(57)【要約】      （修正有）【課題】高速応答性を有し、温度変化に対する光出力が安定し且つ音質に影響を与える波形歪ΔＴｗが小さい発光ダイオードおよびその製造方法を提供する。【解決手段】ＧａＡｓ基板１０上にＰ型クラッド層１２、活性層１４およびＮ型クラッド層１６を順次成長させて発光ダイオードを製造する方法において、活性層１４の成長温度を８５０℃以下、好ましくは約７９０℃にするとともに、活性層１４の不純物濃度に対するＮ型クラッド層１６の不純物濃度の比率を３．４×１０−２〜５．９×１０−１の範囲、好ましくは３．０×１０−１以下の範囲に調整する。【選択図】      図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
液相エピタキシャル成長法の徐冷法によって、基板上に第１の導電型のクラッド層、活性層および第２の導電型のクラッド層を順次成長させて発光ダイオードを製造する方法において、活性層の成長温度を８５０℃以下にすることを特徴とする、発光ダイオードの製造方法。
【請求項２】
前記活性層の成長温度を７８０〜８００℃にすることを特徴とする、請求項１に記載の発光ダイオードの製造方法。
【請求項３】
前記活性層の成長温度を約７９０℃にすることを特徴とする、請求項１に記載の発光ダイオードの製造方法。
【請求項４】
前記活性層の不純物濃度に対する前記第２の導電型のクラッド層の不純物濃度の比率を３．４×１０−２〜５．９×１０−１の範囲に調整することを特徴とする、請求項１乃至３のいずれかに記載の発光ダイオードの製造方法。
【請求項５】
前記活性層の不純物濃度に対する前記第２の導電型のクラッド層の不純物濃度の比率を３．０×１０−１以下の範囲に調整することを特徴とする、請求項４に記載の発光ダイオードの製造方法。
【請求項６】
第１の導電型のクラッド層と第２の導電型のクラッド層の間に活性層が挟持された発光ダイオードにおいて、活性層の不純物濃度に対する第２の導電型のクラッド層の不純物濃度の比率が３．４×１０−２〜５．９×１０−１の範囲であることを特徴とする、発光ダイオード。
【請求項７】
前記活性層の不純物濃度に対する第２の導電型のクラッド層の不純物濃度の比率が３．０×１０−１以下の範囲であることを特徴とする、請求項６に記載の発光ダイオード。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、発光ダイオードおよびその製造方法に関し、特に、ＣＤやＤＶＤなどに使用されるプラスチックオプティカルファイバによる光通信の光源として使用される高速応答の発光ダイオードおよびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
発光ダイオードは、低電圧、小電流で動作するため、消費電力が少なく、また、寿命も長く、応答速度も速いという特徴がある。そのため、電化製品の表示灯などに数多く利用され、リモコンや光ファイバ通信用の光源としても利用されている。特に、光ファイバ通信用の光源として利用される場合には、発光ダイオードの応答速度の向上が求められており、従来の発光ダイオードのシングルへテロ構造をダブルへテロ構造に変更することによって、立上り時間Ｔｒおよび立下り時間Ｔｆを４０ｎｓｅｃとする発光ダイオード素子が提案されている（例えば、特許文献１参照）。また、ダブルへテロ構造において、活性層の厚さを薄くして０．０３〜０．１５μｍに調整することによって、立上り時間Ｔｒが５〜１５ｎｓｅｃになるように高速化を実現した発光素子も提案されている（例えば、特許文献２参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開昭６１−１７００８０号公報（第３頁、左下欄１０行−２０行）
【特許文献２】
