JP2001036130A - 窓層を備えたAlGaInP発光ダイオード - Google Patents

窓層を備えたAlGaInP発光ダイオード

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JP2001036130A
JP2001036130A JP20450099A JP20450099A JP2001036130A JP 2001036130 A JP2001036130 A JP 2001036130A JP 20450099 A JP20450099 A JP 20450099A JP 20450099 A JP20450099 A JP 20450099A JP 2001036130 A JP2001036130 A JP 2001036130A
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Ryoichi Takeuchi
良一 竹内
Wataru Nabekura
亙 鍋倉
Takashi Udagawa
隆 宇田川
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Abstract

(57)【要約】 【課題】良好なオーミック接触性を発揮する酸化物窓層
を備えた、高輝度のAlGaInP発光ダイオードを得
る。 【解決手段】窓層を酸化物から形成し、発光部と窓層の
間に窓層に接して金属薄膜層を設ける。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】良好なオーミック接触性を発
揮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】
【従来の技術】(AlXGa1-XYIn1-YP(0≦X≦
1、0<Y≦1)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(GaA
s)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)(1
990)、2937〜2939頁参照)。このため、例
えば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.Let
t.,64(21)(1994)、2839〜2841
頁参照)。
【0003】従来のpn接合型ダブルヘテロ(DH)構
造の高輝度(AlXGa1-XYIn1 -YPLED(以下、
AlGaInPLEDと略す)にあって、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(199
7)、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LEDを構成するIII−V
族化合物半導体結晶層へ広範に拡散する必要があり、出
来る限り低抵抗の結晶層から構成することが行われてい
る。
【0004】従来、窓層を透明な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5,481,1
22号の発明に依る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(ind
ium−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】
【発明が解決しようとする課題】酸化物結晶の多くは、
室温で3eVを越えるより大きな禁止帯幅を有し、発光
の外部への取り出しに優位な窓層を構成できる。一方
で、酸化物結晶とAlGaInPLEDを構成するII
I−V族化合物半導体結晶とでは、良好なオーミック接
触性が安定して顕現されない。このため、LEDの順方
向電圧(所謂、Vf)を低減できず、また、均一なVf
を得るのに支障を来している。
【0006】本発明の課題は、AlGaInPLEDに
おいて、酸化物窓層のオーミック接触性を高め、発光効
率に優れる高輝度の素子を提供することにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】発明者らは上記の問題を
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薄膜層を有
し、かつ該金属薄膜層が窓層と接していることを特徴と
する発光ダイオード、[2]金属薄膜層が積層平面上に
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[1]に記載の発光ダイオード、
[3]金属薄膜層が、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[1]または[2]に記載の発
光ダイオード、に関する。
【0008】
【発明の実施の形態】本発明の実施形態に係わる酸化物
窓層は、例えば、酸化亜鉛(ZnO)、酸化錫(SnO
2)、酸化インジウム(In23)、酸化チタン(Ti
0、TiO2)、酸化ガリウム(Ga23)、酸化ニッ
ケル(NiO)、酸化マンガン(MnO)、酸化銅(C
uO)等から構成できる。また、ITOなどの複合酸化
物からも構成できる。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2eV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。これらの禁止帯幅が大きく、
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利用できる。
【0009】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が好ましい。
【0010】酸化亜鉛或いはITOはn形の伝導性を呈
するため、この様な酸化物からなる窓層はn形のAlG
aInPLED構成層上に設ける。p形構成層に接合さ
せて設けるとpn接合が形成され、Vfを徒に増加させ
かねないからである。n形のAlGaInPLED構成
層の例として、n形砒化ガリウム(GaAs)層、n形
砒化アルミニウム・ガリウム層(AlXGa1-XAs:0
≦X≦1)、n形(AlXGa1-XYIn1-YP(0≦X
≦1、0<Y≦1)が挙げられる。
【0011】本発明では、上記の如くのn形III−V
族化合物半導体結晶層上に金属薄膜層を介して、酸化物
からなる窓層を設けるのを特徴としている。金属薄膜層
を介して酸化物窓層を配備することにより、AlGaI
nPLED構成層と良好なオーミック接合性を保有する
酸化物窓層が形成できる。また、金属薄膜層を介在させ
ておけば、金属の良導体としての性質を利用してLED
動作電流を横方向に平面的に拡散できる。即ち、動作電
流の拡散領域が拡張され、従って、発光面積が拡大する
ため、より高輝度のAlGaInPLEDが提供でき
る。
【0012】また本発明では、金属薄膜層が積層平面上
において非被覆領域を有し、該非被覆領域上に電極を有
する様な構成にすると更に効果的である。すなわち、酸
化物窓層の表面上に設ける電極の直下の領域に在る金属
薄膜層を、選択的に除去した構成とすると、電極直下の
領域は窓層と発光部側の層とが、金属薄膜層を介さずに
直接、接合することとなる。これより、電極直下の領域
では、金属薄膜が被着された他の領域よりも高抵抗の接
合が構築され、動作電流を優先的に他の領域に流入させ
ることができる。そして、電極に遮蔽され、発光が外部
へ取り出せない領域に流れる動作電流を他の領域に優先
的に供給できるため、発光効率に優れるAlGaInP
LEDが提供できる。
【0013】金属薄膜を選択的に除去する領域の素子上
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、金属薄膜を除去する
領域も円形とするのが望ましい。また、電極の平面形状
