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JPS6244835B2 - - Google Patents
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JPS6244835B2 - - Google Patents

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Publication number
JPS6244835B2
JPS6244835B2 JP17014180A JP17014180A JPS6244835B2 JP S6244835 B2 JPS6244835 B2 JP S6244835B2 JP 17014180 A JP17014180 A JP 17014180A JP 17014180 A JP17014180 A JP 17014180A JP S6244835 B2 JPS6244835 B2 JP S6244835B2
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region
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light emitting
impurity
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JP17014180A
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Junichi Nishizawa
Ken Sudo
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    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10HINORGANIC LIGHT-EMITTING SEMICONDUCTOR DEVICES HAVING POTENTIAL BARRIERS
    • H10H20/00Individual inorganic light-emitting semiconductor devices having potential barriers, e.g. light-emitting diodes [LED]
    • H10H20/80Constructional details
    • H10H20/81Bodies
    • H10H20/8215Bodies characterised by crystalline imperfections, e.g. dislocations; characterised by the distribution of dopants, e.g. delta-doping

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  • Led Devices (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 GaP発光ダイオードでは、赤色及び波長570nm
程度の黄緑色(通常緑色と呼んでいるがここでは
色彩通りに黄緑色と呼ぶ)の発光ダイオードが知
られていた。前者はドナ型の深い不純物であるO
とp形(アクセプタ)の浅い不純物Znが結合し
て形成された複合発光中心が用いられ、一方黄緑
色発光ダイオードではN(窒素)を発光中心とし
て用いるが、Nは電気的に中性であり、赤色発光
ダイオードのように浅いアクセプタZnと深い不
純物Oの結合のような現象は生じない。これらの
発光中心の違いと伝導形を与える不純物の違いに
よつて高輝度を与えるための適当な不純物密度は
当然違つており、例えば赤色発光ダイオードでは
特開昭50−107884号「燐化ガリウム発光素子」に
pn接合のn側及びp側の不純物密度の適正値が
記されている。それによれば、複合発光中心はp
側即ちZnをドープした側にあるので、おおむね
n側のドナ密度がp側のアクセプタ密度より大で
ある。これはp側への注入効率を大にする条件に
合致している。一方、黄緑色発光ダイオードにあ
つては中性の不純物であるNはp、nどちら側に
ドープされてもよいので、赤色発光ダイオードの
条件とは明らかに異なつており、液相成長法の場
合はn側で発生する欠陥の密度を下げるためとい
うことでn側の不純物密度を下げたp+n接合が用
いられているが、n側の方がp側より浅い不純物
による欠陥が発生しやすいとの結論に達している
わけではない。又、Nを添加した黄緑色発光ダイ
オードの製法として、特開昭51−38887号「リン
を含む−族半導体発光素子の製造方法」には
n形結晶にZnを拡散する方法が知られており、
この場合は液相エピタキシヤル法によるpn接合
の不純物分布の最適条件とは異なる事情が発生す
る。即ち、n型の結晶にp形のZn不純物を拡散
してpn接合を形成するのであるから、必然的に
p+n接合形になるのである。即ち発光ダイオード
の輝度は伝導形を決める浅い不純物や発光中心の
違いによつて最適な不純物密度分布は違つたもの
となり、さらにpn接合や結晶自体の製法にも相
関をもつてくるのである。ところで、GaP発光ダ
イオードにおいて本発明者は、蒸気圧制御温度差
法液相成長(TDM・CVP法と略称してある)法
を適用してpn接合を液相エピタキシヤル法で製
作した結果、Nをドープしなくても単に伝導形を
決める浅い不純物によるpn接合即ちp側はZnド
ープ、n側はTe、S、Seなどのドープのみによ
つて鮮明な波長550nm程度の純緑色発光ダイオ
ードが得られることを明らかにした(ジヤパニー
ズ ジヤーナル オブ アプライド フイジイツ
クス 19巻1号 第377頁〜382頁(1980年)
(Jpn.J.Appl.Phys.19 Suppl.19−1 pp.377〜
382(1980)))。
[Detailed Description of the Invention] GaP light emitting diodes have a red color and a wavelength of 570 nm.
A light-emitting diode of a certain degree of yellowish-green (usually called green, but here called yellowish-green according to the color) was known. The former is a deep Donna-type impurity O
A composite luminescent center formed by the combination of a p-type (acceptor) shallow impurity Zn is used, while a yellow-green light emitting diode uses N (nitrogen) as the luminescent center, but N is electrically neutral. , a phenomenon such as the coupling between the shallow acceptor Zn and the deep impurity O as in red light emitting diodes does not occur. The appropriate impurity density for providing high brightness naturally differs depending on the difference in these luminescent centers and the impurity that provides the conductivity type.For example, for red light emitting diodes, ``Gallium Phosphide Motoko”
Appropriate values for impurity densities on the n-side and p-side of the p-n junction are listed. According to this, the complex luminescent center is p
side, that is, the Zn-doped side, the donor density on the n-side is generally higher than the acceptor density on the p-side. This meets the conditions for increasing the injection efficiency to the p-side. On the other hand, in the case of a yellow-green light emitting diode, N, which is a neutral impurity, can be doped on either the p or n side, so the conditions are clearly different from those for a red light emitting diode. In order to reduce the density of defects that occur on the n-side, a p + n junction with a lower impurity density on the n-side is used, but defects due to shallow impurities are more likely to occur on the n-side than on the p-side. We have not reached that conclusion. Furthermore, as a method for manufacturing a yellow-green light-emitting diode doped with N, a method of diffusing Zn into an n-type crystal is known in Japanese Patent Application Laid-open No. 51-38887 entitled "Method for Manufacturing a - Group Semiconductor Light-Emitting Device Containing Phosphorus". ,
In this case, circumstances arise that are different from the optimal conditions for the impurity distribution of the pn junction by the liquid phase epitaxial method. In other words, since a p-n junction is formed by diffusing p-type Zn impurities into an n-type crystal, it is inevitable that
This results in a p + n junction. In other words, the optimal impurity density distribution for the brightness of a light-emitting diode differs depending on the shallow impurity that determines the conductivity type and the difference in the emission center, and it also has a correlation with the manufacturing method of the p-n junction and the crystal itself. By the way, in the GaP light emitting diode, the present inventor applied the vapor pressure controlled temperature difference method liquid phase growth (abbreviated as TDM/CVP method) method to fabricate the pn junction by the liquid phase epitaxial method. Even without doping, a pure green light-emitting diode with a clear wavelength of about 550 nm can be obtained by simply doping the p-n junction with shallow impurities that determine the conductivity type, that is, doping the p-side with Zn and doping the n-side with Te, S, Se, etc. (Japanese Journal of Applied Physics, Vol. 19, No. 1, pp. 377-382 (1980)
(Jpn.J.Appl.Phys.19 Suppl.19-1 pp.377~
382 (1980))).

