CN102468387A

CN102468387A - 发光二极管

Info

Publication number: CN102468387A
Application number: CN2011103632809A
Authority: CN
Inventors: 粟饭原范行; 濑尾则善
Original assignee: Showa Denko KK
Current assignee: Resonac Holdings Corp
Priority date: 2010-11-18
Filing date: 2011-11-16
Publication date: 2012-05-23
Also published as: JP2012109436A; TW201234651A

Abstract

本发明提供一种以高输出功率和高效率发出850nm以上、特别是900nm以上的发光峰波长的红外光的发光二极管。本发明的发光二极管是在基板上依次具备DBR反射层和发光部的发光二极管，其特征在于，所述发光部具有：活性层，该活性层具有阱层与势垒层的叠层结构，所述阱层由组成式(In_X1Ga_1-X1)As构成且0≤X1≤1，所述势垒层由组成式(Al_X2Ga_1-X2)_Y1In_1-Y1P构成且0≤X2≤1、0＜Y1≤1；夹着所述活性层的第1引导层以及第2引导层，所述第1引导层以及第2引导层由组成式(Al_X3Ga_1-X3)_Y2In_1-Y2P构成且0≤X3≤1、0＜Y2≤1；以及，介由所述第1引导层以及第2引导层的各层夹着所述活性层的第1覆盖层和第2覆盖层，所述第1覆盖层和第2覆盖层由组成式(Al_X4Ga_1-X4)_YIn_1-YP构成且0≤X4≤1、0＜Y≤1。

Description

发光二极管

技术领域

本发明涉及具有850nm以上、特别是900nm以上的发光峰波长的红外发光二极管。

背景技术

红外发光二极管被广泛应用于红外线通信、红外线遥控装置、各种传感器用光源、夜间照明等。

作为具有如上述那样的峰波长附近的二极管，已知采用液相外延法使含有AlGaAs活性层的化合物半导体层在GaAs基板上生长的发光二极管(例如专利文献1～3)。

另一方面，在设备间的发送接收中使用的红外线通信的场合，例如使用850～900nm的红外线，在红外线遥控操作通信的场合，例如使用受光部敏感度高的波长带即880～940nm的红外线。作为兼具红外线通信和红外线遥控操作通信的双功能的便携电话等的终端设备用的、能够在红外线通信和红外线遥控操作通信的双方中使用的红外线发光二极管，已知发光峰波长为880～890nm、使用作为实效性杂质含有Ge的AlGaAs活性层的二极管(专利文献4)。

另外，作为能够具有900nm以上的发光峰波长的红外发光二极管，已知使用InGaAs活性层的二极管(专利文献5)。

现有技术文献

专利文献1：日本特开平6-21507号公报

专利文献2：日本特开2001-274454号公报

专利文献3：日本特开平7-38148号公报

专利文献4：日本特开2006-190792号公报

专利文献5：日本特开2002-344013号公报

发明内容

但是，在例如以专利文献1～3中使用的液相外延法使化合物半导体层生长的方法中，难以形成单色性优异的多重量子结构。

另外，如专利文献4那样，在使用作为实效性杂质含有Ge的AlGaAs活性层的场合，难以使发光峰波长成为900nm以上(专利文献4的图3)。

对于如专利文献5那样的能够具有900nm以上的发光峰波长的使用了InGaAs活性层的红外发光二极管，其性能、节能和成本方面的改善不充分，从这些方面来看，希望开发达到性能更加提高、节能和成本方面得以改善的发光效率更高的二极管。

本发明是鉴于上述情况完成的，其目的在于提供高输出功率和高效率的发出850nm以上、特别是900nm以上的发光峰波长的红外光的红外发光二极管。

本发明者为了解决上述课题反复专心研究的结果，通过形成为具备：发光部，该发光部具备活性层和夹着该活性层的四元混晶的AlGaInP覆盖层，该活性层具有由三元混晶的InGaAs阱层以及四元混晶的AlGaInP势垒层构成的多量子阱结构；和在该发光部和基板之间的DBR反射层的构成，完成了高输出功率和高效率的、并且发出850nm以上、特别是900nm以上的发光峰波长的红外光的红外发光二极管。

在研究中，首先，本发明者采用红外线通信等所使用的具有850nm以上、特别是900nm以上的发光峰波长的由InGaAs构成的阱层。并且，还为了提高单色性和输出功率，采用了具有多量子阱结构的活性层。

另外，夹着该三元混晶的阱层的势垒层、以及夹着多量子阱结构的引导层和覆盖层，也采用了带隙大且对于发光波长透明，并且不合容易制作缺陷的As的结晶性良好的四元混晶的AlGaInP。

此外，具有InGaAs层作为阱层的多量子阱结构，与作为基板使用的GaAs相比，晶格常数大，成为应变量子阱结构。该应变量子阱结构，InGaAs的组成和厚度对输出功率和/或单色性有大的影响。因而，InGaAs的适当的组成、厚度和对数的选择变得重要。因此，本发明者发现，通过对势垒层的AlGaInP追加与InGaAs阱层相反的应变，由量子阱结构整体缓和由InGaAs的对数增加所引起的晶格失配，在高电流区域的发光输出特性得以改善。

本发明者基于该见解进一步进行研究的结果，完成了以下的构成所示的本发明。

(1)一种发光二极管，是在基板上依次具备DBR反射层和发光部的发光二极管，其特征在于，

上述发光部具有：活性层，该活性层具有由组成式(In_X1Ga_1-X1)As(0≤X1≤1)构成的阱层与由组成式(Al_X2Ga_1-X2)_Y1In_1-Y1P(0≤X2≤1，0＜Y1≤1)构成的势垒层的叠层结构；夹着上述活性层的、由组成式(Al_X3Ga_1-X3)_Y2In_1-Y2P(0≤X3≤1，0＜Y2≤1)构成的第1引导层以及第2引导层；和介由上述第1引导层以及第2引导层的各层夹着上述活性层的、由组成式(Al_X4Ga_1-X4)_YIn_1-YP(0≤X4≤1，0＜Y≤1)构成的第1覆盖层和第2覆盖层。

