JP4757514B2 - 化合物半導体発光ダイオード - Google Patents

Description

本発明は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を発光層とする化合物半導体発光ダイオード（ｌｉｇｈｔ−ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｄｉｏｄｅ、以下ＬＥＤとも言う。）において、ＬＥＤの駆動電流を発光層の広範囲に亘り拡散させるための電流拡散層を備え、高い発光強度が得られる化合物半導体発光ダイオードに関する。

緑色帯から赤色帯の光を発光するＬＥＤとして、発光層がリン化アルミニウム・ガリウム・インジウム混晶（組成式Ａｌ_ＸＧａ_ＹＩｎ_ＺＰ：０≦Ｘ、Ｙ、Ｚ≦１、Ｘ＋Ｙ＋Ｚ＝１）から構成されているＬＥＤが知られている（非特許文献１参照。）。
非特許文献１に開示されたように、短波長の可視光を発光するための発光層は、通常、Ａｌ_ＸＧａ_ＹＩｎ_ＺＰから構成され、室温での禁止帯幅が２エレクトロンボルト（単位：ｅＶ）程度と比較的大きい。
このような発光層には、放射再結合の効率を向上させて、高強度の発光を得るために、クラッド（ｃｌａｄ）層を異種（ｈｅｔｅｒｏ）接合させて異種接合構造の発光部とするのが通例である。

例えば、Ａｌ_ＸＧａ_ＹＩｎ_ＺＰからなる発光層にあって、障壁層として異種接合させるクラッド層は、発光層よりも大きな禁止帯幅のＡｌ_ＸＧａ_ＹＩｎ_ＺＰから構成される。キャリアの「閉じ込め」効果をもたらす一方で、大きな禁止帯幅の半導体層とする必要性から、一般にクラッド層は素子を駆動するための電流（素子駆動電流）を発光層の広範囲に拡散させるに不十分となっている。
このため、従来技術では、クラッド層上には、発光層に素子駆動電流を平面的に拡散させることを目的とした電流拡散層を設ける技術が開示されている（特許文献１参照。）。

電流拡散層は、素子動作電流を平面的に拡散させるために、比較的禁止帯幅の小さい（例えば発光層よりも禁止帯幅の小さい）半導体材料から構成されている。
例えば、橙色帯或いは赤色帯発光用の化合物半導体発光ダイオードとして、Ａｌ_ＸＧａ_ＹＩｎ_ＺＰから構成された発光層上に、砒化アルミニウム・ガリウム（組成式Ａｌ_ＸＧａ_ＹＡｓ：０≦Ｘ、Ｙ≦１）からなる電流拡散層が備えられたものが開示されている（例えば、特許文献２の第４頁段落００１０参照。）。
しかしながら、このように禁止帯幅が小さい半導体材料から構成された電流拡散層は、発光層から発せられた光を原理的に吸収してしまう。従って、高強度の発光を得るために発光部を異種接合構造としても、従来の電流拡散層が発光部上の発光の取り出し方向に設けられた構成では、必ずしも高強度のＬＥＤを安定して得るに至らない。

一方で、電流拡散層が、インジウム・錫複合酸化膜（略称：ＩＴＯ）等の光学的に透明な材料から構成されたＬＥＤが開示されている（例えば、特許文献３参照。）。
ＩＴＯ等の透明酸化物は禁止帯幅も高く、また、低抵抗であるため、発光を外部へ取り出すための窓（ｗｉｎｄｏｗ）層を兼用する電流拡散層を構成する材料として利用できる。
しかし、一般に透明酸化物は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体とのオーミック（Ｏｈｍｉｃ）接触性を安定して確保することが難しく、これにより素子駆動電流を広範囲に拡散し難くなる場合があった。
これを克服するために特許文献３では、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層から成るクラッド層の表面に複数のオーミック性電極を分散させて配置させることにより、素子駆動電流を発光層に拡散させる技術が開示されている。
しかし、オーミック電極を分散して配置しようとすると、例えば、ＬＥＤを製造するための工程が煩雑となる欠点となっている。
米国特許第５００８７１８号公報 特開平１１−４０２０号公報 特開２００１−１４４３３０号公報 Ｙ．Ｈｏｓｏｋａｗａ（ワイ．ホソカワ）他、ジャーナル オブ クリスタル グロース（Ｊ．Ｃｒｙｓｔａｌ Ｇｒｏｗｔｈ）、第２２１巻、２０００年（オランダ）、６５２〜６５６頁

ＬＥＤを構成する電流拡散層は、素子駆動電流を発光層の広範囲に充分に拡散でき、尚且つ、発光層からの発光を吸収せずに外部へ取り出せる光学的に透明な材料から構成する必要がある。このためには、電流拡散層の常温での禁止帯幅が、発光層の常温での禁止帯幅を超える広い値とする必要がある。
しかし、電流拡散層を構成する材料として、従来から用いられているＡｌ_ＸＧａ_ＹＡｓ（０≦Ｘ、Ｙ≦１）では、充分に低い抵抗の導電層を形成し難い問題がある。従って、素子駆動電流を拡散させるに充分な電流拡散層を安定して形成でき得ていない欠点がある。

また、亜鉛（Ｚｎ）を構成元素として含むＩＩ−ＶＩ族化合物半導体層は、酸化され易いため、動作信頼性に優れる発光素子とするためには、耐酸化用途の保護膜を必要とする等、素子作製工程上、煩雑さをともなう場合があった。

