JP3852852B2

JP3852852B2 - Light emitting diode

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Publication number: JP3852852B2
Application number: JP2004351771A
Authority: JP
Inventors: 弘志中津; 哲朗村上; 孝尚倉橋; 弘之細羽
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 1998-11-30
Filing date: 2004-12-03
Publication date: 2006-12-06
Anticipated expiration: 2019-11-26
Also published as: JP2005175473A

Description

本発明はダブルヘテロ接合構造の発光ダイオード（以下「ＬＥＤ」という）の構造に関する。より詳しくは、ＬＥＤに通電して発光させたとき、光出力が低下するのを防止する技術に関する。 The present invention relates to a light emitting diode (hereinafter referred to as “LED”) having a double heterojunction structure. More specifically, the present invention relates to a technique for preventing a light output from decreasing when an LED is energized to emit light.

いわゆるダブルヘテロ構造のＬＥＤは発光効率が高く、大きな光出力が得られるので表示用や光通信用光源等に広く用いられている。 So-called double heterostructure LEDs have high luminous efficiency and a large light output, and are therefore widely used for light sources for display and optical communication.

従来の代表的なダブルヘテロ構造のＬＥＤ８００の横断面図を示したものが図１２である。本従来例は赤色から緑色の発光が得られるＧａＡｓ基板に格子整合するＩｎＧａＡｌＰ系ＬＥＤの層構成を示したもので、
基板１：ｎ型ＧａＡｓ、
第１バッファー層２：ｎ型ＧａＡｓ、
光反射（ＤＢＲ）層３：ｎ型（Ａｌ_0.4Ｇａ_0.6）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ層と
ｎ型Ａｌ_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ層とを交互に積層した層、
第１クラッド層４：ｎ型Ａｌ_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ、不純物はＳｉ、
不純物濃度：５×１０¹⁷ｃｍ^-3、厚さ１μｍ、
発光層６：ｐ型（Ｇａ_0.7Ａｌ_0.3）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ、厚さ０．５μｍ、
第２クラッド層７：ｐ型Ａｌ_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ、不純物はＺｎ、
不純物濃度：５×１０¹⁷ｃｍ^-3、厚さ１μｍ、
第１電流拡散層９１：ｐ型Ａｌ_0.7Ｇａ_0.3Ａｓ、不純物はＺｎ、
不純物濃度：１×１０¹⁸ｃｍ^-3、厚さ１μｍ、
電流拡散層９２：ｐ型Ａｌ_0.7Ｇａ_0.3Ａｓ、不純物はＺｎ、
不純物濃度：３×１０¹⁸ｃｍ^-3、厚さ６μｍ、
をこの順序で積層したものである。 FIG. 12 shows a cross-sectional view of a conventional LED 800 having a typical double hetero structure. This conventional example shows a layer structure of an InGaAlP-based LED lattice-matched to a GaAs substrate that can emit red to green light.
Substrate 1: n-type GaAs,
First buffer layer 2: n-type GaAs,
Light reflection (DBR) layer 3: a layer in which n-type (Al _0.4 Ga _0.6 ) _0.5 In _0.5 P layers and n-type Al _0.5 In _0.5 P layers are alternately stacked,
First cladding layer 4: n-type Al _0.5 In _0.5 P, impurities are Si,
Impurity concentration: 5 × 10 ¹⁷ cm ⁻³ , thickness 1 μm,
Light-emitting layer 6: p-type (Ga _0.7 Al _0.3 ) _0.5 In _0.5 P, thickness 0.5 μm,
Second cladding layer 7: p-type Al _0.5 In _0.5 P, impurities are Zn,
Impurity concentration: 5 × 10 ¹⁷ cm ⁻³ , thickness 1 μm,
First current diffusion layer 91: p-type Al _0.7 Ga _0.3 As, impurity is Zn,
Impurity concentration: 1 × 10 ¹⁸ cm ⁻³ , thickness 1 μm,
Current diffusion layer 92: p-type Al _0.7 Ga _0.3 As, impurities are Zn,
Impurity concentration: 3 × 10 ¹⁸ cm ⁻³ , thickness 6 μm,
Are stacked in this order.

基板１にはＡｕＧｅ膜を通常の蒸着法により作製してｎ側電極１１とし、ｐ型電流拡散層９にはＡｕＺｎ膜を同じく蒸着法により作製してｐ側電極１０としている。該ｐ側電極１０は外部導体と接続するための金属ワイヤをボンディングする部分を通常のホトリソグラフィー法により円形にパターンニングして残し、電極を除去した部分から発光層６で発生した光が外部へ放射される。 An AuGe film is formed on the substrate 1 by an ordinary vapor deposition method to form an n-side electrode 11, and an AuZn film is similarly formed on the p-type current diffusion layer 9 by a vapor deposition method to form a p-side electrode 10. The p-side electrode 10 leaves a portion where a metal wire for connecting to an external conductor is bonded in a circular pattern by a normal photolithography method, and light generated in the light emitting layer 6 from the portion where the electrode is removed to the outside. Radiated.

第１バッファー層２は基板１の欠陥や汚染物の影響を取り除くためのもので基板の表面処理が良好な場合には不要である。ＤＢＲ層３は発光層６で発生した光のうち基板側に放射される光が基板１で吸収されないように上部へ反射してＬＥＤ８００の輝度を向上させるためのものである。 The first buffer layer 2 is for removing the influence of defects and contaminants on the substrate 1 and is not necessary when the surface treatment of the substrate is good. The DBR layer 3 is for improving the luminance of the LED 800 by reflecting the light emitted to the substrate side out of the light generated in the light emitting layer 6 upward so that the light is not absorbed by the substrate 1.

電流拡散層９は抵抗率を低くしてｐ側電極１０とのオーミックコンタクトを取り易くするとともにｐ側電極１０から注入された電流が発光層６全体に広がるように拡散させるために設けてあり、不純物濃度を十分高くしてある。この時、不純物であるＺｎが発光層６へ拡散することを防止するために発光層６側に低濃度の第１電流拡散層９１を設けてある。 The current diffusion layer 9 is provided in order to make the ohmic contact with the p-side electrode 10 easy by lowering the resistivity and to diffuse the current injected from the p-side electrode 10 so as to spread over the entire light emitting layer 6. The impurity concentration is sufficiently high. At this time, a low-concentration first current diffusion layer 91 is provided on the light emitting layer 6 side in order to prevent Zn as an impurity from diffusing into the light emitting layer 6.

また、従来、発光効率の高いＬＥＤは図１５に示すようなダブルヘテロ構造を取っている。図１５は、ＧａＡｓ基板１に格子整合したＡｌＧａＩｎＰ系ＬＥＤによる例である。図１５は層構造を示すための横断面図を示し、各層の構造は以下のようである。 Conventionally, an LED having high luminous efficiency has a double heterostructure as shown in FIG. FIG. 15 shows an example of an AlGaInP-based LED lattice-matched to the GaAs substrate 1. FIG. 15 shows a cross-sectional view for showing the layer structure, and the structure of each layer is as follows.

基板１０１：ｎ型ＧａＡｓ、
バッファー層１０２：ｎ型ＧａＡｓ
ｎ型第１クラッド層１０３：ｎ型（Ｇａ_0.3Ａｌ_0.7）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ、不純物はＳｉ、
不純物濃度：１×１０¹⁸ｃｍ^-3、厚さ１μｍ、
発光層１０４：ｐ型（Ｇａ_0.7Ａｌ_0.3）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ、厚さ０．５μｍ、
ｐ型第２クラッド層１０５：ｐ型Ａｌ_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ、不純物はＺｎ、
不純物濃度：５×１０¹⁷ｃｍ^-3、厚さ１μｍ、
第１電流拡散層６１：ｐ型Ｇａ_0.3Ａｌ_0.7Ａｓ、
不純物はＺｎ、不純物濃度：１×１０¹⁸ｃｍ^-3、厚さ１μｍ、
第２電流拡散層６２：ｐ型Ｇａ_0.3Ａｌ_0.7Ａｓ、
不純物はＺｎ、不純物濃度：３×１０¹⁸ｃｍ^-3、厚さ６μｍ、
コンタクト層１０８：ｐ型ＧａＡｓ。 Substrate 101: n-type GaAs,
Buffer layer 102: n-type GaAs
n-type first cladding layer 103: n-type (Ga _0.3 Al _0.7 ) _0.5 In _0.5 P, impurities are Si,
Impurity concentration: 1 × 10 ¹⁸ cm ⁻³ , thickness 1 μm,
Light emitting layer 104: p-type (Ga _0.7 Al _0.3 ) _0.5 In _0.5 P, thickness 0.5 μm,
p-type second cladding layer 105: p-type Al _0.5 In _0.5 P, impurity is Zn,
Impurity concentration: 5 × 10 ¹⁷ cm ⁻³ , thickness 1 μm,
First current diffusion layer 61: p-type Ga _0.3 Al _0.7 As,
Impurity is Zn, impurity concentration: 1 × 10 ¹⁸ cm ⁻³ , thickness 1 μm,
Second current diffusion layer 62: p-type Ga _0.3 Al _0.7 As,
Impurity is Zn, impurity concentration: 3 × 10 ¹⁸ cm ⁻³ , thickness 6 μm,
Contact layer 108: p-type GaAs.

基板１にはｎ側電極１０９が形成され、コンタクト層１０８にはｐ側電極１０７が形成されている。 An n-side electrode 109 is formed on the substrate 1, and a p-side electrode 107 is formed on the contact layer 108.

図１２のＡｌＧａＩｎＰ系ＬＥＤ８００の作成後、電流を注入することによって発光される。発光開始初期の光出力と発光層６の不純物濃度との関係を示したものが図１３の破線Ａである。発光開始初期は発光層６の不純物濃度が１×１０^１７ｃｍ^−３のとき、最も光出力が大きくなる。しかし、長時間発光させると光出力は徐々に低下してくる。例えば、室温で５０ｍＡの電流を流して１０００時間発光させた後の光出力と発光層６の不純物濃度との関係を示したものが図１３の破線Ｂである。１０００時間発光後では発光開始初期と異なり、発光層６の不純物濃度が１×１０^１７ｃｍ^−３のときは発光開始初期より光出力が減少しているのに対し、発光層６の不純物濃度が５×１０^１７ｃｍ^−３のときは発光開始初期より光出力は増加し、光出力が最大となっている。 After the production of the AlGaInP-based LED 800 of FIG. 12, light is emitted by injecting a current. A broken line A in FIG. 13 shows the relationship between the light output at the beginning of light emission and the impurity concentration of the light emitting layer 6. At the beginning of light emission, the light output is ^maximized when the impurity concentration of the light emitting layer 6 is 1 × 10 ¹⁷ cm ⁻³ . However, the light output gradually decreases when light is emitted for a long time. For example, a broken line B in FIG. 13 shows the relationship between the light output after 1000 hours of light emission with a current of 50 mA flowing at room temperature and the impurity concentration of the light emitting layer 6. Unlike the initial light emission start after 1000 hours of light emission, when the impurity concentration of the light emitting layer 6 is 1 × 10 ¹⁷ cm ⁻³ , the light output decreases from the initial light emission start, whereas the impurity concentration of the light emitting layer 6 is lower. At 5 × 10 ¹⁷ cm ^−3, the light output increases from the beginning of light emission, and the light output is maximized.

本発明者等は鋭意研究した結果、このような長時間の発光による光出力の変化は、ｎ型第１クラッド層４とｐ型発光層６とのｐｎ接合界面で発生した非発光再結合中心と発光層６への不純物拡散の影響であることが分かった。 As a result of diligent research, the present inventors have found that such a change in light output due to long-time light emission is a non-radiative recombination center generated at the pn junction interface between the n-type first cladding layer 4 and the p-type light emitting layer 6. It was found that this was due to the influence of impurity diffusion on the light emitting layer 6.

図１４に発光層６付近のエネルギーバンド状態を示す。図１４（ａ）は発光開始初期の状態を示し、図１４（ｂ）は長時間発光後の状熊を示したものである。 FIG. 14 shows an energy band state in the vicinity of the light emitting layer 6. FIG. 14A shows the initial state of light emission, and FIG. 14B shows a bear after light emission for a long time.

