JP4284862B2 - 発光素子用エピタキシャルウェハ及び発光素子 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＡｌＧａＩｎＰ系発光素子（波長領域としては６５０nm（赤色）から５５０nm（黄緑））用のエピタキシャルウェハ及び発光素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
最近、ＡｌＧａＩｎＰ系エピタキシャルウェハを用いて製造する高輝度の赤色及び黄色発光ダイオードの需要が大幅に伸びている。主な用途は、交通用信号、自動車のブレーキランプ、フォグランプなどである。
【０００３】
図３に発光波長５９０nmのＡｌＧａＩｎＰ系発光ダイオード用エピタキシャルウェハの典型的な構造を示す。ｎ型ＧａＡｓ基板１上に、有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ法）によって、ｎ型ＧａＡｓバッファ層２、ＳｅまたはＳｉをドープしたｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層３、アンドープＡｌＧａＩｎＰ活性層４、Ｚｎをドープしたｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層５、Ｚｎをドープしたｐ型ＡｌＧａＡｓ電流拡散層６（ウインドウ層と呼ばれる場合もある）を順次積層した構造となっている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、現状技術の課題として、電流拡散層のｐ型ドーパントとして用いているＺｎが、ヘテロ界面や隣接層に異常拡散してしまう現象が挙げられる。
【０００５】
電流拡散層は電極からの電流を、チップ横方向へ広げるために、高いｐ型キャリア濃度（約３×１０¹⁸cm^-3以上）が必要となるため、高濃度のＺｎをドーピングしている。また、電流拡散層は、前述の電流の拡散を良くするために、５μｍ以上の厚膜成長させるため、成長時間が長い。さらに、ＡｌＧａＩｎＰ系発光素子用エピタキシャルウェハは、不純物となる酸素濃度を低減させるために一般的に６５０℃以上の高温で成長する。この３つのことが原因になって、エピタキシャルウェハ中では、成長中に受ける熱をドライビングフォースとした、Ｚｎの拡散が非常に起こりやすい。
【０００６】
Ｚｎは、高濃度にドープされた電流拡散層から発光領域であるＡｌＧａＩｎＰクラッド層・活性層へと拡散し、このＺｎの拡散が起こると、拡散したＺｎが非発光再結合中心を作り、発光ダイオードの発光出力を劣化させることが知られている。亜鉛による非発光再結合中心の影響は、連続通電することによってさらに顕著になり発光ダイオードの信頼性を著しく悪化させる。
【０００７】
そこで本発明の目的は、上記課題を解決し、電流拡散層から活性層側へのｐ型ドーパントの拡散を抑え、高出力化を達成することのできる発光素子用エピタキシャルウェハ及び発光素子を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明者は種々検討の結果、ＡｌＧａＩｎＰおよびＡｌＧａＡｓ系材料においては、Ａｌ組成が大きいほど、例えばＺｎ等のドーパント拡散の度合いが小さく、また、層界面における格子不整合度が大きいほど、例えばＺｎ等のドーパントは界面にトラップされやすいこと、そして格子定数の大きい層から小さい層へは拡散は起こりにくいことを発見した。
【０００９】
従って、電流拡散層を、Ａｌ組成が大きく、且つ隣接する層間の格子定数が異なる多層構造（多層電流拡散層）とすることによって、電流拡散層から活性層内へのドーパントの拡散を防ぐことができる。つまり電流拡散層を高キャリア濃度にしてもドーパントが活性層に拡散しないため、効果的な電流拡散と動作電圧の低減、高光出力化が実現する。
【００１０】
本発明は、上部電極をｐ型電極として用いる標準的なＡｌＧａＩｎＰ系発光ダイオードにおいて、電流拡散層を、主としてＡｌＧａＩｎＰおよびＡｌＧａＡｓ系半導体材料からなる４層以上の多層構造（多層電流拡散層）とする。これによって例えばＺｎなどのｐ型ドーパントをその多層構造内部の界面にトラップし、ｐ型ドーパントの電流拡散層から活性層側への拡散を抑え、高出力化を達成するものである。
