CN102414847A - 发光二极管、发光二极管灯和照明装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及发光二极管等，所述发光二极管的特征在于，具备至少含有pn结型的发光部和层叠于所述发光部的应变调整层的化合物半导体层，所述发光部具有组成式为(AlXGa1-X)YIn1-YP(在此，X和Y是分别满足0≤X≤0.1和0.39≤Y≤0.45的数值)的应变发光层与势垒层的叠层结构，所述应变调整层相对于发光波长是透明的，并且具有比所述应变发光层和所述势垒层的晶格常数小的晶格常数。根据本发明，可以提供具有655nm以上的发光波长，单色性优异，并且为高输出功率和/或高效率的响应速度快的发光二极管。

Description

发光二极管、发光二极管灯和照明装置
技术领域
本发明涉及发光二极管、发光二极管灯和照明装置，特别地涉及高输出功率的红色发光二极管、使用该二极管的发光二极管灯和照明装置。
本申请基于在2009年3月10在日本提出的专利申请2009-056780号、和在2009年4月1日在日本提出的专利申请2009-089300号要求优先权，将其内容援引于本申请中。
背景技术
近年来，一直在研究采用人工光源进行的植物生长发育。特别是使用采用单色性优异，能够节能、长寿命和小型化的发光二极管(LED)进行的照明的栽培方法受到关注。另外，从至今为止的研究结果来看，作为适合于植物生长发育(光合作用)用的光源的发光波长之一，确认了波长600～700nm的区域的红色光的效果。特别是对于光合作用波长为660～670nm附近的光是反应效率高的优选的光源。对于该波长，在现有的红色发光二极管中，曾研讨了含有AlGaAs和InGaNP等的发光层的应用，但是尚不能够实现高输出功率化(例如专利文献1～3)。
另一方面，已知具备含有磷化铝镓铟(组成式(AlXGa1-X)YIn1-YP；0≤X≤1，0＜Y≤1)的发光层的化合物半导体LED。在该LED中，具有Ga0.5In0.5P的组成的发光层的波长最长，由该发光层得到的峰波长为650nm附近。因此，在比655nm长的波长的区域，化合物半导体LED的实用化和高辉度化困难。
另外，具备含有(AlXGa1-X)YIn1-YP(0≤X≤1，0＜Y≤1)的发光层的发光部，一般形成于对于从发光层射出的光在光学上不透明、且机械强度也没有那么高的砷化镓(GaAs)单晶基板上。
因此，以得到更高辉度的可视LED为目的，并以进一步提高元件的机械强度为目的进行了研究。即，曾公开了除去GaAs之类的不透明的基板材料后，重新接合了由能够透过发光并且机械强度比现有的材料优异的透明材料构成的支持体层的构成所谓的接合型LED的技术(例如，参照专利文献4)。另一方面，在发光机理不同的激光元件中，曾对于有应变的发光层进行了研讨，但实际状况是在发光二极管中，对于有应变的发光层没有实用化(例如，参照专利文献5)。
另外，曾研讨了应用了量子阱结构的发光二极管的发光部。但是，由量子阱结构的应用得到的量子效应使发光波长短波长化，因此存在不能够应用于长波长化的技术的问题(例如，参照专利文献6)。
现有技术文献
专利文献1：日本特开平9-37648号公报
专利文献2：日本特开2002-27831号公报
专利文献3：日本特开2004-221042号公报
专利文献4：日本国专利第3230638号公报
专利文献5：日本特开2000-151024号公报
专利文献6：日本国专利第3373561号公报
发明内容
然而，为了作为植物生长发育用的照明光源实用化，从节能和成本方面来看，需要使用发光效率高的LED并削减使用电力和LED的使用数量。
特别是为了植物生长发育用LED照明的实用化，强烈希望使用电力降低、小型化和成本降低，对于现有的660nm的波长带的发光二极管即AlGaAs系的LED，希望高输出功率化、高效率化、波长的偏差降低和/或高速化等的特性提高。
另外，对于点亮方法，曾研讨了利用高速脉冲方式削减使用电力的方法，需要响应速度快的发光二极管。根据近年的研究，确认了植物生长发育用的照明可以通过照射光后，在光合作用的反应时间中熄灯来实现节能化。但是，需要具有能够与高速的脉冲通电对应的响应速度的发光二极管。具体地讲，发光二极管的响应速度在1000ns以下较适宜，优选为100ns以下。
然而，在发光效率高的含有(AlXGa1-X)YIn1-YP(0≤X≤1，0＜Y≤1)的发光层中，匹配于外延生长中使用的GaAs基板的晶格常数的最长波长(带隙小)的发光层的组成为Ga0.5In0.5P。该发光层的发光波长为650nm，不能够实现650nm以上的长波长化。这样，发光层的650nm以上的长波长化存在技术课题，因此不能够实现实用化和/或高效率化。特别是在具有655nm以上的长波长的LED中，没有确立高输出功率化的技术。
另外，在植物生长发育用的照明中，有时发光波长700nm以上的光有抑制植物生长发育的效果。因此，优选发光波长660nm附近的单色性优异的红色光。因此，作为植物生长发育用的照明，优选具有在700nm下的发光强度相对于峰发光波长的强度低于10％的发光光谱。
本发明是鉴于上述情况完成的，其目的在于提供一种具有655nm以上的发光波长，单色性优异，并且具有高输出功率和/或高效率的响应速度快的发光二极管。另外，本发明的目的在于提供一种适合于植物生长发育用的照明的发光二极管灯和搭载了该发光二极管灯的照明装置。
即，本发明涉及以下的内容。
