JPH0818102A - Semiconductor light emitting element - Google Patents
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- JPH0818102A JPH0818102A JP17335594A JP17335594A JPH0818102A JP H0818102 A JPH0818102 A JP H0818102A JP 17335594 A JP17335594 A JP 17335594A JP 17335594 A JP17335594 A JP 17335594A JP H0818102 A JPH0818102 A JP H0818102A
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は発光ダイオード、半導体
レーザ等の半導体発光素子に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a semiconductor light emitting device such as a light emitting diode and a semiconductor laser.
【０００２】[0002]
【従来の技術】ダブルヘテロ構造（ＤＨ構造）の発光ダ
イオードは、発光波長に応じたエネルギーギャップを有
するノンドープ或いは低不純物濃度の活性層と、これよ
りも広いエネルギーギャップ（禁止帯幅）を有して活性
層を挟み込んでいるｐ型及びｎ型クラッド層とを有す
る。ｐ型クラッド層は例えばｐ型ＡｌＧａＩｎＰ（アル
ミニウム・ガリウム・インジウム・リン）で構成され、
ｎ型クラッド層は例えばｎ型ＡｌＧａＩｎＰで構成さ
れ、活性層は例えばＧａＩｎＰ（ガリウム・インジウム
・リン）やＡｌＧａＩｎＰで構成される。2. Description of the Related Art A light emitting diode having a double hetero structure (DH structure) has a non-doped or low impurity concentration active layer having an energy gap corresponding to an emission wavelength and an energy gap (forbidden band width) wider than that. And p-type and n-type clad layers sandwiching the active layer. The p-type cladding layer is composed of, for example, p-type AlGaInP (aluminum gallium indium phosphorus),
The n-type cladding layer is made of, for example, n-type AlGaInP, and the active layer is made of, for example, GaInP (gallium-indium-phosphorus) or AlGaInP.
【０００３】このようなダブルヘテロ構造によれば、図
１に概念的に示すようにクラッド層と活性層の間にこれ
らのエネルギーギャップＥｇの差に基づいて電位障壁が
形成され、活性層内に電子及び正孔を閉じ込めてそれぞ
れの密度を高めることができ、活性層で生じる内部発光
出力を増大させて発光効率及び発光輝度を高めることが
可能になる。According to such a double hetero structure, as conceptually shown in FIG. 1, a potential barrier is formed between the cladding layer and the active layer based on the difference in the energy gap Eg between them, and the active layer is formed in the active layer. It is possible to confine electrons and holes and increase the respective densities, and it is possible to increase the internal light emission output generated in the active layer and increase the light emission efficiency and the light emission brightness.
【０００４】ところで、このダブルヘテロ構造の効果を
有効に得るためには、上述した電位障壁を高く形成して
活性層内に閉じ込められる電子及び正孔（キャリア）の
蓄積総量を増加することが望ましい。特に、高温動作時
においては、活性層に蓄積された電子、正孔のうち高い
エネルギー準位にあるものが電位障壁を越えてクラッド
層側に注入される現象いわゆるオーバーフローが生じて
発光特性が低下し易い。これを防ぐために、従来のダブ
ルヘテロ構造ではクラッド層に結晶性が比較的良好でエ
ネルギ−ギャップの高い結晶が使用されるが、電位障壁
を高くするためにそのキャリア濃度が比較的高められて
いる。特に、正孔に比べてモビリティーの高い電子に対
する電位障壁を形成するｐ型クラッド層では電位障壁は
高くする必要があった。また、クラッド層のキャリア濃
度を高くすることは、クラッド層の電気抵抗を減少させ
ることからも重要であった。In order to effectively obtain the effect of this double hetero structure, it is desirable to increase the above-mentioned potential barrier to increase the total accumulated amount of electrons and holes (carriers) confined in the active layer. . In particular, during high-temperature operation, a phenomenon in which electrons in the high energy level among electrons and holes accumulated in the active layer cross the potential barrier and are injected into the cladding layer side, so-called overflow occurs, and the emission characteristics deteriorate. Easy to do. In order to prevent this, in the conventional double hetero structure, a crystal with a relatively good crystallinity and a high energy gap is used for the cladding layer, but its carrier concentration is relatively increased to increase the potential barrier. . In particular, in the p-type clad layer that forms a potential barrier for electrons having higher mobility than holes, the potential barrier needs to be high. In addition, increasing the carrier concentration of the clad layer was also important because it decreased the electric resistance of the clad layer.
【０００５】[0005]
【発明が解決しようとする課題】ところが、クラッド層
のキャリア濃度を高くするほどクラッド層内に非発光再
結合センタが形成され、これが活性層に接するため、発
光に寄与しない再結合が生じる。特に、ｐ型キャリア濃
度を高めることによる影響は顕著である。このため、ク
ラッド層のキャリア濃度を高めて電位障壁を高くするこ
とで活性層に閉じ込められる電子、正孔の増加が期待さ
れる一方で、発光に寄与しない再結合が増加するため、
発光効率、発光輝度を向上するにも限界があった。However, as the carrier concentration in the cladding layer is increased, a non-radiative recombination center is formed in the cladding layer, and this non-radiative recombination center is in contact with the active layer, so that recombination that does not contribute to light emission occurs. In particular, the effect of increasing the p-type carrier concentration is remarkable. Therefore, by increasing the carrier concentration in the clad layer and increasing the potential barrier, it is expected that the number of electrons and holes trapped in the active layer will increase, while recombination that does not contribute to light emission will increase.
There is a limit to improving the luminous efficiency and the luminous brightness.
【０００６】そこで、本発明の目的は、発光効率及び発
光輝度を向上させることができる新規な構造の半導体発
光素子を提供することにある。Therefore, an object of the present invention is to provide a semiconductor light emitting device having a novel structure capable of improving the luminous efficiency and the luminous brightness.
