特許 7319618 半導体発光装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-07-25

(45)【発行日】2023-08-02

(54)【発明の名称】半導体発光装置

(51)【国際特許分類】

   H01L 33/30 20100101AFI20230726BHJP

【ＦＩ】

H01L33/30

【請求項の数】 4

(21)【出願番号】P 2020136406

(22)【出願日】2020-08-12

(65)【公開番号】P2022032541

(43)【公開日】2022-02-25

【審査請求日】2022-06-23

(73)【特許権者】

【識別番号】000003078

【氏名又は名称】株式会社東芝

(73)【特許権者】

【識別番号】317011920

【氏名又は名称】東芝デバイス＆ストレージ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110004026

【氏名又は名称】弁理士法人ｉＸ

(72)【発明者】

【氏名】菅原 秀人

【審査官】村井 友和

(56)【参考文献】

【文献】特開２０２０－１０２４９４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１９－２０４９５１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００７－２０１０４０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０５－０６３２９０（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｌ ３３／００－３３／６４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

ｎ形の第１半導体層と、
前記第１半導体層上に設けられたｐ形の第２半導体層と、
前記第１半導体層と前記第２半導体層との間に設けられ、複数の量子井戸層と、前記複数の量子井戸層のそれぞれに隣接した障壁層と、を含む発光層と、
を備え、
前記複数の量子井戸層は、前記第１半導体層の材料の格子定数よりも大きい格子定数を有する材料を含み、前記第１半導体層から前記第２半導体層に向かう方向に並び、第１量子井戸層と、前記第２半導体層側において前記第１量子井戸層に隣接する第２量子井戸層と、を含み、
前記障壁層は、前記第１量子井戸層と前記第２量子井戸層との間に設けられ、第１領域と、前記第１領域に接続されたｐ形の第２領域と、を含み、
前記第２領域は、前記第１量子井戸層と前記第１領域との間に位置し、前記第１量子井戸層に接続され、前記第１領域と前記第２量子井戸層との間には設けられず、
前記障壁層の前記第１領域は、前記量子井戸層の材料よりもバンドギャップが広く、前記第１半導体層の材料の格子定数よりも小さい格子定数を有する材料を含み、
前記障壁層の前記第２領域は、前記第１領域の材料よりもバンドギャップが広い材料を含み、前記第１半導体層から前記第２半導体層に向かう前記方向において１０ナノメートル以下の厚さを有し、２×１０ ^１７ ｃｍ ^－３ 以下の濃度の炭素を含む、半導体発光装置。

【請求項2】

前記第１領域は、前記第１半導体層から前記第２半導体層に向かう前記方向の第１幅を有し、前記第２領域は、前記方向の第２幅を有し、前記第１幅は、前記第２幅よりも広い、請求項１記載の半導体発光装置。

【請求項3】

前記複数の量子井戸層は、組成式Ｉｎ_ｘＧａ_１－ｘＡｓ（０＜ｘ＜１）で表される３元混晶を含み、
前記障壁層の前記第１領域は、組成式ＧａＡｓ_１－ｙＰ_ｙ（０＜ｙ＜１）で表される３元混晶を含み、前記第２領域は、組成式Ａｌ_ｚＧａ_１－ｚＡｓ_１－ｙＰ_ｙ（０＜ｙ＜１、０＜ｚ＜１）で表される４元混晶を含む、請求項１または２に記載の半導体発光装置。

【請求項4】

前記複数の量子井戸層は、組成式Ｉｎ_ｘＧａ_１－ｘＡｓ（０＜ｘ＜１）で表される３元混晶を含み、
前記障壁層の前記第１領域は、組成式ＧａＡｓ_１－ｙＰ_ｙ（０＜ｙ＜１）で表される３元混晶を含み、前記第２領域は、組成式Ａｌ_ｚＧａ_１－ｚＡｓ（０＜ｚ＜１）で表される３元混晶を含む、請求項１または２に記載の半導体発光装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

実施形態は、半導体発光装置に関する。

【背景技術】

【0002】

発光ダイオードなどの半導体発光素子には、高い発光効率が求められる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２００７－２０１０４０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

