JP2007088351A - 発光ダイオード用エピタキシャルウェハおよび発光ダイオード - Google Patents
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Abstract
【課題】 エピタキシャル成長後に追加工程を行うことなく、高歩留まりで光取出し効率の高い発光ダイオード用エピタキシャルウェハおよび発光ダイオードを提供する。
【解決手段】 この発光ダイオード用エピタキシャルウェハは、ｎ型ＧａＡｓ基板２上に、ＭＯＶＰＥ法により、ｎ型Ａ１ＧａＩｎＰクラッド層３、ＡｌＧａＩｎＰ活性層４、およびｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層５を順次成長させ、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層５上に、ＭＯＶＰＥ法により、ドーパントとしてＭｇを含むｐ型ＧａＰ電流拡散層６を成長させ、ｐ型ＧａＰ電流拡散層６の表面を荒らして光取出し効率を高めたものである。
【選択図】 図１
【解決手段】 この発光ダイオード用エピタキシャルウェハは、ｎ型ＧａＡｓ基板２上に、ＭＯＶＰＥ法により、ｎ型Ａ１ＧａＩｎＰクラッド層３、ＡｌＧａＩｎＰ活性層４、およびｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層５を順次成長させ、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層５上に、ＭＯＶＰＥ法により、ドーパントとしてＭｇを含むｐ型ＧａＰ電流拡散層６を成長させ、ｐ型ＧａＰ電流拡散層６の表面を荒らして光取出し効率を高めたものである。
【選択図】 図１
Description
本発明は、高輝度の発光ダイオード用エピタキシャルウェハおよび発光ダイオードに関する。
発光ダイオード（ＬＥＤ）は、産業用や民生用の表示素子として広く用いられており、高輝度のＬＥＤとしては、ＡｌＧａＡｓの赤色ＬＥＤが用いられている。また、赤色より短波長のＬＥＤとしては、ＧａＡｓＰやＧａＰが用いられているが、低輝度のものしか得られていない。
しかし、近年、Ａ１ＧａＩｎＰ系の結晶層を有機金属気相成長（ＭＯＶＰＥ：Metal-Organic Vapor Phase Epitaxy）法で成長できることになったことから、橙色、黄色、緑色の高輝度ＬＥＤを製作できるようになっている（例えば、特許文献１参照。）。
特許文献１に記載された発光ダイオードは、ｎ型ＧａＡｓ基板上に、ＭＯＶＰＥ法により、ｎ型ＧａＡｓバッファ層、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層、ＡｌＧａＩｎＰ活性層、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層、Ｚｎがドープされたｐ型ＧａＰ電流拡散層を順次成長させたものである。この発光ダイオードによれば、ｐ型ＧａＰ電流拡散層無しのものと比べて、発光した光を有効に外部に取り出すことができる。
また、エピタキシャル層の表面（エピ表面）を荒らすことにより光取出し効率をアップさせる方法が広く知られており、一般的にエピタキシャル成長後にエッチングなどの工程を経てエピ表面を荒らす方法が用いられている（例えば、特許文献２参照。）。
特許文献２に記載された方法は、エピタキシャル層の表面を硝酸とメタノールの混合液を用いたウエットエッチングにより、光取出し面を凹凸化するものである。
