JP3233569B2 - 半導体発光素子 - Google Patents
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Description
わり、特に、AlGaInP系材料のように、積層構造
を形成した際にその接合界面におけるエネルギーバンド
プロファイルに不連続(ノッチ)が生じる半導体材料を
用いて製造される半導体発光素子に関するものである。
III−V族化合物半導体材料の中で最大の直接遷移型
バンドギャップを有し、波長が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AlGaInP系材料に
よる発光部(活性層を含む積層構造)をGaAs基板の
上に成長させて形成されているpn接合型発光ダイオー
ド(LED)は、従来のGaPやGaAsPなどの間接
遷移型の材料を用いたものに比べて、赤色から緑色に相
当する波長域で、より高輝度の発光が可能である。
効率を高めることに加えて、発光部への電流注入効率の
向上や、素子外部への光の効率的な取り出しを実現する
ことが重要である。
発光部を有する、従来技術によるLED1100の断面
図である。
110の上に、n型AlGaInP下部クラッド層11
20、AlGaInP活性層1130、p型AlGaI
nP上部クラッド層1140、及びp型GaP電流拡散
層1150が順次積層されている。さらに、p型GaP
電流拡散層1150の上にはp型電極1160が形成さ
れ、また、n型GaAs基板1110の下面にはn型電
極1170が形成され、これによってLED1100が
構成されている。
の材料としてp型GaPを用いている。電流拡散層11
50の構成材料としては、p型GaPの他にp型AlG
aAsが用いられ得る。しかし、p型GaPは光透過率
及び電気伝導率がp型AlGaAsより大きいので、電
流拡散層1150の構成材料としてGaPを用いる場合
には、光の取り出し効率が向上するとともに電流の拡が
りが改善される。さらに、組成にAlを含まないため
に、長期間にわたって高い信頼性を確保することができ
る。
流拡散層1150は、p型AlGaInPクラッド層1
140の上に結晶成長によって形成されている。しか
し、このとき、両者の格子定数の違いから、p型GaP
電流拡散層1150の結晶性が十分に良好なものではな
い。このため、電流の拡がりの度合いが十分ではなく、
また光透過率が低いという問題点が生じる。
6−296040号公報には、以下のようなLED及び
その製造方法が提案されている。図12(a)〜(c)
は、上記公開公報に開示されているLED1200の構
成及びその製造工程を示す断面図である。
図12(a)に示すように、n型GaAs基板1210
の上にn型AlGaInP下部クラッド層1220、A
lGaInP活性層1230、及びp型AlGaInP
上部クラッド層1240を順次積層する。これらのn型
下部クラッド層1220、活性層1230、及びp型上
部クラッド層1240によって、LED1200の発光
部を含む積層構造が形成される。
層1240の上に、p型GaPキャップ層1250を成
長する。次に、GaPキャップ層1250の上に、p型
GaP基板1260を結晶軸を一致させて配置する。さ
らに、p型GaP基板1260の上に適当な重さの重り
1270を乗せ、H2雰囲気中にて約650℃で熱処理
を行って、GaPキャップ層1250とp型GaP基板
1260とを接合させる。接合後には、このp型GaP
基板1260は、形成されるLED1200の電流拡散
層1260として機能する。
型GaP電流拡散層1260の上にp型電極1280
を、成膜プロセス及びエッチングにより形成する。p型
電極1280は、例えば円形に加工する。次に、n型G
aAs基板1210をエッチングして10μm程度の厚
さにした後に、n型GaAs基板1210の裏面全体に
わたってn型電極1290を形成する(図12
(b))。
型電極1290及びGaAs基板1210をフォトリソ
グラフィーにより適当な形状にエッチングして、LED
1200を得る。
拡散層1260となるp型GaP基板を、GaPキャッ
プ層1250の上に直接接合する。これにより、p型G
aP電流拡散層1260を比較的容易に形成することが
できて、生産性が向上する。また、結晶性の良い基板を
用いることによって結晶性の良いp型GaP電流拡散層
1260を得ることができるために、光の取り出し効率
が向上する。さらに、n型GaAs基板1210及びn
型電極1290を適切な形状にパターニングすることに
よって、下方向へ光を取り出すための「窓」が形成され
る。このことによっても、光の取り出し効率が向上す
る。
するLED1100では、p型AlGaInP上部クラ
ッド層1140の上に、p型GaP電流拡散層1150
が形成される。このとき、p型AlGaInP上部クラ
ッド層1140とp型GaP電流拡散層1150との間
の界面では、エネルギーバンドプロファイルに大きなノ
ッチ、すなわち不連続が生じる。一方、LED1200
では、p型AlGaInP上部クラッド層1240の上
に、p型GaPキャップ層1250を介してp型GaP
電流拡散層1260が形成されるが、この場合にも、上
部クラッド層1240の構成材料であるp型AlGaI
nPと、キャップ層1250及び電流拡散層1260の
構成材料であるp型GaPとの接合界面では、同様にエ
ネルギーバンドプロファイルに不連続(ノッチ)が生じ
る。
におけるノッチの発生について、図13(a)〜(c)
を参照して説明する。
合前のエネルギーバンドの位置関係に基づいて、タイプ
I、タイプII、及びタイプIIIの3種類に大別される。
図13(a)〜(c)は、タイプI〜タイプIIIのそれ
ぞれにおける接合前及び接合後のエネルギーバンドプロ
ファイルを示す。いずれのタイプにおいても、接合にと
もなって、接合界面近傍のエネルギーバンドプロファイ
ルに不連続部、すなわちノッチが生ずる。
導帯下端ECや価電子帯上端EVのエネルギーレベルを、
それぞれの「エネルギー位置」と称することとする。こ
のとき、接合後の伝導帯下端ECに現れるノッチの高さ
は、接合前の2つの材料の伝導帯下端のエネルギー位置
の差(△EC)に相当する。同様に、接合後の価電子帯
上端EVに現れるノッチの高さは、接合前の2つの材料
の価電子帯上端のエネルギー位置の差(△EV)に相当
する。ノッチの高さを決定するこれらのエネルギー位置
の差は、例えば、Appl. Phys. Lett.、Vol.60、No.5、p
p.630-632(1992)に示されているSandip Tiwariらが求
めたエネルギー位置関係から得ることができる。
InP上部クラッド層1140の上にp型GaP電流拡
散層1150が形成される。このとき、p型AlGaI
nP上部クラッド層1140とp型GaP電流拡散層1
150との接合界面におけるエネルギーバンドプロファ
イルに生じる大きなノッチ、すなわち不連続の様子を、
図14(a)〜(c)を参照して説明する。
えばx=1)とp型GaPとを接合する場合、接合前の
それらのエネルギーバンドプロファイルは、その電子親
和力の差により図14(a)に示す位置関係となる。こ
れは、先に示した図13(b)のタイプIIに相当する。
この様なエネルギー位置関係にあるp型(AlxG
a1-x)0.51In0.49Pとp型GaPとを接合すると、
