JP2004327980A - 半導体発光ダイオード及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 半導体発光ダイオード及びその製造方法を提供する。
【解決手段】 基板、この基板上に順次に設けられたｎ型半導体層、活性層、ｐ型半導体層、ｐ型半導体層上に形成される第１金属層とこの第１金属層上に形成されて活性層から発生した光を反射させる第２金属層とを備えるｐ型電極と、を含む半導体発光ダイオードである。本発明による半導体発光ダイオードによれば、ｐ型半導体層との接触抵抗が低いと同時に光反射率が高いｐ型電極を備えることによって動作電圧を低め、かつ光抽出効率を高めうる。
【選択図】 図２

Description

本発明は半導体発光ダイオード及びその製造方法に係り、さらに詳細にはｐ型電極の構造を変化させることによって発光量を増加させた半導体発光ダイオード及びその製造方法に関する。

半導体発光ダイオードは、光通信のような通信分野やコンパクトディスクプレーヤ（ＣＤＰ：Ｃｏｍｐａｃｔ Ｄｉｓｃ Ｐｌａｙｅｒ）やデジタル多機能ディスクプレーヤ（ＤＶＤＰ：Ｄｉｇｉｔａｌ Ｖｅｒｓａｔｉｌｅ Ｄｉｓｃ Ｐｌａｙｅｒ）のような装置でデータの伝送やデータの記録及び判読のための手段として広く使われており、大型屋外電光板、ＬＣＤ（Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｄｉｓｐｌａｙｓ）のバックライトなどに応用範囲を広げている。

図１は、従来の半導体発光ダイオードを概略的に示す断面図である。

図１を参照すれば、サファイア基板１の上面にｎ型半導体層２、光が生成される活性層３、及びｐ型半導体層４が備わる。５及び６は各々ｎ型半導体層２とｐ型半導体層４とに各々電気的に接触されるように形成されるｎ型電極５及びｐ型電極６である。

活性層３から発生した光Ｌ１は、ｎ型半導体層２、基板１を経て外部に放出される。活性層３から発生した光のうち放出角度がｎ型半導体層２と基板１との屈折率から計算される臨界角より大きい光Ｌ２は、ｎ型半導体層２と基板１の境界面で反射され、ｐ型電極６と基板１間で反射を反復しつつ側面を通じて放出される。この過程で、反射を反復するほど光が有するエネルギーは主にｐ型電極６に吸収されて光度が急減する。

したがって、半導体発光ダイオードの光抽出効率を向上させるためにはｐ型電極６として光反射率が高い材料、言い換えれば、光吸収率が低い材料を使用する必要がある。ｐ型電極６の材料はまた、ｐ型半導体層４と良好なオーム接合をなすことが要求される。

光吸収率が低い代表的な金属としては、銀（Ａｇ）が挙げられる。しかし、Ａｇは、ｐ型半導体層４と接合された時にオーム特性が悪い。言い換えれば、ｐ型半導体層４との接触抵抗が高い。したがって、ｐ型電極６としてＡｇを使用する場合には、半導体発光ダイオードを動作させるために高い駆動電圧が要求される。また、Ａｇは、特にｐ型及びｎ型半導体層２，４として多く使われるIII−Ｖ族窒化物半導体層との接着力が悪いという短所がある。

特許文献１を参照すれば、ｐ型電極として高い反射率を有する金属材料、例えばＡｇを使用しつつオーム特性を改善するためにｐ型電極とサブマウントとの接触面積を広くする方案が開示されている。この場合、半導体発光ダイオードのサイズが大きくなって１枚のウェーハ当り製作されうる半導体発光ダイオードの数が減少するという短所がある。
米国特許６,４８６,４９９号明細書

本発明は前記問題点を解決するために創出されたものであって、相補的な特性を有する２つの金属層を備えたｐ型電極を採用することによって高い光抽出効率が得られるように改善された半導体発光ダイオード及びその製造方法を提供するところにその目的がある。

