JP4335366B2

JP4335366B2 - ＡｌＧａＩｎＰ発光ダイオード

Info

Publication number: JP4335366B2
Application number: JP19855299A
Authority: JP
Inventors: 隆宇田川
Original assignee: Showa Denko KK
Current assignee: Resonac Holdings Corp
Priority date: 1999-07-13
Filing date: 1999-07-13
Publication date: 2009-09-30
Anticipated expiration: 2019-07-13
Also published as: JP2001024219A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
ブラッグ反射層を具備したｎ−サイドアップ型のＡｌＧａＩｎＰ発光ダイオードに関する。
【０００２】
【従来の技術】
緑色、黄色から赤橙色帯域の発光素子の一つに、ｐｎ接合型のダブルヘテロ（ＤＨ）接合構造から成るリン化アルミニウム・ガリウム・インジウム（ＡｌＧａＩｎＰ）発光ダイオード（ＬＥＤ）がある（Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，６１（１５）（１９９２）、１７７５〜１７７７頁参照）。特に、インジウム組成比を約０．５とする（Ａｌ_αＧａ_1- _α）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ（０≦α≦１）は、砒化ガリウム（ＧａＡｓ）単結晶と格子整合するため（Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，５７（２７）（１９９０）、２９３７〜２９３９頁参照）、ＤＨ接合構造の発光部を構成するクラッド（ｃｌａｄ）層や発光層（活性層）に利用されている（Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，５８（１０）（１９９１）、１０１０〜１０１２頁参照）。
【０００３】
発光を取り出す方向に在るクラッド層をｎ形層としたＬＥＤは、一般にｎ−サイドアップ型と通称される。ＬＥＤの高輝度化のために発光の取り出し方向と反対の方向には、ブラッグ反射層（ＤｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄＢｒａｇｇＲｅｆｌｅｃｔｏｒ：英略称ＤＢＲ）を配置する手段が採られている（Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，６３（２５）（１９９３）、３４８５〜３４８７頁参照）。ブラッグ反射層は、構成元素の組成或いは層厚を相違する薄層を重層させた単位構造を、更に周期的に積層させて構成される。
【０００４】
