(57)【要約】【課題】高速応答性と高出力性とを兼ね備えた赤色光及び／又は赤外光を発光する発光ダイオード、発光ダイオードランプ及び照明装置を提供することである。【解決手段】本発明に係る発光ダイオードは、基板上に、ＤＢＲ反射層と、発光部とを順に備える発光ダイオードであって、発光部は、組成式（ＡｌＸ１Ｇａ１−Ｘ１）Ａｓ（０≦Ｘ１≦１）の化合物半導体からなる井戸層及びバリア層を交互に積層した量子井戸構造の活性層と、該活性層を挟む、組成式（ＡｌＸ２Ｇａ１−Ｘ２）Ｙ１Ｉｎ１−Ｙ１Ｐ（０≦Ｘ２≦１，０＜Ｙ１≦１）の化合物半導体からなる第１のクラッド層及び第２のクラッド層とを有し、井戸層及びバリア層のペア数が５以下であることを特徴とする。【選択図】図１
2012186194.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に、ＤＢＲ反射層と、発光部とを順に備える発光ダイオードであって、
前記発光部は、組成式（ＡｌＸ１Ｇａ１−Ｘ１）Ａｓ（０≦Ｘ１≦１）の化合物半導体からなる井戸層及びバリア層を交互に積層した量子井戸構造の活性層と、該活性層を挟む、組成式（ＡｌＸ２Ｇａ１−Ｘ２）Ｙ１Ｉｎ１−Ｙ１Ｐ（０≦Ｘ２≦１，０＜Ｙ１≦１）の化合物半導体からなる第１のクラッド層及び第２のクラッド層とを有し、
前記井戸層及びバリア層のペア数が５以下であることを特徴とする発光ダイオード。
【請求項２】
基板上に、ＤＢＲ反射層と、発光部とを順に備える発光ダイオードであって、
前記発光部は、組成式（ＡｌＸ１Ｇａ１−Ｘ１）Ａｓ（０≦Ｘ１≦１）の化合物半導体からなる井戸層と、組成式（ＡｌＸ３Ｇａ１−Ｘ３）Ｙ２Ｉｎ１−Ｙ２Ｐ（０≦Ｘ３≦１，０＜Ｙ２≦１）の化合物半導体からなるバリア層を交互に積層した量子井戸構造の活性層と、該活性層を挟む、組成式（ＡｌＸ２Ｇａ１−Ｘ２）Ｙ１Ｉｎ１−Ｙ１Ｐ（０≦Ｘ２≦１，０＜Ｙ１≦１）の化合物半導体からなる第１のクラッド層及び第２のクラッド層とを有し、
前記井戸層及びバリア層のペア数が５以下であることを特徴とする発光ダイオード。
【請求項３】
前記活性層と前記クラッド層との接合面積が２００００〜９００００μｍ２であることを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載の発光ダイオード。
【請求項４】
前記井戸層のＡｌ組成Ｘ１を０．２０≦Ｘ１≦０．３６とし、前記井戸層の厚さを３〜３０ｎｍとし、発光波長が６６０〜７２０ｎｍに設定されてなることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の発光ダイオード。
【請求項５】
前記井戸層のＡｌ組成Ｘ１を０≦Ｘ１≦０．２とし、前記井戸層の厚さを３〜３０ｎｍとし、発光波長が７２０〜８５０ｎｍに設定されてなることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の発光ダイオード。
【請求項６】
前記ＤＢＲ反射層は屈折率の異なる２種類の層が交互に１０〜５０対積層されてなることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に発光ダイオード。
【請求項７】
前記屈折率の異なる２種類の層は組成の異なる２種類の（ＡｌＸｈＧａ１−Ｘｈ）Ｙ３Ｉｎ１−Ｙ３Ｐ（０＜Ｘｈ≦１、Ｙ３＝０．５）、（ＡｌＸｌＧａ１−Ｘｌ）Ｙ３Ｉｎ１−Ｙ３Ｐ；０≦Ｘｌ＜１、Ｙ３＝０．５）の組み合わせであり、両者のＡｌの組成差ΔＸ＝ｘh−ｘｌが０．５より大きいか又は等しいことを特徴とする請求項６に記載の発光ダイオード。
【請求項８】
前記屈折率の異なる２種類の層はＧａＩｎＰとＡｌＩｎＰの組み合わせであることを特徴とする請求項６に記載の発光ダイオード。
【請求項９】
前記屈折率の異なる２種類の層は組成の異なる２種類のＡｌｘｌＧａ１−ｘｌＡｓ（０．１≦ｘｌ≦１）、ＡｌｘｈＧａ１−ｘｈＡｓ（０．１≦ｘｈ≦１）の組み合わせであり、両者のＡｌの組成差ΔＸ＝ｘｈ−ｘｌが０．５より大きいか又は等しいことを特徴とする請求項６に記載の発光ダイオード。
【請求項１０】
前記発光部の、ＤＢＲ反射層の反対側の面上に電流拡散層を備えることを特徴とする請求項１から９のいずれか一項に記載の発光ダイオード。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光ダイオード、発光ダイオードランプ及び照明装置に関するものであり、特に高速応答性と高出力性を備えた赤色光又は赤外光を発光する発光ダイオード、発光ダイオードランプ及び照明装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
赤色光又は赤外光を発光する発光ダイオードは、通信、各種センサー、夜間照明、植物工場用の光源など用途が広がっている。
それに応じて、赤色光又は赤外光を発光する発光ダイオードに対する要求は、主に高出力性を重視するもの、あるいは、主に高速応答性を重視するものから、それらの両方を重視するものへと変化している。特に、通信用の発光ダイオードでは、大容量の光空間伝送を行うため、高速応答性と高出力性とが必須である。
【０００３】
赤色光及び赤外光を発光する発光ダイオードとして、ＧａＡｓ基板にＡｌＧａＡｓ活性層を含む化合物半導体層を液相エピタキシャル法で成長させた発光ダイオードが知られている（例えば、特許文献１〜４）。
【０００４】
特許文献４において、液相エピタキシャル法を用いてＧａＡｓ基板にＡｌＧａＡｓ活性層を含む化合物半導体層を成長させ、その後、成長基板として用いたＧａＡｓ基板を除去する、いわゆる基板除去型の発光ダイオードが開示されている。特許文献４において開示された発光ダイオードでは、応答速度（立ち上がり時間）が４０〜５５ｎｓｅｃ程度においては出力が４ｍＷ以下である。また、応答速度が２０ｎｓｅｃ程度においては出力が５ｍＷを若干超えた程度であり、液相エピタキシャル法を用いて作製した発光ダイオードとしては現在最も高い応答速度で高出力のものであると思われる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平６−２１５０７号公報
【特許文献２】特開２００１−２７４４５４号公報
【特許文献３】特開平７−３８１４８号公報
【特許文献４】特開２００６−１９０７９２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記の出力では通信用の発光ダイオードとしては十分ではない。
発光ダイオードは半導体レーザーと異なり、自然放出光を利用しているため、高速応答性と高出力性とはトレードオフの関係にある。従って、例えば、単に発光層の層厚を薄くしてキャリアの閉じ込め効果を増大して電子と正孔の発光再結合確率を高め、高速応答化を図っても、発光出力は低下してしまうという問題がある。
【０００７】
本発明は、上記事情を鑑みてなされたものであり、高速応答性と高出力性とを兼ね備えた赤色光及び／又は赤外光を発光する発光ダイオード、発光ダイオードランプ及び照明装置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】
【０００８】
本発明者は、上記課題を解決するために鋭意研究を重ねた結果、ＡｌＧａＡｓ井戸層とＡｌＧａＡｓ又は4元混晶のＡｌＧａＩｎＰからなるバリア層とを交互に５ペア以下積層した量子井戸構造を活性層とし、この活性層を挟むクラッド層を４元混晶のＡｌＧａＩｎＰからなるものとする構成とすることにより、高速応答性を維持しつつ、高出力で赤色光及び／又は赤外光を発光する発光ダイオードを完成させた。
