JP2006253403A - 発光ダイオードエピタキシャルウェハの成長方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 Ａｌ量などの発光層材料の制限を受けることなく発光層の膜厚を薄くすることを可能とし、反射光の発光層中での光の吸収量を低減させて輝度を増大させる発光ダイオードエピタキシャルウェハの成長方法を提供することにある。
【解決手段】 気相成長法を用いて、導電性基板１上に、少なくとも、屈折率の異なる複数の半導体層からなるブラッグ反射層２と、ｎ型クラッド層３、発光層４及びｐ型クラッド層５から成る発光部と、電流分散層６とを順に積層した発光ダイオードエピタキシャルウェハの成長方法において、（Ａｌ_xＧａ_1-x）_yＩｎ_1-yＰ（０≦ｘ≦１、０＜ｙ≦１）からなる発光層４における基板の結晶格子に対する歪み量を−１．０％程度として、発光層４を薄く成長する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、発光層の歪み量を変えることにより、Ａｌ量などの発光層材料の制限を受けることなく発光波長を変化させ発光層の膜厚を薄くすることを可能とした発光ダイオードエピタキシャルウェハの成長方法に関するものである。

従来、高輝度発光ダイオードエピタキシャルウェハは、ＭＯＶＰＥ（Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｖａｐｏｒ Ｐｈａｓｅ Ｅｐｉｔａｘｙ：有機金属気相成長）法やハイドライドＶＰＥ法といった気相成長法を用いて作製されることが多い。

ＭＯＶＰＥ法を例にとって説明する。成長は結晶基板をヒータで加熱し、そこにキャリアガスとして水素や窒素を用いてIII族原料となるＴＭＧ（トリメチルガリウム）やＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）、ＴＭＩ（トリメチルインジウム）、Ｖ族原料となるＡｓＨ₃（アルシン）、ＰＨ₃（ホスフィン）を供給し、熱分解反応により結晶成長させる。

図２にＡｌＧａＩｎＰ系のダブルヘテロ構造発光ダイオードの断面を模式的に示す。

６５０℃に加熱したＳｉドープのｎ型ＧａＡｓ基板７上に、ＡｌＧａＩｎＰの多層構造からなるブラッグ反射層（ＤＢＲ層）８、ＡｌＧａＩｎＰからなるｎ型クラッド層９、アンドープのＡｌＧａＩｎＰからなる発光層１０、ＡｌＧａＩｎＰからなるｐ型クラッド層１１、更に最表面にＡｌＧａＩｎＰもしくはＡｌＧａＡｓからなる電流分散層１２を積層成長する。電流分散層１２の成長終了と同時にヒータを切り、温度を下げて成長は完了である。

ＧａＡｓ基板７側へ向かった光を有効に取り出すために、ブラッグ反射層８を発光層１０の下方に配置するのは効果的である。すなわち、発光層１０から発せられ基板側へ向かう光は、ブラッグ反射層８で反射されて素子の上面から出射されるため、光取り出し効率を向上させることができる。

従来技術において、発光ダイオードの発光波長を変化させる場合には、発光層のＡｌ組成比を変化させている。例えば短波長化のためにはＡｌ組成を多くする手法を通常用いる。これは化学的に活性なＡｌが結晶成長中に酸素を取り込み、これが結晶中に、非発光センターを形成することが原因となっている。

ところで、発光ダイオードエピタキシャルウェハの問題の一つに発光層自身での発光の吸収がある。この場合の発光の吸収とは、主にブラッグ反射層（ＤＢＲ層）にて反射された反射光の吸収を指す。この発光層での光の吸収のために輝度が低減する。したがって、この光の吸収を減らすために、発光層の薄膜化が求められる。

しかしながら、発光層の膜厚を薄くすると発光波長が短波長化してしまうため、Ａｌ組成比を下げてバンドギャップを小さくし、目的の波長を得るようにしなければならない。しかし、Ａｌ組成比を下げてバンドギャップを小さくすると、発光層の透過率が２０％程度減少するために、発光ダイオードの輝度が低下してしまう。

