JP3622292B2

JP3622292B2 - 半導体発光装置

Info

Publication number: JP3622292B2
Application number: JP27539995A
Authority: JP
Inventors: 謙司下山; 義人佐藤; 敦典山内; 克司藤井; 秀樹後藤
Original assignee: Mitsubishi Chemical Corp
Current assignee: Mitsubishi Chemical Corp
Priority date: 1994-10-24
Filing date: 1995-10-24
Publication date: 2005-02-23
Anticipated expiration: 2015-10-24
Also published as: JPH08213652A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、ＡｌＧａＩｎＰ系、ＡｌＧａＡｓＰ系及びＡｌＧａＰ系半導体材料を用いた半導体発光装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＡｌＧａＩｎＰ系半導体材料を用いた従来の半導体発光ダイオード（ＬＥＤ）の一例としては、図２に模型的に示すような構造のものがある。
すなわち図２において、２０１は、ｎ型ＧａＡｓ基板、２０２は、基板２０１上に形成されたｎ型ＡｌＧａＩｎＰからなるクラッド層である。２０３は、ＡｌＧａＩｎＰからなる活性層である。２０４は、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰからなるクラッド層である。すなわち、ＡｌＧａＩｎＰ活性層２０３のエネルギーギャップが、ＡｌＧａＩｎＰクラッド層２０２及び２０４のエネルギーギャップより小さくなるよう混晶比が設定されている。そしてｐ型ＡｌＧａＡｓ電流拡散層２０５は電極から注入された電流を広げることにより、発光領域を広げて光取り出し効率を向上させる。２０６はコンタクト層、２０７、２０８は電極である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ＡｌＧａＩｎＰ又はＡｌＩｎＰ（以下、ＡｌＧａＩｎＰ又はＡｌＩｎＰをあわせてＡｌＧａＩｎＰ系化合物という。）はＡｌＧａＡｓＰ又はＡｌＧａＡｓ（以下、ＡｌＧａＡｓＰ又はＡｌＧａＡｓをあわせてＡｌＧａＡｓＰ系化合物という。）と比較して、抵抗率が高い、熱抵抗が大きい等の欠点も有しており、このことが素子の動作電圧を高くする、発熱を大きくするなどといた問題点が生じており、素子の特性や信頼性の向上において大きな課題となっている。特に発光密度が高くなる場合には、上記の問題点はますます深刻になる。
【０００４】
また、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰ系化合物のクラッド層のドーパントとして、一般的に亜鉛（Ｚｎ）が用いられているが、Ｚｎの活性化率が低いために抵抗率を下げるためには高濃度ドーピングを行う必要がある。しかしながら、この場合活性化しなかったＺｎが成長中にＡｌＧａＩｎＰ系化合物結晶中を速い速度で拡散していき、ｐｎ接合位置が発光層よりもｎ側に大きくずれたりすることがある。この場合、電流電圧特性に異常をもたらしたり、発光出力が低下したりする。このようなｐ型ＡｌＧａＩｎＰ系化合物層からのＺｎ拡散は、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰ系化合物層の層厚の増加に伴って、顕著になる。また、通常ダブルヘテロ構造を用いた場合、活性層へのキャリア及び光の閉じ込めを充分に行うために、クラッド層の膜厚として１〜２μｍ程度は必要となる。有機金属気相成長法でＡｌＧａＩｎＰ系化合物を成長するとき、ＩＩＩ族原料となる有機金属とＶ族原料となるＰＨ_３との供給モル比（Ｖ／ＩＩＩ）を非常に大きくする必要がある。このために、成長速度を余り大きく取れない、成長原料コストがＡｌＧａＡｓ系などに比べてかなり高くなるといった問題が生じている。特に多数枚同時成長可能な量産用の大型装置においてはこれ以外に除害等の点でますます深刻となる。
