JP4699764B2 - 半導体発光素子 - Google Patents

Description

本発明は、半導体発光素子に関し、特に所望の波長以外の光の放射を抑制することができる半導体発光素子に関する。

赤外域のバンドギャップを有する半導体材料を用いて赤外発光素子を作製することができる。下記特許文献１に、赤外空間光通信用として、活性層にＩｎＧａＡｓ歪量子井戸層を用いた発光素子が開示されている。この発光素子は、ＩｎＧａＡｓ歪量子井戸層を一対のＡｌＧａＡｓキャリア閉込層で挟み、この積層構造をｐ型のＡｌＧａＡｓクラッド層とｎ型のＡｌＧａＡｓクラッド層で挟んだ構造を有する。

特開２００２−３４４０１３号公報

特許文献１に開示された発光素子の発光スペクトルは、赤外の波長域で最大強度を示す。活性層に注入されたすべてのキャリアが活性層内で再結合するとは限らず、一部のキャリアは活性層から溢れる（オーダフローする）。キャリアのオーバフローにより、活性層以外でキャリアの再結合が発生し、所望の波長以外の波長を有する光が発生してしまう場合がある。特に、赤外の波長域で最大強度を示す発光素子の場合、活性層以外でキャリアの再結合が発生し、可視領域で発光する成分が放射されると、発光素子の用途が制約されてしまう。

本発明の目的は、所望の波長以外の波長を有する光の放射を抑制することができる半導体発光素子を提供することである。

本発明の一観点によると、
半導体または絶縁物からなる基板と、
前記基板の上に形成され、半導体からなる活性層の上下を、半導体からなる一対のクラッド層で挟んだ発光構造であって、該クラッド層が、該活性層のＥＬスペクトルのピーク波長に相当するエネルギよりも広いバンドギャップを有する半導体で形成されている発光構造と、
前記基板と前記発光構造との間に配置されたキャリアトラップ層であって、該キャリアトラップ層のＥＬスペクトルのピーク波長が、該基板のバンドギャップに相当する波長及び前記活性層のＥＬスペクトルのピーク波長よりも長い該キャリアトラップ層と、
前記活性層に電流を注入する電極と、
前記基板と前記キャリアトラップ層との間に配置された光吸収層と
を有し、
前記光吸収層のＥＬスペクトルのピーク波長が、前記基板のバンドギャップに相当する波長よりも長く、かつ前記活性層のＥＬスペクトルのピーク波長よりも短い半導体発光素子が提供される。

活性層からオーバフローしたキャリアが、キャリアトラップ層でトラップされ、そこで再結合する。キャリアトラップ層内での再結合により発生した光の波長を制御することにより、所望の波長以外の波長を有する光の放射を抑制することができる。

図１（Ａ）に、第１の実施例による半導体発光素子の概略断面図を示す。ｐ型のＡｌＧａＡｓからなる基板２の主表面上に、キャリアトラップ層３、下側クラッド層４、活性層５、上側クラッド層６、電流拡散層７、及びコンタクト層８がこの順番に積層されている。

図１（Ｂ）に、キャリアトラップ層３の積層構造を示す。キャリアトラップ層３は、下側の障壁層３Ａ、量子井戸層３Ｂ、及び上側の障壁層３Ｃがこの順番に積層された３層構造を有する。量子井戸層３Ｂは、ＺｎまたはＭｇがドープされたｐ型のＩｎＧａＡｓで形成されており、Ｉｎ組成比は０以上０．２５以下であり、その厚さは２〜２０ｎｍである。障壁層３Ａ及び３Ｃは、ＺｎまたはＭｇがドープされたｐ型のＡｌＧａＡｓで形成されており、Ａｌ組成比は０以上、基板のＡｌ組成比以下であり、その各々の厚さは１０〜２００ｎｍである。下側クラッド層４は、ＺｎまたはＭｇがドープされたｐ型のＡｌＧａＡｓで形成されており、その厚さは１〜３μｍである。下側クラッド層４のＡｌの組成比は０．３〜０．４である。キャリアトラップ層３及び下側クラッド層４の不純物濃度は、１×１０^１６ｃｍ^−３〜１×１０^１８ｃｍ^−３である。

