JP4284862B2 - 発光素子用エピタキシャルウェハ及び発光素子 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、AlGaInP系発光素子(波長領域としては650nm(赤色)から550nm(黄緑))用のエピタキシャルウェハ及び発光素子に関するものである。
【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、フォグランプなどである。
【0003】
図3に発光波長590nmのAlGaInP系発光ダイオード用エピタキシャルウェハの典型的な構造を示す。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、SeまたはSiをドープしたn型AlGaInPクラッド層3、アンドープAlGaInP活性層4、Znをドープしたp型AlGaInPクラッド層5、Znをドープしたp型AlGaAs電流拡散層6(ウインドウ層と呼ばれる場合もある)を順次積層した構造となっている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、現状技術の課題として、電流拡散層のp型ドーパントとして用いているZnが、ヘテロ界面や隣接層に異常拡散してしまう現象が挙げられる。
【0005】
電流拡散層は電極からの電流を、チップ横方向へ広げるために、高いp型キャリア濃度(約3×1018cm-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。また、電流拡散層は、前述の電流の拡散を良くするために、5μm以上の厚膜成長させるため、成長時間が長い。さらに、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℃以上の高温で成長する。この3つのことが原因になって、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い。
【0006】
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・活性層へと拡散し、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作り、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。亜鉛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って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。
【0007】
そこで本発明の目的は、上記課題を解決し、電流拡散層から活性層側へのp型ドーパントの拡散を抑え、高出力化を達成することのできる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。
【0008】
【課題を解決するための手段】
本発明者は種々検討の結果、AlGaInPおよびAlGaAs系材料においては、Al組成が大きいほど、例えばZn等のドーパント拡散の度合いが小さく、また、層界面における格子不整合度が大きいほど、例えばZn等のドーパントは界面にトラップされやすいこと、そして格子定数の大きい層から小さい層へは拡散は起こりにくいことを発見した。
【0009】
従って、電流拡散層を、Al組成が大きく、且つ隣接する層間の格子定数が異なる多層構造(多層電流拡散層)とすることによって、電流拡散層から活性層内へのドーパントの拡散を防ぐことができる。つまり電流拡散層を高キャリア濃度にしてもドーパントが活性層に拡散しないため、効果的な電流拡散と動作電圧の低減、高光出力化が実現する。
【0010】
本発明は、上部電極をp型電極として用いる標準的なAlGaInP系発光ダイオードにおいて、電流拡散層を、主としてAlGaInPおよびAlGaAs系半導体材料からなる4層以上の多層構造(多層電流拡散層)とする。これによって例えばZnなどのp型ドーパントをその多層構造内部の界面にトラップし、p型ドーパントの電流拡散層から活性層側への拡散を抑え、高出力化を達成するものである。
【0011】
具体的には、上記目的を達成するため、本発明は、次のように構成したものである。
【0012】
(1)請求項1又は5に記載の発明は、n型導電性を有するGaAs基板上に、AlGaInP系材料からなるn型クラッド層と、該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組成のp型AlGaInP系材料からなるクラッド層と、Alを含む半導体材料の4層以上の多層構造からなり各層のキャリア濃度が2×10 17 cm −3 以上2×10 19 cm −3 以下のp型多層電流拡散層とを積層した構造の発光素子用エピタキシャルウェハにおいて、又は上記基板の裏面と上記p型電流拡散層表面の一部に電極を設けた構造の発光素子において、上記p型多層電流拡散層はAl組成の異なる第1層と第2層とを交互に積層したペア構成からなり、前記第1層は前記第2層よりもAl組成及び格子定数が大きく、前記ペア構成は前記活性層より遠い側に前記第1層が設けられ、さらに前記p型多層電流拡散層を構成する各層のキャリア濃度は、前記活性層側に設けられる層ほど小さいことを特徴とする。
