(57)【要約】【課題】本発明は、発光層に当接する発光層よりバンドギャップエネルギーの小さい電流層、発光層よりバンドギャップエネルギーの大きい電流層を量子井戸、量子格子、又は量子ドット構造のいずれかで構成して電流密度を高くし、発光層に不純物が進入することを防止した光半導体素子を提供することにある。【解決手段】積層された２層１０６，１０７の内１層１０７が他層１０６よりもバンドギャップエネルギーが低く、電流密度が高い層よりなる。【選択図】図１
2007053291.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
積層された２層の内１層が他層よりもバンドギャップエネルギーが低く、電流密度が高い層よりなることを特徴とする光半導体素子。
【請求項２】
積層された２層の内１層が他層よりもバンドギャップエネルギーが低く、電流密度が高い層よりなり、２層の内バンドギャップエネルギーが低い層が電流層で他層が発光層であることを特徴とする光半導体素子。
【請求項３】
積層された２層の内１層が他層よりもバンドギャップエネルギーが低く、電流密度が高い層よりなり、電流密度が高い層が量子ドット、量子格子、又は量子井戸構造よりなることを特徴とする光半導体素子。
【請求項４】
積層された２層の内１層が他層よりもバンドギャップエネルギーが低く、電流密度が高い層よりなり、電流密度が高い層が量子ドット、量子格子、又は量子井戸構造よりなり、２層の内バンドギャップエネルギーが低い層が電流層で他層が発光層であることを特徴とする光半導体素子。
【請求項５】
積層された２層の内１層が他層よりもバンドギャップエネルギーが高く、電流密度が高い層よりなることを特徴とする光半導体素子。
【請求項６】
積層された２層の内１層が他層よりもバンドギャップエネルギーが高く、電流密度が高い層よりなり、２層の内バンドギャップエネルギーが高い層が電流層で他層が発光層であること特徴とする光半導体素子。
【請求項７】
積層された２層の内１層が他層よりもバンドギャップエネルギーが高く、電流密度が高い層よりなり、電流密度が高い層が量子ドット、量子格子、又は量子井戸構造よりなることを特徴とする光半導体素子。
【請求項８】
積層された２層の内１層が他層よりもバンドギャップエネルギーが高く、電流密度が高い層が量子ドット、量子格子、又は、量子井戸構造よりなり、２層の内バンドギャップエネルギーが高い層が電流層で他層が発光層であることを特徴とする光半導体素子。
【請求項９】
積層された３層の内、間の層が他層よりもバンドギャップエネルギーが低く、両側の層が電流密度の高い層よりなることを特徴とする光半導体素子。
【請求項１０】
積層された３層の内、間の層が他層よりもバンドギャップエネルギーが低く、両側の層が電流密度の高い層よりなり、両側の層が電流層で間の層が発光層であることを特徴とする光半導体素子。
【請求項１１】
積層された３層の内、間の層が他層よりもバンドギャップエネルギーが低く、両側の電流密度が高い層が量子ドット、量子格子、又は量子井戸構造よりなることを特徴とする光半導体素子。
【請求項１２】
積層された３層の内、間の層が他層よりもバンドギャップエネルギーが高く、両側の層が電流密度の高い層よりなることを特徴とする光半導体素子。
【請求項１３】
積層された３層の内、間の層が他層よりもバンドギャップエネルギーが高く、両側の層が電流密度の高い層よりなり、両側の層が電流層で間の層が発光層であることを特徴とする光半導体素子。
【請求項１４】
積層された３層の内、間の層が他層よりもバンドギャップエネルギーが高く、両側の電流密度が高い層が量子ドット、量子格子、又は量子井戸構造よりなることを特徴とする光半導体素子。
【請求項１５】
積層された３層の内、両側の層が間の他層よりもバンドギャップエネルギーが低い層と高い層よりなり、両側の層が電流密度の高い層よりなることを特徴とする光半導体素子。
【請求項１６】
積層された３層の内、両側の層が間の他層よりもバンドギャップエネルギーが低い層と高い層よりなり、両側の層が電流密度の高い層よりなり、両側の層が電流層で間の層が発光層であることを特徴とする光半導体素子。
【請求項１７】
積層された３層の内、両側の層が間の他層よりもバンドギャップエネルギーが低い層と高い層よりなり、両側の電流密度が高い層が量子ドット、量子格子、又は量子井戸構造よりなることを特徴とする光半導体素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は光半導体素子に関する。特に素子全体で電流分布の片寄りをなくして発光層に不純物の集まりにくい構造とした高出力な光半導体素子に関する。ここで、光半導体素子とはダブルへテロ構造を有する発光ダイオード（以下、ＬＥＤという）、半導体レーザ（以下、ＬＤという）等の光を発する半導体素子をいう。
