JP2004221356A

JP2004221356A - 発光ダイオード

Info

Publication number: JP2004221356A
Application number: JP2003007460A
Authority: JP
Inventors: Naoki Kaneda; 直樹金田
Original assignee: Hitachi Cable Ltd
Current assignee: Hitachi Cable Ltd
Priority date: 2003-01-15
Filing date: 2003-01-15
Publication date: 2004-08-05

Abstract

【課題】高出力を得ることが可能な厚さのＡｌＧａＡｓウインドウ層を有し、かつ信頼性が高い発光ダイオードを提供する。
【解決手段】第１導電型の半導体基板１０１に、第１導電型のバッファー層１０２と、第１導電型のＡｌＧａＩｎＰクラッド層１０３と、活性層１０４と、第２導電型のＡｌＧａＩｎＰクラッド層１０５と、前記活性層１０４で発光する光に対して透明なＡｌＧａＡｓウインドウ層１０６とが積層された本発明の発光ダイオードは、第１導電型の半導体基板１０１がゲルマニウム基板であり、ウインドウ層１０６の厚さが６〜４０μｍであることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は寿命が長く、かつ発光出力が大きい発光ダイオードに関する。
【０００２】
【従来の技術】
発光ダイオード（ＬＥＤ）は各種表示用光源として広く用いられている。特に屋外ディスプレイや交通信号用光源は高出力で安価であることが求められている。高出力を得るためには発光部層の上部に位置する活性層の発光に対し透明な層（いわゆるウインドウ層）の厚膜化が行われており、その材料としてはＡｌＧａＡｓ（例えば特許文献１参照。）、ＧａＰ（例えば特許文献２参照。）等が広く用いられている。特許文献１にはＧａＡｓ基板上にＡｌＧａＩｎＰ発光部層と、ＡｌＧａＩｎＰ発光部層の上に発光部層よりバンドギャップの大きいＡｌＧａＡｓウインドウ層が形成されたＬＥＤが開示されている。ＡｌＧａＡｓウインドウ層を設けることにより素子内の電流が拡散され発光出力を高める効果を有するが、このような構成のＬＥＤでは素子内の歪みが依然大きく、ＬＥＤの信頼性が充分でない。また、特許文献２にはＧａＡｓ基板上にＡｌＧａＩｎＰ発光部層と、発光部層の上にＧａＰウインドウ層が形成されたＬＥＤが開示されている。しかし、ＧａＰとＡｌＧａＩｎＰ及びＧａＡｓは格子不整合であり素子内の歪みが大きい。
【０００３】
ＡｌＧａＩｎＰ系の発光ダイオードを作製するための半導体基板としてはＧａＡｓを用いるのが一般的であるが、最近では、例えば非特許文献１に開示されているように、ＧａＡｓ基板より低価格でしかも機械的強度が高いという特徴を活かし、ゲルマニウム（Ｇｅ）基板を用いる試みがなされている。しかしながら、Ｇｅ基板上に厚さ６μｍ以上のＡｌＧａＡｓウインドウ層を形成した場合の発光ダイオードの信頼性については、これまで詳細な調査がなされていなかった。
【０００４】
一方、ウインドウ層を厚膜化することによりＬＥＤチップ内での発光を効率よく外部に取り出すことが可能になるが、ウインドウ層を厚くしていくと基板との格子不整合に起因した歪みがチップ内に蓄積し、ＬＥＤチップの寿命が低下してしまうことが明らかとなった。図２及び図３はＧａＡｓ基板上に、（Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐ活性層と、（Ａｌ_０．７Ｇａ_０．３）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐクラッド層と、様々な膜厚のＡｌＧａＡｓウインドウ層が形成されたＬＥＤチップの信頼性の評価結果及び発光出力の測定結果である。発光出力はウインドウ層の膜厚に応じて増加するものの、ウインドウ層の膜厚が約６μｍを超えると急激に信頼性が低下するという問題が生じた。
【０００５】
【特許文献１】
特開平３−１７１６７９号公報
【特許文献２】
米国特許第５００８７１８号明細書
【非特許文献１】
