JPH04313282A - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は赤色の発光が得られる発
光ダイオード、特に高出力の赤色発光ダイオードに関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】ＧａＡｌＡｓを用いた赤色発光ダイオー
ドは、高輝度を得ることができることから、屋内表示用
だけでなく屋外表示用としても使用され、近年需要が急
激に伸びている。ＧａＡｌＡｓ系赤色発光ダイオードで
高輝度を達成できるのは、発光部となる活性層が直接遷
移型のバンド構造をもち、発光再結合定数が大きいこと
にある。また、特にヘテロ接合を利用した高効率化が図
れたことにある。ヘテロ接合を利用した構造には、シン
グルヘテロ構造と、ダブルヘテロ構造との２種類がある
。

【０００３】シングルヘテロ構造の発光ダイオードでは
、図６に示すように、層間の混晶プロファイルを階段状
にして活性層付近にヘテロ障壁をもたせ、ｎ型ＧａＡｌ
Ａｓ層２を高混晶のウィンドウ層とすることにより、ｐ
型ＧａＡｌＡｓ層３の活性層から発光した光を効率よく
取り出している。なお、１はｎ側電極、４はｐ型ＧａＡ
ｓ基板、５はｐ側電極である。

【０００４】また、図７に示すように、ダブルヘテロ構
造の発光ダイオードでは、混晶比の高いｎ型ＧａＡｌＡ
ｓ層（ウィンドウ層）２とｐ型ＧａＡｌＡｓ層（クラッ
ド層）６との間に、混晶比が低く厚さの薄いｐ型ＧａＡ
ｌＡｓ層（活性層）３をもち、層間の混晶プロファイル
を階段状にして活性層３付近に高いヘテロ障壁を作る。 これにより、キャリアである電子と正孔を薄い活性層３
内に閉じ込めて電子と正孔を効率よく再結合させ、高い
内部量子効率を得ている。

【０００５】ところで、発光ダイオードの発光効率は、
注入効率、内部量子効率及び光取り出し効率の積で与え
られる。つまり、電子と正孔を発光層となる活性層に効
率よく注入できること（注入効率）、注入したキャリア
が効率よく光に変換されること（内部量子効率）、発光
した光をチップの外へ効率よく取り出せること（光取り
出し効率）のいずれもが大きいと、高い発光効率が得ら
れる。

【０００６】従って、ダブルヘテロ構造とすることによ
り高い内部量子効率が得られるようになったことから、
更に高い発光効率を得るためには、光の取り出し効率を
高くしなければならない。

【０００７】従来、光取り出し効率を向上させた発光ダ
イオードとして、図８に示す裏面反射型発光ダイオード
がある。この発光ダイオードは、ｐ型ＧａＡｌＡｓ層を
厚く形成し、これをＧａＡｓ基板よりもエネルギギャッ
プの大きな（高混晶）のｐ型ＧａＡｌＡｓ基板７として
もつ。これにより裏面へ向かった光も基板７で吸収され
ることなく透過し、裏面で反射されて表側から取り出す
ことができるようにしたものである。なお、８はｐ側部
分電極である。この発光ダイオードが開発されたことに
より、２０００ｍｃｄから５０００ｍｃｄ級の超高輝度
発光ダイオードを生産できるようになった。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】上述したように裏面反
射型ダブルヘテロ構造によれば、高輝度の赤色光を得る
ことができるが、次のような種々の欠点があった。

【０００９】（１）高輝度とするために高混晶のＧａＡ
ｌＡｓ層を均一に成長させる必要があると共に、基板１
層分のエピタキシャル層数が増える。特に基板としての
強度をもたせるために、高混晶ＧａＡｌＡｓ層を厚く成
長させることが望ましいが厚く形成するのは難しく、ま
た１枚の成長時間が長くなると共に、１回に成長できる
ウェハの成長枚数が少なくなる。

【００１０】（２）エピタキシャルウェハに電極を形成
するプロセスでは、高混晶のＧａＡｌＡｓ層を厚くでき
ないことから、エピタキシャルウェハが薄く割れやすく
歩留りが低い。また、ウェハサイズが小さいことからウ
ェハプロセス原価が高くなってしまう。さらに、図８に
示すように、一方の電極が部分電極構造であることから
製作工程が増え、発光ダイオードの原価が高くなってし
まう。

