(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
主表面を有する支持基板と、
前記支持基板の上に形成され、活性層をｎ型クラッド層とｐ型クラッド層とで挟んだ積層構造と
を有し、
前記ｎ型クラッド層は、ｎ型不純物としてＳｅまたはＳｉが添加されたｎ型の（ＡｌxＧａ1-x）yＩｎ1-yＰ（ｘ及びｙは、それぞれ０≦ｘ≦１、０＜ｙ＜１を満たす実数）で形成されており、
前記活性層は、前記ｎ型及びｐ型クラッド層よりもバンドギャップの小さな（ＡｌpＧａ1-p）qＩｎ1-qＰ（０≦ｐ≦１、０＜ｑ≦１）で形成されており、
前記ｐ型クラッド層は、ｐ型不純物としてＭｇまたはＺｎが添加されたｐ型の（ＡｌxＧａ1-x）yＩｎ1-yＰ（ｘ及びｙは、それぞれ０≦ｘ≦１、０＜ｙ＜１を満たす実数）で形成されており、
前記ｐ型クラッド層は、前記活性層に接する一部の厚さ部分において、その他の厚さ部分よりも不純物濃度の低い低濃度層とされており、
前記活性層内に、前記ｎ型クラッド層内のｎ型不純物及び前記ｐ型クラッド層内のｐ型不純物が拡散することによりｐｎ接合界面が形成されており、該ｐｎ接合界面が、前記活性層の厚さ方向に関して、中央よりも前記ｎ型クラッド層側に位置しており、
前記活性層と前記ｎ型クラッド層との界面から該活性層の厚さの１／３だけ活性層側へ入り込んだ位置を基準面としたとき、前記ｐｎ接合界面の位置と前記基準面との距離が、前記活性層の厚さの１／１０以下である発光ダイオード。
【請求項２】
さらに、前記ｐ型クラッド層の、前記活性層とは反対側の表面上に形成され、前記活性層よりもバンドギャップの大きな半導体材料からなり、ｐ型導電性を付与され、前記ｐ型クラッド層よりも低抵抗の電流拡散層を有する請求項１に記載の発光ダイオード。
【請求項３】
ｎ型の半導体基板の表面上に、ｎ型の不純物を添加しつつｎ型クラッド層を堆積する工程と、
前記ｎ型クラッド層の上に、該ｎ型クラッド層よりもバンドギャップの小さな半導体材料からなる活性層を、実質的に不純物を添加しないで堆積する工程と、
前記活性層の上に、該活性層よりもバンドギャップの大きな半導体材料からなるｐ型クラッド層を堆積する工程であって、堆積当初は不純物を添加しないか若しくはｐ型の不純物を少量添加しつつ成膜を行い、その後不純物の添加量を増やして成膜を行うｐ型クラッド層堆積工程と、
前記ｐ型クラッド層内のｐ型不純物、及び前記ｎ型クラッド層内のｎ型不純物を前記活性層内に拡散させて、前記活性層の厚さ方向に関して、中央よりも前記ｎ型クラッド層側にｐｎ接合界面を形成する工程と
を有し、
前記ｐｎ接合界面を形成する工程において、前記活性層と前記ｎ型クラッド層との界面から該活性層の厚さの１／３だけ活性層側へ入り込んだ位置を基準面としたとき、前記ｐｎ接合界面の位置と前記基準面との距離が、前記活性層の厚さの１／１０以下になるように前記ｐ型不純物及びｎ型不純物を拡散させる発光ダイオードの製造方法。
【請求項４】
前記ｐ型クラッド層堆積工程の後、さらに、前記活性層よりもバンドギャップの大きな半導体材料からなる電流拡散層を、前記ｐ型クラッド層よりも低抵抗になるようにｐ型の不純物を添加しつつ堆積する工程を有する請求項３に記載の発光ダイオードの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、発光ダイオード及びその製造方法に関し、特に、ダブルヘテロ構造を有する発光ダイオード及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図４内の左側の図は、従来例によるダブルヘテロ構造の発光ダイオードの断面図である。