JPH04212480A

JPH04212480A - 発光素子

Info

Publication number: JPH04212480A
Application number: JP3059050A
Authority: JP
Inventors: Tetsuo Sekiwa; 関　和　哲　男
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1990-04-18
Filing date: 1991-03-22
Publication date: 1992-08-04
Anticipated expiration: 2013-10-30
Also published as: JP2818312B2; KR910019272A; KR940003435B1

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ＧａＡｌＡｓを用いた
発光素子及びその製造方法に関し、特に可視光付近（発
光波長λｐ＝６１０〜６４０ｎｍ）で高輝度を得るのに
用いて好適な発光素子及びその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】以下で用いるＡｌＡｓ混晶比とは、Ｇａ
Ａｓ結晶に対するＡｌＡｓ混晶比を示す。例えば、Ａｌ
Ａｓ混晶比０．７とは、Ｇａ０．３　Ａｌ０．７　Ａｓ
という組成を意味する。

【０００３】図９は、ダブル・ヘテロ構造の半導体発光
素子の一例を示すものである。この発光素子は、液相エ
ピタキシャル成長法によってＧａＡｓ基板上に成長され
るものであり、ＧａＡｓ基板は最終ペレットでは除去さ
れている。

【０００４】即ち、ＡｌＡｓ混晶比が０．７で、亜鉛（
Ｚｎ）が添加されたｐ型クラッド層１０１は、図示せぬ
ＧａＡｓ基板上に成長される。このクラッド層１０１の
上に、発光波長を６６０ｎｍとするのに必要なＡｌＡｓ
混晶比で亜鉛（Ｚｎ）を添加した、ｐ型ＧａＡｌＡｓア
クティブ層１０２が成長されている。このアクティブ層
１０２の上には、前記ｐ型ＧａＡｌＡｓクラッド層１０
１とほぼ同等のＡｌＡｓ混晶比でテルル（Ｔｅ）が添加
された、ｎ型ＧａＡｌＡｓクラッド層１０３が成長され
ている。このクラッド層１０３には、ｎ型オーミック部
分電極１０４が設けられている。前記クラッド層１０１
には、ｐ型オーミック部分電極１０５が設けられている
。

【０００５】図１０は、従来の第２の発光素子の構造を
示す断面図である。この図１０からわかるように、気相
（ＶＧ）成長法により、ｎ型ＧａＰ基板１１４上にｎ型
成長層１１３を形成する。この層１１３の形成に当って
は、所定の発光波長（λｐ＝６３０ｎｍ、ＧａＡｓ０．
３５Ｐ０．６５）になるように、ｎ型ＧａＰ混晶比が傾
斜状になるようにする。その層１１３の上に、発光中心
となる窒素を含む、ｎ型ＧａＡｓ０．３５Ｐ０．６５成
長層１１２を形成する。その層１１２は、ＧａＰ混晶比
を一定とする。その後、亜鉛拡散法により、ｎ型の層１
１２の表面より亜鉛を拡散させる。これにより、層１１
２の上には、ＧａＰ混晶比一定のｐ型ＧａＡｓ０．３５
Ｐ０．６５亜鉛拡散層１１１を形成する。これにより、
ｐ−ｎ接合が構成される。更に層１１１にはｐ型オーミ
ック電極１１６を形成する。また、基板１１４にはｎ型オーミック部分電極１１５を
形成する。このようにして、発光波長６３０ｎｍの発光
素子を得ている。この素子においては、ｎ型オーミック
部分電極１１５とｐ型オーミック電極１１６との間に通
電することにより、発光波長６３０ｎｍの可視光を得る
ことができる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上記図９に示すダブル
・ヘテロ構造のＧａＡｌＡｓ発光素子は、屋外や高照度
下でも点灯、非点灯を認識することが可能な高輝度の赤
色（発光波長：６６０ｎｍ）発光素子として既に製品化
されている。

【０００７】しかし、波長が６６０ｎｍの光は、人間の
目に対して刺激性の眩しさを与えるとともに、見た目に
危険色感などがある。このため、発光波長を、例えば６
３０ｎｍ前後に短くすることが望まれている。

【０００８】そこで、図９に示すダブル・ヘテロ構造を
採用しつつ、アクティブ層のＡｌＡｓ混晶比を変えるこ
とにより、発光波長を短波長化することが考えられる。しかしながら、このようにしても、輝度が不足し、屋外
や高照度下では、点灯、非点灯を識別することが困難で
あった。

【０００９】図１０に示す従来の第２の発光素子は以上
のように構成されていたので、０．３ｍｍ×０．３ｍｍ
の大きさとしたものにおける発光効率が、通電電流２０
ｍＡ時においては０．３％以下である。このため、屋外
や明るい照明の場所では、出力不足となり、点灯してい
るか否かの確認を行なうことが非常に困難である。

【００１０】本発明は、上記に鑑みてなされたもので、
その目的は、本発明者が独自に行った実験結果に基づい
て得た発光波長６３０ｎｍの可視光付近で従来技術の予
想を越える高い発光効率の発光素子及びその製造方法を
提供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明の第１の発光素子
は、第１導電型で、第１ＡｌＡｓ混晶比を有する、第１
層としての、第１ＧａＡｌＡｓクラッド層と、前記第１
ＡｌＡｓ混晶比とは異なる第２ＡｌＡｓ混晶比を有し、
その第２ＡｌＡｓ混晶比は発光中心波長６１０ｎｍ乃至
６４０ｎｍの範囲に必要な値に設定されている、第２層
としての、ＧａＡｌＡｓアクティブ層と、前記第２Ａｌ
Ａｓ混晶比とは異なる第３ＡｌＡｓ混晶比を有する第２
導電型の、第３層としての、第２ＧａＡｌＡｓクラッド
層とを有し、前記第１層としての前記第１導電型の第１
ＧａＡｌＡｓクラッド層と、前記第３層としての前記第
２導電型の第２ＧａＡｌＡｓクラッド層との間に、前記
第２層としての前記第１導電型のＧａＡｌＡｓアクティ
ブ層を挟んでダブルヘテロ構造を形成しているものとし
て構成される。