【００１１】ところで、赤色発光ダイオードではないが
、高出力の得られる発光ダイオードとしては、従来Ｓｉ
ドープＧａＡｌＡｓ赤外発光ダイオードがある。この赤
外発光ダイオードでは、両性不純物であるＳｉをドープ
したＧａＡｌＡｓ層で１度にｐ型層とｎ型層を成長させ
ている。この発光ダイオードで可視光を得ようとすると
、活性層のエネルギギャップを大きくするためにｐｎ界
面のＡｌＡｓ混晶比を０．４５程度まで高くしなければ
ならない。しかし、ＡｌＡｓ混晶比０．４５では間接遷
移型のバンド構造となってしまうため、発光出力は著し
く低下してしまう（Ｈ．Ｋｒｅｓｓｅｌ，Ｆ．Ｚ．Ｈａ
ｗｒｙｌｏ，ａｎｄ　Ｎ．Ａｌｍｅｌｅｎ　Ｊ．Ａｐｐ
ｌ．Ｐｈｙｓ．　４０　ｐ２２４８（１９６９））　。 従って、この構造による高輝度の赤色発光ダイオードは
製作されていない。

【００１２】本発明の目的は、上述した従来技術の欠点
を解消して、高出力が得られ、製作が容易で安価な発光
ダイオードを提供することにある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明は、ＧａＡｓ基板
上にｐ型ＧａＡｌＡｓ層とｎ型ＧａＡｌＡｓ層の２層を
成長させてｐｎ接合を形成した後、ＧａＡｓ基板を除去
し、除去した側の面から赤色光を取り出す赤色発光ダイ
オードに適用される。

【００１４】ｐｎ界面近くの発光層領域でｐ型層とｎ型
層の両方が、光取出し面である表面側が高く裏面側が低
いＡｌＡｓ混晶比勾配を有する構造としたものである。

【００１５】または、ｐｎ界面近くの発光領域でｐ型層
とｎ型層の片方が、光取出し面である表面側が高く裏面
側が低いＡｌＡｓ混晶比勾配を有し、発光領域のＡｌＡ
ｓ混晶比が直接遷移領域にある構造としたものである。

【００１６】この場合において、ＧａＡｌＡｓ層のｐ型
とｎ型のドーパントはＳｉのような両性不純物を共通に
使用するのではなく、両者が異なることが好ましい。ま
た、発光ダイオードを耐高温性、耐高湿性とするために
、光取出し面（表面）の混晶比をできるだけ下げること
が好ましく、混晶比ゼロが最良である。

【００１７】

【作用】Ｓｉドープの赤外ＧａＡｌＡｓ発光ダイオード
では高出力が得られていることは既述した通りである。 この高出力の原因としては、両性不純物であるＳｉドー
プの効果とか、エネルギギャップを大きくしたウィンド
ウ層の効果などといわれているが、まだ解明されていな
い。この点、本発明者等は鋭意研究した結果、この赤外
発光ダイオードは、ＡｌＡｓ混晶比が表面側（光り取り
出し側）が高く、一定の傾きで裏面側が小さくなるよう
な勾配を持っていることから、高出力の原因は、Ｓｉド
ープやウィンドウ層の効果などではなく、どうも混晶比
勾配にあるらしいと推察した。

【００１８】本発明はこの推察に基づいてなされたもの
であり、赤外発光ダイオードの原理を赤色発光ダイオー
ドに適用したものである。すなわち、本発明の赤色発光
ダイオードはｐｎ界面近くのＡｌＡｓ混晶比プロファイ
ルが、光取り出し面である表面側が高く、裏面側が低く
なるような勾配をもっている。これによって発光出力が
大幅に向上したことから、上記推察は一応正しいと考え
られる。

【００１９】なぜ、発光出力が大幅に向上したかについ
て明確ではないが、ｐｎ界面で発した光は、表面に向か
うが一部がチップ外に放出され、残りは表面で反射され
る。表面で反射した光は活性層付近で再び吸収され電子
と正孔になる。このとき、ｐｎ界面で混晶比プロファイ
ルが傾いていると、また発光再結合して表面へ向かう光
となるフォトリサイクリング現象が働くと考えられる。

【００２０】また、発光領域のＡｌＡｓ混晶比が直接遷
移領域にあることから高い発光効率が得られたと考えら
れる。さらに、従来のシングルヘテロ構造及びダブルヘ
テロ構造発光ダイオードでは、活性層付近にヘテロ障壁
があり、それが非発光再結合中心の原因となりやすいが
、本発明の発光ダイオード構造では、ｐｎ界面でのヘテ
ロ障壁は小さいため、高い発光効率が得られる原因とな
っているものと考えられる。