の中心と金属薄膜を除去する領域の中心とは略合致させ
るのが望ましい。金属薄膜を除去する領域の面積は、電
極の底面積と略同じとする。金属薄膜を除去する領域の
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。金属薄膜を除去する領域の
平面積は、電極の底面積の大凡、0.7倍から1.2倍
の範囲であるのが好ましい。
【0014】金属薄膜が極端に厚いと、発光の吸収が顕
著となり、発光の外部への取り出し効率が低下する。一
方、数オングストロームと極端に薄いとAlGaInP
LED構成層の表面を充分に均一に被覆するに至らず、
不均一なオーミック接合特性がもたらされる。従って、
金属薄膜の層厚は、大凡、1ナノメータ(nm)を越
え、約50nm未満であるのが望ましい。特に、2nm
以上で30nm以下の範囲にあるのが好ましい。換言す
れば、金属薄膜の表面と、金属薄膜の被堆積層(本発明
では、特に、n形のIII−V族化合物半導体構成層)
表面との段差、即ち、金属薄膜の被覆領域と被被覆領域
の境界に於ける段差は、上記の好ましい金属薄膜の膜厚
の範囲に於いて、2nm以上で30nm以下となること
を意味する。
【0015】本発明における金属薄膜層は、例えば、ア
ルミニウム(Al)、金(Au)、白金(Pt)、アン
チモン(Sb)、銀(Ag)やチタン(Ti)、ニッケ
ル(Ni)、クロム(Cr)などの遷移金属類、モリブ
デン(Mo)、バナジウム(V)などの高融点金属類、
及びそれらの合金から構成できる。特に、AlGaIn
PLEDを構成するn形のIII−V族化合物半導体等
の発光部側の層に対してオーミック接触をなす単体金属
或いは合金から構成すると、Vfの低減が効率的に達成
される。例えばNi、インジウム(In)、インジウム
−錫(In−Sn)合金、金−ゲルマニウム(Au−G
e)合金、金−錫(Au−Sn)、金−インジウム(A
u−In)合金が挙げられる。Ni等の遷移金属の酸化
物、例えば酸化ニッケル(NiO)からも構成できる。
【0016】
【実施例】(実施例1)本実施例では、エピタキシャル
積層構造体20上に、ITOとの重層構造の窓層を備え
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。
【0017】積層構造体20は、亜鉛(Zn)ドープp
形GaAs単結晶基板101、マグネシウム(Mg)ド
ープp形GaAs緩衝層102、Mgドープp形(Al
0.7Ga0.30.5In0.5P下部クラッド層103、アン
ドープ(Al0.2Ga0.80 .5In0.5P発光層104、
及び珪素(Si)ドープn形(Al0.7Ga0.30.5
0.5P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((CH33Ga)/トリメチルアルミニウム
((CH33Al)/トリメチルインジウム((C
33In)/ホスフィン(PH3)系減圧MO−VP
E法により730℃で成長させた。亜鉛のドーパント源
にはジエチル亜鉛((C252Zn)を、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
((C552Mg)を用いた。珪素のドーピング源
は、ジシラン(Si26)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。
【0018】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(p)は約2×1018cm-3とし
た。下部クラッド層103はd=3.5μmとし、p=
3×1018cm-3とした。発光層104はd=0.2μ
mとし、キャリア濃度(n)=1×1017cm-3とし
た。上部クラッド層105はd=1μmとし、n=7×
1017cm-3とした。
【0019】n形(Al0.7Ga0.30.5In0.5P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からなる薄膜106を被着させた。膜厚は約10
nmとした。被着直後のNi膜106は灰色であるのが
視認された。
【0020】金属薄膜106上には、n形の伝導を呈す
るITO膜からなる窓層107を接合させた。透明の導
電性窓層107は比抵抗を約9×10-4Ω・cmとする
ITO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ITO層の厚さは約
0.25μmとした。
【0021】窓層107の表面上には、ITOよりも小
さな屈折率を有する窒化珪素(Si 34)(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。
【0022】p形GaAs基板101の裏面には、Au
−Zn合金(Au98重量%−Zn2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43
0℃で5分間、アロイング(alloying)処理を
施して、p形オーミック電極110とした。
【0023】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ITO膜1
07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。
【0024】次に、n形電極109を形成する領域の窒
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ITO層が露出された領域
には、ITO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n形電極109を
形成した。n形電極109は、直径を約120μmとす
る円形電極とした。
【0025】n形電極109及びp形オーミック電極1
10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620nmであった。また、発光スペクトルの半値
幅は約18nmであり、単色性に優れる発光が得られ
た。また、金属薄膜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1.94ボルト(V)に低減された。発光強度は約4
2ミリカンデラ(mcd)に到達した。
【0026】(実施例2)実施例1に記載のエピタキシ
ャル積層構造体20の表面上に実施例1とは異なる金属
材料からなる薄膜を設けてなるAlGaInPLEDを
例にして本発明を説明する。
【0027】図2に本実施例に係わる積層構造体40か
らなるAlGaInPLED30の断面構造を模式的に
示す。上記の実施例1の積層構造体20(図1)と同一
の構成要素には、同一の符号を付してその説明を省略す
る。
【0028】本実施例では、金属薄膜106をAu−G
e合金(Au95重量%−Ge3重量%)から構成し
た。金属薄膜106の膜厚は約8nmとした。次に、公
知のフォトリソグラフィー技術を利用して、n形電極1
09を敷設する領域の直下に在る金属薄膜106を選択
的に除去した。n形電極109が、直径約120μmの
平面形状を円形とする電極であることに対応して、金属
薄膜106を除去する領域は直径130μmとする円形
とした。円形のn形電極109の中心と、金属薄膜10
6を除去する領域の中心とは略合致させた。ちなみに、
Au・Ge合金膜を残置させた領域とそれを選択的に除
去した領域との段差は、約8nmとなった。
【0029】次に、金属薄膜106上にITO層107
aを一般のマグネトロンスパッタリング法を利用して堆
積した。ITO層107aの層厚は約0.3μmとし
た。ITO層107aの比抵抗は、約7×10-3Ω・c
mとした。ITO層107a上には、ITOよりも屈折
率を小とするAlドープのn形ZnO層(屈折率=2.
