JP3554235B2 - 発光ダイオード及びその製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は発光ダイオードに係わるものであって、殊に制限層とウィンドウ層（ｗｉｎｄｏｗ ｌａｙｅｒ）間に界面特性を向上させる中間層を形成し上記制限層とウィンドウ層の互いに異なる格子常数（ｌａｔｔｉｃｅ ｃｏｎｓｔａｎｔ）により発生する格子不整合に因る高密度の結合濃度を減少し得る発光ダイオードおよびその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ＡｌＧａＩｎＰはＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体中において、広いエネルギーバンド（ｅｎｅｒｇｙ ｂａｎｄ）を有する直接遷移型材料であって、波長が約５６０−６８０ｎｍ領域の発光ダイオードの材料に用いられている。このような化合物はＧａとＡｌの組成比を変化させることによって、その波長を調整可能であるが、Ａｌの組成比を増加させる程波長が短くなる。
【０００３】
上記のＡｌＧａＩｎＰ発光ダイオード（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）はＬＥＤディスプレイ（ｄｉｓｐｌａｙ）あらゆる分野において用いられるものであって、図２にその構造が図示されている。典型的なＡｌＧａＩｎＰ発光ダイオードはｎ−ＧａＡｓの半導体基板（ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｓｕｂｓｔｒａｔｅ；１）上に数層のエピタキシャル（ｅｐｉｔａｘｉａｌ）層を成長させて造る。先ず、上記半導体基板１上にｎ−ＡｌＧａＩｎＰをエピタキシャル成長させｎ型の第１制限層３ａを形成する。上記第１制限層３ａ上には活性層５であってその上に欲する波長の光が生成されるように選ばれたアルミニウムとガリウムの組成比を有する（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_０．５Ｉ_０．５Ｐをエピタキシャル成長させ、上記活性層５上には更にｐ−ＡｌＧａＩｎＰをエピタキシャル成長させｐ型第２制限層３ｂを形成する。ＬＥＤの後面、即ち半導体基板１には金属からなる第１電極（後面電極７ａ）を形成し、光が発散されるＬＥＤの正面にも上記第２制限層３ｂの一部領域上に金属からなる第２電極（前面電極７ｂ）が形成される。
【０００４】
ＬＥＤの効率的な動作のためには第２電極７ｂを通じて注入される電流がＬＥＤチップのエッジ（ｅｄｇｅ）方向に分散されながらｎ型制限層３ａとＰ型制限層３ｂのｐ−ｎ接合を横切って均一に流れなければならない。一般的にｐ型制限層のようなＬＥＤの最高層として用いられるＡｌＧａＩｎＰ層はｐ−ドーパントレベル（ｄｏｐａｎｔ ｌｅｖｅｌ）についての制限に因る低いホール移動度（ｈｏｌｅ ｍｏｂｉｌｉｔｙ）に因り高い抵抗を有する。従って上記ＡｌＧａＩｎＰ層３ｂから電流がエッチング方向へ充分に分散されず第２電極７ｂの下側だけに向かって局部的に流れるようになる。このような現象を電流群集（ｃｕｒｒｅｎｔ ｃｒｏｗｄｉｎｇ）現象と言う。上記電流群集現象により大部分の光が不透明な第２電極７ｂの下から発生するようになり上記不透明電極７ｂが外部に発散される光をブロッキング（ｂｌｏｃｋｉｎｇ）するようになって効率が低下する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
このような欠点を補うために現在幾つかの方法が提案されている。そのうちの一つは前面電極の形状をグリッド（ｇｒｉｄ）形状にＬＥＤ前面全体に亘って形成し電流がｐ−ｎ接合全体を横切って均一に流れるようにするのである。しかし、このような場合にも上記不透明な電極自体により外部へ発散される光の一部がブロッキングされその効率が低下する。
【０００６】
