(57)【要約】【課題】人間の可視感度が高い波長帯域の光を増加させ、発光光度の向上を図った発光ダイオード用エピタキシャルウエハを提供する。【解決手段】ウエル層６ａとバリア層６ｂを交互に積層した多重量子井戸構造の活性層６を有する発光ダイオード用エピタキシャルウエハにおいて、活性層６の少なくとも１つのウエル層６ａの厚さが、他のウエル層６ａの厚さと異なるものである。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ウエル層とバリア層を交互に積層した多重量子井戸構造の活性層を有する発光ダイオード用エピタキシャルウエハにおいて、前記活性層の少なくとも１つのウエル層の厚さが、他のウエル層の厚さと異なることを特徴とする発光ダイオード用エピタキシャルウエハ。
【請求項２】
前記ウエル層の厚さが互いに異なる請求項１記載の発光ダイオード用エピタキシャルウエハ。
【請求項３】
前記ウエル層の厚さを段階的に変化させた請求項２記載の発光ダイオード用エピタキシャルウエハ。
【請求項４】
前記活性層が、ｎ型ＧａＡｓ基板上に形成されたｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層とｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層間に形成される請求項１〜３いずれかに記載の発光ダイオード用エピタキシャルウエハ。
【請求項５】
前記活性層は、前記ｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層上に、アンドープＡｌＧａＩｎＰからなるバリア層とアンドープＧａＩｎＰからなるウエル層を交互に積層して形成される請求項４記載の発光ダイオード用エピタキシャルウエハ。
【請求項６】
前記活性層は、前記ｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層から前記ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層にかけて、前記ウエル層が順次薄くなるように形成される請求項４または５記載の発光ダイオード用エピタキシャルウエハ。
【請求項７】
前記ウエル層がその厚さの０．２〜１０％ずつ順次薄くなるように形成される請求項６記載の発光ダイオード用エピタキシャルウエハ。
【請求項８】
前記活性層は、前記ｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層側の最下層のウエル層の厚さが５．０ｎｍ以下であり、その最下層のウエル層から最上層のウエル層にかけて順次薄くなるように形成される請求項７記載の発光ダイオード用エピタキシャルウエハ。
【請求項９】
前記活性層は、前記ウエル層と前記バリア層をペアとして、そのペア数が４〜１２である請求項１〜８いずれかに記載の発光ダイオード用エピタキシャルウエハ。
【請求項１０】
請求項１〜９いずれかに記載の発光ダイオード用エピタキシャルウエハを用いて作製されたことを特徴とする発光ダイオード。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光ダイオード用エピタキシャルウエハ及び発光ダイオードに係り、特に、ＡｌＧａＩｎＰ系赤色発光ダイオード用エピタキシャルウエハ及び発光ダイオードに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、携帯電話、液晶ディスプレイ、信号機、車載、その他イルミネーション用途などへの発光ダイオードの普及が急速に進んでいる。特に、信号機や自動車のテールランプに用いられる発光ダイオードでは、高い発光光度が要求されるため、発光領域となる活性層に量子井戸構造（ＭＱＷ:Multi Quantum Well）を用いたり、基板側へ向かう光を反射させるためにＤＢＲ（Distribution Bragg Reflector）を用いたりしている。
【０００３】
図７に示すように、従来の発光ダイオード７１は、ｎ型ＧａＡｓ基板７２上に、ＭＯＶＰＥ法（Metal Organic Vapor Phase Epitaxy）によりｎ型ＧａＡｓバッファ層７３、屈折率の異なる材料を交互に複数積層して形成されるＤＢＲ層７４、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層７５、ＭＱＷ活性層７６、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層７７を順次成長させ、さらにｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層７７上にＭｇがドープされたｐ型ＧａＰ電流拡散層７８、およびｐ型コンタクト層７９を成長させたエピタキシャルウエハをチップ化し、ｎ型ＧａＡｓ基板７２の裏面に第１電極８０を、ｐ型コンタクト層７９の上面に第２電極８１を形成したものである。
