JPH1126810A

JPH1126810A - 半導体発光素子

Info

Publication number: JPH1126810A
Application number: JP17733197A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Nakatsu; 弘志中津; Takanao Kurahashi; 孝尚倉橋; Yoshihei Tani; 善平谷
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 1997-07-02
Filing date: 1997-07-02
Publication date: 1999-01-29

Abstract

(57)【要約】【課題】発光効率を大幅に向上できる素子構造を有す
る発光ダイオードを提供する。【解決手段】ｎ型ＧａＡｓ基板１上に、ｎ型ＧａＡｓ
バッファ層２、Ｓｉドープｎ型（Ａｌ_xＧａ_1-x）_1-yＩ
ｎ_yＰクラッド層３、Ｚｎドープｐ型（Ａｌ_xＧａ_1-x）
_1-yＩｎ_yＰ活性層４、Ｚｎドープｐ型（Ａｌ_xＧａ_1-x）
_1-yＩｎ_yＰクラッド層５、Ｚｎドープｐ型ＧａＰ電流拡
散層６及びＳｉドープｎ型ＧａＰ電流狭窄層９をこの順
に成長した発光ダイオードにおいて、電流狭窄層９をエ
ッチングした面積は、チップの大きさ３００μｍ×３０
０μｍ（９．０×１０^-4ｃｍ^-3）に対して、エッチング
した領域の直径が、例えば１００μｍφ（７．８５×１
０^-5ｃｍ^-3）になるように選ぶ。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体発光素子に
関し、より詳しくは、表示用や光通信用に使用されるＡ
ｌＧａＩｎＰ系の発光ダイオード等に適用した場合に好
ましいものになる半導体発光素子の素子構造に関する。

【０００２】

【従来の技術】（Ａｌ_xＧａ_1-x）_1-yＩｎ_yＰ系の化合
物半導体材料は、ＧａＡｓ基板と格子整合するＩｎの組
成比ｙ＝０．５１において、Ａｌ組成比ｘ＝０〜０．７
の範囲で直接遷移型になり、赤〜緑の広い波長領域にお
いて高輝度の発光が得られるので、従来より発光ダイオ
ードとして広く用いられている。

【０００３】図６は（Ａｌ_xＧａ_1-x）_1-yＩｎ_yＰ系の
化合物半導体材料からなる発光ダイオードの従来例を示
す。以下にその構造を製造プロセスと共に説明する。

【０００４】ｎ型ＧａＡｓ基板（ウエハー）１をエピタ
キシャル結晶成長装置内に搬入し、ｎ型ＧａＡｓ基板１
上に、ｎ型ＧａＡｓバッファ層２、ｎ型（Ａｌ_xＧ
ａ_1-x）_1-yＩｎ_yＰクラッド層３、ｐ型（Ａｌ_xＧ
ａ_1-x）_1-yＩｎ_yＰ活性層４、ｐ型（Ａｌ_xＧａ_1-x）
_1-yＩｎ_yＰクラッド層５及びｐ型ＧａＰ電流拡散層６
をこの順にエピタキシャル成長させる。なお、電流拡散
層６にはＡｌ_xＧａ_1-xＡｓ層も用いられる場合がある。

【０００５】続いて、ｐ型ＧａＰ電流拡散層６の上面中
央部にｐ型用電極８を形成する。また、ｎ型ＧａＡｓ基
板１の底面にｎ型用電極７を形成する。

【０００６】次に、上記のエピタキシャル層、ｐ型用電
極８及びｎ型用電極７が形成されたウエハーを２５０μ
ｍ〜３００μｍ角にチップ分割する。これにより発光ダ
イオードが得られる。

【０００７】ここで、通常、発光ダイオードに注入され
た電流密度Ｊは、拡散電流密度Ｊｒと、非発光再結合電
流密度Ｊｎｒの二つに分けられ、下記（１）式で表され
る。

【０００８】Ｊ＝Ｊｒ＋Ｊｎｒ …（１）また、拡散電流密度Ｊｒと非発光再結合電流密度Ｊｎｒ
の電圧依存性は、それぞれ下記（２）式、（３）式で表
される。

【０００９】Ｊｒ∝ｅｘｐ（ｅＶ／ｋＴ） …（２）Ｊｎｒ∝ｅｘｐ（ｅＶ／２ｋＴ） …（３）但し、ｋ：ボルツマン定数Ｔ：絶対零度である。

【００１０】図７は一般的な（Ａｌ_xＧａ_1-x）_1-yＩｎ
_yＰ系の発光ダイオードの電流（ｌｏｇＩ）−電圧
（Ｖ）特性を示すグラフであり、図７中の傾きはｅ／ｎ
ｋＴを示している。但し、ｎはダイオードの理想係数を
示す。