前記目的を達成するための本発明の半導体発光ダイオードは、基板と、この基板上に順次に設けられたｎ型半導体層、活性層、ｐ型半導体層と、前記ｐ型半導体層上に形成される第１金属層と、前記第１金属層上に形成されて前記活性層から発生した光を反射させる第２金属層とを備えるｐ型電極と、を含む。

また、本発明による半導体発光ダイオードの製造方法は、（ａ）基板上にｎ型半導体層、活性層、ｐ型半導体層を順次に積層させる段階と、（ｂ）前記ｐ型半導体層上にｐ型半導体層と電気的に接触されるｐ型電極を形成する段階と、を含み、前記（ｂ）段階は、前記ｐ型半導体層上に第１金属と第２金属とを順次に積層して前記ｐ型半導体層とオーム接合される第１金属層と光を反射させる第２金属層とを各々形成する段階を含み、酸素のない雰囲気で８０ないし３５０℃の温度で熱処理して前記第１及び第２金属層を安定させる段階をさらに含むことが望ましい。

前述した半導体発光ダイオード及びその製造方法において、前記第１金属層は、Ｐｄ、Ｐｔ、ＩＴＯ（Ｉｎｄｕｉｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ）のうち選択された何れか一つの金属よりなり、前記第２金属層は、Ａｇ、Ａｌのうち選択された何れか一つの金属よりなりうる。

前記第１金属層の厚さは１ないし１０ｎｍ程度であることが望ましく、前記第２金属層の厚さは５０ｎｍであることが望ましい。

前記ｎ型半導体層、活性層及びｐ型半導体層はＧａＮ系列のIII−Ｖ族窒化物系化合物であることが望ましく、前記活性層はＩｎ_ｘＡｌ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，そしてｘ＋ｙ≦１）系列のｎ型物質層またはドーピングされていない物質層であることが望ましい。

本発明による半導体発光ダイオードによれば、ｐ型半導体層との接触抵抗が低いと同時に光反射率が高いｐ型電極を備えることによって動作電圧を低め、かつ光抽出効率を高めうる。

以下、添付した図面を参照しつつ本発明の望ましい実施の形態を詳細に説明する。

図２は、本発明による半導体発光ダイオードの一実施の形態を示す断面図である。図２のように、基板１０の上部に順次にｎ型半導体層２０、活性層３０及びｐ型半導体層４０が積層される。

基板１０は、高抵抗性基板であってサファイア基板が主に利用され、Ｓｉ、ＳｉＣ、ＧａＮ基板が利用されうる。

ｎ型半導体層２０は、基板１０上面から順次に積層形成されるバッファ層２１及び第１クラッド層２２を含む。ｐ型半導体層４０は、活性層３０の上面から順次に積層形成される第２クラッド層４１及びキャップ層４２を含む。

バッファ層２１は、ＧａＮ系列のＩＩＩ−Ｖ族窒化物系化合物半導体よりなるｎ型物質層またはアンドープ物質層であって、ｎ−ＧａＮ層であることが望ましい。

キャップ層４２は、ＧａＮ系列のＩＩＩ−Ｖ族窒化物系化合物半導体層であって、ｐ型導電性不純物がドーピングされた直接遷移型であることが望ましく、その中でもｐ−ＧａＮ層がさらに望ましい。また、バッファ層２１と同様にＧａＮ層、ＡｌやＩｎを所定の割合で含有するＡｌＧａＮ層またはＩｎＧａＮ層でありうる。

第１クラッド層２２はｎ−ＡｌＧａＮ／ＧａＮ層であることが望ましく、第２クラッド層４１はドーピング物質がｐ型であることを除いては、第１クラッド層２２と同じ物質層である。

活性層３０は、電子−正孔などのキャリヤ再結合によって光放出が起る物質層であって、多重量子ウェル（ＭＱＷ：Ｍｕｌｔｉ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｗｅｌｌ）構造を有するＧａＮ系列のＩＩＩ−Ｖ族窒化物系化合物半導体層が望ましく、その中でもＩｎ_ｘＡｌ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，そしてｘ＋ｙ≦１）層であることがさらに望ましい。それ以外に、活性層３０は、ＧａＮ系列のＩＩＩ−Ｖ族窒化物系化合物半導体層にＩｎを所定の割合で含有する物質層、例えばＩｎＧａＮ層でありうる。

