JPH0964414A - 発光ダイオード素子 - Google Patents
発光ダイオード素子Info
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- JPH0964414A JPH0964414A JP22068495A JP22068495A JPH0964414A JP H0964414 A JPH0964414 A JP H0964414A JP 22068495 A JP22068495 A JP 22068495A JP 22068495 A JP22068495 A JP 22068495A JP H0964414 A JPH0964414 A JP H0964414A
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Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L33/00—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L33/02—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies
- H01L33/26—Materials of the light emitting region
- H01L33/30—Materials of the light emitting region containing only elements of Group III and Group V of the Periodic Table
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
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- H01L33/00—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L33/0004—Devices characterised by their operation
- H01L33/002—Devices characterised by their operation having heterojunctions or graded gap
- H01L33/0025—Devices characterised by their operation having heterojunctions or graded gap comprising only AIIIBV compounds
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- Manufacturing & Machinery (AREA)
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- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Led Devices (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】 発光出力の高い赤外発光ダイオードを得る。
【解決手段】 ＳｉドープのＧａＡｌＡｓ層からなる第
１層と第２層からなるｐ−ｎ接合を構成し、この上に第
２層よりもＡｌ混晶比の高いＰ型ＧａＡｌＡｓ層を第３
層として載置し、第２層の厚さとＡｌ濃度勾配を特定す
ると共に第１層を光取り出し面とする。
１層と第２層からなるｐ−ｎ接合を構成し、この上に第
２層よりもＡｌ混晶比の高いＰ型ＧａＡｌＡｓ層を第３
層として載置し、第２層の厚さとＡｌ濃度勾配を特定す
ると共に第１層を光取り出し面とする。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明はフォトカプラやリモ
コン等の高出力赤外光を必要とする光源に使われる発光
ダイオード素子に関する。
コン等の高出力赤外光を必要とする光源に使われる発光
ダイオード素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】現在、赤外発光ダイオード素子として、
たとえばJournal Of Applied Physics, Vol. ４８, No.
６, June １９７７ Ｐ２４８５〜２４９２に記載されて
いるような図１に示すＳｉドープのＧａＡｌＡｓタイプ
が知られている。これを製造するには、ＧａＡｓ単結晶
基板をＳｉドープしたＧａＡｌＡｓ溶液に接触させて冷
却し、ＧａＡｌＡｓ層を基板上にエピタキシャル成長さ
せる方法がある。この時成長温度域を適切に選べば、Ｎ
型Ｇａ1-xＡｌxＡｓ層とＰ型Ｇａ1-yＡｌyＡｓ層を一種
類の溶液から連続して積層することができる。この理由
は、ＧａＡｌＡｓ結晶中にIV族であるＳｉの入る位置
が、高温ではIII族のＧａ(Ａｌ）サイト、低温ではＶ族
のＡｓサイトとなるからである。徐冷法を用いれば、溶
液の数を減らすことができ経済的である。さらにこの方
法は、ＰＮ接合面を炉内雰囲気にさらさずに作れるため
結晶欠陥も少ない。このエピタキシャル・ウェハーから
ＧａＡｓ基板を適当なエッチング液で除去して素子へと
加工する。
たとえばJournal Of Applied Physics, Vol. ４８, No.
６, June １９７７ Ｐ２４８５〜２４９２に記載されて
いるような図１に示すＳｉドープのＧａＡｌＡｓタイプ
が知られている。これを製造するには、ＧａＡｓ単結晶
基板をＳｉドープしたＧａＡｌＡｓ溶液に接触させて冷
却し、ＧａＡｌＡｓ層を基板上にエピタキシャル成長さ
せる方法がある。この時成長温度域を適切に選べば、Ｎ
型Ｇａ1-xＡｌxＡｓ層とＰ型Ｇａ1-yＡｌyＡｓ層を一種