また、電流拡散層として利用されている別の材料であるＩＴＯ等の酸化物材料は、例えば、クラッド層をなすＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体と良好なオーミック接触性が安定して得られない。このため、例えば透明酸化物材料からなる電流拡散層と、クラッド層との間の抵抗値が大きくなってしまい、順方向電圧（Ｖｆ）の低いＬＥＤを得るに不都合となる場合がある。

本発明は、上記の従来技術の問題点を克服すべくなされたもので、素子駆動電流を発光層に拡散させるために好都合な低抵抗の導電層を簡易に形成でき、また、光学的に透明であり、尚且つＬＥＤを構成するＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層とのオーミック接触性に優れる化合物半導体材料から電流拡散層を構成して、順方向電圧等の電気的特性に優れる化合物半導体ＬＥＤを提供するものである。

即ち、本発明は、（１）組成式Ａｌ _Ｘ Ｇａ _Ｙ Ｉｎ _Ｚ Ｐ（０≦Ｘ、Ｙ、Ｚ≦１、Ｘ＋Ｙ＋Ｚ＝１）で表されるリン化アルミニウム・ガリウム・インジウム混晶からなる発光層と、該発光層上に設けられたＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる電流拡散層と、前記電流拡散層と前記発光層との間に、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなるクラッド層を備えた化合物半導体発光ダイオードにおいて、前記電流拡散層が、導電性のリン化硼素系半導体から構成され、前記電流拡散層の室温での禁止帯幅が、前記発光層の室温での禁止帯幅よりも大きく、前記クラッド層の室温での禁止帯幅が、前記発光層の室温での禁止帯幅よりも大きく、かつ前記電流拡散層の室温での禁止帯幅以下であることを特徴とする化合物半導体発光ダイオードである。

（２）前記電流拡散層が、単量体のリン化硼素、組成式Ｂ_αＧａ_γＩｎ_{１−α−γ}Ｐ（０＜α≦１、０≦γ＜１）で表されるリン化硼素・ガリウム・インジウム、組成式ＢＰ_１−δＮ_δ（０≦δ＜１）で表される窒化リン化硼素、組成式Ｂ_αＰ_１−δＡｓ_δで表される砒化リン化硼素から選択された少なくとも一種以上から構成されていることを特徴とする（１）に記載の化合物半導体発光ダイオードである。

（３）前記電流拡散層の室温での禁止帯幅と、前記発光層の室温での禁止帯幅との差が、０．１ｅＶ以上であることを特徴とする（１）又は（２）に記載の化合物半導体発光ダイオードである。

（４）前記電流拡散層の室温での禁止帯幅が、２．８ｅＶ〜５．０ｅＶであることを特徴とする（１）乃至（３）の何れか１項に記載の化合物半導体発光ダイオードである。

（５）前記電流拡散層は、その室温でのキャリア濃度が１×１０^１９ｃｍ^−３以上であり、抵抗率が５×１０^−２Ω・ｃｍ以下であり、厚さが５０ｎｍ以上、５０００ｎｍ以下であることを特徴とする（１）乃至（４）の何れか１項に記載の化合物半導体発光ダイオードである。

（６）前記クラッド層がアルミニウム、ガリウム、及びインジウムを含有するＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体から構成され、前記電流拡散層は、アルミニウム、ガリウム、インジウムのうち少なくとも一種以上を含むリン化硼素系半導体から構成されていることを特徴とする（１）乃至（５）の何れか１項に記載の化合物半導体発光ダイオードである。

（７）前記電流拡散層と前記クラッド層として、リン化硼素系半導体から構成され、組成に勾配を付した組成勾配層が備えられていることを特徴とする（１）乃至（６）の何れか１項に記載の化合物半導体発光ダイオードである。

（８）前記電流拡散層又は前記クラッド層が、不純物を故意に添加していないアンドープのリン化硼素系半導体から構成されていることを特徴とする（１）乃至（７）の何れか１項に記載の化合物半導体発光ダイオードである。

（９）前記電流拡散層又は前記組成勾配層には、オーミック接触性の電極が接合されていることを特徴とする（１）乃至（８）の何れか１項に記載の化合物半導体発光ダイオードである。

室温で広い禁止帯幅を有するリン化硼素系半導体層からなる電流拡散層は、素子駆動電流をクラッド層、発光層へ拡散させると共に、発光を外部へ取り出すための窓層としても有効に作用する。

このため、本発明に依れば、電流拡散層が、発光層を超える広い禁止帯幅を室温で有し、且つ低抵抗の導電性のリン化硼素系半導体から構成されたことによって、素子駆動電流を発光領域に広範囲に拡散できる。また前記電流拡散層は、光学的に透明であり、かつＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層からなる発光層とのオーミック接触性に優れ、簡易に形成できる。
このため、順方向電圧等の電気的特性に優れ、発光領域に於ける発光の強度を均一化でき、またその均一な強度の発光を吸収せずに外部に透過できる化合物半導体発光ダイオードが実現できる。

更に、電流拡散層と発光層との中間に、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなるクラッド層が備えられ、このクラッド層の室温での禁止帯幅が、発光層の室温での禁止帯幅を超え、かつ電流拡散層の室温での禁止帯幅以下であることによって、化合物半導体発光ダイオードの厚さ方向に対して、禁止帯幅を発光層から電流拡散層へ緩やかに変化させることができ、順方向電の低い化合物半導体発光ダイオードを提供できる。

