JP4286983B2

JP4286983B2 - ＡｌＧａＩｎＰ発光ダイオード

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Publication number: JP4286983B2
Application number: JP21212799A
Authority: JP
Inventors: 良一竹内; 亙鍋倉; 隆宇田川
Original assignee: Showa Denko KK
Current assignee: Showa Denko KK
Priority date: 1999-07-27
Filing date: 1999-07-27
Publication date: 2009-07-01
Anticipated expiration: 2019-07-27
Also published as: JP2001044494A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
発光を発光層の上下双方向に出射でき、発光層の上下双方に発光透過層を具備した高輝度の（Ａｌ_XＧａ_1-X）_YＩｎ_1-YＰ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）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ（０≦Ｘ≦１）は、砒化ガリウム（ＧａＡｓ）単結晶と良好な格子整合性を果たせる利点もあって（Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，５７（２７）（１９９０）、２９３７〜２９３９頁参照）、例えば赤橙色系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）を構成するのに利用されている（Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，６４（２１）（１９９４）、２８３９〜２８４１頁参照）。これらの化合物半導体発光素子の発光部は、光の「閉じ込め」効果を利用して高強度の発光を獲得するためにｐｎ接合型のダブルヘテロ（ＤＨ）接合構造から構成するのが通例である（Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，６１（１５）（１９９２）、１７７５〜１７７７頁参照）。
【０００３】
従来の（Ａｌ_XＧａ_1-X）_YＩｎ_1-YＰ（以下、ＡｌＧａＩｎＰと略す）ＬＥＤにあって、発光の外部への取り出し方向にあたる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（１９９７）、１１０〜１１８頁参照）。窓層は、素子動作電流の発光部への広範な拡散を期して電流拡散の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好ましい。また、窓層は、発光層からの発光を充分に透過できる、禁止帯幅の大きな透明材料から構成する必要がある。従来、窓層を砒化アルミニウム・ガリウム結晶（Ａｌ_CＧａ_1-CＡｓ：０≦Ｃ≦１）から構成する例がある（Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，５８（１９９１）、１０１０〜１０１２頁参照）。また、リン化ガリウム（ＧａＰ）から構成する例もある（Ｊ．Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．Ｍａｔｅｒ．，２０（１９９１）、１１２５〜１１３０頁参照）。
【０００４】
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５，４８１，１２２号の発明に依るＡｌＧａＩｎＰＬＥＤでは、ｐ形のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなるオーミック（Ｏｈｍｉｃ）コンタクト層上に酸化インジウム・錫（ｉｎｄｉｕｍ−ｔｉｎｏｘｉｄｅ：略称ＩＴＯ）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（ｃｏｎｔａｃｔ）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被膜を発光透過層として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】
また、ＡｌＧａＩｎＰ発光層の上方並びに下方の双方向に発光を透過させるための発光透過層を配備したＬＥＤも知られている。例えば、アメリカ合衆国特許第５、００８、７１８号の発明に記載されるＡｌＧａＩｎＰＬＥＤにあっては、例えば、ＧａＰからなる発光透過層が発光層の上方及び下方の双方向に配置されている。この従来例に開示されるＬＥＤにあって、一方の発光透過層は気相成長法により成膜されたＧａＰ成長層、他方の発光透過層は、基板としたＧａＡｓ結晶を除去し、露呈されたＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の表面にＧａＰ結晶体を設けた構成となっている。ＧａＰ成長層の層厚は、ＧａＰ結晶体の層厚よりも小とされており、また、各ＧａＰ発光透過層上にオーミック電極を設けてＬＥＤが構成されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
