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JPH06112528A - 半導体発光装置 - Google Patents

半導体発光装置

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Publication number
JPH06112528A
JPH06112528A JP26211592A JP26211592A JPH06112528A JP H06112528 A JPH06112528 A JP H06112528A JP 26211592 A JP26211592 A JP 26211592A JP 26211592 A JP26211592 A JP 26211592A JP H06112528 A JPH06112528 A JP H06112528A
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layer
quantum well
light emitting
layers
emitting device
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秀人 菅原
Kazuhiko Itaya
和彦 板谷
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Toshiba Corp
Original Assignee
Toshiba Corp
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Publication date
Application filed by Toshiba Corp filed Critical Toshiba Corp
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Priority to US08/128,643 priority patent/US5410159A/en
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 ＩｎＧａＡｌＰ等からなる量子井戸構造発光
部における発光効率を改善することができ、輝度向上を
はかり得る半導体発光装置を提供すること。 【構成】 ｎ−ＧａＡｓ基板１１と、この基板１１上に
形成されたｎ−ＩｎＧａＡｌＰクラッド層１２と、この
クラッド１２層上に形成された、量子井戸層１３ａを障
壁層１３ｂで挟んだ量子井戸構造からなる発光層１３
と、この発光層１３上に形成されたｐ−ＩｎＧａＡｌＰ
クラッド層１４とを具備し、基板１１と反対側の面上か
ら光を取り出すＬＥＤにおいて、発光層１３を成す量子
井戸構造の量子井戸層１３ａの層数を１０以上としたこ
とを特徴とする。

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
いた半導体発光装置に係わり、特に活性領域を量子井戸
層とする量子井戸構造を用いた半導体発光装置に関す
る。
【０００２】
【従来の技術】ＩｎＧａＡｌＰ系材料は窒化物を除くII
I-Ｖ族化合物半導体混晶中で最大の直接遷移型バンドギ
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による発光部を持つｐｎ
接合型発光ダイオード（ＬＥＤ）は、従来のＧａＰやＧ
ａＡｓＰ等の間接遷移型の材料を用いたものに比べ、赤
から緑色の高輝度発光が可能である。しかしながら、こ
の種のＬＥＤにあっても、より短波長の領域（緑色発
光）での発光効率は必ずしも十分高いとは言えなかっ
た。
【０００３】図５に、ＩｎＧａＡｌＰ発光部を有する従
来のＬＥＤの素子構造断面を示す。図中１はｎ−ＧａＡ
ｓ基板、２はｎ−ＩｎＧａＡｌＰクラッド層、３はＩｎ
ＧａＡｌＰ活性層、４はｐ−ＩｎＧａＡｌＰクラッド
層、５はｐ−ＧａＡｌＡｓ電流拡散層、６はｐ−ＧａＡ
ｓ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。
【０００４】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。
【０００５】図５の構造において、活性層３を厚さ０．
２μｍのアンドープのＩｎ0.5 （Ｇａ1-x Ａｌx ）0.5
Ｐ（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ＤＣ２０
