JPS6318350B2 - - Google Patents
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- JPS6318350B2 JPS6318350B2 JP6667979A JP6667979A JPS6318350B2 JP S6318350 B2 JPS6318350 B2 JP S6318350B2 JP 6667979 A JP6667979 A JP 6667979A JP 6667979 A JP6667979 A JP 6667979A JP S6318350 B2 JPS6318350 B2 JP S6318350B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- layer
- semiconductor
- light emitting
- epitaxial layer
- conductivity type
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired
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Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10H—INORGANIC LIGHT-EMITTING SEMICONDUCTOR DEVICES HAVING POTENTIAL BARRIERS
- H10H20/00—Individual inorganic light-emitting semiconductor devices having potential barriers, e.g. light-emitting diodes [LED]
- H10H20/80—Constructional details
- H10H20/81—Bodies
- H10H20/8215—Bodies characterised by crystalline imperfections, e.g. dislocations; characterised by the distribution of dopants, e.g. delta-doping
Landscapes
- Led Devices (AREA)
- Liquid Deposition Of Substances Of Which Semiconductor Devices Are Composed (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】
本発明は半導体発光ダイオードに関する。発光
ダイオードには種々な構造があるが、その基本的
な構造を示すと第１図のようにpn接合面１、第
一の導電形の第一の層２、第二の導電形の第二の
半導体層３、基板半導体４、電極５，６を有して
おり第１図の例では光は面Ａを通して主に接合面
に垂直方向に基板と反対側に取り出される。半導
体発光ダイオードの発光効率は非発光中心による
再結合が少ないほど高いのであるが、このような
再結合中心によつて少数キヤリアの寿命τが決め
られているから、高効率の発光ダイオードほど少
数キヤリアの寿命が長くなる。その結果少数キヤ
リアの拡散距離Ｌ＝√は高効率ダイオードで
は著しく大きい。たとえば第２図に説明するよう
に層２がｎ形、層３がｐ形でありｐ形の領域が主
な発光領域でありかつ、ｐ形領域への電子の注入
効率が高く設計されている場合、領域３に注入さ
れた過剰の電子は、領域３の厚みWpが拡散距離
Lnより充分大きくないと相当の量の過剰少数キ
ヤリアは表面Ａで再結合する。半導体表面は一般
に再結合中心が多く、また電極は著しく再結合の
はげしい場所である。これらの再結合は全て非発
光的だからWp＞Lnがなりたつていないと効率は
著しく低下せざるを得ない。少数キヤリアの電極
や表面への拡散を阻止するためヘテロ接合のポテ
ンシヤルバリアを使うことができればよいのであ