(2)根据前项(1)所述的发光二极管，其特征在于，上述阱层的组成式中所示的X1为0≤X1≤0.3。

(3)根据前项(2)所述的发光二极管，其特征在于，上述阱层的组成式中所示的X1为0.1≤X1≤0.3。

(4)根据前项(1)～(3)的任一项所述的发光二极管，其特征在于，上述DBR反射层是折射率不同的两种层交替地层叠了10～50对的层。

(5)根据前项(4)所述的发光二极管，其特征在于，上述折射率不同的两种层，是由(Al_XhGa_1-Xh)_Y3In_1-Y3P(0＜Xh≤1、Y3＝0.5)构成的层和由(Al_X1Ga_1-X1)_Y3In_1-Y3P(0≤X1＜1、Y3＝0.5)构成的层的、组成相互不同的两种层的组合，两种层的Al的组成差ΔX＝xh-x1大于或等于0.5。

(6)根据前项(4)所述的发光二极管，其特征在于，上述折射率不同的两种层是由GaInP构成的层和由AlInP构成的层的组合。

(7)根据前项(4)所述的发光二极管，其特征在于，上述折射率不同的两种层是由Al_x1Ga_1-x1As(0.1≤x1≤1)构成的层和由Al_xhGa_1-xhAs(0.1≤xh≤1)构成的层的、组成相互不同的两种层的组合，两者的Al的组成差ΔX＝xh-x1大于或等于0.5。

(8)根据前项(1)～(7)的任一项所述的发光二极管，其特征在于，在上述发光部的与DBR反射层相反侧的面上具备电流扩散层。

根据上述的构成，得到以下的效果。

本发明的发光二极管为高输出功率和高效率，能够发出850nm以上、特别是900nm以上的发光峰波长的红外光。

本发明的发光二极管，由于活性层是具有由组成式(In_X1Ga_1-X1)As(0≤X1≤1)构成的阱层和由组成式(Al_X2Ga_1-X2)_Y1In_1-Y1P(0≤X2≤1，0＜Y1≤1)构成势垒层的多量子阱结构的构成，因此单色性优异。

本发明的发光二极管，由于覆盖层是四元混晶的组成式(Al_XGa_1-X)_YIn_1-YP(0≤X≤1，0＜Y≤1)构成的结构，因此与覆盖层由三元混晶构成的红外发光二极管相比Al浓度低、耐湿性提高。

本发明的发光二极管，由于活性层是具有由组成式(In_X1Ga_1-X1)As(0≤X1≤1)构成的阱层和由组成式(Al_X2Ga_1-X2)_Y1In_1-Y1P(0≤X2≤1，0＜Y1≤1)构成势垒层的叠层结构的构成，因此适合于利用MOCVD法进行量产。

本发明的发光二极管，由于是在发光层和基板之间具备DBR反射膜的构成，因此能够通过由GaAs基板吸收光来避免发光输出功率降低。

附图说明

图1是作为本发明的一实施方式的发光二极管的平面图。

图2是用于说明构成作为本发明的一实施方式的发光二极管的活性层的图。

图3是表示作为本发明的一实施方式的发光二极管的阱层的层厚和发光峰波长的关系(相关性)的曲线图。

图4是表示作为本发明的一实施方式的发光二极管的阱层的In组成(X1)、阱层厚度和发光峰波长的关系的曲线图。

图5是表示作为本发明的一实施方式的发光二极管的阱层的In组成(X1)和发光峰波长及其发光输出功率的关系的曲线图。

图6是表示作为本发明的一实施方式的发光二极管的阱层以及势垒层的对数和发光输出功率的关系的曲线图。

图7A是表示作为本发明的一实施方式的发光二极管的势垒层的组成式中所示的Y1和发光输出功率的关系的曲线图。

图7B是表示比较例的势垒层的组成式中所示的Y1和发光输出功率的关系的曲线图。

图8是表示作为本发明的一实施方式的发光二极管的阱层以及势垒层的对数对于正向电流与发光输出功率的关系的依赖性的曲线图。

附图标记说明

1...GaAs基板

2..缓冲层

3...DBR反射层

3a...DBR反射层的第1构成层

3b...DBR反射层的第2构成层

5...下部覆盖层(第1覆盖层)

6...下部引导层(第1引导层)

7...活性层

8...上部引导层(第2引导层)

9...上层覆盖层(第2覆盖层)

10...电流扩散层

12...p型欧姆电极(第1电极)

13...n型欧姆电极(第2电极)

20...发光部

30...化合物半导体层

100...发光二极管

具体实施方式

以下，使用附图对作为应用了本发明的一实施方式的发光二极管详细地说明。再者，为易于明白其特征，在以下的说明中使用的附图有时为方便起见将成为特征的部分放大地表示，各构成要素的尺寸比率等未必与实际相同。

<发光二极管>

图1是应用了本发明的一实施方式涉及的发光二极管的剖面模式图。另外，图2是应用了本发明的一实施方式涉及的阱层和势垒层的叠层结构的剖面模式图。

如图1所示，本实施方式涉及的发光二极管100，是在基板1上依次具备DBR反射层3和发光部20的发光二极管100。其特征在于，发光部20具有：活性层7，该活性层7具有由组成式(In_X1Ga_1-X1)As(0≤X1≤1)构成的阱层15与由组成式(Al_X2Ga_1-X2)_Y1In_1-Y1P(0≤X2≤1，0＜Y1≤1)构成势垒层16的叠层结构；从两侧夹着活性层7的、由组成式(Al_X3Ga_1-X3)_Y2In_1-Y2P(0≤X3≤1，0＜Y2≤1)构成的第1引导层和第2引导层；以及，介由上述第1引导层6和第2引导层8的各层夹着上述活性层7的、由组成式(Al_X4Ga_1-X4)_YIn_1-YP(0≤X4≤1，0＜Y≤1)构成的第1覆盖层5和第2覆盖层9。

化合物半导体层(也称为外延生长层)30，如图1所示，具有顺序层叠了pn结型的发光部20和电流扩散层10的结构。可以对该化合物半导体层30的结构适当施加公知的功能层。例如，可以设置：用于降低欧姆(Ohmic)电极的接触电阻的接触层、用于使元件驱动电流在整个发光部平面性地扩散的电流扩散层、相反地用于限制元件驱动电流流通的区域的电流阻止层和电流狭窄层等公知的层结构。再者，在图1中，将发光部20和电流扩散层10作为化合物半导体层30示出，但在化合物半导体层30中也可以根据需要包含反射层和/或缓冲层。

