JP3981218B2

JP3981218B2 - 発光素子用エピタキシャルウエハおよび発光素子

Info

Publication number: JP3981218B2
Application number: JP12092999A
Authority: JP
Inventors: 憲治柴田; 真佐知柴田; 泰一郎今野; 直樹金田
Original assignee: Hitachi Cable Ltd
Current assignee: Hitachi Cable Ltd
Priority date: 1999-04-28
Filing date: 1999-04-28
Publication date: 2007-09-26
Anticipated expiration: 2019-04-28
Also published as: JP2000312028A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、発光素子用エピタキシャルウエハおよび発光素子に関し、特に、ウインドウ層から発光領域へのドーパントの拡散を抑制した発光素子用エピタキシャルウエハとこれにより構成された発光素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
交通信号、自動車のブレーキ表示ランプ、あるいはフォグランプ等の用途において、発光波長領域が６５０ｎｍ（赤色）から５５０ｎｍ（黄緑）のＡｌＧａＩｎＰ系エピタキシャルウエハに基づいた発光ダイオードが広く活用されている。
【０００３】
図５は、ＡｌＧａＩｎＰ系発光素子用エピタキシャルウエハの構造を示したものである。Ｓｉドープをしたｎ型ＧａＡｓの基板１の上に、Ｓｅ（あるいはＳｉ）をドープしたｎ型ＧａＡｓのバッファ層２を成長させ、これに、Ｓｅ（あるいはＳｉ）をドープしたｎ型ＡｌＧａＩｎＰのクラッド層３、アンドープＡｌＧａＩｎＰの活性層４、およびＺｎドープのｐ型ＡｌＧａＩｎＰのクラッド層５から構成される発光層６を形成し、さらに、この上に、Ｚｎドープのｐ型ＧａＰ（あるいはＡｌＧａＡｓ）によるウインドウ層８を成長させた構成を有する。
【０００４】
図６は、以上のエピタキシャルウエハを使用した発光素子の構造を示したもので、ＧａＡｓの基板１にｎ型下部電極９を設け、エピタキシャル層１０の最上層のウインドウ層８にｐ型上部電極１１を形成して構成される。
【０００５】
図７は、この構成におけるウインドウ層８の役割を説明するもので、ウインドウ層８は、ｐ型上部電極１１に注入された電流を１２で示されるように横方向に広げることによって発光領域を拡張する働きをする。点線で示される電流の流れに基づき、クラッド層３、５および活性層４から構成されたＡｌＧａＩｎＰの発光層６からは、実線の光１３が発生し、この光１３が、ウインドウ層８を通過して光１４となって外部に出力される。
【０００６】
ウインドウ層８は、以上の横方向への電流の拡散を促進する意味から、少なくとも５ｎｍの厚さに構成されるとともに、５×１０¹⁸ｃｍ^-3程度のキャリア濃度を有するように構成され、このために亜鉛がドープされる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来の発光素子によると、ウインドウ層８にｐ型ドーパントとして混入される亜鉛が、ヘテロ界面あるいは隣接層に異常に拡散する性質があり、このため、発光特性を低下させてしまう問題がある。
【０００８】
ウインドウ層８に上記した程度のキャリア濃度を持たせるためには、高濃度の亜鉛をドーピングする必要がある。一方、ＡｌＧａＩｎＰ系のエピタキシャル成長においては、不純物である酸素濃度を極力低減させて高純度を維持する意味から、６５０℃以上の高温下で成長させる必要があり、さらに、ウインドウ層８を５ｎｍ以上の厚膜に成長させるための長い成長時間を必要とする。
【０００９】
高濃度の亜鉛を高熱下に長時間にわたって置くことになるこれらの条件は、エピタキシャル成長中に亜鉛の拡散を促進するように作用するため、ウインドウ層８から発光領域に亜鉛が拡散することになり、このため、ＡｌＧａＩｎＰのクラッド層５と活性層４において、拡散した亜鉛が非発光結合中心を作り出し、発光素子としての特性を低下させるようになる。亜鉛による非発光結合中心の影響は、通電することによってさらに顕著になり、発光素子としての信頼性を大きく損なうようになる。
