JP4402214B2

JP4402214B2 - ＡｌＧａＩｎＰ発光ダイオード

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Publication number: JP4402214B2
Application number: JP23772299A
Authority: JP
Inventors: 隆宇田川; 亙鍋倉; 良一竹内
Original assignee: Showa Denko KK
Current assignee: Showa Denko KK
Priority date: 1999-08-25
Filing date: 1999-08-25
Publication date: 2010-01-20
Anticipated expiration: 2019-08-25
Also published as: JP2001068730A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
（Ａｌ_XＧａ_1-X）_YＩｎ_1-YＰ（０≦Ｘ≦１、０≦Ｙ≦１）（以下、ＡｌＧａＩｎＰと略す）発光層からの発光を外部へ出射するのに好都合な窓層を具備した高輝度のＡｌＧａＩｎＰ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、ＧａＡｓ単結晶と良好な格子整合性を果たせる利点がある（Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，５７（２７）（１９９０）、２９３７〜２９３９頁参照）。このため、例えば赤橙系色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）等の発光素子の構成層として利用されている（Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，６４（２１）（１９９４）、２８３９〜２８４１頁参照）。
【０００３】
従来の、ｐｎ接合型のダブルヘテロ（ＤＨ）構造のＡｌＧａＩｎＰＬＥＤにあって、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、発光の取り出し効率を向上させるため、発光層からの発光を吸収し難い、発光に対して透明な禁止帯幅の大きな半導体材料から構成する必要がある。また、窓層は、発光面積の拡大を期して、素子動作電流を、ＬＥＤを構成するＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体結晶層へ広範に拡散する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常套である。
【０００４】
従来の窓層の構成材料としては、砒化アルミニウム・ガリウム結晶が知られている（Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，５８（１０）（１９９１）、１０１０〜１０１２頁参照）。また、窓層をリン化ガリウム（ＧａＰ）から構成する例がある（Ｊ．Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．Ｍａｔｅｒ．，２０（１９９１）、１１２５〜１１３０頁参照）。従来、窓層として利用されるＧａＰ結晶層の層厚は約１０μｍから数１０μｍであり（前出のＳＰＩＥ、Ｖｏｌ．３００２参照）、よって、ＡｌＧａＩｎＰ結晶層の一般的な成長方法である有機金属熱分解気相成長（ＭＯ−ＶＰＥ）法に比較すれば、より簡便に厚膜が成膜できるハロゲン（ｈａｌｏｇｅｎ）或いはハイドライド（ｈｙｄｒｉｄｅ）ＶＰＥにより形成されている。
【０００５】
ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体材料に加え、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には、ｐ形オーミックコンタクト層上に酸化インジウム・錫（ｉｎｄｉｕｍ−ｔｉｎｏｘｉｄｅ：略称ＩＴＯ）層からなる窓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からなる透明被膜を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）。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
