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JP2001156328A - 発光素子用エピタキシャルウェハおよび発光素子 - Google Patents

発光素子用エピタキシャルウェハおよび発光素子

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Publication number
JP2001156328A
JP2001156328A JP34053499A JP34053499A JP2001156328A JP 2001156328 A JP2001156328 A JP 2001156328A JP 34053499 A JP34053499 A JP 34053499A JP 34053499 A JP34053499 A JP 34053499A JP 2001156328 A JP2001156328 A JP 2001156328A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
epitaxial wafer
light
emitting device
light emitting
layer
Prior art date
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Pending
Application number
JP34053499A
Other languages
English (en)
Inventor
Kenji Shibata
憲治 柴田
Masatomo Shibata
真佐知 柴田
Taiichiro Konno
泰一郎 今野
Naoki Kaneda
直樹 金田
Masahiro Noguchi
雅弘 野口
Yukio Kikuchi
幸夫 菊池
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hitachi Cable Ltd
Original Assignee
Hitachi Cable Ltd
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Publication date
Application filed by Hitachi Cable Ltd filed Critical Hitachi Cable Ltd
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Publication of JP2001156328A publication Critical patent/JP2001156328A/ja
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 発光強度及び光取り出し効率を向上させるこ
とができる新規な発光素子用エピタキシャルウェハおよ
びこれを用いた発光素子の提供。 【解決手段】 GaAs基板1上の活性層9が複数の障
壁層7と井戸層8とを交互に積層した多重量子井戸構造
となっている発光素子用エピタキシャルウェハにおい
て、上記各井戸層8の厚さをそれぞれ変化させる。これ
によって、バンドギャップに分布を持たせて発光スペク
トルの幅(半値幅)を広くすることができるため、その
発光強度を大幅に向上させることができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、GaAs基板上の
活性層が複数の障壁層と井戸層とを交互に積層した多重
量子井戸構造となっている発光素子用エピタキシャルウ
ェハ及びこれを用いた発光素子に関するものである。
【0002】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】図4
は、従来の発光ダイオード用エピタキシャルウェハのう
ち、発光波長630nmの多重量子井戸構造からなる活
性層を有する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したものである。
【0003】図示するように、このエピタキシャルウェ
ハは、有機金属気相成長法(MOVPE法)によってn
型GaAs基板1上にn型GaAsバッファ層2を介し
てn型(Al0.7 Ga0.3 0.5 In0.5 Pクラッド層
3を積層し、さらにこのクラッド層3上に多重量子井戸
活性層4とP型(Al0.7 Ga0.3 0.5 In0.5 Pク
ラッド層5とP型GaP層6を順次積層した構造となっ
ている。
【0004】また、この多重量子井戸活性層4は、同図
