発光ダイオードおよびその製造方法
【目的】 窓層の抵抗を低くし、結晶成長中の活性層へのｐ型不純物の拡散を抑え、高輝度で信頼性に優れた発光ダイオードおよびその製造方法を提供する。
【構成】 窓層６ａの正孔濃度を、活性層に近い１μｍのみ正孔濃度ｐ＝１×１０18ｃｍ-3とし、残り６μｍはｐ＝３×１０18ｃｍ-3とする。すなわち窓層６ａの内、活性層に近い領域のＺｎ濃度を低くすることにより、活性層へのＺｎの拡散を抑え、活性層中の非発光中心の発生を防ぐことができる。活性層から離れた領域のＺｎ濃度を高くすることにより、窓層６ａ中の抵抗を低くできる。
【構成】 窓層６ａの正孔濃度を、活性層に近い１μｍのみ正孔濃度ｐ＝１×１０18ｃｍ-3とし、残り６μｍはｐ＝３×１０18ｃｍ-3とする。すなわち窓層６ａの内、活性層に近い領域のＺｎ濃度を低くすることにより、活性層へのＺｎの拡散を抑え、活性層中の非発光中心の発生を防ぐことができる。活性層から離れた領域のＺｎ濃度を高くすることにより、窓層６ａ中の抵抗を低くできる。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】この発明は、化合物半導体を材料とする発光ダイオード（以下「ＬＥＤ」という）およびその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】可視光ＬＥＤは、 III−Ｖ族化合物半導体のヒ化ガリウム・アルミニウム（ＧａＡｌＡｓ）、リン化ガリウム（ＧａＰ）、ヒ化・リン化ガリウム（ＧａＡｓＰ）を用い、赤から、緑色の発光色を持つものが実用化されている。これらはパイロットランプ、数字表示器などの屋内用途だけではなく、ＧａＡｌＡｓを用いた赤、ＧａＰを用いた緑色ＬＥＤの高輝度化により、屋外情報板、信号灯、ハイマウントストップランプ等、屋外での用途を拡大している。しかしさらに用途を拡大するためには、緑色ＬＥＤのさらなる高輝度化、及び橙、黄色ＬＥＤの高輝度化が不可欠である。この要求を満たす材料として、リン化インジウム・ガリウム・アルミニウム（ＩｎＧａＡｌＰ）がある。
【０００３】ＩｎＧａＡｌＰは、安価で、高品質な結晶基板が得られるＧａＡｓと格子整合が可能であり、ＧａＡｓ基板上にエピタキシャル成長することにより得られる。さらにＧａＡｓとの格子整合条件下で組成を変えることで、バンドギャップを１．９〜２．３５ｅＶとすることができる。このうち、１．９〜２．３ｅＶが直接遷移型であり、これは波長で、６５０（赤色）〜５４０（緑色）ｎｍに相当する。これらの性質は高輝度ＬＥＤを作製する場合に重要な条件、つまり、(1) 結晶欠陥が少ないこと、(2) 活性層が直接遷移型のバンド構造を持つこと、(3) 活性層を活性層よりバンドギャップが大きな層ではさむ、いわゆるダブルヘテロ（ＤＨ）構造が形成可能なこと、を満足している。
【０００４】ＩｎＧａＡｌＰのエピタキシャル成長は、ＧａＡｌＡｓ、ＧａＰ、ＧａＡｓＰの結晶成長に用いられる液相成長（ＬＰＥ）法，クロライド気相成長（ＣＶＰＥ）法などの熱平衡状態下での結晶成長法では困難であり、非熱平衡状態下での結晶成長法である有機金属気相成長（ＭＯＶＰＥ）法，分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法により行われる。最近、この中でも特にＭＯＶＰＥ法が用いられている。またｐ型結晶を成長するために、ｐ型不純物として、Ｚｎ、Ｍｇ、Ｂｅ等が用いられている。
【０００５】図５は第１の従来例の発光ダイオードのチップ断面構造図である。この発光ダイオードは、発光波長６２０ｎｍのＩｎＧａＡｌＰ橙色ＬＥＤであり、結晶成長には、減圧ＭＯＶＰＥ法を用いる。Ｉｎ，Ｇａ，Ａｌ，ｐ型不純物のＺｎの原料は、それぞれ有機金属のトリメチルインジウム（ＴＭＩ），トリエチルガリウム（ＴＥＧ），トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ），ジメチル亜鉛（ＤＭＺ）を用い、リン，ヒ素，ｎ型不純物のＳｅ原料は、それぞれ水素化物のフォスフィン（ＰＨ3 ），アルシン（ＡｓＨ3 ），セレン化水素（Ｈ2 Ｓｅ）を用いる。成長温度は７００℃、成長圧力は６０Ｔｏｒｒで一定とする。また各層の成長速度は、２μｍ／ｈｏｕｒである。
