JP4376361B2 - AlGaInP発光ダイオード - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
良好なオーミック接触性を有する酸化物窓層を備えた高輝度のAlGaInP発光ダイオードに関する。
【0002】
【従来技術】
(AlXGa1-X)YIn1-YP(0≦X≦1、0<Y≦1)(以下、AlGaInPと略す)多元混晶にあって、特に、インジウム組成比(=1−Y)を0.5とする(AlXGa1-X)0.5In0.5P(0≦X≦1)は、砒化ガリウム(GaAs)単結晶と良好な格子整合性を果たせる利点がある(Appl.Phys.Lett.,57(27)(1990)、2937〜2939頁参照)。このため、例えば緑色系から赤橙系色を出射する発光ダイオード(LED)或いはレーザーダイオード(LD)等の発光素子の構成層として利用されている(Appl.Phys.Lett.,64(21)(1994)、2839〜2841頁参照)。
【0003】
従来のpn接合型の、ダブルヘテロ(DH)構造の高輝度LEDにあって、AlGaInP発光層が備えられたDH構造発光部の上方には、窓層(ウィンドウ層)を配置するのが通例となっている(SPIE、Vol.3002(1997)、110〜118頁参照)。窓層は、発光の取り出し効率を向上させるため、発光層からの発光を吸収し難い、発光に対して透明な、禁止帯幅の大きな半導体材料から構成する必要がある。また、窓層は、発光面積を拡大するため、素子動作電流を広範に拡散する役目も担う結晶層であるから、出来る限り低抵抗の物質から構成するのが常套である。
【0004】
従来、窓層を透明酸化物から構成する例がある。例えば、アメリカ合衆国特許第5,481,122号の発明のAlGaInPLEDでは、p形オーミックコンタクト層上に酸化インジウム・錫(indium−tin oxide:略称ITO)層からなる窓層が配置されている。また、酸化インジウム、酸化錫、酸化亜鉛や酸化マグネシウムからなる透明被膜を設ける手段が開示されている(特開平11−17220号公報明細書参照)。
【0005】
また、ITO層を、AlGaInPLEDを構成するp形III−V族化合物半導体結晶層の積層表面の全面に設けた、亜鉛(Zn)若しくは金(Au)・Zn合金膜を介して設ける技術が開示されている(特開平11−4020号公報明細書参照)。AlGaInPLEDを構成する半導体結晶材料に比較すれば、この様な金属や合金膜は良導体である。従って、ITO窓層上に敷設された電極から流通される素子動作電流をAlGaInP発光部に向けて平面的に広範囲に拡散できる利点がある。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
酸化物窓層側から発光を外部に取り出す方式のLEDにあって、窓層に設けた電極の下方の領域からの発光は、電極に遮蔽されて外部へ効率的に取り出すことができない。従って、発光の取り出し方向に設けた電極の写影領域に流通される動作電流は、外部発光効率の向上に然したる貢献をせず、浪費されることとなる。
【0007】
特開平11−4020号公報に記載される従来の発明では、酸化物窓層の直下の全面に金属膜が配置される構成となっている。即ち、電極により発光が遮蔽される領域にも、素子動作電流を流通させる構成となっている。このため、効率的な高輝度化が充分に果たせないのが問題となっている。
【0008】
本発明では、酸化物窓層/金属(合金)層/p形III−V族化合物半導体LED構成層の積層構造を備えたAlGaInPLEDにあって、効率的に動作電流を流通できる積層構造を備えたAlGaInPLEDを提供する。
【0009】
【課題を解決するための手段】
発明者は、上記の課題を解決すべく鋭意努力検討した結果、本発明に到達した。即ち、本発明は、
[1]発光部、窓層、及び電極を有する発光ダイオードにおいて、発光部が(AlXGa1-X)YIn1-YP(0≦X≦1、0<Y≦1)層を含み、窓層が酸化物層を含み、発光部と窓層の間に金属元素を含む層を有し、該金属元素を含む層が積層平面上において非被覆領域を有し、該非被覆領域上に電極を有することを特徴とするpサイドアップ型の発光ダイオード、
