JPH1117218A

JPH1117218A - 半導体発光素子

Info

Publication number: JPH1117218A
Application number: JP16927397A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Hosobane; 弘之細羽
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 1997-06-25
Filing date: 1997-06-25
Publication date: 1999-01-22
Anticipated expiration: 2017-06-25
Also published as: JP3349396B2

Abstract

(57)【要約】【課題】窓層の平坦性を向上でき、結果的に発光効率
及び信頼性を大幅に向上できる半導体発光素子を提供す
る。【解決手段】ｎ−ＧａＡｓ基板２１上に、ｎ−ＧａＡ
ｓバッファ層２２（例えば、Ｓｉ濃度５×１０¹⁷ｃ
ｍ^-3）を０．５μｍ、ｎ−（Ａｌ_xＧａ_1-x）_1-yＩｎＰ
（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１）クラッド層２３（例えば、
ｘ＝０．７，ｙ＝０．５，Ｓｉ濃度５×１０¹⁷ｃｍ^-3）
を１．０μｍ、（Ａｌ_xＧａ_1-x）_1-yＩｎＰ（０≦ｘ≦
１，０≦ｙ≦１）活性層２４（例えば、ｘ＝０．０５，
ｙ＝０．５）を０．５μｍ、ｐ−（Ａｌ_xＧａ_1-x）_1-y
ＩｎＰ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１）クラッド層２５（例
えば、ｘ＝０．７，ｙ＝０．５，Ｚｎ濃度５×１０¹⁷ｃ
ｍ^-3）を１．０μｍ、ｐ−（Ａｌ_xＧａ_1-x）_1-yＩｎＰ
（０＜ｘ＜１，０＜ｙ＜１）窓層２６（例えば、ｘ＝
０．５，ｙ＝０．５）を５μｍ順次積層成長する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ＡｌＧａＩｎＰ系
の半導体発光素子に関し、特に発光効率及び信頼性を向
上できるＡｌＧａＩｎＰ系の半導体発光素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】ＡｌＧａＩｎＰ系の半導体材料を用いた
半導体発光素子は、ＧａＡｓ基板と格子整合が可能であ
ることと、III−Ｖ族化合物半導体の中で最も直接遷移
バンドギャップが大きいことから、可視領域の発光素子
として広く用いられている。特に、発光ダイオードとし
て５５０ｎｍから６９０ｎｍの範囲で直接遷移型の発光
を行うため、高い発光効率を得ることができる。

【０００３】従来の面発光型ＡｌＧａＩｎＰ系半導体発
光素子の一例として、ＲｏｂｅｒｔＭ．Ｆｌｅｔｃｈｅ
ｒらによりＵｎｉｔｅｄＳｔａｔｅｓＰａｔｅｎｔ
５，００８，７１８で提案された発光ダイオードがあ
る。図１０はこの発光ダイオードを示し、そこでは、電
流を広い発光部へ広げるために、ＧａＰによる窓層（電
流拡散層）を設ける構成を採用している。

【０００４】以下に、図１０に基づきその構成を今少し
具体的に説明する。この発光ダイオードは、ｎ−ＧａＡ
ｓ基板７１上に、ｎ−ＡｌＧａＩｎＰクラッド層７３、
ＧａＩｎＰ活性層７４、ｐ−ＡｌＧａＩｎＰクラッド層
７５及びｐ−ＧａＰ窓層７６をこの順に積層形成し、且
つ電極７１０及び７１１を取り付けた構成になってい
る。なお、ｎ−ＡｌＧａＩｎＰクラッド層７３、ＧａＩ
ｎＰ活性層７４及びｐ−ＡｌＧａＩｎＰクラッド層７５
で発光部が構成される。

【０００５】この構成によれば、ＧａＰ窓層７６で電流
が広がり、広い範囲の活性層７４で発光するため、発光
効率が向上する。また、発光した光はチップ上面から取
り出されるが、ＧａＰ窓層７６はＧａＩｎＰ活性層７４
よりもバンドギャップが大きいため、発光した光はＧａ
Ｐ窓層７６で吸収されることなく透過し、高い発光効率
を得ることができる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
発光ダイオードにおいては、電流拡散層としてＧａＰ窓
層７６を用いているため、以下に示す問題点がある。

【０００７】（１）結晶面の平坦性が著しく低下するた
め、発光ダイオード（半導体発光素子）の発光効率及び
信頼性が低い。

【０００８】即ち、ＧａＰ窓層７６は結晶中で、Ｇａ原
子とＰ原子の結合エネルキーが大きいため、Ｇａ原子が
成長面上を拡散（マイグレーション）しにくい。この結
果、良好な層状成長ではなく島状成長となり、結晶面の
平坦性が著しく低下する。このため、ＧａＰ電流拡散層
の上に電極を設ける場合は、密着性が低化し、電極の剥
がれにより抵抗率が大きくなったりして、半導体発光素
子の発光効率及び信頼性が低下する要因となっていた。

【０００９】（２）電流拡散層７６と発光部との材料が
大きく異なるため、発光効率が低い。

【００１０】即ち、ＧａＰ電流拡散層７６は発光部であ
る（Ａｌ_xＧａ_1-x）_1-yＩｎＰ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦
１）層上に成長され、両者の材料は大きく異なる。この
ため、成長界面付近に結晶性の低い層が形成され、Ｇａ
Ｐ結晶中に結晶欠陥が発生しやすい。この結晶欠陥は発
光部からの光を吸収するなど、半導体発光素子の発光効
率の低下の要因となる。

【００１１】以上のように、従来の半導体発光素子は、
ＧａＰ層の材料に起因して、上記した２つの問題点があ
り、このことにより、発光効率及び信頼性が低いという
欠点を有していた。

