JP3146874B2 - 発光ダイオード - Google Patents

発光ダイオード

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JP3146874B2
JP3146874B2 JP21847094A JP21847094A JP3146874B2 JP 3146874 B2 JP3146874 B2 JP 3146874B2 JP 21847094 A JP21847094 A JP 21847094A JP 21847094 A JP21847094 A JP 21847094A JP 3146874 B2 JP3146874 B2 JP 3146874B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の利用分野】本発明は、高出力かつ長寿命の可視
光発光ダイオードに関する。
【０００２】
【従来の技術】最近、発光ダイオード（以下、「ＬＥ
Ｄ」という。）は、その性能の向上により、従来白熱電
球が用いられていた分野で白熱電球を代替して、急速に
需要がのびている。これは、白熱電球では； 寿命が約１年と短い。 発生する光が連続スペクトルを有し、青から赤色まで
の美しい単色の発光色を得ることできないので、フィル
ターが必要である。 小型化できない。 などの問題点があり、一方、ＬＥＤはこれらの問題を解
決できるからである。しかしながら、それにともなって
ＬＥＤに対する品質的な要求も大きくなった。
【０００３】ＬＥＤは、りん化ガリウム（ＧａＰ）、ひ
化ガリウム（ＧａＡｓ）等の閃亜鉛鉱型のＩＩＩ−Ｖ族
化合物単結晶基板上に所望の閃亜鉛鉱型のＩＩＩ−Ｖ族
化合物結晶の層をエピタキシャル成長させたエピタキシ
ャルウエハから製造される。これは、現在入手可能なも
ので基板として用いられる結晶は、欠陥が多く、純度も
低いため、そのまま、ＬＥＤとして使用することが困難
であるためである。そのため、基板上に所望の発光波長
を得るための組成の層を、エピタキシャル成長させてい
る。
【０００４】このエピタキシャル成長層用材料として
は、通常、赤色から黄色の可視光ＬＥＤ製造には、りん
化ひ化ガリウム三元混晶層が用いられている。また、緑
色ＬＥＤの製造には、りん化ガリウムエピタキシャル層
が用いられている。これらの単結晶基板の面方位として
は、従来、｛１００｝面または｛１００｝面から＜１１
１＞方向へ数度偏位した面が用いられていた。これは、
閃亜鉛鉱型結晶では、｛１００｝面が４回対称軸を有し
ており、その結果、長方形または正方形に劈開するこ
と、経験的に成長が容易であること等による。
【０００５】また、｛１００｝面から＜１１１＞方向へ
数度偏位させる、すなわち、いわゆるオフアングルを設
けることによって、結晶成長面に、故意に、成長ステッ
プを形成でき、その結果、エピタキシャル成長層の表面
の状態が著しく改善される。
【０００６】
【発明が解決すべき課題】最近、ＬＥＤを用いた装置の
応用分野が広がるにともなって、屋外で用いられる機会
が増加してきた。ＬＥＤを屋外で使用する場合、発光出
力が少しでも高いことも要求されるが、さらに、屋外で
は温度、湿度等による使用環境が厳しいので、連続して
使用すると、屋内使用する場合に比較して短時間で光出
力の低下すること、また、多数個のＬＥＤを使用した表
示板では、発光出力ののばらつきによる色むらが生じる
等の問題が生じる。その結果、ＬＥＤには、さらに高出
力かつ長寿命であることが望まれる。
【０００７】なお、ＬＥＤの寿命とは、従来のフィイラ
メント型の電球はフィラメントがきれて完全に発光しな
いこととは異なり、ＬＥＤの発光出力が、初期値の一定
の比率以下に出力が減少するまでの時間をいう。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明者等は、上記課題
を解決するために、鋭意研究を重ねた結果、ＬＥＤの光
出力と寿命が基板の面方位に依存することを見いだし本
発明に到達したものである。本発明の上記の目的は、閃
亜鉛鉱型の結晶構造を有するＩＩＩ−Ｖ族化合物単結晶
基板上に、りん化ガリウムまたはりん化ひ化ガリウム混
晶エピタキシャル層を成長したエピタキシャルウエハか
らなる発光ダイオードにおいて、前記基板の表面が下記
に示す結晶学的面方位のいずれか一つである発光ダイオ
