JPH07118552B2 - 発光ダイオード用エピタキシャルウエハ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 【産業上の利用分野】

本発明は、発光ダイオードに使用されるエピタキシャル
ウエハの改良に関し、特に、GaAsを用いた発光ダイオー
ド用のエピタキシャルウエハに関する。

【従来の技術並びにその課題】

赤外発光ダイオード用のエピタキシャルウエハとして、
通常、第２図に示す構造を持った、SiドープGaAsエピタ
キシャルウエハが使用されている。この構造のエピタキ
シャルウエハは、Siが、GaAs中において両性不純物とし
て働くのを利用し、１回の液相成長によりｐ−ｎ接合が
形成されている。すなわち、Siドープ量、あるいは、液
相成長時の冷却速度によって決まる、ｐ−ｎ反転温度よ
り高温で成長された層はｎ型層になり、ｐ−ｎ反転温度
より低温で成長された層は、ｐ型層になる。 この構造のエピタキシャルウエハは、１回の成長によ
り、ｎ型層およびｐ型層が形成されるため、ｐ−ｎ接合
部の結晶性が良好になり、また成長用融液が１種類しか
必要としないため、製造コストが低いという利点を有し
ている。しかしその反面、光の取り出し面として通常用
いられる、ｐ型層表面、および、その近傍のSi不純物濃
度が非常に大きいため、そこでの光吸収が大きくなり、
発光出力が低下するという欠点を有している。 そこで、上記構造の欠点を補うため、第３図に示す構造
のエピタキシャルウエハが開発されている（特開昭59−
121830号公報）。すなわち、この構造のエピタキシャル
ウエハは、第２図のｐ型GaAs層上に、GaAsより禁制帯幅
の広い「GaAlAs層」を形成したものである。 この構造のエピタキシャルウエハの発光原理は、ｐ型Ga
Asエピタキシャル層で発光させ、ここから出た光を、ｐ
型GaAlAsエピタキシャル層に透過させて外部に放射させ
るものである。 この構造のエピタキシャルウエハを使用して製作された
発光ダイオードは、第２図に示す構造のものに比較する
と、発光出力を高くできる。しかしながら、第２図およ
び第３図に示すエピタキシャルウエハは、ｎ型GaAsエピ
タキシャル層と、Ｐ型GaAsエピタキシャル層の界面付近
のキャリア濃度が低く、導電率が下がるため、順方向電
圧を抑えるという点から改善すべき点が残されている。

【この発明の目的】

この発明のエピタキシャルウエハは、発光ダイオードに
組んだ時に、第３図に示す構造のエピタキシャルウエハ
に勝るとも劣らない優れた発光特性を有し、しかも、第
２図および第３図に示すエピタキシャルウエハを用いた
場合より、低い順方向電圧で駆動できるエピタキシャル
ウエハを提供することにある。