Ａｌ_PＧａ_1-PＡｓは、ＡｌＧａＩｎＰＬＥＤを構成するＧａＡｓ層或いはＡｌＧａＩｎＰ層等と良好な格子整合関係がある。このため、これらの層上には、ミスフィット（ｍｉｓｆｉｔ）転位等の結晶欠陥の密度が小さいＡｌ_PＧａ_1-PＡｓ窓層を形成できる利点がある。しかし、約０．５を越える高いアルミニウム組成比（＝Ｐ）のＡｌ_PＧａ_1-PＡｓを窓層として設けたＡｌＧａＩｎＰＬＥＤでは、高温多湿の環境下に於いて順方向電圧が経時的に変化する問題が発生している。この電気的特性の変動を抑制するための、例えばパッシベーション（ｐａｓｓｉｖａｔｉｏｎ）技術などの特別な技術手段が要求され、ＬＥＤの製造工程は煩雑となる。
【０００７】
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、発光の取り出し効率を顕著に向上させるには、ＧａＰ結晶層を数１０μｍ程度の厚い膜とする必要がある。この厚膜を形成するために、クラッド層或いは発光層を構成するＡｌＧａＩｎＰ結晶層の場合とは異なる成膜技術を必要とし、ＬＥＤの製造工程が煩雑である。
【０００８】
また、透明酸化物層を備えた従来のＡｌＧａＩｎＰＬＥＤに於いて、酸化物層はＧａＡｓ等から成るコンタクト層を介して設けられているなど複雑な積層構成となっている。しかし、ＧａＡｓの室温での禁止帯幅（＝１．４３ｅＶ）は、一般的な発光層の構成材料であるＡｌＧａＩｎＰに比較すれば小さく、発光が吸収されるため高輝度のＬＥＤを獲得するに不利となる。更に、抵抗率が約１０^-4Ω・ｃｍ程度と小さなＩＴＯ膜を単に、例えばＧａＡｓコンタクト層に接触させて設けても良好なオーミック接触が安定して得られない問題がある。
【０００９】
約１０^-4Ω・ｃｍ程度の低抵抗率の導電性を呈する酸化物結晶にはＺｎＯがある（電子情報通信学会技術研究報告、Ｖｏｌ．９９、Ｎｏ．６３（１９９９．５．２０．）、８３〜８８頁参照）。しかし、ＩＩ−ＶＩ族半導体の一種である酸化亜鉛を構成する亜鉛（Ｚｎ）は、ＬＥＤの構成層であるＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体結晶層に対しては富に拡散し易い元素である。従って、窓層をなす酸化亜鉛被膜を従来技術に倣い、例えばｎ形ＩＩＩ−Ｖ族半導体結晶層上に接合させて設けると、ｎ形ＩＩＩ−Ｖ族半導体結晶層の表層部は、亜鉛の拡散によりｎ形キャリアが電気的に補償され、高抵抗或いはｐ形層となる不都合がある。これにより、ＬＥＤの順方向電圧が異常にも増大し、ＡｌＧａＩｎＰＬＥＤの順方向電圧の低減を阻害している。
【００１０】
ＩＩＩ−Ｖ族半導体に比べ、室温で３ｅＶを越えるより大きな禁止帯幅を有するが故に、酸化物結晶層から構成される窓層は、発光の外部への取り出しに元来、優位である。しかし、酸化物結晶の構成元素のＩＩＩ−Ｖ族半導体結晶層内への拡散を防ぎ、良好なオーミック接触特性を発揮する窓層の構成要件並びにその積層構造は開示されていない。
【００１１】
本発明の課題は、特に、ＩＩ−ＶＩ族酸化物結晶層を含む窓層を構成するにあたり、発光を外部へ取り出すのに好都合で、且つＡｌＧａＩｎＰＬＥＤを構成するＩＩＩ−Ｖ族半導体結晶層と良好なオーミック接合を発現できる窓層の積層構成を提示することにある。本発明は、この課題を克服して、高輝度のＡｌＧａＩｎＰＬＥＤを提供することを目的としている。
【００１２】
【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］窓層を備え、ＡｌＧａＩｎＰの発光層を有する発光ダイオードにおいて、窓層がＩＩ−ＶＩ族半導体結晶層と金属酸化物層とを含むことを特徴とするＡｌＧａＩｎＰ発光ダイオード、
［２］金属酸化物層が、ＩＩ−ＶＩ族酸化物半導体結晶層であることを特徴とする［１］に記載のＡｌＧａＩｎＰ発光ダイオード、
［３］ＩＩ−ＶＩ族半導体結晶層とＩＩ−ＶＩ族酸化物半導体結晶層とが接していることを特徴とする［２］に記載のＡｌＧａＩｎＰ発光ダイオード、
