JP2937432B2 - 半導体発光装置 - Google Patents
半導体発光装置Info
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Description
【発明の詳細な説明】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明は半導体発光装置に関わり、特にInGaAlP系半
導体材料を使用した半導体発光装置に関する。
導体材料を使用した半導体発光装置に関する。
（従来の技術） InGaAlP系材料は、窒化物を除くIII−Ｖ族化合物半導
体混晶中で最大の直接遷移形エネルギーギャップを有
し、0.5〜0.6μｍ帯の発光素子材料として注目されてい
る。特にGaAsを基板とし、これに格子整合するInGaAlP
による発光部を持つpn接合形発光ダイオード（Light Em
itting Diode:LED）は、従来のGaPやGaAsP等の間接遷移
形の材料を用いたものに比べ、赤色から緑色の高輝度の
発光が可能である。高輝度のLEDを形成するには、発光
効率を高めることはもとより、素子内部での光吸収や、
発光部と電極の相対的位置関係等により、外部への有効
な光取出しを実現することが重要である。
体混晶中で最大の直接遷移形エネルギーギャップを有
し、0.5〜0.6μｍ帯の発光素子材料として注目されてい
る。特にGaAsを基板とし、これに格子整合するInGaAlP
による発光部を持つpn接合形発光ダイオード（Light Em
itting Diode:LED）は、従来のGaPやGaAsP等の間接遷移
形の材料を用いたものに比べ、赤色から緑色の高輝度の
発光が可能である。高輝度のLEDを形成するには、発光
効率を高めることはもとより、素子内部での光吸収や、
発光部と電極の相対的位置関係等により、外部への有効
な光取出しを実現することが重要である。
第３図にInGaAlP発光部を有する従来のLEDの断面図を
示す。
示す。
第３図に示すように、ｎ−GaAs基板31の一主面にｎ−
InGaAlPクラッド層32、ｎ−InGaAlP活性層33、ｐ−InGa
AlPクラッド層34、ｐ−InGaP中間エネルギーギャップ層
35、ｐ−GaAsコンタクト層36が順次積層し構成され、こ
のｐ−GaAsコンタクト層36にはｐ側電極37、また、上記
ｎ−GaAs基板31の他方の主面にはｎ側電極38が形成され
て発光素子が構成されている。そして、この素子中にお
ける電流分布39を矢印で、発光部30には打点を施して示
してある。
InGaAlPクラッド層32、ｎ−InGaAlP活性層33、ｐ−InGa
AlPクラッド層34、ｐ−InGaP中間エネルギーギャップ層
35、ｐ−GaAsコンタクト層36が順次積層し構成され、こ
のｐ−GaAsコンタクト層36にはｐ側電極37、また、上記
ｎ−GaAs基板31の他方の主面にはｎ側電極38が形成され
て発光素子が構成されている。そして、この素子中にお
ける電流分布39を矢印で、発光部30には打点を施して示
してある。
各層のAl組成は高い発光効率が得られるように設定さ
れ、発光層となる活性層のエネルギーギャップは２つの
クラッド層より小さいダブルヘテロ接合が形成されてい
る。なお、以下ではこのようなダブルヘテロ接合構造を
もつLEDについて記すが、以下で問題とする光の取出し
効果が考える上では、活性層部の層構造は本質でなく、
シングルヘテロ接合構造やホモ接合構造でも同様に変え
ることができる。
れ、発光層となる活性層のエネルギーギャップは２つの
クラッド層より小さいダブルヘテロ接合が形成されてい
る。なお、以下ではこのようなダブルヘテロ接合構造を
もつLEDについて記すが、以下で問題とする光の取出し
効果が考える上では、活性層部の層構造は本質でなく、
シングルヘテロ接合構造やホモ接合構造でも同様に変え
ることができる。
第３図に示したような構造では、ｐ−InGaAlPクラッ
ド層34の抵抗率がｎ−InGaAlPクラッド層32に比べて大
きいため、クラッド層34中での電流広がりは殆どなく、