従来、窓層である酸化物層を、ＬＥＤを構成するＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層表面に直接、接合させても両層間で良好なオーミック接触性は達成され難い。従って、順方向電圧が低く、且つ均一であるＡｌＧａＩｎＰＬＥＤが安定して提供されない問題がある。
【０００７】
透明酸化物からなる窓層とＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層との間に、亜鉛（Ｚｎ）或いは金−亜鉛（Ａｕ−Ｚｎ）合金からなる被膜を挿入する技術も開示されている（特開平１１ー４０２０号公報明細書参照）。この従来技術では、金属被膜は両層の密着性を促進させる目的で装備されている。金属膜は電気良導体であり、従って、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層と酸化物窓層とのオーミック接触性の改善も期待される。しかし、この従来技術にあって、金属被膜は構成層の略全面に一様に敷設されており、電極直下の外部へ発光を取り出し難い領域（所謂、発光の遮蔽領域）へのＬＥＤ駆動電流の短絡的な通流を回避できない構成となっている。このため、遮蔽領域で動作電流の一部が浪費され、外部への発光の取り出し効率が低下し、高輝度化に支障を来す欠点がある。
【０００８】
発光層の上方並びに下方の双方に発光を外部へ充分に透過できる発光透過層を配置すれば、高輝度のＡｌＧａＩｎＰＬＥＤを得るに好都合な構成となり、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、ＡｌＧａＩｎＰ等のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層上にＧａＰ層を接合させようとすると、格子不整合性からミスフィット（ｍｉｓ−ｆｉｔ）転位が発生し、接合領域での結晶性は乱雑なものとなる。この接合近傍領域に於ける両層の結晶性の乱れは、ＬＥＤ構成層とは格子の不整合性を有する化合物半導体結晶体から窓層を構成する場合に必ず発生する。これに因り、ＬＥＤの順方向電圧は低減できす、また、不均一となってしまう問題がある。
【０００９】
本発明の課題は、発光層の上下双方向に発光透過層を設けるにあたり、上記の問題点を解決し、高輝度のＡｌＧａＩｎＰＬＥＤを提供することにある。
【００１０】
【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］ＧａＡｓ単結晶基板上に、第１のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層、（Ａｌ_XＧａ_1-X）_YＩｎ_1-YＰ（０≦Ｘ≦１、０＜Ｙ≦１）からなる発光層、第２のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層をこの順に積層し、その後ＧａＡｓ単結晶基板を除去する工程を含み、第１のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の発光層の反対側に、金属を含むオーミック接触層、酸化物からなる第１の発光透過層、及びオーミック電極が設けられ、第２のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の発光層の反対側に、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる第２の発光透過層、及びオーミック電極が設けられ、第１のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層と第２のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層とは異なる伝導形であり、第２のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層と第２の発光透過層とは同一の伝導形である発光ダイオード、
［２］第２の発光透過層が、リン化ガリウムまたは窒化ガリウムからなることを特徴とする［１］に記載の発光ダイオード、
［３］第２のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層と第２の発光透過層との間に、両層間の格子不整合を緩和するための緩和層を有す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、
［４］緩和層と第２の発光透過層とを圧着により接合することを特徴とする［３］に記載の発光ダイオード、
［５］圧着による接合時に、加熱操作を伴うことを特徴とする［４］に記載の発光ダイオード、
［６］緩和層とオーミック接触層とが、同一の金属またはその金属酸化物から構成されていることを特徴とする［３］〜［５］のいずれか１項に記載の発光ダイオード、
