JPH0786637A - 半導体発光装置 - Google Patents
半導体発光装置Info
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- JPH0786637A JPH0786637A JP22536393A JP22536393A JPH0786637A JP H0786637 A JPH0786637 A JP H0786637A JP 22536393 A JP22536393 A JP 22536393A JP 22536393 A JP22536393 A JP 22536393A JP H0786637 A JPH0786637 A JP H0786637A
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 層数の多い多重量子井戸活性層においてもキ
ャリアを均一に注入し、発光効率が十分に高く、製造方
法も簡単な優れた黄色、緑色の面発光型ＬＥＤを提供す
ること。 【構成】 ｎ−ＧａＡｓ基板１１と、この基板１１上に
形成された多重量子井戸活性層１５をｎ型クラッド層１
４及びｐ型クラッド層１６で挟んだダブルヘテロ構造部
と、このダブルヘテロ構造部上に形成されたｐ−ＧａＡ
ｌＡｓ電流拡散層１８と、この電流拡散層１８の一部に
形成されたｐ側電極２１と、半導体基板１１の裏面側に
形成されたｎ側電極２２とを具備したＬＥＤにおいて、
多重量子井戸活性層１５の井戸層とバリヤ層の厚さを、
電子の注入側から正孔の注入側に向かって井戸層の量子
準位が大きくなるように、活性層１５の積層方向に対し
て徐々に可変したことを特徴とする。
ャリアを均一に注入し、発光効率が十分に高く、製造方
法も簡単な優れた黄色、緑色の面発光型ＬＥＤを提供す
ること。 【構成】 ｎ−ＧａＡｓ基板１１と、この基板１１上に
形成された多重量子井戸活性層１５をｎ型クラッド層１
４及びｐ型クラッド層１６で挟んだダブルヘテロ構造部
と、このダブルヘテロ構造部上に形成されたｐ−ＧａＡ
ｌＡｓ電流拡散層１８と、この電流拡散層１８の一部に
形成されたｐ側電極２１と、半導体基板１１の裏面側に
形成されたｎ側電極２２とを具備したＬＥＤにおいて、
多重量子井戸活性層１５の井戸層とバリヤ層の厚さを、
電子の注入側から正孔の注入側に向かって井戸層の量子
準位が大きくなるように、活性層１５の積層方向に対し
て徐々に可変したことを特徴とする。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、化合物半導体材料を用
いた半導体発光装置に関する。
いた半導体発光装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】近年、屋外表示板，交通信号等への応用
を目的として、緑色から黄色，燈色，赤色の発光ダイオ
ード（ＬＥＤ）の開発が盛んに進められている。この中
でも緑色から黄色といった、０．６μｍよりも波長の短
い領域では従来材料による高輝度化が困難であり、新材
料による高輝度ＬＥＤの開発が望まれていた。
を目的として、緑色から黄色，燈色，赤色の発光ダイオ
ード（ＬＥＤ）の開発が盛んに進められている。この中
でも緑色から黄色といった、０．６μｍよりも波長の短
い領域では従来材料による高輝度化が困難であり、新材
料による高輝度ＬＥＤの開発が望まれていた。
【０００３】ＩｎＧａＡｌＰ系混晶は、窒化物を除く I
II−Ｖ族化合物半導体混晶中で最大の直接遷移型エネル
ギーギャップを有し、０．５〜０．６μｍ帯の発光素子
材料として注目されている。特に、ＧａＡｓを基板と
し、これに格子整合するＩｎＧａＡｌＰによる発光部を
持つｐｎ接合型ＬＥＤは、従来のＧａＰやＧａＡｓＰ等
の間接遷移型の材料を用いたものに比べ、赤色から緑色
までの高輝度の発光が可能である。高輝度のＬＥＤを形
成するには、発光効率を高めることはもとより、素子内
部での光吸収や、発光部と電極の相対的位置関係によ
り、外部への有効な光取り出しを実現することが重要で
ある。
II−Ｖ族化合物半導体混晶中で最大の直接遷移型エネル
ギーギャップを有し、０．５〜０．６μｍ帯の発光素子
材料として注目されている。特に、ＧａＡｓを基板と
し、これに格子整合するＩｎＧａＡｌＰによる発光部を
持つｐｎ接合型ＬＥＤは、従来のＧａＰやＧａＡｓＰ等
の間接遷移型の材料を用いたものに比べ、赤色から緑色
までの高輝度の発光が可能である。高輝度のＬＥＤを形
成するには、発光効率を高めることはもとより、素子内
部での光吸収や、発光部と電極の相対的位置関係によ
り、外部への有効な光取り出しを実現することが重要で
ある。
【０００４】図８にＩｎＧａＡｌＰ発光部を有する従来
のＬＥＤの素子構造断面図を示す。図中８１はｎ−Ｇａ
Ａｓ基板であり、この基板８１の主面上にｎ−ＩｎＧａ
ＡｌＰクラッド層８４，ＩｎＧａＡｌＰ活性層８５、ｎ
−ＩｎＧａＡｌＰクラッド層８６からなるダブルヘテロ
構造部（発光領域層）が成長形成されている。ダブルヘ
テロ構造部上には、ｐ−ＩｎＧａＰキャップ層８２及び
ｎ−ＩｎＧａＡｌＰ電流阻止層８７が成長形成され、電
流阻止層８７は選択エッチングによって円形に加工され
ている。
のＬＥＤの素子構造断面図を示す。図中８１はｎ−Ｇａ
Ａｓ基板であり、この基板８１の主面上にｎ−ＩｎＧａ
ＡｌＰクラッド層８４，ＩｎＧａＡｌＰ活性層８５、ｎ
−ＩｎＧａＡｌＰクラッド層８６からなるダブルヘテロ
構造部（発光領域層）が成長形成されている。ダブルヘ
テロ構造部上には、ｐ−ＩｎＧａＰキャップ層８２及び
ｎ−ＩｎＧａＡｌＰ電流阻止層８７が成長形成され、電
流阻止層８７は選択エッチングによって円形に加工され
ている。
【０００５】キャップ層８２及び電流阻止層８７上に
は、ｐ−ＧａＡｌＡｓ電流拡散層８８及びｐ−ＧａＡｓ
コンタクト層８９が形成され、コンタクト層８９は電流
阻止層８７の形状に合わせて円形に加工されている。そ
して、コンタクト層８９上にｐ側電極９１が形成され、
基板８１の裏面側にｎ側電極９２が形成されている。な
お、この素子における発光部を９３で示し、電流分布を
矢印で示している。
は、ｐ−ＧａＡｌＡｓ電流拡散層８８及びｐ−ＧａＡｓ
コンタクト層８９が形成され、コンタクト層８９は電流
阻止層８７の形状に合わせて円形に加工されている。そ
して、コンタクト層８９上にｐ側電極９１が形成され、
基板８１の裏面側にｎ側電極９２が形成されている。な
お、この素子における発光部を９３で示し、電流分布を
矢印で示している。
【０００６】ところで、この種のＬＥＤにおいては、次
の点が問題となっている。第１に、ＩｎＧａＡｌＰ混晶
を用いることにより黄色領域で高輝度のＬＥＤは実現さ
れているが、黄色よりも短波長化を進めると発光効率が
著しく低下する。これは、短波長化のためにＡｌ組成を
多くする手法を通常用いるが、化学的に活性なＡｌが結
晶成長中に酸素を取り込み、これが結晶中に非発光セン
ターを形成するためである。実際のＬＥＤにおいても、
黄色では１％以上の高効率が得られるものの、緑色では
０．３％と低下する。これを回避する手段として、発光
層下部にブラッグ反射層を設けるなどの光取り出し効率
を向上させることが行われているが十分ではなく、短波
長化における発光効率の改善を行うことが要請されてい
た。
の点が問題となっている。第１に、ＩｎＧａＡｌＰ混晶
を用いることにより黄色領域で高輝度のＬＥＤは実現さ
れているが、黄色よりも短波長化を進めると発光効率が
著しく低下する。これは、短波長化のためにＡｌ組成を
多くする手法を通常用いるが、化学的に活性なＡｌが結
晶成長中に酸素を取り込み、これが結晶中に非発光セン
ターを形成するためである。実際のＬＥＤにおいても、
