(57)【要約】【課題】  従来よりも実現が容易な材料を用いて電流拡散層を構成し、上部電極から注入された電流をより容易な方法で横方向へと十分に拡散させ、光取出し効率を向上させた発光素子を提供することにある。【解決手段】  第１導電型の基板１と、第１導電型の第１のクラッド層３と、第２導電型の第２のクラッド層５と、前記第１、第２のクラッド層相互間に設けられた活性層４とからなる発光層と、この発光層上に設けた少なくとも１層の電荷移動錯体からなる層１１を具備する構成とする。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１導電型の基板と、第１導電型の第１のクラッド層と、第２導電型の第２のクラッド層と、前記第１のクラッド層と第２のクラッド層の間に設けられた活性層とからなる発光層と、この発光層上に設けた少なくとも１層の電荷移動錯体からなる層を具備することを特徴とする発光素子。
【請求項２】
前記電荷移動錯体が、少なくとも２種類の構成分子がそれぞれ交互に積層した擬１次元的構造を持つことを特徴とする請求項１に記載の発光素子。
【請求項３】
前記電荷移動錯体からなる層が、電流拡散層として機能することを特徴とする請求項１又は２に記載の発光素子。
【請求項４】
前記電荷移動錯体が、少なくともテトラシアノキノジメタンを含むことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の発光素子。
【請求項５】
前記電荷移動錯体が、テトラシアノキノジメタンとテトラチアフルバレンからなる錯体からなることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の発光素子。
【請求項６】
前記発光層が、少なくともアルミニウムの元素記号Ａｌ、ガリウムの元素記号Ｇａ、インジウムの元素記号Ｉｎ、リンの元素記号Ｐを用いて化学式ＡｌxＧａyＩｎ1-x-yＰ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、ｘ+ｙ≦１）で表される層を少なくとも１層以上含むことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の発光素子。
【請求項７】
前記第１導電型の基板が、ガリウムヒ素からなることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の発光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は電流拡散層を有する発光素子、特に電荷移動錯体により電流拡散層を構成した発光素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、発光ダイオード（Ｌｉｇｈｔ  Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｄｉｏｄｅ；ＬＥＤ）の応用分野の拡大に伴い、光出力の増大に対する要求が高まっている。この要求を満たすには、素子全体にわたって発光層にキャリアを注入し、光取出効率をより高める必要がある。具体的には、上部電極から注入された電流を上部クラッド層内部で横方向へと十分に拡散させ、素子全体で発光させる。注入電流が十分に広がらない場合、発光層での発光再結合の大部分は上部電極の直下部分に起こってしまい、発光は上部電極の周辺部にしか観測されず、光取出効率は極めて悪くなる。
【０００３】
注入電流を拡散させる従来技術としては、例えば特開平５−２３５４０８号公報（特許文献１）に開示された公知の方法がある。この方法では、上部電極の直下部分に電流阻止部を形成し、直下部分以外の領域に電流通過部を選択的に形成する。発光は主に電極直下部以外で起こるため、光は上部電極に阻害されることなく、効率よく外部へと取り出すことが可能となる。
【０００４】
なお電荷移動錯体に関する資料として、例えばＴＴＦ−ＴＣＮＱの電気的性質については、「電荷移動錯体を用いた分子ワイヤおよび新型トランジスタの作製」（非特許文献１）がある。また、ＴＴＦ−ＴＣＮＱの光学的性質については、例えばＣ．Ｓ．Ｊａｃｏｂｓｅｎ、Ｄ．Ｂ．Ｔａｎｎｅｒ、Ａ．Ｆ、Ｇａｒｉｔｏ、ａｎｄ  Ａ．Ｊ．Ｈｅｅｇｅｒ、Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．３３、１５５９（１９７４）（非特許文献２）のｐ３３８８、ＦｉＧ．１２にＴＴＦ−ＴＣＮＱの光吸収係数の記載がある。
【特許文献１】特開平５−２３５４０８号公報