【背景技術】
【０００２】
近年、ＧａＮ，ＩｎＧａＮ，ＡｌＧａＮ等の窒化ガリウム系化合物半導体を用いたＬＥＤ，ＬＤ等が量産されるようになった。窒化ガリウム系化合物半導体を用いた発光素子は、その混晶比を変化させることにより、紫外領域から赤外領域まで発光色を調整することができる。窒化ガリウム系化合物半導体の成長技術は例えば特許文献１に開示されている。
【０００３】
ＧａＮは融点が高く（１，７００℃）、窒素の分解蒸気圧が高いためバルク基板の生産が難しく、格子定数や熱膨張係数の似たような基板が存在しないため格子不整合が１４％と大きいサファイア（Ａｌ２Ｏ３）基板が使用されている。
【特許文献１】特開平１１―２１４７４４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、格子不整合による貫通転位対策としてＧａＮ等のバッファー層を形成しても１０＾9〜１０＾10ｃｍ−2の貫通転位密度であった。この転位部分には不純物が集まりやすい。その結果、発光層に不純物が進入して光出力が低下する欠点があった。
【０００５】
又、発光層の上下をＰ型化、Ｎ型化するためドーパントの添加を行なうがこのドーパントが発光層に集まり光出力が低下する第２の欠点があった。
【０００６】
本発明はこの様な欠点を考慮し、発光部に不純物が集まりにくい光半導体素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、請求項１の本発明では、積層された２層の内１層が他層よりもバンドギャップエネルギーが低く、電流密度が高い層よりなる。
【０００８】
請求項２の本発明では、積層された２層の内１層が他層よりもバンドギャップエネルギーが低く、電流密度が高い層よりなり、２層の内１層が電流層で他層が発光層である。
【０００９】
請求項３の本発明では、積層された２層の内１層が他層よりもバンドギャップエネルギーが低く、電流密度が高い層よりなり、電流密度が高い層が量子ドット、量子格子、又は、量子井戸構造よりなる。
【００１０】
請求項４の本発明では、積層された２層の内１層が他層よりもバンドギャップエネルギーが低く、電流密度が高い層よりなり、電流密度が高い層が量子ドット、量子格子、又は、量子井戸構造よりなり、２層の内バンドギャップエネルギーが低い層が電流層で他層が発光層である。
【００１１】
請求項５の本発明では、積層された２層の内１層が他層よりもバンドギャップエネルギーが高く、電流密度が高い層よりなる。
【００１２】
請求項６の本発明では、積層された２層の内１層が他層よりもバンドギャップエネルギーが高く、電流密度が高い層よりなり、２層の内バンドギャップエネルギーが高い層が電流層で他層が発光層である。
【００１３】
請求項７の本発明では、積層された２層の内１層が他層よりもバンドギャップエネルギーが高く、電流密度が高い層よりなり、電流密度が高い層が量子ドット、量子格子、又は量子井戸構造よりなる。
【００１４】
請求項８の本発明では、積層された２層の内１層が他層よりもバンドギャップエネルギーが高く、電流密度が高い層が量子ドット、量子格子、又は量子井戸構造よりなり、２層の内バンドギャップエネルギーが高い層が電流層で他層が発光層である。
【００１５】
請求項９の本発明では、積層された３層の内、間の層が他層よりもバンドギャップエネルギーが低く、両側の層が電流密度の高い層よりなる。
【００１６】
請求項１０の本発明では、積層された３層の内、間の層が他層よりもバンドギャップエネルギーが低く、両側の層が電流密度の高い層よりなり、両側の層が電流層で間の層が発光層である。
【００１７】
請求項１１の本発明では、積層された３層の内、間の層が他層よりもバンドギャップエネルギーが低く、両側の電流密度が高い層が量子ドット、量子格子、又は量子井戸構造よりなる。
【００１８】
請求項１２の本発明では、積層された３層の内、間の層が他層よりもバンドギャップエネルギーが高く、両側の層が電流密度の高い層よりなる。
【００１９】
請求項１３の本発明では、積層された３層の内、間の層が他層よりもバンドギャップエネルギーが高く、両側の層が電流密度の高い層よりなり、両側の層が電流層で間の層が発光層である。
【００２０】
請求項１４の本発明では、積層された３層の内、間の層が他層よりもバンドギャップエネルギーが高く、両側の電流密度が高い層が量子ドット、量子格子、又は量子井戸構造よりなる。
【００２１】