［４］ＩＩ−ＶＩ族酸化物半導体結晶層がＺｎＯを１５重量％以上含むことを特徴とする［２］または［３］に記載のＡｌＧａＩｎＰ発光ダイオード、
［５］ＩＩ−ＶＩ族半導体結晶層がＺｎＳｅを８０重量％以上含むことを特徴とする［１］〜［４］の何れか１項に記載のＡｌＧａＩｎＰ発光ダイオード、
［６］ＩＩ−ＶＩ族半導体結晶層が、ＧａＡｓに対する格子不整合率が２％以下であるＩＩＩ−Ｖ族半導体結晶層上に設けられていることを特徴とする［１］〜［５］のいずれか１項に記載のＡｌＧａＩｎＰ発光ダイオード、
［７］ＩＩＩ−Ｖ族半導体結晶層が、砒化ガリウム、または砒化アルミニウム・ガリウム、または（Ａｌ_QＧａ_1-Q）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ（０≦Ｑ≦１）であ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。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明のＡｌＧａＩｎＰＬＥＤは、窓層を有し、発光層は（Ａｌ_XＧａ_1-X）_YＩｎ_1-YＰ（０≦Ｘ≦１、０≦Ｙ≦１）多元混晶で構成される。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、ＧａＡｓ単結晶と良好な格子整合性を果たせ、本発明のＬＥＤを構成するのに好ましい。
【００１４】
本発明の第１の実施形態は、窓層をＩＩ−ＶＩ族半導体結晶層と金属酸化物層とを含む重層構造から構成することを特徴としている。窓層を構成するＩＩ−ＶＩ族半導体には、周知の硫化亜鉛（化学式：ＺｎＳ）、ＺｎＳｅ、テルル化亜鉛（化学式：ＺｎＴｅ）、硫化カドミウム（化学式：ＣｄＳ）、セレン化カドミウム（化学式：ＣｄＳｅ）、テルル化カドミウム（化学式：ＣｄＴｅ）、硫化水銀（化学式：ＨｇＳ）、セレン化水銀（化学式：ＨｇＳｅ）、テルル化カドミウム（化学式：ＣｄＴｅ）、及びセレン化硫化亜鉛（組成式ＺｎＳ_1-XＳｅ_X：０≦Ｘ≦１）などの混晶がある。また、Ｚｎやカドミウム（Ｃｄ）に加え、マグネシウム（Ｍｇ）を構成元素として含むＺｎＭｇＳ、ＺｎＭｇＳｅやＺｎＭｇＳＳｅなどがある。本発明では、ＡｌＧａＩｎＰＬＥＤにあって所望するところの発光の波長が、約５１０ナノメータ（ｎｍ）を越える緑色帯から橙赤色帯であることに鑑み、室温での禁止帯幅（＝Ｅｇ）が約２．４エレクトロンボルト（ｅＶ）を越えるＩＩ−ＶＩ族半導体を窓層の一構成材料として好適に用いる。これに合致する禁止帯幅を有するＩＩ−ＶＩ族半導体としては、ＺｎＯ（Ｅｇ＝３．３５ｅＶ）、硫化亜鉛（Ｅｇ＝３．６８ｅＶ）、セレン化亜鉛（Ｅｇ＝２．６０ｅＶ）、セレン化硫化亜鉛（Ｅｇ＝２．６０ｅＶ〜３．６８ｅＶ）、硫化カドミウム（Ｅｇ＝２．４２ｅＶ）等が例示できる（禁止帯幅については、寺本巌著、「半導体デバイス概論」（（株）培風館１９９５年３月３０日発行初版）、２８頁参照）。
【００１５】
窓層は、唯一のＩＩ−ＶＩ族半導体結晶層から構成し、屈折率を一様とする窓層とするよりも、禁止帯幅が上記の如く大きく、また、屈折率をＩＩ−ＶＩ族半導体結晶層よりも小とする透明な金属酸化物層を重層させれば、発光層から出射される発光を透過するのにより好都合な屈折率の分布を有する窓層が構成できる。透明な金属酸化物材料には、酸化マグネシウム（化学式：ＭｇＯ）等のＩＩ族酸化物、酸化インジウム（化学式：Ｉｎ₂Ｏ₃）や酸化ガリウム（化学式：Ｇａ₂Ｏ₃）等のＩＩＩ族酸化物、酸化錫（化学式：ＳｎＯ₂）等のＩＶ族酸化物やこれらの混合物からなる複合酸化物がある。
【００１６】
第１の実施形態の具体例としては、セレン化亜鉛結晶層上にＩＴＯ層を重層させた構造からなる窓層がある。ＩＴＯ等の金属酸化物層とその被堆積層となるＡｌＧａＩｎＰＬＥＤ構成層との間に、ＩＩ−ＶＩ族半導体結晶層を配置させると、金属酸化物層からの被堆積層へ拡散、侵入する酸素等の量を低減するに有効となる。間に配置されたＩＩ−ＶＩ族半導体結晶層により、ＩＩＩ−Ｖ族半導体で深い準位を形成する酸素等が捕獲されるからである。このため、被堆積層をなすＩＩＩ−Ｖ族半導体結晶層内のキャリアは、酸素等により補償されることなく、電気的に活性化した状態で残留することとなる。従って、ＩＩ−ＶＩ族半導体結晶層をＩＴＯ等の金属酸化物層の下地層として配置しておけば、良好なオーミック接触性を有するＩＴＯ等の金属酸化物層を備えた窓層が得られる。
