JPH05243606A - 半導体発光素子 - Google Patents

半導体発光素子

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JPH05243606A
JPH05243606A JP4580892A JP4580892A JPH05243606A JP H05243606 A JPH05243606 A JP H05243606A JP 4580892 A JP4580892 A JP 4580892A JP 4580892 A JP4580892 A JP 4580892A JP H05243606 A JPH05243606 A JP H05243606A
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弘志 中津
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修 山本
Masanori Watanabe
昌規 渡辺
Saburo Yamamoto
三郎 山本
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 活性層の発光領域を上部電極の直下部分を除
く領域とし、上部から発光を取り出し易くして発光の外
部効率を上昇し、輝度の優れた発光ダイオードを提供す
る。 【構成】 段差１１ａを有する第一の導電型の基板１
１、３１上に、第二の導電型の電流狭窄層２０、４０を
段差１１ａ、３１ａの部分で途切れるように形成する。
その上に第一の導電型のキャリア閉じ込め層（クラッド
層）１２、３２と、活性層１３、３３と、第二の導電型
の窓層（クラッド層）１４、３４とを形成し、上部電極
１７、３７の直下部分には、第二の導電型の電流狭窄層
２０、４０が連続して形成されている。このため、上部
電極１７、３７の直下部分を除く領域の活性層１３、３
３に、基板１１、３１上に形成された第二の導電型の電
流狭窄層２０、４０の途切れた部分（段差１１ａ、３１
ａ）を通して電流が注入される。活性層１３、３３の発
光領域を上部電極１７、３７の直下部分を除く領域と
し、上部から発光を取り出し易くして発光の外部効率を
上昇する。

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の構造に
関し、さらに詳しくは橙から緑色帯の短波長高輝度ＬＥ
Ｄにおいて、発光を有効に外部に取り出し得、かつ、赤
外から赤色帯のＬＥＤに適用できる半導体発光素子の構
造に関する。
【０００２】
【従来の技術】発光ダイオード（以下ではＬＥＤと記
す）は高信頼性を有するため、タングステンランプに代
わる光源として各種表示装置に用いられ、屋内外の表示
デバイスとして脚光を浴びている。ＬＥＤは特にその高
輝度化に伴い、今後数年の間に屋外ディスプレイ市場が
急進するものと思われ、将来的にネオンサインに変わる
媒体に成長するものと期待されている。高輝度ＬＥＤは
数年前からＧａＡｌＡｓ系のＤＨ（ダブルヘテロ）構造
をもつ赤色ＬＥＤでまず実現されている。
【０００３】最近ではＩｎＧａＡｌＰ系ＤＨ型ＬＥＤで
橙〜緑色帯においても高輝度ＬＥＤが試作されている。
これらＬＥＤの発光効率を高めるには、ＬＥＤ内部の発
光効率を高めると同時に、外部にいかに効率良く光を取
り出すかが重要である。
【０００４】図１０は従来のＬＥＤの一例として緑色帯
ＩｎＧａＡｌＰ系ＬＥＤの素子構造を示す。（ａ）はＬ
ＥＤの横断面図であって破線で電流の流れを示し、
（ｂ）はＬＥＤの横断面図であって実線（イ〜ニ）で発
光の仕方を示す。
【０００５】この従来例のＬＥＤ１００は、ｎ−ＧａＡ
ｓ基板１０１上にＭＯＣＶＤ法によりｎ−ＧａＡｓバッ
ファ層１０９（厚さ０．１μｍ）、ｎ−Ｉｎ0.5（Ｇａ
0.3Ａｌ0.7）0.5Ｐキャリア閉じ込め層（クラッド層）
１０２（厚さ１．５μｍ）、ノンドープＩｎ0.5（Ｇａ
