に亜鉛をドーピングすることにより、不純物シリコンの悪影響を効果的に抑制することができる。
【００２７】
亜鉛のドーピング量は、ｌｎＧａＡｌＰ活性層１４に含有される不純物シリコンの量に応じて適宜決定することができる。しかし、本発明の独自の検討の結果、後に詳述するように不純物シリコンの混入量が約１×１０16以下である場合に、亜鉛をドーピングする効果が特に顕著に表れることが分かった。
【００２８】
図２は、本発明による発光素子において、活性層への亜鉛のドーピング量と、発光効率との関係を表すグラフ図である。同図に示した関係は、発光波長が５６０ｎｍの緑色の領域で発光する発光素子についてのものである。また、同図においては、活性層１４に混入された不純物シリコンの量が約１×１０16ｃｍ-3場合（ａ）、約５×１０16ｃｍ-3の場合（ｂ）、および約１×１０17ｃｍ-3の場合（ｃ）とがそれぞれ示されている。また、同図の（ａ’）、（ｂ’）および（ｃ’）は、亜鉛をドーピングしない場合のそれぞれのシリコン濃度における発光効率を表す。
【００２９】
図２から分かるように、不純物シリコン濃度が１×１０17ｃｍ-3の場合には、亜鉛をドーピングしても、発光効率は改善されず、逆に２×１０ｃｍ-3以上の亜鉛をドーピングすると発光効率は低下する傾向がみられる。このような発光効率の低下は、ドーピングされた亜鉛がｌｎＧａＡｌＰ活性層１４中において、非発光再結合中心を形成するためであると推測される。
【００３０】
これに対して、不純物シリコン濃度が５×１０16ｃｍ-3の場合には、亜鉛のドーピングにより発光効率は改善され、亜鉛を約１×１０17ｃｍ-3ドーピングした場合に、発光効率は極大値を有し、従来例、すなわち亜鉛をドーピングしない場合に比べて発光効率は、約１．５倍に改善される。
【００３１】
さらに、不純物シリコン濃度が１×１０16ｃｍ-3の場合には、亜鉛のドーピングにより発光効率は顕著に改善され、亜鉛を約１×１０17ｃｍ-3ドーピングした場合に、発光効率は極大値を有し、従来例、すなわち亜鉛をドーピングしない場合に比べて発光効率は、約３倍に改善される。すなわち、本発明によれば、不純物シリコンの混入量が所定のレベル以下の場合に、亜鉛をドーピングすることにより、顕著な発光効率の向上が得られることが分かった。
【００３２】
このように、不純物シリコンの混入量が所定のレベル以下の場合に、亜鉛のドーピングの効果が顕著になる理由は、必ずしも明確ではない。しかし、本発明者の検討によれば、ドーパントである亜鉛とシリコンとが、ｌｎＧａＡｌＰ活性層中において何らかの相互作用を有する結果として、不純物シリコンの量が多い場合には、亜鉛が非発光再結合中心として作用しやすくなることが推測される。
【００３３】
以上説明したように、本発明によれば、不純物シリコンの量が所定量以下である場合に、亜鉛が極めて有効に作用し、発光効率が顕著に改善される。
【００３４】
図３は、本発明の発光素子と従来の発光素子とについて、発光波長と発光効率との関係を表すグラフ図である。ここでは、ｌｎＧａＡｌＰ活性層中に含有される不純物シリコンの量が約１×１０16ｃｍ-3であり、亜鉛を約１×１０17ｃｍ-3ドーピングした場合について示した。
【００３５】
本発明によれば、活性層の発光波長が約５５０〜５９０ｎｍの範囲、すなわち緑色から黄色の範囲において、従来よりも発光効率が改善されていることが分かる。また、発光波長が約５５０〜５８０ｎｍ、すなわち緑色から黄緑色の範囲において、発光効率の改善が顕著であり、さらに、発光波長が約５５０〜５７０ｎｍ、すなわち緑色の範囲において特に発光効率の改善が顕著であることが分かる。これは、図８に関して前述したように、ｌｎＧａＡｌＰ層においては発光波長が短くなるほど不純物シリコンによる非発光再結合中心の影響が顕著になることと対応していると考えられる。すなわち、ｌｎＧａＡｌＰ層のバンドギャップが大きくなるほど、不純物シリコンが非発光再結合中心として作用する傾向が顕著となり、本発明により亜鉛をドーピングすることによる発光効率の改善の顕著にみられるようになる。以上説明したように、本発明によれば、緑色などの短波長の発光素子において、特に顕著な効果を得ることができる。
【００３６】
本発明者はさらに、本発明による亜鉛ドーピングの作用効果についてキャリアのライフタイムの観点から検討を行った。
図４は、ｌｎＧａＡｌＰ活性層におけるフォトルミネッセンス（ＰＬ）励起キャリア密度と、キャリアのライフタイムとの関係を表すグラフ図である。ここで用いたｌｎＧａＡｌＰ層は、発光波長が約５６０ｎｍの組成を有するものである。ここで、「ＰＬ励起キャリア密度」とは、光を照射することにより励起されたｌｎＧａＡｌＰ活性層中のキャリアの密度をいう。また、ここで測定された「ライフタイム」は、励起されたキャリアが非発光結合過程により再結合する場合のライフタイムと、発光再結合過程により再結合する場合のライフタイムとを合わせたものである。ここで、励起キャリアの特性として、キャリア密度が低い場合、すなわち、同図の右側の領域においては、非発光再結合によるライフタイムが主要成分となり、キャリア密度が高い場合、すなわち同図の左側の領域におけるライフタイムは、発光再結合によるライフタイムが主要成分となる。
【００３７】
同図から、本発明によるｌｎＧａＡｌＰ層は、キャリア密度が低い領域におけるライフタイムが従来のものよりも長いことがわかる。つまり、本発明によるｌｎＧａＡｌＰ層においては、励起キャリアが非発光再結合するまでのライフタイムが長く、非発光再結合が抑制されていることが分かった。つまり、本発明においては、亜鉛をドーピングしたことによって、非発光再結合中心が不活性化されていることが分かった。
【００３８】
これに対して、励起キャリア密度が高くなると、本発明においても従来例においてもライフタイムが短くなり、励起キャリア濃度が１×１０17ｃｍ-3以上においては、ほぼ同一のライフタイムを有することが分かる。すなわち、発光再結合のライフタイムは、本発明においても従来例においても概略同一であり、亜鉛をドーピングしても、発光再結合が生じにくくなることはないことが分かる。
【００３９】
以上説明したように、本発明によれば、ｌｎＧａＡｌＰ活性層に亜鉛をドーピングすることにより、不純物シリコンに起因する非発光再結合を不活性化し、発光効率を改善することができる。さらに、本発明のこの効果は、不純物シリコンの混入量が１×１０17ｃｍ-3以下、望ましくは５×１０16ｃｍ-3以下、さらに望ましくは１×１０16ｃｍ-3以下である場合に、顕著となり、発光効率を従来の約２倍程度に改善することができる。
【００４０】
不純物シリコンの混入量を制御するためには、結晶成長の原料を選定したり、結晶成長条件を調節する方法を採ることができる。本発明者の検討によれば、ＭＯＣＶＤ法においては、ＴＭＡやＴＭＩが特に不純物シリコンを多く含有する傾向がみられた。従って、特に、これらの原料について純物シリコンの含有量をモニタし、原料を選別することによって、ｌｎＧａＡｌＰ層に混入される不純物シリコンの量を制御することができる。
【００４１】
