JP2716976B2 - ▲ｉｉｉ▼／▲ｖ▼族化合物半導体材料から成る発光ダイオード - Google Patents
▲ｉｉｉ▼／▲ｖ▼族化合物半導体材料から成る発光ダイオードInfo
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- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
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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、III/V族化合物半導体材料から成り、その
混晶のその都度の物質組成に強度に依存する格子定数を
有する発光ダイオード、特にGaAsP発光ダイオードに関
する。
混晶のその都度の物質組成に強度に依存する格子定数を
有する発光ダイオード、特にGaAsP発光ダイオードに関
する。
従来の技術 この種の半導体物質、例えばGaAsP又はGaInPから成る
発光ダイオードは、例えば専門文献“Optoelektronik
I"、Springer出版社、1980年、第139〜142頁から公知で
ある。特にこの刊行物の第140頁、第5.5図に、前記種類
のGaAs0.6Ｐ0.4発光ダイオードの略示構造が記載されて
いる。
発光ダイオードは、例えば専門文献“Optoelektronik
I"、Springer出版社、1980年、第139〜142頁から公知で
ある。特にこの刊行物の第140頁、第5.5図に、前記種類
のGaAs0.6Ｐ0.4発光ダイオードの略示構造が記載されて
いる。
III/V族化合物の半導体における発光現象は、伝導帯
の電子と価電子帯からの正孔とが発光性再結合を行い、
その際発生するエネルギーが光子の形で放出されること
に基づいている。この発光性再結合はpn接合の近く又は
その内部で行われ、かつ殆ど不連続の２つのエネルギー
レベル間の遷移によって生じる殆ど単色光を放出する。
しかしながら、その前に電荷担体の密度をその平衡濃度
を越えて高めるには、半導体を励起しなけらばならな
い。この種の発光ダイードは、流れ方向で極性化される
pn接合において、少数キャリア注入、いわゆる注入発光
の形式で動作する。
の電子と価電子帯からの正孔とが発光性再結合を行い、
その際発生するエネルギーが光子の形で放出されること
に基づいている。この発光性再結合はpn接合の近く又は
その内部で行われ、かつ殆ど不連続の２つのエネルギー
レベル間の遷移によって生じる殆ど単色光を放出する。
しかしながら、その前に電荷担体の密度をその平衡濃度
を越えて高めるには、半導体を励起しなけらばならな
い。この種の発光ダイードは、流れ方向で極性化される
pn接合において、少数キャリア注入、いわゆる注入発光
の形式で動作する。
公知の赤色発光GaAs0.6Ｐ0.4発光ダイードは、約0.4
〜0.6％の低い外部量子効率を有する。
〜0.6％の低い外部量子効率を有する。
例えば非発光再結合過程又は注入に関与しない電流に
よる原因は別にして、半導体内部の吸収、即ち内部吸収
がこのGaAsP発光ダイードにおいて外部量子効率低下の
重要な理由になっている。この発光ダイオードから成る
放射低下に関連する損失機構は、GaAs0.6Ｐ0.4の直接的
禁止帯の幅によって生じる。内部吸収損失を最小にする
ためには、原則的に半導体結晶からの出口の前にある光
路を最小にしなければならない、即ちpn接合はできるだ
け表面近くにあるべきである。このことはGaAsダイード
については、ｐ層はできるだけ薄くしなければならない
ことを意味する。しかしながら、他面ではpn接合を表面
の任意の近くに配置することはできない。さもなければ
非発光性表面再結合により発光ダイードの内部量子効
率、ひいては又外部量子効率が低下せしめられるからで
あれる。従って、ｐ層の厚さは、内部吸収損失と非発光
性表面再結合の兼ね合いが見いだされるように選択すべ
きである。
よる原因は別にして、半導体内部の吸収、即ち内部吸収
がこのGaAsP発光ダイードにおいて外部量子効率低下の
重要な理由になっている。この発光ダイオードから成る
放射低下に関連する損失機構は、GaAs0.6Ｐ0.4の直接的
禁止帯の幅によって生じる。内部吸収損失を最小にする
ためには、原則的に半導体結晶からの出口の前にある光
路を最小にしなければならない、即ちpn接合はできるだ
け表面近くにあるべきである。このことはGaAsダイード
については、ｐ層はできるだけ薄くしなければならない
ことを意味する。しかしながら、他面ではpn接合を表面
の任意の近くに配置することはできない。さもなければ
非発光性表面再結合により発光ダイードの内部量子効
率、ひいては又外部量子効率が低下せしめられるからで
