JPH1168154A

JPH1168154A - 半導体発光素子

Info

Publication number: JPH1168154A
Application number: JP22917197A
Authority: JP
Inventors: Akira Saeki; 伯亮佐
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1997-08-26
Filing date: 1997-08-26
Publication date: 1999-03-09
Anticipated expiration: 2017-08-26
Also published as: JP3732626B2

Abstract

(57)【要約】【課題】ｌｎＧａＡｌＰ系半導体発光素子において、
不純物シリコンによる非発光再結合中心の作用を抑制す
ることにより、短波長においても発光効率が高い半導体
発光素子を提供することを目的とする。【解決手段】ｌｎＧａＡｌＰ活性層に所定量の亜鉛を
ドーピングすることにより、不純物シリコンの非発光再
結合中心としての作用を抑制し、短波長においても高輝
度を有する半導体発光素子を提供することができる。さ
らに、不純物シリコンの混入量を所定のレベル以下に抑
制することにより、発光効率は顕著に改善される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体発光素子に
関する。より具体的には、本発明は、黄色から緑色の波
長帯において高輝度、且つ低コストで製造することがで
きる半導体発光素子に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】半導体発光素子は、コンパクト且つ低消
費電力であり、信頼性に優れるなどの多くの利点を有
し、近年では、高い発光輝度が要求される室内外の表示
板、鉄道／交通信号、車載用灯具などについても広く応
用されつつある。特に、４元化合物半導体であるｌｎＧ
ａＡｌＰ系材料を発光層として用いたものは、その組成
を調節することにより、赤色から緑色までの幅広い波長
帯において発光させることができる。

【０００３】なお、本明細書において「ｌｎＧａＡｌＰ
系化合物半導体」とは、組成式ｌｎ_xＧａ_yＡｌ_1-x-y
Ｐにおける組成比ｘおよびｙを、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦
１、但し（ｘ＋ｙ）≦１の範囲で変化させたあらゆる組
成の半導体を含むものとする。図７は、従来のｌｎＧａ
ＡｌＰ系半導体発光素子の概略構成を表す断面模式図で
ある。すなわち、発光素子１００は、ｎ型ＧａＡｓ基板
１０１の上に、ｎ型ＧａＡｓバッファ層１０２、ｎ型ｌ
ｎＡｌＰクラッド層１０３、ＩｎＧａＡｌＰ活性層１０
４、ｐ型ＩｎＡｌＰクラッド層１０５、ｐ型ＧａＡｌＡ
ｓ電流拡散層１０６が順次積層され、さらに、ｐ側電極
１０８、およびｎ側電極１０９が形成されている。各半
導体層１０１〜１０６は、例えば、有機金属化学気相成
長法（ＭＯＣＶＤ法）によりエピタキシャル成長して形
成される。

【０００４】同図に示した構成は、いわゆる「ダブルヘ
テロ型」といわれる構造である。このような「ダブルヘ
テロ型」発光素子においては、一般にｎ型クラッド層１
０３とｐ型クラッド層１０５との間に、不純物がドーピ
ングされない活性層１０４が設けられていることが特徴
とされている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、図７に示した
ような従来のｌｎＧａＡｌＰ系発光素子においては、発
光波長を短くするに従って発光輝度が大きく低下すると
いう問題があった。以下、この問題について詳述する。

【０００６】図８は、従来のｌｎＧａＡｌＰ系発光素子
の発光波長と発光効率との関係を表すグラフ図である。
すなわち、同図の横軸は活性層の発光波長を表し、それ
ぞれの波長に対応する発光色も併せて示されている。同
図から、ｌｎＧａＡｌＰ系発光素子においては、発光波
長が短くなるにつれて発光効率が低下し、黄緑色から緑
色の波長帯においては、発光効率は、黄色の１／１０以
下にまで低下することが分かる。

【０００７】このような発光効率の低下の原因は、活性
層中に形成される非発光再結合中心である。活性層中に
このような非発光再結合中心が形成される原因は、不純
物シリコン（Ｓｉ）である。すなわち、ＭＯＣＶＤ法に
よりｌｎＧａＡｌＰ層を成長する場合に、原料として用
いるトリメチル・ガリウム（ＴＭＧ）、トリメチル・ア
ルミニウム（ＴＭＡ）、トリメチル・インジウム（ＴＭ
Ｉ）などに含有される不純物シリコンが、ｌｎＧａＡｌ
Ｐ層に混入される。本発明者は、ｌｎＧａＡｌＰ活性層
中に混入される不純物シリコンの量と、発光素子の発光
効率との関係を独自に調べた。

【０００８】図９は、この結果を表すグラフ図である。
すなわち、同図の横軸は緑色ＬＥＤの活性層の不純物シ
リコン濃度を表し、縦軸はその発光効率を表す。活性層
に混入する不純物シリコンの濃度は、１０¹⁵〜１０¹⁷ｃ
ｍ^-3のオーダであり、混入量が増加するに従って、発光
効率が顕著に低下することが分かる。

【０００９】発光効率を改善するためには、不純物シリ
コンの混入を遮断すれば良い。しかし、このような不純
物シリコンは結晶成長の原料に含有されているので、そ
の混入を完全に遮断することは容易でないという問題が
ある。

