(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｓｉ単結晶からなる基板上に一導電型半導体層とアルミニウムガリウム砒素から成る逆導電型半導体層と一方電極とを順次形成し、この基板の裏側に他方電極を形成し、さらに逆導電型半導体層が原子組成が（Ｇａ1-XＡｌX）Ａｓである発光層と、原子組成が（Ｇａ1-YＡｌY）Ａｓであるクラッド層とを少なくとも積層して成る半導体発光素子において、前記発光層の膜厚を０．３８μｍ以下にして、０．１５≦Ｘ≦０．３、０．２≦Ｙ≦０．３、１．１５≦Ｙ／Ｘ≦１．１８に規定せしめたことを特徴とした半導体発光素子。
【請求項２】
単結晶基板上にヘテロ成長にて大面積の一導電型半導体層と小面積の逆導電型半導体層とを順次積層して、この一導電型半導体層を引き延ばした延在部を配し、逆導電型半導体層上に一方電極を、延在部上に他方電極を形成し、さらに逆導電型半導体層が原子組成が（Ｇａ1-XＡｌX）Ａｓである発光層と、原子組成が（Ｇａ1-YＡｌY）Ａｓであるクラッド層とを少なくとも積層して成る半導体発光素子において、前記発光層の膜厚を０．３８μｍ以下にして、０．１５≦Ｘ≦０．３、０．２≦Ｙ≦０．３、１．１５≦Ｙ／Ｘ≦１．１８に規定せしめたことを特徴とした半導体発光素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体発光素子に関し、特にページプリンタ用感光ドラムの露光用光源などに用いられる半導体発光素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の半導体発光素子を図５と図６に示す。
図５はこの半導体発光素子の上面図であり、図６は図５における切断面線Ａ−Ａ’の断面図である。
【０００３】
２１は単結晶Ｓｉ基板であり、この単結晶Ｓｉ基板２１の上に一導電型半導体層２２、逆導電型半導体層２３およびアノード電極である逆導電型電極２４とを順次形成し、単結晶Ｓｉ基板２１の裏面にはカソード電極である一導電型電極２５を形成し、そして、単結晶Ｓｉ基板２１の表面には逆導電型電極２４が露出されるように、窒化シリコン膜などから成る絶縁層２６を被覆する。
【０００４】
このような構成の半導体発光素子では電極２４、２５間に順方向に電流を流すことによって発光を得ることができるが、より発光効率を上げるため、図７のようなダブルへテロ構造が用いられている。
【０００５】
すなわち、従来周知の如く、一導電型半導体層２２はバッファ層２２ａ、コンタクト層２２ｂ、クラッド層２２ｃからなり、逆導電型半導体層２３は発光層２３ａ、クラッド層２３ｂ、コンタクト層２３ｃからなる。
【０００６】
また、他の半導体発光素子を次に示す。
図８はこの半導体発光素子の上面図であり、図９は図８における切断面線Ｂ−Ｂ’の断面図である。
【０００７】
図９において、２１は単結晶Ｓｉ基板、２２は一導電型半導体層であり、さらに２２ａはバッファ層、２２ｂはコンタクト層、２２ｃはクラッド層である。また、２３は逆導電型半導体層であり、さらに２３ａは発光層、２３ｂはクラッド層、２３ｃはコンタクト層である。
【０００８】
２４は逆導電型電極、２５は一導電型電極、２６は絶縁層である。
【０００９】
単結晶基板２１上に一導電型半導体層２２と逆導電型半導体層２３とを一導電型半導体層２２よりも逆導電型半導体層２３が小面積となるように設けると共に、この一導電型半導体層２２の露出部にカソード電極２５を接続して設け、逆導電型半導体層２３にアノード電極２４を接続して設けている。なお、図９において、２６は窒化シリコン膜などから成る保護膜である。
【００１０】
この半導体発光素子においては、クラッド層２２ｃ、２３ｂと発光層２３ａとの間にてＡｌ組成の比の差を大きく取り、これにより、電子の閉じ込め効果を高くし、発光強度を発光層の膜厚に依存させないようにする技術が知られている。
