JP2001189491A

JP2001189491A - ＡｌＧａＩｎＰ発光ダイオード

Info

Publication number: JP2001189491A
Application number: JP2000005199A
Authority: JP
Inventors: Yasuo Hosokawa; 泰男細川; Takashi Udagawa; 隆宇田川
Original assignee: Showa Denko KK
Current assignee: Resonac Holdings Corp
Priority date: 2000-01-05
Filing date: 2000-01-05
Publication date: 2001-07-10

Abstract

(57)【要約】【課題】ＬＥＤのＶｆの安定化を達成し、またＬＥＤの
発光強度が低下するのを防ぐために、ＤＢＲ層に含有さ
れる不純物が下部クラッド層に拡散するのを抑制し、下
部クラッド層から発光層に拡散する不純物の量を低減す
る。【解決手段】ＤＢＲ層およびダブルへテロ構造の発光部
を具備するＡｌＧａＩｎＰＬＥＤにおいて、ＤＢＲ層と
下部クラッド層との間に、ＤＢＲ構成層のいずれよりも
大きな禁止帯幅を有する第１のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導
体層を形成し、下部クラッド層と発光層との中間に、下
部クラッド層と同一の導電型と発光層の禁止帯幅以上の
禁止帯幅とを有するアンドープのＩＩＩ−Ｖ族化合物半
導体層よりなる第２のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を形
成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ブラッグ反射（Ｄ
ＢＲ）層とｐｎ接合型のダブルヘテロ（ＤＨ）構造の発
光部とを有するＡｌＧａＩｎＰ発光ダイオード（ＬＥ
Ｄ）にあって、ＬＥＤの高輝度化および順方向電圧（Ｖ
ｆ）の安定化を達成できるＬＥＤの構造に関する。

【０００２】

【従来の技術】緑色、黄色から赤橙色の光を発する発光
素子の一つに、リン化アルミニウム・ガリウム・インジ
ウム（ＡｌＧａＩｎＰ）からなるｐｎ接合型のダブルヘ
テロ（ＤＨ）構造の発光部を有するＡｌＧａＩｎＰ発光
ダイオード（ＬＥＤ）がある。特に、インジウム組成比
を約０．５とする（Ａｌ_αＧａ_1- _α）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ（０
≦α≦１）は、砒化ガリウム（ＧａＡｓ）単結晶と格子
整合するため、ＤＨ構造の発光部をなすｐ形或いはｎ形
クラッド（ｃｌａｄ）層や発光層（活性層）を構成する
ために利用されている（Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔ
ｔ．，５８（１０）（１９９１）、１０１０〜１０１２
頁参照）。また、従来のＡｌＧａＩｎＰＬＥＤにあって
は、高輝度化のためにブラッグ反射（Ｄｉｓｔｒｉｂｕ
ｔｅｄＢｒａｇｇＲｅｆｌｅｃｔｏｒ：ＤＢＲ）層
を基板と発光部の間に配置する手段が採られている（Ａ
ｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，６３（２５）（１９９
３）、３４８５〜３４８７頁参照）。

【０００３】ＤＢＲ層は、一般に屈折率の相違する少な
くとも２種類の薄層を交互に重層させた周期構造から構
成される。図１は、ＤＢＲ層１０３を具備した従来のＡ
ｌＧａＩｎＰＬＥＤに用いられるエピタキシャルウェハ
１Ａの断面構造例である。図１で、１０１はＧａＡｓ単
結晶基板、１０２は緩衝層、１０３はＤＢＲ層、１０４
は下部クラッド層、１０５は発光層、１０６は上部クラ
ッド層である。ＤＢＲ層１０３は、ＧａＡｓ単結晶基板
１０１上に、直接或いは砒化アルミニウム・ガリウム
（Ａｌ_CＧａ_1-CＡｓ：０≦Ｃ≦１）等からなる緩衝層１
０２を介して、積層される。ＤＢＲ層１０３は例えば、
アルミニウム組成比（＝Ｃ）と層厚とを互いに相違する
第１及び第２の砒化アルミニウム・ガリウム（Ａｌ_CＧ
ａ_1-CＡｓ：０≦Ｃ≦１）層を交互に重層させて構成さ
れている。具体的には、第１のＤＢＲ構成層１０３ａを
アルミニウム（Ａｌ）組成比を０．５とするＡｌ_0.5Ｇ
ａ_0.5Ａｓとし、第２のＤＢＲ構成層１０３ｂを砒化ア
ルミニウム（ＡｌＡｓ）とする従来例が知られている
（Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，６０（１５）（１
９９２）、１８３０〜１８３２頁参照）。

【０００４】ＡｌＧａＩｎＰＬＥＤに用いられるＩＩＩ
−Ｖ族化合物半導体層からなるＤＢＲ層１０３の場合、
ｐ形の導電性を呈するＤＢＲ層１０３は、アクセプター
不純物としてマグネシウム（Ｍｇ）や亜鉛（Ｚｎ）など
の第ＩＩ族元素がドーピングされた第１および第２のＤ
ＢＲ構成層１０３ａ、１０３ｂから構成される。一方、
ｎ形の導電性のＤＢＲ層１０３は、ドナー不純物として
珪素（Ｓｉ）やセレン（Ｓｅ）等の第ＩＶ族若しくは第
ＶＩ族元素がドーピングされたｎ形の第１および第２の
ＤＢＲ構成層１０３ａ、１０３ｂから構成される。何れ
の導電性のＤＢＲ層１０３にあっても、各ＤＢＲ構成層
１０３ａ、１０３ｂには、ほぼ一様の濃度に不純物をド
ーピングする手段が採用されるのが通例である。しか
し、一般にヘテロ接合界面の「無秩序化」現象として知
られている如く、ドーピングされた不純物の拡散によ
り、ＤＢＲ層１０３内のＤＢＲ構成層１０３ａと１０３
ｂの接合界面やＤＢＲ層１０３と下部クラッド層１０４
との接合界面１０４ａの急峻性は乱れたものになりやす
い。