接合後には図14(b)に示すようなエネルギーバンド
プロファイルとなり、伝導帯下端EC及び価電子帯上端
EVのそれぞれにノッチが生ずる。具体的には、この場
合のノッチの高さは、伝導帯下端で0.25eVであ
り、価電子帯上端では0.29eVとなる。
ノッチが生じると、次に述べる現象が起こる。
スが印加されるので、接合後のエネルギーバンドプロフ
ァイルにおいて、図14(c)に示すようにその接合面
に向かって右側からホール(h)が、また左側から電子
(e)が供給される。供給された電子の半数以上はAl
GaInP活性層で再結合するが、その残数はオーバー
フローして、p型AlGaInPクラッド層とp型Ga
P電流拡散層との界面に達する。この界面に達した電子
に対して、接合界面に存在している伝導帯下端ECのノ
ッチがエネルギー障壁として作用するため、電子は接合
界面に蓄積する。一方、この界面近傍では、価電子帯上
端EVのノッチが多数キャリアであるホールに対するエ
ネルギー障壁として作用して、ここにトラップされたホ
ールが存在している。この結果、接合界面においては、
図14(c)に模式的に示すように、電子とホールとの
再結合が多数生じる。
とGaPとの格子定数はそれぞれ5.65Å及び5.4
5Åであり、両者は格子不整合である。このために、P
型AlGaInP/p型GaP界面には、多数の界面準
位が存在する。この界面準位の存在も、接合界面におけ
る上記の再結合を増長している。
P界面でエネルギーバンドプロファイルに存在するノッ
チは、接合界面でのキャリアの再結合を多数生じさせ
る。この再結合により、ホールの供給数が実質的に減少
して活性層へのキャリアの注入効率が減る。このため、
従来の構成の半導体発光素子(LED)では、発光効率
の低下が生じる。さらに、接合界面でのエネルギーバン
ドプロファイルに存在するノッチはキャリアの移動に対
して障壁となるため、LEDを点灯させるために必要な
電圧値(動作電圧値)を増加させる。
プロファイルにおけるノッチの発生に対して、従来で
は、バンドギャップ(すなわち、価電子帯上端と伝導帯
下端とのエネルギーレベルの差)の大きさに基づいて、
適切な材料からなる中間層を接合界面に挿入するという
手法が用いられている。例えば、接合される2つの材料
のバンドギャップの大きさがそれぞれEg1及びEg2
(Eg1>Eg2とする)であるときに、Eg1>Eg
3>Eg2となるようなバンドギャップEg3を有する
材料からなる層(中間バンドギャップ層)を接合界面に
挿入する。これによって、発生するノッチの大きさを低
減する。
及びEg2である2つの層を接合する場合、中間バンド
ギャップ層を設けなければ、図15(a)に示すように
接合後のエネルギーバンドプロファイルには大きなノッ
チが生じる。これに対して、図15(b)に示すように
大きさEg3のバンドギャップを有する中間バンドギャ
ップ層を介して両者を接合すれば、ノッチが中間バンド
ギャップ層に関わる2つの界面に分散して形成されるこ
とになり、結果的に、生じるノッチの大きさが低減され
ることになる。
に着目する上記の従来の手法では、接合対象である2つ
の材料のエネルギーバンドの位置関係(価電子帯上端及
び伝導帯下端のエネルギー位置の関係)によっては、十
分なノッチ低減効果が得られないことがある。
ものであり、その目的は、半導体発光素子において、エ
ネルギーバンドプロファイルにおいて接合界面に生じる
ノッチの低減或いは/及びクラッド層と電流拡散層との
間の界面準位の低減によって活性層へのキャリア注入効
率を上げ、また、電流拡散層の結晶性を上げることによ
って電流拡散層における電流拡がり及び光取り出し効率
を向上し、これらによって、動作電圧が低減するととも
に光出力特性が向上した半導体発光素子を提供すること
である。
は、第1導電型の化合物半導体基板と、該化合物半導体
基板の上に形成された積層構造であって、少なくとも発
光のための活性層と該活性層を両側から挟み込む第1導
電型の下部クラッド層及び第2導電型の上部クラッド層
とを含む、積層構造と、該積層構造の上に形成された第
2導電型の中間層と、該中間層の上に形成された第2導
電型の電流拡散層と、を有する半導体発光素子である。
接合前の該上部クラッド層及び該電流拡散層のそれぞれ
のエネルギーバンドプロファイルにおける伝導帯下端及
び価電子帯上端のエネルギー位置が、該上部クラッド層
及び該電流拡散層のいずれか一方の層が、該伝導帯下端
及び価電子帯上端の両方について、他方の層よりも高い
状態となっており、 該中間層は、該上部クラッド層及び
該電流拡散層のそれぞれの該伝導帯下端及び荷電子上端
のエネルギー差に起因する前記エネルギーバンドファイ
ルにおける伝導帯下端及び価電子帯上端に生じる不連続
を緩和する伝導帯下端及び価電子帯上端のエネルギー位
置を有し、そのことによって上記目的が達成される。前
記中間層は、前記上部クラッド層と前記電流拡散層との
間で、格子不整合を緩和することが好ましい。
い。
のその伝導帯下端のエネルギー位置が、接合前の前記上
部クラッド層の伝導帯下端のエネルギー位置と接合前の
前記電流拡散層の伝導帯下端のエネルギー位置との間に
位置し、且つ、接合前のその価電子帯上端のエネルギー
位置が、接合前の該上部クラッド層の価電子帯上端のエ
ネルギー位置と接合前の該電流拡散層の価電子帯上端の
エネルギー位置との間に位置する。
部クラッド層に接する第1中間層から前記電流拡散層に
接する第n中間層(但し、n>1)に至る複数の層から
なり、第k中間層(但し、1≦k≦(n−1))は第
(k+1)中間層に比べて、接合前のその伝導帯下端の
エネルギー位置が接合前の該上部クラッド層の伝導帯下
端のエネルギー位置により近く、且つ、接合前のその価
電子帯上端のエネルギー位置が接合前の該上部クラッド
層の価電子帯上端のエネルギー位置により近い。
子定数が、前記上部クラッド層の格子定数と前記電流拡
散層の格子定数との中間の値を有する。
前記上部クラッド層に接する第1中間層から前記電流拡
散層に接する第n中間層(但し、n>1)に至る複数の
層からなり、第k中間層(但し、1≦k≦(n−1))
の格子定数の値は第(k+1)中間層の格子定数の値に
比べて、該上部クラッド層の格子定数の値により近い。
接合前のその伝導帯下端のエネルギー位置が、接合前の
前記上部クラッド層の伝導帯下端のエネルギー位置と接
合前の前記電流拡散層の伝導帯下端のエネルギー位置と
の間に位置し、且つ、接合前のその価電子帯上端のエネ
ルギー位置が、接合前の該上部クラッド層の価電子帯上
端のエネルギー位置と接合前の該電流拡散層の価電子帯
上端のエネルギー位置との間に位置し、さらに、該中間
層の格子定数が、該上部クラッド層の格子定数と該電流
拡散層の格子定数との中間の値を有する。
前記上部クラッド層に接する第1中間層から前記電流拡
散層に接する第n中間層(但し、n>1)に至る複数の
層からなり、第k中間層(但し、1≦k≦(n−1))
は第(k+1)中間層に比べて、接合前のその伝導帯下
端のエネルギー位置が接合前の該上部クラッド層の伝導
帯下端のエネルギー位置により近く、且つ、接合前のそ
の価電子帯上端のエネルギー位置が接合前の該上部クラ
ッド層の価電子帯上端のエネルギー位置により近く、そ
の格子定数の値は該上部クラッド層の格子定数の値によ
り近い。
成が、前記上部クラッド層の組成から前記電流拡散層の
組成にかけて連続的に変化している。