また、クラッド層に隣接して光取り出し層が設けられることがあり、該光取り出し層の発光波長に対する透明性は、ＬＥＤの光取り出し効率を向上させるために重要だが、組成によっては透明性が高くても比抵抗が高く、表面で電流広がりが悪くなってしまうことがある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
そこで本発明者らは、ＡｌＧａＩｎＰ又はＧａＩｎＰからなる活性層を有する半導体装置において、発光素子の素子特性を劣化させない程度にＺｎドープのｐ型ＡｌＧａＩｎＰ系化合物クラッド層の厚みを薄くし、活性層及びｎ側クラッドへのＺｎ拡散を少なくさせることに想到し、ただし、活性層上下のＡｌＧａＩｎＰ系クラッド層の膜厚を薄くすると、キャリア及び光の閉じ込めが不十分となり、素子特性を劣化させてしまうので、不足分をほぼ同じバンドギャップと屈折率を持つＡｌＧａＡｓＰ系化合物で代用ができること、また、ｎ型ＡｌＧａＡｓＰ系化合物は同程度のキャリア濃度を有するＡｌＧａＩｎＰ系化合物よりもＺｎ拡散が起こりにくいため、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰ系クラッドの層厚も薄い方が、Ｚｎ拡散によるｐｎ接合位置のシフトを防ぐことにも有効であること、さらに、ＡｌＧａＩｎＰ系クラッド層の薄膜化は動作電圧の低減、熱抵抗の低減にも有効であること、量産化の観点からも、成長時間、原料コスト及び除害等の点で、ＡｌＧａＩｎＰ系化合物層を極力薄くし、ＡｌＧａＡｓＰ系化合物を多く用いる方が有効であること等を見出し、本発明に到達した。すなわち、本発明の要旨は、ｐ型のＡｌＧａＡｓＰ又はＡｌＧａＡｓからなる第１クラッド層と、該第１クラッド層に隣接して、ｐ型のＡｌＧａＩｎＰ又はＡｌＩｎＰからなる厚さ０．５μｍ以下の第２クラッド層と、該第２のクラッド層に隣接して、ｐ又はｎ型のＡｌＧａＩｎＰ又はＧａＩｎＰからなる厚さ０．１〜１μｍの活性層と、該活性層に隣接して、ｎ型のＡｌＧａＩｎＰ又はＡｌＩｎＰから成る厚さ０．５μｍ以下の第３クラッド層と、該第３クラッド層に隣接して、ｎ型のＡｌＧａＰ又はＧａＰからなる光取り出し層を有することを特徴とする半導体発光装置、に存する。
【０００６】
以下本発明をより詳細に説明する。
本発明の半導体発光装置は、第１導電型のＡｌＧａＡｓＰ系化合物からなる第１クラッド層と、該第１クラッド層に隣接して、第１導電型のＡｌＧａＩｎＰ系化合物からなる厚さ０．５μｍ以下の第２クラッド層と、該第２のクラッド層に隣接して、第１又は第２導電型のＡｌＧａＩｎＰ又はＧａＩｎＰからなる厚さ０．１〜１μｍの活性層と、該活性層に隣接して、第２導電型のＡｌＧａＩｎＰ系化合物から成る厚さ０．５μｍ以下の第３クラッド層と、該第３クラッド層に隣接して、第２導電型のＡｌＧａＰ又はＧａＰからなる光取り出し層を有することを特徴としている。なお、本発明の半導体発光装置の各層中の構成元素の含有割合は，基板および各層間の格子整合を考慮して決定すればよい。
以下に、本発明の発光装置を発光ダイオード（ＬＥＤ）として実現した態様の一例である、図１の素子を用いて説明する。
【０００７】