前記ｐｎ接合界面４０は図１４（ａ）に示すようなエネルギーギャップの値が大きく異なる層が接するヘテロ界面であり、大きな内部応力が存在している。発光させるためｐ側電極１０とｎ側電極１１の間に電圧を印加するとヘテロ界面４０に高い電界が印加される。 The pn junction interface 40 is a heterointerface where layers having greatly different energy gap values as shown in FIG. 14A are in contact with each other, and a large internal stress exists. When a voltage is applied between the p-side electrode 10 and the n-side electrode 11 to emit light, a high electric field is applied to the heterointerface 40.

その結果、長時間発光させると前記内部応力、発光層６で発生した光のエネルギーと相俟って該ヘテロ界面４０で、結晶欠陥が発生し、電界に沿って発光層６内にも成長していく。該結晶欠陥により図１４（ｂ）に示すような深い準位である非発光準位２０が該ヘテロ界面４０近傍に形成される。該深い準位を通してキャリアであるホールと電子は発光せずに結合するので、このような深い準位のことを非発光準位と呼ぶ。ＬＥＤの発光再結合３０は自然放出過程であるため、該非発光準位２０を通した非発光再結合３１の方が早く生じてしまう。このため該非発光準位２０が増加すると、ＬＥＤ８００の発光効率が低下する。 As a result, when light is emitted for a long time, crystal defects are generated at the heterointerface 40 in combination with the internal stress and the energy of light generated in the light emitting layer 6 and grow in the light emitting layer 6 along the electric field. To go. Due to the crystal defects, a non-light emitting level 20 which is a deep level as shown in FIG. 14B is formed in the vicinity of the heterointerface 40. Since holes and electrons, which are carriers, are combined without emitting light through the deep level, such a deep level is called a non-light emitting level. Since the light emission recombination 30 of the LED is a spontaneous emission process, the non-light emission recombination 31 through the non-light emission level 20 occurs earlier. For this reason, when the non-light emitting level 20 increases, the light emission efficiency of the LED 800 decreases.

長時間発光を継続させると結晶欠陥がさらに成長し、発光層６内に広がっていく。即ち、上記非発光準位２０が発光層６内に多数発生する。このため、ＬＥＤ８００の発光効率が益々低下し、一定の電流値で発光させるとＬＥＤ８００の光出力が減少する。 When light emission is continued for a long time, crystal defects further grow and spread in the light emitting layer 6. That is, a large number of the non-light emitting levels 20 are generated in the light emitting layer 6. For this reason, the light emission efficiency of the LED 800 is further reduced, and the light output of the LED 800 is reduced when light is emitted at a constant current value.

図１２の類似の構造として、特開平２−１５１０８５号公報に、厚さが約１０Ａよりも厚く約２００Ａよりも薄い、エネルギーギャップの値が発光層６とクラッド層４、７との間の中間クラッド層を、該発光層６とクラッド層４、７との間に挟む半導体発光素子構造が開示されている（以下「従来例２」という）。該従来例２をＬＥＤに適用した場合、ヘテロ界面はクラッド層４、７と前記中間クラッド層、または前記中間クラッド層と発光層６との間に形成されるが、該ヘテロ界面におけるエネルギーギャップの値の差を小さくできるので内部応力が小さくなり、結晶欠陥が発生しにくくなるため非発光再結合中心の発生が少なくなる。 As a similar structure in FIG. 12, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2-151085 discloses that the thickness of the gap between the light emitting layer 6 and the cladding layers 4 and 7 is larger than the thickness of about 10 A and less than about 200 A. A semiconductor light emitting device structure in which a cladding layer is sandwiched between the light emitting layer 6 and the cladding layers 4 and 7 is disclosed (hereinafter referred to as “conventional example 2”). When the conventional example 2 is applied to an LED, a hetero interface is formed between the clad layers 4 and 7 and the intermediate clad layer, or between the intermediate clad layer and the light emitting layer 6. Since the difference in value can be reduced, the internal stress is reduced, and crystal defects are less likely to occur, so that the generation of non-radiative recombination centers is reduced.

しかし、従来例２のＬＥＤではｐｎ接合が前記中間層と発光層６との界面に形成されているため、発光させた時の結晶欠陥は従来例のＬＥＤと同様、電界がかかる発光層６の界面に生成される。このため、従来例２のＬＥＤでは光出力の劣化を遅らせる効果はあるものの、長時間発光させると該中間クラッド層とクラッド層４、６の界面で発生した結晶欠陥が成長して発光層６に影響を与え、光出力を劣化させる。 However, since the pn junction is formed at the interface between the intermediate layer and the light emitting layer 6 in the LED of the conventional example 2, the crystal defects when the light is emitted are the same as those of the LED of the conventional example. Generated at the interface. For this reason, the LED of Conventional Example 2 has the effect of delaying the deterioration of the light output, but when it emits light for a long time, crystal defects generated at the interface between the intermediate cladding layer and the cladding layers 4 and 6 grow to the light emitting layer 6. It affects and degrades the light output.

尚、長時間発光させると発光層６の不純物濃度が高い方が光出力が大きくなるという現象は以下のように説明される。発光層６の不純物濃度が最適濃度より高いと発光層６の抵抗が低くなり、クラッド層４とのｐｎ接合界面にかかる電界が低くなるため発光開始初期は光出力が小さい。長時間発光させると該電界や発光層６近傍で発生した熱の影響で発光層６内の過剰な不純物が拡散して該電界が増加し光出力も増加する。しかし、ｐｎ接合界面で欠陥が発生することには変わりがないため、長時間発光させると発光効率は低下していく。 The phenomenon that the light output increases as the impurity concentration of the light emitting layer 6 increases when light is emitted for a long time will be described as follows. When the impurity concentration of the light emitting layer 6 is higher than the optimum concentration, the resistance of the light emitting layer 6 becomes low, and the electric field applied to the pn junction interface with the cladding layer 4 becomes low. When light is emitted for a long time, excessive impurities in the light-emitting layer 6 are diffused by the influence of the electric field and heat generated in the vicinity of the light-emitting layer 6, the electric field increases and the light output also increases. However, there is no change in the occurrence of defects at the pn junction interface, and the luminous efficiency decreases when light is emitted for a long time.

図１５に示すＬＥＤ９００では、バッファー層１０２は基板１０１の欠陥や汚染物の影響を取り除くためのもので基板１０１の表面処理が良好な場合には不要である。コンタクト層１０８はｐ側電極１０７とのオーミックコンタクトを取り易くするため、Ａｌを含まないＧａＡｓとしている。該コンタクト層１０８のＧａＡｓは発光層１０４で発生する光に対し不透明であるが、電極１０７直下のみに設けられているので支障は無い。 In the LED 900 shown in FIG. 15, the buffer layer 102 is for removing the influence of defects and contaminants on the substrate 101 and is not necessary when the surface treatment of the substrate 101 is good. The contact layer 108 is made of GaAs containing no Al in order to make an ohmic contact with the p-side electrode 107 easy. The GaAs of the contact layer 108 is opaque to the light generated in the light emitting layer 104, but there is no problem because it is provided only under the electrode 107.

図１５に示すＬＥＤ９００において、発光層１０４とクラッド層１０３、１０５のエネルギーギャップはＡｌ混晶比で制御されている。ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体ではＡｌとＧａを置換しても格子定数は殆ど変わらず、Ａｌの割合が大きいほどエネルギーギャップが大きくなる。このため、ＡｌとＧａの総量に対するＡｌの割合をＡｌの混晶比として以下の説明を行う。 In the LED 900 shown in FIG. 15, the energy gap between the light emitting layer 104 and the cladding layers 103 and 105 is controlled by the Al mixed crystal ratio. In a III-V compound semiconductor, the lattice constant hardly changes even when Al and Ga are substituted, and the energy gap increases as the Al ratio increases. For this reason, the following explanation will be given with the ratio of Al to the total amount of Al and Ga as the mixed crystal ratio of Al.

ＬＥＤの高出力化のためには発光層１０４とクラッド層１０３，１０５のエネルギーギャップ差を充分大きくしてキャリアの発光層１０４への閉じ込めを良くすることが必要である。本従来例のＬＥＤでは（Ｇａ_0.7Ａｌ_0.3）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ発光層１０４がエネルギーギャップの大きなｎ型（Ｇａ_0.3Ａｌ_0.7）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ第１クラッド層１０３、ｐ型（Ｇａ_0.3Ａｌ_0.7）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ第２クラッド層１０５で挟まれたダブルヘテロ構造となっている。発光層１０４のＡｌ混晶比は０．３であり、クラッド層１０３および１０５のＡｌ混晶比は０．７である。 In order to increase the output of the LED, it is necessary to sufficiently increase the energy gap difference between the light emitting layer 104 and the cladding layers 103 and 105 to improve the confinement of carriers in the light emitting layer 104. In the LED of this conventional example, the (Ga _0.7 Al _0.3 ) _0.5 In _0.5 P light-emitting layer 104 has an n-type (Ga _0.3 Al _0.7 ) _0.5 In _0.5 P first cladding layer 103 with a large energy gap, p-type (Ga _0.3 Al _0.7 ). A double heterostructure sandwiched between _0.5 In _0.5 P second cladding layers 105 is formed. The Al mixed crystal ratio of the light emitting layer 104 is 0.3, and the Al mixed crystal ratio of the cladding layers 103 and 105 is 0.7.

ＬＥＤ９００の高出力化のためには電極１０７から注入されたキャリアを発光層１０４全体に拡散させることが必要である。このためには電流拡散層１０６の不純物濃度を十分高くして電流拡散層１０６の抵抗率を下げる必要がある。一般に、基板１０１にはｎ型半導体を用いるので、電流拡散層１０６はｐ型半導体となる。しかし、ｐ型半導体の不純物であるＺｎやＭｇ等は拡散を生じやすく、特に、不純物濃度の大きく異なる層が接している部分は不純物濃度勾配が大きくなるので、電気エネルギーと発光層１０４から生じた光エネルギーとの相互作用により不純物が拡散しやすくなる。 In order to increase the output of the LED 900, it is necessary to diffuse carriers injected from the electrode 107 throughout the light emitting layer 104. For this purpose, it is necessary to sufficiently increase the impurity concentration of the current diffusion layer 106 to lower the resistivity of the current diffusion layer 106. In general, since an n-type semiconductor is used for the substrate 101, the current diffusion layer 106 is a p-type semiconductor. However, the impurities of the p-type semiconductor, such as Zn and Mg, are likely to be diffused. In particular, the portion where the layers having greatly different impurity concentrations are in contact with each other has a large impurity concentration gradient. Impurities are easily diffused by the interaction with light energy.

たとえば、電流拡散層１０６とｐ型第２クラッド層１０５、ｐ型第２クラッド層１０５と発光層１０４の間では上記のような関係が成立しているので不純物拡散が生じ易い。 For example, since the above relationship is established between the current diffusion layer 106 and the p-type second cladding layer 105 and between the p-type second cladding layer 105 and the light emitting layer 104, impurity diffusion is likely to occur.

もともと発光層１０４にｐ型不純物が入れられている場合でも濃度は最適な値になっており、該濃度が変わるとやはり発光層１０４の発光効率は低下する。また、拡散により入ってきたｐ型不純物は正規の格子位置に入らず、非発光再結合中心となる深い準位を作る場合が多い。 Originally, even when a p-type impurity is contained in the light emitting layer 104, the concentration is an optimum value. When the concentration is changed, the light emission efficiency of the light emitting layer 104 is lowered. In many cases, the p-type impurity that has entered by diffusion does not enter the normal lattice position, but forms a deep level that becomes a non-radiative recombination center.