【００１１】
特にプリンタヘッド用ＬＥＤアレイのように小さくても要求される発光強度が高い場合には、必要な発光強度を得るために、かかる構造にて膜厚を薄くし、Ａｌ組成の差を大きく取っている。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した２種類の半導体発光素子によれば、この構造で設計したＬＥＤを発光させる際、通電初期の極短い時間（１秒まで）の間に図１０のように発光強度が±２％程度変動するという課題があった。
【００１３】
この変動を図１０に示すと、横軸は累積通電時間であり、縦軸は発光強度の変化率（％）である。
【００１４】
以上の如く、上記のような課題があることで、多くの半導体発光素子の発光強度を揃えなければならない。
【００１５】
たとえば、ＬＥＤアレイなどの商品では、初期の測光結果と数分間通電した後での測光結果が異なり、多くの素子の発光強度を揃えるための発光強度の補正データをその都度、一定時間通電させてから測定する必要があった。
【００１６】
本発明は叙上に鑑みて完成されたものであり、その目的は各々の半導体発光素子の各導電帯層膜厚や組成を制御して、通電直後に起こる発光強度の変動を小さくし、これにより、経時的変化の少ない安定した半導体発光素子を提供することにある。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
本発明の半導体発光素子は、Ｓｉ単結晶からなる基板上に一導電型半導体層とアルミニウムガリウム砒素から成る逆導電型半導体層と一方電極とを順次形成し、この基板の裏側に他方電極を形成し、さらに逆導電型半導体層が原子組成が（Ｇａ1-XＡｌX）Ａｓである発光層と、原子組成が（Ｇａ1-YＡｌY）Ａｓであるクラッド層とを少なくとも積層して成り、そして、発光層の膜厚を０．３８μｍ以下にして、０．１５≦Ｘ≦０．３、０．２≦Ｙ≦０．３、１．１５≦Ｙ／Ｘ≦１．１８に規定せしめたことを特徴とする。
【００１８】
本発明の他の半導体発光素子は、単結晶基板上にヘテロ成長にて大面積の一導電型半導体層と小面積の逆導電型半導体層とを順次積層して、この一導電型半導体層を引き延ばした延在部を配し、逆導電型半導体層上に一方電極を、延在部上に他方電極を形成し、さらに逆導電型半導体層が原子組成が（Ｇａ1-XＡｌX）Ａｓである発光層と、原子組成が（Ｇａ1-YＡｌY）Ａｓであるクラッド層とを少なくとも積層して成り、そして、発光層の膜厚を０．３８μｍ以下にして、０．１５≦Ｘ≦０．３、０．２≦Ｙ≦０．３、１．１５≦Ｙ／Ｘ≦１．１８に規定せしめたことを特徴とする。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を添付図面に基づき詳細に説明する。
図１と図２は請求項１に係る半導体発光素子であり、図３と図４は請求項２に係る半導体発光素子である。
【００２０】
（請求項１に係る半導体発光素子の層構成について）
図１は本発明の半導体発光素子の上面図であり、図２は図１における切断面線Ａ−Ａ’の断面図である。
【００２１】
１は単結晶基板、２は一導電型半導体層、３は逆導電型半導体層、４は逆導電型電極、５は一導電型電極である。
【００２２】
基板１は高抵抗シリコン単結晶の（１００）面を＜０１１＞方向に２〜７°オフさせた基板などが好適に用いられる。
【００２３】
一導電型半導体層２は、バッファ層２ａ、オーミックコンタクト層２ｂ、電子の注入層２ｃで構成される。
【００２４】
バッファ層２ａは２〜４μｍ程度の厚みに形成され、オーミックコンタクト層２ｂは０．１〜１．０μｍ程度の厚みに形成され、電子注入層２ｃは０．２〜１．０μｍ程度の厚みに形成される。
【００２５】
バッファ層２ａとオーミックコンタクト層２ｂはガリウム砒素などで形成され、電子注入層２ｃはアルミニウムガリウム砒素などで形成される。
