JP4984095B2

JP4984095B2 - 発光素子

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Publication number: JP4984095B2
Application number: JP2009205052A
Authority: JP
Inventors: 健滋酒井; 順也石崎; 淳池田
Original assignee: Shin Etsu Handotai Co Ltd
Current assignee: Shin Etsu Handotai Co Ltd
Priority date: 2009-09-04
Filing date: 2009-09-04
Publication date: 2012-07-25
Anticipated expiration: 2029-09-04
Also published as: JP2011054905A; TWI555230B; TW201131811A

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。これは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ることができることも要因にある。

ここで、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。しかし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が窓層に用いられている。
しかしながら、厚いＧａＰ窓層を設けるためには、ＡｌＧａＩｎＰからなる発光層に直接ＧａＰ基板を接合するか、ＧａＰの厚膜を結晶成長しなければならない。ＧａＰ基板を直接接合する方法では、特許文献１等に示されているようにＧａＰ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有効であるが、更に他方の面、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、他方の窓層も、貼り合わせ若しくは結晶成長によって形成されることになるが、発光層を形成する際に下地として用いたＧａＡｓ基板は光吸収層として機能するため、窓層形成前にＧａＡｓ基板を除去する必要がある。

ところで、発光素子に必要なＡｌＧａＩｎＰ系材料からなる層構造では、一般にはＧａＡｓ基板上にＭＯＶＰＥ法で気相成長させる。しかし、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適切にＧａＡｓ基板とＡｌＧａＩｎＰ層との間に挿入することでＧａＡｓ基板をきれいに除去することができる。

ただし、発光に必要な発光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、発光層のみの状態でＧａＡｓ基板を除去すると、残存ウエハの膜厚は当然１０μｍ程度である。このような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は有しない。
そこで、ＧａＡｓ基板除去前に、厚膜ＧａＰ層を結晶成長することでウエハに機械的強度を持たせることによって、ＧａＰ層が光取り出し層（窓層）と強度保持板を兼ねることができ、合理的である。

このような厚膜ＧａＰ層を結晶成長で形成する場合、工業的工程を通すために十分な機械的強度を持たせるために必要なＧａＰ層の厚さは２０μｍ以上である。しかし２０μｍ以上の膜厚のＧａＰ層を結晶成長するためには数〜十数時間が必要である。ＧａＰ層は厚膜になるほど側面光取り出しが増大するため、成長時間が長くなることはあっても短くすることはできない。
また、ＧａＰ層の成長に要する温度は、一般に発光層を成長する際の温度より同等以上の高温が必要であり、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。

ところで、通常発光素子に用いられるウエハでは、発光層の窓層に接する部分には、キャリアを閉じ込めるための導電型がｐ型とｎ型のｐ型クラッド層とｎ型クラッド層と呼ばれる層が設けられており、更にｐ型クラッド層とｎ型クラッド層の間には活性層と呼ばれる層がある。またｐ型クラッド層にはｐ型の窓層が、ｎ型クラッド層にはｎ型の窓層が接している。
このｐ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、加熱されることで熱力学に従って濃度の高い方から低い方へ拡散する。このため、当然活性層中にも拡散する可能性がある。そして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、光出力の低下現象を引き起こす。

ｐ型不純物の拡散は、発光層（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_ｙＩｎ_１−ｙＰ中のＡｌの組成比ｘに大きく依存し、ｘが少なければ不純物の拡散が早く、不純物が滞留しにくい。
例えば、活性層は通常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。

ここで、不純物濃度の絶対量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、また一般にクラッド層はドーピングされている。そして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、不純物拡散速度は活性層より遅い。
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ず、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。

しかし不純物の拡散があっても、活性層の厚さ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を抑制できる構造とすることができる。
例えば、層中への不純物拡散による欠陥形成が起こる厚さ分だけ活性層を厚く設けておくことによって、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。

このような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が、これでは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できない上、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、発光効率を上げることができない。そしてこのようなバルク型活性層は６０％程度の内部量子効率しかない。

