JP2001024220A

JP2001024220A - Ｉｉｉ族窒化物半導体発光ダイオード

Info

Publication number: JP2001024220A
Application number: JP19852999A
Authority: JP
Inventors: Takashi Udagawa; 隆宇田川
Original assignee: Showa Denko KK
Current assignee: Resonac Holdings Corp
Priority date: 1999-07-13
Filing date: 1999-07-13
Publication date: 2001-01-26

Abstract

(57)【要約】【課題】Ｓｉ単結晶基板上に、表面が平坦なＩＩＩ族窒
化物半導体連続膜を成膜し、発光を外部へ効率的に取り
出せる電極構成を備えたＬＥＤを得る。【解決手段】Ｓｉ基板表面にＢＰ低温緩衝層を介在させ
て、ＩＩＩ族窒化物半導体層を成膜し、その上に発光部
の中央領域を開口した枠状の電極を配置する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】珪素（Ｓｉ）単結晶基板上
に、リン化硼素（ＢＰ）緩衝層を介して、ＩＩＩ族窒化
物半導体積層構造体及び入・出力電極を有する発光ダイ
オードに関する。

【０００２】

【従来の技術】最近では、絶縁性のサファイア（α−Ａ
ｌ₂Ｏ₃）に代えて、導電性のＳｉ単結晶を基板として、
短波長可視光を発するＩＩＩ族窒化物半導体発光ダイオ
ード（ＬＥＤ）を構成する技術が報告されている（Ｅｌ
ｅｃｔｒｏｎ．Ｌｅｔｔ．，３３（３２）（１９９
７）、１９８６〜１９８７頁参照）。Ｓｉ単結晶基板上
にＩＩＩ族窒化物半導体層を積層するに際しては、窒化
ガリウム（ＧａＮ）等のＩＩＩ族窒化物半導体層との格
子ミスマッチ（ｍｉｓｍａｔｃｈ）を緩和するために、
薄い緩衝（バッファ）層を挿入することが行われてい
る。例えば、上記の文献（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．Ｌｅｔ
ｔ．）によれば、ｎ形の（１１１）−Ｓｉ基板上に厚さ
８ｎｍの窒化アルミニウム（ＡｌＮ）から成る緩衝層を
介して、Ｓｉドープのｎ形Ａｌ_0.04Ｇａ_0.96Ｎ、Ｇａ
Ｎ、及びマグネシウム（Ｍｇ）ドープｐ形Ａｌ _0.04Ｇａ
_0.96Ｎを備えた積層構造体によるＬＥＤが開示されてい
る。

【０００３】また、特開平２−２７５６８２号公報に記
載される発明には、ＢＰ結晶層から成る緩衝層を介し
て、Ｓｉ単結晶基板上にＩＩＩ族窒化物半導体層を堆積
する技術手段が示されている。これは、閃亜鉛鉱（ｚｉ
ｎｃｂｌｅｎｄ）結晶型のＢＰの格子定数が４．５３８
オングストロームであり、格子定数を４．５１０オング
ストロームとする立方晶（ｃｕｂｉｃ）のＧａＮとの格
子ミスマッチ度が約０．６％と小さいことに依る（渋澤
直哉、寺嶋一高、「日本結晶成長学会誌」、Ｖｏ
ｌ．２４（Ｎｏ．２）（１９９７）、１５０頁参照）。

【０００４】ＬＥＤを得るにあって、導電性のＳｉ単結
晶を基板とすれば、都合良くオーミック電極が形成でき
る利点がある（前記のＥｌｅｃｔｒｏｎ．Ｌｅｔｔ．参
照）。図１０に、Ｓｉやリン化ガリウム（化学式：Ｇａ
Ｐ）等の導電性単結晶基板表面上にＢＰ結晶層を備えた
従来のＬＥＤの断面図を例示する（特開平１０−２４２
５１４号公報参照）。特開平１０−２４２５１４に記載
される発明には、ｎ形の導電性ＧａＰ基板９２上に、有
機金属熱分解気相成長（ＭＯＣＶＤ）法により、Ｓｉド
ープのｎ形ＧａＰ緩衝層９３を介してＳｉドープのｎ形
ＢＰ結晶層９４が設けられ、その上のｎ形Ｇａ_0.5Ａｌ
_0.5Ｎ／ＢＰ超格子層９５とＭｇドープのｐ形Ｇａ_0.5Ａ
ｌ_0.5Ｎ／ＢＰ超格子層９６とから構成されるｐｎ接合
構造を備えた積層構造体９１からなるＬＥＤ９０が開示
されている。

【０００５】また、ｐ形Ｇａ_0.5Ａｌ_0.5Ｎ／ＢＰ超格子
層９６の中央部上には、インジウム（Ｉｎ）からなる陽
極のオーミック電極９７が配置されている。発光の取出
し方向に在る陽極のオーミック性電極９７は、結線用の
台座（パッド：ｐａｄ）電極を兼用しており、積層構造
体９１の最表層の中央部に唯一、配置される構成となっ
ている。一方、同じくＩｎから構成される陰極のオーミ
ック電極９８はｎ形ＧａＰ基板９２の裏面の全面に亘り
敷設されている（上記公報の図１参照）。