(1)一种发光二极管，其特征在于，具备至少含有pn结型的发光部和层叠于上述发光部的应变调整层的化合物半导体层，上述发光部具有组成式为(AlXGa1-X)YIn1-YP(在此，X和Y是分别满足0≤X≤0.1和0.39≤Y≤0.45的数值)的应变发光层与势垒层的叠层结构，上述应变调整层相对于发光波长是透明的，并且具有比上述应变发光层和上述势垒层的晶格常数小的晶格常数。
(2)根据前项1所述的发光二极管，其特征在于，上述应变发光层的组成式为GaYIn1-YP(在此，Y是满足0.39≤Y≤0.45的数值)。
(3)根据前项1或2所述的发光二极管，其特征在于，上述应变发光层的厚度为8～30nm的范围。
(4)根据前项1～3的任一项所述的发光二极管，其特征在于，含有8～40层的上述应变发光层。
(5)根据前项1～4的任一项所述的发光二极管，其特征在于，上述势垒层的组成式为(AlXGa1-X)YIn1-YP(在此，X和Y是分别满足0.3≤X≤0.7和0.48≤Y≤0.52的数值)。
(6)根据前项1～5的任一项所述的发光二极管，其特征在于，上述发光部在上述应变发光层的上面和下面的一方或两方具有覆盖层，上述覆盖层的组成式为(AlXGa1-X)YIn1-YP(在此，X和Y是分别满足0.5≤X≤1和0.48≤Y≤0.52的数值)。
(7)根据前项1～6的任一项所述的发光二极管，其特征在于，上述应变调整层的组成式为(AlXGa1-X)YIn1-YP(在此，X和Y是分别满足0≤X≤1和0.6≤Y≤I的数值)。
(8)根据前项1～6的任一项所述的发光二极管，其特征在于，上述应变调整层的组成式为AlXGa1-XAs1-YPY(在此，X和Y是分别满足0≤X≤1和0.6≤Y≤1的数值)。
(9)根据前项1～6的任一项所述的发光二极管，其特征在于，上述应变调整层的材质为GaP。
(10)根据前项1～9的任一项所述的发光二极管，其特征在于，上述应变调整层的厚度为0.5～20μm的范围。
(11)根据前项1～10的任一项所述的发光二极管，其特征在于，在上述化合物半导体层的与光取出面相反的一侧的表面接合有功能性基板。
(12)根据前项11所述的发光二极管，其特征在于，上述功能性基板是透明的。
(13)根据前项11或12所述的发光二极管，其特征在于，上述功能性基板的材质为GaP。
(14)根据前项11～13的任一项所述的发光二极管，其特征在于，上述功能性基板的侧面具有：在接近上述化合物半导体层的一侧相对于上述光取出面大致垂直的垂直面；和在远离上述化合物半导体层的一侧相对于上述光取出面向内侧倾斜的倾斜面。
(15)根据前项11～14的任一项所述的发光二极管，其特征在于，还具备：
设置在上述化合物半导体层的上述光取出面侧的第1和第2电极；和
设置在上述功能性基板的背面的连接用的第3电极。
(16)根据前项15所述的发光二极管，其特征在于，上述第1和第2电极为欧姆电极。
(17)根据前项11～16的任一项所述的发光二极管，其特征在于，上述光取出面含有粗糙的面。
(18)根据前项1～17的任一项所述的发光二极管，其特征在于，是用于促进植物生长发育的光合作用的发光二极管，上述发光部的发光光谱的峰发光波长为655～675nm的范围。
(19)根据前项18所述的发光二极管，其特征在于，上述发光光谱的半值宽度为10～40nm的范围。
(20)根据前项18或19所述的发光二极管，其特征在于，上述发光光谱的在发光波长700nm下的发光强度低于在上述峰发光波长下的发光强度的10％。
(21)根据前项1～20的任一项所述的发光二极管，其特征在于，上述发光部的响应速度(Tr)为100ns以下。
(22)一种发光二极管灯，其特征在于，具备前项1～21的任一项所述的发光二极管。
(23)根据前项22所述的发光二极管灯，其特征在于，设置在上述发光二极管的上述光取出面侧的上述第1或第2电极、和上述第3电极大致相同电位地连接。
(24)一种照明装置，其特征在于，具备前项22或23所述的发光二极管灯。
本发明的发光二极管，具备含有发光部的化合物半导体层，该发光部具有组成式为(AlXGa1-X)YIn1-YP(在此，X和Y是分别满足0≤X≤0.1和0.39≤Y≤0.45的数值)的应变发光层。通过对应变发光层的材质采用AlGaInP，可以提高来自发光部的发光效率和响应速度。另外，通过将应变发光层的组成规定在上述范围，可以形成为具有655nm以上的发光波长的发光二极管。
另外，本发明的发光二极管在发光部上设置有应变调整层。该应变调整层对于发光波长是透明的，因此不会吸收来自发光部的发光，可以形成为高输出效率和/或高效率的发光二极管。此外，该应变调整层具有比GaAs基板的晶格常数小的晶格常数，因此可以抑制该半导体化合物层的翘曲的产生。由此，应变发光层的应变量的偏差降低，因此可以形成为单色性优异的发光二极管。
因此，根据本发明，可以提供具有655nm以上的发光波长，单色性优异，并且具有高输出功率和/或高效率的响应速度快的发光二极管。另外，根据本发明，可以提供与现有的AlGaAs系的发光二极管相比，具有约4倍以上的发光效率的的高输出功率的发光二极管。
另外，本发明的发光二极管灯，具备具有655nm以上的发光波长，单色性优异，并且具有高输出功率和/或高效率的响应速度快的上述发光二极管。因此，可以提供适合于植物生长发育用的照明的发光二极管灯和具备发光二极管灯的照明装置。
附图说明
图1是使用作为本发明的一实施方式的发光二极管的发光二极管灯的平面图。
图2是使用作为本发明的一实施方式的发光二极管的发光二极管灯的沿着图1中所示的A-A’线的剖面模式图。
图3是作为本发明的一实施方式的发光二极管的平面图。
