JP3290672B2

JP3290672B2 - 半導体発光ダイオード

Info

Publication number: JP3290672B2
Application number: JP5135891A
Authority: JP
Inventors: 正行石川; 秀人菅原; 玄一波多腰; 幸江西川; 真理子鈴木; 和彦板谷
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1990-08-20
Filing date: 1991-03-15
Publication date: 2002-06-10
Anticipated expiration: 2017-06-10
Also published as: JPH04212479A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、化合物半導体材料を用
いた半導体発光ダイオードに係わり、特に活性層にＩｎ
ＧａＡｌＰ系材料を用いた半導体発光ダイオードに関す
る。

【０００２】

【従来の技術】ＬＥＤ（発光ダイオード）は、低消費電
力，高効率，高信頼性の得られる光源として、光通信や
光情報処理等の各種の分野での応用に用いられている。
特に、可視波長域では発光層材料として、ＧａＰ
（緑），ＧａＡｓＰ（黄色，橙色，赤色），ＧａＡｌＡ
ｓ（赤色）等の化合物半導体が用いられている。

【０００３】しかし、ＧａＰ，ＧａＡｓＰは間接遷移型
の半導体であり、その発光効率は透明な基板を用い、吸
収の影響をなくしても０．５％程度以下と極めて低いも
のである。また、ＧａＡｌＡｓは６６０ｎｍでは８％程
度の効率が得られるものの、これより短波長ではやはり
間接遷移の影響により、６３５ｎｍでの効率は１％程度
である。

【０００４】人間の目の視感度を考慮すると、ＧａＡｌ
Ａｓ系では６６０ｎｍで３ｃｄ（カンデラ）、６３５ｎ
ｍで１ｃｄに相当する。一方、ＧａＰでは０．５ｃｄ以
下、ＧａＡｓＰでは０．３ｃｄ以下のものしか実現され
ておらず、橙色，黄色，緑色の領域での高輝度のＬＥＤ
の開発が強く嘱望されていた。

【０００５】ＩｎＧａＡｌＰ混晶は、窒化物を除く −
族化合物半導体混晶中で最大の直接遷移型エネルギー
ギャップを有し、０．５〜０．６μｍ帯の発光素子材料
として注目されている。特にＧａＡｓを基板とし、これ
に格子整合するＩｎＧａＡｌＰによるＬＥＤは、緑色か
ら赤色までの高輝度の発光の可能性を持っている。しか
しながら、この種のＬＥＤにあっても、短波長の領域で
の発光効率は必ずしも十分高いとは言えなかった。

【０００６】図３０に、ＩｎＧａＡｌＰ発光部を有する
従来のＬＥＤの素子構造断面図を示す。図中１はｎ−Ｇ
ａＡｓ基板、２はｎ−ＩｎＧａＡｌＰクラッド層、３は
ＩｎＧａＡｌＰ活性層、４はｐ−ＩｎＧａＡｌＰクラッ
ド層、５はｐ−ＧａＡｌＡｓ電流拡散層、６はｐ−Ｇａ
Ａｓコンタクト層、７はＡｕＺｎからなるｐ側電極、８
はＡｕＧｅからなるｎ側電極である。

【０００７】ＩｎＧａＡｌＰ活性層３のエネルギーギャ
ップは、クラッド層２，４のそれより小さくなるように
混晶組成が設定されており、光及びキャリアを活性層３
に閉じ込めるダブルヘテロ構造をなしている。また、ｐ
−ＧａＡｌＡｓ電流拡散層５の組成は、ＩｎＧａＡｌＰ
活性層３からの発光波長に対し略透明になるように設定
されている。

【０００８】図３０の構造において、活性層３を厚さ
０．２μｍのアンドープのＩｎ_0.5（Ｇａ_1-XＡｌ_X）
_0.5Ｐ（ｘ＝０．４）とした場合、その導電型はｎ型で
あり、濃度は１〜５×１０¹⁶ｃｍ^-3程度であった。この
とき、発光波長は５６５ｎｍ（緑）、発光効率はＤＣ２
０ｍＡで０．０７％程度であった。また、ｘ＝０．３と
したとき、発光波長は５８５ｎｍ（黄）、発光効率はＤ
Ｃ２０ｍＡで０．４％程度と低く、ＧａＰ，ＧａＡｓＰ
系に対する特性的なメリットは必ずしも見られなかっ
た。一方、ｘ＝０．２としたとき、発光波長は６２０ｎ
ｍ（橙色），発光効率はＤＣ２０ｍＡで１．５％程度で
あり、発光波長に対し吸収体となるＧａＡｓ基板１を特
に除去することなくＧａＡｌＡｓ系を上回る発光効率が
得られた。

【０００９】このような発光効率の組成依存性の原因に
ついて本発明者らが鋭意検討を重ねた結果、ｎ伝導型に
おける移動度と強い相関があることが判った。即ち、移
動度はＡｌ組成ｘ＝０．３程度で急激に低下した。ま
た、これに合わせてドナーレベルが深くなることも観測
された。これらは、ｎ伝導型における深い準位の発生が
非発光再結合を来たし、発光効率の低下につながってい
ると考えられた。また、活性層３のＡｌ組成ｘが高く発
光波長が短い場合、クラッド層２，４とのエネルギーギ
ャップ差を十分にとることができず、特に有効質量の小
さい電子のｐ型クラッド層４へのオーバーフローが顕著
になり、これが発光効率の低下につながっていることも
考えられた。

【００１０】一方、図３０の構成では電流拡散層５を設
けて電極７から注入された電流を広げているが、電流拡
散層５を設けない場合、次のような理由により注入電流
の広がりが小さくなり、発光領域は電極直下付近のみと
なる。即ち、クラッド層２，４のＡｌ組成は、活性層３
とのバンドギャップ差を持たせるために活性層３のそれ
よりも十分大きくする必要がある。ｐクラッド層４にお
いては、Ａｌ組成が大きいと、キャリア濃度を高くする
ことはできず抵抗が大きくなる。このため、ｐクラッド
層４における電流の広がりは小さく、電極直下付近のみ
が発光領域となる。この場合、光を上から取り出す構成
においては、電極７が発光領域からの光を遮ることにな
り、光取り出し効率の低下を招く。

【００１１】また、ＩｎＧａＡｌＰ系材料を用いた半導
体発光素子においては、より短波長の発光を得るために
活性層のＡｌ組成を大きくすると、活性層の非発光セン
ターが増加して非発光再結合が増えるために、発光効率
が低下するという問題があった。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】このように、従来のＩ
ｎＧａＡｌＰ系によるＬＥＤでは、特に黄色，緑色での
高効率の発光を得ることは困難であった。また、発光部
における電極下の電流集中が生じ、光取り出し効率の低
下や、活性層中の非発光再結合の増加のために、高輝度
化を実現することは困難であった。

【００１３】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、黄色，緑色等の短波長
領域でも高効率の発光が可能な半導体発光ダイオードを
提供することにある。

【００１４】また、本発明の他の目的は、発光部におけ
る電流分布を改善することができ、光取り出し効率及び
輝度の向上をはかり得る半導体発光ダイオードを提供す
ることにある。

【００１５】

【課題を解決するための手段】本発明の骨子は、ＩｎＧ
ａＡｌＰからなる活性層を有し、半導体基板と反対側の
発光面上の一部に形成された電極以外の面上から光を取
り出す半導体発光ダイオードにおいて、活性層のキャリ
ア濃度及び膜厚を最適化することにより、発光効率の向
上をはかることにある。

【００１６】即ち本発明は、ＩｎＧａＡｌＰ材料からな
る活性層をＩｎＧａＡｌＰ材料からなるクラッド層で挟
んだダブルヘテロ構造部と、このダブルヘテロ構造部上
の一部に形成された第１の電極と、前記ダブルヘテロ構
造部の第１の電極と反対側面に形成された第２の電極と
を具備し、少なくとも第１の電極側から光を取り出す半
導体発光ダイオードであって、前記活性層はキャリア濃
度１×１０ ¹⁷ ｃｍ ^-3 以下のｐ型であり、前記活性層の厚
さを０．１５〜０．７５μｍの範囲に設定し、前記ダブ
ルヘテロ構造部を構成するクラッド層のうち、ｐ型クラ
ッド層のキャリア濃度を５×１０ ¹⁷ ｃｍ ^-3 〜２×１０ ¹⁸
ｃｍ ^-3 の範囲に設定してなることを特徴とするものであ
る。

【００１７】より望ましくは本発明は、半導体基板とし
てＧａＡｓを用い、この基板の面方位を（１００）から
［０１１］方向に１０〜２０度傾斜させる。半導体基板
とダブルヘテロ構造部との間に、基板側から反射層及び
透明バッファ層を形成し、且つ透明バッファ層の膜厚を
２０〜１００μｍの範囲に設定する。ダブルヘテロ構造
部を構成するクラッド層のうち、ｎ型クラッド層のキャ
リア濃度を１×１０¹⁶ｃｍ^-3〜６×１０¹⁷ｃｍ^-3の範囲
に設定する。この所望のキャリア濃度を得るために、積
極的にｐ型不純物とｎ型不純物のいずれか一方或いは双
方を活性層にドーピングする。また、活性層を、量子井
戸構造とする。さらに、ダブルヘテロ構造部と第１の電
極との間にＧａＡｌＡｓからなる電流拡散層を設け、こ
の電流拡散層の膜厚を５〜３０μｍの範囲に設定し、且
つキャリア濃度を５×１０¹⁷ｃｍ^-3〜５×１０¹⁸ｃｍ^-3
の範囲に設定するようにしたものである。