電流群集現象を防止するための他の方法はＬＥＤの前面全体に不透明な電極の代わりにＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ）のような透明な伝導性酸化膜から第２電極を形成するものである。このような場合にはたとえ光のブロッキング現象が生じないけれども、この場合には全体素子の抵抗が大きくなる短点がある。
【０００７】
電流群集現象を防ぐ更に他の方法が米国特許番号第５，００８，７１８号に開示されている。物質のバンドギャップが発光領域として用いられるＡｌＧａＩｎＰのバンドギャップに比して大きくて放出される波長の光を透過させ低い抵抗特性を有するＡｌＧａＡｓ，ＧａＡｓＰ或いはＧａＰ等からなるウィンドウ層を制限層上に形成する方法である。
【０００８】
上記方法が図３に図示されている。図面に示したＬＥＤはウィンドウ層５９だけを除いては図２に図示のＬＥＤと同一な構成からなっている。上記ウィンドウ層９を形成するＡｌＧａＡｓ，ＧａＡｓＰ或いはＧａＰ等の物質は電気の伝導度が高い（即ち、抵抗が小さい）ために、電極７ａ，７ｂを通じて注入される電流がエッジ領域へ容易に流れ行くようになって電流群集現象が抑制され、したがって素子の効率が増加される。
【０００９】
しかし、上記の方法においてもウィンドウ層９を形成するＧａＰ層は制限層３ｂを形成するＡｌＧａＩｎＰと格子常数が大いに異なるために界面において、格子不整合が生じるようになる。このように格子不整合はストレイン（ｓｔｒａｉｎ）を惹起こすのみならずウィンドウ層９の欠陥（ｄｅｆｅｃｔ）を増加させＡｌＧａＩｎＰの信頼性及び光学的特性を低下させる問題があった。更に、ウィンドウ層９にＡｌＧａＡｓやＡｌＧａＩｎＰのような物質を使用する場合にも層間の格子整合は行われるものの、活性層において生じる光がウィンドウ９を透過するためにはＡｌ組成を大きく増加させてこそ、ウィンドウ層９の電気抵抗が大きくなって６００ｎｍ以下の波長の光を効果的に透過させない問題があった。
【００１０】
上記欠陥増加の問題を解決するため、二重のウィンドウ層を形成する方法も開示されているが（米国特許番号第５，３５９，２０９号）、この場合にも格子不整合を完全に解消させ難いために界面において生じる欠陥による順方向電圧（Ｖｆ）の減少効果が充分でない。更に、ウィンドウ層にＧａＡｓを使用する場合にはバンドギャップがＡｌＧａＩｎＰのバンドギャップに比して小さいから光吸収層として作用するため素子の輝度を低下させる原因となった。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記の点を勘案して成されたものであって、単結晶からなる制限層とウィンドウ層間に非−単結晶物質からなる中間層を形成し単結晶層間の格子不整合による欠陥を減少させることによって輝度特性と順方向電圧特性を向上させる発光ダイオードおよびその製造方法を提供することを目的とする。
【００１２】
上記の目的を達成するため本発明による発光ダイオードは半導体基板とｎ−ＡｌＧａＩｎＰからなり上記の半導体基板上に形成の第１制限層と、ＡｌＧａＩｎＰからなり上記第１制限層上に形成の活性層と、ｐ−ＡｌＧａＩｎＰからなり上記活性層上に形成の第２制限層と、単一結晶物質からなり上記活性層のバンドギャップより大きいバンドギャップを保有し、小さい抵抗を有する物質からなり、上記活性層上に形成され、その下部活性層との境界領域に形成され活性層との界面特性を向上させ界面間に生じる欠陥を減少させる非−単結晶物質からなる中間層を含むウィンドウ層と、上記半導体基板とウィンドウ層の形成層に形成の第１電極および第２電極から構成される。
【００１３】
上記ウィンドウ層はｐ−ＧａＰ，ＧａＡｓＰ，Ｇａ_ｘＩｎ_１−ｘＰからなる一群から選ばれた物質からなり、Ｇａ_ｘＩｎ_１−ｘＰのｘ範囲は０．７≦ｘ≦１である。上記ウィンドウ層に形成の中間層の厚さは約０．０１−０．５μｍであり全体ウィンドウ層の厚さは５−１５μｍである。
【００１４】
更に、本発明の発光ダイオード製造方法は半導体基板を提供する段階と、第１成長温度において上記半導体基板上に光を発散するＡｌＧａＩｎＰからなる活性ｐ−ｎ接合層を形成する段階と、上記接合層上に単結晶間の格子不整合を減少させるよう、第１成長温度より低い第２成長温度において非−単結晶物質から成る中間層を形成する段階と、前記第２成長温度を第３成長温度に上昇させながら上記中間層上に上記接合層のバンドギャップよりバンドギャップが大きく、より小さい抵抗を有する物質からなるウィンドウ層を形成する段階と、上記半導体基板とウィンドウ層に第１電極および第２電極を形成する段階から構成される。
