JP3195194B2 - 半導体発光素子およびその製造方法 - Google Patents
半導体発光素子およびその製造方法Info
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Description
光ダイオードなどの半導体発光素子およびその製造方法
に関する。
外の表示デバイスとして脚光を浴びている。特に、その
高輝度化に伴い、今後数年の間に屋外ディスプレイ市場
が急伸するものと思われ、LEDは将来的にネオンサイ
ンに代わる表示媒体に成長するものと期待されている。
高輝度LEDは数年前から、GaAlAs系のDH(ダ
ブルヘテロ)構造を持つ赤色LEDにおいて実現されて
きており、最近では、AlGaInP系のDH型LED
で橙色帯〜緑色帯においても高輝度LEDが試作されて
いる。
P系LEDの素子構造を示す断面図、図10(b)はそ
の各層のキャリアプロファイルを示す図である。なお、
このキャリアプロファイルはSIMS測定で求め、その
絶対値は標準サンプルを用いて校正している。
に、MOCVD法により、n−GaAsバッファ層(厚
さ0.1μm、Siドープ:5×1017cm-3)10、
n−(Al0・7Ga0.3)0.5In0.5Pクラッド層(厚さ
1.0μm、Siドープ:5×1017cm-3)2、アン
ドープ(Al0・3Ga0.7)0.5In0.5P活性層(厚さ
0.6μm)3、p−(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5P
クラッド層(厚さ1.0μm、Znドープ:l×1018
cm-3)4、p‐Al0.7Ga0.3As電流拡散層(厚さ
6μm、Znドープ:3×1018cm-3)5、さらにp
−GaAsキャップ層(厚さ1μm、Znドープ:3×
1018cm-3)6を順次成長させて成膜する。さらに、
上記n−GaAs基板1の成長層とは反対側表面に電極
11を形成し、また、p−GaAsキャップ層6上表面
に電極12を形成する。このようにして構成されたLE
D素子では、活性層3内にpn接合が形成されており、
電子−正孔の再結合により発光が生じ、この発光は20
mA通電時に発光光度が1.5カンデラであった。
活性層3を設計上、アンドープとしているものの、SI
MS測定からpクラッド層4のドーパント(Zn)が活
性層3内に拡散していることが確認され、これにより結
晶が劣化して発光効率が低下するという問題がある。こ
の結晶の劣化は、本発明者らによって以下の実験1,2
で確かめられている。
素子のキャップ層6および電流拡散層5の全体とpクラ
ッド層4の一部分をエッチングで除去し、図11のよう
にPクラッド層4’が厚さ0.25μm残っている評価
用素子Aを形成した。この評価用素子Aに表面からAr
レーザ(波長λ=488nm)を照射し、フォトルミネ
ッセンス(PL)強度を測定したところ、相対値で16
であった。また、比較用として同じ素子構造で各層をア
ンドープ層とした評価用素子Bを成長させ、同じ条件で
PL強度を測定したところ90であったため、上記従来
例の活性層3の劣化が確認された。本発明者らは、この
活性層3を劣化させるP型ドーパント(この場合、Z
n)の拡散を生じさせる主たる要因がどこにあるかを調
べるためさらに実験2を実施した。
で電流拡散層5のキャリア濃度を5×1017cm-3と低
くした図12に示すLED素子を構成し、図11に示し
たような評価用素子Cにエッチングで再構成した。この
評価用素子Cについて、実験1と同様の測定を行ったと
ころ、PL強度は50で上記した評価用素子A,Bの中
間の値が得られた。また、SIMS測定によりこのLE
D素子では活性層3にわずかにしかZnが拡散していな
いことがわかった。また、pクラッド層4のキャリア濃
度は従来例と同じく1×1018cm-3であることも確認
された。したがって、活性層3へのZn拡散を誘発する
要因は、pクラッド層4よりもその上部に形成された電
流拡散層5にあることがわかった。即ち、電流拡散層5
のZnキャリア濃度が大きいとpクラッド層4のZn拡
散を促進するものと考えられる。
電時の発光光度は1.5カンデラであり、図10のLE
D素子の場合と20mA通電時の発光光度は変わらなか