【００１１】
具体的には、上記目的を達成するため、本発明は、次のように構成したものである。
【００１２】
（１）請求項１又は５に記載の発明は、ｎ型導電性を有するＧａＡｓ基板上に、ＡｌＧａＩｎＰ系材料からなるｎ型クラッド層と、該クラッド層よりバンドギャップエネルギーが小さいＡｌＧａＩｎＰ系材料からなる活性層と、該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系材料からなるクラッド層と、Ａｌを含む半導体材料の４層以上の多層構造からなり各層のキャリア濃度が２×１０ ^１７ ｃｍ ^−３ 以上２×１０ ^１９ ｃｍ ^−３ 以下のｐ型多層電流拡散層とを積層した構造の発光素子用エピタキシャルウェハにおいて、又は上記基板の裏面と上記ｐ型電流拡散層表面の一部に電極を設けた構造の発光素子において、上記ｐ型多層電流拡散層はＡｌ組成の異なる第１層と第２層とを交互に積層したペア構成からなり、前記第１層は前記第２層よりもＡｌ組成及び格子定数が大きく、前記ペア構成は前記活性層より遠い側に前記第１層が設けられ、さらに前記ｐ型多層電流拡散層を構成する各層のキャリア濃度は、前記活性層側に設けられる層ほど小さいことを特徴とする。
【００１５】
（２）請求項２又は６に記載の発明は、前記ｐ型多層電流拡散層が、ＡｌＧａＩｎＰ系の材料からなることを特徴とする。
【００１６】
（３）請求項３又は７に記載の発明は、前記ｐ型多層電流拡散層が、ＡｌＧａＡｓ系の材料からなることを特徴とする。
【００１７】
（４）請求項４又は８に記載の発明は、前記ｐ型多層電流拡散層を構成する各層のバンドギャップが、前記活性層よりも大きいことを特徴とする。
【００２０】
＜最適条件についての根拠＞
本発明において、多層電流拡散層の層数を４以上としたのは、充分な電流拡散効果の得られる程度のドーピング（２×１０¹⁷cm^-3以上２×１０¹⁹cm^-3以下）をした場合、層数が４よりも小さいと不純物の拡散抑止効果が不充分であることが種々の検討の結果明らかになったためである。
【００２１】
また多層電流拡散層を構成する各層のキャリア濃度を２×１０¹⁷cm^-3以上２×１０¹⁹cm^-3以下としたのは、２×１０¹⁷cm^-3よりも低いと、多層電流拡散層の抵抗率が高くなって、発光素子の駆動電圧が高くなりすぎ、２×１０¹⁹cm^-3よりも高いと、多層電流拡散層の結晶が劣化して、素子の発光出力が低下して、いずれも実用的な発光素子が得られなくなるためである。
【００２２】
多層電流拡散層を構成する各層の格子定数は互いの格子定数差が大きいほど、また、ｐ型クラッド層に比べて大きいほどＺｎの拡散を防止する効果が上がるが、格子定数の差が大きくなり過ぎると、多層電流拡散層に欠陥が発生し、発光素子の性能を却って落とす結果となる。従って、多層電流拡散層を構成する各層の格子定数には最適範囲が存在するが、これは、多層電流拡散層を構成する各層或いは下地となるｐ型クラッド層の材質、組成及びエピタキシャル成長条件によって変わるため、数値限定はかけられない。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図示の実施形態に基づいて説明する。
【００２４】
ここで取り扱うＡｌＧａＩｎＰ系発光ダイオードは、発光波長６２０nm付近の赤色発光ダイオードである。この発光素子用エピタキシャルウェハは、図１に示すように、ｎ型ＧａＡｓ基板１上に、ｎ型（Ｓｅドープ）ＧａＡｓバッファ層２、ｎ型（Ｓｅドープ）ＡｌＧａＩｎＰクラッド層３、該クラッド層よりバンドギャップエネルギーが小さいアンドープＡｌＧａＩｎＰ活性層４、該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（Ｚｎドープ）ＡｌＧａＩｎＰクラッド層５、ｐ型多層電流拡散層７を積層した構造を有する。
【００２５】
このｐ型多層電流拡散層７は、組成の異なるｐ型（Ｚｎドープ）ＡｌＧａＡｓの４層以上の多層構造から成り、多層電流拡散層を構成する各層は、その格子定数が隣接する層間で異なり、活性層側のものほど小さくなっている。具体的には、ｐ型多層電流拡散層７は、ｐ型Ａｌ_0.85Ｇａ_0.15Ａｓから成る第１層とｐ型Ａｌ_0.75Ｇａ_0.25Ａｓから成る第２層とを、各々１μｍづつ、交互に５ペアで積層したものから成る。
