JP4298861B2

JP4298861B2 - ＡｌＧａＩｎＰ発光ダイオード

Info

Publication number: JP4298861B2
Application number: JP22059299A
Authority: JP
Inventors: 良一竹内; 隆宇田川
Original assignee: Showa Denko KK
Current assignee: Showa Denko KK
Priority date: 1999-08-04
Filing date: 1999-08-04
Publication date: 2009-07-22
Anticipated expiration: 2019-08-04
Also published as: JP2001044503A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、酸化物窓層を具備する高輝度の（Ａｌ_XＧａ_1-X）_YＩｎ_1-YＰ（０≦Ｘ≦１、０＜Ｙ≦１）（以下、ＡｌＧａＩｎＰと略す）発光ダイオードを提供するための電極の構成に関する。
【０００２】
【従来の技術】
緑色、黄色から赤橙色帯域の発光素子として、ｐｎ接合型のダブルヘテロ（ＤＨ）接合構造から成るＡｌＧａＩｎＰ発光ダイオード（ＬＥＤ）が知られている（Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，６１（１５）（１９９２）、１７７５〜１７７７頁参照）。特に、インジウム組成比を約０．５とする（Ａｌ_XＧａ_1-X）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ（０≦Ｘ≦１）は、砒化ガリウム（ＧａＡｓ）単結晶と格子整合するため（Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，５７（２７）（１９９０）、２９３７〜２９３９頁参照）、ＤＨ接合構造の発光部をなすクラッド（ｃｌａｄ）層や発光層（活性層）を構成するために利用されている（Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，５８（１０）（１９９１）、１０１０〜１０１２頁参照）。
【０００３】
従来のＡｌＧａＩｎＰ高輝度ＬＥＤでは、発光の取出し方向に在る上部クラッド層の上に、発光部からの発光を効率的に外部へ取りだすための窓層（ウィンドウ層）が配置されている（ＳＰＩＥ、Ｖｏｌ．３００２（１９９７）、１１０〜１１８頁参照）。従来例に於いて、窓層を酸化インジウム・錫（ｉｎｄｉｕｍ−ｔｉｎｏｘｉｄｅ：略称ＩＴＯ）から構成する例が知られている（アメリカ合衆国特許第５，４８１，１２２号参照）。また、コンタクト（ｃｏｎｔａｃｔ）層として酸化インジウム、酸化錫、酸化亜鉛や酸化マグネシウム被膜からなる透明酸化物層を設ける技術手段が開示されている（特開平１１−１７２２０号公報明細書参照）。
【０００４】
アルミニウム（Ａｌ）が添加された酸化亜鉛（ＺｎＯ）は、１×１０^-3Ω・ｃｍ未満の低い比抵抗（抵抗率）を呈するのが知られている（電子情報通信学会技術研究報告，Ｖｏｌ．９９，Ｎｏ．６３（１９９９年５月２０日発行）、８３〜８８頁参照）。このＡｌドープＺｎＯ層は、ＩＩＩ族窒化物半導体系ＬＥＤのウィンドウ（ｗｉｎｄｏｗ）層としても利用されている（アメリカ合衆国特許第５、８８９、２９５号参照）。
【０００５】
従来の高輝度ＡｌＧａＩｎＰＬＥＤは、上記の酸化物からなる窓層或いはコンタクト層上にオーミック（Ｏｈｍｉｃ）電極を敷設して構成される。オーミック電極は金（Ａｕ）、或いは、ニッケル（Ｎｉ）／金（ニッケルと金が積層されていることを示し、ニッケルが下層、金が上層であることを示す。以下同様に表示する。）、または白金（Ｐｔ）／金から構成されている（上記のＵＳＰ５、８８９、２９５号参照）。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、ＩＴＯ等の酸化物層上に従来の構成からなる金属電極を直接、接合させても、低いオーミック（Ｏｈｍｉｃ）接触抵抗が安定して得られないことが実用上の問題となっている。