【００１２】本発明は、このような現状に鑑みてなされ
たものであり、窓層の平坦性を向上でき、結果的に発光
効率及び信頼性を大幅に向上できる半導体発光素子を提
供することを目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明の半導体発光素子
は、基板上に活性層を含む発光部と電流拡散層が形成さ
れたＡｌＧａＩｎＰ系の半導体発光素子において、前記
電流拡散層が（Ａｌ_xＧａ_1-x）_1-yＩｎＰ（０＜ｘ＜
１，０＜ｙ＜１）であり、そのことにより上記目的が達
成される。

【００１４】好ましくは、電流阻止層と、前記基板の裏
面に形成された第１の電極と、前記電流拡散層の上に形
成された第２の電極とを更に備え、該第２の電極が該電
流拡散層の中央部における上面に形成され、該第２の電
極と対向する位置に該電流阻止層が形成されている構成
とする。

【００１５】また、好ましくは、電流阻止層と、前記基
板の裏面に形成された第１の電極と、前記電流拡散層の
上に形成された第２の電極とを更に備え、該第２の電極
が該電流拡散層の周辺部における上面に形成され、該第
２の電極と対向する位置に該電流阻止層が形成されてい
る構成とする。

【００１６】また、好ましくは、前記基板として、その
面方位が（１００）面から［０１１］方向に傾斜してい
るものを用いる構成とする。

【００１７】また、好ましくは、前記電流拡散層のエネ
ルギーギャップが前記活性層のエネルギーギャップより
も大きくなる構成とする。

【００１８】以下に本発明の作用を説明する。

【００１９】上記のように、ＡｌＧａＩｎＰ系の半導体
発光素子において、電流拡散層（窓層）の材料として、
（Ａｌ_xＧａ_1-x）_1-yＩｎＰを用いると、後述の図２か
らわかるように、Ｉｎ組成ｙ＝０であるＧａＰでは結晶
表面の凹凸の深さが４０ｎｍと非常に大きいのに対し、
（Ａｌ_xＧａ_1-x）_1-yＩｎＰ（０≦ｘ≦１，ｙ＝０．０
１）層中にＩｎ組成ｙが０でなくわずかでも含まれてい
れば、結晶表面の凹凸の深さはＧａＰ層に比べて大幅に
減少し、全ての領域で２ｎｍ前後まで減少している。

【００２０】この理由としては、上述したように、Ｇａ
Ｐ層は結晶中で、Ｇａ原子とＰ原子の結合エネルギーが
大きいため、Ｇａ原子が成長面上を拡散（マイグレーシ
ョン）しにくく、良好な層状成長ではなく島状成長とな
っており、結晶欠陥が発生しやすいことが原因となって
いる。

【００２１】これに対し、Ｉｎ原子はＰ原子の結合エネ
ルギーが小さいため、Ｉｎ原子が成長面上を拡散しやす
く、良好な層状成長が得られる。このため、結晶表面の
凹凸の深さが大幅に低減し、平坦性が向上するのであ
る。

【００２２】また、後述の図３からわかるように、Ａｌ
組成ｘ＝０であるＧａＰでは、結品欠陥の数が１０００
個近くと非常に大きいのに対し、（Ａｌ_xＧａ_1-x）_1-y
ＩｎＰ（０≦ｘ≦１，ｙ＝０．０１）層中ではＡｌ組成
ｘが０でなくわずかでも含まれていれば、結晶欠陥の数
はＧａＰ層に比べて大幅に減少し、５０個前後まで減少
している。

【００２３】この理由としては、Ａｌ原子はＧａ原子以
上にＰ原子の結合エネルギーが大きいため、成長面上を
拡散しにくいが、Ｐ原子の脱離によるＰ抜けに起因する
結晶欠陥の発生が大幅に低減されているためと考えられ
る。

【００２４】以上のように、ＧａＰ層に比べて、（Ａｌ
_xＧａ_1-x）_1-yＩｎＰ（０＜ｘ＜１，０＜ｙ＜１）層は
Ｉｎ原子による拡散によって良好な層状成長が得られ、
また、Ａｌ原子によってＰ原子の脱離によるＰ抜けに起
因する結晶欠陥の発生が大幅に低減される。このため、
結晶欠陥の発生を大幅に低減できるので、結晶性が大幅
に改善され、平坦性も大幅に改善されることになる。こ
の結果、発光効率及び信頼性が大幅に改善された半導体
発光素子を実現できる。

【００２５】また、電流拡散層のバンドギャップを活性
層よりも大きくする構成によれば、活性層で発光した光
は窓層で吸収されることなく、上面から取り出されるこ
とになる。よって、その分、光取り出し効率を向上でき
る。

【００２６】加えて、第２の電極が電流拡散層の中央部
における上面に形成され、第２の電極と対向する位置に
電流阻止層を形成する構成によれば、電極から注入され
た電流は、この窓層で更に拡がるので、光取り出し効率
を一層向上できる利点がある。

【００２７】また、周辺部に電流阻止層を設ける構成に
よっても、電極から注入された電流は窓層で中央部に集
中されるので、光取り出し効率を一層向上できる利点が
ある。

【００２８】また、基板として、その面方位が（１０
０）面から［０１１］方向に傾斜しているものを用いる
構成によれば、窓層の抵抗値を低減できるので、半導体
発光素子の駆動電圧を低減できる利点がある。

【００２９】以下にその理由を後述の図７に基づき説明
する。面方位が［０１１］方向に傾斜すると、同図に示
すように、III族原子の１重結合を有する結晶表面であ
る（１１１）面がステップごとに、即ち階段状に形成さ
れる。この面（傾斜面）はIII族原子の１重結合が表面
を覆っているため、Ｖ族原子（この場合は、Ｐ原子）が
供給され、III族原子と結合することになる。しかしな
がら、１重結合のためその結合力は弱く、すぐに結合が
切れ、Ｖ族原子が表面上を拡散している状態になる。