図４は、ブラッグ反射層１０９を具備した従来のＡｌＧａＩｎＰＬＥＤ２０の断面構造例である。ｎ−サイドアップ型ＬＥＤ２０では、基板１０１として一般にはｐ形ＧａＡｓ単結晶が使用され、ブラッグ反射層１０９は、基板１０１上に直接、或いはｐ形砒化アルミニウム・ガリウム（Ａｌ_CＧａ_1-CＡｓ：０≦Ｃ≦１）等からなる緩衝層１０２を介して積層される。ｐ形ブラッグ反射層１０９は例えば、アルミニウム組成比と層厚とを相違する第１及び第２のｐ形砒化アルミニウム・ガリウム層を周期的に重層させて構成されている。具体的には、第１のブラッグ反射層構成層１０９ａをアルミニウム組成比を０．５とするＡｌ_0.5Ｇａ_0.5Ａｓとし、第２の構成層１０９ｂを砒化アルミニウム（ＡｌＡｓ）とする例が知られている（Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，６０（１５）（１９９２）、１８３０〜１８３２頁参照）。
【０００５】
ｐ形ブラッグ反射層１０９の構成層１０９ａ、１０９ｂにはアクセプター不純物として、亜鉛（Ｚｎ）などの第ＩＩ族元素がドーピングされている。しかし、Ｚｎは熱拡散し易いｐ形不純物であり、ＡｌＧａＡｓ混晶／ＧａＡｓヘテロ接合界面の「無秩序化」現象として知られている如く（光技術共同研究所編著、「光電子集積回路の基礎技術」（オーム社、１９８９年８月２０日発行第１版第１刷、３７１〜３７４頁参照）、構成層１０９ａ、１０９ｂに含有される亜鉛が下部クラッド層１０３へと拡散することにより、ブラッグ反射層１０９と下部クラッド層１０３とのヘテロ接合界面１０３ａが乱雑となる。このヘテロ接合界面１０３ａの「無秩序化」（ｄｉｓａｏｒｄｅｒｉｎｇ）によりＬＥＤ２０の順方向電圧が不均一となる問題がある。
【０００６】
また、ブラッグ反射層１０９より下部クラッド層１０３を介して発光層１０４へ亜鉛が拡散することにより、発光層１０４の正孔濃度が変化を来たし、所望の順方向電圧が獲得できない不都合が発生する。更に、亜鉛の拡散量は発光層１０４面内で均一ではなく、順方向電圧が不均一となる問題がある。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記の従来技術の問題点に鑑みなされたもので、ｐ形不純物がドーピングされたブラッグ反射層を備えたｎ−サイドアップ型のＡｌＧａＩｎＰＬＥＤにおいて、発光部へのｐ形不純物の拡散を低減させることにより、順方向電圧を均一化し、且つ高輝度を図ることにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
発明者は上記の課題を解決すべく鋭意努力した結果、本発明に到達した。即ち、本発明は、
［１］ｐ形ＧａＡｓ単結晶基板上に、それぞれ（Ａｌ_XＧａ_1-X）_YＩｎ_1-YＰ（０≦Ｘ≦１、０＜Ｙ＜１）で表される下部クラッド層及び発光層（各層間で混晶比Ｘ、Ｙが異なる場合を含む）を含み、ＧａＡｓ単結晶基板と下部クラッド層との間に、複数のｐ形Ａｌ_ZＧａ_1-ZＡｓ層（０＜Ｚ＜１）から構成されるブラッグ反射層（各構成層間で混晶比Ｚが異なる場合を含む）を有する発光ダイオードにおいて、下部クラッド層とブラッグ反射層の間にｐ形Ａｌ_LＧａ_1-LＡｓ（０＜Ｌ≦１）からなる中間層を含み、該中間層のＡｌ混晶比（Ｌ）がブラッグ層を構成する層のＡｌ混晶比（Ｚ）よりも大きく、且つ、該中間層のｐ形不純物の原子濃度がブラッグ層を構成する層のｐ形不純物の原子濃度よりも小さいことを特徴とする発光ダイオード、
［２］下部クラッド層及び発光層のＩｎの混晶比（１−Ｙ）が、０．５であることを特徴とする［１］に記載の発光ダイオード、