再者，优选化合物半导体层30是在GaAs基板上外延生长形成的层。

在n型基板上具备的发光部20，例如如图1所示，在DBR反射层3上顺序层叠n型的下部覆盖层(第1覆盖层)5、下部引导层6、活性层7、上部引导层8、p型的上部覆盖层(第2覆盖层)9而构成。即，在得到高强度的发光方面，优选：发光部20形成为下述结构：为了将带来放射再结合的载流子(carrier)和发光“封入”到活性层7而含有在活性层7的下侧和上侧对峙地配置的下部覆盖层5、下部引导(guide)层6以及上部引导层8、上部覆盖层9的结构，即所谓的双异质(英文简称：DH)结构。

活性层7，如图2所示，为了控制发光二极管(LED)的发光波长，形成量子阱结构。即，活性层7是在两端具有势垒层(也称为垒层)16的、阱层15与势垒层16的多层结构(叠层结构)。

活性层7的层厚优选为0.02～2μm的范围。另外，活性层7的传导类型没有特别限定，不掺杂、p型和n型的任一种都可以选择。为了提高发光效率，优选采用结晶性良好的不掺杂或低于3×10¹⁷cm^-3的载流子浓度。

DBR(分布式布拉格反射；Distributed Bragg Reflector)反射层3，是由多层膜构成的层，所述多层膜是以λ/(4n)的膜厚(λ：应该反射的光在真空中的波长、n：层材料的折射率)将折射率不同的两种层交替地层叠了的多层膜。反射率，在两种层的折射率的差大的场合，采用比较少的层数的多层膜即可得到高反射率。这样的层的特征为：并不像通常的反射膜那样地由特定的面反射，而是利用多层膜的整体基于光的干涉现象引起反射。

优选：DBR(Distributed Bragg Reflector)反射层3为折射率不同的两种层交替地层叠10～50对从而构成。原因是：在为10对以下的场合，反射率过低而无助于输出功率的增大；即使为50对以上，反射率的进一步增大也较小。

构成DBR(Distributed Bragg Reflector)反射层3的折射率不同的两种层从以下的三种组合中选择可以效率良好地得到高的反射率，因此优选。即，从可效率良好地得到高的反射率来看，优选上述两种层从下述组合的任一组合中选择：为组成不同的两种层、即由组成式(Al_XhGa_1-Xh)_Y3In_1-Y3P(0＜Xh≤1、Y3＝0.5)构成的层和由组成式(Al_X1Ga_1-X1)_Y3In_1-Y3P(0≤X1＜1、Y3＝0.5)构成的层的对，两者的Al的组成差ΔX＝xh-x1大于或等于0.5的组合；GaInP和AlInP的组合；或者，为由组成式Al_x1Ga_1-x1As(0.1≤x1≤1)构成的层和由组成式Al_xhGa_1-xhAs(0.1≤xh≤1)构成的层的对，两者的组成差ΔX＝xh-x1大于或等于0.5的组合。

由相互组成不同的AlGaInP构成的两种层的组合，由于不合容易产生晶体缺陷的As因而优选。GaInP和AlInP的组合，由于在其中取得最大的折射率差，因此能够减少反射层的数目，组成的切换也简单因此优选。另外，AlGaAs具有容易采取大的折射率差的优点。

接着，对于阱层15和势垒层16进行说明。

图3中，将阱层15的In组成(X1)、即阱层的组成式中所示的X1固定在0.1，表示阱层的层厚和发光峰波长的关系。表1表示图3示出的点的值。可知如果阱层变厚为3nm、5nm、7nm，则波长单调地变长为820nm、870nm、920nm。

表1

	In组成0.1
		阱层厚(nm)	波长(nm)
3	820
		5	870
7	920

图4表示阱层15的发光峰波长、与其In组成(X1)以及阱层15的层厚的关系。图4表示阱层15的发光峰波长为规定的波长时的阱层15的In组成(X1)和层厚的组合。具体地讲，用点和连接点的线来表示发光峰波长分别为920nm、960nm的构成的阱层15的In组成(X1)和层厚的组合。图4还用点来表示了其他的发光峰波长为820nm、870nm、985nm以及995nm时的In组成(X1)和层厚的组合。表2表示图4示出的点的值。

表2

	820nm	870nm	920nm	960nm	985nm	995nm
							In组成	层厚(nm)	层厚(nm)	层厚(nm)	层厚(nm)	层厚(nm)	层厚(nm)
0.05			8
							0.10	3	5	7	8
0.20			5	6
							0.25			4	5
0.30			3		5
							0.35						5

由上述图和表明白，发光峰波长为920nm的场合，如果In组成(X1)从0.3下降到0.05，则与其对应的层厚单调地从3nm变厚到8nm。由此，只要是本领域技术人员就可以容易地发现发光峰波长为920nm的In组成和阱层的层厚的组合。

另外，In组成(X1)为0.1时，如果层厚变厚为3nm、5nm、7nm、8nm，则与其对应的发光峰波长变长为820nm、870nm、920nm、960nm。另外，In组成(X1)为0.2时，如果层厚变厚为5nm、6nm，则与其对应的发光峰波长变长为920nm、960nm。In组成(X1)为0.25时，如果层厚变厚为4nm、5nm，则与其对应的发光峰波长变长为920nm、960nm。此外，In组成(X1)为0.3时，如果层厚变厚为3nm、5nm，则与其对应的发光峰波长变长为920nm、985nm。

进而，层厚为5nm时，如果In组成(X1)增加为0.1、0.2、0.25、0.3，则发光峰波长变长为870nm、920nm、960nm、985nm。如果In组成(X1)变为0.35，则发光峰波长变为995nm。

在图4中表示，如果连接发光峰波长分别为920nm和960nm的In组成(X1)和层厚的组合，则显示出形成相互大体上平行的大致直线。此外，从图4的结果推测，在将850nm以上到1000nm左右的波长带设为规定的发光峰波长的In组成(X1)和层厚的组合中，连接它们的线也成为大致直线状。此外，推测连接上述组合的线，发光峰波长越短则位于越下侧，越长则位于越上侧。

