JP3725773B2

JP3725773B2 - 発光ダイオード

Info

Publication number: JP3725773B2
Application number: JP2000325929A
Authority: JP
Inventors: 光邦赤井
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2000-10-25
Filing date: 2000-10-25
Publication date: 2005-12-14
Anticipated expiration: 2020-10-25
Also published as: JP2002134784A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、表示板などに使用される赤色発光ダイオードおよび距離測定センサ用の赤外発光ダイオードに関する。
【０００２】
【従来の技術】
表示板および距離測定センサなどに使用される発光ダイオードは、通常、Ｎ型ＧａＡｌＡｓ（Ｎ型クラッド層）／Ｐ型ＧａＡｌＡｓ（Ｐ型活性層）／Ｐ型ＧａＡｌＡｓ（Ｐ型クラッド層）の３層から成るダブルヘテロ構造であり、クラッド層のＡｌ混晶比は活性層よりも高くなっている。この構造によって、活性層に注入されたキャリアが層厚の薄い活性層に閉じ込められ、かつ光の取出し効率が上がり高い発光出力が得られる。また、所望する発光波長により活性層のＡｌ混晶比は決まり、Ａｌ混晶比が０の場合は、ＧａＡｓの発光波長である赤外光（波長λ＝８７０ｎｍ）になる。Ａｌ混晶比を増加させて約０．３とすると赤色発光になる。
【０００３】
電流密度が低い場合に、活性層の不純物濃度を増加させると、発光効率は単調に減少するか、またはある値でピークとなる。そのピークの値は、活性層における電流密度によって変化し、電流密度が充分高くなると一定となる（約２００Ａ／ｃｍ²以上）。
【０００４】
活性層の不純物濃度が発光効率のピークとなる不純物濃度よりも低い場合には、活性層に注入された電子は接合部の空乏層内での再結合により減少し、発光効率が低くなる。ピークとなる不純物濃度よりも高い場合は、活性層内で発光した光が活性層内で再吸収することにより、発光効率が低くなる。このため、従来、活性層の不純物濃度は、発光効率がピークとなる濃度としている。
【０００５】
また発光ダイオードは、長時間の電流駆動（たとえば５０ｍＡの電流）によりＧａＡｓ基板およびクラッド層の結晶欠陥が増殖し、その結晶欠陥が活性層に達すると、活性層に注入されたキャリアの再結合が増加し、発光効率が低下する。シャープ技報第２２号（昭和５７年３月）６９〜７７ページによれば、結晶欠陥の増殖は、駆動電流（電流密度）、周囲温度、活性層の不純物濃度などに依存していると考えられる。従来、５０ｍＡの電流を３００μｍ角の素子全体に流すような電流密度があまり高くない場合は、活性層の不純物濃度を高くした方が信頼性が良いという結果が得られている。このときの活性層の不純物濃度と初期発光効率との関係を図３（Ａ）の曲線で示す。すなわち、高い信頼性を得るために初期不純物濃度を高くすると、初期発光効率がきわめて低くなってしまう。しかし電流密度が高くない場合は、実用上発光効率を優先して、初期発光効率がピークとなる不純物濃度を用いている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
近年、距離測定センサなどに用いられる発光ダイオードは、光の到達距離を伸ばすために高い出力が要求され、電流をチップの一部に流す電流狭窄型の発光ダイオードが用いられるようになってきた。このような高出力発光ダイオードでは、発光点を小さくし、ダイオードチップの一部分にのみ集中して電流を流すので電流密度が高くなり、信頼性が特に問題になる。従来のように、活性層の不純物濃度を初期発光効率が一番高い濃度に設定した場合には、初期発光効率は高いが電流通電により結晶欠陥が増殖し、発光効率が低下してしまう。
【０００７】
