(57)【要約】【課題】光出力を低減させずにＬＥＤ発光素子を高速化させるＬＥＤ発光素子を提供する。【解決手段】活性層１８は、ＧａＡｓ基板１２上にそのＧａＡｓ基板１２の格子定数より大きい格子定数のＧａＩｎＰから成る活性層１８を結晶成長させて、０．４％乃至０．６％の圧縮歪が発生させられているため、従来のＬＥＤ発光素子のように活性層にドーピングしなくても、ＬＥＤ発光素子を高速化できる。そのため、本発明のＬＥＤ発光素子は、光出力を低下させずに高速化させることができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＧａＡｓ基板上にＧａＩｎＰから成る活性層を含む複数の層が結晶成長により成形され、該活性層からの光が外部に出力される半導体発光素子であって、
前記活性層は、その格子定数を前記ＧａＡｓ基板の格子定数より大きくすることにより０．４％乃至０．６％の圧縮歪を有することを特徴とするＬＥＤ発光素子。
【請求項２】
前記活性層は、量子井戸層から構成されていることを特徴とする請求項１のＬＥＤ発光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＬＥＤ発光素子に関し、特にＬＥＤ発光素子の高速化技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、光通信等に発光ダイオードが多用されており、かかる発光ダイオードには、たとえばＧａＡｓ基板の上にＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相蒸着）法等の方法によって、ＧａＩｎＰから成る活性層を含む複数の層が結晶成長により成形され、その活性層から光が外部に出力されるＬＥＤ発光素子が用いられる。
【０００３】
このようなＬＥＤ発光素子は、情報通信分野の技術革新によって高速動作すなわち遮断周波数の高周波数化が望まれており、たとえば特許文献１、２では、上記活性層を量子井戸構造とすることやその活性層に不純物をドーピングすることによってＬＥＤ発光素子を高速化することが提案されている。
【特許文献１】特開２００２−１１１０５３号公報
【特許文献２】特開２００４−２９６６３５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記従来のＬＥＤ発光素子において、量子井戸構造から成る活性層にドーピングを行うと光出力が低下するという欠点があった。
【０００５】
すなわち、本発明の目的とするところは、光出力を低減させずにＬＥＤ発光素子を高速化させるＬＥＤ発光素子を提供することにある。
【０００６】
本発明者等は、以上の事情を背景として種々検討を重ねた結果、上記活性層に圧縮歪を入れると応答時間が短くなりその圧縮歪の量を所定範囲とすることにより応答時間が極小となってＬＥＤ発光素子が好適に高速化されることを見いだした。本発明はこのような知見に基づいて為されたものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
すなわち、前記目的を達成するための請求項１にかかる発明の要旨とするところは、ＧａＡｓ基板上にＧａＩｎＰから成る活性層を含む複数の層が結晶成長により成形され、その活性層からの光が外部に出力されるＬＥＤ発光素子であって、前記活性層は、その格子定数を前記ＧａＡｓ基板の格子定数より大きくすることにより０．４％乃至０．６％の圧縮歪を有するものである。
【０００８】
また、請求項２にかかる発明の要旨とするところは、請求項１のＬＥＤ発光素子において、前記活性層は、量子井戸層から構成されているものである。
【発明の効果】
【０００９】
請求項１に係る発明によれば、前記活性層は、前記ＧａＡｓ基板上にそのＧａＡｓ基板の格子定数より大きい格子定数のＧａＩｎＰから成る活性層を結晶成長させて、０．４％乃至０．６％の圧縮歪が発生させられているため、従来のＬＥＤ発光素子のように活性層にドーピングしなくても、ＬＥＤ発光素子を高速化できる。そのため、本発明のＬＥＤ発光素子は、光出力を低下させずに高速化させることができる。
【００１０】
また、請求項２にかかる発明によれば、前記活性層は、量子井戸層から構成されているため、前記活性層は量子井戸層が構成される程度にその厚みが薄く容易に圧縮歪みを発生させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明の一実施例を図面を参照して説明する。尚、以下の説明に用いる図面において各部の寸法比等は必ずしも正確に描かれていない。
【実施例】
【００１２】