黄色では１％以上の高効率が得られるものの、緑色では
０．３％と低下する。これを回避する手段として、発光
層下部にブラッグ反射層を設けるなどの光取り出し効率
を向上させることが行われているが十分ではなく、短波
長化における発光効率の改善を行うことが要請されてい
た。
【０００７】多重量子井戸構造を発光層とすると、発光
層のＡｌ組成を多くすることなく量子準位によって短波
長化するため、上記したＡｌが結晶成長中に酸素を取り
込む問題は起きない。そのため、高効率化が期待され
る。しかし、ＬＥＤ目的の多重量子井戸構造の設計にお
いては、井戸層数を２０以上と大きくしなければならな
い（菅原他、応用物理連合講演会１９９３年春，III-13
02）。これは、井戸層からバリヤ層へ注入キャリアが溢
れ、バリヤ層において非発光再結合するためである。そ
のために、このような井戸層数を増やし、各井戸への注
入キャリア密度をあるレベル以下に制限する必要があ
る。
層のＡｌ組成を多くすることなく量子準位によって短波
長化するため、上記したＡｌが結晶成長中に酸素を取り
込む問題は起きない。そのため、高効率化が期待され
る。しかし、ＬＥＤ目的の多重量子井戸構造の設計にお
いては、井戸層数を２０以上と大きくしなければならな
い（菅原他、応用物理連合講演会１９９３年春，III-13
02）。これは、井戸層からバリヤ層へ注入キャリアが溢
れ、バリヤ層において非発光再結合するためである。そ
のために、このような井戸層数を増やし、各井戸への注
入キャリア密度をあるレベル以下に制限する必要があ
る。
【０００８】しかしながら、注入キャリア密度の観点か
ら設計した井戸層数の多い多重量子井戸構造において
は、注入キャリア、特に正孔が均一に分布しないという
大きな問題が生じた。ｐ型クラッド層から注入された正
孔は、井戸層／バリヤ層界面の存在により実効的な拡散
長が短くなり、ｐ側部分に局在してしまい、ダブルヘテ
ロ構造と比較して大きな効率改善効果を得ることはでき
なかった。
ら設計した井戸層数の多い多重量子井戸構造において
は、注入キャリア、特に正孔が均一に分布しないという
大きな問題が生じた。ｐ型クラッド層から注入された正
孔は、井戸層／バリヤ層界面の存在により実効的な拡散
長が短くなり、ｐ側部分に局在してしまい、ダブルヘテ
ロ構造と比較して大きな効率改善効果を得ることはでき
なかった。
【０００９】第２に、前記図８に示したＬＥＤにおいて
は、電流拡散層８８において発光部で生じた光が吸収さ
れず、なおかつ十分に電流が広がるためには、活性層８
５よりもバンドギャップが大きく、ｐ型で抵抗率が十分
に低い材料を選ばなくてはならない。Ｉｎ0.5 （Ｇａ
1-x Ａｌx ）0.5 （０≦ｘ≦１）においては、ｘの値が
大きくなると共に、特にｐ型においては抵抗率が高くな
ってしまい、電流拡散層８８として用いることは困難で
ある。そこで、ｐ型でも抵抗率がｎ−ＩｎＧａＡｌＰク
ラッド層８４に比べて低く、活性層８５に比べてバンド
ギャップの大きいＧａＡｌＡｓを電流拡散層８８として
採用してきた。
は、電流拡散層８８において発光部で生じた光が吸収さ
れず、なおかつ十分に電流が広がるためには、活性層８
５よりもバンドギャップが大きく、ｐ型で抵抗率が十分
に低い材料を選ばなくてはならない。Ｉｎ0.5 （Ｇａ
1-x Ａｌx ）0.5 （０≦ｘ≦１）においては、ｘの値が
大きくなると共に、特にｐ型においては抵抗率が高くな
ってしまい、電流拡散層８８として用いることは困難で
ある。そこで、ｐ型でも抵抗率がｎ−ＩｎＧａＡｌＰク
ラッド層８４に比べて低く、活性層８５に比べてバンド
ギャップの大きいＧａＡｌＡｓを電流拡散層８８として
採用してきた。
【００１０】しかしながら、ＧａＡｌＡｓにおいても十
分に電流が広がるためには、膜厚を約７μｍと厚くしな
ければならない。このように膜厚を厚くすると成長時間
が長くなり、また成長温度の制御が難しくなるため組成
の制御性が悪くなる。その結果、結晶の純度が低くな
り、結果としてモフォロジーの低下、発光部からの光の
吸収を生じてしまう。さらに、成長時間が長くなること
は生産性の低下につながる。
分に電流が広がるためには、膜厚を約７μｍと厚くしな
ければならない。このように膜厚を厚くすると成長時間
が長くなり、また成長温度の制御が難しくなるため組成
の制御性が悪くなる。その結果、結晶の純度が低くな
り、結果としてモフォロジーの低下、発光部からの光の
吸収を生じてしまう。さらに、成長時間が長くなること
は生産性の低下につながる。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】このように、ＩｎＧａ
ＡｌＰ系材料を用いた従来のＬＥＤにおいては、活性層
に多重量子井戸構造を採用した場合、正孔の分布が不均
一になり発光効率が著しく低下するという問題点があっ
た。また、電流拡散層で十分に電流を広げるためには膜
厚を厚くする必要があるが、このためには成長時間の増
大を招き、モフォロジーの低下や生産性の低下につなが
るという問題があった。
ＡｌＰ系材料を用いた従来のＬＥＤにおいては、活性層
に多重量子井戸構造を採用した場合、正孔の分布が不均
一になり発光効率が著しく低下するという問題点があっ
た。また、電流拡散層で十分に電流を広げるためには膜
厚を厚くする必要があるが、このためには成長時間の増
大を招き、モフォロジーの低下や生産性の低下につなが
るという問題があった。
【００１２】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、層数の多い多重量子井戸
活性層においてもキャリアを均一に注入し、発光効率が
十分に高く、製造方法も簡単な優れた面発光型の半導体
発光装置を提供することにある。
で、その目的とするところは、層数の多い多重量子井戸
活性層においてもキャリアを均一に注入し、発光効率が
十分に高く、製造方法も簡単な優れた面発光型の半導体
発光装置を提供することにある。
【００１３】また、本発明のもう一つの目的は、電流拡
散層の材料及び構造を制御することにより、電流拡散層
の成長時間を非常に短縮し、なおかつ光の取出し効率の
向上をはかり得る半導体発光装置を提供することにあ
る。
散層の材料及び構造を制御することにより、電流拡散層
の成長時間を非常に短縮し、なおかつ光の取出し効率の
向上をはかり得る半導体発光装置を提供することにあ
る。
【００１４】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に本発明では、次のような構成を採用している。即ち、
本発明（請求項１）は、第１導電型の半導体基板と、こ
の半導体基板上に形成された、多重量子井戸活性層を第
１導電型及び第２導電型のクラッド層で挟んだダブルヘ
テロ構造部と、このダブルヘテロ構造部上に形成された
第２導電型の電流拡散層と、この電流拡散層上の一部に
形成された第１の電極と、半導体基板の裏面側に形成さ
れた第２の電極とを具備した半導体発光装置において、
多重量子井戸活性層は、該層の積層方向に対して、井戸
層とバリヤ層の少なくとも一方の厚さ又は組成を可変し
てなるものであることを特徴とする。
に本発明では、次のような構成を採用している。即ち、
本発明（請求項１）は、第１導電型の半導体基板と、こ
の半導体基板上に形成された、多重量子井戸活性層を第
１導電型及び第２導電型のクラッド層で挟んだダブルヘ
テロ構造部と、このダブルヘテロ構造部上に形成された
第２導電型の電流拡散層と、この電流拡散層上の一部に
形成された第１の電極と、半導体基板の裏面側に形成さ
れた第２の電極とを具備した半導体発光装置において、
