JP3163217B2 - 発光ダイオード及びその製造方法 - Google Patents

発光ダイオード及びその製造方法

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、発光ダイオードの製造
方法に関し、特に、屋外表示装置等に使用される高輝度
ＧａＰ黄緑色発光ダイオードを製造する際に用いられる
液相エピタキシャル成長方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】一般に、表示装置等に使用される発光ダ
イオードは輝度が高いほど消費電力が少なくて済むた
め、特に屋外での使用にはより高輝度化された発光ダイ
オードが望まれている。
【０００３】ＧａＰ黄緑色発光ダイオードの場合、本来
ＧａＰはその再結合過程が間接遷移のため発光効率が悪
いが、結晶内にＮが入ることで直接遷移再結合過程が得
られる。一般の高輝度ＧａＰ黄緑色発光ダイオードには
このタイプのものが使用されている。以下の説明におい
て、Ｎを含むＧａＰについてＧａＰ：Ｎと記す。
【０００４】ところで、ＧａＰ：Ｎ発光ダイオードの高
輝度化のためには、ＰＮ接合部の結晶性を良くすること
が重要である。
【０００５】以下、従来例によるＧａＰ：Ｎ発光ダイオ
ードの液相エピタキシャル成長について、図５を参照し
て説明する。図５（ａ）及び（ｂ）はそれぞれ、Ｇａ
Ｐ：Ｎ発光ダイオードのエピタキシャル成長層の模式図
と、そのキャリア濃度プロファイルである。
【０００６】図５（ａ）及び（ｂ）に示すように、ま
ず、ｎ型ＧａＰ基板２０上にｎ型ＧａＰ層２１をＧａ融
液にて液相エピタキシャル成長させる。ここで、ｎ型Ｇ
ａＰ基板２０の表面を未飽和のＧａ融液にてメルトバッ
クして、結晶の整合性をとる手法が一般的に用いられて
いる。そして、ｎ型ＧａＰ層２１を所定の厚みに成長さ
せた後（図５Ａ部）、Ｎを含むｎ型ＧａＰ：Ｎ層２２を
形成する。ここで、Ｎは一般的にＮＨ3ガスをＧａ融液
と接触させることで得られる。
【０００７】そして、ｎ型ＧａＰ：Ｎ層２２を所定の厚
みに成長させた後（図５Ｂ部）、ｐ型ＧａＰ：Ｎ層２３
を形成する（図５Ｃ部）。ここで、ｐ型ドーパントとし
ては一般的にＺｎが用いられ、蒸気化されたＺｎをＧａ
融液に接触させることにより得ている。
【０００８】上記第１のｎ型ＧａＰ層２１、第２のｎ型
ＧａＰ：Ｎ層２２そしてｐ型ＧａＰ：Ｎ層２３のキャリ
ア濃度をそれぞれ、ｎ1、ｎ2、ｐとすると、ｎ1＞ｎ2、
ｎ２＜ｐが一般的である。また、ｐ型ＧａＰ：Ｎ層２３
を２層に分け、それぞれのキャリア濃度をｐ１、ｐ2と
した場合、ｎ1＜ｎ2、ｐ1＜ｐ2、ｎ2＞ｐとする場合も
ある。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】ところで、上記エピタ
キシャル成長方法において、下記のような問題点があっ
た。即ち、図５におけるＰＮ接合両側のｎ型ＧａＰ：Ｎ
層２２、ｐ型ＧａＰ：Ｎ層２３のキャリア濃度をそれぞ
れｎ2、ｐとすると、ｎ2《ｐの状態では結晶性はある程
度保持できるが、ｎ2》ｐの場合に比べると注入効率が
悪いという問題点があった。逆にｎ2》ｐの場合、ドナ
ーによる欠陥が導入されやすいという問題点がある。
【００１０】また、ｎ型ＧａＰ基板２０をメルトバック
してｎ型ＧａＰ層２１を成長させる場合、メルトバック
によってＧａ融液中にｎ型ドーパント及びそれ以外の不