そのため、従来技術の発光ダイオードエピタキシャルウェハにおいては、発光層の膜厚を十分に薄膜化することができず、発光層中での反射光の吸収量が多いという問題がある。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、Ａｌ量などの発光層材料の制限を受けることなく発光層の膜厚を薄くすることを可能とし、反射光の発光層中での光の吸収量を低減させて輝度を増大させる発光ダイオードエピタキシャルウェハの成長方法を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明は、次のように構成したものである。

請求項１の発明に係る発光ダイオードエピタキシャルウェハの成長方法は、気相成長法を用いて、導電性基板上に、少なくとも、屈折率の異なる複数の半導体層からなるブラッグ反射層（ＤＢＲ層）と、ｎ型クラッド層、発光層及びｐ型クラッド層から成る発光部と、電流分散層とを順に積層した発光ダイオードエピタキシャルウェハの成長方法において、上記発光層を（Ａｌ_xＧａ_1-x）_yＩｎ_1-yＰ（０≦ｘ≦１、０＜ｙ≦１）により構成し、その発光層における基板の結晶格子に対する歪み量を−１．０％程度として、発光層を薄く成長することを特徴とする。

請求項２の発明に係る発光ダイオードエピタキシャルウェハの成長方法は、気相成長法を用いて、導電性基板上に、Ａｌ_xＧａ_1-xＡｓ（０≦ｘ＜１）もしくは（Ａｌ_xＧａ_1-x）_yＩｎ_1-yＰ（０≦ｘ≦１、０＜ｙ≦１）の多層構造からなるブラッグ反射層（ＤＢＲ層）、それぞれ（Ａｌ_xＧａ_1-x）_yＩｎ_1-yＰ（０≦ｘ≦１、０＜ｙ≦１）からなるｎ型クラッド層、発光層、ｐ型クラッド層、及びＡｌ_xＧａ_1-xＡｓ（０≦ｘ＜１）もしくは（Ａｌ_xＧａ_1-x）_yＩｎ_1-yＰ（０≦ｘ≦１、０＜ｙ≦１）からなる電流分散層を順に積層した発光ダイオードエピタキシャルウェハの成長方法において、上記（Ａｌ_xＧａ_1-x）_yＩｎ_1-yＰ（０≦ｘ≦１、０＜ｙ≦１）よりなる発光層に関し、該発光層における基板の結晶格子に対する歪み量を−１．０％程度として、発光層を薄く成長することを特徴とする。

請求項３の発明は、請求項１又は２記載の発光ダイオードエピタキシャルウェハの成長方法において、上記発光層が単層もしくは多層構造からなることを特徴とする。

請求項４の発明は、請求項１〜３のいずれかに記載の発光ダイオードエピタキシャルウェハの成長方法において、上記発光層のＡｌ組成比ｘが０〜０．４の範囲にあることを特徴とする。

＜発明の要点＞
ＧａＡｓ基板の如き化合物半導体基板は発光層に対して極めて厚いために、発光層は基板によって歪を付与される。この発光層内部に生じる引っ張り歪みは負の歪みとして説明される。

本発明者は、発光ダイオードエピタキシャルウェハの発光層を基板に対して歪ませ、その歪み量を−１．０％程度とすることによって、目的の発光波長を得るための発光層の薄膜化が可能となり、これにより、ブラッグ反射層（ＤＢＲ層）から反射されてくる光が発光層中を通過する際に吸収される光の吸収量が低減され、輝度を向上させることができることを見出した。ここで発光層の歪み量は、歪んだ状態での基板との格子定数差比で定義される量である。
上記において歪量−１．０％程度とは、歪量−０．９％〜−１．１％の実用上効果的な値の範囲をいう。

本発明によれば、次のような優れた効果が得られる。

請求項１又は２に記載の発明によれば、（Ａｌ_xＧａ_1-x）_yＩｎ_1-yＰ（０≦ｘ≦１、０＜ｙ≦１）から成る発光層における基板の結晶格子に対する歪み量を−１．０％程度とし、発光層を歪み発光層とするので、Ａｌ量などの発光層材料の制限を受けることなく発光層の膜厚を薄くすることができる。よって、発光層中での光の吸収量を低減させて輝度を増大させることができる。