【００１１】今、電圧Ｖに対する理想係数ｎをプロット
したのが図８である。このように、図７、図８をみる
と、電流密度Ｊには、上記（２）、（３）式で表され
る、電圧Ｖに対して依存性の異なるＪｒとＪｎｒの二つ
の成分があり、低電流領域（１０×１０^-10Ａ〜１０×
１０^-6Ａ）では非発光電流密度Ｊｎｒが主成分となって
理想係数ｎは２になるが、高電流領域（１０×１０^-6〜
１０×１０^-2Ａ）では拡散電流密度Ｊｒが主成分となっ
て理想係数ｎは１になる。

【００１２】さらに注入電流を上げていくと（＞１０×
１０^-2Ａ）、直列抵抗による電圧効果が大きくなり、ま
た注入した少数キャリア濃度が多数キャリア濃度と同程
度になるため、理想係数ｎが２以上に上がってしまう。
この領域では拡散電流密度Ｊｒが注入電流密度Ｊの主成
分を占める。

【００１３】図７の点線部分で示すように、非発光再結
合電流密度Ｊｎｒが大きい発光ダイオードは、非発光再
結合電流密度Ｊｎｒが小さい発光ダイオードに比べて、
電圧が高い領域まで理想係数ｎが２になっており、注入
電流密度Ｊの中で、非発光電流密度Ｊｎｒが多いことが
わかる。

【００１４】ここで、ｎ＝１から２に移る変曲点の電流
をＩａとすると、非発光再結合電流密度Ｊｎｒが多い発
光ダイオードの変曲点Ｉｂの方がＩａよりも大きくなっ
ている。また、電圧の変曲点をそれぞれＶａ、Ｖｂとし
た場合も、Ｖｂの方がＶａより大きくなっている。

【００１５】図９は注入電流（ｌｏｇＩ）と光出力（ｌ
ｏｇＰ）との関係を示す。発光が開始される電流は図７
中のＩａとＩｂにほぼ等しく、非発光再結合電流密度Ｊ
ｎｒが大きい発光ダイオードの方が発光開始電流が大き
く、また傾きが大きいことがわかる。

【００１６】その理由は、非発光再結合準位濃度が高い
ために、注入キャリアがその準位を埋めるのに使われ、
注入電流が増えるに従って非発光準位が充満されるの
で、それ以上非発光再結合が増えず、電流増加に対する
光出力の増加分（図９におけるＩ−Ｐ特性の傾き）が大
きくなることによる。

【００１７】このように、発光層の非発光準位を低減し
た発光ダイオードの電流−電圧特性は、理想係数ｎ＝１
の領域が長いことが特徴であり、電流−電圧特性を測定
すれば内部量子効率の良し悪しを評価することができ
る。そして、内部量子効率ηｉは、上記（２）式、
（３）式を用いることにより、下記（４）式で表され
る。

【００１８】ηｉ＝Ｊｒ／（Ｊｎｒ＋Ｊｒ）・・・（４）従って、内部量子効率ηｉを向上するためには、ある電
流密度Ｊにおいて、非発光再結合電流密度成分Ｊｎｒを
下げて、拡散電流密度成分Ｊｒを上げてやればよい。

【００１９】しかし、一般に図１０に示すように、同一
発光波長においては、（Ａｌ_xＧａ_1-x）_1-y Ｉｎ_yＰ系
ダイオードはＡｌ_xＧａ_1-xＡｓ系ダイオードに比べて非
発光再結合が大きく、また図１０中の点線部分で示すよ
うに、発光波長を短くするために発光層のＡｌ混晶比を
上げていくと、Ａｌの増加に伴って非発光再結合が大き
くなり、ｎ＝２を示す再結合電流は徐々に増加してい
き、内部量子効率ηｉは短波長化とともに落ちていくこ
とがわかる。

【００２０】この対策として、結晶成長時に混入しやす
い酸素やシリコン等の不純物濃度を低減すればよい。即
ち、そうすることによって、（Ａｌ_xＧａ_1-x）_1-yＩｎ_y
Ｐ発光層の結晶中に、非発光準位になるような深い準位
の濃度を低減できるので、内部量子効率ηｉをある程度
向上させることができるからである。