類の溶液から連続して積層することができる。この理由
は、ＧａＡｌＡｓ結晶中にIV族であるＳｉの入る位置
が、高温ではIII族のＧａ(Ａｌ）サイト、低温ではＶ族
のＡｓサイトとなるからである。徐冷法を用いれば、溶
液の数を減らすことができ経済的である。さらにこの方
法は、ＰＮ接合面を炉内雰囲気にさらさずに作れるため
結晶欠陥も少ない。このエピタキシャル・ウェハーから
ＧａＡｓ基板を適当なエッチング液で除去して素子へと
加工する。
【０００３】徐冷法では、各層のＡｌ濃度は成長方向に
対し一定ではなく、成長開始部から終了部に向かって減
少している。これは、Ａｌの偏析係数が１よりも大きい
ため、成長中に溶液のＡｌ濃度が減少するからである。
また、Ｇａ1-wＡｌwＡｓ混晶のバンドギャップはＡｌ濃
度Ｗが高いほど大きい。従って、図１（ａ）の発光ダイ
オード素子のＡｌ濃度とバンドギャップは、図１（ｂ）
に示すように第１層成長開始部から第２層成長終了部に
向かって単調に減少している。Ａｌ濃度は第１層内では
表面が最も高く（Ｘ１）、第１層と第２層界面が最も低
く（Ｘ２）となる。第２層内では第１層と第２層界面が
最も高く（Ｙ１）、表面が最も低く（Ｙ２）となる。第
１層と第２層は一種類の溶液中で連続して成長するため
第１層と第２層との界面では、両層のＡｌ濃度は等しい
（Ｘ２＝Ｙ１）。
対し一定ではなく、成長開始部から終了部に向かって減
少している。これは、Ａｌの偏析係数が１よりも大きい
ため、成長中に溶液のＡｌ濃度が減少するからである。
また、Ｇａ1-wＡｌwＡｓ混晶のバンドギャップはＡｌ濃
度Ｗが高いほど大きい。従って、図１（ａ）の発光ダイ
オード素子のＡｌ濃度とバンドギャップは、図１（ｂ）
に示すように第１層成長開始部から第２層成長終了部に
向かって単調に減少している。Ａｌ濃度は第１層内では
表面が最も高く（Ｘ１）、第１層と第２層界面が最も低
く（Ｘ２）となる。第２層内では第１層と第２層界面が
最も高く（Ｙ１）、表面が最も低く（Ｙ２）となる。第
１層と第２層は一種類の溶液中で連続して成長するため
第１層と第２層との界面では、両層のＡｌ濃度は等しい
（Ｘ２＝Ｙ１）。
【０００４】図１の発光ダイオード素子の発光は、主に
ＰＮ接合からＰ型の第２層に注入された電子が正孔と再
結合することで起こる。そのエネルギーは再結合が起こ
る位置の結晶のバンドギャップにほぼ等しい。一般に光
はそのエネルギーより小さいバンドギャップの結晶中で
吸収される性質を持つ。従って図１の素子はその発光に
対し第１層は透明である。第２層は再結合が起こった位
置７より第２層表面側の９及び１０は吸収部、第１層と
第２層との界面側８は透明となる。
ＰＮ接合からＰ型の第２層に注入された電子が正孔と再
結合することで起こる。そのエネルギーは再結合が起こ
る位置の結晶のバンドギャップにほぼ等しい。一般に光
はそのエネルギーより小さいバンドギャップの結晶中で
吸収される性質を持つ。従って図１の素子はその発光に
対し第１層は透明である。第２層は再結合が起こった位
置７より第２層表面側の９及び１０は吸収部、第１層と
第２層との界面側８は透明となる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】図１に示した従来の発
光ダイオード素子は、発光した位置７と第２層表面との
間の９，１０が吸収部となる。吸収部の中でも第２層表
面に近い１０の部分ほどＡｌ濃度は低く、光の吸収確率
は高い。光の吸収を抑制し、外部発光効率を高める方法
として、ＧａＡｌＡｓのｐ−ｎ接合部の上に発光層とな
るＰ型ＧａＡｌＡｓよりもバンドギャップエネルギーの
大きなＰ型ＧａＡｌＡｓ層を、いわゆる窓層として設け
ることが提案されている（特開昭６０−２０６１８４
号、特開平６−２１５０７号参照）。これらはいずれも
Ｓｉの自然反転を利用してＰＮ接合を形成し、その上に
Ｐ型ＧａＡｌＡｓ発光層よりもバンドギャップの大きな
Ｐ型ＧａＡｌＡｓの窓層を設けたものであり、各層のＡ
ｌ濃度を特定範囲に限定することによって発光効率を高
めるようにしたものである。また、これらはいずれもＰ
型ＧａＡｌＡｓ窓層を通して発光した光を取り出すよう
にしたものである。しかしこれら従来の発光ダイオード
素子はリモコンの発光部等に用いられるが、市場からは
より出力の高い製品の要求がある。従って本発明の目的
は、エピタキシャル成長層での発光の吸収を抑制し、発
光ダイオード素子の発光出力を上げることにある。
光ダイオード素子は、発光した位置７と第２層表面との
間の９，１０が吸収部となる。吸収部の中でも第２層表
面に近い１０の部分ほどＡｌ濃度は低く、光の吸収確率
は高い。光の吸収を抑制し、外部発光効率を高める方法
として、ＧａＡｌＡｓのｐ−ｎ接合部の上に発光層とな
るＰ型ＧａＡｌＡｓよりもバンドギャップエネルギーの
大きなＰ型ＧａＡｌＡｓ層を、いわゆる窓層として設け
ることが提案されている（特開昭６０−２０６１８４
号、特開平６−２１５０７号参照）。これらはいずれも
Ｓｉの自然反転を利用してＰＮ接合を形成し、その上に
Ｐ型ＧａＡｌＡｓ発光層よりもバンドギャップの大きな
Ｐ型ＧａＡｌＡｓの窓層を設けたものであり、各層のＡ
ｌ濃度を特定範囲に限定することによって発光効率を高
めるようにしたものである。また、これらはいずれもＰ
型ＧａＡｌＡｓ窓層を通して発光した光を取り出すよう
にしたものである。しかしこれら従来の発光ダイオード
素子はリモコンの発光部等に用いられるが、市場からは
より出力の高い製品の要求がある。従って本発明の目的
は、エピタキシャル成長層での発光の吸収を抑制し、発
光ダイオード素子の発光出力を上げることにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明は上記課題を解決
するためになされたものであって、特に発光層となるＰ