图4是作为本发明的一实施方式的发光二极管的沿着图3中所示的B-B’线的剖面模式图。
图5是用于说明作为本发明的一实施方式的发光二极管的发光部的构成的放大剖面图。
图6是用于说明缓和构成作为本发明的一实施方式的发光二极管的应变调整层的应变的机理的图。
图7是作为本发明的一实施方式的发光二极管中使用的外延晶片的剖面模式图。
图8是作为本发明的一实施方式的发光二极管中使用的接合晶片的剖面模式图。
图9是表示本发明的实施例的发光二极管灯的发光光谱的图。
图10是表示作为本发明的一实施方式的照明装置的立体图。
图11是表示作为本发明的另一实施方式的照明装置的立体图。
具体实施方式
以下，对于作为应用了本发明的一实施方式的发光二极管，与使用了该发光二极管的发光二极管灯一起使用附图详细地说明。再者，为易于明白其特征，在以下的说明中使用的附图有时为方便起见将成为特征的部分放大地表示，各构成要素的尺寸比率等未必与实际相同。
<发光二极管灯>
图1和图2是用于说明使用作为应用了本发明的一实施方式的发光二极管的发光二极管灯的图，图1是平面图，图2是沿着图1中所示的A-A’线的剖面图。
如图1和图2所示，使用本实施方式的发光二极管1的发光二极管灯41，在安装基板42的表面安装有1个以上的发光二极管1。更具体地讲，在安装基板42的表面设置有n电极端子43和p电极端子44。另外，作为发光二极管1的第1电极的n型欧姆电极4和安装基板42的n电极端子43使用金线45连接(线接合)。另一方面，作为发光二极管1的第2电极的p型欧姆电极5和安装基板42的p电极端子44使用金线46连接。此外，如图2所示，在发光二极管1的与设置有n型和p型欧姆电极4、5的面相反的一侧的面上设置有第3电极6，通过该第3电极6，发光二极管1连接到n电极端子43上并被固定在安装基板42上。在此，n型欧姆电极4和第3电极6通过n极电极端子43电连接，使得成为等电位或大致相等的电位。并且，安装基板42的安装有发光二极管1的表面，采用一般的环氧树脂47封装。
<发光二极管>
图3和图4是用于说明作为应用了本发明的一实施方式的发光二极管的图，图3是平面图，图4是沿着图3中所示的B-B’线的剖面图。如图3和图4所示，本实施方式的发光二极管1是接合有化合物半导体层2和功能性基板3的发光二极管。并且，发光二极管1具备设置在主要的光取出面的n型欧姆电极(第1电极)4以及p型欧姆电极(第2电极)5、和设置在功能性基板3的与化合物半导体层2的接合面相反的一侧的第3电极6从而概略构成。再者，本实施方式中的主要的光取出面，是在化合物半导体层2上的、贴附有功能性基板3的面的相反的一侧的面。
化合物半导体层(也称为外延生长层)2如图4所示，具有顺序层叠有pn结型的发光部7和应变调整层8的结构。可以对该化合物半导体层2的结构适当施加公知的功能层。例如，可以设置：用于降低欧姆(Ohmic)电极的接触电阻的接触层、用于使元件驱动电流在整个发光部平面性地扩散的电流扩散层、相反地用于限制元件驱动电流流通的区域的电流阻止层和电流狭窄层等公知的层结构。再者，化合物半导体层2优选是在GaAs基板上外延生长形成的层。
发光部7如图4所示，在应变调整层8上至少顺序层叠p型的下部覆盖层9、发光层10和n型的上部覆盖层11而构成。即，在得到高强度的发光方面，优选：发光部7形成为：为了将带来放射再结合的载流子(carrier)和发光“封入”到发光层10而含有在发光层10的下侧和上侧对峙地配置的下部覆盖(clad)层9和上部覆盖层11的、所谓双异质(简称：DH)结构。
发光层10如图5所示，为了控制发光二极管(LED)的发光波长，优选构成阱结构。即，发光层10优选是在两端具有应变发光层(也称为阱层、或well层)12的、应变发光层12与势垒层(也称为垒层)13的多层结构。
发光层10的层厚优选为0.02～2μm的范围。另外，发光层10的传导类型没有特别限定，无掺杂、p型和n型的任一种都可以选择。为了提高发光效率，优选设为结晶性良好的无掺杂或低于3×1017cm-3的载流子浓度。
应变发光层12具有(AlXGa1-X)YIn1-YP(在此，X和Y是分别满足0≤X≤1和0＜Y≤1的数值)的组成。上述X优选为0.1以下，更优选为0。另外，上述Y优选为0.37～0.46的范围，更优选为0.39～0.45的范围。通过将应变发光层12的材质规定在上述范围，能够使发光波长为655～675nm的范围。但是，在该情况下，应变发光层12成为晶格常数和其以外的结构部分不同的构成，在化合物半导体层2中发生应变。因此，有产生晶体缺陷的弊端之虞。
应变发光层12的层厚优选为8～30nm的范围。在此，在应变发光层12是层厚低于约6nm的薄膜的情况下，因阱结构的量子效应，发光波长变短，得不到所希望的655nm以上。因此，考虑层厚的变动，应变发光层12的层厚优选为不体现量子效应的8nm以上。另外，若考虑层厚的控制的容易度，则优选为10nm以上。另一方面，如果应变发光层12的层厚超过30nm，则应变量变得过大，因此容易发生晶体缺陷和/或表面的异常，因此不优选。
势垒层13具有(AlXGa1-X)YIn1-YP(0≤X≤1，0＜Y≤1)的组成。上述X优选为0.3～0.7的范围，更优选为0.4～0.6的范围。另外，上述Y优选为0.48～0.52的范围，更优选为0.49～0.51的范围。另外，势垒层13的晶格常数可以与GaAs基板相同或者比其小。