実施形態は、発光効率の高い半導体発光装置を提供する。

【課題を解決するための手段】

【0005】

実施形態に係る半導体発光装置は、ｎ形の第１半導体層と、前記第１半導体層上に設けられたｐ形の第２半導体層と、前記第１半導体層と前記第２半導体層との間に設けられた発光層と、を備える。前記発光層は、複数の量子井戸層と、前記複数の量子井戸層のそれぞれに隣接する障壁層と、を含む。前記複数の量子井戸層は、前記第１半導体層の材料の格子定数よりも大きい格子定数を有する材料を含み、前記第１半導体層から前記第２半導体層に向かう方向に並び、第１量子井戸層と、前記第２半導体層側において前記第１量子井戸層に隣接する第２量子井戸層と、を含む。前記障壁層は、前記第１量子井戸層と前記第２量子井戸層との間に設けられ、第１領域と、前記第１領域に接続されたｐ形の第２領域と、を含み、前記第２領域は、前記第１量子井戸層と前記第１領域との間に位置し、前記第１量子井戸層に接続され、前記第１領域と前記第２量子井戸層との間には設けられない。前記障壁層の前記第１領域は、前記量子井戸層の材料よりもバンドギャップが広く、前記第１半導体層の材料の格子定数よりも小さい格子定数を有する材料を含む。前記障壁層の前記第２領域は、前記第１領域の材料よりもバンドギャップが広い材料を含み、前記第１半導体層から前記第２半導体層に向かう前記方向において１０ナノメートル以下の厚さを有し、２×１０ ^１７ ｃｍ ^－３ 以下の濃度の炭素を含む。

【図面の簡単な説明】

【0006】

【図1】実施形態に係る半導体発光装置を示す模式断面図である。

【図2】実施形態に係る半導体発光装置の材料を示す模式図であり、ＧａＡｓに近い物性を有する直接遷移型バンド構造の混晶を示している。

【図3】実施形態に係る半導体発光装置の発光層のバンド構造を示す模式図である。

【図4】実施形態に係る半導体発光装置の特性を示すグラフである。

【図5】実施形態に係る半導体発光装置の特性を示す別のグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0007】

以下、実施の形態について図面を参照しながら説明する。図面中の同一部分には、同一番号を付してその詳しい説明は適宜省略し、異なる部分について説明する。なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。

【0008】

図１（ａ）および（ｂ）は、実施形態に係る半導体発光装置１を示す模式断面図である。図１（ａ）は、半導体発光装置１の構造を示す断面図である。図１（ｂ）は、半導体発光装置１の発光層の構造を示す断面図である。半導体発光装置１は、例えば、発光ダイオード（ＬＥＤ）である。

【0009】

図１（ａ）に示すように、半導体発光装置１は、半導体部１００と、第１電極１１０と、第２電極１２０と、を備える。半導体部１００は、第１電極１１０と第２電極１２０との間に設けられる。

【0010】

半導体部１００は、第１導電形の半導体基板１０と、第１導電形の第１半導体層２０と、発光層３０と、第２導電形の第２半導体層４０と、第２導電形の第３半導体層５０と、を含む。第１半導体層２０、発光層３０、第２半導体層４０および第３半導体層５０は、半導体基板１０上に順に積層される。半導体基板１０は、例えば、ｎ形ＧａＡｓ基板である。

【0011】

第１半導体層２０は、例えば、ｎ形ＡｌＧａＡｓ層である。第１半導体層２０は、半導体基板１０の上に形成される。発光層３０および第２半導体層４０は、第１半導体層２０上に積層される。発光層３０は、第１半導体層２０と第２半導体層４０との間に設けられる。発光層３０は、少なくとも１つの量子井戸を含む。第２半導体層４０は、例えば、ｐ形ＡｌＧａＡｓ層である。