型ＧａＡｌＡｓ層のＡｌ濃度と厚さを制限し、光の取り
出し方向を特定することにより、外部発光効率を向上さ
せる手段を採用した。すなわち、本発明の発光ダイオー
ド素子は、第１層としてＳｉドープＮ型Ｇａ1-xＡｌxＡ
ｓ層、第２層としてＳｉドープＰ型Ｇａ1-yＡｌyＡｓ
層、第３層としてＰ型Ｇａ1-zＡｌzＡｓ層をこの順に積
み、第１層と第３層のＡｌ濃度を第２層のＡｌ濃度より
高くし、第２層のＡｌ濃度を第１層側から第３層側へ単
調に減少させ、しかも第３層と接する部分の第２層のＡ
ｌ濃度を第１層と接する部分の第２層のＡｌ濃度から
０．０６を引いた値より大きくし、より好ましくは２層
の厚さを８〜５０μｍとした上で、０．０３を引いた値
より大きくし、第１層を光取り出し面とするものであ
る。
するためになされたものであって、特に発光層となるＰ
型ＧａＡｌＡｓ層のＡｌ濃度と厚さを制限し、光の取り
出し方向を特定することにより、外部発光効率を向上さ
せる手段を採用した。すなわち、本発明の発光ダイオー
ド素子は、第１層としてＳｉドープＮ型Ｇａ1-xＡｌxＡ
ｓ層、第２層としてＳｉドープＰ型Ｇａ1-yＡｌyＡｓ
層、第３層としてＰ型Ｇａ1-zＡｌzＡｓ層をこの順に積
み、第１層と第３層のＡｌ濃度を第２層のＡｌ濃度より
高くし、第２層のＡｌ濃度を第１層側から第３層側へ単
調に減少させ、しかも第３層と接する部分の第２層のＡ
ｌ濃度を第１層と接する部分の第２層のＡｌ濃度から
０．０６を引いた値より大きくし、より好ましくは２層
の厚さを８〜５０μｍとした上で、０．０３を引いた値
より大きくし、第１層を光取り出し面とするものであ
る。
【０００７】本発明の発光ダイオードを製造工程順に説
明する。基板としては最も入手し易いＮ型ＧａＡｓ基板
を使用する。成長面方位は特に制限はないが（１００）
面で良い。まずＧａＡｓ基板上にＳｉの自然反転を利用
してＰＮ接合を形成する第１層となるＮ型Ｇａ1-xＡｌx
Ａｓ層と第２層となるＰ型Ｇａ1-yＡｌyＡｓ層をエピタ
キシャル成長させる。この時Ａｌの偏析係数が１より大
きいため、成長層中のＡｌ濃度は成長と共に小さくなっ
てくる。ＧａＡｌＡｓによる発光波長は発光層となるＰ
型Ｇａ1-yＡｌyＡｓ層のＡｌ濃度によって決まるので、
まず第２層のＰ型Ｇａ1-yＡｌyＡｓ層のＡｌ濃度を決定
し、しかる後Ａｌの偏析係数を考慮して第１層のＮ型Ｇ
ａ1-xＡｌxＡｓ層を成長開始する時点のＡｌ濃度を決定
する。リモートコントロール用には通常８６０〜９５０
nmが要求されることから、第２層のＰ型Ｇａ1-yＡｌyＡ
ｓ層のＡｌ混晶比ｙが０〜０．１となるように設定す
る。この時、第１層となるＮ型Ｇａ1-xＡｌxＡｓ層の成
長開始から第２層となるＰ型Ｇａ1-yＡｌyＡｓ層の成長
終了までの間の成長層中のＡｌ濃度は、初期の成長溶液
のＡｌ濃度、成長開始温度、冷却速度等によって決ま
る。従って初期の成長溶液のＡｌ濃度はあらかじめ測定
したＡｌ濃度プロファイルを参考にして決めれば良い
が、通常は成長開始時のＡｌ濃度は０．２〜０．８とす
るのが良い。
明する。基板としては最も入手し易いＮ型ＧａＡｓ基板
を使用する。成長面方位は特に制限はないが（１００）
面で良い。まずＧａＡｓ基板上にＳｉの自然反転を利用
してＰＮ接合を形成する第１層となるＮ型Ｇａ1-xＡｌx
Ａｓ層と第２層となるＰ型Ｇａ1-yＡｌyＡｓ層をエピタ
キシャル成長させる。この時Ａｌの偏析係数が１より大
きいため、成長層中のＡｌ濃度は成長と共に小さくなっ
てくる。ＧａＡｌＡｓによる発光波長は発光層となるＰ
型Ｇａ1-yＡｌyＡｓ層のＡｌ濃度によって決まるので、
まず第２層のＰ型Ｇａ1-yＡｌyＡｓ層のＡｌ濃度を決定
し、しかる後Ａｌの偏析係数を考慮して第１層のＮ型Ｇ
ａ1-xＡｌxＡｓ層を成長開始する時点のＡｌ濃度を決定
する。リモートコントロール用には通常８６０〜９５０
nmが要求されることから、第２層のＰ型Ｇａ1-yＡｌyＡ
ｓ層のＡｌ混晶比ｙが０〜０．１となるように設定す
る。この時、第１層となるＮ型Ｇａ1-xＡｌxＡｓ層の成
長開始から第２層となるＰ型Ｇａ1-yＡｌyＡｓ層の成長
終了までの間の成長層中のＡｌ濃度は、初期の成長溶液
のＡｌ濃度、成長開始温度、冷却速度等によって決ま
る。従って初期の成長溶液のＡｌ濃度はあらかじめ測定
したＡｌ濃度プロファイルを参考にして決めれば良い
が、通常は成長開始時のＡｌ濃度は０．２〜０．８とす
るのが良い。
【０００８】ここで発光効率を高めるためには、単に第
２層であるＰ型Ｇａ1-yＡｌyＡｓ層のＡｌ混晶比が一定
の範囲に納まっていれば良いだけでなく、第２層内での
Ａｌ濃度の変化が重要である。第２層内での内部吸収を
より減らすには、発光部近傍である第１層に接する部分
の第２層のＡｌ濃度と、吸収部近傍である第３層に接す
る部分の第２層のＡｌ濃度との差を縮めると良い。すな
わち、第１層のＮ型Ｇａ1-xＡｌxＡｓ層の基板との界面
におけるＡｌ混晶比ｘをＸ１、第２層（Ｐ型Ｇａ1-yＡ
ｌyＡｓ層）との界面におけるＡｌ混晶比ｘをＸ２（＝
Ｙ１）、第２層であるＰ型Ｇａ1-yＡｌyＡｓ層の表面に
おけるＡｌ混晶比ｙをＹ２とする。この時の第２層中で
のＡｌ混晶比の差、すなわち（Ｙ２−Ｙ１）が発光出力
に大きく影響していることを見出した。第２層中でのＡ
ｌ混晶比の差はあまり大きくない方が好ましい。すなわ
ち、第２層成長終了部のＡｌ濃度Ｙ２を坩堝Ａからウェ
ハーを引き上げる温度により変え、溶液の量の調整で第
２層の厚さはほぼ一定に保って発光ダイオード素子を８
種類製造した。これらの素子の第２層のＡｌ濃度差(Ｙ
２−Ｙ１)と発光出力との関係を図３に示す。図３より
第２層のＡｌ濃度差（Ｙ２−Ｙ１）が０．０６より小さ
いと、発光出力が高い。より好ましくは０．０３より小
さいと一層発光出力が高いことがわかる。これ以上差を
縮めても発光出力は向上しなかった。この理由は、発光
