JPH03209883A - リン化ガリウム緑色発光素子 - Google Patents

リン化ガリウム緑色発光素子

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JPH03209883A
JPH03209883A JP2004726A JP472690A JPH03209883A JP H03209883 A JPH03209883 A JP H03209883A JP 2004726 A JP2004726 A JP 2004726A JP 472690 A JP472690 A JP 472690A JP H03209883 A JPH03209883 A JP H03209883A
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〈産業上の利用分野〉 本発明は、リン化ガリウム（ＧａＰ）より構成された緑
色発光素子の接合層構造に係り、特に表示装置等として
耐候性と高輝度を要求される屋外に用いて有用な緑色発
光素子に関するものである。
〈従来の技術〉 最近半導体発光素子、例えばリン化ガリウム（Ｇａｐ）
、リン化砒化ガリウム（ＧａＡｓＰ）或いは砒化ガリウ
ムアルミニュム（ＧａＡＩＡｓ）などのｔ−Ｖ族化合物
半導体結晶を用いた発光素子は多くの表示装置に用いら
れている。このうち例えばＧａＰ発光素子は緑色から赤
色の発光素子、ＧａＡｓＰ発光素子は黄色から赤色の発
光素子、ＧａＡｌＡｓ発光素子は赤色の発光素子が得ら
れている。これらの発光素子のうち緑色のリン化ガリウ
ム発光素子は、発光中心不純物として窒素（Ｎ）原子を
ドープする。
ＧａＰ緑色発光素子の製造方法は多くの場合液相エピタ
キシャル成長法が用いられる。すなわち、ｎ型リン化ガ
リウム基板上に、窒素（Ｎ）とｎ型不純物例えばシリコ
ン（Ｓｉ）、硫黄（Ｓ）やテルル（Ｔｅ）などを添加し
たｎ型リン化ガリウムエピタキシャル層と、その上に形
成されるｐ型不純物例えば亜鉛（Ｚｎ）やカドミウム（
Ｃｄ）などを添加したｐ型リン化ガリウムエピタキシャ
ル層とによって、ｐ−ｎ接合を形成する。
ＧａＰ０液相成長法については、例えば「リン化ガリウ
ム緑色発光素子の製造方法」特開昭６２８５４８０号公
報或いは「リン化ガリウム緑色発光素子の製造方法」特
公昭６１−３６３９５公報などに記載がある。ガリウム
（Ｇａ）とＧａＰ多結晶及び成長用ｎ型リン化ガリウム
基板とｎ型不純物とをカーボンボートに装着し、水素雰
囲気中で９５０〜１０５０℃に液相成長炉で加熱し、Ｇ
ａＰが飽和したガリウム−燐の融液を形成する。
水素ガスにアンモニアガスを添加しつつ液相成長炉の温
度をプログラムに従ってゆっくりと冷却すると窒素がド
ープされたｎ型リン化ガリウムエピタキシャル層が形成
され、８８０〜９５０℃位の温度域でｎ型不純物である
亜鉛（Ｚｎ）を蒸気の形で水素ガス中に添加し、このＺ
ｎを取り込むことによってｐ型リン化ガリウムエピタキ
シャル層を形成する。この時形成されるｎ型リン化ガリ
ウムエピタキシャル層のドナー濃度のプロファイルは、
第５図に示されるように、急激に減少する分布を持って
いる。
第５図において、横軸はエピタキシャル成長層の膜厚を
示し、縦軸はエピタキシャル成長層の活性不純物濃度を
示している。１０１はｎ型リン化ガリウム基板のドナー
不純物濃度を、２０１および３０１はその上に形成され
たｎ型リン化ガリウムエピタキシャル層のドナー不純物