ードによって達せられる。 （１）（１００）面から［０１０］、［００１］、［０
−１０］または［００−１］方向へ５〜１６゜偏位した
面。 （２）（−１００）面から［０１０］、［００１］、
［０−１０］または［００−１］方向へ５〜１６゜偏位
した面。 （３）（０１０）面から［１００］、［−１００］、
［００１］または［００−１］方向へ５〜１６゜偏位し
た面。 （４）（０−１０）面から［１００］、［−１００］、
［００１］または［００−１］方向へ５〜１６゜偏位し
た面。 （５）（００１）面から［１００］、［−１００］、
［０１０］または［０−１０］方向へ５〜１６゜偏位し
た面。 （６）（００−１）面から［１００］、［−１００］、
［０１０］または［０−１０］方向へ５〜１６゜偏位し
た面。
【０００９】なお、これらの面方位は、全て、結晶学的
に等価な面方位である。閃亜鉛鉱型ＩＩＩ−Ｖ族化合物
単結晶基板としては、ＧａＡｓ好ましくはＧａＰ基板が
用いられる。ＧａＰ基板の方が、エピタキシャル層との
組成差が小さいためである。これらの基板の面方位は、
以下に示すいずれかの面方位であれば、発光出力が高
く、かつ、ＬＥＤの寿命が長いので好ましい。 （１）（１００）面から［０１０］、［００１］、［０
−１０］または［００−１］方向へ１１〜１５゜偏位し
た面。 （２）（−１００）面から［０１０］、［００１］、
［０−１０］または［００−１］方向へ１１〜１５゜偏
位した面。 （３）（０１０）面から［１００］、［−１００］、
［００１］または［００−１］方向へ１１〜１５゜偏位
した面。 （４）（０−１０）面から［１００］、［−１００］、
［００１］または［００−１］方向へ１１〜１５゜偏位
した面。 （５）（００１）面から［１００］、［−１００］、
［０１０］または［０−１０］方向へ１１〜１５゜偏位
した面。 （６）（００−１）面から［１００］、［−１００］、
［０１０］または［０−１０］方向へ１１〜１５゜偏位
した面。
【００１０】偏位の方向が上記以外の方向であるとＬＥ
Ｄの光出力及び寿命が改善されない。また、偏位の角度
が上記範囲外であると、同様にＬＥＤの光出力及び寿命
が改善されないので好ましくない。これらの基板を用い
てＧａＰ層またはりん化ひ化ガリウム混晶層、すなわ
ち、ＧａＡｓ1-XＰX層（０．４５＜ｘ＜１）をエピタキ
シャル成長させるには、液相成長法でもよいが、気相成
長法、例えば、ハロゲン輸送法が好ましい。これは、液
相成長法では、組成の滑らかな変化が困難であるからで
ある。
【００１１】気相成長法では、石英製のリアクタ内にグ
ラファイト製、または石英製のホルダーを配置し、原料
ガスを流し加熱する方法によってエピタキシャル成長を
行っている。ＧａＰ基板上にりん化ひ化ガリウム混晶
（ＧａＡｓ1-xＰx、０．４５＜ｘ＜１）をエピタキシャ
ル成長させるた場合を、基板とエピタキシャル層の格子
定数には格子不整合がある。所定の一定組成の発光層の
格子不整合による結晶欠陥を軽減するために、基板とエ
ピタキシャル層の間に組成を基板から発光層の組成に徐
々に変化させたグレード層と呼ばれる層を形成してい
る。
【００１２】また、ＬＥＤを形成したときの発光出力を
向上させるために、発光層には通常にのキャリア濃度を
得るためのドーパントの他に、アイソエレクトロニック
トラップとして窒素（Ｎ）をドーピングしている。
【００１３】
【実施例】ＧａＰ基板および高純度ガリウム（Ｇａ）
を、Ｇａ溜め用石英ボ−ト付きのエピタキシャル・リア
クタ−内の所定の場所に、それぞれ設置した。ＧａＰ基
板は、硫黄（Ｓ）が３〜１０×１０17原子個／ｍｌ添加
されたものを用いた。
【００１４】基板の面方位は、次の通りである。 （１）実施例として、（１００）面から［００１］方向
へ６゜、８゜、１０゜、１３゜及び１５゜偏位した面を
有するＧａＰ基板を各１枚用いた。 （２）また、比較例として、（１００）面から［００
１］方向へ２゜、４゜、１８゜及び２０゜偏位した面を
有するＧａＰ基板を各１枚並びに従来から使用している
（１００）面から［０−１−１］方向へ６゜偏位した面
を有するＧａＰ基板を１枚用いた。
【００１５】これらの基板を同時にホルダー上に配置し
た。ホルダーは毎分３回転させた。次に窒素（Ｎ2）ガ
スを該リアクタ−内に１５分間導入し空気を充分置換除
去した後、キャリヤ・ガスとして高純度水素（Ｈ2）を
毎分９５００ｍｌ導入し、Ｎ2の流れを止め昇温工程に
