JPH07288338A - 半導体発光素子 - Google Patents
半導体発光素子Info
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- JPH07288338A JPH07288338A JP10178794A JP10178794A JPH07288338A JP H07288338 A JPH07288338 A JP H07288338A JP 10178794 A JP10178794 A JP 10178794A JP 10178794 A JP10178794 A JP 10178794A JP H07288338 A JPH07288338 A JP H07288338A
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 ダブルヘテロ構造の半導体発光素子の輝度及
び効率を高める。 【構成】 活性層４とこの一方及び他方の側に配置され
たｎ型及びｐ型クラッド層とを備えたダブルヘテロ構造
の半導体発光素子において、ｎ型及びｐ型クラッドを、
活性層４に隣接する第１のｎ型及びｐ型クラッド層３
ａ、５ａと、この第１のｎ型及びｐ型クラッド層３ａ、
５ａに隣接する第２のｎ型及びｐ型クラッド層３ｂ、５
ｂとで構成し、第１のｎ型及びｐ型クラッド層３ａ、５
ａのキャリア濃度を第２のｎ型及びｐ型クラッド層３
ｂ、５ｂのそれよりも低くすると共に、第１のｎ型及び
ｐ型クラッド層３ａ、５ａの厚みをトンネル効果が発生
しない０．０１５〜０．０５μｍとする。
び効率を高める。 【構成】 活性層４とこの一方及び他方の側に配置され
たｎ型及びｐ型クラッド層とを備えたダブルヘテロ構造
の半導体発光素子において、ｎ型及びｐ型クラッドを、
活性層４に隣接する第１のｎ型及びｐ型クラッド層３
ａ、５ａと、この第１のｎ型及びｐ型クラッド層３ａ、
５ａに隣接する第２のｎ型及びｐ型クラッド層３ｂ、５
ｂとで構成し、第１のｎ型及びｐ型クラッド層３ａ、５
ａのキャリア濃度を第２のｎ型及びｐ型クラッド層３
ｂ、５ｂのそれよりも低くすると共に、第１のｎ型及び
ｐ型クラッド層３ａ、５ａの厚みをトンネル効果が発生
しない０．０１５〜０．０５μｍとする。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は発光ダイオード、半導体
レーザ等の半導体発光素子に関する。
レーザ等の半導体発光素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】ダブルヘテロ構造（ＤＨ構造）の発光ダ
イオードは、発光波長に応じたエネルギーギャップを有
するノンドープ或いは低不純物濃度の活性層と、これよ
りも広いエネルギーギャップ（禁止帯幅）を有して活性
層を挟み込んでいるｐ型及びｎ型クラッド層とを有す
る。ｐ型クラッド層は例えばｐ型ＡｌＧａＩｎＰ（アル
ミニウム・ガリウム・インジウム・リン）で構成され、
ｎ型クラッド層は例えばｎ型ＡｌＧａＩｎＰで構成さ
れ、活性層は例えばＧａＩｎＰ（ガリウム・インジウム
・リン）やＡｌＧａＩｎＰで構成される。
イオードは、発光波長に応じたエネルギーギャップを有
するノンドープ或いは低不純物濃度の活性層と、これよ
りも広いエネルギーギャップ（禁止帯幅）を有して活性
層を挟み込んでいるｐ型及びｎ型クラッド層とを有す
る。ｐ型クラッド層は例えばｐ型ＡｌＧａＩｎＰ（アル
ミニウム・ガリウム・インジウム・リン）で構成され、
ｎ型クラッド層は例えばｎ型ＡｌＧａＩｎＰで構成さ
れ、活性層は例えばＧａＩｎＰ（ガリウム・インジウム
・リン）やＡｌＧａＩｎＰで構成される。
【０００３】このようなダブルヘテロ構造によれば、図
１に概念的に示すようにクラッド層と活性層の間にこれ
らのエネルギーギャップＥｇの差に基づいて電位障壁が
形成され、活性層内に電子及び正孔を閉じ込めてそれぞ
れの密度を高めることができ、活性層で生じる内部発光
出力を増大させて発光効率及び発光輝度を高めることが
可能になる。
１に概念的に示すようにクラッド層と活性層の間にこれ
らのエネルギーギャップＥｇの差に基づいて電位障壁が
形成され、活性層内に電子及び正孔を閉じ込めてそれぞ
れの密度を高めることができ、活性層で生じる内部発光
出力を増大させて発光効率及び発光輝度を高めることが
可能になる。
【０００４】ところで、このダブルヘテロ構造の効果を
有効に得るためには、上述した電位障壁を高く形成して
活性層内に閉じ込められる電子及び正孔（キャリア）の
蓄積総量を増加することが望ましい。特に、高温動作時
においては、活性層に蓄積された電子、正孔のうち高い
