(57)【要約】【課題】高輝度で、かつ生産性の高い発光ダイオードを提供することを課題とする。【解決手段】少なくともＡｌＧａＩｎＰ発光層および透明電極を有する発光ダイオードであり、透明電極が、III族元素またはその化合物をドープしたＺｎＯ膜であることを特徴とする発光ダイオードにより、上記の課題を解決する。【選択図】  図２
2004200303.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくともＡｌＧａＩｎＰ発光層および透明電極を有する発光ダイオードであり、透明電極が、III族元素またはその化合物をドープしたＺｎＯ膜であることを特徴とする発光ダイオード。
【請求項２】
III族元素またはその化合物が、Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎおよびそれらの化合物から選択される請求項１に記載の発光ダイオード。
【請求項３】
III族元素またはその化合物のドープ量が、ＺｎＯに対して１〜１０重量％である請求項１または２に記載の発光ダイオード。
【請求項４】
ＺｎＯ膜が、III族元素以外の遷移元素またはその化合物をさらにドープされてなる請求項１〜３のいずれか１つに記載の発光ダイオード。
【請求項５】
発光ダイオードが、ＡｌＧａＩｎＰ発光層と透明電極との間にコンタクト層を有し、コンタクト層が、ＧａＰ膜、ＩｎＧａＰ膜およびＡｌ混晶比（ｘ）とＩｎ混晶比（１−ｙ）がそれぞれ０．０５以下である（ＡｌxＧａ1-x）yＩｎ1-yＰ膜から選択される請求項１〜４のいずれか１つに記載の発光ダイオード。
【請求項６】
コンタクト層の膜厚が、１００〜５００Åである請求項５に記載の発光ダイオード。
【請求項７】
コンタクト層の膜厚が、２００〜３００Åである請求項６に記載の発光ダイオード。
【請求項８】
発光ダイオードが、コンタクト層の一部に積層された逆導電型の電流ブロック層を有する請求項５〜７のいずれか１つに記載の発光ダイオード。
【請求項９】
発光ダイオードが、コンタクト層の一部にショットキーコンタクトする金属電極を有する請求項５〜８のいずれか１つに記載の発光ダイオード。
【請求項１０】
発光ダイオードが、アニールにより接触抵抗を低減した透明電極とコンタクト層とを有する請求項５〜９のいずれか１つに記載の発光ダイオード。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、表示装置などに広く用いられる、少なくともＡｌＧａＩｎＰ発光層および透明電極を有する発光ダイオードに関する。
【０００２】
【従来の技術】
発光ダイオードは、例えば、表示装置や光ファイバ通信装置などの素子として広く用いられている。一般に、発光ダイオードは、発光効率や応答特性に優れた高輝度（高出力）ものが求められている。さらに近年では、発光ダイオードを搭載した製品の低価格化が進み、その部品である発光ダイオードもコストダウンが求められている。
【０００３】
表示素子として用いられる発光ダイオードは、高輝度に加えて、発光色の多彩性も求められる。そこで、発光層の構成材料としてＡｌＧａＩｎＰを用いた素子は、その組成比によって緑色から赤色までの発光が得られるため、広く用いられている。また、材料面だけでなく、さらに高輝度の素子を得るために、様々な素子構造のものが開発されている。
【０００４】
図１は、従来の発光ダイオードの一例を示す概略断面図である。この発光ダイオードは、裏面に下層電極１１２を有する第１導電型基板１１上に、第１導電型バッファ層１２、第１導電型ＤＢＲ（Distributed Bragg Reflector）層１３、第１導電型クラッド層１４、第２導電型発光層（「活性層」ともいう）１５、第２導電型クラッド層１６、透明電極用第２導電型第１コンタクト層（吸収性のＧａＡｓ）１７、第１導電型電流ブロック層１８、第２コンタクト層（Ｚｎ層）１９、透明電極（ＩＴＯ膜）１１０およびワイヤボンディング用電極（「ボンディングパッド」ともいう）１１１が順次積層されてなる。そして、この発光ダイオードは、第２導電型発光層１５をダブルへテロ構造とすることにより発光効率を向上させ、第１導電型電流ブロック層１８を設けることにより発光がボンディングパッドで吸収されることを防止し、透明電極１１０を素子の全面に設けることにより電流の拡散を良好にし、電流集中による発光効率の低下を防止している（例えば、特許文献１および特許文献２参照）。