図１５の従来のＬＥＤ９００では不純物濃度勾配を小さくしてＺｎの拡散を防止するため、電流拡散層１０６を２分して発光層１０４側に不純物濃度の低い第１電流拡散層６１を設けている（従って、第１電流拡散層６１、第２電流拡散層６２は同じＡｌ混晶比である）。 In the conventional LED 900 of FIG. 15, in order to reduce the impurity concentration gradient and prevent the diffusion of Zn, the current diffusion layer 106 is divided into two and the first current diffusion layer 61 having a low impurity concentration is provided on the light emitting layer 104 side. (Thus, the first current diffusion layer 61 and the second current diffusion layer 62 have the same Al mixed crystal ratio).

従来はクラッド層１０３、１０５のＡｌ混晶比は０．７程度であったが、キャリアの閉じ込めを良くし、ＬＥＤの一層の高出力化を図るためにクラッド層のＡｌ混晶比を１まで高くした場合、上記従来の方法では不純物の拡散を防止するには不十分であることが分かった。即ち、上記ｐ型不純物の拡散はＡｌの混晶比が大きい場合に顕著である。 Conventionally, the Al mixed crystal ratio of the cladding layers 103 and 105 was about 0.7, but the Al mixed crystal ratio of the cladding layer was reduced to 1 in order to improve carrier confinement and further increase the output of the LED. When increased, the conventional method was found to be insufficient to prevent impurity diffusion. That is, the diffusion of the p-type impurity is remarkable when the mixed crystal ratio of Al is large.

従って、本発明の目的は、長時間発光させても光出力が低下しない高信頼性のＬＥＤを提供することである。そのために、発光層内への不純物の拡散を防止する。このことは、（１）ｐｎ接合界面で発生する欠陥が発光層内に拡散しないように中間障壁層を設けること、（２）ｐ型クラッド層のＡｌ混晶比を高くしてキャリアの閉じ込めを良くすることで可能になる。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a highly reliable LED whose light output does not decrease even when light is emitted for a long time. Therefore, diffusion of impurities into the light emitting layer is prevented. This is because (1) an intermediate barrier layer is provided so that defects generated at the pn junction interface do not diffuse into the light emitting layer, and (2) the Al mixed crystal ratio of the p-type cladding layer is increased to confine carriers. It becomes possible by improving it.

本発明の発光ダイオードは、少なくともＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体材料からなり、エネルギーギャップの大きいクラッド層でエネルギーギャップの狭い発光層を挟持してなるダブルヘテロ接合型発光ダイオードにおいて、該クラッド層のうちｐ型クラッド層は、該発光層に近い側にあるＡｌ混晶比が小さく不純物濃度の低いｐ型第２中間障壁層とＡｌ混晶比が大きく不純物濃度の高いｐ型第２クラッド層とからなることを特徴とする。 The light-emitting diode of the present invention is a double heterojunction light-emitting diode made of at least a III-V group compound semiconductor material and sandwiching a light-emitting layer having a narrow energy gap with a clad layer having a large energy gap. The type cladding layer is composed of a p-type second intermediate barrier layer having a small Al mixed crystal ratio and a low impurity concentration, and a p-type second cladding layer having a high Al mixed crystal ratio and a high impurity concentration on the side closer to the light emitting layer. It is characterized by that.

前記ｐ型第２中間障壁層のＡｌ比は０．５以下、前記ｐ型第２クラッド層のＡｌ比は０．７以上であってもよい。 The Al ratio of the p-type second intermediate barrier layer is 0.5 or less, Al ratio of the p-type second cladding layer may be 0.7 or more.

前記ｐ型第２中間障壁層の不純物濃度は３×１０¹⁷ｃｍ^-3以下であり、前記ｐ型第２中間障壁層の厚さは０．１μｍ以上、０．５μｍ以下であってもよい。 The impurity concentration of the p-type second intermediate barrier layer is not 3 × 10 ¹⁷ cm ^-3 or less, the p-type second thickness of the intermediate barrier layer is 0.1μm or more, may be 0.5μm or less.

また、本発明の発光ダイオードは、
基板：ＧａＡｓ、
ｎ型第１クラッド層：（Ｇａ_1-x2Ａｌ_x2）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ
（但し、Ｘ１＜Ｘ２≦１）、
発光層：（Ｇａ_1-x1Ａｌ_x1）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ（但し、０≦ｘ１＜ｘ２，ｘ３）
ｐ型第２中間障壁層：（Ｇａ_1-x4Ａｌ_x4）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ
（但し、ｘ１＜ｘ４＜ｘ３、不純物濃度は５×１０¹⁷ｃｍ^-3未満）、
ｐ型第２クラッド層：（Ｇａ_1-x3Ａｌ_x3）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ
（但し、ｘ１＜ｘ３≦１、不純物濃度は５×１０¹⁷ｃｍ^-3以上）、
なる層からなることを特徴としてもよい。 The light emitting diode of the present invention is
Substrate: GaAs
n-type first cladding layer: (Ga _{1 -x2} Al _x2 ) _0.5 In _0.5 P
(However, X1 <X2 ≦ 1),
Light emitting layer: (Ga _{1 -x1} Al _x1 ) _0.5 In _0.5 P (where 0 ≦ x1 <x2, x3)
p-type second intermediate barrier layer: (Ga _{1 -x4} Al _x4 ) _0.5 In _0.5 P
(However, x1 <x4 <x3, impurity concentration is less than 5 × 10 ¹⁷ cm ⁻³ ),
p-type second cladding layer: (Ga _1-x3 Al _x3 ) _0.5 In _0.5 P
(However, x1 <x3 ≦ 1, impurity concentration is 5 × 10 ¹⁷ cm ⁻³ or more),
It may be characterized by comprising the following layers.

以上の説明から明らかなとおり、本発明によれば長時間発光させても光出力の低下が小さいＬＥＤを実現できる。 As is clear from the above description, according to the present invention, it is possible to realize an LED with a small decrease in light output even when light is emitted for a long time.

特に、本発明にかかるＬＥＤによれば、クラッド層のＡｌ混晶比が高い高輝度のＬＥＤを長時間発光させても電流拡散層やｐ型第２クラッド層からの拡散しやすいｐ型不純物が発光層にまで広がることを防止することができ、光出力の低下を防止することが可能である。 In particular, according to the LED of the present invention , a p-type impurity that easily diffuses from the current diffusion layer or the p-type second cladding layer even when a high-brightness LED having a high Al mixed crystal ratio in the cladding layer emits light for a long time. It is possible to prevent spreading to the light emitting layer, and it is possible to prevent a decrease in light output.

本発明にかかるＬＥＤによれば、該ｐ型第２中間障壁層のＡｌ比は０．５以下、該ｐ型第２クラッド層のＡｌ比は０．７以上とする。そのことにより、ｐ型第２中間障壁層の結晶性が良好に維持され、不純物の拡散防止が可能である。 According to the LED of the present invention , the Al ratio of the p-type second intermediate barrier layer is 0.5 or less, and the Al ratio of the p-type second cladding layer is 0.7 or more. As a result, the crystallinity of the p-type second intermediate barrier layer is maintained well, and the diffusion of impurities can be prevented.

本発明にかかるＬＥＤによれば、該ｐ型第２中間障壁層があっても該ｐ型第２クラッド層によるキャリアの閉込め効果が維持されるので高出力化が可能であるとともに、高温でも特性を維持することが可能である。また、不純物濃度が低いので拡散してきた不純物を吸収し、発光層にまで拡散させない。 According to the LED of the present invention , even if the p-type second intermediate barrier layer is present, the carrier confinement effect by the p-type second cladding layer is maintained, so that high output is possible and even at high temperatures. It is possible to maintain the characteristics. Further, since the impurity concentration is low, the diffused impurities are absorbed and are not diffused to the light emitting layer.

本発明にかかるＬＥＤによれば、赤色から緑色の波長域において高輝度で長時間発光させても電流拡散層やｐ型第２クラッド層からの拡散しやすいｐ型不純物が発光層にまで広がることを防止することができ、光出力の低下を防止することが可能である。 According to the LED of the present invention, the p-type impurities that are easily diffused from the current diffusion layer and the p-type second cladding layer are spread to the light emitting layer even if light is emitted for a long time in the red to green wavelength region. It is possible to prevent the light output from decreasing.

以下、本発明の実施形態を添付図面に基づき詳細に説明する。 Embodiments of the present invention will be described below in detail with reference to the accompanying drawings.

（実施形態１）
図１は本発明にかかる実施形態１のＬＥＤ１００の横断面構造を示す図である。簡単のため、従来のＬＥＤ８００と同じ機能を有する部分には同じ番号を付した。即ち、以下のような構成を有する。 (Embodiment 1)
FIG. 1 is a diagram showing a cross-sectional structure of an LED 100 according to Embodiment 1 of the present invention. For simplicity, parts having the same functions as those of the conventional LED 800 are given the same numbers. That is, it has the following configuration.

基板１：ＧａＡｓ、
第１クラッド層４：（Ｇａ_1-x2Ａｌ_x2）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ、
（但し、ｘ１＜ｘ２≦１）、
発光層６：（Ｇａ_1-x1Ａｌ_x1）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ、（但し、０≦ｘ１＜１）、
中間障壁層５：（Ｇａ_1-x4Ａｌ_x4）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ、
（但し、ｘ１＜ｘ４＜ｘ２、ｘ３）、
第２クラッド層７：（Ｇａ_1-X3Ａｌ_X3）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ、
（但し、ｘ１＜ｘ３≦１）、
なる構成を有する。 Substrate 1: GaAs
First cladding layer 4: (Ga _1-x2 Al _x2 ) _0.5 In _0.5 P,
(However, x1 <x2 ≦ 1),
Light emitting layer 6: (Ga _1-x1 Al _x1 ) _0.5 In _0.5 P (where 0 ≦ x1 <1),
Intermediate barrier layer 5: (Ga _1-x4 Al _x4 ) _0.5 In _0.5 P,
(Where x1 <x4 <x2, x3),
Second cladding layer 7: (Ga _{1 -X3} Al _X3 ) _0.5 In _0.5 P,
(However, x1 <x3 ≦ 1),
It has the composition which becomes.

これにより、赤色から緑色の波長域において長時間発光させても光出力の低下の小さいＬＥＤを実現することができる。 As a result, it is possible to realize an LED with a small decrease in light output even if light is emitted for a long time in the red to green wavelength region.

さらに、具体的には、
基板１：ｎ型ＧａＡｓ、
第１バッファー層２：ｎ型ＧａＡｓ、
光反射（ＤＢＲ）層３：ｎ型（Ａｌ_0.4Ｇａ_0.6）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ層と
ｎ型Ａｌ_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ層とを交互に積層した層、
第１クラッド層４：ｎ型Ａｌ_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ、不純物はＳｉ、
不純物濃度５×１０¹⁷ｃｍ^-3、厚さ１μｍ、
中間障壁層５：ｐ型（Ｇａ_0.5Ａｌ_0.5）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ、不純物Ｚｎ、
不純物濃度：１×１０¹⁷ｃｍ^-3、厚さ０．２μｍ、
発光層６：ｐ型（Ｇａ_0.7Ａｌ_0.3）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ、不純物Ｚｎ、
不純物濃度：１×１０¹⁷ｃｍ^-3、厚さ０．５μｍ、
第２クラッド層７：ｐ型Ａｌ_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ、不純物はＺｎ、
不純物濃度：５×１０¹⁷ｃｍ^-3、厚さ１μｍ、
第２バッファー層８：ｐ型（Ａｌ_0.05Ｇａ_0.95）_0.95Ｉｎ_0.05Ｐ、
不純物はＺｎ、不純物濃度：１×１０¹⁸ｃｍ^-3、厚さ０．１５μｍ、
電流拡散層９：ｐ型（Ａｌ_0.01Ｇａ_0.99）_0.99Ｉｎ_0.01Ｐ、不純物はＺｎ、
不純物濃度：５×１０¹⁸ｃｍ^-3、厚さ７μｍ。 Furthermore, specifically,
Substrate 1: n-type GaAs,
First buffer layer 2: n-type GaAs,
Light reflection (DBR) layer 3: a layer in which n-type (Al _0.4 Ga _0.6 ) _0.5 In _0.5 P layers and n-type Al _0.5 In _0.5 P layers are alternately stacked,
First cladding layer 4: n-type Al _0.5 In _0.5 P, impurities are Si,
Impurity concentration 5 × 10 ¹⁷ cm ⁻³ , thickness 1 μm,
Intermediate barrier layer 5: p-type (Ga _0.5 Al _0.5 ) _0.5 In _0.5 P, impurity Zn,
Impurity concentration: 1 × 10 ¹⁷ cm ⁻³ , thickness 0.2 μm,
Light-emitting layer 6: p-type (Ga _0.7 Al _0.3 ) _0.5 In _0.5 P, impurity Zn,
Impurity concentration: 1 × 10 ¹⁷ cm ⁻³ , thickness 0.5 μm,
Second cladding layer 7: p-type Al _0.5 In _0.5 P, impurities are Zn,
Impurity concentration: 5 × 10 ¹⁷ cm ⁻³ , thickness 1 μm,
Second buffer layer 8: p-type (Al _0.05 Ga _0.95 ) _0.95 In _0.05 P,
Impurity is Zn, impurity concentration: 1 × 10 ¹⁸ cm ⁻³ , thickness 0.15 μm,
Current diffusion layer 9: p-type (Al _0.01 Ga _0.99 ) _0.99 In _0.01 P, impurity is Zn,
Impurity concentration: 5 × 10 ¹⁸ cm ⁻³ , thickness 7 μm.

