JP2009004781A - 発光ダイオード及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】内部量子効率を高めて発光効率を改善した発光ダイオード及びその製造方法を提供する。
【解決手段】基板２１０上に、ｎ型半導体層２２０と、ウェル層２３１とバリア層２３２とが少なくとも２回以上交互に積層されてなる活性層２３０と、ｐ型半導体層２４０とがこの順に積層され、ｐ電極２５０がｐ型半導体層上に、ｎ電極２６０がｎ型半導体層上にそれぞれ設けられた発光ダイオードにおいて、バリア層の厚さをウェル層の厚さの少なくとも２倍以上とする。
【選択図】図４Ａ
【解決手段】基板２１０上に、ｎ型半導体層２２０と、ウェル層２３１とバリア層２３２とが少なくとも２回以上交互に積層されてなる活性層２３０と、ｐ型半導体層２４０とがこの順に積層され、ｐ電極２５０がｐ型半導体層上に、ｎ電極２６０がｎ型半導体層上にそれぞれ設けられた発光ダイオードにおいて、バリア層の厚さをウェル層の厚さの少なくとも２倍以上とする。
【選択図】図４Ａ
Description
本発明は発光ダイオード及びその製造方法に係り、さらに詳しくは、内部量子効率を高めて発光効率を改善した発光ダイオード及びその製造方法に関する。
発光ダイオードは、ＩＩＩ族またはＶ族の化合物半導体をウェーハの上にＰ／Ｎ接合を形成して順方向電流を印加して可視光線または近赤外線及び赤外線波長帯の発光を誘導して表示、通信、計測、制御、証明及び種々の分野に応用されている。
図１は、従来の技術による発光ダイオードの断面図である。図１を参照すると、発光ダイオードは、基板１０と、ｎ型半導体層２０と、活性層３０と、ｐ型半導体層４０と、ｐ電極５０及びｎ電極６０を備えている。
基板１０の上には、ｎ型半導体層２０と、活性層３０及びｐ型半導体層４０がこの順に形成され、ｐ電極５０はｐ型半導体層４０の上に形成され、ｎ電極６０は所定の領域が露出されたｎ型半導体層２０の上に形成される。活性層３０は、エネルギーバンドギャップが小さなウェル層３１と、ウェル層３１よりもエネルギーバンドギャップが大きなバリア層３２とが交互に積層されてなる量子井戸構造に形成される。このとき、活性層３０はウェル層３１とバリア層３２が一回または複数回交互に積層されてなり、単一量子井戸構造または多重量子井戸構造に形成される。
この種の量子井戸構造を有する活性層を備えた発光ダイオードの内部量子効率を高めるための研究は絶えず行われており、種々の方式、例えば、活性層の材料、活性層の数を変えるような方式が研究完了中、あるいは、研究中にある。
本発明は、内部量子効率を高めて発光効率を改善した発光ダイオード及びその製造方法を提供するためのものである。
本発明の一実施形態によれば、ｎ型半導体層と、ウェル層及びバリア層が少なくとも２回以上交互に積層されてなる活性層と、ｐ型半導体層と、を備え、前記バリア層の厚さは前記ウェル層の厚さの少なくとも２倍以上である発光ダイオードが提供される。
前記バリア層の厚さは、前記ウェル層の厚さの１０倍〜１５倍である。
前記バリア層は、前記ｐ型半導体層と隣り合う第１のバリア層と、前記第１のバリア層を除く残りのバリア層としての第２のバリア層と、から構成され、前記第１のバリア層における第１の領域はｎ型不純物でドープされ、第２の領域はアンドープされ、前記第２のバリア層の少なくとも１層がｎ型不純物でドープされる。
前記バリア層は、前記ｐ型半導体層と隣り合う第１のバリア層と、前記第１のバリア層を除く残りのバリア層としての第２のバリア層と、から構成され、前記第１のバリア層における第１の領域はｎ型不純物でドープされ、第２の領域はアンドープされ、前記第２のバリア層の少なくとも１層がｎ型不純物でドープされる。
前記第１のバリア層における第１の領域は前記ウェル層と隣り合う領域であり、前記第２の領域は前記ｐ型半導体層と隣り合う領域である。
前記第２の領域の厚さは、前記第１の領域の厚さの少なくとも１．５倍以上である。
前記第２の領域の厚さは、前記第１の領域の厚さの少なくとも１．５倍以上である。
前記第１の領域は、前記第２の領域に近づくにつれて前記ｎ型不純物の濃度が下がるようにドープされる。
