JPH04199886A

JPH04199886A - 発光ダイオード

Info

Publication number: JPH04199886A
Application number: JP2335905A
Authority: JP
Inventors: Tsuneo Mitsuyu; 常男三露; Kazuhiro Okawa; 和宏大川
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1990-11-29
Filing date: 1990-11-29
Publication date: 1992-07-21

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明は発光ダイオードに関するものである。

特に本発明は硫化亜鉛半導体を用いた青色発光ダイオー
ドの構造に関するものである。

［従来の技術］硫化亜鉛（ＺｎＳ）は約３．５電子ボルトの禁制帯幅を
有する直接遷移型半導体であるため、青色発光ダイオー
ドの材料として好適である。しかしながら、このＺｎＳ
は良質の大型単結晶を得ることが困難である。そのため
従来、第３図に示すような砒化ガリウム（ＧａＡｓ）単
結晶基板上に成長させた薄膜結晶を用いた発光ダイオー
ドが考案されていた。

同図において８はＧａＡｓ単結晶基板、２はｎ型ＺｎＳ
層、３は絶縁性ＺｎＳ層、４は非オーム性金属電極層、
５はオーム性電極である。

この素子の両電極間に、非オーム性金属電極層４か正と
なるような電圧を印加すると、ｎ型Ｚｎ８層２内に正孔
が注入され、これが電子と再結合して青色の発光が生じ
る。

［発明か解決しようとする課題］上記のような従来の発光ダイオードでは、基板８にＧａ
Ａｓを用いているが、ＧａＡｓは可視光に対し不透明で
あるため、ｎ型Ｚｎ８層２で発生した青色光は、かなり
の部分が基板８に吸収されてしまう欠点があった。また
表面側に出てくる光も、電極層４を通して取り出される
ため、電極層４を可能なかぎり薄くしても、かなりの減
衰は避けられないと言う欠点があった。

このように、従来の発光ダイオードの構造では外部に取
り出し得る光量か少なく、実効的な発光効率が低いとい
う問題点かあり、これを解決することが課題となってい
た。

本発明は、発生した光を減衰することなく有効に取り出
すことが可能で、その結果、実効的に高効率の発光ダイ
オードを提供することを目的とするものである。

［課題を解決するための手段］本発明は上記の課題を解決するため、次の構成を有する
。

（１）酸化アルミニウム単結晶の（０１１２）面または
（ＯＯ０１）面基板上に、順次、酸化亜鉛のエピタキシ
ャル成長層、ｎ型硫化亜鉛のエピタキシャル成長層、絶
縁性硫化亜鉛のエピタキシャル成長層が積層されており
、前記絶縁性硫化亜鉛のエピタキシャル成長層の表面に
非オーム性金属電極層を、また、前記ｎ型硫化亜鉛のエ
ピタキシャル成長層にオーム性電極を設けてなる発光ダ
イオード。

（２）酸化アルミニウム単結晶の（Ｑ　１１２）面ま゛
たは（０００１）面基板上に、順次、ｎ型酸化亜鉛のエ
ピタキシャル成長層、ｎ型硫化化亜鉛のエピタキシャル
成長層、絶縁性硫化亜鉛のエピタキシャル成長層が積層
されており、前記絶縁性硫化亜鉛のエピタキシャル成長
層の表面に非オーム性金属電極層を、また、前記ｎ型酸
化亜鉛のエピタキシャル成長層にオーム性電極を設けて
なる発光ダイオード。

［作　用］本発明においては、前記構成に示されるごとく、基板材
料に可視光に対し透明な酸化アルミニウムの単結晶を用
い、かつその（０１１２）面または（０００１）面上に
、酸化亜鉛または、ｎ型酸化亜鉛のエピタキシャル成長
層を介在させたので、良好な結晶性を有する硫化亜鉛の
エピタキシャル成長層を形成することができ、発生した
光を減衰させることなく基板側に取り出し、実効的な発
光効率を高めることができる。