【０００５】
【特許文献１】
特開平１１-４０２０号公報
【特許文献２】
特許第３０８４３６４号明細書
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の従来技術では、透明電極用第２導電型コンタクト層に吸収性のＧａＡｓを用いているので、発光出力が低下してしまうという問題がある。また、ＩＴＯ膜形成には基板を加熱する必要があり、その成膜速度が遅いので、製造に時間とコストが掛かるという問題がある。
【０００７】
そこで、本発明は、高輝度で、かつ生産性の高い発光ダイオードを提供することを課題とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記の課題を解決するために鋭意検討を重ねた結果、少なくともＡｌＧａＩｎＰ発光層および透明電極を有する発光ダイオードにおいて、透明電極を、III族元素またはその化合物をドープしたＺｎＯ膜とすることにより、素子として安定した低抵抗率が得られ、高輝度で、かつ生産性の高い発光ダイオードを提供できることを見出し、本発明を完成するに到った。
【０００９】
かくして、本発明によれば、少なくともＡｌＧａＩｎＰ発光層および透明電極を有する発光ダイオードであり、透明電極が、III族元素またはその化合物をドープしたＺｎＯ膜であることを特徴とする発光ダイオードが提供される。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明の発光ダイオードは、少なくともＡｌＧａＩｎＰ発光層および透明電極を有する発光ダイオードであり、透明電極が、III族元素またはその化合物をドープしたＺｎＯ膜であることを特徴とする。
【００１１】
以下、本発明の発光ダイオードの構成およびその製造方法を、実施形態１〜３に基づいて具体的に説明するが、これらの説明により本発明が限定されるものではない。
【００１２】
実施形態１
図２は、本発明の発光ダイオード（実施形態１）の模式図であり、（ａ）は製造途中の概略断面図、（ｂ）は完成した素子の概略断面図である。図中の図番は、２１は第１導電型基板、２２は第１導電型バッファ層、２３は第１導電型ＤＢＲ層、２４は第１導電型クラッド層、２５は第２導電型発光層、２６は第２導電型クラッド層、２７は透明電極用第２導電型コンタクト層、２８は第１導電型電流ブロック層、２１０は透明電極、２１１はワイヤボンディング用電極、２１２は下層電極を示す。
【００１３】
実施形態１の発光ダイオードは次のようにして製造することができる。
まず、ＭＯＣＶＤ（有機金属気相成長）法などの公知の方法により、ｎ型ＧａＡｓ基板２１上に、ｎ型ＧａＡｓバッファ層２２、反射膜としてのｎ型ＤＢＲ膜２３、ｎ型ＡｌＩｎＰ第１クラッド層２４、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰ発光層２５、ｐ型ＡｌＩｎＰ第２クラッド層２６、ｐ型ＧａＰコンタクト層２７およびｎ型ＧａＰ電流ブロック層２８を順次形成する（図２（ａ）参照）。
【００１４】
第１導電型基板２１としては、特に限定されないが、（１００）面から＜０１１＞方向に１５°傾斜した面方位を有するｎ型ＧａＡｓ基板が特に好ましい。
また、各形成膜の膜厚は、発光ダイオードの構成により適宜設定すればよく、例えば、上記の実施形態１では、ｎ型ＧａＡｓバッファ層２２が０．５μｍ、ｎ型ＤＢＲ膜２３が０．１μｍ、ｎ型ＡｌＩｎＰ第１クラッド層２４が１μｍ、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰ発光層２５が１μｍ、ｐ型ＡｌＩｎＰ第２クラッド層２６が１μｍ、ｐ型ＧａＰコンタクト層２７が３００Å、ｎ型ＧａＰ電流ブロック層２８が３００Åである。
【００１５】
次に、フォトエッチングなどの公知の方法により、ｎ型ＧａＰ電流ブロック層２８をパターニングした後、スパッタ法などの公知の方法により、第１導電型透明電極２１０として膜厚０．１〜０．２μｍ程度のＺｎＯ膜を形成し、その上に蒸着法などの公知の方法により、膜厚０．５〜１．０μｍ程度のＡｕを蒸着し、これをフォトエッチングなどの公知の方法によりパターニングして、ワイヤボンディング用電極２１１を得る。