活性層５は、ｐ型のＧａＡｓで形成されており、その厚さは５０〜５００ｎｍである。活性層５の不純物濃度は、１×１０^１７ｃｍ^−３〜５×１０^１８ｃｍ^−３である。
上側クラッド層６は、ＳｉまたはＳｅがドープされたｎ型のＡｌＧａＡｓで形成されており、その厚さは１〜３μｍである。上側クラッド層６のＡｌの組成比は０．３〜０．４であり、不純物濃度は１×１０^１６〜１×１０^１８ｃｍ^−３である。電流拡散層７は、ｎ型のＡｌＧａＡｓで形成されており、その厚さは約４．５μｍである。電流拡散層７の不純物濃度は約１×１０^１８ｃｍ^−３である。コンタクト層８は、ｎ型のＧａＡｓで形成されており、その厚さは約５０ｎｍである。コンタクト層８の不純物濃度は約２×１０^１８ｃｍ^−３である。

これらの層は、例えば有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）により形成することができる。
基板２の底面に、ＡｕＺｎ合金からなる下側電極１が形成されている。コンタクト層８の上面に、ＡｕＧｅ合金からなる上側電極９が形成されている。これらの電極は、例えば真空蒸着により形成される。上側電極９及び下側電極１から活性層５に電流を注入することにより、活性層５で発光が生ずる。上側電極９は、活性層５から放射された光が外部に取り出されるように、パターニングされている。

上述のように、クラッド層４及び６は、活性層５のエレクトロルミネッセンス（ＥＬ）スペクトルの強度が最大となる波長（ピーク波長）に相当するエネルギよりも広いバンドギャップを有する。このため、クラッド層４及び６は、活性層５内にキャリアを閉じ込めるポテンシャル障壁として働く。

量子井戸層３Ｂ及び障壁層３Ａ、３Ｃにより形成されるキャリアトラップ層において、伝導帯側第一次量子準位と価電子帯側第一次量子準位との間の発光波長に相当するエネルギは、半導体基板２のバンドギャップよりも狭い。上側クラッド層６を経由して活性層５に注入された電子の大部分は、活性層５内でホールと再結合する。この再結合時に発光が生ずる。ところが、一部の電子は、活性層５内で再結合せず、下側クラッド層４のポテンシャル障壁を越えてキャリアトラップ層３まで到達する。

キャリアトラップ層３を構成する量子井戸層３Ｂのバンドギャップが、半導体基板２のバンドギャップよりも狭いため、電子はキャリアトラップ層３内に一時的にトラップされ、キャリアトラップ層３内で再結合する。この再結合により、発光が生ずる。キャリアトラップ層内で再結合により発生した光の波長を制御することにより、所望の波長以外の光の発生を抑制することができる。

比較のために、キャリアトラップ層３が設けられていない場合について考察する。この場合には、下側クラッド層４のポテンシャル障壁を越えてオーバフローした電子は、基板２内で再結合する。この再結合により発生した光の波長は、基板２のバンドギャップが、活性層５のバンドギャップよりも大きいため、活性層での主発光ピークよりも短波長側に位置する。この短波長側の発光は可視領域であるため、発光素子からの放射光が色付いて見えることになる。

第１の実施例による半導体発光素子においては、活性層５で再結合せずオーバフローした電子が基板に到達する前に、キャリアトラップ層で再結合させることができる。キャリアトラップ層での発光波長を制御することにより、所望の波長以外の光の放射を抑制することができる。

次に、第２の実施例を説明する前に、本願発明者らの先の提案による半導体発光素子について説明する。
図２に、先の提案による半導体発光素子の概略断面図を示す。基板２の主表面上に、下側光吸収層１０、下側クラッド層４、活性層５、上側クラッド層６、電流拡散層７、上側光吸収層１１、及びコンタクト層８がこの順番に積層されている。