【０００７】[0007]
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
の本発明は、活性層と、この活性層の一方の側に配置さ
れたｎ型クラッド層と、前記活性層の他方の側に配置さ
れたｐ型クラッド層とを備えた半導体発光素子におい
て、前記ｎ型クラッド層と前記ｐ型クラッド層との内の
少なくとも一方が前記活性層に隣接する第１のクラッド
層とこの第１のクラッド層に隣接する第２のクラッド層
とを有し、前記第１のクラッド層は前記第２のクラッド
層よりも低いキャリア濃度を有し且つ前記第２のクラッ
ド層よりは薄いが量子力学的トンネル効果が生じる厚さ
よりは厚い厚さを有し、前記活性層と前記第２のクラッ
ド層の間の電位障壁の高さが前記活性層と前記第１のク
ラッド層の間の電位障壁の高さよりも高く設定され、前
記第１及び第２のクラッド層はＡＩＧa ＩｎＰから成
り、前記第１のクラッド層のＡｌＧａに対するＩｎの割
合が前記第２のクラッド層のＡｌＧａに対するＩｎの割
合よりも低く設定されていることを特徴とする半導体発
光素子に係わるものである。なお、請求項２に示すよう
に第１のクラッド層のＩｎの割合を直線的又は階段的に
変化させることができる。また、ｎ型又はｐ型の第１の
クラッド層の厚さはｎ型又はｐ型の第２のクラッド層の
厚さの好ましくは１／１０〜１／１００である。According to the present invention for achieving the above object, an active layer, an n-type cladding layer disposed on one side of the active layer, and an n-type cladding layer disposed on the other side of the active layer. In a semiconductor light emitting device including a p-type clad layer provided with at least one of the n-type clad layer and the p-type clad layer, at least one of which is adjacent to the active layer, and the first clad layer. A second cladding layer adjacent to the layer, the first cladding layer having a lower carrier concentration than the second cladding layer and thinner than the second cladding layer, but a quantum mechanical tunnel. The thickness of the potential barrier between the active layer and the second cladding layer is greater than the thickness at which the effect occurs, and the height of the potential barrier between the active layer and the second cladding layer is greater than the height of the potential barrier between the active layer and the first cladding layer. Is also set high, and the first and second In the semiconductor light emitting device, the pad layer is made of AIGa InP, and the ratio of In to AlGa of the first cladding layer is set lower than the ratio of In to AlGa of the second cladding layer. It is related. The In ratio of the first cladding layer can be changed linearly or stepwise as shown in claim 2. The thickness of the n-type or p-type first cladding layer is preferably 1/10 to 1/100 of the thickness of the n-type or p-type second cladding layer.
【０００８】[0008]
【発明の作用及び効果】本発明の発光素子によれば、従
来の発光素子に比べて活性層におけるキャリアの閉じ込
め効果が大きくなり、発光効率及び発光輝度が向上す
る。また、クラッド層の電気抵抗も比較的小さく保たれ
る。更に詳細には、本発明によって次の作用効果が得ら
れる。 （イ） 活性層に隣接する第１のクラッド層が第２のク
ラッド層よりも低キャリア濃度（アクセプタ不純物又は
ドナ−不純物濃度）であるから、第１のクラッド層に形
成される非発光再結合センタは第２のクラッド層に形成
される非発光再結合に比べて著しく減少する。また、第
１のクラッド層の層厚が量子力学的トンネル効果が生じ
ない厚さを有しているので、第１のクラッド層と活性層
の間に形成された電位障壁において活性層に閉じ込めら
れたキャリアがトンネル効果によって非発光再結合セン
タが比較的多い第２のクラッド層に到達することがな
い。したがって、第１のクラッド層と活性層の間に形成
される電位障壁によって活性層に注入されたキャリアを
効率よく活性層内に閉じ込めることができる。また、第
１のクラッド層と活性層の間に形成される電位障壁を越
える高いエネルギ−準位にあるキャリアは、第２のクラ
ッド層を活性層の間に形成される電位障壁によって従来
技術と同様に閉じ込めることができる。このため、活性
層に注入されたキャリアを効率良く活性層内に閉じ込め
てこれらを発光に有効に寄与させることができる。した
がって、発光効率及び発光輝度の飛躍的な向上が達成さ
れる。 （ロ） 第１のクラッド層のキャリア濃度の増大のみに
頼らないで、ＡｌＧａに対するＩｎの割合（以下、Ｉｎ
の混晶比と呼ぶ）を低くしてエネルギ−ギャップを広げ
ているので、非発光再結合センタの増大を抑制しつつ活
性層と第１のクラッド層との間の電位障壁を高めること
ができる。 （ハ） キャリア濃度が低い比較的高抵抗の第１のクラ
ッド層が第２のクラッド層よりは薄いので、第１のクラ
ッド層を設けたことによる内部抵抗の増加及び放熱性の
低下は極めて少ない。したがって、これらの他の諸特性
を従来どおりの高レベルに維持しつつ発光効率及び発光
輝度の向上が図れる。According to the light emitting device of the present invention, the effect of confining carriers in the active layer is increased as compared with the conventional light emitting device, and the light emitting efficiency and the light emitting brightness are improved. Further, the electric resistance of the clad layer is kept relatively small. More specifically, the present invention has the following effects. (A) Since the first clad layer adjacent to the active layer has a lower carrier concentration (acceptor impurity or donor impurity concentration) than the second clad layer, non-radiative recombination formed in the first clad layer. The center is significantly reduced as compared with the non-radiative recombination formed in the second cladding layer. Further, since the layer thickness of the first cladding layer is such that the quantum mechanical tunnel effect does not occur, it is confined in the active layer at the potential barrier formed between the first cladding layer and the active layer. Due to the tunnel effect, the carriers do not reach the second cladding layer having a relatively large number of non-radiative recombination centers. Therefore, the carriers injected into the active layer can be efficiently confined in the active layer by the potential barrier formed between the first cladding layer and the active layer. Further, carriers in a high energy level exceeding the potential barrier formed between the first clad layer and the active layer are different from those in the conventional technique due to the potential barrier formed between the second clad layer and the active layer. Can be locked in as well. Therefore, the carriers injected into the active layer can be efficiently confined in the active layer, and these can effectively contribute to light emission. Therefore, a dramatic improvement in luminous efficiency and luminous brightness is achieved. (B) The ratio of In to AlGa (hereinafter referred to as “In”) without relying only on the increase of the carrier concentration of the first cladding layer.
(Hereinafter, referred to as the mixed crystal ratio) to widen the energy gap, so that the potential barrier between the active layer and the first cladding layer can be increased while suppressing the increase of the non-radiative recombination center. . (C) Since the first clad layer having a low carrier concentration and a relatively high resistance is thinner than the second clad layer, the increase in the internal resistance and the decrease in the heat dissipation due to the provision of the first clad layer are extremely small. . Therefore, it is possible to improve the light emission efficiency and the light emission brightness while maintaining these other characteristics at the high level as in the conventional case.
