JP2004297060A

JP2004297060A - 発光ダイオード素子とその製造方法

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Publication number: JP2004297060A
Application number: JP2004068392A
Authority: JP
Inventors: Keiichi Matsuzawa; 圭一松沢; Junichi Yamazaki; 潤一山崎
Original assignee: Showa Denko KK
Current assignee: Resonac Holdings Corp
Priority date: 2003-03-12
Filing date: 2004-03-11
Publication date: 2004-10-21

Abstract

【課題】窓層を従来よりも高温のプロセスで形成し、電気伝導度の改善された窓層とするが、高温プロセスによる変化がないようにその構造を変える事により、従来は出力強度の低下が著しかった黄緑色の波長帯域で、輝度の大きい発光ダイオード素子を実現する。
【解決手段】 AlGaInPの活性層を持ったダブルへテロ型発光ダイオードで、陽極側クラッド層を、0.5μｍ以上の厚さに成長したアンドープAlInP層と、それと窓層との中間のエネルギーバンドギャップをもちｐ型ドーピングを行った中間層で構成する。また、上記の窓層は、ＧａＰ層を７３０°以上の温度で成長し、その成長速度を毎時7.8μｍ以上、そのドーパントを亜鉛とする。また、陰極側クラッド層に、0.1μｍ厚以上のアンドープAlInP層をつける。
【選択図】図１

Description

この発明は、例えば黄緑色の波長帯域で輝度の大きい、ＡｌＧａＩｎＰからなる活性層を有する発光ダイオード（ＬＥＤ）素子とその製造方法に関するものである。

発光ダイオードは、表示用を中心に種々のものに使われている。よく知られている様に、その発光波長の短い順に、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＩｎＰ、ＧａＡｌＡｓ、あるいは、ＧａＩｎＡｓＰを用いたＬＥＤなどがある。また、その輝度は、年々改善され、最近では、照明や液晶表示装置のバックライトに使われるに至っているが、さらに改善するための研究が行なわれている。

発光効率のよいＬＥＤとしては、特許文献１あるいは特許文献２に記載されたもので、図５あるいは図６に示すダブルへテロ（ＤＨ）接合を持った構造のＬＥＤが知られている。このＬＥＤの特長は、電子とホールを再結合させて発光させるための活性層を挟んで、活性層のなかに電子やホールを閉じこめるためのとじ込め層を配置した構造を持つことである。この閉じ込め層は、活性層よりもバンドギャップが大きくその発光を吸収しないクラッド層として機能する。

上記の構造のＬＥＤの発光波長は、活性層の組成で決まることはよく知られている。例えば、図７のダブルへテロ（ＤＨ）接合を持った構造のＡｌＧａＩｎＰを活性層に用いたＬＥＤでは、その組成が、（Ａｌ_xＧａ_1-x）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐと表わされるとき、活性層のバンドギャップエネルギー（Ｅｇ）は、０≦ｘ≦０．６の範囲では、Ｅｇ＝１．９１＋０．６１ｘ（ｅＶ）とｘの値によって変化する。従ってＬＥＤの発光波長は、６５０ｎｍから５４５ｎｍまで、活性層のバンドギャップエネルギー、すなわち活性層の組成によって変化する。また、このｘの増加に伴なって、ＬＥＤの出力光が短波長となり、その強度がかなり低下することが知られている。

この出力光の強度の低下の原因は、次の点にあることが明らかにされている。つまり、短波長で発光させるために、活性層のバンドギャップを大きくする必用があるので、このために、ガリウム（Ｇａ）の組成比を減少させた活性層とする。しかし、この組成比の減少により、活性層と閉じ込め層とのバンドギャップ差が減少する。この結果、ホールが活性層に注入される際のポテンシャル障壁がより大きくなり、ホールの注入効率が低下する。また、活性層に閉じ込められた電子に対するクラッド層の障壁が低下し、電子の閉じ込めが低下する。その結果、電子とホールとの再結合が減少し、発光出力が低下してしまう。