活性層３０の上下には第１及び第２導波路層（図示せず）がさらに積層されて活性層３０から放出される光を増幅させることによって高まった光度を有する光に発振させうる。第１及び第２導波路層は、活性層３０より屈折率が小さく、各々第１及び第２クラッド層２２，４１よりは屈折率が高い物質より形成するが、例えばＧａＮ系列のIII−Ｖ族化合物半導体層より形成することが望ましい。第１導波路層はｎ−ＧａＮ層より、第２導波路層はｐ−ＧａＮ層より形成する。

ｐ型電極５０とｎ型電極６０とは各々、ｐ型半導体層４０とｎ型半導体層２０と電気的に接触されるように形成される。

前述したような構成によって、ｎ型電極６０を通じてｎ型半導体層２０には電子を注入し、ｐ型電極５０を通じてｐ型半導体層４０には正孔を注入する。注入された電子と正孔とは、活性層３０で出合って消滅しつつ短波長帯域の光を発振させる。波長帯域によって発光する光の色合いが変わるが、波長帯域は半導体発光ダイオードを形成する物質による電導帯と価電子帯間のエネルギー幅によって決定される。

活性層３０から発生した光は、ｎ型半導体層２０、基板１０を経て外部に放出される。活性層３０から発生した光のうち放出角度がｎ型半導体層２０と基板１０との屈折率から計算される臨界角より大きい光は、ｎ型半導体層２０と基板１０との境界面で反射され、ｐ型電極５０と基板１０間で反射を反復しつつ側面を通じて放出される。

本実施の形態によるｐ型電極５０は、ｐ型半導体層４０との接触抵抗が小さくてｐ型半導体層４０と良好なオーム接合をなす第１金属と活性層３０から発生した光度を低下させずによく反射させる光反射率が高い第２金属とを共に使用することによって相補的に作用して各金属の短所を補完できるように形成されるところにその特徴がある。

このためにｐ型電極５０は、ｐ型半導体層４０と良好なオーム接合をなす第１金属層５１と光反射率が高い第２金属層５２とを備える。

第１及び第２金属層５１，５２は、キャップ層４２上に第１金属と第２金属とを順次に積層することによって形成される。第１金属層５１は、キャップ層４２とオーム接合されるものであって、半導体発光ダイオードを駆動させるための駆動電圧を低くするためにはキャップ層４２との接触抵抗が可能なかぎり小さい金属よりなることが望ましい。また、第１金属層５１は、キャップ層４２との接触抵抗が少なくとも第２金属よりは小さい金属よりなることが望ましい。第２金属層５２は、活性層３０から発生した光を反射させるものであって、光反射率が少なくとも第１金属よりは高い金属よりなることが望ましい。第１金属は、Ｐｄ、ＩＴＯ、Ｐｔのうち何れか一つであることが望ましい。第２金属は、Ａｇ、Ａｌのうち何れか一つであることが望ましい。

このように、第１及び第２金属層５１，５２を形成した後には酸素がない雰囲気で熱処理して第１及び第２金属層５１，５２を安定させることが望ましい。熱処理過程を経れば、第１金属層５１は、キャップ層４２と良好にオーム接合され、第２金属層５２は安定した固溶体となる。

図３は、本実施の形態による半導体発光ダイオードの熱処理特性を示すグラフである。本グラフは、ｐ型電極５０の第１金属層５１としてはＰｄ、第２金属層５２としてはＡｇを使用した場合、熱処理温度と半導体発光ダイオードの動作電圧との関係を示すものである。熱処理時間は１分、供給電流は２０ｍＡ、発光波長は３９２ｎｍである。