势垒层13的层厚优选比应变发光层12的层厚厚。由此，可以提高应变发光层12的发光效率。另外，需要通过势垒层13将发光效率最佳化，并且缓和应变发光层12所产生的应变。因此，势垒层13优选为至少15nm以上的层厚，更优选为20nm以上的层厚。另一方面，如果势垒层13的层厚超过50nm，则变得接近于发光波长的波长，出现光的干涉、布拉格反射等光学的影响。因此，势垒层13优选为50nm以下的层厚，更优选40nm以下的层厚。
如上述那样，应变发光层12的层厚较薄、势垒层13的层厚较厚时，通过势垒层13吸收应变发光层12的的应变，并且应变发光层12难以产生晶体缺陷。
在应变发光层12与势垒层13的多层结构中，将应变发光层12和势垒层13交替层叠的对数没有特别的限定，但优选为8对～40对。即，发光层10优选含有8～40层的应变发光层12。在此，作为发光层10的发光效率优选的范围，应变发光层12为8层以上。另一方面，应变发光层12和势垒层13由于载流子浓度低，如果形成为较多的对，则正向电压(VF)增大。因此，优选为40对以下，更优选为30对以下。另外，应变发光层12具有的应变是由于外延生长基板和发光部7的晶格常数不同因而在发光层10中产生的应力(stress)。因此，将应变发光层12和势垒层13交替层叠的对数，即，发光层10所含有的应变发光层12的层数如果超过上述范围，则发光层10不耐受应变而产生晶体缺陷，产生表面状态的恶化和发光效率降低等的问题。
发光层10(发光部7)，通过将应变发光层12的材质规定在上述范围，其发光光谱的峰发光波长优选为655～675nm的范围，更优选为660～670nm的范围。上述范围的发光波长是适合于植物生长发育(光合作用)用的光源的发光波长之一，这是由于对于光合作用，反应效率高的缘故。
另一方面，如果利用700nm以上的长波长区域的光，则引起抑制植物的生长发育的反应，因此优选长波长区域的光量少。因此，为了高效地进行植物生长发育，最优选对于光合作用反应最适合的655～675nm的波长区域的光较强，且不含有700nm以上的超波长区域的光的红色光源。
另外，为了制成为上述的优选的红色光源，半值宽度必须窄。另一方面，如果接近于有波长偏差变大的可能性的量子化条件，则半值宽度变窄，因此结果优选发光光谱的半值宽度为10～40nm的范围。此外，优选上述发光光谱的发光波长700nm下的发光强度低于上述峰发光波长下的发光强度的10％。进一步地，优选发光层10的响应速度(上升时间：Tr)为100ns以下。
具有这样的特性的发光层10的发光二极管1，可以很好地作为用于促进植物生长发育的光合作用的照明(发光二极管灯和具备发光二极管灯的照明装置)使用。
再者，所谓照明装置，是指至少具备：形成有配线和/或通孔等的基板；安装在基板表面的多个发光二极管灯；和被构成为具有凹字形状的剖面形状、并在凹部内侧的底部安装有发光二极管灯的反射器(reflector)或灯罩的照明装置。
「照明装置的一例」
图10用立体图表示本实施方式的照明装置的一例。
图10所示的照明装置100，由电路基板200、安装在电路基板200上的发光二极管灯41、和设置在电路基板200上的反射器400概略构成。
电路基板200由：由铝构成的基板主体、层叠于上述基板主体上的绝缘层、和形成于上述绝缘层上的由Cu等的导体构成的配线图案概略构成。另外，该电路基板200，其一边200a侧从反射器400突出，由此电路基板200的表面的一部分露出。
另外，上述配线图案由一对取出电极图案、和从上述的各取出电极图案的一端侧向着电路基板200的大致中央延伸的6条端子电极图案构成。3个发光二极管灯41分别连接于上述的各端子电极图案，由此，各发光二极管灯41相互并联连接。另外，上述的各取出电极图案的另一端侧，向电路基板200的一边200a侧延伸并露出，该露出部分成为外部端子230c。
接着，发光二极管灯41如图10所示，在本实施方式的例子中，全部3个发光二极管灯41安装在电路基板200的大致中央，各发光二极管灯41隔开等间隔配置在一直线上。发光二极管灯41的正电极和负电极与上述端子电极图案电连接。
接着，反射器400如图10所示，在例如由铝或铝合金形成的大致立方体形状的反射器主体410上设置反射面420从而概略构成。
反射面420如图10所示，由一对半旋转抛物面420a、和配置在半旋转抛物面420a彼此之间的抛物柱面420b构成。
另外，反射器主体410的厚度，换言之，沿着光的射出方向的反射面420的高度，根据发光二极管灯41的尺寸和发光二极管灯41彼此的间隔适当设定，但优选设定在例如5.0mm～20.0mm的范围。
「照明装置的另一例」
图11用立体图表示本实施方式的照明装置的另一例。
图11所示的照明装置101，由电路基板102、安装在电路基板102上的发光二极管灯41、和设置在电路基板102上的反射器104概略构成。本例的照明装置101，具备具有10列×3列的合计30个的反射面142的反射器104。并且，在各反射面142的内侧，相对于每一个反射面具有3个发光二极管灯41。照明装置101整体具有合计为90个的发光二极管灯41。
反射面142的详细形状与先前的照明装置100的情况大致同样，由一对半旋转抛物面、和配置在该半旋转抛物面彼此之间的抛物柱面构成。
另外，发光层10的构成，可以适当选择组成、厚度和层数以使上述特性充足。
下部覆盖层9和上部覆盖层11如图4所示，分别被设置在发光层10的下面和上面。具体地讲，在发光层10的下面设置有下部覆盖层9，并在发光层10的上面设置有上部覆盖层11。