Ｓｉを添加されたｎ型ＧａＡｓ基板１００の上に、Ｓｅを添加されたｎ型のＡｌＩｎＰからなる厚さ１．２μｍの第１のクラッド層１０１が形成されている。第１のクラッド層１０１の上に、アンドープのＡｌＧａＩｎＰからなる厚さ０．６μｍの活性層１０２が形成されている。活性層１０２の上に、Ｍｇを添加されてｐ型とされたＡｌＩｎＰからなる第２のクラッド層１０３が形成されている。第２のクラッド層１０３の上に、Ｍｇを添加されてｐ型とされたＧａＰからなる厚さ６μｍの電流拡散層１０４が形成されている。
【０００３】
電流拡散層１０４の上面の一部の領域上に、ｐ側電極１１０が形成され、ＧａＡｓ基板１００の下面上にｎ側電極１１１が形成されている。
【０００４】
図４内の中央の図は、左側の発光ダイオードの厚さ方向に関するバンドギャップの変化を示す。活性層１０２が、それよりバンドギャップの大きな第１及び第２のクラッド層１０１と１０３とで挟み込まれている。クラッド層１０１及び１０３が、活性層１０２に注入されたキャリアを閉じ込める役割を果たすので、活性層１０２内のキャリア濃度が上昇する。このため、電子、正孔の再結合確率が増大し、発光効率を高めることができる。
【０００５】
電流拡散層１０４は、第２のクラッド層１０３よりも低抵抗とされ、ｐ側電極１１０から注入された正孔を、基板の面内方向に拡散させる役割を果たす。正孔が面内方向に拡散すると、活性層１０２の広い範囲に正孔が注入され、広い範囲で発光を生ずる。このため、光の取出効率を高めることができる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
図４に示す発光ダイオードでは、ダブルヘテロ構造が採用され、かつ電流拡散層が設けられているにもかかわらず、安定して十分な発光強度を得ることが困難であった。
【０００７】
本発明の目的は、発光強度を高めることが可能な発光ダイオード及びその製造方法を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の一観点によると、
主表面を有する支持基板と、
前記支持基板の上に形成され、活性層をｎ型クラッド層とｐ型クラッド層とで挟んだ積層構造と
を有し、
前記ｎ型クラッド層は、ｎ型不純物としてＳｅまたはＳｉが添加されたｎ型の（ＡｌxＧａ1-x）yＩｎ1-yＰ（ｘ及びｙは、それぞれ０≦ｘ≦１、０＜ｙ＜１を満たす実数）で形成されており、
前記活性層は、前記ｎ型及びｐ型クラッド層よりもバンドギャップの小さな（ＡｌpＧａ1-p）qＩｎ1-qＰ（０≦ｐ≦１、０＜ｑ≦１）で形成されており、
前記ｐ型クラッド層は、ｐ型不純物としてＭｇまたはＺｎが添加されたｐ型の（ＡｌxＧａ1-x）yＩｎ1-yＰ（ｘ及びｙは、それぞれ０≦ｘ≦１、０＜ｙ＜１を満たす実数）で形成されており、
前記ｐ型クラッド層は、前記活性層に接する一部の厚さ部分において、その他の厚さ部分よりも不純物濃度の低い低濃度層とされており、
前記活性層内に、前記ｎ型クラッド層内のｎ型不純物及び前記ｐ型クラッド層内のｐ型不純物が拡散することによりｐｎ接合界面が形成されており、該ｐｎ接合界面が、前記活性層の厚さ方向に関して、中央よりも前記ｎ型クラッド層側に位置しており、
前記活性層と前記ｎ型クラッド層との界面から該活性層の厚さの１／３だけ活性層側へ入り込んだ位置を基準面としたとき、前記ｐｎ接合界面の位置と前記基準面との距離が、前記活性層の厚さの１／１０以下である発光ダイオードが提供される。
【００１０】
本発明の他の観点によると、
ｎ型の半導体基板の表面上に、ｎ型の不純物を添加しつつｎ型クラッド層を堆積する工程と、
