JP2001068730A

JP2001068730A - ＡｌＧａＩｎＰ発光ダイオード

Info

Publication number: JP2001068730A
Application number: JP23772299A
Authority: JP
Inventors: Takashi Udagawa; 隆宇田川; Wataru Nabekura; 亙鍋倉; Ryoichi Takeuchi; 良一竹内
Original assignee: Showa Denko KK
Current assignee: Resonac Holdings Corp
Priority date: 1999-08-25
Filing date: 1999-08-25
Publication date: 2001-03-16
Anticipated expiration: 2019-08-25
Also published as: JP4402214B2

Abstract

(57)【要約】【課題】高輝度のＡｌＧａＩｎＰＬＥＤを得るのに好都
合な透明窓層の構成要件と積層構成を提供する。【解決手段】窓層をＩＩ−ＶＩ族化合物半導体層と、金
属酸化物層、特にＩＩ−ＶＩ族酸化物半導体層との重層
構造から構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】（Ａｌ_XＧａ_1-X）_YＩｎ_1-YＰ
（０≦Ｘ≦１、０≦Ｙ≦１）（以下、ＡｌＧａＩｎＰと
略す）発光層からの発光を外部へ出射するのに好都合な
窓層を具備した高輝度のＡｌＧａＩｎＰ発光ダイオード
に関する。

【０００２】

【従来の技術】（Ａｌ_XＧａ_1-X）_YＩｎ_1-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（Ａｌ_XＧａ_1-X）
_0.5Ｉｎ₀ _.5Ｐ（０≦Ｘ≦１）は、ＧａＡｓ単結晶と良好
な格子整合性を果たせる利点がある（Ａｐｐｌ．Ｐｈｙ
ｓ．Ｌｅｔｔ．，５７（２７）（１９９０）、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．Ｌｅｔｔ．，６４（２１）（１
９９４）、２８３９〜２８４１頁参照）。

【０００３】従来の、ｐｎ接合型のダブルヘテロ（Ｄ
Ｈ）構造のＡｌＧａＩｎＰＬＥＤ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（１９
９７）、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、発光面積の拡
大を期して、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役目も担う
結晶層であるから、出来る限り低抵抗の結晶層から構成
するのが常套である。

【０００４】従来の窓層の構成材料としては、砒化アル
ミニウム・ガリウム結晶が知られている（Ａｐｐｌ．Ｐ
ｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，５８（１０）（１９９１）、１０
１０〜１０１２頁参照）。また、窓層をリン化ガリウム
（ＧａＰ）から構成する例がある（Ｊ．Ｅｌｅｃｔｒｏ
ｎ．Ｍａｔｅｒ．，２０（１９９１）、１１２５〜１１
３０頁参照）。従来、窓層として利用されるＧａＰ結晶
層の層厚は約１０μｍから数１０μｍであり（前出のＳ
ＰＩＥ、Ｖｏｌ．３００２参照）、よって、ＡｌＧａＩ
ｎＰ結晶層の一般的な成長方法である有機金属熱分解気
相成長（ＭＯ−ＶＰＥ）法に比較すれば、より簡便に厚
膜が成膜できるハロゲン（ｈａｌｏｇｅｎ）或いはハイ
ドライド（ｈｙｄｒｉｄｅ）ＶＰＥにより形成されてい
る。

【０００５】ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体材料に加え、透
明な酸化物結晶層を発光部の上方に配置する積層構成も
開示されている。例えば、アメリカ合衆国特許第５，４
８１，１２２号の発明に依るＡｌＧａＩｎＰＬＥＤに
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−ｔｉｎｏｘｉｄｅ：略称ＩＴＯ）
層からなる窓層が配置されている。また、リン化砒化ガ
リウム（ＧａＡｓＰ）、ＧａＰ、リン化ガリウム・イン
ジウム（ＧａＩｎＰ）またはＧａＡｓから構成されるコ
ンタクト層を被覆する様に酸化インジウム、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）。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】Ａｌ_PＧａ_1-PＡｓは、
ＡｌＧａＩｎＰＬＥＤを構成するＧａＡｓ層或いはＡｌ
ＧａＩｎＰ層等と良好な格子整合関係がある。このた
め、これらの層上には、ミスフィット（ｍｉｓｆｉｔ）
転位等の結晶欠陥の密度が小さいＡｌ_PＧａ_1-PＡｓ窓層
を形成できる利点がある。しかし、約０．５を越える高
いアルミニウム組成比（＝Ｐ）のＡｌ_PＧａ_1-PＡｓを窓
層として設けたＡｌＧａＩｎＰＬＥＤでは、高温多湿の
環境下に於いて順方向電圧が経時的に変化する問題が発
生している。この電気的特性の変動を抑制するための、
例えばパッシベーション（ｐａｓｓｉｖａｔｉｏｎ）技
術などの特別な技術手段が要求され、ＬＥＤの製造工程
は煩雑となる。