った。これは図12のLED素子では結晶性の改善は見
られるものの、電流拡散層5のキャリア濃度が低いため
に電流の拡がりが悪く、表面出射型の発光ダイオードと
しては光度が増大しなかったものと考えられる。
で、発光効率に優れた結晶の内部構造を持つ半導体発光
素子およびその製造方法を提供することを目的とする。
は、第1導電型の半導体基板上に第1導電型のクラッド
層、アンドープ活性層、第2導電型のクラッド層さらに
第2導電型の電流拡散層が順次積層された半導体発光素
子において、第1導電型のクラッド層とアンドープ活性
層との間および、アンドープ活性層と第2導電型のクラ
ッド層との間のうち少なくともアンドープ活性層と第2
導電型のクラッド層との間にアンドープクラッド層が設
けられていると共に、第2導電型の電流拡散層のキャリ
ア濃度が第2導電型のクラッド層に近い側で低く、遠い
側で高くなっているので、そのことにより上記目的が達
成される。
層のキャリア濃度が第2導電型のクラッド層に近い側か
ら遠い側に向かって順次変化していてもよい。また、本
発明の半導体発光素子は電流拡散層のキャリア濃度が第
2導電型のクラッド層に近い側から遠い側に向かって順
次なだらかに変化していてもよい。
導電型のクラッド層、アンドープ活性層、第2導電型の
クラッド層を形成する主たる材料がAlGaInPまた
はGaInPであり、電流拡散層を形成する主たる材料
がAlGaAsまたはAlGaInPまたはGaPまた
はAlGaPであり、第2導電型のクラッド層のドーパ
ントがZnまたはMg、Beであってもよい。
導電型のクラッド層のキャリア濃度が0.5×1018c
m-3〜2×1018cm-3の範囲内にあり、アンドープク
ラッド層の厚さが50〜2000オングストロームの範
囲内であることが望ましい。さらに、本発明の半導体発
光素子は、第2導電型のクラッド層に近い側の電流拡散
層のキャリア濃度が0.5×1018cm-3〜1.5×1
018cm-3の範囲内にあり、第2導電型のクラッド層に
遠い側の電流拡散層のキャリア濃度が2×1018cm-3
以上であることが望ましい。
1導電型の半導体基板上に第1導電型のクラッド層、ア
ンドープ活性層、第2導電型のクラッド層さらに第2導
電型の電流拡散層を順次積層する工程を有する半導体発
光素子の製造方法において、第1導電型のクラッド層と
アンドープ活性層との間および、アンドープ活性層と第
2導電型のクラッド層との間のうちの少なくともアンド
ープ活性層と第2導電型のクラッド層との間にアンドー
プクラッド層の成長工程を含むと共に、第2導電型の電
流拡散層のキャリア濃度が第2導電型のクラッド層に近
い側で低く、遠い側で高くなる成長工程を含み、アンド
ープクラッド層のドーパンド拡散後の残厚を100オン
グストローム程度にするのに必要なアンドープクラッド
層の設定厚とするので、そのことにより上記目的が達成
される。
も第2導電型のクラッド層の一部をアンドープクラッド
層としているために、電流拡散層によって誘発される第
2導電型のクラッド層のドーパントの活性層への拡散が
このアンドープ層で阻止されることになる。これによ
り、活性層の結晶を劣化させることなく、外部に有効に
光を取り出すことが可能となる。
電型のクラッド層に近い側から遠い側に向かって近い側
で低く、遠い側で高くなるように変化していれば、電流
拡散層によって誘発される第2導電型のクラッド層のド
ーパントの活性層への拡散そのものが小さくなる。
導電型のクラッド層、アンドープ活性層、第2導電型の
クラッド層を形成する主たる材料がAlGaInPまた
はGaInPであり、電流拡散層を形成する主たる材料
がAlGaAsまたはAlGaInPまたはGaPまた
はAlGaPであり、第2導電型のクラッド層のドーパ
ントがZnまたはMg、Beであれば、このドーパント
の拡散が顕著であるために、本発明の半導体発光素子の
構成による拡散抑止効果も顕著となる。
造を示す断面図、図1(b)はその各層のキャリアプロ
ファイルを示す図であり、従来例と同一の作用効果を奏
するものには同一の符号を付けてその説明を省略する。
層3上に設けられている第2導電型のクラッド層4の、
活性層3に近接した側の一部をアンドープ(Al0.7G