【００２６】
Ａｌ組成が大きいほどＺｎのドーパント拡散の度合いが小さいため、第１層と第２層とでは、活性層より遠い側の第１層に、相対的にＡｌ組成の大きいｐ型Ａｌ_0.85Ｇａ_0.15Ａｓを、また活性層に近い側の第２層に、相対的にＡｌ組成の小さいｐ型Ａｌ_0.75Ｇａ_0.25Ａｓを形成している。
【００２７】
また、層界面における格子不整合度が大きいほど、ドーパントのＺｎは界面にトラップされやすいため、各層の格子定数を隣接する層間で異ならせている。なお、Ｚｎの拡散防止効果は、この各層の格子不整合度だけでなく、下地となるｐ型（Ｚｎドープ）ＡｌＧａＩｎＰクラッド層５に対する格子不整合度等によっても異なったものとなる。
【００２８】
さらにまた、格子定数の大きい層から小さい層へは拡散が起こりにくいことから、ｐ型Ａｌ_0.85Ｇａ_0.15Ａｓ（第１層）とｐ型Ａｌ_0.75Ｇａ_0.25Ａｓ（第２層）のペアは、活性層側のものほど格子定数が小さくなっている。
【００２９】
また、多層電流拡散層７を構成する各層のキャリア濃度は、２×１０¹⁷cm^-3以上２×１０¹⁹cm^-3以下の範囲に定められており、そのキャリア濃度は活性層側ほど小さくなっている。上記範囲としたのは、２×１０¹⁷cm^-3よりも低いと、多層電流拡散層７の抵抗率が高くなって、発光素子の駆動電圧が高くなりすぎること、また、２×１０¹⁹cm^-3よりも高いと、多層電流拡散層の結晶が劣化して、素子の発光出力が低下して、いずれも実用的な発光素子が得られなくなるためである。
【００３０】
上記はｐ型多層電流拡散層７をＡｌＧａＡｓ系の半導体材料で構成したが、この代わりにＡｌＧａＩｎＰ系の半導体材料から構成することもできる。
【００３１】
【実施例】
本発明の一実施例として、図１の構造の発光波長６２０nm付近の赤色発光ダイオード用エピタキシャルウェハを次のように作製した。
【００３２】
ｎ型ＧａＡｓ基板１上に、ＭＯＶＰＥ法で、ｎ型（Ｓｅドープ）ＧａＡｓバッファ層２、ｎ型（Ｓｅドープ）（Ａｌ_0.7 Ｇａ_0.3 ）_0.5 Ｉｎ_0.5 Ｐクラッド層３、アンドープ（Ａｌ_0.15Ｇａ_0.85）_0.5 Ｉｎ_0.5 Ｐ活性層４、ｐ型（Ｚｎドープ）（Ａｌ_0.7 Ｇａ_0.3 ）_0.5 Ｉｎ_0.5 Ｐクラッド層５を成長させ、その上にｐ型Ａｌ_0.85Ｇａ_0.15Ａｓとｐ型Ａｌ_0.75Ｇａ_0.25Ａｓとを各々１μｍづつ、交互に５ペアで積層した多層電流拡散層７をＭＯＶＰＥ法で成長させた。
【００３３】
ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層５までのＭＯＶＰＥ成長は、成長温度７００度、成長圧力５０ｔｏｒｒ、各層の成長速度は０．３〜１．０nm／ｓｅｃ、Ｖ族原料とIII 族原料との供給量比、いわゆるＶ／III 比は２００〜４００で行った。多層電流拡散層７は、Ｖ／III 比７５、成長速度１nm／ｓｅｃで成長した。ｐ型クラッド層５のＺｎ濃度は５×１０¹⁷cm^-3、多層電流拡散層７のＺｎ濃度は３×１０¹⁸cm^-3である。なお、バッファ層２及びｎ型クラッド層３のＳｅ濃度は１×１０¹⁸cm^-3である。
【００３４】
成長したエピタキシャル層中の、深さ方向の亜鉛の濃度分布を２次イオン分析（ＳＩＭＳ）で測定した結果を図２に示す。横軸は深さ（μｍ）、縦軸は亜鉛の濃度分布であり、濃度の単位は、例えば「１．Ｅ＋１６」で１×１０¹⁶cm^-3を表す。図２から判るように、電流拡散層７にドーピングされたＺｎは、この多層電流拡散層７の界面にほとんどトラップされており、従来例（図４）で見られるような、活性層にまで達する亜鉛の異常な拡散は見られなかった。
【００３５】
さらに、このエピタキシャルウェハを加工して、発光ダイオードチップを作製した。チップの大きさは３００μｍ角で、チップ下面全体にｎ型電極を形成し、チップ上面に直径１５０μｍの円径のｐ型電極を形成した。ｎ型電極は、金ゲルマニウム、ニッケル、金を、それぞれ厚さ６０nm、１０nm、５００nmの順に蒸着し、一方、ｐ型電極は、金亜鉛、ニッケル、金を、それぞれ厚さ６０nm、１０nm、１０００nmの順に蒸着した。
