JP2008016826A - 発光ダイオードおよびその発光ダイオードを具備したフォトカプラ - Google Patents

Abstract

【課題】本発明の課題は、活性層から基板側への発光光を有効利用して、良好な発光効率を有する発光ダイオードおよびその発光ダイオードを具備したフォトカプラを提供することである。
【解決手段】本発明の発光ダイオード１００は、ｎ型ＧａＡｓ基板１０１直上に、ｎ型ＧａＡｓ層２とｐ型ＧａＡｓ層３とが、この順に積層され、活性層となるｐｎ接合部が形成され、Ｓｉドープにより、ｎ型ＧａＡｓ基板１０１のキャリア濃度は、０．５×１０^１７〜１．５×１０^１７ｃｍ^−３の範囲となっている。
【選択図】図1

Description

本発明は、発光ダイオードおよびその発光ダイオードを具備したフォトカプラに関し、特に、ＧａＡｓ基板上に、ＧａＡｓ二元化合物からなる活性層を備えた発光ダイオードおよびその発光ダイオードを具備したフォトカプラに関する。

従来より、電気的に絶縁された２つの電気回路を光により結合する素子として、フォトカプラが知られている。

このフォトカプラを図４を用いて説明する。図４はフォトカプラの概略構成を示す説明図である。

図４において、５０はフォトカプラ、６０は発光素子、７０は受光素子である。発光素子６０は発光ダイオード、受光素子７０はフォトダイオードやフォトダイオードと、増幅器等の電気回路が一体化された集積回路が用いられる。

図４に示すように、フォトカプラ５０は、入力側の発光素子６０に電気信号を入力すると、発光素子６０から出力側の受光素子７０に光信号が伝わり、受光素子７０から電気信号が出力されるものである。

このようなフォトカプラ５０に要求される重要な特性として低消費電力化があり、このためには、発光素子６０の発光効率を改善して、より低い駆動電流で必要な光を出力させるようにすることが必要であった。

従来の発光ダイオードの一例を図５に示す。図５は概略構成を示す縦断面図である。

図５において、１０は従来の発光ダイオード、１はｎ型ＧａＡｓ基板、２はｎ型ＧａＡｓ層、３はｐ型ＧａＡｓ層、４は上部電極、５は下部電極、Ｌ１は活性層から光取出し面側への発光光、Ｌ２は活性層から基板１側への発光光である。

図５（ａ）に示すように、従来の発光ダイオード１０は、ｎ型ＧａＡｓ基板１の直上に、ｎ型ＧａＡｓ層２とｐ型ＧａＡｓ層３とが、この順に積層され、活性層となるｐｎ接合部を形成している。

ここで、ｎ型ＧａＡｓ基板１のキャリア濃度は、Ｓｉドープにより、７×１０^１７〜５×１０^１８ｃｍ^−３程度にしてある。

光取出し面である最上面の一部には上部電極４が形成され、ＧａＡｓ基板１の下面には下部電極５が形成されている。

このような、発光ダイオード１０は、ｐｎ接合部に順方向電圧を印加すると、ｐ型領域には電子が、ｎ型領域には正孔が注入され、これらの少数キャリアの一部が多数キャリアと再結合して発光する。

ここで、発光波長は半導体のエネルギ・ギャップで決定され、ＧａＡｓからなる活性層からの発光波長は８６０ｎｍである。

ＧａＡｓのバンドギャップ波長は８７３ｎｍであり、このバンドギャップ波長より長い波長の光はＧａＡｓ基板１を透過し、このバンドギャップ波長より短い波長の光はＧａＡｓ基板１に吸収される。

ＧａＡｓからなる活性層からの発光光は、ＧａＡｓのバンドギャップ波長とほぼ同等であるため一部はＧａＡｓ基板１で吸収されるものの大部分は、ＧａＡｓ基板１を透過する。

そして、この光は最上部の光取出し面または側面より放出され、これを利用するものである。

このような発光ダイオード１０では、図５（ｂ）に示すように、活性層から光取出し面側への発光光Ｌ１は、ｐ型ＧａＡｓ層３中を透過し外部放出されて有効光として利用される。