また、結晶成長条件を調節することによっても不純物シリコンの混入量を制御することができる。例えば、結晶成長時の温度や、ＩＩＩ族原料とＶ族元素ガスとの流量比、あるいはキャリアガスとの流量比などの種々のパラメータ調節することによって、ｌｎＧａＡｌＰ層に混入される不純物シリコンの量を制御することが可能である。
【００４２】
ここで、本発明による非発光再結合中心の抑制効果は、発光波長が短波長になるほど顕著となる。すなわち、図３に示したように、本発明によれば、緑色などの短波長領域において、従来よりも大幅に発光効率が改善された高い発光輝度を有する発光素子を提供することができる。
【００４３】
さらに、本発明者は、活性層１４の層厚と発光効率との関係について調べた。その結果、活性層１４の層厚には最適範囲が存在し、層厚が０．８〜２．０μｍの場合に最も高い発光効率が得られることが分かった。このような最適範囲が存在する理由は、活性層１４の層厚がこれよりも薄いと十分な発光量が得られず、逆に層厚がこれよりも厚いと注入キャリアの拡散長よりも厚くなり、ダブルヘテロ構造による閉じこめ効果が低下するからであると考えられる。このように、活性層１４の層厚を最適化することにより、さらに高輝度の発光素子を提供することができるようになる。
【００４４】
次に、本発明による第２の発光素子について説明する。
図５は、本発明による第２の半導体発光素子の断面構造を例示する概略図である。図１に表した発光素子との相違点は、ｐ型クラッド層５５と電流拡散層５６との間に電流ブロック層５７が設けられている点である。すなわち、本発明による発光素子５０は、ｎ型ＧａＡｓ基板５１（厚さ約２５０μｍ）上に、ｎ型ＧａＡｓバッファ層（０．５μｍ）５２、ｎ型ＩｎＡｌＰクラッド層（０．６μｍ）５３、ＩｎＧａＡｌＰ活性層（１．０μｍ）５４、ｐ型ＩｎＡｌＰクラッド層（１．０μｍ）５５、電流ブロック層５７、ｐ型ＧａＡｌＡｓ電流拡散層５６が順次積層された構造を有する。電流ブロック層５７は、例えば、絶縁性を有する材料や、ｎ型半導体により構成され、ｐ側電極５８の直下部にのみ設けられている。さらに、ｐ側電極５８とｎ側電極５９とがそれぞれ形成されている。
【００４５】
各半導体層５２〜５７は、例えばＭＯＣＶＤ法によりエピタキシャル成長することができ、その成長温度や原料などは、図１に関して前述したものと同様とすることができる。
【００４６】
ここで、本実施形態においても、ｌｎＧａＡｌＰ活性層５４に亜鉛がドーピングされ、不純物シリコンに起因する非発光再結合中心が不活性化されている。亜鉛のドーピングは、例えばＤＭＺを用いて行うことができる。また、亜鉛のドーピング量は、ｌｎＧａＡｌＰ活性層５４に含有される不純物シリコンの量に応じて適宜決定することができる。しかし前述したように、不純物シリコンの混入量を１×１０17ｃｍ-3以下、望ましくは５×１０16ｃｍ-3以下、さらに望ましくは１×１０16ｃｍ-3以下に抑制することによって、亜鉛ドーピングの効果が顕著となり、発光効率を従来の約２倍以上に改善することができる。
【００４７】
また、本実施形態においては、電流ブロック層５７が設けられているために、ｐ側電極５８の下部において流れる電流を制限することができ、外部に取り出すことができない電極下部での発光を抑制して、光の取り出し効率を改善することができる。
【００４８】
なお、本実施形態においても、活性層５４は、ｌｎＧａＡｌＰからなる単一層の代わりに、ＭＱＷ構造としても良い。すなわち、ｌｎＧａＡｌＰ井戸層とｌｎＧａＡｌＰ障壁層とを交互に積層させた構造とすることができる。それぞれの組成は、所定の発光波長に応じて適宜決定することができる。また、ｌｎＧａＡｌＰ井戸層の層厚は５〜１５ｎｍ程度で、ｌｎＧａＡｌＰ障壁層の層厚は５〜２０ｎｍ程度とすることが望ましい。このような井戸層と障壁層の積層数は、１０〜３０周期とすることが望ましい。活性層５４をこのようなＭＱＷ構造とすることにより、発光素子の発光特性が改善される。すなわち、発光波長の単色性や発光強度、温度特性などが改善される。さらに、これらの井戸層と障壁層とにそれぞれ亜鉛を所定量ドーピングすることによって、前述したように不純物シリコンを不活性化して発光特性をさらに改善することができる。
【００４９】
次に、本発明による第３の発光素子について説明する。
図６は、本発明による第３の半導体発光素子の断面構造を例示する概略図である。図１に表した発光素子との相違点は、ｐ型クラッド層６５と電流拡散層６６との間に電流ブロック層６７が設けられ、さらに、バッファ層６２とｎ型クラッド層６３との間に光反射層７０が設けられている点である。すなわち、本発明による発光素子６０は、ｎ型ＧａＡｓ基板６１（厚さ約２５０μｍ）上に、ｎ型ＧａＡｓバッファ層（０．５μｍ）６２、ｎ型ＩｎＡｌＰクラッド層（０．６μｍ）６３、ＩｎＧａＡｌＰ活性層（１．０μｍ）６４、ｐ型ＩｎＡｌＰクラッド層（１．０μｍ）６５、電流ブロック層６７、ｐ型ＧａＡｌＡｓ電流拡散層６６が順次積層された構造を有する。
【００５０】
電流ブロック層６７は、例えば、絶縁性を有する材料や、ｎ型半導体により構成され、ｐ側電極５８の直下部にのみ設けられている。また、光反射層７０は、光屈折率が異なる２種類の材料からなる層を交互に積層した、いわゆるブラッグ反射層とすることができる。各層の層厚は、活性層の発光波長λを、各層の屈折率をｎとした時に、λ／（４ｎ）とすることが望ましい。例えば、ｎ型ＩｎＧａＡｌＰ層とｎ型ＧａＡｓ層とを交互に積層することにより形成することができる。また、ｎ型ＩｎＡｌＰ層とｎ型ＧａＡｓ層とを交互に積層して形成しても良い。
【００５１】
本実施形態においても、ｌｎＧａＡｌＰ活性層６４に亜鉛がドーピングされ、不純物シリコンに起因する非発光再結合中心が不活性化されている。亜鉛のドーピングは、例えばＤＭＺを用いて行うことができる。また、亜鉛のドーピング量は、ｌｎＧａＡｌＰ活性層６４に含有される不純物シリコンの量に応じて適宜決定することができる。しかし前述したように、不純物シリコンの混入量を１×１０17ｃｍ-3以下、望ましくは５×１０16ｃｍ-3以下、さらに望ましくは１×１０16ｃｍ-3以下に抑制することによって、亜鉛ドーピングの効果が顕著となり、発光効率を従来の約２倍以上に改善することができる。
【００５２】
また、本実施形態においては、電流ブロック層６７が設けられているために、ｐ側電極５８の下部において流れる電流を制限することができ、外部に取り出すことができない電極下部での発光を抑制して、光の取り出し効率を改善することができる。
【００５３】
さらに、本実施形態においては、光反射層７０が設けられているために、活性層６４からの発光が、図中の上方に向けて反射され、光の取り出し効率をさらに改善することができる。この結果として、従来よりもさらに高輝度の発光素子を提供することができる。
【００５４】
