(57)【要約】【課題】空乏層の厚さを制御して漏洩電流の抑制ができる半導体発光素子及びこれを用いた表示装置を提供すること。【解決手段】半導体発光素子は、支持用基板に、ｐ側電極層１２、ｐ型コンタクト層１４、ｐ型クラッド層１６、活性層１８、ｎ型クラッド層２０、ｎ型コンタクト２４層、ｎ側電極層２６を有し、ｎ側電極層がｎ型コンタクト層及びｎ型クラッド層上に接触して積層され、ｎ型コンタクト層とオーミック接合を形成し、ｎ型クラッド層とショットキー接合を形成するように構成される。逆バイアス印加時、ｎ型コンタクト層の下方でｎ型クラッド層に空乏層２２が形成され、逆バイアスの増大と共に空乏層が拡大され、漏洩電流が抑制される。ｎ型コンタクト層の直径が２０μｍ以下である。この半導体発光素子が２次元マトリックス状に配列され表示装置が構成され、半導体発光素子が単純マトリックス駆動される。【選択図】図１
2009158550.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
この基板に形成されたｐ側電極層及びｐ型クラッド層と、
化合物半導体からなる活性層と、
ｎ型クラッド層と、
ｎ型コンタクト層と、
ｎ側電極層と
を有し、前記ｎ側電極層が前記ｎ型コンタクト層及び前記ｎ型クラッド層上に接触して積層され、前記ｎ側電極層が、前記ｎ型コンタクト層とオーミック接合を形成し、前記ｎ型クラッド層とショットキー接合を形成するように構成され、前記ｎ側電極層と前記ｐ側電極層の間に逆バイアス電圧が印加された時、前記ｎ型コンタクト層の下方の領域で前記ｎ型クラッド層に空乏層が形成される半導体発光素子。
【請求項２】
前記逆バイアス電圧の増大に従って前記空乏層の領域が拡大され、前記ｐ側電極層から前記ｎ側電極層へ流れる電流が抑制される、請求項１に記載の半導体発光素子。
【請求項３】
前記ｎ側電極層と前記ｐ側電極層の間に順バイアス電圧を印加することによって、前記空乏層の領域が縮小される、請求項１に記載の半導体発光素子。
【請求項４】
前記順バイアス電圧を増大させ一定の電圧に達した場合に、前記ｎ型コンタクト層から前記ｎ型クラッド層に電流が流れ、前記活性層から光が発光される、請求項３に記載の半導体発光素子。
【請求項５】
前記ｎ型コンタクト層の直径が２０μｍ以下である、請求項１に記載の半導体発光素子。
【請求項６】
請求項１から請求項５の何れか１項に記載の半導体発光素子が２次元マトリックス状に配列され、この配列された半導体発光素子が単純マトリックス駆動される、表示装置。
【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、ショットキー接合における空乏層の厚さを制御することによってリーク電流を抑制することができる半導体発光素子及びこれを用いた表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
化合物半導体からなる活性層を備えた半導体発光素子は、活性層の混晶組成や厚さによってバンドギャップエネルギーを制御することによって、紫外から赤外までの広い範囲での発光波長を実現し得る。種々の色を発光することができる半導体発光素子が開発されており、これらは２次元マトリックス状に配列され、画像表示装置、照明装置等の用途に使用されている。
【０００３】
半導体発光素子におけるリーク電流の抑制するため、或いは、活性層における電流密度を高めるために、種々の素子構造が検討されている。例えば、無効電流を流さないようにするための構造、電流が流れる面積を変化させて発光部を制限するように電流を流す構造等が検討されている。
【０００４】
「半導体発光素子」と題する後記の特許文献１に、以下の記載がある。
【０００５】
特許文献１発明の半導体発光素子は、活性層の下方に第１の導電型の半導体層を形成し、活性層の上方に第２の導電型の半導体層を形成し、この第２の導電型の半導体層の上面若しくは内部に第一の導電型の電流阻止層を形成し、この電流阻止層に電流通路領域を形成した電流狭窄構造の半導体発光素子において、前記電流阻止層に印加する逆バイアス電圧を制御することにより電流阻止層から第２の半導体層内に広がった空乏層の広がりを変化させ、電流通路領域の実効面積を可変にしたことを特徴としている。
【０００６】
特許文献１の発明にあっては、電流阻止層に印加する逆バイアス電圧を制御することにより電流阻止層から第２の半導体層内へ広がる空乏層の広がりを変化させることができ、これによって電流阻止層に形成された電流通路領域の実効面積を変えることができる。
【０００７】
しかして、電流通路領域の実効面積（即ち、電流の流れる面積）を変えることによって単位面積あたりの電流密度を変化させることができ、これによって半導体発光素子の発光出力を変えることができる。また、発光径も変化するので、出射される光ビームのスポット径も制御することができる。
【０００８】
図１０は、発光ダイオードを示す断面図であり、特許文献１に記載の図１である。
【０００９】
ｐ型ＧａＡｓ基板１０１の上には、１回目の結晶成長工程によりｐ型ＡｌＧａＡｓ下部クラッド層１０２、ＧａＡｓ活性層１０３、ｎ型ＡｌＧａＡｓ内側クラッド層１０４及びｐ型ＧａＡｓ電流阻止層１０５が順次成長させられている。電流阻止層１０５には、フォトリソグラフィ等により電流通路領域１１１となる開口があけられている。
【００１０】
また、開口をあけられた電流阻止層１０５の上には、２回目の結晶成長工程によりｎ型ＡｌＧａＡｓ外側クラッド層１０６が再成長させられている。ここで、電流阻止層１０５のキャリア濃度は内側及び外側クラッド層１０４、１０６のキャリア濃度よりも十分高くしてあり、電流阻止層１０５から内側及び外側クラッド層１０４、１０６内には空乏層１１０が広がっている。
【００１１】
更に、外側クラッド層１０６の上面及び基板１０１の下面にはワイヤ１０７、１０９が接合されており、この両ワイヤ１０７、１０９に駆動電圧を印加すると、電流通路領域１１１を通して活性層１０３へ電子が注入され、活性層１０３の注入領域で発光する。
【００１２】
また、電流阻止層１０５の外側クラッド層１０６から露出した部分にはワイヤ１０８が接合されている。このワイヤ１０８にワイヤ７の印加電圧よりも低い逆バイアス電圧を印加すると、逆バイアス電圧の大きさに応じて空乏層１１０が大きくなるので、逆バイアス電圧の大きさを調整することにより電流阻止層１０５から内側及び外側クラッド層１０４、１０６内に広がる空乏層１１０の広がりを制御することができる。
【００１３】
即ち、空乏層１１０が広がると活性層１０３から流出する電流（或いは、活性層１０３に注入される電子）の通過する面積（電流通路領域１１１の実効面積）が狭くなるので、活性層１０３における発光径が小さくなり、同時に、単位面積あたりの電流密度が大きくなって活性層１０３への電流注入が効率よく行えるので発光出力が増加する。逆に、空乏層１１０が収縮すると、電流通路領域１１１の実効面積が広くなって活性層１０３における発光径が大きくなり、同時に、単位面積あたりの電流密度が小さくなるので発光出力が減少する。従って、特許文献１の発明によれば、ワイヤ１０８に印加する電位を調整するだけで発光径と発光出力とを同時に制御することができる。
【００１４】
ここで、ワイヤ１０８に印加する電圧は、数ボルト〜数１０ボルトのオーダであるので、制御し易いレベルにあり、発光出力の制御を容易に行うことができる。しかも、発光出力の制御はワイヤ１０７及び１０９間の駆動電圧を一定条件にしたまま、ワイヤ１０８の逆バイアス電圧だけを変化させることによって行うことができるので、発光ダイオードの駆動と独立して発光径及び発光出力を制御できる。
【００１５】
なお、発光径を空乏層１１０の大きさに対して敏感にするためには、内側クラッド層１０４は例えば０.５〜１μｍ程度に薄くした方がよく、また空乏層１１０を横方向に効率よく広げるためには、外側クラッド層１０６のキャリア濃度は内側クラッド層１０４のキャリア濃度よりも少ないほうが望ましい。
【００１６】
「半導体発光素子及びその駆動方法」と題する後記の特許文献２に、以下の記載がある。
【００１７】
図１１は、半導体レーザの構成を表す図であり、図１１（Ａ）は断面図、図１１（Ｂ）は平面図であり、特許文献２に記載の図１、図２である。
【００１８】
