JPH033275A - 発光ダイオードおよびその製造方法 - 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】 ［産業上の利用分野コ 本発明は、混晶化合物半導体単結晶Ｇ　ａ　Ａ　ｓ□−
ｘＰｘ’（０≦ｘ≦１）から構成される発光ダイオード
およびそのための始発材料としてのウェーハの製造方法
に関するものである。

［従来の技術］ 化合物半導体によってＰＮ接合を形成し、これに電気を
通じると発光することが知られており、その性質を利用
して、化合物半導体で発光ダイオードを構成することが
行なわれている。このような技術については１例えば、
持分ｎｊ７６０−５７２１４号公報に記載されている。

その概要を説明すれば、この発光ダイオードは、例えば
、ＧａＰ基板上にＧａＡｓ、−ｘＰｘ　（０≦ｘ≦１）
の混晶比変化層が形成され、さらに、その上にＧ　ａ　
Ａ　５−ｘＰｘ　（ｘ＝一定）の混晶比一定層が形成さ
れた構造となっている。なお、上記混晶比一定層内には
、例えばＺｎのドープによって形成されたＰ型不純物層
を含んでなる発光層が構成されている。

［発明が解決しようとする課題］ ところで、このような発光ダイオードに用いられるエピ
タキシャルウェーハのエピタキシャル層の厚さ（以下簡
略のためにエビ厚と称する）を設定するにあたっては混
晶比一定層の厚さのみが注目され、全エビ層については
、その混晶比変化層の厚さが結晶性を低下させないとい
う点が注目されるのみで、適宜選択されるのが従来技術
の現状であった。

しかしながら、本発明者は光出力の向上のために種々の
実験を行ったところ、光出力は基板上のエピタキシャル
層全体の厚さに大きく依存することを発見した。

本発明は、かかる新規な発見に基づいてなされたもので
、混晶化合物半導体ＧａＡｓ１−ｘＰｘ（Ｏ≦ｘ≦１）
単結晶ウェーハから製造される、従来技術で得られない
ような高出力の発光ダイオード及びその製造技術を提供
することを目的とする。

この発明のそのほかの目的と新規な特徴については、本
明細書の記述および添附図面から明らかになるであろう
。

［課題を解決するための手段］ 第１の発明は、化合物半導体単結晶基板の上に、ＧａＡ
ｓ１−ｘＰｘ　（０≦ｘ≦１）からなる混晶化合物半導
体エピタキシャル層を持ち、該エピタキシャル層の表層
領域にＰＮ接合を持つ発光層が形成された発光ダイオー
ドにおいて、上記エピタキシャル層全層厚を２０〜４０
μｍ以下とするようにしたものである。

第２の発明は、化合物半導体単結晶基板の上に、ＧａＡ
ｓ、−ｘＰｘ　（０≦ｘ≦１）からなる混晶化合物半導
体エピタキシャル層を形成し、該エピタキシャル層の表
層領域にＰＮ接合を持つ発光層を形成する発光ダイオー
ド用化合物半導体ウェーハの製造にあたり、発光出力を
Ｌ、上記エピタキシャル層厚をＸｏとしたとき、Ａ、Ｂ
、Ｃを実験から得られる一定値として、次式、 Ｌ＝ｅｘｐ（Ｂ＋Ａｘ、）　＋Ｃ によって、上記エピタキシャル層厚から光出力を推定し
て、必要な最大層厚を決定するようにしたものである。

［作用］ 本発明によれば、上記エピタキシャル層の厚さを２ｏ〜
４０μｍとするようにしたので、従来の約５０〜１００
μｍに比べて該エピタキシャル層内の光吸収量が低減す
ると同時に該エピタキシャルウェーハの製造のための時
間並びにコストの節約となる。

また、発光ダイオードの製造条件によっては、ＰＮ接合
両側のＰＮ型の混晶比一定暦の厚さ、あるいは混晶比変
化層の厚さが異なるので、該エピタキシャル層全厚と光
出力とを必要に応じて数回実験し、前記Ｌ＝ｅｘｐ（Ｂ
＋Ａｘ０）＋０式に表現される範囲を求めることによっ
て、到達可能の最高発光強度を得るための最小のエピタ
キシャル層全厚を求め、最適なエピタキシャルウェーハ
の製造仕様を決定する。

