JP2007288068A - Epitaxial wafer for light emission and light emitting element - Google Patents
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Description
本発明は、LD(Laser Diode)、LED(Light Emitted Diode)などの発光素子用エピタキシャルウエハ及び発光素子に関する。 The present invention relates to an epitaxial wafer and a light emitting element for light emitting elements such as LD (Laser Diode) and LED (Light Emitted Diode).
AlGaAs、AlGaInPなどのIII/V族化合物半導体結晶を用いた半導体レーザーダイオード(LD)は、デジタルバーサタイルディスク(DVD)やコンパクトディスク(CD)などの光ディスクシステムにおいて、読み取り用光源や書き込み用光源として広く用いられている。また発光ダイオード(LED)はディスプレイ、リモコン、センサー、車載用ランプ等、様々な用途に用いられている。 Semiconductor laser diodes (LDs) using III / V group compound semiconductor crystals such as AlGaAs and AlGaInP are widely used as light sources for reading and writing in optical disc systems such as digital versatile discs (DVD) and compact discs (CD). It is used. Light emitting diodes (LEDs) are used in various applications such as displays, remote controllers, sensors, and in-vehicle lamps.
化合物半導体結晶を成長する方法の一つに有機金属気相成長法(Metal Organic Vapor Phase Epitaxy、以下MOVPE法と言う)がある。MOVPE法では、III族有機金属原料ガスとV族原料ガスを、高純度水素キャリアガスとの混合ガスとして成長炉内に導入し、成長炉内で加熱された基板付近で原料を熱分解して、基板上に化合物半導体結晶をエピタキシャル成長させる。 One method for growing compound semiconductor crystals is metal organic vapor phase epitaxy (hereinafter referred to as MOVPE method). In the MOVPE method, a group III organometallic source gas and a group V source gas are introduced into a growth reactor as a mixed gas with a high purity hydrogen carrier gas, and the source material is pyrolyzed in the vicinity of the substrate heated in the growth reactor. A compound semiconductor crystal is epitaxially grown on the substrate.
従来のAlGaAs系のレーザーダイオード用エピタキシャルウエハには、図4に示すように、n型GaAs基板41上に、n型バッファ層42、n型AlGaAsクラッド層43、活性層44、p型AlGaAsクラッド層45およびp型GaAsコンタクト層46を順次積層した構造を有するものがある。n型AlGaAsクラッド層43、活性層44、p型AlGaAsクラッド層45からダブルヘテロ構造の発光部が形成されている。活性層44で発光した光は、活性層44とAlGaAsクラッド層43,45との界面で全反射を繰り返し、活性層44内を導波されて、結晶端面から外部に出射する。
As shown in FIG. 4, the conventional AlGaAs laser diode epitaxial wafer includes an n-
レーザーダイオードは、このレーザーダイオード用エピタキシャルウエハに対し、発光部に順方向電流を注入するため、n型GaAs基板41にn電極47を、またp型AlGaAsクラッド層45にp電極48を形成する。このとき、p電極48と半導体との間でオーミック接触を実現するために、p型AlGaAsクラッド層45とp電極48との間に、p型不純物を高濃度でドーピングしたp型GaAsコンタクト層46を介在させている。p型層では、不純物として亜鉛(Zn)、マグネシウム(Mg)が、また、n型層では、不純物としてシリコン(Si)が用いられる。
In the laser diode, an n-
しかし、p型GaAsコンタクト層46では、良好なオーミック特性を得ることが困難であった。すなわち、p電極48とp型GaAsコンタクト層46との間で接触(コンタクト)抵抗が大きく、また、レーザーダイオードの電圧−電流特性が異常になることがあった。
However, in the p-type
そこで、p電極48とp型GaAsコンタクト層46との間の接触抵抗を低減する方法として、p電極48の金属材料を選定したり、さらにp電極形成後の熱処理(アロイ)工程の最適化を図ったり、また、p型GaAsコンタクト層46のドーピング濃度を高めて表面空乏層幅を狭くする方法が提案されている。
Therefore, as a method for reducing the contact resistance between the p-
なお、ヘテロバイポーラトランジスタ(HBT)の技術分野において、p型InGaAsのベース層上に形成するオーミック電極をPd/Zn/Pt/Au層とすること(例えば、特許文献1参照)が知られている。