【００２１】通常、Ａｌ混晶比０．４５のとき、発光波
長５６０ｎｍでチップ光度４ｍｃｄが得られている。

【００２２】

【発明が解決しようとする課題】上述のように、結晶成
長時に非発光準位を形成するような不純物の混入を低減
する手法を講じれば、ある程度内部量子効率ηｉを向上
させることは可能である。

【００２３】しかしながら、結晶中の不純物や欠陥を下
げるのは、使用する材料の純度や、結晶成長装置の雰囲
気中に含まれる不純物濃度等によって限界があり、理想
的に結晶内の残留不純物を真性半導体レベルにすること
は困難である。

【００２４】例えば、（Ａｌ_xＧａ_1-x）_1-yＩｎ_yＰ系の
発光ダイオードにおいて、発光波長を５６０ｎｍにする
ためには、Ａｌの混晶比ｘを０．４５に増やさなければ
ならないが、Ａｌは他のIII族材料であるＧａやＩｎに
比べて非常に酸化されやすい性質を有する。この結果、
原料のＡｌ自体から酸素を持ち込んでしまうため、必然
的に酸素が結晶中に混入し、非発光準位が（Ａｌ_xＧａ
_1-x）_1-yＩｎ_yＰ結晶中に形成されて、内部量子効率η
ｉが低下してしまう。

【００２５】従って、材料の高純度化や成長条件の最適
化だけで発光効率、即ち内部量子効率ηｉを向上させる
のは限界が有るため、別の解決手段の実現が切に要請さ
れているのが現状である。

【００２６】本発明は、このような現状に鑑みてなされ
たものであり、発光効率、即ち内部量子効率ηｉを大幅
に向上できる素子構造を有する半導体発光素子を提供す
ることを目的とする。

【００２７】

【課題を解決するための手段】本発明の半導体発光素子
は、基板上に発光層、電流狭窄層等を形成した半導体発
光素子であって、該発光層に注入する電流密度が、半導
体発光素子の理想係数ｎ（縦軸）−電圧（横軸）特性に
おいて、該理想係数ｎが極小値ｎ＝１となる位置よりも
高電圧側に位置する領域に対応するように、該電流狭窄
層の狭窄面積を設定しており、そのことにより上記目的
が達成される。

【００２８】好ましくは、前記半導体発光素子が（Ａｌ
_xＧａ_1-x）_1-y Ｉｎ_yＰ（ｘ＝０〜０．５、ｙ＝０．５
１）系の半導体発光素子であり、前記電流密度が２５０
Ａ／ｃｍ^-2以上である構成とする。

【００２９】また、好ましくは、前記電流狭窄層とし
て、ＧａＰ、（Ａｌ_xＧａ_1-x）_1-yＩｎ_yＰ又はＡｌ_xＧ
ａ_1-xＡｓ系材料を用いる構成とする。

【００３０】また、好ましくは、前記発光層の電流注入
領域の面積が１×１０^-4ｃｍ²以下である構成とする。

【００３１】また、好ましくは、前記半導体発光素子が
（Ａｌ_xＧａ_1-x）_1-yＩｎ_yＰ系の半導体発光素子であ
り、前記発光層のＡｌ混晶比ｘ≧０．３の領域で、電流
注入領域の面積が５×１０^-5ｃｍ²以下である構成とす
る。

【００３２】また、好ましくは、前記電流狭窄層の狭窄
部をエッチングにより形成する構成とする。

【００３３】また、好ましくは、前記電流狭窄層の狭窄
部を拡散法により形成する構成とする。

【００３４】また、好ましくは、前記電流狭窄層によっ
て電流狭窄される領域が複数の島状構造である構成とす
る。

【００３５】以下に本発明の作用を本発明を発光ダイオ
ードに適用した場合を例にとって説明する。

【００３６】上記のように、発光層に注入する電流密度
が、半導体発光素子の理想係数ｎ（縦軸）−電圧（横
軸）特性において、理想係数ｎが極小値ｎ＝１となる位
置よりも高電圧側に位置する領域に対応するように（図
８参照）、電流狭窄層の狭窄面積を設定すると、発光層
に注入される電流密度が増大し、低注入電流領域で顕著
である非発光再結合準位が注入キャリアで充満され、バ
ンド端で注入キャリアが再結合される。この結果、相対
的に注入キャリア密度、即ち注入電流密度Ｊに対する非
発光再結合電流密度Ｊｎｒの割合を減らすことができ
る。よって、このような素子構造によれば、結晶中の非
発光再結合濃度を低減させなくても、発光層の内部量子
効率ηｉを向上させることができる。

