JPH08228022A

JPH08228022A - 半導体発光素子

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Publication number: JPH08228022A
Application number: JP3081995A
Authority: JP
Inventors: Hiroaki Okagawa; 広明岡川; Takayuki Hashimoto; 孝行橋本; Keiji Miyashita; 啓二宮下; Tomoo Yamada; 智雄山田; Kazuyuki Tadatomo; 一行只友
Original assignee: Mitsubishi Cable Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Cable Industries Ltd
Priority date: 1995-02-20
Filing date: 1995-02-20
Publication date: 1996-09-03
Anticipated expiration: 2016-01-09
Also published as: EP0727828A3; DE69616108T2; DE69616108D1; EP0727828B1; US5635733A; EP0727828A2; JP3122324B2

Abstract

(57)【要約】【目的】発光部の材料としてＩｎＧａＡｌＰ系の化合
物半導体を用いる発光素子において、電流拡散層の構成
および材料を特定し、より発光効率が高く、優れた素子
寿命の発光素子を提供すること。【構成】下部電極４、ｎ型の半導体基板１、ＩｎＧａ
ＡｌＰ系の化合物半導体からなる発光部２、電流拡散層
３、上部電極５を有する発光素子であって、当該電流拡
散層が、その下部３ａのキャリア濃度が上部３ｂのキャ
リア濃度よりも低いものであり、かつ、少なくとも上部
３ｂがＧａＰからなるものである。電流拡散層のキャリ
ア濃度は、層厚方向に段階的または連続的に変化するも
のでよく、電流拡散層の材料は、全体をＧａＰ、また
は、上層をＧａＰ、下層をＡｌＧａＡｓとする等が挙げ
られる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ＩｎＧａＡｌＰ系の化
合物半導体が発光部の材料として用いられてなる半導体
発光素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体発光素子（以下、単に「発光素
子」）のなかでも、赤色〜緑色の発光を示すものとし
て、ｎ型のＧａＡｓ基板上にＩｎＧａＡｌＰ系の化合物
半導体材料からなる発光部を有し、該発光部上にさらに
電流拡散層を有するものが知られている。図２は、その
構造の一例を模式的に示す図である。同図の例は、ｎ型
のＧａＡｓ基板１上に、ＩｎＧａＡｌＰ系の化合物半導
体材料からなる発光部２、電流拡散層３Ａが順に形成さ
れ、電極４、５が、これら基板・発光部・電流拡散層を
積層方向に挟むように設けられている。電流拡散層３Ａ
にはハッチングを施して強調している。発光部の構造
は、活性層２２を、より大きなバンドギャップのｎ型ク
ラッド層２１とｐ型クラッド層２３とで挟んだダブルヘ
テロ接合構造である。以下、基板側の電極を下部電極、
発光部側の電極を上部電極という。電流拡散層３Ａは、
上部電極からの電流を広げ、活性層の広範囲な面からの
発光を得るためのものであって、発光部から発せられる
光を透過させる窓層としての機能も合わせ持つ材料によ
って形成される。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】電流拡散層は、上記の
ように、上部電極からの電流を発光面に対してより広範
囲に広げるための層であるので、層の厚みが同じ場合、
用いられる半導体材料の抵抗率は低い方が好ましい。半
導体材料の抵抗率を低くするためには、キャリア濃度を
高くする必要がある。ところが、ドーパントを高濃度に
添加して電流拡散層のキャリア濃度を高くすると、その
ドーパントは発光部に拡散して活性層にまで達し、非発
光中心として作用する結果、発光効率が低下するという
問題があった。また、このように発光部までドーパント
が拡散した発光素子は、寿命が極端に短いなど、電流拡
散層に関連して信頼性の上で問題があった。