このため、クラッド層をＡｌＩｎＰとして、ホールの注入効率と、電子の閉じ込め効果を改善したＬＥＤが、非特許文献１に報告されている。

また、活性層に接するｐクラッド層の一部を、０．００５から０．２μｍ程度の厚さでアンドープ層とするＬＥＤが特許文献３に開示されている。

このアンドープ層については、本発明でも類似の構造を持つが、本質的な理由で、さらに厚いアンドープ層が必用である点において、上記の開示とは相違している。

また、ｐ−ＧａＰの窓層とｐ−ＡｌＧａＩｎＰ層との間、あるいは、ｐ−ＡｌＧａＩｎＰクラッド層とＡｌＧａＩｎＰ活性層との間に、バンド不連続により発生するノッチを抑制するために、それらの層の中間のバンドギャップを持った層を新たに挿入して、順方向に流れる電流に対する抵抗値を低減する構成が、特許文献４に開示されている。

また、クラッド層の構造に着目したもので、図８に示す様に、活性層と、この活性層の一方の側に配置されたｎ型クラッド層と、前記活性層の他方の側に配置されたｐ型クラッド層とを備えた半導体発光素子において、前記ｎ型クラッド層が前記活性層に隣接するｎ型の第１のクラッド層とこの第１のクラッド層に隣接するｎ型の第２のクラッド層とを有し、前記第１のクラッド層は前記第２のクラッド層よりも低いキャリア濃度を有し且つ前記第２のクラッド層よりは薄いが量子力学的トンネル効果が生じる厚さよりは厚い厚さを有し、価電子帯に形成される前記活性層と前記第２のクラッド層の間の電位障壁の高さが価電子帯に形成される前記活性層と前記第１のクラッド層の間の電位障壁の高さよりも高く設定され、前記第１及び第２のクラッド層はＡＩＧａＩｎＰから成り、前記第１のクラッド層のＡｌＧａに対するＩｎの割合が前記第２のクラッド層のＡｌＧａに対するＩｎの割合よりも低く設定されていることを特徴とする半導体発光素子が、特許文献５に開示されている。

また、図９に示す様に、ＡｌＧａＩｎＰ系化合物半導体からなるｎ型クラッド層と、そのｎ型クラッド層よりバンドギャップエネルギーが小さい組成のＡｌＧａＩｎＰ系化合物半導体からなる活性層と、その活性層よりバンドギャップエネルギーが大きい組成のｐ型ＡｌＧａＩｎＰ系化合物半導体からなるクラッド層と、ＧａＰからなるｐ型ウィンドウ層とを積層した積層体に電極が設けられた発光素子で、さらに、上記のｐ型クラッド層と上記のｐ型ウィンドウ層との間に上記のｐ型クラッド層より小さいバンドギャップエネルギーを持った材料による介在層が設けられたものが、特許文献６に開示されている。

また、図１０に示す様に、ダブルへテロ接合構造のＬＥＤにおいて、ｐ型不純物がノンドープの活性層に拡散して発光効率を低下させることがなく、高特性が得られる様にするために、半導体基板上にｎ型クラッド層、活性層およびｐ型クラッド層からなるダブルへテロ接合の発光層を有する発光ダイオードの製法であって、前記ｐ型クラッド層の前記活性層側の一部を実質的にノンドープ層にして各半導体層を順次積層する、という発光ダイオードの製法が、特許文献７に開示されている。

また、ＡｌＧａＩｎＰにＧａＰの窓層をつけた構造のＬＥＤが、特許文献１に開示されている。このＧａＰの窓層をＡｌＧａＩｎＰの上に積層して、図１１のＬＥＤを製造する際に、８００℃以上の高温で成長させて結晶欠陥を抑制する製造方法が、非特許文献２に記載されている。

一般に、ｐ−ＡｌＧａＩｎＰ、あるいは、ｐ−ＡｌＩｎＰの電気伝導率は非常に小さいことが知られている。この対策として、また、発光部分の面積を広げて電流が局所的に集中せず拡散されるようにするために、窓層（あるいは電流拡散層）が使われる。しかし、この窓層の抵抗値が大きいときには、ＬＥＤに定格の電流を流すために必要な電圧が大きくなるので、その窓層にはなるべく小さい抵抗率の物質を用いることが望ましい。

米国特許第５００８７１８号明細書特開平３−２７０１８６号公報特開平８−３２１６３３号公報特許第３２３３５６９号公報特許第３０２４４８４号公報特開２０００−３１２０３０号公報特開平8-２９３６２３号公報

G.B.Stringfellow et al. "High Brightness Light Emitting Diode", pp. 108, pp. 162, and, pp.168, 1996. J. Lin, et al., J. Crys. Growth, 142, pp. 15-20, 1994.

