JP3674412B2 - AlGaInP系発光ダイオード及びその製造方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、AlGaInP系発光ダイオード及びその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
最近、AlGaInP系エピタキシャルウェハを用いた高輝度の赤色及び黄色の発光ダイオードの需要が大幅に伸びている。主な用途は、交通用信号、自動車のブレーキランプ、フォグランプ等である。
【0003】
図3は従来のAlGaInP系発光ダイオードに用いられるエピタキシャルウェハの断面図である。
【0004】
同図に示すエピタキシャルウェハは、n型GaAs基板1上に、有機金属気相成長法(MOVPE法)によって、n型GaAsバッファ層2と、Se(またはSi)をドープしたn型AlGaInPクラッド層3と、アンドープAlGaInP活性層4と、Znをドープしたp型AlGaInPクラッド層5と、Znをドープしたp型GaP電流拡散層(ウィンドウ層ともいう。)6とを順次積層した構造となっている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、図3に示した従来のAlGaInP系発光ダイオードについては、電流拡散層のp型ドーパントとして用いられているZnがヘテロ界面や隣接層に異常拡散するという問題がある。これは、
(1) 電流拡散層は電極からの電流をチップ横方向へ広げるには、高いp型キャリア濃度(約1×1018cm-3以上)が必要となるため、高濃度のZnをドーピングしている。
【0006】
(2) 電流拡散層は前述した電流の拡散性を向上させるため、5μm以上の厚膜成長が必要となり成長時間が長くなる。
【0007】
(3) AlGaInP系発光素子用エピタキシャルウェハは、不純物となる酸素濃度を低減させるために一般的に650℃以上の高温で成長させる。
【0008】
という上記(1) 〜(3) の三つのことが原因となって、エピタキシャルウェハ中では成長中に受ける熱をドライビングフォースとした、Znの拡散が非常に起こりやすくなる。
【0009】
また、Znは高濃度にドープされた電流拡散層から、発光領域であるAlGaInPクラッド層や活性層へと拡散する。このZnの拡散が起こると、拡散したZnが非発光再結合中心をつくり、発光ダイオードの発光出力を劣化させることが知られている。
【0010】
さらに、Znによる非発光再結合中心の影響は、連続通電することによりさらに顕著になり発光ダイオードの信頼性を著しく悪化させるという問題があった。
【0011】
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、高い出力が得られるAlGaInP系発光ダイオード及びその製造方法を提供することにある。
【0012】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明のAlGaInP系発光ダイオードは、裏面に電極を有するn型導電性のGaAsウェハからなる基板上に、AlGaInP系材料からなるn型クラッド層と、n型クラッド層よりバンドギャップエネルギーが小さいAlGaInP系材料からなる活性層と、活性層よりバンドギャップエネルギーが大きいp型AlGaInP系材料からなるp型クラッド層と、p型電流拡散層とが順次積層され、p型電流拡散層の表面の一部に電極が設けられたAlGaInP系発光ダイオードにおいて、p型電流拡散層の上面、及び側面の一部からなる逆凹形状部分におけるキャリア濃度が、該p型電流拡散層の逆凹形状部分以外の部分におけるキャリア濃度よりも高いものである。
【0013】
上記構成に加え本発明のAlGaInP系発光ダイオードは、p型電流拡散層がGaPか、あるいはAlGaAsからなるのが好ましい。
【0014】
上記構成に加え本発明のAlGaInP系発光ダイオードは、p型電流拡散層の上面及び側面の高キャリア濃度化が、Zn添加で行われてもよい。
【0015】