しかしながら、上述したp電極材料の選定や、p電極形成後の熱処理(アロイ)工程の最適化を図る方法では、安定して低い抵抗値を得ることが困難であった。また、オーミック接触に必要な熱処理条件が制限されることも障害となった。つまり、熱処理を進めてしまうと、電極金属と半導体が合金化することにより変質して接触抵抗が大きくなったり、半導体内のドーパント不純物が熱拡散するためにエピタキシャル成長層の不純物濃度分布が変化してしまい、所望のLD特性を得ることができなかった。 However, it has been difficult to stably obtain a low resistance value by the above-described method for selecting the p-electrode material and optimizing the heat treatment (alloy) process after forming the p-electrode. In addition, limiting the heat treatment conditions necessary for ohmic contact has also been an obstacle. In other words, if the heat treatment proceeds, the contact resistance increases due to alloying between the electrode metal and the semiconductor, or the impurity concentration distribution in the epitaxial growth layer changes due to thermal diffusion of dopant impurities in the semiconductor. As a result, desired LD characteristics could not be obtained.
また、p型GaAsコンタクト層46中へのドーピング濃度を高めて表面空乏層幅を狭くする方法では、GaAsコンタクト層46にZnを高濃度ドーピングしてエピタキシャル成長しても、ある濃度以上ではZnが活性化しないために、得られるキャリア濃度は高々5×1018cm−3に留まってしまう。また、この高濃度ドープのGaAsコンタクト層46にp電極48を形成して活性化熱処理すると、p型AlGaAsクラッド層45のZnが活性層44中に拡散してしまい、所望の発光特性を得ることができないという問題もあった。
Further, in the method of increasing the doping concentration into the p-type
本発明は、上述した問題点を解決するためになされたもので、電極との接触抵抗が小さく、熱処理を不要とし得るp型コンタクト層を有する発光素子用エピタキシャルウエハ及び発光素子を提供することにある。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and provides an epitaxial wafer and a light-emitting element for a light-emitting element having a p-type contact layer that has a small contact resistance with an electrode and can eliminate heat treatment. is there.
第1の発明は、n型GaAs基板上に、n型AlGaAsクラッド層、活性層及びp型AlGaAsクラッド層からなる発光部を有し、前記p型AlGaAs型クラッド層の上に、電極形成層として、p型InGaAsコンタクト層が形成されている発光素子用エピタキシャルウエハである。 According to a first aspect of the present invention, an n-type AlGaAs cladding layer, an active layer, and a p-type AlGaAs cladding layer are provided on an n-type GaAs substrate, and an electrode forming layer is formed on the p-type AlGaAs cladding layer. , An epitaxial wafer for a light emitting device in which a p-type InGaAs contact layer is formed.
第2の発明は、第1の発明において、前記p型InGaAsコンタクト層の厚さが、10nm〜0.2μmである発光素子用エピタキシャルウエハである。 A second invention is an epitaxial wafer for light-emitting elements according to the first invention, wherein the p-type InGaAs contact layer has a thickness of 10 nm to 0.2 μm.
第3の発明は、第1又は第2の発明において、前記p型InGaAsコンタクト層のp型ドーパントが、Zn又はMgである発光素子用エピタキシャルウエハである。 A third invention is an epitaxial wafer for light-emitting elements according to the first or second invention, wherein the p-type dopant of the p-type InGaAs contact layer is Zn or Mg.
第4の発明は、第1〜第3のいずれかの発明の発光素子用エピタキシャルウェハを用いて作製され、前記n型GaAs基板側にn電極が、また前記p型InGaAsコンタクト層側にノンアロイ系のp電極が形成されている発光素子である。 A fourth invention is produced using the epitaxial wafer for a light emitting device according to any one of the first to third inventions, wherein an n electrode is provided on the n-type GaAs substrate side and a non-alloy system is provided on the p-type InGaAs contact layer side. The p-electrode is a light emitting element.