【０００６】ｎ−ＧａＡｓ基板１（電子濃度ｎ＝２×１０18ｃｍ-3、厚さ３５０μｍ）上にまず、ｎ−ＧａＡｓバッファ層２（ｎ＝１×１０18ｃｍ-3）を０．５μｍ成長後、ｎ−Ｉｎ0.5 （Ｇａ0.3 Ａｌ0.7 ）0.5 Ｐクラッド層３（ｎ＝１×１０18ｃｍ-3）を１．０μｍ、アンドープＩｎ0.5 （Ｇａ0.8 Ａｌ0.2 ）0.5 Ｐ活性層４を０．５μｍ、ｐ−Ｉｎ0.5 （Ｇａ0.3 Ａｌ0.7 ）0.5 Ｐクラッド層５（正孔濃度ｐ＝５×１０17ｃｍ-3）を１．０μｍ成長する。これら各層の組成は、ＧａＡｓ基板１と格子整合し、且つ、発光領域となる活性層４は発光波長が６２０ｎｍとなるように、またクラッド層３，５は、活性層４よりもバンドギャップが大きくなるようにする。このように、活性層４を活性層４よりバンドギャップの大きなクラッド層３，５で挟む構造をＤＨ構造といい、クラッド層３，５から活性層４に注入されたキャリアを閉じ込める役割を果たす。これにより、活性層４内の注入キャリア密度が増し、再結合確率が増大する結果、発光効率が大幅に向上する。
【０００７】このＤＨ構造に続いて、ｐ−Ｇａ0.3 Ａｌ0.7 Ａｓ窓層６（ｐ＝３×１０18ｃｍ-3）を７μｍ成長する。窓層６は活性層４内で発生した光を外部に取り出すため、発光波長に対して透明である。またｐ側電極７からの電流が、活性層４に到達するまでにチップ全体に広がるために、Ｚｎを高濃度にドーピングして比抵抗を下げ、また厚く成長する。さらにその上にｐ−ＧａＡｓコンタクト層８（ｐ＝５×１０18ｃｍ-3）を０．５μｍ成長する。その後、コンタクト層８上に直径１４０μｍの円形のｐ側電極７を、またＧａＡｓ基板１の裏面にはｎ側電極９を全面に真空蒸着法により形成する。さらに、ｐ−ＧａＡｓコンタクト層８をｐ側電極７の下以外をウェットエッチングにより除去した後、一辺が３００μｍの正方形のチップに切り出す。
【０００８】以上の方法により作製したＬＥＤチップを、ステム上に銀（Ａｇ）ペーストにより固定し、金（Ａｕ）線を接続する。これに順方向に電圧を印加し、通電することにより発光させる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記従来の構成では、ＤＨ構造の採用、窓層６の厚膜化、Ｚｎの高濃度ドーピングにもかかわらず、順方向電流２０ｍＡの時、約７０ミリルーメン（ｍｌｍ）と満足すべき輝度が得られない。また、室温下、順方向電流５０ｍＡで通電試験を実施したところ、２００時間後に初期の輝度の約３０％にまで劣化し、信頼性的にも不十分である。これは結晶成長中に、窓層６に高濃度にドーピングされたＺｎが活性層４にまで多量に熱拡散するためであり、活性層４に拡散したＺｎは、活性層４中に非発光中心などの結晶欠陥を作る。これは内部量子効率を低下させ、高輝度が得られない原因となる。さらに通電試験中に上記結晶欠陥が原因となって転位が増殖し、輝度が劣化する原因となる。
【００１０】また、結晶成長中の活性層４へのＺｎの拡散を抑えるために、他の従来例として、窓層６のキャリア濃度のみを変更し、１×１０18ｃｍ-3と低くした結果、順方向電流２０ｍＡの輝度の値は約８０ｍｌｍであり、あまり向上しなかった。しかし、上記通電試験において、１０００時間まで輝度の劣化は認められなくなった。これは窓層６のＺｎの濃度を下げたため、結晶成長中の活性層４へのＺｎの拡散が抑えられた反面、窓層６の抵抗が高くなり、ｐ側電極７からの電流が活性層４に到達するまでに充分広がらず、光の外部取り出し効率が低下するためである。
【００１１】この発明は、このような課題を解決するものであり、窓層の抵抗を低くし、結晶成長中の活性層へのｐ型不純物の拡散を抑え、高輝度で、信頼性に優れた発光ダイオードおよびその製造方法を提供することを目的とするものである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】請求項１記載の発光ダイオードは、窓層の活性層に近い部分のｐ型不純物濃度を低くし、窓層の活性層から遠い部分のｐ型不純物濃度を高くしたことを特徴とする。請求項２記載の発光ダイオードの製造方法は、窓層を成長する際に、窓層の活性層に近い部分の成長温度より遠い部分の成長温度を低くすることを特徴とする。
【００１３】
【作用】請求項１記載の構成によれば、窓層の活性層に近い部分のｐ型不純物濃度を低くしたことにより、活性層へのｐ型不純物の拡散を抑え、活性層中の非発光中心の発生を防ぐことができる。さらに窓層の活性層から遠い部分のｐ型不純物濃度を高くしたことにより、窓層中の抵抗を低くできる。その結果、高輝度で、信頼性に優れたＬＥＤを実現することができる。