図３を見れば、熱処理温度が約２００℃程度である場合に、動作電圧が約３.２Ｖ程度として最も低く、熱処理温度が上がるにつれて動作電圧が高まって、熱処理温度が約２８０℃になれば、動作電圧が約３.６Ｖになる。たとえグラフに図示されていなくても、このような結果をみると、本実施の形態の熱処理温度は８０ないし３５０℃程度であることが望ましいと言える。これは良好なオーム接合をなすために実施する通常的な熱処理温度が４００℃以上であるものとは相異なる。

第１金属層５１の厚さは、第１金属が金属自体の特性を維持できる最小厚さ以上であることが要求され、１ないし１０ｎｍ程度であることが望ましい。第２金属層５２の厚さは、光が第２金属層５２を透過しない程度の厚さであることが要求され、５０ｎｍであることが望ましい。

図４は、本実施の形態によるｐ型電極５０による接触抵抗を測定したグラフである。Ｐｄ：１００ｎｍとＡｇ：１００ｎｍとは、従来のｐ型電極であってＰｄを１００ｎｍ積層した場合（Ｐｄ：１００ｎｍ）とＡｇを１００ｎｍ積層した場合（Ａｇ：１００ｎｍ）の接触抵抗を各々示したものである。Ｐｄ／Ａｕ、Ｐｄ／Ａｌ、Ｐｄ／Ａｇは、Ｐｄを５ｎｍの厚さに積層した第１金属層５１と、Ａｇ、Ａｌ、Ａｕを１００ｎｍの厚さに積層した第２金属層５２を備える本実施の形態によるｐ型電極５０の接触抵抗を各々示したものである。

図５は、本実施の形態によるｐ型電極５０による光反射率を測定したグラフである。Ａｇ：ｒｅｆは、１００ｎｍの厚さのＡｇ単一層よりなる従来のｐ型電極を示したものである。Ｐｄ／Ａｌ、Ｐｄ／Ａｇ、Ｐｄ／Ａｕは、Ｐｄを５ｎｍの厚さに積層し、その上に各々Ａｌ、Ａｇ、Ａｕを１００ｎｍの厚さに積層した本実施の形態によるｐ型電極５０を示したものである。本グラフは、Ａｇ：ｒｅｆで表示された従来のｐ型電極の光反射率を１と見なし、本実施の形態によるｐ型電極５０の相対的な光反射率を示したものである。グラフにおいて％で表示された数字は、発光波長が４００ｎｍである場合の相対的な光反射率を示したものである。

図４と図５とを見れば、Ａｇの場合には、光反射率は最も高いものの、ｐ型半導体層４０との接触抵抗は最も大きく、ｐ型半導体層４０と良好なオーム接合をなすことができない。また、Ｐｄは、ｐ型半導体層４０との接触抵抗は最も小さくてｐ型半導体層４０と良好なオーム接合をなすものの、光反射率はＡｇの４３％に過ぎず、光抽出効率を低下させる要因になる。したがって、ｐ型電極５０の形成において前記金属のうち何れか一つだけを使用する場合には、良好なオーム特性と高い光反射率とを同時に得ることができない。

しかし、本実施の形態によるｐ型電極５０は、ｐ型半導体層４０と良好なオーム接合をなす第１金属よりなる第１金属層５１と高い光反射率を有する第２金属よりなる第２金属層５２とを備えることによって、良好なオーム特性及び高い光反射率を同時に得ることができる。図４と図５とを見れば、ｐ型電極５０としてＰｄ／Ａｕ、Ｐｄ／Ａｌ、Ｐｄ／Ａｇの組合わせを使用する場合の接触抵抗は、Ｐｄだけを使用する場合の接触抵抗とほぼ同じになり、Ａｇだけを使用する場合より大幅改善されたことが分かる。また、ｐ型電極５０としてＰｄ／Ａｇ、Ｐｄ／Ａｌの組合わせを使用する場合に、光反射率が各々Ａｇだけを使用する場合の７２％、８２％に迫ってＰｄだけを使用する場合の５２％に比べて大幅改善されたことが分かる。但し、Ｐｄ／Ａｕの組合わせの場合の光反射率は、Ｐｄだけを使用する場合に比べて光波長が約３００〜５００ｎｍ領域では低く、約５００ｎｍ以上の領域では高い。

