JP2004304090A - 発光ダイオード - Google Patents

Abstract

【課題】発光出力が大きく、動作電圧が低く、しかも過電圧に強い発光ダイオードを得る。
【解決手段】第１導電型の半導体基板１０１上に、少なくともＩｎＧａＡｌＰ系材料からなる活性層１０４と、この活性層上に形成された、該活性層よりもバンドギャップが大きいＩｎＧａＡｌＰからなる第２導電型の上部クラッド層１０５と、その上に形成されたＧａＰからなる第２導電型の電流拡散層とを有する発光ダイオードにおいて、上記第２導電型の電流拡散層を、キャリア濃度が１×１０^１７ｃｍ^−３以下である低キャリア濃度のＧａＰ層１０７ａをそれより高キャリア濃度のＧａＰ層１０６、１０７ｂの間に挟み込んだ構造とする。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、発光出力が大きく、動作電圧が低く、しかも過電圧に強い発光ダイオードに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ＡｌＧａＩｎＰ系の発光ダイオード（ＬＥＤ）は各種表示用光源として広く用いられている。特に屋外ディスプレイや交通信号用光源は高出力で信頼性が高く、しかも安価であることが求められている。
【０００３】
高出力を得るための施策としては、例えば活性層の上部に位置する活性層（発光層）の発光に対しほぼ透明な層（いわゆる電流拡散層）の厚膜化が行われており、その材料としては例えば特開平３−１７１６７９号（特許文献１）に開示されているＡｌＧａＡｓや、米国特許ＵＳ５００８７１８号（特許文献２）に開示されているＧａＰ等が広く用いられている。
【０００４】
高出力を得るための他の施策としては、例えば特開平３−２８３６７４号（特許文献３）に開示されているように、抵抗率の小さい第２のクラッド層を挿入して電流の拡散を促すことにより高出力化する方法がある。
【０００５】
高出力を得るための他の施策としては、例えば特開平４−８７３７９号（特許文献４）に開示されているように、基板側にキャリア濃度の低い層を挿入することにより電流の拡散を促すことにより高出力化する方法がある。
【０００６】
高出力を得るための他の施策としては、例えば特開平４−２２９６６５号（特許文献５）に開示されているように、電流阻止層を具備させ電流の集中を高めることにより高出力化する方法がある。
【０００７】
高出力を得るための他の施策としては、例えば特開平７−２０２２６４号（特許文献６）に開示されているように、低ポテンシャル、且つ高伝導性の層を挿入することによって電流拡散を増強し、高出力化する方法がある。
【０００８】
また、特開平９−２６０７２４号（特許文献７）には、ＡｌＧａＩｎＰ層とＧａＰ層の間にＡｌＩｎＡｓ、ＧａＡｓ又はＡｌＧａＩｎＰから成る中間層を介在させ、エネルギーバンドプロファイルを滑らかにして動作電圧の上昇を抑えるという方法が開示されている。
【０００９】
【特許文献１】
特開平３−１７１６７９号
【００１０】
【特許文献２】
米国特許ＵＳ５００８７１８号
【００１１】
【特許文献３】
特開平３−２８３６７４号
【００１２】
【特許文献４】
特開平４−８７３７９号
【００１３】
【特許文献５】
特開平４−２２９６６５号
【００１４】
【特許文献６】
特開平７−２０２２６４号
【００１５】
【特許文献７】
特開平９−２６０７２４号
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した特許文献１〜６の方法では、高出力化という観点からは所望の効果が得られるものの、素子に過大な電圧を加えると、ダイオードの特性上、電圧に対し指数関数的に電流が増加するため、破壊し易いという問題がある。例えば発光波長６５０ｎｍの発光ダイオード素子の活性層のバンドギャップは約１．９ｅＶであるため、素子に加える電圧が約１．９Ｖを超えると、素子を流れる電流は指数関数的に増加し、遂には素子が破壊されるに至る。素子の放熱設計にもよるが、順方向電圧がおよそ３Ｖを超えると多くの素子が破壊されてしまう。