具体例において、図１２のＬＥＤ８００と異なる点は、発光層６とクラッド層４の間に、発光層６と同導電型で、隣接するクラッド層４と異なる導電型からなり、発光層６のエネルギーギャップより広く、クラッド層４のエネルギーギャップより狭いエネルギーギャップを有する中間障壁層５を設けたことである。なお、ｐ型発光層６の不純物であるＺｎの不純物濃度は発光効率が発光初期に最適となる１×１０¹⁷ｃｍ^-3としている。 12 is different from the LED 800 in FIG. 12 in that the light emitting layer 6 has the same conductivity type as that of the light emitting layer 6 and a conductivity type different from that of the adjacent cladding layer 4 between the light emitting layer 6 and the cladding layer 4. The intermediate barrier layer 5 having an energy gap wider than the gap and narrower than the energy gap of the cladding layer 4 is provided. The impurity concentration of Zn, which is an impurity of the p-type light emitting layer 6, is set to 1 × 10 ¹⁷ cm ^{−3 so} that the light emission efficiency is optimum in the early stage of light emission.

また具体例において、電流拡散層９は従来のＬＥＤ８００と異なりＩｎＧａＡｌＰを用い、光吸収をできるだけ小さくし、光出力が大きくなるように配慮した。 In the specific example, the current diffusion layer 9 is made of InGaAlP, unlike the conventional LED 800, and consideration is given to minimizing light absorption and increasing light output.

しかし、ＧａＡｓ基板には格子整合していない。抵抗率を低くするためにＡｌ混晶比を０．０１と低くする必要があるので、Ｉｎの混晶比も０．０１と低くして、Ａｌ混晶比を低くすることによるエネルギーギャップの減少を防止している。Ｉｎを０．０１入れることによりＧａＰより電極形成面が平滑となり、電極の剥がれ等が生じにくい。一方、Ｉｎの混晶比を０．０１と小さくしているため電流拡散層９は基板１から第２クラッド層７までの層との格子整合が取れない。そこで、第２クラッド層７との間に基板１等の格子定数と電流拡散層９の格子定数との中間の格子定数を有するＡｌ混晶比、Ｉｎ混晶比がともに０．０５の第２バッファー層８を設けて格子定数が合わないことによる結晶欠陥の発生を防止している。 However, it is not lattice matched to the GaAs substrate. Since the Al mixed crystal ratio needs to be lowered to 0.01 in order to reduce the resistivity, the energy gap is reduced by reducing the In mixed crystal ratio to 0.01 and lowering the Al mixed crystal ratio. Is preventing. By adding 0.01 of In, the electrode formation surface becomes smoother than GaP, and peeling of the electrode is less likely to occur. On the other hand, since the mixed crystal ratio of In is as small as 0.01, the current diffusion layer 9 cannot achieve lattice matching with the layers from the substrate 1 to the second cladding layer 7. Therefore, the Al mixed crystal ratio and In mixed crystal ratio having an intermediate lattice constant between the second cladding layer 7 and the lattice constant of the substrate 1 etc. and the lattice constant of the current diffusion layer 9 are both 0.05. The buffer layer 8 is provided to prevent the generation of crystal defects due to the lattice constant not matching.

中間障壁層５の効果を図２を用いて説明する。 The effect of the intermediate barrier layer 5 will be described with reference to FIG.

図２（ｂ）は本ＬＥＤ１００を長時間発光させた後のバンド状態をあらわしている。 FIG. 2B shows a band state after the LED 100 emits light for a long time.

図１４同様、順バイアスで発光層６にキャリアを注入した状態を図２（ａ）に示す。中間障壁層５はｎ型第１クラッド層４とｐ型発光層６のエネルギーギャップの中間の値になるようにＡｌ混晶比が設定されている。中間障壁層５はｐ型であるのでｐｎ接合はｎ型第１クラッド層４−ｐ型中間障壁層５間で形成されている。 Similarly to FIG. 14, FIG. 2A shows a state in which carriers are injected into the light emitting layer 6 with a forward bias. In the intermediate barrier layer 5, the Al mixed crystal ratio is set so as to be an intermediate value of the energy gap between the n-type first cladding layer 4 and the p-type light emitting layer 6. Since the intermediate barrier layer 5 is p-type, a pn junction is formed between the n-type first cladding layer 4 and the p-type intermediate barrier layer 5.

注入されたキャリアはｐｎ接合近傍で再結合しようとするが、ホール、電子とも存在するのは該ｐｎ接合近傍のエネルギーギャップが小さい側、即ち、中間障壁層５側である。中間障壁層５が注入された少数キャリアの拡散長より十分薄い場合は発光層６にも十分な数の少数キャリアが注入される。中間障壁層５より発光層６の方が発光再結合時間が短いため、注入されたキャリアは発光層６で消費される割合の方が多く、常に発光層６におけるキャリアの数が不足となるので中間障壁層５に入った少数キャリアは速やかに発光層６に移動する。中間障壁層５にも多数のホールと電子が存在しているが、発光再結合時間はエネルギーギャップが狭い方が短いため、発光層６で発光再結合が効率よく生じる。 The injected carriers try to recombine in the vicinity of the pn junction, but holes and electrons are present on the side where the energy gap near the pn junction is small, that is, on the intermediate barrier layer 5 side. If the intermediate barrier layer 5 is sufficiently thinner than the diffusion length of the injected minority carriers, a sufficient number of minority carriers are also injected into the light emitting layer 6. Since the light emitting layer 6 has a shorter emission recombination time than the intermediate barrier layer 5, the injected carriers are consumed more in the light emitting layer 6, and the number of carriers in the light emitting layer 6 is always insufficient. Minority carriers that have entered the intermediate barrier layer 5 quickly move to the light emitting layer 6. Although many holes and electrons exist in the intermediate barrier layer 5, the light emission recombination time efficiently occurs in the light emitting layer 6 because the shorter the energy gap, the shorter the light emission recombination time.

このように本発明では、中間障壁層５によって発光動作、発光効率にほとんど影響の無いようにできる。 As described above, in the present invention, the intermediate barrier layer 5 can hardly affect the light emission operation and the light emission efficiency.

図２（ｂ）は、中間障壁層５を設けたＬＥＤ１００を長期に発光させた後のバンド状態を示している。中間障壁層５を入れた場合も長期に発光させることによりｐｎ接合近傍に非発光再結合準位２０が形成される。しかし、中間障壁層５内のキャリアは上記説明の如く速やかに発光層６に拡散するため、該ｐｎ接合近傍に発生した非発光再結合準位２０を通して再結合するキャリアは少なく、発光効率を低下することがないようにできる。 FIG. 2B shows a band state after the LED 100 provided with the intermediate barrier layer 5 emits light for a long time. Even when the intermediate barrier layer 5 is inserted, non-radiative recombination levels 20 are formed in the vicinity of the pn junction by emitting light for a long time. However, since the carriers in the intermediate barrier layer 5 quickly diffuse into the light emitting layer 6 as described above, the number of carriers recombining through the non-light emitting recombination level 20 generated in the vicinity of the pn junction is small and the light emission efficiency is lowered. You can avoid it.

このように発光層６と同一導電型で隣接するｎ型第１クラッド層４と異なる導電型からなり、発光層６とｎ型第１クラッド層４の間に該発光層６のエネルギーギャップより広く、ｎ型第１クラッド層４のエネルギーギャップより狭いエネルギーギャップを有する中間障壁層５を設けることにより、発光初期にも発光効率を低下させること無く、長期に発光させても発光層６の発光効率が低下しないＬＥＤ１００を実現することができる。 In this way, the light emitting layer 6 has the same conductivity type and a different conductivity type from the adjacent n-type first cladding layer 4, and is wider than the energy gap of the light emitting layer 6 between the light emitting layer 6 and the n-type first cladding layer 4. By providing the intermediate barrier layer 5 having an energy gap narrower than the energy gap of the n-type first cladding layer 4, the light emission efficiency of the light emitting layer 6 can be obtained even when light is emitted for a long time without reducing the light emission efficiency even in the initial light emission. It is possible to realize the LED 100 that does not decrease.

なお、電子の拡散長は通常０．５〜１．５μｍである。実施形態１のＬＥＤ１００の如きＧａＡｓ基板１に格子整合したＩｎの組成比が０．５付近のＩｎＧａＡｌＰ系の半導体層では拡散長は略０．５μｍである。このため、本実施形態１のＬＥＤ１００では中間障壁層５の厚さを０．２μｍとしている。また、長時間発光を続けると、従来例のＬＥＤと同様ｐｎ接合のあるｐ型中間障壁層５とｎ型第１クラッド層４の界面付近で結晶欠陥が発生する。該結晶欠陥が成長して実用的な発光時間の間に発光層６に影響を及ぼさないようにするために、ｐ型中間障壁層５の厚さは０．１μｍ以上と厚くすることが望ましい。 The diffusion length of electrons is usually 0.5 to 1.5 μm. In an InGaAlP-based semiconductor layer having an In composition ratio of about 0.5 that is lattice-matched to the GaAs substrate 1 such as the LED 100 of Embodiment 1, the diffusion length is about 0.5 μm. For this reason, in the LED 100 of Embodiment 1, the thickness of the intermediate barrier layer 5 is set to 0.2 μm. Further, if the light emission is continued for a long time, crystal defects are generated in the vicinity of the interface between the p-type intermediate barrier layer 5 having the pn junction and the n-type first cladding layer 4 as in the conventional LED. In order to prevent the crystal defects from growing and affecting the light emitting layer 6 during a practical light emitting time, the thickness of the p-type intermediate barrier layer 5 is desirably as thick as 0.1 μm or more.

なお、上記において、特に、ｐ型中間障壁層５のエネルギーギャップを発光層６のエネルギーギャップより０．２ｅＶ以上、本実施形態１のＬＥＤ１００に用いるＧａＡｓに格子整合したＩｎＧａＡｌＰ系の半導体ではＡｌの混晶比差ｘ４−ｘ１で０．１５以上とすれば、大半のホールと電子が発光層６で発光再結合して、さらに効果的である。 Note that, in the above, in particular, the energy gap of the p-type intermediate barrier layer 5 is 0.2 eV or more than the energy gap of the light emitting layer 6. When the crystal ratio difference x4−x1 is 0.15 or more, most of the holes and electrons are recombined in the light emitting layer 6 to be more effective.

