JP3157124U - 窒化ガリウム系発光ダイオードの構造 - Google Patents

Abstract

【課題】高い発光効率を有する窒化ガリウム系発光ダイオードの構造を提供する。【解決手段】基板、第１型ドープした半導体層、発光層、第２型ドープした半導体層、透光導電層、第１電極および第２電極を含む。また、酸化亜鉛系半導体層および少なくとも１つの遷移層をさらに含み、遷移層が基板と第１型ドープした半導体層との間に介在されている。遷移層は少なくとも１つ分離された金属濡れ層と窒化層とを含む。【選択図】図６

Description

本考案は、一種の窒化ガリウム系発光ダイオードの構造に関して、特に、基板および窒化物半導体層の間に酸化亜鉛系半導体層および遷移層を加えることにより、窒化ガリウム系発光ダイオードの結晶品質を有効に高めるものに関する。

現在、発光ダイオードは、従来の白熱電球と比べれば、体積が小さい、破損しにくい、寿命が長い、汚染がない或いは消費電力の節約ができるなどの長所を持っている。さらに、発光ダイオードの応用面において、近年では、液晶表示装置のバックライト、交通信号灯、室外の表示看板および照明分野に応用されている。また、技術の成熟度が増すにつれ、ある分野において、一部の白熱灯を置換することが可能となってきた。一方、窒化ガリウム系化合物半導体材料は、大変重要な広バンドギャップ材料であり、緑色光、青色光および紫外光の発光素子に応用でき、それに、適切な蛍光材料と組み合せれば、白色発光ダイオードが得られる。しかしながら、バルク材に形成されている窒化ガリウム化合物半導体は、技術上のボトルネックが克服できていないため、大型化される基板を大量に作製することができないし、生産コストを低減することもできない。よって、サファイア基板または炭化珪素基板の上方に窒化ガリウム系層をエピタキシャル成長法を使用し、基板の上方に発光ダイオードを形成するのは、現在に普及されている商業化技術である。

図１に示すような従来の窒化ガリウム系発光ダイオードの構造によれば、サファイア基板１、低温窒化ガリウム緩衝層２、高温窒化ガリウム緩衝層３、Ｎ型ドープした窒化ガリウムのオーム接触層４、窒化インジウムガリウム発光層５、Ｐ型ドープした窒化アルミニウムガリウムのクラッド層６、Ｐ型ドープした窒化ガリウムのオーム接触層７、透光導電層８、第１電極９および第２電極１０を含む。また、サファイア基板１とＮ型ドープした窒化ガリウムのオーム接触層４との間に格子不整合が大きいため、低温窒化ガリウム緩衝層２を形成して、さらに、高温下で、別の窒化ガリウム緩衝層３を形成する。これにより、格子不整合による生成される応力を低減させて、これからの窒化ガリウム系エピタキシャル層の結晶品質を高めることになる。しかしながら、この方法によって作製された窒化ガリウム系発光ダイオードは、１０^９−１０^１０ ｃｍ^−２の欠陥密度がまだ残されていることから、発光効率と電子移動遷移速度が向上できないので、また、解決すべき課題があった。

米国特許第６２５２２６１号明細書 米国特許第７１２５７３６号明細書 米国特許第５１７３７５１号明細書 米国特許第７００１７９１号明細書

Ｔ． Ｄｅｔｃｈｐｒｏｈｍ ｅｔ ａｌ． （Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ ｖｏｌ． ６１ （１９９２） ｐ．２６８８） Ｐ. Ｃｈｅｎ ｅｔ ａｌ． （Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｇｒｏｗｔｈ ｖｏｌ．２２５ （２００１） ｐ．１５０） Ｒ． Ｐａｓｚｋｉｅｗｉｃｚ ｅｔ ａｌ． （Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｇｒｏｗｔｈ ｖｏｌ． ３１０（２００８） ｐ． ４８９１）

公知技術は、例えば、特許文献１に開示されているように、上記の窒化ガリウム系発光ダイオードの欠陥密度が高いという課題を解決するため、エピタキシャル横方向オーバーグロース方法（ＥＬＯＧ）を施すことにより、窒化ガリウム層の欠陥密度をを著しく低減させる。まず、従来の方法は、フォトリソグラフィとエッチング工程により、サファイア基板の上方にパターンを有する二酸化珪素層を形成する。それから、有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ）による成長させた選択エピタキシャル膜（Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅｌｙ Ｅｐｉｔａｘｙ）の複雑なメカニズムを制御することにより、欠陥密度を１ｘ１０^７ ｃｍ^−２以下までに低減させる。しかしながら、この方法による成長膜厚を１０μｍ以上に達することが必要であるため、生産コストが高いという課題がまた残されている。

