JP5315899B2 - 発光素子 - Google Patents

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、従来の有色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ていることも明るくなっている要因にある。

厚い透明導電層を基板及び窓層に設けるとともに、内部量子効率を高めるため多重量子井戸（ＭＱＷ）を設けることで発光効率を高めることができることが、例えば非特許文献１などに示されている。
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、例えば特許文献１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基板の除去前に、機械的強度を保つための強度保持板（あるいは強度保持ウエハ）を、発光層の最表面側に貼り付けてからＧａＡｓ基板を除去する方法も考えられる。この場合、除去されたＧａＡｓ基板面側にＧａＰ基板の貼り付け等行うわけだが、ＧａＰ基板を貼り付けた後、強度保持板（あるいはウエハ）を剥離（除去）しなければならず、剥離に伴って洗浄が必要であったり、更に汚染などの懸念もあり、工業的にはコストが上がるばかりであまりメリットがない。

従って、省コストで工業的な工程を通すためにも、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方法を選択すると、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るため、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なる事はない。
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顕著な影響が起こる不純物濃度以下の活性層を設計することができる。

例えば、活性層中への不純物拡散による欠陥形成が起こる部位の厚さが５０ｎｍ程度で、発光再結合に必要な有効活性層の膜厚が５００ｎｍ程度である場合は、５５０ｎｍ程度の均一で一様組成の活性層を設けておけば、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、この例示における５０ｎｍ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活性層だが、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く、さらに内部量子効率を高める必要がある。

内部量子効率を高める方法として、例えば特許文献２など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た多重量子井戸（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、前述したように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。ＡｌＧａＩｎＰ系以外の別の材料系でも別組成の層を挟むことでＭｇ拡散抑制の効果が示されており、例えば特許文献３などに同様の効果を見ることができる。

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減少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４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。

具体的には、特許文献５のような構造において、活性層の厚さを５０ｎｍ、障壁層の厚さを５０ｎｍと設定して、量子効果を用いない９層障壁層を設けた多重活性層型ＡｌＧａＩｎＰ系発光素子において、発光出力はバルク型活性層を有する構造の発光素子と比べて増大する。また、ＭＱＷのような数〜十数ｎｍ程度の極薄膜構造と比べて光活性部を構成する各層の膜厚が比較的厚いため、特許文献２に示される効果により、ＧａＰ厚膜成長中のＭｇ拡散がＭＱＷ構造に比べて抑制されるため、長寿命の発光ダイオードが実現できる。

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。
また障壁層の厚さを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。前述の膜厚よりも薄くすると、活性層の厚さは変わらなくなるため、活性層における量子効果を利用することができず、直列抵抗成分の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以上の厚い膜厚を有する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。

Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ Ｖｏ．７４ Ｎｏ．１５ ｐｐ．２２３０−２２３２ 特開２００６−３２８３７号公報 特開２００３−４６２００公報 特開平０６−２８３８２５公報 特開平１１−２５１６８７公報 特開２００４−１２８４４３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長寿命、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（特に内部量子効率）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、前記障壁層は、前記活性層よりバンドギャップが同じか大きく、且つ前記ｎ型クラッド層及び前記ｐ型クラッド層よりバンドギャップが同じか小さく、障壁層は前記ｎ型クラッド層に近い側の障壁層に比べてｐ型クラッド層に近い側の方がバンドギャップが同じか小さく、前記ｐ型クラッド層に最も近い障壁層は、前記ｎ型クラッド層に最も近い障壁層に比べてバンドギャップが小さいもの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、障壁層のバンドギャップを、活性層より同じか大きく、且つｎ型クラッド層及びｐ型クラッド層より同じか小さいものとし、またｎ型クラッド層に近い側の障壁層に比べてｐ型クラッド層に近い側の方のバンドギャップを同じか小さくする。そしてｐ型クラッド層に最も近い障壁層のバンドギャップをｎ型クラッド層に最も近い障壁層のバンドギャップに比べて小さくする。
これによって、ｎ型キャリアに対してはｐ型クラッド層近傍まで拡散できるようになる。また、ｐ型キャリアに対してはｎ型キャリアより有効質量が重いため、障壁層におけるキャリアホッピング確率がｎ型キャリアに比べて低かったが、ｎ型クラッド層に近い側の障壁層に比べてｐ型クラッド層に近い側の方のバンドギャップを同じか小さくすることで障壁層でのホッピング確率を増加させることができる。これによって、ｐ／ｎジャンクション付近でのｐ型キャリアの滞在確率を増加させることができる。これらの結果、均一の障壁を有する従来の発光素子より、活性層中にｎ型、ｐ型両者のキャリアを均一に分布させることができる。よって、直列抵抗の減少と同時に内部量子効率の向上を図ることができる。従って、低抵抗且つ高発光効率な発光素子とすることができる。
また多重活性層構造を取っているため、不純物拡散の影響を低減でき、長寿命とすることができる。