【００１２】本発明の第２の発光素子は、前記第１の素
子において、前記第２層としての前記ＧａＡｌＡｓアク
ティブ層の前記第２ＡｌＡｓ混晶比が０．４０乃至０．
５６であるものとして構成される。

【００１３】本発明の第３の発光素子は、前記第１又は
第２の素子において、前記第３層としての前記第２Ｇａ
ＡｌＡｓクラッド層の前記第３ＡｌＡｓ混晶比が０．７
５乃至０．８５であるものとして構成される。

【００１４】本発明の第４の発光素子は、前記第１又は
第２の素子において、前記第１層としての第１ＧａＡｌ
Ａｓクラッド層の前記第１ＡｌＡｓ混晶比と、前記第３
層としての前記第２ＧａＡｌＡｓクラッド層の前記第３
ＡｌＡｓ混晶比を、それぞれ０．７７乃至０．８３とし
たものとして構成される。

【００１５】本発明の第５の発光素子は、前記第１〜第
４のいずれかの素子において、前記第１層としてのＧａ
ＡｌＡｓクラッド層の不純物濃度が、前記第２層として
の前記ＧａＡｌＡｓアクティブ層近傍において、０．５
×１０１７ｃｍ−３乃至５×１０１７ｃｍ−３であり、
前記第３層としての前記ＧａＡｌＡｓクラッド層の不純
物濃度が、前記第２層としての前記ＧａＡｌＡｓアクテ
ィブ層近傍において、０．５×１０１７ｃｍ−３乃至４
×１０１７ｃｍ−３であるものとして構成される。

【００１６】本発明の第６の発光素子は、前記第５の素
子において、前記第１層としての前記第１導電型のＧａ
ＡｌＡｓクラッド層の不純物濃度が、前記第２層として
の前記ＧａＡｌＡｓアクティブ層と反対側の外表面側に
おいて、５×１０１７ｃｍ−３以上であり、前記第３層
としての前記ＧａＡｌＡｓクラッド層の不純物濃度が、
前記第２層としての前記ＧａＡｌＡｓアクティブ層と反
対側の外表面側において、５×１０１７ｃｍ−３以上で
あるものとして構成される。

【００１７】本発明の第７の発光素子は、前記第１〜第
６のいずれかの素子において、前記第２層としての前記
ＧａＡｌＡｓアクティブ層の不純物濃度が１×１０１７
ｃｍ−３乃至８×１０１７ｃｍ−３であるものとして構
成される。

【００１８】本発明の第８の発光素子は、前記第１〜第
７のいずれかの素子において、前記第１層としての前記
ＧａＡｌＡｓクラッド層の厚さは５乃至２００μｍであ
り、前記第２層としての前記ＧａＡｌＡｓアクティブ層
の厚さは０．１乃至５．０μｍであり、前記第３層とし
ての前記ＧａＡｌＡｓクラッド層の厚さは２０乃至９０
μｍであるものとして構成される。

【００１９】本発明の第９の発光素子は、前記第１〜第
８のいずれかの素子において、前記第１導電型はｐ型で
あり、前記第２導電型はｎ型であるものとして構成され
る。

【００２０】本発明の第１０の発光素子は、前記第９の
素子において、前記第１層としての前記ＧａＡｌＡｓク
ラッド層に添加される不純物はＺｎであり、前記第３層
としての前記ＧａＡｌＡｓクラッド層に添加される不純
物はＴｅであるものとして構成される。

【００２１】本発明の第１１の発光素子は、前記第１〜
第１０のいずれかの素子において、前記第１乃至第３層
は、それぞれエピタキシャル成長法によって形成された
ものとして構成される。

【００２２】本発明の第１２の発光素子は、前記第１〜
第１１のいずれかの素子において、前記第１及び第３Ａ
ｌＡｓ混晶比が０．８２であるものとして構成される。

【００２３】本発明の第１の製造方法は、ＧａＡｓ基板
を第１温度で第１結晶成長用溶液に接触させて、このＧ
ａＡｓ基板上に第１層としての第１導電型の第１ＧａＡ
ｌＡｓクラッド層を成長させる第１工程と、前記基板の
前記第１ＧａＡｌＡｓクラッド層を第３温度で第２結晶
成長用溶液に接触させて、この第１ＧａＡｌＡｓクラッ
ド層上に第２層としての第１導電型ＧａＡｌＡｓアクテ
ィブ層を成長させる第２工程と、前記基板の前記第２層
としての前記ＧａＡｌＡｓアクティブ層を第３結晶成長
用溶液に第５温度で接触させて、このＧａＡｌＡｓアク
ティブ層上に第３層としての第２導電型ＧａＡｌＡｓク
ラッド層を成長させる第３工程とを有し、前記第１結晶
成長用溶液は前記第１温度よりも高い温度で飽和溶液と
なり、前記第２結晶成長用溶液は前記第３温度よりも高
い温度で飽和溶液となり、前記第３結晶成長用溶液は前
記第５温度よりも高い飽和溶液となるものとして構成さ
れる。

【００２４】本発明の第２の製造方法は、前記第１の方
法において、前記第１工程においては、前記第１温度か
ら第２温度まで降温させながら、前記第１層としての第
１ＧａＡｌＡｓクラッド層が成長させられ、前記第２工
程においては、前記第３温度から第４温度まで降温させ
ながら、前記第２層としてのＧａＡｌＡｓアクティブ層
が成長させられ、前記第３工程においては、前記第５温
度から第６温度まで降温させながら、前記第３層として
の第２ＧａＡｌＡｓクラッド層が成長させられるものと
して構成される。

