JPH04259263A - 半導体発光素子 - Google Patents

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、半導体発光素子に係わ
り、特にＩｎＧａＡｌＰ系材料を用いた半導体発光素子
に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、各種の化合物半導体材料を用いた
発光ダイオードが研究されている。この中で、ＩｎＧａ
ＡｌＰ系材料を用いた発光ダイオードは、５８０ｎｍ（
黄色）〜６９０ｎｍ（赤色）の範囲で直接遷移による発
光が得られるため、効率の高い光源として期待されてい
る。

【０００３】この種の発光ダイオードの例として、図３
に示す構造が知られている。即ち、ｎ−ＧａＡｓ基板３
０上にｎ−ＧａＡｓバッファ層３１，ｎ−ＩｎＧａＡｌ
Ｐクラッド層３２，アンドープＩｎＧａＰ活性層３３及
びｐ−ＩｎＧａＡｌＰクラッド層３４が形成され、この
上の一部にｐ−ＩｎＧａＰ中間バンドギャップ層３５及
びｐ−ＧａＡｓコンタクト層３６が形成されている。そ
して、コンタクト層３６上にｐ側電極３７が形成され、
基板３０の下面にｎ側電極３８が形成されている。

【０００４】ところで、図３のような構成においては、
活性層３３に十分にキャリアを閉じ込め、高い発光効率
を得るにはクラッド層３２，３４のＡｌ組成を大きくし
なければならない。しかし、ｐクラッド層３４において
は一般に、Ａｌ組成を大きくするとキャリア濃度を大き
くすることはできず、図３の構成ではｐクラッド層３４
のキャリア濃度は低いものとなる。このため、電極３７
から中に注入された電流はｐクラッド層３４では殆ど広
がることなく活性層３３に注入されることになり、発光
領域は活性層３３の電極３７の直下に位置する領域３９
のみとなる。従って、上面方向に光を取り出す場合、電
極３７が光を遮ることになり、これが光の取り出し効率
を低下させる要因となっていた。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】このように従来、ダブ
ルヘテロ構造における基板と反対側のｐクラッド層のキ
ャリア濃度が低いため、光取り出し側の電極から注入さ
れた電流が殆ど広がることなく活性層に注入され、電極
直下が発光領域となる。このため、光取り出し側の電極
が発光領域からの光を遮ることになり、これが光取り出
し効率を低下させる要因となっていた。

【０００６】本発明は、上記事情を考慮してなされたも
ので、その目的とするところは、発光領域からの光を光
取り出し側の電極で遮ることなく取り出すことができ、
光取り出し効率の向上をはかり得る半導体発光素子を提
供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明の骨子は、クラッ
ド層とコンタクト層の中間バンドギャップを有する中間
バンドギャップ層の原子配列を無秩序化することで、秩
序状態の活性層のバンドギャップより大きなバンドギャ
ップを構成し、これにより光取り出し効率の向上をはか
ることにある。

【０００８】即ち本発明は、半導体基板上にＩｎＧａＡ
ｌＰ系材料からなる活性層をクラッド層で挟んだダブル
ヘテロ構造部を形成し、このダブルヘテロ構造部上に中
間バンドギャップ層を介してコンタクト層を形成した半
導体発光素子において、活性層を自然超格子が形成され
た秩序化層で形成し、中間バンドギャップ層を不純物拡
散により自然超格子の消滅した無秩序化層で形成し、こ
の中間バンドギャップ層のバンドギャップを活性層のバ
ンドギャップより大きくしたことを特徴としている。

【０００９】また、本発明の望ましい実施態様としては
、基板をｎ型のＧａＡｓとし、ｐ型の中間バンドギャッ
プ層をダブルヘテロ構造部上の全面に形成し、さらにｐ
型のコンタクト層を中間バンドギャップ層上に選択的に
形成することを特徴としている。

【００１０】

【作用】本発明によれば、光り取り出し側に位置する中
間バンドギャップ層をダブルヘテロ構造部上の全面に形
成し、不純物（例えばＡｎ）の拡散による高濃度不純物
層としているので、中間バンドギャップ層における電流
の拡がりを増大させ、活性層の発光領域を十分に広げる
ことができる。

【００１１】また、活性層を自然超格子の形成された秩
序化層とし、中間バンドギャップ層を自然超格子の消滅
した無秩序化層としているので、光取り出し側に形成さ
れた中間バンドギャップ層のバンドギャップを、秩序化
状態の活性層のバンドギャップよりも大きくすることが
できる。従って、活性層からの光を中間バンドギャップ
層の吸収を受けることなく取り出すことができ、光取り
出し効率の向上をはかることが可能となる。