【００３７】ここで、注入されたキャリアは低電流領域
で影響の大きい非発光再結合準位に影響されず、バンド
端近傍の発光準位を通じて発光再結合する。このため、
本発明によれば、通常の発光ダイオードより高発光効率
の発光ダイオードを実現できる。

【００３８】具体的には、図７の発光ダイオードの電流
−電圧特性において、非発光再結合が少なくなるｎ＝１
の領域において、注入電流密度を従来の１０倍以上、好
ましくは、５０倍以上大きくすることによって、発光効
率を２０％から２倍以上に向上させることが可能であ
る。

【００３９】特に、（Ａｌ_xＧａ_1-x）_1-yＩｎ_yＰ（ｘ＝
０〜０．５、ｙ＝０．５１）系の発光ダイオードでは、
低電流領域での非発光再結合が非常に大きいため、低電
流で駆動する場合に、発光ダイオード（ＬＥＤ）内部で
電流狭窄構造を設けて電流密度を上げることによって、
低電流領域でも高電流領域並の電流密度を得ることがで
き、それによって内部量子効率ηｉを改善することが可
能である。

【００４０】また、電流狭窄層によって電流狭窄される
領域が複数の島状構造である構成にすると、複数に分割
した分、発熱を分散できるので、半導体発光素子の信頼
性を向上することが可能になる。

【００４１】

【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。

【００４２】（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
ＡｌＧａＩｎＰ系の発光ダイオードに適用した例を示
し、図１はこの発光ダイオードの断面構造を示す。以下
に図２（ａ）〜（ｅ）に基づきその構造を製造プロセス
と共に説明する。

【００４３】まず、（００１）面から［１１０］軸方向
に１５°傾いた面を有するｎ型ＧａＡｓ基板（ウエハ
ー）１をエピタキシャル結晶成長装置（図示せず）内に
搬入し、ｎ型ＧａＡｓ基板１上に、ｎ型ＧａＡｓバッフ
ァ層２、Ｓｉドープｎ型（Ａｌ_xＧａ_1-x）_1-yＩｎ_yＰ
（ｘ＝１．０、ｙ＝０．５１）クラッド層３、Ｚｎドー
プｐ型（Ａｌ_xＧａ_1-x）_1-yＩｎ_yＰ（ｘ＝０．４５、ｙ
＝０．５１）活性層４、Ｚｎドープｐ型（Ａｌ_xＧ
ａ_1-x）_1-yＩｎ_yＰ（ｘ＝１．０、ｙ＝０．５１）クラ
ッド層５、Ｚｎドープｐ型ＧａＰ電流拡散層６及びＳｉ
ドープｎ型ＧａＰ電流狭窄層９をこの順にエピタキシャ
ル成長する（同図（ａ）参照）。

【００４４】なお、ここでは、基板として上記の１５°
オフの基板を用いているが、（１００）面ｊｕｓｔ、即
ち（１００）面から傾きのないｎ型ＧａＡｓ基板を用い
ることも可能である。

【００４５】また、上記のＳｉドープｎ型ＧａＰ電流狭
窄層９のＳｉのドーピング濃度は１×１０¹⁷ｃｍ^-3〜１
×１０¹⁹ｃｍ^-3とする。

【００４６】上記各層のエピタキシャル成長が終了する
と、ウエハー１をエピタキシャル結晶成長装置から取り
出し、発光層、つまりＺｎドープｐ型（Ａｌ_xＧａ_1-x）
_1-yＩｎ_yＰ活性層４への電流の通路を確保するため、同
図（ｂ）に示すように、エッチングにより、Ｓｉドープ
ｎ型ＧａＰ電流狭窄層９の一部を直径１００μｍの円形
に除去する。