図１は、本発明の一実施例であるＬＥＤ発光素子１０のチップ構造を示す図である。かかるＬＥＤ発光素子１０は、ＧａＡｓから成る３５０μｍ程度の単結晶半導体の基板（ＧａＡｓ基板）１２上に、例えばＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相蒸着）法等を用いて、例えば、３０対のｎ−ＡｌＧａＡｓ／ＡｌＡｓ半導体が積層された多層膜反射層１４、ｎ−ＡｌＩｎＰ半導体である第１クラッド層１６、複数組のＧａＩｎＰ量子井戸層およびＡｌＧａＩｎＰバリヤ層を含む活性層１８、ｐ−ＡｌＩｎＰ半導体である第２クラッド層２０、電流拡散のためのｐ−ＡｌＧａＡｓ半導体であるコンダクティブ層２２、及び、電極コンタクトのためのｐ−ＧａＡｓ半導体であるキャップ層２４が結晶成長によって順次積層形成され、そのキャップ層２４上にＡｕＺｎ／Ａｕ共晶からなる上部電極２６が、基板１２の下面にＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕ共晶からなる下部電極２８がそれぞれ蒸着或いはスパッタにより形成されている。
【００１３】
本実施例のＬＥＤ発光素子１０においては、第１クラッド層１６、活性層１８、及び第２クラッド層２０によってダブルヘテロ構造が構成され、活性層１８から光が発せられる。また、図１において、第１クラッド層１６、活性層１８、第２クラッド層２０、コンダクティブ層２２、及びキャップ層２４の点線で囲まれている部分は、Ｈ＋等の不純物が例えばイオン注入装置を用いてドープされることにより高抵抗の電流狭窄領域Ａとされている。
【００１４】
図２は、ＬＥＤ発光素子１０を発光面３０に対して垂直上方向から見た図である。上部電極２６は、発光面３０上では、例えば幅５μｍの線で２つの同心円とその中心で交差する一対の直線とからなる網目パターンで、それ以外の領域では全面を覆うように形成されている。この発光面３０以外の領域Ａは、キャップ層２４の上面から第１クラッド層１６の下面に達しない深さにまでＨ＋イオンが注入されることによって高抵抗化されるので、活性層１８のうち発光面３０直下の部分に電流が集中させられ、光の取り出し効率が高められるようになっている。
【００１５】
活性層１８は、たとえば５層のＧａＩｎＰ量子井戸層とそれらＧａＩｎＰ量子井戸層の間に介在されるバリア層とを有する多重量子井戸層（ＭＱＷ）であり、それらＧａＩｎＰ量子井戸層のＧａＩｎＰの格子定数は、基板１２のＧａＡｓの格子定数５．６５３Åより大きい（本実施例では、１．００６倍大きい）ものである。そして、基板１２上に上記活性層１８が前記ＭＯＣＶＤ法によって結晶成長させられると活性層１８は基板１２の厚みより非常に薄いため、活性層１８のＧａＩｎＰの格子定数が基板１２のＧａＡｓの格子定数に整合させられるように小さくなる。すなわち、上記ＧａＩｎＰ量子井戸層が圧縮されてそのＧａＩｎＰ量子井戸層すなわち活性層１８内に圧縮歪が発生する。上記ＧａＩｎＰ量子井戸層およびバリア層の混晶比を変化させることにより、本実施例の活性層１８内に発生する圧縮歪量は０．４％乃至０．６％の範囲内に設定されている。以下に本実施例で使用された圧縮歪量（％）の算出式（１）を示す。ただし、歪量(％)がプラスの場合は圧縮歪、マイナスの場合は引張歪である。
【００１６】
圧縮歪量(％)＝[(ＧａＩｎＰの格子定数÷ＧａＡｓの格子定数)−１]×１００・・・（１）
【００１７】
また、活性層１８は、上述したように量子井戸構造であり前記ＧａＩｎＰ量子井戸層の厚みはたとえば１００Åｍ程度、前記バリア層の厚みはたとえば２００Åｍ程度と基板１２の厚みより非常に薄いため、そのＧａＩｎＰ量子井戸層のＧａＩｎＰの格子定数を基板１２のＧａＡｓの格子定数より大きくすると容易にＧａＩｎＰ量子井戸層内に圧縮歪を発生させることができる。
【００１８】
以上のように構成されたＬＥＤ発光素子１０は、上部電極２６と下部電極２８との間にｐｎ順方向電流が流されると、活性層１８において電子と正孔の再結合が起こることによって光が発生させられ、半導体発光素子１０の上面のうちの上部電極２６により覆われていない面である発光面３０から放出される。
【００１９】
上述したように活性層１８には、圧縮歪がありその圧縮歪によってＬＥＤ発光素子の応答時間が短くなりＬＥＤ発光素子１０が好適に高速化することを、従来構造のＬＥＤ発光素子すなわち圧縮歪のないＬＥＤ発光素子を比較した実験結果を、以下に説明する。
【００２０】
本実験例で用いられた従来構造のＬＥＤ発光素子は、活性層１８のＧａＩｎＰ量子井戸層の格子定数を基板１２のＧａＡｓの格子定数と整合させ、活性層１８に圧縮歪がない以外は本実施例のＬＥＤ発光素子１０と同じものである。そして、上記従来構造のＬＥＤ発光素子と前述の本実施例のＬＥＤ発光素子１０とを、同じ測定条件下においてそれぞれの遮断周波数（ＭＨｚ）を測定した。図３は、その測定結果を示している。この測定結果によれば、発光サイズ１６０μｍφにおいて、上記従来構造のＬＥＤ発光素子（圧縮歪量０％）の遮断周波数が２９ＭＨｚであるのに対して、圧縮歪を０．６％有する本実施例のＬＥＤ発光素子１０の遮断周波数が３９ＭＨｚであり、発光サイズが８０μｍφである場合にも従来構造のＬＥＤ発光素子の遮断周波数より本実施例のＬＥＤ発光素子１０の遮断周波数ほうが高く、活性層１８に圧縮歪を発生させることによってＬＥＤ発光素子が高速化されると考えられる。