入った。上記Ｇａ入り石英ボ−ト設置部分及びＧａＰ単
結晶基板設置部分の温度が、それぞれ８００℃及び９３
０℃で一定に保持されていることを確認した後、尖頭発
光波長６３０±１０ｎｍのＧａＡｓ1-xＰxエピタキシャ
ル膜の気相成長を開始した。
【００１６】最初、濃度５０ｐｐｍに水素ガスで希釈し
たｎ型不純物であるジエチルテルル（（Ｃ2Ｈ5）2Ｔ
ｅ）を毎分１５ｍｌ導入し、周期律表第ＩＩＩ族元素成
分としてのＧａＣｌを、毎分３７０ｍｌ生成させるため
高純度塩化水素ガス（ＨＣｌ）を上記石英ボ−ト中のＧ
ａ溜に毎分３７０ｍｌ吹き込み、Ｇａ溜上表面より吹き
出させた。他方周期律表第Ｖ族元素成分として、Ｈ2で
濃度１０％に希釈したりん化水素（ＰＨ3）を毎分９１
０ｍｌ導入しつつ、２０分間にわたり、第１層であるＧ
ａＰ層をＧａＰ単結晶基板上に成長させた。
【００１７】次に、（Ｃ2Ｈ5）2Ｔｅ、ＨＣｌ、ＰＨ3の
各ガスの導入量を変えること無く、Ｈ2で濃度１０％に
希釈したひ化水素（ＡｓＨ3）を毎分０ｍｌから毎分４
３２ｍｌまで徐々に増加させて導入して、同時にＧａＰ
基板の温度を９３０゜Ｃから８７０゜Ｃまで徐々に降温
させ、９０分間にわたり、第２のＧａＡｓ1-xＰxエピタ
キシャル層を第１のＧａＰエピタキシャル層上に成長さ
せた。
【００１８】次の３０分間は、（Ｃ2Ｈ5）2Ｔｅ、ＨＣ
ｌ、ＰＨ3、ＡｓＨ3の導入量を変えることなく、即ち、
毎分それぞれ１５ｍｌ，３７０ｍｌ，９１０ｍｌ，４３
２ｍｌに保持しつつ、第３のＧａＡｓ1-xＰxエピタキシ
ャル層を第２のＧａＰエピタキシャル層上に成長させ
た。最終の５０分間は（Ｃ2Ｈ5）2Ｔｅ、ＨＣｌ、Ｐ
Ｈ3、ＡｓＨ3の量を変えることなく導入しながらこれに
窒素アイソ・エレクトロニック・トラップ添加用として
毎分２１０ｍｌの高純度アンモニア・ガス（ＮＨ3）を
添加して第４のＧａＡｓ1-xＰxエピタキシャル層を第３
のＧａＰエピタキシャル層上に成長させ、気相成長を終
了した。
【００１９】各エピタキシャル層の膜厚は、第１、第
２、第３、第４のエピタキシャル層それぞれ５μｍ、３
９μｍ、１５μｍ、２７μｍであった。また、第４のエ
ピタキシャル層の混晶率Ｘは、０．６７、また、ｎ型キ
ャリア濃度は１．３×１０16ｃｍ-3であった。エピタキ
シャル層の表面状態は、（１００）面から［００１］方
向へ２゜、４゜偏位した基板を用いた場合、結晶欠陥が
１〜２個／ｃｍ-2発生していたが、それ以外は結晶欠陥
はほとんど発生していなかった。
【００２０】次に、ＺｎＡｓ2を拡散源としてｐ型不純
物であるＺｎと何もコーティングしないエピタキシャル
ウエハを石英アンプル内に封管させて、７２０゜Ｃの温
度で拡散させて表面から５μｍの深さにｐ−ｎ接合を形
成した。続いて、写真蝕刻、真空蒸着による電極形成等
のＬＥＤ工程を行なって、全面に直径２２０μｍのメサ
型ＬＥＤチップを作成し、全ＬＥＤに対して発光出力、
波長、電気特性の測定を行なった。
【００２１】発光波長は６３１±３ｎｍでオフアングル
の違いで変化はなかった。電気特性の差もなかった。発
光出力はＴＯ−１８ヘッダーに装着したあと積分球で発
光させそれをフォトダイオードで光出力を求めた。発光
出力の単位は任意単位で、従来と同じ（１００）面から
［０−１−１］方向へ６゜偏位した面を有する基板を用
いたものの光出力を１として規格化したものを用いた。
【００２２】規格化した発光出力と基板の偏位角度との
関係を図１下側の曲線で示す。発光出力と光出力の残存
率、すなわち、ＬＥＤの寿命と基板の偏位角度との関係
を図１に示す。光出力は、エポキシ樹脂のモールドな
し、室温で電流２０ｍＡの光出力を測定した。
【００２３】ＬＥＤの寿命は、室温、電流密度２４０Ａ
／ｃｍ2でＤＵＴＹ＝１／２のパルスを１６８時間通電
した後の光出力の初期の光出力に対する割合を測定し
た。ＬＥＤの発光出力は、本発明の範囲の面方位を有す
る基板を用いたものは、比較例のＬＥＤに比較して、光
出力が２５〜３５％増加していることがわかった。ま
た、偏位角度は、１１〜１５゜の範囲で光出力が最大と
なった。
【００２４】ＬＥＤの寿命は、従来の（１００）面から
［０−１−１］方向へ６゜偏位した面方位を有する基板
が、９１％であるのに対して、本発明の範囲の基板で
は、９４〜９６％と高かった。また、偏位角度が、６〜
１３°の範囲でＬＥＤの寿命が最大となった。さらに、
偏位角度が５〜９°の範囲でチップに加工する際のダイ