に示すように複数のun−( Al0.5 Ga0.5 ) 0.5
0.5 P障壁層7と、un−Ga0.5 In0.5 P井戸層
8とをそれぞれ交互に多重に積層した構造となってい
る。
【0005】そして、このような多重量子井戸活性層4
を有するエピタキシャルウェハによって得られる発光ダ
イオードにあっては、図5に示すように通常のダブルへ
テロ(DH)構造の発光ダイオードと比較してその輝度
が約1.5倍程度向上することから、高輝度仕様の発光
ダイオードとして頻繁に採用されてきている。
【0006】一方、このような従来のエピタキシャルウ
ェハを用いた発光ダイオードにあっては、その輝度は約
100mcd程度が限界であることから、今後その適用
範囲を拡大するためには、さらなる高輝度仕様の発光ダ
イオードが望まれている。
【0007】そこで、本発明はこのような課題を解決す
るために案出されたものであり、その目的は、輝度を従
来のものよりも大幅に向上させることができる新規な発
光素子用エピタキシャルウェハおよびこれを用いた発光
素子を提供するものである。
【0008】
【課題を解決するための手段】ところで、この多重量子
井戸活性層4では、図6に示すように量子効果によって
井戸層8の価電子帯Ev側及び伝導体Ec側にそれぞれ
量子準位が形成され、これら量子準位間のエネルギー差
が井戸層8の実質的なバンドギャップとなるが、このバ
ンドギャップを決定する量子準位の絶対値は、井戸層8
の膜厚又は組成、あるいは障壁層7側の膜厚又は組成に
よって変化することが知られている。
【0009】そのため、従来の多重量子井戸活性層4に
あっては、図4及び図7に示すように、その各障壁層7
と井戸層8がそれぞれ全て同じ膜厚及び同じ組成となっ
ていることから、各井戸層8の量子準位の絶対値は全て
同一となり、結果的に実質的なバンドギャップも全ての
井戸層7で同一となっている。
【0010】そして、このように各井戸層8の実質的な
バンドギャップが全て同一となっていると、発光スペク
トルの幅(半値幅)が狭くなるため、これを用いて得ら
れる発光ダイオードの輝度をさらに向上させることは困
難である。また、いずれの井戸層8のバンドギャップが
全て同一であると、光取り出し面から離れた位置にある
井戸層8の発光が光取り出し面に到達するまでに吸収さ
れてしまい、外部への光取り出し効率が低いものであっ
た。
【0011】そこで、本発明は上記特許請求の範囲に記
載したように、GaAs基板上の活性層が複数の障壁層
と井戸層とを交互に積層した多重量子井戸構造となって
いる発光素子用エピタキシャルウェハにおいて、上記井
戸層側の膜厚又は組成のいずれか、あるいは障壁層側の
膜厚又は組成のいずれか、若しくは両層を単一でなくし
たものである。
【0012】これによって、量子準位の絶対値が変化し
て実質的なバンドギャップに分布を持たせることができ
るため、発光スペクトルの幅(半値幅)を広くすること
が可能となって発光強度が向上し、これを用いた発光素
子の輝度を大幅に向上させることができる。
【0013】また、各井戸層8の実質的なバンドギャッ
プを光取り出し面側になるに従って徐々に大きくするこ
とによって各井戸層8の実質的なバンドギャップが光取
り出し面側になるに従って徐々に大きくなるため、活性
層中での光の吸収が抑制され、外部への光取り出し効率
が向上してさらにその輝度を向上させることができる。
【0014】
【発明の実施の形態】次に、本発明を実施する好適一形
態を添付図面を参照しながら説明する。
【0015】図1は本発明に係る発光素子用エピタキシ
ャルウェハ(以下、エピタキシャルウェハと称す)の実
施の一形態を示したものである。
【0016】図示するように、このエピタキシャルウェ
ハは、従来と同様に有機金属気相成長法(MOVPE
法)を用いてn型GaAs基板1上にn型GaAsバッ
ファ層2を介してn型(Al0.7 Ga0.3 0.5 In
0.5 Pクラッド層3を成長させると共にこのクラッド層
3上に多重量子井戸活性層9(以下、活性層9と称す)
を形成し、さらにこの活性層9上にP型(Al0.7 Ga
0.3 0.5 In0.5 Pクラッド層5とP型GaP層6を
順次成長させて多重に積層した構造となっている。
【0017】また、この活性層9は、複数のun−( A
0.5 Ga0.5 ) 0.5 In0.5 P障壁層7(以下、障壁
層7と称す)と、un−Ga0.5 In0.5 P井戸層8
(以下、井戸層8と称す)とをそれぞれ交互に成長させ
て多重に積層した構造となっている。
【0018】ここで、本実施の形態にあっては、各障壁
層7の膜厚は全て10nmとなっているのに対し、各井
戸層8は、積層方向になるに従って徐々に薄くなるよう
