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JP3697749B2 - Semiconductor light emitting device - Google Patents
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JP3697749B2 JP22530595A JP22530595A JP3697749B2 JP 3697749 B2 JP3697749 B2 JP 3697749B2 JP 22530595 A JP22530595 A JP 22530595A JP 22530595 A JP22530595 A JP 22530595A JP 3697749 B2 JP3697749 B2 JP 3697749B2
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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、AlGaInP系及びAlGaAsP系半導体材料を用いた半導体発光装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
AlGaInP系半導体材料を用いた従来の半導体発光ダイオード(LED)の一例としては、図2に模型的に示すような構造のものがある。
すなわち図2において、201は、n型GaAs基板、202は、基板201上に形成されたn型AlGaInPからなるクラッド層である。203は、AlGaInPからなる活性層である。204は、p型AlGaInPからなるクラッド層である。すなわち、AlGaInP活性層203のエネルギーギャップが、AlGaInPクラッド層202及び204のエネルギーギャップより小さくなるよう混晶比が設定されている。そしてp型AlGaAs電流拡散層205は電極から注入された電流を広げることにより、発光領域を広げて光取り出し効率を向上させる。206はコンタクト層、207、208は電極である。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
AlGaInP又はAlInP(以下、AlGaInP又はAlInPをあわせてAlGaInP系化合物という。)はAlGaAsP又はAlGaAs(以下、AlGaAsP又はAlGaAsをあわせてAlGaAsP系化合物という。)と比較して、抵抗率が高い、熱抵抗が大きい等の欠点も有しており、このことが素子の動作電圧を高くする、発熱を大きくするなどといた問題点が生じており、素子の特性や信頼性の向上において大きな課題となっている。特に発光密度が高くなる場合には、上記の問題点はますます深刻になる。
【0004】
また、p型AlGaInP系化合物のクラッド層のドーパントとして、一般的に亜鉛(Zn)が用いられているが、Znの活性化率が低いために抵抗率を下げるためには高濃度ドーピングを行う必要がある。しかしながら、この場合活性化しなかったZnが成長中にAlGaInP系化合物結晶中を速い速度で拡散していき、pn接合位置が発光層よりもn側に大きくずれたりすることがある。この場合、電流電圧特性に異常をもたらしたり、発光出力が低下したりする。このようなp型AlGaInP系化合物層からのZn拡散は、p型AlGaInP系化合物層の層厚の増加に伴って、顕著になる。また、通常ダブルヘテロ構造を用いた場合、活性層へのキャリア及び光の閉じ込めを充分に行うために、クラッド層の膜厚として1〜2μm程度は必要となる。有機金属気相成長法でAlGaInP系化合物を成長するとき、 III族原料となる有機金属とV族原料となるPH3 との供給モル比(V/ III)を非常に大きくする必要がある。このために、成長速度を余り大きく取れない、成長原料コストがAlGaAs系などに比べてかなり高くなるといった問題が生じている。特に多数枚同時成長可能な量産用の大型装置においてはこれ以外に除害等の点でますます深刻となる。
【0005】
【課題を解決するための手段】
そこで本発明者らは、AlGaInP又はGaInPからなる活性層を有する半導体発光装置において、発光素子の素子特性を劣化させない程度にZnドープのp型AlGaInP系化合物クラッド層の厚みを薄くし、活性層及びn側クラッドへのZn拡散を少なくさせることに想到し、ただし、活性層上下のAlGaInP系化合物クラッド層の膜厚を薄くすると、キャリア及び光の閉じ込めが不十分となり、素子特性を劣化させてしまうので、不足分をほぼ同じバンドギャップと屈折率を持つAlGaAsP系化合物で代用ができること、また、n型AlGaAsP系化合物は同程度のキャリア濃度を有するAlGaInP系化合物よりもZn拡散が起こりにくいために、n型AlGaInP系化合物クラッドの層厚も薄い方がZn拡散によるpn接合位置のシフトを防ぐことにも有効であること、さらに、AlGaInP系化合物クラッド層の薄膜化は動作電圧の低減、熱抵抗の低減にも有効であること、量産化の観点からも、成長時間、原料コスト及び除害等の点で、AlGaInP系化合物層を極力薄くし、AlGaAsP系化合物を多く用いる方が有効であること等を見出し本発明に到達した。すなわち、本発明の要旨は、第1導電型のAlGaAsP又はAlGaAsからなる第1クラッド層と、該第1クラッド層に隣接して、第1導電型のAlGaInP又はAlInPからなる厚さ0.5μm以下の第2クラッド層と、該第2のクラッド層に隣接して、第1又は第2導電型のAlGaInP又はGaInPからなる厚さ0.1〜1μmの活性層と、該活性層に隣接して、第2導電型のAlGaInP又はAlInPから成る厚さ0.5μm以下の第3クラッド層と、該第3クラッド層に隣接して、第2導電型のAlGaAsP又はAlGaAsからなる第4クラッド層を有し、且つ、光取り出し側に形成された電極と第4クラッド層の間に、活性層の波長に対して実質的に透明な光取り出し層を有することを特徴とする発光ダイオードに存する。