発光部は中間エネルギーギャップ層35、コンタクト層36
及び電極37の直下のみとなり、上面方向への光の取出し
効率は非常に低かった。
ド層34の抵抗率がｎ−InGaAlPクラッド層32に比べて大
きいため、クラッド層34中での電流広がりは殆どなく、
発光部は中間エネルギーギャップ層35、コンタクト層36
及び電極37の直下のみとなり、上面方向への光の取出し
効率は非常に低かった。
第４図はInGaAlP発光部を持つ他のLEDを示す構造断面
図であり、図中41〜48はpnの関係が逆となっているだけ
で第３図の31〜38に対応している。中間エネルギーギャ
ップ層45は、コンタクト層46側でなく基板41側に配置さ
れている。この図に示したような構造では、抵抗率の高
いｐ−InGaAlPクラッド層42を基板41側に配置すること
により、ｎ−InGaAlPクラッド層44での電流広がり（電
流分布49）は第３図に示した従来例に比べ若干大きくな
っている。しかしながら、発光部40の大部分はやはりコ
ンタクト層46及び電極47の直下となり、光の取出し効率
の大きな改善は認められなかった。
図であり、図中41〜48はpnの関係が逆となっているだけ
で第３図の31〜38に対応している。中間エネルギーギャ
ップ層45は、コンタクト層46側でなく基板41側に配置さ
れている。この図に示したような構造では、抵抗率の高
いｐ−InGaAlPクラッド層42を基板41側に配置すること
により、ｎ−InGaAlPクラッド層44での電流広がり（電
流分布49）は第３図に示した従来例に比べ若干大きくな
っている。しかしながら、発光部40の大部分はやはりコ
ンタクト層46及び電極47の直下となり、光の取出し効率
の大きな改善は認められなかった。
（発明が解決しようとする課題） 上記従来のInGaAlPからなる発光部を持つ半導体発光
装置においては、発光部における電流分布の状態から大
きな光の取出し効率は得られず、高輝度化を実現するの
は極めて困難であった。
装置においては、発光部における電流分布の状態から大
きな光の取出し効率は得られず、高輝度化を実現するの
は極めて困難であった。
本発明は、上記事情を考慮してなされたもので、その
目的とするところは、InGaAlPからなる発光部における
電流分布を改善し、光の取出し効率及び輝度の向上をは
かり得る半導体発光装置を提供することにある。
目的とするところは、InGaAlPからなる発光部における
電流分布を改善し、光の取出し効率及び輝度の向上をは
かり得る半導体発光装置を提供することにある。
（課題を解決するための手段） 本発明の半導体発光装置は、ｎ型のGaAlAs基板と、こ
の化合物半導体基板上にInGaAlP層からなる発光部を有
し、前記化合物半導体基板と反対側の面上の一部に形成
された電極以外の面上から光を取出す半導体発光装置に
おいて、前記発光部のInGaAlP層よりも下にこのInGaAlP
層よりもバンドギャップが大きくかつキャリア濃度が１
×1013cm-3以上１×1017cm-3以下であるｎ型InGaAlP層
を具備してなることを特徴とする。
の化合物半導体基板上にInGaAlP層からなる発光部を有
し、前記化合物半導体基板と反対側の面上の一部に形成
された電極以外の面上から光を取出す半導体発光装置に
おいて、前記発光部のInGaAlP層よりも下にこのInGaAlP
層よりもバンドギャップが大きくかつキャリア濃度が１
×1013cm-3以上１×1017cm-3以下であるｎ型InGaAlP層
を具備してなることを特徴とする。
（作用） 本発明の半導体発光装置は、光取り出し側の電極下方
に発光部として形成されたInGaAlP層より下方に、ｎ−G
aAs,n−InGaAlP接合によるヘテロバリアが存在し、その
接合部において電流が流れにくくなるので電極から注入
された電流は、その接合部のより上で広範囲に広がるこ
とになる。
に発光部として形成されたInGaAlP層より下方に、ｎ−G
aAs,n−InGaAlP接合によるヘテロバリアが存在し、その
接合部において電流が流れにくくなるので電極から注入
された電流は、その接合部のより上で広範囲に広がるこ
