JP2008166399A - 発光素子、発光素子用エピタキシャルウェハ及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】高輝度、高寿命の発光素子、発光素子用エピタキシャルウェハ及びその製造方法を提供する。
【解決手段】基板(2)上に、(Ａｌ_xＧａ_１−ｘ)_ｙＩｎ_１−ｙＰ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１；但し混晶比ｘ，ｙが各層で異なる場合を含む）からなるｎ型クラッド層(4)、活性層(5)、ｐ型クラッド層(6)及びｐ型介在層(7)と、ｐ型窓層(8)とを有し、ｐ型窓層(8)上の一部に表面電極(9)が形成されていると共に、基板(2)の裏面に裏面電極(1)が形成されている
発光素子において、ｐ型介在層(7)に、ｐ型ドーパントとｎ型ドーパントとがドーピング
されている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、高寿命化が図れる発光素子、発光素子用エピタキシャルウェハ及びその製造方法に関するものである。

従来のＡｌＧａＩｎＰ系の発光ダイオード（ＬＥＤ）において、高輝度の発光を得る手段として、クラッド層の上に、発光部からの発光を効率的に外部へ取り出すための窓層を配置する技術が知られている。窓層は発光に対して透明な、禁制帯幅の大きな半導体材料から構成する必要があり、ＧａＰやＡｌＧａＡｓが用いられている。

発光ダイオードの窓層としては、光の取り出し効率及び劣化しやすさの観点で考えると、ＡｌＧａＡｓ層（Ａｌ組成０.６以上）よりも、バンドギャップが大きく且つ酸化され
難いＧａＰ層の方が適している。

しかしながら、ＧａＰ窓層には次のような問題がある。
ｐ型ＧａＰ窓層とｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層とでは、電子親和力の差（バンド不連続）に起因して、ヘテロ界面に大きな電位障壁が発生する。この電位障壁は、発光ダイオード通電時に、ｐ型ＧａＰ窓層からｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層への正孔の移動を妨げる要因になる。その結果、発光ダイオードの順方向電圧（動作電圧：２０ｍＡ通電時の電圧）が高くなってしまう。一般に順方向電圧が高い発光ダイオードは信頼性が低い。

そこで、ｐ型ＧａＰ窓層を用いた発光ダイオードにおいて、上記電位障壁を小さくし、順方向電圧を低減させるために、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層とｐ型ＧａＰ窓層との間に、バンドギャップエネルギーがｐ型クラッド層よりも小さい材料からなる介在層を設けると共に、トンネル効果によりキャリアを通すために、介在層に多量のｐ型ドーパントをドーピングする方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０００−３１２０３０号公報

しかしながら、上述した介在層を設けた構造の発光ダイオードにあっては、通電中に介在層中のｐ型ドーパントが拡散し、次第に順方向電圧が高くなってしまうという課題があった。

本発明は、上記課題を解決し、高寿命化が図れる発光素子、発光素子用エピタキシャルウェハ及びその製造方法を提供することにある。

本発明者らは上記課題を解決すべく、鋭意努力し検討した結果、ｐ型介在層中にｐ型ドーパントだけでなくｎ型ドーパントもドーピングすると、ｐ型ドーパントの拡散が抑止されることを見出した。かかる知見に基づき、本発明は、次のように構成されている。

本発明の第１の態様は、基板上に、ｎ型クラッド層と、活性層と、ｐ型クラッド層と、ｐ型介在層と、ｐ型窓層とを備えたＡｌＧａＩｎＰ系の発光素子用エピタキシャルウェハにおいて、前記ｐ型介在層に、ｐ型ドーパントとｎ型ドーパントとがドーピング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ェハである。

第２の態様は、第１の態様において、前記介在層の前記ｐ型ドーパントが、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｃのうちいずれか一つ、又二つ以上の組み合わせであることを特徴とする発光素子用エピタキシャルウェハである。

第３の態様は、第１又は第２の態様において、前記介在層の前記ｎ型ドーパントが、Ｓ、Ｓｉ、Ｓｅ、Ｔｅのうちいずれか一つ、又は二つ以上の組み合わせであることを特徴とする発光素子用エピタキシャルウェハである。

第４の態様は、第１〜第３の態様のいずれかの態様において、前記ｎ型ドーパントの濃度が、前記ｐ型ドーパントの濃度の０.１％以上１４０％未満であることを特徴とする発
光素子用エピタキシャルウェハである。