【０００４】本発明の目的は、発光部の材料としてＩｎ
ＧａＡｌＰ系の化合物半導体を用いる発光素子におい
て、電流拡散層の構成および材料を特定し、発光効率が
より高く、優れた素子寿命を有する発光素子を提供する
ことである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明の発光素子は、以
下の特徴を有するものである。 (1) 一方の面に下部電極を有するｎ型の半導体基板の他
方の面側に、該基板側から順に、ＩｎＧａＡｌＰ系の化
合物半導体材料からなるｐｎ接合部を有する発光部と、
ｐ型の電流拡散層と、上部電極とを有する半導体発光素
子であって、電流拡散層のキャリア濃度が、発光部側が
上部電極側よりも低いものであり、かつ、少なくとも電
流拡散層の上部電極側が、ＧａＰからなるものであるこ
とを特徴とする発光素子。 (2) 電流拡散層の全体がＧａＰからなるものである上記
(1)記載の発光素子。 (3) 電流拡散層が異なる材料からなる２層の構造であっ
て、その上部電極側がＧａＰからなり、発光部側がＩｎ
ＧａＡｌＰまたはＡｌＧａＡｓからなるものである上記
(1)記載の発光素子。 (4) 電流拡散層のキャリア濃度が、層厚方向に段階的に
変化するものである上記(1)〜 (3)記載の発光素子。 (5) 電流拡散層のキャリア濃度が、層厚方向に連続的に
変化するものである上記(1)または (2)記載の発光素
子。 (6) 電流拡散層の発光部側のキャリア濃度が５×１０¹⁶
ｃｍ^-3〜５×１０¹⁷ｃｍ ^-3、電流拡散層の上部電極側の
キャリア濃度が８×１０¹⁷ｃｍ^-3〜１×１０¹⁹ｃｍ^-3で
ある上記 (1)〜 (3)記載の発光素子。 (7) 電流拡散層のキャリア濃度を決定するために用いら
れるドーパントがＺｎである上記 (1)記載の発光素子。 (8) 半導体基板がＧａＡｓ基板であって、発光部がｎ型
のクラッド層、活性層、ｐ型のクラッド層を基板側から
この順に積層してなるダブルヘテロ接合構造である (1)
記載の発光素子。

【０００６】

【作用】本発明の発光素子は、発光部と上部電極との間
に電流拡散層が設けられたものであるが、この電流拡散
層に次の２つの特徴を同時に付与することが重要であっ
て、それによって後述の作用が得られる。（１）電流拡散層の発光部側のキャリア濃度が、電流拡
散層の上部電極側のキャリア濃度よりも低い。（以下、
電流拡散層の発光部側を「拡散層下部」、電流拡散層の
上部電極側を「拡散層上部」という。）（２）少なくとも拡散層上部がＧａＰからなる。上記２つの特徴を同時に有することによって、次に説明
するように、従来にはない特に優れた電流拡散層の作用
が得られる。

【０００７】先ず上記（１）の特徴が示す作用は、拡散
層下部のキャリア濃度を低く設定することによって、拡
散層上部のキャリア濃度を高く設定しても、そのドーパ
ントが発光部に拡散することが抑制されるというもので
ある。従って、拡散層上部のキャリア濃度を所望の値ま
で充分高く設定することが可能となり、拡散層下部を含
めた電流拡散層全体としての抵抗率はより低い値とする
ことが可能となる。次いでこれに（２）の特徴が必須に
加えられることによって、（１）の特徴によるドーパン
ト拡散防止の作用はより顕著となる。即ち、ＧａＰはＡ
ｌを含まない化合物半導体であるから、そのエピタキシ
ャル成長時にＧａＰ結晶内に取り込まれる酸素原子の量
は、Ａｌを含む化合物半導体の場合に比べて充分に少な
い。このため、添加されるドーパント（特にＺｎ）が酸
素によって不活性化されることが殆どなく、Ａｌを含む
化合物半導体の場合に比べて、より少ないドーパントの
添加量でありながら、同等の低い抵抗率が得られる。従
って、ドーパントが多量に添加されるべき拡散層上部に
ＧａＰが用いられることによって、添加されるドーパン
トの総量が少なくて済む結果、拡散層下部がドーパント
拡散を防止する作用はより顕著に示されることになる。

【０００８】また、ＧａＰは、黄色〜緑色の比較的短い
波長の光をよく通過させるという性質を有する他、２元
の化合物半導体であることから結晶性が良く、上部電極
とのコンタクト性が良いためコンタクト層が不必要であ
るという、拡散層上部に用いられる材料として好ましい
長所を数多く有している。さらにＧａＰは、酸化され易
いＡｌを含まないので、耐湿性に優れている。このた
め、特別な酸化防止膜を施す必要がない。

