JP6124973B2 - 電流拡散層を有する発光ダイオードチップ - Google Patents

Description

発光ダイオードチップにおいては、活性層を通る電流の流れをできる限り均一にする目的で、良好な導電率を有する半導体材料からなる比較的厚い電流拡散層が、一般的には電気コンタクトと発光半導体積層体との間に配置されている。

一例として、特許文献１には、発光領域がリン化物化合物半導体をベースとしており、ｐ−ＡｌＧａＡｓからなる電流拡散層が電気コンタクトと発光領域との間に配置されている発光ダイオードチップが開示されている。電流拡散層の厚さは、１μｍ〜１０μｍの範囲内である。

このようなＡｌＧａＡｓからなる比較的厚い電流拡散層の場合、良好な電流拡散層を得ることができるが、その一方で、放出された放射のかなりの割合が吸収されることが判明した。特に、放出される放射の波長が短い、もしくは電流拡散層におけるアルミニウムの割合が低い、またはその両方の場合には、厚い電流拡散層による吸収を無視することができない。さらには、電流拡散層におけるアルミニウムの割合が増大すると、発光ダイオードチップが受ける湿気の影響も大きくなることが判明した。

米国特許第６，４２６，５１８号明細書

本発明の目的は、光の吸収が小さいと同時に湿気の影響を受けにくい電流拡散層を備えた発光ダイオードチップを開示することである。

この目的は、請求項１による発光ダイオードチップによって達成される。従属請求項は、本発明の有利な構造形態および発展形態に関する。

少なくとも一実施形態によると、本発光ダイオードチップは、リン化物化合物半導体材料を含んだ半導体積層体を備えている。この半導体積層体は、特に、Ｉｎ_ｘＧａ_ｙＡｌ_{１−ｘ−ｙ}Ｐ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、ｘ＋ｙ≦１）からなる複数の層を備えている。

半導体積層体は、特に、ｐ型リン化物化合物半導体領域と、ｎ型リン化物化合物半導体領域と、ｐ型リン化物化合物半導体領域とｎ型リン化物化合物半導体領域との間に配置されており、電磁放射を放出する役割を果たす活性層と、を含んでいる。

活性層は、例えば、ｐｎ接合、ダブルヘテロ構造、多重ヘテロ構造、単一量子井戸構造、または多重量子井戸構造として具体化することができる。この場合、量子井戸構造という表現は、閉じ込めの結果として電荷キャリアにおいてエネルギ状態の量子化が起こる任意の構造を包含する。特に、量子井戸構造という表現は、量子化の次元について何らかの指定を行うものではない。したがって、量子井戸構造には、特に、量子井戸、量子細線、または量子ドットと、これらの構造の任意の組合せと、が含まれる。

本発光ダイオードチップの場合、ｎ型半導体領域が発光ダイオードチップの放射出口領域の側にあり、ｐ型半導体領域が発光ダイオードチップのキャリアの側にある。本発光ダイオードチップは、いわゆる薄膜発光ダイオードチップであり、半導体積層体の成長に使用された成長基板が発光ダイオードチップから分離されていることが好ましい。元の成長基板は、特に、半導体積層体のｎ型半導体領域から分離することができる。発光ダイオードチップは、元の成長基板とは反対側のｐ型半導体領域の面において、例えばはんだ付け結合によってキャリアに結合されていることが好ましい。この場合、キャリアは、半導体積層体の成長基板とは異なり、シリコン、モリブデン、またはゲルマニウムを含んでいることが好ましい。従来のＬＥＤ（一般的にはｎ型半導体領域が基板の側にあり、ｐ型半導体領域が放射出口領域の側にある）とは異なり、本発光ダイオードチップの場合、ｐ型半導体領域がキャリアの側にあり、ｎ型半導体領域が放射出口領域の側にある。

キャリアとｐ型半導体領域との間には、５００ｎｍ未満の厚さを有する電流拡散層が配置されており、この電流拡散層は、１層または複数層のｐ型にドープされたＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ層（０．５＜ｘ≦１）からなる。