特開平７−１５０３６号公報（段落番号００１０、００２２）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、近年のＤＶＤ５．１ｃｈ用の伝送速度１５〜２５Ｍｂｐｓの場合には、ＬＥＤの立上り時間Ｔｒおよび立下り時間Ｔｆが２０ｎｓｅｃ以下であることが要求されており、特許文献１に開示された発光ダイオード素子のように、立上り時間Ｔｒおよび立下り時間Ｔｆが４０ｎｓｅｃでは不十分である。
【０００５】
また、特許文献２に開示された発光素子の製造方法のように、液相エピタキシャル成長法（ＬＰＥ）において、活性層の厚さが０．０３〜０．１５μｍになるように量産ベースで制御するのは非常に困難である。このような制御は、ＭＯＣＶＤ法では可能であるが、ＭＯＣＶＤ装置は、液相エピタキシャル成長（ＬＰＥ）装置と比べて高価である。
【０００６】
また、発光ダイオードの応答性（立上り時間Ｔｒと立下り時間Ｔｆ）を向上させるために、例えば、活性層にＰ型不純物を高濃度にドープする手法がある。しかし、Ｐ型不純物を高濃度にドープした場合、活性層の成長以降のエピタキシャル成長（例えば、Ｎ型クラッド層の成長）における温度でＰ型不純物がＮ型クラッド層側に拡散して所謂中間層が形成され、この中間層が厚く形成されると、発光ダイオードの応答性が悪くなるという問題がある。
【０００７】
また、電気信号を光信号に変換する従来の発光ダイオードでは、立上り遅延時間Ｔｐｌｈと立下り遅延時間Ｔｐｈｌのバランスが悪いため、特に、立上り遅延時間Ｔｐｌｈに対して立下り遅延時間Ｔｐｈｌが遅いために、伝送信号の波形が乱れ、音質の低下を招くという問題もある。音質を維持するためには、一般に波形歪ΔＴｗ（＝Ｔｐｈｌ−Ｔｐｌｈ）を±３ｎｓｅｃに抑える必要がある。
【０００８】
さらに、従来の発光ダイオードは、周囲温度に対する光出力（Ｐｏ）の変化が大きいという問題もある。具体的には、発光ダイオードの動作温度の下限側の例えば−２０℃の低温では、光出力が増大して受信側における受光限度を超えたり、逆に、動作温度の上限側の７０℃の高温では、光出力が減少して受信できないというトラブルを生じる。
【０００９】
したがって、本発明は、このような従来の問題点に鑑み、高速応答性を有し、温度変化に対する光出力が安定し且つ音質に影響を与える波形歪ΔＴｗが小さい発光ダイオードおよびその製造方法を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意研究した結果、基板上に第１の導電型のクラッド層、活性層および第２の導電型のクラッド層を順次成長させて発光ダイオードを製造する方法において、活性層の成長温度を８５０℃以下、好ましくは７８０〜８００℃、さらに好ましくは約７９０℃にするとともに、活性層の不純物濃度に対する第２の導電型のクラッド層の不純物濃度の比率を３．４×１０−２〜５．９×１０−１の範囲、好ましくは３．０×１０−１以下の範囲に調整することにより、高速応答性を有し、温度変化に対する光出力が安定し且つ音質に影響を与える波形歪ΔＴｗが小さい発光ダイオードを提供することができることを見出し、本発明を完成するに至った。
【００１１】
すなわち、本発明による発光ダイオードの製造方法は、液相エピタキシャル成長法の徐冷法によって、基板上に第１の導電型のクラッド層、活性層および第２の導電型のクラッド層を順次成長させて発光ダイオードを製造する方法において、活性層の成長温度を８５０℃以下、好ましくは７８０〜８００℃、さらに好ましくは約７９０℃にすることを特徴とする。この発光ダイオードの製造方法において、活性層の不純物濃度に対する第２の導電型のクラッド層の不純物濃度の比率を３．４×１０−２〜５．９×１０−１の範囲、好ましくは３．０×１０−１以下の範囲に調整するのが好ましい。
【００１２】