【００１８】

【００１９】

【作用】本発明によれば、ＩｎＧａＡｌＰからなる活性
層を、低濃度のｐ型（キャリア濃度１×１０¹⁷ｃｍ^-3以
下のｐ型）、又はより低濃度のｎ型（キャリア濃度５×
１０¹⁶ｃｍ^-3以下のｎ型）とすることによって、前述し
た非発光再結合の影響を低減することが可能となる。ま
た、活性層の厚さを最適化（０．１５〜０．７５μｍ）
することにより、高効率の発光が得られることになる。
また、基板の面方位の傾斜，各層のキャリア濃度及び膜
厚等を最適化することにより、発光効率をより向上させ
ることが可能となる。

【００２０】

【実施例】以下、本発明の詳細を図示の実施例によって
説明する。

【００２１】図１は本発明の第１の実施例に係わる半導
体発光ダイオードの概略構造を示す断面図である。図中
１１はｎ−ＧａＡｓ基板であり、この基板１１上にはｎ
−ＩｎＧａＡｌＰクラッド層１２，ｐ−ＩｎＧａＡｌＰ
活性層１３及びｐ−ＩｎＧａＡｌＰクラッド層１４から
なるダブルヘテロ構造部が成長形成されている。ダブル
ヘテロ構造部上にはｐ−ＧａＡｌＡｓ電流拡散層１５が
成長形成され、この電流拡散層１５上の一部にＧａＡｓ
コンタクト層１６が成長形成されている。そして、コン
タクト層１６上にＡｕＺｎからなるｐ側電極１７が形成
され、基板１１の下面にＡｕＧｅからなるｎ側電極１８
が形成されている。

【００２２】ｐ−ＩｎＧａＡｌＰ活性層１３のエネルギ
ーギャップは、クラッド層１２，１４のそれより小さく
なるように混晶組成が設定されており、光及びキャリア
を活性層１３に閉じ込めるダブルヘテロ構造をなしてい
る。ｐ−ＧａＡｌＡｓ電流拡散層１５の組成は、活性層
１３からの発光波長に対し略透明になるように設定され
ている。なお、本実施例では基板側をｎ型の導電型とし
たが、導電型を逆にした構造でも同様に考えることがで
きる。

【００２３】図１に示した構造において、各層の厚さ，
キャリア濃度は以下のように設定されている。即ち、ｎ−ＧａＡｓ基板１１（２５０μｍ，３×１０¹⁸ｃ
ｍ^-3）、ｎ−ＩｎＧａＡｌＰクラッド層１２（１μｍ，５×１０
¹⁷ｃｍ^-3）、ｐ−ＩｎＧａＡｌＰ活性層１３（０．５μｍ，５×１０
¹⁶ｃｍ^-3）、ｐ−ＩｎＧａＡｌＰクラッド層１４（１μｍ，７×１０
¹⁷ｃｍ^-3）、ｐ−ＧａＡｌＡｓ電流拡散層１５（７μｍ，３×１０¹⁸
ｃｍ^-3）、ｐ−ＧａＡｓコンタクト層１６（０．１μｍ，３×１０
¹⁸ｃｍ^-3）、である。

【００２４】また、ｐ側電極１７は直径２００μｍの円
形とした。活性層１３及びクラッド層１２，１４の組成
を、Ｉｎ0.5 （Ｇａ_1-XＡｌ_X）_0.5Ｐの表記でそれぞ
れ０．４，０．７とした場合、発光波長は５６５ｎｍ
（緑）、発光効率はＤＣ２０ｍＡで０．７％程度と従来
の１０倍の効率が得られた。

【００２５】図２は、活性層１３の膜厚を０．５μｍと
したときの発光効率の活性層キャリア濃度依存性を示し
ている。ｐ型はＺｎドープで、５×１０¹⁶ｃｍ^-3以下の
ｎ型はアンドープで、それ以上のｎ型はＳｉドープによ
り作成した。このとき、ｎ型ではその濃度が高くなるに
つれて発光効率は低下した。これは、深いレベルの発生
により、非発光再結合が増加すること、小数キャリアで
ある正孔の拡散長が低下することによると考えられた。

【００２６】一方、ｐ型では１×１０¹⁷ｃｍ^-3より濃度
を増すと、発光効率が顕著に低下した。これは、Ｚｎの
多量のドーピングにより、非発光再結合を引き起こすセ
ンターが形成されたためと考えられる。また、図２に示
す特性曲線は、活性層１３の膜厚を変えても上下方向に
シフトするだけで、発光効率の高くなる範囲は殆ど変わ
らなかった。従って、活性層１３としては、キャリア濃
度１×１０¹⁷ｃｍ^-3以下のｐ型又はキャリア濃度５×１
０¹⁶ｃｍ^-3以下のｎ型が望ましい。

【００２７】図３は活性層１３のキャリア濃度を５×１
０¹⁶ｃｍ^-3（ｐ型）としたときの、発光効率の活性層厚
さ依存性を示している。活性層１３の厚さは、ｐクラッ
ド層１４のキャリア濃度にも依存するが、０．１５〜
０．７５μｍの範囲で高い発光効率が得られた。

【００２８】なお、図３には示さないが、キャリア濃度
が５×１０16ｃｍ-3以上のｎ型の活性層は、Ｚｎドープ
のｐ型の活性層よりも同じ膜厚では発光効率が低くな
り、且つ発光効率のピーク値が薄膜側に存在した。薄膜
での効率の低下は、活性層の注入キャリア密度が注入電
流密度／活性層厚により決まることから、高注入密度に
よるクラッド層へのオーバーフローが顕著に発生するこ
とによると考えられる。活性層１３をｐ型としたもので
は、多数キャリアが正孔であり、電子の注入により発光
が起こるため、オーバーフローによる影響がアンドープ
の場合に比べ生じ難いと考えられる。一方、厚膜では活
性層内での注入キャリアの拡散長より大きくなると、ダ
ブルヘテロ構造による効果が低下し、層内での吸収や低
キャリア密度での相対的な非発光再結合の増加による発
光効率の低下が発生すると考えられる。

【００２９】上記実施例では、活性層１３のＡｌ組成ｘ
を０．４としたものについて述べたが、これ以外のＡｌ
組成としたものについても、同様の効果があった。ここ
で、キャリア濃度の如何に拘らずＡｌ組成ｘを変えると
発光波長も変わるが、図４に示すように、Ａｌ組成ｘを
大きくして発光波長を短くするほど、発光効率は低下す
ることになる。この場合も、キャリア濃度１×１０¹⁷ｃ
ｍ^-3以下のｐ型又はキャリア濃度５×１０¹⁶ｃｍ^-3以下
のｎ型であれば、高い発光効率が得られる。図５は、本
発明の第２の実施例に係わる半導体発光ダイオードの概
略構造を示す断面図である。

【００３０】図５に示した構造において、３１は第１導
電型半導体基板であり、この基板３１上には第１導電型
のバッファ層３２，反射層３３及び透明バッファ層３４
が成長形成されている。透明バッファ層３４上には、下
部クラッド層（第１導電型クラッド層）３５，活性層３
６及び上部クラッド層（第２導電型クラッド層）３７か
らなるダブルヘテロ構造部が形成されている。

【００３１】ダブルヘテロ構造部上には、第２導電型の
電流拡散層３８が成長形成され、電流拡散層３８上の一
部には第２導電型のコンタクト層３９が形成されてい
る。また、ダブルヘテロ構造部と電流拡散層３８との界
面には、コンタクト層３９に対応する位置に第１導電型
の電流阻止層４０が形成されている。そして、コンタク
ト層３９上に上部電極４１が形成され、基板３１の下面
に下部電極４２が形成されている。

【００３２】次に、上記素子における基板，各層のキャ
リア濃度及び膜厚、その他の条件について説明する。な
お、この条件は、先に説明した第１の実施例においても
同様に適用できるものである。

【００３３】第１導電型半導体基板３１はｎ−ＧａＡｓ
からなり、そのキャリア濃度は２×１０¹⁸ｃｍ^-3〜４×
１０¹⁸ｃｍ^-3である。これは、低濃度では欠陥密度の低
い物が得られないこと、高濃度では基板３１上に形成す
るＩｎＧａＡｌＰからなる層を良好に形成できないこと
による。また、その厚さは５０〜４５０μｍである。こ
れは、薄膜ではウェハでの取扱いが難しいこと、基板と
その上に形成する層のわずかな格子定数の違いで反りを
生ずること等が問題となり、厚膜ではペレット状にする
ことが困難になることによる。

【００３４】ｎ−ＧａＡｓ基板３１の面方位は（１０
０）又は（１００）から２５度の範囲で傾斜している。
これは、傾斜の方向，角度により同じ波長を得るための
活性層３６の組成が異なること、また欠陥密度が異なる
ことなどにより、結晶性が変化し、発光効率に影響を与
えるためである。図６は、基板表面の傾斜角度と５９０
ｎｍの発光を得るためのＡｌ組成ｘとの関係を示す特性
図であり、この図から傾斜角度が［０１１］方向に７度
以上となると、Ａｌ組成ｘを０．３と小さくできること
が判る。