多重量子井戸活性層は、該層の積層方向に対して、井戸
層とバリヤ層の少なくとも一方の厚さ又は組成を可変し
てなるものであることを特徴とする。
【００１５】また、本発明（請求項２）は、第１導電型
の半導体基板と、この半導体基板上に形成された、活性
層を第１導電型及び第２導電型のクラッド層で挟んだダ
ブルヘテロ構造部と、このダブルヘテロ構造部上に形成
された第２導電型の電流拡散層と、この電流拡散層上の
一部に形成された第１の電極と、半導体基板の裏面側に
形成された第２の電極とを具備してなり、電流拡散層中
の一部又は全体に超格子構造を形成したことを特徴とす
る。
の半導体基板と、この半導体基板上に形成された、活性
層を第１導電型及び第２導電型のクラッド層で挟んだダ
ブルヘテロ構造部と、このダブルヘテロ構造部上に形成
された第２導電型の電流拡散層と、この電流拡散層上の
一部に形成された第１の電極と、半導体基板の裏面側に
形成された第２の電極とを具備してなり、電流拡散層中
の一部又は全体に超格子構造を形成したことを特徴とす
る。
【００１６】ここで、本発明（請求項１）の特徴は、多
重量子井戸構造を発光部とする半導体発光装置におい
て、該多重量子井戸構造が、電子の注入側から正孔の注
入側に向かって、井戸層の量子準位が大きくなるように
多重量子井戸構造の各パラメータを設定し、注入キャリ
ヤが均一に多重量子井戸構造部に分布するようにしたこ
とである。パラメータとしては、井戸層厚，井戸層の組
成，バリヤ層厚，バリヤ層の組成などである。他の手段
としては、バリヤ層をｎ型不純物によってドープさせ、
正孔側のフェルミレベルがｎ型不純物により生ずる深い
準位によってピンニングさせることで正孔の注入を円滑
に行わせる。
重量子井戸構造を発光部とする半導体発光装置におい
て、該多重量子井戸構造が、電子の注入側から正孔の注
入側に向かって、井戸層の量子準位が大きくなるように
多重量子井戸構造の各パラメータを設定し、注入キャリ
ヤが均一に多重量子井戸構造部に分布するようにしたこ
とである。パラメータとしては、井戸層厚，井戸層の組
成，バリヤ層厚，バリヤ層の組成などである。他の手段
としては、バリヤ層をｎ型不純物によってドープさせ、
正孔側のフェルミレベルがｎ型不純物により生ずる深い
準位によってピンニングさせることで正孔の注入を円滑
に行わせる。
【００１７】また、本発明の望ましい実施態様として
は、次のものがあげられる。 (1) 多重量子井戸構造が電子の注入側から正孔の注入側
に向かって、井戸層の量子準位が大きくなるように多重
量子井戸構造の各パラメータが設定されていること。 (2) 多重量子井戸構造の一部がｎ型不純物によってドー
プされていること。 (3) 多重量子井戸構造がＩｎＧａＡｌＰからなること。
は、次のものがあげられる。 (1) 多重量子井戸構造が電子の注入側から正孔の注入側
に向かって、井戸層の量子準位が大きくなるように多重
量子井戸構造の各パラメータが設定されていること。 (2) 多重量子井戸構造の一部がｎ型不純物によってドー
プされていること。 (3) 多重量子井戸構造がＩｎＧａＡｌＰからなること。
【００１８】本発明（請求項２）の特徴は、素子の成長
時間の短縮化及び素子と空気との界面における光の取り
出し効率を向上するために、薄くても十分電流が広が
り、なおかつ容易に屈折率を制御できる材料及び構造を
電流拡散層中に用いることである。
時間の短縮化及び素子と空気との界面における光の取り
出し効率を向上するために、薄くても十分電流が広が
り、なおかつ容易に屈折率を制御できる材料及び構造を
電流拡散層中に用いることである。
【００１９】また、本発明の望ましい実施態様として
は、次のものがあげられる。 (1) 電流拡散層中に構成された超格子の周期が徐々に変
化していくこと。 (2) 電流拡散層を構成された超格子の周期が不規則であ
ること。 (3) 電流拡散層中の超格子を構成する材料のバンドギャ
ップが徐々に変化していくこと。 (4) 半導体基板がＧａＡｓ、ダブルヘテロ構造部がＩｎ
ＧａＡｌＰ系材料からなること。
は、次のものがあげられる。 (1) 電流拡散層中に構成された超格子の周期が徐々に変
化していくこと。 (2) 電流拡散層を構成された超格子の周期が不規則であ
ること。 (3) 電流拡散層中の超格子を構成する材料のバンドギャ
ップが徐々に変化していくこと。 (4) 半導体基板がＧａＡｓ、ダブルヘテロ構造部がＩｎ
ＧａＡｌＰ系材料からなること。
【００２０】
【作用】本発明（請求項１）によれば、電子の注入側か
ら正孔の注入側に向かって、井戸層の量子準位が大きく
なるように多重量子井戸構造の各パラメータを設定する
ことにより、層数の多い多重量子井戸構造においてもキ
ャリヤを均一に注入することができる。従って、発光効
率が十分に高く、製造方法も簡単な優れた黄色、緑色の
面発光型ＬＥＤを提供することができる。
ら正孔の注入側に向かって、井戸層の量子準位が大きく
なるように多重量子井戸構造の各パラメータを設定する
ことにより、層数の多い多重量子井戸構造においてもキ
ャリヤを均一に注入することができる。従って、発光効
率が十分に高く、製造方法も簡単な優れた黄色、緑色の
面発光型ＬＥＤを提供することができる。
【００２１】本発明（請求項２）によれば、電流拡散層
中に混晶比或いは層数の周期の不規則な超格子構造を形
成しているため、基板面に垂直な方向に比べ、水平な面
内の抵抗率が非常に小さくなり、膜厚を薄くしても十分
に電流が広がる。しかも、超格子における混晶比或いは
周期を徐々に変えることにより、電流拡散層の屈折率を
徐々に変えることができ、空気との界面における光の取
り出し効率の向上をはかることができる。従って、高輝
度の発光素子を短時間で作成することが可能となる。
中に混晶比或いは層数の周期の不規則な超格子構造を形
成しているため、基板面に垂直な方向に比べ、水平な面
内の抵抗率が非常に小さくなり、膜厚を薄くしても十分
に電流が広がる。しかも、超格子における混晶比或いは
周期を徐々に変えることにより、電流拡散層の屈折率を
徐々に変えることができ、空気との界面における光の取
り出し効率の向上をはかることができる。従って、高輝
度の発光素子を短時間で作成することが可能となる。
【００２２】
【実施例】以下、本発明の実施例につき図面を参照して
説明する。なお、以下に説明する第１〜第４の実施例は
（請求項１）に関する実施例であり、第５の実施例は
（請求項２）に関する実施例である。 （実施例１）図１は本発明の第１の実施例に係わるＬＥ
Ｄの素子構造を示す断面図である。図中１１はｎ−Ｇａ
Ａｓ基板であり、この基板１１の表面は（１００）面か
ら［０１１］方向に１５°傾斜している。基板１１上に
は、ｎ−ＧａＡｓバッファ層１２、ｎ−Ｉｎ0.5 Ａｌ
0.5 Ｐ（Ｓｉドープ，５×１０17ｃｍ-3）とｎ−ＧａＡ
ｓ（Ｓｉドープ，３×１０17ｃｍ-3）の１０対から構成
されるブラッグ反射層１３、ｎ−Ｉｎ0.5 （Ｇａ0.3 Ａ
ｌ0.7 ）0.5 Ｐクラッド層１４（Ｓｉドープ，５×１０
17ｃｍ-3），多重量子井戸活性層１５及びｐ−Ｉｎ0.5
（Ｇａ0.3 Ａｌ0.7 ）0.5 Ｐクラッド層１６（Ｚｎドー
プ，５×１０17ｃｍ-3）からなるダブルヘテロ接合構造
が形成されている。
説明する。なお、以下に説明する第１〜第４の実施例は
（請求項１）に関する実施例であり、第５の実施例は
（請求項２）に関する実施例である。 （実施例１）図１は本発明の第１の実施例に係わるＬＥ
Ｄの素子構造を示す断面図である。図中１１はｎ−Ｇａ
Ａｓ基板であり、この基板１１の表面は（１００）面か
ら［０１１］方向に１５°傾斜している。基板１１上に
は、ｎ−ＧａＡｓバッファ層１２、ｎ−Ｉｎ0.5 Ａｌ