【００１７】
信頼性の観点からは電流拡散層に酸化しやすいＡｌを含まないＧａＰの方が有利であるが、ＧａＰとＡｌＧａＩｎＰのヘテロ界面にはエネルギーバンドプロファイルにノッチが生じ、動作電圧が高くなってしまうという問題がある。このため例えば特許文献７に開示されているように、ＡｌＧａＩｎＰ層とＧａＰ層の間に中間層を介在させ、エネルギーバンドプロファイルを滑らかにして動作電圧の上昇を抑えるという方法がある。これにより動作電圧を低減することができたが、できる限り下げることが好ましい。
【００１８】
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、このような従来の欠点を除去し、発光出力が大きく、動作電圧が低く、しかも過電圧に強い発光ダイオードを提供することにある。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明は、次のように構成したものである。
【００２０】
請求項１の発明に係る発光ダイオードは、第１導電型の半導体基板上に、少なくともＩｎＧａＡｌＰ系材料からなる活性層と、この活性層上に形成された、該活性層よりもバンドギャップが大きいＩｎＧａＡｌＰからなる第２導電型のクラッド層と、その上に形成されたＧａＰからなる第２導電型の電流拡散層とを有する発光ダイオードにおいて、上記第２導電型の電流拡散層が、キャリア濃度が１×１０^１７ｃｍ^−３以下である低キャリア濃度のＧａＰ層をそれより高キャリア濃度のＧａＰ層の間に挟み込んだ構造を有することを特徴とする。
【００２１】
これは、第２導電型のＧａＰ電流拡散層を、例えばＧａＰ層中に高抵抗層を入れた形態として、過電圧に強いＬＥＤとするものであり、代表的にはキャリア濃度が１×１０^１７ｃｍ^−３以下である低キャリア濃度層部分を、キャリア濃度が１×１０^１８ｃｍ^−３以上の高キャリア濃度層部分で挟み込んだ構造とするものである。
【００２２】
請求項２の発明に係る発光ダイオードは、第１導電型の半導体基板上に、少なくともＩｎＧａＡｌＰ系材料からなる活性層と、この活性層上に形成された、該活性層よりもバンドギャップが大きいＩｎＧａＡｌＰからなる第２導電型のクラッド層と、その上に形成されたＧａＰからなる第２導電型の電流拡散層とを有する発光ダイオードにおいて、上記第２導電型の電流拡散層がキャリア濃度の異なる第１のＧａＰ層と第２のＧａＰ層から成り、そのうちの第２導電型のクラッド層に接している側の第１のＧａＰ層のキャリア濃度が３×１０^１８ｃｍ^−３以上であり、その上の第２のＧａＰ層が、キャリア濃度が１×１０^１７ｃｍ^−３以下である低キャリア濃度のＧａＰ層と、キャリア濃度が１×１０^１８ｃｍ^−３以上の高キャリア濃度のＧａＰ層を含む層構造（２層以上の多層構造）として形成されていることを特徴とする。
【００２３】
請求項３の発明は、請求項２記載の発光ダイオードにおいて、上記第２のＧａＰ層が、キャリア濃度が１×１０^１７ｃｍ^−３以下である低キャリア濃度層と、キャリア濃度が１×１０^１８ｃｍ^−３以上の高キャリア濃度層を含む三層以上の多層構造として形成されていることを特徴とする。
【００２４】
請求項４の発明は、請求項２又は３記載の発光ダイオードにおいて、上記第１導電型の半導体基板がｎ型の導電性を有するＧａＡｓ基板またはＧｅ基板から成ることを特徴とする。
【００２５】
