JPH04282875A - 発光ダイオ−ド - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明はＺｎをドープしたｐ型
ＩｎＰ基板の上に形成されるダブルヘテロ型の発光ダイ
オ−ドに関する。

【０００２】

【従来の技術】発光ダイオ−ドは、ＧａＡｓ、ＩｎＰな
どＩＩＩ　−Ｖ族化合物半導体基板の上にＩＩＩ　−Ｖ
族混晶半導体を幾層にもエピタキシャル成長することに
よって作られる。よく知られた発光ダイオ−ドはｎ型Ｇ
ａＡｓ基板の上へ、ＡｌＧａＡｓの混晶、ＧａＡｓの薄
膜をエピタキシャル成長させてダブルヘテロ構造とした
ものである。ｎ型基板の上にｎ型クラッド層、ノンドー
プ（或は低濃度のｐ型）活性層、ｐ型クラッド層、ｐ型
コンタクト層などが積層されていた。ｎ型の方がｐ型よ
り比抵抗が小さく、基板による抵抗を小さくするために
はｎ型基板の方が都合が良かったのである。またｎ型基
板の方がオ−ミック接合電極を作りやすい。

【０００３】ＧａＡｓ系の発光素子は０．７〜０．８μ
ｍの波長の光を出すが、より長波長の１．３μｍ程度の
光を生ずるためにはＩｎＰ系の発光素子を使う。もとも
とＧａＡｓ系発光素子の開発をしていた技術者がＩｎＰ
系発光素子の開発を進めることになったので、ｎ型Ｉｎ
Ｐ基板の上にＩｎＧａＡｓＰ、ＩｎＰの薄膜を積層して
ｐｎ接合を作るようにした。現在でもｎ型ＩｎＰ基板を
用いた発光ダイオ−ドが主流である。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ｎ型ＩｎＰ基板の場合
と違ってｐ型ＩｎＰ基板は新たな問題を生ずる。埋め込
み層、活性層についての研究は盛んであるが基板自体に
ついては考慮が十分になされていない。電子移動度が正
孔移動度の２０〜３０倍であるのでｎ型基板の場合低抵
抗であってドーパントの量は少なくて良い。しかしｐ型
ＩｎＰ基板を使うとなるとこれを低抵抗にするには多く
のドーパントを入れる必要がある。ＩｎＰに対するｐ型
ド−パントとしてＺｎ、Ｍｇ、Ｂｅ等がある。ここでは
Ｚｎをド−パントとしたものを対象にする。基板はエピ
タキシャル膜に比べ格段に厚いからことさら低抵抗にし
なければならない。

【０００５】発光ダイオ−ドの場合基板から発光するわ
けではないので光の吸収という問題もないはずで、基板
は電気的特性だけが問題になるものと考えられた。この
ため基板の特性評価はもっぱらキャリヤ濃度によってな
されていた。Ｚｎをド−ピングしたときもキャリヤ濃度
がいくらというように基板の特性が指定される。例えば
キャリヤ濃度が５×１０１８ｃｍ−３のＩｎＰ基板とい
うように指定される。キャリヤ濃度はＨａｌｌ測定によ
り簡単に測定することができるので確かめるのも簡単で
ある。しかしながら同じようにキャリヤ濃度を規定して
もその基板の上に作った発光ダイオ−ドはその特性にバ
ラツキがある。あるものは良好に発光するが他のものは
発光効率が低い。エピタキシャル層の方から発光する通
常のものではそれほどでもないが、基板側から光をとり
だすようにした発光ダイオ−ドの場合に特性のばらつき
が大きい。

【０００６】これは未知の変数があってこれが制御され
ていないということである。本発明者は様々な実験を繰
り返したところ、キャリヤ濃度（正孔濃度）が一定であ
ってもド−パントであるＺｎの濃度が異なる場合が多い
ということを見いだした。これは何故であろうか？従来
はＳｉのド−ピングと同じようにＩｎＰにおいても、ド
−パントの濃度とキャリヤ濃度が同一だと考えられてい
た。しかしＩｎＰ基板にＺｎをド−ピングした時ある程
度まではド−パントの濃度とキャリヤ濃度が同じである
が、それ以上になるとキャリヤ濃度が飽和するという現
象がある。これは本発明者が初めて見いだしたものであ
る。