【００３０】ここで、ｐ−（Ａｌ_xＧａ_1-x）_1-yＩｎＰ
窓層の抵抗率が高い理由の一つに、Ｏ（酸素）の混入が
ある。即ち、酸素はVI族元素であるため、Ｖ族サイトの
格子位置に入りやすいという性質を有する。

【００３１】しかるに、上記のように基板が［０１１］
方向に傾斜していると、Ｖ族原子が表面上を拡散してい
るため、結晶表面上にＶ族原子が多く存在する。このた
め、Ｖ族サイトの格子位置に酸素が入りにくくなる。よ
って、窓層の抵抗率を低減できるので、結局、半導体発
光素子の駆動電圧を低減できるのである。

【００３２】加えて、このような構成によれば、基板の
面方位が（１００）面から［０１１］方向に傾斜してい
ることにより、（１１１）面がステップごとに形成さ
れ、このステップごとに良好な層状成長がしやすい結晶
表面となっているので、この点においても、結晶表面の
凹凸の深さを大幅に低減でき、平坦性を大幅に向上でき
る。

【００３３】

【発明の実施の形態】以下に本発明の実施の形態を図面
に基づき具体的に説明する。

【００３４】（実施形態１）図１〜図３は本発明半導体
発光素子の実施形態１を示す。本実施形態１は本発明を
発光ダイオードに適用した例を示す。以下に図１に基づ
き本実施形態１の発光ダイオードの構造を製造プロセス
とともに説明する。

【００３５】まず、ｎ−ＧａＡｓ基板１上に、ｎ−Ｇａ
Ａｓバッファ層２（例えば、Ｓｉ濃度５×１０¹⁷ｃ
ｍ^-3）を０．５μｍ、ｎ−（Ａｌ_xＧａ_1-x）_1-yＩｎＰ
（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１）クラッド層３（例えば、ｘ
＝１．０，ｙ＝０．５，Ｓｉ濃度５×１０¹⁷ｃｍ^-3）を
１．０μｍ、（Ａｌ_xＧａ_1-x）_1-yＩｎＰ（０≦ｘ≦
１，０≦ｙ≦１）活性層４（例えば、ｘ＝０．４５，ｙ
＝０．５）を０．５μｍ、ｐ−（Ａｌ_xＧａ_1-x）_1-yＩ
ｎＰ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１）クラッド層５（例え
ば、ｘ＝１．０，ｙ＝０．５，Ｚｎ濃度５×１０¹⁷ｃｍ
^-3）を１．０μｍ、ｐ−（Ａｌ_xＧａ_1-x）_1-yＩｎＰ
（０＜ｘ＜１，０＜ｙ＜１）窓層６（例えば、ｘ＝０．
０１，ｙ＝０．０１，Ｚｎ濃度５×１０¹⁸ｃｍ^-3）を５
μｍ順次積層成長する。

【００３６】次に、ｎ−ＧａＡｓ基板１の裏面全面にｎ
型用の電極１０を形成し、また、電流拡散層である窓層
６の上面中央部にｐ型用の電極１１を形成する。以上の
工程を経て本実施形態１の発光ダイオードが作製され
る。

【００３７】上記のように、本実施形態１の発光ダイオ
ードは、窓層６の材料として、（Ａｌ_xＧａ_1-x）_1-yＩ
ｎＰを用いており、以下に図２及び図３に基づきその効
果について説明する。但し、図２は（Ａｌ_xＧａ_1-x）
_1-yＩｎＰ（ｘ＝０．０１，０≦ｙ≦１）層中のＩｎ組
成ｙに対する結晶表面の凹凸の深さの関係を示してお
り、図３は（Ａｌ_xＧａ_1-x）_1-yＩｎＰ（０≦ｘ≦１，
ｙ＝０．０１）層中のＡｌ組成ｘに対する結晶欠陥の数
（１ｃｍ²当たり）の関係を示している。

【００３８】図２からわかるように、Ｉｎ組成ｙ＝０で
あるＧａＰでは結晶表面の凹凸の深さが４０ｎｍと非常
に大きいのに対し、（Ａｌ_xＧａ_1-x）_1-yＩｎＰ（０≦
ｘ≦１，ｙ＝０．０１）層中にＩｎ組成ｙが０でなくわ
ずかでも含まれていれば、結晶表面の凹凸の深さはＧａ
Ｐ層に比べて大幅に減少し、全ての領域で２ｎｍ前後ま
で減少している。

【００３９】この理由としては、上述したように、Ｇａ
Ｐ層は結晶中で、Ｇａ原子とＰ原子の結合エネルギーが
大きいため、Ｇａ原子が成長面上を拡散（マイグレーシ
ョン）しにくく、良好な層状成長ではなく島状成長とな
っており、結晶欠陥が発生しやすいことが原因となって
いる。

【００４０】これに対し、本実施形態１では、Ｉｎ原子
はＰ原子の結合エネルギーが小さいため、Ｉｎ原子が成
長面上を拡散しやすく、良好な層状成長が得られる。こ
のため、結晶表面の凹凸の深さが大幅に低減し、平坦性
が向上しているのである。

【００４１】また、図３からわかるように、Ａｌ組成ｘ
＝０であるＧａＰでは、結品欠陥の数（１ｃｍ²当た
り）が１０００個近くと非常に大きいのに対し、本実施
形態１の（Ａｌ_xＧａ_1-x）_1-yＩｎＰ（０≦ｘ≦１，ｙ
＝０．０１）層中ではＡｌ組成ｘが０でなくわずかでも
含まれていれば、結晶欠陥の数はＧａＰ層に比べて大幅
に減少し、５０個前後まで減少している。

