JPH0487379A - 半導体発光装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明は半導体発光装置に関わり、特にＩｎＧａＡｌＰ
系半導体材料を使用した半導体発光装置に関する。

（従来の技術） ＩｎＧａｕ！Ｐ系材料は、窒化物を除＜ｍ−ｖ族化合物
半導体混晶中で最大の直接遷移形エネルギーギャップを
有し、０．５〜０．６−帯の発光素子材料として注目さ
れている。特にＧａＡｓを基板とし、これに格子整合す
るＩｎＧａＡｌＰによる発光部を持つｐｎｎ接合全発光
ダイオードＬｉｇｈｔ　Ｅｍｉｔｔｉｎｇ　Ｄｉｏｄｅ
：ＬＥＤ）は、従来のＧａＰやＧａＡｓＰ等の間接遷移
形の材料を用いたものに比べ、赤色から緑色の高輝度の
発光が可能である。高輝度のＬＥＤを形成するには１発
光効率を高めることはもとより、素子内部での光吸収や
、発光部と電極の相対的位置関係等により、外部への有
効な光取出しを実現することが重要である。

第３図にＩｎＧａＡＩＰ発光部を有する従来のＬＥＩ）
の断面図を示す。

第３図に示すように、ｎ−ＧａＡｓ基板３１の一主面に
ｎ−ＩｎＧａＡｌＰクラッド層３２、ｎ−ＩｎＧａＡｌ
Ｐ活性層３３、Ｐ−ＩｎＧａＡＩ２Ｐクラッド層３４、
ｐ−ＩｎＧａＰ中間エネルギーギャップ層３５、ｐ−Ｇ
ａＡｓコンタクト層３６が順次積層し構成され、このｐ
−ＧａＡｓコンタクト層３６にはｐ側電極３７、また、
上記ｎ−ＧａＡｓ基板３Ｉの他方の主面にはｎ側電極３
８が形成されて発光素子が構成されている。そして、こ
の素子中における電流分布３９を矢印で１発光部３０に
は打点を施して示しである。

各層のＡ１組成は高い発光効率が得られるように設定さ
れ２発光層となる活性層のエネルギーギャップは２つの
クラッド層より小さいダブルへテロ接合が形成されてい
る。なお、以下ではこのようなダブルへテロ接合構造を
もつＬＥＤについて記すが、以下で問題とする光の取出
し効率が考える上では、活性層部の層構造は本質でなく
、シングルへテロ接合構造やホモ接合構造でも同様に変
えることができる。

第３図に示したような構造では、ｐ−ＩｎＧａ１Ｐクラ
ッド層３４の抵抗率がｎ−ＩｎＧａＡρＰクラッド層３
２に比べて大きいため、クラッド層３４中での電流広が
りは殆どなく、発光部は中間エネルギーギャップ層３５
、コンタクト層３６及び電極３７の直下のみとなり、上
面方向への光の取出し効率は非常に低かった。

第４図はＩｎＧａ１Ｐ発光部を持つ他のＬＥＤを示す構
造断面図であり、図中４１〜４８はｐｎの関係が逆とな
っているだけで第３図の３１〜３８に対応している。

中間エネルギーギャップ層４５は、コンタクト層４６側
でなく基板４１側に配置されている。この図に示したよ
うな構造では、抵抗率の高いｐ−ＩｎＧａＡ４Ｐクラッ
ド層４２を基板４１側に配置することにより、ｎ〜Ｉｎ
Ｇａ１Ｐクラッド層４４での電流広がり（電流分布４９
）は第３図に示した従来例に比べ若干大きくなっている
。しかしながら、発光部４０の大部分はやはりコンタク
ト層４６及び電極４７の直下となり、光の取出し効率の
大きな改善は認められなかった。

（発明が解決しようとする課題） 上記従来のＩｎＧａＡｕＰからなる発光部を持つ半導体
発光装置においては、発光部における電流分布の状態か
ら大きな光の取出し効率は得られず。