【００２１】
次に、ＬＥＤ発光素子が好適に高速化される活性層内の圧縮歪量を求めるために、活性層１８の圧縮歪量を０．１％、０．２％、０．３％、０．４％、０．６％とした以外はＬＥＤ発光素子１０と同様の構成の５種類のＬＥＤ発光素子を作成した。そして、それら５種類のＬＥＤ発光素子と従来構造のＬＥＤ発光素子とを合わせた計６種類のＬＥＤ発光素子にたとえばレーザ等のパルス光源から照射されるパルス光が照射され、活性層内の電子が励起させられることによってその活性層から放出される光を時間分解ＰＬ（半導体フォトルミネッセンス）法によって観測した。図４は、それらの観測結果を示している。
【００２２】
図４によれば、上記パルス光の照射（ＯＮ）状態では６種類のＬＥＤ発光素子の光出力は同様に１００％まで上昇しそのパルス光の非照射（ＯＦＦ）状態では６種類のＬＥＤ発光素子の光出力は時間とともにそれぞれ減衰する。図４によれば、圧縮歪量０．０％の測定値Ｂが最も減衰するのが遅く、その次に圧縮歪量０．１％の測定値Ｃが減衰するのが遅く、その次に圧縮歪量０．２％の測定値Ｄが減衰するのが遅く、その次に圧縮歪量０．３％の測定値Ｅが減衰するのが遅くなり、圧縮歪量が増加するにつれて減衰する速さが速くなっていたが、圧縮歪量０．４％の測定値Ｆと圧縮歪量０．６％の測定値Ｇとでは減衰する速さが略同様になり、それら測定値Ｂ〜Ｅの中で最も減衰するのが速い傾向にあった。
【００２３】
図５は、図４で測定された測定値Ｂ〜Ｇに基づいて、光出力が９０(％)から１０(％)に減衰するまでにかかった減衰時間(nsec)を表すものであり、圧縮歪量の変化によるＬＥＤ発光素子の応答性を示すものである。
【００２４】
図５によれば、圧縮歪量が増えるほど減衰時間は短くなっていき圧縮歪量が０．４％、０．６％で最も短くなる。また、０．６％を超えると減衰時間が長くなる傾向にある。すなわち、活性層内に０．４％から０．６％の圧縮歪量がある場合にＬＥＤ発光素子はその減速時間が短くすなわち応答速度を速くすることができ好適に高速化することができる。また、圧縮歪量が１．０％を超えると活性層内に格子欠陥が起こりやすくなる。
【００２５】
上述のように、本実施例では、活性層１８は、ＧａＡｓ基板１２上にそのＧａＡｓ基板１２の格子定数より大きい格子定数のＧａＩｎＰから成る活性層１８を結晶成長させて、０．４％乃至０．６％の圧縮歪が発生させられているため、従来のＬＥＤ発光素子のように活性層にドーピングしなくても、ＬＥＤ発光素子を高速化できる。そのため、本発明のＬＥＤ発光素子は、光出力を低下させずに高速化させることができる。
【００２６】
また、本実施例によれば、活性層１８は、量子井戸層から構成されているため、活性層１８は量子効果を得ることができる程度に薄い量子井戸層から構成されることによりその厚みが薄く容易に圧縮歪みを発生させることができる。
【００２７】
以上、本発明の一実施例を図面を参照して詳細に説明したが、本発明はこの実施例に限定されるものではなく、別の態様でも実施され得る。
【００２８】
例えば、前述の実施例においては、活性層１８は、５層のＧａＩｎＰ量子井戸層とそれらＧａＩｎＰ量子井戸層の間に介在されるバリア層とを備える多重量子井戸層であったが、たとえば単層の量子井戸層であってもよく量子井戸層が何層であってもよい。さらに、活性増１８は、必ずしも量子井戸構造でなくてもよい。
【００２９】
また、前述の実施例において、ＬＥＤ発光素子１０には、イオン注入によって電流狭窄構造が形成されていたが、これは必ずしも形成されなくても良いし、ｐ−ｎ反転領域を設ける等の他の電流狭窄構造が形成されていてもよい。
【００３０】
その他一々例示はしないが、本発明は当業者の知識に基づいて種々の変更、改良を加えた態様で実施することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の一実施例であるＬＥＤ発光素子の積層構造を模式的に示す断面図である。
【図２】図１のＬＥＤ発光素子を、その発光面に対して垂直上方向から見た様子を示す平面図である。
【図３】圧縮歪がない従来構造のＬＥＤ発光素子と本実施例のＬＥＤ発光素子との遮断周波数を測定した図である。
【図４】活性層の圧縮歪量を０．０％、０．１％、０．２％、０．３％、０．４％、０．６％と変化させた６種類のＬＥＤ発光素子にパルス光を照射しそれらＬＥＤ発光素子から放出される光を時間分解ＰＬ法によって観測した結果を示す図である。
【図５】図４の測定値Ｂ〜Ｇに基づいて、光出力が９０％から１０％まで減衰するのにかかった減衰時間を示す図である。
【符号の説明】
【００３２】
１０：ＬＥＤ発光素子
１２：基板（ＧａＡｓ基板）
１８：活性層
【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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