JP2012129388A - Semiconductor light-emitting device - Google Patents

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千治 佐々木
Wataru Tamura
渉 田村
Keita Akiyama
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To increase reliability of a semiconductor light-emitting device.SOLUTION: The semiconductor light-emitting device comprises: an n-type clad layer of AlGaInP; a luminous layer of undoped AlGaInP formed on the n-type clad layer; a p-type clad layer of Mg-added AlGaInP formed on the luminous layer; and a current diffusion layer of Zn-added p-type GaInP formed on the p-type clad layer.

Description

本発明は、半導体発光装置に関する。     The present invention relates to a semiconductor light emitting device.

一般的に、半導体発光装置(LED)は、化合物半導体基板上に所望の結晶をエピタキシャル成長し製造される。AlGaInP系LEDの場合、基板にはGaAs結晶が用いられることが多い(例えば、特許文献1参照)。   Generally, a semiconductor light emitting device (LED) is manufactured by epitaxially growing a desired crystal on a compound semiconductor substrate. In the case of an AlGaInP-based LED, a GaAs crystal is often used for the substrate (see, for example, Patent Document 1).

図17は、従来例によるダブルヘテロ構造の半導体発光装置(LED)500の概略断面図である。半導体発光装置(LED)は、n型GaAs基板51、n型の第1のクラッド層52、アンドープの活性層53、p型の第2のクラッド層54、p型電流拡散層55、p側電極(第1電極)56及びn側電極(第2電極)57を含んで構成される。   FIG. 17 is a schematic cross-sectional view of a semiconductor light emitting device (LED) 500 having a double hetero structure according to a conventional example. The semiconductor light emitting device (LED) includes an n-type GaAs substrate 51, an n-type first cladding layer 52, an undoped active layer 53, a p-type second cladding layer 54, a p-type current diffusion layer 55, a p-side electrode. A (first electrode) 56 and an n-side electrode (second electrode) 57 are included.

n型GaAs基板51の上には、MOCVD法にて、第1の導電型(例えば、n型)を有し活性層53よりもバンドギャップの大きい第1のクラッド層52が形成されている。第1のクラッド層52は、例えば、n型(Al0.7Ga0.30.5In0.5P結晶からなり、バンドギャップは2.3eVである。 On the n-type GaAs substrate 51, a first cladding layer 52 having a first conductivity type (for example, n-type) and a band gap larger than that of the active layer 53 is formed by MOCVD. The first cladding layer 52 is made of, for example, an n-type (Al 0.7 Ga 0.3 ) 0.5 In 0.5 P crystal and has a band gap of 2.3 eV.

第1のクラッド層52の上には、所望の波長を発光する活性層(発光層)53が形成されている。活性層53は、例えば、アンドープの(Al0.1Ga0.90.5In0.5P結晶からなり、バンドギャップは、1.9eVで赤色発光する。なお、活性層53は、AlGaInP系化合物半導体からなる井戸層と障壁層とを持つ量子井戸構造(QW)としてもよい。 On the first clad layer 52, an active layer (light emitting layer) 53 that emits light of a desired wavelength is formed. The active layer 53 is made of, for example, an undoped (Al 0.1 Ga 0.9 ) 0.5 In 0.5 P crystal, and emits red light with a band gap of 1.9 eV. The active layer 53 may have a quantum well structure (QW) having a well layer and a barrier layer made of an AlGaInP-based compound semiconductor.

活性層53の上には、第2の導電型(例えば、p型)を有し発光層よりもバンドギャップの大きい第2のクラッド層54が形成されている。第2のクラッド層54は、例えば、p型(Al0.7Ga0.30.5In0.5P結晶からなり、バンドギャップは2.3eVである。 On the active layer 53, a second cladding layer 54 having a second conductivity type (for example, p-type) and a band gap larger than that of the light emitting layer is formed. The second cladding layer 54 is made of, for example, p-type (Al 0.7 Ga 0.3 ) 0.5 In 0.5 P crystal and has a band gap of 2.3 eV.

第2のクラッド層54の上には、必要に応じて、p型電流拡散層55が形成される。p型電流拡散層55は、例えば、p型GaP結晶からなり、バンドギャップは2.25eVである。   A p-type current diffusion layer 55 is formed on the second cladding layer 54 as necessary. The p-type current diffusion layer 55 is made of, for example, a p-type GaP crystal and has a band gap of 2.25 eV.

なお、電流を供給するために、p型電流拡散層55(p型電流拡散層55を形成しない場合は、第2のクラッド層54)の上面の一部の領域上に、p側電極56が形成され、GaAs基板51の下面上にn側電極57が形成されている。   In order to supply a current, a p-side electrode 56 is formed on a partial region of the upper surface of the p-type current diffusion layer 55 (the second cladding layer 54 when the p-type current diffusion layer 55 is not formed). An n-side electrode 57 is formed on the lower surface of the GaAs substrate 51.

LED50のさらなる高輝度化を目指して、吸収層である成長に用いたGaAs基板51を除去して透明基板に貼り合わせたものや、Siなどの永久基板に反射構造を作製した反射基板を貼り合わせて輝度アップを施した構造が知られている(例えば、特許文献2及び特許文献3参照)。この高輝度化により、LEDの市場がさらに拡大している。   Aiming to further increase the brightness of the LED 50, the GaAs substrate 51 used for growth, which is an absorption layer, is removed and bonded to a transparent substrate, or a reflective substrate having a reflective structure is bonded to a permanent substrate such as Si. Thus, a structure with increased brightness is known (see, for example, Patent Document 2 and Patent Document 3). This increase in brightness has further expanded the LED market.

特開平11−121796号公報Japanese Patent Laid-Open No. 11-121796 特開2009−4487号公報JP 2009-4487 A 特開2010−50318号公報JP 2010-50318 A

昨今LEDの市場が拡大するにつれて信頼性への要求が高まっている。特に、通電による光度劣化は、p型不純物が活性層に拡散することが大きな原因と考えられている。   Recently, the demand for reliability is increasing as the LED market expands. In particular, the luminous intensity degradation due to energization is considered to be largely caused by the diffusion of p-type impurities into the active layer.

その対策として、活性層とp型クラッド層の間にアンドープ層を挿入する方法が知られている。アンドープ層を挿入することにより、活性層への拡散は抑制されるものの、p型クラッド層からのキャリアの注入が減少するため、大電流領域では効率が落ちてしまい、電流・光出力間の線形性がない。   As a countermeasure, a method of inserting an undoped layer between the active layer and the p-type cladding layer is known. Although the diffusion into the active layer is suppressed by inserting the undoped layer, the carrier injection from the p-type cladding layer is reduced, so the efficiency is reduced in the large current region, and the linearity between the current and the optical output is reduced. There is no sex.

また、p型クラッド層および電流拡散層の不純物としてZnよりも拡散係数の小さいMgを用いる方法も知られている。p型不純物としてMgはドーピング効率がよいが、ドーピング遅れ(供給を開始してから、実際に取り込まれるまでの時間が長い)や成長炉内に残留する効果(メモリー効果)が大きいという問題を持っており、扱いにくい材料である。   A method is also known in which Mg having a smaller diffusion coefficient than Zn is used as an impurity in the p-type cladding layer and the current diffusion layer. Mg as a p-type impurity has good doping efficiency, but has problems such as a large doping delay (the time from the start of supply until it is actually taken in) and a large effect (memory effect) remaining in the growth reactor. It is a difficult material to handle.

本発明の目的は、半導体発光装置の信頼性を向上させることである。   An object of the present invention is to improve the reliability of a semiconductor light emitting device.

また、本発明の他の目的は、半導体発光装置の電流・光出力間の線形性を改善することである。   Another object of the present invention is to improve linearity between current and light output of a semiconductor light emitting device.

本発明の一観点によれば、半導体発光装置は、AlGaInPからなるn型クラッド層と、前記n型クラッド層上に形成され、アンドープのAlGaInPからなる発光層と、前記発光層上に形成され、Mgを添加したAlGaInPからなるp型クラッド層と、前記p型クラッド層上に形成され、Znを添加したp型のGaInPからなる電流拡散層とを有する。   According to one aspect of the present invention, a semiconductor light emitting device is formed on an n-type cladding layer made of AlGaInP, a light emitting layer made of undoped AlGaInP, and formed on the light emitting layer. A p-type cladding layer made of AlGaInP to which Mg is added; and a current diffusion layer made of p-type GaInP to which Zn is added and formed on the p-type cladding layer.

本発明によれば、半導体発光装置の信頼性を向上させることができる。   According to the present invention, the reliability of the semiconductor light emitting device can be improved.

また、本発明によれば、半導体発光装置の電流・光出力間の線形性を改善することができる。   Further, according to the present invention, the linearity between the current and the optical output of the semiconductor light emitting device can be improved.