【従来の課題を解決する為の手段】

本発明に係るエピタキシャルウエハは、第３図に示す構
造のものを、極めて簡単な構成として改良したものであ
る。この発明のエピタキシャルウエハは、ｎ型GaAsエピ
タキシャル層の表面に、ｐ型GaAsエピタキシャル層を設
けることなく、直接ｐ型GaAlAsエピタキシャル層を設け
たものである。すなわち、第２図に示すエピタキシャル
ウエハのｐ型GaAsエピタキシャル層を、第３図に示すエ
ピタキシャルウエハのｐ型GaAsエピタキシャル層に変更
した独特の積層構造を備えている。この発明のエピタキ
シャルウエハは、シングルヘテロ構造をとる。 この構造のエピタキシャルウエハは、第２図と第３図と
に示すエピタキシャルウエハに類似する構造を備えてい
る。しかしながら、発光状態は、第２図および第３図に
示すエピタキシャルウエハと著しく異なっている。 すなわち、この発明のエピタキシャルウエハを用いた発
光ダイオードに順方向電圧を印加すると、ｐ型GaAlAs層
のホールはｎ型GaAs層へ注入されるが、ｎ型GaAs層の電
子はポテンシャル障壁によりさえぎられ、ｐ型GaAlAs層
へ注入されない。すなわち、この構造のエピタキシャル
ウエハは、Ｐ型GaAlAsエピタキシャル層でなく、ｎ型Ga
As層のみが発光層となる。 第１図に示すこの発明のエピタキシャルウエハは、基板
としてGaAs単結晶ウエハを用いている。基板上に、Siを
ドープしたｎ型GaAsエピタキシャル層を設けている。こ
の層の上に、直接ｐ型GaAlAsエピタキシャル層を設けて
いる。 ｐ型GaAlAsエピタキシャル層は、Ga_(1-x)Al_xAsの組成式
で示され、ｘの範囲が、０＜ｘ＜0.4に調整されてい
る。 各エピタキシャル層は、液相エピタキシャル法（徐冷
法）により形成できる。Siドープのｎ型GaAsエピタキシ
ャル層は、高温で成長する程、GAサイトに入るSiが、As
サイトに入るSiより多くなる。反対に、成長温度が下が
るに従って、Gaサイトに入るSiは減少し、Asサイトに入
るSiが増加する。そのため、ｎ型GaAsエピタキシャル層
は、成長温度が低い程キャリア濃度が減少して導伝率が
低下する。導伝率の低いｎ型GaAsエピタキシャル層を有
するエピタキシャルウエハは、これを発光ダイオードに
使用すると、順方向電圧が高くなる。このため、ｎ型Ga
Asエピタキシャル層は、ｐ−ｎ反転温度より充分に高い
温度で成長するのが望ましい。 ところで、この発明のエピタキシャルウエハは、従来の
エピタキシャルウエハと違って、ｎ型GaAsエピタキシャ
ル層のみが発光層である。このため、この発明のエピタ
キシャルウエハは、ｎ型GaAsエピタキシャル層に、発光
中心となるAsサイトに入ったSi（アクセプタ）が充分に
ないと、発光波長が、通常のSiドープGaAsエピタキシャ
ルウエハを用いた従来の発光ダイオードに比較して、短
波長にずれる。この問題は、ｎ型GaAsエピタキシャル層
の成長温度を、発光波長が実用上問題のない範囲に調整
するか、あるいは、Siのドープ量を、通常のSiドープGa
Asエピタキシャルウエハの場合よりも多少多くして、As
サイトに入るSiを増加させて補正できる。 ｐ型Ga_1-xAl_xAsエピタキシャル層に用いられるドーパン
トは、Si、Zn、Mg等アクセプタとなるドーパントなら何
でもよい。ただ、結晶中で拡散の起こりにくいSiを用い
るのが望ましい。だ、Siは両性不純物となるため、ｐ−
ｎ反転温度に近い温度で成長を行った場合、逆導電層、
および、低キャリア濃度層を生じ、発光ダイオードの
「電流−電圧特性」に異常を来すことがある。そのた
め、ｐ−ｎ反転温度より充分に低い温度で成長するのが
望ましい。 また、ｐ型Ga_1-xAl_xAsエピタキシャル層のAl混晶比ｘが
大きい程、GaAsに比べて禁制帯幅が大きくなり、ｎ型Ga
As層で得られた赤外光を効率良く外部へ放出できる。一
方、ｘが大きくなる程、キャリア移動度が低下し、また
電極付けをおこなった時のオーミック接触が悪くなるた
め、発光ダイオードに組んだ時の順方向電圧が高くな
る。 以上の両特性を考慮して、混結晶比ｘは０＜ｘ＜0.4の
範囲で選択される。 また、ｐ型GaAlAs層のキャリア濃度は、高い程導伝率が
上がり、オーミック接触も良くなるため、順方向電圧が
低くなる。しかしながら、不純物のドーピング量が多す
ぎると結晶性が低下し、発光出力が低下する傾向があ
る。

【作用効果】 この発明のエピタキシャルウエハは、発光ダイオードに
使用される。この構造の発光ダイオードに順方向に電圧
が印加されると、ｎ型GaAsエピタキシャル層が発光層と
なる。 この発明のエピタキシャルウエハは、第２図および第３
図に示す従来のエピタキシャルウエハに比較して、極め
て優れた発光特性を示す。すなわち、この発光のエピタ
キシャルウエハを発光ダイオードとした場合、第２図に
示す３層構造のエピタキシャルウエハに比較して、約30
〜50％も発光出力が改善されて飛躍的に発光特性を改良
できる。また、第３図に示す４層構造のエピタキシャル
ウエハに比較しても、発光出力を10％近く改善できる。 さらに、この発明のエピタキシャルウエハは、Siによる
ｐ−ｎ反射付近の低キャリア濃度層を持たないため、発
光ダイオードに組んだ時の順方向電圧を低くすることが
できる。このことは、低電圧の電池駆動に多用される発
光ダイオードにとって極めて大切な特性である。

