JP2008192790A

JP2008192790A - 発光ダイオード

Info

Publication number: JP2008192790A
Application number: JP2007025054A
Authority: JP
Inventors: Atsushi Matsumura; 篤松村
Original assignee: Showa Denko KK
Current assignee: Resonac Holdings Corp
Priority date: 2007-02-05
Filing date: 2007-02-05
Publication date: 2008-08-21
Also published as: WO2008099699A1; US20100006818A1; US8164106B2; TWI383518B; TW200849667A

Abstract

【課題】短波長領域でのＡｌＧａＩｎＰ系半導体発光ダイオードの発光効率向上と、長時間駆動時のＬＥＤ特性の劣化を改善することができるＡｌＧａＩｎＰ系発光ダイオードを提供することを目的とする。
【解決手段】ｎ型クラッド層、量子井戸構造で構成される発光層、ｐ型クラッド層、さらに発光層とｐ型クラッド層との間に中間層を有する半導体発光素子であって、これらは組成式（Ａｌ_XＧａ_1-X）_YＩｎ_1-YＰ（０≦Ｘ≦１，０＜Ｙ≦１）から成り、その量子井戸構造の障壁層の組成が（Ａｌ_XＧａ_1-X）_YＩｎ_1-YＰ（０．５＜Ｘ≦１）であることを特徴とする発光ダイオードである。
【選択図】図１

Description

本発明は、高輝度の発光ダイオード（ＬＥＤ）に関し、特に長時間駆動時の劣化を改善したＬＥＤに関する。

ＡｌＧａＩｎＰ系化合物半導体発光ダイオードは、赤色から黄緑色の波長領域において高効率で発光でき、車載用、交通信号用等に利用拡大している。またＧａＮ系化合物半導体発光ダイオードと共に用いられ、青・緑・赤の光三原色を出すことによる白色発光ダイオードにも利用されている。
ＡｌＧａＩｎＰ系化合物半導体発光ダイオードは、より短波長領域（黄色〜黄緑色）において、発光効率の低下および長時間駆動時の劣化の改善が課題となっている。

短波長領域における発光効率の低下の要因としては、（ｉ）発光層とクラッド層とのエネルギーギャップ差が小さくなるため、キャリアの閉じこめが不十分になる。（ii）発光層のＡｌ組成が高くなるために、発光層中の非発光中心が増加する。（iii）エネルギーバンド構造が、直接遷移型から間接遷移型に近くなるなどが考えられる。
これらの問題点を解決するため、特許文献１では発光層を１０〜８０層の量子井戸構造とすることによって発光層中のＡｌ組成を減らし、発光層中の非発光準位を低減する方法が開示されている。また、特許文献２では発光層中にＺｎをドーピングし、Ｓｉ等の不純物による非発光中心を不活性化させ、発光効率を上げる方法が開示されている。
特許第３３７３５６１号公報特許第３７３２６２６号公報

上述の様に、発光効率の低下防止および長時間駆動時の劣化防止という課題に対して、特許文献１や２が開示されているが、特許文献１に開示された方法では、キャリアのオーバーフロー抑制に対して十分ではなく、より短波長の発光ダイオードや高電流使用時において顕著な輝度劣化が見られる。
また、引用文献２に開示された方法では、発光層中のＺｎが多すぎた場合、Ｚｎによる非発光中心が形成されてしまい逆に発光効率を下げ、信頼性の悪化を招く可能性がある。そのため適度なＺｎ量が求められるが、一般的にＺｎは熱により拡散しやすいという性質を持つため制御が難しい。このため量産時において品質を安定させることが困難であるという問題が発生する。

本発明は、従来技術に於ける上記の問題点に鑑み成されたもので、短波長領域でのＡｌＧａＩｎＰ系半導体発光ダイオードの発光効率向上と、長時間駆動時のＬＥＤ特性の劣化を改善することができるＡｌＧａＩｎＰ系発光ダイオードを提供することを目的とする。

