JP2004282006A - デュアルドーパント接触層を有する発光ダイオード - Google Patents

Abstract

【課題】 デュアルドーパント接触層を有する発光ダイオードに関する。
【解決手段】 この発光ダイオードは、基板、基板上に形成された発光積層構造物、発光積層構造物上に形成されたデュアルドーパント接触層、及びデュアルドーパント接触層上に形成された透過導電性酸化層を有している。このデュアルドーパント接触層は、製作された後に、複数のｐ型及びｎ型ドーパントを有している。
【選択図】 図１

Description

本発明は発光ダイオード（ＬＥＤ）に関する。特に、本発明は、デュアルドーパント接触層を有するＬＥＤを開示している。

発光ダイオード（ＬＥＤ）は種々の分野に広く使用されている。例えば、発光ダイオードは、光学ディスプレイ装置、信号機、データ保存装置、通信装置、照射装置、及び医療用機器などに導入可能である。現在、当業者にとっての重要な問題点は、ＬＥＤの電気的特性及び輝度を向上させることである。ｐ型接触層上に形成している薄ニッケル金（Ｎｉ／Ａｕ）透過性金属層を有するＬＥＤ構造物は、ＬＥＤから放射された光量が増加されており、特許文献１に開示されている。しかしながら、上述の金属材料で製造された透過性金属層は、６０から７０％の範囲の透過率を有するのみである。通常１０ｎｍの厚みを有するがゆえ、ＬＥＤの発光効率に影響するばかりでなく、良好な電流伝播を供することができない。

上述の問題を解決すべく、高濃度のキャリアを有するｐ型接触層上に形成された透過導電性酸化層を有するＬＥＤは、特許文献２に開示されている。この透過導電性酸化層は高い透過率を有するがゆえ、良好な電流伝播性を供すべく、より厚くてもよい。したがって、このＬＥＤの輝度は、発光特性の向上により増加させることができる。しかしながら、ｐ型接触層のキャリア濃度は、この透過導電性酸化層上に良好なオーム接触を形成すべく、５×１０^１８ｃｍ^−３以上であることが必要である。しかしながら、先行技術における半導体工程に関し、高濃度のキャリアを有するｐ型接触層は、製造が容易ではない。ｐ型のドープされた層は、一般的により多くの欠陥を有し、かつ水素原子はこのｐ型のドープされた層の形成に影響を与えることは公知である。高濃度でのキャリアは、ｐ型のドーパントが多量に埋め込まれている場合であっても、得ることが困難である。この技術は、ＬＥＤから放射された光の強度を増加することが可能であるが、このｐ型接触層と透過導電性酸化層との間の接触抵抗は、ＬＥＤの順方向バイアス電流が、逆行的にＬＥＤの電気的特性に影響を与えるほど高いものである。

ｎ^＋型リバースタネリング接触層は、本発明と同一の代理人が指定された特許文献３に開示されている。このｎ^＋型リバースタネリング接触層は、透過性電極層と半導体発光層との間に配置され、透過性電極層と半導体発光層とが関連付けされたオーム接触を形成すべく、タネリング機構を利用している。上述のＰ型接触層とは異なり、高濃度のキャリアを有するこのｎ^＋型リバースタネリング接触層は、ＬＥＤの製造に関する困難性を減弱させるべく利用されている。
米国特許第５、５６３、４２２号明細書 米国特許第６、０７８、０６４号明細書 台湾特許第１４４４１５号明細書

しかしながら、このｎ^＋型リバースタネリング接触層は、厚みとｎ型キャリアの濃度に対して感受性を有している。ｎ型キャリアの濃度が低すぎるか、あるいはｎ^＋型リバースタネリング接触層が薄すぎると、このタネリング機構はブロックされてしまう。したがって、ｎ^＋型リバースタネリング接触層の形成は、厳密に制御する必要がある。