［７］緩和層とオーミック接触層とが、同一の遷移金属の酸化物から構成されていることを特徴とする［３］〜［５］のいずれか１項に記載の発光ダイオード、
［８］遷移金属の酸化物が、酸化ニッケルであることを特徴とする［７］に記載の発光ダイオード、に関する。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明のＡｌＧａＩｎＰＬＥＤは、ＧａＡｓ単結晶等の基板上に、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体エピタキシャル成長層を積層させた構造体を母体材料として構成される。第１のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層とは、結晶基板とｎ形或いはｐ形ＡｌＧａＩｎＰ発光層との中間に予め積層され、上記の基板が除去された後に於いて露呈される、ＬＥＤ用途の積層構造体ををなす一構成層である。具体的には、例えば、Ａｌ_ZＧａ_1-ZＡｓ（０≦Ｚ≦１）からなる導電性の緩衝層であり、ダブルヘテロ（ＤＨ）構造の発光部を構成する、ｎ形或いはｐ形ＡｌＧａＩｎＰ下部クラッド層である。
【００１２】
第１のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の伝導形は、ｎ形またはｐ形の何れかである。本発明では、第１のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層上には、金属を含むオーミック接触層が敷設される。オーミック接触層は、第１の発光透過層と第１のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層とのオーミック接触性を向上させる機能を発揮する。金属を含むオーミック接触層とは、第１のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層とオーミック接触をなす単金属、合金、あるいは、それらの酸化物から構成する。例えば、第１のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層がｎ形層であれば、オーミック接触層は、インジウム（Ｉｎ）、金−ゲルマニウム（Ａｕ−Ｇｅ）合金、金−錫（Ａｕ−Ｓｎ）合金、金−インジウム（Ａｕ−Ｉｎ）合金及び酸化ニッケル（ＮｉＯ）などから構成できる。ｐ形の第１のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層上には、Ａｕ−Ｚｎ合金、金−ベリリウム（Ａｕ−Ｂｅ）などから構成されるオーミック接触層を敷設する。ｐ形の第１のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層についても酸化ニッケルからオーミック接触層が構成され得る。特に、ニッケル（Ｎｉ）または酸化ニッケルを利用すれば、第１のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の伝導形にかかわらず、オーミック接触層が構成できる。
【００１３】
オーミック接触層は、第１のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層、並びに第１の発光透過層の、何れよりも抵抗率を小とする電気良導体から構成するのが好ましいが、層厚を極端に厚くすると、発光層からの発光を充分に透過できなくなる。ｎ形或いはｐ形ＡｌＧａＩｎＰ発光層から放射される緑色帯から赤橙色帯に掛けての発光を充分に透過させる、オーミック接触層の層厚は、約１００ナノメータ（ｎｍ）未満とするのが望ましく、更に、５０ｎｍ未満とするのが特に好ましい。例えば、膜厚を約１０ｎｍとする酸化ニッケル膜からは、波長を約６２０ｎｍとする赤橙色の発光に対して約７０％〜約８０％の透過率を発揮するオーミック接触層が構成できる。金属を含む層が極端に薄いと上記のオーミック接触性が充分とはならない。順方向電圧の低減を可能とする良好なオーミック接触性を得るには、金属を含む層の層厚を最低でも１ｎｍ以上、特に好ましくは２ｎｍ以上とする必要がある。従って、発光の透光性並びにオーミック接触性の、双方の特性の向上をもたらすオーミック接触層の厚さの特に好ましい範囲は、２ｎｍ以上で５０ｎｍ未満である。オーミック接触層は、一般的な真空蒸着法、高周波スパッタリング法、化学的気相堆積（ＣＶＤ）法等の手段により形成できる。
【００１４】