第５の態様は、第１〜第４の態様のいずれかの態様において、前記基板と前記ｎ型クラッド層との間に、反射層が設けら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ェハである。

第６の態様は、第５の態様において、前記反射層が、(Ａｌ_xＧａ_１−ｘ)_ｙＩｎ_１−ｙ
Ｐ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）からなる第１層とＡｌ_ｚＧａ_１−ｚＡｓ（０≦ｚ≦１）からなる第２層とを交互に積層したもの、又はＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ（０≦ｘ≦１）からなる第１層とＡｌ_ｚＧａ_１−ｚＡｓ（０≦ｚ≦１）からなる第２層とを交互に積層したものであることを特徴とする発光素子用エピタキシャルウェハである。

第７の態様は、基板上に、(Ａｌ_xＧａ_１−ｘ)_ｙＩｎ_１−ｙＰ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦
１；但し混晶比ｘ，ｙが各層で異なる場合を含む）からなるｎ型クラッド層、活性層、ｐ型クラッド層及びｐ型介在層と、ｐ型窓層とを有し、前記ｐ型窓層上の一部に表面電極が形成されていると共に、前記基板の裏面に裏面電極が形成されている発光素子において、前記ｐ型介在層に、ｐ型ドーパントとｎ型ドーパントとがドーピングされていることを特徴とする発光素子である。

第８の態様は、第７の態様において、前記介在層の前記ｐ型ドーパントが、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｃのうちいずれか一つ、又二つ以上の組み合わせであり、且つ前記介在層の前記ｎ型ドーパントが、Ｓ、Ｓｉ、Ｓｅ、Ｔｅのうちいずれか一つ、又は二つ以上の組み合わせであると共に、前記ｎ型ドーパントの濃度が、前記ｐ型ドーパントの濃度の０.１％以上１４
０％未満であることを特徴とする発光素子である。

第９の態様は、基板上に、必要とするIII族原料ガス、Ｖ族原料ガス、ドーパント原料
ガス及びキャリアガスを供給して、ｎ型クラッド層、活性層、ｐ型クラッド層、ｐ型介在層、ｐ型窓層をエピタキシャル成長させるＡｌＧａＩｎＰ系の発光素子用エピタキシャルウェハの製造方法において、前記ｐ型介在層の成長時に、前記ドーパント原料ガスとしてｐ型ドーパント原料ガス及びｎ型ドーパント原料ガスを供給して、前記ｐ型介在層にｐ型ドーパントとｎ型ドーパントとの両方をドーピングすることを特徴とする発光素子用エピタキシャルウェハの製造方法である。

本発明によれば、ｐ型介在層中のｐ型ドーパントの拡散をｎ型ドーパントによって抑止でき、長期信頼性のある発光素子を歩留まり良く作製することが可能となる。また、発光素子用エピタキシャルウェハ、発光素子の製造には、特別な装置・構造の付加等は必要なく、従来の装置で製造でき、実用性が高い。

以下、本発明に係る発光素子、発光素子用エピタキシャルウェハの実施形態を説明する。
図１は、実施形態に係るＡｌＧａＩｎＰ系の発光ダイオードの概略構造を示す断面図である。この発光ダイオードは、基板２上に、反射層３、ｎ型クラッド層４、活性層５、ｐ型クラッド層６、ｐ型介在層７、ｐ型窓層８が結晶成長されたた発光ダイオード用エピタキシャルウェハに対し、ｐ型窓層８上の一部に表面電極９が、基板２の裏面に裏面電極１がそれぞれ形成された後、所定の大きさのチップに切り出されたものである。

基板２は、ｎ型ＧａＡｓ基板であるが、Ｓｉ基板を用いてもよい。
反射層３は、活性層５からの発光を活性層５側に反射する層で、(Ａｌ_xＧａ_１−ｘ)_ｙ
Ｉｎ_１−ｙＰ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）からなる第１層とＡｌ_ｚＧａ_１−ｚＡｓ（０≦ｚ≦１）からなる第２層とを交互に積層した分布ブラッグ反射層、又はＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ（０≦ｘ≦１）からなる第１層とＡｌ_ｚＧａ_１−ｚＡｓ（０≦ｚ≦１）からなる第２層とを交互に積層した分布ブラッグ反射層が好ましい。なお、金属反射膜の反射層としてもよい。また、反射層３に替えてバッファ層を設けてもよい。