ｍＡで０．０７％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ＤＣ２０
ｍＡで０．４％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６２０ｎｍ（橙）、発
光効率はＤＣ２０ｍＡで１．５％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。
【０００６】このように発光効率は、活性層のＡｌ組成
ｘに依存して変化していることが、本発明者らの実験に
より分かっている（Appl.Phys.Lett. 58(1991)1010）。
この原因は、活性層の結晶中へのＡｌ混晶比を増加させ
ることによって、非発光センターの影響が大きくなるた
めと考えられる（J.Electron Mater 20(1991)687）。こ
のような背景の中、このＩｎＧａＡｌＰ材料の特性であ
る原子の秩序配列性を結晶成長条件で変化させ、Ａｌ組
成を変えることなく発光波長を短波長化するなどの試作
が行われてきている。
【０００７】この外に、短波長領域での発光効率向上の
手段として、活性層に量子井戸（ＱＷ：Quantum Well）
構造を採用する方法が有効と考えられている。ＱＷ構造
は電子の波動関数の波長程度以下の厚さの量子井戸層
を、これよりエネルギーギャップが大きく量子井戸中の
電子に対し障壁となる障壁層で挟んだもので、１つ（Ｓ
ＱＷ：Single Quantum Well)又は２つ以上（ＭＱＷ：Mu
ltiple Quantum Well)の量子井戸層からなる。量子井戸
構造を活性層とする半導体発光素子では、電子状態の量
子化によりエネルギーギャップが等価的に増大し発光波
長の短波長化が起こる。
【０００８】このような短波長化は量子井戸構造に本質
的な現象であり、ＧａＡｌＡｓ系などの他の材料系でも
見られている。ところが、ＩｎＧａＡｌＰ系を用いた発
光素子に適用する場合、以下のような問題を有する。即
ち、ＩｎＧａＡｌＰ材料ではＡｌ組成の変化に伴う伝導
帯側のバンド不連続値の変化が小さいために量子井戸構
造を形成した場合、伝導帯側は非常に浅い井戸となって
しまう。このため、井戸層に注入したキャリア（電子）
は障壁層まで溢れた状態となる。障壁層のＡｌ組成は比
較的高く化学的に活性なＡｌを大きくしたために発生す
る非発光センターが存在し、溢れた電子はこれを介して
非発光再結合してしまう。障壁層のバンドギャップを大
きくすると井戸を深くできるが、結果としてＡｌ組成を
増やすこととなり、障壁層における非発光センターが増
大する問題やキャリアの注入効率の低下を招いていた。
【０００９】以上のことから、ＩｎＧａＡｌＰ材料を用
いた発光素子において量子井戸構造の効果を十分発揮さ
せるためには、その構造パラメータを最適化する必要が
あった。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】このように従来、Ｉｎ
ＧａＡｌＰからなる量子井戸構造活性層を持つ半導体発
光装置において、井戸層への有効な注入キャリアの閉じ
込めができないことや転位，欠陥，非発光センターによ
る特性劣化が生じやすい問題があった。
【００１１】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、ＩｎＧａＡｌＰ等から
なる量子井戸構造発光部における発光効率を改善するこ
とができ、輝度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。
【００１２】
【課題を解決するための手段】本発明の骨子は、ＩｎＧ
ａＡｌＰ材料で構成された量子井戸構造発光部における
発光効率を改善するために、この量子井戸層の数を最適
化し、またこの量子井戸層を挟む障壁層のＡｌ混晶比を
最適化することにある。
【００１３】即ち本発明は、第１導電型の化合物半導体
基板と、この基板上に形成された第１導電型のＩｎＧａ
ＡｌＰクラッド層と、このクラッド層上に形成された、
量子井戸層を障壁層で挟んだ量子井戸構造からなる発光
層と、この発光層上に形成された第２導電型のＩｎＧａ
ＡｌＰクラッド層とを具備し、基板と反対側の面上から
光を取り出す半導体発光装置において、発光層を成す量
子井戸構造の量子井戸層の層数を１０以上としたことを
特徴とする。また、本発明の望ましい実施態様として
は、次の (1)〜(4) に示すものが上げられる。