オーミック接触層上には、発光に対して透明な酸化物層からなる第１の発光透過層を重層させる。例えば、酸化インジウム・錫（略称：ＩＴＯ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化インジウム（Ｉｎ₂Ｏ₃）、酸化錫（ＳｎＯ₂）、または酸化アルミニウム・銅（ＣｕＡｌＯ₂）などから構成できる。また、酸化ストロンチウム・チタン（ＳｒＴｉＯ₃）などの超伝導材料からも構成できる。導電性が付与された酸化物層から構成すれば、ＬＥＤ駆動電流を拡散する機能を発揮する発光透過層が構成でき好ましい。発光の透過機能に加え、動作電流の拡散機能を発揮する発光透過層は、例えばアルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）またはＩｎ等のＩＩＩ族元素が添加され、比抵抗（抵抗率）が低減された酸化亜鉛やＩＴＯなどから構成できる。特に、抵抗率を大凡、１×１０^-3Ω・ｃｍ或いはそれ以下とする低抵抗率の酸化物結晶層から好適に構成できる。更に、六方晶結晶系のｃ軸方向（所謂、［０００１］方向）に優先的に配向してなり、抵抗率を大凡、５×１０^-4Ω・ｃｍ〜約１×１０^-3Ω・ｃｍ程度とする多結晶酸化亜鉛からは更に好適な導電性透明窓層がもたらされる。この様な低抵抗率の導電性酸化亜鉛層は、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ＣＶＤ法などにより、堆積温度を大凡、２００℃〜３５０℃に設定することにより獲得できる。酸化物層の抵抗率は、一般的なホール（Ｈａｌｌ）効果測定法により計測できる。また、ホール効果測定法に依れば、キャリア濃度や移動度が併せて知れる。
【００１５】
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形の伝導を呈するが、第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。Ａｌ、ＧａやＩｎ等の第ＩＩＩ族元素をドープすれば、比抵抗を約２〜３×１０^-4Ω・ｃｍとする発光透過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。Ｇａ或いはＩｎをドーパントとしても同様の比抵抗値を有するｎ形酸化亜鉛結晶層がもたらされる。例えば、Ａｌドープ酸化亜鉛層は、Ａｌ不純物を例えば、約２〜５重量％含む酸化亜鉛から成る成型材をタ−ゲットとしてスパッタリングすれば形成できる。また、この様なターゲット材料の表面にレーザ光を照射するレーザアブレーション法でも形成できる。窓層を構成するためのｎ形酸化亜鉛結晶層にあって、ドーパントは必ずしも一種に限定する必要はない。例えば、ＡｌとＧａの双方が添加されたｎ形酸化亜鉛結晶層からも窓層が構成できる。酸化亜鉛結晶層の比抵抗は通常のホール効果測定法等により測定できる。
【００１６】
第１の発光透過層は、複数の酸化物層を重層させて構成できる。本発明の如く、第１のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層に金属を含むオーミック接触層を介在させて酸化物層を設ける構成とした場合、オーミック接触層に接合させる酸化物層の伝導形は、第１のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層のそれと一致させる必要は必ずしもない。しかし、重層構造の第１の発光透過層を構成する際には、酸化物層相互の伝導形は一致させる。ｐ形のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層上のＮｉＯからなるオーミック接触層に接合させて、例えば、オーミック接触層に接合する側をｎ形ＺｎＯ層とし、その上層をｎ形ＩＴＯ層として重層構造の窓層を構成する。ｎ形ＺｎＯ層上にｐ形の伝導性を示すＣｕＡｌＯ₂層を重層させることは避ける。第１の発光透過層の内部でのｐｎ接合の形成を回避し、ＬＥＤ駆動電流の通流抵抗の不必要な増加を防止するためである。
【００１７】
第１の発光透過層上には、オーミック性電極を敷設する。オーミック性電極は、Ａｌ、Ａｕ、及び遷移金属などの単金属、Ａｕ−Ｇｅ合金、Ａｕ−Ｓｎ合金などの合金類から構成できる。特に、チタン（Ｔｉ）、Ｎｉ、コバルト（Ｃｏ）等の遷移金属を利用すると第１の発光透過層との密着性に優れる電極が形成できる。第１のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層上にオーミック接触層を介在させて、上記の電極を備えた第１の発光透過層を配置する本発明の構成に於いて、電極の垂直下方領域に位置する、当該電極の射影領域に限定して、第１のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層上のオーミック接触層を排除した構成とすると、電極直下の領域への短絡的な流通を阻止する機能を備えたＬＥＤが構成できる。オーミック接触層が敷設されていない領域では、第１の発光透過層を構成する酸化物層と第１のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層との直接的な接合が形成されるため、駆動電流は、電極直下の領域の外周囲に敷設されたオーミック接触層を介して、電極の射影領域以外の、周辺の領域に優先的に配分され、高輝度のＬＥＤを得るに優位となる電流拡散が果たせる。
【００１８】
第１と第２のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の伝導形は反対である。例えば、第１のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の伝導形がｎ形であれば、第２のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の伝導形はｐ形である。第２のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層は、発光層に関して基板とは対向する位置に予め積層されているＬＥＤ構成層である。具体的には、ｎ形或いはｐ形ＡｌＧａＩｎＰからなるクラッド層であり、また、例えば、Ａｌ_ZＧａ_1-ZＡｓ（０≦Ｚ≦１）からなるコンタクト（ｃｏｎｔａｃｔ）層であり、電流拡散層である。