［３］ブラッグ反射層が、第１のｐ形Ａｌ_Z1Ｇａ_1-Z1Ａｓ層（０＜Ｚ１＜１）と第２のｐ形Ａｌ_Z2Ｇａ_1-Z2Ａｓ層（Ｚ１＜Ｚ２＜１）との周期構造から成り、中間層が第２のｐ形Ａｌ_Z2Ｇａ_1-Z2Ａｓ層と接していることを特徴とする［１］または［２］に記載の発光ダイオード、に関する。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明は、ｐ形ＧａＡｓ単結晶基板上に、それぞれ（Ａｌ_XＧａ_1-X）_YＩｎ_1-YＰ（０≦Ｘ≦１、０＜Ｙ＜１）で表される下部クラッド層及び発光層（各層間で混晶比Ｘ、Ｙが異なる場合を含む）を形成し、ＧａＡｓ単結晶基板と下部クラッド層との間に、複数のｐ形Ａｌ_ZＧａ_1-ZＡｓ層（０＜Ｚ＜１）から構成されるブラッグ反射層（各構成層間で混晶比Ｚが異なる場合を含む）と、下部クラッド層とブラッグ反射層の間にｐ形Ａｌ_LＧａ_1-LＡｓ（０＜Ｌ≦１）からなる中間層を形成する。下部クラッド層及び発光層のＩｎ混晶比（１−Ｙ）は、０．５とすることにより、ＧａＡｓ単結晶基板との格子整合性が得られ特に好ましい。また、ｐ形ＧａＡｓ単結晶基板を導電性とすると、ＧａＡｓ基板の裏面にｐ形オーミック電極が形成でき素子の構成上好ましい。
【００１０】
下部クラッド層とブラッグ反射層との間に形成される、中間層のｐ形Ａｌ_LＧａ_1-LＡｓ（０＜Ｌ≦１）層は、下部クラッド層とブラッグ反射層の第２の構成層との中間的な禁止帯幅もたらすアルミニウム組成比を有するのが望ましく、一般的にはアルミニウム組成比を大凡、０．９以上で１以下とするのが好ましい。Ａｌ_QＧａ_1-QＡｓ（０≦Ｑ≦１）においては、直接遷移及び間接遷移に拘わらず、アルミニウム組成比（＝Ｑ）が大となるほど禁止帯幅は大きくなる。
【００１１】
中間層のｐ形不純物の原子濃度は概して１×１０¹⁸原子／ｃｍ³未満とするのが望ましい。ｐ形不純物の原子濃度が低いのは好都合ではあるが、それに対応して正孔濃度が約５×１０¹⁶ｃｍ^-3未満となると、順方向電圧の上昇を招き不都合である。ｐ形不純物の原子濃度が極端に大であると、下部クラッド層或いは発光層へ拡散、侵入するｐ形不純物の量を増加させる結果を招き、接合界面を乱雑なものとする。中間層に含有させるｐ形不純物の原子濃度は、約５×１０¹⁶原子／ｃｍ^-3以上で約１×１０¹⁸原子／ｃｍ^-3未満であるのが望ましく、更に１×１０¹⁷原子／ｃｍ^-3以上で５×１０¹⁷原子／ｃｍ^-3以下であるのが好ましい。
【００１２】
本発明では、中間層のｐ形不純物の原子濃度を、他のブラッグ反射層の構成層よりも小とする。ｐ形不純物の原子濃度は、一般的な２次イオン質量分析法（略称：ＳＩＭＳ）やオージェ電子分光分析法（略称：ＡＥＳ）により測定できる。原子濃度を低くした中間層では、それに対応して正孔濃度も他のブラッグ反射層構成層よりも低くなる。正孔濃度はホール（Ｈａｌｌ）効果測定法により求められる。
【００１３】
中間層の層厚はブラッグ反射層の構成層よりも大とするのが望ましい。厚膜とする程、ブラッグ反射層構成層内のｐ形不純物の下部クラッド層や発光層への拡散を抑制できる。しかし、中間層は、他の構成層に比べ正孔濃度が小さく通流抵抗が大であるため、極端に厚膜とすると順方向電圧の上昇を招く。以上のことから、中間層の層厚は約２μｍ以下とするのが望ましい。
【００１４】