また、バックグラインドなどの公知の方法により、第１導電型基板２１を厚さ１００μｍ程度に研磨した後、蒸着法などの公知の方法により、ｎ側電極２１２として膜厚０．１〜０．５μｍ程度のＡｕＧｅ膜を形成し、基板をスクライブして分割し、図２（ｂ）のような素子を得る。
【００１６】
本発明の発光ダイオードの透明電極は、III族元素またはその化合物をドープしたＺｎＯ膜であり、このような構成により、素子として安定した低抵抗率が得られ、高輝度で、かつ生産性の高い発光ダイオードを提供することができる。
III族元素またはその化合物は、Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎおよびそれらの化合物から選択されるのが好ましい。このような構成により、透明電極がより安定した低抵抗になるので好ましい。
また、III族元素またはその化合物のドープ量は、ＺｎＯに対して１〜１０重量％であるのが好ましい。このような構成により、透明電極がより安定した低抵抗になるので好ましい。
【００１７】
ドープ方法としては、透明電極の形成方法にもよるが、例えば、ＺｎＯとIII族元素の金属粉末またはその酸化物との混合物の圧粉体をスパッタリングターゲットとする方法が挙げられる。また、複合酸化物の形態であってもよい。
上記の実施形態１では、第１導電型透明電極２１０のＺｎＯ膜に、III族元素またはその化合物として、ＺｎＯに対して５．７重量％のＧａ2Ｏ3をドープすることにより良好な結果が得られている。
【００１８】
本発明の発光ダイオードは、実施形態１のように、ＡｌＧａＩｎＰ発光層と透明電極との間にコンタクト層を有するのが好ましく、コンタクト層は、ＧａＰ膜、ＩｎＧａＰ膜およびＡｌ混晶比（ｘ）とＩｎ混晶比（１−ｙ）がそれぞれ０．０５以下である（ＡｌxＧａ1-x）yＩｎ1-yＰ膜から選択されるのが好ましい。このような構成により、素子として良好なコンタクトが得られる。前記の例示化合物の中でも、ＧａＰ膜は透明である。ＺｎＯ膜は常温での成膜が可能で、成膜速度が早く、しかもＩＴＯ膜より安価であることから、特に好ましい。
コンタクト層には、Ｚｎが１０18〜１０19ｃｍ-3程度ドープされているのが透明電極との接触抵抗の低減の点で好ましい。上記の実施形態１では、コンタクト層のＧａＰ膜にＺｎを１０19ｃｍ-3と高ドープしているが、膜厚が３００Åと薄いために発光層へのＺｎ拡散は抑制され、発光への悪影響はない。
【００１９】
また、透明電極のＺｎがコンタクト層に拡散して、コンタクト層がｐ型高濃度になるので、これらの接触抵抗をさらに低減させることができるので好ましい。図５は、本発明の発光ダイオードの透明電極とコンタクト層のバンド図である。図５に示すように、第１導電型の透明電極から第２導電型のコンタクト層に正孔がトンネル効果によって流れる。
【００２０】
コンタクト層の膜厚は、好ましくは１００〜５００Åであり、より好ましくは２００〜３００Åである。コンタクト層の膜厚が上記の範囲であれば、発光特性に影響して発光効率を低下させる、コンタクト層から下層へのドーパント拡散を抑えることができる。
【００２１】
本発明の発光ダイオードは、コンタクト層の一部に積層された逆導電型の電流ブロック層を有するのが好ましい。このような構成により、発光が後述するボンディング用電極に遮られることがないようにできる。
ワイヤボンディング用電極は電流ブロック層より一回り小さいため、発光がワイヤボンディング用電極に吸収されずに高効率で取り出すことができる。
【００２２】
本発明の発光ダイオードは、コンタクト層の一部にショットキーコンタクトする金属電極（ワイヤボンディング用電極）を有するのが好ましい。このような構成により、ワイヤボンディング用電極下での発光を抑えることができる。
【００２３】
本発明の発光ダイオードは、アニールにより接触抵抗を低減した透明電極とコンタクト層とを有するのが好ましい。すなわち、アニールにより、透明電極のＺｎやドープしたIII族元素がコンタクト層に拡散し、コンタクト層のキャリア濃度が上昇し、接触抵抗が低減されるので、透明電極とコンタクト層とのコンタクトをより良好にすることができる。また，コンタクト層形成時のドーパントの量を減らすことができ、下層へのドーパント拡散を抑制できる。