【０００６】Ｓｉ基板を用いて、ＩＩＩ族窒化物半導体
素子を形成する場合、Ｓｉ（格子定数（ａ）＝５．４３
１オングストローム）とＢＰ（ａ＝４．５３８オングス
トローム）との格子ミスマッチ度は、約１６．５％と大
きい（Ｊ．ＣｒｙｓｔａｌＧｒｏｗｔｈ，１３／１４
（１９７２）、３４６〜３４９頁参照）。このため、Ｓ
ｉ単結晶表面へのＢＰ結晶の成膜を行っても、四角錐状
のＢＰ成長島が散在した不連続なＢＰ結晶層が形成され
る（上記の「日本結晶成長学会誌」、Ｖｏｌ．２４参
照）。Ｓｉ基板表面上のＢＰ緩衝層が不連続であれば、
その上に連続性のあるＩＩＩ族窒化物半導体層は得られ
ない。また、四角錐状のＢＰ成長島が孤立して散在する
状況では、それを起源として突起が発生するため、表面
の平滑性に優れるＩＩＩ族窒化物半導体層は得られな
い。

【０００７】連続性に欠けるＩＩＩ族窒化物半導体層で
は、その不連続性のために通流抵抗が増加する。このた
め、ＩＩＩ族窒化物半導体層の中央部に単一の電極を配
置する従来法では、動作電流をＩＩＩ族窒化物半導体
層、しいては発光層の略全領域に拡散できず、発光面積
が充分に拡張できない問題がある。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、Ｓｉ単結晶
基板上にＢＰ緩衝層を介してＩＩＩ族窒化物半導体層を
形成する場合の問題点を解決し、連続性と表面平坦性に
優れるＩＩＩ族窒化物半導体層と、高輝度化に効果を奏
する電極を備えた、ＩＩＩ族窒化物半導体ＬＥＤを提供
することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明者は、上記の課題
を解決すべく鋭意検討した結果、本発明に到達した。即
ち、本発明は、［１］Ｓｉ単結晶基板上に、リン化硼素
から成る緩衝層を有する、ＩＩＩ族窒化物半導体発光ダ
イオードにおいて、上部クラッド層の上に中央部が開口
した枠状の電極を有することを特徴とする発光ダイオー
ド、［２］緩衝層が、多結晶のリン化硼素を主体として
形成されていることを特徴とする［１］に記載の発光ダ
イオード、［３］多結晶のリン化硼素が、リン化硼素多
量体（組成式Ｂ_αＰ_β：α≧６、β＝１または２）の含
有量が５重量パーセント以下であることを特徴とする
［２］に記載の発光ダイオード、［４］上部クラッド層
と枠状電極の間に、枠状電極に接して、ＩＩＩ族窒化物
半導体から成る電極形成層を有することを特徴とする
［１］〜［３］のいずれか１項に記載の発光ダイオー
ド、［５］枠状電極に接して、結線用の台座電極を有す
ることを特徴とする［４］に記載の発光ダイオード、
［６］電極形成層が、枠状電極及び台座電極と非オーミ
ック接触していることを特徴とする［５］に記載の発光
ダイオード、［７］台座電極を、枠状電極上に２つ以上
備えていることを特徴とする［５］または［６］に記載
の発光ダイオード、［８］枠状電極の開口部に、金属単
体または金属酸化物を含む、透光性で下地層とオーミッ
ク接触した薄膜電極が備えられていることを特徴とする
［１］〜［７］のいずれか１項に記載の発光ダイオー
ド、［９］枠状電極または台座電極の一部が、薄膜電極
に接して設けられていることを特徴とする［８］に記載
の発光ダイオード、［１］枠状電極または台座電極の裁
断線側の外縁端が、該裁断線と薄膜電極の外縁端との間
で終端していることを特徴とする［８］または［９］に
記載の発光ダイオード、に関する。

【００１０】

【発明の実施の形態】本発明に記載のＢＰ緩衝層は、主
にハロゲン（ｈａｌｏｇｅｎ）成長法、ハイドライド
（ｈｙｄｒｉｄｅ）成長法、及び有機金属熱分解成長
（ＭＯＣＶＤ）法などの気相成長手段を利用して構成で
きる。この場合、Ｂ_αＰ_β多量体の重量含有量が少ない
単量体のＢＰを主体とする緩衝層を形成することが好ま
しく、特にリン化硼素多量体の含有量を５重量％以下に
することが好ましい。このためには成膜温度を低温に設
定するのが効果的である。成膜温度を約７００℃以下、
望ましくは５５０℃以下とすれば、Ｂ_αＰ_β多量体の重
量含有量を５％以下とする、ＢＰ単量体を主体として成
るＢＰ緩衝層が得られる。しかし約２００℃以下の低温
では、上記の気相成長法で使用される三塩化硼素（化学
式：ＢＣｌ₃）やホスフィン（化学式：ＰＨ₃）等の成長
原料の熱分解効率が充分に高まらず、安定した成膜が達
成できず不都合である。好ましくは、２５０℃以上とす
れば、成長原料の分解効率も充分となり、安定して成膜
が果たせると共に、単量体ＢＰを主体とする緩衝層が構
成できる。