本発明の他の実施形態によれば、基板の上にｎ型半導体層を形成するステップと、ウェル層とバリア層とが少なくとも２回以上交互に積層して活性層を形成するステップと、前記活性層の上にｐ型半導体層を形成するステップと、を含み、前記活性層を形成するステップは、前記バリア層の厚さを前記ウェル層の厚さの少なくとも２倍以上になるように形成するステップを含む発光ダイオードの製造方法が提供される。
本発明の他の実施形態によれば、基板の上にｎ型半導体層を形成するステップと、ウェル層とバリア層とが少なくとも２回以上交互に積層して活性層を形成するステップと、前記活性層の上にｐ型半導体層を形成するステップと、を含み、前記活性層を形成するステップは、前記バリア層の厚さを前記ウェル層の厚さの少なくとも２倍以上になるように形成するステップを含む発光ダイオードの製造方法が提供される。
前記活性層を形成するステップは、前記バリア層の厚さを前記ウェル層の厚さの１０倍〜１５倍になるように形成するステップを含む。
前記活性層を形成するステップは、前記ｐ型半導体層と隣り合う第１のバリア層は少なくとも一部をｎ型不純物でドープし、前記第１のバリア層を除く残りのバリア層としての第２のバリア層の少なくとも１層をｎ型不純物でドープするステップを含む。
前記活性層を形成するステップは、前記ｐ型半導体層と隣り合う第１のバリア層は少なくとも一部をｎ型不純物でドープし、前記第１のバリア層を除く残りのバリア層としての第２のバリア層の少なくとも１層をｎ型不純物でドープするステップを含む。
前記第１のバリア層の少なくとも一部をｎ型不純物でドープするステップは、前記第１のバリア層が前記ウェル層と隣り合う第１の領域はｎ型不純物でドープし、前記第１のバリア層が前記ｐ型半導体層と隣り合う第２の領域はアンドープするステップを含む。
前記第１のバリア層の少なくとも一部をｎ型不純物でドープするステップは、前記第２の領域の厚さを前記第１の領域の厚さの少なくとも１．５倍以上に形成するステップを含む。
前記第１のバリア層の少なくとも一部をｎ型不純物でドープするステップは、前記第１の領域を前記第２の領域に近づくにつれて前記ｎ型不純物の濃度が下がるようにドープするステップを含む。
本発明によれば、活性層の形成に際し、ウェル層に対するバリア層の厚さの割合を大きくすることにより、活性層の内部量子効率を改善することが可能になる。
また、活性層の最終的なバリア層、すなわち、ｐ型半導体層と隣り合うバリア層は全体をドープすることなく、一部だけをドープすることにより、発光ダイオードの発光効率を高めることが可能になる。
また、活性層の最終的なバリア層、すなわち、ｐ型半導体層と隣り合うバリア層は全体をドープすることなく、一部だけをドープすることにより、発光ダイオードの発光効率を高めることが可能になる。
以下、添付図面に基づき、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。
図２Ａは、本発明の第１の実施形態による発光ダイオードの断面図であり、図２Ｂは、活性層の拡大断面図であり、図３は、バリア層の厚さの変化による発光ダイオードのバンドギャップの変化を概略的に説明する図である。
図２Ａは、本発明の第１の実施形態による発光ダイオードの断面図であり、図２Ｂは、活性層の拡大断面図であり、図３は、バリア層の厚さの変化による発光ダイオードのバンドギャップの変化を概略的に説明する図である。
図２Ａ及び図２Ｂを参照すると、発光ダイオードは、基板１１０と、ｎ型半導体層１２０と、活性層１３０と、ｐ型半導体層１４０と、ｐ電極１５０及びｎ電極１６０を備えている。
基板１１０の上には、ｎ型半導体層１２０と、活性層１３０及びｐ型半導体層１４０がこの順に積層されている。また、ｐ電極１５０はｐ型半導体層１４０の上に形成され、ｎ電極１６０はエッチングによりｎ型半導体層１２０の所定の領域を露出させた後、露出されたｎ型半導体層１２０の上に形成される。
活性層１３０は、エネルギーバンドギャップが小さなウェル層１３１と、ウェル層１３１よりもエネルギーバンドギャップが大きなバリア層１３２とが交互に積層されてなる量子井戸構造に形成される。このとき、活性層１３０はウェル層１３１とバリア層１３２とが少なくとも２回以上交互に積層された多重量子井戸構造に形成される。