下側光吸収層１０は、ｐ型のＡｌＧａＡｓで形成されており、その厚さは１〜３μｍである。下側光吸収層１０の不純物濃度は、約１×１０^１８ｃｍ^−３である。下側クラッド層４は、ｐ型のＡｌＧａＡｓで形成されており、その厚さは０．１μｍ以上５μｍ未満である。下側クラッド層４のＡｌの組成比は０．３〜０．４であり、不純物濃度は１×１０^１６ｃｍ^−３〜１×１０^１８ｃｍ^−３である。活性層５は、ｐ型のＧａＡｓで形成されており、その厚さは５０〜５００ｎｍである。活性層５の不純物濃度は、１×１０^１７ｃｍ^−３〜５×１０^１８ｃｍ^−３である。

上側クラッド層６は、ｎ型のＡｌＧａＡｓで形成されており、その厚さは１〜３μｍである。上側クラッド層６のＡｌの組成比は０．３〜０．４であり、不純物濃度は１×１０^１６〜１×１０^１８ｃｍ^−３である。電流拡散層７は、ｎ型のＡｌＧａＡｓで形成されており、その厚さは約４．５μｍである。電流拡散層７の不純物濃度は約１×１０^１８ｃｍ^−３である。

上側光吸収層１１は、ｎ型のＡｌＧａＡｓで形成されており、その厚さは０．１μｍ以上５μｍ未満である。上側光吸収層１１の不純物濃度は、約１×１０^１８ｃｍ^−３である。コンタクト層８は、ｎ型のＧａＡｓで形成されており、その厚さは約５０ｎｍである。コンタクト層８の不純物濃度は約２×１０^１８ｃｍ^−３である。

基板２の底面に、ＡｕＺｎ合金からなる下側電極１が形成されている。コンタクト層８の上面に、ＡｕＧｅ合金からなる上側電極９が形成されている。
基板２は、活性層５の発光波長域で透明な材料、例えばＡｌＧａＡｓ、ＧａＰ等のｐ型半導体で形成されている。すなわち、基板２は、活性層５のＥＬスペクトルのピーク波長に相当するエネルギよりも広いバンドギャップを有する。なお、基板２として、サファイア等の絶縁物からなる基板を用いてもよい。この場合には、下側電極１を基板２の底面上にに形成することができないため、下側光吸収層１０と基板２との間に、ｐ型ＡｌＧａＡｓ等の半導体層を配置し、この半導体層に電極を形成することになる。

活性層５で発生した光は、コンタクト層８側、及び基板２側の両面から外部に放射される。活性層５のＥＬスペクトルのピーク波長は赤外領域にあるが、短波長側の裾野が可視領域まで延びる。上側光吸収層１１及び下側光吸収層１０が、可視領域の成分を吸収するため、外部に放射される光の色付きを抑制することができる。

赤外域の光を効率よく外部に放射させるために、光吸収層１０及び１１のＥＬスペクトルのピーク波長が、活性層５のＥＬスペクトルのピーク波長よりも短くなるように、光吸収層１０及び１１の材料を選択することが好ましい。さらに、光吸収層１０及び１１のＥＬスペクトルのピーク波長が、基板２のバンドギャップに相当する波長よりも長くなるように、光吸収層１０及び１１の材料を選択することが好ましい。また、可視域の光の放射を抑制するために、光吸収層１０、１１のＥＬスペクトルのピーク波長が、活性層５のＥＬスペクトルのピーク波長よりも短波長側において、活性層５のＥＬスペクトルのピーク強度の１０％まで低下する位置における波長よりも長くなるように、光吸収層１０及び１１の材料を選択することが好ましい。

図２に示した素子において、活性層５から電子がオーバフローすると、その電子は、下側光吸収層１０にトラップされ、そこで再結合する。この再結合により発生した光は、ＥＬスペクトルの短波長側の傾斜部分に肩（ショルダー）を形成してしまう。以下に説明する第２の実施例では、この肩の形成を防止することができる。