電流拡散層がキャリアとｐ型半導体領域との間に配置されていることによって、電流拡散層が発光ダイオードチップの放射出口面において周囲媒体（特に空気）に隣接している場合よりも、酸化もしくは湿気の作用またはその両方に対して電流拡散層が良好に保護される。

さらには、厚さが５００ｎｍ未満である電流拡散層は、比較的厚い電流拡散層よりも、酸化や湿気による影響を受けにくい。ＡｌＧａＡＳ層の一部分が酸化すると層の体積が増す、という事実に基づいている。厚さが５００ｎｍ未満である電流拡散層の場合、より厚い層の場合よりもこの効果が小さい。

さらには、電流拡散層の厚さが５００ｎｍ未満と小さいため、電流拡散層に要求される成長時間が短縮され、これは有利である。電流拡散層の成長は高い温度で行われるため、成長時間が短縮されることによって、隣接する半導体積層体から電流拡散層への不純物の拡散（例えば、半導体積層体のｐ型半導体領域からのドーパント（例：Ｍｇ、Ｚｎ）の拡散）も減少する。

さらには、電流拡散層の厚さが５００ｎｍ未満と小さいことによって、電流拡散層における光の吸収が減少し、これは有利である。したがって、半導体積層体の活性層において放出される放射のうち電流拡散層およびキャリアの方向に放出された放射が、電流拡散層によって吸収される程度は、大幅に厚い電流拡散層の場合よりも小さい。キャリアの方向に放出された放射は、キャリアの上に配置されているミラー層によって、発光ダイオードチップの放射出口面に向かう方向に反射されることが好ましい。

さらには、電流拡散層を形成している１層または複数層のｐ型にドープされたＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ層のアルミニウムの割合ｘが＞０．５であるため、電流拡散層における光の吸収も比較的小さく、これは有利である。アルミニウムの割合が比較的大きいため、電流拡散層は比較的大きい電子バンドギャップを有し、これにより放射の吸収が減少する。

好ましい一構造形態においては、電流拡散層は、３００ｎｍ未満の厚さを有する。これによって、酸化もしくは湿気の作用またはその両方に対する電流拡散層の安定性がさらに向上し、光の吸収も減少する。

電流拡散層におけるアルミニウムの割合ｘについて、０．６≦ｘ≦０．８が成り立つならば、特に有利である。この場合、特に、電流拡散層における小さい光の吸収を達成することができる。

電流拡散層は、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓからなる単一の層とする、または、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓからなる複数の部分層とすることができる。電流拡散層が複数の部分層からなる場合、本明細書に記載されている電流拡散層の有利な構造は、部分層全体を対象として適用される。特に、複数の部分層からなる電流拡散層の厚さは、全体で５００ｎｍ未満、特に好ましくは全体で３００ｎｍ未満である。

電流拡散層は、１×１０^１９ｃｍ^−３より高いドーパント濃度を有することが有利である。電流拡散層におけるドーパント濃度は、少なくとも５×１０^１９ｃｍ^−３であることが、特に好ましい。高いドーパント濃度の結果として、電流拡散層における高い導電率が得られ、これは有利である。

好ましい一構造形態においては、電流拡散層は、ドーパントとしてＣを含んでいる。ＡｌＧａＡｓ層におけるドーパントとしてＣを使用するとき、良好な再現性において高いドーパント濃度が得られることが判明し、これは有利である。

さらなる好ましい構造形態においては、側端面（side flank）を含んでいる電流拡散層に、封止層が設けられている。封止層は、特に、酸化ケイ素、窒化ケイ素、透明導電性酸化物（例えば酸化亜鉛）、または金属を含んでいることができる。電流拡散層の側端面に封止層を設けることができるようにする目的で、例えば封止層を形成する前に、電流拡散層を構造化することができる。構造化するステップでは、一例として、電流拡散層の縁部領域を除去することができる。したがって、その後にコーティング法によって形成される封止層が電流拡散層の側端面も覆う。さらに封止層は、特に、環境的な影響、特に酸化もしくは湿気の作用またはその両方によって電流拡散層が受ける影響を減少させる。封止層は、異なる部分領域が異なる材料を含んでいることが可能である。一例として、封止層の特定の部分領域を電気絶縁性材料（例えば酸化ケイ素、窒化ケイ素）から形成する一方で、封止層の別の領域を導電性材料（例えば酸化亜鉛）から、または金属から形成することができる。この場合、封止層のうち導電性の部分領域は、特に、電流拡散層に電流を印加する役割を果たす。