図６は、本実施の形態による半導体発光ダイオードによる光出力を示すグラフである。

本グラフは、Ｐｄを１００ｎｍ厚さに積層したｐ型電極を使用する場合（Ｐｄ：１００ｎｍ）とＰｄ及びＡｇを各々５ｎｍ、１００ｎｍ厚さに積層した本実施の形態によるｐ型電極５０を使用する場合（Ｐｄ／Ａｇ：５／１００ｎｍ）とに供給された電流による光出力と動作電圧とを示したものである。ここで、光出力は、半導体発光ダイオードから出射された光を光センサーで検出し、この光センサーの出力電流値を表示したものである。したがって、本グラフでの光出力は、絶対的な意味を有さず、比較のための相対的な意味を有する。

図６を見れば、動作電圧はほぼ同じであり、Ｐｄ／Ａｇの組合わせの場合にもＰｄだけを使用する場合とほぼ同じ接触抵抗を有することが確認できる。言い換えれば、Ａｇだけを使用する場合に比べて低い電圧で動作されうる。したがって、米国特許６,４８６,４９９号明細書に記載されているのようにｐ型電極とｐ型半導体層との接触抵抗を減らすためにｐ型電極とｐ型半導体層との接触面積を広くする必要がない。

また、供給電流が約２０ｍＡである時、Ｐｄ／Ａｇの組合わせの場合、光出力がＰｄだけを使用する場合に比べて約２８％程度増加したことが確認できる。

図７は、本実施の形態による半導体発光ダイオードによる放射光束を測定したグラフである。本グラフは、波長が約３９２ｎｍである光を放出する場合に測定されたものである。

図７を見れば、ＰｄとＡｇとを各々５ｎｍ、１００ｎｍの厚さに積層したｐ型電極５０を使用する場合（Ｐｄ／Ａｇ：５／１００ｎｍ）に、Ｐｄを１００ｎｍの厚さに積層した従来のｐ型電極を使用する場合（Ｐｄ：１００ｎｍ）より放射光束が約１２％多くなったことが確認できる。

本発明は、前記に説明され、図面に例示されたものにより限定されるものではなく、後述する特許請求の範囲内でさらに多くの変形及び変用例が可能である。

本発明の半導体発光ダイオードは、光通信のような通信分野やＣＤＰ、ＤＶＤＰのような装置に使用され、また大型屋外電光板、ＬＣＤのバックライトなどに適用可能である。

従来の半導体発光ダイオードを概略的に示す断面図である。 本発明による半導体発光ダイオードの一実施の形態を示す断面図である。 図２に示された実施の形態による半導体発光ダイオードの熱処理特性を示すグラフである。 図２に示された実施の形態によるｐ型電極による接触抵抗を測定したグラフである。 図２に示された実施の形態によるｐ型電極による光反射率を測定したグラフである。 図２に示された実施の形態による半導体発光ダイオードによる光出力を示すグラフである。 図２に示された実施の形態による半導体発光ダイオードによる放射光束を測定したグラフである。

符号の説明

１０ 基板、
２０ ｎ型半導体層、
２１ バッファ層、
２２ 第１クラッド層、
３０ 活性層、
４０ ｐ型半導体層、
４１ 第２クラッド層、
４２ キャップ層、
５０ ｐ型電極、
５１ 第１金属層、
５２ 第２金属層、
６０ ｎ型電極。

Claims (18)

