JPH09172197A

JPH09172197A - 半導体発光素子

Info

Publication number: JPH09172197A
Application number: JP33088495A
Authority: JP
Inventors: Hiroaki Okagawa; 広明岡川; Tomoo Yamada; 智雄山田
Original assignee: Mitsubishi Cable Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Cable Industries Ltd
Priority date: 1995-12-19
Filing date: 1995-12-19
Publication date: 1997-06-30

Abstract

(57)【要約】【課題】サブピーク光の発生を抑制し得る新たな構造
が付与された発光素子を提供すること。【解決手段】半導体発光素子の結晶基板１と発光部３
との間に光抑制層２を設ける。該光抑制層は、そのバン
ドギャップ中に深い準位が形成された半導体材料からな
るものであり、その深い準位は、発光部３から発せられ
たメインピーク光Ｌ１が該光抑制層を励起したときその
深い準位からの発光が支配的であるように形成されたも
のである。ＧａＡｓ結晶基板とＡｌＧａＡｓ系の発光部
とを有する半導体発光素子などに対して有用な構造であ
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体発光素子の
構造に関する。

【０００２】

【従来の技術】ＬＥＤなどの半導体発光素子（以下、
「発光素子」という）における目的の発光の中心波長
は、光を発する部分として用いられる半導体結晶材料の
バンドギャップでほぼ決まる場合が多い。また、その光
は、中心波長だけでなく該中心波長をピークとして特定
の波長範囲にわたる発光である。以下、目的の発光を
「メインピーク光」、その中心波長を「メインピーク波
長」という。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】発光素子においては、
上記メインピーク光とは別に、これと離れた他の波長帯
にも発光が生じ、問題となる場合がある。例えば、Ｇａ
Ａｓ結晶基板上にＡｌＧａＡｓのｐｎ接合構造を発光部
として結晶成長させた赤色ＬＥＤの場合について説明す
ると、メインピーク波長が６５０ｎｍ〜６７０ｎｍであ
るのに対して、８８０ｎｍ〜９００ｎｍ付近を中心波長
とする発光が観測される等の現象例が知られている。以
下、このような他の波長帯に生じる発光を「サブピーク
光」、その中心波長を「サブピーク波長」という。サブ
ピーク光の発生の原因は、メインピーク光の照射により
結晶基板が励起されて放出されるフォトルミネセンスで
あることが知られている。

【０００４】サブピーク光は、発光素子設計上の目的に
対して意図しない波長帯での発光である。従って、この
ような発光が生じるような発光素子を、例えば光電セン
サーの光源に用いると、誤動作などが発生し種々の問題
となる。

【０００５】サブピーク光を抑制するための一つの方法
として、結晶基板のキャリア濃度を低くする方法が知ら
れているが、そのような方法では電気特性が悪化し、ま
たキャリア濃度を低くしてもサブピーク光の十分な抑制
はできない。また他の方法として、結晶基板を除去する
方法が知られているが、結晶基板を除去すると厚みが薄
くなる分だけ、機械的強度が低下し、また実装時におけ
るチップの保持シロが少なくなるなどの問題があるの
で、これを補うために結晶基板上に成長させる他の結晶
層を厚くする必要がある。しかし、他の結晶層を厚くす
ると結晶基板との熱膨張係数が異なるため、ウエハーの
段階で全体に「反り（湾曲）」が生じる。ウエハー全体
に生じた反りは、結晶基板を除去し分割しても解消され
ず、チップ化工程において歩留りが低下する原因ともな
る。

【０００６】本発明の目的は、サブピーク光の発生を抑
制し得る新たな構造が付与された発光素子を提供するこ
とである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明の半導体発光素子
は、次の特徴を有するものである。（１）結晶基板と発光部との間に光抑制層が設けられ、
その光抑制層はそのバンドギャップ中に深い準位が形成
された半導体材料からなるものであり、その深い準位
は、発光部から発せられた光が当該光抑制層を励起した
ときその深い準位からの発光が支配的であるように形成
されたものであることを特徴とする半導体発光素子。

【０００８】（２）深い準位からの発光波長が１．１μ
ｍ以上であり、深い準位からの発光強度の割合が、励起
された光抑制層から発せられる全発光強度の５０％以上
である上記（１）記載の半導体発光素子。

【０００９】（３）結晶基板がＧａＡｓからなり、光抑
制層のバンドギャップが発光部の光を放出する部分に用
いられる半導体材料のバンドギャップ以下である上記
（１）記載の半導体発光素子。