そしてさらに、活性層から基板１側への発光光Ｌ２も、ｎ型ＧａＡｓ基板１中を透過し、その一部は基板１の側面から外部放出され、また、他の一部は基板１の裏面や基板１の側面で様々に反射を繰り返して光路変更され、光取出し面や基板１の側面から外部放出される。

次に、上記の従来の発光ダイオード１０の製造方法を同じく図５を参照して説明する。

先ず、Ｓｉドープにより、キャリア濃度を７×１０^１７〜５×１０^１８ｃｍ^−３程度にしたｎ型ＧａＡｓ基板１を準備し、その上に液相エピタキシャル法により、Ｓｉドープしたｎ型ＧａＡｓ層２と、Ｓｉドープしたｐ型ＧａＡｓ層３とを、この順に成長させる。

次に、ｐ型ＧａＡｓ層３上の一部に上部電極４を形成し、ｎ型ＧａＡｓ基板１の裏面に下部電極５をそれぞれ周知のフォトリソグラフィ法およびエッチングを用いてパターニング形成する。

下部電極５は、全面電極またはドット状電極になっている。

そして、ダイシング法などにより個片化して発光ダイオード１０が完成する。（例えば、特許文献１参照）。

また、ＧａＡｓ基板を用いた発光ダイオードに関連し、３元混晶（ＧａＡｌＡｓ，ＧａＡｌＰ等）や４元混晶（ＩｎＧａＡｌＰ，ＩｎＧａＡｓＰ等）からなる活性層を備えた発光素子に用いるＧａＡｓ基板として、活性層の表面欠陥密度を低減し発光効率を改善するために、キャリア濃度を１×１０^１７〜３×１０^１８ｃｍ^−３とした技術が開示されている。（例えば、特許文献２参照）。
特開平７−１５３９９１号公報 図４ 特開平７−１９３３３１号公報

特許文献１に記載の発光ダイオード１０では、基板１側への発光光Ｌ２は、基板１裏面や基板１側面で反射して光路変更され、光取出し面や基板１側面から外部放出され有効光として利用できるが、チップ厚さのほとんどを占めるｎ型ＧａＡｓ基板１を透過する際、どうしてもその一部がｎ型ＧａＡｓ基板１に吸収されてしまい反射光（図中、破線矢印で示す）を十分に光出力に寄与させることが出来ないという問題があった。

尚、特許文献２に記載された発光素子は、発光波長帯が６５０ｎｍ帯または７３０ｎｍ帯であり、ＧａＡｓのバンドギャップ波長（８７３ｎｍ）より十分短いため、活性層から基板側への発光光はバンド端吸収により、すべてＧａＡｓ基板に吸収されてしまい外部放出されない。このため、基板側への発光光を有効利用することはできず、特許文献１に記載の発光ダイオード１０のような上記の課題は元々生じない。

本発明の課題は、活性層から基板側への発光光を有効利用して、良好な発光効率を有する発光ダイオードおよびその発光ダイオードを具備したフォトカプラを提供することである。

上記の課題を解決するために、発明者は、ＧａＡｓ基板の光吸収量がＧａＡｓ基板のキャリア濃度に依存することに着目し、実験を行って、キャリア濃度を所定の範囲にした場合、極めて光吸収量が低減し、その結果、光出力が向上するという知見を得た。

即ち、本発明の発光ダイオードは、ＧａＡｓ基板の上に、ＧａＡｓ二元化合物からなる活性層を備えた発光ダイオードであって、ＧａＡｓ基板のキャリア濃度は、１．５×１０^１７ｃｍ^−３以下である発光ダイオードである。

また、本発明のフォトカプラは、ＧａＡｓ基板の上に、ＧａＡｓ二元化合物からなる活性層を備えた発光ダイオードであって、ＧａＡｓ基板のキャリア濃度は、１．５×１０^１７ｃｍ^−３以下である発光ダイオードを具備したフォトカプラである。