前記ｎ型クラッド層の上に、該ｎ型クラッド層よりもバンドギャップの小さな半導体材料からなる活性層を、実質的に不純物を添加しないで堆積する工程と、
前記活性層の上に、該活性層よりもバンドギャップの大きな半導体材料からなるｐ型クラッド層を堆積する工程であって、堆積当初は不純物を添加しないか若しくはｐ型の不純物を少量添加しつつ成膜を行い、その後不純物の添加量を増やして成膜を行うｐ型クラッド層堆積工程と、
前記ｐ型クラッド層内のｐ型不純物、及び前記ｎ型クラッド層内のｎ型不純物を前記活性層内に拡散させて、前記活性層の厚さ方向に関して、中央よりも前記ｎ型クラッド層側にｐｎ接合界面を形成する工程と
を有し、
前記ｐｎ接合界面を形成する工程において、前記活性層と前記ｎ型クラッド層との界面から該活性層の厚さの１／３だけ活性層側へ入り込んだ位置を基準面としたとき、前記ｐｎ接合界面の位置と前記基準面との距離が、前記活性層の厚さの１／１０以下になるように前記ｐ型不純物及びｎ型不純物を拡散させる発光ダイオードの製造方法が提供される。
【００１１】
ｐｎ接合界面の位置を上述のように調整することにより、発光効率を高めることができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本願発明者らは、図４内の左図に示す従来の発光ダイオードにより、十分な発光強度を安定して得ることが困難である原因を分析検討した。その結果、第２のクラッド層１０３及び電流拡散層１０４に添加したｐ型不純物が活性層１０２内に熱拡散し、発光に寄与しない再結合準位を形成することが原因であると考えた。
【００１５】
図４内の右図は、発光ダイオードの厚さ方向に関する不純物濃度の分布を示す。図中の破線がｎ型不純物濃度を示し、実線がｐ型不純物濃度を示す。活性層１０２の堆積時には不純物を添加していないにもかかわらず、活性層１０２内にｐ型不純物が含まれている。これは、第２のクラッド層１０３及び電流拡散層１０４の堆積中に、第２のクラッド層１０３及び電流拡散層１０４内のｐ型不純物が活性層１０２内に拡散したためと考えられる。なお、活性層１０２内の不純物濃度が、第２のクラッド層１０３内の不純物濃度よりも高くなっているのは、活性層１０２内の不純物の活性化率が第２のクラッド層１０３内のそれよりも高いためと考えられる。
【００１６】
また、ｐ型不純物の拡散により、ｐｎ接合界面が第１のクラッド層１０１内の活性層１０２との界面近傍に位置することがわかった。活性層１０３内へのｐ型不純物の拡散、及びこの拡散に伴うｐｎ接合界面の移動が、発光強度低下の要因になっていると考えられる。
【００１７】
次に、図１を参照して本発明の実施例による発光ダイオードについて説明する。
【００１８】
図１内の左図は、実施例による発光ダイオードの断面図を示す。Ｓｉを添加されてｎ型とされたＧａＡｓ基板１の表面上に、第１のクラッド層２、活性層３、第２のクラッド層４、及び電流拡散層５がこの順番に積層されている。これら各層は、有機金属を用いた気相エピタキシャル成長（ＭＯＶＰＥ）により形成される。なお、成長中の基板温度は６５０〜８００℃である。
【００１９】
第１のクラッド層２は、Ｓｅを濃度１×１０17〜１×１０18ｃｍ-3になるように添加しつつＡｌＩｎＰを成長させることにより形成され、１．２μｍの厚さを有する。活性層３は、不純物を添加することなく（Ａｌx Ｇａ1-x ）y Ｉｎ1-y Ｐ（ｘ及びｙは、それぞれ０≦ｘ≦１、０＜ｙ＜１を満たす実数）を成長させることにより形成され、約０．６μｍの厚さを有する。
【００２０】