以上のようにすれば、従来技術で得られないような高出
力の発光ダイオードが得られることになる。

［実施例］ 以下、本発明に係る発光ダイオードの実施例を説明する
。

この実施例の発光ダイオードにおいては、ＧａＰ基板１
の直上にエピタキシャル層からなるＧａＰ層（Ｂｕｆｆ
ｅｒ　Ｌａｙｅｒ）　２が形成されている。このように
ＧａＰ基板１の直上にエピタキシャル層からなるＧａＰ
層２を形成するのは、後述の混晶比変化層３を直接Ｇａ
Ｐ基板１の上に積層した場合、結晶性が乱され゛るから
である。また、ＧａＰ層２の上には、エピタキシャル層
からなる混晶比変化、Ｉｉ！ｙ３が形成されている。こ
の混晶比変化層３は、一般式Ｇ　ａ　Ａ　ｓ　１−　ｘ
　Ｐ　ｘで表わされる。ここで、−Ｘの値は、発光色に
よって異なるが、例えば、イエローの場合には、０〜０
．１５まで漸次に変化するように調節されている。さら
に、上記混晶比変化層３の上には、エピタキシャル層か
らなるＧａＡｓ、−ｘＰｘ　（ｘ＝ニ一定）の第１の混
晶比−窓層４が形成されている。また、混晶比−窓層４
の上には、漸次にＮＨ，の添加量を増大させたＧａＡｓ
、−ｘＰｘ　（ｘ＝一定）からなる第２の混晶比−窓層
５が形成され、また、その上には、一定量のＮＨ，を添
加させたＧａＡｓ１−ｘＰｘ（ｘ＝一定）からなる第３
の混晶比−窓層６が形成されている。なお、混晶比−窓
層４，５．６において、Ｘの値は、例えば、発光色がイ
エローの場合、０．８５である。

そして、この第３の混晶比−窓層６内には、その表面か
らＺｎが添加され、その表層部にはＰ型不純物層が形成
されている。それによって、第３の混晶比−窓層６が発
光層として機能するように構成されている。

ところで、本実施例にあっては、上記混晶比−定１！１
６は、その発光層としての機能を損なわないように、そ
の厚さが１０μｍ以上となるように形成されている。ま
た、本実施例にあっては、エピタキシャル層全体の厚さ
は４０μｍ以下の値に設定されている。このエピタキシ
ャル層全体の厚さは、発光ダイオード自体の機能を損な
わないような値以上であって、かつできるだけ小さな値
に設定するのが好ましい。

ここで、混晶比−窓層６を１０μｍ以上とした理由は、
１０μｍ以上としないとＰＮ接合自体の形成が困難とな
り、発光機能自体が阻害される危険性があるからである
。また、エピタキシャル層全体の厚さを４０μｍ以下と
した理由は、エピタキシャル層内の光吸収量を小さくし
、十分な光出力が得られるようにするためである。

次に、このような発光ダイオードの製造方法について説
明する。

例えば、ＧａＰ基板１の上にエピタキシャル成長法によ
りＧ　ａ　Ｐ　／ｉｌ　（Ｂｕｆｆｅｒ　Ｌａｙｅｒ）
　２を形成する。次いで、エピタキシャル成長法により
ＧａＡｓ、−ｘＰｘの混晶比変化層３を形成する。その
後、エピタキシャル成長法により混晶比−窓層４を形成
し、さらに、その上にＮＨ，の添加量を増大させながら
ＧａＡｓ１−ｘＰｘの混晶比−窓層５をエピタキシャル
成長法により形成する。そして、ＮＨ，の添加量が所定
の値となったところで、今度は、ＮＨ３の添加量を一定
に保ったＧａＡｓ１−ｘＰｘの混晶比−窓層６をエピタ
キシャル成長法により形成する。そして、最後に、Ｐ型
不純物たるＺｎを表面より添加してＰ型不純物層を混晶
比一定１６の中に形成し、さらに電極を形成する。