【００３６】
この発光ダイオードチップをステムの上に乗せ、発光ダイオードの発光特性を調べた結果、発光出力は、１．６ｍＷ、順方向動作電圧（２０ｍＡ通電時）は、１．８Ｖであった。
【００３７】
＜従来例＞
次に比較のため、従来例として、図３に示した構造の発光波長６２０nm付近の赤色発光ダイオード用エピタキシャルウェハを作製した。
【００３８】
これは次のようにして作成した。即ち、ｎ型ＧａＡｓ基板１上にＭＯＶＰＥ法で、ｎ型（Ｓｅドープ）ＧａＡｓバッファ層２、ｎ型（Ｓｅドープ）（Ａｌ_0.7 Ｇａ_0.3 ）_0.5 Ｉｎ_0.5 Ｐクラッド層３、アンドープ（Ａｌ_0.15Ｇａ_0.85）_0.5 Ｉｎ_0.5 Ｐ活性層４、ｐ型（Ｚｎドープ）（Ａｌ_0.7 Ｇａ_0.3 ）_0.5 Ｉｎ_0.5 Ｐクラッド層を成長させ、その上にｐ型Ａｌ_0.85Ｇａ_0.15Ａｓ電流拡散層６を１０μｍ、ＭＯＶＰＥ法で成長させた。
【００３９】
ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層５までのＭＯＶＰＥ成長は、成長温度７００度、成長圧力５０ｔｏｒｒ、各層の成長速度は０．３〜１．０nm／ｓｅｃ、Ｖ／III 比は２００〜４００で行った。電流拡散層６は、Ｖ／III 比７５、成長速度１nm／ｓｅｃで成長した。ｐ型クラッド層５のＺｎ濃度は５×１０¹⁷cm^-3、電流拡散層６のＺｎ濃度は３×１０¹⁸cm^-3である。
【００４０】
上記従来例における、成長したエピタキシャル層中の深さ方向の亜鉛の濃度分布を２次イオン分析（ＳＩＭＳ）で測定した結果を図４に示す。ＳＩＭＳ分析の結果から判るように、従来例の場合、電流拡散層の亜鉛がＡｌＧａＩｎＰクラッド層・活性層の発光領域に大量に拡散している。
【００４１】
さらに、この従来例のエピタキシャルウェハを、実施例と同様に加工して、発光ダイオードチップを作製した。この従来例の発光ダイオードの発光特性を調べた結果、発光出力は、０．６ｍＷ、順方向動作電圧（２０ｍＡ通電時）は１．９Ｖであった。
【００４２】
＜他の実施例・変形例＞
多層電流拡散層から活性層へのｐ型ドーパントの拡散をより効果的に防止するために、多層電流拡散層の活性層側の層ほどドーピング濃度を小さくした形態とすることができる。
【００４３】
また、多層電流拡散層を２種類の半導体材料から構成し、それらの膜厚をそれぞれ活性層の発光波長の１／４とすることでブラッグ反射器としての機能を持たせ、ｎ型クラッド層の下にもブラッグ反射器を挿入することで、共鳴反射型の発光素子とすることもできる。
【００４４】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、次のような優れた効果が得られる。
【００４５】
従来、活性層へのｐ型ドーパントの拡散を防ぐためには例えば拡散係数の小さいＭｇなどのドーパントを用いたり、拡散を見越して活性層付近へのドーピングを少なくするなどの対策がとられていた。しかしＭｇはメモリー効果やドーピングディレイのために制御性が悪く、また、高濃度のドーピングを行うとこれらの対策を施しても活性層へのドーパントの拡散を効果的に防ぐことができなかった。結果的にｐ型クラッド層や電流拡散層へのドーピング濃度を抑えなければならず、素子特性の向上を妨げていた。
【００４６】
本発明の発光素子用エピタキシャルウェハ及び発光素子は、ＡｌＧａＩｎＰ系材料からなるｎ型クラッド層と、該クラッド層よりバンドギャップエネルギーが小さいＡｌＧａＩｎＰ系材料からなる活性層と、該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系材料からなるクラッド層と、ｐ型電流拡散層とを積層した構造の発光素子用エピタキシャルウェハにおいて、又は上記基板の裏面と上記ｐ型電流拡散層表面の一部に電極を設けた構造の発光素子において、ウインドウ層たる上記ｐ型電流拡散層を多層化し、組成の異なる半導体材料からなる４層以上の多層構造（多層電流拡散層）としている。
【００４７】