【００１７】
窓層を、ＩＩ−ＶＩ族半導体結晶層を利用して構成すれば、（１）ワイドバンドギャップ（ｗｉｄｅｂａｎｄｇａｐ）半導体であるが故に、禁止帯幅が小であるＩＩＩ−Ｖ族半導体からなる従来の窓層による発光の吸収、（２）金属酸化物を直接、ＡｌＧａＩｎＰＬＥＤを構成するＩＩＩ−Ｖ族半導体結晶層上に設けた場合のオーミック接触性の不良に代表される従来技術に依る窓層の問題点が回避される。
【００１８】
本発明では、上記のＩＩ−ＶＩ族半導体にあって、酸化亜鉛等の酸化物をＩＩ−ＶＩ族酸化物半導体と仮称する。ＩＩ−ＶＩ族酸化物として他に、酸化硫化亜鉛（組成式ＺｎＳ_1-XＯ_X：０≦Ｘ≦１）、酸化セレン化亜鉛（組成式ＺｎＳｅ_1-XＯ_X：０≦Ｘ≦１）、酸化インジウム・亜鉛（ＺｎＩｎ₂Ｏ₄）や酸化ガリウム・亜鉛（ＺｎＧａ₂Ｏ₄）（Ｊ．Ｌｕｍｉｎ．７２−７４（１９９７）、９９７〜９９８頁参照）等がある。また、酸素（元素記号：Ｏ）を構成元素として含有しないＩＩ−ＶＩ族半導体をＩＩ−ＶＩ族半導体として区別して呼称する。
【００１９】
本発明の第２の実施形態では、ＩＩ−ＶＩ族半導体からなる結晶層とＩＩ−ＶＩ族酸化物半導体からなる結晶層とを含む重層構造から窓層を構成する。ＩＩ−ＶＩ族半導体は上記の如く、ＡｌＧａＩｎＰ発光層からの発光を透過するのに充分なワイドバンドギャップ材料であり、尚且つ大凡、３００℃から５００℃の比較的低温で成膜できる。従って、ＩＩ−ＶＩ族半導体から窓層を構成すれば、例えば、ＤＨ構造発光部を構成するヘテロ接合界面の受熱による「乱雑化」が抑制され、かつ、発光の透過性に優れる窓層が得られる利点がある。
【００２０】
重層構造を構成するＩＩ−ＶＩ族半導体結晶層の伝導形は相互に同一とする。また、ＩＩ−ＶＩ族半導体結晶層の伝導形は、被堆積層のＩＩＩ−Ｖ族半導体層と同一とする。また、ＩＩ−ＶＩ族半導体結晶層とＩＩ−ＶＩ族酸化物半導体結晶層とを重層させて窓層を構成する際に、ＡｌＧａＩｎＰ発光層側より外側に向けて、屈折率が漸次、小となる屈折率分布をもたらす様に結晶層を重層させると、発光の外部取り出し効率に特に優れる窓層が得られる。第２の実施形態に於ける具体的な構成例として、屈折率（＝ｎ）を２．５とするｎ形ＣｄＳ結晶層を下地層とし、その上に重層させたｎ形ＺｎＯ（ｎ＝２．０）との重層構造からなる透明導電性窓層が挙げられる。
【００２１】
また、特に、第３の実施形態である、ＩＩ−ＶＩ族半導体結晶層を下地層とし、この層に接して、上層をＩＩ−ＶＩ族酸化物半導体結晶層とすると、ＩＩ−ＶＩ族半導体結晶層による酸素等のＩＩＩ−Ｖ族半導体被堆積層への拡散防止効果により、良好なオーミック接触性がもたらされる。即ち、低減化された順方向電圧が顕現される。
【００２２】
第３の実施形態に於いて、重層構造窓層の最表層をなすＩＩ−ＶＩ族酸化物半導体結晶層上には、不働体化（ｐａｓｓｉｖａｔｉｏｎ）膜を敷設することもできる。例えば、ＩＴＯ膜やポリイミド膜から不働体化膜が構成できる。不働体化膜は、窓層の最表層のＩＩ−ＶＩ族酸化物半導体結晶よりも屈折率をより小とする材料から構成するのが最適である。上記のＣｄＳ（下地層）／ＺｎＯ（最表層）重層構造窓層を例にして好適な不働体化膜を挙げれば、二酸化珪素（ＳｉＯ₂：ｎ＝１．６）膜や窒化珪素（Ｓｉ₃Ｎ₄：ｎ＝１．９）膜が挙げられる。ＬＥＤを構成する場合にあって、窓層上には電極を敷設する必要がある。これらの絶縁性被膜が窓層上に冠されており、また、ＩＩ−ＶＩ族酸化物半導体結晶層が導電性の低い酸化物層から構成されている場合、電極の底部は、その形成予定領域に在る絶縁性不働体化膜または酸化物層を選択的に除去し、下層のＩＩ−ＶＩ族半導体結晶層に接触させて設けるのが好ましい。
【００２３】
