JPH0389568A

JPH0389568A - 発光ダイオードおよびその製造方法

Info

Publication number: JPH0389568A
Application number: JP1225641A
Authority: JP
Inventors: Yoshihiro Kokubu; 国分　義弘; Masayuki Ishikawa; 正行石川
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1989-08-31
Filing date: 1989-08-31
Publication date: 1991-04-15
Anticipated expiration: 2015-12-11
Also published as: JP3117203B2

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Ｉｎ１−ｙ（Ｇａ、−、ＡＱｘ）ｙＰ系半導体
材料（０≦ｘ≦１．０≦ｙ≦１）を使用した可視光発光
ダイオードおよびその製造方法に関する。

（従来の技術）Ｉｒ＋、−ｙ（Ｇａｘ−ｘＡ！１ｃ）ｙ　Ｐ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、有機金属を用いた化学気相成長
法（以下１Ｍ０ＣＶＤ法と略記する）↓こよりＧａＡｓ
基板上にＩｎＧｊＡＱＰ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光半導体レーザが
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、ＧａＡｆ
ｌＡｓ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ＧａＡ
ｓＰのような間接遷移型を用いているため。

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、以上のように、　　ＩｎＧａ１ＱＰ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。

広い可視光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Ｉ
ｎＧａＡＲＰを成長させる必要があるが、抵抗率の小さ
いＩｎＧａ１ＱＰを得ることは容易でなく、特にＰ型層
にあっては極めて難しい、Ｐ型層の抵抗率を小さくする
ためには高濃度の不純物を添加する必要があるが、　　
ＩｎＧａＡｊｌＰ系材料にあっては高濃度にｐ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。更に、Ａ１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、ＩｎＧａＡ１１Ｐ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
ｌＯ〜２０ｄｌｖ−５と極めて小さいため、　１０”０
１ｍ””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
ＩｎＧａＡｆｆＰクラッド層、ＩｎＧａＡＱＰ活性層、
ｐ型ＩｎＧａＡＱＰ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＜＜。

活性層での発光再結合の大部分はｐ型層側電極の下で起
こるため、発光はｐ型層側電極の周辺部でしかａｍ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基板上にｐ型ＩｎＧａ１ＱＰクラッド
層、　ＩｎＧａ１ＱＰ活性層、ｎ型ＩｎＧａ１Ｐクラッ
ド層の順に積層した構造が考えられる。　　ＩｎＧａＡ
１１Ｐの電子の移動度はクラッド層に用いられる静組成
の大きい組成範囲では１００ｄ／ｖ−５前後とあまり高
くなく、注入電流の横方向への広がりをはかるにはｎ型
クラッド層の厚さを数１０μ璽以上に厚くする必要があ
る。しかし、ＩｎＧａ１ｌＰ材料の結晶成長法として適
しているＭＯＣＶＤ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熊ではないが、成長時間が極めて長
くなったり、Ｖ族原料ガスを極めて大量に流すことが必
要になるなど実現上の大きな障害がある。

（発明が解決しようとする課題）以上述べたようにＩｎ１−ｙ（Ｇａｔ−ｘＡＬｃ）ｙＰ
（０≦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１発光の取り出し効率が低いこと
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型クラッド層から
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Ｉｎｔ−ｙ（Ｇａｔ−ｘＡＱｘ）ｙＰ（０
≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１）からなるダブルヘテロ接合構造
部を含む発光ダイオードにおいて、９９９９９１層中に
あってｐ型側電極の直下部に該当する領域にｎ型の電流
阻止部を有することを特徴とするまた、前記電流阻止部は９９９９９１層中に挿入された
ｎ型層の電流限止部形成領域以外の部分に、９９９９９
１層中に含まれているｐ型不純物を選択的に拡散させ、
ｐ型に変換させることを特徴とするものである。

（作　用）以上説明したように、Ｉｎ５−ｙ　（Ｇａｔ−ＪＱｘ）
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１本発明者らの研究の結果、９９
９９９１層中にｎ型の電流阻止部を設けることにより前
記問題点を回避できること、また、電流阻止部は９９９
９９１層中に含まれるｐ型不純物の選択拡散で形成でき
ることがわかった。すなわち、この構造では９９９９９
１層中の電流の流れは電流阻止部がｎ型であることによ
るｐｎ接合電位障壁により周辺部方向に曲げられるため
、発光はｐ型側電極の外側に該当する領域で生じ、発光
の取り出し効率が向上する。さらに、ｐ型クラッド層中
に含まれるｐ型不純物の拡散はｐ型クラッド層上のキャ
ップ層の構造に依存することがわかった。すなわち、ｎ
型のＩｎＧａｌＬＱＰ層上に不純物としてＺｎを含んだ
ｐ型のＩｎＧａＡＩＩＰ屑を成長させ。