と吸収を起こす過程の種類とその割合によると考えられ
るが、詳細は不明である。
２層であるＰ型Ｇａ1-yＡｌyＡｓ層のＡｌ混晶比が一定
の範囲に納まっていれば良いだけでなく、第２層内での
Ａｌ濃度の変化が重要である。第２層内での内部吸収を
より減らすには、発光部近傍である第１層に接する部分
の第２層のＡｌ濃度と、吸収部近傍である第３層に接す
る部分の第２層のＡｌ濃度との差を縮めると良い。すな
わち、第１層のＮ型Ｇａ1-xＡｌxＡｓ層の基板との界面
におけるＡｌ混晶比ｘをＸ１、第２層（Ｐ型Ｇａ1-yＡ
ｌyＡｓ層）との界面におけるＡｌ混晶比ｘをＸ２（＝
Ｙ１）、第２層であるＰ型Ｇａ1-yＡｌyＡｓ層の表面に
おけるＡｌ混晶比ｙをＹ２とする。この時の第２層中で
のＡｌ混晶比の差、すなわち（Ｙ２−Ｙ１）が発光出力
に大きく影響していることを見出した。第２層中でのＡ
ｌ混晶比の差はあまり大きくない方が好ましい。すなわ
ち、第２層成長終了部のＡｌ濃度Ｙ２を坩堝Ａからウェ
ハーを引き上げる温度により変え、溶液の量の調整で第
２層の厚さはほぼ一定に保って発光ダイオード素子を８
種類製造した。これらの素子の第２層のＡｌ濃度差(Ｙ
２−Ｙ１)と発光出力との関係を図３に示す。図３より
第２層のＡｌ濃度差（Ｙ２−Ｙ１）が０．０６より小さ
いと、発光出力が高い。より好ましくは０．０３より小
さいと一層発光出力が高いことがわかる。これ以上差を
縮めても発光出力は向上しなかった。この理由は、発光
と吸収を起こす過程の種類とその割合によると考えられ
るが、詳細は不明である。
【０００９】第２層の厚さはＳｉを発光の中心とした場
合の注入キャリアの拡散長だけあれば良く、８μｍより
薄いと第２層内に閉じ込め得る電子の数が減り、発光に
寄与しない電子が増える。第２層の厚さが５０μｍより
厚いと、第２層内で吸収される光の割合が増える。第２
層の厚さと発光出力の関係を調べた試験の結果を図４に
示す。図４は第１層に接する部分の第２層のＡｌ濃度Ｙ
１と第３層に接する部分の第２層のＡｌ濃度Ｙ２をそれ
ぞれ一定に保ち、溶液の量により第２層厚を変えて発光
ダイオード素子を８種類製造した。図より第２層厚が８
μｍ以上５０μｍ以下で発光出力が高くなることがわか
る。第２層の厚さはほぼキャリアの拡散長程度あれば良
く、液相成長で作り易い範囲は２０〜４０μｍ程度であ
る。
合の注入キャリアの拡散長だけあれば良く、８μｍより
薄いと第２層内に閉じ込め得る電子の数が減り、発光に
寄与しない電子が増える。第２層の厚さが５０μｍより
厚いと、第２層内で吸収される光の割合が増える。第２
層の厚さと発光出力の関係を調べた試験の結果を図４に
示す。図４は第１層に接する部分の第２層のＡｌ濃度Ｙ
１と第３層に接する部分の第２層のＡｌ濃度Ｙ２をそれ
ぞれ一定に保ち、溶液の量により第２層厚を変えて発光
ダイオード素子を８種類製造した。図より第２層厚が８
μｍ以上５０μｍ以下で発光出力が高くなることがわか
る。第２層の厚さはほぼキャリアの拡散長程度あれば良
く、液相成長で作り易い範囲は２０〜４０μｍ程度であ
る。
【００１０】次に、坩堝Ａにウェハーを浸漬する温度に
より第１層の厚さを変えて発光ダイオード素子を８種類
製造した。第１層厚と発光出力及びＶＦの関係を図５及
び図６に示す。第１層厚が２００μｍより厚いとＶＦが
高く、３０μｍより薄いと発光出力が低い。従って第１
層厚は３０μｍ以上２００μｍ以下であることが望まし
い。第１層の厚さが３０μｍより薄いと、第１層表面電
極から流れ込む電流がＰＮ接合に達する間に素子周辺ま
で広がらず中央に集中し、発光出力が低く通電劣化の大
きい素子となる。第１層の厚さが２００μｍより厚い
と、第１層上下両端でのＡｌ濃度の差が大きくなるが、
第１層と第２層との界面のＡｌ濃度は発光波長から決め
るため、第１層表面のＡｌ濃度が高くなり、第１層表面
電極と第１層の間の電気抵抗が大きくなるからである。
より第１層の厚さを変えて発光ダイオード素子を８種類
製造した。第１層厚と発光出力及びＶＦの関係を図５及
び図６に示す。第１層厚が２００μｍより厚いとＶＦが
高く、３０μｍより薄いと発光出力が低い。従って第１
層厚は３０μｍ以上２００μｍ以下であることが望まし
い。第１層の厚さが３０μｍより薄いと、第１層表面電
極から流れ込む電流がＰＮ接合に達する間に素子周辺ま
で広がらず中央に集中し、発光出力が低く通電劣化の大
きい素子となる。第１層の厚さが２００μｍより厚い
と、第１層上下両端でのＡｌ濃度の差が大きくなるが、
第１層と第２層との界面のＡｌ濃度は発光波長から決め
るため、第１層表面のＡｌ濃度が高くなり、第１層表面
電極と第１層の間の電気抵抗が大きくなるからである。
【００１１】上記の諸点を考慮してＧａＡｓ基板上にＰ
Ｎ接合を形成する第１層と第２層を連続して形成した
後、最後に第３層となるＰ型Ｇａ1-zＡｌzＡｓ層をエピ
タキシャル成長させる。この第３層となるＰ型Ｇａ1-z
ＡｌzＡｓ層は注入された電子を発光層である第２層に
閉じ込める機能を果たすと共に、発光した光を表面で全
反射させて光取り出し側へ戻す働きをさせるものであっ
て、発光した光に対して透明なものでなければならな
い。このため第３層であるＰ型Ｇａ1-zＡｌzＡｓ層のＡ
ｌ混晶比ｚはｙよりも充分大きくする必要がある。一
方、第３層のＡｌ混晶比があまり高くなると良好なオー
ミック電極が形成しにくくなる。従ってＡｌ混晶比ｚは
ｙよりも大きく、上限は０．７程度とするのが適当であ
る。
Ｎ接合を形成する第１層と第２層を連続して形成した
後、最後に第３層となるＰ型Ｇａ1-zＡｌzＡｓ層をエピ
タキシャル成長させる。この第３層となるＰ型Ｇａ1-z
ＡｌzＡｓ層は注入された電子を発光層である第２層に
閉じ込める機能を果たすと共に、発光した光を表面で全
反射させて光取り出し側へ戻す働きをさせるものであっ
て、発光した光に対して透明なものでなければならな