【0012】

第３半導体層５０は、第２半導体層４０上に設けられる。第３半導体層５０は、例えば、ｐ形ＧａＡｓ層である。

【0013】

第１電極１１０は、半導体基板１０の裏面上に設けられる。第１電極１１０は、半導体基板１０に電気的に接続される。第１電極１１０は、例えば、ゲルマニウム（Ｇｅ）、ニッケル（Ｎｉ）、金（Ａｕ）などを含む金属層である。

【0014】

第２電極１２０は、第３半導体層５０上に設けられる。第２電極１２０は、第３半導体層５０に電気的に接続される。第２電極１２０は、例えば、クロム（Ｃｒ）、金（Ａｕ）などを含む金属層である。

【0015】

半導体発光装置１は、第２半導体層４０から第１半導体層２０に順方向電流が流れるダイオードである。半導体発光装置１は、例えば、第２電極１２０と第１電極１１０との間に順方向電流を流すことにより、発光層３０に電子と正孔とを注入し、その再結合により生じた光を外部に放出する。

【0016】

図１（ｂ）に示すように、発光層３０は、第１半導体層２０と第２半導体層４０との間に設けられる。発光層３０は、例えば、量子井戸層３３と、障壁層３５と、を含む。障壁層３５は、量子井戸層３３に隣接して設けられる。発光層３０は、少なくとも１つの量子井戸層３３を含む。この例では、発光層３０は、４つの量子井戸層３３を含む。量子井戸層３３は、例えば、３元化合物半導体ＩｎＧａＡｓを含む。

【0017】

障壁層３５は、例えば、第１領域３５ａと、第２領域３５ｂと、を含む。第２領域３５ｂは、量子井戸層３３と第１領域３５ａとの間に設けられる。第２領域３５ｂは、例えば、第１半導体層２０から第２半導体層４０へ向かう積層方向において、量子井戸層３３の両側に位置する２つの第１領域３５ａのうちの１つと、量子井戸層３３との間に設けられる。

【0018】

例えば、積層方向において、第１領域３５ａの幅は、第２領域３５ｂの幅よりも広い。第１領域３５ａは、例えば、３元化合物半導体ＧａＡｓＰを含み、第２領域３５ｂは、例えば、４元化合物半導体ＡｌＧａＡｓＰを含む。

【0019】

図２は、実施形態に係る半導体発光装置１の材料を示す模式図である。図２は、アルミニウム（Ａｌ）、インジウム（Ｉｎ）、ガリウム（Ｇａ）、ヒ素（Ａｓ）およびリン（Ｐ）を材料とする３－５族化合物半導体の格子定数とバンドギャップエネルギー（以下、バンドギャップ）との関係を示す図である。図２中に示す化合物半導体材料は、直接遷移型のバンド構造を有する。横軸は、格子定数（Å）であり、縦軸は、バンドギャップ（ｅＶ）である。

【0020】

図２の中央にＧａＡｓが示されている。ＧａＡｓから格子定数が大きくなる方向に、Ｉｎ_ｘＧａ_１－ｘＡｓを示す線が記載されている。Ｉｎの組成比「ｘ」が大きくなるにつれて、Ｉｎ_ｘＧａ_１－ｘＡｓの格子定数が大きくなり、バンドギャップが狭くなる。

【0021】

また、ＧａＡｓから格子定数が小さくなる方向に、ＧａＡｓ_１－ｙＰ_ｙを示す線が記載されている。Ｐの組成比「ｙ」が大きくなるにつれて、ＧａＡｓ_１－ｙＰ_ｙの格子定数は小さくなり、バンドギャップが広くなる。

【0022】

さらに、ＧａＡｓからバンドギャップが広くなる方向に、Ａｌ_ｚＧａ_１－ｚＡｓを示す線が記載されている。Ａｌの組成比「ｚ」が大きくなるにつれて、Ａｌ_ｚＧａ_１－ｚＡｓのバンドギャップが広くなる。Ａｌ_ｚＧａ_１－ｚＡｓの格子定数は、Ａｌの組成比「ｚ」が大きくなるにつれて大きくなるが、その変化量は小さい。