アニールは、透明電極形成後、例えば、真空中または窒素雰囲気で５００℃、３０分以上の条件で行うことができる。
【００２４】
実施形態２
図３は、本発明の発光ダイオード（実施形態２）の模式図であり、（ａ）は製造途中の概略断面図、（ｂ）は完成した素子の概略断面図である。図中の図番は、３１は第１導電型基板、３２は第１導電型バッファ層、３３は第１導電型ＤＢＲ層、３４は第１導電型クラッド層、３５は第２導電型発光層、３６は第２導電型クラッド層、３７は透明電極用第２導電型コンタクト層、３１０は第１導電型透明電極、３１１はワイヤボンディング用電極、３１２は下層電極を示す。
【００２５】
実施形態２の発光ダイオードは次のようにして製造することができる。
まず、ＭＯＣＶＤ（有機金属気相成長）法などの公知の方法により、ｎ型ＧａＡｓ基板３１上に、ｎ型ＧａＡｓバッファ層３２、反射膜としてのｎ型ＤＢＲ膜３３、ｎ型ＡｌＩｎＰ第１クラッド層３４、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰ発光層３５、ｐ型ＡｌＩｎＰ第２クラッド層３６およびｐ型ＧａＰコンタクト層３７を順次形成する（図３（ａ）参照）。
【００２６】
次に、スパッタ法などの公知の方法により、第１導電型透明電極３１０として膜厚０．１〜０．２μｍ程度のＺｎＯ膜を形成し、パターニングによって透明電極用第２導電型コンタクト層３７を露出させ、その上に蒸着法などの公知の方法により、膜厚０．５〜１．０μｍ程度のＡｕを蒸着し、これをフォトエッチングなどの公知の方法によりパターニングして、ワイヤボンディング用電極３１１を得る。
また、バックグラインドなどの公知の方法により、第１導電型基板２１を厚さ１００μｍ程度に研磨した後、蒸着法などの公知の方法により、ｎ側電極３１２として膜厚０．１〜０．５μｍ程度のＡｕＧｅ膜を形成し、基板をスクライブして分割し，図３（ｂ）のような素子を得る。
【００２７】
本発明の発光ダイオードの透明電極は、III族元素またはその化合物をドープされ、III族元素以外の遷移元素またはその化合物をさらにドープされてなるのが好ましい。このような構成により、化学的特性の制御性が向上し、透明電極のパターニングが容易になり、かつより光吸収が少なくなり、発光効率が向上する。すなわち、低抵抗率を維持したまま酸、アルカリに対する耐性が大きくなり、エッチングが早すぎて制御性が悪いという問題点が改善され安定してパターンを形成することができる。
【００２８】
III族元素以外の遷移元素またはその化合物としては、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｖおよびそれらの化合物から選択されるのが好ましい。
また、III族元素以外の遷移元素またはその化合物のドープ量は、ＺｎＯに対して１〜５重量％であるのが好ましい。
上記の実施形態２では、第１導電型透明電極３１０のＺｎＯ膜に、III族元素またはその化合物として、ＺｎＯに対して５.７重量％のＧａ2Ｏ3と、ＺｎＯに対して３.０重量％のＣｒＯ2とをドープすることにより良好な結果が得られている。
【００２９】
ワイヤボンディング用電極は、透明電極のＺｎＯ膜とはオーミックコンタクト、ＧａＰコンタクト層とはショットキーコンタクトとなり、ワイヤボンディング用電極下に電流が流れないため，ワイヤボンディング用電極に吸収される発光を低減し発光効率を高くすることができる。
【００３０】
実施形態３
図２は、本発明の発光ダイオード（実施形態３）の模式図であり、（ａ）は製造途中の概略断面図、（ｂ）は完成した素子の概略断面図である。図中の図番は、４０は第２導電型基板、４２は第１導電型バッファ層、４７は透明電極用第２導電型コンタクト層、４６は第２導電型クラッド層、４５は第２導電型発光層、４４は第１導電型クラッド層、４１３は直接接合用第１導電型コンタクト層、４１は第１導電型基板、４１０は第１導電型透明電極、４１１はワイヤボンディング用電極、４１２は下層電極、４１４は保護膜を示す。
【００３１】
実施形態３の発光ダイオードは次のようにして製造することができる。
まず、ＭＯＣＶＤ（有機金属気相成長）法などの公知の方法により、ｐ型ＧａＡｓ基板４０上に、ｐ型ＧａＡｓバッファ層４２、ｐ型ＩｎＧａＰコンタクト層４７、ｐ型ＡｌＩｎＰ第２クラッド層４６、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰ発光層４５、ｎ型ＡｌＩｎＰ第１クラッド層４４、ｎ型ＧａＰコンタクト層４１３を順次形成する（図４（ａ）参照）。