第２のクラッド層４は下層４ａと上層４ｂの２層構造を有する。下層４ａは、不純物を添加することなくＡｌＩｎＰを成長させることにより形成され、約０．２μｍの厚さを有する。上層４ｂは、Ｍｇを濃度４×１０17ｃｍ-3になるように添加しつつＡｌＩｎＰを成長させることにより形成され、約１．０μｍの厚さを有する。不純物を添加しないで成長した下層４ａを有することが、図４の左図に示す従来の発光ダイオードと異なる。電流拡散層５は、不純物としてＭｇを濃度１×１０18ｃｍ-3になるように添加しつつＧａＰを成長させることにより形成され、約６．０μｍの厚さを有する。
【００２１】
電流拡散層５の上面の一部の領域上にｐ側電極６が形成され、ＧａＡｓ基板１の下面上にｎ側電極７が形成されている。ｐ側電極６は、例えばＡｕ、ＡｕＺｎ合金により形成され、ｎ側電極７は、例えばＡｕ、ＡｕＧｅ合金により形成される。
【００２２】
図１内の中央の図は、左図に示す発光ダイオードの基板の厚さ方向に関するバンドギャップの分布を示す。第１及び第２のクラッド層２及び４のバンドギャップは、活性層３のバンドギャップよりも大きいため、第１及び第２のクラッド層２及び４は、キャリアを活性層３内に閉じ込める機能を果たす。
【００２３】
ｐ側電極６から電流拡散層５内に注入された正孔は、基板の面内方向に広がり、活性層３に到達する。活性層３の広い領域に正孔の注入が行われるため、広い領域で発光が生じ、光の取出効率を高めることができる。
【００２４】
図１内の右図は、左図に示す発光ダイオードの基板の厚さ方向に関する不純物濃度の分布を示す。図中の破線はｎ型不純物濃度を示し、実線はｐ型不純物濃度を示す。
【００２５】
電流拡散層５は、注入された正孔を横方向に拡散しやすくするために、第２のクラッド層４の上層４ｂよりも低抵抗に、かつ厚く形成することが好ましい。このため、Ｍｇの添加量を多くし、長時間の成長を行う。
【００２６】
電流拡散層５の成長時に、電流拡散層５内のＭｇ原子が、第２のクラッド層４内に拡散しついには活性層３まで達する。また、第２のクラッド層４の上層４ｂ内のＭｇ原子も、同様に下層４ａ内に拡散し、活性層３に達する。このため、活性層３の上層部分がｐ型導電性を有することになる。また、第１のクラッド層２内のＳｅ原子が活性層３内に拡散するため、活性層３の下層部分はｎ型導電性を有することになる。
【００２７】
第２のクラッド層４の下層４ａを通して活性層３まで拡散するｐ型不純物の量は、下層４ａの厚さに依存する。下層４ａの厚さを変化させることにより、活性層３内へのｐ型不純物の拡散量を制御することができる。下層４ａの厚さを適当に調節することにより、図１の右図に示すように、ｐｎ接合界面が活性層３内に位置するような構成とすることが可能になる。
【００２８】
第２のクラッド層４の下層４ａの厚さを種々変更して作製した発光ダイオードの輝度を測定したところ、ｐｎ接合界面が活性層内に位置する場合であっても、その位置により輝度にばらつきを生ずることがわかった。
【００２９】
図２は、ｐｎ接合界面の位置を種々変化させたときの発光ダイオードの軸上光度を示す。横軸は、活性層３と第１のクラッド層２との界面を原点とし、活性層３の厚さをｄとしたときのｐｎ接合界面の位置を表す。縦軸は、発光ダイオードの軸上光度を単位ｍｃｄで表す。なお、活性層３の厚さｄを０．６μｍとし、第２のクラッド層４の下層４ａの厚さを０〜０．５μｍとした。
【００３０】