【０００５】図２は図１に示した禁止帯幅をＥｇとする
下部クラッド層１０４と、禁止帯幅を各々（Ｅｇ）₁、
（Ｅｇ）₂（但し、（Ｅｇ）₁＞（Ｅｇ）₂）とする第１
および第２のＤＢＲ構成層１０３ａ、１０３ｂからなる
ＤＢＲ層１０３との接合界面１０４ａ近傍の領域に於け
るエネルギーバンド構造、特に伝導帯ＣＢ側のバンド構
造を説明するための模式図である。下部クラッド層１０
４と禁止帯幅が（Ｅｇ）₂の第２のＤＢＲ構成層１０３
ｂとの間に発生する伝導帯ＣＢ側のバンド不連続性の本
来の大きさ（エネルギー差）を仮に記号ΔＥｃで表すと
する。しかし、実際は上記の如くのＤＢＲ層１０３の内
部に存在するドーピング不純物の拡散に因り、下部クラ
ッド層１０４とＤＢＲ層１０３との接合界面１０４ａは
乱雑となる。この界面の乱雑化に伴い、接合界面１０４
ａに於けるバンド（ｂａｎｄ）の不連続量は不均一とな
る。例えば、ドーピング不純物の拡散量に依って或る場
合は不連続量はδ１となり、また、別の場合はδ２とな
るなどのように不安定となる。バンドの不連続量の大小
はＬＥＤの順方向電圧（Ｖｆ）に影響を及ぼし、不連続
量が大であるとＶｆは増加する傾向にある。即ち、下部
クラッド層１０４とＤＢＲ層１０３との接合界面１０４
ａの乱雑化はＬＥＤの順方向電圧を不安定化させる原因
となっている。

【０００６】また、下部クラッド層１０４にドーピング
された不純物の拡散に因り、図１に示した下部クラッド
１０４と発光層１０５とのヘテロ接合界面１０４ｂもま
た、乱雑となる。このヘテロ接合界面の「無秩序化」
（ｄｉｓｏｒｄｅｒｉｎｇ）により、発光層１０５と下
部クラッド層１０４との接合界面１０４ｂの急峻性が乱
される。また、発光層１０５の内部に侵入して来る不純
物に因って、発光層１０５のキャリア濃度が変化する。
このため、発光層１０５から放射される発光の強度が減
少し、高輝度のＡｌＧａＩｎＰＬＥＤが提供できない問
題が生じている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】前述のように、ＤＢＲ
層およびＤＨ構造の発光部を具備するＡｌＧａＩｎＰＬ
ＥＤにおいては、Ｖｆの安定化を達成するために、ＤＢ
Ｒ層に含有される不純物が下部クラッド層に拡散するの
を抑制すること、およびＬＥＤの発光強度が低下するの
を防ぐために、下部クラッド層から発光層に拡散する不
純物の量を低減することが必要である。本発明は、上記
の従来技術の問題点に鑑みなされたもので、不純物がド
ーピングされたＤＢＲ層および下部クラッド層を備えた
ＡｌＧａＩｎＰＬＥＤにおいて、安定した均一な順方向
電圧と高い発光強度をもたらす、ＤＢＲ層と下部クラッ
ド層および下部クラッド層と発光層の接合部の新しい構
造を提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】即ち本発明は、第１導電
型の砒化ガリウム（ＧａＡｓ）単結晶基板と、該基板上
に形成された、屈折率の異なるＩＩＩ−Ｖ族化合物半導
体層からなる２種類のＤＢＲ構成層を交互に重層させて
なるブラッグ反射（ＤＢＲ）層と、該ＤＢＲ層上に形成
された前記２種類のＤＢＲ構成層のいずれよりも大きな
禁止帯幅を有する第１のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層
と、該第１のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層上に順次形成
されたそれぞれリン化アルミニウム・ガリウム・インジ
ウム（（Ａｌ _XＧａ_1-X）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ、但し０≦Ｘ≦
１）からなる下部クラッド層、発光層および上部クラッ
ド層から構成されるダブルヘテロ（ＤＨ）構造の発光部
とを備えたＡｌＧａＩｎＰ発光ダイオードであって、か
つ該発光部の下部クラッド層と発光層との中間に、下部
クラッド層と同一の導電型と発光層の禁止帯幅以上の禁
止帯幅とを有するアンドープのＩＩＩ−Ｖ族化合物半導
体層よりなる第２のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層が形成
されていることを特徴とするＡｌＧａＩｎＰ発光ダイオ
ードである。

【０００９】また本発明は、前記第２のＩＩＩ−Ｖ族化
合物半導体層が、下部クラッド層と同一の組成を有する
リン化アルミニウム・ガリウム・インジウム層からなる
のが望ましい。また本発明は、前記第２のＩＩＩ−Ｖ族
化合物半導体層が、キャリア濃度を１×１０¹⁵ｃｍ^-3以
上５×１０¹⁸ｃｍ^-3以下とし、層厚を５ｎｍ以上１μｍ
以下とするのが望ましい。