【００２５】本発明の第３の製造方法は、前記第２の方
法において、前記第２温度と第３温度とが等しく、前記
第４温度と第５温度とが等しいものとして構成される。

【００２６】本発明の第４の製造方法は、前記第１乃至
３のいずれかの方法において、前記第１及び第３結晶成
長溶液は、それぞれ、結晶成長によって得られる層のＡ
ｌＡｓ混晶比を０．７５乃至０．８５とする組成を有し
、前記第２結晶成長溶液は、結晶成長によって得られる
層のＡｌＡｓ混晶比を０．４０乃至０．５６とする組成
を有するものとして構成される。

【００２７】本発明の第５の製造方法は、前記第４の方
法において、前記第１及び第３結晶成長溶液は、それぞ
れ、結晶成長によって得られる層のＡｌＡｓ混晶比を０
．７７乃至０．８３とする組成を有するものとして構成
される。

【００２８】本発明の第６の製造方法は、前記第５の方
法において、前記第１及び第３成長溶液は、それぞれ、
結晶成長によって得られる層のＡｌＡｓ混晶比を０．８
２とする組成を有するものとして構成される。

【００２９】本発明の第７の製造方法は、前記第１〜６
のいずれかの方法において、前記第１乃至第３層を、そ
れぞれエピタキシャル成長によって形成するものとして
構成される。

【００３０】本発明の第８の製造方法は、前記第１〜１
７のいずれかの方法において、前記第１導電型はｐ型で
あり、前記第２導電型はｎ型であるものとして構成され
る。

【００３１】

【作用】第１層としてのｐ型のクラッド層と第２層とし
てのｐ型のアクティブ層と第３層としてのｎ型のクラッ
ド層とによりダブルヘテロ構造が構成されている。この
ダブルヘテロ構造によって、発光効率が向上し、輝度出
力が高いものとなる。特に、前記第２層としてのｐ型の
ＧａＡｌＡｓアクティブ層のＡｌＡｓ混晶比の調節によ
り発光波長が可視光の波長になる。さらに、第１層とし
てのｐ型のクラッド層と第３層としてのｎ型のクラッド
層とそれらに挟まれる第２層としてのｐ型のアクティブ
層の不純物濃度及びそれらの各層の厚さを調節すること
により発光効率の向上及び輝度出力の増大がより効果的
に達成される。特に第１及び第３層としてのクラッド層
のＡｌＡｓ混晶比を０．８２としたときに、従来の予想
を越える最大の発光効率が得られる。さらに、ｐ型及び
ｎ型のクラッド層に加える不純物をそれぞれＺｎ及びＴ
ｅとすることにより、Ｚｎ及びＴｅが濃度依存性を有す
ることから、製造時に温度を徐々に低下させるという方
法を採るだけで、上記一対のクラッド層の外表面部分の
不純物濃度が、オーミック電極を形成するのに好適な高
い濃度となり、製造時の不純物濃度のコントロールが容
易となる。

【００３２】

【実施例】以下、図面を参照しながら本発明の実施例を
説明する。

【００３３】図１は本発明の一実施例に係る発光素子の
断面図である。同図に示すように、本実施例の発光素子
は、ｐ型Ｚｎ添加ＧａＡｌＡｓクラッド層９と、ｐ型Ｚ
ｎ添加ＧａＡｌＡｓアクティブ層８と、ｎ型Ｔｅ添加Ｇ
ａＡｌＡｓクラッド層７とによりダブルヘテロ構造（Ｄ
Ｈ構造）のエピタキシャルウエハーを形成し、それにｎ
型オーミック電極５１とｐ型オーミック部分電極６１と
を設けたものとして構成される。この部分電極６１は、
クラッド層９の全表面のうちの約２０％を被う水玉状の
ものとして形成される。ここで、ｐ型Ｚｎ添加ＧａＡｌ
Ａｓクラッド層９はｐ型Ｇａ０．２　Ａｌ０．８　Ａｓ
のクラッド成長層であり、ｐ型Ｚｎ添加ＧａＡｌＡｓア
クティブ層８はｐ型Ｇａ０．５７５　Ａｌ０．４２５　
Ａｓアクティブ成長層であり、ｎ型Ｔｅ添加ＧａＡｌＡ
ｓクラッド層７はＧａ０．２　Ａｌ０．８　Ａｓクラッ
ド成長層である。そして、亜鉛（Ｚｎ）はｐ型不純物と
して、テルル（Ｔｅ）はｎ型不純物として用いられてい
る。なお、ｐ型オーミック電極としてはＡｕとＡｕ／Ｂ
ｅとを、ｎ型オーミック部分電極としてはＡｕ／Ｇｅを
用いることができる。

【００３４】図１の発光素子の製造方法の実施（結晶成
長）には、図３の説明図に示す構造のボート１０を用い
て液相エピタキシャル成長を行なわせる。このボート１
０は、ボート本体１０Ａに形成された３つの液溜７ｂ，
８ｂ，９ｂを有する。ｐ型ＧａＡｓ基板１１を収納する
溝１２ａを有するＧａＡｓ基板収納スライド板１２はボ
ート本体１０Ａに対して液密状態で矢印方向にスライド
する。これにより、その基板１１は、上記３つの液溜に
入れられたｐ型ＧａＡｌＡｓクラッド層用成長溶液９ａ
、ｐ型ＧａＡｌＡｓアクティブ層用成長溶液８ａ、ｎ型
ＧａＡｌＡｓクラッド層用成長溶液７ａに順次接するこ
とになる。各液９ａ，８ａ，７ａは成長溶液上蓋１３で
覆われている。ｐ型ＧａＡｌＡｓクラッド層用成長溶液
９ａの成長溶融溜組成は、Ａｌが１．９２ｇ、多結晶の
ＧａＡｓが６．９８ｇ、Ｇａが１５０ｇ、アクセプター
濃度が０．５〜５×１０１７ｃｍ−３となる量のＺｎを
２０〜２００ｍｇ添加したものとなっている。ｐ型Ｇａ
ＡｌＡｓアクティブ層用成長溶液８ａの成長溶融溜組成
は、発光波長が６３０ｎｍとなるようにＡｌが０．６８
ｇ、多結晶のＧａＡｓが１２．１ｇ、Ｇａが１５０ｇ、
アクセプター濃度が１〜８×１０１７ｃｍ−３となる量
のＺｎを２０〜２００ｍｇ添加したものとなっている。一方、ｎ型ＧａＡｌＡｓクラッド用成長溶液７ａの成長
溶融溜組成は、Ａｌが１．９２ｇ、多結晶のＧａＡｓが
６．９８ｇ、Ｇａが１５０ｇ、ドナー濃度が０．５〜４
×１０１７ｃｍ−３となる量のＴｅを１〜４ｍｇ添加し
たものとなっている。