【0015】
(2)請求項2又は6に記載の発明は、前記p型多層電流拡散層が、AlGaInP系の材料からなることを特徴とする。
【0016】
(3)請求項3又は7に記載の発明は、前記p型多層電流拡散層が、AlGaAs系の材料からなることを特徴とする。
【0017】
(4)請求項4又は8に記載の発明は、前記p型多層電流拡散層を構成する各層のバンドギャップが、前記活性層よりも大きいことを特徴とする。
【0020】
<最適条件についての根拠>
本発明において、多層電流拡散層の層数を4以上としたのは、充分な電流拡散効果の得られる程度のドーピング(2×1017cm-3以上2×1019cm-3以下)をした場合、層数が4よりも小さいと不純物の拡散抑止効果が不充分であることが種々の検討の結果明らかになったためである。
【0021】
また多層電流拡散層を構成する各層のキャリア濃度を2×1017cm-3以上2×1019cm-3以下としたのは、2×1017cm-3よりも低いと、多層電流拡散層の抵抗率が高くなって、発光素子の駆動電圧が高くなりすぎ、2×1019cm-3よりも高いと、多層電流拡散層の結晶が劣化して、素子の発光出力が低下して、いずれも実用的な発光素子が得られなくなるためである。
【0022】
多層電流拡散層を構成する各層の格子定数は互いの格子定数差が大きいほど、また、p型クラッド層に比べて大きいほどZnの拡散を防止する効果が上がるが、格子定数の差が大きくなり過ぎると、多層電流拡散層に欠陥が発生し、発光素子の性能を却って落とす結果となる。従って、多層電流拡散層を構成する各層の格子定数には最適範囲が存在するが、これは、多層電流拡散層を構成する各層或いは下地となるp型クラッド層の材質、組成及びエピタキシャル成長条件によって変わるため、数値限定はかけられない。
【0023】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図示の実施形態に基づいて説明する。
【0024】
ここで取り扱うAlGaInP系発光ダイオードは、発光波長620nm付近の赤色発光ダイオードである。この発光素子用エピタキシャルウェハは、図1に示すように、n型GaAs基板1上に、n型(Seドープ)GaAsバッファ層2、n型(Seドープ)AlGaInPクラッド層3、該クラッド層よりバンドギャップエネルギーが小さいアンドープAlGaInP活性層4、該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(Znドープ)AlGaInPクラッド層5、p型多層電流拡散層7を積層した構造を有する。
【0025】
このp型多層電流拡散層7は、組成の異なるp型(Znドープ)AlGaAsの4層以上の多層構造から成り、多層電流拡散層を構成する各層は、その格子定数が隣接する層間で異なり、活性層側のものほど小さくなっている。具体的には、p型多層電流拡散層7は、p型Al0.85Ga0.15Asから成る第1層とp型Al0.75Ga0.25Asから成る第2層とを、各々1μmづつ、交互に5ペアで積層したものから成る。
【0026】
Al組成が大きいほどZnのドーパント拡散の度合いが小さいため、第1層と第2層とでは、活性層より遠い側の第1層に、相対的にAl組成の大きいp型Al0.85Ga0.15Asを、また活性層に近い側の第2層に、相対的にAl組成の小さいp型Al0.75Ga0.25Asを形成している。
【0027】
また、層界面における格子不整合度が大きいほど、ドーパントのZnは界面にトラップされやすいため、各層の格子定数を隣接する層間で異ならせている。なお、Znの拡散防止効果は、この各層の格子不整合度だけでなく、下地となるp型(Znドープ)AlGaInPクラッド層5に対する格子不整合度等によっても異なったものとなる。
【0028】
さらにまた、格子定数の大きい層から小さい層へは拡散が起こりにくいことから、p型Al0.85Ga0.15As(第1層)とp型Al0.75Ga0.25As(第2層)のペアは、活性層側のものほど格子定数が小さくなっている。
【0029】
また、多層電流拡散層7を構成する各層のキャリア濃度は、2×1017cm-3以上2×1019cm-3以下の範囲に定められており、そのキャリア濃度は活性層側ほど小さくなっている。上記範囲としたのは、2×1017cm-3よりも低いと、多層電流拡散層7の抵抗率が高くなって、発光素子の駆動電圧が高くなりすぎること、また、2×1019cm-3よりも高いと、多層電流拡散層の結晶が劣化して、素子の発光出力が低下して、いずれも実用的な発光素子が得られなくなるためである。
【0030】
上記はp型多層電流拡散層7をAlGaAs系の半導体材料で構成したが、この代わりにAlGaInP系の半導体材料から構成することもできる。
【0031】
【実施例】
本発明の一実施例として、図1の構造の発光波長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次のように作製した。