また、特許文献２に開示されたようなサファイア基板の上方に凹凸パターンを形成し（ｐａｔｔｅｒｎｅｄ ｓａｐｐｈｉｒｅ ｓｕｂｓｔｒａｔｅ）、エピタキシャル横方向オーバーグロース法と組み合わせる技術手段がある。この特許文献に開示されている技術手段は、欠陥密度を１ｘ１０^８ ｃｍ^−２以下に低減することができるが、凹凸パターンを形成する均整度と密度の制御が難しいことから、不良要因の把握が困難になっていって、生産良率の管理が困難である。

また、特許文献３に開示されている窒化ガリウム系発光ダイオードの構造によれば、酸化亜鉛基板の上方に格子整合された窒化アルミニウムインジウムガリウム層または窒化燐化アルミニウムガリウム層の構造を形成する。酸化亜鉛と窒化ガリウムとも六方晶系であるウルツ鉱（ｗｕｔｚｉｔｅ）の構造である。なお、酸化亜鉛の格子定数はａ＝３.２５Å、ｃ＝５.２Åであり、窒化ガリウムの格子定数ではａ＝３.１８７Å、ｃ＝５.１８８Åである。燐、インジウムおよびアルミニウムなどの成分を適宜付け加えて、形成される化合物は、格子定数と酸化亜鉛との整合できることから、格子不整合による欠陥密度を低減することができる。よって、酸化亜鉛より形成する窒化ガリウム系層の基板は、欠陥密度を低減することができる長所を持つ。

また、非特許文献１であるＴ． Ｄｅｔｃｈｐｒｏｈｍ ｅｔ ａｌ． （Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ ｖｏｌ． ６１ （１９９２） ｐ．２６８８）の論文によれば、サファイア基板に酸化亜鉛層を緩衝層とし、形成される後に、続いて、気相エピタキシャル成長法（ＨＶＰＥ）により、酸化亜鉛緩衝層の上方に、窒化ガリウム層を形成する。得られた窒化ガリウム層を室温下で、その特性を測量したところ、背景濃度が９ｘ１０^１５〜４ｘ１０^１６ ｃｍ^−３であり、遷移率が４２０〜５２０ ｃｍ^２Ｖ^−１Ｓ^−１である高品質を有する薄膜層が得られる。また、非特許文献２であるＰ. Ｃｈｅｎ ｅｔ ａｌ． （Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｇｒｏｗｔｈ ｖｏｌ． ２２５ （２００１） ｐ．１５０）の論文によれば、シリコン基板の上方にトリメチルアルミニウム前駆物質（ＴＭＡｌ ｐｒｅｃｕｒｓｏｒ）により、アルミニウム層を濡れ層（ｗｅｔｔｉｎｇ ｌａｙｅｒ）とし、形成された後に、続いて、アンモニアガスを供給して、この濡れ層を窒化処理し、窒化アルミニウム緩衝層をエピタキシャル成長法で成長させる。その後、この窒化アルミニウム緩衝層の上方にはさらに、窒化ガリウム層を引き続きに成長させる。得られた窒化ガリウム層を室温下で、その特性を測量したところ、背景濃度が約１.３ｘ１０^１７ ｃｍ^−３であり、遷移率が約２１０ ｃｍ^２Ｖ^−１Ｓ^−１である薄膜層が得られる。

さらに、特許文献４に開示されているシリコン基板の上方に窒化ガリウム系層をエピタキシャル成長の方法によれば、シリコン基板の上方に酸化亜鉛層を形成して緩衝層とする。続いて、成長温度を６００℃以下の温度において、まず、窒化ガリウム系層を形成した後、成長温度を６００℃以上の温度において、窒化ガリウム系層をエピタキシャル成長法で成長する。前記特許文献４においては、さらに別の方法が開示されており、６００℃以下の成長温度において、エピタキシャル成長法を施す前に、酸化亜鉛緩衝層の上方にトリエチルガリウム（ＴＥＧａ）により表面処理した後に、アンモニアガスを供給して反応させ、続いて窒化ガリウム系層を成長する。

また、非特許文献３であるＲ． Ｐａｓｚｋｉｅｗｉｃｚ ｅｔ ａｌ． （Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｇｒｏｗｔｈ ｖｏｌ． ３１０（２００８） ｐ．４８９１） の論文によれば、シリコン基板の上方に酸化亜鉛層を緩衝層に形成し、成長温度勾配の窒化ガリウムと、窒化アルミニウムの多層構造を形成した後に、１０００℃以上の高温環境において、窒化ガリウム層をこの温度勾配の多層構造の上方にエピタキシャル成長法により形成しているため、クラックしていない、膜厚が２μｍを超える窒化ガリウム層が得られる。

上記したような従来技術に開示されている長所および従来の欠点に対し、改善する斬新な窒化ガリウム系発光ダイオードの構造とその作製方法を提供することは、本考案者らがかねてからの気がかりなことである。このような状況の中で、本考案者らは、業界に長年身を置いている発光ダイオード関連製品の研究開発の経験に基づき、よい改善案を考え始め、鋭意研究を行なった結果、一種の窒化ガリウム系発光ダイオードの発光効率を高める方法と斬新な構造を考案し、さらに、産業上の利用価値を持ち本考案を完成するに至った。

