(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＡｌＧａＡｓか、あるいはＧａＡｓを主構成材料とする発光層と、該発光層を挟むように形成され該発光層の材料よりもバンドギャップが広いクラッド層とを有するダブルヘテロ構造の化合物半導体発光素子において、上記クラッド層の一方がｎ型ＧａＩｎＰ、ｎ型ＡｌＩｎＰまたはｎ型ＡｌＧａＩｎＰのいずれかで構成されており、上記クラッド層の他方がｐ型ＡｌＧａＡｓで構成されていることを特徴とする化合物半導体発光素子。
【請求項２】
ＡｌＧａＡｓか、あるいはＧａＡｓを主構成材料とする発光層と、該発光層を挟むように形成され該発光層の材料よりもバンドギャップが広いクラッド層とを有するダブルヘテロ構造の発光ダイオードが同一チップ上に複数個形成された発光ダイオードアレイにおいて、上記クラッド層の一方がｎ型ＧａＩｎＰ、ｎ型ＡｌＩｎＰまたはｎ型ＡｌＧａＩｎＰのいずれかで構成されており、上記クラッド層の他方がｐ型ＡｌＧａＡｓで構成されていることを特徴とする発光ダイオードアレイ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、化合物半導体発光素子及び発光ダイオードアレイに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＡｌＧａＡｓ系の発光ダイオード（以下「ＬＥＤ」という。）は、表示素子用、光プリンタの書き込み光源用か、あるいはコンパクトディスク等の読取り光源用として盛んに開発され実用化が進められている。近年、半導体素子を含む電子機器には低消費電力化が厳しく要求されるようになり、発光素子に対してもより低い電力で高い発光出力が得られること、すなわち発光効率の向上が強く要求されている。
【０００３】
この種の発光素子の基本構造は、発光層の表裏両面に発光層よりもバンドギャップが広いクラッド層が形成されたダブルヘテロ構造（以下「ＤＨ構造」という。）とするのが一般的である。このＤＨ構造により、発光層とクラッド層との界面に電位障壁が生じ、発光層に注入された電子・正孔（キャリア）をこの層内に閉じ込めることが可能となる。この閉じ込められたキャリアが発光再結合することにより、発光出力が得られる。
【０００４】
しかし、発光層や発光層とクラッド層との界面に結晶欠陥があると、キャリアは欠陥の準位を介して非発光再結合してしまい、発光効率が著しく低下する。これらの欠陥を低減させることが発光効率を向上させる上での鍵となる。
【０００５】
図３は従来のＡｌＧａＡｓレーザダイオードの断面図である。図４は従来の発光ダイオードアレイの発光部の断面図である。
【０００６】
図３に示すＡｌＧａＡｓレーザダイオードは、ｎ型ＧａＡｓ基板１上に、ｎ型ＧａＡｓバッファ層２、ｎ型Ａｌ0.4   Ｇａ0.6   Ａｓクラッド層３、ｐ型Ａｌ0.1   Ｇａ0.9   Ａｓ発光層４、ｐ型Ａｌ0.4   Ｇａ0.6   Ａｓクラッド層５及びｐ型Ａｌ0.1   Ｇａ0.9   Ａｓ電極コンタクト層６をこの順序でＭＯＶＰＥ法で成長させたものが用いられている。
【０００７】
このｐ型Ａｌ0.1   Ｇａ0.9   Ａｓ電極コンタクト層６上に絶縁膜７が形成され、この絶縁膜７にストライプ状の窓が形成された後、アノード電極８が形成され、ｎ型ＧａＡｓ基板１の裏面にカソード電極９が形成されたものである。
【０００８】