【０００７】ＧａＰから窓層を構成すれば外部発光効率
が数倍に上昇する優位性があるとされる。しかし、発光
の取り出し効率を顕著に向上させるには、ＧａＰ結晶層
を数１０μｍ程度の厚い膜とする必要がある。この厚膜
を形成するために、クラッド層或いは発光層を構成する
ＡｌＧａＩｎＰ結晶層の場合とは異なる成膜技術を必要
とし、ＬＥＤの製造工程が煩雑である。

【０００８】また、透明酸化物層を備えた従来のＡｌＧ
ａＩｎＰＬＥＤに於いて、酸化物層はＧａＡｓ等から成
るコンタクト層を介して設けられているなど複雑な積層
構成となっている。しかし、ＧａＡｓの室温での禁止帯
幅（＝１．４３ｅＶ）は、一般的な発光層の構成材料で
あるＡｌＧａＩｎＰに比較すれば小さく、発光が吸収さ
れるため高輝度のＬＥＤを獲得するに不利となる。更
に、抵抗率が約１０^-4Ω・ｃｍ程度と小さなＩＴＯ膜を
単に、例えばＧａＡｓコンタクト層に接触させて設けて
も良好なオーミック接触が安定して得られない問題があ
る。

【０００９】約１０^-4Ω・ｃｍ程度の低抵抗率の導電性
を呈する酸化物結晶にはＺｎＯがある（電子情報通信学
会技術研究報告、Ｖｏｌ．９９、Ｎｏ．６３（１９９
９．５．２０．）、８３〜８８頁参照）。しかし、ＩＩ
−ＶＩ族半導体の一種である酸化亜鉛を構成する亜鉛
（Ｚｎ）は、ＬＥＤの構成層であるＩＩＩ−Ｖ族化合物
半導体結晶層に対しては富に拡散し易い元素である。従
って、窓層をなす酸化亜鉛被膜を従来技術に倣い、例え
ばｎ形ＩＩＩ−Ｖ族半導体結晶層上に接合させて設ける
と、ｎ形ＩＩＩ−Ｖ族半導体結晶層の表層部は、亜鉛の
拡散によりｎ形キャリアが電気的に補償され、高抵抗或
いはｐ形層となる不都合がある。これにより、ＬＥＤの
順方向電圧が異常にも増大し、ＡｌＧａＩｎＰＬＥＤの
順方向電圧の低減を阻害している。

【００１０】ＩＩＩ−Ｖ族半導体に比べ、室温で３ｅＶ
を越えるより大きな禁止帯幅を有するが故に、酸化物結
晶層から構成される窓層は、発光の外部への取り出しに
元来、優位である。しかし、酸化物結晶の構成元素のＩ
ＩＩ−Ｖ族半導体結晶層内への拡散を防ぎ、良好なオー
ミック接触特性を発揮する窓層の構成要件並びにその積
層構造は開示されていない。

【００１１】本発明の課題は、特に、ＩＩ−ＶＩ族酸化
物結晶層を含む窓層を構成するにあたり、発光を外部へ
取り出すのに好都合で、且つＡｌＧａＩｎＰＬＥＤを構
成するＩＩＩ−Ｖ族半導体結晶層と良好なオーミック接
合を発現できる窓層の積層構成を提示することにある。
本発明は、この課題を克服して、高輝度のＡｌＧａＩｎ
ＰＬＥＤを提供することを目的としている。

【００１２】

【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］窓層を備え、ＡｌＧａＩｎＰの
発光層を有する発光ダイオードにおいて、窓層がＩＩ−
ＶＩ族半導体結晶層と金属酸化物層とを含むことを特徴
とするＡｌＧａＩｎＰ発光ダイオード、［２］金属酸化
物層が、ＩＩ−ＶＩ族酸化物半導体結晶層であることを
特徴とする［１］に記載のＡｌＧａＩｎＰ発光ダイオー
ド、［３］ＩＩ−ＶＩ族半導体結晶層とＩＩ−ＶＩ族酸
化物半導体結晶層とが接していることを特徴とする
［２］に記載のＡｌＧａＩｎＰ発光ダイオード、［４］
ＩＩ−ＶＩ族酸化物半導体結晶層がＺｎＯを１５重量％
以上含むことを特徴とする［２］または［３］に記載の
ＡｌＧａＩｎＰ発光ダイオード、［５］ＩＩ−ＶＩ族半
導体結晶層がＺｎＳｅを８０重量％以上含むことを特徴
とする［１］〜［４］の何れか１項に記載のＡｌＧａＩ
ｎＰ発光ダイオード、［６］ＩＩ−ＶＩ族半導体結晶層
が、ＧａＡｓに対する格子不整合率が２％以下であるＩ
ＩＩ−Ｖ族半導体結晶層上に設けられていることを特徴
とする［１］〜［５］のいずれか１項に記載のＡｌＧａ
ＩｎＰ発光ダイオード、［７］ＩＩＩ−Ｖ族半導体結晶
層が、砒化ガリウム、または砒化アルミニウム・ガリウ
ム、または（Ａｌ_QＧａ_1-Q）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ（０≦Ｑ≦
１）であることを特徴とする［６］に記載のＡｌＧａＩ
ｎＰ発光ダイオード、に関する。