本考案の一態様においては、基板、酸化亜鉛系半導体層、遷移層、第１型ドープした半導体層、発光層および第２型ドープした半導体層を含む窒化ガリウム系発光ダイオード構造を提供することである。また、遷移層は、金属濡れ層と窒化層を複数回の交互に重ね合せて構成される積層構造である。

本考案の別の態様においては、基板、酸化亜鉛系半導体層、遷移層、窒化ガリウム系半導体積層構造、透光導電層、第１電極および第２電極を含む窒化ガリウム系発光ダイオード構造を提供することである。また、遷移層は、金属濡れ層と窒化層を複数回の交互に重ね合せて構成される積層構造である。

本考案のさらに別の態様においては、基板、酸化亜鉛系半導体層、遷移層および窒化ガリウム系半導体積層構造を含む窒化ガリウム系発光ダイオード構造を提供することである。また、遷移層は、異なる金属濡れ層と異なる窒化層を複数回の交互に重ね合わせて構成される積層構造である。

本考案のさらに別の態様においては、基板、酸化亜鉛系半導体層、遷移層および窒化ガリウム系半導体堆積構造を含む窒化ガリウム系発光ダイオード構造を提供することである。また、窒化ガリウム系半導体積層構造は、ドープしていない窒化ガリウム半導体層、Ｎ型ドープした窒化ガリウムのオーム接触層、窒化インジウムガリウム多重量子井戸構造発光層、Ｐ型ドープした窒化アルミニウムガリウムのクラッド層およびＰ型ドープした窒化ガリウムのオーム接触層より構成される。

従来の窒化ガリウム系発光ダイオードの構造について模式的な断面図である。 本考案の作製方法を示す流れ図である。 本考案の別の作製方法を示す流れ図である。 本考案の実施態様に係る構造について模式的な断面図である。 本考案の実施態様に係る構造について模式的な断面図である。 本考案の実施態様に係る構造について模式的な断面図である。 本考案の実施態様に係る構造について模式的な断面図である。 本考案の実施態様に係る構造について模式的な断面図である。 本考案の実施態様に係る構造についての電気励起光スペクトル図である。

前記した本考案の技術内容、特長および効果については、主に以下の参考図面に沿っての実施形態の詳細説明により明らかになろう。

図２に示すような本考案の作製方法の流れ図を参照し、以下のステップを含む。

ステップＳ１０：基板を提供する。

ステップＳ１１：酸化亜鉛系半導体層を基板の上方に形成する。

ステップＳ１２：金属濡れ層を酸化亜鉛系半導体層の上方に形成する。

ステップＳ１３：窒化層を金属濡れ層の上方に形成する。

ステップＳ１４：窒化ガリウム系半導体積層構造を形成する。

なお、ステップＳ１２とステップＳ１３により、遷移層が形成される。ステップＳ１４の窒化ガリウム系半導体積層構造は、この遷移層の上方に形成する。また、ステップＳ１２とステップＳ１３の処理を繰り返すことにより、金属濡れ層と窒化層を複数回の交互に重ね合せて、遷移層の積層構造を構成される。続いて、ステップＳ１４の処理を行った後、チップ製造プロセスにより透光導電層、第１電極および第２電極を作製することをさらに含む。

図３に示すような本考案の別の作製方法の流れ図を参照し、主に以下のステップを含む。

ステップＳ２０：基板を提供する。

ステップＳ２１：酸化亜鉛系半導体層を基板の上方に形成する。

ステップＳ２２：第１金属濡れ層を酸化亜鉛系半導体層の上方に形成する。

ステップＳ２３：第１窒化層を第１金属濡れ層の上方に形成する。

ステップＳ２４：第２金属濡れ層を酸化亜鉛系半導体層の上方に形成する。

ステップＳ２５：第２窒化層を第２金属濡れ層の上方に形成する。

ステップＳ２６：窒化ガリウム系半導体積層構造を形成する。

なお、ステップＳ２２とステップＳ２３により、第１遷移層が形成され、ステップＳ２４とステップＳ２５により、第２遷移層が形成される。ステップＳ２６の窒化ガリウム系半導体積層構造は、第２遷移層の上方に形成される。また、ステップＳ２２とステップＳ２３の処理を繰り返すことにより、第１金属濡れ層と第１窒化層を複数回の交互に重ね合せて第１遷移層の積層構造を構成される。また、ステップＳ２４とステップＳ２５の処理を繰り返すことにより、第２金属濡れ層と第２窒化層を複数回の交互に重ね合せて第２遷移層の積層構造を構成される。続いて、ステップＳ２６の処理を行った後、チップ製造プロセスにより透光導電層、第１電極および第２電極を作製することをさらに含む。

本考案の実施態様を採用する技術手段および構造をより理解できるためには、好ましい実施態様と上記の流れ図を参照して行う以下の詳細説明から、より明確に理解できるであろう。