したがって、本発明の目的は、デュアルドーパント接触層を有する発光ダイオード（ＬＥＤ）を供することであり、ここでこの接触層は、高濃度のキャリアを設けることを必要としていない。

簡単にまとめると、本発明における第１の好適実施例は、絶縁基板、この絶縁基板上に形成された緩衝層、この緩衝層上に形成されたｎ型接触層、ｎ型接触層上に形成された量子井戸発光層、量子井戸発光層上に形成されたｐ型接触層、ｐ型接触層上に形成されたデュアルドーパント接触層、デュアルドーパント接触層上に形成された透過導電性酸化層、及び透過導電性酸化層上に形成されたｐ型電極を有する発光装置（ＬＥＤ）を開示している。

本発明の利点は、デュアルドーパント接触層が、透過導電性酸化層と本願ＬＥＤの積層半導体層との間に配置されていることである。ｐ型キャリアとｎ型キャリアがこのデュアルドーパント層に共存していることにより、透過導電性酸化層とＬＥＤの積層半導体層との間のオーム接触に関連付けされた抵抗は減弱される。デュアルドーパント層は、ｐ型キャリア及びｎ型キャリアを有し、導電性キャリアは、本願ＬＥＤが順方向バイアス電流によって出力された際、透過導電性酸化層とｐ型被覆層との間で伝導される。総括すると、本願のＬＥＤは、順方向バイアス電流を顕著に増加させ製造することなく、発光強度を大幅に増加することが可能である。

総括すると、本願のＬＥＤは、順方向バイアス電流を顕著に増加させ製造することなく、発光強度を大幅に増加することが可能である。

図１を参照すると、本発明における第１の実施例に従い、発光ダイオード１０に関する構造図を示している。ＬＥＤ１０から放出される光の波長は４６８ｎｍである。ＬＥＤ１０は、サファイア製（Ａｌ_２Ｏ_３）の絶縁基板１２、絶縁基板１２上に形成された緩衝層１４、緩衝層１４上に形成されたｎ型接触層１６、ｎ型接触層１６の第１表面領域上に形成された量子井戸発光層１８、量子井戸発光層１８上に形成されたｐ型接触層２２、ｐ型接触層２２上に形成されたデュアルドーパント接触層２４、デュアルドーパント接触層２４上に形成された透過導電性酸化層２６、透過導電性酸化層２６上に形成されたｐ型電極２８、及びｎ型接触層の第２表面領域上に形成されたｎ型電極３０を有している。

デュアルドーパント接触層２４は、ｐ型及びｎ型の不純物によりドープされており、デュアルドーパント接触層２４中にｐ型及びｎ型キャリアを形成している。好適実施例において、このドーパントの濃度は、１×１０^１９ｃｍ^−３であり、デュアルドーパント接触層２４の厚みは、おおむね６０Åである。以下の表１にて示す実験結果のように、この好適実施例は、Ｎｉ／Ａｕ金属層を利用した先行技術におけるＬＥＤに必要とされる順方向バイアス電流よりも大きな順方向バイアス電流を有しており、この順方向バイアス電流は、３．１５から３．１６Ｖに上昇している。この順方向バイアス電流は、本発明におけるＬＥＤ１０及び先行技術におけるＬＥＤを２０ｍＡの電流が通過した際に測定されたものである。表１に示すように、この好適実施例は、Ｎｉ／Ａｕ金属層を利用した先行技術におけるＬＥＤにより出力される光強度よりも強い光強度を有しており、その値は、２５．７ｍｃｄから３４．５ｍｃｄに上昇しており、３４．２％向上されたことになる。加えて、ｎ^＋型リバースタネリング接触層を有する先行技術におけるＬＥＤに関し検討し、その結果を表１に示している。明らかなのは、先行技術におけるｎ^＋型リバースタネリング接触層を有するＬＥＤは、光強度を増加させることが可能であるが、順方向バイアス電流を増加させる必要がある。したがって、本発明におけるＬＥＤ１０は、この順方向バイアス電流を大幅に増加させることなく光強度を向上させることが可能である。先行技術のＬＥＤと比較して、本発明におけるＬＥＤ１０は、あきらかに良好な性能を有している。