請求項５の発明に係る発光ダイオードは、ｎ型のＧａＡｓ基板またはＧｅ基板から成る半導体基板上に、少なくともＩｎＧａＡｌＰ系材料からなるｎ型の下部クラッド層と、該クラッド層よりバンドギャップエネルギーが小さいＩｎＧａＡｌＰ系材料からなる活性層と、該活性層よりバンドギャップエネルギーが大きいＩｎＧａＡｌＰからなるｐ型の上部クラッド層と、ｐ型のクラッド層上に形成された、ｐ型のクラッド層よりも厚いｐ型のＧａＰ層を有する発光ダイオードにおいて、上記ｐ型のＧａＰ層がキャリア濃度の異なる複数層から成っており、そのうちのｐ型の上部クラッド層に接している側のＧａＰ層がキャリア濃度が３×１０^１８ｃｍ^−３以上の第１のＧａＰ層として形成され、この第１のＧａＰ層上に、キャリア濃度が１×１０^１７ｃｍ^−３以下である低キャリア濃度のＧａＰ層と、キャリア濃度が１×１０^１８ｃｍ^−３以上の高濃度キャリアのＧａＰ層とを含む多層構造からなる第２のＧａＰ層が形成されていることを特徴とする。
【００２６】
上記請求項１〜４に記載の発明は、シングルヘテロ構造の形態のみ成らず、活性層を両側から挟み込む第１導電型の下部クラッド層及び第２導電型の上部クラッド層とを含む積層構造（ダブルヘテロ構造）の形態を含むことを前提としている。これに対し、請求項５に記載の発明は、ダブルヘテロ構造の形態を特定したものである。
【００２７】
＜作用＞
ＬＥＤで発光輝度を高くするためには、電流分散を良くする必要がある。電流分散をよくするためには、電気の流れを起こすための駆動力である電界による流れと濃度拡散による流れを有効に活用する必要がある。電界の効果を用いて電気を流そうとすると、どうしても電圧を高くする必要があり、駆動電圧が高くなる。
【００２８】
本発明のように高キャリア濃度層の間に低キャリア濃度層を挟み込むと、低キャリア濃度層がポテンシャル障壁になり、流れ込んできたキャリアがその障壁で止められ電流が横に広がっていく。このポテンシャルを高くすれば電流は十分拡散するが、それではポテンシャルを越えるだけの電圧が必要となり、駆動電圧が高くなってしまう。そこでこのポテンシャルは低くして、それを何層にもする事により、駆動電圧を低く押さえた状態で電流分散を起こす事ができる。
【００２９】
このようにして作製した障壁に電圧を印加して電流電圧特性を測定すると、この障壁は直列抵抗成分として働く。このため例えば３乃至５Ｖ程度の電圧を加えても急激に電流値が増えることが無い。上記施策を講じたＧａＰ層により、出力が大きく、動作電圧が低く、しかも過電圧に強いＬＥＤを得ることができる。
【００３０】
【発明の実施の形態】
本発明は上記した従来の欠点を解消するために成されたものであり、発光出力が大きく、動作電圧が低く、しかも過電圧に強い発光ダイオードを得ることを目的としている。本発明の代表的な形態では、第一の導電型をｎ型とし、ｎ型の導電性を有するＧａＡｓ基板またはＧｅ基板から成る半導体基板と、この半導体基板上に形成された、ＩｎＧａＡｌＰ系材料からなる活性層と、この活性層上に形成された、該活性層よりもバンドギャップが大きいＡｌＧａＩｎＰからなるｐ型導電型クラッド層と、ｐ型導電型クラッド層上に形成された、ｐ型導電型クラッド層よりも厚いｐ型導電型のＧａＰ層を有する発光ダイオードにおいて、ｐ型導電型のＧａＰ層をキャリア濃度の異なる複数層から構成し、ｐ型導電型クラッド層に接しているＧａＰ層のキャリア濃度を３×１０^１８ｃｍ^−３以上の第１のＧａＰ層とし、第１のＧａＰ層上に、キャリア濃度が１×１０^１７ｃｍ^−３以下であるＧａＰ層とキャリア濃度が１×１０^１８ｃｍ^−３以上のＧａＰ層の多層構造からなる第２のＧａＰ層を具備させる構成とし、これにより、目的とする発光ダイオードを達成する。
【００３１】