ｐｎ接合界面がほぼ（１／３）ｄの位置、すなわち活性層３と第１のクラッド層２との界面から活性層３の厚さの１／３だけ活性層３内へ入り込んだ位置の近傍において、光度が最大値を示す。この位置から離れるに従って、光度は徐々に低下する。このグラフからわかるように、ｐｎ接合界面が活性層３の厚さ方向に関して中央よりも第１のクラッド層２側に位置する構成とすることが好ましい。さらに、（１／３）ｄの位置からｐｎ接合界面までの距離が（１／１０）ｄ以下となるような構成とすることがより好ましい。
【００３１】
上記実施例では、第２のクラッド層４の下層４ａの成長時に不純物を添加しない場合を説明したが、上層４ａよりも低濃度の不純物を添加してもよい。または、下層４ａを、活性層３に近づくに従って徐々に不純物濃度が減少するような低不純物濃度の層としてもよい。
【００３２】
また、上記実施例では、ｐ型不純物としてＭｇを用いた場合を説明したが、その他のｐ型不純物、例えばＺｎを用いてもよい。ただし、ｐ型不純物としてＭｇを用いるほうが、低抵抗、高キャリア濃度のＧａＰ層を得やすいため、電流拡散層５の不純物をＭｇとすることが好ましい。
【００３３】
また、上記実施例では、活性層３内への不純物の拡散量を制御するためのアンドープの層を、活性層３の上の第２のクラッド層４内に形成した。これは、第２のクラッド層４及び電流拡散層５内のｐ型不純物の拡散による影響が支配的であるためである。第１のクラッド層２内から活性層３内への不純物の拡散が支配的である場合には、アンドープ層を第１のクラッド層４の活性層３との界面近傍に設けてもよい。
【００３４】
次に、図３を参照して、本発明の他の実施例による発光ダイオードについて説明する。
【００３５】
図３は、他の実施例による発光ダイオードの断面図、及びその左に各層のバンドギャップの分布を示す。不純物としてＳｉが添加されたｎ型ＧａＡｓ基板１１の上に、厚さ１．２μｍの第１のクラッド層１２、厚さ０．６μｍの活性層１３、厚さ１μｍの第２のクラッド層１４、厚さ６μｍの電流拡散層１５が積層されている。電流拡散層１５の上面の一部の領域上にｐ側電極１６、ＧａＡｓ基板１１の下面にｎ側電極１７が形成されている。図１に示す発光ダイオードでは、第２のクラッド層４が下層４ａと上層４ｂの２層構造とされていたが、図３の発光ダイオードでは、第２のクラッド層１４が下層１４ａ、中層１４ｂ及び上層１４ｃの３層構造とされている。
【００３６】
第１のクラッド層１２は、ｎ型不純物としてＳｉを濃度１×１０18ｃｍ-3となるように添加して成長したＡｌ0.5 Ｉｎ0.5 Ｐにより形成されている。活性層１３は、不純物を添加しないで成長した（Ａｌ0.25Ｇａ0.75）0.5 Ｉｎ0.5 Ｐにより形成されている。第２のクラッド層１４は（Ａｌ0.7 Ｇａ0.3 ）0.5 Ｉｎ0.5 Ｐにより形成され、その下層１４ａは不純物を添加しないで成長し、中層１４ｂ及び上層１４ｃは、それぞれｐ型不純物としてＭｇを濃度５×１０17ｃｍ-3及び８×１０17ｃｍ-3となるように添加して成長した層である。
【００３７】
電流拡散層１５は、ｐ型不純物としてＭｇを濃度７×１０18ｃｍ-3となるように添加して成長したＧａＰにより形成されている。
【００３８】
図３に示す発光ダイオードにおいても、第２のクラッド層１４の活性層１３に接する一部の厚さ部分に、アンドープの下層１４ａを配置している。このため、下層１４ａの厚さを調節することにより、図１に示す実施例の場合と同様の効果を得ることができる。
【００３９】
さらに、第２のクラッド層１４の電流拡散層１５に接する一部の厚さ部分に、高濃度の上層１４ｃを配置している。第２のクラッド層１４と電流拡散層１５とを異なる材料で形成すると、両者の界面にエネルギバンド端の不連続が生ずる。このバンド端の不連続によるポテンシャル障壁が、発光ダイオードの順方向閾値電圧増大の要因になる。第２のクラッド層１４の電流拡散層１５に接する一部の厚さ部分の不純物濃度を高くしておくことにより、このポテンシャル障壁による影響を緩和し、順方向閾値電圧を減少させることができる。