本発明の実施例による半導体発光装置101の概略断面図である。1 is a schematic cross-sectional view of a semiconductor light emitting device 101 according to an embodiment of the present invention. 本発明の実施例による半導体発光装置101のn型クラッド層2、発光層3、p型クラッド層4のSIMS分析結果を表すグラフである。It is a graph showing the SIMS analysis result of the n-type clad layer 2, the light emitting layer 3, and the p-type clad layer 4 of the semiconductor light-emitting device 101 by the Example of this invention. 第1の比較例(比較例1)による半導体発光装置111の概略断面図である。It is a schematic sectional drawing of the semiconductor light-emitting device 111 by the 1st comparative example (comparative example 1). 比較例1による半導体発光装置111のn型クラッド層2、発光層3、p型クラッド層64のSIMS分析結果を表すグラフである。6 is a graph showing SIMS analysis results of an n-type cladding layer 2, a light-emitting layer 3, and a p-type cladding layer 64 of a semiconductor light emitting device 111 according to Comparative Example 1. 比較例1の変形例による半導体発光装置111のSIMS分析結果を表すグラフである。10 is a graph showing a SIMS analysis result of a semiconductor light emitting device 111 according to a modification of Comparative Example 1. 通電時における発光出力の変化を示すグラフである。It is a graph which shows the change of the light emission output at the time of electricity supply. 第2の比較例(比較例2)による半導体発光装置121の概略断面図である。It is a schematic sectional drawing of the semiconductor light-emitting device 121 by the 2nd comparative example (comparative example 2). 作製1回目と作製連続3回目の比較例2による半導体発光装置121のSIMS分析結果を表すグラフである。It is a graph showing the SIMS analysis result of the semiconductor light-emitting device 121 by the comparative example 2 of the production 1st time and the production continuous 3rd time. 第3の比較例(比較例3)による半導体発光装置131の概略断面図である。It is a schematic sectional drawing of the semiconductor light-emitting device 131 by the 3rd comparative example (comparative example 3). 比較例3による半導体発光装置131のn型クラッド層2、発光層3、p型クラッド層84のSIMS分析結果を表すグラフである。14 is a graph showing SIMS analysis results of an n-type cladding layer 2, a light-emitting layer 3, and a p-type cladding layer 84 of a semiconductor light emitting device 131 according to Comparative Example 3. 本発明の実施例によるLEDデバイス構造100の概略断面図である。1 is a schematic cross-sectional view of an LED device structure 100 according to an embodiment of the present invention. 本発明の実施例によるLEDデバイス構造100の製造方法を説明するための概略断面図である。1 is a schematic cross-sectional view for explaining a method of manufacturing an LED device structure 100 according to an embodiment of the present invention. 本発明の実施例によるLEDデバイス構造100の製造方法を説明するための概略断面図である。1 is a schematic cross-sectional view for explaining a method of manufacturing an LED device structure 100 according to an embodiment of the present invention. 本発明の実施例によるLEDデバイス構造100と比較例1によるLEDデバイス構造の電流−電圧特性を示すグラフである。3 is a graph showing current-voltage characteristics of an LED device structure 100 according to an embodiment of the present invention and an LED device structure according to Comparative Example 1; 比較例1及びその変形例を用いたLEDデバイス構造の電流・光出力間特性を示すグラフである。It is a graph which shows the electric current-light output characteristic of the LED device structure using the comparative example 1 and its modification. 本発明の実施例と比較例1〜3のp型クラッド層及び電流拡散層を比較した表である。It is the table | surface which compared the p-type cladding layer and current spreading layer of the Example of this invention, and Comparative Examples 1-3. 従来例によるダブルヘテロ構造の半導体発光装置(LED)50の概略断面図である。It is a schematic sectional drawing of the semiconductor light-emitting device (LED) 50 of the double hetero structure by a prior art example.

図1は、本発明の実施例による半導体発光装置101の概略断面図である。   FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a semiconductor light emitting device 101 according to an embodiment of the present invention.

半導体発光装置101は、n型GaAs基板1と、n型クラッド層2と、発光層3と、p型クラッド層4と、p型電流拡散層5と、p側電極(第1電極)6と、n側電極(第2電極)7とを含んで構成される。   The semiconductor light emitting device 101 includes an n-type GaAs substrate 1, an n-type cladding layer 2, a light-emitting layer 3, a p-type cladding layer 4, a p-type current diffusion layer 5, a p-side electrode (first electrode) 6, And an n-side electrode (second electrode) 7.

n型クラッド層2は、n型GaAs基板1上に配置され、n型不純物としてSiをドープした(AlGa1−yIn1−xP(0.45≦x≦0.55、0.3≦y≦1)からなる。本実施例では、例えば、n型(Al0.7Ga0.30.5In0.5P層であり、膜厚は約3μm、キャリア濃度は1×1018cm−3である。 The n-type cladding layer 2 is disposed on the n-type GaAs substrate 1 and doped with Si as an n-type impurity (Al y Ga 1-y ) x In 1-x P (0.45 ≦ x ≦ 0.55, 0.3 ≦ y ≦ 1). In this embodiment, for example, it is an n-type (Al 0.7 Ga 0.3 ) 0.5 In 0.5 P layer, the film thickness is about 3 μm, and the carrier concentration is 1 × 10 18 cm −3 .

発光層3は、n型クラッド層2上に形成され、アンドープの(Aly1Ga1−y1In1−xP(0.4≦x≦0.6、0≦y1≦0.7)からなる井戸層とアンドープの(Aly2Ga1−y2In1−xP(0.4≦x≦0.6、0≦y2≦0.7)からなる障壁層とからなる量子井戸構造である(ただし、y2>y1)。または、アンドープの(AlGa1−yIn1−xP(0.4≦x≦0.6、0≦y≦0.7)からなるバルク活性層を発光層3としてもよい。本実施例では、例えば、膜厚10nmの(Al0.1Ga0.90.5In0.5Pからなる井戸層と、膜厚10nmの(Al0.5Ga0.50.5In0.5Pからなる障壁層を20周期繰り返した量子井戸(QW)構造である。 The light emitting layer 3 is formed on the n-type cladding layer 2 and is undoped (Al y1 Ga 1-y1 ) x In 1-x P (0.4 ≦ x ≦ 0.6, 0 ≦ y1 ≦ 0.7). Quantum well structure comprising a well layer made of and a barrier layer made of undoped (Al y2 Ga 1-y2 ) x In 1-x P (0.4 ≦ x ≦ 0.6, 0 ≦ y2 ≦ 0.7) (Where y2> y1). Alternatively, a bulk active layer made of undoped (Al y Ga 1-y ) x In 1-x P (0.4 ≦ x ≦ 0.6, 0 ≦ y ≦ 0.7) may be used as the light emitting layer 3. In this embodiment, for example, a well layer made of (Al 0.1 Ga 0.9 ) 0.5 In 0.5 P with a thickness of 10 nm and (Al 0.5 Ga 0.5 ) 0 with a thickness of 10 nm. It is a quantum well (QW) structure in which a barrier layer made of 0.5 In 0.5 P is repeated 20 cycles.

p型クラッド層4は、発光層3上に形成され、Mgを故意に添加した(AlGa1−yIn1−xP(0.45≦x≦0.55、0.3≦y≦1)からなり、キャリア濃度は、1×1017〜1×1018cm−3の範囲である。本実施例では、例えば、(Al0.7Ga0.30.5In0.5Pからなり、膜厚は約1μmで、キャリア濃度は、2×1017cm−3である。 The p-type cladding layer 4 is formed on the light emitting layer 3 and (Al y Ga 1-y ) x In 1-x P (0.45 ≦ x ≦ 0.55, 0.3 ≦ 3) to which Mg is intentionally added. y ≦ 1), and the carrier concentration is in the range of 1 × 10 17 to 1 × 10 18 cm −3 . In this embodiment, for example, it is made of (Al 0.7 Ga 0.3 ) 0.5 In 0.5 P, the film thickness is about 1 μm, and the carrier concentration is 2 × 10 17 cm −3 .

p型電流拡散層5は、p型クラッド層4上に配置され、Znを故意に添加したp型のGa1−zInP(0≦z≦0.1)層であり、Znドーパント濃度は、3×1018〜1×1019cm−3の範囲である。本実施例では、例えば、GaPからなり、膜厚は約1μmで、Znのドーパント濃度は3×1018cm−3である。なお、p型クラッド層4は、p型電流拡散層5から拡散してきたZnを含む。p型クラッド層4の拡散によるZnドーパント濃度は、5×1016〜5×1017cm−3の範囲である。 The p-type current spreading layer 5 is a p-type Ga 1-z In z P (0 ≦ z ≦ 0.1) layer that is disposed on the p-type cladding layer 4 and intentionally added with Zn, and has a Zn dopant concentration. Is in the range of 3 × 10 18 to 1 × 10 19 cm −3 . In this embodiment, for example, it is made of GaP, the film thickness is about 1 μm, and the Zn dopant concentration is 3 × 10 18 cm −3 . The p-type cladding layer 4 contains Zn diffused from the p-type current diffusion layer 5. The Zn dopant concentration by the diffusion of the p-type cladding layer 4 is in the range of 5 × 10 16 to 5 × 10 17 cm −3 .