るが、常に適当な組合せのヘテロ接合が存在する
わけではない。
ダイオードには種々な構造があるが、その基本的
な構造を示すと第１図のようにpn接合面１、第
一の導電形の第一の層２、第二の導電形の第二の
半導体層３、基板半導体４、電極５，６を有して
おり第１図の例では光は面Ａを通して主に接合面
に垂直方向に基板と反対側に取り出される。半導
体発光ダイオードの発光効率は非発光中心による
再結合が少ないほど高いのであるが、このような
再結合中心によつて少数キヤリアの寿命τが決め
られているから、高効率の発光ダイオードほど少
数キヤリアの寿命が長くなる。その結果少数キヤ
リアの拡散距離Ｌ＝√は高効率ダイオードで
は著しく大きい。たとえば第２図に説明するよう
に層２がｎ形、層３がｐ形でありｐ形の領域が主
な発光領域でありかつ、ｐ形領域への電子の注入
効率が高く設計されている場合、領域３に注入さ
れた過剰の電子は、領域３の厚みWpが拡散距離
Lnより充分大きくないと相当の量の過剰少数キ
ヤリアは表面Ａで再結合する。半導体表面は一般
に再結合中心が多く、また電極は著しく再結合の
はげしい場所である。これらの再結合は全て非発
光的だからWp＞Lnがなりたつていないと効率は
著しく低下せざるを得ない。少数キヤリアの電極
や表面への拡散を阻止するためヘテロ接合のポテ
ンシヤルバリアを使うことができればよいのであ
るが、常に適当な組合せのヘテロ接合が存在する
わけではない。
そこで第２の層のうえにすなわち光の取り出し
側に同じ半導体材料で第３の層を形成する。第３
の層は第２の層と同じ導電形で、よりキヤリア密
度を大きくすると少数キヤリアに対してポテンシ
ヤル障壁が第３図のように形成される。従来から
電極と半導体のオーム性接触を良好にし電気抵抗
を下げるために、第３の層を拡散などで形成する
ことが行なわれてきたが、その場合はむしろこの
部分での再結合を著しく大きくしてそのことによ
りオーム性を良好にすることが目的であつた。し
たがつてたとえばp+層のキヤリア密度は1019／cm3
より著しく大きくなるように製作されたし、また
電極部分にのみ必要なのであつて、光取り出し面
Ａにはこのような高密度層は不要であつた。しか
し、一般に−族化合物半導体であるGaAs、
GaP、GaAlAs、GaPAs、InGaPその他四元系以
上の化合物GaAlAsPなどでも１〜２×1019／cm3
をこえて不純物拡散を行うと欠陥の発生が著し
い。７〜５×1018／cm3以下にすれば層境界近くで
の欠陥の発生による非発光中心の増加は著しくお
さえられる。そこでp+p境界近くでの再結合が著
しくならない程度に低く、かつ熱的に多くのキヤ
リアが障壁をこえない程度の障壁が存在するよう
にキヤリア密度を選ぶことが必要となる。キヤリ
アの熱的エネルギーはkT程度である。障壁で1/2
の数の電子がp+領域へ入りこむことが阻止され
ればこの面での非発光再結合は1/2に低下する。
つまり効率を２倍近くする効果がある。キヤリア
のエネルギー分布はマクスウエル−ボルツマン分
布をしているから、障壁高さがkTあれば約1/2の
数の電子は拡散を阻止されるから効率の向上に効
果的である。2kTあればほとんどの電子は拡散を
阻止される。
側に同じ半導体材料で第３の層を形成する。第３
の層は第２の層と同じ導電形で、よりキヤリア密
度を大きくすると少数キヤリアに対してポテンシ
ヤル障壁が第３図のように形成される。従来から
電極と半導体のオーム性接触を良好にし電気抵抗
を下げるために、第３の層を拡散などで形成する
ことが行なわれてきたが、その場合はむしろこの
部分での再結合を著しく大きくしてそのことによ
りオーム性を良好にすることが目的であつた。し
たがつてたとえばp+層のキヤリア密度は1019／cm3
より著しく大きくなるように製作されたし、また
電極部分にのみ必要なのであつて、光取り出し面
Ａにはこのような高密度層は不要であつた。しか
し、一般に−族化合物半導体であるGaAs、
GaP、GaAlAs、GaPAs、InGaPその他四元系以
上の化合物GaAlAsPなどでも１〜２×1019／cm3
