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JP2004103711A - Semiconductor light emitting device - Google Patents

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JP2004103711A
JP2004103711A JP2002261331A JP2002261331A JP2004103711A JP 2004103711 A JP2004103711 A JP 2004103711A JP 2002261331 A JP2002261331 A JP 2002261331A JP 2002261331 A JP2002261331 A JP 2002261331A JP 2004103711 A JP2004103711 A JP 2004103711A
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Japan
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layer
temperature
light emitting
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semiconductor light
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JP2002261331A
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Japanese (ja)
Inventor
Taiichiro Konno
今野 泰一郎
Masahiro Arai
新井 優洋
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Hitachi Cable Ltd
Original Assignee
Hitachi Cable Ltd
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Publication date
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Abstract

【課題】金属酸化物窓層から半導体コンタクト層へのIn拡散を抑止し、低電圧でのトンネル電流を発生させることで、極めて安価で、且つ低動作電圧の半導体発光素子を得る。
【解決手段】第一導電型の基板1の上に、活性層4を導電型が異なるクラッド層3、5で挟んだ発光部を形成し、その上に第二導電型のコンタクト層6、その上に金属酸化物の窓層7を形成し、その表面側の一部に表面電極8を形成し、上記基板の裏面に全面又は部分電極から成る裏面電極9を形成した半導体発光素子において、上記金属酸化物窓層7を、コンタクト層6に接する面から順に成膜温度が400℃以上の高温形成部7aと、成膜温度が350℃以下の低温形成部7bの膜からなる2層構造とする。
【選択図】   図1
An extremely inexpensive and low operating voltage semiconductor light emitting device is obtained by suppressing In diffusion from a metal oxide window layer to a semiconductor contact layer and generating a tunnel current at a low voltage.
A light-emitting portion in which an active layer is sandwiched between cladding layers having different conductivity types is formed on a substrate having a first conductivity type, and a contact layer having a second conductivity type is formed thereon. In the semiconductor light emitting device, a metal oxide window layer 7 is formed thereon, a front surface electrode 8 is formed on a part of the front surface side, and a back surface electrode 9 composed of a whole or partial electrode is formed on the back surface of the substrate. The metal oxide window layer 7 has a two-layer structure including a high-temperature forming part 7a having a film forming temperature of 400 ° C. or more and a low-temperature forming part 7b having a film forming temperature of 350 ° C. or less in order from the surface in contact with the contact layer 6. I do.
[Selection diagram] Fig. 1

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、金属酸化物窓層を備えた高輝度の半導体発光素子、特に極めて安価で低動作電圧の半導体発光素子の構造に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来、LED(Light Emitting Diode:発光ダイオード)は、GaPの緑色、AlGaAsの赤色がほとんどであった。しかし、最近GaN系やAlGaInP系の結晶層をMOVPE法で成長できるようになったことから、橙色、黄色、緑色、青色の高輝度LEDが製作できるようになってきた。
【0003】
MOVPE(Metal Organic Vapor Phase Epitaxy:有機金属化学気相エピタキシー)法で形成したエピタキシャルウェハは、これまでに無かった短波長の発光や、高輝度を示すLEDの製作を可能とした。しかし、高輝度を得るためには、窓層(電流分散層)の膜厚を厚く成長させる必要があり、このためLED用エピタキシャルウェハの製造コストが高くなってしまう事が問題であった。
【0004】
図6にAlGaInP系エピタキシャルウェハを用いて作製した発光ピーク波長590nmの黄色発光ダイオードチップを示す。全てのエピタキシャル層はMOVPE法によって成長している。n型GaAs基板21の上には、n型(Seドープ)GaAsバッファ層22、n型(Seドープ)AlGaInPクラッド層23、アンドープAlGaInP活性層24、p型(亜鉛ドープ)AlGaInPクラッド層25を順番に形成している。23〜25がAlGaInP4元ダブルヘテロ構造部分をなす。このAlGaInP4元ダブルヘテロ構造をなすp型AlGaInPクラッド層25の上に、p型(亜鉛ドープ)AlGaAsの電流分散層26(窓層)を形成している。28はp側電極(表面電極)、29はn側電極(裏面電極)である。
【0005】
表面電極28から供給された電流は、電流分散層26中でチップ横方向に広がり、その結果、上部電極直下以外の領域で発光する割合を高くしている。電流分散層26は、電気抵抗が低いほど効率良く横方向に電流を広げることができる為、電気抵抗を低くすることが望まれる。具体的には、キャリア濃度を高くすることと、膜厚を厚くすることで、低抵抗化を実現している。また、電流分散層26は、活性層24からの発光を透過する材料でなければならない。現状、電流分散層は、これらの条件を満足しているAlGaAs層(Al組成0.8以上)又は、GaP層が使われている。これらの材料の電流分散層を用いて電流を横方向に十分に広げる為には、電流分散層26は8μm以上もの膜厚が必要になる。
【0006】
発光ダイオードの製造コストを下げるためには、この窓層(電流分散層26)の膜厚を薄くし、且つ電流の分散を良くすればよい。つまり、窓層自体の抵抗率をさらに低くすれば良い。抵抗の低いエピタキシャル層を得るためには、移動度を大幅に変える、または、キャリア濃度を高くする方法がある。
【0007】
そこで、これらの問題を解決する方法として、窓層としてできるだけ抵抗の低い値が得られる材料を用いる手法が常套となっている。例えばAlGaInP4元系の場合には、窓層としてGaPやAlGaAsが用いられたりしている。しかし、これらの抵抗率の低い材料を用いてもやはり電流分散効果を良くするためには、窓層の膜厚を8μm以上まで厚くする必要がある。従って、LED全体の製造コストの内、大部分を窓層のエピタキシャル成長が占めていた。
【0008】
この窓層を薄くするためには、窓層自体の抵抗率をさらに低くすることが考えられる。移動度を大幅に変える事は困難である事から、キャリア濃度を高くしようと試みられているが、現段階では窓層を薄くできるほどキャリア濃度を高くすることはできない。
【0009】