【００１０】
従って、本発明の目的は、ウインドウ層から発光領域へのドーパントの拡散を抑制した発光素子用エピタキシャルウエハとこれを使用した発光素子を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記の目的を達成するため、ｎ型導電性の基板の上に発光性のエピタキシャル層を成長させた発光素子用エピタキシャルウエハにおいて、（Ａｌ_XＧａ_1-X）_YＩｎ_1-YＰ（０≦_X≦１、０≦_Y≦１）により表される化合物のエピタキシャル層から構成される発光層と、炭素及び亜鉛によりドープされ、かつ前記発光層の表面に形成されたｐ型導電性エピタキシャル層によって構成されるウインドウ層を有することを特徴とする発光素子用エピタキシャルウエハを提供するものである。
【００１２】
また、本発明は、上記の目的を達成するため、ｎ型導電性の基板の上に発光性のエピタキシャル層を成長させ、前記基板と前記エピタキシャル層のウインドウ層に電極を設けた発光素子において、（Ａｌ_XＧａ_1-X）_YＩｎ_1-YＰ（０≦_X≦１、０≦_Y≦１）により表される化合物のエピタキシャル層から構成される発光層と、炭素及び亜鉛によりドーピングされ、かつ前記発光層の表面に形成されたｐ型導電性エピタキシャル層によって構成されるウインドウ層を有することを特徴とする発光素子を提供するものである。
【００１３】
上記のｐ型導電性エピタキシャル層は、炭素及び亜鉛以外の他のｐ型ドーパントによってドーピングされていてもよく、その場合、ｐ型ドーパントとしては、マグネシウムあるいはベリリウム等が使用される。炭素には、他のｐ型ドーパント、なかでも亜鉛の拡散を抑制する性質があり、従って、本発明の一つの実施形態として他のドーパントとの併用が考えられる。
【００１４】
他のドーパントをドーピングの主体とする一方、炭素によって他のドーパントの発光層への拡散を防止する形態が実際的であり、その場合、他のドーパントの発光層への拡散を防止するためには、炭素のドーピング濃度を少なくとも５×１０¹⁷ｃｍ^-3に設定することが好ましい。
【００１５】
多くの場合、ｐ型エピタキシャル層への炭素のドーピング濃度の上限としては、５×１０¹⁹ｃｍ^-3に設定することが望ましく、これを超過すると、拡散係数が小さな炭素とはいえ、隣接層への拡散の問題が生ずるようになるので好ましくない。
【００１６】
ｐ型導電性エピタキシャル層を構成する化合物としては、たとえば、ＧａＰ、Ｇａ_X1Ｉｎ_1-X1Ｐ（０≦_X1≦１）、Ａｌ_X2Ｇａ_1-X2Ａｓ（０≦_X2≦１）、Ａｌ_X3Ｉｎ_1-X3Ｐ（０≦_X3≦１）、Ｇａ_X4Ａｓ_1-X4Ｐ（０≦_X4≦１）、あるいは（Ａｌ_XＧａ_1-X）_YＩｎ_1-YＰ（０≦_X≦１、０≦_Y≦１）により表される化合物が使用される。
【００１７】
【発明の実施の形態】
次に、本発明による発光素子用エピタキシャルウエハおよび発光素子の実施の形態を説明する。
図１は、本実施の形態において構成された発光波長が５９０ｎｍ付近の黄色発光素子用エピタキシャルウエハの構造を示す。
Ｓｉをドープしたｎ型ＧａＡｓの基板１の上にＳｅドープのｎ型ＧａＡｓによるバッファ層２を形成し、さらに、Ｓｅドープｎ型ＡｌＧａＩｎＰによるクラッド層３、アンドープＡｌＧａＩｎＰの活性層４、およびＺｎドープのｐ型ＡｌＧａＩｎＰによるクラッド層５から構成される発光層６を形成した上に、炭素をドープした厚さ１０μｍのｐ型ＧａＰのウインドウ層７を設けることによって構成されている。
【００１８】
各層ともＭ０ＶＰＥ法（有機金属気相成長法）によって成長させられ、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰのクラッド層５までは、成長温度７００℃、成長圧力５０ｔｏｒｒ、成長速度０．３〜１．０ｎｍ／ｓおよびＶ／ＩＩＩ比３００〜６００の条件のもとに成長させた。炭素ドープｐ型ＧａＰウインドウ層７は、Ｖ／ＩＩＩ比５以下、および成長速度３ｎｍ／ｓの条件により成長させ、炭素を５×１０¹⁸ｃｍ^-3の濃度にドープした。