【0006】
以下本発明をより詳細に説明する。本発明の半導体発光装置は、第1導電型のAlGaAsP系化合物からなる第1クラッド層と、該第1クラッド層に隣接して、第1導電型のAlGaInP系化合物からなる厚さ0.5μm以下の第2クラッド層と、該第2のクラッド層に隣接して、第1又は第2導電型のAlGaInP又はGaInPからなる厚さ0.1〜1μmの活性層と、該活性層に隣接して、第2導電型のAlGaInP系化合物から成る厚さ0.5μm以下の第3クラッド層と、該第3クラッド層に隣接して、第2導電型のAlGaAsP系化合物からなる第4クラッド層を有し、且つ、光取り出し側に形成された電極と第4クラッド層の間に、活性層の波長に対して実質的に透明な光取り出し層を有することを特徴としている。
【0007】
なお、本発明の半導体発光装置の各層中の構成元素の含有割合は、基板および各層間の格子整合を考慮して決定すればよい。
以下に、本発明の発光装置を発光ダイオード(LED)として実現した態様の一例である、図1の素子を用いて説明する。
【0008】
図1は本発明の半導体装置の一例であり、実施例にて製造した装置の説明図である。本発明の装置を製造する際には、通常単結晶基板上に構成される。そしてこの基板101としては、特に限定されないが、通常GaAs基板が用いられる。又、発光波長等により、活性層のアルミニウム組成を低くする場合には、GaAsP基板が好適である。該基板上には、通常基板の欠陥をエピタキシャル成長層に持ち込まないために2μm以下程度のバッファ層102を用いることが好ましい。そしてこのバッファ層上に本発明の第1,第2クラッド層、活性層、第3,第4クラッド層がこの順に積層される。第1クラッド層103としては、第1導電型のAlGaAsP系化合物であって、その厚さは通常15μm以下が好ましい。そしてより好ましい第1クラッド層の厚さは下限として0.1μm以上であり、上限として2μm以下である。そしてそのキャリア濃度としては、5×1016cm-3〜3×1018cm-3の範囲が好ましく、特に好ましくは、下限として1×1017cm-3、上限として1×1018cm-3の範囲である。
【0009】
そして第1クラッド層上に、第1導電型のAlGaInP系化合物からなる厚さ0.5μm以下の第2クラッド層104が積層されている。この層の厚さのより好ましい下限としては0.01μm以上であり、上限としては0.3μmである。そしてそのキャリア濃度としては、5×1016cm-3〜3×1018cm-3の範囲が好ましく、特に好ましくは、下限として1×1017cm-3、上限として1×1018cm-3の範囲である。
【0010】
この第2のクラッド層の上に第1又は第2導電型のAlGaInP又はGaInPからなる厚さ0.1〜1μmの活性層105が積層される。より好ましい活性層の厚さは、下限としては0.2μm以上であり、上限としては0.5μm以下である。
活性層のキャリア濃度としては、1×1018cm-3以下が好ましく、特に好ましくは、下限として1×1017cm-3以上、上限として5×1017cm-3以下の範囲である。
【0011】
そしてかかる活性層の上に第2導電型のAlGaInP系化合物から成る厚さ0.5μm以下の第3クラッド層106が積層される。そしてそのキャリア濃度としては、5×1016cm-3〜3×1018cm-3の範囲が好ましく、特に好ましくは、下限として1×1017cm-3、上限として1×1018cm-3の範囲である。
【0012】
さらにこの第3クラッド層の上に、第2導電型のAlGaAsP系化合物からなる第4クラッド層107を積層する。そしてその厚さとしては0.5〜3μmの範囲が好ましく、そしてより好ましい範囲は、下限として0.8μm、上限として1.5μmである。キャリア濃度としては、1×1017cm-3〜1×1019cm-3の範囲が好ましく、特に好ましくは、下限として3×1017cm-3、上限として3×1018cm-3の範囲である。この第4クラッド層は、後述する光取り出し層108と同一の組成でもよく、この場合第4クラッド層と光取り出し層を併せた厚さで1μm以上が好ましく、より好ましくは、1〜300μm、最も好ましくは1〜100μmである。又この場合のキャリア濃度としては、1×1017cm-3〜1×1020cm-3の範囲が好ましく、特に好ましくは、下限として5×1017cm-3、上限として5×1018cm-3の範囲である。製造上の観点からは、第4クラッド層と光取り出し層は同一組成で連続して一つの層として製造される ことが好ましい。
【0013】
