(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上にキャリア注入層、発光層、およびキャリア閉じ込め層を順次積層して設けると共に、このキャリア注入層とキャリア閉じ込め層を前記発光層よりも屈折率が小さい材料で形成して、前記キャリア閉じ込め層側から光を取り出すダブルヘテロ構造の発光ダイオードにおいて、前記キャリア閉じ込め層の光の取り出し経路部分を除去すると共に、前記キャリア閉じ込め層と発光層とキャリア注入層間に電流を流して前記発光層で発光させることを特徴とする発光ダイオード。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は発光ダイオードに関し、特にページプリンタの露光用光源である光プリンタヘッドなどに用いられる発光ダイオードに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の発光ダイオードを図３に基づいて説明する。図３において、１１は基板、１２はバッファ層、１３はキャリア注入層、１４は発光層、１５はキャリア閉じ込め層、１７は個別電極、１８は共通電極である。基板１１はシリコンやガリウム砒素などから成り、バッファ層１２はガリウム砒素などから成り、キャリア注入層１３、発光層１４、およびキャリア閉じ込め層１５はアルミニウムウガリウム砒素などから成る。なお、バッファ層１２とキャリア閉じ込め層１５との表面部分には、ガリウム砒素などから成るコンタクト層１２ａ、１５ａが形成されている。
【０００３】
このような発光ダイオードでは、キャリア注入層１３の光学的バンドギャップＥ１３、発光層１４の光学的バンドギャップＥ１４、およびキャリア閉じ込め層１５の光学的バンドギャップＥ１５は、キャリアの閉じ込め効果を得るために、Ｅ１３＞Ｅ１４、Ｅ１５＞Ｅ１４に設定される。また、キャリア注入層１３、発光層１４、およびキャリア閉じ込め層１５の材料としてアルミニウムウガリウム砒素（Ａｌｘ  Ｇａ１−ｘ  Ａｓ）を用いる場合、それぞれのＡｌ組成ｘをｘ１３（キャリア注入層１３のＡｌ組成ｘ）、ｘ１４（発光層１４のＡｌ組成ｘ）、ｘ１５（キャリア閉じ込め層１５のＡｌ組成ｘ）すると、ｘ１３＞ｘ１４、ｘ１５＞ｘ１４とし、０≦ｘ１４≦０．４、０＜ｘ１３、ｘ１５≦０．７に設定すると、上述のような関係の光学的バンドギャップを有する発光ダイオードに設定できる。
【０００４】
この発光ダイオードでは、順方向に電流を流すとキャリア注入層１３から発光層１４にキャリアが注入され、多数キャリアと発光再結合することによって光を生じる。この場合、発光ダイオードの発光効率は、内部量子効率と光の取り出し効率の積となる（発光効率（外部量子効率）＝（内部量子効率）×（光の取り出し効率））ので、発光効率を上げるためには、内部量子効率と光の取り出し効率を上げる必要がある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、従来の発光ダイオードでは、発光素子の材料として、Ａｌｘ  Ｇａ１−ｘ  Ａｓを用いた場合、内部量子効率を高めるためには、発光層１４のＡｌ組成に対してキャリア注入層１３とキャリア閉じ込め層１５のＡｌ組成ｘをできるだけ大きくする必要がある。一方、光の取り出し効率を高めるためには、発光層１４とキャリア閉じ込め層１５との界面での反射をできるだけ少なくしなければならない。発光層１４とキャリア閉じ込め層１５との界面での全反射臨界角θｃ  はｓｉｎθｃ  ＝ｎ１５／ｎ１４（ｎ１４は発光層１４の屈折率、ｎ１５はキャリア閉じ込め層１５の屈折率）で定義される。
【０００６】
Ａｌｘ  Ｇａ１−ｘ  Ａｓの屈折率は、Ａｌ組成ｘの関数として、ｎ＝（１３．１８−３．１２ｘ）１／２  とあらわされ、キャリア閉じ込め層１５のＡｌ組成を大きくするほど全反射臨界角θＣ  は小さくなり、発光層１４とキャリア閉じ込め層１５との界面で反射する光が増えて光の取り出し効率が悪くなるという欠点を有していた。
【０００７】
つまり、屈折率が異なる物質を通過する光は、図４に示すように、ｎ１  ｓｉｎθ１  ＝ｎ２  ｓｉｎθ２  の関係がある。θ１  ＞９０°となるとき、光は界面で全反射し、その臨界角θｃ  は、ｓｉｎθｃ  ＝ｎ１  ／ｎ２  で与えられる。
【０００８】
一方、発光ダイオードで内部量子効率を上げるためには、キャリア注入層１３の光学的バンドギャップＥ１３とキャリア閉じ込め層１５の光学的バンドギャップＥ１５を、発光層１４の光学的バンドギャップＥ１４（要求される発光波長によって決まる）に比べて、できるだけ大きく（Ａｌ組成ｘ１３とｘ１５を大きく）する必要があるが、Ａｌ組成を大きくすればするほど、その屈折率ｎ１３とｎ１５は屈折率ｎ１４に比べて小さくなる。