0.62Ａｌ0.38）0.5Ｐ活性層１０３（０．７μｍ）、ｐ
−Ｉｎ0.5（Ｇａ0.3Ａｌ0.7）0.5Ｐ窓層（クラッド層）
１０４（１．５μｍ）、ｐ−Ｇａ0.3Ａｌ0.7Ａｓ電流拡
散層１０５（５μｍ）、ｐ−ＧａＡｓオーミックコンタ
クト層１０６をこの順に成長している。
【０００６】上部電極１０７はｐ−ＧａＡｓオーミック
コンタクト層１０６の上に形成され、下部電極１０８は
ｎ−ＧａＡｓ基板１０１の下面に形成されている。上部
電極１０７とその下のオーミックコンタクト層１０６と
は、リードボンドができるサイズ（約７０μｍ）を残し
て周辺をエッチングで除去して形成されている。上部電
極１０７より注入された電流は、図１０（ａ）の破線で
示すように電流拡散層１０５に広がり、ノンドープＩｎ
0.5（Ｇａ0.62Ａｌ0.38）0.5Ｐ活性層１０３の全域に注
入され発光が生じる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】上記従来例では電流は
ノンドープＩｎ0.5（Ｇａ0.62Ａｌ0.38）0.5Ｐ活性層１
０３の全域に注入されるものの、かなりの部分は上部電
極１０７の直下部分１０３ａに集中してしまい、当然の
ことながらこの直下部分１０３ａの発光量が多くなる。
一方、図１０（ｂ）に表されているように、上部電極１
０７の直下部分１０３ａで発し上部にむかうＬＥＤ光
（イ〜ハ）は、上部電極１０７で反射され外部には出射
されない。また直下部分１０３ａで発し、上部電極１０
７の外方に向かう光（ニ）の上面１０５ａに臨界角以上
で入射したものはやはり外部に出ない。従って、活性層
１０３に注入された電流の中、かなりの部分は取り出せ
ない光のために費やされてしまう。
【０００８】本発明は上記した従来の欠点を改良するた
めに成されたものであり、その目的は、活性層の発光領
域を上部電極の直下を除く部分とし、上部から発光を取
り出し易くして発光の外部効率を上昇し、輝度の優れた
発光ダイオードを提供するところにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】本発明半導体発光素子
は、断差を有する第一の導電型の基板と、該断差の部分
で途切れるように形成され上部電極の直下部分が連続し
て形成された第二の導電型の電流狭窄層と、を具備した
ものであり、そのことにより上記目的が達成される。
【００１０】
【作用】本発明の半導体発光素子は、段差を有する第一
の導電型の基板上に第二の導電型の電流狭窄層が段差の
部分で途切れるように形成されている。さらに、その上
に第一の導電型のキャリア閉じ込め層（クラッド層）、
活性層、第二の導電型の窓層（クラッド層）が形成さ
れ、上部電極の直下部分では第二の導電型の電流狭窄層
が連続して形成されている。このため、上部電極の直下
部分を除く領域の活性層に、基板上に形成された第二の
導電型の電流狭窄層の途切れた部分を通して電流が注入
される。従って、活性層の発光領域も上部電極の直下部
分を除く部分となるため、上部から発光を取り出し易く
なる。従って、発光の外部効率が上昇し、輝度の優れた
発光ダイオードを提供できる。
【００１１】
【実施例】以下、本発明半導体発光素子の実施例を図面
を用いて説明する。図１は本発明半導体発光素子の第１
実施例を示す。（ａ）は横断面図、（ｂ）は電流と発光
の様子を表す断面図である。
【００１２】本構造のＬＥＤ１０はｎ−ＧａＡｓ基板１
１の上に、ｎ−ＧａＡｓバッファ層１９、ｐ−ＧａＡｓ
電流狭窄層２０、ｎ−ＩｎＧａＡｌＰキャリア閉じ込め
層（クラッド層）１２、ＩｎＧａＡｌＰ活性層１３、ｐ
−ＩｎＧａＡｌＰ窓層（クラッド層）１４、ｐ−ＧａＡ
ｌＡｓ電流拡散層１５、ｐ−ＧａＡｓコンタクト層１６
がこの順に積層されている。
【００１３】上部電極１７はｐ−ＧａＡｓコンタクト層
１６の上面に積層され、下部電極１８はｎ−ＧａＡｓ基