【００１１】２５０℃以上で５５０℃で成膜したＢＰ緩
衝層は、一般にＳｉ単結晶基板との接合領域がＢＰ単結
晶層を主体として構成され、その上方の領域は非晶質層
を主体として構成されている。接合界面近傍の単結晶層
はＳｉ単結晶基板と堅固に密着しているため、Ｓｉ基板
から容易に剥離しないＢＰ緩衝層がもたらされる。非晶
質層は、ＢＰ単結晶層と、緩衝層上に積層するＩＩＩ族
窒化物半導体層との格子の不整合性を緩和して、連続性
に優れるＩＩＩ族窒化物半導体層をもたらす効果があ
る。非晶質層上にＩＩＩ族窒化物半導体層等を積層する
ために高温の成膜環境下に曝する際には、ＢＰ単結晶層
を起源として非晶質層の単結晶化が促進される。このた
め、アズグローン（ａｓ−ｇｒｏｗｎ）状態で主に単結
晶と非晶質から構成される多結晶のＢＰ緩衝層は、高温
でのＩＩＩ族窒化物半導体層の積層により微小領域に多
結晶或いは非晶質を含む多結晶層に変換される。

【００１２】緩衝層を上記の内部結晶構成を有するＢＰ
結晶層から構成すれば、その上には連続性と表面の平滑
性に優れるＩＩＩ族窒化合物半導体層を積層でき、従っ
て、高強度の発光をもたらすｐｎ接合型ＤＨ（ダブルヘ
テロ）構造の発光部が構成できる。ｐｎ接合型のＤＨ発
光部は例えば、ｎ形窒化ガリウム（ＧａＮ）から成る下
部クラッド層、ｎ形窒化ガリウム・インジウム混晶（Ｇ
ａ_QＩｎ_1-QＮ：０＜Ｑ＜１）から成る発光層、及びｐ形
窒化アルミニウム・ガリウム混晶（Ａｌ_RＧａ₁ _-RＮ：０
＜Ｒ＜１）から成る上部クラッド層を順次、積層して構
成する。

【００１３】発光部を構成する、上部クラッド層上には
電極を形成するためのＩＩＩ族窒化物半導体から成る電
極形成層を設ける。ｐ形の上部クラッド層上には、ｐ形
のＩＩＩ族窒化物半導体から成る電極構成層を積層す
る。上部クラッド層がｎ形層であれば、電極形成層もｎ
形層とする。ｎ形またはｐ形の電極形成層は、発光層か
ら出射される発光を吸収しない、室温での禁止帯幅（＝
Ｅｇ）を大とする材料から構成するのが望ましい。電極
形成層を構成するに好適な材料の例には、ＧａＮ（Ｅｇ
＝３．３９ｅＶ）或いは砒化窒化ガリウム（ＧａＮ_1-T
Ａｓ_T：０≦Ｔ＜１）等の一般式Ａｌ_WＧａ_ZＩｎ_1-W-ZＭ
_TＮ_1-T（０≦Ｗ≦１、０≦Ｚ≦１、Ｗ＋Ｚ≦１、Ｍは窒
素以外の第Ｖ族元素で、０≦Ｔ＜１）などが挙げられ
る。

【００１４】発光層の上方に在る上部クラッド層を、電
極形成層として利用することも出来る。特に、上部クラ
ッド層がＩＩＩ族窒化物半導体混晶から構成されている
場合、層厚の増加方向に漸次、小となるＥｇをもたらす
様に組成に勾配を付した混晶層は上部クラッド層を兼ね
る電極形成層として好適に利用できる。例えば、混晶の
組成比を、発光層との接合面では、発光層内へのキャリ
アの閉じ込めを充分とするために発光層よりも約０．３
ｅＶ以上高いＥｇを与え、表面では、低接触抵抗のオー
ミック性電極を得るために発光層よりも僅かに大きなＥ
ｇを与えるものとするのが好ましい。

【００１５】本発明では、発光の外部取出し方向、即ち
電極形成層上に配置する電極を、発光の出射を遮蔽しな
い様に、発光部の周縁部に限定して配置する。図６は、
本実施形態に係わる発光の取出し方向に配置するオーミ
ック電極５１の平面形状例であって、発光部の上方に設
けられたＬＥＤ５０の電極形成層５３の周縁部に設けら
れている。オーミック電極５１は、ＬＥＤ５０の外周に
沿って枠状に配置された帯状の電極から構成されてい
る。即ち、発光部の中央領域は、オーミック電極５１を
構成する材料で被覆せずに開口される構成としている。
この様な帯状（線状）の電極をＬＥＤの外周囲に枠状に
配置すれば、発光部に等価的に給電を果たすのに優位と
なる。

【００１６】ＬＥＤの一般的なチップ（ｃｈｉｐ）平面
形状が大凡、一辺の長さを約１５０μｍから５００μｍ
程度とする略正方形であることを勘案すると、上記の枠
状電極を構成する帯状電極の線幅は概ね、約１０μｍか
ら約１５０μｍとするのが好ましい。線幅をＬＥＤの幅
の約１／３以上とすると、電極形成層の中央領域の開口
面積、即ち発光面積が縮小されるため、高輝度のＬＥＤ
を得るのに不都合となる。極く一般的な約３５０μｍ角
のＬＥＤチップの場合、発光面積（開口面積）と動作電
流を拡散できる範囲との兼ね合い、及びパターニングの
容易さなどを考慮すると実用上、好適な線幅は約１０μ
ｍから約５０μｍである。本発明に依るＢＰ緩衝層を形
成すれば、ＩＩＩ族窒化物半導体層は表面の平滑性と連
続性に優れるものとなるため、１０μｍ程度の線幅で電
極を構成しても断線も無く電極が構成できる。