[2]金属元素を含む層が、発光部側の層とオーミック接触していることを特徴とする請求項1に記載のpサイドアップ型の発光ダイオード、
[3]金属元素を含む層が、ニッケルを含むことを特徴とする[1]または[2]に記載のpサイドアップ型の発光ダイオード、
[4]金属元素を含む層が、酸化ニッケルを含むことを特徴とする[1]または[2]に記載のpサイドアップ型の発光ダイオード、
[5]窓層が、酸化亜鉛を含むことを特徴とする[1]〜[4]のいずれか1項に記載のpサイドアップ型の発光ダイオード、に関する。
【0010】
【発明の実施の形態】
本発明では、AlGaInP発光層に対して、その上方の発光の取り出し方向に配置されたIII−V族化合物半導体結晶層がp形層からなっている、所謂、pサイドアップ型のAlGaInPLEDを対象としている。
【0011】
本発明の実施形態に係わる金属元素を含む層(以下、金属層と略す)は、pサイドアップ型のAlGaInPLEDを構成し、また、酸化物を含む窓層(以下、酸化物窓層と略す)の被堆積層でもあるp形III−V族化合物半導体結晶層の表面に次の様な手法をもって形成できる。
(1)被堆積層の全面に一旦、金属層を被着させた後、公知のパターニング技法を利用して電極を形成する予定の領域に対応する金属層を、電極の底面形状に対応させて選択的に除去する方法。
(2)被堆積層の表面の、電極を形成する予定の領域に、電極の底面形状に対応した平面形状をもって、フォトレジスト材等の被覆材で予め被覆した後、金属層を被着させ、リフト−オフ(lift−off)法等を利用して、電極の形成予定領域に在る金属層のみを部分的に除去する方法。
【0012】
金属層を選択的に除去する領域の平面形状は、電極の平面形状と相似であるのが望ましい。例えば、円形電極にあっては、金属層を除去する領域も円形とするのが望ましい。また、電極の平面形状の中心と金属層を除去する領域の中心とは略合致させるのが望ましい。金属層を除去する領域の平面積は、電極の底面積と略同様とする。金属層を除去する領域の面積を電極の底面積に比べて極端に大とすれば、それだけ酸化物窓層とLED構成層との高抵抗な接合領域の面積が増し、動作電流が流通できる領域が縮小する。従って、高輝度化に支障を来す。金属層を除去する領域の平面積は、電極の底面積の大凡、0.7倍から1.2倍の範囲であるのが望ましい。
【0013】
また本発明では金属層を、p形III−V族化合物半導体結晶等の発光部側の層とオーミック接触をなす金属から構成すると、より好ましい酸化物窓層が得られる。p形III−V族化合物半導体結晶層とオーミック接合を形成できる金属には、周知の金−亜鉛(Au−Zn)合金がある。また、ニッケル(Ni)などの単体金属がある。また、ニッケル−アルミニウム(Ni−Al)合金、ニッケル−金(Ni−Au)、ニッケル−チタン(Ni−Ti)、ニッケル−銀(Ni−Ag)、ニッケル−モリブデン(Ni−Mo)、ニッケル−銅(Ni−Cu)などのNiを含む合金がある。これらの金属層は一般的な真空蒸着法、高周波スパッタリング法などを利用して被着できる。
【0014】
金属層をNiや酸化ニッケル(NiO)から構成するとIII−V族化合物半導体構成層と良好なオーミック接触性が発揮されて好ましい。特に、NiOを用いた場合、透光性に優れる酸化物窓層が構成される。
【0015】
NiOからなる金属層は例えば、NiOからなるターゲット材を用いて被着できる。また、III−V族化合物半導体構成層の表面上に一旦、Ni単体からなる膜を被着させた後、それを酸化させて形成できる。また、Ni単体からなる膜を被着させた後、引き続きその上に窓層をなす酸化物層を堆積し、然る後、熱処理を施せば、酸化物層内に含まれている酸素によりNi膜は酸化され、NiOに変換される。
【0016】