ここで、十分な透光性を有し、且つ電流分散を得られる電気特性を有する膜として金属酸化膜であるITO(Indium Tin Oxide)膜(酸化インジウムに錫が添加されている材料)が注目される。このITO膜を電流分散膜として用いることができれば、これまで電流分散膜用として半導体層を厚くしていたが、そのエピタキシャル層が要らなくなるため、安価に高輝度のLEDを生産できるようになる。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】
従来技術の問題点を解決する手段として、半導体による窓層の代わりに、キャリア濃度が非常に高く、薄い膜厚で十分な電流分散効果を得ることができる透明導電膜(ITO膜)を用いる方法が提案されている。
【0011】
しかしながら、通常、金属酸化物である透明導電膜(ITO膜)を窓層に用いた場合、その上に金属電極が形成されるが、エピタキシャルウェハ最上層と透明導電膜の間に接触抵抗が発生してしまい、順方向動作電圧が高くなるという問題がある。
【0012】
また一方で、半導体コンタクト層のキャリア濃度を極めて高くすることで、トンネル電流によりLEDを駆動させるという方法も開示されている(ELECTRONICS LETTERS,7Th December 1995,2210〜2212頁参照)。
【0013】
しかし、この様な構造をとる場合、金属酸化物窓層となるITO膜(透明導電膜)を高温で成膜する方法では、ITO膜からのIn拡散が起こってしまい、LEDの順方向動作電圧が高くなってしまうという問題があった。
【0014】
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、金属酸化物からなる酸化物窓層(透明導電膜)を備えた構造の半導体発光素子において、金属酸化物窓層から半導体コンタクト層へのIn拡散を抑止し、低電圧でのトンネル電流を発生させることで、極めて安価で、且つ低動作電圧の半導体発光素子を提供することにある。
【0015】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明は、次のように構成したものである。
【0016】
請求項1の発明に係る半導体発光素子は、第一導電型の基板の上に、活性層を導電型が異なるクラッド層で挟んだ発光部を形成し、その上に第二導電型のコンタクト層、その上に金属酸化物の窓層を形成し、その表面側の一部に表面電極を形成し、上記基板の裏面に全面又は部分電極から成る裏面電極を形成した半導体発光素子において、上記金属酸化物の窓層が、コンタクト層に接する面から順に高温形成部、低温形成部からなることを特徴とする。
【0017】
Inは、結晶成長時において、高温で成長する時間が長ければ長いほど拡散しやすい傾向がある。よって、ここでは、全体を高温形成部のみを成長するものではなく、高温形成部と低温形成部の二つに別けて成長することにより、従来よりも高温形成部にかける成長時間が短くなり、よって、Inの拡散が抑えられる。
【0018】
請求項2の発明は、請求項1記載の半導体発光素子において、上記金属酸化物窓層の上記第二導電型のコンタクト層に接する部分の高温形成部の成膜温度が400℃以上であり、低温形成部の成膜温度が350℃以下であることを特徴とする。
【0019】
請求項3の発明は、請求項1又は2記載の半導体発光素子において、上記金属酸化物窓層の高温形成部の膜厚が5nm〜50nmであり、低温形成部の膜厚が50nm以上であることを特徴とする。
【0020】
請求項4の発明は、請求項1〜3のいずれかに記載の半導体発光素子において、上記第二導電型コンタクト層のキャリア濃度が1×1019cm−3以上であることを特徴とする。
【0021】
請求項5の発明は、請求項1〜4のいずれかに記載の半導体発光素子において、上記第二導電型コンタクト層の材料が活性層のバンドギャップよりも小さいバンドギャップを有する第二導電型半導体であり、該第二導電型コンタクト層の膜厚が少なくとも1nm以上保有し、さらに100nm以下の範囲にあることを特徴とする。
【0022】
請求項6の発明は、上記請求項1〜5のいずれかに記載の半導体発光素子において、上記基板がGaAsであり、発光部がAlGaInPまたはGaInPであることを特徴とする。
【0023】
<発明の要点>
発明者は、上記課題を解決するべく鋭意努力し研究を行った結果、本発明に到達した。即ち、本発明は、透明導電膜である金属酸化物窓層を、コンタクト層に接する面から順に高温形成部、低温形成部とした膜の積層構造とする、つまりコンタクト層上に形成された高温形成部と、その上に形成された低温形成部からなる膜の積層構造とする。これによって、一方では、上記金属酸化物窓層の高温形成部と半導体コンタクト層の間でトンネル接合を形成し、他方では、その後に低温で形成される金属酸化物窓層である低温形成部により、上記金属酸化物窓層から半導体コンタクト層へのIn拡散を抑止し、低電圧でのトンネル電流を発生させることで、極めて安価で、且つ低動作電圧の半導体発光素子を実現するものである。
【0024】
上記金属酸化物窓層を構成する高温形成部と低温形成部の膜は、第二導電型コンタクト層上に積層する順序として高温形成部が下になるように、まず高温形成部から成膜する。このときの成膜温度は、高温形成部の成膜温度が400℃以上であり、低温形成部の成膜温度が350℃以下である。
【0025】
ここで、金属酸化物窓層の高温形成部と低温形成部の膜厚、及びコンタクト層の膜厚の最適条件について触れる。
【0026】
金属酸化物窓層の高温形成部の膜厚が薄すぎると、高温形成部よりも高抵抗の低温形成部とコンタクト層との接触が支配的になり、トンネル電流が流れなくなることから、順方向電圧が高くなってしまう。また、金属酸化物窓層の高温形成部の膜厚が厚すぎると、高温で金属酸化物窓層を成膜している時間が長くなり、金属酸化物からコンタクト層へのInの拡散が起こり、トンネル電流が流れなくなることから、順方向電圧が高くなってしまう。このことから、金属酸化物窓層の高温形成部と低温形成部の膜厚には、最適値がある。このため、高温形成部の膜厚は5nm〜50nmの範囲、より好ましいのは10〜30nmの範囲であり、更に好ましいのは10〜20nmの範囲である(図2参照)。また低温形成部の膜厚は50nm以上であることが好ましい。
【0027】
金属酸化物窓層と接するコンタクト層に用いる半導体材料は、容易に高キャリア濃度にできることが望ましい。例えばGaAsなどである。しかしGaAsなどの、発光層のバンドギャップよりも小さいバンドギャップを有する半導体材料によって構成されたコンタクト層は、活性層より発光した光に対し光吸収層となってしまうことから、LEDとしての発光出力を低下させてしまい、十分な輝度を得ることができない。このことから、コンタクト層の膜厚には最適値がある。このためコンタクト層の膜厚は1nm〜100nmの範囲、より好ましいのは50nm以下の範囲であり、更に好ましいのは1〜15nmの範囲である(図4参照)。
【0028】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を、実施例を中心に説明する。
【0029】
<従来例>
説明の便宜上、試作した従来例から説明する。図5(a)は、試作した従来の赤色帯AlGaInP系発光ダイオードの素子構造を示す断面図、図5(b)は、その時の各層のIn濃度プロファイルを示す図である。なお、In濃度プロファイルはSIMS測定で求め、その絶対値は標準サンプルを用いて校正している。
【0030】
図5(a)に示した構造の発光波長630nm付近の赤色LED用エピタキシャルウェハを作製した。n型GaAs基板1上に、MOVPE法で、n型GaAsバッファ層(膜厚500nm、Seドープ、1×1018cm−3)2、n型(Al0.7Ga0.30.5In0.5Pクラッド層(膜厚500nm、Seドープ、5×1017cm−3)3、アンドープ(Al0.15Ga0.850.5In0.5P活性層(膜厚600nm)4、p型(Al0.7Ga0.30.5In0.5Pクラッド層(膜厚1000nm、Znドープ、4×1017cm−3)5を成長させ、その上にp型GaAsコンタクト層(Znドープ、3×1019cm−3)6を50nm成長させた。
【0031】
このエピタキシャルウェハに、金属酸化物窓層となるITO膜7をスプレー熱分解法にて、約200nm形成した。この時の成膜温度(基板表面温度)は400℃に設定した。エピタキシャルウェハ上面には直径125μmの円形のp側電極8を、マトリックス状に蒸着で形成した。p側電極8は、金・亜鉛、ニッケル、金を、それぞれ60nm、10nm、1000nmの順に蒸着した。更にエピタキシャルウェハ底面には、全面にn側電極9を形成した。n側電極9は、金・ゲルマニウム、ニッケル、金を、それぞれ60nm、10nm、500nmの順に蒸着し、その後、電極の合金化であるアロイを、窒素ガス雰囲気中400℃で5分間行った。その後、上記ITO膜及び電極付きエピタキシャルウェハを、ダイシング等でチップサイズ300μm角のチップ形状に加工し、更にダイボンディング、ワイヤボンディングを行ってLEDを製作した。
【0032】
このLEDの特性を調べた結果、発光出力は、1.10mW、順方向動作電圧(20mA通電時)は、5.24Vであった。
【0033】
<実施形態1>
図1(a)は、本発明の実施形態にかかる赤色帯AlGaInP系発光ダイオードの素子構造を示す断面図、図1(b)は、その時の各層のIn濃度プロファイルを示す図である。なお、In濃度プロファイルはSIMS測定で求め、その絶対値は標準サンプルを用いて校正している。
【0034】
本発明の第一の実施形態にかかる試作例として、図1(a)のような構造の、発光波長630nm付近の赤色LED用エピタキシャルウェハを、次のように作製した。エピタキシャル成長方法、エピタキシャル層の構造等は、基本的に上記の従来例と同じとし、また、電極形成方法及び電極形状も基本的に上記の従来例と同じとした。更にプロセス加工及びワイヤボンディング工程も、上記の従来例と同じとした。