上記構成に加え本発明のAlGaInP系発光ダイオードは、p型電流拡散層の上面及び側面のキャリア濃度が1×1018cm-3以上1×1021cm-3以下であるのが好ましい。
【0016】
本発明のAlGaInP系発光ダイオードの製造方法は、裏面に電極を有するn型導電性のGaAsウェハからなる基板上に、AlGaInP系材料からなるn型クラッド層と、n型クラッド層よりバンドギャップエネルギーが小さいAlGaInP系材料からなる活性層と、活性層よりバンドギャップエネルギーが大きいp型AlGaInP系材料からなるp型クラッド層と、p型電流拡散層とを順次積層し、p型電流拡散層の表面の一部に電極を設けるAlGaInP系発光ダイオードの製造方法において、p型電流拡散層の上面、及び側面の一部からなる逆凹形状部分におけるキャリア濃度を、該p型電流拡散層の逆凹形状部分以外の部分におけるキャリア濃度よりも高くするため、p型電流拡散層を積層した後にp型電流拡散層の半ばまで切り込みを入れた状態でZnを含むガス中で熱処理するか、あるいはZnを含有するものを塗布して熱処理した後にチップをフルカットするものである。
【0017】
本発明によれば、電流拡散層のドープ量を減少させ、GaAsウェハをハーフカットした状態で例えばZn等のp型ドーパントを拡散することにより、電流拡散層の上面及び側面のみを高キャリア濃度にすることができる。この結果、活性層側へのドーパントの拡散が生じることなく電流拡散層を低抵抗化でき、薄い電流拡散層でも十分な電流拡散と高光出力化とを実現することができる。
【0018】
すなわち、本発明は、上部電極をp型電極として用いる標準的なAlGaInP系発光ダイオードであって、電流拡散層の上面及び側面のみを内部に比べて高キャリア濃度とし、電流拡散層の内部を低キャリア濃度とすることにより、効果的な電流拡散を図ると同時にZn等のp型ドーパントの電流拡散層から活性層への拡散を抑え、高出力化を達成するものである。
【0019】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を添付図面に基づいて詳述する。
【0020】
図1は本発明のAlGaInP系発光ダイオードに用いられるエピタキシャルウェハの一実施の形態を示す断面図である。なお、従来例と同様の部材には共通の符号を用いた。
【0021】
同図に示すエピタキシャルウェハは、n型GaAs基板1の上に、MOVPE法によって、n型GaAsバッファ層2と、Se(またはSi)をドープしたn型AlGaInPクラッド層(以下「n型クラッド層」という。)3と、アンドープAlGaInP活性層(以下「活性層」という。)4と、Znをドープしたp型AlGaInPクラッド層(以下「p型クラッド層」という。)5と、Znをドープしたp型GaP電流拡散層(ウィンドウ層)6とを順次積層した構造を有しており、p型電流拡散層6の上面6a及び側面6bのキャリア濃度をp型電流拡散層6の内部6cよりも高くしたものである。
【0022】
本AlGaInP系発光ダイオードは、上部電極をp型電極として用いる標準的なAlGaInP系発光ダイオードであって、p型電流拡散層6の上面6a及び側面6bのみをp型電流拡散層6の内部6cに比べて高キャリア濃度とし、内部6cを低キャリア濃度とすることにより、効果的な電流拡散を図ることができると共に、Zn等のp型ドーパントがp型電流拡散層6から活性層4へ拡散するのを抑え、高出力化を達成することができる。
【0023】
このようなAlGaInP系発光ダイオードは、裏面に電極を有するn型導電性のGaAsウェハからなる基板1上に、n型GaAsバッファ層2と、n型クラッド層3と、活性層4と、p型クラッド層5と、p型電流拡散層6とを順次積層し、p型電流拡散層6を積層した後にp型電流拡散層6の半ばまで切り込みを入れた状態でZnを含むガス中で熱処理するか、あるいはZnを含有するものを塗布して熱処理した後にGaAsウェハをフルカットし、p型電流拡散層6の表面の一部に電極を形成することにより得られる。
【0024】
【実施例】
(実施例)