【００４２】この理由としては、Ａｌ原子はＧａ原子以
上にＰ原子の結合エネルギーが大きいため、成長面上を
拡散しにくいが、Ｐ原子の脱離によるＰ抜けに起因する
結晶欠陥の発生が大幅に低減されているためと考えられ
る。

【００４３】以上のように、ＧａＰ層に比べて、（Ａｌ
_xＧａ_1-x）_1-yＩｎＰ（０＜ｘ＜１，０＜ｙ＜１）層は
Ｉｎ原子による拡散によって良好な層状成長が得られ、
また、Ａｌ原子によってＰ原子の脱離によるＰ抜けに起
因する結晶欠陥の発生が大幅に低減される。このため、
結晶欠陥の発生を大幅に低減できるので、結晶性が大幅
に改善され、平坦性も大幅に改善されることになる。

【００４４】加えて、本実施形態１では、（Ａｌ_xＧａ
_1-x）_1-yＩｎＰ（ｘ＝０．４５，ｙ＝０．５）活性層４
（Ｅｇ＝２．１ｅＶ）に対し、窓層６にｐ−（Ａｌ_xＧ
ａ_1-x）_1-yＩｎＰ（ｘ＝０．０１，ｙ＝０．０１）を用
いているため、窓層６（Ｅｇ＝２．２６ｅＶ）の方がバ
ンドギャップが大きい。この結果、活性層４で発光した
光は窓層６で吸収されることなく、上面から取り出され
ることになる。

【００４５】このような本実施形態１の発光ダイオード
によれば、特性では波長５６０ｎｍの緑色発光ダイオー
ドで、従来例よりも発光効率が２０％、信頼性も２０ｍ
Ａ駆動時で６０℃条件下において光度が半分となるまで
の時間が１．５倍に増加できることを確認できた。

【００４６】なお、本実施形態１の発光ダイオードにお
いて、（Ａｌ_xＧａ_1-x）_1-yＩｎＰ（０≦ｘ≦１，０≦
ｙ≦１）の組成比ｘ，ｙは、その範囲内で適宜変更して
も上記同様の効果を奏することを確認できた。

【００４７】（実施形態２）図４は本発明半導体発光素
子の実施形態２を示す。本実施形態２も本発明をＡｌＧ
ａＩｎＰ系の発光ダイオードに適用した例を示す。本実
施形態２の発光ダイオードは、（Ａｌ_xＧａ_1-x）_1-yＩ
ｎＰ層のＡｌ組成ｘ、Ｉｎ組成ｙが実施形態１の発光ダ
イオードと異なる他は同様の構造になっている。即ち、
実施形態１では本発明を緑色発光ダイオードに適用して
いるが、本実施形態２では赤色発光ダイオードに適用し
ている。以下に図４に基づき本実施形態２の発光ダイオ
ードの構造を製造プロセスとともに説明する。

【００４８】まず、ｎ−ＧａＡｓ基板２１上に、ｎ−Ｇ
ａＡｓバッファ層２２（例えば、Ｓｉ濃度５×１０¹⁷ｃ
ｍ^-3）を０．５μｍ、ｎ−（Ａｌ_xＧａ_1-x）_1-yＩｎＰ
（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１）クラッド層２３（例えば、
ｘ＝０．７，ｙ＝０．５，Ｓｉ濃度５×１０¹⁷ｃｍ^-3）
を１．０μｍ、（Ａｌ_xＧａ_1-x）_1-yＩｎＰ（０≦ｘ≦
１，０≦ｙ≦１）活性層２４（例えば、ｘ＝０．０５，
ｙ＝０．５）を０．５μｍ、ｐ−（Ａｌ_xＧａ_1-x）_1-y
ＩｎＰ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１）クラッド層２５（例
えば、ｘ＝０．７，ｙ＝０．５，Ｚｎ濃度５×１０¹⁷ｃ
ｍ^-3）を１．０μｍ、ｐ−（Ａｌ_xＧａ_1-x）_1-yＩｎＰ
（０＜ｘ＜１，０＜ｙ＜１）窓層２６（例えば、ｘ＝
０．５，ｙ＝０．５）を５μｍ順次積層成長する。

【００４９】次に、ｎ−ＧａＡｓ基板２１の裏面全面に
ｎ型用の電極２１０を形成し、また、電流拡散層である
窓層２６の上面中央部にｐ型用の電極２１１を形成す
る。以上の工程を経て本実施形態２の発光ダイオードが
作製される。

【００５０】本実施形態２の発光ダイオードにおいて
も、上記図２より結晶表面の凹凸の深さを大幅に低減で
き、図３よりＧａＰ窓層に比べて実施形態１同様に結晶
欠陥の発生を大幅に低減できることがわかる。よって、
実施形態１同様に、結晶性が大幅に改善され、平坦性も
大幅に改善されるので、実施形態１同様の効果を奏する
ことができる。

【００５１】また、本実施形態２では、（Ａｌ_xＧ
ａ_1-x）_1-yＩｎＰ（ｘ＝０，ｙ＝０．５）活性層２４
（Ｅｇ＝１．９ｅＶ）に対し、窓層２６にｐ−（Ａｌ_x
Ｇａ_1-x）_1-yＩｎＰ（ｘ＝０．５，ｙ＝０．５）を用い
ているため、窓層２６（Ｅｇ＝２．０ｅＶ）の方がバン
ドギャップが大きいので、活性層２４で発光した光は窓
層２６で吸収されることなく、上面から取り出されるこ
とになる。

【００５２】本実施形態２の発光ダイオードは、特性で
は波長６５０ｎｍの赤色発光ダイオードで従来例よりも
発光効率が２０％、信頼性も２０ｍＡ駆動時で６０℃条
件下において光度が半分となるまでの時間が１．５倍に
増加できることを確認できた。