をこえて不純物拡散を行うと欠陥の発生が著し
い。７〜５×1018／cm3以下にすれば層境界近くで
の欠陥の発生による非発光中心の増加は著しくお
さえられる。そこでp+p境界近くでの再結合が著
しくならない程度に低く、かつ熱的に多くのキヤ
リアが障壁をこえない程度の障壁が存在するよう
にキヤリア密度を選ぶことが必要となる。キヤリ
アの熱的エネルギーはkT程度である。障壁で1/2
の数の電子がp+領域へ入りこむことが阻止され
ればこの面での非発光再結合は1/2に低下する。
つまり効率を２倍近くする効果がある。キヤリア
のエネルギー分布はマクスウエル−ボルツマン分
布をしているから、障壁高さがkTあれば約1/2の
数の電子は拡散を阻止されるから効率の向上に効
果的である。2kTあればほとんどの電子は拡散を
阻止される。
障壁の高さを△Ｖとすると
ｑ△Ｖ＝kTInp+／ｐ
であるから、p+がｐの約2.5倍以上であれば障壁
高さはkTより大きい。また、7.5倍以上あれば
kTより大きい。
高さはkTより大きい。また、7.5倍以上あれば
kTより大きい。
たとえばｐ層のキヤリア密度がｐ＝５×1017cm
-3であればp+層のキヤリア密度は1.25×1018cm-3
以上であればkT以上の大きさの障壁ができる。
また、3.8×1018cm-3以上あれば2kT以上となる。
もちろんこれ以上でもよいが５×1018cm-3をこえ
ると欠陥発生が著しいから好ましくない。第２層
がｎ形の場合も全く同様に考えればよい。つま
り、n+層に対して適正なキヤリア密度範囲が存
在する。すなわち、電位障壁に対する条件はｐ形
と同じであるが先に述べたような−化合物で
はｎ形の方がｐ形より低キヤリア密度で欠陥が発
生し５〜７×1018cm-3以上のキヤリア密度での欠
陥の発生は特に著しい。しかし、２〜３×1018cm
-3以下にすれば層境界付近での欠陥発生はあまり
問題とならない。また、基板側に対しても同様に
第４の層を第４図のように形成することができ
る。すなわち基板結晶５は通常結晶性が良くない
ので不純物密度が高くて障壁が存在しても再結合
が強くて効果を十二分には発揮しえないから、第
４の層４を基板の上に成長すれば第３の層３同様
な効果を第１の層１に対して持つ。キヤリア密度
範囲は第１の層に対して前述と同じように考えれ
ばよい。ただし、層の数を増せば製造コストが上
るから、第３の層だけで相当輝度の向上が望める
ときあるいは基板の結晶性が充分よいときは層４
は必要がない。
-3であればp+層のキヤリア密度は1.25×1018cm-3
以上であればkT以上の大きさの障壁ができる。
また、3.8×1018cm-3以上あれば2kT以上となる。
もちろんこれ以上でもよいが５×1018cm-3をこえ
ると欠陥発生が著しいから好ましくない。第２層
がｎ形の場合も全く同様に考えればよい。つま
り、n+層に対して適正なキヤリア密度範囲が存
在する。すなわち、電位障壁に対する条件はｐ形
と同じであるが先に述べたような−化合物で
はｎ形の方がｐ形より低キヤリア密度で欠陥が発
生し５〜７×1018cm-3以上のキヤリア密度での欠
陥の発生は特に著しい。しかし、２〜３×1018cm
-3以下にすれば層境界付近での欠陥発生はあまり
問題とならない。また、基板側に対しても同様に
第４の層を第４図のように形成することができ
る。すなわち基板結晶５は通常結晶性が良くない
ので不純物密度が高くて障壁が存在しても再結合
が強くて効果を十二分には発揮しえないから、第
４の層４を基板の上に成長すれば第３の層３同様
な効果を第１の層１に対して持つ。キヤリア密度
範囲は第１の層に対して前述と同じように考えれ
ばよい。ただし、層の数を増せば製造コストが上
るから、第３の層だけで相当輝度の向上が望める
ときあるいは基板の結晶性が充分よいときは層４
は必要がない。
更に第四の層だけで相当揮度の向上が望めると
きは、第三の層は必要がない。
きは、第三の層は必要がない。
第３の層を形成するには液相成長又は気相成長
が結晶性をそこなわないために好ましい。しかし