【0023】

量子井戸層３３は、例えば、Ｉｎの組成比ｘ＝０．２のＩｎ_ｘＧａ_１－ｘＡｓを含む。Ｉｎ_０．２Ｇａ_０．８Ａｓのバンドギャップは、約１．２ｅＶであり、量子井戸層３３は、シリコンフォトダイオードが感度を有する波長帯の光を放出する。Ｉｎ_０．２Ｇａ_０．８Ａｓの格子定数は、約５．７３Åであり、ＧａＡｓの格子定数よりも大きい。

【0024】

障壁層３５の第１領域３５ａは、例えば、Ｐの組成比ｙ＝０．０５のＧａＡｓ_１－ｙＰ_ｙを含む。ＧａＡｓ_０．９５Ｐ_０．０５のバンドギャップは、約１，５ｅＶであり、格子定数は、約５．６４Åである。ＧａＡｓ_０．９５Ｐ_０．０５の格子定数は、ＧａＡｓおよびＩｎ_０．２Ｇａ_０．８Ａｓの格子定数よりも小さい。

【0025】

障壁層３５の第２領域３５ｂは、例えば、Ａｌ_ｚＧａ_１－ｚＡｓ（０＜ｚ＜１）またはＡｌ_ｚＧａ_１－ｚＡｓ_１－ｙＰ_ｙ（０＜ｙ＜１、０＜ｚ＜１）を含む。第２領域３５ｂは、Ａｌを加えた化合物半導体混晶を含み、第１領域３５ａのバンドギャップよりも広いバンドギャップを有する。

【0026】

また、発光層３０では、半導体基板１０の材料と量子井戸層３３の材料との間の格子定数の差に起因する結晶歪を、ＧａＡｓ_１－ｙＰ_ｙ混晶（０＜ｙ＜１）と、Ａｌ_ｚＧａ_１－ｚＡｓ混晶（０＜ｚ＜１）もしくはＡｌ_ｚＧａ_１－ｚＡｓ_１－ｙＰ_ｙ混晶（０＜ｙ＜１、０＜ｚ＜１）と、を含む障壁層３５により補償する。

【0027】

例えば、フォトカップラなどの光結合装置に用いられる発光ダイオードは、シリコンフォトダイオードが感度を有する１μｍ帯の波長を有する光を放出することが好ましい。１μｍ帯の発光ダイオードは、比較的安価なＧａＡｓ基板を用いて製作される。また、１μｍ帯の発光には、Ｉｎの組成比ｘ＝０．１５～０．２を有するＩｎ_ｘＧａ_１－ｘＡｓ混晶を量子井戸層としたＭＱＷ（Multi-Quantum Well）が用いられる。しかしながら、そのようなＩｎＧａＡｓ混晶は、ＧａＡｓの格子定数よりも大きな格子定数を有し、その差に起因した格子歪により、発光効率が低下する問題がある。

【0028】

実施形態に係る発光層３０では、ＧａＡｓの格子定数よりも小さい格子定数を有するＧａＡｓ_１－ｙＰ_ｙ混晶と、Ａｌ_ｚＧａ_１－ｚＡｓ混晶もしくはＡｌ_ｚＧａ_１－ｚＡｓ_１－ｙＰ_ｙ混晶と、を用いて障壁層３５を形成することにより、そのような格子歪を補償し、発光効率を向上させることができる。

【0029】

図３（ａ）および（ｂ）は、実施形態に係る半導体発光装置１の発光層３０のハンド構造を示す模式図である。図３（ａ）は、実施形態に係る発光層３０のバンド構造を示す模式図である。図３（ｂ）は、比較例に係る半導体発光装置２の発光層のバンド構造を示す模式図である。発光層３０内に注入されるキャリアの分布は、電子および正孔のうちの有効質量が小さく拡散長が長い電子により支配される。このため、図３（ａ）および（ｂ）には、伝導帯Ｅｃを示している。

