JPH02257677A - 半導体発光ダイオード - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明はＩ　ｎ　１−　ｙ　（Ｇａ　□−ｘ　Ａ　Ｑ　
ｘ　）　ｙ　Ｐ系半導体材料（０≦ｘ≦１、Ｏ≦ｙ≦１
）を使用した可視光半導体発光ダイオードに関する。

（従来の技術） Ｉｎ１−ｙ　（Ｇａ１−ｘｌｘ）ｙＰ混晶（０≦ｘ≦１
、Ｏ≦ｙ≦１）はＧａＡｓに格子整合するｍ−ｖ族化合
物半導体の中で直接遷移バンドギャップが最も大きいこ
とから可視光領域の発光素子用材料として注目されてい
る。

そして最近、有機金屑を用いた化学気相成長法（以下、
ＭＯＣＶＤ法と略記する）によりＧａＡｓ基板上にＩｎ
ＧａＡＱＰ結晶層を形成することが可能となっており、
この技術を利用した可視半導体レーザが報告されている
。

可視光領域の発光ダイオードは赤色領域ではＧａ１ＱＡ
ｓ系材料を利用することにより高輝度の素子が実現され
ているが、それより短波長領域ではＧａＰやＧａＡｓＰ
のような間接遷移型の材料を用いているため赤色領域の
ものに匹敵するような高輝度のものが実現されていない
。

ところで、前述したようにＩｎＧａ１Ｐ系材料は緑色領
域まで直接遷移型のバンド構造を有するため、広い可視
ル領域にわたって高輝度の発光ダイオードを実現できる
可能性をもっている。しかし、これを実現する上で素子
の直列抵抗を小さくするため抵抗率の小さいＩｎＧａＡ
ＱＰを成長させる必要があるが、抵抗率の小さいＩｎＧ
ａＡＱＰを得ることは容易でなく、特にｐ型層にあって
は極めてｆｆ［［ｌ　Ｌい。ｐ型層の抵抗率を小さくす
るために目高；！良度の不純物を添加する必要があるが
、ＩｎＧａ１Ｐ系材料にあっては高濃度にｎ型不純物を
添加していくと、添加不純物の一部しか電気的に活性化
しない、すなわち活性化率の低下が起こり、キャリア濃
度の飽和が生じる。また、活性化率の低下に伴って発光
に悪影響を及ぼす欠陥が生成され１発光効率が低下して
しまい高輝度の発光素子を実現する上で大きな障害とな
る。更に、ＡＱ組成が大きくなると、添加不純物の取り
込まれ率が低下するため、添加できる不純物濃度にも限
界がある。また、ＩｎＧａＡＱＰのキャリアの移動度は
比較的小さく、特に正孔の移動度は１０〜２０　ｃｒｌ
　／　Ｖ−ｓど極めて小さいため、　１０”ｃｍ−’程
度のドーピングでも抵抗率はあまり低くすることはでき
ない。このためｎ型ＧａＡｓ基板上にｎ型ＩｎＧａＡＱ
Ｐクラッド層、ＩｎＧａＡＱＰ活性層、ｐ型丁ｎＧａＡ
ＱＰクラッド層の順に積層した構造では、電極から注入
された正孔が横方向に広がりにくく、活性層での発光再
結合の大部分はｐ層側電極の下で起こるため、発光はｐ
層側電極の周辺部でしか観測されず発光の取り出し効率
が極めて悪くなる。一方、ｎ型のドーパントは高濃度ド
ーピングが比較的容易であるので、ｐ型ＧａＡＳ基板−
１にｐ型丁ｎＧａ１ＱＰクラッド層、ＩｎＧａＡＱＰ活
性層、ｎ型ＩｎＧａＡＱＰクラッド層の順に積層した構
造が考えられる。ＩｎＧａＡＱＰの電子の移動度はクラ
ッド層に用いられるＡＱ組成の大きい組成範囲では１０
０　ｃＪ　／　Ｖ−８前後とあまり高くなく、注入電流
の横方向への広がりを図るにはｎクラッド層の厚さを数
十μｍ以上と厚くする必要がある。しかし、ＩｎＧａＡ
ＱＰ材料の結晶成長法として適しているＭＣＩｃＶＤ法
でこの程度の厚い膜を成長させることは原理的に不可能
ではないが、成長時間が極めて長くなったり、■族原料
ガスを極めて大量に流すことが必要になるなど現実的で
はない。