図１は、本発明の実施形態に係る発光ダイオードの構成を示したものである。この発光ダイオードは、ｎ型の導電性を有するＧａＡｓ基板またはＧｅ基板から成る半導体基板１０１と、この半導体基板上にｎ型のＡｌＧａＡｓバッファ層１０２を介して形成された積層構造であって、ＩｎＧａＡｌＰ系材料からなるｎ型の下部クラッド層１０３と、該クラッド層よりバンドギャップエネルギーが小さいＩｎＧａＡｌＰ系材料からなる活性層（発光層）１０４と、この活性層上に形成された、該活性層よりもバンドギャップが大きいＡｌＧａＩｎＰからなるｐ型の上部クラッド層１０５と、このｐ型の上部クラッド層１０５上に形成された、当該ｐ型の上部クラッド層１０５よりも厚いｐ型のＧａＰ層からなる電流拡散層を有する。そして、発光ダイオードにおいて、上記ｐ型のＧａＰ電流拡散層は、キャリア濃度の異なる複数層、ここでは第１のＧａＰ層１０６と第２のＧａＰ層１０７から構成されている。この実施形態の場合、ｐ型の上部クラッド層１０５に接している側の第１のＧａＰ層１０６は、そのキャリア濃度が３×１０^１８ｃｍ^−３以上のＧａＰ層からなる。また、この第１のＧａＰ層上に形成されている第２のＧａＰ層１０７は、キャリア濃度が１×１０^１７ｃｍ^−３以下である低キャリア濃度のＧａＰ層１０７ａと、キャリア濃度が１×１０^１８ｃｍ^−３以上の高キャリア濃度のＧａＰ層１０７ｂを含む多層構造（ここでは２層構造）からなる。
【００３２】
本発明の効果を確認するため、上記構成のＬＥＤについて、ｐ型の上部クラッド層１０５に接している第１のＧａＰ層１０６のキャリア濃度を変化させて、２０ｍＡ通電時のＬＥＤの順方向電圧を調べたところ、図２に示すように、順方向電圧はキャリア濃度の上昇に伴い単調に減少し、キャリア濃度が３×１０^１８ｃｍ^−３を超えると順方向電圧がほぼ一定となった。これよりｐ型の上部クラッド層１０５に接している第１のＧａＰ層１０６のキャリア濃度は、３×１０^１８ｃｍ^−３以上であれば、低い順方向電圧とするに十分な効果が得られることが分かった。なお、図の横軸の単位は、例えば１Ｅ＋１８で１×１０^１８ｃｍ^−３を表す。
【００３３】
また、第２のＧａＰ層１０７のうち、低キャリア濃度のＧａＰ層１０７ａのキャリア濃度を１×１０^１８ｃｍ^−３から１×１０^１７ｃｍ^−３まで下げていった構造のものを試作し、電流電圧特性を調べた。図３に、低キャリア濃度のＧａＰ層１０７ａのキャリア濃度を１×１０^１８ｃｍ^−３、５×１０^１７ｃｍ^−３、１×１０^１７ｃｍ^−３と変えたときの電流電圧特性を示す。電流電圧特性を調べた結果、図３に示す如く、低キャリア濃度部のキャリア濃度の減少にしたがって高電圧印加時の素子破壊電圧が高くなっていくことが分かった。これより、第２のＧａＰ層１０７のうち、低キャリア濃度のＧａＰ層１０７ａのキャリア濃度は、１×１０^１７ｃｍ^−３以下とすることが好ましいことが分かった。
【００３４】
［実施例］
ＭＯＶＰＥ法によりＧｅ基板上に、（Ａｌ_０．１Ｇａ_０．９）_０．５Ｉｎ_０．５活性層を有し、ＧａＰウインドウ層（電流拡散層）を有するＬＥＤを作製した。
【００３５】
半導体基板１０１としてはｎ型Ｇｅ単結晶基板を使用し、Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ原料としてはトリエチルガリウム又はトリメチルガリウム、トリメチルアルミニウム、トリメチルインジウムを使用した。Ｐ原料としてはフォスフィン（ＰＨ_３）を使用した。Ａｓ原料としてはアルシン（ＡｓＨ_３）を使用した。活性層の組成は発光波長に応じて適当な組成にしても良く、量子井戸構造としてもよい。
【００３６】