n型GaAs基板1、n型クラッド層2、発光層3、p型クラッド層4及びp型電流拡散層5は、周知のMOCVD法で作製し、原料としてホスフィン、III族原料として有機金属材料TMG(トリメチルガリウム)、TMA(トリメチルアルミニウム)、TMI(トリメチルインジウム)を用いた。   The n-type GaAs substrate 1, the n-type cladding layer 2, the light emitting layer 3, the p-type cladding layer 4 and the p-type current diffusion layer 5 are prepared by a well-known MOCVD method, phosphine as a raw material, and an organometallic material TMG as a group III raw material. (Trimethylgallium), TMA (trimethylaluminum), and TMI (trimethylindium) were used.

n型クラッド層2の形成ためのドーパントとしてシラン(SiH)、p型クラッド層4形成のためのドーパントとしてジシクロペンタマグネシウム(CpMg)、p型電流拡散層5形成のためのドーパントとしてジメチルジンク(DMZn)を用いた。 Silane (SiH 4 ) as a dopant for forming the n-type cladding layer 2, dicyclopentamagnesium (Cp 2 Mg) as a dopant for forming the p-type cladding layer 4, and as a dopant for forming the p-type current diffusion layer 5 Dimethyl zinc (DMZn) was used.

キャリアガスとしては、水素を用い、V/III比は30〜200、AlGaInP層の成長温度は670℃、GaP層の成長温度は770℃で、10kPaの減圧下で半導体発光装置101を作製した。   Hydrogen was used as the carrier gas, the V / III ratio was 30 to 200, the growth temperature of the AlGaInP layer was 670 ° C., the growth temperature of the GaP layer was 770 ° C., and the semiconductor light emitting device 101 was manufactured under a reduced pressure of 10 kPa.

電流を供給するために、p型電流拡散層5の上面の一部の領域上に、p側電極(第1電極)6を形成し、GaAs基板1の下面上にn側電極(第2電極)7を形成し、200μm角にダイシングを行った。それをTO−46Sステムに搭載し、Auワイヤーを装着した。これに電流を20mA流したところ、光出力は1.0mW、半導体発光装置に印加された電圧は1.95Vとなった。   In order to supply current, a p-side electrode (first electrode) 6 is formed on a part of the upper surface of the p-type current diffusion layer 5, and an n-side electrode (second electrode) is formed on the lower surface of the GaAs substrate 1. 7) was formed, and dicing was performed to 200 μm square. It was mounted on a TO-46S stem and an Au wire was attached. When a current of 20 mA was passed through this, the light output was 1.0 mW and the voltage applied to the semiconductor light emitting device was 1.95V.

図2は、本発明の実施例による半導体発光装置101のn型クラッド層2、発光層3、p型クラッド層4のSIMS(Secondary Ionmicroprobe Mass Spectrometer)分析結果を表すグラフである。   FIG. 2 is a graph showing SIMS (Secondary Ionomic Probe Mass Spectrometer) analysis results of the n-type cladding layer 2, the light-emitting layer 3, and the p-type cladding layer 4 of the semiconductor light emitting device 101 according to the embodiment of the present invention.

本実施例では、p型クラッド層4にZnを故意に添加していないが、Znが検出されていることが分かる。このp型クラッド層4のZnはZnを故意に添加したp型電流拡散層(Zn−GaP層)5からの拡散によるものである。   In this example, Zn is not intentionally added to the p-type cladding layer 4, but it can be seen that Zn is detected. Zn in the p-type cladding layer 4 is due to diffusion from the p-type current diffusion layer (Zn—GaP layer) 5 to which Zn is intentionally added.

電流を均一に拡げるためには、p型電流拡散層(Zn−GaP層)5へのZnの高濃度ドーピングが必要であり、GaP層は上述したように、作製温度が770℃程度で、AlGaInP層の作製温度である670℃程度より、100℃程度高くなっていることから、Znが拡散する。しかし、本実施例では、p型クラッド層4に故意にZnをドーピングしていないために、発光層3にはほとんどZnは拡散していない。   In order to spread the current uniformly, high concentration doping of Zn into the p-type current diffusion layer (Zn—GaP layer) 5 is necessary. As described above, the GaP layer has a fabrication temperature of about 770 ° C. and AlGaInP. Since it is about 100 ° C. higher than the 670 ° C., which is the layer manufacturing temperature, Zn diffuses. However, in this embodiment, since the p-type cladding layer 4 is not intentionally doped with Zn, the light emitting layer 3 hardly diffuses Zn.

なお、p型電流拡散層5にMgをドーピングすると、後述する第2の比較例(比較例2)におけるのと同様のMg残留の影響が発生する。これは、p型電流拡散層5は電流を均一に流すことと電極との良好なコンタクトをとるためにキャリア濃度を高くする必要があり、p型クラッド層4よりも大量のMgをドーピングする必要があるためである。しかし、本実施例では、p型クラッド層4にのみMgをドーピングし、p型電流拡散層5にはZnをドーピングしているため、Mg残留の影響がない。なお、p型クラッド層4へのMgドーピング量は、1×1018cm−3以下であるため、残留の影響はない。 When the p-type current diffusion layer 5 is doped with Mg, the same effect of remaining Mg as in the second comparative example (comparative example 2) described later occurs. This is because the p-type current diffusion layer 5 needs to have a higher carrier concentration in order to allow the current to flow uniformly and to make good contact with the electrode, and needs to be doped with a larger amount of Mg than the p-type cladding layer 4. Because there is. However, in this embodiment, only the p-type cladding layer 4 is doped with Mg, and the p-type current diffusion layer 5 is doped with Zn. In addition, since the Mg doping amount to the p-type cladding layer 4 is 1 × 10 18 cm −3 or less, there is no influence of the residual.

図3は、第1の比較例(比較例1)による半導体発光装置111の概略断面図である。図1に示す実施例による半導体発光装置101とは、p型クラッド層64のみが異なる。その他の構成は実施例と同様であるので、同一の参照番号を付して説明を省略する。   FIG. 3 is a schematic cross-sectional view of the semiconductor light emitting device 111 according to the first comparative example (Comparative Example 1). The semiconductor light emitting device 101 according to the embodiment shown in FIG. Since other configurations are the same as those in the embodiment, the same reference numerals are given and description thereof is omitted.

半導体発光装置111のp型クラッド層64は、Znを故意に添加した(Al0.7Ga0.30.5In0.5Pからなり、例えば、膜厚は約1μmで、Znドーパント濃度は2×1017cm−3である。 The p-type cladding layer 64 of the semiconductor light emitting device 111 is made of (Al 0.7 Ga 0.3 ) 0.5 In 0.5 P intentionally added with Zn, for example, having a film thickness of about 1 μm and a Zn dopant. The concentration is 2 × 10 17 cm −3 .

図4は、比較例1による半導体発光装置111のn型クラッド層2、発光層3、p型クラッド層64のSIMS分析結果を表すグラフである。   FIG. 4 is a graph showing SIMS analysis results of the n-type cladding layer 2, the light-emitting layer 3, and the p-type cladding layer 64 of the semiconductor light emitting device 111 according to Comparative Example 1.

電流を均一に拡げるためには、電流拡散層(Zn−GaP層)5へのZnの高濃度ドーピングが必要であり、p型電流拡散層5は、AlGaInPよりも作製温度が高い(+100℃以上)ため、p型クラッド層64および発光層3にZnが拡散していることがわかる。この拡散したZnのため、通電により光度劣化が生じる。   In order to spread the current uniformly, the current diffusion layer (Zn—GaP layer) 5 needs to be doped with Zn at a high concentration, and the p-type current diffusion layer 5 has a higher fabrication temperature than AlGaInP (+ 100 ° C. or more). Therefore, it can be seen that Zn is diffused in the p-type cladding layer 64 and the light emitting layer 3. Due to the diffused Zn, the light intensity is deteriorated by energization.