a0.3)0.5In0.5Pクラッド層21として1500オ
ングストローム形成しているところに特徴がある。本参
考例1では、図1(b)に見られるようにZnはアンド
ープクラッド層21内に拡散するものの、アンドープク
ラッド層を500オングストローム残して止まってい
る。本LED素子を図11に示すような評価用構造Dに
加工した場合のPL強度は80と評価用構造Bの9割程
度に回復した。このPL強度のわずかの減少は、アンド
ープクラッド層21が500オングストローム程度残っ
たために、発光再結合に関与する正孔の注入効率が減少
したためと思われる。また、本LED素子を5mmφの
パッケージにモ一ルドしたところ、20mA通電時に5
カンデラの光度を示した。
クラッド層21の残厚とそれを評価用構造Dにした場合
のPL強度との関係、およびアンドープクラッド層21
の残厚とそれをLED素子にした場合の発光光度との関
係を示す図である。ここで、アンドープクラッド層21
の残厚は、(アンドープクラッド層21の設計層厚)一
(Znが拡散した領域の層厚)で定義した。また、図2
では、このアンドープクラッド層21の残厚とその評価
用構造Dにした場合のPL強度との関係を黒丸で示し、
また、アンドープクラッド層21の残厚とそれをLED
素子にした場合の発光光度との関係を白丸で示してい
る。
21の残厚が100オングストローム以上でPL強度は
一定の大きさになり、発光光度(カンデラ)は、その残
厚が2000オングストローム以上になった場合と0オ
ングストローム以下になった場合、即ち活性層3内に拡
散した場合に急激に減少する。
0・7Ga0.3)0.5In0.5Pクラッド層4のキャリア濃度
を3×1017cm-3から3×1018cm-3まで変えた場
合のアンドープクラッド層21の残厚と発光光度の関係
を示した図である。
てのキャリア濃度において、キャリア濃度l×1018c
m-3の場合と同様に、発光光度(カンデラ)は、アンド
ープクラッド層21の残厚が2000オングストローム
以上になった場合と0オングストローム以下になった場
合とで急激に減少しているが、pクラッド層4のキャリ
ア濃度は5×1017cm-3から2×1018cm-3の範囲
において発光光度が高く望ましいことがわかる。
例2におけるLEDの素子構造を示す断面図、図4
(b)はその各層のキャリアプロファイルを示す図であ
り、従来例と同一の作用効果を奏するものには同一の符
号を付けてその説明を省略する。
層3に近接してアンドープ(Al0. 7Ga0.3)0.5In
0.5Pクラッド層21をpクラッド層4の一部として膜
厚500オングストローム形成しているところに加え
て、電流拡散層を3層構成の電流拡散層5,7,8と
し、そのキャリア濃度をpクラッド層4に近い側から図
4(b)のように5×1017cm-3→l×1018cm-3
→3×1018cm-3と変化させているところに特徴があ
る。本実施例2では、図4(b)に見られるようにZn
はアンドープクラッド層21内に拡散するものの、アン
ドープ層を100オングストローム残して止まってい
る。本LED構造にした場合、拡散後のアンドープクラ
ッド層21の残厚の制御性が良くなり、図2に示された
最適値100オングストロームに再現性よく形成するこ
とができる。本LED素子を図11に示したような評価
用構造Eに加工した場合のPL強度は88と評価用構造
Bとほぼ同様の強度が得られた。また、本LED素子を
5mmφのパッケージにモールドしたところ、20mA
通電時に6.5カンデラの光度を示した。
1017cm-3以下、例えば3×1017cm-3とすると、
素子抵抗が上がるといった問題が生じ、したがって、電
流拡散層5のキャリア濃度は5×1017cm-3以上必要
である。
層4に最も近接した電流拡散層5のキャリア濃度と、拡
散後のアンドープクラッド層21の残厚を100オング
ストローム程度にするのに必要なアンドープクラッド層
21の設定厚との関係を示す図である。
ど制御性がよいと考えられ、pクラッド層4に最も近接
した電流拡散層5のキャリア濃度は5×1017cm-3か
ら1.5×1018cm-3が適当である。
3におけるLEDの素子構造を示す断面図、図6(b)