特開２００１−１０２６２７号公報
特開２００２−２１７４５１号公報
従来の発光ダイオードによると、ＺｎがドープされたＧａＰ電流拡散層を５μｍ以上と厚くエピタキシャル成長させた場合、三角形や菱形形状の表面欠陥が多く発生し、チッププロセス時にこの欠陥を起点にウェハが割れてしまい、歩留まり低下の問題となっている。
また、従来の光取出し面の凹凸化方法によると、エピタキシャル成長後に、追加工程が必要となり、コストアップの要因となっている。
従って、本発明の目的は、エピタキシャル成長後に追加工程を行うことなく、高歩留まりで光取出し効率の高い発光ダイオード用エピタキシャルウェハおよび発光ダイオードを提供することにある。
本発明の第１の形態は、上記目的を達成するため、ｎ型基板上に形成され、活性層をｎ型およびｐ型クラッド層で挟んで構成された発光部と、前記発光部上に形成されたｐ型ＧａＰ電流拡散層とを有する発光ダイオード用エピタキシャルウェハにおいて、前記ｐ型ＧａＰ電流拡散層は、Ｍｇがドーピングされることにより、表面の二乗平均粗さＲｍｓを１５ｎｍ〜５μｍとすることを特徴とする発光ダイオード用エピタキシャルウェハを提供する。
上記発光ダイオード用エピタキシャルウェハを用いた発光ダイオードによれば、ｐ型ＧａＰ電流拡散層の表面粗さをＲｍｓ１５ｎｍ以上とすると、ｐ型ＧａＰ電流拡散層の表面と空気との界面での反射光が減り、光取出し効率が高くなる。一方、ｐ型ＧａＰ電流拡散層の表面粗さがＲｍｓ５μｍを超えると、機械式でのワイヤボンディング時の画像認識が困難になる。また、ｐ型ＧａＰ電流拡散層の厚さを厚くすることにより、電流拡散効果が増大し、発光層での広範囲な発光が得られる。さらに、Ｍｇをドープしたｐ型ＧａＰ電流拡散層は、厚くエピタキシャル成長させても三角形や菱形の表面欠陥が発生し難いため、これらの欠陥を起点にしてチッププロセス時に割れが発生することは少なく、チップの歩留まり低下を防げる。
上記ｐ型ＧａＰ電流拡散層は、Ｍｇの他にＣがドーピングされることにより、ｐ型ＧａＰ電流拡散層の表面粗さをＲｍｓ１５ｎｍ〜５μｍとしてもよい。
上記ｐ型ＧａＰ電流拡散層は、Ｍｇの原料としてビスシクロペンタディエニルマグネシウムを用い、ＭＯＶＰＥ法により成長したものを用いることができる。
上記ｐ型ＧａＰ電流拡散層は、Ｇａを含んだ有機金属原料中に含まれるＣをオートドーピングしたものでもよい。
ｐ型ＧａＰ電流拡散層において、Ｍｇドーパントを用いる場合に、Ｍｇの原子濃度が１×１０１７ｃｍ−３以上とすることができる。また、ＭｇとＣのドーパントを用いる場合に、ＭｇおよびＣの原子濃度がそれぞれ１×１０１７ｃｍ−３以上とすることができる。
上記ｎ型基板は、ＧａＡｓから構成することができる。上記発光部は、発光波長、発光出力、駆動電圧等により適宜選択することができ、例えば、ＡｌＧａＩｎＰ、ＧａＩｎＰ等から構成することができる。
本発明の第２の形態は、上記目的を達成するため、上記発光ダイオード用エピタキシャルウェハを用い、ｎ型基板のエピタキシャル層を成長させない面に裏面電極を形成するとともに、ｐ型ＧａＰ電流拡散層上に表面電極を形成した発光ダイオードを提供する。
本発明によれば、Ｍｇをドープしてｐ型ＧａＰ電流拡散層の表面を荒らしているので、エピタキシャル成長後に追加工程を行うことなく、高歩留まりで光取出し効率の高い発光ダイオード用エピタキシャルウェハおよび発光ダイオードを提供することができる。
［第１の実施の形態］