なお、本実施形態においても、活性層６４は、ｌｎＧａＡｌＰからなる単一層の代わりに、ＭＱＷ構造としても良い。すなわち、ｌｎＧａＡｌＰ井戸層とｌｎＧａＡｌＰ障壁層とを交互に積層させた構造とすることができる。それぞれの組成は、所定の発光波長に応じて適宜決定することができる。また、ｌｎＧａＡｌＰ井戸層の層厚は５〜１５ｎｍ程度で、ｌｎＧａＡｌＰ障壁層の層厚は５〜２０ｎｍ程度とすることが望ましい。このような井戸層と障壁層の積層数は、１０〜３０周期とすることが望ましい。活性層６４をこのようなＭＱＷ構造とすることにより、発光素子の発光特性が改善される。すなわち、発光波長の単色性や発光強度、温度特性などが改善される。さらに、これらの井戸層と障壁層とにそれぞれ亜鉛を所定量ドーピングすることによって、前述したように不純物シリコンを不活性化して発光特性をさらに改善することができる。
【００５５】
以上、具体例を参照しつつ本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明は、これらの具体例に限定されるものでははない。
【００５６】
例えば、非発光再結合中心として作用する元素は、前述したシリコンに限定されない。本発明は、その他のＩＶ族元素、ＶＩ族元素や、遷移金属元素などに起因する種々の非発光再結合中心に対しても同様に適用することができる。
【００５７】
また、これらの非発光再結合中心を不活性化するドーパントとしては、例示した亜鉛に限定されない。例えば、この他のＩＩ族元素であるマグネシウム（Ｍｇ）、ベリリウム（Ｂｅ）、カドミウム（Ｃｄ）などの元素をドーピングしても、同様に非発光再結合中心を不活性化することができる。
【００５８】
また、各半導体層の結晶成長法としては、前述したＭＯＣＶＤ法の他に、ハイドライド化学気相成長法（ＨＣＶＤ）、化学ビーム・エピタキシャル法（ＣＢＥ）、液相成長法（ＬＰＥ）などを用いることもきる。
【００５９】
また、その導電型についても図示した構成に限定されず、ｐ型とｎ型とが反転した構造であっても良い。
【００６０】
さらに、ダブルヘテロ型構造に限定されず、例えば、ヘテロ接合をひとつだけ有する、いわゆるシングルヘテロ型構造や、クラッド層が多重量子井戸型構造を有するいわゆる多重量子障壁（ＭＱＢ）型のような発光素子についても本発明を適用することができる。その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々に変形して実施することが可能である。
【００６１】
【発明の効果】
本発明は、以上に説明した形態で実施され、以下に説明する効果を奏する。
【００６２】
まず、本発明によれば、ｌｎＧａＡｌＰ活性層に亜鉛をドーピングすることによって、非発光再結合中心による励起キャリアの非発光再結合過程による再結合のライフタイムを長くすることができる。その結果として、非発光再結合中心を不活性化させて非発光再結合中心の作用を抑制し、発光効率を改善することができる。
【００６３】
また、本発明によれば、不純物シリコン濃度が５×１０16ｃｍ-3の場合には、亜鉛のドーピングにより発光効率は改善され、亜鉛を約１×１０17ｃｍ-3ドーピングした場合に、発光効率は極大値を有し、従来例、すなわち亜鉛をドーピングしない場合に比べて発光効率は、約１．５倍に改善される。
【００６４】
さらに、本発明によれば、不純物シリコン濃度が１×１０16ｃｍ-3の場合には、亜鉛のドーピングにより発光効率は顕著に改善され、亜鉛を約１×１０17ｃｍ-3ドーピングした場合に、発光効率は極大値を有し、従来例、すなわち亜鉛をドーピングしない場合に比べて発光効率は、約３倍に改善される。すなわち、本発明によれば、不純物シリコンの混入量が所定のレベル以下の場合に、亜鉛をドーピングすることにより、顕著な発光効率の向上が得られる。
【００６５】
また、本発明によれば、活性層の発光波長が約５５０〜５９０ｎｍの範囲、すなわち緑色から黄色の範囲において、従来よりも発光効率を改善することができる。また、発光波長が約５５０〜５８０ｎｍ、すなわち緑色から黄緑色の範囲において、発光効率の改善が顕著であり、さらに、発光波長が約５５０〜５７０ｎｍ、すなわち緑色の範囲において特に発光効率の改善が顕著である。
【００６６】
すなわち、本発明によれば、ｌｎＧａＡｌＰ層のバンドギャップが大きくなるほど、不純物シリコンが非発光再結合中心として作用する傾向が顕著となり、本発明により亜鉛をドーピングすることによる発光効率の改善の顕著にみられるようになる。以上説明したように、本発明による非発光再結合中心の抑制効果は、発光波長が短波長になるほど顕著となる。すなわち、本発明によれば、緑色などの短波長領域において、従来よりも大幅に発光効率が改善された高い発光輝度を有する発光素子を提供することができる。
【００６７】
また、本発明によれば、電流ブロック層を設けることにより、ｐ側電極の下部において流れる電流を制限することができ、外部に取り出すことができない電極下部での発光を抑制して、光の取り出し効率を改善することができる。
【００６８】
さらに、本発明によれば、光反射層を設けることによって、活性層からの発光が、図中の上方に向けて反射され、光の取り出し効率をさらに改善することができる。この結果として、従来よりもさらに高輝度の発光素子を提供することができる。
【００６９】
以上説明したように、本発明によれば、特に短波長領域において、高い発光効率を有するｌｎＧａＡｌＰ系発光素子を提供することができるようになり、産業上のメリットは多大である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による半導体発光素子の断面構造を例示する概略図である。
【図２】本発明による発光素子において、活性層への亜鉛のドーピング量と、発光効率との関係を表すグラフ図である。
【図３】本発明の発光素子と従来の発光素子とについて、発光波長と発光効率との関係を表すグラフ図である。
【図４】ｌｎＧａＡｌＰ活性層におけるフォトルミネッセンス（ＰＬ）励起キャリア密度と、ライフタイムとの関係を表すグラフ図である。
【図５】本発明による第２の半導体発光素子の断面構造を例示する概略図である。
【図６】本発明による第３の半導体発光素子の断面構造を例示する概略図である。
【図７】従来のｌｎＧａＡｌＰ系半導体発光素子の概略構成を表す断面模式図である。
【図８】従来のｌｎＧａＡｌＰ系発光素子の発光波長と発光効率との関係を表すグラフ図である。
【図９】活性層の不純物シリコン濃度と発光効率との関係を表すグラフ図である。すなわち、同図の横軸は緑色ＬＥＤの活性層の不純物シリコン濃度を表し、縦軸はその発光効率を表す。
【図１０】活性層の発光波長と不純物シリコンのエネルギ準位との関係を表すグラフ図である。すなわち、同図の横軸はｌｎＧａＡｌＰ活性層の発光波長を表し、縦軸は不純物シリコンのエネルギ準位を表す。
【符号の説明】
１０、５０、６０、１００ 半導体発光素子
１１、５１、６１、１０１ 基板
１２、５２、６２、１０２ バッファ層
１３、５３、６３、１０３ クラッド層
１４、５４、６４、１０４ 活性層
１５、５５、６５、１０５ バッファ層
１６、５６、６６、１０６ 電流拡散層
１８、５８、６８、１０８ ｐ側電極
１９、５９、６９、１０９ ｎ側電極
５７、６７ 電流ブロック層
７０ 光反射層