A1GaInP系化合物半導体材料から構成され、前記
中間層がAlInAs系化合物半導体材料から構成さ
れ、前記電流拡散層がAlGaP系化合物半導体材料か
ら構成されている。
A1GaInP系化合物半導体材料から構成され、前記
中間層がGaAsP系化合物半導体材料から構成され、
前記電流拡散層がAlGaP系化合物半導体材料から構
成されている。
び前記中間層がいずれもA1GaInP系化合物半導体
材料から構成され、前記電流拡散層がAlGaP系化合
物半導体材料から構成されている。
約1×1017cm-3以上かつ1×1019cm-3以下であ
る。
0.01μm以上かつ約5μm以下である。
連続(ノッチ)は、接合前の状態における伝導帯下端や
価電子帯上端のエネルギー位置が、接合される半導体材
料層(具体的には、上部クラッド層及び電流拡散層)に
よって異なる場合に生じる。接合後の伝導帯下端に現れ
るノッチの高さは、接合前の2つの半導体材料層の伝導
帯下端のエネルギー位置の差に相当する。同様に、接合
後の価電子帯上端に現れるノッチの高さは、接合前の2
つの半導体材料層の価電子帯上端のエネルギー位置の差
に相当する。これより、ノッチの高さは、接合前の上部
クラッド層及び電流拡散層において、伝導帯下端や価電
子帯上端のエネルギー位置の差が大きいほど高くなる。
ギー位置が接合前の上部クラッド層の伝導帯下端のエネ
ルギー位置と接合前の電流拡散層の伝導帯下端のエネル
ギー位置との間に位置し、且つ、接合前のその価電子帯
上端のエネルギー位置が接合前の上部クラッド層の価電
子帯上端のエネルギー位置と接合前の電流拡散層の価電
子帯上端のエネルギー位置との間に位置するような中間
層を設けることによって、ノッチが中間層の両端、すな
わち中間層と上部クラッド層との界面及び中間層と電流
拡散層との界面に、それぞれ分割されて生じる。その結
果、それぞれの界面に現れるノッチの高さが低くなる。
チの厚さもまた薄くなる。これより、電子のトンネル効
果によって、ノッチの障壁としての効果が低減される。
クラッド層と電流拡散層との界面におけるノッチの高さ
及び幅が低減されると、ノッチによるキャリアの蓄積が
低減され、接合界面におけるキャリアの再結合を低減す
ることができる。キャリア再結合が低減されれば、活性
層へのキャリアの注入効率が向上するため、発光効率が
向上する。さらに、ノッチのキャリアに対する障壁とし
ての機能も低減されるので、動作電圧値が低減される。
に格子不整合が生じている場合、その格子定数が上部ク
ラッド層の格子定数と電流拡散層の格子定数との中間と
なるような材料を選択して中間層を構成することによっ
て、格子不整合が緩和される。これにより、形成される
界面準位の量が低減される。これによっても、接合界面
でのキャリアの再結合が低減され、活性層へのキャリア
の注入効率が向上して発光効率が向上する。
ことによって、電流拡散層を結晶成長によって形成する
場合に、電流拡散層の結晶性を向上することができる。
このように結晶性が向上すると、電流の拡散が増長され
るとともに光透過率が向上するので、発光効率や光取り
出し効率が向上する。
がさらに多くの界面に分割して形成されるので、キャリ
ア再結合の低減やそれにともなう発光効率の向上などの
上述の効果を、さらに高めることができる。
ド層の組成から電流拡散層の組成にかけて連続的に変化
するように構成すれば、エネルギーバンドプロファイル
におけるノッチや格子不整合の発生を完全に無くすこと
ができる。これによって、キャリア再結合の低減や発光
効率の向上などの上記効果を、さらに高めることができ
る。
導体発光素子として、発光ダイオード(LED)100
を、図1(a)及び(b)を参照して説明する。図1
(a)は、LED100の構成を示す断面図であり、図
1(b)は、LED100の上部クラッド層から電流拡
散層にかけての積層構造の接合界面におけるエネルギー
バンドプロファイルを模式的に示す図である。
は、n型GaAs基板11の上に、n型(AlxG
a1-x)0.51In0.49P(0≦x≦1)下部クラッド層
12(例えば、x=1.0及び厚さ約1.0μm)、
(AlxGa1-x)0.51In0.49P(0≦x≦1)活性層
13(例えば、x=0.3及び厚さ約0.5μm)、及
びp型(AlxGa1-x)0.51In0.49P(0≦x≦1)
上部クラッド層14(例えば、x=1.0及び厚さ約
1.0μm)を、順次積層する。このうち、n型AlG
aInP下部クラッド層12には、キャリア濃度が約5
×1017cm-3となるようにSiがドープされている。
一方、p型AlGaInP上部クラッド層14には、キ
ャリア濃度が約5×1017cm-3となるように、Znが
ドープされている。これらのn型下部クラッド層12、
活性層13、及びp型上部クラッド層14によって、L
ED100の発光部を含む積層構造が形成される。
層14の上に、p型AlyIn1-yAs中間層15(例え
ば、y=0.79及び厚さ約0.1μm)を積層する。
このp型AlInAs中間層15には、キャリア濃度が
約1×1018cm-3となるようにZnがドープされてい
る。
には、p型GaP電流拡散層16(例えば、厚さ約7μ
m)を形成する。このp型GaP電流拡散層16には、
キャリア濃度が約2×1018cm-3となるようにZnが
ドープされている。
えばAu−Zn膜を蒸着して、これを例えば円形にパタ
ーニングしてp型電極17を形成する。一方、GaAs
基板11の下面には、例えばAu−Ge膜からなるn型
電極18を蒸着により形成する。これによって、LED
100が完成する。
る本実施形態のLED100における、p型AlGaI
nP上部クラッド層14からp型GaP電流拡散層16
にかけてのエネルギーバンドプロファイルを模式的に示
す図である。
に、p型AlGaInP上部クラッド層とp型GaP電
流拡散層との間に中間層を有しない従来のLEDでは、
p型AlGaInP上部クラッド層とp型GaP電流拡
散層との界面において、伝導帯下端にはエネルギー差
0.25eVのノッチが発生し、価電子帯上端にはエネ
ルギー差0.29eVのノッチが発生する。それに対し
て、本実施形態に従って形成されるLED100では、
p型AlGaInP上部クラッド層14とp型GaP電
流拡散層16との間にp型AlInAs中間層15を挿
入することにより、ノッチが複数の接合界面に分散して
発生するようになる。この結果、伝導帯下端に発生する
ノッチはそのエネルギー差が最大で約0.20eVとな
り、価電子帯上端に発生するノッチはそのエネルギー差
が最大で約0.24eVとなり、それぞれ従来技術にお
ける値よりも低減される。
によるLED100では、従来技術では約2.5Vであ
った動作電流20mAの時の動作電圧が約2.4Vに低
減する一方で、そのときの発光輝度が約1.1倍向上す
る。
態における半導体発光素子として、発光ダイオード(L
ED)200を、図2(a)及び(b)を参照して説明
する。図2(a)は、LED200の構成を示す断面図
であり、図2(b)は、LED200の上部クラッド層
から電流拡散層にかけての積層構造の接合界面における
エネルギーバンドプロファイルを模式的に示す図であ
る。
は、n型GaAs基板21の上に、n型(AlxG
a1-x)0.51In0.49P(0≦x≦1)下部クラッド層
22(例えば、x=1.0及び厚さ約1.0μm)、