この際、本発明者は、まず、高いキャリアの閉じ込め効果を有し、高速応答に適した量子井戸構造を活性層に採用すると共に、高い注入キャリア密度を確保するために井戸層及びバリア層のペア数を５以下とした。この構成により、液相エピタキシャル法を用いて作製された発光ダイオードの上記の最も高速の応答速度と同程度か若しくはそれ以上の応答速度を実現した。
また、３元混晶の量子井戸構造又３元混晶の井戸層と４元混晶のバリア層とからなる量子井戸構造を挟むクラッド層に、バンドギャップが大きくて発光波長に対して透明であり、かつ、欠陥を作りやすいＡｓを含まないので結晶性の良い４元混晶のＡｌＧａＩｎＰを採用した。
【０００９】
以上の通り、本発明者は、５ペア以下の量子井戸構造を活性層とする構成を採用して高速応答性を確保し、この構成において、３元混晶の量子井戸構造又３元混晶の井戸層と４元混晶のバリア層とからなる量子井戸構造を挟むクラッド層に４元混晶を用いる構成という画期的な組み合わせを採用すると共に、化合物半導体層の成長に用いた成長基板を除去して光吸収のない基板に改めて化合物半導体層を貼り付けた構成を採用することにより、高出力化を図ることに成功したのである。
【００１０】
本発明は、以下の手段を提供する。
（１）基板上に、ＤＢＲ反射層と、発光部とを順に備える発光ダイオードであって、前記発光部は、組成式（ＡｌＸ１Ｇａ１−Ｘ１）Ａｓ（０≦Ｘ１≦１）の化合物半導体からなる井戸層及びバリア層を交互に積層した量子井戸構造の活性層と、該活性層を挟む、組成式（ＡｌＸ２Ｇａ１−Ｘ２）Ｙ１Ｉｎ１−Ｙ１Ｐ（０≦Ｘ２≦１，０＜Ｙ１≦１）の化合物半導体からなる第１のクラッド層及び第２のクラッド層とを有し、前記井戸層及びバリア層のペア数が５以下であることを特徴とする発光ダイオード。
（２）基板上に、ＤＢＲ反射層と、発光部とを順に備える発光ダイオードであって、前記発光部は、組成式（ＡｌＸ１Ｇａ１−Ｘ１）Ａｓ（０≦Ｘ１≦１）の化合物半導体からなる井戸層と、組成式（ＡｌＸ３Ｇａ１−Ｘ３）Ｙ２Ｉｎ１−Ｙ２Ｐ（０≦Ｘ３≦１，０＜Ｙ２≦１）の化合物半導体からなるバリア層を交互に積層した量子井戸構造の活性層と、該活性層を挟む、組成式（ＡｌＸ２Ｇａ１−Ｘ２）Ｙ１Ｉｎ１−Ｙ１Ｐ（０≦Ｘ２≦１，０＜Ｙ１≦１）の化合物半導体からなる第１のクラッド層及び第２のクラッド層とを有し、
前記井戸層及びバリア層のペア数が５以下であることを特徴とする発光ダイオード。
（３）前記活性層と前記クラッド層との接合面積が２００００〜９００００μｍ２であることを特徴とする前項（１）または（２）のいずれかに記載の発光ダイオード。
なお、「前記活性層と前記クラッド層との接合面積」とは、ガイド層等の層を介して活性層とクラッド層とが接合されている場合には、それらの層と活性層若しくはクラッド層との間の接合面積を意味する。
（４）前記井戸層のＡｌ組成Ｘ１を０．２０≦Ｘ１≦０．３６とし、前記井戸層の厚さを３〜３０ｎｍとし、発光波長が６６０〜７２０ｎｍに設定されてなることを特徴とする前項（１）から（３）のいずれか一項に発光ダイオード。
（５）前記井戸層のＡｌ組成Ｘ１を０≦Ｘ１≦０．２とし、前記井戸層の厚さを３〜３０ｎｍとし、発光波長が７２０〜８５０ｎｍに設定されてなることを特徴とする前項（１）から（３）のいずれか一項に発光ダイオード。
（６）前記ＤＢＲ反射層は屈折率の異なる２種類の層が交互に１０〜５０対積層されてなることを特徴とする前項（１）から（５）のいずれか一項に発光ダイオード。
（７）前記屈折率の異なる２種類の層は組成の異なる２種類の（ＡｌＸｈＧａ１−Ｘｈ）Ｙ３Ｉｎ１−Ｙ３Ｐ（０＜Ｘｈ≦１、Ｙ３＝０．５）、（ＡｌＸｌＧａ１−Ｘｌ）Ｙ３Ｉｎ１−Ｙ３Ｐ；０≦Ｘｌ＜１、Ｙ３＝０．５）の組み合わせであり、両者のＡｌの組成差ΔＸ＝ｘh−ｘｌが０．５より大きいか又は等しいことを特徴とする前項（６）に記載の発光ダイオード。
（８）前記屈折率の異なる２種類の層はＧａＩｎＰとＡｌＩｎＰの組み合わせであることを特徴とする前項（６）に記載の発光ダイオード。
（９）前記屈折率の異なる２種類の層は組成の異なる２種類のＡｌｘｌＧａ１−ｘｌＡｓ（０．１≦ｘｌ≦１）、ＡｌｘｈＧａ１−ｘｈＡｓ（０．１≦ｘｈ≦１）の組み合わせであり、両者のＡｌの組成差ΔＸ＝ｘｈ−ｘｌが０．５より大きいか又は等しいことを特徴とする前項（６）に記載の発光ダイオード。
（１０）前記発光部の、ＤＢＲ反射層の反対側の面上に電流拡散層を備えることを特徴とする前項（１）から（９）のいずれか一項に記載の発光ダイオード。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の発光ダイオードによれば、ＡｌＧａＡｓからなる井戸層及びバリア層を交互に積層した量子井戸構造の活性層、又は、ＡｌＧａＡｓからなる井戸層とＡｌＧａＩｎＰからなるバリア層とを交互に積層した量子井戸構造の活性層を採用し、注入キャリアの閉じ込め効果が大きい量子井戸を用いる構成としたので、井戸層内に十分な注入キャリアが閉じ込められることにより、井戸層内のキャリア密度が高くなり、その結果、発光再結合確率が増大して、応答速度が向上した。
また、量子井戸構造内に注入されたキャリアはその波動性のためにトンネル効果によって量子井戸構造内の井戸層間全体に広がることになるが、量子井戸構造の井戸層及びバリア層のペア数を５以下とする構成を採用したので、その広がりによる注入キャリアの閉じ込め効果の低下を極力回避し、高速応答性が担保されている。
さらにまた、量子井戸構造の活性層から発光する構成なので単色性が高い。
また、活性層を挟む第１のクラッド層及び第２のクラッド層として、発光波長に対して透明であると共に、欠陥を作りやすいＡｓを含まないために結晶性が高いＡｌＧａＩｎＰからなる構成を採用したので、欠陥を介した電子と正孔の非発光再結合確率が低下し、発光出力が向上した。
さらに、活性層を挟む第１のクラッド層及び第２のクラッド層として、４元混晶のＡｌＧａＩｎＰからなる構成を採用したので、クラッド層が３元混晶からなる発光ダイオードに比べてＡｌ濃度が低く、耐湿性が向上した。
発光層と基板との間にＤＢＲ反射膜を備える構成なので、ＧａＡｓ基板による光の吸収によって発光出力が低下するのを回避することができる。
【００１２】
本発明の発光ダイオードによれば、活性層とクラッド層との接合面積を２００００〜９００００μｍ２である構成を採用することにより、その接合面積を９００００μｍ２以下とすることで電流密度が高くなり、高出力を担保しつつ、発光再結合確率が増大して応答速度が向上する。他方、２００００μｍ２以上とすることで、通電電流に対する発光出力の飽和を抑制することにより、発光出力の大きな低下がなく、高出力が担保される。
【００１３】
本発明の発光ダイオードによれば、井戸層のＡｌ組成Ｘ１を０．２０≦Ｘ１≦０．３６とし、井戸層の厚さを３〜３０ｎｍとし、発光波長が６６０〜７２０ｎｍに設定されてなる構成を採用することにより、従来の６６０〜７２０ｎｍの赤色発光ダイオードに比べて応答速度が高くかつ高出力が実現される。
【００１４】
本発明の発光ダイオードによれば、井戸層のＡｌ組成Ｘ１を０≦Ｘ１≦０．２とし、井戸層の厚さを３〜３０ｎｍとし、発光波長が７２０〜８５０ｎｍに設定されてなる構成を採用することにより、従来の７２０〜８５０ｎｍの赤外発光ダイオードに比べて応答速度が高くかつ高出力が実現される。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の一実施形態である発光ダイオードの平面図である。