図４に示す発光ダイオードアレイは、クラッド層１１にｎ型ＧａＩｎＰを適用したＬＥＤアレイの一発光部であり、ｎ型ＧａＡｓ基板１上に、ｎ型ＧａＡｓバッファ層２、ｎ型Ａｌ0.4   Ｇａ0.6   Ａｓクラッド層３、ｐ型Ａｌ0.2   Ｇａ0.8   Ａｓ発光層１０、ｐ型Ａｌ0.4   Ｇａ0.6   Ａｓクラッド層５及びｐ型Ａｌ0.1   Ｇａ0.9   Ａｓ電極コンタクト層６をこの順序でＭＯＶＰＥ法で成長させたものが用いられている。
【０００９】
ｐ型Ａｌ0.1   Ｇａ0.9   Ａｓ電極コンタクト層６は、光の吸収層となるため、アノード電極８との接触部を除き、エッチングにより除去されている。発光部はメサエッチングにより電気的に分離されている。発光部表面には光の取り出し効率向上と機械的保護とを兼ねて絶縁膜７が形成されている。ｎ型ＧａＡｓ基板１の裏面にはカソード電極９が形成されている。
【００１０】
これらＡｌＧａＡｓやＧａＡｓを発光層とする発光素子には、ＡｌＧａＡｓがクラッド層に用いられるのが一般的であった。これは、ＡｌＧａＡｓが組成によらずＧａＡｓと格子整合することや、組成を変えることによりバンドギャップが１．４２ｅＶ〜２．１６ｅＶの広い範囲で可変なこと等の理由により、理想的なＤＨ構造が容易に実現できると考えられたからである。
【００１１】
また、発光素子は基本的にｐｎ接合デバイスであり、一方のクラッド層をｐ型とし、他方のクラッド層をｎ型とし、これらのクラッド層の間にｐ型か、あるいはｎ型の発光層を形成することによりｐｎ接合を構成するのが一般的であった。クラッド層や発光層は、エピタキシャル成長法によりＧａＡｓ基板上に成長される。エピタキシャル成長法としては、当初、液層エピタキシー法（以下「ＬＰＥ法」という。）が主流であった。このＬＰＥ法は良質なエピタキシャル層を得る上で非常に有効である。
【００１２】
しかし、膜厚や組成の制御性が悪いという問題があり、最近では、有機金属気相エピタキシー法（以下「ＭＯＶＰＥ法」という。）や分子線エピタキシー（以下「ＭＢＥ法」という。）が主に用いられるようになっている。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、ＭＯＶＰＥ法やＭＢＥ法でｎ型ＡｌＧａＡｓ層を成長させると、このｎ型ＡｌＧａＡｓ層内にはドナーに起因する結晶欠陥が生じる。これは、一般的にＤＸセンタと呼ばれ、ＡｌＡｓ混晶比が高い程、また添加されるドナーの密度が高い程欠陥は高密度に発生する。ｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層は、電子の閉じ込め効果を高くするため、ＡｌＡｓ混晶比とキャリア濃度をいずれも高くする必要がある。このため、クラッド層内には比較的高密度の結晶欠陥が存在する。このようなクラッド層を発光素子に用いた場合、この層と発光面との界面でキャリアの非発光再結合が起こる。この非発光再結合により、ＬＥＤの場合は発光出力が低下し、レーザダイオード（以下「ＬＤ」という。）の場合は誘導放出を得るのに必要な閾電流密度が増加する。すなわち、いずれの発光素子においても発光効率が著しく低下するという問題があった。
【００１４】
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、発光層とクラッド層との界面の結晶欠陥を低減させ、発光効率の高い化合物半導体発光素子及び発光ダイオードアレイを提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明の化合物半導体発光素子は、ＡｌＧａＡｓか、あるいはＧａＡｓを主構成材料とする発光層と、発光層を挟むように形成され発光層の材料よりもバンドギャップが広いクラッド層とを有するダブルヘテロ構造の化合物半導体発光素子において、クラッド層の一方がｎ型ＧａＩｎＰ、ｎ型ＡｌＩｎＰまたはｎ型ＡｌＧａＩｎＰのいずれかで構成されており、クラッド層の他方がｐ型ＡｌＧａＡｓで構成されているものである。
