JPH05235409A

JPH05235409A - 半導体光素子、発光ダイオード及びその製造方法

Info

Publication number: JPH05235409A
Application number: JP3914092A
Authority: JP
Inventors: Tsunehiro Unno; 恒弘海野; Taiichiro Konno; 泰一郎今野
Original assignee: Hitachi Cable Ltd
Current assignee: Hitachi Cable Ltd
Priority date: 1992-02-26
Filing date: 1992-02-26
Publication date: 1993-09-10
Anticipated expiration: 2012-08-27
Also published as: JP2646927B2

Abstract

(57)【要約】【目的】ｐｎ界面を高温度で成長させても拡散が起りに
くいドーパントを用いることによって、輝度低下、輝度
ばらつき、サイリスタ現象を有効に防止する。【構成】ダブルヘテロ構造のＡｌＧａＡｓ系赤色発光ダ
イオードを構成するｐ型エピタキシャル層のｐ型ドーパ
ントにＭｇを用いる。液相エピタキシャル成長によるｐ
型ＡｌＧａＡｓ活性層からｎ型ＡｌＧａＡｓウィンドウ
層へのｐｎ界面成長時の切換え温度を８４０℃以上、９
５０℃以下とする。発光輝度特性は、ｐｎ切換え温度が
８４０℃より低い時にはＺｎドープとＭｇドープで発光
輝度にほとんど差はないが、８４０℃を超えるとＭｇド
ープの方が発光輝度が大きくなる。温度が高くなると面
内での発光輝度のばらつきは大きくなるが、Ｍｇの場
合、Ｚｎドープほどその影響は大きくならない。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は半導体光素子、発光ダイ
オード及びその製造方法に係り、特にｐｎ界面を改善し
たものに関する

【０００２】

【従来の技術】近年、ＡｌＧａＡｓを用いた赤色発光ダ
イオードの輝度が向上し、ディスプレイパネルや自動車
用ハイマウントストップランプとして用いられるように
なってきた。これらの用途に用いるためには白昼でも視
認できる程度に輝度が高いことが要求される。この要求
に応えるために、構造面ではシングルヘテロ構造（ＳＨ
構造）、ダブルヘテロ構造（ＤＨ構造）、裏面反射型Ｄ
Ｈ構造などヘテロ構造の発光ダイオード（ＬＥＤ）が開
発されてきた。また成長条件の面でも成長温度や成長速
度などについて高出力化の検討が行われている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ＬＥＤはｐｎ界面近傍
で発光が起こる。このため界面近傍に欠陥があると高い
輝度を得ることができない。上記したように高輝度ＬＥ
Ｄのｐｎ界面は、ヘテロ接合で構成されている。このヘ
テロ接合は、キャリア密度を高くする効果があり、また
ウィンドウ層効果により、輝度を高くするのに役立って
いる。しかし、ヘテロ界面にはどうしても格子定数差が
あり、界面の欠陥発生の原因となっている。

【０００４】例えば、ＬＥＤ用の化合物混晶半導体には
比較的輝度の高いＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ系が用いら
れ、ヘテロ接合を構成するＧａＡｓとＡｌＧａＡｓの格
子定数がほとんど同じであり、ヘテロ界面の欠陥は少な
いと言われている。確かにＧａＰなど他の混晶の組合せ
と比べれば欠陥は小さいが、未だ理論的な輝度を得るに
至っていないことから考えて、僅かに存在する格子定数
差がＬＥＤの輝度に影響を及ぼしていると考えられる。

【０００５】ところで、ｐｎ界面における格子定数差に
よる欠陥を少なくするには、理想的にはｐｎ界面成長時
にｐ型層とｎ型層の格子定数が同じになる温度、または
非常に小さくなる温度で成長させればよい。しかし、こ
の温度はＡｌＧａＡｓの場合、約９２５℃と非常に高温
であり、このような高温度で成長すると、ｐ型ドーパン
トとして通常Ｚｎを用いるが、そのＺｎドーパントの拡
散が起りやすく、それが原因で輝度低下、輝度ばらつ
き、サイリスタ現象（寄生サイリスタ）などの問題を生
じてしまう。これを回避するために低温で成長させる
と、満足のいく高輝度が得られない。なお、この問題は
ＡｌＧａＡｓ系赤色ＬＥＤに限定されるものではなく、
ＡｌＧａＡｓ系赤外ＬＥＤ、さらには受光素子を含む光
半導体素子についても共通する。