本発明に用いると好ましい光取り出し層は、間接遷移型のバンド構造を有する化合物単結晶層であり、厚さで1〜50μmが好ましく、より好ましい範囲は、下限として5μm、上限として15μmである。又この場合のキャリア濃度としては、1×1017cm-3〜1×1020cm-3の範囲が好ましく、特に好ましくは、下限として5×1017cm-3、上限として5×1018cm-3の範囲である。
GaPは間接遷移型でかつバンドギャップの広い材料であるため、AlGaInP系で実現できる可視領域の波長(550〜690nm)に対して、非常に有効な光取り出し層である。高いAl組成でAlxGa1-xAs(X=0.6〜0.8)でもある程度の透明性を実現できるが、この様なAlGaAs層よりもGaP系の層の方が比抵抗が遙かに低く、表面での電流広がりがよい。また、n型GaPの方が、p型GaPよりも透明性が良く、かつ比抵抗が小さいために、n型GaPを光取り出し層に用いるのが好ましい。
【0014】
上述のクラッド層等のドーパントの種類としては、p型の層がAlGaAs層である場合にはドーピング不純物として炭素が好ましく、p型の層がAlGaInP系化合物である場合にはドーピング不純物としてベリリウム及び/又はマグネシウムが好ましい。又n型ドーピング不純物としてはシリコンが好ましい。
又、本発明のより好ましい態様としては、基板と第1クラッド層の間に光反射層108を設けることである。該光反射層は、公知の種々の光を反射する物質を用いることができるが、この内好ましくは、組成としてはAlGaAsP系化合物であり、構造としてはブラッグ反射膜を設けることである。
【0015】
これ以外の層に関しては、コンタクト層109等を常法に従って作製すればよい。
以下本発明を実施例を用いてより詳細に説明するが、本発明はその要旨を超えない限り、実施例に限定されるものではない。
【0016】
【実施例】
以下、本発明の実施例を詳細に説明する。本実施例では、結晶成長法として、膜厚、組成の制御性及び量産性に優れるMOVPE法を用いた。使用した原料ガスはトリメチルアルミニウム(TMA)、トリメチルガリウム(TMG)、トリメチルインジウム(TMI)、ホスフィン(PH3 )、アルシン(AsH3 )であり、キャリアガスとして精製により高純度化された水素(H2 )ガスを使用した。
【0017】
図1に示す本発明のLEDを、以下の手順に従ってエピタキシャルウェハとして製造した。まず、n型GaAs(100)基板101上にn型GaAsバッファー層102(厚み0.5μm)、AlGaAs/AlAsを交互に15層積層したブラッグ反射膜108、n型Al0.7 Ga0.3As第1クラッド層103(厚み1.0μm)、n型(Al0.7 Ga0.3 0.5 In0.5 P第2クラッド層104(厚み0.2μm)、活性層105を(Al0.2 Ga0.80.5 In0.5 P(厚み0.3μm)、p型(Al0.7Ga0.30.5 In0.5 P第3クラッド層106(厚み0.2μm)、p型Al0.7 Ga0.3 As第4クラッド+光取り出し層107(厚み10μm)、p型GaAsキャップ層109(厚み2μm)を順次成長させた。
【0018】
上記実施例における結晶成長条件は、成長温度650〜750℃、圧力102 hPa、V/III 比25〜50(AlGaAs)及び500〜750(AlGaInP,GaInP)、成長速度1〜15μm/hr(AlGaAs)及び0.5〜2μm/hr(AlGaInP,GaInP)であった。
上記の手法で成長させたLEDウェファーからLEDランプを作製したところ、630〜640nmで発光し、20mAの駆動電流で約3cdの輝度が得られた。これはp型AlGaInPクラッド層を約1μmとした従来の構造と比較して約2倍の輝度が得られている。
【0019】
上記実施例では基板側をn型の基板を用いたが、p型基板を用いて上記の構造の各層の導電型を反転させてエピタキシャルウェハを作製させてもよい。また、結晶成長法はMOVPE法に限定されるものではなく、MBE法、CBE法等の気相成長法においても本発明は大いに有効である。
【0020】
LEDにおいては、通常輝度向上のために比較的厚膜の光取り出し層を成長させる必要がある。しかしこの光取り出し層の成長に長時間を要するために、亜鉛やセレンのような拡散係数の大きい不純物をドーパントに用いると、クラッド層のドーパントが活性層内へ、あるいは活性層を通過して反対側の層にまで拡散してしまい、LED特性を大きく劣化させてしまったり、再現性を大きく損なうという問題を生じやすかった。そこで、本発明のようにAlGaInPクラッド層の厚みを極力薄くすることにより、トータルの不純物拡散量を低減させることができ、拡散を防止するための余分なドービングが不要になった。そのためにn型クラッド層のキャリア濃度を1×1018cm-3以下に抑えることができ、結晶品質及び素子特性を向上できる。
【0021】
活性層を量子井戸構造等のような超薄膜にすると、上述の不純物の拡散の抑制はますます必要となる。そこで本発明では、p型AlGaAsP系化合物クラッド層のドーピング不純物として炭素を、p型AlGaInP系化合物クラッド層のドーピング不純物としてベリリウムあるいはマグネシウムを、n型AlGaAsP系化合物クラッド層及びn型AlGaInP系化合物クラッド層のドーピング不純物としてシリコンをそれぞれ用いることにより不純物拡散をさらに低減させ、素子作製の歩留りや再現性を大きく向上させることができる。
【0022】