とになる。
従って、電極直下以外の領域に発光領域を広げること
ができ、光の導出効率を向上させることが可能となる。
ができ、光の導出効率を向上させることが可能となる。
（実施例） 以下、本発明の実施例につき図面を参照して説明す
る。
る。
第１図に本発明の一実施例にかかる半導体発光装置の
構造の概要を断面図で示す。第１図に示すように、ｎ−
GaAs基板11の一主面上に、ｎ−In0.5（Ga1-xAlx）0.5Ｐ
クラッド層12、In0.5（Ga1-yAly）0.5Ｐ活性層13、ｐ−
In0.5（Ga1-zAlz）0.5Ｐクラッド層14、Ｐ−GaAsコンタ
クト層15が順次積層され、このコンタクト層15上にAu−
Znでなるｐ側電極16、前記ｎ−GaAs基板11の他方の主面
にAu−Geでなるｎ側電極17が夫々形成されている。
構造の概要を断面図で示す。第１図に示すように、ｎ−
GaAs基板11の一主面上に、ｎ−In0.5（Ga1-xAlx）0.5Ｐ
クラッド層12、In0.5（Ga1-yAly）0.5Ｐ活性層13、ｐ−
In0.5（Ga1-zAlz）0.5Ｐクラッド層14、Ｐ−GaAsコンタ
クト層15が順次積層され、このコンタクト層15上にAu−
Znでなるｐ側電極16、前記ｎ−GaAs基板11の他方の主面
にAu−Geでなるｎ側電極17が夫々形成されている。
第２図は、第１図に示した装置の素子内での電流分布
及び発光部を示す。同図に素子内での電流分布29を破線
矢印で、また発光部20を施打点で夫々示している。InGa
AlP各層のAl組成X,Y,Zは高い発光効率が得られるよう
に、Ｙ≦Ｘ、Ｙ≦Ｚで満たす。即ち発光層となる活性層
13のエネルギーギャップはｐ、ｎの２つのクラッド層1
2,14より小さいダブルヘテロ接合が形成されている。
及び発光部を示す。同図に素子内での電流分布29を破線
矢印で、また発光部20を施打点で夫々示している。InGa
AlP各層のAl組成X,Y,Zは高い発光効率が得られるよう
に、Ｙ≦Ｘ、Ｙ≦Ｚで満たす。即ち発光層となる活性層
13のエネルギーギャップはｐ、ｎの２つのクラッド層1
2,14より小さいダブルヘテロ接合が形成されている。
なお、以下は、このようなダブルヘテロ接合構造をも
つLEDについて記すが、光の取出し効率を考える上で
は、活性層部の層構造は本質ではなく、シングルヘテロ
接合構造や、ホモ接合構造でも同様に考えることができ
る。
つLEDについて記すが、光の取出し効率を考える上で
は、活性層部の層構造は本質ではなく、シングルヘテロ
接合構造や、ホモ接合構造でも同様に考えることができ
る。
第１図及び第２図に示した構造において、各層の厚
さ、キャリア濃度は以下に括弧内に示すように設定され
ている。ｎ−GaAs基板11（80μｍ、３×1018cm-3）、ｎ
−InGaAlPクラッド層12（１μｍ、１×1017cm-3）、InG
aAlp活性層13（0.5μｍ、アンドープ）、ｐ−InGaAlP層
14（0.2μｍ、４×1017cm-3）、ｐ−GaAs層15（0.1μ
ｍ、３×1018cm-3）である。
さ、キャリア濃度は以下に括弧内に示すように設定され
ている。ｎ−GaAs基板11（80μｍ、３×1018cm-3）、ｎ
−InGaAlPクラッド層12（１μｍ、１×1017cm-3）、InG
aAlp活性層13（0.5μｍ、アンドープ）、ｐ−InGaAlP層
14（0.2μｍ、４×1017cm-3）、ｐ−GaAs層15（0.1μ
ｍ、３×1018cm-3）である。
上記半導体発光装置が、従来の半導体発光装置と異な
る点は、ｎ−InGaAlPクラッド層のキャリア濃度が１×1
017cm-3と、従来の５分の１程度に低いことであり、こ
の半導体発光装置の優位性については以下に説明する。
る点は、ｎ−InGaAlPクラッド層のキャリア濃度が１×1
017cm-3と、従来の５分の１程度に低いことであり、こ
の半導体発光装置の優位性については以下に説明する。
第３図に示すような従来構造においてはｐ−InGaAlP
クラッド層34での電流広がりは、抵抗率が高いため小さ
い。キャリア濃度を高くすることにより、低抵抗にし、