【非特許文献１】中村雅一、飯塚正明、工藤一浩：「Ｓｅｌｆ  Ａｓｓｅｍｂｌｅｄ  Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ  Ｎａｎｏ−Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ、−電荷移動錯体を用いた分子ワイヤおよび新型トランジスタの作製−」、応用物理学会Ｍ＆ＢＥ誌、１２（２）、５１−５６（２００１．５）
【非特許文献２】Ｃ．Ｓ．Ｊａｃｏｂｓｅｎ、Ｄ．Ｂ．Ｔａｎｎｅｒ、Ａ．Ｆ、Ｇａｒｉｔｏ、ａｎｄ  Ａ．Ｊ．Ｈｅｅｇｅｒ、Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．３３、１５５９（１９７４）、（ｐ３３８８、ＦｉＧ．１２）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記特許文献１（特開平５−２３５４０８号公報）に公知の方法では、半導体層の成長中に外部から光を選択的に照射してｐｎ反転を起こさせ、光を照射している領域だけをｐ型に反転して電流通過部を形成する。光を照射していない領域はそのままのｎ型に保持され電流阻止部となる。しかしながら、成長装置内に微細な光照射装置を設置することは技術的に極めて困難であり、本方法は非現実的であるといわざるを得ない。
【０００６】
より現実的な方法としては、同特許文献１（特開平５−２３５４０８号公報）において従来技術として述べられているように、エッチングと再成長による方法がある。しかしながら、この方法は、工程が複雑で成長時間も長い。このためコスト高となり、生産性の点で大きな障害を伴う。
【０００７】
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、従来よりも実現が容易な材料を用いて電流拡散層を構成し、上部電極から注入された電流をより容易な方法で横方向へと十分に拡散させ、光取出し効率を向上させた発光素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者等は、電荷移動錯体を電流拡散層として用いることにより、上部電極から注入された電流をより容易な方法で横方向へと十分に拡散させ、光取出し効率を向上させた発光素子を提供できることを見出し、本発明に想到した。
【０００９】
本発明は、次のように構成したものである。
請求項１の発明に係る発光素子は、第１導電型の基板と、第１導電型の第１のクラッド層と、第２導電型の第２のクラッド層と、前記第１のクラッド層と第２のクラッド層の間に設けられた活性層とからなる発光層と、この発光層上に設けた少なくとも１層の電荷移動錯体からなる層を具備することを特徴とする。
【００１０】
請求項２の発明は、請求項１に記載の発光素子において、前記電荷移動錯体が、少なくとも２種類の構成分子がそれぞれ交互に積層した擬１次元的構造を持つことを特徴とする。
【００１１】
請求項３の発明は、請求項１又は２に記載の発光素子において、前記電荷移動錯体からなる層が、電流拡散層として機能することを特徴とする。
【００１２】
請求項４の発明は、請求項１〜３のいずれかに記載の発光素子において、前記電荷移動錯体が、少なくともテトラシアノキノジメタンを含むことを特徴とする。
【００１３】
請求項５の発明は、請求項１〜４のいずれかに記載の発光素子において、前記電荷移動錯体が、テトラシアノキノジメタンとテトラチアフルバレンからなる錯体からなることを特徴とする。
【００１４】
請求項６の発明は、請求項１〜５のいずれかに記載の発光素子において、前記発光層が、少なくともアルミニウムの元素記号Ａｌ、ガリウムの元素記号Ｇａ、インジウムの元素記号Ｉｎ、リンの元素記号Ｐを用いて化学式ＡｌxＧａyＩｎ1-x-yＰ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、ｘ+ｙ≦１）で表される層を少なくとも１層以上含むことを特徴とする。
【００１５】
請求項７の発明は、請求項１〜６のいずれかに記載の発光素子において、前記第１導電型の基板が、ガリウムヒ素からなることを特徴とする。
【００１６】
＜発明の要点＞
本発明の要点は、発光素子中に電荷移動錯体からなる層を設置し、注入電流を横方向へと十分に拡散させることにある。
【００１７】
本発明に関わる発光素子は、第１導電型の基板と、第１導電型の第１のクラッド層と、第２導電型の第２のクラッド層と、前記第１、第２のクラッド層相互間に設けられた活性層とからなる発光層と、少なくとも１層の電荷移動錯体からなる層から形成されている。