【００１０】また本発明は、前記ＤＢＲ層、第１のＩＩ
Ｉ−Ｖ族化合物半導体層、下部クラッド層および第２の
ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層がｐ形である場合に、特に
有効に用いることができる。

【００１１】

【発明の実施の形態】図３に本発明に係わるＡｌＧａＩ
ｎＰＬＥＤ２０の断面模式図を示す。ＬＥＤ２０に用い
るエピタキシャルウェハの各層２０２〜２０８は、有機
金属熱分解気相成長（ＭＯＣＶＤ）法や分子線エピタキ
シャル（ＭＢＥ）法等の気相成長法により、第１導電型
のＧａＡｓ基板２０１上に成長できる。例えば、ｎサイ
ドアップ型のＡｌＧａＩｎＰＬＥＤに用いられるエピタ
キシャルウェハの場合、ｐ形ＧａＡｓ単結晶基板２０１
上に、ＭＯＣＶＤ法により少なくとも、ｐ形緩衝層２０
２、ｐ形ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層からなるＤＢＲ層
２０３、ｐ形（Ａｌ_XＧａ_1-X）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ（０≦Ｘ≦
１）からなる下部クラッド層２０４、ｐ形またはｎ形の
（Ａｌ_XＧａ_1-X）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ（０≦Ｘ≦１）からなる
発光層２０５、ｎ形（Ａｌ_XＧａ_1-X）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ（０
≦Ｘ≦１）からなる上部クラッド層２０６を積層した構
造となっている。また、ｐサイドアップ型のＡｌＧａＩ
ｎＰＬＥＤに用いられるエピタキシャルウェハの場合
は、上記の場合とｐ形／ｎ形の特性を逆にして、ｎ形Ｇ
ａＡｓ単結晶基板２０１上に、ＭＯＣＶＤ法により少な
くとも、ｎ形緩衝層２０２、ｎ形ＩＩＩ−Ｖ族化合物半
導体層からなるＤＢＲ層２０３、ｎ形（Ａｌ_XＧａ_1-X）
_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ（０≦Ｘ≦１）からなる下部クラッド層２
０４、ｎ形またはｐ形の（Ａｌ_XＧａ_1-X）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ
（０≦Ｘ≦１）からなる発光層２０５、ｐ形（Ａｌ_XＧ
ａ_1-X）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ（０≦Ｘ≦１）からなる上部クラ
ッド層２０６を積層した構造となっている。

【００１２】ＤＢＲ層２０３は、屈折率を互いに異にす
る少なくとも２種類のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からな
るＤＢＲ構成層を交互に反復して重層させて構成する。
各ＤＢＲ構成層の層厚は、発光層の発光波長の１／４に
相当する厚さとすると、発光層からの光を効率良く反射
できる。例えば、砒化アルミニウム・ガリウム（Ａｌ_C
Ｇａ_1-CＡｓ：０≦Ｃ≦１）からなる第１及び第２の２
種類のＤＢＲ構成層２０３ａ、２０３ｂを交互に反復し
て重層して構成することができる。この場合は、第１及
び第２のＤＢＲ構成層２０３ａ、２０３ｂのアルミニウ
ム（Ａｌ）組成比（＝Ｃ）は相違させ、第１及び第２の
ＤＢＲ構成層２０３ａと２０３ｂとでは禁止帯幅に差異
を設ける。また、例えば一方のＤＢＲ構成層２０３ａを
ＧａＡｓとし、他方のＤＢＲ構成層２０３ｂをＧａＡｓ
と略格子整合を果たす（Ａｌ_αＧａ_1- _α）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ
（０≦α≦１）としてもＤＢＲ層２０３を構成できる。
ＤＢＲ層２０３は、少なくとも２種類のＤＢＲ構成層を
重層させてなる積層単位を数周期或いは数十周期、積層
させて構成する。図３に示すＤＢＲ層２０３は２種類の
ＤＢＲ構成層２０３ａ、２０３ｂからなる積層単位を３
周期重層させた構成を示している。積層周期数は発光の
波長に対して大凡、９０％以上の反射率がもたらされる
様に決定する。高い反射率を獲得するためには一般に
は、１０周期程度の周期数が好まれる。

【００１３】本発明の特徴のひとつは、ＤＢＲ層２０３
と下部クラッド層２０４との間に、２種類のＤＢＲ構成
層２０３ａ、２０３ｂのいずれよりも大きな禁止帯幅
（Ｅｇ）ｃを有する第１のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層
２０７を配置する点にある。図４に本発明に係わる下部
クラッド層２０４とＤＢＲ層２０３との接合部近傍のエ
ネルギーバンド構造を模式的に示す。本発明では、ＤＢ
Ｒ層２０３と下部クラッド層２０４との間に第１のＩＩ
Ｉ−Ｖ族化合物半導体層２０７を配置し、下部クラッド
層２０４と禁止帯幅（Ｅｇ）ｃを有する第１のＩＩＩ−
Ｖ族化合物半導体層２０７を接合させることにより、下
部クラッド層２０４と第１のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体
層２０７との伝導帯側のバンド不連続量ΔＥｃ’は、第
１のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層２０７を挿入しない場
合の下部クラッド層２０４とＤＢＲ構成層２０３ｂとの
不連続量ΔＥｃに比較して小とできる。このため、ＬＥ
ＤのＶｆの低減が達成される効果がある。

