JPS6158991B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はGa，AlおよびAsを主成分とする半導
体テヘロ接合発光ダイオードに関する。

Ga，Al，Asヘテロ接合発光ダイオードの構造
と禁制帯巾の変化の一例を図に示すと第１図ａの
ように、ｐ形基板１、発光部となるｐ形
Ga_1-xAl_xAsの層２、ｎ形Ga_1-yAl_yAsの層３、電
極４，５からできており基板１としてはたとえば
ｐ形Ga，Asを使う。従来、特開昭50―157084号
「半導体発光ダイオード及び製造方法」にこのよ
うなヘテロ接合発光ダイオードが知られており、
光を表面から取り出す構造及び側面から取り出す
構造の両方が記されている。また特開昭53―6591
号「パターン表示用発光ダイオードおよびその製
造方法」には光を表面から取り出す構造が記され
ている。しかしながら各層のキヤリア密度の値に
対して特別な配慮がされていないため発光輝度が
小さいのが欠点であつた。本発明は極めて発光輝
度の高いヘテロ接合発光ダイオードを提供するも
のであり、後に詳述するごとく各層のキヤリア密
度をある範囲に設定することにより、極めて高輝
度にすることができる。特に前記の二つの構造の
うち光を表面から取り出す構造は、前記特開昭50
―157084号では後者との特性上の違いが述べられ
ていないにも拘らず、以下で述べるようなキヤリ
ア密度に対する考慮をはらうことにより、pn接
合の側面から光を取り出す構造では全く実現でき
なかつた高輝度の発光ダイオードが得られるので
ある。即ち本発明に関わる発光ダイオードは、禁
制帯幅が第１図ｂのようにpnヘテロ接合６を介
して基板と反対側を禁制帯幅を大きくしてあり、
禁制帯幅の大きい側を通つて電極のない部分の表
面から光が取り出される型の発光ダイオードに関
わる。

各層のキヤリア密度をどのように選ぶべきかに
ついて、まず原理を述べる。

通常、ヘテロ接合６を介してｐ領域２に注入さ
れた電子の再結合によりｐ領域２で主に発光し、
発光波長はこのｐ領域２の禁制帯巾に対応してき
まる。一般に―族化合物半導体の発光ダイオ
ードではｐ領域での発光効率がｎ領域での発光効
率より高い。しかしながらGapにおいてはｎ領域
に注入された正孔の再結合による発光効率の方が
ｐ領域における効率より大きいという報告もあ
る。

半導体レーザの場合は誘導放出のキヤリア寿命
が著しく短いため、非発光中心を介しての再結合
を生ずるよりも誘導放出で主に再結合するから、
非発光中心の効果はそれほど大きくはないが、発
光ダイオードの場合は、自然発光再結合のキヤリ
ア寿命が長いため、pn接合から注入された少数
キヤリアは非発光中心に捕えられ、そこで発光せ
ずに再結合してしまう確率が著しく高い。したが
つて発光ダイオードでは、非発光中心による効率
低下が決定的に大きいのである。

ｐ領域とｎ領域のどちらが主発光領域となるか
は欠陥のできやすさに関係している。すなわち非
発光中心となる欠陥の発生が少ない領域が主発光
領域となる。GaAsおよびGaAsを含む混晶である
GaAlAsではｎ領域では欠陥ができやすいためｐ
側が主発光領域となつている。ｎ領域で欠陥の原
因となる重要なる要素として、ｎ領域にドープし
たTe，Se，Ｓなどのドナー不純物を電気的に補
償するような空格子点などがドーピング量に応じ
て形成され、これらが不純物と結合したり、ある
いは単独で非常に効果的な非発光中心となるから
であると考えられる。

従つてGaAlAs系においては第１図ａの２はｐ
層、３はｎ層であり、このｐ層が主発光領域であ
り、ｐ層で発光した光は禁制帯幅の大きいｎ層を
吸収されることなく透過して表面より取り出され
る。

ところで禁制帯巾の変化のないpnホモ接合を
有する発光ダイオードの場合は、特に不純物拡散
法を使つて製作するときは、通常ｎ形結晶にｐ形
不純物としてZnを拡散して作るのでｐ形領域の
キヤリア密度がｎ形領域のキヤリア密度より大き
くならざるを得ない。Znに匹敵するような大き
な拡散係数を有するｎ形の適当な不純物がないの
で、逆にｐ形基板にｎ形不純物を拡散してｐ領域
のキヤリア密度をｎ領域のキヤリア密度より低く
するということができないのである。