【００１９】
第２のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層上には、第２の発光透過層を設ける。第２の発光透過層は、ｎ形或いはｐ形ＡｌＧａＩｎＰ発光層から放射される緑色帯や赤橙色帯の発光を透過する材料から構成できる。また、導電性に優れる材料から構成する。また、第２の発光透過層を約１００μｍから数百μｍの厚さの材料から構成すると、本発明に係わるＬＥＤを製造する上で、工程が利便となる。厚い材料からなる第２の発光透過層が先ず、第２のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層に接合されていれば、対向する方向に在る基板をエッチング或いはラッピング手法で除去する際の機械的衝撃等に因り、ＬＥＤの母体材料が破壊、破損されるのを防止するのに優位となる。換言すれば、第２の発光透過層は第１の発光透過層の層厚に比べて厚いのが好ましい。赤橙色及び黄色帯域の発光を透過するのに都合が良く、且つ母体材料に加工を施すのに好都合となる材料には、例えば、層厚を約８０μｍ〜約２００μｍとする、禁止帯幅が約２．２エレクトロンボルト（ｅＶ）のＧａＰ単結晶がある。また、緑色帯域に及ぶ短波長可視光を発光するＬＥＤについては、禁止帯幅を約３．４ｅＶとする窒化ガリウム（ＧａＮ）単結晶がある。第２の発光透過層は、酸化物材料からも構成できるが、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体単結晶体に優る導電性を有し、且つ透明である単結晶体が容易には作製できない難点がある。
【００２０】
第２の発光透過層の伝導形は、第２のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の伝導形に一致させる。第２のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層との接合領域にｐｎ接合を形成させないためである。第２の発光透過層は、第２のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層上に気相成長法により堆積できる。しかし、気相成長法では、母体材料の加工時に於ける破損を防ぐに足る層厚の第２の発光透過層を成膜するには一般的に約７００℃前後或いはそれを越える高温で数時間の長時間を要する。このため、第１または第２のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層内に含まれるドーパント（ｄｏｐａｎｔ）が、長時間に亘る成膜期間中に発光層へと拡散、侵入し発光層の結晶層を悪化させ、しいては順方向電圧或いは発光特性を悪化させ不都合となる。
【００２１】
一方、従来技術に提示される手段を利用して発光透過層を形成すれば、高温環境下での長時間にわたる処理を要せず、第２の発光透過層がもたらされる可能性がある。しかし、第２の発光透過層とＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層との間には、一般に格子の不整合性が存在するため、実際には、均一な強度で接合ができず、部分的に剥離が発生するのが現状である。本発明では、第２のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層と第２の発光透過層との間に、両層間の格子不整合性を緩和するための緩和層を配置することにより、両層間での均一な密着を果たす。
【００２２】
本発明では、オーミック接触層を構成する金属膜または金属酸化物膜から格子の不整合性の緩和層を構成するのが推奨される。オーミック接触層を構成する金属材料は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層との良好なオーミック接触性を発現する。従って、不整合性緩和層をオーミック接触層と同一の材料から構成することにより、オーミック接触性を保ちつつ、第２のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層表面上に第２の発光透過層を貼付することができる。格子の不整合性をより確実に緩和するためには、不整合性緩和層は非晶質体から構成するのが最適である。非晶質体は、構成元素の相互の結合力が軟弱であるため、格子の不整合性を吸収し易く、例えば加熱処理によって第２のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層及び発光透過層との格子不整合性を緩和しつつ、多結晶体或いは単結晶体へと変貌するからである。
【００２３】