すなわち、本発明によれば、−１．０％程度という適切な歪み量の導入によって発光層の薄膜化が可能になるため、これにより、ブラッグ反射層から反射されてくる光に関し、発光層中での光の吸収量が低減され、（１）本発明により発光ダイオードエピタキシャルウェハの輝度が１０％程度向上する、（２）発光層の膜厚を薄膜化できるため、発光デバイスとしたときの順方向電圧Ｖｆが小さくなる、という効果が得られる。

本発明において発光層は単層もしくは多層構造のいずれでもよく（請求項３）、また発光層のＡｌ組成比ｘは０〜０．４の範囲の任意の値を採ることができる（請求項４）。

以下、本発明を図示の実施の形態に基づいて説明する。

図１に示すように、ＭＯＶＰＥ法（有機金属気相成長法）により、Ｓｉドープのｎ型ＧａＡｓ基板１上に、Ａｌ_xＧａ_1-xＡｓ（０≦ｘ＜１）もしくは（Ａｌ_xＧａ_1-x）_yＩｎ_1-yＰ（０≦ｘ≦１、０＜ｙ≦１）の多層構造からなるブラッグ反射層２、（Ａｌ_xＧａ_1-x）_yＩｎ_1-yＰ（０≦ｘ≦１、０＜ｙ≦１）からなるｎ型クラッド層３、アンドープの（Ａｌ_xＧａ_1-x）_yＩｎ_1-yＰ（０≦ｘ≦１、０＜ｙ≦１）からなる発光層４、（Ａｌ_xＧａ_1-x）_yＩｎ_1-yＰ（０≦ｘ≦１、０＜ｙ≦１）からなるｐ型クラッド層５、更に最表面に（Ａｌ_xＧａ_1-x）_yＩｎ_1-yＰ（０≦ｘ≦１、０＜ｙ≦１）もしくはＡｌ_xＧａ_1-xＡｓ（０≦ｘ＜１）からなる電流分散層６を積層成長する。上記のｎ型クラッド層３、発光層４及びｐ型クラッド層５により発光部としてのダブルヘテロ構造が構成される。

上記のブラッグ反射層２は、ＬＥＤの発光波長をλ、屈折率をｎとしたときに、高屈折率のλ／４ｎ膜と低屈折率膜のλ／４ｎ膜を多層形成した多層反射膜で構成している。発光層から発せられ基板側へ向かう光は、この多層反射膜で反射され、素子の上面から出射されるため、光取り出し効率を向上させることができる。

上記発光ダイオード用エピタキシャルウェハを成長するに際し、発光層４の歪み量を−１．０％として、発光層４の膜厚を薄く成長する。発光層４をこのような歪み発光層とすることで発光層４の薄膜化を行うと、発光層４の薄膜化に際しＡｌの導入量からの制限を受けない。

ＭＯＶＰＥ法（有機金属気相成長法）を用いて図１のＡｌＧａＩｎＰ系ダブルヘテロ構造の発光ダイオード用エピタキシャルウェハを成長した。成長の一例を示す。

従来技術で説明したように１×１０⁴Ｐａの圧力下でｎ型ＧａＡｓ基板をヒータにて６５０℃に加熱し、そこにキャリアガスとして水素を用いてIII族原料となるＴＭＧ（トリメチルガリウム）、ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）、ＴＭＩ（トリメチルインジウム）、Ｖ族原料となるＡｓＨ₃（アルシン）、ＰＨ₃（ホスフィン）、ドーパントとなるＨ₂Ｓｅ（セレン化水素）、ＤＥＺ（ジエチル亜鉛）を必要に応じ供給し、成長を行う。