電流広がりを大きくすることも考えられるが、Ｐ型InGa
AlPのキャリア濃度は５×1017cm-3程度で飽和してしま
い、困難である。
クラッド層34での電流広がりは、抵抗率が高いため小さ
い。キャリア濃度を高くすることにより、低抵抗にし、
電流広がりを大きくすることも考えられるが、Ｐ型InGa
AlPのキャリア濃度は５×1017cm-3程度で飽和してしま
い、困難である。
膜厚を厚くすることによって電流広がりを大きくする
ことが考えられるが、このInGaAlP材料系においては、
熱伝導率が悪く厚膜にすることによって結晶品質が低下
し、また上層への悪影響も現われるため好ましくない。
又、InGaAlP系半導体材料は、結晶品質の上から成長速
度が制限され、厚膜の成長を行う場合には成長時間の延
長を行なわなければならない。このことは、クラッド層
の不純物として拡散性の高いものを使用した場合活性層
への不純物拡散がおこり、素子特性の低下を引き起す。
このため、InGaAlP層を厚膜に成長することはむずかし
い。InGaAlPとGaAsのヘテロ接合界面では大きなバンド
ギャップがあるために、スパイクやノッチが生じ、ｐ型
接合では大きな電圧降下となるヘテロバリア効果が知ら
れている。一方、ｎ型の接合の場合もInGaAlPのキャリ
ア濃度が低くなるとヘテロバリアが存在することを見い
出した。これを利用することで発明者らは、電流拡がり
を計ることを検討した。即ち、発光部より下方のｎ−In
GaAlP層のキャリア濃度を１×1017cm-3以下に制御良く
設定し、ｎ−InGaAlP層とその下方のｎ−GaAs層との間
にヘテロバリアを形成し電流を流れ難くすることによっ
て発光部における電流を広げ、光の取り出し効率を高く
することが可能である。第３図は、ｎ−InGaAlP層のキ
ャリア濃度に対する光の取り出し効率を示したものであ
る。の領域はｎ−InGaAlP層のキャリア濃度の減少に
伴う抵抗率の増加により発光部より下で電流が流れにく
くなり、発光部における電流が広がることによる、光の
取り出し効率の増加を示している。の領域は、ｎ−In
GaAlP層のキャリア濃度が１×1017cm-3以下で急激に電
流が流れにくくなり、発光部における電流が急激に広が
りやすくなることになる光の取り出し効率の上昇を示
す。の領域では、キャリア濃度が１×1013cm-3以下で
ｎ−InGaAlP層の抵抗率が非常に大きくなり、その結果
発熱による急激な光の取り出し効率の低下がみられるこ
とを示している。従ってこの図からわかるように、ｎ−
InGaAlP層のキャリア濃度が１×1013cm-3から１×1017c
m-3にあるとき高い光の取り出し効率が得られる。発熱
などによる素子特性の悪影響を考えると１×1016cm-3か
ら１×1017cm-3の間にあるとなお良い。
ことが考えられるが、このInGaAlP材料系においては、
熱伝導率が悪く厚膜にすることによって結晶品質が低下
し、また上層への悪影響も現われるため好ましくない。
又、InGaAlP系半導体材料は、結晶品質の上から成長速
度が制限され、厚膜の成長を行う場合には成長時間の延
長を行なわなければならない。このことは、クラッド層
の不純物として拡散性の高いものを使用した場合活性層
への不純物拡散がおこり、素子特性の低下を引き起す。
このため、InGaAlP層を厚膜に成長することはむずかし
い。InGaAlPとGaAsのヘテロ接合界面では大きなバンド
ギャップがあるために、スパイクやノッチが生じ、ｐ型
接合では大きな電圧降下となるヘテロバリア効果が知ら
れている。一方、ｎ型の接合の場合もInGaAlPのキャリ
ア濃度が低くなるとヘテロバリアが存在することを見い
出した。これを利用することで発明者らは、電流拡がり
を計ることを検討した。即ち、発光部より下方のｎ−In
GaAlP層のキャリア濃度を１×1017cm-3以下に制御良く
設定し、ｎ−InGaAlP層とその下方のｎ−GaAs層との間
にヘテロバリアを形成し電流を流れ難くすることによっ
て発光部における電流を広げ、光の取り出し効率を高く
することが可能である。第３図は、ｎ−InGaAlP層のキ