ブラッグ反射層を、第１のｐ形Ａｌ_Z1Ｇａ_1-Z1Ａｓ層（０＜Ｚ１＜１）と第２のｐ形Ａｌ_Z2Ｇａ_1-Z2Ａｓ層（Ｚ１＜Ｚ２＜１）との周期構造から形成し、中間層をなすＡｌ_LＧａ_1-LＡｓ（Ｚ１＜Ｚ２＜Ｌ≦１）層を、ブラッグ反射層の第２の構成層に接合させて設けると、順方向電圧をより低減でき、また、均一な順方向電圧が発現される。図２は、第１のブラッグ反射層構成層上に直接、中間層を接合させた場合のバンド（ｂａｎｄ）の構成を模式的に示したものである。この積層構造では、中間層１１１とブラッグ反射層１０９の最表層１０９ｃとの禁止帯幅１１２ａ、１１２ｂの差異が大となる。例えば、砒化アルミニウム（ＡｌＡｓ：禁止帯幅＝２．１７ｅＶ）中間層を、ブラッグ反射層の一構成層であるＧａＡｓ（禁止帯幅＝１．４３ｅＶ）層上に接合させた場合、双方での禁止帯幅の差異は０．７４ｅＶに達する。この様に中間層を、第２のブラッグ反射層構成層ではなく、第１のブラッグ反射層構成層に接合させると、伝導帯側及び価電子帯側のバンドの不連続性１１３ａ、１１３ｂは大きいものとなる。
【００１５】
また、図３は、中間層１１１を第２のブラッグ反射層構成層１０９ｂに接合させて設けた場合のバンド構成を示す模式図である。この構成では、第２の構成層のアルミニウム組成比は、第１の構成層のアルミニウム組成比より大であるため禁止帯幅はより大であり、従って、中間層１１１との禁止帯幅の差異はより小となる。即ち、バンドの不連続性１１３ａ、１１３ｂがより縮小され、順方向電圧が低減される。また、障壁（バンド不連続性）が小となるため、順方向電圧の更なる均一化が達成される。
【００１６】
中間層とそれと接合するブラッグ反射層構成層との間のバンド不連続性を縮小させて、順方向電圧の低減と均一化が果たす効果は、上述のＡｌＧａＡｓからブラッグ反射層を構成する場合に限定されずに発揮される。例えば、ＧａＡｓとリン化ガリウム・インジウム（Ｇａ_DＩｎ_1-DＰ：０≦Ｄ≦１）とから構成されるブラッグ反射層についても、Ｇａ_DＩｎ_1-DＰ（０≦Ｄ≦１）以上の禁止帯幅を有する材料から中間層を構成すれば、順方向電圧の低減と均一化が果たせる。
【００１７】
【実施例】
（実施例１）
この実施例１は参考例として示す。
以下、本発明を実施例を基に詳細に説明する。図１は本実施例に係わるＬＥＤ１０の断面模式図である。
【００１８】
［１１０］方向に８゜傾斜した、Ｚｎドープｐ形｛１００｝−ＧａＡｓ基板１０１上に、トリメチルアルミニウム（（ＣＨ₃）₃Ａｌ）、トリメチルガリウム（（ＣＨ₃）₃Ｇａ）及びトリメチルインジウム（（ＣＨ₃）₃Ｉｎ）をＩＩＩ族構成元素の原料とする一般的な減圧ＭＯ−ＶＰＥ法により、Ｚｎドープｐ形ＧａＡｓ緩衝層１０２を積層した。ｐ形ＧａＡｓ緩衝層１０２の層厚は約０．２μｍとし、正孔濃度は約３×１０¹⁸ｃｍ^-3とした。
【００１９】
次に、緩衝層１０２上にブラッグ反射層１０９を積層した。ブラッグ反射層１０９を構成するにあたっては、Ａｌ組成比を０．４５とするＺｎドープｐ形Ａｌ_0.45Ｇａ_0.55Ａｓ層１０９ａと、Ａｌ組成比を０．９０とするＺｎドープｐ形Ａｌ_0.90Ｇａ_0.10Ａｓ層１０９ｂとを先ず４周期重層した。Ａｌ_0.45Ｇａ_0.55Ａｓ層からなる第１のブラッグ反射層構成層１０９ａの層厚は約４２ｎｍであり、また、Ａｌ_0.90Ｇａ_0.10Ａｓ層からなる第２のブラッグ反射層構成層１０９ｂの層厚は約４９ｎｍとした。ブラッグ反射層１０９の構成層１０９ａ、１０９ｂの正孔濃度は双方共に約１×１０¹⁸ｃｍ^-3とした。
【００２０】