また、本発明では少なくとも、ｐ型クラッド層と少なくとも２層以上の活性層と少なくとも１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、前記障壁層は、前記活性層よりバンドギャップが大きく、且つ前記ｎ型クラッド層及び前記ｐ型クラッド層よりバンドギャップが同じか小さく、
前記ｎ型クラッド層に近い側の活性層は、前記ｐ型クラッド層に近い側の活性層に比べて厚さが薄いもの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、ｎ型クラッド層に近い側の活性層の厚さを、ｐ型クラッド層に近い側の活性層の厚さに比べて薄いものとすることによって、ｐ型キャリアに比べて障壁層のホッピング確率が高いｎ型キャリアが、障壁層を超えた場合でもｐ型クラッド層に近い側の活性層に滞在する確率を増加させることができる。またｐ型クラッド層に近い側の活性層の方が厚いため、ｎ型キャリアに比べて障壁層のホッピング確率が低いｐ型キャリアを活性層に多く滞在させることができる。これによって活性層中にｎ型、ｐ型両者のキャリアが均一に分布するようになる。従って、直列抵抗の減少と同時に内部量子効率の向上を図ることができ、低抵抗且つ高発光効率な発光素子とすることができる。
また多重活性層構造であるため、長寿命となっている。

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ｎ型クラッド層からの距離が前記ｐ型クラッド層からの距離と比べて同じか近い障壁層のＡｌの組成比ｘを０．６＜ｘ＜０．９とすることが好ましい。
このように、ｎ型クラッド層からの距離がｐ型クラッド層からの距離と比べて同じか近い障壁層のＡｌの組成比ｘを上述の範囲とすることによって、より直列抵抗の低い障壁層とすることができる。また、障壁層における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るため、不純物が活性層に滞留することを抑制することができ、キャリア注入効率の上昇や光吸収の抑制を達成することができる。これによって発光輝度を更に高いものとすることができる。

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。

そして、前記障壁層は、各々の中ではＡｌの組成比ｘおよび（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）の組成比ｙが変化しないものとすることができる。
このように、各々の中ではＡｌの組成比ｘおよび（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）の組成比ｙが変化しない構造の障壁層であれば、キャリアの閉じ込め効果をより高いものとすることができるため、より発光効率を高いものとすることができる。

また、前記障壁層は、各々の中で階段状に変化する組成比ｘを有し、前記活性層に接する部分の組成比ｘは、障壁層中央部に比べて小さいものとすることができ、そして、前記障壁層は、各々の中で連続的に変化する組成比ｘを有し、前記活性層に接する部分の組成比ｘは、障壁層中央部に比べて小さいものとすることができ、更に前記障壁層は、各々の中で組成比ｘが連続的に変化する部分と均一な部分を有し、前記活性層に接する部分の組成比ｘは、障壁層中央部に比べて小さいものとすることができる。

このように、障壁層が各々の中でその組成が変化する構造であっても、ｎ型クラッド層に近い側の障壁層に比べてｐ型クラッド層に近い側の方のバンドギャップが同じか小さく、かつｐ型クラッド層に最も近い障壁層がｎ型クラッド層に最も近い障壁層に比べてバンドギャップが小さければ、本発明の効果を達成することができるため、各々の障壁層はその中で組成をある程度自由に変更することができ、設計の自由度を向上させることができる。例えば、気相成長の際のガスコントロールの自由度に余裕を持たせることができ、これによって制御が困難な条件で気相成長する必要をなくすことができる。よって製造コストの低減を図ることができる。