図1に示すような構造の発光波長620nm付近の赤色発光ダイオード用エピタキシャルウェハを作製した。エピタキシャル構造や成長方法等は、p型電流拡散層6のZn濃度以外は基本的に後述する比較例と同様であり、成長したエピタキシャルウェハのp型電流拡散層(厚さ約4μm)6の半ばまで切り込みを入れた状態でDEZ雰囲気中、650℃で熱処理し、p型電流拡散層6の上面6a及び側面6bを内部6cに比べて高キャリア濃度とした。
【0025】
図2は成長したエピタキシャル層中の深さ方向のZnの濃度分布をSIMSで測定した結果を示す図である。同図において横軸は深さ軸であり、縦軸はZn濃度軸である。
【0026】
同図より成長したエピタキシャル層中の、深さ方向のZn濃度が低いため、従来例で見られたようなZnの異常な拡散は見られなかった。
【0027】
さらに、このエピタキシャルウェハをフルカットした後で、従来例と同様に発光ダイオードチップを作製し、発光特性を調べた結果、発光出力は1.4mWであり、順方向動作電圧(20mA通電時)は1.8Vであった。
【0028】
(比較例)
図3に示した従来構造の発光波長620nm付近の赤色発光ダイオード用エピタキシャルウェハを作製した。
【0029】
n型GaAs基板1上にMOVPE法で、n型(Seドープ)GaAsバッファ層2と、n型(Seドープ)(Al0.7 Ga0.3 )0.5 In0.5 Pクラッド層3と、アンドープ(Al0.15Ga0.85)0.5 P活性層4と、p型(Znドープ)(Al0.7 Ga0.3 )0.5 In0.5 InPクラッド層5とを順次成長させ、そのp型(Znドープ)(Al0.7 Ga0.3 )0.5 In0.5 InPクラッド層5の上に厚さ10μmのp型電流拡散層6をMOVPE法で成長させた。p型AlGaInPクラッド層5までのMOVPE成長は、成長温度700℃、成長圧力50torr、各層2〜5の成長速度は0.3〜1.0nm/sec、V/III 比は200〜400で行った。
【0030】
p型電流拡散層6は、V/III 比50、成長速度1nm/secで成長させた。p型クラッド層5のZn濃度は5×1017cm-3、p型電流層6のZn濃度は1×1018cm-3である。
【0031】
図4は成長したエピタキシャル層中の深さ方向のZnの濃度分布を2次イオン分析(SIMS)で測定した結果を示す図であり、横軸が深さ軸であり、縦軸がZn濃度軸である。
【0032】
同図より、p型電流拡散層6のZnがn型AlGaInPクラッド層3、活性層4の発光領域に大量に拡散していることが分る。また、このエピタキシャルウェハを加工して、発光ダイオードチップを作製した。チップの大きさは300μm角で、チップ下面全体にn型電極を形成し、チップ上面に直径約150μmの円形のp型電極を形成した。n型電極は、金ゲルマニウム、ニッケル、金をそれぞれ厚さ60nm、10nm、500nmの順に蒸着させたものである。p型電極は、金亜鉛、ニッケル、金をそれぞれ厚さ60nm、10nm、1000nmの順に蒸着させたものである。このチップを図示しないステム上に載せ、発光ダイオードの発光特性を調べた結果、発光出力は0.6mWであり、順方向動作電圧(20mW通電時)は1.9Vであった。
【0033】
ここで、p型電流拡散層6の上面6a及び側面6bを高キャリア濃度にする他の方法として、Znを含むものを塗布する方法や、直接イオン注入する等の方法を用いてもよい。また、p型電流拡散層6の半ばまでエピタキシャルウェハをハーフカットする工程は、ダイシングで行う代わりにエッチングによって行ってもよい。
【0034】
従来、電流を十分に拡散させ、高い発光効率を達成するためには、p型電流拡散層6はかなりの厚さが必要であった。例えば、下記の論文にはGaP層を数十μmの堆積させて電流拡散を図っていることが記載されている。
【0035】
“Twofold efficiency improvement in high performance AlGaInP light−emitting diodes in the 555−620 nm spectralregion using a thick GaP”
Appl.Phys.Lett.61(9),31 August 1992
