JP2000228536A

JP2000228536A - 発光ダイオード

Info

Publication number: JP2000228536A
Application number: JP33679899A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Nakatsu; 弘志中津; Tetsuro Murakami; 哲朗村上; Takanao Kurahashi; 孝尚倉橋; Hiroyuki Hosobane; 弘之細羽
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 1998-11-30
Filing date: 1999-11-26
Publication date: 2000-08-15
Anticipated expiration: 2019-11-26
Also published as: CN100355092C; US6265732B1; US6384430B1; CN1257313A; TW432727B; KR100385755B1; KR20030004199A; DE19957312A1; JP3698402B2; KR20000035778A; KR100411404B1

Abstract

(57)【要約】【課題】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。【解決手段】発光層を、該発光層よりエネルギーギャ
ップの広い第１導電型の第１クラッド層及び第２導電型
の第２クラッド層とで挟持してなるダブルヘテロ構造の
発光ダイオードにおいて、前記発光層と前記第１または
第２クラッド層の間に、前記発光層と同導電型で、隣接
する第１または第２クラッド層と異なる導電型からな
り、前記発光層のエネルギーギャップより広く、前記第
１または第２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中間障壁層を設けたことを
特徴とする発光ダイオードにより上記課題が達成され
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】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。

【０００２】

【従来の技術】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。

【０００３】従来の代表的なダブルヘテロ構造のＬＥＤ
８００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）_0.5Ｉ
ｎ_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Ｓ
ｉ、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Ｚ
ｎ、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Ｚ
ｎ、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。

【０００４】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Ａ
ｕＺｎ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。

【０００５】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。

【０００６】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。

【０００７】また、従来、発光効率の高いＬＥＤは図１
５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Ｌ
ＥＤ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。

【０００８】基板１０１：ｎ型ＧａＡｓ、バッファー層１０２：ｎ型ＧａＡｓｎ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１
μｍ、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６
μｍ、コンタクト層１０８：ｐ型ＧａＡｓ。

【０００９】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。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】図１２のＡｌＧａＩｎ
Ｐ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１×１０¹⁷ｃ
ｍ^-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５×１０¹⁷ｃｍ^-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。

【００１１】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。

【００１２】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。

【００１３】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。

【００１４】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。Ｌ
ＥＤ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、Ｌ
ＥＤ８００の発光効率が低下する。

【００１５】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、Ｌ
ＥＤ８００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。

【００１６】図１２の類似の構造として、特開平２−１
５１０８５号公報に、厚さが約１０Ａよりも厚く約２０
０Ａ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。

【００１７】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。

【００１８】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。

【００１９】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Ｇａ
Ａｓ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。

【００２０】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。

【００２１】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（Ｇ
ａ_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）_0.5Ｉｎ₀ _.5Ｐ
第１クラッド層１０３、ｐ型（Ｇａ_0.3Ａｌ_0.7）_0.5Ｉ
ｎ_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。

【００２２】ＬＥＤ９００の高出力化のためには電極１
０７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１０
６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。

【００２３】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１
０４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。

【００２４】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。

【００２５】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）。

【００２６】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。

【００２７】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。

【００２８】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、請求項１記載の発明にかかるＬＥＤは、発光層を、
該発光層よりエネルギーギャップの広い第１導電型の第
１クラッド層及び第２導電型の第２クラッド層とで挟持
してなるダブルヘテロ構造の発光ダイオードにおいて、
前記発光層と前記第１または第２クラッド層の間に、前
記発光層と同導電型で、隣接する第１または第２クラッ
ド層と異なる導電型からなり、前記発光層のエネルギー
ギャップより広く、前記第１または第２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
中間障壁層を設けたことを特徴とする。

【００２９】そのことにより、ｐｎ接合で発生した結晶
欠陥が発光層に影響を与えるのを防止することができ、
長時間発光させても光出力が低下しないＬＥＤを実現す
ることができる。