この問題に対する対策として、例えば特許文献２等に示されているように活性層を少なくとも２層以上設け、活性層と活性層の間に障壁層を設ける多重量子井戸（ＭＱＷ）構造を用いる方法がある。このような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く、活性層に与える不純物拡散の影響が大きくなる。ＭＱＷにおける活性層を増やせば解決できる可能性もあるが、大幅に層数を増やす必要があり、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、ド・ブロイ波長以上の膜厚に各層を設定して、少ない層数で発光効率を高める方法（以下多重活性層型ともいう）もある。この場合、不純物拡散は適切に制御されるため、寿命実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。

しかし、各層の膜厚がド・ブロイ波長以上の場合は、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現象はホッピングに頼るしかない。電子は有効質量が小さいため、ホッ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、障壁層を越えるホッピングの統計的確率は電子に比べて低下する。このため、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の低下とそれに伴う発光効率の低下が発生する。

また、キャリア注入効率が低下すると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。例えば、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ことは、特許文献３に示されている。しかし、キャリアのホッピングがし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。

しかしながら、活性層と活性層の間に波動関数が重ならない活性層よりもバンドギャップの大きい障壁層が挿入されているため、２０ｍＡの電流を流すのに必要な電圧値が２．５〜３．０Ｖ程度と、バルク型活性層の場合の電圧値１．９Ｖより著しく増大する。
障壁層の厚さを１０〜２０ｎｍ程度に減らせば、直列抵抗成分はバルク活性層の１〜２割程度高い水準に留まり、２０℃付近の室温動作時においては、この電圧上昇（Ｖｆ上昇ともいう）０．１〜０．３Ｖ程度に抑えることができ、２．５〜３Ｖを電源とする機器系においては大きな問題にならなくなる。しかしながら、ＬＥＤ等の発光素子は屋外で用いられることが多く、外部環境が低温時の特性が問題になるが、多重活性層型構造を用いた場合、低温時のＶｆが大きく上昇する。

その上、障壁層の厚さを１０〜２０ｎｍ程度まで減らしても、直列抵抗成分はバルク活性層の１〜２割程度高い水準に留まると共に、障壁層の厚さを減らすことで閉じ込め効果が弱まり、発光出力も低下する。層厚を薄くすると、直列抵抗成分が高いだけのバルク型活性層と同様の特性を示すにとどまる。
従って、ｎ型またはｐ型、あるいはｐ側とｎ側両者に３０μｍ以上の厚いＧａＰ窓層を有するＡｌＧａＩｎＰ系発光素子において、高い内部量子効率と低い直列抵抗成分と、長寿命を有する発光素子を実現することは現状の技術では困難であった。

特開２００６−３２８３７号公報特開２００３−４６２００公報特開平１１−２５１６８７公報

本発明は、上記問題に鑑みなされたものであって、ＧａＰ厚膜の成長を伴う発光素子において、従来のバルク型活性層の低抵抗という利点を維持しつつ、多重活性層型発光素子の持つ長寿命と高い発光効率を両立させた発光素子を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明では、少なくとも、ｐ型クラッド層と少なくとも３層以上の活性層と少なくとも２層以上の障壁層とｎ型クラッド層とを有する（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_ｙＩｎ_１−ｙＰ（０＜ｘ＜１，０．４＜ｙ＜０．６）からなる発光層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、前記障壁層と前記活性層のバンドギャップ差ΔＥが、０ｅＶより大きくかつ０．３５ｅＶ以下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、（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_ｙＩｎ_１−ｙＰ（０＜ｘ＜１，０．４＜ｙ＜０．６）（以下ＡｌＧａＩｎＰとも記載）からなる障壁層と活性層のバンドギャップ差ΔＥを、０ｅＶより大きくかつ０．３５ｅＶ以下とする。
これによって、活性層の構造をバルク型活性層とした場合と比べて順方向電圧Ｖｆの上昇率を３％程度と非常に低い上昇率に抑えることができる。すなわち、長寿命・高発光効率の多重活性層型の構造の発光素子でありながら、低抵抗というバルク型活性層とほぼ同程度の抵抗率の発光素子とすることができる。