図１は本発明の半導体装置の一例であり、実施例にて製造した装置の説明図である。本発明の装置を製造する際には、通常単結晶基板上に構成される。そしてこの基板１０１としては、特に限定されないが、通常ＧａＡｓ基板が用いられる。又、発光波長等により、活性層のアルミニウム組成を低くする場合には、ＧａＡｓＰ基板が好適である。該基板上には、通常基板の欠陥をエピタキシャル成長層に持ち込まないために２μｍ以下程度のバッファ層１０２を用いることが好ましい。そしてこのバッファ層上に本発明の第１，第２クラッド層、活性層、第３，第４クラッド層がこの順に積層される。第１クラッド層１０３としては、第１導電型のＡｌＧａＡｓＰ系化合物であって、その厚さは通常１５μｍ以下が好ましい。そしてより好ましい第１クラッド層の厚さは下限として０．１μｍ以上であり、上限として２μｍ以下である。そしてそのキャリア濃度としては、５×１０^１６ｃｍ^−３〜３×１０^１８ｃｍ^−３の範囲が好ましく、特に好ましくは、下限として１×１０^１７ｃｍ^−３ _、上限として１×１０^１８ｃｍ^−３の範囲である。
【０００８】
そして第１クラッド層上に、第１導電型のＡｌＧａＩｎＰ系化合物からなる厚さ０．５μｍ以下の第２クラッド層１０４が積層されている。この層の厚さのより好ましい下限としては０．０１μｍ以上であり、上限としては０．３μｍである。そしてそのキャリア濃度としては、５×１０^１ ^６ｃｍ^−３〜３×１０^１８ｃｍ^−３の範囲が好ましく、特に好ましくは、下限として１×１０^１７ｃｍ^−３、上限として１×１０^１８ｃｍ^−３の範囲である。
【０００９】
この第２のクラッド層の上に第１又は第２導電型のＡｌＧａＩｎＰ又はＧａＩｎＰからなる厚さ０．１〜１μｍの活性層１０５が積層される。より好ましい活性層の厚さは、下限としては０．２μｍ以上であり、上限としては０．５μｍ以下である。
活性層のキャリア濃度としては、１×１０^１８ｃｍ^−３以下が好ましく、特に好ましくは、下限として１×１０^１ ^７ｃｍ^−３より大きく、上限として５×１０^１ ^７ｃｍ^−３以下の範囲である。
【００１０】
そしてかかる活性層の上に第２導電型のＡｌＧａＩｎＰ系化合物から成る厚さ０．５μｍ以下の第３クラッド層１０６が積層される。そしてそのキャリア濃度としては、５×１０^１ ^６ｃｍ^−３〜３×１０^１８ｃｍ^−３の範囲が好ましく、特に好ましくは、下限として１×１０^１７ｃｍ^−３、上限として１×１０^１８ｃｍ^−３の範囲である。
【００１１】
さらにこの第３クラッド層の上に、第２導電型のＡｌＧａＰ又はＧａＰからなる光取り出し層１０７を積層する。そしてその場合の光取り出し層１０７の厚さとしては１μｍが好ましい。光取り出し層が厚いと電極での吸収が減るので好ましいが、光取り出し層自体の光吸収または電気抵抗に起因する効率の低下を考慮すると、あまり厚い光取り出し層を設ける意味ははく、３００μｍ以下、より好ましくは１００μｍ以下程度の厚みがよい。なお、厚み１０〜１０００μｍ程度の厚膜の光取り出し層を形成するには、ハイドライド気相成長法を用いるのがよい。又この場合のキャリア濃度としては、１×１０^１７ｃｍ^−３〜１×１０^２０ｃｍ^−３の範囲が好ましく、特に好ましくは、下限として５×１０^１７ｃｍ^−３、上限として５×１０^１８ｃｍ^−３の範囲である。
ＧａＰは間接遷移型でかつバンドギャップの広い材料であるため、ＡｌＧａＩｎＰ系で実現できる可視領域の波長（５５０〜６９０ｎｍ）に対して、非常に有効な光取り出し層である。高いＡｌ組成でＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ（Ｘ＝０．６〜０．８）でもある同程度の透明性を実現できるが、このＡｌＧａＡｓ層の比抵抗は非常に高くなってしまい、表面で電流広がりが悪くなってしまう。ｎ型ＧａＰの方が、ｐ型ＧａＰよりも透明性が良く、かつ比抵抗が小さいために、ｎ型ＧａＰを光取り出し層に用いるのが好ましい。
【００１２】
上述のクラッド層等のドーパントの種類としては、ｐ型の層がＡｌＧａＡｓ層である場合にはドーピング不純物として炭素が好ましく、ｐ型の層がＡｌＧａＩｎＰ系化合物である場合にはドーピング不純物としてベリリウム及び／又はマグネシウムが好ましい。又ｎ型ドーピング不純物としてはシリコンが好ましい。