【００３５】以上のような条件で、高純度（７Ｎ）水素
ガスＨ２　をフローさせた環境中で図４に示す温度プロ
グラムに沿って温度調節し、結晶成長を行なわせた。ｐ
型Ｚｎ添加ＧａＡｌＡｓクラッド層９の厚さは成長溶液
９ａとＧａＡｓ基板１１を接触させる温度及び時間に依
存し、またｐ型Ｚｎ添加ＧａＡｌＡｓアクティブ層８の
厚さはクラッド層９とアクティブ層用成長溶液８ａとの
接触時間及び温度に依存し、更にｎ型Ｔｅ添加ＧａＡｌ
Ａｓクラッド層７の厚さはアクティブ層８と成長溶液７
ａとの接触時間及び温度に依存する。以上の各条件の最
適化により、ｐ型Ｚｎ添加ＧａＡｌＡｓクラッド層９を
５〜２００μｍに、ｐ型Ｚｎ添加ＧａＡｌＡｓアクティ
ブ層８を０．１〜５μｍに、ｎ型Ｔｅ添加ＧａＡｌＡｓ
クラッド層７を２０〜９０μｍにすることができる。

【００３６】具体的に言えば、前述の組成をもったアク
ティブ層用成長溶液８ａとクラッド層用成長溶液９ａ，
７ａおよびｐ型ＧａＡｓ基板１１を図３に示したボート
１０にセットする。この後、ボート１０を、抵抗加熱炉
内の所定の位置に載置する。高純度水素ガス（Ｈ２ガス
）を流した状態で炉温を９５０℃まで昇温する。その温
度を２時間保持する。２時間経たら、温度を０．５℃／
分で降下させる。９４０℃になった時点でｐ型クラッド
層用成長溶液９ａを基板１１に接触させる。そのまま継
続して８４０℃まで降温する。次に、ｐ型クラッド層用
成長溶液９ａに代えて、アクティブ層用成長溶液８ａを
接触させる。この後、引き続き０．５℃／分で降温する
。３０秒経過した後、アクティブ層用成長溶液８ａに代
えて、ｎ型クラッド層用成長溶液７ａに接触させる。この後、０．５℃／分で８００℃まで降温する。

【００３７】このようなプロセスにより、ｐ型ＧａＡｓ
基板１１上に、ｐ型ＧａＡｌＡｓクラッド層９、ｐ型Ｇ
ａＡｌＡｓアクティブ層８、およびｎ型ＧａＡｌＡｓク
ラッド層７を連続的に成長させることができる。各層７
〜９の厚さとＡｌＡｓ混晶比の制御は、本発明に係る装
置の特性安定化にとって重要な要素である。我々は、こ
のためには、各層の溶液の飽和温度を、それぞれの接触
温度よりも高くすること、また炉温の最高温度（上記の
例では９５０℃）よりも低くすること、が肝要であるこ
とを発見し、上記の組成はその発見に応じたものにして
ある。

【００３８】以上のようにすればエピタキシャルウエハ
ーが得られる。この後に例えばＮＨ４　ＯＨ＋Ｈ２　Ｏ
２　系選択溶液によって、ＧａＡｓ基板１１を除去する
。この後、成長層９，７の両面にｐ型オーミック部分電
極６１、ｎ型オーミック電極５１をそれぞれ形成する。そして、ｎ型Ｔｅ添加ＧａＡｌＡｓクラッド層７表面か
らｐ−ｎ接合を越えてメサエッチングを行ない、ダイシ
ングして素子を分離する。

【００３９】上記図４においては、各層９，８，７形成
時の温度勾配を０．５℃／分としたが、この勾配は０．
１〜５．０℃／分とすることもできる。このように温度
勾配を変えた場合には、そのときの温度勾配に応じて、
基板１１が各液９ａ，８ａ，７ａに接する時間を変える
必要がある。基板１１を液９ａに接触させる時間は、図
４の温度勾配が０．５℃／分のときは約２時間であるが
、例えば温度勾配を１．０℃／分としたときには、約１
時間とすればよい。