【００２１】

【実施例】以下、本発明の実施例を図１〜図５を用いて
説明する。本実施例を説明するための赤色発光ダイオー
ド構造を図２に、エピタキシャルウェハ構造を図１にそ
れぞれ示す。

【００２２】図２に示すように本実施例の赤色発光ダイ
オードは、ｐ型ＧａＡｌＡｓ層１２とｎ型ＧａＡｌＡｓ
層１３との２層構造である。光り取り出し側（表面側）
となるｐ型ＧａＡｌＡｓ層１２の表面に円形のｐ側電極
１１が、裏面側となるｎ型ＧａＡｌＡｓ層１３の表面全
面にｎ側電極１４が設けられる。この赤色ダイオードは
、図１の混晶比プロファイルに示す通り、表面側が高く
一定の傾きで裏面側が小さくなるような直線的勾配をも
ち、ｐｎ界面も連続的に変化している。具体的には、ｐ
型ＧａＡｌＡｓ層１２は、ｐ側電極１１側のＡｌＡｓ混
晶比が０．５〜０．６位で最も高く、ｐｎ界面９に向か
って低くなって行き、ｐｎ界面９でＡｌＡｓ混晶比は０
．３５である。ｎ型ＧａＡｌＡｓ層１３は、ｐｎ界面９
でのＡｌＡｓ混晶比が０．３５で、ｎ型ＧａＡｌＡｓ層
１３の表面に向かってＡｌＡｓ混晶比が低くなり、ｎ型
ＧａＡｌＡｓ層１３の表面では、混晶比がほぼゼロとな
りＧａＡｓ基板１５と同じになっている。

【００２３】このような赤色発光ダイオードの製作方法
を図３を用いて説明する。本実施例の赤色発光ダイオー
ドを製作するためのエピタキシャルウェハを液相エピタ
キシャル法の一つであるスライドボート法を用いて製作
した。先ず、スライドボート２１の基板ホルダ２７に４
０×４０ｍｍサイズのＳｉドープのｐ型ＧａＡｓ基板２
２をセットする。２つの原料溶液溜２３、２４には、第
１層用に金属ガリウム、ＧａＡｓ多結晶、金属アルミニ
ウム、ｐ型ドーパントである金属Ｚｎをセットし、第２
層用に金属ガリウム、ＧａＡｓ多結晶、金属アルミニウ
ム、ｎ型ドーパントのＴｅをセットする。このスライド
ボート２１を石英反応管（図示せず）内へセットし、水
素ガスに置換後、９５０℃に昇温する。昇温後３時間た
ったらＧａＡｓ基板２２と第１層成長用溶液２６を接触
させ、冷却速度０．２℃／ｍｉｎで徐冷を開始する。炉
内温度が８７５℃になったら基板ホルダ２７をスライド
させ、基板２２を第２層成長用溶液２８の下まで移動さ
せる。７００℃になったら成長炉のヒータをオフして成
長を終了させることで、前述のＡｌＡｓ混晶比プロファ
イルをもったＧａＡｌＡｓのｐ型層とｎ型層を成長させ
る。

【００２４】このようにして成長させたエピタキシャル
ウェハが図１に示されている。このウェハのＧａＡｓ基
板１５を研磨により除去して、発光ダイオード用エピタ
キシャルウェハを製作する。そして、図２に示したよう
にｐ型ＧａＡｌＡｓ層１２側の表面に直径１５０μｍの
円形のオーミック電極１１を形成し、ｎ型ＧａＡｌＡｓ
層１３側の表面全面にオーミック電極１４を形成する。 これら電極１１、１４を形成したエピタキシャルウェハ
を円形電極１１が中心になるようなサイコロ状に切断す
る。更に切断した表面をエッチングで仕上げることによ
り発光ダイオードチップを製作する。

【００２５】この発光ダイオードに電流を流して発光光
度を測定したところ、順方向電流２０ｍＡで３０ｍｃｄ
の値が得られた。この値は樹脂モールドした場合の３０
００ｍｃｄに相当する。また発光ダイオードとしては裏
面反射型発光ダイオードに相当する明るさである。