ｎ型クラッド層４、活性層５、ｐ型クラッド層６およびｐ型介在層７は、(Ａｌ_xＧａ_１−ｘ)_ｙＩｎ_１−ｙＰ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）層からなる。ただし、層４〜７の混晶
比ｘ，ｙは、各層４〜７の全部又は一部で異なっていてもよく、発光効率などを考慮して設定される。

ｐ型介在層７は、ｐ型クラッド層６とｐ型窓層８のヘテロ界面おける電位障壁を低減するための層であり、ｐ型クラッド層６よりもバンドギャップが小さい。ｐ型介在層７には、ｐ型ドーパントとｎ型ドーパントとがそれぞれ均一にドーピングされている。
ｐ型介在層７のｐ型ドーパントとしては、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｃのうちいずれか一つ、又二つ以上の組み合わせたものを用い、ｐ型介在層７のｎ型ドーパントとしては、Ｓ、Ｓｉ、Ｓｅ、Ｔｅのうちいずれか一つ、又は二つ以上の組み合わせたものを用いるのがよい。

ｐ型介在層７に、ｐ型ドーパントだけでなくｎ型ドーパントも一緒にドーピングすると、ｐ型介在層７中のｐ型ドーパントの拡散が抑止される。ｎ型ドーパントの量が少ないと、ｐ型ドーパントの拡散の抑止効果が十分に得られない。一方、ｎ型ドーパントの量を多くし過ぎると、ｐ型介在層７がｎ型となり、ｐ型窓層８−ｎ型介在層−ｐ型クラッド層６で、ｐ‐ｎ‐ｐ接合が形成されてサイリスタ現象を引き起こし、発光ダイオードの順方向電圧を悪化させてしまう。そこで、最適なｎ型ドーパント量を検討した結果、ｐ型ドーパントに対して、ｎ型ドーパントを０.１％以上をドーピングすることにより、長期に亘っ
て順方向電圧を改善できることがわかった。また、ｎ型ドーパントを１４０％以上ドーピングすると、ｐ‐ｎ‐ｐ接合が発生し順方向電圧が悪化することがわかった。従って、ｐ型介在層７中のｎ型ドーパントの濃度は、ｐ型ドーパントの濃度の０.１％以上１４０％
未満であるのが好ましい。

ｐ型窓層８は、光の透過率および劣化し難さから、ｐ型ＧａＰ層が好ましいが、ＡｌＧａＡｓなど他の材料を用いても良い。

なお、ｐ型窓層８と表面電極９との間にコンタクト層を設けたり、あるいは、格子不整合を緩和するために組成比を層厚方向に変化させたグレーデッド層に変更したり、不純物の拡散防止のバッファ層を適宜箇所に設けてたりしても勿論よい。
また、上記実施形態では、発光ダイオード及び発光ダイオード用エピタキシャルウェハについて説明したが、本発明は半導体レーザ及び半導体レーザ用エピタキシャルウェハにも適用可能である。

次に、本発明の具体的な実施例を説明する。以下に述べる実施例１〜実施例５の発光ダイオードは、図１に示す上記実施形態の発光ダイオードと同一の層構造のものであり、図１を用いて実施例を説明する。

（実施例１）
図１に示すように、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、ｎ型ＧａＡｓ層とｎ型ＡｌＩｎＰ層とを交互に各々２０層ずつ積層した２０ペアからなる分布ブラッグ反射層３と、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層４と、アンドープＡｌＧａＩｎＰ活性層５と、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層６と、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰ介在層７と、ｐ型ＧａＰ窓層８とがエピタキシャル成長されたものである。

この発光ダイオード用エピタキシャルウェハを、有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ法）を用いて作製した。
ｎ型ドーパントにはＴｅを、ｐ型ドーパントにはＭｇを用いた。Ｔｅドーパント原料にはジエチルテルル（ＤＥＴｅ）を用い、Ｍｇドーパント原料にはビスペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ_２Ｍｇ）用いた。また、III族原料としてはトリメチルガリウム（ＴＭＧ
）、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）を用い、Ｖ族原料としてはフォスフィン（ＰＨ_３）、アルシン（ＡｓＨ_３）を用いた。