さらに、AlGaInP系化合物に特有な原子配列の秩序化によるバンドギャップの減少の抑制、すなわち発光波長の長波長化の抑制、あるいは表面モホロジーの良化及び安定化に関しては面方位を(100)から〔011〕方向に5〜25度傾斜させた第1導電型のGaAs基板を用いることが有効である。
また、発光層のAl組成の低減化は、素子の信頼性、寿命の向上の点で重要であるが、これは、GaAsP基板を用いることにより容易に達成することができる。このときは、格子整合を取るためにAlGaAsPクラッド層又はAlGaAsP光反射層を用いればよい。
【0023】
そして、本発明により成長時間及び原料コストの低減かつ除害等の装置への負担の軽減を大いにはかることができ、多数枚同時成長可能な大型の量産装置による安定生産が可能となる。
【0024】
【発明の効果】
本発明によれば、AlGaInP又はGaInPからなる活性層を挟むクラッド層の構造を最適化することにより、発光素子の特性及び信頼性を向上させることができ、かつ原料コストの低減も可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1は本発明の発光素子の一例を示す説明図である。
【図2】図2は従来の発光素子の一例を示す説明図である。
【符号の説明】
101 基板
102 バッファ層
103 第1クラッド層
104 第2クラッド層
105 活性層
106 第3クラッド層
107 第4クラッド層
108 光反射層
109 コンタクト層
201 基板
202 クラッド層
203 活性層
204 クラッド層
205 電流拡散層
206 コンタクト層
207 電極
208 電極
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor light emitting device using AlGaInP-based and AlGaAsP-based semiconductor materials.
[0002]
[Prior art]
As an example of a conventional semiconductor light emitting diode (LED) using an AlGaInP-based semiconductor material, there is a structure as schematically shown in FIG.
That is, in FIG. 2, 201 is an n-type GaAs substrate, and 202 is a clad layer made of n-type AlGaInP formed on the substrate 201. Reference numeral 203 denotes an active layer made of AlGaInP. Reference numeral 204 denotes a clad layer made of p-type AlGaInP. That is, the mixed crystal ratio is set so that the energy gap of the AlGaInP active layer 203 is smaller than the energy gap of the AlGaInP cladding layers 202 and 204. The p-type AlGaAs current diffusion layer 205 widens the current injected from the electrodes, thereby widening the light emitting region and improving the light extraction efficiency. Reference numeral 206 denotes a contact layer, and 207 and 208 denote electrodes.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
AlGaInP or AlInP (hereinafter, AlGaInP or AlInP is also referred to as an AlGaInP compound) is higher in resistivity and thermal resistance than AlGaAsP or AlGaAs (hereinafter, AlGaAsP or AlGaAs is also referred to as an AlGaAsP compound). There are also disadvantages such as large, and this has caused problems such as increasing the operating voltage of the element and increasing heat generation, which is a major issue in improving the characteristics and reliability of the element . In particular, when the emission density is increased, the above problem becomes more serious.