【００５３】（実施形態３）図５は本発明半導体発光素
子の実施形態３を示す。本実施形態３も本発明をＡｌＧ
ａＩｎＰ系の発光ダイオードに適用した例を示す。本実
施形態３の発光ダイオードは、（Ａｌ_xＧａ_1-x）_1-yＩ
ｎＰ層のＡｌ組成ｘ、Ｉｎ組成ｙが実施形態１，２の発
光ダイオードと異なる他は同様の構造になっている。即
ち、本実施形態２では黄色発光ダイオードに適用した例
を示している。以下に図５に基づき本実施形態３の発光
ダイオードの構造を製造プロセスとともに説明する。

【００５４】まず、ｎ−ＧａＡｓ基板３１上に、ｎ−Ｇ
ａＡｓバッファ層３２（例えば、Ｓｉ濃度５×１０¹⁷ｃ
ｍ^-3）を０．５μｍ、ｎ−（Ａｌ_xＧａ_1-x）_1-yＩｎＰ
（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１）クラッド層３３（例えば、
ｘ＝１．０，ｙ＝０．５，Ｓｉ濃度５×１０¹⁷ｃｍ^-3）
を１．０μｍ、（Ａｌ_xＧａ_1-x）_1-yＩｎＰ（０≦ｘ≦
１，０≦ｙ≦１）活性層３４（例えば、ｘ＝０．３０，
ｙ＝０．５）を０・５μｍ、ｐ−（Ａｌ_xＧａ_1-x）_1-y
ＩｎＰ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１）クラッド層３５（例
えば、ｘ＝１．０，ｙ＝０．５，Ｚｎ濃度５×１０¹⁷ｃ
ｍ^-3）を１．０μｍ、ｐ−（Ａｌ_xＧａ_1-x）_1-yＩｎＰ
（０＜ｘ＜１，０＜ｙ＜１）窓層３６（例えば、ｘ＝
０．１，ｙ＝０．１）を５μｍ順次積層成長する。

【００５５】次に、ｎ−ＧａＡｓ基板３１の裏面全面に
ｎ型用の電極３１０を形成し、また、電流拡散層である
窓層３６の上面中央部にｐ型用の電極３１１を形成す
る。以上の工程を経て本実施形態３の発光ダイオードが
作製される。

【００５６】本実施形態３の発光ダイオードにおいて
も、上記図２及び図３より、結晶表面の凹凸の深さを大
幅に低減でき、結晶欠陥の発生を大幅に低減できること
がわかる。よって、結晶性を大幅に改善でき、平坦性も
大幅に改善できるので、上記実施形態同様の効果を奏す
ることがわかる。

【００５７】また、本実施形態３では、（Ａｌ_xＧ
ａ_1-x）_1-yＩｎＰ（ｘ＝０．３０，ｙ＝０．５）活性層
３４（（Ｅｇ＝２．０５ｅＶ）に対し、窓層３６に（Ａ
ｌ_xＧａ_1-x）_1-yＩｎＰ（ｘ＝０．１，ｙ＝０．１）を
用いているため、窓層３６（Ｅｇ＝２．２５ｅＶ）の方
がバンドギャップが大きいので、活性層３４で発光した
光は窓層３６で吸収されることなく、上面から取り出さ
れることになる。

【００５８】本実施形態３の発光ダイオードは、特性で
は波長５９０ｎｍの黄色発光ダイオードで従来例より発
光効率が２０％、信頼性も２０ｍＡ駆動時で６０℃条件
下において光度が半分となるまでの時間が１．５倍に増
加できることを確認できた。

【００５９】（実施形態４）図６及び図７は本発明半導
体発光素子の実施形態４を示す。本実施形態４も本発明
をＡｌＧａＩｎＰ系の発光ダイオードに適用した例を示
す。本実施形態４の発光ダイオードは、面方位が（１０
０）面から［０１１］方向に傾斜している基板を用いて
いる点が上記各実施形態の発光ダイオードとは異なって
いる。以下に図６に基づき本実施形態４の発光ダイオー
ドの構造を製造プロセスとともに説明する。

【００６０】まず、面方位が（１００）面から［０１
１］方向に１５度傾斜しているｎ−ＧａＡｓ基板４１
（図７参照）上に、ｎ−ＧａＡｓバッファ層４２（例え
ば、Ｓｉ濃度５×１０¹⁷ｃｍ^-3）を０．５μｍ、ｎ−
（Ａｌ_xＧａ_1-x）_1-yＩｎＰ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦
１）クラッド層４３（例えば、ｘ＝１．０，ｙ＝０．
５，Ｓｉ濃度５×１０¹⁷ｃｍ^-3）を１．０μｍ、（Ａｌ
_xＧａ_1-x）_1-yＩｎＰ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１）活性
層４４（例えば、ｘ＝０．２０，ｙ＝０．５）を０・５
μｍ、ｐ−（Ａｌ_xＧａ_1-x）_1-yＩｎＰ（０≦ｘ≦１，
０≦ｙ≦１）クラッド層４５（例えば、ｘ＝１．０，ｙ
＝０．５，Ｚｎ濃度５×１０¹⁷ｃｍ^-3）を１．０μｍ、
ｐ−（Ａｌ_xＧａ_1-x）_1-yＩｎＰ（０＜ｘ＜１，０＜ｙ
＜１）窓層４６（例えば、ｘ＝０．８０，ｙ＝０．５
０，Ｚｎ濃度５×１０¹⁸ｃｍ^-3）を５μｍ順次積層成長
する。