【００１３】

【発明の実施の形態】本発明のＡｌＧａＩｎＰＬＥＤ
は、窓層を有し、発光層は（Ａｌ_XＧａ_1-X）_YＩｎ_1-YＰ
（０≦Ｘ≦１、０≦Ｙ≦１）多元混晶で構成される。特
に、インジウム組成比（＝１−Ｙ）を０．５とする（Ａ
ｌ_XＧａ_1-X）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ（０≦Ｘ≦１）は、ＧａＡｓ
単結晶と良好な格子整合性を果たせ、本発明のＬＥＤを
構成するのに好ましい。

【００１４】本発明の第１の実施形態は、窓層をＩＩ−
ＶＩ族半導体結晶層と金属酸化物層とを含む重層構造か
ら構成することを特徴としている。窓層を構成するＩＩ
−ＶＩ族半導体には、周知の硫化亜鉛（化学式：Ｚｎ
Ｓ）、ＺｎＳｅ、テルル化亜鉛（化学式：ＺｎＴｅ）、
硫化カドミウム（化学式：ＣｄＳ）、セレン化カドミウ
ム（化学式：ＣｄＳｅ）、テルル化カドミウム（化学
式：ＣｄＴｅ）、硫化水銀（化学式：ＨｇＳ）、セレン
化水銀（化学式：ＨｇＳｅ）、テルル化カドミウム（化
学式：ＣｄＴｅ）、及びセレン化硫化亜鉛（組成式Ｚｎ
Ｓ_1-XＳｅ_X：０≦Ｘ≦１）などの混晶がある。また、Ｚ
ｎやカドミウム（Ｃｄ）に加え、マグネシウム（Ｍｇ）
を構成元素として含むＺｎＭｇＳ、ＺｎＭｇＳｅやＺｎ
ＭｇＳＳｅなどがある。本発明では、ＡｌＧａＩｎＰＬ
ＥＤにあって所望するところの発光の波長が、約５１０
ナノメータ（ｎｍ）を越える緑色帯から橙赤色帯である
ことに鑑み、室温での禁止帯幅（＝Ｅｇ）が約２．４エ
レクトロンボルト（ｅＶ）を越えるＩＩ−ＶＩ族半導体
を窓層の一構成材料として好適に用いる。これに合致す
る禁止帯幅を有するＩＩ−ＶＩ族半導体としては、Ｚｎ
Ｏ（Ｅｇ＝３．３５ｅＶ）、硫化亜鉛（Ｅｇ＝３．６８
ｅＶ）、セレン化亜鉛（Ｅｇ＝２．６０ｅＶ）、セレン
化硫化亜鉛（Ｅｇ＝２．６０ｅＶ〜３．６８ｅＶ）、硫
化カドミウム（Ｅｇ＝２．４２ｅＶ）等が例示できる
（禁止帯幅については、寺本巌著、「半導体デバイス
概論」（（株）培風館１９９５年３月３０日発行初
版）、２８頁参照）。

【００１５】窓層は、唯一のＩＩ−ＶＩ族半導体結晶層
から構成し、屈折率を一様とする窓層とするよりも、禁
止帯幅が上記の如く大きく、また、屈折率をＩＩ−ＶＩ
族半導体結晶層よりも小とする透明な金属酸化物層を重
層させれば、発光層から出射される発光を透過するのに
より好都合な屈折率の分布を有する窓層が構成できる。
透明な金属酸化物材料には、酸化マグネシウム（化学
式：ＭｇＯ）等のＩＩ族酸化物、酸化インジウム（化学
式：Ｉｎ₂Ｏ₃）や酸化ガリウム（化学式：Ｇａ₂Ｏ₃）等
のＩＩＩ族酸化物、酸化錫（化学式：ＳｎＯ₂）等のＩ
Ｖ族酸化物やこれらの混合物からなる複合酸化物があ
る。

【００１６】第１の実施形態の具体例としては、セレン
化亜鉛結晶層上にＩＴＯ層を重層させた構造からなる窓
層がある。ＩＴＯ等の金属酸化物層とその被堆積層とな
るＡｌＧａＩｎＰＬＥＤ構成層との間に、ＩＩ−ＶＩ族
半導体結晶層を配置させると、金属酸化物層からの被堆
積層へ拡散、侵入する酸素等の量を低減するに有効とな
る。間に配置されたＩＩ−ＶＩ族半導体結晶層により、
ＩＩＩ−Ｖ族半導体で深い準位を形成する酸素等が捕獲
されるからである。このため、被堆積層をなすＩＩＩ−
Ｖ族半導体結晶層内のキャリアは、酸素等により補償さ
れることなく、電気的に活性化した状態で残留すること
となる。従って、ＩＩ−ＶＩ族半導体結晶層をＩＴＯ等
の金属酸化物層の下地層として配置しておけば、良好な
オーミック接触性を有するＩＴＯ等の金属酸化物層を備
えた窓層が得られる。

