JPH04313281A

JPH04313281A - 発光ダイオード

Info

Publication number: JPH04313281A
Application number: JP3077827A
Authority: JP
Inventors: Tsunehiro Unno; 恒弘海野
Original assignee: Hitachi Cable Ltd
Current assignee: Hitachi Cable Ltd
Priority date: 1991-04-10
Filing date: 1991-04-10
Publication date: 1992-11-05
Anticipated expiration: 2013-06-11
Also published as: JP2765256B2

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】本発明はダブルヘテロ構造の発光
ダイオード、特に高輝度で高速応答性をもつ発光ダイオ
ードに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】発光ダイオードは、高輝度特性、高速応
答性をもつことが要求され、これに応えるためにヘテロ
構造の発光ダイオードが用いられる。

【０００３】汎用発光ダイオードとしては、シグルヘテ
ロ構造をもち、表面中央に円形電極またはそれに近い電
極を形成し、裏面に全面または部分電極を形成した発光
ダイオードが用いられている。この発光ダイオードは製
作プロセスが簡単で、安価であることから、使用されて
いる発光ダイオードの９０％近くを占めている。しかし
、輝度特性や応答性は十分ではない。

【０００４】一方、通信用など特殊用途向け発光ダイオ
ードとしては、発光ダイオードチップの中央のみが発光
するような電流狭窄構造をもたせた特殊なものが作られ
ており、これによれば発光出力及び応答特性の両特性は
共に満足のいくものであるが、高価であるため広く用い
られていない。

【０００５】広く用いられるためには安価であることが
重要である。そこで、従来の円形電極構造で、基板上に
ダブルヘテロ構造の発光ダイオードを形成したものが製
品化された。これは基板上に、基板と同じ伝導形で高混
晶比のクラッド層、同じく同一の伝導形で膜厚の薄い低
混晶比の活性層、基板と反対の伝導形をもち活性層との
間でｐｎ接合を構成する高混晶比のウインド層を順次形
成したものである。このような構造で活性層にキャリア
を閉じ込めることにより、輝度特性と高速応答特性が大
きく改善された。しかし特性改善の要求はさらに大きい
。

【０００６】これに応えるために、基板表面に環状の隆
起部を設けることにより活性層に電流集中を形成して高
輝度を得るようにしたものが提案されるに至っている。基板表面に環状の隆起部を設けると高輝度が得られるの
は次の理由による。従来のダブルヘテロ構造発光ダイオ
ードでは、基板表面が平坦であるため電流が活性層全体
に広がる。ところが、基板表面に隆起部が形成されてい
ると、その隆起部に電流が集中する。発光ダイオードの
発光効率は活性層に注入されたキャリア濃度が高いほど
大きい。従って、同じ電流を流すならば、狭い領域に流
した方が発光出力が高くなる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかし、環状の隆起部
を基板に形成した発光ダイオードは、発光出力や応答性
が大幅に改善されたものの、まだ十分に満足のいくもの
ではなかった。

【０００８】本発明の目的は、上述した従来技術の欠点
を解消して、より高い発光出力と、より高い応答速度を
実現できる発光ダイオードを提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明の発光ダイオード
は、一の伝導形の基板上に、活性層をもつダブルヘテロ
構造のエピタキシャル層を成長させ、このエピタキシャ
ル層の成長したウェハの表裏に各々電極を形成した発光
ダイオードに適用される。

【００１０】活性層の伝導形を一の伝導形の基板と反対
の伝導形とし、この反対の伝導形をもつ活性層へ、一の
伝導形の基板から局所的にキャリアを注入する隆起部を
基板表面に形成したものである。キャリア濃度を高くす
るために隆起部はその径が小さいほどよい。

【００１１】なお、発光ダイオードとしては、ＧａＡｓ
、ＧａＡｌＡｓ、ＧａＰ、ＧａＡｓＰ、ＧａＡｌＡｓ、
ＳｉＣ、ＧａＮなど全ての発光ダイオードに適用できる
。

【００１２】

【作用】本発明のように、活性層を基板の伝導形と反対
の伝導形とし、表面に隆起部を形成すると、活性層を基
板の伝導形と同じ伝導形とした場合に比して、何故高輝
度、高速応答となるかは明確ではないが、キャリアを基
板の隆起部から活性層に注入すると、キャリア濃度が高
い状態で伝導形の異なるキャリアが活性層に注入される
ため、高い発光出力及び速い応答速度が得れるとものと
思われる。