図４に示すような本考案の実施態様に係る構造について模式的な断面図を参照する。この図において、主要な構造は、基板２０、酸化亜鉛系半導体層２１、遷移層２２、第１型ドープした半導体層２３、発光層２４および第２型ドープした半導体層２５を含む。また、サファイア、炭化珪素、酸化マグネシウム、酸化ガリウム、酸化リチウムガリウム、酸化リチウムアルミニウム、スピネル、珪素、ゲルマニウム、ガリウムヒ素、リン化ガリウム、ガラスおよびホウ化ジルコニウムのいずれかから選択できる基板２０は、凹凸パターンを形成した基板である。原子層エピタキシー法、化学気相エピタキシャル成長法、分子線エピタキシー法、パルスレーザー堆積法あるいは高周波スパッタリング法により、酸化亜鉛系半導体層２１は、基板２０の上方に形成し、その膜厚が約１０ｎｍ〜５００ｎｍであり、凹凸パターンを形成した酸化亜鉛系半導体層である。遷移層２２の形成方法は、以下の通りである。図１の流れを参照し、ステップＳ１２において、酸化亜鉛系半導体層２１を有する基板２０を有機金属化学気相エピタキシャル反応チャンバーに入れて窒素ガスを供給し、続いて、反応チャンバーの温度を８５０℃に上昇させ、５分間安定させる。それから、トリメチルアルミニウム前駆物質を約１５秒間酸化亜鉛系半導体層２１の上方に供給して、膜厚が約１〜５原子層であるアルミニウム金属濡れ層を形成する。それで、ステップＳ１３において、トリメチルアルミニウム前駆物質の供給を止め、アンモニアガスを約３０秒間供給し、窒化アルミニウム金属濡れ層の窒化層を形成し、その膜厚が約１〜５原子層である。トリメチルアルミニウム前駆物質とアンモニアをパルスモードの（ｐｕｌｓｅ ｍｏｄｅ）エピタキシャル成長法により、前記ステップＳ１２とステップＳ１３を３０回繰り返して窒化アルミニウム系エピタキシャル層を形成する。前記した通りに、ステップＳ１２の前駆物質は、トリメチルガリウム（ＴＭＧａ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）、トリエチルアルミニウム（ＴＥＡｌ）、トリエチルガリウム（ＴＥＧａ）またはトリエチルインジウム（ＴＥＩｎ）のいずれかであってもよい。ステップＳ１３の前駆物質は、ジメチルヒドラジンまたはターシャリーブチルヒドラジンのいずれかであってもよい。それで、遷移層２２の上方には、ステップＳ１４により、順に、第１型ドープした半導体層２３、発光層２４および第２型ドープした半導体層２５を形成することにより窒化ガリウム系半導体積層構造を構成される。また、第１型ドープした半導体層２３は、Ｎ型ドープした窒化ガリウム系半導体層であり、第２型ドープした半導体層２５は、Ｐ型ドープした窒化ガリウム系半導体層である。また、第１型ドープした半導体層２３は、Ｐ型ドープした窒化ガリウム系半導体層であってもよい、この場合には、第２型ドープした半導体層２５は、Ｎ型ドープした窒化ガリウム系半導体層である。このほか、発光層２４は、窒化インジウムガリウムおよび窒化ガリウムから構成される多重量子井戸構造である。

図５に示すような本考案の実施態様に係る構造について模式的な断面図を参照する。この図において、主要な構造は、基板２０、酸化亜鉛系半導体層２１、第１遷移層３２、第２遷移層３３、第１型ドープした半導体層２３、発光層２４および第２型ドープした半導体層２５を含む。また、基板２０、酸化亜鉛系半導体層２１、第１型ドープした半導体層２３、発光層２４および第２型ドープした半導体層２５は、上記の実施態様と同じものを選択する。また、第１遷移層３２と第２遷移層３３の前駆物質においても、上記の実施態様に開示されるもののいずれかを選択する。使用される形成方法においても、上記の実施態様と同じ方法である。第１遷移層３２は、第１金属濡れ層と第１窒化層との構造で構成され、第２遷移層３３は、第２金属濡れ層と第２窒化層との構造で構成される。また、第１金属濡れ層は、トリメチルアルミニウムまたはトリエチルアルミニウムである前駆物質より形成され、第２金属濡れ層は、トリメチルガリウムまたはトリエチルガリウムである前駆物質より形成される。