エネルギー準位にあるものが電位障壁を越えてクラッド
層側に注入される現象いわゆるオーバーフローが生じて
発光特性が低下し易い。これを防ぐために、従来のダブ
ルヘテロ構造ではクラッド層は結晶性が比較的良好でエ
ネルギ−ギャップの高い結晶が使用されるが電位障壁を
高くするためにもそのキャリア濃度が比較的高められて
いる。特に、正孔に比べてモビリティーの高い電子に対
する電位障壁を形成するｐ型クラッド層では電位障壁は
高くする必要があった。また、クラッド層のキャリア濃
度を高くすることは、クラッド層の電気抵抗を減少させ
ることからも重要であった。
有効に得るためには、上述した電位障壁を高く形成して
活性層内に閉じ込められる電子及び正孔（キャリア）の
蓄積総量を増加することが望ましい。特に、高温動作時
においては、活性層に蓄積された電子、正孔のうち高い
エネルギー準位にあるものが電位障壁を越えてクラッド
層側に注入される現象いわゆるオーバーフローが生じて
発光特性が低下し易い。これを防ぐために、従来のダブ
ルヘテロ構造ではクラッド層は結晶性が比較的良好でエ
ネルギ−ギャップの高い結晶が使用されるが電位障壁を
高くするためにもそのキャリア濃度が比較的高められて
いる。特に、正孔に比べてモビリティーの高い電子に対
する電位障壁を形成するｐ型クラッド層では電位障壁は
高くする必要があった。また、クラッド層のキャリア濃
度を高くすることは、クラッド層の電気抵抗を減少させ
ることからも重要であった。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】ところが、クラッド層
のキャリア濃度を高くするほどクラッド層内に非発光再
結合センタが形成され、これが活性層に接するため、発
光に寄与しない再結合が生じる。特に、ｐ型キャリア濃
度を高めることによる影響は顕著である。このため、ク
ラッド層のキャリア濃度を高めて電位障壁を高くするこ
とで活性層に閉じ込められる電子、正孔の増加が期待さ
れる一方で、発光に寄与しない再結合が増加するため、
発光効率、発光輝度を向上するにも限界があった。
のキャリア濃度を高くするほどクラッド層内に非発光再
結合センタが形成され、これが活性層に接するため、発
光に寄与しない再結合が生じる。特に、ｐ型キャリア濃
度を高めることによる影響は顕著である。このため、ク
ラッド層のキャリア濃度を高めて電位障壁を高くするこ
とで活性層に閉じ込められる電子、正孔の増加が期待さ
れる一方で、発光に寄与しない再結合が増加するため、
発光効率、発光輝度を向上するにも限界があった。
【０００６】そこで、本発明の目的は、発光効率及び発
光輝度を向上させることができる新規な構造の半導体発
光素子を提供することにある。
光輝度を向上させることができる新規な構造の半導体発
光素子を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
の本発明は、活性層と、この活性層の一方の側に配置さ
れたｎ型クラッド層と、前記活性層の他方の側に配置さ
れたｐ型クラッド層とを備えた半導体発光素子におい
て、前記ｎ型クラッド層と前記ｐ型クラッド層との内の
少なくとも一方が前記活性層に隣接する第１のクラッド
層とこの第１のクラッド層に隣接する第２のクラッド層
とを有し、前記第１のクラッド層は前記第２のクラッド
層よりも低いキャリア濃度即ちアクセプタ不純物又はド
ナ−不純物濃度を有し且つ前記第２のクラッド層よりは
薄いが量子力学的トンネル効果が生じる厚さよりは厚い
厚さを有し且つ活性層と第２のクラッド層の間の電位障
壁の高さが活性層と第１のクラッド層の間の電位障壁の
高さよりも高いことを特徴とする半導体発光素子に係わ
るものである。なお、ｎ型又はｐ型の第１のクラッド層
の厚さはｎ型又はｐ型の第２のクラッド層の厚さの好ま
しくは１／１０〜１／１００である。
の本発明は、活性層と、この活性層の一方の側に配置さ
れたｎ型クラッド層と、前記活性層の他方の側に配置さ
れたｐ型クラッド層とを備えた半導体発光素子におい
て、前記ｎ型クラッド層と前記ｐ型クラッド層との内の
少なくとも一方が前記活性層に隣接する第１のクラッド
層とこの第１のクラッド層に隣接する第２のクラッド層
とを有し、前記第１のクラッド層は前記第２のクラッド
層よりも低いキャリア濃度即ちアクセプタ不純物又はド
ナ−不純物濃度を有し且つ前記第２のクラッド層よりは
薄いが量子力学的トンネル効果が生じる厚さよりは厚い
厚さを有し且つ活性層と第２のクラッド層の間の電位障
壁の高さが活性層と第１のクラッド層の間の電位障壁の
