JPH0794781A - 面発光型半導体発光ダイオード - Google Patents
面発光型半導体発光ダイオードInfo
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- JPH0794781A JPH0794781A JP23706193A JP23706193A JPH0794781A JP H0794781 A JPH0794781 A JP H0794781A JP 23706193 A JP23706193 A JP 23706193A JP 23706193 A JP23706193 A JP 23706193A JP H0794781 A JPH0794781 A JP H0794781A
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Classifications
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- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L33/00—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L33/02—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies
- H01L33/14—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies with a carrier transport control structure, e.g. highly-doped semiconductor layer or current-blocking structure
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- H01L33/10—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies with a light reflecting structure, e.g. semiconductor Bragg reflector
- H01L33/105—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies with a light reflecting structure, e.g. semiconductor Bragg reflector with a resonant cavity structure
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Abstract
(57)【要約】
【目的】Al量などの活性層材料の制限を受けることな
く波長の短波長化が可能な面発光型半導体発光ダイオー
ドを提供することにある。 【構成】本発明は、発光層をInGaAlPとする面発
光型半導体発光装置において、発光層に引っ張り歪を導
入させ、波長を短波長化する。その際、価電子帯側の重
い正孔と軽い正孔の相対位置ずれに伴い、発光ピークが
多峰化するが、多重半導体層からなる、波長選択層によ
り所望の発光波長を選択するようにしたものである。
く波長の短波長化が可能な面発光型半導体発光ダイオー
ドを提供することにある。 【構成】本発明は、発光層をInGaAlPとする面発
光型半導体発光装置において、発光層に引っ張り歪を導
入させ、波長を短波長化する。その際、価電子帯側の重
い正孔と軽い正孔の相対位置ずれに伴い、発光ピークが
多峰化するが、多重半導体層からなる、波長選択層によ
り所望の発光波長を選択するようにしたものである。
Description
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、化合物半導体材料を用
いた面発光型半導体発光ダイオードに関する。
いた面発光型半導体発光ダイオードに関する。
【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】InGaAlP4元混晶はGaAs基板に
格子整合し、緑色まで直接遷移型であるため。LED材
料として注目されており、最近では黄色領域で高輝度L
EDが実現されている。しかしながら、黄色よりも短波
長化を進めると著しく発光効率の低下する問題が明らか
となっている。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