はその各層のキャリアプロファイルを示す図であり、本
実施例3ではpドーパントとしてMgを使用した。な
お、従来例と同一の作用効果を奏するものには同一の符
号を付けてその説明を省略する。
層3に近接してアンドープ(Al0. 7Ga0.3)0.5In
0.5Pクラッド層21をpクラッド層4の一部として膜
厚500オングストローム形成しているところに加え
て、電流拡散層7のキャリア濃度をpクラッド層4に近
い側から順次なだらかに変化させているところに特徴が
ある。本実施例3では図6(b)に見られるようにMg
はアンドープクラッド層21内に拡散するものの、アン
ドープ層を100オングストローム残して止まってい
る。本LED構造にした場合、実施例2に比較して電流
拡散が良好となる。本LED素子を図11に示すような
評価用構造Fに加工した場合のPL強度は88と評価用
構造Bとほぼ同様の強度が得られた。また、本LED素
子を5mmφのパッケージにモールドしたところ、20
mA通電時に6.7カンデラの光度を示した。
層4に最も近接した電流拡散層5のキャリア濃度を5×
1017cm-3から1.5×1018cm-3の間で変化さ
せ、さらに遠接の電流拡散層8のキャリア濃度を変化さ
せた場合の濃度と発光光度の関係を示した図である。
8のキャリア濃度は2×1018cm-3以上あれば良いこ
とがわかる。
4におけるLEDの素子構造を示す断面図、図8(b)
はその各層のキャリアプロファイルを示す図であり、本
実施例4では、電流拡散層をGaPで形成し、pドーパ
ントとしてMgを使用した。なお、従来例と同一の作用
効果を奏するものには同一の符号を付けてその説明を省
略する。
流拡散層8のp−GaP層中にアンドープGaP層22
を1000オングストローム形成しているところに特徴
がある。本実施例4では、図8(b)に見られるように
Mgはアンドープ層内に完全に拡散し、アンドープ層内
のキャリア濃度は2×1018cm-3程度になっている。
本LED構造のようにp電流拡散層8の途中にアンドー
プ層22をわずかに入れた場合、入れない場合に比べて
成長層の最も表面のモフォロジーが良好となり、成長後
の電極形成が容易となる。本LED素子を図11に示す
ような評価用構造Gに加工した場合のPL強度は88と
評価用構造Bとほぼ同様の強度が得られた。また、本L
ED素子を5mmφのパッケージにモールドしたとこ
ろ、20mA通電時に7カンデラの光度を示した。
5におけるLEDの素子構造を示す断面図、図9(b)
はその各層のキャリアプロファイルを示す図であり、従
来例と同一の作用効果を奏するものには同一の符号を付
けてその説明を省略する。
記実施例3に比べて活性層3に近接してn−(Al0.7
Ga0.3)0.5In0.5Pクラッド層2側にもアンドープ
(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5Pクラッド層23を10
00オングストローム形成しているところに特徴があ
る。このアンドープクラッド層23は、n−(Al0.7
Ga0.3)0.5In0.5Pクラッド層2のSiが活性層3
内に拡散するのを抑止する機能がある。本アンドープク
ラッド層23の導入により本LED素子を図11に示す
ような評価用構造Hに加工した場合のPL強度は90
と、評価用構造Bと全く同様となった。また、光度は2
0mA通電時に6.7カンデラであった。
電流拡散層はAlGaAs層やGaP層に限られるもの
ではなく、AlGaInP層やAlGaP層であっても
良い。また、本発明は特にAlGaInP系材料におい
て効果が見られるが、本材料系に限られるものではな
く、AlGaAs系やGaInPAs系、AlGaIn
N系などの材料で主に構成された発光素子に対しても有
効である。さらに、上記各実施例では、pドーパントと
してZnやMgを用いたが、pドーパントとしてBeを
用いた場合にも本発明は有効である。
型のクラッド層とアンドープ活性層との間および、アン
ドープ活性層と第2導電型のクラッド層との間のうち少
なくともアンドープ活性層と第2導電型のクラッド層と
の間にアンドープクラッド層が設けられていると共に、
第2導電型の電流拡散層のキャリア濃度が第2導電型の