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体発光素子に関する。より具体的には、本発明は、黄色から緑色の波長帯において高輝度、且つ低コストで製造することができる半導体発光素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
半導体発光素子は、コンパクト且つ低消費電力であり、信頼性に優れるなどの多くの利点を有し、近年では、高い発光輝度が要求される室内外の表示板、鉄道／交通信号、車載用灯具などについても広く応用されつつある。特に、４元化合物半導体であるｌｎＧａＡｌＰ系材料を発光層として用いたものは、その組成を調節することにより、赤色から緑色までの幅広い波長帯において発光させることができる。
【０００３】
なお、本明細書において「ｌｎＧａＡｌＰ系化合物半導体」とは、組成式ｌｎx Ｇａy Ａｌ1-x-y Ｐにおける組成比ｘおよびｙを、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、但し（ｘ＋ｙ）≦１の範囲で変化させたあらゆる組成の半導体を含むものとする。
図７は、従来のｌｎＧａＡｌＰ系半導体発光素子の概略構成を表す断面模式図である。すなわち、発光素子１００は、ｎ型ＧａＡｓ基板１０１の上に、ｎ型ＧａＡｓバッファ層１０２、ｎ型ｌｎＡｌＰクラッド層１０３、ＩｎＧａＡｌＰ活性層１０４、ｐ型ＩｎＡｌＰクラッド層１０５、ｐ型ＧａＡｌＡｓ電流拡散層１０６が順次積層され、さらに、ｐ側電極１０８、およびｎ側電極１０９が形成されている。各半導体層１０１〜１０６は、例えば、有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）によりエピタキシャル成長して形成される。
【０００４】
同図に示した構成は、いわゆる「ダブルヘテロ型」といわれる構造である。このような「ダブルヘテロ型」発光素子においては、一般にｎ型クラッド層１０３とｐ型クラッド層１０５との間に、不純物がドーピングされない活性層１０４が設けられていることが特徴とされている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、図７に示したような従来のｌｎＧａＡｌＰ系発光素子においては、発光波長を短くするに従って発光輝度が大きく低下するという問題があった。以下、この問題について詳述する。
【０００６】
図８は、従来のｌｎＧａＡｌＰ系発光素子の発光波長と発光効率との関係を表すグラフ図である。すなわち、同図の横軸は活性層の発光波長を表し、それぞれの波長に対応する発光色も併せて示されている。同図から、ｌｎＧａＡｌＰ系発光素子においては、発光波長が短くなるにつれて発光効率が低下し、黄緑色から緑色の波長帯においては、発光効率は、黄色の１／１０以下にまで低下することが分かる。
【０００７】
このような発光効率の低下の原因は、活性層中に形成される非発光再結合中心である。活性層中にこのような非発光再結合中心が形成される原因は、不純物シリコン（Ｓｉ）である。すなわち、ＭＯＣＶＤ法によりｌｎＧａＡｌＰ層を成長する場合に、原料として用いるトリメチル・ガリウム（ＴＭＧ）、トリメチル・アルミニウム（ＴＭＡ）、トリメチル・インジウム（ＴＭＩ）などに含有される不純物シリコンが、ｌｎＧａＡｌＰ層に混入される。本発明者は、ｌｎＧａＡｌＰ活性層中に混入される不純物シリコンの量と、発光素子の発光効率との関係を独自に調べた。
【０００８】
図９は、この結果を表すグラフ図である。すなわち、同図の横軸は緑色ＬＥＤの活性層の不純物シリコン濃度を表し、縦軸はその発光効率を表す。活性層に混入する不純物シリコンの濃度は、１０15〜１０17ｃｍ-3のオーダであり、混入量が増加するに従って、発光効率が顕著に低下することが分かる。
【０００９】
発光効率を改善するためには、不純物シリコンの混入を遮断すれば良い。しかし、このような不純物シリコンは結晶成長の原料に含有されているので、その混入を完全に遮断することは容易でないという問題がある。
【００１０】
ここで、不純物シリコンは、特にＴＭＡに多く含有されている。従って、活性層のアルミニウム組成を高くするほど、すなわち発光波長を短くするほど、不純物シリコンの混入量が増加し、発光効率が低下するという問題があった。
また、本発明者は、活性層の発光波長と不純物シリコンのエネルギ準位との関係についても独自に調べた。
図１０は、この結果を表すグラフ図である。すなわち、同図の横軸はｌｎＧａＡｌＰ活性層の発光波長を表し、縦軸は不純物シリコンのエネルギ準位を表す。ここで、縦軸のエネルギ準位は、ｌｎＧａＡｌＰの伝導帯からみた値が示されている。同図から分かるように、活性層の発光波長が短くなるほど、不純物シリコンのエネルギ準位は深くなる。このようにエネルギ準位が深くなると、非発光再結合中心としての作用がより顕著になり、発光素子の発光効率が著しく低下する。つまり、従来のｌｎＧａＡｌＰ系発光素子においては、発光波長が短くなるほど、不純物シリコンのエネルギ準位が深くなり、発光効率が低下する。
【００１１】
以上説明したように、従来のｌｎＧａＡｌＰ系発光素子においては、発光波長が短くなるほど、不純物シリコンの混入量が増加し、しかも、不純物シリコンの非発光再結合中心としての作用が顕著となるために、発光効率が顕著に低下してしまうという問題があった。
【００１２】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものである。すなわち、本発明は、ｌｎＧａＡｌＰ系半導体発光素子において、不純物シリコンによる非発光再結合中心の作用を抑制することにより、短波長においても発光効率が高い半導体発光素子を提供することを目的とするものである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
すなわち、本発明の半導体発光素子は、基板と、前記基板上に形成されたｌｎＧａＡｌＰ系化合物半導体からなる第１のクラッド層と、前記第１のクラッド層の上に形成されたｌｎＧａＡｌＰ系化合物半導体からなる活性層と、前記活性層の上に形成されたｌｎＧａＡｌＰ系化合物半導体からなる第２のクラッド層と、を備えた半導体発光素子であって、前記活性層は、非発光再結合中心を形成する不純物元素と、前記非発光再結合中心を不活性化させることにより、励起キャリアの非発光再結合過程による再結合のライフタイムを長くする元素と、を含有してなることを特徴とするものして構成され、非発光再結合中心の作用が抑制されて高い発光効率を得ることができる。
【００１４】
ここで、非発光再結合中心を形成する不純物元素としては、シリコンが挙げられ、非発光再結合中心を不活性化させる元素としては、亜鉛を挙げることができる。
【００１５】
また、活性層における前記シリコンの含有量は、５×１０16ｃｍ-3以下で、前記活性層における前記亜鉛の含有量は、５×１０16ｃｍ-3以上、且つ２×１０17ｃｍ-3以下とすると、従来の約１．５倍の発光効率を得ることができる。
【００１６】
さらに、前記活性層における前記シリコンの含有量は、１×１０16ｃｍ-3以下であり、前記活性層における前記亜鉛の含有量は、５×１０16ｃｍ-3以上、且つ２×１０17ｃｍ-3以下とすると、従来の約３倍の発光効率を得ることができる。