「フォトニクス・テクノロジー・レターズ（ＰｈｏｔｏｎｉｃｓＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＬｅｔｔｅｒｓ）」，２０００年８月，第１２巻，ｐ．９５７
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
従って本発明の目的は、高出力を得ることが可能な厚さのＡｌＧａＡｓウインドウ層を有し、かつ信頼性が高い発光ダイオードを提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的に鑑み鋭意研究の結果、本発明者は、ＡｌＧａＡｓウインドウ層との格子定数差がＧａＡｓ基板より小さいＧｅ基板を用いることにより、ＬＥＤチップ内の歪みが低減され、高出力で、かつ信頼性の高い発光ダイオードが得られることを発見し、本発明に想到した。
【０００８】
すなわち、本発明の発光ダイオードは、第１導電型の半導体基板に、第１導電型のバッファー層と、第１導電型のＡｌＧａＩｎＰクラッド層と、活性層と、第２導電型のＡｌＧａＩｎＰクラッド層と、前記活性層で発光する光に対して透明なＡｌＧａＡｓウインドウ層とが積層された発光ダイオードにおいて、前記第１導電型の半導体基板がゲルマニウム基板であり、前記ウインドウ層の厚さが６〜４０μｍであることを特徴とする。
【０００９】
【発明の実施の形態】
［１］発光ダイオード
図１は本発明の一実施例による半導体発光素子の層構造を示す断面図である。この実施例では第一導電型はｎ型であり、第二導電型はｐ型であるが、この逆であっても良い。
【００１０】
ｎ型Ｇｅ基板１０１の第一主面上にｎ型ＡｌＧａＡｓバッファー層１０２が形成され、バッファー層１０２の上にｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層１０３が形成され、ｎ型クラッド層１０３の上にアンドープＡｌＧａＩｎＰ活性層１０４が形成され、活性層１０４の上にｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層１０５が形成され、ｐ型クラッド層１０５の上にｐ型ＡｌＧａＡｓウインドウ層１０６が形成されている。ｎ型クラッド層１０３と、活性層１０４と、ｐ型クラッド層１０５とはダブルヘテロ構造の発光部層を構成している。ウインドウ層１０６の上には部分的にｐ型ＧａＡｓコンタクト層１０７が形成されているが、コンタクト層１０７は必須ではない。コンタクト層１０７の上にはｐ型表面電極１０９が形成されており、また基板１０１の裏面にはｎ型裏面電極１０８が形成されている。
【００１１】
基板１０１は発光部層との電気的接触を得るとともに、極力歪みの少ないエピタキシャル層を形成できるものが好ましい。本発明では第１導電型の半導体基板としてＧｅ基板を用いる。ＬＥＤチップ内の歪みは基板の格子定数と厚さ、及び基板に次ぐ厚さを有するウインドウ層の格子定数と厚さによってほぼ決まる。従って、基板とウインドウ層の格子定数差が小さければチップ内の歪みを低減することが可能になり、ＬＥＤチップの信頼性を向上させることができる。本発明で基板材料として使用するＧｅと、基板材料として一般に広く使用されているＧａＡｓと、ウインドウ層に使用するＡｌＧａＡｓとの格子定数を比較すると、ＧａＡｓ、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ及びＧｅの格子定数は、室温においてそれぞれ０．５６３３ｎｍ、０．５６６１ｘ＋０．５６５３（１−ｘ）ｎｍ及び０．５６５８ｎｍである。これらの格子定数から明らかなように、ＧａＡｓ基板上にＡｌＧａＡｓウインドウ層を有するＬＥＤを作製する場合と、Ｇｅ基板上にＡｌＧａＡｓウインドウ層を有するＬＥＤを作製する場合とでは、Ｇｅ基板上に作製する場合の方が格子定数差が小さく、ＬＥＤチップ内の歪みが小さい。
【００１２】
基板からの不純物の拡散を防止し、結晶欠陥の影響を排除するため、ｎ型Ｇｅ基板上にバッファー層１０２が設けられている。バッファー層１０２は特に限定されないが、ｎ型ＡｌＧａＡｓにより形成されるのが好ましい。本発明ではバッファー層のほかに反射層が適宜設けられていてもよい。例えば、発光強度を高める観点からバッファー層１０２と発光部層との間に反射層が設けられた構成とすることもできる。
【００１３】