【００４０】次に、上記構成の素子の効果を各層の不純
物濃度ならびに層厚との関係で図５（ａ）〜（ｄ）、図
６（ａ），（ｂ）にしたがって説明する。図中Ｌは、Ｇ
ａＡｓＰ発光効率レベルを示す。上記実施例によれば、
素子をダブルヘテロ構造にしたことにより、ｐ型アクテ
ィブ層に注入されたエレクトロン（電子）についての十
分な閉じ込め効果が得られる。これにより発光効率の向
上が得られる。そして、図５（ａ）〜（ｄ）、図６（ａ
），（ｂ）に示すように、各種濃度及び層厚を設定する
ことにより、従来よりも６〜８倍の発光効率を得ること
ができる。即ち、図５（ｂ）に示すように、ｐ型Ｚｎ添
加ＧａＡｌＡｓアクティブ層８のＺｎ（アクセプター）
濃度を１〜８×１０１７ｃｍ−３にコントロールする。図５（ａ）に示すように、アクティブ層付近の両クラッ
ド層であるｐ型Ｚｎ添加ＧａＡｌＡｓクラッド層９のＺ
ｎ（アクセプター）濃度を０．５〜５×１０１７ｃｍ−
３とする。図５（ｃ）に示すように、ｎ型Ｔｅ添加Ｇａ
ＡｌＡｓクラッド層７のＴｅ（ドナー）濃度を０．５〜
４×１０１７ｃｍ−３とする。図５（ｄ）に示すように
、ｐ型Ｚｎ添加ＧａＡｌＡｓクラッド層９の厚さを５〜
２００μｍ、望ましくは１２０〜２００μｍとする。図
６（ａ）に示すように、ｐ型Ｚｎ添加ＧａＡｌＡｓアク
ティブ層８の厚さを０．１〜５μｍとする。図６（ｂ）
に示すように、ｎ型Ｔｅ添加ＧａＡｌＡｓクラッド層７
の厚さを２０〜９０μｍ、望ましくは３５〜７０μｍと
する。ｎクラッド層７の厚さは３５〜７０μｍが望まし
い理由は次の通りである。即ち、光を取り出す部分とな
るｎクラッド層があまり厚いと、クラッド層での発光を
吸収してしまう。薄いと電極からの電流を十分に拡散さ
せることができない。このため、アクティブ層８での発
光効率が低下する。このため、ｎ型クラッド層７の厚さ
は３５乃至７０μｍが望ましいのである。このように、
各種の濃度及び各種層厚を最適値にコントロールするこ
とにより、図５（ａ）〜（ｄ）、図６（ａ），（ｂ）に
示すように、従来のＧａＡｓＰ発光素子との比較におい
て、発光効率で６〜８倍に相当する１．８〜２．４％（
通電電流２０ｍＡ）の高効率・高輝度特性のものを再現
性良く得ることができる。

【００４１】さらに補足的に説明すれば、図５（ａ）か
ら、以下のことがわかる。即ち、ｐクラッド層のアクセ
プタ濃度をあまり高くすると、そこでの光の吸収が大き
くなり発光効率が低下する。また、アクセプタとしてＺ
ｎを用いた場合には、濃度を高くすると、成長溶液溜か
らＺｎが蒸発し、他の成長溶液溜を汚染する。逆に、ア
クセプタ濃度があまり低いと、オーミックコンタクトが
とりにくくなる。また、図５（ｃ）から、以下のことが
わかる。即ち、ｐクラッド層はマウント面となる層であ
るため、厚さは厚い方がよい。しかしながら、成長に時
間がかかることから、あまり厚くすることが現実的では
ない。一方、ｐクラッド層が薄いと、マウント時の銀ペ
ーストが這い上がり、製造歩留まりが低下する。さらに
、図５（ｄ）から以下のことがわかる。即ち、ｎクラッ
ド層のドナー濃度が高すぎると結晶性が悪くなり、非発
光中心が多くなり、発光効率が低下する。一方あまり低
いと、オーミックコンタクトがとりにくくなる。

【００４２】なお、上記実施例によれば、両クラッド層
９，７のアクティブ層８付近の不純物濃度を発光出力が
最適となるような濃度に設定できるだけでなく、表面濃
度を良好なオーミック特性が得られる５×１０１７ｃｍ
−３以上とすることができる。このために、実施例の素
子は、発光特性に優れ、素子の電気的特性も非常に安定
したものとなる。

【００４３】好ましくは、上記発光素子の各層の不純物
濃度及び各層の厚さ等は以下のようにするのが望ましい
。即ち、ｐ型ＧａＡｌＡｓクラッド層９における亜鉛不
純物濃度を、オーミック部分電極６１側表面では５×１
０１７ｃｍ−３とし、アクティブ層８付近では０．５〜
５×１０１７ｃｍ−３とする。アクティブ層８における
ＡｌＡｓ混晶比は、発光波長が６２５±１５ｎｍとなる
ように定める。そのアクティブ層８の亜鉛不純物濃度を
１〜８×１０１７ｃｍ−３とする。ｎ型ＧａＡｌＡｓク
ラッド層７のテルル不純物濃度を、アクティブ層８付近
で０．５〜４×１０１７ｃｍ−３とし、オーミック電極
５１側表面では５×１０１７ｃｍ−３とする。さらに、
各層９，８，７における成長層厚は、ｐ型のクラッド層
９は５〜２００μｍ、ｐ型のアクティブ層８は０．１〜
５μｍ、ｎ型のクラッド層は２０〜９０μｍとする。

【００４４】上記のように、ｐ型のクラッド層９及びｎ
型のクラッド層７において、それぞれの表面部分の不純
物濃度をオーミック電極を設けるために高くする必要が
ある。而して、不純物としてＺｎ及びＴｅをそれぞれ用
いれば、基板の温度勾配に沿って自動的に上記の如き不
純物濃度を得ることができる。Ｚｎに代えてＭｇを、Ｔ
ｅに代えてＳをそれぞれ用いることもできるが、この場
合には、各層９，７の不純物濃度を所期のものとするよ
うに添加量をコントロールすればよい。

【００４５】上記図１の素子の構造は、最終工程で基板
としてのｐ型ＧａＡｓ基板１１を除去したものである。これに対し、図２に示すように、基板であるｐ型ＧａＡ
ｓ基板１１を除去しない構造にすることもできる。図２
中、１１はｐ型ＧａＡｓ基板、６１Ａは全面型のｐ型オ
ーミック電極である。これにより、大幅にペレット化歩
留まりを向上することができる。この場合の発光効率は
、従来のＧａＡｓＰ素子の発光効率に比べれば２〜３倍
の０．６〜０．９％のものを得ることができる。この場
合においても、従来のものに比べれば高効率・高輝度の
特性を実現することができる。