図１２は、図１１に示した半導体レーザの作用を説明するための断面図であり、特許文献２に記載の図５である。
【００１９】
図１１（Ａ）は、特許文献２の本発明の第１の実施の形態に係る面発光型の半導体レーザ１０Ａの積層構造を表わすものであり、図１１（Ｂ）のＡ−Ａ線に沿った断面図である。この半導体レーザ２１０Ａでは、基板２１１の上に、ｐ型コンタクト層２１２、ｐ型ＤＢＲ層（Distributed Bragg Reflector；分布反射型反射鏡）２１３及び活性層（発光層）２１４がこの順に積層されている。活性層２１４の上にはＡｌＧａＡｓ層２１５が形成され、このＡｌＧａＡｓ層２１５の上に電流狭窄部２１９が設けられている。この電流狭窄部２１９は、絶縁膜２１７（絶縁膜２１７Ａ、２１７Ｂ）により囲まれた例えば円形の電流注入領域２１６を有している。本実施の形態では、絶縁膜２１７内に電流注入領域２１６を囲むようにリング状の制御電極２１８が設けられている。図１１（Ｂ）は、この制御電極２１８の平面構成を示したものである。制御電極２１８にはゲート２１８Ａを通じて所定の電位が印加されるようになっている。
【００２０】
電流狭窄部２１９の上には、ｎ型ＤＢＲ層２２０及びｎ型コンタクト層２２１がこの順に形成されている。このｎ型ＤＢＲ層２２０及びｎ型コンタクト層２２１は、ＲＩＥ（Reactive Ion Etching；反応性イオンエッチング）法等を用いて円柱状メサ構造に形成されている。更に、ｎ型コンタクト層２２１の上には、光出力窓２２２と共にｎ側電極（主電極）２２３が形成されている。一方、基板２１１の裏面にはｐ側電極（主電極）２２４が設けられている。
【００２１】
電流注入領域２１６は、主電極（ｎ側電極２２３、ｐ側電極２２４）により注入される駆動電流Ｉ1を活性層２１４に集中させ、光出力分布の乱れ等を抑制するためのものであり、例えば、ＡｌＧａＡｓ層２１５と同一の半導体材料からなり、同様の積層構造を有している。
【００２２】
制御電極２１８は、例えば金（Ａｕ）、アルミニウム（Ａｌ）等の金属により構成されており、ゲート２１８Ａを通じて、ここではｎ側電極２２３と同一極性の電位が印加されることにより電流注入領域２１６内に空乏領域（空乏層）２１５Ａを発生させて電流注入領域２１６の径（電流狭窄径）の大きさを所期の大きさからより狭くするように変化させるものである。なお、この制御電極２１８は、主電極（ｎ側電極２２３、ｐ側電極２２４）とは独立して駆動されるようになっている。
【００２３】
絶縁膜２１７は、例えば二酸化ケイ素（ＳｉＯ2）等の絶縁性を有する材料により構成されている。また、この絶縁膜2１７は、例えば、１〜２Ｖ程度の制御電圧で厚さ５００ｎｍ程度の空乏領域2１５Ａが発生するように、例えば厚さ５ｎｍ程度に成膜されている。
【００２４】
次に、この面発光型の半導体レーザ２１０Ａの駆動方法について説明する。
【００２５】
この半導体レーザ２１０Ａでは、ｎ側電極２２３とｐ側電極２２４との間に所定の電圧が印加されると、図１１（Ａ）に示したように、電流注入領域２１６を通じて活性層２１４に駆動電流Ｉ1が注入され、活性層２１４から発光が生ずると共にｐ型ＤＢＲ層２１３とｎ型ＤＢＲ層２２０との間、即ち、基板２１１に対して垂直方向にレーザ共振が生じ、このようにして発生した出力光ｈ1が、ｎ側電極２２３に形成された光出力窓２２２から取り出される。
【００２６】
このとき、制御電極２１８には、ゲート２１８Ａを通じて主電極（ｎ側電極２２３及びｐ側電極２２４）とは独立して電圧（制御電圧）が印加され、電流狭窄部２１９の電流注入領域２１６における幅（電流狭窄径）を制御する。電流狭窄径は、制御電極２１８への電位の印加状態、即ち、このとき生じた電界によって誘起される空乏領域２１５Ａの大きさに依存し、この電流狭窄径の大きさにより、駆動電流Ｉ1の通過量が制御される。
【００２７】
具体的には、図１２（Ａ）に示したように、制御電極２１８に対して電位が印加されていない場合には、電流狭窄径は、電流注入領域２１６の初期の大きさの電流狭窄径Ｄ1であり、この電流狭窄径Ｄ1を通過する駆動電流Ｉ2（＝Ｉ1）に応じた発光が起こり、出力光ｈ2（＝ｈ1）として出射される。この出力光ｈ2は、電流狭窄径Ｄ1を通過する駆動電流Ｉ2に対応する横モード性及び変調度等の光学特性を有するものとなる。
【００２８】
一方、図１２（Ｂ）に示したように、制御電極２１８に対してｎ側電極２２３と同一極性の電位（ここでは、負電位）の電圧が印加されると、電流注入領域２１６の周縁に電界が生じ、この電界に誘発されてＡｌＧａＡｓ層２１５及び電流注入領域２１６内に空乏領域２１５Ａが発生する。空乏領域２１５Ａの大きさは制御電極２１８への印加電圧の大きさに応じて変化するもので、特に、電流注入領域２１６内に延びる空乏領域２１５Ａによってその分電流注入領域２１６が狭くなり、電流狭窄径Ｄ2が決定される。そして、この電流狭窄径Ｄ2を通過する分だけの駆動電流Ｉ3（＜Ｉ2）が活性層２１４に注入されて発光が起こり、出力光ｈ3（＜ｈ2）として出射される。この出力光ｈ3は、電流狭窄径Ｄ2を通過した駆動電流Ｉ3に依存する横モード性及び変調度等の光学特性を有するものとなる。
【００２９】
「半導体レーザとその製造方法」と題する後記の特許文献３に、以下の記載がある。
【００３０】
発光領域となる活性層の両側に、第２のクラッド層及びキャップ層の導電型と異なる導電型の電流阻止層に逆バイアスを印加することによって空乏層の幅が、外部電界で変化させることができ、注入幅、換言すれば、注入キャリア密度が制御できる。更に、上記電界によって、通路に流れるキャリアが集束され、活性層への注入効率が増し、発光に寄与しない漏れ電流成分が低減し、半導体レーザダイオードの内部発光効率が改善される。従って、レーザ発振閾値レベルが低減すると同時に、閾値そのものを制御することが可能になる。このことは、半導体レーザダイオードの低電流動作化を更に促進する。
【００３１】
「半導体発光素子」と題する後記の特許文献４に、以下の記載がある。
【００３２】
半導体発光素子は、基板結晶と活性層と接合部とを備えている。前記接合部は、前記活性層の近傍に配置されている。更に、前記接合部は、前記活性層へのキャリアの流れを制限する空乏領域を生成する構成となっている。半導体発光素子は、更に、第一導電型半導体で構成された制御領域と、第二導電型半導体で構成されたゲート領域とを備えている。前記接合部は、前記制御領域と前記ゲート領域との接合により構成されている。前記制御領域は、前記活性層へ流れ込む電流の流路上に配置されている。半導体発光素子は、前記ゲート領域に、このゲート領域に電圧を印加するための第三の電極を電気的に接続しているものである。
【００３３】
特許文献４の発明の半導体発光素子によれば、接合部により発生した空乏領域により、駆動電流の流路を規制することができる。これにより、利得導波としての導波路の幅を狭めることができる。更に、接合部を構成するゲート領域に電圧を印加することにより、導波路の幅を動的に制御することも可能となる。つまり、電圧によるレーザ発振の制御が可能となる。
【００３４】
「化合物半導体発光素子」と題する後記の特許文献５には、以下の記載がある。
【００３５】
発光素子本体が一部領域に立設され、その側面を含めて正負電極間の導電層表面が、絶縁膜で覆われているので、正負電極間付近のダメージや正、負電極間の導電層に付着した汚れを通じて、発光に寄与しないリーク電流が発生することが抑制され、つまり、電流狭窄が実現され、発光層における電流密度を高めることができた。
【００３６】
「電流狭窄型発光ダイオード及び発光装置」と題する後記の特許文献６には、以下の記載がある。
【００３７】
ＬＥＤチップは、第２のｎ型クラッド層の上に、発光面である第１のｎ型クラッド層、活性層、搭載面側のｐ型クラッド層が順次積層して形成され、搭載面側に周縁部に設けられた面取り部は外に向かって傾斜するように凹面状に面取りされ、その深さが第１のｎ型クラッド層の中程まで達するように形成され、ｐ型クラッド層の表面及び面取り部の表面には、絶縁膜が形成され絶縁膜の上にｐ側電極がその一部円形に除去され、ｐ側電極とｐ型クラッド層とが接続されこの部分で電流を狭窄するようになっている。
【００３８】
「面発光レーザ素子」と題する後記の特許文献７には、酸化処理によって形成されたＡｌ酸化層を外周に有する電流狭窄層が設けられ、メサポストの外縁部と露出した量子井戸活性層の表面とを誘電体膜（ＳｉＮ等）で被覆した面発光レーザ素子が記載されている。