【0035】
詳述するに、第一導電型基板であるn型GaAs基板1上に、MOVPE法で、n型GaAsバッファ層(膜厚500nm、Seドープ、1×1018cm−3)2、n型(Al0.7Ga0.30.5In0.5Pクラッド層(膜厚500nm、Seドープ、5×1017cm−3)3、アンドープ(Al0.15Ga0.850.5In0.5P活性層(膜厚600nm)4、p型(Al0.7Ga0.30.5In0.5Pクラッド層(膜厚1000nm、Znドープ、4×1017cm−3)5を成長させ、その上にp型GaAsコンタクト層(Znドープ、3×1019cm−3)6を50nm成長させた。3〜5がAlGaInP4元ダブルヘテロ構造部分(発光部)をなす。
【0036】
そして、上記したp型コンタクト層6の表面に、金属酸化物窓層であるITO膜をスプレー熱分解法にて、高温形成部7aと低温形成部7bからなる2層構造の膜として順次成膜した。ここでは試作例として、p型コンタクト層6と接する該ITO膜の高温形成部7aの成膜温度を、それぞれ成膜温度300℃、350℃、400℃、450℃と変化させて20nmずつ成膜し、さらにこれらの試料に対し、低温形成部7bをそれぞれ成膜温度300℃、350℃と変化させて180nmずつ成膜した。
【0037】
このエピタキシャルウェハ上面に、直径125μmの円形のp側電極(表面電極)8を、マトリックス状に蒸着で形成した。p側電極8は、金・亜鉛、ニッケル、金を、それぞれ60nm、10nm、1000nmの順に蒸着した。更にエピタキシャルウェハ底面には、全面にn側電極(裏面電極)9を形成した。n側電極9は、金・ゲルマニウム、ニッケル、金を、それぞれ60nm、10nm、500nmの順に蒸着し、その後、電極の合金化であるアロイを、窒素ガス雰囲気中400℃で5分間行った。その後、上記ITO膜及び電極付きエピタキシャルウェハを、ダイシング等でチップサイズ300μm角のチップ形状に加工し、更にダイボンディング、ワイヤボンディングを行ってLEDチップを製作した。
【0038】
このようにして製作されたLEDチップにつき、そのLED特性(20mA通電時の順方向動作電圧と発光出力)を調べたところ、下記の表1及び表2のような結果になった。
【0039】
【表1】

Figure 2004103711
【0040】
【表2】
Figure 2004103711
【0041】
表1及び表2において、符号c、d、g、hを付けた試料が本発明の実施例であり、本発明の要件である「高温形成部の成膜温度が400℃以上であり、低温形成部の成膜温度が350℃以下である」を満たす。他の試料はこれに対する比較例となるものである。表1から判るように、この実施例c、d、g、hについては、順方向電圧が2V前後であり、これ以外の比較例よりも段違いに低い動作電圧のLEDとなる。また、従来例(図5)のLEDの順方向動作電圧5.24Vよりも、段違いに低い動作電圧のLEDとなる。
【0042】
また、表2から判るように、この実施例c、d、g、hのLEDは、その発光出力についても、2mW台という大きな値が得られる。これ以外の試料である比較例のLEDは1mW前後であり、また従来例(図5)のLEDの発光出力は1.10mWであるから、実施例c、d、g、hのLEDは、これらの2倍近い発光出力が得られる。
【0043】
図1(a)構造のLEDの上記試作例(表1及び表2)において、順方向動作電圧が2V前後であったもの(実施例c、d、g、h)について、各層のIn濃度プロファイルをSIMS分析により測定した所、図1(b)に示すようになり、p型コンタクト層6へのInの拡散が抑えられている事が確認された。
【0044】
これに対し、順方向動作電圧が4V以上であったもの(表1及び表2中の比較例のLED)について、同様に各層のIn濃度プロファイルをSlMS分析により測定した所、図5(b)に示すようになり、p型コンタクト層6へのIn拡散が起きていることが確認された。
【0045】
以上のように、金属酸化物窓層の中のp型コンタクト層6に接した部分(高温形成部7a)を、成膜温度400℃以上で形成し、さらに、低温形成部7bを、成膜温度350℃以下で形成したことにより、低動作電圧であり、且つ良好な発光出力を併せ持つLEDを製作することができた。
【0046】
<実施形態2>
本発明の第二の実施形態にかかる試作例として、図1(a)のような構造の、発光波長630nm付近の赤色LED用エピタキシャルウェハを、次のように作製した。
【0047】
すなわち、エピタキシャル成長方法、エピタキシャル層の構造等は、基本的に上記の従来例と同じとし、また、電極形成方法及び電極形状も基本的に上記の従来例と同じとした。更にプロセス加工及びワイヤボンディング工程も、上記の従来例と同じとした。
【0048】
そして、p型コンタクト層6の表面に、金属酸化物窓層であるITO膜をスプレー熱分解法にて、高温形成部7aと低温形成部7bを順次成膜し、高温形成部7aと低温形成部7bからなる2層構造とした。
【0049】
p型コンタクト層6と接する該ITO膜の高温形成部7aは、成膜温度400℃で、膜厚をそれぞれ3nm、5nm、15nm、20nm、50nm、55nm成膜し、さらに低温形成部7bは、成膜温度300℃とし、膜厚をそれぞれ197nm、195nm、185nm、180nm、150nm、145nm成膜した。この時のITO膜の膜厚は、高温形成部の膜厚と低温形成部の膜厚の和が全て200nmになる様にした。すなわち、上記表1及び表2の実施例cについて、高温形成部7aと低温形成部7bの厚みを変化させたLEDの試料(c1〜c6)を製作した。
【0050】
また別の試料として、p型コンタクト層6と接する該ITO膜の高温形成部7aは、成膜温度400℃で、膜厚をそれぞれ3nm、5nm、15nm、20nm、50nm、55nm成膜し、さらに低温形成部7bを成膜温度350℃とし、膜厚をそれぞれ197nm、195nm、185nm、180nm、150nm、145nm成膜した。この時のITO膜の膜厚は、高温形成部の膜厚と低温形成部の膜厚の和が全て200nmになる様にした。すなわち、上記表1及び表2の実施例gについて、高温形成部7aと低温形成部7bの厚みを変化させたLEDの試料(g1〜g6)を製作した。
【0051】
このようにして製作された試料のLED特性を調べた結果、下記の表3及び表4のような結果になった。
【0052】
【表3】
Figure 2004103711
【0053】
【表4】
Figure 2004103711
【0054】
すなわち、高温形成部7aの成膜温度が400℃で、低温形成部7bの成膜温度が300℃の場合において、ITO膜の高温形成部7aの膜厚が、それぞれ3nm、5nm、15nm、20nm、50nm、55nm(比較例c1、実施例c2〜c5、比較例c6)であった時、表3及び図2に示すように、順方向電圧(20mA通電時)が、それぞれ6.48V(比較例c1)、2.03V、2.07V、2.07V、2.02V(実施例c2〜c5)、2.45V(比較例c6)であり(図2)、また、表4に示すように、このときの発光出力は1.35mW(比較例c1)、1.62mW、2.07mW、2.12mW、2.08mW(実施例c2〜c5)、1.83mW(比較例c6)であった。
【0055】
同様に、高温形成部7aの成膜温度が400℃で、低温形成部7bの成膜温度が350℃の場合において、ITO膜の高温形成部7aの膜厚が、それぞれ3nm、5nm、15nm、20nm、50nm、55nm(比較例g1、実施例g2〜g5、比較例g6)であった時、表3及び図2に示すように、順方向電圧(20mA通電時)が、それぞれ6.08V(比較例g1)、2.04V、2.10V、2.10V、2.05V(実施例g2〜g5)、2.69V(比較例g6)であり(図2)、また、表4に示すように、このときの発光出力は1.29mW(比較例g1)、1.73mW、2.10mW、2.05mW、2.11mW(実施例g2〜g5)、1.77mW(比較例g6)であった。
【0056】
よって、金属酸化物窓層の高温形成部7aの膜厚は、順方向動作電圧及び発光出力のいずれの観点からも、5nm〜50nmの範囲(実施例c1〜c5、g2〜g5)とするのが好ましい。
【0057】
また、図1(a)の構造のLEDにおいて、順方向動作電圧が2.1V以下であったもの(実施例c2〜c5、g2〜g5のLED)について、各層のIn濃度プロファイルをSIMS分析により測定した所、図1(b)に示すようになり、p型コンタクト層6へのInの拡散が抑えられている事が確認された。
【0058】
また、同様に順方向動作電圧が2.45V以上であったもの(比較例c1、c6、g1、g6のLED)について、各層のIn濃度プロファイルをSIMS分析により測定した所、図5(b)に示すようになり、p型コンタクト層6へのIn拡散が起きていることが確認された。
【0059】
以上のように、金属酸化物窓層中のコンタクト層と接している高温形成部の膜厚を、5nm〜50nmの範囲に限定して形成したことによって、低動作電圧であり、且つ良好な発光出力を併せ持つLEDを製作することができた。
【0060】
<実施形態3>
本発明の第三の実施形態にかかる試作例として、図1(a)のような構造の発光波長630nm付近の赤色LED用エピタキシャルウェハを、次のように作製した。
【0061】
すなわち、n型GaAs基板1上に、MOVPE法で、n型GaAsバッファ層(膜厚500nm、Seドープ、1×1018cm−3)2、n型(Al0.7Ga0.30.5In0.5Pクラッド層(膜厚500nm、Seドープ、5×1017cm−3)3、アンドープ(Al0.15Ga0.850.5In0.5P活性層(膜厚600nm)4、p型(Al0.7Ga0.30.5In0.5Pクラッド層(膜厚1000nm、Znドープ、4×1017cm−3)5を成長させ、その上にp型GaAsコンタクト層(膜厚50nm、Znドープ)6を順次成長させた。