また、前記ΔＥを、０．２５ｅＶ以下とすることが好ましい。
このように、活性層と障壁層のバンドギャップ差ΔＥを０．２５ｅＶ以下にすることにより、従来のバルク型活性層構造の発光素子とほぼ同じ順方向電圧Ｖｆとすることができ、より低抵抗な高発光効率、長寿命の発光素子となる。

そして、前記ΔＥを、０．２ｅＶ以上とすることが好ましい。
このように、活性層と障壁層のバンドギャップ差ΔＥを０．２ｅＶ以上とすることによって、活性層と障壁層との間のバンドギャップが一定以上に保たれることにより、キャリアの閉じ込めの機能が低下することを抑制することができる。よって、順方向電圧Ｖｆの上昇を抑制しながら、発光効率の低下も抑制することができ、更に容易に低抵抗かつ高発光効率、長寿命の発光素子とすることができる。

そして、前記障壁層のＡｌの組成比ｘを０＜ｘ＜０．９とすることが好ましい。
障壁層が上述のような組成を有するものであれば、障壁層での不純物の拡散速度を活性層と比較して遅くすることができ、これによって、不純物が活性層に滞留することを抑制することができる。従って、キャリア注入効率の上昇や光吸収の抑制を実現できる。

また、前記活性層は、厚さが５ｎｍ以上とすることが好ましい。
このように、活性層の厚さを、キャリアが留まる確率を増加させることができる５ｎｍ以上にすることで、より発光効率を高めることができる。

そして、前記障壁層は、厚さが５ｎｍ以上５０ｎｍ以下とすることが好ましい。
このように、障壁層の厚さを、トンネル効果によるキャリアの透過を抑制することができる５ｎｍ以上にすることで、キャリアの閉じ込め効果をより増加させることができ、更に発光効率を高めることができる。
また５０ｎｍ以下とすることで、キャリアホッピング確率が低下してしまうことを抑制することができる。

以上説明したように、本発明によれば、ＧａＰ厚膜の成長を伴う発光素子において、従来のバルク型活性層の低抵抗という利点を維持しつつ、多重活性層型発光素子の持つ長寿命と高い発光効率を両立させた発光素子が提供される。

本発明の発光素子の概略の一例を示した図である。本発明の発光素子に用いられる化合物半導体基板の概略と発光層のバンドギャップの概略の一例を示した図である。本発明の実施例及び比較例の発光素子の障壁層と活性層のバンドギャップの差ΔＥと順方向電圧Ｖｆの関係を示したグラフである。実施例及び比較例の発光素子のバンドギャップの差ΔＥと低温（−４０℃）における順方向電圧Ｖｆの関係を示したグラフである。比較例１の発光素子に用いられる化合物半導体基板の概略を示した図である。比較例２の発光素子に用いられる化合物半導体基板の概略を示した図である。

以下、本発明について図面を参照して詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。図１は、本発明の発光素子の概略の一例を示した図である。また図２は、本発明の発光素子に用いられる化合物半導体基板の概略の一例と、発光層のバンドギャップの一例を示した図である。

図１に示したように、本発明の発光素子１０は、少なくとも、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。
そして図２に示すように、この化合物半導体基板１００は、少なくとも、第一層としてのｎ型ＧａＰ基板１０１、第三層としてｐ型ＧａＰ層１０９、第四層としてｐ型ＧａＰ窓層１１０を有し、第一層と第三層の間の第二層として発光層１０８からなるものである。

そしてこの発光層１０８は、（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_ｙＩｎ_１−ｙＰ（０＜ｘ＜１，０．４＜ｙ＜０．６）からなるｎ型クラッド層１０３、ｐ型クラッド層１０７、少なくとも３層以上（図２では１０層）の活性層１０４、活性層１０４と活性層１０４の間に活性層１０４よりも大きなバンドギャップを有する少なくとも２層以上（図２では９層）の障壁層１０５からなるものである。
またこの障壁層１０５は、ｎ型クラッド層１０３及びｐ型クラッド層１０７よりバンドギャップが同じか小さいものであり、かつ活性層１０４と障壁層１０５は１回以上交互に積層されたものとなっている。
更に、図２の右側に示したように、障壁層１０５のバンドギャップＥｇ_ｂと活性層１０４のバンドギャップＥｇ_ａとのバンドギャップ差ΔＥ（＝Ｅｇ_ｂ−Ｅｇ_ａ）が、０ｅＶより大きく、かつ０．３５ｅＶ以下となっている。