【００３０】請求項２または３にかかるＬＥＤは、請求
項１記載のＬＥＤにおいて、上記中間障壁層の厚さを該
中間障壁層内の少数キャリアの拡散長よりも薄く、該中
間障壁層と隣接するクラッド層との界面で発生した非発
光再結合センターの影響が上記発光層に及ばない値より
も厚くする。特に請求項３にかかるＬＥＤは、該中間障
壁層の厚さを０．１μｍ以上、０．５μｍ以下とする。

【００３１】そのことにより発光層の発光効率を低下さ
せることなく、ｐｎ接合で発生した結晶欠陥が発光層に
影響を与えるのを防止することができ、長時間発光させ
ても光出力が低下しないＬＥＤを実現することができ
る。

【００３２】請求項４記載の発明にかかるＬＥＤは、請
求項１記載のＬＥＤにおいて、前記中間障壁層のエネル
ギーギャップは前記発光層のエネルギーギャップより
０．２ｅＶ以上広くする。

【００３３】そのことにより、前記中間障壁層での非発
光再結合を一層少なくすることができ、前記発光層の発
光効率の一層高いＬＥＤが実現できる。

【００３４】請求項５記載の発明にかかるＬＥＤは、請
求項１記載のＬＥＤにおいて、前記中間障壁層を非発光
再結合時間の長い間接遷移型半導体層とする。

【００３５】そのことにより、前記中間障壁層での非発
光再結合を殆どなくすることが可能となり、前記発光層
の発光効率を最も高くすることができる。

【００３６】請求項６記載の発明にかかるＬＥＤは、請
求項１ないし５のいずれかに記載のＬＥＤにおいて、前
記発光層と前記第１及び第２クラッド層の間のそれぞれ
に第１中間障壁層及び第２中間障壁層を設け、前記第１
中間障壁層は、前記発光層と同導電型で、隣接する第１
または第２クラッド層と異なる導電型からなり、前記発
光層のエネルギーギャップより広く、前記第１または第
２クラッド層のエネルギーギャップより狭いエネルギー
ギャップを有し、第２中間障壁層は、前記発光層及び隣
接する他方の第１または第２クラッド層と同導電型から
なり、前記発光層のエネルギーギャップより広く、前記
第１または第２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ことを特徴とする。

【００３７】そのことにより、ｐｎ接合で発生した結晶
欠陥が発光層に影響を与えるのを防止することができ、
長時間発光させても光出力が低下しないＬＥＤを実現す
ることが可能となるだけでなく、拡散の容易なｐ型不純
物が前記発光層に拡散して発光効率を低下させることを
防止することができる。

【００３８】請求項７記載の発明にかかるＬＥＤは、請
求項１ないし６のいずれかに記載のＬＥＤにおいて、基板：ＧａＡｓ、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＜１）、中間障壁層：（Ｇａ_1-x4Ａｌ_x4）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ、（但し、ｘ１＜ｘ４＜ｘ２、ｘ３）、第２クラッド層：（Ｇａ_1-x3Ａｌ_x3）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ、（但し、ｘ１＜ｘ３≦１）、なる構成を有することを特徴とする。

【００３９】そのことにより、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。

【００４０】請求項８記載のＬＥＤでは、少なくともＩ
ＩＩ−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クラッド層とする。

【００４１】そのことにより、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。

【００４２】請求項９記載のＬＥＤでは、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。

【００４３】請求項１０記載のＬＥＤでは、該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、該ｐ型第２中間障壁層の厚さは０．１μｍ以上、
０．５μｍ以下とする。

【００４４】そのことにより、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。

【００４５】少なくともＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体材料
からなる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、いわゆる
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大きいｐ型第２ク
ラッド層とからなり、該ｐ型第２中間障壁層の不純物濃
度は３×１０¹⁷ｃｍ^-3未満であり、該ｐ型第２中間障壁
層の厚さは０．１μｍ以上、０．５μｍ以下とする。

【００４６】請求項１１記載のＬＥＤは請求項８記載の
ＬＥＤにおいて、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５×１０¹⁷ｃ
ｍ^-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）、なる層とする。