1. 基板と、この基板上に順次に設けられたｎ型半導体層、活性層、ｐ型半導体層と、
   前記ｐ型半導体層上に形成される第１金属層と、前記第１金属層上に形成されて前記活性層から発生した光を反射させる第２金属層とを備えるｐ型電極と、を含む半導体発光ダイオード。
2. 前記第１金属層は、前記ｐ型半導体層との接触抵抗が前記第２金属層の前記ｐ型半導体層との接触抵抗より小さく、前記第２金属層は、光反射率が前記第１金属層より高いことを特徴とする請求項１に記載の半導体発光ダイオード。
3. 前記第１金属層は、パラジウム（Ｐｄ）、白金（Ｐｔ）、ＩＴＯのうち選択された何れか一つの金属よりなることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体発光ダイオード。
4. 前記第１金属層の厚さは、１ないし１０ｎｍであることを特徴とする請求項３に記載の半導体発光ダイオード。
5. 前記第２金属層は、銀（Ａｇ）、アルミニウム（Ａｌ）のうち選択された何れか一つの金属よりなることを特徴とする請求項１ないし４のうち何れか一項に記載の半導体発光ダイオード。
6. 前記第２金属層の厚さは、５０ｎｍ以上であることを特徴とする請求項５に記載の半導体発光ダイオード。
7. 前記第１及び第２金属層は、酸素のない雰囲気で８０ないし３５０℃の温度で熱処理されることを特徴とする請求項１ないし６のうち何れか一項に記載の半導体発光ダイオード。
8. 前記ｎ型半導体層、活性層及びｐ型半導体層は、ＧａＮ系列のIII−Ｖ族窒化物系化合物であることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光ダイオード。
9. 前記活性層は、Ｉｎ_ｘＡｌ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，そしてｘ＋ｙ≦１）系列のｎ型物質層またはドーピングされていない物質層であることを特徴とする請求項８に記載の半導体発光ダイオード。
10. （ａ）基板上にｎ型半導体層、活性層、ｐ型半導体層を順次に積層させる段階と、
    （ｂ）前記ｐ型半導体層上に前記ｐ型半導体層と電気的に接触されるｐ型電極を形成する段階と、を含み、
    前記（ｂ）段階は、
    前記ｐ型半導体層上に第１金属と第２金属とを順次に積層して、前記ｐ型半導体層とオーム接合される第１金属層と光を反射させる第２金属層とを各々形成する段階を含むことを特徴とする半導体発光ダイオードの製造方法。
11. 前記（ｂ）段階は、
    酸素のない雰囲気で８０ないし３５０℃の温度で熱処理して前記第１及び第２金属層を安定させる段階をさらに含むことを特徴とする請求項１０に記載の半導体発光ダイオードの製造方法。
12. 前記第１金属は、前記ｐ型半導体層との接触抵抗が前記第２金属の前記ｐ型半導体層との接触抵抗より小さく、前記第２金属は、光反射率が前記第１金属より高いことを特徴とする請求項１０に記載の半導体発光ダイオードの製造方法。
13. 前記第１金属は、パラジウム（Ｐｄ）、白金（Ｐｔ）、ＩＴＯのうち選択された何れか一つであることを特徴とする請求項１０ないし１２のうち何れか一項に記載の半導体発光ダイオードの製造方法。
14. 前記第１金属層の厚さは、１ないし１０ｎｍであることを特徴とする請求項１３に記載の半導体発光ダイオードの製造方法。
15. 前記第２金属は、銀（Ａｇ）、アルミニウム（Ａｌ）のうち選択された何れか一つであることを特徴とする請求項１０ないし１４のうち何れか一項に記載の半導体発光ダイオードの製造方法。
16. 前記第２金属層の厚さは、５０ｎｍ以上であることを特徴とする請求項１５に記載の半導体発光ダイオードの製造方法。
17. 前記ｎ型半導体層、活性層及びｐ型半導体層は、ＧａＮ系列のIII−Ｖ族窒化物系化合物であることを特徴とする請求項１０に記載の半導体発光ダイオードの製造方法。
18. 前記活性層は、Ｉｎ_ｘＡｌ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，そしてｘ＋ｙ≦１）系列のｎ型物質層またはドーピングされていない物質層であることを特徴とする請求項１７に記載の半導体発光ダイオードの製造方法。

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