【００１５】
上記全ての層等はＭＯＣＶＤ方法により積層される。中間層とウィンドウ層は同一工程により形成されるものであって約４００−７００℃の第２成長温度においてｐ−ＧａＰ、ＧａＡｓＰ、Ｇａ_ｘＩｎ_１−ｘＰからなる一群から選ばれた物質を積層後同一な雰囲気において温度を上記第２成長温度より高い第３成長温度へ上昇させながら上記物質を積層することによって形成される。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下添付の図面を参照しながら本発明による発光ダイオードを説明する。
【００１７】
図１は、本発明による発光ダイオードの一実施例を示す図面である。図面に示したように、ｎ−ＧａＡｓからなる半導体基板５１上には上記半導体基板５１と同一な物質、即ち、ｎ−ＧａＡｓからなるバッファー（ｂｕｆｆｅｒ）層６０が形成されている。
【００１８】
バッファー層６０上には基板への光の吸収を最少化し発光効率を向上させるためＡｌＡｓ／ＧａＡｓからなる複数の層から構成のＤＢＲ層（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｂｒａｇｇ Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ ｌａｙｅｒ６２）が形成されている。上記ＤＢＲ層６２上にはｎ−ＡｌＧａＩｎＰからなる第１制限層５３ａが形成されてあり、その上にＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＩｎＰからなる複数の活性層５５が形成されている。更に、上記活性層５５上にはｐ−ＡｌＧａＩｎＰからなる第２制限層５３ｂが形成されている。
【００１９】
上記の実施例において半導体基板５１の厚さは約２５０−３５０μｍである。バッファー層６０、ＤＢＲ層６２、第１制限層５３ａ、活性層５５及び第２制限層５３ｂは全て高純度の層形成が可能であり層の厚さと組成の制御が可能なるようにガスの流れを精密に制御することのできるＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）方法で連続積層形成する。バッファー層６０は上記ＭＯＣＶＤ工程中において以後に生成される層を安定させるための層である。ｎ−ＡｌＧａＩｎＰからなる第１制限層５３ａとｐ−ＡｌＧａＩｎＰからなる第２制限層５３ｂは各々約０．５−１μｍの厚さに形成され、ｎ型不純物としてはシリコンが添付されｐ型不純物として亜鉛またはマグネシウムが用いられる。
【００２０】
Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＩｎＰからなる活性層５５は複数の層からなっている。ｘ値を変化させながら層を形成することにより活性層５５全体に亘って多重量子井戸（ｍｕｌｔｉ ｑｕａｎｔｕｍ ｗｅｌｌ）が形成される。従って、更に多い電子が上記多重量子井戸内の低いエネルギー準位に集まるようになり、その結果電子が伝導帯から価電子帯へ容易に遷移され発光効果が増大する。
【００２１】
上記第１及び第２制限層５３ａ，５３ｂおよび活性層５５はＬＥＤにおいて実際活性層へ作用するものとして約８００−８３０℃温度において形成される。
【００２２】
第２制限層５３ｂ上にはｐ−ＧａＰの非晶質物質（ａｍｏｒｐｈｏｕｓ−ｌｉｋｅ ｍａｔｅｒｉａｌ）からなる中間層６５が形成されており、そのｐ−ＧａＰからなるウィンドウ層５９が形成される。上記中間層６５は下部の第２制限層５３ｂとウィンドウ層５９の格子不整合を防ぐためのものであって、下部の諸層等を形成するＭＯＣＶＤ工程における成長温度を約８００−８３０℃の温度から約４００−７００℃に急激に下げ連続に成長する。ＭＯＣＶＤ工程に急激な温度の低下はｐ−ＧａＰが成長するとき原子の活性化エネルギー（ａｃｔｉｖａｔｉｏｎ ｅｎｅｒｇｙ）を急激に減少させ原子を凍結（ｆｒｏｚｅｎ）させ、その結果上記ｐ−ＧａＰが非晶質状に形成するようになる。ｐ−ＧａＰのウィンドウ層５９は上記中間層６５が形成された後更にＭＯＣＶＤ工程により連続形成される。
