JP3986703B2 - Epitaxial wafer and light emitting device for AlGaInP light emitting device - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、AlGaInP系発光素子(波長としては650nm(赤色)から550nm(黄緑)の領域)用エピタキシャルウェハ及び発光素子に関する。
【0002】
【従来の技術】
最近、AlGaInP系エピタキシャルウェハを用いて製造する発光素子としての高輝度の赤色及び黄色発光ダイオードの需要が大幅に伸びている。主な需要は、交通信号、自動車のテールランプ、フォグランプ、屋外表示板、フルカラーディスプレイ等である。
【0003】
図3は発光波長590nmのAlGaInP系発光ダイオード用エピタキシャルウェハの構造図である。
【0004】
同図に示すエピタキシャルウェハは、n型GaAs基板1の上に、n型GaAsバッファ層2、n型(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5Pクラッド層3、アンドープ(Al0.1Ga0.9)0.5In0.5P活性層4、p型(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5P層5及びp型GaPウィンドウ層6を順次エピタキシャル成長させたものである。
【0005】
全てのエピタキシャル層2〜6は有機金属気相成長法(以下「MOVPE」という。)によって成長させたものである。発光ダイオードのウィンドウ層としては、AlGaAs層(Al組成0.6以上)が用いられることもあるが、光の取り出し効率及び劣化しやすさの観点で考えると、バンドギャップが大きく、酸化され難いGaP層の方がウィンドウ層として適している。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、GaPウィンドウ層には以下のような問題がある。
【0007】
図4は図3に示したAlGaInP系発光ダイオード用エピタキシャルウェハのp型GaPウィンドウ層6とp型AlGaInPクラッド層5のヘテロ界面付近のバンド構造の説明図である。なお、図中矢印Aは順方向電圧を印加したときの正孔の移動方向を示している。
【0008】
p型GaPウィンドウ層6とp型(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5Pクラッド層5とでは、電子親和力の差(バンド不連続)に起因して、ヘテロ界面に大きな電位障壁(破線円B内の電位障壁が正孔の移動の妨げとなる)が発生する。この電位障壁は、発光ダイオード通電時に、p型GaPウィンドウ層6からp型(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5Pクラッド層5への正孔の移動を妨げる要因になる。その結果、発光ダイオードの順方向電圧(動作電圧:20mA通電時の電圧)が高くなってしまう。一般に順方向電圧が高い発光ダイオードは信頼性が低い。p型GaPウィンドウ層6を用いた発光ダイオードにおいては、順方向電圧を低減させることが大きな課題である。
【0009】
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、順方向電圧の低い発光素子が得られるAlGaInP系発光素子用エピタキシャルウェハ及び発光素子を提供することにある。
【0010】
【課題を解決するための手段】
本発明のAlGaInP系発光素子用エピタキシャルウェハは、導電性を有する基板上に、少なくともAlGaInP系化合物半導体からなる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組成のAlGaInP系化合物半導体からなるアンドープ(Al 0.1 Ga 0.9 ) 0.5 In 0.5 P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組成のp型AlGaInP系化合物半導体からなるp型(Al 0.7 Ga 0.3 ) 0.5 In 0.5 Pクラッド層と、GaPからなるp型GaPウィンドウ層とを積層したAlGaInP系発光素子用エピタキシャルウェハにおいて、p型クラッド層とp型ウィンドウ層との間に、バンドギャップエネルギーが活性層よりも大きく、p型クラッド層よりも小さい材料からなるp型(Al 0.1 Ga 0.9 ) 0.5 In 0.5 P介在層が設けられているものである。
【0011】
上記構成に加え本発明のAlGaInP系発光素子用エピタキシャルウェハは、p型(Al 0.1 Ga 0.9 ) 0.5 In 0.5 P介在層のキャリア濃度が5×1017cm-3以上5×1018cm-3以下であるのが好ましい。
【0012】
本発明の発光素子は、導電性を有する基板上に、少なくともAlGaInP系化合物半導体からなる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組成のAlGaInP系化合物半導体からなるアンドープ(Al 0.1 Ga 0.9 ) 0.5 In 0.5 P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組成のp型AlGaInP系化合物半導体からなるp型(Al 0.7 Ga 0.3 ) 0.5 In 0.5 Pクラッド層と、GaPからなるp型GaPウィンドウ層とを積層した積層体に電極を設けた発光素子において、p型クラッド層とp型ウィンドウ層との間に、バンドギャップエネルギーが活性層よりも大きく、p型クラッド層よりも小さい材料からなるp型(Al 0.1 Ga 0.9 ) 0.5 In 0.5 P介在層が設けられているものである。
【0013】
上記構成に加え本発明の発光素子は、p型(Al 0.1 Ga 0.9 ) 0.5 In 0.5 P介在層のキャリア濃度が5×1017cm-3以上5×1018cm-3以下であるのが好ましい。