求項１５の本発明では、積層された３層の内、両側の層が間の他層よりもバンドギャップエネルギーが低い層と高い層よりなり、両側の層が電流密度の高い層よりなる。
【００２２】
請求項１６の本発明では、積層された３層の内、両側の層が間の層よりもバンドギャップエネルギーが低い層と高い層よりなり、両側の層が電流密度の高い層よりなり、両側の層が電流層で間の層が発光層である。
【００２３】
請求項１７の本発明では、積層された３層の内、両側の層が間の層よりもバンドギャップエネルギーが低い層と高い層よりなり、両側の電流密度が高い層が量子ドット、量子格子、又は量子井戸構造よりなる。
【発明の効果】
【００２４】
本発明の光半導体素子によると、発光層と電流層を層状に形成し、これらの発光層と電流層の間にバリア層を設けることなく、これらの発光層と電流層が直接接する構成となっており発光層よりバンドギャップエネルギーの小さい電流層を電流集中層として利用することができる。
【００２５】
又、本発明の光半導体素子によると、発光層と電流層を層状に形成し、これらの発光層と電流層の間にバリア層を設けることなく、これらの発光層と電流層が直接接する構成となっており発光層よりバンドギャップエネルギーの大きい電流層を電流拡散層として利用することができる。
【００２６】
又、本発明の光半導体素子によると、発光層と電流層を層状に形成し、これらの発光層と電流層の間にバリア層を設けることなく、これらの発光層と電流層が直接接する構成となっており発光層よりバンドギャップエネルギーの大きい電流層を発光層の上に設けることにより発光層の代わりに不純物を捕らえて発光層の出力低下を防止する。発光層の下に発光層よりバンドギャップエネルギーの小さい電流層を形成することにより駆動電圧を下げ、下層との格子整合を確保して発光層へ不純物が進入しないようにすることにより発光層の光出力が不純物により低下することを防止する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
以下、図１の断面図に従い、本発明を実施するための最良の形態１に係る青色ＬＥＤ素子１００を説明する。図１において、１０１はＡｕ等により構成された陰極である。１０２はｎ型ＧａＮ基板でありこのｎ型基板１０２の上にｎ型ＧａＮコンタクト層１０３、ｎ−Ｇａ０．８２Ａｌ０．１８Ｎからなりバンドギャップエネルギーが３．９ｅＶのｎ型クラッド層１０４とＩｎ０．４９Ｇａ０．５１Ｎからなりバンドギャップエネルギーが２．６５ｅＶである電流層１（１０５）と電流層１（１０５）の上にＩｎ０．４６Ｇａ０．５４Ｎからなりバンドギャップエネルギーが２．７ｅＶで青色光を発光する発光層１０６が形成されており当該発光層１０６の上には例えばＩｎ０．４９Ｇａ０．５１Ｎからなりバンドギャップエネルギーが２．６５ｅＶである電流層２（１０７）が形成されている。ここで発光層１０６と電流層１（１０５），電流層２（１０７）間にはバリア層が設けられていない。また電流層１（１０５）と電流層２（１０７）は量子井戸構造、量子格子構造、量子ドット構造のいずれかで構成されている。電流層２（１０７）の上にＧａ０．８２Ａｌ０．１８Ｎからなりバンドギャップエネルギーが３．９ｅＶのｐ型クラッド層１０８、ｐ型ＧａＮコンタクト層１０９と素子１００の表面にＡｕ等による陽極１１０により構成される。
【００２８】
図１において、ｎ型コンタクト層１０３、ｎ型クラッド層１０４、電流層１（１０５）、発光層１０６、電流層２（１０７）、ｐ型クラッド層１０８、ｐ型コンタクト層１０９は、有機金属化合物気相成長方法（以下、ＭＯＣＶＤ法という）等により、ｎ型基板１０２の上に順次形成されたものである。陽極１１０、及び陰極１０１は、各々Ａｕからなる金属膜をスパッタリング法等により、陽極１１０についてはｐ型コンタクト層１０９の上に、陰極１０１についてはｎ型基板１０２の裏面上に各々形成されたものである。
【００２９】
尚、上記構成のうち、ｎ型クラッド層１０４、ｐ型クラッド層１０８の屈折率は２．２３、電流層１（１０５）、電流層２（１０７）の屈折率は２．８６、発光層１０６の屈折率は２．８６である。
【００３０】
ここで、本実施形態のＬＥＤにおいては、電流層１（１０５）、電流層２（１０７）が電流集中層として作用する点に特徴がある。
即ち、図１に示したＬＥＤの構成で、陽極１１０、陰極１０１の間に電流層１（１０５）、電流層２（１０７）のバンドギャップエネルギー２．６５ｅＶまで除々に印加電圧を上げてゆくと、電流層１（１０５）、電流層２（１０７）は、バンドギャップエネルギーが最も小さい（２．６５ｅＶ）ため、ｎ側コンタクト層１０３からｐ側に流れる電子は、まず最も小さいバンドギャップエネルギー（２．６５ｅＶ）を有する電流層１（１０５）の伝導帯へと流れ込み、ｐ側コンタクト層１０９からｎ側に流れる正孔は、電流層２（１０７）の荷電子帯へと流れ込む。