ここで、前記活性層を構成する前記ｌｎＧａＡｌＰ系化合物半導体の発光波長は、５５０ｎｍ以上で５８０ｎｍ以下とすると、発光効率の改善が顕著となる。
また、前記活性層は、多重量子井戸型構造とすることにより、発光特性をさらに改善することができるようになる。
【００１７】
また、前記活性層の層厚は、０．８μｍ以上、且つ２．０μｍ以下とすることにより、発光効率を顕著に改善することができる。
【００１８】
一方、前記半導体発光素子は電流拡散層と電極とをさらに備え、且つ、前記前記第２のクラッド層と前記電流拡散層との間に前記電極に対応して部分的に形成され、前記電極の下部における電流を抑制する電流ブロック層を設けることにより光の取り出し効率を改善することができる。
【００１９】
また、前記基板と前記第１のクラッド層との間に形成された光反射層をさらに備え、前記活性層からの発光を前記第２のクラッド層の方向に反射するようにすることによって光の取り出し効率をさらに改善することができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
本発明によれば、ｌｎＧａＡｌＰ活性層に所定量の亜鉛をドーピングすることにより、不純物シリコンの非発光再結合中心としての作用を抑制し、短波長においても高輝度を有する半導体発光素子を提供することができる。さらに、不純物シリコンの混入量を所定のレベル以下に抑制することにより、発光効率は顕著に改善される。
【００２１】
以下に図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明する。
図１は、本発明による半導体発光素子の断面構造を例示する概略図である。図７に表したような従来の発光素子との主な相違点は、活性層に所定量の亜鉛がドーピングされている点にある。
【００２２】
すなわち、本発明による発光素子１０は、一例としてダブルヘテロ型の構造を有するものとして構成することができる。そして、ｎ型ＧａＡｓ基板１１（厚さ約２５０μｍ）上に、ｎ型ＧａＡｓバッファ層（０．５μｍ）１２、ｎ型ＩｎＡｌＰクラッド層（０．６μｍ）１３、ＩｎＧａＡｌＰ活性層（１．０μｍ）１４、ｐ型ＩｎＡｌＰクラッド層（１．０μｍ）１５、ｐ型ＧａＡｌＡｓ電流拡散層１６が順次積層された構造を有する。
【００２３】
各半導体層１２〜１６は、例えばＭＯＣＶＤ法によりエピタキシャル成長することができる。ＭＯＣＶＤ法による場合の結晶成長温度は、例えば７００℃程度とすることができる。また、原料としては、例えば、ＴＭＧ、ＴＭＡ、ＴＭＩなどの有機金属と、アルシン（ＡｓＨ3 ）、フォスフィン（ＰＨ3 ）などの水素化ガスとを用いることができる。ここで、ｎ型の半導体層１２、１３には不純物として、例えばシリコンをドーピングし、ｐ型の半導体層１５、１６には、不純物として、例えば亜鉛（Ｚｎ）をドーピングする。シリコンの原料としては、例えばシラン（ＳｉＨ4 ）を用い、亜鉛の原料としては、例えばジメチル亜鉛（ＤＭＺ）を用いることができる。前述した各種の原料ガスは、水素などのキャリアガスと共に、反応炉内に適宜導入され、ＧａＡｓ基板１１上で熱分解を生じて所定の結晶層が成長する。
【００２４】
また、活性層１４は、ｌｎＧａＡｌＰからなる単一層の代わりに、いわゆる多重量子井戸型（ＭＱＷ）構造としても良い。このようなＭＱＷ構造としては、例えば、組成とそれに伴うバンドギャップが互いに異なる２種類のｌｎＧａＡｌＰ層、すなわち、ｌｎＧａＡｌＰ井戸層とｌｎＧａＡｌＰ障壁層とを交互に積層させた構造とすることができる。それぞれの組成は、所定の発光波長に応じて適宜決定することができる。また、ｌｎＧａＡｌＰ井戸層の層厚は５〜１５ｎｍ程度で、ｌｎＧａＡｌＰ障壁層の層厚は５〜２０ｎｍ程度とすることが望ましい。このような井戸層と障壁層の積層数は、１０〜３０周期とすることが望ましい。活性層１４をこのようなＭＱＷ構造とすることにより、発光素子の発光特性が改善される。すなわち、発光波長の単色性や発光強度、温度特性などが改善される。
結晶成長工程の後に、ｐ側電極１８とｎ側電極１９とをそれぞれ形成し、ダイシング法によって一辺が約３００μｍの正方形状のチップに切り出して発光素子１０が完成する。この発光素子は、例えば、ステムなどの図示しない実装部材に実装し、ワイア・ボンディング、樹脂封止によって直径約５ｍｍのＬＥＤランプに組み立てて、発光輝度や発光波長などを評価することができる。
【００２５】
ここで、所定の発光波長を得るためには、活性層１４を構成するｌｎx Ｇａy Ａｌ1-x-y Ｐ混晶の組成比ｘおよびｙを調節すれば良い。すなわち、組成比ｘ、ｙを調節することにより、バンドギャップを変化させて、例えば黄色、黄緑色あるいは緑色などの所定の発光波長を得ることができる。
【００２６】
本発明においては、ｌｎＧａＡｌＰ活性層１４に亜鉛がドーピングされ、不純物シリコンの悪影響が抑制されている。亜鉛のドーピングは、例えばＤＭＺを用いて行うことができる。また、活性層１４を前述したようなＭＱＷ構造とした場合には、ｌｎＧａＡｌＰ井戸層とｌｎＧａＡｌＰ障壁層の両方に亜鉛をドーピングすることにより、不純物シリコンの悪影響を効果的に抑制することができる。
【００２７】
亜鉛のドーピング量は、ｌｎＧａＡｌＰ活性層１４に含有される不純物シリコンの量に応じて適宜決定することができる。しかし、本発明の独自の検討の結果、後に詳述するように不純物シリコンの混入量が約１×１０16以下である場合に、亜鉛をドーピングする効果が特に顕著に表れることが分かった。
【００２８】
図２は、本発明による発光素子において、活性層への亜鉛のドーピング量と、発光効率との関係を表すグラフ図である。同図に示した関係は、発光波長が５６０ｎｍの緑色の領域で発光する発光素子についてのものである。また、同図においては、活性層１４に混入された不純物シリコンの量が約１×１０16ｃｍ-3場合（ａ）、約５×１０16ｃｍ-3の場合（ｂ）、および約１×１０17ｃｍ-3の場合（ｃ）とがそれぞれ示されている。また、同図の（ａ’）、（ｂ’）および（ｃ’）は、亜鉛をドーピングしない場合のそれぞれのシリコン濃度における発光効率を表す。
【００２９】
図２から分かるように、不純物シリコン濃度が１×１０17ｃｍ-3の場合には、亜鉛をドーピングしても、発光効率は改善されず、逆に２×１０ｃｍ-3以上の亜鉛をドーピングすると発光効率は低下する傾向がみられる。このような発光効率の低下は、ドーピングされた亜鉛がｌｎＧａＡｌＰ活性層１４中において、非発光再結合中心を形成するためであると推測される。
【００３０】
これに対して、不純物シリコン濃度が５×１０16ｃｍ-3の場合には、亜鉛のドーピングにより発光効率は改善され、亜鉛を約１×１０17ｃｍ-3ドーピングした場合に、発光効率は極大値を有し、従来例、すなわち亜鉛をドーピングしない場合に比べて発光効率は、約１．５倍に改善される。
【００３１】
さらに、不純物シリコン濃度が１×１０16ｃｍ-3の場合には、亜鉛のドーピングにより発光効率は顕著に改善され、亜鉛を約１×１０17ｃｍ-3ドーピングした場合に、発光効率は極大値を有し、従来例、すなわち亜鉛をドーピングしない場合に比べて発光効率は、約３倍に改善される。すなわち、本発明によれば、不純物シリコンの混入量が所定のレベル以下の場合に、亜鉛をドーピングすることにより、顕著な発光効率の向上が得られることが分かった。