【００１７】窓層を、ＩＩ−ＶＩ族半導体結晶層を利用
して構成すれば、（１）ワイドバンドギャップ（ｗｉｄ
ｅｂａｎｄｇａｐ）半導体であるが故に、禁止帯幅が
小であるＩＩＩ−Ｖ族半導体からなる従来の窓層による
発光の吸収、（２）金属酸化物を直接、ＡｌＧａＩｎＰ
ＬＥＤを構成するＩＩＩ−Ｖ族半導体結晶層上に設けた
場合のオーミック接触性の不良に代表される従来技術に
依る窓層の問題点が回避される。

【００１８】本発明では、上記のＩＩ−ＶＩ族半導体に
あって、酸化亜鉛等の酸化物をＩＩ−ＶＩ族酸化物半導
体と仮称する。ＩＩ−ＶＩ族酸化物として他に、酸化硫
化亜鉛（組成式ＺｎＳ_1-XＯ_X：０≦Ｘ≦１）、酸化セレ
ン化亜鉛（組成式ＺｎＳｅ_1- _XＯ_X：０≦Ｘ≦１）、酸化
インジウム・亜鉛（ＺｎＩｎ₂Ｏ₄）や酸化ガリウム・亜
鉛（ＺｎＧａ₂Ｏ₄）（Ｊ．Ｌｕｍｉｎ．７２−７４（１
９９７）、９９７〜９９８頁参照）等がある。また、酸
素（元素記号：Ｏ）を構成元素として含有しないＩＩ−
ＶＩ族半導体をＩＩ−ＶＩ族半導体として区別して呼称
する。

【００１９】本発明の第２の実施形態では、ＩＩ−ＶＩ
族半導体からなる結晶層とＩＩ−ＶＩ族酸化物半導体か
らなる結晶層とを含む重層構造から窓層を構成する。Ｉ
Ｉ−ＶＩ族半導体は上記の如く、ＡｌＧａＩｎＰ発光層
からの発光を透過するのに充分なワイドバンドギャップ
材料であり、尚且つ大凡、３００℃から５００℃の比較
的低温で成膜できる。従って、ＩＩ−ＶＩ族半導体から
窓層を構成すれば、例えば、ＤＨ構造発光部を構成する
ヘテロ接合界面の受熱による「乱雑化」が抑制され、か
つ、発光の透過性に優れる窓層が得られる利点がある。

【００２０】重層構造を構成するＩＩ−ＶＩ族半導体結
晶層の伝導形は相互に同一とする。また、ＩＩ−ＶＩ族
半導体結晶層の伝導形は、被堆積層のＩＩＩ−Ｖ族半導
体層と同一とする。また、ＩＩ−ＶＩ族半導体結晶層と
ＩＩ−ＶＩ族酸化物半導体結晶層とを重層させて窓層を
構成する際に、ＡｌＧａＩｎＰ発光層側より外側に向け
て、屈折率が漸次、小となる屈折率分布をもたらす様に
結晶層を重層させると、発光の外部取り出し効率に特に
優れる窓層が得られる。第２の実施形態に於ける具体的
な構成例として、屈折率（＝ｎ）を２．５とするｎ形Ｃ
ｄＳ結晶層を下地層とし、その上に重層させたｎ形Ｚｎ
Ｏ（ｎ＝２．０）との重層構造からなる透明導電性窓層
が挙げられる。

【００２１】また、特に、第３の実施形態である、ＩＩ
−ＶＩ族半導体結晶層を下地層とし、この層に接して、
上層をＩＩ−ＶＩ族酸化物半導体結晶層とすると、ＩＩ
−ＶＩ族半導体結晶層による酸素等のＩＩＩ−Ｖ族半導
体被堆積層への拡散防止効果により、良好なオーミック
接触性がもたらされる。即ち、低減化された順方向電圧
が顕現される。

【００２２】第３の実施形態に於いて、重層構造窓層の
最表層をなすＩＩ−ＶＩ族酸化物半導体結晶層上には、
不働体化（ｐａｓｓｉｖａｔｉｏｎ）膜を敷設すること
もできる。例えば、ＩＴＯ膜やポリイミド膜から不働体
化膜が構成できる。不働体化膜は、窓層の最表層のＩＩ
−ＶＩ族酸化物半導体結晶よりも屈折率をより小とする
材料から構成するのが最適である。上記のＣｄＳ（下地
層）／ＺｎＯ（最表層）重層構造窓層を例にして好適な
不働体化膜を挙げれば、二酸化珪素（ＳｉＯ₂：ｎ＝
１．６）膜や窒化珪素（Ｓｉ₃Ｎ₄：ｎ＝１．９）膜が挙
げられる。ＬＥＤを構成する場合にあって、窓層上には
電極を敷設する必要がある。これらの絶縁性被膜が窓層
上に冠されており、また、ＩＩ−ＶＩ族酸化物半導体結
晶層が導電性の低い酸化物層から構成されている場合、
電極の底部は、その形成予定領域に在る絶縁性不働体化
膜または酸化物層を選択的に除去し、下層のＩＩ−ＶＩ
族半導体結晶層に接触させて設けるのが好ましい。