また、中間障壁層５のＡｌ混晶比を０．５以上にする。ＩｎＧａＡｌＰ系半導体は間接遷移型半導体となるので、中間障壁層５では発光再結合３０は殆ど生じなくなり発光層６での発光再結合の効率を更に高くすることができ有用である。本実施形態１のＬＥＤでは、中間障壁層５のＡｌ混晶比ｘ４を０．５とし、間接遷移型半導体層として中間障壁層５での発光を生じにくくしているので、注入されたホールと電子はほぼ全てが発光層６で発光再結合する。 Further, the Al mixed crystal ratio of the intermediate barrier layer 5 is set to 0.5 or more. Since the InGaAlP-based semiconductor becomes an indirect transition type semiconductor, the light emission recombination 30 hardly occurs in the intermediate barrier layer 5 and the light emission recombination efficiency in the light emitting layer 6 can be further increased, which is useful. In the LED of the first embodiment, the Al mixed crystal ratio x4 of the intermediate barrier layer 5 is set to 0.5, and it is difficult for the intermediate barrier layer 5 to emit light as an indirect transition semiconductor layer. Almost all of the electrons recombine with each other in the light emitting layer 6.

本実施形態１にかかる素子を多数作製し、図１３と同様の条件である室温で駆動電流５０ｍＡ、１０００時間通電後の光出力を測定した結果、平均６５０μＷであり、発光初期の駆動電流２０ｍＡでの光出力の±２％以内と実用上充分小さい変化率のＬＥＤが得られた。 A large number of devices according to the first embodiment were manufactured, and the light output after driving current of 1000 mA for 1000 hours at room temperature under the same conditions as in FIG. 13 was measured. As a result, the average was 650 μW, and the driving current was 20 mA at the initial light emission. An LED having a change rate within ± 2% of the light output and a practically small change rate was obtained.

（実施形態２）
図３に本発明にかかる実施形態２のＬＥＤ２００の横断面を示す。簡単のため、実施形態１のＬＥＤ１００と同じ機能を有する部分には同じ番号を付した。 (Embodiment 2)
FIG. 3 shows a cross section of the LED 200 according to the second embodiment of the present invention. For simplicity, parts having the same functions as those of the LED 100 of Embodiment 1 are denoted by the same reference numerals.

実施形態１のＬＥＤ１００と異なる点は、発光層６を不純物を入れていないアンドープ層としたことと、このアンドープとしたためｎ型となる発光層６とｐ型クラッド層７の間にエネルギーギャップが発光層６より大きくｐ型クラッド層７より小さいｎ型中間障壁層５０：
ｎ型（Ｇａ_0.5Ａｌ_0.5）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ、不純物Ｓｉ、
不純物濃度：１×１０¹⁶ｃｍ^-3、厚さ０．２μｍ、
を設けたことである。 The difference from the LED 100 of the first embodiment is that the light emitting layer 6 is an undoped layer without impurities, and because of this undoped, an energy gap is emitted between the n type light emitting layer 6 and the p type cladding layer 7. N-type intermediate barrier layer 50 larger than layer 6 and smaller than p-type cladding layer 7:
n-type (Ga _0.5 Al _0.5 ) _0.5 In _0.5 P, impurity Si,
Impurity concentration: 1 × 10 ¹⁶ cm ⁻³ , thickness 0.2 μm,
It is to have established.

ＬＥＤ２００を長時間発光させた後のバンド状態を図４に示す。 FIG. 4 shows a band state after the LED 200 emits light for a long time.

ＧａＡｓ基板１に格子整合したＩｎＧａＡｌＰ系の材料では、発光層６に不純物を入れない場合ｎ型の導電型になる。本実施例は発光層６がｎ型の場合を説明する。 The InGaAlP-based material lattice-matched to the GaAs substrate 1 has an n-type conductivity when no impurities are added to the light emitting layer 6. In this embodiment, the case where the light emitting layer 6 is n-type will be described.

発光層６がｎ型の場合、中間障壁層５０をｎ型としてこの中間障壁層５０をｎ型発光層６とｐ型第２クラッド層７の間に挿入する構成となる。中間障壁層５０には不純物としてＳｉをドープしている。不純物濃度は１×１０¹⁷ｃｍ^-3以下とすることが望ましい。中間障壁層５０の厚さはやはり少数キャリアであるホールの拡散長より薄くする。ホールの拡散長は電子の拡散長に比べて短く、０．３μｍ程度であるので、本実施形態２のＬＥＤでは中間障壁層５０の厚さは０．２μｍとした。この値は、中間障壁層５０とｐ型第２クラッド層７とで形成されるｐｎ接合で発生した結晶欠陥の影響が発光層６に及ばない厚さである０．１μｍより大きいので、第１実施形態のＬＥＤと同様、長時間発光させても光出力の低下は実用上十分小さかった。 When the light emitting layer 6 is n-type, the intermediate barrier layer 50 is n-type, and the intermediate barrier layer 50 is inserted between the n-type light emitting layer 6 and the p-type second cladding layer 7. The intermediate barrier layer 50 is doped with Si as an impurity. The impurity concentration is desirably 1 × 10 ¹⁷ cm ⁻³ or less. The thickness of the intermediate barrier layer 50 is made smaller than the diffusion length of holes which are also minority carriers. Since the hole diffusion length is shorter than the electron diffusion length, which is about 0.3 μm, the thickness of the intermediate barrier layer 50 is set to 0.2 μm in the LED of the second embodiment. This value is larger than 0.1 μm, which is a thickness that does not reach the light emitting layer 6 due to the crystal defects generated at the pn junction formed by the intermediate barrier layer 50 and the p-type second cladding layer 7. Similar to the LED of the embodiment, the decrease in light output was practically small even when light was emitted for a long time.

長時間発光させた場合、ｐ型不純物であるＺｎは拡散することが良く知られている。Ｚｎが発光層６に拡散していくと発光層６の発光効率が低下する。特に高出力ＬＥＤでは電流拡散層９やｐ型第２クラッド層７には抵抗率を下げるために、Ｚｎを大量に入れるので発光層６へＺｎ拡散が顕著となり、発光効率が低下する。 It is well known that Zn, which is a p-type impurity, diffuses when light is emitted for a long time. As Zn diffuses into the light emitting layer 6, the light emitting efficiency of the light emitting layer 6 decreases. In particular, in a high-power LED, a large amount of Zn is added to lower the resistivity in the current diffusion layer 9 and the p-type second cladding layer 7, so that Zn diffusion becomes remarkable in the light emitting layer 6 and the light emission efficiency is lowered.

しかし、本実施形態２のＬＥＤ２００のように低不純物濃度の中間障壁層５０をｐクラッド層７と発光層６との間に挟むと上記のようなＺｎの発光層６への拡散が防止され、発光効率の低下を防ぐことができる。特に、中間障壁層５０はＡｌの混晶比が小さいためＺｎの拡散も小さく、Ｚｎ拡散防止に効果的である。その結果、動作電圧を低くするために電流拡散層９の不純物濃度を高くしても発光効率が長時間低下しないＬＥＤを実現することができた。 However, when the intermediate barrier layer 50 having a low impurity concentration is sandwiched between the p-cladding layer 7 and the light emitting layer 6 as in the LED 200 of Embodiment 2, the diffusion of Zn into the light emitting layer 6 as described above is prevented, A decrease in luminous efficiency can be prevented. In particular, since the intermediate barrier layer 50 has a small mixed crystal ratio of Al, Zn diffusion is also small, which is effective in preventing Zn diffusion. As a result, it has been possible to realize an LED in which the light emission efficiency does not decrease for a long time even if the impurity concentration of the current diffusion layer 9 is increased in order to reduce the operating voltage.

本実施形態２のＬＥＤ２００ではｐ型電流拡散層９やｐ型クラッド層７からのＺｎの拡散も無いため光出力は殆ど低下しなかった。例えば、図２と同様の条件である室温で駆動電流５０ｍＡ、１０００時間通電後の光出力は、発光初期の駆動電流２０ｍＡでの光出力４５０μＷの±２％以内であった。但し、駆動電圧は第１の実施形態に比較して１０％程度低くすることができた。 In the LED 200 of the second embodiment, there was no Zn diffusion from the p-type current diffusion layer 9 or the p-type cladding layer 7, so that the light output hardly decreased. For example, the light output after energization for 1000 hours at a drive current of 50 mA at room temperature, which is the same condition as in FIG. 2, was within ± 2% of the light output of 450 μW at the drive current of 20 mA at the initial light emission. However, the drive voltage could be lowered by about 10% compared to the first embodiment.

（実施形態３）
図５に本発明にかかる実施形態３のＬＥＤ３００の横断面を示す。簡単のため、実施形態１のＬＥＤ１００と同じ機能を有する部分には同じ番号を付した。 (Embodiment 3)
FIG. 5 shows a cross section of the LED 300 of Embodiment 3 according to the present invention. For simplicity, parts having the same functions as those of the LED 100 of Embodiment 1 are denoted by the same reference numerals.

実施形態１のＬＥＤ１００と異なる点は、ｎ型第１クラッド層４とｐ型発光層６の間に設けたｐ型第１中間障壁層５１（実施形態１では符号５）に加えて、発光層６とｐ型第２クラッド層７の間にｐ型第２中間障壁層５２：
ｐ型（Ｇａ_0.5Ａｌ_0.5）_0.51Ｉｎ_0.49Ｐ、不純物Ｚｎ、
不純物濃度：１×１０¹⁷ｃｍ^-3、厚さ０．２μｍ、
を設けたことである。 A difference from the LED 100 of the first embodiment is that in addition to the p-type first intermediate barrier layer 51 (reference numeral 5 in the first embodiment) provided between the n-type first cladding layer 4 and the p-type light emitting layer 6, the light emitting layer. 6 and the p-type second cladding layer 7, the p-type second intermediate barrier layer 52:
p-type (Ga _0.5 Al _0.5 ) _0.51 In _0.49 P, impurity Zn,
Impurity concentration: 1 × 10 ¹⁷ cm ⁻³ , thickness 0.2 μm,
It is to have established.

本実施形態３のＬＥＤ３００の長時間発光後のバンド状態図を図６に示す。 FIG. 6 shows a band state diagram of the LED 300 of Embodiment 3 after light emission for a long time.

実施形態１のＬＥＤ１００の構成に加えて、ｐｎ接合界面でない発光層６とｐ型第２クラッド層７の間にｐ型第２中間障壁層５２を設けている。該第２中間障壁層５２は従来例２で説明したような発光層６と第２クラッド層７との界面でのエネルギーギャップ差による結晶欠陥の発生を防止する効果があり、実施の形態１のＬＥＤ１００より光出力の低下を防止する効果が大きい。 In addition to the configuration of the LED 100 of Embodiment 1, a p-type second intermediate barrier layer 52 is provided between the light-emitting layer 6 that is not the pn junction interface and the p-type second cladding layer 7. The second intermediate barrier layer 52 has the effect of preventing the occurrence of crystal defects due to the energy gap difference at the interface between the light emitting layer 6 and the second cladding layer 7 as described in the conventional example 2. The effect of preventing a decrease in light output is greater than that of the LED 100.

また、低不純物濃度でＡｌの混晶比の小さいｐ型第２中間障壁層５２をｐ型クラッド層７と発光層６との間に挟んでいるので、上記実施形態２のＬＥＤにおいて説明したのと同様、ｐ型電流拡散層９やｐ型クラッド層７からのＺｎの発光層６への拡散が防止され発光効率の低下を防ぐことができる。 In addition, since the p-type second intermediate barrier layer 52 having a low impurity concentration and a small mixed crystal ratio of Al is sandwiched between the p-type cladding layer 7 and the light emitting layer 6, the LED of the second embodiment has been described. Similarly to the above, diffusion of Zn from the p-type current diffusion layer 9 and the p-type cladding layer 7 to the light-emitting layer 6 can be prevented, and a decrease in light emission efficiency can be prevented.

その結果、本実施形態３のＬＥＤは第１実施形態のＬＥＤ１００より長期に亘って発光させても発光層６の発光効率が低下しない。 As a result, even if LED of this Embodiment 3 is light-emitted over a long period of time than LED100 of 1st Embodiment, the luminous efficiency of the light emitting layer 6 does not fall.