【００１７】本発明では更に、帯状のオーミック電極５
１に電気的に接触する台座（パッド）電極５２を、ＬＥ
Ｄ５０の中央領域に配置せずに、その一端に設ける構成
となっている。従って、数μｍ程度の厚さを必要とする
台座電極をＬＥＤ５０の中央部に配置しない構成として
いるため、発光部の中央領域からの発光が効率良く外部
に取り出せる。オーミック電極５１は、それを形成する
窒化ガリウム（ＧａＮ）等のＩＩＩ族窒化物半導体層と
オーミック接触をなす材料から構成する。例えば、金
（Ａｕ）及びその合金、アルミニウム（Ａｌ）及びその
合金、インジウム（Ｉｎ）及びその合金、クロム（Ｃ
ｒ）やコバルト（Ｃｏ）またはチタン（Ｔｉ）等の遷移
金属、並びに酸化インジウム・錫（所謂、略称ＩＴＯ）
などの材料から構成できる。ちなみに、導電性Ｓｉ基板
の裏面側のオーミック電極は、ＡｌやＡｕなどのＳｉに
ついての周知のオーミック材料から構成できる。接触抵
抗の小さな裏面オーミック電極を得るには、比抵抗（抵
抗率）を数ミリオーム（ｍΩ）から数十ｍΩとする低抵
抗のＳｉ単結晶を基板として利用するのが好ましい。

【００１８】台座電極は、上記の材料に加え、非オーミ
ック材料からも構成できる。非オーミック性電極とは、
例えばショットキー（Ｓｃｈｏｔｔｋｙ）接触をなす整
流性を呈する材料から成る電極である。非オーミック電
極は例えば、金−亜鉛（Ａｕ−Ｚｎ）や金−ベリリウム
（Ａｕ−Ｂｅ）合金などから構成できる。特に、非オー
ミック性の材料から台座電極を構成すると、台座電極の
直下に在る発光部への直接的な動作電流の流通が妨げら
れ、台座電極に設けたオーミック電極へ優先的に動作電
流を流通できる効用がある。台座電極の平面形状は円
形、半円形、多角形或いは方形等とすれば良い。また、
その大きさは結線のし易さを勘案して円形の台座電極に
あっては直径を約７０μｍ以上に、正方形の台座電極の
場合は一辺を約７０μｍ以上とするのが好適である。直
径或いは一辺の長さを例えば、約１５０μｍ以上と不必
要に大きくすると、動作電流のＬＥＤチップの端部への
拡散には都合良いものの、発光面積の縮小を招き好まし
くはない。

【００１９】また、本発明では、オーミック電極に接触
させて、複数のパッド電極を配置する。パッド電極は、
同一の平面上の互いに対向する位置、更には、発光部の
中央領域を開口させて枠状に設けられるオーミック電極
の全長を略等分する位置に配置するのが好ましい。図７
に、最も好適に配置された２つのパッド電極を具備する
ＬＥＤ６０を平面模式図として例示する。正方形のＬＥ
Ｄ６０の周囲に設けた一辺の長さをＬとする正方形の枠
状オーミック電極６１上の、互いに対向する位置に台座
電極６２ａ、６２ｂが配置されている。台座電極６２
ａ、６２ｂの中心を通る中心線Ｃ−Ｃ’によってオーミ
ック電極６１は２Ｌの長さに等分割されている。しか
も、同一の極性の台座電極をこの様に配置すれば、同一
極性の電源の給電点が複数となるため、特に、オーミッ
ク電極を設置する半導体層の抵抗が高い場合に、発光部
に略均等に動作電流を供給できる。また、複数のパッド
電極を配置してその各々に結線しておけば、仮に一本の
結線が破断されても他の結線により動作電源が供給でき
る。上記の目的のためには、多くの台座電極を配置する
のが好適であるが、台座電極を数多く設ける程、その設
置に要する面積が増え、結果的に発光面積を縮小させ好
ましくない。台座電極の設置面積の増大による発光領域
の縮小を出来得る限り防ぎ、且つＬＥＤに安定して動作
電源を供給するには、台座電極数を２とする構成が好適
である。

【００２０】また、本発明では、台座電極と、それに電
気的に接触する透光性或いは透明な薄膜電極を電極形成
層上の開口部を被覆する様に設けたので、ＬＥＤの外周
囲に敷設された枠状電極を介して、電極形成層の広範囲
に亘り素子動作電流を供給できる。

【００２１】図８に示すＬＥＤを例にして説明すれば、
薄膜電極７３は、ＬＥＤ７０の中央部、即ち、発光部の
中央領域の上方の開口領域を被覆する如く設ける。透光
性或いは透明な薄膜電極７３は、ＬＥＤ７０の枠状電極
７１にも電気的に接触する様に設けるのが最も好まし
い。薄膜電極が配備されたＬＥＤでは、ＬＥＤの枠状電
極７１並び台座電極７２ａ、７２ｂは必ずしもオーミッ
ク性電極とする必要は無い。一方、薄膜電極は、下地層
とオーミック接触をなす材料から構成するのが最適であ
る。薄膜電極７３をオーミック電極とすれば、台座電極
７２ａ、７２ｂ及び枠状電極７１の非オーミック性故
に、素子動作電流が薄膜電極７３を介して優先的に且つ
全面的に発光部の中央領域に拡散され、高輝度のＬＥＤ
を得るのに好都合となる。