高輝度化を実現するのは極めて困難であった。

本発明は、上記事情を考慮してなされたもので、その目
的とするところは、ＩｎＧａ１Ｐからなる発光部におけ
る電流分布を改善し、光の取出し効率及び輝度の向上を
はかり得る半導体発光装置を提供することにある。

〔発明の構成〕

（課題を解決するための手段） 本発明の半導体発光装置は、ｎ型のＧａＡＱＡｓ基板と
、　この化合物半導体基板上にＩｎＧａ１ＰｔＰ層から
なる発光部を有し、前記化合物半導体基板と反対側の面
上の一部に形成された電極以外の面上から光を取出す半
導体発光装置において、前記発光部のＩｎＧａ１Ｐ２Ｐ
層よりも下にこのＩｎＧａＡｆｆｉＰ層よりもバンドギ
ャップが大きくかつキャリア濃度が１×１０１３ＣＩ１
１−３以上Ｉ　Ｘｌ０１７ｃｍ−３以下であるｎ型Ｉｎ
Ｇａ１Ｐ層を具備してなることを特徴とする。

（作用） 本発明の半導体発光装置は、光取り出し側の電極下方に
発光部として形成されたＩｎＧａｌｔＰ層より下方に、
　ｎ−ＧａＡｓｙ　ｎ−ＩｎＧａＡｌＰ接合によるヘテ
ロバリアが存在し、その接合部において電流が流れにく
くなるので電極がら注入された電流は、その接合部のよ
り上で広範囲に広がることになる。

従って、電極直下以外の領域に発光領域を広げることか
でき、光の導出効率を向上させることが可能となる。

（実施例） 以下、本発明の実施例につき図面を参照して説明する。

第１図に本発明の一実施例にかがる半導体発光装置の構
造の概要を断面図で示す。第１図に示すように、ｎ−Ｇ
ａＡｓ基板１１の一主面上に、ｎ−Ｉｎ６，５　（Ｇａ
ｚ−ＩＡＱＸ）　ａ−ｓＰクラット層１２、Ｉｎｏ、。

（Ｇａ□−ｙＡＱｙ）　ｏ　、　ｓ　ｐ活性層１３、ｐ
−Ｉｎ、　、　ｓ　（Ｇａｘ−ｚＡＩ２ｚ）ａ　、　ｓ
Ｐクラッド層１４、Ｐ−ＧａＡｓコンタクト層１５が順
次積層され、このコンタクト層１５上にＡｕ−Ｚｎでな
るｎ側電極１６、前記ｎ−ＧａＡｓ基板１１の他方の主
面にＡｕ−Ｇｅでなるｎ側電極１７が夫々形成されてい
る。

第２図は、第１図に示した装置の素子内での電流分布及
び発光部を示す。同図に素子内での電流分布２９を破線
矢印で、また発光部２ｏを施打点で夫々示している。Ｉ
ｎＧａＡｌＰ各層のＡＱ組成Ｘ、Ｙ、Ｚは高い発光効率
が得られるように、Ｙ≦Ｘ、Ｙ≦Ｚで満たす。即ち発光
層となる活性層Ｉ３のエネルギーギャップはｐ、ｎの２
つのクラッド層１２．１４より小さいダブルへテロ接合
が形成されている。

なお、以下は、このようなダブルへテロ接合構造をもつ
ＬＥＤについて記すが、光の取出し効率を考える上では
、活性層部の層構造は本質ではなく、シングルへテロ接
合構造や、ホモ接合構造でも同様に考えることができる
。

第１図及び第２図に示した構造において、各層の厚さ、
キャリア濃示は以下に括弧内に示すように設定されてい
る。ｎ−ＧａＡｓ基板１１（８０μｓ、３　Ｘ　１０”
ｃ「３）、ｎ−ＩｎＧａＡｆｆｉＰクラッド層１２（１
声、ｌＸｌ０”ＣＩＩ＋−３）、ＩｎＧａＡｌ１．ｐ活
性層１３　（０，５，ｉｌＭ、アンドープ）、ｐ−Ｉｎ
ＧａＡｌＰ層１４（０，２趣、４Ｘ１０″７　ｃｍ−’
　）、ｐ−ＧａＡｓ層１５（０，１即、３　Ｘ　１０”
ｃｍ−３）である。