図5は、比較例1の変形例による半導体発光装置111のSIMS分析結果を表すグラフである。この変形例では、発光層3へのZn拡散を防止するために、図4に示す比較例1による半導体発光装置111の発光層3とp型クラッド層64との間にアンドープのAlGaInP層を300nmの膜厚で挿入した。アンドープ層を挿入することにより、発光層3までZnは拡散していないことが分かる。   FIG. 5 is a graph showing the SIMS analysis result of the semiconductor light emitting device 111 according to the modification of the first comparative example. In this modification, in order to prevent Zn diffusion into the light emitting layer 3, an undoped AlGaInP layer of 300 nm is formed between the light emitting layer 3 and the p-type cladding layer 64 of the semiconductor light emitting device 111 according to Comparative Example 1 shown in FIG. Inserted with a film thickness of. It can be seen that Zn is not diffused to the light emitting layer 3 by inserting the undoped layer.

図6は、通電時における発光出力の変化を示すグラフである。実施例による半導体発光装置101と比較例1によるZnのみドーピングし、アンドープ層のない構造の半導体発光装置111を室温において、20mAの通電試験を行った。   FIG. 6 is a graph showing changes in light emission output during energization. The semiconductor light emitting device 101 according to the example and the semiconductor light emitting device 111 having a structure without an undoped layer doped with only Zn according to the comparative example 1 were subjected to a 20 mA energization test at room temperature.

実施例による半導体発光装置101では、通電時間を増やしても発光出力は変化しないのに対し、比較例1の半導体発光装置111は、初期の早い段階で発光出力が減少している。これは、発光層3まで拡散したZnが影響していると考えられる。比較例1では、拡散したZnが通電により、非発光センターとして働いていると考えられる。   In the semiconductor light emitting device 101 according to the example, the light emission output does not change even when the energization time is increased, whereas in the semiconductor light emitting device 111 of the comparative example 1, the light emission output decreases at an early stage. This is considered to be caused by Zn diffused to the light emitting layer 3. In Comparative Example 1, it is considered that the diffused Zn works as a non-light emitting center by energization.

さらに、実施例による半導体発光装置101において、p型クラッド層4のMgドーパント濃度を、1×1018cm−3とし、電流拡散層(GaP層)5のZnドーパント濃度を、1×1019cm−3とした場合においても、発光層3へのZn拡散はなく、通電試験においても同様の効果を確認した。電流拡散層(GaP層)5のZnドーパント濃度を1×1019cm−3とした場合にも、SIMS分析を行ったところ、同様の拡散現象が確認された。p型電流拡散層5のZnドーパント濃度が高いため、p型クラッド層4中のZnドーパント濃度は、5×1017cm−3となったが、上述した半導体発光装置101と同様にZnの発光層3への拡散は見られなかった。これは、p型クラッド層4で故意に添加したMgが、p型電流拡散層5から発光層3へのZn拡散を止める効果があるためと考えられる。また、この場合も、通電による光度劣化は起こらないことが分かった。 Furthermore, in the semiconductor light emitting device 101 according to the example, the Mg dopant concentration of the p-type cladding layer 4 is 1 × 10 18 cm −3, and the Zn dopant concentration of the current diffusion layer (GaP layer) 5 is 1 × 10 19 cm. Even in the case of −3 , there was no Zn diffusion into the light emitting layer 3, and the same effect was confirmed in the current test. Even when the Zn dopant concentration of the current diffusion layer (GaP layer) 5 was 1 × 10 19 cm −3 , the same diffusion phenomenon was confirmed when SIMS analysis was performed. Since the Zn dopant concentration in the p-type current diffusion layer 5 is high, the Zn dopant concentration in the p-type cladding layer 4 is 5 × 10 17 cm −3 , but light emission of Zn is similar to the semiconductor light emitting device 101 described above. No diffusion into layer 3 was seen. This is presumably because Mg intentionally added in the p-type cladding layer 4 has an effect of stopping Zn diffusion from the p-type current diffusion layer 5 to the light emitting layer 3. Also in this case, it was found that the luminous intensity did not deteriorate due to energization.

図7は、第2の比較例(比較例2)による半導体発光装置121の概略断面図である。図1に示す実施例による半導体発光装置101とは、電流拡散層75のみが異なる。その他の構成は実施例と同様であるので、同一の参照番号を付して説明を省略する。なお、p型クラッド層74は、実施例のp型クラッド層4と同様に、Mgを故意に添加した(Al0.7Ga0.30.5In0.5Pからなり、例えば、膜厚は約1μmで、Mgのドーパント濃度は、2×1017cm−3であるが、拡散によるZnを含まないので、p型クラッド層4とは異なる参照番号を付した。 FIG. 7 is a schematic cross-sectional view of a semiconductor light emitting device 121 according to a second comparative example (Comparative Example 2). Only the current diffusion layer 75 is different from the semiconductor light emitting device 101 according to the embodiment shown in FIG. Since other configurations are the same as those in the embodiment, the same reference numerals are given and description thereof is omitted. The p-type cladding layer 74 is made of (Al 0.7 Ga 0.3 ) 0.5 In 0.5 P intentionally added with Mg, similarly to the p-type cladding layer 4 of the example. Although the film thickness is about 1 μm and the Mg dopant concentration is 2 × 10 17 cm −3 , Zn is not included due to diffusion, and therefore, a reference number different from that of the p-type cladding layer 4 is given.

比較例2の電流拡散層75は、Mgを故意に添加したp型のGaPからなり、例えば、膜厚は、約1μmで、Mgのドーパント濃度は3×1018cm−3である。この半導体発光装置121に電流を20mA流したところ、光出力は0.2mW、半導体発光装置に印加された電圧は1.95Vとなった。 The current diffusion layer 75 of Comparative Example 2 is made of p-type GaP to which Mg is intentionally added. For example, the film thickness is about 1 μm and the Mg dopant concentration is 3 × 10 18 cm −3 . When a current of 20 mA was passed through the semiconductor light emitting device 121, the optical output was 0.2 mW, and the voltage applied to the semiconductor light emitting device was 1.95V.

MgはZnに比べて拡散係数が小さく、発光層3までは拡散しにくい。しかしながら、電流拡散層75においてMgの高濃度ドーピングを行わなければならず、メモリー効果の大きいMgが反応炉内部に残留してしまう。そのため、半導体発光装置121の作製を繰り返すうちに、残留Mgが増大するために、意図しないMgがp型クラッド層74や電流拡散層75以外に取り込まれてしまう。   Mg has a smaller diffusion coefficient than Zn and is difficult to diffuse to the light emitting layer 3. However, high concentration doping of Mg must be performed in the current diffusion layer 75, and Mg having a large memory effect remains in the reaction furnace. Therefore, as the production of the semiconductor light emitting device 121 is repeated, the residual Mg increases, so that unintended Mg is taken in other than the p-type cladding layer 74 and the current diffusion layer 75.

図8は、作製1回目と作製連続3回目の比較例2による半導体発光装置121のSIMS分析結果を表すグラフである。   FIG. 8 is a graph showing the SIMS analysis results of the semiconductor light emitting device 121 according to Comparative Example 2 in the first fabrication and the third fabrication.

図から明らかなように、作製1回目ではMgはp型クラッド層74中のみで検出されているのに対し、3回目では発光層3およびn型クラッド層2においてもMgが検出されている。このような意図せずに残留したMgは、デバイス特性に悪影響を与え、その結果として、明るさが急激に減少するという不具合を生じさせる。   As is apparent from the figure, Mg was detected only in the p-type cladding layer 74 in the first fabrication, whereas Mg was also detected in the light emitting layer 3 and the n-type cladding layer 2 in the third fabrication. Such unintentionally remaining Mg adversely affects the device characteristics, and as a result, causes a problem that the brightness rapidly decreases.

図9は、第3の比較例(比較例3)による半導体発光装置131の概略断面図である。図1に示す実施例による半導体発光装置101とは、p型クラッド層84のみが異なる。その他の構成は実施例と同様であるので、同一の参照番号を付して説明を省略する。   FIG. 9 is a schematic cross-sectional view of a semiconductor light emitting device 131 according to a third comparative example (Comparative Example 3). The semiconductor light emitting device 101 according to the embodiment shown in FIG. Since other configurations are the same as those in the embodiment, the same reference numerals are given and description thereof is omitted.

p型クラッド層84は、MgおよびZnを故意に添加した(Al0.7Ga0.30.5In0.5Pからなり、例えば、膜厚は約1μmで、Mg及びZnのドーパント濃度は2×1017cm−3である。比較例3による半導体発光装置131に電流を20mA流したところ、光出力は0.3mW、半導体発光装置に印加された電圧は1.95Vとなった。 The p-type cladding layer 84 is made of (Al 0.7 Ga 0.3 ) 0.5 In 0.5 P intentionally added with Mg and Zn. For example, the film thickness is about 1 μm, and Mg and Zn dopants. The concentration is 2 × 10 17 cm −3 . When a current of 20 mA was passed through the semiconductor light emitting device 131 according to Comparative Example 3, the light output was 0.3 mW and the voltage applied to the semiconductor light emitting device was 1.95V.