(AlxGa1-x)0.51In0.49P(0≦x≦1)活性層
23(例えば、x=0.3及び厚さ約0.5μm)、及
びp型(AlxGa1-x)0.51In0.49P(0≦x≦1)
上部クラッド層24(例えば、x=1.0及び厚さ約
1.0μm)を、順次積層する。このうち、n型AlG
aInP下部クラッド層22には、キャリア濃度が約5
×1017cm-3となるようにSiがドープされている。
一方、p型AlGaInP上部クラッド層24には、キ
ャリア濃度が約5×1017cm-3となるように、Znが
ドープされている。これらのn型下部クラッド層22、
活性層23、及びp型上部クラッド層24によって、L
ED200の発光部を含む積層構造が形成される。
層24の上に、p型AlyIn1-yAs第1中間層25
(例えば、y=0.88及び厚さ約0.1μm)、及び
p型AlyIn1-yAs第2中間層26(例えば、y=
0.72及び厚さ約0.1μm)を順に積層する。この
第1及び第2のp型AlInAs中間層25及び26に
は、キャリア濃度がそれぞれ約1×1018cm-3となる
ように、Znがドープされている。
6の上には、p型GaP電流拡散層27(例えば、厚さ
約7μm)を形成する。このp型GaP電流拡散層27
には、キャリア濃度が約2×1018cm-3となるように
Znがドープされている。
えばAu−Zn膜を蒸着して、これを例えば円形にパタ
ーニングしてp型電極28を形成する。一方、GaAs
基板21の下面には、例えばAu−Ge膜からなるn型
電極29を蒸着により形成する。これによって、LED
200が完成する。
る本実施形態のLED200における、p型AlGaI
nP上部クラッド層24からp型GaP電流拡散層27
にかけてのエネルギーバンドプロファイルを模式的に示
す図である。
に、p型AlGaInP上部クラッド層とp型GaP電
流拡散層との間に中間層を有しない従来のLEDでは、
p型AlGaInP上部クラッド層とp型GaP電流拡
散層との界面において、伝導帯下端にはエネルギー差
0.25eVのノッチが発生し、価電子帯上端にはエネ
ルギー差0.29eVのノッチが発生する。それに対し
て、本実施形態に従って形成されるLED200では、
p型AlGaInP上部クラッド層24とp型GaP電
流拡散層27との間に第1及び第2のp型AlInAs
中間層25及び26を挿入することにより、ノッチが複
数の接合界面に分散して発生するようになる。この結
果、伝導帯下端に発生するノッチはそのエネルギー差が
最大で約0.15eVとなり、価電子帯上端に発生する
ノッチはそのエネルギー差が最大で約0.18eVとな
り、それぞれ従来技術における値よりも低減される。
によるLED200では、従来技術では約2.5Vであ
った動作電流20mAの時の動作電圧が約2.3Vに低
減する一方で、そのときの発光輝度が約1.2倍向上す
る。
態における半導体発光素子として、発光ダイオード(L
ED)300を、図3を参照して説明する。図3は、L
ED300の構成を示す断面図である。
型GaAs基板31の上に、n型(AlxGa1-x)0.51
In0.49P(0≦x≦1)下部クラッド層32(例え
ば、x=1.0及び厚さ約1.0μm)、(AlxGa
1-x)0.51In0.49P(0≦x≦1)活性層33(例え
ば、x=0.3及び厚さ約0.5μm)、及びp型(A
lxGa1-x)0.51In0.49P(0≦x≦1)上部クラッ
ド層34(例えば、x=1.0及び厚さ約1.0μm)
を、順次積層する。このうち、n型AlGaInP下部
クラッド層32には、キャリア濃度が約5×1017cm
-3となるようにSiがドープされている。一方、p型A
lGaInP上部クラッド層34には、キャリア濃度が
約5×1017cm-3となるように、Znがドープされて
いる。これらのn型下部クラッド層32、活性層33、
及びp型上部クラッド層34によって、LED300の
発光部を含む積層構造が形成される。
層34の上に、p型GaAszP1-z中間層35(例え
ば、z=0.5及び厚さ約0.1μm)を積層する。こ
のp型GaAsP中間層35には、キャリア濃度が約1
×1018cm-3となるように、Znがドープされてい
る。
は、p型GaP電流拡散層36(例えば、厚さ約7μ
m)を形成する。このp型GaP電流拡散層36には、
キャリア濃度が約2×1018cm-3となるようにZnが
ドープされている。
えばAu−Zn膜を蒸着して、これを例えば円形にパタ
ーニングしてp型電極37を形成する。一方、GaAs
基板31の下面には、例えばAu−Ge膜からなるn型
電極38を蒸着により形成する。これによって、LED
300が完成する。
D300では、p型AlGaInP上部クラッド層3
4、p型GaAszP1-z中間層35、及びp型GaP電
流拡散層36の格子定数は、それぞれ5.65Å、5.
55Å及び5.45Åである。これより、p型GaAs
zP1-z中間層35が、P型AlGaInP上部クラッド
層34とp型GaP電流拡散層36との間の格子不整合
を緩和する構成となっている。この様な中間層35によ
る格子不整合の緩和により、本実施形態のLED300
では、従来のLEDに比べて発光輝度が約1.2倍に向
上する。
態における半導体発光素子として、発光ダイオード(L
ED)400を、図4を参照して説明する。図4は、L
ED400の構成を示す断面図である。
型GaAs基板41の上に、n型(AlxGa1-x)0.51
In0.49P(0≦x≦1)下部クラッド層42(例え
ば、x=1.0及び厚さ約1.0μm)、(AlxGa
1-x)0.51In0.49P(0≦x≦1)活性層43(例え
ば、x=0.3及び厚さ約0.5μm)、及びp型(A
lxGa1-x)0.51In0.49P(0≦x≦1)上部クラッ
ド層44(例えば、x=1.0及び厚さ約1.0μm)
を、順次積層する。このうち、n型AlGaInP下部
クラッド層42には、キャリア濃度が約5×1017cm
-3となるようにSiがドープされている。一方、p型A
lGaInP上部クラッド層44には、キャリア濃度が
約5×1017cm-3となるように、Znがドープされて
いる。これらのn型下部クラッド層42、活性層43、
及びp型上部クラッド層44によって、LED400の
発光部を含む積層構造が形成される。
層44の上に、p型GaAszP1-z第1中間層45(例
えば、z=0.6及び厚さ約0.1μm)、及びp型G
aAszP1-z第2中間層46(例えば、z=0.3及び
厚さ約0.1μm)を順に積層する。この第1及び第2
のp型GaAsP中間層45及び46には、キャリア濃
度がそれぞれ約1×1018cm-3となるように、Znが
ドープされている。
の上には、p型GaP電流拡散層47(例えば、厚さ約
7μm)を形成する。このp型GaP電流拡散層47に
は、キャリア濃度が約2×1018cm-3となるようにZ
nがドープされている。
えばAu−Zn膜を蒸着して、これを例えば円形にパタ
ーニングしてp型電極48を形成する。一方、GaAs
基板41の下面には、例えばAu−Ge膜からなるn型
電極49を蒸着により形成する。これによって、LED
400が完成する。
D400では、p型AlGaInP上部クラッド層4
4、p型GaAszP1-z第1中間層45、p型GaAs
zP1-z第2中間層46、及びP型GaP電流拡散層47
の格子定数が、それぞれ5.65Å、5.57Å、5.
