JPS6158992B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はGa，Al、およびAsを主成分とする半
導体ヘテロ接合発光ダイオードに関する。

GaAlAsヘテロ接合発光ダイオードの構造と禁
制帯巾の変化の一例を図に示すと第１図ａのよう
に、ｐ形基板１、発光部となるｐ形Ga₁―_xAl_xAs
の層２、ｎ形Ga₁―_yAl_yAsの層３、電極４，５か
らできており基板１としてはたとえばｐ形GaAs
を使う。従来、特開昭50―157084号「半導体発光
ダイオード及び製造方法」にこのようなヘテロ接
合発光ダイオードが知られており、光を表面から
取り出す構造及び側面から取り出す構造の両方が
記されている。また特開昭53―6591号「パターン
表示用発光ダイオードおよびその製造方法」には
光を表面から取り出す構造が記されている。しか
しながら各層のキヤリア密度の値に対して特別な
配慮がされていないため発光輝度が小さいのが欠
点であつた。本発明は極めて発光輝度の高いヘテ
ロ接合発光ダイオードを提供するものであり、後
に詳述するごとく各層のキヤリア密度をある範囲
に設定することにより、極めて高輝度にすること
ができる。特に前記の二つの構造のうち光を表面
から取り出す構造は、前記特開昭50―157084号で
は後者との特性上の違いが述べられていないにも
拘らざ、以下で述べるようなキヤリア密度に対す
る考慮をはらうことにより、Pn接合の側面から
光を取り出す構造では全く実現できなかつた高輝
度の発光ダイオードが得られるのである。即ち本
発明に関わる発光ダイオードは、禁制帯幅が第１
図ｂのようにPnヘテロ接合６を介して基板と反
対側を禁制帯幅を大きくしてあり、禁制帯幅の大
きい側を通つて電極のない部分の表面から光が取
り出される型の発光ダイオードに関わる。

各層のキヤリア密度をどのように選ぶべきかに
ついて、まず原理を述べる。

通常、ヘテロ接合６を介してｐ領域２に注入さ
れた電子の再結合によりｐ領域２で主に発光し、
発光波長はこのｐ領域２の禁制帯巾に対応してき
まる。一般に―族化合物半導体の発光ダイオ
ードではｐ領域での発光効率がｎ領域での発光効
率より高い。しかしながらGaPにおいてはｎ領域
に注入された正孔の再結合による発光効率の方が
ｐ領域における効率より大きいという報告もあ
る。

半導体レーザの場合は誘導放出のキヤリア寿命
が著しく短いため、非発光中心を介しての再結合
を生ずるよりも誘導放出で主に再結合するから、
非発光中心の効果はそれほど大きくはないが、発
光ダイオードの場合は、自然発光再結合のキヤリ
ア寿命が長いため、pn接合から注入された少数
キヤリアは非発光中心に捕えられ、そこで発光せ
ずに再結合してしまう確率が著しく高い。したが
つて発光ダイオードでは、非発光中心による効率
低下が決定的に大きいのである。

ｐ領域とｎ領域のどちらが主発光領域となるか
は欠陥のできやすさに関係している。すなわち非
発光中心となる欠陥の発生が少ない領域が主発光
領域となる。GaAsおよびGaAsを含む混晶である
GaAlAsではｎ領域では欠陥ができやすいためｐ
領域が主発光領域となつている。ｎ領域で欠陥の
生じやすい重要なる要素として、ｎ領域にドープ
したTe，Se、Ｓなどのドナー不純物を電気的に
補償するような空格子点などがドーピング量に応
じて形成され、これらが不純物と結合したり、あ
るいは単独で非常に効果的な非発光中心となるか
らであると考えられる。

従つてGaAlAs系においては第１図ａの２はｐ
層、３はｎ層であり、このｐ層が主発光領域であ
り、ｐ層で発光した光は禁制帯幅の大きいｎ層を
吸収されることなく透過して表面より取り出され
る。

