JP5935178B2 - 半導体発光素子 - Google Patents
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Description
本明細書および特許請求の範囲において、「InGaAlP系の半導体」とは、InxGayAl1−x−yP(0≦x≦1,0≦y≦1,0<(x+y)≦1)からなる半導体をいう。したがって、InGaP,InAlP,InGaAlP,GaP,GaAlPも、「InGaAlP系の半導体」に含まれる。
しかしながら、ITO透明電極膜を用いた発光ダイオードでは、半導体層と透明電極膜との間の接触抵抗が大きくなるため、順方向動作電圧が高くなるという問題がある。
この発明の目的は、高輝度化に適した半導体発光素子を提供することにある。
この発明におけるp型コンタクト層と、GaAsに炭素をドープすることにより得られる従来のp型コンタクト層と比較すると、GaAsは光を吸収する性質を有しているのに対してGaPは透明性が高いため、この発明におけるp型コンタクト層の方がより光を透過でき、発光輝度を高めることができる。これにより、高輝度化により適した半導体発光素子を実現することができる。
この発明の一実施形態では、前記p型コンタクト層の厚さが、300nm以上800nm以下である。
前記p型コンタクト層表面の凹凸の高低差が、200nm以上600nm以下であることが好ましい。この理由は、凹凸の高低差が200nmより小さいと、P型コンタクト層と透明電極膜との境界面において、光の全反射を十分に抑制できないからである。一方、凹凸の高低差が600nmより大きいと、P型コンタクト層上に透明電極膜を成膜しにくくなるからである。
図1は、この発明の一実施形態に係る発光ダイオードの構成を説明するための断面図である。
この発光ダイオード50は、基板1と、基板1上に結晶成長によって形成された半導体積層構造2と、半導体積層構造2の表面に形成された透明電極膜3と、基板1の裏面に接触するように形成されたn側電極4と、透明電極膜3の表面に接触するように形成されたp側電極5を備えている。
半導体積層構造2は、活性層10と、n型半導体層11と、p型半導体層12とを備えている。n型半導体層11は活性層10に対して基板1側に配置されており、p型半導体層12は活性層10に対して透明電極膜3側に配置されている。こうして、ダブルヘテロ接合が形成されている。活性層10には、n型半導体層11から電子が注入され、p型半導体層12から正孔が注入される。これらが活性層10で再結合することにより、光が発生するようになっている。
n型クラッド層14と、p型クラッド層15とは、活性層10にキャリア(電子および正孔)を閉じ込めるキャリア閉じ込め効果を生じるものである。n型In0.5Al0.5Pクラッド層14は、In0.5Al0.5Pにn型ドーパントとしてのSiをドープすることによって、n型半導体層とされている。
p型In0.5Ga0.25Al0.25P中間バンドギャップ層16は、p型クラッド層15とp型ウインドウ層17との価電子帯バンドの不連続を緩和することにより、発光ダイオード50に順方向電圧が印加されたときに、p型クラッド層15とp型ウインドウ層17との間の抵抗が増大するのを抑制するために設けられた層である。このため、p型中間バンドギャップ層16としては、光を透過する材料であって、p型クラッド層15よりも価電子帯バンドの位置が低く、かつp型ウインドウ層17よりも価電子帯バンドの位置が高いものが用いられている。p型In0.5Ga0.25Al0.25P中間バンドギャップ層16は、In0.5Ga0.25Al0.25Pにp型ドーパントとしてのMgをドープ(ドーピング濃度は、たとえば2.0×1018cm−3)することによって、p型半導体層とされている。p型中間バンドギャップ層16にドープされるp型ドーパントは、Znであってもよい。
p型GaPコンタクト層18は、透明電極膜3とp型ウインドウ層17との間の接触抵抗を低減させるために設けられた低抵抗層である。p型GaPコンタクト層18は、GaPにp型ドーパントとしてのC(炭素)を高濃度にドープすることによって、p型半導体層とされている。
p型GaPコンタクト層18の膜厚は、300nm以上800nm以下であることが好ましい。
p型GaPコンタクト層18と、GaAsにCをドープすることにより得られるp型GaAsコンタクト層とを比較すると、GaAsは光を吸収する性質を有しているのに対してGaPは透明性が高いため、p型GaPコンタクト層18の方がより光を透過でき、発光輝度を高めることができる。これにより、高輝度化に適した発光ダイオードを実現することができる。
活性層10は、この実施形態では、図2に示すように、アンドープのIn0.5Ga0.5P層からなる量子井戸(well)層(たとえば4nm厚)101と、アンドープのIn0.5(Ga0.15Al0.85)0.5P層からなる障壁(barrier)層(たとえば4nm厚)102とを交互に複数周期繰り返し積層して構成された多重量子井戸構造を有している。量子井戸層101の層数は、たとえば100であり、障壁層102の層数は、たとえば99である。