さらにその上にｎ型のＧａＡｔａキャップ層を成長させ
たのち、このＧａＡｓキャップ層の一部をエツチングに
より取り除いてｐ型ＩｎＧａＡＱＰ層の表面が館山して
いる部分と、　ＧａＡｓキャップ層によりおおわれてい
る部分を作り、アニールしたところ、ｎ型にａＡｓキャ
ップ層が付いている部分の下の　ｎ型ＩｎＧａＡＱＰ層
にはＺｎが拡散しｐ型に変換するが、ｎ型ＧａＡｓキャ
ップ１ｗを除去した部分の下のｎ型ＩｎＧａ１Ｐ層には
Ｚｎは拡散しておらずｎ型のままであった。また、この
Ｚｎの拡散はｐ型ＩｎＧａＡｆｌＰ層中に含まれるＺｎ
の濃度が高い程生じやすくなり、かつ、ｎ型ＩｎＧａ１
Ｐ層の１組成が大きい程拡散が起こりやすい、従って、
Ｐ型クラッドＩｎＧａＡｊ２Ｐ層中に挿入されたｎ型Ｉ
ｎＧａＡＪＩＰ層のＡ０組成をＩｎＧａＡＱＰ活性層の
Ａ４組成より大きくしておき、ｐ型クラッド層中のＺｎ
の濃度を適正化すれば、ｐ型クラッド層表面に形威しで
あるｎ型ＧａＡｓキャップ層の形状に対応した形のｎ型
ＩｎＧａＡｌ２Ｐ層をｐ型クラッド層中に埋め込むこと
ができる。また、キャップ層としてはｎ型ＧａＡｓ以外
でもｎ型ＧａＡ１１Ａｓやｎ型ＩｎＧａＡＱＰでも同様
の効果が認められる。

（実施例）第１図に本発明にかかる発光ダイオードの第１の実施例
の構造を断面図で示す、第１図に示すように、Ｓｉドー
プによりｎ濃度が３Ｘ１Ｇ”ｅｌｌ−’のｎ−ＧａＡｓ
基板ｌｌ上に、Ｓｉドープによりｎ濃度が２×１０”ｅ
ｌｌ−”、層厚０．５μ−のｎ−ＧａＡｓバッファ層１
２、Ｓｉドープによりｎ濃度が２ＸｆＯ”ｚ−”、層厚
２μ麿のｎ−Ｉｎｎ−５（Ｇａａ、＞Ａｆｌｏａｔ）。

、、１９９７１層１３、アンドープで層厚０．Ｓμｓの
Ｉｎ６，１（Ｇａｍ、５ｓＡＱａ、＊ｓ）ｏ、ｓＰ活性
層１４、Ｚｎドープによりｐ濃度が４　Ｘ　１Ｇ”　ａ
ｍ−”層厚ｌμ園のｐ−Ｉｎｎ　＋Ｓ　（Ｇａｏ、ａｉ
ｅ、ｔ）ｅ−ｓＰ第１クラッド層１５、Ｓｉドープによ
りｎ濃度が２Ｘ１Ｇ”ａｌｌ″″Ｊ層厚０，５．ｕｍの
ｎ−Ｉｎ１ｌ、ｓ　（Ｇａｓ　、、ＡＪ２゜、７）。１
．Ｐ電流阻止層１６、Ｚｎドープによりｐ濃度が７　Ｘ
　１０”　ｒｘ−”　、層厚１μｍのＰ−Ｉｎｓ、５（
Ｇａａ、ａＡＩ２ａ、ｔ）ａ、ｓＰ第２クラッド層１７
、Ｚｎドープによりｐ濃度がＩ　ＸＩＯ”ｅｌｌ−”、
層厚０，０５　ｐ　ｍのｐ−Ｉｎ、　、、Ｇａ、　＋＋
５’コンタクト層１８．からなる積層層によるダブルヘ
テロ接合構造部を備えている。また、上記ＧａＡｓ基板
１１の裏面側にｎ型側電極すなわちＡｕ−Ｇａ電極１９
ａ、上記コンタクト層１８上にｐ型側電極すなわちＡｕ
−Ｚｎ電極１９ｂが夫々設けられている。