本発明者らの鋭意検討の結果、（ｉ）障壁層のＡｌ組成を０．５以上とする（ii）井戸層数をより増やす（iii）ｐ型、ｎ型クラッド層のバンドギャップをより大きいものとする（iv）ｐ型クラッド層と量子井戸層との間に中間層を設ける等のことでキャリアのオーバーフローを抑制出来る事を確認した。
即ち、本発明は、上記の目的を達成するためになされたもので、以下の発明からなる。
（１）組成式（Ａｌ_XＧａ_1-X）_YＩｎ_1-YＰ（０≦Ｘ≦１，０＜Ｙ≦１）から成るｎ型クラッド層、量子井戸構造で構成される発光層、ｐ型クラッド層、さらに発光層とｐ型クラッド層との間に中間層を有する半導体発光素子において、量子井戸構造の障壁層の組成が（Ａｌ_XＧａ_1-X）_YＩｎ_1-YＰ（０．５＜Ｘ≦１）であることを特徴とする発光ダイオード。

（２）前記障壁層の組成が（Ａｌ_XＧａ_1-X）_YＩｎ_1-YＰ（０．６≦Ｘ≦０．８）であることを特徴とする（１）に記載の発光ダイオード。
（３）中間層の組成が（Ａｌ_XＧａ_1-X）_YＩｎ_1-YＰ（０．６≦Ｘ≦１）であることを特徴とする（１）、（２）に記載の発光ダイオード。
（４）中間層のＡｌ組成（Ｘ）が障壁層と同等かそれ以上であり、なお且クラッド層より低いことを特徴とする（１）〜（３）に記載の発光ダイオード。

（５）ｐ型クラッド層の組成がＡｌ_YＩｎ_1-YＰ（０．４≦Ｙ≦０．６）であることを特徴とする（１）〜（４）に記載の発光ダイオード。
（６）ｎ型クラッド層の組成がＡｌ_YＩｎ_1-YＰ（０．４≦Ｙ≦０．６）であることを特徴とする（１）〜（５）に記載の発光ダイオード。
（７）前記量子井戸構造の井戸層の層数が８１以上２００以下であることを特徴とする（１）〜（６）に記載の発光ダイオード。
（８）井戸層の層厚が２〜１０ｎｍであり、障壁層の層厚が２〜１０ｎｍであることを特徴とする（１）〜（７）に記載の発光ダイオード。

（９）井戸層の層厚が３〜６ｎｍであり、障壁層の層厚が３〜６ｎｍであることを特徴とする（１）〜（８）に記載の発光ダイオード。
（１０）発光波長が５５０〜６２０ｎｍであることを特徴とする（１）〜（９）に記載の発光ダイオード。
（１１）前記量井戸構造は、（１００）面から＜０１１＞または＜０１−１＞方向へ１０〜２０°傾斜したＧａＡｓ基板に成長したことを特徴とする（１）〜（１０）に記載の発光ダイオード。
（１２）前記量井戸構造は、アンドープで成長され、Ｍｇをドープされたｐ型クラッド層とＳｉをドープされたｎ型のクラッド層に挟まれていることを特徴とする（１）〜（１１）に記載の発光ダイオード。

本発明では、特に発光波長が５５０〜６２０ｎｍを有するＡｌＧａＩｎＰ系発光ダイオードにおいて、従来と比較して高輝度で信頼性に優れ、かつ長時間駆動した際の劣化を改善したＡｌＧａＩｎＰ系化合物半導体発光ダイオードを提供できる。