pp.1045−1047
しかし、MOVPE法でp型電流拡散層6を厚く成長させるためには、多大な成長時間と原料とを消費することになる。このような消費を避けるために、上述の論文で述べられているように、GaP層だけを別の成長速度の速い成長法で積層するのは二度手間になるという問題がある。
【0036】
そこで本発明を用いれば、従来より薄い電流拡散層でも十分な電流拡散効果が得られるため、素子の製造にかかる時間や費用を格段に減少させることができる。また、電流拡散層内部のZn濃度を低くすることができるので、電流拡散層から活性層へのZnの拡散を抑えることができ、結果的に従来に比べて発光出力や信頼性の高い発光ダイオードを得ることができる。
【0037】
【発明の効果】
以上要するに本発明によれば、次のような優れた効果を発揮する。
【0038】
高い出力が得られるAlGaInP系発光ダイオード及びその製造方法の提供を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のAlGaInP系発光ダイオードに用いられるエピタキシャルウェハの一実施の形態を示す断面図である。
【図2】成長したエピタキシャル層中の深さ方向のZnの濃度分布をSIMSで測定した結果を示す図である。
【図3】従来のAlGaInP系発光ダイオードに用いられるエピタキシャルウェハの断面図である。
【図4】成長したエピタキシャル層中の深さ方向のZnの濃度分布を2次イオン分析で測定した結果を示す図である。
【符号の説明】
1 n型GaAs基板
2 n型GaAsバッファ層
3 Seドープn型AlGaInPクラッド層(n型クラッド層)
4 アンドープAlGaInP活性層(活性層)
5 p型AlGaInPクラッド層(p型クラッド層)
6 p型GaP電流拡散層(p型電流拡散層)
Claims (5)
- 裏面に電極を有するn型導電性のGaAsウェハからなる基板上に、AlGaInP系材料からなるn型クラッド層と、該n型クラッド層よりバンドギャップエネルギーが小さいAlGaInP系材料からなる活性層と、該活性層よりバンドギャップエネルギーが大きいp型AlGaInP系材料からなるp型クラッド層と、p型電流拡散層とが順次積層され、該p型電流拡散層の表面の一部に電極が設けられたAlGaInP系発光ダイオードにおいて、上記p型電流拡散層の上面、及び側面の一部からなる逆凹形状部分におけるキャリア濃度が、該p型電流拡散層の逆凹形状部分以外の部分におけるキャリア濃度よりも高いことを特徴とするAlGaInP系発光ダイオード。
- 上記p型電流拡散層がGaPか、あるいはAlGaAsからなる請求項1に記載のAlGaInP系発光ダイオード。
- 上記p型電流拡散層の上面及び側面の高キャリア濃度化が、Zn添加で行われた請求項1に記載のAlGaInP系発光ダイオード。
- 上記p型電流拡散層の上面及び側面のキャリア濃度が1×1018cm-3以上1×1021cm-3以下である請求項1に記載のAlGaInP系発光ダイオード。
- 裏面に電極を有するn型導電性のGaAsウェハからなる基板上に、AlGaInP系材料からなるn型クラッド層と、該n型クラッド層よりバンドギャップエネルギーが小さいAlGaInP系材料からなる活性層と、該活性層よりバンドギャップエネルギーが大きいp型AlGaInP系材料からなるp型クラッド層と、p型電流拡散層とを順次積層し、該p型電流拡散層の表面の一部に電極を設けるAlGaInP系発光ダイオードの製造方法において、上記p型電流拡散層の上面、及び側面の一部からなる逆凹形状部分におけるキャリア濃度を、該p型電流拡散層の逆凹形状部分以外の部分におけるキャリア濃度よりも高くするため、上記p型電流拡散層を積層した後に上記p型電流拡散層の半ばまで切り込みを入れた状態でZnを含むガス中で熱処理するか、あるいはZnを含有するものを塗布して熱処理した後にGaAsウェハをフルカットすることを特徴とするAlGaInP系発光ダイオードの製造方法。
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