JPH04355978A - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はＧａＡｌＡｓ系の発光ダ
イオードとその製造方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、赤色発光ダイオード（以下ＬＥＤ
と略す）は輝度の向上と共に、車のハイマウント・スト
ップランプ、屋外表示用など適用範囲が広がってきてお
り、またそのことが更に高輝度化の要求に拍車をかけて
いる。

【０００３】可視光の赤色・近赤外を発光領域とするＬ
ＥＤに用いられる素材の中では、発光ピーク波長６６０
ｎｍをもつＧａＡｌＡｓ系で最高の輝度を得ている。Ｇ
ａＡｌＡｓ系ＬＥＤには、図３に示すシングルヘテロ構
造（以下ＳＨ構造と略す）と、図４に示すダブルヘテロ
構造（以下ＤＨ構造と略す）の２つの構造が専ら用いら
れている。両図において、（Ａ）は構造図、（Ｂ）は無
バイアス時のバンド図、（Ｃ）は順方向バイアス時のバ
ンド図を示す。

【０００４】図３のＳＨ構造においては、ｎ構造の第２
層（ウィンドウ層）３３からｐ型の第１層（発光層）３
２に注入された電子１は、第１層３２の多数キャリアで
あるホール２と再結合し発光・混晶比の高い第２層３３
を通じてｈνの光３が外部に取り出される。

【０００５】図４のＤＨ構造においては、上記したＳＨ
構造の比較的膜厚の厚い第１層３２の基板３１側の大部
分が混晶比ｘの高いｐ型の第１層４４に置き換わってい
る。従って、ｎ型の第３層（ウィンドウ層）４３から注
入された電子１は、ｐ型の第１層（クラッド層）４４と
混晶比ｘの低いｐ型の第２層（活性層）４２との間にあ
る障壁４６のため第２層に閉じ込められて、基板４１側
の第１層４４に流れることができない。また第１層４４
から第２層４２に流れ込んだホール２も第２層４２と第
３層４３との間にある障壁４７のため第２層４２に留ま
り、そこで再結合が起こる。

【０００６】このように、ＳＨ構造では基板３１の近傍
まで流れ込んだ電子１が再結合して発光した光３は、ウ
インド層３３を通って外部に出てくるまでに膜厚の厚い
第１層（発光層）３２中で、再吸収されるという損失が
あった。これに対して、ＤＨ構造では障壁４６の存在に
より第１層４４に流れ込まないので、そのような損失を
排除できる。また、ＤＨ構造はキャリアを活性層内に濃
縮できるので、内部量子効率の点からも有利であり、よ
り高輝度変化させることが可能である。

【０００７】因みに、膜厚・キャリア濃度等が適正化さ
れ、ドーパントの偏析や結晶欠陥を低く抑えられたとし
た場合、発光波長６６０ｎｍで２０ｍＡの電流を流した
時、軸上光度でＳＨ構造のものは５００ｍｃｄ、ＤＨ構
造のものは５０００ｍｃｄまでの輝度を得ることが可能
であるといわれている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】ＳＨ構造のＬＥＤにお
いては図３（Ｃ）に示すように、キャリア（主に電子）
の閉じ込め効果が弱いので内部量子効率が上がらない。 また基板近くまで流れてきて発光した分は、ウィンドウ
層に達するまでに再吸収されて取り出せないなどの欠点
がある。このためキャリア濃度等の適正化・結晶の高品
質化を行なっても高輝度化には限界があり、高い輝度を
要求される屋外表示用などには適用できない。

【０００９】一方、ＤＨ構造のＬＥＤはＳＨ構造に比べ
各段の高輝度化が図れる。しかし、ウェハ構造上２層で
よいＳＨ構造に比べ、エピタキシャル層が一層分増えて
３層必要なため、既存の製造方法をそのまま踏襲した場
合には製造原価が高いものになる。

【００１０】通常、ＬＥＤの製造方法には、特に良質な
結晶性・厚いエピタキシャル層を要求されるため、液相
エピタキシャル成長法が用いられる。このエピタキシャ
ル成長法は、槽内の飽和融液を冷却して単結晶基板上に
エピタキシャル層を得るものである。液相エピタキシャ
ル成長法には、１枚の基板に１回で多層成長可能な枚葉
式と、多数枚の基板に１回で１層のみの成長が可能なバ
ッチ式との２種類あるが、枚葉式が専ら研究レベルで使
われるのに対して、バッチ式は量産レベルで使われる。 このようなバッチ式にあっては、エピタキシャル層一つ
に対して一つの独立したＧａ槽が必要となる。このため
、ＳＨ構造では２槽、ＤＨ構造では３槽のＧａ槽が必要
である。