【００１９】
図２は、ＧａＰに対する炭素のドーピング性を確認するために行った実験結果を示したものである。ドーピング方法としては、成長時におけるＶ／ＩＩＩ比を小さくすることで有機金属原料中の炭素を利用してオートドーピングする方法と、ＣＢｒ₄を使用してドーピングする方法の２通りを試みた。
【００２０】
これら２つの方法に基づいてＧａＰを成長温度７００℃および成長圧力５０ｔｏｒｒの条件のもとに成長させ、そのｐ型キャリア濃度をホール測定により測定し、炭素濃度を二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ分析）によって測定したところ、いずれのドーピング方法によっても、図に示されるような良好な濃度制御性のもとにドーピングできることが確認された。また、ドープされた炭素の大半がｐ型キャリアとして働くことも確認された。従って、図１の構成におけるウインドウ層７の成長は、確実に可能である。
【００２１】
図３は、図５のようにクラッド層５の上に亜鉛ドープのｐ型ＧａＰウインドウ層８を形成し、図１と成長条件および他の構成を同じにしたエピタキシャルウエハ（従来例）と本実施形態のエピタキシャルウエハにおける亜鉛の濃度分布を示したものである。
【００２２】
ＳＩＭＳにより測定されたエピタキシャル層の深さ方向における元素濃度のプロフィルを示したもので、これによると、（ａ）に示される従来例の場合には、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰのクラッド層５と活性層４の部分に設計値以上のａ、ｂで示される亜鉛濃度が存在するのに対し、本実施形態（ｂ）における亜鉛は、亜鉛をドープしたｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層５の部分に設計値通りの濃度で存在しているだけである。
【００２３】
（ａ）のａ、ｂに示される亜鉛は、ウインドウ層８からの拡散によるものであり、拡散したこの亜鉛が非発光結合中心となって発光特性に影響をおよぼすことは先に述べた通りである。本実施形態のウエハにおいては、ウインドウ層７のドーパントとして亜鉛を使用せずに拡散係数の小さな炭素を使用しているため、クラッド層５と活性層４に悪影響を与えることがなく、従って、所定の発光特性を示すことになる。
【００２４】
次に、以上の本実施形態および従来例のエピタキシャルウエハを使用して発光素子を構成した。
図６のように本実施形態と従来例のウエハから３００μｍ×３００μｍの大きさにチップを切り出し、これに、金亜鉛、ニッケルおよび金の順で各々の蒸着層を６０ｎｍ、１０ｎｍおよび１０００ｎｍの厚さに設けることによって、ウインドウ層７と８に直径１５０μｍのｐ型上部電極１１を形成した。
【００２５】
一方、金ゲルマニウム、ニッケルおよび金の順でそれぞれの蒸着層を６０ｎｍ、１０ｎｍおよび５００ｎｍの厚さに設けることによって、基板１の下面にｎ型下部電極９を形成し、これにより本実施形態と従来例による所定の発光素子を構成した。
【００２６】
以上により得られた本実施形態による発光素子と良好な従来例のウエハによる発光素子を対象として、発光波長および２０ｍＡ通電時の順方向動作電圧等の発光特性を測定した結果、発光ピーク波長、輝度および順方向動作電流のいずれにおいても両者に差はなく、ウインドウ層７を炭素でドープした本発明による発光素子が、充分な性能を示すことが確認された。
【００２７】
図４は、以上の構成の発光素子を対象としてスクリーニングを行い、特性の良好な発光素子１００個ずつを対象として、温度８５℃および湿度８５％の雰囲気のもとに電流２０ｍＡ、１０００時間の通電試験を行った結果である。
【００２８】
これによれば、従来例の発光出力が平均で８０％に低下しているのに比べ、本実施形態によるものは、平均で９５％の高い水準を維持している。本発明による発光素子には、高温・高湿特性に優れた副次的な効果が備わっていることが確認された。