0.5 Ｐ（Ｓｉドープ，５×１０17ｃｍ-3）とｎ−ＧａＡ
ｓ（Ｓｉドープ，３×１０17ｃｍ-3）の１０対から構成
されるブラッグ反射層１３、ｎ−Ｉｎ0.5 （Ｇａ0.3 Ａ
ｌ0.7 ）0.5 Ｐクラッド層１４（Ｓｉドープ，５×１０
17ｃｍ-3），多重量子井戸活性層１５及びｐ−Ｉｎ0.5
（Ｇａ0.3 Ａｌ0.7 ）0.5 Ｐクラッド層１６（Ｚｎドー
プ，５×１０17ｃｍ-3）からなるダブルヘテロ接合構造
が形成されている。
【００２３】クラッド層１６上には、ｎ−ＩｎＧａＡｌ
Ｐ電流狭窄層１７（Ｓｉドープ，１×１０18ｃｍ-3）が
円形状に形成されており、これらの上にはｐ−Ｇａ0.8
Ａｌ0.2 Ａｓ（Ｚｎドープ，２×１０18ｃｍ-3）からな
る電流拡散層１８が形成されている。電流拡散層１８上
には、ｐ−ＧａＡｓコンタクト層１９（Ｚｎドープ、５
×１０18ｃｍ-3）が円形状に形成されている。そして、
コンタクト層１９の上面にはＡｕ−Ｚｎからなるｐ側電
極２１が被着され、基板１１の下面にはＡｕ−Ｇｅから
なるｎ側電極２２が被着されている。なお、各層の成長
にはＭＯＣＶＤ法を用い、１２〜１７を１回目の成長で
形成し、１８，１９を２回目の成長で形成した。
Ｐ電流狭窄層１７（Ｓｉドープ，１×１０18ｃｍ-3）が
円形状に形成されており、これらの上にはｐ−Ｇａ0.8
Ａｌ0.2 Ａｓ（Ｚｎドープ，２×１０18ｃｍ-3）からな
る電流拡散層１８が形成されている。電流拡散層１８上
には、ｐ−ＧａＡｓコンタクト層１９（Ｚｎドープ、５
×１０18ｃｍ-3）が円形状に形成されている。そして、
コンタクト層１９の上面にはＡｕ−Ｚｎからなるｐ側電
極２１が被着され、基板１１の下面にはＡｕ−Ｇｅから
なるｎ側電極２２が被着されている。なお、各層の成長
にはＭＯＣＶＤ法を用い、１２〜１７を１回目の成長で
形成し、１８，１９を２回目の成長で形成した。
【００２４】発光効率の高いＬＥＤを得るためには、構
造パラメータ、ここでは多重量子井戸活性層１５の設計
を適切に行う必要があり、以下にその設計の詳細につい
て記述する。図２に、本実施例で採用した多重量子井戸
活性層１５のエネルギーバンドダイヤグラム（バリヤ層
と井戸層の関係）を示す。このようにエネルギーバンド
ダイヤグラムは、非対称の形状となっている。ここで、
井戸層はＩｎ0.5 （Ｇａ0.7 Ａｌ0.3 ）0.5 Ｐ、バリヤ
層はＩｎ0.5 （Ｇａ0.5 Ａｌ0.5 ）0.5 Ｐとした。バリ
ヤ層厚は４ｎｍと一定であるが、井戸層厚はｎ−クラッ
ド層１４に最も近い側が５ｎｍで、ｐ−クラッド層１６
側に順次４ｎｍ，３．５ｎｍと薄くなっている。
造パラメータ、ここでは多重量子井戸活性層１５の設計
を適切に行う必要があり、以下にその設計の詳細につい
て記述する。図２に、本実施例で採用した多重量子井戸
活性層１５のエネルギーバンドダイヤグラム（バリヤ層
と井戸層の関係）を示す。このようにエネルギーバンド
ダイヤグラムは、非対称の形状となっている。ここで、
井戸層はＩｎ0.5 （Ｇａ0.7 Ａｌ0.3 ）0.5 Ｐ、バリヤ
層はＩｎ0.5 （Ｇａ0.5 Ａｌ0.5 ）0.5 Ｐとした。バリ
ヤ層厚は４ｎｍと一定であるが、井戸層厚はｎ−クラッ
ド層１４に最も近い側が５ｎｍで、ｐ−クラッド層１６
側に順次４ｎｍ，３．５ｎｍと薄くなっている。
【００２５】比較のために図９に、従来の多重量子井戸
のエネルギーバンドダイヤグラムを示す。このように発
光効率を上げる構造としては、非常に多くの層数を必要
とする。このため、活性層の総厚が大きくなることと、
多数のヘテロ界面が存在することにより、キャリヤ、特
に正孔の均一な分布は著しく困難になり、ｐ−クラッド
層側の一部の部分に局在化してしまう。このため、発光
効率を高くすることはできない。
のエネルギーバンドダイヤグラムを示す。このように発
光効率を上げる構造としては、非常に多くの層数を必要
とする。このため、活性層の総厚が大きくなることと、
多数のヘテロ界面が存在することにより、キャリヤ、特
に正孔の均一な分布は著しく困難になり、ｐ−クラッド
層側の一部の部分に局在化してしまう。このため、発光
効率を高くすることはできない。
【００２６】これに対し図２に示すようにすれば、正孔
に対してはｐ側からｎ側に向かって量子準位が徐々に深
くなるように設定でき、円滑な注入が可能となる。電子
側はｎ側の注入部分で最も深くなるが、拡散長が長いの
でこのような構造でも均一な分布になる。井戸層厚が変
わることで量子準位、即ち発光波長も各設定で異なる
が、ＬＥＤの使用目的に関しては発光スペクトルの半値
幅が広くなる程度の変化であり問題はない。正孔の均一
分布による発光効率改善は大きく、図９に示す従来構造
の２倍の外部量子効率が得られた。
に対してはｐ側からｎ側に向かって量子準位が徐々に深
くなるように設定でき、円滑な注入が可能となる。電子
側はｎ側の注入部分で最も深くなるが、拡散長が長いの
でこのような構造でも均一な分布になる。井戸層厚が変
わることで量子準位、即ち発光波長も各設定で異なる
が、ＬＥＤの使用目的に関しては発光スペクトルの半値
幅が広くなる程度の変化であり問題はない。正孔の均一
分布による発光効率改善は大きく、図９に示す従来構造
の２倍の外部量子効率が得られた。
【００２７】実際のＬＥＤにおいては、緑色光に対して
１０ｃｄの高輝度特性が得られた。これは、ＩｎＧａＡ
ｌＰを活性層としたダブルヘテロ構造ＬＥＤの約５倍の
明るさであった。 （実施例２）図３に、本発明の第２の実施例で採用した
多重量子井戸活性層のエネルギーバンドダイヤグラムを
示す。井戸層はＩｎ0.5 （Ｇａ0.7 Ａｌ0.3 ）0.5 Ｐ、
バリヤ層はＩｎ0.5 （Ｇａ0.5 Ａｌ0.5 ）0.5 Ｐであ
る。ここで、第１の実施例との違いは、井戸層厚と共に
バリヤ層厚も変化させていることである。井戸層厚はｎ
−クラッド層に最も近い側が５ｎｍで、順次４ｎｍ，３
ｎｍと薄くなっており、バリヤ層厚もｎ−クラッド層に
最も近い側が５ｎｍで、順次４ｎｍ，３ｎｍと薄くして
いる。
１０ｃｄの高輝度特性が得られた。これは、ＩｎＧａＡ
ｌＰを活性層としたダブルヘテロ構造ＬＥＤの約５倍の
明るさであった。 （実施例２）図３に、本発明の第２の実施例で採用した
多重量子井戸活性層のエネルギーバンドダイヤグラムを
示す。井戸層はＩｎ0.5 （Ｇａ0.7 Ａｌ0.3 ）0.5 Ｐ、
バリヤ層はＩｎ0.5 （Ｇａ0.5 Ａｌ0.5 ）0.5 Ｐであ
る。ここで、第１の実施例との違いは、井戸層厚と共に
バリヤ層厚も変化させていることである。井戸層厚はｎ
−クラッド層に最も近い側が５ｎｍで、順次４ｎｍ，３
ｎｍと薄くなっており、バリヤ層厚もｎ−クラッド層に
最も近い側が５ｎｍで、順次４ｎｍ，３ｎｍと薄くして
いる。
【００２８】このように、バリヤ層厚がｐ−クラッド層
側で薄くなっているため、さらに正孔の均一分布はし易
くなる。さらに本実施例の特徴としては、各井戸層から
ほぼ同じ発光波長が得られることである。このため、Ｌ
ＥＤのみでなく、半導体レーザにも適用することができ
る。
側で薄くなっているため、さらに正孔の均一分布はし易
くなる。さらに本実施例の特徴としては、各井戸層から
ほぼ同じ発光波長が得られることである。このため、Ｌ
ＥＤのみでなく、半導体レーザにも適用することができ
る。
【００２９】本実施例によっても、ＬＥＤにおいては緑
色に対して１０ｃｄの高輝度特性が得られた。また、レ
ーザにおいても５９５ｎｍにおいて（黄色）室温連続発
振が得られた。なお、井戸層，バリヤ層の変調に関して
は、これら膜厚だけでなく、組成を変調することでも同
様な効果が得られる。しかしながら、実施例であげたよ