【００３１】
ここで、上述のごとく、本実施形態においては、電流層２（１０７）のバンドギャップエネルギーである２．６５ｅＶに相当する電圧が印加されており、発光層１０６のバンドギャップエネルギーである２．７ｅＶに相当する電圧が印加されていないが、電流層２（１０７）はバンドギャップエネルギーが最も小さい層であるため、陽極１１０から注入された電流が電流層２（１０７）に流れるようになるため、当該電流層２（１０７）に接して形成されている発光層１０６の電流密度が増加することになる。従って、しきい値電流が低減されることになり、駆動電圧を、発光層１０６のバンドギャップエネルギーである２．７ｅＶよりも低減することができるようになる。発光層１０６のバンドギャップエネルギーは２．７ｅＶと電流層２（１０７）のバンドギャップエネルギーである２．６５ｅＶに対して０．０５ｅＶしか大きくないため発光層１０６はキャリア（ここでは正孔）閉じ込め層として作用することができず発光層１０６の荷電子帯に正孔が流れ込み電流層２（１０７）には正孔が閉じこめられないことになる。発光層１０６の荷電子帯に流れ込んだ正孔は、バンドギャップエネルギーが２．６５ｅＶと発光層１０６より小さい電流層１（１０５）に流れ込む。更に正孔は陰極１０１の方へと引っ張られるが、図１より明らかなように、電流層１（１０５）の下部に形成されたｎ型クラッド層１０４のバンドギャップエネルギーは３．９ｅＶであり、発光層１０６、電流層１（１０５）のバンドギャップエネルギーより大きいため、当該ｎ型クラッド層１０４がキャリア（ここでは正孔）閉じ込め層として作用し、その結果、正孔は発光層１０６、及び電流層１（１０５）の荷電子帯内に閉じ込められることになる。
【００３２】
一方陰極１０１から電流層１（１０５）の伝導帯に流れ込んだ電子は、陽極１１０の方へと引っ張られるが、電流層１（１０５）の表面上に形成された発光層１０６のバンドギャップエネルギーは２．７ｅＶであり電流層１（１０５）のバンドギャップエネルギーである２．６５ｅＶよりも０．０５ｅＶしか大きくないため発光層１０６は電流層１（１０５）のキャリア（ここでは電子）閉じ込め層として作用することができず、その結果電子は発光層１０６の伝導帯に流れ込むため電流層１（１０５）の伝導帯に流れ込んだ電子は電流層１（１０５）に閉じ込められない。発光層１０６の表面上に形成された電流層２（１０７）のバンドギャップエネルギーは２．６５ｅＶと発光層１０６のバンドギャップエネルギーよりも小さいため発光層１０６の伝導帯に流れ込んだ電子は電流層２（１０７）の伝導帯に流れ込む。電流層２（１０７）の伝導帯に流れ込んだ電子は、陽極１１０の方へと引っ張られるが、電流層２（１０７）の表面上に形成されたｐ型クラッド層１０８のバンドギャップエネルギーは上述のごとく３．９ｅＶであり、発光層１０６、電流層２（１０７）のバンドギャップエネルギーよりも大きいため、当該ｐ型クラッド層１０８がキャリア（ここでは、電子）閉じ込め層として作用し、その結果、電子は発光層１０６、及び電流層２（１０７）の伝導帯に閉じ込められることになる。
【００３３】
電流層１（１０５）の伝導帯には電子が閉じ込められていないため、電流層１（１０５）内では電子と正孔の有効な再結合はおこなわれず、電流層１（１０５）においては発光が起こらないが、発光層１０６の伝導帯には電子が、荷電子帯に正孔が閉じ込められるため、発光層１０６内では電子と正孔の有効な再結合が行なわれ、青色の発光が起こる。電流層２（１０７）の荷電子帯には正孔が閉じ込められていないため、電流層２（１０７）内では電子と正孔の有効な再結合はおこなわれず、電流層２（１０７）においては発光が起こらない
【００３４】
以上、説明したように、本実施形態によれば、電流層１（１０５）、電流層２（１０７）は、バンドギャップエネルギーが最も小さい（２．６５ｅＶ）ため、陽極１１０から注入された電流は、発光層１０６に接する電流層２（１０７）、電流層１（１０５）に集中して流れようとする（電流集中作用）。従って、陽極１１０から注入された電流が電流層２（１０７）、電流層１（１０５）に流れるようになるため、当該電流層２（１０７）、電流層１（１０５）に接して形成されている発光層１０６の電流密度が増加することになり、結果として、しきい値電流の低減が実現されることになり駆動電圧を下げることができる。
【００３５】