【００２９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明による発光素子用エピタキシャルウエハおよび発光素子によれば、ＡｌＧａＩｎＰ系の発光層の表面に形成されるウインドウ層として、炭素をドープしたｐ型導電性エピタキシャル層を使用するため、亜鉛をドーパントとして使用した従来の発光素子におけるような亜鉛の拡散を原因とした発光特性の低下を招くことがない。
【００３０】
また、亜鉛の代わりにドーパントとして使用される炭素は、発光層に拡散する性質が低いため、発光層の中に非発光結合中心を作るようなことがなく、従って、良質な性能のエピタキシャルウエハと発光素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による発光素子用エピタキシャルウエハの実施の形態を示す説明図。
【図２】ＧａＰへの炭素のドーピング性を確認するために行った実験結果を示す説明図であり、（ａ）は有機金属原料中の炭素を利用したオートドーピング、（ｂ）はＣＢｒ₄を使用したドーピングの結果を示す。
【図３】本発明による実施の形態と従来例のエピタキシャルウエハにおける亜鉛の濃度分布を示す説明図であり、（ａ）は従来例、（ｂ）は本実施形態を示す。
【図４】本発明の実施の形態および従来例による発光素子の寿命試験の結果を示す説明図。
【図５】従来の発光素子用エピタキシャルウエハの構造を示す説明図。
【図６】発光素子の構造を示す説明図。
【図７】発光素子のウインドウ層の役割を示す説明図。
【符号の説明】
１基板
２バッファ層
３、５クラッド層
４活性層
６発光層
７、８ウインドウ層
９ｎ型下部電極
１０エピタキシャル層
１１ｐ型上部電極

Claims

ｎ型導電性の基板の上に発光性のエピタキシャル層を成長させた発光素子用エピタキシャルウエハにおいて、
（Ａｌ_XＧａ_1-X）_YＩｎ_1-YＰ〔０≦_X≦１、０≦_Y≦１〕により表される化合物のエピタキシャル層から構成される発光層と、
炭素及び亜鉛によりドーピングされ、かつ前記発光層の表面に形成されたｐ型導電性エピタキシャル層によって構成されるウインドウ層を有することを特徴とする発光素子用エピタキシャルウエハ。
前記ｐ型導電性エピタキシャル層は、濃度が少なくとも５×１０ ¹⁷ ｃｍ ^-3 の前記炭素によってドーピングされていることを特徴とする請求項１項記載の発光素子用エピタキシャルウエハ。
前記ｐ型導電性エピタキシャル層は、ＧａＰ、Ｇａ _X1 Ｉｎ _1-X1 Ｐ（０≦ _X1 ≦１）、Ａｌ _X2 Ｇａ _1-X2 Ａｓ（０≦ _X2 ≦１）、Ａｌ _X3 Ｉｎ _1-X3 Ｐ（０≦ _X3 ≦１）、Ｇａ _X4 Ａｓ _1-X4 Ｐ（０≦ _X4 ≦１）、あるいは（Ａｌ _X Ｇａ _1-X ） _Y Ｉｎ _1-Y Ｐ（０≦ _X ≦１、０≦ _Y ≦１）によって表される化合物から構成されることを特徴とする請求項１項記載の発光素子用エピタキシャルウエハ。
ｎ型導電性の基板の上に発光性のエピタキシャル層を成長させ、前記基板と前記エピタキシャル層のウインドウ層に電極を設けた発光素子において、
（Ａｌ _X Ｇａ _1-X ） _Y Ｉｎ _1-Y Ｐ（０≦ _X ≦１、０≦ _Y ≦１）により表される化合物のエピタキシャル層から構成される発光層と、
炭素及び亜鉛によりドーピングされ、かつ前記発光層の表面に形成されたｐ型導電性エピタキシャル層によって構成されるウインドウ層を有することを特徴とする発光素子。
前記ｐ型導電性エピタキシャル層は、５×１０ ¹⁷ 〜５×１０ ¹⁹ ｃｍ ^-3 の濃度範囲において前記炭素によりドーピングされていることを特徴とする請求項４項記載の発光素子。
前記ｐ型導電性エピタキシャル層は、ＧａＰ、Ｇａ _X1 Ｉｎ _1-X1 Ｐ（０≦ _X1 ≦１）、Ａｌ _X2 Ｇａ _1-X2 Ａｓ（０≦ _X2 ≦１）、Ａｌ _X3 Ｉｎ _1-X3 Ｐ（０≦ _X3 ≦１）、Ｇａ _X4 Ａｓ _1-X4 ｐ（０≦ _X4 ≦１）、あるいは（Ａｌ _X Ｇａ _1-X ） _Y Ｉｎ _1-Y Ｐ（０≦ _X ≦１、０≦ _Y ≦１）によって表される化合物から構成されることを特徴とする請求項４項記載の発光素子。