【００１４】特に、第１のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層
２０７を不純物を故意に添加しないアンドープ（ｕｎｄ
ｏｐｅ）のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層とすれば、第１
のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層２０７がＤＢＲ層２０３
から拡散してくる不純物を、効率良く捕獲、蓄積でき
る。これにより、下部クラッド層２０４と第１のＩＩＩ
−Ｖ族化合物半導体層２０７との接合界面２０４ａに到
達するドーピング不純物の量が減少し、接合界面２０４
ａでの界面の乱雑化が回避される。従って、下部クラッ
ド層２０４とＤＢＲ層２０３との間のバンド不連続性の
不均一化がさらに回避でき、Ｖｆが低く且つ均一なＡｌ
ＧａＩｎＰＬＥＤを得るに効果が奏される。ＤＢＲ層２
０３より下部クラッド層２０４側へのドーピング不純物
の侵入を抑制するためには、亜鉛がドーピングされたＤ
ＢＲ層２０３の場合は、アンドープの第１のＩＩＩ−Ｖ
族化合物半導体層２０７内のａｓ−ｇｒｏｗｎ状態での
ドーピング不純物の原子濃度は、ＤＢＲ構成層２０３
ａ、２０３ｂのそれの約１／１０以下とするのが望まし
い。例えば、ＤＢＲ構成層内の亜鉛の原子濃度が１×１
０ ¹⁸原子／ｃｍ³であれば、ａｓ−ｇｒｏｗｎ状態での
第１のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層２０７内の亜鉛原子
の濃度は約１×１０¹⁷ｃｍ^-3未満とするのが好適であ
る。マグネシウム（Ｍｇ）がドーピングされたＤＢＲ構
成層に対しては、第１のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層２
０７内のマグネシウム原子濃度はＤＢＲ構成層の約１／
５以下であるのが望ましい。ＤＢＲ構成層のドーパント
が珪素（Ｓｉ）や炭素（Ｃ）である場合、第１のＩＩＩ
−Ｖ族化合物半導体層２０７内のａｓ−ｇｒｏｗｎ状態
でのこれらの原子の濃度は、ＤＢＲ構成層の約１／２以
下とするのが望ましい。ドーパントの原子濃度は一般的
な２次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）やオージェ電子分
光分析法（ＡＥＳ）により測定できる。また、上記のキ
ャリア濃度の範囲に於いてＶｆを徒に増大させないため
には、第１のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層２０７の層厚
は２ｎｍ以上で１μｍ以下、さらに好ましくは５ｎｍ以
上５００ｎｍ以下とするのが好適である。

【００１５】下部クラッド層２０４に接合させる第１の
ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層２０７の禁止帯幅は、下部
クラッド層２０４の禁止帯幅に比べて約０．２エレクト
ロンボルト（ｅＶ）より大とはしない材料から構成する
のが望ましい。第１のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層２０
７の禁止帯幅が下部クラッド層２０４のそれを越えて大
であれば、接合界面２０４ａに於ける下部クラッド層２
０４の伝導帯（ＣＢ）に対する第１のＩＩＩ−Ｖ族化合
物半導体層２０７の伝導帯のバンドの”落ち込み”は解
消される。一方で、下部クラッド層の伝導帯（ＣＢ）レ
ベルを越える高い障壁が形成される。このため、Ｖｆが
上昇する不都合が発生する。従って、第１のＩＩＩ−Ｖ
族化合物半導体層２０７は、下部クラッド層２０４との
禁止帯幅の差異を約０．２ｅＶを越えて大としないのが
望ましい。更に好ましくは、第１のＩＩＩ−Ｖ族化合物
半導体層２０７を下部クラッド層２０４の禁止帯幅より
小さい禁止帯幅を有するＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層か
ら構成すると、Ｖｆの低減並びに均一化に顕著な効果が
ある。但しもちろん第１のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層
２０７は、２種類のＤＢＲ構成層２０３ａ、２０３ｂの
いずれよりも大きな禁止帯幅（Ｅｇ）ｃを有する必要が
ある。また、下部クラッド層２０４とＤＢＲ層２０３と
の中間に第１のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層２０７を配
置する本発明の構成において、第１のＩＩＩ−Ｖ族化合
物半導体層２０７には、ＤＢＲ構成層２０３ａ、２０３
ｂのうちの禁止帯幅をより大とする方のＤＢＲ構成層を
接合させる構成とすると、Ｖｆの低減と均一化により効
果が奏される。第１のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層２０
７とＤＢＲ層２０３との間での禁止帯幅の差異が、第１
のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層２０７を禁止帯幅を小と
するＤＢＲ構成層と接合させるよりも、上記の方が縮小
されるからである。また、下部クラッド層２０４からＤ
ＢＲ層２０３へと禁止帯幅を段階的に緩やかに減少させ
られるからである。