図10は、比較例3による半導体発光装置131のn型クラッド層2、発光層3、p型クラッド層84のSIMS分析結果を表すグラフである。   FIG. 10 is a graph showing SIMS analysis results of the n-type cladding layer 2, the light-emitting layer 3, and the p-type cladding layer 84 of the semiconductor light emitting device 131 according to Comparative Example 3.

Mg及びZnのp型クラッド層84への同時ドーピングにより、p型クラッド層84にMg、Znが検出されている。p型クラッド層84及びp型電流拡散層5にZnをドーピングしているため、結晶中にZnが拡散している。MgはZn拡散を抑制する効果があるため、発光層3中にはZn拡散していないが、発光層3近傍(深さ約1μmの領域)にZnドーパント濃度の高い領域が存在する。この発光層3近傍のZnドーパント濃度の高い領域が非発光センターを形成し、比較例3では、発光出力が急激に減少すると考えられる。   Mg and Zn are detected in the p-type cladding layer 84 by simultaneous doping of the p-type cladding layer 84 with Mg and Zn. Since the p-type cladding layer 84 and the p-type current diffusion layer 5 are doped with Zn, Zn is diffused in the crystal. Since Mg has an effect of suppressing Zn diffusion, Zn is not diffused in the light emitting layer 3, but a region having a high Zn dopant concentration exists in the vicinity of the light emitting layer 3 (region having a depth of about 1 μm). The region having a high Zn dopant concentration in the vicinity of the light emitting layer 3 forms a non-light emitting center, and in Comparative Example 3, it is considered that the light emission output rapidly decreases.

続いて、特開2009−4487号公報の段落[0012]〜[0026]、又は特開2010−50318号公報の段落[0013]〜[0020]に記載された方法を用いて、図1に示す本発明の実施例による半導体発光装置構造10と、GaAs基板1(図1)とは別の材料からなる永久基板(Si)11との貼り合わせを行い、GaAs基板1を除去し、図11に示す電極を配置しLEDデバイス構造100を作製した。作製したLEDデバイス構造100を、ステム上に搭載し、ワイヤーを装着し、エポキシ系の樹脂により、直径5mmの砲弾型LEDを作製した。   Subsequently, the method described in paragraphs [0012] to [0026] of JP2009-4487A or paragraphs [0013] to [0020] of JP2010-50318A is shown in FIG. The semiconductor light emitting device structure 10 according to the embodiment of the present invention is bonded to a permanent substrate (Si) 11 made of a material different from the GaAs substrate 1 (FIG. 1), the GaAs substrate 1 is removed, and FIG. An electrode device structure 100 was fabricated by arranging the electrodes shown. The produced LED device structure 100 was mounted on a stem, a wire was attached, and a bullet type LED having a diameter of 5 mm was produced from an epoxy resin.

図11は、本発明の実施例によるLEDデバイス構造100の概略断面図である。   FIG. 11 is a schematic cross-sectional view of an LED device structure 100 according to an embodiment of the present invention.

LEDデバイス構造100は、第1のPt層(第1電極)12、支持基板11、第2のPt層13、Ti(チタン)層14、接合(AuSnNi)層15、第1の電極(TaN)層16、第2の電極(TiW)層17、第3の電極(TaN)層18、第4の電極(AuZn)層19、コンタクト部(コンタクト層)20が複数箇所に埋めこまれた反射絶縁(SiO)層21及び実施例による半導体発光装置構造10が順次積層された構造を有している。また、半導体発光装置構造10上には、例えば、Auからなる第2電極22が形成されている。 The LED device structure 100 includes a first Pt layer (first electrode) 12, a support substrate 11, a second Pt layer 13, a Ti (titanium) layer 14, a bonding (AuSnNi) layer 15, and a first electrode (TaN). Reflective insulation in which a layer 16, a second electrode (TiW) layer 17, a third electrode (TaN) layer 18, a fourth electrode (AuZn) layer 19, and a contact portion (contact layer) 20 are embedded in a plurality of places The (SiO 2 ) layer 21 and the semiconductor light emitting device structure 10 according to the example are sequentially stacked. In addition, a second electrode 22 made of, for example, Au is formed on the semiconductor light emitting device structure 10.

以下に、図11〜図13を参照して、LEDデバイス構造100の製造工程を簡単に説明する。   Below, with reference to FIGS. 11-13, the manufacturing process of the LED device structure 100 is demonstrated easily.

まず、図12に示すように、n型不純物を添加したシリコン(Si)からなる支持基板(永久基板)11の主表面上に第2のPt層13を形成するとともに、主表面とは反対側の底面上にも、第1電極(第1のPt層)12を形成する。第1電極(第1のPt層)12及び第2のPt層13は、オーミック電極として用いられる。また、第1電極12は、外部と電気的接続をとるための電極として機能する。Pt層は、例えば抵抗加熱蒸着、電子ビーム蒸着、スパッタリング等により形成される。   First, as shown in FIG. 12, a second Pt layer 13 is formed on the main surface of a support substrate (permanent substrate) 11 made of silicon (Si) to which an n-type impurity is added, and is opposite to the main surface. A first electrode (first Pt layer) 12 is also formed on the bottom surface. The first electrode (first Pt layer) 12 and the second Pt layer 13 are used as ohmic electrodes. The first electrode 12 functions as an electrode for establishing electrical connection with the outside. The Pt layer is formed by, for example, resistance heating vapor deposition, electron beam vapor deposition, sputtering, or the like.

第2のPt層13上には、Ti層14を形成する。Ti層14上には、Niからなる第1のSn吸収層151、Au層152、AuSn合金からなる半田層153を形成する。Ti層14及び第1のSn吸収層151は、例えば電子ビーム蒸着またはスパッタリングにより形成され、Au層152及び半田層153は、例えば抵抗加熱蒸着またはスパッタリングにより形成される。   A Ti layer 14 is formed on the second Pt layer 13. On the Ti layer 14, a first Sn absorption layer 151 made of Ni, an Au layer 152, and a solder layer 153 made of an AuSn alloy are formed. The Ti layer 14 and the first Sn absorption layer 151 are formed by, for example, electron beam evaporation or sputtering, and the Au layer 152 and the solder layer 153 are formed by, for example, resistance heating evaporation or sputtering.

次に、図13に示すように、半導体からなる第2の基板(仮基板)110の主表面上に、図1に示す実施例による半導体発光装置構造10を成長させる。その後、化学気相成長(CVD)法によって半導体発光装置構造10上に、SiOからなる反射絶縁層(SiO層)21が形成される。その後、反射絶縁層21上にレジストが塗布、パターンニングし、パターンニングしたレジストをマスクとしてエッチングを行い、反射絶縁層21に複数の開口部を形成する。開口部によって部分的に露出した半導体発光装置構造10上に、スパッタリングによってAuZnからなるコンタクト部20が埋め込まれる。なお、コンタクト部20は、抵抗加熱蒸着又は電子ビーム蒸着によって堆積されても良い。 Next, as shown in FIG. 13, the semiconductor light emitting device structure 10 according to the embodiment shown in FIG. 1 is grown on the main surface of the second substrate (temporary substrate) 110 made of semiconductor. Thereafter, on the semiconductor light emitting device structure 10 by a chemical vapor deposition (CVD) method, the reflective insulating layer made of SiO 2 (SiO 2 layer) 21 is formed. Thereafter, a resist is applied and patterned on the reflective insulating layer 21, and etching is performed using the patterned resist as a mask to form a plurality of openings in the reflective insulating layer 21. A contact portion 20 made of AuZn is buried by sputtering on the semiconductor light emitting device structure 10 partially exposed by the opening. The contact portion 20 may be deposited by resistance heating vapor deposition or electron beam vapor deposition.

次に、反射絶縁層21上に、AuZnからなる反射電極層(第4の電極層)19を抵抗加熱蒸着、電子ビーム蒸着、またはスパッタリングにより形成する。反射電極層19は、コンタクト部20を介して、半導体発光装置構造10とオーミックコンタクトを取る。また、反射電極層19は、半導体発光装置構造10から入射した光を反射絶縁層(SiO層)21との界面で効率よく反射させる機能を有する。 Next, a reflective electrode layer (fourth electrode layer) 19 made of AuZn is formed on the reflective insulating layer 21 by resistance heating vapor deposition, electron beam vapor deposition, or sputtering. The reflective electrode layer 19 is in ohmic contact with the semiconductor light emitting device structure 10 through the contact portion 20. The reflective electrode layer 19 has a function of efficiently reflecting light incident from the semiconductor light emitting device structure 10 at the interface with the reflective insulating layer (SiO 2 layer) 21.

