(57)【要約】【課題】  放射された光のスペクトルの広がりを狭くすることができる半導体発光素子を提供する。【解決手段】  電極から活性層に電流が注入されることにより発光が生ずる。活性層を挟むように、活性層のバンドギャップよりも広いバンドギャップを有する一対のクラッド層が配置されている。一対のクラッド層のうち少なくとも一方のクラッド層よりも外側に、光吸収層が配置されている。光吸収層のバンドギャップは、活性層のバンドギャップよりも広く、クラッド層のバンドギャップよりも狭い。【選択図】  図１
2006108350.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電流が注入されることにより発光する活性層と、
前記活性層を挟むように配置され、該活性層のバンドギャップよりも広いバンドギャップを有する一対のクラッド層と、
前記一対のクラッド層のうち少なくとも一方のクラッド層よりも外側に配置され、前記活性層のバンドギャップよりも広く、前記クラッド層のバンドギャップよりも狭いバンドギャップを有する光吸収層と、
前記活性層に電流を注入する電極と
を有する半導体発光素子。
【請求項２】
前記活性層の発光スペクトルが最大値を示す波長よりも短波長側において強度が最大値の１０％となる波長に相当するバンドギャップよりも、前記光吸収層のバンドギャップの方が狭い請求項１に記載の半導体発光素子。
【請求項３】
前記活性層のバンドギャップと前記光吸収層のバンドギャップとの差が０．１１ｅＶ以下である請求項１に記載の半導体発光素子。
【請求項４】
前記活性層がＩｎＧａＡｓで形成され、前記光吸収層がＡｌＧａＡｓで形成されている請求項１〜３のいずれかに記載の半導体発光素子。
【請求項５】
電流が注入されることにより発光する活性層と、
前記活性層を挟むように配置されたクラッド層と、
前記一対のクラッド層のうち少なくとも一方のクラッド層よりも外側に配置された光吸収層であって、吸収スペクトルが最大値を示す波長が、前記活性層の発光スペクトルが最大値を示す波長よりも短く、前記活性層の発光スペクトルが最大値を示す波長よりも短波長側において強度が最大値の１０％となる波長よりも長い前記光吸収層と、
前記活性層に電流を注入する電極と
を有する半導体発光素子。
【請求項６】
ヘビーホールの準位とライトホールの準位とが分離した量子井戸構造を有し、電流が注入されることにより、該ヘビーホールの準位と伝導帯の準位との間の遷移に起因する発光、及び該ライトホールの準位と伝導帯の準位との間の遷移に起因する発光が生ずる活性層と、
前記活性層を挟むように配置されたクラッド層と、
前記一対のクラッド層のうち少なくとも一方のクラッド層よりも外側に配置された光吸収層であって、前記光吸収層のバンドギャップが、前記活性層のヘビーホールの基底準位と伝導帯の基底準位とのエネルギ差と、ライトホールの基底準位と伝導帯の基底準位とのエネルギ差との間の大きさである前記光吸収層と、
前記活性層に電流を注入する電極と
を有する半導体発光素子。
【請求項７】
前記活性層の発光スペクトルが最大値を示す波長が赤外域であり、前記光吸収層の吸収スペクトルが最大値を示す波長が可視域である請求項１〜６のいずれかに記載の半導体発光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体発光素子に関し、特に放射される光のスペクトルの広がりを狭くすることができる半導体発光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
赤外域のバンドギャップを有する半導体材料を用いて赤外発光素子を作製することができる。下記特許文献１に、赤外空間光通信用として、活性層にＩｎＧａＡｓ歪量子井戸層を用いた発光素子が開示されている。この発光素子は、ＩｎＧａＡｓ歪量子井戸層を一対のＡｌＧａＡｓキャリア閉込層で挟み、この積層構造をｐ型のＡｌＧａＡｓクラッド層とｎ型のＡｌＧａＡｓクラッド層で挟んだ構造を有する。