【００１６】さらに本発明では、下部クラッド層２０４
と発光層２０５との中間に第２のＩＩＩ−Ｖ族化合物半
導体層２０８を配置する。第２のＩＩＩ−Ｖ族化合物半
導体層２０８は、発光層２０５へ拡散、侵入するクラッ
ド層２０４内の不純物の濃度を減少させるために設置す
る。本発明では第２のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層２０
８を不純物を故意に添加しないアンドープ（ｕｎｄｏｐ
ｅ）のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層とするため、下部ク
ラッド層２０４から拡散してくる不純物を効率良く捕
獲、蓄積できる。下部クラッド層２０４と発光層２０５
との中間に配置するこの第２のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導
体層２０８は、下部クラッド層２０４と同一の導電型を
呈するＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体から構成する。例え
ば、ｐ形の（Ａｌ_XＧａ_1-X）_0.5Ｉｎ₀ _.5Ｐ（０≦Ｘ≦
１）からなる下部クラッド層２０４には、ｐ形の第２の
ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層２０８を接合させる。ま
た、亜鉛がドーピングされた下部クラッド層２０４に接
して第２のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層２０８が形成さ
れた場合、第２のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層２０８内
のａｓ−ｇｒｏｗｎ状態に於ける亜鉛の原子濃度は、下
部クラッド層２０４内のそれの約１／１０以下とするの
が望ましい。例えば、下部クラッド層２０４内の亜鉛の
原子濃度が１×１０²⁰原子／ｃｍ³であれば、ａｓ−ｇ
ｒｏｗｎ状態での第２のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層２
０８内の亜鉛原子の濃度は約１×１０¹⁹ｃｍ^-3未満とす
るのが好適である。マグネシウム（Ｍｇ）がドーピング
された下部クラッド層２０４に対しては、アンドープ層
２０８内のマグネシウム原子濃度は下部クラッド層２０
４の約１／５以下であるのが望ましい。下部クラッド層
２０４のドーパントが珪素（Ｓｉ）や炭素（Ｃ）である
場合、第２のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層２０８内のａ
ｓ−ｇｒｏｗｎ状態でのこれらの原子の濃度は、下部ク
ラッド層２０４の約１／２以下とするのが望ましい。ド
ーパントの原子濃度は一般的な２次イオン質量分析法
（ＳＩＭＳ）やオージェ電子分光分析法（ＡＥＳ）によ
り測定できる。

【００１７】下部クラッド層２０４に接合させる第２の
ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層２０８は、発光層２０５を
構成する（Ａｌ_XＧａ_1-X）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ（０≦Ｘ≦１）
以上の禁止帯幅を有する導電性のＩＩＩ−Ｖ族化合物半
導体層により構成する必要がある。下部クラッド層２０
４と同様に第２のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層２０８に
も、発光層２０５内に放射再結合を起こすキャリアを効
率的に閉じ込める作用を発揮させるためである。「閉じ
込め」効果を得るためには、発光層２０５を構成する
（Ａｌ_XＧａ_1-X）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐより禁止帯幅を約０．２
ｅＶ以上とするＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体材料から第２
のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層２０８を構成するのが望
ましい。しかし、第２のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層２
０８は、下部クラッド層２０４の禁止帯幅より約０．３
ｅＶを越えて大とはしない禁止帯幅のＩＩＩ−Ｖ族化合
物半導体層から構成するのが好ましい。下部クラッド層
２０４と第２のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体２０８との間
での接合障壁を高くして、Ｖｆを徒に増加させないため
である。第２のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層２０８は下
部クラッド層２０４と同一の導電性を有し、且つ発光層
２０５を構成する（Ａｌ_XＧａ_1-X）_0.5Ｉｎ₀ _.5Ｐ（０≦
Ｘ≦１）よりも禁止帯幅を大とする例えばＡｌ_CＧａ_1-C
Ａｓや（Ａｌ _XＧａ_1-X）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ（０≦Ｘ≦１）か
ら構成できる。

【００１８】特に、本発明においては、下部クラッド層
２０４に接合させる第２のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層
２０８を、下部クラッド層２０４と同一の導電型とする
のに加えて、下部クラッド層２０４と同一の組成を有す
る（Ａｌ_XＧａ_1-X）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ（０≦Ｘ≦１）層から
構成するのが望ましい。例えば、第２のＩＩＩ−Ｖ族化
合物半導体層２０８をアルミニウム組成比（＝Ｘ）を下
部クラッド層２０４と同一とする（Ａｌ_XＧａ_1-X）_0.5
Ｉｎ_0.5Ｐ（０≦Ｘ≦１）から構成するのが好ましい。
これにより下部クラッド層２０４との格子整合が果た
せ、結晶性に優れる発光層２０５が第２のＩＩＩ−Ｖ族
化合物半導体層２０８上に形成できる利点がある。

【００１９】また本発明では、導電性の第２のＩＩＩ−
Ｖ族化合物半導体層２０８のキャリア濃度を１×１０¹⁵
ｃｍ^-3以上で５×１０¹⁸ｃｍ^-3以下とする。キャリア濃
度が１×１０¹⁵ｃｍ^-3未満であると、層の抵抗が大とな
りＶｆの低減に不都合を来す。逆に５×１０¹⁸ｃｍ^-3を
越える高いキャリア濃度を得るために高濃度に不純物が
ドーピングされた第２のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層
は、結晶性に劣るものとなる。従って、結晶性に優れる
発光層２０５をその上に形成できない不都合がある。ま
た、上記のキャリア濃度の範囲に於いてＶｆを徒に増大
させずに、且つ発光層へのドーピング不純物の侵入を抑
制するには、第２のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層２０８
の層厚は５ｎｍ以上で１μｍ以下、さらに好ましくは２
００ｎｍ以上６００ｎｍ以下とするのが好適である。