あれる。従って、ｐ層の厚さは、内部吸収損失と非発光
性表面再結合の兼ね合いが見いだされるように選択すべ
きである。
定期刊行物“Journal of Appleid Physics"、第49
巻、1978年９月、第4838〜4842頁、特に第６図から、pn
接合の拡散深さが少数キャリアの拡散距離の2.7倍であ
れば内部吸収損失及び表面再結合による損失は最小にな
ることが公知である。それよりも大きいか又は小さい拡
散深さは、内部吸収による大きな全体的損失ないしは表
面再結合による損失を惹起する。
巻、1978年９月、第4838〜4842頁、特に第６図から、pn
接合の拡散深さが少数キャリアの拡散距離の2.7倍であ
れば内部吸収損失及び表面再結合による損失は最小にな
ることが公知である。それよりも大きいか又は小さい拡
散深さは、内部吸収による大きな全体的損失ないしは表
面再結合による損失を惹起する。
発明が解決しようとする課題 よって、本発明の課題は、表面再結合による損失を回
避して外部量子効率を改善することであった。
避して外部量子効率を改善することであった。
課題を解決するための手段 前記課題は、本発明により、GaAs1-xPx混晶系からな
り、その際拡散により製造されたｐ導電形帯域が定数ｘ
＝x0を有する範囲内にpn接合を形成して拡がっている発
光ダイオードにおいて、前記範囲がGaAs１−（xo＋Δｘ
Ｐ（xo＋Δｘ）［その際Δｘは0.04〜0.2である］から
なる５〜500nmの厚さの単結晶表面層で被覆されてお
り、かつｐ導電形帯域が前記表面層を貫通して定数x0を
有する範囲内に注入された少数キャリアの拡散距離の１
〜1.5倍の深さで拡がっていることにより解決される。
り、その際拡散により製造されたｐ導電形帯域が定数ｘ
＝x0を有する範囲内にpn接合を形成して拡がっている発
光ダイオードにおいて、前記範囲がGaAs１−（xo＋Δｘ
Ｐ（xo＋Δｘ）［その際Δｘは0.04〜0.2である］から
なる５〜500nmの厚さの単結晶表面層で被覆されてお
り、かつｐ導電形帯域が前記表面層を貫通して定数x0を
有する範囲内に注入された少数キャリアの拡散距離の１
〜1.5倍の深さで拡がっていることにより解決される。
発明の作用及び効果 本発明による高品質の表面層は、電荷担体が表面に出
現して、そこで再結合することを阻止するので、pn接合
の拡散深さを減少させ、ひいては内部吸収損失の減少を
解して外部量子効率を高めることができる。
現して、そこで再結合することを阻止するので、pn接合
の拡散深さを減少させ、ひいては内部吸収損失の減少を
解して外部量子効率を高めることができる。
本発明による発光ダイオードの有利な１実施態様によ
れば、薄い表面層を結晶組成の急激な変化を用いて、表
層が単一結晶として成長しかつ実質的な不整合転位が発
生しない程薄くする。このことが達成されたことは驚異
的なことである。それというのも当該技術水準では、異
なる格子定数を有する層は勾配層によって互いに整合さ
れ、その際不整合転位の整然とした網目構造が生じるか
らである。
れば、薄い表面層を結晶組成の急激な変化を用いて、表
層が単一結晶として成長しかつ実質的な不整合転位が発
生しない程薄くする。このことが達成されたことは驚異
的なことである。それというのも当該技術水準では、異
なる格子定数を有する層は勾配層によって互いに整合さ
れ、その際不整合転位の整然とした網目構造が生じるか
らである。
特に好ましい結果は、基板材料が砒化ガリウム（GaA
s）から成りかつ活性層が燐化砒化ガリウム（GaAs1-xoP
xo）から成る発光ダイオードで達成され、その際ドープ
物質としては有利には硫黄及び亜鉛が該当する。前記の
ように、公知技術水準に相応して基板材料と活性層との
間に： GaAs1-xPx ［式中、ｘ＝０〜xoの定数である］から成る勾配僧を配
置する。本発明の１実施態様によれば、活性層２の上に
本発明による表面層： GaAs１−（xo＋Δｘ）Ｐ（xo＋Δｘ） ［式中、Δｘは0.04〜0.2である］が配置されており、
かつこの表面層の厚さは５〜500nmであるべきである。
Δｘの値は0.08及び表面層の厚さは100nm±50nmである
の特に好ましいことが判明した。更にこの場合には、至
適拡散深さは、公知技術水準によれば拡散距離の約３倍
であるの対して、注入した少数キャリアの拡散距離の１
〜1.5倍で十分であることが判明した。
s）から成りかつ活性層が燐化砒化ガリウム（GaAs1-xoP
xo）から成る発光ダイオードで達成され、その際ドープ
物質としては有利には硫黄及び亜鉛が該当する。前記の
ように、公知技術水準に相応して基板材料と活性層との
間に： GaAs1-xPx ［式中、ｘ＝０〜xoの定数である］から成る勾配僧を配
置する。本発明の１実施態様によれば、活性層２の上に