【００３２】
このように、不純物シリコンの混入量が所定のレベル以下の場合に、亜鉛のドーピングの効果が顕著になる理由は、必ずしも明確ではない。しかし、本発明者の検討によれば、ドーパントである亜鉛とシリコンとが、ｌｎＧａＡｌＰ活性層中において何らかの相互作用を有する結果として、不純物シリコンの量が多い場合には、亜鉛が非発光再結合中心として作用しやすくなることが推測される。
【００３３】
以上説明したように、本発明によれば、不純物シリコンの量が所定量以下である場合に、亜鉛が極めて有効に作用し、発光効率が顕著に改善される。
【００３４】
図３は、本発明の発光素子と従来の発光素子とについて、発光波長と発光効率との関係を表すグラフ図である。ここでは、ｌｎＧａＡｌＰ活性層中に含有される不純物シリコンの量が約１×１０16ｃｍ-3であり、亜鉛を約１×１０17ｃｍ-3ドーピングした場合について示した。
【００３５】
本発明によれば、活性層の発光波長が約５５０〜５９０ｎｍの範囲、すなわち緑色から黄色の範囲において、従来よりも発光効率が改善されていることが分かる。また、発光波長が約５５０〜５８０ｎｍ、すなわち緑色から黄緑色の範囲において、発光効率の改善が顕著であり、さらに、発光波長が約５５０〜５７０ｎｍ、すなわち緑色の範囲において特に発光効率の改善が顕著であることが分かる。これは、図８に関して前述したように、ｌｎＧａＡｌＰ層においては発光波長が短くなるほど不純物シリコンによる非発光再結合中心の影響が顕著になることと対応していると考えられる。すなわち、ｌｎＧａＡｌＰ層のバンドギャップが大きくなるほど、不純物シリコンが非発光再結合中心として作用する傾向が顕著となり、本発明により亜鉛をドーピングすることによる発光効率の改善の顕著にみられるようになる。以上説明したように、本発明によれば、緑色などの短波長の発光素子において、特に顕著な効果を得ることができる。
【００３６】
本発明者はさらに、本発明による亜鉛ドーピングの作用効果についてキャリアのライフタイムの観点から検討を行った。
図４は、ｌｎＧａＡｌＰ活性層におけるフォトルミネッセンス（ＰＬ）励起キャリア密度と、キャリアのライフタイムとの関係を表すグラフ図である。ここで用いたｌｎＧａＡｌＰ層は、発光波長が約５６０ｎｍの組成を有するものである。ここで、「ＰＬ励起キャリア密度」とは、光を照射することにより励起されたｌｎＧａＡｌＰ活性層中のキャリアの密度をいう。また、ここで測定された「ライフタイム」は、励起されたキャリアが非発光結合過程により再結合する場合のライフタイムと、発光再結合過程により再結合する場合のライフタイムとを合わせたものである。ここで、励起キャリアの特性として、キャリア密度が低い場合、すなわち、同図の右側の領域においては、非発光再結合によるライフタイムが主要成分となり、キャリア密度が高い場合、すなわち同図の左側の領域におけるライフタイムは、発光再結合によるライフタイムが主要成分となる。
【００３７】
同図から、本発明によるｌｎＧａＡｌＰ層は、キャリア密度が低い領域におけるライフタイムが従来のものよりも長いことがわかる。つまり、本発明によるｌｎＧａＡｌＰ層においては、励起キャリアが非発光再結合するまでのライフタイムが長く、非発光再結合が抑制されていることが分かった。つまり、本発明においては、亜鉛をドーピングしたことによって、非発光再結合中心が不活性化されていることが分かった。
【００３８】
これに対して、励起キャリア密度が高くなると、本発明においても従来例においてもライフタイムが短くなり、励起キャリア濃度が１×１０17ｃｍ-3以上においては、ほぼ同一のライフタイムを有することが分かる。すなわち、発光再結合のライフタイムは、本発明においても従来例においても概略同一であり、亜鉛をドーピングしても、発光再結合が生じにくくなることはないことが分かる。
【００３９】
以上説明したように、本発明によれば、ｌｎＧａＡｌＰ活性層に亜鉛をドーピングすることにより、不純物シリコンに起因する非発光再結合を不活性化し、発光効率を改善することができる。さらに、本発明のこの効果は、不純物シリコンの混入量が１×１０17ｃｍ-3以下、望ましくは５×１０16ｃｍ-3以下、さらに望ましくは１×１０16ｃｍ-3以下である場合に、顕著となり、発光効率を従来の約２倍程度に改善することができる。
【００４０】
不純物シリコンの混入量を制御するためには、結晶成長の原料を選定したり、結晶成長条件を調節する方法を採ることができる。本発明者の検討によれば、ＭＯＣＶＤ法においては、ＴＭＡやＴＭＩが特に不純物シリコンを多く含有する傾向がみられた。従って、特に、これらの原料について純物シリコンの含有量をモニタし、原料を選別することによって、ｌｎＧａＡｌＰ層に混入される不純物シリコンの量を制御することができる。
【００４１】
また、結晶成長条件を調節することによっても不純物シリコンの混入量を制御することができる。例えば、結晶成長時の温度や、ＩＩＩ族原料とＶ族元素ガスとの流量比、あるいはキャリアガスとの流量比などの種々のパラメータ調節することによって、ｌｎＧａＡｌＰ層に混入される不純物シリコンの量を制御することが可能である。
【００４２】
ここで、本発明による非発光再結合中心の抑制効果は、発光波長が短波長になるほど顕著となる。すなわち、図３に示したように、本発明によれば、緑色などの短波長領域において、従来よりも大幅に発光効率が改善された高い発光輝度を有する発光素子を提供することができる。
【００４３】
さらに、本発明者は、活性層１４の層厚と発光効率との関係について調べた。その結果、活性層１４の層厚には最適範囲が存在し、層厚が０．８〜２．０μｍの場合に最も高い発光効率が得られることが分かった。このような最適範囲が存在する理由は、活性層１４の層厚がこれよりも薄いと十分な発光量が得られず、逆に層厚がこれよりも厚いと注入キャリアの拡散長よりも厚くなり、ダブルヘテロ構造による閉じこめ効果が低下するからであると考えられる。このように、活性層１４の層厚を最適化することにより、さらに高輝度の発光素子を提供することができるようになる。
【００４４】
次に、本発明による第２の発光素子について説明する。
図５は、本発明による第２の半導体発光素子の断面構造を例示する概略図である。図１に表した発光素子との相違点は、ｐ型クラッド層５５と電流拡散層５６との間に電流ブロック層５７が設けられている点である。すなわち、本発明による発光素子５０は、ｎ型ＧａＡｓ基板５１（厚さ約２５０μｍ）上に、ｎ型ＧａＡｓバッファ層（０．５μｍ）５２、ｎ型ＩｎＡｌＰクラッド層（０．６μｍ）５３、ＩｎＧａＡｌＰ活性層（１．０μｍ）５４、ｐ型ＩｎＡｌＰクラッド層（１．０μｍ）５５、電流ブロック層５７、ｐ型ＧａＡｌＡｓ電流拡散層５６が順次積層された構造を有する。電流ブロック層５７は、例えば、絶縁性を有する材料や、ｎ型半導体により構成され、ｐ側電極５８の直下部にのみ設けられている。さらに、ｐ側電極５８とｎ側電極５９とがそれぞれ形成されている。