【００２２】光学的に透明または透光性の薄膜電極は、
真空蒸着法或いは高周波スパッタリング法またはＣＶＤ
法等の通常の薄膜被着手段により形成できる。透明薄膜
電極は、単体金属或いは金属酸化物膜を含む重層構造材
料から構成できる。複数の電極構成層を重層させて薄膜
電極を構成する場合は、電極形成層と接触させる下層部
はオーミック接触を果たす材料から構成する。例えば、
マグネシウム（Ｍｇ）をドーピングした閃亜鉛鉱型のｐ
形ＧａＮ表面にＡｕと酸化ニッケルから成る重層構造の
透光性薄膜電極を形成するにあっては、Ａｕ薄膜をＧａ
Ｎ表面に接合させて配置する。緩衝層を閃亜鉛鉱型の立
方晶ＢＰから構成すると、その上には立方晶のＩＩＩ族
窒化物半導体層が堆積できる。また、立方晶のＩＩＩ族
窒化物半導体では、そのバンド（ｂａｎｄ）構造から低
抵抗のｐ形層が簡便に得られる利点がある。従って、本
発明の如く緩衝層をＢＰから構成すれば、低接触抵抗の
オーミック性薄膜電極がもたらされる利点がある。

【００２３】例えば、酸化ニッケル（組成式ＮｉＯ_X：
概してＸは、１前後である）等の金属酸化物薄膜を備え
た薄膜電極にあっては、薄膜電極の全体の膜厚は透過率
の関係から約５０ｎｍ以下、望ましくは２０ｎｍ以下と
する。膜厚が極端に薄いと、薄膜の連続性が無くなり、
動作電流を拡散させる効果が殆ど得られなくなる。この
ため、膜厚は約２ｎｍを越えるものとするのが好まし
い。本発明の構成から成るＢＰ緩衝層上には、突起密度
が小さく表面の凹凸の小さいＩＩＩ族窒化物半導体層が
もたらされるため、連続膜から成る薄膜電極が形成され
やすく好ましい。

【００２４】枠状電極、台座電極および薄膜電極から構
成される電極においては、枠電極または台座電極を、薄
膜電極を圧着する如く、薄膜電極の一端上に設置し、一
部を電極形成層上に接触させて設けると、薄膜電極が電
極形成層表面から剥離するのを防ぐ効果がある。

【００２５】図９に、この実施形態に則り配置された電
極を備えたＬＥＤの平面模式図を例示する。ＬＥＤ８０
の最表層を構成するＩＩＩ族窒化物半導体層８４の中央
領域には透光性の薄膜電極８３が被着されている。薄膜
電極８３の端部には、枠状電極８１が薄膜電極８３をＩ
ＩＩ族窒化物半導体層８４に押着させるために設けら
れ、さらに、ＩＩＩ族窒化物半導体８４に対して非オー
ミック性の材料から成る台座電極８２ａ、８２ｂが接触
されている。台座電極８２ａ、８３ｂの一部はＩＩＩ族
窒化合物半導体８４の表面に直接、接触する様に配置さ
れている。

【００２６】ここで、台座電極８２ａ，８２ｂの外縁端
８５または枠状電極８１の外縁端は、チップに裁断する
ために利用される裁断線８６に至る迄は延在させないの
が好ましい。裁断線を覆う様に延在させれば、台座電極
とＩＩＩ族窒化物半導体層表面との接触面積が増し、薄
膜電極をより強力に押着できるが、逆にスクライブが困
難となる。ダイヤモンド結晶構造型のＳｉ単結晶は、
［１１０］結晶方向に劈開性を有する。従って、裁断線
を［１１０］に略平行に設けると、劈開により容易にチ
ップ化が果たせる。

【００２７】更に、上記の透光性の薄膜電極を備えた電
極構成にあって、台座電極と枠電極を電極形成層に対
し、非オーミック性材料から構成すれば、素子動作電流
を優先的に薄膜電極に供給でき、従って、発光部の中央
領域の略全域に亘り有効に動作電流の拡散を果たす電極
が構成できる。

【００２８】

【実施例】以下、本発明をＩＩＩ族窒化物半導体ＬＥＤ
を構成する場合を例にして具体的に説明する。

【００２９】（実施例１）図１に断面構造を示すＬＥＤ
１５０は、アンチモン（Ｓｂ）ドープｎ形の（００１）
Ｓｉ単結晶基板１０１上にアンドープのｎ形ＢＰ緩衝層
１０２を介して積層したＩＩＩ族窒化物半導体層を備え
る積層構造体２５０を母体材料として構成した。ＢＰ緩
衝層１０２は、三塩化硼素（ＢＣｌ₃）／三塩化リン
（ＰＣｌ₃）／水素（Ｈ₂）反応系ハロゲン（ｈａｌｏｇ
ｅｎ）ＶＰＥ法により３９０℃で成膜した。ＢＰ緩衝層
１０２の層厚は約３００ｎｍである。また、透過型電子
顕微鏡（ＴＥＭ）観察に依れば、成長温度を比較的低温
に設定したため、ＢＰ緩衝層１０２は、ａｓ−ｇｒｏｗ
ｎ状態でＳｉ単結晶基板１０１との接合界面近傍の領域
が単量体のＢＰ単結晶から主に成り、その上方が非晶質
の単量体ＢＰを主体として構成されていた。