【００１４】請求項２記載の製造方法によれば、ｐ型不純物の結晶中への取り込み効率は、成長温度が低いほど高いため、窓層を成長する際に、窓層の活性層に近い部分の成長温度より遠い部分の成長温度を低くすることにより、ｐ型不純物の原料供給量が同じでも活性層から近い部分よりも遠い部分のｐ型不純物濃度を高くでき、さらに、窓層成長途中に成長温度を下げることで、ｐ型不純物の活性層への拡散を抑えることができ、活性層中の非発光中心の発生を防ぐことができる。その結果、高輝度で、信頼性に優れたＬＥＤを製造できる。
【００１５】
【実施例】以下、この発明の実施例について図面を参照しながら説明する。
〔第１の実施例；請求項１に対応〕図１はこの発明の第１の実施例の発光ダイオードのチップ断面構造図である。図１において、１はｎ−ＧａＡｓ基板、２はｎ−ＧａＡｓバッファ層、３はｎ−Ｉｎ0.5 （Ｇａ0.3 Ａｌ0.7 ）0.5 Ｐクラッド層、４はアンドープＩｎ0.5 （Ｇａ0.8 Ａｌ0.2 ）0.5 Ｐ活性層、５はｐ−Ｉｎ0.5 （Ｇａ0.3 Ａｌ0.7 ）0.5 Ｐクラッド層、６ａはｐ−Ｇａ0.3 Ａｌ0.7 Ａｓ窓層、７はｐ側電極、８はｐ−ＧａＡｓコンタクト層、９はｎ側電極である。
【００１６】この発光ダイオードは、発光波長６２０ｎｍのＩｎＧａＡｌＰ橙色ＬＥＤであり、ｐ−Ｇａ0.3 Ａｌ0.7 Ａｓ窓層６ａの正孔濃度が、図５に示す従来例のｐ−Ｇａ0.3 Ａｌ0.7 Ａｓ窓層６の正孔濃度と異なる他は従来例と同様である。この従来例との相違点である正孔濃度分布を図２に示す。すなわち、この発光ダイオードは、窓層６ａの成長中にジメチル亜鉛（ＤＭＺ）の供給量を変化させ、窓層６ａの正孔濃度を、活性層４に近い１μｍのみ正孔濃度ｐ＝１×１０18ｃｍ-3とし、残り６μｍはｐ＝３×１０18ｃｍ-3としている。なお、他の結晶成長方法および成長条件は従来例と同じである。
【００１７】この実施例によれば、順方向電流２０ｍＡにおける輝度は約１５０ｍｌｍであった。この値は従来例の場合の約２倍であり、大幅に輝度が向上した。また室温下、順方向電流５０ｍＡで通電試験を実施したところ、１０００時間で初期の輝度の約９０％の値を示した。このように、窓層６ａの内、活性層４に近い領域のＺｎ濃度を低くすることにより、活性層４へのＺｎの拡散を抑え、活性層４中の非発光中心の発生を防ぐことができる。さらに活性層４から離れた領域のＺｎ濃度を高くすることにより、窓層６ａ中の抵抗を低くできる。その結果、高輝度で、信頼性に優れたＬＥＤを実現することができる。
【００１８】〔第２の実施例；請求項１に対応〕つぎに第２の実施例の発光ダイオードについて述べる。第２の実施例の発光ダイオードは、第１の実施例におけるｐ−Ｇａ0.3 Ａｌ0.7 Ａｓ窓層６ａの正孔濃度分布のみが異なり、その他の構成は第１の実施例と同様であり、断面構造図は省略し、ｐ−Ｇａ0.3 Ａｌ0.7 Ａｓ窓層の正孔濃度分布を図３に示す。
【００１９】すなわち、この第２の実施例の発光ダイオードは、ｐ−Ｇａ0.3 Ａｌ0.7 Ａｓ窓層の成長中にＤＭＺの供給量を連続的に変化させ、正孔濃度をｐ＝５×１０17ｃｍ-3からｐ＝５×１０18ｃｍ-3まで、活性層からの距離に比例して変化させている。なお、第１の実施例同様、他の結晶成長方法および成長条件は従来例と同じである。
【００２０】この第２の実施例によれば、第１の実施例と同様の効果が得られる。
〔第３の実施例；請求項２に対応〕この発明の第３の実施例の発光ダイオードの製造方法について説明する。なお、この実施例における発光ダイオードの断面構造図として、第１の実施例で用いた図１を用いることにする。
【００２１】この実施例では、ｎ−ＧａＡｓ基板１へのｎ−ＧａＡｓバッファ層２，ｎ−Ｉｎ0.5 （Ｇａ0.3 Ａｌ0.7 ）0.5 Ｐクラッド層３，アンドープＩｎ0.5 （Ｇａ0.8 Ａｌ0.2 ）0.5 Ｐ活性層４，ｐ−Ｉｎ0.5 （Ｇａ0.3 Ａｌ0.7 ）0.5 Ｐクラッド層５，ｐ側電極７，ｐ−ＧａＡｓコンタクト層８およびｎ側電極９の形成方法については従来例と同様であり、ｐ−Ｇａ0.3 Ａｌ0.7 Ａｓ窓層６ａの形成方法に特徴がある。以下、従来例と異なる点について図４を用いて説明する。
【００２２】図４はこの実施例における結晶成長中の成長温度の変化を示す。結晶成長方法及び成長条件は、従来例とほぼ同じであるが、成長温度７００℃でＤＭＺを供給しながら正孔濃度ｐ＝１×１０18ｃｍ-3として窓層６ａの成長を開始し、３０分後に成長温度をそれまでの７００℃から６５０℃に変更する。なお、ＤＭＺの供給量は一定であり、成長速度は従来例同様、２μｍ／ｈｏｕｒである。成長温度６５０℃のＺｎのＧａ0 .3Ａｌ0.7 Ａｓ中への取り込み効率は、成長温度７００℃の約３倍であることから、窓層６ａ中の正孔濃度分布は図２とほぼ同じになる。