【００１１】従って、ＤＨ構造はＳＨ構造に比べ１．５
倍の原料代とＧａ槽代が必要になる。また、成長は炉内
の限られた空間内で行なわれるため、Ｇａ槽が一つ増え
ればその分１回の成長で生産できるウェハ枚数が減って
しまうため、ＤＨ構造はさらに高価なものとなる。この
ようにＤＨ構造の素子の値段はＳＨ構造のものに比べ高
価なものになるので、特殊な用途向けに限定される傾向
にあり、一般向けにはあまり用いられていない。

【００１２】本発明の目的は、前記した従来技術の欠点
を解消し、ＳＨ構造と同等の製造コストでありながら、
ＤＨ構造と同等の発光輝度が得られるＬＥＤ及びその製
造方法を提供することにある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明のＬＥＤは、一の
伝導形のＧａＡｓ基板上に同一伝導形のＧａＡｌＡｓ層
を３層、その上に逆の伝導形のＧａＡｌＡｓ層を１層の
計４層をもつ。基板から第１層と第３層のＡｌＡｓ混晶
比は同一で、共に０．３〜０．４の範囲にある。第２層
と第４層のＡｌＡｓ混晶比は同一で、共に０．５〜０．
７の範囲にある。

【００１４】本発明のＬＥＤの製造方法は、成長させる
過飽和溶液を冷却して一の伝導形のＧａＡｓ基板上に、
基板と同一伝導形のＧａＡｌＡｓ層を３層、その上に逆
の伝導形のＧａＡｌＡｓ層を１層の計４層を順次液相エ
ピタキシャル成長させて発光ダイオードを製造する方法
に適用される。第１層と第３層を成長させるのに、基板
と同一の伝導形のドーパントとＡｌＧａＡｓとをＧａに
溶融させた同一の溶液を用いる。第２層の成長にはＡｌ
ＧａＡｓをＧａに溶融させたアンドーピングの溶液を用
いる。この第２層の成長に用いた溶液を共通使用するた
めに、第２層成長後に、このアンドーピング溶液に逆の
伝導形のドーパントを添加させて第４層を成長させる。

【００１５】最も好ましい態様としては、ｐ型ＧａＡｓ
基板上に３つのｐ型ＧａＡｌＡｓ層、さらにその上にｎ
型のＧａＡｌＡｓ層を形成する場合であり、その場合、
ｐ型ドーパントとしてＺｎ、ｎ型ドーパントとしてＴｅ
を使用する。

【００１６】

【作用】炉体内に独立したＧａ槽を２槽用意しておく。 第１の槽は第１層と第３層を共通に成長させるためのも
ので、第２の槽は第２層と第４層を共通に成長させるた
めのものである。

【００１７】第１の槽には、Ｇａおよび原料ＧａＡｌＡ
ｓ、基板と逆の伝導形のドーパントを入れておく。第２
の槽には、ドーパントは入れず、Ｇａおよび原料ＧａＡ
ｌＡｓのみとする。

【００１８】炉体を高温化させ、槽内のＧａ及び原料を
溶かして、第１の槽に混晶比の低いＧａＡｌＡｓを過飽
和に含んだＧａ溶液を、第２の槽に混晶比の高いＧａＡ
ｌＡｓを過飽和に含んだＧａ溶液を形成する。

【００１９】このように原料を溶融化した後、多数の基
板を第１の槽に入れ、炉体を冷却しながら基板と同一伝
導形で、低い混晶比をもつ第１層目を成長させる。第１
層目の成長後、今度は基板を第２の槽に移し換えて、ア
ンドープで高い混晶比をもつ第２層目を成長させる。そ
の後、第１の槽を兼用するために、第１の槽に基板を再
度戻して基板と同一伝導形で、低い混晶比をもつ活性層
となる第３層目を成長させる。

【００２０】そして、第２の槽を兼用するために、再度
第２の槽に移し換えて第４層目を成長させるが、その成
長に先立って、この第２の槽の中に、基板とは逆の伝導
形となるドーパントを注入する。注入後、逆の伝導形で
、高い混晶比をもつウィンドウ層となる第４層目の成長
を行う。

【００２１】ところで、第２層目はアンドープ成長であ
るから当初、真性半導体（ｉ型）のままである。しかし
ながら、アンドープ成長後の高温下で、第２層を挟む第
１層と第３層（基板と同一の伝導形のドーパントが添加
されている）からのドーパントの拡散を受ける。このた
め、第２層はアンドープであるにも関わらず基板と同一
の伝導形に変ることになる。

【００２２】ここで、第２層、第３層、第４層とでＬＥ
Ｄ構造が出来上がることから、第１層は不要であるかの
ように思われるかもしれないが、第３層からのみの拡散
では第２層を基板と同一伝導形に変化させるには十分で
はなく、従って第１層の存在は不可欠である。