【００１４】(1) 発光層を成す量子井戸構造の障壁層が
ＩｎＧａＡｌＰからなり、該障壁層のＡｌ混晶比が第１
及び第２導電型のＩｎＧａＡｌＰクラッド層のＡｌ混晶
比よりも小さいこと。
【００１５】(2) 量子井戸層としてＩｎ1-y （Ｇａ1-x
Ａｌx ）y Ｐ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１）を用い、障壁
層としてＩｎ1-t （Ｇａ1-s Ａｌs ）t Ｐ（ｘ＜ｓ≦
１，０＜ｔ≦１）を用いること。 (3) 基板としてＧａＡｓ、クラッド層としてＧａＡｓに
格子整合するＩｎ0.5 （Ｇａ1-u Ａｌu ）0.5 Ｐを用い
ること。 (4) 量子井戸層の厚さを１〜１０ｎｍに設定し、かつ量
子井戸層の格子定数を基板の格子定数に比べて０〜−３
％と小さくしたこと。
【００１６】
【作用】本発明によれば、量子井戸層の層数を多くする
ことにより、素子動作状態において各井戸層に注入され
る注入キャリアの密度を小さくすることができる。これ
によって、量子井戸構造を採用することによって起こる
エネルギーギャップの等価的な増大によるクラッド層或
いは障壁層とのバンドギャップ差が小さくなる現象から
くる注入キャリアのオーバーフロー（注入キャリアが活
性領域から溢れ流れること）を抑制することができる。
そして、このオーバーフロー時に起こるオーバーフロー
した領域で、注入キャリアの非発光再結合する割合を抑
制することができ、注入キャリアを有効に井戸内へ閉じ
込めることができる。
【００１７】また、障壁層のＡｌ混晶比を低くし非発光
センターの少ない層とすることによって、井戸から溢れ
障壁層へオーバーフローしたキャリアの非発光再結合の
割合をさらに低くすることができ、さらに層数の多い多
重量子井戸とした場合にも各井戸層に円滑にキャリアを
注入させ、発光効率の高い量子井戸構造も実現し輝度の
高い発光素子を得ることができる。本発明において上記
したような有効な効果を得るためには、次の関係を満た
す必要がある。 Ｎ＞２０／ｄ｛０．２（ＸB −ＸW ）−１／２ｄ｝ … (1)
【００１８】この関係は、伝導帯側の量子井戸の深さと
各井戸層に注入された電子のエネルギー状態との関係に
注目し、本発明者らの鋭意研究なる実験の結果から、最
適条件を求めたものである。(1) 式において、Ｎは量子
井戸層の層数、ｄは量子井戸層の厚さ（オングストロー
ム）、ＸB は障壁層のＡｌ組成、ＸW は量子井戸層のＡ
ｌ組成である。また、０．２（ＸB −ＸW ）の項は伝導
帯側の井戸の深さに相当する量であり、１／２ｄの項は
量子効果によって変化する伝導帯側のエネルギーに相当
する量を近似的に表わしている。つまり、｛０．２（Ｘ
B −ＸW ）−１／２ｄ｝の項は、電子に対する実効的な
井戸の深さに相当する。Ｎ×ｄはトータルな井戸層厚と
なり、注入された電子のエネルギー状態を決定する。
【００１９】ＬＥＤの発光の効率を高くする条件とし
て、右辺分子の定数２０が実験から求められた。そし
て、上記 (1)式の各パラメータに代表的な値を代入した
ところ、量子井戸層の総数Ｎの条件としてＮ＞８が得ら
れた。さらに、十分大きな発光効率（外部量子効率２．
５％以上）を得る条件としてＮ＞１０が得られた。
【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（ａ）は、本発明の第１の実施例に係
わる発光ダイオード（ＬＥＤ）の概略構成を示す断面図
である。図中１１はｎ−ＧａＡｓ基板であり、この基板
１１の一主面上にｎ−Ｉｎ0.5 （Ｇａ1-z Ａｌz ）0.5
Ｐクラッド層１２，量子井戸構造活性層１３，及びｐ−
Ｉｎ0.5 （Ｇａ1-u Ａｌu ）0.5 Ｐクラッド層１４から
なる発光部が成長されている。さらに、この発光部上に
ｐ−Ｇａ1-w Ａｌw Ａｓ電流拡散層１５及びｐ−ＧａＡ
ｓコンタクト層１６が成長形成され、コンタクト層１６
は選択エッチングにより例えば円形に加工されている。
そして、コンタクト層１６上にＡｕ−Ｚｎからなるｐ側
電極１７が形成され、基板１１の他方の主面にＡｕ−Ｇ
ｅからなるｎ側電極１８が形成されている。なお、各層
の成長には有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）を用い
た。
【００２２】量子井戸構造活性層１３は、図１（ｂ）に
示すように、量子井戸層１３ａと障壁層１３ｂを積層し
たものである。また、量子井戸層１３ａの材料はＩｎ