（発明が解決しようとする課題） 以上述べたように■ｎ１−ｙｃｃａｔ−ＸＡＱ、）Ｙｐ
（ｏ≦ｘ≦１．０≦ｙ≦１）の半導体材料を用いた発光
ダイオードにおいては、発光の取り出し効率が低いこと
や、低抵抗化のための高濃度ドーピングが難しいなど、
高輝度の素子を実現することは容易でない。

本発明は上記事情を考慮してなされたもので、ダブルヘ
テロ構造の積層及びｎ型添加不純物の添加の方法に工夫
を加えることにより、高輝度の可視光発光ダイオードを
提供することを目的とする。

〔発明の構成〕

（課題を解決するための手段） この発明にかかる半導体発光ダイオードは、ＧａＡｓ基
板上に形成されたｎ型クラッド層、活性層。

ｐ型りラッド層からなり、かつ前記ＧａＡｓ基板上に略
格子整合するように形成されたＴｎニーｙ　（Ｇａ１−
ｘＡＩ２ｘ）ｙＰ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１）からなる
ダブルヘテロ接合構造部を含む半導体発光ダイオードに
おいて、活性層の導電型がＧａＡｓ基板の導電型と異な
ることを特徴とする。また、前記半導体発光ダイオード
の活性層がｎ型である場合には活性層のアクセプタ不純
物としてＺｎを用い、ｐ型りラッド層のアクセプタ不純
物としてＭｇを用いることを特徴とする。さらに、前記
活性層中のＺｎの１度は、Ｚｎの電気的活性化率がほぼ
１００％である範囲に設定されていることを特徴とする
ものである。

（作　用） 以上説明してきたように、Ｉｎ、　−ｙ　（Ｇａ、−ｘ
ｉｘ）ｙＰ（０≦ｘ≦１．０≦ｙ≦１）の発光ダイオー
ドにおいては発光が表面電極の周辺部に限られるという
問題点があった。しかし、本発明者らの研究の結果、活
性層の導電型をＧａＡｓ基板の導電型と異なるようにす
ることにより、前記の問題点を回避できることがわかっ
た。すなわち、この構造では活性層への少数キャリアの
注入がＧａＡｓ基板に接しているクラッドＪａ側から行
われるため、発光は活性層とＧａＡｓ基板に接している
クラッド層との界面近傍で生じる。従ってＧａＡｓ基板
の裏面の全面に電極を付けておけば前記界面のほぼ全面
で発光が生ずることになる。また１ｐ型の活性層を用い
る場合には用いる添加不純物の種類の選択に注意を要す
る。

Ｉｒ＋、−ｙ（Ｇａ、−、ＡＱ、）ｙＰ　（ｏ≦ｘ≦１
、Ｏ≦ｙ≦１）においては、ｎ型不純物としてＭ＆とＺ
ｎが挙げられる。Ｍ［ドーピングにより１０１１１．−
４を越えるキャリア濃度がＡＱ組成によらず比較的容易
に得られるが、　Ｍｇの電気的活性率は２０％程度と極
めて小さく、活性層にＭｇを添加すると発光効率が低下
してしまう。一方Ｚｎドーピングでは、第２図に示すよ
うにＺｎ濃度が低い領域では電気的活性率は１００％で
あるが、高Ｚｎ濃度領域では電気活性率は低下していく
。ＡＱ組成が大きくなるにつれて活性化率が低下しはじ
めるＺｒＢＪｊ度は低くなる。このため、Ｚｎドーピン
グによって高キャリア濃度を得ることは蒼しい。