また、前記ｐ型クラッド層からの距離が、前記ｎ型クラッド層からの距離と比べて近い障壁層のＡｌの組成比ｘを０．３≦ｘ＜０．９とすることが好ましい。
このように、ｐ型クラッド層からの距離が、ｎ型クラッド層からの距離と比べて近い障壁層のＡｌの組成比を０．３以上０．９未満とすることで、更に、直列抵抗の低い障壁層とすることができる。

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長寿命、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（特に内部量子効率）を両立させた発光素子が提供される。

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、本発明の発光素子を、それ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（ａ）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１（ｂ）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、第二層としてのｎ型ＩｎＧａＰ緩衝層１０２、第三層としてｎ型ＡｌＧａＩｎＰ層１０３、第五層としてｐ型ＡｌＧａＩｎＰ層１０９、第六層としてｐ型ＩｎＧａＰ緩衝層１１０、第七層としてｐ型ＧａＰ窓層１１１を有し、第三層と第五層の間の第四層として発光層１０７からなるものである。

そしてこの発光層１０７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１０４、ｐ型クラッド層１０８、第三層及び第五層のいずれの層よりもＡｌ組成の少ない少なくとも３層以上（図１では５層）の活性層１０５、活性層１０５と活性層１０５の間に活性層１０５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１では４層）の障壁層１０６からなるものである。
またこの障壁層１０６は、図１（ｃ）に示したように、活性層１０５よりバンドギャップが同じか大きく、またｎ型クラッド層１０４及びｐ型クラッド層１０８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１０５と障壁層１０６は１回以上交互に積層されたものとなっている。
更に、障壁層１０６はｎ型クラッド層１０４に近い側の障壁層に比べてｐ型クラッド層１０８に近い側の方がバンドギャップが同じか小さくなっている。また、ｐ型クラッド層１０８に最も近い障壁層は、ｎ型クラッド層１０４に最も近い障壁層に比べてバンドギャップが小さいものとなっている。

このような構造であれば、ｎ型キャリアがｐ型クラッド層近傍まで拡散することが容易になる。
また、ｐ型キャリアはｎ型キャリアより有効質量が重く、障壁層を飛び越えるキャリアホッピングの確率がｎ型キャリアに比べて低かった。しかし本発明によれば、障壁層でのホッピング確率を増加させることができる。そのため、活性層中でのｐ型キャリアの滞在確率が増加する。
その結果、従来のような均一の障壁の発光素子と比較して、活性層中にｎ型、ｐ型両者のキャリアが均一に分布することになる。これによって、直列抵抗の減少と同時に内部量子効率の向上を図ることができ、低抵抗且つ高発光効率な発光素子とすることができる。
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。

この時、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰ層１０３とｎ型クラッド層１０４はＡｌの組成のみ違うものとすることが望ましい。Ａｌ組成が低い方が不純物の拡散が抑制されるため、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰ層１０３の方を、基板１０１からのドーパント不純物拡散抑制のため、ｎ型クラッド層１０４より低Ａｌ組成に設計することが望ましい。

具体的には、例えばｎ型ＡｌＧａＩｎＰ層１０３は（Ａｌ_Ｘ１Ｇａ_１−Ｘ１）_ｙＩｎ_１−ｙＰ（０．５＜Ｘ_１＜０．７，０．４５＜ｙ＜０．５５）、ｎ型クラッド層１０４は（Ａｌ_Ｘ２Ｇａ_１−Ｘ２）_ｙＩｎ_１−ｙＰ（０．６＜Ｘ_２＜１，０．４５＜ｙ＜０．５５）の組成とすることができる（但しＸ_１＜Ｘ_２）。

また、ｐ型クラッド層１０８とｐ型ＡｌＧａＩｎＰ層１０９も、同様に組成の異なるものとすることが望ましい。ｐ型クラッド層１０８の方を、ｐ型ＧａＰ窓層１１１からのドーパント不純物の拡散が活性層に影響が及ぶ可能性を低減するため、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰ層１０９よりＡｌ組成を低く設計する。
具体的には、ｐ型クラッド層１０８は（Ａｌ_Ｘ３Ｇａ_１−Ｘ３）_ｙＩｎ_１−ｙＰ（０．５＜Ｘ_３＜０．７，０．４５＜ｙ＜０．５５）、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰ層１０９は（Ａｌ_Ｘ４Ｇａ_１−Ｘ４）_ｙＩｎ_１−ｙＰ（０．６＜Ｘ_４＜１，０．４５＜ｙ＜０．５５）とすることが望ましい（但しＸ_３＜Ｘ_４）。
ここでｐ型クラッド層１０８とｐ型ＡｌＧａＩｎＰ層１０９のＡｌ組成の構成が逆になっているのは、有効質量の重い正孔が活性層１０５へ到達する確率を損なわないようにするためである。