【０００７】
また、従来の金属単体或いは重層構成からなる電極では、酸化亜鉛或いはＩＴＯ等の酸化物膜との密着性が充分に確保できない。この密着性の不充分さは、電極への結線（ボンディング）時に金属電極の酸化物層からの剥離を発生させ、ＬＥＤの製造歩留まりを低下させる不都合を来している。
【０００８】
本発明は、上記の従来技術の問題点を克服すべくなされたもので、その目的は酸化物窓層を備えたｐｎ接合型ダブルヘテロ（ＤＨ）構造のＡｌＧａＩｎＰＬＥＤにあって、（１）酸化物窓層と良好なオーミック接触性が果たせ、且つ（２）酸化物窓層表面から剥離することのない、電極の構成を提示することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
発明者ら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］発光層が（Ａｌ_XＧａ_1-X）_YＩｎ_1-YＰ（０≦Ｘ≦１、０＜Ｙ≦１）からなるｐｎ接合型ダブルヘテロ構造のＬＥＤにおいて、発光の取出し方向にｎ形酸化亜鉛を含む窓層を有し、該窓層と接して複数層から構成される電極を有し、該電極の最下層が遷移金属の酸化物を含む層からなり、該電極の最上層が金属層からなることを特徴とするＡｌＧａＩｎＰ発光ダイオード、
［２］窓層と電極とが接していることを特徴とする［１］に記載のＡｌＧａＩｎＰ発光ダイオード、
［３］遷移金属が、チタン、ニッケル、クロム、コバルトから選ばれた１種であることを特徴とする［１］または［２］に記載のＡｌＧａＩｎＰ発光ダイオード、
［４］電極の最下層の層厚が、５ｎｍ以上で１００ｎｍ以下であることを特徴とする［１］〜［３］のいずれか１項に記載のＡｌＧａＩｎＰ発光ダイオード、
［５］電極の最上層の金属が、アルミニウムであることを特徴とする［１］〜［４］のいずれか１項に記載のＡｌＧａＩｎＰ発光ダイオード、
［６］電極の最上層の金属が、金であることを特徴とする［１］〜［４］のいずれか１項に記載のＡｌＧａＩｎＰ発光ダイオード、
［７］電極の最上層と最下層との間に、モリブデンまたは白金からなる層を有することを特徴とする［６］に記載のＡｌＧａＩｎＰ発光ダイオード、に関する。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明の発光部は、ｐｎ接合型のＤＨ接合構造から成るＡｌＧａＩｎＰ混晶から構成される。特に、インジウム組成比を約０．５とする（Ａｌ_XＧａ_1-X）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ（０≦Ｘ≦１）は、ＧａＡｓ単結晶基板と格子整合するため特に好ましい。本発明の電極は、ｎ形酸化亜鉛を含む酸化物窓層上の電極の最下層が、遷移金属の金属酸化物を含む層から構成されている。電極の構成例には、酸化ニッケル（ＮｉＯ）（最下層）／Ａｕ（最上層）或いは酸化チタン（ＴｉＯ₂）／Ａｌ等の重層構造電極がある。この様な構成からなる重層電極は、最下層の酸化物層を構成する金属元素であるＮｉ或いはチタン（Ｔｉ）単体膜と最上層をなす金属膜との積層構造を基として構成できる。即ち、Ｎｉ／Ａｕ或いはＴｉ／Ａｌ重層構造を基として構成できる。電極にオーミック性を付与するための熱処理（アロイング）或いはＬＥＤ製造プロセスに於ける加熱処理に伴い、かくの如く構成された単体金属の重層構造電極に於いては、最下層のＮｉ層或いはＴｉ層が下地の酸化物窓層から侵入する酸素により酸化され、酸化物を含む層となり、結果としてＮｉＯ／Ａｕ或いはＴｉＯ₂／Ａｌ重層構造の電極が帰結される。最下層の遷移金属の酸化物を含む層は、遷移金属酸化物単体、あるいは重量含有量にして１５％以上の遷移金属酸化物を含む層とするのが好ましい。この最下層の構成層は酸化物窓層側から拡散、侵入して来る酸素を捕獲する作用を有しているため、酸化物窓層と電極の最下層は接していることが好ましい。
【００１１】