本発明はｎ型クラッド層、量子井戸構造で構成される発光層、ｐ型クラッド層、さらに発光層とｐ型クラッド層との間に中間層を有する半導体発光素子であって、これらは組成式（Ａｌ_XＧａ_1-X）_YＩｎ_1-YＰ（０≦Ｘ≦１，０＜Ｙ≦１）から成るが、特にその量子井戸構造の障壁層の組成が（Ａｌ_XＧａ_1-X）_YＩｎ_1-YＰ（０．５＜Ｘ≦１）であることを特徴とする発光ダイオードである。
以下、本発明の実施形態を添付図面に基づき説明する。
図１は本発明の発光ダイオードで、基板上にＡｌＧａＩｎＰ系化合物半導体のエピタキシャル層を積層させたものの断面構造の例を示す模式図である。図２は図１の量子井戸構造の詳細を示す拡大模式図である。
図１に示すように発光ダイオードは、ｎ型のＧａＡｓ基板１００上に順次、ｎ型のＧａＡｓバッファ層１１１、ｎ型の（Ａｌ_XＧａ_1-X）_YＩｎ_1-YＰ（０．７≦Ｘ≦１）クラッド層１１２、ＡｌＧａＩｎＰ系からなる量子井戸構造１２０、（Ａｌ_XＧａ_1-X）_YＩｎ_1-YＰ（０．６≦Ｘ≦１）中間層１１３、ｐ型の（Ａｌ_XＧａ_1-X）_YＩｎ_1-YＰ（０．７≦Ｘ≦１）クラッド層１１４、ｐ型のＧａＰ電流拡散層１１５のエピタキシャル層を有する。

量子井戸構造の障壁層１２２のＡｌ組成｛Ｘ＝Ａｌ／（Ａｌ＋Ｇａ）の原子比｝は、０．５＜Ｘ≦１の範囲とすることが望ましい。障壁層のＡｌ組成が小さいとキャリアのオーバーフローが生じ、発光効率が低下する。このため障壁層のＡｌ組成はより大きい方が発光効率を向上させることが出来る。しかしながら障壁層のＡｌ組成が１に近くなると信頼性が悪化する。このため障壁層のＡｌ組成は０．６〜０．８が最も望ましい。
量子井戸構造の井戸層１２１の厚さは２〜１０ｎｍの範囲とすることが望ましい。井戸層の厚さを薄くすると閉じこめ効果により発光波長が短くなるため、発光層中のＡｌ成分を減らし、非発光準位を少なくすることができる。しかしながら薄くしすぎると層厚の分布が発光波長の分布に大きく影響してしまい、量産性に向かなくなる。このため井戸層の厚さは３〜６ｎｍにすることがより望ましい。

量子井戸構造の障壁層１２２の厚さは２〜１０ｎｍの範囲とすることが望ましい。障壁層の厚さを薄くするとトンネル効果により閉じ込め効果が薄れてしまう。しかしながら厚くすると、順方向の駆動電圧が大きくなるという弊害をもたらす。また、厚くする分原料コストがかかってしまい生産性が悪くなる。このため障壁層の厚さは３〜６ｎｍにすることがより望ましい。
発光層とｐ型クラッド層との間に設けられる中間層は、（Ａｌ_XＧａ_1-X）_YＩｎ_1-YＰ（０．６≦Ｘ≦１）を用いることが出来る。バンドギャップ差による順電圧の上昇を防ぐため、Ａｌ組成は障壁層のＡｌ組成以上、クラッド層のＡｌ組成以下とすることが望ましい。

ｐ型のクラッド層は、（Ａｌ_XＧａ_1-X）_YＩｎ_1-YＰ（０．７≦Ｘ≦１）を用いることが出来るが、キャリアのオーバーフローを抑制しより発光効率を高めるためには、バンドギャップの大きなＡｌ_YＩｎ_1-YＰ（０．４≦Ｙ≦０．６）とすることが望ましい。
ｎ型のクラッド層は、（Ａｌ_XＧａ_1-X）_YＩｎ_1-YＰ（０．７≦Ｘ≦１）を用いることが出来るが、キャリアのオーバーフローを抑制しより発光効率を高めるためには、Ａｌ_YＩｎ_1-YＰ（０．４≦Ｙ≦０．６）とすることが望ましい。またｎ型クラッド層と発光層の間に中間層（（Ａｌ_XＧａ_1-X）_YＩｎ_1-YＰ（０．６≦Ｘ≦１、０＜Ｙ≦１）を設けてもよい。