ながら、層の数が増せば製造コストが高くなるか
ら、簡単な方法としては、第２の層の表面から５
×1018／cm3をこえない程度のキヤリア密度が得ら
れるよう比較的低温で拡散処理を行うことも有効
である。なお当然のことながら第１の層と第４の
層あるいは第２の層と第３の層はほぼ同じ半導体
組成でなければ組成の違いによるヘテロ境界の障
壁が大となりキヤリア密度の差の効果があらわれ
ない。
が結晶性をそこなわないために好ましい。しかし
ながら、層の数が増せば製造コストが高くなるか
ら、簡単な方法としては、第２の層の表面から５
×1018／cm3をこえない程度のキヤリア密度が得ら
れるよう比較的低温で拡散処理を行うことも有効
である。なお当然のことながら第１の層と第４の
層あるいは第２の層と第３の層はほぼ同じ半導体
組成でなければ組成の違いによるヘテロ境界の障
壁が大となりキヤリア密度の差の効果があらわれ
ない。
ヘテロ境界は一般に多くの欠陥を含むからキヤ
リア密度によつて電位障壁を作ることが意味があ
るのである。しかしながら、同じ組成たとえば第
１の層がGa1-xAlxAs、第２の層がGa1-x′Alx′As
でありｘx′であつても、キヤリア密度の違いに
より両者の格子定数に差が生じるからそれを補償
するためどちらかの側あるいは両方にｐを少量添
加した四元系とすることなどは有効であり、この
場合も第４の元素の添加により禁制帯巾に大きな
変化がなければ実質的に同じ組成とみなしてよ
い。
リア密度によつて電位障壁を作ることが意味があ
るのである。しかしながら、同じ組成たとえば第
１の層がGa1-xAlxAs、第２の層がGa1-x′Alx′As
でありｘx′であつても、キヤリア密度の違いに
より両者の格子定数に差が生じるからそれを補償
するためどちらかの側あるいは両方にｐを少量添
加した四元系とすることなどは有効であり、この
場合も第４の元素の添加により禁制帯巾に大きな
変化がなければ実質的に同じ組成とみなしてよ
い。
例 １
蒸気圧制御法により（特願昭49−20916号、特
願昭48−11461号、特願昭48−19048号）温度差法
連続液相成長法（特許857545号）を使つて緑色
GaP発光ダイオードを製作すると極めて欠陥の少
ない高効率の発光ダイオードができる。その場合
従来の黄緑色GaP発光ダイオードのように窒素Ｎ
を添加してないので結晶性がよく少数キヤリア寿
命は数100nsec以上になる。その結果拡散長は
10μｍ〜50μｍをこえる。一方成長層の厚みの限
度は10μｍ〜20μｍであつて、あまり厚くすると
成長時間が大変長くなるだけでなくスライダーを
移動する際に基板表面をきずつけたり、引つかか
つて移動しなくなる。ｎ形基板結晶（ｎ＝５×
1018／cm3）上にまずｎ形の第１層ｎ＝５×1017／
cm3を成長し次にスライダーを移動し、第２のメル
ト層でｐ＝８×1017／cm3のｐ形の第２層を10μｍ
ほど成長する。
願昭48−11461号、特願昭48−19048号）温度差法
連続液相成長法（特許857545号）を使つて緑色
GaP発光ダイオードを製作すると極めて欠陥の少
ない高効率の発光ダイオードができる。その場合
従来の黄緑色GaP発光ダイオードのように窒素Ｎ
を添加してないので結晶性がよく少数キヤリア寿
命は数100nsec以上になる。その結果拡散長は
10μｍ〜50μｍをこえる。一方成長層の厚みの限
度は10μｍ〜20μｍであつて、あまり厚くすると
成長時間が大変長くなるだけでなくスライダーを
移動する際に基板表面をきずつけたり、引つかか
つて移動しなくなる。ｎ形基板結晶（ｎ＝５×
1018／cm3）上にまずｎ形の第１層ｎ＝５×1017／
cm3を成長し次にスライダーを移動し、第２のメル
ト層でｐ＝８×1017／cm3のｐ形の第２層を10μｍ
ほど成長する。
次に第３のメルト層に基板を移動しキヤリア密
度ｐ＝３×1018／cm3の第３層を成長する第３層の
厚みは1μｍ以下でよい。
度ｐ＝３×1018／cm3の第３層を成長する第３層の
厚みは1μｍ以下でよい。
例 ２
第５図のようにp+GaAs基板（キヤリア密度１