この実施形態の場合、活性層１３０は、５個のウェル層１３１と、６個のバリア層１３２とが交互に積層されてなるが、ウェル層とバリア層の数及び順序はこれに限定されるものではなく、種々に変化可能である。ウェル層１３１としてはＩｎＧａＮが使用可能であり、ウェル層１３１のＩｎの組成に応じてバンドギャップエネルギーが決定されて紫外線から赤色までの種々の波長を得ることができる。バリア層１３２としてはＧａＮが使用可能である。しかしながら、ウェル層１３１とバリア層１３２の材料がこれに限定されるものではなく、種々に変化可能である。
バリア層１３２の厚さは、ウェル層１３１の厚さの少なくとも２倍以上に形成されてもよい。好ましくは、バリア層１３２の厚さは、ウェル層１３１の厚さの１０倍〜１５倍に形成されてもよい。
この実施形態の場合、ウェル層１３１を２５Åに形成し、バリア層１３２を１００Åに形成して、ウェル層１３１に対するバリア層１３２の厚さの割合を１：４にしている。
一方、ウェル層１３１の厚さはそのまま維持し、バリア層１３２の厚さをさらに増大させて、例えば、バリア層１３２を３００Åに形成して、前記ウェル層に対する前記バリア層の厚さの割合は１：１２にしてもよい。
一方、ウェル層１３１の厚さはそのまま維持し、バリア層１３２の厚さをさらに増大させて、例えば、バリア層１３２を３００Åに形成して、前記ウェル層に対する前記バリア層の厚さの割合は１：１２にしてもよい。
以上述べたように、バリア層の厚さをウェル層よりも所定の割合以上に厚く形成すると、図３に示すように、発光ダイオードのエネルギーバンドギャップの構造が変わることになる。すなわち、バリア層の厚さが増大すると、発光ダイオードの活性層に印加される電場の長さがその分増大し、結果としてバンド曲げ角θｘが大きくなる。その結果、ｎ型半導体層からの電子が伝導帯に移動し易くなることから、活性層に供給される電子の量が増えて内部量子効率が上がる。このため、発光ダイオードの発光効率が上がる結果になる。
図４Ａは、本発明の第２の実施形態による発光ダイオードの断面図であり、図４Ｂは、活性層の拡大断面図であり、図５は、本発明の第２の実施形態による発光ダイオードの第１のバリア層と第２のバリア層のドープ状態を示す図である。
図４Ａ〜図５を参照すると、基板２１０の上には、ｎ型半導体層２２０と、活性層２３０及びｐ型半導体層２４０がこの順に積層されている。そして、ｐ電極２５０はｐ型半導体層２４０の上に形成され、ｎ電極２６０はエッチングによりｎ型半導体層２２０の所定の領域を露出させた後、露出されたｎ型半導体層２２０の上に形成される。
活性層２３０は、エネルギーバンドギャップが小さなウェル層２３１と、ウェル層２３１よりもエネルギーバンドギャップが大きなバリア層２３２、２３４とが交互に積層されてなる量子井戸構造に形成される。このとき、活性層２３０は、ウェル層２３１とバリア層２３２、２３４とが少なくとも２回以上交互に積層された多重量子井戸構造に形成される。
さらに、活性層１３０におけるバリア層は、ｐ型半導体層１４０と隣り合う第１のバリア層２３４と、第１のバリア層２３４を除く残りのバリア層としての第２のバリア層２３２と、から構成される。
この実施形態の場合、活性層２３０は、５個のウェル層２３１と、５個の第２のバリア層２３２及び最外郭に形成されてｐ型半導体層２４０と隣り合う１つの第１のバリア層２３４から構成される。しかしながら、活性層を構成するウェル層とバリア層の数及び位置がこれに限定されるものではなく、種々に変化可能である。
このとき、第１のバリア層２３４は一部の領域だけがｎ型不純物でドープされ、第２のバリア層２３２の少なくとも１層は各層の全体がｎ型不純物でドープされる。第１のバリア層２３４における第１の領域２３４ａ、すなわち、ウェル層２３１と隣り合う領域はｎ型不純物でドープされ、第１のバリア層２３４における第２の領域２３４ｂ、すなわち、ｐ型半導体層２４０と隣り合う領域はアンドープされる。第２の領域２３４ｂの厚さは、第１の領域２３４ａの厚さの少なくとも１．５倍以上に形成されてもよい。この実施形態において、第２の領域２３４ｂの厚さは第１の領域２３４ａの厚さの２倍に形成されるが、この厚さの割合は変化可能である。この実施形態において、ｎ型不純物としてはＳｉを含むＳｉＨ４またはＳｉＨ６などを用いているが、これらの他にも、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｔｅ、Ｓｂなどを含む材料を用いてもよい。
また、ｎ型不純物がドープされる第１の領域２３４ａは、全体が均一にドープされてもよく、これとは異なり、非対称ドープされてもよい。すなわち、第１の領域２３４ａは第２の領域２３４ｂに近づくにつれてｎ型不純物の濃度が下がるようにドープされてもよい。