６５０℃に加熱したＳｉドープのｎ型ＧａＡｓ基板１上に、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰの多層構造からなるブラッグ反射層２、ＡｌＧａＩｎＰからなるｎ型クラッド層３、アンドープのＡｌＧａＩｎＰからなる発光層４、ＡｌＧａＩｎＰからなるｐ型クラッド層５、更に最表面にＡｌＧａＩｎＰもしくはＡｌＧａＡｓからなる電流分散層６を積層成長する。電流分散層６の成長終了と同時にヒータを切り、温度を下げて成長は完了である。その際、発光層４の歪み量を−１．０％とすることで発光層４の膜厚を薄膜化した。

このように発光層に−１．０％程度という適切な歪み量を導入することによって、Ａｌ組成比からの制約を受けることなく発光層の薄膜化を図ることができた。これにより、発光層中での光の吸収量が低減され、発光ダイオードエピタキシャルウェハの輝度が、歪み量を導入しない場合に較べ１０％程度向上した。また、発光デバイスとしたときの順方向電圧Ｖｆが小さくなった。

上記実施形態ではアンドープのＡｌＧａＩｎＰからなる発光層としたが、本発明はこれに限定されるものではなく、発光層にＺｎ、Ｓｅ、Ｓｉ、Ｔｅ、Ｍｇなどの不純物をドーピングした上で発光層を歪ませることもできる。

本発明の方法により成長しようとする発光ダイオード用エピタキシャルウェハの断面模式図である。 従来技術の発光ダイオード用エピタキシャルウェハの断面模式図である。

符号の説明

１ ＧａＡｓ基板
２ ブラッグ反射層（ＤＢＲ層）
３ ｎ型クラッド層
４ 発光層（歪み量−１．０％）
５ ｐ型クラッド層
６ 電流分散層
７ ＧａＡｓ基板
８ ブラッグ反射層（ＤＢＲ層）
９ ｎ型クラッド層
１０ 発光層
１１ ｐ型クラッド層
１２ 電流分散層

Claims (4)

1. 気相成長法を用いて、導電性基板上に、少なくとも、屈折率の異なる複数の半導体層からなるブラッグ反射層と、ｎ型クラッド層、発光層及びｐ型クラッド層から成る発光部と、電流分散層とを順に積層した発光ダイオードエピタキシャルウェハの成長方法において、
   上記発光層を（Ａｌ_xＧａ_1-x）_yＩｎ_1-yＰ（０≦ｘ≦１、０＜ｙ≦１）により構成し、その発光層における基板の結晶格子に対する歪み量を−１．０％程度として、発光層を薄く成長することを特徴とする発光ダイオードエピタキシャルウェハの成長方法。
2. 気相成長法を用いて、導電性基板上に、Ａｌ_xＧａ_1-xＡｓ（０≦ｘ＜１）もしくは（Ａｌ_xＧａ_1-x）_yＩｎ_1-yＰ（０≦ｘ≦１、０＜ｙ≦１）の多層構造からなるブラッグ反射層、それぞれ（Ａｌ_xＧａ_1-x）_yＩｎ_1-yＰ（０≦ｘ≦１、０＜ｙ≦１）からなるｎ型クラッド層、発光層、ｐ型クラッド層、及びＡｌ_xＧａ_1-xＡｓ（０≦ｘ＜１）もしくは（Ａｌ_xＧａ_1-x）_yＩｎ_1-yＰ（０≦ｘ≦１、０＜ｙ≦１）からなる電流分散層を順に積層した発光ダイオードエピタキシャルウェハの成長方法において、
   上記（Ａｌ_xＧａ_1-x）_yＩｎ_1-yＰ（０≦ｘ≦１、０＜ｙ≦１）よりなる発光層に関し、該発光層における基板の結晶格子に対する歪み量を−１．０％程度として、発光層を薄く成長することを特徴とする発光ダイオードエピタキシャルウェハの成長方法。
3. 請求項１又は２記載の発光ダイオードエピタキシャルウェハの成長方法において、
   上記発光層が単層もしくは多層構造からなることを特徴とする発光ダイオードエピタキシャルウェハの成長方法。
4. 請求項１〜３のいずれかに記載の発光ダイオードエピタキシャルウェハの成長方法において、
   上記発光層のＡｌ組成比ｘが０〜０．４の範囲にあることを特徴とする発光ダイオードエピタキシャルウェハの成長方法。

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