【００２３】この実施例によれば、順方向電流２０ｍＡにおける輝度は約１５０ｍｌｍであり、第１，第２の実施例と同じ値であった。また室温下、順方向電流５０ｍＡで通電試験を実施したところ、１０００時間でも劣化は見られず、第１，第２の実施例よりも優れた結果が得られた。すなわちこの実施例によれば、Ｚｎ原料供給量が同じでも、Ｚｎの結晶中への取り込み効率は成長温度が低いほど高いため、成長温度を低くすることにより、結晶中のＺｎ濃度を高めることができる。従って、窓層６ａの内、活性層４から離れた領域の成長温度を、活性層４から近い領域の成長温度に比べて低くすることにより、同じＺｎ原料供給量で活性層４から近い領域よりも離れた領域のＺｎ濃度を高くでき、さらに、窓層６ａ成長途中に成長温度を下げることで、Ｚｎの活性層４への拡散をより抑えることができ、活性層４中の非発光中心の発生を防ぐことができる。その結果、高輝度で、より信頼性にも優れたＬＥＤを実現できる。
【００２４】なお上記実施例では、活性層にＩｎ0.5 （Ｇａ0.8 Ａｌ0.2 ）0.5 Ｐを用いたが、他の組成またはＩｎ0.5 Ｇａ0.5 Ｐの場合にも適応可能である。また、窓層にＧａ0.3 Ａｌ0.7 Ａｓを用いたが、他の組成またはＩｎＧａＡｌＰを用いても適応可能である。また、ｐ型不純物としてＺｎを用いたが、他の不純物を用いた場合にも適応可能である。さらに、ＭＯＶＰＥ成長法を用いたが、他の成長法にも適応可能であることは言うまでもない。
【００２５】
【発明の効果】請求項１記載の発光ダイオードは、窓層の活性層に近い部分のｐ型不純物濃度を低くしたことにより、活性層へのｐ型不純物の拡散を抑え、活性層中の非発光中心の発生を防ぐことができる。さらに窓層の活性層から遠い部分のｐ型不純物濃度を高くしたことにより、窓層中の抵抗を低くできる。その結果、高輝度で、信頼性に優れたＬＥＤを実現することができる。
【００２６】請求項２記載の発光ダイオードの製造方法は、ｐ型不純物の結晶中への取り込み効率は、成長温度が低いほど高いため、窓層を成長する際に、窓層の活性層に近い部分の成長温度より遠い部分の成長温度を低くすることにより、ｐ型不純物の原料供給量が同じでも活性層から近い部分よりも遠い部分のｐ型不純物濃度を高くでき、さらに、窓層成長途中に成長温度を下げることで、ｐ型不純物の活性層への拡散を抑えることができ、活性層中の非発光中心の発生を防ぐことができる。その結果、高輝度で、信頼性に優れたＬＥＤを製造できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の第１の実施例の発光ダイオードのチップ断面構造図である。
【図２】この発明の第１の実施例における正孔濃度分布を示す図である。
【図３】この発明の第２の実施例における正孔濃度分布を示す図である。
【図４】この発明の第３の実施例の発光ダイオードの製造方法における結晶成長中の成長温度の変化を示す図である。
【図５】従来の発光ダイオードのチップ断面構造図である。
【符号の説明】
１ ｎ−ＧａＡｓ基板
３ ｎ−Ｉｎ0.5 （Ｇａ0.3 Ａｌ0.7 ）0.5 Ｐクラッド層
４ アンドープＩｎ0.5 （Ｇａ0.8 Ａｌ0.2 ）0.5 Ｐ活性層
５ ｐ−Ｉｎ0.5 （Ｇａ0.3 Ａｌ0.7 ）0.5 Ｐクラッド層
６ａ ｐ−Ｇａ0.3 Ａｌ0.7 Ａｓ窓層
【０００１】
【産業上の利用分野】この発明は、化合物半導体を材料とする発光ダイオード（以下「ＬＥＤ」という）およびその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】可視光ＬＥＤは、 III−Ｖ族化合物半導体のヒ化ガリウム・アルミニウム（ＧａＡｌＡｓ）、リン化ガリウム（ＧａＰ）、ヒ化・リン化ガリウム（ＧａＡｓＰ）を用い、赤から、緑色の発光色を持つものが実用化されている。これらはパイロットランプ、数字表示器などの屋内用途だけではなく、ＧａＡｌＡｓを用いた赤、ＧａＰを用いた緑色ＬＥＤの高輝度化により、屋外情報板、信号灯、ハイマウントストップランプ等、屋外での用途を拡大している。しかしさらに用途を拡大するためには、緑色ＬＥＤのさらなる高輝度化、及び橙、黄色ＬＥＤの高輝度化が不可欠である。この要求を満たす材料として、リン化インジウム・ガリウム・アルミニウム（ＩｎＧａＡｌＰ）がある。