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−３４４０１３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に開示された発光素子の発光スペクトルは、赤外の波長域で最大強度を示す。ところが、スペクトルの裾野の部分が可視域まで広がる。このため、発光素子からの放射光は、やや赤色に色付いて見える。このように、放射された光に可視光が含まれると、発光素子の用途が制約される。例えば、可視光を発することが禁止されているような用途に使用することができない。発光素子から放射された光のスペクトルの広がりを狭くすることができれば、可視光の発生を抑制することができる。
【０００５】
本発明の目的は、放射された光のスペクトルの広がりを狭くすることができる半導体発光素子を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一観点によると、電流が注入されることにより発光する活性層と、前記活性層を挟むように配置され、該活性層のバンドギャップよりも広いバンドギャップを有する一対のクラッド層と、前記一対のクラッド層のうち少なくとも一方のクラッド層よりも外側に配置され、前記活性層のバンドギャップよりも広く、前記クラッド層のバンドギャップよりも狭いバンドギャップを有する光吸収層と、前記活性層に電流を注入する電極とを有する半導体発光素子が提供される。
【０００７】
本発明の他の観点によると、電流が注入されることにより発光する活性層と、前記活性層を挟むように配置されたクラッド層と、前記一対のクラッド層のうち少なくとも一方のクラッド層よりも外側に配置された光吸収層であって、吸収スペクトルが最大値を示す波長が、前記活性層の発光スペクトルが最大値を示す波長よりも短く、前記活性層の発光スペクトルが最大値を示す波長よりも短波長側において強度が最大値の１０％となる波長よりも長い前記光吸収層と、前記活性層に電流を注入する電極とを有する半導体発光素子が提供される。
【０００８】
本発明のさらに他の観点によると、ヘビーホールの準位とライトホールの準位とが分離した量子井戸構造を有し、電流が注入されることにより、該ヘビーホールの準位と伝導帯の準位との間の遷移に起因する発光、及び該ライトホールの準位と伝導帯の準位との間の遷移に起因する発光が生ずる活性層と、前記活性層を挟むように配置されたクラッド層と、前記一対のクラッド層のうち少なくとも一方のクラッド層よりも外側に配置された光吸収層であって、前記光吸収層のバンドギャップが、前記活性層のヘビーホールの基底準位と伝導帯の基底準位とのエネルギ差と、ライトホールの基底準位と伝導帯の基底準位とのエネルギ差との間の大きさである前記光吸収層と、前記活性層に電流を注入する電極と
を有する半導体発光素子が提供される。
【発明の効果】
【０００９】
活性層で発生した光のスペクトルの裾野に部分の光が、光吸収層で吸収される。このため、発光スペクトルの広がりを抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
図１に、第１の実施例による半導体発光素子の概略断面図を示す。ｐ型ＧａＡｓからなる半導体基板２の主表面上に、下側クラッド層３、活性層４、上側クラッド層５、電流拡散層６、光吸収層７、及びコンタクト層８がこの順番に積層されている。
【００１１】
下側クラッド層３は、ＺｎまたはＭｇがドープされたｐ型のＡｌＧａＡｓで形成されており、その厚さは１〜３μｍである。下側クラッド層３のＡｌの組成比は０．３〜０．４ であり、不純物濃度は１×１０１６ｃｍ−３〜１×１０１８ｃｍ−３である。活性層４は、ｐ型のＧａＡｓで形成されており、その厚さは５０〜５００ｎｍである。活性層４の不純物濃度は、１×１０１７ｃｍ−３〜５×１０１８ｃｍ−３である。
【００１２】
上側クラッド層５は、ＳｉまたはＳｅがドープされたｎ型のＡｌＧａＡｓで形成されており、その厚さは１〜３μｍである。上側クラッド層５のＡｌの組成比は０．３〜０．４であり、不純物濃度は約１×１０１８ｃｍ−３である。電流拡散層６は、ｎ型のＡｌＧａＡｓで形成されており、その厚さは約４．５μｍである。電流拡散層６の不純物濃度は１×１０１６〜１×１０１８ｃｍ−３である。また、Ａｌの組成比は上部クラッド層５のＡｌの組成比と等しい。