さらに、第３図に示すように、電気的活性化率が低下し
はじめるＺ＋Ｊ１度を越えると発光効率が急激に低下す
ることがフォトルミネッセンス評価から明らかになった
。以上のようなＭｇとＺｎの特徴を考慮して、発光特性
が重視される活性層における添加不純物にはＺｎを用い
かつその濃度は電気的活性率が低下しはじめる濃度以下
に設定し、低抵抗化が重視されるｐ型クラッド層には添
加不純物としてＭｇを用いると良いことがわかった。

（実施例） 以下、本発明の詳細を図示の実施例によって説明する。

第１図に本発明の一実施例にかかるｎ型の活性層を用い
る発光ダイオードの概略構造を断面図で示す。図中、１
はｎ−ＧａＡｓ基板（Ｓｉドープ；３Ｘ１０”（７）−
３）であり、この基板１」二には層厚０．５μｍのｎ−
ＧａＡｓバッファ　［２（Ｓｉドープ：　２　Ｘ　１０
１ｇａｎ−’　）、層厚２μｍのｎ−Ｉｎ、　、、ＡＱ
ｏ、、Ｐクラッド層３　（Ｓｉドープ：２×１０”ｆｆ
１−’）、層厚０．５μｍのＰ−Ｉｎｏ、５（Ｇａｏ、
５ｓＡＱｏ、＋ｓ）。、ｐ活性／１４（Ｚｎドープ：　
５　Ｘ　１０”　ｃｍ−’）、層厚２μｍのｐ−Ｉｎ０
０．ＡＱｏ、ｓＰクラッド層５　（Ｍｇドープ：　Ｉ　
ＸｌＯ１９■−３）、層厚０．０５μｍのｐ−Ｉｎ。、
５Ｇａｏ、ｓＰキャップ層６　（Ｍｇドープ：　ｌＸｌ
０１ｓｃｎ−３）、　Ｎ厚０．０５μｍのｐ−ＧａＡｓ
キャップ層７　（Ｍｇドープ：　５Ｘ１０１８ｃｍ−３
）が順次積層形成されている。そしてｒｒＧａＡｓ基板
の裏面には全面にわたってＡｕ−Ｇ４極８が付けてあり
、ｐ−ＧａＡｓキャづブ層上にはＡｕ−Ｚｎ電極９が付
けである。

上述の第１図に示すような構造は、電極を除いて減圧型
ＭＯＣＶＤ法により成長したものである。成長条件とし
ては、基板温度７３０℃、反応管内圧力２５Ｔｏｒｒ、
成長速度３μｍ／ｈである。この方法で】−一・７まで
の各層を成長したのち、ｎ−ＧａＡｓ基板の裏面全面に
Ａｕ−Ｇｅ電極を、ｐ−ＧａＡｓキャップ層とにはＡｕ
−Ｚｎｆｆ１極を付け、　ｐ−ＧａＡｓキャップ層およ
びｐ−丁ｎ。、、Ｇａ、、Ｐキャップ層のＡｕ−Ｚｎ電
極部以外の部分はエツチングにより除去している。

上述の積層構造を有する０、３ｎｙｎＸ０．３ｍｍ角の
素子に順方向に電圧を印加し電流を流したところ、５５
０ｎｍにピーク波長を有する緑色発光がＡｕ−Ｚｎ電極
部を除いた素子全域から観測された。次に、この素子を
エポキシ樹脂でモールドした素子を作製し、輝度を測定
したところ５００ｍｃｄをこえる高輝度の緑色発光ダイ
オードを得ることができた。次に、素子構造は上述と同
様にし、活性層のＺｎのドーピング濃度を変化させた素
子を作製し輝度を測定したところ、Ｚｎの濃度が電気的
活性率が低下しはじめる２Ｘ１０１７（７）−３をこえ
ると急激に輝度が低下することがわかった。また、活性
層の添加不純物としてＺｎの代りにＭｇを用いて同様の
実験を行ったところ、輝度はＺｎを用いた場合の１１５
程度しか得られなかった。