また、図２に示すように、活性層１０４とｐ型クラッド層１０７との間にノンドープのセットバック層１０６を設ける事ができる。尚、このセットバック層とは、（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_ｙＩｎ_１−ｙＰ（ただし、０≦ｘ≦１、０＜ｙ＜１）からなり、ｎ型クラッド層やｐ型クラッド層よりＡｌ比ｘが同じか小さい層のことをいう。

このような構造の発光素子であれば、ＡｌＧａＩｎＰ系高輝度発光素子の重要特性であるライフ（輝度の通電劣化特性）を改善できる多重活性層型でありながら、順方向電圧Ｖｆを従来技術であるバルク型と同じ程度に維持できる。すなわち、仕様上許容できる水準を満足するものとすることができ、大幅な改善を図ることができる。
また発光寿命が長い多重活性層構造の化合物半導体を用いて製造された発光素子であるため、長寿命な発光素子とすることができる。

尚、バンドギャップ差ΔＥが０．３５ｅＶより大きい場合、順方向電圧が増加し、仕様上問題となる水準となるため、ΔＥは０．３５ｅＶ以下とする。また、ΔＥが０の場合、障壁層と活性層が同一組成、すなわち従来のバルク型活性層と全く同じ構造となり、多重活性層型の高発光効率・長寿命との利点が得られないため、ΔＥは０より大きいものとする。

また、ΔＥを、０．２５ｅＶ以下とすることができる。
これによって、得られた発光素子の順方向電圧を、従来のバルク型活性層構造の発光素子とほぼ同じ水準とすることができ、より低抵抗な高発光効率、長寿命の発光素子を得ることができる。

そして、ΔＥを、０．２ｅＶ以上とすることができる。
これによって、活性層と障壁層との間のバンドギャップを必要以上に低くなることを抑制できる。すなわち、キャリアの閉じ込め機能の低下を抑制できる。従って、順方向電圧Ｖｆの上昇を抑制しつつ、発光効率が低下することも抑制でき、更に容易に低抵抗かつ高発光効率、長寿命の発光素子とすることができる。

ここで、障壁層は組成比ｘが０＜ｘ＜０．９とすることができる。
このように、障壁層のＡｌの組成比ｘが上述の範囲であれば、直列抵抗がより低い障壁層とすることができる。そして、障壁層での不純物の拡散速度を活性層と比較して遅くすることができ、これによって、不純物が活性層に滞留することが抑制されるため、キャリア注入効率の上昇や光吸収の抑制を実現することができる。

また、活性層は、厚さが５ｎｍ以上とすることができる。
このように、活性層の厚さを５ｎｍ以上にすることで、キャリアが留まる確率を増加させることができ、発光効率をより高めることができる。

そして、障壁層は、厚さが５ｎｍ以上５０ｎｍ以下とすることができる。
上述のような厚さの障壁層であれば、トンネル効果によるキャリアの透過を抑制することができるため、キャリアの閉じ込め効果をより増加させることができる。よって、更に発光効率を高めることができる。
また５０ｎｍ以下であれば、キャリアホッピング確率が低下してしまうことを抑制することができる。

なお、活性層と障壁層の層数の上限については、障壁層と活性層のバンドギャップ差ΔＥが、０ｅＶより大きくかつ０．３５ｅＶ以下との関係を満たす場合、順方向電圧を従来のバルク型活性層と同程度の水準とすることができるとの効果を奏することができるため、特に限定されない。
しかし、あまりに層数が多いと、製造に時間がかかるため製造コストが上昇したり、層数が増加したために活性層の自己吸収によって内部量子効率が低下する等の問題が発生するため、障壁層数は３０以下、活性層数は３１以下とすることが望ましい。