【００１２】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面を参照して説明
する。

【００１３】図１は、本発明の第１の実施例に係わる半
導体発光素子の概略構成を示す断面図である。図中１０
はｎ−ＧａＡｓ基板であり、この基板１０上にはｎ−Ｇ
ａＡｓバッファ層１１，ｎ−Ｉｎ０．５　（Ｇａ１−Ｘ
１ＡｌＸ１）０．５　Ｐクラッド層１２，Ｉｎ０．５　
（Ｇａ１−Ｘ２ＡｌＸ２）０．５　Ｐ活性層１３，ｐ−
Ｉｎ０．５　（Ｇａ１−Ｘ１ＡｌＸ１）０．５　Ｐクラ
ッド層１４及びｐ−Ｉｎ０．５　（Ｇａ１−Ｘ３ＡｌＸ
３）０．５　Ｐ中間バンドギャップ層１５が成長形成さ
れている。

【００１４】ここで、活性層１３は自然超格子が形成さ
れた秩序化層であり、中間バンドギャップ層１５は自然
超格子が消滅した無秩序化層である。この無秩序化層に
おける無秩序化の程度は、基板側よりも出射端面側で大
きくなるほうが望ましい。また、ＩｎＧａＡｌＰのＡｌ
組成は、　０．６≦Ｘ１≦１，０≦Ｘ２＜Ｘ１，０≦Ｘ
３＜Ｘ１の範囲であればよく、本実施例ではＸ１＝０．
６　，Ｘ２＝Ｘ３＝０とした。活性層１３のＡｌ組成に
より、Ｘ２＝０の赤色からＸ２＝０．５の緑色までの発
光が得られる。

【００１５】中間バンドギャップ層１５の上には、ｐ−
ＧａＡｓコンタクト層１６が円形に形成されている。そ
して、コンタクト層１６上にｐ側電極１７が形成され、
基板１０の裏面にｎ側電極１８が形成されている。なお
、図中１９は発光領域、２１はｐ型不純物が拡散され、
自然超格子が無秩序化した領域、２２は外部出力光を示
している。

【００１６】次に、上記実施例素子の製造方法について
説明する。まず、表面が（１００）の面方位のｎ−Ｇａ
Ａｓ基板１０上に、ＭＯＣＶＤ法で各層１１〜１６を順
次成長形成する。このときの成長条件は、活性層１３及
び中間バンドギャップ層１５に自然超格子が形成される
条件とした。この条件としては、成長温度６９０〜８２
０℃、Ｖ／ＩＩＩ　比（ＰＨ３　と　ＩＩＩ族原料のモ
ル比）２００〜４００、成長速度３μｍ／ｈである。

【００１７】ｐ型中間バンドギャップ層１５を成長する
際には、ｐ型不純物（例えばＺｎ）を十分に導入し、中
間バンドギャップ層１５の自然超格子を消滅させるよう
にした。この自然超格子を消滅させるために必要なｐ型
不純物の濃度は、６×１０１７ｃｍ−３〜１×１０１９
ｃｍ−３である。また、中間バンドギャップ層１５の厚
さは５〜２０ｎｍとした。

【００１８】次いで、コンタクト層１６上にｐ側電極１
７を形成し、基板１０の下面にｎ側電極１８を形成し、
電極１７及びコンタクト層１６を円形に残すように選択
的エッチングすることにより、前記図１に示す構造が得
られる。

【００１９】このような構成であれば、電極１７から注
入された電流はｐ型不純物（Ｚｎ）が拡散された中間バ
ンドギャップ層１５の高濃度領域２１で横方向に拡がり
、ｐクラッド層１４に流れるため、発光領域１９が活性
層全域に拡がることになる。さらに、光取り出し側に形
成された無秩序化層からなる中間バンドギャップ層１５
のバンドギャップは、秩序化状態の活性層１３のバンド
ギャップより大きくなる。このため、発光領域１９から
の光は、中間バンドギャップ層１５の吸収を受けること
なく取り出せることになり、光取り出し効率を飛躍的に
向上させることができる。

【００２０】本発明者らの実験によれば、図１の構成で
中間バンドギャップ層１５のＺｎの濃度を６×１０１７
ｃｍ−３以上とした場合、８０％に近い発光効率が得ら
れた。なお、Ｚｎを拡散しない従来構造では３０％程度
であった。

【００２１】また、本実施例では中間バンドギャップ層
１５をｐクラッド層１４上の全面に設け、この中間バン
ドギャップ層１５にＺｎ拡散による無秩序化を行ってい
るので、次のような利点がある。Ｚｎの拡散速度はＡｌ
の組成比が小さいほど速く、ＩｎＧａＰ層とＩｎＧａＡ
ｌＰ層では大きく異なる。一般には、ＩｎＧａＡｌＰ層
よりもＩｎＧａＰ層の方が拡散速度は５倍程度速い。