高さよりも高いことを特徴とする半導体発光素子に係わ
るものである。なお、ｎ型又はｐ型の第１のクラッド層
の厚さはｎ型又はｐ型の第２のクラッド層の厚さの好ま
しくは１／１０〜１／１００である。
【０００８】
【発明の作用及び効果】本発明の発光素子によれば、従
来の発光素子に比べて活性層におけるキャリアの閉じ込
め効果が大きくなり、発光効率及び発光輝度が向上す
る。また、クラッド層の電気抵抗も比較的小さく保たれ
る。更に詳細には、本発明によって次の作用効果が得ら
れる。 （イ） 活性層に隣接する第１のクラッド層が第２のク
ラッド層よりも低キャリア濃度（アクセプタ不純物又は
ドナ−不純物濃度）であるから、第１のクラッド層に形
成される非発光再結合センタは第２のクラッド層に形成
される非発光再結合に比べて著しく減少する。また、第
１のクラッド層の層厚が量子力学的トンネル効果が生じ
ない厚さを有しているので、第１のクラッド層と活性層
の間に形成された電位障壁において活性層に閉じ込めら
れたキャリアがトンネル効果によって非発光再結合セン
タが比較的多い第２のクラッド層に到達することがな
い。したがって、第１のクラッド層と活性層の間に形成
される電位障壁によって活性層に注入されたキャリアを
効率よく活性層内に閉じ込めることができる。また、第
１のクラッド層と活性層の間に形成される電位障壁を越
える高いエネルギ−準位にあるキャリアは、第２のクラ
ッド層を活性層の間に形成される電位障壁によって従来
技術と同様に閉じ込めることができる。このため、活性
層に注入されたキャリアを効率良く活性層内に閉じ込め
てこれらを発光に有効に寄与させることができる。した
がって、発光効率及び発光輝度の飛躍的な向上が達成さ
れる。 （ロ） キャリア濃度が低い比較的高抵抗の第１のクラ
ッド層が第２のクラッド層よりは薄いので、第１のクラ
ッド層を設けたことによる内部抵抗の増加及び放熱性の
低下は極めて少ない。したがって、これらの他の諸特性
を従来どおりの高レベルに維持しつつ発光効率及び発光
輝度の向上が図れる。
来の発光素子に比べて活性層におけるキャリアの閉じ込
め効果が大きくなり、発光効率及び発光輝度が向上す
る。また、クラッド層の電気抵抗も比較的小さく保たれ
る。更に詳細には、本発明によって次の作用効果が得ら
れる。 （イ） 活性層に隣接する第１のクラッド層が第２のク
ラッド層よりも低キャリア濃度（アクセプタ不純物又は
ドナ−不純物濃度）であるから、第１のクラッド層に形
成される非発光再結合センタは第２のクラッド層に形成
される非発光再結合に比べて著しく減少する。また、第
１のクラッド層の層厚が量子力学的トンネル効果が生じ
ない厚さを有しているので、第１のクラッド層と活性層
の間に形成された電位障壁において活性層に閉じ込めら
れたキャリアがトンネル効果によって非発光再結合セン
タが比較的多い第２のクラッド層に到達することがな
い。したがって、第１のクラッド層と活性層の間に形成
される電位障壁によって活性層に注入されたキャリアを
効率よく活性層内に閉じ込めることができる。また、第
１のクラッド層と活性層の間に形成される電位障壁を越
える高いエネルギ−準位にあるキャリアは、第２のクラ
ッド層を活性層の間に形成される電位障壁によって従来
技術と同様に閉じ込めることができる。このため、活性
層に注入されたキャリアを効率良く活性層内に閉じ込め
てこれらを発光に有効に寄与させることができる。した
がって、発光効率及び発光輝度の飛躍的な向上が達成さ
れる。 （ロ） キャリア濃度が低い比較的高抵抗の第１のクラ
ッド層が第２のクラッド層よりは薄いので、第１のクラ
ッド層を設けたことによる内部抵抗の増加及び放熱性の
低下は極めて少ない。したがって、これらの他の諸特性
を従来どおりの高レベルに維持しつつ発光効率及び発光
輝度の向上が図れる。
【０００９】
【実施例】次に、本発明の実施例に係わるダブルヘテロ
構造を備えた高輝度発光ダイオードについて説明する。
本実施例の３−５族化合物半導体から成る発光ダイオー
ドは、図２に示すようにその下面側からｎ型ＧａＡｓ
（ガリウム・砒素）基板１、ｎ型ＧａＡｓバッファ層
２、ｎ型（Ａｌ0.7 Ｇａ0.3 ）0.5 Ｉｎ0.5 Ｐ（アルミ
ニウム・ガリウム・インジウム・リン）から成る第１及
び第２のｎ型クラッド層３ａ、３ｂ、ノンドープの又は
キャリア濃度の小さい（Ａｌ0.4 Ｇａ0.6 ）0.5 Ｉｎ
0.5 Ｐ活性層４、ｐ型（Ａｌ0.7 Ｇａ0.3 ）0.5 Ｉｎ
0.5 Ｐから成る第１及び第２のｐ型クラッド層５ａ、５
ｂが順次積層された半導体基体６を備えており、この半
導体基体６の上面と下面にはそれぞれアノード電極７及