上記半導体発光装置が、従来の半導体発光装置と異なる
点は、ｎ−ＩｎＧａＡｌＰクラッド層のキャリア濃度が
Ｉ　Ｘ　１０１７ｃｍ””と、従来の５分の１程度に低
いことであり、この半導体発光装置の優位性については
以下に説明する。

第３図に示すような従来構造においてはｐ−ＩｎＧａＡ
ｌＰクラッド層３４での電流法がりは、抵抗率が高いた
め小さい。キャリア濃度を高くすることにより、低抵抗
にし、電流法がりを大きくすることも考えられるが、Ｐ
型ＩｎＧａＡ１２Ｐのキャリア濃度は５Ｘ１０１７０、
−３程度で飽和してしまい、困難である。

膜厚を厚くすることによって電流法がりを大きくするこ
とが考えられるが、このＩｎＧａＡｌＰ材料系において
は、熱伝導率が悪く厚膜にすることによって結晶品質が
低下し、また上層への悪影響も現われるため好ましくな
い。又、ＩｎＧａＡｌＰ系半導体材料は、結晶品質の上
から成長速度が制限され、厚膜の成長を行う場合には成
長時間の延長を行なわなければならない。このことは、
クラッド層の不純物として拡散性の高いものを使用した
場合活性層への不純物拡散がおこり、素子特性の低下を
引き起す。このため、ＩｎＧａＡｌＰ層を厚膜に成長す
ることはむずかしい。ＩｎＧａＡｆｆＰとＧａＡｓのへ
テロ接合界面では大きなバンドギャップがあるために、
スパイクやノツチが生じ、Ｐ型接合では大きな電圧降下
となるヘテロバリア効果が知られている。

一方、　ｎ型の接合の場合もＩｎＧａＡｌＰのキャリア
濃度が低くなるとヘテロバリアが存在することを見い出
した。これを利用することで発明者らは、電流拡がりを
計ることを検討した。即ち、発光部より下方のｎ−Ｉｎ
ＧａＡｌＰ層のキャリア濃度をｌＸｌ０”ｃｍ−３以下
に制御良く設定し、ｎ−ＩｎＧａＡｌＰ層とその下方の
ｎ−ＧａＡｓ層との間にヘテロバリアを形成し電流を流
れ難くすることによって発光部における電流を広げ、光
の取り出し効率を高くすることが可能である。第３図は
、ｎ−ＩｎＧａＡｌＰ層のキャリア濃度に対する光の取
り出し効率を示したものである。

■の領域はｎ−ＩｎＧａｌＰ層のキャリア濃度の減少に
伴う抵抗率の増加により発光部より下で電流が流れにく
くなり、発光部における電流が広がることによる、光の
取り出し効率の増加を示している。

■の領域は＋　ｎ−Ｉｒ＋Ｇａ１Ｐ層のキャリア濃度が
ｌＸｌ０１７ｃｍ””以下で急激に電流が流れにくくな
り、発光部における電流が急激に広がりやすくなること
になる光の取り出し効率の上昇を示す。■の領域では、
キャリア濃度が１×１０１３ｃＩ＋−３以下でｎ−Ｉｎ
ＧａＡｌＰ層の抵抗率が非常に大きくなり、　その結果
発熱による急激な光の取り出し効率の低下がみられるこ
とを示している。従ってこの図かられかるように、ｎ−
ＩｎＧａＡｌＰ層のキャリア濃度がｌＸｌ０”ｃｍ−３
からＩ　Ｘ　１０１１０ｌ７’にあるとき高い光の取り
出し効率が得られる。発熱などによる素子特性の悪影響
を考えるとＩ　Ｘ　１０”ｃ＋ｎ−”からｌＸｌ０”ｃ
ｍ−’の間にあるとなお良い。