ーを形成する事が原因となっている。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%と低下していた。これを回避する手段とし
てブラッグ反射層を面発光型ダイオードの発光層下部に
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。
格子整合し、緑色まで直接遷移型であるため。LED材
料として注目されており、最近では黄色領域で高輝度L
EDが実現されている。しかしながら、黄色よりも短波
長化を進めると著しく発光効率の低下する問題が明らか
となっている。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
ーを形成する事が原因となっている。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%と低下していた。これを回避する手段とし
てブラッグ反射層を面発光型ダイオードの発光層下部に
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。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】このように従来の、I
nGaAlP系LEDでは短波長化とともに発光効率が
著しく低下するという問題点があった。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、Al量などの活性層材料の制限を受けることなく波
長の短波長化が可能な面発光型半導体発光ダイオードを
提供することにある。
nGaAlP系LEDでは短波長化とともに発光効率が
著しく低下するという問題点があった。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、Al量などの活性層材料の制限を受けることなく波
長の短波長化が可能な面発光型半導体発光ダイオードを
提供することにある。
【0005】
【課題を解決するための手段】本発明は、化合物半導体
基板と、この化合物半導体基板上に形成され引っ張り歪
の入った発光層と、この発光層に接して形成され前記発
光層にキャリアを注入するクラッド層と、前記化合物半
導体基板と前記発光層間に形成され前記発光層が発した
光を単一の発光ピークに波長選択する手段とを具備する
ことを特徴とする面発光型半導体発光ダイオードを提供
するものである。
基板と、この化合物半導体基板上に形成され引っ張り歪
の入った発光層と、この発光層に接して形成され前記発
光層にキャリアを注入するクラッド層と、前記化合物半
導体基板と前記発光層間に形成され前記発光層が発した
光を単一の発光ピークに波長選択する手段とを具備する
ことを特徴とする面発光型半導体発光ダイオードを提供
するものである。
【0006】特に、波長を選択する手段が屈折率の異な
る複数の半導体層からなるブラッグ反射層であることが
好ましい。ここでは、化合物半導体基板は発光層に対し
て極めて厚いために、発光層は化合物半導体基板によっ
て歪を付与されるが、発光層内部に生じる引っ張り歪み
を負の歪みとして以下説明する。
る複数の半導体層からなるブラッグ反射層であることが
好ましい。ここでは、化合物半導体基板は発光層に対し
て極めて厚いために、発光層は化合物半導体基板によっ
て歪を付与されるが、発光層内部に生じる引っ張り歪み
を負の歪みとして以下説明する。
【0007】
【作用】本発明者らによれば、発光ダイオード(LE
D)において、発光層に引っ張り歪を導入させることに
よって重い正孔がバンドギャップエネルギーを大きくし
て波長を短波長化できる事を見出だした。従って、発光
層に引っ張り歪を導入することで、発光層の例えばAl
組成を増やすことなく波長の短波長化が可能となり、発
光層の材料の制限を受けることなく波長の短波長化が可
能となった。
D)において、発光層に引っ張り歪を導入させることに
よって重い正孔がバンドギャップエネルギーを大きくし
て波長を短波長化できる事を見出だした。従って、発光
層に引っ張り歪を導入することで、発光層の例えばAl
組成を増やすことなく波長の短波長化が可能となり、発
光層の材料の制限を受けることなく波長の短波長化が可
能となった。
【0008】
【実施例】以下、本発明の詳細を図示の実施例によって
説明する。先ず、図1は本発明の第1の実施例に係わる
LEDの概略構成を説明するためのものである。図中1
1はn−GaAs基板(100)面を[011]方向に
15°傾斜させたもの)であり、この基板11上にはn
−GaAsバッファ層12、n−In0.5 Al0.5 P
(Siドープ、5×1017cm-3)とn−GaAs(S
iドープ、3×1017cm-3)の10対から構成される