また、電流拡散層とクラッド層とが、広い禁止帯幅を有し、且つ低抵抗の導電性のリン化硼素系半導体から構成されたことによって、発光層の略全領域から、略一定の強度の発光が可能な化合物半導体発光ダイオードを提供できる。

また、前記発光層が、組成式Ａｌ_ＸＧａ_ＹＩｎ_ＺＰ（０≦Ｘ、Ｙ、Ｚ≦１、Ｘ＋Ｙ＋Ｚ＝１）で表されるリン化アルミニウム・ガリウム・インジウム混晶から構成されている場合、電流拡散層が、リンを構成元素として含むアンドープのリン化硼素から構成されたことによって、電流拡散層を広い禁止帯幅を有し、且つ低抵抗とすることができる。
このため、発光層の略全面に素子駆動電流を拡散でき、且つ発光層の全域から所望の波長の、均一な強度の発光をもたらす化合物半導体発光ダイオードを提供できる。

本発明の化合物半導体発光ダイオードは、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる発光層と、発光層上に設けられた電流拡散層を備えている。
前記電流拡散層は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体のリン化硼素系半導体から構成され、発光ダイオードを駆動するために順方向に流通された素子駆動電流を発光層に拡散させるようになっている。

ここで、本明細書中、「リン化硼素系半導体」とは、硼素（Ｂ）とリン（Ｐ）とを構成元素として含む立方晶閃亜鉛鉱結晶型のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体であり、例えば、組成式Ｂ_αＡｌ_βＧａ_γＩｎ_{１−α−β−γ}Ｐ_１−δＡｓ_δ（０＜α≦１、０≦β＜１、０≦γ＜１、０＜α＋β＋γ≦１、０≦δ＜１）で表される化合物や、組成式Ｂ_αＡｌ_βＧａ_γＩｎ_{１−α−β−γ}Ｐ_１−δＮ_δ（０＜α≦１、０≦β＜１、０≦γ＜１、０＜α＋β＋γ≦１、０≦δ＜１）で表される化合物等が挙げられる。
特に、本発明で好適に利用できるのは、アルミニウム（Ａｌ）等の易酸化性の元素を構成元素として含まず、例えば、単量体のリン化硼素（ＢＰ）、組成式Ｂ_αＧａ_γＩｎ_{１−α−γ}Ｐ（０＜α≦１、０≦γ＜１）で表されるリン化硼素・ガリウム・インジウム、組成式ＢＰ_１−δＮ_δ（０≦δ＜１）で表される窒化リン化硼素、組成式Ｂ_αＰ_１−δＡｓ_δで表される砒化リン化硼素等の複数のＶ族元素を含む混晶である。

上記の本発明に係わる電流拡散層は、リン化硼素系半導体から構成され、発光層の室温での禁止帯幅（ｂａｎｄｇａｐ）よりも大きな禁止帯幅を有する。
電流拡散層の室温での禁止帯幅と、発光層の禁止帯幅との差は、０．１ｅＶ以上が好ましく、これにより窓層としても充分に兼用できる電流拡散層を形成できる。
ここで、禁止帯幅は、吸収係数の光子エネルギー（＝ｈ・ν）依存性などから求められる。また、屈折率（ｎ）及び消衰係数（ｋ）の積値（＝２・ｎ・ｋ）の光子エネルギー依存性から求められる。
例えば、青色発光用の化合物半導体発光ダイオードとして、発光層がＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなり、その室温での禁止帯幅が２．７エレクトロンボルト（以下ｅＶと示す。）である場合、この発光層上には、リン化硼素系半導体から構成され、室温の禁止帯幅が２．８ｅＶ〜５．０ｅＶの電流拡散層が備えられる。

電流拡散層は、リン化硼素系半導体から構成され、室温での禁止帯幅が２．８ｅＶ〜５．０ｅＶであることが好ましく、これにより赤色光から緑色光等の可視光の発光を外部へ透過でき、電流拡散層が窓（ｗｉｎｄｏｗ）層を兼用できる。
リン化硼素系半導体からなる電流拡散層の禁止帯幅が５．０ｅＶを超える場合、発光層或いはクラッド層等との障壁差が大となり、順方向電圧或いは閾値電圧の低い化合物半導体発光素子を得るに不利となるため好ましくない。

また電流拡散層は、室温でのキャリア濃度が１×１０^１９ｃｍ^−３以上であり、抵抗率が５×１０^−２Ω・ｃｍ以下の低抵抗のリン化硼素系半導体から構成されていることが好ましい。その層厚は、５０ナノメータ（単位：ｎｍ）以上で５０００ｎｍ以下とするのが適する。
このような低抵抗のリン化硼素系半導体層は、発光層からの発光を外部へ透過するための窓層を兼ねる電流拡散層としても有効に利用できる。

