JP2650436B2 - 発光ダイオード及びその製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は発光ダイオード及びその製造方法、特にGaAl
As発光ダイオード及びその製造方法に関するものであ
る。

［従来の技術］ GaAlAsを使った赤色発光ダイオードが商品化されてい
る。この発光ダイオードに関しては、高輝度化が進めら
れ、シングルヘテロ構造、ダブルヘテロ構造が用いられ
ている。更にGaAlAs基板上にダブルヘテロ構造を成長さ
せた超高輝度発光ダイオードも商品化されている。しか
し、これらの高輝度化を達成するために、エピタキシャ
ル層の数が増えると共に、膜厚制御も厳しくなり、製作
技術が難しくなるとともに、製造原価も高くなってい
る。

従って、高効率でありながら単純な構造の発光ダイオ
ードが求められている。

GaAlAsを使った高効率発光ダイオードとして、Siドー
プGaAlAs赤外発光ダイオードがある。その構造を第３図
に示す。この発光ダイオードを製作するためには、GaAs
基板上に成長用原料溶液（Ga,Al,GaAs,Si）を接触させ
たのち、これを徐冷して成長させる。Siは高温でｎ型と
なり低温でｐ型ドーパントとなる。従って、この成長用
溶液を用いることにより１回で基板上にp,n層を成長で
きる。このエピタキシャルウェハよりGaAs基板を除去
し、ｎ層側に円形（又はそれに近い）電極を形成する。
徐冷法でGaAlAsを成長させると、第４図に示すような、
厚さ方向で混晶化プロファルをもつ、従って、p,n界面
よりｎ層表面に向って混晶比は大きくなっていく。活性
層で発光した光は吸収の影響を受けずに取り出すことが
できる。またpn接合を形成するのに成長用原料溶液の切
り替えなどを行っていないことから、界面に欠陥の発生
することが無い。これらの理由によりSiドープGaAlAsで
高出力の赤外発光ダイオードを製作することができる。

［発明が解決しようとする課題］ ところで、この構造で赤色発光ダイオードを製作する
ためには、電子と正孔が発光再結合する活性層部分のバ
ンドギャップを大きくしなければならない。このために
は、成長用原料溶液中のAl添加量を増し、AlAs混晶比を
高くする必要がある。

しかしAlAs混晶比が高くなると、ｎ層成長からｐ層成
長に変る反転温度が低くなって行く。反転温度を高くす
るためには、Si添加量や冷却速度などによって多少変更
することができるが、それにも限界がある。

反転温度が低くなるとｎ層が厚く成長し、ｐ層が薄く
なってしまう。ｎ層が厚くなるとpn界面のAlAs混晶比は
小さくなり、赤色の光を得ることが難しい。また、Siド
ープでは、不純物準位が深くなるため、バンドギャップ
をその分大きくする必要がある。660mmの光を発するた
めに、活性層の混晶比が0.4となる。混晶比が0.4になる
と、間接遷移の影響を大きく受け始め、発光効率が大き
く低下してしまう。

本発明の目的は前記した従来技術の欠点を解消し、簡
単な構造で高輝度の発光ダイオードを提供すると共に、
そのような発光ダイオードを一層成長で容易に製造する
ことができる発光ダイオードの製造方法を提供すること
にある。

［課題を解決するための手段］ 本発明の発光ダイオードは、添加したSiが結晶の厚さ
方向にｎ型からｐ型のドーパントにpn反転してｎ型層及
びｐ型層が形成されているGaAlAs層を有する発光ダイオ
ードにおいて、前記GaAlAs層に前記Siと共にSi以外のｐ
型ドーパントが添加され、前記GaAlAs層内に形成される
pn界面が前記Siのpn反転位置よりもｎ型層側に位置して
いることを特徴とするものである。

ｐ型ドーパントとしてはZn又はGeを用いることができ
る。

本発明の発光ダイオードの製造方法は、Si添加したGa
AlAs成長用原料溶液を基板表面に接触させて徐冷し、該
徐冷中に前記Siをｎ型からｐ型のドーパントにpn反転さ
せてｎ型層及びｐ型層を有するGaAlAs層を成長した後、
前記基板を除去する発光ダイオードの製造方法におい
て、前記GaAlAs成長用原料溶液に前記Siと共にSi以外の
ｐ型ドーパントを添加して、前記GaAlAs層内に形成され
るpn界面を前記Siのpn反転位置よりもｎ層側に形成した
ことを特徴としている。

［作用］ 上記構成によれば、原料溶液中にSiの他にｐ型ドーパ
ントを添加することでpn反転位置が高混晶部に移行し、
発光波長を短くできる。

［実施例］ 以下本発明の好適実施例を説明する。

先ず本発明の発光ダイオードを製作するためのエピタ
キシャルウェハを液相エピタキシャル法の一つであるス
ライドボード法を用いて製作する。

先ずスライドボートには、4.0×40mm²サイズのSiドー
プGaAs基板をセットする。原料溶液溜には、Ga50g,GaAs
8g,Al170mg,Si60mg,Zn400mgをセットする。このスライ
ドボートを石英反応管内へセットし、水素ガスに置換
後、950℃に昇温する。昇温後３時間たったらGaAs基板
と成長用原料溶液を接触させ冷却速度0.1℃/minで徐冷
し、700℃になったら成長を終了することで、ｎ層とｐ
層のエピタキシャル層が形成できる。