n側電極4は、たとえば、第1のAu層(たとえば50nm厚)と、AuGe/Ni層(たとえば165nm厚)と、第2のAu層(たとえば165nm厚)からなる三層構造の合金からなり、その第1のAu層側が基板1側に配されるように、基板1にオーミック接合されている。なお、n側電極4は、Au/AuGe/Ni/Auを基板1の裏面に成膜した後に、シンタリング(焼成)が行われることにより、基板1の材料(GaAs)を含めて合金化される。
図3に示すように、P型コンタクト層18における透明電極膜3側の表面は粗面化されており、当該表面に凹凸が形成されている。このように、P型コンタクト層18における透明電極膜3側の表面には凹凸が形成されているため、その上に形成される透明電極膜3におけるP型コンタクト層18と反対側の表面にも、緩やかな凹凸が形成されている。
前述した発光ダイオード50の製造方法について簡単に説明する。まず、GaAs基板1上に、有機金属化学気相成長法(MOCVD:Metal Organic Chemical Vapor Deposition)によって、n型多層膜光反射層13、第1のn型In0.5Al0.5Pクラッド層14a、第2のn型In0.5Al0.5Pクラッド層14b、活性層10、第1のp型In0.5Al0.5Pクラッド層15a、第2のp型In0.5Al0.5Pクラッド層15b、p型In0.5Ga0.25Al0.25P中間バンドギャップ層16、p型GaPウインドウ層17およびp型GaPコンタクト層18を順に成長させる。
この後、p型GaPコンタクト層18上に、透明電極膜3(ITO膜)を形成する。この際、p型GaPコンタクト層18表面の凹凸部に空洞が生じないように、成膜速度を遅くすることが好ましい。
次に、p型GaPコンタクト層18におけるCの濃度と、発光ダイオードの順方向電圧Vf[mA]との関係について説明する。p型GaPコンタクト層18におけるCの濃度(C.C.(キャリアコンセントレーション))が異なる複数の実験サンプルを用いて実験を行った。
a:コンタクト層18におけるCの濃度が6.78×1018cm−3である発光ダイオード
b:コンタクト層18におけるCの濃度が1.12×1019cm−3である発光ダイオード
c:コンタクト層18におけるCの濃度が1.51×1019cm−3である発光ダイオード
d:コンタクト層18におけるCの濃度が1.76×1019cm−3である発光ダイオード
e:コンタクト層18におけるCの濃度が1.94×1019cm−3である発光ダイオード
f:コンタクト層18におけるCの濃度が2.11×1019cm−3である発光ダイオード
g:コンタクト層18におけるCの濃度が2.84×1019cm−3である発光ダイオード
各サンプルa〜gに対する順方向電圧Vf[mV](各サンプルa〜gに20mAの順方向電流Ifを印加したときの順方向電圧)の測定結果を表1および図4に示す。
その他、特許請求の範囲に記載された事項の範囲内で種々の設計変更を施すことが可能である。
2 半導体積層構造
3 透明電極膜
4 n側電極
5 p側電極
10 活性層
11 n型半導体層
12 p型半導体層
13 n型多層膜光反射層
14 n型In0.5Al0.5Pクラッド層
15 p型In0.5Al0.5Pクラッド層
16 p型In0.5Ga0.25Al0.25P中間バンドギャップ層
17 p型GaPウインドウ層
18 p型GaPコンタクト層
50 発光ダイオード
Claims (7)
- InAlGaP系半導体からなるp型クラッド層およびn型クラッド層と、
前記p型クラッド層およびn型クラッド層に挟まれ、InAlGaP系半導体からなる活性層と、
前記p型クラッド層に対して前記活性層とは反対側に配置され、GaPからなる電流分散層としてのp型ウインドウ層と、
前記p型ウインドウ層に対して前記p型クラッド層とは反対側に配置され、ITOからなる透明電極膜と、
前記p型ウインドウ層と前記透明電極膜との間に形成され、前記p型ウインドウ層と前記透明電極膜との間の接触抵抗を低減させるためのp型コンタクト層とを備え、
前記p型コンタクト層は、炭素がドープされたGaPからなり、
前記p型コンタクト層における前記炭素の濃度が1.5×1019cm−3以上であり、
前記p型コンタクト層の膜厚は、前記p型ウインドウ層の膜厚よりも薄い、半導体発光素子。 - 前記p型コンタクト層における前記炭素の濃度が2.0×1019cm−3以上2.5×1019cm−3以下である、請求項1に記載の半導体発光素子。
- 前記p型コンタクト層の厚さが、300nm以上800nm以下である、請求項1または2に記載の半導体発光素子。
- 前記p型コンタクト層における前記透明電極膜側の表面に凹凸が形成されている、請求項1〜3のいずれか一項に記載の半導体発光素子。
- 前記p型コンタクト層表面の凹凸の高低差が、200nm以上600nm以下である、請求項4に記載の半導体発光素子。
- 前記p型クラッド層と前記p型ウインドウ層との間に、前記p型クラッド層よりも価電子帯バンドの位置が低く、かつ前記p型ウインドウ層よりも価電子帯バンドの位置が高いp型中間バンドギャップ層が介装されている、請求項1〜5のいずれか一項に記載の半導体発光素子。
- 前記p型中間バンドギャップ層がInAlGaP系半導体からなる、請求項6に記載の半導体発光素子。
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