また、格子不整合性の緩和層を遷移金属の酸化物膜から構成すると、第２のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層と第２の発光透過層とをより堅牢に相互を貼付させることができる。例えば、第２のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の表面にマグネトロンスパッタリング法により酸化ニッケル膜を先ず、被着させる。緩和層の層厚は概して、２ｎｍ以上で５０ｎｍ未満であるのが適する。然る後、第２の発光透過層とするのに適するＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体結晶体を圧着させると第２のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層に密着した第２の発光透過層が形成される。第２の発光透過層を貼付する際に、約５００℃以下の温度に於いて加熱処理を施すと、不整合性緩和層をなす遷移金属の酸化物から遊離する酸素の両層内への拡散により、強固に密着した第２の発光透過層が帰結される。
【００２４】
特に、格子不整合性の緩和層を遷移金属の酸化物膜の一種である酸化ニッケルから構成すると好結果が得られる。上記の様な好適な層厚の範囲にある酸化ニッケル被膜からは、発光を透過するに充分な透光性が得られるため、発光層からの発光を外部へ取り出すに都合が良いと共に、堅牢な密着をもたらす第２の発光透過層が構成できる。酸化ニッケルからなる不整合性緩和層は、第２のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層上に被着したＮｉ膜を含酸素雰囲気内で加熱酸化させても形成できる。第２の発光透過層上には、金属或いは透明導電性材料からなるオーミック電極を敷設して、ＬＥＤとなす。
【００２５】
【実施例】
（実施例１）
以下、本発明を、実施例を基に詳細に説明する。図１は本実施例に係わるＡｌＧａＩｎＰＬＥＤを構成するにあたり母体材料として利用したエピタキシャル積層構造体２０の断面模式図である。また、図２は、図１に示す母体材料を出発材料として構成されたＡｌＧａＩｎＰＬＥＤ１０の断面構造を示す模式図である。
【００２６】
ＬＥＤ１０を作製するにあたり、先ず、直径５０ｍｍのＺｎドープｐ形（００１）−ＧａＡｓ単結晶円形基板１０１上に、減圧ＭＯ−ＶＰＥ法により順次積層した、Ｚｎドープｐ形ＧａＡｓ緩衝層１０２、Ｚｎドープｐ形（Ａｌ_0.7Ｇａ_0.3）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐから成る下部クラッド層１０３、アンドープのｎ形（Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ混晶から成る発光層１０４、及びｎ形（Ａｌ_0.7Ｇａ_0.3）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐから成る上部クラッド層１０５から構成されるエピタキシャル積層構造体２０を母体材料として形成した。構造体２０の各成長層１０２〜１０５は、トリメチルアルミニウム（（ＣＨ₃）₃Ａｌ）、トリメチルガリウム（（ＣＨ₃）₃Ｇａ）及びトリメチルインジウム（（ＣＨ₃）₃Ｉｎ）をＩＩＩ族構成元素の原料とし、ホスフィン（ＰＨ₃）をリン源として７３０℃で成膜した。亜鉛のドーピング源には、ジエチル亜鉛（（Ｃ₂Ｈ₅）₂Ｚｎ）を利用した。緩衝層１０２のキャリア濃度は約２×１０¹⁸ｃｍ^-3とし、層厚は約０．５μｍとした。下部クラッド層１０３のキャリア濃度は約３×１０¹⁸ｃｍ^-3とし、層厚は約５μｍとした。引き続き７３０℃で成膜した発光層の１０４のキャリア濃度は約５×１０¹⁶ｃｍ^-3とし、層厚は約１２ｎｍとした。また、ジシラン（Ｓｉ₂Ｈ₆）をドーピング源としたＳｉドープｎ形上部クラッド層１０５のキャリア濃度は約１×１０¹⁸ｃｍ^-3とし、層厚は約３μｍとした。
【００２７】
上部クラッド層１０５（明細書本文中の第２のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層）の表面上に、一般的な真空蒸着法により膜厚を約１２ｎｍとするアモルファス（ａｍｏｒｐｈｏｕｓ）状のＮｉ膜を室温で一旦、被着させて不整合性緩和層１０８となした。次に、不整合性緩和層１０８を冠したままで、空気中でエピタキシャル積層構造体２０の温度を、室温より約８０℃に緩やかに上昇させた。これにより、不整合性緩和層１０８をなすＮｉ膜の表層部を酸化させた。然る後、積層構造体２０の温度が約８０℃に到達した時点で、不整合性緩和層１０８の表面に、直径を５２ｍｍとし、厚さを約１５０μｍとするＧａＰ単結晶体を載置した。第２の発光透過層１０９であるＧａＰ結晶体には、硫黄（Ｓ）をドーピングしたキャリア濃度を約１×１０¹⁸ｃｍ^-3とするｎ形の単結晶を利用した。表面結晶面の方位は、ＧａＡｓ基板１０１と同じく（１００）±０．５゜とした。第２の発光透過層１０９をなすｎ形導電性の円形ＧａＰ単結晶体の中心を、円形ウエハの形態の、積層構造体２０の中心と略一致させ、また、上部クラッド層１０５の［１１０］結晶方位に平行となる様にして載置した後、積層構造体２０の温度を空気中で約８０℃から約２５０℃に上昇させた。約２５０℃に昇温するに際しては、ｎ形ＧａＰ単結晶体１０９上に、約２５ｇの直径を約５０ｍｍとするＧａＰインゴット小片を載せ、第２の発光透過層１０９の略全面に略均等に圧力を印可し、密着度の向上を期した。約２５０℃で約６０分間にわたり積層構造体２０を保持して、第２の発光透過層１０９を第２の伝導形のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層（ｎ形上部クラッド層１０５）へ貼付した。