上記の窓層(あるいは電流拡散層)の比抵抗を小さくするために、窓層の結晶性を高めることが有効である。しかし、この部分の結晶性を高めるために、窓層の成長温度を高温にすると、素子全体を高温プロセスにさらすことになり、窓層以外の部分で不都合が発生し、出力強度の大きい発光ダイオード素子を実現することができない。

この発明は上記に鑑み提案されたもので、窓層を従来よりも高温のプロセスで形成し、電気伝導度の改善された窓層とするが、高温プロセスによりおこる変化がないようにその構造を変える事により、従来は出力強度の低下が著しかった黄緑色の波長帯域で、輝度の大きい発光ダイオード素子を実現するものである。

上記目的を達成するための本発明の第１の特徴は、ＡｌＧａＩｎＰの活性層と、活性層を中間に挟むそれぞれこの活性層よりも大きなエネルギーバンドギャップを持った陽極側クラッド層、陰極側クラッド層および陽極側クラッド層上に形成される活性層よりもエネルギーバンドギャップが大きい窓層とを備えた発光ダイオード素子であって、陽極側クラッド層は、１）活性層に接する０．５μｍ以上の厚さに成長したアンドープＡｌＩｎＰ層と、２）このアンドープＡｌＩｎＰ層のエネルギーバンドギャップと窓層のそれとの中間のエネルギーバンドギャップを持ち、且つ、窓層に接するＰ型のドーピングを行った中間層とを含むことである。

また、本発明の第２の特徴は、ＡｌＧａＩｎＰの活性層と、活性層を中間に挟むそれぞれこの活性層よりも大きなエネルギーバンドギャップを持った陽極側クラッド層、陰極側クラッド層および陽極側クラッド層上に形成される活性層よりもエネルギーバンドギャップが大きい窓層とを備えた発光ダイオードであって、前記の窓層は、ＧａＰ層を７３０℃以上の温度で成長したものであり、その成長速度は毎時７．８μｍ以上であり、そのドーパントは、亜鉛であることである。

また、本発明の第３の特徴は、第２の特徴に加えて、陽極側クラッド層は、１）活性層に接する０．５μｍ以上の厚さに成長したアンドープＡｌＩｎＰ層と、２）このアンドープＡｌＩｎＰ層のエネルギーバンドギャップと窓層のそれとの中間のエネルギーバンドギャップを持ち、且つ、窓層に接するＰ型のドーピングを行った中間層とを含むことである。

また、本発明の第４の特徴は、ＡｌＧａＩｎＰの活性層と、活性層を中間に挟むそれぞれこの活性層よりも大きなエネルギーバンドギャップを持った陽極側クラッド層、陰極側クラッド層および陽極側クラッド層上に形成される活性層よりもエネルギーバンドギャップが大きい窓層とを備えた発光ダイオード素子であって、陰極側クラッド層は、活性層に接する０．１μｍ厚以上のアンドープＡｌＩｎＰ層を含むことである。

また、本発明の第５の特徴は、第４の特徴に加えて、陰極側クラッド層が前記のアンドープＡｌＩｎＰ層に陰極側で接するｎ型クラッド層を含み、このｎ型クラッド層のドーパントは、シリコンであることである。