又、本発明のより好ましい態様としては、基板と第１クラッド層の間に光反射層を設けることである。該光反射層は、公知の種々の光を反射する物質を用いることができるが、この内好ましくは、組成としてはＡｌＧａＡｓＰ系化合物であり、構造としてはブラッグ反射膜を設けることである。
以下本発明を実施例を用いてより詳細に説明するが、本発明はその要旨を超えない限り、実施例に限定されるものではない。
【００１３】
【実施例】
以下、本発明の実施例を詳細に説明する。本実施例では、結晶成長法として、膜厚、組成の制御性及び量産性に優れるＭＯＶＰＥ法を用いた。使用した原料ガスはトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）、ホスフィン（ＰＨ_３）、アルシン（ＡｓＨ_３）であり、キャリアガスとして精製により高純度化された水素（Ｈ_２）ガスを使用した。
【００１４】
図１に示す本発明のＬＥＤを、以下の手順に従ってエピタキシャルウェハとして製造した。まず、ｐ型ＧａＡｓ（１００）基板１０１上にｐ型ＧａＡｓバッファー層１０２（厚み０．５μｍ）、ｐ型のＡｌＧａＡｓ／ＡｌＡｓを交互に１５層積層したブラッグ反射膜１０８、ｐ型Ａｌ_０．７Ｇａ_０．３Ａｓ第１クラッド層１０３（厚み１．０μｍ）、ｐ型（Ａｌ_０．７Ｇａ_０．３）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐ第２クラッド層１０４（厚み０．２μｍ）、ｐ型（Ａｌ_０． _４Ｇａ_０． _６）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐ活性層１０５（厚み０．３μｍ）、ｎ型（Ａｌ_０． _７Ｇａ_０． _３）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐ第３クラッド層１０６（厚み０．２μｍ）、ｎ型ＧａＰ光取り出し層１０７（厚み４μｍ）を順次成長させた。
上記の手法で成長させたＬＥＤウェファーからＬＥＤランプを作製したところ、５８０〜５９０ｎｍで発光し、２０ｍＡの駆動電流で約１．５ｃｄの輝度が得られた。これはｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層を約１μｍとした従来の構造と比較して約２倍の輝度が得られている。
【００１５】
上記実施例における結晶成長条件は、成長温度６５０〜８００℃、圧力１０^２ｈＰａ、Ｖ／ＩＩＩ比２５〜５０（ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ）、５００〜７５０（ＡｌＧａＩｎＰ，ＧａＩｎＰ）及び５０〜２００（ＧａＰ）、成長速度１〜５μｍ／ｈｒ（ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ）、０．５〜２μｍ／ｈｒ（ＡｌＧａＩｎＰ，ＧａＩｎＰ）及び０．５〜５μｍ／ｈ（ＧａＰ）であった。
上記実施例では基板側をｐ型の基板を用いたが、ｎ型基板を用いて上記の構造の各層の導電型を反転させてエピタキシャルウェハを作製させてもよい。また、結晶成長法はＭＯＶＰＥ法に限定されるものではなく、ＭＢＥ法、ＣＢＥ法等の気相成長法においても本発明は大いに有効である。
【００１６】
ＬＥＤにおいては、通常輝度向上のために比較的厚膜の光取り出し層を成長させる必要がある。しかしこの光取り出し層の成長に長時間を要するために、亜鉛やセレンのような拡散係数の大きい不純物をドーパントに用いると、クラッド層のドーパントが活性層内へ、あるいは活性層を通過して反対側の層にまで拡散してしまい、ＬＥＤ特性を大きく劣化させてしまったり、再現性を大きく損なうという問題を生じやすかった。そこで、本発明のようにＡｌＧａＩｎＰクラッド層の厚みを極力薄くすることにより、トータルの不純物拡散量を低減させることができ、拡散を防止するための余分なドービングが不要になった。特に、厚膜のＧａＰ光取り出し層をハイドライドＶＰＥで再成長させるときには、本発明は非常に有効であり、結晶品質及び素子特性を特によく向上させることができる。