【０００４】
図８に示すように、ＡｌＧａＩｎＰ系赤色発光ダイオード７１では、ＭＱＷ活性層７６として、ウエル層（量子井戸層）７６ａにアンドープＧａＩｎＰ、バリア層７６ｂにアンドープＡｌＧａＩｎＰがそれぞれ材料として用いられ、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層７５上に任意のペア数が形成されている。
【０００５】
ＭＱＷ活性層７６のウエル層７６ａとバリア層７６ｂのペア数は、ウエル層７６ａで発光した光がＭＱＷ活性層７６内部で吸収されるのを抑え、光の取出し効率を増加させるように最適化される。図８では、ＭＱＷ活性層７６のペア数を８としている。
【０００６】
また、ＭＱＷ活性層７６の各層（ウエル層７６ａ、バリア層７６ｂ）は、所定の波長の光を発光させるために、それぞれ所定の組成比および膜厚に形成される。
【０００７】
特許文献１には、従来のＭＱＷ活性層を備えた発光ダイオードが開示されている。
【０００８】
【特許文献１】特開平１０−２５６６５９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、信号機や自動車のテールランプなどのように、数十ｍ以上離れた場所からであっても人が視認できる必要のあるものでは、ＭＱＷやＤＢＲを用いるだけではその要求を満たすことができず、さらなる改善が求められている。
【００１０】
そこで、本発明の目的は、人間の可視感度が高い波長帯域の光を増加させ、発光光度の向上を図った発光ダイオード用エピタキシャルウエハ及び発光ダイオードを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は上記目的を達成するために創案されたものであり、ウエル層とバリア層を交互に積層した多重量子井戸構造の活性層を有する発光ダイオード用エピタキシャルウエハにおいて、前記活性層の少なくとも１つのウエル層の厚さが、他のウエル層の厚さと異なる発光ダイオード用エピタキシャルウエハである。
【００１２】
本発明は、前記ウエル層の厚さが互いに異なる発光ダイオード用エピタキシャルウエハである。
【００１３】
本発明は、前記ウエル層の厚さを段階的に変化させた発光ダイオード用エピタキシャルウエハである。
【００１４】
本発明は、前記活性層が、ｎ型ＧａＡｓ基板上に形成されたｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層とｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層間に形成される発光ダイオード用エピタキシャルウエハである。
【００１５】
本発明は、前記活性層は、前記ｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層上に、アンドープＡｌＧａＩｎＰからなるバリア層とアンドープＧａＩｎＰからなるウエル層を交互に積層して形成される発光ダイオード用エピタキシャルウエハである。
【００１６】
本発明は、前記活性層は、前記ｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層から前記ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層にかけて、前記ウエル層が順次薄くなるように形成される発光ダイオード用エピタキシャルウエハである。
【００１７】
本発明は、前記ウエル層がその厚さの０．２〜１０％ずつ順次薄くなるように形成される発光ダイオード用エピタキシャルウエハである。
【００１８】
本発明は、前記活性層は、前記ｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層側の最下層のウエル層の厚さが５．０ｎｍ以下であり、その最下層のウエル層から最上層のウエル層にかけて順次薄くなるように形成される発光ダイオード用エピタキシャルウエハである。
【００１９】
本発明は、前記活性層は、前記ウエル層と前記バリア層をペアとして、そのペア数が４〜１２である発光ダイオード用エピタキシャルウエハである。
【００２０】
本発明は、前記発光ダイオード用エピタキシャルウエハを用いて作製された発光ダイオードである。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、ＭＱＷ活性層の少なくとも１つのウエル層を、他のウエル層の厚さと異なる厚さに形成することにより、ＭＱＷ活性層から放出される光のスペクトラムを変化させて、人間の可視感度が高い波長帯域の光を増加させることができ、従来の結晶成長方式を変えることなく、発光光度の高い半導体発光素子を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、本発明の好適な実施の形態を添付図面にしたがって説明する。