作为下部覆盖层9和上部覆盖层11的材质，优选带隙比发光层10的应变发光层12大的材质，更优选带隙比势垒层13大的材质。作为上述材质，例如可举出具有AlXGa1-XAs的组成的化合物、具有(AlXGa1-X)YIn1-YP(在此，X和Y是分别满足0≤X≤1和0＜Y≤1的数值)的组成的化合物。上述X的值，下限值优选为0.3以上，更优选为0.5以上。另外，上述Y的值优选为0.48～0.52的范围，更优选为0.49～0.51的范围。
下部覆盖层9和上部覆盖层11以极性不同的方式被构成。另外，下部覆盖层9和上部覆盖层11的载流子浓度以及厚度可以设为公知的优选范围，优选将条件最佳化，以使得发光层10的发光效率提高。另外，通过控制下部覆盖层9和上部覆盖层11的组成，可以使化合物半导体层2的翘曲降低。
具体地讲，作为下部覆盖层9，优选使用例如具有掺杂了Mg的p型的(AlXGa1-X)YIn1-YP(在此，X和Y是分别满足0.3≤X≤1和0＜Y≤1的数值)的组成的半导体材料。另外，载流子浓度优选为2×1017～2×1018cm-3的范围，厚度优选为0.5～5μm的范围。
另一方面，作为上部覆盖层11，优选使用例如具有掺杂了Si的n型的(AlXGa1-X)YIn1-YP(在此，X和Y是分别满足0.3≤X≤1和0＜Y≤1的数值)的组成的半导体材料。另外，载流子浓度优选为1×1017～1×1018cm-3的范围，厚度优选为0.5～2μm的范围。再者，下部覆盖层9和上部覆盖层11的极性可以考虑化合物半导体层2的元件结构进行选择。
另外，在下部覆盖层9和发光层10之间、发光层10和上部覆盖层11之间以及上部覆盖层11和应变调整层8之间，也可以设置用于使两层间的带(band)不连续性平缓地变化的中间层。该情况下，优选各中间层分别由具有上述两层的中间的禁带宽度的半导体材料构成。
另外，在发光部7的构成层的上方可以设置用于降低欧姆(Ohmic)电极的接触电阻的接触层、用于使元件驱动电流在整个发光部平面性地扩散的电流扩散层、相反地用于限制元件驱动电流流通的区域的电流阻止层和电流狭窄层等公知的层结构。
应变调整层8如图4所示设置在发光部7的下方。该应变调整层8是在使化合物半导体层2在GaAs基板上外延生长时为了使因应变发光层12而产生的应变缓和而设置的层。
另外，应变调整层8对于来自发光部7(发光层10)的发光波长是透明的。
此外，应变调整层8具有比应变发光层12和势垒层13的晶格常数小的晶格常数。进一步地，应变调整层8具有比用于化合物半导体层2的形成(外延生长形成)的GaAs基板的晶格常数小的晶格常数。更具体地讲，将由后述的组成得到的应变调整层8的晶格常数记为A、将势垒层13的晶格常数记为B、将应变发光层12的晶格常数记为C的情况下，各晶格常数具有A＜B＜C的关系。
作为应变调整层8，可以使用具有(AlXGa1-X)YIn1-YP(在此，X和Y是分别满足0≤X≤1和0.6≤Y≤1的数值)的组成的材料。虽然上述X也取决于化合物半导体层2的元件结构，但从Al浓度低的材料在化学上稳定考虑，优选为0.5以下，更优选为0。另外，上述Y的下限值优选为0.6以上。在此，如果比较发光层10(应变发光层12)具有的应变量相同的情况，则上述Y的值小时应变调整层8的应变调整效果变小。因此，产生增厚应变调整层8的层厚的必要，应变调整层8的成膜时的生长时间和成本上升，因此上述Y的值优选为0.6以上，更优选为0.8以上。
另外，作为应变调整层8，也可以优选地使用对于发光波长是透明的、且具有AlXGa1-XAs1-YPY(在此，X和Y是分别满足0≤X≤1和0.6≤Y≤1的数值)的组成的III-V族半导体材料。在具有上述组成的应变调整层8中，晶格常数根据Y的值而变化。上述Y的值大时晶格常数变小。另外，相对于发光波长的透明度，与上述X和Y的值双方关联，因此选择X和Y的值使得成为透明的材料即可。
此外，作为应变调整层8，优选使用GaP，更优选使用例如掺杂Mg的p型的GaP。该GaP不需要调整组成，并且应变调整效果大，因此从生产率和稳定性的方面来看最适合作为应变调整层8的材料。
应变调整层8具有比使化合物半导体层2外延生长时使用的基板即GaAs基板的晶格常数小的晶格常数，因此具备缓和应变发光层12包含的应变量的偏差的功能。因此，通过设置应变调整层8，有发光波长等的特性均匀化、防止裂纹产生等的防止晶体缺陷产生的效果。在此，应变调整层8的层厚优选为0.5～20μm的范围，更优选为3～15μm的范围。如果层厚低于0.5μm，则对缓和应变发光层12的应变量的偏差不充分，如果层厚超过20μm，则生长时间变长，制造成本增加，因此不优选。
通过这样地控制应变调整层8的组成，可以降低化合物半导体层2的翘曲，因此能够制作面内波长分布小的发光二极管1。此外，如本实施方式那样，在具有进行功能性基板3和化合物半导体层2的接合的结构的情况下，化合物半导体层2的翘曲大时产生裂纹等的问题，因此优选减小化合物半导体层2的翘曲。
接着，对于应变调整层8缓和化合物半导体层2的应变的机理(应变调整层8和化合物半导体层2的晶格常数的关系)，一边参照图6一边说明。
如图6所示，应变调整层8的晶格常数处于比成为基准的GaAs基板的晶格常数小的一侧。将该状态作为-(负)应变。与此相对，发光层10中的应变发光层12的晶格常数处于比成为基准的GaAs基板的晶格常数大的一侧。将其作为+(正)应变。本发明发现，起因于应变调整层8的负应变的存在，具有减小为了将发光波长长波长化而需要向应变发光层12导入的正应变的偏差的效果。如上述那样，应变发光层12的发光波长由应变发光层12的层厚、组成和应变量决定。这样，应变发光层12的对发光波长给予影响的要素多，因此由于各要素的偏差的协同效应，有波长的偏差容易变大的倾向。