【0062】
この時の上記p型GaAsコンタクト層6のキャリア濃度を、それぞれ5×1018cm−3、8×1018cm−3、1×1019cm−3(実施例q)、3×1019cm−3(実施例r)とした。
【0063】
また、電極形成方法及び電極形状は基本的に上記の従来例と同じとした。更にプロセス加工及びワイヤボンディング工程も、上記の従来例と同じとした。
【0064】
そして、p型コンタクト層6の表面に、金属酸化物窓層であるITO膜を、スプレー熱分解法にて、高温形成部7aと低温形成部7bからなる2層構造として成膜した。このITO膜の高温形成部7aは、成膜温度400℃で、膜厚を20nm成膜し、さらに低温形成部を成膜温度350℃で180nm成膜した。
【0065】
このようにして製作されたLEDの特性を調べた結果、図3に示す関係が得られた。ここで、図3の縦軸は順方向動作電圧(V)、横軸はp型GaAsコンタクト層6のキャリア濃度であり、濃度の単位は、例えば「1E+18」で1×1018cm−3を表す。すなわち、上記p型GaAsコンタクト層6のキャリア濃度が、それぞれ5×1018cm−3、8×1018cm−3、1×1019cm−3(実施例q)、3×1019cm−3(実施例r)であった時、順方向動作電圧(20mA通電時)が、それぞれ5.62V、5.35V、2.10V(実施例q)、2.04V(実施例r)であり(図3)、またこのときの発光出力は1.05mW、1.13mW、2.05mW(実施例q)、2.08mW(実施例r)であった。よって、p型GaAsコンタクト層のキャリア濃度は図3中の1×1019cm−3以上の範囲とするのが好ましい。
【0066】
以上のように、p型GaAsコンタクト層のキャリア濃度を1×1019cm−3以上にしたことによって、低動作電圧であり、且つ良好な発光出力を併せ持つLEDを製作することができた。
【0067】
また、p型GaAsコンタクト層6の膜厚と発光出力との関係を示したのが、図4であり、膜厚が1nm〜100nmの範囲において大きな発光出力が得られている。従って、第二導電型コンタクト層6は活性層のバンドギャップよりも小さいバンドギャップを有するp型GaAs半導体から構成し、その膜厚については、少なくとも1nm以上保有し、さらに100nm以下の範囲にあるようにすることが好ましい。そして、図4から、コンタクト層の膜厚としてより好ましいのは50nm以下の範囲であり、更に好ましいのは1〜15nmの範囲であることが判る。
【0068】
<他の実施例、変形例>
上記実施例では発光部をAlGaInP4元ダブルヘテロ構造部分にて構成したが、GaInPで構成することもできる。
【0069】
また上記実施例では、表面電極の金属層の形状が円形であるが、異形状、例えば四角、菱形、多角形等でも、同様の効果を得ることができる。
【0070】
また、裏面電極は全面電極としたが、部分電極でも同様の効果を得ることができる。
【0071】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、第一導電型の基板の上に、活性層を導電型が異なるクラッド層で挟んだ発光部を形成し、その上に第二導電型のコンタクト層、その上に金属酸化物の窓層を形成し、その表面側の一部に表面電極を形成し、上記基板の裏面に全面又は部分電極から成る裏面電極を形成した半導体発光素子において、上記金属酸化物の窓層が、コンタクト層に接する面から順に高温形成部、低温形成部からなる構成とする、つまり、金属酸化物窓層を、コンタクト層上に形成された高温形成部と、その上に形成された低温形成部からなる膜の積層構造とするものであり、これによって、一方では、上記金属酸化物窓層の高温形成部と半導体コンタクト層の間でトンネル接合を形成し、他方では低温形成部により、上記金属酸化物窓層から半導体コンタクト層へのIn拡散を抑止し、低電圧でのトンネル電流を発生させる。
【0072】
従って、本発明によれば、製造コストが極めて安価で、且つ順方向動作電圧の低いLEDを容易に製作することができる。これによりLED用のエピタキシャル層の膜厚は五分の一から数十分の一まで薄くする事ができるようになった。これは、LEDを構成するエピタキシャル層の中で窓層(電流分散層)の厚さが最も厚かったためである。これにより、LED用エピタキシャルウェハの価格を大幅に低減することができた。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施形態にかかるAlGaInP系赤色LED用エピタキシャルウェハを示したもので、(a)はその断面構造図、(b)はその各層のIn濃度プロファイルを示す図である。
【図2】本発明の一実施例にかかる金属酸化物窓層の高温形成部の膜厚と順方向動作電圧の関係を示すグラフである。
【図3】本発明の一実施例にかかるp型GaAsコンタクト層のキャリア濃度と順方向動作電圧の関係を示すグラフである。
【図4】GaAsコンタクト層の膜厚と発光出力の関係を示すグラフである。
【図5】従来例にかかるAlGaInP系赤色LED用エピタキシャルウェハを示したもので、(a)はその断面構造図、(b)はその各層のIn濃度プロファイルを示す図である。
【図6】従来のAlGaInP系発光ダイオードチップの外観図である。
【符号の説明】
1 基板
2 バッファ層
3 第一クラッド層
4 活性層
5 第二クラッド層
6 コンタクト層
7 金属酸化物窓層(ITO膜)
7a 高温形成部
7b 低温形成部
8 p側電極(表面電極)
9 n側電極(裏面電極)[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a structure of a high-brightness semiconductor light-emitting device having a metal oxide window layer, particularly, a semiconductor light-emitting device having an extremely low cost and a low operating voltage.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, LEDs (Light Emitting Diodes) have been mostly GaP green and AlGaAs red. However, recently, since a GaN-based or AlGaInP-based crystal layer can be grown by the MOVPE method, orange, yellow, green, and blue high-brightness LEDs can be manufactured.
[0003]
An epitaxial wafer formed by the MOVPE (Metal Organic Vapor Phase Epitaxy) method has made it possible to produce an LED exhibiting short-wavelength light emission and high brightness, which has never been seen before. However, in order to obtain high brightness, it is necessary to grow the thickness of the window layer (current dispersion layer) thickly, and this causes a problem that the manufacturing cost of the epitaxial wafer for LED is increased.
[0004]
FIG. 6 shows a yellow light-emitting diode chip having a light emission peak wavelength of 590 nm manufactured using an AlGaInP-based epitaxial wafer. All epitaxial layers are grown by MOVPE. An n-type (Se-doped) GaAs buffer layer 22, an n-type (Se-doped) AlGaInP cladding layer 23, an undoped AlGaInP active layer 24, and a p-type (zinc-doped) AlGaInP cladding layer 25 are sequentially formed on an n-type GaAs substrate 21. Is formed. 23 to 25 form an AlGaInP quaternary double heterostructure. On the p-type AlGaInP cladding layer 25 having the AlGaInP quaternary double heterostructure, a current distribution layer 26 (window layer) of p-type (zinc-doped) AlGaAs is formed. 28 is a p-side electrode (front surface electrode) and 29 is an n-side electrode (back surface electrode).