【００２０】本発明に係わるＡｌＧａＩｎＰＬＥＤ２０
は、発光層２０５上に設けた上部クラッド層２０６の表
面に第２導電型のオーミック電極２０９を設け、また第
１導電型の基板２０１の裏面に第１導電型のオーミック
電極２１０を設けて構成する。オーミック電極は、ｎ型
の場合は金・ゲルマニウム（Ａｕ・Ｇｅ）合金等、ｐ型
の場合は金・亜鉛（Ａｕ・Ｚｎ）等の金（Ａｕ）合金か
ら構成できる。さらに発光の外部への取り出し方向に配
置された上部クラッド層２０６上に、外部への発光の取
り出し効率を向上させるためのウインドウ（窓）層を設
けてＬＥＤを構成しても構わない。窓層は光学的に透明
で且つ導電性の酸化インジウム（Ｉｎ₂Ｏ₃）、酸化錫
（ＳｎＯ₂）やインジウム・錫酸化物（ＩＴＯ）または
酸化亜鉛（ＺｎＯ）などから構成できる。また、オーミ
ック電極２０９の接触抵抗を低減させるためにオーミッ
クコンタクト層を配備する手段もある。

【００２１】

【実施例】以下、本発明を実施例を基に詳細に説明す
る。図５は本実施例に係わるＬＥＤ３０の平面模式図で
ある。また図６は、図５に示すＬＥＤ３０の破線Ｘ−Ｙ
に沿った断面模式図である。

【００２２】本実施例では、まず［１１０］方向に４゜
傾斜した（１００）面を有するＺｎドープのｐ形ＧａＡ
ｓ基板３０１上に、トリメチルアルミニウム（（Ｃ
Ｈ₃）₃Ａｌ）、トリメチルガリウム（（ＣＨ₃）₃Ｇａ）
及びトリメチルインジウム（（ＣＨ ₃）₃Ｉｎ）をＩＩＩ
族元素の原料、ホスフィン（ＰＨ₃）及びアルシン（Ａ
ｓＨ₃）をＶ族元素の原料とする一般的な減圧ＭＯＣＶ
Ｄ法により、７２０℃で亜鉛（Ｚｎ）ドープｐ形ＧａＡ
ｓ緩衝層３０２を積層した。ｐ形ＧａＡｓ緩衝層３０２
の層厚は約１μｍとし、正孔濃度は約３×１０¹⁸ｃｍ^-3
とした。

【００２３】次に、７２０℃で緩衝層３０２上にＤＢＲ
層３０３を積層した。ＤＢＲ層３０３を構成するにあた
っては、Ａｌ組成比を０．４５とするＺｎドープのｐ形
Ａｌ_0. ₄₅Ｇａ_0.55Ａｓからなる第１のＤＢＲ構成層３０
３ａと、Ａｌ組成比を０．９０とするＺｎドープのｐ形
Ａｌ_0.90Ｇａ_0.10Ａｓからなる第２のＤＢＲ構成層３０
３ｂとを交互に反復して４周期重層した。第１のＤＢＲ
構成層３０３ａの層厚は約４２ｎｍとし、第２のＤＢＲ
構成層３０３ｂの層厚は約４９ｎｍとした。ＤＢＲ層３
０３の構成層３０３ａ、３０３ｂの正孔濃度は双方共に
約６×１０¹⁸ｃｍ ^-3とした。また、第１及び第２のＤＢ
Ｒ構成層３０３ａ、３０３ｂ中の亜鉛原子濃度は約３×
１０¹⁹原子／ｃｍ³であった。

【００２４】ＤＢＲ層３０３上には、ＤＢＲ層３０３の
基板と反対側の表面を構成する最後の第２のＤＢＲ構成
層３０３ｂに接して、アンドープのアルミニウム組成比
を０．９５とするＡｌ_0.95Ｇａ_0.05Ａｓからなる第１の
ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層３０７を形成した。この第
１のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層３０７のキャリア（正
孔）濃度は約３×１０¹⁷ｃｍ^-3であり、層厚は約５０ｎ
ｍであった。このように本実施例では、ＤＢＲ層３０３
上にＤＢＲ層３０３を構成する第１及び第２のＤＢＲ構
成層３０３ａ、３０３ｂよりも禁止帯幅を大とする第１
のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層３０７を配置して、発光
が吸収されずにＤＢＲ層３０３へ到達させられる構成と
した。

【００２５】第１のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層３０７
の表面上には、Ｚｎをドーピングしたｐ形の（Ａｌ_0.7
Ｇａ_0.3）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐから成る下部クラッド層３０４
を積層した。下部クラッド層３０４の層厚は約１．８μ
ｍとし、正孔濃度は約３×１０¹⁸ｃｍ^-3とした。さらに
ｐ形下部クラッド層３０４上には、下部クラッド層３０
４と同一の組成の（Ａｌ_0.7Ｇａ_0.3）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ混晶
からなるアンドープの第２のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体
層３０８を積層した。この第２のＩＩＩ−Ｖ族化合物半
導体層３０８のキャリア（正孔）濃度は約２×１０¹⁷ｃ
ｍ^-3であり、層厚は約５００ｎｍであった。

【００２６】第２のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層３０８
上には、（Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8）_0.5Ｉｎ₀ _.5Ｐからなるｎ形
の発光層３０５を積層した。発光層３０５の層厚は約５
００ｎｍとし、キャリア（電子）濃度は約８×１０¹⁶ｃ
ｍ^-3 とした。発光層３０５上には、Ｓｉドープのｎ形
（Ａｌ_0.7Ｇａ_0.3）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐからなる上部クラッド
層３０６を積層した。上部クラッド層３０６の電子濃度
は約３×１０¹⁷ｃｍ^-3とし、層厚は約５μｍとした。以
上の手順によりＡｌＧａＩｎＰＬＥＤの製造に用いられ
るエピタキシャルウェハを形成した。