本発明の発光ダイオードによると、ＧａＡｓ基板のキャリア濃度を、活性層からの発光光を吸収しにくい範囲、すなわち、１．５×１０^１７ｃｍ^−３以下にしているため、ＧａＡｓ基板での光吸収が抑制されて反射光を十分、有効利用できる。そして、その結果、発光効率のよい発光ダイオード、およびその発光ダイオードを具備した低消費電力化できるフォトカプラが得られる。

本発明は、ＧａＡｓ基板側への発光光のＧａＡｓ基板での光吸収を抑制し有効利用できる発光効率のよい発光ダイオード、およびその発光ダイオードを具備した低消費電力化できるフォトカプラを得るという目的を、ＧａＡｓ基板のキャリア濃度を、１．５×１０^１７ｃｍ^−３以下にすることで実現した。

本発明の発光ダイオードの一例を図１に示す。図１は概略構成を模式的に示す断面図である。図５と同一部分には同一符号を付す。

図１において、１００は本発明の発光ダイオード、１０１はｎ型ＧａＡｓ基板、２はｎ型ＧａＡｓ層（２元化合物）、３はｐ型ＧａＡｓ層（２元化合物）、４は上部電極、５は下部電極、Ｌ１は活性層から光取出し面側への発光光、Ｌ２は活性層から基板１０１側への発光光である。

図１（ａ）に示すように、本発明の発光ダイオード１００は、ｎ型ＧａＡｓ基板１０１の直上に、ｎ型ＧａＡｓ層２とｐ型ＧａＡｓ層３とが、この順に積層され、活性層となるｐｎ接合部を形成している。

また、光取出し面である最上面の一部には上部電極４が形成され、ＧａＡｓ基板１０１の下面には下部電極５が形成されている。

このような、発光ダイオード１００は、ｐｎ接合部に順方向電圧を印加すると、ｐ型領域には電子が、ｎ型領域には正孔が注入され、これらの少数キャリアの一部が多数キャリアと再結合して発光する。

そして、この光は最上部の光取出し面または側面より放出され、これを利用するものである。

ここで、ｎ型ＧａＡｓ基板１０１のキャリア濃度は、Ｓｉドープにより、０．５×１０^１７〜１．５×１０^１７ｃｍ^−３の範囲としてある。

なぜならば、発明者は、実験により、図２に示すような、ｎ型ＧａＡｓ基板１０１のキャリア濃度と光出力との関係を得た。図２は、図１で示す発光ダイオード１００を用いて測定したデータである。尚、図２において、横軸はキャリア濃度、縦軸は光出力（任意単位）である。

図２から明らかなように、キャリア濃度が１．５×１０^１７ｃｍ^−３より高くなると、ＧａＡｓ基板での光吸収量が増大し光出力は著しく低下する。

このため、良好な光出力を得るためには、キャリア濃度を１．５×１０^１７ｃｍ^−３以下にするとよい。

また、図２からは、キャリア濃度の下限側の臨界値は原理的にはないが、不明であるが、キャリア濃度が低すぎると、電気的抵抗の増大により発光ダイオード１００のＶＦ（順方向電圧）が大きくなり、それに伴って消費電力が増大する点、および、ＧａＡｓ基板の製造においてキャリア濃度のばらつきが大きくなる点を考慮すると、０．５×１０^１７ｃｍ^−３以上とすることが望ましい。

即ち、上記のことから、ｎ型ＧａＡｓ基板１０１のキャリア濃度を、０．５×１０^１７〜１．５×１０^１７ｃｍ^−３の範囲とすると、発光効率およびキャリア濃度ばらつきの観点から好適である。

このような発光ダイオード１００では、図１（ｂ）に示すように、活性層から光取出し面側への発光光Ｌ１は、ｐ型ＧａＡｓ層３中を透過し外部放出されて有効光として利用される。