【００１７】
活性層を量子井戸構造等のような超薄膜にすると、上述の不純物の拡散の抑制はますます必要となる。そこで本発明では、ｐ型ＡｌＧａＡｓＰ系化合物クラッド層のドーピング不純物として炭素を、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰ系化合物クラッド層のドーピング不純物としてベリリウムあるいはマグネシウムを、ｎ型ＡｌＧａＡｓＰ系化合物クラッド層及びｎ型ＡｌＧａＩｎＰ系化合物クラッド層のドーピング不純物としてシリコンをそれぞれ用いることにより不純物拡散をさらに低減させ、素子作製の歩留りや再現性を大きく向上させることができる。
【００１８】
さらに、ＡｌＧａＩｎＰ系化合物に特有な原子配列の秩序化によるバンドギャップの減少の抑制、すなわち発光波長の長波長化の抑制、あるいは表面モホロジーの良化及び安定化に関しては面方位を（１００）から〔０１１〕方向に５〜２５度傾斜させた第１導電型のＧａＡｓ基板を用いることが有効である。
また、発光層のＡｌ組成の低減化は、素子の信頼性、寿命の向上の点で重要であるが、これは、ＧａＡｓＰ基板を用いることにより容易に達成することができる。このときは、格子整合を取るためにＡｌＧａＡｓＰクラッド層又はＡｌＧａＡｓＰ光反射層を用いればよい。
【００１９】
そして、本発明により成長時間及び原料コストの低減かつ除害等の装置への負担の軽減を大いにはかることができ、多数枚同時成長可能な大型の量産装置による安定生産が可能となる。
【００２０】
【発明の効果】
本発明によれば、ＡｌＧａＩｎＰ又はＧａＩｎＰからなる活性層を挟むクラッド層の構造を最適化することにより、発光素子の特性及び信頼性を向上させることができ、かつ原料コストの低減も可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は本発明の発光素子の一例を示す説明図である。
【図２】図２は従来の発光素子の一例を示す説明図である。
【符号の説明】
１０１基板
１０２バッファ層
１０３第１クラッド層
１０４第２クラッド層
１０５活性層
１０６第３クラッド層
１０７光取り出し層
２０１基板
２０２クラッド層
２０３活性層
２０４クラッド層
２０５光取り出し層
２０６コンタクト層
２０７電極
２０８電極

Claims

ｐ型のＡｌＧａＡｓＰ又はＡｌＧａＡｓからなる第１クラッド層と、該第１クラッド層に隣接して、ｐ型のＡｌＧａＩｎＰ又はＡｌＩｎＰからなる厚さ０．５μｍ以下の第２クラッド層と、該第２クラッド層に隣接して、ｐ又はｎ型のＡｌＧａＩｎＰ又はＧａＩｎＰからなる厚さ０．１〜１μｍの活性層と、該活性層に隣接して、ｎ型のＡｌＧａＩｎＰ又はＡｌＩｎＰからなる厚さ０．５μｍ以下の第３クラッド層と、該第３クラッド層に隣接して、ｎ型のＡｌＧａＰ又はＧａＰからなる光取り出し層を有することを特徴とする半導体発光装置。
光取り出し層がｎ型のＧａＰからなる請求項１記載の半導体発光素子。
発光波長が５５０〜６９０ｎｍである請求項１又は２記載の半導体発光装置。
基板と第１クラッド層の間に、光反射層を有する請求項１乃至３のいずれかに記載の半導体発光装置。
該光反射層が、ＡｌＧａＡｓＰ又はＡｌＧａＡｓからなる請求項４記載の半導体発光装置。
第１クラッド層がドーピング不純物として炭素を含む請求項１乃至５のいずれかに記載の半導体発光装置。
第１クラッド層がドーピング不純物として炭素を含み、第２クラッド層がドーピング不純物としてベリリウム及び／又はマグネシウムを含む請求項１乃至５のいずれかに記載の半導体発光装置。
ｎ型ドーピング不純物としてシリコンを用いた請求項１乃至７のいずれかに記載の半導体発光装置。
厚み１０〜１０００μｍの前記光取出し層がハイドライド気相成長法で形成された請求項１乃至８のいずれかに記載の半導体発光装置。