【００３５】図７は、［０１１］方向に傾斜した角度と
フォトルミネッセンスの半値幅との関係を示す特性図で
ある。この図から、傾斜角度が１０度〜２０度で最も小
さい半値幅が得られる。従って、基板３１の望ましい面
方位としては、（１００）から［０１１］方向へ、７度
〜２５度傾斜させた場合であり、特に望ましい面方位と
しては、（１００）から［０１１］方向へ、１０度〜２
０度傾斜させた場合であった。

【００３６】バッファ層３２は、基板表面の汚染などに
よる欠陥の発生、発光層への伝達を防止するためのもの
であり、例えばｎ−ＧａＡｓを用いる。そのキャリア濃
度は４×１０¹⁷ｃｍ^-3で、厚さは０．６μｍである。こ
の場合、上記の目的を満たす材料であればｎ−ＧａＡｓ
でなくともかまわず、例えば、ｎ−ＩｎＧａＰ，ｎ−Ｇ
ａＡｌＡｓ，ｎ−ＩｎＧａＡｌＰ，或いはｎ−ＧａＡｓ
を含めた、これらの材料による超格子構造（原子層オー
ダーから１００原子層オーダー周期でトータル厚さ１０
０ｎｍ程度）などでもよい。また、発光層への悪影響が
なければ、特にバッファ層３２を設けなくてもよい。

【００３７】反射層３３は、発光波長に対し光吸収体と
なる基板３１やバッファ層３２に光が達しないように、
発光を基板３１と反対方向へ反射することを目的とした
ものである。これには、発光波長λに対して屈折率ηの
異なる２種類の半導体層を、λ／（４ｎ）の厚さで積層
することが望ましい。

【００３８】例えば、５９０ｎｍの発光波長に対し、ｎ
−ＧａＡｓ（η＝３．９４；厚さが３７．５ｎｍ）、ｎ
−Ｇａ_0.3Ａｌ_0.7Ａｓ（η＝３．４２５；厚さ４３ｎ
ｍ）を交互に２０層以上積層することで、基板側へ向か
う光の約３０％を、基板等の吸収体に到達する前に反射
することができ、高い発光効率が得られる。このときの
ドーピング量は、通電の際に大きな電圧降下による動作
電圧上昇が起きないように設定されていればよく、ここ
では４×１０¹⁷ｃｍ^-3とした。この際、反射層３３中の
ｎ−ＧａＡｓは発光波長に対して吸収体であるが屈折率
の効果による反射の効果は十分ある。

【００３９】この他にも、ｎ−ＩｎＧａＡｌＰ，ｎ−Ｉ
ｎＡｌＰ，ｎ−ＩｎＧａＰ，ｎ−ＩｎＧａＡｓＰ，ｎ−
ＧａＡｌＡｓ，ｎ−ＧａＡｓ等の材料、及びその組成の
違いの組み合わせにより、同様に反射層を構成すること
によって、高い発光効率が得られる。なお、基板側での
光吸収が発光効率に対し、大きなデメリットとならない
場合は、反射層３３を設けなくてもよい。

【００４０】透明バッファ層３４は、発光波長に対し吸
収係数の十分小さい透明な材料からなり、側面からの発
光を有効に取り出すことに寄与する。これは、図８に示
すように、透明バッファ層３４が十分厚い場合、基板側
へ向かう発光や、基板と反対側へ発せられペレット表面
での全反射によって再び基板方向へ進む光に対し、これ
らの光が基板等の光吸収体に到達するまえに、ペレット
の側面から放出できる割合が高くなることによる。

【００４１】例えば、ペレットの大きさを３００μｍ
角、発光波長を５９０ｎｍとする時、ｎ−Ｇａ_0.3Ａｌ
_0.7Ａｓ透明バッファ層３４を厚さ３０μｍ設けること
によって、側面から取り出せる光の増加により、３０％
程度高い発光効率が得られる。これは、透明バッファ層
３４の厚さと同程度の距離の範囲で、ペレット側面近傍
での発光が有効に取り出せていることによると考えられ
る。

【００４２】透明バッファ層３４のドーピング量は、通
電の際に大きな電圧降下による動作電圧上昇が起きない
ように設定されていればよく、ここでは４×１０¹⁷ｃｍ
^-3とした。また、透明バッファ層３４の厚さは、ペレッ
トのサイズに対し、発光が有効に取り出せるペレット側
面近傍の領域が有意に大きいことが必要であり、ペレッ
トサイズの５％程度以上であることが目安となる。

【００４３】例えば３００μｍ角のチップでは、図９に
示すように、透明バッファ層３４の厚さを１５μｍ程度
以上とすれば、十分な発光効率の向上が認められた。こ
のとき、透明バッファ層３４の厚さが厚いほど、高い発
光効率が得られるが、１００μｍ以上ではウエハの反り
により発生する欠陥，面内分布等により発光効率は低下
する。

【００４４】透明バッファ層３４と反射層３３を組み合
わせることによって、図１０に示すように、反射層３３
とペレット表面での全反射をジグザク状に繰り返し、側
面に放出される光を有効に取り出せる様になるのは言う
までもない。また、このような効果は透明バッファ層３
４を２種類以上の屈折率の異なる材料，組成による層構
造とすることによっても得られる。この場合、屈折率の
低い層を基板側とすることが重要である。

【００４５】ここでは、透明バッファ層３４としてｎ−
ＧａＡｌＡｓを用いたが、この他にも、ｎ−ＩｎＧａＡ
ｌＰ，ｎ−ＩｎＡｌＰ等の発光波長に対し透明な材料で
も同様な効果があることは言うまでもない。また、反射
層３３は透明バッファ層３４中にあってもかまわない。
なお、基板側での光吸収が発光効率に対し、大きなデメ
リットとならない場合は、透明バッファ層３４を設けな
くてもよい。

【００４６】下部クラッド層３５は、活性層３６に注入
されたキャリアを活性層３６内に閉じ込めることにより
高い発光効率を得るためのものである。即ち、活性層３
６の導電型がｎ型でキャリア濃度が注入キャリア密度よ
り小さい場合（少数キャリアが正孔の場合）、活性層３
６の導電型がｐ型でキャリア濃度が注入キャリア密度よ
り小さい場合（少数キャリアが電子の場合）、或いは注
入キャリア密度が活性層３６のキャリア濃度に比べ高い
場合（いわゆるダブルインジェクション状態の場合）、
いずれの場合においても活性層３６に注入されたキャリ
アを、下部クラッド層３５へ拡散するのを抑える効果が
ある。この場合、下部クラッド層３５は活性層３６より
もエネルギーギャップが大きいことが必要となる。

【００４７】ここでは、下部クラッド層３５として、ｎ
−Ｉｎ_1-Y（Ｇａ_1-XＡｌ_X）_YＰの組成表記（ｘ，
ｙ）において、ｘ＝０．７，ｙ＝０．５とした。これ
は、活性層３６の発光波長を５５５ｎｍまでに短波長化
した場合でも、十分なキャリア閉じ込め効果が得られる
エネルギーギャップが得られるからである。また、Ｇａ
Ａｓ基板３１に格子定数が一致するため良好な結晶が得
られるからである。このようなクラッド層の組成範囲
は、上記の組成表記において０．６≦ｘ≦１であった。
これは、ｎ−ＩｎＧａＡｌＰがほぼ間接遷移型のエネル
ギーギャップを有する範囲である。この領域でのエネル
ギーギャップは、組成ｘと共に増加するため、ｘの大き
な組成でのキャリア閉じ込め効果は大きい。

【００４８】また、ＩｎＧａＡｌＰ系材料では、原子配
列の秩序構造の形成が起こり易く、これによって、同じ
組成であってもエネルギーギャップが変化する。全く秩
序構造のないランダムな状態でのエネルギーギャップ
が、同じ組成での最大のエネルギーギャップを与える。
秩序構造のない場合がキャリア閉じ込めのためには有利
である。このような無秩序構造は、基板３１において前
述の傾斜した方位を用いることで容易に形成することが
できた。

【００４９】一方、下部クラッド層３５のキャリア濃度
は１×１０¹⁷ｃｍ^-3とした。図１１に、ｎクラッド層３
５のキャリア濃度と発光効率との関係を示す。この図に
示すように、発光効率の観点から、望ましいキャリア濃
度の範囲は１×１０¹⁶ｃｍ^-3から７×１０¹⁷ｃｍ^-3であ
った。これは、上部クラッド層３７，電流拡散層３８等
との抵抗率との関係から、電極４１によって光取り出し
ができない電極直下以外へ電流を広げる上で、その抵抗
率を高く、ひいてはキャリア濃度を低く設定することが
望ましいこと。さらに、ＩｎＧａＡｌＰ中にＳｉ，Ｓｅ
等のドーパントが、その濃度に従って深いレベルを形成
し、活性層３６に注入されたキャリアが活性層近傍のｎ
−ＩｎＧａＡｌＰ下部クラッド層３５にあるこれらのレ
ベルを介して非発光再結合すること等がその理由と考え
られた。