不純物拡散で製作される発光ダイオードよりも
液相成長法で製作される発光ダイオードは欠陥が
少ないためはるかに高い発光効率を示すことはよ
く知られている。もちろん本発明で扱う発光ダイ
オードは高輝度を得ることを目的としており、し
かもヘテロ接合なので液相成長法で製作される。
一方液相成長法で作られるpnホモ接合では拡散
法で製作されるpnホモ接合のようなキヤリア密
度に関する制限がないので発光領域への注入効率
を高めるようにキヤリア密度が選ばれる。たとえ
ばｐ領域が主発光領域である場合はｐ領域への電
子の注入量をｎ領域への正孔の注入量より充分大
きくする。

すなわち、発光領域であるｐ領域のキヤリア密
度がｎ領域のそれより小さくなるように不純物ド
ーピングが行われる。当然ｎ領域への正孔の注入
を主とすべき場合はこの逆になり、いずれにせよ
主発光領域側が低不純物密度になるよう不純物ド
ーピングされる。

しかしながら本願に示すごとくpnヘテロ接合
を使つた発光ダイオードの場合、注入効率はｐ領
域、ｎ領域の禁制帯巾の差によるポテンシヤル障
壁によつて決定され、不純物密度は主たる要素で
はなくなる。したがつてむしろ発光中心の数を多
くするために主発光領域の不純物密度、したがつ
てキヤリア密度を可能なかぎり大きくした方がよ
いのである。しかしながらドーピング不純物密度
を高くすると点欠陥をはじめ種々の欠陥が発生し
非発光中心を形成する。GaAsおよびGaAlAsで
はｎ形の方が欠陥が発生しやすいので適正なキヤ
リア密度、したがつて不純物密度はこの結果ｎ形
領域より主発光領域であるｐ形領域の方が大とな
りホモpn接合の最適条件とは別のものになる。

ｎ形領域においてはキヤリア密度が10¹⁸／cm³を
こえると欠陥の発生による発光効率の低下が著し
くなる。

しかしあまりキヤリア密度を低くすれば抵抗が
大きくなり、このましくないから10¹⁷／cm³以上で
あることが望ましい。一方主発光領域のｐ層の欠
陥発生はｎ層より少ないからキヤリア密度は
10¹⁸／cm³をこえることができる。

不純物密度の上限をきめる第二の要素は成長時
における不純物の拡散である。ｐ形不純物として
はZn，Geなどがあるが最も発光効率がよいのは
Zn不純物である。Znの拡散係数は大きいので、
成長中にｎ領域に拡散する。Znの拡散が強いと
ｎ形領域の１部がｐ形に反転しpn接合の位置が
移動してしまうこともある。ただし拡散によりｐ
領域のｎ領域に隣接した部分の表面濃度も低下す
るからZn不純物密度がｎ領域の不純物をこえて
大きくなつてもすぐにはpn境界が禁制帯巾の大
きい領域へ深く入りこんでしまうことはない。

第１図の構成を例にとり、ｐ形領域２とｎ形領
域３との間のpn接合６近傍の不純物密度分布を
第２図を用いて説明する。第２図ａはpn接合６
近傍の不純物密度分布、第２図ｂは同じpn接合
６近傍の禁制帯巾の分布を示す。横軸は接合面に
垂直方向の距離を表わし、ａ，ｂ両図対応してい
る。第２図ａにおいて、縦軸はドナー密度Ｎ_Dと
アクセプタ密度Ｎ_Aの差Ｎ_D―Ｎ_Aないし正方向で
ドナー密度Ｎ_D、負方向でアクセプタ密度Ｎ_Aを示
す。ｐ形領域２にトープしたアクセプタ密度はＮ
_AOであり、ｎ形領域３にドープしたドナー密度は
Ｎ_DOであるとする。アクセプタ密度Ｎ_Aはpn接合
６の近傍以外のｐ形領域２内ではＮ_D―Ｎ_Aを示す
実線１０と同一の分布であるが、pn接合６の近
傍では点線１２のように分布する。同様にドナー
密度Ｎ_Dは、pn接合６の近傍以外のｎ形領域３内
ではＮ_D―Ｎ_Aの分布１０と同一であるが、pn接
合６の近傍では点線１３のように分布する。pn
接合６の近傍ではドナー密度Ｎ_Dの分布１３とア
クセプタ密度Ｎ_Aの分布１２とが補償し合い、Ｎ_A
―Ｎ_Dは実線１０のようになる。ドープしたドナ
密度Ｎ_DOよりドープしたZnアクセプタ密度Ｎ_AO
が大きくても、Znの拡散にともないpn界面近く
のZn密度も低下するから、導電型の反転は起り
にくく、Znの拡散により補償された領域３もｎ
形のままである。ドープするZn密度をドナ密度
に比べてあまりに大きくするとpn境界は禁制帯
巾の大きい領域に入りこんでしまうが、このよう
な入りこみが起きる限度は発光スペクトルを観測
すれば知ることができる。すなわちZn密度が高
くなりすぎてpn界面が禁制帯巾の大きい領域内
へ移行すれば発光波長はそれに対応して短くな
る。それとともにGaAlAsの場合禁制帯巾が大き
い組成では間接遷移となるか、直接遷移であつて
も、間接遷移バンドの電子密度が相対的に増すの
で効率が低下する。