又、本実施形態によれば、ＧａＮ等の窒化物化合物光半導体において陰極１０１側からの格子不整合による貫通転位部分には不純物が集まりやすいが、発光層１０６に当接する電流層１（１０５）はバンドギャップエネルギーが発光層１０６より低い層であり、発光層１０６に代わって陰極１０１側からのＮ型不純物を集めるが、発光しないため、量子井戸構造、量子格子構造、量子ドット構造のいずれかで構成され電流密度を高くでき、発光層１０６の光出力低下の防止対策となり寿命を伸ばすことができる。
【００３６】
又、発光層１０６に当接する電流層１（１０５）はバンドギャップエネルギーが発光層１０６より低い層であり下層ｎ型クラッド層１０４との格子整合を確保してｎ型基板１０２側からの転位上昇を防止する。
【００３７】
又、本実施形態によれば、ＧａＮ等の窒化物化合物光半導体において発光層部分にはＰ型ドーパント等の不純物が集まりやすいが、発光層１０６に当接する電流層２（１０７）はバンドギャップエネルギーが発光層１０６より低い層であり、発光層１０６に代わって陽極１１０側からのＰ型不純物を集めるが、発光しないため、量子井戸構造、量子格子構造、量子ドット構造のいずれかで構成され電流密度を高くでき、発光層１０６の光出力低下の防止対策となり寿命を伸ばすことができる。
【００３８】
図２に本発明を実施するための最良の形態２に係る青色ＬＥＤ素子２００を示す。図２において１０１はＡｕ等により構成された陰極、１０２はｎ−ＧａＮ基板でありこのｎ型基板１０２の上にｎ−ＧａＮコンタクト層１０３、ｎ−Ｇａ０．８２Ａｌ０．１８Ｎからなりバンドギャップエネルギーが３．９ｅＶのクラッド層１０４とＩｎ０．３９Ｇａ０．６１Ｎからなりバンドギャップエネルギーが２．８ｅＶである電流層３（２０５）と電流層３（２０５）の上にＩｎ０．４６Ｇａ０．５４Ｎからなりバンドギャップエネルギーが２．７ｅＶで青色光を発光する発光層１０６が形成されており当該発光層１０６の上には例えばＩｎ０．３９Ｇａ０．６１Ｎからなりバンドギャップエネルギーが２．８ｅＶである電流層４（２０７）が形成されている。ここで発光層１０６と電流層３（２０５），電流層４（２０７）間にはバリア層が設けられていない。また電流層３（２０５）と電流層４（２０７）は量子井戸構造、量子格子構造、量子ドット構造のいずれかで構成されている。電流層４（２０７）の上にｐ−Ｇａ０．８２Ａｌ０．１８Ｎからなりバンドギャップエネルギーが３．９ｅＶのｐ型クラッド層１０８、ｐ型ＧａＮコンタクト層１０９と素子２００の表面にＡｕ等による陽極１１０により構成される。
【００３９】
図２において、ｎ型コンタクト層１０３、ｎ型クラッド層１０４、電流層３（２０５）、発光層１０６、電流層４（２０７）、ｐ型クラッド層１０８、ｐ型コンタクト層１０９は、有機金属化合物気相成長方法（以下、ＭＯＣＶＤ法という）等により、ｎ型基板１０２の上に順次形成されたものである。陽極１１０、及び陰極１０１は、各々Ａｕからなる金属膜をスパッタリング法等により形成する。
【００４０】
尚、上記構成のうち、ｎ型クラッド層１０４、ｐ型クラッド層１０８の屈折率は２．２３、電流層３（２０５）、電流層４（２０７）の屈折率は２．８２、発光層１０６の屈折率は２．８６である。
【００４１】
ここで、本実施形態のＬＥＤにおいては、電流層３（２０５）、電流層４（２０７）が電流拡散層として作用する点に特徴がある。
【００４２】
即ち、図２に示したＬＥＤの構成で、陽極１１０、陰極１０１の間に発光層１０６のバンドギャップエネルギー２．７ｅＶまで除々に印加電圧を上げてゆくと、発光層１０６は、バンドギャップエネルギーが最も小さい（２．７ｅＶ）ため、ｎ側クラッド層１０４からｐ側に流れる電子は、まず最も小さいバンドギャップエネルギー（２．７ｅＶ）を有する発光層１０６の伝導帯へと流れ込み、ｐ側のコンタクト層１０９からｎ側に流れる正孔は、発光層１０６の荷電子帯へと流れ込む。
【００４３】
ここで、上述のごとく、本実施形態においては、発光層１０６のバンドギャップエネルギーである２．７ｅＶに相当する電圧が印加されており、電流層３（２０５）、電流層４（２０７）のバンドギャップエネルギーである２．８ｅＶに相当する電圧が印加されていないが、発光層１０６はバンドギャップエネルギーが最も小さい層であるため、陽極１１０から注入された電流が電流層４（２０７）、発光層１０６に流れるようになるため、当該発光層１０６に接して形成されている電流層４（２０７）の電流密度が増加することになる。発光層１０６の荷電子帯に流れ込んだ正孔は、陰極１０１の方へと引っ張られるが、図２より明らかなように、発光層１０６の下部に形成された電流層３（２０５）のバンドギャップエネルギーは２．８ｅＶであり発光層１０６のバンドギャップエネルギーである２．７ｅＶよりも０．１ｅＶしか大きくないため電流層３（２０５）は発光層１０６のキャリア（ここでは正孔）閉じ込め層として作用することができず、その結果発光層１０６の伝導帯に流れ込んだ正孔は、電流層３（２０５）の荷電子帯に流れ込む。電流層３（２０５）の下に形成されたｎ型クラッド層１０４のバンドギャップエネルギーは３．９ｅＶであり、発光層１０６、電流層３（２０５）のバンドギャップエネルギーより大きいため、当該ｎ型クラッド層１０４がキャリア（ここでは正孔）閉じ込め層として作用し、その結果、正孔は発光層１０６、及び電流層３（２０５）の荷電子帯内に閉じ込められることになり電流層４（２０７）の荷電子帯には閉じ込められないことになる。