さらに、反射電極層19上に、反応性スパッタリングによりTaNからなる第3の電極(TaN)層18を形成し、その後、例えば、窒素雰囲気下において、約500℃で熱処理を行う。この熱処理により、AuZnからなる反射電極層19(コンタクト部20)とp型AlGaInPからなる半導体発光装置構造10の表層部とが合金化し、良好なオーミック接触が得られる。   Further, a third electrode (TaN) layer 18 made of TaN is formed on the reflective electrode layer 19 by reactive sputtering, and then, for example, heat treatment is performed at about 500 ° C. in a nitrogen atmosphere. By this heat treatment, the reflective electrode layer 19 (contact portion 20) made of AuZn and the surface layer portion of the semiconductor light emitting device structure 10 made of p-type AlGaInP are alloyed, and good ohmic contact is obtained.

次に、第3の電極(TaN)層18上に、反応性スパッタリングによりTiW(チタン−タングステン合金)からなる第2の電極層17及びTaN(窒化タンタル)からなる第1の電極層16を形成する。TaN(窒化タンタル)からなる第1の電極層16、TiW(チタン−タングステン合金)からなる第2の電極層17及びTaNからなる第3の電極層18は、金属原子の拡散を防止するバリア層として機能する。   Next, the second electrode layer 17 made of TiW (titanium-tungsten alloy) and the first electrode layer 16 made of TaN (tantalum nitride) are formed on the third electrode (TaN) layer 18 by reactive sputtering. To do. The first electrode layer 16 made of TaN (tantalum nitride), the second electrode layer 17 made of TiW (titanium-tungsten alloy), and the third electrode layer 18 made of TaN are barrier layers that prevent diffusion of metal atoms. Function as.

その後、TaN層16の上に、Niからなる第2のSn吸収層154を、電子ビーム蒸着またはスパッタリングにより形成する。第2のSn吸収層154の上に、Au層155を、抵抗加熱蒸着またはスパッタリングにより形成する。   Thereafter, a second Sn absorption layer 154 made of Ni is formed on the TaN layer 16 by electron beam evaporation or sputtering. An Au layer 155 is formed on the second Sn absorption layer 154 by resistance heating vapor deposition or sputtering.

次に、図12に示す支持基板(永久基板)11と図13に示す仮基板110とを、それらの主表面同士が対向するように配置し、支持基板11側のAuSn半田層153と、仮基板110側のAu層155とを密着させて、窒素雰囲気下で熱圧着を行う。   Next, the support substrate (permanent substrate) 11 shown in FIG. 12 and the temporary substrate 110 shown in FIG. 13 are arranged so that their main surfaces face each other, and the AuSn solder layer 153 on the support substrate 11 side, The Au layer 155 on the substrate 110 side is brought into close contact, and thermocompression bonding is performed in a nitrogen atmosphere.

図11に示すように、AuSn半田層153が溶融し、Au層152、155のAu、第1のSn吸収層151及び第2のSn吸収層154のNiが、溶融している半田層153に溶解し、及びAu層152、155、半田層153のAu及びSnが、第1のSn吸収層151及び第2のSn吸収層154内に拡散し、吸収される。溶融した半田層153が固化することにより、AuSnNiからなる接合層15が形成される。接合後、仮基板110を除去する。仮基板110がGaAsで形成されている場合には、例えば、アンモニア水と過酸化水素水との混合液を用いたウェットエッチングにより除去することができる。なお、ウェットエッチングの他に、ドライエッチング、化学機械研磨(CMP)、機械的研削等により除去することも可能である。   As shown in FIG. 11, the AuSn solder layer 153 is melted, the Au of the Au layers 152 and 155, the Ni of the first Sn absorption layer 151 and the second Sn absorption layer 154 are melted into the melted solder layer 153. When dissolved, Au and Sn in the Au layers 152 and 155 and the solder layer 153 are diffused and absorbed in the first Sn absorption layer 151 and the second Sn absorption layer 154. When the molten solder layer 153 is solidified, the bonding layer 15 made of AuSnNi is formed. After bonding, the temporary substrate 110 is removed. When the temporary substrate 110 is made of GaAs, for example, it can be removed by wet etching using a mixed solution of ammonia water and hydrogen peroxide solution. In addition to wet etching, removal by dry etching, chemical mechanical polishing (CMP), mechanical grinding, or the like is also possible.

最後に、仮基板110を除去することにより露出した半導体発光装置構造10の表面の一部の領域上に、Auからなる第2電極22を抵抗加熱蒸着、電子ビーム蒸着、スパッタリング等による成膜と、リフトオフ法により形成する。第2電極22を形成した後、例えば、窒素雰囲気下において、約400℃で熱処理を行うことにより、オーミック接触を確保する。   Finally, the second electrode 22 made of Au is formed by resistance heating vapor deposition, electron beam vapor deposition, sputtering, or the like on a partial region of the surface of the semiconductor light emitting device structure 10 exposed by removing the temporary substrate 110. And formed by a lift-off method. After the second electrode 22 is formed, for example, heat treatment is performed at about 400 ° C. in a nitrogen atmosphere to ensure ohmic contact.

以上のようにして作製した実施例によるLEDデバイス構造100の電流・光出力間特性を評価したところ、50mAの電流域でも、線形性がよいことが確認された。   When the current-light output characteristics of the LED device structure 100 according to the example fabricated as described above were evaluated, it was confirmed that the linearity was good even in a current range of 50 mA.

さらに、本発明の実施例による半導体発光装置構造10の代わりに図3に示す比較例1による半導体発光装置構造60を用いてLEDデバイス構造を作製した。作製した比較例1によるLEDデバイス構造を、ステム上に搭載し、ワイヤーを装着し、エポキシ系の樹脂により、直径5mmの砲弾型LEDを作製した。また、比較例1による半導体発光装置構造60にアンドープ層を挿入した比較例1の変形例を用いて同様にLEDデバイス構造を作製した。   Further, an LED device structure was fabricated using a semiconductor light emitting device structure 60 according to Comparative Example 1 shown in FIG. 3 instead of the semiconductor light emitting device structure 10 according to the embodiment of the present invention. The manufactured LED device structure according to Comparative Example 1 was mounted on a stem, a wire was mounted, and a bullet-type LED having a diameter of 5 mm was manufactured using an epoxy resin. Moreover, the LED device structure was similarly produced using the modification of the comparative example 1 which inserted the undoped layer in the semiconductor light-emitting device structure 60 by the comparative example 1. FIG.

図14は、本発明の実施例によるLEDデバイス構造100と比較例1によるLEDデバイス構造の電流−電圧特性を示すグラフである。   FIG. 14 is a graph showing current-voltage characteristics of the LED device structure 100 according to the embodiment of the present invention and the LED device structure according to the comparative example 1.

本発明の実施例によるLEDデバイス構造100は、比較例1によるLEDデバイス構造と比べて、同じ電流値でも電圧値が低く(抵抗値が低く)、効率のよいことが分かった。これは、実施例のp型クラッド層4にZnとMgが含まれていることに起因しており、比較例1のようにp型クラッド層64に含まれるのがZnのみでは効率が悪いことを示している。上述した図6に示す通電試験と同様の試験を実施したところ、実施例によるLEDデバイス構造100では通電による光度劣化は観測されなかった。   It has been found that the LED device structure 100 according to the example of the present invention has a low voltage value (low resistance value) and high efficiency even at the same current value as compared with the LED device structure according to Comparative Example 1. This is because Zn and Mg are contained in the p-type cladding layer 4 of the example, and the efficiency is poor when only Zn is contained in the p-type cladding layer 64 as in Comparative Example 1. Is shown. When a test similar to the energization test shown in FIG. 6 described above was performed, no deterioration in luminous intensity due to energization was observed in the LED device structure 100 according to the example.

図15は、比較例1及びその変形例を用いたLEDデバイス構造の電流・光出力間特性を示すグラフである。   FIG. 15 is a graph showing the current-light output characteristics of the LED device structure using Comparative Example 1 and its modification.

アンドープ層を挿入した比較例1の変形例を用いたLEDデバイス構造は、低電流領域(50mA以下)では、線形性があるのに対し、高電流領域(50mA以上)では、急速に光出力が減少することが分かる。   The LED device structure using the modified example of Comparative Example 1 in which an undoped layer is inserted has linearity in the low current region (50 mA or less), whereas the light output is rapidly increased in the high current region (50 mA or more). It turns out that it decreases.