Nを添加しないで純緑色が得られる理由は、
TDM・CVP法による結晶が非化学量論的組成に
よる欠陥の密度が少ないため非発光中心密度が少
なく、伝導形を与えるための浅い不純物を介した
再結合ないしは自由再結合によつて、このような
短波長の光が得られるものと思われる。本発明
は、このようにNを添加せずに緑色を得る発光ダ
イオード(以後黄緑色と区別するため純緑色発光
ダイオードと呼ぶ)に関わるものである、このよ
うな発光ダイオードにあつては赤色発光ダイオー
ドや、黄緑色発光ダイオードとは違つた不純物密
度条件が設定されなければならないことは先に述
べたことから明らかであろう。すでに報告した単
体な形のpn接合(p+np接合やn+p接合を含む)
による純緑色発光ダイオードにおいては不純物密
度は伝導形を与えることと、充分な発光中心密度
を与えることの条件が分離されて制御されていな
いために充分高輝度化することができないという
欠点があつた。本発明は、そのような欠点のない
高輝度の純緑色発光ダイオードを提供することを
目的としている。
The reason why pure green color can be obtained without adding N is as follows.
Crystals produced by the TDM/CVP method have a low density of defects due to non-stoichiometric composition, so there is a low density of non-emissive centers, and this type of crystal is produced by recombination through shallow impurities or free recombination to provide a conductive type. It is thought that light with a short wavelength can be obtained. The present invention relates to a light-emitting diode (hereinafter referred to as a pure green light-emitting diode to distinguish it from yellow-green) that emits green color without adding N. It is clear from the above that impurity density conditions must be set differently from those for diodes and yellow-green light emitting diodes. Already reported simple p-n junctions (including p + np junctions and n + p junctions)
In pure green light emitting diodes, the impurity density had the disadvantage that it was not possible to achieve sufficiently high brightness because the conditions for providing a conductive type and providing sufficient luminescent center density were not controlled separately. . The present invention aims to provide a high brightness pure green light emitting diode free from such drawbacks.

まずp+n型形n+p形の純緑色発光ダイオードを
比較してみよう。p+n形ではn側への正孔の注入
が主であり、従つてn側が発光領域でなければな
らないが、n側に存在すると見られる欠陥密度は
浅いドナ不純物TeやSの量を増すとともに増大
する現象が見られる。GaAsではこのことはすで
に本発明者が明らかにしてきたところであり、こ
のためn形結晶は発光効率も低いのであるがGaP
においてもn形領域では同様の欠陥発生があると
いうことを示している。そこでp+n接合で発光効
率を高めるにはn側不純物密度をますます下げな
ければならない。しかし、そうすることによりn
側の発光中心の密度も当然減少するから結局あま
り高輝度にはならない。現在窒素を添加せずに蒸
気圧制御温度差法で作られた純緑色発光ダイオー
ドでは、p+n形の効率は0.16%程度であり未だ探
い準位による非発光再結合の寄与が大部分であ
る。
First, let's compare p + n type and n + p type pure green light emitting diodes. In the p + n type, hole injection is mainly to the n-side, so the n-side must be the light-emitting region, but the defect density that appears to exist on the n-side increases the amount of shallow donor impurities Te and S. A phenomenon can be seen that increases with age. This has already been clarified by the present inventors in GaAs, and for this reason, n-type crystals have low luminous efficiency, but GaAs
It is also shown that similar defects occur in the n-type region. Therefore, in order to increase the luminous efficiency of the p + n junction, the n-side impurity density must be further lowered. However, by doing so, n
Naturally, the density of the luminescent centers on the side also decreases, so the brightness does not become very high after all. Currently, in pure green light emitting diodes made using the vapor pressure controlled temperature difference method without adding nitrogen, the efficiency of the p + n type is about 0.16%, and the majority of the contribution is still from non-radiative recombination due to the search level. It is.