【０００６】本発明の目的は、ｐｎ界面を改善するのに
最適なｐ型ドーパントを導入することによって、上述し
た従来技術の欠点を解消して、光特性の良好な半導体光
素子を提供することにある。また、本発明の目的は、発
光輝度が高く、そのばらつきが小さく、サイリスタ現象
の生じないＬＥＤを提供することにある。また、本発明
の目的は、歩留りが高く安価なＬＥＤの製造方法を提供
することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明の半導体光素子
は、素子を構成するｐ型エピタキシャル層のｐ型ドーパ
ントにＭｇを用いるようにしたものである。半導体光素
子には、ＡｌＧａＡｓ系赤色ＬＥＤ、ＧａＰ赤色ＬＥ
Ｄ、ＡｌＧａＡｓ系赤外ＬＥＤなどの発光素子、さらに
はＩｎＧａＡｓ系フォトダイオードなどの受光素子も含
まれる。

【０００８】特に、ＡｌＧａＡｓ系赤色ＬＥＤとして
は、ｐ型ＧａＡｓ基板上に形成したＤＨ構造のＬＥＤ、
ＳＨ構造のＬＥＤ、さらには基板を除去した裏面反射型
ＤＨ構造のＬＥＤがあり、これらのｐ型層のうち少なく
とも活性層にはＭｇがｐ型ドーパントとして含まれてい
る構造とする。この場合、Ｍｇをドープした活性層のキ
ャリア濃度は１×１０¹⁷ｃｍ^-3から１×１０¹⁹ｃｍ^-3で
あることが好ましい。これは次の理由による。即ち、発
光出力が最も高くなるキャリア濃度の範囲は、１×１０
¹⁷ｃｍ^-3から２×１０¹⁸ｃｍ^-3であり、応答速度を速く
するためには、その要求値によりキャリア濃度は１×１
０¹⁸ｃｍ^-3から１×１０¹⁹ｃｍ^-3となる。これらを合せ
るとキャリア濃度の範囲は１×１０¹⁷ｃｍ^-3から１×１
０¹⁹ｃｍ^-3となるからである。

【０００９】また、ｐ型ＧａＡｓ基板にもＭｇをドープ
し、キャリア濃度が１×１０¹⁸ｃｍ^-3以上の基板を用い
るようにしてもよい。基板のドーパントとしてＭｇを使
用できるのは次の理由による。即ち、基板のドーパント
も拡散したりしてエピタキシャル層に影響を及ぼす。こ
の点でＭｇはＺｎより拡散しにくく、良質なエピタキシ
ャル層を成長させるために適当な基板のドーパントと言
えるからである。

【００１０】そして、上記ＡｌＧａＡｓ系赤色ＬＥＤの
製造方法は、液相エピタキシャル成長によるｐ型ＡｌＧ
ａＡｓ活性層からｎ型ＡｌＧａＡｓウィンドウ層へのｐ
ｎ界面成長時の切換え温度を８４０℃以上、９５０℃以
下とするものである。

【００１１】

【作用】ここでは、ヘテロ構造の中でも特に高い輝度が
得られるＤＨ構造の赤色ＬＥＤについて説明する。ｐ型
ＧａＡｓ基板上にｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層、ｐ型Ａ
ｌＧａＡｓ活性層、ｎ型ＡｌＧａＡｓウィンドウ層を液
相エピタキシャル成長させてエピタキシャルウェハを形
成するには、徐冷法によるのが一般的であるが、温度差
法によってもよく、その場合、ｐｎ界面の切換え温度を
同じにすれば同じ効果が期待できる。両法に要求される
ｐｎ界面の切換え温度は８４０℃以上、９５０℃以下で
ある。このように温度範囲を限定したのは８４０℃より
低いと従来のＺｎドープとあまり差がなく、９５０℃を
超えると発光輝度のバラツキが大きくなるため好ましく
ないからである。この温度範囲でｐｎ界面を成長させる
と、ｐ層とｎ層の格子定数が同じ、ないし非常に小さく
なるので、Ｍｇドーパントの拡散が起りにくく、輝度低
下、輝度ばらつき、サイリスタ現象が有効に防止でき
る。