【０００７】もちろんド−パントを大量に加えるとこれ
らが活性化されず正孔を供出しないものがでてくるとい
うようなことはだれでも予想していたことであるが、実
際に使用される基板のド−パント濃度では問題がないと
考えられていた。ところがそうではなかった。基板にド
−ピングする程度の低いド−パント濃度に対してキャリ
ヤ濃度の飽和が現実に起こる。従来基板の特性を指定す
るためキャリヤ濃度だけで十分とされていたので、実際
のＺｎ濃度を測定するということが行われていなかった
。原子発光分析、ＳＩＭＳなど破壊検査になるので実行
しにくいという理由もあった。

【０００８】そこで本発明者はＺｎのド−ピング量を変
えて多様なｐ型ＩｎＰ基板を作り、キャリヤ濃度の他に
ド−パント濃度も測定した。その結果予想しないような
ことが起こっているのが分かった。

【０００９】図１に本発明者がＬＥＣ法で引き上げたＺ
ｎドープＩｎＰ単結晶中のＺｎ原子濃度とキャリヤ（正
孔）濃度の測定結果を示す。横軸はＺｎ原子濃度で原子
発光分析によって測定している。縦軸は同じ単結晶の正
孔濃度でＨａｌｌ測定によっている。Ｚｎ原子濃度が２
．４×１０１８ｃｍ−３、３．８×１０１８ｃｍ−３の
場合は、正孔濃度は２．４×１０１８ｃｍ−３、３．７
×１０１８ｃｍ−３である。

【００１０】ところがＺｎ濃度が４×１０１８ｃｍ−３
を越えると、正孔濃度がＺｎ濃度から大きくずれてくる
。Ｚｎ濃度が４．８×１０１８ｃｍ−３のとき、正孔濃
度（キャリヤ濃度）が４．４×１０１８ｃｍ−３であり
、後者が０．４×１０１８ｃｍ−３低くなっている。Ｚ
ｎ濃度が５．４×１０１８ｃｍ−３の場合、正孔濃度は
４．８×１０１８ｃｍ−３である。この場合０．６×１
０１８ｃｍ−３の差がある。Ｚｎ濃度が７．４×１０１
８ｃｍ−３の場合は、キャリヤ濃度が５．１×１０１８
ｃｍ−３であり、２．３×１０１８ｃｍ−３の差がある
。

【００１１】キャリヤ濃度だけからこれを見ていると、
ｐ＝４．４×１０１８ｃｍ−３、ｐ＝５．１×１０１８
ｃｍ−３の場合、キャリヤ濃度は０．７×１０１８ｃｍ
−３しか違わないのに、Ｚｎ原子濃度は４．８×１０１
８ｃｍ−３、７．４×１０１８ｃｍ−３であって、後者
は前者の１．５倍ものＺｎが添加されているということ
になる。

【００１２】そこで本発明者は〔キャリヤ濃度〕／〔Ｚ
ｎ濃度〕を活性化率と名付け、図１と同じデータについ
てＺｎ原子濃度の函数として活性化率を図２に示した。 Ｚｎ濃度が３×１０１８ｃｍ−３以下では活性化率は１
００％である。Ｚｎ濃度が３〜５×１０１８ｃｍ−３で
活性化率は９７〜９５％程度である。ところがＺｎ濃度
が５×１０１８ｃｍ−３を越えると活性化率は急激に低
下する。〔Ｚｎ〕＝５．４×１０１８ｃｍ−３のとき活
性化率は８５％、〔Ｚｎ〕＝６．２×１０１８ｃｍ−３
のとき活性化率は７７％、〔Ｚｎ〕＝７．４×１０１８
ｃｍ−３のとき活性化率は６７％である。