[0004]
In addition, zinc (Zn) is generally used as a dopant for the cladding layer of the p-type AlGaInP compound. However, since the activation rate of Zn is low, it is necessary to perform high concentration doping in order to reduce the resistivity. There is. However, in this case, Zn that has not been activated diffuses at a high rate in the AlGaInP-based compound crystal during growth, and the pn junction position may be greatly shifted to the n side from the light emitting layer. In this case, the current-voltage characteristic is abnormal or the light emission output is reduced. Such Zn diffusion from the p-type AlGaInP-based compound layer becomes conspicuous as the layer thickness of the p-type AlGaInP-based compound layer increases. Further, when a double hetero structure is normally used, a film thickness of about 1 to 2 μm is required for the cladding layer in order to sufficiently confine carriers and light in the active layer. When an AlGaInP-based compound is grown by metal organic vapor phase epitaxy, it is necessary to increase the supply molar ratio (V / III) between the organic metal serving as the group III material and the PH 3 serving as the group V material. For this reason, there are problems that the growth rate cannot be increased so much that the growth raw material cost is considerably higher than that of AlGaAs. In particular, in large-scale equipment for mass production capable of simultaneous growth of a large number of sheets, it becomes increasingly serious in terms of detoxification.
[0005]
[Means for Solving the Problems]
Therefore, the present inventors reduced the thickness of the Zn-doped p-type AlGaInP-based compound cladding layer to such an extent that the element characteristics of the light-emitting element are not deteriorated in a semiconductor light-emitting device having an active layer made of AlGaInP or GaInP, The idea is to reduce Zn diffusion into the n-side cladding. However, if the thickness of the AlGaInP-based compound cladding layer above and below the active layer is reduced, the confinement of carriers and light becomes insufficient and the device characteristics deteriorate. Therefore, the shortage can be replaced with an AlGaAsP-based compound having substantially the same band gap and refractive index, and n-type AlGaAsP-based compounds are less susceptible to Zn diffusion than AlGaInP-based compounds having similar carrier concentrations. The thinner the n-type AlGaInP-based compound cladding, the more Zn diffusion From the viewpoint of mass production, it is effective to prevent the pn junction position from being shifted, and further, the thinning of the AlGaInP-based compound clad layer is effective in reducing the operating voltage and the thermal resistance. The present inventors have found that it is more effective to make the AlGaInP-based compound layer as thin as possible and use more AlGaAsP-based compounds in terms of growth time, raw material cost, detoxification, and the like. That is, the gist of the present invention is that a first cladding layer made of AlGaAsP or AlGaAs of the first conductivity type, and a thickness of 0.5 μm or less made of AlGaInP or AlInP of the first conductivity type adjacent to the first cladding layer. Adjacent to the second cladding layer, an active layer made of AlGaInP or GaInP of the first or second conductivity type with a thickness of 0.1 to 1 μm, and adjacent to the active layer A third cladding layer made of AlGaInP or AlInP of the second conductivity type and having a thickness of 0.5 μm or less, and a fourth cladding layer made of AlGaAsP or AlGaAs of the second conductivity type adjacent to the third cladding layer. And a light-emitting diode having a light extraction layer substantially transparent to the wavelength of the active layer between the electrode formed on the light extraction side and the fourth cladding layer. It resides in the de.
[0006]
Hereinafter, the present invention will be described in more detail. The semiconductor light emitting device of the present invention includes a first cladding layer made of a first conductivity type AlGaAsP compound, and a thickness of 0.5 μm or less made of a first conductivity type AlGaInP compound adjacent to the first cladding layer. Adjacent to the second cladding layer, an active layer made of AlGaInP or GaInP of the first or second conductivity type with a thickness of 0.1 to 1 μm, and adjacent to the active layer A third cladding layer made of a second conductivity type AlGaInP-based compound having a thickness of 0.5 μm or less, and a fourth cladding layer made of a second conductivity type AlGaAsP-based compound adjacent to the third cladding layer. and, and, between the formed on the light extraction side electrode 4 cladding layer, and characterized in that have a substantially transparent light extraction layer for the wavelength of the active layer.
[0007]
Note that the content ratio of the constituent elements in each layer of the semiconductor light emitting device of the present invention may be determined in consideration of lattice matching between the substrate and each layer.
Hereinafter, the light-emitting device of the present invention will be described with reference to the element shown in FIG. 1, which is an example of an embodiment realized as a light-emitting diode (LED).
[0008]
FIG. 1 is an example of a semiconductor device of the present invention, and is an explanatory view of the device manufactured in the example. When manufacturing the apparatus of the present invention, it is usually constructed on a single crystal substrate. The substrate 101 is not particularly limited, but a GaAs substrate is usually used. Further, when the aluminum composition of the active layer is lowered due to the emission wavelength or the like, a GaAsP substrate is suitable. On the substrate, it is preferable to use a buffer layer 102 of about 2 μm or less in order not to bring defects of the substrate into the epitaxial growth layer. On the buffer layer, the first and second cladding layers, the active layer, and the third and fourth cladding layers of the present invention are laminated in this order. The first cladding layer 103 is an AlGaAsP-based compound of the first conductivity type, and the thickness is usually preferably 15 μm or less. A more preferable thickness of the first cladding layer is 0.1 μm or more as a lower limit and 2 μm or less as an upper limit. The carrier concentration is preferably in the range of 5 × 10 16 cm −3 to 3 × 10 18 cm −3 , particularly preferably 1 × 10 17 cm −3 as the lower limit and 1 × 10 18 cm −3 as the upper limit. Range.