リン化硼素系半導体から構成された電流拡散層は、ハロゲン（ｈａｌｏｇｅｎ）法、ハイドライド（ｈｙｄｒｉｄｅ；水素化物）法やＭＯＣＶＤ（有機金属化学的気相堆積）法等の気相成長手段に依り形成される。また、分子線エピタキシャル法でも形成される（Ｊ．Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｃｈｅｍ．、１３３（１９９７）、２６９〜２７２頁参照。
）。
例えば、ｎ形の単量体のリン化硼素（ＢＰ）からなる電流拡散層の形成方法としては、トリエチル硼素（分子式：（Ｃ_２Ｈ_５）_３Ｂ）とホスフィン（分子式：ＰＨ_３）を原料として用いた常圧（略大気圧）或いは減圧ＭＯＣＶＤ法が適用できる。
ｎ形の単量体のリン化硼素（ＢＰ）からなる電流拡散層を形成する際の原料供給比率（Ｖ／ＩＩＩ比率、例えばＰＨ_３／（Ｃ_２Ｈ_５）_３Ｂ）は、２００以上が好ましく、更に好ましくは４００以上が適する。
ここで、本明細書において、「Ｖ／ＩＩＩ比率」は、気相成長領域に供給する硼素等の第ＩＩＩ族原子の濃度に対するリン等の第Ｖ族原子の濃度の比率を意味しているものとする。
更に、形成温度、Ｖ／ＩＩＩ比率に加えて、形成速度を精密に制御すれば、発光層からの発光をほとんど吸収せずかつ禁止帯幅の大きなリン化硼素系半導体からなる電流拡散層を形成できる。
ｎ形ＢＰ層の形成温度としては、７００℃〜１０００℃が適する。

また、ｐ形の単量体のリン化硼素（ＢＰ）からなる電流拡散層を形成する場合も、トリエチル硼素（分子式：（Ｃ_２Ｈ_５）_３Ｂ）とホスフィン（分子式：ＰＨ_３）を原料として用いた常圧（略大気圧）或いは減圧ＭＯＣＶＤ法が適用できる。
このｐ形ＢＰ層の形成温度としては、１０００℃〜１２００℃が適する。形成時の原料供給比率（Ｖ／ＩＩＩ比率、例えばＰＨ_３／（Ｃ_２Ｈ_５）_３Ｂ）は、１０〜５０とするのが適する。
特に、形成速度を２ｎｍ／分〜３０ｎｍ／分に設定することによって、室温での禁止帯幅が２．８ｅＶ以上の単量体のリン化硼素からなる電流拡散層が得られる（特願２００２−１５８２８２号参照。）。

次に、放射再結合の効率を向上させて高強度の発光を得るために、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる発光層に、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなるクラッド（ｃｌａｄ）層が接合された化合物半導体発光ダイオードについて説明する。
この場合、電流拡散層はクラッド上に設けられるため、発光層と電流拡散層との間にクラッド層が位置することになる。
電流拡散層の室温での禁止帯幅は、クラッド層の常温での禁止帯幅よりも大きいことが好ましく、これにより発光層から出射される発光を出来るだけ吸収せずに、外部へ放出させることができる。
特に、クラッド層の室温での禁止帯幅が、発光層の室温での禁止帯幅よりも大きく、かつ電流拡散層の室温での禁止帯幅以下であることが更に好ましい。これにより、禁止帯幅は電流拡散層側から発光層へ向かって減少することになり、ＬＥＤの順方向電圧、或いはＬＤの閾値が増加することを抑制できる。

クラッド層が組成式Ａｌ_ＸＧａ_ＹＩｎ_ＺＰ（０≦Ｘ，Ｙ，Ｚ≦１、Ｘ＋Ｙ＋Ｚ＝１）で表される化合物等のように、Ａｌ、Ｇａ、及びＩｎの３つのＩＩＩ族元素を構成元素として含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体から構成されている場合、電流拡散層は、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎのうち少なくとも一種以上を含むリン化硼素系半導体から構成されていることが好ましい。
これによりクラッド層上に、電流拡散層を形成する際、クラッド層の表面に存在するＩＩＩ族元素（Ａｌ、Ｇａ、及びＩｎ）が、それらを構成元素として含む電流拡散層の成長を促すため電流拡散層を容易に形成でき、且つクラッド層との密着性に優れた電流拡散層が得られる。
このようなＡｌ、Ｇａ、Ｉｎのうち少なくとも一種以上を含むリン化硼素系半導体としては、前述した組成式Ｂ_αＧａ_γＩｎ_{１−α−γ}Ｐ（０＜α≦１、０≦γ＜１）で表されるリン化硼素・ガリウム・インジウムだけでなく、例えばリン化硼素・インジウム（Ｂ_αＩｎ_１−αＰ：０＜α＜１）や砒化リン化硼素・インジウム（Ｂ_αＩｎ_１−αＰ_１−δＡｓ_δ（０＜α＜１、０＜δ＜１）等も挙げられる。

クラッド層として、不純物を故意に添加（ドーピング）したＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体、例えば亜鉛（Ｚｎ）ドープＡｌ_ＸＧａ_ＹＩｎ_ＺＰ等からなる層が備えられている場合、クラッド層から拡散して来る不純物（亜鉛）に因り、発光層のキャリア濃度や伝導形が変化し、所望の電圧値とは異なる順方向電圧（Ｖｆ）が印加されたり或いは所望の波長とは異なる波長の光が発光される場合があった。
これに対して、ｎ形及びｐ形リン化硼素層等のアンドープ（ｕｎｄｏｐｅ）のリン化硼素系半導体は、アンドープでしかも電気抵抗が小さい。
このため、クラッド層は、アンドープ（ｕｎｄｏｐｅ）のリン化硼素系半導体から構成されていることが好ましい。この場合、クラッド層中の不純物の含有量が少ないため、発光層へ拡散する不純物量を低減でき、不純物の外部拡散に因る発光層の性質の変性を抑制できる。更に低抵抗であるため、素子駆動電流を発光層に拡散し易くなる。
なお、不純物を故意に添加しないアンドープのリン化硼素系半導体から構成された電流拡散層が備えられている場合も、前記したクラッド層と同様の効果が得られる。