【００２３】酸化亜鉛結晶は不純物を故意に添加しな
い、所謂アンドープ（ｕｎｄｏｐｅ）状態でｎ形の伝導
性を呈するが、ＩＩＩ族元素をドーピングすれば、より
確実に低比抵抗のｎ形酸化亜鉛層が形成できる。従っ
て、第４の実施形態では、ＩＩ−ＶＩ族酸化物半導体結
晶層を、酸化亜鉛を主体に構成して、導電性に優れる透
明な窓層を構成する。ＩＩ−ＶＩ族酸化物半導体結晶層
で酸化亜鉛が占める割合は、好ましくは１５重量％以上
であり、更にに好ましくは２０重量％以上とする。ＬＥ
Ｄの動作電流を広範囲に拡散させるためには、酸化亜鉛
を主体的に含む層の比抵抗はできるだけ小であるのが望
ましい。少なくとも約５ｍΩ・ｃｍ未満であるのが望ま
しい。アルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）やイン
ジウム（Ｉｎ）等のＩＩＩ族元素をドープすれば、比抵
抗を約２〜３×１０^-4Ω・ｃｍとする窓層として充分な
導電性が付与されたｎ形酸化亜鉛結晶層が得られる。ま
た、例えば、ＡｌとＧａの双方を添加したｎ形酸化亜鉛
層でも同様の比抵抗値がもたらされる。酸化亜鉛結晶層
の比抵抗は通常のホール（Ｈａｌｌ）効果測定法等によ
り測定できる。

【００２４】ＺｎＯ結晶層は、通常の高周波スパッタ法
や真空蒸着法等の物理的堆積法や化学的堆積（ＣＶＤ）
法などにより形成できる。また、湿式塗布法により形成
できる。被堆積物の温度を大凡、２００℃以上として、
望ましくは約２５０℃から約４５０℃の範囲で成膜すれ
ば、素子動作電流を平面的に拡散するに充分な抵抗率
（＝比抵抗）を１×１０^-3Ω・ｃｍ未満とする低抵抗率
の酸化亜鉛層が得られる。この様な温度範囲で成膜され
た酸化亜鉛層は、ウルツ鉱（ｗｕｒｔｚｉｔｅ）結晶型
の＜０００１＞方向（所謂、ｃ軸方向）に優勢的に成長
した多結晶層からなるのがもっぱらである。このため、
酸化亜鉛層の層厚を、約５μｍを越える厚膜とすると、
酸化亜鉛層の表面の平坦性が悪化し発光強度の発光面内
での均一化に支障を来す。逆に極薄膜とすると抵抗が増
し、動作電流を充分に拡散させるに至らない。よって、
酸化亜鉛窓層の層厚は約５ｎｍ以上であるのが望まし
い。ｎ形酸化亜鉛層の好ましい仕様の一例は、層厚が約
２００ｎｍで、キャリア濃度が約３．９×１０²⁰ｃｍ^-3
で、比抵抗が約１．１×１０^-3Ω・ｃｍで、ホール移動
度が約１２ｃｍ²／Ｖ・ｓである。

【００２５】第５の実施の形態では、ＩＩ−ＶＩ族半導
体層を特に、ＺｎＳｅを主体に構成する。ＩＩ−ＶＩ族
半導体層でＺｎＳｅが占める割合は、好ましくは８０重
量％以上であり、より好ましくは９０重量％以上であ
る。セレン化亜鉛の室温での禁止帯幅は、約２．６ｅＶ
である。概略すれば、セレン化亜鉛は、第１及び第２の
実施形態で利用する金属酸化物及びＩＩ−ＶＩ族酸化物
半導体と、ＬＥＤを構成するＡｌＧａＩｎＰとのおしな
べて間の禁止帯幅を保有している。従って、セレン化亜
鉛層をＡｌＧａＩｎＰ層と酸化物層との間に配置する構
成に依れば、ＡｌＧａＩｎＰＬＥＤ構成層とＩＩ−ＶＩ
族酸化物半導体層との間で禁止帯幅を段階的に変化させ
ることができ、オーミック接触性により優れる窓層が構
成できる利点がある。また、セレン化亜鉛の屈折率は、
約２．６である（赤崎勇編著、「ＩＩＩ−Ｖ族半導
体」（（株）培風館、１９９４年５月２０日発行初
版）、１５０頁参照）。従って、セレン化亜鉛層を下地
層とし、その上層を酸化亜鉛（ｎ＝２．０）層とすれ
ば、屈折率を発光層より外側に向けて漸次、小となる分
布を有する重層構造の窓層が簡便に構成できる。