【好ましい実施例】

第１図に示すこの発明にエピタキシャルウエハは、液相
エピタキシャル法（徐冷法）により形成できる。Siドー
プｎ型GaAsエピタキシャル層は、第２図に示す、従来の
SiドープGaAsエピタキシャルウエハの場合と同様にし
て、GaAs単結晶基板の上に作られる。ｎ型GaAsエピタキ
シャル層のSiドーピング量は、要求される発光波長によ
って決定される。 ｎ型GaAsエピタキシャル層の上に設けられる、ｐ型Ga
_(1-x)AlxAs層のキャリア濃度は、高い程導伝率が上が
り、また、オーミック接触も良くなるため、順方向電圧
が低くなる。しかしながら、Siのドーピング量が多すぎ
ると、結晶性が低下し、発光出力が低下する。 この層の成長温度はｐ−ｎ反転温度以下で行われる。ｐ
−ｎ反転温度に近い温度で成長を行った場合、逆導伝層
および低キャリア濃度層を生じ、発光ダイオードの電流
−電圧特性に異常をきたすことがある。そのため、ｐ−
ｎ反転温度より充分に低い温度で成長するのが望まし
い。 また、ｐ型Ga_(1-x)Al_xAsエピタキシャル層のAl混晶比ｘ
が大きい程、ｎ型GaAs層で得られた赤外光を効率よく外
部へ放出できる。ところが、ｘが大きくになる程、発光
ダイオードとして組んだ時の順方向電圧が高くなる。以
上のことを考慮して、混晶比ｘは、０＜ｘ＜0.4の範囲
に選択する。 次に、本発明の実施例のエピタキシャルウエハの製造工
程を説明する。 Ga融液槽を２つ持つ液相エピタキシャル成長用カー
ボンボートを用意する。カーボンボートの第１の槽に、
第１融液として、GaとGaAs多結晶と、Siとを仕込む。仕
込量は、Ga1g当りに、GaAs多結晶160mg、Si2.5mg相当分
とする。 カーボンボートの第２の槽に、第２融液として、GaとGa
As多結晶と、Alと、Siとを仕込む。仕込量は、Ga1g当
り、GaAs多結晶を40mg、Alを0.42mg、Siを4.0mgとす
る。 さらに、基板として、ｎ型GaAs基板を仕込んだ後、
カーボンホートを水素気流中で910℃まで加熱する。各
融液が充分に溶けた後、基板と第１融液を接触させる。
その後、降温レート0.5℃／分として、890℃まで温度を
下げて成長させて、基板と第１融液とを分解する。 次に温度を800℃まで降下させて、基板と第２融液
を接触させる。その後、降温レート0.5℃／分で750℃ま
で温度を下げた後、基板と第２融液を分離し、室温まで
冷却する。 以上の工程により、第１図に示すエピタキシャルウエハ
が得られた。 次に、このエピタキシャルウエハを使用して発光ダイオ
ードを試作した。発光ダイオードは、得られたエピタキ
シャルウエハのｐ型GaAlAs層表面と、基板側表面にオー
トミック電極を形成し、500μ×500μのペレットにし
て、ｐサイドアップで発光ダイオードとした。 得られた発光ダイオードの発光出力を積分球を用いて測
定した結果、上記の工程で得られたエピタキシャルウエ
ハは、第２図に示す、従来の３層構造のエピタキシャル
ウエハ使用発光ダイオードに比較して、発光出力が30〜
50％も改善され、また、第３図に示す従来の改良型エピ
タキシャルウエハ使用の発光ダイオードに比較しても、
約10％も発光出力が高くなった。 また、順方向電圧を、電流500mAのパルス駆動で測定し
たところ、第２図に示す構造のエピタキシャルウエハ使
用発光ダイオードに比較して、0.1V低くなった。 得られたエピタキシャルウエハ使用発光ダイオードの発
光波長は、第２図と第３図とに示すエピタキシャルウエ
ハ使用発光ダイオードと同様に、940nm±5nmであった。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明のエピタキシャルウエハを示す断面
図、第２図は従来の３層構造のエピタキシャルウエハを
示す断面図、第３図は従来の改良された４層構造のエピ
タキシャルウエハを示す断面図である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ｎ型ガリウムヒ素（GaAs）単結晶基板の上
   に、Siドープのｎ型GaAsエピタキシャル層が設けられ、
   このｎ型GaAsエピタキシャル層の上に、直接ｐ型GaAlAs
   エピタキシャル層が設けられたことを特徴とする発光ダ
   イオード用エピタキシャルウエハ。