板１１の下面に積層されている。上部電極１７は図のよ
うに中央に形成されている。
【００１４】本構造のＬＥＤ１０は、 ｎ−ＧａＡｓ基
板１１の上面に段差１１ａを形成している。段差１１ａ
は外側へ広がる斜面に形成され、外周縁に高部１１ｂを
形成し、中央部は低部１１ｃを形成している。これら高
部１１ｂ、低部１１ｃの上にｎ−ＧａＡｓバッファ層１
９、ｐ−ＧａＡｓ電流狭窄層２０が積層されている。即
ち、ｎ−ＧａＡｓバッファ層１９、ｐ−ＧａＡｓ電流狭
窄層２０は、この段差１１ａの部分で途切れるように形
成されている。
【００１５】そして、ｐ−ＧａＡｓ電流狭窄層２０の上
に順にｎ−ＩｎＧａＡｌＰキャリア閉じ込め層（クラッ
ド層）１２、ＩｎＧａＡｌＰ活性層１３、ｐ−ＩｎＧａ
ＡｌＰ窓層（クラッド層）１４、ｐ−ＧａＡｌＡｓ電流
拡散層１５が形成されている。 段差１１ａによって形
成される低部１１ｃは、上部電極１７と同様に四角形状
であるが、低部１１ｃは上部電極１７より十分大きい四
角形状をなしている。従って、上部電極１７の直下部分
２０ａに相当する第二導電型の電流狭窄層２０は上記底
部１１の範囲にあり、その中央の低部１１ｃでは途切れ
ることなく連続して形成されている。
【００１６】本発明半導体発光素子について、その製造
工程を図２に基づいて説明する。まず、図２（ａ）に示
すようにｎ−ＧａＡｓ基板１１に高低差２μｍの段差を
形成する。次に、図２（ｂ）に示すようにｎ−ＧａＡｓ
バッファ層１９とｐ−ＧａＡｓ電流狭窄層２０を段差１
１ａの部分で途切れるように成長する。
【００１７】ｎ−ＧａＡｓバッファ層１９、ｐ−ＧａＡ
ｓ電流狭窄層２０の形成方法としては、ＭＯＣＶＤ法が
採用される。この場合成長条件を工夫して、ｎ−ＧａＡ
ｓ基板１１の上の高部１１ｂ、低部１１ｃのどちらにお
いても、ｎ−ＧａＡｓバッファ層１９及びｐ−ＧａＡｓ
電流狭窄層２０の厚さは、それぞれ０．１μｍ、１μｍ
となるようにした。次に、ｎ−ＩｎＧａＡｌＰキャリア
閉じ込め層（クラッド層）１２を段差１１ａでも途切れ
ないように、低部１１ｃで層厚が厚くなるように形成し
た。この場合、図２（ｃ）に示すように高部１１ａの層
厚は１．５μｍであり、低部１１ｃの層厚は３．０μｍ
である。
【００１８】ＩｎＧａＡｌＰ活性層１３は、底部１３ａ
で１μｍ、高部１３ｂで０．８μｍに形成されている。
ｐ−ＩｎＧａＡｌＰ窓層（クラッド層）１４は、底部１
４ａで１．５μｍ、高部１４ｂで１．３μｍに形成され
ている。ｐ−ＧａＡｌＡｓ電流拡散層１５は図２（ｄ）
に示すように、底部１５ａで５μｍ、高部１４ｂで４．
９μｍに形成されている。ｐ−ＧａＡｓコンタクト層１
６は０．２μｍに形成されている。上部電極１７とｐ−
ＧａＡｓコンタクト層１６とは、リードボンドできるだ
けの領域を約７０μｍ程中央に残してエッチングで形成
される。
【００１９】本構造のＬＥＤ１０では、ｎ−ＧａＡｓ基
板１１側からの電流はｐ−ＧａＡｓ電流狭窄層２０の切
れ目である段差１１ａから図１（ｂ）の破線で示すよう
に注入される。上部電極１７はＬＥＤ１０の中央に形成
されているため、図で示すように電流の大部分は上部電
極１７の直下部分１３ａを除いた直下外領域１３ｂの活
性層に注入される。発光は図（ｂ）の直線で示すよう
に、直下外領域１３ｂから効率よく発光し、上部電極１
７に邪魔されることなく、ＬＥＤ１０の表面から上部に
取り出せるために、外部効率の優れた発光ダイオードと
なる。
【００２０】本実施例における上部電極１７や段差１１
ａ、及び活性層１３の発光部分１３ｂの表面形状は、図
３（ａ）に示したように矩形状であってもよく、図３
（ｂ）に示したように円形状であっても良い。図に示し
たＬＥＤ１０を５ｍｍφのランプにモールド実装したと
ころ、２０ｍＡ通電時に波長５５５ｎｍで３カンデラの
高輝度が得られた。
【００２１】図４は本発明半導体発光素子の第２の実施
例を示す。（ａ）は横断面図、（ｂ）は電流と発光の様