【００３９】
また、先述の特許文献２に、以下の記載がある。
【００４０】
面発光型の半導体レーザは、微小体積に効率よく電流注入するための狭窄構造（ＡｌＡｓ層）を有しており、ｎ側電極とｐ側電極との間で流れる駆動電流は、電流注入領域（電流狭窄径）を通過し活性層に注入され、これにより発光が起こりこの発光が出射される。面発光型の半導体レーザの狭窄構造（ＡｌＡｓ層）の形成方法として、ＡｌＡｓ層を外周から中心に向かって一定の深度まで選択酸化して絶縁化させ、ＡｌＡｓ層の中心部分に電流注入領域（電流狭窄径）を形成する方法（選択酸化法）、或いはプロトン(Ｈ+)をＤＢＲの周囲から注入し、その注入領域が絶縁化することによる電流狭窄法（プロトン注入法）、更にＤＢＲ層にバンドギャップが大きく且つ屈折率の低い半導体を周囲に埋め込むことにより電流狭窄をする方法（埋め込み法）等が用いられている。これらの方法を用いることにより、所期の出力光を発生させる大きさの電流注入領域を形成している。
【００４１】
電流阻止型構造の例として、「発光ダイオード」と題する後記の特許文献８には、以下の記載がある。
【００４２】
発光ダイオードは、第一導電型の基板上に、第二導電型又は高抵抗の半導体からなる電流阻止部と、活性層を有する発光部層と、第二導電型の電流分散層とが順に形成され、表面及び裏面に電極が形成された構造を有し、前記電流阻止部は、前記基板にドーパントを拡散させること又はイオンを注入することにより形成された層である。基板の表面のうち表面電極のほぼ直下に相当する位置にドーパントを拡散させるかイオン注入することにより、導電型が反転されたか高抵抗化された電流阻止部を形成すると、電流阻止部と表面電極との間の発光部層では発光が起こらないので、表面電極により阻止される無駄な光がなくなり、発光部全体として輝度が向上する。
【００４３】
【特許文献１】特開平５−５５６２９号公報（段落０００８〜００１７、図１）
【特許文献２】特開２００５−２４３９００号公報（（段落０００３〜０００５、段落００１７〜００１８、段落００２５〜００２７、段落００３９〜００４２、図１、図２、図５、図７）
【特許文献３】特開平６−２９６１６号公報（段落０００１７、図１）
【特許文献４】特開２００６−８０４２７号公報（段落００２９、段落００３５、段落００４１、段落００４３、図３、図９）
【特許文献５】特開平１１−２２０１７５号公報（段落００７６〜００７９、図１６）
【特許文献６】特開２０００−２４４００８号公報（段落００１１〜００１６、図３、図４、図５）
【特許文献７】特開２００３−１１５６３４号公報（段落０００６〜００１３、段落００３５〜００４２、図１、図７）
【特許文献８】特開２００３−３７２８５号公報（段落０００３〜００１５、段落００１８〜００２２、段落００５４、図１〜図６）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００４４】
単純マトリックス駆動型（パッシブマトリックス駆動型とも言う。）のＬＥＤディスプレイは構造が簡単であり低コストであるという利点があるが、２次元に配列されたＬＥＤを駆動させる場合、ＬＥＤ内部の逆方向リーク電流、及び、短絡したＬＥＤを通る逆電流によってクロストークが発生し、任意にアドレスしたＬＥＤ以外の箇所で別のＬＥＤが発光してしまうという問題があった。
【００４５】
半導体中で励起されたキャリアは、発光を伴う発光再結合の緩和過程、発光を伴わない非発光再結合の緩和過程によって、エネルギーを放出する。キャリアの非発光再結合は、ＬＥＤの発光を低下させ、注入電流に対する発光効率を低下させる原因となる。ＬＥＤに電流が流れ始める電圧値から発光閾値を超える電圧値に到達するまでに、非発光再結合によるキャリアの緩和過程で生じるリーク電流は発光に寄与せず、消費電力が高くなるという問題があった。例えば、発光層に注入されるキャリアが素子の端面に拡散し表面準位を介してキャリアが非発光再結合してしまい、注入電流に対する発光効率が低下してしまう。
【００４６】
従来、ＬＥＤの駆動電流の立ち上がりを急峻にするために、非発光再結合を生起する領域の低減を目的とした化学処理や保護膜による処理、非発光再結合を生じやすい活性層の端面を少量ドーピングによってｐ型にすることによって、活性層の端面付近に電流が流れないようにしてしまう窓構造等がある。面発光レーザ等では、Ａｌが含有されている層を酸化させて、電流が流れる面積を狭めて、非発光再結合を生じやすい活性層の端面付近まで電流が広がらないようにする電流狭窄構造等が設けられることがある。しかし、このような方法は、根本的に立ち上がり時のリーク電流を遮断するわけではなく、様々な処理を行うことでＬＥＤに負荷をかけ特性を損ねている可能性がある。
【００４７】
特許文献１〜特許文献４に記載される空乏層の形成に関する技術では、ｎ側電極、ｐ側電極に加えて、制御用の第３の電極を必要とし、複雑な構成を必要とするという問題がある。
【００４８】
本発明は、上述したような課題を解決するためになされたものであって、その目的は、ショットキー接合における空乏層の厚さを制御することによってリーク電流を抑制することができる半導体発光素子及びこれを用いた表示装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００４９】
即ち、本発明は、基板と、この基板に形成されたｐ側電極層及びｐ型クラッド層と、化合物半導体からなる活性層と、ｎ型クラッド層と、ｎ型コンタクト層と、ｎ側電極層とを有し、前記ｎ側電極層が前記ｎ型コンタクト層及び前記ｎ型クラッド層上に接触して積層され、前記ｎ側電極層が、前記ｎ型コンタクト層とオーミック接合を形成し、前記ｎ型クラッド層とショットキー接合を形成するように構成され、前記ｎ側電極層と前記ｐ側電極層の間に逆バイアス電圧が印加された時、前記ｎ型コンタクト層の下方の領域で前記ｎ型クラッド層に空乏層が形成される半導体発光素子に係るものである。
【００５０】
また、本発明は、半導体発光素子が２次元マトリックス状に配列され、この配列された半導体発光素子が単純マトリックス駆動される、表示装置に係るものである。
【発明の効果】
【００５１】
本発明の半導体発光素子によれば、前記ｎ側電極層が前記ｎ型コンタクト層及び前記ｎ型クラッド層上に接触して積層され、前記ｎ側電極層が、前記ｎ型コンタクト層とオーミック接合を形成し、前記ｎ型クラッド層とショットキー接合を形成するように構成され、前記ｎ側電極層と前記ｐ側電極層の間に逆バイアス電圧が印加された時、前記ｎ型コンタクト層の下方の領域で前記ｎ型クラッド層に空乏層が形成されるので、前記ｎ側電極層、前記ｐ側電極層、及び、この間に印加する電圧を印加するための電源の他に、リーク電流を抑制するための制御用の電極及び電源を必要とせず、簡単な構成によって、前記ｎ側電極層と前記ｐ側電極層の間に印加する電圧によって空乏層の形成を制御することができ、リーク電流を抑制することができる。
【００５２】
本発明の表示装置によれば、上記半導体発光素子が、２次元マトリックス状に配列され、この配列された半導体発光素子が単純マトリックス駆動されるので、簡単な構成によって、前記ｎ側電極層と前記ｐ側電極層の間に印加する電圧によって空乏層の形成を制御することができ、リーク電流、クロストーク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】
【００５３】
本発明の半導体発光素子では、前記逆バイアス電圧の増大に従って前記空乏層の領域が拡大され、前記ｐ側電極層から前記ｎ側電極層へ流れる電流が抑制される構成とするのがよい。この構成によれば、前記逆バイアス電圧の増大に従って前記空乏層の領域が拡大され、前記ｐ側電極層から前記ｎ側電極層へ流れる電流が抑制されるので、リーク電流を抑制することができる。
【００５４】
また、前記ｎ側電極層と前記ｐ側電極層の間に順バイアス電圧を印加することによって、前記空乏層の領域が縮小される構成とするのがよい。前記ｎ側電極層と前記ｐ側電極層の間に順バイアス電圧を印加することによって、前記空乏層の領域が縮小されるので、前記ｎ側電極層から前記活性層に電流を注入させることができる。
【００５５】