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形の伝導性を呈するが、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。従って、第４の実施形態では、ＩＩ−ＶＩ族酸化物半導体結晶層を、酸化亜鉛を主体に構成して、導電性に優れる透明な窓層を構成する。ＩＩ−ＶＩ族酸化物半導体結晶層で酸化亜鉛が占める割合は、好ましくは１５重量％以上であり、更にに好ましくは２０重量％以上とする。ＬＥＤの動作電流を広範囲に拡散させるためには、酸化亜鉛を主体的に含む層の比抵抗はできるだけ小であるのが望ましい。少なくとも約５ｍΩ・ｃｍ未満であるのが望ましい。アルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）やインジウム（Ｉｎ）等のＩＩＩ族元素をドープすれば、比抵抗を約２〜３×１０^-4Ω・ｃｍとする窓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。また、例えば、ＡｌとＧａの双方を添加したｎ形酸化亜鉛層でも同様の比抵抗値がもたらされる。酸化亜鉛結晶層の比抵抗は通常のホール（Ｈａｌｌ）効果測定法等により測定できる。
【００２４】
ＺｎＯ結晶層は、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化学的堆積（ＣＶＤ）法などにより形成できる。また、湿式塗布法により形成できる。被堆積物の温度を大凡、２００℃以上として、望ましくは約２５０℃から約４５０℃の範囲で成膜すれば、素子動作電流を平面的に拡散するに充分な抵抗率（＝比抵抗）を１×１０^-3Ω・ｃｍ未満とする低抵抗率の酸化亜鉛層が得られる。この様な温度範囲で成膜された酸化亜鉛層は、ウルツ鉱（ｗｕｒｔｚｉｔｅ）結晶型の＜０００１＞方向（所謂、ｃ軸方向）に優勢的に成長した多結晶層からなるのがもっぱらである。このため、酸化亜鉛層の層厚を、約５μｍを越える厚膜とすると、酸化亜鉛層の表面の平坦性が悪化し発光強度の発光面内での均一化に支障を来す。逆に極薄膜とすると抵抗が増し、動作電流を充分に拡散させるに至らない。よって、酸化亜鉛窓層の層厚は約５ｎｍ以上であるのが望ましい。ｎ形酸化亜鉛層の好ましい仕様の一例は、層厚が約２００ｎｍで、キャリア濃度が約３．９×１０²⁰ｃｍ^-3で、比抵抗が約１．１×１０^-3Ω・ｃｍで、ホール移動度が約１２ｃｍ²／Ｖ・ｓである。
【００２５】
第５の実施の形態では、ＩＩ−ＶＩ族半導体層を特に、ＺｎＳｅを主体に構成する。ＩＩ−ＶＩ族半導体層でＺｎＳｅが占める割合は、好ましくは８０重量％以上であり、より好ましくは９０重量％以上である。セレン化亜鉛の室温での禁止帯幅は、約２．６ｅＶである。概略すれば、セレン化亜鉛は、第１及び第２の実施形態で利用する金属酸化物及びＩＩ−ＶＩ族酸化物半導体と、ＬＥＤを構成するＡｌＧａＩｎＰとのおしなべて間の禁止帯幅を保有している。従って、セレン化亜鉛層をＡｌＧａＩｎＰ層と酸化物層との間に配置する構成に依れば、ＡｌＧａＩｎＰＬＥＤ構成層とＩＩ−ＶＩ族酸化物半導体層との間で禁止帯幅を段階的に変化させることができ、オーミック接触性により優れる窓層が構成できる利点がある。また、セレン化亜鉛の屈折率は、約２．６である（赤崎勇編著、「ＩＩＩ−Ｖ族半導体」（（株）培風館、１９９４年５月２０日発行初版）、１５０頁参照）。従って、セレン化亜鉛層を下地層とし、その上層を酸化亜鉛（ｎ＝２．０）層とすれば、屈折率を発光層より外側に向けて漸次、小となる分布を有する重層構造の窓層が簡便に構成できる。
【００２６】
セレン化亜鉛層をＧａＡｓと略格子整合をなすＩＩＩ−Ｖ族半導体結晶層上に設ければ、特に結晶性に優れた層が得られる。ＧａＡｓの格子定数は約５．６５３オングストロームで、また、セレン化亜鉛の格子定数で５．６６８オングストロームであり（上記の「ＩＩＩ−Ｖ族半導体」、１４８頁参照）、このため、格子のミスマッチ（ｍｉｓｍａｔｃｈ）度が約０．３％と矮小であることに依る。結晶性が良好なセレン化亜鉛層を下地層とすれば、よりオーミック接触性に優れる窓層がもたらされる。故に、第５の実施形態では、セレン化亜鉛層をＧａＡｓと略同一の格子定数をもつＩＩＩ−Ｖ族半導体結晶層上に堆積させる。ＩＩＩ−Ｖ族半導体結晶層のＧａＡｓに対する格子の不整合率は、好ましくは２％以下であり、更に好ましくは１％以下である。ＧａＡｓと略格子整合するＩＩＩ−Ｖ族半導体には、砒化アルミニウム・ガリウムがある。Ａｌ_PＧａ_1-PＡｓとＧａＡｓとの最大のミスマッチ度は約０．