図３に、第２の実施例による半導体発光素子の概略断面図を示す。図２に示した半導体発光素子の下側クラッド層４と下側光吸収層１０との間に、キャリアトラップ層３が挿入されている。その他の構成は、図２に示した半導体発光素子の構成と同じである。キャリアトラップ層３は、図１（Ｂ）に示した量子井戸構造を有する。キャリアトラップ層３のＥＬスペクトルのピーク波長、つまり伝導帯側第一次量子準位と価電子帯側第一次量子準位との間の発光再結合による発光ピーク波長は、活性層５のＥＬスペクトルのピーク波長、下側光吸収層１０のＥＬスペクトルのピーク波長、及び基板２のＥＬスペクトルのピーク波長のいずれよりも長い。このため、キャリアトラップ層３でトラップされた電子の再結合により発生した光は、コンタクト層８側及び基板２側の両面から外部に放射される。キャリアトラップ層３で発生した光は赤外光であるため、外部に出射される光の色付きが防止される。

図４に、図３に示した第２の実施例による半導体発光素子のＥＬスペクトルを示す。横軸は、波長を単位「ｎｍ」で表し、縦軸は、光強度を、最大値を１とした相対値で表す。図４の太線ａが、第２の実施例による半導体発光素子のＥＬスペクトルを示す。比較のために、図３のキャリアトラップ層３を配置しない構成の半導体発光素子のＥＬスペクトルを細線ｂで示す。キャリアトラップ層３を配置しない場合には、第２の実施例の場合に比べて、波長約８６０ｎｍよりも短波長側の裾野の部分の光強度が強いことがわかる。この短波長領域の光強度が強いのは、活性層５からオーバフローした電子が下側光吸収層１０まで達し、ここで発光性の再結合が生じたためと考えられる。キャリアトラップ層３を設けることにより、下側光吸収層１０での発光を防止できていることがわかる。

図５を参照して、第３の実施例による半導体発光素子について説明する。第３の実施例による半導体発光素子の積層構造は、図３に示した第２の実施例による半導体発光素子の積層構造と同じである。

図５（Ａ）に、キャリアトラップ層３の概略断面図を示す。ｐ型のＩｎＧａＡｓ量子井戸層３Ｂを、その上下からｐ型のＧａＡｓからなる障壁層３Ａ及び３Ｂが挟んでいる。これらの層にドープされた不純物はＺｎである。量子井戸層３Ｂの厚さは２〜２０ｎｍであり、障壁層３Ａ及び３Ｃの各々の厚さは１０〜２００ｎｍである。量子井戸層３Ｂの厚さやＩｎ組成比を調節することにより、キャリアトラップ層３のＥＬスペクトルのピーク波長を変えることができる。第３の実施例では、キャリアトラップ層３のＥＬスペクトルのピーク波長が、活性層５のＥＬスペクトルの長波長側の裾野の部分の波長になるように調節されている。

図５（Ｂ）に、第３の実施例による半導体発光素子のＥＬスペクトルを示す。波長９００ｎｍよりも長波長側の裾野の部分が、短波長側の裾野の部分に比べて盛り上がっていることがわかる。これは、キャリアトラップ層３内での再結合によって発光が生じたためである。このように、キャリアトラップ層３のＥＬスペクトルのピーク波長を調節することにより、赤外光として外部に取り出すことができる。

外部に取り出される光の色付きを防止するために、キャリアトラップ層３のＥＬスペクトルのピーク波長を、活性層５のＥＬスペクトルのピーク波長よりも長くすることが好ましい。また、活性層５のＥＬスペクトルのピーク波長よりも長波長側において、最大強度の１０％となる波長よりも、キャリアトラップ層３のＥＬスペクトルのピーク波長を短くすると、活性層５で発生した光のスペクトルと、キャリアトラップ層３で発生した光のスペクトルとが合体して、ほぼ１つの山を形成すると考えられる。このため、活性層５の発光効率が向上したのと同等の効果が得られる。