51Å及び5.45Åとなっており、p型GaAszP
1-z第1中間層45及びp型GaAszPl-z第2中間層
46が、p型AlGaInP上部クラッド層44とp型
GaP電流拡散層47との間の格子不整合を緩和する構
成となっている。この様な第1及び第2のp型GaAs
P中間層45及び46による格子不整合の緩和により、
本実施形態のLED400では、従来のLEDに比べて
発光輝度が約1.3倍に向上する。
態における半導体発光素子として、発光ダイオード(L
ED)500を、図5(a)及び(b)を参照して説明
する。図5(a)は、LED500の構成を示す断面図
であり、図5(b)は、LED500の上部クラッド層
から電流拡散層にかけての積層構造の接合界面における
エネルギーバンドプロファイルを模式的に示す図であ
る。
は、n型GaAs基板51の上に、n型(AlxG
a1-x)0.51In0.49P(0≦x≦1)下部クラッド層
52(例えば、x=1.0及び厚さ約1.0μm)、
(AlxGa1-x)0.51In0.49P(0≦x≦1)活性層
53(例えば、x=0.3及び厚さ約0.5μm)、及
びp型(AlxGa1-x)0.51In0.49P(0≦x≦1)
上部クラッド層54(例えば、x=1.0及び厚さ約
1.0μm)を、順次積層する。このうち、n型AlG
aInP下部クラッド層52には、キャリア濃度が約5
×1017cm-3となるようにSiがドープされている。
一方、p型AlGaInP上部クラッド層54には、キ
ャリア濃度が約5×1017cm-3となるように、Znが
ドープされている。これらのn型下部クラッド層52、
活性層53、及びp型上部クラッド層54によって、L
ED500の発光部を含む積層構造が形成される。
層54の上に、p型Ga1-u-vInuAlvP中間層55
(例えば、u=v=0.25及び厚さ約0.1μm)を
積層する。このp型GaInAlP中間層55には、キ
ャリア濃度が約1×1018cm-3となるように、Znが
ドープされている。
上には、p型GaP電流拡散層56(例えば、厚さ約7
μm)を形成する。このp型GaP電流拡散層56に
は、キャリア濃度が約2×1018cm-3となるようにZ
nがドープされている。
えばAu−Zn膜を蒸着して、これを例えば円形にパタ
ーニングしてp型電極57を形成する。一方、GaAs
基板51の下面には、例えばAu−Ge膜からなるn型
電極58を蒸着により形成する。これによって、LED
500が完成する。
る本実施形態のLED500における、p型AlGaI
nP上部クラッド層54からp型GaP電流拡散層56
にかけてのエネルギーバンドプロファイルを模式的に示
す図である。
に、上部クラッド層と電流拡散層との間に中間層を有し
ない従来のLEDでは、p型AlGaInP上部クラッ
ド層とp型GaP電流拡散層との界面において、伝導帯
下端にはエネルギー差0.25eVのノッチが発生し、
価電子帯上端にはエネルギー差0.29eVのノッチが
発生する。それに対して、本実施形態に従って形成され
るLED500では、p型AlGaInP上部クラッド
層54とp型GaP電流拡散層56との間にp型GaI
nAlP中間層55を挿入することにより、ノッチが複
数の接合界面に分散して発生するようになる。この結
果、伝導帯下端に発生するノッチはそのエネルギー差が
最大で約0.13eVとなり、価電子帯上端に発生する
ノッチはそのエネルギー差が最大で約0.16eVとな
り、それぞれ従来技術における値よりも低減される。
p型AlGaInP上部クラッド層54、p型GaIn
AlP中間層55、p型GaP電流拡散層56の格子定
数が、それぞれ5.65Å、5.55Å及び5.45Å
となっており、p型GaInAlP中間層55が、p型
AlGaInP上部クラッド層54とp型GaP電流拡
散層56との間の格子不整合を緩和する構成となってい
る。
格子不整合の緩和とにより、本実施形態によるLED5
00では、従来技術では約2.5Vであった動作電流2
0mAの時の動作電圧が約2.1Vに低減する一方で、
そのときの発光輝度が約1.4倍向上する。
態における半導体発光素子として、発光ダイオード(L
ED)600を、図6(a)及び(b)を参照して説明
する。図6(a)は、LED600の構成を示す断面図
であり、図6(b)は、LED600の上部クラッド層
から電流拡散層にかけての積層構造の接合界面における
エネルギーバンドプロファイルを模式的に示す図であ
る。
は、n型GaAs基板61の上に、n型(AlxG
a1-x)0.51In0.49P(0≦x≦1)下部クラッド層
62(例えば、x=1.0及び厚さ約1.0μm)、
(AlxGa1-x)0.51In0.49P(0≦x≦1)活性層
63(例えば、x=0.3及び厚さ約0.5μm)、及
びp型(AlxGa1-x)0.51In0.49P(0≦x≦1)
上部クラッド層64(例えば、x=1.0及び厚さ約
1.0μm)を、順次積層する。このうち、n型AlG
aInP下部クラッド層62には、キャリア濃度が約5
×1017cm-3となるようにSiがドープされている。
一方、p型AlGaInP上部クラッド層64には、キ
ャリア濃度が約5×1017cm-3となるように、Znが
ドープされている。これらのn型下部クラッド層62、
活性層63、及びp型上部クラッド層64によって、L
ED600の発光部を含む積層構造が形成される。
p型Ga1-u-vInuAlvP第1中間層65(例えば、
u=0.15、v=0.20及び厚さ約0.1μm)、
p型Ga1-u-vInuAlvP第2中間層66(例えば、
u=v=0.25及び厚さ約0.1μm)、及びp型G
a1-u-vInuAlvP第3中間層67(例えば、u=
0.35、v=0.30及び厚さ約0.1μm)を順に
積層する。この第1、第2及び第3のp型GaInAl
P中間層65、66及び67には、キャリア濃度がそれ
ぞれ約1×1018cm-3となるようにZnがドープされ
ている。
67の上には、p型GaP電流拡散層68(例えば、厚
さ約7μm)を形成する。このp型GaP電流拡散層6
8には、キャリア濃度が約2×1018cm-3となるよう
にZnがドープされている。
えばAu−Zn膜を蒸着して、これを例えば円形にパタ
ーニングしてp型電極69を形成する。一方、GaAs
基板61の下面には、例えばAu−Ge膜からなるn型
電極610を蒸着により形成する。これによって、LE
D600が完成する。
る本実施形態のLED600における、p型AlGaI
nP上部クラッド層64からp型GaP電流拡散層68
にかけてのエネルギーバンドプロファイルを模式的に示
す図である。
に、上部クラッド層と電流拡散層との間に中間層を有し
ない従来のLEDでは、p型AlGaInP上部クラッ
ド層とp型GaP電流拡散層との界面において、伝導帯
下端にはエネルギー差0.25eVのノッチが発生し、
価電子帯上端にはエネルギー差0.29eVのノッチが
発生する。それに対して、本実施形態に従って形成され
るLED600では、p型AlGaInP上部クラッド
層64とp型GaP電流拡散層68との間に第1、第2
及び第3のp型GaInAlP中間層65、66及び6
7を挿入することにより、ノッチが複数の接合界面に分
散して発生するようになる。この結果、伝導帯下端に発
生するノッチはそのエネルギー差が最大で約0.08e
Vとなり、価電子帯上端に発生するノッチはそのエネル
ギー差が最大で約0.12eVとなり、それぞれ従来技
術における値よりも低減される。
p型AlGaInP上部クラッド層64、p型GaIn