【０００９】

【実施例】以下、実施例を挙げて本発明をさらに詳細に
説明する。図１は、本発明による発光素子の一実施例の
構造を模式的に示す図である。同図に例示する発光素子
は、ｎ型のＧａＡｓ基板１上に、ダブルヘテロ接合構造
を有する発光部２が形成され、さらにその上にｐ型の電
流拡散層３が形成されたＬＥＤである。本実施例では、
電流拡散層３は、キャリア濃度が互いに段階的に異なる
２層の構造例であり、拡散層下部の層３ａ、拡散層上部
の層３ｂ、共にｐ型のＧａＰからなる。拡散層下部の層
３ａのキャリア濃度は、拡散層上部の層３ｂのキャリア
濃度よりも低く設定されている。同図では、拡散層下部
の層３ａ、拡散層上部の層３ｂに各々ハッチングを施し
て強調している。発光部２は、ＩｎＧａＡｌＰ系の化合
物半導体材料からなり、基板側から、ｎ型のクラッド層
２１、活性層２２、ｐ型のクラッド層２３の順に積層さ
れたダブルヘテロ接合構造である。また、ＧａＡｓ基板
１の下面には下部電極５が、最上層には上部電極６が形
成されている。このような電流拡散層の構成とすること
によって、発光効率を従来に比べてより向上させること
ができ、また、発光素子としての寿命が長く、信頼性に
優れたものが作製できる。

【００１０】電流拡散層は、発光部からの光を通過させ
得るｐ型の半導体からなる層であって、少なくとも上部
はＧａＰによって形成される。具体的には、本実施例の
ように全体がＧａＰからなる構造や、図２に示すよう
に、上部がＧａＰからなり下部が他の半導体結晶からな
る２層の構造が挙げられる。材料の面で２層の構造であ
る場合、下側の層に好ましく用いられる半導体材料とし
ては、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｌＰ等が挙げられる。
電流拡散層の全体がＧａＰからなる構造は、製造時にお
いて結晶成長させる場合の材料切替えが省略でき、また
結晶性が良好である点では好ましい構造である。また、
場合によっては、材料の異なる３層以上の多層の構造で
あってもよい。その場合も、最上層はＧａＰである。

【００１１】電流拡散層のキャリア濃度は、下部のキャ
リア濃度が上部のキャリア濃度よりも低くなるように設
定されるものであればよい。キャリア濃度の層厚方向の
変化は、拡散層下部から拡散層上部に向かって段階的に
変化するものや、拡散層下部から拡散層上部にわたって
連続的に上昇変化するもの等が挙げられる。キャリア濃
度が段階的に変化する場合は、本実施例のように２段階
の変化で有効な作用が得られるが、場合によっては３段
階以上の変化であってもよい。キャリア濃度が連続的に
変化する場合には、所望の電流拡散性、ドーパントの拡
散防止性が得られるように、適宜、キャリア濃度の変化
を決定すればよい。

【００１２】拡散層上部は、上記したように低い抵抗率
となるように多量のドーパントが添加されるものであ
る。拡散層上部の好ましいキャリア濃度としては、８×
１０¹⁷ｃｍ^-3〜１×１０¹⁹ｃｍ^-3、特に好ましくは、１
×１０¹⁸ｃｍ^-3〜５×１０¹⁸ｃｍ^-3の範囲が挙げられ
る。電流がどれだけ広がるかは、電流拡散層の抵抗率と
厚みによって決まる。例えば電流を発光部全体に広げる
ためには、キャリア濃度を３×１０¹⁸ｃｍ^-3とした場
合、電流拡散層の厚みは６μｍ程度が好ましい値とな
る。拡散層下部は、拡散層上部のドーパントが発光部に
拡散することをその部分で抑制でき、該拡散層下部から
ドーパントの拡散が生じず、電圧降下を起こさないキャ
リア濃度に設定される。拡散層下部の好ましいキャリア
濃度としては、５×１０¹⁶ｃｍ^-3〜５×１０¹⁷ｃｍ^-3、
特に好ましくは、１×１０¹⁷ｃｍ^-3〜３×１０¹⁷ｃｍ^-3
の範囲が挙げられる。拡散層下部の厚みはドーパントの
拡散を抑制できる厚みであればよい。例えば、電流拡散
層のキャリア濃度が２段階に変化する場合には、拡散層
下部の厚みは、０．１μｍ〜５μｍ、特に好ましくは、
０．５μｍ〜２μｍの範囲が挙げられる。

【００１３】基板は、発光部の材料であるＩｎＧａＡｌ
Ｐ系の化合物半導体に対して良好に格子整合するもので
あればよい。本実施例ではＧａＡｓを用いた。ＧａＡｓ
基板上には、先ず始めに、基板と同じ組成のバッファ層
を形成しておくことが、結晶の品質を向上させるために
は好ましい。即ち、本実施例ではＧａＡｓをバッファ層
として０．１μｍ〜１μｍ程度形成する。なお、図１で
はバッファ層の図示を省略している。

