JP2579326B2 - エピタキシャル・ウエハ及び発光ダイオード - Google Patents

エピタキシャル・ウエハ及び発光ダイオード

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Description

【発明の詳細な説明】 「産業上の利用分野」 本発明は、高輝度発光ダイオード(以下、「LED」と
いう。)の製造に適したひ化ガリウム・アルミニウム
(以下、「GaAlAs」と略記する。)混晶エピタキシャル
・ウエハに関する。
「従来の技術」 LEDは、低電圧で駆動でき、長寿命であるので各種の
発光表示装置に使用されている。特に、最近、行先表示
板、交通信号機等、屋外用発光表示装置にも使用され始
めているが、これらの装置は、日光直射下でも表示装置
としての機能を発揮できるように、光出力の大きいLED
を用いる必要がある。
大出力のLEDとしては、例えば、GaAlAs混晶エピタキ
シャル・ウエハを用いて製造したLEDが用いられてい
た。
GaAlAs混晶を用いたLEDとしては、従来、シングル・
ヘテロ型及びダブル・ヘテロ型のエピタキシャル・ウエ
ハを用いて製造したものが知られていた。
シングル・ヘテロ型のエピタキシャル・ウエハは、単
結晶基板上に間接遷移型のn型GaAlAs混晶層、及び直接
遷移型のp型GaAlAs混晶層を形成したものである。
また、ダブル・ヘテロ型のエピタキシャル・ウエハ
は、単結晶基板上にn及びp型の間接遷移型のGaAlAs混
晶層ならびに該二つの層の間に挟まれた厚さ約0.5〜5
μm程度の直接遷移型のp型GaAlAs混晶からなる活性層
を形成したものである。この種のダブル・ヘテロ型のエ
ピタキシャル・ウエハでは、GaAlAs混晶のひ化アルミニ
ウム(AlAs)混晶比(後記する。)を、各ヘテロ接合
(すなわち、各混晶層の界面)で不連続に変化させてい
た。これは、キャリアの注入及び閉込めの効率を向上さ
せるためであった。
「発明が解決しようとする問題点」 しかしながら、一般に、シングル・ヘテロ型のエピタ
キシャル・ウエハは、単に二種類の混晶層を成長させれ
ばよく、各混晶層の厚さの制御も精密でなくてもよいの
で製造が容易であるが、光出力が低く、ダブル・ヘテロ
型は、その逆に、光出力は大きいが、三種類のGaAlAs混
晶層を成長させる必要があること、特にp型活性層の膜
厚を精密に制御する必要があること等成長工程が複雑に
なるという問題点があった。
「問題点を解決するための手段」 本発明者等は、製造が容易で、かつ、高出力のLEDの
製造に適したエピタキシャル・ウエハを開発することを
目的として、鋭意研究を重ねた結果、本発明に到達した
ものである。
本発明の上記の目的は、単結晶基板(1)上にp型ひ
化ガリウム・アルミニウム混晶層(2)及びn型ひ化ガ
リウム・アルミニウム混晶層(4)を有してなるエピタ
キシャル・ウエハにおいて、上記エピタキシャル・ウエ
ハが、p型混晶層(2)とn型混晶層(4)とでヘテロ
接合を形成するシングル・ヘテロ型であり、上記n型混
晶層が間接遷移型バンド構造を有し、上記p型液晶層
(2)が、pn接合(3)から約3〜10μmの範囲の領域
(5)が直接遷移型のバンド構造を有するGaAlAs混晶
層、残りの領域(6)が間接遷移型のバンド構造を有す
るGaAlAs混晶層からなり、かつ、領域(5)から領域
(6)にかけてAlAs混晶比が連続的に変化しているエピ
タキシャル・ウエハ及びそれから作製される発光ダイオ
ードによって達せられる。
本発明のエピタキシャル・ウエハ及びそれから作製さ
れる発光ダイオードを図面に基づいて説明する。
第1図は、本発明のエピタキシャル・ウエハの1例の
縦断面模型図である。
第1図において、1は、単結晶基板である。基板1に
は、GaAlAs混晶と格子定数の相違の小さい、ひ化ガリウ
ム(GaAs)が適しているが、その他、りん化ガリウム
(GaP)、りん化インジウム(InP)、シリコン(Si)、
ゲルマニウム(Ge)等も用いることができる。基板1の
表面の方位としては、結晶性の良好なエピタキシャル層
が得られる{100}面が、通常、用いられる。また、基
板1のキャリア濃度は、内部抵抗を少なくし、かつ、良
好なオーミック電極を得るために、1×1017cm-3以上と
するのが好ましい。
基板1の導電型は、特に制限はないが、通常な亜鉛
(Zn)をドープしたp型のGaAsが用いられる。
2は、p型GaAlAs混晶層である。層2には、後記する
直接遷移型のバンド構造を有する領域5及び間接遷移型
のバンド構造を有する領域6が設けられる。