純物が混入し、後工程で形成されるＰＮ接合部のキャリ
ア濃度の不安定性、非発光準位が形成されやすくなると
いう問題がある。
【００１１】さらに、このメルトバックの際、ｎ型Ｇａ
Ｐ基板２０とＧａ融液の界面のＰ分圧が小さく、また面
内バラツキが発生しエピタキシャル層結晶品位の良化を
妨げることになりやすい、という問題点もある。
【００１２】そこで、本発明はＰＮ接合部のキャリア濃
度を低く設定することによって、注入効率の低下やドナ
ー欠陥の防止を図れ、しかもＰＮ接合部の安定性に影響
を与えるメルトバックの工程を省略でき、高輝度のＧａ
Ｐ黄緑色発光ダイオードを実現できる発光ダイオード及
びその製造方法を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
に、本発明は、ｎ型ＧａＰ基板上に、Ｎ（窒素）を含む
ＧａＰのＰＮ接合を形成してなる発光ダイオードにおい
て、第1のｎ型ＧａＰ層及び、Ｎ（窒素）を含む第2のｎ
型ＧａＰ層と、Ｎ（窒素）を含む第1のｐ型ＧａＰ層及
びオーミックコンタクト用の第2のｐ型ＧａＰ層が形成
され、前記第2のｎ型ＧａＰ層は層内で漸次低下するｎ
型キャリア濃度分布を有し、前記第1のｐ型ＧａＰ層は
前記第2のｎ型ＧａＰ層のｐ側端部の低ｎ型キャリア濃
度とほぼ同濃度のｐ型キャリア濃度を有してなることを
特徴とする。また、本発明は、ｎ型ＧａＰ基板上に、Ｎ
（窒素）を含むＧａＰのＰＮ接合を形成する発光ダイオ
ードの製造方法において、少なくとも、前記ｎ型ＧａＰ
基板に過飽和度を持たせたＧａ融液を接触させて、ｎ型
ＧａＰ層をエピタキシャル成長させる工程と、前記Ｇａ
融液にＮＨ3ガスを接触させて、前記ｎ型ＧａＰ層上に
層内で漸次低下するｎ型キャリア濃度分布を有するｎ型
ＧａＰ：Ｎ層をエピタキシャル成長させる工程と、前記
ｎ型ＧａＰ：Ｎ層上に、該ｎ型ＧａＰ：Ｎ層端部とほぼ
同等のキャリア濃度を有するｐ型ＧａＰ：Ｎ層をエピタ
キシャル成長させる工程と、を含んでなることを特徴と
する。
【００１４】また、前記ｐ型ＧａＰ：Ｎ層は、液相エピ
タキシャル成長ボート材を構成するＣ（カーボン）によ
るｐ型キャリアによって形成してなることを特徴とす
る。
【００１５】また、ｎ型ドーパントとしてＳｉを使用し
てなることを特徴とする。
【００１６】
【作用】本発明のＧａＰ発光ダイオードは、Ｇａ融液を
過飽和度を持たせた後にエピタキシャル成長するので、
ｎ型ＧａＰ基板とＧａ融液の界面のＰ分圧が充分であ
り、初期成長レートが速く、欠陥導入が抑制され結晶性
の良いｎ型ＧａＰ層が形成される。
【００１７】また、従来のような、ｎ型ＧａＰ基板上に
成長層を形成する際の基板のメルトバックを行わないた
め、Ｇａ融液に基板の不純物が混入せず非発光準位が減
少する。さらに、Ｇａ融液中のバックグラウンド濃度が
安定し、このため後工程で得られるＰＮ接合の低キャリ
ア濃度化を安定して実現できる。
【００１８】また、ｎ型ＧａＰ層の次に、ＮＨ3ガスを
Ｇａ融液に接触させてｎ型ＧａＰ：Ｎ層を形成するが、
この際、ＮＨ3ガスとＧａ融液との接触によりＧａＮや
Ｓｉ3Ｎ4等が形成され、ドーパントＳｉは液相成長の系
外に移行し、その結果Ｓｉ濃度は減少する。このように
して、エピタキシャル層にはＮが取り込まれＳｉは減少
する。つまり、Ｎ濃度ｎTが増え、ｎ型キャリア濃度ｎD
が低下したｎ型ＧａＰ：Ｎ層が形成される。
【００１９】次いで、ｎ型キャリア濃度と略同等の濃度