濃度を、４０１はさらにその上に形成されたｐ型リン化
ガリウムエピタキシャル層のアクセプター不純物濃度を
示している。なお２０１はｎ型リン化ガリウムエピタキ
シャル成長層のドナー濃度が平坦な高濃度領域であり、
３０１はドナー濃度が急激に減少した低濃度領域である
。この３０１と４０１とでいわゆるｐ−ｎ接合を形成し
、３０１の濃度分布や４０１の濃度分布が緑色発光素子
の発光効率や輝度の劣化などの特性を支配している。
〈発明が解決しようとする課題〉 ところで、この緑色発光素子を屋外用の電光表示素子と
して使用するにあたっては特に耐候性が要求され、常温
下は勿論のこと、高温高湿の条件− 下や低温の条件下においても、満足のゆく諸特性を維持
していかなければならない。しかしながら、前述のｎ型
リン化ガリウムエピタキシャル層のドナー不純物濃度が
、第５図の２０１／３０１のように、急激に減少変化さ
せた不純物濃度分布を持つ発光素子は、樹脂モールドを
施した状態で低温（約−２５℃）通電を行うと、ＧａＰ
発光素子（チップ）を覆っている樹脂層とチップとの熱
膨張係数の違いによる外部応力がチップに加わり、発光
素子チップはこの加わる外部応力に抗しきれずに発光特
性が劣化し故障するという欠陥があった。
本発明は、上記の点に鑑み、高効率の発光素子特性を維
持しつつ、樹脂による応力劣化を抑制出来るリン化ガリ
ウム緑色発光素子を提供するものである。
〈課題を解決するための手段〉 本発明は、ｎ型リン化ガリウム基板上に、該基板側から
ドナー濃度が急激に減少するｎ型リン化ガリウムエピタ
キシャル層、及びさらに前記ｎ型リン化ガリウムエピタ
キシャル層上に形成されたｐ型リン化ガリウムエピタキ
シャル層を有してなり、前記ドナー濃度が急激に減少す
るｎ型すン化ガリウムエピクキシャル層間に濃度比傾斜
が１０／μｍ以下のｎ型リン化ガリウムエピタキシャル
層からなるバッファ領域を備えてなることを特徴とする
。
く作　用〉 樹脂応力劣化は、ＧａＰ半導体に添加された不純物によ
り、熱膨張係数が添加濃度に依存して変化し、濃度比傾
斜が大きくなる程その差が大きくなり、発生した内部応
力が樹脂モールドによる外部応力と加算され、それがＧ
ａＰのｐ−ｎ接合の発光層に悪影響を及ぼすためと考え
られる。本発明においては、上記構成のように、濃度比
傾斜の小さいバッファ層を設けることにより、上記の悪
影響を抑え、応力による発光輝度の劣化を防止する。
〈実施例〉 以下第１図乃至第４図に従って本発明の一実施例を説明
する。
第１図は本発明にかかる緑色発光素子の断面図であり、
ｌはｎ型リン化ガリウム基板、２はその上に形成された
ドナー濃度が高いｎ型リン化ガリウムエピタキシャル層
（高濃度領域）、３はドナ濃度が急激に減少したｎ型リ
ン化ガリウムエピタキシャル層（低濃度領域）である。
この高濃度領域２と低濃度領域３との間に、ドナー濃度
の減少割合が１０／μｍ以下のｎ型リン化ガリウムエピ
タキシャル層（バッファ領域）５を形成している。４は
さらにその上に形成されたｎ型リン化ガリウムエピタキ
シャル層である。また、６はＡｕＢｅ合金／　Ａ　ｕか
らなるｎ側電極、７はＡｕＳｉ合金／　Ａ　ｕからなる
ｎ側電極である。
第２図は上記実施例における緑色発光素子の不純物濃度
のプロファイルであり、ｎ型リン化ガリウムエピタキシ
ャル層（バッファ領域）５により高・低濃度のｎ型リン
化ガリウムエピタキシャル層３・４間に選択された濃度
傾斜が設けられている。図のおいて、１０１はｎ型Ｇａ
Ｐ基板ｌのドナー濃度、２０１はｎ型ＧａＰエピタキシ