【００１３】これの理由は次のように考えられる。Ｚｎ
濃度が低くなると、ＺｎがＩｎＰ格子の中でＩｎサイト
を置換せず原子間の位置を占めるようになる。この場合
はＺｎが電子を引き付けるという作用がなく、ひとつの
正孔を発生しないものと考えられる。つまりキャリヤを
生じない眠ったＺｎになるのである。眠っているだけな
ら良いのであるがＺｎが基板中に高濃度で存在するとこ
れが光を吸収する。特に基板側から光を取り出すタイプ
の発光ダイオ−ドの場合Ｚｎ原子による光の吸収が無視
できない。例えばｐ＝５×１０１８ｃｍ−３と規定して
基板を選別しても、Ｚｎ濃度の高いものも低いものもあ
り、Ｚｎ濃度が高いと光の吸収が大きく発光効率が低下
する。

【００１４】このような事から分かることは、Ｚｎドー
プｐ型ＩｎＰ基板の品質を指定するためにキャリヤ濃度
（ｐ）だけを使ってはならず、Ｚｎ濃度をも使わなけれ
ばならないということである。もうひとつはＺｎ濃度が
多き過ぎてはならないということである。Ｚｎによる光
の吸収が起こらず電気抵抗を低くするためＺｎ濃度を適
当な範囲に限定しなければならない。このような発見に
基づき、Ｚｎをド−パントとするｐ−ＩｎＰ基板の上に
形成された発光ダイオ−ドであって、Ｚｎによる光の吸
収が少なく高温でも良好に動作する発光ダイオ−ドを提
供することが本発明の目的である。

【００１５】

【課題を解決するための手段】本発明の発光ダイオ−ド
は、ｐ−ＩｎＰ基板の上に、ｐ−ＩｎＰ第１クラッド層
、ｐ−ＧａＩｎＡｓＰ活性層、ｎ−ＩｎＰ第２クラッド
層、及びｎ−ＧａＩｎＡｓＰコンタクト層とを有する発
光ダイオ−ドにおいて、ｐ−ＩｎＰ基板のｐ型ド−パン
トである亜鉛の原子濃度を３〜７×１０１８ｃｍ−３と
した事を特徴とする。さらに望ましくは、ｐ−ＩｎＰ基
板のｐ型ド−パントである亜鉛の原子濃度を４〜５×１
０１８ｃｍ−３とする。

【００１６】より詳しくその他の構造も定義すると本発
明の発光ダイオ−ドは、ｐ−ＩｎＰ基板の上に、ｐ−Ｉ
ｎＰ第１クラッド層、ｐ−ＧａＩｎＡｓＰ活性層、ｎ−
ＩｎＰ第２クラッド層、及びｎ−ＧａＩｎＡｓＰコンタ
クト層とを有し、ｐ−ＩｎＰ基板とｎ−ＧａＩｎＡｓコ
ンタクト層に電極を有する発光ダイオ−ドにおいて、ｐ
−ＩｎＰ基板のｐ型ド−パントである亜鉛の原子濃度を
３〜７×１０１８ｃｍ−３とし、ｐ−ＩｎＰ第１クラッ
ド層の厚みが１．５μｍ以下でｐ型キャリヤ濃度が２×
１０１７〜１×１０１８ｃｍ−３であり、ｐ−ＧａＩｎ
ＡｓＰ活性層の厚みが０．１〜２．０μｍでｐ型キャリ
ヤ濃度が２×１０１７〜３×１０１８ｃｍ−３であり、
ｎ−ＩｎＰ第２クラッド層のｎ型キャリヤ濃度が２×１
０１８ｃｍ−３以下であり、かつｐｎ接合の位置がｐ−
ＧａＩｎＡｓＰ活性層とｎ−ＩｎＰ第２クラッド層との
界面にあることを特徴とする。