に全ての膜厚が異なっている。具体的には、図1及び図
2に示すようにこれら各井戸層8のうち、光取り出し面
から最も遠い位置にある井戸層8aの厚さは6.3nm
であり、これより光取り出し面側になるに従ってそれぞ
れ0.1nmずつ薄くなっており、最も光取り出し面側
に近い位置にある井戸層8gの膜厚は5.7nmと最も
薄い状態となっている。
【0019】このため、図2に示すように各井戸層8a
〜8gの量子準位の絶対値がそれぞれ異なることによっ
て実質的なバンドギャップが光取り出し面側になるに従
って徐々に広くなる。
【0020】従って、井戸層8の実質的なバンドギャッ
プに分布を持たせることができるため、発光スペクトル
幅(半値幅)が広がり、活性層9の発光強度が従来のそ
れに比べて大幅に向上する。また、各井戸層8a〜8g
の実質的なバンドギャップが光取り出し面方向に徐々広
くなることによって活性層9中での光の吸収が抑制され
るため、外部への光取り出し効率が向上する。
【0021】また、このバンドギャップの変化は、井戸
層8の膜厚を変えるだけでなく、障壁層7側の膜厚ある
いは両層を適宜変えることによっても得ることができ、
さらに、これら井戸層8又は障壁層7の組成を変えるこ
とによっても達成することができるため、これらの方法
によっても上記と同様な作用・効果を得ることができ
る。また、井戸層8(又は障壁層7)の全ての層を変化
させなくとも一部のみを変化させるようにしても良い。
【0022】
【実施例】次に、本発明の具体的実施例を説明する。
【0023】(実施例)図1に示すように、先ず、MO
VPE法によってn型GaAs基板1上にn型(Seド
ープ)GaAsバッファ層2を介してn型(Seドー
プ)(Al0.7 Ga0.3 0.5 In0.5 Pクラッド層3
を積層すると共にこのクラッド層3上に、発光波長63
0nm付近の多重量子井戸活性層9を形成した。ここ
で、この多重量子井戸活性層9は、膜厚10nmのun
−( Al0.5 Ga0.5 ) 0.5 In0.5P障壁層7を8層
と、un−Ga0.5 In0.5 P井戸層8とをそれぞれ交
互に多重に積層すると共に、井戸層8の膜厚を6.3n
m〜5.7nmまでの範囲で0.1nmずつ変えたもの
を光取り出し面方向に順に亘って薄くなるように積層し
た構造とした。
【0024】次いで、同じくMOVPE法によってこの
多重量子井戸活性層9上にp型(亜鉛ドープ)(Al
0.7 Ga0.3 0.5 In0.5 Pクラッド層5とp型(亜
鉛ドープ)GaP層6をそれぞれ10μmの厚さで積層
して本発明に係る発光素子用エピタキシャルウェハを形
成した。尚、全てのエピタキシャル層の成膜は、成膜温
度700℃、成膜圧力50Toor、成膜速度0.3〜
3.0nm/s、V/III 比は100〜600で行っ
た。
【0025】次に、この発光素子用エピタキシャルウェ
ハに従来と同様な加工を施して発光ダイオードチップを
作製した。尚、このチップの大きさは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1
50μmの円形の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60nm,10
nm,1000nmの順に蒸着し、p型電極は、金亜
鉛、ニッケル、金をそれぞれ60nm,10nm,10
00nmの順に蒸着した。さらに、このチップをステム
組して、樹脂モールドまで行い、発光ダイオードの発光
特性を調べた。
【0026】(従来例)上記多重量子井戸活性層とし
て、全ての障壁層と井戸層との膜厚を均一にした他は、
上記実施例1と同様な方法によって発光素子用エピタキ
シャルウェハを形成した後、発光素子用エピタキシャル
ウェハに従来と同様な加工を施して実施例と同様なサイ
ズの発光ダイオードを作製し、その発光ダイオードの発
光特性を調べた。
【0027】先ず、実施例及び従来例の発光ダイオード
に対して20mA通電した際の発光スペクトルを比較す
ると、図3に示すように本実施例では、従来例に比べて
発光スペクトルの幅が広くなっており、発光強度が従来
例よりも大きく向上した。
【0028】また、両発光ダイオードの輝度を測定した
結果、従来例100mcdであるのに対して、本実施例
は130mcdとなり、従来例に比べてその輝度が30
%も向上した。
【0029】
【発明の効果】以上要するに本発明によれば、多重量子
井戸活性層の井戸層又は障壁層の膜厚或いは組成を異な
らしめてバンドギャップに分布を持たせるようにしたた
め、発光スペクトルの幅が広くなり、これによって輝度
が向上する。また、このバンドギャップを光り取り出し
面側に近づくに従って実質的なバンドギャップを広くす