上記実施例では、主として赤外域の光を発生する半導体発光素子について説明したが、上記実施例の技術的思想は、他の波長域の光を発生する半導体発光素子にも適用可能である。また、上記実施例では、活性層を半導体の単層で構成した場合を示したが、活性層を量子井戸構造や多重量子井戸構造にしてもよい。また、上記実施例では、キャリアトラップ層を量子井戸構造としたが、半導体の単層で構成してもよい。

以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。

（Ａ）は、第１の実施例による半導体発光素子の概略断面図であり、（Ｂ）は、そのキャリアトラップ層の概略断面図である。 先の提案による半導体発光素子の概略断面図である。 第２の実施例による半導体発光素子の概略断面図である。 第２の実施例による半導体発光素子のＥＬスペクトルを、先の提案による半導体発光素子のＥＬスペクトルと対比して示すグラフである。 （Ａ）は、第３の実施例による半導体発光素子のキャリアトラップ層の積層構造を示す断面図であり、（Ｂ）は、ＥＬスペクトルを示すグラフである。

符号の説明

１ 下側電極
２ 基板
３ キャリアトラップ層
４ 下側クラッド層
５ 活性層
６ 上側クラッド層
７ 電流拡散層
８ コンタクト層
９ 上側電極
１０ 下側光吸収層
１１ 上側光吸収層

Claims (6)

1. 半導体または絶縁物からなる基板と、
   前記基板の上に形成され、半導体からなる活性層の上下を、半導体からなる一対のクラッド層で挟んだ発光構造であって、該クラッド層が、該活性層のＥＬスペクトルのピーク波長に相当するエネルギよりも広いバンドギャップを有する半導体で形成されている発光構造と、
   前記基板と前記発光構造との間に配置されたキャリアトラップ層であって、該キャリアトラップ層のＥＬスペクトルのピーク波長が、該基板のバンドギャップに相当する波長及び前記活性層のＥＬスペクトルのピーク波長よりも長い該キャリアトラップ層と、
   前記活性層に電流を注入する電極と、
   前記基板と前記キャリアトラップ層との間に配置された光吸収層と
   を有し、
   前記光吸収層のＥＬスペクトルのピーク波長が、前記基板のバンドギャップに相当する波長よりも長く、かつ前記活性層のＥＬスペクトルのピーク波長よりも短い半導体発光素子。
2. 前記基板のバンドギャップが、前記活性層のＥＬスペクトルのピーク波長に相当するエネルギよりも大きい請求項１に記載の半導体発光素子。
3. 前記光吸収層のＥＬスペクトルのピーク波長が、前記活性層のＥＬスペクトルのピーク波長よりも短波長側において、該活性層のＥＬスペクトルのピーク強度の１０％の強度を示す波長よりも長い請求項２に記載の半導体発光素子。
4. 前記キャリアトラップ層のＥＬスペクトルのピーク波長が、前記活性層のＥＬスペクトルのピーク波長よりも長波長側において、ピーク強度の１０％の強度を示す波長よりも短い請求項１〜３のいずれかに記載の半導体発光素子。
5. 前記キャリアトラップ層が量子井戸構造を有する請求項１〜４のいずれかに記載の半導体発光素子。
6. 半導体からなる活性層の上下を、半導体からなる一対のクラッド層で挟んだ発光構造と、
   光吸収層と、
   前記光吸収層と前記発光構造との間に配置されたキャリアトラップ層と
   を有し、
   前記クラッド層は、前記活性層のＥＬスペクトルのピーク波長に相当するエネルギよりも広いバンドギャップを有し、かつＡｌＧａＡｓを含み、
   前記キャリアトラップ層のＥＬスペクトルのピーク波長が、前記活性層のＥＬスペクトルのピーク波長よりも長く、該キャリアとラップ層はｐ型ＩｎＧａＡｓを含み、
   前記光吸収層のＥＬスペクトルのピーク波長が、前記活性層のＥＬスペクトルのピーク波長よりも短く、該光吸収層はｐ型ＡｌＧａＡｓを含む半導体発光素子。

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