本発明の第二の形態として、図２（ａ）に示すように、少なくとも、化合物半導体基板２００と、その表面上に形成された電極２１からなる発光素子２０である。
そして図２（ｂ）に示すように、化合物半導体基板２００は、少なくとも、第一層としてのｎ型ＧａＰ基板２０１、第二層としてのｎ型ＩｎＧａＰ緩衝層２０２、第三層としてｎ型ＡｌＧａＩｎＰ層２０３、第五層としてｐ型ＡｌＧａＩｎＰ層２０９、第六層としてｐ型ＩｎＧａＰ緩衝層２１０、第七層としてｐ型ＧａＰ窓層２１１を有し、第三層と第五層の間の第四層として発光層２０７からなるものである。
そしてこの発光層２０７は、ｎ型クラッド層２０４、ｐ型クラッド層２０８、５層の活性層２０５、４層の障壁層２０６からなるものである。また図２（ｃ）に示すように、障壁層２０６のバンドギャップが、ｎ型クラッド層２０４側からｐ型クラッド層２０８に近づくにつれて徐々に減少していく構造となっている。

本発明の第三の形態は、第一の形態や第二の形態と同等の効果を得るために、図３（ａ）に示すように、少なくとも、化合物半導体基板３００と、その表面上に形成された電極３１からなる発光素子３０である。
そして図３（ｂ）に示すように、化合物半導体基板３００は、少なくとも、第一層としてのｎ型ＧａＰ基板３０１、第二層としてのｎ型ＩｎＧａＰ緩衝層３０２、第三層としてｎ型ＡｌＧａＩｎＰ層３０３、第五層としてｐ型ＡｌＧａＩｎＰ層３０９、第六層としてｐ型ＩｎＧａＰ緩衝層３１０、第七層としてｐ型ＧａＰ窓層３１１を有し、第三層と第五層の間の第四層として発光層３０７からなるものである。そしてこの発光層３０７は、ｎ型クラッド層３０４、ｐ型クラッド層３０８、５層ある活性層３０５、４層ある障壁層３０６からなるものである。
そして図３（ｃ）に示すように、この４層ある障壁層のうち、ｐ型クラッド層３０８に近い方からの２層のバンドギャップが活性層と同じになった場合である。実質的には、３層ある活性層３０５、２層ある障壁層３０６に相当する。

そして、本発明の別の実施形態として、図４（ａ）に発光素子４０を示す。この発光素子４０は、少なくとも、化合物半導体基板４００と、その表面上に形成された電極４１からなるものである。ここまでは上述の実施形態と同じである。

そして図４（ｂ）に示すように、化合物半導体基板４００は、少なくとも、第一層としてのｎ型ＧａＰ基板４０１、第二層としてのｎ型ＩｎＧａＰ緩衝層４０２、第三層としてｎ型ＡｌＧａＩｎＰ層４０３、第五層としてｐ型ＡｌＧａＩｎＰ層４０９、第六層としてｐ型ＩｎＧａＰ緩衝層４１０、第七層としてｐ型ＧａＰ窓層４１１を有し、第三層と第五層の間の第四層として発光層４０７からなるものである。そしてこの発光層４０７、ｎ型クラッド層４０４、ｐ型クラッド層４０８、２層の活性層４０５、１層の障壁層４０６からなるものである。
そしてこの２層ある活性層のうち、ｎ型クラッド層４０４に近い方の活性層の厚さが、ｐ型クラッド層４０８に近い方の活性層の厚さに比べて薄くなっているものである。図３（ｃ）は図４（ｃ）において活性層が２層の場合に相当する。