ところで逆にp形領域の亜鉛の密度を下げて
n+p形、即ちp〓1017〜1016/cm3程度にした場
合、このままでは輝度は著しく低くなりp+n接合
の輝度には及ばない。このことは徐冷法で作られ
たGaP発光ダイオードにおいても同様の事実が認
められる。そのため、GaPではn形領域の方が欠
陥ができやすいという議論も行なわれているが、
その確証はない。従来p+n形の方がn+p形より輝
度が高い理由として、補償効果が存在することは
指摘されていなかつたが、以下にこのことを指摘
しよう。
By the way, on the other hand, if you lower the density of zinc in the p-type region,
When the n + p type, that is, p〓10 17 to 10 16 /cm 3 is used, the brightness becomes extremely low and does not reach the brightness of the p + n junction. This fact is also observed in GaP light emitting diodes made by the slow cooling method. Therefore, it has been argued that defects are more likely to occur in the n-type region of GaP.
There is no proof of that. Conventionally, the existence of a compensation effect has not been pointed out as the reason why the p + n type has higher luminance than the n + p type, but this will be pointed out below.

GaPp+n接合を液相成長で形成する場合、通常
p層、n層の成長に0.5時間から2hr程度の時間を
要するZnの拡散係数がTeやS、Seなどのドナの
拡散係数に比べて著しく大きく、成長中にも相当
程度拡散するため実際のpn境界は第1図のよう
にn形成長層内に形成される。しかも少数キヤリ
アの拡散長が2〜3μm程度の場合、Znの分布
の傾きは相対的に非常になだらかであることが第
1図よりわかる。
When forming a GaPp + n junction by liquid phase growth, the diffusion coefficient of Zn, which usually takes about 0.5 to 2 hours to grow the p-layer and n-layer, is higher than that of donors such as Te, S, and Se. Since it is extremely large and diffuses to a considerable extent during growth, an actual pn boundary is formed within the n-type growth layer as shown in FIG. Moreover, it can be seen from FIG. 1 that when the diffusion length of minority carriers is about 2 to 3 μm, the slope of the Zn distribution is relatively gentle.

第1図はn形基板上にドナ密度ND1の第1層を
成長し、その上に亜鉛密度NAの第2層を成長し
たときの不純物分布の例である。Znの拡散係数
Zoを文献により DZo≒1.0×exp(−2.1eV/kT) と仮定したときの第1層側の不純物分布及びキヤ
リア密度分布の1例を示したもので、図において
は第2層の成長温度即ち第1層へのZzの拡散温
度は800℃成長時間、即ち拡散時間tは1時間と
し、成長速度が拡散速度に比べて充分速いと仮定
している。ドナ不純物の拡散係数は小さいとして
拡散効果は無視した。図中には少数キヤリアの拡
散長Lp及びLnの大きさを比較のために示してあ
る。Lp,Lnはμn〓μP〓100cm3/V・S τn
〓τp〓50nsという典型的な値から求めると、
約Lp〓Ln〓3μmとなる。
FIG. 1 shows an example of impurity distribution when a first layer with a donor density N D1 is grown on an n-type substrate and a second layer with a zinc density N A is grown thereon. This figure shows an example of the impurity distribution and carrier density distribution on the first layer side when the diffusion coefficient D Zo of Zn is assumed to be D Zo ≒ 1.0 × exp (-2.1 eV/kT) according to the literature. It is assumed that the growth temperature of the second layer, that is, the diffusion temperature of Zz into the first layer is 800° C., the growth time, that is, the diffusion time t is 1 hour, and that the growth rate is sufficiently faster than the diffusion rate. Diffusion effects were ignored because the diffusion coefficient of donor impurities was small. In the figure, the sizes of the diffusion lengths Lp and Ln of minority carriers are shown for comparison. Lp, Ln are μn〓μP〓100cm 3 /V・S τn
From the typical value of 〓τp〓50ns,
Approximately Lp〓Ln〓3μm.