【００４７】次に、ウエハー１を再度エピタキシャル結
晶成長装置内に搬入し、同図（ｃ）に示すように、Ｓｉ
ドープｎ型ＧａＰ電流狭窄層９上にＺｎドープｐ型Ｇａ
Ｐ再成長電流拡散層１０を再成長する。ここで、上記の
Ｚｎドープｐ型ＧａＰ電流拡散層６及びこのＺｎドープ
ｐ型ＧａＰ再成長電流拡散層１０のＺｎの濃度は１×１
０¹⁷ｃｍ^-3〜１×１０¹⁹ｃｍ^-3の範囲内とする。

【００４８】最後に、同図（ｄ）に示すように、ｎ型Ｇ
ａＡｓ基板１の底面の全面にｎ側電極７を形成し、ま
た、ｐ型ＧａＰ再成長電流拡散層１０上にｐ側電極８を
形成する。

【００４９】ここで、この発光ダイオードにおいては、
ｎ型ＧａＡｓ基板１側からは発光しないので、その底面
の全面にｎ側電極７を付けることができるが、ｐ型Ｇａ
Ｐ再成長電流拡散層１０側からは発光した光が表面から
放射するように、Ｓｉドープｎ型ＧａＰ電流狭窄層９を
エッチングした領域の直上部は、ｐ側電極８がかぶらな
いようにエッチングしておく。同図（ｅ）はこの状態を
チップ上部からみた状態を示している。但し、同図
（ｅ）において、符号１１はｐ側電極形成領域を示し、
符号１２は発光領域を示している。

【００５０】本実施形態１の発光ダイオードでは、Ｓｉ
ドープｎ型ＧａＰ電流狭窄層９をエッチングした部分が
発光領域１２となるため、ｐ側電極８を形成しない円形
領域の直径はそれよりも１０μｍ〜２０μｍほど大きめ
にする。これにより、放射した光をｐ側電極８が遮るこ
となく取り出すことができる。

【００５１】ここで、本実施形態１の発光ダイオードに
おいて、電流狭窄層９をエッチングした面積は、チップ
の大きさ（接合面積）３００μｍ×３００μｍ（９．０
×１０^-4ｃｍ^-3）に対して、エッチングした領域の直径
が、例えば１００μｍφ（７．８５×１０^-5ｃｍ^-3）に
なるように選べば、発光層に注入される電流密度Ｊは１
１．５倍にすることができる。

【００５２】ここで、図７に示す電流−電圧特性におい
て、理想係数ｎに注目した場合、低電流注入領域ではｎ
＝２になって非発光再結合が主であるが、本実施形態１
の場合は、注入電流密度Ｊが１桁大きいため、低電流で
もｎ＝１の拡散電流領域で使用することになる。このた
め、発光効率は上記従来例に比べて２０％〜２倍に大き
くすることができる。具体的には、Ａｌ混晶比が０．４
５において、発光波長が５６０ｎｍの緑色発光に対し
て、チップ光度７．５ｍｃｄが得られ、従来例に比べて
約２倍のチップ光度が得られることを確認できた。

【００５３】次に、図３に基づき本実施形態１の発光ダ
イオードの効果を具体的に説明する。但し、図３は、横
軸に発光注入電流密度（Ａ／ｃｍ²）を、縦軸に光出力
（相対値をプロットし、電流狭窄径を小さくするにつれ
て発光ダイオードの光出力がどのように変化するかをプ
ロットしたもの）をとって、発光ダイオード（ＬＥＤ）
の光出力の電流密度依存性を示すグラフである。より詳
しくは、赤・黄・緑３色の発光ダイオード（Ａｌ混晶比
がそれぞれ０．０５、０．３０、０．４５）の場合につ
いての光出力の測定結果を示す。なお、縦軸は発光色に
よって規格化してある。

【００５４】図３からわかるように、電流狭窄径が１０
０μｍφの赤色発光ダイオードの場合、通常のＬＥＤ構
造に比べて規格化光出力が１．１５倍、また、電流狭窄
径が５０μｍφでは１．２３倍になっている。

【００５５】また、黄色発光ダイオードの場合、電流狭
窄径が１００μｍφでは通常のＬＥＤ構造に比べて規格
化光出力が１．２５倍、電流狭窄径が５０μｍφでは
１．４倍になっている。

【００５６】また、緑色発光ダイオードの場合、電流狭
窄径が１００μｍφでは通常のＬＥＤ構造に比べて規格
化光出力が１．４倍になり、電流狭窄径が５０μｍφで
１．９倍になっている。

