JP3633018B2

JP3633018B2 - 半導体発光装置

Info

Publication number: JP3633018B2
Application number: JP2828395A
Authority: JP
Inventors: 茂隆村里
Original assignee: Showa Denko KK
Current assignee: Resonac Holdings Corp
Priority date: 1995-02-16
Filing date: 1995-02-16
Publication date: 2005-03-30
Anticipated expiration: 2020-03-30
Also published as: JPH08222761A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は化合物半導体発光素子に係わり、特に外部発光効率の高い素子の構造に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
化合物半導体基板上に形成したエピタキシャル成長層を利用した半導体発光素子（ＬＥＤ）は消費電力が低く長寿命で、発光効率が高く高信頼性が得られるので、各種表示装置用の光源として広く利用されている。通常、ＬＥＤでは基板の上に何層かのエピタキシャル成長層を載置させ、最表面のエピタキシャル成長層と半導体基板の表面に、オーミック性を有する金属を蒸着等の手段を用いて付着させ、図４に示すような上下方向に電極を有するＬＥＤが一般的である。図４のような構造では発光は上部から外へ取出すので上部電極はなるべく小さくして、電極に依る光の遮蔽を少くしている。図４の構造のＬＥＤでは基板も半導体で構成されているので、電流は上部電極から下部電極まで貫通して流れることが可能である。
【０００３】
ＬＥＤにおいて使用する半導体基板が発光に対して吸収体として作用する場合には、発光効率の向上を目的として、組成の異なる複数の半導体層を周期的に積層して、光を光波干渉に依って反射させる半導体多層反射膜を基板と発光層との間に設ける手段が採用されている。たとえば、図４においては、化合物半導体の多層反射膜６はバンドギャップエネルギーの異なる２種の半導体結晶６ａ，６ｂを交互に積層した構造となっている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上述のようなバンドギャップエネルギーの異なる結晶を積層した構造の多層反射膜では、両層の境界面におけるバンドの不連続に起因して電気抵抗が高くなるという欠点がある。特にｐ型の多層反射膜では電荷の移動は電子に比べて移動度の小さいホールに依って行われるため、一層電気抵抗が高くなる。多層反射膜の電気抵抗が高いと発光部に印加される電圧が低くなり、期待した発光強度が得られない。また発光部に必要な電圧を印加しようとすると、ＬＥＤとしての作動電圧を高くせねばならず、用途が限定されてしまう欠点がある。
【０００５】
多層反射膜の高電気抵抗の影響を回避する手段としては多層反射膜に電流を流さない手段を採用すれば良い。このような例としては図５に示すようなサファイア基板を使用した例がある（特開平０５−１９０９０３等参照）。この場合は発光層となるＧａＮの成長に１０００℃以上の高温を要するので、高温に耐える基板として半導体ではないサファイア（α−Ａｌ_２Ｏ_３）を使用せざるを得ないからである。サファイア基板を使用する場合は、ＧａＮとの格子整合をはかるためにサファイア基板上にＧａＮ系のバッファ層を載置した上に、発光部分を形成する手段を採用しなければならない。サファイア基板を使用する場合はサファイア基板が絶縁性であるため、基板裏面に電極を設けるわけにはいかない、必然的に半導電性であるバッファ層または発光層の一部に電極を設けざるを得ないのである。
【０００６】