さらなる好ましい構造形態においては、電流拡散層は、傾斜側端面（oblique side flank）を有し、傾斜側端面は、電流拡散層の層平面に対して２０゜〜７０゜の範囲内（両端値を含む）の角度だけ傾いている。このようにすることで、オプトエレクトロニクス部品からの放射の取り出しを改善することができる。特に、電流拡散層の傾斜側端面はマイクロプリズムとして機能することができ、活性層において放出される放射のうちキャリアの方向に放出された放射は、このマイクロプリズムによって発光ダイオードチップの放射出口面の方に反射される。傾斜側端面がリン化物化合物半導体積層体の中まで達して、半導体積層体の１層または複数の層が傾斜側端面を含んでいることも可能である。

さらなる有利な構造形態においては、電流拡散層に少なくとも１本の溝が形成されている。少なくとも１本の溝は、窒化ケイ素、酸化ケイ素、酸化亜鉛、または金属によって満たされていることが好ましい。電流拡散層の溝の領域において、これら充填材料はｐ型半導体領域に直接隣接している。溝を利用することで、半導体積層体の中の電流経路を所望の様式で定義することが可能である。また、少なくとも１本の溝がｐ型リン化物化合物半導体領域の中まで達することも可能であり、これは有利である。

さらなる有利な構造形態においては、Ｉｎ_ｘＧａ_ｙＡｌ_{１−ｘ−ｙ}Ａｓ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、ｘ＋ｙ≦１）からなる少なくとも１層が、電流拡散層に隣接しており、この層は、電流拡散層よりも小さいバンドギャップと、電流拡散層よりも低いドーパント濃度とを有する。この場合、小さいバンドギャップおよび低いドーパント濃度を有する層と、電流拡散層と、の間の界面において、伝導帯および価電子帯のバンド端の曲がりが起こる。これにより、高い伝導性を有する２次元正孔ガス（hole gas）が形成される。このようにすることで、電荷キャリアの濃度および移動性が高い領域を、所望の様式で形成することができる。

電流拡散層の少なくとも１層のＡｌＧａＡｓ層は、１種類または複数種類の少量のさらなる元素を含んでいることが可能である。この場合、電流拡散層における、この１種類または複数種類のさらなる元素の割合は、１０％未満である。１種類または複数種類のさらなる元素は、ドーパント、または周期表のＩＩＩ族またはＶ族の少量のさらなる材料とすることができる。

以下では、本発明について、例示的な実施形態に基づいて図１〜図５を参照しながらさらに詳しく説明する。

第１の例示的な実施形態による発光ダイオードチップの断面の概略図を示している。 第２の例示的な実施形態による発光ダイオードチップの断面の概略図を示している。 第３の例示的な実施形態による発光ダイオードチップの断面の概略図を示している。 第４の例示的な実施形態による発光ダイオードチップの断面の概略図を示している。 第５の例示的な実施形態による発光ダイオードチップの断面の概略図を示している。

図面において、同じ要素または同じ機能の要素には、同じ参照記号を付してある。個々の要素の大きさ、および要素の間の大きさの関係は、正しい縮尺ではないものとみなされたい。

図１に示した薄膜発光ダイオードチップは、ｐ型半導体領域２およびｎ型半導体領域４を備えた半導体積層体５を含んでいる。ｐ型半導体領域２とｎ型半導体領域４との間には活性層３が配置されている。活性層３は、単一量子井戸構造または多重量子井戸構造を有することが好ましい。

半導体積層体５は、リン化物化合物半導体をベースとしており、すなわち、半導体積層体５に含まれている半導体層は、特に、Ｉｎ_ｘＧａ_ｙＡｌ_{１−ｘ−ｙ}Ｐ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、ｘ＋ｙ≦１）を含んでいる。特に、ｐ型半導体領域２、活性層３、およびｎ型半導体領域４は、リン化物化合物半導体材料から形成されている。