【００１０】ここで、不純物シリコンは、特にＴＭＡに
多く含有されている。従って、活性層のアルミニウム組
成を高くするほど、すなわち発光波長を短くするほど、
不純物シリコンの混入量が増加し、発光効率が低下する
という問題があった。また、本発明者は、活性層の発光
波長と不純物シリコンのエネルギ準位との関係について
も独自に調べた。図１０は、この結果を表すグラフ図で
ある。すなわち、同図の横軸はｌｎＧａＡｌＰ活性層の
発光波長を表し、縦軸は不純物シリコンのエネルギ準位
を表す。ここで、縦軸のエネルギ準位は、ｌｎＧａＡｌ
Ｐの伝導帯からみた値が示されている。同図から分かる
ように、活性層の発光波長が短くなるほど、不純物シリ
コンのエネルギ準位は深くなる。このようにエネルギ準
位が深くなると、非発光再結合中心としての作用がより
顕著になり、発光素子の発光効率が著しく低下する。つ
まり、従来のｌｎＧａＡｌＰ系発光素子においては、発
光波長が短くなるほど、不純物シリコンのエネルギ準位
が深くなり、発光効率が低下する。

【００１１】以上説明したように、従来のｌｎＧａＡｌ
Ｐ系発光素子においては、発光波長が短くなるほど、不
純物シリコンの混入量が増加し、しかも、不純物シリコ
ンの非発光再結合中心としての作用が顕著となるため
に、発光効率が顕著に低下してしまうという問題があっ
た。

【００１２】本発明は、かかる点に鑑みてなされたもの
である。すなわち、本発明は、ｌｎＧａＡｌＰ系半導体
発光素子において、不純物シリコンによる非発光再結合
中心の作用を抑制することにより、短波長においても発
光効率が高い半導体発光素子を提供することを目的とす
るものである。

【００１３】

【課題を解決するための手段】すなわち、本発明の半導
体発光素子は、基板と、前記基板上に形成されたｌｎＧ
ａＡｌＰ系化合物半導体からなる第１のクラッド層と、
前記第１のクラッド層の上に形成されたｌｎＧａＡｌＰ
系化合物半導体からなる活性層と、前記活性層の上に形
成されたｌｎＧａＡｌＰ系化合物半導体からなる第２の
クラッド層と、を備えた半導体発光素子であって、前記
活性層は、非発光再結合中心を形成する不純物元素と、
前記非発光再結合中心を不活性化させることにより、励
起キャリアの非発光再結合過程による再結合のライフタ
イムを長くする元素と、を含有してなることを特徴とす
るものして構成され、非発光再結合中心の作用が抑制さ
れて高い発光効率を得ることができる。

【００１４】ここで、非発光再結合中心を形成する不純
物元素としては、シリコンが挙げられ、非発光再結合中
心を不活性化させる元素としては、亜鉛を挙げることが
できる。

【００１５】また、活性層における前記シリコンの含有
量は、５×１０¹⁶ｃｍ^-3以下で、前記活性層における前
記亜鉛の含有量は、５×１０¹⁶ｃｍ^-3以上、且つ２×１
０¹⁷ｃｍ^-3以下とすると、従来の約１．５倍の発光効率
を得ることができる。

【００１６】さらに、前記活性層における前記シリコン
の含有量は、１×１０¹⁶ｃｍ^-3以下であり、前記活性層
における前記亜鉛の含有量は、５×１０¹⁶ｃｍ^-3以上、
且つ２×１０¹⁷ｃｍ^-3以下とすると、従来の約３倍の発
光効率を得ることができる。ここで、前記活性層を構成
する前記ｌｎＧａＡｌＰ系化合物半導体の発光波長は、
５５０ｎｍ以上で５８０ｎｍ以下とすると、発光効率の
改善が顕著となる。また、前記活性層は、多重量子井戸
型構造とすることにより、発光特性をさらに改善するこ
とができるようになる。

【００１７】また、前記活性層の層厚は、０．８μｍ以
上、且つ２．０μｍ以下とすることにより、発光効率を
顕著に改善することができる。

【００１８】一方、前記半導体発光素子は電流拡散層と
電極とをさらに備え、且つ、前記前記第２のクラッド層
と前記電流拡散層との間に前記電極に対応して部分的に
形成され、前記電極の下部における電流を抑制する電流
ブロック層を設けることにより光の取り出し効率を改善
することができる。

【００１９】また、前記基板と前記第１のクラッド層と
の間に形成された光反射層をさらに備え、前記活性層か
らの発光を前記第２のクラッド層の方向に反射するよう
にすることによって光の取り出し効率をさらに改善する
ことができる。

【００２０】

【発明の実施の形態】本発明によれば、ｌｎＧａＡｌＰ
活性層に所定量の亜鉛をドーピングすることにより、不
純物シリコンの非発光再結合中心としての作用を抑制
し、短波長においても高輝度を有する半導体発光素子を
提供することができる。さらに、不純物シリコンの混入
量を所定のレベル以下に抑制することにより、発光効率
は顕著に改善される。