【００１２】ドーパントとしてＭｇを用いるのは、ｐ型
エピタキシャル層のうちｐ型ＡｌＧａＡｓ活性層および
ｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層など複数層であるが、光電
変換において最も重要な役割を果している活性層のみに
Ｍｇを用いるようにしてもよい。この構造でも、従来の
Ｚｎドープのみに比べると発光輝度が大幅に向上する。
また、ｐ型ドーパントとして、ＺｎとＭｇの両方を一緒
に入れて成長させてもよく、このようにしても従来のＺ
ｎのみをドーパントとして用いた赤色ＬＥＤより発光輝
度が高くなる。また当然ながら、ＺｎとＭｇの混合割合
をＭｇが大きくなるようにして行けば、発光輝度はＭｇ
のみの場合に近付いていく。さらにＭｇ以外に単数また
は複数のドーパントを少量混ぜてｐ型ドーパントとして
用いるようにすることも可能である。このようにＡｌＧ
ａＡｓ系赤色ＬＥＤのｐｎ界面のｐ層用ドーパントとし
てＭｇを用いることにより、発光輝度の高いＬＥＤが得
られる。

【００１３】上記説明では、ＤＨ構造のＬＥＤについて
述べたが、他の構造のＡｌＧａＡｓ系のＬＥＤでも同じ
効果が期待できる。また受光素子についても良好な特性
が期待できる。受光素子の場合、ｐｎ界面の形状が受光
特性に大きく影響を及ぼすことが知られているが、本発
明の成長方法を用いれば、欠陥が少なくｐｎ界面形状の
きれいな受光素子を製作できるからである。さらに液相
エピタキシャル法により成長させているＧａＰ用のｐ型
ドーパントとしても優れた特性が得られる。

【００１４】

【実施例】以下、本発明の実施例を説明する。図２に本
実施例のＡｌＧａＡｓ系ＤＨ構造赤色ＬＥＤの構造を示
す。このＬＥＤは０．３ｍｍ×０．３ｍｍ×０．３ｍｍ
の大きさである。ｐ型のＧａＡｓ基板３上にｐ型ＡｌＧ
ａＡｓクラッド層７，ｐ型ＡｌＧａＡｓ活性層６，ｎ型
ＡｌＧａＡｓウィンドウ層１の三層のエピタキシャル層
と、その表面と裏面にそれぞれ形成したｎ側表面電極
４、ｐ側裏面電極５で構成されている。ｐ型ＧａＡｓ基
板３は、厚さ２５０μｍ，キャリア濃度１×１０¹⁹ｃｍ
^-3である。ｐ型ＡｌＧａＡｓ層クラッド層７は、膜厚３
０μｍ，ＡｌＡｓ混晶比０．６５，ｐ型ドーパントとし
てＭｇがドープされている。ｐ型ＡｌＧａＡｓ活性層６
は、膜厚１μｍ，ＡｌＡｓ混晶比０．３５，ｐ型ドーパ
ントとしてＭｇがドープされている。Ｍｇドープの液相
エピタキシャルウェハでは、成長に用いる溶媒へのＭｇ
の添加量とキャリア濃度の関係は成長温度により異なる
が、ＬＥＤの活性層のキャリア濃度は、一般的には１×
１０¹⁷ｃｍ^-3から１×１０¹⁹ｃｍ^-3の範囲にあるので、
Ｍｇのドープ量はこの範囲に入るようにする。ｎ型Ａｌ
ＧａＡｓウィンドウ層１は、膜厚４０μｍ，ＡｌＡｓ混
晶比０．６５、ｎ型ドーパントとしてＴｅがドープさ
れ、キャリア濃度は表面で１×１０¹⁸ｃｍ^-3である。

【００１５】次に、このＤＨ構造ＡｌＧａＡｓ系赤色Ｌ
ＥＤの製造方法について述べる。まず、エピタキシャル
層は、液相エピタキシャル法の一つであるスライドボー
ト法により徐冷法を用いて成長させる。三層成長用スラ
イドボートに、ＧａＡｓ基板と原料をセットする。原料
は、第１層用としてＧａ，Ａｌ，ＧａＡｓ多結晶，Ｍｇ
を用いる。第２層用としてＧａ，Ａｌ，ＧａＡｓ多結
晶，Ｍｇを用いる。第３層用としてＧａ，Ａｌ，ＧａＡ
ｓ多結晶，Ｔｅを用いる。スライドボートを反応管内に
セットし、反応管内の空気を排気後、水素ガスを導入す
る。その状態でエピタキシャル炉の温度を冷却開始温度
まで昇温する。昇温後その温度に保持し、Ｇａ溶液中に
Ａｌ，ＧａＡｓ多結晶，ドーパントＭｇあるいはＴｅを
溶かして溶液を作る。組成が均一になったら、エピタキ
シャル炉の温度を下げ始める。スライドボートの基板ホ
ルダを移動させ、ＧａＡｓ基板を第１層用溶液、第２層
用溶第３層用溶液と順次接触させていくことによりＤＨ
構造のエピタキシャル層を形成する。エピタキシャル成
長が終了したら、エピタキシャル炉のヒータを切り温度
を下げる。得られたエピタキシャルウェハの表面と裏面
に、蒸着とホトリソグラフにより電極を形成する。表面
中央に直径１５０μｍの電極を、裏面には全面電極を形
成した後、０．３ｍｍ×０．３ｍｍ×０．３ｍｍのＬＥ
Ｄチップとしてウェハから切り出す。