上記の如くの単体金属層の重層構造からなる電極は、高周波スパッタリング法、イオンプレーティング法、電子ビーム（ＥＢ）蒸着法、または真空蒸着法等の金属膜被着手段により形成できる。また、当初より、ＮｉＯやＴｉＯ₂等の酸化物膜を最下層として被着させる手段もある。しかし、予め酸化物の形態で被着させる場合では、単体金属膜に比較して酸素の捕獲能力は劣るものとなる。
【００１２】
酸化物窓層から遊離、拡散してくる酸素の捕獲能力は、遷移金属からなる層に於いてより良く発揮される。これは酸素との親和力が優れているためと解釈される。本発明の実施形態では、最下層をなす酸化物層を遷移金属の酸化物層から構成し、特に、Ｔｉ、Ｎｉ、クロム（Ｃｒ）若しくはコバルト（Ｃｏ）の酸化物層から構成するのが好ましい。
【００１３】
酸化物層を数μｍ以上に極端に厚くすると、ＬＥＤの順方向電圧（所謂、Ｖｆ）を低減するのに支障を来す。このため、本発明では、電極の最上層と酸化物窓層との間の導通を充分とするために、最下層を構成する酸化物層の層厚を５ナノメーター（ｎｍ）以上で１００ｎｍ以下に規定する。１００ｎｍを越える厚さであると順方向電圧の低減が困難となる。
【００１４】
電極の最下層をなす酸化物層が酸化物窓層から侵入して来る酸素を捉える作用を有するため、特に酸化物窓層と電極が接している場合は、良好なオーミック接触がもたらされる。また、この作用により最下層と酸化物窓層との密着性が増す。更には、電極の最下層と最上層との密着性も増し、酸化物窓層から容易には剥離しないオーミック電極がもたらされる。特に、Ａｕ電極に於いて、酸化物窓層上に直接、敷設する従来の手法に比べ、顕著に密着性に優れるＡｕ電極層が構成できる。
【００１５】
本発明では、電極の最上層の金属電極を、ＡｌやＡｕから構成することが好ましい。何れの金属もボンディングが容易であり、ＬＥＤの製造が簡便となる。最下層上に複数の層を積層させて重層電極を構成するに際しては、ＡｌやＡｕが最表層をなす様に配置する。これらの金属が保有する結線の容易性を保持するためである。
【００１６】
また、本発明では、最上層をＡｕとする重層電極にあって、最下層と最上層との間に、モリブデン（Ｍｏ）またはＰｔからなる層を配備することが好ましい。この様に、高融点金属からなる中間層が挿入された構成とすると、Ａｕ電極層との接合界面近傍の領域に酸素原子が濃縮されるのが避けられ、相互に強固に密着した重層電極がもたらされる利点がある。
【００１７】
上述の如くの重層構成からなる電極は、ｎ形酸化亜鉛を含む窓層と接して構成された場合に最も好適に機能するが、他の酸化物層上に設ける場合にも適用できる。例えば、窓層の最表層をなすＺｎＯ膜上に保護膜として設けた導電性ＩＴＯ膜に、本発明の電極を敷設しても、窓層との密着性が確保されたオーミック性電極が構成できる。
【００１８】
【実施例】
［１１０］方向に４゜傾斜した亜鉛（Ｚｎ）ドープｐ形（００１）−ＧａＡｓ単結晶基板１０１、Ｚｎドープｐ形ＧａＡｓ緩衝層（キャリア濃度（ｐ）＝４×１０¹⁸ｃｍ^-3、層厚（ｄ）＝３μｍ）１０２、Ｚｎドープｐ形（Ａｌ_0.7Ｇａ_0.3）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ下部クラッド層（ｐ＝３×１０¹⁸ｃｍ^-3、ｄ＝１μｍ）１０３、アンドープのｎ形（Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ発光層（キャリア濃度ｎ＝３×１０¹⁷ｃｍ^-3、ｄ＝０．５μｍ）１０４、Ｓｉドープｎ形（Ａｌ_0.7Ｇａ_0.3）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ上部クラッド層（ｎ＝１×１０¹⁸ｃｍ^-3、ｄ＝５μｍ）１０５、及びＡｌドープＺｎＯ膜からなる窓層１０６から構成される積層構造体３０を以下の各実施例に共通の母体材料としてＡｌＧａＩｎＰＬＥＤを構成した。
【００１９】
窓層１０６をなすＡｌドープ酸化亜鉛層は、一般的なマグネトロンスパッタリング法により被着させた。酸化亜鉛層の室温でのキャリア濃度は約２×１０²⁰ｃｍ^-3とし、比抵抗は約３×１０^-3Ω・ｃｍとした。移動度は約１２ｃｍ²／Ｖ・ｓであった。層厚は約２５０ｎｍとした。シート（ｓｈｅｅｔ）抵抗は約５６Ω／□であった。一般的なＸ線回折分析法により、窓層１０６を成す酸化亜鉛層は、＜０００１＞方向（Ｃ軸）に成長した単結晶体の集合体からなる多結晶であるのが示された。