そしてこのような発光素子の製造方法の一例について以下に説明するが、もちろんこれに限定されるものではない。

先ず、成長用単結晶基板としてｎ型のＧａＡｓ基板を準備し、洗浄した後にＭＯＣＶＤのリアクターに入れる。
そして、先に導入したＧａＡｓ基板上に、ｎ型ＧａＡｓバッファ層をエピタキシャル成長させる。更に、ｎ型ＧａＡｓバッファ層の表面上に、ＭＯＣＶＤ法により、ｎ型クラッド層をエピタキシャル成長させる。

次に、ｎ型クラッド層の表面上に、活性層、障壁層を、Ａｌの組成比ｘを変更して、所望の構造となるように、適宜ＭＯＣＶＤ法でエピタキシャル成長させる。
ここで、障壁層と活性層のバンドギャップ差ΔＥが、０ｅＶより大きくかつ０．３５ｅＶより小さくなるように、Ａｌの組成比ｘを選択する。但し、障壁層のバンドギャップはｎ型クラッド層及びｐ型クラッド層より同じか小さくなるようにする。
また、活性層は少なくとも３層以上、障壁層は少なくとも２層以上気相成長させる。そして、活性層と障壁層は交互に積層させる。更に障壁層と障壁層は、互いに隣接させず、更にｎ型クラッド層とｐ型クラッド層にも接しない構造となるようにする。
更に、最表面側の活性層の形成後に、ノンドープの（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_ｙＩｎ_１−ｙＰ（ただし、０≦ｘ≦１、０＜ｙ＜１）からなり、ｎ型クラッド層やｐ型クラッド層よりＡｌ比ｘが同じか小さいセットバック層を形成することができる。

その後、ｐ型クラッド層、ｐ型ＧａＰ層を、最表面側の活性層の表面上にＭＯＣＶＤ法によりエピタキシャル成長させて、ＭＯエピタキシャル基板を得る。
次に、ｐ型ＧａＰ窓層を形成する。この窓層の形成では、先に得たＭＯエピタキシャル基板をＭＯＣＶＤのリアクターから取り出し、ＨＶＰＥ法のリアクター内に入れる。そして、Ｚｎをドープし、ｐ型ＧａＰ窓層をエピタキシャル成長させる。

次に、ＧａＡｓ基板及びＧａＡｓバッファ層を除去する。これによりｎ型クラッド層を露出させる。
そして、ＧａＡｓ基板等を除去することで露出したｎ型クラッド層の表面に、ｎ型ＧａＰ基板を貼り付けるか、またはＨＶＰＥ法を用いエピタキシャル成長により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。

そしてこの得られた化合物半導体基板を切断し、チップに加工して、電極付け等を行うことで、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）
図２に示すような化合物半導体基板を製造し、図１に示す様な発光素子を製造した。
具体的には、厚さ２８０μｍのｎ型ＧａＡｓ基板（１５°オフアングル）の主表面上に、厚さ０．５μｍのｎ型ＧａＡｓバッファ層、厚さ２．３μｍのｎ型ＡｌＧａＩｎＰ層（ｎ型クラッド層）、厚さ０．０３μｍのノンドープＡｌ_ｘａＧａ_１−ｘａＩｎＰ層（活性層）と厚さ０．０３μｍのノンドープＡｌ_ｘｂＧａ_１−ｘｂＩｎＰ層（障壁層）を９ペア＋厚さ０．０３μｍのノンドープＡｌ_ｘａＧａ_１−ｘａＩｎＰ層（活性層）、厚さ０．７μｍのノンドープＡｌＧａＩｎＰ層（セットバック層）、厚さ１．６μｍのｐ型ＡｌＧａＩｎＰ（ｐ型クラッド層）、厚さ２．５μｍのｐ型ＧａＰ層（窓層）をＭＯＶＰＥ法によってエピタキシャル成長させて、その後厚さ９０μｍのｐ型ＧａＰ層（窓層）をＨＶＰＥ法によってエピタキシャル成長させた。
尚、活性層のＡｌ組成比ｘ_ａと障壁層のＡｌ組成比ｘ_ｂは、後述する表１に示すとおりの組成比とし、活性層と障壁層のバンドギャップ差ΔＥを０．２４ｅＶとした。

