JP2004165433A - 低抵抗層を具えた発光ダイオード - Google Patents

Abstract

【課題】低抵抗層を具えた発光ダイオードの提供。
【解決手段】ダイオードの構造において、ｐ型及び又はｎ型領域の低抵抗層構造を具え、ｐ型及び又はｎ型領域の等価抵抗を減らし、装置の操作電圧を下げ、パワーを高める。
【選択図】 図３

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は一種の半導体装置に係り、特に、低正孔移動率のダイオード装置に応用されて、その等価抵抗を下げる、低抵抗層を具えた発光ダイオードに関する。本発明は特に広いエネルギーバンドを有する材料、例えば窒化ガリウムダイオード装置の応用に適用される。
【０００２】
【従来の技術】
典型的な光電装置はエピタキシャル成長技術の発展により、基板上に順にｎ形領域、発光領域、ｐ形領域を順に成長させ、並びにｎ形及びｐ形領域中に電極コンタクト領域を形成し、電子移動率が正孔移動率より高く、且つ正孔の有効ドープ量は一般に電子より低いため、同じ厚さと構造の下、ｐ形抵抗はいずれもｎ形抵抗より高く、一般にこの問題の解決方法として、ｐ形を長く薄く形成し、且つそれを構造の最上方に形成して、抵抗を減らす方法が採用されている。しかし、発光ダイオードの応用上、発光効率を増加するため、透明電極は相当に重要な選択であり、窒化ガリウム発光ダイオードにおいては、Ｎｉ／Ａｕがｐ形領域上に蒸着されて、熱処理によりそれが透明化され、透過率を増加している。一般に常用される透明導電酸化物材料はＩＴＯであるが、ｎ形窒化ガリウムとオームコンタクトを形成できるとはいえ、仕事関数の問題により良好なオームコンタクトを形成することはできない。このため直接窒化ガリウム装置に応用することはできない。一般の方法としては、ＩＴＯとｐ形窒化ガリウム間に中間層（ｉｎｔｅｒｌａｙｅｒ）を増設して、界面パラメータ例えば作業関数を調整し、これによりそれにオームコンタクトを形成させ、コンタクト抵抗を下げる。しかし、このような方法は中間層が増加するため、装置の透光率と操作性に影響を与え、且つ高温で長時間操作すると、この中間層の安定性にも問題が生じる。
【０００３】
これにより、ｐ形を下向きの構造とし、成長させた発光ダイオードの構造があり、それは最上層のｎ形領域とＩＴＯと接触し良好なオーム特性を形成する。しかし、この方法は、その下のｐ形領域が前述の特性を有するため、抵抗が相当高くなり、このためこの構造の発展は制限されている。
【０００４】
図１は周知の技術の窒化ガリウムダイオードエピタキシャル構造表示図であり、基板１０１、窒化ガリウム化合物半導体低温バッファ層１０３、アンドープ窒化ガリウム化合物半導体層１０５、ｎ形窒化ガリウム化合物半導体層１０７、窒化ガリウム化合物半導体発光活性層（ａｃｔｉｖｅ ｌａｙｅｒ）１０９、ｐ形窒化ガリウム化合物半導体１１１を具え、素子工程技術により、ｎ形電極１１３とｐ形透明電極１１５とｐ形電極１１７が形成される。
【０００５】