【００２２】従って、前記図３に示す従来構造でｐ−Ｉ
ｎＧａＡｌＰクラッド層にＺｎを拡散した場合、クラッ
ド層に十分に拡散させるとＩｎＧａＰ活性層にもＺｎが
拡散してしまう。これに対し本実施例のように、ｐ−Ｉ
ｎＧａＡｌＰクラッド層１４上のｐ−ＩｎＧａＰ中間バ
ンドギャップ層１５にＺｎを拡散した場合、中間バンド
ギャップ層１５に十分に拡散させても、クラッド層には
Ｚｎは殆ど拡散せず、従って活性層１３にＺｎが拡散さ
れる等の不都合はない。つまり、本実施例のようにすれ
ば、Ｚｎ拡散の制御性が容易である。

【００２３】図２は本発明の第２の実施例を示す概略構
成図である。図２において、（ａ）は上面図、（ｂ）は
（ａ）の矢視Ａ−Ａ′断面図である。なお、図１と同一
部分には同一符号を付して、その詳しい説明は省略する
。

【００２４】この実施例は、図１に示す素子を１つの基
板上に複数個形成したものである。即ち、第１の実施例
と同様にして基板１０上に各層１１〜１６を成長形成し
、さらに電極１７，１８を形成した後、電極１７，コン
タクト層１６及び中間バンドギャップ層１５を分離溝２
５により電気的に分離することにより、複数の発光素子
を形成している。ここで、コンタクト層１６及び電極１
７は、先の実施例とは逆に個々の素子において中央部に
円形の窓が形成されている。

【００２５】このような構成であれば、先の実施例と同
様に、中間バンドギャップ層１５により電流を広げ、活
性層１３における発光領域を広げることができる。また
、コンタクト層１６が個々の発光素子の光を吸収して光
分離領域として働き、さらにｐクラッド層１４は抵抗が
大きいため、高濃度領域２１から注入された電流はｐク
ラッド層１４では広がることなく流れる。このため、発
光領域１９を電極直下以外に広げると共に、発光領域１
９の分離が可能となる。

【００２６】なお、本発明は上述した各実施例に限定さ
れるものではない。実施例では基板の主面を（１００）
としたが、成長主面が｛１００｝面から［０１１］方向
に１５°以内に傾斜した基板であればよい。バッファ層
は、ＧａＡｓに限らずＩｎＧａＰ，ＧａＡｌＡｓ，Ｉｎ
ＧａＡｌＰなどでもよい。クラッド層は、ＩｎＧａＡｌ
Ｐ単独に限らずＩｎＧａＡｌＰ層とＧａＡｌＡｓの２層
からなってもよい。中間バンドギャップ層は、クラッド
層よりもＡｌ組成の少ない ＩｎＧａＡｌＰ、又はＧａＡｌＡｓ，ＩｎＧａＰでもよ
い。活性層はアンドープに限らず、ｐ型若しくはｎ型で
あってもよい。また、ｐ側電極の形状は、円形に限るも
のではなく多角形でもよい。さらに、発光ダイオードだ
けでなく、半導体レーザ、例えば電流注入方向と光出射
方向が同一の面発光型レーザにも本発明を適用でき、こ
の際には出射端面の半導体層を無秩序化層にすればよい
。その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々変形
して実施することができる。

【００２７】

【発明の効果】以上詳述したように本発明によれば、ク
ラッド層とコンタクト層の中間バンドギャップを有する
中間バンドギャップ層の原子配列を無秩序化することで
、中間バンドギャップ層に秩序状態の活性層のバンドギ
ャップより大きなバンドギャップを形成している。従っ
て、発光領域からの光を光取り出し側の電極で遮ること
なく取り出すことができ、光取り出し効率の向上をはか
ることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例に係わる半導体発光素子
の概略構成を示す断面図。

【図２】本発明の第２の実施例の概略構成を示す平面図
及び断面図。

【図３】従来の半導体発光素子の概略構成を示す断面図
。

【符号の説明】

１０…ｎ−ＧａＡｓ基板、１１…ｎ−ＧａＡｓバッファ
層、１２…ｎ−ＩｎＧａＡｌＰクラッド層、１３…Ｉｎ
ＧａＡｌＰ活性層、１４…ｎ−ＩｎＧａＡｌＰクラッド
層、１５…ｐ−ＩｎＧａＡｌＰ中間バンドギャップ層、
１６…ｐ−ＧａＡｓコンタクト層、１７…ｎ側電極、１
８…ｐ側電極、１９…発光領域、２１…不純物が拡散さ
れた高濃度領域、２２…外部出射光、２５…素子分離溝
。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】半導体基板と、この基板上にＩｎＧａＡｌ
   Ｐ系材料からなる活性層をクラッド層で挟んで形成され
   たダブルヘテロ構造部と、このダブルヘテロ構造部上に
   中間バンドギャップ層を介して形成されたコンタクト層
   とを具備し、前記活性層は自然超格子が形成された秩序
   化層であり、前記中間バンドギャップ層は不純物拡散に
   より自然超格子の消滅した無秩序化層であり、前記中間
   バンドギャップ層のバンドギャップを前記活性層のバン
   ドギャップより大きくしたことを特徴とする半導体発光
   素子。