【0030】

図３（ａ）に示すように、発光層３０の伝導帯Ｅｃは、量子井戸層３３と障壁層３５との間のバンドギャップの違いに起因したエネルギーバンドの不連続、所謂、量子井戸を含む。例えば、量子井戸層３３と障壁層３５の第２領域３５ｂとの間のエネルギー障壁は、量子井戸層３３と障壁層３５の第１領域３５ａとの間のエネルギー障壁よりも高い。２つのエネルギー障壁の違いは、量子井戸層３３のＩｎＧａＡｓのバンドギャップとＡｌＧａＡｓもしくはＡｌＧａＡｓＰ混晶のバンドギャップとの差、および、ＩｎＧａＡｓのバンドギャップとＧａＡｓＰ混晶のバンドギャップとの差に起因する。

【0031】

例えば、半導体発光装置１に順バイアスを印加すると、電子は、第１半導体層２０から第２半導体層４０に向かって移動する。第１半導体層２０から発光層３０に注入される電子は、量子井戸に捉えられ、第２半導体層４０から発光層３０へ注入される正孔（図示しない）と再結合する。これにより、所定の波長を有する光が、発光層３０から放出される。

【0032】

図３（ｂ）に示す半導体発光装置２において、発光層中の障壁層３５は、第２領域３５ｂを有しない。このため、電子の移動方向における量子井戸層３３と障壁層３５の第１領域３５ａとの間のエネルギー障壁が低くなる。したがって、伝導帯Ｅｃの量子井戸に捉えられた電子のうちの一部は、正孔と再結合することなく放出される。

【0033】

これに対し、実施形態に係る半導体発光装置１では、障壁層３５の第２領域３５ｂを設けることにより、量子井戸層３３と障壁層３５との間のエネルギー障壁が、発光装置２に比べて高くなる。このため、量子井戸層３３から障壁層３５への電子の放出が抑制される。これにより、半導体発光装置１の発光層３０では、注入キャリアの閉じ込めがより有効になり、発光効率を向上させることができる。

【0034】

図４は、実施形態に係る半導体発光装置１の特性を示すグラフである。図４は、量子井戸層３３の積層方向の幅と、発光強度の関係を示している。横軸は、量子井戸層３３の幅および層数を示している。ここで、量子井戸層３３の全幅（井戸数×層厚）は一定である。縦軸は、フォトルミネッセンス強度（ＰＬ発光強度）である。

【0035】

図４に示すように、量子井戸層３３の幅を４ナノメートル（ｎｍ）よりも狭くすると、ＰＬ発光強度は低下する。一方、量子井戸層３３の幅が４ｎｍ～１０ｎｍの範囲では、ＰＬ発光強度は、一定である。すなわち、量子井戸層３３の積層方向の幅は、４ｎｍ以上であることが好ましい。

【0036】

図５（ａ）および（ｂ）は、実施形態に係る半導体発光装置１の特性を示す別のグラフである。図５（ａ）は、半導体発光装置１の発光効率を表すグラフである。図５（ｂ）は、比較例に係る半導体発光装置２の発光効率を表すグラフである。縦軸は、発光効率であり、横軸は、電流密度である。

【0037】

半導体発光装置１の発光層３０において、量子井戸層３３は、例えば、積層方向の厚さ５ｎｍを有し、Ｉｎ_０．２Ｇａ_０．８Ａｓ混晶を含む。また、発光層３０は、４つの量子井戸層３３を含む。障壁層３５の第１領域３５ａは、例えば、積層方向の厚さ１３ｎｍを有し、ＧａＡｓ_０．９５Ｐ_０．０５を含む。第２領域３５ｂは、例えば、積層方向の厚さ２ｎｍを有し、Ａｌ_０．１Ｇａ_０．９Ａｓ_０．９５Ｐ_０．０５を含む。

【0038】

半導体発光装置２では、量子井戸層３３は、積層方向の厚さ５ｎｍを有し、Ｉｎ_０．２Ｇａ_０．８Ａｓを含む。量子井戸層３３は、４つ設けられる。障壁層３５は、第２領域３５ｂを含まず、第１領域３５ａは、例えば、積層方向の厚さ１５ｎｍを有し、ＧａＡｓ_０．９５Ｐ_０．０５を含む。