以上の考察に基づきｐ形基板１上に、ｐ形
GaAlAs層２、ｎ形GaAlAs層３をエピタキシヤ
ル成長させる場合の不純物密度の好適範囲を求め
た。製作した発光ダイオードの光度を不純物密度
の関数として第３図、第４図に示す。

第３図、および第４図に示したように ｐ側のキヤリア密度が 4.5×10¹⁷／cm³＜ｐ＜2.5×10¹⁸／cm³ ｎ側のキヤリア密度が ２×10¹⁷／cm³＜ｎ＜1.0×10¹⁸／cm³ のときに発光効率が著しく高い。

上記の範囲からｐ層およびｎ層のキヤリア密度
を選択した場合、ｐ＞ｎだけでなく、ｐ＜ｎの場
合もありえるのであるが、発光層がｐ側であるか
ら、ｎ側では発光中心密度を大にするよりは欠陥
密度を少くすることのほうがより重要であるか
ら、上記範囲でｐ＞ｎとすることが望ましい。

第３図、第４図より明らかなようにこの範囲に
それぞれのキヤリア密度を選ぶことにより
100mcd以上の高い輝度が得られる。さらに第３
図について説明すると、ｐ層のキヤリア密度を
種々に変えたこの実験ではｎ層のキヤリア密度は
２×10¹⁷cm^-3＜ｎ＜８×10¹⁷cm^-3、即ちｎ層キヤ
リア密度の範囲として先に掲げた範囲の中から選
んで得た結果であり、同様なことは第４図につい
ても言える。

更に第３図、第４図から明らかなように、この
高輝度を与えるキヤリア密度範囲の中で第３図の
ｐ＝６×10¹⁷cm^-3の特例以外は全てｐ＞ｎであ
り、かつ前記の特例では輝度の低いダイオードも
得られることが矢印の長さで示されている。従つ
て確実に高輝度発光ダイオードを得るには、更に
ｐ＞ｎであることが望ましいことを第３図と第４
図は物語つている。

この発光ダイオードを製作するには特許第
85754号に記載の温度差法液相成長によることが
望ましい。すなわち従来の液相成長による発光ダ
イオードの製作は、徐冷法すなわち、溶液の温度
を徐々に降下することによりエピタキシヤル成長
させる方法を用いたので混晶の組成比、不純物密
度、化学量論的組成からのずれの度合などが温度
の降下とともに変化し、したがつて成長層の厚み
方向におけるそれらの量の変化をさけることがで
きなかつた。これに対して温度差法によれば溶液
中の温度差により、それぞれ一定温度に保つた高
温部から低温部に素材が拡散により運ばれ低温部
で溶液と接する基板上にエピタキシヤル成長す
る。したがつて結晶成長温度は時間的に一定であ
り原理的に先に述べたごとき変動を生じない。多
層を成長するにはスライダに乗せた基板を順次別
のメルト槽に接触させていく。したがつて不純物
密度も混晶組成比も成長時の固体拡散によるヘテ
ロ境界付近の変動をのぞけば、徐冷法とは比較に
ならない平担な分布を各層について得ることがで
きる。たとえばｐ形Ga_1-xAl_xAs層２およびｎ形
Ga_1-yAl_yAs層３のｘ，ｙの変動は上述の固体拡
散が問題となる境界領域をのぞけばそれぞれ△ｘ
0.01、△ｙ0.01に保つことは成長層厚みが10
μｍ以上あつても容易であり△ｘ＜0.002、△ｙ
＜0.002にすることもできるに対し、徐冷法では
Al組成は成長の進行とともに減少し、厚み10μ
ｍあたり△ｘ〓0.02の減少は普通である。