更に、アンドープの単量体リン化硼素から構成されたクラッド層や電流拡散層では、広い禁止帯幅を有する。このため、発光層が組成式Ｇａ_ＸＩｎ_１−ＸＮ（０≦Ｘ≦１）で表される窒化ガリウム・インジウムや組成式ＧａＮ_１−ＹＰ_Ｙ（０≦Ｙ≦１）で表される窒化リン化ガリウムからなる場合、ｎ形またはｐ形クラッド層としてアンドープの単量体リン化硼素層が適用できる。
特に、発光層が、組成式Ａｌ_ＸＧａ_ＹＩｎ_ＺＰ（０≦Ｘ、Ｙ、Ｚ≦１、Ｘ＋Ｙ＋Ｚ＝１）等のリン（Ｐ）を構成元素として含む化合物半導体材料からなる場合、クラッド層は、アンドープの単量体リン化硼素層がより好適に適用できる。
発光層に構成元素としてリンが多量に含まれていると、電流拡散層、或いはクラッド層をなすリン化硼素系半導体層からのリン原子の濃度の差異が小さくなる。従って、電流拡散層或いはクラッド層から発光層への（Ｐ）原子の拡散の原動力が小さくなるため、発光層の変性を抑制するに効果が奏される。

発光層にクラッド層が接合された化合物半導体発光ダイオードでは、特に、電流拡散層とクラッド層として、組成に勾配（組成勾配）を付したリン化硼素系半導体層（以下、組成勾配層とも言う。）が備えられていることが好ましい。
組成勾配層には、組成勾配が、層厚の増加方向、すなわち発光層側から電流拡散層の上面側に向かって、禁止帯幅が増加するように形成されている。
例えば、組成勾配層がリン化硼素・ガリウム（Ｂ_１−ＸＧａ_ＸＰ：０≦Ｘ≦１）から構成されている場合、層厚の増加方向に、硼素（Ｂ）組成比（＝１−Ｘ）が増加し、同時にガリウム（Ｇａ）組成比（＝Ｘ）が減少するように組成に勾配（組成勾配）が設けられている。具体的には、発光層と接する部分では硼素組成比（＝１−Ｘ）が０のリン化ガリウム（ＧａＰ）から構成され、クラッド層から電流拡散層に向かって層厚が増加すると共に硼素組成比が増加し、電流拡散層の上面では硼素組成比が１のＢＰから構成されるように組成に勾配（組成勾配）が設けられている。

このようにリン化硼素系半導体層の組成に勾配（組成勾配）が設けられたことによって、室温での禁止帯幅がリン化ガリウムの２．２ｅＶから例えば２．８ｅＶ以上に禁止帯幅を増加させることができ、かつ電流拡散層とクラッド層を兼ねることができる。
このように禁止帯幅が電流拡散層側から発光層へ徐々に減少するように組成勾配を付したリン化硼素系半導体層（組成勾配層）が備えられたことによって、ＬＥＤの順方向電圧、或いはＬＤの閾値が増加するのを抑制するに貢献できる。

電流拡散層とクラッド層として、組成勾配層を形成する場合、禁止帯幅が直線的、段階的、或いは曲線的に変化するように組成勾配を変化させて組成勾配層を形成する。
組成勾配層のうち、クラッド層として機能する領域では、層厚の増加方向に禁止帯幅が漸次、増加するように勾配を設ける。

電流拡散層上又は組成勾配層上には、ｎ形またはｐ形オーミック電極が設けられている。電流拡散層又は組成勾配層がｎ形リン化硼素系半導体から構成されている場合、オーミック電極としては、金（Ａｕ）・ゲルマニウム（Ｇｅ）合金等の金（Ａｕ）合金等が適用できる。
電流拡散層又は組成勾配層がｐ形リン化硼素系半導体から構成されている場合、オーミック電極としては、従来のニッケル（Ｎｉ）単体、或いはその合金、金（Ａｕ）・亜鉛（Ｚｎ）や金（Ａｕ）・ベリリウム（Ｂｅ）合金等が適用できる。
オーミック電極として重層構造のものを適用する場合、最上層は、結線（ｂｏｎｄｉｎｇ）を容易となすため、金（Ａｕ）またはアルミニウム（Ａｌ）から構成するのが好適である。また、例えば、３層の重層構造のオーミック電極にあって、底面部と最上層との中間に設けられた中間層は、チタン（Ｔｉ）、モリブデン（Ｍｏ）等の遷移金属或いは白金（Ｐｔ）から構成され得る。

電流拡散層や組成勾配層が、リン化硼素系半導体層から構成されたことによって、電流拡散層又は組成勾配層がクラッド層等の他の層よりも大きな禁止帯幅を有していても、この電流拡散層上又は組成勾配層上に良好なオーミック接触性の電極を形成できる。
これは、Ａｌ_ＸＧａ_ＹＡｓやＡｌ_ＸＧａ_ＹＩｎ_ＺＰから構成された従来の電流拡散層に比べて、リン化硼素系半導体から構成された電流拡散層や組成勾配層では、イオン（ｉｏｎ）結合性が小さいため、禁止帯幅が広くとも、従来の半導体材料に比較して顕著に低抵抗な導電層が得られるからである。リン化硼素系半導体の一例として単量体のリン化硼素（ＢＰ）では、アンドープ状態で１０^１９ｃｍ^−３〜１０^２０ｃｍ^−３の高キャリア濃度の導電層が簡便に得られる。即ち、リン化硼素系半導体から構成された電流拡散層や組成勾配層では、禁止帯幅が大きいだけに発光の外部への透過性に優れ、且つ、電流拡散層や組成勾配層上に低接触抵抗のオーミック電極を形成できる。