うに膜厚で変調する方が、実際の成長では時間を制御す
ることで対応できるために、作製が容易である。また、
バリヤ層のみを変調し、ｎ−クラッド層側からｐ−クラ
ッド層側に向かって徐々に薄くしていく設計も効果があ
る。 （実施例３）図４に、本発明の第３の実施例に採用した
多重量子井戸活性層のエネルギーバンドダイヤグラムを
示す。ここで述べる実施例は、ヘテロ接合を形成する際
に、エネルギーバンドダイヤグラムが各層の不純物準位
に依存し、特に準位が深い場合に、フェルミレベルがピ
ンニングされる効果を利用したものである。
色に対して１０ｃｄの高輝度特性が得られた。また、レ
ーザにおいても５９５ｎｍにおいて（黄色）室温連続発
振が得られた。なお、井戸層，バリヤ層の変調に関して
は、これら膜厚だけでなく、組成を変調することでも同
様な効果が得られる。しかしながら、実施例であげたよ
うに膜厚で変調する方が、実際の成長では時間を制御す
ることで対応できるために、作製が容易である。また、
バリヤ層のみを変調し、ｎ−クラッド層側からｐ−クラ
ッド層側に向かって徐々に薄くしていく設計も効果があ
る。 （実施例３）図４に、本発明の第３の実施例に採用した
多重量子井戸活性層のエネルギーバンドダイヤグラムを
示す。ここで述べる実施例は、ヘテロ接合を形成する際
に、エネルギーバンドダイヤグラムが各層の不純物準位
に依存し、特に準位が深い場合に、フェルミレベルがピ
ンニングされる効果を利用したものである。
【００３０】図４（ａ）の場合にはバリヤ層はアンドー
プである。ここで、井戸層はＩｎ0.5 （Ｇａ0.7 Ａｌ
0.3 ）0.5 Ｐ、バリヤ層はＩｎ0.5 （Ｇａ0.5 Ａｌ
0.5 ）0.5Ｐとしている。井戸層とバリヤ層のヘテロ接
合は両者の真空準位でのバンド不連続関係を反映して、
伝導帯側に浅く、価電子帯側に深くつながる。この状態
では電子はオーバーフローし易く、正孔は強く閉じ込め
られ、上記してきた高効率化のための層数の多い多重量
子井戸の設計に対しては不都合である。
プである。ここで、井戸層はＩｎ0.5 （Ｇａ0.7 Ａｌ
0.3 ）0.5 Ｐ、バリヤ層はＩｎ0.5 （Ｇａ0.5 Ａｌ
0.5 ）0.5Ｐとしている。井戸層とバリヤ層のヘテロ接
合は両者の真空準位でのバンド不連続関係を反映して、
伝導帯側に浅く、価電子帯側に深くつながる。この状態
では電子はオーバーフローし易く、正孔は強く閉じ込め
られ、上記してきた高効率化のための層数の多い多重量
子井戸の設計に対しては不都合である。
【００３１】一方、図４（ｂ）のようにバリヤ層がｎ型
にドープ（ここではＳｉ）されるとＤＸセンターと呼ば
れる深い準位がドナー準位となり、伝導帯側のフェルミ
準位はピンニングされ、井戸層とバリヤ層のヘテロ接合
は図のように伝導帯側に深く、価電子帯側に浅くなるよ
うにシフトする。このため、多重量子井戸を形成しても
正孔は均一分布がし易くなり発光効率は向上する。本実
施例のようにバリヤ層のみをＳｉドープした場合、従来
構造の２倍の外部量子効率が得られた。 （実施例４）図５に、本発明の第４の実施例に採用した
多重量子井戸活性層のエネルギーバンドダイヤグラムを
示す。本実施例では多重量子井戸構造において、ｎ−ク
ラッド層側の井戸層のみにＺｎドープをしている。多重
量子井戸構造のために正孔は、ｐ−クラッド層側に局在
化する。このとき、正孔の枯渇するｎ−クラッド層側の
井戸層に故意にｐ型ドープをし、電子の再結合のペアを
用意する設計となっている。勿論、第３の実施例と組み
合わせてもよい。
にドープ（ここではＳｉ）されるとＤＸセンターと呼ば
れる深い準位がドナー準位となり、伝導帯側のフェルミ
準位はピンニングされ、井戸層とバリヤ層のヘテロ接合
は図のように伝導帯側に深く、価電子帯側に浅くなるよ
うにシフトする。このため、多重量子井戸を形成しても
正孔は均一分布がし易くなり発光効率は向上する。本実
施例のようにバリヤ層のみをＳｉドープした場合、従来
構造の２倍の外部量子効率が得られた。 （実施例４）図５に、本発明の第４の実施例に採用した
多重量子井戸活性層のエネルギーバンドダイヤグラムを
示す。本実施例では多重量子井戸構造において、ｎ−ク
ラッド層側の井戸層のみにＺｎドープをしている。多重
量子井戸構造のために正孔は、ｐ−クラッド層側に局在
化する。このとき、正孔の枯渇するｎ−クラッド層側の
井戸層に故意にｐ型ドープをし、電子の再結合のペアを
用意する設計となっている。勿論、第３の実施例と組み
合わせてもよい。
【００３２】本実施例においても高効率化が得られ、緑
色光に対して５ｃｄの高輝度特性が得られた。これは、
ＩｎＧａＡｌＰを活性層としたダブルヘテロ構造ＬＥＤ
の約３倍の明るさであった。
色光に対して５ｃｄの高輝度特性が得られた。これは、
ＩｎＧａＡｌＰを活性層としたダブルヘテロ構造ＬＥＤ
の約３倍の明るさであった。
【００３３】なお、上述した各実施例では活性層として
ＩｎＧａＡｌＰを用いたが、これに限らずＩｎＧａＡｓ
を用いることもでき、更にはＺｎＳＳｅなどの II-VI族
化合物半導体を用いることも可能である。また、実施例
ではＬＥＤの適用例を示したが、各量子井戸の量子準位
が同じになるよう配慮すれば半導体レーザにも適用がで
きる。 （実施例５）薄い膜で、なおかつ十分に電流が広がるた
めには、電流拡散層においてｐ型電極からｎ型電極に向
かう方向、即ち基板面と水平な平面内での抵抗率が、基
板面に垂直な方向の抵抗率に比べ十分低ければよい。つ
まり、いわゆる２次元伝導体のような材料を用いればよ
い。同時に、発光部で生じた光が吸収されないために
は、基板面に垂直な方向のバンドギャップエネルギーが
活性層のバンドギャップエネルギーより大きい必要があ
る。このような条件を満たす膜として、ＩｎＧａＡｌＰ
系材料を用いた超格子で構成された膜が考えられる。
ＩｎＧａＡｌＰを用いたが、これに限らずＩｎＧａＡｓ
を用いることもでき、更にはＺｎＳＳｅなどの II-VI族
化合物半導体を用いることも可能である。また、実施例
ではＬＥＤの適用例を示したが、各量子井戸の量子準位
が同じになるよう配慮すれば半導体レーザにも適用がで
きる。 （実施例５）薄い膜で、なおかつ十分に電流が広がるた
めには、電流拡散層においてｐ型電極からｎ型電極に向
かう方向、即ち基板面と水平な平面内での抵抗率が、基
板面に垂直な方向の抵抗率に比べ十分低ければよい。つ
まり、いわゆる２次元伝導体のような材料を用いればよ
い。同時に、発光部で生じた光が吸収されないために
は、基板面に垂直な方向のバンドギャップエネルギーが
活性層のバンドギャップエネルギーより大きい必要があ
る。このような条件を満たす膜として、ＩｎＧａＡｌＰ
系材料を用いた超格子で構成された膜が考えられる。
【００３４】しかしながら、単純に超格子で構成された
膜を用いると、超格子構造の電流拡散層と空気との界面
における全反射の確率が高くなり、光の取出し効率が低
下してしまう。そこで本発明では、超格子構造の混晶比
或いは周期を徐々にを変えることによって、電流拡散層
の屈折率を徐々に変え、空気との界面における光の取出
し効率の向上をはかっている。
膜を用いると、超格子構造の電流拡散層と空気との界面
における全反射の確率が高くなり、光の取出し効率が低
下してしまう。そこで本発明では、超格子構造の混晶比
或いは周期を徐々にを変えることによって、電流拡散層
の屈折率を徐々に変え、空気との界面における光の取出
し効率の向上をはかっている。
【００３５】図６は本発明の第５の実施例に係わるＬＥ
Ｄの素子構造を示す断面図である。図中３１はｎ−Ｇａ
Ａｓ基板であり、この基板３１の主面上に、ｎ−Ｉｎ
0.5 （Ｇａ1-x Ａｌx ）0.5 Ｐクラッド層３４，Ｉｎ