【０００３】ＩｎＧａＡｌＰは、安価で、高品質な結晶基板が得られるＧａＡｓと格子整合が可能であり、ＧａＡｓ基板上にエピタキシャル成長することにより得られる。さらにＧａＡｓとの格子整合条件下で組成を変えることで、バンドギャップを１．９〜２．３５ｅＶとすることができる。このうち、１．９〜２．３ｅＶが直接遷移型であり、これは波長で、６５０（赤色）〜５４０（緑色）ｎｍに相当する。これらの性質は高輝度ＬＥＤを作製する場合に重要な条件、つまり、(1) 結晶欠陥が少ないこと、(2) 活性層が直接遷移型のバンド構造を持つこと、(3) 活性層を活性層よりバンドギャップが大きな層ではさむ、いわゆるダブルヘテロ（ＤＨ）構造が形成可能なこと、を満足している。
【０００４】ＩｎＧａＡｌＰのエピタキシャル成長は、ＧａＡｌＡｓ、ＧａＰ、ＧａＡｓＰの結晶成長に用いられる液相成長（ＬＰＥ）法，クロライド気相成長（ＣＶＰＥ）法などの熱平衡状態下での結晶成長法では困難であり、非熱平衡状態下での結晶成長法である有機金属気相成長（ＭＯＶＰＥ）法，分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法により行われる。最近、この中でも特にＭＯＶＰＥ法が用いられている。またｐ型結晶を成長するために、ｐ型不純物として、Ｚｎ、Ｍｇ、Ｂｅ等が用いられている。
【０００５】図５は第１の従来例の発光ダイオードのチップ断面構造図である。この発光ダイオードは、発光波長６２０ｎｍのＩｎＧａＡｌＰ橙色ＬＥＤであり、結晶成長には、減圧ＭＯＶＰＥ法を用いる。Ｉｎ，Ｇａ，Ａｌ，ｐ型不純物のＺｎの原料は、それぞれ有機金属のトリメチルインジウム（ＴＭＩ），トリエチルガリウム（ＴＥＧ），トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ），ジメチル亜鉛（ＤＭＺ）を用い、リン，ヒ素，ｎ型不純物のＳｅ原料は、それぞれ水素化物のフォスフィン（ＰＨ3 ），アルシン（ＡｓＨ3 ），セレン化水素（Ｈ2 Ｓｅ）を用いる。成長温度は７００℃、成長圧力は６０Ｔｏｒｒで一定とする。また各層の成長速度は、２μｍ／ｈｏｕｒである。
【０００６】ｎ−ＧａＡｓ基板１（電子濃度ｎ＝２×１０18ｃｍ-3、厚さ３５０μｍ）上にまず、ｎ−ＧａＡｓバッファ層２（ｎ＝１×１０18ｃｍ-3）を０．５μｍ成長後、ｎ−Ｉｎ0.5 （Ｇａ0.3 Ａｌ0.7 ）0.5 Ｐクラッド層３（ｎ＝１×１０18ｃｍ-3）を１．０μｍ、アンドープＩｎ0.5 （Ｇａ0.8 Ａｌ0.2 ）0.5 Ｐ活性層４を０．５μｍ、ｐ−Ｉｎ0.5 （Ｇａ0.3 Ａｌ0.7 ）0.5 Ｐクラッド層５（正孔濃度ｐ＝５×１０17ｃｍ-3）を１．０μｍ成長する。これら各層の組成は、ＧａＡｓ基板１と格子整合し、且つ、発光領域となる活性層４は発光波長が６２０ｎｍとなるように、またクラッド層３，５は、活性層４よりもバンドギャップが大きくなるようにする。このように、活性層４を活性層４よりバンドギャップの大きなクラッド層３，５で挟む構造をＤＨ構造といい、クラッド層３，５から活性層４に注入されたキャリアを閉じ込める役割を果たす。これにより、活性層４内の注入キャリア密度が増し、再結合確率が増大する結果、発光効率が大幅に向上する。
【０００７】このＤＨ構造に続いて、ｐ−Ｇａ0.3 Ａｌ0.7 Ａｓ窓層６（ｐ＝３×１０18ｃｍ-3）を７μｍ成長する。窓層６は活性層４内で発生した光を外部に取り出すため、発光波長に対して透明である。またｐ側電極７からの電流が、活性層４に到達するまでにチップ全体に広がるために、Ｚｎを高濃度にドーピングして比抵抗を下げ、また厚く成長する。さらにその上にｐ−ＧａＡｓコンタクト層８（ｐ＝５×１０18ｃｍ-3）を０．５μｍ成長する。その後、コンタクト層８上に直径１４０μｍの円形のｐ側電極７を、またＧａＡｓ基板１の裏面にはｎ側電極９を全面に真空蒸着法により形成する。さらに、ｐ−ＧａＡｓコンタクト層８をｐ側電極７の下以外をウェットエッチングにより除去した後、一辺が３００μｍの正方形のチップに切り出す。
【０００８】以上の方法により作製したＬＥＤチップを、ステム上に銀（Ａｇ）ペーストにより固定し、金（Ａｕ）線を接続する。これに順方向に電圧を印加し、通電することにより発光させる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記従来の構成では、ＤＨ構造の採用、窓層６の厚膜化、Ｚｎの高濃度ドーピングにもかかわらず、順方向電流２０ｍＡの時、約７０ミリルーメン（ｍｌｍ）と満足すべき輝度が得られない。また、室温下、順方向電流５０ｍＡで通電試験を実施したところ、２００時間後に初期の輝度の約３０％にまで劣化し、信頼性的にも不十分である。これは結晶成長中に、窓層６に高濃度にドーピングされたＺｎが活性層４にまで多量に熱拡散するためであり、活性層４に拡散したＺｎは、活性層４中に非発光中心などの結晶欠陥を作る。これは内部量子効率を低下させ、高輝度が得られない原因となる。さらに通電試験中に上記結晶欠陥が原因となって転位が増殖し、輝度が劣化する原因となる。