【００６１】次に、ｎ−ＧａＡｓ基板４１の裏面全面に
ｎ型用の電極４１０を形成し、また、電流拡散層である
窓層４６の上面中央部にｐ型用の電極４１１を形成す
る。以上の工程を経て本実施形態４の発光ダイオードが
作製される。

【００６２】本実施形態４では、（Ａｌ_xＧａ_1-x）_1-y
ＩｎＰ（ｘ＝０．２０，ｙ＝０．５０）活性層４４（Ｅ
ｇ＝２．０５ｅＶ）に対し、窓層４６にｐ−（Ａｌ_xＧ
ａ_1-x）_1-yＩｎＰ（ｘ＝０．８０，ｙ＝０．５０）を用
いているため、窓層４６（Ｅｇ＝２．２５ｅＶ）の方が
バンドギャップが大きいので、活性層４４で発光した光
は窓層４６で吸収されることなく、上面から取り出され
ることになる。

【００６３】また、本実施形態４では、実施形態１同様
に窓層４６にｐ−（Ａｌ_xＧａ_1-x）_1-yＩｎＰ（ｘ＝
０．８０，ｙ＝０．５０）を用いているが、本実施形態
４では、面方位が（１００）面から［０１１］方向に傾
斜している基板を用いているため、窓層４６の抵抗値を
低減できる。

【００６４】以下にその理由を図７に基づき説明する。
但し、図７はIII−Ｖ族の結晶表面を表現したモデル図
であり、面方位が（１００）面はＶ族原子の２重結合が
表面上にある。

【００６５】ところで、面方位が［０１１］方向に傾斜
すると、同図に示すように、III族原子の１重結合を有
する結晶表面である（１１１）面がステップごとに、即
ち階段状に形成される。この面（傾斜面）はIII族原子
の１重結合が表面を覆っているため、Ｖ族原子（この場
合は、Ｐ原子）が供給され、III族原子と結合すること
になる。しかしながら、１重結合のためその結合力は弱
く、すぐに結合が切れ、Ｖ族原子が表面上を拡散してい
る状態になる。

【００６６】ここで、ｐ−（Ａｌ_xＧａ_1-x）_1-yＩｎＰ
（０＜ｘ＜１，０＜ｙ＜１）窓層４６の抵抗率が高い理
由の一つに、Ｏ（酸素）の混入がある。即ち、酸素はVI
族元素であるため、Ｖ族サイトの格子位置に入りやすい
という性質を有する。

【００６７】しかるに、本実施形態４では、上記のよう
に基板が［０１１］方向に傾斜しており、Ｖ族原子が表
面上を拡散しているため、結晶表面上にＶ族原子が多く
存在する。このため、Ｖ族サイトの格子位置に酸素が入
りにくくなる。よって、本実施形態４によれば、窓層４
６の抵抗率を低減できるので、結局、半導体発光素子、
つまり発光ダイオードの駆動電圧を低減できるのであ
る。

【００６８】加えて、本実施形態４によれば、ｎ−Ｇａ
Ａｓ基板４６の面方位が（１００）面から［０１１］方
向に傾斜していることにより、（１１１）面がステップ
ごとに形成され、このステップごとに良好な層状成長が
しやすい結晶表面となっている。従って、この点におい
ても、結晶表面の凹凸の深さを大幅に低減でき、平坦性
を大幅に向上できる。

【００６９】本実施形態４の発光グイオードは、特性で
は波長６１００ｎｍの橙色発光グイオードで従来例より
発光効率が２０％、信頼性も２０ｍＡ駆動時で６０℃条
件下において光度が半分となるまでの時間が２．０倍に
増加できることを確認できた。

【００７０】なお、本実施形態４においても、（Ａｌ_x
Ｇａ_1-x）_1-yＩｎＰ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１）の組成
比ｘ，ｙを、適宜変更しても上記同様の効果を奏するこ
とを確認できた。

【００７１】（実施形態５）図８は本発明半導体発光素
子の実施形態５を示す。本実施形態５も本発明をＡｌＧ
ａＩｎＰ系の発光ダイオードに適用した例を示す。本実
施形態５の発光ダイオードは、例えば、実施形態１の発
光ダイオードとは、クラッド層５５と窓層５６との間の
中央部に電流阻止層５８を設けた点が異なっている。以
下に図８に基づき本実施形態５の発光ダイオードの構造
を製造プロセスとともに説明する。

【００７２】まず、ｎ−ＧａＡｓ基板５１上に、ｎ−Ｇ
ａＡｓバッファ層５２（例えば、Ｓｉ濃度５×１０¹⁷ｃ
ｍ^-3）を０．５μｍ、ｎ−（Ａｌ_xＧａ_1-x）_1-yＩｎＰ
（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１）クラッド層５３（例えば、
ｘ＝１．０，ｙ＝０．５，Ｓｉ濃度５×１０¹⁷ｃｍ^-3）
を１．０μｍ、（Ａｌ_xＧａ_1-x）_1-yＩｎＰ（０≦ｘ≦
１，０≦ｙ≦１）活性層５４（例えば、ｘ＝０．３８，
ｙ＝０．５）を０・５μｍ、ｐ−（Ａｌ_xＧａ_1-x）_1-y
ＩｎＰ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１）クラッド層５５（例
えば、ｘ＝１．０，ｙ＝０．５，Ｚｎ濃度５×１０¹⁷ｃ
ｍ^-3）を１．０μｍ、ｎ−（Ａｌ_xＧａ_1-x）_1-yＩｎＰ
（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１）電流阻止層５８（例えば、
ｘ＝０．２０，ｙ＝０．２０，Ｓｉ濃度５×１０¹⁷ｃｍ
^-3）を０．５μｍ、ｐ−（Ａｌ_xＧａ_1-x）_1-yＩｎＰ
（０＜ｘ＜１，０＜ｙ＜１）窓層４６（例えば、ｘ＝
０．２０，ｙ＝０．２０，Ｚｎ濃度５×１０¹⁸ｃｍ^-3）
を５μｍ順次積層成長する。