【００１６】
本発明の発光ダイオードアレイは、ＡｌＧａＡｓか、あるいはＧａＡｓを主構成材料とする発光層と、発光層を挟むように形成され発光層の材料よりもバンドギャップが広いクラッド層とを有するダブルヘテロ構造の発光ダイオードが同一チップ上に複数個形成された発光ダイオードアレイにおいて、クラッド層の一方がｎ型ＧａＩｎＰ、ｎ型ＡｌＩｎＰまたはｎ型ＡｌＧａＩｎＰのいずれかで構成されており、クラッド層の他方がｐ型ＡｌＧａＡｓで構成されているものである。
【００１７】
ここで、ＧａＩｎＰ、ＡｌＩｎＰ、ＡｌＧａＩｎＰは、ＭＯＶＰＥ法で比較的容易に成長させることができ、組成制御によりＧａＡｓと格子整合させることが可能である。ＧａＩｎＰは、ＧａＰ混晶比が約０．５でＧａＡｓと格子整合し、この時のバンドギャップは約１．９ｅＶである。ＡｌＩｎＰも、ＡｌＰ混晶比が約０．５でＧａＡｓと格子整合し、この時のバンドギャップは約２．４ｅＶである。ＡｌＧａＩｎＰの場合は、ＩｎＰ混晶比が約０．５の時、ＡｌＰとＧａＰとの混晶比によらずＧａＡｓと格子整合する。この時のバンドギャップは概ね１．９ｅＶ〜２．４ｅＶの範囲である。
【００１８】
ＤＨ構造の発光素子では、発光層に比べてクラッド層のバンドギャップを広くする必要がある。ＧａＡｓやＡｌＧａＡｓを発光層とする発光素子では、発光層の組成により発光ピーク波長を概ね６６０ｎｍ〜８７０ｎｍの範囲で変えることができる。この時のバンドギャップは概ね１．４〜１．９ｅＶの範囲である。
【００１９】
ＬＤでは、誘導放出を得る必要があり、発光層のバンドギャップとクラッド層のバンドギャップとの差は、０．３ｅＶ以上必要である。従って、発光層のバンドギャップが１．６ｅＶ以下の場合は、ＧａＩｎＰ、ＡｌＩｎＰ、ＡｌＧａＩｎＰの全てがクラッド層に適用できる。また、発光層のバンドギャップが１．６ｅＶを超える場合は、ＡｌＩｎＰまたはＡｌＧａＩｎＰがクラッド層に適用できる。
【００２０】
ＬＥＤの場合は、発光層のバンドギャップとクラッド層のバンドギャップとの差が０．１５ｅＶ以上あれば十分なキャリアの閉じ込め効果が得られる。従って、発光層のバンドギャップが１．７５ｅＶ以下の場合は、ＧａＩｎＰ、ＡｌＩｎＰ、ＡｌＧａＩｎＰの全てがクラッド層に適用できる。また、発光層のバンドギャップが１．７５ｅＶを超える場合は、ＡｌＩｎＰまたはＡｌＧａＩｎＰがクラッド層に適用できる。
【００２１】
以上述べたように、ＧａＩｎＰ、ＡｌＩｎＰ、ＡｌＧａＩｎＰは、ＧａＡｓとの格子整合及びバンドギャップの面でクラッド層の必要条件を満たしている。問題はこれらの層をＭＯＶＰＥ法で成長させた場合の結晶欠陥発生の有無である。
【００２２】
前述したように、ＭＯＶＰＥ法で成長させたｎ型ＡｌＧａＡｓにはドナーに起因する結晶欠陥が発生するが、同様の方法で成長させたｎ型ＧａＩｎＰ、ｎ型ＡｌＩｎＰ、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰには同種の結晶欠陥は検出されない。これらのエピタキシャル層を発光素子のクラッド層に適用すれば、発光層とクラッド層との界面の結晶欠陥を大幅に低減できる。