次に、本発明の一実施例に係る発光ダイオードの製造方
法を第１図および第２図を参照して説明する。まず、Ｓ
ｉドープによりｎ濃度が３Ｘ１Ｇ”ｅｌｌ−”のｎ−Ｇ
ａＡｓ基板１１を用意し、この上面に減圧有機金属気相
成長法（以下、減圧ＭＯＣＶＤ法と略記する）によりＳ
Ｌをドープしｎ濃度が３　Ｘ　１０”　ｃｓ−３層厚０
．５μ−のｎ−ＧａＡｓバッファ層１２を形成したのち
、同様にＳｉをドープしてｎ濃度が３Ｘ１０”国−３層
厚２μ醜のｎ−Ｉｎ１）、５（Ｇａａ−ｉＡｊ２゜、ｔ
）ｏ、ｓＰクラッド層１３を、層中３、アンドープで層
厚０．５μｍのＩｎｏ、５ＣＧａｏ、ｓｓＡＩＩｍ、４
ｓ）。、、Ｐ活性層１４を、ついで。

Ｚｎドープによりｐ濃度が４Ｘ１０１７ａｍ−″ａ１層
厚１ｐｍのｐ−Ｉｎｅ、５（ＧａａｉｊＱａ、ｔ）。、
、Ｐ第１クラッド層１５を、ついで、　Ｓｉドープによ
りｎ濃度が２ＸｌＯ”ａｌ−’、層厚ｏ、ｓ　μｍのｎ
−Ｉｎｏ　、ｚ　（Ｇａ、　、’３Ａｆｌ＠　、ｔ　）
。、ｓＰ電流阻止Ｎ１６を、ついで、　Ｚｎドープによ
りｐ濃度が７　Ｘ　１０”　ａｉ−”、層厚１μ厘のＰ
−Ｉｎｏ、５（Ｇａｏ、ｓｌｏ、ｖ）。、、Ｐ第２クラ
ッドＮ１７を、ついで、　Ｚｎドープによりｐ濃度がｌ
Ｘｌ０”ｃｓ−’、層厚０．０５　ｐ　ｍ（７）ｐ−Ｉ
ｎ、　、、Ｇａ、　、、Ｐコンタクト層１８を順次成長
させ、これらの積層層によるダブルヘテロ接合構造部を
形成する。ついで、　Ｓｉドープによりｎ濃度が８Ｘ１
Ｇ”（１ｍ−’、層厚０．５μ鳳のｎ−ＧａＡｓキャッ
プ層２０を成長させる（第２図（ａ））、上記減圧ＭＯ
ＣＶＤ法による成長条件としては、基板温度７３０℃、
反応管内圧力２５　Ｔｏｒｒ、成長速度３μ−７時で行
なった。

次いで、第２１ｉ！（ｂ）に示す如＜　、　ｎ−ＧａＡ
ｓキ’ｒツブ層（２０）のうちｐ型側電極を付けるべき
部分をエツチングにより除去したのち、６５０’Ｃで３
０分間アニールする。このとき、Ｐ−”＠　ｍ　Ｓ　Ｇ
ａｓ　＠　Ｓ　’コンタクト層１８の露出表面からのＰ
の蒸発を防ぐためＰＨ。

雰囲気でアニールする。このアニールによってｎＩｎ５
．１（Ｇａｏ、３Ａｊｉｏ、ｔ）ｏ、ｘＰ電流阻止層１
６のうち、ｎ−ＧａＡｓキャップ層２０の下部に対応す
る部分１６ａがｐ型の導電型に変化した。

次いで、第２図（ｃ）に示す如＜　、　ｎ−ＧａＡｓキ
ャップ層２０をエツチングにより除去したのち、第２図
（ｄ）に示す如＜　、　ｎ−ＧａＡｓ基板１１の裏面全
面にＡｕ−Ｇｅ電極１９ａを、上記Ｐ−Ｉ　ｎｏ　ｅ　
ｓ　ＧａＯ、＠　Ｐコンタクト層上１８には、　Ａｕ−
Ｚｎ電極１９ｂを設け、　ｐ−Ｉｎｎ、、Ｇａ、、、Ｐ
キャン１層２０のＡｕ−Ｚｎ電極部１９ｂ以外の部分は
エツチングにより除去する。

上述の積層構造を有する０、３１Ｘ０．３−角の素子に
順方向に電圧を印加し電流を流したところ５５０■にビ
ーク波長を有する緑色発光が＾ｕ−Ｚｎ電極部を除いた
周辺部から観測された０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５
００鵬ｃｄ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。二の成果は、従来ＧａＰによる発光輝度
が２００　ｖｓｃｄを越えることができなかったのに比
べ、顕著なものである。

次に本発明にかかる第２の実施例の発光ダイオードの構
造を第３図に断面図で示す６第３図に示されるように、
前記第１の実施例の発光ダイオードの構造とは、″ＲＬ
流阻止層、コンタクト層およびＡｕ−Ｚｎ電極の形状の
み異なり、他は変わらないのでこの部分には図面に前記
第１の実施例におけると同じ符号を付けて示し、かつ説
明を省略する。