【００５７】このように、電流狭窄による発光効率の増
大の効果は発光色が短波長になるほど顕著になる。これ
は発光層のＡｌ混晶比が増加するに従って非発光再結合
準位が発光層中に増加し、低電流注入領域では発光効率
は減少するものの、電流狭窄構造による注入電流密度の
増大によって発光効率が向上することを示している。し
かも、非発光準位濃度が高い半導体結晶程、その効果が
大きい。

【００５８】ここで、図３に示す実験結果により、以下
のことがいえる。まず、図３より電流密度は２５０Ａ／
ｃｍ²以上で本実施形態１の効果を奏することがわか
る。但し、この数値２５０Ａ／ｃｍ²以上は、限界値を
示すものではなく、２００Ａ／ｃｍ²程度以上であれば
本実施形態１の効果を奏することができるものと考えら
れる。

【００５９】また、この実験結果より電流注入領域の面
積は、１×１０^-4ｃｍ²以下であれば好ましい結果が得
られるものと考えられる。即ち、駆動電流２０ｍＡにお
いて、電流狭窄径が１００μｍφの場合、電流注入領域
の面積が７．９×１０^-5ｃｍ²で十分効果があるため、
電流注入領域の面積は、１×１０^-4ｃｍ²以下であれば
よい。

【００６０】また、発光層のＡｌ混晶比ｘ≧０．３の領
域で、電流注入領域の面積が５×１０^-5ｃｍ²以下であ
れば実施する上で好ましいものになる。即ち、上記のよ
うに緑色発光ダイオードで特に電流狭窄による効果があ
るため、限界となる電流注入領域の面積は、電流注入領
域の面積が５×１０^-5ｃｍ²の場合に、電流狭窄径８０
μｍφに相当し、通常構造の場合に比べて発光効率を３
０％以上向上できるため、この程度の限界値が実施する
上で好ましいものと考えられるからである。

【００６１】（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。但
し、本実施形態２の発光ダイオードは、主として、一部
の領域にＺｎを表面から拡散させたＺｎ拡散領域１３を
形成し、これにより、ｎ型ＧａＰ電流狭窄層９の一部を
ｐ型に反転させて、電流が通過する領域を形成した点が
実施形態１の発光ダイオードとは異なっている。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
造プロセスと共に説明する。

【００６２】まず、（００１）面から［１１０］軸方向
に１５°傾いた面を有するｎ型ＧａＡｓ基板（ウエハ
ー）１をエピタキシャル結晶成長装置内に搬入し、ｎ型
ＧａＡｓ基板１上に、ｎ型ＧａＡｓバッファ層２、Ｓｉ
ドープｎ型（Ａｌ_xＧａ_1-x）_1-yＩｎ_yＰ（ｘ＝１．０、
ｙ＝０．５１）クラッド層３、Ｚｎドープｐ型（Ａｌ_xG
a_1-x）_1-yＩｎ_yＰ（ｘ＝０．５、ｙ＝０．５１）活性層
４、Ｚｎドープｐ型（Ａｌ_xＧａ_1-x）_1-yＩｎ_yＰ（ｘ＝
１．０、ｙ＝０．５１）クラッド層５及びＳｉドープｎ
型ＧａＰ電流狭窄層９をこの順にエピタキシャル成長す
る。

【００６３】次に、一部の領域にＺｎを表面から拡散さ
せ、これにより、ｎ型ＧａＰ電流狭窄層９の一部をｐ型
に反転させ、電流が通過する領域を形成する。その後、
Ｚｎ拡散領域１３の一部にｐ側電極８が１０〜２０μｍ
重なるように、電流狭窄層９上にｐ側電極８を形成す
る。また、ｎ型ＧａＡｓ基板１の底面の全面にｎ側電極
７を形成する。以上の工程を経て図４に断面構造を示す
本実施形態２の発光ダイオードが得られる。

【００６４】ここで、電流通路は矢印のようになり、実
施形態１と同様の電流狭窄効果が得られる。

【００６５】加えて、本実施形態２の発光ダイオードの
場合は、実施形態１の発光ダイオードの場合とは異な
り、ｎ型ＧａＰ電流狭窄層９の一部をエッチングする工
程と、ｐ型ＧａＰ再成長電流拡散層１０の再成長工程が
省略できるため、より少ない工程で電流狭窄型の発光ダ
イオードが作製できる。よって、その分、製造能率を向
上できるので、より安価な発光ダイオードを実現できる
利点がある。