【００２６】
オーミックコンタクト層２ｂはシリコンなどの一導電型半導体不純物を１×１０16〜１０19ａｔｏｍｓ（原子）／ｃｍ3 程度含有し、電子注入層２ｃもシリコンなどの一導電型半導体不純物を１×１０16〜１０19ａｔｏｍｓ／ｃｍ3 程度含有する。
【００２７】
バッファ層２ａは高抵抗シリコン基板１と半導体層との格子定数の不整合に基づくミスフィット転位を防止するために設けるものであり、半導体不純物を含有させなくてもよい。
【００２８】
逆導電型半導体層３は発光層３ａ、第２のクラッド層３ｂおよび第２のオーミックコンタクト層３ｃで構成される。
【００２９】
第２のクラッド層３ｂは０．１〜０．３μｍ程度の厚みに形成され、オーミックコンタクト層３ｃは膜厚０．０１μｍ〜１μｍ程度の厚みに形成される。発光層３ａと第２のクラッド層３ｂはアルミニウムガリウム砒素などから成り、オーミックコンタクト層３ｃはガリウム砒素などから成る。
【００３０】
発光層３ａおよび第２のクラッド層３ｂは亜鉛（Ｚｎ）などの逆導電型半導体不純物を１×１０16〜１０21ａｔｏｍｓ／ｃｍ3 程度含有し、第２のオーミックコンタクト層３ｃは亜鉛などの逆導電型半導体不純物を１×１０19〜１０21ａｔｏｍｓ／ｃｍ3 程度含有する。
【００３１】
絶縁膜６は窒化シリコンなどから成り、厚み３０００Å程度に形成される。逆導電型電極４は金／クロム（Ａｕ／Ｃｒ）などから成り、厚み１μｍ程度に形成される。ウエハ裏面に形成される一導電型電極５はＡｕＳｂやＡｌＳｉからなり５０００〜１００００Å程度に形成される。
【００３２】
（請求項２に係る半導体発光素子の層構成について）
図３はこの半導体発光素子の上面図であり、図４は図３における切断面線Ｂ−Ｂ’の断面図である。
【００３３】
基板１はアンチモン（Ｓｂ）などから成るｎ型半導体不純物を１０17個／ｃｍ3程度含有させたシリコン単結晶基板の（１００）面を＜０１１＞方向に２〜７°オフさせた基板などが好適に用いられる。
【００３４】
請求項１に係る半導体発光素子と同様に、一導電型半導体層２はバッファ層２ａ、オーミックコンタクト層２ｂ、電子の注入層２ｃで構成される。
【００３５】
バッファ層２ａは２〜４μｍ程度の厚みに形成され、オーミックコンタクト層２ｂは０．１〜１．０μｍ程度の厚みに形成され、電子注入層２ｃは０．２〜１．０μｍ程度の厚みに形成される。
【００３６】
バッファ層２ａとオーミックコンタクト層２ｂはガリウム砒素などで形成され、電子注入層２ｃはアルミニウムガリウム砒素などで形成される。
【００３７】
オーミックコンタクト層２ｂはシリコンなどの一導電型半導体不純物を１×１０16〜１０19ａｔｏｍｓ／ｃｍ3 程度含有し、電子注入層２ｃもシリコンなどの一導電型半導体不純物を１×１０16〜１０19ａｔｏｍｓ／ｃｍ3 程度含有する。
【００３８】
バッファ層２ａはｎ型シリコン基板１と半導体層との格子定数の不整合に基づくミスフィット転位を防止するために設けるものであり、かつ一導電型電極への取り出し経路でもあるので、シリコン（Ｓｉ）などから成るドナーを１０18個／ｃｍ3程度含有している。
【００３９】
逆導電型半導体層３は発光層３ａ、第２のクラッド層３ｂおよび第２のオーミックコンタクト層３ｃで構成される。
【００４０】
第２のクラッド層３ｂは０．１〜０．３μｍ程度の厚みに形成され、オーミックコンタクト層３ｃは膜厚ｄ０．０１μｍ〜１μｍ程度の厚みに形成される。
【００４１】
発光層３ａと第２のクラッド層３ｂはアルミニウムガリウム砒素などから成り、第２のオーミックコンタクト層３ｃはガリウム砒素などから成る。
【００４２】
発光層３ａおよび第２のクラッド層３ｂは亜鉛（Ｚｎ）などの逆導電型半導体不純物を１×１０16〜１０21ａｔｏｍｓ／ｃｍ3 程度含有し、第２のオーミックコンタクト層３ｃは亜鉛などの逆導電型半導体不純物を１×１０19〜１０21ａｔｏｍｓ／ｃｍ3 程度含有する。