本発明の発光素子用エピタキシャルウエハ及びこれを用いた発光素子では、電極形成層としてのp型コンタクト層にInGaAsを採用することにより、電極との接触抵抗を低減することができ、オーミック特性が得やすい。また、本発明の発光素子では、p電極活性化のための熱処理を不要とすることが可能であり、発光特性の劣化の原因となる活性層中への不純物拡散を防止・軽減でき、良好な発光特性が得られる。 In the epitaxial wafer for light emitting device of the present invention and the light emitting device using the same, by adopting InGaAs for the p-type contact layer as the electrode forming layer, the contact resistance with the electrode can be reduced and the ohmic characteristics can be obtained. Cheap. In the light emitting device of the present invention, it is possible to eliminate the heat treatment for activating the p electrode, and it is possible to prevent and reduce the diffusion of impurities into the active layer causing the deterioration of the light emission characteristics. Luminous properties can be obtained.
以下に、本発明の実施形態を図面を用いて説明する。
この実施形態のレーザーダイオード用エピタキシャルウエハは、図1に示すように、n型GaAs基板1上に、n型GaAsバッファ層2、n型AlyGa1−yAsクラッド層3(0<y<0.6)、量子井戸構造からなる活性層4、p型AlyGa1−yAsクラッド層5(0<y<0.6)、p型InGaAsコンタクト層6を順次エピタキシャル成長させた構造を有する。p型不純物として、亜鉛(Zn)またはマグネシウム(Mg)が、n型不純物として、シリコン(Si)が用いられる。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
As shown in FIG. 1, the epitaxial wafer for laser diodes of this embodiment has an n-type
レーザーダイオードの作製にあっては、上記エピタキシャルウエハに対して、図1に示すように、n型GaAs基板1裏面に、金(Au)/金−ゲルマニウム(AuGe)/金(Au)からなるn電極7を形成すると共に、p型InGaAsコンタクト層6上に、チタン(Ti)/白金(Pt)/金(Au)からなるノンアロイ系のp電極8を形成した。電極形成後、ウエハから切り出したチップをステムに実装してレーザーダイオードを作製した。
In the production of the laser diode, as shown in FIG. 1, n made of gold (Au) / gold-germanium (AuGe) / gold (Au) is formed on the back surface of the n-
本実施形態においては、p電極8を形成する電極形成層であるp型コンタクト層を、従来のp型GaAsコンタクト層からp型InGaAsコンタクト層6に変更している。このため、GaAsで問題とされた高密度の表面準位によるフェルミ準位のピン止め効果(表面ピンニング)がなくなり、ショットキー障壁高さが下がるので、オーミック特性が改善される。さらに、電極形成後に、活性化のための熱処理が不要となるために、発光特性の劣化の原因となる活性層4中への不純物拡散がなくなり、発光特性が向上する。
In the present embodiment, the p-type contact layer that is an electrode forming layer for forming the p-electrode 8 is changed from the conventional p-type GaAs contact layer to the p-type
p型InGaAsコンタクト層6の厚さは、10nm〜0.2μmとするのが好ましい。その理由は、p型InGaAsコンタクト層6の厚さが0.2μmを超えると、接触抵抗が大きくなる現象が見られたからである。接触抵抗が大きくなる原因は、p型AlyGa1−yAsクラッド層5との格子不整合によって、p型InGaAsコンタクト層6内に発生する転位によるものと推定される。また、p型InGaAsコンタクト層6の好ましい厚さの最小値としては、10nmあれば、十分な低抵抗を得ることができるからである。
The thickness of the p-type
なお、上記実施形態においては、AlGaAs系のレーザーダイオード用エピタキシャルウエハとこれを用いたレーザーダイオードについて述べたが、本発明は、AlGaAs系の発光ダイオード用エピタキシャルウエハ及び発光ダイオードにも適用できる。また、本発明は、AlGaAs系のみならず、AlGaInP系の発光素子用エピタキシャルウエハ及び発光素子にも応用できる。 In the above embodiment, an AlGaAs laser diode epitaxial wafer and a laser diode using the AlGaAs laser diode have been described. However, the present invention can also be applied to an AlGaAs light emitting diode epitaxial wafer and a light emitting diode. The present invention is applicable not only to AlGaAs-based but also to AlGaInP-based epitaxial wafers and light-emitting elements.