発光部層は、第一導電型のクラッド層（ｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層１０３）、活性層１０４及び第二導電型のクラッド層（ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層１０５）からなる。活性層よりバンドギャップの大きいクラッド層で活性層を挟むことにより、活性層内のキャリアの閉じ込め効果が向上し、さらに活性層で発光した光をクラッド層で吸収することなく外部に取り出せるようになる。発光部層は、ｐ−ｎ接合型のダブルへテロ接合構造を有する（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_ｙＩｎ_１−ｙＰ混晶（０≦ｘ≦１、０＜ｙ＜１）とするのが好ましい。この場合、活性層１０４のＡｌとＧａの比率を調整することによりバンドギャップを変化させ、所望の発光波長の光を得ることが可能である。すなわち、ｘが増大するとともにバンドギャップが増大し、発光波長が短波長側にシフトする。ｘを適宜設定することにより目標とする発光波長の光を得ることができる。ＡｌＧａＩｎＰを発光部層とするｐ−ｎ接合型のＬＥＤでは、赤色から緑色の高輝度の発光が可能である。
【００１４】
ダブルヘテロ構造の発光部層は、結晶性を向上させ発光効率を高める観点からＧｅ基板１０１との格子整合がよいものが好ましい。基板を構成するＧｅの格子定数は上記のようにＧａＡｓの格子定数と非常に近いため、（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_ｙＩｎ_１−ｙＰ混晶の場合、インジウム組成比（１−ｙ）を約０．５とする（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐが、Ｇｅ単結晶基板１０１との格子整合がよく好ましい。
【００１５】
電流拡散効果を高めるとともに活性層で発光する光を外部に取り出すため、活性層で発光する光に対して透明なウインドウ層１０６が発光部層の上に設けられている。ウインドウ層１０６はｎ型ＡｌＧａＡｓにより形成される。ＡｌＧａＡｓウインドウ層１０６は、ＡｌＧａＩｎＰ層よりもバンドギャップが大きく、活性層で発光する光に対して透明である。ＡｌＧａＡｓウインドウ層１０６は透明であるだけでなく、ＡｌＧａＩｎＰよりも電気伝導性が高い（抵抗率が低い）ため、電流の拡散を促進することができる。図１に示すような面発光ＬＥＤでは上部電極から注入されるキャリアが活性層の広い面積に広がり、発光面積を拡大することが発光効率を高め素子輝度を高める上で重要である。ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層１０５は、抵抗率が高くキャリア移動度が低いため電流が拡散しにくい。発光出力をより高めるためには、ＡｌＧａＡｓウインドウ層１０６を膜厚構造にし、電流拡散効果を高めることが必要である。ＡｌＧａＡｓウインドウ層１０６を膜厚構造にするためには、Ｇｅ基板１０１との格子整合がよいことが重要である。上述のようにＡｌＧａＡｓウインドウ層１０６はＧｅ基板との格子整合がよいため、ウインドウ層１０６を膜厚に形成してもＬＥＤ内の歪みが小さく、発光出力を長期間安定して保持することができる。
【００１６】
図３はＡｌＧａＡｓウインドウ層の厚さと発光出力との関係を示す。ＡｌＧａＡｓウインドウ層１０６の膜厚が厚くなるに従いＬＥＤの発光出力が増大する。発光出力の高いＬＥＤを得るためにはＡｌＧａＡｓウインドウ層１０６の厚さを６μｍ以上にするのが好ましい。一般に用いられているＧａＡｓ基板上にウインドウ層１０６を形成する場合には、図２に示すようにウインドウ層の膜厚が約６μｍを超えると急激に信頼性が低下する。これに対し、本発明の発光ダイオードはＡｌＧａＡｓウインドウ層１０６と格子整合のよいＧｅ基板を使用しているため、ＧａＡｓ基板に比べ格子定数差が小さく、ウインドウ層１０６の厚さを６〜４０μｍにしても歪みにより信頼性が低下することがない。
【００１７】