【００４６】上記溶液９ａ，７ａ（クラッド層９，７）
におけるＡｌＡｓ混晶比は０．８である。しかし、各溶
液９ａ，７ａ（クラッド層９，７）におけるＡｌＡｓ混
晶比を０．７〜０．９とした場合を第１表に示した。そ
のときにおけるＡｌとＧａＡｓの重量は第１表に示す通
りである。第１表には、の条件に基づいて本発明者が行
った実験結果に基づいた、全成長膜（層９，８，７の合
計厚）、発光効率及び歩留り率も示す。

【００４７】

【表１】前述の方法で製造したペレットはｎ型ＧａＡｌＡｓクラ
ッド層７を上にして、製品が組立てられる。このため、
できるだけｎ型ＧａＡｌＡｓクラッド層７での光透過率
を上げることが重要である。図７の特性線ｌ１，ｌ２，
ｌ３は、ＡｌＡｓ混晶比が０．６、０．７、０．８の半
導体層の各波長に対する透過率を示したものである。こ
の図７から分るように、透過率を上げるためには、Ａｌ
Ａｓ混晶比は高い方が良い。しかし、あまり高いと、表
面の酸化などにより、安定したオーミック電極の形成が
困難となる。本発明者の行った実験データによると、ｎ
型ＧａＡｌＡｓクラッド層７のＡｌＡｓ混晶比は、０．
７５〜０．８５が適性であることが判明した。

【００４８】図８は、第１表に示すクラッド層９，７の
各ＡｌＡｓ混晶比に対応した発光効率およびペレット化
歩留り率を、本発明者の行った実験結果に基づいて示す
ものである。第１表及び図８から明らかなように、発光
効率はＡｌＡｓ混晶比が増加するに従って向上する。全
成長厚はＡｌＡｓ混晶比が増加するに従って減少する。ペレット化歩留り率も、ＡｌＡｓ混晶比が増加するに従
って、急激に低下にする。ペレット化歩留り率が急激に
低下する理由は、全成長層が薄くなってその層がハンド
リング中に割れやすくなること、及び高混晶比によって
成長表面が酸化してオーミック電極の安定形成が困難と
なること、等にあるためである。

【００４９】以上からわかるように、高輝度という要求
を満す素子を、高歩留りで得るには、両クラッド層９，
７のＡｌＡｓ混晶比を０．７５〜０．８５とするのがよ
い。最高の歩留りを得ることができるＡｌＡｓ混晶比は
、０．７７〜０．８３であった。

【００５０】また、上記素子構造は、ｐ型ＧａＡｓ基板
を除去したものであるが、ＧａＡｓ基板を除去しない構
造でも、従来のＧａＡｓＰ発光素子に比べて２〜３倍（
０．６〜０．９％）発光効率を向上することができた。

【００５１】この様に、アクティブ層１２のＡｌＡｓ混
晶比を変えて発光波長を短波長化した場合においても、
両クラッド層のＡｌＡｓ混晶比を０．７５〜０．８５と
することにより、輝度の低下を防止することができ、Ａ
ｌＡｓ混晶比を０．７７〜０．８３とすることにより、
最も安定して高輝度で高歩留りを得ることができる。

【００５２】特に、本発明者が行った実験結果を示す図
８から、両クラッド層９，７のＡｌＡｓ混晶比ＸＡｌを
０．８２としたとき、従来技術からは予想できない程高
い発光効率が得られることがわかった。混晶比ＸＡｌを
０．８２としたときの発光効率は、それを０．８０とし
たときの１．６倍である。このように発光効率が上昇す
るのは、両クラッド層９，７のＡｌＡｓ混晶比を０．８
２に高めることにより、閉じ込め効果が上昇することに
よる。また、クラッド層９，７の上記混晶比ＸＡｌを従
来のものより高くすることにより、ｎ型クラッド層７の
厚さに対する依存性が弱くなり、そのクラッド層７を薄
層としても高効率での発光が可能となった。

【００５３】上記の説明では、ｐ型スラッド層９とｎ型
クラッド層７の２つのクラッド層のＡｌＡｓ混晶比を共
に変化させる場合について説明した。しかしながら、ｎ
型クラッド層７のＡｌＡｓ混晶比が発光効率に与える影
響の方が、ｐ型クラッド層９のＡｌＡｓ混晶比が発光効
率に与える影響よりも大きい。そのため、ｐ型クラッド
層９のＡｌＡｓ混晶比を０．７に固定し、ｎ型クラッド
層７のＡｌＡｓ混晶比を０．７〜０．９の範囲で変化さ
せた場合にも、図８に示すのとほぼ同様の優れた発光効
率を得ることができる。

【００５４】尚、上記実施例では両クラッド層９の混晶
比を０．７５乃至０．８５にした場合について述べたが
、第１層としてのｐ型クラッド層９の混晶比を０．７、
第２層としてｐ型アクティブ層８の混晶比を０．４２、
第３層としてｎ型クラッド層７の混晶比を０．８として
もよい。この場合でも、図６に示したような発光効率を
上げることが可能である。