【００２３】
図１は、本実施形態に係る発光ダイオード用エピタキシャルウエハの断面模式図である。
【００２４】
図１に示すように、発光ダイオード用エピタキシャルウエハ１は、ｎ型のＧａＡｓ基板２上に、ＭＯＶＰＥ法により、ｎ型ＧａＡｓバッファ層３、ＤＢＲ層４、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層５、ＭＱＷ活性層６、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層７を成長させ、さらにｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層７上に、ｐ型ＧａＰ電流拡散層８、ｐ型コンタクト層９を成長させたものである。
【００２５】
発光ダイオード用エピタキシャルウエハ１は、ｐ型半導体がウエハ表面（図１では上側）にくるｐアップタイプである。
【００２６】
ＤＢＲ層４は、ＧａＡｓ基板２側へ向かう光を反射させて発光光度を向上させるためのものであり、屈折率の異なる材料の層を交互に複数積層して形成される。ＤＢＲ層４の各層は、ＭＱＷ活性層６から放出される光の波長（各材料内での波長）の１／２となるように一定の厚さで形成される。ＤＢＲ層４の替わりに、貼り合わせによる金属反射層を形成してもよい。
【００２７】
ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層７、ｐ型ＧａＰ電流拡散層８、およびｐ型コンタクト層９は、ＭＱＷ活性層６から放出される光の波長に対して透明となるようにされる。
【００２８】
図２に示すように、ＭＱＷ活性層６は、ウエル層（量子井戸層）６ａとバリア層６ｂを交互に積層した多重量子井戸構造の活性層であり、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層５とｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層７との間に、アンドープＧａＩｎＰからなるウエル層６ａとアンドープＡｌＧａＩｎＰからなるバリア層６ｂを交互に成長させて形成される。
【００２９】
ＭＱＷ活性層６のウエル層６ａとバリア層６ｂのペア数は、ウエル層６ａで発光した光がＭＱＷ活性層６内部で吸収されるのを抑え、かつ光の取出し効率を増加させるように最適化される。具体的には、ウエル層６ａとバリア層６ｂのペア数は、４〜１２であるとよい。本実施形態では、ウエル層６ａとバリア層６ｂのペア数を８とした。
【００３０】
このＭＱＷ活性層６の少なくとも１つのウエル層６ａは、他のウエル層６ａの厚さと異なる厚さに形成される。望ましくはウエル層６ａの厚さが互いに異なるようにし、さらに望ましくはウエル層６ａの厚さを段階的に変化させるとよい。
【００３１】
本実施形態では、ＭＱＷ活性層６を、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層５からｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層７にかけて、ウエル層６ａが順次薄くなるように形成した。
【００３２】
ウエル層６ａでは、その膜厚に応じた波長の光が放出される。つまり、ウエル層６ａが薄いと短い波長の光が放出され、ウエル層６ａが厚いと長い波長の光が放出される。よって、ＭＱＷ活性層６の各ウエル層６ａから放出される光は、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層５からｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層７にかけて、長波長から短波長となる。
【００３３】
ウエル層６ａをｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層５からｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層７にかけて順次薄くなるように形成する理由としては、ウエル層６ａをｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層５からｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層７にかけて順次厚くなるように形成すると、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層５側の薄いウエル層６ａから放出された短波長の光が、長波長の光を放出するｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層７側の厚いウエル層６ａに吸収されてしまい、発光光度が低下するためである。