ＩＴＯ電極の応用において、上述のｐ形領域とＩＴＯが良好なオームコンタクトを形成できない問題を改善するため、ｐ形を下向きとした構造を採用でき、これは図２に示されるとおりである。それは、基板２０１、窒化ガリウム化合物半導体低温バッファ層２０３、アンドープ窒化ガリウム化合物半導体層２０５、ｐ形窒化ガリウム化合物半導体層２０７、窒化ガリウム化合物半導体発光活性層２０９、ｎ形窒化ガリウム化合物半導体２１１を具えている。素子工程技術により、ｎ形透明電極ＩＴＯ２１３とｎ形電極２１５及びｐ形電極２１７が形成される。
【０００６】
この情況下で、ｎ形窒化ガリウム化合物半導体層２１１のＩＴＯコンタクト問題を解決できるが、却ってｐ形窒化ガリウム化合物半導体層２０７が比較的大きな抵抗を発生し、このため用途が制限される。厚さを改変する方法により抵抗を下げることもできるが、その改善は有限であり、このため、いかに有効にｎ形窒化ガリウム化合物半導体層２１１の抵抗を下げるかが、ｐ形が下向きとされた構造の主要な課題であり、本発明は一種のトンネル層構造を提供し、トンネル効果により発光ダイオードの高抵抗の問題を解決する。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、一種の構造を提供し、該構造を透過し、発光ダイオード装置の透過導電率を増加し、且つエピタキシャル層の厚さを改変する必要を無くすことにある。
【０００８】
本発明によると、構造の、ダイオードエピタキシャル構造中のｐ形層中に、導電性が良好なｎ層を加入し、並びにｐ形層とｎ形層の間に、トンネル層を加入し、この低抵抗層を高濃度のｐ形とｎ形材料で形成するか、及び又は異なるヘテロ想像で組成する。バイアス電圧下で、電流或いは電子が電極を流れてバイアス／トンネル効果によりこの低抵抗層を超過し、容易に導電するｎ形層に到達し、ｎ形層或いは界面層において発光層下方に移動し、さらにブレークダウン／トンネル効果によりｐ形領域中に進入し、さらに発光領域に進入して電子と結合し光子となる。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、低抵抗層を具えた発光ダイオードにおいて、ｐ形或いはｎ形領域のいずれか一方の低抵抗層を具え、該低抵抗層がキャリアのトンネル効果、ブレークダウン効果、或いはこれに類似の効果を利用し、エピタキシャル構造の抵抗或いは操作電圧を下げることを特徴とする、低抵抗層を具えた発光ダイオードとしている。
請求項２の発明は、前記エピタキシャル構造のうち、低抵抗層が高濃度のｐｎ接合とされたことを特徴とする、請求項１に記載の低抵抗層を具えた発光ダイオードとしている。
請求項３の発明は、前記エピタキシャル構造のうち、高濃度のｐｎ接合の濃度が、少なくとも、７×１０^１７個／ｃｍ^−３とされたことを特徴とする、請求項２に記載の低抵抗層を具えた発光ダイオードとしている。
請求項４の発明は、前記エピタキシャル構造のうち、高濃度のｐｎ接合の厚さが、１０Åから２０００Åとされたことを特徴とする、請求項２に記載の低抵抗層を具えた発光ダイオードとしている。
請求項５の発明は、前記エピタキシャル構造のうち、低抵抗層がｐ／ｎ形窒化ガリウム化合物半導体層の超結晶構造（Ｉｎ_ｘ１Ｇａ_ｙ１Ａｌ_{（１−ｘ１−ｙ１）} Ｎ：Ｍｇ及び又はＺｎ及び又はＳｉ ／ Ｉｎ_ｘ２Ｇａ_ｙ２Ａｌ_{（１−ｘ２−ｙ２）} Ｎ：Ｍｇ及び又はＺｎ及び又はＳｉ、（０≦ｘ１，ｙ２≦１、０≦ｘ２，ｙ２≦１、０≦ｘ１＋ｙ２≦１、０≦ｘ２＋ｙ２≦１）で組成され、その厚さの組合せは、１０〜５００Å、或いは１０〜５００Åとされ、対数は３から１００対の間、総厚度は２１０〜１０００００Åの間とされることを特徴とする、請求項１に記載の低抵抗層を具えた発光ダイオードとしている。