図では、第2層のZn密度NA=2×1018/cm3
1層のドナ密度ND=1×1017/cm3の場合につい
て示してある。Znの不純物分布は極めて低密度
のときは単位な誤差関数ではないといわれている
が第2層からはあまりはなれていない領域では誤
差関数に近い指数関数 で近似しておよその不純物分布を知ることができ
る。結果は図のように少数キヤリアの拡散長に比
べてZnの不純物分布が急峻とは言えないという
ことがわかる。実際の成長温度は700℃〜900℃成
長時間30分〜2hr程度の範囲にあるが、いずれの
場合も第1図のようにZnの分布が少数キヤリア
の拡散長に比べて充分急峻ではない。従つてp+n
接合といつてもpn境界近傍、即ち少数キヤリア
の拡散長程度の距離で見れば実質的には両側が強
く補償されたp-n-接合に近いのである。Znの不
純物分布が指数関数に近い限り、n側のドナ密度
をさらに下げてより強いp+n形にしたつもりで
も、第1図のNDの線が下がるだけだからやはり
実質的にはp-n-接合である。両側が強く補償さ
れているから、発光中心が形成されたことは有利
であるが、pn境界の近くで実質的にp-n-接合で
あることは多数キヤリアが少ないので注入には不
利である。また欠陥を減らすためにn領域の不純
物密度NDをできるだけ下げなければならないの
だからpn境界においてはアクセプタもドナ密度
も共に低い、つまり発光中心密度が低いという欠
点を持つている。特にGaPは間接遷移形半導体の
ため発光中心の寿命が長く、従つて相対的に探い
準位寄与が著しい。従つて発光中心の密度を低下
させなければならないというのは大きな欠点であ
る。本発明は、前述において明らかにしたごとき
補償の効果を充分発揮させ、かつ多数キヤリア密
度の低下による注入量の低下のない高輝度の純緑
色発光ダイオードを提供することを目的としてい
る。
In the figure, a case is shown in which the Zn density of the second layer N A =2×10 18 /cm 3 and the donor density N D of the first layer is 1×10 17 /cm 3 . It is said that the impurity distribution of Zn is not a unitary error function when the density is extremely low, but it is an exponential function that is close to the error function in areas not far from the second layer. The approximate impurity distribution can be found by approximating . As shown in the figure, the results show that the impurity distribution of Zn cannot be said to be steep compared to the diffusion length of minority carriers. The actual growth temperature ranges from 700°C to 900°C and the growth time ranges from about 30 minutes to 2 hours, but in either case, the distribution of Zn is not steep enough compared to the diffusion length of the minority carriers, as shown in Figure 1. Therefore p + n
If you look at the junction near the pn boundary, that is, at a distance of about the diffusion length of minority carriers, it is essentially close to a p - n - junction with strong compensation on both sides. As long as the impurity distribution of Zn is close to an exponential function, even if you intend to further lower the donor density on the n side to make it stronger p + n type, the N D line in Figure 1 will just go down, so it will still be essentially p - It is an n - junction. The formation of a luminescent center is advantageous because both sides are strongly compensated, but the fact that it is essentially a p - n - junction near the p-n boundary is disadvantageous for injection because there are fewer majority carriers. . Furthermore, since the impurity density N D in the n region must be lowered as much as possible in order to reduce defects, there is a drawback that both acceptor and donor densities are low at the pn boundary, that is, the luminescent center density is low. In particular, since GaP is an indirect transition type semiconductor, the lifetime of the luminescent center is long, and therefore the contribution of the search level is relatively significant. Therefore, it is a major drawback that the density of luminescent centers must be reduced. An object of the present invention is to provide a pure green light-emitting diode with high brightness, which fully exhibits the compensation effect as explained above, and which does not have a drop in injection amount due to a drop in majority carrier density.