本実施形態３のＬＥＤでは結晶欠陥の発生が実施形態１の場合よりも小さいため光出力も若干高くなった。具体的には図１３と同様の条件である室温で駆動電流５０ｍＡ、１０００時間通電後の光出力を測定した結果、平均７２０μＷであり、発光初期の駆動電流２０ｍＡでの光出力は±２％以内であった。 In the LED of the third embodiment, since the generation of crystal defects is smaller than that in the first embodiment, the light output is slightly higher. Specifically, as a result of measuring the light output after energization for 1000 hours at a drive current of 50 mA at room temperature, which is the same conditions as in FIG. 13, the average is 720 μW, and the light output at a drive current of 20 mA in the initial light emission is within ± 2%. Met.

（実施形態４）
本発明にかかる実施形態４のＬＥＤ４００の横断面構造を図７に示す。簡単のため、実施形態１のＬＥＤ１００と同じ機能を有する部分には同じ番号を付した。 (Embodiment 4)
FIG. 7 shows a cross-sectional structure of the LED 400 according to the fourth embodiment of the present invention. For simplicity, parts having the same functions as those of the LED 100 of Embodiment 1 are denoted by the same reference numerals.

実施形態１のＬＥＤ１００と異なる点は、発光層６０をドブロイ波長より薄いＧａ_0.51Ｉｎ_0.49Ｐ層と（Ｇａ_0.5Ａｌ_0.5）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ層とを交互に積層した多重量子井戸（いわゆるＭＱＷ）構造としたことと、ｐ型ＭＱＷ発光層６０とｎ型第１クラッド層４の間に、実施形態１と同様、それらの中間のエネルギーギャップを有する中間障壁層５を設けたことである。なお、中間障壁層５の厚さを０．０５μｍと薄くしている。 A difference from the LED 100 of the first embodiment is that the light emitting layer 60 has a multiple quantum well (so-called MQW) structure in which a Ga _0.51 In _0.49 P layer and a (Ga _0.5 Al _0.5 ) _0.5 In _0.5 P layer that are thinner than the de Broglie wavelength are alternately stacked. As in the first embodiment, the intermediate barrier layer 5 having an intermediate energy gap is provided between the p-type MQW light emitting layer 60 and the n-type first cladding layer 4. Note that the thickness of the intermediate barrier layer 5 is as thin as 0.05 μm.

発光層６をＭＱＷ構造とした場合、ｐ型発光層６の結晶に欠陥が発生しにくくなる。そのためｐｎ接合で結晶欠陥が発生しても発光層６０まで結晶欠陥がなかなか成長していくことができない。このため、中間障壁層５を０．０２μｍ程度まで薄くしても光出力の低下を防止することが可能であった。 When the light emitting layer 6 has an MQW structure, defects are less likely to occur in the crystal of the p-type light emitting layer 6. Therefore, even if a crystal defect occurs at the pn junction, the crystal defect cannot easily grow to the light emitting layer 60. For this reason, even if the intermediate barrier layer 5 is thinned to about 0.02 μm, it is possible to prevent a decrease in light output.

（実施形態５）
本発明にかかる実施形態５のＬＥＤ５００の横断面構造を図８に示す。簡単のため、実施形態１のＬＥＤと同じ機能を有する部分には同じ番号を付した。 (Embodiment 5)
FIG. 8 shows a cross-sectional structure of an LED 500 according to Embodiment 5 of the present invention. For simplicity, parts having the same functions as those of the LED of Embodiment 1 are given the same numbers.

以上の説明はすべてｎ型基板について行ってきたが、本実施形態５は、ｐ型基板においても同様な効果が得られることを示すものである。 Although all the above explanations have been made on the n-type substrate, the fifth embodiment shows that the same effect can be obtained also on the p-type substrate.

本実施形態のＬＥＤ５００と実施形態１のＬＥＤ１００との違いは基板１をｐ型ＧａＡｓとしたこと、以下、具体例を示す。 The difference between the LED 500 of the present embodiment and the LED 100 of the first embodiment is that the substrate 1 is made of p-type GaAs, and a specific example will be shown below.

基板１：ｐ型ＧａＡｓ、
第１バッファー層２：ｐ型ＧａＡｓ、
光反射（ＤＢＲ）層３：ｐ型（Ａｌ_0.4Ｇａ_0.6）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ層と
ｐ型Ａｌ_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ層とを交互に積層した層、
第１クラッド層４：ｐ型Ａｌ_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ、不純物Ｚｎ、
不純物濃度：５×１０¹⁷ｃｍ^-3、厚さ１μｍ、
中間障壁層５：ｎ型（Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ層、不純物はＳｉ、
不純物濃度：５×１０¹⁷ｃｍ^-3、厚さ０．１μｍ、
発光層６：ｎ型（Ｇａ_0.7Ａｌ_0.3）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ、
厚さ０．５μｍ、
第２クラッド層７：ｎ型Ａｌ_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ、不純物はＳｉ、
不純物濃度：５×１０¹⁷ｃｍ^-3、厚さ１μｍ、
第２バッファー層８：ｎ型（Ａｌ_0.05Ｇａ_0.95）_0.95Ｉｎ_0.05Ｐ、
不純物はＳｉ、不純物濃度：１×１０¹⁸ｃｍ^-3、厚さ０．１５μｍ、
電流拡散層９：ｎ型（Ａｌ_0.01Ｇａ_0.99）_0.99Ｉｎ_0.01Ｐ、不純物はＳｉ、
不純物濃度：１×１０¹⁸ｃｍ^-3、厚さ７μｍ。 Substrate 1: p-type GaAs,
First buffer layer 2: p-type GaAs,
Light reflection (DBR) layer 3: a layer in which p-type (Al _0.4 Ga _0.6 ) _0.5 In _0.5 P layers and p-type Al _0.5 In _0.5 P layers are alternately laminated,
First cladding layer 4: p-type Al _0.5 In _0.5 P, impurity Zn,
Impurity concentration: 5 × 10 ¹⁷ cm ⁻³ , thickness 1 μm,
Intermediate barrier layer 5: n-type (Al _0.5 Ga _0.5 ) _0.5 In _0.5 P layer, impurities are Si,
Impurity concentration: 5 × 10 ¹⁷ cm ⁻³ , thickness 0.1 μm,
Light-emitting layer 6: n-type (Ga _0.7 Al _0.3 ) _0.5 In _0.5 P,
Thickness 0.5μm,
Second cladding layer 7: n-type Al _0.5 In _0.5 P, impurities are Si,
Impurity concentration: 5 × 10 ¹⁷ cm ⁻³ , thickness 1 μm,
Second buffer layer 8: n-type (Al _0.05 Ga _0.95 ) _0.95 In _0.05 P,
Impurity is Si, impurity concentration: 1 × 10 ¹⁸ cm ⁻³ , thickness 0.15 μm,
Current diffusion layer 9: n-type (Al _0.01 Ga _0.99 ) _0.99 In _0.01 P, impurities are Si,
Impurity concentration: 1 × 10 ¹⁸ cm ⁻³ , thickness 7 μm.

ｐ型基板はｎ型基板より製作が困難であるため大抵の用途にはｎ型基板のＬＥＤが用いられる。しかし、ｐ型基板のＬＥＤの場合、電流拡散層９がｎ型となるので不純物濃慶をｐ型の場合より低くしても同程度の電流拡散効果が得られ、ｎ側電極とのコンタクト抵抗も低くできる。その結果不純物の拡散による発光効率の低下が殆ど生じないという利点がある。 Since a p-type substrate is more difficult to manufacture than an n-type substrate, an n-type substrate LED is used for most applications. However, in the case of the LED of the p-type substrate, since the current diffusion layer 9 is n-type, the same current diffusion effect can be obtained even if the impurity concentration is lower than that of the p-type, and the contact resistance with the n-side electrode Can also be lowered. As a result, there is an advantage that the luminous efficiency is hardly lowered by the diffusion of impurities.

以上の説明はすべて、ＧａＡｓ基板に格子整合したＩｎＧａＡｌＰ系半導体の場合について説明してきたが、以上の説明より明らかな如く、他の材料、ＡｌＧａＡｓ、ＡｌＧａＩｎＳｂ、ＩｎＧａＡｓＰ、ＡｌＧａＩｎＮ、ＧａＩｎＮＳｂ等のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体、或いはＩＩ−ＶＩ族化合物半導体にも本発明の趣旨にしたがって具体的な層厚、キャリア濃度は変えて適用できることは明らかである。 All the above explanations have been made on the case of an InGaAlP-based semiconductor lattice-matched to a GaAs substrate. As is clear from the above explanation, other materials, such as III-V group such as AlGaAs, AlGaInSb, InGaAsP, AlGaInN, GaInNSb, etc. It is apparent that the present invention can be applied to compound semiconductors or II-VI group compound semiconductors by changing specific layer thicknesses and carrier concentrations in accordance with the spirit of the present invention.

（実施形態６）
図９は本発明にかかる実施形態のＬＥＤ６００の略横断面構造を示す図である。簡単のため、従来のＬＥＤ９００と同じ機能を有する部分には同じ番号を付した。 (Embodiment 6)
FIG. 9 is a view showing a substantially cross-sectional structure of the LED 600 according to the embodiment of the present invention. For simplicity, parts having the same functions as those of the conventional LED 900 are given the same numbers.

従来のＬＥＤ９００と異なる点はｐ型クラッド層１０５を、Ａｌ混晶比が発光層１０４より大きくｐ型クラッド層１０５より小さい、発光層１０４に近い側のｐ型第２中間障壁層５３と、Ａｌ混晶比がキャリアを閉じ込めるのに十分大きい、発光層１０４より遠い側のｐ型第２クラッド層５４とに分けたことである。本実施例において、ｐ型第２中間障壁層５３は、Ａｌ混晶比ｘ＝０．５に設定され、
ｐ型（Ｇａ_0.5Ａｌ_0.5）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ、不純物Ｚｎ、
不純物濃度：２×１０¹⁷ｃｍ^-3、厚さ０．３μｍ、
また、ｐ型第２クラッド層５４は、Ａｌ混晶比１．０のもので、
ｐ型Ａｌ_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ、不純物Ｚｎ、
不純物濃度：５×１０¹⁷ｃｍ^-3、厚さ１．０μｍ、
としている。なお、電流拡散層１０６は単一の層とした。 The difference from the conventional LED 900 is that the p-type cladding layer 105 is made of a p-type second intermediate barrier layer 53 on the side closer to the light-emitting layer 104 and having an Al mixed crystal ratio larger than that of the light-emitting layer 104 and smaller than the p-type cladding layer 105; This is because the mixed crystal ratio is divided into the p-type second cladding layer 54 far from the light emitting layer 104, which is sufficiently large to confine carriers. In this embodiment, the p-type second intermediate barrier layer 53 is set to have an Al mixed crystal ratio x = 0.5,
p-type (Ga _0.5 Al _0.5 ) _0.5 In _0.5 P, impurity Zn,
Impurity concentration: 2 × 10 ¹⁷ cm ⁻³ , thickness 0.3 μm,
The p-type second cladding layer 54 has an Al mixed crystal ratio of 1.0,
p-type Al _0.5 In _0.5 P, impurity Zn,
Impurity concentration: 5 × 10 ¹⁷ cm ⁻³ , thickness 1.0 μm,
It is said. The current spreading layer 106 is a single layer.

上記構成において、ｐ型クラッド層１０５の一方、すなわちｐ型第２クラッド層５４はＡｌ混晶比が充分に高く、キャリアの閉じ込めを良くしＬＥＤの高出力化を可能にする。ｐ型第２クラッド層５４のＡｌ混晶比ｘは上記の高出力化のため０．７以上１までが好ましい。また、ｐ型クラッド層１０５を発光層１０４に近い側にあるＡｌ混晶比が小さく不純物濃度の低いｐ型第２中間障壁層５３とＡｌ混晶比が大きく不純物濃度の大きいｐ型第２クラッド層５４の２層とすることにより、発光による不純物の拡散を防止し、長時間発光させても光出力が低下しないようしている。 In the above configuration, one of the p-type clad layers 105, that is, the p-type second clad layer 54 has a sufficiently high Al mixed crystal ratio, improves carrier confinement and enables high output of the LED. The Al mixed crystal ratio x of the p-type second cladding layer 54 is preferably 0.7 or more and 1 for the above-mentioned high output. Also, the p-type second intermediate barrier layer 53 having a small Al mixed crystal ratio and a low impurity concentration on the side close to the light emitting layer 104 of the p-type cladding layer 105 and a p-type second cladding having a large Al mixed crystal ratio and a high impurity concentration. By using two layers 54, impurities are prevented from diffusing due to light emission, so that the light output does not decrease even if light is emitted for a long time.