ところで禁制帯巾の変化のないpnホモ接合を
有する発光ダイオードの場合は、特に不純物拡散
を使つて製作するときは、通常ｎ形結晶ｐ形不純
物としてZnを拡散して作るのでｐ形領域のキヤ
リア密度がｎ形領域のキヤリア密度より大きくな
らざるを得ない。Znに四敵するような大きな拡
散係数を有するｎ形の適当な不純物がないので、
逆にｐ形基板にｎ形不純物を拡散してｐ領域のキ
ヤリア密度をｎ領域のキヤリア密度より低くする
ということができないのである。

不純物拡散で製作される発光ダイオードよりも
液相成長法で製作される発光ダイオードは欠陥が
少ないためはるかに高い発光効率を示すことはよ
く知られている。もちろん本発明で扱う発光ダイ
オードは高輝度を得ることを目的としており、し
かもヘテロ接合なので液相成長法で製作される。
一方液相成長法で作られるpnホモ接合では拡散
法で製作されるpnホモ接合のようなキヤリア密
度に関する制限がないので発光領域への注入効率
を高めるようにキヤリア密度が選ばれる。たとえ
ばｐ領域が主発光領域である場合はｐ領域への原
子の注入量をｎ領域への正孔の注入量より充分大
きくする。すなわち、発光領域であるｐ領域のキ
ヤリア密度がｎ領域のそれより小さくなるように
不純物ドーピングが行われる。当然ｎ領域への正
孔の注入を主とすべき場合はこの逆になることが
明らかであろう。いずれにせよ主発光領域側が低
不純物密度になるよう不純物ドーピングされる。

しかしながら本願に示すごとくpnヘテロ接合
を使つた発光ダイオードの場合、注入効率はｐ領
域、ｎ領域の禁制帯巾の差によるポテンシヤル障
壁によつて決定され、不純物密度は主たる要素で
はなくなる。

したがつてむしろ発光中心の数を多くするため
には主発光領域の不純物密度、したがつてキヤリ
ア密度を可能なかぎり大きくした方がよいのであ
る。しかしながら、ドーピング不純物密度を高く
すると点欠陥をはじめ種々の欠陥が発生し非発光
中心を形成する。これが好ましい不純物密度の上
限をきめる第１の要素となる。GaAsおよび
GaAlAsではｎ形の方が欠陥が発生しやすいので
適正なキヤリア密度、したがつて不純物密度はこ
の結果ｎ形領域より主発光領域であるｐ形領域の
方が大となりホモpn接合の最適条件とは別のも
のになる。

ｎ形領域においてはキヤリア密度が10¹⁸／cm³を
こえると欠陥の発生による発光効率の低下が著し
くなる。しかしあまりキヤリア密度を低くすれば
抵抗が大きくなり、このましくないから10¹⁷／cm³
以上であることが望ましい。一方主発光領域のｐ
層の欠陥発生はｎ層より少ないからキヤリア密度
は10¹⁸／cm³をこえることができる。

不純物密度の上限をきめる第二の要素は成長時
における不純物の拡散である。ｐ形不純物として
はZn，Geなどがあるが最も発光効率がよいのは
Zn不純物である。Znの拡散係数は大きいので、
成長中にｎ領域に拡散する。Znの拡散が強いと
ｎ形領域の１部がｐ形に反転し、pn接合の位置
が移動してしまう。ただし拡散によりｐ領域のｎ
領域に接した部分の表面濃度も低下するからZn
不純物密度がｎ領域の不純物密度よりも大きくな
つてもすぐにはpn境界が禁制帯巾の大きい領域
へ深く入りこんでしまうことはない。