請求項６の発明は、前記エピタキシャル構造が、ｐ形窒化ガリウム化合物半導体層、低抵抗層構造、或いはｎ形窒化ガリウム化合物半導体層の上に位置する下層電極を具えたことを特徴とする、請求項１に記載の低抵抗層を具えた発光ダイオードとしている。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明は以下の具体的実施例において関係図面を参照しながら説明される。文内の窒化ガリウム化合物半導体はＭＯＣＶＤ或いはＭＢＥ或いはその他のエピタキシャル成長技術を利用し形成される。本発明のｎ形窒化ガリウム化合物半導体のｎ形ドーパントは、シリコン、ゲルマニウム或いはその他の同じ機能を有する元素とされる。本発明に記載のｐ形窒化ガリウム化合物半導体のｐ形ドーパントは、マグネシウム、亜鉛、ベリリウム或いはその他の同じ機能を有する元素とされる。
【００１１】
低抵抗層はキャリアを利用し、トンネル効果或いはブレークダウン効果により、抵抗を下げるか、或いは電圧操作の構造を利用し、実質的な構造としては、高濃度（＞＝７×１０１７ｃｍ−３）のｐｎ接合、或いはｐ＋ＧａＮ／ｎ＋ＧａＮ（１０〜２０００Å）とされるか、ｐ／ｎ形窒化アルミニウムインジウムガリウム半導体層／ｐ／ｎ形窒化アルミニウムインジウムガリウム半導体層の超結晶構造（Ｉｎ_ｘ１Ｇａ_ｙ１Ａｌ_{（１−ｘ１−ｙ１）} Ｎ：Ｍｇ及び又はＺｎ及び又はＳｉ ／ Ｉｎ_ｘ２Ｇａ_ｙ２Ａｌ_{（１−ｘ２−ｙ２）} Ｎ：Ｍｇ及び又はＺｎ及び又はＳｉ、（０≦ｘ１，ｙ２≦１、０≦ｘ２，ｙ２≦１、０≦ｘ１＋ｙ２≦１、０≦ｘ２＋ｙ２≦１）で組成され、その厚さの組合せは、１０〜５００／１０〜５００Å、対数は３から１００対の間、総厚度は約６０〜１０００００Åの間とされる。
【００１２】
【実施例】
実施例１
図３は実施例１の窒化ガリウムダイオードエピタキシャル構造表示図であり、酸化アルミニウム（Ａｌ_２ Ｏ_３ ）、サファイア、窒化ガリウム（ＧａＮ）、炭化けい素（ＳｉＣ）、砒素化ガリウム（ＧａＡｓ）、シリコン（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、シリコンゲルマニウム（ＳｉＧｅ）とされる基板３０１と、該基板３０１の表面上に形成されてアモルファス組織とされ、厚さ約５０〜５００Åとされる窒化ガリウム化合物半導体バッファ層３０３と、厚さ約１〜１０μｍとされるｎ形或いはアンドープ窒化ガリウム化合物半導体層３０５と、厚さ約０．５〜２μｍのｎ形窒化ガリウム化合物半導体層３０７と、構造、成分、厚さがいずれも前述したようである前述の低抵抗層３０９と、厚さ約５００Å〜４μｍのヘビードープｐ形窒化ガリウム化合物半導体層３１１、ｐ形窒化ガリウム化合物半導体層３１３、発光層３１５、ｎ形窒化ガリウム化合物半導体層３１７、ｎ形窒化ガリウム化合物半導体層３１７の表面に形成されて厚さが５００Å〜２μｍで良好なオームコンタクトを形成するヘビードープｎ形窒化ガリウム化合物半導体層３１９を具えている。