【００２６】セレン化亜鉛層をＧａＡｓと略格子整合を
なすＩＩＩ−Ｖ族半導体結晶層上に設ければ、特に結晶
性に優れた層が得られる。ＧａＡｓの格子定数は約５．
６５３オングストロームで、また、セレン化亜鉛の格子
定数で５．６６８オングストロームであり（上記の「Ｉ
ＩＩ−Ｖ族半導体」、１４８頁参照）、このため、格子
のミスマッチ（ｍｉｓｍａｔｃｈ）度が約０．３％と矮
小であることに依る。結晶性が良好なセレン化亜鉛層を
下地層とすれば、よりオーミック接触性に優れる窓層が
もたらされる。故に、第５の実施形態では、セレン化亜
鉛層をＧａＡｓと略同一の格子定数をもつＩＩＩ−Ｖ族
半導体結晶層上に堆積させる。ＩＩＩ−Ｖ族半導体結晶
層のＧａＡｓに対する格子の不整合率は、好ましくは２
％以下であり、更に好ましくは１％以下である。ＧａＡ
ｓと略格子整合するＩＩＩ−Ｖ族半導体には、砒化アル
ミニウム・ガリウムがある。Ａｌ_PＧａ_1-PＡｓとＧａＡ
ｓとの最大のミスマッチ度は約０．１４％であり、Ｇａ
Ａｓと略格子整合するものと見なせる（上記の「ＩＩＩ
−Ｖ族半導体」、１８６頁参照）。また、ＧａＡｓと格
子整合をなす別の材料例には、（Ａｌ_XＧａ_1-X）_0.5Ｉ
ｎ_0.5Ｐがある。第６の実施形態では、従って、良質の
セレン化亜鉛層を得るために、同層をＧａＡｓ、Ａｌ_P
Ｇａ_1-PＡｓ及び（Ａｌ_XＧａ_1-X）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ結晶層
上に設ける。

【００２７】セレン化亜鉛層は、一般的な高周波スパッ
タリング法或いは有機金属熱分解気相成長（ＭＯ−ＣＶ
Ｄ）法などの手段により成膜できる。ＡｌＧａＩｎＰＬ
ＥＤ構成層との良好なオーミック接触性を果たすため
に、セレン化亜鉛層のキャリア濃度は約１×１０¹⁷ｃｍ
^-3を越えるのが望ましい。約２×１０¹⁹ｃｍ^-3を越える
高キャリア濃度を得るために高濃度にドーピングを施し
たセレン化亜鉛層では平滑性等の表面状態が悪化するた
め、好ましく用いることはできない。セレン化亜鉛は元
来、ｎ形の導電性を呈し易い。従って、例えば、ｎ形セ
レン化亜鉛層とｎ形酸化亜鉛からなる重層構造の窓層
は、ｎ−サイドアップ型のＡｌＧａＩｎＰＬＥＤにあっ
て、ｎ形クラッド層上に好ましく設けることができる。

【００２８】ＭＯ−ＣＶＤ法では、ｎ形セレン化亜鉛層
とｎ形酸化亜鉛層との重層構造からなる窓層を構成する
のに際し、成膜時間の経過と共に、経時的にセレン（Ｓ
ｅ）原料若しくは酸素原料の成長反応系への供給量に変
化を与えることができる。この成長手段では、層厚の増
加方向にＳｅの量を減じ、逆に酸素の量を増加させて、
組成的な勾配を有する重層構造の窓層を形成することが
できる。Ｓｅ或いは酸素組成比は、連続的若しくは段階
的に変化させることができる。組成勾配を付すことによ
り、セレン化亜鉛と酸化亜鉛との格子の不整合性を緩や
かに緩和しつつ、下地層の底層部をセレン化亜鉛とし、
上層の表層部を酸化亜鉛とする良質の結晶層からなるＺ
ｎＳｅ／ＺｎＯ重層窓層が構成できる。

【００２９】

【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、ＺｎＳｅと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ＬＥＤ
１０の断面模式図である。

【００３０】積層構造体２０は、ｐ形ＧａＡｓ単結晶基
板１０１上に順次、積層したｐ形ＧａＡｓ緩衝層１０
２、ｐ形（Ａｌ_0.7Ｇａ_0.3）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ下部クラッド
層１０３、アンドープ（Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ
発光層１０４、及びｎ形（Ａｌ _0.7Ｇａ_0.3）_0.5Ｉｎ_0.5
Ｐ上部クラッド層１０５、ｎ形ＧａＡｓコンタクト層１
０６から構成した。エピタキシャル構成層１０２〜１０
６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（Ｐ
Ｈ₃）系減圧ＭＯ−ＶＰＥ法により７３０℃で成長させ
た。ｐ形緩衝層１０２及びｐ形下部クラッド層１０３ド
ーパント源にはジエチル亜鉛（（Ｃ₂Ｈ₅）₂Ｚｎ）を用
いた。ｎ形上部クラッド層１０５のドーピング源はジシ
ラン（Ｓｉ₂Ｈ₆）とした。ｎ形コンタクト層１０６のド
ーピング源にはセレン化水素（Ｈ₂Ｓｅ）を用いた。