びカソード電極８が設けられている。なお、基板１のキ
ャリア濃度は好ましい範囲の５×１０17〜１０19ｃｍ-3
から選択された２×１０19ｃｍ-3であり、バッファ層２
のそれは好ましい範囲の１×１０18〜１×１０19ｃｍ-3
から選択された２×１０18ｃｍ-3であり、活性層４のキ
ャリア濃度はクラッド層３ａ、３ｂ、５ａ、５ｂのそれ
よりも大幅に低い。
構造を備えた高輝度発光ダイオードについて説明する。
本実施例の３−５族化合物半導体から成る発光ダイオー
ドは、図２に示すようにその下面側からｎ型ＧａＡｓ
（ガリウム・砒素）基板１、ｎ型ＧａＡｓバッファ層
２、ｎ型（Ａｌ0.7 Ｇａ0.3 ）0.5 Ｉｎ0.5 Ｐ（アルミ
ニウム・ガリウム・インジウム・リン）から成る第１及
び第２のｎ型クラッド層３ａ、３ｂ、ノンドープの又は
キャリア濃度の小さい（Ａｌ0.4 Ｇａ0.6 ）0.5 Ｉｎ
0.5 Ｐ活性層４、ｐ型（Ａｌ0.7 Ｇａ0.3 ）0.5 Ｉｎ
0.5 Ｐから成る第１及び第２のｐ型クラッド層５ａ、５
ｂが順次積層された半導体基体６を備えており、この半
導体基体６の上面と下面にはそれぞれアノード電極７及
びカソード電極８が設けられている。なお、基板１のキ
ャリア濃度は好ましい範囲の５×１０17〜１０19ｃｍ-3
から選択された２×１０19ｃｍ-3であり、バッファ層２
のそれは好ましい範囲の１×１０18〜１×１０19ｃｍ-3
から選択された２×１０18ｃｍ-3であり、活性層４のキ
ャリア濃度はクラッド層３ａ、３ｂ、５ａ、５ｂのそれ
よりも大幅に低い。
【００１０】本実施例の発光ダイオードの特徴とすると
ころは、活性層４を挟み込むｎ型及びｐ型クラッド層を
相対的にキャリア濃度が低い第１のｎ型及びｐ型クラッ
ド層３ａ、５ａと、これ等よりもキャリア濃度が高い第
２のｎ型及びｐ型クラッド層３ｂ、５ｂとで構成し、且
つ第１のｎ型及びｐ型クラッド層３ａ、５ａを所定範囲
の層厚としたことである。以下、これについて詳述す
る。
ころは、活性層４を挟み込むｎ型及びｐ型クラッド層を
相対的にキャリア濃度が低い第１のｎ型及びｐ型クラッ
ド層３ａ、５ａと、これ等よりもキャリア濃度が高い第
２のｎ型及びｐ型クラッド層３ｂ、５ｂとで構成し、且
つ第１のｎ型及びｐ型クラッド層３ａ、５ａを所定範囲
の層厚としたことである。以下、これについて詳述す
る。
【００１１】活性層４に隣接する第１のｐ型クラッド層
５ａとこの第１のｐ型クラッド層５ａに隣接する第２の
ｐ型クラッド層５ｂはいずれもｐ型不純物としてＺｎ
（亜鉛）が導入されたｐ型（Ａｌ0.7 Ｇａ0.3 ）0.5 Ｉ
ｎ0.5 Ｐから成り、キャリア濃度と厚みが互いに異なっ
ている。即ち、第１のｐ型クラッド層５ａはキャリア濃
度が約５×１０16ｃｍ-3、層厚が約２００オングストロ
ーム（０．０２μｍ）の低不純物濃度の薄い層であり、
第２のｐ型クラッド層５ｂはキャリア濃度が約２×１０
18ｃｍ-3、層厚が約０．８μｍの高キャリア濃度の厚い
層と成っている。なお、本実施例では第１のｐ型クラッ
ド層５ａと第２のｐ型クラッド層５ｂの格子定数は等し
く、第１のｐ型クラッド層５ａに結晶歪は発生していな
い。したがって、第１のｐ型クラッド層５ａと第２のｐ
型クラッド層５ｂのエネルギーギャップＥg は互いに等
しい約２．２４（ｅＶ）であり、活性層４のそれよりは
大きい。なお、第１のｐ型クラッド層５ａの厚みは、量
子力学的トンネル効果が発生せず且つ電気抵抗の大幅な
増大を伴なわないように１５０〜５００オングストロー
ム（０．０１５〜０．０５μｍ）に設定することが望ま
しい。また、第１のｐ型クラッド層５ａのキャリア濃度
は電子の閉じ込め効果を良好に得るために５×１０15ｃ
ｍ-3〜５×１０17ｃｍ-3の範囲にすることが望ましい。
５ａとこの第１のｐ型クラッド層５ａに隣接する第２の
ｐ型クラッド層５ｂはいずれもｐ型不純物としてＺｎ
（亜鉛）が導入されたｐ型（Ａｌ0.7 Ｇａ0.3 ）0.5 Ｉ
ｎ0.5 Ｐから成り、キャリア濃度と厚みが互いに異なっ
ている。即ち、第１のｐ型クラッド層５ａはキャリア濃
度が約５×１０16ｃｍ-3、層厚が約２００オングストロ
ーム（０．０２μｍ）の低不純物濃度の薄い層であり、
第２のｐ型クラッド層５ｂはキャリア濃度が約２×１０
18ｃｍ-3、層厚が約０．８μｍの高キャリア濃度の厚い
層と成っている。なお、本実施例では第１のｐ型クラッ
ド層５ａと第２のｐ型クラッド層５ｂの格子定数は等し
く、第１のｐ型クラッド層５ａに結晶歪は発生していな
い。したがって、第１のｐ型クラッド層５ａと第２のｐ
型クラッド層５ｂのエネルギーギャップＥg は互いに等