コンタクト層は或いは単層或いは多層の低エネルギー系材料例えば窒化インジウムガリウムＩｎ_ｘ Ｇａ_{（１−ｘ）} Ｎ（０＜＝ｘ＜＝１）とされうる。エピタキシー完了後に、膜形成、リソグラフィー、熱処理及びエッチング工程を使用し、ｐ形窒化ガリウム化合物半導体層３１１上に平台を形成し、並びにＩＴＯ透明電極３２１をヘビードープｎ形窒化ガリウム化合物半導体層３１９の上に形成し、ＩＴＯ透明電極３２１の金属コンタクト層３２３をＩＴＯ透明電極３２１の上に形成し、ｐ形コンタクト層３２５をｐ形窒化ガリウム化合物半導体層３１１の上に形成する。
【００１３】
実施例２
図４は実施例２の窒化ガリウムダイオードエピタキシャル構造表示図であり、酸化アルミニウム（Ａｌ_２ Ｏ_３ ）、サファイア、窒化ガリウム（ＧａＮ）、炭化けい素（ＳｉＣ）、砒素化ガリウム（ＧａＡｓ）、シリコン（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、シリコンゲルマニウム（ＳｉＧｅ）とされうる基板４０１と、該基板４０１の表面上に形成されてアモルファス組織とされ、厚さ約５０〜５００Åとされる窒化ガリウム化合物半導体バッファ層４０３と、厚さ約１〜１０μｍとされるｎ形或いはアンドープ窒化ガリウム化合物半導体層４０５と、厚さ約０．５〜２μｍのｎ形窒化ガリウム化合物半導体層４０７と、構造、成分、厚さがいずれも前述したようである前述の低抵抗層４０９と、厚さ約５００Å〜４μｍのヘビードープｐ形窒化ガリウム化合物半導体層４１１、ｐ形窒化ガリウム化合物半導体層４１３、発光層４１５、ｎ形窒化ガリウム化合物半導体層４１７、ｎ形窒化ガリウム化合物半導体層４１７の表面上に形成されて厚さが５００Å〜２μｍで良好なオームコンタクトを形成するヘビードープｎ形窒化ガリウム化合物半導体層４１９を具えている。コンタクト層は或いは単層或いは多層の低エネルギー系材料例えば窒化インジウムガリウムＩｎ_ｘ Ｇａ_{（１−ｘ）} Ｎ（０＜＝ｘ＜＝１）とされうる。エピタキシー完了後に、膜形成、リソグラフィー、熱処理及びエッチング工程を使用し、低抵抗層４０９の上に平台を形成し、並びにＩＴＯ透明電極４２１をヘビードープｎ形窒化ガリウム化合物半導体層４１９の上に形成し、ＩＴＯ透明電極４２１の金属コンタクト層４２３をＩＴＯ透明電極４２１の上に形成し、コンタクト層４２５を低抵抗層の上に形成する。
【００１４】
実施例３
図５は実施例３の窒化ガリウムダイオードエピタキシャル構造表示図であり、酸化アルミニウム（Ａｌ_２ Ｏ_３ ）、サファイア、窒化ガリウム（ＧａＮ）、炭化けい素（ＳｉＣ）、砒素化ガリウム（ＧａＡｓ）、シリコン（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、シリコンゲルマニウム（ＳｉＧｅ）とされうる基板５０１と、該基板５０１の表面上に形成されてアモルファス組織とされ、厚さ約５０〜５００Åとされる窒化ガリウム化合物半導体バッファ層５０３と、厚さ約１〜１０μｍとされるｎ形或いはアンドープ窒化ガリウム化合物半導体層５０５と、厚さ約０．５〜２μｍのｎ形窒化ガリウム化合物半導体層５０７と、構造、成分、厚さがいずれも前述したようである前述の低抵抗層５０９と、厚さ約５００Å〜４μｍのヘビードープｐ形窒化ガリウム化合物半導体層５１１、ｐ形窒化ガリウム化合物半導体層５１３、発光層５１５、ｎ形窒化ガリウム化合物半導体層５１７、ｎ形窒化ガリウム化合物半導体層５１７の表面上に形成されて厚さが５００Å〜２μｍで良好なオームコンタクトを形成するヘビードープｎ形窒化ガリウム化合物半導体層５１９を具えている。