その後、ｎ型ＧａＡｓ基板とｎ型ＧａＡｓバッファ層を除去し、ｎ型ＧａＰ基板を貼り合わせた。
そして、電極形成、ダイシング、電極付け等を行って、発光素子を製造した。

製造した発光素子の特性を評価するために、以下に示す様な評価を行った。
まず、発光効率を評価するために、直流電流２０ｍＡを流した時の全方位光出力を積分球にて測定した。そして寿命特性は直流電流５０ｍＡ、環境温度を８５℃とした加速試験にて１００時間後の発光効率を評価し、初期出力に対する劣化を評価した。
そして、環境温度２５℃において２０ｍＡの電流を流すのに必要な電圧（順方向電圧Ｖｆ）の評価を行った。そして温度８５℃、湿度５０％、順方向電流５０ｍＡ、通電時間１００時間の加速試験を行い、順方向電圧Ｖｆの変化率の評価（Ｖｆライフ）を行った。更に低温（−４０℃）で２０ｍＡの電流を流すのに必要な順方向電圧Ｖｆ（ＬＴＶｆ）の評価を行った。
これらの結果の一部を表１に示す。

（比較例１）
図５に示す様な化合物半導体基板２００を製造し、該化合物半導体基板から発光素子を製造した。
具体的には、厚さ２８０μｍのｎ型ＧａＡｓ基板（１５°オフアングル）の主表面上に、厚さ０．５μｍのｎ型ＧａＡｓバッファ層、厚さ２．３μｍのｎ型ＡｌＧａＩｎＰ層（ｎ型クラッド層）２０３、厚さ０．６のノンドープＡｌ_ｘａＧａ_１−ｘａＩｎＰ層（活性層）２０４、厚さ０．７μｍのノンドープＡｌＧａＩｎＰ層（セットバック層）２０６、厚さ１．６μｍのｐ型ＡｌＧａＩｎＰ（ｐ型クラッド層）２０７、厚さ２．５μｍのｐ型ＧａＰ層（窓層）２０９をＭＯＶＰＥ法によってエピタキシャル成長させて、その後厚さ９０μｍのｐ型ＧａＰ層（窓層）２１０をＨＶＰＥ法によってエピタキシャル成長させた。
尚、活性層のＡｌ組成比ｘ_ａは０．０９とした。この場合、障壁層は存在しないこととなり、バンドギャップ差ΔＥは０となった。

その後、ｎ型ＧａＡｓ基板とｎ型ＧａＡｓバッファ層を除去し、ｎ型ＧａＰ基板２０１を貼り合わせた。
そして、電極形成、ダイシング、電極付け等を行って、発光素子を製造した。
その後、実施例１と同様の評価を行った。その結果も表１に示す。

（実施例２）
実施例１において、活性層のＡｌ組成比ｘ_ａを０．３０、障壁層のＡｌ組成比ｘ_ｂを０．８５として、ΔＥを０．３３ｅＶとした以外は実施例１と同様の方法によって化合物半導体基板、発光素子を製造した。そして実施例１と同様の評価を行い、表１に結果を示した。

（比較例２）
図６に示すような化合物半導体基板３００を製造し、発光素子を製造した。
具体的には、厚さ２８０μｍのｎ型ＧａＡｓ基板（１５°オフアングル）の主表面上に、厚さ０．５μｍのｎ型ＧａＡｓバッファ層、厚さ２．３μｍのｎ型ＡｌＧａＩｎＰ層（ｎ型クラッド層）３０３、厚さ０．０３μｍのノンドープＡｌ_ｘａＧａ_１−ｘａＩｎＰ層（活性層）３０４と厚さ０．０３μｍのノンドープＡｌ_ｘｂＧａ_１−ｘｂＩｎＰ層（障壁層）３０５を９ペア＋厚さ０．０３μｍのノンドープＡｌ_ｘａＧａ_１−ｘａＩｎＰ層（活性層）３０４、厚さ０．７μｍのノンドープＡｌＧａＩｎＰ層（セットバック層）３０６、厚さ１．６μｍのｐ型ＡｌＧａＩｎＰ（ｐ型クラッド層）３０７、厚さ２．５μｍのｐ型ＧａＰ層（窓層）３０９をＭＯＶＰＥ法によってエピタキシャル成長させて、その後厚さ９０μｍのｐ型ＧａＰ層（窓層）３１０をＨＶＰＥ法によってエピタキシャル成長させた。
尚、活性層のＡｌ組成比ｘ_ａは０．０９、障壁層のＡｌ組成比ｘ_ｂは０．８５とした。この時ΔＥは０．４６ｅＶとなった。