【００１３】
光吸収層７は、ｎ型のＡｌＧａＡｓで形成されており、その厚さは０．１μｍ以上５μｍ未満である。光吸収層７の不純物濃度は、約１×１０１８ｃｍ−３である。Ａｌの組成比については後述する。コンタクト層８は、ｎ型のＧａＡｓで形成されており、その厚さは約５０ｎｍである。コンタクト層８の不純物濃度は約２×１０１８ｃｍ−３である。
【００１４】
これらの層は、例えば有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）により形成することができる。
【００１５】
半導体基板２の底面に、ＡｕＺｎ合金からなる下側電極１が形成されている。コンタクト層８の上面に、ＡｕＧｅ合金からなる上側電極９が形成されている。これらの電極は、例えば真空蒸着により形成される。上側電極９及び下側電極１から活性層４に電流を注入することにより、活性層４で発光が生ずる。上側電極９は、活性層４から放射された光が外部に取り出されるように、パターニングされている。
【００１６】
図２に、図１に示した半導体発光素子から放射された光のスペクトルを示す。横軸は波長を単位「ｎｍ」で表し、縦軸は光の強度を、最大強度を１とした相対値で表す。図中の曲線ａ、ｂ、ｃは、それぞれ光吸収層７のＡｌの組成比を０．１、０．０７、及び０．０３とした場合のスペクトルを示す。Ａｌの組成比が０．１、０．０７、及び０．０３の光吸収層７のバンドギャップと、ＧａＡｓ活性層４のバンドギャップとの差は、それぞれ０．１１ｅＶ、０．０７２ｅＶ、０．０３１ｅＶである。参考のために、光吸収層７を設けない構造の発光素子の発光スペクトルを曲線ｄで示す。
【００１７】
いずれの場合も、波長が約８８０ｎｍの赤外域で最大強度を示す。最大強度を示す波長を「ピーク波長」と呼ぶこととする。光吸収層７を挿入すると、ピーク波長よりも短波長側において強度が低下することがわかる。これは、活性層４で発生した光の短波長の成分が、光吸収層７で吸収されるためである。光吸収層７のＡｌ組成比を少なくすると、強度が低下し始める波長がピーク波長に近づく。これは、光吸収層７の吸収スペクトルのピークが活性層４の発光スペクトルのピーク波長に近づくためである。
【００１８】
第１の実施例において、半導体基板２及び活性層４は共にＧａＡｓで形成されているため、半導体基板２は、活性層４で発生した光を吸収する。ＧａＡｓで形成されているコンタクト層８は、チップ化プロセス時に硝酸により完全に除去される。
【００１９】
下側クラッド層３及び上側クラッド層５は、キャリアを活性層４に閉じ込めるため、及び活性層４で発生した光を十分透過させるために、活性層４のバンドギャップよりも十分広いバンドギャップを有する半導体で形成される。光吸収層７のバンドギャップは、活性層４のバンドギャップよりも広く、上側クラッド層５及び下側クラッド層３のバンドギャップよりも狭い。このため、光吸収層７は、活性層４で発生した光のうち、ピーク波長よりも短波長側の波長を有する一部の光を吸収する。光吸収層７のバンドギャップが活性層４のバンドギャップよりも広いため、発光スペクトルのピーク波長の光は、ピーク波長よりも短波長側の光に比べて光吸収層７での減衰量がすくなく、効率的に外部に放射される。
【００２０】
光吸収層７のバンドギャップと活性層４のバンドギャップとの差が大きすぎると、発光スペクトルの短波長側の裾野の光も、ほとんど吸収されなくなってしまう。光吸収層７のバンドギャップを、例えば活性層４の発光スペクトルのピーク波長よりも短波長側において、発光スペクトルの強度がその最大値の１０％となる波長に相当するバンドギャップよりも狭くすることが好ましい。言い換えれば、光吸収層７の吸収スペクトルのピーク波長が、活性層４の発光スペクトルのピーク波長よりも短く、かつ活性層４の発光スペクトルのピーク波長よりも短波長側において強度が最大値の１０％となる波長よりも長くなるようにすることが好ましい。一般的に短波長ほど視感度は高く、スペクトルの短波長側の裾野の成分を光吸収層で吸収することによる赤色光削減の効果は大きい。
【００２１】