【００４３】
絶縁膜６は窒化シリコンなどから成り、厚み３０００Å程度に形成される。逆導電型電極４は金／クロム（Ａｕ／Ｃｒ）などから成り、厚み１μｍ程度に形成される。ウエハ裏面に形成される一導電型電極５はＡｕＳｂやＡｌＳｉからなり５０００〜１００００Å程度に形成される。
【００４４】
上述した各半導体発光素子において、請求項１、２に係る各本発明によれば、（Ｇａ1-XＡｌX）Ａｓである発光層３ａと、（Ｇａ1-YＡｌY）Ａｓであるクラッド層３ｂとを積層して成る半導体発光素子において、発光層３ａの膜厚を０．３８μｍ以下にして、０．１５≦Ｘ≦０．３、０．２≦Ｙ≦０．３、１．１５≦Ｙ／Ｘ≦１．１８に規定したことが特徴である。
【００４５】
以下、このように範囲を規定した点を述べる。
発光層３ａと第２のクラッド層３ｂおよびオーミックコンタクト抵抗低減層３ｃは、電子の閉じ込め効果と光の取り出し効果を高めるべく、アルミニウム砒素（ＡｌＡｓ）とガリウム砒素（ＧａＡｓ）との混晶比を異ならしめる。その混晶比は発光層３ａの組成比が（Ｇａ1-XＡｌX）Ａｓ、第２のクラッド層の組成比を（Ｇａ1-YＡｌY）Ａｓとした場合、Ｙ／Ｘを１．１５以上１．１８以下にする。
【００４６】
（例１）
そして、かかる初期の変動について、請求項１、２に係る半導体発光素子に対し、発光層２３ａの厚みとの関係を測定したところ、図１１に示すような結果が得られた。
【００４７】
同図の横軸は発光強度であり、単位はμＷである。縦軸は初期変動の標準偏差σである。そして、発光層の厚みを０．２４μｍと０．４８μｍに設定して、双方に対し発光強度と初期変動標準偏差σとの関係を測定したところ、発光層２３ａの厚みを厚くするほど、その変動が大きくなっていた。
【００４８】
本発明者は、発光層の厚みを下記のように幾とおりにも変えて、それぞれに対し、発光強度と初期変動標準偏差σとの関係を測定し、良否判定を行なった。その評価にて○印は実用上支障のない変動の場合であり、×印は実用上支障のある変動の場合である。
【００４９】
・発光層の厚み：０．２７μｍ・・・○
・発光層の厚み：０．３０μｍ・・・○
・発光層の厚み：０．３４μｍ・・・〇
・発光層の厚み：０．３８μｍ・・・○
・発光層の厚み：０．４０μｍ・・・×
・発光層の厚み：０．４３μｍ・・・×
この結果から明らかなとおり、請求項１、２に係る半導体発光素子においては、発光層３ａの膜厚を０．３８μｍ以下にするとよい。
【００５０】
（例２）
（例１）にしたがって、発光層２３ａの厚みを良好に規定した請求項１、２の各半導体発光素子に対し、上記の初期変動について、Ｙ／Ｘとの関係を測定したところ、図１２に示すような結果が得られた。
【００５１】
同図の横軸は発光強度であって、単位はμＷである。縦軸は初期変動の標準偏差σである。そして、（Ｇａ1-XＡｌX）Ａｓである発光層と、（Ｇａ1-YＡｌY）Ａｓであるクラッド層とにおいて、Ｙ／Ｘ≦１．１８とＹ／Ｘ＞１．１８にした場合にて、双方に対し、幾とおりにもその比率を変えることで、発光強度と初期変動標準偏差σとの関係を測定し、その値をプロットした。
【００５２】
図１２から明らかなとおり、発光層２３ａとクラッド層２３ｂの組成比を大きく取るほど変動が大きくなることがわかった。
【００５３】
（例３）
（例２）の測定実験に続いて、請求項１、２の各半導体発光素子に対し、初期変動とＹ／Ｘとの関係を測定したところ、図１５に示すような結果が得られた。なお、発光層２３ａの厚みは０．２４μｍである。
【００５４】
同図の横軸は比率Ｙ／Ｘであり、縦軸は初期変動（３σ）である。
【００５５】
そして、図１５から明らかなとおり、発光層２３ａとクラッド層２３ｂの組成比を大きく取るほど変動が大きくなるが、Ｙ／Ｘを１．１８以下にすると、標準偏差（３σ）が１％以下になり、初期変動を１％以内に抑えることができた。