【００４７】そのことにより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。

【００４８】

【発明の実施の形態】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。

【００４９】（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。

【００５０】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。

【００５１】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。

【００５２】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）_0.5Ｉ
ｎ_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Ｓ
ｉ、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Ｚ
ｎ、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）_0.95Ｉ
ｎ_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_0.01
Ｐ、不純物はＺｎ、不純物濃度：５×１０¹⁸ｃｍ^-3、厚さ７μｍ。

【００５３】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。

【００５４】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。

【００５５】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。

【００５６】中間障壁層５の効果を図２を用いて説明す
る。

【００５７】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。

【００５８】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。

【００５９】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ｐ
ｎ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。

【００６０】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。

【００６１】図２（ｂ）は、中間障壁層５を設けたＬＥ
Ｄ１００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。

【００６２】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。

【００６３】なお、電子の拡散長は通常０．５〜１．５
μｍ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Ｉｎ
ＧａＡｌＰ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。

【００６４】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。

【００６５】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。

【００６６】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、１
０００時間通電後の光出力を測定した結果、平均６５０
μＷ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。

【００６７】（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。

【００６８】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。

【００６９】ＬＥＤ２００を長時間発光させた後のバン
ド状態を図４に示す。

【００７０】ＧａＡｓ基板１に格子整合したＩｎＧａＡ
ｌＰ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。

【００７１】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。

【００７２】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。

【００７３】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。

【００７４】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。

【００７５】（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。

【００７６】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。

【００７７】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。

【００７８】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。

【００７９】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。

【００８０】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。

【００８１】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２
０ｍＡでの光出力は±２％以内であった。

【００８２】（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。

【００８３】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。

【００８４】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。

【００８５】（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。

【００８６】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。

【００８７】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。

【００８８】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）_0.5Ｉ
ｎ_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Ｚ
ｎ、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Ｓ
ｉ、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）_0.95Ｉ
ｎ_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_0.01
Ｐ、不純物はＳｉ、不純物濃度：１×１０¹⁸ｃｍ^-3、厚さ７μｍ。

【００８９】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。

【００９０】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、Ａ
ｌＧａＡｓ、ＡｌＧａＩｎＳｂ、ＩｎＧａＡｓＰ、Ａｌ
ＧａＩｎＮ、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。

【００９１】（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。

【００９２】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。

【００９３】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。

【００９４】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。

【００９５】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。

【００９６】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。

【００９７】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１０
４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。

【００９８】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。

【００９９】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１００
０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。

【０１００】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５
４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。

【０１０１】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。

【０１０２】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。

【０１０３】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５
３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９
０％以内と実用上充分なＬＥＤが実現できることが分か
る。

【０１０４】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。

【０１０５】（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_xＧ
ａ_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-y
Ｐ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。

【０１０６】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Ａ
ｌ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。

【０１０７】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、ＡｌＧ
ａＡｓ、ＡｌＧａＩｎＳｂ、ＩｎＧａＡｓＰ、ＡｌＧａ
ＩｎＮ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。

【０１０８】

【発明の効果】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ＬＥ
Ｄを実現できる。

【０１０９】特に、請求項１に記載の発明にかかるＬＥ
Ｄによればｐｎ接合で発生した結晶欠陥が発光層に影響
を与えるのを防止することができ、長時間発光させても
光出力が低下しないＬＥＤを実現することができる。

【０１１０】請求項２または３にかかるＬＥＤは請求項
１記載のＬＥＤによれば、発光層の発光効率を低下させ
ることなく、ｐｎ接合で発生した結晶欠陥が発光層に影
響を与えるのを防止することができ、長時間発光させて
も光出力が低下しないＬＥＤを実現することができる。

【０１１１】請求項４に記載の発明にかかるＬＥＤは請
求項１記載のＬＥＤによれば、前記中間障壁層での非発
光再結合を一層少なくすることができ、前記発光層の発
光効率の一層高いＬＥＤが実現できる。

【０１１２】請求項５に記載の発明にかかるＬＥＤは請
求項１記載のＬＥＤによれば、前記中間障壁層での非発
光再結合を殆どなくすることが可能となり、前記発光層
の発光効率最も高くすることが可能となる。