発光ダイオードでは発光効率を高めるため非発
光中心の密度を下げるほど少数キヤリアの拡散長
が長くなるから成長層、特に主発光領域となるｐ
層の厚みはある程度厚くなければならない。良質
のGaAlAs発光ダイオードでは拡散長は数μｍ以
上にはなるから従来のように発光層の厚みが１μ
ｍ以下、厚くても２〜３μｍ以下というのでは不
充分であり少くとも５μｍ以上にする必要があり
10μｍ以上にすることが望ましい。同時に温度差
法によれば、不純物密度の制御も極めてよく、徐
冷法のように設計値から実際のドーピングレベル
がばらつくことが少ない結果、先に述べたような
範囲に不純物ドーピング量を制御することが正確
に行える。従つて効率の高いダイオードの歩留り
が非常に高く、たとえば20mAにおいて80mcd以
上の光度（エポキシ樹脂コートした状態での値）
を示すダイオードの歩留りを70％以上にすること
ができた。

このようにして製作されるpnヘテロ接合発光
ダイオードの一例は先に第１図ａに示した構造に
おいて、ｐ形GaAslを基板としそのうえにエピタ
キシヤル成長したｐ形Ga_1-xAl_xAsの第１層２お
よび第１層上にエピタキシヤル成長したｎ形
Ga_1-yAl_yAs第２層３、を形成し、ｘ＜ｙとして
効率よく光を取り出せるようにしてある。ｐ層で
発光した光はより禁制帯巾の大きいｎ層を通つて
接合面に垂直な方向に取り出される。このような
接合ではpn界面に近い所で発光した光ほど吸収
損が少ないという特徴を有している。従つてpn
界面近傍の欠陥に著しく輝度が敏感なのである。

一方本発明が関わる構造とは異なる、接合の側
面方向に光を取り出す形の発光ダイオードでは発
光層自体の自己吸収損が大きいため輝度を高くす
ることができない。またそのような構造の場合
は、もともとpn接合境界から離れたｐ側部分か
らの発光を主に観測しているので、ｎ側での欠陥
発生の影響よりも自己吸収の効果がはるかに大で
あり、たとえ本発明範囲のキヤリア密度範囲を選
んでも著しく輝度を増すことはできないのであ
る。

上記の例ではGaとAlとAsとからなるヘテロ接
合について述べたが半導体の構成成分としてたと
えばこれに少量のＰを添加すれば結晶の他の物性
を著しく変えることなく格子定数をよく合せたヘ
テロ接合を製作できるのでヘテロ境界におけるミ
スフイツト転位などの欠陥が減り、さらに発光効
率を高めることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図ａはGaAlAsヘテロ接合発光ダイオード
の一例の構成例、第１図ｂは第１図ａの禁制帯巾
の変化の一例、第２図ａはpn接合近傍の不純物
分布、第２図ｂは禁制帯巾の分布を示す図、第３
図及び第４図は本発明を説明するための特性の一
例である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 族元素がGaまたはGaとAlの組合せを主成
   分とし、族元素がAsを主成分とする・族
   化合物半導体のpnヘテロ接合を少なくとも１個
   有し前記pnヘテロ接合を形成するｐ層の禁制帯
   幅が前記pnヘテロ接合を形成するｎ層の禁制帯
   幅より小さく、前記ｐ層で発生した光が前記ｎ層
   を通過してその表面より取り出される非可干渉性
   の発光半導体装置において、前記ｎ層のキヤリア
   密度が大なることによる欠陥の発生を抑え、かつ
   pn接合の実質的な境界がｎ層内に入ることによ
   る発光波長の変化が生じないかぎりにおいてｐ層
   のキヤリア密度を大ならしめるべく、前記ｐ層の
   キヤリア密度ｐ及び前記ｎ層のキヤリア密度ｎを 4.5×10¹⁷cm^-3＜ｐ＜2.5×10¹⁸cm^-3 かつ ２×10¹⁷cm^-3＜ｎ＜１×10¹⁸cm^-3 かつ ｐ＞ｎ の範囲の値より選ぶことにより発光輝度を高めた
   ことを特徴とする発光半導体装置。 ２ 前記ｐ層のキヤリア密度を実質的に決定する
   不純物が亜鉛であることを特徴とする前記特許請
   求の範囲第１項記載の発光半導体装置。