また、前記順バイアス電圧を増大させ一定の電圧に達した場合に、前記ｎ型コンタクト層から前記ｎ型クラッド層に電流が流れ、前記活性層から光が発光される構成とするのがよい。このような構成によれば、前記ｎ側電極層と前記ｐ側電極層の間に順バイアス電圧を印加することによって、前記空乏層の領域が縮小され前記ｎ型コンタクト層から前記ｎ型クラッド層に電流が流れ前記活性層に電流が注入され、前記順バイアス電圧を増大させ一定の電圧に達した場合に、前記活性層から光が発光される。
【００５６】
また、前記ｎ型コンタクト層の直径が２０μｍ以下である構成とするのがよい。このような構成によれば、前記ｎ型コンタクト層の直径が２０μｍ以下であり、前記ｎ側電極層と前記ｎ型コンタクト層はオーミック接合を形成しているので、逆バイアス印加時に前記ショットキー接合によって形成される空乏層が十分に広がり、漏洩電流を抑制することができる。
【００５７】
本発明によるＬＥＤでは、ｎ側電極層の一部の領域はｎ型コンタクト層とオーミック接合すると共に、ｎ側電極層のその他の領域はｎ型クラッド層と接合し、この接合がショットキー接合を形成するように構成される。ショットキー接合では、ｎ側電極層に負の電圧（順バイアス）を印加すると空乏層は縮小し電流が流れ易くなり、ｎ側電極層に正の電圧（逆方向の電圧、逆バイアス）を印加すると空乏層は拡大し電流は流れ難くなる。逆バイアスを印加する時、空乏領域がｎ型クラッド層に十分に拡大した場合、微小リーク等の逆電流（逆バイアスリーク）を遮断することができる。順バイアスを印加する時、空乏領域は縮小するためｎ型コンタクト層からｎ型クラッド層へ電流が流れ、活性層（発光層）に電流が注入される。
【００５８】
本発明のＬＥＤにおけるｎ側電極層の形成の際に、ｎ型クラッド層が露出するようにｎ型コンタクト層が形成され、ｎ型コンタクト層及び露出したｎ型クラッド層の両層面にｎ側電極層となる金属層を形成する（ｎ型コンタクト層の面積＜ｎ側電極層の面積≦ｎ型クラッド層の面積である。）。金属層はｎ型コンタクト層とオーミック接合する。ｎ型クラッド層は金属層とショットキー接合するよう等ピング濃度を有しており、逆バイアスの印加によってｎ型クラッド層に空乏領域が形成される。
【００５９】
逆バイアスを増大させると、ｎ型コンタクト層とｎ型クラッド層とが接触する領域が空乏領域によって覆われ、ｎ型コンタクト層とｎ型クラッド層との間に流れる電流が遮断される。
【００６０】
また空乏層が形成されている場合、ある一定以上の順バイアスを印加すると、空乏層が縮小して残存する空乏領域の面積は、ｎ型コンタクト層とｎ型クラッド層が接触している領域の面積より小さくなり、ｎ型コンタクト層からｎ型クラッド層に電流が流れ活性層に注入されＬＥＤが発光する。
【００６１】
ｎ型コンタクト層とｎ型クラッド層とが接触する領域の面積（即ち、ｎ型コンタクト層の面積）をＳc、ｎ型コンタクト層とｎ型クラッド層とが接触する領域（即ち、ｎ型コンタクト層の下方の領域）内で空乏領域が形成されていない面積をＳdとする。
【００６２】
Ｓd＝０（即ち、面積Ｓcの領域の全てに空乏領域が形成されている。）を満たすように逆バイアスが印加されている場合には、ｎ型コンタクト層とｎ型クラッド層との間に流れる電流が空乏領域によって遮断される。
【００６３】
０＜Ｓd≦Ｓeを満たすように順バイアスが印加されている場合には、ある一定以上の順バイアスの印加によって、ｎ型コンタクト層からｎ型クラッド層に電流が流れ活性層に注入されＬＥＤが発光する。
【００６４】
この結果、ｎ型コンタクト層の下方の領域の全てに空乏領域が形成される逆バイアスの印加では、空乏領域によって電流が遮断されるために、非発光再結合によって流れる電流の割合が比較的高い低電圧領域における発光に寄与しない電流（リーク電流（漏洩電流））を遮断することができる。また、逆方向に流れる逆電流を阻止することによって、単純マトリックス方式によって駆動されるＬＥＤアレイにおけるクロストークを防止することができる。
【００６５】
以下、図面を参照しながら本発明による実施の形態について詳細に説明する。
【００６６】
実施の形態
図１は、本発明の実施の形態における、ＬＥＤの概略構成と空乏層の形成の制御を説明する断面図であり、図１（Ａ）は逆バイアス印加による空乏層の形成を説明する図、図１（Ｂ）は順逆バイアス印加によって空乏層の縮小し、活性層に電流が流れる状態を示す図、図１（Ｃ）は逆バイアス印加によって空乏層が拡大し、活性層に電流が流れなくなった状態を示す図である。
【００６７】
図２は、本発明の実施の形態における、ＬＥＤの概略構成を説明し、逆バイアス印加により形成される空乏層の面積を説明する図であり、図２は、図１（Ａ）に示す状態を示しており、図２（Ａ）は断面図、図２（Ｂ）は平面図である。
【００６８】
図１に示すように、ＬＥＤは、支持用基板（例えば、サファイア基板（図示せず。））、ｐ側電極層１２、ｐ型コンタクト層１４、化合物半導体層からなるｐ型クラッド層１６、化合物半導体層からなる活性層（発光層）１８、化合物半導体層からなるｎ型クラッド層２０、化合物半導体層からなるｎ型コンタクト層２４、ｎ側電極層２６を有している。ｐ側電極層１２、ｎ側電極層２６は、電源と接続するための層、ｎ型コンタクト層２４はｎ型クラッド層２０とｎ側電極層２６を繋ぎ、金属電極層を形成するための層、ｎ型クラッド層２０は電子を供給するための層、ｐ型クラッド層１６は正孔を供給するための層、活性層（発光層）１８は注入されたキャリア（電子・ホール）が再結合して光を発光するための層である。
【００６９】
ｎ側電極層２６がｎ型コンタクト層２４及びｎ型クラッド層２０上に接触して積層されており、ｎ側電極層２６の一部の領域はｎ型コンタクト層２４とオーミック接合すると共に、ｎ型クラッド層２０はｎ側電極層２６のその他の領域とショットキー接合するようなドーピング濃度を有しおり、ｎ側電極層２６のその他の領域はｎ型クラッド層２０と接合しショットキー接合を形成している。
【００７０】
ｎ型クラッド層２０が露出するようにｎ型コンタクト層２４が形成され、ｎ型コンタクト層２４、及び、露出したｎ型クラッド層２０の両層面にｎ側電極層２６となる金属層が形成されている。ｎ型コンタクト層２４の面積＜ｎ側電極層２６の面積≦ｎ型クラッド層２０の面積である。
【００７１】
図１（Ａ）に示すように、ｎ側電極層２６とｐ側電極層１２間に、逆バイアスが印加されると、ｎ型クラッド層２０に空乏領域２２が形成される。即ち、ｎ側電極層２６とｎ型クラッド層２０によるショットキー接合では、ｎ側電極層２６に正の電圧（逆バイアス）、即ち、逆方向の電圧を印加すると空乏領域２２が形成される。
【００７２】
図２は、図１（Ａ）に示す状態を示しており、２Ｌeは正方形をなすｎ型コンタクト層２４の１辺の寸法を示し、２Ｌcは空乏領域２２が形成されていない領域であり、ある一定以上の順バイアス印加では、ｎ型コンタクト層２４からｎ型クラッド層２０へ電流が流れ、更に、活性層１８へ電流が流れることのできる正方形をなす領域の１辺の寸法を示している。
【００７３】
図１（Ｃ）に示すように、図１（Ａ）に示す状態に続いて、逆バイアスを増大させていくと、空乏領域２２がｎ型クラッド層２０に十分に拡大した場合には、ｎ型コンタクト層とｎ型クラッド層との間に流れる電流は流れ難くなるので、微小リーク等の逆電流（逆バイアスリーク）を遮断（電流ＯＦＦ）することができる。
【００７４】
図１（Ｂ）に示すように、図１（Ｃ）に示す状態に続いて、ｎ側電極層２６に負の電圧（順バイアス）、即ち、順方向の電圧を印加すると空乏領域２２は縮小していく。順バイアスを増大させていくと、ある一定以上の順バイアス印加では、ｎ型コンタクト層２４からｎ型クラッド層２０に電流が流れ（電流ＯＮ）、電流が活性層（活性層）１８に注入されＬＥＤが発光するようになる。
【００７５】
逆バイアスの印加時に生じる空乏層は、図１の上下方向だけではなく、電子の相互作用のために３次元的な広がりをもって生じるので、逆バイアスを増大させていくと、ｎ型コンタクト層２４とｎ型クラッド層２０とが接触する領域が空乏領域２２によって覆われ、ｎ型コンタクト層２４とｎ型クラッド層２０との間に流れる電流が遮断される。
【００７６】
また、空乏領域２２が形成されている場合、ある一定以上の順バイアスを印加すると、空乏領域２２が縮小して残存する空乏領域２２の面積は、ｎ型コンタクト層２４とｎ型クラッド層２０が接触している領域の面積より小さくなり、ｎ型コンタクト層２４からｎ型クラッド層２０に電流が流れ活性層１８に注入されＬＥＤが発光する。