基于以上的规则性，可以容易地发现具有850nm～1000nm的所希望的发光峰波长的In组成(X1)和层厚。

图5表示阱层15的层厚固定在5nm时的In组成(X1)与发光峰波长以及其发光输出功率的关系。表3表示图5示出的点的值。

如果In组成(X1)增加为0.12、0.2、0.25、0.3、0.35，则发光峰波长(发光波长)变长为870nm、920nm、960nm、985nm、995nm。更详细地讲，随着In组成(X1)从0.12增加到0.3，发光峰波长大致单调地从870nm变长到985nm。但是，即使In组成(X1)从0.3增加到0.35，虽然从985nm变长为995nm，但向着长波长的变化率变小。

另外，在发光峰波长为870nm(X1＝0.12)、920nm(X1＝0.2)、960nm(X1＝0.25)时，发光输出功率为6.0mW的高值，在985nm(X1＝0.3)下也具有4.5mW的实用上充分高的值。但是，在发光峰波长为995nm(X1＝0.35)时，为1.8mW的低值。

表3

基于图3～图5，可知在由InGaAs构成的阱层中，优选阱层15具有(In_X1Ga_1-X1)As(0≤X1≤0.3)的组成。上述X1在该范围之中，能够进行调整使得达到所希望的发光峰波长。

在使发光峰波长为900nm以上的场合，优选为0.1≤X1≤0.3，在使其低于900nm的场合，优选为0≤X1≤0.1。

阱层15的层厚优选为3～20nm的范围。更优选为3～10nm的范围。

势垒层18具有(Al_X2Ga_1-X2)_Y1In_1-Y1P(0≤X2≤1，0＜Y1≤1)的组成。上述X2优选设为带隙比阱层17大的组成，更优选为0～0.2的范围。另外，Y1为了缓和起因于阱层17的晶格失配的应变而优选设为0.5～0.7，更优选为0.52～0.60的范围。

势垒层18的层厚优选为3～20nm的范围，优选与阱层17的层厚相等或比其厚。由此，能够提高阱层17的发光效率。

图6表示阱层15的层厚为5nm、In组成(X1)＝0.2(即，(In_0.2Ga_0.8)As)、并且势垒层的组成X2＝0.1、Y1＝0.55时的(即，(Al_0.1Ga_0.9)_0.55In_0.45P)、阱层以及势垒层的对数和发光输出功率的关系。势垒层的层厚为10nm。表4表示图6示出的数据的值。这些是使用GaAs基板的场合的值。

再者，为了表示势垒层的效果，作为比较例一并示出了除了势垒层使用Al_0.3Ga_0.7As以外条件相同的例子。

在势垒层使用Al_0.3Ga_0.7As的比较例的场合，对数为1～5对时发光输出功率具有6.0mW以上的高值，但为10对时降低为5.7mW，在为20对时进一步降低。与此相对，本发明的场合，对数直到10对为止都维持了大致6.0mW以上的高值。这样，即使增多对数也能够维持高的发光输出功率是起因于：(Al_X2Ga_1-X2)_Y1In_1-Y1P(组成X2＝0.1、Y1＝0.55、即(Al_0.1Ga_0.9)_0.55In_0.45P)的势垒层缓和由组成式(In_X1Ga_1-X1)As(0≤X1≤1)构成的阱层对于GaAs基板的应变(即，势垒层给予与阱层反向的晶格应变)，抑制了结晶性的降低。对于应变缓和的效果进一步使用图8说明。

表4

图7A表示将阱层17的层厚设为5nm、以及In组成(X1)＝0.2(发光波长920nm)，并且，势垒层的Al组成(X2)＝0.1，对数设为5对时的势垒层的Y1(即，(Al_0.1Ga_0.9)_yIn_1-yP)和发光输出功率的关系。势垒层的层厚为10nm。表5表示图7示出的数据的值。这些是使用GaAs基板时的值。

为了表示势垒层的效果，在图7B中，作为比较例，表示出势垒层与上述的本发明相同，但阱层使用与基板相同的材料即GaAs层(即，使用对基板没有应变的阱层的场合)的例子。

在图7A所示的本发明的场合，发光输出功率的最大值为6.2mW，势垒层的Y1在0.5～0.65的范围显示大致6mW。与此相对，可知在阱层使用GaAs层的比较例的场合，发光输出功率的最大值为5.9mW，显示高输出功率的范围也比本发明的场合窄。

由这些结果可以理解：在本发明中，由于势垒层的反方向应变缓和阱层的应变，能够抑制结晶性降低，因此发光输出功率高、并且能够显示高输出功率的势垒层的组成范围也宽。相对于该结果，可以理解在比较例中，因为是没有应变的阱层和有应变的势垒层的组合，所以作为结果，结晶性降低、发光输出特性降低。

表5

图8表示阱层以及势垒层的对数对于正向电流和发光输出功率的关系的依赖性。图中所示的数据表示阱层15的层厚为5nm、In组成(X1)＝0.2(即，(In_0.2Ga_0.8)As)，并且，势垒层的组成X2＝0.1、Y1＝0.55(即，(Al_0.1Ga_0.9)_0.55In_0.45P)，对数为3对以及5对的情况。势垒层的层厚为10nm。表6表示图8示出的数据的值。

直到正向电流为30mA为止，对数为3对以及5对的任一场合，发光输出功率都与电流的增加大致成比例地增大。但是，正向电流为50mA、100mA时，5对时维持大致比例、发光输出功率相对于电流的增加而增大，但3对时的增大率减少，在50mA以及100mA的各个电流下，与5对时的场合相比，发光输出功率降低1.5mW以及8mW。

因此，可知对于大电流和高输出功率的发光二极管，5对时的发光二极管比3对时的发光二极管合适。对数多的场合适合于大电流和高输出功率的原因是起因于：对数多就可以使组成X2＝0.1、Y1＝0.55(即，(Al_0.1Ga_0.9)_0.55In_0.48P)的势垒层更加缓和由组成式(In_X1Ga_1-X1)As(0≤X1≤1)构成的阱层对于基板的应变，更加抑制结晶性的降低。

表6

对数	3对	5对
			电流(mA)	输出功率(mW)	输出功率(mW)
0.1	0	0
			5	1.5	1.4
10	3.3	3.3
			20	6.2	6.15
30	9.0	9.0
			50	13.0	14.5
100	20.0	28.0