特に、ｐ型第２中間障壁層５３とｐ型第２クラッド層５４において、不純物のみならず、Ａｌ混晶比を小さくすることによりｐ型第２中間障壁層の結晶性を改善して不純物の拡散を生じにくくする点が重要である。Ａｌは酸化性が強いため、材料中に含まれる酸素を結晶内に持ち込むのでＡｌ結晶比を高くすると理想的な結晶構造に比ベて不完全なものとなる。そのような結晶内には理想的な結晶における原子の位置に原子が無い空格子点や、理想的な結晶で期待されるより大きな空隙等が発生しやすい。そのため不純物の拡散が理想的な結晶に比べて容易となる。 In particular, in the p-type second intermediate barrier layer 53 and the p-type second cladding layer 54, not only the impurities but also the Al mixed crystal ratio is reduced to improve the crystallinity of the p-type second intermediate barrier layer, thereby improving the impurity content. It is important to make diffusion less likely. Since Al has a strong oxidizing property, oxygen contained in the material is brought into the crystal. Therefore, when the Al crystal ratio is increased, it becomes incomplete compared to an ideal crystal structure. In such a crystal, vacancies in which no atom exists in an ideal crystal, or larger voids than expected in an ideal crystal are likely to occur. As a result, the diffusion of impurities is facilitated compared to an ideal crystal.

ｐ型第２クラッド層５４のＡｌ混晶比ｘはキャリアの閉じ込めを良好にするためできるだけ高い方が良い。一般にｘ＝１が用いられる。また、キャリアを発光層全体に拡散させるためｐ型第２クラッド層５４の抵抗率もできるだけ低い方が望ましいので不純物濃度はできるだけ高い方が望ましい。 The Al mixed crystal ratio x of the p-type second cladding layer 54 is preferably as high as possible in order to improve carrier confinement. In general, x = 1 is used. Further, since the resistivity of the p-type second cladding layer 54 is desirably as low as possible in order to diffuse carriers throughout the light emitting layer, the impurity concentration is desirably as high as possible.

第１ｐ型クラッド５３層は特にＡｌ混晶比を０．５と低くすることが重要である。そのことにより結晶性が改善され、層厚が薄くても不純物の拡散を防止することが可能となる。 It is particularly important for the first p-type cladding 53 layer to have an Al mixed crystal ratio as low as 0.5. As a result, crystallinity is improved, and diffusion of impurities can be prevented even when the layer thickness is thin.

ｐ型第２中間障壁層５３の厚さを厚くすると発光層から溢れたキャリアがｐ型第２中間障壁層５３で発光、または非発光再結合により失われ、発光層１０４での発光効率を低下させてしまう。このような現象を防止するためにはｐ型第２中間障壁層５３の厚さを少数キャリアである電子の拡散長の１／２とすれば良い。通常、Ａｌ混晶比が０．５のＩｎＧａＡｌＰ結晶での電子の拡散長は略０．５μｍであるからｐ型第２中間障壁層の厚さは０．３μｍ以下が望ましい。 When the thickness of the p-type second intermediate barrier layer 53 is increased, carriers overflowing from the light-emitting layer are lost in the p-type second intermediate barrier layer 53 due to light emission or non-light-emitting recombination, thereby reducing the light emission efficiency in the light-emitting layer 104. I will let you. In order to prevent such a phenomenon, the thickness of the p-type second intermediate barrier layer 53 may be ½ of the diffusion length of electrons that are minority carriers. Usually, since the diffusion length of electrons in an InGaAlP crystal having an Al mixed crystal ratio of 0.5 is approximately 0.5 μm, the thickness of the p-type second intermediate barrier layer is preferably 0.3 μm or less.

なお、不純物濃度と厚さについても最適化することがより望ましい。 It is more desirable to optimize the impurity concentration and thickness.

図１０（ａ）は発光初期の光出力に対する、室温で５０ｍＡの電流を流して１０００時間発光後の光出力を、ｐ型第２中間障壁層５３の不純物濃度に対してプロットしたものであり、図１０（ｂ）は発光初期の光出力に対する室温で５０ｍＡの電流を流して１０００時間発光後の光出力を、ｐ型第２中間障壁層５３の厚さに対してプロットしたものである。 FIG. 10A is a plot of the light output after 1000 hours of light emission at room temperature with respect to the light output in the early stage of light emission against the impurity concentration of the p-type second intermediate barrier layer 53. FIG. 10B is a plot of the light output after light emission for 1000 hours by flowing a current of 50 mA at room temperature with respect to the light output in the early stage of light emission, with respect to the thickness of the p-type second intermediate barrier layer 53.

ｐ型第２中間障壁層５３の不純物濃度を高くした場合、電流拡散層１０６、ｐ型第２クラッド層５４等から拡散してきた不純物によりｐ型第２中間障壁層５３の不純物が発光層に押し出されて発光効率が低下したものと考えられる。 When the impurity concentration of the p-type second intermediate barrier layer 53 is increased, the impurities diffused from the current diffusion layer 106, the p-type second cladding layer 54, and the like push the impurities of the p-type second intermediate barrier layer 53 into the light emitting layer. It is considered that the luminous efficiency was lowered.

また、ｐ型第２中間障壁層５３の厚さが薄すぎると不純物の一部は発光層１０４まで拡散してしまうので光出力に低下が見られる。 Further, if the thickness of the p-type second intermediate barrier layer 53 is too thin, a part of the impurities diffuses to the light emitting layer 104, so that the light output is reduced.

図１０（ａ）からｐ型第２中間障壁層５３の不純物濃度を３．０×１０¹⁷ｃｍ^-3以下と十分低くすることにより、電流拡散層１０６やｐ型第２クラッド層５４から拡散してきたｐ型不純物を発光層１０４まで拡散することを防止し、発光時間１０００時間後の光出力は発光初期の光出力の８０％以内と実用上充分な光強度を得た。 From FIG. 10A, by making the impurity concentration of the p-type second intermediate barrier layer 53 sufficiently low, 3.0 × 10 ¹⁷ cm ⁻³ or less, diffusion from the current diffusion layer 106 and the p-type second cladding layer 54 has been achieved. Further, the p-type impurities were prevented from diffusing up to the light emitting layer 104, and the light output after 1000 hours of light emission was within 80% of the light output at the initial light emission, and a practically sufficient light intensity was obtained.

また、図１０（ｂ）は発光層１０４の不純物濃度を１×１０¹⁷ｃｍ^-3としてｐ型第２中間障壁層５３の厚さを変えたときの発光初期の光出力に対する室温で５０ｍＡの電流を流して１０００時間発光後の光出力を測定した結果である。図１０（ｂ）からｐ型第２中間障壁層５３の厚さは０．１μｍ以上とすることがより発光時間１０００時間後の光出力は発光初期の光出力の９０％以内と実用上充分なＬＥＤが実現できることが分かる。 FIG. 10B shows a current of 50 mA at room temperature relative to the light output at the initial light emission when the impurity concentration of the light emitting layer 104 is 1 × 10 ¹⁷ cm ^{−3 and} the thickness of the p-type second intermediate barrier layer 53 is changed. Is the result of measuring the light output after 1000 hours of light emission. From FIG. 10B, the thickness of the p-type second intermediate barrier layer 53 is 0.1 μm or more. The light output after the light emission time of 1000 hours is within 90% of the light output at the initial light emission, which is practically sufficient. It can be seen that an LED can be realized.

なお、ｐ型第２中間障壁層５３の厚さを厚くするとｐ型第２クラッド層５４でのキャリアの閉込め効果が失われてしまう。即ち、ｐ型第２中間障壁層５３が本来のｐ型クラッド層として振る舞い、ｐ型第２中間障壁層でキャリアは発光再結合等により消費されてしまう。そのため、ｐ型第２中間障壁層の厚さはｐ型層の少数キャリアである電子の拡散長以下とする必要がある。ＧａＡｓに格子整合したＡｌＧａＩｎＰの場合、電子の拡散長は０．５〜１．５μｍであるが、Ａｌ混晶比が０．５の場合は電子の拡散長は略０．５μｍであるので、ｐ型第２中間障壁層５３の厚さは０．５μｍ以下とする必要があり、０．３μｍ以下がより好ましい。 If the thickness of the p-type second intermediate barrier layer 53 is increased, the carrier confinement effect in the p-type second cladding layer 54 is lost. That is, the p-type second intermediate barrier layer 53 behaves as an original p-type cladding layer, and carriers are consumed by light-emitting recombination or the like in the p-type second intermediate barrier layer. Therefore, the thickness of the p-type second intermediate barrier layer needs to be equal to or less than the diffusion length of electrons that are minority carriers of the p-type layer. In the case of AlGaInP lattice-matched to GaAs, the electron diffusion length is 0.5 to 1.5 μm, but when the Al mixed crystal ratio is 0.5, the electron diffusion length is approximately 0.5 μm. The thickness of the mold second intermediate barrier layer 53 needs to be 0.5 μm or less, and more preferably 0.3 μm or less.

（実施形態７）
図１１に実施形態７の断面図を示す。まず、ｎ型ＧａＡｓ基板２０１上に、ｎ型（Ａｌ_xＧａ_1-x）_yＩｎ_1-yＰ第１クラッド層２１（ｘ＝１．０、ｙ＝０．５、Ｓｉキャリア濃度５×１０¹⁷ｃｍ^-3）を１μｍ、ｎ型（Ａｌ_xＧａ_1-x）_yＩｎ_1-yＰ第１中間障壁層２２（ｘ＝０．５、ｙ＝０．５、Ｓｉキャリア濃度２×１０¹⁷ｃｍ^-3）を０．５μｍ、（Ａｌ_xＧａ_1-x）_yＩｎ_1-yＰ発光層２０３（ｘ＝０．３、ｙ＝０．５）を０．５μｍ、ｐ型（Ａｌ_xＧａ_1-x）_yＩｎ_1-yＰ第２中間障壁層４１（ｘ＝０．５、ｙ＝０．５、Ｚｎキャリア濃度２×１０¹⁷ｃｍ^-3）を０．５μｍ、ｐ型（Ａｌ_xＧａ_1-x）_yＩｎ_1-yＰ第２クラッド層４２（ｘ＝１．０、ｙ＝０．５，Ｚｎキャリア濃度５×１０¹⁷ｃｍ^-3）を１μｍ、（Ａｌ_xＧａ_1-x）_yＩｎ_1-yＰ電流拡散層２０５（ｘ＝０．０５、ｙ＝０．９０，Ｚｎキャリア濃度１×１０¹⁸ｃｍ^-3）を７μｍ順次積層し、さらにｎ側電極２０９、ｐ側電極２０７を形成し発光ダイオードが完成する。 (Embodiment 7)
FIG. 11 shows a cross-sectional view of the seventh embodiment. First, an n-type (Al _x Ga _1-x ) _y In _1-y P first cladding layer 21 (x = 1.0, y = 0.5, Si carrier concentration 5 × 10 10 on an n-type GaAs substrate 201. ¹⁷ cm ⁻³ ) 1 μm, n-type (Al _x Ga _1-x ) _y In _1-y P first intermediate barrier layer 22 (x = 0.5, y = 0.5, Si carrier concentration 2 × 10 ¹⁷ cm ⁻³ ) of 0.5 μm, (Al _x Ga _{1 -x} ) _y In _{1 -y} P light emitting layer 203 (x = 0.3, y = 0.5) of 0.5 μm, p-type (Al _x Ga _1-x ) _y In _1-y P second intermediate barrier layer 41 (x = 0.5, y = 0.5, Zn carrier concentration 2 × 10 ¹⁷ cm ⁻³ ) is 0.5 μm, p-type (Al _x Ga _1-x ) _y In _1-y P second cladding layer 42 (x = 1.0, y = 0.5, Zn carrier concentration 5 × 10 ¹⁷ cm ⁻³ ) is 1 μm, (Al _x Ga _1-x ) _{_y} In _{_1-y} P current diffusion layer 205 (x = 0.05, = 0.90, Zn carrier concentration of 1 × 10 ¹⁸ cm ^-3) 7μm sequentially laminated, is further formed an n-side electrode 209, p-side electrode 207 light emitting diodes to complete.