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る発光ダイオードを示す。この発光ダイオード用エピタクシャルウェハは、ｎ型ＧａＡｓ基板２上に、ＭＯＶＰＥ法により、ｎ型Ａ１ＧａＩｎＰクラッド層３、ＡｌＧａＩｎＰ活性層４、およびｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層５を順次成長させ、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層５上に、ＭＯＶＰＥ法により、Ｍｇがドープされたｐ型ＧａＰ電流拡散層６を成長させている。
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る発光ダイオードを示す。この発光ダイオード用エピタクシャルウェハは、ｎ型ＧａＡｓ基板２上に、ＭＯＶＰＥ法により、ｎ型Ａ１ＧａＩｎＰクラッド層３、ＡｌＧａＩｎＰ活性層４、およびｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層５を順次成長させ、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層５上に、ＭＯＶＰＥ法により、Ｍｇがドープされたｐ型ＧａＰ電流拡散層６を成長させている。
また、この発光ダイオード用エピタクシャルウェハを用いて作製される発光ダイオードは、基板２の裏面全面に裏面電極１を形成し、ｐ型電流拡散層６上の中央に例えば円形の表面電極７を形成している。裏面電極１として、例えば、ＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕ等の積層電極を用いることができ、表面電極７として、例えば、ＡｕＺｎ／Ｎｉ／ＡｕやＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ等の積層電極を用いることができる。
Ｍｇがドープされたｐ型ＧａＰ電流拡散層６を形成するには、トリメチルガリウム（Ｇａ（ＣＨ３）３）および／またはトリエチルガリウム（Ｇａ（Ｃ２Ｈ５）３）を用いてＶ／III比（１〜１００）でエピタキシャル成長させ、その際にＭｇを原子濃度１×１０１７ｃｍ−３以上ドーピングする。これにより、ｐ型ＧａＰ電流拡散層６の表面粗さが二乗平均粗さＲｍｓで１５ｎｍ以上となる。
（発光動作）
次に、この発光ダイオードの発光動作を説明する。裏面電極１と表面電極７との間に所定の駆動電圧を印加すると、電流が表面電極７から裏面電極１側に流れる。ＧａＰ電流拡散層６によって電流が横方向に拡散し、活性層４の広い範囲で発光する。活性層４からの発光光のうち一部の光は、ｐ型ＧａＰ電流拡散層６が露出する部分、すなわち表面電極７が形成されていない表面から外部に出射される。このとき、ＧａＰ電流拡散層６の表面が平坦な場合、ＧａＰ電流拡散層６（屈折率約３）と空気の屈折率１との間に大きな屈折率差があるため、ＧａＰ電流拡散層６と空気との界面において、限られた入射角の光のみが外部に出射し、その他の光は界面で反射してエピタキシャル層で吸収されてしまうため、光取出し効率が低くなる。本実施の形態のようにＧａＰ電流拡散層６の表面に凹凸が形成されていると、界面から外部に出射可能な入射角が増え、界面で反射する光が減るため、光取出し効率が高くなる。