【０００９】
したがって、内部量子効率を上げるために、キャリア閉じ込め層１５の光学的バンドギャップＥ１５を大きく（ｘ１５を大きく）しても、発光層１４とキャリア閉じ込め層１５との界面の全反射臨界角が小さくなるため、光の取り出し効率は低くなり、発光効率を大きく上げることはできないという問題があった。
【００１０】
本発明は、このような従来装置の問題点に鑑みてなされたものであり、内部量子効率の向上と光の取り出し効率の向上を同時に実現して発光効率の高い発光ダイオードを提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１に係る発光ダイーオによれば、基板上にキャリア注入層、発光層、およびキャリア閉じ込め層を順次積層して設けると共に、このキャリア注入層とキャリア閉じ込め層を前記発光層よりも屈折率が小さい材料で形成して、前記キャリア閉じ込め層側から光を取り出すダブルヘテロ構造の発光ダイオードにおいて、前記キャリア閉じ込め層の光の取り出し経路部分を除去すると共に、前記キャリア閉じ込め層と発光層とキャリア注入層間に電流を流して前記発光層で発光させる。
【００１２】
【作用】
上記のように構成すると、キャリア注入層とキャリア閉じ込め層との光学的バンドギャップを大きくして内部量子効率を向上させながら、キャリア閉じ込め層と発光層との界面での反射を無くすことができ、もって光の取り出し効率を向上させることができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、請求項１に係る発明を添付図面に基づき詳細に説明する。
図１は請求項１に係る発光ダイオードの一実施形態を示す平面図、図２は同じく断面図であり、１は基板、２はバッファ層、３はキャリア注入層、４は発光層、５はキャリア閉じ込め層、６は絶縁層、７は個別電極、８は共通電極である。
【００１４】
基板１は、シリコンやガリウム砒素などの単結晶半導体基板、若しくはサファイア（Ａｌ２  Ｏ３  ）などの単結晶絶縁基板から成る。半導体基板を用いる場合は、（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。サファイアを用いる場合はＣ面基板などが好適に用いられる。
【００１５】
バッファ層２はＧａＡｓなどから成り、０．５〜３μｍ程度の厚みに形成される。このバッファ層２の表面部分には、シリコンなどの一導電型半導体不純物を高濃度に含有する０．０１〜１．０μｍ程度の厚みを有するコンタクト層２ａが形成される。
【００１６】
キャリア注入層３はＡｌＧａＡｓなどから成り、０．１〜１．０μｍ程度の厚みに形成される。このキャリア注入層３も一導電型を呈する。
【００１７】
発光層４は０．１〜１．０μｍ程度の厚みを有するＡｌＧａＡｓなどから成り、亜鉛などの逆導電型半導体不純物を含有する。
【００１８】
キャリア閉じ込め層５は、０．１〜１．０μｍ程度の厚みを有するＡｌＧａＡｓなどから成り、逆導電型を呈する。このキャリア閉じ込め層５の表面部分には、０．０１〜１．０μｍ程度の厚みを有し、亜鉛などの逆導電型半導体不純物を高濃度に含有するコンタクト層５ａが形成されている。このキャリア閉じ込め層５は、発光素子の光の取り出し経路となる領域Ｌ部分が除去されている。つまり、光取り出し方向において発光層４と界面を形成しないように、島状半導体層２〜５の表面部分の電極７で被覆されていない領域のキャリア閉じ込め層５が除去されている。このキャリア閉じ込め層５は、発光素子の光の取り出し領域Ｌとなる部分を円形状もしくは矩形状に除去するようにしてもよい。
【００１９】
ここで、キャリア注入層３のバンドギャップＥ３  、発光層４のバンドギャップＥ４  、キャリア閉じ込め層５のバンドギャップＥ５  は、Ｅ３  ＞Ｅ４  、Ｅ５  ＞Ｅ４  に設定される。キャリア注入層３、発光層４、およびキャリア閉じ込め層５の材料として、ＡｌＸ  Ｇａ１−Ｘ  Ａｓを用いたときは、各層のＡｌ組成ｘは、キャリア注入層３のＡｌ組成ｘをｘ３  、発光層４のＡｌ組成ｘをｘ４  、キャリア閉じ込め層５のＡｌ組成ｘをｘ５  とするとき、ｘ３  ＞ｘ４  、ｘ５  ＞ｘ４  となるので、各層の屈折率ｎは、ｎ３  ＜ｎ４  、ｎ５  ＜ｎ４  となる（ｎ３  はキャリア注入層３の屈折率、ｎ４  は発光層４の屈折率、ｎ５  はキャリア閉じ込め層５の屈折率）。
【００２０】