また、本発明による発光ダイオードは、第１の導電型のクラッド層と第２の導電型のクラッド層の間に活性層が挟持された発光ダイオードにおいて、活性層の不純物濃度に対する第２の導電型のクラッド層の不純物濃度の比率が３．４×１０−２〜５．９×１０−１の範囲、好ましくは３．０×１０−１以下の範囲であることを特徴とする。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明による発光ダイオードの製造方法の実施の形態では、液相エピタキシャル成長の徐冷法によりＧａＡｌＡｓダブルへテロ構造の発光ダイオードを製造する場合において、活性層にＰ型不純物を高濃度にドープする際に中間層ができるだけ形成されないように、言い換えれば、Ｐ型不純物が拡散し難くするために、拡散が拡散係数と温度に大きく依存することを考慮して、活性層の成長温度およびその後に成長させる層の成長開始温度を従来の８７５℃からより低温の８５０℃以下、好ましくは７８０〜８００℃、さらに好ましくは約７９０℃に変更することによって、応答性（立上り時間Ｔｒと立下り時間Ｔｆ）の向上を図っている。
【００１４】
また、上記の条件の下で、Ｎ型クラッド層の不純物濃度を２．９×１０１７ｃｍ−３に固定して、活性層にドープするＰ型不純物（Ｍｇ）の不純物濃度を変化させる試験を行って、立上り時間Ｔｒと立下り時間Ｔｆが最も速くなる最適条件を調べたところ、活性層にドープするＰ型不純物（Ｍｇ）の不純物濃度が２．２×１０１８ｃｍ−３の場合に、立上り時間Ｔｒ＝１３．４ｎｓｅｃ、立下り時間Ｔｆ＝１６．４ｎｓｅｃになり、それぞれ最も速くなることがわかった（図１を参照）。
【００１５】
また、活性層の不純物濃度に対するＮ型クラッド層の不純物濃度の比率（ＮＣＬｃｃ／ＰＡＬｃｃ比）の変化に対する波形歪ΔＴｗの変化を調べたところ、これらの間に強い相関があることもわかった。すなわち、図２に示すように、活性層の不純物濃度に対してＮ型クラッド層の不純物濃度を増加させると、波形歪ΔＴｗはマイナス方向に変化し、一方、その不純物濃度を減少させると、波形歪ΔＴｗはプラス方向に変化することがわかった。図２において、（Ｎ型クラッドの不純物濃度）／（活性層の不純物濃度）をｘとし、波形歪ΔＴｗをｙとして、最小二乗法により両者の関係式を求めると、ｙ＝２．１５８１Ｌｎ（ｘ）−４．２１５６で示される直線（図２に示す直線）の関係が得られた。したがって、最適なΔＴｗ＝０にするためには、（Ｎ型クラッドの不純物濃度）／（活性層の不純物濃度）＝１．４×１０−１の比率に調整すれば良い。また、波形歪ΔＴｗを最適な範囲±３ｎｓｅｃにするためには、（Ｎ型クラッドの不純物濃度）／（活性層の不純物濃度）＝３．４×１０−２〜５．９×１０−１の比率にすれば良い。
【００１６】
さらに、活性層の不純物濃度に対するＮ型クラッド層の不純物濃度の比率の変化に対する光出力の温度依存性を調べたところ、これらの間に強い相関があることがわかった。すなわち、図３に示すように、活性層の不純物濃度に対してＮ型クラッド層の不純物濃度を減少させると、温度に対する依存性が小さくなる傾向になり、（Ｎ型クラッドの不純物濃度）／（活性層の不純物濃度）の比率が３×１０−１以下で飽和する。したがって、（Ｎ型クラッドの不純物濃度）／（活性層の不純物濃度）の比率（ＮＣＬｃｃ／ＰＡＬｃｃ比）を３×１０−１以下に調整することによって、周囲温度の変化に対して光出力の変化が小さい発光ダイオードを得ることができる。
【００１７】
【実施例】
以下、添付図面を参照して、本発明による発光ダイオードおよびその製造方法の実施例について詳細に説明する。
【００１８】
［実施例１］
液相エピタキシャル成長の徐冷法を用いて、図４に示すように、ＧａＡｓ基板１０上にＰ型クラッド層（ＰＣＬ）１２、活性層（ＰＡＬ）１４、Ｎ型クラッド層（ＮＣＬ）１６を順次成長させ、ＧａＡｌＡｓのエピタキシャル膜を形成した。ここで、Ｐ型クラッド層は開始温度７９６℃から終了温度７９０℃で成長させ、活性層は７９０℃に固定して成長させ、Ｎ型クラッド層は開始温度７９０℃から終了温度７１０℃で成長させた。なお、成長温度は測温用カーボンブロックを用いて測定した。