この発光ダイオードチップは、いわゆる薄膜ＬＥＤであり、半導体積層体５を成長させるために使用された成長基板が半導体積層体５から分離されている。特に、ｎ型半導体領域４から成長基板を分離することができ、分離した後、ｎ型半導体領域４は発光ダイオードチップの放射出口領域６を有する。元の成長基板および放射出口領域６とは反対側の面において、発光ダイオードチップはキャリア７に結合されており、キャリア７は、シリコン、ゲルマニウム、またはモリブデンを含んでいることが好ましい。したがって、この薄膜発光ダイオードチップの場合、ｎ型半導体領域４が放射出口領域６の側にあり、ｐ型半導体領域２がキャリア７の側にある。

キャリア７とｐ型リン化物化合物半導体領域２との間には電流拡散層１が配置されている。電流拡散層１は、ｐ型にドープされたＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ層（０．５＜ｘ≦１）であり、５００ｎｍ未満の厚さを有する。

電流拡散層１の厚さは、３００ｎｍ未満であることが好ましい。電流拡散層１におけるアルミニウムの割合ｘについて、０．６≦ｘ≦０．８が成り立つことが好ましい。

電流拡散層１は、キャリア７の側の面において、少なくとも一部分が電気コンタクト９に隣接している。発光ダイオードチップの少なくとも１つのさらなる電気コンタクト９は、例えば、発光ダイオードチップの放射出口面６（キャリア７とは反対側）に配置されている。電流拡散層１は、好ましくは１×１０^１９ｃｍ^−３より高いドーパント濃度、特に好ましくは５×１０^１９ｃｍ^−３より高いドーパント濃度を有する。このようにすることで電流拡散層１の高い横方向導電率が得られ、したがって、例えば、電流拡散層１の小さい中央領域のみに裏側コンタクト９が形成されている場合にも、半導体積層体５を通る電流の流れが比較的均一である。

電流拡散層１は、その厚さが５００ｎｍ未満、好ましくは３００ｎｍ未満と小さく、かつアルミニウム含有率が０．５以上と高いことによって、光の吸収性が小さく、これは有利である。さらには、このような薄い電流拡散層１は、一般には厚さ１μｍ以上の従来の比較的厚い電流拡散層よりも、酸化や湿気の作用によって影響されにくいことが判明した。電流拡散層１では、厚さが小さいにもかかわらず良好な電流拡散が得られる。この場合、電流拡散層１のドーパント濃度が少なくとも１×１０^１９ｃｍ^−３、特に好ましくは少なくとも５×１０^１９ｃｍ^−３であるならば有利である。

ｐ型半導体領域２に隣接している電流拡散層１は、キャリア７とｐ型半導体領域２との間に配置されているならばさらに有利である。なぜならこの配置構造の場合、電流拡散層１が発光ダイオードチップの表面において周囲媒体に隣接している場合よりも、酸化や湿気などの外部の影響に対して良好に保護されるためである。

電流拡散層１を、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ（０．５＜ｘ≦１）からなる複数の部分層（図示していない）から構成することが可能であり、これらの部分層は、例えばドーパント濃度もしくはアルミニウム含有率またはその両方に関して互いに異なっていることができる。この場合、本出願においては、部分層の全体を電流拡散層１とみなし、したがって特に、すべての部分層の合計厚さが、５００ｎｍ未満、好ましくは３００ｎｍ未満である。電流拡散層１、または電流拡散層１の部分層が、少量の追加材料（ただし全体に対する割合は１０％未満）を有することも考えられる。

電流拡散層１を外部の影響に対してさらに良好に保護する目的で、好ましくは側端面１１を含んだ電流拡散層１に、封止層８が設けられている。封止層８は、特に、透明誘電材料（例えば窒化ケイ素、酸化ケイ素）を含んでいることができる。しかしながら、これに代えて、封止層８が透明導電性酸化物（例えば酸化亜鉛または金属）を含んでいることも可能である。特に、誘電材料からなる封止層８の場合、電流拡散層１の側の電気コンタクト９を、封止層８の切欠き部に配置することができる。