【００３０】ＢＰ緩衝層１０２上には、発光部を構成す
るｎ形下部クラッド層１０３、ｎ形発光層１０４、及び
ｐ形上部クラッド層１０５を何れも一般的な常圧ＭＯＣ
ＶＤ法で９００℃で成膜した。下部クラッド層１０３
は、キャリア濃度を２．４×１０¹⁸ｃｍ^-3とし、層厚を
約１．５μｍとする立方晶のＳｉドープｎ形ＧａＮから
構成した。発光層１０４は、平均的なＩｎ組成比を０．
１とし、層厚を約３０ｎｍとする主に立方晶から成るｎ
形窒化ガリウム・インジウム混晶（Ｇａ_0.9Ｉｎ₀ _.1Ｎ）
層から構成した。上部クラッド層１０５は、Ａｌ組成に
勾配を付したＭｇドープｐ形窒化アルミニウム・ガリウ
ム混晶（Ａｌ_γＧａ_1- _γＮ）から構成した。Ａｌ組成比
（＝γ）は、層厚が０．２μｍに到達する間に０．２か
ら０（零）に単調に略直線的に減少させた。即ち、発光
層１０４との接合界面をＡｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎから構成し、
表面をＧａＮから構成するものとした。従って、Ｇａ
_0.9Ｉｎ_0.1Ｎ発光層１０４との接合界面での禁止帯幅の
差異は約０．６ｅＶとなった。Ａｌ_γＧａ_1- _γＮ（γ＝
０．２０〜０）上部クラッド層１０５は、表面に向けて
禁止帯幅を小とする様にアルミニウム組成比に勾配を付
しているため、電極構成層として兼用できる層となって
いる。

【００３１】電極形成層を兼ねる上部クラッド層１０５
上には、図２の平面模式図に示す如く枠状の電極１０６
と２つの台座電極１０７ａ、１０７ｂとを配置した。枠
状電極１０６は、一辺を約３５０μｍとする方形のＬＥ
Ｄ１５０の外周囲に線幅を約４０μｍとする帯状のＡｕ
被膜から成るオーミック性電極を方形に配置して構成し
た。枠状の電極とすることによって、ＬＥＤ１５０の中
央領域を開口させている。台座電極１０７ａ，１０７ｂ
は、上部クラッド層１０５上の対向する位置に設けた。
台座電極１０７ａ、１０７ｂは、上部クラッド層１０５
を構成するＡｌ _γＧａ_1- _γＮ（γ＝０．２０〜０）層に
対し非オーミック性材料である金・亜鉛（Ａｕ９７重量
％・Ｚｎ３重量％）被膜を下底部とし、Ａｕ被膜を上層
として構成した。下層の層厚は約０．２μｍとし、上層
の層厚は約１．３μｍとした。台座電極１０７ａ、１０
７ｂの中央部の横幅は約８０μｍとした。重層構造の台
座電極１０７ａ、１０７ｂを構成する下底部の一部は、
枠状電極１０６に接触させた。枠電極及び台座電極から
構成した正電極に対し、オーミック性負電極１０８は導
電性Ｓｉ単結晶基板の裏面の略全面にＡｌ膜を被着して
構成した。

【００３２】台座電極１０７ａ、１０７ｂにＡｕ線１０
９ａ、１０９ｂをボンデング（結線）して、双方のオー
ミック電極１０６、１０８に順方向に２０ミリアンペア
（ｍＡ）の動作電流を通流したところ、発光中心波長を
約４３０ｎｍとする青色光が出射された。一般的な積分
球を利用して測定したチップ状態での発光強度は、約１
５マイクロワット（μＷ）となった。

【００３３】（実施例２）図３の断面構造を有する積層
構造体４５０からＬＥＤ３５０を作製した。積層構造体
４５０は、Ｐドープｎ形（１００）−Ｓｉ単結晶基板２
０１上に、単量体のＢＰを主体とする第１の緩衝層構成
層２０２ａ及び単結晶ＢＰから成る第２の緩衝層構成層
２０２ｂから成るＢＰ緩衝層２０２、ｎ形下部クラッド
層２０３とｎ形発光層２０４とｐ形上部クラッド層２０
５とから構成されるｐｎ接合型発光部、及びｐ形電極形
成層２０６を順次、堆積して構成した。

【００３４】層厚を約０．２μｍとするアンドープでｎ
形の第１の緩衝層２０２ａは、ジボラン（Ｂ₂Ｈ₆）／ホ
スフィン（ＰＨ₃）／水素（Ｈ₂）常圧ＭＯＣＶＤ法によ
り４００℃で成膜した。第２の緩衝層構成層２０２ｂ
は、第１の緩衝層構成層２０２ａに接合させて、同様の
ＭＯＣＶＤ法により１０３０℃で成膜した。第２の緩衝
層構成２０２ｂの成膜時には、ジシラン（Ｓｉ₂Ｈ₆）を
ドーピング源としてＳｉを添加してｎ形のキャリア濃度
を約４×１０¹⁸ｃｍ^-3に調整し、層厚は約２μｍとし
た。高温での第２の緩衝層構成層２０２ｂの、成長終了
後の時点で、ａｓ−ｇｒｏｗｎ状態で単結晶と非晶質と
から構成されていた第１の緩衝層２０２ａは、配向を異
にする単結晶体を一部の微小領域に含む、所謂、多結晶
体に変換されていた。