１４％であり、ＧａＡｓと略格子整合するものと見なせる（上記の「ＩＩＩ−Ｖ族半導体」、１８６頁参照）。また、ＧａＡｓと格子整合をなす別の材料例には、（Ａｌ_XＧａ_1-X）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐがある。第６の実施形態では、従って、良質のセレン化亜鉛層を得るために、同層をＧａＡｓ、Ａｌ_PＧａ_1-PＡｓ及び（Ａｌ_XＧａ_1-X）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ結晶層上に設ける。
【００２７】
セレン化亜鉛層は、一般的な高周波スパッタリング法或いは有機金属熱分解気相成長（ＭＯ−ＣＶＤ）法などの手段により成膜できる。ＡｌＧａＩｎＰＬＥＤ構成層との良好なオーミック接触性を果たすために、セレン化亜鉛層のキャリア濃度は約１×１０¹⁷ｃｍ^-3を越えるのが望ましい。約２×１０¹⁹ｃｍ^-3を越える高キャリア濃度を得るために高濃度にドーピングを施したセレン化亜鉛層では平滑性等の表面状態が悪化するため、好ましく用いることはできない。セレン化亜鉛は元来、ｎ形の導電性を呈し易い。従って、例えば、ｎ形セレン化亜鉛層とｎ形酸化亜鉛からなる重層構造の窓層は、ｎ−サイドアップ型のＡｌＧａＩｎＰＬＥＤにあって、ｎ形クラッド層上に好ましく設けることができる。
【００２８】
ＭＯ−ＣＶＤ法では、ｎ形セレン化亜鉛層とｎ形酸化亜鉛層との重層構造からなる窓層を構成するのに際し、成膜時間の経過と共に、経時的にセレン（Ｓｅ）原料若しくは酸素原料の成長反応系への供給量に変化を与えることができる。この成長手段では、層厚の増加方向にＳｅの量を減じ、逆に酸素の量を増加させて、組成的な勾配を有する重層構造の窓層を形成することができる。Ｓｅ或いは酸素組成比は、連続的若しくは段階的に変化させることができる。組成勾配を付すことにより、セレン化亜鉛と酸化亜鉛との格子の不整合性を緩やかに緩和しつつ、下地層の底層部をセレン化亜鉛とし、上層の表層部を酸化亜鉛とする良質の結晶層からなるＺｎＳｅ／ＺｎＯ重層窓層が構成できる。
【００２９】
【実施例】
（実施例１）
本実施例では、エピタキシャル積層構造体２０上に、ＺｎＳｅとＩＴＯとの重層構造の窓層を備えたＡｌＧａＩｎＰＬＥＤ１０を例にして、本発明を詳細に説明する。図１は本実施例に係わるＬＥＤ１０の断面模式図である。
【００３０】
積層構造体２０は、ｐ形ＧａＡｓ単結晶基板１０１上に順次、積層したｐ形ＧａＡｓ緩衝層１０２、ｐ形（Ａｌ_0.7Ｇａ_0.3）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ下部クラッド層１０３、アンドープ（Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ発光層１０４、及びｎ形（Ａｌ_0.7Ｇａ_0.3）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ上部クラッド層１０５、ｎ形ＧａＡｓコンタクト層１０６から構成した。エピタキシャル構成層１０２〜１０６の各層は、トリメチルガリウム（（ＣＨ₃）₃Ｇａ）／トリメチルアルミニウム（（ＣＨ₃）₃Ａｌ）／トリメチルインジウム（（ＣＨ₃）₃Ｉｎ）／ホスフィン（ＰＨ₃）系減圧ＭＯ−ＶＰＥ法により７３０℃で成長させた。ｐ形緩衝層１０２及びｐ形下部クラッド層１０３ドーパント源にはジエチル亜鉛（（Ｃ₂Ｈ₅）₂Ｚｎ）を用いた。ｎ形上部クラッド層１０５のドーピング源はジシラン（Ｓｉ₂Ｈ₆）とした。ｎ形コンタクト層１０６のドーピング源にはセレン化水素（Ｈ₂Ｓｅ）を用いた。
【００３１】
基板１０１には、＜０１１＞方向に４゜傾斜した、Ｚｎドープ（１００）ｐ形ＧａＡｓ単結晶を用いた。基板１０１のキャリア濃度は約１×１０¹⁹ｃｍ^-3であった。ＺｎドープＧａＡｓ緩衝層１０２の層厚は１．５μｍとし、キャリア濃度は約２×１０¹⁸ｃｍ^-3とした。Ｚｎドープ下部クラッド層１０３の層厚は３．５μｍとし、キャリア濃度は約３×１０¹⁸ｃｍ^-3とした。発光層１０４の層厚は約０．２μｍとし、キャリア濃度は約５×１０¹⁶ｃｍ^-3とした。Ｓｉドープ上部クラッド層１０５の層厚は約１μｍとし、キャリア濃度を７×１０¹⁷ｃｍ^-3とした。Ｓｅドープコンタクト層１０６の層厚は５０ｎｍとし、キャリア濃度は２×１０¹⁹ｃｍ^-3とした。