【図２】本発明の一実施形態である発光ダイオードを構成する活性層を説明するための図である。
【図３】本発明の一実施形態である発光ダイオードのペア数と出力及び応答速度との関係を示すグラフである（活性層とクラッド層との接合面積が１２３０００μｍ２の場合）。
【図４】本発明の一実施形態である発光ダイオードのペア数と出力及び応答速度との関係を示すグラフである（活性層とクラッド層との接合面積が５３０００μｍ２の場合）。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明を適用した一実施形態である発光ダイオードについて図面を用いて詳細に説明する。なお、以下の説明で用いる図面において、同一部材には同一符号を付し若しくは符号を省略する。また、以下の説明で用いる図面は模式的であり、長さ、幅、及び厚みの比率等は現実のものとは異なる場合がある。
【００１７】
＜発光ダイオード（第１の実施形態）＞
図１は、第１の実施形態に係る発光ダイオードの断面模式図である。また、図２は井戸層とバリア層の積層構造の断面模式図である。
第１の実施形態に係る発光ダイオード１００は、基板１上に、ＤＢＲ反射層３と、発光部２０とを順に備える発光ダイオードであって、発光部２０は、組成式（ＡｌＸ１Ｇａ１−Ｘ１）Ａｓ（０≦Ｘ１≦１）の化合物半導体からなる井戸層１５及びバリア層１６を交互に積層した量子井戸構造の活性層７と、該活性層７を挟む、組成式（ＡｌＸ２Ｇａ１−Ｘ２）Ｙ１Ｉｎ１−Ｙ１Ｐ（０≦Ｘ２≦１，０＜Ｙ１≦１）の化合物半導体からなる第１のクラッド層５及び第２のクラッド層６とを有し、井戸層及びバリア層のペア数が５以下であることを特徴とするものである。
【００１８】
化合物半導体層（エピタキシャル成長層ともいう）３０は、図１に示すように、ｐｎ接合型の発光部２０と電流拡散層１０とが順次積層された構造を有している。この化合物半導体層３０の構造には、公知の機能層を適時加えることができる。例えば、オーミック（Ｏｈｍｉｃ）電極の接触抵抗を下げるためのコンタクト層、素子駆動電流を発光部の全般に平面的に拡散させるための電流拡散層、逆に素子駆動電流の通流する領域を制限するための電流阻止層や電流狭窄層など公知の層構造を設けることができる。
なお、化合物半導体層３０は、ＧａＡｓ基板上にエピタキシャル成長させて形成されたものであることが好ましい。
【００１９】
ｎ型基板上に備える発光部２０は例えば、図１に示すように、ＤＢＲ反射層３上に、ｎ型の下部クラッド層（第１のクラッド層）５、下部ガイド層６、活性層７、上部ガイド層８、ｐ型の上部クラッド層（第２のクラッド層）９が順次積層されて構成されている。すなわち、発光部２０は、放射再結合をもたらすキャリア（担体；ｃａｒｒｉｅｒ）及び発光を活性層７に「閉じ込める」ために、活性層７の下側及び上側に対峙して配置した下部クラッド層５、下部ガイド（ｇｕｉｄｅ）層６、及び上部ガイド層８、上部クラッド層９を含む、所謂、ダブルヘテロ（英略称：ＤＨ）構造とすることが高強度の発光を得る上で好ましい。
【００２０】
活性層７は、図２に示すように、発光ダイオード（ＬＥＤ）の発光波長を制御するため、量子井戸構造を構成する。すなわち、活性層７は、バリア層（障壁層ともいう）１６を両端に有する、井戸層１５とバリア層１６との多層構造（積層構造）である。
【００２１】
活性層７の層厚は、０．０２〜２μｍの範囲であることが好ましい。また、活性層７の伝導型は特に限定されるものではなく、アンドープ、ｐ型及びｎ型のいずれも選択することができる。発光効率を高めるには、結晶性が良好なアンドープ又は３×１０１７ｃｍ−３未満のキャリア濃度とすることが望ましい。
【００２２】
ＤＢＲ（Distributed Bragg Reflector）反射層３は、λ／（４ｎ）の膜厚で（λ：反射すべき光の真空中での波長、ｎ：層材料の屈折率）、屈折率が異なる２種類の層を交互に積層した多層膜からなるものである。反射率は２種類の屈折率の差が大きいと、比較的少ない層数の多層膜で高反射率が得られる。通常の反射膜のようにある面で反射されるのでなく、多層膜の全体で光の干渉現象に基づき反射が起きることが特徴である。
【００２３】
ＤＢＲ（Distributed Bragg Reflector）反射層３は、屈折率の異なる２種類の層が交互に１０〜５０対積層されてなるのが好ましい。１０対以下である場合は反射率が低すぎるために出力の増大に寄与せず、５０対以上にしてもさらなる反射率の増大は小さいからである。
ＤＢＲ（Distributed Bragg Reflector）反射層３を構成する屈折率の異なる２種類の層は、組成の異なる２種類の（ＡｌＸｈＧａ１−Ｘｈ）Ｙ３Ｉｎ１−Ｙ３Ｐ（０＜Ｘｈ≦１、Ｙ３＝０．５）、（ＡｌＸｌＧａ１−Ｘｌ）Ｙ３Ｉｎ１−Ｙ３Ｐ；０≦Ｘｌ＜１、Ｙ３＝０．５）の対であり、両者のＡｌの組成差ΔＸ＝ｘh−ｘｌが０．５より大きいか又は等しくなる組み合わせか、又は、ＧａＩｎＰとＡｌＩｎＰの組み合わせか、又は、組成の異なる２種類のＡｌｘｌＧａ１−ｘｌＡｓ（０．１≦ｘｌ≦１）、ＡｌｘｈＧａ１−ｘｈＡｓ（０．１≦ｘｈ≦１）の対であり、両者の組成差ΔＸ＝ｘｈ−ｘｌが０．５より大きいか等しくなる組み合わせかのいずれかから選択されるのが効率よく高い反射率が得られることから望ましい。
組成の異なるＡｌＧａＩｎＰの組み合わせは、結晶欠陥を生じやすいＡｓを含まないので好ましく、ＧａＩｎＰとＡｌＩｎＰはその中で屈折率差を最も大きくとれるので、反射層の数を少なくすることができ、組成の切り替えも単純であるので好ましい。また、ＡｌＧａＡｓは、大きな屈折率差をとりやすいという利点がある。
【００２４】
井戸層１５は、組成式（ＡｌＸ１Ｇａ１−Ｘ１）Ａｓ（０≦Ｘ１≦１）の化合物半導体からなる。
Ａｌ組成Ｘ１は０≦Ｘ１≦０．３６であるのが好ましい。Ａｌ組成Ｘ１をこの範囲とすることにより、６６０ｎｍ〜８５０ｎｍの範囲で所望の発光波長を有するものとすることができる。
表１に、井戸層１５の層厚が７ｎｍのとき、Ａｌ組成Ｘ１と発光波長との関係を示す。Ａｌ組成Ｘ１が低くなるほど、発光波長が長くなっていることがわかる。また、その変化の傾向から、表に掲載されていない発光波長に対応する、Ａｌ組成を推定することができる。
【表１】
2012186194.tif 000003
【００２５】
井戸層１５の層厚は、３〜３０ｎｍの範囲が好適である。より好ましくは、３〜１０ｎｍの範囲である。
表２に、井戸層１５のＡｌ組成Ｘ１＝０．２３のとき、井戸層１５の層厚と発光波長との関係を示す。表３に、井戸層１５のＡｌ組成Ｘ１＝０．１７のとき、井戸層１５の層厚と発光波長との関係を示す。表４に、井戸層１５のＡｌ組成Ｘ１＝０．０２のとき、井戸層１５の層厚と発光波長との関係を示す。層厚が薄くなると量子効果により、波長が短くなる。厚い場合には、発光波長は組成で決まる。また、その変化の傾向から、表に掲載されていない発光波長に対応する、層厚を推定することができる。
【表２】
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【表３】
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【表４】
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【００２６】