【００１７】

【作用】本発明の発光ダイオ−ドにおいてはｐ型ＩｎＰ
基板中の正孔濃度を規定するのではなく、Ｚｎ濃度を３
〜７×１０１８ｃｍ−３と規定している。図２に示した
ようにＺｎ濃度が３〜７×１０１８ｃｍ−３であると活
性化率は７０％以上である。またキャリヤ濃度は４．９
×１０１８ｃｍ−３以下である。７×１０１８ｃｍ−３
というのはＺｎによって基板での光吸収が過度に増加し
ない上限である。 ３×１０１８ｃｍ−３というのはｐ型基板の電気抵抗が
高くなり過ぎないための下限である。従って本発明で用
いる基板は電気抵抗が低く光の吸収の少ない最適の基板
である。既に述べたようにかなり低いド−プ量でもＺｎ
ドープＩｎＰ基板の中で漠然と信じられていた〔Ｚｎ濃
度〕＝〔正孔濃度〕という等式が成立しない。正孔濃度
で規定しても正しくＺｎの濃度を規定したことにはなら
ない。

【００１８】従来ｐ型（Ｚｎドープ）ＩｎＰ基板は、正
孔移動度が低く（電子の１／２０〜１／３０）高抵抗に
なりやすいのでできるだけＺｎを多くドープして低抵抗
化を企っていた。例えばｐ＝５．０×１０１８ｃｍ−３
のｐ型ＩｎＰ基板を使うものとする。本発明者の方法と
同じ製造方法であるとすればＺｎ濃度に直すと７．２×
１０１８ｃｍ−３以上に当たる。これ以上で正孔濃度が
飽和するので、Ｚｎ濃度は８〜１０×１０１８ｃｍ−３
であるのかも知れない。このようにＺｎ濃度が高いとＺ
ｎによる光の吸収が多くなって発光特性を低下させ望ま
しくない。

【００１９】

【実施例】Ｚｎをドープして液体封止チョクラルスキー
法（ＬＥＣ）で引き上げたｐ型ＩｎＰ単結晶を薄くスラ
イスしエッチング、研磨等の加工をしたウエハを基板と
して発光ダイオ−ドを作製した。本発明の効果を調べる
ために基板の中のＺｎ濃度が異なるものを用意した。

【００２０】Ｚｎ濃度の違う５種類のｐ型ＩｎＰ基板の
上へダブルヘテロ型の発光ダイオ−ドを液相エピタキシ
ーによって作製した。図３に発光ダイオ−ドの構造を示
す。これは基板の方から光を出射するようにしたもので
広く用いられているものではない。こうすると発光部と
光ファイバの先端（図示せず）を極めて近くにまで近接
できるので入射効率が良い。基板がＺｎをド−プしたｐ
−ＩｎＰである。この上にｐ−ＩｎＰクラッド層、Ｉｎ
ＧａＡｓＰ活性層、ｎ−ＩｎＰクラッド層、ｎ−ＩｎＧ
ａＡｓＰコンタクト層が下記のようにエピタキシャル成
長によって設けられる。

【００２１】 ■　　ｐ−ＩｎＰクラッド層　　　　（第１クラッド層
）Ｚｎ濃度　　　　６〜７×１０１７ｃｍ−３，厚さ０
．５μｍ■　　ｐ−ＩｎＧａＡｓＰ活性層 （Ｉｎ０．７３Ｇａ０．２７Ａｓ０．５７Ｐ０．４３）
Ｚｎ濃度　　　　１〜２×１０１８ｃｍ−３，厚さ１．
５μｍ■　　ｎ−ＩｎＰクラッド層　　　　（第２クラ
ッド層）Ｓｉ濃度　　　　８〜１０×１０１７ｃｍ−３
，厚さ０．５μｍ■　　ｎ−ＩｎＧａＡｓＰコンタクト
層，厚さ０．５μｍ（Ｉｎ０．７９Ｇａ０．２１Ａｓ０
．４４Ｐ０．５６）である。エピタキシャル層は電流と
光を集中させるためにメサ型に両側を除去してある。基
板下面のｐ型電極はリング電極になっている。中央部に
光を通すためである。パッケ−ジの穴にハンダ層によっ
てｐ側電極の部分が固定される。活性層から出た光は基
板を通りパッケ−ジの穴から外部に出射される。だから
基板での光の吸収が少なくなければならない。