【００１０】

【作用】本発明において設けられる光抑制層には、母材
として、メインピーク光によって励起され得、その励起
によってメインピーク光と同じ波長またはそれよりも長
い波長の光を発し得る半導体を用いる。この母材となる
半導体のバンドギャップ中に深い準位を形成し、当該光
抑制層の半導体結晶材料とする。その深い準位は、当該
光抑制層の半導体結晶材料がメインピーク光によって励
起され光を放出するとき、その深い準位からの光の放出
が当該光抑制層からの光の放出に対して支配的であるよ
うに形成する。

【００１１】このような光抑制層を、発光部と結晶基板
との間に設けることによって、発光部から基板側に向か
うメインピーク光は、光抑制層内に到達したとき大部分
が光抑制層に吸収される。メインピーク光は光抑制層を
励起するが、深い準位の存在によって、光抑制層から
は、その母材のバンド間遷移光（サブピーク光）はほと
んど放出されず、深い準位を介したより長い波長の発光
や熱の放出に振り替わる。通常、発光素子から発せられ
る光全体の強度に占めるサブピーク光の強度の割合は、
キャリア濃度に依存し、キャリア濃度５×１０¹⁷ｃｍ^-3
で２％程度、キャリア濃度３×１０¹⁸ｃｍ^-3で８％程度
である。これに対して、例えば、光抑制層のキャリア濃
度を酸素ドープによって１×１０¹⁷ｃｍ^-3以下とした場
合、サブピーク光は１％以下となる。従って、励起され
た光抑制層から発せられる全発光中に占める深い準位か
らの発光強度の割合を５０％以上にすることで、発光素
子から発せられる光全体に占めるサブピーク光の発光強
度の割合は、０．５％以下となる。また、その母材のバ
ンド間遷移光が放出されてもその割合が小さいので問題
とならない。

【００１２】従って、結晶基板内に到達するメインピー
ク光の量を当該光抑制層において好ましく減少させるこ
とができ、その結果、結晶基板から発せられ問題となっ
ていた波長帯のサブピーク光を抑制することができる。

【００１３】また、一般に、光デバイスにおける受光素
子にはＳｉフォトダイオードが用いられ、その感度は波
長１．１μｍ以上で無くなる。従って、深い準位からの
発光を１．１μｍ以上の波長になるように該深い準位を
形成することによって、受光素子の感度外となるので誤
動作は起こさない。

【００１４】「深い準位（deep level）」は、バンドギ
ャップ間に形成されるエネルギー準位であって、「深い
エネルギー準位」、「トラップ準位」とも呼ばれる。本
発明において光抑制層に形成すべき「深い準位」とは、
例えば、十分よく精製されたＧａＡｓ単結晶にも不可避
的に存在する不純物や欠陥による深い準位（例えば、Ｅ
Ｌ２準位）のことだけではなく、バンド間遷移発光強度
よりもその発光強度が大きくなる様に形成したものであ
れば良く、例えば酸素が多量にドープされたＡｌＧａＡ
ｓでみられる発光などを指す。一例として J. Electro
n. Matter. Vol. 13 P437 (1984) には酸素が多量に入
ったサンプルのフォトルミネッセンススペクトルが示さ
れている。これには酸素が多量に入った場合バンド間遷
移発光は観測されず、酸素に関与した深い準位からの発
光のみしか観測されていない。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、本発明を図を用いて詳細に
説明する。図１は、本発明による発光素子の構造の一例
を模式的に示す図である。同図に例示する発光素子は、
ｐ型のＧａＡｓ結晶基板１上に、光抑制層２が結晶成長
され、更にその上に発光部３が結晶成長され形成された
ＬＥＤである。同図の例では、光抑制層２は、不純物と
して酸素原子がドープされそのバンドギャップ中に深い
準位を有するＡｌ_0.1Ｇａ_0.9Ａｓ結晶層である。発光
部３は、Ａｌ_0.35Ｇａ_0.65Ａｓの活性層３ｂが、Ａｌ
_0.7Ｇａ_0.3Ａｓのｐ型クラッド層３ａと、Ａｌ_0.7Ｇ
ａ_0.3Ａｓのｎ型クラッド層３ｃとによって挟まれてな
るダブルヘテロ構造である。光抑制層や結晶基板の伝導
型は、発光部がｐ型、ｎ型のいずれの型を基板側とする
かによって決定されるが、以下、説明の便宜上、基板側
がｐ型のものを例示する。また、同図では、説明のため
に電極等の付帯的な構造は省略し、光抑制層２だけにハ
ッチングを施している。

【００１６】このような構成とすることによって、上記
作用において説明したように、発光部３からＧａＡｓ結
晶基板側に発せられたメインピーク光Ｌ１の大部分を、
光抑制層２がサブピーク光を発することなく好ましく吸
収し、ＧａＡｓ結晶基板１に到達するメインピーク光の
量を減少させる結果、ＧａＡｓ結晶基板から発せられる
サブピーク光が抑制される。