【００１６】このようなウェハを作成するに際して、第
２層から第３層へのｐｎ界面の切換え温度を８００℃か
ら９４０℃まで２０℃刻みで変化させ、８種類のＤＨ構
造ウェハを成長させた。また、比較のために同じ成長条
件で、従来のｐ型ドーパントＺｎを用いたＤＨ構造ウェ
ハを成長させた。計１６種類のエピタキシャルウェハよ
り、ＤＨ構造ＬＥＤチップを製作し、その発光輝度を測
定した。その測定結果を図１に示す。発光輝度特性は、
ｐｎ切換え温度が８４０℃より低い時にはＺｎドープと
Ｍｇドープで発光輝度にほとんど差はないが、８４０℃
を超えるとＺｎドープとＭｇドープでは発光輝度が大き
く差がついてくる。また温度が高くなると面内での発光
輝度のばらつきが大きくなり、Ｚｎドープほどその影響
が大きい。電気特性に関しては、発光輝度のばらつきが
大きいほどサイリスタ現象を示すＬＥＤチップが多くな
る。このようにドーパントとしてＭｇを用い、ｐｎの切
換え温度が８４０℃より高いと発光輝度の高いＬＥＤを
製作できることが実験により確認された。

【００１７】以上述べたように本実施例によれば、温度
条件とドーパントを変更することにより、発光輝度の高
いＤＨ構造の赤色ＬＥＤを成長できる。この輝度は従来
の同構造の赤色ＬＥＤに比べて約５０％高い値であり、
この構造としては理論限界に近い値である。またＭｇド
ーパントの拡散が有効に抑えられるので、ＬＥＤの輝度
バラツキが小さく製品歩留りを高くすることができ、ま
たサイリスタ特性の発生割合も低減するので電気特性的
にも優れる。なお、本実施例のエピタキシャルウェハを
成長させるためには、Ｚｎドーパントを用いていた従来
法に比べると温度条件やエピタキシャル成長層用原料の
配合条件が異なる。しかし液相エピタキシャル成長装置
や成長治具は従来のものを使用できるので、設備投資は
少なくて済み、製品原価もそれほど高くならなず、安価
に高輝度のエピタキシャルウェハを成長できる。

【００１８】図３にＤＨ構造の裏面反射型ＡｌＧａＡｓ
赤色ＬＥＤの実施例を示す。ｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド
層７、ｐ型ＡｌＧａＡｓ活性層６、ｎ型ＡｌＧａＡｓウ
ィンドウ層１の３層をＧａＡｓ基板３上に成長させてｐ
ｎ接合を形成する。ｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層７は基
板としての機能をもたせるため、図２のＤＨ構造よりは
厚く形成する。ｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層７、ｐ型Ａ
ｌＧａＡｓ活性層６にＭｇがｐ型ドーパントとして含有
されており、ｐ型ＡｌＧａＡｓ活性層６からｎ型ＡｌＧ
ａＡｓウィンドウ層１へのｐｎ界面成長時の切換え温度
は８４０℃以上、９５０℃以下の範囲に入るようにす
る。３層を成長後、ＧａＡｓ基板３を除去し、除去した
側の面とは反対側の面から赤色光を取り出す。光取出し
面にはｎ側表面電極４が、基板除去面にはｐ側裏面電極
５が設けられる。