このような構造とすることによって、ｐ型キャリアに比べて障壁層のホッピング確率が高いｎ型キャリアが、障壁層を超えた場合でもｐ型クラッド層に近い方の活性層に滞在する確率が高くなる。
またｐ型クラッド層に近い側の活性層の方が厚く、このためｎ型キャリアに比べて障壁層のホッピング確率が低いｐ型キャリアが活性層に滞在する確率を高くなっている。
このため活性層中のｎ型、ｐ型両者のキャリアが均一に分布する。これによって、直列抵抗の減少と同時に内部量子効率の向上を図ることができ、低抵抗且つ高発光効率な発光素子となる。
また多重活性層構造の化合物半導体基板を用いたものであるため、長寿命な発光素子とすることができる。
尚、上記図４では、活性層が２層、障壁層が１層の場合について示したが、もちろんこれに限定されるものではなく、活性層が３層で障壁層が２層の場合や、活性層が５層で障壁層が４層であっても、ｎ型クラッド層に近い側の活性層の厚さがｐ型クラッド層に近い側の活性層の厚さに比べて薄ければ本発明の効果は達成される。

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。また、ｎ型クラッド層からの距離がｐ型クラッド層からの距離に比べて同じか近い方の障壁層のＡｌの組成比ｘを０．６＜ｘ＜０．９とすることができる。更に、ｐ型クラッド層からの距離がｎ型クラッド層からの距離と比べて近い障壁層のＡｌの組成比ｘは、好ましくは、０．３≦ｘ＜０．９とすることがよい。
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。

ここで、障壁層は、その障壁層の中ではＡｌの組成比ｘおよび（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）の組成比ｙが変化しないものとすることができる。
このように、障壁層の各々の中で、Ａｌの組成比ｘおよび（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）の組成比ｙが変化しない構造とすることによって、キャリアの閉じ込め効果がより高いものとなるため、発光効率がより高いものとなる。

また、障壁層は、各々の中で階段状に変化する組成比ｘを有し、活性層に接する部分の組成比ｘは、障壁層中央部に比べて小さいものとすることができる。
そして、障壁層は、各々の中で連続的に変化する組成比ｘを有し、活性層に接する部分の組成比ｘは、障壁層中央部に比べて小さいものとすることもできる。
更に障壁層は、各々の中で組成比ｘが連続的に変化する部分と均一な部分を有し、活性層に接する部分の組成比ｘは、障壁層中央部に比べて小さいものとすることもできる。

上述のような障壁層の例として、例えば、図５（ａ）に示したように、障壁層５０６ａが活性層に接する部分のバンドギャップを中央部より小さくしたものがある。
本発明は、障壁層を、ｎ型クラッド層に近い側の障壁層に比べてｐ型クラッド層に近い側の方のバンドギャップを同じか小さくし、また、ｐ型クラッド層に最も近い障壁層を、ｎ型クラッド層に最も近い障壁層に比べてバンドギャップが小さいものとするものであるため、図５（ａ）の障壁層５０６ａの形態の他、図５（ｂ）の障壁層５０６ｂのような形態や、図５（ｃ）の障壁層５０６ｃのような形態をとっても良い。

その他の例示としては、図６（ａ）に示したように、障壁層６０６ａの一方の活性層に接する部分のバンドギャップを他方より小さくしたものが挙げられる。
この例示においても、図６（ａ）の障壁層６０６ａの形態の他、図６（ｂ）の障壁層６０６ｂ、図６（ｃ）の障壁層６０６ｃ、図６（ｄ）の障壁層６０６ｄ、図６（ｅ）の障壁層６０６ｅ、図６（ｆ）の障壁層６０６ｆのような形態とすることができる。

このように、障壁層が各々の中でその組成が変化する構造であっても、ｎ型クラッド層に近い側の障壁層に比べてｐ型クラッド層に近い側の方のバンドギャップが同じか小さく、かつｐ型クラッド層に最も近い障壁層がｎ型クラッド層に最も近い障壁層に比べてバンドギャップが小さければ、本発明の効果を達成することができる。この場合、障壁層の大小関係はその平均値で勘案する。
このため、各々の障壁層の組成は、ある程度自由に設計することができる。すなわち、設計の自由度を高いものとすることができ、例えば、気相成長の際の原料ガスのコントロールの精度に余裕を持たせることができる。これによって制御が困難な条件で製造する必要がなく、製造コストの低減を図ることができる。