封止層８、電気コンタクト層９と、キャリア７との間には、金属または金属合金からなる積層体１０が配置されている。この金属層１０は、例えば、活性層３からキャリア７の方向に放出された放射を反射するためのミラー層を含んでいてもよい。さらには、金属層１０は、発光ダイオードチップをキャリア７に結合するためのはんだ層を含んでいてもよい。

図２に示した発光ダイオードチップの例示的な実施形態は、図１の例示的な実施形態と異なる点として、電流拡散層１が傾斜側端面１２を有する。傾斜側端面１２は、電流拡散層１の層平面に対して２０゜〜７０゜の範囲内（両端値を含む）の角度を形成していることが好ましい。電流拡散層１の傾斜側端面１２によって、発光ダイオードチップからの放射の取り出しを改善できることが判明した。電流拡散層１の屈折率と封止層８の屈折率とが異なるため、傾斜側端面１２は反射器として機能し、放射を放射出口領域６の方向に反射することができる。特に、電流拡散層１の対向する傾斜側端面１２がマイクロプリズムを形成することが可能である。傾斜側端面１２が半導体積層体５の中に達することも可能である（図示していない）。

それ以外の有利な構造形態に関しては、図２に示した例示的な実施形態は、第１の例示的な実施形態と同じである。

図３に示した発光ダイオードチップの例示的な実施形態は、図１の例示的な実施形態と異なる点として、発光ダイオードチップの側端面の領域において金属積層体１０がｐ型半導体領域２まで達している。結果として、側端面１１を含んだ電流拡散層１が封止層８によって囲まれており、封止層８が金属積層体１０によって囲まれている。このようにすることで、酸化または湿気の作用に対する電流拡散層１の特に良好な耐性が得られる。

図３に示した発光ダイオードチップの例示的な実施形態は、図１に示した例示的な実施形態とさらに異なる点として、Ｉｎ_ｘＧａ_ｙＡｌ_{１−ｘ−ｙ}Ａｓ層１４（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、ｘ＋ｙ≦１）が電流拡散層１に隣接している。Ｉｎ_ｘＧａ_ｙＡｌ_{１−ｘ−ｙ}Ａｓ層１４は、電流拡散層１よりも低いドーパント濃度と、より小さいバンドギャップとを有する。Ｉｎ_ｘＧａ_ｙＡｌ_{１−ｘ−ｙ}Ａｓ層１４は、電流拡散層１とｐ型半導体領域２との間に配置されていることが好ましい。Ｉｎ_ｘＧａ_ｙＡｌ_{１−ｘ−ｙ}Ａｓ層１４には、より高濃度でドープされている電流拡散層１との界面において、ポテンシャル井戸（potential well）が形成され、この井戸の中では、正孔としての自由電荷キャリアが蓄積する。正孔は、Ｉｎ_ｘＧａ_ｙＡｌ_{１−ｘ−ｙ}Ａｓ層１４において、いわゆる２次元正孔ガスを形成する。このようにすることで、Ｉｎ_ｘＧａ_ｙＡｌ_{１−ｘ−ｙ}Ａｓ層１４において特に高い横方向導電率が得られる。

図４に示した発光ダイオードチップの例示的な実施形態の場合、電流拡散層１に２本の溝１３が形成されており、これらの溝１３の中に封止層８が突き出している。溝１３の間に配置されている電流拡散層１の領域は、電気コンタクト９と金属積層体１０とによって導電接続されている。これとは異なり、電流拡散層１の縁部領域１ａ，１ｂは電気的に接続されていない。このようにすることで、発光ダイオードチップの領域のうち、放射出口領域の縁部領域に配置されたコンタクト９の下に位置する領域において、放射の生成が減少する。

図５は、発光ダイオードチップのさらなる例示的な実施形態を示しており、電流拡散層１に２本の溝が形成されている。この溝において、金属積層体１０がｐ型半導体領域２の中まで達している。コンタクト９の領域の外側では、金属積層体１０が封止層８によって電流拡散層１から絶縁されている。

ここまで、本発明について例示的な実施形態に基づいて説明してきたが、本発明はこれらの実施形態に限定されない。本発明は、任意の新規の特徴および特徴の任意の組合せを包含しており、特に、請求項における特徴の任意の組合せを含んでいる。これらの特徴または特徴の組合せは、それ自体が請求項あるいは例示的な実施形態に明示的に記載されていない場合であっても、本発明に含まれる。