以上の発光波長と、井戸層１５のＡｌ組成Ｘ１及び層厚との関係に基づいて、６６０ｎｍ〜８５０ｎｍの範囲内の所望の発光波長が得られるように、井戸層１５のＡｌ組成Ｘ１と層厚を決めることができる。
例えば、井戸層１５のＡｌ組成Ｘ１を０．２０≦Ｘ１≦０．３６とし、井戸層１５の厚さを３〜３０ｎｍとすることにより、発光波長が６６０〜７２０ｎｍの発光ダイオードを作製することができる。
また、井戸層１５のＡｌ組成Ｘ１を０≦Ｘ１≦０．２とし、井戸層１５の厚さを３〜３０ｎｍとすることにより、発光波長が７２０〜８５０ｎｍの発光ダイオードを作製することができる。
【００２７】
バリア層１６は、組成式（ＡｌＸＧａ１−Ｘ）Ａｓ（０＜Ｘ≦１）の化合物半導体からなる。Ｘは、バリア層１６での吸収を防止して発光効率を高めるため、井戸層１５よりもバンドギャップが大きくなる組成とするのが好ましい。また、結晶性の観点からＡｌ濃度は低いのが好ましい。従って、Ｘは０．１〜０．４の範囲がより好ましい。最適なＸの組成は井戸層の組成との関係で決まる。結晶性を向上させて欠陥を少なくすると、光の吸収が抑制され、その結果、発光出力の向上を図ることができる。
【００２８】
バリア層１６の層厚は、井戸層１５の層厚と等しいか又は井戸層１５の層厚より厚いのが好ましい。トンネル効果が生じる層厚範囲で十分に厚くすることにより、トンネル効果による井戸層間への広がりが抑制されてキャリアの閉じ込め効果が増大し、電子と正孔の発光再結合確率が大きくなり、発光出力の向上を図ることができる。
【００２９】
本発明の発光ダイオードにおいて、活性層７をなす量子井戸構造の井戸層１５とバリア層１６とを交互に積層する対の数は５以下であり、１対でも構わない。
この構成により、キャリアの閉じ込め効果を増大し、電子と正孔の発光再結合確率が大きくして、２５ｎｓｅｃ以下の高速の応答速度（立ち上がり時間）を確保した。
後述する実施例で示すように、井戸層１５及びバリア層１６のペア数を５対から１対に少なくするほど、応答速度は高速になった。実施例で示した条件ではペア数が１対のときに最高速の１７ｎｓｅｃを実現した。
量子井戸層の数が少ないほど、電子と正孔が閉じ込められる領域が狭くなるために、発光再結合確率が高くなり、その結果、応答速度が高速化する。
【００３０】
なお、井戸層１５とバリア層１６の数を減らすとＰＮ接合の接合容量（キャパシタンス）は、大きくなる。これは、井戸層１５とバリア層１６はアンドープ、または低いキャリア濃度とされるのでｐｎ接合において空乏層として機能し、空乏層が薄いほどキャパシタンスが大きくなることに起因する。
一般に応答速度を早くするためにはキャパシタンスが小さい方が望ましいが、本発明の構造では、井戸層１５とバリア層１６の数を少なくすることにより、キャパシタンスが大きくなるにもかかわらず応答速度が早くなる効果が見出された。
これは、井戸層１５とバリア層１６の数を少なくすることによる注入キャリアの再結合速度が速くなる効果がより大きいためであると推定される。
【００３１】
活性層７と下部クラッド層５又は上部クラッド層９との接合面積は２００００〜９００００μｍ２であるのが好ましい。
【００３２】
活性層７と下部クラッド層５又は上部クラッド層９との接合面積を９００００μｍ２以下とすることで、電流密度が高くなり、発光再結合確率が増大して応答速度が向上する。
例えば、後述する実施例で示すように、活性層７と下部クラッド層５又は上部クラッド層９との接合面積を１２３０００μｍ２（３５０μｍ×３５０μｍ）とした場合とそれより狭く５３０００μｍ２（２３０μｍ×２３０μｍ）とした場合とでは、後者の方が、井戸層１５及びバリア層１６のペア数が５ペアのときで１０％程度応答速度が向上し、また、ペア数が１ペアのときは、２０％応答速度が向上した。
【００３３】
他方、活性層７と下部クラッド層５又は上部クラッド層９との接合面積を２００００μｍ２以上とすることで、発光出力の大きな低下がなく、高出力が担保される。
例えば、後述する実施例で示すように、活性層７と下部クラッド層５又は上部クラッド層９との接合面積を５３０００μｍ２とした場合に、井戸層１５及びバリア層１６のペア数が５ペアのときに発光出力６．４ｍＷ（応答速度２０ｎｓｅｃ）で、１ペアのときでも発光出力５．８ｍＷ（応答速度１３ｎｓｅｃ）という高い発光出力を維持できた。
【００３４】
下部ガイド層６及び上部ガイド層８は、図１に示すように、活性層７の下面及び上面にそれぞれ設けられている。具体的には、活性層７の下面に下部ガイド層６が設けられ、活性層７の上面に上部ガイド層８が設けられている。
【００３５】
下部ガイド層６および上部ガイド層８は、（ＡｌＸＧａ１−Ｘ）Ａｓ（０＜Ｘ≦１）の組成を有している。Ａｌ組成Ｘは、バリア層１５よりもバンドギャップが等しいか又は大きくなる組成とすることが好ましく、０．２〜０．６の範囲がより好ましい。結晶性の観点から最適なＸの組成は井戸層の組成との関係で決まる。結晶性を向上させて欠陥を少なくすると、光の吸収が抑制され、その結果、発光出力の向上を図ることができる。
【００３６】
表５に、井戸層１５の層厚７ｎｍのときの発光波長の発光出力を最大にするバリア層１６とガイド層のＡｌ組成Ｘを示す。バリア層及びガイド層は井戸層よりもバンドギャップが大きくなる組成とするのが好ましいが、結晶性を高めて発光出力を向上させるために井戸層の組成との関係で最適な組成が定まる。結晶性を向上させて欠陥を少なくすると、光の吸収が抑制され、その結果、発光出力の向上を図ることができる。
【表５】
2012186194.tif 000007
【００３７】
下部ガイド層６及び上部ガイド層８はそれぞれ、下部クラッド層５及び上部クラッド層９と活性層７との欠陥の伝搬を低減するために設けられている。すなわち下部ガイド層６、上部ガイド層８及び活性層７のＶ族構成元素は砒素（Ａｓ）であるのに対し、本発明では下部クラッド層５及び上部クラッド層９のＶ族構成元素はリン（Ｐ）とするため、界面において欠陥が生じやすい。活性層７への欠陥の伝播は発光ダイオードの性能低下の原因となる。このため下部ガイド層６および上部ガイド層８の層厚は１０ｎｍ以上が好ましく、２０ｎｍ〜１００ｎｍがより好ましい。
【００３８】
下部ガイド層６及び上部ガイド層８の伝導型は特に限定されるものではなく、アンドープ、ｐ型及びｎ型のいずれも選択することができる。発光効率を高めるには、結晶性が良好なアンドープ又は３×１０１７ｃｍ−３未満のキャリア濃度とすることが望ましい。
【００３９】
下部クラッド層５及び上部クラッド層９は、図１に示すように、下部ガイド層６の下面及び上部ガイド層８上面にそれぞれ設けられている。
【００４０】
下部クラッド層５及び上部クラッド層９は、（ＡｌＸ２Ｇａ１−Ｘ２）Ｙ１Ｉｎ１−Ｙ１Ｐ（０≦Ｘ２≦１，０＜Ｙ１≦１）の化合物半導体からなり、バリア層１６よりもバンドギャップの大きい材質が好ましく、下部ガイド層６及び上部ガイド層８よりもバンドギャップが大きい材質がより好ましい。上記材質としては、（ＡｌＸ２Ｇａ１−Ｘ２）Ｙ１Ｉｎ１−Ｙ１Ｐ（０≦Ｘ２≦１，０＜Ｙ１≦１）のＡｌ組成Ｘ２が、０．３〜０．７である組成を有することが好ましい。また、Ｙ１は０．４〜０．６とすることが好ましい。
【００４１】
下部クラッド層５と上部クラッド層９とは、極性が異なるように構成されている。また、下部クラッド層５及び上部クラッド層９のキャリア濃度及び厚さは、公知の好適な範囲を用いることができ、活性層７の発光効率が高まるように条件を最適化することが好ましい。また、下部クラッド層５及び上部クラッド層９の組成を制御することによって、化合物半導体層２の反りを低減させることができる。