そしてこのような発光素子の製造方法について、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ＩｎＧａＰ緩衝層、更にｎ型ＡｌＧａＩｎＰ層をエピタキシャル成長させる。
更に、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰ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て発光層を形成する。
ここで、障壁層のバンドギャップが、活性層より同じか大きく、且つ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、図１（ｂ）に示すような構造の化合物半導体基板を製造する場合は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。図４（ｂ）に示すような構造の化合物半導体基板を製造する場合は活性層は２層、障壁層は１層気相成長させる。
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。

その後、ｐ型クラッド層、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰ層、ｐ型ＩｎＧａＰ緩衝層を、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基板を除去する。これによりｎ型ＩｎＧａＰ緩衝層を露出させる。
そして、ＧａＡｓ基板を除去することで露出したｎ型ＩｎＧａＰ緩衝層の表面に、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、実験例を示して本発明をより具体的に説明するが、もちろん本発明はこれらに限定されるものではない。

（実験例１）
上述の第一の形態（図１）のような発光素子において、障壁層１０５を９層とし、ｎ型クラッド層１０４から数えて６層の組成を固定し、ｐ型クラッド層１０８から数えて３層のＡｌの組成比ｘのみを０〜０．９までの範囲で変えた場合の発光素子の特性の変化を図７に示す。尚ｎ型クラッド層に近い側の６層のＡｌ組成比ｘは０．９で固定した。図７（ａ）は障壁層のＡｌ組成比と内部量子効率の関係を示した図であり、図７（ｂ）は障壁層のＡｌ組成比と２０ｍＡの電流を流すのに要する電圧の関係を示した図である。
ここで、図７における従来技術とは、９層の障壁層のバンドギャップが、全てｎ型クラッド層やｐ型クラッド層と等しい場合のことである。

図７（ｂ）に示したように、Ａｌの組成比ｘが０．６前後のところで変曲点を持つが、これは組成比ｘの減少に伴って、２０ｍＡ時の電圧が低減（すなわち直列抵抗が減少）することを示している。この０．６前後の変曲点は、その組成付近でＡｌＧａＩｎＰが直接遷移型から間接遷移型に変移し、Ｘ−Γ遷移に変移することに起因すると考えられる。
その一方、図７（ａ）に示したように、内部での光発生を示す内部量子効率は、直列抵抗の変化分に対して大きく変化しない。以上の結果から、正孔の障壁層でのホッピング確率の増大に伴う活性層全体での正孔分布改善と、障壁層のＡｌ組成比の減少に伴うｐ型ドーパント拡散抑止という２つの効果によって、発光に寄与する発光層の特性強化が表れていることがわかった。

（実験例２）
本発明の第二の形態（図２）のような発光素子において、障壁層２０６の数を変えた場合の結果を図８に示す。図８（ａ）は障壁層の数と内部量子効率の関係を示した図であり、図８（ｂ）は障壁層の数と２０ｍＡの電流を流すのに要する電圧の関係を示した図である。尚、障壁層２０６の組成は（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_ｙＩｎ_１−ｙＰ（ｘ〜０．８５，ｙ〜０．５）一定とした。また活性層の数は（障壁層の数＋１）とした。
ここで、図８における従来技術とは、障壁層のバンドギャップが、全てｎ型クラッド層やｐ型クラッド層と等しい場合、もしくは障壁層がない場合のことである。

図８（ｂ）に示したように、障壁層の数を減らしていくと２０ｍＡにおける電圧、すなわち直列抵抗は単調に減少する。
一方、図８（ａ）に示すように、内部量子効率は層の数が４層程度までは大きく減少しない。
ここで製品特性上、許容される直列抵抗分は１０％程度であり、活性層を多重化することによる直列抵抗を１０％以下に抑えるためには、２０ｍＡ時点での電圧値を２．１Ｖ程度に抑制する必要がある。２０ｍＡ時での電圧値を２．１Ｖ以下に抑制するために、障壁層は８層以下であることが望ましい。ただ抵抗分は低い方が良いため、内部量子効率との兼ね合いから、障壁層の数は４〜６層程度がより好適である。