い。このため第３層であるＰ型Ｇａ1-zＡｌzＡｓ層のＡ
ｌ混晶比ｚはｙよりも充分大きくする必要がある。一
方、第３層のＡｌ混晶比があまり高くなると良好なオー
ミック電極が形成しにくくなる。従ってＡｌ混晶比ｚは
ｙよりも大きく、上限は０．７程度とするのが適当であ
る。
【００１２】第３層の厚さは数μｍ程度あればキャリア
の閉じ込め効果を発揮し、薄い方が光の吸収も少ないの
で好ましい。しかし、第３層の厚さが６０μｍより薄い
と、Ｎサイドアップの素子をランプに組む時第２層と第
３層との界面がショートしてしまう。説明を加えれば、
素子とステムの接着には導電性ペーストを用いるが、こ
れは一般に表面張力で素子側面に広がる性質を持ち、第
２層と第３層との界面まで至った場合は電子閉じ込め効
果が働かなくなってしまう。これを防ぐには第３層の厚
さを６０μｍ以上とする必要がある。
の閉じ込め効果を発揮し、薄い方が光の吸収も少ないの
で好ましい。しかし、第３層の厚さが６０μｍより薄い
と、Ｎサイドアップの素子をランプに組む時第２層と第
３層との界面がショートしてしまう。説明を加えれば、
素子とステムの接着には導電性ペーストを用いるが、こ
れは一般に表面張力で素子側面に広がる性質を持ち、第
２層と第３層との界面まで至った場合は電子閉じ込め効
果が働かなくなってしまう。これを防ぐには第３層の厚
さを６０μｍ以上とする必要がある。
【００１３】第３層の導電型は発光層と同じＰ型とする
が、Ｐ型ドーパントとしては特に制限はなく、Ｓｉ，Ｚ
ｎ，Ｍｇ，Ｃｄ等が利用できる。
が、Ｐ型ドーパントとしては特に制限はなく、Ｓｉ，Ｚ
ｎ，Ｍｇ，Ｃｄ等が利用できる。
【００１４】本発明の発光ダイオード素子が従来の発光
ダイオード素子より発光出力の高い理由には、第２層内
での光の内部吸収が減る以外の作用もある。それは、バ
ンドギャップは第３層の方が第２層より大きいため、第
１層から第２層へ注入された電子は第３層へ拡散せず第
２層内に閉じ込められ、そこで発光再結合する確率が増
すというものである。さらに、本発明では光取り出し面
を第１層のＮ型Ｇａ1-xＡｌxＡｓ層とするＮサイドアッ
プ型とした点にある。
ダイオード素子より発光出力の高い理由には、第２層内
での光の内部吸収が減る以外の作用もある。それは、バ
ンドギャップは第３層の方が第２層より大きいため、第
１層から第２層へ注入された電子は第３層へ拡散せず第
２層内に閉じ込められ、そこで発光再結合する確率が増
すというものである。さらに、本発明では光取り出し面
を第１層のＮ型Ｇａ1-xＡｌxＡｓ層とするＮサイドアッ
プ型とした点にある。
【００１５】第１層表面を光取り出し面（上面）とする
Ｎサイドアップの方が第３層を光取り出し面（上面）と
するＰサイドアップより発光出力が高い。この理由を次
に説明する。Ｎサイドアップの場合（図２(ａ)で下部方
向を光取り出し方向とした場合）、第２層中の７の位置
で生成した光のうち下に向かう成分は、第２層の透明部
８と第１層（透明）を通り素子表面に達する。一方、上
に向かう成分は第２層の光吸収部９で一部が吸収され、
第３層（透明）を通り素子表面に達する。ここで光は反
射して下へ向かい、第３層を通り第２層の吸収部９で再
び一部が吸収され第１層を通って素子表面から放出され
る。一方、Ｐサイドアップの場合は（図２（ａ）で上部
方向を光取り出し面とした場合）、上に向かう成分は第
２層の吸収部９で一部が吸収され第３層を通り素子表面
に達する。下に向かう成分は第２層の透明部と第１層
（透明）を通り素子下面で反射し、第１層を通り再び第
２層の光吸収部９で一部が吸収され第３層を通って素子
表面から放出される。
Ｎサイドアップの方が第３層を光取り出し面（上面）と
するＰサイドアップより発光出力が高い。この理由を次
に説明する。Ｎサイドアップの場合（図２(ａ)で下部方
向を光取り出し方向とした場合）、第２層中の７の位置
で生成した光のうち下に向かう成分は、第２層の透明部
８と第１層（透明）を通り素子表面に達する。一方、上
に向かう成分は第２層の光吸収部９で一部が吸収され、
第３層（透明）を通り素子表面に達する。ここで光は反
射して下へ向かい、第３層を通り第２層の吸収部９で再
び一部が吸収され第１層を通って素子表面から放出され
る。一方、Ｐサイドアップの場合は（図２（ａ）で上部
方向を光取り出し面とした場合）、上に向かう成分は第
２層の吸収部９で一部が吸収され第３層を通り素子表面
に達する。下に向かう成分は第２層の透明部と第１層
（透明）を通り素子下面で反射し、第１層を通り再び第
２層の光吸収部９で一部が吸収され第３層を通って素子
表面から放出される。
【００１６】この場合に放出される光の強さを計算式に
基づいて比較すると以下の通りとなる。第２層で生成す
る光のうち積層面に垂直で光取り出し面に向かう成分の
強度をＬとすると、光取り出し面と逆方向に向かう成分
の強度もＬとなる。第２層の光の透過率をσ、素子下面
での光の反射率をν、Ｎサイドアップの光の上面取り出
し強度をＬ１、Ｐサイドアップの光の上面取り出し強度
をＬ３とすると、両者の素子の光の上面取り出し強度の
差は、 Ｌ１−Ｌ３＝（Ｌ＋σνσＬ）−（σＬ＋σνＬ） ＝Ｌ（１−σ）（１−σν）＞０ ………（１） （∴ ０＜σ＜１，０＜ν＜１） ………（２） となる。光の発生部７と光の取り出し面の間に光の吸収
部を入れないＮサイドアップの方がＰサイドアップより
取り出し効率が高い。ここでは、積層面に平行な光の成
分や素子上面での光の反射を無視したが、これらを考慮
しても結果は同じである。
基づいて比較すると以下の通りとなる。第２層で生成す
る光のうち積層面に垂直で光取り出し面に向かう成分の
強度をＬとすると、光取り出し面と逆方向に向かう成分
の強度もＬとなる。第２層の光の透過率をσ、素子下面
での光の反射率をν、Ｎサイドアップの光の上面取り出
し強度をＬ１、Ｐサイドアップの光の上面取り出し強度