本発明の目的は、発光効率を落とすことなく高い信頼性を確保した発光ダイオードを提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、活性層の発光効率の不純物濃度依存性におけるピークが、電流密度によって変わらない大電流密度で使用されるダブルヘテロ構造の電流狭窄型発光ダイオードであって、
Ｐ型ＧａＡｓ半導体基板、Ｎ型ＧａＡｌＡｓクラッド層、Ｐ型ＧａＡｌＡｓ活性層、Ｐ型ＧａＡｌＡｓクラッド層を有し、
電流密度を２００Ａ／ｃｍ^２以上で使用する場合に、前記Ｐ型ＧａＡｌＡｓ活性層の不純物濃度であるマグネシウム濃度を、発光効率がピークとなるマグネシウム濃度よりも高い濃度である３×１０¹⁷／ｃｍ³以上７．５×１０¹⁷／ｃｍ³以下としたことを特徴とする発光ダイオードである。
【０００９】
本発明に従えば、Ｐ型ＧａＡｓ半導体基板、Ｎ型ＧａＡｌＡｓクラッド層、Ｐ型ＧａＡｌＡｓ活性層、Ｐ型ＧａＡｌＡｓクラッド層を有し、Ｐ型ＧａＡｌＡｓ活性層の不純物濃度であるマグネシウム濃度を、発光効率がピークとなるマグネシウム濃度よりも高い濃度である３×１０¹⁷／ｃｍ³以上７．５×１０¹⁷／ｃｍ³以下としているので、発光効率を落とすことなく、結晶欠陥の増殖を抑制して高い信頼性を確保することができる。
【００１０】
特に、２００Ａ／ｃｍ^２以上の大電流密度で使用するような場合は、結晶欠陥の増殖がより顕著なものとなるが、本発明では、結晶欠陥の増殖を抑制して高い信頼性を確保することができる。
【００１１】
さらに、電流狭窄型発光ダイオードであるので、高出力であっても発光効率を落とすことなく高い信頼性を確保することができ、Ｐ型半導体基板を有することで、より高い発光効率が得られる。
【００１２】
また本発明は、カソード電極と前記Ｎ型ＧａＡｌＡｓクラッド層との間にウインドウ層を備えることを特徴とする。
【００１３】
本発明に従えば、カソード電極とＮ型ＧａＡｌＡｓクラッド層との間にウインドウ層を備えることで、より高い発光効率が得られる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の実施の一形態である発光ダイオード１０の断面図である。発光ダイオード１０は、Ｎ型ＧａＡｌＡｓウインドウ層１、Ｎ型ＧａＡｌＡｓクラッド層２、Ｐ型ＧａＡｌＡｓ活性層３、Ｐ型ＧａＡｌＡｓクラッド層４、Ｎ型ＧａＡｓブロック層５、Ｐ型ＧａＡｓ基板６、カソード電極７およびアノード電極８から構成される。
【００１７】
Ｎ型ＧａＡｌＡｓウインドウ層１は、Ｐ型ＧａＡｌＡｓ活性層３からの光を損失なく放射させるための窓層である。Ｐ型ＧａＡｌＡｓ活性層３は、キャリアの注入によって発光する活性層である。Ｎ型ＧａＡｌＡｓクラッド層２およびＰ型ＧａＡｌＡｓクラッド層４は、Ｐ型ＧａＡｌＡｓ活性層３内への注入キャリアを閉じ込めるためのクラッド層である。Ｎ型ＧａＡｓブロック層５は、活性層発光領域に電流を集中させるためのブロック層である。Ｐ型ＧａＡｓ基板６は各層を保持するための基板であり、カソード電極７およびアノード電極８は、電流を通電するための電極である。
【００１８】
図２は、発光ダイオード１０の製造工程を示す図である。前記各半導体層は、エピタキシャル成長により形成される。エピタキシャル工程では、まずＰ型ＧａＡｓ基板６の上にＮ型ＧａＡｓブロック層５を成長させる（ａ）。形成されたＮ型ＧａＡｓブロック層５をフォトエッチ技術により発光部に当たる部分にのみ（エッチングエリア）を選択的に部分エッチングする（ｂ）。次に前記Ｎ型ＧａＡｓブロック層５の上にＰ型ＧａＡｌＡｓクラッド層４、Ｐ型ＧａＡｌＡｓ活性層３、Ｎ型ＧａＡｌＡｓクラッド層２、Ｎ型ＧａＡｌＡｓウインドウ層１を順次エピタキシャル成長させる。このとき、活性層３の不純物であるマグネシウムの濃度を２×１０¹⁷／ｃｍ³以上とする。表面にカソード電極７、裏面にアノード電極８をスパッタリングで形成し、フォトエッチングによりカソード電極７の発光部にあたる部分をエッチングする。
【００１９】
上記のように製造した発光ダイオード１０は、活性層３の発光部付近のみを電流が流れる電流狭窄型発光ダイオードであり、活性層の微小領域に電流が集中するため、電流密度が高く発光出力が大きくなる。
【００２０】