各半導体層２〜５の表面部分は、３０００Å程度の厚みを有する窒化シリコン膜などから成る絶縁膜６で被覆される。この絶縁膜６に形成されたコンタクトホールＣ１  を介して個別電極７がキャリア閉じ込め層５に接続され、コンタクトホールＣ２  を介して共通電極８がキャリア注入層３に接続される。
【００２１】
このような発光ダイオードでは、順方向に電流を流すとキャリア注入層３から発光層４にキャリアが注入され、多数キャリアと発光再結合することによって光を生じる。発生した光のうち、基板１方向へ向かう光は発光層４とキャリア注入層３との界面でその多くが反射して上方へ向かう。また、上方へ向かった光は、キャリア閉じ込め層５の一部が除去されていることから、キャリア閉じ込め層５を通さずに直接取り出される。このように構成すると、光の取り出し効率の低下を招くことなく、キャリア閉じ込め層５のバンドギャップを大きくすることによる内部量子効率の向上を実現できる。
【００２２】
次に、上述のような半導体発光素子の製造方法を説明する。まず、基板１上に、バッファ層２、キャリア注入層３、発光層４、およびキャリア閉じ込め層５をＭＯＣＶＤ法などで順次積層して形成する。これらの半導体層２〜５を形成する場合、基板温度をまず４００〜５００℃に設定して１００〜１０００Å程度の厚みにアモルファス状のガリウム砒素膜を形成した後、基板温度を６００〜９００℃に上げて所望厚みの半導体層２〜５を形成する。
【００２３】
この場合、原料ガスとしてはＴＭＧ（（ＣＨ３  ）３  Ｇａ）、ＴＥＧ（（Ｃ２  Ｈ５  ）３  Ｇａ）、アルシン（ＡｓＨ３  ）、ＴＭＡ（（ＣＨ３  ）３  Ａｌ）、ＴＥＡ（（Ｃ２  Ｈ５  ）３  Ａｌ）などが用いられ、導電型を制御するためのガスとしてはシラン（ＳｉＨ４  ）、セレン化水素（Ｈ２  Ｓｅ）、ＤＭＺ（（ＣＨ３  ）２  Ｚｎ）などが用いられ、キャリアガスとしてはＨ２  などが用いられる。
【００２４】
次に、発光素子の光の取り出し経路となる領域Ｌ部分のキャリア閉じ込め層５をエッチング除去する。次に、隣接する素子同志が電気的に分離されるように、半導体層２〜５が島状にパターニングされる。次に、表面部にコンタクト層が形成されたバッファ層２と共通電極８との接続部が、キャリア注入層３、発光層４、およびキャリア閉じ込め層５から露出するようにエッチング除去される。このような半導体層２〜５のエッチングは硫酸過酸化水素系のエッチング液を用いたウエットエッチングやＣＣｌ２  Ｆ２  ガスを用いたドライエッチングなどで行われる。
【００２５】
次に、窒化シリコン膜などから成る絶縁膜６をシランガス（ＳｉＨ４  ）とアンモニアガス（ＮＨ３  ）を用いたプラズマＣＶＤ法などで形成した後に、所定部分を弗酸（ＨＦ）系のエッチング液で除去して、コンタクトホールＣ１  、Ｃ２  を形成する。最後に、蒸着法やスパッタリング法で個別電極７および共通電極８となる金属膜を形成してパターニングすることにより完成する。
【００２６】
【発明の効果】
以上のように、請求項１に係る発光ダイオードによれば、基板上にキャリア注入層、発光層、およびキャリア閉じ込め層を順次積層して設けると共に、このキャリア注入層とキャリア閉じ込め層を前記発光層よりも屈折率が小さい材料で形成して、前記キャリア閉じ込め層側から光を取り出すダブルヘテロ構造の発光ダイオードにおいて、前記キャリア閉じ込め層の光の取り出し経路部分を除去すると共に、前記キャリア閉じ込め層と発光層とキャリア注入層間に電流を流して前記発光層で発光させることから、発光層で発光した光が発光層とキャリア閉じ込め層との界面で反射することが無くなり、光の取り出し効率が向上した発光効率の高い発光ダイオードとなる。また、発光層とキャリア閉じ込め層との界面における光の反射が無いので、キャリア閉じ込め層のＡｌ組成を大きく（屈折率を小さく）することができ、内部量子効率を大きくして、発光効率の高い発光ダイオードの作成が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る発光ダイオードの一実施形態を示す平面図である。
【図２】本発明に係る発光ダイオードの一実施形態を示す断面図である。
【図３】従来の発光ダイオードを示す断面図である。
【図４】二つの物質の屈折率と臨界角との関係を示す図である。
【符号の説明】
１‥‥‥基板、２‥‥‥バッファ層、３‥‥‥キャリア注入層、４‥‥‥発光層、５‥‥‥キャリア閉じ込め層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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