図６に示すような本考案の実施態様に係る構造について模式的な断面図を参照する。図示の通り、主要な構造は、基板２０、酸化亜鉛系半導体層２１、遷移層２２、ドープしていない窒化ガリウム半導体層５３、Ｎ型ドープした窒化ガリウムのオーム接触層５４、窒化インジウムガリウム多重量子井戸構造発光層５５、Ｐ型ドープした窒化アルミニウムガリウムのクラッド層５６、Ｐ型ドープした窒化ガリウムのオーム接触層５７、透光導電層５８、第１電極５９および第２電極６０を含む。また、原子層エピタキシー法により、基板２０上に形成される酸化亜鉛系半導体層２１の膜厚が、約５ｎｍ〜５００ｎｍであり、最適値が１５０ｎｍ〜３００ｎｍである。そして、酸化亜鉛系半導体層２１を形成された基板２０を有機金属化学気相エピタキシャル反応チャンバーに入れて、上記の実施態様に開示された第１遷移層および第２遷移層の形成方法によれば、膜厚が約２０ｎｍ〜５０ｎｍである遷移層２２を形成し、膜厚の最適値が２５ｎｍ〜３５ｎｍである。さらに、膜厚が約１μｍであるドープしていない窒化ガリウム半導体層５３を遷移層２２の上方に形成して、膜厚が約３μｍであるＮ型ドープした窒化ガリウムのオーム接触層５４をドープしていない窒化ガリウム半導体層５３の上方に形成する。それから、膜厚が１２.５ｎｍである窒化ガリウム障壁層を形成して、膜厚が２.５ｎｍである窒化インジウムガリウム多重量子井戸を形成する。上記の処理を複数回に繰り返すことにより、多重量子井戸構造である発光層５５をＮ型ドープした窒化ガリウムのオーム接触層５４の上方に形成される。発光層５５の形成を完成した後に、膜厚が約３５ｎｍであるＰ型ドープした窒化アルミニウムガリウムのクラッド層５６を発光層５５の上方に形成して、膜厚が０.２５μｍであるＰ型ドープした窒化ガリウムのオーム接触層５７をＰ型ドープした窒化アルミニウムガリウムのクラッド層５６の上方に形成する。上述した通り、発光ダイオードの応用実施態様のエピタキシャル構造を完成する。それで、従来技術に係る水平電極のチップ製造プロセスにより、一部のＰ型ドープした窒化ガリウムのオーム接触層５７、Ｐ型ドープした窒化アルミニウムガリウムのクラッド層５６、発光層５５およびＮ型ドープした窒化ガリウムのオーム接触層５４を除去し、その露出した表面上に、Ｎ型ドープした窒化ガリウムのオーム接触層５４を露出させりる。さらに、Ｐ型ドープした窒化ガリウムのオーム接触層５７の上方に透光導電層５８を形成する。この透光導電層５８は、酸化インジウム、酸化スズ、酸化インジウムモリブデン、酸化亜鉛、酸化インジウム亜鉛、酸化インジウムセリウム、酸化インジウムスズ、ニッケル／金の２層構造、プラチナ／金の２層構造またはベリリウム／金の２層構造のうちの１つまたは２つ以上を組合せものである。最後に、透光導電層５８の上方に第１電極５９を形成して、Ｎ型ドープした窒化ガリウムのオーム接触層５４の上方に第２電極６０を形成する。第１電極５９および第２電極６０の材料としては、チタニウム／金、チタニウム／アルミニウムまたはクロム／金あるいはクロム／アルミニウムのうちの１つまたは２つ以上を組合せものである。

図７に示すような本考案の実施態様に係る構造について模式的な断面図を参照する。図示の通り、主要な構造は、凹凸パターンを形成したサファイア基板５１、酸化亜鉛系半導体層２１、遷移層２２、ドープしていない窒化ガリウム半導体層５３、Ｎ型ドープした窒化ガリウムのオーム接触層５４、窒化インジウムガリウム多重量子井戸構造発光層５５、Ｐ型ドープした窒化アルミニウムガリウムのクラッド層５６、Ｐ型ドープした窒化ガリウムのオーム接触層５７、透光導電層５８、第１電極５９および第２電極６０を含む。また、凹凸パターンを形成したサファイア基板５１は、凹部幅が約０.１〜５μｍであり、凸部幅が約０.１１〜５μｍであり、エッチング深さが約０.１〜３μｍであるエッチングパターンを有する。原子層エピタキシー法により、凹凸パターンを形成したサファイア基板５１の上方に形成される酸化亜鉛系半導体層２１の膜厚が約５ｎｍ〜５００ｎｍであり、最適値が１５０ｎｍ〜３００ｎｍである。それで、酸化亜鉛系半導体層２１を形成したサファイア基板５１を有機金属化学気相エピタキシャル反応チャンバーに入れて、上記の実施態様における第１遷移層と第２遷移層の形成方法によれば、膜厚が約２０ｎｍ〜５０ｎｍである遷移層２２を形成し、その最適値が２５ｎｍ〜３５ｎｍである。さらに、膜厚が約１μｍであるドープしていない窒化ガリウム半導体層５３を遷移層２２の上方に形成して、膜厚が約３μｍであるＮ型ドープした窒化ガリウムのオーム接触層５４をドープしていない窒化ガリウム半導体層５３の上方に形成する。それから、膜厚が１２.５ｎｍである窒化ガリウム障壁層を形成して、膜厚が２.５ｎｍである窒化インジウムガリウム多重量子井戸を形成する。これらの処理を複数回に繰り返すことにより、多重量子井戸構造である発光層５５をＮ型ドープした窒化ガリウムのオーム接触層５４の上方に形成する。発光層５５の形成を完成した後に、膜厚が約３５ｎｍであるＰ型ドープした窒化アルミニウムガリウムのクラッド層５６を発光層５５の上方に形成して、膜厚が０.２５μｍであるＰ型ドープした窒化ガリウムのオーム接触層５７をＰ型ドープした窒化アルミニウムガリウムのクラッド層５６の上方に形成する。上述した通り、発光ダイオードの応用実施態様のエピタキシャル構造を完成する。それで、従来技術に係る水平電極のチップ製造プロセスにより、一部のＰ型ドープした窒化ガリウムのオーム接触層５７、Ｐ型ドープした窒化アルミニウムガリウムのクラッド層５６、発光層５５およびＮ型ドープした窒化ガリウムのオーム接触層５４を除去し、その露出した表面上に、Ｎ型ドープした窒化ガリウムのオーム接触層５４を露出させる。さらに、Ｐ型ドープした窒化ガリウムのオーム接触層５７の上方に透光導電層５８を形成する。この透光導電層５８は、酸化インジウム、酸化スズ、酸化インジウムモリブデン、酸化亜鉛、酸化インジウム亜鉛、酸化インジウムセリウム、酸化インジウムスズ、ニッケル／金の２層構造、プラチナ／金の２層構造またはベリリウム／金の２層構造のうちの１つまたは２つ以上を組合せものである。最後に、透光導電層５８の上方に第１電極５９を形成して、Ｎ型ドープした窒化ガリウムのオーム接触層５４の上方に第２電極６０を形成する。第１電極５９および第２電極６０の材料としては、チタニウム／金、チタニウム／アルミニウムまたはクロム／金あるいはクロム／アルミニウムのうちの１つまたは２つ以上を組合せものである。