（第１実施例）
単量体のリン化硼素半導体から構成された電流拡散層を備えたリン化硼素系ＬＥＤを例にして、本発明を具体的に説明する。

図１は、第１実施例のダブルヘテロ（ＤＨ）接合構造のリン化硼素系ＬＥＤ１０とその積層構造体１１の断面構造を示す模式図である。ここで、図１は模式図であり、各層の厚さの比等の寸法は実際とは異なる場合がある。
積層構造体１１は、亜鉛（Ｚｎ）をドープしたｐ形の（１００）−砒化ガリウム（ＧａＡｓ）単結晶基板１００上に、亜鉛をドープしたｐ形のＧａＡｓからなる緩衝層１０１、亜鉛をドープしたリン化アルミニウム・ガリウム・インジウム混晶（（Ａｌ_０．７０Ｇａ_０．３０）_０．５０Ｉｎ_０．５０Ｐ）からなる下部クラッド層１０２、アンドープでｎ形の（Ａｌ_０．１４Ｇａ_０．８６）_０．５０Ｉｎ_０．５０Ｐからなる発光層１０３、セレン（Ｓｅ）をドープしたｎ形の（Ａｌ_０．７０Ｇａ_０．３０）_０．５０Ｉｎ_０．５０Ｐからなる上部クラッド層１０４を、順次、堆積して形成した（Ｊ． Ｋｏｒｅａｎ Ａｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ ｏｆ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｇｒｏｗｔｈ， １１（５）（２００１）、２０７−２１０頁参照。）。
基板１００上の各層１０１〜１０４は、一般的な減圧ＭＯＣＶＤ手段に依り気相成長させた。

（Ａｌ_０．７０Ｇａ_０．３０）_０．５０Ｉｎ_０．５０Ｐからなる上部クラッド層１０４上に、アンドープでｎ形のリン化硼素・インジウム（Ｂ_０．４０Ｉｎ_０．６０Ｐ）を堆積して電流拡散層１０５を形成した。
ｎ形リン化硼素・インジウムから構成された電流拡散層１０５は、トリエチル硼素（分子式：（Ｃ_２Ｈ_５）_３Ｂ）を硼素（Ｂ）源とし、トリメチルインジウム（分子式：（ＣＨ_３）_３Ｉｎ）をインジウム源とし、ホスフィン（分子式：ＰＨ_３）をリン源とし、常圧（略大気圧）有機金属気相エピタキシー（ＭＯＶＰＥ）法により形成した。

この電流拡散層１０５の形成条件は、室温での禁止帯幅が約４．３ｅＶである単量体のリン化硼素（ＢＰ）を形成する際の条件と同様に、Ｖ／ＩＩＩ比率が８００、成長温度が７００℃、成長速度が３０ｎｍ／分とした。
電流拡散層１０５を構成するｎ形リン化硼素・インジウムの硼素（Ｂ）組成比は０．４０とし、ＧａＡｓとは格子整合しないが、広い禁止帯幅が得られるようにした。またこのｎ形リン化硼素・インジウムから構成された電流拡散層１０５の層厚は７００ｎｍとした。

得られた電流拡散層１０５は、アンドープのｎ形Ｂ_０．４０Ｉｎ_０．６０Ｐから構成され、室温での禁止帯幅は、２．５ｅＶとなった。
またキャリア濃度は１×１０^２０ｃｍ^−３であり、室温での抵抗率は２×１０^−２Ω・ｃｍであった。

この電流拡散層１０５の表面の全面に、通常の真空蒸着法及び電子ビーム蒸着法に依り金（Ａｕ）・ゲルマニウム（Ｇｅ）合金膜、ニッケル（Ｎｉ）膜、及び金（Ａｕ）膜を、順次、被着させた。
次に、結線用の台座（ｐａｄ）電極を兼ねるｎ形オーミック電極１０６を設ける領域に限り、底面部をＡｕ・Ｇｅ合金膜とする上記の３層重層電極を残置させるために、公知のフォトリソグラフィー技術を利用して選択的にパターニングを施した。
次に、ｎ形オーミック電極１０６とする以外の領域に在るＡｕ・Ｇｅ合金膜等をエッチングして除去し、電流拡散層１０５をなすｎ形リン化硼素・インジウム層の表面を露出させた。

フォトレジスト材を剥離した後、再び、選択的パターニングを施し、個別の発光素子（チップ）に裁断するために、線幅が５０μｍであり、基板１００の＜１１０＞結晶方位に平行に格子状の溝を設けた。
然る後、塩素を含むハロゲン系混合ガスを利用したプラズマドライエッチング手法に依り、上記のパターニングを施した領域に限定して、ｎ形リン化硼素・インジウム層を選択的にエッチングで除去した。
一方、ｐ形ＧａＡｓ単結晶基板１００の裏面の全面には、一般の真空蒸着法に依り、金・ベリリウム（Ａｕ・Ｂｅ）膜を被着させてｐ形オーミック電極１０７を形成した。
その後、ＧａＡｓ基板１００を、＜１１０＞結晶方位に平行に設けた線幅が５０μｍの上記帯状の溝に沿って劈開し、一辺を３５０μｍとする正方形のＬＥＤチップ１０に分割した。