のｐ型バックグラウンド濃度を持つｐ型ＧａＰ：Ｎ層が
形成される。この工程の結果、ｎ型ＧａＰ層１、ｎ型Ｇ
ａＰ：Ｎ層２、第１のｐ型ＧａＰ：Ｎ層３、第２のｐ型
ＧａＰ：Ｎ層４のそれぞれのキャリア濃度をｎ1，ｎ2，
ｐ1，ｐ2とすると、ｎ1＞ｎ2、ｐ1＜ｐ2となり、ｎ2と
ｐ1は略同等であり、ドナーによる欠陥の導入を抑えた
結晶性が良く、かつ注入効率の良いＰＮ接合を実現でき
る。
【００２０】上記構造によって高輝度の発光ダイオード
を実現できる。
【００２１】
【実施例】本発明の一実施例について、図１乃至図４を
参照して説明する。図１は本実施例によるＧａＰ発光ダ
イオードの液相エピタキシャル成長温度プログラム図、
図２（ａ）及び（ｂ）はそれぞれ、本実施例によって得
られるＧａＰ発光ダイオードのエピタキシャル層及びそ
のキャリア濃度プロファイル、図３は液相エピタキシャ
ル成長に用いられるＧａ融液の過飽和度と発光ライフタ
イムの関係を示す特性図、図４は従来例及び本案によっ
て得られた発光ダイオードの特性を示す図である。
【００２２】図１及び図２に示すように、ｎ型ＧａＰ基
板２０に対して液相エピタキシャル成長する前に、ま
ず、ｎ型ドーパントとしてＳｉの多結晶を添加したＧａ
融液を、最高保持温度Ｔmax＝９８０℃にて飽和状態に
させる。この後、冷却速度０．５℃／min で９７０℃付
近まで徐冷することによって、Ｇａ融液に過飽和度ΔＴ
（＝１０℃）を持たせる。なお、ｎ型ＧａＰ基板２０の
キャリア濃度は、例えば３〜４×１０17ｃｍ-3である。
【００２３】そして、この過飽和度ΔＴを持たせた状態
のＧａ融液を、ｎ型ＧａＰ基板２０上に接触させエピタ
キシャル成長させる。そして、９２０℃まで冷却速度
０．５℃／minにてｎ型ＧａＰ層１を冷却しながら成長
させる（図２Ａ部）。ここで、ｎ型ＧａＰ層１のキャリ
ア濃度は約２×１０17ｃｍ-3である。
【００２４】上記プロセスにおいて、過飽和度ΔＴ＝１
０℃としたが、これは最終的に得られる発光ダイオード
の発光ライフタイムが最適になるような値を選んだもの
である。図３に本実施例の試作過程で得られたＧａ融液
の過飽和度と発光ライフタイムの関係を示す特性図を示
す。図３に示すように、過飽和度によって発光ダイオー
ドの発光ライフタイムが異なる。これは、以下のような
理由によると考えられる。即ち、過飽和度ΔＴが大きい
ほど、初期エピタキシャル成長レートが速いことにより
結晶性の良化につながる傾向にあるが、過大になるとＧ
ａ融液中に微結晶が偏析し、これによって悪影響が及ぼ
されるものと考えられる。
【００２５】その後、９２０℃においてＮＨ3ガスを流
入させ４０分間の温度保持期間を設ける。この時、ＮＨ
3ガスとＧａ融液の接触によりＧａＮやＳｉ3Ｎ4等が形
成され、ドーパントＳｉは液相成長の系外に移行し、そ
の結果Ｓｉ濃度は減少する。このようにして、エピタキ
シャル層にはＮが取り込まれＳｉが減少する。この９２
０℃の温度保持期間の間、Ｇａ融液の過飽和分だけエピ
タキシャル成長が進行する。この層はＮＨ3ガス流入に
よりＮ濃度ｎTが増え、ｎ型キャリア濃度ｎDが低下した
層、ｎ型ＧａＰ：Ｎ層２となる（図２Ｂ部）。成長厚さ
は約２〜４μｍである。
【００２６】次に、再び９２０℃から８８０℃まで冷却
速度０．５℃／min にて徐冷させながらエピタキシャル
成長させる。この時、Ｇａ融液中のＳｉ濃度よりもエピ
タキシャル成長ボート材（ボート材はカーボン：Ｃより