【００２８】
その後、積層構造体２０を室温に徐冷した。不整合性緩和層１０８を設けた構成としたが故に、第２の発光透過層１０９と上部クラッド層１０５とは略均一に密着しており、部分的に剥離している状況はなかった。また、上記の如く荷重を印可して貼付したためか、第２の発光透過層１０９を透かして観る限り、不整合性緩和層１０８と第２の発光透過層１０９との間に気泡の存在は認められなかった。冷却後、第２の発光透過層１０９上のＧａＰインゴット小片を取り外した。然る後、第２の発光透過層１０９を積層構造体２０の支持体として一般的なガラス製プレート上に耐酸性ワックスで固定した。ガラスプレートを付着させたままの状態で、発光層１０４を挟んでガラスプレートと対向する側に在るｐ形ＧａＡｓ１０１を、アンモニア水・過酸化水素（Ｈ₂Ｏ₂）・純水（Ｈ₂Ｏ）からなる混合水溶液中に浸し、エッチングして除去した。また、併せて、ｐ形ＧａＡｓ基板１０１上に堆積したｐ形ＧａＡｓ緩衝層１０２も除去した。
【００２９】
次に、ガラスプレートに積層構造体２０を保持したままで、ｐ形ＧａＡｓ基板１０１を除去して露呈したｐ形下部クラッド層１０３の表面の全面に、インジウム・亜鉛（Ｉｎ・Ｚｎ）合金からなるオーミック接触層１０６を形成した。Ｉｎ・Ｚｎ合金膜は、一般的な真空蒸着法により被着させ、その膜厚は約１０ｎｍとした。然る後、公知のフォトリソグラフィー技術を利用したパターニング手段により、後述する電極１１０の射影位置１１２の相当する領域にある、Ｉｎ・Ｚｎ合金膜を直径約１１０μｍの円形領域に限り、無機酸でエッチング除去した。
【００３０】
次に、電極の直下の、円形の射影領域１１２に限定して、ｐ形下部クラッド層１０３が露出され、その外周囲領域にはＩｎ・Ｚｎからなるオーミック接触層１０６を残置させたままで、酸化亜鉛から成る透明導電性層１０７ａを被着させた。酸化亜鉛層は、室温での比抵抗を約３×１０^-4Ω・ｃｍとするｎ形のＡｌドープ酸化亜鉛層から構成した。層厚は約２００ｎｍとした。マグネトロンスパッタリング法により成膜したこの酸化亜鉛層は、一般的なＸ線回折分析法により、＜０００１＞方向（Ｃ軸）配向性であること、並びに多結晶であるのが示された。次に、同じくマグネトロンスパッタリング法により、酸化亜鉛層上に、酸化亜鉛の化学的な弱耐性を保護するためにＩＴＯからなる透明導電性層１０７ｂを被着させた。ＩＴＯ層の比抵抗は約９×１０^-4Ω・ｃｍであり、層厚は約１００ｎｍとした。第１の発光透過層１０７は、これら透明で導電性のＺｎＯ層１０７ａとＩＴＯ層１０７ｂとの重層構造から第１の発光透過層１０７を構成した。
【００３１】
次に、第１の発光透過層１０７上の全面に、一般的なフォトレジスト材料を塗布した後、電極１１０を設けるべき領域を公知のフォトリソグラフィー技術を利用してパターニングした。円形電極１１０の中心と上記のオーミック接触層１０６を排除した円形領域１１２との中心を略一致させてパターニングを施した。然る後、パターニングを施したレジスト材料を残置させたままで、第１の発光透過層１０７の全面に一旦、金・亜鉛合金（Ａｕ９８重量％−Ｚｎ２重量％合金）を真空蒸着した。その後、レジスト材料を剥離するのに併せて、電極１１０の形成予定領域外に在るＡｕ・Ｚｎ合金膜に限り、周知のリフト−オフ（ｌｉｆｔ−ｏｆｆ）手段を利用して除去した。これより、直径を約１３０μｍとする円形の電極１１０を形成した。
【００３２】
ここで、積層構造体２０を、固定するために利用した上記の固定ワックスを溶かして、ガラスプレートから取り外した。次に、表面に露呈された第２の発光透過層（ｎ形ＧａＰ単結晶体）１０９の、表面の全面に、金・ゲルマニウム合金（Ａｕ（９７重量％）・ゲルマニウム（３重量％））膜を被着させた。このＡｕ・Ｇｅ合金被膜は、一般的な真空蒸着法により形成し、その層厚は約２００ｎｍとした。続けて、Ａｕ・Ｇｅ被膜上にニッケル膜（膜厚約５０ｎｍ）及び金（Ａｕ）（膜厚約１μｍ）膜を重層させた。然る後、この３層被膜に４２０℃で１０分間の合金化（アロイ）処理を施してｐ形オーミック電極１１１となした。このｐ形オーミックアロイ処理を施した後では、第２のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層１０５或いは第２の、発光透過層１０９の内部に含まれている酸素の酸化作用に因りＮｉＯへと変換されているためか、オーミック接触層１０６はよりその透光性を増加させているのが視認された。
【００３３】