【００２２】■のｐ−ＩｎＰ第１クラッド層は一般に厚
みが１．５μｍ以下であることが望ましい。キャリヤ濃
度は２×１０１７ｃｍ−３から１×１０１８ｃｍ−３で
あるようにする。■のｐ−ＧａＩｎＡｓＰ活性層はｐ型
キャリヤ濃度が２×１０１７ｃｍ−３〜３×１０１８ｃ
ｍ−３とし、厚みは０．１〜２．０μｍとする。■のｎ
−ＩｎＰ第２クラッド層はｎ型キャリヤ濃度が２×１０
１８ｃｍ−３以下であるようにする。ｐ型ＩｎＰ基板の
Ｚｎ濃度は（ａ）２×１０１８ｃｍ−３　　（ｂ）３×
１０１８ｃｍ−３　　（ｃ）４．５×１０１８ｃｍ−３
　　（ｄ）６．５×１０１８ｃｍ−３　　（ｅ）７．５
×１０１８ｃｍ−３とした。

【００２３】周囲温度を２０℃〜８０℃に変えてそれぞ
れの温度に於ける電流、光出力特性を測定した。この中
で最も特性の優れているのは（ｃ）〔Ｚｎ〕＝４．５×
１０１８ｃｍ−３の基板を使った発光ダイオ−ドであっ
た。 次に良いのは（ｄ）〔Ｚｎ〕＝６．５×１０１８ｃｍ−
３の基板を使った発光ダイオ−ドであり、３番目に良い
のは（ｂ）〔Ｚｎ〕＝３×１０１８ｃｍ−３の基板を使
ったものである。４番目のものは（ａ）〔Ｚｎ〕＝２×
１０１８ｃｍ−３の基板の上に作った発光ダイオ−ドで
、（ｅ）〔Ｚｎ〕＝７．５×１０１８ｃｍ−３のものが
最も悪かった。これは基板のＺｎによる光吸収が増える
ためと考えられる。このような結果からｐ型ＩｎＰ基板
のＺｎ濃度は４〜５×１０１８ｃｍ−３であるのが最良
であり、３〜７×１０１８ｃｍ−３であれば十分性能を
発揮するという事が分かる。

【００２４】これは基板側から発光するタイプの発光ダ
イオ−ドであるが、図４に示すようなエピタキシャル層
の側から光が出るような普通の形式の発光ダイオ−ドに
も本発明を適用することができる。これはｐ−ＩｎＰ基
板の上にｐ−ＩｎＰクラッド層、ｎ−ＩｎＧａＡｓＰ活
性層、ｎ−ＩｎＰクラッド層、ｎ−ＩｎＧａＡｓＰコン
タクト層を成長させ、基板にｐ側電極を全面に付け、ｎ
−ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層にリング状のｎ側電極を
付けたものである。透明の絶縁層から光が出てゆく。

【００２５】

【発明の効果】ｐ型ＩｎＰ基板を用いて発光ダイオ−ド
が作られるが従来は品質評価をキャリヤ濃度で行ってい
たので隠れたパラメータを見落とすことになり一定の特
性のものを再現性良く作るということが難しかった。本
発明はＩｎＰ基板中にＺｎをある程度以上にド−ピング
すると、Ｚｎ濃度に対してキャリヤ濃度が飽和し、飽和
濃度の近傍に於いてキャリヤ濃度を指定してもＺｎ原子
の濃度は一義的に規定されないことを明らかにしている
。またＺｎ濃度が３〜７×１０１８ｃｍ−３としている
のでＺｎによる光の吸収が大きくならず基板の電気抵抗
も小さく極めて発光効率の良い発光ダイオ−ドを提供す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】ＩｎＰ基板にド−プしたＺｎ原子濃度とキャリ
ヤ濃度の測定値を示すグラフ。