まず、成長炉内に半導体基板（Ｇｅ基板）１０１を配置し、基板温度７００℃においてｎ型の導電性を有し、厚さ０．５μｍのＡｌＧａＡｓバッファ層１０２を形成した。このときのＧａ及びＡｓ原料としてはトリエチルガリウム及びアルシンを用いた。基板の面方位は（１００）基板を使用したが、面方位は特に限定されるものではない。次に基板温度は７００℃のままで、ｎ型の導電性を有し厚さ１．０μｍの（Ａｌ_０．７Ｇａ_０．３）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐ下部クラッド層１０３、アンドープで厚さ０．５μｍの（Ａｌ_０．１Ｇａ_０．９）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐ活性層１０４、ｐ型の導電性を有し、厚さ１．０μｍの（Ａｌ_０．７Ｇａ_０．３）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐ上部クラッド層１０５を順次形成した。
【００３７】
次に基板温度を６００〜６５０℃に設定し厚さ０．５μｍの第１のＧａＰ層１０６を形成した。第１のＧａＰ層１０６にはＣをドーピングし、キャリア濃度を３×１０^１８〜３×１０^１９ｃｍ^−３とした。
【００３８】
次に基板温度を７００℃として、キャリア濃度が１×１０^１７ｃｍ^−３以下で厚さが０．５μｍのＧａＰ層１０７ａを、次いで基板温度を６００〜６５０℃に設定して、キャリア濃度が１×１０^１８ｃｍ^−３以上で厚さが１０μｍのＧａＰ層１０７ｂを形成し、これらを第２のＧａＰ層１０７とした。第２のＧａＰ層１０７は、キャリア濃度が１×１０^１７ｃｍ^−３以下の層と、キャリア濃度が１×１０^１８ｃｍ^−３以上の層の３層以上の多層構造としても良い。
【００３９】
このようにして得られたＬＥＤエピタキシャルウェハからＬＥＤチップを作製した。チップの大きさは３００μｍ角で、エピタキシャルウェハの基板１０１側にあたるチップ下面全体にＡｕ−Ｇｅ−Ｎｉ合金からなる下部電極１０８を、第２のＧａＰ層１０７側にはＡｕ−Ｂｅ−Ｎｉ合金からなる直径１５０μｍの円形の上部電極１０９を形成した。
【００４０】
このＬＥＤチップをステム上に組み、Ｉ−Ｌ（電流−発光出力）特性、Ｉ−Ｖ（電流−電圧）特性を調べた。比較参考のため従来構造の試作ＬＥＤと比較した。すなわちＧａＰ層以外の構造はすべて同じとし、ＧａＰ層部の全厚さは同じであるが、低キャリア濃度層（実施例において第２のＧａＰ層１０７の構成層のうちキャリア濃度が１×１０^１７ｃｍ^−３以下のＧａＰ層１０７ａ）が無い構造のＬＥＤを作製し、本実施例と比較した。この結果、図４に示すようにＩ−Ｌ特性はほぼ同じであった。
【００４１】
また信頼性につき阻止破壊電圧を調べたところ、図５のＩ−Ｖ特性図に示すように、高電圧印加時の素子破壊電圧を従来例の３Ｖから５Ｖ以上に上昇することができた。
【００４２】
上記実施例では、半導体基板１０１としてＧｅ基板を用いたがＧａＡｓ基板を用いた場合でも、本発明の効果を得ることができる。
【００４３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、第１導電型の半導体基板上に、少なくともＩｎＧａＡｌＰ系材料からなる活性層と、この活性層上に形成された、該活性層よりもバンドギャップが大きいＩｎＧａＡｌＰからなる第２導電型のクラッド層と、その上に形成されたＧａＰからなる第２導電型の電流拡散層とを有する発光ダイオードにおいて、上記第２導電型の電流拡散層を、キャリア濃度が１×１０^１７ｃｍ^−３以下である低キャリア濃度のＧａＰ層をそれより高キャリア濃度のＧａＰ層の間に挟み込んだ構造としているので、発光出力が大きく、動作電圧が低く、しかも過電圧に強い発光ダイオードの提供、特に、順方向電圧がほぼ３Ｖを超えても素子が破壊されないような過電圧に強い発光ダイオードを作製することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の発光ダイオードの構成を示す図である。
【図２】ｐ型クラッド層に接している部分のＧａＰ層のキャリア濃度と、２０ｍＡ通電時のＬＥＤの動作電圧の関係を示す図である。