【００７７】
ここで、ｎ型コンタクト層２４とｎ型クラッド層２０とが接触する領域の面積、即ち、ｎ型コンタクト層２４の面積をＳc、ｎ型コンタクト層２５とｎ型クラッド層２０とが接触する領域、即ち、ｎ型コンタクト層２４の下方の領域内で空乏領域２２が形成されていない面積をＳdとする。
【００７８】
Ｓd＝０（即ち、面積Ｓcの領域の全てに空乏領域が形成されている。）を満たすように逆バイアスが印加されている場合には、図１（Ｃ）に示すように、ｎ型コンタクト層２４とｎ型クラッド層２０との間に流れる電流が空乏領域２２によって遮断される。
【００７９】
０＜Ｓd≦Ｓeを満たすように順バイアスが印加されている場合には、ある一定以上の順バイアスの印加によって、図１（Ｂ）に示すように、ｎ型コンタクト層からｎ型クラッド層に電流が流れ活性層に注入されＬＥＤが発光する。
【００８０】
図１（Ｃ）に示すように、ｎ型コンタクト層２４の下方の領域の全てに空乏領域２２が形成される逆バイアスの印加では、空乏領域２２によって電流が遮断されるために、非発光再結合によって流れる電流の割合が比較的高い低電圧領域における発光に寄与しない電流（リーク電流（漏洩電流））を遮断することができる。また、逆方向に流れる逆電流を阻止することによって、単純マトリックス方式によって駆動されるＬＥＤアレイにおいてはクロストークを防止することができる。
【００８１】
特許文献１〜特許文献４に記載される空乏層の形成に関する技術では、ｎ側電極層、ｐ側電極層に加えて、制御用の第３の電極を必要とし、複雑な構成を必要とするが、本発明によるＬＥＤの構成では、制御用の第３の電極及び電源を必要とせず、簡単な構成によって、ｎ側電極層２６とｐ側電極層１２の間に印加する電圧によって、空乏層の形成を制御することができ、リーク電流、クロストークを抑制することができる。
【００８２】
図１、図２に示す構成は、特に、ｎ型コンタクト層２４の一辺又は直径が５μｍ〜８μｍのマイクロサイズを有し、微小サイズの領域から活性層に電流が高密度で注入される電流集中型の電極構造を有する高発光効率のＬＥＤに好適である。例えば、ｎ型コンタクト層２４の面積、即ち、オーミックコンタクトの面積を小さく、例えば、直径２０μｍ以下にすること、ｎ側クラッド層２０の電子側から見た障壁電位、ドープ濃度、誘電率、並びに、ｎ側電極層２６の材質の仕事関数を適切に選ぶことによって、図１の上下方向だけではなく、図１の左右方向及び図１の紙面に垂直方向に広がった空乏層を形成させことが可能であり、ｎ側電極層２６とｎ側クラッド層２０によるショットキーコンタクトで形成される空乏領域２２、図１（Ｃ）に示すように、ｎ型コンタクト層２４の下部の領域までに拡大させることができる。この結果、逆バイアス印加時に流れる漏洩電流を遮断することができる。
【００８３】
ＬＥＤは各種の化合物半導体材料によって形成することができ、図１、図２に示す各層は、例えば、以下の構成とすることができる。
【００８４】
（ａ）ＧａＮ系ＬＥＤ
ＧａＮ系ＬＥＤは、例えば、支持用基板（例えば、サファイア基板（図示せず。））、ｐ型ＧａＮ層（ｐ型クラッド層１６）、ＩｎＧａＮ系活性層（活性層１８）、ｎ型ＧａＮ層（ｎ型クラッド層２０）、ｎ型ＧａＮ層（ｎ型コンタクト層２４）、Ａｇ／Ａｕ電極（ｐ側電極層１２）、Ｔｉ／Ａｕ（ｎ側電極層２６）を有している。
【００８５】
ＩｎＧａＮ系活性層は、ＩｎＧａＮからなるウエル層と、ＧａＮからなるバリア層とが交互に積層され、バリア層によって挟まれた多数のウエル層からなる多重量子井戸（ＭＱＷ：Multi Quantum Well）構造を有している。ウエル層を構成するＩｎＧａＮ系化合物材料は、ＧａＮを中心としてＩｎＮやＡｌＮを加えた三元又は四元混晶としてこれらの比率を変えることによって、青紫色から赤色までの発光を得ることができる。
【００８６】
ＩｎＧａＮからなるウエル層が発光する光の波長は、ウエル層におけるＩｎとＧａとの組成比の変化によって変化し、Ｉｎの割合が小さいほど発光波長は短波長になり、Ｉｎの割合が大きいほど発光波長は長波長になる。例えば、ウエル層の組成をＩｎ0.23Ｇａ0.77Ｎとすれば、波長５１０ｎｍ〜５２０ｎｍの緑色発光を得ることができ、Ｉｎ0.17Ｇａ0.83Ｎとすれば波長４５０ｎｍ〜４７０ｎｍの青色発光を得ることができる。
【００８７】
（ｂ）ＡｌＧａＩｎＰ系ＬＥＤ
ＡｌＧａＩｎＰ系ＬＥＤは、例えば、支持用基板（例えば、サファイア基板（図示せず。））、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層（ｐ型クラッド層１６）、ＡｌＧａＩｎＰ活性層（活性層１８）、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層（ｎ型クラッド層２０）、ｎ型ＧａＡｓ層（ｎ型コンタクト層２４）、ＡｕＺｎ（ｐ側電極層１２）、ＡｕＧｅ（ｎ側電極層２６）を有しており、緑色から赤色までの発光を得ることができる。例えば、活性層を（Ａｌ0.05Ｇａ0.95）0.5Ｉｎ0.5Ｐとすれば赤色発光を得ることができ、（Ａｌ0.45Ｇａ0.55）0.5Ｉｎ0.5Ｐとすれば緑色発光を得ることができる。
【００８８】
（ｃ）ＡｌＧａＡｓ系ＬＥＤ
ＡｌＧａＡｓ系ＬＥＤは、例えば、支持用基板（例えば、サファイア基板（図示せず。））、ｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層（ｐ型クラッド層１６）、ＧａＡｓ活性層（活性層１８）、ｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層（ｎ型クラッド層２０）、ｎ型ＡｌＧａＡｓコンタクト層（ｎ型コンタクト層２４）、ＡｕＺｎ（ｐ側電極層１２）、ＡｕＧｅ（ｎ側電極層２６）を有しており、活性層をＧａ0.65Ａｌ0.35Ａｓとすれば赤色発光を得ることができる。
【００８９】
図１、図２に示す構成において、ｎ側電極層２６を構成する金属材料は、ｎ型コンタクト層２４との間にオーミック接合を構成し、ｎ型クラッド層２０との間にショットキー接合を構成するものであればよく、ｐ側及びｎ側電極層１２、２６を、単数又は複数の層によって構成することができる。なお、以下の説明では、元素をＡ、Ｂ、Ｃ、…として層構造を、Ａ／Ｂ、Ａ／Ｂ／Ｃ、…のように表し、元素Ａ、Ｂ、Ｃ、…の順に元素が半導体層に積層されることを示す。即ち、最初の記号「／」の前に記載される元素Ａは、ｐ型層又はｎ型層に密着して形成されていることを意味している。
【００９０】
ｎ側電極層２６は、例えば、Ａｌ、Ｓｃ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｗ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｈｆ等を含んでおり、単層の金属層から構成され、或いは、Ｔｉ／Ａｕ、Ｔｉ／Ａｌ、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ、Ｎｉ／ＡｕＧｅ合金／Ａｕ等のように、金属（合金を含んでもよい。）が積層された複数層から構成される。
透明なｐ型電極層１２の側から光を取り出す場合には、Ａｇ、Ａｌ等の高光反射材料を用いてｎ側電極層２６の光反射を高めてＬＥＤ内部からの光取り出し効率を向上させることが可能である。
【００９１】
また、ｐ側電極層１２は、例えば、Ｐｄ、Ｐｔ、Ａｇ、Ａｕ、Ｎｉ、Ｉｎ、Ｃｒ、Ｔｉ等を含んでおり、単層の金属層から構成され、或いは、Ａｇ／Ａｕ、Ａｇ／Ｎｉ、Ｎｉ／Ａｕ、Ａｇ／Ｐｔ／Ａｕ、Ｎｉ／Ｐｔ／Ａｕ等のように、金属（合金を含んでもよい。）が積層された複数層から構成される。ｎ側電極層２６の側から光を取り出す場合には、光反射性を有する金属層によってｐ側電極層１２を構成し、光の出射効率を高める光反射層としても機能するようにすることもでき。
【００９２】
次に、中心波長６３５ｎｍを発光するＡｌＧａＩｎＰ系ＬＥＤを例にとって説明する。
【００９３】