クラッド層に近い側で低く、遠い側で高くなっているた
め、電流拡散層によって誘発される第2導電型のクラッ
ド層のドーパントの活性層への拡散がこのアンドープ層
で阻止されて、活性層の結晶性劣化を防止することがで
き、したがって、発光効率に優れたLEDなどの半導体
発光素子を得ることができる。
造を示す断面図、bはその各層のキャリアプロファイル
を示す図である。
残厚と、PL強度および発光光度を示す図である。
ア濃度を変化させた場合のアンドープクラッド層21の
残厚と発光光度との関係を示す図である。
造を示す断面図、bはその各層のキャリアプロファイル
を示す図である。
ア濃度を変化させた場合のアンドープクラッド層21の
設計層厚を示す図である。
造を示す断面図、bはその各層のキャリアプロファイル
を示す図である。
ア濃度を変化させた場合の濃度と発光光度の関係を示す
図である。
造を示す断面図、bはその各層のキャリアプロファイル
を示す図である。
造を示す断面図、bはその各層のキャリアプロファイル
を示す図である。
素子構造を示す断面図、bはその各層のキャリアプロフ
ァイルを示す図である。
のキャリア濃度を低くした素子の断面図、bはその各層
のキャリアプロファイルを示す図である。
Claims (7)
- 【請求項1】 第1導電型の半導体基板上に第1導電型
のクラッド層、アンドープ活性層、第2導電型のクラッ
ド層さらに第2導電型の電流拡散層が順次積層された半
導体発光素子において、 前記第1導電型のクラッド層とアンドープ活性層との間
および、前記アンドープ活性層と第2導電型のクラッド
層との間のうち少なくとも前記アンドープ活性層と第2
導電型のクラッド層との間にアンドープクラッド層が設
けられていると共に、前記第2導電型の電流拡散層のキ
ャリア濃度が前記第2導電型のクラッド層に近い側で低
く、遠い側で高くなっている半導体発光素子。 - 【請求項2】 前記電流拡散層のキャリア濃度が前記第
2導電型のクラッド層に近い側から遠い側に向かって順
次変化している請求項1記載の半導体発光素子。 - 【請求項3】 前記電流拡散層のキャリア濃度が前記第
2導電型のクラッド層に近い側から遠い側に向かって順
次なだらかに変化している請求項1記載の半導体発光素
子。 - 【請求項4】 前記第1導電型のクラッド層、アンドー
プ活性層、第2導電型のクラッド層を形成する主たる材
料がAlGaInPまたはGaInPであり、前記電流
拡散層を形成する主たる材料がAlGaAsまたはAl
GaInPまたはGaPまたはAlGaPであり、前記
第2導電型のクラッド層のドーパントがZnまたはM
g、Beである請求項1〜3の何れかに記載の半導体発
光素子。 - 【請求項5】 前記第2導電型のクラッド層のキャリア
濃度が0.5×1018cm-3〜2×1018cm-3の範囲
内にあり、前記アンドープクラッド層の厚さが50〜2
000オングストロームの範囲内である請求項1〜4の
何れかに記載の半導体発光素子。 - 【請求項6】 前記第2導電型のクラッド層に近い側の
前記電流拡散層のキャリア濃度が0.5×1018cm-3
〜1.5×1018cm-3の範囲内にあり、前記第2導電
型のクラッド層に遠い側の前記電流拡散層のキャリア濃
度が2×1018cm-3以上である請求項1〜5の何れか
に記載の半導体発光素子。 - 【請求項7】 第1導電型の半導体基板上に第1導電型
のクラッド層、アンドープ活性層、第2導電型のクラッ
ド層さらに第2導電型の電流拡散層を順次積層する工程
を有する半導体発光素子の製造方法において、 前記第1導電型のクラッド層とアンドープ活性層との間
および、前記アンドープ活性層と第2導電型のクラッド
層との間のうちの少なくとも前記アンドープ活性層と第
2導電型のクラッド層との間にアンドープクラッド層の
成長工程を含むと共に、前記第2導電型の電流拡散層の
キャリア濃度が前記第2導電型のクラッド層に近い側で
低く、遠い側で高くなる成長工程を含み、前記アンドー
プクラッド層のドーパンド拡散後の残厚を100オング
ストローム程度にするのに必要な前記アンドープクラッ
ド層の設定厚とする半導体発光素子の製造方法。
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