構成されている）より供給されるＣのＣ濃度が優位とな
り、いわゆるバックグラウンド濃度層であるｐ型Ｇａ
Ｐ：Ｎ層３が形成される（図２Ｃ部）。このようにし
て、ｐ型ＧａＰ：Ｎ層３のキャリア濃度はｎ型ＧａＰ：
Ｎ層２の低キャリア濃度領域と略同等となる。この成長
膜厚は約２０μｍ、またキャリア濃度は１０16ｃｍ-3以
下である。
【００２７】この後、８８０℃において、ｐ型ドーパン
トであるＺｎを蒸気化させてＧａ融液に接触、導入させ
る。そして、オーミックコンタクトを形成するに充分な
ｐ型キャリア濃度を持つｐ型ＧａＰ：Ｎ層４を形成させ
エピタキシャル成長を終了する（図２Ｄ部）。
【００２８】以上のようにして得られた本実施例のＧａ
Ｐ発光ダイオードは、Ｇａ融液を成長温度プログラムの
最高保持温度にて過飽和度を持たせた後にエピタキシャ
ル成長するので、ｎ型ＧａＰ基板２０とＧａ融液の界面
のＰ分圧が充分であり、初期成長レートが速く、欠陥導
入が抑制され結晶性の良いｎ型ＧａＰ層１が形成され
る。
【００２９】また、ｎ型ＧａＰ基板２０をメルトバック
させないため、Ｇａ融液に基板の不純物が混入せず非発
光準位が減少する。さらに、Ｇａ融液中のバックグラウ
ンド濃度が安定し、このため後工程で得られるＰＮ接合
の低キャリア濃度化を安定して実現できる。
【００３０】また、ｎ型ＧａＰ層１の次にＧａ融液の過
飽和度分だけｎ型ＧａＰ：Ｎ層２を形成させ、次いで徐
冷しながらｐ型バックグラウンド濃度を持つｐ型Ｇａ
Ｐ：Ｎ層３が形成される。この工程の結果、ｎ型ＧａＰ
層１、ｎ型ＧａＰ：Ｎ層２、第１のｐ型ＧａＰ：Ｎ層
３、第２のｐ型ＧａＰ：Ｎ層４のそれぞれのキャリア濃
度をｎ1，ｎ2，ｐ1，ｐ2とすると、ｎ1＞ｎ2、ｐ1＜ｐ2
となり、ｎ2とｐ1は略同等であり、ドナーによる欠陥の
導入を抑えた結晶性が良く、かつ注入効率の良いＰＮ接
合を実現できる。
【００３１】図４は、過飽和度ΔＴ＝１０℃における本
実施例と従来例との発光ライフタイム（２０ｍＡ）の比
較結果を示した図である。横軸に接合容量Ｃｊを、縦軸
には発光ライフタイムτを示している。ここで、Ｎ濃度
ｎTは約１０18ｃｍ-3である。従来は発光ライフタイム
τ〜４８０ｎsec（図４Ａ部）であるのに対して、本実施
例ではτ＝５７０ｎsecと約１．２倍増加した（図４Ｂ
部）。
【００３２】また、ＴO−１８金ステム上にＬＥＤチッ
プをアッセイし、光度を測定したところ、従来の平均輝
度に対して１．２〜１．３倍の向上が見られ、本発明の
効果が確認された。
【００３３】
【発明の効果】以上説明したように、本発明の発光ダイ
オード及びその製造方法によれば、基板に対するメルト
バックを行わないので、結晶性の良いエピタキシャル成
長層が形成され、また、基板の不純物がＧａ融液に混入
しないことにより安定したキャリア濃度、非発光準位の
減少を実現できる。
【００３４】また、ドナーによる欠陥の導入を抑えた結
晶性の良好な、かつ注入効率の良いＰＮ接合を形成で
き、従来の発光ダイオードより輝度の向上を図れる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例によるＧａＰ発光ダイオード
の液相エピタキシャル成長温度プログラム図である。
【図２】（ａ）及び（ｂ）はそれぞれ、本発明の一実施
例によって得られるＧａＰ発光ダイオードのエピタキシ
ャル層の概略図及びそのキャリア濃度プロファイルを示
した図である。