本特許出願は、独国特許出願第１０２０１００１４６６７．６号の優先権を主張し、この文書の開示内容は参照によって本出願に組み込まれている。

Claims (14)

1. リン化物化合物半導体材料を含んでいる半導体積層体（５）を備えた発光ダイオードチップであって、前記半導体積層体（５）が
   − ｐ型半導体領域（２）と、
   − ｎ型半導体領域（４）と、
   − 前記ｐ型半導体領域（２）と前記ｎ型半導体領域（４）との間に配置されており、電磁放射を放出する役割を果たす活性層（３）と、
   を含んでおり、
   前記ｎ型半導体領域（４）が前記発光ダイオードチップの放射出口領域（６）の側にあり、前記ｐ型半導体領域（２）が前記発光ダイオードチップのキャリア（７）の側にある、発光ダイオードチップにおいて、
   前記キャリア（７）と前記ｐ型半導体領域（２）との間に、５００ｎｍ未満の厚さを有する電流拡散層（１）が配置されており、前記電流拡散層が、１層または複数層のｐ型にドープされたＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ層（０．５＜ｘ≦１）層を有し、
   Ｉｎ_ｘＧａ_ｙＡｌ_{１−ｘ−ｙ}Ａｓ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、ｘ＋ｙ≦１）からなる少なくとも１層が、前記電流拡散層（１）に隣接しており、前記少なくとも１層が、前記電流拡散層（１）よりも小さいバンドギャップと、より低いドーパント濃度とを有することを特徴とする、
   発光ダイオードチップ。
2. 前記電流拡散層（１）が、３００ｎｍ未満の厚さを有する、
   請求項１に記載の発光ダイオードチップ。
3. 前記電流拡散層（１）のアルミニウムの割合ｘについて、０．６≦ｘ≦０．８が成り立つ、
   請求項１または請求項２に記載の発光ダイオードチップ。
4. 前記電流拡散層（１）が、１×１０^１９ｃｍ^−３より高いドーパント濃度を有する、
   請求項１から請求項３のいずれかに記載の発光ダイオードチップ。
5. 前記電流拡散層（１）が、少なくとも５×１０^１９ｃｍ^−３のドーパント濃度を有する、
   請求項１から請求項４のいずれかに記載の発光ダイオードチップ。
6. 前記電流拡散層（１）がＣによってドープされている、
   請求項１から請求項５のいずれかに記載の発光ダイオードチップ。
7. 側端面（１１）を含んだ前記電流拡散層（１）に封止層（８）が設けられている、
   請求項１から請求項６のいずれかに記載の発光ダイオードチップ。
8. 前記封止層（８）が、酸化ケイ素、窒化ケイ素、酸化亜鉛、または金属を含んでいる、
   請求項７に記載の発光ダイオードチップ。
9. 前記電流拡散層（１）が傾斜側端面（１２）を有し、前記傾斜側端面が、前記電流拡散層（１）の層平面に対して２０゜〜７０゜の範囲内（両端値を含む）の角度だけ傾いている、
   請求項１から請求項８のいずれかに記載の発光ダイオードチップ。
10. 前記電流拡散層（１）に少なくとも１本の溝（１３）が形成されている、
    請求項１から請求項９のいずれかに記載の発光ダイオードチップ。
11. 前記少なくとも１本の溝（１３）が、窒化ケイ素、酸化ケイ素、酸化亜鉛、または金属によって満たされている、
    請求項１０に記載の発光ダイオードチップ。
12. 前記少なくとも１本の溝（１３）が前記ｐ型半導体領域（２）の中まで達している、
    請求項１０または請求項１１に記載の発光ダイオードチップ。
13. 前記半導体積層体（５）から成長基板が分離されており、前記キャリア（７）が、前記半導体積層体（５）の成長基板とは異なる、
    請求項１から請求項１２のいずれかに記載の発光ダイオードチップ。
14. 前記キャリア（７）が、シリコン、モリブデン、またはゲルマニウムを含んでいる、
    請求項１３に記載の発光ダイオードチップ。
    

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