ＭＯＶＰＥ装置にｎ型ＧａＡｓ基板２を設置し、加熱されたｎ型ＧａＡｓ基板２上に、必要とするIII族原料ガス、Ｖ族原料ガス、ドーパント原料ガス及びキャリアガスを供給
して、まず、ｎ型ＧａＡｓ層とｎ型ＡｌＩｎＰ層とを交互に積層した２０ペアからなる分布ブラッグ反射層３を形成した。この時のｎ型ＧａＡｓ層の成長条件は、膜厚４０.０ｎ
ｍ、キャリア濃度５.０×１０^１８ｃｍ^−３、且つ成長速度３．０ｎｍ／secであり、ｎ型ＡｌＩｎＰ層の成長条件は、膜厚４９.５ｎｍ、キャリア濃度１×１０^１８ｃｍ^−３、且
つ成長速度０.５ｎｍ／secである。
更に、分布ブラッグ反射層３の上に、厚さ０.５μｍ、キャリア濃度１×１０^１８ｃｍ
^−３のｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層４と、厚さ０.５μｍのアンドープＡｌＧａＩｎＰ
活性層５と、厚さ０.５μｍ、キャリア濃度５×１０^１７ｃｍ^−３のｐ型ＡｌＧａＩｎＰ
クラッド層６と、厚さ３０ｎｍでｐ型ドープおよびｎ型ドープのｐ型ＡｌＧａＩｎＰ介在層７と、厚さ１０μｍでドーパント濃度４×１０^１８ｃｍ^−３のｐ型ＧａＰ窓層８を順次、エピタキシャル成長させた。

この実施例１では、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰ介在層７中のｎ型ドーパント濃度の適切な範囲を調べるために、ｎ型ドーパント濃度を変えた発光ダイオード用エピタキシャルウェハを複数作製した。すなわち、ｐ型ドーパント濃度を全て５×１０^１８[atoms／ｃｍ^３］とし、このｐ型ドーパント濃度に対してｎ型ドーパント濃度を０（ｐ型ドープのみ）、５×１０^１５（ｐ型ドーパント濃度の０.１％）、５×１０^１６、５×１０^１７、５×１０^１８
、７×１０^１８（ｐ型ドーパント濃度の１４０％）、１×１０^１９[atoms／ｃｍ^３］と変えた７種類の発光ダイオード用エピタキシャルウェハを作製した。これら発光ダイオード用エピタキシャルウェハのドーパント濃度は、ＳＩＭＳ測定法により求めた。
これら発光ダイオード用エピタキシャルウェハに、フォトリソグラフィを用いて表面電極９および裏面電極１を形成し、ダイシングによって３００μｍ角のチップに切り出した（図１）。そして、このチップをステム上にＡｇペーストで固定した後、ワイヤボンディングにより金線でチップ上の表面電極９に接続して、発光ダイオードを作製した。

これら発光ダイオードに５０ｍＡの電流を連続して１６８時間通電した後、２０ｍＡ通電時の順方向電圧を測定した。その結果、ｎ型ドーパント濃度を５×１０^１５、５×１０
^１６、５×１０^１７、５×１０^１８［atoms／ｃｍ^３］としたものは、いずれも順電圧が
１.９５〜２.００Ｖと良好な特性を示したが、０、７×１０^１８、１×１０^１９［atoms
／ｃｍ^３］としたものについては、それぞれ２.５Ｖ、２.２０Ｖ、２.２３Ｖと急激に順
方向電圧は高くなり、順電圧特性が悪化した。よって、ｎ型ドーパント濃度をｐ型ドーパント濃度の０.１％以上１４０％未満とすることが望ましい。

（実施例２）
上記実施例１において、ｐ型ドーパントのＭｇをＺｎに変更し、その他は変更せずに実施例１と同様の実験を行った。その結果、実施例１と同様の結果が得られた。（実施例３）
上記実施例１において、ｐ型ドーパントのＭｇをＺｎに変更し、かつｎ型ドーパントのＴｅをＳｅに変更し、その他は変更せずに実施例１と同様の実験を行った。その結果、実施例１と同様の結果が確認された。
（実施例４）
上記実施例１において、ｎ型ドーパントのＴｅをＳｅに変更し、その他は変更せずに実施例１と同様の実験を行った。その結果、実施例１と同様の結果が得られた。
（実施例５）
上記実施例１において、ｎ型ドーパントのＴｅをＳｉに変更し、その他は変更せずに実施例１と同様の実験を行った。その結果、実施例１と同様の結果が確認された。