次に、表裏面に電極１１０、１１１が形成された積層構造体２０を一般的なダイシング（ｄｉｃｉｎｇ）手段及びスクライブ手段を併用して、底面の一辺を約３５０μｍとする個別素子（チップ）に分割して、ＡｌＧａＩｎＰＬＥＤ１０を構成した（図２参照）。両電極１１０，１１１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、電極１１０の外周囲の、第１の酸化物窓層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（ＦＷＨＭ）は約２０ｎｍであり、単色性に優れる発光が得られた。順方向電圧（＠２０ｍＡ）は約２．２ボルト（Ｖ）であり、そのバラツキも２．２Ｖ±０．１Ｖと従来に比べ少なかった。チップ状態での発光強度は約７６ミリカンデラ（ｍｃｄ）に到達した。
【００３４】
（実施例２）
実施例１とは、オーミック接触層１０６を構成する材料のみを異にし、他の構成要素は実施例１の記載と同じにして、図１に示すＡｌＧａＩｎＰＬＥＤを構成した。
【００３５】
本実施例では、オーミック接触層１０６を、不整合性緩和層１０８をなすＮｉ膜から構成した。Ｎｉ膜の膜厚は、不整合性緩和層１０８のそれと同じく約１２ｎｍとした（実施例１参照）。オーミック接触層１０６は、第１の発光透過層１０７をなす酸化亜鉛及びＩＴＯからなる酸化物層１０７ａ、１０７ｂの堆積後に於いて、その透光性が著しく増しているのが視認された。
【００３６】
実施例１に記載の工程でチップとなした後、電極１１０、１１１間に順方向に駆動電流を通流したところ、波長を約６２０ｎｍとする赤橙色の発光が発せられた。発光面は第１の発光透過層の略全面に及び、且つ、第２の発光透過層１０９の特に、側面から外部へ発光がもたらされているのが確認された。このため、一般の積分球方式で測定されるチップ状態での発光強度は約８０ｍｃｄに到達した。また、順方向電圧の平均値は約２．１Ｖであり、チップ間の順方向電圧のバラツキも約±０．１Ｖに過ぎなかった。
【００３７】
【発明の効果】
本発明では、発光層の上下の双方向に発光を外部に透過するのに好都合となる発光透過層を、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層との間のオーミック接触性を向上させて設けたので、順方向電圧が低く且つ均一である、高輝度のＡｌＧａＩｎＰＬＥＤが提供できる。
【００３８】
また、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体結晶体からなる発光透過層を、不整合性緩和層を介して設ける構成としたので、密着性に優れる発光透過層が得られ、順方向電圧が低く且つ均一である、高輝度のＡｌＧａＩｎＰＬＥＤ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、母体材料の構成を示す断面模式図である。
【図２】実施例１に記載のＬＥＤの断面構造を示す模式図である。
【符号の説明】
１０ＡｌＧａＩｎＰＬＥＤ
２０積層構造体
１０１単結晶基板
１０２緩衝層
１０３下部クラッド層
１０４発光層
１０５上部クラッド層
１０６オーミック接触層
１０７第１の発光透過層
１０７ａ第１の発光透過層の構成層
１０７ｂ第１の発光透過層の構成層
１０８不整合性緩和層
１０９第２の発光透過層
１１０第１の発光透過層上の電極
１１１ｐ形オーミック電極
１１２第１の発光透過層上の、電極の射影領域

Claims

ＧａＡｓ単結晶基板上に、第１のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層、（Ａｌ_XＧａ_1-X）_YＩｎ_1-YＰ（０≦Ｘ≦１、０＜Ｙ≦１）からなる発光層、第２のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層をこの順に積層し、その後ＧａＡｓ単結晶基板を除去する工程を含み、第１のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の発光層の反対側に、金属を含むオーミック接触層、酸化物からなる第１の発光透過層、及びオーミック電極が設けられ、第２のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の発光層の反対側に、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる第２の発光透過層、及びオーミック電極が設けられ、第１のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層と第２のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層とは異なる伝導形であり、第２のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層と第２の発光透過層とは同一の伝導形であり、第２のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層と第２の発光透過層との間に、両層間の格子不整合を緩和するための緩和層を有し、該緩和層と前記オーミック接触層とが、同一の遷移金属の酸化物から構成されていることを特徴とする発光ダイオード。
第２の発光透過層が、リン化ガリウムまたは窒化ガリウムからなることを特徴とする請求項１に記載の発光ダイオード。
遷移金属の酸化物が、酸化ニッケルであ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。