図２に示した曲線ａのように、光吸収層７のバンドギャップと活性層４のバンドギャップとの差が０．１１ｅＶまで広がっても、可視域の成分を吸収する効果が認められる。両者のバンドギャップの差を０．１１ｅＶ以下であれば、発光スペクトルの広がりを狭くする十分な効果が得られる。
【００２２】
光吸収層７が薄すぎると、十分な光吸収が行われなくなる。光吸収層７の厚さを、０．１μｍ以上にすることが好ましい。また、光吸収層７が厚すぎると、外部に放射される光の強度が弱くなりすぎる。光吸収層７の厚さは、５μｍ未満とすることが好ましい。
【００２３】
次に、図３を参照して、第２の実施例による半導体発光素子について説明する。第１の実施例では、図１に示した活性層４がｐ型のＧａＡｓで形成されていたが、第２の実施例ではｐ型のＩｎＧａＡｓで形成されている。その他の構成は、第１の実施例の場合と同じである。
【００２４】
図３に、第２の実施例による半導体発光素子の発光スペクトルを示す。曲線ｅが、第２の実施例による半導体発光素子の発光スペクトルを示す。活性層４のＩｎ組成比を０．０４５とし、光吸収層７のＡｌ組成比を０．０３とした。比較のために、第１の実施例による半導体発光素子の発光スペクトルを曲線ｃで示す。さらに、第１の実施例及び第２の実施例による半導体発光素子から光吸収層を取り除いた構造の素子の発光スペクトルを、それぞれ破線ｃ０及びｅ０で示す。縦軸は、光強度を、破線ｃ０及びｅ０の最大値を１とした相対目盛で表す。
【００２５】
ＩｎＧａＡｓのバンドギャップはＧａＡｓのバンドギャップよりも狭いため、第２の実施例による半導体発光素子の発光スペクトルのピーク波長が、第１の実施例による半導体発光素子の発光スペクトルのピーク波長よりも長波長側にずれる。第２の実施例では、主に、光吸収層７で吸収される前の活性層４の発光スペクトル（破線ｅ０に相当）の短波長側の裾野の部分が、光吸収層で吸収され、最大値近傍の波長域における吸収量は少ない。外部に放射された光の強度は、光吸収層を配置しない場合の光の強度の約８８％である。
【００２６】
これに対し、第１の実施例の場合には、光吸収層７で吸収される前の活性層４の発光スペクトル（破線ｃ０に相当）の最大値近傍の波長域においても、吸収量が多い。このため、第２の実施例の場合には、第１の実施例の場合に比べて、光吸収層７で吸収されることによる光の減衰量が小さい。第１の実施例では、外部に放射された光の強度は、光吸収層７を配置しない場合の光の強度の約５１％であった。このように、活性層４の発光スペクトルを長波長側にずらすことにより、光の取り出し効率を高めることができる。さらに、外部に取り出された光の赤色光の成分を大幅に低減させることができる。
【００２７】
活性層４のＩｎ組成比及び膜厚は、基板上にエピタキシャル成長する範囲に設定される。Ｉｎ組成比を大きくしすぎると、エピタキシャル成長させるための臨界膜厚が薄くなってしまう。このため、Ｉｎ組成比を０．２５以下にすることが好ましい。
【００２８】
図４に、第３の実施例による半導体発光素子の概略断面図を示す。以下、図１に示した第１の実施例による半導体発光素子との相違点について説明する。第３の実施例では、半導体基板２が、活性層４の発光波長域の光に対して透明な材料、たとえばＡｌＧａＡｓ、ＧａＰ、サファイア等で形成されている。このため、活性層４で発生した光が、半導体基板２側からも外部に放射される。半導体基板２側に放射される光のスペクトルの広がりを狭くするために、半導体基板２と下側クラッド層３との間にも光吸収層１０が挿入されている。光吸収層１０は、ｐ型のＡｌＧａＡｓで形成されており、その組成比は、上側の光吸収層７の組成比と同一である。
【００２９】
次に、第４の実施例による半導体発光素子について説明する。第４の実施例による半導体発光素子は、図４に示した第３の実施例による半導体発光素子の活性層４を量子井戸構造としたものである。具体的には、活性層４が、ＩｎＧａＡｓからなる厚さ６ｎｍの井戸層を、ＡｌＧａＡｓからなる厚さ５０ｎｍの一対の障壁層で挟んだ構造にされている。井戸層のＩｎ組成比は０．１８であり、障壁層のＡｌ組成比は０．１８である。
【００３０】