本発明にかかる発光ダイオードの発光強度は第４図に示
すように１通電電流と発光強度との相関を従来品（タイ
プ■）と比較し、本発明（タイプ■）は顕著にすぐれた
発光強度が得られるものである。

なお、本発明は上述した実施例に限定されるものではな
い。実施例では、ｐ−Ｉｎ。、Ｇａｏ、、［’キャップ
層及びρ−ＧａＡｓキャップ層の添加不純物としてＭｇ
を用いたがＺｎを用いても良い。またｐ型の活性層を用
いたが、ｎ型の活性層を用いる場合にはｐ型のＧａＡｓ
基板を用い、この上にｎ型クラッド層ｎ型活性層、ｎ型
クラッド層の順に積層すれば良い。実施例では活性層の
組成としては丁ｎ。＋Ｓ　（Ｇａ、　、５ＳＡＱＯ，４
ｓ）ｏ　、、ｐを用いたが、ＡＱ組成を変化させること
によって赤色から緑色域にわたる可視光領域助発光を得
ることができる。さらに、クラッド層の組成は実施例で
はＩｎ、ｌｌ、ＳＡ（！、、Ｐを用いたが、キャリアの
閉じ込めに十分な活性層とのバンドギャップ差があれば
良く、この組成に限るものではない。その他、本発明の
要旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することがで
きる。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明によれば Ｉｎｋ、　−ｙ　（Ｇａｔ−ｘＡＲｘ）ｙＰ　（ｏ≦ｘ
≦１．０≦ｙ≦１）材料を用いた発光ダイオードにおい
て、活性層の導電型及びｐ型添加不純物の種類を規定す
ることにより、第４図に従来の発光ダイオードの発光強
度と比較して顕著に高輝度の可視光発光ダイオードを実
現することが可能となり１本発明の有用性は大きい。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例に係る半導体発光素子の概略
を示す断面図、第２図はＩｎｏ、ｓ　（Ｇａ□−ｘＡＩ
２ｘ）ｏ　、ｓＰにおけるＺｎ濃度と正孔濃度との関係
を示す特性図、第３図はＩｎａ　、ｓ　（Ｇａｏ、５Ａ
Ｑｏ　、４）１１１１ＳＰにおけるＺｎ濃度に対するＺ
ｎの電気的活性化率およびフォトルミネッセンス強度の
関係を示す特性図、第４図は発光強度を比較して示す図
である。 ］、　−一−−ｎ−ＧａＡｓ基板 ２−−−−　ｎ−ＧａＡｓバッファ層 ３　−−−−　ｎ−Ｉｎａ、ｓｕｎ、ｓＰクラッド層４
−−−−　Ｐ−Ｉｎｏ、５（Ｇａａ、５ｓＡｆｌｏ、４
ｓ）。、、Ｐ活性層９　：　　Ａｕ−７ｗ電１史 第 ８：Ａｕ−Ｇｅ’ｔネ士 図 第 図 ｐ−Ｉｎ。、、Ａｆｌ、　、５Ｐクラッド層ｐ−Ｉｎｏ
、、Ｇａｏ、、Ｐキャップ層ｐ−ＧａＡｓキャップ層 Ａｕ−Ｇｅ電極 Ａｕ−Ｚｎ電極

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. ＧａＡｓ基板上に、ｎ型クラッド層、活性層、ｐ型クラ
   ッド層からなるＩｎ＿１＿−＿ｙ（Ｇａ＿１＿−＿ｘＡ
   ｌ＿ｘ）＿ｙＰ系材（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）のダブ
   ルヘテロ接合部を積層してなる半導体発光素子において
   、前記活性層の導電型が基板の導電型と異なることを特
   徴とする半導体発光ダイオード。