また、ＧａＡｓ基板およびエピタキシャル成長中の各層で結晶欠陥が発生し、通電時間の増加に伴い増殖する。電流密度が高い条件下での結晶欠陥の増殖はより顕著である。結晶欠陥の増殖は、活性層における非発光領域の増加を引き起こして発光ダイオードの発光効率を低下させる。活性層に不純物をドープすることによって結晶欠陥の増殖を抑制し、発光効率の低下を防ぐことができる。活性層にドーピングする不純物としては、マグネシウムを用いた場合、結晶欠陥の増殖を効果的に抑制し、最も信頼性の高い発光ダイオードが得られる。
【００２１】
また、基板については、Ｎ型基板よりＰ型基板の方が高い発光効率が得られる。
【００２２】
図３は、相対初期光出力（初期発光効率）の活性層不純物濃度依存性を示すグラフである。本発明の発光ダイオード１０の相対初期光出力（初期発光効率）に対する活性層不純物濃度依存性を（Ｂ）の曲線に示す。このときの電流密度は、３００ｍＡの電流を直径１５０μｍの発光領域に注入しているので、およそ１．７ｋＡ／ｃｍ²となる。従来の電流密度は、たとえば（Ａ）の場合、およそ５６Ａ／ｃｍ²となる。グラフから分かるように本発明の発光ダイオード１０の初期発光効率は、不純物濃度が１．５×１０¹⁷／ｃｍ³のときにピークとなる。その濃度よりも低い場合、および高い場合に相対初期発光効率は低くなる。
【００２３】
図４は、発光ダイオード１素子当たりの平均ダークエリア数の活性層不純物濃度依存性を示すグラフである。ダークエリアは、発光領域において、点欠陥および線欠陥により発生する非発光領域であり、点欠陥の場合をダークスポット、線欠陥の場合をダークラインという。グラフ縦軸のダークエリア数は、本発明の発光ダイオード１０の長期信頼性試験におけるダークエリアの相対値、すなわち１素子の面積中に含まれるダークスポットおよびダークラインの個数を表している。本実施形態での１素子の面積は、３００μｍ角であるので、３０ｍｍ角のウエハに１００００個のダークスポットおよびダークラインがある場合にダークエリア数は１となる。グラフからわかるように、活性層の不純物濃度が増加すると、ダークエリアの数は減少する。不純物濃度が３×１０¹⁷／ｃｍ³の場合、ダークエリアの数はほとんど０となり、高い信頼性を有する発光ダイオードが得られる。
【００２４】
初期発光効率およびダークエリア数の不純物濃度依存性から、Ｐ型ＧａＡｌＡｓ活性層３の不純物濃度を、初期発光効率がピークとなる濃度より高い２×１０¹⁷／ｃｍ³以上とする（３×１０¹⁷／ｃｍ³以上であればより望ましい）ことで、結晶欠陥の増殖による発光効率の低下を防ぎ、大電流密度条件においても高い信頼性を確保することができる。
【００２５】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、発光効率を落とすことなく、結晶欠陥の増殖を抑制して高い信頼性を確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の一形態である発光ダイオード１０の断面図である。
【図２】発光ダイオード１０の製造工程を示す図である。
【図３】相対初期光出力（初期発光効率）の活性層不純物濃度依存性を示すグラフである。
【図４】発光ダイオード１素子当たりの平均ダークエリア数の活性層不純物濃度依存性を示すグラフである。
【符号の説明】
１Ｎ型ＧａＡｌＡｓウインドウ層
２Ｎ型ＧａＡｌＡｓクラッド層
３Ｐ型ＧａＡｌＡｓ活性層
４Ｐ型ＧａＡｌＡｓクラッド層
５Ｎ型ＧａＡｓブロック層
６Ｐ型ＧａＡｓ基板
７カソード電極
８アノード電極

Claims

活性層の発光効率の不純物濃度依存性におけるピークが、電流密度によって変わらない大電流密度で使用されるダブルヘテロ構造の電流狭窄型発光ダイオードであって、
Ｐ型ＧａＡｓ半導体基板、Ｎ型ＧａＡｌＡｓクラッド層、Ｐ型ＧａＡｌＡｓ活性層、Ｐ型ＧａＡｌＡｓクラッド層を有し、
電流密度を２００Ａ／ｃｍ^２以上で使用する場合に、前記Ｐ型ＧａＡｌＡｓ活性層の不純物濃度であるマグネシウム濃度を、発光効率がピークとなるマグネシウム濃度よりも高い濃度である３×１０¹⁷／ｃｍ³以上７．５×１０¹⁷／ｃｍ³以下としたことを特徴とする発光ダイオード。
カソード電極と前記Ｎ型ＧａＡｌＡｓクラッド層との間にウインドウ層を備えることを特徴とする請求項１記載の発光ダイオード。