ｎ型のドーパントとして、Ｓｉ、Ｔｅ、Ｓｅを使用することができる。ＴｅやＳｅは反応炉内にたまりやすく、急峻性が悪いという性質を持つためＳｉを使用することが望ましい。またｐ型のドーパントとしては、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｂｅを使用することができる。Ｚｎは熱による拡散が起こりやすく、Ｂｅは毒性が強いため扱いにくい。このためＭｇを使用することが望ましい。
光取り出し効率を高めるため、バッファ層１１１と下部クラッド層１１２の間にＤＢＲ（ＤｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄＢｒａｇｇＲｅｆｌｅｃｔｏｒ）層を挿入しても良い。ＤＢＲ層はＡｌＧａＡｓ系、ＡｌＧａＩｎＰ系もしくはその両方を組み合わせた構造にしても良い。

このエピタキシャルウェーハのＧａＡｓ基板側に図３（平面図）、図４（断面図）に示すようにｎ電極１４、ｐ型ＧａＰ層側にｐ電極１５を具備した吸収基板型の廉価タイプ発光ダイオード１３を作製することができる。吸収基板型とは、発光層から放射された光をＧａＡｓ基板が吸収してしまうため、このように言われている。
また図５（平面図）、図６（断面図）に示すように発光した光に対して透明な基板をｐ型ＧａＰ層側に接合し、不透明なＧａＡｓ基板を除去した後にｎ電極、ｐ電極を具備して作製した所謂透明基板型とすることができる。
さらには発光した光を反射する基板をｐ型ＧａＰ層側に接合し、ＧａＡｓ基板を除去した後にｎ電極、ｐ電極を具備して作製した反射基板型の高輝度タイプ発光ダイオード１６とすることができる。
基板としてはＧａＡｓ、Ｓｉ、Ｇｅ等を用いることができるが、（１００）面から＜０１１＞または＜０１−１＞方向へ１０〜２０°傾斜したＧａＡｓ基板を用いることが好ましい。

次に本発明の実施例について説明する。
（実施例１）
実施例１として、図３、４に示した構造の５７０ｎｍ付近の波長を発光する吸収基板型発光ダイオード１３を作製した。この発光素子は図１に示すように、Ｓｉをドープしたｎ型の（１００）面から１５°傾けた面を有するＧａＡｓ単結晶からなる半導体基板１００上にＭＯＣＶＤ法により以下の層を順次成膜して作製した。ｎ型のＧａＡｓバッファ層１１１（厚さ５００ｎｍ、Ｓｉドープ１×１０¹⁸ｃｍ^-3）、ｎ型のＡｌ_0.5Ｉｎ_0.5Ｐクラッド層１１２（厚さ５００ｎｍ、Ｓｉドープ２×１０¹⁸ｃｍ^-3）、（Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ井戸層１２１（厚さ４ｎｍ、アンドープ）、（Ａｌ_0.7Ｇａ_0.3）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ障壁層１２２（厚さ５ｎｍ、アンドープ）、（Ａｌ_0.7Ｇａ_0.3）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ中間層１１３（厚さ５００ｎｍ、アンドープ）、ｐ型のＡｌ_0.5Ｉｎ_0.5Ｐクラッド層１１４（厚さ７００ｎｍ、Ｍｇドープ１×１０¹⁸ｃｍ^-3）、ｐ型のＧａＰ電流拡散層１１５（厚さ１０μｍ、Ｍｇドープ５×１０¹⁸ｃｍ^-3）の層を順次成長したエピタキシャルウェーハ１１を作製した。尚、ＧａＰ層のみ７４０℃で成長し、他の層は６７０℃の温度で成膜を行った。井戸層１２１の層数を１５０とし、障壁層１２２の層数を１４９とした。

このエピタキシャルウェーハのＧａＡｓ基板側にｎ電極１４、ｐ型ＧａＰ層側にｐ電極１５を形成し、ダイシングにより３００μｍ角の発光ダイオード１０を作製した。作製した発光ダイオードをＴＯ−１８ステムにマウントし、ワイヤボンディングを行い発光ダイオードの特性を評価した。
このようにして作製した発光ダイオードの輝度は２９ｍｃｄであり、井戸層数５０の従来構造と比較して、２．２倍になった。