【００２３】
中間層６５とウィンドウ層５９の形成工程は実際には一つの工程である。第２制限層５３ｂの形成後ウィンドウ層５９は形成初期混合ガスが注入されるとき成長温度を約４００−７００℃の温度の急激に下降させた状態において層を形成し、更に徐々に温度を上昇して層を形成し中間層６５とウィンドウ層５９を続けて形成する。言い換えれば、中間層６５の形成工程はウィンドウ層５９を形成する工程中、只、成長温度だけを下降させた状態で形成するものである。
【００２４】
事実ウィンドウ層５９の厚さは特定化されない。実際にウィンドウ層５９の厚さは大きい程好ましい。厚さが大きいほど一定の抵抗を有する物質についてＬＥＤチップのエッジ部分への電流拡散が円滑に行われＬＥＤチップの内部における全体の内部反射効果を減少させ電極によるブロッキング効果が減少される幾何学的効果がある。好ましい中間層６５の厚さは約０．０１−０．５μｍであり、結局上記中間層６５を加えたウインドウ層５９全体の好ましい厚さは約５−１５μｍである。
【００２５】
ウィンドウ層５９はｐ型のＧａＡｓＰあるいはＧａ_ｘＩｎ_１−ｘＰが望ましい。ウィンドウ層５９のバンドギャップはＡｌＧａＩｎＰからなる活性層５５のバンドギャップより大きいために、上記活性層５５から発生する光を透過するのみならず、上記ギャップより格子常数の差が少ないために格子不整合程度が小さくなる。従って、ＬＥＤチップのエッジへの電流拡散が円滑に行われる。このとき上記Ｇａ_ｘＩｎ_１−ｘＰからなるウィンドウ層５９を構成するためのｘ範囲は０．７≦ｘ≦１である。このようなウィンドウ層５９を構成する物質はウィンドウ層５９と中間層６５が同一工程により形成されるために中間層６５の構成物質やはりＧａＡｓあるいはＧａ_ｘＩｎ_１−ｘＰが望ましい。
【００２６】
中間層６５は非晶質物質に限定されない。中間層６５の役割が単結晶からなる層間に形成され層間の格子常数の差による格子不整合を取除くことであるから、界面において、単結晶間の格子不整合を減少させるものであれば単結晶構造を取除いては如何なる構造でも可能である。例を挙げれば非晶質以外に結晶粒界（ｇｒａｉｎ ｂｏｕｎｄａｒｙ）の大きさが小さい多結晶のような構造もやはり可能である。実際工程上において単結晶からなるウィンドウ層５９を形成する過程において完全な単結晶を得るということは不可能であり、実質的に形成されるのは結晶粒界が大変大きい多結晶構造を得るようになる。本発明の詳細な説明と特許請求範囲において、言及する単結晶構造とは構造全体が単結晶からなるのみならず上記のように結晶粒界が大きい多結晶構造を意味し、非−単結晶構造とは上記の単結晶構造でない非晶質構造や結晶粒界の小さい多結晶構造をすべて意味する。上記の結晶粒界が大きい多結晶構造は光の透過時激しい散乱を惹起こすためにＬＥＤから深刻な問題を発生させる。従って、ウィンドウ層５９形成時形成温度を低く保ち層を成長させれば、結晶粒界の小さい構造が形成され上記のような光の散乱を防ぐことができるようになる。
【００２７】
半導体基板５１とウィンドウ層５９には各々第１電極５７ａおよび第２電極５７ｂが形成されている。上記第１電極５７ａおよび第２電極５７ｂは不透明電極により電気抵抗の低い金合金（ｇｏｌｄ ａｌｌｏｙ）のような金属を蒸着（ｅｖａｐｏｒａｔｉｏｎ）やスパッタリング（ｓｐｕｔｔｅｒｉｎｇ）方法により形成する。実際製品に用いられる発光ダイオードの製造は半導体基板５１上に上記のように複数の層を形成後正六面体のチップ（ｃｈｉｐ）態様に切断することによって完了する。
【００２８】
上記の構成の発光ダイオードにおいて、第１電極５７ａおよび第２電極５７ｂを通じて電流が注入すれば、ウィンドウ層５９の高い電気伝導度特性により電流がＬＥＤチップのエッジ方向へ分散されながらｐ−ｎ接合を横切って均一に流れるようになる。従って、ｐ−ｎ接合全体から光が発散するようになる。ウィンドウ層５９と第２制限層５３ｂ間に形成の中間層６５は界面におけるストレインを抑制して界面欠陥を最小化するために輝度およびＶｆ特性が向上される。