【００３２】
Ｓｅドープコンタクト層１０６の表面上には、一般的なマグネトロンスパッタリング法によりＡｌドープのｎ形ＺｎＳｅからなる第１の窓層構成層１０７ａを被着させた。第１の窓層構成層１０７ａの層厚は約０．５μｍとし、キャリア濃度は約４×１０¹⁸ｃｍ^-3とした。第１の窓層構成層１０７ａを構成するセレン化亜鉛層は一般的なＸ線回折分析法により、略全体が単結晶から構成されていた。
【００３３】
第１の窓層構成層１０７ａの成膜を終了した後、第１の窓層構成層１０７ａ上に公知のマグネトロンスパッタリング法を利用してＩＴＯ膜を被着させた。第２の窓層構成層１０７ｂとしたＩＴＯ膜の層厚は約０．２０μｍとした。同膜１０７ｂは比抵抗を約８×１０^-4Ω・ｃｍとするＩＴＯから形成した。第１及び第２の窓層構成層１０７ａ、１０７ｂの重層構造から透明導電性の窓層１０７を構成した。
【００３４】
一般的な２次イオン質量分析（略称ＳＩＭＳ）に依り、ＩＴＯ膜１０７ｂの被着前後に於けるＺｎＳｅ層１０７ａ内の酸素原子濃度を比較した。ＩＴＯ膜を被膜する以前では、約２×１０¹⁷原子／ｃｍ³であった酸素原子濃度は、被膜後では約７×１０¹⁸原子／ｃｍ³に増加していた。一方、（Ａｌ_0.7Ｇａ_0.3）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ上部クラッド層１０５の表層部の酸素原子濃度は、ＩＴＯ膜１０７ｂの被着前後で然して変化は認められず、約１×１０¹⁷原子／ｃｍ³であった。これは、ＩＩ−ＶＩ族半導体層１０７ａに依る酸素の上部クラッド層１０５への侵入を防止する作用に依るものと解釈された。
【００３５】
窓層１０７の表面上には、膜厚を約０．１５μｍとする二酸化珪素（ＳｉＯ₂）被膜を保護膜１０８として堆積した。二酸化珪素保護膜１０８はモノシラン（ＳｉＨ₄）を原料とする公知のプラズマＣＶＤ法により被着させた。これより、第１の窓層構成層（屈折率を約２．７とするＺｎＳｅ層）、第２の窓層構成層（屈折率を約２前後とするＩＴＯ層）及びＳｉＯ₂保護膜（屈折率＝１．６）からなる発光層より遠方に向けて屈折率を漸次、小とする窓層１０７と保護膜１０８との重層構造を形成した。
【００３６】
電極を形成する予定の領域に在る保護膜１０８を一般的なフォトリソグラフィー技術を利用して除去した後、同領域に直径を約１２０μｍとするＡｌ円形電極１０９を設けた。ＧａＡｓ基板１０１の裏面の全面には金・亜鉛合金（Ａｕ９８重量％−Ｚｎ２重量％合金）を真空蒸着した後、４２０℃で２分間合金化（アロイ）処理を施してｐ形オーミック電極１１０となした。然る後、一辺を約３５０μｍとする略正方形の個別のチップに裁断しＬＥＤ１０となした。
【００３７】
Ａｌ電極１０９及びｐ形オーミック電極１１０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、重層構造の窓層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は約１７ｎｍであり、単色性に優れる発光が得られた。順方向電圧（＠２０ｍＡ）は１．９４±０．０３ボルト（Ｖ）と均一であった。また、発光強度は約５０ミリカンデラ（ｍｃｄ）に到達した。
【００３８】
（実施例２）
実施例１に記載のエピタキシャル積層構造体表面上に設けた、ＺｎＳｅからなる第１の窓層構成層上に酸化亜鉛からなる第２の窓層構成層を備えたＡｌＧａＩｎＰＬＥＤを例にして本発明を説明する。
【００３９】
図２に本実施例に係わる積層構造体４０からなるＡｌＧａＩｎＰＬＥＤ３０の断面構造を模式的に示す。上記の実施例１の積層構造体２０（図１）と同一の構成要素には、同一の符号を付してその説明を省略する。
【００４０】
本実施例では、第２の窓層構成層１０７ｂをＡｌドープのｎ形ＺｎＯから構成した。Ａｌドープｎ形ＺｎＯ層は、一般的なマグネトロンスパッタリング法により堆積した。スパッタリング圧力は約０．８トール（Ｔｏｒｒ）とし、堆積温度は約３００℃とした。高周波電力は約１００ワット（Ｗ）とし、堆積時間を２５分間として約０．２５μｍの層厚の酸化亜鉛層を得た。
