JPH0712095B2 - Epitaxial wafer for infrared light emitting diode - Google Patents
Epitaxial wafer for infrared light emitting diodeInfo
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Description
本発明はGaAlAsを用いた高出力赤外発光ダイオードに使
用されるエピタキシャルウエハーに関するものである。The present invention relates to an epitaxial wafer used for a high power infrared light emitting diode using GaAlAs.
赤外発光ダイオード用のエピタキシャルウエハーとし
て、通常、第１図に示す構造を持った、SiドープGaAsエ
ピタキシャルウエハーが使用されている。この構造のエ
ピタキシャルウエハーは、Siが、GaAs中において両性不
純物として働くのを利用して、１回の液相成長によりp-
n接合を形成している。すなわち、Siのドープ量、ある
いは、液相成長時の冷却速度によって決まる、p-n反転
温度より高温で成長された層はｎ型層になり、p-n反転
温度より低温で成長された層は、ｐ型層になる。 この構造のエピタキシャルウェハは、１回の成長によ
り、ｎ型層およびｐ型層を形成できるため、p-n接合部
の結晶性が良好になり、また成長用融液を１種類しか必
要としないため、製造コストが低いという利点を有して
いる。しかしその反面、光の取り出し面として通常用い
られる、ｐ型層表面、および、その近傍のSi不純物濃度
が非常に大きいため、そこでの光吸収が大きくなり、発
光出力が低下するという欠点を有している。 そこで、上記構造の欠点を補うため、第２図に示す構造
のエピタキシャルウェハーが開発されている（特開昭59
-121830号公報）。この構造のエピタキシャルウェハー
は、第１図のｐ型GaAs層上に、GaAsより禁制帯幅の広い
「GaAlAs層」を形成したものである。As an epitaxial wafer for infrared light emitting diodes, a Si-doped GaAs epitaxial wafer having the structure shown in FIG. 1 is usually used. Epitaxial wafers of this structure utilize p-type Si grown as a zwitterionic impurity in GaAs, resulting in p-
forming an n-junction. That is, a layer grown at a temperature higher than the pn inversion temperature becomes an n-type layer, and a layer grown at a temperature lower than the pn inversion temperature is a p-type, which is determined by the Si doping amount or the cooling rate during liquid phase growth. Become a layer. Since the epitaxial wafer having this structure can form the n-type layer and the p-type layer by one growth, the pn junction has good crystallinity, and only one kind of the melt for growth is required. It has the advantage of low manufacturing costs. However, on the other hand, since the p-type layer surface, which is usually used as a light extraction surface, and the Si impurity concentration in the vicinity thereof are very high, there is a drawback that the light absorption there becomes large and the light emission output is reduced. ing. Therefore, in order to make up for the drawbacks of the above structure, an epitaxial wafer having the structure shown in FIG.
-121830 publication). The epitaxial wafer of this structure has a "GaAlAs layer" having a wider forbidden band width than GaAs formed on the p-type GaAs layer shown in FIG.
この構造のエピタキシャルウェハーを使用して製作され
たLEDは、第１図に示す構造のものに比較すると、発光
出力を高くできるが、ｐ型GaAsエピタキシャル層での光
の吸収が多く、発光出力の改善が要求されている。 第２図に示す構造のエピタキシャルウェハーの発光原理
は、主として、ｐ型GaAsエピタキシャル層で発光させ、
ここから出た光を、ｐ型GaAlAsエピタキシャル層に透過
させて外部に放射させるものである。この構造のエピタ
キシャルウェハーは、発光層である「ｐ型GaAsエピタキ
シャル層」の厚さを10〜50μの範囲に調整している。従
来の発光原理では、ｐ型GaAsエピタキシャル層は、光の
発光層であり、また、発光した光を吸収する層でもある
が、薄すぎると、光の吸収は少なくなるが、発光出力が
著しく低下するとされていた。 本発明者は、実際に、第２図に示す構造のエピタキシャ
ルウェハーを試作し、膨大な実験と試行錯誤とを繰り返
した結果、この構造に独得の極めて特異な特性を究明し
た。すなわち、第２図に示す構造のエピタキシャルウェ
ハーは、第１図に示す構造のエピタキシャルウェハーで
考えられないような形状で、優れた発光出力とすること
に成功した。 従って、この発明の重要な目的は、発光出力を向上さ
せ、さらに高出力な赤外発光ダイオード用エピタキシャ
ルウエハーを提供することにある。An LED manufactured using an epitaxial wafer of this structure can have a higher light emission output than that of the structure shown in FIG. 1, but the p-type GaAs epitaxial layer absorbs a large amount of light so that the light emission output is high. Improvement is required. The principle of light emission of the epitaxial wafer having the structure shown in FIG. 2 is as follows.