【００２７】上記のエピタキシャルウェハを形成した後
に、第１及び第２のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層３０
７、３０８の内部のＺｎの原子濃度を一般的なＳＩＭＳ
分析により定量した。ＤＢＲ層３０３と下部クラッド層
３０４との間に設けた第１のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体
層３０７層内のＺｎ原子濃度は、Ｚｎをドープしていな
いにもかかわらず約２×１０¹⁸原子／ｃｍ³であるのが
認められた。しかし、透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）を利用
する断面観察に依れば、下部クラッド層３０４と第１の
ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層３０７との接合界面３０４
ａは乱雑となっておらず、平坦性が維持されていた。こ
れにより均一化された順方向電圧が得られたと考えられ
る。また、下部クラッド層３０４上に設けた第２のＩＩ
Ｉ−Ｖ族化合物半導体層３０８のＺｎ原子濃度は、エピ
タキシャルウェハの形成終了後、約７×１０¹⁷原子／ｃ
ｍ³と増加したが、発光層３０５と第２のＩＩＩ−Ｖ族
化合物半導体層３０８との接合界面が特に乱雑であると
は認められなかった。これは、第２のＩＩＩ−Ｖ族化合
物半導体層３０８が下部クラッド層３０４から拡散して
くるＺｎ原子を、効率良く捕獲、蓄積したためだと考え
られる。この結果、発光層３０５のキャリア濃度が大き
く変化することなく、高輝度のＬＥＤが得られたと考え
られる。

【００２８】上記のエピタキシャルウェハを形成した後
に、上部クラッド層３０６上に、図５に示すような直径
を約２０μｍとする８個の円形のｎ形オーミック電極３
０９を半径を約９５μｍとする円周上に互いに等間隔に
配置して設けた。このｎ形オーミック電極３０９はＡｕ
（８８重量％）・Ｇｅ（１２重量％）からなる合金膜を
下層とし、Ａｕ膜を上層とする重層構造から構成した。
下層のＡｕ・Ｇｅ合金膜の膜厚は約５０ｎｍとし、Ａｕ
膜の膜厚も５０ｎｍとした。これらのＡｕ・Ｇｅ合金膜
及びＡｕ膜を一般的な真空蒸着法で被着させた後、４２
０℃で１０分間に亘りアロイ（ａｌｌｏｙ）処理を施し
て、ｎ形オーミック電極３０９を形成した。

【００２９】次に、ｎ形オーミック電極３０９を上部ク
ラッド層３０６の表面上に設けたままで、ｎ形オーミッ
ク電極３０９と露出している上部クラッド層３０６の表
面を被覆する様にインジウム・錫酸化物（ＩＴＯ）膜３
１０を一般的な高周波スパッタリング法により被着させ
た。ＩＴＯ膜３１０の抵抗率は約４×１０^-4オーム・セ
ンチメートル（Ω・ｃｍ）とし、膜厚は約６００ｎｍに
設定した。このＩＴＯ膜３１０がウィンドウ（窓）層で
ある。このＩＴＯ膜３１０上には、８個のｎ形オーミッ
ク電極３０９の中心に当たる位置に直径１１０μｍの円
形の台座電極３１１を設けた。台座電極３１１はＡｕの
真空蒸着膜から構成した。台座電極３１１の直下の領域
はＩＴＯ膜３１０と上部クラッド層３０６とが直接接合
する構造とした。また、ｐ形のＧａＡｓ基板３０１の裏
面には、Ａｕ・Ｚｎ合金からなるｐ形オーミック電極３
１２を設けた。その後、エピタキシャルウェハを一辺３
００μｍの正方形のチップ状に分離して、ＡｌＧａＩｎ
ＰＬＥＤ３０となした。

【００３０】このＡｌＧａＩｎＰＬＥＤ３０の台座電極
３１１とｐ形オーミック電極３１２間に順方向に直流電
圧を印加し、ｐ形オーミック電極３１２からｎ形オーミ
ック電極３０９に、さらにＩＴＯ膜３１０を介して台座
電極３１１に流れる動作電流を流通させてＬＥＤ３０を
発光させた。上記のようにしてＬＥＤ３０に順方向に２
０ｍＡの動作電流を通流したところ、波長を約６１８ｎ
ｍとする赤橙色の発光が、ＬＥＤ３０のＩＴＯ膜３１０
の全面を通して観察された。この発光のスペクトルの半
値幅（ＦＷＨＭ）は約１８ｎｍであり、単色性に優れる
発光がもたらされた。また、電流を２０ｍＡとした際の
順方向電圧は約２．０Ｖから２．１Ｖの範囲内にあり、
低く且つ均一な順方向電圧が得られた。また、一般的な
積分球を利用して測定された発光強度は約６４ｍｃｄで
あった。すなわち、本実施例により発光強度が高く、か
つ均一で低い順方向電圧を有するＡｌＧａＩｎＰＬＥＤ
が得られた。

【００３１】

【発明の効果】本発明は、ドーピング不純物の拡散によ
るＤＢＲ層と下部クラッド層との接合界面及び下部クラ
ッド層と発光層との接合界面の乱雑化を抑制し、また下
部クラッド層のドーピング不純物が発光層に拡散して発
光層のキャリア濃度が変化するのを防止するために、そ
れぞれの界面に第１および第２のＩＩＩ−Ｖ族化合物半
導体層を配置した。その結果、順方向電圧が低く且つ均
一性に優れ、また高輝度のＡｌＧａＩｎＰ発光ダイオー
ドが得られた。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来のＡｌＧａＩｎＰＬＥＤに用いられるエピ
タキシャルウェハの断面模式図である。