しい約２．２４（ｅＶ）であり、活性層４のそれよりは
大きい。なお、第１のｐ型クラッド層５ａの厚みは、量
子力学的トンネル効果が発生せず且つ電気抵抗の大幅な
増大を伴なわないように１５０〜５００オングストロー
ム（０．０１５〜０．０５μｍ）に設定することが望ま
しい。また、第１のｐ型クラッド層５ａのキャリア濃度
は電子の閉じ込め効果を良好に得るために５×１０15ｃ
ｍ-3〜５×１０17ｃｍ-3の範囲にすることが望ましい。
【００１２】活性層４に隣接する第１のｎ型クラッド層
３ａとこの第１のｎ型クラッド層３ａに隣接する第２の
ｎ型クラッド層３ｂはいずれも不純物としてＳｉ（シリ
コン）が導入されたｐ型（Ａｌ0.7 Ｇａ0.3 ）0.5 Ｉｎ
0.5 Ｐ層から成り、これ等のキャリア濃度と厚みが互い
に異なっている。即ち、第１のｎ型クラッド層３ａはキ
ャリア濃度が約１×１０17ｃｍ-3、層厚が約２００オン
グストローム（０．０２μｍ）の低キャリア濃度の薄層
であり、第２のｎ型クラッド層３ｂはキャリア濃度が約
２×１０18ｃｍ-3、層厚が約０．８μｍである。第１の
ｎ型クラッド層３ａと第２のｎ型クラッド層３ｂの格子
定数は等しく、第１のｎ型クラッド層３ａには結晶歪は
発生していない。したがって、第１のｎ型クラッド層３
ａと第２のｎ型クラッド層３ｂのエネルギーギャップＥ
g は互いに等しい２．２４（ｅＶ）であり、活性層のそ
れよりは大きい。なお、第１のｎ型クラッド層３ａの厚
みは量子力学的トンネル効果が発生せず且つ電気抵抗の
大幅な増大が生じないように１５０〜５００オングスト
ローム（０．０１５〜０．０５μｍ）とすることが望ま
しい。また、第１のｎ型クラッド層３ａのキャリア濃度
は、閉じ込め効果を良好に得るために１×１０17ｃｍ-3
〜１×１０18ｃｍ-3にすることが望ましい。
３ａとこの第１のｎ型クラッド層３ａに隣接する第２の
ｎ型クラッド層３ｂはいずれも不純物としてＳｉ（シリ
コン）が導入されたｐ型（Ａｌ0.7 Ｇａ0.3 ）0.5 Ｉｎ
0.5 Ｐ層から成り、これ等のキャリア濃度と厚みが互い
に異なっている。即ち、第１のｎ型クラッド層３ａはキ
ャリア濃度が約１×１０17ｃｍ-3、層厚が約２００オン
グストローム（０．０２μｍ）の低キャリア濃度の薄層
であり、第２のｎ型クラッド層３ｂはキャリア濃度が約
２×１０18ｃｍ-3、層厚が約０．８μｍである。第１の
ｎ型クラッド層３ａと第２のｎ型クラッド層３ｂの格子
定数は等しく、第１のｎ型クラッド層３ａには結晶歪は
発生していない。したがって、第１のｎ型クラッド層３
ａと第２のｎ型クラッド層３ｂのエネルギーギャップＥ
g は互いに等しい２．２４（ｅＶ）であり、活性層のそ
れよりは大きい。なお、第１のｎ型クラッド層３ａの厚
みは量子力学的トンネル効果が発生せず且つ電気抵抗の
大幅な増大が生じないように１５０〜５００オングスト
ローム（０．０１５〜０．０５μｍ）とすることが望ま
しい。また、第１のｎ型クラッド層３ａのキャリア濃度
は、閉じ込め効果を良好に得るために１×１０17ｃｍ-3
〜１×１０18ｃｍ-3にすることが望ましい。
【００１３】図３に本実施例の発光ダイオードのエネル
ギーバンド構造の概念図を示す。この図３から明らかな
ように、活性層４と第１のｐ型及びｎ型クラッド層３
ａ、５ａとの間には、従来例と同様にこれらのバンドギ
ャップ差に起因する電位障壁が形成されている。しかし
ながら、活性層４の伝導帯の下限と第１のｐ型クラッド
層５ａの伝導帯の下限（下端）との間に形成される電位
障壁の高さΔＸ1 は約１４０ｍｅＶであり、従来例の発
光ダイオード（第１のｐ型クラッド層５ａを形成せずに
第２のｐ型クラッド層５ｂを直接に活性層４に隣接させ
た構造）に比べて電位障壁は低くなっている。これは、
活性層４に隣接する第１のｐ型クラッド層５ａのキャリ
ア濃度が低くなっているためである。同様な理由で、活
性層４の価電子帯の上限と第１のｎ型クラッド層３ａの
価電子帯の上限との間に形成される電位障壁の高さΔＸ
2 も従来例の発光ダイオード（第１のｎ型クラッド層３
ａを形成せずに第２のｎ型クラッド層５ｂを直接に活性
層４に隣接させた構造）に比べて低くなっている。ま
た、第１のｐ型クラッド層５ａと第２のｐ型クラッド層
５ｂとの間にはこれらの層のキャリア濃度差に基づく電
位障壁ΔＸ3 が形成されている。ΔＸ3 は約６０ｍｅＶ
である。また、第１のｎ型クラッド層３ａと第２のｎ型
クラッド層３ｂとの間にもこれらの層のキャリア濃度差
に基づく電位障壁ΔＸ4 が形成されている。
ギーバンド構造の概念図を示す。この図３から明らかな
ように、活性層４と第１のｐ型及びｎ型クラッド層３