デュアルドーパント接触層の形成は、上述した製造方法に限定されるものではない。例えば５２６ｎｍの波長の光を発光する他のＬＥＤに関し、このＬＥＤは、図１と同様の構造を有しながら、ここに用いられているデュアルドーパント接触層２４の製造は、他の工程により行われている。ｐ型接触層２２を製作した後、２０Åの厚みを有するｎ型ＩｎＧａＮ接触層をｐ型接触層２２上に積層させる。ｐ型接触層２２上で首尾よくｎ型ＩｎＧａＮ接触層が成長させた後、４０℃／分以下の冷却率にてアニーリング工程を適用し、互いに拡散するように、ｎ型ＩｎＧａＮ接触層中のｎ型ドーパント及びｐ型接触層２２中のｐ型ドーパントとを製造する。その後、元のｎ型ＩｎＧａＮ接触層は、ｎ型及びｐ型ドーパントを有するようになり、ＩｎＧａＮ接触層は、デュアルドーパント接触層となる。このデュアルドーパント接触層は、８×１０^１８ｃｍ^−３のｎ型キャリア濃度を有し、かつ５×１０^１８ｃｍ^−３のｐ型キャリア濃度を有している。上述したＬＥＤに関連する実験結果を表２に示している。

Ｎｉ／Ａｕ金属層を有する先行技術におけるＬＥＤと比較すると、本願のＬＥＤの光強度は、１３７．６ｍｃｄから１７８．４ｍｃｄへと上昇しており、２９．８％向上していることになる。同様に、ｎ^＋型リバースタネリング接触層を有する先行技術におけるＬＥＤに関し検討し、その結果を表２に示している。明らかなのは、先行技術におけるｎ^＋型リバースタネリング接触層を有するＬＥＤは、光強度を増加させることが可能であるが、Ｎｉ／Ａｕ金属層を利用した先行技術におけるＬＥＤに必要とされる順方向バイアス電流（３．１１Ｖ）よりも大きな３．５６Ｖという順方向バイアス電流を必要としている。しかしながら、本願のＬＥＤにて計測される順方向バイアス電流は、３．１１から３．２０Ｖへと若干増加されたにすぎない。したがって、本発明におけるＬＥＤは、この順方向バイアス電流を大幅に増加させることなく光強度を向上させることが可能である。先行技術のＬＥＤと比較して、本発明におけるＬＥＤ１０は、あきらかに良好な性能を有している。

図２を参照すると、本発明における第２の実施例に従い、発光ダイオード４０に関する構造図を示している。ＬＥＤ４０の構造は、図１に示したＬＥＤ１０とほぼ同様であるが、半導体層４４から５６の化合物が、エピタキシ成長によりｎ型導電性基板４２上の一つの側面上に積層されており、かつｎ型電極６０が別の側面にて、ｎ型導電性基板４２と接しているという差がある。基板４２はそれ自身導電性を有していることから、半導体層４４から５６の材料をｎ型導電性基板４２上に首尾よく成長させた後にエッチング工程を行う必要がない。半導体層４４から５６の化合物はそれぞれ緩衝層１３、ｎ型接触層１６、量子井戸接触層２２、デュアルドーパント接触層２４及び透過導電性酸化層２６に対応している。加えて、ｐ型電極５８は、この透過導電性酸化層５６に形成されている。