0.5 （Ｇａ1-y Ａｌy ）0.5 Ｐ活性層３５，ｐ−Ｉｎ
0.5 （Ｇａ1-z Ａｌz ）0.5 Ｐクラッド層３６、からな
るダブルヘテロ構造部（発光領域層）が成長形成されて
いる。ダブルヘテロを構造するＩｎＧａＡｌＰ各層のＡ
ｌ組成ｘ，ｙ，ｚは、高い発光効率が得られるようにｙ
≦ｘ，ｙ≦ｚに設定する。即ち、発光層となる活性層３
５のバンドギャップがｐ，ｎの２つのクラッド層３４，
３６より小さいダブルヘテロ接合が形成されている。
Ｄの素子構造を示す断面図である。図中３１はｎ−Ｇａ
Ａｓ基板であり、この基板３１の主面上に、ｎ−Ｉｎ
0.5 （Ｇａ1-x Ａｌx ）0.5 Ｐクラッド層３４，Ｉｎ
0.5 （Ｇａ1-y Ａｌy ）0.5 Ｐ活性層３５，ｐ−Ｉｎ
0.5 （Ｇａ1-z Ａｌz ）0.5 Ｐクラッド層３６、からな
るダブルヘテロ構造部（発光領域層）が成長形成されて
いる。ダブルヘテロを構造するＩｎＧａＡｌＰ各層のＡ
ｌ組成ｘ，ｙ，ｚは、高い発光効率が得られるようにｙ
≦ｘ，ｙ≦ｚに設定する。即ち、発光層となる活性層３
５のバンドギャップがｐ，ｎの２つのクラッド層３４，
３６より小さいダブルヘテロ接合が形成されている。
【００３６】ダブルヘテロ構造部上には、ｐ−Ｉｎ0.5
（Ｇａ1-w Ａｌw ）0.5 Ｐ及びｐ−Ｉｎ0.5 （Ｇａ1-v
Ａｌv ）0.5 Ｐからなる超格子構造の電流拡散層３８が
成長形成されている。電流拡散層３８上には、ｐ−Ｉｎ
ＧａＰコンタクト層３９ａ及びｐ−ＧａＡｓコンタクト
層３９ｂが成長形成され、これらのコンタクト層３９は
例えば円形に加工されている。そして、コンタクト層３
９上にＡｕ−Ｚｎからなるｐ側電極４１が形成され、基
板３１の他方の主面にＡｕ−Ｇｅからなるｎ側電極４２
が形成されている。なお、各層の成長にはＭＯＣＶＤ法
を用いた。
（Ｇａ1-w Ａｌw ）0.5 Ｐ及びｐ−Ｉｎ0.5 （Ｇａ1-v
Ａｌv ）0.5 Ｐからなる超格子構造の電流拡散層３８が
成長形成されている。電流拡散層３８上には、ｐ−Ｉｎ
ＧａＰコンタクト層３９ａ及びｐ−ＧａＡｓコンタクト
層３９ｂが成長形成され、これらのコンタクト層３９は
例えば円形に加工されている。そして、コンタクト層３
９上にＡｕ−Ｚｎからなるｐ側電極４１が形成され、基
板３１の他方の主面にＡｕ−Ｇｅからなるｎ側電極４２
が形成されている。なお、各層の成長にはＭＯＣＶＤ法
を用いた。
【００３７】また、電流拡散層３８を構成するＩｎＧａ
ＡｌＰ各層のＡｌ組成ｗ，ｖは発光波長に対して透明で
あるように設定する。発光層との組成関係はおおよそ、
ｙ≦（ｗ＋ｖ）／２に設定すればよい。即ち、ｙ＝０．
５，ｘ＝ｚ＝１．０としたとき、電流拡散層３８の構造
は、順次（Ｉｎ0.5 （Ｇａ0.7 Ａｌ0.3 ）0.5 Ｐ，１０
ｎｍ／ＩｎＡｌＰ，１０ｎｍ）が５０対、（Ｉｎ0.5
（Ｇａ0.7 Ａｌ0.3 ）0. 5 Ｐ，５ｎｍ／ＩｎＡｌＰ，５
ｎｍ）が５０対、（Ｉｎ0.5 （Ｇａ0.7 Ａｌ0.3）0.5
Ｐ，２ｎｍ／ＩｎＡｌＰ，２ｎｍ）が１００対の積層構
造となっている。この関係を図７に示す。このような層
構造であれば、発光波長に対して透明である。
ＡｌＰ各層のＡｌ組成ｗ，ｖは発光波長に対して透明で
あるように設定する。発光層との組成関係はおおよそ、
ｙ≦（ｗ＋ｖ）／２に設定すればよい。即ち、ｙ＝０．
５，ｘ＝ｚ＝１．０としたとき、電流拡散層３８の構造
は、順次（Ｉｎ0.5 （Ｇａ0.7 Ａｌ0.3 ）0.5 Ｐ，１０
ｎｍ／ＩｎＡｌＰ，１０ｎｍ）が５０対、（Ｉｎ0.5
（Ｇａ0.7 Ａｌ0.3 ）0. 5 Ｐ，５ｎｍ／ＩｎＡｌＰ，５
ｎｍ）が５０対、（Ｉｎ0.5 （Ｇａ0.7 Ａｌ0.3）0.5
Ｐ，２ｎｍ／ＩｎＡｌＰ，２ｎｍ）が１００対の積層構
造となっている。この関係を図７に示す。このような層
構造であれば、発光波長に対して透明である。
【００３８】なお、以下ではこのようなダブルヘテロ構
造を持つＬＥＤについて説明するが、光の取り出し効率
を考える上では活性層部の層構造は本質ではなく、シン
グルヘテロ接合構造やホモ接合構造でも同様に考えるこ
とができる。
造を持つＬＥＤについて説明するが、光の取り出し効率
を考える上では活性層部の層構造は本質ではなく、シン
グルヘテロ接合構造やホモ接合構造でも同様に考えるこ
とができる。
【００３９】各層のキャリア濃度は、以下に括弧内に示
すように設定されている。 ｎ−ＧａＡｓ基板３１（８０μｍ，３×１０18ｃｍ-3） ｎ−ＩｎＧａＡｌＰクラッド層３４（１μｍ，５×１０
17ｃｍ-3） ＩｎＧａＡｌＰ活性層３５（０．５μｍ、アンドープ） ｐ−ＩｎＧａＡｌＰクラッド層３６（１μｍ，４×１０
17ｃｍ-3） ｐ−ＩｎＧａＡｌＰ電流拡散層３８（０．２８μｍ，１
×１０18ｃｍ-3） ｐ−ＩｎＧａＰコンタクト層３９ａ（０．０２５μｍ，
３×１０18ｃｍ-3） ｐ−ＧａＡｓコンタクト層３９ｂ（０．１μｍ，３×１
０18ｃｍ-3） である。
すように設定されている。 ｎ−ＧａＡｓ基板３１（８０μｍ，３×１０18ｃｍ-3） ｎ−ＩｎＧａＡｌＰクラッド層３４（１μｍ，５×１０
17ｃｍ-3） ＩｎＧａＡｌＰ活性層３５（０．５μｍ、アンドープ） ｐ−ＩｎＧａＡｌＰクラッド層３６（１μｍ，４×１０
17ｃｍ-3） ｐ−ＩｎＧａＡｌＰ電流拡散層３８（０．２８μｍ，１
×１０18ｃｍ-3） ｐ−ＩｎＧａＰコンタクト層３９ａ（０．０２５μｍ，
３×１０18ｃｍ-3） ｐ−ＧａＡｓコンタクト層３９ｂ（０．１μｍ，３×１
０18ｃｍ-3） である。
【００４０】上記構造が従来の構造と異なる点は、電流
拡散層３８をＩｎＧａＡｌＰ系材料からなる、徐々に周
期を変化させた超格子構造で構成していることにあり、
この構造の優位性について以下に説明する。
拡散層３８をＩｎＧａＡｌＰ系材料からなる、徐々に周
期を変化させた超格子構造で構成していることにあり、
この構造の優位性について以下に説明する。
【００４１】ｐ−ＩｎＧａＡｌＰ電流拡散層３８は、Ｉ
ｎＧａＡｌＰ系材料からなる超格子で構成されている。
ＩｎＧａＡｌＰ系材料は、Ａｌ混晶比が異なると、バン
ドギャップエネルギーが異なり、Ａｌ混晶比の異なるも
の同士の界面にはヘテロバリアが生じ、特にｐ型では電
流が流れにくくなる（K,Itaya etal,Jpn J.Appl.Phys.5
A,1919(1993)）。
ｎＧａＡｌＰ系材料からなる超格子で構成されている。
ＩｎＧａＡｌＰ系材料は、Ａｌ混晶比が異なると、バン
ドギャップエネルギーが異なり、Ａｌ混晶比の異なるも
の同士の界面にはヘテロバリアが生じ、特にｐ型では電
流が流れにくくなる（K,Itaya etal,Jpn J.Appl.Phys.5
A,1919(1993)）。
【００４２】また、ｐ側電極４１からｎ側電極４２に向
かう方向では、超格子の周期が一定でないためにキャリ
アが散乱され易くなり、抵抗率が高くなる。これらのこ
とから、基板面に水平な内面に比べ、垂直な方向の抵抗
率が高くなる。この抵抗率の比率は、Ａｌ混晶比や、超
格子の周期を選ぶことにより制御できる。従って、電極
１８から注入された電流はｐ−ＩｎＧａＡｌＰ電流拡散
層３８で基板に水平な面内で十分に広がる。
かう方向では、超格子の周期が一定でないためにキャリ
アが散乱され易くなり、抵抗率が高くなる。これらのこ
とから、基板面に水平な内面に比べ、垂直な方向の抵抗
率が高くなる。この抵抗率の比率は、Ａｌ混晶比や、超
格子の周期を選ぶことにより制御できる。従って、電極
１８から注入された電流はｐ−ＩｎＧａＡｌＰ電流拡散
層３８で基板に水平な面内で十分に広がる。
【００４３】また、発光層から出た光は、クラッド層３
６を通過した後に電流拡散層３８に入射する。電流拡散
層３８内では屈折率が超格子構造の各周期で異なり、上