[0009]
A second cladding layer 104 made of an AlGaInP-based compound of the first conductivity type and having a thickness of 0.5 μm or less is laminated on the first cladding layer. The more preferable lower limit of the thickness of this layer is 0.01 μm or more, and the upper limit is 0.3 μm. The carrier concentration is preferably in the range of 5 × 10 16 cm −3 to 3 × 10 18 cm −3 , particularly preferably 1 × 10 17 cm −3 as the lower limit and 1 × 10 18 cm −3 as the upper limit. Range.
[0010]
An active layer 105 having a thickness of 0.1 to 1 μm made of AlGaInP or GaInP of the first or second conductivity type is laminated on the second cladding layer. The thickness of the active layer is more preferably 0.2 μm or more as the lower limit and 0.5 μm or less as the upper limit.
The carrier concentration of the active layer is preferably 1 × 10 18 cm −3 or less, particularly preferably 1 × 10 17 cm −3 or more as the lower limit and 5 × 10 17 cm −3 or less as the upper limit.
[0011]
On the active layer, a third cladding layer 106 made of an AlGaInP compound of the second conductivity type and having a thickness of 0.5 μm or less is laminated. The carrier concentration is preferably in the range of 5 × 10 16 cm −3 to 3 × 10 18 cm −3 , particularly preferably 1 × 10 17 cm −3 as the lower limit and 1 × 10 18 cm −3 as the upper limit. Range.
[0012]
Furthermore, a fourth cladding layer 107 made of an AlGaAsP-based compound of the second conductivity type is laminated on the third cladding layer. The thickness is preferably in the range of 0.5 to 3 μm, and the more preferable range is 0.8 μm as the lower limit and 1.5 μm as the upper limit. The carrier concentration is preferably in the range of 1 × 10 17 cm −3 to 1 × 10 19 cm −3 , particularly preferably in the range of 3 × 10 17 cm −3 as the lower limit and 3 × 10 18 cm −3 as the upper limit. It is. The fourth clad layer may have the same composition as the light extraction layer 108 described later. In this case, the total thickness of the fourth clad layer and the light extraction layer is preferably 1 μm or more, more preferably 1 to 300 μm, most preferably Preferably it is 1-100 micrometers. In this case, the carrier concentration is preferably in the range of 1 × 10 17 cm −3 to 1 × 10 20 cm −3 , particularly preferably 5 × 10 17 cm −3 as the lower limit and 5 × 10 18 cm as the upper limit. It is in the range of -3 . From the viewpoint of manufacturing, it is preferable that the fourth cladding layer and the light extraction layer are manufactured as one continuous layer with the same composition.
[0013]
A preferred light extraction layer for use in the present invention is a compound single crystal layer having an indirect transition type band structure, preferably having a thickness of 1 to 50 μm, and more preferably having a lower limit of 5 μm and an upper limit of 15 μm. In this case, the carrier concentration is preferably in the range of 1 × 10 17 cm −3 to 1 × 10 20 cm −3 , particularly preferably 5 × 10 17 cm −3 as the lower limit and 5 × 10 18 cm as the upper limit. It is in the range of -3 .
Since GaP is an indirect transition type material with a wide band gap, it is a very effective light extraction layer for visible wavelengths (550 to 690 nm) that can be realized with an AlGaInP system. A certain amount of transparency can be realized even with Al x Ga 1-x As (X = 0.6 to 0.8) with a high Al composition, but the resistivity of the GaP-based layer is lower than that of such an AlGaAs layer. The current spread at the surface is good. In addition, since n-type GaP is more transparent than p-type GaP and has a lower specific resistance, it is preferable to use n-type GaP for the light extraction layer.
[0014]
As the kind of the dopant such as the cladding layer, carbon is preferable as a doping impurity when the p-type layer is an AlGaAs layer, and beryllium and / or as a doping impurity when the p-type layer is an AlGaInP-based compound. Or magnesium is preferable. Silicon is preferable as the n-type doping impurity.