【００５６】
ちなみに、初期変動のバラツキは正規分布にて表現され、３σ＜１％であればバラツキは９９．７４％の確率でその範囲内に入る。
【００５７】
（例４）
（例３）の測定実験に続いて、請求項１、２の各半導体発光素子に対し、発光層２３ａとクラッド層２３ｂの組成比であるＹ／Ｘを１．１５にして、発光層２３ａの膜厚を幾とおりにも変えて、初期変動との関係を測定したところ、図１４に示すような結果が得られた。
【００５８】
同図の横軸は発光層２３ａの膜厚であり、縦軸は初期変動（３σ）である。
【００５９】
図１４から明らかなとおり、発光層２３ａの膜厚が０．３８μｍ以下にするとよいことがわかる。
【００６０】
（例５）
請求項１、２に係る本発明の半導体発光素子において、この構造で設計したＬＥＤを発光させる際、通電初期と発光強度の変動との関係を図１３に示す。この測定結果は、従来技術を示す図１０と対比するものである。
【００６１】
図１３の横軸は累積通電時間であり、縦軸は発光強度の変化率（％）である。
【００６２】
同図から明らかなとおり、初期通電時間が長くても、発光の変動が小さくなったことがわかる。
【００６３】
【発明の効果】
以上のとおり、本発明の半導体発光素子においては、逆導電型半導体層が原子組成が（Ｇａ1-XＡｌX）Ａｓである発光層と、原子組成が（Ｇａ1-YＡｌY）Ａｓであるクラッド層とを少なくとも積層して成り、そして、発光層の膜厚を０．３８μｍ以下にして、０．１５≦Ｘ≦０．３、０．２≦Ｙ≦０．３、１．１５≦Ｙ／Ｘ≦１．１８に規定せしめたことで、各々の半導体発光素子の間にて、通電直後に起こる発光強度の変動を小さくし、これにより、経時的変化の少ない信頼性の高い半導体発光素子が提供できた。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の半導体発光素子の上面図である。
【図２】図１における切断面線Ａ−Ａ’の断面図である。
【図３】本発明の他の半導体発光素子の上面図である。
【図４】図３における切断面線Ｂ−Ｂ’の断面図である。
【図５】従来の半導体発光素子の上面図である。
【図６】図５における切断面線Ａ−Ａ’の断面図である。
【図７】図５における切断面線Ａ−Ａ’の断面図である。
【図８】従来の他の半導体発光素子の上面図である。
【図９】図８における切断面線Ｂ−Ｂ’の断面図である。
【図１０】従来の半導体発光素子における累積通電時間と発光強度の変化率との関係を示す図である。
【図１１】発光層の厚みの発光強度と初期変動標準偏差との関係を示すプロット図である。
【図１２】発光層およびクラッド層の組成の発光強度と標準偏差との関係を示すプロット図である。
【図１３】本発明の半導体発光素子における累積通電時間と発光強度の変化率との関係を示す図である。
【図１４】発光層の膜厚と標準偏差との関係を示すプロット図である。
【図１５】組成比Ｙ／Ｘと標準偏差との関係を示すプロット図である。
【符号の説明】
１、２１・・・単結晶基板
２、２２・・・一導電型半導体層
３、２３・・・逆導電型半導体層
４、２４・・・逆導電型電極
５、２５・・・一導電型電極
６、２６・・・絶縁層
２ａ、２２ａ・・・バッファ層
２ｂ、２２ｂ・・・コンタクト層
２ｃ、２２ｃ・・・クラッド層
３ａ、２３ａ・・・発光層
３ｂ、２３ｂ・・・クラッド層
３ｃ、２３ｃ・・・コンタクト層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
0003726036.tif 000014
【図１４】
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【図１５】
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