【００３５】下部クラッド層２０３は、キャリア濃度を
約２×１０¹⁸ｃｍ^-3とし、層厚を約３μｍとするＳｉド
ープｎ形ＧａＮから構成した。発光層２０４は、インジ
ウム組成比を異にする複数の相から成り、平均的なＩｎ
組成比を約０．１２とする多相構造のｎ形窒化ガリウム
・インジウム混晶（Ｇａ_0.88Ｉｎ_0.12Ｎ）から構成し
た。ｎ形Ｇａ_0.88Ｉｎ_0.12Ｎ層２０４のキャリア濃度は
約２×１０¹⁸ｃｍ^-3とし、層厚は約１０ｎｍとした。上
部クラッド層２０５は、層厚を約８０ｎｍとし、キャリ
ア濃度を約２×１０¹⁷ｃｍ^-3とするＭｇドープｐ形Ａｌ
_0.10Ｇａ_0.90Ｎから構成した。電極形成層２０６は、キ
ャリア濃度を約３×１０¹⁷ｃｍ^-3とし、層厚を約０．１
μｍとするＭｇドープＧａＮから構成した。９００℃に
於いてＭＢＥ法で成長させたこれらのＩＩＩ族窒化物半
導体層２０３〜２０６は、閃亜鉛鉱型のＢＰから成る緩
衝層２０２上に設けたため、何れも立方晶を主体とし、
しかも表面が平滑な連続膜となった。

【００３６】電極形成層２０６上には、図４の平面模式
図に示す如く、線幅を約３０μｍとする枠状の電極２０
７と、２つの台座電極２０８ａ、２０８ｂ及び透光性の
薄膜電極２０９とから成る電極を配置した。薄膜電極２
０９は、下層をＡｕを主成分とし、上層を酸化ニッケル
を主成分とする重層構造から構成し、合計の膜厚は約１
５ｎｍとした。薄膜電極２０９の外縁部上に配置した枠
電極２０７は、電極形成層２０６に対し非オーミック性
材料である金・ゲルマニウム（Ａｕ９７重量％・Ｇｅ３
重量％）から構成した。Ａｕ・Ｇｅ被膜は通常の真空蒸
着法により被着させ、膜厚は約０．７μｍに設定した。
２つの台座電極２０８ａ、２０８ｂは、薄膜電極２０９
上の互いに対向する位置に設けた。台座電極２０８ａ、
２０８ｂは、電極形成層２０６を構成するｐ形ＧａＮに
対し非オーミック性材料であるＡｕ・Ｚｎ電極から構成
した。台座電極２０８ａ、２０８ｂの平面形状は、長辺
を約１００μｍとし、短辺を約８０μｍとする長方形と
した。同一の極性を有する台座電極２０８ａ、２０８ｂ
の外周囲の一部は、枠電極２０７に電気的に導通させて
設けた。陰極のオーミック性電極２１０は、ｎ形Ｓｉ基
板２０１の裏面の全面にＡｌ膜を被着して形成した。

【００３７】台座電極２０８ａ、２０８ｂにＡｕ線２１
１ａ、２１１ｂをボンデングした。当該台座電極と枠電
極２０７とを介して薄膜電極２０９側に順方向に２０ｍ
Ａの動作電流を通流したところ、発光中心波長を約４５
０ｎｍとする青色光が出射された。一般的な積分球を利
用して測定されるチップ状態での発光強度は、約１９μ
Ｗであった。

【００３８】（実施例３）実施例２に記載した積層構造
体の最表層を構成する電極形成層２０６上に図５の平面
模式図に示す如く電極を配置してＬＥＤ５５０を構成し
た。

【００３９】電極は実施例２に記載の、Ａｕ／ＮｉＯ_X
（Ｘは大凡、１である）薄膜電極２０９、枠状電極２０
７、及び台座電極２０８ａ、２０８ｂから構成した。電
極形成層２０６上には、先ず薄膜電極２０９を形成し、
次に、薄膜電極２０９上に、枠状電極２０７を、その一
部が電極形成層２０６上に均等な幅をもって接触する様
に形成し、最後に一部が薄膜電極２０９に接触し、一部
が電極形成層２０６に接する様に枠電極２０７を越えて
延在させた台座電極２０８ａ、２０８ｂを設置して構成
した。電極形成層２０６に対し非オーミック性の材料か
ら成る枠状電極２０７の内縁側は、オーミック性薄膜電
極２０９の上部に載置し、外縁側は電極形成層２０６の
表面に直接、接触させて設けた。枠状電極２０７を構成
する線幅を約５０μｍとする帯状電極にあって、幅約３
０μｍの内縁領域を薄膜電極２０９上に載置した。電極
形成層２０６の表面に接触する外縁側の幅は約２０μｍ
とした。また、非オーミック性の台座電極２０８ａ、２
０８ｂの外縁端の一部を延在させて電極形成層２０６の
表面に接触させた。延在させた台座電極２０８ａ、２０
８ｂは、［１１０］方位に平行にして設けた裁断線２１
２に到達せずに終端させた。枠状電極２０７より外部に
延在させた台座電極２０８ａ、２０８ｂの幅は約１５μ
ｍとした。裁断線２１２と延在させた台座電極の終端部
との距離は約１０μｍとした。電極を形成した後、裁断
線２１２を利用してスクライブ法により劈開し、チップ
となした。

【００４０】（比較例）実施例２に記載した積層構造体
の最表層を構成する電極形成層上の略全面に実施例２に
記載の透光性薄膜電極を敷設した。また、その薄膜電極
の中心に直径が１００μｍの円形オーミック性台座電極
を配置して、従来の一般的な配置から成るＬＥＤを構成
した。本比較例と上記の実施例３のＬＥＤとに、２０ｍ
Ａの順方向電流を通流して、発光面積及び発光強度を比
較した。本比較例のＬＥＤにあっては、中心波長を約４
５０ｎｍとする青色の発光を呈する領域は、円形台座電
極の周辺の、幅が約２０μｍの領域に限定されていた。
一方、実施例３のＬＥＤでは、発光領域は薄膜電極の略
全面に及んだ。また、本比較例のＬＥＤでは、円形台座
電極の周囲から外側に向けて発光強度の減衰するのが視
認された。一方、実施例３のＬＥＤでは、発光領域に於
ける発光の強度は、本発明に係わる枠電極と台座電極と
の配置により薄膜電極に略均等に給電が果たせるため、
略均一となった。このため、チップ状態での発光強度
は、本比較例の約２．５倍の約２０μＷとなった。