The light emitted from this is transmitted through the p-type GaAlAs epitaxial layer and emitted to the outside. In the epitaxial wafer having this structure, the thickness of the “p-type GaAs epitaxial layer” which is the light emitting layer is adjusted to be in the range of 10 to 50 μm. According to the conventional light emission principle, the p-type GaAs epitaxial layer is a light emitting layer and also a layer that absorbs the emitted light. If it is too thin, the light absorption is reduced, but the light emission output is significantly reduced. It was supposed to be. The present inventor actually manufactured a prototype epitaxial wafer having the structure shown in FIG. 2 and, as a result of repeating enormous experiments and trial and error, found a very unique characteristic unique to this structure. That is, the epitaxial wafer having the structure shown in FIG. 2 has a shape that cannot be considered in the epitaxial wafer having the structure shown in FIG. Therefore, an important object of the present invention is to provide an epitaxial wafer for an infrared light emitting diode which improves the light emission output and has a higher output.
本発明に係るエピタキシャルウエハーは、第２図に示す
構造のものを、極めて簡単な構造で改良したものであ
る。この発明のエピタキシャルウェハーは、第２図に示
す従来のものに比較すると、構造上の相違は極めて少な
い。しかしながら、著しく特異な発光原理に基づいて改
良されたものである。 この発明のエピタキシャルウェハーは、基板としてGaAs
単結晶ウエハーを用いている。基板上に、ｎ型GaAsエピ
タキシャル層を設けている。この層の上に、極めて薄膜
のｐ型GaAsエピタキシャル層を設けている。さらに、こ
の層の上に、ｐ型GaAlAsエピタキシャル層を設けてい
る。 薄膜のｐ型GaAsエピタキシャル層の厚さは、1.0μ以上
で10μ未満と極めて薄く調整されている。 ｐ型GaAlAsエピタキシャル層は、Ga(1-x)AlxAsの組成式
で示され、ｘの範囲が、０＜ｘ＜0.4に調整されてい
る。 基板の上に積層されたｎ型GaAsエピタキシャル層と、ｐ
型GaAsエピタキシャル層と、ｐ型GaAlAsエピタキシャル
層とは、同じドーパントであるSiをドープしている。The epitaxial wafer according to the present invention is obtained by improving the structure shown in FIG. 2 with an extremely simple structure. The epitaxial wafer of the present invention has very little structural difference as compared with the conventional one shown in FIG. However, it is an improvement based on a remarkably unique light emission principle. The epitaxial wafer of this invention uses GaAs as a substrate.
A single crystal wafer is used. An n-type GaAs epitaxial layer is provided on the substrate. An extremely thin p-type GaAs epitaxial layer is provided on this layer. Furthermore, a p-type GaAlAs epitaxial layer is provided on this layer. The thickness of the p-type GaAs epitaxial layer, which is a thin film, is adjusted to be extremely thin, 1.0 μm or more and less than 10 μm. The p-type GaAlAs epitaxial layer is represented by the composition formula of Ga (1- x ) AlxAs, and the range of x is adjusted to 0 <x <0.4. N-type GaAs epitaxial layer laminated on the substrate, p
The type GaAs epitaxial layer and the p type GaAlAs epitaxial layer are doped with Si, which is the same dopant.