【００１４】発光部は、ホモ接合やヘテロ接合など２層
からなる単純なｐｎ接合の他、ダブルヘテロ接合、ある
いは、１つまたは多重の量子井戸構造であってよい。発
光部に用いられる材料は、ＩｎＧａＡｌＰ系の化合物半
導体材料が挙げられる。ＩｎＧａＡｌＰ系の化合物半導
体材料とは、Ｉｎ_y（Ｇａ_1-XＡｌ_X）_1-yＰ、０≦ｘ
≦１、０≦ｙ≦１で決定される化合物半導体材料であっ
て、組成比ｘ、ｙの値は、目的の発光波長に応じて決定
すればよい。本実施例による発光部は、ダブルヘテロ接
合構造の一例であって、その具体的な組成比は、次のと
おりである。クラッド層；Ｉｎ_0.49（Ｇａ_0.3Ａｌ_0.7）_0.51Ｐ活性層；Ｉｎ_0.49（Ｇａ_0.7Ａｌ_0.3）_0.51Ｐ

【００１５】各層の導電型を決定するためのドーパント
としては特に限定されないが、ｎ型にはＳｅ、Ｓｉ等、
ｐ型にはＺｎ、Ｍｇ等が好ましいものとして例示され
る。本実施例ではｐ型にＺｎ、ｎ型にＳｅを用いた。

【００１６】電極には、公知の材料および構造のものが
使用可能であるが、本発明は、拡散層上部をＧａＰで形
成するものであるから、上部電極を形成するためのコン
タクト層は特に必要としない。本実施例では、上部電極
をＡｕＢｅ（０．３μｍ）／Ａｕ（１μｍ）とし、下部
電極をＡｕＳｎ（０．１μｍ）／Ａｕ（１μｍ）とし
た。

【００１７】〔性能確認実験〕実験１本実験では、本発明による発光素子と従来の発光素子の
性能を、各々の相対輝度によって比較した。相対輝度
は、通電初期の輝度に対する所定時間通電時の輝度の割
合である。本発明による発光素子の試験用サンプルに
は、上記実施例で示したＬＥＤを用いた。その各層の材
料、厚み、キャリア濃度は次の通りである。拡散層上部；ＧａＰ、６μｍ、３×１０¹⁸ｃｍ^-3 拡散層下部；ＧａＰ、１μｍ、３×１０¹⁷ｃｍ^-3 ｐ型クラッド層；Ｉｎ_0.49（Ｇａ_0.3Ａｌ_0.7）
_0.51Ｐ、；１μｍ、３×１０¹⁷ｃｍ^-3 活性層；Ｉｎ_0.49（Ｇａ_0.7Ａｌ_0.3）
_0.51Ｐ、；０．５μｍ、アンドープｎ型クラッド層；Ｉｎ_0.49（Ｇａ_0.3Ａｌ_0.7）
_0.51Ｐ、；１μｍ、５×１０¹⁷ｃｍ^-3 ｎ型バッファ層；ＧａＡｓ、０．５μｍ、４×１０¹⁷ｃ
ｍ^-3 ｎ型結晶基板；ＧａＡｓ、３５０μｍ、３×１０¹⁸ｃ
ｍ^-3 また、従来の発光素子の試験用サンプルには、拡散層下
部が無いこと以外は、本発明の試験用サンプルと同様の
仕様のＬＥＤを用いた。即ち、電流拡散層が拡散層上部
に対応する層だけからなり、その厚みは６μｍである。

【００１８】本発明および従来のＬＥＤに対して、２５
℃、５０ｍＡの通電を行い、各々、相対輝度（通電初期
の輝度に対する所定時間通電時の輝度の割合）の時間的
な変化を調べた。その通電時間（ｈｒ）と相対輝度
（％）の関係を図３にグラフとして示す。同図のグラフ
では、本発明によるＬＥＤを太い実線で、従来のＬＥＤ
を一点鎖線で示した。図３のグラフから明らかなよう
に、本発明によるＬＥＤは発光強度の経時的な低下が少
ないが、従来のＬＥＤは発光強度の急速な低下が生じて
いる。このことから、本発明による発光素子が、優れた
素子寿命を有するものであることが確認できた。