本発明による表面層： GaAs１−（xo＋Δｘ）Ｐ（xo＋Δｘ） ［式中、Δｘは0.04〜0.2である］が配置されており、
かつこの表面層の厚さは５〜500nmであるべきである。
Δｘの値は0.08及び表面層の厚さは100nm±50nmである
の特に好ましいことが判明した。更にこの場合には、至
適拡散深さは、公知技術水準によれば拡散距離の約３倍
であるの対して、注入した少数キャリアの拡散距離の１
〜1.5倍で十分であることが判明した。
前記のような本発明による表面層を具備したGaAs発光
ダイオードは、該表面層を有しない同様なGaAs発光ダイ
オードに比較して60％に高められた発光効率を有し、同
時に又外部量子効率も30〜50％高められる。
ダイオードは、該表面層を有しない同様なGaAs発光ダイ
オードに比較して60％に高められた発光効率を有し、同
時に又外部量子効率も30〜50％高められる。
本発明のその他の有利な実施形は、別の請求項の記載
から明らかである。
から明らかである。
実施例 次に、図面に示した実施例により本発明を詳細に説明
する。
する。
第１図に示した層順序は、簡明化するために、尺度通
りには示されていない。
りには示されていない。
図示の発光ダイオードは、ｎ導電形及び厚さ200〜300
μｍを有する単結晶の砒化ガリウム（GaAs）から成る基
板材料４から成る。それに引き続いた領域３は、半導体
層４と、混晶:GaAs0.6Ｐ0.4から成りかつ厚さ20μｍを
有するｎ導電形層２との格子定数に合わせるための勾配
層として役立つ。厚さ約30μｍを有する勾配層３は、同
様にｎ導電形でありかつ混晶:GaAs1-xPx（ｘ＝０〜0.
4）から成る。これにより、基板材料４の小さすぎる格
予定数は不整合転位を形成することによって半導体層２
の格子定数に合わせられる。層２に直接的に引き続いた
領域１は、混晶:GaAs0.52Ｐ0.48から成りかつ厚さ約100
nmを有する本発明による表面層を形成し、その際この表
面層はその下に設けられた層２及び３と同様にエピタキ
シャル成長により製造されている。従って、GaAsP発光
ダイオードの本発明のよる表面層の製造は困難なくプロ
セスシーケンスに組み込むことができる。
μｍを有する単結晶の砒化ガリウム（GaAs）から成る基
板材料４から成る。それに引き続いた領域３は、半導体
層４と、混晶:GaAs0.6Ｐ0.4から成りかつ厚さ20μｍを
有するｎ導電形層２との格子定数に合わせるための勾配
層として役立つ。厚さ約30μｍを有する勾配層３は、同
様にｎ導電形でありかつ混晶:GaAs1-xPx（ｘ＝０〜0.
4）から成る。これにより、基板材料４の小さすぎる格
予定数は不整合転位を形成することによって半導体層２
の格子定数に合わせられる。層２に直接的に引き続いた
領域１は、混晶:GaAs0.52Ｐ0.48から成りかつ厚さ約100
nmを有する本発明による表面層を形成し、その際この表
面層はその下に設けられた層２及び３と同様にエピタキ
シャル成長により製造されている。従って、GaAsP発光
ダイオードの本発明のよる表面層の製造は困難なくプロ
セスシーケンスに組み込むことができる。
図示の本発明のよるGaAs発光ダイオードは、気相エピ
タキシャル反応器内で、ティーチャン−リュールワイン
（Tietjen−Ruehrwein）法に基づき製造する。その際、
ドーピングガスとしてはH2Sを使用する。公知技術水準
による方法は、GaAs0.6Ｐ0.4層２の析出で終了する。
タキシャル反応器内で、ティーチャン−リュールワイン
（Tietjen−Ruehrwein）法に基づき製造する。その際、
ドーピングガスとしてはH2Sを使用する。公知技術水準
による方法は、GaAs0.6Ｐ0.4層２の析出で終了する。
本発明のよる表面層１に対する急激な遷移は、まずAs
H3/PH3ガス流をバイパスを介して反応管のそばを通過さ
せることによって、成長を中断させることにより行う。
引き続き、AsH3/PH3比を約1/6だけ低下させる。流速を
安定化しかつ反応器室内のAsH3/PH3の量が十分に減少し
た後に、典型的には５分間後に、ガスを組成を変化させ
て反応器に導入する。数分間の表面層の成長後に、該工
程を終了する。反応ガスを遮断しかつ温度を低下させ
る。エピタキシャル成長したウエハの表面は、該表面層
に起因するいかなる障害（不整合転位）をも有しない。
H3/PH3ガス流をバイパスを介して反応管のそばを通過さ
せることによって、成長を中断させることにより行う。
引き続き、AsH3/PH3比を約1/6だけ低下させる。流速を
安定化しかつ反応器室内のAsH3/PH3の量が十分に減少し
た後に、典型的には５分間後に、ガスを組成を変化させ
て反応器に導入する。数分間の表面層の成長後に、該工
程を終了する。反応ガスを遮断しかつ温度を低下させ