【０００９】[0009]
【第１の実施例】次に、本発明の第１の実施例に係わる
ダブルヘテロ構造を備えた高輝度発光ダイオードについ
て説明する。本実施例の３−５族化合物半導体から成る
発光ダイオードは、図２に示すようにその下面側からｎ
型ＧａＡｓ（ガリウム・砒素）基板１、ｎ型ＧａＡｓバ
ッファ層２、ｎ型（Ａｌ0.7 Ｇａ0.3 ）0.5 Ｉｎ0.5 Ｐ
（アルミニウム・ガリウム・インジウム・リン）から成
る第１及び第２のｎ型クラッド層３ａ、３ｂ、ノンドー
プの又はキャリア濃度の小さい（Ａｌ0.4 Ｇａ0.6 ）
0.5 Ｉｎ0.5 Ｐ活性層４、ｐ型のＩｎの混晶比の異なる
ＡｌＧａＩｎＰから成る第１及び第２のｐ型クラッド層
５ａ、５ｂが順次積層された半導体基体６を備えてお
り、この半導体基体６の上面と下面にはそれぞれアノー
ド電極７及びカソード電極８が設けられている。なお、
基板１のキャリア濃度は好ましい範囲の５×１０17〜１
０19ｃｍ-3から選択された２×１０19ｃｍ-3であり、バ
ッファ層２のそれは好ましい範囲の１×１０18〜１×１
０19ｃｍ-3から選択された２×１０18ｃｍ-3であり、活
性層４のキャリア濃度はクラッド層３ａ、３ｂ、５ａ、
５ｂのそれよりも大幅に低い。First Embodiment Next, a high brightness light emitting diode having a double hetero structure according to a first embodiment of the present invention will be described. As shown in FIG. 2, the light-emitting diode made of the 3-5 group compound semiconductor of the present embodiment has n from the lower surface side.
Type GaAs (gallium arsenide) substrate 1, n type GaAs buffer layer 2, n type (Al 0.7 Ga 0.3 ) 0.5 In 0.5 P
First and second n-type cladding layers 3a, 3b made of (aluminum, gallium, indium, phosphorus), non-doped or having a low carrier concentration (Al 0.4 Ga 0.6 ).
The semiconductor substrate 6 comprises a 0.5 In 0.5 P active layer 4, and first and second p-type cladding layers 5a and 5b made of AlGaInP having different p-type In mixed crystal ratios. An anode electrode 7 and a cathode electrode 8 are provided on the upper surface and the lower surface of 6, respectively. In addition,
The carrier concentration of the substrate 1 is within a preferable range of 5 × 10 17 to 1
It is 2 × 10 19 cm −3 selected from 0 19 cm −3 , and that of the buffer layer 2 is in a preferable range of 1 × 10 18 to 1 × 1.
2 × 10 18 cm −3 selected from 0 19 cm −3 , and the carrier concentration of the active layer 4 is the cladding layers 3a, 3b, 5a,
Significantly lower than that of 5b.
【００１０】本実施例の発光ダイオードの特徴とすると
ころは、活性層４を挟み込むｎ型及びｐ型クラッド層を
相対的にキャリア濃度が低い第１のｎ型及びｐ型クラッ
ド層３ａ、５ａと、これ等よりもキャリア濃度が高い第
２のｎ型及びｐ型クラッド層３ｂ、５ｂとで構成し、且
つ第１のｎ型及びｐ型クラッド層３ａ、５ａを所定範囲
の層厚とし、更に第１及び第２のＰ型クラッド層５ａ、
５ｂのＩｎ（インジウム）の混晶比即ちＡｌＧａに対す
るＩｎの割合を変えたことである。以下、これについて
詳述する。The light emitting diode of this embodiment is characterized in that the n-type and p-type clad layers sandwiching the active layer 4 are replaced by first n-type and p-type clad layers 3a and 5a having a relatively low carrier concentration. , And the second n-type and p-type cladding layers 3b and 5b having a carrier concentration higher than these, and the first n-type and p-type cladding layers 3a and 5a have a layer thickness within a predetermined range. The first and second P-type cladding layers 5a,
That is, the mixed crystal ratio of In (indium) of 5b, that is, the ratio of In to AlGa was changed. Hereinafter, this will be described in detail.
【００１１】活性層４に隣接する第１のｐ型クラッド層
５ａとこの第１のｐ型クラッド層５ａに隣接する第２の
ｐ型クラッド層５ｂはいずれもｐ型不純物としてＺｎ
（亜鉛）が導入されたＡｌＧａＩｎＰ半導体層から成
り、混晶比とキャリア濃度と厚みが互いに異なってい
る。即ち、第１のｐ型クラッド層５ａは（Ａｌ0.7 Ｇａ
0.3）0.55Ｉｎ0.45Ｐから成り、キャリア濃度が約５×
１０16ｃｍ-3、層厚が約２００オングストローム（０．
０２μｍ）の低不純物濃度の薄い層であり、第２のｐ型
クラッド層５ｂは（Ａｌ0.7 Ｇａ0.3 ）0.5 Ｉｎ0.5 Ｐ
から成り、キャリア濃度が約２×１０18ｃｍ-3、層厚が
約０．８μｍの高キャリア濃度の厚い層である。なお、
Ｉｎの混晶比が異なるので第１のｐ型クラッド層５ａの
格子定数は第２のｐ型クラッド層５ｂの格子定数よりも
小さい。ＡｌＧａＩｎＰ半導体において、Ｉｎの混晶比
が小さくなるにつれてエネルギ−ギャップが広くなる。
本実施例では、第１のｐ型クラッド層５ａのＩｎの混晶
比が０．４５であり、第２のｐ型クラッド層５ｂの０．
５よりも小さい。Ｉｎの混晶比を小さくすることによっ
て第１のｐ型クラッド層５ａの格子定数が第２のクラッ
ド層５ｂの格子定数よりも小さくなり、第１のｐ型クラ
ッド層５ａの主面の延びる方向（平面方向）に引張り力
が加わって伸張歪が生じ、第１のｐ型クラッド層５ａの
エネルギ−ギャップを狭くする作用が生じる。しかし、
この伸張歪によってエネルギ−ギャップが狭くなる量よ
りも前述のＩｎの混晶比の減少によってエネルギ−ギャ
ッブが増大する量の方が大きいので、結果としてエネル
ギ−ギャップの増大効果が得られる。なお、第１のｐ型
クラッド層５ａの厚みは、量子力学的トンネル効果が発
生せず且つ電気抵抗の大幅な増大を伴なわないように１
５０〜５００オングストローム（０．０１５〜０．０５
μｍ）に設定することが望ましい。また、第１のｐ型ク
ラッド層５ａのキャリア濃度は電子の閉じ込め効果を良
好に得るために５×１０15ｃｍ-3〜５×１０17ｃｍ-3の
範囲にすることが望ましい。Both the first p-type cladding layer 5a adjacent to the active layer 4 and the second p-type cladding layer 5b adjacent to the first p-type cladding layer 5a are Zn as p-type impurities.