このため本発明を用いれば、ｐ型電流拡散層におけるＺｎ等のｐ型ドーパントの活性層側への拡散を効果的に抑えることができる。従って、制御性の良いＺｎなどのドーパントを電流拡散層に高濃度にドーピングすることができ、結果的に従来に比べて大きな発光出力を持つ信頼性の高い発光ダイオードを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係るＡｌＧａＩｎＰ系赤色ＬＥＤ用エピタキシャルウェハの断面構造図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る構造で作成したエピタキシャル層中の、亜鉛濃度分布のＳＩＭＳ分析結果を示す図である。
【図３】従来例に係るＡｌＧａＩｎＰ系赤色ＬＥＤ用エピタキシャルウェハの断面構造図である。
【図４】従来の構造で作成したエピタキシャル層中の、Ｚｎ濃度分布のＳＩＭＳ分析結果を示す図である。
【符号の説明】
１ ｎ型ＧａＡｓ基板
２ ｎ型（Ｓｅドープ）ＧａＡｓバッファ層
３ ｎ型（Ｓｅドープ）ＡｌＧａＩｎＰクラッド層
４ アンドープＡｌＧａＩｎＰ活性層
５ ｐ型（Ｚｎドープ）ＡｌＧａＩｎＰクラッド層
７ 多層電流拡散層

Claims (8)

1. ｎ型導電性を有するＧａＡｓ基板上に、ＡｌＧａＩｎＰ系材料からなるｎ型クラッド層と、該クラッド層よりバンドギャップエネルギーが小さいＡｌＧａＩｎＰ系材料からなる活性層と、該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系材料からなるクラッド層と、Ａｌを含む半導体材料の４層以上の多層構造からなり各層のキャリア濃度が２×１０ ^１７ ｃｍ ^−３ 以上２×１０ ^１９ ｃｍ ^−３ 以下のｐ型多層電流拡散層とを積層した構造の発光素子用エピタキシャルウェハにおいて、
   前記ｐ型多層電流拡散層はＡｌ組成の異なる第１層と第２層とを交互に積層したペア構成からなり、前記第１層は前記第２層よりもＡｌ組成及び格子定数が大きく、前記ペア構成は前記活性層より遠い側に前記第１層が設けられ、さらに前記ｐ型多層電流拡散層を構成する各層のキャリア濃度は、前記活性層側に設けられる層ほど小さいことを特徴とする発光素子用エピタキシャルウェハ。
2. 請求項１記載の発光素子用エピタキシャルウェハにおいて、前記ｐ型多層電流拡散層が、ＡｌＧａＩｎＰ系の材料からなることを特徴とする発光素子用エピタキシャルウェハ。
3. 請求項１記載の発光素子用エピタキシャルウェハにおいて、前記ｐ型多層電流拡散層が、ＡｌＧａＡｓ系の材料からなることを特徴とする発光素子用エピタキシャルウェハ。
4. 請求項１記載の発光素子用エピタキシャルウェハにおいて、前記ｐ型多層電流拡散層を構成する各層のバンドギャップが、前記活性層よりも大きいことを特徴とする発光素子用エピタキシャルウェハ。
5. 裏面に電極を有し、ｎ型導電性を有するＧａＡｓ基板上に、ＡｌＧａＩｎＰ系材料からなるｎ型クラッド層と、該クラッド層よりバンドギャップエネルギーが小さいＡｌＧａＩｎＰ系材料からなる活性層と、該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系材料からなるクラッド層と、Ａｌを含む半導体材料の4層以上の多層構造からなり各層のキャリア濃度が２×１０ ^１７ ｃｍ ^−３ 以上２×１０ ^１９ ｃｍ ^−３ 以下のｐ型多層電流拡散層とを積層し、該ｐ型多層電流拡散層表面の一部に電極を設けた構造の発光素子において、
   前記ｐ型多層電流拡散層はＡｌ組成の異なる第１層と第２層とを交互に積層したペア構成からなり、前記第１層は前記第２層よりもＡｌ組成及び格子定数が大きく、前記ペア構成は前記活性層より遠い側に前記第１層が設けられ、さらに前記ｐ型多層電流拡散層を構成する各層のキャリア濃度は、前記活性層側に設けられる層ほど小さいことを特徴とする発光素子。
6. 請求項５記載の発光素子において、前記ｐ型多層電流拡散層が、ＡｌＧａＩｎＰ系の材料からなることを特徴とする発光素子。
7. 請求項５記載の発光素子において、前記ｐ型多層電流拡散層が、ＡｌＧａＡｓ系の材料からなることを特徴とする発光素子。
8. 請求項５記載の発光素子において、前記ｐ型多層電流拡散層を構成する各層のバンドギャップが、前記活性層よりも大きいことを特徴とする発光素子。

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