【００４２】
具体的には、下部クラッド層５としては、例えば、Ｍｇをドープしたｐ型の（ＡｌＸ２Ｇａ１−Ｘ２）Ｙ１Ｉｎ１−Ｙ１Ｐ（０．３≦Ｘ２≦０．７，０．４≦Ｙ１≦０．６）からなる半導体材料を用いることが望ましい。また、キャリア濃度は２×１０１７〜２×１０１８ｃｍ−３の範囲が好ましく、層厚は０．１〜１μｍの範囲が好ましい。
【００４３】
一方、上部クラッド層９としては、例えば、Ｓｉをドープしたｎ型の（ＡｌＸ２Ｇａ１−Ｘ２）Ｙ１Ｉｎ１−Ｙ１Ｐ（０．３≦Ｘ２≦０．７，０．４≦Ｙ１≦０．６）からなる半導体材料を用いることが望ましい。また、キャリア濃度は１×１０１７〜１×１０１８ｃｍ−３の範囲が好ましく、層厚は０．１〜１μｍの範囲が好ましい。なお、下部クラッド層５及び上部クラッド層９の極性は、化合物半導体層２の素子構造を考慮して選択することができる。
【００４４】
また、発光部７の構成層の上方には、オーミック（Ｏｈｍｉｃ）電極の接触抵抗を下げるためのコンタクト層、素子駆動電流を発光部の全般に平面的に拡散させるための電流拡散層、逆に素子駆動電流の通流する領域を制限するための電流阻止層や電流狭窄層など公知の層構造を設けることができる。
【００４５】
電流拡散層１０は、図４に示すように、発光部７の下方に設けられている。この電流拡散層１０は、ＧａＡｓ基板上に化合物半導体層２をエピタキシャル成長させる際に、活性層１２によって生じた歪を緩和させる。
また、電流拡散層１０は、発光部７（活性層７）からの発光波長に対して透明である材料、例えば、ＧａＰを適用することができる。電流拡散層１０にＧａＰを適用する場合、機能性基板３をＧａＰ基板とすることにより、接合を容易にし、高い接合強度を得ることができる。
また、電流拡散層１０の厚さは０．５〜２０μｍの範囲であることが好ましい。０．５μｍ以下であると電流拡散が不十分であり、２０μｍ以上であるとその厚さまで結晶成長させるためのコストが増大するであるからである。
【００４６】
ｐ型オーミック電極（第１の電極）１２は発光ダイオード１００の主たる光取り出し面に設けられた低抵抗のオーミック接触電極であり、ｎ型オーミック電極（第２の電極）１３は発光ダイオード１００の基板側裏面に設けられた低抵抗のオーミック接触電極である。ここで、ｐ型オーミック電極１２は、電流拡散層１０の表面に設けられており、例えば、ＡｕＢｅ／Ａｕ、またはＡｕＺｎ／Ａｕからなる合金を用いることができる。一方、ｎ型オーミック電極１３は、例えばＡｕＧｅ、Ｎｉ合金／Ａｕからなる合金を用いることができる。
【００４７】
＜発光ダイオードの製造方法＞
次に、本実施形態の発光ダイオード１００の製造方法について図１を用いて説明する。
【００４８】
（化合物半導体層の形成工程）
まず、図１に示す、化合物半導体層３０を作製する。化合物半導体層３０は、ｎ型ＧａＡｓ基板１上に、ＧａＡｓからなる緩衝層２、ＧａＩｎＰからなる層（屈折率が大きい層）３ａとＡｌＩｎＰからなる層（屈折率が小さい層）３ｂとを交互に４０対積層したＤＢＲ反射層３、Ｓｉをドープしたｎ型の下部クラッド層５、下部ガイド層６、活性層７、上部ガイド層８、Ｍｇドープしたｐ型の上部クラッド層９、Ｍｇドープしたｐ型ＧａＰからなる電流拡散層１０を順次積層して作製する。
【００４９】
ＧａＡｓ基板１は、公知の製法で作製された市販品の単結晶基板を使用することができる。ＧａＡｓ基板１のエピタキシャル成長させる表面は、平滑であることが望ましい。ＧａＡｓ基板１の表面の面方位は、エピタキシャル成長しやすく、量産されている（１００）面および（１００）から、±２０°以内にオフした基板が、品質の安定性の面から望ましい。さらに、ＧａＡｓ基板１の面方位の範囲が、（１００）方向から（０−１−１）方向に１５°オフ±５°であることがより好ましい。
尚、本明細書では、ミラー指数の表記において、“−”はその直後の指数につくバーを意味する。
【００５０】
ＧａＡｓ基板１の転位密度は、化合物半導体層３０の結晶性を良くするために低い方が望ましい。具体的には、例えば、１０，０００個ｃｍ−２以下、望ましくは、１，０００個ｃｍ−２以下であることが好適である。
【００５１】
ＧａＡｓ基板１は、ｎ型であってもｐ型であっても良い。ＧａＡｓ基板１のキャリア濃度は、所望の電気伝導度と素子構造から、適宜選択することができる。例えば、ＧａＡｓ基板１がＳｉドープのｎ型である場合には、キャリア濃度が１×１０１７〜５×１０１８ｃｍ−３の範囲であることが好ましい。これに対して、ＧａＡｓ基板１がＺｎドープのｐ型の場合には、キャリア濃度２×１０１８〜５×１０１９ｃｍ−３の範囲であることが好ましい。
【００５２】
ＧａＡｓ基板１の厚さは、基板のサイズに応じて適切な範囲がある。ＧａＡｓ基板１の厚さが適切な範囲よりも薄いと、化合物半導体層３０の製造プロセス中に割れてしまうおそれがある。一方、ＧａＡｓ基板１の厚さが適切な範囲よりも厚いと材料コストが増加することになる。このため、ＧａＡｓ基板１の基板サイズが大きい場合、例えば、直径７５ｍｍの場合には、ハンドリング時の割れを防止するために２５０〜５００μｍの厚さが望ましい。同様に、直径５０ｍｍの場合は、２００〜４００μｍの厚さが望ましく、直径１００ｍｍの場合は、３５０〜６００μｍの厚さが望ましい。
【００５３】
このように、ＧａＡｓ基板１の基板サイズに応じて基板の厚さを厚くすることにより、発光部２０に起因する化合物半導体層３０の反りを低減することができる。これにより、エピタキシャル成長中の温度分布が均一となることため、活性層７の面内の波長分布を小さくすることができる。なお、ＧａＡｓ基板１の形状は、特に円形に限定されず、矩形等であっても問題ない。
【００５４】
緩衝層（ｂｕｆｆｅｒ）２は、ＧａＡｓ基板１と発光部２０の構成層との欠陥の伝搬を低減するために設けられている。このため、基板の品質やエピタキシャル成長条件を選択すれば、緩衝層２は、必ずしも必要ではない。また、緩衝層２の材質は、エピタキシャル成長させる基板と同じ材質とすることが好ましい。したがって、本実施形態では、緩衝層２には、ＧａＡｓ基板１と同じくＧａＡｓを用いることが好ましい。また、緩衝層２には、欠陥の伝搬を低減するためにＧａＡｓ基板１と異なる材質からなる多層膜を用いることもできる。緩衝層２の厚さは、０．１μｍ以上とすることが好ましく、０．２μｍ以上とすることがより好ましい。
【００５５】
ＤＢＲ反射層３は、基板方向へ進行する光を反射する為に設けられている。ＤＢＲ反射層３の材質は発光波長に対して透明であることが好ましく、又、ＤＢＲ反射層３を構成する２種類の材料の屈折率の差が大きくなる組み合わせとなるよう選択されるのが好ましい。本実施形態では、ＤＢＲ反射層３の材質をＡｌＩｎＰとＧａＩｎＰの組み合わせとするが、組成の異なる２種類の（ＡｌＸｌＧａ１−Ｘｌ）０．５Ｉｎ０．５Ｐ（０≦ｘｌ＜１）、（ＡｌＸｈＧａ１−Ｘｈ）０．５Ｉｎ０．５Ｐ（０＜ｘｈ≦１）から選択することも可能であり、また組成の異なる２種類のＡｌｘｌＧａ１−ｘｌＡｓ（０．１≦ｘｌ≦１）、ＡｌｘｈＧａ１−ｘｈＡｓ（０．１≦ｘｈ≦１）から選択することも可能である。
【００５６】