次に、本発明の具体的な実施例を説明する。
本実施例のレーザーダイオード(LD)用エピタキシャルウエハ及びレーザーダイオード(LD)は、図1に示す上記実施形態と同様な構造を有する。
Next, specific examples of the present invention will be described.
The epitaxial wafer for laser diode (LD) and the laser diode (LD) of this example have the same structure as that of the above embodiment shown in FIG.
LD用エピタキシャルウエハのエピタキシャル成長は、MOVPE法により行った。MOVPE法によるエピタキシャル成長では、Ga原料としてTMG(トリメチルガリウム)、Al原料としてTMA(トリメチルアルミニウム)、As原料としてAsH3(アルシン)を用いた。また、ドーパントには、n型不純物であるSiの原料としてSi2H6(ジシラン)を、p型不純物であるZnの原料としてDEZ(ジエチル亜鉛)を用いた。 The epitaxial growth of the LD epitaxial wafer was performed by the MOVPE method. In the epitaxial growth by the MOVPE method, TMG (trimethylgallium) was used as a Ga raw material, TMA (trimethylaluminum) was used as an Al raw material, and AsH 3 (arsine) was used as an As raw material. As dopants, Si 2 H 6 (disilane) was used as a raw material for Si as an n-type impurity, and DEZ (diethyl zinc) was used as a raw material for Zn as a p-type impurity.
AlGaAs系のLD用エピタキシャルウエハは、導電性のn型GaAs基板1上に、200nm、SiドープGaAs(キャリア濃度1×1018cm−3)のn型GaAsバッファ層2、その上に2000nm、SiドープAl0.6Ga0.4As(キャリア濃度8.5×1017cm−3)からなるn型AlGaAsクラッド層3を成長し、その上に活性層4を成長した。この活性層4は、GaAsをウェル層、Al0.6Ga0.4Asをバリア層とした量子井戸構造とし、不純物は添加していない。そして、この上に、2000nmのZnドープAl0.6Ga0.4As(キャリア濃度1×1018cm−3)からなるp型AlGaAsクラッド層5を成長した。最上層には、50nmのZnドープIn0.5Ga0.5As(キャリア濃度1×1019cm−3)からなるp型InGaAsコンタクト層6を成長した。なお、図1には示していないが、p型AlGaAsクラッド層5とp型InGaAsコンタクト層6との間には、In組成が傾斜型に変化するp型In0→0.5Ga1→0.5As層を介在させて格子不整合を緩和させた。この傾斜型のp型In0→0.5Ga1→0.5As層の厚さは50nmとした。
An AlGaAs-based LD epitaxial wafer has a 200 nm Si-doped GaAs (
次に、上記エピタキシャル成長により得られたAlGaAs系のLD用エピタキシャルウエハに対して、そのn型GaAs基板1にn電極7を、またp型InGaAsコンタクト層6にp電極8を形成する電極形成プロセスを実施した。n型GaAs基板1には、n電極7として金(Au)/金−ゲルマニウム(AuGe)/金(Au)を順次蒸着し、またp型InGaAsコンタクト層6には、p電極8としてチタン(Ti)/白金(Pt)/金(Au)を順次蒸着した。
Next, an electrode forming process for forming an n-electrode 7 on the n-
この電極形成プロセス後に、Ti/Pt/Auからなるp電極8とp型InGaAsコンタクト層6との接触抵抗をTLM(Transmission Length Model)法により評価した。その結果、この実施例における接触抵抗値は、5×10−7(Ωcm2)であり、従来構造のp型GaAsコンタクト層を用いた場合の接触抵抗値(1×10−5(Ωcm2)以上)に比べ、大幅に小さくなることがわかった。
After this electrode formation process, the contact resistance between the p-electrode 8 made of Ti / Pt / Au and the p-type