【００３１】基板１０１には、＜０１１＞方向に４゜傾
斜した、Ｚｎドープ（１００）ｐ形ＧａＡｓ単結晶を用
いた。基板１０１のキャリア濃度は約１×１０¹⁹ｃｍ^-3
であった。ＺｎドープＧａＡｓ緩衝層１０２の層厚は
１．５μｍとし、キャリア濃度は約２×１０¹⁸ｃｍ^-3と
した。Ｚｎドープ下部クラッド層１０３の層厚は３．５
μｍとし、キャリア濃度は約３×１０¹⁸ｃｍ^-3とした。
発光層１０４の層厚は約０．２μｍとし、キャリア濃度
は約５×１０¹⁶ｃｍ^-3とした。Ｓｉドープ上部クラッド
層１０５の層厚は約１μｍとし、キャリア濃度を７×１
０¹⁷ｃｍ^-3とした。Ｓｅドープコンタクト層１０６の層
厚は５０ｎｍとし、キャリア濃度は２×１０¹⁹ｃｍ^-3と
した。

【００３２】Ｓｅドープコンタクト層１０６の表面上に
は、一般的なマグネトロンスパッタリング法によりＡｌ
ドープのｎ形ＺｎＳｅからなる第１の窓層構成層１０７
ａを被着させた。第１の窓層構成層１０７ａの層厚は約
０．５μｍとし、キャリア濃度は約４×１０¹⁸ｃｍ^-3と
した。第１の窓層構成層１０７ａを構成するセレン化亜
鉛層は一般的なＸ線回折分析法により、略全体が単結晶
から構成されていた。

【００３３】第１の窓層構成層１０７ａの成膜を終了し
た後、第１の窓層構成層１０７ａ上に公知のマグネトロ
ンスパッタリング法を利用してＩＴＯ膜を被着させた。
第２の窓層構成層１０７ｂとしたＩＴＯ膜の層厚は約
０．２０μｍとした。同膜１０７ｂは比抵抗を約８×１
０^-4Ω・ｃｍとするＩＴＯから形成した。第１及び第２
の窓層構成層１０７ａ、１０７ｂの重層構造から透明導
電性の窓層１０７を構成した。

【００３４】一般的な２次イオン質量分析（略称ＳＩＭ
Ｓ）に依り、ＩＴＯ膜１０７ｂの被着前後に於けるＺｎ
Ｓｅ層１０７ａ内の酸素原子濃度を比較した。ＩＴＯ膜
を被膜する以前では、約２×１０¹⁷原子／ｃｍ³であっ
た酸素原子濃度は、被膜後では約７×１０¹⁸原子／ｃｍ
³に増加していた。一方、（Ａｌ_0.7Ｇａ_0.3）_0.5Ｉｎ
_0.5Ｐ上部クラッド層１０５の表層部の酸素原子濃度
は、ＩＴＯ膜１０７ｂの被着前後で然して変化は認めら
れず、約１×１０¹⁷原子／ｃｍ³であった。これは、Ｉ
Ｉ−ＶＩ族半導体層１０７ａに依る酸素の上部クラッド
層１０５への侵入を防止する作用に依るものと解釈され
た。

【００３５】窓層１０７の表面上には、膜厚を約０．１
５μｍとする二酸化珪素（ＳｉＯ₂）被膜を保護膜１０
８として堆積した。二酸化珪素保護膜１０８はモノシラ
ン（ＳｉＨ₄）を原料とする公知のプラズマＣＶＤ法に
より被着させた。これより、第１の窓層構成層（屈折率
を約２．７とするＺｎＳｅ層）、第２の窓層構成層（屈
折率を約２前後とするＩＴＯ層）及びＳｉＯ₂保護膜
（屈折率＝１．６）からなる発光層より遠方に向けて屈
折率を漸次、小とする窓層１０７と保護膜１０８との重
層構造を形成した。

【００３６】電極を形成する予定の領域に在る保護膜１
０８を一般的なフォトリソグラフィー技術を利用して除
去した後、同領域に直径を約１２０μｍとするＡｌ円形
電極１０９を設けた。ＧａＡｓ基板１０１の裏面の全面
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となした。
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ＬＥＤ１０となした。

【００３７】Ａｌ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、重層構造の窓層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１７ｎｍであり、単色性に優れる発光
が得られた。順方向電圧（＠２０ｍＡ）は１．９４±
０．０３ボルト（Ｖ）と均一であった。また、発光強度
は約５０ミリカンデラ（ｍｃｄ）に到達した。

【００３８】（実施例２）実施例１に記載のエピタキシ
ャル積層構造体表面上に設けた、ＺｎＳｅからなる第１
の窓層構成層上に酸化亜鉛からなる第２の窓層構成層を
備えたＡｌＧａＩｎＰＬＥＤを例にして本発明を説明す
る。