It is composed of an AlGaInP semiconductor layer into which (zinc) is introduced, and has different mixed crystal ratios, carrier concentrations, and thicknesses. That is, the first p-type cladding layer 5a is made of (Al 0.7 Ga).
0.3 ) 0.55 In 0.45 P, carrier concentration is about 5 ×
10 16 cm −3 , layer thickness about 200 Å (0.
02 μm) with a low impurity concentration, and the second p-type cladding layer 5b is (Al 0.7 Ga 0.3 ) 0.5 In 0.5 P.
And a carrier concentration of about 2 × 10 18 cm −3 and a layer thickness of about 0.8 μm. In addition,
Since the mixed crystal ratio of In is different, the lattice constant of the first p-type cladding layer 5a is smaller than that of the second p-type cladding layer 5b. In the AlGaInP semiconductor, the energy gap becomes wider as the In mixed crystal ratio becomes smaller.
In the present embodiment, the In mixed crystal ratio of the first p-type cladding layer 5a is 0.45, and the In of the second p-type cladding layer 5b is 0.
Less than 5 By reducing the mixed crystal ratio of In, the lattice constant of the first p-type cladding layer 5a becomes smaller than the lattice constant of the second cladding layer 5b, and the main surface of the first p-type cladding layer 5a extends in the extending direction. A tensile force is applied in the (planar direction) to generate tensile strain, which has the effect of narrowing the energy gap of the first p-type cladding layer 5a. But,
Since the amount by which the energy gap is increased by the decrease in the In mixed crystal ratio is larger than the amount by which the energy gap is narrowed by the extension strain, the effect of increasing the energy gap is obtained. The thickness of the first p-type cladding layer 5a is set to 1 so that the quantum mechanical tunnel effect does not occur and the electric resistance is not significantly increased.
50-500 Å (0.015-0.05
μm) is desirable. The carrier concentration of the first p-type cladding layer 5a is preferably in the range of 5 × 10 15 cm −3 to 5 × 10 17 cm −3 in order to obtain a good electron confinement effect.
【００１２】活性層４に隣接する第１のｎ型クラッド層
３ａとこの第１のｎ型クラッド層３ａに隣接する第２の
ｎ型クラッド層３ｂはいずれも不純物としてＳｉ（シリ
コン）が導入されたｐ型（Ａｌ0.7 Ｇａ0.3 ）0.5 Ｉｎ
0.5 Ｐ層から成り、これ等のキャリア濃度と厚みが互い
に異なっている。即ち、第１のｎ型クラッド層３ａはキ
ャリア濃度が約１×１０17ｃｍ-3、層厚が約２００オン
グストローム（０．０２μｍ）の低キャリア濃度の薄層
であり、第２のｎ型クラッド層３ｂはキャリア濃度が約
２×１０18ｃｍ-3、層厚が約０．８μｍである。第１の
ｎ型クラッド層３ａと第２のｎ型クラッド層３ｂの格子
定数は等しく、第１のｎ型クラッド層３ａには結晶歪は
発生していない。したがって、第１のｎ型クラッド層３
ａと第２のｎ型クラッド層３ｂのエネルギーギャップＥ
g は互いに等しい２．２４（ｅＶ）であり、活性層のそ
れよりは大きい。なお、第１のｎ型クラッド層３ａの厚
みは量子力学的トンネル効果が発生せず且つ電気抵抗の
大幅な増大が生じないように１５０〜５００オングスト
ローム（０．０１５〜０．０５μｍ）とすることが望ま
しい。また、第１のｎ型クラッド層３ａのキャリア濃度
は、閉じ込め効果を良好に得るために１×１０17ｃｍ-3
〜１×１０18ｃｍ-3にすることが望ましい。Si (silicon) is introduced as an impurity into both the first n-type cladding layer 3a adjacent to the active layer 4 and the second n-type cladding layer 3b adjacent to the first n-type cladding layer 3a. P-type (Al 0.7 Ga 0.3 ) 0.5 In
It is composed of 0.5 P layer, and the carrier concentration and thickness of these layers are different from each other. That is, the first n-type cladding layer 3a is a low carrier concentration thin layer having a carrier concentration of about 1 × 10 17 cm −3 and a layer thickness of about 200 Å (0.02 μm). The layer 3b has a carrier concentration of about 2 × 10 18 cm −3 and a layer thickness of about 0.8 μm. The first n-type cladding layer 3a and the second n-type cladding layer 3b have the same lattice constant, and no crystal strain occurs in the first n-type cladding layer 3a. Therefore, the first n-type cladding layer 3
energy gap E between a and the second n-type cladding layer 3b
g is 2.24 (eV) which is equal to each other, and is larger than that of the active layer. The thickness of the first n-type cladding layer 3a is set to 150 to 500 Å (0.015 to 0.05 μm) so that the quantum mechanical tunnel effect does not occur and the electric resistance does not increase significantly. Is desirable. The carrier concentration of the first n-type cladding layer 3a is 1 × 10 17 cm −3 in order to obtain a good confinement effect.
It is desirable to set it to 1 × 10 18 cm −3 .