また、3は、層2と後記する層4の間に形成されるpn
接合である。
4は、間接遷移型のバンド構造を有するn型GaAlAs混
晶層である。層4のバンド構造が間接遷移型でない場合
は、発生した光の内部吸収が大となるので好ましくな
い。
GaAlAs混晶は、一般に、AlAs混晶比{GaAlAsを、Ga
1-xAlxAs、すなわち、(AlAs)x(GaAs)1-xと表示したとき
のxの値をいう。なお、xは、0<x<1の範囲であ
る。}が。0<x≦約0.45の範囲で直接遷移型、また、
約0.45<x<1の範囲で間接遷移型のバンド構造を有す
る。
従って、層4は、AlAs混晶比xが、約0.45<x<1、
好ましくは、0.5≦x≦0.8の範囲とする必要がある。
また、層4の厚さは、20〜100μmとするのが好まし
い。
なお、上記の層2と4の順序は、基板1としてp型の
ものを用いる場合について説明したが、n型の基板を用
いる場合は、層4を基板に接して形成し、続いて層2を
形成する。これは、基板とGaAlAs混晶の界面にpn接合が
形成されるのを避けるためである。
5は、層2に形成された直接遷移型バンド構造を有す
るGaAlAs混晶からなる領域であって、光はこの領域で発
生する。また、6は、間接遷移型のバンド構造を有する
GaAlAs混晶からなる領域である。領域6は、キャリアを
領域5に閉込める障壁の働きを有する。
領域5のAlAs混晶比は、上記の直接遷移型の範囲に、
特に赤色の光を発生させる場合は、0.3≦x≦0.4の範囲
とする。
領域6のAlAs混晶比は、層4と同様の範囲とする。こ
れは、領域5で発生した光の吸収を避けるため及びキャ
リアを領域5に閉込めて発生の効率を向上させるためで
ある。
領域5の厚さは、約3〜10μm、好ましくは、4〜8
μmが必要である。これは、3μm未満であると、発光
再結合が十分に生ぜず、また、10μmを超えると光の内
部吸収が増加して発光効率が低下するからである。
層2全体の厚さは、約15〜50μmとするのが好まし
い。
層2のAlAs混晶比は、領域5から6にかけて連続的に
変化していることが必要である。上記変化が、不連続的
であると製造工程が複雑となるので好ましくない。
本発明のエピタキシャル・ウエハは、液相エピタキシ
ャル成長(以下「LPE」という。)によって製造するの
が好ましい。これは、大きい膜厚を有するGaAlAs混晶層
を容易に成長させることができるからである。LPE法に
よる場合、適当な条件さえ選べば層2及び4に対応する
二種の融液を用いるだけで製造できる。すなわち、領域
5及び6の間でAlAs混晶比を連続的に変化させるのは、
層2成長用融液として、該融液中のAlAsの濃度が比較的
低いもの、好ましくは、AlAs混晶比xが、0.45<x≦0.
65の範囲のGaAlAs混晶の成長に適した融液組成のものを
用いるのが好ましい。また、冷却速度は、大である方が
好ましく、例えば約1℃/分以上であると、AlAs混晶の
厚さに対する変化を大きくでき、発光の効率を向上でき
るので好ましい。
また、p型ドーパントとしてはZnが好ましいが、水銀
(Hg)、カドミウム(Cd)等も用いられる。また、n型
ドーパントとしては、テルル(Te)が好ましい。硫黄
(S)、けい素(Si)も用いることができる。
その他のLPE成長条件は、通常のLPE法と同様でよい。
「発明の効果」 本発明は、以下に説明するような顕著な効果を有する
ので、産業上の利用価値は大である。
(1)本発明のエピタキシャル・ウエハを用いて製造さ
れたLEDの光出力は大きく、屋外で用いる表示装置に使
用することができる。
(2)さらに、本発明のエピタキシャル・ウエハは、通
常のシングル・ヘテロ構造のエピタキシャル・ウエハと
同様に製造が容易である。
「実施例」 本発明のエピタキシャル・ウエハを実施例及び比較例
に基づいて、さらに具体的に説明する。
なお、以下の実施例及び比較例において、LPE装置と
しては、2個の融液槽を有するスライド式LPE装置を用
いた。
実施例 基板として、キャリア濃度が1.2×1019cm-3であり直
径5cmのZnドープp型GaAs単結晶基板を用いた。基板表
面の面方位は、{100}面とした。
p型層、すなわち、層2に相当するエピタキシャル層
の成長用融液として、金属Ga50gにGaAs多結晶3.2g、金
属Al0.585g及び金属Zn0.1gを溶解したものを用いた。
また、n型層、すなわち、層4に相当するエピタキシ
ャル層成長用融液として、金属Ga50gに、GaAs結晶1.1
g、金属Al0.9g及びTe0.008gを溶解したものを用いた。
基板及び各融液を所定のLPE装置の所定の箇所に収容