【００１９】図４にＳＨ構造のＡｌＧａＡｓ系赤色ＬＥ
Ｄの実施例を示す。ｐ型ＧａＡｓ基板３上にｐ型ＡｌＧ
ａＡｓ活性層２、ｎ型ＡｌＧａＡｓウィンドウ層１を有
する。ｐ型ＡｌＧａＡｓ活性層２にＭｇがｐ型ドーパン
トとして含有され、ｐｎ界面成長時の切換え温度は上述
した範囲内とする。ウィンドウ層１側にはｎ側表面電極
４が、基板３側にはｐ側裏面電極５が設けられる。この
ように構成した裏面反射型発光ダイオードや、ＳＨ構造
型発光ダイオードによってもＤＨ構造型発光ダイオード
と同様な効果が得られる。本発明は、また発光ダイオー
ドのみならずレーザダイオードへの適用も可能であ
る。。

【００２０】

【発明の効果】以上述べたように本実施例によれば次の
効果がある。

【００２１】（１）請求項１に記載の光半導体素子によ
れば、ｐ型ドーパントにＭｇを用いたのでｐｎ界面が改
善され、良好な光特性を得ることができる。

【００２２】（２）請求項２ないし６に記載の発光ダイ
オードによれば、Ｍｇをｐ型ドーパントに用いたので、
Ｚｎドープの従来例に比して輝度が高く理論値に近い輝
度を得ることができ、しかも輝度バラツキが小さく、サ
イリスタ現象の発生割合を低減できる。

【００２３】（３）請求項７に記載の製造方法によれ
ば、ＬＥＤを歩留りよく安価に製造できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のＭｇドープの実施例とＺｎドープの従
来例とを比較したｐｎ切換え温度に対する発光輝度特性
図。

【図２】本実施例によるＡｌＧａＡｓ系ダブルヘテロ型
赤色ＬＥＤ構造の断面図。

【図３】本実施例によるＡｌＧａＡｓ系裏面反射型赤色
ＬＥＤ構造の断面図。

【図４】本実施例によるＡｌＧａＡｓ系シングルヘテロ
型赤色ＬＥＤ構造の断面図。

【符号の説明】

１ｎ型ＡｌＧａＡｓウィンドウ層３ｐ型ＧａＡｓ基板４ｎ側表面電極５ｐ側裏面電極６ｐ型ＡｌＧａＡｓ活性層７ｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】半導体光素子を構成するｐ型層のｐ型ドー
パントにＭｇを用いたことを特徴とする半導体光素子。
【請求項２】ｐ型ＧａＡｓ基板上にｐ型ＡｌＧａＡｓク
ラッド層、ｐ型ＡｌＧａＡｓ活性層、ｎ型ＡｌＧａＡｓ
ウィンドウ層を有するダブルヘテロ構造の発光ダイオー
ドにおいて、ｐ型ＡｌＧａＡｓ活性層または、ｐ型Ａｌ
ＧａＡｓ活性層及びｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層にＭｇ
がｐ型ドーパントとして含有されていることを特徴とす
る発光ダイオード。
【請求項３】請求項２に記載の発光ダイオードにおい
て、上記ｐ型ＧａＡｓ基板が除去され、除去され側の面
とは反対側の面から光を取り出す裏面反射型構造となっ
ていることを特徴とする発光ダイオード。
【請求項４】ｐ型ＧａＡｓ基板上にｐ型ＡｌＧａＡｓ活
性層、ｎ型ＡｌＧａＡｓウィンドウ層を有するシングル
ヘテロ構造の発光ダイオードにおいて、ｐ型ＡｌＧａＡ
ｓ活性層にＭｇがｐ型ドーパントとして含有されている
ことを特徴とする発光ダイオード。
【請求項５】請求項２ないし４のいずれかに記載の発光
ダイオードにおいて、Ｍｇをドープした活性層のキャリ
ア濃度が１×１０¹⁷ｃｍ^-3から１×１０¹⁹ｃｍ^-3である
ことを特徴とする発光ダイオード。
【請求項６】請求項２ないし５のいずれかに記載の発光
ダイオードにおいて、上記ｐ型ＧａＡｓ基板にＭｇをド
ープしてキャリア濃度が１×１０¹⁸ｃｍ^-3以上である基
板を用いることを特徴とする発光ダイオード。
【請求項７】請求項２ないし６のいずれかに記載の発光
ダイオードの製造方法において、液相エピタキシャル成
長によるｐ型ＡｌＧａＡｓ活性層からｎ型ＡｌＧａＡｓ
ウィンドウ層へのｐｎ界面成長時の切換え温度を８４０
℃以上、９５０℃以下としたことを特徴とする発光ダイ
オードの製造方法。