さらに、バリア層２３２、２３４の厚さは、ウェル層２３１の厚さの少なくとも２倍以上に形成されてもよい。好ましくは、バリア層の厚さは、ウェル層の厚さの１０倍〜１５倍に形成されてもよい。
以上述べたように、ｐ型半導体層と隣り合う最終的なバリア層は一部だけｎ型不純物でドープし、残りのバリア層は各層の全体をｎ型不純物でドープすると、内部量子効率が改善されて、発光ダイオードの発光効率を高めることが可能になる。
図６Ａ〜図６Ｅは、本発明による発光ダイオードの製造工程断面図である。図６Ａ〜図６Ｅに基づき、本発明の第２の実施形態による発光ダイオードの製造方法を説明する。
図６Ａを参照すると、先ず、基板２１０を用意し、基板２１０の上にｎ型半導体層２２０を形成する。基板の材料２１０としてはサファイアやシリコンカーバイド（ＳｉＣ）など種々の物質が使用可能である。
図６Ａを参照すると、先ず、基板２１０を用意し、基板２１０の上にｎ型半導体層２２０を形成する。基板の材料２１０としてはサファイアやシリコンカーバイド（ＳｉＣ）など種々の物質が使用可能である。
この実施形態において、ｎ型半導体層２２０としてｎ型ＧａＮを用いるが、これに限定されるものではなく、種々の組成の窒化物系化合物が使用可能であり、ｎ型不純物としてはＳｉを用いるが、これに限定されるものではなく、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｔｅ、Ｓなどを含む材料が使用可能である。
図６Ｂ及び図６Ｃを参照すると、ｎ型半導体層２２０の上に活性層２３０を形成する。活性層２３０は、ウェル層２３１とバリア層（第１の及び第２のバリア層２３２、２３４を含む）とが少なくとも２回以上交互に積層された多重量子井戸構造に形成する。
ウェル層２３１と第２のバリア層２３２を交互に積層した後、活性層１３０の最外郭にはｐ型半導体層２４０と隣り合う第１のバリア層２３４を形成する。
このとき、第２のバリア層２３２の少なくとも１層は各層の全体をｎ型不純物でドープし、第１のバリア層２３４は少なくとも一部の領域だけをｎ型不純物でドープする。すなわち、第１のバリア層２３４における第１の領域２３４ａはｎ型不純物でドープし、第１のバリア層２３４における第２の領域２３４ｂはアンドープする。
このとき、第２のバリア層２３２の少なくとも１層は各層の全体をｎ型不純物でドープし、第１のバリア層２３４は少なくとも一部の領域だけをｎ型不純物でドープする。すなわち、第１のバリア層２３４における第１の領域２３４ａはｎ型不純物でドープし、第１のバリア層２３４における第２の領域２３４ｂはアンドープする。
図６Ｄ及び図６Ｅを参照すると、活性層２３０の上にｐ型半導体層２４０を形成する。この実施形態の場合、ｐ型半導体層２４０としてｐ型ＧａＮを用いているが、これに限定されるものではなく、種々の組成の窒化物系の化合物が使用可能であり、ｐ型不純物としてはＺｎ、Ｃｄ、Ｂｅ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａなどが使用可能であるが、これに限定さ
れるものではない。
れるものではない。
その後、ｐ型半導体層２４０からｎ型半導体層２２０の一部までドライエッチングなどのエッチング方法を用いてエッチング後、ｐ型半導体層２４０の上にはｐ電極２５０を形成し、所定の領域が露出されたｎ型半導体層２２０の上にはｎ電極２６０を形成する。
図７Ａ〜図７Ｃは、本発明の第３の実施形態による垂直型発光ダイオードの製造工程断面図である。
図７Ａを参照すると、基板３１０の上に、バッファ層３２０と、ｎ型半導体層３３０と、活性層３４０と、ｐ型半導体層３５０及びｐ電極３６０をこの順に形成する。
図７Ａを参照すると、基板３１０の上に、バッファ層３２０と、ｎ型半導体層３３０と、活性層３４０と、ｐ型半導体層３５０及びｐ電極３６０をこの順に形成する。
活性層３４０は、ウェル層３４１と第２のバリア層３４２を交互に積層した後、活性層３３０の最外郭にはｐ型半導体層３５０と隣り合う第１のバリア層３４２を形成する。このとき、第２のバリア層３４２は各層の全体をｎ型不純物でドープし、第１のバリア層３４４は一部の領域３４４ａだけをｎ型不純物でドープし、残りの領域３４４ｂはアンドープする。