【0014】
【発明の実施の形態】
以下、本発明のAlGaInP系発光素子用エピタキシャルウェハ及び発光素子の一実施の形態を説明する。なお、図3に示した従来例と同様の部材については同様の符号を用いた。
【0015】
本発明のAlGaInP系発光素子用エピタキシャルウェハの特徴は、p型AlGaInPクラッド層5とp型GaPウィンドウ層6との間に、p型AlGaInP層よりもバンドギャップの小さい介在層を設けた点にある。
【0016】
【実施例】
図1は本発明のAlGaInP系発光素子用エピタキシャルウェハの一実施例を示す構造図である。本実施例では発光波長625nm付近の赤色発光ダイオード用エピタキシャルウェハの場合で説明する。
【0017】
図1に示すAlGaInP系発光素子用エピタキシャルウェハは、n型GaAs基板1上に、MOVPE法で、n型(Seドープ)GaAsバッファ層2、n型(Seドープ)(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5Pクラッド層3、アンドープ(Al0.1Ga0.9)0.5In0.5P活性層(以下「活性層」という。)4、p型(Znドープ)(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5Pクラッド層(以下「p型クラッド層」という。)5を順次成長させ、このp型クラッド層5の上に、本発明の主要部である介在層としてのp型(Al0.1Ga0.9)0.5In0.5P層(以下「順方向電圧低減層」という。)7をMOVPE法により100nm成長させ、p型(Znドープ)GaPウィンドウ層6を10μm成長させたエピタキシャル層2〜7からなるものである。なお比較例として、順方向電圧低減層を形成せずp型(Znドープ)GaPを10μm成長させたものを作製した。
【0018】
全てのエピタキシャル層2〜7の成長は、成長温度700℃、成長圧力50Torr、各エピタキシャル層2〜7の成長速度は0.3〜3.0nm/s、V/III 比は100〜600で行った。その後、エピタキシャルウェハを加工して、発光ダイオードを作製した。
【0019】
発光ダイオードのチップの大きさは、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60nm、10nm、500nmの順に蒸着し、p型電極は、金亜鉛、ニッケル、金をそれぞれ60nm、10nm、1000nmの順に蒸着した。さらに、このチップをステム組して、樹脂モールドまで行い、発光ダイオードの発光特性、電圧−電流特性を調べた。
【0020】
図2は本発明の発光素子の発光特性図であり、横軸が順方向電圧を示し、縦軸が順方向電流を示す。
【0021】
同図において実線が本発明の発光素子((Al0.1Ga0.9)0.5In0.5Pからなる順方向電圧低減層7を設けたもの)の発光特性を示し、破線が従来の発光素子の発光特性を示している。
【0022】
本発明のAlGaInP系発光素子用エピタキシャルウェハを用いた発光ダイオードの順方向電圧は、従来の発光ダイオードの順方向電圧2.40Vに対して1.80Vと大きく低減することができた。
【0023】
発光ダイオードの順方向電圧の最低値は活性層4のバンドギャップで決まるものであり、この順方向電圧1.80Vという値は、本発明のAlGaInP系発光素子用エピタキシャルウェハの活性層4のバンドギャップでの最低値に近い値である(つまりAlGaAsウィンドウ層を用いた場合の順方向電圧と略等しい。)。順方向電圧低減層7を設けることで、従来の発光素子に対して輝度が低下することはなかった。
【0024】
(最適条件についての根拠)
バンドギャップが活性層4よりも小さい順方向電圧低減層7を設けると、活性層4からの光が順方向電圧低減層7により吸収され、LEDの光取り出し効率が極端に悪くなってしまう。したがって、順方向電圧低減層7のバンドギャップは、p型クラッド層5よりもバンドギャップが小さく、かつ、活性層4よりも大きいことが好ましい。
【0025】
順方向電圧低減層7の導電型は、p型クラッド層5及びp型GaPウィンドウ層と同じp型であることが好ましく、そのキャリア濃度は5×1017cm-3以上5×1018cm-3以下であることが好ましい。順方向電圧低減層7のキャリア濃度が5×1017cm-3以下になると、順方向電圧低減層7の抵抗率が高くなって、順方向電圧が高くなってしまう。またキャリア濃度が5×1018cm-3以上になると、結晶中の欠陥が増加し、発光効率の低下が見られるようになってしまう。
【0026】
順方向電圧低減層7は、下地となるp型クラッド層5と格子整合していることが好ましい。格子整合していないと、エピタキシャル層に欠陥が発生し、発光効率の低下や、p型GaPウィンドウ層6の表面の曇りといった問題が発生する。
【0027】
なお、本実施例ではn型導電性を有する基板を用いたエピタキシャルウェハ及び発光素子の場合で説明したが、これに限定されずp型GaAs基板を用いたエピタキシャルウェハ及び発光素子でも同様の効果が得られる。
【0028】
【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。
【0029】
順方向電圧の低い発光素子が得られるAlGaInP系発光素子用エピタキシャルウェハ及び発光素子の提供を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明のAlGaInP系発光素子用エピタキシャルウェハの一実施例を示す構造図である。
【図2】 本発明の発光素子の発光特性図である。
【図3】 発光波長590nmのAlGaInP系発光ダイオード用エピタキシャルウェハの構造図である。
【図4】 図3に示したAlGaInP系発光ダイオード用エピタキシャルウェハのp型GaPウィンドウ層とp型AlGaInPクラッド層のヘテロ界面付近のバンド構造の説明図である。
【符号の説明】
1 基板(n型GaAs基板)
2 n型GaAsバッファ層