【００１３】図３に本実施例の発光ダイオードのエネル
ギーバンド構造の概念図を示す。この図３から明らかな
ように、活性層４と第１のｐ型及びｎ型クラッド層３
ａ、５ａとの間には、従来例と同様にこれらのバンドギ
ャップ差に起因する電位障壁が形成されている。しかし
ながら、活性層４の伝導帯の下限と第１のｐ型クラッド
層５ａの伝導帯の下限（下端）との間に形成される電位
障壁の高さΔＸ1 は約２００ｍｅＶであり、従来例の発
光ダイオード（第１のｐ型クラッド層５ａを形成せずに
第２のｐ型クラッド層５ｂを直接に活性層４に隣接させ
た構造）に比べて電位障壁は低くなっている。これは、
活性層４に隣接する第１のｐ型クラッド層５ａのキャリ
ア濃度が低くなっているためである。しかし、もし第１
及び第２のｐ型クラッド層５ａ、５ｂのＩｎの混晶比を
共に同一の０．５にすると、△Ｘ1は約１４０ｍｅＶで
あるので、本実施例によって第１のクラッド層５ａのＩ
ｎの混晶比を０．４５に低減すると△Ｘ1 が比較的高く
なる。活性層４の価電子帯の上限と第１のｎ型クラッド
層３ａの価電子帯の上限との間に形成される電位障壁の
高さΔＸ2 もキャリア濃度の低い第１のｎ型クラッド層
３ａのために従来例の発光ダイオード（第１のｎ型クラ
ッド層３ａを形成せずに第２のｎ型クラッド層５ｂを直
接に活性層４に隣接させた構造）に比べて低くなってい
る。また、第１のｐ型クラッド層５ａと第２のｐ型クラ
ッド層５ｂとの間にはこれらの層のキャリア濃度差に基
づく電位障壁ΔＸ3 が形成されている。また、第１のｎ
型クラッド層３ａと第２のｎ型クラッド層３ｂとの間に
もこれらの層のキャリア濃度差に基づく電位障壁ΔＸ4
が形成されている。FIG. 3 is a conceptual diagram of the energy band structure of the light emitting diode of this embodiment. As is clear from FIG. 3, the active layer 4 and the first p-type and n-type cladding layers 3 are formed.
A potential barrier due to the band gap difference is formed between a and 5a as in the conventional example. However, the height ΔX1 of the potential barrier formed between the lower limit of the conduction band of the active layer 4 and the lower limit (lower end) of the conduction band of the first p-type cladding layer 5a is about 200 meV, and the light emission of the conventional example. The potential barrier is lower than that of a diode (a structure in which the second p-type cladding layer 5b is directly adjacent to the active layer 4 without forming the first p-type cladding layer 5a). this is,
This is because the carrier concentration of the first p-type cladding layer 5a adjacent to the active layer 4 is low. But if the first
When the In mixed crystal ratios of the second and second p-type clad layers 5a and 5b are both set to the same 0.5, ΔX1 is about 140 meV. Therefore, according to the present embodiment, I of the first clad layer 5a is I.
If the mixed crystal ratio of n is reduced to 0.45, .DELTA.X1 becomes relatively high. The height ΔX2 of the potential barrier formed between the upper limit of the valence band of the active layer 4 and the upper limit of the valence band of the first n-type cladding layer 3a is also the first n-type cladding layer 3a having a low carrier concentration. Because of this, it is lower than that of the conventional light emitting diode (structure in which the second n-type cladding layer 5b is directly adjacent to the active layer 4 without forming the first n-type cladding layer 3a). Further, a potential barrier .DELTA.X3 is formed between the first p-type cladding layer 5a and the second p-type cladding layer 5b based on the carrier concentration difference between these layers. Also, the first n
The potential barrier .DELTA.X4 between the n-type cladding layer 3a and the second n-type cladding layer 3b is also based on the carrier concentration difference between these layers.
Are formed.
【００１４】本実施例の発光ダイオードによれば、従来
の発光ダイオードに比べて活性層における電子及び正孔
の閉じ込め効果が大きく、発光効率及び発光輝度が向上
すると共にクラッド層の電気抵抗も比較的小さく保たれ
ている。この結果、低損失、高輝度の発光ダイオードを
提供できる。即ち、本実施例のＤＨ構造の発光ダイオー
ドは次の作用効果を有する。 （イ） 活性層４に隣接する第１のｎ型及びｐ型クラッ
ド層３ａ、５ａが低キャリア濃度のＡｌＧａＩｎＰ層か
ら成るので、クラッド層に形成される非発光再結合セン
タが著しく減少している。また、第１のｎ型及びｐ型ク
ラッド層３ａ、５ａの層厚が量子力学的トンネル効果が
生じない２００オングストローム（０．０２μｍ）の厚
さを有しているので、活性層４に閉じ込められたキャリ
アがトンネル効果によって非発光再結合センタを比較的
多く有する第２のｎ型及びｐ型クラッド層３ｂ、５ｂに
到達することがない。このため、活性層４に注入された
電子及び正孔を第１のｎ型及びｐ型クラッド層３ａ、５
ａと活性層４の間に形成される電位障壁によって効率良
く活性層４内に閉じ込めてこれらを発光に有効に寄与さ
せることができる。また、第１のｎ型及びｐ型クラッド
層３ａ、５ａと活性層４の間に形成される電位障壁を越
える比較的エネルギ−準位の高い電子のオ−バ−フロ−
は、第２のｎ型及びｐ型クラッド層３ｂ、５ｂと活性層
４の間に形成される電位障壁によって抑制される。した
がって、キャリア閉じ込め効率が向上し、発光効率及び
発光輝度の飛躍的な向上が達成される。 （ロ） 第１のｐ型クラッド層５ａのキャリア濃度を低
下させると、これと活性層４との間の電位障壁が低くな
るが、第１のｐ型クラッド層５ａのＩｎの混晶比を第２
のｐ型クラッド層５ｂのそれよりも低くして第１のｐ型
クラッド層５ａのエネルギ−ギャップを広げることによ
って、前述のキャリア濃度の低下による電位障壁の低下
を補償し、活性層４と第１のクラッド層５ａとの間の電
位障壁を高くすることができる。従って、非発光再結合
センタの増大を抑制してエネルギ−ギャップを広くする
こと即ち電位障壁△Ｘ1 を高めることができる。即ち、
第１のｐ型クラッド層５ａのＩｎの混晶比を低減させる
ことによって電位障壁△Ｘ1 を高める場合とキャリア濃
度を増大させることによって電位障壁△Ｘ1 を高める場
合とのいずれにおいても発光効率の低下を招く非発光再
結合センタの発生が生じる。しかし、電位障壁△Ｘ1 を
所定量高めるためにＩｎの混晶比を低くした場合に生じ
る非発光再結合センタの量は電位障壁△Ｘ1 を上記と同
一の所定量高めるためにキャリア濃度を高めた場合に生
じる非発光再結合センタの量より少ない。本実施例では
第１のｐ型クラッド層５ａのキャリア濃度とＩｎの混晶
比とを適当に調整して電位障壁△Ｘ1 を高めているの
で、非発光再結合センタによる発光効率の低減を抑制し
つつ最大の電子の閉じ込み効果を得ることができ、発光
効率、発光輝度の大幅な増大を図れる。 （ハ） キャリア濃度が低い比較的高抵抗の第１のｎ型
及びｐ型クラッド層３ａ、５ａが２００オングストロー
ム（０．０２μｍ）の薄層であるので、第１のｎ型及び
ｐ型クラッド層３ａ、５ａを設けたことによる内部抵抗
の増加及び放熱性の低下は無視できるレベルである。し
たがって、これらの他の諸特性を従来どおりの高レベル