本発明は半導体基板上に形成した多層反射膜を使用したＬＥＤにおいて、多層反射膜部の高電気抵抗の影響を回避したＬＥＤ構造を提供し、発光効率の高いＬＥＤを提供することを目的とする。本発明に依り緑色ないし赤外領域のＬＥＤについても、従来にない高い外部発光効率を有し、低い作動電圧で使用できるＬＥＤを提供することが可能となる。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の一つはＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体基板上に多層反射膜を配置し、その上に第１導電型及び第２導電型の接合体を含む発光部を配置し、該第１導電型と第２導電型半導体の一部にそれぞれ第１電極と第２電極を設置することを特徴とするものである。本発明のもう一つはＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体基板上に多層反射膜を配置し、その上に発光層よりもバンドギャップエネルギーが大きく、かつ導電性不純物濃度が２×１０^１７ｃｍ^−３以上である透明電導層を設け、該第１導電型半導体の一部に第１電極を、該透明電導層の一部に第２電極を設置することを特徴とするものである。
本発明では多層反射膜の役割りを光の反射のみに限定して電流は流さないこととし、電流は反射膜以外の部位を通して発光部に供給することとした。
【０００８】
本発明で使用する基板としてはＧａＰ，ＧａＡｓ，ＩｎＰ等通常入手容易なＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体単結晶基板を使用する。結晶の種類は発光部分の結晶となるべく格子整合するものを選択すれば良い。基板上に結晶性の良いエピタキシャル成長層を得るためには、バッファ層を使用したり、組成勾配層を用いると良い。
【０００９】
基板上部には発光部よりもバンドギャップエネルギーが大きく、互いにバンドギャップエネルギーの異なる２種類のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体膜を交互に積層して構成する。たとえば発光層が第１導電型のＡｌ_０．６５Ｇａ_０．３Ａｓ層と第２導電型のＡｌ_０．３５Ｇａ_０．６５Ａｓ層からなる場合は、Ａｌ_０．４Ｇａ_０．６Ａｓ層とＡｌ_０．９５Ｇａ_０．０５Ａｓ層とからなる多層反射膜を採用する。また、発光部に（Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐを使用した場合にも、上記のＡｌＧａＡｓからなる多層反射膜が使用できる。多層反射膜を構成する各層の厚さは２０〜５０ｎｍ、積層数は各層１５〜３０層あれば良い。
【００１０】
多層反射膜の上部には第１導電型及び第２導電型のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体接合部を含む発光部を載置する。この発光部はホモ接合、ヘテロ接合あるいはダブルヘテロ接合のいずれであっても良い。発光部の結晶の種類や組成は目的とする発光波長を有するもので外部発光効率のなるべく高いものを選択するのは当然である。
【００１１】
このようにして作成した第１導電型及び第２導電型半導体層の一部にオーミック電極を形成してＬＥＤ素子とする。エピタキシャル成長層の最表面層には、従来一般に使用されていたマスキング法やフォトリソグラフやエッチング法を使用して電極を形成すれば良い。一方、下層のエピタキシャル成長層に電極を形成する場合はフォトリソグラフとエッチング法を駆使して、エピタキシャル成長層の一部を除去し、下部層を露出させてその上に電極を形成する。電極を形成する層は互いに導電型の異なるものであれば、どちらが上部に来ても支障はない。
【００１２】
本発明においては、第１電極と第２電極との間に流れる電流によって発光するが、電流は半導体多層反射膜を流れることはなく、多層反射膜における高抵抗の問題を回避することができ、低電圧で作動させるとともに充分な発光強度を得ることが可能となる。
【００１３】
本発明では多層反射膜と発光構造部の間に発光に対して透明でかつ電気伝導性の高い化合物半導体からなる透明拡散層を挿入することができる。このような機能を有する透明拡散層は発光層よりもバンドギャップエネルギーが高く、しかも導電性不純物濃度が２×１０^１７ｃｍ^−３以上、好ましくは５×１０^１７〜５×１０^１８ｃｍ^−３程度のＩＩＩ−Ｖ族化合物のエピタキシャル成長層である。不純物濃度が上記範囲以下では電気抵抗が高く、電流拡散層としての機能を発揮しない。