ャル成７ 展層２のドナー濃度（高濃度領域）、３０１はｎ型Ｇａ
Ｐエピタキシャル成長層３のドナー濃度（低濃度領域）
、４０１はｐ型ＧａＰエピタキシャル成長層４のアクセ
プター濃度、５０１はｎ型ＧａＰエピタキシャル成長層
５のドナー濃度（バッファ領域）。なお、バッファ層５
のドナー濃度の傾斜は、第２図に図示のように、高濃度
領域のドナ濃度２０１をＣ１、低濃度領域のドナー濃度
３０１を０２、バッファ層５の層厚をｄとするとき、濃
度比傾斜は（Ｃ１／ＣＰ）／ｄとして計算され、例えば
Ｃ，＝　１　、３　Ｘ　１０　”ｃｍ−”、ｃ２＝１．
３Ｘ　１０　ｌ０ｃｍ−３、ｄ＝２μｍなら、濃度比傾
斜は５Ｘμｍとなる。
第３図に上記緑色発光素子を製造するための液相エピタ
キシャル成長法による温度プログラムの一例を示してい
る。
従来は、ステップ状に不純物濃度分布を変化させるため
に、ｎ型リン化ガリウムエピタキシャル層２の液相成長
途中で炉の温度冷却を一時中止して一定温度に保持しく
第３図のＨ点線で例示する）８− １その間成長系に水素のキャリヤガスにアンモニアガス
（ＮＨａ）を添加して流して、ガリウム融液中に含有さ
れているｎ型不純物であるシリコン（Ｓｉ）をＳ　ｒ　
ｘＮｙやＧａ−Ｐ−Ｎ化合物のような形で液相成長系外
に排斥し、シリコンのドナ濃度を急激に減少させている
。一方、本発明は従来のステップ状の不純物濃度分布を
適度に緩やかに所定の濃度減少割合に制御するため、ｎ
型リン化ガリウムエピタキシャル成長２．３の液相成長
途中で炉の温度を一定に保持するのではなくて、極めて
緩やかな冷却速度の採用とアンモニアガス濃度の選定と
によって、ガリウム融液中１こ含有されているシリコン
のドナー濃度の減少割合を制御している。
第３図に従って、順を追って説明する。ＧａとＧａＰ多
結晶とＳｉ不純物とＳなどのｎ型不純物（場合により添
加しない場合もある）及び成長用ｎ型リン化ガリウム基
板１とをカーボンボートに装着し、水素雰囲気中で約１
０００℃に成長炉で加熱し、所定の時間保持する。Ｇａ
Ｐが飽和したガリウム−燐の融液が形成される。第３図
のＡ時点で、ガリウム−燐融液をｎ型リン化ガリウム基
板１に接触させ、その後ガリウムー燐融液の温度を例え
ば１〜５°Ｃ／ｍｉｎの冷却速度で成る温度約９７０℃
まで冷却する（Ｂ時点）と、ドナー濃度が高いｎ型リン
化ガリウムエピタキシャル層（高濃度領域）２が形成さ
れる。次にキャリアガスとして、アンモニアガスを水素
ガスに対し０．１〜０．４％割合で混合し、かつガリウ
ム−燐融液の温度をさらに緩やかな冷却速度例えば０．
０２〜１．５℃／　ｍ　ｉ　ｎの冷却速度で成る温度約
９２０℃まで冷却する（Ｃ時点）と、ドナー濃度が緩や
かな減少割合を持つｎ型リン化ガリウムエピタキシャル
層（バッファ領域）５が形成される。次に再びガリウム
−燐融液の温度の冷却速度を大きくし例えば１〜５°Ｃ
／ｍｉｎの冷却速度で成る温度約９００℃まで冷却する
（Ｄ時点）。このプロセスでドナー濃度が急激に減少し
たｎ型リン化ガリウムエピタキシャル層（低濃度領域）
３が形成される。再度温度を所定時間保持しながらｐ型
不純物Ｚｎ蒸気を流すことによってガリウム−燐融液を
ｐ型に反転させた後、アンモニアガスの添加を中止する
（Ｅ時点）。その後冷却を再開し、成る温度例えば８３
０℃まで一定速度で冷却して（Ｆ時点）、ｐ型すン化ガ
リウムエピタギシャル層４を形成し、ＬＥＤ用のＧａＰ
エピタキシャルウェハーを作成する。