に維持しつつ発光効率及び発光輝度の向上が図れる。According to the light emitting diode of this embodiment, the effect of confining electrons and holes in the active layer is larger than that of the conventional light emitting diode, the light emitting efficiency and the light emitting brightness are improved, and the electric resistance of the cladding layer is relatively high. It is kept small. As a result, a light emitting diode with low loss and high brightness can be provided. That is, the DH light emitting diode of this embodiment has the following effects. (A) Since the first n-type and p-type cladding layers 3a and 5a adjacent to the active layer 4 are made of a low carrier concentration AlGaInP layer, the non-radiative recombination centers formed in the cladding layer are significantly reduced. . Further, since the first n-type and p-type clad layers 3a and 5a have a thickness of 200 angstrom (0.02 μm) which does not cause the quantum mechanical tunnel effect, they are confined in the active layer 4. Due to the tunnel effect, the carriers do not reach the second n-type and p-type cladding layers 3b and 5b having a relatively large number of non-radiative recombination centers. Therefore, the electrons and holes injected into the active layer 4 are transferred to the first n-type and p-type cladding layers 3a, 5
The potential barrier formed between a and the active layer 4 can efficiently confine it in the active layer 4 and effectively contribute to light emission. In addition, an electron overflow of a relatively high energy level that exceeds the potential barrier formed between the first n-type and p-type clad layers 3a and 5a and the active layer 4 is performed.
Is suppressed by the potential barrier formed between the second n-type and p-type cladding layers 3b and 5b and the active layer 4. Therefore, carrier confinement efficiency is improved, and light emission efficiency and light emission brightness are dramatically improved. (B) When the carrier concentration of the first p-type cladding layer 5a is lowered, the potential barrier between this and the active layer 4 is lowered, but the In mixed crystal ratio of the first p-type cladding layer 5a is reduced. Second
By lowering it than that of the p-type cladding layer 5b to widen the energy gap of the first p-type cladding layer 5a, thereby compensating for the lowering of the potential barrier due to the lowering of the carrier concentration described above and the active layer 4 and the first layer. The potential barrier with the first cladding layer 5a can be increased. Therefore, the increase of the non-radiative recombination center can be suppressed to widen the energy gap, that is, the potential barrier ΔX1 can be increased. That is,
Reduction of luminous efficiency in both cases of increasing the potential barrier ΔX1 by decreasing the In mixed crystal ratio of the first p-type cladding layer 5a and increasing the potential barrier ΔX1 by increasing the carrier concentration. Occurrence of non-radiative recombination center that causes However, the amount of non-radiative recombination centers generated when the mixed crystal ratio of In is lowered in order to raise the potential barrier ΔX1 by a predetermined amount increases the carrier concentration in order to raise the potential barrier ΔX1 by the same predetermined amount as described above. Less than the amount of non-radiative recombination centers that may occur. In this embodiment, the potential barrier ΔX1 is raised by appropriately adjusting the carrier concentration of the first p-type cladding layer 5a and the In mixed crystal ratio, so that the reduction of the luminous efficiency due to the non-radiative recombination center is suppressed. At the same time, the maximum electron confinement effect can be obtained, and the luminous efficiency and luminous brightness can be greatly increased. (C) Since the first n-type and p-type clad layers 3a and 5a having a low carrier concentration and relatively high resistance are thin layers of 200 angstrom (0.02 μm), the first n-type and p-type clad layers are formed. The increase in internal resistance and the decrease in heat dissipation due to the provision of 3a and 5a are at a negligible level. Therefore, it is possible to improve the light emission efficiency and the light emission brightness while maintaining these other characteristics at the high level as in the conventional case.
【００１５】[0015]
【第２の実施例】次に、図４を参照して第２の実施例の
ダブルヘテロ構造の高輝度発光ダイオ−ドを説明する。
この第２の実施例のダイオ−ドの層構成は図２と同一で
あり、第１のｐ型クラッド層５ａのＩｎの混晶比が図２
の厚さ方向において徐々に変化している点のみにおいて
第１の実施例と相違する。第２の実施例のダイオ−ドの
第２のｎ型クラッド層３ｂ、第１のｎ型クラッド層３
ａ、活性層４、第１及び第２のｐ型クラッド層５ａ、５
ｂのエネルギ−準位は図４で示すことができる。図４に
おいては第１のｐ型クラッド層５ａのエネルギ−ギャッ
プが活性層４側から第２のクラッド層５ｂに向かうに従
って徐々に広くなっている。図４においてｐ型クラッド
層５ａ以外の部分は図３と実質的に同一である。[Second Embodiment] Next, a high brightness light emitting diode having a double hetero structure according to a second embodiment will be described with reference to FIG.
The layer structure of the diode of the second embodiment is the same as that in FIG. 2, and the In mixed crystal ratio of the first p-type cladding layer 5a is as shown in FIG.
Is different from the first embodiment only in that it gradually changes in the thickness direction. The second n-type cladding layer 3b and the first n-type cladding layer 3 of the diode of the second embodiment.
a, active layer 4, first and second p-type cladding layers 5a, 5
The energy level of b can be shown in FIG. In FIG. 4, the energy gap of the first p-type cladding layer 5a gradually widens from the active layer 4 side toward the second cladding layer 5b. In FIG. 4, parts other than the p-type clad layer 5a are substantially the same as those in FIG.