【００１４】
【作用】
本発明では多層反射膜を使用したＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体ＬＥＤにおいて、電流の取付位置を限定して多層反射膜に電流を流すことを避け、作動電圧が低くても発光に必要な電圧が発光部に印加されるようにしたものである。本発明における電極形成部位は発光部位の一部または発光部位に隣接して設けられた、透明拡散層である。透明拡散層を使用する場合にあっては電極のオーム特性の向上及び電極より注入された電流を発光層全域に拡散させるのに有効である。
【００１５】
【実施例】
次に実施例を挙げて本発明を具体的に説明する。
（実施例１）
Ｚｎドープでキャリア濃度が２×１０^１８ｃｍ^−３、面方位が（１００）のＧａＡｓ単結晶基板７の上に、Ｚｎドープで厚さが４８．１ｎｍのＡｌ_０．４Ｇａ_０．６Ａｓ結晶の反射層Ｉ６ａと、同じく厚さが５７．０ｎｍのＡｌ_０．９５Ｇａ_０．０５Ａｓ結晶の反射層ＩＩ６ｂとを各２５層交互に積層した多層反射膜６をＭＯ−ＣＶＤに依り連続して成長させた。引続きこの多層反射膜６の上にＡｌ_０．３５Ｇａ_０．６５Ａｓからなる厚さ１５μｍの第２導電型層２４と、Ａｌ_０．６５Ｇａ_０．３５Ａｓからなる厚さ２５μｍの第１導電型層２５を成長させた。
【００１６】
次いで、通常のフォトリソグラフとエッチング技術を用いて第１導電型層２５の一部をエッチング除去し、第２導電型層２４の表面２４ａの一部を露出させた。さらに第１導電型層２５の表面２５ａの一部と第２導電型層２４の表面２４ａの一部にＡｕ合金を厚さ１
．０μｍに蒸着した後、４５０℃でアニーリングしてオーミック電極とし、第１電極８と第２電極９を形成してＬＥＤ素子とした。このＬＥＤの断面構造を図１に示す。
【００１７】
このようにして得られたＬＥＤの特性を評価したところ、発光波長は６５５ｎｍ、輝度（Ｉｆ＝２０ｍＡ）は１０ｍｃｄ、順方向電圧（Ｉｆ＝２０ｍＡ）は１．７Ｖであった。
比較のため積層構造は本発明と同一で、電極取付部位を図４に示すように素子の上下に設けたＬＥＤの特性を評価したところ、発光波長は６５５ｎｍ、輝度（Ｉｆ＝２０ｍＡ）は６ｍｃｄ、順方向電圧（Ｉｆ＝２０ｍＡ）は２．６Ｖであった。
この結果、本発明に依る場合は従来のＬＥＤに比較して高い発光効率（輝度）と低い順方向電圧を示すことが判明した。
【００１８】
（実施例２）
Ｚｎドープでキャリア濃度が２×１０^１８ｃｍ^−３、面方位が（１００）のＧａＡｓ単結晶基板７の上に、Ｚｎドープで厚さが４５．５ｎｍのＡｌ_０．４Ｇａ_０．６Ａｓの反射層Ｉ６ａと、厚さが５４．０ｎｍのＡｌ_０．９５Ｇａ_０．０５Ａｓの反射層ＩＩ６ｂとを各２５層積層した多層反射膜６を形成した。その上にダブルヘテロ構造（ＤＨ構造）の発光構造を積層した。ＤＨ構造の下部クラッド層５は第２導電型で組成が（Ａｌ_０．６５Ｇａ_０．３５）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐ、厚さが１．５μｍ、発光層４は組成が（Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐで厚さが１０μｍ、上部クラッド層３は第１導電型で組成は下部クラッド層５と同じとし、厚さは４μｍとした。上部クラッド層３の上にはＡｌ_０．６Ｇａ_０．４Ａｓ層からなる厚さ０．３μｍのコンタクト層１を形成した。これら各層はＭＯ−ＣＶＤを用いて連続して成長させた。
【００１９】
次いで、通常のフォトリソグラフとエッチング技術を使用してコンタクト層１、上部クラッド層３及び発光層４の一部をエッチング除去し、下部クラッド層５の表面５ａの一部を露出させた。さらにコンタクト層１と下部クラッド層５の表面５ａの一部にＡｕＧｅ合金を厚さ１．０μｍに蒸着した後、４５０℃でアニーリングしてオーミック電極とし、第１電極８と第２電極９を形成してＬＥＤ素子とした。このＬＥＤの断面構造を図２に示す。
【００２０】