ャリア濃度に対する光の取り出し効率を示したものであ
る。の領域はｎ−InGaAlP層のキャリア濃度の減少に
伴う抵抗率の増加により発光部より下で電流が流れにく
くなり、発光部における電流が広がることによる、光の
取り出し効率の増加を示している。の領域は、ｎ−In
GaAlP層のキャリア濃度が１×1017cm-3以下で急激に電
流が流れにくくなり、発光部における電流が急激に広が
りやすくなることになる光の取り出し効率の上昇を示
す。の領域では、キャリア濃度が１×1013cm-3以下で
ｎ−InGaAlP層の抵抗率が非常に大きくなり、その結果
発熱による急激な光の取り出し効率の低下がみられるこ
とを示している。従ってこの図からわかるように、ｎ−
InGaAlP層のキャリア濃度が１×1013cm-3から１×1017c
m-3にあるとき高い光の取り出し効率が得られる。発熱
などによる素子特性の悪影響を考えると１×1016cm-3か
ら１×1017cm-3の間にあるとなお良い。
上述した積層構造で、In0.5（Ga1-yAly）0.5Ｐ活性層
のAl組成Ｙに0.3を用いて素子を構成し順方向に電圧を
印加し電流を流したところ第２図に示した電流分布とな
り、ｐ側電極（Au−Zn）を除いて素子表面広域から610m
mにピーク波長を有する発光が得られた。
のAl組成Ｙに0.3を用いて素子を構成し順方向に電圧を
印加し電流を流したところ第２図に示した電流分布とな
り、ｐ側電極（Au−Zn）を除いて素子表面広域から610m
mにピーク波長を有する発光が得られた。
なお、本発明は、上述した実施例に限定されるもので
はない。実施例では活性層の組成としては、In0.5（Ga
0.7Al0.3）0.5Ｐを用いたが、Al組成を変化させること
によって赤色から緑色域にわたる可視光領域の発光を得
ることができる。さらに、クラッド層の組成は実施例で
はIn0.5（Ga0.3Al0.7）0.5Ｐを用いたが、キャリアの閉
じ込めに十分な活性層とのバンドギャップ差があればよ
く、この組成に限るものではない。その他、本発明の要
旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができ
る。
はない。実施例では活性層の組成としては、In0.5（Ga
0.7Al0.3）0.5Ｐを用いたが、Al組成を変化させること
によって赤色から緑色域にわたる可視光領域の発光を得
ることができる。さらに、クラッド層の組成は実施例で
はIn0.5（Ga0.3Al0.7）0.5Ｐを用いたが、キャリアの閉
じ込めに十分な活性層とのバンドギャップ差があればよ
く、この組成に限るものではない。その他、本発明の要
旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができ
る。
叙上の如く本発明によれば、InGa1-y（Ga1-xAlx）yP
系材料（０≦Ｘ≦１、０≦Ｙ≦１）を用いた半導体発光
装置において、発光部より下のｎ−InGaAlP層のキャリ
ア濃度を１×1017cm-3以下にすることから、その下のｎ
−GaAs層との界面にヘテロバリアを形成し、電流を流れ
にくくすることによって、電極部から注入された電流
は、ヘテロバリアより上の発光部で、電極直下以外の広
域まで広げられる。
系材料（０≦Ｘ≦１、０≦Ｙ≦１）を用いた半導体発光
装置において、発光部より下のｎ−InGaAlP層のキャリ
ア濃度を１×1017cm-3以下にすることから、その下のｎ
−GaAs層との界面にヘテロバリアを形成し、電流を流れ
にくくすることによって、電極部から注入された電流
は、ヘテロバリアより上の発光部で、電極直下以外の広
域まで広げられる。
従って電極直下以外の広域に発光領域を広げることが
できこれにより光の導出効率を向上させることが可能と
なり、高輝度の半導体発光装置を実現することができ
る。
できこれにより光の導出効率を向上させることが可能と
なり、高輝度の半導体発光装置を実現することができ
る。
第１図は、本発明の一実施例に係る半導体発光装置の概
略の構造を示す断面図、第２図は上記実施例の素子内で