次に、この発光ダイオードの発光動作を説明する。裏面電極１と表面電極７との間に所定の駆動電圧を印加すると、電流が表面電極７から裏面電極１側に流れる。ＧａＰ電流拡散層６によって電流が横方向に拡散し、活性層４の広い範囲で発光する。活性層４からの発光光のうち一部の光は、ｐ型ＧａＰ電流拡散層６が露出する部分、すなわち表面電極７が形成されていない表面から外部に出射される。このとき、ＧａＰ電流拡散層６の表面が平坦な場合、ＧａＰ電流拡散層６（屈折率約３）と空気の屈折率１との間に大きな屈折率差があるため、ＧａＰ電流拡散層６と空気との界面において、限られた入射角の光のみが外部に出射し、その他の光は界面で反射してエピタキシャル層で吸収されてしまうため、光取出し効率が低くなる。本実施の形態のようにＧａＰ電流拡散層６の表面に凹凸が形成されていると、界面から外部に出射可能な入射角が増え、界面で反射する光が減るため、光取出し効率が高くなる。
（第１の実施の形態の効果）
この第１の実施の形態によれば、以下の効果が得られる。
（イ）一般的に用いられているＺｎがドープされたＧａＰ電流拡散層の表面粗さＲｍｓ１０ｎｍ以下と比較して、Ｒｍｓ１５ｎｍ以上の表面粗さが得られるので、光取出し効率がアップし、より高輝度な発光ダイオード用エピタキシャルウェハおよび発光ダイオードを提供することができる。
（ロ）ＧａＰ電流拡散層の表面を荒らすエッチング等の後工程が不要であるので、コストアップを防げる。
（ハ）ＧａＰ電流拡散層を厚くエピタキシャル成長させても表面欠陥が発生し難いため、チッププロセス時の歩留まりを良くすることができる。
（ニ）ＧａＰ電流拡散層を厚くすることにより、電流を横方向に拡散することができ、光取出し効率を更に増加させることができる。
この第１の実施の形態によれば、以下の効果が得られる。
（イ）一般的に用いられているＺｎがドープされたＧａＰ電流拡散層の表面粗さＲｍｓ１０ｎｍ以下と比較して、Ｒｍｓ１５ｎｍ以上の表面粗さが得られるので、光取出し効率がアップし、より高輝度な発光ダイオード用エピタキシャルウェハおよび発光ダイオードを提供することができる。
（ロ）ＧａＰ電流拡散層の表面を荒らすエッチング等の後工程が不要であるので、コストアップを防げる。
（ハ）ＧａＰ電流拡散層を厚くエピタキシャル成長させても表面欠陥が発生し難いため、チッププロセス時の歩留まりを良くすることができる。
（ニ）ＧａＰ電流拡散層を厚くすることにより、電流を横方向に拡散することができ、光取出し効率を更に増加させることができる。
［第２の実施の形態］
次に、本発明の第２の実施の形態を説明する。この第２の実施の形態のｐ型ＧａＰ電流拡散層６は、ＭｇとＣがドーピングされて所定の表面粗さを有するものであり、他は第１の実施の形態と同様に構成されている。
次に、本発明の第２の実施の形態を説明する。この第２の実施の形態のｐ型ＧａＰ電流拡散層６は、ＭｇとＣがドーピングされて所定の表面粗さを有するものであり、他は第１の実施の形態と同様に構成されている。
Ｍｇがドープされたｐ型ＧａＰ電流拡散層６を形成するには、トリメチルガリウム（Ｇａ（ＣＨ３）３）および／またはトリエチルガリウム（Ｇａ（Ｃ２Ｈ５）３）を用いてＶ／III比（１〜１００）でエピタキシャル成長させ、その際にＭｇおよびＣをそれぞれ原子濃度１×１０１７ｃｍ−３以上ドーピングする。これにより、ｐ型ＧａＰ電流拡散層６の表面粗さがＲｍｓ２０ｎｍ以上となる。
この第２の実施の形態によれば、第１の実施の形態よりもｐ型ＧａＰ電流拡散層６の表面粗さを大きくすることができるので、光取出し効率がアップし、より高輝度な発光ダイオードおよび発光ダイオード用エピタキシャルウェハを提供することができる。
次に、本発明の実施例１について説明する。この実施例１の発光ダイオードは、上記第１の実施の形態に対応するものであり、次のように作製される。