在阱层15与势垒层16的多层结构中，将阱层15和势垒层16交替地层叠的对(pair)数没有特别的限定。但是，如果基于图6，则优选为1对～10对。即，优选活性层7包含1～10层的阱层15。在此，作为可得到活性层7的优选的发光效率的范围，阱层15需要为1层以上，也可以仅为1层。另一方面，阱层15和势垒层16之间存在晶格失配，并且载流子浓度低。因而，如果形成为较多的对，则发生晶体缺陷，发光效率降低，或正向电流(V_F)增大。因此，优选为10对以下，更优选为5对以下。

下部引导层6和上部引导层8，如图2所示，分别设置在活性层7的下面和上面。具体地讲，在活性层7的下面设置下部引导层6，在活性层7的上面设置上部引导层8。

下部引导层6和上部引导层8具有(Al_X3Ga_1-X3)_Y2In_1-Y2P(0≤X3≤1，0＜Y2≤1)的组成。这些引导层的上述X3优选设为带隙与势垒层18相等或比势垒层18的带隙大的组成，因而X3更优选为0.2～0.5的范围。另外，Y2优选为0.4～0.6。

X3在能够作为引导层发挥功能并且对于发光波长透明的范围选择。由于引导层是厚膜所以重视与基板的晶格匹配来选择Y2，另外，作为能够进行优质的晶体生长的范围来选择。

下部引导层6和上部引导层8，为了降低分别在下部覆盖层5以及上部覆盖层9、与活性层7之间的缺陷的扩展而设置。即，在本发明中，相对于活性层7的V族构成元素为砷(As)，下部覆盖层5和上部覆盖层9的V族构成元素为磷(P)。因此，在活性层7、与下部覆盖层5以及上部覆盖层9的界面容易产生缺陷。缺陷向活性层7的扩展成为发光二极管的性能降低的原因。为了有效地降低该缺陷的扩展，下部引导层6和上部引导层8的层厚优选为10nm以上，更优选为20nm～100nm。

下部引导层6和上部引导层8的传导类型没有特别限定，不掺杂、p型和n型的任一种都可以任意地选择。为了提高发光效率，优选采用结晶性良好的不掺杂或低于3×10¹⁷cm^-3的载流子浓度。

下部覆盖层5和上部覆盖层9，如图1所示，分别设置在下部引导层6的下面以及上部引导层8上面。

作为下部覆盖层5和上部覆盖层9的材质，优选使用(Al_X4Ga_1-X4)_YIn_1-YP(0≤X4≤1，0＜Y≤1)的半导体材料，优选带隙比势垒层15大的材质，更优选带隙比下部引导层6和上部引导层8大的材质。作为满足上述条件的材质，(Al_X4Ga_1-X4)_YIn_1-YP(0≤X4≤1，0＜Y≤1)的X4优选为0.3～0.7。另外，Y优选设为0.4～0.6。X4在能够作为覆盖层发挥功能并且对于发光波长为透明的范围选择。由于覆盖层是厚膜，所以Y4从与基板的晶格匹配的观点来看，作为能够进行优质的晶体生长的范围来选择。

下部覆盖层5和上部覆盖层9以极性相互不同的方式被构成。另外，下部覆盖层5和上部覆盖层9的载流子浓度以及厚度，可以使用公知的优选范围，优选将条件最佳化，以使得活性层7的发光效率提高。另外，通过控制下部覆盖层5和上部覆盖层9的组成，可以使化合物半导体层30的翘曲降低。

具体地讲，作为下部覆盖层5，优选使用例如掺杂Si的n型的(Al_X4bGa_1-X4b)_YbIn_1-YbP(0.3≤X4b≤0.7，0.4≤Yb≤0.6)构成的半导体材料。另外，载流子浓度优选为1×10¹⁷～1×10¹⁸cm^-3的范围，层厚优选为0.1～1μm的范围。

另一方面，上部覆盖层9，优选使用例如掺杂Mg的p型的(Al_X4aGa_1-X4a)_YaIn_1-YaP(0.3≤X4a≤0.7，0.4≤Ya≤0.6)构成的半导体材料。另外，载流子浓度优选为2×10¹⁷～2×10¹⁸cm^-3的范围，层厚优选为0.1～1μm的范围。

再者，下部覆盖层5和上部覆盖层9的极性可以考虑化合物半导体层30的元件结构进行选择。

另外，在发光部20的构成层的上方，可以任意地设置用于降低欧姆(Ohmic)电极的接触电阻的接触层、用于使元件驱动电流在整个发光部平面性地扩散的电流扩散层、以及相反地用于限制元件驱动电流流通的区域的电流阻止层和电流狭窄层等的公知的层结构。

电流扩散层10，如图1所示，设置在发光部20的上方。该电流扩散层10可以使用对于来自发光部20(活性层7)的发光波长为透明的材料、例如GaP、GaInP。

另外，电流扩散层10的厚度优选为0.5～20μm的范围。因为如果为0.5μm以下则电流扩散不充分，如果为20μm以上则为晶体生长到该厚度的成本增大。

p型欧姆电极(第1电极)12，是设置在发光二极管100的主要的光取出面的低电阻的欧姆接触电极。n型欧姆电极(第2电极)13，是设置在发光二极管100的基板侧的背面的低电阻的欧姆接触电极。在此，p型欧姆电极12设置在电流扩散层10的表面，例如，可以使用由AuBe/Au、或AuZn/Au形成的合金。另一方面，n型欧姆电极13例如可以使用由AuGe、或Ni合金/Au形成的合金。

<发光二极管的制造方法>

接着，使用图1对本实施方式的发光二极管100的制造方法进行说明。(化合物半导体层的形成工序)

首先，制作图1所示的化合物半导体层30。含有化合物半导体层30的发光二极管，是在n型GaAs基板1上顺序层叠由GaAs构成的缓冲层2、将由GaInP构成的层(折射率大的层)3a和由AlInP构成的层(折射率小的层)3b交替地层叠了40对的DBR反射层3、掺杂Si的n型的下部覆盖层5、下部引导层6、活性层7、上部引导层8、掺杂Mg的p型的上部覆盖层9、由掺杂Mg的p型GaP构成的电流扩散层10而制作的。

GaAs基板1，可以使用由公知的制法制成的市售品的单晶基板。GaAs基板1的进行外延生长的表面优选为平滑。从品质的稳定性方面来看，优选：GaAs基板1的表面的面取向为容易外延生长并可量产的(100)面以及从(100)偏离至±20°以内的基板。进而，更优选GaAs基板1的面取向的范围为从(100)方向向(0-1-1)方向偏离15°±5°。