【００１７】結晶基板は、光抑制層や発光部など、種々
の半導体結晶層を成長させるための基礎となる結晶であ
る。結晶基板の材料としては、単一の元素からなる半導
体、上記例のＧａＡｓのような化合物半導体の他、成長
させるべき半導体結晶と格子定数の整合性が良好であれ
ば、絶縁体等、どのようなものであってもよい。

【００１８】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接合構造の他、図１の例のようなダ
ブルヘテロ接合構造、あるいは、１つまたは多重の量子
井戸構造などが挙げられる。

【００１９】本発明は、メインピーク光によって励起さ
れて結晶基板が発するサブピーク光を抑制するものであ
る。従って、結晶基板と発光部との材料の組み合わせ
は、そのような現象が発生し得るものを対象とする。結
晶基板と発光部の材料の代表的な組み合わせとしては、
例えば、図１の例のようなＧａＡｓ結晶基板とＡｌＧａ
Ａｓ系の化合物半導体材料からなる発光部との組み合わ
せの他、ＧａＡｓ結晶基板とＩｎＧａＡｌＰ系の化合物
半導体材料、ＧａＡｓ結晶基板とＺｎＳｅ系等の化合物
半導体材料などの組み合わせが挙げられる。ＡｌＧａＡ
ｓ系の化合物半導体材料とは、Ａｌ_xＧａ_1-xＡｓ、０
≦ｘ≦１で決定される化合物半導体材料である。

【００２０】光抑制層の材料の母材としては、メインピ
ーク光のエネルギーの大きさ以下のバンドギャップを有
する半導体を母材とする。即ち、活性層などの発光部の
光を放出する部分に用いられる半導体材料のバンドギャ
ップ以下の材料を用いる。また、光抑制層は、発光部と
結晶基板との間に介在するものであるから、発光部の結
晶品質を低下させないためにも、これらとの格子整合性
が良好な母材を用いることが好ましい。このような点か
ら、光抑制層を形成する材料の母材は、結晶基板と同じ
材料とすることが最も好ましい。

【００２１】光抑制層の材料に形成すべき深い準位は、
上記作用の説明で述べたように、メインピーク光が光抑
制層を励起したとき、その深い準位からの発光が支配的
となるように形成されたものであればよく、特定の不純
物を添加して形成する。光抑制層の母材をＡｌＧａＡｓ
とする場合、深い準位の好ましい値としては、１．１μ
ｍ以上の発光が得られる方が好ましいことから、１．１
２７ｅＶ以下とすることが好ましい。またその不純物と
しては、例えば、Ｏ（酸素）、Ｃｕ、Ｆｅなどが挙げら
れる。

【００２２】上記のように、光抑制層は深い準位からの
発光が支配的となるように形成されたものであるから、
材料としては電気的に不活性なものとなり、電気特性が
劣化する。即ち、当該光抑制層の層厚を厚くすれば、メ
インピーク光はよく吸収されサブピーク光の発生も抑制
されるが、電極間の電流に対する障害となって発光特性
は劣化する。逆に、層厚を薄くすれば、発光特性の著し
い劣化は避けられるが、メインピーク光は十分吸収され
ず多くが結晶基板に達する。従って、実使用上において
は、発光特性とサブピーク光抑制のバランスを考慮し、
用途に応じて光抑制層の層厚を適宜決定すればよい。

【００２３】光抑制層の形成方法としては、エピタキシ
ャル成長可能な公知の成膜法が用いられる。特に、光抑
制層のみにドープできるという点で、ＭＯＣＶＤ、ＭＢ
Ｅ法が好ましい成膜法として挙げられる。

【００２４】発光部と光抑制層との間に、他のメカニズ
ムによってサブピーク光を抑制し得る層（他のサブピー
ク光抑制層）をさらに加えることが好ましい。そのよう
な他のサブピーク光抑制層としては、次の（ａ）〜
（ｃ）のものが例示される。

【００２５】（ａ）キャリア濃度が５×１０¹⁷ｃｍ^-3以
下の半導体を２層積層した積層体であって、結晶基板側
の層のバンドギャップが発光部から発せられる光のエネ
ルギー以下であるもの。この積層体の材料は、光抑制層
と同様、発光部と結晶基板との間に介在するものである
から、これらとの格子整合性が良好なものを用いること
が好ましい。また伝導型は結晶基板の伝導型に従う。結
晶基板側の層のキャリア濃度を５×１０ ¹⁷ｃｍ^-3以下と
することによって、サブピーク波長光が抑制され、発光
部側の層を、結晶基板側の層に対するドーパントの拡散
防止層とすることによって、第１番目の半導体のキャリ
ア濃度の上昇が抑制される。このサブピーク光抑制層に
関しては、特開平７−１３１０６５号公報に詳しく記載
されている。