まず、ｎ型ＧａＡｓ基板２上に、ＭＯＶＰＥ法により、厚さが０．５μｍでキャリア濃度が１×１０１８ｃｍ−３のｎ型Ａ１ＧａＩｎＰクラッド層３、厚さが０．５μｍのアンドープＡｌＧａＩｎＰ活性層４、厚さが０．５μｍでキャリア濃度が５×１０１７ｃｍ−３のｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層５を順次成長させる。
次に、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層５上に、ＭＯＶＰＥ法により厚さが１０μｍでキャリア濃度が１×１０１８ｃｍ−３のＭｇドープＧａＰ電流拡散層６を成長させる。
このＧａＰ電流拡散層６は、フォスフィン（ＰＨ３）を１０００ｃｃ／ｍｉｎ、トリメチルガリウム（ＴＭＧ：（ＣＨ３）３Ｇａ）を５０ｃｃ／ｍｉｎ、ビスシクロペンタディエニルマグネシウム（Ｃｐ２Ｍｇ）を２００ｃｃ／ｍｉｎ、Ｈ２キャリアガス２０Ｌ／ｍｉｎを成長温度７００℃の下で約２時間流して形成する。
（評価）
このＧａＰ電流拡散層６の表面粗さは、原子間力顕微鏡により評価を行った結果、Ｒｍｓ２０ｎｍであった。また、上記エピタキシャルウェハから３５０μｍ角サイズのＬＥＤチップを製作し、発光特性評価を行った。表面が荒れていないＺｎドープＧａＰ層を備えたＬＥＤチップ（表面粗さＲｍｓ７ｎｍ）と比較した結果、発光出力は約１５％アップの２．１ｍＷとなった。
このＧａＰ電流拡散層６の表面粗さは、原子間力顕微鏡により評価を行った結果、Ｒｍｓ２０ｎｍであった。また、上記エピタキシャルウェハから３５０μｍ角サイズのＬＥＤチップを製作し、発光特性評価を行った。表面が荒れていないＺｎドープＧａＰ層を備えたＬＥＤチップ（表面粗さＲｍｓ７ｎｍ）と比較した結果、発光出力は約１５％アップの２．１ｍＷとなった。
図２は、ＺｎドープＧａＰと実施例１との比較を示す写真であり、（ａ）はＺｎドープＧａＰ（厚さ１０μｍ）の表面粗さＲｍｓ＝７ｎｍ（ＡＦＭ像）を示す写真、（ｂ）はＭｇドープＧａＰ（厚さ１０μｍ）の表面粗さＲｍｓ＝２０ｎｍ（ＡＦＭ像）を示す写真、（ｃ）はＺｎドープＧａＰ（厚さ１０μｍ）の表面粗さＲｍｓ＝７ｎｍ（ＳＥＭ像）を示す写真、（ｄ）はＭｇドープＧａＰ（厚さ１０μｍ）の表面粗さＲｍｓ＝２０ｎｍ（ＳＥＭ像）を示す写真である。写真から分かるように、実施例１のＧａＰ電流拡散層６の表面は、ＺｎドープＧａＰと比較して大きな表面粗さが得られている。
次に、本発明の実施例２について説明する。この実施例２の発光ダイオードは、上記第２の実施の形態に対応するものであり、次のように作製される。
まず、ｎ型ＧａＡｓ基板２上に、ＭＯＶＰＥ法により、厚さが０．５μｍでキャリア濃度が１×１０１８ｃｍ−３のｎ型Ａ１ＧａＩｎＰクラッド層３、厚さが０．５μｍのアンドープＡｌＧａＩｎＰ活性層４、厚さが０．５μｍでキャリア濃度が５×１０１７ｃｍ−３のｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層５を順次成長させる。
次に、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層５上に、ＭＯＶＰＥ法により、厚さが１０μｍでキャリア濃度が１×１０１８ｃｍ−３のＭｇおよびＣをドープしたＧａＰ電流拡散層６を成長させる。
このＧａＰ電流拡散層６は、ＰＨ３を２００ｃｃ／ｍｉｎ、ＴＭＧを５０ｃｃ／ｍｉｎ、Ｃｐ２Ｍｇを１００ｃｃ／ｍｉｎ、Ｈ２キャリアガス２０Ｌ／ｍｉｎを成長温度７００℃の下で約２時間流して形成する。
（評価）