第３図に示すように、電流阻止層２６とこれに対向する
コンタクト層２８およびＡｕ−Ｚｎ電極２９ｂは、いず
れも周辺部に設けられている。

上記構造に形成するには、第２図（ｃ）に示したｎ−Ｇ
ａＡｓキャップ層２０を中央部に設けることで前記第１
の実施例におけると同じ製造方法で製造できる。

この第２の実施例の発光ダイオードの構造によれば１発
光領域における電流密度を、第１の実施例の発光ダイオ
ードのそれよりも高めることが容易となり、より高輝度
の発光ダイオードを実現できる。

なお１本発明は上述した実施例に限定されるものではな
い、実施例では電流阻止層の組成としてはＩｎ、１．（
Ｇａ、、３ＡＭ。−ｖ）ｓ、ｓＰを用いたが、活性層か
らの発光波長に対して透明であるのに十分なバンドギャ
ップをもっておれば良く、この組成に限るものではない
、実施例では活性層の組成としてはＩｎｓ、５（Ｇａａ
、５ｓＡｆｉａ、＊ｓ）＋＋、ｓＰを用いたが、Ａａ組
威を変化させることによって赤色から緑色域にわたる可
視光領域の発光を得ることができる。また、クラッド層
の組成は実施例ではＩｎｓ、５（Ｇａａ、ａＡｌｌｓ、
ｔ）ｓ、ｓＰ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、さらに、実施例ではキャップ層とし
てｎ型ＧａＡｓ用いたが、ｎ型ＧａＡ１２Ａｓあるいは
ｎ型ＩｎＧａ１Ｐを用いても同様の効果がある。また、
実施例ではｐ型クラッド層への添加不純物としてはＺｎ
を用いたが、　Ｍｇなとの他のｐ型不純物を用いても同
様の効果がある。その他１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、Ｉｎ□−γ（ａａ
ｔ−ｘＡｉｉｃ）ｙｐ系材料（０≦ｘ≦１．０Ｓｙ≦１
）を用いた発光ダイオードにおいて、ｐ型クラッド層中
の電流の広がりをはかるための電流阻止部が埋込み形成
されているので、電流床がりにより発光が電極に遮られ
ることなく取り出せ、高輝度の可視光発光ダイオードを
実現することが可能である顕著な利点がある。

また、本発明は上記電流阻止部の埋め込み形成が１回の
結晶成長で達成できる利点もあり１本発明は有用性の大
きいものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明にかがる１実施例の発光ダイオードの断
面図、第２図（ａ）〜（ｄ）は１実施例の発光ダイオー
ドの製造方法を工程順に示すいずれも断面図、第３図は
別の１実施例の発光ダイオードの断面図である。１ｌ−ｎ−ＧａＡｓ基板。１２・・・ｎ−ＧａＡｓバッファ層１３−ｎ−Ｉｎｎ　、ｓ　（Ｇａｓ−３ＡＩＩｎ　、ｔ
）ｏ−ｓＰクラッド層１４−・・アンドープＩｎ、　６
．　（Ｇａ、　、、ｆＡｆｔ。、ｓｓ）ｏ、ｉｐ活性層
１５”’Ｐ−Ｉｎｓ、５（Ｇａｏ＊ａＡＩ２ｏ、ｔ）。、５Ｐ第１クラッド層１６．２６−ｎ−Ｉｎ。、５（Ｇ
ａｏ、３ＡＱｏ、ｔ）ｏ、ｓＰ電流阻止Ｊｆ１１７”’
Ｐ（ｎｏ、５（Ｇａｏ、ｊＱｏ、ｔ）。、、Ｐ第２クラ
ッド層１８、２８−ｐ−Ｉｎ０．、Ｇａ、　、、Ｐコン
タクト層１９ａ−Ａｕ−Ｇｅｔ極、１９ｂ、２９ｂ−Ａｕ−Ｚｎ電極

Claims

【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＿−
＿ｘＡｌ＿ｘ）＿ｙＰ系（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）の
ダブルヘテロ接合部が積層されｎ型側電極とｐ型側電極
が形成された発光ダイオードにおいて、前記ｐ型側電極
直下の前記ｐ型クラッド層部に前記活性層よりもバンド
ギャップが広くかつ導電型がｎ型の電流阻止部を具備し
たことを特徴とする発光ダイオード。
（２）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＿−
＿ｘＡｌ＿ｘ）＿ｙＰ系（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）の
ダブルヘテロ接合部を積層し、ｐ型側電極形成予定域に
対向する部分の前記ｎ型クラッド層中に、ｎ型層を挿入
するように積層し、電流阻止部形成予定域を除く前記ｎ
型層部に前記ｐ型クラッド層中のｐ型不純物を選択的に
拡散させてｐ型に交換させる工程を含む発光ダイオード
の製造方法。