ＬＥＤは、発光する活性層にキャリアを閉じ込めるために、活性層は、不純物ドーピングによってそれぞれｐ極性、ｎ極性をもったクラッド層（ｐ型、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰ層）によって挟まれたダブルへテロ構造を一般的に有している。このｎ型クラッド層材料は、高濃度キャリアを発生させる不純物ドーピングが困難であり、ｎ側電極層となる金属とオーミックコンタクトを得るキャリア濃度に到達しない。また、ｎ型クラッド層は活性層に隣接しているので結晶性を優先させるため高濃度の不純物ドーピングを行い難い。これはほとんどの高効率ＬＥＤ、レーザの構造に共通である。
【００９４】
そのため一般的には、ｎ側電極層の金属材料とオーミックコンタクトさせる目的で電極材料とオーミックコンタクトを得るために、高濃度にドーピングを行ったｎ型コンタクト層をｎ型クラッド層上に有する構成とされる。
【００９５】
このｎ型コンタクト層は、高濃度のドーピングに適した材料（ＧａＡｓ）によって構成されるため、ｎ側電極層の金属材料とオーミックコンタクトが得やすく、ｎ型コンタクト層の膜厚も不純物ドーピングによって結晶欠陥が増大しないようｎ型クラッド層より比較的薄く構成される。
【００９６】
以下、ＡｌＧａＩｎＰ系ＬＥＤの具体的な構成について説明する。
【００９７】
第１層：支持用基板（例えば、サファイア基板（図示せず。））の面にｐ側電極層１２としてＡｕＺｎ（厚さ０．２μｍ）を有しており、
第２層：ｐ型ＧａＡｓウエーハの他方の面に、ｐ型ＧａＡｓバッファー層（厚さ０．５μｍ、Ｚｎ又はＭｇが１×１０18／ｃｍ3ドープされている。）、
第３層：ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層（（Ａｌ0.65Ｇａ0.35）0.5Ｉｎ0.5Ｐ、厚さ０．５μｍ、Ｚｎ又はＭｇが１×１０18／ｃｍ3ドープされている。）、
第４層：ｐ型ＧａＡｓ層（厚さ０．０５μｍ、Ｚｎ又はＭｇが５×１０19／ｃｍ3ドープされている。
【００９８】
第５層：ｐ型ＡｌＧａＩｎＰ層（（Ａｌ0.65Ｇａ0.35）0.5Ｉｎ0.5Ｐ、厚さ１．０μｍ、Ｚｎ又はＭｇが１×１０18／ｃｍ3ドープされている。）、
第６層：アンドープＡｌＧａＩｎＰ層（（Ａｌ0.6Ｇａ0.4）0.5Ｉｎ0.5Ｐ、厚さ０．０５μｍ、不純物濃度７×１０15ｃｍ3以下）、
第７層：アンドープＧａＩｎＰ層（井戸層、Ｇａ0.5Ｉｎ0.5Ｐ、厚さ０．０１μｍ、不純物濃度７×１０15ｃｍ3以下）及びアンドープＡｌＧａＩｎＰ層（障壁層、（Ａｌ0.6Ｇａ0.4）0.5Ｉｎ0.5Ｐ、厚さ０．０４２μｍ、不純物濃度７×１０15ｃｍ3以下）からなる多重量子井戸活性層（井戸層が１５層、障壁層が１４層、順次、積層されている。）、
第８層：アンドープＡｌＧａＩｎＰ層（（Ａｌ0.6Ｇａ0.4）0.5Ｉｎ0.5Ｐ、厚さ０．０５μｍ、不純物濃度７×１０15ｃｍ3以下）、
第９層：ｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層（（Ａｌ0.65Ｇａ0.35）0.5Ｉｎ0.5Ｐ、厚さ１．０μｍ、Ｓｉ又はＳｅが１×１０18／ｃｍ3ドープされている。）
第１０層：ｎ型ＧａＡｓ層（厚さ０．０５μｍ、Ｓｉ又はＳｅが５×１０1８／ｃｍ3ドープされている。）が、この順に積層されている。
【００９９】
以上の各層から構成されるＬＥＤ素子は、例えば、大きさ２０μｍ×２０μｍであり、ｎ型コンタクト層の面積は、例えば、大きさ８μｍ×８μｍである。
【０１００】
ｎ型コンタクト層よりも大きな面積、例えば、１２μｍ×１２μｍを有し、ｎ型コンタクト層及び露出するｎ型クラッド層の両方に接触するｎ側電極層としてＡｕＧｅ（厚さ０．２μｍ）を有している。
【０１０１】
ｎ側電極層を構成する金属材料は、ｎ側電極層が高濃度ドーピングされたｎ型コンタクト層とオーミックコンタクトを形成し、且つ、ｎ側電極層がｎ型クラッド層とショットキーコンタクトを形成するものであれば、どのようなものでも使用することができる。ｎ側電極層の形成の際に、ｎ側電極層を構成する金属を合金化させる共晶温度の差を利用することができるため、ｎ側電極層とｎ型クラッド層（ｎ型ＡｌＧａＩｎＰ）の間で選択的にショットキーコンタクト、ｎ側電極層とｎ型コンタクト層（ｎ型ＧａＡｓ）の間で選択的にオーミックコンタクトを形成することができる。
【０１０２】
ｎ側電極層と接触したｎ型クラッド層の表面では電気的にショットキーコンタクトになっており、ｎ側電極層に正の電圧が印加された逆バイアス状態で、ｎ側電極層と接触したｎ型クラッド層の表面を基点にしてｎ型クラッド層の内部でキャリアの空乏領域が発生する。この空乏領域はｎ型コンタクト層の下部にも広がり、空乏領域が十分に拡大した場合、ｎ型クラッド層からｎ型コンタクト層に流れる電流を阻止する。即ち、逆バイアスが印加されたときは空乏領域が増大し、ｎ型コンタクト層の下部の全ての領域に空乏領域が形成されている場合、逆方向に流れる電流、即ち、ｎ型クラッド層からｎ型コンタクト層に流れるリーク電流が遮断される。
【０１０３】
空乏領域は、ｎ側電極層に負の電圧が印加された順バイアス状態とすることによって、縮小するという性質をもっており、空乏領域が縮小してｎ型コンタクト層の下部に空乏領域が形成されていない領域が存在する場合には、ｎ型コンタクト層からｎ型クラッド層に電流が流れる。
【０１０４】
空乏領域が縮小して、ｎ型コンタクト層からｎ型クラッド層に電流が流れはじめる電圧値を、ＬＥＤが発光する電圧値（電圧閾値）に近いものにすることによって、ＬＥＤが発光するまでに消費される電力をなくすことができる。
【０１０５】
次に、本発明によるＬＥＤを２次元配列した単純マトリックス駆動型のＬＥＤディスプレイ（ＬＥＤを用いた画像表示装置）について説明する。
【０１０６】
ＬＥＤディスプレイは、赤色ＬＥＤ、緑色ＬＥＤ及び青色ＬＥＤを有し、ＲＧＢ三原色光の混色によってフルカラーを表示可能なディスプレイとして構成されている。各ＬＥＤは、発光色が同じＬＥＤが一列に並んだ列アレイを形成し、全体では２次元マトリックスを形成するように配置されている。
【０１０７】
単純マトリックス駆動型のＬＥＤディスプレイでは、各ＬＥＤのｎ電極はｎ側配線に電気的に接続され、ｐ電極はｐ側配線に電気的に接続されており、ｎ側配線に行駆動回路が接続され、ｐ側配線に列駆動回路が接続されている。
【０１０８】
ＬＥＤディスプレイでは、Ｙ方向で共通の発色をするようにＬＥＤが配置されており、列方向で右方へと、Ｒ（赤色光）、Ｇ（緑色光）、Ｂ（青色光）を出射するＬＥＤが繰り返すように配置されている。例えば、行配線（ｎ、ｎ＋３、ｎ＋６、〜）に、Ｒ（赤色光）を出射するＬＥＤが配置され、行配線（ｎ＋１、ｎ＋４、ｎ＋７、〜）に、Ｇ（緑色光）を出射するＬＥＤが配置され、行配線（ｎ＋２、ｎ＋５、ｎ＋８、〜）に、Ｂ（青色光）を出射するＬＥＤが配置されている。
【０１０９】
なお、Ｒ（赤色光）、Ｇ（緑色光）、Ｂ（青色光）を出射するＬＥＤの全てを、例えば、ＧａＮ系ＬＥＤとすることもできるが、Ｇ（緑色光）、Ｂ（青色光）を出射するＬＥＤをＧａＮ系ＬＥＤで構成し、Ｒ（赤色光）を出射するＬＥＤをＡｌＧａＩｎＰ系ＬＥＤで構成することもできる。赤色ＬＥＤは図１、図２によって説明した構成の赤色ＬＥＤを使用する。赤色発光ＬＥＤは、例えば、支持用基板（例えば、サファイア基板）上に、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層、ＡｌＧａＩｎＰ活性層、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層、ｎ型ＧａＡｓコンタクト層を有し、活性層を（Ａｌ0.05Ｇａ0.95）0.5Ｉｎ0.5Ｐ層としている。
【０１１０】
各行に配列された複数のＬＥＤのｐ電極が各行の共通配線に接続され、各列に配列された複数のＬＥＤのｎ電極が各列の共通配線に接続され、各ＬＥＤが単純マトリックス駆動される。単純マトリックス駆動方式では、列配線及び行配線が形成され、列配線及び行配線に電圧を印加することによって、列配線と行配線とが交差する場所で列配線と行配線に接続されたＬＥＤが駆動される。単純マトリクス方式では、構造が簡単になることから、低コストで歩留まりもよいという利点がある。多数のＬＥＤを単純マトリックス方式で駆動させる場合、漏洩電流に着目しそれを抑制することが必須である。
【０１１１】