この効果を確認するため、ｎ型Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ａｓ／ｎ型Ａｌ0.4   Ｇａ0.6   Ａｓ、ｎ型Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ａｓ／ｎ型ＧａＩｎＰ、ｎ型Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ａｓ／ｎ型ＡｌＧａＩｎＰ及びｎ型Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ａｓ／ｎ型ＡｌＩｎＰの各界面の非発光再結合速度（Ｓ）を時間分解フォトルミネッセンス法により評価した。その結果を表１に示す。
【００２３】
【表１】
0003674410.tif 000002
【００２４】
表１に示すように、ｎ型Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ａｓ／ｎ型Ａｌ0.4   Ｇａ0.6   Ａｓの界面再結合速度が、他の界面に比べて１桁以上大きいという結果が得られた。これは、界面に高密度の結晶欠陥が存在することを示している。
【００２５】
一方、ｎ型ＧａＩｎＰ、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰ、ｎ型ＡｌＩｎＰの場合は、界面再結合速度が小さく、欠陥密度が極めて低い界面が実現できているといえる。これらの材料を発光素子のクラッド層に適用することにより、発光効率の大幅な向上が期待できる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を添付図面に基づいて詳述する。
【００２７】
図１は本発明の化合物半導体発光素子の一実施の形態を示す断面図である。
【００２８】
同図に示す化合物半導体発光素子は、クラッド層１１にｎ型ＧａＩｎＰを用いたＬＤであり、ｎ型ＧａＡｓ基板１上に、ｎ型ＧａＡｓバッファ層２、ｎ型ＧａＩｎＰクラッド層１１、ｐ型Ａｌ0.1   Ｇａ0.9   Ａｓ発光層４、ｐ型Ａｌ0.4 Ｇａ0.6   Ａｓクラッド層５及びｐ型Ａｌ0.1   Ｇａ0.9   Ａｓ電極コンタクト層６をこの順序でＭＯＶＰＥ法で成長させたものが用いられている。
【００２９】
ｎ型ＧａＩｎＰクラッド層１１は、ＧａＡｓの格子定数に略一致する組成で成長させたものである。ｐ型Ａｌ0.1   Ｇａ0.9   Ａｓ電極コンタクト層６上には絶縁膜７が形成され、この絶縁膜７にストライプ状の窓が形成された後、アノード電極８が形成されている。ｎ型ＧａＡｓ基板１の裏面にはカソード電極９が形成されている。
【００３０】
このＬＤの発光出力特性を評価した結果、図３に示した従来のＬＤに比べて誘導放出を得るのに必要な電流密度の閾値を約３０％低減させることができた。また、低電流駆動における自然放出光の強度も約２０％向上した。
【００３１】
さらに、ｎ型ＧａＩｎＰの代わりに、ｎ型ＡｌＩｎＰまたはｎ型ＡｌＧａＩｎＰをクラッド層に適用した同一構造のＬＤにおいても、電流密度閾値及び自然放出光強度の評価において、同程度の向上を確認することができた。この場合のｎ型ＡｌＩｎＰについてもＧａＡｓの格子定数と略一致する組成でそれぞれ成長させた。
【００３２】
図２は本発明の発光ダイオードアレイの一実施の形態を示す断面図である。
【００３３】
この発光ダイオードアレイは、クラッド層１１にｎ型ＧａＩｎＰを適用したＬＥＤアレイの一発光部であり、ｎ型ＧａＡｓ基板１上に、ｎ型ＧａＡｓバッファ層２、ｎ型ＧａＩｎＰクラッド層１１、ｐ型Ａｌ0.2   Ｇａ0.8   Ａｓ発光層１０、ｐ型Ａｌ0.4   Ｇａ0.6   Ａｓクラッド層５及びｐ型Ａｌ0.1   Ｇａ0.9   Ａｓ電極コンタクト層６をこの順序でＭＯＶＰＥ法で成長させたものが用いられている。