コンタクト層は或いは単層或いは多層の低エネルギー系材料例えば窒化インジウムガリウムＩｎ_ｘ Ｇａ_{（１−ｘ）} Ｎ（０＜＝ｘ＜＝１）とされうる。エピタキシー完了後に、膜形成、リソグラフィー、熱処理及びエッチング工程を使用し、ｎ形窒化ガリウム化合物半導体層５０７上に平台を形成し、並びにＩＴＯ透明電極５２１と５２５をそれぞれヘビードープｎ形窒化ガリウム化合物半導体層５１９とｎ形窒化ガリウム化合物半導体層５０７の上に形成し、ＩＴＯ透明電極５２１の金属コンタクト層５２３をＩＴＯ透明電極５２１の上に形成し、コンタクト層５２７をＩＴＯ透明電極５２５の上に形成する。
【００１５】
以上の実施例は本発明の実施範囲を限定するものではなく、本発明に基づきなしうる細部の修飾或いは改変は、いずれも本発明の請求範囲に属するものとする。
【００１６】
【発明の効果】
本発明は、一種の構造を提供し、該構造を透過し、発光ダイオード装置の透過導電率を増加し、且つエピタキシャル層の厚さを改変する必要を無くことができる。
【００１７】
本発明によると、構造の、ダイオードエピタキシャル構造中のｐ形層中に、導電性が良好なｎ層を加入し、並びにｐ形層とｎ形層の間に、トンネル層を加入し、この低抵抗層を高濃度のｐ形とｎ形材料で形成するか、及び又は異なるヘテロ想像で組成する。バイアス電圧下で、電流或いは電子が電極を流れてバイアス／トンネル効果によりこの低抵抗層を超過し、容易に導電するｎ形層に到達し、ｎ形層或いは界面層において発光層下方に移動し、さらにブレークダウン／トンネル効果によりｐ形領域中に進入し、さらに発光領域に進入して電子と結合し光子となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】周知の技術のｎ形が下向きの窒化ガリウム発光ダイオード構造表示図である。
【図２】周知の技術のｐ形が下向きの窒化ガリウム発光ダイオード構造表示図である。
【図３】本発明の実施例１の窒化ガリウム発光ダイオードのエピタキシャル構造表示図である。
【図４】本発明の実施例２の窒化ガリウム発光ダイオードのエピタキシャル構造表示図である。
【図５】本発明の実施例３の窒化ガリウム発光ダイオードのエピタキシャル構造表示図である。
【符号の説明】
１０１ 基板
１０３ 窒化ガリウム化合物半導体低温バッファ層
１０５ アンドープ窒化ガリウム化合物半導体層
１０７ ｎ形窒化ガリウム化合物半導体層
１０９ 窒化ガリウム化合物半導体発光活性層
１１１ ｐ形窒化ガリウム化合物半導体
１１３ ｎ形電極
１１５ ｐ形透明電極
１１７ ｐ形電極
２０１ 基板
２０３ 窒化ガリウム化合物半導低温バッファ層
２０５ アンドープ窒化ガリウム化合物半導体層
２０７ ｐ形窒化ガリウム化合物半導体層
２０９ 窒化ガリウム化合物半導体発光活性層
２１１ ｎ形窒化ガリウム化合物半導体層
２１３ ｎ形透明電極ＩＴＯ
３０１ 基板
３０３ 窒化ガリウム化合物半導バッファ層
３０５ ｎ形或いはアンドープ窒化ガリウム化合物半導体層
３０７ ｎ形窒化ガリウム化合物半導体層