【図３】第２のＧａＰ層のうち、低キャリア濃度部のキャリア濃度の異なる３つのＬＥＤの電流電圧特性を示す図である。
【図４】本発明の発光ダイオードの電流−発光出力特性を従来例と比較して示す図である。
【図５】本発明の発光ダイオードの電流−電圧特性を従来例と比較して示す図である。
【符号の説明】
１０１ 半導体基板
１０２ バッファ層
１０３ 下部クラッド層
１０４ 活性層（発光層）
１０５ 上部クラッド層
１０６ 第１のＧａＰ層
１０７ 第２のＧａＰ層
１０７ａ 低キャリア濃度のＧａＰ層
１０７ｂ 高キャリア濃度のＧａＰ層
１０８ 下部電極
１０９ 上部電極

Claims (5)

1. 第１導電型の半導体基板上に、少なくともＩｎＧａＡｌＰ系材料からなる活性層と、この活性層上に形成された、該活性層よりもバンドギャップが大きいＩｎＧａＡｌＰからなる第２導電型のクラッド層と、その上に形成されたＧａＰからなる第２導電型の電流拡散層とを有する発光ダイオードにおいて、
   上記第２導電型の電流拡散層が、キャリア濃度が１×１０^１７ｃｍ^−３以下である低キャリア濃度のＧａＰ層をそれより高キャリア濃度のＧａＰ層の間に挟み込んだ構造を有することを特徴とする発光ダイオード。
2. 第１導電型の半導体基板上に、少なくともＩｎＧａＡｌＰ系材料からなる活性層と、この活性層上に形成された、該活性層よりもバンドギャップが大きいＩｎＧａＡｌＰからなる第２導電型のクラッド層と、その上に形成されたＧａＰからなる第２導電型の電流拡散層とを有する発光ダイオードにおいて、
   上記第２導電型の電流拡散層がキャリア濃度の異なる第１のＧａＰ層と第２のＧａＰ層から成り、
   そのうちの第２導電型のクラッド層に接している側の第１のＧａＰ層のキャリア濃度が３×１０^１８ｃｍ^−３以上であり、
   その上の第２のＧａＰ層が、キャリア濃度が１×１０^１７ｃｍ^−３以下である低キャリア濃度のＧａＰ層と、キャリア濃度が１×１０^１８ｃｍ^−３以上の高キャリア濃度のＧａＰ層を含む層構造として形成されていることを特徴とする発光ダイオード。
3. 請求項２記載の発光ダイオードにおいて、
   上記第２のＧａＰ層が、キャリア濃度が１×１０^１７ｃｍ^−３以下である低キャリア濃度層と、キャリア濃度が１×１０^１８ｃｍ^−３以上の高キャリア濃度層を含む三層以上の多層構造として形成されていることを特徴とする発光ダイオード。
4. 請求項２又は３記載の発光ダイオードにおいて、
   上記第１導電型の半導体基板がｎ型の導電性を有するＧａＡｓ基板またはＧｅ基板から成ることを特徴とする発光ダイオード。
5. ｎ型のＧａＡｓ基板またはＧｅ基板から成る半導体基板上に、少なくともＩｎＧａＡｌＰ系材料からなるｎ型の下部クラッド層と、該クラッド層よりバンドギャップエネルギーが小さいＩｎＧａＡｌＰ系材料からなる活性層と、該活性層よりバンドギャップエネルギーが大きいＩｎＧａＡｌＰからなるｐ型の上部クラッド層と、ｐ型のクラッド層上に形成された、ｐ型のクラッド層よりも厚いｐ型のＧａＰ層を有する発光ダイオードにおいて、
   上記ｐ型のＧａＰ層がキャリア濃度の異なる複数層から成っており、
   そのうちのｐ型の上部クラッド層に接している側のＧａＰ層がキャリア濃度が３×１０^１８ｃｍ^−３以上の第１のＧａＰ層として形成され、
   この第１のＧａＰ層上に、キャリア濃度が１×１０^１７ｃｍ^−３以下である低キャリア濃度のＧａＰ層と、キャリア濃度が１×１０^１８ｃｍ^−３以上の高濃度キャリアのＧａＰ層とを含む多層構造からなる第２のＧａＰ層が形成されていることを特徴とする発光ダイオード。

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