【００２１】以下に図面を参照しつつ、本発明の実施の
形態について説明する。図１は、本発明による半導体発
光素子の断面構造を例示する概略図である。図７に表し
たような従来の発光素子との主な相違点は、活性層に所
定量の亜鉛がドーピングされている点にある。

【００２２】すなわち、本発明による発光素子１０は、
一例としてダブルヘテロ型の構造を有するものとして構
成することができる。そして、ｎ型ＧａＡｓ基板１１
（厚さ約２５０μｍ）上に、ｎ型ＧａＡｓバッファ層
（０．５μｍ）１２、ｎ型ＩｎＡｌＰクラッド層（０．
６μｍ）１３、ＩｎＧａＡｌＰ活性層（１．０μｍ）１
４、ｐ型ＩｎＡｌＰクラッド層（１．０μｍ）１５、ｐ
型ＧａＡｌＡｓ電流拡散層１６が順次積層された構造を
有する。

【００２３】各半導体層１２〜１６は、例えばＭＯＣＶ
Ｄ法によりエピタキシャル成長することができる。ＭＯ
ＣＶＤ法による場合の結晶成長温度は、例えば７００℃
程度とすることができる。また、原料としては、例え
ば、ＴＭＧ、ＴＭＡ、ＴＭＩなどの有機金属と、アルシ
ン（ＡｓＨ₃）、フォスフィン（ＰＨ₃）などの水素化
ガスとを用いることができる。ここで、ｎ型の半導体層
１２、１３には不純物として、例えばシリコンをドーピ
ングし、ｐ型の半導体層１５、１６には、不純物とし
て、例えば亜鉛（Ｚｎ）をドーピングする。シリコンの
原料としては、例えばシラン（ＳｉＨ₄）を用い、亜鉛
の原料としては、例えばジメチル亜鉛（ＤＭＺ）を用い
ることができる。前述した各種の原料ガスは、水素など
のキャリアガスと共に、反応炉内に適宜導入され、Ｇａ
Ａｓ基板１１上で熱分解を生じて所定の結晶層が成長す
る。

【００２４】また、活性層１４は、ｌｎＧａＡｌＰから
なる単一層の代わりに、いわゆる多重量子井戸型（ＭＱ
Ｗ）構造としても良い。このようなＭＱＷ構造として
は、例えば、組成とそれに伴うバンドギャップが互いに
異なる２種類のｌｎＧａＡｌＰ層、すなわち、ｌｎＧａ
ＡｌＰ井戸層とｌｎＧａＡｌＰ障壁層とを交互に積層さ
せた構造とすることができる。それぞれの組成は、所定
の発光波長に応じて適宜決定することができる。また、
ｌｎＧａＡｌＰ井戸層の層厚は５〜１５ｎｍ程度で、ｌ
ｎＧａＡｌＰ障壁層の層厚は５〜２０ｎｍ程度とするこ
とが望ましい。このような井戸層と障壁層の積層数は、
１０〜３０周期とすることが望ましい。活性層１４をこ
のようなＭＱＷ構造とすることにより、発光素子の発光
特性が改善される。すなわち、発光波長の単色性や発光
強度、温度特性などが改善される。結晶成長工程の後
に、ｐ側電極１８とｎ側電極１９とをそれぞれ形成し、
ダイシング法によって一辺が約３００μｍの正方形状の
チップに切り出して発光素子１０が完成する。この発光
素子は、例えば、ステムなどの図示しない実装部材に実
装し、ワイア・ボンディング、樹脂封止によって直径約
５ｍｍのＬＥＤランプに組み立てて、発光輝度や発光波
長などを評価することができる。

【００２５】ここで、所定の発光波長を得るためには、
活性層１４を構成するｌｎ_xＧａ_yＡｌ_1-x-yＰ混晶の
組成比ｘおよびｙを調節すれば良い。すなわち、組成比
ｘ、ｙを調節することにより、バンドギャップを変化さ
せて、例えば黄色、黄緑色あるいは緑色などの所定の発
光波長を得ることができる。

【００２６】本発明においては、ｌｎＧａＡｌＰ活性層
１４に亜鉛がドーピングされ、不純物シリコンの悪影響
が抑制されている。亜鉛のドーピングは、例えばＤＭＺ
を用いて行うことができる。また、活性層１４を前述し
たようなＭＱＷ構造とした場合には、ｌｎＧａＡｌＰ井
戸層とｌｎＧａＡｌＰ障壁層の両方に亜鉛をドーピング
することにより、不純物シリコンの悪影響を効果的に抑
制することができる。

【００２７】亜鉛のドーピング量は、ｌｎＧａＡｌＰ活
性層１４に含有される不純物シリコンの量に応じて適宜
決定することができる。しかし、本発明の独自の検討の
結果、後に詳述するように不純物シリコンの混入量が約
１×１０¹⁶以下である場合に、亜鉛をドーピングする効
果が特に顕著に表れることが分かった。

【００２８】図２は、本発明による発光素子において、
活性層への亜鉛のドーピング量と、発光効率との関係を
表すグラフ図である。同図に示した関係は、発光波長が
５６０ｎｍの緑色の領域で発光する発光素子についての
ものである。また、同図においては、活性層１４に混入
された不純物シリコンの量が約１×１０¹⁶ｃｍ^-3場合
（ａ）、約５×１０¹⁶ｃｍ^-3の場合（ｂ）、および約１
×１０¹⁷ｃｍ^-3の場合（ｃ）とがそれぞれ示されてい
る。また、同図の（ａ’）、（ｂ’）および（ｃ’）
は、亜鉛をドーピングしない場合のそれぞれのシリコン
濃度における発光効率を表す。