第１図の構成を例にとり、ｐ形領域２とｎ形領
域３との間のpn接合６近傍の不純物密度分布を
第２図を用いて説明する。第２図ａはpn接合６
近傍の不純物密度分布、第２図ｂは同じpn接合
６近傍の禁制帯巾の分布を示す。横軸は接合面に
垂直方向の距離を表わし、ａ，ｂ両図対応してい
る。第２図ａにおいて、縦軸はドナー密度Ｎ_Dと
アクセプタ密度Ｎ_Aの差Ｎ_D―Ｎ_A、ないし正方向
でドナー密度Ｎ_D、負方向でアクセプタ密度Ｎ_Aを
示す。ｐ形領域２にドープしたアクセプタ密度は
Ｎ_AOであり、ｎ形領域３にドープしたドナー密度
はＮ_DOであるとする。アクセプタ密度Ｎ_Aは、pn
接合６の近傍以外のｐ形領域２内ではＮ_D―Ｎ_Aを
示す実線１０と同一の分布であるが、pn接合６
の近傍では点線１２のように分布する。同様にド
ナー密度Ｎ_Dは、pn接合６の近傍以外のｎ形領域
３内ではＮ_D―Ｎ_Aの分布１０と同一であるが、
pn接合６の近傍では点線１３のように分布す
る。pn接合６の近傍ではドナ密度Ｎ_Dの分布１３
とアクセプタ密度Ｎ_Aの分布１２とが補償し合
い、Ｎ_A―Ｎ_Dは実線１０のようになる。ドープし
たドナ密度Ｎ_DOよりドープしたZnアクセプタ密
度Ｎ_AOが大きくてもZnの拡散にともないpn界面
近くのZn密度も低下するから導電型の反転は起
りにくく、Znの拡散により補償された領域もｎ
形のままである。ドープするZn密度をドナ密度
に比べてあまりに大きくするとpn境界は禁制帯
巾の大きい領域に入りこんでしまうが、このよう
な入りこみが起きる限度は発光スペクトルを観測
すれば知ることができる。すなわちZn密度が高
くなりすぎてpn界面が禁制帯巾の大きい領域内
へ移行すれば発光波長はそれに対応して短くな
る。それとともにGaAlAsの場合、禁制帯巾が大
きい組成でも間接遷移となるが、直接遷移であつ
ても、間接遷移バンドの電子密度が相対的に増す
ので効率が低下する。

以上の考察に基づきｐ形基板１上に、ｐ形
GaAlAs層２、ｎ形GaAlAs層３をエピタキシヤ
ル成長させる場合の不純物密度の好適範囲を求め
た。製作した発光ダイオードの光度を不純物密度
の関数として第３図、第４図に示す。

第３図、および第４図に示したように ｐ領域のキヤリア密度が 4.5×10¹⁷／cm³＜ｐ＜2.5×10¹⁸／cm³ ｎ領域のキヤリア密度が ２×10¹⁷／cm³＜ｎ＜1.0×10¹⁸／cm³ のときに発光効率が著しく高い。

第３図、第４図より明らかなようにこの範囲に
それぞれのキヤリア密度を選ぶことにより
100mcd以上の高い輝度が得られる。さらに第３
図について説明すると、ｐ層のキヤリア密度を
種々に変えたこの実験ではｎ層のキヤリア密度は
２×10¹⁷cm^-3＜ｎ＜８×10¹⁷cm^-3、即ちｎ層キヤ
リア密度の範囲として先に掲げた範囲の中から選
んで得た結果であり、同様なことは第４図につい
ても言える。更に第３図、第４図から明らかなよ
うに、この高輝度を与えるキヤリア密度範囲の中
で第３図のｐ＝６×10¹⁷cm^-3の特例以外は全てｐ
＞ｎであり、かつ前記の特例では輝度の低いダイ
オードも得られることが矢印の長さで示されてい
る。従つて確実に高輝度発光ダイオードを得るに
は、更にｐ＞ｎであることが望ましいことを第３
図と第４図は物語つている。