をＬ３とすると、両者の素子の光の上面取り出し強度の
差は、 Ｌ１−Ｌ３＝（Ｌ＋σνσＬ）−（σＬ＋σνＬ） ＝Ｌ（１−σ）（１−σν）＞０ ………（１） （∴ ０＜σ＜１，０＜ν＜１） ………（２） となる。光の発生部７と光の取り出し面の間に光の吸収
部を入れないＮサイドアップの方がＰサイドアップより
取り出し効率が高い。ここでは、積層面に平行な光の成
分や素子上面での光の反射を無視したが、これらを考慮
しても結果は同じである。
【００１７】本発明ではＮサイドアップ型にするために
前記のように作製したエピタキシャルウェハーからＧａ
Ａｓ基板を除去する。ＧａＡｓ基板の除去は通常使用さ
れるアンモニア系エッチャント等を使用してエッチング
により加工するのが良い。エピタキシャル成長層３層の
厚さは合計で１００μｍ以上あるのでＧａＡｓ基板を除
去しても後の素子加工に支障はない。次に、基板を除去
したウェハーの第３層表面にオーミック接合となる金属
を蒸着し、導電性ステムの表面に第３層を下にして導電
性ペーストで接着する。また第１層表面にはオーミック
電極用の金属を蒸着し、金ワイヤーを接続して発光ダイ
オード素子とする。
前記のように作製したエピタキシャルウェハーからＧａ
Ａｓ基板を除去する。ＧａＡｓ基板の除去は通常使用さ
れるアンモニア系エッチャント等を使用してエッチング
により加工するのが良い。エピタキシャル成長層３層の
厚さは合計で１００μｍ以上あるのでＧａＡｓ基板を除
去しても後の素子加工に支障はない。次に、基板を除去
したウェハーの第３層表面にオーミック接合となる金属
を蒸着し、導電性ステムの表面に第３層を下にして導電
性ペーストで接着する。また第１層表面にはオーミック
電極用の金属を蒸着し、金ワイヤーを接続して発光ダイ
オード素子とする。
【００１８】
【発明の実施の形態】本発明は発光部を構成するＧａＡ
ｌＡｓ各層のＡｌ混晶比を限定することにより、発光し
た光の内部吸収を極力抑制することとした。特に発光部
であるＰ型ＧａＡｌＡｓ層の層厚とＡｌ濃度を規定し、
光取り出し方向をＮ型ＧａＡｌＡｓ層としたＮサイドア
ップとすることにより、内部発光効率及び外部発光効率
を一段と高めることに成功した。
ｌＡｓ各層のＡｌ混晶比を限定することにより、発光し
た光の内部吸収を極力抑制することとした。特に発光部
であるＰ型ＧａＡｌＡｓ層の層厚とＡｌ濃度を規定し、
光取り出し方向をＮ型ＧａＡｌＡｓ層としたＮサイドア
ップとすることにより、内部発光効率及び外部発光効率
を一段と高めることに成功した。
（実施例１）本発明の発光ダイオード素子をディップ方
式の液相エピタキシャルの徐冷法で製造した例を説明す
る。基板にはＮ型ＧａＡｓの（１００）面を用いた。Ａ
坩堝にはＧａ，ＧａＡｓ，Ａｌ，Ｓｉを、Ｂ坩堝にはＧ
ａ，ＧａＡｓ，Ａｌ，Ｚｎをそれぞれ適量入れた。ま
ず、坩堝Ａの原料を完全に溶解させ、８８０℃で基板を
浸漬させ８４０℃まで降温し、第１層（Ｎ）と第２層
（Ｐ）をＳｉの自然反転を利用して成長させた。第３層
は、８４０℃からの成長では結晶の析出量が少なく厚さ
を６０μｍ以上とすることが難しいため、炉を再昇温
し、９００℃でウェハーを坩堝Ｂに浸漬させ７８０℃ま
で降温して成長させた。
式の液相エピタキシャルの徐冷法で製造した例を説明す
る。基板にはＮ型ＧａＡｓの（１００）面を用いた。Ａ
坩堝にはＧａ，ＧａＡｓ，Ａｌ，Ｓｉを、Ｂ坩堝にはＧ
ａ，ＧａＡｓ，Ａｌ，Ｚｎをそれぞれ適量入れた。ま
ず、坩堝Ａの原料を完全に溶解させ、８８０℃で基板を
浸漬させ８４０℃まで降温し、第１層（Ｎ）と第２層
（Ｐ）をＳｉの自然反転を利用して成長させた。第３層
は、８４０℃からの成長では結晶の析出量が少なく厚さ
を６０μｍ以上とすることが難しいため、炉を再昇温
し、９００℃でウェハーを坩堝Ｂに浸漬させ７８０℃ま
で降温して成長させた。
【００１９】ウェハーを評価したところ、第１層が８０
μｍ、第２層が３０μｍ、第３層が１５０μｍであっ
た。Ａｌ濃度は、Ｘ１＝０．３１５、Ｘ２＝Ｙ１＝０．
０７８、Ｙ２＝０．０５１、Ｚ１＝０．４３４、Ｚ２＝
０．１４７であった。その後ウェハーを素子へ加工する
ため、アンモニア系エッチャントに浸し、基板を除去し
た。電極は、第１層表面には１３０μｍφの丸型を、第
３層表面には１００μｍφのドット型を１５０μｍピッ
チでそれぞれ形成した。素子の大きさは３２５μｍ角と
した。導電性ステムの上に第３層を下にした素子を導電
性ペーストで接着し、第１層の電極に金ワイヤーでつな
いだ。発光ダイオード素子に２０mAの電流を流し発光出
力を測定した。発光のピーク波長は８８３nmであった。
μｍ、第２層が３０μｍ、第３層が１５０μｍであっ
た。Ａｌ濃度は、Ｘ１＝０．３１５、Ｘ２＝Ｙ１＝０．
０７８、Ｙ２＝０．０５１、Ｚ１＝０．４３４、Ｚ２＝
０．１４７であった。その後ウェハーを素子へ加工する
ため、アンモニア系エッチャントに浸し、基板を除去し
た。電極は、第１層表面には１３０μｍφの丸型を、第
３層表面には１００μｍφのドット型を１５０μｍピッ
チでそれぞれ形成した。素子の大きさは３２５μｍ角と
した。導電性ステムの上に第３層を下にした素子を導電
性ペーストで接着し、第１層の電極に金ワイヤーでつな
いだ。発光ダイオード素子に２０mAの電流を流し発光出
力を測定した。発光のピーク波長は８８３nmであった。
【００２０】（比較例１）図１の従来の発光ダイオード
素子を製造した例を説明する。上記実施例の坩堝Ａに８
８０℃で基板を浸漬させ、７８０℃まで降温して第１層
と第２層とを連続して成長させ分離した。そのウェハー
から基板を除去し、第１層を上面として実施例と同様な
加工を施こして発光ダイオード素子を製造した。実施例
の素子の発光出力を１とした場合のこの素子の発光出力
は０．４１であった。本比較例の発光ダイオード素子の
発光出力は実施例の発光ダイオード素子の発光出力より