【００２９】図２から分かるように、不純物シリコン濃
度が１×１０¹⁷ｃｍ^-3の場合には、亜鉛をドーピングし
ても、発光効率は改善されず、逆に２×１０ｃｍ^-3以上
の亜鉛をドーピングすると発光効率は低下する傾向がみ
られる。このような発光効率の低下は、ドーピングされ
た亜鉛がｌｎＧａＡｌＰ活性層１４中において、非発光
再結合中心を形成するためであると推測される。

【００３０】これに対して、不純物シリコン濃度が５×
１０¹⁶ｃｍ^-3の場合には、亜鉛のドーピングにより発光
効率は改善され、亜鉛を約１×１０¹⁷ｃｍ^-3ドーピング
した場合に、発光効率は極大値を有し、従来例、すなわ
ち亜鉛をドーピングしない場合に比べて発光効率は、約
１．５倍に改善される。

【００３１】さらに、不純物シリコン濃度が１×１０¹⁶
ｃｍ^-3の場合には、亜鉛のドーピングにより発光効率は
顕著に改善され、亜鉛を約１×１０¹⁷ｃｍ^-3ドーピング
した場合に、発光効率は極大値を有し、従来例、すなわ
ち亜鉛をドーピングしない場合に比べて発光効率は、約
３倍に改善される。すなわち、本発明によれば、不純物
シリコンの混入量が所定のレベル以下の場合に、亜鉛を
ドーピングすることにより、顕著な発光効率の向上が得
られることが分かった。

【００３２】このように、不純物シリコンの混入量が所
定のレベル以下の場合に、亜鉛のドーピングの効果が顕
著になる理由は、必ずしも明確ではない。しかし、本発
明者の検討によれば、ドーパントである亜鉛とシリコン
とが、ｌｎＧａＡｌＰ活性層中において何らかの相互作
用を有する結果として、不純物シリコンの量が多い場合
には、亜鉛が非発光再結合中心として作用しやすくなる
ことが推測される。

【００３３】以上説明したように、本発明によれば、不
純物シリコンの量が所定量以下である場合に、亜鉛が極
めて有効に作用し、発光効率が顕著に改善される。

【００３４】図３は、本発明の発光素子と従来の発光素
子とについて、発光波長と発光効率との関係を表すグラ
フ図である。ここでは、ｌｎＧａＡｌＰ活性層中に含有
される不純物シリコンの量が約１×１０¹⁶ｃｍ^-3であ
り、亜鉛を約１×１０¹⁷ｃｍ^-3ドーピングした場合につ
いて示した。

【００３５】本発明によれば、活性層の発光波長が約５
５０〜５９０ｎｍの範囲、すなわち緑色から黄色の範囲
において、従来よりも発光効率が改善されていることが
分かる。また、発光波長が約５５０〜５８０ｎｍ、すな
わち緑色から黄緑色の範囲において、発光効率の改善が
顕著であり、さらに、発光波長が約５５０〜５７０ｎ
ｍ、すなわち緑色の範囲において特に発光効率の改善が
顕著であることが分かる。これは、図８に関して前述し
たように、ｌｎＧａＡｌＰ層においては発光波長が短く
なるほど不純物シリコンによる非発光再結合中心の影響
が顕著になることと対応していると考えられる。すなわ
ち、ｌｎＧａＡｌＰ層のバンドギャップが大きくなるほ
ど、不純物シリコンが非発光再結合中心として作用する
傾向が顕著となり、本発明により亜鉛をドーピングする
ことによる発光効率の改善の顕著にみられるようにな
る。以上説明したように、本発明によれば、緑色などの
短波長の発光素子において、特に顕著な効果を得ること
ができる。

【００３６】本発明者はさらに、本発明による亜鉛ドー
ピングの作用効果についてキャリアのライフタイムの観
点から検討を行った。図４は、ｌｎＧａＡｌＰ活性層に
おけるフォトルミネッセンス（ＰＬ）励起キャリア密度
と、キャリアのライフタイムとの関係を表すグラフ図で
ある。ここで用いたｌｎＧａＡｌＰ層は、発光波長が約
５６０ｎｍの組成を有するものである。ここで、「ＰＬ
励起キャリア密度」とは、光を照射することにより励起
されたｌｎＧａＡｌＰ活性層中のキャリアの密度をい
う。また、ここで測定された「ライフタイム」は、励起
されたキャリアが非発光結合過程により再結合する場合
のライフタイムと、発光再結合過程により再結合する場
合のライフタイムとを合わせたものである。ここで、励
起キャリアの特性として、キャリア密度が低い場合、す
なわち、同図の右側の領域においては、非発光再結合に
よるライフタイムが主要成分となり、キャリア密度が高
い場合、すなわち同図の左側の領域におけるライフタイ
ムは、発光再結合によるライフタイムが主要成分とな
る。