子を表す断面図である。本実施例のＬＥＤ３０はｎ−Ｇ
ａＡｓ基板をｐ−ＧａＡｓ３１とし、その他の全ての層
の導電型を第一の実施例の場合と逆にしている。ｐ−Ｇ
ａＡｓ基板３１の断差３１ａの加工形状は、ＬＥＤ３０
の端部に形成した高部３１ｂに加えて、上部電極３７の
直下の中央にも高部３１ｂを形成している。
【００２２】本実施例のＬＥＤ３０は、中央の段差３１
ａ上にもｐ−ＧａＡｓ電流狭窄層４０の途切れる部分が
形成されており、この途切れる部分を通して図４（ｂ）
の破線で示すように電流が注入される。この場合も上部
電極３７の直下部分３１ｂを除く領域にかなりの電流が
効率よく注入されるため、第一の実施例の場合と同様に
外部効率が良く、発光を取り出すことができる。
【００２３】本実施例のＬＥＤ３０の特性は、波長５６
７ｎｍで輝度３．２カンデラであった（５ｍｍ、２０ｍ
Ａ）。なお本構造の場合、図５の実施例３に示すよう
に、ＬＥＤ３０の上部電極３７の端部の周辺にもわずか
に電極を形成していても良い。図６は本発明半導体発光
素子の第４の実施例を示す。（ａ）は横断面図、（ｂ）
は電流と発光の様子を表す断面図である。
【００２４】本実施例のＬＥＤ３０は、第２の実施例と
構成はほぼ同様であるが、ｐ−ＧａＡｌＡｓ電流拡散層
を形成していないところが異なる。本実施例の構造では
表面にｐ−ＩｎＧａＡｌＰ窓層（クラッド層）３４の段
差３４ａが形成されており、図６（ｂ）に示したよう
に、この段差３４ａを通して活性層３３からの発光を効
率よく取り出すことができる。
【００２５】図７は本発明半導体発光素子の第５の実施
例を示す。本実施例のＬＥＤ３０は第２の実施例と構成
はほぼ同様である。異なるところは、電流狭窄層４０の
上に光反射層と呼ばれる層４１’が形成されているこ
と、及び電流拡散層を形成していないところである。本
実施例をＡｌＧａＡｓ系発光ダイオードに適用したもの
について説明する。
【００２６】このＬＥＤ３０では、ｐ−ＧａＡｓ基板３
１上に、ｐ−ＧａＡｓバッファ層３９、ｎ−ＧａＡｓ電
流狭窄層４０、ｐ型又はｎ型のＧａ0.5Ａｌ0.5Ａｓ／Ａ
ｌＡｓ（１０層）で構成される光反射層４１’、ｐ−Ｇ
ａ0.3Ａｌ0.7Ａｓキャリア閉じ込め層（クラッド層）３
２’、ノンドープＧａ0.6Ａｌ0.38Ａｓ活性層３３’、
ｎ−Ｇａ0.3Ａｌ0.7Ａｓ窓層（クラッド層）３４’、ｎ
−ＧａＡｓオーミックコンタクト層３６、がこの順に積
層されている。上部電極３７はｎ−ＧａＡｓコンタクト
層３６の上面に積層され、下部電極３８はｐ−ＧａＡｓ
基板３１の下面に積層されている。
【００２７】本実施例のＬＥＤ３０の場合、電流の注入
のされかたは第２の実施例の場合と同様であるが、図に
示したように発光した光でＬＥＤ３０の下部へ向かうも
のを光反射層４１’で上部に反射し、外部に取り出すこ
とができる。このＬＥＤ３０の特性は、５ｍｍφ実装
時、２０ｍＡ通電下で波長６５５ｎｍ（赤色）で輝度１
０カンデラであった。Ｉｎ0.5（Ｇａ0.5Ａｌ0.5）0.5Ｐ
を交互に２０層積層して形成すれば、第１及び第２の実
施例で説明したＩｎＧａＡｌＰ系の発光ダイオードにも
適用できる。
【００２８】図８は本発明半導体発光素子の第６の実施
例を示す。図では破線で電流の注入のされ方を示し、実
線で発光の様子を示している。このＬＥＤ３０では、成
長する層の構成は第１の実施例及び第２の実施例とほぼ
同様であるが、第５の実施例の場合のように光反射層４
１を形成しているところと、段差３１ａを多数形成して
電流の注入領域を複数化し、発光領域をマルチ化してい
るところに特徴がある。また、上部電極３７の表面形状
は図９に示すように複数本の筋状に形成され、中心に中
央電極３７ａを形成している。このＬＥＤ３０では、波
長５５５ｎｍで５カンデラの輝度が得られた。（５ｍ
ｍ、２０ｍＡ）。
【００２９】本発明における材料系は上記のＩｎＧａＡ
ｌＰ系や、ＧａＡｌＡｓ系に限られるものではない。Ｚ