【０１１３】請求項６に記載の発明ににかかるＬＥＤ
は、請求項１記載のＬＥＤによれば、ｐｎ接合で発生し
た結晶欠陥が発光層に影響を与えるのを防止することが
でき、長時間発光させても光出力が低下しないＬＥＤを
実現することが可能となるだけでなく、拡散の容易なｐ
型不純物が前記発光層に拡散して発光効率を低下させる
ことを防止することが可能となる。

【０１１４】請求項７に記載の発明にかかる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。

【０１１５】請求項８に記載の発明にかかる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。

【０１１６】請求項９に記載の発明にかかる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。

【０１１７】請求項１０に記載の発明にかかる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。

【０１１８】請求項１１に記載の発明にかかる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。

【図面の簡単な説明】

【図１】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。

【図２】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。

【図３】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。

【図４】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。

【図５】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。

【図６】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。

【図７】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。

【図８】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。

【図９】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。

【図１０】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。

【図１１】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。

【図１２】従来のＬＥＤの横断面構造を表す図である。

【図１３】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。

【図１４】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。

【図１５】従来のＬＥＤの横断面構造を表す図である。

【符号の説明】

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

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者倉橋孝尚大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号シャープ株式会社内 (72)発明者細羽弘之大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号シャープ株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】発光層を、該発光層よりエネルギーギャ
ップの広い第１導電型の第１クラッド層及び第２導電型
の第２クラッド層とで挟持してなるダブルヘテロ構造の
発光ダイオードにおいて、前記発光層と前記第１または第２クラッド層の間に、前
記発光層と同導電型で、隣接する第１または第２クラッ
ド層と異なる導電型からなり、前記発光層のエネルギー
ギャップより広く、前記第１または第２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
中間障壁層を設けたことを特徴とする発光ダイオード。
【請求項２】前記中間障壁層の厚さを前記中間障壁層
内の少数キャリアの拡散長よりも薄く、前記中間障壁層
と前記クラッド層との界面で発生した非発光再結合セン
ターの影響が前記発光層に及ばない値よりも厚くするこ
とを特徴とする請求項１に記載の発光ダイオード。
【請求項３】前記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記
載の発光ダイオード。
【請求項４】前記中間障壁層のエネルギーギャップは
前記発光層のエネルギーギャップより０．２ｅＶ以上広
いことを特徴とする請求項１に記載の発光ダイオード。
【請求項５】前記中間障壁層は非発光再結合時間の長
い間接遷移型半導体層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。
【請求項６】前記発光層と前記第１及び第２クラッド
層の間のそれぞれに第１中間障壁層及び第２中間障壁層
を設け、前記第１中間障壁層は、前記発光層と同導電型
で、隣接する第１または第２クラッド層と異なる導電型
からなり、前記発光層のエネルギーギャップより広く、
前記第１または第２クラッド層のエネルギーギャップよ
り狭いエネルキーギャップを有し、第２中間障壁層は、
前記発光層及び隣接する他方の第１または第２クラッド
層と同導電型からなり、前記発光層のエネルギーギャッ
プより広く、前記第１または第２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ことを
特徴とする請求項１ないし５いずれかに記載の発光ダイ
オード。
【請求項７】基板：ＧａＡｓ、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＜１）中間障壁層：（Ｇａ_1-x4Ａｌ_x4）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ（但し、ｘ１＜ｘ４＜ｘ２、ｘ３）、第２クラッド層：（Ｇａ_1-x3Ａｌ_x3）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ（但し、ｘ１＜ｘ３≦１）、なる構成を有することを特徴とする請求項１ないし６い
ずれかに記載の発光ダイオード。
【請求項８】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発光ダイオ
ード。
【請求項９】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以上であ
ることを特徴とする請求項８に記載の発光ダイオード。
【請求項１０】該ｐ型第２中間障壁層の不純物濃度は
３×１０¹⁷ｃｍ^-3以下であり、該ｐ型第２中間障壁層の厚さは０．１μｍ以上、０．５
μｍ以下であることを特徴とする請求項８に記載の発光
ダイオード。
【請求項１１】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５×１０¹⁷ｃ
ｍ^-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する請求項８に
記載の発光ダイオード。