In a more preferred aspect of the present invention, the light reflecting layer 108 is provided between the substrate and the first cladding layer. The light reflecting layer may be made of various known materials that reflect light. Among these, the composition is preferably an AlGaAsP-based compound, and the structure is to provide a Bragg reflecting film.
[0015]
For the other layers, the contact layer 109 and the like may be formed according to a conventional method.
EXAMPLES Hereinafter, although this invention is demonstrated in detail using an Example, this invention is not limited to an Example, unless the summary is exceeded.
[0016]
【Example】
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail. In this example, a MOVPE method having excellent film thickness, composition controllability, and mass productivity was used as the crystal growth method. The source gases used were trimethylaluminum (TMA), trimethylgallium (TMG), trimethylindium (TMI), phosphine (PH 3 ), arsine (AsH 3 ), and hydrogen (H 2 ) Gas was used.
[0017]
The LED of the present invention shown in FIG. 1 was manufactured as an epitaxial wafer according to the following procedure. First, an n-type GaAs buffer layer 102 (thickness 0.5 μm) on an n-type GaAs (100) substrate 101, a Bragg reflection film 108 in which 15 layers of AlGaAs / AlAs are alternately stacked, and an n-type Al 0.7 Ga 0.3 As first cladding Layer 103 (thickness 1.0 μm), n-type (Al 0.7 Ga 0.3 ) 0.5 In 0.5 P second clad layer 104 (thickness 0.2 μm), and active layer 105 (Al 0.2 Ga 0.8 ) 0.5 In 0.5 P (thickness 0) .3 μm), p-type (Al 0.7 Ga 0.3 ) 0.5 In 0.5 P third cladding layer 106 (thickness 0.2 μm), p-type Al 0.7 Ga 0.3 As fourth cladding + light extraction layer 107 (thickness 10 μm), p-type A GaAs cap layer 109 (thickness 2 μm) was sequentially grown.
[0018]
The crystal growth conditions in the above examples are: growth temperature 650-750 ° C., pressure 10 2 hPa, V / III ratio 25-50 (AlGaAs) and 500-750 (AlGaInP, GaInP), growth rate 1-15 μm / hr (AlGaAs ) And 0.5-2 μm / hr (AlGaInP, GaInP).
When an LED lamp was fabricated from the LED wafer grown by the above method, light was emitted at 630 to 640 nm, and a luminance of about 3 cd was obtained with a driving current of 20 mA. This is about twice as bright as the conventional structure in which the p-type AlGaInP cladding layer is about 1 μm.
[0019]
In the above embodiment, an n-type substrate is used on the substrate side. However, an epitaxial wafer may be manufactured by inverting the conductivity type of each layer of the above structure using a p-type substrate. Further, the crystal growth method is not limited to the MOVPE method, and the present invention is also very effective in a vapor phase growth method such as an MBE method or a CBE method.
[0020]
In an LED, it is usually necessary to grow a relatively thick light extraction layer in order to improve luminance. However, since the light extraction layer takes a long time to grow, if an impurity having a large diffusion coefficient such as zinc or selenium is used as the dopant, the dopant in the cladding layer is opposed to the active layer or through the active layer. The LED layer diffuses to the side layer, and the LED characteristics are greatly deteriorated, or the reproducibility is greatly impaired. Therefore, by reducing the thickness of the AlGaInP cladding layer as much as possible as in the present invention, the total impurity diffusion amount can be reduced, and unnecessary doving for preventing diffusion is unnecessary. Therefore, the carrier concentration of the n-type cladding layer can be suppressed to 1 × 10 18 cm −3 or less, and the crystal quality and device characteristics can be improved.
[0021]
If the active layer is an ultra-thin film such as a quantum well structure, it is more and more necessary to suppress the diffusion of impurities as described above. Therefore, in the present invention, carbon is used as the doping impurity of the p-type AlGaAsP-based compound cladding layer, beryllium or magnesium is used as the doping impurity of the p-type AlGaInP-based compound cladding layer, and the n-type AlGaAsP-based compound cladding layer and the n-type AlGaInP-based compound cladding layer. By using silicon as each doping impurity, impurity diffusion can be further reduced, and the yield and reproducibility of device fabrication can be greatly improved.
[0022]
Furthermore, the surface orientation can be changed from (100) for the suppression of band gap reduction by ordering of atomic arrangement peculiar to AlGaInP compounds, that is, suppression of longer emission wavelength, or improvement and stabilization of surface morphology. [011] It is effective to use a GaAs substrate of the first conductivity type inclined by 5 to 25 degrees in the direction.
Further, reduction of the Al composition of the light emitting layer is important in terms of improving the reliability and life of the device, but this can be easily achieved by using a GaAsP substrate. In this case, an AlGaAsP clad layer or an AlGaAsP light reflecting layer may be used to obtain lattice matching.