また、本発明の第６の特徴は、発光ダイオード素子の製造方法であって、砒化ガリウム（ＧａＡｓ）基板上に、１）バッファ層を堆積する工程と、２）上記のバッファ層の上に反射層をとして、ｎ型の反射層をつける工程と、３）上記の反射層の上には、シリコンをドープしたｎ型クラッド層を堆積する工程と、４）上記のｎ型クラッド層の上には、アンドープＡｌＩｎＰ層をつける工程と、５）前記のアンドープＡｌＩｎＰ層の上には、ＡｌＧａＩｎＰの活性層を設ける工程と、６）前記の活性層の上に、アンドープＡｌＩｎＰ層を設ける工程と、７）前記のアンドープＡｌＩｎＰ層の上に、ｐ型中間層を設ける工程と、８）前記のｐ型の中間層の上に、窓層として、亜鉛をドープしたｐ型のＧａＰ層を７３０℃以上の温度で、毎時７．８μｍ以上の成長速度で成長する工程と、を、含むことである。

以下にこの発明の実施の形態を図に基づいて詳細に説明する。

図１は、本発明の望ましい実施形態の一例を示す模式図である。図１の構成は、砒化ガリウム（ＧａＡｓ）基板１０上に、減圧ＭＯＣＶＤ成長法で成膜したものである。用いた基板１０は、シリコン（Ｓｉ）をドープした砒化ガリウム（ＧａＡｓ）基板（１５°オフ）である。この基板に、トリメチルガリウム（Ｇａ（ＣＨ₃）₃）、トリメチルインジウム（Ｉｎ（ＣＨ₃）₃）、トリメチルアルミニウム（Ａｌ（ＣＨ₃）₃）、ジメチル亜鉛（Ｚｎ（ＣＨ₃）₂）、ジシラン（Ｓｉ₂Ｈ₆）、アルシン（ＡｓＨ₃）、フォスフィン（ＰＨ₃）を用いて、表１の様に成膜する。なお、ＡｌＧａＩｎＰ層、ＡｌＩｎＰ層は、ＧａＡｓ基板に格子整合するように成膜するのが好ましい。

従って、本発明の製造プロセス例の概略は以下の通りである。
１）ＧａＡｓ基板１０上にバッファ層９として、シリコンをドープしたｎ型ＧａＡｓ層を０．５μｍ堆積し、
２）反射層８（ＤＢＲ：Distributed Bragg Reflector）として、ｎ型のＳｉ−Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5Ａｓ／Ａｌ_0.9Ｇａ_0.1Ａｓ積層膜をつける。この反射層を設けない場合は、出力光が減少する。
３）反射層８の上には、ｎ型クラッド層７としてシリコンをドープしたＡｌＩｎＰ層をつける。
４）ｎ型クラッド層７の上には、アンドープのクラッド層７としてアンドープＡｌＩｎＰ層６を設ける。この層の厚みは、０．１μｍ以上あることが望ましい。また、この層を設けない場合は、出力光が減少する。なお、上記のｎ型クラッド層７とアンドープのＡｌＩｎＰ層６が陰極側クラッド層を構成する。

５）アンドープＡｌＩｎＰ層６の上には、アンドープのＡｌＧａＩｎＰからなる活性層５を設ける。この活性層は、上記のアンドープＡｌＩｎＰ層６と、下記のアンドープＡｌＩｎＰ層４とに挟まれた構造により、発光に有利なダブルへテロ（ＤＨ）構造となっている。
６）活性層５の上には、アンドープのクラッド層としてアンドープＡｌＩｎＰ層４を設ける。この厚みは、０．５μｍ以上あることが望ましい。
７）アンドープＡｌＩｎＰ層４の上には、亜鉛（Ｚｎ）をドープした（Ａｌ_0.6Ｇａ_0.4）ＩｎＰからなるｐ型の中間層３を設ける。この（Ａｌ_0.6Ｇａ_0.4）ＩｎＰは、ＧａＰとＡｌＩｎＰとの間のバンドギャップをもつので、窓層２とアンドープＡｌＩｎＰ層４との間に不連続性の小さいバンドギャップが２つあることになり、ひとつのバンドギャップの不連続性とした場合よりも、不連続なバンドギャップにより生じる抵抗値が抑制される。また、このｐ型の中間層３の組成は、（Ａｌ_0.6Ｇａ_0.4）ＩｎＰに限る必然はなく、表２に示す様に、（Ａｌ_0.7Ｇａ_0.3）ＩｎＰであっても出力光は得られる。中間層に（Ａｌ_0.6Ｇａ_0.4）ＩｎＰあるいは（Ａｌ_0.7Ｇａ_0.3）ＩｎＰを用いる場合は、ＡｌＩｎＰを用いる場合に比べて、いずれの場合も順方向電圧（Ｖｆ）は半分程度になり、輝度は２倍程度になっている。表２の結果を導く際のデータの分布については、図２（ａ）、（ｂ）に示す。特に、（Ａｌ_0.6Ｇａ_0.4）ＩｎＰを用いた場合は、（Ａｌ_0.7Ｇａ_0.3）ＩｎＰを用いた場合に比較して、Ｖｆは０．１５Ｖ小さく、輝度は、８．５％大きいため好ましい。なお、アンドープＡｌＩｎＰ層４とｐ型中間層３が陽極側クラッド層を構成する。