まず本発明の純緑色発光ダイオードのpn接合
はp+n形とは逆の即ちn+p形又はnp形接合とし、
主としてp領域で発光される。さらにp+n形で生
ずることが明らかな補償効果と同じ効果を発輝さ
せるべく発光領域であるp領域に適当な密度の浅
いドナ型不純物を添加し、かつ注入量を低下させ
ないことを特徴とする。即ち、pn接合を形成す
るp層はp形の伝導形を与えるアクセプタである
Zn以外に補償用の浅いドナ不純物を含む。この
アクセプタ密度をNA、ドナ密度をND2とすれば
正孔密度は p2=NA−ND2 だから NA>ND2 ………(2) でなければならない。又、pn接合のn側の浅い
ドナ不純物密度をNDとすると ND1>NA ………(3) でなければ、Znの拡散により実質的なpn境界が
n層にくいこんで従来のp+n接合と同じことにな
つてしまう。また当然n側の不純物密度がp側の
不純物密度より大きい、即ち、n+p接合であるた
めには NA−ND2<ND2 ………(4) となるように選ばねばならないNA−ND2〓ND1
であつてもよいが、(1)、(2)の条件を満たしにくく
なる。p側にドープされた浅いドナND2は第3図
のpn接合のバンド図に示すように注入によりp
側に拡散する少数キヤリアである電子が、非発光
中心である深い準位Tに捕えられる確立に対して
上記ドナDに捕えられる確立を増す。一旦ドナに
捕えられた電子は正孔と再結合することにより発
光するから、通常のn+p接合と異なり高い発光効
率が得られる。第2層にドープされるドナの密度
Dは発光中心を増すという意味では大きくした
いが、条件(2)、(3)、(4)よりあまり大きくはでき
ず、また大きくするほどすでに述べたように欠陥
が発生しやすいから1×1016〜1×1017/cm3の間
が望ましい。従つて従来のp+n接合におけるn領
域のドナ密度と同程度であるが、本発明の場合は
少数キヤリアに対するトラツプ効果を狙つたもの
であり、多数キヤリアの供給が目的ではないか
ら、この程度の密度でも相当多量であると言え
る。
First, the pn junction of the pure green light emitting diode of the present invention is the opposite of the p + n type, that is, the n + p type or np type junction,
Light is emitted mainly in the p region. Furthermore, in order to produce the same compensation effect that is clearly produced in the p + n type, donor type impurities with an appropriate shallow density are added to the p region, which is the light emitting region, and the implantation amount is not reduced. do. In other words, the p-layer forming the p-n junction is an acceptor that provides p-type conduction type.
Contains shallow donor impurities for compensation in addition to Zn. If the acceptor density is N A and the donor density is N D2 , the hole density is p 2 =N A -N D2 , so N A >N D2 (2). Also, if the shallow donor impurity density on the n side of the pn junction is N D , then N D1 > N A ......(3) Otherwise, the actual pn boundary will be buried in the n layer due to the diffusion of Zn, and the conventional p + It becomes the same as n junction. Naturally, the impurity density on the n side is higher than the impurity density on the p side, that is, in order to form an n + p junction, N A must be selected so that N A −N D2 < N D2 (4). −N D2 〓N D1
may be possible, but it will be difficult to satisfy conditions (1) and (2). The shallow donor N D2 doped on the p side is implanted as shown in the band diagram of the pn junction in
The probability that electrons, which are minority carriers diffusing to the side, will be captured by the donor D increases compared to the probability that they will be captured by the deep level T, which is a non-luminous center. Since the electrons once captured by the donor emit light by recombining with the holes, high luminous efficiency can be obtained, unlike a normal n + p junction. The density N Since defects are likely to occur, it is desirable that the density be between 1×10 16 and 1×10 17 /cm 3 . Therefore, it is comparable to the donor density in the n region in a conventional p + n junction, but in the case of the present invention, the aim is to trap the minority carriers and not to supply majority carriers, so the donor density is at this level. It can be said that the density is quite large.

以上述べた本発明の不純物密度分布の例を第2
図に示す。すなわち、n形GaP基板(S)上にpn
接合のn側領域であるn形GaP第1層1を成長す
る。不純物はS、Se、Teなどであるが欠陥発生
の少ないSが最も望ましい。第1層の不純物密度
は1〜5×1017/cm3であり、n+層といつても不純
物密度をあまり大きくすると欠陥が増すので、p
側への注入入効率が低くならない程度の範囲で不
純物密度はある程度小さい方がよいので上記の範
囲が適当である。pn接合のp側領域である第2
層2には先に述べたZnと浅いドナが添加されて
おり(2)、(3)、(4)の式で示したような関係にあれば
n+p接合となりキヤリアは主にp側へ注入され
る。この際、補償のためのドナ密度は先に述べた
ように1×1016〜1×1017/cm2の間が望ましいの
である。
The example of the impurity density distribution of the present invention described above is shown in the second example.
As shown in the figure. That is, pn on the n-type GaP substrate (S)
An n-type GaP first layer 1, which is the n-side region of the junction, is grown. Impurities include S, Se, Te, etc., but S is most desirable because it causes fewer defects. The impurity density of the first layer is 1 to 5 × 10 17 /cm 3 , and even though it is an n + layer, if the impurity density is too high, defects will increase, so the p
The above range is appropriate because it is better for the impurity density to be as low as possible within a range that does not reduce the efficiency of implantation into the side. The second region, which is the p-side region of the p-n junction,
Layer 2 is doped with the Zn mentioned earlier and a shallow donor, and if the relationships shown in equations (2), (3), and (4) are met, then
It becomes an n + p junction, and carriers are mainly injected to the p side. At this time, the donor density for compensation is preferably between 1×10 16 and 1×10 17 /cm 2 as described above.