この発光ダイオードを製作するには特許第
85754号に記載の温度差法液相成長によることが
望ましい。すなわち従来の液相成長による発光ダ
イオードの製作は、徐冷法すなわち、溶液の温度
を徐々に降下することによりエピタキシヤル成長
させる方法を用いていたので混晶の組成比、不純
物密度、化学量論的組成からのずれの度合などが
温度の降下とともに変化し、したがつて成長層の
厚み方向におけるそれらの量の変化をさけること
ができなかつた。これに対して温度差法によれば
溶液中の温度差によりそれぞれ一定温度に保つた
高温部から低温部に素材が拡散により運ばれ低温
部で溶液と接する基板上にエピタキシヤル成長す
る。したがつて結晶成長温度は時間的に一定であ
り原理的に先に述べたごとき変動を生じない。多
層を成長するにはスライダに乗せた基板を順次別
のメルト槽に接触させていく。したがつて不純物
密度も混晶組成比も成長時の固体拡散によるヘテ
ロ境界付近の変動をのぞけば、徐冷法とは比較に
ならない平坦な分布を各層について得ることがで
きる。たとえばｐ形Ga₁―_xAl_xAs層２およびｎ形
Ga₁―_yAl_yAs層３のｘ，ｙの変動は上述の固体拡
散が問題となる境界領域をのぞけばそれぞれ△ｘ
0.01、△ｙ0.01に保つことは成長層厚みが10
μｍ以上あつても容易であり、△ｘ＜0.002，△
ｙ＜0.002にすることもできるに対し、徐冷法で
はAl組成は成長の進行とともに減少し、厚み10
μｍあたり△ｘ〓0.02の減少は普通である。

発光ダイオードでは発光効率を高めるため非発
光中心の密度を下げるほど少数キヤリアの拡散長
が長くなるから成長層、特に主発光領域となるｐ
層の厚みはある程度厚くなければならない。良質
のGaAlAs発光ダイオードでは拡散長は数μｍ以
上にはなるから従来のように発光層の厚みが１μ
ｍ以下、厚くても２〜３μｍ以下というのでは不
充分であり少くとも５μｍ以上にする必要があり
10μｍ以上にすることが望ましい。同時に温度差
法によれば、不純物密度の制御も極めてよく、徐
冷法のように設計値から実際のドーピングレベル
がばらつくことが少ない結果、先に述べたような
範囲に不純物ドーピング量を制御することが正確
に行える。従つて効率の高いダイオードの歩留り
が非常に高くたとえば20mAにおいて80mcd以上
の光度（エポキシ樹脂コートとした状態での値）
を示すダイオードの歩留りを70％以上にすること
ができた。

このようにして製作されるpnヘテロ接合発光
ダイオードの一例は先に第１図ａに示した構造に
おいて、ｐ形GaAsを基板１とし、そのうえにエ
ピタキシヤル成長したｐ形Ga₁―_xAl_xAsの第１層
２および第１層上にエピタキシヤル成長したｎ形
Ga₁―_yAl_yAs第２層３を形成し、ｘ＜ｙとして効
率よく光を取り出せるようにしてある。ｐ層で発
光した光はより禁制帯巾の大きいｎ層を通つて接
合面に垂直な方向に取り出される。このような接
合ではpn界面に近い所で発光した光ほど吸収損
が少ないという特徴を有している。

従つてpn界面近傍の欠陥に著しく輝度が敏感
なのである。

一方本発明が関わる構造とは異なる、接合の側
面方向に光を取り出す形の発光ダイオードでは発
光層自体の自己吸収損が大きいため輝度を高くす
ることができない。またそのような構造の場合
は、もともとpn接合境界から離れたｐ側部分か
らの発光を主に観測しているので、ｎ側での欠陥
発生の影響よりも自己吸収の効果がはるかに大で
あり、たとえ本発明範囲のキヤリア密度範囲を選
んでも著しく輝度を増すことはできないのであ
る。

このときのｐ層の組成ｘは0.30から0.37の範囲
内の値から選ばれ一方のｙの値は0.4から0.7の範
囲内の値から選ばれる。。ｘの値が0.4をこえると
間接遷移機構が主となり発光効率が落ち、一方ｘ
が0.30以下になると視感度が著しく低下する波長
となるのでやはり輝度が低下する。