【００１０】また、結晶成長中の活性層４へのＺｎの拡散を抑えるために、他の従来例として、窓層６のキャリア濃度のみを変更し、１×１０18ｃｍ-3と低くした結果、順方向電流２０ｍＡの輝度の値は約８０ｍｌｍであり、あまり向上しなかった。しかし、上記通電試験において、１０００時間まで輝度の劣化は認められなくなった。これは窓層６のＺｎの濃度を下げたため、結晶成長中の活性層４へのＺｎの拡散が抑えられた反面、窓層６の抵抗が高くなり、ｐ側電極７からの電流が活性層４に到達するまでに充分広がらず、光の外部取り出し効率が低下するためである。
【００１１】この発明は、このような課題を解決するものであり、窓層の抵抗を低くし、結晶成長中の活性層へのｐ型不純物の拡散を抑え、高輝度で、信頼性に優れた発光ダイオードおよびその製造方法を提供することを目的とするものである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】請求項１記載の発光ダイオードは、窓層の活性層に近い部分のｐ型不純物濃度を低くし、窓層の活性層から遠い部分のｐ型不純物濃度を高くしたことを特徴とする。請求項２記載の発光ダイオードの製造方法は、窓層を成長する際に、窓層の活性層に近い部分の成長温度より遠い部分の成長温度を低くすることを特徴とする。
【００１３】
【作用】請求項１記載の構成によれば、窓層の活性層に近い部分のｐ型不純物濃度を低くしたことにより、活性層へのｐ型不純物の拡散を抑え、活性層中の非発光中心の発生を防ぐことができる。さらに窓層の活性層から遠い部分のｐ型不純物濃度を高くしたことにより、窓層中の抵抗を低くできる。その結果、高輝度で、信頼性に優れたＬＥＤを実現することができる。
【００１４】請求項２記載の製造方法によれば、ｐ型不純物の結晶中への取り込み効率は、成長温度が低いほど高いため、窓層を成長する際に、窓層の活性層に近い部分の成長温度より遠い部分の成長温度を低くすることにより、ｐ型不純物の原料供給量が同じでも活性層から近い部分よりも遠い部分のｐ型不純物濃度を高くでき、さらに、窓層成長途中に成長温度を下げることで、ｐ型不純物の活性層への拡散を抑えることができ、活性層中の非発光中心の発生を防ぐことができる。その結果、高輝度で、信頼性に優れたＬＥＤを製造できる。
【００１５】
【実施例】以下、この発明の実施例について図面を参照しながら説明する。
〔第１の実施例；請求項１に対応〕図１はこの発明の第１の実施例の発光ダイオードのチップ断面構造図である。図１において、１はｎ−ＧａＡｓ基板、２はｎ−ＧａＡｓバッファ層、３はｎ−Ｉｎ0.5 （Ｇａ0.3 Ａｌ0.7 ）0.5 Ｐクラッド層、４はアンドープＩｎ0.5 （Ｇａ0.8 Ａｌ0.2 ）0.5 Ｐ活性層、５はｐ−Ｉｎ0.5 （Ｇａ0.3 Ａｌ0.7 ）0.5 Ｐクラッド層、６ａはｐ−Ｇａ0.3 Ａｌ0.7 Ａｓ窓層、７はｐ側電極、８はｐ−ＧａＡｓコンタクト層、９はｎ側電極である。
【００１６】この発光ダイオードは、発光波長６２０ｎｍのＩｎＧａＡｌＰ橙色ＬＥＤであり、ｐ−Ｇａ0.3 Ａｌ0.7 Ａｓ窓層６ａの正孔濃度が、図５に示す従来例のｐ−Ｇａ0.3 Ａｌ0.7 Ａｓ窓層６の正孔濃度と異なる他は従来例と同様である。この従来例との相違点である正孔濃度分布を図２に示す。すなわち、この発光ダイオードは、窓層６ａの成長中にジメチル亜鉛（ＤＭＺ）の供給量を変化させ、窓層６ａの正孔濃度を、活性層４に近い１μｍのみ正孔濃度ｐ＝１×１０18ｃｍ-3とし、残り６μｍはｐ＝３×１０18ｃｍ-3としている。なお、他の結晶成長方法および成長条件は従来例と同じである。
【００１７】この実施例によれば、順方向電流２０ｍＡにおける輝度は約１５０ｍｌｍであった。この値は従来例の場合の約２倍であり、大幅に輝度が向上した。また室温下、順方向電流５０ｍＡで通電試験を実施したところ、１０００時間で初期の輝度の約９０％の値を示した。このように、窓層６ａの内、活性層４に近い領域のＺｎ濃度を低くすることにより、活性層４へのＺｎの拡散を抑え、活性層４中の非発光中心の発生を防ぐことができる。さらに活性層４から離れた領域のＺｎ濃度を高くすることにより、窓層６ａ中の抵抗を低くできる。その結果、高輝度で、信頼性に優れたＬＥＤを実現することができる。