一方、アンドープ層のない比較例1を用いたLEDデバイス構造では、電流・光出力間の線形性が高電流領域でも保たれていることが分かる。比較例1の変形例ではアンドープ層を挿入したことにより、発光層3へのキャリアの注入効率が悪くなったことが原因と考えられる。アンドープ層によるZn拡散抑制では、発光層3に拡散するZnは抑制されるが、電流・光出力間特性の線形性が悪くなることが分かった。   On the other hand, in the LED device structure using Comparative Example 1 without an undoped layer, it can be seen that the linearity between the current and the light output is maintained even in the high current region. In the modified example of the comparative example 1, it is considered that the carrier injection efficiency into the light emitting layer 3 is deteriorated by inserting the undoped layer. In the Zn diffusion suppression by the undoped layer, Zn diffusing into the light emitting layer 3 is suppressed, but it has been found that the linearity of the current-light output characteristics deteriorates.

図16は、本発明の実施例と比較例1〜3のp型クラッド層及び電流拡散層を比較した表である。   FIG. 16 is a table comparing the p-type cladding layer and the current diffusion layer of the example of the present invention and Comparative Examples 1 to 3.

比較例1では、図3に示す構造において、p型クラッド層64にZnを故意に添加したので、Znドーパント濃度は1×1017〜1×1018cm−3となっており、Znが非常に拡散しやすく、発光層3にZnが拡散してしまう。よって、発光効率は高く、Mg残留の影響もないものの、信頼性は低く、電流−電圧特性も良好ではない。 In Comparative Example 1, since Zn was intentionally added to the p-type cladding layer 64 in the structure shown in FIG. 3, the Zn dopant concentration was 1 × 10 17 to 1 × 10 18 cm −3, and Zn was very Zn diffuses into the light emitting layer 3. Therefore, although the light emission efficiency is high and there is no influence of residual Mg, the reliability is low and the current-voltage characteristics are not good.

比較例2では、図7に示す構造において、電流拡散層75にMgを故意に添加し、Mgドーパント濃度を3×1018〜1×1019cm−3とした。Mgは拡散しにくいので、発光層3までは拡散しないものの、メモリー効果の大きいMgが反応炉内部に残留してしまい、作製を繰り返すと発光層3およびn型クラッド層2においてもMgが検出されてしまう。よって、発光効率は低く、Mg残留の影響がある。 In Comparative Example 2, in the structure shown in FIG. 7, Mg was intentionally added to the current diffusion layer 75 to set the Mg dopant concentration to 3 × 10 18 to 1 × 10 19 cm −3 . Since Mg is difficult to diffuse, it does not diffuse to the light emitting layer 3, but Mg having a large memory effect remains in the reaction furnace, and Mg is detected also in the light emitting layer 3 and the n-type cladding layer 2 when the fabrication is repeated. End up. Therefore, the luminous efficiency is low and there is an influence of Mg residue.

比較例3では、図9に示す構造において、p型クラッド層84へMg及びZnを同時ドーピングし、ドーパント濃度を1×1017〜1×1018cm−3としている。MgはZn拡散を抑制する効果があるため、発光層3中にはZn拡散していないが、発光層3近傍にZnドーパント濃度の高い領域が存在する。よって、Mg残留の影響はないものの、発光効率が低い。 In Comparative Example 3, in the structure shown in FIG. 9, Mg and Zn are simultaneously doped into the p-type cladding layer 84, and the dopant concentration is set to 1 × 10 17 to 1 × 10 18 cm −3 . Since Mg has an effect of suppressing Zn diffusion, Zn is not diffused in the light emitting layer 3, but a region having a high Zn dopant concentration exists in the vicinity of the light emitting layer 3. Therefore, although there is no influence of residual Mg, the light emission efficiency is low.

以上の比較例1〜3に対し、本発明の実施例では、図1に示す構造において、p型クラッド層4のMgドーパント濃度を、1×1017〜1×1018cm−3、p型電流拡散層5のZnドーパント濃度を3×1018〜1×1019cm−3とした。これにより、p型クラッド層4に拡散するZnドーパント濃度を5×1016〜5×1017cm−3とすることができ、発光層3へのZnの拡散を防ぐことができた。このような構造をとることにより、信頼性が高く、電流−電圧特性が良好であり、発光効率も高く、Mg残留の影響のない半導体発光装置101を作製することができる。 In contrast to the above comparative examples 1 to 3, in the embodiment of the present invention, the Mg dopant concentration of the p-type cladding layer 4 is 1 × 10 17 to 1 × 10 18 cm −3 , p-type in the structure shown in FIG. The Zn dopant concentration of the current spreading layer 5 was 3 × 10 18 to 1 × 10 19 cm −3 . Thereby, the Zn dopant concentration diffused in the p-type cladding layer 4 could be 5 × 10 16 to 5 × 10 17 cm −3, and the diffusion of Zn into the light emitting layer 3 could be prevented. By adopting such a structure, it is possible to manufacture the semiconductor light emitting device 101 with high reliability, good current-voltage characteristics, high light emission efficiency, and no influence of residual Mg.

なお、上述の実施例では、クラッド層2、4や発光層3にAlGaInP層を用いているが、GaAs基板1に整合する条件で作製されている。GaAs基板1に整合する条件は成長する温度によって異なる。   In the above-described embodiment, the AlGaInP layer is used for the cladding layers 2 and 4 and the light emitting layer 3, but they are manufactured under conditions matching the GaAs substrate 1. The conditions for matching the GaAs substrate 1 vary depending on the growth temperature.

GaAs基板1に整合するためには、(AlGa1−yIn1−xPのxの値を調整すれば良い。温度が500℃〜700℃の範囲で成長する場合は、(AlGa1−yIn1−xPのxの値の範囲は0.45≦x≦0.55となる。この範囲でも、実施例で得られたキャリア濃度と厚みで制御することにより、得られる効果は変わらない。 To match the GaAs substrate 1 may be adjusted to a value of (Al y Ga 1-y) x In 1-x P of x. When the temperature grows in the range of 500 ° C. to 700 ° C., the range of the value of x in (Al y Ga 1-y ) x In 1-x P is 0.45 ≦ x ≦ 0.55. Even in this range, the effect obtained is not changed by controlling the carrier concentration and thickness obtained in the examples.

活性層(量子井戸構造の活性層およびバリア層)3については、臨界膜厚以下にすれば、GaAs基板1に整合する必要はなく、この範囲でなくともよい。好ましい井戸層およびバリア層の組成の範囲は、臨界膜厚を考慮すると(AlGa1−yIn1−xP(0.4≦x≦0.6、0≦y≦0.7)である。 The active layer 3 (active layer and barrier layer having a quantum well structure) 3 does not need to be matched with the GaAs substrate 1 as long as the thickness is equal to or less than the critical film thickness, and may not be in this range. A preferable range of the composition of the well layer and the barrier layer is (Al y Ga 1-y ) x In 1-x P (0.4 ≦ x ≦ 0.6, 0 ≦ y ≦ 0.7 in consideration of the critical film thickness. ).

また、上述の実施例では、n型クラッド層2として、Al組成が70%の(Al0.7Ga0.30.5In0.5Pを用いたが、n型クラッド層2は、発光層3に対して透明であればよく、Ga組成が0%、すなわち、Al0.5In0.5Pをn型クラッド層2として用いても、実施例によるキャリア濃度と厚みに制御すれば良い。つまり、(AlGa1−yIn1−xP(0.45≦x≦0.55、0.3≦y≦1)クラッドにおけるAl組成yの範囲であっても、発光層3に対して透明であれば構わない。 In the above embodiment, (Al 0.7 Ga 0.3 ) 0.5 In 0.5 P having an Al composition of 70% is used as the n-type cladding layer 2. As long as it is transparent to the light emitting layer 3, the Ga composition is 0%, that is, even if Al 0.5 In 0.5 P is used as the n-type cladding layer 2, the carrier concentration and thickness are controlled according to the embodiment. Just do it. In other words, even in the range of Al composition y in the (Al y Ga 1-y ) x In 1-x P (0.45 ≦ x ≦ 0.55, 0.3 ≦ y ≦ 1) cladding, the light emitting layer 3 As long as it is transparent to the surface.

また、nクラッド構造を複数のAl組成からなる構造、例えば、GaAs基板1側から、膜厚2500nmの(Al0.7Ga0.30.5In0.5P、膜厚500nmの(Al0.5Ga0.50.5In0.5Pとしても、実施例によるキャリア濃度に制御すれば良く、得られる効果は変わらない。 Further, the n-clad structure is a structure having a plurality of Al compositions, for example, (Al 0.7 Ga 0.3 ) 0.5 In 0.5 P with a thickness of 2500 nm and a thickness of 500 nm from the GaAs substrate 1 side ( Even if Al 0.5 Ga 0.5 ) 0.5 In 0.5 P is used, it is sufficient to control the carrier concentration according to the embodiment, and the obtained effect does not change.