【００６６】また、本実施形態２の発光ダイオードの素
子構造では、Ｚｎ拡散法を用いて電流狭窄層９をｐｎ反
転させているが、このような拡散層を用いると、通常発
光層までＺｎが拡散してしまい、逆に非発光準位が多く
なって発光効率が減少してしまう。しかし、本素子構造
ではＺｎが拡散しにくいＧａＰ層を用いているため、こ
のような拡散法を用いた電流狭窄構造でも発光層にＺｎ
が拡散せず、高発光効率の発光ダイオードが実現でき
る。

【００６７】（その他の実施形態）上記の実施形態１及
び実施形態２では、共に電流狭窄する領域の形状を円形
にし、且つその領域をチップ中央部に設けているが、本
発明は発光層に注入する電流密度が、半導体発光素子の
理想係数ｎ（縦軸）−電圧（横軸）特性において、理想
係数ｎが極小値ｎ＝１となる位置よりも高電圧側に位置
する領域に対応するように、電流狭窄層の狭窄面積を設
定することにより、発光層に注入される電流密度を増大
することを主眼とするものであり、電流狭窄形状につい
ては上記の円形に限定されるものではない。

【００６８】図５（ａ）〜（ｃ）は電流狭窄形状が上記
実施形態のものとは異なる本発明発光ダイオードの他の
実施形態をそれぞれ示す。

【００６９】まず、同図（ａ）に示すものは、チップ中
央部にワイヤーを付けるため、中央部にｐ側電極を付
け、その周辺でリング状に発光させるようにしたもので
ある。従って、本実施形態においては、ｐ側電極形成領
域１１内にほぼリング状の発光領域１２を有する形状に
なっている。

【００７０】本実施形態の発光ダイオードによれば、電
極がチップの中央にあるため、ワイヤを中央に取り付け
ることができるので、チップのマウント／ワイヤボンデ
ィングの位置合わせが容易になる利点がある。

【００７１】また、同図（ｂ）に示すものは、電流狭窄
部をストライプ状に形成した例を示す。従って、本実施
形態においては、ｐ側電極形成領域１１内の中央部にス
トストライプ状の発光領域１２を有する形状になってい
る。

【００７２】本実施形態の発光ダイオードによれば、発
光パターンが線状になるため、樹脂モールドしても発光
パターンを一方向のみに広げることが可能になるので、
ラインセンサ等への応用が可能になる。

【００７３】また、同図（ｃ）に示すものは、電流狭窄
層をメッシュ状に形成した例を示す。従って、本実施形
態においては、同図（ｃ）に示すように、中央部及びそ
の周囲に黒いドットで示す電極形成領域１１が形成さ
れ、周囲の白色で示すメッシュ状の領域に発光領域１２
が形成された構造になっている。

【００７４】本実施形態の発光ダイオードによれば、発
光パターンを従来例のものと同じにすることができる。
即ち、実施形態１の発光ダイオードでは、樹脂モールド
すると、点光源になってしまい、指向角が従来例よりも
小さくなってしまうが、本実施形態の発光ダイオードに
よれば、従来例と同じ指向角で、電流密度の向上が図
れ、発光効率の高い発光ダイオードを実現できる利点が
ある。

【００７５】なお、図５（ａ）〜（ｃ）に示すいずれの
実施形態においても、チップ面積に対して電流狭窄する
面積は、実施形態１と同様の割合になるように設計され
ている。

【００７６】これらの実施形態の発光ダイオードも、実
施形態１の発光ダイオードと同様の効果を奏することは
勿論である。

【００７７】本発明は図示例以外の発光ダイオードにも
適用することが可能である。即ち、例えば、電流狭窄層
によって電流狭窄される領域が複数の島状構造である発
光ダイオードにも本発明を適用することができる。この
ような構成の発光ダイオードによれば、複数に分割した
分、発熱を分散できるので、発光ダイオードの信頼性を
向上できる利点がある。

【００７８】また、本発明が適用される発光ダイオード
は、ＡｌＧａＩｎＰ系の発光ダイオードに限定されるも
のでないことは勿論である。

【００７９】

【発明の効果】以上の本発明半導体発光素子によれば、
発光層に注入する電流密度が半導体発光素子の電流−電
圧特性における理想係数ｎがｎ＝１となるように、電流
狭窄層の狭窄面積を設定する構成をとるので、発光層に
注入される電流密度が増大し、低注入電流領域で顕著で
ある非発光再結合準位が注入キャリアで充満され、バン
ド端で注入キャリアが再結合される。この結果、相対的
に注入キャリア密度、即ち注入電流密度Ｊに対する非発
光再結合電流密度Ｊｎｒの割合を減らすことができる。
よって、このような素子構造によれば、結晶中の非発光
再結合濃度を低減させなくても、発光層の内部量子効率
ηｉを向上させることができる。