【００１８】〔第２の実施例；請求項１に対応〕つぎに第２の実施例の発光ダイオードについて述べる。第２の実施例の発光ダイオードは、第１の実施例におけるｐ−Ｇａ0.3 Ａｌ0.7 Ａｓ窓層６ａの正孔濃度分布のみが異なり、その他の構成は第１の実施例と同様であり、断面構造図は省略し、ｐ−Ｇａ0.3 Ａｌ0.7 Ａｓ窓層の正孔濃度分布を図３に示す。
【００１９】すなわち、この第２の実施例の発光ダイオードは、ｐ−Ｇａ0.3 Ａｌ0.7 Ａｓ窓層の成長中にＤＭＺの供給量を連続的に変化させ、正孔濃度をｐ＝５×１０17ｃｍ-3からｐ＝５×１０18ｃｍ-3まで、活性層からの距離に比例して変化させている。なお、第１の実施例同様、他の結晶成長方法および成長条件は従来例と同じである。
【００２０】この第２の実施例によれば、第１の実施例と同様の効果が得られる。
〔第３の実施例；請求項２に対応〕この発明の第３の実施例の発光ダイオードの製造方法について説明する。なお、この実施例における発光ダイオードの断面構造図として、第１の実施例で用いた図１を用いることにする。
【００２１】この実施例では、ｎ−ＧａＡｓ基板１へのｎ−ＧａＡｓバッファ層２，ｎ−Ｉｎ0.5 （Ｇａ0.3 Ａｌ0.7 ）0.5 Ｐクラッド層３，アンドープＩｎ0.5 （Ｇａ0.8 Ａｌ0.2 ）0.5 Ｐ活性層４，ｐ−Ｉｎ0.5 （Ｇａ0.3 Ａｌ0.7 ）0.5 Ｐクラッド層５，ｐ側電極７，ｐ−ＧａＡｓコンタクト層８およびｎ側電極９の形成方法については従来例と同様であり、ｐ−Ｇａ0.3 Ａｌ0.7 Ａｓ窓層６ａの形成方法に特徴がある。以下、従来例と異なる点について図４を用いて説明する。
【００２２】図４はこの実施例における結晶成長中の成長温度の変化を示す。結晶成長方法及び成長条件は、従来例とほぼ同じであるが、成長温度７００℃でＤＭＺを供給しながら正孔濃度ｐ＝１×１０18ｃｍ-3として窓層６ａの成長を開始し、３０分後に成長温度をそれまでの７００℃から６５０℃に変更する。なお、ＤＭＺの供給量は一定であり、成長速度は従来例同様、２μｍ／ｈｏｕｒである。成長温度６５０℃のＺｎのＧａ0 .3Ａｌ0.7 Ａｓ中への取り込み効率は、成長温度７００℃の約３倍であることから、窓層６ａ中の正孔濃度分布は図２とほぼ同じになる。
【００２３】この実施例によれば、順方向電流２０ｍＡにおける輝度は約１５０ｍｌｍであり、第１，第２の実施例と同じ値であった。また室温下、順方向電流５０ｍＡで通電試験を実施したところ、１０００時間でも劣化は見られず、第１，第２の実施例よりも優れた結果が得られた。すなわちこの実施例によれば、Ｚｎ原料供給量が同じでも、Ｚｎの結晶中への取り込み効率は成長温度が低いほど高いため、成長温度を低くすることにより、結晶中のＺｎ濃度を高めることができる。従って、窓層６ａの内、活性層４から離れた領域の成長温度を、活性層４から近い領域の成長温度に比べて低くすることにより、同じＺｎ原料供給量で活性層４から近い領域よりも離れた領域のＺｎ濃度を高くでき、さらに、窓層６ａ成長途中に成長温度を下げることで、Ｚｎの活性層４への拡散をより抑えることができ、活性層４中の非発光中心の発生を防ぐことができる。その結果、高輝度で、より信頼性にも優れたＬＥＤを実現できる。
【００２４】なお上記実施例では、活性層にＩｎ0.5 （Ｇａ0.8 Ａｌ0.2 ）0.5 Ｐを用いたが、他の組成またはＩｎ0.5 Ｇａ0.5 Ｐの場合にも適応可能である。また、窓層にＧａ0.3 Ａｌ0.7 Ａｓを用いたが、他の組成またはＩｎＧａＡｌＰを用いても適応可能である。また、ｐ型不純物としてＺｎを用いたが、他の不純物を用いた場合にも適応可能である。さらに、ＭＯＶＰＥ成長法を用いたが、他の成長法にも適応可能であることは言うまでもない。
【００２５】
【発明の効果】請求項１記載の発光ダイオードは、窓層の活性層に近い部分のｐ型不純物濃度を低くしたことにより、活性層へのｐ型不純物の拡散を抑え、活性層中の非発光中心の発生を防ぐことができる。さらに窓層の活性層から遠い部分のｐ型不純物濃度を高くしたことにより、窓層中の抵抗を低くできる。その結果、高輝度で、信頼性に優れたＬＥＤを実現することができる。