図４はＧｅ基板上にＬＥＤをエピタキシャル成長させた場合と、ＧａＡｓ基板上にＬＥＤをエピタキシャル成長させた場合の発光出力の経時変化を示す。ウインドウ層としてはどちらも膜厚１２μｍのＡｌＧａＡｓウインドウ層が形成されている。図４から明らかなようにＧａＡｓ基板上にＬＥＤを形成した場合には、通電直後から急速に発光出力が低下するのに対し、Ｇｅ基板上にＬＥＤを形成した場合には発光出力が長時間安定しており、信頼性が高い。図５はＧｅ基板上にＬＥＤを形成した場合のＡｌＧａＡｓウインドウ層の膜厚と発光出力の経時変化との関係を示す。ＡｌＧａＡｓウインドウ層の厚さが５０μｍ以上ではＡｌＧａＡｓウインドウ層とＧｅ基板との間の格子定数差に起因する歪みにより発光出力が急激に低下する。このため、本発明ではウインドウ層１０６の厚さを６〜４０μｍとする。
【００１８】
ｐ型コンタクト層１０７は、その上に形成された金属電極とオーム性接触が取り易ければ特に限定されず、例えばｐ型ＧａＡｓコンタクト層とすることができる。ＧａＡｓは発光波長の光に対して不透明であるため、電極を形成する部分を残してエッチング等により除去するのが好ましい。
【００１９】
ｐ型表面電極１０９はワイヤボンディングに供され、ｎ型裏面電極１０８はダイボンディングに供されるから、ｐ型表面電極１０９及びｎ型裏面電極１０８には良好なボンディング特性、下層との良好なオーミック特性及び下層との密着性が要求される。そのため各電極１０９，１０８は複数の金属層により構成するのが好ましい。各電極１０９，１０８は酸化物層を有していても良い。さらに各電極１０９，１０８は最上層にＡｕ、Ａｌ等のボンディング特性の良い金属層を有するのが好ましい。例えば、ｐ型表面電極１０９にＡｕ／Ｚｎ／Ｎｉの積層電極を使用し、ｎ型裏面電極１０にＡｕ／Ｇｅ／Ｎｉ積層電極を使用することができる。
【００２０】
上部クラッド層及びウインドウ層に添加されるドーパントとしては、Ｚｎ、Ｍｇ、Ｃｄ等のｐ型不純物を用いることができる。バッファー層及び下部クラッド層に添加されるドーパントとしては、Ｓｉ、Ｓｅ、Ｔｅ等のｎ型不純物を用いることができる。クラッド層のキャリア濃度は特に限定されないが、一般に１×１０^１７〜２×１０^１８ｃｍ^−３の範囲であるのが好ましい。
【００２１】
【実施例】
本発明を以下の実施例によりさらに詳細に説明するが、本発明はそれらに限定されるものではない。
【００２２】
実施例１
図１に示す構造の発光ダイオードをＭＯＶＰＥ法により作製した。基板としてはｎ型Ｇｅ単結晶基板を使用し、キャリアガスに水素を使用し、それぞれＡｌ供給源としてトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、Ｇａ供給源としてトリメチルガリウム（ＴＭＧ）又はトリエチルガリウム（ＴＥＧ）、Ｉｎ供給源としてトリメチルインジウム（ＴＭＩ）、Ａｓ供給源としてアルシン（ＡｓＨ_３）、Ｐ供給源としてホスフィン（ＰＨ_３）、Ｚｎ供給源としてジエチル亜鉛（ＤＥＺ）、及びＳｅ（ｎ型ドーパント）供給源としてＨ_２Ｓｅを使用した。
【００２３】
（１）エピタキシャルウエハの作製
まず成長炉内にｎ型Ｇｅ基板１０１を配置し、７００℃に加熱したｎ型Ｇｅ基板１０１上に、厚さ０．５μｍのｎ型（Ｓｅドープ）ＡｌＧａＡｓバッファー層１０２を形成した。Ｇａ供給源としてトリエチルガリウム（ＴＥＧ）を使用し、基板の面方位は（１００）基板とした。
【００２４】
次に基板温度７００℃で厚さ１．０μｍのｎ型（Ｓｅドープ）（Ａｌ_０．７Ｇａ_０．３）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐ下部クラッド層１０３（Ｓｅドープ量：１×１０^１８ｃｍ^−３）、厚さ０．５μｍのアンドープ（Ａｌ_０．１Ｇａ_０．９）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐ活性層１０４、厚さ１．０μｍのｐ型（Ｚｎドープ）（Ａｌ_０．７Ｇａ_０．３）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐクラッド層１０５（Ｚｎドープ量：７×１０^１７ｃｍ^−３）を順次形成した。次いで基板温度を６００℃に設定し、厚さ１２μｍのｐ型（Ｚｎドープ）Ａｌ_０．７Ｇａ_０．３Ａｓウインドウ層１０６（Ｚｎドープ量：２×１０^１８ｃｍ^−３）を形成した。Ｇａ供給源としてトリメチルガリウム（ＴＭＧ）を使用した。ウインドウ層１０６上には、厚さ３０ｎｍのｐ型（Ｚｎドープ）ＧａＡｓコンタクト層１０７（Ｚｎドープ量：２×１０^１９ｃｍ^−３）を形成した。