【００３７】同図から、本発明によるｌｎＧａＡｌＰ層
は、キャリア密度が低い領域におけるライフタイムが従
来のものよりも長いことがわかる。つまり、本発明によ
るｌｎＧａＡｌＰ層においては、励起キャリアが非発光
再結合するまでのライフタイムが長く、非発光再結合が
抑制されていることが分かった。つまり、本発明におい
ては、亜鉛をドーピングしたことによって、非発光再結
合中心が不活性化されていることが分かった。

【００３８】これに対して、励起キャリア密度が高くな
ると、本発明においても従来例においてもライフタイム
が短くなり、励起キャリア濃度が１×１０¹⁷ｃｍ^-3以上
においては、ほぼ同一のライフタイムを有することが分
かる。すなわち、発光再結合のライフタイムは、本発明
においても従来例においても概略同一であり、亜鉛をド
ーピングしても、発光再結合が生じにくくなることはな
いことが分かる。

【００３９】以上説明したように、本発明によれば、ｌ
ｎＧａＡｌＰ活性層に亜鉛をドーピングすることによ
り、不純物シリコンに起因する非発光再結合を不活性化
し、発光効率を改善することができる。さらに、本発明
のこの効果は、不純物シリコンの混入量が１×１０¹⁷ｃ
ｍ^-3以下、望ましくは５×１０¹⁶ｃｍ^-3以下、さらに望
ましくは１×１０¹⁶ｃｍ^-3以下である場合に、顕著とな
り、発光効率を従来の約２倍程度に改善することができ
る。

【００４０】不純物シリコンの混入量を制御するために
は、結晶成長の原料を選定したり、結晶成長条件を調節
する方法を採ることができる。本発明者の検討によれ
ば、ＭＯＣＶＤ法においては、ＴＭＡやＴＭＩが特に不
純物シリコンを多く含有する傾向がみられた。従って、
特に、これらの原料について純物シリコンの含有量をモ
ニタし、原料を選別することによって、ｌｎＧａＡｌＰ
層に混入される不純物シリコンの量を制御することがで
きる。

【００４１】また、結晶成長条件を調節することによっ
ても不純物シリコンの混入量を制御することができる。
例えば、結晶成長時の温度や、ＩＩＩ族原料とＶ族元素
ガスとの流量比、あるいはキャリアガスとの流量比など
の種々のパラメータ調節することによって、ｌｎＧａＡ
ｌＰ層に混入される不純物シリコンの量を制御すること
が可能である。

【００４２】ここで、本発明による非発光再結合中心の
抑制効果は、発光波長が短波長になるほど顕著となる。
すなわち、図３に示したように、本発明によれば、緑色
などの短波長領域において、従来よりも大幅に発光効率
が改善された高い発光輝度を有する発光素子を提供する
ことができる。

【００４３】さらに、本発明者は、活性層１４の層厚と
発光効率との関係について調べた。その結果、活性層１
４の層厚には最適範囲が存在し、層厚が０．８〜２．０
μｍの場合に最も高い発光効率が得られることが分かっ
た。このような最適範囲が存在する理由は、活性層１４
の層厚がこれよりも薄いと十分な発光量が得られず、逆
に層厚がこれよりも厚いと注入キャリアの拡散長よりも
厚くなり、ダブルヘテロ構造による閉じこめ効果が低下
するからであると考えられる。このように、活性層１４
の層厚を最適化することにより、さらに高輝度の発光素
子を提供することができるようになる。

【００４４】次に、本発明による第２の発光素子につい
て説明する。図５は、本発明による第２の半導体発光素
子の断面構造を例示する概略図である。図１に表した発
光素子との相違点は、ｐ型クラッド層５５と電流拡散層
５６との間に電流ブロック層５７が設けられている点で
ある。すなわち、本発明による発光素子５０は、ｎ型Ｇ
ａＡｓ基板５１（厚さ約２５０μｍ）上に、ｎ型ＧａＡ
ｓバッファ層（０．５μｍ）５２、ｎ型ＩｎＡｌＰクラ
ッド層（０．６μｍ）５３、ＩｎＧａＡｌＰ活性層
（１．０μｍ）５４、ｐ型ＩｎＡｌＰクラッド層（１．
０μｍ）５５、電流ブロック層５７、ｐ型ＧａＡｌＡｓ
電流拡散層５６が順次積層された構造を有する。電流ブ
ロック層５７は、例えば、絶縁性を有する材料や、ｎ型
半導体により構成され、ｐ側電極５８の直下部にのみ設
けられている。さらに、ｐ側電極５８とｎ側電極５９と
がそれぞれ形成されている。

【００４５】各半導体層５２〜５７は、例えばＭＯＣＶ
Ｄ法によりエピタキシャル成長することができ、その成
長温度や原料などは、図１に関して前述したものと同様
とすることができる。