0)107bを重層させた。Alドープn形ZnO層
は、一般的なマグネトロンスパッッタリング法により堆
積した。スパッタリング圧力は約0.8トール(Tor
r)とし、堆積温度は約300℃とした。高周波電力は
約100ワット(W)とし、堆積時間を25分間として
約0.25μmの層厚のZnO層107bを得た。IT
O層を第1の窓層構成層107a、ZnO層を第2の窓
層構成層107bとして透明導電性窓層107を構成し
た。
【0030】ZnOからなる第2の窓層構成層107b
上には、窒化珪素からなる保護膜108を成膜した。n
形電極109を形成する予定の領域に在る保護層108
を一般的なプラズマエッチング法により選択的に除去し
て、ZnO層107bの表面を露呈させた後、同領域に
直径を約120μmとするAu円形電極109を設け
た。これより、n形電極109の直下の電極109の写
影領域には、金属薄膜106はなく、n形電極109の
周辺領域に限定して金属薄膜106を配置した構成とし
た。
【0031】GaAs基板101の裏面には金・亜鉛合
金(Au98重量%−Zn2重量%合金)を真空蒸着し
た後、420℃で2分間合金化(アロイ)処理を施して
p形オーミック電極110を形成した。然る後、一辺を
約350μmとする略正方形の個別のチップに裁断して
LED30となした。
【0032】金属薄膜106をAu−Ge合金から構成
した場合、実施例1のNi膜とは異なり、p形電極のア
ロイ後に於いて特に顕著な脱色は視認されなかった。
【0033】n形電極109及びp形オーミック電極1
10間に順方向に20mAの電流を通流したところ、金
属薄膜106が敷設されている窓層107の略全面から
ほぼ均等な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620nmであった。また、発光ス
ペクトルの半値幅は約18nmであり、単色性に優れる
発光が得られた。順方向電圧(@20mA)は1.95
±0.03Vと低く、且つ均一であった。また、素子動
作電流をn形電極109の直下の領域よりも、電極10
9の写影領域以外の金属薄膜106が埋設された領域に
優先的に供給できるため、発光強度は実施例1のLED
10より高く、約60mcdに到達した。
【0034】
【発明の効果】本発明に依れば、AlGaInPLED
を構成するIII−V族化合物半導体結晶層と酸化物窓
層とで良好なオーミック接触性が発現され、順方向電圧
が低く且つ均一で、発光効率に優れる高輝度のAlGa
InPLED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。
【図2】実施例2に記載のLEDの断面模式図である。
【符号の説明】
10 AlGaInP LED 20 積層構造体 30 AlGaInP LED 40 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 金属薄膜 107 窓層 107a 第1の窓層構成層 107b 第2の窓層構成層 108 保護膜 109 n形電極 109a n形電極下底部 109b n形電極上層部 110 p形オーミック電極
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 宇田川 隆 埼玉県秩父市下影森1505番地 昭和電工株 式会社総合研究所秩父研究室内 Fターム(参考) 5F041 AA03 CA04 CA12 CA34 CA35 CA36 CA41 CA46 CA65 CA88

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項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-XYIn1-Y
    (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薄膜層を有し、かつ該
    金属薄膜層が窓層と接していることを特徴とする発光ダ
    イオード。
  2. 【請求項2】金属薄膜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
    する請求項1に記載の発光ダイオード。
  3. 【請求項3】金属薄膜層が、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または2に記載
    の発光ダイオード。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO2003049205A1 (fr) * 2001-11-30 2003-06-12 Shin-Etsu Handotai Co.,Ltd. Element emetteur de lumiere et procede de fabrication correspondant
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