図８に示すような本考案の実施態様に係る構造について模式的な断面図を参照する。図示の通り、主要な構造は、サファイア基板５０、凹凸パターンを形成した酸化亜鉛系半導体層６１、遷移層２２、ドープしていない窒化ガリウム半導体層５３、Ｎ型ドープした窒化ガリウムのオーム接触層５４、窒化インジウムガリウム多重量子井戸構造発光層５５、Ｐ型ドープした窒化アルミニウムガリウムのクラッド層５６、Ｐ型ドープした窒化ガリウムのオーム接触層５７、透光導電層５８、第１電極５９および第２電極６０を含む。なお、凹凸パターンを形成した酸化亜鉛系半導体層６１の膜厚が約５ｎｍ〜５００ｎｍであり、最適値が１５０ｎｍ〜３００ｎｍである。また、凹部幅が約１〜５μｍであり、凸部幅が約１〜５μｍであり、エッチング深さが約０.０１〜０.３μｍであるエッチングパターンを有する。原子層エピタキシー法により、凹凸パターンを形成したサファイア基板５１の上方に形成される酸化亜鉛系半導体層６１の膜厚が約５ｎｍ〜５００ｎｍであり、最適値が１５０ｎｍ〜３００ｎｍである。原子層エピタキシ法により、酸化亜鉛系半導体層６１をサファイア基板５０の上方に形成する。そして、凹凸パターンを形成した酸化亜鉛系半導体層６１を形成したサファイア基板５０を有機金属化学気相エピタキシャル反応チャンバーに入れて、上記の実施態様における第１遷移層と第２遷移層の形成方法によれば、膜厚が約２０ｎｍ〜５０ｎｍである遷移層２２を形成し、その最適値が２５ｎｍ〜３５ｎｍである。さらに、膜厚が約１μｍであるドープしていない窒化ガリウム半導体層５３を遷移層２２の上方に形成して、膜厚が約３μｍであるＮ型ドープした窒化ガリウムのオーム接触層５４をドープしていない窒化ガリウム半導体層５３の上方に形成する。最後に、膜厚が約１２.５ｎｍである窒化ガリウム障壁層を形成して、膜厚が約２.５ｎｍである窒化インジウムガリウム量子井戸構造発光層５５を形成する。これらの処理を複数回に繰り返すことにより、多重量子井戸構造である発光層５５をＮ型ドープした窒化ガリウムのオーム接触層５４の上方に形成する。発光層５５の形成を完成した後に、膜厚が約３５ｎｍであるＰ型ドープした窒化アルミニウムガリウムのクラッド層５６を発光層５５の上方に形成して、膜厚が約０.２５μｍであるＰ型ドープした窒化ガリウムのオーム接触層５７をＰ型ドープした窒化アルミニウムガリウムのクラッド層５６の上方に形成する。上述した通り、発光ダイオードの応用実施態様のエピタキシャル構造を完成する。それで、従来技術に係る水平電極のチップ製造プロセスにより、一部のＰ型ドープした窒化ガリウムのオーム接触層５７、Ｐ型ドープした窒化アルミニウムガリウムのクラッド層５６、発光層５５およびＮ型ドープした窒化ガリウムのオーム接触層５４を除去し、その露出した表面上に、Ｎ型ドープした窒化ガリウムのオーム接触層５４を露出させる。さらに、Ｐ型ドープした窒化ガリウムのオーム接触層５７の上方に透光導電層５８を形成する。この透光導電層５８は、酸化インジウム、酸化スズ、酸化インジウムモリブデン、酸化亜鉛、酸化インジウム亜鉛、酸化インジウムセリウム、酸化インジウムスズ、ニッケル／金の２層構造、プラチナ／金の２層構造またはベリリウム／金の２層構造のうちの１つまたは２つ以上を組合せものである。最後に、透光導電層５８の上方に第１電極５９を形成して、Ｎ型ドープした窒化ガリウムのオーム接触層５４の上方に第２電極６０を形成する。第１電極５９および第２電極６０の材料としては、チタニウム／金、チタニウム／アルミニウムまたはクロム／金あるいはクロム／アルミニウムのうちの１つまたはそ２つ以上を組合せものである。