（実施例２）
実施例２として量子井戸構造における障壁層のＡｌ比率以外は実施例１と同一条件でエピタキシャルウェーハを作製し、電極を形成した後特性を評価した。このようにして作製した発光ダイオードの輝度および輝度残存率と障壁層Ａｌ組成との関係を表１および図７、図８に示す。ここで、輝度残存率とは、ウェーハ面内からサンプリングした５個の発光ダイオードの通電後の平均輝度を、通電前の平均輝度で割ったものとした。
輝度はＡｌ組成を大きくした方が増加するが、輝度残存率はＡｌ組成＝０．７付近が極大となった。

（実施例３）
実施例３として量子井戸構造における井戸層数以外は実施例１と同一条件でエピタキシャルウェーハを作製し、電極を形成した後特性を評価した。
このようにして作製した発光ダイオードの輝度と井戸層数および輝度残存率と井戸層数の関係を表２および図９、図１０に示す。輝度、輝度残存率ともに層数を増やした方が良好な結果が得られるが、１５０層程度でほぼ横ばいになる。

（実施例４）
実施例４として、図５、６に示した構造の５７０ｎｍ付近の波長を発光する透明基板型発光ダイオード１６を作製した。この発光ダイオードは実施例１同様に、Ｓｉをドープしたｎ型の（１００）面から１５°傾けた面を有するＧａＡｓ単結晶からなる半導体基板１００上にＭＯＣＶＤ法により以下の層を順次成膜して作製した。ｎ型のＧａＡｓバッファ層１１１（厚さ５００ｎｍ、Ｓｉドープ１×１０¹⁸ｃｍ^-3）、ｎ型のＡｌ_0.5Ｉｎ_0.5Ｐクラッド層１１２（厚さ５００ｎｍ、Ｓｉドープ２×１０¹⁸ｃｍ^-3）、（Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ井戸層１２１（厚さ４ｎｍ、アンドープ）、（Ａｌ_0.7Ｇａ_0.3）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ障壁層１２２（厚さ５ｎｍ、アンドープ）、（Ａｌ_0.7Ｇａ_0.3）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ中間層１１３（厚さ５００ｎｍ、アンドープ）、ｐ型のＡｌ_0.5Ｉｎ_0.5Ｐクラッド層１１４（厚さ７００ｎｍ、Ｍｇドープ１×１０¹⁸ｃｍ^-3）、ｐ型のＧａＰ電流拡散層１１５（厚さ１０μｍ、Ｍｇドープ６×１０¹⁸ｃｍ^-3）の層を順次成長したエピタキシャルウェーハ１１を作製した。尚、ＧａＰ層のみ７４０℃で成長し、他の層は６７０℃の温度で成膜を行った。井戸層１２１の層数を１５０とし、障壁層１２２の層数を１４９とした。

作製したエピタキシャルウェーハ表面に活性化接合法によりＧａＰを接合させて、半導体層を機械的に支持できる状態とした後、ＧａＡｓ基板をウェットエッチングにより除去した。これにより発光素子の外部への取り出し効率を向上することができ、高輝度の化合物半導体ＬＥＤを構成できる。
基板を除去した面にｎ型の電極１４を形成し、エッチングにより所定のエピ層を除去した後にｐ型の電極１５を形成した。その後ダイシングにより３００μｍ角の発光ダイオードを作製した。作製した発光ダイオードをＴＯ−１８ステムにマウントし、ワイヤボンディングを行い発光ダイオードの特性を評価した。
このようにして作製した発光ダイオードの輝度は１０５ｍｃｄであり、従来構造と比較して２．０倍になった。

本発明の発光ダイオードは赤色から黄緑色まで広い波長領域で高輝度に発光可能であり、しかも長時間の駆動における劣化が少ないので、各種のランプや青色等の発光ダイオードと組み合わせて白色ダイオードとしても利用できる。