【図２】従来のＬＥＤの下部クラッド層とＤＢＲ層との
接合界面近傍の領域におけるエネルギーバンド構造を示
す図である。

【図３】本発明に係わるＡｌＧａＩｎＰＬＥＤの断面模
式図である。

【図４】本発明に係わるＬＥＤの下部クラッド層とＤＢ
Ｒ層との接合界面近傍の領域におけるエネルギーバンド
構造を示す図である。

【図５】本発明の実施例に係わるＡｌＧａＩｎＰＬＥＤ
の平面模式図である。

【図６】図５に示すＬＥＤの破線Ｘ−Ｙに沿った断面模
式図である。

【符号の説明】

１ＡＡｌＧａＩｎＰＬＥＤに用いられるエピタキ
シャルウェハ１０１導電性ＧａＡｓ単結晶基板１０２緩衝層１０３ＤＢＲ層１０３ａ第１のＤＢＲ構成層１０３ｂ第２のＤＢＲ構成層１０４下部クラッド層１０４ａＤＢＲ層と下部クラッド層との接合界面１０４ｂ下部クラッド層と発光層との接合界面１０５発光層１０６上部クラッド層ＣＢ伝導帯ＶＢ価電子帯Ｅｇ下部クラッド層の禁止帯幅（Ｅｇ）₁ 第１のＤＢＲ構成層の禁止帯幅（Ｅｇ）₂ 第２のＤＢＲ構成層の禁止帯幅 ΔＥｃ下部クラッド層と第２のＤＢＲ構成層の伝導
帯側のバンド不連続量 δ１、δ２界面の乱雑化に伴って変化した伝導帯側の
バンド不連続量２０ＡｌＧａＩｎＰＬＥＤ２０１ＧａＡｓ単結晶基板２０２緩衝層２０３ＤＢＲ層２０３ａ第１のＤＢＲ構成層２０３ｂ第２のＤＢＲ構成層２０４下部クラッド層２０４ａ第１のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層と下部ク
ラッド層との接合界面２０５発光層２０６上部クラッド層２０７第１のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層２０８第２のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層２０９第２導電型のオーミック電極２１０第１導電型のオーミック電極 ΔＥｃ’ 下部クラッド層と第１のＩＩＩ−Ｖ族化合物
半導体層との伝導帯側のバンド不連続量（Ｅｇ）_c 第１のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の禁止
帯幅３０ＡｌＧａＩｎＰＬＥＤ３０１ｐ形ＧａＡｓ基板３０２ｐ形ＧａＡｓ緩衝層３０３ＤＢＲ層３０３ａ第１のＤＢＲ構成層３０３ｂ第２のＤＢＲ構成層３０４下部クラッド層３０４ａ第１のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層と下部ク
ラッド層との接合界面３０５発光層３０６上部クラッド層３０７第１のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層３０８第２のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層３０９ｎ形オーミック電極３１０ＩＴＯ膜３１１台座電極３１２ｐ形オーミック電極

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】第１導電型の砒化ガリウム（ＧａＡｓ）単
結晶基板と、該基板上に形成された、屈折率の異なるＩ
ＩＩ−Ｖ族化合物半導体層からなる２種類のＤＢＲ構成
層を交互に重層させてなるブラッグ反射（ＤＢＲ）層
と、該ＤＢＲ層上に形成された前記２種類のＤＢＲ構成
層のいずれよりも大きな禁止帯幅を有する第１のＩＩＩ
−Ｖ族化合物半導体層と、該第１のＩＩＩ−Ｖ族化合物
半導体層上に順次形成されたそれぞれリン化アルミニウ
ム・ガリウム・インジウム（（Ａｌ_XＧａ_1-X）_0.5Ｉｎ
_0.5Ｐ、但し０≦Ｘ≦１）からなる下部クラッド層、発
光層および上部クラッド層から構成されるダブルヘテロ
（ＤＨ）構造の発光部とを備えたＡｌＧａＩｎＰ発光ダ
イオードであって、かつ該発光部の下部クラッド層と発
光層との中間に、下部クラッド層と同一の導電型と発光
層の禁止帯幅以上の禁止帯幅とを有するアンドープのＩ
ＩＩ−Ｖ族化合物半導体層よりなる第２のＩＩＩ−Ｖ族
化合物半導体層が形成されているＡｌＧａＩｎＰ発光ダ
イオード。
【請求項２】前記第２のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層
が、下部クラッド層と同一の組成を有するリン化アルミ
ニウム・ガリウム・インジウム層からなることを特徴と
する請求項１に記載のＡｌＧａＩｎＰ発光ダイオード。
【請求項３】前記第２のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層
が、キャリア濃度を１×１０¹⁵ｃｍ^-3以上５×１０¹⁸ｃ
ｍ^-3以下とし、層厚を５ｎｍ以上１μｍ以下とすること
を特徴とする請求項１または２に記載のＡｌＧａＩｎＰ
発光ダイオード。
【請求項４】前記ＤＢＲ層、第１のＩＩＩ−Ｖ族化合物
半導体層、下部クラッド層および第２のＩＩＩ−Ｖ族化
合物半導体層が、ｐ形であることを特徴とする請求項１
乃至３に記載のＡｌＧａＩｎＰ発光ダイオード。