Ａｌ混晶比が小さく、不純物濃度の低いｐ型第２中間障壁層４１を０．５μｍと厚くすることによって電流拡散層２０５やｐ型第２クラッド層４２から発光層への不純物の拡散を防止し、発光効率の低下を防止する。また、ｎ型第１中間障壁層を設けることによりＡｌ混晶比が小さく結晶性のよい層でｐｎ接合を形成でき発光効率を向上させることができる。 The p-type second intermediate barrier layer 41 having a small Al mixed crystal ratio and a low impurity concentration is made as thick as 0.5 μm, thereby preventing diffusion of impurities from the current diffusion layer 205 and the p-type second cladding layer 42 to the light emitting layer. Thus, a reduction in luminous efficiency is prevented. Further, by providing the n-type first intermediate barrier layer, a pn junction can be formed with a layer having a small Al mixed crystal ratio and good crystallinity, and light emission efficiency can be improved.

以上の説明はすベてＧａＡｓ基板に格子整合したＩｎＧａＡｌＰ系半導体の場合について説明してきたが、上記説明より明らかな如く、他の材料、ＡｌＧａＡｓ、ＡｌＧａＩｎＳｂ、ＩｎＧａＡｓＰ、ＡｌＧａＩｎＮ等のＡｌ混晶比によりエネルギーギャップを制御するＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体にも本発明の趣旨にしたがって具体的な層厚、キャリア濃度を変えて適用できることは明らかである。 The above description has been given for the case of an InGaAlP-based semiconductor lattice-matched to a GaAs substrate. As is apparent from the above description, the energy depends on the Al mixed crystal ratio of other materials, such as AlGaAs, AlGaInSb, InGaAsP, and AlGaInN. It is apparent that the present invention can be applied to III-V group compound semiconductors for controlling the gap by changing the specific layer thickness and carrier concentration in accordance with the spirit of the present invention.

本発明の実施形態１にかかるＬＥＤの横断面を表す図である。It is a figure showing the cross section of LED concerning Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施形態１にかかるＬＥＤの長期発光継続後の発光層近傍のエネルギーバンド状態を表す図である。It is a figure showing the energy band state of the light emitting layer vicinity after long-term light emission continuation of LED concerning Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施形態２にかかるＬＥＤの横断面を表す図である。It is a figure showing the cross section of LED concerning Embodiment 2 of this invention. 本発明の実施形態２にかかるＬＥＤの長期発光継続後の発光層近傍のエネルギーバンド状態を表す図である。It is a figure showing the energy band state of the light emitting layer vicinity after long-term light emission continuation of LED concerning Embodiment 2 of this invention. 本発明の実施形態３にかかるＬＥＤの横断面を表す図である。It is a figure showing the cross section of LED concerning Embodiment 3 of this invention. 本発明の実施形態３にかかるＬＥＤの長期発光継続後の発光層近傍のエネルギーバンド状態を表す図である。It is a figure showing the energy band state of the light emitting layer vicinity after long-term light emission continuation of LED concerning Embodiment 3 of this invention. 本発明の実施形態４に係る半導体発光素子の横断面構造を表す図である。It is a figure showing the cross-sectional structure of the semiconductor light-emitting device concerning Embodiment 4 of this invention. 本発明の実施形態５に係る半導体発光素子の横断面構造を表す図である。It is a figure showing the cross-sectional structure of the semiconductor light-emitting device concerning Embodiment 5 of this invention. 本発明の実施形態６にかかるＬＥＤの横断面を表す図である。It is a figure showing the cross section of LED concerning Embodiment 6 of this invention. 本発明の実施の形態６にかかるＬＥＤのｐ型第２中間障壁層の不純物濃度、厚さと長時間発光させた時の光出力の低下率との関係を表す図である。It is a figure showing the relationship between the impurity concentration of the p-type 2nd intermediate | middle barrier layer of LED concerning Embodiment 6 of this invention, thickness, and the fall rate of the light output when making it light-emit for a long time. 本発明の実施形態７にかかるＬＥＤの横断面を表す図である。It is a figure showing the cross section of LED concerning Embodiment 7 of this invention. 従来のＬＥＤの横断面構造を表す図である。It is a figure showing the cross-sectional structure of the conventional LED. 従来のＬＥＤの発光開始直後の光出力および長時間発光継続後の光出力と発光層の不純物濃度との関係を表す図である。It is a figure showing the relationship between the light output immediately after the light emission start of the conventional LED, the light output after continuing light emission for a long time, and the impurity concentration of a light emitting layer. 従来のＬＥＤの発光層近傍のエネルギーバンド状態を表す図である。It is a figure showing the energy band state of the light emitting layer vicinity of the conventional LED. 従来のＬＥＤの横断面構造を表す図である。It is a figure showing the cross-sectional structure of the conventional LED.

符号の説明Explanation of symbols

１基板
２第１バッファー層
３反射（ＤＢＲ）層
４第１クラッド層
５中間障壁層
６発光層
７第２クラッド層
８第２バッファー層
９電流拡散層
１０ｐ側電極
１１ｎ側電極
４１第２中間障壁層
４２第２クラッド層
５０中間障壁層
５１第１中間障壁層
５２第２中間障壁層
５３ｐ型第２中間障壁層
５４ｐ型第２クラッド層
６０ＭＱＷ型発光層
６１第１電流拡散層
６２第２電流拡散層
９１第１電流拡散層
９２電流拡散層
１０１基板
１０２バッファ層
１０３ｎ型第１クラッド層
１０４発光層
１０５ｐ型クラッド層
１０６電流拡散層
１０７ｐ側電極
１０８コンタクト層
１０９ｎ側電極
２０１基板
２０３発光層
２０５電流拡散層
２０７ｐ側電極
２０９ｎ側電極 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Substrate 2 First buffer layer 3 Reflection (DBR) layer 4 First cladding layer 5 Intermediate barrier layer 6 Light emitting layer 7 Second cladding layer 8 Second buffer layer 9 Current diffusion layer 10 p-side electrode 11 n-side electrode 41 second Intermediate barrier layer 42 Second cladding layer 50 Intermediate barrier layer 51 First intermediate barrier layer 52 Second intermediate barrier layer 53 p-type second intermediate barrier layer 54 p-type second cladding layer 60 MQW-type light emitting layer 61 First current diffusion layer 62 second current diffusion layer 91 first current diffusion layer 92 current diffusion layer 101 substrate 102 buffer layer 103 n-type first cladding layer 104 light-emitting layer 105 p-type cladding layer 106 current diffusion layer 107 p-side electrode 108 contact layer 109 n-side Electrode 201 Substrate 203 Light emitting layer 205 Current diffusion layer 207 p-side electrode 209 n-side electrode

Claims

少なくともＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体材料からなり、エネルギーギャップの大きいｎ型クラッド層およびｐ型クラッド層でエネルギーギャップの狭いｐ型発光層を挟持してなるダブルヘテロ構造が基板上に設けられたダブルヘテロ接合型発光ダイオードにおいて、
前記ｐ型発光層と前記ｎ型クラッド層との間に設けられており、前記ｐ型発光層のエネルギーギャップより広く、前記ｎ型クラッド層のエネルギーギャップより狭いエネルギーギャップを有するｐ型第１中間障壁層と、
前記ｐ型クラッド層と前記ｐ型発光層との間に設けられており、Ａｌ混晶比が前記ｐ型クラッド層よりも小さく不純物濃度が前記ｐ型クラッド層よりも低いｐ型第２中間障壁層と、
を有することを特徴とする発光ダイオード。 A double hetero structure comprising at least a III-V group compound semiconductor material and having a double hetero structure on a substrate, wherein an n-type cladding layer having a large energy gap and a p-type cladding layer sandwiching a p-type light emitting layer having a narrow energy gap In junction type light emitting diode,
A p-type first intermediate layer provided between the p-type light emitting layer and the n-type cladding layer and having an energy gap wider than the energy gap of the p-type light emitting layer and narrower than the energy gap of the n-type cladding layer. A barrier layer;
A p-type second intermediate barrier provided between the p-type cladding layer and the p-type light emitting layer and having an Al mixed crystal ratio smaller than that of the p-type cladding layer and having an impurity concentration lower than that of the p-type cladding layer. Layers,
A light-emitting diode comprising:

前記ｐ型第２中間障壁層のＡｌ比は０．５以下、前記ｐ型クラッド層のＡｌ比は０．７以上であることを特徴とする請求項１に記載の発光ダイオード。 2. The light emitting diode according to claim 1, wherein an Al ratio of the p-type second intermediate barrier layer is 0.5 or less, and an Al ratio of the p-type cladding layer is 0.7 or more.

前記ｐ型第２中間障壁層の不純物濃度は３×１０^１７ｃｍ^−３以下であり、
前記ｐ型第２中間障壁層の厚さは０．１μｍ以上、０．５μｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の発光ダイオード。 The impurity concentration of the p-type second intermediate barrier layer is 3 × 10 ¹⁷ cm ⁻³ or less,
2. The light emitting diode according to claim 1, wherein a thickness of the p-type second intermediate barrier layer is not less than 0.1 μm and not more than 0.5 μm.

前記基板がＧａＡｓであり、
前記ｎ型クラッド層が（Ｇａ_１−ｘ２Ａｌ_ｘ２）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐ（但し、ｘ１＜ｘ２≦１）であり、
前記ｐ型第１中間障壁層が（Ｇａ_１−ｘ４Ａｌ_ｘ４）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐ（但し、ｘ１＜ｘ４＜ｘ２、ｘ３）であり、
前記ｐ型発光層が（Ｇａ_１−ｘ１Ａｌ_ｘ１）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐ（但し、０≦ｘ１＜ｘ２，ｘ３）であり、
前記ｐ型第２中間障壁層が（Ｇａ_１−ｘ４Ａｌ_{ｘ４）０．５}Ｉｎ_０．５Ｐ（但し、ｘ１＜ｘ４＜ｘ３、不純物濃度は５×１０^１７ｃｍ^−３未満）であり、
前記ｐ型クラッド層が（Ｇａ_１−ｘ３Ａｌ_ｘ３）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐ（但し、ｘ１＜ｘ３≦１、不純物濃度は５×１０^１７ｃｍ^−３以上）であることを特徴とする請求項１に記載の発光ダイオード。 The substrate is GaAs;
The n-type cladding layer is (Ga _1-x2 Al _x2 ) _0.5 In _0.5 P (where x1 <x2 ≦ 1),
The p-type first intermediate barrier layer is _{_{_{(Ga 1-x4 Al x4)}}} 0.5 In 0.5 P ( where, x1 <x4 <x2, x3 ) is,
The p-type light emitting layer is (Ga _1-x1 Al _x1 ) _0.5 In _0.5 P (where 0 ≦ x1 <x2, x3);
The p-type second intermediate barrier layer is (Ga _1-x4 Al _{x4) 0.5} In _0.5 P (where x1 <x4 <x3, impurity concentration is less than 5 × 10 ¹⁷ cm ⁻³ );
The p-type cladding layer is (Ga _1-x3 Al _x3 ) _0.5 In _0.5 P (where x1 <x3 ≦ 1, impurity concentration is 5 × 10 ¹⁷ cm ⁻³ or more) The light emitting diode according to claim 1.