上記２つの実験例の発光素子に対して寿命試験を実施したが、従来のバルク型活性層構造の発光素子と比較して遜色ない結果が得られた。また、電流を２０ｍＡ流すのに必要な電圧値が従来技術の発光素子では２．５〜３．０Ｖが限界であったのに対して、本発明によれば高くても２．１５Ｖと低く抑えられることが判った。

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。

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他の一例の概略を示した図である。 本発明の発光素子に用いられる化合物半導体基板のその他の一例の概略を示した図である。 本発明の発光素子に用いられる化合物半導体基板の別の一例の概略を示した図である。 本発明の発光素子に用いられる化合物半導体基板の発光層のバンドギャップの大きを示したその他の一例の概略図を示した図である。 本発明の発光素子に用いられる化合物半導体基板の発光層のバンドギャップの大きを示したその他の一例の概略図を示した図である。 実験例１における発光素子の、（ａ）障壁層のＡｌ組成比と内部量子効率の関係を示した図であり、（ｂ）障壁層のＡｌ組成比と２０ｍＡの電流を流すのに要する電圧の関係を示した図である。 実験例２における発光素子の、（ａ）障壁層の数と内部量子効率の関係を示した図であり、（ｂ）障壁層の数と２０ｍＡの電流を流すのに要する電圧の関係を示した図である。

符号の説明

１０，２０，３０，４０…発光素子、
１１，２１，３１，４１…電極、
１００，２００，３００，４００…化合物半導体基板、
１０１，２０１，３０１，４０１…ｎ型ＧａＰ基板、
１０２，２０２，３０２，４０２…ｎ型ＩｎＧａＰ緩衝層、
１０３，２０３，３０３，４０３…ｎ型ＡｌＧａＩｎＰ層、
１０４，２０４，３０４，４０４…ｎ型クラッド層、
１０５，２０５，３０５，４０５…活性層、
１０６，２０６，３０６，４０６，５０６ａ，５０６ｂ，５０６ｃ，６０６ａ，６０６ｂ，６０６ｃ，６０６ｄ，６０６ｅ，６０６ｆ…障壁層、
１０７，２０７，３０７，４０７…発光層、
１０８，２０８，３０８，４０８…ｐ型クラッド層、
１０９，２０９，３０９，４０９…ｐ型ＡｌＧａＩｎＰ層、
１１０，２１０，３１０，４１０…ｐ型ＩｎＧａＰ緩衝層、
１１１，２１１，３１１，４１１…ｐ型ＧａＰ窓層。

Claims (9)

1. 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、
   前記障壁層は、前記活性層よりバンドギャップが同じか大きく、且つ前記ｎ型クラッド層及び前記ｐ型クラッド層よりバンドギャップが同じか小さく、障壁層は前記ｎ型クラッド層に近い側の障壁層に比べてｐ型クラッド層に近い側の方がバンドギャップが同じか小さく、
   前記ｐ型クラッド層に最も近い障壁層は、前記ｎ型クラッド層に最も近い障壁層に比べてバンドギャップが小さいものであり、
   前記障壁層と前記活性層が各々半導体内の電子のド・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。
2. 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に記載の発光素子。
3. 前記ｎ型クラッド層からの距離が前記ｐ型クラッド層からの距離と比べて同じか近い障壁層は、Ａｌの組成比ｘが０．６＜ｘ＜０．９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。
4. 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３のいずれか１項に記載の発光素子。
5. 前記障壁層は、当該障壁層の中ではＡｌの組成比ｘおよび（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）の組成比ｙが変化しないもの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。
6. 前記障壁層は、当該障壁層の中で階段状に変化する組成比ｘを有し、前記活性層に接する部分の組成比ｘは、障壁層中央部に比べて小さいもの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。
7. 前記障壁層は、当該障壁層の中で連続的に変化する組成比ｘを有し、前記活性層に接する部分の組成比ｘは、障壁層中央部に比べて小さいもの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。
8. 前記障壁層は、当該障壁層の中で組成比ｘが連続的に変化する部分と均一な部分を有し、前記活性層に接する部分の組成比ｘは、障壁層中央部に比べて小さいもの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。
9. 前記ｐ型クラッド層からの距離が、前記ｎ型クラッド層からの距離と比べて近い障壁層のＡｌの組成比ｘが０．３≦ｘ＜０．９であることを特徴とする請求項６ないし請求項８のいずれか１項に記載の発光素子。

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