【００１６】第１のｐ型クラッド層５ａのエネルギ−ギ
ャップを徐々に変化させるために、第１のｐ型クラッド
層５ａのＩｎの混晶比がその層厚方向で変化しているこ
とである。即ち、第１のｐ型クラッド層５ａのＩｎ混晶
比は活性層４側から第２のｐ型クラッド層５ｂ側に向か
って直線的に（Ａｌ0.7 Ｇａ0.3 ）0.5 Ｉｎ0.5 Ｐから
（Ａｌ0.7 Ｇａ0.3 ）0.6 Ｉｎ0.4 Ｐまで変化してい
る。第１の実施例において述べたようにＩｎの混晶比が
低くなるほどＡｌＧａＩｎＰのエネルギ−ギャップは広
くなるから、図４に示すように第１のｐ型クラッド層５
ａの伝導帯の下端は傾斜して活性層４との間に第２のｐ
型クラッド層５ｂ側に向かって障壁が高くなる傾斜状の
電位障壁が形成される。この第２の実施例では電位障壁
△Ｘ1 が１４０ｍｅＶから２００ｍｅＶまで変化してい
る。本実施例の発光ダイオ−ドによれば、第１の実施例
よりも更に活性層における電子の閉じ込め効果を向上す
ることができる。即ち、第１の実施例においては、活性
層４の下帯から第１のｐ型クラッド層５ａの下帯の間の
エネルギ−準位にあるエネルギ−準位の異なる電子に対
して一様に（Ａｌ0.7 Ｇａ0.3 ）0.55Ｉｎ0.45Ｐから成
るクラッド層５ａによる電位障壁によって電子の閉じ込
めが図られている。第１の実施例では、第１のｐ型クラ
ッド層５ａの不純物濃度が低く設定されているとはい
え、Ｉｎの晶比を低め逆にＡｌＧａの混晶比を高めたこ
とによってクラッド層５ａの界面にはそれなりに非発光
再結合センタが形成されるので、非発光再結合センタの
発生による電子蓄積効果の低下は無視できない。本実施
例では、第１の実施例のようにエネルギ−準位の異なる
電子に対して一様に同じ混晶比のクラッド層５ａによる
電位障壁が作用するのではなく、エネルギ−準位の異な
る電子に対してそのエネルギ−の電子に対する閉じ込め
効果が最大限に発揮されるようにその障壁高さとＩｎの
混晶比を設定して閉じ込め効果を得ている。従って、第
１の実施例よりもさらに電子の閉じ込め効果が向上し、
発光効率、発光輝度の増大が可能となる。In order to gradually change the energy gap of the first p-type cladding layer 5a, the In mixed crystal ratio of the first p-type cladding layer 5a changes in the layer thickness direction. . That is, the first In composition ratio of the p-type cladding layer 5a are linearly from the active layer 4 side to the second p-type cladding layer 5b side (Al 0.7 Ga 0.3) from 0.5 In 0.5 P (Al 0 . have changed to 7 Ga 0.3) 0.6 in 0.4 P . As described in the first embodiment, the lower the mixed crystal ratio of In, the wider the energy gap of AlGaInP. Therefore, as shown in FIG. 4, the first p-type cladding layer 5 is formed.
The lower end of the conduction band of a is inclined to form a second p between the active layer 4 and
An inclined potential barrier is formed in which the barrier becomes higher toward the mold cladding layer 5b side. In the second embodiment, the potential barrier ΔX1 changes from 140 meV to 200 meV. According to the light emitting diode of this embodiment, the electron confinement effect in the active layer can be further improved as compared with the first embodiment. That is, in the first embodiment, the electrons in different energy levels in the energy level between the lower zone of the active layer 4 and the lower zone of the first p-type cladding layer 5a are uniformly distributed. Electrons are confined by the potential barrier by the cladding layer 5a made of (Al 0.7 Ga 0.3 ) 0.55 In 0.45 P. In the first embodiment, although the impurity concentration of the first p-type cladding layer 5a is set low, the crystal ratio of In is decreased and the mixed crystal ratio of AlGa is increased to increase the mixed crystal ratio of the cladding layer 5a. Since a non-radiative recombination center is formed at the interface as it is, a decrease in the electron storage effect due to the generation of the non-radiative recombination center cannot be ignored. In this embodiment, unlike the first embodiment, the potential barrier by the cladding layer 5a having the same mixed crystal ratio does not uniformly act on the electrons having different energy levels, but the energy levels are different. The barrier height and the mixed crystal ratio of In are set so that the electron confinement effect of the energy of the electron is maximized to obtain the confinement effect. Therefore, the effect of confining electrons is further improved as compared with the first embodiment,
It is possible to increase luminous efficiency and luminous brightness.
【００１７】[0017]
【変形例】本発明は上述の実施例に限定されるものでな
く、例えば次の変形が可能なものである。 （１） 第１のｎ型及びｐ型クラッド層３ａ、５ａのい
ずれか一方のみを設ける場合においても発光効率、発光
輝度向上効果を得ることができる。 （２） （Ａｌ1-x Ｇａx ）1-z Ｉｎz Ｐで表わすこと
ができる第１及び第２のｎ型クラッド層３ａ、３ｂにお
けるＡｌとＧａの割合即ちｘの値を０．３以外の値に変
えることができる。また、（Ａｌ1-y Ｇａy ）1-z Ｉｎ
z Ｐで表わすことができる第１及び第２のｐ型クラッド
層５ａ、５ｂにおけるＡｌとＧａの割合即ちｙの値をｘ
の値と異なる範囲で変えることができる。 （３） バッファ層２を省くこと又はこれを複数のバッ
ファ層にすること、基板１を省くこともできる。 （４） 第１のクラッド層３ａ、５ａのキャリア濃度を
活性層４側から第２のクラッド相３ｂ、５ｂに向かって
段階的に増加させてもよい。 （５） 半導体レ−ザ素子に適用することもできる。こ
の場合、しきい電流Ｉthの低減、微分量子効率の向上が
図れる。 （６） 第１及び第２の実施例では、第１及び第２のク
ラッド層５ａ、５ｂの格子定数がＩｎの混晶比の相違に
よって変化している。第１及び第２のクラッド層５ａ、
５ｂの格子定数を変えないように、ＡｌとＧａの割合を
第１及び第２のクラッド層５ａ、５ｂで変えることがで
きる。即ち、第１のクラッド層５ａに於けるＧa に対す
るＡｌの割合を第２のクラッド層５ｂのそれよりも大き
くすると、格子定数を同一に保って第１のｐ型クラッド
層５ａのエネルギ−ギャップを広げることができる。 （７） 本実施例では、電子に対する閉じ込め効果を向
上する目的で、第１のｐ型クラッド層５ａのＩｎの混晶
比を減少させたが、第１のｎ型クラッド層３ａのＩｎの
混晶比も減少させて正孔に対する閉じ込め効果を向上し
てもよい。しかしながら、正孔は電子に比べてモビリテ
ィが低いので、Ｉｎの混晶比を減少して電位障壁を高め
ることによる閉じ込め効果は電子に対するほど顕著に得
られない。したがって、第１のｐ型クラッド層５ａのＩ
ｎの混晶比を減少するのみで十分に発光輝度を高めるこ
とができる。[Modifications] The present invention is not limited to the above-described embodiment, and for example, the following modifications are possible. (1) Even when only one of the first n-type and p-type clad layers 3a and 5a is provided, it is possible to obtain the luminous efficiency and luminous luminance improving effects. (2) The ratio of Al and Ga in the first and second n-type cladding layers 3a and 3b that can be represented by (Al 1-x Ga x ) 1-z In z P, that is, the value of x is other than 0.3. Can be changed to the value of. Further, (Al 1-y Ga y ) 1-z In
The ratio of Al to Ga in the first and second p-type cladding layers 5a and 5b, which can be represented by z P, that is, the value of y is x.