酸化物窓層は、例えば、酸化亜鉛(ZnO)、酸化錫(SnO2)、酸化インジウム(In2O3)、酸化チタン(TiO、TiO2)、酸化ガリウム(Ga2O3)、NiO、酸化マンガン(MnO)、酸化銅(CuO)等から構成できる。また、ITOなどの複合酸化物から構成できる。特に、AlGaInP発光層から出射される赤橙色帯域の発光を充分に透過できる、禁止帯幅にして約2エレクトロンボルト(eV)以上の酸化物は窓層の構成材料として好ましく利用できる。禁止帯幅がかくの如く大きく、また、比抵抗にして約1ミリオーム・センチメートル(mΩ・cm)或いはそれ以下の低抵抗率の、導電性の酸化物材料は、LEDの動作電流を平面的に拡散する電流拡散層を兼用する窓層として優位に利用できる。
【0017】
窓層は、複数の酸化物結晶層を重層させても構成できる。屈折率を上方に向けて漸次、小となる様に屈折率を相違する酸化物からなる結晶層を重層させれば、発光層から出射される発光を透過するのにより好都合な窓層が構成できる。例えば、下層をITOとし、上層を酸化亜鉛層とする重層構造窓層の例がある。
【0018】
p形のIII−V族化合物半導体構成層上に酸化物窓層を設ける本発明にあって、酸化物窓層を、ZnOを主体として構成すると好都合となる。III−V族化合物半導体結晶では、亜鉛はp形不純物として振る舞う。このため、酸化亜鉛を構成する亜鉛が仮に、p形III−V族化合物半導体構成層内に侵入しても、III−V族化合物半導体はp形の伝導を保持でき有利であることに依る。ZnOを主体とする酸化物とは、同物質を主成分として含有する酸化物を指す。例えば、酸化インジウム・亜鉛や酸化ガリウム・亜鉛などの複合酸化物がある。
【0019】
【実施例】
本実施例では、エピタキシャル積層構造体20上に、ZnOからなる窓層を備えたAlGaInPLED10を例にして、本発明を詳細に説明する。図1は本実施例に係わるLED10の断面模式図である。
【0020】
積層構造体20は、珪素(Si)ドープn形GaAs単結晶基板101、Siドープn形GaAs緩衝層102、Siドープn形(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5P下部クラッド層103、アンドープ(Al0.2Ga0.8)0.5In0.5P発光層104、及びマグネシウム(Mg)ドープp形(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5P上部クラッド層105から構成した。エピタキシャル構成層102〜105の各層は、トリメチルガリウム((CH3)3Ga)/トリメチルアルミニウム((CH3)3Al)/トリメチルインジウム((CH3)3In)/ホスフィン(PH3)系減圧MO−VPE法により730℃で成長させた。マグネシウムのドーピング源はビス−シクロペンタジエニルMg(bis−(C5H5)2Mg)を用いた。珪素のドーピング源は、ジシラン(Si2H6)を約10体積ppmの濃度で含むジシラン−水素混合ガスとした。
【0021】
基板101には、<011>方向に4゜傾斜したGaAs単結晶を用いた。基板101のキャリア濃度は約2×1019cm-3で、層厚は約300μmであった。GaAs緩衝層102の層厚(d)は1.5μmとし、キャリア濃度(n)は約2×1018cm-3とした。下部クラッド層103はd=3.5μmとし、n=3×1018cm-3とした。発光層104はd=0.2μmとし、キャリア濃度(p)=1×1017cm-3とした。上部クラッド層105はd=1μmとし、p=7×1017cm-3とした。
【0022】
p形(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5P上部クラッド層105の表面には、一般的な真空蒸着法によりNiからなる膜106を被着させた。膜厚は約10nmとした。被着直後のNi膜106は灰色であるのが視認された。一般的なフォトリソグラフィー技術を利用して、後に酸化物窓層上に設ける電極の底面形状に相似させて、電極を形成する予定の領域に在るNi膜106を、直径130μmの円形領域にわたり選択的に除去した。電極の平面形状の中心とNi膜106を削除した領域の中心とは略合致させた。
【0023】
金属層106上には、n形の伝導を呈する酸化亜鉛膜からなる窓層107を接合させた。酸化物窓層107は比抵抗を約9×10-4Ω・cmとするAlドープ酸化亜鉛から、高周波マグネトロンスパッタリング法により構成した。約300℃で堆積した酸化亜鉛層の厚さは約0.25μmとした。