例如，优选应变发光层12是层厚为30nm以下的薄膜，但因为是薄的膜，所以难以均匀地控制层厚。并且，由于层厚和导入的应变量存在相关关系，因此由于应变发光层12的层厚偏差，所导入的应变量也发生偏差，结果应变发光层12的发光波长发生偏差。因此发现：在形成化合物半导体层2时，通过在含有具有正应变的应变发光层12的发光部7的上方(在图4中，成为发光部7的下方)设置应变调整层8，该应变调整层8具有的负应变将由于应变发光层12的层厚的偏差而大大地偏移到正(+)侧的应变拉到负(-)侧，应变发光层12的应变量的偏差变小。该应变调整层8的效果在应变发光层12的应变量的偏差的原因是由应变发光层12的组成的偏差引起的情况下也是同样的。
然而，在没有应变调整层8的现有的发光二极管中，发光波长等的特性的偏差大，不能够满足所要求的品质。与此相对，在本实施方式的发光二极管1中，形成为在发光部7的下方设置有应变调整层8的元件结构。由此，为了进行长波长化而需要的应变发光层12的应变量在发光层10内被均匀化，发光波长和输出特性的偏差变小。并且，化合物半导体层2的表面状态也得以改善。
功能性基板3如图4所示，接合到构成化合物半导体层2的应变调整层8侧。该功能性基板3，由对机械性地支持发光部7具有足够的强度，并且，可以透射从发光部7射出的发光的禁带宽度较宽，对于来自发光层10的发光波长在光学上透明的材料构成。例如，可以由磷化镓(GaP)、砷化铝镓(AlGaAs)、氮化镓(GaN)等的III-V族化合物半导体晶体、硫化锌(ZnS)和硒化锌(ZnSe)等的II-VI族化合物半导体晶体、或者六方晶或立方晶的碳化硅(SiC)等的IV族半导体晶体、玻璃或蓝宝石等的绝缘基板构成，优选GaP等。
另一方面，也可以选择在接合面具有反射率高的表面的功能性基板。例如，也可以选择表面具有银、金、铜或者铝等的金属基板或合金基板、在半导体上形成了金属镜结构的复合基板等。最优选从与没有因接合引起的应变的影响的应变调整层相同的材质选择。
功能性基板3为了利用足够的强度机械性地支持发光部7，优选为例如约50μm以上的厚度。另外，为了向化合物半导体层2接合后容易实施对功能性基板3的机械加工，优选为不超过约300μm的厚度的基板。即，功能性基板3由具有约50μm以上、约300μm以下的厚度的n型GaP基板构成是最适合的。
另外，如图4所示，功能性基板3的侧面在接近化合物半导体层2的一侧形成为相对于主要的光取出面大致垂直的垂直面3a，在远离化合物半导体层2的一侧形成为相对于主要的光取出面向内侧倾斜的倾斜面3b。由此，可以将从发光层10放出到功能性基板3侧的光效率良好地取出到外部。另外，从发光层10放出到功能性基板3侧的光之中，一部分可以被垂直面3反射并在倾向面3b取出。另一方面，被倾斜面3b反射的光可以在垂直面3a取出。这样，通过垂直面3a和倾斜面3b的协同效应，可以提高光的取出效率。
另外，在本实施方式中，如图4所示，优选：将倾斜面3b与平行于发光面的面构成的角度α设在55度～80度的范围内。通过设在这样的范围，可以将由功能性基板3的底部反射的光效率良好地取出到外部。
另外，优选将垂直面3a的宽度(厚度方向)设在30μm～100μm的范围内。通过将垂直面3a的宽度设在上述范围内，可以将由功能性基板3的底部反射的光在垂直面3a上效率良好地返回到发光面，而且，能够从主要的光取出面放出。因此，可以提高发光二极管1的发光效率。
另外，功能性基板3的倾斜面3b，优选被粗糙化。通过倾斜面3b被粗糙化，可得到提高该倾斜面3b上的光取出效率的效果。即，通过将倾斜面3b粗糙化，可以抑制在倾斜面3b上的全反射，提高光取出效率。
化合物半导体层2和功能性基板3的接合界面，有时成为高电阻层。即，有时在化合物半导体层2和功能性基板3之间设置有省略图示的高电阻层。该高电阻层显示比功能性基板3高的电阻值，在设置有高电阻层的情况下，具有降低从化合物半导体层2的应变调整层8侧向功能性基板3侧的反向的电流的功能。另外，构成了对于从功能性基板3侧向应变调整层8无意地施加的反向的电压发挥耐电压性的接合结构，但优选构成为其击穿电压为比pn结型的发光部7的反向电压低的值。
n型欧姆电极4和p型欧姆电极5是设置在发光二极管1的主要的光取出面的低电阻的欧姆接触电极。在此，n型欧姆电极4设置在上部覆盖层11的上方，例如，可以使用由AuGe、Ni合金/Au形成的合金。另一方面，p型欧姆电极5如图4所示，可以在露出的应变调整层8的表面使用由AuBe/Au形成的合金。
在此，在本实施方式的发光二极管1中，优选将作为第2电极的p型欧姆电极5形成于应变调整层8上。通过形成为这样的构成，可以降低工作电压。另外，通过将p型欧姆电极5形成于由p型GaP构成的应变调整层8上，可得到良好的欧姆接触，因此可以降低工作电压。
再者，在本实施方式中，优选将第1电极的极性设为n型，并将第2电极的极性设为p型。通过形成为这样的构成，可以实现发光二极管1的高辉度化。另一方面，如果将第1电极设为p型，则电流扩散变差，导致辉度的降低。与此相对，通过将第1电极设为n型，电流扩散变好，可以实现发光二极管1的高辉度化。
在本实施方式的发光二极管1中，优选如图3所示，以成为对角的位置的方式配置n型欧姆电极4和p型欧姆电极5。另外，最优选形成为由化合物半导体层2围住p型欧姆电极5的周围的构成。通过形成为这样的构成，可以降低工作电压。另外，通过由n型欧姆电极4围住p型欧姆电极5的四方，电流容易向四方流动，其结果，工作电压降低。