It can be changed in a range different from the value of. (3) The buffer layer 2 may be omitted, or the buffer layer 2 may be a plurality of buffer layers, or the substrate 1 may be omitted. (4) The carrier concentration of the first cladding layers 3a and 5a may be increased stepwise from the active layer 4 side toward the second cladding phases 3b and 5b. (5) It can also be applied to a semiconductor laser device. In this case, the threshold current Ith can be reduced and the differential quantum efficiency can be improved. (6) In the first and second embodiments, the lattice constants of the first and second cladding layers 5a and 5b are changed due to the difference in In mixed crystal ratio. The first and second cladding layers 5a,
The ratio of Al to Ga can be changed between the first and second cladding layers 5a and 5b so as not to change the lattice constant of 5b. That is, when the ratio of Al to Ga in the first cladding layer 5a is made larger than that of the second cladding layer 5b, the lattice constant is kept the same and the energy gap of the first p-type cladding layer 5a is kept. Can be expanded. (7) In the present embodiment, the mixed crystal ratio of In in the first p-type cladding layer 5a was reduced in order to improve the effect of confining electrons, but the In mixed in the first n-type cladding layer 3a was mixed. The crystal ratio may also be reduced to improve the effect of confining holes. However, since holes have lower mobility than electrons, the confinement effect by decreasing the mixed crystal ratio of In and increasing the potential barrier is not so remarkable as that for electrons. Therefore, I of the first p-type cladding layer 5a
The emission brightness can be sufficiently increased only by decreasing the mixed crystal ratio of n.
【図１】従来のダブルヘテロ構造発光ダイオードのエネ
ルギー準位を概念的に示す図である。FIG. 1 is a diagram conceptually showing an energy level of a conventional double hetero structure light emitting diode.
【図２】本発明の第１の実施例のダブルヘテロ構造の発
光素子を示す断面図である。FIG. 2 is a cross-sectional view showing a light emitting device having a double hetero structure according to a first embodiment of the present invention.
【図３】図２の発光素子のエネルギー準位を概念的に示
す図である。3 is a diagram conceptually showing energy levels of the light emitting device of FIG.
【図４】第２の実施例の発光素子のエネルギ−準位を概
念的に示す図である。FIG. 4 is a diagram conceptually showing energy levels of a light emitting device of a second embodiment.
３ａ、３ｂ 第１及び第２のｎ型クラッド層 ４ 活性層 ５ａ、５ｂ 第１及び第２のｐ型クラッド層 3a, 3b First and second n-type cladding layers 4 Active layer 5a, 5b First and second p-type cladding layers
Claims (2)
されたｎ型クラッド層と、前記活性層の他方の側に配置
されたｐ型クラッド層とを備えた半導体発光素子におい
て、 前記ｎ型クラッド層と前記ｐ型クラッド層との内の少な
くとも一方が前記活性層に隣接する第１のクラッド層と
この第１のクラッド層に隣接する第２のクラッド層とを
有し、 前記第１のクラッド層は前記第２のクラッド層よりも低
いキャリア濃度を有し且つ前記第２のクラッド層よりは
薄いが量子力学的トンネル効果が生じる厚さよりは厚い
厚さを有し、 前記活性層と前記第２のクラッド層の間の電位障壁の高
さが前記活性層と前記第１のクラッド層の間の電位障壁
の高さよりも高く設定され、 前記第１及び第２のクラッド層はＡＩＧａＩｎＰから成
り、 前記第１のクラッド層のＡｌＧａに対するＩｎの割合が
前記第２のクラッド層のＡｌＧａに対するのＩｎの割合
よりも低く設定されていることを特徴とする半導体発光
素子。1. A semiconductor light emitting device comprising an active layer, an n-type cladding layer arranged on one side of the active layer, and a p-type cladding layer arranged on the other side of the active layer, At least one of the n-type cladding layer and the p-type cladding layer has a first cladding layer adjacent to the active layer and a second cladding layer adjacent to the first cladding layer, The first clad layer has a carrier concentration lower than that of the second clad layer, and has a thickness smaller than that of the second clad layer but larger than a thickness at which a quantum mechanical tunnel effect occurs. The height of the potential barrier between the layer and the second cladding layer is set higher than the height of the potential barrier between the active layer and the first cladding layer, and the first and second cladding layers are AIGaInP, and the first The semiconductor light emitting element characterized in that the ratio of In to AlGa the head layer is set lower than the proportion of In in respect AlGa of the second cladding layer.
が前記活性層側から前記第２のクラッド層に向かって直
線的又は階段的に減少していることを特徴とする請求項
１記載の半導体発行素子。2. The ratio of In in the first cladding layer decreases linearly or stepwise from the side of the active layer toward the second cladding layer. Semiconductor issuing device.
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