【００１９】
また、Ｐ型クラッド層の厚さを約１０μｍ、Ｎ型クラッド層の厚さを約２０μｍ、活性層の厚さを約０．７μｍとした。さらに、Ａｌ混晶比は、溶媒のＧａの量に対するＧａＡｓ多結晶およびＡｌの量を変えることによって調整し、Ｐ型クラッド層とＮ型クラッド層のＡｌ混晶比をｘＡｌ＝０．６５とするとともに、活性層の発光波長が６７５ｎｍになるようにした。
【００２０】
また、Ｎ型クラッド層のドーパントとしてＴｅを使用するとともに、Ｐ型クラッド層と活性層のドーパントとしてＭｇを使用し、Ｐ型クラッド層の不純物濃度が１×１０１８ｃｍ−３、Ｎ型クラッド層の不純物濃度が２．９×１０１７ｃｍ−３、活性層の不純物濃度が２．２×１０１８ｃｍ−３になるように不純物を添加した。この場合、（Ｎ型クラッド層の不純物濃度）／（活性層の不純物濃度）の比率は、０．１３になる。
【００２１】
このようにして作製したエピタキシャル基板に対し、ＬＥＤチップの仕上り厚さが２８０μｍ±３０μｍになるように、アンモニア系のエッチング液によりＧａＡｓ基板を５０μｍ程度溶解した。また、上面のＮ型クラッド層側は、後に形成する電極が平坦になるように、研磨して鏡面にした。
【００２２】
次に、Ｎ側の電極材としてＡｕＧｅＮｉ合金材、Ｐ側の電極材としてＡｕＺｎＳｂＮｉ合金材をエピタキシャル基板に蒸着し、オーミックコンタクトとするために４５０℃でアロイ処理を行い、ホトリソグラフィなどにより、Ａｕ合金からなるＮ側およびＰ側の電極１８および２０を形成した（図５を参照）。
【００２３】
さらに、ダイシングによってエピタキシャル基板を２８０μｍ角のチップ状に切断し、ＧａＡｌＡｓダブルへテロ構造のＬＥＤ素子を得た。
【００２４】
なお、メサ形成を行うと、チップ上面の面積が変化し易く、樹脂モールド組立を行った後に光ファイバと結合した際に光出力のバラツキの原因となるため、また、工程を簡略化するために、メサ形成を行わなかった。
【００２５】
また、量産時における特性検査（順方向電圧、逆方向電流、光出力、発光波長などの検査）は、一般に使用されているプローバではなく、チップを個々に分離した状態でも測定可能な特性検査選別機を使用して行った。また、特性の評価は、上記のように作製したＬＥＤをＡｇペーストによってＡｕステムＴＯ−１８に実装し、Ａｕワイヤによって結線し、樹脂コートなしの状態で行った。
【００２６】
また、立上り時間Ｔｒ、立下り時間Ｔｆおよび波形歪ΔＴｗは、オシロスコープ（Ａｇｉｌｅｎｔ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ製５４８４５Ａ）とパルスジェネレータ（ＨＰ製８１１１Ａ）を使用し、Ｉｆ＝６ｍＡ、ｆ＝７．７５ＭＨｚ、デューティレシオ（Ｄｕｔｙ  Ｒａｔｉｏ）５０％の電流条件でＬＥＤを駆動して、光ファイバ（三菱レイヨン製Ｅｓｋａ  ＭＥＧＡ  １ｍ）を通し、受光装置（浜松ホトニクス製Ｓｉ−ＡＰＤ  Ｓ２３８３）によって受光することによって測定した。
【００２７】
さらに、光出力の温度特性は、恒温槽にサンプルを投入し、−３０℃から８０℃まで温度を変化させ、この時の光出力の変化をパワーメータによって測定することによって評価した。電流条件は、Ｉｆ＝４ｍＡ（ＤＣ）とした。温度特性の評価は、２５℃における光出力に対する−３０℃における光出力の比率（Ｐｏ（−３０℃）／Ｐｏ（２５℃））によって行った。
【００２８】
本実施例で作製したＬＥＤチップの特性は以下の通りであった。
立上り時間Ｔｒ＝１３．４ｎｓｅｃ
立下り時間Ｔｆ＝１６．４ｎｓｅｃ
立上り遅延時間Ｔｐｌｈ＝９．８ｎｓｅｃ
立下り遅延時間Ｔｐｈｌ＝１０．１ｎｓｅｃ
波形歪ΔＴｗ＝０．３ｎｓｅｃ
Ｐｏ（−３０℃）／Ｐｏ（２５℃）＝１．３８
光出力Ｐｏ＝０．３ｍＷ（Ｉｆ＝２０ｍＡ）
【００２９】