【００２０】
（実施例１）
図１は本実施例に係わるＬＥＤ１０の断面構造を示す模式図である。積層構造体３０の上部に設けた窓層１０６上には、ｎ形オーミック電極１０７を敷設した。ｎ形オーミック電極１０７の、ＺｎＯ層と接合する最下層１０７ａは先ず、一般的な真空蒸着法により、Ｎｉを被着させて構成した。Ｎｉ膜の層厚は約１０ｎｍとした。Ｎｉ膜上には、一般の真空蒸着法により最上層１０７ｂとしてＡｕ膜を重層させた。Ａｕ膜の膜厚は約１．５μｍとした。
【００２１】
次に、ｐ形ＧａＡｓ基板１０１の裏面に金・亜鉛合金（Ａｕ９８重量％−Ｚｎ２重量％）からなる電極材料を一般の真空蒸着法により被着させた。然る後、アルゴン（Ａｒ）気流中で４２０℃で５分間のアロイ（ａｌｌｏｙ）熱処理を施し、ｐ形オーミック電極１０８となした。
【００２２】
上記のｐ形オーミック電極１０８を形成するためのアロイング処理に併行して、酸化亜鉛層からの拡散してくる酸素を最下層１０７ａのＮｉ膜に吸収させて、同膜をＮｉＯ膜に変化させた。これより、ｎ形オーミック電極１０７の積層構造はＮｉＯ／Ａｕとなった。また、上記のアロイング後に於いて、重層構造電極１０７の脱色が視認された。
【００２３】
以上の構成からなるｎ形オーミック電極１０７は、最表層をＡｕ層としているため容易にＡｕ線をボンディングできた。また、ボンディング時に於ける酸化物窓層１０６からの電極の剥離は生じなかった。ｎ形及びｐ形オーミック電極１０７、１０８間に順方向電流を通流したところ、ＺｎＯ窓層１０６の略全面からほぼ均等な赤橙色の発光を得た。分光器により測定された発光波長は約６２０ｎｍであった。発光スペクトルの半値幅は約１８ｎｍであり、単色性に優れる発光が得られた。ｎ形オーミック電極１０７とＺｎＯ窓層１０６との良好なオーミック接触性を反映して、２０ミリアンペア（ｍＡ）の順方向電流の通流時に於ける順方向電圧は約１．９５ボルト（Ｖ）となった。また、ＬＥＤ間での順方向電圧の変化幅は１．９５Ｖ±０．０３Ｖであり、均一な順方向電圧となった。チップ（ｃｈｉｐ）状態での発光強度は、約５４ミリカンデラ（ｍｃｄ）に到達した。
【００２４】
（実施例２）
ｎ形オーミック電極の構成のみを実施例１とは異にし、他は同一としてＡｌＧａＩｎＰＬＥＤを作製した。
【００２５】
本実施例では、ｎ形オーミック電極をＴｉ／Ａｌ重層構造を基にした、チタン酸化物／Ａｌ重層構造から構成した。Ｔｉ層からＴｉＯやＴｉＯ₂などからなるチタン酸化物層への変換は、上記のアロイ処理を利用した。
【００２６】
チタン酸化物／Ａｌ重層構造からなるｎ形オーミック電極に、超音波ボンディング法により結線を果たし、ＬＥＤの特性を評価した。ボンディング時に於けるＺｎＯ窓層からの電極の剥離は認められなかった。得られたＬＥＤの特性は実施例１に記載のものと略同一となった。
【００２７】
（実施例３）
上記の積層構造体３０を利用して図２に示すＡｌＧａＩｎＰＬＥＤ２０を構成した。実施例１と同一の構成要素については（図１参照）、同一の符号を付して、その説明を省略する。
【００２８】
実施例１に記載のＺｎＯからなる窓層１０６上には、ＩＴＯからなる保護膜１０９を重層させた。保護膜１０９は、キャリア濃度を約１×１０²⁰ｃｍ^-3とし、比抵抗を約４×１０^-4Ω・ｃｍとするＩＴＯ膜から構成した。層厚は約２００ｎｍとした。
【００２９】
ＩＴＯ保護膜１０９上には、通常の電子ビーム蒸着法を利用してＴｉ層／Ｐｔ層／Ａｕ層の３層の重層構造からなる電極材料を被着させた。最下層のＴｉ層１０７ａの層厚は約８ｎｍとした。中間層１０７ｃの層厚は約０．１μｍとし、また最上層１０７ｂのＡｕ層の層厚は約１．２μｍに設定した。ｐ形ＧａＡｓ基板１０１の裏面には、実施例１に記載のｐ形電極材料を被着させた。
【００３０】
然る後、４２０℃、３分間に亘り、窒素気流中で熱処理を施し、上記のｐ形電極材料にオーミック性を付与し、ｐ形オーミック電極１０８となした。併せて、この熱処理に伴い、ＺｎＯ窓層１０６或いはＩＴＯ保護膜１０９から拡散して来る酸素原子を最下層のＴｉ層１０７ａに捕獲させた。これより、Ｔｉ層をＴｉＯやＴｉＯ₂からなる酸化物層に変換させた。