【００５５】上記の如く構成された素子は以下のように
して製造される。即ち、図３において、基板１１は３つ
の成長溶液９ａ，８ａ，７ａによってそれぞれ層９，８
，７が成長させられる。このとき、基板１１が成長溶液
８ａによるアクティブ層８の成長後に、成長溶液７ａに
よるクラッド層７の成長が行われるときについて着目す
る。基板１１が次段の成長溶液７ａに移動させられたと
きには、基板１１の移動に伴って前段の成長溶液８ａの
少量が、実際にぬぐい切れずに、基板１１と共に次段の
成長溶液７ａ内に運び込まれる。これにより、クラッド
層７の成長は、その当初においては、２つの成長溶液、
つまりｐ型及びｎ型の成長溶液が混り合った状態で行わ
れる。例えば、前段の成長溶液８ａはＡｌＡｓ混晶比Ｘ
Ａｌは０．４２であり、次段の成長溶液７ａのそれは０
．８であるとする。このとき、クラッド層７の成長当初
においては、実質の混晶比ＸＡｌは例えば０．７７とな
る。当初は、クラッド層７はその数μｍが混晶比ＸＡｌ
が０．８より低い状態で行われるが、その後は混晶比Ｘ
Ａｌは０．８に落ちつく。このように、クラッド層７の
成長当初に混晶比ＸＡｌが０．８よりも低下すると、ダ
ブルヘテロ（ＤＨ）構造のアクティブ層８に注入された
電子の閉じ込め効果が弱まる（この効果は、アクティブ
層８の混晶比ＸＡｌと両クラッド層９，７のそれＸＡｌ
との差が大きい程大きい。）。従って、上記のようなク
ラッド層７の混晶比ＸＡｌの低下をさければよいことが
わかる。このためには、両クラッド層９，７を成長させ
るための溶液９ａ，７ａの混晶比ＸＡｌを予め０．８１
以上、好ましくは０．８２としておけば、クラッド層７
を混晶比が０．８０以上のものとして成長させることが
できる。

【００５６】尚、上記実施例においては、液相エピタキ
シャル成長法を使用したが、これに限定されるものでは
なく、ＶＧやＭＯＣＶＤを使用することも可能である。

【００５７】尚、本願発明の変形例として、各クラッド
層を２層構造にすることも可能である。たとえば、第３
層としてのｎ型クラッド層を、アクティブ層に接するｎ
型下部クラッド層と、オーミック電極に接するｎ型上部
クラッド層とで構成する。そして、キャリアの閉じ込め
効果を大きくするため、下部クラッド層は混晶比を０．
７５乃至０．８５にする。ハンドリング中に割れること
を防ぐため、上部クラッド層は、混晶比を０．６程度に
してもよい。

【００５８】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、第１導
電型クラッド層（第１層）と第１導電型アクティブ層（
第２層）と第２導電型クラッド層（第３層）の３層を有
するダブルヘテロ構造における２つのクラッド層（第１
、第３層）のＡｌＡｓ混晶比を特定の値とすることによ
り、中心が６１０ｎｍ乃至６４０ｎｍの発光波長の光を
、従来の予想を越える高い効率で発光可能な発光素子及
びその製造方法を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の発光素子の断面図。

【図２】その異なる実施例の断面図。

【図３】図１の発光素子の製造方法の説明図。

【図４】図３の製造方法における温度プログラム線図。

【図５】各層の不純物濃度及び各層厚との関係における
発光効率を示す線図。

【図６】各層の不純物濃度及び各層厚との関係における
発光効率を示す線図。

【図７】ＡｌＡｓ混晶比をパラメータとして波長に対す
る透過率を示す特性図。

【図８】第１表に対応する発光効率及びペレット歩留り
特性図。

【図９】従来の第１の発光素子の断面図。

【図１０】従来の第２の発光素子の断面図。

【符号の説明】

１　　ｐ型ＧａＡｓ０．３５Ｐ０．６５亜鉛拡散層２　
　ｎ型ＧａＡｓ０．３５Ｐ０．６５成長層３　　ｎ型成
長層４　　ｎ型ＧａＰ基板５　　ｎ型オーミック部分電極６　　ｐ型オーミック電極７　　ｎ型Ｔｅ添加ＧａＡｌＡｓクラッド層８　　ｐ型
Ｚｎ添加ＧａＡｌＡｓアクティブ層９　　ｐ型Ｚｎ添加
ＧａＡｌＡｓクラッド層１０　　ボート１０Ａ　　ボート本体１１　　ｐ型ＧａＡｓ基板１２　　ＧａＡｓ基板収納スライド板１３　　成長溶液上蓋７ａ　　ｎ型ＧａＡｌＡｓクラッド用成長溶液７ｂ　　
液溜８ａ　　ｐ型ＧａＡｌＡｓアクティブ用成長溶液８ｂ　
　液溜９ａ　　ｐ型ＧａＡｌＡｓクラッド用成長溶液９ｂ　　
液溜