【００５０】望ましいキャリア濃度の下限は、通電の際
に大きな電圧降下による動作電圧上昇が起きないために
必要な最低の濃度であり、その上限は非発光再結合が増
加することから決まったものである。また、特に望まし
いキャリア濃度の範囲は１×１０¹⁶ｃｍ^-3から２×１０
¹⁷ｃｍ^-3であった。この場合の上限は、低抵抗化により
電流広がり効果が小さくなることによると考えられた。

【００５１】下部クラッド層３５とバッファ層３２又は
反射層３３を直接接合させる場合には、ｎ−ＩｎＧａＡ
ｌＰとｎ−ＧａＡｓなどとのヘテロ接合が形成される。
このとき、エネルギーギャップの小さいＧａＡｓ側から
電子を注入する場合、ヘテロ接合による障壁を乗り越え
るための過剰な電圧降下を必要とした。このため、電流
はこの界面をペレット全体に均一に流れることで電流密
度を減らし、電圧降下を防ぐように流れ、結果的に大き
な電流広がりを得ることができた。これは、ｎ−ＩｎＧ
ａＡｌＰのキャリア濃度に大きく依存し、１×１０¹⁷ｃ
ｍ^-3以下で顕著であった。

【００５２】下部クラッド層３５の厚さは１μｍとし
た。これは、活性層３６に注入されたキャリアを、下部
クラッド層３５へ拡散するのを抑える効果を持たせるた
めに、０．５μｍ程度以上必要なこと、電流広がりの効
果を与えるのに必要に厚さが２μｍ以下程度であること
により決まったものである。また、下部クラッド層３５
は透明バッファ層３４と同じ材料，組成であってもかま
わない。即ち、ｎ−ＧａＡｌＡｓなどでもかまわない。
また、シングルヘテロ構造やホモ接合構造などで、活性
層に注入されたキャリアを、基板側へ拡散するのを抑え
なくても発光効率に対し大きなデメリットとならない場
合は、下部クラッド層３５を設けなくてもよい。

【００５３】活性層３６はＩｎ_1-Y（Ｇａ_1-XＡｌ_X）
_YＰからなり、その組成ｘ，ｙ及び上記秩序構造の状態
によってエネルギーギャップが決まり、注入されたキャ
リアが発光再結合する時、エネルギーギャップに対応し
た波長で発光する。前記図４に示すように、Ａｌ組成ｘ
を増すと共に発光波長は短波長化し、それに伴って発光
効率の低下がみられた。これは、Ａｌ組成の増加と共
に、直接遷移型のエネルギーギャップと間接遷移型のエ
ネルギーギャップの差が小さくなること、特にｎ型にお
いて深いレベルの発生が顕著になること、良好な結晶を
得難くなること等によると考えられる。

【００５４】これらを回避する方法として、いくつかの
方法が考えられる。同じ波長を得るのに、なるべくＡｌ
組成の低い組成で実現する方法として、活性層３６を無
秩序構造とする方法がある。このような無秩序構造は、
基板３１において前述の傾斜した方位を用いることで容
易に形成することができた。また、多重量子井戸構造
（ＭＱＷ）を採用することによって、エネルギーレベル
の量子化により、Ａｌ組成の小さい層を発光層となる井
戸層に用いても、短波長化が可能であった。

【００５５】例えば、組成（ｘ，ｙ）＝（０．３，０．
５）を井戸層、（０．７，０．５）を障壁層とし、それ
ぞれの厚さを２．５〜５ｎｍとし、１０周期から１００
周期程度設けたものを活性層とすることにより、図１２
に示すように、（０．４，０．５）〜（０．５，０．
５）の組成のバルクからなる活性層と同等の波長（５７
５〜５５５ｎｍ）が得られた。

【００５６】また、ＧａＡｓとの格子整合の枠を外すこ
と、即ち、活性層ＩｎＧａＡｌＰの格子定数をＧａＡｓ
より小さくすることで、Ａｌの組成を減らすことができ
る。また、逆に活性層ＩｎＧａＡｌＰの格子定数をＧａ
Ａｓより大きくすることで、直接遷移型のエネルギーギ
ャップと間接遷移型のエネルギーギャップの差を大きく
することができる。いずれも、効果が顕著になるのは
０．５％程度の格子不整合度以上であり、上限は転移の
発生による非発光再結合の増加による。このような転移
の発生は厚さに依存しており、０．３μｍ程度では１％
程度に限界が現れた。

【００５７】これを回避する方法として、上記ＭＱＷ構
造からなる活性層の井戸層として格子定数をずらした層
を用いる方法が有効であった。井戸層の厚さは非常に薄
いため、図１３に示すように転移発生の限界を与える格
子不整合度は３％程度以上であり、非常に広い組成範囲
を使うことができた。なお、活性層３６の導電型は先の
実施例と同様に、５×１０¹⁶ｃｍ^-3以下のｎ型、或いは
１×１０¹⁷ｃｍ^-3以下のｐ型（図２を参照）とすること
で高い発光効率が得られた。また、活性層３６の厚さも
先の実施例と同様に、ペレットサイズ３００μｍ角のも
ので、０．１５μｍから０．７５μｍ（図３を参照）で
高い発光効率が得られた。

【００５８】上部クラッド層３７は、下部クラッド層３
５と同様、活性層３６に注入されたキャリアを活性層３
６内に閉じこめることにより高い発光効率を得るための
ものである。即ち、少数キャリアが正孔の場合、少数キ
ャリアが電子の場合、或いはダブルインジェクション状
態の場合、いずれの場合においても活性層３６に注入さ
れたキャリアを、上部クラッド層３７へ拡散するのを抑
える効果がある。この場合、上部クラッド層３７は活性
層３６よりもエネルギーギャップが大きいことが必要と
なる。

【００５９】ここでは、ｐ−Ｉｎ_1-Y（Ｇａ_1-XＡ
ｌ_X）_YＰの組成表記（ｘ，ｙ）において、ｘ＝０．
７，ｙ＝０．５とした。これは、活性層３６の発光波長
を５５５ｎｍまでに短波長化した場合でも、十分なキャ
リア閉じ込め効果が得られるエネルギーギャップが得ら
れるからである。また、ＧａＡｓ基板格子定数が一致す
るため良好な結晶が得られるからである。このような、
ｐクラッド層３７の組成範囲は、図１４に示すように、
上記の組成表記において０．６≦ｘ≦１であった。これ
は、ｐ−ＩｎＧａＡｌＰがほぼ間接遷移型のエネルギー
ギャップを有する範囲である。この領域でのエネルギー
ギャップは、組成ｘと共に増加するため、ｘの大きな組
成でのキャリア閉じ込め効果は大きい。

【００６０】また、ＩｎＧａＡｌＰ系材料では、原子配
列の秩序構造の形成が起こり易く、これによって、同じ
組成であってもエネルギーギャップが変化する。全く秩
序構造のないランダムな状態でのエネルギーギャップ
が、同じ組成での最大のエネルギーギャップを与える。
秩序構造のない場合が、キャリア閉じ込めのためには有
利である。このような無秩序構造は、基板３１において
前述の傾斜した方位を用いること、さらに十分高いドー
ピングを行うことで、容易に形成することができた。

【００６１】一方、上部クラッド層３７のキャリア濃度
は７×１０¹⁷ｃｍ^-3とした。図１５にｐクラッド層３７
のキャリア濃度と発光効率との関係を示す。この図に示
すように、発光効率の観点から、望ましいキャリアの濃
度の範囲は５×１０¹⁷ｃｍ^-3から２×１０¹⁸ｃｍ^-3であ
った。これは、下部クラッド層３５，電流拡散層３８等
との抵抗率との関係から、電極４１によって光取り出し
ができない電極直下以外へ電流を広げる上で、その抵抗
率を低く、ひいてはキャリア濃度を高く設定することが
望ましいこと、５×１０¹⁷ｃｍ^-3以上の高いドーピング
をすることで、無秩序構造が容易に形成でき、エネルギ
ーギャップを大きくすることができるため、キャリア閉
じ込めが有効に行えるためである。

【００６２】上部クラッド層３７の厚さは１μｍとし
た。これは、活性層３６に注入されたキャリアを、上部
クラッド層３７へ拡散するのを抑える効果を持たせるた
めに、０．５μｍ程度以上必要なこと、電流広がりの効
果を与えるのに必要な厚さが２μｍ以下程度であること
により決まったものである。また、上部クラッド層３７
は電流拡散層３８などと同じ材料、組成であってもかま
わない。即ち、ｐ−ＧａＡｌＡｓなどでもかまわない。
また、シングルヘテロ構造やホモ接合構造などで、活性
層に注入されたキャリアを、基板側と反対側へ拡散する
のを抑えなくても、発光効率に対し大きなデメリットと
ならない場合は、上部クラッド層を設けなくてもよい。

【００６３】電流拡散層３８は、電極４１によって光取
り出しができない電極直下以外へ電流を広げるためのも
のである。電流拡散層３８は発光波長に対し、吸収係数
の十分小さい透明な材料からなる。例えばペレットの大
きさを３００μｍ角、電極を直径１５０μｍ程度の円形
とし、発光波長を５９０ｎｍとするとき、キャリア濃度
３×１０¹⁸ｃｍ^-3のｐ−Ｇａ_0.3Ａｌ_0.7Ａｓを厚さ１
５μｍ設けることによって、電流の広がりはチップ全体
に渡り、これを設けない場合の約３０倍程度高い発光効
率が得られた。