［実施例］以下、図面にもとすいて、本発明の詳細な説明する。

第１図は本発明の一実施例の発光ダイオードの構造を示
す断面図である。

同図で１は酸化アルミニウム（Ａ１２０３）の単結晶す
なわちサファイアからなる基板である。

また、２はｎ型ＺｎＳ層、３は絶縁性ＺｎＳ層、４は非
オーム性金属電極層であり、第３図に示した従来例と同
様の機能をはたす。本発明ではＡｌ２Ｏ３が基板に用い
られているが、このＡｌ２Ｏ、は三方晶系の結晶構造を
有している。これに一対し、ＺｎＳは立方晶系または六
方晶系の結晶構造を有し、Ａ　Ｉ　２０３とは異なって
いると共に構成元素も共通するものがない。このため、
Ａ　１２０３基板の上に良好な結晶性を有するＺｎＳ層
を直接エピタキシャル成長させることは困難であった。

ところか、基板の結晶方位を適切に選ぶと共にＺｎＳ層
との間に酸化亜鉛（ＺｎＯ）の層（第１図中の６）を介
在させると良好なＺｎＳのエピタキシャル成長層が形成
可能となることを見いだした。

すなわち、Ａｌ２Ｏ３基板の面方位を（０１−１２）と
すると、その上に（１１２０）面のＺｎＯ層がエピタキ
シャル成長し、さらにその上に（１００）面の立方晶系
ＺｎＳがエピタキシャル成長可能となる。

また、Ａ　Ｉ　２’　Ｏａ基板の面方位を（０００１）
とすると、その上に（０００１）面のＺｎＯ層がエピタ
キシャル成長し、さらにその上に（０００１）面の六方
晶系のＺｎＳがエピタキシャル成長可能となる。

これは、それぞれの場合において、Ａ　Ｉ　２０３とＺ
ｎ○の酸素原子の配置およびＺｎＯとＺｎＳの亜鉛原子
の配置か類似しているためと思われる。

なお、このようなエピタキシャル成長の方法としては、
ＺｎＯについてはスパッタ法や各種の化学的気相成長（
ＣＶＤ）法などが好適である。またＺｎＳについては、
分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法や有機金属原料を使用
するＣＶＤ法（Ｍ　０ＣＶＤ法）が好適である。特にＭ
ＯＣＶＤ法は、同一装置でＺｎＯとＺｎＳを連続的に成
長させることが可能であり、最も好適である。

上述のエピタキシャル成長の方法としては、それぞれ公
知の条件の中から、適宜ふされしい条件を適用すればよ
く、例えは、ＺｎＯについてスパッタ法を採用する場合
は、ターゲットにＺｎＯの焼結体を用い、１０　〜１Ｏ
−２Ｔｏｒｒ、基板温度１００〜３００°Ｃの条件が適
用できる。ＺｎＯを化学的気相成長（ＣＶＤ）法で析出
させるには、例えば、原料ガスとしてジメチル亜鉛と酸
素ガスを用い、５０Ｔｏｒｒ〜常圧、基板温度３００〜
８００℃などの条件が適用できる。またＺｎＳを分子線
エピタキシー（ＭＢＥ）法で生成させるには、例えば、
分子線源としてＺｎと硫黄を用い、１０〜１０　　　Ｔ
ｏｒｒの高真空にして、基板温度２００〜４００℃で行
うことができる。ＺｎＳをＣＶＤ法（ＭＯＣＶＤ法）で
生成させるには、例えば、原料ガスとしてジメチル亜鉛
と硫化水素を用い、５０Ｔｏｒｒ〜常圧で、基板温度３
００〜５００℃で行うことができる。また、特にＭＯＣ
ＶＤ法を用いて、同一装置でＺｎＯとＺｎＳを連続的に
成長させるには、上述したＺｎＯの化学的気相成長法の
条件でＺｎＯを析出させ、次いで上記した、ＺｎＳのＣ
ＶＤ法で述べた条件でＺｎＳを析出させることかできる
。

酸化アルミニウム単結晶基板の厚さは特に制限はないが
、通常０．３〜１ｍｍ程度である。

ＺｎＯ層ならびにｎ型ＺｎＯ層の厚さは通常０゜１〜１
０μｍ程度であり、また、ｎ型ＺｎＳ層の厚さは通常Ｏ
１５〜５μｍ程度であり、絶縁性ＺｎＳ層の厚さは通常
２００〜２０００オングストロ一ム程度が好ましい。