3 n型(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5Pクラッド層
4 アンドープ(Al0.1Ga0.9) 0.5 In0.5P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ウィンドウ層
7 介在層(順方向電圧低減層)[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an epitaxial wafer for an AlGaInP-based light emitting device (having a wavelength of 650 nm (red) to 550 nm (yellowish green)) and a light emitting device.
[0002]
[Prior art]
Recently, the demand for high-intensity red and yellow light-emitting diodes as light-emitting elements manufactured using AlGaInP-based epitaxial wafers has been greatly increased. The main demand is traffic signals, automobile tail lamps, fog lamps, outdoor display boards, full-color displays, etc.
[0003]
FIG. 3 is a structural diagram of an epitaxial wafer for an AlGaInP light emitting diode having an emission wavelength of 590 nm.
[0004]
The epitaxial wafer shown in FIG. 1 has an n-type
[0005]
All the
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
However, the GaP window layer has the following problems.
[0007]
Figure 4 is an illustration of the band structure in the vicinity of the hetero interface of the p-type
[0008]
The p-type
[0009]
Accordingly, an object of the present invention is to provide an epitaxial wafer for an AlGaInP-based light emitting device and a light emitting device that can solve the above-described problems and obtain a light emitting device having a low forward voltage.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
An epitaxial wafer for an AlGaInP-based light-emitting element according to the present invention includes an n-type cladding layer made of at least an AlGaInP-based compound semiconductor on an electrically conductive substrate, and an AlGaInP-based compound semiconductor having a smaller band gap energy than the n-type cladding layer. An undoped (Al 0.1 Ga 0.9 ) 0.5 In 0.5 P active layer, and a p-type (Al 0.7 Ga 0.3 ) 0.5 In 0.5 P cladding layer made of a p-type AlGaInP compound semiconductor having a composition with a larger band gap energy than the active layer, In an epitaxial wafer for an AlGaInP light emitting element in which a p-type GaP window layer made of GaP is laminated, the band gap energy between the p-type cladding layer and the p-type window layer is larger than that of the active layer, P-type (Al 0.1 Ga 0.9 ) 0.5 In 0.5 P intervening layer is provided.
[0011]
In addition to the above configuration, the epitaxial wafer for an AlGaInP-based light emitting device of the present invention has a p-type (Al 0.1 Ga 0.9 ) 0.5 In 0.5 P intervening layer having a carrier concentration of 5 × 10 17 cm −3 or more and 5 × 10 18 cm −3 or less. Is preferred.