【００２６】（ｂ）発光部からのメインピーク光が結晶
基板側へ透過することを抑制する反射層。この反射層に
よって、発光部から発せられたメインピーク光の大部分
は発光部側に反射され、結晶基板内へ到達する光の量が
抑制される結果、サブピーク光の発生も抑制される。こ
の層の構造は、ブラッグの反射層などが挙げられる。

【００２７】（ｃ）基板から発せられるサブピーク光が
発光部側へ透過することを抑制する反射層。この反射層
によって、結晶基板から発せられたサブピーク光の大部
分は結晶基板側に反射され、外部に放出されるサブピー
ク光の量が抑制される。この層の構造としては、ブラッ
グの反射層のように、互いに屈折率の異なる一対の半導
体層を１組、または複数組積層した態様が挙げられる。
このとき、反射層のバンドギャップをメインピーク光の
エネルギーよりも大きいものとし、メインピーク光が結
晶基板側に透過し得るものとすることが好ましい。ま
た、反射層を構成する一対の半導体層のうち、一方の半
導体層のバンドギャップをメインピーク光のエネルギー
と同等とし、他方の半導体層のバンドギャップをこれよ
りも大きいものと設定する態様も好ましいものとして挙
げられる。

【００２８】

【実施例】以下、実施例を挙げて、本発明による発光素
子を具体的に示す。実施例１本実施例では、ｐ型ＧａＡｓ結晶基板上に、下記の仕様
にて光抑制層と発光部とを結晶成長させ、メインピーク
光６６０ｎｍのＬＥＤを製造した。積層構造の概略は図
１に示すとおりである。ｎ型クラッド層；材料Ａｌ_0.7Ｇａ_0.3Ａｓ、厚み１
０μｍ、ドーパントＳｅ、キャリア濃度１×１０¹⁸ｃｍ
^-3。活性層；材料Ａｌ_0.35Ｇａ_0.65Ａｓ、厚み２μｍ、ド
ーパントＺｎ、キャリア濃度８×１０¹⁷ｃｍ^-3。ｐ型クラッド層；材料Ａｌ_0.7Ｇａ_0.3Ａｓ、厚み５
μｍ、ドーパントＺｎ、キャリア濃度１×１０¹⁸ｃ
ｍ^-3。光抑制層；材料ＡｌＧａＡｓ、厚み２μｍ、ドーパン
トＯ。ｐ型結晶基板；材料ＧａＡｓ、キャリア濃度３×１０
¹⁸ｃｍ^-3。ｐ型側の電極をＡｕＧｅＮｉ／Ａｕとし、ｎ型側の電極
をＡｕＺｎ／Ａｕとした。

【００２９】このＬＥＤと、このＬＥＤと同じ仕様で光
抑制層の無いものとを比較したところ、メインピーク光
を共に同じ強度で放出させたときの結晶基板からのサブ
ピーク光（８７０ｎｍ）の強度は、従来の発光素子では
通常８％のサブピーク光が基板から観測されるが、本実
施例では光抑制層から０．５％のサブピーク光が観測さ
れ、基板への透過光は無かった。従って、基板からのサ
ブピーク光は０％であった。

【００３０】

【発明の効果】以上説明のように、本発明は、サブピー
ク光の発生を抑制し得る新たな構造を有する発光素子で
ある。これの新たなサブピーク光抑制の構造によって、
サブピーク光を抑制するに際して、従来の手段が有して
いた問題や、低い歩留りの問題なども根本から解消され
た。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による発光素子の構造を模式的に示す図
である。

【符号の説明】

１結晶基板２光抑制層３発光部Ｌ１メインピーク光

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】結晶基板と発光部との間に光抑制層が設
けられ、その光抑制層はそのバンドギャップ中に深い準
位が形成された半導体材料からなるものであり、その深
い準位は、発光部から発せられた光が当該光抑制層を励
起したときその深い準位からの発光が支配的であるよう
に形成されたものであることを特徴とする半導体発光素
子。
【請求項２】深い準位からの発光波長が１．１μｍ以
上であり、深い準位からの発光強度の割合が、励起され
た光抑制層から発せられる全発光強度の５０％以上であ
る請求項１記載の半導体発光素子。
【請求項３】結晶基板がＧａＡｓからなり、光抑制層
のバンドギャップが発光部の光を放出する部分に用いら
れる半導体材料のバンドギャップ以下である請求項１記
載の半導体発光素子。