図７Ｂを参照すると、レーザーリフト工程により基板３１０とバッファ層３２０を順次に取り外し、ｎ型半導体層３３０を露出させる。
図７Ｃを参照すると、露出されたｎ型半導体層３３０の上にｎ電極３７０を形成することにより、垂直型発光ダイオードを形成する。
図７Ｃを参照すると、露出されたｎ型半導体層３３０の上にｎ電極３７０を形成することにより、垂直型発光ダイオードを形成する。
以上、発光ダイオード及びその製造方法について上述した実施形態及び添付図面に基づき説明したが、これは単なる例示的なものに過ぎず、本発明はこれに限定されるものではなく、特許請求の範囲において請求するように、この技術分野における通常の知識を有した者であれば、本発明の要旨から逸脱しない範囲内において本発明が種々に変形及び修正可能であることが理解できるであろう。
１１０…基板、１２０…ｎ型半導体層、１３０…活性層、１３１…ウェル層、１３２…第１のバリア層、１３４…第２のバリア層、１４０…ｐ型半導体層、１５０…ｐ電極、１６０…ｎ電極。
Claims (12)
- ｎ型半導体層と、
ウェル層とバリア層とが少なくとも２回以上交互に積層されてなる活性層と、
ｐ型半導体層と、
を備え、前記バリア層の厚さは、前記ウェル層の厚さの少なくとも２倍以上であることを特徴とする発光ダイオード。 - 前記バリア層の厚さは、前記ウェル層の厚さの１０倍〜１５倍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。
- 前記バリア層は、前記ｐ型半導体層と隣り合う第１のバリア層と、前記第１のバリア層を除く残りのバリア層としての第２のバリア層と、から構成され、
前記第１のバリア層における第１の領域はｎ型不純物でドープされ、第２の領域はアンドープされ、前記第２のバリア層の少なくとも１層がｎ型不純物でドープされることを特徴とする請求項１又は２に記載の発光ダイオード。 - 前記第１のバリア層における第１の領域は前記ウェル層と隣り合う領域であり、前記第２の領域は前記ｐ型半導体層と隣り合う領域であることを特徴とする請求項３に記載の発光ダイオード。
- 前記第２の領域の厚さは、前記第１の領域の厚さの少なくとも１．５倍以上であることを特徴とする請求項４に記載の発光ダイオード。
- 前記第１の領域は、前記第２の領域に近づくにつれて前記ｎ型不純物の濃度が下がるようにドープされることを特徴とする請求項４に記載の発光ダイオード。
- 基板の上にｎ型半導体層を形成するステップと、
ウェル層とバリア層とが少なくとも２回以上交互に積層して活性層を形成するステップと、
前記活性層の上にｐ型半導体層を形成するステップと、
を含み、前記活性層を形成するステップは、前記バリア層の厚さが前記ウェル層の厚さの少なくとも２倍以上になるように形成するステップを備えることを特徴とする発光ダイオードの製造方法。 - 前記活性層を形成するステップは、前記バリア層の厚さが前記ウェル層の厚さの１０倍〜１５倍になるように形成するステップを含むことを特徴とする請求項７に記載の発光ダイオードの製造方法。
- 前記活性層を形成するステップは、
前記ｐ型半導体層と隣り合う第１のバリア層は少なくとも一部をｎ型不純物でドープし、前記第１のバリア層を除く残りのバリア層としての第２のバリア層の少なくとも１層をｎ型不純物でドープするステップを含むことを特徴とする請求項７又は８に記載の発光ダイオードの製造方法。 - 前記第１のバリア層の少なくとも一部をｎ型不純物でドープするステップは、
前記第１のバリア層が前記ウェル層と隣り合う第１の領域はｎ型不純物でドープし、前記第１のバリア層が前記ｐ型半導体層と隣り合う第２の領域はアンドープするステップを含むことを特徴とする請求項９に記載の発光ダイオードの製造方法。 - 前記第１のバリア層の少なくとも一部をｎ型不純物でドープするステップは、
前記第２の領域の厚さが前記第１の領域の厚さの少なくとも１．５倍以上になるようにドープするステップを含むことを特徴とする請求項１０に記載の発光ダイオードの製造方法。 - 前記第１のバリア層の少なくとも一部をｎ型不純物でドープするステップは、
前記第１の領域を前記第２の領域に近づくにつれて前記ｎ型不純物の濃度が下がるようにドープするステップを含むことを特徴とする請求項１０に記載の発光ダイオードの製造方法。
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