上述した積層構造で、Ｉｎ、　、　ｓ　（Ｇａ、　−ｙ
ＡＮｙ）ａ　、　ｓ　Ｐ活性層のＡ２組組成に０．３を
用いて素子を構成し順方向に電圧を印加し電流を流した
ところ第２図に示した電流分布となり、Ｐ側電極（Ａｕ
−Ｚｎ）を除いた素子表面広域から６１０ｍｍにピーク
波長を有する発光が得られた。

なお、本発明は、上述した実施例に限定されるものでは
ない。実施例では活性層の組成としては、Ｉｎｏ、５（
Ｇａａ、ｔＡＱｏ、ａ）ｏ、ｓＰを用いたが、１０組成
を変化させることによって赤色から緑色域にわたる可視
光領域の発光を得ることができる。さらに、クラッド層
の組成は実施例ではＩｎ０．ｓ　（Ｇａ０．、Ａｕ。、
７）。、５Ｐを用いたが、キャリアの閉じ込めに十分な
活性層とのバンドギャップ差があればよく、この組成に
限るものではない。その他、本発明の要旨を逸脱しない
範囲で種々変形して実施することができる。

〔発明の効果〕 叙上の如く本発明によれば、ＩｎＧａよ−ｙ（Ｇａｔ−
エｉｘ）、Ｐ系材料（Ｏ≦Ｘ≦１、Ｏ≦Ｙ≦１）を用い
た半導体発光装置において、発光部より下のｎ−Ｔ、ｎ
ＧａｌｔＰ層のキャリア濃度をＩ　Ｘ　］、］０１７ａ
ｍ−３以にすることから、その下のｎ−ＧａＡｓ層との
界面にヘテロバリアを形成し、電流を流れにくくするこ
とによって、電極部から注入された電流は、ヘテロバリ
アより上の発光部で、電極直下以外の広域まで広げられ
る。

従って電極直下以外の広域に発光領域を広げることがで
きこれにより光の導出効率を向上させることが可能とな
り、高輝度の半導体発光装置を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は５本発明の一実施例に係る半導体発光装置の概
略の構造を示す断面図、第２図は上記実施例の素子内で
の電流分布及び発光部を示す断面図、第３図は上記実施
例と同様の構造におけるｎ−ＩｎＧａＡｌ１Ｐ層キャリ
ア濃度に対する光の取り出し効率を示す図、第４図は従
来例の半導体発光装置の概略の構造及び素子内における
電流分布と発光部を示す断面図である。 １０・・・発光部 １１−　ｎ−ＧａＡｓ基板 １２−ｎ−ＩｎＧａＡｌＰクラッド層 １３−ＩｎＧａ１ＱＰ活性層 １４−　Ｐ−ＩｎＧａＡＩｌＰクラッド層１５・・・ｐ
−ＧａＡｓコンタクト層 １６・・・ｐ側電極　　　　　１７・・・ｎ側電極代理
人　弁理士　則　近　憲　佑 １６　：　　Ｐ−ＧａＡｓフ）タクトｊ第１図 １ｘｌＯ１３１ｘｌＯ” ｎ−Ｉｎ　ＧａＡＩＰ’＋ｖ’）了」１月【（ｃｍ　３
）第３図 １０：今七郊 １９：ｔ″／Ｍ帰 第２図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. ｎ型Ｇａ＿１＿−＿ｘＡｌ＿ｘＡｓ（０≦ｘ≦１）基板
   と、この基板上にＩｎＧａＡｌＰ層からなる発光部と、
   この発光部と前記基板との間に前記発光部のＩｎＧａＡ
   ｌＰ層よりもバンドギャップが大きいｎ型ＩｎＧａＡｌ
   Ｐ層を有し、前記基板と反対側の面から光を取り出す半
   導体発光装置において、前記発光部と前記基板との面の
   前記ｎ型ＩｎＧａＡｌＰ層のキャリア濃度が１×１０＾
   １＾７ｃｍ＾−＾３以下であることを特徴とする半導体
   発光装置。