面に向かって徐々に大きくなるよう設定されているた
め、基板面に対する光の進行方向は徐々に垂直に近づい
ていく。従って、クラッド層３６を通過したときに、臨
界角以上の入射角を持っていても、電流拡散層３８を出
るときに臨界角以下となり取り出される光の確率が増加
する。従って、超格子にしたことで、反射率が高くな
り、空気との界面で全反射により外に取り出すことので
きなくなった光も外に取り出すことができるようにな
る。また、薄いことによる損失の低減、超格子の設計に
よっては多重反射も可能となり、従来よりさらに光取出
し効率を増加させることも可能である。
６を通過した後に電流拡散層３８に入射する。電流拡散
層３８内では屈折率が超格子構造の各周期で異なり、上
面に向かって徐々に大きくなるよう設定されているた
め、基板面に対する光の進行方向は徐々に垂直に近づい
ていく。従って、クラッド層３６を通過したときに、臨
界角以上の入射角を持っていても、電流拡散層３８を出
るときに臨界角以下となり取り出される光の確率が増加
する。従って、超格子にしたことで、反射率が高くな
り、空気との界面で全反射により外に取り出すことので
きなくなった光も外に取り出すことができるようにな
る。また、薄いことによる損失の低減、超格子の設計に
よっては多重反射も可能となり、従来よりさらに光取出
し効率を増加させることも可能である。
【００４４】実際、上述した積層構造でｐ側電極４１の
直径Ａを２００μｍφとして形成し、Ｉｎ0.5 （Ｇａ
1-y Ａｌy ）0.5 Ｐ活性層３５のＡｌ組成ｙに０．５を
用いて素子を構成し、順方向に電圧を印加し電流を流し
たところ、５５８ｎｍに発光波長を有し、光度が１ｃｄ
を越える発光が得られた。これは、従来の素子に比べ５
倍の明るさであった。
直径Ａを２００μｍφとして形成し、Ｉｎ0.5 （Ｇａ
1-y Ａｌy ）0.5 Ｐ活性層３５のＡｌ組成ｙに０．５を
用いて素子を構成し、順方向に電圧を印加し電流を流し
たところ、５５８ｎｍに発光波長を有し、光度が１ｃｄ
を越える発光が得られた。これは、従来の素子に比べ５
倍の明るさであった。
【００４５】このように本実施例によれば、発光波長に
対して透明で、徐々に屈折率を変化させたＩｎＧａＡｌ
Ｐ系材料からなる超格子で電流拡散層３８を構成してい
るため、０．１〜数μｍ程度の薄膜であっても電極２１
から注入された電流は十分に広がり、なおかつ、光の取
り出し効率を高くすることができる。これにより、短時
間で、歩留まり良く高輝度のＬＥＤの作成を可能にす
る。
対して透明で、徐々に屈折率を変化させたＩｎＧａＡｌ
Ｐ系材料からなる超格子で電流拡散層３８を構成してい
るため、０．１〜数μｍ程度の薄膜であっても電極２１
から注入された電流は十分に広がり、なおかつ、光の取
り出し効率を高くすることができる。これにより、短時
間で、歩留まり良く高輝度のＬＥＤの作成を可能にす
る。
【００４６】なお、本発明は上述した実施例に限定され
るものではない。実施例では、電流拡散層を構成するＩ
ｎＧａＡｌＰのＡｌ混晶比ｗ及びｖの設定を一定とした
が、発光波長に対して透明になるような組み合わせであ
れば電流拡散層内で徐々に光の取り出し側に向かって屈
折率が高くなるように選んでもよい。また、実施例では
電流拡散層の膜厚を１．９μｍとしたが、この限りでは
なく、基板面と垂直な方向と水平面内の抵抗率比に応じ
て実用上都合の良い膜厚を選べばよい。また、光の取り
出し効率をさらに向上させるために、電流拡散層と空気
との界面に屈折率の低いＧａＡｌＡｓキャップ層を形成
してもよい。
るものではない。実施例では、電流拡散層を構成するＩ
ｎＧａＡｌＰのＡｌ混晶比ｗ及びｖの設定を一定とした
が、発光波長に対して透明になるような組み合わせであ
れば電流拡散層内で徐々に光の取り出し側に向かって屈
折率が高くなるように選んでもよい。また、実施例では
電流拡散層の膜厚を１．９μｍとしたが、この限りでは
なく、基板面と垂直な方向と水平面内の抵抗率比に応じ
て実用上都合の良い膜厚を選べばよい。また、光の取り
出し効率をさらに向上させるために、電流拡散層と空気
との界面に屈折率の低いＧａＡｌＡｓキャップ層を形成
してもよい。
【００４７】また、実施例ではダブルヘテロ接合部、電
流拡散層共にＩｎＧａＡｌＰ系材料を用いたが、この限
りではなく、電流拡散層が発光波長に対して十分透明と
なるような材料系の組み合わせであればよい。発光部は
Ｓｉ等の一元素系から五元以上の多元系半導体であって
もかまわず、電流拡散層は超格子を構成できるような材
料系の組み合わせであればよく、IV族、IV-IV 族、III-
V 族、II-VI 族、カルコパイライト系等さまざまな材料
系の発光素子に適用できる。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。
流拡散層共にＩｎＧａＡｌＰ系材料を用いたが、この限
りではなく、電流拡散層が発光波長に対して十分透明と
なるような材料系の組み合わせであればよい。発光部は
Ｓｉ等の一元素系から五元以上の多元系半導体であって
もかまわず、電流拡散層は超格子を構成できるような材
料系の組み合わせであればよく、IV族、IV-IV 族、III-
V 族、II-VI 族、カルコパイライト系等さまざまな材料
系の発光素子に適用できる。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。
【００４８】
【発明の効果】以上詳述したように本発明（請求項１）
によれば、多重量子井戸活性層を用いた半導体発光装置
において、電子の注入側から正孔の注入側に向かって、
井戸層の量子準位が大きくなるように多重量子井戸構造
の各パラメータを設定することにより、層数の多い多重
量子井戸活性層においてもキャリアを均一に注入し、発
光効率が十分に高く、製造方法も簡単な優れた面発光型
の半導体発光装置を実現することが可能となる。
によれば、多重量子井戸活性層を用いた半導体発光装置
において、電子の注入側から正孔の注入側に向かって、
井戸層の量子準位が大きくなるように多重量子井戸構造
の各パラメータを設定することにより、層数の多い多重
量子井戸活性層においてもキャリアを均一に注入し、発
光効率が十分に高く、製造方法も簡単な優れた面発光型
の半導体発光装置を実現することが可能となる。
【００４９】また、本発明（請求項２）によれば、電流
拡散層中に混晶比或いは層数の周期の不規則な超格子構
造を形成することにより、膜厚を薄くしても十分に電流
が広がることができ、しかも空気との界面における光の
取り出し効率の向上をはかることができる。従って、結
晶成長時間の短縮化により生産性の高い高輝度の半導体
発光装置を実現することが可能となる。
拡散層中に混晶比或いは層数の周期の不規則な超格子構
造を形成することにより、膜厚を薄くしても十分に電流
が広がることができ、しかも空気との界面における光の
取り出し効率の向上をはかることができる。従って、結
晶成長時間の短縮化により生産性の高い高輝度の半導体
発光装置を実現することが可能となる。
【図１】第１の実施例に係わるＬＥＤの素子構造を示す
断面図。
断面図。
【図２】第１の実施例で採用した多重量子井戸活性層の
エネルギーバンドダイヤグラムを示す模式図。
エネルギーバンドダイヤグラムを示す模式図。
【図３】第２の実施例で採用した多重量子井戸活性層の
エネルギーバンドダイヤグラムを示す模式図。
エネルギーバンドダイヤグラムを示す模式図。
【図４】第３の実施例で採用した多重量子井戸活性層の
エネルギーバンドダイヤグラムを示す模式図。
エネルギーバンドダイヤグラムを示す模式図。
【図５】第４の実施例で採用した多重量子井戸活性層の