AlP第1中間層65、p型GaInAlP第2中間層
66、p型GaInAlP第3中間層67、p型GaP
電流拡散層68の格子定数が、それぞれ5.65Å、
5.60Å、5.55Å、5.51Å及び5.45Åと
なっており、p型GaInAlP第1〜3中間層65〜
67が、p型AlGaInP上部クラッド層64とp型
GaP電流拡散層68との間の格子不整合を緩和する構
成となっている。
中間層65〜67によるノッチの低減と格子不整合の緩
和とにより、本実施形態によるLED600では、従来
技術では約2.5Vであった動作電流20mAの時の動
作電圧が約2.0Vに低減する一方で、そのときの発光
輝度が約1.5倍向上する。
態における半導体発光素子として、発光ダイオード(L
ED)700を、図7(a)〜(c)を参照して説明す
る。図7(a)は、LED700の構成を示す断面図で
あり、図7(b)は、LED700の上部クラッド層か
ら電流拡散層にかけての積層構造の接合界面におけるエ
ネルギーバンドプロファイルを模式的に示す図である。
図7(c)は、LED700の上部クラッド層から電流
拡散層にかけての積層構造における、格子定数の変化を
模式的に示す図である。
は、n型GaAs基板71の上に、n型(AlxG
a1-x)0.51In0.49P(0≦x≦1)下部クラッド層
72(例えば、x=1.0及び厚さ約1.0μm)、
(AlxGa1-x)0.51In0.49P(0≦x≦1)活性層
73(例えば、x=0.3及び厚さ約0.5μm)、及
びp型(AlxGa1-x)0.51In0.49P(0≦x≦1)
上部クラッド層74(例えば、x=1.0及び厚さ約
1.0μm)を、順次積層する。このうち、n型AlG
aInP下部クラッド層72には、キャリア濃度が約5
×1017cm-3となるようにSiがドープされている。
一方、p型AlGaInP上部クラッド層74には、キ
ャリア濃度が約5×1017cm-3となるように、Znが
ドープされている。これらのn型下部クラッド層72、
活性層73、及びp型上部クラッド層74によって、L
ED700の発光部を含む積層構造が形成される。
層74の上に、p型(AluGa1-u)1-vInvP中間層
75(例えば、厚さ約0.1μm)を積層する。このp
型AlGaInP中間層75は、組成式におけるuを1
から0へ、またvを0.49から0へ連続的に変化させ
ることによって、その組成をAl0.51In0.49PからG
aPまで連続的に変化させる。さらに、p型AlGaI
nP中間層75には、キャリア濃度が約1×1018cm
-3となるようにZnがドープされている。
p型GaP電流拡散層76(例えば、厚さ約7μm)を
形成する。このp型GaP電流拡散層76には、キャリ
ア濃度が約2×1018cm-3となるようにZnがドープ
されている。
えばAu−Zn膜を蒸着して、これを例えば円形にパタ
ーニングしてp型電極77を形成する。一方、GaAs
基板71の下面には、例えばAu−Ge膜からなるn型
電極78を蒸着により形成する。これによって、LED
700が完成する。
る本実施形態のLED700における、p型AlGaI
nP上部クラッド層74からp型GaP電流拡散層76
にかけてのエネルギーバンドプロファイルを模式的に示
す図である。
に、p型AlGaInP上部クラッド層とp型GaP電
流拡散層との間に中間層を有しない従来のLEDでは、
p型AlGaInP上部クラッド層とp型GaP電流拡
散層との界面において、伝導帯下端にはエネルギー差
0.25eVのノッチが発生し、価電子帯上端にはエネ
ルギー差0.29eVのノッチが発生する。それに対し
て、本実施形態に従って形成されるLED700では、
p型AlGaInP上部クラッド層74とp型GaP電
流拡散層76との間に、組成が連続的に変化するp型A
lGaInP中間層75を挿入することにより、ノッチ
を完全に無くすことができる。
組成の連続的な変化にともなって、図7(c)に示すよ
うに、p型AlGaInP上部クラッド層74からp型
GaP電流拡散層76にかけての格子定数は連続的に変
化する。この結果、p型AlGaInP上部クラッド層
74とp型GaP電流拡散層76との間の格子不整合が
緩和されている。
和によって、本実施形態によるLED700では、従来
技術では約2.5Vであった動作電流20mAの時の動
作電圧が約2.0Vに低減する一方で、そのときの発光
輝度が約1.4倍向上する。
態における半導体発光素子として、発光ダイオード(L
ED)800を、図8(a)〜(c)を参照して説明す
る。図8(a)〜(c)は、LED800の構成及びそ
の製造工程を示す断面図である。
8(a)に示すように、n型GaAs基板81の上にn
型(AlxGa1-x)0.51In0.49P(0≦x≦1)下部
クラッド層82(例えば、x=1.0及び厚さ約1.0
μm)、(AlxGa1-x)0.51In0.49P(0≦x≦
1)活性層83(例えば、x=0.3及び厚さ約0.5
μm)、及びp型(AlxGa1-x)0.51In0.49P(0
≦x≦1)上部クラッド層84(例えば、x=1.0及
び厚さ約1.0μm)を、順次積層する。このうち、n
型AlGaInP下部クラッド層82には、キャリア濃
度が約5×1017cm-3となるようにSiがドープされ
ている。一方、p型AlGaInP上部クラッド層84
には、キャリア濃度が約5×1017cm-3となるよう
に、Znがドープされている。これらのn型下部クラッ
ド層82、活性層83、及びp型上部クラッド層84に
よって、LED800の発光部を含む積層構造が形成さ
れる。
層84の上に、p型Ga1-u-vInuAlvP中間層85
(例えば、u=v=0.25及び厚さ約0.1μm)を
積層する。このp型GaInAlP中間層85には、キ
ャリア濃度が約1×1018cm-3となるように、Znが
ドープされている。
p型GaPキャップ層86を成長する。次に、GaPキ
ャップ層86の上に、p型GaP基板87を結晶軸を一
致させて配置する。さらに、p型GaP基板87の上に
適当な重さの重り88を乗せ、H2雰囲気中にて約65
0℃で熱処理を行って、GaPキャップ層86とp型G
aP基板87とを接合させる。接合後には、このp型G
aP基板87は、形成されるLED800の電流拡散層
87として機能する。
GaP電流拡散層87の上にp型電極89を、成膜プロ
セス及びエッチングにより形成する。p型電極89は、
例えば円形に加工する。次に、n型GaAs基板81を
エッチングして10μm程度の厚さにした後に、n型G
aAs基板81の裏面全体にわたってn型電極810を
形成する(図8(b))。
電極810及びn型GaAs基板81をフォトリソグラ
フィーにより適当な形状にエッチングして、LED80
0を得る。
D800では、第5の実施形態のLED500と同様
に、エネルギーバンドプロファイルに現れるノッチの低
減、及び積層構造での格子不整合の緩和が可能である。
これらの効果により、本実施形態によるLED800で
は、従来技術では約2.5Vであった動作電流20mA
の時の動作電圧が約2.1Vに低減する一方で、そのと
きの発光輝度が約1.2倍向上する。
態における半導体発光素子として、発光ダイオード(L
ED)900を、図9(a)〜(c)を参照して説明す
る。図9(a)〜(c)は、LED900の構成及びそ
の製造工程を示す断面図である。
9(a)に示すように、n型GaAs基板91の上にn
型(AlxGa1-x)0.51In0.49P(0≦x≦1)下部
クラッド層92(例えば、x=1.0及び厚さ約1.0
μm)、(AlxGa1-x)0.51In0.49P(0≦x≦