【００６４】電流拡散層３８の厚さは、電流の広がりを
大きくできるほど望ましい。有効な電流広がり効果が得
られるのは、図１６に示すように、５μｍ以上の厚さで
あった。一方、３０μｍ以上の厚さになると、電流広が
りの効果が飽和すると共に、長時間の成長による活性層
３６への上部クラッド層３７などからの不純物拡散など
による発光効率の低下などが起こることにより、むしろ
素子としての発光効率は低下した。

【００６５】電流拡散層３８のキャリア濃度は、図１７
に示すように、電流広りを十分に得るために５×１０¹⁷
ｃｍ^-3以上であることが望ましい。一方、５×１０¹⁸ｃ
ｍ^-3以上にドーピングすると、電流広がりは十分である
ものの、発光波長に対する吸収が大きくなり、結局素子
としての発光効率は低下した。

【００６６】電流拡散層３８のＡｌ組成ｘは、発光波長
に対し吸収係数が１００ｃｍ^-1程度以下で、なるべく低
い方が望ましい。このとき、図１８に示すように、ｐ−
Ｇａ_1-XＡｌ_XＡｓの組成ｘは大きいほど、ある波長で
の吸収係数は小さくなる。ＩｎＧａＡｌＰによる発光波
長の領域に対しては、ｘは０．６以上であることが望ま
しい。一方、ｘの大きなＧａＡｌＡｓでは結晶性のよい
ものが得にくく、吸収係数はむしろ増加した。このた
め、ｘは０．８以下であることが望ましかった。

【００６７】電流拡散層３８と上部クラッド層３７の接
合では、ｐ−ＩｎＧａＡｌＰとｐ−ＧａＡｌＡｓなどと
のヘテロ接合が形成される、このとき、エネルギーギャ
ップの小さいｐ−ＧａＡｌＡｓ側から正孔を注入する場
合、ヘテロ接合による障壁を乗り越えるための過剰な電
圧降下を必要とした。このため、電流はこの界面をペレ
ット全体に均一に流れることで電流密度を減らし、電圧
降下を防ぐように流れ結果的に大きな電流広がりを得る
ことができた。これは、ｐ−ＩｎＧａＡｌＰのキャリア
濃度に大きく依存し、１×１０¹⁸ｃｍ^-3以下で顕著であ
った。

【００６８】ここでは、電流拡散層３８としてｐ−Ｇａ
ＡｌＡｓを用いたが、この他にも、ｐ−ＩｎＧａＡｌ
Ｐ，ｐ−ＩｎＡｌＰなどの発光波長に対し透明な材料で
も同様な効果があることは言うまでもない。また、電流
拡散層３８を設けないことで、発光効率に対し、大きな
デメリットとならない場合は、電流拡散層３８を設けな
くてもよい。

【００６９】コンタクト層３９は、電極４１に対するオ
ーミック接触を容易にとるための層であり、例えばｐ−
ＧａＡｓを用いた。具体的には、図１９に示すように電
流拡散層３８上にｐ−ＧａＡｓ層３９を成長形成した
後、上部電極４１を形成し、レジスト４４をマスクに電
極４１及びｐ−ＧａＡｓ層３９を選択エッチングし、最
終的にレジスト４４を除去することにより形成した。

【００７０】コンタクト層３９の濃度は、容易にコンタ
クト抵抗を十分低くするために１×１０¹⁸ｃｍ^-3以上で
あることが望ましい。またその厚さは、５０ｎｍ以上で
あることが再現のよいコンタクトをとるために重要であ
った。コンタクト層３９は必ずしも発光波長に対し透明
である必要はない。これは、電極以外の部分を選択的に
除去することで、吸収の効果を回避することができるか
らである。この場合、電極形成時のアロイ化などで生ず
るダメージ部分を同時に除去できるというメリットもあ
る。

【００７１】なお、この場合に、コンタクト層３９が厚
いと、除去プロセスにおいて、電極４１の端部のコンタ
クト層が無くなり、電極４１がはがれ易くなるなどのこ
とが起こるため、コンタクト層３９の厚さは１５０ｎｍ
程度以下であることが望ましい。また、コンタクト層３
９は十分に薄ければ、吸収を小さくすることができるの
で、必ずしも電極以外の部分で除去する必要はない。

【００７２】ここでは、コンタクト層３９としてｐ−Ｇ
ａＡｓを用いたが、この他にも、ｐ−ＩｎＧａＰ，ｐ−
ＩｎＧａＡｌＰ，ｐ−ＧａＡｌＡｓなどを用いてもよ
い。また、コンタクト層３９を特に設けないで、電流拡
散層などに直接電極を形成してもかまわない。

【００７３】上部電極４１はＡｕＺｎ／Ａｕからなり、
ペレットに電流注入を行うと共に、ワイヤボンディング
のためのパッドとなる。電極４１はペレット全体に電流
を広げるのに有効である、発光を遮断しないようにする
ことが重要である。

【００７４】電流阻止層は４０は、電極４１によって光
取り出しができない電極直下以外へ電流を広げるための
ものである。即ち、電極４１の直下の一部又は全部に電
流注入を妨げる働きをする層を挿入することで、電極直
下への無効な電流注入を回避するものである。電流阻止
層４０は、電極４１と活性層３６の間にあればよい。例
えば、前記図５に示すように上部クラッド層３７と電流
拡散層３８との間、また図２０（ａ）に示すように電流
拡散層３８の内部、電流拡散層３８とコンタクト３９と
の間、さらに図２０（ｂ）に示すようにコンタクト層３
９と電極４１との間いずれでもかまわない。このとき、
電流阻止層４０の直下へ回り込む電流を低減するために
は、なるべく活性層３６に近い位置にあることが望まし
い。

【００７５】電流阻止層４０としては、上部クラッド層
３７と反対の導電型を持つ半導体、例えばｎ−ＧａＡ
ｓ，ｎ−ＧａＡｌＡｓ，ｎ−ＩｎＧａＰ，ｎ−ＩｎＡｌ
Ｐ，ｎ−ＩｎＧａＡｌＰなど、或いは高抵抗の半導体、
例えばＧａＡｓ，ＩｎＧａＰ，ＧａＡｌＡｓ，ＩｎＧａ
ＡｌＰ，ＩｎＡｌＰなどを用いることができる。また、
上部クラッド層３７と同じ導電型を持ち、それと接する
層との間にヘテロ接合による障壁を乗り越えるための過
剰な電圧降下を必要とする構造をもつ半導体層、例えば
ｐ−ＧａＡｓ／ｐ−ＩｎＧａＡｌＰ，ｐ−ＧａＡｓ／ｐ
−ＩｎＡｌＰ，ｐ−ＧａＡｌＡｓ／ｐ−ＩｎＧａＡｌ
Ｐ，ｐ−ＧａＡｌＡｓ／ｐ−ＩｎＡｌＰなど或いは絶縁
物、例えばＳｉＯ₂，Ａｌ₂Ｏ₃，Ｓｉ₃Ｎ₄などであ
れば使用することが可能である。

【００７６】電流阻止層４０を発光波長に対して透明な
材料とすることで、発光をより有効に取り出すことがで
きる。即ち、電極４１の直下を含む領域に発光波長に対
し透明な電流阻止層４０を設けることによって電極直下
への無効電流を減らし、また電流阻止層４０の直下へ回
り込んだ電流による発光を吸収の影響を受けること無く
外部に取り出すことができる。

【００７７】本実施例では例えばペレットの大きさを３
００μｍ角、電極を直径１５０μｍの円形、発光波長を
５９０ｎｍとするときｎ−Ｉｎ_1-Y（Ｇａ_1-XＡｌ_X）
_YＰの組成表記（ｘ，ｙ）において、ｘ＝０．７，ｙ＝
０．５を電流阻止層４０として、上部クラッド層３７と
電流拡散層３８の間に挿入した。電流阻止層４０の濃度
は１×１０¹⁸ｃｍ^-3、厚さは１５０ｎｍとした。また、
その形状は電極４１を含む１８０μｍの直径とした。こ
のとき、電極４１の直下へは電流は殆ど注入されず、こ
こでの発光が電極４１に隠されても、発光効率には影響
しなかった。また、電流阻止層４０の直下へ回り込んだ
電流による発光は、透明な電流阻止層４０を通して外部
に取り出されるため、無効電流にはならなかった。な
お、電流阻止層４０は、これを挿入しないことが発光効
率に対し、大きなデメリットにならない場合は、特に設
けなくてもよい。

【００７８】上記のように構造を設定し、ペレットの大
きさを３００μｍ角、電極を直径１５０μｍの円形とし
た素子ペレットを、広がり半値幅が８度程度になるよう
に樹脂でモールドし、素子化することによって、Ｉｎ
_1-Y（Ｇａ_1-XＡｌ_X）_YＰ活性層３５の組成をｘ＝
０．２，ｙ＝０．５とすることにより、発光波長６１０
ｎｍのオレンジ色の発光（光度１０カンデラ）が、ｘ＝
０．３、ｙ＝０．５とすることによって、発光波長５９
０ｎｍの黄色の発光（光度７カンデラ）が、ｘ＝０．
４，ｙ＝０．５とすることによって、発光波長５７０ｎ
ｍの黄緑色の発光（光度３カンデラ）が、ｘ＝０．５，
ｙ＝０．５とすることによって。発光波長５５５ｎｍの
緑色の発光（光度１カンデラ）が、それぞれ得られた。
つまり、各層のキャリア濃度及び膜厚の最適化、基板の
面方位に選択等により、短波長の発光でも高い発光効率
を得ることができた。