る。エピタキシャル成長したウエハの表面は、該表面層
に起因するいかなる障害（不整合転位）をも有しない。
ｐ導電形領域５は、亜鉛を拡散させることにより製造
し、かつ本発明のよる表面層１を通過させてGaAs0.6Ｐ
0.4層２に侵入させる。その際、層２内に存在するｐ層
の厚さｘは約1.2μｍでありかつｐ層の全厚さａは約1.3
μｍである。Si3N4不動態化層７上には、例えばAlから
成る金属接点８が施されており、発光ダイオードの背面
９には、例えばALGeから成る接点９が接触のために配置
されている。
し、かつ本発明のよる表面層１を通過させてGaAs0.6Ｐ
0.4層２に侵入させる。その際、層２内に存在するｐ層
の厚さｘは約1.2μｍでありかつｐ層の全厚さａは約1.3
μｍである。Si3N4不動態化層７上には、例えばAlから
成る金属接点８が施されており、発光ダイオードの背面
９には、例えばALGeから成る接点９が接触のために配置
されている。
図面に示した発光ダイオードの砒化ガリウム基板は、
燐化ガリウムと交換することもできる。更に、本発明に
よる表面層は、その基板材料が燐化インジウムから成る
GaInP発光ダイオード上に配置することもできる。本発
明のもう１つの適用形は、GaInAsPから成る混晶に対し
て適用することより成る。
燐化ガリウムと交換することもできる。更に、本発明に
よる表面層は、その基板材料が燐化インジウムから成る
GaInP発光ダイオード上に配置することもできる。本発
明のもう１つの適用形は、GaInAsPから成る混晶に対し
て適用することより成る。
第１図は本発明によるGaAsP発光ダイオードの略示断面
図である。 １……表面層、２……ｎ導電形層、３……勾配層、４…
…基板材料、５……ｐ導電形領域、６……pn接合
図である。 １……表面層、２……ｎ導電形層、３……勾配層、４…
…基板材料、５……ｐ導電形領域、６……pn接合
Claims (3)
- 【請求項１】GaAs1-xPx混晶系からなり、その際拡散に
より製造されたｐ導電形帯域（５）が定数ｘ＝x0を有す
る範囲（２）内にpn接合（６）を形成して拡がっている
発光ダイオードにおいて、前記範囲（２）がGaAs
１−（xo＋Δｘ）Ｐ（xo＋Δｘ）［その際Δｘは0.04〜
0.2である］からなる５〜500nmの厚さの単結晶表面層
（１）で被覆されており、かつｐ導電形帯域（５）が前
記表面層（１）を貫通して定数x0を有する範囲（２）内
に注入された少数キャリアの拡散距離の１〜1.5倍の深
さで拡がっていることを特徴とする発光ダイオード。 - 【請求項２】Δｘが0.08である、請求項１記載の発光ダ
イオード。 - 【請求項３】表面層（１）の厚さが100±50nmである、
請求項１又は２記載の発光ダイオード。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE19873721761 DE3721761A1 (de) | 1987-07-01 | 1987-07-01 | Leuchtdiode aus iii/v-verbindungs-halbleitermaterial |
| DE3721761.5 | 1987-07-01 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS6435970A JPS6435970A (en) | 1989-02-07 |
| JP2716976B2 true JP2716976B2 (ja) | 1998-02-18 |
Family
ID=6330699
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP16271688A Expired - Lifetime JP2716976B2 (ja) | 1987-07-01 | 1988-07-01 | ▲ｉｉｉ▼／▲ｖ▼族化合物半導体材料から成る発光ダイオード |
Country Status (4)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US4942439A (ja) |
| JP (1) | JP2716976B2 (ja) |
| KR (1) | KR960011267B1 (ja) |
| DE (1) | DE3721761A1 (ja) |
Families Citing this family (13)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH0327577A (ja) * | 1989-06-23 | 1991-02-05 | イーストマン・コダックジャパン株式会社 | 発光ダイオ―ドアレイ |
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