[0005]
The current supplied from the front electrode 28 spreads in the chip lateral direction in the current dispersion layer 26, and as a result, the ratio of light emission in a region other than immediately below the upper electrode is increased. The lower the electric resistance of the current dispersion layer 26 is, the more efficiently the current can be spread in the lateral direction. Therefore, it is desired to reduce the electric resistance. Specifically, the resistance is reduced by increasing the carrier concentration and increasing the film thickness. Further, the current spreading layer 26 must be made of a material that transmits light emitted from the active layer 24. At present, an AlGaAs layer (Al composition of 0.8 or more) or a GaP layer satisfying these conditions is used as the current dispersion layer. In order to sufficiently spread the current in the lateral direction using the current spreading layers made of these materials, the current spreading layer 26 needs to have a thickness of 8 μm or more.
[0006]
In order to reduce the manufacturing cost of the light emitting diode, the thickness of the window layer (current distribution layer 26) may be reduced and the current distribution may be improved. That is, the resistivity of the window layer itself may be further reduced. In order to obtain an epitaxial layer having a low resistance, there is a method of largely changing the mobility or increasing the carrier concentration.
[0007]
Therefore, as a method for solving these problems, a method of using a material having a resistance as low as possible as a window layer is commonly used. For example, in the case of an AlGaInP quaternary system, GaP or AlGaAs is used as a window layer. However, even if these materials having low resistivity are used, in order to improve the current dispersion effect, it is necessary to increase the thickness of the window layer to 8 μm or more. Therefore, the epitaxial growth of the window layer occupies most of the manufacturing cost of the entire LED.
[0008]
To reduce the thickness of the window layer, it is conceivable to further lower the resistivity of the window layer itself. Since it is difficult to significantly change the mobility, attempts have been made to increase the carrier concentration. However, at this stage, the carrier concentration cannot be so high that the window layer can be made thinner.
[0009]
Here, an ITO (Indium Tin Oxide) film (a material in which tin is added to indium oxide), which is a metal oxide film, attracts attention as a film having sufficient light-transmitting properties and having electric characteristics to obtain current dispersion. Is done. If this ITO film can be used as a current dispersion film, the semiconductor layer has been thickened for the current dispersion film, but since the epitaxial layer is not required, a high-brightness LED can be produced at low cost.
[0010]
[Problems to be solved by the invention]
As a means for solving the problems of the prior art, a method of using a transparent conductive film (ITO film) having a very high carrier concentration and capable of obtaining a sufficient current dispersion effect with a thin film thickness, instead of a window layer made of a semiconductor. Has been proposed.
[0011]
However, when a transparent conductive film (ITO film), which is a metal oxide, is usually used for the window layer, a metal electrode is formed thereon, but contact resistance occurs between the uppermost layer of the epitaxial wafer and the transparent conductive film. As a result, there is a problem that the forward operation voltage is increased.
[0012]
On the other hand, a method has been disclosed in which an LED is driven by a tunnel current by making the carrier concentration of a semiconductor contact layer extremely high (see ELECTRONICS LETTERS, 7Th December 1995, pp. 2210-2212).
[0013]
However, in such a structure, in a method of forming an ITO film (transparent conductive film) serving as a metal oxide window layer at a high temperature, In diffusion from the ITO film occurs, and the forward operating voltage of the LED is reduced. There was a problem that the cost would be high.
[0014]
In view of the above, an object of the present invention is to solve the above-mentioned problem and provide a semiconductor light emitting device having a structure provided with an oxide window layer (transparent conductive film) made of a metal oxide. An object of the present invention is to provide a semiconductor light emitting device which is extremely inexpensive and has a low operating voltage by suppressing diffusion and generating a tunnel current at a low voltage.
[0015]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the present invention is configured as follows.
[0016]
The semiconductor light emitting device according to claim 1, wherein a light emitting portion in which an active layer is sandwiched between cladding layers of different conductivity types is formed on a substrate of a first conductivity type, and a contact layer of a second conductivity type is formed thereon. A metal oxide window layer is formed thereon, a front surface electrode is formed on a part of the front surface side, and a back electrode made of the entire surface or a partial electrode is formed on the back surface of the substrate. The oxide window layer includes a high-temperature forming portion and a low-temperature forming portion in order from the surface in contact with the contact layer.
[0017]
In has a tendency that during crystal growth, the longer the growth time at a high temperature, the easier the diffusion. Therefore, here, the whole is not grown only in the high temperature forming portion, but by growing separately in the high temperature forming portion and the low temperature forming portion, the growth time for the high temperature forming portion is shorter than before, Therefore, diffusion of In is suppressed.
[0018]
According to a second aspect of the present invention, in the semiconductor light emitting device according to the first aspect, a film forming temperature of a high temperature forming portion of a portion of the metal oxide window layer which is in contact with the second conductive type contact layer is 400 ° C. or more, The film forming temperature of the low-temperature forming section is 350 ° C. or lower.
[0019]
According to a third aspect of the present invention, in the semiconductor light emitting device according to the first or second aspect, the thickness of the metal oxide window layer in the high-temperature formation portion is 5 nm to 50 nm, and the thickness of the low-temperature formation portion is 50 nm or more. It is characterized by the following.
[0020]
According to a fourth aspect of the present invention, in the semiconductor light emitting device according to any one of the first to third aspects, the carrier concentration of the second conductivity type contact layer is 1 × 10 19 cm −3 or more.
[0021]
According to a fifth aspect of the present invention, in the semiconductor light emitting device according to any one of the first to fourth aspects, the material of the second conductive type contact layer has a band gap smaller than the band gap of the active layer. Wherein the second conductive type contact layer has a thickness of at least 1 nm and is in a range of 100 nm or less.
[0022]
According to a sixth aspect of the present invention, in the semiconductor light emitting device according to any one of the first to fifth aspects, the substrate is made of GaAs, and the light emitting portion is made of AlGaInP or GaInP.
[0023]
<The gist of the invention>
The inventor of the present invention has intensively researched to solve the above-mentioned problems, and as a result, has reached the present invention. That is, the present invention provides a metal oxide window layer, which is a transparent conductive film, to have a layered structure of a high-temperature forming portion and a low-temperature forming portion in order from the surface in contact with the contact layer, that is, a high-temperature forming portion formed on the contact layer. A layered structure of a film including a forming part and a low-temperature forming part formed thereon is used. Thereby, on the one hand, a tunnel junction is formed between the high-temperature formation part of the metal oxide window layer and the semiconductor contact layer, and on the other hand, the low-temperature formation part, which is a metal oxide window layer formed at a low temperature thereafter. By suppressing the diffusion of In from the metal oxide window layer to the semiconductor contact layer and generating a tunnel current at a low voltage, an extremely inexpensive and low operating voltage semiconductor light emitting device is realized.
[0024]
The films of the high-temperature forming portion and the low-temperature forming portion constituting the metal oxide window layer are formed first from the high-temperature forming portion such that the high-temperature forming portion is lower as the order of lamination on the second conductivity type contact layer. . The film forming temperature at this time is such that the film forming temperature of the high-temperature forming section is 400 ° C. or higher and the film forming temperature of the low-temperature forming section is 350 ° C. or lower.
[0025]
Here, the optimum conditions of the film thickness of the metal oxide window layer at the high temperature forming portion and the low temperature forming portion and the film thickness of the contact layer will be described.
[0026]
If the thickness of the high-temperature portion of the metal oxide window layer is too small, the contact between the low-temperature portion having a higher resistance than the high-temperature portion and the contact layer becomes dominant, and tunnel current stops flowing. The voltage increases. If the thickness of the high-temperature formation portion of the metal oxide window layer is too large, the time during which the metal oxide window layer is formed at a high temperature becomes long, and diffusion of In from the metal oxide to the contact layer occurs. Since the tunnel current stops flowing, the forward voltage increases. From this, there is an optimum value for the film thickness of the high-temperature forming portion and the low-temperature forming portion of the metal oxide window layer. For this reason, the film thickness of the high temperature forming portion is in the range of 5 nm to 50 nm, more preferably in the range of 10 to 30 nm, and still more preferably in the range of 10 to 20 nm (see FIG. 2). Further, it is preferable that the film thickness of the low temperature forming portion is 50 nm or more.