【００２６】請求項２記載の発光ダイオードの製造方法は、ｐ型不純物の結晶中への取り込み効率は、成長温度が低いほど高いため、窓層を成長する際に、窓層の活性層に近い部分の成長温度より遠い部分の成長温度を低くすることにより、ｐ型不純物の原料供給量が同じでも活性層から近い部分よりも遠い部分のｐ型不純物濃度を高くでき、さらに、窓層成長途中に成長温度を下げることで、ｐ型不純物の活性層への拡散を抑えることができ、活性層中の非発光中心の発生を防ぐことができる。その結果、高輝度で、信頼性に優れたＬＥＤを製造できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の第１の実施例の発光ダイオードのチップ断面構造図である。
【図２】この発明の第１の実施例における正孔濃度分布を示す図である。
【図３】この発明の第２の実施例における正孔濃度分布を示す図である。
【図４】この発明の第３の実施例の発光ダイオードの製造方法における結晶成長中の成長温度の変化を示す図である。
【図５】従来の発光ダイオードのチップ断面構造図である。
【符号の説明】
１ ｎ−ＧａＡｓ基板
３ ｎ−Ｉｎ0.5 （Ｇａ0.3 Ａｌ0.7 ）0.5 Ｐクラッド層
４ アンドープＩｎ0.5 （Ｇａ0.8 Ａｌ0.2 ）0.5 Ｐ活性層
５ ｐ−Ｉｎ0.5 （Ｇａ0.3 Ａｌ0.7 ）0.5 Ｐクラッド層
６ａ ｐ−Ｇａ0.3 Ａｌ0.7 Ａｓ窓層
【特許請求の範囲】
【請求項１】 ｎ型半導体基板上に、ｎ型リン化インジウム・ガリウム・アルミニウムからなるｎ型クラッド層，リン化インジウム・ガリウムまたはリン化インジウム・ガリウム・アルミニウムからなる活性層，ｐ型リン化インジウム・ガリウム・アルミニウムからなるｐ型クラッド層を順次成長し、前記ｐ型クラッド層上に、リン化インジウム・ガリウム・アルミニウムまたはヒ化ガリウム・アルミニウムからなる窓層を成長した発光ダイオードであって、前記窓層の前記活性層に近い部分のｐ型不純物濃度を低くし、前記窓層の前記活性層から遠い部分のｐ型不純物濃度を高くしたことを特徴とする発光ダイオード。
【請求項２】 ｎ型半導体基板上に、ｎ型リン化インジウム・ガリウム・アルミニウムからなるｎ型クラッド層，リン化インジウム・ガリウムまたはリン化インジウム・ガリウム・アルミニウムからなる活性層，ｐ型リン化インジウム・ガリウム・アルミニウムからなるｐ型クラッド層を順次成長する工程と、前記ｐ型クラッド層上に、リン化インジウム・ガリウム・アルミニウムまたはヒ化ガリウム・アルミニウムからなる窓層を成長する工程とを含む発光ダイオードの製造方法であって、前記窓層を成長する際に、前記窓層の前記活性層に近い部分の成長温度より遠い部分の成長温度を低くすることを特徴とする発光ダイオードの製造方法。
【請求項１】 ｎ型半導体基板上に、ｎ型リン化インジウム・ガリウム・アルミニウムからなるｎ型クラッド層，リン化インジウム・ガリウムまたはリン化インジウム・ガリウム・アルミニウムからなる活性層，ｐ型リン化インジウム・ガリウム・アルミニウムからなるｐ型クラッド層を順次成長し、前記ｐ型クラッド層上に、リン化インジウム・ガリウム・アルミニウムまたはヒ化ガリウム・アルミニウムからなる窓層を成長した発光ダイオードであって、前記窓層の前記活性層に近い部分のｐ型不純物濃度を低くし、前記窓層の前記活性層から遠い部分のｐ型不純物濃度を高くしたことを特徴とする発光ダイオード。
【請求項２】 ｎ型半導体基板上に、ｎ型リン化インジウム・ガリウム・アルミニウムからなるｎ型クラッド層，リン化インジウム・ガリウムまたはリン化インジウム・ガリウム・アルミニウムからなる活性層，ｐ型リン化インジウム・ガリウム・アルミニウムからなるｐ型クラッド層を順次成長する工程と、前記ｐ型クラッド層上に、リン化インジウム・ガリウム・アルミニウムまたはヒ化ガリウム・アルミニウムからなる窓層を成長する工程とを含む発光ダイオードの製造方法であって、前記窓層を成長する際に、前記窓層の前記活性層に近い部分の成長温度より遠い部分の成長温度を低くすることを特徴とする発光ダイオードの製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開平５−３３５６１９
【公開日】平成５年（１９９３）１２月１７日
【国際特許分類】
【出願番号】特願平４−１３６９４５
【出願日】平成４年（１９９２）５月２８日
【出願人】（０００００５８４３）松下電子工業株式会社 (43)
【公開日】平成５年（１９９３）１２月１７日
【国際特許分類】
【出願日】平成４年（１９９２）５月２８日
【出願人】（０００００５８４３）松下電子工業株式会社 (43)
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