次に、層厚を約４２ｎｍとする第１の構成層１０９ａをブラッグ反射層１０９の最表層１０９ｃとして積層した。引き続き、アルミニウム組成比を０．９５とし、正孔濃度を約２×１０¹⁷ｃｍ^-3とするＺｎドープｐ形Ａｌ_0.95Ｇａ_0.05Ａｓ層を中間層１１１として積層した。中間層１１１の層厚は約１２０ｎｍとした。中間層１１１の亜鉛の原子濃度は約４×１０¹⁷原子／ｃｍ^-3と設定した。
【００２１】
中間層１１１上には、Ｍｇをドーピングしたｐ形（Ａｌ_0.7Ｇａ_0.3）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐから成る下部クラッド層１０３を積層した。下部クラッド層１０３の層厚は約０．８μｍとし、正孔濃度は約３×１０¹⁸ｃｍ^-3とした。ｐ形下部クラッド層１０３上には、アンドープのｎ形（Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ混晶から成る発光層１０４を積層した。発光層１０４の層厚は約１００ｎｍとし、電子濃度は約８×１０¹⁶ｃｍ^-3 とした。
【００２２】
発光層１０４上には、Ｓｉドープｎ形（Ａｌ_0.7Ｇａ_0.3）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐから成る上部クラッド層１０５を積層した。上部クラッド層１０５の電子濃度は約３×１０¹⁷ｃｍ^-3とし、層厚は約４μｍとした。上部クラッド層１０５上には、セレン（Ｓｅ）を高濃度にドーピングした電子濃度を約１×１０¹⁹ｃｍ^-3とし、層厚を約１００ｎｍとするｎ形（Ａｌ_0.7Ｇａ_0.3）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐからなるコンタクト層１０６を積層させた。
【００２３】
コンタクト層１０６上には、Ａｌドープｎ形酸化亜鉛からなる窓層１０７を形成した。窓層１０７をなす酸化亜鉛被膜は、Ａｌを５重量％含む酸化亜鉛から成る固形成型材料（ペレット）を原料としてスパッタリング法により形成した。ｎ形酸化亜鉛の比抵抗はホール効果測定法によれば約４×１０^-4Ω・ｃｍであり、電子濃度は約１×１０²⁰ｃｍ^-3であると見積もられた。層厚は約２００ｎｍとした。
【００２４】
窓層１０７上にＡｌ電極１０８を、また、ｐ形ＧａＡｓ基板１０１の裏面にｐ形オーミック電極１１０を形成してＬＥＤ１０を作製した。順方向に２０ｍＡの駆動電流を通流したところ、波長を約６１８ｎｍとする赤橙色の発光が酸化亜鉛窓層１０７の略全面を透過して出射された。また、発光スペクトルの半値幅（ＦＷＨＭ）は約１９ｎｍであり、単色性に優れる発光がもたらされた。順方向電流を２０ｍＡとした際の順方向電圧は２．０Ｖから２．２Ｖの２．１Ｖ±０．１Ｖの範囲内にあり、均一な順方向電圧が得られた。発光強度は約６０ｍｃｄに達した。
【００２５】
一般的なＳＩＭＳ分析に依る深さ方向のＺｎ原子濃度の分布分析から、ブラッグ反射層１０９側から発光層１０４へ拡散するＺｎの濃度は顕著に低減されていた。発光層１０４内のＺｎの原子濃度は約７×１０¹⁶原子／ｃｍ³であった。また、透過電子顕微鏡（略称：ＴＥＭ）を利用する断面ＴＥＭ法に依れば、中間層１１１の配置により、中間層１１１と下部クラッド層１０３、並びに下部クラッド層１０３と発光層１０４との接合界面は乱雑となっておらず、平坦性が維持されていた。
【００２６】
（実施例２）