【００３２】
次に、高温高圧による直接接合法などの公知の方法により、得られた積層体のｎ型ＧａＰコンタクト層４１３とｎ型ＧａＰ基板４１を直接接合した後、エッチングなどの公知の方法により、ｐ型ＧａＡｓ基板４０とｐ型ＧａＡｓバッファ層４２を除去する。次いで、スパッタ法などの公知の方法により、第１導電型透明電極４１０として膜厚０．１〜０．２μｍ程度のＺｎＯ膜（ＺｎＯに対して５．７重量％のＧａ2Ｏ3と、ＺｎＯに対して３．０重量％のＣｒＯ2とをドープ）を形成し、その上に蒸着法などの公知の方法により、膜厚０．５〜１．０μｍ程度のＡｕを蒸着し、これをフォトエッチングなどの公知の方法によりパターニングして、ワイヤボンディング用電極４１１を得る。ついで、透明電極の上にスパッタ法などの公知の方法により、ＳｉＯ2膜４１４を形成する。
また、蒸着法などの公知の方法により、ｎ側電極２１２として膜厚０．１〜０．５μｍ程度のＡｕＧｅ膜を形成し、基板をスクライブして分割し、図４（ｂ）のような素子を得る。
【００３３】
ＧａＰ基板４１は、ＡｌＧａＩｎＰ発光層４５の発光に対して透明なので、第１導電型透明電極４１０側だけでなく、ＧａＰ基板４１側へも発光を取り出すことができ、このような構成の発光ダイオードはより高い発光効率が得られる。
また、第１導電型透明電極透明電極４１０上に保護膜を設けることで、耐湿性などの点で素子としての信頼性が向上する。保護膜は、ＳｉＯ2に限らずＴｉＯ2、ＩＴＯなど耐湿性の強い膜を用いれば同様の効果を得ることができる。
【００３４】
【発明の効果】
本発明によれば、高輝度で、かつ生産性の高い発光ダイオードを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の発光ダイオードの一例を示す概略断面図である。
【図２】本発明の発光ダイオード（実施形態１）の模式図、（ａ）製造途中の概略断面図および（ｂ）完成した素子の概略断面図である。
【図３】本発明の発光ダイオード（実施形態２）の模式図、（ａ）製造途中の概略断面図および（ｂ）完成した素子の概略断面図である。
【図４】本発明の発光ダイオード（実施形態３）の模式図、（ａ）製造途中の概略断面図および（ｂ）完成した素子の概略断面図である。
【図５】本発明の発光ダイオードの第１導電型透明電極とコンタクト層のバンド図である。
【符号の説明】
１１、２１、３１  第１導電型基板（ｎ型ＧａＡｓ基板）
１２、２２、３２  第１導電型バッファ層（ｎ型ＧａＡｓバッファ層）
１３、２３、３３  第１導電型ＤＢＲ層（ｎ型ＤＢＲ層）
１４、２４、３４、４４  第１導電型クラッド層（ｎ型ＡｌＩｎＰ第１クラッド層）
１５、２５、３５、４５  第２導電型発光層（ｐ型ＡｌＧａＩｎＰ発光層）
１６、２６、３６、４６  第２導電型クラッド層（ｐ型ＡｌＩｎＰ第２クラッド層）
１７  透明電極用第２導電型第１コンタクト層（吸収性のＧａＡｓ）
１８、２８  第１導電型電流ブロック層（ｎ型Ｇａｐ電流ブロック層）
１９  第２コンタクト層（Ｚｎ層）
２７、４７  透明電極用第２導電型コンタクト層（ｐ型ＧａＰコンタクト層）
３７  透明電極用第２導電型コンタクト層（ｐ型ＧａＩｎＰコンタクト層）
４０  第２導電型基板（ｐ型ＧａＡｓ基板）
４１  第１導電型基板（ｎ型ＧａＰ基板）
４２  第２導電型バッファ層（ｐ型ＧａＡｓバッファ層）
１１０  第１導電型透明電極（ＩＴＯ膜）
１１１、２１１、３１１、４１１  ワイヤボンディング用電極
１１２、２１２、３１２、４１２  下層電極（ｎ側電極）
２１０、３１０、４１０  第１導電型透明電極（ＺｎＯ膜）
４１３  直接接合用第１導電型コンタクト層（ｎ型ＧａＰコンタクト層）
４１４  保護膜（ＳｉＯ2膜）
【図１】
2004200303.tif 000003
【図２】
2004200303.tif 000004
【図３】
2004200303.tif 000005
【図４】
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【図５】
2004200303.tif 000007