ｎ型導電性基板４２は、ＧａＮ、ＳｉＣ，Ｓｉ，ＡｌＮ，ＺｎＯ，ＭｇＯ，ＧａＰ、ＧａＡｓ，及びＡｅからなる材料群から選択された一種類の材料でできている。上述の絶縁基板１２は、サファイア、ＬｉＧａＯ_２，及びＬｉＡｌＯ_２からなる材料群から選択された一つの半導体材料でできている。上述の緩衝層１４は、ＡｌＩｎＧａＮをベースとした材料又はＩＩナイトライドをベースとした材料でできている。上述の量子井戸発光層１８は、ｒＩｎＧａＮ量子井戸及び（ｒ＋１）ＩｎＧａＮバリアを備えており、ＩｎＧａＮ量子井戸のそれぞれの両側面は、二つのＩｎＧａＮバリアにて挟まれている。ここで、ｒは１以下ではなく、０≦ｆ＜ｅ≦１として、ＩｎＧａＮ量子井戸のそれぞれは、Ｉｎ_ｅＧａ_１−ｅＮにより形成されており、ＩｎＧａＮバリアのそれぞれは、Ｉｎ_ｆＧａ_１−ｆＮにより形成されている。０≦ｚ≦１として、上述のｐ型被覆層２０はＡｌ_ｚＧａ_１−ｚＮを備えている。上述の透過導電性酸化層２６は、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）、酸化カドミウムスズ、酸化アンチモンスズ（ＡＴＯ），酸化亜鉛（ＺｎＯ），及び酸化亜鉛スズからなる材料群から選択された一つの半導体材料でできている。上述のｎ型ドーパントは、Ｓｉ，Ｇｅ，Ｓｎ，Ｔｅ，Ｏ，Ｓ，及びＣからなる材料群から選択された一つの材料でできており、かつｐ型ドーパントは、Ｍｇ、Ｚｎ，Ｂｅ，及びＣａからなる材料群から選択された一つの材料でできている。

先行技術と比較すると、本願のＬＥＤは、透過導電性酸化層と発光積層構造物との間のデュアルドーパント層を位置づけている。このデュアルドーパント層にｐ型キャリア及びｎ型キャリアが共存することにより、透過導電性酸化層と発光積層構造物との間のオーム接触に関連する抵抗は減弱される。したがって、本願のＬＥＤは、先行技術における問題の解決を可能としている。このデュアルドーパント層はｐ型及びｎ型キャリアを有していることから、ｎ型及びｐ型に関連するエネルギレベルは、デュアルドーパント層のエネルギバンドギャップ内に位置付けられている。したがって、本願のＬＥＤは、順方向バイアス電流により出力され、これらキャリアは、共存するエネルギレベルを介して導電性を有する。したがって、これら導電性キャリアは、透過導電性酸化層とｐ型被覆層との間で伝導され、透過導電性酸化層とこのＬＥＤにおける積層半導体層との間で良好なオーム接触を形成する。この伝導機構に関し、先行技術における高度にドープされたｐ型接触層を製作する必要はない。したがって、先行技術における高度にドープされたｐ型接触層を形成するに関連する問題は、本願のＬＥＤにより解決される。加えて、本願のＬＥＤは、順方向バイアス電流を上昇させることなく発光強度を大幅に増加させることが可能となる。総括すると、本願のＬＥＤにおける全体的な性能は、先行技術におけるＬＥＤの性能よりも良好となる。

本発明における第１の実施例に従い、発光ダイオードに関する構造図を示している。 本発明における第２の実施例に従い、発光ダイオードに関する構造図を示している。

符号の説明

１０ 発光ダイオード
１２ 絶縁基板
１４ 緩衝層
１６ ｎ型接触層
１８ 量子井戸発光層
２０ ｐ型被覆層
２２ ｐ型接触層
２４ デュアルドーパント接触層
２６ 透過導電性酸化層
２８ ｐ型電極
３０ ｎ型電極
４０ 発光ダイオード
４２ ｎ型導電性基板
４４ 半導体層
４６ 半導体層
４８ 半導体層
５０ 半導体層
５２ 半導体層
５４ 半導体層
５６ 半導体層
５８ ｐ型電極
６０ ｎ型電極

Claims (18)