図９に示すような本考案の実施態様に係る構造についての電気励起光スペクトル図を参照する。

以上は実施態様の列挙であり、本考案になんらの制限を加わるものではない。本考案の精神と範囲を逸脱しない限り、その等効果修正又は変更は、なお、本明細書の請求の範囲に含まれるものとする。

１、５０：サファイア基板
２：低温窒化ガリウム緩衝層
３：高温窒化ガリウム緩衝層
４、５４：Ｎ型ドープした窒化ガリウムのオーム接触層
５：発光層
６、５６：Ｐ型ドープした窒化アルミニウムガリウムのクラッド層
７、５７：Ｐ型ドープした窒化ガリウムのオーム接触層
８、５８：透光導電層
９、５９：第１電極
１０、６０：第２電極
２０：基板
２１：酸化亜鉛系半導体層
２２：遷移層
２３：第１型ドープした半導体層
２４：発光層
２５：第２型ドープした半導体層
３２：第１遷移層
３３：第２遷移層
５１：凹凸パターンを形成したサファイア基板
５３：ドープしていない窒化ガリウム半導体層
５５：窒化インジウムガリウム多重量子井戸構造発光層
６１：凹凸パターンを形成した酸化亜鉛系半導体層

Claims (29)

1. 窒化ガリウム系発光ダイオードの構造において、
   基板と、
   前記基板の上方に形成する酸化亜鉛系半導体層と、
   前記酸化亜鉛系半導体層の上方に形成する遷移層と、
   前記遷移層の上方に形成する第１型ドープした半導体層と、
   前記第１型ドープした半導体層の上方に形成する発光層と、
   前記発光層の上方に形成する第２型ドープした半導体層と、
   を含む窒化ガリウム系発光ダイオードの構造。
2. 前記遷移層は、金属濡れ層と窒化層を複数回の交互に重ね合わせて構成されることを特徴とする請求項１に記載の窒化ガリウム系発光ダイオードの構造。
3. 前記金属濡れ層は、膜厚が１〜５原子層であるアルミニウム、ガリウムまたはインジウムのいずれかより形成することを特徴とする請求項２に記載の窒化ガリウム系発光ダイオードの構造。
4. 前記窒化層は、膜厚が１〜５原子層である窒素原子より形成することを特徴とする請求項２に記載の窒化ガリウム系発光ダイオードの構造。
5. 前記アルミニウム、ガリウムまたはインジウムはそれぞれ、トリメチルアルミニウム、トリメチルガリウムまたはトリメチルインジウムである前駆物質より形成されることを特徴とする請求項３に記載の窒化ガリウム系発光ダイオードの構造。
6. 前記アルミニウム、ガリウムまたはインジウムはそれぞれ、トリエチルアルミニウム、トリエチルガリウムまたはトリエチルインジウムである前駆物質より形成されることを特徴とする請求項３に記載の窒化ガリウム系発光ダイオードの構造。
7. 前記窒素原子は、アンモニア、ジメチルヒドラジンまたはターシャリーブチルヒドラジンのいずれかより形成されることを特徴とする請求項４に記載の窒化ガリウム系発光ダイオードの構造。
8. 前記基板は、サファイア、炭化珪素、酸化マグネシウム、酸化ガリウム、酸化リチウムガリウム、酸化リチウムアルミニウム、スピネル、珪素、ゲルマニウム、ガリウムヒ素、リン化ガリウム、ガラスまたはホウ化ジルコニウムのいずれかであることを特徴とする請求項１に記載の窒化ガリウム系発光ダイオードの構造。
9. 前記基板は、さらに凹凸パターンを形成した表面を含むことを特徴とする請求項８に記載の窒化ガリウム系発光ダイオードの構造。
10. 前記酸化亜鉛系半導体層は、さらに凹凸パターンを形成した表面を含むことを特徴とする請求項１に記載の窒化ガリウム系発光ダイオードの構造。
11. 前記第２型ドープした半導体層の上方にさらに透光導電層を含むことを特徴とする請求項１に記載の窒化ガリウム系発光ダイオードの構造。
12. 前記透光導電層の上方にさらに第１電極を含むことを特徴とする請求項１１に記載の窒化ガリウム系発光ダイオードの構造。
13. 前記第１型ドープした半導体層の上方にさらに第２電極を含むことを特徴とする請求項１に記載の窒化ガリウム系発光ダイオードの構造。
14. 窒化ガリウム系発光ダイオードの構造において、
    基板と、
    前記基板の上方に形成する酸化亜鉛系半導体層と、