ａ、５ａとの間には、従来例と同様にこれらのバンドギ
ャップ差に起因する電位障壁が形成されている。しかし
ながら、活性層４の伝導帯の下限と第１のｐ型クラッド
層５ａの伝導帯の下限（下端）との間に形成される電位
障壁の高さΔＸ1 は約１４０ｍｅＶであり、従来例の発
光ダイオード（第１のｐ型クラッド層５ａを形成せずに
第２のｐ型クラッド層５ｂを直接に活性層４に隣接させ
た構造）に比べて電位障壁は低くなっている。これは、
活性層４に隣接する第１のｐ型クラッド層５ａのキャリ
ア濃度が低くなっているためである。同様な理由で、活
性層４の価電子帯の上限と第１のｎ型クラッド層３ａの
価電子帯の上限との間に形成される電位障壁の高さΔＸ
2 も従来例の発光ダイオード（第１のｎ型クラッド層３
ａを形成せずに第２のｎ型クラッド層５ｂを直接に活性
層４に隣接させた構造）に比べて低くなっている。ま
た、第１のｐ型クラッド層５ａと第２のｐ型クラッド層
５ｂとの間にはこれらの層のキャリア濃度差に基づく電
位障壁ΔＸ3 が形成されている。ΔＸ3 は約６０ｍｅＶ
である。また、第１のｎ型クラッド層３ａと第２のｎ型
クラッド層３ｂとの間にもこれらの層のキャリア濃度差
に基づく電位障壁ΔＸ4 が形成されている。
【００１４】本実施例の発光ダイオードによれば、従来
の発光ダイオードに比べて活性層における電子及び正孔
の閉じ込め効果が大きく、発光効率及び発光輝度が向上
すると共にクラッド層の電気抵抗も比較的小さく保たれ
ている。この結果、低損失、高輝度の発光ダイオードを
提供できる。即ち、本実施例のＤＨ構造の発光ダイオー
ドは次の作用効果を有する。 （イ） 活性層４に隣接する第１のｎ型及びｐ型クラッ
ド層３ａ、５ａが低キャリア濃度のＡｌＧａＩｎＰ層か
ら成るので、クラッド層に形成される非発光再結合セン
タが著しく減少している。また、第１のｎ型及びｐ型ク
ラッド層３ａ、５ａの層厚が量子力学的トンネル効果が
生じない２００オングストローム（０．０２μｍ）以上
の厚さを有しているので、活性層４に閉じ込められたキ
ャリアがトンネル効果によって非発光再結合センタを比
較的多く有する第２のｎ型及びｐ型クラッド層３ｂ、５
ｂに到達することがない。このため、活性層４に注入さ
れた電子及び正孔を第１のｎ型及びｐ型クラッド層３
ａ、５ａと活性層４の間に形成される電位障壁によって
効率良く活性層４内に閉じ込めてこれらを発光に有効に
寄与させることができる。また、第１のｎ型及びｐ型ク
ラッド層３ａ、５ａと活性層４の間に形成される電位障
壁を越える比較的エネルギ−準位の高い電子は、第２の
ｎ型及びｐ型クラッド層３ｂ、５ｂと活性層４の間に形
成される電位障壁によってオ−バ−フロ−が抑制され
る。したがって、キャリア閉じ込め効率が向上し、発光
効率及び発光輝度の飛躍的な向上が達成される。 （ロ） キャリア濃度が低い比較的高抵抗の第１のｎ型
及びｐ型クラッド層３ａ、５ａが２００オングストロー
ム（０．０２μｍ）の薄層であるので、第１のｎ型及び
ｐ型クラッド層３ａ、５ａを設けたことによる内部抵抗
の増加及び放熱性の低下は無視できるレベルである。し
たがって、これらの他の諸特性を従来どおりの高レベル
に維持しつつ発光効率及び発光輝度の向上が図れる。
の発光ダイオードに比べて活性層における電子及び正孔
の閉じ込め効果が大きく、発光効率及び発光輝度が向上
すると共にクラッド層の電気抵抗も比較的小さく保たれ
ている。この結果、低損失、高輝度の発光ダイオードを
提供できる。即ち、本実施例のＤＨ構造の発光ダイオー
ドは次の作用効果を有する。 （イ） 活性層４に隣接する第１のｎ型及びｐ型クラッ
ド層３ａ、５ａが低キャリア濃度のＡｌＧａＩｎＰ層か
ら成るので、クラッド層に形成される非発光再結合セン
タが著しく減少している。また、第１のｎ型及びｐ型ク
ラッド層３ａ、５ａの層厚が量子力学的トンネル効果が
生じない２００オングストローム（０．０２μｍ）以上
の厚さを有しているので、活性層４に閉じ込められたキ
ャリアがトンネル効果によって非発光再結合センタを比
較的多く有する第２のｎ型及びｐ型クラッド層３ｂ、５
ｂに到達することがない。このため、活性層４に注入さ
れた電子及び正孔を第１のｎ型及びｐ型クラッド層３
ａ、５ａと活性層４の間に形成される電位障壁によって
効率良く活性層４内に閉じ込めてこれらを発光に有効に
寄与させることができる。また、第１のｎ型及びｐ型ク
ラッド層３ａ、５ａと活性層４の間に形成される電位障
壁を越える比較的エネルギ−準位の高い電子は、第２の
ｎ型及びｐ型クラッド層３ｂ、５ｂと活性層４の間に形
成される電位障壁によってオ−バ−フロ−が抑制され