このような第2層のp層を形成するには最も簡
単には第2層用メルト中に不純物を入れておく。
例えばSとZnを必要量投入しておく。成長温度
にもよるが、この方法だとメルト中でZnとSの
結合が起きて結晶中に析出物を形成し結晶性を悪
化することがある。そこで第4図のように第1層
は前と同様だが、第2層は不純物密度ND2のドナ
のみドープし、その上に不純物密度NA3のp層3
を成長する。この不純物はZnであり、成長中に
第2層に拡散して第2層をp-形に反転させる。
従つてpn境界は図のように第1層と第2層の境
界に近い。このためには第2層の厚みは第3層成
長中のZnの拡散時間できまる不純物拡散距離LZo
=√Zoよりあまり厚くてはならない。すなわ
ち第2層の厚みはd√Zoであることが望ま
しい(1)式を使い(2)、(3)、(4)の条件を満たすような
不純物密度設計を行なえば良い。勿論第1層まで
拡散するから、この領域のキヤリア密度があまり
低下しない程度にND1は大きくなければならな
い。例として ND1は1×1017〜5×1017/cm3D2〓1×1016〜3×1017/cm3A3〓1×1018〜5×1018/cm3 1d210μm 第3層成長温度 750℃〜850℃ 第3層成長時間 30分〜4hr 程度の値から選ぶことにより適宜第4図のような
分布を設計することが可能である。
The easiest way to form such a second p-layer is to add impurities to the second layer melt.
For example, add the necessary amounts of S and Zn. Depending on the growth temperature, this method may cause bonding of Zn and S to occur in the melt, forming precipitates in the crystal and deteriorating crystallinity. Therefore, as shown in Fig. 4, the first layer is the same as before, but the second layer is doped with only donors with an impurity density N D2 , and on top of that is a p layer 3 with an impurity density N A3 .
grow. This impurity is Zn, which diffuses into the second layer during growth and inverts the second layer to p - type.
Therefore, the pn boundary is close to the boundary between the first layer and the second layer as shown in the figure. For this purpose, the thickness of the second layer is determined by the impurity diffusion distance L, which is determined by the Zn diffusion time during the growth of the third layer .
=√ Should not be much thicker than Zo . In other words, the impurity density can be designed to satisfy the conditions (2), (3), and (4) using equation (1), which preferably has a thickness of d√Zo . Of course, since it diffuses to the first layer, N D1 must be large enough that the carrier density in this region does not drop too much. For example, N D1 is 1×10 17 ~5×10 17 /cm 3 N D2 1×10 16 ~3×10 17 /cm 3 N A3 1×10 18 ~5×10 18 /cm 3 1d 2 10μm Third layer growth temperature: 750 DEG C. to 850 DEG C. Third layer growth time: By selecting a value from about 30 minutes to 4 hours, it is possible to appropriately design a distribution as shown in FIG. 4.

第2図の場合においてもp形高キヤリア密度の
第3層を成長することは直列抵抗を減らし、一様
な電流を接合面に流すことができるため本発明の
ごときp側が低キヤリア密度の発光ダイオードで
は特別に有効である。
Even in the case of Fig. 2, growing a p-type third layer with a high carrier density reduces the series resistance and allows a uniform current to flow through the junction surface. It is particularly useful for diodes.

以上はn形基板結晶を使つた例であるが、本発
明は不純物密度の設計が問題なので基板結晶はp
形であつても同様の分布を実現することができ
る。ただし成長中の拡散を利用していることを考
慮に入れなければならない。例えば第5図のよう
にp形基板(S)を使いその上にドナ密度ND2
第2層2、その上によりドナ密度の高いND1の第
1層1を成長する。基板からZnが第1層に拡散
して図のように分布するから、第2層はp形とな
り第4図と同様な不純物分布となり、しかもこの
場合は第3層に対応する層はかならずしも必要な
い。
The above is an example using an n-type substrate crystal, but since the design of the impurity density is a problem in the present invention, the substrate crystal is a p-type substrate crystal.
A similar distribution can be achieved even if the shape is different. However, it must be taken into consideration that diffusion during growth is utilized. For example, as shown in FIG. 5, a p-type substrate (S) is used, and a second layer 2 having a donor density N D2 is grown thereon, and a first layer 1 having a higher donor density N D1 is grown thereon. Since Zn diffuses from the substrate into the first layer and is distributed as shown in the figure, the second layer becomes p-type and has an impurity distribution similar to that shown in Figure 4. Moreover, in this case, a layer corresponding to the third layer is not necessarily required. do not have.

ただし前に述べたように第1層はあまり厚くは
できない。基板結晶の転位密度や欠陥密度が高い
ときは、第2層の結晶性が影響を受け特性が悪く
なるので、第6図のようにp形基板上にまずp形
の第3層を成長してから順次第2層、第1層を成
長する必要がある。ドナ密度を1018/cm3以上にす
ると、欠陥密度が増して結晶性が著しく悪くなる
ので、発光領域まで欠陥が拡散することを考慮す
るとND1は5×1017/cm3以下であることが望まし
い。又、発光領域である第2層のドナ密度ND2
1×1016/cm3以下は、従来の実施例からドーピン
グレベルの制御が容易でないうえ、欠陥密度を増
さないかぎりの範囲で大きい方が発光中心密度が
大となるので1×1016/cm3以上が実際的である。
又ND1が5×1017/cm3以下であることを考慮する
と、ND2は3×1017/cm3以下にしないとNA−ND2
<ND1に選ぶことが容易でなくなる。すなわちN
D1〓5×1017/cm3の時ND2〓3×1017とすればNA
をpn境界側で 3×1017/cm3<NA<5×1017/cm3 に選ばなければ条件(2)、(3)、(4)を満足しない。こ
の程度の範囲にNAを歩留りよくコントロールす
ることは可能だが、それ以上にND2を大きくする
とNAの制御を2ケタの有効数字で制御しなけれ
ばならなくなり実際的ではない。
However, as mentioned before, the first layer cannot be made very thick. When the dislocation density or defect density of the substrate crystal is high, the crystallinity of the second layer will be affected and the characteristics will deteriorate, so a p-type third layer is first grown on the p-type substrate as shown in Figure 6. After that, it is necessary to grow the second layer and the first layer in sequence. If the donor density is 10 18 /cm 3 or more, the defect density will increase and the crystallinity will deteriorate significantly, so considering that the defects will diffuse into the light emitting region, N D1 should be 5 × 10 17 /cm 3 or less. is desirable. Furthermore, if the donor density N D2 of the second layer, which is the light emitting region, is less than 1×10 16 /cm 3 , it is not easy to control the doping level from the conventional embodiment, and it is too large as long as the defect density is not increased. Since the luminescent center density is higher, it is practical to set the density to 1×10 16 /cm 3 or more.
Also, considering that N D1 is less than 5×10 17 /cm 3 , N D2 must be less than 3×10 17 /cm 3 or N A −N D2
<N It becomes difficult to choose D1 . That is, N
D1 〓5×10 17 /cm 3 then N D2 〓3×10 17 then N A
Unless it is chosen to be 3×10 17 /cm 3 <N A <5×10 17 /cm 3 on the pn boundary side, conditions (2), (3), and (4) will not be satisfied. Although it is possible to control N A within this range with good yield, if N D2 is increased beyond this range, N A must be controlled using two significant figures, which is not practical.