非オーム性電極としては特に制限はないか、金、白金、
銀などがあげられる。また、オーム性電極としては、例
えば、ＡＩ、Ｉｎ、Ｇａなどかあげられる。

本発明の場合、基板に使用するＡ　Ｉ　２０３は絶縁体
であるため、オーム性電極５は従来例のように基板裏面
に設けることはできない。このため、本実施例では第１
図に示すように、ｎ型Ｚｎ３層２に直接設けられる。

以上に述べた発光ダイオードの基本的な動作は従来例と
同様である。すなわち非オーム性金属電極４とオーム性
電極５の間に、非オーム性金属電極層側か正となるよう
な電圧を印加すると、ｎ型Ｚｎ３層２内に正孔が注入さ
れ、これが電子と再結合して青色の発光か生じる。

本発明の場合、Ａｌ２Ｏ３単結晶基板１とＺｎ０層６は
何れも可視光に対して透明であるため、発生した光は減
衰することなく基板裏面から取り出される。また発生し
た光のうち非オーム性金属電極側にむかう成分も、電極
層４を充分に厚くしておけば完全に反射して基板裏面か
ら取り出されることになる。この結果、実効的な発光効
率は著しく向上し、従来例の２倍以上の高効率が得られ
る。

第２図は本発明の他の実施例の発光ダイオードの構造を
示す断面図である。本実施例はオーム性電極５がｎ型Ｚ
ｎ０層７に設けられている点が前実施例と異なり、他は
同様である。ただし本実施例の場合はＺｎＯ層をｎ型の
導電性を持つものにする必要かある。このようなｎ型Ｚ
ｎＯ層は、成長時の酸素分圧を適切に制御したり（酸素
分圧を低めにする。）、ＡＩやＩｎなどの不純物を添加
したりすることにより容易に得ることができる。

本実施例の場合、オーム性電極５はｎ型Ｚｎ０層７を介
してｎ型Ｚｎ３層２に電気的に接続されており、前実施
例と全く同様の作用・効果が得られる。なお、本実施例
における各層の厚さなどは、ｎ型Ｚｎ０層７が前記実施
例のＺｎ０層６に匹敵し、他の層も前記実施例と同一の
範囲が適用できる。

［発明の効果］以上述べてきたように、本発明によれば発生した光を減
衰することなく基板裏面から有効に取り出すことが可能
となる。その結果、実効的に高効率のＺｎＳ青色発光ダ
イオードが実現でき、実用的に極めて有用である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の発光ダイオードの構造を示
す断面図、第２図は本発明の他の実施例の発光ダイオー
ドの構造を示す断面図、第３図は従来の発光ダイオード
の構造を示す断面図である。１・・・Ａ　’１２０　ａ単結晶基板、２・・・ｎ型Ｚ
ｎＳ層、３・・・絶縁性ＺｎＳ層、４・・・非オーム性
金属電極層、５・・・オーム性電極、６・・・ＺｎＯ層
、７・・・ｎ型ＺｎＯ層、８・・・ＧａＡｓ単結晶基板
。代理人の氏名　弁理士　池内寛幸　はか１名第２図第３図

Claims

【特許請求の範囲】

（１）酸化アルミニウム単結晶の（０１１２）面または
（０００１）面基板上に、順次、酸化亜鉛のエピタキシ
ャル成長層、ｎ型硫化亜鉛のエピタキシャル成長層、絶
縁性硫化亜鉛のエピタキシャル成長層が積層されており
、前記絶縁性硫化亜鉛のエピタキシャル成長層の表面に
非オーム性金属電極層を、また、前記ｎ型硫化亜鉛のエ
ピタキシャル成長層にオーム性電極を設けてなる発光ダ
イオード。
（２）酸化アルミニウム単結晶の（０１１２）面または
（０００１）基板上に、順次、ｎ型酸化亜鉛のエピタキ
シャル成長層、ｎ型硫化化亜鉛のエピタキシャル成長層
、絶縁性硫化亜鉛のエピタキシャル成長層が積層されて
おり、前記絶縁性硫化亜鉛のエピタキシャル成長層の表
面に非オーム性金属電極層を、また、前記ｎ型酸化亜鉛
のエピタキシャル成長層にオーム性電極を設けてなる発
光ダイオード。