第1のブラッグ反射層13が形成されている。さらに、
この層上にはn−In0.5 Al0.5 Pクラッド層14
(Siドープ、5×1017cm-3)、In0.35(Ga
0.9 Al0.1 )0.65P活性層15(アンドープ、120
A)、p−In0.5 Al0.5 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。先ず、図1は本発明の第1の実施例に係わる
LEDの概略構成を説明するためのものである。図中1
1はn−GaAs基板(100)面を[011]方向に
15°傾斜させたもの)であり、この基板11上にはn
−GaAsバッファ層12、n−In0.5 Al0.5 P
(Siドープ、5×1017cm-3)とn−GaAs(S
iドープ、3×1017cm-3)の10対から構成される
第1のブラッグ反射層13が形成されている。さらに、
この層上にはn−In0.5 Al0.5 Pクラッド層14
(Siドープ、5×1017cm-3)、In0.35(Ga
0.9 Al0.1 )0.65P活性層15(アンドープ、120
A)、p−In0.5 Al0.5 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。
【0009】そしてこのクラッド層16上には、n−I
nGaAlP電流狭窄層17(Siドープ、1×1018
cm-3)が円形状に形成されており、その上にはp−G
a0.8 Al0.2 As(Znドープ、2×1018cm-3)
からなる電流拡散層18、AlAs(Znドープ、1×
1018cm-3)とGa0.6 Al0.4 As(Znドープ、
1×1018cm-3)の30対から構成される第2のブラ
ッグ反射層19が形成され、さらにp−Ga0.8 Al
0.2 As(Znドープ、2×1018cm-3)電流拡散層
20、、p−GaAsコンタクト層21(Znドープ、
5×1018cm-3)が形成されている。
nGaAlP電流狭窄層17(Siドープ、1×1018
cm-3)が円形状に形成されており、その上にはp−G
a0.8 Al0.2 As(Znドープ、2×1018cm-3)
からなる電流拡散層18、AlAs(Znドープ、1×
1018cm-3)とGa0.6 Al0.4 As(Znドープ、
1×1018cm-3)の30対から構成される第2のブラ
ッグ反射層19が形成され、さらにp−Ga0.8 Al
0.2 As(Znドープ、2×1018cm-3)電流拡散層
20、、p−GaAsコンタクト層21(Znドープ、
5×1018cm-3)が形成されている。
【0010】また、コンタクト層21の上面には金属電
極22が被着され、基板11の下面に金属電極23が被
着されている。各半導体層の結晶成長はMOCVD法に
よって行っているが、その他の気相成長方法例えばMB
E法、MEE法であっても良い。ここでは、In
0.35(Ga0.9 Al0.1 )0.65P活性層15が、発光層
として働く。
極22が被着され、基板11の下面に金属電極23が被
着されている。各半導体層の結晶成長はMOCVD法に
よって行っているが、その他の気相成長方法例えばMB
E法、MEE法であっても良い。ここでは、In
0.35(Ga0.9 Al0.1 )0.65P活性層15が、発光層
として働く。
【0011】発光効率の高いLEDを得るためには、構
造パラメータ、ここでは活性層の歪、ブラッグ反射層の
設計を適切に行う必要があり、上述した値はその一例を
示したものである。
造パラメータ、ここでは活性層の歪、ブラッグ反射層の
設計を適切に行う必要があり、上述した値はその一例を
示したものである。
【0012】まず、活性層に関係する歪と発光波長の短
波長化の関係について述べる。図2に上述のLEDにお
ける活性層に入った歪(ミスマッチ)をパラメーターと
した場合の発光スペクトルの変化を示す。活性層として
は幅 120AのIn1-x Gax Pとした。このように
歪の増加とともにピーク波長は短波長側にシフトする
が、歪量(ここでは、歪んだ状態での基板との格子定数
差比で定義)が−2%を越える(−2.5%のデータを
示した)と、スペクトルは双峰になる。これを説明する
ために歪み量とバンドギャップエネルギーの関係を重い
正孔(実線)、軽い正孔(破線)について図3に示し
た。図3から明らかなように、引っ張り歪の導入により
価電子帯側の重い正孔と軽い正孔の相対位置が別れ、伝
導帯側とこれら2つの正孔バンド間での発光過程が出現
するためである。重い正孔に注目すると歪、つまりIn
とGaの相対組成を変化させるだけで2.1eV以上の
高エネルギー側(緑色発光が可能なエネルギー)まで直