【００１８】
電荷移動錯体は、少なくとも２種類の構成分子がそれぞれ交互に積層した擬１次元的構造を持つ。例えば、その代表格であるテトラチアフルバレン−テトラシアノキノジメタン（ＴＴＦ−ＴＣＮＱ）はドナー分子であるテトラチアフルバレン（ｔｅｔｒａｔｈｉｏｆｕｌｖａｌｅｎｅ；ＴＴＦ）とアクセプター分子であるテトラシアノキノジメタン（ｔｅｔｒａｃｙａｎｏｑｕｉｎｏｄｉｍｅｔｈａｎｅ；ＴＣＮＱ）がそれぞれ独立してカラムを形成する分離積層構造を持つ。ＴＴＦの分子構造を図４に、ＴＣＮＱの分子構造を図５に、分離積層構造を図６に示す。
【００１９】
ＴＴＦ−ＴＣＮＱにおいては、カラム間で中間的な電荷移動（電荷移動量ｇ＝０．５９）が生じることによってそれぞれの分子が開殻構造となり、金属的な電気伝導を示す。その際、伝導に寄与するｐ電子軌道の重なりはカラムの方向に強く、電気伝導に大きな異方性（σb：σc：σa＝１：６×１０-3：２×１０-3）を有する。このうち、最も高いｂ軸方向への導電率は、室温で４００〜１０００／Ω・ｍ程度と報告されている。
【００２０】
このような電荷移動錯体の性質を利用すると、注入電流を横方向へと広げることができる。すなわち、上記ＴＴＦ・ＴＣＮＱの場合、ｂ軸が発光層と平行なるように形成すればよい。
【００２１】
本発明に関する発光素子において、電荷移動錯体層の位置に特に制限はないが、第２のクラッド層と上部電極の間に設置することで、電流拡散層としての効果を最も顕著に得ることができる。
【００２２】
本発明に関する発光素子において、電荷移動錯体層を形成する材質について特に制限はない。例えば、同様の電荷移動錯体として、テトラチアフルバレン−クロラニル（ＴＴＦ−ＣＡ）がある。  
本発明に関する発光素子において、発光層を形成する材質に特に制限はない。しかし、特に電界移動錯体としてＴＴＦ−ＴＣＮＱを用いた場合、波長が短くなるに従って急速に吸収係数が増大する。そのため、吸収係数力がより小さい赤色で発光する発光層とすることが望ましい。さらに、より高出力のＬＥＤを実現するためには、発光層がＡｌxＧａyＩｎ1-x-yＰ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、ｘ+ｙ≦１）で構成されることが望ましい。
【００２３】
本発明に関する発光素子として、基板の材質について特に制限はないが、上記のように赤色ＬＥＤでの応用を考慮すると、ＡｌＧａＩｎＰに格子整合するＧａＡｓ基板の使用が望ましい。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、電荷移動錯体を電流拡散層として用いることで、従来よりも光取出効率を向上させた発光素子を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態を説明する。
図１は本発明の発光素子の一実施形態を示したものであり、ｎ型（第１導電型）ＧａＡｓ基板１上に、ｎ型ＧａＡｓバッファ層２と、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層（第１のクラッド層）３と、アンドープＡｌＧａＩｎＰ活性層４と、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層（第２のクラッド層）５と、ｐ型ＧａＡｓ保護層６とを形成した積層構造を有する。なお、上記ｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層（第１のクラッド層）３と、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層（第２のクラッド層）５と、前記第１のクラッド層と第２のクラッド層の間に設けられたアンドープＡｌＧａＩｎＰ活性層４とで、発光層（発光部）が形成される。
【００２６】
更に、本発明においては、上記積層構造の最上層であるｐ型ＧａＡｓ保護層６上に、少なくとも１層の電荷移動錯体からなる層を具備する。この電荷移動錯体からなる層は、具体的には、ＴＴＦ−ＴＣＮＱ層１１から成る。
【００２７】
更に、上記ＧａＡｓ基板１の下面に下部電極７が、また上記ＴＴＦ−ＴＣＮＱ層１１の上面に上部電極８が形成され、上部電極から８が引き出されて発光素子が構成されている。
【００２８】