そしてさらに、活性層から基板１０１側への発光光Ｌ２も、ｎ型ＧａＡｓ基板１０１中を透過し、その一部は基板１０１の側面から外部放出され、また、他の一部は基板１０１の裏面や基板１０１の側面で様々に反射を繰り返して光路変更され、光取出し面や基板１０１の側面から外部放出される。

このとき、ｎ型ＧａＡｓ基板１０１のキャリア濃度を、活性層からの発光光を吸収しにくい範囲にしてあるため光吸収は抑制され、その反射光を十分、有効利用でき発光効率がよい。

次に、上記の本発明の発光ダイオード１００の製造方法を、図３を参照して説明する。図３は製造方法を示す断面図である。また、図では、ＧａＡｓ基板における１素子分を記載する。

先ず、図３（ａ）に示すように、Ｓｉドープにより、キャリア濃度を０．５×１０^１７〜１．５×１０^１７ｃｍ^−３にしたｎ型ＧａＡｓ基板１０１を準備し、その上に液相エピタキシャル法により、Ｓｉドープしたｎ型ＧａＡｓ層２と、Ｓｉドープしたｐ型ＧａＡｓ層３とを、この順に成長させる。

次に、図３（ｂ）に示すように、ｐ型ＧａＡｓ層３上の一部に上部電極４を形成し、ｎ型ＧａＡｓ基板１０１裏面に下部電極５をそれぞれ周知のフォトリソグラフィ法およびエッチングを用いてパターニング形成する。

下部電極５は、全面電極またはドット状電極になっている。

そして、図３（ｃ）に示すように、ダイシング法などにより個片化して発光ダイオード１００が完成する。

尚、上記の例では、ｎ型ＧａＡｓ基板１０１の直上に、活性層となるｐｎ接合部を形成した例で説明したが、例えば、ｎ型ＧａＡｓ基板１０１と同じキャリア濃度を有するバッファ層（図示せず）を配置する構成であってもよい。

また、上記のような発光光率を改善した発光ダイオード１００を具備したフォトカプラ（図示せず）は、低消費電力化が図れて好適である。

本発明は、ＧａＡｓ基板の上に、ＧａＡｓ二元化合物からなる活性層を備えた発光ダイオードであって、ＧａＡｓ基板側への発光光がＧａＡｓ基板に吸収されることを抑制できる発光ダイオードおよびその発光ダイオードを具備したフォトカプラに適用できる。

本発明の発光ダイオードの概略構成を模式的に示す断面図 キャリア濃度と光出力との関係図 本発明の発光ダイオードの製造方法を示す断面図 フォトカプラの概略構成を示す説明図 従来の発光ダイオードの概略構成を模式的に示す断面図

符号の説明

１，１０１ ｎ型ＧａＡｓ基板
２ ｎ型ＧａＡｓ層（２元化合物）
３ ｐ型ＧａＡｓ層（２元化合物）
４ 上部電極
５ 下部電極
１０ 従来の発光ダイオード
５０ フォトカプラ
６０ 発光素子
７０ 受光素子
１００ 本発明の発光ダイオード
Ｌ１ 活性層から光取出し面側への発光光
Ｌ２ 活性層から基板側への発光光

Claims (5)

1. ＧａＡｓ基板の上に、ＧａＡｓからなる活性層を備えた発光ダイオードであって、前記ＧａＡｓ基板のキャリア濃度は、１．５×１０^１７ｃｍ^−３以下である発光ダイオード。
2. ＧａＡｓ基板の直上に、前記活性層を備えた請求項１に記載の発光ダイオード。
3. 前記ＧａＡｓ基板のキャリア濃度は、０．５×１０^１７〜１．５×１０^１７ｃｍ^−３の範囲である請求項１または２に記載の発光ダイオード。
4. 前記ＧａＡｓ基板は、不純物としてＳｉを含有する請求項１から３のいずれかに記載の発光ダイオード。
5. 請求項１から４のいずれかに記載の発光ダイオードを具備したフォトカプラ。

Images