の電流分布及び発光部を示す断面図、第３図は上記実施
例と同様の構造におけるｎ−InGaAlP層キャリア濃度に
対する光の取り出し効率を示す図、第４図は従来例の半
導体発光装置の概略の構造及び素子内における電流分布
と発光部を示す断面図である。 10……発光部 11……ｎ−GaAs基板 12……ｎ−InGaAlPクラッド層 13……InGaAlP活性層 14……ｐ−InGaAlPクラッド層 15……ｐ−GaAsコンタクト層 16……ｐ側電極、17……ｎ側電極
略の構造を示す断面図、第２図は上記実施例の素子内で
の電流分布及び発光部を示す断面図、第３図は上記実施
例と同様の構造におけるｎ−InGaAlP層キャリア濃度に
対する光の取り出し効率を示す図、第４図は従来例の半
導体発光装置の概略の構造及び素子内における電流分布
と発光部を示す断面図である。 10……発光部 11……ｎ−GaAs基板 12……ｎ−InGaAlPクラッド層 13……InGaAlP活性層 14……ｐ−InGaAlPクラッド層 15……ｐ−GaAsコンタクト層 16……ｐ側電極、17……ｎ側電極
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 石川 正行 神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地 株式会社東芝総合研究所内 (72)発明者 波多腰 玄一 神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地 株式会社東芝総合研究所内 (56)参考文献 特開 昭61−102786（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) H01L 33/00
Claims (1)
- 【請求項１】ｎ型Ga1-xAlxAs（０ｘ１）基板と、こ
の基板上にInGaAlP層からなる発光部と、この発光部と
前記基板との間に前記発光部のInGaAlP層よりもバンド
ギャップが大きいｎ型InGaAlP層を有し、前記基板と反
対側の面から光を取り出す半導体発光装置において、前
記発光部と前記基板との面の前記ｎ型InGaAlP層のキャ
リア濃度が１×1017cm-3以下であることを特徴とする半
導体発光装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP20128090A JP2937432B2 (ja) | 1990-07-31 | 1990-07-31 | 半導体発光装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP20128090A JP2937432B2 (ja) | 1990-07-31 | 1990-07-31 | 半導体発光装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0487379A JPH0487379A (ja) | 1992-03-19 |
| JP2937432B2 true JP2937432B2 (ja) | 1999-08-23 |
Family
ID=16438351
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP20128090A Expired - Lifetime JP2937432B2 (ja) | 1990-07-31 | 1990-07-31 | 半導体発光装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2937432B2 (ja) |
-
1990
- 1990-07-31 JP JP20128090A patent/JP2937432B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH0487379A (ja) | 1992-03-19 |
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