【００３９】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。

【００４０】本実施例では、第２の窓層構成層１０７ｂ
をＡｌドープのｎ形ＺｎＯから構成した。Ａｌドープｎ
形ＺｎＯ層は、一般的なマグネトロンスパッタリング法
により堆積した。スパッタリング圧力は約０．８トール
（Ｔｏｒｒ）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の層厚の酸化亜鉛層を得た。

【００４１】酸化亜鉛からなる第２の窓層構成層１０７
ｂ上には、ＩＴＯからなる保護層１０８を冠した。表面
保護層１０８たるＩＴＯ被膜は、比抵抗を約７×１０^-3
Ω・ｃｍとするｎ形導電性膜であり、層厚は約０．１０
μｍとした。以上、第１乃び第２の窓層構成層１０７ａ
〜１０７ｂより、層厚の増加方向に漸次、屈折率を小と
する窓透明導電性の窓層１０７を構成した。

【００４２】電極を形成する予定の領域に在る保護層１
０８を一般的なフォトリソグラフィー技術を利用して除
去した後、同領域に直径を約１２０μｍとする金（Ａ
ｕ）円形電極１０９を設けた。ＧａＡｓ基板１０１の裏
面の全面には金・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とな
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ＬＥＤ３０となした。

【００４３】金電極１０９及びｐ形オーミック電極１１
０間に順方向に２０ｍＡの電流を通流したところ、重層
構造の窓層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６２
０ｎｍであった。また、発光スペクトルの半値幅は約１
８ｎｍ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と均一であ
った。また、発光強度は約６０ｍｃｄに到達した。

【００４４】

【発明の効果】本発明に依れば、発光を都合良く外部へ
取り出すのに好都合な窓層が構成できるため、高輝度の
ＡｌＧａＩｎＰ発光ダイオ−ドがもたらされる効果があ
る。

【００４５】また、本発明の構成に依る窓層では、Ａｌ
ＧａＩｎＰＬＥＤ構成層と良好なオーミック接触性がも
たらされるため、順方向電圧が低く、且つ均一なＡｌＧ
ａＩｎＰ発光ダイオードが提供できる。

【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】

１０ＡｌＧａＩｎＰＬＥＤ２０積層構造体３０ＡｌＧａＩｎＰＬＥＤ４０積層構造体１０１ＧａＡｓ単結晶基板１０２ＧａＡｓ緩衝層１０３下部クラッド層１０４発光層１０５上部クラッド層１０６コンタクト層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金属電極１１０ｐ形オーミック電極

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者竹内良一埼玉県秩父市大字下影森1505番地昭和電工株式会社秩父工場内Ｆターム(参考） 5F041 AA03 CA34 CA35 CA41 CA43 CA65 CA77 CA82 CA85 CA88

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】窓層を備え、（Ａｌ_XＧａ_1-X）_YＩｎ_1-YＰ
（０≦Ｘ≦１、０≦Ｙ≦１）の発光層を有する発光ダイ
オードにおいて、窓層がＩＩ−ＶＩ族半導体結晶層と金
属酸化物層とを含むことを特徴とするＡｌＧａＩｎＰ発
光ダイオード。
【請求項２】金属酸化物層が、ＩＩ−ＶＩ族酸化物半導
体結晶層であることを特徴とする請求項１に記載のＡｌ
ＧａＩｎＰ発光ダイオード。
【請求項３】ＩＩ−ＶＩ族半導体結晶層とＩＩ−ＶＩ族
酸化物半導体結晶層とが接していることを特徴とする請
求項２に記載のＡｌＧａＩｎＰ発光ダイオード。
【請求項４】ＩＩ−ＶＩ族酸化物半導体結晶層が酸化亜
鉛（化学式：ＺｎＯ）を１５重量％以上含むことを特徴
とする請求項２または３に記載のＡｌＧａＩｎＰ発光ダ
イオード。
【請求項５】ＩＩ−ＶＩ族半導体結晶層がセレン化亜鉛
（化学式：ＺｎＳｅ）を８０重量％以上含むことを特徴
とする請求項１〜４の何れか１項に記載のＡｌＧａＩｎ
Ｐ発光ダイオード。
【請求項６】ＩＩ−ＶＩ族半導体結晶層が、砒化ガリウ
ム（化学式：ＧａＡｓ）に対する格子不整合率が２％以
下であるＩＩＩ−Ｖ族半導体結晶層上に設けられている
ことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の
ＡｌＧａＩｎＰ発光ダイオード。
【請求項７】ＩＩＩ−Ｖ族半導体結晶層が、砒化ガリウ
ム、または砒化アルミニウム・ガリウム（組成式Ａｌ_P
Ｇａ_1-PＡｓ：０≦Ｐ≦１）、または（Ａｌ_QＧａ₁ _-Q）
_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ（０≦Ｑ≦１）であることを特徴とする請
求項６に記載のＡｌＧａＩｎＰ発光ダイオード。