【００７９】上記した第２の実施例では、第１導電型半
導体基板３１としてｎ−ＧａＡｓを用いた例を示した。
しかしながら、導電型の異なる、ｐ−ＧａＡｓを用いて
もかまわない。このとき、各半導体層の導電型を逆転す
ることが必要である。この場合、各半導体層の厚さに関
しては、ｎ−ＧａＡｓ基板３１を用いた場合と同様の設
定が望ましい。

【００８０】一方、キャリア濃度については、電流広が
りや発光効率を考慮すると、その最適値はｎ−ＧａＡｓ
基板３１の場合と異なる。クラッド層については、ｎ−
ＧａＡｓ基板３１の場合、下部クラッド層３５がｎ−Ｉ
ｎＧａＡｌＰ、上部クラッド層３７がｐ−ＩｎＧａＡｌ
Ｐであったが、ｐ−ＧａＡｓ基板を用いた場合には、上
部クラッド層がｎ−ＩｎＧａＡｌＰ、下部クラッド層が
ｐ−ＩｎＧａＡｌＰとなり、このときのｎ−ＩｎＧａＡ
ｌＰ及びｐ−ＩｎＧａＡｌＰそれぞれについての設定が
同じであると考えればよい。

【００８１】バッファ層３２，反射層３３，透明バッフ
ァ層３４，電流拡散層３８，コンタクト層３９，電流阻
止層４０については導電型を逆転し、キャリア濃度の設
定は同じでよい。活性層３６については、基板の導電型
によらず、ｎ−ＧａＡｓの場合と同様の設定が望まし
い。

【００８２】ｐ型の導電型基板を用いることの利点は、
ｎ型の場合に比べ、電流広がりをより容易に拡大するこ
とができることである。これは、上述の組成域において
ｐ−ＩｎＧａＡｌＰ，ｐ−ＧａＡｌＡｓに比べ、ｎ−Ｉ
ｎＧａＡｌＰ，ｎ−ＧａＡｌＡｓの方が、同じ組成，キ
ャリア濃度に対し、移動度が大きく、低抵抗率の層が得
易く、これを活性層に対し上部電極側とすることによ
り、電流が広がり易く、発光部を容易に拡大できるため
である。特に、電流拡散層３８にｎ−ＧａＡｌＡｓを用
いた場合、ｐ−ＧａＡｌＡｓを用いた場合の１／２の抵
抗率となるため、図２１に示すように、その厚さ（下限
側の厚さ）を１／２にしても、略同等の電流広がり、ひ
いては発光効率が得られた。これは、結晶成長時間の短
縮、ひいては生産性の向上に有効であった。

【００８３】また、第１導電型半導体基板３１としてｎ
−ＧａＡｓ又はｐ−ＧａＡｓを用いた場合、実施例にも
詳述したように発光波長に対し基板は光吸収体として働
く。基板３１に吸収された光は、外部に取り出すことが
できないため、活性層３６での発光の約１／２は発光効
率に寄与しない。これを取り出す方法として、図２２に
示すように、基板３１及び発光波長に対し吸収体となる
バッファ層３２等を除去することが有効である。

【００８４】この場合、ペレットの機械的強度を保持す
るために、透明バッファ層３４，電流拡散層３８の厚さ
を厚く設定し、基板除去後のウェハ厚さを50μｍ程度以
上に設定することが重要である。このとき、下部電極４
２は透明バッファ層３４に形成される。下部電極４２或
いはアセンブリの際にこの下に形成する反射板によっ
て、下部へ出射された光は吸収を受けずに外部に取り出
せる。

【００８５】また、ここまでの説明では、第１導電型半
導体基板３１としてｎ−ＧａＡｓ，ｐ−ＧａＡｓ及びこ
れを除去した例を示した。この他にも、ＧａＰ，ＺｎＳ
ｅ，ＺｎＳ，Ｓｉ，Ｇｅ等の半導体、及びＧａＡｓを含
めこれらからなる混晶等を基板として用いてもよい。こ
の場合、上述の導電型に対する考え方がそのまま当ては
まり、これらの導電型のｎ型でもｐ型でもよい。Ｇａ
Ｐ，ＺｎＳｅ，ＺｎＳ，ＧａＡｓＰ，ＩｎＧａＰ等を基
板とする場合は、発光波長に対し基板は透明にすること
ができ、上述のように基板を除去する必要がないという
利点がある。

【００８６】しかし、これらの場合、ＧａＡｓと異な
り、活性層材料と基板の格子整合が取れないことがあ
る。この場合、基板と同じ導電型の格子定数傾斜層を設
けることにより、活性層での転位の発生を抑え、非発光
再結合を低減することが重要である。この場合、格子定
数傾斜層の格子定数は、基板側から活性層側へ向かっ
て、基板の格子定数から活性層の格子定数へ徐々に変化
させる。このとき、格子定数傾斜層の材料はＩｎＧａＡ
ｌＰ等の、発光波長に対し透明なものが望ましい。活性
層の格子定数をＧａＡｓと同等とするとき、透明バッフ
ァ層としてＧａＡｌＡｓを格子定数傾斜層上に形成する
ことで、活性層と同等の格子定数を持つ層を形成するこ
とになり、転位の低減にも有効である。この場合の構成
を図２３に示す。図中５１が透明基板、５２が格子定数
傾斜層を示している。

【００８７】Ｓｉ，Ｇｅは発光波長に対し不透明である
ものの、良質で基板結晶を得ることができるため、量産
性，生産性の観点から望ましい基板結晶である。Ｓｉの
場合は、活性層材料と基板の格子整合が取れない。基板
と同じ導電型の格子定数傾斜層を設けることにより、活
性層での転位の発生を抑え、非発光再結合を低減するこ
とが重要である。この場合、格子定数傾斜層の格子定数
は、基板側から活性層側へ向かって、基板の格子定数か
ら活性層の格子定数へ徐々に変化させる。このとき、こ
の格子定数傾斜層の材料は、ＧａＰ，ＡｌＰ，ＧａＡ
ｓ，ＩｎＰ等による混晶、或いは超格子を用いる。Ｇｅ
の場合、格子整合に問題はない。

【００８８】いずれの場合においても、透明バッファ層
としてＧａＡｌＡｓを形成することで、転位の低減にも
有効である。また、これらの基板は、ＧａＡｓの場合と
同様に、結晶成長後に基板を除去することが有効であ
る。

【００８９】これらｎ−ＧａＡｓ以外の結晶を基板に用
いた場合でも、電流拡散層等による電流の広がりの効
果、電流阻止層による無効電流低減の効果、活性層，ク
ラッド層等のキャリア濃度，厚さ，無秩序化の程度等の
発光効率へ与える効果は前述した実施例と同様である。

【００９０】図２４は、本発明の第３の実施例に係わる
半導体発光ダイオードの素子構造を示す断面図である。
図中６１はｎ−ＧａＡｓ基板であり、この基板６１の主
面は（１００）面から［０１１］方向に１５度傾斜して
いる。基板６１上に、ｎ−Ｉｎ_0.5（Ｇａ_1-X1Ａｌ_X1）
_0.5Ｐクラッド層６２，Ｉｎ_0.5（Ｇａ_1-X2Ａｌ_X2）
_0.5Ｐ活性層６３，ｐ−Ｉｎ_0.5（Ｇａ_1-X3Ａｌ_X3）
_0.5Ｐクラッド層６４（Ｚｎドープ），ｐ−Ｉｎ_0.5Ｇ
ａ_0.5Ｐ中間バンドギャップ層６５，ｐ−ＧａＡｓコン
タクト層６６が順次積層形成されている。そして、コン
タクト層６６上にＡｕＺｎからなるｐ側電極６７が形成
され、基板６１の裏面にＡｕＧｅからなるｎ側電極６８
が形成されている。

【００９１】図２５は、図２４に示した発光素子内での
電流分布及び発光領域を示す模式図である。同図に発光
素子内での電流分布７２を破線矢印で、また発光領域７
１を節打点でそれぞれ示している。ＩｎＧａＡｌＰ各層
のＡｌ組成は、高い発光効率が得られるように、Ｘ２≦
Ｘ１，Ｘ２≦Ｘ３を満たすようにする。例えば、Ｘ１＝
Ｘ３＝０．７，Ｘ２＝０．３とする。

【００９２】図２４及び図２５に示した構造において、
各層の厚さ，キャリア濃度は以下に括弧内で示すように
設定されている。即ち、ｎ−ＧａＡｓ基板６１（８０μｍ，３×１０¹⁸ｃｍ^-3）ｎ−ＩｎＧａＡｌＰクラッド層６２（１μｍ，５×１０
¹⁷ｃｍ^-3）ＩｎＧａＡｌＰ活性層６３（０．５μｍ，アンドープ）ｐ−ＩｎＧａＡｌＰクラッド層６４（２μｍ，２×１０
¹⁸ｃｍ^-3）ｐ−ＩｎＧａＰ中間バンドギャップ層６５（0.05μｍ，
１×１０¹⁸ｃｍ^-3）である。また、ｐ側電極６７は直径２００μｍの円形と
した。