【0039】

半導体発光装置１では、発光層３０の伝導帯Ｅｃが比較的高いエネルギー障壁を有するため（図３（ａ）参照）、量子井戸層３３へのキャリアの閉じ込めがより有効となり、量子井戸層３３内のキャリア密度が高くなる。さらに、障壁層３５の第２領域３５ｂを量子井戸層３３に接するように設けることにより、量子井戸層３３にキャリアを効果的に閉じ込めることができる。

【0040】

図５（ａ）に示すように、半導体発光装置１は、電流密度７Ａ／ｃｍ^２において、発光効率の最大値を有する。半導体発光装置１の発光ピーク波長は、９５０ｎｍ、動作電圧は、１．３２Ｖである。

【0041】

図５（ｂ）に示す半導体発光装置２は、電流密度３０Ａ／ｃｍ^２において、発光効率の最大値を有する。半導体発光装置２の発光効率の最大値は、半導体発光装置１の発光効率の最大値よりも低い。

【0042】

例えば、フォトカップラで用いられる発光ダイオードの駆動電流７Ａ／ｃｍ^２の動作条件下において、半導体発光装置１の発光効率は最大となる。また、半導体発光装置１の発光効率の最大値も、半導体発光装置２に比べて大きい。すなわち、障壁層３５に第２領域３５ｂを設けることにより、発光効率を向上させ、電力消費を低減することができる。

【0043】

なお、半導体発光装置１の動作電圧は、半導体発光装置２に比べて、約０．０２Ｖ上昇するが、上昇幅が小さく、発光効率の上昇を伴うことから、その実用性に与える影響は小さい。

【0044】

また、本実施形態の変形例として、Ａｌ_ｚＧａ_１－ｚＡｓ_１－ｙＰ_ｙに代えて、障壁層３５の第２領域３５ｂにＡｌ_ｚＧａ_１－ｚＡｓを用いることもできる。

【0045】

例えば、量子井戸層３３として、積層方向の厚さ５ｎｍのＩｎ_０．２Ｇａ_０．８Ａｓ混晶を用い、その層数を４とする。また、障壁層３５の第１領域３５ａとして、例えば、積層方向の厚さ１３ｎｍのＧａＡｓ_０．９５Ｐ_０．０５混晶を用い、第２領域３５ｂとして、例えば、積層方向の厚さ２ｎｍのＡｌ_０．１Ｇａ_０．９Ａｓ混晶を用いる。これにより、数Ａ／ｃｍ^２の電流密度において、発光効率の最大値を有する半導体発光装置を得ることができる。

【0046】

上記のように、実施形態に係る半導体発光装置１では、ＧａＡｓＰ混晶を用いた障壁層３５の一部を、Ａｌを含む混晶系に置き換えることによりバンドギャップを広げ、キャリアの閉じ込め効果を向上させる。この際、ＧａＡｓＰ混晶による歪補償効果は維持される。

【0047】

上記の化合物半導体混晶は、例えば、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、アルシン（ＡｓＨ_３）、ホスフィン（ＰＨ_３）などを原料とする有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）を用いて形成される。

【0048】

ＭＯＣＶＤ法では、例えば、原料ガスを加熱されたＧａＡｓ基板上に供給し、熱分解させることにより、所望の混晶を成長させることができる。例えば、ＧａＡｓ基板上にＩｎＧａＡｓ混晶を成長させた場合、両者の格子不整合に起因した格子歪を含む結晶が堆積される。ＩｎＧａＡｓ混晶が厚くなるにつれて、この格子歪は大きくなり、弾性変形の臨界点を超えると歪緩和を起こし、結晶欠陥が生じる。このような結晶欠陥は、例えば、発光ダイオードの発光特性を劣化させる。

【0049】

本実施形態では、ＧａＡｓ基板上においてＩｎＧａＡｓ混晶とは逆の格子歪を生じさせるＧａＡｓＰ混晶を形成することにより、両者の格子歪を補償する積層構造が用いられる。例えば、ＭＱＷ構造の量子井戸層３３としてＩｎＧａＡｓ混晶を用いる場合、ＧａＡｓＰ混晶はＩｎＧａＡｓ混晶よりもバンドギャップが広いことから、障壁層３５として用いられる。これにより、ＭＱＷ構造を含む発光層３０の格子歪を抑制し、結晶欠陥を低減することができる。