ＬＥＤを単純マトリクス方式で駆動する場合には、駆動されないＬＥＤは逆バイアスの印加によって発光しないように保持されることから、逆バイアスが印加された場合に生じる各ＬＥＤにおける漏洩電流が問題となってくる。
【０１１２】
単純マトリックス方式では、２次元マトリックスに配列されるＬＥＤに対して列配線及び行配線を共通配線とするため、ＬＥＤ毎の漏洩電流も、全体では、１つのＬＥＤの漏洩電流を配列されたＬＥＤの総数で乗じたものに近いものとなる。理想的なＬＥＤでは、電圧が０Ｖ以下では電流が流れないが、実際のＬＥＤでは、逆方向リーク電流（漏洩電流）が存在するので、例えば、逆方向リーク電流が０．１μＡであったとしても、配列されたＬＥＤの総数が１０4個であれば、全体として約１０ｍＡの逆方向リ−ク電流がある１箇所に流れることになり、供給される電力は無駄に消費され、消費電力の増大を招いてしまう。ＬＥＤを使用して非常に多数の画素数を有する画像表示装置では、逆方向リーク電流の存在は、消費電力の増大のみならず、クロストーク等による画質低下も問題となる。
【０１１３】
例えば、配列されたＬＥＤの総数を１０4個とし、駆動電流密度（ＬＥＤを駆動する駆動電流を活性層（発光層）の面積で除した値である。）を、１０Ａ／ｃｍ2〜１００Ａ／ｃｍ2とする場合、逆バイアスが印加時におけるＬＥＤの１個当りの漏洩電流密度は、約（１０〜１００）（Ａ／ｃｍ2）／２００００＝（０．５〜５）ｍＡ／ｃｍ2となり、逆バイアスが印加時におけるＬＥＤの１個当りの漏洩電流密度が約（０．５〜５）ｍＡ／ｃｍ2よりも大きければ、供給した電流が全て無駄に消費され、所望の発光を行うことができなくなってしまう。従って、漏洩電流密度を駆動電流密度に対して約２×１０4分の１以下に抑制する必要がある。
【０１１４】
更に、コントラスト比として１：５００以上が要求されるものとすると、漏洩電流密度を駆動電流密度に対して約１０７分の１以下、即ち、（１〜１０）μＡ／ｃｍ2に抑制する必要がある。配列されるＬＥＤの総数が増加する程、漏洩電流密度を低下させる必要があることはいうまでもない。
【０１１５】
本実施の形態によるＬＥＤは、逆方向リ−ク電流を防止することができるので、非常に多数のＬＥＤが２次元配列された単純マトリックス駆動型のＬＥＤディスプレイに特に好適に使用することができ、漏洩電流による消費電力の増大のみならず、クロストーク等による画質低下の問題も解決することができる。従って、画質を向上させることができ、低消費電力化も実現することができる。
【０１１６】
図３は、本発明の実施の形態における、単純マトリックス駆動型のＬＥＤディスプレイの問題点を説明するための等価回路図である。
【０１１７】
図３に示すＬＥＤディスプレイでは、行駆動回路と列駆動回路によってそれぞれｉ行目のｎ側配線４４とｊ列目のｐ側配線４５とを選択すると、その交点の位置にあるＬＥＤ（ｉ，ｊ）５１にのみ順方向電圧が印加され、ＬＥＤ５１に正常電流５２が流れ、ＬＥＤ５１のみが点灯するように構成されている。
【０１１８】
しかし、例えば、（ｉ−１）行目のｎ側配線４４と（ｊ−１）列目のｐ側配線４５との交点の位置にあるＬＥＤ（ｉ−１，ｊ−１）が不良ＬＥＤ５３で、逆方向リーク電流が大きすぎたり、ｐ極側とｎ極側とが短絡していたりすると、図中に矢印１−２−３−４−５で示した経路を異常電流５４が流れることになる。同様に、ＬＥＤ（ｉ−２，ｊ＋１）が不良ＬＥＤ５５であれば、図示した経路６−７−８−９−１０に異常電流５６が発生する。このようにして、莫大な個数のＬＥＤで構成されている単純マトリックス駆動型のＬＥＤディスプレイの場合、逆方向リーク電流が大きいＬＥＤが多数含まれていると、不特定多数の経路に異常電流が発生する。
【０１１９】
上記のように、図３に示した構造をもつ単純マトリックス駆動型のＬＥＤディスプレイでは、ＬＥＤの大きな逆方向リーク電流の存在や短絡状態の発生は、きわめて重大な問題となりうる。このため、単純マトリックス駆動型のＬＥＤディスプレイに用いるＬＥＤとしては、大きな逆方向リーク電流の存在や短絡状態の発生を防止したＬＥＤが必要となる。本実施の形態では、例えば、赤色ＬＥＤとして、図１、図２において上述したＬＥＤを用いるので、２次元マトリックに配置されたＬＥＤにおいて結晶内部のリーク及びショートパス（短絡）を経由する逆方向に流れる電流を、空乏領域の形成によって阻止することができ、信頼性が高く、寿命の長い単純マトリックス駆動型ディスプレイを実現することができる。
【０１２０】
実施例
先ず、ｎ側電極層とｎ型クラッド層によるショットキー接合によって生じる空乏層について説明する。
【０１２１】
ｎ側電極層とｎ型クラッド層が積層された１次元モデルに基づいて、積層方向における空乏層の厚さＷを、Ｗ2＝２ε（φbs−Ｖ）／（ｑＮ）によって求めた。ここで、εはｎ型クラッド層の誘電率、φbsはｎ型クラッド層の電子側から見た障壁電位、Ｖは印加される電圧（逆方向に印加電圧は負とする。）、Ｎはｎ型クラッド層のドープ濃度、ｑは電化素量である。
【０１２２】
図４は、本発明の実施例における、ｎ型クラッド層２０（ｎ型ＡｌＧａＩｎＰ）におけるＮ（窒素）ドープ濃度を２×１０18（ａｔｏｍ／ｃｍ3）とした時の、ｎ側電極層の材料による空乏層厚さのバイアス電圧依存性の変化を説明する図であり、グラフ（ａ）は電極材料をＡｕ、グラフ（ｂ）は電極材料をＰｄとした場合の空乏層厚さのバイアス電圧依存性を示す。
【０１２３】
なお、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰのεは１０、電極材料をＡｕ、Ｐｄとする時、φbs（ｅＶ）はそれぞれ、１．３２ｅＶ（Ａｕ）、０．３１７ｅＶ（Ｐｄ）とした。
【０１２４】
図４から明らかなように、一定の逆バイアスでは、Ａｕを電極とする方が空乏層の厚さＷは大きく、電極材料の仕事関数が小さな程、Ｗは大きくなることが分かる。
【０１２５】
図４に示す結果から、ｎ側電極層２６を構成するＰｄとｎ型クラッド層２０（ｎ型ＡｌＧａＩｎＰ）の接合の場合、０．１８Ｖ以下の電圧で空乏領域を生じ、ｎ型コンタクト層２４とｎ型クラッド層２０のオーミック接合の周囲に広がるため、逆バイアスでは空乏領域が拡大し逆電流を抑制することになる。従って、空乏領域２２の形成を制御することによって、逆方向に流れるリーク電流を抑制することができる。
【０１２６】
また、順方向バイアスで０．１８Ｖ以上の電圧を印加しなければ、ｎ型コンタクト層２４からｎ型クラッド層２０に電流が流れ更に活性層に注入されることがなく、ＬＥＤは発光しない。
【０１２７】
図５は、本発明の実施例における、電極材料をＡｕとした時の、ｎ型クラッド層２０（ｎ型ＡｌＧａＩｎＰ）におけるＮ（窒素）ドープ濃度による空乏層厚さのバイアス電圧依存性の変化を説明する図であり、グラフ（ａ）はドープ濃度＝Ｎ（窒素）ドープ５×１０18（ａｔｏｍ／ｃｍ3）、グラフ（ｂ）はドープ濃度＝２×１０18（ａｔｏｍ／ｃｍ3）、グラフ（ｃ）はドープ＝５×１０17（ａｔｏｍ／ｃｍ3）における空乏層厚さのバイアス電圧依存性を示す。
【０１２８】
図５から明らかなように、一定の逆バイアスでは、ドープ濃度を小とする方が空乏層厚さは大きい。
【０１２９】
次に、ｎ側電極層とｎ型クラッド層によるショットキー接合によって生じる空乏層を、実験によって評価した結果について説明する。
【０１３０】
図６は、本発明の実施例において、ショットキー接合によって生じる空乏層の形成の評価方法について説明する図であり、図６（Ａ）は評価実験の素材を説明する断面図、図６（Ｂ）は電極の形成を説明する断面図及び平面図、図６（Ｃ）は電流−電圧（Ｉ−Ｖ）特性を測定するための電極配置を説明する平面図である。
【０１３１】
図６（Ａ）に示すように、評価実験の素材基板として、ｎ型ＧａＡｓ基板３０に、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰがエピタキシャル成長された層３１、ｎ型ＧａＡｓがエピタキシャル成長された層３２が順次形成されたものを使用した。ｎ型ＧａＡｓ基板３０は、厚さ３５０μｍであり、Ｓｉが２×１０18／ｃｍ3ドープされている。ｎ型ＡｌＧａＩｎＰエピタキシャル成長層３１は、厚さ０．５μｍであり、Ｓｉが０．８×１０18／ｃｍ3ドープされている。ｎ型ＧａＡｓエピタキシャル成長層３２は、厚さ０．０５μｍであり、Ｓｉが６×１０18／ｃｍ3ドープされている。