このＧａＰ電流拡散層６の表面粗さは、原子間力顕微鏡により評価を行った結果、Ｒｍｓ２０ｎｍであった。また、上記エピタキシャルウェハから３５０μｍ角サイズのＬＥＤチップを製作し、発光特性評価を行った。表面が荒れていないＺｎドープＧａＰ層を備えたＬＥＤチップ（表面粗さＲｍｓ７ｎｍ）と比較した結果、発光出力は約１５％アップの２．２ｍＷとなった。
このＧａＰ電流拡散層６の表面粗さは、原子間力顕微鏡により評価を行った結果、Ｒｍｓ２０ｎｍであった。また、上記エピタキシャルウェハから３５０μｍ角サイズのＬＥＤチップを製作し、発光特性評価を行った。表面が荒れていないＺｎドープＧａＰ層を備えたＬＥＤチップ（表面粗さＲｍｓ７ｎｍ）と比較した結果、発光出力は約１５％アップの２．２ｍＷとなった。
［他の実施の形態］
なお、本発明は、上記実施の形態および上記実施例に限定されず、発明の趣旨を逸脱しない範囲内で種々に変形実施が可能である。
なお、本発明は、上記実施の形態および上記実施例に限定されず、発明の趣旨を逸脱しない範囲内で種々に変形実施が可能である。
１ 裏面電極
２ ｎ型ＧａＡｓ基板
３ ｎ型Ａ１ＧａＩｎＰクラッド層
４ ＡｌＧａＩｎＰ活性層
５ ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層
６ ｐ型ＧａＰ電流拡散層
７ 表面電極
２ ｎ型ＧａＡｓ基板
３ ｎ型Ａ１ＧａＩｎＰクラッド層
４ ＡｌＧａＩｎＰ活性層
５ ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層
６ ｐ型ＧａＰ電流拡散層
７ 表面電極
Claims (8)
- ｎ型基板上に形成され、活性層をｎ型およびｐ型クラッド層で挟んで構成された発光部と、前記発光部上に形成されたｐ型ＧａＰ電流拡散層とを有する発光ダイオード用エピタキシャルウェハにおいて、
前記ｐ型ＧａＰ電流拡散層は、Ｍｇがドーピングされることにより、表面の二乗平均粗さＲｍｓを１５ｎｍ〜５μｍとすることを特徴とする発光ダイオード用エピタキシャルウェハ。 - 前記ｐ型ＧａＰ電流拡散層は、Ｍｇの他にＣがドーピングされることを特徴とする請求項１に記載の発光ダイオード用エピタキシャルウェハ。
- 前記ｐ型ＧａＰ電流拡散層は、Ｍｇの原料としてビスシクロペンタディエニルマグネシウムを用い、ＭＯＶＰＥ法により成長したことを特徴とする請求項１に記載の発光ダイオード用エピタキシャルウェハ。
- 前記ｐ型ＧａＰ電流拡散層は、Ｇａを含んだ有機金属原料中に含まれるＣをオートドーピングしたことを特徴とする請求項２に記載の発光ダイオード用エピタキシャルウェハ。
- 前記ｐ型ＧａＰ電流拡散層は、Ｍｇの原子濃度が１×１０１７ｃｍ−３以上であることを特徴とする請求項１に記載の発光ダイオード用エピタキシャルウェハ。
- 前記ｐ型ＧａＰ電流拡散層は、ＭｇおよびＣの原子濃度がそれぞれ１×１０１７ｃｍ−３以上であることを特徴とする請求項２に記載の発光ダイオード用エピタキシャルウェハ。
- 前記ｎ型基板は、ＧａＡｓからなり、
前記発光部は、ＡｌＧａＩｎＰまたはＧａＩｎＰからなることを特徴とする請求項１に記載の発光ダイオード用エピタキシャルウェハ。 - 請求項１乃至７のいずれか１項に記載の発光ダイオード用エピタキシャルウェハを用い、前記ｎ型基板のエピタキシャル層を成長させない面に裏面電極を形成するとともに、前記ｐ型ＧａＰ電流拡散層上に表面電極を形成したことを特徴とする発光ダイオード。
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