この発明のエピタキシャルウェハーは、第２図に示す構
造を有する。この構造のエピタキシャルウェハーは、赤
外発光ダイオードに使用される。この構造の発光ダイオ
ードに順方向に電圧が印加されると、ｎ型GaAsエピタキ
シャル層の電子はｐ型GaAsエピタキシャル層に注入され
る。ここに注入された電子は、ポテンシャル障壁にさえ
ぎられてｐ型GaAlAsエピタキシャル層には到達しない。
即ち、この構造のエピタキシャルウェハーも、ｐ型GaAs
エピタキシャル層が発光層となる。 発光層であるｐ型GaAsエピタキシャル層は、厚さが１〜
10μと極めて薄く調整されている。薄膜のｐ型GaAsエピ
タキシャル層は、従来の発光原理からすれば、光の再吸
収は低下するが、総発光量が低下するので、発光ダイオ
ードとすれば発光出力が低下するとされていた。ところ
が、極めて特異なことに、ｐ型GaAsエピタキシャル層の
上にｐ型GaAlAsエピタキシャル層を設けたこの発明のエ
ピタキシャルウェハーは、ｐ型GaAsエピタキシャル層を
数μと極めて薄くするにもかかわらず、発光ダイオード
とした状態で発光出力を高くなる特異な物性を示した。 第３図に、ｐ型GaAsエピタキシャル層の厚さに対する、
発光ダイオードの発光出力を示している。この図に示さ
れるように、この発明のエピタキシャルウェハーは、ｐ
型GaAsエピタキシャル層の厚さを１〜10μとして、発光
出力を５％以上も改善している。ｐ型GaAsエピタキシャ
ル層の厚さを１〜６μとして、約10％も改善している。 さらに、この発明のエピタキシャルウェハーは、一定の
電流を流す状態で、順方向電圧を低くできる特長もあ
る。ｐ型GaAsエピタキシャル層が薄いので、この層の抵
抗が低くなることが理由である。順方向電圧の低下は、
低電圧の電池駆動に多用される発光ダイオードにとって
極めて大切な特性である。The epitaxial wafer of the present invention has the structure shown in FIG. The epitaxial wafer having this structure is used for an infrared light emitting diode. When a voltage is applied to the light emitting diode having this structure in the forward direction, electrons in the n-type GaAs epitaxial layer are injected into the p-type GaAs epitaxial layer. The electrons injected here are blocked by the potential barrier and do not reach the p-type GaAlAs epitaxial layer.
That is, the epitaxial wafer of this structure is also made of p-type GaAs.
The epitaxial layer becomes the light emitting layer. The p-type GaAs epitaxial layer, which is a light emitting layer, has a thickness of 1 to
It is adjusted to an extremely thin value of 10μ. According to the conventional light emission principle, the thin p-type GaAs epitaxial layer has a low reabsorption of light, but since the total amount of light emission is reduced, it is said that a light emitting diode has a low light emission output. However, it is extremely peculiar that the epitaxial wafer of the present invention in which the p-type GaAlAs epitaxial layer is provided on the p-type GaAs epitaxial layer is a light-emitting diode even though the p-type GaAs epitaxial layer is extremely thin with a few μ. In this state, a unique physical property that the emission output was increased was exhibited. FIG. 3 shows the thickness of the p-type GaAs epitaxial layer,
The light emission output of the light emitting diode is shown. As shown in this figure, the epitaxial wafer of the present invention has p
With the thickness of the type GaAs epitaxial layer being 1 to 10 μ, the light emission output is improved by 5% or more. The thickness of the p-type GaAs epitaxial layer is set to 1 to 6 μ, which is improved by about 10%. Further, the epitaxial wafer of the present invention has a feature that the forward voltage can be lowered in a state where a constant current is passed. This is because the p-type GaAs epitaxial layer is thin, and the resistance of this layer is low. The forward voltage drop is
This is an extremely important characteristic for a light emitting diode that is often used for driving a low voltage battery.
第２図に示すこの発明のエピタキシャルウエハーは、液
相エピタキシャル法（徐冷法）により形成できる。Siド
ープｎ型GaAsエピタキシャル層と、Siドープｐ型GaAsエ
ピタキシャル層とは、第１図に示す、通常のSiドープGa
Asエピタキシャルウエハーの場合と同様に、同一の融液
により連続に成長を行ってｎ型GaAs単結晶基板の上に作
られる。 ただし、第１図に示すエピタキシャルウェハーの製造工
程においては、p-n反転後、ｐ型GaAsエピタキシャル層5
0〜100μと厚く成長させるが、この発明のエピタキシャ
ルウエハーは、p-n反転後、ｐ型GaAsエピタキシャル層
を、1.0μ〜10μ未満と極めて薄い膜として成長させ
る。Siドーピング量は、要求される発光波長によって決
定される。 Siドープｐ型Ga(1-x)AlxAs層のキャリア濃度は、高い程
伝導率が上がり、また、オーミック接触も良くなるた
め、順方向電圧が低くなる。しかしながら、Siのドーピ
ング量が多すぎると、結晶性が低下し、発光出力が低下
する。この層の成長温度はp-n反転温度以下で行われ
る。p-n反転温度に近い温度で成長を行った場合、逆導
伝層および低キャリア濃度層を生じ、発光ダイオードの
電流一電圧特性に異常をきたすことがある。そのため、
p-n反転温度より充分に低い温度で成長するのが望まし
い。 また、ｐ型Ga(1-x)AlxAsエピタキシャル層のAl混晶比ｘ
が大きい程、GaAsに比べ禁制帯幅が大きくなり、ｎ型Ga
As層で得られた赤外光を効率よく外部へ放出できる。と
ころが、ｘが大きくになる程、キャリア移動度が低下