本実施形態では、分子線エピタキシャル法（ＭＢＥ）や減圧有機金属化学気相堆積法（ＭＯＣＶＤ法）等の公知の成長方法を適用することができる。なかでも、量産性に優れるＭＯＣＶＤ法を適用することが、最も望ましい。具体的には、化合物半導体層３０のエピタキシャル成長に使用するＧａＡｓ基板１は、成長前に洗浄工程や熱処理等の前処理を実施して、表面の汚染や自然酸化膜を除去することが望ましい。上記化合物半導体層３０を構成する各層は、直径５０〜１５０ｍｍのＧａＡｓ基板１をＭＯＣＶＤ装置内にセットし、同時にエピタキシャル成長させて積層することができる。また、ＭＯＣＶＤ装置としては、自公転型、高速回転型等の市販の大型装置を適用することができる。
【００５７】
上記化合物半導体層３０の各層をエピタキシャル成長する際、ＩＩＩ族構成元素の原料としては、例えば、トリメチルアルミニウム（（ＣＨ３）３Ａｌ）、トリメチルガリウム（（ＣＨ３）３Ｇａ）及びトリメチルインジウム（（ＣＨ３）３Ｉｎ）を用いることができる。また、Ｍｇのドーピング原料としては、例えば、ビスシクロペンタジエニルマグネシウム（ｂｉｓ−（Ｃ５Ｈ５）２Ｍｇ）等を用いることができる。また、Ｓｉのドーピング原料としては、例えば、ジシラン（Ｓｉ２Ｈ６）等を用いることができる。
また、Ｖ族構成元素の原料としては、ホスフィン（ＰＨ３）、アルシン（ＡｓＨ３）等を用いることができる。
また、各層の成長温度としては、電流拡散層１０としてｐ型ＧａＰを用いる場合は、７２０〜７７０℃を適用することができ、その他の各層では６００〜７００℃を適用することができる。
また、電流拡散層１０としてｐ型ＧａＩｎＰを用いる場合は、６００〜７００℃を適用することができる。
さらに、各層のキャリア濃度及び層厚、温度条件は、適宜選択することができる。
【００５８】
このようにして作製した化合物半導体層３０は、発光部２０を有するにもかかわらず結晶欠陥が少ない良好な表面状態が得られる。また、化合物半導体層３０は、素子構造に対応して研磨などの表面加工を施しても良い。
【００５９】
（第１及び第２の電極の形成工程）
次に、第１の電極であるｐ型オーミック電極１２及び第２の電極であるｎ型オーミック電極１３を形成する。
【００６０】
＜発光ダイオード（第２の実施形態）＞
本発明を適用した第２の実施形態に係る発光ダイオードは、第１の実施形態に係る発光ダイオードにおけるＡｌＧａＡｓバリア層１６を、組成式（ＡｌＸ３Ｇａ１−Ｘ３）Ｙ２Ｉｎ１−Ｙ２Ｐ（０≦Ｘ３≦１，０＜Ｙ２≦１）の化合物半導体からなるバリア層とした点が異なる。
【００６１】
バリア層は、組成式（ＡｌＸ３Ｇａ１−Ｘ３）Ｙ２Ｉｎ１−Ｙ２Ｐ（０≦Ｘ３≦１，０＜Ｙ２≦１）の化合物半導体からなる。
Ａｌ組成Ｘ３は、井戸層よりもバンドギャップが大きくなる組成とすることが好ましく、具体的には０〜０．２の範囲が好ましい。
また、Y２は、基板との格子不整によるひずみの発生を防止する為に０．４〜０．６とするのが好ましく、０．４５〜０．５５の範囲がより好ましい。
バリア層の層厚は、井戸層の層厚と等しいか又は井戸層の層厚より厚いのが好ましい。トンネル効果が生じる層厚範囲で十分に厚くすることにより、トンネル効果による井戸層間への広がりが抑制されてキャリアの閉じ込め効果が増大し、電子と正孔の発光再結合確率が大きくなり、発光出力の向上を図ることができる。
【実施例】
【００６２】
以下、本発明の効果を、実施例を用いて具体的に説明する。なお、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
【００６３】
本実施例では、本発明に係る発光ダイオードを作製した例を具体的に説明する。また、本実施例で作製した発光ダイオードは、ＡｌＧａＡｓからなる井戸層とＡｌＧａＡｓからなるバリア層との量子井戸構造からなる活性層を有する発光ダイオード、及び、ＡｌＧａＡｓからなる井戸層とＡｌＧａｉｎＰからなるバリア層との量子井戸構造からなる活性層を有する赤外発光ダイオードである。本実施例では、特性評価のために発光ダイオードチップを基板上に実装した発光ダイオードランプを作製した。
【００６４】
（実施例１）
実施例１の発光ダイオードは第１の実施形態の実施例であり、活性層とクラッド層との接合面積は１２３０００μｍ２（３５０μｍ×３５０μｍ）であった。
まず、Ｓｉをドープしたｎ型のＧａＡｓ単結晶からなるＧａＡｓ基板上に、化合物半導体層を順次積層してエピタキシャルウェーハを作製した。ＧａＡｓ基板は、（１００）面から（０−１−１）方向に１５°傾けた面を成長面とし、キャリア濃度を２×１０１８ｃｍ−３とした。また、ＧａＡｓ基板の層厚は、約０．５μｍとした。化合物半導体層としては、ＳｉをドープしたＧａＡｓからなるｎ型の緩衝層、ＳｉをドープしたＡｌＩｎＰとＧａＩｎＰの４０対の繰り返し構造であるｎ型のＤＢＲ反射層、Ｓｉをドープした（Ａｌ０．７Ｇａ０．３）０．５Ｉｎ０．５Ｐからなるｎ型の下部クラッド層、Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ａｓからなる下部ガイド層、Ａｌ０．１７Ｇａ０．８３Ａｓ／Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓの対からなる井戸層／バリア層、Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ａｓからなる上部ガイド層、Ｍｇをドープした（Ａｌ０．７Ｇａ０．３）０．５Ｉｎ０．５Ｐからなるｐ型の上部クラッド層、（Ａｌ０．５Ｇａ０．５）０．５Ｉｎ０．５Ｐからなる薄膜の中間層、Ｍｇドープしたｐ型ＧａＰからなる電流拡散層を用いた。
【００６５】
本実施例では、減圧有機金属化学気相堆積装置法（ＭＯＣＶＤ装置）を用い、直径７６ｍｍ、厚さ３５０μｍのＧａＡｓ基板に化合物半導体層をエピタキシャル成長させて、エピタキシャルウェーハを形成した。エピタキシャル成長層を成長させる際、ＩＩＩ族構成元素の原料としては、トリメチルアルミニウム（（ＣＨ３）３Ａｌ）、トリメチルガリウム（（ＣＨ３）３Ｇａ）及びトリメチルインジウム（（ＣＨ３）３Ｉｎ）を使用した。また、Ｍｇのドーピング原料としては、ビスシクロペンタジエニルマグネシウム（ｂｉｓ−（Ｃ５Ｈ５）２Ｍｇ）を使用した。また、Ｓｉのドーピング原料としては、ジシラン（Ｓｉ２Ｈ６）を使用した。また、Ｖ族構成元素の原料としては、ホスフィン（ＰＨ３）、アルシン（ＡｓＨ３）を使用した。また、各層の成長温度としては、ｐ型ＧａＰからなる電流拡散層は、７５０℃で成長させた。その他の各層では７００℃で成長させた。
【００６６】
ＧａＡｓからなる緩衝層は、キャリア濃度を約２×１０１８ｃｍ−３、層厚を約０．５μｍとした。下部クラッド層は、キャリア濃度を約１×１０１８ｃｍ−３、層厚を約０．５μｍとした。下部ガイド層は、アンドープで層厚を約５０ｎｍとした。井戸層は、アンドープで層厚が約７ｎｍのＡｌ０．１７Ｇａ０．８３Ａｓとし、バリア層はアンドープで層厚が約１９ｎｍのＡｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓとした。また、井戸層とバリア層とを交互に３対積層した。上部ガイド層は、アンドープで層厚を約５０ｎｍとした。上部クラッド層は、キャリア濃度を約８×１０１７ｃｍ−３、層厚を約０．５μｍとした。中間層は、キャリア濃度を約８×１０１７ｃｍ−３、層厚を約５０ｎｍとした。ＧａＰからなる電流拡散層は、キャリア濃度を約３×１０１８ｃｍ−３、層厚を約１０μｍとした。
また、ＤＢＲ反射層はキャリア濃度を約１×１０１８ｃｍ−３、層厚を約７１ｎｍとしたＡｌＩｎＰと、キャリア濃度を約１×１０１８ｃｍ−３、層厚を約６７ｎｍとしたＧａＩｎＰを交互に４０対積層した。
【００６７】