線性良くシフトさせることができる。
波長化の関係について述べる。図2に上述のLEDにお
ける活性層に入った歪(ミスマッチ)をパラメーターと
した場合の発光スペクトルの変化を示す。活性層として
は幅 120AのIn1-x Gax Pとした。このように
歪の増加とともにピーク波長は短波長側にシフトする
が、歪量(ここでは、歪んだ状態での基板との格子定数
差比で定義)が−2%を越える(−2.5%のデータを
示した)と、スペクトルは双峰になる。これを説明する
ために歪み量とバンドギャップエネルギーの関係を重い
正孔(実線)、軽い正孔(破線)について図3に示し
た。図3から明らかなように、引っ張り歪の導入により
価電子帯側の重い正孔と軽い正孔の相対位置が別れ、伝
導帯側とこれら2つの正孔バンド間での発光過程が出現
するためである。重い正孔に注目すると歪、つまりIn
とGaの相対組成を変化させるだけで2.1eV以上の
高エネルギー側(緑色発光が可能なエネルギー)まで直
線性良くシフトさせることができる。
【0013】従って、Alを入れることなく、−2.5
%の歪み導入によって590nmまで短波長化が実現で
きている。これは、Alを導入した場合、 In0.5
(Ga1-x Alx )0.5 Pの表式でx=0.3の割合で
Alを入れた時と同等である。
%の歪み導入によって590nmまで短波長化が実現で
きている。これは、Alを導入した場合、 In0.5
(Ga1-x Alx )0.5 Pの表式でx=0.3の割合で
Alを入れた時と同等である。
【0014】このように、歪活性層の場合は著しくAl
を低減でき、重い正孔と伝導帯間の発光による短波長側
のピークの発光効率だけでも4元活性層に比べて5倍発
光効率が改善された。歪による短波長化に関しては、重
い正孔側の発光過程を積極的に利用するのが望ましい。
を低減でき、重い正孔と伝導帯間の発光による短波長側
のピークの発光効率だけでも4元活性層に比べて5倍発
光効率が改善された。歪による短波長化に関しては、重
い正孔側の発光過程を積極的に利用するのが望ましい。
【0015】発光層厚としては50A〜1500A、歪
としては−0.4%〜−0.3%が重い正孔に起因した
発光がでやすい。さらに、発光層厚としては100A〜
300A、歪として−2.5%〜−3.0%とすること
で最も発光効率が高くなった。
としては−0.4%〜−0.3%が重い正孔に起因した
発光がでやすい。さらに、発光層厚としては100A〜
300A、歪として−2.5%〜−3.0%とすること
で最も発光効率が高くなった。
【0016】しかしながら、表示用などの応用に供する
ためには長波長側のピークと分離して、短波長側の光を
選択しなければ、歪による短波長化のメリットを十分に
生かすことはできない。ここでは応用面でも自由度があ
り、プロセス上でもチップに作りつけることのできる、
ブラッグ反射層によっても波長選択を行っている。
ためには長波長側のピークと分離して、短波長側の光を
選択しなければ、歪による短波長化のメリットを十分に
生かすことはできない。ここでは応用面でも自由度があ
り、プロセス上でもチップに作りつけることのできる、
ブラッグ反射層によっても波長選択を行っている。
【0017】図4に本実施例で採用している第1の基板
側のブラッグ反射層13と第2の表面側のブラッグ反射
層19の反射層特性を示す。この様に基板側のブラッグ
反射層13のピークは短波長側のピークに設定されてお
り、この波長の光に対して表面からの取り出し効率を約
2.5倍向上させている。一方、表面側のブラッグ反射
層19のピークは長波長側の軽い正孔を介した発光ピー
クに設定されており、表面まで透過する率を10%程度
に押さえている。つまり、取り出す短波長光に対して、
第1の基板側のブラッグ反射層13は反射特性を主とし
て有し、第2の表面側のブラッグ反射層19は逆に主と
して透過性を有すると共に他の波長光をを透過させない
ようにしている。
側のブラッグ反射層13と第2の表面側のブラッグ反射
層19の反射層特性を示す。この様に基板側のブラッグ
反射層13のピークは短波長側のピークに設定されてお
り、この波長の光に対して表面からの取り出し効率を約
2.5倍向上させている。一方、表面側のブラッグ反射
層19のピークは長波長側の軽い正孔を介した発光ピー
クに設定されており、表面まで透過する率を10%程度
に押さえている。つまり、取り出す短波長光に対して、
第1の基板側のブラッグ反射層13は反射特性を主とし
て有し、第2の表面側のブラッグ反射層19は逆に主と
して透過性を有すると共に他の波長光をを透過させない
ようにしている。
【0018】この様な複合型のブラッグ反射層対を設け
ることにより、図5に示すように、選択的に所望の発光