【０１３２】
図６（Ａ）に示す素材基板を用いて、図６（Ｂ）に示す電極を形成する。先ず、ｎ型ＧａＡｓエピタキシャル成長層３２に、下層から順次形成されたＰｄ／（Ａｕ−Ｇｅ合金）／Ａｕからなる多層電極３３（厚さ３００μｍ）を蒸着（リフトオフ法）によって所定の大きさで形成する。蒸着後、多層電極３３をマスクとして用い、多層電極３３の外部のｎ型ＧａＡｓエピタキシャル成長層３２をウエットエッチング（希塩酸＋過酸化水素水）で除去する。次に、スパッタ法によって、多層電極３３、及び、多層電極３３の外部の所定の大きさの領域のｎ型ＡｌＧａＩｎＰエピタキシャル成長層３１を覆うようにＡｕ電極（厚さ２００μｍ）を形成する。次に、多層電極３３のＰｄとｎ型ＧａＡｓエピタキシャル成長層３２をアロイ化させて、ｎ型ＧａＡｓエピタキシャル成長層３２と多層電極３３をオーミック接合とする。なお、Ａｕ電極の直径は、ｎ型ＧａＡｓエピタキシャル成長層３２の直径（多層電極３３の直径に略等しい。）＋２μｍの大きさとした。
【０１３３】
図６（Ｃ）に示すように、図６（Ｂ）に示す電極を等間隔Ｌ1でもって、ｎ型ＧａＡｓエピタキシャル成長層３２の直径を異ならせて複数個（図６（Ｃ）では１２個示している。）形成する。各電極には接続用のｎ側電極用パッド３６が形成されており、中心間距離Ｌ3で形成されたパッド３５ａ、３５と共に、Ｉ−Ｖ測定時に使用される。なお、パッド３５ａ最近接の電極の中心間距離はＬ2であり、間隔Ｌ1、Ｌ2、Ｌ3は、約１５μｍ〜２０μｍである。
【０１３４】
図７、図８、図９は、本発明の実施例において、ショットキー接合によって生じる空乏層の評価結果を示す図であり、Ｉ−Ｖ特性を示す図である。なお、図９は、図８に示す横軸を対数スケールとした拡大図であり、電流約１０-12Ａは測定下限である。
【０１３５】
図７において、グラフ（ａ）は、図６（Ｂ）に示す電極（直径５μｍφ）に接続されたｎ側電極用パッド３６とＰＡＤ（パッド）３５ａ間、グラフ（ｂ）は図６（Ｂ）に示す電極（直径８μｍφ）に接続されたｎ側電極用パッド３６とＰＡＤ（パッド）３５ａ間、グラフ（ｃ）は、図６（Ｂ）に示す電極（直径１０μｍφ）に接続されたｎ側電極用パッド３６とＰＡＤ（パッド）３５ａ間、グラフ（ｄ）は、図６（Ｂ）に示す電極（直径１２μｍφ）に接続されたｎ側電極用パッド３６とＰＡＤ（パッド）３５ａ間にそれぞれ、電圧を印加して得られたＩ−Ｖ特性を示している。なお、電極（直径８μｍφ）とパッド３５ａ間の距離、電極（直径８μｍφ）とパッド３５ａ間の距離、電極（直径１０μｍφ）とパッド３５ａ間の距離、グラフ（ｄ）は、電極（直径１２μｍφ）とパッド３５ａ間の距離はそれぞれ、パッド３５ａ、３５の中心間距離Ｌ3とは異なっている。
【０１３６】
図７に示すグラフ（ａ）、（ｂ）から明らかなように、図６（Ｂ）に示す電極の直径が８μｍφ以下では、順バイアス（正電圧）印加時には立ち上がり電圧は０．８Ｖであり、ショットキバリアの発生が確認され、逆バイアス（負電圧）印加時には、Ｉ（電流）＝０であり、逆バイアス印加時に形成された空乏層によって逆電流が阻止されていることが確認できた。このことは、先述したように、図１の上下方向だけではなく、空乏層が３次元的な広がりをもって生じ、逆バイアスを増大させていくと、ｎ型コンタクト層２４とｎ型クラッド層２０とが接触する領域が空乏領域２２によって覆われ、ｎ型コンタクト層２４とｎ型クラッド層２０との間に流れる電流が遮断されることを、実験的に示しており、ＬＥＤでの逆バイアス印加時における漏洩電流が阻止できることを、明瞭に示している。
【０１３７】
図８において、グラフ（ｅ）は、ＰＡＤ（パッド）３５ａとＰＡＤ（パッド）３５ｂとの間、グラフ（ｆ）は、図６（Ｂ）に示す電極（直径５μｍφ）に接続されたｎ側電極用パッド３６とＰＡＤ（パッド）３５ａの間にそれぞれ、電圧を印加して得られたＩ−Ｖ特性を示している。なお、パッド３５ａ、３５の中心間距離Ｌ3と電極（直径５μｍφ）パッド３５ａの間の距離は、略等しく、約１５μｍ〜２０μｍである。
【０１３８】
図７と図８の比較から、電極（直径５μｍφ）の場合に得られたＩ−Ｖ特性は殆ど同一であり、パッド３５ａ、３５の中心間距離Ｌ3と電極（直径５μｍφ）パッド３５ａの間の距離の相違は、Ｉ−Ｖ特性に影響を与えていないことが明らかである。また、図８、図９に示すように、パッド３５ａ、３５の導通状態は、略完全なオーミックであり、Ｉ−Ｖ特性に影響を与えていない。
【０１３９】
以上説明したように、ＬＥＤでの逆バイアス印加時における漏洩電流を阻止するためには、図６（Ｂ）に示す電極の大きさが重要な要因となっており、本発明は、ミクロンサイズまで発光素子の体積を小さくすることによって、電流拡散の影響を少なくできるため微小電流で駆動が可能であり、電流密度を増大させることによって高効率な発光が得られ、低消費電力化が実現可能なマイクロＬＥＤに好適である。
【０１４０】
以上、本発明を実施の形態について説明したが、本発明は、上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能であることは言うまでのない。
【産業上の利用可能性】
【０１４１】
以上説明したように、本発明によれば、リーク電流、クロストークを抑制することができる半導体発光素子及びこれを用いた表示装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０１４２】
【図１】本発明の実施の形態における、ＬＥＤの概略構成と空乏層の形成の制御を説明する断面図である。
【図２】同上、ＬＥＤの概略構成を説明する図であり、逆バイアス印加により形成される空乏層の面積を説明する断面図である。
【図３】同上、単純マトリックス駆動型のＬＥＤディスプレイの問題点を説明するための等価回路図である。
【図４】本発明の実施例における、電極層の材料による空乏層厚さのバイアス電圧依存性の変化を説明する図である。
【図５】同上、クラッド層におけるキャリアのドープ濃度による空乏層厚さのバイアス電圧依存性の変化を説明する図である。
【図６】同上、ショットキー接合によって生じる空乏層の形成の評価方法について説明する図である。
【図７】同上、ショットキー接合によって生じる空乏層の評価結果を示す図であり、Ｉ−Ｖ特性を示す図である。
【図８】同上、同上、ショットキー接合によって生じる空乏層の評価結果を示す図であり、Ｉ−Ｖ特性を示す図である。
【図９】同上、同上、ショットキー接合によって生じる空乏層の評価結果を示す図であり、Ｉ−Ｖ特性を示す図である。
【図１０】従来技術における、発光ダイオードを示す断面図である。
【図１１】同上、半導体レーザの構成を表す図である。
【図１２】同上、半導体レーザの作用を説明するための断面図である。
【符号の説明】
【０１４３】
１２…ｐ側電極層、１４…ｐ型コンタクト層、１６…ｐ型クラッド層、
１８…活性層（発光層）、２０…ｎ型クラッド層、２２…空乏領域、
２４…ｎ型コンタクト層、２６…ｎ側電極層、３０…ｎ型ＧａＡｓ基板、
３１…ｎ型ＡｌＧａＩｎＰエピタキシャル成長層、
３２…ｎ型ＧａＡｓエピタキシャル成長層、３３…多層電極、３４…Ａｕ電極、
３５ａ、３５ｂ…パッド、３６…ｎ側電極用パッド、４４…ｎ側配線（行配線）、
４５…ｐ側配線（列配線）、５４、５６…異常電流、
５１…選択されたＬＥＤ（ｉ，ｊ）、５２…正常電流、５３、５５…不良ＬＥＤ
【図１】
2009158550.tif 000003
【図２】
2009158550.tif 000004
【図３】
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【図４】
2009158550.tif 000006
【図５】
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【図６】
2009158550.tif 000008
【図７】
2009158550.tif 000009
【図８】
2009158550.tif 000010
【図９】
2009158550.tif 000011
【図１０】
2009158550.tif 000012
【図１１】
2009158550.tif 000013
【図１２】
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