【００８０】ここで、注入されたキャリアは低電流領域
で影響の大きい非発光再結合準位に影響されず、バンド
端近傍の発光準位を通じて発光再結合する。このため、
本発明によれば、通常の発光ダイオードより高発光効率
の発光ダイオードを実現できる。

【００８１】また、特に請求項７記載の半導体発光素子
によれば、電流狭窄部を拡散法によって形成する構成を
とるため、電流狭窄層の一部をエッチングする工程と、
再成長電流拡散層の再成長工程が省略できるため、より
少ない工程で電流狭窄型の発光ダイオードが作製でき
る。よって、その分、製造能率を向上できるので、より
安価な発光ダイオードを実現できる利点がある。

【００８２】また、特に請求項８記載の半導体発光素子
によれば、電流狭窄層によって電流狭窄される領域が複
数の島状構造である構成とするので、複数に分割した
分、発熱を分散できるので、発光ダイオードの信頼性を
向上できる利点がある。

【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、図１の発光ダイオ
ードの製造プロセスを示す工程図。

【図３】横軸に発光注入電流密度を、縦軸に光出力をと
って、発光ダイオードの光出力の電流密度依存性を示す
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】（ａ）〜（ｃ）は本発明の他の実施形態を示
す、発光ダイオードの電極形状と発光領域の形状例を示
す平面図。

【図６】発光ダイオードを従来例を示す断面図。

【図７】発光ダイオードの電流−電圧特性を示すグラ
フ。

【図８】発光ダイオードの理想係数−電圧特性を示すグ
ラフ。

【図９】発光ダイオードの光出力−電流特性を示すグラ
フ。

【図１０】ＡｌＧａＡｓ系の発光ダイオードとＡｌＧａ
ＩｎＰ系の発光ダイオードの電流−電圧特性を対比して
示すグラフ。

【符号の説明】

１ｎ型ＧａＡｓ基板２バッファ層３クラッド層４活性層５クラッド層６電流拡散層７ｎ側電極８ｐ側電極９電流狭窄層１０再成長電流拡散層１１ｐ型電極形成領域１２発光領域１３Ｚｎ拡散領域

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基板上に発光層、電流狭窄層等を形成し
た半導体発光素子であって、該発光層に注入する電流密度が、半導体発光素子の理想
係数ｎ（縦軸）−電圧（横軸）特性において、該理想係
数ｎが極小値ｎ＝１となる位置よりも高電圧側に位置す
る領域に対応するように、該電流狭窄層の狭窄面積を設
定した半導体発光素子。
【請求項２】前記半導体発光素子が（Ａｌ_xＧａ_1-x）
_1-y Ｉｎ_yＰ（ｘ＝０〜０．５、ｙ＝０．５１）系の半
導体発光素子であり、前記電流密度が２５０Ａ／ｃｍ^-2
以上である請求項１記載の半導体発光素子。
【請求項３】前記電流狭窄層として、ＧａＰ、（Ａｌ_x
Ｇａ_1-x）_1-yＩｎ_yＰ又はＡｌ_xＧａ_1-xＡｓ系材料を用
いた請求項１又は請求項２記載の半導体発光素子。
【請求項４】前記発光層の電流注入領域の面積が１×
１０^-4ｃｍ²以下である請求項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】前記半導体発光素子が（Ａｌ_xＧａ_1-x）
_1-yＩｎ_yＰ系の半導体発光素子であり、前記発光層の
Ａｌ混晶比ｘ≧０．３の領域で、電流注入領域の面積が
５×１０^-5ｃｍ²以下である請求項１記載の半導体発光
素子。
【請求項６】前記電流狭窄層の狭窄部をエッチングに
より形成した請求項１記載の半導体発光素子。
【請求項７】前記電流狭窄層の狭窄部を拡散法により
形成した請求項１記載の半導体発光素子。
【請求項８】前記電流狭窄層によって電流狭窄される
領域が複数の島状構造である請求項１記載の半導体発光
素子。