ちなみに、ｎ型リン化ガリウムエピタキシャル層２、バ
ッファ層５及び低濃度ｎ型リン化ガリウムエピタキシャ
ル層３の各層厚は、それぞれ２０〜４０μｍ、１−１５
μｍ及び１０〜３０μｍである。
このエビタキンヤルウエハーにｎ側電極７およびｐ側電
極６を形成し、チップ化することにより、０．２５〜０
．５０ｍｍ角で厚さ０．２５〜０３５ｍｍの本発明に係
る発光ダイオードデツプが完成する。通常の方法で、リ
ードフレームにグイボンド、リードボンド後樹モールド
を行い、屋外用高輝度高信頼性の緑色発光素子が完成す
る。
第４図は低温劣化特性を説明゛する図で、０．３５ｍｍ
角チツプの樹脂モールドされた緑色発光素子を用い一２
５℃、５０ｍＡの低温通電を行い、５００時間後の相対
発光輝度（縦軸）とバッファ層５のドナー濃度５０１の
濃度比傾斜（横軸）との関係を図示したものである。ま
た同図において、５００時間後の輝度が初期輝度に対し
て相対発光輝度が１００％を越える場合があるが、これ
は通電することによっていわゆるエイジング効果が出た
ものである。第４図から明らかなように、バッファ層５
のドナー濃度５０１の濃度比傾斜が１０／μｍ１５／μ
ｍ１１／μｍと小さくなるに従って低温における輝度劣
化が小さくなることが示されている。実用的には、濃度
比傾斜は０．５〜１０／μｍである。
従来より屋外用に使用されている高輝度で高効率の半導
体発光素子は、低温での使用に際しては応力劣化を起こ
しやすいか、本発明のＧａＰ緑色発光素子は高輝度、高
効率の特性を損なうことなく応力劣化の抑制を実現でき
た。これによって、今後ますます市場の要求の強くなっ
てきたこの分野で、半導体発光素子を広く普及させるこ
とが出来る。
〈発明の効果〉 以上のように本発明によれば、ＧａＰ緑色発光素子の低
温通電における発光輝度の劣化が抑制され、屋外用の表
示素子として広く使用できる緑色発光素子を提供するこ
とができる。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明の一実施例を示すＧａＰ緑色発光素子チ
ップの断面図、第２図は同素子の各エピタキシャル成長
層の不純物濃度分布を示す図、第３図は液相成長の温度
プログラム例を示す図、第４図はバッファ層の濃度比傾
斜と相対発光輝度との関係を示す図、第５図は従来にお
ける各エピタキシャル成長層の活性不純物濃度分布を示
す図である。 ｌ・・・・ｎ型ＧａＰ基板、２・・・ｎ型ＧａＰエピタ
キシャル成長層（高濃度領域）、３・・・ｎ型ＧａＰエ
ピタキシャル成長層（低濃度領域）、４・・・ｎ型Ｇａ
Ｐエピタキシャル成長層、５・・・ｎ型ＧａＰエピタキ
シャル成長層（バッファ領域）。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. １、ｎ型リン化ガリウム基板上に、該基板側からドナー
    濃度が急激に減少するｎ型リン化ガリウムエピタキシャ
    ル層、及びさらに前記ｎ型リン化ガリウムエピタキシャ
    ル層上に形成されたｐ型リン化ガリウムエピタキシャル
    層を有してなり、前記ドナー濃度が急激に減少するｎ型
    リン化ガリウムエピタキシャル層間に、濃度比傾斜が１
    ０／μｍ以下のｎ型リン化ガリウムエピタキシャル層か
    らなるバッファ領域を備えてなることを特徴とするリン
    化ガリウム緑色発光素子。
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