[0027]
It is desirable that the semiconductor material used for the contact layer in contact with the metal oxide window layer can easily have a high carrier concentration. For example, GaAs is used. However, a contact layer made of a semiconductor material such as GaAs having a band gap smaller than the band gap of the light emitting layer becomes a light absorbing layer for light emitted from the active layer. And a sufficient luminance cannot be obtained. Therefore, there is an optimum value for the thickness of the contact layer. Therefore, the thickness of the contact layer is in the range of 1 nm to 100 nm, more preferably in the range of 50 nm or less, and still more preferably in the range of 1 to 15 nm (see FIG. 4).
[0028]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described focusing on examples.
[0029]
<Conventional example>
For convenience of explanation, a description will be given of a prototype of a conventional example. FIG. 5A is a cross-sectional view showing a device structure of a conventional red-band AlGaInP-based light-emitting diode prototyped, and FIG. 5B is a diagram showing an In concentration profile of each layer at that time. Note that the In concentration profile was obtained by SIMS measurement, and its absolute value was calibrated using a standard sample.
[0030]
An epitaxial wafer for a red LED having a light emission wavelength of about 630 nm having the structure shown in FIG. An n-type GaAs buffer layer (500 nm thick, Se-doped, 1 × 10 18 cm −3 ) 2 and an n-type (Al 0.7 Ga 0.3 ) 0.5 are formed on the n-type GaAs substrate 1 by MOVPE. In 0.5 P cladding layer (500 nm thick, Se-doped, 5 × 10 17 cm −3 ) 3, undoped (Al 0.15 Ga 0.85 ) 0.5 In 0.5 P active layer (600 nm thick) ) 4, p-type (Al 0.7 Ga 0.3 ) 0.5 In 0.5 P clad layer (thickness: 1000 nm, Zn-doped, 4 × 10 17 cm −3 ) 5 is grown, and p-type is grown thereon. A type GaAs contact layer (Zn-doped, 3 × 10 19 cm −3 ) 6 was grown to a thickness of 50 nm.
[0031]
On this epitaxial wafer, an ITO film 7 serving as a metal oxide window layer was formed to a thickness of about 200 nm by a spray pyrolysis method. At this time, the film forming temperature (substrate surface temperature) was set to 400 ° C. A circular p-side electrode 8 having a diameter of 125 μm was formed on the upper surface of the epitaxial wafer by vapor deposition in a matrix. On the p-side electrode 8, gold, zinc, nickel, and gold were deposited in the order of 60 nm, 10 nm, and 1000 nm, respectively. Further, an n-side electrode 9 was formed on the entire bottom surface of the epitaxial wafer. The n-side electrode 9 was formed by depositing gold, germanium, nickel, and gold in the order of 60 nm, 10 nm, and 500 nm, respectively, and then performing alloying of the electrode at 400 ° C. for 5 minutes in a nitrogen gas atmosphere. Thereafter, the above-mentioned ITO film and the epitaxial wafer with electrodes were processed into a chip shape having a chip size of 300 μm square by dicing or the like, and further, die bonding and wire bonding were performed to produce an LED.
[0032]
As a result of examining the characteristics of this LED, the light emission output was 1.10 mW, and the forward operating voltage (when 20 mA was supplied) was 5.24 V.
[0033]
<First embodiment>
FIG. 1A is a cross-sectional view showing an element structure of a red-band AlGaInP-based light emitting diode according to an embodiment of the present invention, and FIG. 1B is a view showing an In concentration profile of each layer at that time. Note that the In concentration profile was obtained by SIMS measurement, and its absolute value was calibrated using a standard sample.
[0034]
As a prototype example according to the first embodiment of the present invention, an epitaxial wafer for a red LED having a structure as shown in FIG. 1A and having a light emission wavelength of about 630 nm was manufactured as follows. The epitaxial growth method, the structure of the epitaxial layer, and the like were basically the same as the above-described conventional example, and the electrode forming method and the electrode shape were also basically the same as the above-described conventional example. Further, the processing and the wire bonding step were the same as those in the above-mentioned conventional example.
[0035]
More specifically, an n-type GaAs buffer layer (thickness: 500 nm, Se-doped, 1 × 10 18 cm −3 ) 2 and an n-type ( Al 0.7 Ga 0.3) 0.5 In 0.5 P cladding layer (film thickness 500 nm, Se-doped, 5 × 10 17 cm -3) 3, an undoped (Al 0.15 Ga 0.85) 0. 5 In 0.5 P active layer (600 nm thick) 4, p-type (Al 0.7 Ga 0.3 ) 0.5 In 0.5 P clad layer (1000 nm thick, Zn-doped, 4 × 10 17 cm) -3 ) 5 was grown, and a p-type GaAs contact layer (Zn-doped, 3 × 10 19 cm −3 ) 6 was grown thereon to 50 nm. Reference numerals 3 to 5 form an AlGaInP quaternary double heterostructure portion (light emitting portion).
[0036]
Then, an ITO film, which is a metal oxide window layer, is sequentially formed on the surface of the p-type contact layer 6 by a spray pyrolysis method as a film having a two-layer structure including a high-temperature forming portion 7a and a low-temperature forming portion 7b. did. Here, as a prototype example, the film formation temperature of the high temperature forming portion 7a of the ITO film in contact with the p-type contact layer 6 was changed to a film formation temperature of 300 ° C., 350 ° C., 400 ° C., and 450 ° C., respectively, and the film was formed in 20 nm increments. Then, on these samples, the low-temperature forming portions 7b were formed at a film forming temperature of 300 ° C. and 350 ° C., respectively, to form films of 180 nm each.
[0037]
On the upper surface of the epitaxial wafer, a circular p-side electrode (surface electrode) 8 having a diameter of 125 μm was formed in a matrix by vapor deposition. On the p-side electrode 8, gold, zinc, nickel, and gold were deposited in the order of 60 nm, 10 nm, and 1000 nm, respectively. Further, an n-side electrode (backside electrode) 9 was formed on the entire surface of the bottom surface of the epitaxial wafer. The n-side electrode 9 was formed by depositing gold, germanium, nickel, and gold in the order of 60 nm, 10 nm, and 500 nm, respectively, and then performing alloying of the electrode at 400 ° C. for 5 minutes in a nitrogen gas atmosphere. Thereafter, the above-mentioned ITO film and the epitaxial wafer with electrodes were processed into a chip shape having a chip size of 300 μm square by dicing or the like, and further, die bonding and wire bonding were performed to produce LED chips.
[0038]
When the LED characteristics (forward operation voltage and light emission output when 20 mA current is applied) of the LED chip manufactured as described above were examined, the results shown in Tables 1 and 2 below were obtained.
[0039]
[Table 1]
Figure 2004103711
[0040]
[Table 2]
Figure 2004103711
[0041]
In Tables 1 and 2, the samples with reference numerals c, d, g, and h are examples of the present invention, and the requirement of the present invention is that the film forming temperature of the high-temperature forming section is 400 ° C. or higher, The film forming temperature of the forming part is 350 ° C. or lower ”. Other samples are comparative examples. As can be seen from Table 1, in Examples c, d, g, and h, the forward voltage is around 2 V, and the LED has an operation voltage lower than that of the other comparative examples. In addition, the LED has an operation voltage that is lower than the conventional operation voltage (5.24 V) of the LED of the conventional example (FIG. 5).
[0042]
Also, as can be seen from Table 2, the LEDs of Examples c, d, g, and h have a large light emission output of about 2 mW. The LEDs of the comparative examples, which are other samples, are around 1 mW, and the LED of the conventional example (FIG. 5) has an emission output of 1.10 mW. Therefore, the LEDs of Examples c, d, g, and h A light emission output nearly twice as large as
[0043]
In the above-mentioned prototypes (Tables 1 and 2) of the LED having the structure shown in FIG. 1A (Tables 1 and 2), the In-concentration profile of each layer was about 2V in forward operation voltage (Examples c, d, g, h). Was measured by SIMS analysis, as shown in FIG. 1B, and it was confirmed that the diffusion of In into the p-type contact layer 6 was suppressed.