1)活性層93(例えば、x=0.3及び厚さ約0.5
μm)、及びp型(AlxGa1-x)0.51In0.49P(0
≦x≦1)上部クラッド層94(例えば、x=1.0及
び厚さ約1.0μm)を、順次積層する。このうち、n
型AlGaInP下部クラッド層92には、キャリア濃
度が約5×1017cm-3となるようにSiがドープされ
ている。一方、p型AlGaInP上部クラッド層94
には、キャリア濃度が約5×1017cm-3となるよう
に、Znがドープされている。これらのn型下部クラッ
ド層92、活性層93、及びp型上部クラッド層94に
よって、LED900の発光部を含む積層構造が形成さ
れる。
層94の上に、p型Ga1-u-vInuAlvP中間層95
(例えば、u=v=0.25及び厚さ約0.1μm)を
積層する。このp型GaInAlP中間層95には、キ
ャリア濃度が約1×1018cm-3となるように、Znが
ドープされている。
n型GaP電流阻止層96(例えば、厚さ約0.3μ
m)を成長する。次に、n型GaP電流阻止層96の上
に適切にパターニングされたレジスト97を塗布して、
エッチング処理によってn型GaP電流阻止層96を例
えば円形の形状に加工する(図9(b)参照)。
た後に、n型電流阻止層96の上に、p型GaP電流拡
散層98(例えば、厚さ約7μm)を形成する。このp
型GaP電流拡散層98には、キャリア濃度が約2×1
018cm-3となるようにZnがドープされている。
えばAu−Zn膜を蒸着して、これを例えば円形にパタ
ーニングしてp型電極99を形成する。一方、GaAs
基板91の下面には、例えばAu−Ge膜からなるn型
電極910を蒸着により形成する。これによって、LE
D900が完成する。
0では、p型電極99から注入された電流は、p型Ga
P電流拡散層98の中でn型GaP電流阻止層96の外
側まで広がり、その後にp型AlGaInP上部クラッ
ド層94に注入される。このような構成によれば、発光
はp型電極99の直下以外の箇所で生じるので、出射光
のうちでp型電極99によって妨げられる量が低減され
る。この結果、光の取り出し効率が向上される。
D900では、第5の実施形態のLED500と同様
に、エネルギーバンドプロファイルに現れるノッチの低
減、及び積層構造での格子不整合の緩和が可能である。
これらの効果により、本実施形態によるLED900で
は、従来技術では約2.5Vであった動作電流20mA
の時の動作電圧が約2.1Vに低減する一方で、そのと
きの発光輝度が約2倍向上する。
設けることによってエネルギーバンドプロファイルでの
ノッチを緩和するにあたって、伝導帯下端及び価電子帯
上端の両方におけるノッチの緩和を図っている。しか
し、必ずしも両方でのノッチの緩和を行う必要はなく、
伝導帯下端或いは価電子帯上端のいずれか一方でのノッ
チの緩和を図ることで、これまでに説明したものと同様
の効果を得ることができる。
ド層、中間層及び電流拡散層などの材料として、特定の
材料名を挙げて説明している。しかし、本発明の適用範
囲は、何らかの特定の材料に限られるものではない。例
えば、電流拡散層の材料としてGaPを使用している
が、AlGaPを使用することもできる。その意味で、
上記の各実施形態における電流拡散層の構成材料として
は、GaP及びAlGaPの双方を含むAlGaP系の
化合物半導体材料とすることができる。
上記で説明したような、上部クラッド層、中間層及び電
流拡散層の伝導帯下端及び/または価電子帯上端におけ
るエネルギー位置の関係、或いは/及び、格子定数の関
係を満たすような材料を、中間層の材料として適宜選択
すればよい。この中間層材料の選択について、以下に図
10を参照して説明する。
o.5、pp.630-632(1992)に記載されている、各種半導体
材料の伝導体下端及び価電子帯上端のエネルギー位置
(縦軸、Auのショットキーバリア位置に対する相対値
として表示)と格子定数(横軸)とを示すグラフであ
る。具体的には、図中の印は、それぞれの2元混晶につ
いてのプロットである(但し、Si及びGeを除く)。
また、それぞれの印の間を結ぶ実線や点線は、3元混晶
に関する値の変化を示している。
例にとって、それらの間に挿入されるべき中間層の材料
の決定方法について説明する。なお、上記のうちでAl
Pは、これまでの実施形態の構成の中で具体的に言及さ
れている材料系ではないが、図10の中でのプロット位
置の関係で以下の説明を簡潔に行えるので、ここでは例
として選択している。
目して中間層の材料を選択する場合の例を説明する。
下端のエネルギー位置は、それぞれ図10の縦軸の点
(1)及び点(2)である。また、GaP層及びAlP
層の価電子帯上端のエネルギー位置は、それぞれ図10
の縦軸の点(3)及び点(4)である。従って、中間層
の材料として、その伝導帯下端のエネルギー位置が点
(1)と点(2)との間に存在し、且つ/または、価電
子帯上端のエネルギー位置が点(3)と点(4)との間
に位置するような材料を、選択する。
P層及びAlP層の格子定数の値がそれぞれ図10の横
軸の点(5)及び点(6)であることから、格子定数の
値がこれらの点の間に位置するような材料を、中間層の
構成材料として選択すればよい。
ルの双方に着目する場合には、上記それぞれの条件を同
時に満たすような材料を選択する。
層の構成材料が決定される。上記の説明におけるGaP
やAlPを、実際に上部クラッド層や電流拡散層の構成
材料として使用される半導体材料で置き換えれば、どの
ような材料の組み合わせに対しても上記の手法は適用可
能である。接合対象になる半導体材料層が4元混晶から
構成されている場合でも、上記と同様の手法で適切な材
料を選択すればよい。なお、中間層の構成材料を具体的
に得るためには、例えば3元系化合物半導体材料や4元
系化合物半導体材料における組成比の調整など、半導体
技術で一般的に行われている手法を行えばよい。
キャリア濃度を約1×1018cm-3としているが、実際
には約1×1017cm-3〜約1×1019cm-3のキャリ
ア濃度を有するように中間層を形成することが好まし
い。キャリア濃度が上記の範囲よりも小さいと、中間層
が高抵抗になって電流拡散層から上部クラッド層(活性
層)へのキャリアの注入が十分に行えなくなる。一方、
キャリア濃度が上記範囲よりも高いと、高濃度ドープに
よる結晶性の劣化や、ドープされた不純物の固体内拡散
による結晶性の劣化を招く可能性がある。
層の厚さは、好ましくは約0.01μm〜約5μmの範
囲内にあることが好ましい。中間層が上記範囲よりも薄
いと所望のエネルギーバンドプロファイルを得ることが
できず、一方、中間層が上記範囲よりも厚いと生産性が
低下する。
晶成長は、MOCVD法、MBE法、MOMBE法、L
PE法など、半導体技術で一般に使用される成長技術に
よって行うことができる。
ドープは、成長と共にドーピング材料を供給することに
よるドーピングの他に、イオン注入など半導体技術で一
般的に使用される手法で行うことができる。ドーピング
される不純物としては、Si或いはZnのみならず、S
eやMgなど、半導体技術で一般に使用される不純物を
用いることができる。
発光素子では、上部クラッド層と電流拡散層との間に所
定の中間層を設けることによって、これらの層の界面に
おいて、エネルギーバンドプロファイルに生じる不連続
(ノッチ)が低減される。また、上部クラッド層と電流
拡散層との間の格子不整合が緩和される。これによっ
て、キャリアの移動に対する障壁や界面準位が低減され