【００４４】
一方、電流層３（２０５）の伝導帯に流れ込んだ電子は、陽極１１０の方へと引っ張られるが発光層１０６に流れ込み、発光層１０６の上に形成された電流層４（２０７）のバンドギャップエネルギーは２．８ｅＶであり発光層１０６のバンドギャップエネルギー２．７ｅＶよりも０．１ｅＶしか大きくないため電流層４（２０７）は発光層１０６のキャリア（ここでは電子）閉じ込め層として作用することができず、その結果発光層１０６の伝導帯に流れ込んだ電子は、電流層４（２０７）の伝導帯に流れ込む。電流層４（２０７）の伝導帯に流れ込んだ電子は、陽極１１０の方へと引っ張られるが、図２より明らかなように、電流層４（２０７）の上部に形成されたｐ型クラッド層１０８のバンドギャップエネルギーは３．９ｅＶであり、発光層１０６、電流層４（２０７）のバンドギャップエネルギーより大きいため、当該ｐ型クラッド層１０８がキャリア（ここでは電子）閉じ込め層として作用し、その結果、電子は発光層１０６、及び電流層４（２０７）の伝導帯内に閉じ込められることになり電流層３（２０５）の伝導帯には閉じ込められないことになる。
【００４５】
即ち、電流層３（２０５）の伝導帯には電子が閉じ込められていないため、電流層３（２０５）内では電子と正孔の有効な再結合はおこなわれず、電流層３（２０５）においては発光が起こらないが、発光層１０６の伝導帯には電子が、荷電子帯に正孔が閉じ込められるため、発光層１０６内では電子と正孔の有効な再結合が行なわれ、青色の発光が起こる。電流層４（２０７）の荷電子帯には正孔が閉じ込められていないため、電流層４（２０７）内では電子と正孔の有効な再結合はおこなわれず、電流層４（２０７）においては発光が起こらない。
【００４６】
本実施形態によれば、ＧａＮ等の窒化物化合物光半導体において陰極１０１側からの格子不整合による貫通転位部分には不純物が集まりやすいが、発光層１０６に当接する電流層３（２０５）はバンドギャップエネルギーが発光層１０６より高い層であり、発光層１０６に代わって陰極１０１側からのＮ型不純物を集めるが、発光しないため、量子井戸構造、量子格子構造、量子ドット構造のいずれかで構成され電流密度を高くでき、発光層１０６の光出力低下を防止して寿命を伸ばすことができる。
【００４７】
又、本実施形態によれば、ＧａＮ等の窒化物化合物光半導体において発光層部分にはＰ型ドーパント等の不純物が集まりやすいが、発光層１０６に当接する電流層４（２０７）はバンドギャップエネルギーが発光層１０６より高い層であり、発光層１０６に代わって陽極１１０側からのＰ型不純物を集めるが、発光しないため、量子井戸構造、量子格子構造、量子ドット構造のいずれかで構成され電流密度を高くでき、発光層１０６の光出力低下を防止して寿命を伸ばすことができる。
【００４８】
図３は、本発明を実施するための最良の形態３に係る青色ＬＥＤ素子３００を示す。図３において１０１はＡｕ等により構成された陰極１０２はｎ−ＧａＮ基板でありこのｎ型基板１０２の上にｎ−ＧａＮコンタクト層１０３、ｎ−Ｇａ０．８２Ａｌ０．１８Ｎからなりバンドギャップエネルギー３．９ｅＶのｎ型クラッド層１０４とＩｎ０．４９Ｇａ０．５１Ｎからなりバンドギャップエネルギーが２．６５ｅＶである電流層１（１０５）と電流層１（１０５）の上にＩｎ０．４６Ｇａ０．５４Ｎからなりバンドギャップエネルギーが２．７ｅＶで青色光を発光する発光層１０６が形成されており当該発光層１０６の上には例えばＩｎ０．３９Ｇａ０．６１Ｎからなりバンドギャップエネルギーが２．８ｅＶである電流層４（２０７）が形成されている。ここで発光層１０６と電流層１（１０５），電流層４（２０７）間にはバリア層が設けられていない。また電流層１（１０５）と電流層４（２０７）は量子井戸構造、量子格子構造、量子ドット構造のいずれかで構成されている。電流層４（２０７）の上にＧａ０．８２Ａｌ０．１８Ｎからなりバンドギャップエネルギーが３．９ｅＶのｐ型クラッド層１０８、ｐ型ＧａＮコンタクト層１０９と素子３００の表面にＡｕ等による陽極１１０により構成される。