８）ｐ型中間層３の上には、亜鉛をドープしたｐ型のＧａＰからなる窓層２を設ける。この層は、５μｍ以上あることが望ましい。この層を成長させるには、７３０℃で以上の温度で行なうことが望ましい。また、膜成長時に亜鉛のドーピングを行なうが、ドーパントの密度を高くするためには、より高速に成長させることが望ましい。以下に示す様に、毎時７．８μｍ以上で成長させることにより、輝度は７０％改善された。
９）窓層２の表面にｐ−電極１、ＧａＡｓ基板１０の裏面にｎ−電極１１を形成する。

また、陰極側クラッド層の構成に対するＶｆと輝度の依存性について説明する。表３は、陰極側クラッド層のアンドープＡｌＩｎＰ層の厚さを変えた場合のＶｆと輝度を示している。この表から分かる様に、アンドープＡｌＩｎＰ層なしの場合に比べて、０．１μｍないし０．２μｍのアンドープＡｌＩｎＰ層がある場合、そのＶｆは０．２Ｖ程度低下し、輝度はほぼ２倍になる。また、アンドープＡｌＩｎＰ層が０．２μｍのときには、０．１μｍの場合に比べて、輝度は６％改善されている。表３の結果を導く際のデータの分布については、図３（ａ）、（ｂ）に示す。

また、窓層の成長条件に対するＶｆと輝度の依存性について説明する。表４は、窓層の成長温度を変えた場合のＶｆと輝度を示している。この表から分かる様に、窓層を７００℃で毎時２．８μｍの速さで成長させた場合に比べて、７００℃で毎時７．８μｍの速さで成長させた場合は、Ｖｆも輝度も殆ど同じであるが、７３０℃で毎時７．８μｍの速さで成長させた場合は、Ｖｆは０．１６Ｖ程度低下し、輝度は８８％増加している。この場合は、陰極側アンドープＡｌＩｎＰ層は０．２μｍであるが、表３の値から、この違いによる寄与は６％であるから、これを差し引いても、輝度は８０％以上改善されたことが分かる。表４の結果を導く際のデータの分布については、図４（ａ）、（ｂ）に示す。

この発明は上記した構成からなるので、以下に説明するような効果を奏することができる。

本発明のＡｌＧａＩｎＰの活性層をもったダブルヘテロ型の発光ダイオード素子では、上記のように、陽極側クラッド層が、１）活性層に接する０．５μｍ以上の厚さに成長したアンドープＡｌＩｎＰ層と、２）このアンドープＡｌＩｎＰ層のエネルギーバンドギャップと窓層のそれとの中間のエネルギーバンドギャップを持ち、且つ、窓層に接するｐ型ドーピングを行った中間層とを含む様にしたので、Ｖｆは半分程度になり、輝度は２倍程度にすることができる。

また、高温で窓層を成長させることによって結晶性を改善し、同時に、ドーピングしながら、これを高速に成長させることによって、Ｖｆを０．１６Ｖ程度低下させ、輝度は８０％以上改善することができる。