[0023]
The present invention can greatly reduce the burden on the apparatus such as reduction of growth time and raw material cost and removal, and enables stable production by a large-scale mass production apparatus capable of simultaneously growing a large number of sheets.
[0024]
【The invention's effect】
According to the present invention, by optimizing the structure of the cladding layer sandwiching the active layer made of AlGaInP or GaInP, the characteristics and reliability of the light emitting element can be improved, and the raw material cost can be reduced.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an explanatory diagram showing an example of a light-emitting element of the present invention.
FIG. 2 is an explanatory view showing an example of a conventional light emitting device.
[Explanation of symbols]
101 Substrate 102 Buffer layer 103 First cladding layer 104 Second cladding layer 105 Active layer 106 Third cladding layer 107 Fourth cladding layer 108 Light reflecting layer 109 Contact layer 201 Substrate 202 Cladding layer 203 Active layer 204 Cladding layer 205 Current diffusion layer 206 Contact layer 207 Electrode 208 Electrode

Claims (8)

第1導電型のAlGaAsP又はAlGaAsからなる第1クラッド層と、該第1クラッド層に隣接して、第1導電型のAlGaInP又はAlInPからなる第2クラッド層と、該第2のクラッド層に隣接して、第1又は第2導電型のAlGaInP又はGaInPからなる活性層と、該活性層に隣接して、第2導電型のAlGaInP又はAlInPから成る第3クラッド層と、該第3クラッド層に隣接して、第2導電型のAlGaAsP又はAlGaAsからなる第4クラッド層を有する発光ダイオードであって、第2クラッド層の厚さ0.5μm以下、第3クラッド層の厚さが0.5μm以下であり、且つ、光取り出し側に形成された電極と第4クラッド層の間に、活性層の波長に対して実質的に透明な光取り出し層を有することを特徴とする発光ダイオードA first cladding layer made of AlGaAsP or AlGaAs of the first conductivity type, adjacent to the first cladding layer, a second cladding layer made of the first conductivity type AlGaInP or AlInP, and adjacent to the second cladding layer An active layer made of AlGaInP or GaInP of the first or second conductivity type, a third clad layer made of AlGaInP or AlInP of the second conductivity type adjacent to the active layer, and a third clad layer adjacent to, a light emitting diode which have a fourth cladding layer formed of AlGaAsP or AlGaAs of a second conductivity type, the thickness of the second cladding layer 0.5μm or less, the thickness of the third cladding layer is 0.5μm And a light extraction layer substantially transparent to the wavelength of the active layer between the electrode formed on the light extraction side and the fourth cladding layer. A light emitting diode . 活性層の厚さが0.1〜1μmである請求項1記載の発光ダイオードThe light emitting diode according to claim 1, wherein the active layer has a thickness of 0.1 to 1 μm. 該光取り出し層が、間接遷移型バンド構造を有する化合物単結晶層である請求項1又は2に記載の発光ダイオードThe light- emitting diode according to claim 1, wherein the light extraction layer is a compound single crystal layer having an indirect transition band structure. 基板と第1クラッド層の間に、光反射層を有する請求項1乃至3のいずれかに記載の発光ダイオードThe light emitting diode according to claim 1, further comprising a light reflecting layer between the substrate and the first cladding layer. 該光反射層が、AlGaAsP又はAlGaAsからなる請求項4記載の発光ダイオード5. The light emitting diode according to claim 4, wherein the light reflecting layer is made of AlGaAsP or AlGaAs. 第1クラッド層及び第4クラッド層のうち、p型の層がAlGaAsP又はAlGaAs層であって、かつ該p型層がドーピング不純物として炭素を含む請求項1乃至5のいずれか記載の発光ダイオードThe light emitting diode according to any one of claims 1 to 5, wherein, of the first cladding layer and the fourth cladding layer, the p-type layer is an AlGaAsP or AlGaAs layer, and the p-type layer contains carbon as a doping impurity. 第2クラッド層及び第3クラッド層のうち、p型の層がAlGaInP又はAlInPであって、かつ該p型層がドーピング不純物としてベリリウム及び/又はマグネシウムを含む請求項1乃至6のいずれか記載の発光ダイオードThe p-type layer of the second clad layer and the third clad layer is AlGaInP or AlInP, and the p-type layer contains beryllium and / or magnesium as doping impurities. Light emitting diode . n型ドーピング不純物としてシリコンを用いた請求項1乃至7のいずれか記載の発光ダイオード8. The light emitting diode according to claim 1, wherein silicon is used as an n-type doping impurity.
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