組成の数値はＸ線マイクロアナライザで測定し
たものであるが較正法の違いなどにより若干の数
値的なずれがありえる。むしろ発光波長ピークで
おさえれば、最適な組成を決定できる。すなわち
直接遷移領域の発光の光量子エネルギーｈνと組
成ｘの関係はｘの範囲を広くとらなければほぼ直
線的で、 ｈν（ev）＝1.371＋1.429x とあたえられ、ｈνと波長λ（Å）の関係は λ＝１２４００／ｈν（Å） で与えられる。ただし、最適な波長範囲はせいぜ
い6550Åから6900Åくらいのせまい範囲なのでそ
の範囲では波長λと組成ｘが直線関係に近いとし
てよく、そうすると上式のかわりに λ（Å）＝8468−5260x として計算してもよい。

なおキヤリア密度は接合のごとく近傍では成長
中の不純物、相互拡散や補償効果によつてドーピ
ング不純物密度より小さくなる。ここでいうキヤ
リア密度はＣ―Ｖ特性などからえられる接合のご
く近傍での値ではなくドーピング不純物量からき
まる各領域での平均的なキヤリア密度である。測
定法としてはたとえば各領域の表面または角度ラ
ツプした側面にシヨツトキ接合をつけて各領域ご
とに独立に測定すればよい。

また上記の例ではGaとAlとAsとからなるヘテ
ロ接合について述べたが半導体の構成成分とし
て、たとえばこれに少量のＰを添加すれば結晶の
他の物性を著しく変えることなく格子定数をよく
合せたヘテロ接合を製作できるのでヘテロ境界に
おけるミスフイツト転位などの欠陥が減り、さら
に発光効率を高めることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図ａはGaAlAsヘテロ接合発光ダイオード
の一例の構成例、第１図ｂは第１図ａの禁制帯巾
の変化の一例、第２図ａはpn接合近傍の不純物
分布、第２図ｂは禁制帯巾の分布を示す図、第３
図及び第４図は本発明を説明するための特性の一
例である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ ｐ形GaAs基板、前記基板上に形成されたｐ
   形Ga₁―_xAl_xAsエピタキシヤル層および前記ｐ形
   Ga₁―_xAl_xAsエピタキシヤル層上に形成されたｎ
   形Ga₁―_yAl_yAsエピタキシヤル層とを有し、ｘ＜
   ｙの関係を満たし、前記ｐ形Ga₁―_xAl_xAsエピタ
   キシヤル層で発生した光が前記ｎ形Ga₁―_yAl_yAs
   層を通過してその表面より取り出される非可干渉
   性の発光半導体装置において、前記ｎ形
   Ga₁―_yAl_yAsエピタキシヤル層のキヤリア密度が
   大なることによる欠陥の発生を抑え、かつ前記
   pn接合の実質的な境界がｎ形Ga₁―_yAl_yAsエピタ
   キシヤル層内に入ることによる発光波長の変化が
   生じないかぎりにおいてｐ形Ga₁―_xAl_xAsエピタ
   キシヤル層のキヤリア密度を大ならしめるべく、
   ｐ形Ga₁―_xAl_xAsエピタキシヤル層のキヤリア密
   度ｐ及びｎ形Ga₁―_yAl_yAsエピタキシヤル層のキ
   ヤリア密度ｎを 4.5×10¹⁷cm^-3＜ｐ＜2.5×10¹⁸cm^-3 かつ ２×10¹⁷cm^-3＜ｎ＜１×10¹⁸cm^-3 の範囲の値より選ぶことにより発光輝度を高めた
   ことを特徴とする発光半導体装置。 ２ 前記ｐ層のキヤリア密度を実質的に決定する
   不純物が亜鉛であることを特徴とする前記特許請
   求の範囲第１項記載の発光半導体装置。 ３ 前記ｐ層のAlの組成ｘが0.3＜ｘ＜0.4の範囲
   の中から選ばれることを特徴とする前記特許請求
   の範囲第１項又は第２項記載の発光半導体装置。