【0050】

さらに、障壁層３５の一部として、ＧａＡｓＰ混晶よりもバンドギャップが広いＡｌ系混晶を加えることにより、キャリアの閉じ込め効果を向上させ、発光効率をより向上させることができる。

【0051】

しかしながら、ＭＯＣＶＤ法を用いて、Ａｌ系混晶、例えば、Ａｌ_ｚＧａ_１－ｚＡｓ_１－ｙＰ_ｙもしくはＡｌ_ｚＧａ_１－ｚＡｓを成長する過程において、原料に含まれる炭素原子Ｃが、アルミニウム原子Ａｌと結合し、結晶中に取り込まれる問題がある（参考文献：Van Deelen et al.,"Parameter study of intrinsic carbon doping of AlxGa 1-xAs by OCVD". Journal of Crystal Growth, 271 (3-4), pp. 376-384. (2004)）。

【0052】

例えば、炭素原子Ｃは、結晶中においてアクセプタとして働き、ＭＱＷのエネルギーバンド構造を変化させる可能性がある。Ａｌ_ｚＧａ_１－ｚＡｓ_１－ｙＰ_ｙ結晶をＳＩＭＳ（Secondary Ion Mass Spectroscopy）を用いて分析したところ、炭素原子Ｃの濃度は、約２×１０^１７ｃｍ^－３であった。この濃度は、結晶の導電形をｐ形とするのに十分であり、ＭＱＷ中に複数のｐｎ接合を形成する可能性がある。このため、ｐｎ接合近傍の障壁層における電子の再結合確率が高くなり、量子井戸における発光再結合に寄与するキャリアを減少させる。その結果、発光層の発光効率が低くなり、且つ、半導体発光装置の動作電圧を上昇させる懸念がある。また、炭素原子Ｃは、非発光再結合を促進するバンド間準位となる可能性もある。

【0053】

実施形態では、これらの不利益を回避するために、Ａｌ系混晶の積層方向の厚さを薄くして、炭素原子Ｃの含有量を低減する。例えば、動作電圧の上昇を０．１０Ｖ以下に抑えるために、Ａｌ系混晶の厚さを１０ｎｍ以下とすることが好ましい。また、発光効率への影響を抑制するために、Ａｌ系混晶の厚さを５ｎｍ以下とすることがより好ましい。

【0054】

また、Ａｌ系混晶中の炭素濃度は、成長原料ガス中のＴＭＩ、ＴＭＧ、ＴＭＡなどの３族原料と、ＡｓＨ_３およびＰＨ_３などの５族原料と、の比に依存する。例えば、原料ガス中の５族原料の割合が小さくなると、メタン（ＣＨ_４）として排出される炭素量が減少し、結晶中の炭素濃度が上昇する。したがって、ＭＯＣＶＤにおける５族原料の消費を抑制し、製造コストを低減するとしても、結晶中の炭素濃度が２×１０^１７ｃｍ^－３を超えないようにすることが好ましい。

【0055】

実施形態は上記の例に限られるものでは無い。例えば、障壁層３５のＧａＡｓ_１－ｙＰ_ｙ混晶のＰの組成比は、量子井戸層３３のＩｎＧａＡｓ混晶との格子歪補償を考慮した範囲において、膜厚と共に、適宜、調整可能である。また、Ａｌ混晶系のＡｌ組成は、量子井戸へのキャリアの閉じ込め効果と動作電圧とを考慮したうえで、膜厚と共に、適宜、調整可能である。

【0056】

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

【符号の説明】

【0057】

１、２…半導体発光装置、 １０…半導体基板、 ２０…第１半導体層、 ３０…発光層、 ３３…量子井戸層、 ３５…障壁層、 ３５ａ…第１領域、 ３５ｂ…第２領域、 ４０…第２半導体層、 ５０…第３半導体層、 １００…半導体部、 １１０…第１電極、 １２０…第２電極、 Ｅｃ…伝導帯

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】