また、陰極側クラッド層活性層側にアンドープ層を設けることによって、Ｖｆを０．２Ｖ程度低下させ、輝度をほぼ２倍にすることができる。

また、陰極側半導体層のドーパントをシリコンとすることによって、プロセス温度を上昇させることにより引き起こされる問題が抑制され、発生していない。

本発明の実施の形態の一例を示す模式図。本発明ＬＥＤの中間層組成依存性を示す図。本発明ＬＥＤの陰極側アンドープＡｌＩｎＰ層厚依存性を示す図。本発明ＬＥＤの窓層成長条件依存性を示す図。従来の発光ダイオードの断面を示す模式図。従来の発光ダイオードの断面を示す模式図。従来の発光ダイオードの断面を示す模式図。従来の発光ダイオードの断面を示す模式図。従来の発光ダイオードの断面を示す模式図。従来の発光ダイオードの断面を示す模式図。従来の発光ダイオードの断面を示す模式図。

符号の説明

１ｐ−電極
２窓層
３ｐ型中間層
４アンドープＡｌＩｎＰ層
５活性層
６アンドープＡｌＩｎＰ層
７ｎ型クラッド層
８反射層
９バッファ層
１０基板
１１ｎ−電極

Claims

AlGaInPの活性層と、活性層を中間に挟むそれぞれこの活性層よりも大きなエネルギーバンドギャップを持った陽極側クラッド層、陰極側クラッド層および陽極側クラッド層上に形成される活性層よりもエネルギーバンドギャップが大きい窓層とを備えた発光ダイオード素子であって、
陽極側クラッド層は、１）活性層に接する0.5μｍ以上の厚さに成長したアンドープAlInP層と、２）このアンドープAlInP層のエネルギーバンドギャップと窓層のそれとの中間のエネルギーバンドギャップを持ち、且つ、窓層に接するP型のドーピングを行った中間層とを含むことを特長とする発光ダイオード素子。
AlGaInPの活性層と、活性層を中間に挟むそれぞれこの活性層よりも大きなエネルギーバンドギャップを持った陽極側クラッド層、陰極側クラッド層および陽極側クラッド層上に形成される活性層よりもエネルギーバンドギャップが大きい窓層とを備えた発光ダイオードであって、
前記の窓層は、ＧａＰ層を７３０℃以上の温度で成長したものであり、その成長速度は毎時7.8μｍ以上であり、そのドーパントは、亜鉛であることを特長とする発光ダイオード素子。
陽極側クラッド層は、１）活性層に接する0.5μｍ以上の厚さに成長したアンドープAlInP層と、２）このアンドープAlInP層のエネルギーバンドギャップと窓層のそれとの中間のエネルギーバンドギャップを持ち、且つ、窓層に接するP型のドーピングを行った中間層とを含むことを特長とする請求項２に記載の発光ダイオード素子。
AlGaInPの活性層と、活性層を中間に挟むそれぞれこの活性層よりも大きなエネルギーバンドギャップを持った陽極側クラッド層、陰極側クラッド層および陽極側クラッド層上に形成される活性層よりもエネルギーバンドギャップが大きい窓層とを備えた発光ダイオード素子であって、陰極側クラッド層は、活性層に接する0.1μｍ厚以上のアンドープAlInP層を含むことを特長とする発光ダイオード素子。
陰極側クラッド層が前記のアンドープAlInP層に陰極側で接するｎ型クラッド層を含み、このｎ型クラッド層のドーパントは、シリコンであることを特長とする請求項４に記載の発光ダイオード素子。
発光ダイオード素子の製造方法であって、
砒化ガリウム（ＧａＡｓ）基板上に、
１）バッファ層を堆積する工程と、
２）上記のバッファ層の上に反射層として、n型の反射層をつける工程と、
３）上記の反射層の上には、シリコンをドープしたｎ型クラッド層を堆積する工程と、
４）上記のｎ型クラッド層の上には、アンドープAlInP層をつける工程と、
５）前記のアンドープAlInP層の上には、AlGaInPの活性層を設ける工程と、
６）前記の活性層の上に、アンドープAlInP層を設ける工程と、
７）前記のアンドープAlInP層の上に、ｐ型中間層を設ける工程と、
８）前記のｐ型の中間層の上に、窓層として、亜鉛をドープしたp型のＧａＰ層を７３０℃以上の温度で、毎時7.8μｍ以上の成長速度で成長する工程と、
を、含むことを特徴とする発光ダイオード素子の製造方法。