本発明の要部である上記ＴＴＦ−ＴＣＮＱ層１１は、そのｂ軸が発光層と平行なるように形成されている。すなわち、図６に示すように、ＴＴＦ−ＴＣＮＱ層１１は、ＴＴＦ（テトラチアフルバレン）とＴＣＮＱ（テトラシアノキノジメタン）が、それぞれ独立してカラムを形成する分離積層構造を持つ。そして、カラム方向をｂとする直交座標（ａ、ｂ、ｃ）で見たとき、電気伝導に大きな移方性（σb：σc：σa＝１：６×１０-3：２×１０-3）を有し、ｂ軸の方向が最も高い導電率を示す。そこでＴＴＦ−ＴＣＮＱ層１１を、そのｂ軸が発光層と平行なるように形成しておくと、発光素子における注入電流を横方向へと広げることができる。
【００２９】
なお、ＴＴＦ−ＴＣＮＱの光学的性質については、例えばＣ．Ｓ．Ｊａｃｏｂｓｅｎ、Ｄ．Ｂ．Ｔａｎｎｅｒ、Ａ．Ｆ、Ｇａｒｉｔｏ、ａｎｄ  Ａ．Ｊ．Ｈｅｅｇｅｒ、Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．３３、１５５９（１９７４）に記載されている。また、ＴＴＦ−ＴＣＮＱの電気的性質については、例えば中村雅一、飯塚正明、工藤一浩：「Ｓｅｌｆ  Ａｓｓｅｍｂｌｅｄ  Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ  Ｎａｎｏ−Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ−電荷移動錯体を用いた分子ワイヤおよび新型トランジスタの作製−」、応用物理学会Ｍ＆ＢＥ誌、１２（２）、５１−５６（２００１．５）に記載されている。
【実施例】
【００３０】
＜実施例１＞
図１において、厚さ３００μｍのＳｉドープｎ型ＧａＡｓ基板１上に、Ｓｅドープｎ型ＧａＡｓバッファ層２、Ｓｅドープ（Ａｌ0.7Ｇａ0.3）0.5Ｉｎ0.5Ｐから成るｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層（第１のクラッド層）３、アンドープ（Ａｌ0.15Ｇａ0.85）0.5Ｉｎ0.5ＰからなるアンドープＡｌＧａＩｎＰ活性層４、Ｚｎドープｐ型（Ａｌ0.7Ｇａ0.3）0.5Ｉｎ0.5Ｐからなるｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層（第２のクラッド層）５と、Ｚｎドープｐ型ＧａＡｓ保護層６を、有機金属化学的気相成長法で順次成長し、発光素子用エピタキシャルウェハを得た。
【００３１】
ここで、このウェハを２つに分割し、それぞれ従来の試作例としてのウェハＡ（図７参照）および本発明の試作例としてのウェハＢ（図１参照）とした。
【００３２】
従来の試作例としてのウェハＡ（図７参照）は、ＧａＡｓ基板１上に下部電極７を、Ｚｎドープｐ型ＧａＡｓ保護層６上に上部電極８をそれぞれ形成した。上部電極８は直径１００μｍの円形である。このウェハＡを３００μｍ角のチップヘと切り出して金属ステム９上に設置し、上部電極には金属ワイヤ１０をボンディングした。以上の工程を経て、ウェハＡからダブルヘテロ構造のＡｌＧａＩｎＰ系発光ダイオードを得た。これは、従来技術による発光素子である。その模式図を図７に示す。これを発光素子Ａ（従来例）とする。
【００３３】
一方、本発明の試作例としてのウェハＢ（図１参照）には、二昇華法を用いて、上記Ｚｎドープｐ型ＧａＡｓ保護層６上に、ＴＴＦ−ＴＣＮＱ層１１を形成した。以下、二昇華法の工程について説明する。
【００３４】
昇華精製したＴＴＦ２１およびＴＣＮＱ２２を、それぞれ図２に示す炉に設置する。この炉は、真空排気の出来る横長のチャンバー２７の長手方向３箇所において、チャンバー２７の外周を取り巻いてヒータ２３〜２５を配置した構成となっている。ＴＴＦ２１およびＴＣＮＱ２２は、それぞれチャンバー２７の別々の端部に設置される。チャンバー２７の中央付近にはＧａＡｓ基板１が下になるように、対象とするウェハ（ウェハＢ）２０が設置される。これらを設置した後、バルブ２６を通し、ロータリーポンプおよび油拡散ポンプによりチャンバー２７内を減圧する。チャンバー２７内の圧力が１０-5Ｐａ以下になったならばバルブ２６を閉める。
【００３５】
ＴＴＦ２１の設置部付近にはヒータ２３が、ＴＣＮＱ２２の設置部付近にはヒータ２５が、ウェハＢ（ウェハ２０）付近にはヒータ２４が設置されている。これらをそれぞれ８０℃、２５０℃、７５℃に保つと、両端に設置されているＴＴＦ２１およびＴＣＮＱ２２は昇華し、温度が最も低いウェハＢ（ウェハ２０）上およびその付近で錯体をつくって析出する。
【００３６】
ウェハＢ（ウェハ２０）上への十分なＴＴＦ−ＴＣＮＱの析出を確認した後、ヒータ温度を下げ、ウェハＢ（ウェハ２０）を炉内から取り出す。
【００３７】