【００１３】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面を用いて説明す
る。ここでは、発光波長８５０ｎｍのＧａＡｌＡｓダブ
ルヘテロ構造の赤外発光ダイオードを用いた場合につい
て説明しているが、ＧａＡｌＡｓに限定されない。

【００１４】本実施例を説明するための発光ダイオード
構造を図１に示す。発光ダイオードは、キャリア濃度２
×１０１９ｃｍ−３のｐ型ＧａＡｓ基板１５上に、混晶
比が０．３０のＺｎドープｐ型ＧａＡｌＡｓ層１４を２
０μｍ、混晶比が０．０５のＴｅドープｎ型ＧａＡｌＡ
ｓ層１３（活性層１３）を０．５μｍ、混晶比が０．３
０のＴｅドープｎ型ＧａＡｌＡｓ層１２を３０μｍ成長
させたエピタキシャルウェハを用いている。特に、ここ
で重要なことは、活性層の伝導形をＧａＡｓ基板１５と
同じｐ型ではなく、それとは反対のｎ型とすることであ
る。このエピタキシャルウェハの表面に円形のｎ側電極１１
を形成し、裏面全面にはｐ側電極１６を形成している。

【００１５】ここで使用したｐ型ＧａＡｓ基板１５表面
の全面には、図１の断面で示すように凸部１８（メサ部
１８）をつくる微細な凹凸１７が、図２の基板平面図に
示すようにマトリックス状に形成されている。この凹凸
１７はエッチングによって形成することができる。凹凸
１７を構成する凸部１８の平坦部、即ち、凸部１８の頂
面は直径１０μｍで、その間隔は縦方向と横方向で共に
４０μｍの間隔で並んでいる。凸部１８の高さは１０〜
１５μｍである。

【００１６】なお、この凹凸１７を形成した凹凸基板上
１５へのエピタキシャル成長は、従来通り液相エピタキ
シャル法により行ったが、平坦基板上に成長させていた
時と同じ条件で成長させても全く問題が無い。

【００１７】このような凹凸１７を形成した基板１５上
に、図１に示すダブルヘテロ構造をもつ発光ダイオード
を製作し、その発光ダイオードの特性を測定し、活性層
がｐ型の発光ダイオードと比較した。ベアチップ状態で
電流を５０ｍＡ流し、発光出力の面内分布を調べた。こ
の結果、活性層がｐ型のものと比べ、本実施例のように
活性層がｎ型のものでは約１．４倍の発光出力を得るこ
とができた。また遮断周波数としては２０ＭＨｚを、１
．５倍の３０ＭＨｚまで高くすることができた。

【００１８】さて、発光ダイオードの出力が上述したよ
うに高く、かつ高速になったのは次の作用によるものと
考えられる。平坦基板上にｐ型活性層を成長させた場合
、発光出力Ｐ↓１　（↓はＰのベクトル表記とする）は
（１）式で表せる。

【００１９】　　　　　　　　　　　　　　Ｐ↓１　＝ｈν・Ｂ・ｄ
・ｐ０　Δｎ　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　（１）ここで、ｈνは光のエネルギ、Ｂは発光再結合
定数、ｄは活性層膜厚、ｐ０はｐ型活性層のキャリア濃
度、Δｎは注入された電子の密度である。なお、ｐ０　
＞＞Δｎである。

【００２０】メサ部を形成したｐ型基板上にｐ型の活性
層を成長させた発光ダイオードの場合、発光出力Ｐ↓２
　は（２）式で示される。

【００２１】　　　　　　　　　　　　　　Ｐ↓２　＝ｈν・Ｂ・ｄ
・（ｐ０　＋Δｐ）Δｎ　　　　　　　　　　（２）（
１）式と（２）式を比べるとメサ部の効果による注入正
孔密度ΔＰ成分のみ高くなっていることが分かる。なお
、ｐ０　〓Δｐ＞＞Δｎである。

【００２２】一方、本実施例の構造では発光出力Ｐ↓３
　は（３）式で示される。

【００２３】　　　　　　　　　　　　　　Ｐ↓３　＝ｈν・Ｂ・ｄ
・ｎ０　・Δｐ　　　　　　　　　　　　　　　　　　
（３）ここで、ｎ０　はｎ型活性層のキャリア濃度であ
る。