る。したがって、キャリア閉じ込め効率が向上し、発光
効率及び発光輝度の飛躍的な向上が達成される。 （ロ） キャリア濃度が低い比較的高抵抗の第１のｎ型
及びｐ型クラッド層３ａ、５ａが２００オングストロー
ム（０．０２μｍ）の薄層であるので、第１のｎ型及び
ｐ型クラッド層３ａ、５ａを設けたことによる内部抵抗
の増加及び放熱性の低下は無視できるレベルである。し
たがって、これらの他の諸特性を従来どおりの高レベル
に維持しつつ発光効率及び発光輝度の向上が図れる。
【００１５】
【変形例】本発明は上述の実施例に限定されるものでな
く、例えば次の変形が可能なものである。 （１） 第１のｎ型及びｐ型クラッド層３ａ、５ａのい
ずれか一方のみを設ける場合においても発光効率、発光
輝度向上効果を得ることができる。 （２） 基板１及び各層２、３ａ、３ｂ、４、５ａ、５
ｂの半導体材料を変えることができる。例えば、クラッ
ド層３ａ、３ｂ、５ａ、５ｂをＧａＡｌＡｓ等の他の３
−５族化合物半導体にすることができる。また、（Ａｌ
1-x Ｇａx ）0.5 Ｉｎ0.5 Ｐで表わすことができる第１
及び第２のｎ型クラッド層３ａ、３ｂにおけるＡｌとＧ
ａの割合即ちｘの値を０．３以外の値に変えることがで
きる。また、（Ａｌ1-y Ｇａy ）0.5 Ｉｎ0.5 Ｐで表わ
すことができる第１及び第２のｐ型クラッド層５ａ、５
ｂにおけるＡｌとＧａの割合即ちｙの値をｘの値と異な
る範囲で変えることができる。 （３） バッファ層２を省くこと又はこれを複数のバッ
ファ層にすること、基板１を省くこともできる。 （４） 第１のクラッド層３ａ、５ａのキャリア濃度を
活性層４側から第２のクラッド相３ｂ、５ｂに向かって
段階的に増加させてもよい。 （５） 半導体レ−ザ素子に適用することもできる。こ
の場合、しきい電流Ｉthの低減、微分量子効率の向上が
図れる。
く、例えば次の変形が可能なものである。 （１） 第１のｎ型及びｐ型クラッド層３ａ、５ａのい
ずれか一方のみを設ける場合においても発光効率、発光
輝度向上効果を得ることができる。 （２） 基板１及び各層２、３ａ、３ｂ、４、５ａ、５
ｂの半導体材料を変えることができる。例えば、クラッ
ド層３ａ、３ｂ、５ａ、５ｂをＧａＡｌＡｓ等の他の３
−５族化合物半導体にすることができる。また、（Ａｌ
1-x Ｇａx ）0.5 Ｉｎ0.5 Ｐで表わすことができる第１
及び第２のｎ型クラッド層３ａ、３ｂにおけるＡｌとＧ
ａの割合即ちｘの値を０．３以外の値に変えることがで
きる。また、（Ａｌ1-y Ｇａy ）0.5 Ｉｎ0.5 Ｐで表わ
すことができる第１及び第２のｐ型クラッド層５ａ、５
ｂにおけるＡｌとＧａの割合即ちｙの値をｘの値と異な
る範囲で変えることができる。 （３） バッファ層２を省くこと又はこれを複数のバッ
ファ層にすること、基板１を省くこともできる。 （４） 第１のクラッド層３ａ、５ａのキャリア濃度を
活性層４側から第２のクラッド相３ｂ、５ｂに向かって
段階的に増加させてもよい。 （５） 半導体レ−ザ素子に適用することもできる。こ
の場合、しきい電流Ｉthの低減、微分量子効率の向上が
図れる。
【図１】従来のダブルヘテロ構造発光ダイオードのエネ
ルギー準位を概念的に示す図である。
ルギー準位を概念的に示す図である。
【図２】本発明の実施例のダブルヘテロ構造の発光素子
を示す断面図である。
を示す断面図である。
【図３】図２の発光素子のエネルギー準位を概念的に示
す図である。
す図である。
３ａ、３ｂ 第１及び第２のｎ型クラッド層 ４ 活性層 ５ａ、５ｂ 第１及び第２のｐ型クラッド層
Claims (1)
- 【請求項１】 活性層と、この活性層の一方の側に配置
されたｎ型クラッド層と、前記活性層の他方の側に配置
されたｐ型クラッド層とを備えた半導体発光素子におい
て、 前記ｎ型クラッド層と前記ｐ型クラッド層との内の少な
くとも一方が前記活性層に隣接する第１のクラッド層と
この第１のクラッド層に隣接する第２のクラッド層とを
有し、 前記第１のクラッド層は前記第２のクラッド層よりも低
いキャリア濃度を有し且つ前記第２のクラッド層よりは
薄いが量子力学的トンネル効果が生じる厚さよりは厚い
厚さを有し且つ活性層と第２のクラッド層の間の電位障
壁の高さが活性層と第１のクラッド層の間の電位障壁の