【００２３】第１層と第３層は混晶比も伝導形も同じで
あるから、これらの層を成長させる第１の槽を共通に使
用できる。また、第２の槽のＧａ溶液に、第２層の成長
を終わってから基板と逆のドーパントを添加するように
したので、第２の槽も共通に使用できる。

【００２４】

【実施例】以下、本発明の実施例を図１及び図２を用い
て説明する。図１は本実施例のＬＥＤの構造及びバンド
図を示す。

【００２５】図１（Ａ）に示すように、ｐ型ＧａＡｓ基
板１１（混晶比ｘ＝０）上に、混晶比ｘ＝０．３〜０．
４のｐ型ＧａＡｌＡｓ層（第１層）１５、混晶比ｘ＝０
．５〜０．７のクラッド層となるｐ型ＧａＡｓ層（第２
層）１４が積層される。。その上に、さらに混晶比ｘ＝
０．３〜０．４の活性層となるｐ型ＧａＡｌＡｓ層１２
（第３層）、混晶比ｘ＝０．５〜０．７のウィンドウ層
となるｎ型ＧａＡｌＡｓ層（第４層）１３が積層されて
いる。

【００２６】従って、無バイアス時には、図１（Ｂ）に
示すように、基板１１と第１層１５との間に小さな接合
障壁１７が，第２層１４と第１層１５及び第３層１２と
の間に大きな障壁１８が，そして第３層と第４層との間
に大きなｐｎ接合障壁１９がそれぞれ形成されることに
なる。

【００２７】また、順方向バイアス時には、図１（Ｃ）
に示すように、ｎ型の第４層（ウィンドウ層）１３から
注入された電子１は、混晶比ｘの高いｐ型の第２層（ク
ラッド層）１４と混晶比ｘの低いｐ型の第３層（活性層
）１２との間にある障壁１６のため第２層に拡散できず
に第３層に閉じ込められる。また第１層１５および第２
層１４から第３層１２に流れ込んだホール２も、第３層
１２と第４層１３とで形成されるｐｎ接合障壁１７が残
り、基板側から流れてきたホール２がそこで堰き止めら
れるため第３層１２に留まり、そこで再結合が起こる。 再結合で発光した光３は大きく吸収されることなく、ウ
インド層１３を通って外部に出てくる。また、閉じ込め
効果によりキャリアを濃縮できるので、内部量子効率が
よく、より高輝度変化させることが可能となる。

【００２８】次に、図２を用いて本実施例によるＬＥＤ
の製造方法を説明する。エピタキシャル成長装置は必要
な成長温度を形成する炉体２０を有する。炉体２０内に
は、原料のＧａＡｓ・Ａｌ及びｎ型ドーパントであるＺ
ｎをＧａ溶液中に溶かし込んだ第１のＧａ槽２１と、原
料のＧａＡｓ・ＡｌをＧａ溶液中に溶かし込んである第
２のＧａ槽２２とが設けられる。第２のＧａ槽２２の開
口部にはｐ型ドーパントであるＴｅを槽２２内に注入す
るためのＴｅ注入器２５が備え付けられている。また、
第１のＧａ槽２１と第２のＧａ槽２２間を移動自在に操
作できるウェハキャリア２４が備えられ、ウェハキャリ
ア２４内には縦に複数枚セットされたウェハ２２が保持
されている。

【００２９】さて、炉内を１０００℃まで上げて溶液を
安定させた後、第１のＧａ槽２１にウェハキャリア２４
を浸漬させる。冷却速度１℃／ｍｉｎで第１層を成長す
る（図２（Ａ））。９００℃まで成長させた後、第２の
Ｇａ槽２２にキャリア２４を移す。この時点で冷却速度
は０．１℃／ｍｉｎ以内に落とし、第２層を０．５〜１
．０μｍ成長させる（図２（Ｂ））。その後、再度第１
のＧａ槽２１にウェハ２２を移し、第３層（活性層）を
成長させ、その間に第２のＧａ槽２２にＴｅ注入器２５
によりＴｅを注入する（図２（Ｃ））。第３層を約１μ
ｍ成長した後、第２のＧａ槽２２にキャリア２４を移し
第４層の成長を行う（図２（Ｄ））。この時点で再度冷
却速度を１℃／ｍｉｎに変更する。８５０℃まで成長を
行ないメルトオフして、炉を冷却後ウェハキャリア２４
を取り出す。

【００３０】このように成長を行なったものは、先に説
明した図１（Ａ）のような構造になる。既述したように
アンドープ成長した第２層１４は、その後の高温化で第
１層１５及び第３層１２の両側からＺｎの拡散を受けて
、５×１０１７ｃｍ−３程度のｐ型になる。このように
して得られた４層構造のウェハの裏面全面にｐ電極を、
表面に円形のＮ電極をそれぞれ設け、チップ化してＬＥ
Ｄを形成した。