第5図、第6図のようにp形基板を用いるとき
は拡散時間tとしては第2層と第1層の成長時間
の和である。徐冷法の場合成長温度が時間ととも
に低下するから拡散係数が変化し、設計が精密に
できない欠点がある。したがつて実験的にパラメ
ータを決めていかなけれはならないが、それでも
温度変化の微妙な変化で所定のn+p接合にならな
いことが多い。温度差法液相成長あるいは蒸気圧
制御温度差法では、成長温度は不変なので極めて
正確に不純物分布を設計どおりに製作でき、高い
歩留りを得ることが可能である。その上徐冷法で
は温度の降下を伴うので第1層から第2層へのス
ライド時の過冷却や、再溶解のため層境界に欠陥
が多く発生しこの境界とpn境界がほぼ一致する
から好ましくない効果を生ずるが、温度差法及び
蒸気圧制御温度差法ではこの欠点は除かれる。
Znの拡散はかならずしも誤差関数的ではないが
あまり低不純物密度のところを問題にしていない
ので近似的に指数関数 として設計すれば充分である。なお、成長中に不
純物が拡散してくる場合、拡散速度が成長速度に
近いか、より速いときは計算機解析が必要になる
が、成長速度に比べてZnの拡散速度が充分遅く
なるように成長速度を選べば成長速度の効果を考
える必要はなく、その場合はNA(o)はN/2で与 えられる。
When a p-type substrate is used as shown in FIGS. 5 and 6, the diffusion time t is the sum of the growth times of the second layer and the first layer. In the case of slow cooling, the growth temperature decreases over time, resulting in a change in the diffusion coefficient, which has the disadvantage that precise design is not possible. Therefore, it is necessary to determine the parameters experimentally, but even then, the desired n + p junction is often not achieved due to subtle changes in temperature. In the temperature difference liquid phase growth method or the vapor pressure controlled temperature difference method, since the growth temperature remains unchanged, the impurity distribution can be manufactured very precisely as designed, and a high yield can be obtained. Furthermore, the slow cooling method involves a drop in temperature, which is undesirable because many defects occur at layer boundaries due to overcooling during sliding from the first layer to the second layer and remelting, and this boundary almost coincides with the pn boundary. However, the temperature difference method and the vapor pressure controlled temperature difference method eliminate this drawback.
The diffusion of Zn is not necessarily an error function, but since we are not concerned with low impurity densities, it can be approximated as an exponential function. It is sufficient to design it as Note that if impurities diffuse during growth, computer analysis will be required if the diffusion rate is close to or faster than the growth rate, but growth should be done so that the diffusion rate of Zn is sufficiently slow compared to the growth rate. If the growth rate is selected, there is no need to consider the effect of the growth rate, and in that case, N A (o) is given by N A /2.

ただしNAは拡散源側である層の内部のZn密度
である。一方設計上はより複雑になるが、成長速
度が拡散速度に比べて近いかより小さいときに
は、発光層である第2層の欠陥密度を低下させ得
るという利点がある。単に成長速度が遅いからと
いうことも1つの理由であるが、成長界面にZn
が供給されるのでTeやSを成長層にとりこむと
きにこれらドナが欠陥を発生するよりはZnと結
合した方が自由エネルギーが低下するので、ある
程度ドナによる欠陥(特にpの空格子点)の発生
が抑えられる効果があるから、ドナ密度をより高
くして発光中心の密度を高めることが可能とな
る。
However, N A is the Zn density inside the layer on the diffusion source side. On the other hand, although the design is more complicated, when the growth rate is close to or smaller than the diffusion rate, there is an advantage that the defect density of the second layer, which is the light emitting layer, can be reduced. One reason is simply that the growth rate is slow, but Zn at the growth interface
When Te and S are introduced into the growth layer, the free energy is lower when these donors combine with Zn than when they generate defects. Since it has the effect of suppressing generation, it becomes possible to increase the donor density and increase the density of luminescent centers.