上記の結果から、本実施例の発光ダイオードは、デジタルオーディオインターフェイスの２５Ｍｂｐｓの伝送速度を実現させるために必要な重要な特性を全て満たしていることがわかった。
【００３０】
［実施例２］
活性層の成長温度およびＮ型クラッド層の成長開始温度を８５０℃、Ｎ型クラッド層の不純物濃度を３．５×１０１７ｃｍ−３にした以外は、実施例１と同様の方法によりＬＥＤチップを作製した。このようにして得られたＬＥＤチップの立上り時間Ｔｒおよび立下り時間Ｔｆを実施例１と同様の方法により測定したところ、それぞれ１６．５ｎｓｅｃ、１８．３ｎｓｅｃであった。
【００３１】
［比較例１］
活性層の成長温度およびＮ型クラッド層の成長開始温度を８７５℃、活性層の不純物濃度を２．８×１０１８ｃｍ−３、Ｎ型クラッド層の不純物濃度を５．５×１０１７ｃｍ−３にした以外は、実施例１と同様の方法によりＬＥＤチップを作製した。このようにして得られたＬＥＤチップの立上り時間Ｔｒおよび立下り時間Ｔｆを実施例１と同様の方法により測定したところ、それぞれ６９．０ｎｓｅｃ、７７．４ｎｓｅｃであった。これらの結果を実施例１および２の結果と比較して表１に示す。
【００３２】
【表１】
2004241608.tif 000003
【００３３】
［比較例２］
活性層の不純物濃度を１．１×１０１８ｃｍ−３、Ｎ型クラッド層の不純物濃度を７．７×１０１７ｃｍ−３にした以外は、実施例１と同様の方法によりＬＥＤチップを作製した。この場合、（Ｎ型クラッド層の不純物濃度）／（活性層の不純物濃度）の比率は０．７０である。このようにして得られたＬＥＤチップの立上り遅延時間Ｔｐｌｈおよび立下り遅延時間Ｔｐｈｌを実施例１と同様の方法により測定したところ、Ｔｐｌｈ＝１２．５ｎｓｅｃ、Ｔｐｈｌ＝８．０ｎｓｅｃであり、ΔＴｗ＝−４．５ｎｓｅｃであった。また、実施例１と同様の方法により光出力の温度特性を評価したところ、２５℃における光出力に対する−３０℃における光出力の比率（Ｐｏ（−３０℃）／Ｐｏ（２５℃））は２．６０であった。これらの結果を実施例１の結果と比較して表２に示す。また、実施例１と比較例２の発光ダイオードにおける周囲温度の変化に対する光出力の変化を図６に示す。
【００３４】
【表２】
2004241608.tif 000004
【００３５】
【発明の効果】
上述したように、本発明によれば、高速応答性を有し、温度変化に対する光出力が安定し且つ音質に影響を与える波形歪ΔＴｗが小さい発光ダイオードおよびその製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】発光ダイオードの活性層の不純物濃度の変化に対する立上り時間の変化を示すグラフ。
【図２】発光ダイオードの（Ｎ型クラッド層の不純物濃度）／（活性層の不純物濃度）の変化に対する波形歪の変化を示すグラフ。
【図３】発光ダイオードの（Ｎ型クラッド層の不純物濃度）／（活性層の不純物濃度）の変化に対する光出力の温度依存性を示すグラフ。
【図４】本発明による発光ダイオードの実施の形態のエピタキシャル基板を概略的に示す図。
【図５】本発明による発光ダイオードの実施の形態を概略的に示す図。
【図６】実施例１および比較例２の発光ダイオードにおける周囲温度の変化に対する光出力の変化を示すグラフ。
【符号の説明】
１０  ＧａＡｓ基板
１２  Ｐ型クラッド層
１４  活性層
１６  Ｎ型クラッド層
１８  Ｎ側電極
２０  Ｐ側電極
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
2004241608.tif 000008
【図５】
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【図６】
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