【００３１】
チタン酸化物／Ｐｔ／Ａｕ重層構造からなるｎ形オーミック電極１０７には、容易にＡｕ線が結線でき、また、ボンディング時の電極のＩＴＯ保護膜１０９からの剥離は認められなかった。ｎ形びｐ形オーミック電極１０７、１０８間に順方向電流を通流したところ、ＩＴＯ保護膜１０９の略全面からほぼ均等な赤橙色の発光を得た。分光器により測定された発光波長は約６２０ｎｍであった。発光スペクトルの半値幅は約１８ｎｍであり、単色性に優れる発光が得られた。ｎ形オーミック電極１０７とＩＴＯ保護層１０９との良好なオーミック接触性を反映して、２０ｍＡの順方向電流の通流時に於ける順方向電圧は約１．９８Ｖとなった。また、ＬＥＤ間での順方向電圧の変化幅は１．９８Ｖ±０．０４Ｖであり、均一な順方向電圧となった。チップ状態での発光強度は約５０ｍｃｄとなった。
【００３２】
【発明の効果】
本発明に記載の如く、重層構造から電極を構成すれば、酸化物窓層と良好なオーミック特性が果たせるため、順方向電圧が低減されて、高輝度のＡｌＧａＩｎＰＬＥＤが得られる。
【００３３】
また、本発明に記載の重層構造の電極とすれば、酸化物窓層との密着性に優れるオーミック性電極が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例１に記載のＬＥＤの断面構造を示す模式図である。
【図２】実施例２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
２０ＡｌＧａＩｎＰＬＥＤ
３０積層構造体
１０１ｐ形ＧａＡｓ単結晶基板
１０２ｐ形ＧａＡｓ緩衝層
１０３ｐ形下部クラッド層
１０４発光層
１０５上部クラッド層
１０６酸化物窓層
１０７ｎ形オーミック電極
１０７ａ最下層
１０７ｂ最上層
１０７ｃ中間層
１０８ｐ形オーミック電極
１０９保護層

Claims

発光層が（Ａｌ_XＧａ_1-X）_YＩｎ_1-YＰ（０≦Ｘ≦１、０＜Ｙ≦１）からなるｐｎ接合型ダブルヘテロ構造のＬＥＤにおいて、発光の取出し方向にｎ形酸化亜鉛を含む窓層を有し、該窓層の上部に複数層から構成される電極を有し、窓層と該電極の最下層が直接又は酸化物保護層を介して接しており、該電極の最下層が５ｎｍ以上１００ｎｍ以下の厚さをもつ遷移金属の酸化物を含む層からなり、該電極の最上層が金属層からなることを特徴とするＡｌＧａＩｎＰ発光ダイオード。
遷移金属が、チタン、ニッケル、クロム、コバルトから選ばれた１種であることを特徴とする請求項１に記載のＡｌＧａＩｎＰ発光ダイオード。
電極の最上層の金属が、アルミニウムであることを特徴とする請求項１または２に記載のＡｌＧａＩｎＰ発光ダイオード。
電極の最上層の金属が、金であることを特徴とする請求項１または２に記載のＡｌＧａＩｎＰ発光ダイオード。
電極の最上層と最下層との間に、モリブデンまたは白金からなる層を有することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のＡｌＧａＩｎＰ発光ダイオード。
発光層が（Ａｌ _X Ｇａ _1-X ） _Y Ｉｎ _1-Y Ｐ（０≦Ｘ≦１、０＜Ｙ≦１）からなるｐｎ接合型ダブルヘテロ構造のＬＥＤの製造方法において、発光の取出し方向にｎ形酸化亜鉛を含む窓層を形成し、該窓層の上に直接又は酸化物保護層を介して遷移金属層を形成し、該金属層の上に該金属以外の金属層を含む少なくとも１層の金属層を形成し、その後熱処理して前記遷移金属の少なくとも一部を酸化し、厚さ５ｎｍ以上１００ｎｍ以下の遷移金属酸化物を含む層とし、該遷移金属酸化物を含む層及び前記少なくとも１層の金属層を電極とすることを特徴とするＡｌＧａＩｎＰ発光ダイオードの製造方法。
遷移金属が、チタン、ニッケル、クロム、コバルトから選ばれた１種であることを特徴とする請求項６に記載のＡｌＧａＩｎＰ発光ダイオードの製造方法。
該金属以外の金属がアルミニウムまたは金あることを特徴とする請求項６または７に記載のＡｌＧａＩｎＰ発光ダイオードの製造方法。