【００９３】本実施例構造が従来構造と異なる点は、素
子構造を積層するＧａＡｓ基板６１の成長主面を（１０
０）面から［０１１］方向に１５度傾斜させた面にした
ことであり、この構造の優位性について以下に説明す
る。

【００９４】従来構造、つまりＧａＡｓ基板６１の成長
主面に（１００）面を用いた構造においては、ｐ−Ｉｎ
ＧａＡｌＰクラッド層６４での電流広がりはｐ−クラッ
ド層６４の抵抗率が高いため小さい。ｐ−クラッド層６
４の膜厚を厚くすることにより、電流広がりを大きくす
ることが考えられるが、このＩｎＧａＡｌＰ材料系は熱
伝導率が悪く膜厚を厚くすることによって結晶構造が低
下し、また上層への悪影響も現われるため好ましくな
い。さらに、ＩｎＧａＡｌＰ系材料は、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
長時間の延長を行わなければならない。このことは、ｐ
−クラッド層６４の不純物として拡散性の高いものを使
用した場合に、活性層６３への不純物拡散が起こり、素
子特性の低下を引き起こす。このため、ｐ−ＩｎＧａＡ
ｌＰクラッド層６４を厚く成長することは難しい。

【００９５】また、このＩｎＧａＡｌＰ系材料において
は、Ｚｎをドープした場合、その活性化率が低いため、
高いキャリア濃度を得ることは難しい。これに加えて、
Ｚｎは拡散性の高い不純物であり、高濃度ドーピングに
よって活性層６３への拡散が起こり、素子特性の低下も
引き起こす原因ともなる。クラッド層６２，６４は活性
層６３とのバンドギャップ差を大きくして、活性層６３
への光及びキャリアの閉じ込め行うことが望ましいが、
そのためにはクラッド層６３，６４のＡｌ組成を大きく
しなければならない。しかし、ｐ−クラッド層６４の不
純物としてＺｎを用いた場合、Ａｌ組成が大きくなるほ
どキャリア濃度が低下し、抵抗が大きくなる問題があ
る。故に、従来構造ではＧａＡｓ基板６１上の素子構造
によっては注入電流を広げることができず、電極直下の
みの発光となり、光の取り出し効率は非常に小さかっ
た。

【００９６】これに対し、図２４及び図２５に示すよう
に、ＧａＡｓ基板６１の成長主面を（１００）面から
［０１１］方向へ５〜１５度傾斜させた面とした場合に
は、ｐ−クラッド層６４のＡｌ組成が高い場合において
も、Ｚｎを高濃度にドーピングすることができ、低抵抗
のｐ−ＩｎＧａＡｌＰクラッド層６４を形成することが
できる。

【００９７】図２６に、Ａｌ組成０．７の場合のＩｎＧ
ａＡｌＰに対するＺｎによる飽和ホール濃度と、ＧａＡ
ｓ基板の（１００）面から［０１１］方向への傾斜角と
の関係を示す。この図から傾斜角度が大きくなると飽和
ホール濃度が増加し、特に５度以上の傾斜角では１×１
０¹⁸ｃｍ^-3以上と十分な飽和ホール濃度が得られ、傾斜
させない基板を用いたものと比べ３倍以上の十分な発光
強度を得られることが判った。

【００９８】このため、本実施例の素子構造にすること
によって、電極６７から注入された電流を低抵抗のｐ−
ＩｎＧａＡｌＰクラッド層６４において広域に広げるこ
とができ、図２５の電流分布で示すように電極６７直下
以外の広域で発光が可能となる。本実施例に用いた（１
００）面から［０１１］方向へ１５度傾斜させたＧａＡ
ｓ成長主面上に作成した素子のｐ−ＩｎＧａＡｌＰクラ
ッド層６４と、従来の（１００）面のＧａＡｓ成長主面
に作成した素子のｐ−ＩｎＧａＡｌＰクラッド層の同じ
Ａｌ組成における上記キャリア濃度のときの抵抗率は、
それぞれ１５度傾斜面上では０．２Ω・ｃｍ、（１０
０）面上では２Ω・ｃｍとなっている。

【００９９】また、本実施例と従来例で作成した素子の
活性層６４をフォトルミネッセンス（Ｐ．Ｌ）等により
評価したところ、本実施例で作成した方が発光効率が高
いことが判った。図２７に、活性層のＡｌ組成０．３の
場合のＰＬ発光強度と傾斜角度との関係を示す。このよ
うに傾斜角度が大きくなるに伴い、ＰＬ発光強度が増加
し、５度以上では３倍以上と十分な発光強度が得られ
た。また、図２８にＡｌ組成とＰＬ発光強度依存性の傾
斜角度が０度、即ち（１００）面と、１５度の場合を示
す。このように傾斜した基板による発光強度増大効果は
広いＡｌ組成において認められた。

【０１００】このことからも、本実施例では輝度を高く
することが可能である。加えて（１００）面から［０１
１］方向へ傾斜したＧａＡｓ基板上に成長したＩｎＧａ
ＡｌＰ混晶は、自然超格子の発生が抑えられ、そのバン
ドギャップは（１００）面上に成長したものよりも大き
くなることが知られている。このバンドギャップ増大効
果により、ある発光波長を得るのにより少ないＡｌ組成
の活性層を用いることが可能となり、短波長領域におい
ての高輝度化を可能にすることができる。

【０１０１】上述した積層構造でＩｎ_0.5（Ｇａ_1-X2Ａ
ｌ_X2）_0.5Ｐ活性層６３のＡｌ組成Ｘ２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
ころ図２５に示した電流分布となり、ｐ側電極６７を除
いた素子表面広域から６００ｎｍにピーク波長を有する
発光が得られた。なお、ＩｎＧａＡｌＰで構成された発
光部上にＺｎドープのｐ−クラッド層内でキャリア濃度
の成長方向への分布を持たせることによって、同様の効
果を得ることができる。

【０１０２】このように本実施例によれば、ＧａＡｓ基
板６１に成長主面に（１００）面から［０１１］方向へ
１５度傾斜した面を用いることによって、発光部ＩｎＧ
ａＡｌＰ活性層６３上のｐ−ＩｎＧａＡｌＰクラッド層
６４の抵抗率を低下することができ、電極６７から注入
された電流をｐ−クラッド層６４で広範囲に広げること
ができ、電極直下以外の領域に発光領域を広げることが
できる。従って、電極周辺からの光の取り出し効率の向
上をはかることができ、これにより高輝度化をはかるこ
とが可能となる。

【０１０３】図２９は、本発明の第４の実施例に係わる
半導体発光ダイオードの素子構造を示す断面図である。
なお、図２４と同一部分には同一符号を付して、その詳
しい説明は省略する。

【０１０４】この実施例が先に説明した第３の実施例と
異なる点は、ｐ−ＩｎＧａＡｌＰクラッド層を、Ａｌ組
成の異なる２層にしたことである。即ち、活性層６３と
隣接した第１のｐ−クラッド層６４として、光及びキャ
リアの閉じ込めに必要なＡｌ組成の高いｐ−Ｉｎ
_0.5（Ｇａ_0.3Ａｌ_0.7）_0.5Ｐ層を形成し、この第１
のｐ−クラッド層６４上に、電流をより拡散させるため
の第２のｐ−Ｉｎ_0.5（Ｇａ_0.6Ａｌ_0.4）_0.5Ｐクラ
ッド層７３を形成し、この第２のｐ−クラッド層７３上
に中間バンドギャップ層６５及びコンタクト層６６が形
成されている。

【０１０５】第１のｐ−クラッド層６４及び第２のｐ−
クラッド層７３の膜厚及びキャリア濃度はそれぞれ、第
１のｐ−クラッド層６４が１μｍ，２×１０¹⁷ｃｍ
^-3で、第２のｐ−クラッド層７３が３μｍ，６×１０¹⁸
ｃｍ^-3である。他の層構造については、先の第３の実施
例と同様とした。

【０１０６】本実施例が従来の構造と異なる点は、第１
のｐ−クラッド層６４上にそれよりもＡｌ組成の低い第
２のｐ−クラッド層７３を形成したことである。上記し
たようにＺｎドープによるｐ−ＩｎＧａＡｌＰは、その
キャリア濃度がＡｌ組成に大きく依存しており、Ｚｎの
供給量を一定とした場合、Ａｌ組成の大きいものほどキ
ャリア濃度が低く、抵抗率が大きくなる。このため、本
実施例のような構成であれば、第１のｐ−クラッド層６
４（Ａｌ組成０．７）よりも第２のｐ−クラッド層７３
（Ａｌ組成０．４）の方が抵抗率を小さくすることがで
きる。

【０１０７】加えて、ＧａＡｓ基板６１の成長主面を
（１００）面から［０１１］方向に１５度傾斜した面を
用いると、よりキャリア濃度を高くでき、抵抗率を小さ
くすることができるため、第１のｐ−クラッド層６４と
第２のｐ−クラッド層７３の抵抗率の差をより大きくす
ることができる。このように、ｐ−クラッド層６４，７
３内で抵抗率の分布を大きくすることができるため、電
極６７から注入された電流を抵抗率の低いｐ−クラッド
層７３で広域に広げることができ、電極直下以外の広域
で発光が可能となる。