1. 基板；
   前記基板上に形成された発光積層構造物；
   前記発光積層構造物上に形成されたデュアルドーパント接触層；及び
   前記デュアルドーパント接触層上に形成された透過導電性酸化層；
   を備え、
   前記デュアルドーパント接触層は、複数のｐ型ドーパント及び複数のｎ型ドーパントを備えていることを特徴とする、発光ダイオード。
2. 前記デュアルドーパント接触層は、ＡｌＩｎＧａＮをベースとした材料で製造されており；かつ
   前記透過導電性酸化層は、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）、酸化カドミウムスズ、酸化アンチモンスズ（ＡＴＯ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）又は酸化亜鉛スズで製造されている；
   ことを特徴とする請求項１に記載の発光ダイオード。
3. 前記デュアルドーパント接触層は、エピタキシ成長により前記ｐ型ドーパント及び前記ｎ型ドーパントとを共に加えることにより形成されることを特徴とする請求項１に記載の発光ダイオード。
4. 前記デュアルドーパント接触層は、４０℃／分以下の冷却率により形成されることを特徴とする請求項１に記載の発光ダイオード。
5. 絶縁基板；
   前記絶縁基板上に形成された緩衝層；
   前記緩衝層上に形成された、第１上部表面及び第２上部表面を備える第１導電型接触層；
   前記第１上部表面上に形成された量子井戸発光層；
   前記量子井戸発光層上に形成された第２導電型接触層；
   前記第２導電型接触層上に形成された、複数のｐ型ドーパント及び複数のｎ型ドーパントを備えるデュアルドーパント接触層；
   前記デュアルドーパント接触層上に形成された透過導電性酸化層；
   前記透過導電性酸化層上に形成された第２導電型接触層；並びに
   前記第２上部表面上に形成された第１導電型電極；
   を備える発光ダイオード。
6. 前記絶縁基板は、サファイア、ＬｉＧａＯ_２又はＬｉＡｌＯ_２で製造されており；
   前記緩衝層は、ＡｌＩｎＧａＮをベースとした材料又はＩＩナイトライドをベースとした材料で製造されており；
   前記第２導電型接触層は、ＧａＮ，ＡｌＧａＮ，又はＩｎＧａＮで製造されており；
   前記透過導電性酸化層は、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）、酸化カドミウムスズ、酸化アンチモンスズ（ＡＴＯ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）又は酸化亜鉛スズで製造されており；
   前記デュアルドーパント接触層は、ＡｌＩｎＧａＮをベースとした材料でできており；
   前記ｎ型ドーパントは、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｔｅ、Ｏ、Ｓ又はＣで製造されており；かつ
   前記ｐ型ドーパントは、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｂｅ又はＣａで製造されている；
   ことを特徴とする請求項５に記載の発光ダイオード。
7. ｒは１以上とし、ｆ及びｅは０≦ｆ＜ｅ≦１として、
   前記量子井戸は、ｒＩｎＧａＮ量子井戸及び（ｒ＋１）ＩｎＧａＮバリアを有し；
   該ＩｎＧａＮ量子井戸のそれぞれは、二つの前記ＩｎＧａＮバリアで挟まれており；
   該ＩｎＧａＮ量子井戸のそれぞれは、Ｉｎ_ｅＧａ_１−ｅＮにより製造され；かつ
   該ＩｎＧａＮバリアのそれぞれは、Ｉｎ_ｆＧａ_１−ｆＮで製造されている；
   ことを特徴とする請求項５に記載の発光ダイオード。
8. 前記第１導電型接触層と前記量子井戸発光層との間に挿入された第１導電型被覆層をさらに備え、該第１導電型被覆層は、ｘが０≦ｘ≦１であるとして、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮで製造されていることを特徴とする、請求項５に記載の発光ダイオード。
9. 前記第２導電型接触層と前記量子井戸発光層との間に挿入された第２導電型被覆層をさらに備え、該第２導電型被覆層は、ｚが０≦ｚ≦１であるとして、Ａｌ_ｚＧａ_１−ｚＮで製造されていることを特徴とする、請求項５に記載の発光ダイオード。