以上のように本発明は、Nを添加せずに浅いア
クセプタと浅いドナの添加によつて緑色を呈する
発光ダイオードにおいて、主たる発光領域をp側
に設定し浅いドナ不純物をp側に添加しかつキヤ
リアの注入効果を高からしめた高輝度の発光ダイ
オードである。
As described above, the present invention provides a light emitting diode that exhibits green color by adding shallow acceptors and shallow donors without adding N, in which the main light emitting region is set on the p side, shallow donor impurities are added to the p side, and This is a high-brightness light emitting diode with a high carrier injection effect.

緑色発光ダイオードの場合アクセプタ不純物と
してはZn、ドナ不純物としてはS、Se、Teなど
が使われるがTeは欠陥を作り易いのでSやSeの
方が望ましい。
In the case of a green light emitting diode, Zn is used as the acceptor impurity, and S, Se, Te, etc. are used as the donor impurity, but S and Se are preferable because Te easily creates defects.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図は、n形基板上にドナ密度の第1層を成
長し、その上に、亜鉛密度の第2層を成長したと
きの不純物分布の例、第2図は本発明の一例の不
純物分布、第3図はpn接合のバンド図の一例、
第4図、第5図及び第6図は本発明の他の例の不
純物分布である。
Figure 1 shows an example of impurity distribution when a first layer with a donor density is grown on an n-type substrate, and a second layer with a zinc density is grown on top of that. Figure 2 shows an example of impurity distribution in an example of the present invention. Distribution, Figure 3 is an example of a band diagram of a pn junction,
FIG. 4, FIG. 5, and FIG. 6 show impurity distributions of other examples of the present invention.

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1 液相エピタキシヤル法で製作されたpn接合
を有し、窒素を添加せず、浅いアクセプタと浅い
ドナの添加されたGaP緑色発光ダイオードにおい
て、pn接合の一方を形成するp領域のキヤリア
密度pがpn接合の他方を形成するn領域のキヤ
リア密度nより小さく、かつp領域には浅いドナ
不純物が添加されており前記p領域の浅いドナ不
純物密度をND2としたとき1×1016/cm3D2
3×1017/cm3であり、p領域の浅いアクセプタが
Znであることを特徴とするGaP緑色発光ダイオー
ド。 2 前記p領域の浅いアクセプタの密度が前記n
領域に添加される浅いドナ不純物密度より小さい
ことを特徴とする前記特許請求の範囲第1項記載
のGaP緑色発光ダイオード。 3 前記ドナ不純物がS又はSeであることを特
徴とする前記特許請求の範囲第1項又は第2項記
載のGaP緑色発光ダイオード。 4 前記p領域に接してZnを含むp形の第三の
領域を有し前記p領域のアクセプタ不純物である
Znが、前記第三の領域から成長中の不純物拡散
によつて添加されることを特徴とする前記特許請
求の範囲第1項乃至第3項のいずれか一項に記載
のGaP緑色発光ダイオード。 5 前記Znを含む第三の領域がGaP基板であるこ
とを特徴とする前記特許請求の範囲第1項乃至第
4項のいずれか一項に記載のGaP緑色発光ダイオ
ード。 6 前記Znを含む第三の領域がp形GaP基板上に
形成されたエピタキシヤル層であることを特徴と
する前記特許請求の範囲第1項乃至第5項のいず
れか一項に記載のGaP緑色発光ダイオード。
[Claims] 1. Forming one of the pn junctions in a GaP green light emitting diode that has a pn junction manufactured by liquid phase epitaxial method, does not contain nitrogen, and has a shallow acceptor and a shallow donor added. When the carrier density p of the p region is smaller than the carrier density n of the n region forming the other side of the p-n junction, and a shallow donor impurity is added to the p region, and the shallow donor impurity density of the p region is N D2 . 1×10 16 /cm 3 N D2
3×10 17 /cm 3 , and the shallow acceptor in the p region is
A GaP green light emitting diode characterized by being Zn. 2 The density of shallow acceptors in the p region is
A GaP green light emitting diode according to claim 1, characterized in that the density is lower than the shallow donor impurity density doped in the region. 3. The GaP green light emitting diode according to claim 1 or 2, wherein the donor impurity is S or Se. 4 has a p-type third region containing Zn in contact with the p region, and is an acceptor impurity for the p region.
4. A GaP green light emitting diode according to any one of claims 1 to 3, characterized in that Zn is added from the third region by impurity diffusion during growth. 5. The GaP green light emitting diode according to any one of claims 1 to 4, wherein the third region containing Zn is a GaP substrate. 6. The GaP according to any one of claims 1 to 5, wherein the third region containing Zn is an epitaxial layer formed on a p-type GaP substrate. green light emitting diode.
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