本発明の実施態様及び実施例における発光ダイオードの概略構造を示す断面図である。

符号の説明

１ 裏面電極
２ 基板（ｎ型ＧａＡｓ基板）
３ 反射層（分布ブラッグ反射層）
４ ｎ型クラッド層（ｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層）
５ 活性層（アンドープＡｌＧａＩｎＰ活性層）
６ ｐ型クラッド層（ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層）
７ ｐ型介在層（ｐ型ＡｌＧａＩｎＰ介在層）
８ ｐ型窓層（ｐ型ＧａＰ窓層）
９ 表面電極

Claims (9)

1. 基板上に、ｎ型クラッド層と、活性層と、ｐ型クラッド層と、ｐ型介在層と、ｐ型窓層とを備えたＡｌＧａＩｎＰ系の発光素子用エピタキシャルウェハにおいて、
   前記ｐ型介在層に、ｐ型ドーパントとｎ型ドーパントとがドーピング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ェハ。
2. 前記介在層の前記ｐ型ドーパントが、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｃのうちいずれか一つ、又二つ以上の組み合わせであることを特徴とする請求項１に記載の発光素子用エピタキシャルウェハ。
3. 前記介在層の前記ｎ型ドーパントが、Ｓ、Ｓｉ、Ｓｅ、Ｔｅのうちいずれか一つ、又は二つ以上の組み合わせであることを特徴とする請求項１又は２に記載の発光素子用エピタキシャルウェハ。
4. 前記ｎ型ドーパントの濃度が、前記ｐ型ドーパントの濃度の０.１％以上１４０％未満
   であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の発光素子用エピタキシャルウェハ。
5. 前記基板と前記ｎ型クラッド層との間に、反射層が設けられていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の発光素子用エピタキシャルウェハ。
6. 前記反射層が、(Ａｌ_xＧａ_１−ｘ)_ｙＩｎ_１−ｙＰ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）からな
   る第１層とＡｌ_ｚＧａ_１−ｚＡｓ（０≦ｚ≦１）からなる第２層とを交互に積層したもの、又はＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ（０≦ｘ≦１）からなる第１層とＡｌ_ｚＧａ_１−ｚＡｓ（０≦ｚ≦１）からなる第２層とを交互に積層したものであることを特徴とする請求項５に記載の発光素子用エピタキシャルウェハ。
7. 基板上に、(Ａｌ_xＧａ_１−ｘ)_ｙＩｎ_１−ｙＰ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１；但し混晶比
   ｘ，ｙが各層で異なる場合を含む）からなるｎ型クラッド層、活性層、ｐ型クラッド層及びｐ型介在層と、ｐ型窓層とを有し、前記ｐ型窓層上の一部に表面電極が形成されていると共に、前記基板の裏面に裏面電極が形成されている発光素子において、
   前記ｐ型介在層に、ｐ型ドーパントとｎ型ドーパントとがドーピングされていることを特徴とする発光素子。
8. 前記介在層の前記ｐ型ドーパントが、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｃのうちいずれか一つ、又二つ以上の組み合わせであり、且つ前記介在層の前記ｎ型ドーパントが、Ｓ、Ｓｉ、Ｓｅ、Ｔｅのうちいずれか一つ、又は二つ以上の組み合わせであると共に、前記ｎ型ドーパントの濃度が、前記ｐ型ドーパントの濃度の０.１％以上１４０％未満であることを特徴とする請求
   項７に記載の発光素子。
9. 基板上に、必要とするIII族原料ガス、Ｖ族原料ガス、ドーパント原料ガス及びキャリ
   アガスを供給して、ｎ型クラッド層、活性層、ｐ型クラッド層、ｐ型介在層、ｐ型窓層をエピタキシャル成長させるＡｌＧａＩｎＰ系の発光素子用エピタキシャルウェハの製造方法において、
   前記ｐ型介在層の成長時に、前記ドーパント原料ガスとしてｐ型ドーパント原料ガス及びｎ型ドーパント原料ガスを供給して、前記ｐ型介在層にｐ型ドーパントとｎ型ドーパントとの両方をドーピングすることを特徴とする発光素子用エピタキシャルウェハの製造方法。

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