低い。
素子を製造した例を説明する。上記実施例の坩堝Ａに８
８０℃で基板を浸漬させ、７８０℃まで降温して第１層
と第２層とを連続して成長させ分離した。そのウェハー
から基板を除去し、第１層を上面として実施例と同様な
加工を施こして発光ダイオード素子を製造した。実施例
の素子の発光出力を１とした場合のこの素子の発光出力
は０．４１であった。本比較例の発光ダイオード素子の
発光出力は実施例の発光ダイオード素子の発光出力より
低い。
【００２１】（比較例２）実施例では発光ダイオード素
子の極性をＮサイドアップとして第１層側から光を取り
出したが、ウェハーの表裏を逆にして加工して第３層か
ら光を取り出すＰサイドアップ素子を製造した。実施例
の素子の発光出力を１とした場合のこのＰサイドアップ
素子の発光出力は０．６７であった。本比較例のＰサイ
ドアップ素子の発光出力は実施例のＮサイドアップ素子
の発光出力より低い。
子の極性をＮサイドアップとして第１層側から光を取り
出したが、ウェハーの表裏を逆にして加工して第３層か
ら光を取り出すＰサイドアップ素子を製造した。実施例
の素子の発光出力を１とした場合のこのＰサイドアップ
素子の発光出力は０．６７であった。本比較例のＰサイ
ドアップ素子の発光出力は実施例のＮサイドアップ素子
の発光出力より低い。
【００２２】
【発明の効果】本発明によれば、Ｓｉの自然反転法を利
用するので経済的に有効であり、しかも内部吸収が少な
いので高出力の赤外発光ダイオードが得られる。
用するので経済的に有効であり、しかも内部吸収が少な
いので高出力の赤外発光ダイオードが得られる。
【図１】従来の赤外発光ダイオードを示す図で（ａ）は
断面構造を示す図、（ｂ）はＡｌ濃度プロファイルを示
す図。
断面構造を示す図、（ｂ）はＡｌ濃度プロファイルを示
す図。
【図２】本発明の赤外発光ダイオードを示す図で（ａ）
は断面構造を示す図、（ｂ）はＡｌ濃度プロファイルを
示す図。
は断面構造を示す図、（ｂ）はＡｌ濃度プロファイルを
示す図。
【図３】第２層のＡｌ濃度差と発光出力の関係を示す
図。
図。
【図４】第２層の層厚と発光出力の関係を示す図。
【図５】第１層の層厚と発光出力の関係を示す図。
【図６】第１層の層厚とＶＦ特性の関係を示す図。
１ 第１層（Ｎ型Ｇａ1-xＡｌxＡｓ） ２ 第２層（Ｐ型Ｇａ1-yＡｌyＡｓ） ３ 第３層（Ｐ型Ｇａ1-zＡｌzＡｓ） ４ 基板 ５ Ｎサイドアップの光取り出し面 ６ Ｐサイドアップの光取り出し面 ７ 発光位置 ８ 透明部分 ９ 吸収部 １０ 吸収確率の高い部分
Claims (4)
- 【請求項１】 第１層としてＳｉドープＮ型Ｇａ1-xＡ
ｌxＡｓ層、第２層としてＳｉドープＰ型Ｇａ1-yＡｌy
Ａｓ層、第３層としてＰ型Ｇａ1-zＡｌzＡｓ層がこの順
に積まれており、第１層と第３層のＡｌ濃度が第２層の
Ａｌ濃度より高く、第２層のＡｌ濃度が第１層側から第
３層側へ単調に減少しており、かつ第３層と接する部分
の第２層のＡｌ濃度が第１層と接する部分の第２層のＡ
ｌ濃度から０．０６を引いた値より大きく、第２層の厚
さが８μｍ以上５０μｍ以下で、第１層が光取り出し面
であることを特徴とする発光ダイオード素子。 - 【請求項２】 第１層の厚さが３０μｍ以上２００μｍ
以下であることを特徴とする請求項１に記載の発光ダイ
オード素子。 - 【請求項３】 第３層の厚さが６０μｍ以上であること
を特徴とする請求項１及び２記載の発光ダイオード素
子。 - 【請求項４】 第３層と接する部分の第２層のＡｌ濃度
が第１層と接する部分の第２層のＡｌ濃度から０．０３
を引いた値より大きいことを特徴とする請求項１ないし
３に記載の発光ダイオード素子。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP22068495A JP3959434B2 (ja) | 1995-08-29 | 1995-08-29 | 発光ダイオード素子 |
| US08/705,095 US5665984A (en) | 1995-08-29 | 1996-08-29 | Light-emitting diode |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP22068495A JP3959434B2 (ja) | 1995-08-29 | 1995-08-29 | 発光ダイオード素子 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0964414A true JPH0964414A (ja) | 1997-03-07 |
| JP3959434B2 JP3959434B2 (ja) | 2007-08-15 |
Family
ID=16754862
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP22068495A Expired - Lifetime JP3959434B2 (ja) | 1995-08-29 | 1995-08-29 | 発光ダイオード素子 |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5665984A (ja) |
| JP (1) | JP3959434B2 (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH10270175A (ja) * | 1997-03-25 | 1998-10-09 | Sanyo Electric Co Ltd | リモコン機能付螢光灯照明装置及びそれに用いる赤外線リモコン装置 |
| KR101007087B1 (ko) * | 2009-10-26 | 2011-01-10 | 엘지이노텍 주식회사 | 발광소자 및 그 제조방법 |