エネルギーバンドダイヤグラムを示す模式図。
エネルギーバンドダイヤグラムを示す模式図。
【図６】第５の実施例に係わるＬＥＤの素子構造を示す
断面図。
断面図。
【図７】第５の実施例で採用した電流拡散層のエネルギ
ーバンドダイヤグラムを示す模式図。
ーバンドダイヤグラムを示す模式図。
【図８】ＩｎＧａＡｌＰ発光部を有する従来のＬＥＤの
素子構造を示す断面図。
素子構造を示す断面図。
【図９】従来の多重量子井戸活性層のエネルギーバンド
ダイヤグラムを示す模式図。
ダイヤグラムを示す模式図。
１１，３１…ｎ−ＧａＡｓ基板 １２…ｎ−ＧａＡｓバッファ層 １３…ブラッグ反射層 １４，３４…ｎ−ＩｎＧａＡｌＰクラッド層 １５…多重量子井戸活性層 １６，３６…ｐ−ＩｎＧａＡｌＰクラッド層 １７…ｎ−ＩｎＧａＡｌＰ電流狭窄層 １８…ｐ−ＧａＡｌＡｓ電流拡散層 １９，３９ｂ…ｐ−ＧａＡｓコンタクト層 ２１，４１…Ａｕ−Ｚｎからなるｐ側電極 ２２，４２…Ａｕ−Ｇｅからなるｎ側電極 ３５…ＩｎＧａＰ活性層 ３８…超格子を含む電流拡散層 ３９ａ…ｐ−ＩｎＧａＰコンタクト層
Claims (2)
- 【請求項１】第１導電型の半導体基板と、この半導体基
板上に形成された、多重量子井戸活性層を第１導電型及
び第２導電型のクラッド層で挟んだダブルヘテロ構造部
と、このダブルヘテロ構造部上に形成された第２導電型
の電流拡散層と、この電流拡散層上の一部に形成された
第１の電極と、前記半導体基板の裏面側に形成された第
２の電極とを具備してなり、 前記多重量子井戸活性層は、電子の注入側から正孔の注
入側に向かって井戸層の量子準位を大きくしてなること
を特徴とする半導体発光装置。 - 【請求項２】第１導電型の半導体基板と、この半導体基
板上に形成された、活性層を第１導電型及び第２導電型
のクラッド層で挟んだダブルヘテロ構造部と、このダブ
ルヘテロ構造部上に形成された第２導電型の電流拡散層
と、この電流拡散層上の一部に形成された第１の電極
と、前記半導体基板の裏面側に形成された第２の電極と
を具備してなり、 前記電流拡散層中の一部又は全体に超格子構造を形成し
たことを特徴とする半導体発光装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP22536393A JP3237972B2 (ja) | 1993-09-10 | 1993-09-10 | 半導体発光装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP22536393A JP3237972B2 (ja) | 1993-09-10 | 1993-09-10 | 半導体発光装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0786637A true JPH0786637A (ja) | 1995-03-31 |
| JP3237972B2 JP3237972B2 (ja) | 2001-12-10 |
Family
ID=16828175
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP22536393A Expired - Lifetime JP3237972B2 (ja) | 1993-09-10 | 1993-09-10 | 半導体発光装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3237972B2 (ja) |
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2004128482A (ja) * | 2002-08-06 | 2004-04-22 | Ricoh Co Ltd | 面発光半導体レーザ装置および光伝送モジュールおよび光伝送システム |
| JP2005217406A (ja) * | 2004-01-27 | 2005-08-11 | Lumileds Lighting Us Llc | 電流拡散層を含む半導体発光装置 |
| WO2005086243A1 (en) * | 2004-03-08 | 2005-09-15 | Showa Denko K.K. | Pn junction type croup iii nitride semiconductor light-emitting device |
| JP2007080997A (ja) * | 2005-09-13 | 2007-03-29 | Sony Corp | ＧａＮ系半導体発光素子、発光装置、画像表示装置、面状光源装置、及び、液晶表示装置組立体 |
| JP2008103534A (ja) * | 2006-10-19 | 2008-05-01 | Hitachi Cable Ltd | 半導体発光素子 |
| JP2011054905A (ja) * | 2009-09-04 | 2011-03-17 | Shin Etsu Handotai Co Ltd | 発光素子 |
| JP2016046411A (ja) * | 2014-08-25 | 2016-04-04 | シャープ株式会社 | 半導体発光素子 |
-
1993
- 1993-09-10 JP JP22536393A patent/JP3237972B2/ja not_active Expired - Lifetime
Cited By (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2004128482A (ja) * | 2002-08-06 | 2004-04-22 | Ricoh Co Ltd | 面発光半導体レーザ装置および光伝送モジュールおよび光伝送システム |
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| WO2005086243A1 (en) * | 2004-03-08 | 2005-09-15 | Showa Denko K.K. | Pn junction type croup iii nitride semiconductor light-emitting device |
| US7781777B2 (en) | 2004-03-08 | 2010-08-24 | Showa Denko K.K. | Pn junction type group III nitride semiconductor light-emitting device |
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| JP2008103534A (ja) * | 2006-10-19 | 2008-05-01 | Hitachi Cable Ltd | 半導体発光素子 |
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| TWI555230B (zh) * | 2009-09-04 | 2016-10-21 | Shinetsu Handotai Kk | Light emitting element |
| JP2016046411A (ja) * | 2014-08-25 | 2016-04-04 | シャープ株式会社 | 半導体発光素子 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP3237972B2 (ja) | 2001-12-10 |
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