【0032】
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)(Al0.7 Ga0.3 )0.5 In0.5 Pクラッド層3、アンドープ(Al0.15Ga0.85)0.5 In0.5 P活性層4、p型(Znドープ)(Al0.7 Ga0.3 )0.5 In0.5 Pクラッド層5を成長させ、その上にp型Al0.85Ga0.15Asとp型Al0.75Ga0.25Asとを各々1μmづつ、交互に5ペアで積層した多層電流拡散層7をMOVPE法で成長させた。
【0033】
p型AlGaInPクラッド層5までのMOVPE成長は、成長温度700度、成長圧力50torr、各層の成長速度は0.3〜1.0nm/sec、V族原料とIII 族原料との供給量比、いわゆるV/III 比は200〜400で行った。多層電流拡散層7は、V/III 比75、成長速度1nm/secで成長した。p型クラッド層5のZn濃度は5×1017cm-3、多層電流拡散層7のZn濃度は3×1018cm-3である。なお、バッファ層2及びn型クラッド層3のSe濃度は1×1018cm-3である。
【0034】
成長したエピタキシャル層中の、深さ方向の亜鉛の濃度分布を2次イオン分析(SIMS)で測定した結果を図2に示す。横軸は深さ(μm)、縦軸は亜鉛の濃度分布であり、濃度の単位は、例えば「1.E+16」で1×1016cm-3を表す。図2から判るように、電流拡散層7にドーピングされたZnは、この多層電流拡散層7の界面にほとんどトラップされており、従来例(図4)で見られるような、活性層にまで達する亜鉛の異常な拡散は見られなかった。
【0035】
さらに、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150μmの円径の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の順に蒸着し、一方、p型電極は、金亜鉛、ニッケル、金を、それぞれ厚さ60nm、10nm、1000nmの順に蒸着した。
【0036】
この発光ダイオードチップをステムの上に乗せ、発光ダイオードの発光特性を調べた結果、発光出力は、1.6mW、順方向動作電圧(20mA通電時)は、1.8Vであった。
【0037】
<従来例>
次に比較のため、従来例として、図3に示した構造の発光波長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。
【0038】
これは次のようにして作成した。即ち、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)(Al0.7 Ga0.3 )0.5 In0.5 Pクラッド層3、アンドープ(Al0.15Ga0.85)0.5 In0.5 P活性層4、p型(Znドープ)(Al0.7 Ga0.3 )0.5 In0.5 Pクラッド層を成長させ、その上にp型Al0.85Ga0.15As電流拡散層6を10μm、MOVPE法で成長させた。
【0039】
p型AlGaInPクラッド層5までのMOVPE成長は、成長温度700度、成長圧力50torr、各層の成長速度は0.3〜1.0nm/sec、V/III 比は200〜400で行った。電流拡散層6は、V/III 比75、成長速度1nm/secで成長した。p型クラッド層5のZn濃度は5×1017cm-3、電流拡散層6のZn濃度は3×1018cm-3である。
【0040】
上記従来例における、成長したエピタキシャル層中の深さ方向の亜鉛の濃度分布を2次イオン分析(SIMS)で測定した結果を図4に示す。SIMS分析の結果から判るように、従来例の場合、電流拡散層の亜鉛がAlGaInPクラッド層・活性層の発光領域に大量に拡散している。
【0041】
さらに、この従来例のエピタキシャルウェハを、実施例と同様に加工して、発光ダイオードチップを作製した。この従来例の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、順方向動作電圧(20mA通電時)は1.9Vであった。
【0042】
<他の実施例・変形例>
多層電流拡散層から活性層へのp型ドーパントの拡散をより効果的に防止するために、多層電流拡散層の活性層側の層ほどドーピング濃度を小さくした形態とすることができる。
【0043】
また、多層電流拡散層を2種類の半導体材料から構成し、それらの膜厚をそれぞれ活性層の発光波長の1/4とすることでブラッグ反射器としての機能を持たせ、n型クラッド層の下にもブラッグ反射器を挿入することで、共鳴反射型の発光素子とすることもできる。
【0044】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、次のような優れた効果が得られる。
【0045】