【００１９】実験２本実験では、本発明による発光素子と従来の発光素子に
対して湿度通電試験を行い各々の相対輝度を比較した。
本発明による発光素子の試験用サンプルには、上記実験
１と同様のものを用いた。また、従来の発光素子の試験
用サンプルとしては、拡散層下部および拡散層上部の材
料としてＡｌＧａＡｓを用いた以外は本発明の試験用サ
ンプルと同様の仕様のＬＥＤを用いた。本発明および従
来のＬＥＤに対して、８５℃、８５％、２０ｍＡの湿度
通電試験を行い、各々の相対輝度の時間的な変化を調べ
た。この湿度通電試験における通電時間（ｈｒ）と相対
輝度（％）の関係を図４にグラフとして示す。同図のグ
ラフも、図３と同様、本発明によるＬＥＤを太い実線
で、従来のＬＥＤを一点鎖線で示している。図４のグラ
フから明らかなように、本発明によるＬＥＤは発光強度
の経時的な低下が少ないが、従来のＬＥＤは発光強度の
急速な低下が生じている。このことから、本発明による
発光素子が、高湿度等の環境下においても高い信頼性を
有し、また、優れた素子寿命を有するものであることが
確認できた。

【００２０】

【発明の効果】以上詳述したように、発光素子に設けら
れる電流拡散層に対して、その下部のキャリア濃度を上
部のキャリア濃度よりも低くするという特徴と、少なく
ともその上部をＧａＰで形成するという特徴とを同時に
与えることによって、拡散層下部は、拡散層上部から発
光部へ拡散しようとするドーパントに対して、特に優れ
た拡散抑制の作用を示し発光部を保護する。これによっ
て、従来のもの比べて、より優れた発光効率が得られ、
また、寿命が長く、信頼性に優れた発光素子が作製でき
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による発光素子の一実施例の構造を模式
的に示す図である。

【図２】従来の、発光素子の構造の一例を模式的に示す
図である。

【図３】本発明および従来のＬＥＤに対して通電試験を
行った場合の、各々の相対輝度の時間的な変化を示すグ
ラフ図である。

【図４】本発明および従来のＬＥＤに対して湿度通電試
験を行った場合の、各々の相対輝度の時間的な変化を示
すグラフ図である。

【符号の説明】

１ｎ型の半導体基板２発光部３電流拡散層４下部電極５上部電極

フロントページの続き (72)発明者山田智雄兵庫県伊丹市池尻４丁目３番地三菱電線工業株式会社伊丹製作所内 (72)発明者只友一行兵庫県伊丹市池尻４丁目３番地三菱電線工業株式会社伊丹製作所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】一方の面に下部電極を有するｎ型の半導
体基板の他方の面側に、該基板側から順に、ＩｎＧａＡ
ｌＰ系の化合物半導体材料からなるｐｎ接合部を有する
発光部と、ｐ型の電流拡散層と、上部電極とを有する半
導体発光素子であって、電流拡散層のキャリア濃度が、
発光部側が上部電極側よりも低いものであり、かつ、少
なくとも電流拡散層の上部電極側が、ＧａＰからなるも
のであることを特徴とする半導体発光素子。
【請求項２】電流拡散層の全体が、ＧａＰからなるも
のである請求項１記載の半導体発光素子。
【請求項３】電流拡散層が異なる材料からなる２層の
構造であって、その上部電極側がＧａＰからなり、発光
部側がＩｎＧａＡｌＰまたはＡｌＧａＡｓからなるもの
である請求項１記載の半導体発光素子。
【請求項４】電流拡散層のキャリア濃度が、層厚方向
に段階的に変化するものである請求項１〜３記載の半導
体発光素子。
【請求項５】電流拡散層のキャリア濃度が、層厚方向
に連続的に変化するものである請求項１または２記載の
半導体発光素子。
【請求項６】電流拡散層の発光部側のキャリア濃度が
５×１０¹⁶ｃｍ^-3〜５×１０¹⁷ｃｍ^-3、電流拡散層の上
部電極側のキャリア濃度が８×１０¹⁷ｃｍ^-3〜１×１０
¹⁹ｃｍ^-3である請求項１記載の半導体発光素子。
【請求項７】電流拡散層のキャリア濃度を決定するた
めに用いられるドーパントがＺｎである請求項１記載の
半導体発光素子。
【請求項８】半導体基板がＧａＡｓ基板であって、発
光部がｎ型のクラッド層、活性層、ｐ型のクラッド層を
基板側からこの順に積層してなるダブルヘテロ接合構造
である請求項１記載の半導体発光素子。