この後、ウェハＡと全く同様に、電極形成、ステムへの設置、ワイヤーボンディングを行った。すなわち、本発明の試作例としてのウェハＢ（図１参照）において、ＧａＡｓ基板１上に下部電極７を、Ｚｎドープｐ型ＧａＡｓ保護層６上に上部電極８をそれぞれ形成した。上部電極８は直径１００μｍの円形である。このウェハＡを３００μｍ角のチップヘと切り出して金属ステム９上に設置し、上部電極には金属ワイヤ１０をボンディングした。
【００３８】
以上の工程を経て、ウェハＢから電荷移動錯体ＴＴＦ−ＴＣＮＱからなる層を含むダブルヘテロ構造のＡｌＧａＩｎＰ系発光ダイオードを得た。これは、本発明による発光素子である。その模式図を図１に示す。これを発光素子Ｂ（実施例１）とする。ＴＴＦ−ＴＣＮＱ層１１を形成したウェハＢの断面を電子顕微鏡で観察したところ、ＴＴＦ−ＴＣＮＱ層１１の厚さは１２ｎｍであった。
【００３９】
このようにして得られた発光素子Ａおよび発光素子Ｂに、それぞれ２０ｍＡの電流を通電し、光パワーメータで発光出力を測定したところ、発光素子Ａ（従来例）の発光出力４．２ｍＷに対し、発光素子Ｂ（実施例１）では発光出力が５．１ｍＷとなり、大幅な改善が確認できた。それぞれの発光波長を光スペクトラムアナライザで測定したところ、どちらも６４１ｎｍで同じであった。
【００４０】
次に、ＣＣＤカメラからなる光ビーム計測システムを用い、発光素子表面の光強度分布を測定を行った。従来例の発光素子Ａについての光強度分布測定結果を図８に、発光素子Ｂ（実施例１：本発明）についての光強度分布測定結果を図３に示す。図８の横軸は図７（従来例）中の発光強度測定線３１に相当し、図３の横軸は図１（実施例１）中の発光強度測定線３２に相当する。
【００４１】
この図８と図３の光強度分布測定結果を比較すると、図３（発光素子Ｂ：実施例１（本発明））において光強度が強い範囲は、図８（発光素子Ａ：従来例）よりも広い。これは、ＴＴＦ−ＴＣＮＱ層１１により、電流がより広範囲に拡散したために他ならない。図８、図３ともに中心付近において光強度が著しく低下しているが、これは上部電極により光が遮られているためである。
【００４２】
以上から、従来型の発光素子に対する本発明に関する発光素子の優秀性が示された。また、本発明では、実施例１で示したように、二昇華法という容易かつ現実的な方法で電流拡散層を形成できる。公知されているエッチング等の複雑な工程や、光照射のような技術的困難もなく、生産性の点でも優れていることは明らかである。
【００４３】
＜他の実施例、変形例＞
ＴＴＦ−ＴＣＮＱは有機材料であるため、一般的な半導体材料に比べると湿度等の影響を受けやすい可能性がある。そこで、ＴＴＦ−ＴＣＮＱ層の上に保護層を設けてもよい。また、従来の発光素子と同様、樹脂で被覆してもよい。
【００４４】
ＴＴＦ−ＴＣＮＱ層の作製方法は必ずしも二昇華法である必要はなく、例えば蒸着や、再結晶等の方法を用いてもよい。
【００４５】
＜使用方法、応用システムなど＞
本発明による発光素子は、照明機器、液晶用バックライト、各種インジケータ、表示パネル等のデバイスに応用することができる。従来型の発光素子よりも光取出効率が向上していることを考慮すると、バッテリ等で駆動する携帯機器への応用が考えられる。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明の第一の実施形態に関する発光素子の構造を示す模式図である。
【図２】二昇華法で用いる炉の模式図である。
【図３】本発明の実施例に係る発光素子の発光強度分布を示す図である。
【図４】テトラチアフルバレン（ＴＴＦ）の分子構造を示す図である。
【図５】テトラシアノキノジメタン（ＴＣＮＱ）の分子構造を示す図である。
【図６】ＴＴＦ−ＴＣＮＱの分離積層構造を示す図である。
【図７】従来例に係る発光素子の模式図である。
【図８】従来の実施形態にかかわる発光素子の発光強度分布を示す図である。
【符号の説明】
【００４７】
１  ｎ型ＧａＡｓ基板
２  ｎ型ＧａＡｓバッファ層
３  ｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層（第１のクラッド層）
４  アンドープＡｌＧａＩｎＰ活性層
５  ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層（第２のクラッド層）
６  ｐ型ＧａＡｓ保護層
７  下部電極
８  上部電極
９  金属ステム
１０  金属ワイヤ
１１  ＴＴＦ−ＴＣＮＱ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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