従来、活性層へのp型ドーパントの拡散を防ぐためには例えば拡散係数の小さいMgなどのドーパントを用いたり、拡散を見越して活性層付近へのドーピングを少なくするなどの対策がとられていた。しかしMgはメモリー効果やドーピングディレイのために制御性が悪く、また、高濃度のドーピングを行うとこれらの対策を施しても活性層へのドーパントの拡散を効果的に防ぐことができなかった。結果的にp型クラッド層や電流拡散層へのドーピング濃度を抑えなければならず、素子特性の向上を妨げていた。
【0046】
本発明の発光素子用エピタキシャルウェハ及び発光素子は、AlGaInP系材料からなるn型クラッド層と、該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組成のp型AlGaInP系材料からなるクラッド層と、p型電流拡散層とを積層した構造の発光素子用エピタキシャルウェハにおいて、又は上記基板の裏面と上記p型電流拡散層表面の一部に電極を設けた構造の発光素子において、ウインドウ層たる上記p型電流拡散層を多層化し、組成の異なる半導体材料からなる4層以上の多層構造(多層電流拡散層)としている。
【0047】
このため本発明を用いれば、p型電流拡散層におけるZn等のp型ドーパントの活性層側への拡散を効果的に抑えることができる。従って、制御性の良いZnなどのドーパントを電流拡散層に高濃度にドーピングすることができ、結果的に従来に比べて大きな発光出力を持つ信頼性の高い発光ダイオードを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施形態に係るAlGaInP系赤色LED用エピタキシャルウェハの断面構造図である。
【図2】本発明の一実施形態に係る構造で作成したエピタキシャル層中の、亜鉛濃度分布のSIMS分析結果を示す図である。
【図3】従来例に係るAlGaInP系赤色LED用エピタキシャルウェハの断面構造図である。
【図4】従来の構造で作成したエピタキシャル層中の、Zn濃度分布のSIMS分析結果を示す図である。
【符号の説明】
1 n型GaAs基板
2 n型(Seドープ)GaAsバッファ層
3 n型(Seドープ)AlGaInPクラッド層
4 アンドープAlGaInP活性層
5 p型(Znドープ)AlGaInPクラッド層
7 多層電流拡散層
Claims (8)
- n型導電性を有するGaAs基板上に、AlGaInP系材料からなるn型クラッド層と、該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組成のp型AlGaInP系材料からなるクラッド層と、Alを含む半導体材料の4層以上の多層構造からなり各層のキャリア濃度が2×10 17 cm −3 以上2×10 19 cm −3 以下のp型多層電流拡散層とを積層した構造の発光素子用エピタキシャルウェハにおいて、
前記p型多層電流拡散層はAl組成の異なる第1層と第2層とを交互に積層したペア構成からなり、前記第1層は前記第2層よりもAl組成及び格子定数が大きく、前記ペア構成は前記活性層より遠い側に前記第1層が設けられ、さらに前記p型多層電流拡散層を構成する各層のキャリア濃度は、前記活性層側に設けられる層ほど小さいことを特徴とする発光素子用エピタキシャルウェハ。 - 請求項1記載の発光素子用エピタキシャルウェハにおいて、前記p型多層電流拡散層が、AlGaInP系の材料からなることを特徴とする発光素子用エピタキシャルウェハ。
- 請求項1記載の発光素子用エピタキシャルウェハにおいて、前記p型多層電流拡散層が、AlGaAs系の材料からなることを特徴とする発光素子用エピタキシャルウェハ。
- 請求項1記載の発光素子用エピタキシャルウェハにおいて、前記p型多層電流拡散層を構成する各層のバンドギャップが、前記活性層よりも大きいことを特徴とする発光素子用エピタキシャルウェハ。
- 裏面に電極を有し、n型導電性を有するGaAs基板上に、AlGaInP系材料からなるn型クラッド層と、該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組成のp型AlGaInP系材料からなるクラッド層と、Alを含む半導体材料の4層以上の多層構造からなり各層のキャリア濃度が2×10 17 cm −3 以上2×10 19 cm −3 以下のp型多層電流拡散層とを積層し、該p型多層電流拡散層表面の一部に電極を設けた構造の発光素子において、
前記p型多層電流拡散層はAl組成の異なる第1層と第2層とを交互に積層したペア構成からなり、前記第1層は前記第2層よりもAl組成及び格子定数が大きく、前記ペア構成は前記活性層より遠い側に前記第1層が設けられ、さらに前記p型多層電流拡散層を構成する各層のキャリア濃度は、前記活性層側に設けられる層ほど小さいことを特徴とする発光素子。 - 請求項5記載の発光素子において、前記p型多層電流拡散層が、AlGaInP系の材料からなることを特徴とする発光素子。
- 請求項5記載の発光素子において、前記p型多層電流拡散層が、AlGaAs系の材料からなることを特徴とする発光素子。
- 請求項5記載の発光素子において、前記p型多層電流拡散層を構成する各層のバンドギャップが、前記活性層よりも大きいことを特徴とする発光素子。
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