    前記酸化亜鉛系半導体層の上方に形成する第１遷移層と、
    前記第１遷移層の上方に形成する第２遷移層と、
    前記第２遷移層の上方に形成する第１型ドープした半導体層と、
    前記第１型ドープした半導体層の上方に形成する発光層と、
    前記発光層の上方に形成する第２型ドープした半導体層と、
    を含む窒化ガリウム系発光ダイオードの構造。
15. 前記第１遷移層と前記第２遷移層は、金属濡れ層と窒化層とを複数回の交互に重ね合わせて構成されることを特徴とする請求項１４に記載の窒化ガリウム系発光ダイオードの構造。
16. 前記金属濡れ層は、膜厚が１〜５原子層であり、複数回の交互に重ね合わせて構成されるアルミニウム金属濡れ層および膜厚が１〜５原子層である窒素原子より構成されることを特徴とする請求項１５に記載の窒化ガリウム系発光ダイオードの構造。
17. 前記第２遷移層は、膜厚が１〜５原子層であり、複数回の交互に重ね合わせて構成されるガリウム金属濡れ層および膜厚が１〜５原子層である窒素原子より構成されることを特徴とする請求項１５に記載の窒化ガリウム系発光ダイオードの構造。
18. 前記基板は、サファイア、炭化珪素、酸化マグネシウム、酸化ガリウム、酸化リチウムガリウム、酸化リチウムアルミニウム、スピネル、珪素、ゲルマニウム、ガリウムヒ素、リン化ガリウム、ガラスまたはホウ化ジルコニウムのいずれかであることを特徴とする請求項１４に記載の窒化ガリウム系発光ダイオードの構造。
19. 前記基板は、さらに凹凸パターンを形成した表面を含むことを特徴とする請求項１８に記載の窒化ガリウム系発光ダイオードの構造。
20. 前記酸化亜鉛系半導体層は、さらに凹凸パターンを形成した表面を含むことを特徴とする請求項１４に記載の窒化ガリウム系発光ダイオードの構造。
21. 前記第２型ドープした半導体層の上方にさらに透光導電層を含むことを特徴とする請求項１４に記載の窒化ガリウム系発光ダイオードの構造。
22. 前記透光導電層の上方にさらに第１電極を含むことを特徴とする請求項２１に記載の窒化ガリウム系発光ダイオードの構造。
23. 前記第１型ドープした半導体層の上方にさらに第２電極を含むことを特徴とする請求項１４に記載の窒化ガリウム系発光ダイオードの構造。
24. 窒化ガリウム系発光ダイオードの構造において、
    基板と、
    前記基板の上方に形成する酸化亜鉛系半導体層と、
    前記酸化亜鉛系半導体層の上方に形成する金属濡れ層と、
    前記金属濡れ層の上方に形成する窒素原子層と、
    前記窒素原子層の上方に形成する窒化ガリウム系半導体積層構造と、
    を含む窒化ガリウム系発光ダイオードの構造であって、
    複数回の交互に重ね合わせて構成される金属濡れ層と窒素原子層であることを特徴とする窒化ガリウム系発光ダイオードの構造。
25. 前記金属濡れ層は、膜厚が１〜５原子層であるアルミニウム、ガリウムまたはインジウムのいずれかより形成することを特徴とする請求項２４に記載の窒化ガリウム系発光ダイオードの構造。
26. 前記窒化ガリウム系半導体積層構造の上方にさらに透光導電層を含むことを特徴とする請求項２４に記載の窒化ガリウム系発光ダイオードの構造。
27. 前記透光導電層の上方にさらに第１電極を含むことを特徴とする請求項２６に記載の窒化ガリウム系発光ダイオードの構造。
28. 前記窒化ガリウム系半導体積層構造は、ドープしていない窒化ガリウム系半導体層、Ｎ型ドープした窒化ガリウムのオーム接触層、窒化インジウムガリウム／窒化ガリウム多重量子井戸構造発光層、Ｐ型ドープした窒化アルミニウムガリウムのクラッド層およびＰ型ドープした窒化ガリウムのオーム接触層から構成されることを特徴とする請求項２４に記載の窒化ガリウム系発光ダイオードの構造。
29. 前記Ｎ型ドープした窒化ガリウムのオーム接触層の上方にさらに第２電極を含むことを特徴とする請求項２８に記載の窒化ガリウム系発光ダイオードの構造。
    

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