【００３４】
このＭＱＷ活性層６のｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層５側の最下層のウエル層６ａの厚さは５．０ｎｍ以下であるとよく、その最下層の最下層のウエル層６ａから最上層のウエル層６ａにかけて、最下層のウエル層６ａの厚さの０．２〜１０％、望ましくは０．４％ずつウエル層６ａが順次薄くなるように形成するとよい。各層は成長時間を数秒で管理（制御）することにより、所望の厚さになるよう形成される。
【００３５】
本実施形態では、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層５側のウエル層６ａの厚さを４．９ｎｍとし、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層５からｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層７にかけて、０．０２ｎｍずつウエル層６ａが順次薄くなるようにした。また、バリア層６ｂの厚さは、７．５ｎｍで一定とした。
【００３６】
図３に示すように、図１の発光ダイオード用エピタキシャルウエハ１を用いて作製される発光ダイオード３１は、発光ダイオード用エピタキシャルウエハ１をチップ化し、そのチップ化した発光ダイオード用エピタキシャルウエハ１のＧａＡｓ基板２の裏面全体に第１電極３２を形成すると共に、ｐ型コンタクト層９上面の中央に位置するように上面視で略円形の第２電極３３を形成したものである。
【００３７】
ＧａＡｓ基板２側に形成される第１電極３２としては、例えば、ＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕなどの積層電極が用いられ、ｐ型コンタクト層９側に形成される第２電極３３としては、例えば、ＡｕＺｎ／Ｎｉ／ＡｕやＴｉ／Ｐｔ／Ａｕなどの積層電極が用いられる。
【００３８】
ここで、この発光ダイオード３１の発光動作を説明する。
【００３９】
第１電極３２・第２電極３３間に所定の駆動電圧を印加すると、電流が第２電極３３から第１電極３２側へ流れる。ｐ型ＧａＰ電流拡散層８によって電流が横方向（図示左右方向）に拡散し、電流がＭＱＷ活性層６を構成する各ウエル層６ａに流れて、各ウエル層６ａが発光する。このとき、各ウエル層６ａでは、その膜厚に応じた波長の光が放出される。
【００４０】
ＭＱＷ活性層６から放出された光のうち第２電極３３側（上方）に放射された光は、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層７、ｐ型ＧａＰ電流拡散層８、ｐ型コンタクト層９を通過して、第２電極３３が形成されていないｐ型コンタクト層９の上面から出射する。
【００４１】
ＭＱＷ活性層６から放出された光のうち第１電極３２側（下方）に放射された光は、ＤＢＲ層４で反射され、上方に放出された光と同様に、第２電極３３が形成されていないｐ型コンタクト層９の上面から出射する。
【００４２】
次に、発光ダイオード３１の発光光度について検討する。
【００４３】
チップ厚み１８０μｍ、素子サイズ２１０μｍ、電極サイズ１００μｍの発光ダイオード３１を作製し、２０ｍＡの駆動電流を流して光のスペクトラムを測定した。発光ダイオード３１の各ウエル層６ａからの光のスペクトラムを図４（ａ）に示す。
【００４４】
図４（ａ）に示すように、０．０２ｎｍずつ膜厚の異なる各ウエル層６ａから放出される光は、それぞれ０．１８ｎｍ間隔で波長が異なるスペクトラムＡを有する。これら各ウエル層６ａから放出される光を重ね合わせると、図４（ｂ）に示すスペクトラムＢが形成される。つまり、このスペクトラムＢを有する光がＭＱＷ活性層６から出射する。スペクトラムＢのみを取り出したものを図５に示す。
【００４５】
他方、ウエル層の厚さを４．９ｎｍで一定とし、他の条件は図５の発光ダイオード３１と同様として従来の発光ダイオードを作製し、この従来の発光ダイオードから出射される光のスペクトラムを測定した。測定結果を図６に示す。
【００４６】
図６に示すように、従来の発光ダイオードでは、各ウエル層から放出される光のスペクトルは略一定であるため、それらを重ね合わせたＭＱＷ活性層全体でのスペクトラムＣも、各ウエル層の半値幅と略同一となる。
【００４７】
図５のスペクトラムＢと図６のスペクトラムＣとを比較すると、本実施形態に係る発光ダイオード３１は、従来の発光ダイオードと比較して、出射する光のピーク波長が短波側へ移動していることが分かる。
【００４８】
ＳＩ基本単位である光度（ｃｄ）は、人間の視認感度を考慮した値であり、人間が観測する心理的な物理量である。人間の視認感度は５５５ｎｍ帯域にピークがあるため、赤色の波長領域の発光ダイオードの場合、ピーク波長より短波側を短波成分、長波側を長波成分とすると、５５５ｎｍにより近い短波成分を増やすと発光光度が向上することになる。