1-y （Ｇａ1-x Ａｌx ）y Ｐ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦
１）で、障壁層１３ｂの材料はＩｎ1-t （Ｇａ1-s Ａｌ
s ）t Ｐ（ｘ＜ｓ≦１，０＜ｔ≦１）である。上記の構
造は従来素子と基本的に同様であるが、本実施例では量
子井戸層１３ａの層数を１０以上と多くしたことを特徴
としている。
【００２３】このように設定された量子井戸構造活性層
部を図１（ａ）に示した面発光型ＬＥＤに適用した例に
ついて以下に示す。量子井戸活性層１３ａを厚さ４ｎｍ
のＩｎ0.5 （Ｇａ0.8 Ａｌ0.2 ）0.5 Ｐ（２０層）、障
壁層１３ｂをＩｎ0.5 （Ｇａ0.5 Ａｌ0.5 ）0.5 Ｐ（厚
さ：量子井戸の間のものは５ｎｍ、クラッド層１２，１
４に隣接したものは５０ｎｍ）、クラッド層１２をｎ−
Ｉｎ0.5 （Ｇａ0.3 Ａｌ0.7 ）0.5 Ｐ、クラッド層１４
をｐ−Ｉｎ0.5 （Ｇａ0.3 Ａｌ0.7 ）0.5 Ｐとした。電
流拡散層１５は厚さ７μｍのｐ−Ｇａ0.3 Ａｌ0.7 Ａｓ
とした。クラッド層１２，１４及び電流拡散層１５の不
純物ドーピングは、ｐ型はＺｎを不純物とし、クラッド
層１４は３×１０17ｃｍ-3、電流拡散層１５は３×１０
18ｃｍ-3、ｎ型はＳｉを不純物としクラッド層１２は３
×１０17ｃｍ-3程度とした。
【００２４】このＬＥＤの電流光出力特性を、図２に示
す。図中Ａは本実施例の量子井戸構造活性層を有する場
合の電流光出力特性を、ＢとＣはそれぞれ図１（ａ）に
示す構造において、量子井戸層１３ａの層数を１０及び
５層とした場合の電流光出力特性を示している。Ｄは図
５に示した従来構造においてＩｎＧａＡｌＰ活性層３の
Ａｌ混晶比を０．３とした場合の電流光出力特性であ
る。図２中に示した４つの素子の発光波長は略同等であ
り、５９５ｎｍ程度であった。量子井戸構造とした素子
について量子井戸の層数が増加するにつれて光出力の向
上が認められた。また、量子井戸の層数を２０としたＡ
と従来構造（バルク活性層）Ｄとを、２０ｍＡの動作電
流の下で光出力を比較すると、量子井戸構造とした方が
約２．５倍の光出力を得ることができた。この量子井戸
構造の量子井戸数２０層の素子において２０ｍＡで外部
量子効率３％を越える高効率発光が得られた。
【００２５】なお、図２に示す電流光出力特性の傾きは
非発光センターの影響により変化するものであり、その
傾きが２に近いほどその影響が大きく、１に近いほど影
響が少ない（J. Electron.Master.20(1991)687）。図２
に示すＡＢＣそれぞれの傾きは順に１．０８，１．１
１，１．２１となっており、量子井戸数が多いほど傾き
が小さく非発光センターの影響が少なくなっていた。こ
れは、井戸数が増加することによって注入キャリアのオ
ーバーフローがなくなることにより有効なキャリアの閉
じ込めが行われていることと、障壁層或いはクラッド層
でのＡｌ混晶比が高い故に起こるキャリアの非発光再結
合が少なくなるためである。
【００２６】図３に、井戸層の層数とＬＥＤの外部量子
効率の関係の一例を示す。障壁層のＡｌ組成は０．５、
井戸層のＡｌ組成は０．２、井戸幅は５ｎｍとしてい
る。前述した関係式から求まる井戸数の条件は８以上で
ある。この図のように８以上とすることで、２％以上の
高効率が得られている。さらに、井戸数を２０以上とし
た場合には３％を越える再現性にも優れた高効率が得ら
れる。この関係は、 Ｎ＞４０／ｄ｛０．２（ＸB −ＸW ）−１／ｄ｝ … (2) で表わすことができる。
【００２７】ここで、図３から井戸数が５を越えると外
部量子効率が急激に上昇し、井戸数が１０を越えると外
部量子効率の上昇カーブが緩やかになっている。また一
方で、井戸数を増やすことは、界面を増やし信頼性に影
響を与え、さらに発光層（井戸層＋障壁層）の厚さがあ
まり厚くなると、電子のコヒーレント長を上回り発光効
率が低下する。図３において、層数４０で飽和傾向が見
られることからも、井戸数は８０程度以下が望ましい。
また、井戸層，障壁層のＡｌ組成や井戸幅等のパラメー
タを変えることにより、(1)(2)式に従い図３の特性曲線
は変化するが、量子井戸構造として一般的に使用される
範囲においては、図３の外部量子効率が上昇を始める領
域は僅かにシフトするだけで大きくは変化しない。従っ
て、井戸数１０〜８０とすれば十分であり、これにより
従来にない高い発光効率を得ることができ、その有用性