【００４０】
図３では、第２のクラッド層１４の各層１４ａ、１４ｂ及び１４ｃを（Ａｌ0.7 Ｇａ0.3 ）0.5 Ｉｎ0.5 Ｐにより形成した場合を説明したが、これらの層の組成比を調整することによっても、第２のクラッド層１４と電流拡散層１５との界面のポテンシャル障壁を低くすることができる。例えば、上層１４ｃのバンドギャップが中間層１４ｂのバンドギャップと電流拡散層１５のバンドギャップとの中間の値になるような組成比とすることにより、ポテンシャル障壁を低くすることができる。
【００４１】
図３に示す他の実施例では、第２のクラッド層１４の下層１４ａを中層１４ｂ、上層１４ｃと同一組成比の材料で形成したが、下層１４ａをアンドープの（Ａｌp Ｇａ1-p ）q Ｉｎ1-q Ｐ（０≦ｐ≦１、かつ０＜ｑ≦１、）で形成してもよい。
【００４２】
なお、活性層１３に閉じ込められたキャリアのオーバフローを防止するためには、下層１４ａを厚さを０．１μｍ程度とすればよい。
【００４３】
図３に示す他の実施例では、第２のクラッド層１４を３層構造とした場合について示したが、４層以上としてもよい。このとき、第２のクラッド層１４の活性層１３に接する一部の厚さ部分を、他の厚さ部分よりも低不純物濃度とし、電流拡散層１５に接する一部の厚さ部分を、他の厚さ部分よりも高不純物濃度とする。
【００４４】
上記２つの実施例では、活性層をＡｌＧａＩｎＰで形成し、クラッド層をＡｌＩｎＰ若しくはＡｌＧａＩｎＰで形成した場合を説明したが、その他の材料で形成してもよい。また、電流拡散層をＧａＰ以外の材料で形成してもよい。このとき、クラッド層のバンドギャップを活性層のバンドギャップより大きくし、電流拡散層のバンドギャップも活性層のバンドギャプより大きくする。
【００４５】
以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。
【００４６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、活性層に接するクラッド層の活性層に接する一部の厚さ部分の不純物濃度を低くするかもしくはアンドープとすることにより、活性層内への不純物の拡散量を制御することができる。これにより、ｐｎ接合界面を活性層内の所望の位置に配置することができ、発光効率を高めることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例による発光ダイオードの断面図、バンドギャップの分布を示すグラフ、及び不純物濃度を示すグラフである。
【図２】発光ダイオードの光度の、ｐｎ接合界面位置依存性を示すグラフである。
【図３】本発明の他の実施例による発光ダイオードの断面図、及びバンドギャップの分布を示すグラフである。
【図４】従来例による発光ダイオードの断面図、バンドギャップの分布を示すグラフ、及び不純物濃度を示すグラフである。
【符号の説明】
１、１１、１００  ＧａＡｓ基板
２、１２、１０１  第１のクラッド層
３、１３、１０２  活性層
４、１４、１０３  第２のクラッド層
５、１５、１０４  電流拡散層
６、１６、１１０  ｐ側電極
７、１７、１１１  ｎ側電極
【図１】
0003966962.tif 000002
【図２】
0003966962.tif 000003
【図３】
0003966962.tif 000004
【図４】
0003966962.tif 000005