ブラッグ反射層の最表層の構成以外は実施例１と同一として、図１に示す断面構造のＡｌＧａＩｎＰＬＥＤを構成した。本実施例では、中間層１１１を接合させるブラッグ反射層１０９の最表層１０９ｃをアルミニウム組成比を０．９０とするＺｎドープｐ形Ａｌ_0.90Ｇａ_0.10Ａｓ層から構成した。最表層１０９ｃの層厚は約４９ｎｍとした。
【００２７】
ＬＥＤからは波長を約６２０ｎｍとする橙色光が出射された。発光スペクトルの半値幅は約１８ｎｍであった。発光強度は約６０ｍｃｄであった。順方向電圧（＠２０ｍＡ）は、実施例１のＬＥＤに比較して更に低く、且つ均一化され、１．９３±０．０３Ｖの範囲にあった。
【００２８】
【発明の効果】
本発明によれば、発光部へ拡散するｐ形不純物が低減され、また発光部との接合界面の乱雑化を防止できるため、順方向電圧の均一性に優れ、かつ発光の単色性にも優れる高輝度のＡｌＧａＩｎＰ発光ダイオードが作製できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例１に記載のＬＥＤの断面模式図である。
【図２】中間層とブラッグ反射層の構成層との接合に係わるバンドの構成を示す模式図である。
【図３】中間層とブラッグ反射層の構成層との接合に係わる他のバンドの構成を示す模式図である。
【図４】従来のＡｌＧａＩｎＰＬＥＤの断面模式図である。
【符号の説明】
１０ＡｌＧａＩｎＰＬＥＤ
２０ＡｌＧａＩｎＰＬＥＤ
１０１ＧａＡｓ単結晶基板
１０２ＧａＡｓ緩衝層
１０３下部クラッド層
１０３ａ下部クラッド層とブラッグ反射層との接合界面
１０４発光層
１０５上部クラッド層
１０６コンタクト層
１０７窓層
１０８アルミニウム電極
１０９ブラッグ反射層
１０９ａ第１のブラッグ反射層構成層
１０９ｂ第２のブラッグ反射層構成層
１０９ｃブラッグ反射層の最表層
１１０ｐ形オーミック電極
１１１中間層
１１２ａ禁止帯幅
１１２ｂ禁止帯幅
１１３ａ伝導帯側のバンド不連続量
１１３ｂ価電子帯側のバンド不連続量

Claims

ｐ形ＧａＡｓ単結晶基板上に、それぞれ（Ａｌ_XＧａ_1-X）_YＩｎ_1-YＰ（０≦Ｘ≦１、０＜Ｙ＜１）で表される下部クラッド層及び発光層（各層間で混晶比Ｘ、Ｙが異なる場合を含む）を含み、ＧａＡｓ単結晶基板と下部クラッド層との間に、亜鉛がドーピングされた複数のｐ形Ａｌ_ZＧａ_1-ZＡｓ層（０＜Ｚ＜１）から構成されるブラッグ反射層（各構成層間で混晶比Ｚが異なる場合を含む）を有する発光ダイオードにおいて、ブラッグ反射層が、第１のｐ形Ａｌ _Z1 Ｇａ _1-Z1 Ａｓ層（０＜Ｚ１＜１）と第２のｐ形Ａｌ _Z2 Ｇａ _1-Z2 Ａｓ層（Ｚ１＜Ｚ２＜１）との周期構造から成り、下部クラッド層とブラッグ反射層の間にｐ形Ａｌ_LＧａ_1-LＡｓ（０＜Ｌ≦１）からなる中間層を含み、該中間層が第２のｐ形Ａｌ _Z2 Ｇａ _1-Z2 Ａｓ層と接しており、該中間層のＡｌ混晶比（Ｌ）がブラッグ反射層を構成する複数層の最大のＡｌ混晶比（Ｚ）よりも大きく、且つ、該中間層のｐ形不純物の原子濃度がブラッグ反射層を構成する層のｐ形不純物の原子濃度よりも小さいことを特徴とする発光ダイオード。
下部クラッド層及び発光層のＩｎの混晶比（１−Ｙ）が、０．５であることを特徴とする請求項１に記載の発光ダイオード。
中間層のアルミニウム組成比（Ｌ）が、０．９以上で１以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の発光ダイオード。
下部クラッド層が、ドーパントしてＭｇを用いたものである請求項１〜３のいずれかに記載の発光ダイオード。