再者，在本说明书中，在密勒指数的表示中，“-”意指附在紧随其后的指数的杠。

为了使化合物半导体层30的结晶性良好，优选GaAs基板1的位错密度低。具体地讲，例如，希望为10000个cm^-2以下，优选为1000个cm^-2以下。下限任意选择即可。

GaAs基板1可以是n型也可以是p型。GaAs基板1的载流子浓度可以由所希望的电导率和元件结构适当选择。例如，在GaAs基板1为掺杂Si的n型的场合，优选载流子浓度为1×10¹⁷～5×10¹⁸cm^-3的范围。与此相对，在GaAs基板1为掺杂Zn的p型的场合，优选载流子浓度为2×10¹⁸～5×10¹⁹cm^-3的范围。

GaAs基板1的厚度根据基板的尺寸有适当的范围。如果GaAs基板1的厚度比适当的范围薄，则在化合物半导体层30的制造工艺中有龟裂之虞。另一方面，如果GaAs基板1的厚度比适当的范围厚，则材料成本增加。因此，在GaAs基板1的基板尺寸大的场合，例如，直径为75mm的圆形的场合，为了防止操作时的开裂，优选250～500μm的厚度。同样地，在直径为50mm的场合，优选200～400μm的厚度，在直径为100mm的场合，优选350～600μm的厚度。

这样，通过根据GaAs基板1的基板尺寸来增厚基板的厚度，可以降低起因于发光部20的化合物半导体层30的翘曲。由此，外延生长中的温度分布变得均匀，因此可以减小活性层7的面内的波长分布。再者，GaAs基板1的形状并不特别限定于圆形，也可以为矩形等。

缓冲层(buffer)2是为了降低GaAs基板1和发光部20的构成层的缺陷的扩展而设置的。因此，如果选择基板的品质和外延生长条件，则缓冲层2并不一定需要。另外，缓冲层2的材质优选为与用于外延生长的基板相同的材质。因此，在本实施方式中，缓冲层2优选与GaAs基板1同样地使用GaAs。另外，为了降低缺陷的扩展，缓冲层2也可以使用由不同于GaAs基板1的材质构成的多层膜。缓冲层2的厚度优选为0.1μm以上，更优选为0.2μm以上。厚度的上限可以任意选择。缓冲层2也可以作为化合物半导体层30的一部分考虑。

DBR反射层3是为了反射向基板方向行进的光而设置的。DBR反射层3的材质优选对于发光波长是透明的。另外，优选：选择构成DBR反射层3的两种材料的折射率之差大的组合。在本实施方式中，将DBR反射层3的材质设为AlInP和GaInP的组合。但是，也可以从作为组成不同的两种层的、由(Al_X1Ga_1-X1)_0.5In_0.5P(0≤X1＜1)构成的层和由(Al_XhGa_1-Xh)_0.5In_0.5P(0＜Xh≤1)构成的层的组合选择。另外，也可以从作为组成不同的两种层的、由Al_x1Ga_1-x1As(0.1≤x1≤1)构成的层和由Al_xhGa_1-xhAs(0.1≤xh≤1)构成的层的组合选择。DBR反射层3也可以作为化合物半导体层30的一部分考虑。

在本实施方式中，在形成化合物半导体层30时，可以应用分子束外延法(MBE)和减压有机金属化学气相沉积法(MOCVD法)等的公知的生长方法。其中，最优选应用量产性优异的MOCVD法。具体地讲，在化合物半导体层30的外延生长中使用的GaAs基板1，优选在生长前实施洗涤工序和热处理等的预处理，来除去表面的污染和自然氧化膜。构成上述化合物半导体层30的各层，可以在MOCVD装置内安置直径为50～150mm的GaAs基板1，同时地进行外延生长来层叠。另外，作为MOCVD装置，可以应用自公转型、高速旋转型等的市售的大型装置。

使上述化合物半导体层30的各层外延生长时，作为III族构成元素的原料，例如可以使用三甲基铝((CH₃)₃Al)、三甲基镓((CH₃)₃Ga)以及三甲基铟((CH₃)₃In)。另外，作为Mg的掺杂原料，例如可以使用双环戊二烯基镁(bis-(C₅H₅)₂Mg)等。另外，作为Si的掺杂原料，例如可以使用乙硅烷(Si₂H₆)等。

另外，作为V族构成元素的原料，可以使用膦(PH₃)、胂(AsH₃)等。

另外，各层的生长温度可以任意地选择，例如，在使用p型GaP作为电流扩散层10的场合，可以采用720～770℃，其他的各层，可以采用600～700℃。

另外，使用p型GaInP作为电流扩散层10的场合，可以采用600～700℃。

此外，各层的载流子浓度以及层厚、温度条件可以适当选择。

这样制造的化合物半导体层30，尽管具有发光部20也可得到晶体缺陷少的良好的表面状态。另外，化合物半导体层30也可以对应于元件结构实施研磨等的表面加工。

(第1和第2电极的形成工序)

接着，在形成有化合物半导体层的上述基板上形成作为第1电极的p型欧姆电极12和作为第2电极的n型欧姆电极13。

实施例

以下，使用实施例具体地说明本发明的效果。再者，本发明并不限定于这些实施例。

在本实施例中，具体地说明制作了本发明涉及的发光二极管的例子。另外，在本实施例中制作的发光二极管，是具有由量子阱结构构成的活性层的红外发光二极管，所述量子阱结构为由InGaAs构成的阱层和由AlGaAs构成的势垒层的量子阱结构。在本实施例中，为了特性评价，制作了在基板上安装了发光二极管芯片的发光二极管灯。

(实施例1)

实施例1的发光二极管，首先，在由掺杂Si的n型的GaAs单晶构成的GaAs基板上顺序层叠化合物半导体层的层，制作了外延晶片。

GaAs基板是以从(100)面向(0-1-1)方向倾斜了15°的面作为生长面，将载流子浓度设为2×10¹⁸cm^-3的基板。另外，GaAs基板的层厚设为约0.5μm。作为化合物半导体层的层，是将：由掺杂Si的GaAs构成的n型的缓冲层、由掺杂Si的AlInP和GaInP的40对的重复结构的n型的DBR反射层、由掺杂Si的(Al_0.7Ga_0.3)_0.5In_0.5P构成的n型的下部覆盖层、由(Al_0.3Ga_0.7)_0.5In_0.5P构成的下部引导层、由(In_0.2Ga_0.8)As/(Al_0.1Ga_0.9)_0.5In_0.5P的3对构成的阱层/势垒层、由(Al_0.3Ga_0.7)_0.5In_0.5P构成的上部引导层、由掺杂Mg的(Al_0.7Ga_0.3)_0.5In_0.5P构成的p型的上部覆盖层、由(Al_0.5Ga_0.5)_0.5In_0.5P构成的薄膜的中间层、由掺杂Mg的p型GaP构成的电流扩散层顺序层叠地使用。