なお、この際、エピタキシャル層の全体の厚さを４０μ
ｍ以下、混晶比−窓層６の厚さを１０〜２０μｍとなる
ように設定する。

一方、厚めにエピタキシャル層を形成しておいて、後に
エツチングによって、エピタキシャル層の厚さ及び混晶
比一定！ｒＩ６の厚さを調整するようにしても良い。

このようにして得られた発光ダイオードによれば、エピ
タキシャル層（エビ層）内の光吸収を低減できるので、
光出力の高い発光ダイオードが実現できる。

その原理を式を用いて説明すれば下記のとおりである。

なお、その際、その数式化を容易にするため、次のよう
な仮定を行った（第２図参照）。

第２図に示すように、 （１）ＰＮ接合面における１点（Ｘ）の発光のみを考え
る。

（２）ＰＮ接合面における発光強度２Ｌ、は均一に分布
しているとする。

（３）Ｘ点からエビ層の表面に向かう光Ｌ０と、エビ層
内に向かう光り。とに２等分して考える。

（４）光の吸収係数は、２層内ではεｐ、Ｎ層内ではε
ｎとする。

（５）エビ層内に向かう光は基板結晶の底面で反射し、
Ｘ点に戻る。このとき基板内において一定の割合（γ）
で光の強度は減少する。そして反射した光は、Ｘ点を通
過した後、Ｘ点から直接にＡ点に向かう光と合流する。

（６）エピタキシャル層内の光吸収はランベルト（Ｌａ
ｍｂｅｒｔ）の法則に従う。

（７）エビ層表面に到達した光は、その表面で一定量が
遮断、吸収（係数α）される。

［各経路における光の吸収、及び、取り出される光強度
の計算式１１式％） ） ｌ　ｎ　（Ｌ−Ｃ）　＝Ｂ＋Ａｘ、”・・（ａ）式、°
、Ｌ＝ｅｘｐ（Ｂ＋Ａｘ０）　＋ｃ・＋−（ｂ）式この
ような近似式が得られる。

この近似式が成立するか否か、ひいては、エビ層内での
光吸収が光出力に影響を与えるか否かを確認するため、
実際のデータを用いて類似計算を行い検討した。

表１ Ｅｎの計算においてβ＝１と仮定した。

その結果、誤差の二乗和の一番小さいところでの光吸収
率が実際の数値に近いことが確認された。

このことから上記近似式の成立が肯定されるとともに、
エビ層内での光吸収によって光出力が低減することが肯
定される。

オレンジでは、Ｃ＝Ｏ，Ｂ＝４．５．Ａ＝−１゜３Ｘ１
０−”、イエローでは、Ｃ＝Ｏ，Ｂ＝４．４゜Ａ＝−８
，３Ｘ１０−３の時、実験データがよく近似されること
がわかった。ここで求められる吸収係数（発光波長域全
域に対する吸収係数）として、オレンジでは６０　ｃｙ
ｓ−”、イエローでは３０　ｃｍ−’が得られた。この
値が示す傾向は、Ｇａｐ、ＧａＡＳの値と比較して矛盾
しないものである。

次に、実際のエビ厚、光出力と近似式との関係を示す。

先ず、混品率−窓層６がＧ　ａ　Ａ　８　ｏ、、ｓ　Ｐ
　０ｊＳ５からなるもの、つまり、オレンジの光を出す
発光ダイオードについて、エビＭと光出力（相対値）と
の関係を第３図に示す。ここで、実線は上記近似式で求
めたエビ厚と光出力（相対値）の関係を示している。

また、混晶率−電層６がＧ　ａ　Ａ　５ＱｊＬＳ　Ｐ　
１ｌｊｌｓからなるもの、つまり、イエローの光を出す
発光ダイオードについて、エビ厚と光出力（相対値）と
の関係を第４図に示す。ここで、実線は上記近似式で求
めたエビ厚と光出力（相対値）の関係を示している。

この第３図及び第４図からエビ厚が薄い程光出力（相対
値）が高くなることが判る。また、近似計算に基づいて
求めた光出力（相対値）は、第３図及び第４図に示すよ
うに実験結果に良くあっていることが判る。このことか
らも上記近似式が有効であることが確認される。