一般に、SiがGaサイトに入りｎ型になるのは、基板と
の境界で大きくエピタキシャルウェハ表面に向って少な
くなる。逆にSiがAsサイトに入り、ｐ型になるのは、そ
の逆であり、エピタキシャルウェハ表面に向って大きく
なる。従って、このエピタキシャルウェハのキャリア濃
度プロファイルは第５図に示すようになる。すなわち、
第５図において、一天鎖線で示した線anはSiがGaサイト
に入ってｎ型となる膜厚とキャリア濃度との関係、点線
apはSiがAsサイトに入ってｐ型となる膜厚とキャリア濃
度との関係を示し、上述のようにSiのみをドーパントと
し成長用原料溶液を徐冷することで実線bn,bpで示した
ようなキャリア濃度プロファイルをもったエピタキシャ
ル層が形成される。

このSiのみを添加するだけではp,n界面は基板から約1
50μｍであり、また、第４図からも判るようにAlAs混晶
比は0.2以下と低く、p,n界面を混晶比の高い部分へ移す
ことは困難である。

本発明においては、Siの他にｐ型ドーパントとして例
えばZnをドープすることにより、pn反転位置は基板とエ
ピタキシャル層との界面近くにシフトできp,n界面の混
晶比を高くすることができる。

第１図に示すように、従来Siのみドープしたキャリア
濃度プロファイルは破線bn,bpとなるがZnをドープする
ことで、Znドーパントによるキャリア濃度プロファイル
一点鎖線ｄであり、本発明においては実線cn,cpで示し
たキャリア濃度プロファイルとすることができる。

また、膜厚に対するAlAs混晶比は第２図に示すとおり
であり、従来Siのみのドープではp,n反転位置は約150μ
ｍで混晶比0.2以下であるが、本発明のようにSiとZnの
ドープではp,n反転位置は80μｍ以下で混晶比は約0.35
と高くすることができる。

このように、pn反転位置は高混晶比側へ移るため、短
波長の光を発することができる。

このエピタキシャルウェハより発光ダイオードを製作
し評価した。この結果発光波長670nmで、発光光度20mcd
（順方向電流20mA）。この値は従来のダブルヘテロ構造
発光ダイオードの約２倍の発光光度である。

以上のように本発明は、Siドーパント以外にｐ型ドー
パントを加えてpn反転位置をずらすことにある。従っ
て、最初Siのみをドーパントとして成長を行ない所定の
厚さを成長したところでZnを気体状態にして反応管内に
入れ、成長用溶液に吸収させ、SiとZnドープの成長を行
うことも可能である。

またｐ型ドーパントとしてのZnの他にGeを用いてもよ
い。

［発明の効果］ 以上説明してきたことから明らかなように本発明によ
れば次の如く優れた効果を発揮する。

（１） シングルヘテロ構造、ダブルヘテロ構造発光ダ
イオードに比べ高輝度である。

（２） 成長用溶液が一層分であり、原料費が安価にな
る。（シングルヘテロは２層分、タブルヘテロ構造は３
層分）。

（３） 成長用溶液が一層分であることから、成長治具
構造が簡単となり、１回の成長枚数を増せる。

（４） 活性層界面にヘテロ接合が存在しないため、界
面再結合中心が少なく、かつ活性層へかかる応力が少な
いため、信頼性が高い。

（５） 一層成長であるため、成長操作が容易である。

（６） 構造が簡単であり、特性ばらつきが少ない。

（７） 660mm発光のLEDを製作するのにSiドープではpn
界面の混晶比を0.4にしなければならないが、Si,Znドー
プでは0.35で済み、発光効率が高い直接遷移で発光でき
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明において、基板上に形成したエピタキシ
ャル層のキャリア濃度プロファイルを示す図、第２図は
本発明においてエピタキシャル層の混晶比プロファイル
を示す図、第３図はSiドープGaAlAs発光ダイオードの構
造を示す図、第４図は従来のSiのみドープしたエピタキ
シャル層のキャリア濃度プロファイルを示す図、第５図
は同じく従来のエピタキシャル層の混晶比プロファイル
を示す図である。

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】添加したSiが結晶の厚さ方向にｎ型からｐ
   型のドーパントにpn反転してｎ型層及びｐ型層が形成さ
   れているGaAlAs層を有する発光ダイオードにおいて、前
   記GaAlAs層に前記Siと共にSi以外のｐ型ドーパントが添
   加され、前記GaAlAs層内に形成されるpn界面が前記Siの
   pn反転位置よりもｎ型層側に位置していることを特徴と
   する発光ダイオード。
2. 【請求項２】ｐ型ドーパントとしてZn又はGeを用いた請
   求項１記載の発光ダイオード。
3. 【請求項３】Siを添加したGaAlAs成長用原料溶液を基板
   表面に接触させて徐冷し、該徐冷中に前記Siをｎ型から
   ｐ型のドーパントにpn反転させてｎ型層及びｐ型層を有
   するGaAlAs層を成長した後、前記基板を除去する発光ダ
   イオードの製造方法において、前記GaAlAs成長用原料溶
   液に前記Siと共にSi以外のｐ型ドーパントを添加して、
   前記GaAlAs層内に形成されるpn界面を前記Siのpn反転位
   置よりもｎ層側に形成したことを特徴とする発光ダイオ
   ードの製造方法。