を得ることができた。表面側のブラッグ反射層に反射さ
れた光は再度活性層に吸収される。エネルギーとしては
重い正孔を介した発光よりも小さいがなんらかのフォト
ンリサイクル過程の影響と考えられる短波長側の発光効
率の改善も観測された。
ることにより、図5に示すように、選択的に所望の発光
を得ることができた。表面側のブラッグ反射層に反射さ
れた光は再度活性層に吸収される。エネルギーとしては
重い正孔を介した発光よりも小さいがなんらかのフォト
ンリサイクル過程の影響と考えられる短波長側の発光効
率の改善も観測された。
【0019】また、第1の基板側のブラッグ反射層と活
性層との距離、すなわち、n−クラッド層14の厚さに
発光効率は大きな依存性を示した。われわれの実験では
発光波長のλ/2の整数倍に設定したときに、大きな強
調が見られた。この設定を短波長側のピークに設定した
時、さらに長波長側ピークとの選択性は良くなった。
性層との距離、すなわち、n−クラッド層14の厚さに
発光効率は大きな依存性を示した。われわれの実験では
発光波長のλ/2の整数倍に設定したときに、大きな強
調が見られた。この設定を短波長側のピークに設定した
時、さらに長波長側ピークとの選択性は良くなった。
【0020】短波長側の光を選択する簡便な方法とし
て、LEDのチップをモールドする際、樹脂材として波
長選択特性を有する着色樹脂を用た。この様にしても効
果は認められ、黄色において5cdの高輝度特性を得
た。
て、LEDのチップをモールドする際、樹脂材として波
長選択特性を有する着色樹脂を用た。この様にしても効
果は認められ、黄色において5cdの高輝度特性を得
た。
【0021】本実施例では緑色光に対して10cdの高
輝度特性が得られた。これは無歪のAlを含むInGa
AlPを活性層とした時の約5倍の明るさであった。な
お、本発明は本実施例に限られるものではなく、発光層
として活性層単層から構成されるもののほか、単層や多
重等の量子井戸構造としても良い。また、発光層は、他
のIII−V族化合物半導体例えばInGaAs、や緑
色発光〜青色発光が可能な例えばZnSSeなどのII
−VI族化合物半導体を用いても良い。化合物半導体基
板は、GaAsに限るものではなく、発光層に歪みを入
れることができる他の材料例えばInPであっても良
い。
輝度特性が得られた。これは無歪のAlを含むInGa
AlPを活性層とした時の約5倍の明るさであった。な
お、本発明は本実施例に限られるものではなく、発光層
として活性層単層から構成されるもののほか、単層や多
重等の量子井戸構造としても良い。また、発光層は、他
のIII−V族化合物半導体例えばInGaAs、や緑
色発光〜青色発光が可能な例えばZnSSeなどのII
−VI族化合物半導体を用いても良い。化合物半導体基
板は、GaAsに限るものではなく、発光層に歪みを入
れることができる他の材料例えばInPであっても良
い。
【0022】
【発明の効果】以上詳述したように本発明によれば、A
l量などの活性層材料の制限を受けることなく波長の短
波長化が可能となる。
l量などの活性層材料の制限を受けることなく波長の短
波長化が可能となる。
【図1】本発明の第1の実施例に係わる断面図
【図2】本発明の第1の実施例を説明する図
【図3】本発明の第1の実施例を説明するための歪と重
い正孔と軽い正孔の相対位置の関係を示す図
い正孔と軽い正孔の相対位置の関係を示す図
【図4】本発明の第1の実施例を説明するための基板側
のブラッグ反射層と表面側のブラッグ反射層の反射層特
性を示す図
のブラッグ反射層と表面側のブラッグ反射層の反射層特
性を示す図
【図5】本発明の第1の実施例を説明するためのLED
の発光スペクトルを示す図
の発光スペクトルを示す図
11…n−GaAs基板 12…n−GaAsバッファ層 13…第1のブラッグ反射層 14…n−InAlPクラッド層 15…InGaAlP活性層 16…p−InAlPクラッド層 17…n−InGaAlP電流狭窄層 18…p−GaAlAs電流拡散層 19…第2のブラッグ反射層 20…p−GaAlAs電流拡散層 21…p−GaAsコンタクト層 22…金属電極 23…金属電極
Claims (1)
- 【請求項1】 化合物半導体基板と、この化合物半導体
基板上に形成され引っ張り歪の入った発光層と、この発
光層に接して形成され前記発光層にキャリアを注入する
クラッド層と、前記化合物半導体基板と前記発光層間に
形成され前記発光層が発した光を単一の発光ピークに波
長選択する手段とを具備することを特徴とする面発光型
半導体発光ダイオード。
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