次に電流拡散層の表面に、ＡｕＢｅを０．２μｍ、Ａｕを１μｍとなるように真空蒸着法によって成膜した。その後、一般的なフォトリソグラフィー手段を利用してパターニングを施し、第１の電極としてｐ型オーミック電極を形成した。次に、電極部以外の表面である光取り出し面に粗面化処理を施した。
【００６８】
次に、第２の電極として基板裏面に、ＡｕＧｅ、Ｎｉ合金を厚さが０．５μｍ、Ｐｔを０．２μｍ、Ａｕを１μｍとなるように真空蒸着法によって成膜し、ｎ型オーミック電極を形成した。その後、４５０℃で１０分間熱処理を行って合金化し、低抵抗のｐ型およびｎ型オーミック電極を形成した。
【００６９】
次に、化合物半導体層側からダイシングソーを用い３５０μｍ間隔で切断し、チップ化した。ダイシングによる破砕層および汚れを硫酸・過酸化水素混合液でエッチング除去して、実施例１の発光ダイオードを作製した。
【００７０】
上記の様にして作製した実施例１の発光ダイオードチップを、マウント基板上に実装した発光ダイオードランプを１００個組み立てた。この発光ダイオードランプは、マウントは、ダイボンダーで支持（マウント）し、ｐ型オーミック電極とｐ電極端子とを金線でワイヤボンディングした後、一般的なエポキシ樹脂で封止して作製した。
【００７１】
発光ダイオード（発光ダイオードランプ）の特性を評価した結果を表６及び図３、図４に示す。図３は、活性層とクラッド層との接合面積が１２３０００μｍ２の場合の発光ダイオードのペア数と出力及び応答速度との関係を示すグラフであり、図４は、活性層とクラッド層との接合面積が５３０００μｍ２の場合の発光ダイオードのペア数と出力及び応答速度との関係を示すグラフである。
表６に示すように、第1の実施例では、ｎ型及びｐ型オーミック電極間に電流を流したところ、ピーク発光波長７３０ｎｍとする赤色光が出射された。順方向に２０ミリアンペア（ｍＡ）の電流を通流した際の順方向電圧（Ｖｆ）は、化合物半導体層を構成する電流拡散層と機能性基板との接合界面での抵抗の低さ及び各オーミック電極の良好なオーミック特性を反映し、１．６ボルトとなった。順方向電流を２０ｍＡとした際の応答速度（立ち上がり時間）ｔｒ及び発光出力（Ｐ０）はそれぞれ、１５ｎｓｅｃ、５．５ｍＷであった。
【表６】
2012186194.tif 000008
【００７２】
（実施例２）
実施例２の発光ダイオードは第１の実施形態の実施例であり、井戸層及びバリア層のペア数を３対とした以外は、実施例１と同じ条件で作製し、同様の評価を行った。
応答速度（ｔｒ）、発光出力（Ｐ０）及び順方向電圧（ＶＦ）はそれぞれ、１８ｎｓｅｃ、５．８ｍＷ、１．６Ｖであった。
【００７３】
（実施例３）
実施例３の発光ダイオードは第１の実施形態の実施例であり、井戸層及びバリア層のペア数を５対とした以外は、実施例１と同じ条件で作製し、同様の評価を行った。
応答速度（ｔｒ）、発光出力（Ｐ０）及び順方向電圧（ＶＦ）はそれぞれ、２１ｎｓｅｃ、６．０ｍＷ、１．６Ｖであった。
【００７４】
（実施例４）
実施例４の発光ダイオードはＤＢＲ反射層の構成を変更した以外は、実施例３と同じ条件で作製し、同様の評価を行った。
具体的には、ＤＢＲ反射層はキャリア濃度を約１×１０１８ｃｍ−３、層厚を約７１ｎｍとした（Ａｌ０．９Ｇａ０．１）０．５Ｉｎ０．５Ｐと、キャリア濃度を約１×１０１８ｃｍ−３、層厚を約６８ｎｍとした（Ａｌ０．２Ｇａ０．８）０．５Ｉｎ０．５Ｐを交互に４０対積層した。
応答速度（ｔｒ）、発光出力（Ｐ０）及び順方向電圧（ＶＦ）はそれぞれ、２１ｎｓｅｃ、５．７ｍＷ、１．６Ｖであった。
【００７５】
（実施例５）
実施例５の発光ダイオードはＤＢＲ反射層の構成を変更した以外は、実施例３と同じ条件で作製し、同様の評価を行った。
具体的には、ＤＢＲ反射層はキャリア濃度を約１×１０１８ｃｍ−３、層厚を約７１ｎｍとしたＡｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓと、キャリア濃度を約１×１０１８ｃｍ−３、層厚を約６４ｎｍとしたＡｌ０．１Ｇａ０．９Ａｓを交互に４０対積層した。
応答速度（ｔｒ）、発光出力（Ｐ０）及び順方向電圧（ＶＦ）はそれぞれ、２０ｎｓｅｃ、６．１ｍＷ、１．６Ｖであった。
【００７６】
実施例６〜８の発光ダイオードも第１の実施形態の実施例であるが、活性層とクラッド層との接合面積を５３０００μｍ２（２３０μｍ×２３０μｍ）とした実施例である。
【００７７】
（実施例６）
実施例６の発光ダイオードは活性層とクラッド層との接合面積以外の条件は、実施例１と同じ条件で作製し、同様の評価を行った。
応答速度（ｔｒ）、発光出力（Ｐ０）及び順方向電圧（ＶＦ）はそれぞれ、１３ｎｓｅｃ、５．８ｍＷ、１．７Ｖであった。
【００７８】
（実施例７）
実施例７の発光ダイオードは、井戸層及びバリア層のペア数を３対とした以外は、実施例６と同じ条件で作製し、同様の評価を行った。
応答速度（ｔｒ）、発光出力（Ｐ０）及び順方向電圧（ＶＦ）はそれぞれ、１７ｎｓｅｃ、６．２ｍＷ、１．７Ｖであった。
【００７９】
（実施例８）
実施例８の発光ダイオードは、井戸層及びバリア層のペア数を５対とした以外は、実施例６と同じ条件で作製し、同様の評価を行った。
応答速度（ｔｒ）、発光出力（Ｐ０）及び順方向電圧（ＶＦ）はそれぞれ、２０ｎｓｅｃ、６．４ｍＷ、１．７Ｖであった。
【００８０】
（実施例９）
実施例９の発光ダイオードも第１の実施形態の実施例であるが、活性層とクラッド層との接合面積を２００００μｍ２（２００μｍ×１００μｍ）とした実施例である。
【００８１】
実施例９の発光ダイオードは活性層とクラッド層との接合面積以外の条件は、実施例３と同じ条件で作製し、同様の評価を行った。
応答速度（ｔｒ）、発光出力（Ｐ０）及び順方向電圧（ＶＦ）はそれぞれ、１７ｎｓｅｃ、６．５ｍＷ、１．８Ｖであった。
【００８２】
（実施例１０）
実施例１０の発光ダイオードも第１の実施形態の実施例であるが、活性層とクラッド層との接合面積を９００００μｍ２（３００μｍ×３００μｍ）とした実施例である。
【００８３】
実施例１０の発光ダイオードは活性層とクラッド層との接合面積以外の条件は、実施例３と同じ条件で作製し、同様の評価を行った。
応答速度（ｔｒ）、発光出力（Ｐ０）及び順方向電圧（ＶＦ）はそれぞれ、２１ｎｓｅｃ、６．２ｍＷ、１．６Ｖであった。
【００８４】
実施例１１及び１２の発光ダイオードは第２の実施形態の実施例である。
【００８５】
（実施例１１）
実施例１１の発光ダイオードは、活性層とクラッド層との接合面積を１２３０００μｍ２（３５０μｍ×３５０μｍ）とした実施例である。
実施例１１の発光ダイオードの層構成は以下の通りである。
まず、Ｓｉをドープしたｎ型のＧａＡｓ単結晶からなるＧａＡｓ基板上に、化合物半導体層を順次積層してエピタキシャルウェーハを作製した。ＧａＡｓ基板は、（１００）面から（０−１−１）方向に１５°傾けた面を成長面とし、キャリア濃度を２×１０１８ｃｍ−３とした。また、ＧａＡｓ基板の層厚は、約０．５μｍとした。化合物半導体層としては、ＳｉをドープしたＧａＡｓからなるｎ型の緩衝層、ＳｉをドープしたＡｌＩｎＰとＧａＩｎＰの４０対の繰り返し構造であるｎ型のＤＢＲ反射層、Ｓｉをドープした（Ａｌ０．７Ｇａ０．３）０．５Ｉｎ０．５Ｐからなるｎ型の下部クラッド層、Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ａｓからなる下部ガイド層、Ａｌ０．１７Ｇａ０．８３Ａｓ／（Ａｌ０．１Ｇａ０．９  ）０．５  Ｉｎ０．５Ｐの対からなる井戸層／バリア層、Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ａｓからなる上部ガイド層、Ｍｇをドープした（Ａｌ０．７Ｇａ０．３）０．５Ｉｎ０．５Ｐからなるｐ型の上部クラッド層、（Ａｌ０．５Ｇａ０．５）０．５Ｉｎ０．５Ｐからなる薄膜の中間層、Ｍｇドープしたｐ型ＧａＰからなる電流拡散層を用いた。