【００４６】ここで、本実施形態においても、ｌｎＧａ
ＡｌＰ活性層５４に亜鉛がドーピングされ、不純物シリ
コンに起因する非発光再結合中心が不活性化されてい
る。亜鉛のドーピングは、例えばＤＭＺを用いて行うこ
とができる。また、亜鉛のドーピング量は、ｌｎＧａＡ
ｌＰ活性層５４に含有される不純物シリコンの量に応じ
て適宜決定することができる。しかし前述したように、
不純物シリコンの混入量を１×１０¹⁷ｃｍ^-3以下、望ま
しくは５×１０¹⁶ｃｍ^-3以下、さらに望ましくは１×１
０¹⁶ｃｍ^-3以下に抑制することによって、亜鉛ドーピン
グの効果が顕著となり、発光効率を従来の約２倍以上に
改善することができる。

【００４７】また、本実施形態においては、電流ブロッ
ク層５７が設けられているために、ｐ側電極５８の下部
において流れる電流を制限することができ、外部に取り
出すことができない電極下部での発光を抑制して、光の
取り出し効率を改善することができる。

【００４８】なお、本実施形態においても、活性層５４
は、ｌｎＧａＡｌＰからなる単一層の代わりに、ＭＱＷ
構造としても良い。すなわち、ｌｎＧａＡｌＰ井戸層と
ｌｎＧａＡｌＰ障壁層とを交互に積層させた構造とする
ことができる。それぞれの組成は、所定の発光波長に応
じて適宜決定することができる。また、ｌｎＧａＡｌＰ
井戸層の層厚は５〜１５ｎｍ程度で、ｌｎＧａＡｌＰ障
壁層の層厚は５〜２０ｎｍ程度とすることが望ましい。
このような井戸層と障壁層の積層数は、１０〜３０周期
とすることが望ましい。活性層５４をこのようなＭＱＷ
構造とすることにより、発光素子の発光特性が改善され
る。すなわち、発光波長の単色性や発光強度、温度特性
などが改善される。さらに、これらの井戸層と障壁層と
にそれぞれ亜鉛を所定量ドーピングすることによって、
前述したように不純物シリコンを不活性化して発光特性
をさらに改善することができる。

【００４９】次に、本発明による第３の発光素子につい
て説明する。図６は、本発明による第３の半導体発光素
子の断面構造を例示する概略図である。図１に表した発
光素子との相違点は、ｐ型クラッド層６５と電流拡散層
６６との間に電流ブロック層６７が設けられ、さらに、
バッファ層６２とｎ型クラッド層６３との間に光反射層
７０が設けられている点である。すなわち、本発明によ
る発光素子６０は、ｎ型ＧａＡｓ基板６１（厚さ約２５
０μｍ）上に、ｎ型ＧａＡｓバッファ層（０．５μｍ）
６２、ｎ型ＩｎＡｌＰクラッド層（０．６μｍ）６３、
ＩｎＧａＡｌＰ活性層（１．０μｍ）６４、ｐ型ＩｎＡ
ｌＰクラッド層（１．０μｍ）６５、電流ブロック層６
７、ｐ型ＧａＡｌＡｓ電流拡散層６６が順次積層された
構造を有する。

【００５０】電流ブロック層６７は、例えば、絶縁性を
有する材料や、ｎ型半導体により構成され、ｐ側電極５
８の直下部にのみ設けられている。また、光反射層７０
は、光屈折率が異なる２種類の材料からなる層を交互に
積層した、いわゆるブラッグ反射層とすることができ
る。各層の層厚は、活性層の発光波長λを、各層の屈折
率をｎとした時に、λ／（４ｎ）とすることが望まし
い。例えば、ｎ型ＩｎＧａＡｌＰ層とｎ型ＧａＡｓ層と
を交互に積層することにより形成することができる。ま
た、ｎ型ＩｎＡｌＰ層とｎ型ＧａＡｓ層とを交互に積層
して形成しても良い。

【００５１】本実施形態においても、ｌｎＧａＡｌＰ活
性層６４に亜鉛がドーピングされ、不純物シリコンに起
因する非発光再結合中心が不活性化されている。亜鉛の
ドーピングは、例えばＤＭＺを用いて行うことができ
る。また、亜鉛のドーピング量は、ｌｎＧａＡｌＰ活性
層６４に含有される不純物シリコンの量に応じて適宜決
定することができる。しかし前述したように、不純物シ
リコンの混入量を１×１０¹⁷ｃｍ^-3以下、望ましくは５
×１０¹⁶ｃｍ^-3以下、さらに望ましくは１×１０¹⁶ｃｍ
^-3以下に抑制することによって、亜鉛ドーピングの効果
が顕著となり、発光効率を従来の約２倍以上に改善する
ことができる。

【００５２】また、本実施形態においては、電流ブロッ
ク層６７が設けられているために、ｐ側電極５８の下部
において流れる電流を制限することができ、外部に取り
出すことができない電極下部での発光を抑制して、光の
取り出し効率を改善することができる。

【００５３】さらに、本実施形態においては、光反射層
７０が設けられているために、活性層６４からの発光
が、図中の上方に向けて反射され、光の取り出し効率を
さらに改善することができる。この結果として、従来よ
りもさらに高輝度の発光素子を提供することができる。