ｎＳＳｅ、ＣｄＺｎＳ系等であっても良い。基板の導電
型はｐ、ｎどちらであっても良く、成長層の導電型も基
板に応じてｐ、ｎを決めればよい。成長方法はＭＯＣＶ
Ｄ法の他、ＬＰＥ法、ＭＢＥ法、ＡＬＥ法、ＣＢＥ法等
であっても良い。また、電流拡散層やオーミックコンタ
クト層は必ずしも必要ではなく、抵抗が高くならない限
り作製しなくてもよい。
【００３０】
【発明の効果】本発明半導体発光素子によるＬＥＤは、
段差を有する第一の導電型の基板上に、第二の導電型の
電流狭窄層が段差の部分で途切れるように形成され、そ
の上にた第一の導電型のキャリア閉じ込め層（クラッド
層）、活性層、第二の導電型の窓層（クラッド層）が形
成され、上部電極の直下部分には、第二の導電型の電流
狭窄層が連続して形成されている。このため、上部電極
の直下部分を除く領域の活性層に、基板上に形成された
第二の導電型の電流狭窄層の途切れた部分を通して電流
が注入される。従って、活性層の発光領域は上部電極の
直下部分を除く領域になるため、上部から発光を取り出
し易くなる。従って、発光の外部効率が上昇し、輝度の
優れた発光ダイオードを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明半導体発光素子の構造の実施例を示す概
略図で、（ａ）はＬＥＤの断面図、（ｂ）は電流の流れ
方と光の発し方を示す図。
【図２】本発明半導体発光素子の製造工程を示す概略
図。
【図３】図１の発光ダイオードの表面形状を示す平面
図。
【図４】本発明半導体発光素子の構造の実施例を示す概
略図で、（ａ）はＬＥＤの断面図、（ｂ）は電流の流れ
方と光の発し方を示す図。
【図５】本発明半導体発光素子の他の実施例を示す断面
図。
【図６】本発明半導体発光素子の他の実施例を示す概略
図で、（ａ）はＬＥＤの断面図、（ｂ）は電流の流れ方
と光の発し方を示す図。
【図７】本発明半導体発光素子の他の実施例を示す断面
図。
【図８】本発明半導体発光素子の他の実施例を示す断面
図。
【図９】図８の上部電極を示す平面図。
【図１０】従来の発光ダイオードの構造を示す概略図
で、（ａ）はＬＥＤの電流の流れ方を示す断面図、
（ｂ）は光の発し方を示す断面図。
【符号の説明】
１０、３０ ＬＥＤ １１、 ｎ−ＧａＡｓ基板 １１ａ、３１ａ 段差 １２、 ｎ−ＩｎＧａＡｌＰクラッド層 １３、 ＩｎＧａＡｌＰ活性層 １４、 ｐ−ＩｎＧａＡｌＰ窓層（クラッド
層） １５、 ｐ−ＧａＡｌＡｓ電流拡散層 １６、 ｐ−ＧａＡｓコンタクト層 １７、３７ 上部電極 １８、３８ 下部電極 １９、 ｎ−ＧａＡｓバッファ層 ２０、 ｐ−ＧａＡｓ電流狭窄層 ３１、 Ｐ−ＧａＡｓ基板 ３２、 Ｐ−ＩｎＧａＡｌＰクラッド層 ３２’、 Ｐ−ＧａＡｌＡｓクラッド層 ３３、 ＧａＡｌＡｓ活性層 ３４、 ｎ−ＩｎＧａＡｌＰ窓層（クラッド
層） ３４’、 ｎ−ＧａＡｌＡｓ窓層（クラッド
層） ３５、 ｎ−ＧａＡｌＡｓ電流拡散層 ３６、 ｎ−ＧａＡｓコンタクト層 ３９、 Ｐ−ＧａＡｓバッファ層 ４０、 ｎ−ＧａＡｓ電流狭窄層 ４１、４１’ 光反射層
フロントページの続き (72)発明者 渡辺 昌規 大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号 シ ャープ株式会社内 (72)発明者 山本 三郎 大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号 シ ャープ株式会社内

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 段差を有する第一の導電型の基板と、 該段差の部分で途切れるように形成され上部電極の直下
    部分が連続して形成された第二の導電型の電流狭窄層
    と、 を具備した半導体発光素子。
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