【００２９】
次の表１はウィンドウ層５９に中間層６５が形成される場合と形成されない場合との輝度特性およびＶｆ特性を示す表でわる。
【００３０】
【表１】

上記表１に示したように、ウィンドウ層５９に中間層６５が形成の場合の輝度特性が６５ｍｃｄの反面に中間層が形成されない場合は輝度特性が３５ｍｃｄに中間層６５により輝度特性が大幅に向上されたことを知ることができる。更に、Ｖｆ特性も２．３５Ｖから１．８８Ｖに大幅に向上された。
【００３１】
【発明の効果】
本発明は上記のように、ウィンドウ層の下部にウィンドウ層の形成と同一な工程により非晶質態様の中間層を形成し単一結晶間の格子不整合に因る欠陥を減少させＬＥＤの輝度特性と順方向電圧特性を大幅に向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による発光ダイオードの構造を示す図である。
【図２】従来の発光ダイオードの構造を示す図である。
【図３】他の従来の発光ダイオードの構造を示す図である。
【符号の説明】
５１ 半導体基板
５３ ＡｌＧａＩｎＰ層
５５ 活性層
５７ 電極
５９ ウィンドウ層
５８ バッファー層
６１ ＤＢＲ層
６５ 中間層

Claims (9)

1. 半導体基板を提供する段階；
   第１成長温度において前記半導体基板上に光を発散するＡｌＧａＩｎＰからなる活性ｐ−ｎ接合層を形成する段階；
   前記接合層上に単結晶間の格子不整合を減少させるよう、第１成長温度より低い第２成長温度においてｐ型の非−単結晶物質から成る中間層を形成する段階；
   前記中間層形成段階と同一な雰囲気において前記第２成長温度を第３成長温度に上昇させながら前記中間層上に前記接合層のバンドギャップよりバンドギャップが大きく接合層の抵抗より小さい抵抗を有するｐ型物質からなるウィンドウ層を形成する段階；
   前記半導体基板とウィンドウ層に第１電極及び第２電極を形成する段階からなり、
   前記中間層とウィンドウ層を形成する段階は、ＧａＰ、ＧａＡｓＰ、Ｇａ _ｘ Ｉｎ _１−ｘ Ｐから成る一群から選ばれた物質を積層後同一雰囲気において上記物質を積層する段階から成ることを特徴とする発光ダイオードの製造方法。
2. 請求項１において、前記各層の形成がＭＯＣＶＤ(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)方法により行われることを特徴とする発光ダイオードの製造方法。
3. 請求項１において、半導体基板と接合層間にｎ型ＧａＡｓを積層しバッファー層を形成する段階を追って含むことを特徴とする発光ダイオードの製造方法。
4. 請求項３において、前記バッファー層と接合層間に接合層から発散する光をウィンドウ層に反射させるＤＢＲ層（Distributed Bragg Reflector layer）を形成する段階を追って含むことを特徴とする発光ダイオードの製造方法。
5. 請求項１において、前記活性ｐ−ｎ接合層を形成する段階が、
   ｎ型ＡｌＧａＩｎＰから成る第１制限層を形成する段階；
   前記第１制限層上にアルミニウムとガリウムとを組成を異にしてＡｌＧａＩｎＰを積層して組成比が異なる複数の層からなる活性層を形成する段階；及び
   前記活性層上にｐ型ＡｌＧａＩｎＰから成る第２制限層を形成する段階からなることを特徴とする発光ダイオードの製造方法。
6. 請求項１において、前記第２成長温度が４００−７００℃なることを特徴とする発光ダイオードの製造方法。
7. 請求項１において、Ｇａ_ｘＩｎ_１−ｘＰのｘ範囲が０．７≦ｘ≦１なることを特徴とする発光ダイオードの製造方法。
8. 請求項１において、前記ウィンドウ層の厚さが５−１５μｍなることを特徴とする発光ダイオードの製造方法。
9. 請求項８において、前記中間層の厚さが０．０１−０．５μｍなることを特徴とする発光ダイオードの製造方法。

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