JPH06105796B2 - 発光ダイオードおよびその製造方法 - Google Patents

発光ダイオードおよびその製造方法

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JPH06105796B2 JP13835589A JP13835589A JPH06105796B2 JP H06105796 B2 JPH06105796 B2 JP H06105796B2 JP 13835589 A JP13835589 A JP 13835589A JP 13835589 A JP13835589 A JP 13835589A JP H06105796 B2 JPH06105796 B2 JP H06105796B2
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Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明は、混晶化合物半導体単結晶GaAs1−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エ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、この性質を利用し
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、例えば、特
公昭60−57214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GaAs1−xPx(0≦x≦1)の混晶比変化層が形成さ、
さらに、その上にGaAs1−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
タキシャルウエーハのエピタキシャルの厚さ(以下簡略
のためにエピ厚と称する)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、全エピ層については、
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(0≦x≦1)単結晶
ウエ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、GaAs1
−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20〜40μm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、GaAs1
−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
半導体ウエ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x0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+Ax0)+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20〜40
μmとするようにしたので、従来の約50〜100μm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エ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型の混晶比一定層の厚さ、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+A
x0)+C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、最適をエピタキシャルウエーハの製造
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(Buffer Laye
r)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GaP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層3が形成
されている。この混晶比変化層3は、一般式GaAs1−xPx
で表わされる。ここで、1−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〜.015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
1−xPx(x=一定)の第1の混晶比一定層4が形成され
ている。また、混晶比一定層4の上には、漸次にNH3
添加量を増大させたGaAs1−xPx(x=一定)からなる第
2の混晶比一定層5が形成され、また、その上には、一
定量のNH3を添加させたGaAs1−xPx(x=一定)からな
る第3の混晶比一定層6が形成されている。なお、混晶
比一定層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の混晶比一定層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の混晶比一定層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、上記混晶比一定層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40
μm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、混晶比一定層6を10μm以上とした理由は、10
μm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
aP層(Buffer Layer)2を形成する。次いで、エピタキ
シャル成長法によりGaAs1−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一定
層4を形成し、さらに、その上にNH3の添加量を増大さ
せながらGaAs1−xPxの混晶比一定層5をエピタキシャル
成長法により形成する。そして、NH3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の混晶比一定層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層6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40μm
以下、混晶比一定層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
エッチングによって、エピタキシャル層の厚さ及び混晶
比一定層6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(エピ層)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2L0は均一に分布して
いるとする。
(3)X点からエピ層の表面に向かう光L0と、エピ層内
に向かう光L0とに2等分して考える。
(4)光の吸収係数は、P層内ではεp、N層内ではε
nとする。
(5)エピ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(Lamb
ert)の法則に従う。
(7)エピ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] 1n(L−αL0exp(−εpx1) =1n(αγL0exp(−εpx1)+2εnx1−2εnx0 ここで、 −2εn=A 1n(αγL0exp(−εpx2)+2εnx2=B αL0exp(−εpx2)=C とおけば、 1n(L−C)=B+Ax0……(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、エピ層内での
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近似計算を行い検討した。
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、エピ層内での
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=0,B=4.5,A=−1.3×10-2、イエロ
ーでは、C=0.B=4.4,A=−8.3×10-3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60cm-1、イエローでは30cm-1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、実際のエピ厚、光出力と近似式との関係を示す。
先ず、混晶率一定層6がGaAs0.35P0.65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、
エピ層と光出力(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ピ厚と光出力(相対
値)の関係を示している。
また、混晶率一定層6がGaAs0.15P0.85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、
エピ厚と光出力(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ピ厚と光出力(相対
値)の関係を示している。
この第3図及び第4図からエピ厚が薄い程光出力(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、エピ厚を40μm以下
としているので、エピ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、エピ厚を薄くするので、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ピ厚と
エピ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はウエーハ枚数、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
aAs基板を用いるものにも適用できる。
なお、上記実施例では、GaAs1−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−xPxについて説明したが、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] 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、GaAs1−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=ex
p(Ax0+B)+C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エーハの混晶比一定層及
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エーハ
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GaAs1−xPx(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図は本発明の原理を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の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。

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】化合物半導体単結晶基板の上に、GaAs1−x
    Px(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20〜40μmとするように
    したことを特徴とする発光ダイオード。
  2. 【請求項2】化合物半導体単結晶基板の上に、GaAs1−x
    Px(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
    体ウエ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x0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+Ax0)+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。
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