した後、上記装置を水素気流中で900℃に加熱し、約1
時間その温度を保持した後、スライドを操作して、基板
上にp型層成長用の融液を被せた。LPE装置の温度を、
4℃/分の冷却速度で860℃まで冷却してp型層を成長
させた。続いて、n型層成長用融液をp型層成長済みの
基板に被せて、1.0℃/分の冷却速度で800℃まで冷却し
て、n型層を成長させた。
p型層の厚さは、20μm、また、AlAs混晶比Xは、基
板との界面で、x=0.6、pn接合部近傍でx=0.35であ
って、基板からpn接合に向かって連続的にxが減少して
いた。また、直接遷移型のバンド構造を有する領域の厚
さは、pn接合から基板に向かって4μmであった。
n型層の厚さは、40μm、また、Xは、0.7でほぼ一
定であった。
得られたエピタキシャル・ウエハを用いて、一辺500
μmのLEDチップを製造した。電流密度、8A/cm2、エポ
キシ・コートなしの条件で測定した光出力は、高出力の
チップ1000個の平均で6.2mcdであった。
発光のピーク波長は、655nmであった。
比較例 基板には、実施例で用いた基板と同様のものを用い
た。
p型層成長用の融液として、金属Ga50gに、GaAs多結
晶4.2g、金属Al0.41g及び金属Zn0.1gを溶解したものを
用いた。
n型層成長用融液には実施例と同じ組成のものを用い
た。
冷却速度をn及びp層とともに0.5℃/分としたこと
以外は、実施例と同様にして、エピタキシャル層を成長
させた。
得られたエピタキシャル・ウエハのp型層の厚さは25
μmであった。また、混晶比Xは、基板との界面でx=
0.4、pn接合の付近でx=0.35であった。
また、n型層の厚さは、40μm、また、xは、0.7で
一定であった。
実施例と同様にして製造したLEDの光出力は、実施例
と同一の条件で測定して、3.5mcdであった。得られたLE
Dの発光ピーク波長は653nmであった。
実施例及び比較例で説明した通り、従来のシングル・
ヘテロ構造のエピタキシャル・ウエハを用いて製造した
LEDに比較して、本発明のエピタキシャル・ウエハを用
いて製造したLEDは光出力が大きいという特徴を有す
る。
【図面の簡単な説明】
第1図は、本発明のエピタキシャル・ウエハの1例の縦
断面模型図である。 1……単結晶基板、2……p型GaAlAs混晶層 4……n型GaAlAs混晶層 5……直接遷移型のバンド構造を有する領域 6……間接遷移型のバンド構造を有する領域

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】単結晶基板(1)上にp型ひ化ガリウム・
    アルミニウム混晶層(2)及びn型ひ化ガリウム・アル
    ミニウム混晶層(4)を有してなるエピタキシャル・ウ
    エハにおいて、上記エピタキシャル・ウエハが、p型混
    晶層(2)とn型混晶層(4)とでヘテロ接合を形成す
    るシングル・ヘテロ型であり、上記n型混晶層が間接遷
    移型バンド構造を有し、上記p型混晶層(2)が、pn接
    合(3)から約3〜10μmの範囲の領域(5)が直接遷
    移型のバンド構造を有するひ化ガリウム・アルミニウム
    混晶層、残りの領域(6)が間接遷移型のバンド構造を
    有するひ化ガリウム・アルミニウム混晶層からなり、か
    つ、領域(5)から領域(6)にかけてひ化アルミニウ
    ム混晶比が連続的に変化していることを特徴とするエピ
    タキシャル・ウエハ。
  2. 【請求項2】単結晶基板(1)上にp型ひ化ガリウム・
    アルミニウム混晶層(2)及びn型ひ化ガリウム・アル
    ミニウム混晶層(4)を有してなるエピタキシャル・ウ
    エハにおいて、上記エピタキシャル・ウエハが、p型混
    晶層(2)とn型混晶層(4)とでヘテロ接合を形成す
    るシングル・ヘテロ型であり、上記n型混晶層が間接遷
    移型バンド構造を有し、上記p型混晶層(2)が、pn接
    合(3)から約3〜10μmの範囲の領域(5)が直接遷
    移型のバンド構造を有するひ化ガリウム・アルミニウム
    混晶層、残りの領域(6)が間接遷移型のバンド構造を
    有するひ化ガリウム・アルミニウム混晶層からなり、か
    つ、領域(5)から領域(6)にかけてひ化アルミニウ
    ム混晶比が連続的に変化していることを特徴とするエピ
    タキシャル・ウエハから作製される発光ダイオード。
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