以上のように、本実施例によれば、エビ厚を４０μｍ以
下としているので、エビ層内の光吸収量の低減が図れ、
光出力の高い発光ダイオードが得られることになる。

また、本実施例によれば、エビ厚を薄くするので、その
分、製造ラインにおけるスループットの向上が図れるこ
とになる。ちなみに、オレンジの場合についてエビ厚と
エビ形成時間及び光出力（相対値）との関係を示せば表
３のようになる。

ここで、ｎはウェーハ枚数、σはバラツキを示す。

以上本発明者によってなされた発明を実施例に基づき具
体的に説明したが、本発明は上記実施例に限定されるも
のではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能
であることはいうまでもない。

例えば、上記実施例では、基板としてＧａＰを用いたが
、Ｇ　ａ　Ａ　ｓ基板を用いるものにも適用できる。

なお、上記実施例では、ＧａＡｓＬ−ｘＰｘからなる発
光ダイオードを例に説明したが、これに限定されるもの
ではなく、他の化合物半導体一般にも応用できる。

また、実施例では、ＧａＡｓ１−ｘ　　Ｐｘについて説
明したが１本発明は本混晶エピタキシャル成長に主とし
て用いられる気相成長法に限らず、液相成長法のエピタ
キシャル成長による発光ダイオードについても当然なが
ら適用可能である。

［発明の効果コ 本願において開示される発明のうち代表的なものによっ
て得られる効果を簡単に説明すれば下記のとおりである
。

即ち、ＧａＡｓ、−ｘＰｘ　（０≦ｘ≦１）からなるエ
ピタキシャル層を持ち、そのエピタキシャル層の表層に
ＰＮ接合を持つ発光層が形成された発光ダイオードにお
いて、Ｌ＝ｅｘρ（Ａｘ０＋Ｂ）＋０式より、希望する
光出力を出すための理論的な最大エピタキシャル層の値
を求め、混晶化合物半導体発光ダイオード用のウェーハ
の混晶比−電層及び変化層の厚さ及び変化層などの結晶
成長条件を適宜検討することによって、具体的なエピタ
キシャルウェーハの製造条件を合目的でかつ効率的に決
定することが可能となる。例えばＧａＡｓ、　Ｐｘ　（
但しｘ＝０．８５）の場合には、厚さ４０μｍ以下のエ
ピタキシャル層で十分な光出力が可能となった。

【図面の簡単な説明】

第１図は発光ダイオードを模式的に表した図、第２図は
本発明の詳細な説明するための模式図、第３図はオレン
ジの発光色を持つ発光ダイオードにおけるエピタキシャ
ル層の厚さと光出力（相対値）との関係を示すグラフ、 第４図はイエローの発光色を持つ発光ダイオードにおけ
るエピタキシャル層の厚さと光出力（相対値）との関係
を示すグラフである。 １・・・・基板、２，３，４，５．６・・・・エピタキ
シャル層。 第１図 第２　図 し 手続ネ甫正書（自発） 明細書 平成　１年１２月　７日

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、化合物半導体単結晶基板の上に、ＧａＡｓ＿１＿−
   ＿ｘＰ＿ｘ（０≦ｘ≦１）からなる混晶化合物半導体エ
   ピタキシャル層を持ち、該エピタキシャル層の表層領域
   にＰＮ接合を持つ発光層が形成された発光ダイオードに
   おいて、上記エピタキシャル層の全層厚を２０〜４０μ
   ｍとするようにしたことを特徴とする発光ダイオード。 ２、化合物半導体単結晶基板の上に、ＧａＡｓ＿１＿−
   ＿ｘＰ＿ｘ（０≦ｘ≦１）からなる混晶化合物半導体エ
   ピタキシャル層を形成し、該エピタキシャル層の表層領
   域にＰＮ接合を持つ発光層を形成する発光ダイオード用
   化合物半導体ウェーハの製造にあたり、発光出力をＬ、
   上記エピタキシャル層厚をｘ＿０としたとき、Ａ、Ｂ、
   Ｃを実験から得られる一定値として、次式、 Ｌ＝ｅｘｐ（Ｂ＋Ａｘ＿０）＋Ｃ によって、上記エピタキシャル層厚から光出力を推定し
   て、必要な最大層厚を決定するようにしたことを特徴と
   する発光ダイオードの製造方法。