本発明に係わるエピタキシャルウェーハの断面構造を示す模式図である。本発明に係わるエピタキシャルウェーハの、図１の量子井戸構造詳細を示す拡大模式図である。本発明の実施例１に係わる半導体発光ダイオードの平面模式図である。本発明の実施例１に係わる半導体発光ダイオードの、図３のＩ−Ｉ線に沿った断面を示す模式図である。本発明の実施例４に係わる半導体発光ダイオードの平面模式図である。本発明の実施例４に係わる半導体発光ダイオードの、図５のＩ−Ｉ線に沿った断面を示す模式図である。本発明の実施例２に係わる半導体発光ダイオードの、障壁層Ａｌ組成と発光素子の輝度と輝度残存率の評価結果である。本発明の実施例２に係わる半導体発光ダイオードの、障壁層Ａｌ組成と発光素子の輝度との関係を示した図である。本発明の実施例２に係わる半導体発光ダイオードの、量子井戸層数と輝度との関係を示した図である。本発明の実施例１に係わる半導体発光ダイオードの、量子井戸層数と輝度残存率の関係を示した図である。

符号の説明

１００ｎ型ＧａＡｓ基板
１１エピタキシャルウェーハ
１１０エピタキシャル層
１１１ｎ型バッファ層
１１２ｎ型クラッド層
１１３中間層
１１４ｐ型クラッド層
１１５ｐ型ＧａＰ層
１２０量子井戸構造
１２１井戸層
１２２障壁層
１３吸収基板型発光ダイオード
１４ｎ型オーミック電極
１５ｐ型オーミック電極
１６透明基板型発光ダイオード
１７透明基板

Claims

組成式（Ａｌ_XＧａ_1-X）_YＩｎ_1-YＰ（０≦Ｘ≦１，０＜Ｙ≦１）から成るｎ型クラッド層、量子井戸構造で構成される発光層、ｐ型クラッド層、さらに発光層とｐ型クラッド層との間に中間層を有する半導体発光素子において、量子井戸構造の障壁層の組成が（Ａｌ_XＧａ_1-X）_YＩｎ_1-YＰ（０．５＜Ｘ≦１）であることを特徴とする発光ダイオード。
前記障壁層の組成が（Ａｌ_XＧａ_1-X）_YＩｎ_1-YＰ（０．６≦Ｘ≦０．８）であることを特徴とする請求項１に記載の発光ダイオード。
中間層の組成が（Ａｌ_XＧａ_1-X）_YＩｎ_1-YＰ（０．６≦Ｘ≦１）であることを特徴とする請求項１および２に記載の発光ダイオード。
中間層のＡｌ組成（Ｘ）が障壁層と同等かそれ以上であり、且つクラッド層より低いことを特徴とする請求項１〜３に記載の発光ダイオード。
ｐ型クラッド層の組成がＡｌ_YＩｎ_1-YＰ（０．４≦Ｙ≦０．６）であることを特徴とする請求項１〜４に記載の発光ダイオード。
ｎ型クラッド層の組成がＡｌ_YＩｎ_1-YＰ（０．４≦Ｙ≦０．６）であることを特徴とする請求項１〜５に記載の発光ダイオード。
前記量子井戸構造の井戸層の層数が８１以上２００以下であることを特徴とする請求項１〜６に記載の発光ダイオード。
井戸層の層厚が２〜１０ｎｍであり、障壁層の層厚が２〜１０ｎｍであることを特徴とする請求項１〜７に記載の発光ダイオード。
井戸層の層厚が３〜６ｎｍであり、障壁層の層厚が３〜６ｎｍであることを特徴とする請求項１〜８に記載の発光ダイオード。
発光波長が５５０〜６２０ｎｍであることを特徴とする請求項１〜９に記載の発光ダイオード。
前記量井戸構造は、（１００）面から＜０１１＞または＜０１−１＞方向へ１０〜２０°傾斜したＧａＡｓ基板に成長したことを特徴とする請求項１〜１０に記載の発光ダイオード。
前記量井戸構造は、アンドープで成長され、Ｍｇをドープされたｐ型クラッド層とＳｉをドープされたｎ型のクラッド層に挟まれていることを特徴とする請求項１〜１１に記載の発光ダイオード。