在本实施例中，采用减压有机金属化学气相沉积装置法(MOCVD装置)，在直径为76mm、厚度为350μm的GaAs基板上使化合物半导体层外延生长，形成了外延晶片。在使外延生长层生长时，作为III族构成元素的原料，使用了三甲基铝((CH₃)₃Al)、三甲基镓((CH₃)₃Ga)以及三甲基铟((CH₃)₃In)。另外，作为Mg的掺杂原料，使用了双环戊二烯基镁(bis-(C₅H₅)₂Mg)。另外，作为Si的掺杂原料，使用了乙硅烷(Si₂H₆)。另外，作为V族构成元素的原料，使用了膦(PH₃)、胂(AsH₃)。另外，作为各层的生长温度，由p型GaP构成的电流扩散层在750℃下生长。其他的各层在700℃下生长。

由GaAs构成的缓冲层，将载流子浓度设为约2×10¹⁸cm^-3、层厚设为约0.5μm。下部覆盖层，将载流子浓度设为约1×10¹⁸cm^-3、层厚设为约0.5μm。下部引导层为不掺杂且将层厚设为约50nm。阱层为不掺杂且层厚约为5nm的(In_0.2Ga_0.8)As，势垒层是不掺杂且层厚约为10nm的(Al_0.3Ga_0.7)_0.5In_0.5P。另外，将阱层和势垒层交替地层叠了3对。上部引导层为不掺杂且将层厚设为约50nm。上部覆盖层，将载流子浓度设为约8×10¹⁷cm^-3、层厚设为约0.5μm。中间层，将载流子浓度设为约8×10¹⁷cm^-3、层厚设为约50nm。由GaP构成的电流扩散层，将载流子浓度设为约3×10¹⁸cm^-3、层厚设为约10μm。

并且，DBR反射层，是将载流子浓度设为约1×10¹⁸cm^-3、层厚设为约71nm的AlInP和将载流子浓度设为约1×10¹⁸cm^-3、层厚设为约67nm的GaInP交替地层叠了40对。

接着，在电流扩散层的表面，采用真空蒸镀法以AuBe为0.2μm、Au为1μm的方式依次成膜。其后，利用一般的光刻手段实施图案化，由此形成了p型欧姆电极作为第1电极。接着，对作为电极部以外的表面的光取出面实施了粗糙化处理。

接着，作为第2电极，在基板背面采用真空蒸镀法以AuGe和Ni的各层的厚度为0.5μm、Pt为0.2μm、Au为1μm的方式依次成膜，形成了n型欧姆电极。其后，通过在450℃进行10分钟热处理，将AuGe和Ni以及半导体表面部分进行合金化(alloying)，形成了低电阻的p型和n型欧姆电极。

接着，使用划片锯从化合物半导体层侧以350μm间隔切断来芯片化。利用硫酸-过氧化氢混合液将由划片引起的破碎层和污物蚀刻除去，制作了实施例1的发光二极管。

组装了100个在安装基板上安装了如上述那样制作的实施例1的发光二极管芯片的发光二极管灯。该发光二极管灯是如下制作的：安装是利用共晶芯片焊接机(die bonder)支持(安装；mount)，用金线将p型欧姆电极和p电极端子进行线接合后，利用一般的环氧树脂来封装。

将评价了该发光二极管(发光二极管灯)的特性的结果示于表7。

如表7所示，在n型和p型欧姆电极间流通了电流，射出峰波长为920nm的红外光。正向流通了20毫安(mA)的电流时的正向电压(Vf)约为1.2伏。正向电流为20mA时的发光输出功率为6.2mW。

表7

测定电流＝20mA

(实施例2)

实施例2的发光二极管除了改变DBR反射层的构成以外，在与实施例1相同的条件下制作。

具体地讲，作为DBR反射层，是将载流子浓度设为约1×10¹⁸cm^-3、层厚设为约71nm的由(Al_0.9Ga_0.1)_0.5In_0.5P构成的层和将载流子浓度设为约1×10¹⁸cm^-3、层厚设为约68nm的由(Al_0.2Ga_0.8)_0.5In_0.5P构成的层交替地层叠了40对。

评价了该发光二极管(发光二极管灯)的特性的结果如表7所示。射出峰波长为920nm的红外光，发光输出功率(P₀)和正向电压(V_F)分别为6.0mW、1.2V。

(实施例3)

实施例3的发光二极管除了改变DBR反射层的构成以外，在与实施例1相同的条件下制作。

具体地讲，作为DBR反射层，是将载流子浓度设为约1×10¹⁸cm^-3、层厚设为约71nm的由Al_0.9Ga_0.1As构成的层和将载流子浓度设为约1×10¹⁸cm^-3、层厚设为约64nm的由Al_0.1Ga_0.9As构成的层交替地层叠了40对。

评价了该发光二极管(发光二极管灯)的特性的结果如表7所示。射出峰波长为920nm的红外光，发光输出功率(P₀)和正向电压(V_F)分别为6.5mW、1.1V。

(实施例4)

实施例4的发光二极管，除了使用由(In_0.12Ga_0.88)As/(Al_0.1Ga_0.9)_0.5In_0.5P构成的3对阱层/势垒层以外，在与实施例1相同的条件下制作。

评价了该发光二极管(发光二极管灯)的特性的结果如表7所示。射出峰波长为870nm的红外光，发光输出功率(P₀)和正向电压(V_F)分别为6.0mW、1.2V。

(实施例5)

实施例5的发光二极管，除了使用由(In_0.12Ga_0.88)As/(Al_0.1Ga_0.9)_0.5In_0.5P构成的3对阱层/势垒层以外，在与实施例2相同的条件下制作。即，除了改变DBR反射层的构成以外，在与实施例4相同的条件下制造。