10. 前記デュアルドーパント接触層は、エピタキシ成長により、ｐ型ドーパントとｎ型ドーパントとをともに加えることにより形成されることを特徴とする請求項５に記載の発光ダイオード。
11. 前記デュアルドーパント接触層は、４０℃／分以下の冷却率により形成されることを特徴とする請求項５に記載の発光ダイオード。
12. 第１導電型電極；
    前記第１導電型電極上に形成された第１導電型導電性基板；
    前記第１導電型導電性基板上に形成された緩衝層；
    前記緩衝層上に形成された第１導電型接触層；
    前記第１導電型接触層上に形成された量子井戸発光層；
    前記量子井戸発光層上に形成された第２導電型接触層；
    前記第２導電型接触層上に形成された、複数のｐ型ドーパント及び複数のｎ型ドーパントを備えるデュアルドーパント接触層；
    前記デュアルドーパント接触層上に形成された透過導電性酸化層；並びに
    前記透過導電性酸化層上に形成された第２導電型電極；
    を備える発光ダイオード。
13. 前記第１導電型導電基板は、ＧａＮ、ＳｉＣ、Ｓｉ、Ｇｅ、ＡｌＮ、ＧａＡｓ、ＩｎＰ又はＧａＰで製造されており；
    前記緩衝層は、ＡｌＩｎＧａＮをベースとした材料又はＩＩナイトライドをベースとした材料で製造されており；
    第２導電型接触層は、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ又はＩｎＧａＮで製造されており；
    第１導電型接触層は、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ又はＩｎＧａＮで製造されており；
    前記デュアルドーパント接触層は、ＡｌＩｎＧａＮをベースにした材料で製造されており；
    前記ｎ型ドーパントは、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｔｅ、Ｏ、Ｓ又はＣで製造されており；
    前記ｐ型ドーパントは、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｂｅ又はＣａで製造されており；かつ
    前記透過導電性酸化層は、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ），酸化カドミウムスズ、酸化アンチモンスズ（ＡＴＯ），酸化亜鉛（ＺｎＯ）又は酸化亜鉛スズで製造されている；
    ことを特徴とする請求項１２に記載の発光ダイオード。
14. ｒをｒ≧１とし、ｆ及びｅを０≦ｆ＜ｅ≦１として、
    前記量子井戸は、ｒＩｎＧａＮ量子井戸及び（ｒ＋１）ＩｎＧａＮバリアを有し；
    該ＩｎＧａＮ量子井戸のそれぞれは、二つの該ＩｎＧａＮバリアにて挟まれており；
    該ＩｎＧａＮ量子井戸のそれぞれはＩｎ_ｅＧａ_１−ｅＮで製造されており；かつ
    該ＩｎＧａＮバリアのそれぞれは、Ｉｎ_ｆＧａ_１−ｆＮで製造されている；
    ことを特徴とする請求項１２に記載の発光ダイオード。
15. 前記第１導電型接触層と前記量子井戸発光層との間に挿入された第１導電型被覆層をさらに備え、該第１導電型被覆層は、ｘが０≦ｘ≦１であるとして、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮで製造されていることを特徴とする、請求項１２に記載の発光ダイオード。
16. 前記第２導電型接触層と前記量子井戸発光層との間に挿入された第２導電型被覆層をさらに備え、該第２導電型被覆層は、ｚが０≦ｚ≦１であるとして、Ａｌ_ｚＧａ_１−ｚＮで製造されていることを特徴とする、請求項１２に記載の発光ダイオード。
17. 前記デュアルドーパント接触層は、エピタキシ成長により、ｐ型ドーパントとｎ型ドーパントとを共に加えることにより形成されることを特徴とする請求項１２に記載の発光ダイオード。
18. 前記前記デュアルドーパント接触層は、４０℃／分以下の冷却率により形成されることを特徴とする請求項１２に記載の発光ダイオード。

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