【００２５】
（２）ＬＥＤチップの作製
エピタキシャルウエハのｐ型コンタクト層１０７をエッチングにより部分的に除去し、直径１５０μｍの円形のｐ型コンタクト層１０７部分を除いてウインドウ層１０６を露出させた。エピタキシャルウエハの基板１０１側にあたるチップ下面全体にＡｕ−Ｇｅ−Ｎｉ合金からなる下部電極１０８を形成し、コンタクト層１０７の上にＡｕ−Ｚｎ−Ｎｉ合金からなる直径１５０μｍの円形の上部電極１０９を形成した。エピタキシャルウェハを、表面電極９を１つ含む３００μｍ角のサイズでダイシングし、直径５ｍｍの大きさに樹脂モールドし、表面電極９にワイヤボンディングを、裏面電極１０にダイボンディングを行なって、ＬＥＤチップを作製した。得られたＬＥＤチップを用い、−４０℃、５０ｍＡの条件で連続通電し、低温信頼性試験を行った。結果を図４に示す。
【００２６】
実施例２
Ａｌ_０．７Ｇａ_０．３Ａｓウインドウ層１０６の厚さをそれぞれ１２μｍ、４０μｍ、５０μｍ及び６０μｍとした以外、実施例１と同様にしてＬＥＤチップを作製した。これらのＬＥＤチップを用い、−４０℃、５０ｍＡの条件で連続通電し、低温信頼性試験を行った。結果を図５に示す。
【００２７】
比較例１
Ｇｅ基板の代わりにＧａＡｓ基板を用いた以外、実施例１と同様にしてＬＥＤチップを作製した。得られたＬＥＤチップを用い、−４０℃、５０ｍＡの条件で連続通電し、低温信頼性試験を行った。結果を図４に示す。
【００２８】
（評価）
図４に示すように、Ｇｅ基板上に作製したＬＥＤとＧａＡｓ基板上に作製したＬＥＤの初期時の発光出力は有意差が認められなかったが、Ｇｅ基板上に作製したＬＥＤは、１０００時間の低温信頼性試験後でも初期出力の９０％以上の発光出力を保持していたのに対し、ＧａＡｓ基板上に作製したＬＥＤでは発光出力が急速に低下し、１０００時間の低温信頼性試験後の発光出力が初期出力の８０％以下となった。図４からＧｅ基板上に作製したＬＥＤの方が信頼性が格段に優れていることがわかる。また、図５に示すようにＧｅ基板上に作製したＬＥＤにおいて、ウインドウ層の膜厚が４０μｍまでは、１０００時間の低温信頼性試験後でも初期出力の９０％以上の発光出力を保持していたのに対し、ＡｌＧａＡｓウインドウ層の膜厚が４０μｍを超えるとＬＥＤの発光出力が急速に低下し、１０００時間の低温信頼性試験後の発光出力が初期出力の８０％以下となった。図５からＧｅ基板上にＬＥＤを形成した場合のＡｌＧａＡｓウインドウ層の膜厚は４０μｍ以下が好ましいことがわかる。
【００２９】
【発明の効果】
上記の通り、本発明の発光ダイオードは、ＡｌＧａＡｓウインドウ層との格子定数差がＧａＡｓ基板より小さいＧｅ基板を用い、ＡｌＧａＡｓウインドウ層の厚さを６〜４０μｍに形成するので、格子定数差に起因する歪みが小さい。そのため、発光出力が大きく信頼性の高いＬＥＤを作製することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例による発光ダイオードを示す断面図である。
【図２】ＧａＡｓ基板上に作製したＬＥＤにおけるＡｌＧａＡｓウインドウ層の厚さと発光出力の経時変化との関係を示すグラフである。
【図３】ＡｌＧａＡｓウインドウ層の厚さと発光出力との関係を示すグラフである。
【図４】Ｇｅ基板上に形成したＬＥＤとＧａＡｓ基板上に形成したＬＥＤによる発光出力の経時変化を示すグラフである。
【図５】Ｇｅ基板上に作製したＬＥＤにおけるＡｌＧａＡｓウインドウ層の厚さと発光出力の経時変化との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１０１・・・基板
１０２・・・バッファー層
１０３・・・第１クラッド層
１０４・・・活性層
１０５・・・第２クラッド層
１０６・・・ウインドウ層
１０７・・・コンタクト層
１０８・・・裏面電極
１０９・・・表面電極

Claims

第１導電型の半導体基板に、第１導電型のバッファー層と、第１導電型のＡｌＧａＩｎＰクラッド層と、活性層と、第２導電型のＡｌＧａＩｎＰクラッド層と、前記活性層で発光する光に対して透明なＡｌＧａＡｓウインドウ層とが積層された発光ダイオードにおいて、前記第１導電型の半導体基板がゲルマニウム基板であり、前記ウインドウ層の厚さが６〜４０μｍであることを特徴とする発光ダイオード。