【００２４】Ｐ↓２　、Ｐ↓３　を比較してみると、ｐ
０はｎ０　とほぼ等しい。従って（ｐ０　＋Δｐ）はｎ
０　のせいぜい倍止りである。これに対してΔｎとΔｐ
を比べると、Δｐはメサ部より狭窄されて活性層に注入
されるため、Δｐ＞＞Δｎである。従ってＰ↓３　＞Ｐ
↓２　となる。

【００２５】このようにキャリア濃度が高い状態で伝導
型の異なるキャリアが活性層に注入されるため高い発光
出力及び速い応答速度が得られるようになると考えられ
る。

【００２６】以上述べたように本実施例によれば、次の
ような種々の利点がある。

【００２７】■ｐ型基板をエッチング加工して微細なメ
サ部を形成して、そのメサ部の各上部に電流を集中させ
ることにより活性層へのキャリア注入濃度を大きくし、
しかも活性層をｎ型とすることにより、ｐ型基板から活
性層に注入されるキャリアの伝導形が異なるようにした
ので、発光出力を高くし、かつ応答速度を速くすること
ができる。。

【００２８】■従来のダブルヘテロ構造と基本構造は変
らないので、比較的安価に発光ダイオードを生産できる
。

【００２９】■微細なメサ部の形成は基板をエッチング
するだけでよいので、製作が簡単であり歩留りが高い。

【００３０】■発光ダイオードの特性ばらつきは、エピ
タキシャルウェハ面内での結晶欠陥ばらつきに依存して
いる。しかし、発光再結合確率が高ければ、発光効率は
注入キャリア濃度に依存し、結晶欠陥には依存しなくな
る。従って、ウェハ面内で隆起部による電流集中により
発光再結合確率が高くなれば、発光特性のばらつきが少
なくなる。この点で、本実施例のものは、ＧａＡｓ基板
をｐ型とした電流注入型であり、かつメサ部を微細にす
ることにより、面内での特性ばらつきが少ない。

【００３１】ところで、上述した凹凸１７を形成するた
めのエッチングとしては、ドライエッチングを使用する
ことができる。活性層での電流集中をより高めるために
は、深さをより深くすることが有効であると考えられる
。深さを深くするにはドライエッチングを用いる方法が
最も有効である。但し、ドライエッチングでは表面に欠
陥を生じるため、ドライエッチング後に、ウエットエッ
チングする必要がある。また、ダイシングソーで格子状
に溝を掘ってからエッチングすることにより深い凹部を
形成するようにしても良い。また、本実施例では断面円
形の凸部を形成したが、活性層に電流集中をもたらす凸
部の面積が重要であることから、凸部形状が他の形状で
あってもよい。例えば、凸部の形状が格子状になって、
凸部同士がつながっていてもかまわない。なお、隆起部
は微細な凹凸に限定されるものではなく、リング状の隆
起部をもつ発光ダイオードにも本発明を適用できること
は勿論である。

【００３２】本実施例では、ｐ型基板に対しｎ型活性層
という構造の発光ダイオードであった。しかし、逆にｎ
型基板に対しｐ型活性層という構造でも同じ効果が期待
できる。これらは、また、ＧａＡｌＡｓ系以外のダブル
ヘテロ構造発光ダイオードでも同様に達成できる。

【００３３】

【発明の効果】本発明によれば、基板表面に隆起部を形
成すると共に、活性層の伝導形を基板の伝導形と反対に
して、基板から活性層へ伝導形の異なる高濃度のキャリ
アを注入するようにしたので、発光出力の高い、高速度
の発光ダイオードを製作することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例による発光ダイオード構造を示
す断面図。

【図２】本実施例による基板上に形成した凹凸配置の第
１実施例を示す平面図。

【符号の説明】

１１　　ｎ側電極１２　　ｎ型ＧａＡｌ層１３　　ｎ型ＧａＡｌＡｓ層１４　　ｐ型ＧａＡｌＡｓ層１５　　ｐ型ＧａＡｓ基板１６　　ｐ側電極１７　　凹凸１８　　凸部（メサ部）

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】一の伝導形の基板上に、活性層をもつダブ
ルヘテロ構造のエピタキシャル層を成長させ、このエピ
タキシャル層の成長したウェハの表裏に各々電極を形成
した発光ダイオードにおいて、活性層の伝導形を一の伝
導形の基板と反対の伝導形とし、この反対の伝導形の活
性層へ一の伝導形の基板から局所的にキャリアを注入す
る隆起部を基板表面に形成したことを特徴とする発光ダ
イオード。