は絶大である。図４（ａ）は、本発明の第２の実施例の
概略構成を示す断面図である。なお、図１（ａ）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。
【００２８】この実施例が先に説明した実施例と異なる
点は、ｐ，ｎ両クラッド層１４，１２に隣接した障壁層
をなくしたことである。即ち、図４（ｂ）に示すよう
に、クラッド層１２，１４で挟まれた、量子井戸層３３
ａ及び障壁層３３ｂからなる量子井戸構造活性層３３に
おいて、クラッド層１２，１４に隣接した位置には量子
井戸層３３ａが形成された構造となっている。これ以外
の条件（各層の厚さ，キャリア濃度等）は、先の実施例
と同様とした。
【００２９】このような構成であれば、クラッド層１
２，１４に隣接した障壁層３３ｂで起こるオーバーフロ
ーした注入キャリアの非発光再結合を防ぐことができ、
先の実施例以上に発光効率を高めることができる。
【００３０】なお、本発明は上述した各実施例に限定さ
れるものではない。実施例では素子を構成する全ての結
晶成長層において、その格子定数を基板結晶に格子整合
する形で成長したが、格子不整合を導入した構造とした
場合にも同様の効果が得られる。また、量子井戸構造活
性層部の量子井戸層に応力として引っ張り方向の格子不
整合を与えることによって、隣接する障壁層との伝導帯
端のエネルギーレベルのさも大きくすることができ、注
入キャリアの閉じ込めを高くすることができる。また、
格子不整合を与えることによる歪みにより量子井戸面内
方向の正孔の有効質量の小さなバンド端と大きなバンド
端のエネルギー差が注入キャリア密度や動作温度に対し
て違いを生じる。このような格子不整合系においては、
量子井戸構造部の材料としてはＩｎＧａＡｌＰに限らず
ＩｎＧａＡｓＰに適用することができ、さらに組成によ
って格子定数が変化する直接遷移型の化合物半導体であ
れば適用可能である。また、本発明は発光ダイオードに
限らず面発光型レーザに適用することも可能である。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。
【００３１】
【発明の効果】以上詳述したように本発明によれば、化
合物半導体基板上に形成され、ＩｎＧａＡｌＰ等からな
る発光部を有する半導体発光装置において、その発光部
を量子井戸構造とし、量子井戸数を１０以上と多くする
ことと、障壁層のＡｌ混晶比をクラッド層よりも小さく
することにより、注入キャリアの有効な閉じ込めと量子
井戸層以外での非発光再結合を防ぐことができ、高い発
光効率をはかり得る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】
【図１】第１の実施例に係わるＬＥＤの素子構造断面及
びバンド構造を示す図。
【図２】第１の実施例素子と従来素子の電流光出力特性
を示す図。
【図３】井戸層の層数とＬＥＤの外部量子効率の関係の
一例を示す図。
【図４】第２の実施例に係わるＬＥＤの素子構造断面及
びバンド構造を示す図。
【図５】従来のＬＥＤの素子構造断面を示す図。
【符号の説明】
１１…ｎ−ＧａＡｓ基板、 １２…ｎ−ＩｎＧａＡｌＰクラッド層、 １３…量子井戸活性層、 １３ａ…量子井戸層、 １３ｂ…障壁層、 １４…ｐ−ＩｎＧａＡｌＰクラッド層、 １５…ｐ−ＧａＡｌＡｓ電流拡散層、 １６…ｐ−ＧａＡｓコンタクト層、 １７…ｐ側電極、 １８…ｎ側電極。

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】第１導電型の化合物半導体基板と、この基
    板上に形成された第１導電型のＩｎＧａＡｌＰクラッド
    層と、このクラッド層上に形成された、量子井戸層を障
    壁層で挟んだ量子井戸構造からなる発光層と、この発光
    層上に形成された第２導電型のＩｎＧａＡｌＰクラッド
    層とを具備し、基板と反対側の面上から光を取り出す半
    導体発光装置であって、 前記発光層を成す量子井戸構造の量子井戸層の層数が８
    以上であることを特徴とする半導体発光装置。
  2. 【請求項２】前記発光層を成す量子井戸構造の障壁層が
    ＩｎＧａＡｌＰからなり、該障壁層のＡｌ混晶比が前記
    第１及び第２導電型のＩｎＧａＡｌＰクラッド層のＡｌ
    混晶比よりも小さいことを特徴とする請求項１記載の半
    導体発光装置。
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