て、上記の界面におけるキャリアの再結合が低減され
る。この結果、動作電圧が低減されて、半導体発光素子
の消費電力が低減される。さらに、活性層へのキャリア
の注入効率が向上して、発光効率が向上し、従って半導
体発光素子の発光輝度が向上する。
導体発光素子の構成を示す断面図であり、(b)は、そ
の上部クラッド層から電流拡散層にかけてのエネルギー
バンドプロファイルを模式的に示す図である。
導体発光素子の構成を示す断面図であり、(b)は、そ
の上部クラッド層から電流拡散層にかけてのエネルギー
バンドプロファイルを模式的に示す図である。
子の構成を示す断面図である。
子の構成を示す断面図である。
導体発光素子の構成を示す断面図であり、(b)は、そ
の上部クラッド層から電流拡散層にかけてのエネルギー
バンドプロファイルを模式的に示す図である。
導体発光素子の構成を示す断面図であり、(b)は、そ
の上部クラッド層から電流拡散層にかけてのエネルギー
バンドプロファイルを模式的に示す図である。
導体発光素子の構成を示す断面図であり、(b)は、そ
の上部クラッド層から電流拡散層にかけてのエネルギー
バンドプロファイルを模式的に示す図であり、(c)
は、上部クラッド層から電流拡散層にかけて格子定数の
変化を模式的に示す図である。
おける半導体発光素子の構成及びその製造方法を示す断
面図である。
おける半導体発光素子の構成及びその製造方法を示す断
面図である。
端及び価電子帯上端のエネルギー位置と格子定数との関
係を模式的に示すグラフである。
ある。
子の構成及びその製造方法を示す断面図である。
プI〜IIIの接合の様子をそれぞれ模式的に示すエネ
ルギーバンドプロファイルである。
おける半導体材料の接合前後のエネルギーバンドプロフ
ァイル、及びキャリアの挙動を模式的に説明する図であ
る。
ンドギャップ層の機能を説明するエネルギーバンドプロ
ファイルである。
00、800、900、1100、1200 発光ダイ
オード(LED)
Claims (15)
- 【請求項1】 第1導電型の化合物半導体基板と、 該化合物半導体基板の上に形成された積層構造であっ
て、少なくとも発光のための活性層と該活性層を両側か
ら挟み込む第1導電型の下部クラッド層及び第2導電型
の上部クラッド層とを含む、積層構造と、 該積層構造の上に形成された第2導電型の中間層と、 該中間層の上に形成された第2導電型の電流拡散層と、 を有する半導体発光素子であって、接合前の該上部クラッド層及び該電流拡散層のそれぞれ
のエネルギーバンドプロファイルにおける伝導帯下端及
び価電子帯上端のエネルギー位置が、該上部クラッド層
及び該電流拡散層のいずれか一方の層が、該伝導帯下端
及び価電子帯上端の両方について、他方の層よりも高い
状態となっており、 該中間層は、該上部クラッド層及び該電流拡散層のそれ
ぞれの該伝導帯下端及び荷電子上端のエネルギー差に起
因する前記エネルギーバンドファイルにおける伝導帯下
端及び価電子帯上端に生じる不連続を緩和する伝導帯下
端及び価電子帯上端のエネルギー位置を有している 、半
導体発光素子。 - 【請求項2】 前記中間層は、前記上部クラッド層と前
記電流拡散層との間で、格子不整合を緩和する、請求項
1に記載の半導体素子。 - 【請求項3】 前記中間層が複数の層を含んでいる、請
求項1または2に記載の半導体発光素子。 - 【請求項4】 前記中間層は、接合前のその伝導帯下端
のエネルギー位置が、接合前の前記上部クラッド層の伝
導帯下端のエネルギー位置と接合前の前記電流拡散層の
伝導帯下端のエネルギー位置との間に位置し、且つ、接
合前のその価電子帯上端のエネルギー位置が、接合前の
該上部クラッド層の価電子帯上端のエネルギー位置と接
合前の該電流拡散層の価電子帯上端のエネルギー位置と
の間に位置する、請求項1または2に記載の半導体発光
素子。 - 【請求項5】 前記中間層が、前記上部クラッド層に接
する第1中間層から前記電流拡散層に接する第n中間層
(但し、n>1)に至る複数の層からなり、第k中間層
(但し、1≦k≦(n−1))は第(k+1)中間層に
比べて、接合前のその伝導帯下端のエネルギー位置が接
合前の該上部クラッド層の伝導帯下端のエネルギー位置
により近く、且つ、接合前のその価電子帯上端のエネル
ギー位置が接合前の該上部クラッド層の価電子帯上端の
エネルギー位置により近い、請求項1または2に記載の
半導体発光素子。 - 【請求項6】 前記中間層の格子定数が、前記上部クラ
ッド層の格子定数と前記電流拡散層の格子定数との中間
の値を有する、請求項2に記載の半導体発光素子。 - 【請求項7】 前記中間層が、前記上部クラッド層に接
する第1中間層から前記電流拡散層に接する第n中間層
(但し、n>1)に至る複数の層からなり、第k中間層
(但し、1≦k≦(n−1))の格子定数の値は第(k
+1)中間層の格子定数の値に比べて、該上部クラッド
層の格子定数の値により近い、請求項2に記載の半導体
発光素子。 - 【請求項8】 前記中間層は、接合前のその伝導帯下端
のエネルギー位置が、接合前の前記上部クラッド層の伝
導帯下端のエネルギー位置と接合前の前記電流拡散層の
伝導帯下端のエネルギー位置との間に位置し、且つ、接
合前のその価電子帯上端のエネルギー位置が、接合前の
該上部クラッド層の価電子帯上端のエネルギー位置と接
合前の該電流拡散層の価電子帯上端のエネルギー位置と
の間に位置し、さらに、該中間層の格子定数が、該上部
クラッド層の格子定数と該電流拡散層の格子定数との中
間の値を有する、請求項2に記載の半導体発光素子。 - 【請求項9】 前記中間層が、前記上部クラッド層に接
する第1中間層から前記電流拡散層に接する第n中間層
(但し、n>1)に至る複数の層からなり、第k中間層
(但し、1≦k≦(n−1))は第(k+1)中間層に
比べて、接合前のその伝導帯下端のエネルギー位置が接
合前の該上部クラッド層の伝導帯下端のエネルギー位置
により近く、且つ、接合前のその価電子帯上端のエネル
ギー位置が接合前の該上部クラッド層の価電子帯上端の
エネルギー位置により近く、その格子定数の値は該上部
クラッド層の格子定数の値により近い、請求項2に記載
の半導体発光素子。 - 【請求項10】 前記中間層の組成が、前記上部クラッ
ド層の組成から前記電流拡散層の組成にかけて連続的に
変化している、請求項1または2に記載の半導体発光素
子。 - 【請求項11】 前記積層構造がA1GaInP系化合
物半導体材料から構成され、前記中間層がAlInAs
系化合物半導体材料から構成され、前記電流拡散層がA
lGaP系化合物半導体材料から構成されている、請求
項1または2に記載の半導体発光素子。 - 【請求項12】 前記積層構造がA1GaInP系化合
物半導体材料から構成され、前記中間層がGaAsP系
化合物半導体材料から構成され、前記電流拡散層がAl
GaP系化合物半導体材料から構成されている、請求項
1または2に記載の半導体発光素子。 - 【請求項13】 前記積層構造及び前記中間層がいずれ
もA1GaInP系化合物半導体材料から構成され、前
記電流拡散層がAlGaP系化合物半導体材料から構成
されている、請求項1または2に記載の半導体発光素
子。 - 【請求項14】 前記中間層のキャリア濃度が約1×1
017cm-3以上かつ1×1019cm-3以下である、請求
項1または2に記載の半導体発光素子。 - 【請求項15】 前記中間層の厚さが約0.01μm以
上かつ約5μm以下である、請求項1または2に記載の
半導体発光素子。
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