シング工程での欠けが少なく、加工が容易であった。ま
た、｛１００｝からの偏位が１６゜を超えるとチップ加
工の際のダイシング工程で欠けが２％以上生じた。
【００２５】
【発明の効果】本発明により、従来のエピタキシャルウ
エハに対して光出力の向上、およびＬＥＤの長寿命化が
実現できる。その割合は寿命で１０％以下と数字的に小
さく見えるが、ＬＥＤとしての現在の用途の多様化、信
頼性向上の要求に対しては非常に効果は大きい。また、
これらは他の気相成長である例えば有機金属気相法、ク
ロライド法を用いても、基板の面方位の効果は同じであ
ることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、発光ダイオードの光出力及び寿命と基
板の面方位の関係を示す図面である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平３−16993（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−315210（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−226918（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−183520（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−206623（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01L 33/00 H01L 21/205 H01S 5/00 - 5/50

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 ＧａＰ基板上に、りん化ガリウムまたは
    りん化ひ化ガリウム混晶エピタキシャル層（ＧａＡｓ１
    −ｘＰｘ：０．４５＜ｘ＜１）を成長したエピタキシャ
    ルウエハからなる発光ダイオードであって、発光層には
    通常のキャリア濃度を得るためのドーパントの他に、ア
    イソエレクトロニックトラップとして窒素をドーピング
    され、かつ、前記基板の表面が下記に示す結晶学的面方
    位のいずれか一つであることを特徴とする発光ダイオー
    ド。 （１）（１００）面から［０１０］、［００１］、［０
    −１０］または［００−１］方向へ５〜１６゜偏位した
    面。 （２）（−１００）面から［０１０］、［００１］、
    ［０−１０］または［００−１］方向へ５〜１６゜偏位
    した面。 （３）（０１０）面から［１００］、［−１００］、
    ［００１］または［００−１］方向へ５〜１６゜偏位し
    た面。 （４）（０−１０）面から［１００］、［−１００］、
    ［００１］または［００−１］方向へ５〜１６゜偏位し
    た面。 （５）（００１）面から［１００］、［−１００］、
    ［０１０］または［０−１０］方向へ５〜１６゜偏位し
    た面。 （６）（００−１）面から［１００］、［−１００］、
    ［０１０］または［０−１０］方向へ５〜１６゜偏位し
    た面。
  2. 【請求項２】 基板の表面が下記に示す結晶学的面方位
    のいずれか一つである請求項１記載の発光ダイオード。 （１）（１００）面から［０１０］、［００１］、［０
    −１０］または［００−１］方向へ１１〜１５゜偏位し
    た面。 （２）（−１００）面から［０１０］、［００１］、
    ［０−１０］または［００−１］方向１１〜１５゜偏位
    した面。 （３）（０１０）面から［１００］、［−１００］、
    ［００１］または［００−１］方向へ１１〜１５゜偏位
    した面。 （４）（０−１０）面から［１００］、［−１００］、
    ［００１］または［００−１］方向へ１１〜１５゜偏位
    した面。 （５）（００１）面から［１００］、［−１００］、
    ［０１０］または［０−１０］方向へ１１〜１５゜偏位
    した面。 （６）（００−１）面から［１００］、［−１００］、
    ［０１０］または［０−１０］方向へ１１〜１５゜偏位
    した面。
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