【0024】
窓層107の表面上には、酸化亜鉛(屈折率=2.0)よりも小さな屈折率を有するSi3N4(屈折率約1.9)からなる絶縁膜を酸化物窓層107の表面保護膜108として堆積した。窒化珪素保護膜108はモノシラン(SiH4)とアンモニア(NH3)を原料とする公知のプラズマCVD法により被着させた。層厚は約0.15μmとした。
【0025】
n形GaAs基板101の裏面には、金(Au)−ゲルマニウム(Ge)合金(Au95重量%−Ge5重量%)膜を一般的な真空蒸着法により被着させた。膜厚は約0.5μmとした。然る後、アルゴン(Ar)気流中に於いて430℃で10分間、アロイング(alloying)処理を施して、n形オーミック電極110となした。
【0026】
アロイ(alloy)処理後にあっては、上記のNi膜106は脱色され、略透明となるのが視認された。これは、Ni膜106の上層をなす酸化亜鉛膜107に含有される酸素により、Ni膜106が酸化ニッケル(NiO)に変換されたためと考えられる。
【0027】
次に、p形電極109を形成する領域にある窒化珪素保護膜108を公知のフォトリソグラフィー技術を利用して部分的に除去した。窒化珪素保護膜108が除去され、窓層107をなす酸化亜鉛層が露出された領域には、酸化亜鉛層に接する下底部109aをTiとし、上層部109bをAlとした重層構造のp形電極109を形成した。p形電極109は、直径を約120μmとする円形電極とした。
【0028】
p形電極109及びn形オーミック電極110間に順方向に20ミリアンペア(mA)の電流を通流したところ、窓層107の略全面からほぼ一様に赤橙色の発光が得られた。分光器により測定された発光波長は約618nmであった。また、発光スペクトルの半値幅は約19nmであり、単色性に優れる発光が得られた。また、金属層106の配備により上部クラッド層105と窓層107との間のオーミック接合性は良好となった。このため、順方向電圧(@20mA)は平均して2.1ボルト(V)に低減された。また、LED間の順方向電圧は2.1V±0.1Vの均一な範囲に収納された。発光強度は約66ミリカンデラ(mcd)に到達した。
【0029】
(比較例)
実施例1に記載のエピタキシャル積層構造体の最表面をなすn形(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5P上部クラッド層の表面上に、Ni(NiO)膜を介在させずに直接、酸化亜鉛からなる酸化物窓層を接合させて、AlGaInPLEDを構成した。
【0030】
実施例1に記載の手法により形成したAlGaInPLEDは、順方向電流を20mAとした際の順方向電圧は約6Vと高い値となった。酸化物窓層とIII−V族化合物半導体構成層との間に金属層を介在させていないために、両層間でのオーミック接触性が不良であることに因る。発光の中心波長は、実施例1と略同様に約618nmであった。また、酸化物窓層の略全般から発光が認められず、窓層上の電極の、外周縁の極く周辺のみから発光が認められるに過ぎなかった。発光面積が極端に限定されたため、チップ状態での発光強度は約20mcdに留まった。本比較例に記す如く、金属層を電極の平面形状に関係する特定の位置に配置しない従来の構成では、オーミック接触性に優れるが故に順方向電圧が低く、高輝度のAlGaInPLEDを得るに不利であることが証された。
【0031】
【発明の効果】
本発明に依れば、AlGaInPLEDの酸化物窓層で良好なオーミック接触性が得られ、また発光面に動作電流を拡散できるため、順方向電圧が低く均一で、かつ発光効率に優れる高輝度の素子が提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】実施例1に記載のLEDの断面模式図である。
【符号の説明】
10 AlGaInPLED
20 積層構造体
101 GaAs単結晶基板
102 GaAs緩衝層
103 下部クラッド層
104 発光層
105 上部クラッド層
106 金属層
107 酸化物窓層
108 保護膜
109 p形電極