またLD特性を測定した結果、従来よりも安定した電流−電圧特性が得られた。更にまた、LDの寿命試験を実施した結果、従来、問題となっていた通電を続けることによるLD特性の劣化は、本実施例のLDでは観察されなかった。従来のLDでは、電極の活性化熱処理によってp型クラッド層の不純物が活性層内に拡散することで、電流−電圧特性に異常が見られたり、結晶欠陥が発生してLD特性の劣化を引き起こしていたが、本実施例では、p電極形成後に活性化熱処理が不要となったために、これらを防止することが可能となった。 Further, as a result of measuring the LD characteristics, a more stable current-voltage characteristic was obtained than before. Furthermore, as a result of conducting a life test of the LD, the deterioration of the LD characteristics due to continuing energization, which has been a problem in the past, was not observed in the LD of this example. In the conventional LD, impurities in the p-type cladding layer diffuse into the active layer due to the electrode activation heat treatment, and thus an abnormality is observed in the current-voltage characteristics, or crystal defects are generated and the LD characteristics are deteriorated. However, in this example, the activation heat treatment became unnecessary after the formation of the p-electrode, and it was possible to prevent them.
図2及び図3には、p型コンタクト層とp電極との接触抵抗を実測したデータを示す。
図2は、InxGa1−xAsからなるp型InGaAsコンタクト層6のIn組成xを0(従来)〜0.7まで変えた場合に、接触抵抗がどのように変化するかを示すグラフである。このグラフから、InxGa1−xAsのIn組成xが0.1≦x≦0.6の範囲で、接触抵抗の値が1×10−5(Ωcm2)以下となり、x=0.5の時に、最小値5×10−7(Ωcm2)となった。
2 and 3 show data obtained by actually measuring the contact resistance between the p-type contact layer and the p-electrode.
FIG. 2 is a graph showing how the contact resistance changes when the In composition x of the p-type
図3は、In組成0.5のp型InGaAsコンタクト層6中のキャリア濃度を1×1018cm−3〜1×1020cm−3まで変えた場合に、接触抵抗がどのような値になるかを示すグラフである。このグラフから分かるように、Znドーピング濃度については、キャリア濃度が5×1018cm−3〜5×1019cm−3の範囲で、接触抵抗値が1×10−6(Ωcm2)以下となった。
FIG. 3 shows the value of the contact resistance when the carrier concentration in the p-type
1 n型GaAs基板
2 n型GaAsバッファ層
3 n型AlGaAsクラッド層
4 活性層
5 p型AlGaAsクラッド層
6 p型InGaAsコンタクト層
7 n電極
8 p電極
1 n-type GaAs substrate 2 n-type GaAs buffer layer 3 n-type AlGaAs cladding layer 4 active layer 5 p-type AlGaAs cladding layer 6 p-type InGaAs contact layer 7 n-electrode 8 p-electrode
Claims (4)
前記p型AlGaAs型クラッド層の上に、電極形成層として、p型InGaAsコンタクト層が形成されていることを特徴とする発光素子用エピタキシャルウエハ。 On the n-type GaAs substrate, there is a light emitting portion composed of an n-type AlGaAs cladding layer, an active layer, and a p-type AlGaAs cladding layer,
An epitaxial wafer for light-emitting elements, wherein a p-type InGaAs contact layer is formed as an electrode forming layer on the p-type AlGaAs clad layer.
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WO2011079645A1 (en) * | 2009-12-31 | 2011-07-07 | Byd Company Limited | Epitaxial wafer for light emitting diode, light emitting diode chip and methods for manufacturing the same |
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