另外，在本实施方式的发光二极管1中，优选如图3所示，将n型欧姆电极4形成为蜂窝、格子形状等网状。通过形成为这样的构成，可以使可靠性提高。另外，通过形成为格子状，可以对发光层10均匀地注入电流，其结果，可以使可靠性提高。再者，在本实施方式的发光二极管1中，优选利用衬垫形状的电极(焊盘电极)和宽度10μm以下的线状的电极(线状电极)构成n型欧姆电极4。通过形成为这样的构成，可以谋求高辉度化。此外，通过将线状电极的宽度变窄，可以提高光取出面的开口面积，并可以实现高辉度化。
第3电极6如图4所示，设置在功能性基板3的底面，具有使高辉度化、导通性和安装工序的稳定化提高的功能。第3电极6的材质没有特别限定，例如可以使用反射率高的银(Ag)膏。另外，第3电极6可以使用例如由反射层、势垒层和连接层构成的叠层结构体。作为上述反射层，可以使用反射率高的金属，例如，银、金、铝、铂和这些金属的合金。另外，在功能性基板3和反射层之间，可以设置例如由氧化铟锡(ITO)和氧化铟锌(IZO)等的透明导电膜构成的氧化膜。另外，作为阻挡层，可以使用例如钨、钼、钛、铂、铬或钽等的高熔点金属。另外，作为连接层，可以使用例如AuSn、AuGe或AuSi等的低熔点的共晶金属。
另外，第3电极6可以是欧姆电极，也可以是肖特基电极，但如果第3电极6在功能性基板3的底面形成欧姆电极，则吸收来自发光层10的光，因此优选为肖特基电极。第3电极6的厚度没有特别限定，优选为0.2～5μm的范围，更优选为1～3μm的范围，特别优选为1.5～2.5μm的范围。在此，如果第3电极6的厚度低于0.2μm，则需要高度的膜厚控制技术，因此不优选。另外，如果第3电极6的厚度超过5μm，则难以形成图案且成为高成本，因此不优选。另一方面，如果第3电极6的厚度为上述范围，则能够兼顾品质的稳定性和成本，因此优选。
<发光二极管的制造方法>
接着，对本实施方式的发光二极管1的制造方法进行说明。图7是本实施方式的发光二极管1中使用的外延晶片的剖面图。另外，图8是本实施方式的发光二极管1中使用的接合晶片的剖面图。
(化合物半导体层的形成工序)
首先，如图7所示，制作化合物半导体层2。化合物半导体层2是在GaAs基板14上顺序层叠由GaAs构成的缓冲层15、为了在选择蚀刻中利用而设置的蚀刻终止层(省略图示)、由掺杂Si的n型的AlGaInP构成的接触层16、n型的上部覆盖层11、发光层10、p型的下部覆盖层9和由掺杂Mg的p型GaP构成的应变调整层8而制作的。
作为GaAs基板14，可以使用由公知的制法制成的市售品的单晶基板。GaAs基板14的进行外延生长的表面优选为平滑的。从品质的稳定性方面来看，优选GaAs基板14的表面的面取向为容易外延生长并可量产的(100)面以及从(100)偏离至±20°以内。而且，更优选GaAs基板14的面取向的范围为从(100)方向向(0-1-1)方向偏离15°±5°。
为了使化合物半导体层2的结晶性良好，优选GaAs基板14的位错密度低。具体地讲，例如，希望为10,000个cm-2以下，优选为1,000个cm-2以下。
GaAs基板14可以是n型也可以是p型。GaAs基板14的载流子浓度可以由所希望的电导率和元件结构适当选择。例如，在GaAs基板14为硅掺杂的n型的情况下，优选载流子浓度为1×1017～5×1018cm-3的范围。与此相对，在GaAs基板14为掺杂锌的p型的情况下，优选载流子浓度为2×1018～5×1019cm-3的范围。
GaAs基板14的厚度根据基板的尺寸有适当的范围。如果GaAs基板14的厚度比适当的范围薄，则在化合物半导体层2的制造工艺中有龟裂之虞。另一方面，如果GaAs基板14的厚度比适当的范围厚，则材料成本增加。因此，在GaAs基板14的基板尺寸大的情况下，例如，直径为75mm的情况下，为了防止操作时的裂纹，优选250～500μm的厚度。同样地，在直径为50mm的情况下，优选200～400μm的厚度，在直径为100mm的情况下，优选350～600μm的厚度。
这样，通过根据GaAs基板14的基板尺寸来增厚基板的厚度，可以降低起因于应变发光层7的化合物半导体层2的翘曲。由此，外延生长中的温度分布变得均匀，因此可以减小发光层10的面内的波长分布。再者，GaAs基板14的形状并不特别限定于圆形，也可以为矩形等。
缓冲层(buffer)15是为了缓和半导体基板14和发光部7的构成层的晶格失配而设置的。因此，如果选择基板的品质和外延生长条件，则缓冲层15并不必然需要。另外，缓冲层15的材质优选设为与用于外延生长的基板相同的材质。因此，在本实施方式中，缓冲层15优选与GaAs基板14同样地使用GaAs。另外，缓冲层15为了降低缺陷的传播，也可以使用由不同于GaAs基板14的材质构成的多层膜。缓冲层15的厚度优选为0.1μm以上，更优选为0.2μm以上。
接触层16是为了降低与电极的接触电阻而设置的。优选接触层16的材质是带隙比应变发光层12大的材质，优选具有AlXGa1-XAs或(AlXGa1-X)YIn1-YP(在此，X和Y是分别满足0≤X≤1和0＜Y≤1的数值)的组成的材质。另外，接触层16的载流子浓度的下限值，为了降低与电极的接触电阻而优选为5×1017cm-3以上，更优选为1×1018cm-3以上。载流子浓度的上限值优选在容易引起结晶性的降低的2×1019cm-3以下。接触层16的厚度优选为0.5μm以上，最优选为1μm以上。接触层16的厚度的上限值没有特别限定，为了将涉及外延生长的成本设在适当范围而优选为5μm以下。