【００４９】
つまり、赤色発光ダイオードでは、同じピーク波長であっても短波成分が多い方が発光光度が高くなり、同じ放射強度であってもピーク波長が短い方が発光光度が高くなる。特に赤色領域では、人間の視認感度は波長が短くなるに伴い急激に増加するため、１ｎｍ波長が短くなると８ｍｃｄ程度の光度上昇が得られる場合もある。
【００５０】
本実施形態に係る発光ダイオード３１では、従来の発光ダイオードよりもピーク波長を短波側に移動させ、かつ従来よりも半値幅の広い光を出射できるので、従来と比べて人間の視認感度の高い波長帯域の成分（短波長成分）を増加させ、発光光度を向上させることができる。
【００５１】
以上説明したように、本実施形態では、ＭＱＷ活性層６の少なくとも１つのウエル層６ａを、他のウエル層６ａの厚さと異なる厚さに形成している。これにより、ＭＱＷ活性層６から放出される光のスペクトラムを変化させて、従来と比較してピーク波長を短波側へ移動させ、かつ半値幅の広い光を出射させることができる。よって、人間の視認感度の高い波長帯域の成分を増加させることができ、発光光度を向上させることができる。
【００５２】
そのため、従来と比較し、同じ発光光度を出力するために必要な発光ダイオードの個数を減らすことができ、同じ個数でも駆動電流を低く抑えることができる。また、駆動電流を低く抑えることができるため、消費電力を低減し、素子劣化を抑えることができ、さらには、放熱構造の簡素化も実現することができる。
【００５３】
さらに、本実施形態では、ウエル層６ａをｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層５からｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層７にかけて順次薄くなるように形成している。これにより、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層５側のウエル層６ａから放出される光がその上方のウエル層６ａに吸収されるのを抑制でき、発光光度を向上させることができると共に、各ウエル層６ａから放出される光の発光波長を短波長側へ段階的にずらすことができ、半値幅の広い光を出射することができる。よって、発光光度をより向上させることができる。
【００５４】
また、本実施形態では、従来の結晶成長方式を変えることなく、ウエル層６ａの膜厚のみを変化させており、容易に発光光度の高い発光ダイオード３１を得ることができる。
【００５５】
上記実施形態では、ウエル層６ａの厚さを変化させることで各ウエル層６ａから放出される光の発光波長を異ならせたが、ＧａＩｎＰからなるウエル層６ａのＩｎ組成を意図的に増減することにより、各ウエル層６ａから放出される光の波長を異ならせてもよい。
【００５６】
また、ウエル層としてＡｌＧａＩｎＰを用いてもよい。その場合、ウエル層のＡｌ組成を増加させることで、発光波長を異ならせてもよい。
【００５７】
本発明は、赤色に限らず、橙色、黄色、黄緑色の波長領域の発光ダイオードにも適用できる。その場合も、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層からｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層にかけて、ウエル層からの発光波長が段階的に短波側となるように、ウエル層の膜厚を順次薄くするとよい。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】本発明の発光ダイオード用エピタキシャルウエハの断面模式図である。
【図２】図１の要部拡大図である。
【図３】本発明の発光ダイオードの断面模式図である。
【図４】図４（ａ）は本発明の発光ダイオードの各ウエル層から放出される光のスペクトルを示す図であり、図４（ｂ）は各ウエル層から放出される光のスペクトルとそれらを重ね合わせた光のスペクトルを示す図である。
【図５】本発明の発光ダイオードから放出される光のスペクトルを示す図である。
【図６】従来の発光ダイオードから放出される光のスペクトルを示す図である。
【図７】従来の発光ダイオードの断面模式図である。
【図８】図７の要部拡大図である。
【符号の説明】
【００５９】
１  発光ダイオード用エピタキシャルウエハ
２  ｎ型ＧａＡｓ基板
５  ｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層
６  ＭＱＷ活性層（活性層）
６ａ  ウエル層
６ｂ  バリア層
７  ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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