３０９ 低抵抗層
３１１ ヘビードープｐ形窒化ガリウム化合物半導体層
３１３ ｐ形窒化ガリウム化合物半導体層
３１５ 発光層
３１７ ｎ形窒化ガリウム化合物半導体層
３１９ ヘビードープｎ形窒化ガリウム化合物半導体層
３２１ ＩＴＯ透明電極
３２３ 金属コンタクト
３２５ ｐ形コンタクト層
４０１ 基板
４０３ 窒化ガリウム化合物半導バッファ層
４０５ ｎ形或いはアンドープ窒化ガリウム化合物半導体層
４０７ ｎ形窒化ガリウム化合物半導体層
４０９ 低抵抗層
４１１ ヘビードープｐ形窒化ガリウム化合物半導体層
４１３ ｐ形窒化ガリウム化合物半導体層
４１５ 発光層
４１７ ｎ形窒化ガリウム化合物半導体層
４１９ ヘビードープｎ形窒化ガリウム化合物半導体層
４２１ ＩＴＯ透明電極
４２３ 金属コンタクト
４２５ コンタクト層
５０１ 基板
５０３ 窒化ガリウム化合物半導バッファ層
５０５ ｎ形或いはアンドープ窒化ガリウム化合物半導体層
５０７ ｎ形窒化ガリウム化合物半導体層
５０９ 低抵抗層
５１１ ヘビードープｐ形窒化ガリウム化合物半導体層
５１３ ｐ形窒化ガリウム化合物半導体層
５１５ 発光層
５１７ ｎ形窒化ガリウム化合物半導体層
５１９ ヘビードープｎ形窒化ガリウム化合物半導体層
５２１ ＩＴＯ透明電極
５２３ 金属コンタクト
５２５ ＩＴＯ透明電極
５２７ コンタクト層

Claims (6)

1. 低抵抗層を具えた発光ダイオードにおいて、ｐ形或いはｎ形領域のいずれか一方の低抵抗層を具え、該低抵抗層がキャリアのトンネル効果、ブレークダウン効果、或いはこれに類似の効果を利用し、エピタキシャル構造の抵抗或いは操作電圧を下げることを特徴とする、低抵抗層を具えた発光ダイオード。
2. 前記エピタキシャル構造のうち、低抵抗層が高濃度のｐｎ接合とされたことを特徴とする、請求項１に記載の低抵抗層を具えた発光ダイオード。
3. 前記エピタキシャル構造のうち、高濃度のｐｎ接合の濃度が、少なくとも、７×１０^１７個／ｃｍ^−３とされたことを特徴とする、請求項２に記載の低抵抗層を具えた発光ダイオード。
4. 前記エピタキシャル構造のうち、高濃度のｐｎ接合の厚さが、１０Åから２０００Åとされたことを特徴とする、請求項２に記載の低抵抗層を具えた発光ダイオード。
5. 前記エピタキシャル構造のうち、低抵抗層がｐ／ｎ形窒化ガリウム化合物半導体層の超結晶構造（Ｉｎ_ｘ１Ｇａ_ｙ１Ａｌ_{（１−ｘ１−ｙ１）} Ｎ：Ｍｇ及び又はＺｎ及び又はＳｉ ／ Ｉｎ_ｘ２Ｇａ_ｙ２Ａｌ_{（１−ｘ２−ｙ２）} Ｎ：Ｍｇ及び又はＺｎ及び又はＳｉ、（０≦ｘ１，ｙ２≦１、０≦ｘ２，ｙ２≦１、０≦ｘ１＋ｙ２≦１、０≦ｘ２＋ｙ２≦１）で組成され、その厚さの組合せは、１０〜５００Å、或いは１０〜５００Åとされ、対数は３から１００対の間、総厚度は２１０〜１０００００Åの間とされることを特徴とする、請求項１に記載の低抵抗層を具えた発光ダイオード。
6. 前記エピタキシャル構造が、ｐ形窒化ガリウム化合物半導体層、低抵抗層構造、或いはｎ形窒化ガリウム化合物半導体層の上に位置する下層電極を具えたことを特徴とする、請求項１に記載の低抵抗層を具えた発光ダイオード。

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