×1019／cm3）のうえに第４のｐ形Ga1-xAlxAs、
ｘ＝0.32、ｐ＝３×1018／cm3を温度差法液相成長
法で成長する。つづいて第１の層ｐ形
Ga1-xAlxAs、ｐ＝１×1018／cm-3、第２の層ｎ
形Ga1-yAlyAs（ｘ＜ｙ）ｎ＝４×1017／cm-3を成
長する。この場合発光層はｎ層より禁制帯巾の狭
いｐ形の第１層でありヘテロpn接合障壁によつ
てｎ層への正孔拡散はないからｎ層上に第３層を
形成する必要はない。第４層は第１層と実質的に
同じ組成としてやれば格子不整合による、欠陥の
発生が少ないので有効である。
×1019／cm3）のうえに第４のｐ形Ga1-xAlxAs、
ｘ＝0.32、ｐ＝３×1018／cm3を温度差法液相成長
法で成長する。つづいて第１の層ｐ形
Ga1-xAlxAs、ｐ＝１×1018／cm-3、第２の層ｎ
形Ga1-yAlyAs（ｘ＜ｙ）ｎ＝４×1017／cm-3を成
長する。この場合発光層はｎ層より禁制帯巾の狭
いｐ形の第１層でありヘテロpn接合障壁によつ
てｎ層への正孔拡散はないからｎ層上に第３層を
形成する必要はない。第４層は第１層と実質的に
同じ組成としてやれば格子不整合による、欠陥の
発生が少ないので有効である。
GaAs基板の不純物をZnにすれば成長中に基板
から拡散する不純物によつてp+Ga1-xAlxAs層が
形成される。
から拡散する不純物によつてp+Ga1-xAlxAs層が
形成される。
GaP1-xAsxを使つた発光ダイオードの場合は
基板のGaAsとエピタキシヤル層GaP1-xAsxの間
の格子不整が大きいので第４層を厚くして格子不
整の影響の少なくなるようにしてやらなければな
らないから、不純物拡散によるよりもエピタキシ
ヤル成長によつて第４層を作ることが望ましい。
基板のGaAsとエピタキシヤル層GaP1-xAsxの間
の格子不整が大きいので第４層を厚くして格子不
整の影響の少なくなるようにしてやらなければな
らないから、不純物拡散によるよりもエピタキシ
ヤル成長によつて第４層を作ることが望ましい。
例 ３
第６図のようにｎ形GaAs基板上に気相成長に
よりｎ形Ga1-xAsxPを成長する。成長層の組成
は格子定数がGaAsのそれとしだいに変つていく
ように途中バツフア層をもうけて最終の値0.3
ｘ0.35にしてある。この表面からZnを熱拡散さ
せる。拡散深は2μｍとしキヤリア密度は１×
1018／cm-3となるよう拡散ソース温度を制御す
る。引きつづいて拡散ソース温度を上げ３×
1018／cm-3のキヤリア密度の層が0.2μｍとなるよ
う拡散をつづけて第３層を形成する。
よりｎ形Ga1-xAsxPを成長する。成長層の組成
は格子定数がGaAsのそれとしだいに変つていく
ように途中バツフア層をもうけて最終の値0.3
ｘ0.35にしてある。この表面からZnを熱拡散さ
せる。拡散深は2μｍとしキヤリア密度は１×
1018／cm-3となるよう拡散ソース温度を制御す
る。引きつづいて拡散ソース温度を上げ３×
1018／cm-3のキヤリア密度の層が0.2μｍとなるよ
う拡散をつづけて第３層を形成する。
第１図は発光ダイオードの基本的構造を示す一
例、第２図乃至第６図は発光ダイオードの種々の
構造例、もしくはそれを説明するための図であ
る。
例、第２図乃至第６図は発光ダイオードの種々の
構造例、もしくはそれを説明するための図であ
る。
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 １ 少なくとも半導体基板、前記半導体基板上に
形成された前記半導体基板と同一の第一の導電形
を有する第一の半導体エピタキシヤル層、前記第
一の半導体エピタキシヤル層上に形成された第一
の導電形とは反対の第二の導電形を有する第二の
半導体エピタキシヤル層よりなる発光層、前記発
光層上に形成された第二の導電形と前記発光層と
実質的に同じ組成及び前記発光層のキヤリア密度
よりも高いキヤリア密度を有し前記第一の半導体
エピタキシヤル層から前記発光層へ注入された少