【００４５】
各半導体層５２〜５７は、例えばＭＯＣＶＤ法によりエピタキシャル成長することができ、その成長温度や原料などは、図１に関して前述したものと同様とすることができる。
【００４６】
ここで、本実施形態においても、ｌｎＧａＡｌＰ活性層５４に亜鉛がドーピングされ、不純物シリコンに起因する非発光再結合中心が不活性化されている。亜鉛のドーピングは、例えばＤＭＺを用いて行うことができる。また、亜鉛のドーピング量は、ｌｎＧａＡｌＰ活性層５４に含有される不純物シリコンの量に応じて適宜決定することができる。しかし前述したように、不純物シリコンの混入量を１×１０17ｃｍ-3以下、望ましくは５×１０16ｃｍ-3以下、さらに望ましくは１×１０16ｃｍ-3以下に抑制することによって、亜鉛ドーピングの効果が顕著となり、発光効率を従来の約２倍以上に改善することができる。
【００４７】
また、本実施形態においては、電流ブロック層５７が設けられているために、ｐ側電極５８の下部において流れる電流を制限することができ、外部に取り出すことができない電極下部での発光を抑制して、光の取り出し効率を改善することができる。
【００４８】
なお、本実施形態においても、活性層５４は、ｌｎＧａＡｌＰからなる単一層の代わりに、ＭＱＷ構造としても良い。すなわち、ｌｎＧａＡｌＰ井戸層とｌｎＧａＡｌＰ障壁層とを交互に積層させた構造とすることができる。それぞれの組成は、所定の発光波長に応じて適宜決定することができる。また、ｌｎＧａＡｌＰ井戸層の層厚は５〜１５ｎｍ程度で、ｌｎＧａＡｌＰ障壁層の層厚は５〜２０ｎｍ程度とすることが望ましい。このような井戸層と障壁層の積層数は、１０〜３０周期とすることが望ましい。活性層５４をこのようなＭＱＷ構造とすることにより、発光素子の発光特性が改善される。すなわち、発光波長の単色性や発光強度、温度特性などが改善される。さらに、これらの井戸層と障壁層とにそれぞれ亜鉛を所定量ドーピングすることによって、前述したように不純物シリコンを不活性化して発光特性をさらに改善することができる。
【００４９】
次に、本発明による第３の発光素子について説明する。
図６は、本発明による第３の半導体発光素子の断面構造を例示する概略図である。図１に表した発光素子との相違点は、ｐ型クラッド層６５と電流拡散層６６との間に電流ブロック層６７が設けられ、さらに、バッファ層６２とｎ型クラッド層６３との間に光反射層７０が設けられている点である。すなわち、本発明による発光素子６０は、ｎ型ＧａＡｓ基板６１（厚さ約２５０μｍ）上に、ｎ型ＧａＡｓバッファ層（０．５μｍ）６２、ｎ型ＩｎＡｌＰクラッド層（０．６μｍ）６３、ＩｎＧａＡｌＰ活性層（１．０μｍ）６４、ｐ型ＩｎＡｌＰクラッド層（１．０μｍ）６５、電流ブロック層６７、ｐ型ＧａＡｌＡｓ電流拡散層６６が順次積層された構造を有する。
【００５０】
電流ブロック層６７は、例えば、絶縁性を有する材料や、ｎ型半導体により構成され、ｐ側電極５８の直下部にのみ設けられている。また、光反射層７０は、光屈折率が異なる２種類の材料からなる層を交互に積層した、いわゆるブラッグ反射層とすることができる。各層の層厚は、活性層の発光波長λを、各層の屈折率をｎとした時に、λ／（４ｎ）とすることが望ましい。例えば、ｎ型ＩｎＧａＡｌＰ層とｎ型ＧａＡｓ層とを交互に積層することにより形成することができる。また、ｎ型ＩｎＡｌＰ層とｎ型ＧａＡｓ層とを交互に積層して形成しても良い。
【００５１】
本実施形態においても、ｌｎＧａＡｌＰ活性層６４に亜鉛がドーピングされ、不純物シリコンに起因する非発光再結合中心が不活性化されている。亜鉛のドーピングは、例えばＤＭＺを用いて行うことができる。また、亜鉛のドーピング量は、ｌｎＧａＡｌＰ活性層６４に含有される不純物シリコンの量に応じて適宜決定することができる。しかし前述したように、不純物シリコンの混入量を１×１０17ｃｍ-3以下、望ましくは５×１０16ｃｍ-3以下、さらに望ましくは１×１０16ｃｍ-3以下に抑制することによって、亜鉛ドーピングの効果が顕著となり、発光効率を従来の約２倍以上に改善することができる。
【００５２】
また、本実施形態においては、電流ブロック層６７が設けられているために、ｐ側電極５８の下部において流れる電流を制限することができ、外部に取り出すことができない電極下部での発光を抑制して、光の取り出し効率を改善することができる。
【００５３】
さらに、本実施形態においては、光反射層７０が設けられているために、活性層６４からの発光が、図中の上方に向けて反射され、光の取り出し効率をさらに改善することができる。この結果として、従来よりもさらに高輝度の発光素子を提供することができる。
【００５４】
なお、本実施形態においても、活性層６４は、ｌｎＧａＡｌＰからなる単一層の代わりに、ＭＱＷ構造としても良い。すなわち、ｌｎＧａＡｌＰ井戸層とｌｎＧａＡｌＰ障壁層とを交互に積層させた構造とすることができる。それぞれの組成は、所定の発光波長に応じて適宜決定することができる。また、ｌｎＧａＡｌＰ井戸層の層厚は５〜１５ｎｍ程度で、ｌｎＧａＡｌＰ障壁層の層厚は５〜２０ｎｍ程度とすることが望ましい。このような井戸層と障壁層の積層数は、１０〜３０周期とすることが望ましい。活性層６４をこのようなＭＱＷ構造とすることにより、発光素子の発光特性が改善される。すなわち、発光波長の単色性や発光強度、温度特性などが改善される。さらに、これらの井戸層と障壁層とにそれぞれ亜鉛を所定量ドーピングすることによって、前述したように不純物シリコンを不活性化して発光特性をさらに改善することができる。
【００５５】
以上、具体例を参照しつつ本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明は、これらの具体例に限定されるものでははない。
【００５６】
例えば、非発光再結合中心として作用する元素は、前述したシリコンに限定されない。本発明は、その他のＩＶ族元素、ＶＩ族元素や、遷移金属元素などに起因する種々の非発光再結合中心に対しても同様に適用することができる。
【００５７】
また、これらの非発光再結合中心を不活性化するドーパントとしては、例示した亜鉛に限定されない。例えば、この他のＩＩ族元素であるマグネシウム（Ｍｇ）、ベリリウム（Ｂｅ）、カドミウム（Ｃｄ）などの元素をドーピングしても、同様に非発光再結合中心を不活性化することができる。
【００５８】
また、各半導体層の結晶成長法としては、前述したＭＯＣＶＤ法の他に、ハイドライド化学気相成長法（ＨＣＶＤ）、化学ビーム・エピタキシャル法（ＣＢＥ）、液相成長法（ＬＰＥ）などを用いることもきる。
【００５９】
また、その導電型についても図示した構成に限定されず、ｐ型とｎ型とが反転した構造であっても良い。
【００６０】
さらに、ダブルヘテロ型構造に限定されず、例えば、ヘテロ接合をひとつだけ有する、いわゆるシングルヘテロ型構造や、クラッド層が多重量子井戸型構造を有するいわゆる多重量子障壁（ＭＱＢ）型のような発光素子についても本発明を適用することができる。その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々に変形して実施することが可能である。