Families Citing this family (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6335547B1 (en) * | 1999-04-27 | 2002-01-01 | Showa Denko K.K. | Epitaxial wafer for infrared light-emitting device and light-emitting device using the same |
| DE10032531A1 (de) * | 2000-07-05 | 2002-01-24 | Osram Opto Semiconductors Gmbh | Lumineszenzdiode |
| DE10056476B4 (de) * | 2000-11-15 | 2012-05-03 | Osram Opto Semiconductors Gmbh | Strahlungsemittierender Halbleiterkörper und Verfahren zu dessen Herstellung |
| DE10103228A1 (de) * | 2001-01-25 | 2002-08-22 | Vishay Semiconductor Gmbh | Verfahren zum Herstellen einer Halbleiteranordnung für ein lichtemittierendes Halbleiterbauelement |
| US6476559B2 (en) | 2001-01-31 | 2002-11-05 | Good Shepherd Lutheran Church | Ceremonial luminary and associated process |
| JP6416800B2 (ja) * | 2016-01-26 | 2018-10-31 | 株式会社東芝 | 半導体装置 |
Family Cites Families (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3914785A (en) * | 1973-12-03 | 1975-10-21 | Bell Telephone Labor Inc | Germanium doped GaAs layer as an ohmic contact |
| JPS60206184A (ja) * | 1984-03-30 | 1985-10-17 | Toshiba Corp | 半導体発光素子 |
| DE69207069T2 (de) * | 1991-05-31 | 1996-05-15 | Shinetsu Handotai Kk | Lichtemittierende Halbleitervorrichtung |
| JPH0621507A (ja) * | 1992-07-01 | 1994-01-28 | Sumitomo Electric Ind Ltd | 窓層付エピタキシャルウエハ |
| US5432359A (en) * | 1992-12-21 | 1995-07-11 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Light emitting device with AlAs mixed crystal ratios |
-
1995
- 1995-08-29 JP JP22068495A patent/JP3959434B2/ja not_active Expired - Lifetime
-
1996
- 1996-08-29 US US08/705,095 patent/US5665984A/en not_active Expired - Lifetime
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH10270175A (ja) * | 1997-03-25 | 1998-10-09 | Sanyo Electric Co Ltd | リモコン機能付螢光灯照明装置及びそれに用いる赤外線リモコン装置 |
| KR101007087B1 (ko) * | 2009-10-26 | 2011-01-10 | 엘지이노텍 주식회사 | 발광소자 및 그 제조방법 |
| US8314414B2 (en) | 2009-10-26 | 2012-11-20 | Lg Innotek Co., Ltd. | Light emitting device and light emitting device package for improving a light emission efficency |
| US8716693B2 (en) | 2009-10-26 | 2014-05-06 | Lg Innotek Co., Ltd. | Light emitting device and light emitting device package for improving a light emission efficiency |
| US8994001B2 (en) | 2009-10-26 | 2015-03-31 | Lg Innotek Co., Ltd. | Light emitting device for improving a light emission efficiency |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| US5665984A (en) | 1997-09-09 |
| JP3959434B2 (ja) | 2007-08-15 |
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