なお、上述の実施例では、n型導電を得るために、ドーパントとしてシラン(SiH)を用いたが、ジエチルテルル(DeTe)、もしくは、セレン化水素(HSe)を用いても、本発明の効果はn型不純物によって変わることはなく、n型層の不純物の種類に依存するものではなく、得られる効果は変わらない。また、n型クラッド層2の厚みに関しても、本発明に影響を与えるものではなく、3μmに限定されるものではない。 In the above-described embodiment, silane (SiH 4 ) is used as a dopant in order to obtain n-type conductivity. However, even if diethyl tellurium (DeTe) or hydrogen selenide (H 2 Se) is used, The effect of the invention does not change depending on the n-type impurity, does not depend on the type of impurity in the n-type layer, and the obtained effect does not change. Further, the thickness of the n-type cladding layer 2 does not affect the present invention and is not limited to 3 μm.

また、上述の実施例では、赤色発光する量子井戸構造(Al組成10%)を示したが、量子井戸構造の厚みや周期数を変更しても、p型クラッド層4およびp型電流拡散層5の構造を本発明の実施例と同様にすれば、同様の効果を得ることができる。また、発光層3は、量子井戸構造に限らずホモpn接合構造、ダブルへテロ構造、またはシングルへテロ構造としてもよい。   Moreover, although the quantum well structure (Al composition 10%) which emits red light is shown in the above-described embodiment, the p-type cladding layer 4 and the p-type current diffusion layer can be used even if the thickness and the number of periods of the quantum well structure are changed. If the structure of 5 is made the same as the embodiment of the present invention, the same effect can be obtained. The light emitting layer 3 is not limited to the quantum well structure, and may have a homo pn junction structure, a double hetero structure, or a single hetero structure.

また、量子井戸層のAl組成に関しても同様であり、Al組成を変更して、黄色発光(590nm)素子や真紅発光素子(660nm)としても、実施例の効果を得ることができる。さらに、基板のオフ角に関しても同様であり、オフ角、オフ方向の異なるGaAs基板を用いても効果は変わらない。実施例では、(100)から15度オフしたn型GaAs基板1を用いたが、(100)から4度オフしたn型GaAs基板においても同様の効果を確認している。   The same applies to the Al composition of the quantum well layer, and the effects of the embodiments can be obtained even when the Al composition is changed to provide a yellow light emitting (590 nm) element or a crimson light emitting element (660 nm). The same applies to the off-angle of the substrate, and the effect does not change even if a GaAs substrate having a different off-angle and off-direction is used. In the embodiment, the n-type GaAs substrate 1 turned off by 15 degrees from (100) is used, but the same effect is confirmed also in the n-type GaAs substrate turned off by 4 degrees from (100).

また、上述の実施例では、p型電流拡散層5としてGaPを用いたが、インジウム(In)を添加し、InGaPとした場合においても、p型電流拡散層5が発光層3に対して透明であればよく、実施例の効果に影響を与えるものではない。   In the above embodiment, GaP is used as the p-type current diffusion layer 5, but the p-type current diffusion layer 5 is transparent to the light emitting layer 3 even when InGa (In) is added to form InGaP. It does not affect the effect of the embodiment.

また、本発明の実施例は半導体基板に直接作製するタイプのLEDのみだけではなく、GaPなどの半導体基板に限らず、他の永久基板(例えばシリコン、銅、ガラス)に貼りあわせるタイプの発光装置にも有効である。電極の構造は、pn接合を介して活性層に電流を注入する構造であれば良く、上下に電極を配置する必要は無く、例えばフリップチップタイプの構造でも良い。   In addition, the embodiment of the present invention is not limited to a type of LED directly manufactured on a semiconductor substrate, but is not limited to a semiconductor substrate such as GaP, but a light emitting device of a type that is bonded to another permanent substrate (for example, silicon, copper, glass). Also effective. The electrode structure may be any structure as long as a current is injected into the active layer through a pn junction, and there is no need to dispose electrodes on the upper and lower sides. For example, a flip chip type structure may be used.

以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。   Although the present invention has been described with reference to the embodiments, the present invention is not limited thereto. It will be apparent to those skilled in the art that various modifications, improvements, combinations, and the like can be made.

1、51 n型GaAs基板
2、52 n型クラッド層(第1のクラッド層)
3、53 活性層
4、54、64、74、84 p型クラッド層(第2のクラッド層)
5、55、75 電流拡散層
6、56 p側電極(第1電極)
7、57 n側電極(第2電極)
10、60、70、80 半導体発光装置構造
11 支持基板
12 第1電極
13 第2のPt層
14 Ti(チタン)層
15 接合層
16 第1の電極層
17 第2の電極層
18 第3の電極層
19 第4の電極層
20 コンタクト部(コンタクト層)
21 反射絶縁層
22 第2電極
100 LEDデバイス構造
101、111、121、131、500 半導体発光装置
110 第2の基板(仮基板)
151 第1のSn吸収層
152 Au層
153 半田層
154 第2のSn吸収層
155 Au層
1, 51 n-type GaAs substrate 2, 52 n-type cladding layer (first cladding layer)
3, 53 Active layers 4, 54, 64, 74, 84 p-type cladding layer (second cladding layer)
5, 55, 75 Current diffusion layer 6, 56 p-side electrode (first electrode)
7, 57 n-side electrode (second electrode)
10, 60, 70, 80 Semiconductor light emitting device structure 11 Support substrate 12 First electrode 13 Second Pt layer 14 Ti (titanium) layer 15 Bonding layer 16 First electrode layer 17 Second electrode layer 18 Third electrode Layer 19 Fourth electrode layer 20 Contact portion (contact layer)
21 Reflective insulating layer 22 Second electrode 100 LED device structure 101, 111, 121, 131, 500 Semiconductor light emitting device 110 Second substrate (temporary substrate)
151 First Sn absorption layer 152 Au layer 153 Solder layer 154 Second Sn absorption layer 155 Au layer

Claims (5)

AlGaInPからなるn型クラッド層と、
前記n型クラッド層上に形成され、アンドープのAlGaInPからなる発光層と、
前記発光層上に形成され、Mgを添加したAlGaInPからなるp型クラッド層と、
前記p型クラッド層上に形成され、Znを添加したp型のGaInPからなる電流拡散層と
を有する半導体発光装置。
An n-type cladding layer made of AlGaInP;
A light emitting layer formed on the n-type cladding layer and made of undoped AlGaInP;
A p-type cladding layer formed on the light emitting layer and made of AlGaInP doped with Mg;
A semiconductor light emitting device having a current diffusion layer formed on the p-type cladding layer and made of p-type GaInP doped with Zn.
前記p型クラッド層は、Mgを添加した(AlGa1−yIn1−xP(0.45≦x≦0.55、0.3≦y≦1)からなり、前記電流拡散層から拡散したZnを含み、キャリア濃度が1×1017〜1×1018cm−3の範囲である請求項1記載の半導体発光装置。 The p-type cladding layer is made of (Al y Ga 1-y ) x In 1-x P (0.45 ≦ x ≦ 0.55, 0.3 ≦ y ≦ 1) to which Mg is added, and the current diffusion The semiconductor light emitting device according to claim 1, comprising Zn diffused from the layer and having a carrier concentration in the range of 1 × 10 17 to 1 × 10 18 cm −3 . 前記p型クラッド層のZnドーパント濃度が、5×1016〜5×1017cm−3の範囲である請求項2記載の半導体発光装置。 3. The semiconductor light emitting device according to claim 2, wherein a Zn dopant concentration of the p-type cladding layer is in a range of 5 × 10 16 to 5 × 10 17 cm −3 . 前記発光層は、アンドープの(AlGa1−yIn1−xP(0.4≦x≦0.6、0≦y≦0.7)からなる活性層とアンドープの(AlGa1−yIn1−xP(0.4≦x≦0.6、0≦y≦0.7)からなるバリア層とからなる量子井戸構造である請求項1〜3のいずれか1項に記載の半導体発光装置。 The light emitting layer includes an active layer made of undoped (Al y Ga 1-y ) x In 1-x P (0.4 ≦ x ≦ 0.6, 0 ≦ y ≦ 0.7) and undoped (Al y either Ga 1-y) x in 1 -x P (0.4 ≦ x ≦ 0.6,0 ≦ y ≦ 0.7) is a quantum well structure comprising a barrier layer made of claims 1 to 3 2. The semiconductor light emitting device according to item 1. 前記発光層は、アンドープの(AlGa1−yIn1−xP(0.4≦x≦0.6、0≦y≦0.7)からなるバルク活性層である請求項1〜3のいずれか1項に記載の半導体発光装置。 The light emitting layer is a bulk active layer made of undoped (Al y Ga 1-y ) x In 1-x P (0.4 ≦ x ≦ 0.6, 0 ≦ y ≦ 0.7). The semiconductor light-emitting device of any one of -3.
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