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】第１導電型で、第１ＡｌＡｓ混晶比を有す
る、第１層としての、第１ＧａＡｌＡｓクラッド層と、
前記第１ＡｌＡｓ混晶比とは異なる第２ＡｌＡｓ混晶比
を有し、その第２ＡｌＡｓ混晶比は発光中心波長６１０
ｎｍ乃至６４０ｎｍの範囲に必要な値に設定されている
、第２層としての、ＧａＡｌＡｓアクティブ層と、前記
第２ＡｌＡｓ混晶比とは異なる第３ＡｌＡｓ混晶比を有
する第２導電型の、第３層としての、第２ＧａＡｌＡｓ
クラッド層とを有し、前記第１層としての前記第１導電
型の第１ＧａＡｌＡｓクラッド層と、前記第３層として
の前記第２導電型の第２ＧａＡｌＡｓクラッド層との間
に、前記第２層としての前記第１導電型のＧａＡｌＡｓ
アクティブ層を挟んでダブルヘテロ構造を形成している
ことを特徴とする発光素子。
【請求項２】前記第２層としての前記ＧａＡｌＡｓアク
ティブ層の前記第２ＡｌＡｓ混晶比が０．４０乃至０．
５６である、請求項１記載の発光素子。
【請求項３】前記第３層としての前記第２ＧａＡｌＡｓ
クラッド層の前記第３ＡｌＡｓ混晶比が０．７５乃至０
．８５である、請求項１又は２記載の発光素子。
【請求項４】前記第１層としての第１ＧａＡｌＡｓクラ
ッド層の前記第１ＡｌＡｓ混晶比と、前記第３層として
の前記第２ＧａＡｌＡｓクラッド層の前記第３ＡｌＡｓ
混晶比を、それぞれ０．７７乃至０．８３としたことを
特徴とする、請求項１又は２記載の発光素子。
【請求項５】前記第１層としてのＧａＡｌＡｓクラッド
層の不純物濃度が、前記第２層としての前記ＧａＡｌＡ
ｓアクティブ層近傍において、０．５×１０１７ｃｍ−
３乃至５×１０１７ｃｍ−３であり、前記第３層として
の前記ＧａＡｌＡｓクラッド層の不純物濃度が、前記第
２層としての前記ＧａＡｌＡｓアクティブ層近傍におい
て、０．５×１０１７ｃｍ−３乃至４×１０１７ｃｍ−
３であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに
記載の発光素子。
【請求項６】前記第１層としての前記第１導電型のＧａ
ＡｌＡｓクラッド層の不純物濃度が、前記第２層として
の前記ＧａＡｌＡｓアクティブ層と反対側の外表面側に
おいて、５×１０１７ｃｍ−３以上であり、前記第３層
としての前記ＧａＡｌＡｓクラッド層の不純物濃度が、
前記第２層としての前記ＧａＡｌＡｓアクティブ層と反
対側の外表面側において、５×１０１７ｃｍ−３以上で
あることを特徴とする請求項５記載の発光素子。
【請求項７】前記第２層としての前記ＧａＡｌＡｓアク
ティブ層の不純物濃度が１×１０１７ｃｍ−３乃至８×
１０１７ｃｍ−３である、請求項１乃至６のいずれかに
記載の発光素子。
【請求項８】前記第１層としての前記ＧａＡｌＡｓクラ
ッド層の厚さは５乃至２００μｍであり、前記第２層と
しての前記ＧａＡｌＡｓアクティブ層の厚さは０．１乃
至５．０μｍであり、前記第３層としての前記ＧａＡｌ
Ａｓクラッド層の厚さは２０乃至９０μｍであることを
特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の発光素子
。
【請求項９】前記第１導電型はｐ型であり、前記第２導
電型はｎ型である、請求項１乃至８のいずれかに記載の
発光素子。
【請求項１０】前記第１層としての前記ＧａＡｌＡｓク
ラッド層に添加される不純物はＺｎであり、前記第３層
としての前記ＧａＡｌＡｓクラッド層に添加される不純
物はＴｅであることを特徴とする請求項９記載の発光素
子。
【請求項１１】前記第１乃至第３層は、それぞれエピタ
キシャル成長法によって形成された請求項１乃至１０の
いずれかに記載の発光素子。
【請求項１２】前記第１及び第３ＡｌＡｓ混晶比が０．
８２である、請求項１乃至１１のいずれかに記載の発光
素子。
【請求項１３】ＧａＡｓ基板を第１温度で第１結晶成長
用溶液に接触させて、このＧａＡｓ基板上に第１層とし
ての第１導電型の第１ＧａＡｌＡｓクラッド層を成長さ
せる第１工程と、前記基板の前記第１ＧａＡｌＡｓクラ
ッド層を第３温度で第２結晶成長用溶液に接触させて、
この第１ＧａＡｌＡｓクラッド層上に第２層としての第
１導電型ＧａＡｌＡｓアクティブ層を成長させる第２工
程と、前記基板の前記第２層としての前記ＧａＡｌＡｓ
アクティブ層を第３結晶成長用溶液に第５温度で接触さ
せて、このＧａＡｌＡｓアクティブ層上に第３層として
の第２導電型ＧａＡｌＡｓクラッド層を成長させる第３
工程とを有し、前記第１結晶成長用溶液は前記第１温度
よりも高い温度で飽和溶液となり、前記第２結晶成長用
溶液は前記第３温度よりも高い温度で飽和溶液となり、
前記第３結晶成長用溶液は前記第５温度よりも高い飽和
溶液となることを特徴とする発光素子の製造方法。
【請求項１４】前記第１工程においては、前記第１温度
から第２温度まで降温させながら、前記第１層としての
第１ＧａＡｌＡｓクラッド層が成長させられ、前記第２
工程においては、前記第３温度から第４温度まで降温さ
せながら、前記第２層としてのＧａＡｌＡｓアクティブ
層が成長させられ、前記第３工程においては、前記第５
温度から第６温度まで降温させながら、前記第３層とし
ての第２ＧａＡｌＡｓクラッド層が成長させられる、こ
とを特徴とする請求項１３記載の方法。
【請求項１５】前記第２温度と第３温度とが等しく、前
記第４温度と第５温度とが等しいことを特徴とする、請
求項１４記載の製造方法。
【請求項１６】前記第１及び第３結晶成長溶液は、それ
ぞれ、結晶成長によって得られる層のＡｌＡｓ混晶比を
０．７５乃至０．８５とする組成を有し、前記第２結晶
成長溶液は、結晶成長によって得られる層のＡｌＡｓ混
晶比を０．４０乃至０．５６とする組成を有することを
特徴とする、請求項１３乃至１５のいずれかに記載の製
造方法。
【請求項１７】前記第１及び第３結晶成長溶液は、それ
ぞれ、結晶成長によって得られる層のＡｌＡｓ混晶比を
０．７７乃至０．８３とする組成を有する、請求項１６
記載の方法。
【請求項１８】前記第１及び第３成長溶液は、それぞれ
、結晶成長によって得られる層のＡｌＡｓ混晶比を０．
８２とする組成を有する、請求項１７記載の方法。
【請求項１９】前記第１乃至第３層を、それぞれエピタ
キシャル成長によって形成する、請求項１３乃至１８の
いずれかに記載の方法。
【請求項２０】前記第１導電型はｐ型であり、前記第２
導電型はｎ型である、請求項１３乃至１９のいずれかに
記載の方法。