【００５４】なお、本実施形態においても、活性層６４
は、ｌｎＧａＡｌＰからなる単一層の代わりに、ＭＱＷ
構造としても良い。すなわち、ｌｎＧａＡｌＰ井戸層と
ｌｎＧａＡｌＰ障壁層とを交互に積層させた構造とする
ことができる。それぞれの組成は、所定の発光波長に応
じて適宜決定することができる。また、ｌｎＧａＡｌＰ
井戸層の層厚は５〜１５ｎｍ程度で、ｌｎＧａＡｌＰ障
壁層の層厚は５〜２０ｎｍ程度とすることが望ましい。
このような井戸層と障壁層の積層数は、１０〜３０周期
とすることが望ましい。活性層６４をこのようなＭＱＷ
構造とすることにより、発光素子の発光特性が改善され
る。すなわち、発光波長の単色性や発光強度、温度特性
などが改善される。さらに、これらの井戸層と障壁層と
にそれぞれ亜鉛を所定量ドーピングすることによって、
前述したように不純物シリコンを不活性化して発光特性
をさらに改善することができる。

【００５５】以上、具体例を参照しつつ本発明の実施の
形態について説明した。しかし、本発明は、これらの具
体例に限定されるものでははない。

【００５６】例えば、非発光再結合中心として作用する
元素は、前述したシリコンに限定されない。本発明は、
その他のＩＶ族元素、ＶＩ族元素や、遷移金属元素など
に起因する種々の非発光再結合中心に対しても同様に適
用することができる。

【００５７】また、これらの非発光再結合中心を不活性
化するドーパントとしては、例示した亜鉛に限定されな
い。例えば、この他のＩＩ族元素であるマグネシウム
（Ｍｇ）、ベリリウム（Ｂｅ）、カドミウム（Ｃｄ）な
どの元素をドーピングしても、同様に非発光再結合中心
を不活性化することができる。

【００５８】また、各半導体層の結晶成長法としては、
前述したＭＯＣＶＤ法の他に、ハイドライド化学気相成
長法（ＨＣＶＤ）、化学ビーム・エピタキシャル法（Ｃ
ＢＥ）、液相成長法（ＬＰＥ）などを用いることもき
る。

【００５９】また、その導電型についても図示した構成
に限定されず、ｐ型とｎ型とが反転した構造であっても
良い。

【００６０】さらに、ダブルヘテロ型構造に限定され
ず、例えば、ヘテロ接合をひとつだけ有する、いわゆる
シングルヘテロ型構造や、クラッド層が多重量子井戸型
構造を有するいわゆる多重量子障壁（ＭＱＢ）型のよう
な発光素子についても本発明を適用することができる。
その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々に変形し
て実施することが可能である。

【００６１】

【発明の効果】本発明は、以上に説明した形態で実施さ
れ、以下に説明する効果を奏する。

【００６２】まず、本発明によれば、ｌｎＧａＡｌＰ活
性層に亜鉛をドーピングすることによって、非発光再結
合中心による励起キャリアの非発光再結合過程による再
結合のライフタイムを長くすることができる。その結果
として、非発光再結合中心を不活性化させて非発光再結
合中心の作用を抑制し、発光効率を改善することができ
る。

【００６３】また、本発明によれば、不純物シリコン濃
度が５×１０¹⁶ｃｍ^-3の場合には、亜鉛のドーピングに
より発光効率は改善され、亜鉛を約１×１０¹⁷ｃｍ^-3ド
ーピングした場合に、発光効率は極大値を有し、従来
例、すなわち亜鉛をドーピングしない場合に比べて発光
効率は、約１．５倍に改善される。

【００６４】さらに、本発明によれば、不純物シリコン
濃度が１×１０¹⁶ｃｍ^-3の場合には、亜鉛のドーピング
により発光効率は顕著に改善され、亜鉛を約１×１０¹⁷
ｃｍ^-3ドーピングした場合に、発光効率は極大値を有
し、従来例、すなわち亜鉛をドーピングしない場合に比
べて発光効率は、約３倍に改善される。すなわち、本発
明によれば、不純物シリコンの混入量が所定のレベル以
下の場合に、亜鉛をドーピングすることにより、顕著な
発光効率の向上が得られる。

【００６５】また、本発明によれば、活性層の発光波長
が約５５０〜５９０ｎｍの範囲、すなわち緑色から黄色
の範囲において、従来よりも発光効率を改善することが
できる。また、発光波長が約５５０〜５８０ｎｍ、すな
わち緑色から黄緑色の範囲において、発光効率の改善が
顕著であり、さらに、発光波長が約５５０〜５７０ｎ
ｍ、すなわち緑色の範囲において特に発光効率の改善が
顕著である。

【００６６】すなわち、本発明によれば、ｌｎＧａＡｌ
Ｐ層のバンドギャップが大きくなるほど、不純物シリコ
ンが非発光再結合中心として作用する傾向が顕著とな
り、本発明により亜鉛をドーピングすることによる発光
効率の改善の顕著にみられるようになる。以上説明した
ように、本発明による非発光再結合中心の抑制効果は、
発光波長が短波長になるほど顕著となる。すなわち、本
発明によれば、緑色などの短波長領域において、従来よ
りも大幅に発光効率が改善された高い発光輝度を有する
発光素子を提供することができる。

【００６７】また、本発明によれば、電流ブロック層を
設けることにより、ｐ側電極の下部において流れる電流
を制限することができ、外部に取り出すことができない
電極下部での発光を抑制して、光の取り出し効率を改善
することができる。