【００４９】
図３において、ｎ型コンタクト層１０３、ｎ型クラッド層１０４、電流層１（１０５）、発光層１０６、電流層４（２０７）、ｐ型クラッド層１０８、ｐ型コンタクト層１０９は、有機金属化合物気相成長方法（以下、ＭＯＣＶＤ法という）等により、ｎ型基板１０２の上に順次形成されたものである。陽極１１０、及び陰極１０１は、各々Ａｕからなる金属膜をスパッタリング法等により形成されている。
【００５０】
尚、上記構成のうち、ｎ型クラッド層１０４、ｐ型クラッド層１０８の屈折率は２．２３、電流層１（１０５）、電流層４（２０７）の屈折率は２．８６、２．８２、発光層１０６の屈折率は２．８６である。
【００５１】
ここで、本実施形態のＬＥＤにおいては、電流層１（１０５）が電流集中層、電流層４（２０７）が電流拡散層として作用する点に特徴がある。
【００５２】
即ち、図３に示したＬＥＤの構成で、陽極１１０、陰極１０１の間に電流層１（１０５）のバンドギャップエネルギー２．６５ｅＶまで除々に印加電圧を上げてゆくと、電流層１（１０５）は、バンドギャップエネルギーが最も小さい（２．６５ｅＶ）ため、ｎ側コンタクト層１０３からｐ側に流れる電子は、まず、最も小さいバンドギャップエネルギー（２．６５ｅＶ）を有する電流層１（１０５）の伝導帯へと流れ込み、ｐ側のコンタクト層１０９からｎ側に流れる正孔は、電流層１（１０５）の荷電子帯へと流れ込む。
【００５３】
ここで、上述のごとく、本実施形態においては、電流層１（１０５）のバンドギャップエネルギーである２．６５ｅＶに相当する電圧が印加されており、発光層１０６のバンドギャップエネルギーである２．７ｅＶに相当する電圧が印加されていないが、電流層１（１０５）はバンドギャップエネルギーが最も小さい層であるため、陽極１１０から注入された電流が電流層１（１０５）に流れるようになるため、当該電流層１（１０５）に接して形成されている発光層１０６の電流密度が増加することになる。従って、しきい値電流が低減されることになり、駆動電圧を、発光層１０６のバンドギャップエネルギーである２．７ｅＶよりも低減することができるようになる。
【００５４】
電流層１（１０５）の伝導帯に流れ込んだ電子は、陽極１１０の方へと引っ張られるが、電流層１（１０５）の表面上に形成された発光層１０６のバンドギャップエネルギーは２．７ｅＶであり電流層１（１０５）のバンドギャップエネルギーである２．６５ｅＶよりも０．０５ｅＶしか大きくないため発光層１０６は電流層１（１０５）のキャリア（ここでは電子）閉じ込め層として作用することができずその結果電流層１（１０５）の伝導帯に流れ込んだ電子は電流層１（１０５）に閉じ込められず発光層１０６の伝導帯に流れ込む。発光層１０６の伝導帯に流れ込んだ電子は、陽極１１０の方へと引っ張られるが、図３より明らかなように、発光層１０６の上部表面上に形成された電流層４（２０７）のバンドギャップエネルギーは２．８ｅＶであり発光層１０６のバンドギャップエネルギーである２．７ｅＶよりも０．１ｅＶしか大きくないため電流層４（２０７）は発光層１０６のキャリア（ここでは電子）閉じ込め層として作用することができず、その結果、発光層１０６の伝導帯に流れ込んだ電子は、電流層４（２０７）の伝導帯に流れ込む。電流層４（２０７）の上に形成されたｐ型クラッド層１０８のバンドギャップエネルギーは３．９ｅＶであり、発光層１０６、電流層４（２０７）のバンドギャップエネルギーより大きいため、当該ｐ型クラッド層１０８がキャリア（ここでは電子）閉じ込め層として作用し、その結果、電子は発光層１０６、及び電流層４（２０７）の伝導帯内に閉じ込められることになる。
【００５５】
一方、バンドギャップエネルギー差により電流層４（２０７）、発光層１０６、、電流層１（１０５）の荷電子帯に流れ込んだ正孔は、陰極１０１の方へと引っ張られるが、図３より明らかなように、電流層１（１０５）の下部に形成されたｎ型クラッド層１０４のバンドギャップエネルギーは３．９ｅＶであり、発光層１０６、電流層１（１０５）のバンドギャップエネルギーより大きいため、当該ｎ型クラッド層１０４がキャリア（ここでは正孔）閉じ込め層として作用し、その結果、正孔は発光層１０６、及び電流層１（１０５）の荷電子帯内に閉じ込められることになり電流層４（２０７）の荷電子帯内には閉じ込められないことになる。
【００５６】
即ち、電流層１（１０５）の伝導帯には電子が閉じ込められていないため、電流層１（１０５）内では電子と正孔の有効な再結合はおこなわれず、電流層１（１０５）においては発光が起こらないが、発光層１０６の伝導帯には電子が、荷電子帯に正孔が閉じ込められるため、発光層１０６内では電子と正孔の有効な再結合が行なわれ、青色の発光が起こる。電流層４（２０７）の荷電子帯内には正孔が閉じ込められていないため、電流層４（２０７）内では電子と正孔の有効な再結合はおこなわれず、電流層４（２０７）においては発光が起こらない。