【図３】液相エピタキシャル成長に用いられるＧａ融液
の過飽和度と発光ライフタイムの関係を示す特性図であ
る。
【図４】従来例及び本発明の実施例によって得られた発
光ダイオードの特性を示す図である。
【図５】（ａ）及び（ｂ）はそれぞれ、従来例によって
得られるＧａＰ発光ダイオードのエピタキシャル層の概
略図及びそのキャリア濃度プロファイルを示した図であ
る。
【符号の説明】
１ ｎ型ＧａＰ層 ２ ｎ型ＧａＰ：Ｎ層 ３ ｐ型ＧａＰ：Ｎ層 ２０ ｎ型ＧａＰ基板
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 新井 康彦 大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号 シャープ株式会社内 (56)参考文献 特開 昭60−236221（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−209883（ＪＰ，Ａ) 特開 昭55−108785（ＪＰ，Ａ) 特開 昭55−120184（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01L 33/00

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 ｎ型ＧａＰ基板上に、Ｎ（窒素）を含む
    ＧａＰのＰＮ接合を形成してなる発光ダイオードにおい
    て、 第1のｎ型ＧａＰ層及び、Ｎ（窒素）を含む第2のｎ型Ｇ
    ａＰ層と、Ｎ（窒素）を含む第1のｐ型ＧａＰ層及びオ
    ーミックコンタクト用の第2のｐ型ＧａＰ層が形成さ
    れ、前記第2のｎ型ＧａＰ層は層内で漸次低下するｎ型
    キャリア濃度分布を有し、前記第1のｐ型ＧａＰ層は前
    記第2のｎ型ＧａＰ層のｐ側端部の低ｎ型キャリア濃度
    とほぼ同濃度のｐ型キャリア濃度を有してなることを特
    徴とする発光ダイオード。
  2. 【請求項２】 ｎ型ＧａＰ基板上に、Ｎ（窒素）を含む
    ＧａＰのＰＮ接合を形成する発光ダイオードの製造方法
    において、 少なくとも、前記ｎ型ＧａＰ基板に過飽和度を持たせた
    Ｇａ融液を接触させて、ｎ型ＧａＰ層をエピタキシャル
    成長させる工程と、 前記Ｇａ融液にＮＨ3ガスを接触させて、前記ｎ型Ｇａ
    Ｐ層上に層内で漸次低下するｎ型キャリア濃度分布を有
    するｎ型ＧａＰ：Ｎ層をエピタキシャル成長させる工程
    と、 前記ｎ型ＧａＰ：Ｎ層上に、該ｎ型ＧａＰ：Ｎ層端部と
    ほぼ同等のキャリア濃度を有するｐ型ＧａＰ：Ｎ層をエ
    ピタキシャル成長させる工程と、 を含んでなることを特徴とする発光ダイオードの製造方
    法。
  3. 【請求項３】 請求項２に記載の発光ダイオードの製造
    方法において、前記低キャリア濃度のｐ型ＧａＰ：Ｎ層
    は液相エピタキシャル成長ボート材を構成するＣ（カー
    ボン）によるｐ型キャリアによって形成してなることを
    特徴とする発光ダイオードの製造方法。
  4. 【請求項４】 請求項２または３に記載の発光ダイオー
    ドの製造方法において、ｎ型ドーパントとしてＳｉを使
    用してなることを特徴とする発光ダイオードの製造方
    法。
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