し、また電極付けを行った時のオーミック接触が悪くな
るため、発光ダイオードとして組んだ時の順方向電圧が
高くなる。以上のことを考慮して、混晶比ｘは、０＜ｘ
＜0.4の範囲で選択するのが良い。 次に、本発明の実施例のエピタキシャルウェハーの製造
工程を説明する。 Ga融液槽を２つ持つ液相エピタキシャル成長用カーボ
ンボートを用意する。カーボンボートの第１の槽に、第
１融液として、GaとGaAs多結晶と、Siとを仕込む。仕込
量は、Ga1g当りに、GaAs多結晶160mg、Si2.5mg相当分と
する。 カーボンボートの第２の槽に、第２融液として、GaとGa
As多結晶と、Alと、Siとを仕込む。仕込量は、Ga1g当
り、GaAs多結晶を40mg、Alを0.42mg、Siを4.0mgとす
る。 さらに、基板として、ｎ型GaAs基板を仕込んだ後、カ
ーボンボートを水素気流中で910℃まで加熱する。各融
液が充分に解けた後、基板と第１融液を接触させる。そ
の後、降温レート0.5℃／分として、880℃まで温度を下
げて成長させて、基板と第１融液とを分離する。 次に温度を800℃まで降下させ、基板と第２融液を接
触させる。その後、降温レート0.5℃／分で750℃まで温
度を下げた後、基板と第２融液を分離し、室温まで冷却
する。 以上の工程により第２図に示すエピタキシャルウエハー
が得られた。得られたエピタキシャルウェハーのｐ型Ga
Asエピタキシャル層の厚みは約５μであった。 比較のため、上記工程中、基板と第１融液を分離する温
度を860℃に変更し、他は上記の実施例と同様な工程を
行い、ｐ型GaAsエピタキシャル層が約30μであるエピタ
キシャルウエハーも作製した。 次に得られた２種類のエピタキシャルウエハーを使用し
て発光ダイオードを試作した。発光ダイオードは、得ら
れたエピタキシャルウェハーに、ｐ型GaAlAs層表面と基
板側表面にオーミック電極を作成し、500μ×500μのペ
レットとして、ｐサイドアップとした。 発光ダイオードの発光出力を積分球を用いて測定した結
果、上記の工程で得られたエピタキシャルウェハーは、
ｐ型GaAsエピタキシャル層が約30μである従来のエピタ
キシャルウェハーを使用した発光ダイオードに対し、約
10％も発光出力が高くなった。The epitaxial wafer of the present invention shown in FIG. 2 can be formed by a liquid phase epitaxial method (slow cooling method). The Si-doped n-type GaAs epitaxial layer and the Si-doped p-type GaAs epitaxial layer are ordinary Si-doped Ga shown in FIG.
As in the case of As epitaxial wafer, it is grown on the n-type GaAs single crystal substrate by continuously growing it with the same melt. However, in the manufacturing process of the epitaxial wafer shown in FIG. 1, after the pn inversion, the p-type GaAs epitaxial layer 5
Although the epitaxial wafer of the present invention is grown as thick as 0 to 100 μ, the p-type GaAs epitaxial layer is grown as an extremely thin film of 1.0 μ to less than 10 μ after pn inversion. The Si doping amount is determined by the required emission wavelength. The higher the carrier concentration of the Si-doped p-type Ga (1- x ) AlxAs layer, the higher the conductivity, and the better the ohmic contact. Therefore, the forward voltage becomes lower. However, if the doping amount of Si is too large, the crystallinity decreases and the light emission output decreases. The growth temperature of this layer is lower than the pn inversion temperature. When the growth is performed at a temperature close to the pn inversion temperature, a reverse conduction layer and a low carrier concentration layer are generated, which may cause abnormalities in the current-voltage characteristics of the light emitting diode. for that reason,
It is desirable to grow at a temperature sufficiently lower than the pn inversion temperature. In addition, the Al mixed crystal ratio x of the p-type Ga (1- x ) AlxAs epitaxial layer
Is larger, the forbidden band width is larger than that of GaAs, and n-type Ga
Infrared light obtained in the As layer can be efficiently emitted to the outside. However, as x increases, carrier mobility decreases, and ohmic contact when electrodes are attached deteriorates, so that the forward voltage increases when assembled as a light emitting diode. In consideration of the above, the mixed crystal ratio x is 0 <x
It is good to select in the range of <0.4. Next, the manufacturing process of the epitaxial wafer according to the embodiment of the present invention will be described. A carbon boat for liquid phase epitaxial growth having two Ga melt baths is prepared. Ga, GaAs polycrystal, and Si are charged as the first melt in the first tank of the carbon boat. The amount charged is 160 mg of GaAs polycrystal and 2.5 mg of Si per 1 g of Ga. Ga and Ga as the second melt in the second tank of the carbon boat