高さよりも高いことを特徴とする半導体発光素子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP10178794A JPH07288338A (ja) | 1994-04-15 | 1994-04-15 | 半導体発光素子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP10178794A JPH07288338A (ja) | 1994-04-15 | 1994-04-15 | 半導体発光素子 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH07288338A true JPH07288338A (ja) | 1995-10-31 |
Family
ID=14309895
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP10178794A Pending JPH07288338A (ja) | 1994-04-15 | 1994-04-15 | 半導体発光素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH07288338A (ja) |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6265732B1 (en) | 1998-11-30 | 2001-07-24 | Sharp Kabushiki Kaisha | Light emitting diode |
| US6563850B1 (en) | 1997-10-06 | 2003-05-13 | Sharp Kabushiki Kaisha | Light-emitting device and fabricating method thereof |
| US6621106B2 (en) | 2000-01-18 | 2003-09-16 | Sharp Kabushiki Kaisha | Light emitting diode |
| JPWO2018003551A1 (ja) * | 2016-06-30 | 2019-04-18 | パナソニックＩｐマネジメント株式会社 | 半導体レーザ装置、半導体レーザモジュール及び溶接用レーザ光源システム |
| JPWO2019187809A1 (ja) * | 2018-03-28 | 2021-03-18 | ソニー株式会社 | 垂直共振器型面発光レーザ素子及び電子機器 |
-
1994
- 1994-04-15 JP JP10178794A patent/JPH07288338A/ja active Pending
Cited By (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6563850B1 (en) | 1997-10-06 | 2003-05-13 | Sharp Kabushiki Kaisha | Light-emitting device and fabricating method thereof |
| US6265732B1 (en) | 1998-11-30 | 2001-07-24 | Sharp Kabushiki Kaisha | Light emitting diode |
| US6384430B1 (en) | 1998-11-30 | 2002-05-07 | Sharp Kabushiki Kaisha | Light emitting diode |
| US6621106B2 (en) | 2000-01-18 | 2003-09-16 | Sharp Kabushiki Kaisha | Light emitting diode |
| US6881985B2 (en) | 2000-01-18 | 2005-04-19 | Sharp Kabushiki Kaisha | Light emitting diode |
| JPWO2018003551A1 (ja) * | 2016-06-30 | 2019-04-18 | パナソニックＩｐマネジメント株式会社 | 半導体レーザ装置、半導体レーザモジュール及び溶接用レーザ光源システム |
| JPWO2019187809A1 (ja) * | 2018-03-28 | 2021-03-18 | ソニー株式会社 | 垂直共振器型面発光レーザ素子及び電子機器 |
| US11973316B2 (en) | 2018-03-28 | 2024-04-30 | Sony Corporation | Vertical cavity surface emitting laser element and electronic apparatus |
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