その後、ｎ型ＧａＡｓ基板とｎ型ＧａＡｓバッファ層を除去し、ｎ型ＧａＰ基板３０１を貼り合わせた。
そして、電極形成、ダイシング、電極付け等を行って、発光素子を製造した。そして実施例１と同様の評価を行い、表１に結果を示した。

比較例１のバルク型活性層を有する発光素子に比べて、多重活性層型の発光素子である実施例１，２や比較例２の発光素子は、発光効率は比較例１を１としたとき１．０５（実施例１）、１．１２（実施例２）、１．２０（比較例２）となった。また発光ライフは、比較例１を１としたとき１．０４（実施例１）、１．１４（実施例２）、１．１０（比較例２）となり、バンドギャップの差を大きくするほど発光効率・発光ライフは改善できることが判った。また、１００時間通電後のＶｆ（Ｖｆライフ）については、いずれもほとんど差が無く問題がなかった。

しかし、表１や図３に示す様に、順方向電圧はΔＥの上昇と共に上昇し、ΔＥが０．３５ｅＶより大きい場合、実用上問題が発生する水準に達していた。また、ΔＥが０．２〜０．２５ｅＶの間であれば、順方向電圧の上昇率は小さいものとできることも判った。
また低温（−４０℃）の環境下での順方向電圧についても、表１や図４に示す様に、ΔＥが増加するほど低温での順方向電圧も上昇し、ΔＥが０．３５ｅＶより大きい場合、順方向電圧は大幅に上昇した。また、ΔＥが０．２〜０．２５ｅＶの間であれば、同様に低温での順方向電圧の上昇率は小さいものとできることも判った。
従って、バンドギャップの差ΔＥを大きくすると、発光効率や発光ライフは改善できるものの、Ｖｆの上昇率が大きくなってしまう。このため、Ｖｆがさほど大きくなくならずに発光効率等を改善できる０ｅＶより大きく０．３５ｅＶ以下に、より好ましくは、０．２ｅＶ以上０．３５ｅＶ以下の範囲にΔＥを制御する必要があることが判った。

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…発光素子、
１１…電極、
１００，２００，３００…化合物半導体基板、
１０１，２０１，３０１…ｎ型ＧａＰ基板、
１０３，２０３，３０３…ｎ型クラッド層、
１０４，２０４，３０４…活性層、
１０５，３０５…障壁層、
１０６，２０６，３０６…セットバック層、
１０７，２０７，３０７…ｐ型クラッド層、
１０８…発光層、
１０９，２０９，３０９…ｐ型ＧａＰ層、
１１０，２１０，３１０…ｐ型ＧａＰ窓層。

Claims

少なくとも、ｐ型クラッド層と少なくとも３層以上の活性層と少なくとも２層以上の障壁層とｎ型クラッド層とを有する（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_ｙＩｎ_１−ｙＰ（０＜ｘ＜１，０．４＜ｙ＜０．６）からなる発光層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、
前記障壁層と前記活性層のバンドギャップ差ΔＥが、０ｅＶより大きくかつ０．３５ｅＶ以下であり、
前記障壁層と前記活性層が各々ド・ブロイ波長以上の膜厚を有する多重活性層型のものであることを特徴とする発光素子。
前記ΔＥが、０．２５ｅＶ以下であることを特徴とする請求項１に記載の発光素子。
前記ΔＥが、０．２ｅＶ以上であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の発光素子。
前記障壁層は、Ａｌの組成比ｘが０＜ｘ＜０．９であることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の発光素子。
前記障壁層は、厚さが５０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の発光素子。