このようにして得られたＬＥＤの特性を評価したところ、発光波長は６２０ｎｍ、輝度（Ｉｆ＝２０ｍＡ）は４０ｍｃｄ、順方向電圧（Ｉｆ＝２０ｍＡ）は１．９Ｖであった。
比較のため積層構造は本発明例と全く同じで、電極設置部位が図４に示すように素子の上下に配置したＬＥＤの特性を評価したところ、発光波長は６２０ｎｍ、輝度（Ｉｆ＝２０ｍＡ）は３０ｍｃｄ、順方向電圧（Ｉｆ＝２０ｍＡ）は２．８Ｖであった。
この結果、本発明に依る場合は高い輝度と低い順方向電圧となることが判明した。
【００２１】
（実施例３）
実施例２と同様にしてＧａＡｓ基板７上に多層反射膜６を形成した。さらに多層反射膜６の上に、Ｚｎドープでキャリア濃度が５×１０^１７ｃｍ^−３、厚さが６μｍのＡｌ_０．４Ｇａ_０．６Ａｓからなる透明拡散層２を配置した。さらに透明拡散層２の上に実施例２と同じＤＨ構造の発光構造を載置した。ＤＨ構造の上部クラッド層３の上部には実施例２と同様のコンタクト層１を形成した。これら各層はＭＯ−ＣＶＤを使用して連続して成長させた。
【００２２】
次いで実施例２と同様にしてコンタクト層１、上部クラッド層３、発光層４及び下部クラッド層５の一部をエッチング除去し、透明拡散層２の表面２ａの一部を露出させた。さらに実施例２と同様にしてコンタクト層１と透明拡散層２の表面２ａに第１電極８と第２電極９を形成してＬＥＤ素子とした。断面構造を図３に示す。
【００２３】
このようにして得られたＬＥＤの特性を評価したところ、発光波長は６２０ｎｍ、輝度５０ｍｃｄ、順方向電圧は１．７Ｖであった。実施例２に比べてさらに輝度が向上しているのが認められた。
【００２４】
【発明の効果】
本発明に依れば、多層反射膜及び基板に電流を流さないため、基板としては第１導電型でも第２導電型でも半絶縁性でも良く、多層反射膜を用いても高抵抗に起因する電圧損失の問題は起こらず、反射膜機能を充分発揮させることができる。このため従来に比し２０％以上の輝度向上が達成される。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例１に依るＬＥＤの断面構造を示す図である。
【図２】実施例２に依るＬＥＤの断面構造を示す図である。
【図３】実施例３に依るＬＥＤの断面構造を示す図である。
【図４】従来の一般的なＬＥＤの断面構造を示す図である。
【図５】従来の絶縁基板を使用したＬＥＤの断面構造を示す図である。
【符号の説明】
１コンタクト層
２電流拡散層
３上部クラッド層
４活性層
５下部クラッド層
６多層反射膜
６ａ反射膜Ｉ
６ｂ反射膜ＩＩ
７基板
８第１電極
９第２電極
１０サファイア基板
１１多結晶ＧａＮ
１２単結晶ｎ型ＧａＮ
１３単結晶ｐ型ＧａＮ
１４，１５オーミック電極
２４第２導電型層
２５第１導電型層

Claims

III−Ｖ族化合物半導体基板上に形成された複数のエピタキシャル成長層からなる発光ダイオードにおいて、III−Ｖ族化合物半導体基板上に互いにバンドギャップエネルギーの異なるIII−Ｖ族化合物半導体の多層積層体からなる反射層を具備し、該反射層の上に発光層よりもバンドギャップエネルギーが大きくかつ導電性不純物濃度が２×１０¹⁷cm^-3以上である透明電導層を有し、該透明電導層の上に第１導電型半導体と第２導電型半導体からなる発光構造部を有し、該第１導電型半導体と透明電導膜の一部にそれぞれ第１電極と第２電極とを設け、第１導電型半導体と第２導電型半導体からなる発光構造部がともにＡｌＧａＡｓからなるシングルヘテロ構造であることを特徴とする発光ダイオード。
III−Ｖ族化合物半導体基板上に形成された複数のエピタキシャル成長層からなる発光ダイオードにおいて、III−Ｖ族化合物半導体基板上に互いにバンドギャップエネルギーの異なるIII−Ｖ族化合物半導体の多層積層体からなる反射層を具備し、該反射層の上に発光層よりもバンドギャップエネルギーが大きくかつ導電性不純物濃度が２×１０¹⁷cm^-3以上である透明電導層を有し、該透明電導層の上に第１導電型半導体と第２導電型半導体からなる発光構造部を有し、該第１導電型半導体と透明電導膜の一部にそれぞれ第１電極と第２電極とを設け、発光構造部がＡｌＧａＩｎＰからなり、透明電導層がＡｌＧａＡｓからなることを特徴とする発光ダイオード。