ＧａＡｓからなる緩衝層は、キャリア濃度を約２×１０１８ｃｍ−３、層厚を約０．５μｍとした。コンタクト層は、キャリア濃度を約２×１０１８ｃｍ−３、層厚を約３．５μｍとした。上部クラッド層は、キャリア濃度を約１×１０１８ｃｍ−３、層厚を約０．５μｍとした。上部ガイド層は、アンドープで層厚を約５０nｍとした。井戸層は、アンドープで層厚が約７ｎｍのＡｌ０．１７Ｇａ０．８３Ａｓとし、バリア層はアンドープで層厚が約１９ｎｍの（Ａｌ０．１Ｇａ０．９  ）０．５  Ｉｎ０．５Ｐとした。また、井戸層及びバリア層のペア数を５対とした。下部ガイド層は、アンドープで層厚を約５０nｍとした。下部クラッド層は、キャリア濃度を約８×１０１７ｃｍ−３、層厚を約０．５μｍとした。中間層は、キャリア濃度を約８×１０１７ｃｍ−３、層厚を約０．０５μｍとした。ＧａＰからなる電流拡散層は、キャリア濃度を約３×１０１８ｃｍ−３、層厚を約９μｍとした。
応答速度（ｔｒ）、発光出力（Ｐ０）及び順方向電圧（ＶＦ）はそれぞれ、２１ｎｓｅｃ、５．８ｍＷ、１．６Ｖであった。
【００８６】
（実施例１２）
実施例１２の発光ダイオードは活性層とクラッド層との接合面積を５３０００μｍ２（２３０μｍ×２３０μｍ）とした以外は、実施例１１と同じ条件で作製し、同様の評価を行った。
応答速度（ｔｒ）、発光出力（Ｐ０）及び順方向電圧（ＶＦ）はそれぞれ、２０ｎｓｅｃ、６．３ｍＷ、１．７Ｖであった。
【００８７】
参考例１〜４は、井戸層及びバリア層のペア数を１０対及び２０対とした例であり、本発明の３元混晶の量子井戸構造又３元混晶の井戸層と４元混晶のバリア層とからなる量子井戸構造を４元クラッド層で挟む構成が高い発光出力に適した構成であることを示すためのものである。
【００８８】
（参考例１）
参考例１の発光ダイオードは、井戸層及びバリア層のペア数を１０対とした以外は実施例１の発光ダイオードと同じ条件で作製し、同様の評価を行った。
応答速度（ｔｒ）、発光出力（Ｐ０）及び順方向電圧（ＶＦ）はそれぞれ、２６ｎｓｅｃ、６．３ｍＷ、１．６Ｖであった。
【００８９】
（参考例２）
参考例２の発光ダイオードは、井戸層及びバリア層のペア数を２０対とした以外は実施例１の発光ダイオードと同じ条件で作製し、同様の評価を行った。
応答速度（ｔｒ）、発光出力（Ｐ０）及び順方向電圧（ＶＦ）はそれぞれ、３５ｎｓｅｃ、６．７ｍＷ、１．６Ｖであった。
【００９０】
（参考例３）
参考例３の発光ダイオードは、井戸層及びバリア層のペア数を１０対とした以外は実施例６の発光ダイオードと同じ条件で作製し、同様の評価を行った。
応答速度（ｔｒ）、発光出力（Ｐ０）及び順方向電圧（ＶＦ）はそれぞれ、２５ｎｓｅｃ、６．８ｍＷ、１．７Ｖであった。
【００９１】
（参考例４）
参考例４の発光ダイオードは、井戸層及びバリア層のペア数を２０対とした以外は実施例６の発光ダイオードと同じ条件で作製し、同様の評価を行った。
応答速度（ｔｒ）、発光出力（Ｐ０）及び順方向電圧（ＶＦ）はそれぞれ、３２ｎｓｅｃ、７．０ｍＷ、１．７Ｖであった。
【００９２】
（比較例１）
液相エピタキシャル法で、厚膜成長し、基板除去した構造の発光波長７３０ｎｍの発光ダイオードの例を示す。
ＧａＡｓ基板に、スライドボート型成長装置を用いてＡｌＧａＡｓ層を成長した。
スライドボート型成長装置の基板収納溝にｐ型ＧａＡｓ基板をセットし、各層の成長用に用意したルツボにＧａメタル、ＧａＡｓ多結晶、金属Ａｌ、及びドーパントを入れた。成長する層は、透明厚膜層（第１のｐ型層）、下部クラッド層（ｐ型クラッド層）、活性層、上部クラッド層（ｎ型クラッド層）の4層構造とし、この順序で積層した。
これらの原料をセットしたスライドボート型成長装置を、石英反応管内にセットし、水素気流中で９５０℃まで加温し、原料を溶解した後、雰囲気温度を９１０℃まで降温し、スライダーを右側に押して原料溶液（メルト）に接触させたあと０．５℃／分の速度で降温し、所定温度に達した後、またスライダーを押して順次各原料溶液に接触させたあと高温させる動作を繰り返し、最終的にはメルトと接触させた後、雰囲気温度を７０３℃まで降温してｎクラッド層を成長させた後、スライダーを押して原料溶液とウェーハを切り離してエピタキシャル成長を終了させた。
【００９３】
得られたエピタキシャル層の構造は、第１のｐ型層は、Ａｌ組成Ｘ１＝０．３〜０．４、層厚６４μｍ、キャリア濃度３×１０１７ｃｍ−３、ｐ型クラッド層は、Ａｌ組成Ｘ２＝０．４〜０．５、層厚７９μｍ、キャリア濃度５×１０１７ｃｍ−３、p型活性層は、発光波長が７６０ｎｍの組成で、層厚１μｍ、キャリア濃度１×１０１８ｃｍ−３、ｎ型クラッド層は、Ａｌ組成Ｘ４＝０．４〜０．５、層厚２５μｍ、キャリア濃度５×１０１７ｃｍ−３、であった。
【００９４】
エピタキシャル成長終了後、エピタキシャル基板を取り出し、ｎ型ＧａＡｌＡｓクラッド層表面を保護して、アンモニア−過酸化水素系エッチャントでｐ型ＧａＡｓ基板を選択的に除去した。その後、エピタキシャルウェーハ両面に金電極を形成し、長辺が３５０μｍの電極マスクを用いて、直径１００μｍのワイヤーボンディング用パッドを中央に配置された表面電極を形成した。裏面電極には、直径２０μｍのオーミック電極を８０μｍ間隔に形成した。その後、ダイシングで分離、エッチングすることにより、ｎ型ＧａＡｌＡｓ層が表面側となるようにした３５０μｍ角の発光ダイオードを作製した。
【００９５】
比較例１の発光ダイオードを実装し、発光ダイオードランプの特性を評価した結果を表４に示す。
表４に示すように、ｎ型及びｐ型オーミック電極間に電流を流したところ、ピーク波長を７６０ｎｍとする赤外光が出射された。また、順方向に２０ミリアンペア（ｍＡ）の電流を通流した際の順方向電圧（ＶＦ）は、１．９ボルト（Ｖ）となった。
順方向電流を２０ｍＡとした際の応答速度（ｔｒ）及び発光出力（Ｐ０）はそれぞれ、２５ｎｓｅｃ、３．０ｍＷであった。
比較例１のいずれのサンプルについても、本発明の実施例１〜１６に比べて応答速度は等しいか遅く、且つ発光出力は低かった。
【産業上の利用可能性】
【００９６】
本発明の発光ダイオード、発光ダイオードランプ及び照明装置は、高速応答性と高出力性とを兼ね備えた赤色光及び／又は赤外光を発光する発光ダイオード、発光ダイオードランプ及び照明装置として利用できる。
【符号の説明】
【００９７】
１・・・ＧａＡｓ基板
２・・・緩衝層
３・・・ＤＢＲ反射層
３ａ・・・ＤＢＲ反射層の第１の構成層
３ｂ・・・ＤＢＲ反射層の第２の構成層
５・・・下部クラッド層（第１のクラッド層）
６・・・下部ガイド層（第1のガイド層）  
７・・・活性層
８・・・上部ガイド層（第２のガイド層）
９・・・上部クラッド層（第２のクラッド層）
１０・・・電流拡散層
１２・・・ｐ型オーミック電極（第１の電極）
１３・・・ｎ型オーミック電極（第２の電極）
２０・・・発光部
３０・・・化合物半導体層
１００・・・発光ダイオード
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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