【００６８】さらに、本発明によれば、光反射層を設け
ることによって、活性層からの発光が、図中の上方に向
けて反射され、光の取り出し効率をさらに改善すること
ができる。この結果として、従来よりもさらに高輝度の
発光素子を提供することができる。

【００６９】以上説明したように、本発明によれば、特
に短波長領域において、高い発光効率を有するｌｎＧａ
ＡｌＰ系発光素子を提供することができるようになり、
産業上のメリットは多大である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による半導体発光素子の断面構造を例示
する概略図である。

【図２】本発明による発光素子において、活性層への亜
鉛のドーピング量と、発光効率との関係を表すグラフ図
である。

【図３】本発明の発光素子と従来の発光素子とについ
て、発光波長と発光効率との関係を表すグラフ図であ
る。

【図４】ｌｎＧａＡｌＰ活性層におけるフォトルミネッ
センス（ＰＬ）励起キャリア密度と、ライフタイムとの
関係を表すグラフ図である。

【図５】本発明による第２の半導体発光素子の断面構造
を例示する概略図である。

【図６】本発明による第３の半導体発光素子の断面構造
を例示する概略図である。

【図７】従来のｌｎＧａＡｌＰ系半導体発光素子の概略
構成を表す断面模式図である。

【図８】従来のｌｎＧａＡｌＰ系発光素子の発光波長と
発光効率との関係を表すグラフ図である。

【図９】活性層の不純物シリコン濃度と発光効率との関
係を表すグラフ図である。すなわち、同図の横軸は緑色
ＬＥＤの活性層の不純物シリコン濃度を表し、縦軸はそ
の発光効率を表す。

【図１０】活性層の発光波長と不純物シリコンのエネル
ギ準位との関係を表すグラフ図である。すなわち、同図
の横軸はｌｎＧａＡｌＰ活性層の発光波長を表し、縦軸
は不純物シリコンのエネルギ準位を表す。

【符号の説明】

１０、５０、６０、１００半導体発光素子１１、５１、６１、１０１基板１２、５２、６２、１０２バッファ層１３、５３、６３、１０３クラッド層１４、５４、６４、１０４活性層１５、５５、６５、１０５バッファ層１６、５６、６６、１０６電流拡散層１８、５８、６８、１０８ｐ側電極１９、５９、６９、１０９ｎ側電極５７、６７電流ブロック層７０光反射層

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基板と、前記基板上に形成されたｌｎＧａ
ＡｌＰ系化合物半導体からなる第１のクラッド層と、前
記第１のクラッド層の上に形成されたｌｎＧａＡｌＰ系
化合物半導体からなる活性層と、前記活性層の上に形成
されたｌｎＧａＡｌＰ系化合物半導体からなる第２のク
ラッド層と、を備えた半導体発光素子であって、前記活性層は、非発光再結合中心を形成する不純物元素と、前記非発光再結合中心を不活性化させることにより、励
起キャリアの非発光再結合過程による再結合のライフタ
イムを長くする元素と、を含有してなることを特徴とす
る半導体発光素子。
【請求項２】前記非発光再結合中心を形成する不純物元
素は、シリコンであり、前記非発光再結合中心を不活性化させる元素は、亜鉛で
あることを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子。
【請求項３】前記活性層における前記シリコンの含有量
は、５×１０¹⁶ｃｍ^-3以下であり、前記活性層における前記亜鉛の含有量は、５×１０¹⁶ｃ
ｍ^-3以上、且つ２×１０¹⁷ｃｍ^-3以下であることを特徴
とする請求項２記載の半導体発光素子。
【請求項４】前記活性層における前記シリコンの含有量
は、１×１０¹⁶ｃｍ^-3以下であり、前記活性層における前記亜鉛の含有量は、５×１０¹⁶ｃ
ｍ^-3以上、且つ２×１０¹⁷ｃｍ^-3以下であることを特徴
とする請求項３記載の半導体発光素子。
【請求項５】前記活性層を構成する前記ｌｎＧａＡｌＰ
系化合物半導体の発光波長は、５５０ｎｍ以上で５８０
ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１〜４のいずれ
か１つに記載の半導体発光素子。
【請求項６】前記活性層は、多重量子井戸型構造を有す
ることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載
の半導体発光素子。
【請求項７】前記活性層の層厚は、０．８μｍ以上、且
つ２．０ μｍ以下であることを特徴とする請求項１〜
６のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
【請求項８】前記半導体発光素子は、前記第２のクラッド層の上に形成された電流拡散層と、前記電流拡散層の上に部分的に形成された電極と、をさ
らに備え、且つ、前記前記第２のクラッド層と前記電流拡散層との間に前
記電極に対応して部分的に形成され、前記電極の下部に
おける電流を抑制する電流ブロック層が設けられたもの
として構成されていることを特徴とする請求項１〜７の
いずれか１つに記載の半導体発光素子。
【請求項９】前記半導体発光素子は、前記基板と前記第１のクラッド層との間に形成された光
反射層をさらに備え、前記活性層からの発光を前記第２
のクラッド層の方向に反射するものとして構成されてい
ることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１つに記載
の半導体発光素子。