【００２６】このような明るさが得られた理由は、既述
したフォトリサイクリング現象が働いているという理由
の他に、次のように考えることができる。発光領域のＡ
ｌＡｓ混晶比が０．３５で、直接遷移領域であることか
ら高い発光効率が得られたと考えられる。また、本実施
例の発光ダイオード構造では、ＡｌＡｓ混晶比が表面側
が高く一定の傾きで裏面側が小さくなるように直線的な
勾配をもっているため、非発光再結合中心の原因となり
やすいｐｎ界面でのヘテロ障壁がなく、格子不整合は成
長温度域でも、また動作温度でも無いと言える。このた
め特に高い発光効率が得られたものと考えられる。

【００２７】本実施例の赤色発光ダイオードは２層成長
構造であるため、ダブルヘテロ構造の発光ダイオードや
裏面反射型発光ダイオードに比べ、成長溶液が２層分で
済み、従って原料費が安くなるとともに、成長枚数を多
くすることができる。

【００２８】また、高輝度赤色発光ダイオードは屋外で
使用されることが多く信頼性が重要となる。ダブルヘテ
ロ構造発光ダイオードはヘテロ障壁を形成するため、Ａ
ｌＡｓ混晶比を高くしているが、高温高湿に耐えるには
表面混晶比の低いことが要求される。この点で、本実施
例の発光ダイオードは表面混晶比が高だか０．５〜０．
６程度であり、また裏面に向かって低くなって行くだけ
であり、高い耐久性を得ることができる。また、ｐｎ界
面での格子定数不整合が小さいため、通電劣化も少ない
。

【００２９】なお、上記実施例では、ｐｎ界面の混晶比
を連続的に変化させて、ｐｎ界面での格子定数が一致す
るような構造の発光ダイオードを製作した。しかし、ｐ
ｎ界面でＡｌＡｓ混晶比が一致していなくても、低い混
晶比層の方の混晶比プロファイルが、表面側が高くかつ
裏面側に向かって低くなるような混晶比プロファイルを
有していれば同様な効果が期待できる。図４、図５にそ
の例を示す。図４に示すプロファイルはｐｎ界面におい
て表面側の層の混晶比が裏面側の層の混晶比よりも小さ
い場合を、図５に示すプロファイルは、その逆で、表面
側の層の混晶比が裏面側の層の混晶比よりも大きい場合
を示す。

【００３０】また、本実施例ではｐ型ＧａＡｓ基板上に
ｐ型層を成長させ、それからｎ型層を成長させたエピタ
キシャルウェハを使用した。しかし逆にｎ型ＧａＡｓ基
板上にｎ型層を成長させてからｐ型層を成長させ、ｎ型
層側から光を取り出す発光ダイオードとすることも可能
である。

【００３１】

【発明の効果】本発明の発光ダイオードは２層成長構造
でありながら高出力の赤色光が得られるため、ダブルヘ
テロ構造の発光ダイオードや裏面反射型発光ダイオード
に比べ容易かつ安価に製造できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本実施例の発光ダイオードを製作するためのエ
ピタキシャルウェハの断面図。

【図２】本実施例の発光ダイオード構造の断面図。

【図３】本実施例の発光ダイオード用ウェハを形成する
スライドボートの概略構成図。

【図４】本発明の他の実施例を示す混晶比特性図。

【図５】本発明の他の別な実施例を示す混晶比特性図。

【図６】従来例のシングルヘテロ構造発光ダイオードの
断面図。

【図７】従来例のダブルヘテロ構造発光ダイオードの断
面図。

【図８】従来例の裏面反射型ダブルヘテロ構造発光ダイ
オードの断面図。

【符号の説明】

９　　ｐｎ界面 １１　　ｐ側電極 １２　　ｐ型ＧａＡｌＡｓ層 １３　　ｎ型ＧａＡｌＡｓ層 １４　　ｎ側電極 １５　　ＧａＡｓ基板

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ＧａＡｓ基板上にｐ型とｎ型のＧａＡｌＡ
   ｓ層の２層を成長させてｐｎ接合を形成した後、ＧａＡ
   ｓ基板を除去し、除去した側の面から赤色光を取り出す
   発光ダイオードにおいて、ｐｎ界面近くの発光領域でｐ
   型層とｎ型層の両方又は片方が、光取出し面である表面
   側が高く裏面側が低いＡｌＡｓ混晶比勾配を有し、発光
   領域のＡｌＡｓ混晶比が直接遷移領域にあることを特徴
   とする発光ダイオード。
2. 【請求項２】上記ｐ型層とｎ型層を形成するドーパント
   が異なることを特徴とする請求項１に記載の発光ダイオ
   ード。