【００５７】
本実施形態によれば、ＧａＮ等の窒化物化合物光半導体において陰極１０１側からの格子不整合による貫通転位部分には不純物が集まりやすいが、発光層１０６に当接する電流層１（１０５）はバンドギャップエネルギーが発光層１０６より低い層であり、発光層１０６に代わって陰極１０１側からのＮ型不純物を集めるが、発光しないため、量子井戸構造、量子格子構造、量子ドット構造のいずれかで構成され電流密度を高くでき、発光層１０６の光出力低下を防止して寿命を伸ばすことができる。
【００５８】
又、発光層１０６に当接する電流層１（１０５）はバンドギャップエネルギーが発光層１０６より低い層であり下層ｎクラッド層１０４との格子整合を確保してｎ型基板１０２側からの転位上昇を防止する。
【００５９】
又、本実施形態によれば、ＧａＮ等の窒化物化合物光半導体において発光層部分にはＰ型ドーパント等の不純物が集まりやすいが、発光層１０６に当接する電流層４（２０７）はバンドギャップエネルギーが発光層１０６より高い層であり、発光層１０６に代わって陽極１１０側からのＰ型不純物を集めるが、発光しないため、量子井戸構造、量子格子構造、量子ドット構造のいずれかで構成され電流密度を高くでき、発光層１０６の光出力低下の防止対策となり寿命を伸ばすことができる。
【００６０】
尚、本発明は、上記最良の形態１、２、３に限定されるものではなく、本発明の趣旨にもとづいて種々の変形をすることが可能であり、それらは本発明の範囲から除外するものではない。
【００６１】
図１、２、３において素子形状が図４に比べ段差構造でないため図４の光半導体素子を組立てる時に２ワイヤー必要なのに対し図１、２、３は１ワイヤーでよく、生産性が良い。
【００６２】
図１、２、３においてチップ形状が図４のように段差構造でないためチップサイズも小さくできる。
【００６３】
又、本発明の実施形態では，発光層を単層にて説明を行ったが、発光層は単一量子井戸構造（ＳＱＷ），多重量子井戸構造（ＭＱＷ）、量子格子構造、又は量子ドット構造にて構成してもよい。
【００６４】
又、本発明の実施形態では，発光素子の構造を説明するために、便宜上、基板が下層に位置し、これに結晶層が上方へ積み重ねられる構造とし、下層側をｎ型、上層側をｐ型として説明を行ったが、ｎ側を上層側、ｐ型を下層側とした構成としても良い。
【００６５】
又、本発明の実施形態では，光半導体素子としてＬＥＤを説明したが、例えばｐクラッド層やｐコンタクト層に電流狭窄層を設けたレーザ構造としても良い。
【００６６】
又、本発明の実施形態として説明を行った発光層を活性層として、当該活性層の出力を陽極上に出力する面発光型レーザ構成としても良い。
【００６７】
又、本発明の実施形態では，基板をｎ型ＧａＮ基板としたが、例えばＳｉ、ＧａＡｓ、サファイア基板、ＳｉＣ基板、ＡｌＮ基板、ＺｎＯ基板、ＩｎＰ基板等、格子間の整合性や熱膨張等を考慮して、基板を適宜選択することもできる。
【００６８】
又、本発明の実施形態では、陰極をＡｕにより形成されているとしたがＡｌにより形成してもよい。
【００６９】
又、本発明の実施形態では、発光層より下にバンドギャップエネルギーの小さい電流層を上に大きい電流層を使用する場合について説明を行なったが逆構成としてもよい。
【００７０】
又、本発明の実施形態では、発光層を上下挟む電流層について説明をおこなったが発光層と電流層の２層構造においても同様な効果を出すことができる。
【図面の簡単な説明】
【００７１】
【図１】本発明を実施するための最良の形態１に係るＬＥＤ１００の断面図である。
【図２】本発明を実施するための最良の形態２に係るＬＥＤ２００の断面図である。
【図３】本発明を実施するための最良の形態３に係るＬＥＤ３００の断面図である。
【図４】従来の光半導体素子の基本的な構成を示す概略図である。
【符号の説明】
【００７２】
１００、２００、３００：素子
１０１：陰極
１０２：ｎ型基板
１０３：ｎ型コンタクト層
１０４：ｎ型クラッド層
１０５：電流層１、２０５：電流層３
１０６：発光層
１０７：電流層２、２０７：電流層４
１０８：ｐ型クラッド層
１０９：ｐ型コンタクト層
１１０：陽極
【図１】
2007053291.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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