109a p形電極下底層
109b p形電極上層
110 n形オーミック電極
Claims (10)
- 裏面にn形オーミック電極を備えたn形GaAs基板上に設けられたp形(AlXGa1-X)YInYP、0≦X≦1、0<Y≦1)層を備えた発光部、金属酸化物からなる窓層、及び窓層上に設けられたp形電極を有するpサイドアップ型のAlGaInP発光ダイオードにおいて、p型電極の下部領域に光を透過する金属酸化物からなる窓層が設けられ、前記下部領域以外の領域にはNiO層がp形(AlXGa1-X)YInYP、0≦X≦1、0<Y≦1)層の表面に直接オーミック接触して設けられ、該NiO層上に光を透過する金属酸化物からなる窓層が設けられ、この窓層上には窓層の表面保護膜が設けられてなり、前記電極の下部領域が電極の平面形状と相似形であり、かつ中心が略一致し、面積が電極の底面の0.7〜1.2倍であるpサイドアップ型のAlGaInP発光ダイオード。
- 窓層の金属酸化物が、ZnOを主体とする金属酸化物であることを特徴とする請求項1に記載のpサイドアップ型のAlGaInP発光ダイオード。
- 窓層が、ZnOを主体とする金属酸化物層と、その層とは屈折率を相違する金属酸化物層とを備えた重層構造から構成されていることを特徴とする請求項1または2に記載のpサイドアップ型のAlGaInP発光ダイオード。
- 窓層が、上方に向けて、屈折率をより小とする、金属酸化物層を順次、重層させた重層構造から構成されていることを特徴とする請求項3に記載のpサイドアップ型のAlGaInP発光ダイオード。
- 窓層上に設けられている表面保護膜が、ZnOを主体とする金属酸化物層より小さな屈折率を有する材料から構成されていることを特徴とする請求項2乃至4の何れか1項に記載のpサイドアップ型のAlGaInP発光ダイオード。
- 表面保護膜が窒化珪素(Si3N4)から構成されていることを特徴とする請求項1乃至5の何れか1項に記載のpサイドアップ型のAlGaInP発光ダイオード。
- p形電極が、表面保護膜を部分的に除去して露出させた窓層に接して設けられていることを特徴とする請求項1乃至6の何れか1項に記載のpサイドアップ型のAlGaInP発光ダイオード。
- ZnOを主体とする金属酸化物層がアルミニウム(元素記号:Al)をドープしたn形ZnOを主体とするから金属酸化物層から構成されていることを特徴とする請求項2乃至7の何れか1項に記載のpサイドアップ型のAlGaInP発光ダイオード。
- 裏面にn形オーミック電極を備えたn形GaAs基板上にp形(AlXGa1-X)YInYP、0≦X≦1、0<Y≦1)層を備えた発光部、金属酸化物からなる窓層、窓層上にp形電極、及びp型電極の下部領域に光を透過する金属酸化物からなる窓層をそれぞれ設け、前記下部領域以外の領域にはNiO層をp形(AlXGa1-X)YInYP、0≦X≦1、0<Y≦1)層の表面に直接オーミック接触して設け、該NiO層上に光を透過する金属酸化物からなる窓層を設け、この窓層上に窓層の表面保護膜を設けてなり、前記電極の下部領域が電極の平面形状と相似形であり、かつ中心が略一致し、面積が電極の底面の0.7〜1.2倍であるpサイドアップ型のAlGaInP発光ダイオードの製造方法において、p形(AlXGa1-X)YInYP、0≦X≦1、0<Y≦1)層上に、Ni膜を被着させた後、p形電極の前記下部領域に在るNi膜を選択的に除去し、その後、Ni膜を除去した領域上及び残存しているNi膜上に前記金属酸化物膜を被着させ、その後、熱処理をして該金属酸化物膜を成す酸素によりNi膜を酸化してNiO層を形成することを特徴とするpサイドアップ型のAlGaInP発光ダイオードの製造方法。
- Ni膜を除去した領域上及び残存しているNi膜上に上記金属酸化物膜を被着させ、その後、GaAs基板の裏面にn形電極とする金属材料を被着させ、熱処理を施して、オーミック接触性のNiO層とn形オーミック電極とを同時に形成することを特徴とする請求項9に記載のpサイドアップ型のAlGaInP発光ダイオードの製造方法。
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