As polycrystal, Al, and Si are charged. The charged amount is 40 mg of GaAs polycrystal, 0.42 mg of Al, and 4.0 mg of Si per 1 g of Ga. Furthermore, after charging an n-type GaAs substrate as a substrate, the carbon boat is heated to 910 ° C. in a hydrogen stream. After the melts are completely melted, the substrate and the first melt are brought into contact with each other. After that, the temperature is lowered to 880 ° C. at a temperature lowering rate of 0.5 ° C./min to grow the wafer, and the substrate and the first melt are separated. Next, the temperature is lowered to 800 ° C. and the substrate and the second melt are brought into contact with each other. Then, after lowering the temperature to 750 ° C. at a temperature lowering rate of 0.5 ° C./minute, the substrate and the second melt are separated and cooled to room temperature. Through the above steps, the epitaxial wafer shown in FIG. 2 was obtained. P-type Ga of the obtained epitaxial wafer
The thickness of the As epitaxial layer was about 5 μm. For comparison, during the above process, the temperature for separating the first melt from the substrate was changed to 860 ° C., the same process as in the above example was carried out, and an epitaxial wafer having a p-type GaAs epitaxial layer of about 30 μm. Also made. Next, a light emitting diode was prototyped using the obtained two types of epitaxial wafers. The light emitting diode was prepared by forming ohmic electrodes on the surface of the p-type GaAlAs layer and on the surface of the substrate on the obtained epitaxial wafer, and forming a pellet of 500 μ × 500 μ, and p side-up. As a result of measuring the light emission output of the light emitting diode using an integrating sphere, the epitaxial wafer obtained in the above step is
Compared to a light emitting diode using a conventional epitaxial wafer with a p-type GaAs epitaxial layer of about 30μ,
The luminescence output was increased by 10%.
第１図は従来のエピタキシャルウェハーを示す断面図、
第２図は従来の改良されたエピタキシャルウェハーとこ
の発明のエピタキシャルウェハーとの構造を示す断面
図、第３図はｐ型GaAsエピタキシャル層の厚さに対する
相対発光出力を示すグラフである。FIG. 1 is a sectional view showing a conventional epitaxial wafer,
FIG. 2 is a cross-sectional view showing the structure of a conventional improved epitaxial wafer and the epitaxial wafer of the present invention, and FIG. 3 is a graph showing the relative light emission output with respect to the thickness of the p-type GaAs epitaxial layer.
Claims (1)
ード用エピタキシャルウェハー。 （ａ）ｎ型GaAs単結晶基板の表面に、順番に、ｎ型GaAs
エピタキシャル層と、ｐ型GaAsエピタキシャル層と、ｐ
型GaAlAsエピタキシャル層とが設けられている。 （ｂ）ｎ型GaAsエピタキシャル層は、ｎ型GaAs単結晶基
板上に設けられている。 （ｃ）ｐ型GaAsエピタキシャル層は、厚さが1.0μ以上1
0μ未満である。 （ｄ）ｐ型GaAlAsエピタキシャル層は、組成式が、 Ga(1-x)AlxAsで表される。 但し、ｘは、０＜ｘ＜0.4の範囲にある。 （ｅ）ｎ型GaAsエピタキシャル層と、ｐ型GaAsエピタキ
シャル層と、ｐ型GaAlAsエピタキシャル層とは、同じド
ーパントであるSiがドープされている。1. An epitaxial wafer for an infrared light emitting diode having all of the following configurations. (A) On the surface of the n-type GaAs single crystal substrate, in order, n-type GaAs
Epitaxial layer, p-type GaAs epitaxial layer, p
GaAlAs epitaxial layer. (B) The n-type GaAs epitaxial layer is provided on the n-type GaAs single crystal substrate. (C) The p-type GaAs epitaxial layer has a thickness of 1.0 μ or more 1
It is less than 0 μ. The composition formula of the (d) p-type GaAlAs epitaxial layer is represented by Ga (1- x ) AlxAs. However, x is in the range of 0 <x <0.4. (E) The n-type GaAs epitaxial layer, the p-type GaAs epitaxial layer, and the p-type GaAlAs epitaxial layer are doped with Si, which is the same dopant.
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|---|---|---|---|
| JP7218189A JPH0712095B2 (en) | 1989-03-24 | 1989-03-24 | Epitaxial wafer for infrared light emitting diode |
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Publications (2)
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| JPH02251179A JPH02251179A (en) | 1990-10-08 |
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