[0044]
On the other hand, when the forward operation voltage was 4 V or more (LEDs of Comparative Examples in Tables 1 and 2), the In concentration profiles of the respective layers were similarly measured by SlMS analysis, and FIG. 5B. And it was confirmed that In diffusion into the p-type contact layer 6 occurred.
[0045]
As described above, the portion of the metal oxide window layer that is in contact with the p-type contact layer 6 (the high-temperature forming portion 7a) is formed at a film forming temperature of 400 ° C. or more, and further, the low-temperature forming portion 7b is formed. By forming the LED at a temperature of 350 ° C. or lower, an LED having a low operating voltage and good light emission output can be manufactured.
[0046]
<Embodiment 2>
As a prototype example according to the second embodiment of the present invention, a red LED epitaxial wafer having a structure as shown in FIG. 1A and having an emission wavelength of about 630 nm was manufactured as follows.
[0047]
That is, the epitaxial growth method, the structure of the epitaxial layer, and the like are basically the same as those of the above-described conventional example, and the electrode forming method and the electrode shape are also basically the same as those of the above-described conventional example. Further, the processing and the wire bonding step were the same as those in the above-mentioned conventional example.
[0048]
Then, on the surface of the p-type contact layer 6, an ITO film, which is a metal oxide window layer, is sequentially formed by a spray pyrolysis method into a high-temperature forming section 7a and a low-temperature forming section 7b, and the high-temperature forming section 7a and the low-temperature forming section are formed. It has a two-layer structure composed of the portion 7b.
[0049]
The high temperature forming portion 7a of the ITO film which is in contact with the p-type contact layer 6 is formed at a film forming temperature of 400 ° C. to have a thickness of 3 nm, 5 nm, 15 nm, 20 nm, 50 nm, and 55 nm, respectively. The film formation temperature was 300 ° C., and the film thickness was 197 nm, 195 nm, 185 nm, 180 nm, 150 nm, and 145 nm, respectively. At this time, the thickness of the ITO film was set so that the sum of the thickness of the high-temperature portion and the low-temperature portion was 200 nm. That is, with respect to Example c in Tables 1 and 2, LED samples (c1 to c6) in which the thickness of the high temperature forming portion 7a and the low temperature forming portion 7b were changed were manufactured.
[0050]
Further, as another sample, the high temperature forming portion 7a of the ITO film which is in contact with the p-type contact layer 6 is formed at a film forming temperature of 400 ° C. to have a film thickness of 3 nm, 5 nm, 15 nm, 20 nm, 50 nm, and 55 nm, respectively. The low-temperature forming part 7b was formed at a film formation temperature of 350 ° C., and the film thickness was formed at 197 nm, 195 nm, 185 nm, 180 nm, 150 nm, and 145 nm, respectively. At this time, the thickness of the ITO film was set so that the sum of the thickness of the high-temperature portion and the low-temperature portion was 200 nm. That is, with respect to Example g in Tables 1 and 2, LED samples (g1 to g6) in which the thicknesses of the high-temperature forming portion 7a and the low-temperature forming portion 7b were changed were manufactured.
[0051]
As a result of examining the LED characteristics of the sample manufactured as described above, the results shown in Tables 3 and 4 below were obtained.
[0052]
[Table 3]
Figure 2004103711
[0053]
[Table 4]
Figure 2004103711
[0054]
That is, when the film forming temperature of the high temperature forming part 7a is 400 ° C. and the film forming temperature of the low temperature forming part 7b is 300 ° C., the film thickness of the high temperature forming part 7a of the ITO film is 3 nm, 5 nm, 15 nm, and 20 nm, respectively. , 50 nm, and 55 nm (Comparative Example c1, Examples c2 to c5, and Comparative Example c6), as shown in Table 3 and FIG. 2, the forward voltage (when 20 mA was supplied) was 6.48 V (comparative). Example c1), 2.03 V, 2.07 V, 2.07 V, 2.02 V (Examples c2 to c5), 2.45 V (Comparative Example c6) (FIG. 2), and as shown in Table 4. The emission output at this time was 1.35 mW (Comparative Example c1), 1.62 mW, 2.07 mW, 2.12 mW, 2.08 mW (Examples c2 to c5), and 1.83 mW (Comparative Example c6). .
[0055]
Similarly, when the film forming temperature of the high temperature forming part 7a is 400 ° C. and the film forming temperature of the low temperature forming part 7b is 350 ° C., the film thickness of the high temperature forming part 7a of the ITO film is 3 nm, 5 nm, 15 nm, At 20 nm, 50 nm, and 55 nm (Comparative Example g1, Examples g2 to g5, and Comparative Example g6), as shown in Table 3 and FIG. 2, the forward voltage (when 20 mA is applied) is 6.08 V ( Comparative Example g1), 2.04 V, 2.10 V, 2.10 V, 2.05 V (Examples g2 to g5), 2.69 V (Comparative Example g6) (FIG. 2), and as shown in Table 4. The emission output at this time was 1.29 mW (Comparative Example g1), 1.73 mW, 2.10 mW, 2.05 mW, 2.11 mW (Examples g2 to g5), and 1.77 mW (Comparative Example g6). Was.
[0056]
Therefore, the film thickness of the metal oxide window layer high-temperature formation portion 7a is in the range of 5 nm to 50 nm (Examples c1 to c5, g2 to g5) from both viewpoints of forward operation voltage and light emission output. Is preferred.
[0057]
In the LED having the structure shown in FIG. 1A, the forward operation voltage was 2.1 V or less (Examples c2 to c5, g2 to g5), and the In concentration profile of each layer was analyzed by SIMS. As a result of the measurement, the result was as shown in FIG. 1B, and it was confirmed that the diffusion of In into the p-type contact layer 6 was suppressed.
[0058]
Similarly, when the forward operating voltage was 2.45 V or more (LEDs of Comparative Examples c1, c6, g1, and g6), the In concentration profile of each layer was measured by SIMS analysis, and FIG. And it was confirmed that In diffusion into the p-type contact layer 6 occurred.
[0059]
As described above, since the film thickness of the high-temperature forming portion in contact with the contact layer in the metal oxide window layer is limited to the range of 5 nm to 50 nm, a low operating voltage and good light emission are obtained. An LED with both outputs was produced.
[0060]
<Embodiment 3>
As a prototype example according to the third embodiment of the present invention, a red LED epitaxial wafer having a structure as shown in FIG. 1A and having a light emission wavelength of around 630 nm was manufactured as follows.
[0061]
That is, an n-type GaAs buffer layer (500 nm thick, Se-doped, 1 × 10 18 cm −3 ) 2 and an n-type (Al 0.7 Ga 0.3 ) 0 are formed on the n-type GaAs substrate 1 by MOVPE. .5 an In 0.5 P cladding layer (film thickness 500 nm, Se-doped, 5 × 10 17 cm -3) 3, an undoped (Al 0.15 Ga 0.85) 0.5 In 0.5 P active layer (film A p-type (Al 0.7 Ga 0.3 ) 0.5 In 0.5 P cladding layer (thickness: 1000 nm, Zn-doped, 4 × 10 17 cm −3 ) 5 is grown thereon, and a p-type (Al 0.7 Ga 0.3 ) 0.5 In 0.5 P cladding layer 5 is grown thereon. Then, a p-type GaAs contact layer (thickness: 50 nm, Zn-doped) 6 was sequentially grown.
[0062]
At this time, the carrier concentration of the p-type GaAs contact layer 6 was set to 5 × 10 18 cm −3 , 8 × 10 18 cm −3 , 1 × 10 19 cm −3 (Example q) and 3 × 10 19 cm, respectively. −3 (Example r).
[0063]
The electrode forming method and the electrode shape were basically the same as those of the above-described conventional example. Further, the processing and the wire bonding step were the same as those in the above-mentioned conventional example.
[0064]
Then, an ITO film as a metal oxide window layer was formed on the surface of the p-type contact layer 6 by a spray pyrolysis method in a two-layer structure including a high-temperature forming portion 7a and a low-temperature forming portion 7b. The high-temperature portion 7a of the ITO film was formed to a thickness of 20 nm at a film forming temperature of 400 ° C., and a low-temperature portion was formed to a thickness of 180 nm at a film forming temperature of 350 ° C.