【００６１】
【発明の効果】
本発明は、以上に説明した形態で実施され、以下に説明する効果を奏する。
【００６２】
まず、本発明によれば、ｌｎＧａＡｌＰ活性層に亜鉛をドーピングすることによって、非発光再結合中心による励起キャリアの非発光再結合過程による再結合のライフタイムを長くすることができる。その結果として、非発光再結合中心を不活性化させて非発光再結合中心の作用を抑制し、発光効率を改善することができる。
【００６３】
また、本発明によれば、不純物シリコン濃度が５×１０16ｃｍ-3の場合には、亜鉛のドーピングにより発光効率は改善され、亜鉛を約１×１０17ｃｍ-3ドーピングした場合に、発光効率は極大値を有し、従来例、すなわち亜鉛をドーピングしない場合に比べて発光効率は、約１．５倍に改善される。
【００６４】
さらに、本発明によれば、不純物シリコン濃度が１×１０16ｃｍ-3の場合には、亜鉛のドーピングにより発光効率は顕著に改善され、亜鉛を約１×１０17ｃｍ-3ドーピングした場合に、発光効率は極大値を有し、従来例、すなわち亜鉛をドーピングしない場合に比べて発光効率は、約３倍に改善される。すなわち、本発明によれば、不純物シリコンの混入量が所定のレベル以下の場合に、亜鉛をドーピングすることにより、顕著な発光効率の向上が得られる。
【００６５】
また、本発明によれば、活性層の発光波長が約５５０〜５９０ｎｍの範囲、すなわち緑色から黄色の範囲において、従来よりも発光効率を改善することができる。また、発光波長が約５５０〜５８０ｎｍ、すなわち緑色から黄緑色の範囲において、発光効率の改善が顕著であり、さらに、発光波長が約５５０〜５７０ｎｍ、すなわち緑色の範囲において特に発光効率の改善が顕著である。
【００６６】
すなわち、本発明によれば、ｌｎＧａＡｌＰ層のバンドギャップが大きくなるほど、不純物シリコンが非発光再結合中心として作用する傾向が顕著となり、本発明により亜鉛をドーピングすることによる発光効率の改善の顕著にみられるようになる。以上説明したように、本発明による非発光再結合中心の抑制効果は、発光波長が短波長になるほど顕著となる。すなわち、本発明によれば、緑色などの短波長領域において、従来よりも大幅に発光効率が改善された高い発光輝度を有する発光素子を提供することができる。
【００６７】
また、本発明によれば、電流ブロック層を設けることにより、ｐ側電極の下部において流れる電流を制限することができ、外部に取り出すことができない電極下部での発光を抑制して、光の取り出し効率を改善することができる。
【００６８】
さらに、本発明によれば、光反射層を設けることによって、活性層からの発光が、図中の上方に向けて反射され、光の取り出し効率をさらに改善することができる。この結果として、従来よりもさらに高輝度の発光素子を提供することができる。
【００６９】
以上説明したように、本発明によれば、特に短波長領域において、高い発光効率を有するｌｎＧａＡｌＰ系発光素子を提供することができるようになり、産業上のメリットは多大である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による半導体発光素子の断面構造を例示する概略図である。
【図２】本発明による発光素子において、活性層への亜鉛のドーピング量と、発光効率との関係を表すグラフ図である。
【図３】本発明の発光素子と従来の発光素子とについて、発光波長と発光効率との関係を表すグラフ図である。
【図４】ｌｎＧａＡｌＰ活性層におけるフォトルミネッセンス（ＰＬ）励起キャリア密度と、ライフタイムとの関係を表すグラフ図である。
【図５】本発明による第２の半導体発光素子の断面構造を例示する概略図である。
【図６】本発明による第３の半導体発光素子の断面構造を例示する概略図である。
【図７】従来のｌｎＧａＡｌＰ系半導体発光素子の概略構成を表す断面模式図である。
【図８】従来のｌｎＧａＡｌＰ系発光素子の発光波長と発光効率との関係を表すグラフ図である。
【図９】活性層の不純物シリコン濃度と発光効率との関係を表すグラフ図である。すなわち、同図の横軸は緑色ＬＥＤの活性層の不純物シリコン濃度を表し、縦軸はその発光効率を表す。
【図１０】活性層の発光波長と不純物シリコンのエネルギ準位との関係を表すグラフ図である。すなわち、同図の横軸はｌｎＧａＡｌＰ活性層の発光波長を表し、縦軸は不純物シリコンのエネルギ準位を表す。
【符号の説明】
１０、５０、６０、１００ 半導体発光素子
１１、５１、６１、１０１ 基板
１２、５２、６２、１０２ バッファ層
１３、５３、６３、１０３ クラッド層
１４、５４、６４、１０４ 活性層
１５、５５、６５、１０５ バッファ層
１６、５６、６６、１０６ 電流拡散層
１８、５８、６８、１０８ ｐ側電極
１９、５９、６９、１０９ ｎ側電極
５７、６７ 電流ブロック層
７０ 光反射層
Claims (6)
- 基板と、前記基板上に形成されたＩｎＧａＡｌＰ系化合物半導体からなる第１のクラッド層と、前記第１のクラッド層の上に形成されたＩｎＧａＡｌＰ系化合物半導体からなる活性層と、前記活性層の上に形成されたＩｎＧａＡｌＰ系化合物半導体からなる第２のクラッド層と、を備えた半導体発光素子であって、
前記活性層は、
シリコンと、亜鉛と、を含有してなり、
前記活性層における前記シリコンの含有量は、５×１０１６ｃｍ−３以下であり、
前記活性層における前記亜鉛の含有量は、５×１０１６ｃｍ−３以上、且つ２×１０１７ｃｍ−３以下であることを特徴とする半導体発光素子。 - 前記活性層における前記シリコンの含有量は、１×１０１６ｃｍ−３以下であることを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子。
- 前記活性層を構成する前記ＩｎＧａＡｌＰ系化合物半導体の発光波長は、５５０ｎｍ以上で５８０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１または請求項２記載の半導体発光素子。
- 前記活性層は、多重量子井戸構造を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
- 前記半導体発光素子は、
前記第２のクラッド層の上に形成された電流拡散層と、
前記電流拡散層の上に部分的に形成された電極と、をさらに備え、
且つ、
前記第２のクラッド層と前記電流拡散層との間に前記電極に対応して部分的に形成され、前記電極の下部における電流を抑制する電流ブロック層が設けられたものとして構成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の半導体発光素子。 - 前記半導体発光素子は、
前記基板と前記第１のクラッド層との間に形成された光反射層をさらに備え、
前記活性層からの発光を前記第２のクラッド層の方向に反射するものとして構成されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
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