【００７３】なお、図８に示すように、電流阻止層５８
はクラッド層５５と窓層５６との間の中央部に形成され
ている。

【００７４】次に、ｎ−ＧａＡｓ基板５１の裏面全面に
ｎ型用の電極５１０を形成し、また、電流拡散層である
窓層５６の上面中央部にｐ型用の電極５１１を形成す
る。以上の工程を経て本実施形態５の発光ダイオードが
作製される。

【００７５】本実施形態５の発光ダイオードは、上記の
ように電流阻止層５８を設けているため、これにより、
電極５１から注入された電流は、例えば実施形態１の場
合に比べて窓層５６で更に拡がるので、光取り出し効率
を一層向上できる利点がある。

【００７６】また、本実施形態５では、（Ａｌ_xＧ
ａ_1-x）_1-yＩｎＰ（ｘ＝０．３８，ｙ＝０．５０）活性
層５４（Ｅｇ＝２．０５ｅＶ）に対し、窓層５６にｐ−
（Ａｌ_xＧａ_1-x）_1-yＩｎＰ（ｘ＝０．２０，ｙ＝０．
２０）を用いているため、窓層５６（Ｅｇ＝２．２５ｅ
Ｖ）の方がバンドギャップが大きいので、活性層５４で
発光した光は窓層５６で吸収されることなく、上面から
取り出されることになる。

【００７７】本実施形態５の発光ダイオードは、特性で
は波長５７０ｎｍの黄緑色発光ダイオードで従来例より
発光効率が３０％、信頼性も２０ｍＡ駆動時で６０℃条
件下において光度が半分となるまでの時間が２．５倍に
増加できることを確認できた。

【００７８】（実施形態６）図９は本発明半導体発光素
子の実施形態６を示す。本実施形態６も本発明をＡｌＧ
ａＩｎＰ系の発光ダイオードに適用した例を示す。本実
施形態６の発光ダイオードは、例えば、実施形態５の発
光ダイオードとは、クラッド層６５と窓層６６との間の
周辺部に電流阻止層６８を設けた点が異なっている。以
下に図９に基づき本実施形態６の発光ダイオードの構造
を製造プロセスとともに説明する。

【００７９】まず、ｎ−ＧａＡｓ基板６１上に、ｎ−Ｇ
ａＡｓバッファ層６２（例えば、Ｓｉ濃度５×１０¹⁷ｃ
ｍ^-3）を０．５μｍ、ｎ−（Ａｌ_xＧａ_1-x）_1-yＩｎＰ
（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１）クラッド層６３（例えば、
ｘ＝１．０，ｙ＝０．５，Ｓｉ濃度５×１０¹⁷ｃｍ^-3）
を１．０μｍ、（Ａｌ_xＧａ_1-x）_1-yＩｎＰ（０≦ｘ≦
１，０≦ｙ≦１）活性層６４（例えば、ｘ＝０．１５，
ｙ＝０．５）を０．５μｍ、ｐ−（Ａｌ_xＧａ_1-x）_1-y
ＩｎＰ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１）クラッド層６５（例
えば、ｘ＝１．０，ｙ＝０．５，Ｚｎ濃度５×１０¹⁷ｃ
ｍ^-3）を１．０μｍ、ｎ−（Ａｌ_xＧａ_1-x）_1-yＩｎＰ
（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１）電流阻止層６８（例えば、
ｘ＝０．０１，ｙ＝０．０１，Ｓｉ濃度５×１０¹⁷ｃｍ
^-3）を０．５μｍ、ｐ−（Ａｌ_xＧａ_1-x）_1-yＩｎＰ
（０＜ｘ＜１，０＜ｙ＜１）窓層４６（例えば、ｘ＝
０．２０，ｙ＝０．２０，Ｚｎ濃度５×１０¹⁸ｃｍ^-3）
を５μｍ順次積層成長する。

【００８０】なお、図９に示すように、電流阻止層６８
はクラッド層６５と窓層６６との間の図上左右両側の周
辺部に形成されている。

【００８１】次に、ｎ−ＧａＡ基板６１の裏面全面にｎ
型用の電極６１０を形成し、また、電流拡散層である窓
層６６の上面の電流阻止層６８と対応する周辺部にｐ型
用の電極６１１を形成する。以上の工程を経て本実施形
態６の発光ダイオードが作製される。

【００８２】本実施形態６では、上記のようにクラッド
層６５と窓層６６との間の周辺部に電流阻止層６８を設
けているため、これにより、電極６１から注入された電
流は窓層６６で中央部に集中されるので、例えば実施形
態１に比べて光取り出し効率を一層向上できる利点があ
る。

【００８３】また、本実施形態６では、（Ａｌ_xＧ
ａ_1-x）_1-yＩｎＰ（ｘ＝０．１５，ｙ＝０．５０）活性
層６４（Ｅｇ＝２．０５ｅＶ）に対し、窓層６６にｐ−
（Ａｌ_xＧａ_1-x）_1-yＩｎＰ（ｘ＝０．２０，ｙ＝０．
２０）を用いているため、窓層６６（Ｅｇ＝２．２７ｅ
Ｖ）の方がバンドギャップが大きいので、活性層６４で
発光した光は窓層６６で吸収されることなく、上面から
取り出されることになる。

【００８４】本実施形態６の発光ダイオードは、特性で
は波長５５０ｎｍの緑色発光ダイオードで従来例より発
光効率が３５％、信頼性も２０ｍＡ駆動時で６０℃条件
下において光度が半分となるまでの時間が２．７倍に増
加できることを確認できた。