评价了该发光二极管(发光二极管灯)的特性的结果如表7所示。射出峰波长为870nm的红外光，发光输出功率(P₀)和正向电压(V_F)分别为5.7mW、1.2V。

(实施例6)

实施例6的发光二极管，除了使用由(In_0.12Ga_0.88)As/(Al_0.1Ga_0.9)_0.5In_0.5P构成的3对阱层/势垒层以外，在与实施例3相同的条件下制作。即，除了改变DBR反射层的构成以外，在与实施例4相同的条件下制造。

评价了该发光二极管(发光二极管灯)的特性的结果如表7所示。射出峰波长为870nm的红外光，发光输出功率(P₀)和正向电压(V_F)分别为6.2mW、1.1V。

(实施例7)

实施例7的发光二极管，除了使用由(In_0.25Ga_0.75)As/(Al_0.1Ga_0.9)_0.5In_0.5P构成的3对阱层/势垒层以外，在与实施例1相同的条件下制作。

评价了该发光二极管(发光二极管灯)的特性的结果如表7所示。射出峰波长为960nm的红外光，发光输出功率(P₀)和正向电压(V_F)分别为6.0mW、1.2V。

(实施例8)

实施例8的发光二极管，除了使用由(In_0.25Ga_0.75)As/(Al_0.1Ga_0.9)_0.5In_0.5P构成的3对阱层/势垒层以外，在与实施例2相同的条件下制作。即，除了改变DBR反射层的构成以外，在与实施例7相同的条件下制造。

评价了该发光二极管(发光二极管灯)的特性的结果如表7所示。射出峰波长为960nm的红外光，发光输出功率(P₀)和正向电压(V_F)分别为5.8mW、1.2V。

(实施例9)

实施例9的发光二极管，除了使用由(In_0.25Ga_0.75)As/(Al_0.1Ga_0.9)_0.5In_0.5P构成的3对阱层/势垒层以外，在与实施例3相同的条件下制作。即，除了改变DBR反射层的构成以外，在与实施例7相同的条件下制造。

评价了该发光二极管(发光二极管灯)的特性的结果如表7所示。射出峰波长为960nm的红外光，发光输出功率(P₀)和正向电压(V_F)分别为6.2mW、1.1V。

(比较例1)

比较例1的发光二极管，采用作为现有技术的液相外延法形成。是变更为在GaAs基板上具有将由Al_0.01Ga_0.99As构成的层作为发光层的双异质结构的发光部的发光二极管的例子。

比较例1的发光二极管的制作，具体地讲是如以下那样制造的。在n型的(100)面的GaAs单晶基板上采用液相外延方法以由Al_0.01Ga_0.99As构成的n型上部覆盖层为50μm、由Al_0.01Ga_0.99As构成的掺杂Si的发光层为20μm、由Al_0.7Ga_0.3As构成的p型的下部覆盖层为20μm、对于发光波长为透明的由Al_0.25Ga_0.75As构成的p型的厚膜层为60μm的方式顺序制作。在该外延生长后除去了GaAs基板。接着，在n型AlGaAs上部覆盖层的表面以350μm的间隔形成了直径为100μm的n型欧姆电极。接着，在p型AlGaAs厚膜层的背面以80μm间隔形成了直径为20μm的p型欧姆电极。接着，利用划片锯以350μm间隔切断后，蚀刻除去破碎层，制作了含有1个n型欧姆电极和多个p型欧姆电极的比较例1的发光二极管芯片。

将评价了安装有比较例1的发光二极管的发光二极管灯的特性的结果示于表1。

如表1所示，在n型和p型欧姆电极间流通了电流，射出了峰波长为920nm的红外光。另外，正向流通了20毫安(mA)的电流时的正向电压(Vf)约为1.2伏(V)。另外，正向电流为20mA时的发光输出功率为2mW。另外，对于比较例1的任一样品，输出功率都比本发明的实施例低。

产业上的利用可能性

本发明的发光二极管能够作为高输出功率和高效率的发出850nm以上、特别是900nm以上的发光峰波长的红外光的发光二极管制品使用。

Claims

1.一种发光二极管，是在基板上依次具备DBR反射层和发光部的发光二极管，其特征在于，

所述发光部具有：

活性层，该活性层具有阱层与势垒层的叠层结构，所述阱层由组成式(In_X1Ga_1-X1)As构成，且0≤X1≤1，所述势垒层由组成式(Al_X2Ga_1-X2)_Y1In_1-Y1P构成，且0≤X2≤1、0＜Y1≤1；

夹着所述活性层的第1引导层以及第2引导层，所述第1引导层以及第2引导层由组成式(Al_X3Ga_1-X3)_Y2In_1-Y2P构成，且0≤X3≤1、0＜Y2≤1；和

介由所述第1引导层以及第2引导层的各层夹着所述活性层的第1覆盖层和第2覆盖层，所述第1覆盖层和第2覆盖层由组成式(Al_X4Ga_1-X4)_YIn_1-YP构成，且0≤X4≤1、0＜Y≤1。

2.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，所述阱层的组成式中所示的X1为0≤X1≤0.3。

3.根据权利要求2所述的发光二极管，其特征在于，所述阱层的组成式中所示的X1为0.1≤X1≤0.3。

4.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，所述DBR反射层是折射率不同的两种层交替地层叠了10～50对的层。

5.根据权利要求4所述的发光二极管，其特征在于，所述折射率不同的两种层，是由(Al_XhGa_1-Xh)_Y3In_1-Y3P构成且0＜Xh≤1、Y3＝0.5的层和由(Al_X1Ga_1-X1)_Y3In_1-Y3P构成且0≤X1＜1、Y3＝0.5的层的、组成相互不同的两种层的组合，两种层的Al的组成差ΔX＝xh-x1大于或等于0.5。

6.根据权利要求4所述的发光二极管，其特征在于，所述折射率不同的两种层是由GaInP构成的层和由AlInP构成的层的组合。

7.根据权利要求4所述的发光二极管，其特征在于，所述折射率不同的两种层是由Al_x1Ga_1-x1As构成且0.1≤x1≤1的层和由Al_xhGa_1-xhAs构成且0.1≤xh≤1的层的、组成相互不同的两种层的组合，两种层的Al的组成差ΔX＝xh-x1大于或等于0.5。

8.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，在所述发光部的与DBR反射层相反侧的面上具备电流扩散层。