ｎ形オーミック電極１０６とｐ形オーミック電極１０７との間に、順方向に２０ｍＡの素子駆動電流を流通してＬＥＤチップ１０の発光特性を確認した。ＬＥＤ１０からは中心の波長を６１０ｎｍとする橙色味を帯びた赤色光が放射された。
ｎ形オーミック電極１０６の射影領域以外の発光層１０３の平面領域の略全面から発光が外部へもたらされるのが視認された。発光パターンの近視野像から、上記の射影領域以外の発光層１０３の領域からの発光の強度は略一定であるのが示された。このため、一般的な積分球を利用して測定される樹脂モールド以前のチップ（ｃｈｉｐ）状態での輝度は４０ミリカンデラ（ｍｃｄ）に達した。
電流拡散層１０５が、広い禁止帯幅を有しかつ低抵抗であるｎ形リン化硼素・インジウムから構成されたことによって、電流拡散層１０５が発光層１０３からの発光を外部へ透過するための窓層として兼用できた。

また、ｎ形オーミック電極１０６が、低抵抗のｎ形リン化硼素・インジウムからなる電流拡散層１０５上に設けられたことによって、順方向電圧（Ｖｆ）を２．３Ｖと低い値とすることができた。一方、逆方向電流を１０μＡとした際の逆方向電圧は８Ｖを越える高値となった。

（第２実施例）
硼素の組成に勾配を付したリン化硼素系半導体層（組成勾配層）が、電流拡散層を兼用するクラッド層として備えられたリン化硼素系半導体ＬＥＤを例にして本発明を具体的に説明する。

図２は、第２実施例のリン化硼素系ＬＥＤ２０の断面構造を示す模式図である。ここで、図２は図１と同様に模式図であり、各層の厚さの比等の寸法は実際とは異なる場合がある。
また、図１に示されたリン化硼素系ＬＥＤ１０と同一の構成要素については、同一の符号を付して、その説明を省略する。

第２実施例では、第１実施例のリン化硼素系ＬＥＤ１０におけるセレン（Ｓｅ）をドープしたｎ形の（Ａｌ_０．７０Ｇａ_０．３０）_０．５０Ｉｎ_０．５０Ｐからなる上部クラッド層１０４を薄膜クラッド層（以下、上部クラッド層と同じ符号１０４を付す。）として、その上に、アンドープでｎ形のリン化硼素・ガリウム混晶（Ｂ_αＧａ_１−αＰ：０＜α＜１）からなる組成勾配層１０８を形成した。
セレン（Ｓｅ）をドープしたｎ形（Ａｌ_０．７０Ｇａ_０．３０）_０．５０Ｉｎ_０．５０Ｐから構成された薄膜クラッド層１０４は、層厚を７５ｎｍとする以外は、上記の第１実施例の上部クラッド層１０４（層厚５μｍ）と同様の方法で形成した。

Ｂ_αＧａ_１−αＰ（０＜α＜１）から構成された組成勾配層１０８は、（Ｃ_２Ｈ_５）_３Ｂ／（ＣＨ_３）_３Ｇａ／ＰＨ_３系減圧ＭＯＣＶＤ法により７５０℃で形成した。層厚は７４０ｎｍとした。組成勾配層１０８の硼素（Ｂ）組成比（α）は、薄膜クラッド層１０４との接合界面では０．０５とした。硼素組成比は、（Ｃ_２Ｈ_５）_３Ｂの気相成長系への供給量を一定に維持しつつ、（ＣＨ_３）_３Ｇａの供給量を経時的に一定の割合で減少させることにより、層厚の増加と共に、直線的な組成勾配を付し、表面で硼素（Ｂ）組成比（α）が１．０、即ち、リン化硼素（ＢＰ）となるように形成した。

Ｂ_αＧａ_１−αＰから構成された組成勾配層１０８の表面近傍の領域でのキャリア濃度は８×１０^１８ｃｍ^−３であり、抵抗率は６×１０^−２Ω・ｃｍであった。
また、一般的な分光エリプソメータを使用して組成勾配層１０８の屈折率と消衰係数を計測し、この測定値を用いて組成勾配層１０８の禁止帯幅の平均値を算出した結果、約３．１ｅＶであることがわかった。特に表層部（表面から約１００ｎｍの深さに至る表層部）の室温での禁止帯幅は約４．０ｅＶであった。このため、組成勾配層１０８を、窓層及び電流拡散層を兼用するクラッド層として利用できる。

一般的なＳＩＭＳ分析手段で、組成勾配層１０８のリン（Ｐ）原子濃度の深さ方向の分布を測定した。その結果、組成勾配層１０８のリン（Ｐ）が、薄膜クラッド層１０４を介して発光層１０３へ多量に拡散している様子は、特に認められなかった。

次に、組成勾配層１０８の上面の中央部に、第１実施例に倣い、直径が約１３０μｍの平面視円形のｎ形オーミック電極１０６を設けた。また、ＧａＡｓ基板１００の裏面の全体には、上記の第１実施例に記載の如く、Ａｕ・Ｂｅ合金からなるｐ形オーミック電極１０７を形成した。ｐ形オーミック電極１０７をなすＡｕ・Ｂｅ合金膜の膜厚は約２μｍとした。