【００４１】
酸化亜鉛からなる第２の窓層構成層１０７ｂ上には、ＩＴＯからなる保護層１０８を冠した。表面保護層１０８たるＩＴＯ被膜は、比抵抗を約７×１０^-3Ω・ｃｍとするｎ形導電性膜であり、層厚は約０．１０μｍとした。以上、第１乃び第２の窓層構成層１０７ａ〜１０７ｂより、層厚の増加方向に漸次、屈折率を小とする窓透明導電性の窓層１０７を構成した。
【００４２】
電極を形成する予定の領域に在る保護層１０８を一般的なフォトリソグラフィー技術を利用して除去した後、同領域に直径を約１２０μｍとする金（Ａｕ）円形電極１０９を設けた。ＧａＡｓ基板１０１の裏面の全面には金・亜鉛合金（Ａｕ９８重量％−Ｚｎ２重量％合金）を真空蒸着した後、４２０℃で２分間合金化（アロイ）処理を施してｐ形オーミック電極１１０となした。然る後、一辺を約３５０μｍとする略正方形の個別のチップに裁断しＬＥＤ３０となした。
【００４３】
金電極１０９及びｐ形オーミック電極１１０間に順方向に２０ｍＡの電流を通流したところ、重層構造の窓層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は約１８ｎｍであり、単色性に優れる発光が得られた。順方向電圧（＠２０ｍＡ）は１．９５±０．０３Ｖと均一であった。また、発光強度は約６０ｍｃｄに到達した。
【００４４】
【発明の効果】
本発明に依れば、発光を都合良く外部へ取り出すのに好都合な窓層が構成できるため、高輝度のＡｌＧａＩｎＰ発光ダイオ−ドがもたらされる効果がある。
【００４５】
また、本発明の構成に依る窓層では、ＡｌＧａＩｎＰＬＥＤ構成層と良好なオーミック接触性がもたらされるため、順方向電圧が低く、且つ均一なＡｌＧａＩｎＰ発光ダイオードが提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例１に記載のＬＥＤの断面模式図である。
【図２】実施例２に記載のＬＥＤの断面模式図である。
【符号の説明】
１０ＡｌＧａＩｎＰＬＥＤ
２０積層構造体
３０ＡｌＧａＩｎＰＬＥＤ
４０積層構造体
１０１ＧａＡｓ単結晶基板
１０２ＧａＡｓ緩衝層
１０３下部クラッド層
１０４発光層
１０５上部クラッド層
１０６コンタクト層
１０７窓層
１０７ａ第１の窓層構成層
１０７ｂ第２の窓層構成層
１０８保護膜
１０９金属電極
１１０ｐ形オーミック電極

Claims

窓層を備え、（Ａｌ_XＧａ_1-X）_YＩｎ_1-YＰ（０≦Ｘ≦１、０≦Ｙ≦１）の発光層を有する発光ダイオードにおいて、窓層がｎ形のＩＩ−ＶＩ族半導体結晶層と該ｎ形のＩＩ−ＶＩ族半導体結晶の上の全面に形成された金属酸化物層とを含むことを特徴とするＡｌＧａＩｎＰ発光ダイオード。
金属酸化物層が、ＩＩ−ＶＩ族酸化物半導体結晶層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。
ｎ形のＩＩ−ＶＩ族半導体結晶層とＩＩ−ＶＩ族酸化物半導体結晶層とが接していることを特徴とする請求項２に記載のＡｌＧａＩｎＰ発光ダイオード。
ＩＩ−ＶＩ族酸化物半導体結晶層が酸化亜鉛（化学式：ＺｎＯ）を１５重量％以上含むことを特徴とする請求項２または３に記載のＡｌＧａＩｎＰ発光ダイオード。
ｎ形のＩＩ−ＶＩ族半導体結晶層がセレン化亜鉛（化学式：ＺｎＳｅ）を８０重量％以上含むことを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載のＡｌＧａＩｎＰ発光ダイオード。
ｎ形のＩＩ−ＶＩ族半導体結晶層が、砒化ガリウム（化学式：ＧａＡｓ）に対する格子不整合率が２％以下であるＩＩＩ−Ｖ族半導体結晶層上に設けられていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のＡｌＧａＩｎＰ発光ダイオード。
ＩＩＩ−Ｖ族半導体結晶層が、砒化ガリウム、または砒化アルミニウム・ガリウム（組成式Ａｌ_PＧａ_1-PＡｓ：０≦Ｐ≦１）、または（Ａｌ_QＧａ_1-Q）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ（０≦Ｑ≦１）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。