数キヤリアが表面電極に拡散して再結合するのを
防ぎ前記発光層内で主に前記少数キヤリアが再結
合するべく形成された第三の半導体エピタキシヤ
ル層より構成されたことを特徴とする半導体発光
装置。 ２ 前記第二の半導体エピタキシヤル層のキヤリ
ア密度n2および前記第三の半導体エピタキシヤル
層のキヤリア密度n3との関係がn3＞2.5n2かつ前
記第二の導電形がｐ形であるときはn3２×1019
cm-3、前記第二の導電形がｎ形であるときはn3
７×1018cm-3の範囲から選ばれた値であることを
特徴とする前記特許請求の範囲第１項記載の半導
体発光装置。 ３ 少なくとも半導体基板、前記半導体基板上に
形成された前記半導体基板と同一の第一の導電形
を有する第一の半導体エピタキシヤル層、前記第
一の半導体エピタキシヤル層上に形成された、前
記第一の導電形と同一の導電形を有する第二の半
導体エピタキシヤル層よりなる発光層、前記発光
層上に形成された、前記第二の導電形と反対の第
二の導電形を有する第三の半導体エピタキシヤル
層よりなる半導体発光装置において、前記第一の
半導体エピタキシヤル層は前記発光層と実質的に
同じ組成及び、前記発光層のキヤリア密度よりも
高いキヤリア密度を有し、前記第三の半導体エピ
タキシヤル層から前記発光層へ注入された少数キ
ヤリアが前記半導体基板に拡散して再結合するの
を防ぎ前記発光層内で主に前記少数キヤリアが再
結合すべく形成されたことを特徴とする半導体発
光装置。 ４ 前記第一の半導体エピタキシヤル層のキヤリ
ア密度n1および前記第二の半導体のキヤリア密度
n2との関係がn1＞2.5n2かつ前記第一の導電形が
ｐ形であるときはn1１×1019cm-3、前記第一の
導電形がｎ形であるときはn1７×1018cm-3の範
囲から選ばれた値であることを特徴とする前記特
許請求の範囲第３項記載の半導体発光装置。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP6667979A JPS55158683A (en) | 1979-05-28 | 1979-05-28 | Light emitting semiconductor |
| US06/154,057 US4354140A (en) | 1979-05-28 | 1980-05-28 | Light-emitting semiconductor |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP6667979A JPS55158683A (en) | 1979-05-28 | 1979-05-28 | Light emitting semiconductor |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS55158683A JPS55158683A (en) | 1980-12-10 |
| JPS6318350B2 true JPS6318350B2 (ja) | 1988-04-18 |
Family
ID=13322845
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP6667979A Granted JPS55158683A (en) | 1979-05-28 | 1979-05-28 | Light emitting semiconductor |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS55158683A (ja) |
-
1979
- 1979-05-28 JP JP6667979A patent/JPS55158683A/ja active Granted
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS55158683A (en) | 1980-12-10 |
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