【００３４】
ｎ型ＧａＩｎＰクラッド層１１は、ＧａＡｓの格子定数に略一致する組成で成長させたものである。ｐ型Ａｌ0.1   Ｇａ0.9   Ａｓ電極コンタクト層６は、光の吸収層となるため、アノード電極８との接触部を除き、エッチングにより除去されている。発光部はメサエッチングにより電気的に分離されている。発光部表面には光の取り出し効率向上と機械的保護とを兼ねて絶縁膜７が形成されている。ｎ型ＧａＡｓ基板１の裏面にはカソード電極９が形成されている。
【００３５】
このようなＬＥＤアレイの発光特性を評価した結果、図４に示す従来のＬＥＤアレイに比べて発光出力を約３０％向上させることができた。
【００３６】
さらに、ｎ型ＧａＩｎＰの代わりに、ｎ型ＡｌＩｎＰまたはｎ型ＡｌＧａＩｎＰをクラッド層に適用した同一構造のＬＥＤアレイにおいても従来構造よりも約３０％高い発光出力が得られた。この場合のｎ型ＡｌＩｎＰまたはｎ型ＡｌＧａＩｎＰについても、ＧａＡｓの格子定数と略一致する組成でそれぞれ成長させた。
【００３７】
ここで、図１に示した化合物半導体発光素子の電流密度閾値の低減及び図２に示した発光ダイオードアレイの発光出力の向上については、いずれもｎ型クラッド層の結晶欠陥低減により、発光層／ｎ型クラッド層界面の非発光再結合速度が低下したことに起因している。その根拠は表１の界面再結合速度の評価結果に示されている。
【００３８】
なお、上述した実施の形態では、ｎ型ＧａＡｓ基板を用いた場合で説明したが、ｐ型ＧａＡｓ基板を用いた場合でも同様の効果が得られる。この場合、基板上の結晶層の伝導型は発光層を除き逆にしたものとなる。
【００３９】
これらの化合物半導体発光素子及び本発光ダイオードアレイは、コンパクトディスク等の読取り光源、光プリンタ用の書き込み光源及び表示用発光素子に適用できる。
【００４０】
以上において、本発明の化合物半導体発光素子及び発光ダイオードアレイは、発光層／クラッド層界面の非発光再結合を低減できるので、ＬＤでは電流密度閾値の大幅な低減が可能となり、ＬＥＤアレイでは発光出力の大幅な向上が可能となる。この結果、発光素子の発光効率を向上させることができる。
【００４１】
【発明の効果】
以上要するに本発明によれば、次のような優れた効果を発揮する。
【００４２】
発光層とクラッド層との界面の結晶欠陥を低減させ、発光効率の高い化合物半導体発光素子及び発光ダイオードアレイの提供を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の化合物半導体発光素子の一実施の形態を示す断面図である。
【図２】本発明の発光ダイオードアレイの一実施の形態を示す断面図である。
【図３】従来のＡｌＧａＡｓレーザダイオードの断面図である。
【図４】従来の発光ダイオードアレイの発光部の断面図である。
【符号の説明】
１  基板（ｎ型ＧａＡｓ基板）
２  ｎ型ＧａＡｓバッファ層
４  発光層（ｐ型Ａｌ0.1   Ｇａ0.9   Ａｓ発光層）
５  クラッド層（ｐ型Ａｌ0.4   Ｇａ0.6   Ａｓクラッド層）
６  ｐ型Ａｌ0.1   Ｇａ0.9   Ａｓ電極コンタクト層
７  絶縁膜
８  アノード電極
９  カソード電極
１１  クラッド層（ｎ型ＧａＩｎＰクラッド層）
【図１】
0003674410.tif 000003
【図２】
0003674410.tif 000004
【図３】
0003674410.tif 000005
【図４】
0003674410.tif 000006