次に、ｎ形オーミック電極１０６を形成するに併せて、基板１００をなす（１００）−ＧａＡｓ単結晶の［１．−１．０］及び［−１．−１．０］結晶方位に平行に格子状に形成した裁断線に沿って、個別のチップに分離、裁断した。これより、一辺を４００μｍとする平面視正方形のＬＥＤチップ２０となした。

ＬＥＤチップ２０のｎ形オーミック電極１０６とｐ形オーミック電極１０７との間に、２０ｍＡの順方向電流を通流したところ、所望する中心波長を６１０ｎｍとする赤橙色の発光が出射された。また、近視野発光像の観察に依り、チップ２０の中央部のｎ形オーミック電極１０６以外の発光領域からの均一な強度の発光がもたらされているのが確認された。
これより、素子駆動電流を発光面に拡散させるために、従来技術のようにクラッド層の平面上に複数の小型のオーミック電極を敢えて設ける煩雑さを要せずとも、本発明に依れば、素子動作電流を発光層１０３に広範囲に均一に拡散させられることが示された。また、一般的な積分球を使用して測定される発光の強度は約４４ｍｃｄに達した。

また、電流拡散層及び窓層を兼ねる組成勾配層１０８では、電流拡散層の表面側から発光層１０３に向けて禁止帯幅を漸次、減少させたため、順方向電流を２０ｍＡとした際の順方向電圧は２．３Ｖの低値に抑えられ、逆方向電流を１０μＡとした際の逆方向電圧は８Ｖであった。

本発明によると、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる発光層を備えた各種発光波長の化合物半導体ＬＥＤとして利用でき、特に高輝度が得られ、表示ディスプレイ用ＬＥＤや、光通信機器等の電子機器用のＬＥＤ等として利用できる。

第１実施例のＬＥＤの断面構造を示す模式図である。 第２実施例のＬＥＤの断面構造を示す模式図である。

符号の説明

１０、２０…ＬＥＤ、１１…積層構造体、１００…ＧａＡｓ基板、１０１…ｐ形緩衝層、１０２…ｐ形下部クラッド層、１０３…ｎ形発光層、１０４…ｎ形上部クラッド層、１０５…電流拡散層、１０６…ｎ形オーミック電極、１０７…ｐ形オーミック電極、１０８…組成勾配層

Claims (9)

1. 組成式Ａｌ _Ｘ Ｇａ _Ｙ Ｉｎ _Ｚ Ｐ（０≦Ｘ、Ｙ、Ｚ≦１、Ｘ＋Ｙ＋Ｚ＝１）で表されるリン化アルミニウム・ガリウム・インジウム混晶からなる発光層と、該発光層上に設けられたＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる電流拡散層と、前記電流拡散層と前記発光層との間に、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなるクラッド層を備えた化合物半導体発光ダイオードにおいて、
   前記電流拡散層が、導電性のリン化硼素系半導体から構成され、
   前記電流拡散層の室温での禁止帯幅が、前記発光層の室温での禁止帯幅よりも大きく、
   前記クラッド層の室温での禁止帯幅が、前記発光層の室温での禁止帯幅よりも大きく、かつ前記電流拡散層の室温での禁止帯幅以下であることを特徴とする化合物半導体発光ダイオード。
2. 前記電流拡散層が、単量体のリン化硼素、組成式Ｂ_αＧａ_γＩｎ_{１−α−γ}Ｐ（０＜α≦１、０≦γ＜１）で表されるリン化硼素・ガリウム・インジウム、組成式ＢＰ_１−δＮ_δ（０≦δ＜１）で表される窒化リン化硼素、組成式Ｂ_αＰ_１−δＡｓ_δで表される砒化リン化硼素から選択された少なくとも一種以上から構成されていることを特徴とする請求項１に記載の化合物半導体発光ダイオード。
3. 前記電流拡散層の室温での禁止帯幅と、前記発光層の室温での禁止帯幅との差が、０．１ｅＶ以上であることを特徴とする請求項１又は２に記載の化合物半導体発光ダイオード。
4. 前記電流拡散層の室温での禁止帯幅が、２．８ｅＶ〜５．０ｅＶであることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の化合物半導体発光ダイオード。
5. 前記電流拡散層は、その室温でのキャリア濃度が１×１０^１９ｃｍ^−３以上であり、抵抗率が５×１０^−２Ω・ｃｍ以下であり、厚さが５０ｎｍ以上、５０００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の化合物半導体発光ダイオード。
6. 前記クラッド層がアルミニウム、ガリウム、及びインジウムを含有するＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体から構成され、
   前記電流拡散層は、アルミニウム、ガリウム、インジウムのうち少なくとも一種以上を含むリン化硼素系半導体から構成されていることを特徴とする請求項１乃至５の何れか１項に記載の化合物半導体発光ダイオード。
7. 前記電流拡散層と前記クラッド層として、リン化硼素系半導体から構成され、組成に勾配を付した組成勾配層が備えられていることを特徴とする請求項１乃至６の何れか１項に記載の化合物半導体発光ダイオード。
8. 前記電流拡散層又は前記クラッド層が、不純物を故意に添加していないアンドープのリン化硼素系半導体から構成されていることを特徴とする請求項１乃至７の何れか１項に記載の化合物半導体発光ダイオード。
9. 前記電流拡散層又は前記組成勾配層には、オーミック接触性の電極が接合されていることを特徴とする請求項１乃至８の何れか１項に記載の化合物半導体発光ダイオード。

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