[0012]
The light-emitting element of the present invention includes an n-type cladding layer made of at least an AlGaInP-based compound semiconductor on an electrically conductive substrate, and an undoped (Al 0.1 layer made of an AlGaInP-based compound semiconductor having a smaller band gap energy than the n-type cladding layer. A Ga 0.9 ) 0.5 In 0.5 P active layer, a p-type (Al 0.7 Ga 0.3 ) 0.5 In 0.5 P cladding layer made of a p-type AlGaInP-based compound semiconductor having a larger band gap energy than the active layer, and a p-type made of GaP. In a light emitting device in which an electrode is provided on a stacked body in which a GaP window layer is stacked, a material having a band gap energy larger than that of the active layer and smaller than that of the p type cladding layer between the p type cladding layer and the p type window layer. der which p-type (Al 0.1 Ga 0.9) 0.5 in 0.5 P intermediate layer is provided consisting of .
[0013]
In addition to the above structure, in the light-emitting element of the present invention, the carrier concentration of the p-type (Al 0.1 Ga 0.9 ) 0.5 In 0.5 P intervening layer is preferably 5 × 10 17 cm −3 or more and 5 × 10 18 cm −3 or less. .
[0014]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of an epitaxial wafer for an AlGaInP-based light emitting device and a light emitting device of the present invention will be described. Incidentally, using the same reference numerals are given to the same members as the conventional example shown in FIG.
[0015]
The feature of the epitaxial wafer for an AlGaInP-based light emitting device of the present invention is that an intervening layer having a band gap smaller than that of the p-type AlGaInP layer is provided between the p-type
[0016]
【Example】
FIG. 1 is a structural view showing an embodiment of an epitaxial wafer for an AlGaInP light emitting device of the present invention. In the present embodiment, the case of an epitaxial wafer for red light emitting diodes having an emission wavelength of around 625 nm will be described.
[0017]
An epitaxial wafer for an AlGaInP-based light emitting device shown in FIG. 1 is formed on an n-
[0018]
All
[0019]
The chip size of the light emitting diode was 300 μm square, an n-type electrode was formed on the entire lower surface of the chip, and a circular p-type electrode having a diameter of 150 μm was formed on the upper surface of the chip. For the n-type electrode, gold germanium, nickel, and gold were deposited in the order of 60 nm, 10 nm, and 500 nm, respectively, and for the p-type electrode, gold zinc, nickel, and gold were deposited in the order of 60 nm, 10 nm, and 1000 nm, respectively. Furthermore, this chip was assembled into a stem, and resin molding was performed, and the light emission characteristics and voltage-current characteristics of the light emitting diode were examined.
[0020]
FIG. 2 is a light emission characteristic diagram of the light-emitting element of the present invention, in which the horizontal axis indicates the forward voltage, and the vertical axis indicates the forward current.
[0021]
In the figure, the solid line shows the light emission characteristics of the light emitting element of the present invention (with the forward
[0022]
The forward voltage of the light emitting diode using the AlGaInP-based light emitting element epitaxial wafer of the present invention can be greatly reduced to 1.80 V with respect to the forward voltage of 2.40 V of the conventional light emitting diode.
[0023]
The minimum value of the forward voltage of the light emitting diode is determined by the band gap of the
[0024]
(Grounds for optimal conditions)
When the bandgap is provided a small forward
[0025]
The conductivity type of the forward
[0026]
The forward
[0027]
In this embodiment, the case of an epitaxial wafer and a light-emitting element using an n-type conductive substrate has been described. can get.
[0028]
【The invention's effect】
In short, according to the present invention, the following excellent effects are exhibited.
[0029]
It is possible to provide an AlGaInP light-emitting element epitaxial wafer and a light-emitting element from which a light-emitting element having a low forward voltage can be obtained.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a structural diagram showing an example of an epitaxial wafer for an AlGaInP light emitting element according to the present invention.
FIG. 2 is a light emission characteristic diagram of the light emitting device of the present invention.
FIG. 3 is a structural diagram of an epitaxial wafer for an AlGaInP light emitting diode having an emission wavelength of 590 nm.
4 is an explanatory diagram of a band structure in the vicinity of a heterointerface between a p-type GaP window layer and a p-type AlGaInP clad layer of the epitaxial wafer for AlGaInP-based light emitting diodes shown in FIG. 3;
[Explanation of symbols]
1 Substrate (n-type GaAs substrate)
2 n-type GaAs buffer layer 3 n-type (Al 0.7 Ga 0.3 ) 0.5 In 0.5
5 p-type AlGaInP cladding layer (p-type cladding layer)
6 p-type
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