【００８５】（その他の実施形態）面方位が（１００）
面から［０１１］方向に傾斜（例えば、１５度）してい
るｎ−ＧａＡｓ基板は、実施形態４以外の他の実施形態
に係る半導体発光素子にも適用することが可能である。
また、組成については、各実施形態で例示したものに限
定されないことは勿論である。更に、構造についても、
各実施形態で例示したものに限定されないことは勿論で
ある。

【００８６】

【発明の効果】以上の本発明半導体発光素子によれば、
ＡｌＧａＩｎＰ系の半導体発光素子において、電流拡散
層（窓層）の材料として、（Ａｌ_xＧａ_1-x）_1-yＩｎＰ
を用いる構成をとるので、結晶表面の凹凸の深さを窓層
としてＧａＰ層を用いる場合に比べて大幅に減少でき
る。

【００８７】また、窓層としてＧａＰ層を用いる場合に
比べて、結晶欠陥の数を大幅に減少できる。

【００８８】このため、本発明によれば、結晶性が大幅
に改善され、平坦性も大幅に改善されることになるの
で、発光効率及び信頼性が大幅に改善された半導体発光
素子を実現できる。

【００８９】また、特に請求項５記載の半導体発光素子
によれば、電流拡散層のバンドギャップを活性層よりも
大きくする構成をとるので、活性層で発光した光は窓層
で吸収されることなく、上面から取り出されることにな
る。よって、その分、光取り出し効率を向上できる。

【００９０】また、特に請求項２記載の半導体発光素子
によれば、第２の電極が電流拡散層の中央部における上
面に形成され、第２の電極と対向する位置に電流阻止層
を形成する構成をとるので、電極から注入された電流
は、この窓層で更に拡がるので、光取り出し効率を一層
向上できる利点がある。

【００９１】また、特に請求項３記載の半導体発光素子
によれば、周辺部に電流阻止層を設ける構成をとるの
で、この構成によっても、電極から注入された電流は窓
層で中央部に集中されるので、光取り出し効率を一層向
上できる利点がある。

【００９２】また、特に請求項４記載の半導体発光素子
によれば、面方位が（１００）面から［０１１］方向に
傾斜した基板を用いる構成をとるので、窓層の抵抗値を
低減でき、半導体発光素子の駆動電圧を低減できる利点
がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態１を示す、発光ダイオードの
断面図。

【図２】本発明の実施形態１を示す、（Ａｌ_xＧａ_1-x）
_1-yＩｎＰ（ｘ＝０．０１，０≦ｙ≦１）層中のＩｎ組
成ｙに対する結晶表面の凹凸の深さの関係を示すグラ
フ。

【図３】本発明の実施形態１を示す、（Ａｌ_xＧａ_1-x）
_1-yＩｎＰ（０≦ｘ≦１，ｙ＝０．０１）層中のＡｌ組
成ｘに対する結晶欠陥の数（１ｃｍ²当たり）の関係を
示すグラフ。

【図４】本発明の実施形態２を示す、発光ダイオードの
断面図。

【図５】本発明の実施形態３を示す、発光ダイオードの
断面図。

【図６】本発明の実施形態４を示す、発光ダイオードの
断面図。

【図７】本発明の実施形態４を示す、III−Ｖ族の結晶
表面を表現したモデル図。

【図８】本発明の実施形態５を示す、発光ダイオードの
断面図。

【図９】本発明の実施形態６を示す、発光ダイオードの
断面図。

【図１０】発光ダイオードの従来例を示す断面図。

【符号の説明】

１、２１、３１、４１、５１、６１ｎ−ＧａＡｓ基板２、２２、３２、４２、５２、６２ｎ−ＧａＡｓバッ
ファ層３、２３、３３、４３、５３、６３ｎ−（Ａｌ_xＧａ
_1-x）_1-yＩｎＰクラッド層４、２４、３４、４４、５４、６４（Ａｌ_xＧａ_1-x）
_1-yＩｎＰ活性層５、２５、３５、４５、５５、６５ｐ−（Ａｌ_xＧａ
_1-x）_1-yＩｎＰクラッド層６、２６、３６、４６、５６、６６ｐ−（Ａｌ_xＧａ
_1-x）_1-yＩｎＰ窓層１０、２１０、３１０、４１０、５１０、６１０ｎ型
用の電極１１、２１１、３１１、４１１、５１１、６１１ｐ型
用の電極５８、６８電流阻止層

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基板上に活性層を含む発光部と電流拡散
層が形成されたＡｌＧａＩｎＰ系の半導体発光素子にお
いて、前記電流拡散層が（Ａｌ_xＧａ_1-x）_1-yＩｎＰ（０＜ｘ
＜１，０＜ｙ＜１）である半導体発光素子。
【請求項２】電流阻止層と、前記基板の裏面に形成さ
れた第１の電極と、前記電流拡散層の上に形成された第
２の電極とを更に備え、該第２の電極が該電流拡散層の
中央部における上面に形成され、該第２の電極と対向す
る位置に該電流阻止層が形成されている請求項１記載の
半導体発光素子。
【請求項３】電流阻止層と、前記基板の裏面に形成さ
れた第１の電極と、前記電流拡散層の上に形成された第
２の電極とを更に備え、該第２の電極が該電流拡散層の
周辺部における上面に形成され、該第２の電極と対向す
る位置に該電流阻止層が形成されている請求項１記載の
半導体発光素子。
【請求項４】前記基板として、その面方位が（１０
０）面から［０１１］方向に傾斜しているものを用いる
請求項１〜請求項３のいずれかに記載の半導体発光素
子。
【請求項５】前記電流拡散層のエネルギーギャップが
前記活性層のエネルギーギャップよりも大きくなってい
る請求項１〜請求項４のいずれかに記載の半導体発光素
子。