【図２】ＩｎＰ基板にＺｎをド−プした時のＺｎ原子濃
度と活性化率の測定値を示すグラフ。

【図３】ｐ型ＩｎＰ基板を用いた発光ダイオ−ドで基板
の方から光を出射するようにしたものをパッケ−ジに実
装した状態の概略断面図。

【図４】ｐ型ＩｎＰ基板を用いた発光ダイオ−ドでエピ
タキシャル層の方から光を出射するようにした素子の概
略断面図。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　ｐ−ＩｎＰ基板の上に、ｐ−ＩｎＰ第
   １クラッド層、ｐ−ＧａＩｎＡｓＰ活性層、ｎ−ＩｎＰ
   第２クラッド層、及びｎ−ＧａＩｎＡｓＰコンタクト層
   を有するダブルヘテロ構造の発光ダイオ−ドにおいて、
   ｐ−ＩｎＰ基板のｐ型ド−パントである亜鉛の原子濃度
   を３〜７×１０１８ｃｍ−３とした事を特徴とする発光
   ダイオ−ド。
2. 【請求項２】　　ｐ−ＩｎＰ基板の上に、ｐ−ＩｎＰ第
   １クラッド層、ｐ−ＧａＩｎＡｓＰ活性層、ｎ−ＩｎＰ
   第２クラッド層、及びｎ−ＧａＩｎＡｓＰコンタクト層
   を有するダブルヘテロ構造の発光ダイオ−ドにおいて、
   ｐ−ＩｎＰ基板のｐ型ド−パントである亜鉛の原子濃度
   を４〜５×１０１８ｃｍ−３とした事を特徴とする発光
   ダイオ−ド。
3. 【請求項３】　　ｐ−ＩｎＰ基板の上に、ｐ−ＩｎＰ第
   １クラッド層、ｐ−ＧａＩｎＡｓＰ活性層、ｎ−ＩｎＰ
   第２クラッド層、及びｎ−ＧａＩｎＡｓＰコンタクト層
   を有し、ｐ−ＩｎＰ基板とｎ−ＧａＩｎＡｓコンタクト
   層に電極を有するダブルヘテロ型の発光ダイオ−ドにお
   いて、ｐ−ＩｎＰ基板のｐ型ド−パントである亜鉛の原
   子濃度を３〜７×１０１８ｃｍ−３とし、ｐ−ＩｎＰ第
   １クラッド層の厚みが１．５μｍ以下でｐ型キャリヤ濃
   度が２×１０１７〜１×１０１８ｃｍ−３であり、ｐ−
   ＧａＩｎＡｓＰ活性層の厚みが０．１〜２．０μｍでｐ
   型キャリヤ濃度が２×１０１７〜３×１０１８ｃｍ−３
   であり、ｎ−ＩｎＰ第２クラッド層のｎ型キャリヤ濃度
   が２×１０１８ｃｍ−３以下であり、かつｐｎ接合の位
   置がｐ−ＧａＩｎＡｓＰ活性層とｎ−ＩｎＰ第２クラッ
   ド層との界面にあることを特徴とする発光ダイオ−ド。
4. 【請求項４】　　ｐ−ＩｎＰ基板の上に、ｐ−ＩｎＰ第
   １クラッド層、ｐ−ＧａＩｎＡｓＰ活性層、ｎ−ＩｎＰ
   第２クラッド層、及びｎ−ＧａＩｎＡｓＰコンタクト層
   を有し、ｐ−ＩｎＰ基板とｎ−ＧａＩｎＡｓコンタクト
   層に電極を有する発光ダイオ−ドにおいて、ｐ−ＩｎＰ
   基板のｐ型ド−パントである亜鉛の原子濃度を３〜７×
   １０１８ｃｍ−３とし、ｐ−ＩｎＰ第１クラッド層の厚
   みが１．５μｍ以下で亜鉛の原子濃度が２×１０１７〜
   １×１０１８ｃｍ−３であり、ｐ−ＧａＩｎＡｓＰ活性
   層の厚みが０．１〜２．０μｍで亜鉛の原子濃度が２×
   １０１７〜３×１０１８ｃｍ−３でありｎ−ＩｎＰ第２
   クラッド層のｎ型キャリヤ濃度が２×１０１８ｃｍ−３
   以下であり、かつｐｎ接合の位置がｐ−ＧａＩｎＡｓＰ
   活性層とｎ−ＩｎＰ第２クラッド層との界面にあること
   を特徴とする発光ダイオ−ド。