図５に、第４の実施例及び比較例による半導体発光素子の発光スペクトルを示す。図５の曲線ｆが、第４の実施例による半導体発光素子の発光スペクトルを示す。曲線ｇが、図４の光吸収層７及び１０を有しない比較例による半導体発光素子の発光スペクトルを示す。波長約９４０ｎｍにおいて、発光スペクトルが最大値を示す。これは、ヘビーホールの準位が介在する遷移に対応する。比較例による半導体発光素子の発光スペクトルの短波長側の裾野が、長波長側の裾野に比べて、ピーク波長から遠い波長域まで広がっている。これは、ライトホールの準位が介在する遷移により発光が生ずるためである。
【００３１】
光吸収層７及び１０を配置することにより、短波長側の裾野の部分の光が効率的に吸収され、裾野の広がりが抑制されていることがわかる。このように、活性層４で発生した光の可視域の成分を効率的に減衰させることができる。これにより、外部に放射される光の色付きを抑制することができる。
【００３２】
ライトホールの準位に起因して発生した光を効率的に吸収するために、光吸収層７及び１０のバンドギャップが、活性層４のヘビーホールの基底準位と伝導帯の基底準位とのエネルギ差よりも広く、かつライトホールの基底準位と伝導帯の基底準位とのエネルギ差よりも狭くなるように、光吸収層７及び１０の材料を選択することが好ましい。
【００３３】
また、量子井戸層に伸び歪が内在している場合には、伝導帯とライトホールの基底準位との間の遷移波長が、伝導帯とヘビーホールの基底準位との間の遷移波長よりも長くなる。このような場合には、光吸収層７及び１０のバンドギャップが、活性層４のヘビーホールの基底準位と伝導帯の基底準位とのエネルギ差よりも狭く、かつライトホールの基底準位と伝導帯の基底準位とのエネルギ差よりも広くなるように、光吸収層７及び１０の材料を選択することが好ましい。
【００３４】
すなわち、上記２つの場合において、光吸収層７及び１０のバンドギャップが、活性層４のヘビーホールの基底準位と伝導帯の基底準位とのエネルギ差と、ライトホールの基底準位と伝導帯の基底準位とのエネルギ差との間になるように、光吸収層７及び１０の材料を選択することが好ましい。
【００３５】
上記実施例では、井戸層の厚さを６ｎｍ、障壁層の厚さを５０ｎｍとしたが、井戸層の厚さを２〜２０ｎｍ、障壁層の厚さを１０〜２００ｎｍとしてもよい。また、井戸層を複数配置した多重量子井戸構造としてもよい。さらに、図１に示した積層構造において、活性層４を量子井戸構造としてもよい。
【００３６】
上記第１〜第４の実施例のように、活性層の発光スペクトルが赤外域で最大値を示す場合に、吸収スペクトルが可視域で最大値を示す光吸収層を設けることにより、外部に放射される光の色付きを抑制することができる。
【００３７】
上記実施例では、赤外域の発光を得る場合を説明したが、他の波長域で発光する半導体発光素子においても、上記第１〜第４の実施例の技術的思想を適用することが可能である。例えば、青色発光ダイオードにおいて、紫外域の成分を吸収する光吸収層を配置することにより、紫外線が外部に放射されることを抑制することができる。
【００３８】
以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】第１の実施例による半導体発光素子の概略断面図である。
【図２】第１の実施例による半導体発光素子の発光スペクトルを示すグラフである。
【図３】第２の実施例による半導体発光素子の発光スペクトルを示すグラフである。
【図４】第３の実施例による半導体発光素子の概略断面図である。
【図５】第４の実施例による半導体発光素子の発光スペクトルを示すグラフである。
【符号の説明】
【００４０】
１、９  電極
２  半導体基板
３  下側クラッド層
４  活性層
５  上側クラッド層
６  電流拡散層
７、１０  光吸収層
８  コンタクト層
【図１】
2006108350.tif 000003
【図２】
2006108350.tif 000004
【図３】
2006108350.tif 000005
【図４】
2006108350.tif 000006
【図５】
2006108350.tif 000007