[0065]
As a result of examining the characteristics of the LED manufactured as described above, the relationship shown in FIG. 3 was obtained. Here, the vertical axis of FIG. 3 is the forward operating voltage (V), the horizontal axis is the carrier concentration of the p-type GaAs contact layer 6, and the unit of the concentration is, for example, “1E + 18” and 1 × 10 18 cm −3 . Represent. That is, the carrier concentration of the p-type GaAs contact layer 6 is 5 × 10 18 cm −3 , 8 × 10 18 cm −3 , 1 × 10 19 cm −3 (Example q), and 3 × 10 19 cm −. 3 (Example r), the forward operating voltages (when 20 mA is applied) are 5.62 V, 5.35 V, 2.10 V (Example q), and 2.04 V (Example r), respectively. (FIG. 3), and the emission outputs at this time were 1.05 mW, 1.13 mW, 2.05 mW (Example q), and 2.08 mW (Example r). Therefore, it is preferable that the carrier concentration of the p-type GaAs contact layer be in the range of 1 × 10 19 cm −3 or more in FIG.
[0066]
As described above, by setting the carrier concentration of the p-type GaAs contact layer to 1 × 10 19 cm −3 or more, it was possible to manufacture an LED having a low operating voltage and good emission output.
[0067]
FIG. 4 shows the relationship between the film thickness of the p-type GaAs contact layer 6 and the light emission output. A large light emission output is obtained when the film thickness is in the range of 1 nm to 100 nm. Therefore, the second conductivity type contact layer 6 is made of a p-type GaAs semiconductor having a band gap smaller than the band gap of the active layer, and has a film thickness of at least 1 nm and at most 100 nm. Is preferable. FIG. 4 shows that the thickness of the contact layer is more preferably in the range of 50 nm or less, and still more preferably in the range of 1 to 15 nm.
[0068]
<Other Embodiments and Modifications>
In the above-described embodiment, the light emitting portion is constituted by the AlGaInP quaternary double hetero structure portion, but may be constituted by GaInP.
[0069]
Further, in the above embodiment, the shape of the metal layer of the surface electrode is circular. However, similar effects can be obtained even if the shape is different, for example, a square, a rhombus, or a polygon.
[0070]
Although the back electrode is a full-surface electrode, a similar effect can be obtained with a partial electrode.
[0071]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, a light emitting portion in which an active layer is sandwiched between cladding layers having different conductivity types is formed on a substrate of a first conductivity type, and a contact layer of a second conductivity type is formed thereon. In the semiconductor light emitting device, a metal oxide window layer is formed thereon, a front electrode is formed on a part of the front surface side, and a back electrode composed of the entire surface or a partial electrode is formed on the back surface of the substrate. The window layer of the product has a configuration in which a high-temperature forming portion and a low-temperature forming portion are sequentially formed from the surface in contact with the contact layer. A stacked structure of films formed of low-temperature formed portions is formed, whereby a tunnel junction is formed between the high-temperature formed portion of the metal oxide window layer and the semiconductor contact layer on the one hand, and a low-temperature Depending on the forming part, the metal acid Suppresses In diffusion into the semiconductor contact layer from the object window layer, in which a tunneling current at low voltage.
[0072]
Therefore, according to the present invention, an LED having a very low manufacturing cost and a low forward operating voltage can be easily manufactured. As a result, the thickness of the epitaxial layer for the LED can be reduced from one fifth to several tenths. This is because the window layer (current distribution layer) was the thickest among the epitaxial layers constituting the LED. As a result, the price of the epitaxial wafer for LED was significantly reduced.
[Brief description of the drawings]
FIGS. 1A and 1B show an AlGaInP-based red LED epitaxial wafer according to an embodiment of the present invention, in which FIG. 1A is a cross-sectional structure diagram, and FIG.
FIG. 2 is a graph showing a relationship between a film thickness of a high-temperature forming portion of a metal oxide window layer and a forward operating voltage according to one embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a graph showing a relationship between a carrier concentration of a p-type GaAs contact layer and a forward operating voltage according to one embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a graph showing the relationship between the thickness of a GaAs contact layer and light emission output.
5A and 5B show an AlGaInP-based red LED epitaxial wafer according to a conventional example, in which FIG. 5A is a cross-sectional structure diagram, and FIG. 5B is a diagram showing an In concentration profile of each layer.
FIG. 6 is an external view of a conventional AlGaInP-based light emitting diode chip.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Substrate 2 Buffer layer 3 First cladding layer 4 Active layer 5 Second cladding layer 6 Contact layer 7 Metal oxide window layer (ITO film)
7a High-temperature forming section 7b Low-temperature forming section 8 p-side electrode (surface electrode)
9 n-side electrode (backside electrode)

Claims (6)

第一導電型の基板の上に、活性層を導電型が異なるクラッド層で挟んだ発光部を形成し、その上に第二導電型のコンタクト層、その上に金属酸化物の窓層を形成し、その表面側の一部に表面電極を形成し、上記基板の裏面に全面又は部分電極から成る裏面電極を形成した半導体発光素子において、
上記金属酸化物の窓層が、コンタクト層に接する面から順に高温形成部、低温形成部からなることを特徴とする半導体発光素子。
On a substrate of the first conductivity type, a light emitting portion in which an active layer is sandwiched between cladding layers of different conductivity types is formed, and a contact layer of the second conductivity type is formed thereon, and a metal oxide window layer is formed thereon. Then, a front surface electrode is formed on a part of the front surface side, and a semiconductor light emitting element in which a back electrode composed of the entire surface or a partial electrode is formed on the back surface of the substrate,
A semiconductor light-emitting device, wherein the metal oxide window layer comprises a high-temperature forming portion and a low-temperature forming portion in order from the surface in contact with the contact layer.
請求項1記載の半導体発光素子において、
上記金属酸化物窓層の上記第二導電型のコンタクト層に接する部分の高温形成部の成膜温度が400℃以上であり、低温形成部の成膜温度が350℃以下であることを特徴とする半導体発光素子。
The semiconductor light emitting device according to claim 1,
The film forming temperature of the high-temperature forming portion of the portion of the metal oxide window layer in contact with the second conductivity type contact layer is 400 ° C. or more, and the film forming temperature of the low-temperature forming portion is 350 ° C. or less. Semiconductor light emitting device.
請求項1又は2記載の半導体発光素子において、
上記金属酸化物窓層の高温形成部の膜厚が5nm〜50nmであり、低温形成部の膜厚が50nm以上であることを特徴とする半導体発光素子。
The semiconductor light emitting device according to claim 1, wherein
A semiconductor light emitting device wherein the thickness of the high-temperature portion of the metal oxide window layer is 5 nm to 50 nm, and the thickness of the low-temperature portion is 50 nm or more.
請求項1〜3のいずれかに記載の半導体発光素子において、
上記第二導電型コンタクト層のキャリア濃度が1×1019cm−3以上であることを特徴とする半導体発光素子。
The semiconductor light emitting device according to claim 1,
A semiconductor light emitting device, wherein the carrier concentration of the second conductivity type contact layer is 1 × 10 19 cm −3 or more.
請求項1〜4のいずれかに記載の半導体発光素子において、
上記第二導電型コンタクト層の材料が活性層のバンドギャップよりも小さいバンドギャップを有する第二導電型半導体であり、該第二導電型コンタクト層の膜厚が少なくとも1nm以上保有し、さらに100nm以下の範囲にあることを特徴とする半導体発光素子。
The semiconductor light emitting device according to claim 1,
The material of the second conductivity type contact layer is a second conductivity type semiconductor having a band gap smaller than the band gap of the active layer, and the film thickness of the second conductivity type contact layer is at least 1 nm, and further 100 nm or less. A semiconductor light-emitting device, wherein
上記請求項1〜5のいずれかに記載の半導体発光素子において、
上記基板がGaAsであり、発光部がAlGaInPまたはGaInPであることを特徴とする半導体発光素子。
The semiconductor light emitting device according to any one of claims 1 to 5,
A semiconductor light emitting device wherein the substrate is GaAs and the light emitting portion is AlGaInP or GaInP.
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