るようにしたため、発光の取り出し効率が向上し、その
輝度をさらに向上することができる等といった優れた効
果を発揮することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る発光素子用エピタキシャルウェハ
の実施の一形態を示す構造図である。
【図2】本発明に係る発光素子用エピタキシャルウェハ
の多重量子井戸活性層におけるバンドギャップを示す概
念図である。
【図3】本発明に係る発光素子(発光ダイオード)と、
従来の発光ダイオードの発光スペクトルを比較した結果
を示すグラフ図である。
【図4】従来の発光素子用エピタキシャルウェハの典型
例を示す構造図である。
【図5】従来のダブルへテロ活性層を有する発光ダイオ
ードの発光スペクトルと、従来の多重量子井戸活性層を
有する発光ダイオードの発光スペクトルを示すグラフ図
である。
【図6】多重量子井戸活性層の量子効果による実質的な
バンドギャップを示す説明図である。
【図7】従来の多重量子井戸活性層におけるバンドギャ
ップを示す概念図である。
【符号の説明】
1 GaAs基板 2 バッファ層 3,5 クラッド層 4 従来の多重量子井戸活性層 6 GaP層 7 障壁層 8 井戸層 9 本発明の多重量子井戸活性層
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 今野 泰一郎 茨城県土浦市木田余町3550番地 日立電線 株式会社アドバンスリサーチセンタ内 (72)発明者 金田 直樹 茨城県土浦市木田余町3550番地 日立電線 株式会社アドバンスリサーチセンタ内 (72)発明者 野口 雅弘 茨城県日立市日高町5丁目1番1号 日立 電線株式会社日高工場内 (72)発明者 菊池 幸夫 茨城県日立市日高町5丁目1番1号 日立 電線株式会社日高工場内 Fターム(参考) 5F041 AA04 AA14 CA05 CA22 CA34 CA65 5F073 AA74 CA07 CB07 DA05

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 GaAs基板上の活性層が複数の障壁層
    と井戸層とを交互に積層した多重量子井戸構造となって
    いる発光素子用エピタキシャルウェハにおいて、上記各
    井戸層の厚さが単一ではな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2】 GaAs基板上の活性層が複数の障壁層
    と井戸層とを交互に積層した多重量子井戸構造となって
    いる発光素子用エピタキシャルウェハにおいて、上記各
    井戸層の組成が単一ではない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3】 GaAs基板上の活性層が複数の障壁層
    と井戸層とを交互に積層した多重量子井戸構造となって
    いる発光素子用エピタキシャルウェハにおいて、上記各
    障壁層の厚さが単一でない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4】 GaAs基板上の活性層が複数の障壁層
    と井戸層とを交互に積層した多重量子井戸構造となって
    いる発光素子用エピタキシャルウェハにおいて、上記各
    障壁層の組成が単一でな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. 【請求項5】 GaAs基板上の活性層が複数の障壁層
    と井戸層とを交互に積層した多重量子井戸構造となって
    いる発光素子用エピタキシャルウェハにおいて、上記各
    井戸層の実質的なバンドギャップが単一でないことを特
    徴とする発光素子用エピタキシャルウェハ。
  6. 【請求項6】 GaAs基板上の活性層が複数の障壁層
    と井戸層とを交互に積層した多重量子井戸構造となって
    いる発光素子用エピタキシャルウェハにおいて、上記各
    井戸層の実質的なバンドギャップが光取り出し面側にな
    るに従って大きくなっていることを特徴とする発光素子
    用エピタキシャルウェハ。
  7. 【請求項7】 上記請求項1〜6のいずれかに記載の発
    光素子用エピタキシャルウェハを用いて得られたことを
    特徴とする発光素子。
JP34053499A 1999-11-30 1999-11-30 発光素子用エピタキシャルウェハおよび発光素子 Pending JP2001156328A (ja)

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