【００４１】

【発明の効果】本発明に依れば、連続性と表面の平坦性
に優れるＩＩＩ族窒化物半導体層を利用してＬＥＤを構
成でき、また、発光の取り出しに都合の良い電極構造が
得られれる為、発光強度に優れるＩＩＩ族窒化物半導体
ＬＥＤがもたらされる効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例１に記載のＬＥＤの断面構造であって、
図２の破線Ａ−Ａ’に沿った縦断面図である。

【図２】実施例１に記載のＬＥＤの平面模式図である。

【図３】実施例２に記載のＬＥＤの断面構造であって、
図４の破線Ｂ−Ｂ’に沿った縦断面図である。

【図４】実施例２に記載のＬＥＤの平面模式図である。

【図５】実施例３に記載のＬＥＤの平面模式図である。

【図６】本発明に係わる電極の形状例を示す平面模式図
である。

【図７】本発明に係わる台座電極の配置例を示す平面模
式図である。

【図８】本発明のＬＥＤの平面模式図である。

【図９】本発明のＬＥＤの平面模式図である。

【図１０】従来のＬＥＤの断面模式図である。

【符号の説明】５０ＬＥＤ５１枠状電極５２台座電極５３電極形成層６０ＬＥＤ６１枠状電極６２ａ台座電極６２ｂ台座電極７０ＬＥＤ７１枠状電極７２ａ台座電極７２ｂ台座電極７３薄膜電極８０ＬＥＤ８１枠状電極８２ａ台座電極８２ｂ台座電極８３薄膜電極８４ＩＩＩ族窒化物半導体最表層８５台座電極の外縁端８６裁断線９０ＬＥＤ９１積層構造体９２ｎ形ＧａＰ基板９３ｎ形ＧａＰ緩衝層９４ｎ形ＢＰ結晶層９５ｎ形Ｇａ_0.5Ａｌ_0.5Ｎ／ＢＰ超格子層９６ｐ形Ｇａ_0.5Ａｌ_0.5Ｎ／ＢＰ超格子層９７陽極電極９８陰極電極１０１Ｓｉ単結晶基板１０２ＢＰ単量体緩衝層１０３ｎ形ＧａＮ層（下部クラッド層）１０４ＧａＩｎＮ活性層（発光層）１０５ｐ形ＡｌＧａＮ層（上部クラッド層）１０６方形枠状電極１０７ａ非オーミック性台座電極１０７ｂ非オーミック性台座電極１０８オーミック性電極１０９ａボンディングワイヤ１０９ｂボンディングワイヤ１５０ＬＥＤ２０２ａ緩衝層構成層２０２ｂ緩衝層構成層２０３ｎ形ＧａＮ層（下部クラッド層）２０４ＧａＩｎＮ活性層（発光層）２０５ｐ形ＡｌＧａＮ層（上部クラッド層）２０６電極形成層２０７方形枠状電極２０８ａ非オーミック性台座電極２０８ｂ非オーミック性台座電極２０９薄膜電極２１０オーミック性電極２１１ａボンディングワイヤ２１１ｂボンディングワイヤ２１２裁断線２５０積層構造体３５０ＬＥＤ４５０積層構造体５５０ＬＥＤ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】Ｓｉ単結晶基板上に、リン化硼素から成る
緩衝層を有する、ＩＩＩ族窒化物半導体発光ダイオード
において、上部クラッド層の上に中央部が開口した枠状
の電極を有することを特徴とする発光ダイオード。
【請求項２】緩衝層が、多結晶のリン化硼素を主体とし
て形成されていることを特徴とする請求項１に記載の発
光ダイオード。
【請求項３】多結晶のリン化硼素が、リン化硼素多量体
（組成式Ｂ_αＰ_β：α≧６、β＝１または２）の含有量
が５重量パーセント以下であることを特徴とする請求項
２に記載の発光ダイオード。
【請求項４】上部クラッド層と枠状電極の間に、枠状電
極に接して、ＩＩＩ族窒化物半導体から成る電極形成層
を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項
に記載の発光ダイオード。
【請求項５】枠状電極に接して、結線用の台座電極を有
することを特徴とする請求項４に記載の発光ダイオー
ド。
【請求項６】電極形成層が、枠状電極及び台座電極と非
オーミック接触していることを特徴とする請求項５に記
載の発光ダイオード。
【請求項７】台座電極を、枠状電極上に２つ以上備えて
いることを特徴とする請求項５または６に記載の発光ダ
イオード。
【請求項８】枠状電極の開口部に、金属単体または金属
酸化物を含む、透光性で下地層とオーミック接触した薄
膜電極が備えられていることを特徴とする請求項１〜７
のいずれか１項に記載の発光ダイオード。
【請求項９】枠状電極または台座電極の一部が、薄膜電
極に接して設けられていることを特徴とする請求項８に
記載の発光ダイオード。
【請求項１０】枠状電極または台座電極の裁断線側の外
縁端が、該裁断線と薄膜電極の外縁端との間で終端して
いることを特徴とする請求項８または９に記載の発光ダ
イオード。