【０１０８】本実施例で用いた第１のｐ−クラッド層６
４と第２のｐ−クラッド層７３で、上記キャリア濃度に
おける抵抗率はそれぞれ２Ω・ｃｍと０．２Ω・ｃｍと
なっている。このように抵抗率の差が大きいために、電
極から注入された電流は第１のｐ−クラッド層６４に達
する前に第２のｐ−クラッド層７３で広域に広げられ
る。従って、第３の実施例と同様な電流分布となり、ｐ
側電極を除いた素子表面広域から発光を得ることが可能
である。また、本実施例の積層構造で作成した素子から
は第３の実施例と同様に６００ｎｍにピーク波長を持つ
発光が得られた。なお、第４の実施例では、第２のｐ−
クラッド層７３の組成はＩｎ_0.5（Ｇａ_0.6Ａｌ_0.4）
_0.5Ｐとしたが、第１のｐ−クラッド層６４よりＡｌ組
成が低く低抵抗化が可能で、且つ活性層６３のバンドギ
ャップエネルギーよりも大きいバンドギャップエネルギ
ーを有する組成であれば、この組成に限るものではな
い。同じ組成で第２のｐ−クラッド層７３だけキャリア
濃度を高める方法でもよい。また、第２のｐ−クラッド
層７３は１層に限るものではなく、第１のｐ−クラッド
層６４よりＡｌ組成が小さく、且つ活性層６３のバンド
ギャップより大きいＩｎＧａＡｌＰ層であれば、組成の
異なる２層以上積層した構造においても同様の効果が得
られる。さらに、第１のｐ−クラッド層６４から徐々に
Ａｌ組成を低減させていった組成傾斜層を形成してもよ
い。

【０１０９】また、第３，４の実施例においてはＧａＡ
ｓ基板の成長主面を（１００）面から［０１１］方向に
１５度傾斜させた面を用いたが、この傾斜角度に限定さ
れるものではなく、上述したように５度以上の傾斜角で
あれば、同様の効果が得られることはいうまでもない。
さらに、活性層を含む発光部の層構造は、ダブルヘテロ
構造に限るものではなく、シングルヘテロ構造やホモ接
合であってもよい。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。

【０１１０】

【発明の効果】以上詳述したように、本発明によれば、
半導体基板上に形成され、ＩｎＧａＡｌＰからなる活性
層を有し、上記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り出す半導体発光ダイ
オードにおいて、ＩｎＧａＡｌＰからなる活性層を低濃
度のｐ型とし、かつその厚さを０．２５μｍから０．７
５μｍとすることによって、短波長でも高効率の発光が
可能な半導体発光ダイオードを実現できる。また、基板
の主面を（１００）面から［０１１］方向に５度以上傾
斜させることにより、発光部における電流分布を改善す
ることができ、光取り出し効率及び輝度の向上をはかり
得る半導体発光ダイオードを実現することが可能とな
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の実施例に係わる半導体発光ダイオードの
素子構造を示す断面図、

【図２】キャリア濃度と発光効率との関係を示す特性
図、

【図３】活性層厚さと発光効率との関係を示す特性図、

【図４】波長と発光効率との関係を示す特性図、

【図５】本発明の第２の実施例を説明するためのもの
で、素子構造を示す断面図、

【図６】基板の傾斜角度とＡｌ組成及び半値幅との関係
を示す特性図、

【図７】基板の傾斜角度とＡｌ組成及び半値幅との関係
を示す特性図、

【図８】透明バッファ層の作用を説明するための断面
図、

【図９】透明バッファ層の膜厚と発光効率との関係を示
す特性図、

【図１０】透明バッファ層の作用を説明するための断面
図、

【図１１】ｎクラッド層のキャリア濃度と発光効率との
関係を示す特性図、

【図１２】井戸層の厚さと波長との関係を示す特性図、

【図１３】井戸層の格子不整合と発光効率との関係を示
す特性図、

【図１４】クラッド層のＡｌ組成とエネルギーギャップ
との関係を示す特性図、

【図１５】クラッド層キャリア濃度と発光効率との関係
を示す特性図、

【図１６】電流拡散層の膜厚と発光効率との関係を示す
特性図、

【図１７】電流拡散層のキャリア濃度と発光効率との関
係を示す特性図、

【図１８】発光波長に対する電流拡散層の吸収係数の関
係を示す特性図、

【図１９】上部電極形成工程を示す断面図、

【図２０】電流阻止層の形成位置を示す断面図、

【図２１】本発明の変形例を説明するためのもので、電
流拡散層の膜厚と発光効率との関係を示す特性図、

【図２２】本発明の変形例で、基板を除去した例を示す
素子構造断面図、

【図２３】本発明の変形例で、透明基板を用いた例を示
す素子構造断面図、

【図２４】第３の実施例に係わる半導体発光ダイオード
の素子構造を示す断面図、

【図２５】第３の実施例における素子内での電流分布及
び発光領域を示す模式図、

【図２６】傾斜角度とＺｎの飽和ホール濃度との関係を
示す特性図、

【図２７】傾斜角度とＰＬ発光強度との関係を示す特性
図、

【図２８】Ａｌ組成とＰＬ発光強度との関係を示す特性
図、

【図２９】第４の実施例に係わる半導体発光ダイオード
の素子構造を示す断面図、

【図３０】従来の半導体発光装置の素子構造を示す断面
図、

【符号の説明】

１１，３１…ｎ−ＧａＡｓ基板、１２，３５…ｎ−Ｉｎ
ＧａＡｌＰクラッド層、１３，３６…ｐ−ＩｎＧａＡｌ
Ｐ活性層、１４，３７…ｐ−ＩｎＧａＡｌＰクラッド
層、１５，３８…ｐ−ＧａＡｌＡｓ電流拡散層、１６，
３９…ｐ−ＧａＡｓコンタクト層、１７，４１…ｐ側電
極、１８，４２…ｎ側電極、３２…ｎ−ＧａＡｓバッフ
ァ層、３３…反射層、３４…ｎ−ＧａＡｌＡｓ透明バッ
ファ層、４０…ｎ−ＧａＡｓ電流阻止層。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者波多腰玄一神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地株式会社東芝総合研究所内 (72)発明者西川幸江神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地株式会社東芝総合研究所内 (72)発明者鈴木真理子神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地株式会社東芝総合研究所内 (72)発明者板谷和彦神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地株式会社東芝総合研究所内 (56)参考文献特開平１−187992（ＪＰ，Ａ) 特開昭60−98689（ＪＰ，Ａ) 特開昭59−23578（ＪＰ，Ａ) 特開昭50−19382（ＪＰ，Ａ) ＪａｐａｎｅｓｅＪｏｕｒｎａｌｏｆＡｐｐｌｉｅｄＰｈｙｓｉｃｓ（1984），Ｖｏｌ．23，Ｎｏ．９，ｐｐ．Ｌ746−748

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】ＩｎＧａＡｌＰ材料からなる活性層をＩｎ
ＧａＡｌＰ材料からなるクラッド層で挟んだダブルヘテ
ロ構造部と、このダブルヘテロ構造部上の一部に形成さ
れた第１の電極と、前記ダブルヘテロ構造部の第１の電
極と反対側面に形成された第２の電極とを具備し、少な
くとも第１の電極側から光を取り出す半導体発光ダイオ
ードであって、前記活性層はキャリア濃度１×１０¹⁷ｃｍ^-3以下のｐ型
であり、前記活性層の厚さを０．１５〜０．７５μｍの
範囲に設定し、前記ダブルヘテロ構造部を構成するクラッド層のうち、
ｐ型クラッド層のキャリア濃度を５×１０ ¹⁷ ｃｍ ^-3 〜２
×１０ ¹⁸ ｃｍ ^-3 の範囲に設定してなることを特徴とする
半導体発光ダイオード。
【請求項２】前記ダブルヘテロ構造部を構成するクラッ
ド層のうち、ｎ型クラッド層のキャリア濃度を１×１０
¹⁶ｃｍ^-3〜７×１０¹⁷ｃｍ^-3の範囲に設定してなること
を特徴とする請求項１記載の半導体発光ダイオード。
【請求項３】第２の電極と前記ダブルヘテロ構造部との
間に、第１の電極側から取り出す前記光の波長に対して
吸収体となる層を含む反射層を形成してなることを特徴
とする請求項１又は２記載の半導体発光ダイオード。
【請求項４】前記活性層を、Ａｌ組成の異なるＩｎＧａ
ＡｌＰ材料からなる井戸層と障壁層により構成される多
重量子井戸構造としたことを特徴とする請求項１〜３の
何れかに記載の半導体発光ダイオード。
【請求項５】前記ダブルへテロ構造部と第１の電極との
間にＧａＡｌＡｓからなる電流拡散層が形成され、この
電流拡散層の膜厚を５〜３０μｍの範囲に設定し、且つ
キャリア濃度を５×１０¹⁷ｃｍ^-3〜５×１０¹⁸ｃｍ^-3の
範囲に設定してなることを特徴とする請求項１〜４の何
れかに記載の半導体発光ダイオード。