【００３１】上記のようにして形成したＬＥＤの特性を
比較するために、従来のＳＨ構造、ＤＨ構造についても
エピタキシャル成長を行なってＬＥＤを形成し、グルー
ビング法で発光強度を比較した。０．６φの評価部に２
０ｍＡの順方向電流を流して発光させ、輝度を比較した
。その結果、ＳＨ構造の平均輝度を１としたとき、ＤＨ
構造のものは１．９７，本実施例の構造のものは１．９
５とＤＨ構造並の輝度をもつことが確認できた。

【００３２】以上述べたように本実施例によれば、ｐ型
ＧａＡｓ基板上に基板から順次ｐ型、ｐ型、ｐ型、ｎ型
の４つのＧａＡｌＡｓ層をもち、第１層と第３層のＡｌ
Ａｓ混晶比を同一とし、ウィンドウ効果をもたせ障壁を
形成するために第２層と第４層の混晶比を第１層、第３
層よりも大きくし、かつ同一とする。これにより、ｐ型
の第１層と第３層を成長させるのに同一の溶液を用い、
第２層と第４層を成長させるのにも基本的に同一溶液を
用いるようにして、特に後者の溶液に、ｐ型の第２層成
長の後にｎ型ドーパントを添加させてｎ型の第４層を成
長できるようにしたものである。従って、２槽のＧａ層
を用意するだけで、ＤＨ構造と等価の構造を実現でき、
チャージ枚数、使用原料はＳＨ構造の場合と全く同一で
あるので、製造原価の安価な高輝度特性のＬＥＤを得る
ことができる。その結果、高輝度特性をもちながら特殊
な用途向けに限定されることなく、広く一般用途に使う
ことが可能になる。

【００３３】なお、ｐ型またはｎ型のドーパントはＺｎ
またはＴｅに限定されるものではない。また、上記実施
例ではｐ型ＧａＡｓ基板を用いた場合について述べたが
、本発明はこれに限定されるものではなく、ｎ型ＧａＡ
ｓ基板についても同様に適用できる。さらに、実施例で
述べたバッチ式以外に、枚葉式のものにも適用できる。

【００３４】

【発明の効果】本発明によれば、高温化におけるドーパ
ントの拡散現象と、アンドーピング溶液に後からドーパ
ントを添加することにより原料を節約するようにしたの
で、４つのエピタキシャル層を得るのに２つの溶液槽で
済み、ＳＨ構造の製造条件と同じにすることができる。 従って製造コストはＳＨ構造と同等になり、また、本発
明の構造によるＬＥＤは閉じ込め効果があり、発光は狭
い領域に限られるため、ＤＨ構造並の高輝度を得ること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本実施例による構造の発光ダイオードの構造図
とバンド図。

【図２】本実施例の構造の発光ダイオードを生産する手
順を示す模式図。

【図３】従来例のＳＨ構造の発光ダイオードの構造図と
バンド図。

【図４】従来例のＤＨ構造の発光ダイオードの構造図と
バンド図。

【符号の説明】

１１　　ｐ型ＧａＡｓ基板 １２　　第３層（活性層） １３　　第４層（ウィンドウ層） １４　　第２層（クラッド層） １５　　第１層 １６　　障壁 １７　　障壁 ２０　　炉体 ２１　　第１のＧａ層 ２２　　第２のＧａ層 ２３　　ウェハ ２４　　ウェハキャリア ２５　　Ｔｅ注入器

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】一の伝導形のＧａＡｓ基板上に同一伝導形
   のＧａＡｌＡｓ層を３層、その上に逆の伝導形のＧａＡ
   ｌＡｓ層を１層もち、基板から第１層と第３層のＡｌＡ
   ｓ混晶比が同一で０．３〜０．４であり、第２層と第４
   層の混晶比が同一で０．５〜０．７であることを特徴と
   する発光ダイオード。
2. 【請求項２】過飽和溶液を冷却して一の伝導形のＧａＡ
   ｓ基板上に４つのＧａＡｌＡｓ層を順次液相エピタキシ
   ャル成長させて請求項１に記載の発光ダイオードを製造
   するに際して、第１層と第３層を成長させるのに、基板
   と同一の伝導形のドーパントとＡｌＧａＡｓとをＧａに
   溶融させた同一の溶液を用い、第２層の成長にはＡｌＧ
   ａＡｓをＧａに溶融させたアンドーピングの溶液を用い
   、第２層成長後に、このアンドーピング溶液に逆の伝導
   形のドーパントを添加して第４層を成長させるようにし
   たことを特徴とする発光ダイオードの製造方法。