在本实施方式中，可以应用分子束外延法(MBE)和减压有机金属化学气相沉积法(MOCVD法)等的公知的生长方法。其中，优选应用量产性优异的MOCVD法。具体地讲，在化合物半导体层2的外延生长中使用的GaAs基板14，优选在生长前实施洗涤工序和热处理等的预处理，来除去表面的污染和自然氧化膜。构成上述化合物半导体层2的各层，可以在MOCVD装置内安置8片以上的直径为50～150mm的GaAs基板14，同时地进行外延生长来层叠。另外，作为MOCVD装置，可以应用自公转型或高速旋转型等的市售的大型装置。
使上述化合物半导体层2的各层外延生长时，作为III族构成元素的原料，例如可以使用三甲基铝((CH3)3Al)、三甲基镓((CH3)3Ga)和三甲基铟((CH3)3In)等。另外，作为Mg的掺杂原料，例如可以使用双环戊二烯基镁(bis-(C5H5)2Mg)等。另外，作为Si的掺杂原料，例如可以使用乙硅烷(Si2H6)等。另外，作为V族构成元素的原料，可以使用膦(PH3)或胂(AsH3)等。另外，作为各层的生长温度，在使用p型GaP作为应变调整层8的情况下，可以采用720～770℃，其他的各层，可以采用600～700℃。此外，各层的载流子浓度、层厚和温度条件等可以适当选择。
这样制造的化合物半导体层2，尽管具有应变发光层12也具有晶体缺陷少的良好的表面状态。另外，化合物半导体层2也可以对应于元件结构实施研磨等的表面加工。
(透明基板的接合工序)
接着，对化合物半导体层2和功能性基板3进行接合。化合物半导体层2和功能性基板3的接合，首先，研磨构成化合物半导体层2的应变调整层8的表面，进行镜面加工。接着，准备贴附到该镜面研磨过的应变调整层8的表面的功能性基板3。
再者，该功能性基板3的表面在接合到应变调整层8以前研磨成镜面。接着，向一般的半导体材料贴附装置送入化合物半导体层2和功能性基板3，在真空中对进行了镜面研磨的两者的表面冲击电子并照射中性(neutral)化了的Ar束。其后，在维持了真空的贴附装置内使两者的表面重合并施加载荷，由此可以在室温下进行接合(参照图8)。
(第1和第2电极的形成工序)
接着，形成作为第1电极的n型欧姆电极4和作为第2电极的p型欧姆电极5。n型欧姆电极4和p型欧姆电极5的形成，首先，利用氨系蚀刻剂从与功能性基板3接合了的化合物半导体层2选择性地除去GaAs基板14和缓冲层15。接着，在露出的接触层16的表面形成n型欧姆电极4。具体地讲，例如，采用真空蒸镀法以成为任意的厚度的方式层叠了AuGe或Ni合金/Pt/Au后，利用一般的光刻法进行图案化，以形成n型欧姆电极4的形状。
接着，选择性地除去接触层16、上部覆盖层11、发光层10和下部覆盖层9的一部分的区域，使应变调整层8露出，在该露出了的应变调整层8的表面形成p型欧姆电极5。具体地讲，例如，采用真空蒸镀法以成为任意的厚度的方式层叠了AuBe/Au后，利用一般的光刻法进行图案化，形成p型欧姆电极5的形状。其后，在例如400～500℃、5～20分钟的条件下进行热处理来合金化，由此可以形成低电阻的n型欧姆电极4和p型欧姆电极5。
(第3电极的形成工序)
接着，在功能性基板3的与化合物半导体层2的接合面相反的一侧形成第3电极6。在作为第3电极6使用银膏的情况下，在功能性基板的表面涂布银膏。另外，在作为第3电极使用叠层结构体的情况下，具体地讲，例如采用溅射法在功能性基板3的表面形成0.1μm的作为氧化膜的透明导电膜即ITO膜后，形成0.1μm的银合金膜，从而形成反射层。接着，在该反射层之上形成0.1μm的作为阻挡层的例如钨膜。接着，在该阻挡层之上顺序形成0.5μm的Au、1μm的AuSn(共晶：熔点283℃)和0.1μm的Au的薄膜，从而形成连接层。然后，采用通常的光刻法图案化成任意的形状，形成第3电极6。再者，功能性基板3和第3电极6是光吸收少的肖特基接触。
(透明基板的加工工序)
接着，加工功能性基板3的形状。功能性基板3的加工，首先，在没有形成第3电极6的表面形成V字状的沟。此时，V字状的沟的第3电极6侧的内侧面成为具有与平行于发光面的面构成的角度α的倾斜面3b。接着，从化合物半导体层2侧以规定的间隔进行划片(dicing)来芯片化。再者，通过芯片化时的划片，形成功能性基板3的垂直面3a。
作为倾斜面3b的形成方法，没有特别限定，可以适当组合使用湿式蚀刻、干式蚀刻、划线(scribe)法、激光加工等的现有方法，但最优选应用形状的控制性和生产率高的划片法(dicing method)。通过应用划片法，可以提高制造成品率。
另外，垂直面3a的形成方法没有特别限定，但优选采用划线折断法(scribe break method)或划片法形成。通过采用划线折断法，可以使制造成本降低。即，不需要在芯片分离时设置切割余量，能够制造数量多的发光二极管，因此能够降低制造成本。另一方面，在划片法中，来自垂直面3a的光取出效率提高，能够实现高辉度化。
最后，根据需要利用硫酸-过氧化氢混合液等将由划片引起的破碎层和污物蚀刻除去。可以这样制造发光二极管1。
<发光二极管灯的制造方法>
接着，对于使用上述发光二极管1的发光二极管灯41的制造方法，即发光二极管1的安装方法进行说明。
如图1和图2所示，在安装基板42的表面安装规定的数量的发光二极管1。发光二极管1的安装，首先进行安装基板42和发光二极管1的对位，在安装基板42的表面的规定的位置配置发光二极管1。接着，将构成第3电极6的连接层和设置在安装基板42的表面的n电极端子43进行共晶金属接合(共晶金属小片接合)。由此，发光二极管1被固定在安装基板42的表面。接着，使用金线45连接发光二极管1的n型欧姆电极4和安装基板42的n电极端子43(线接合)。接着，使用金线46连接发光二极管1的p型欧姆电极5和安装基板42的p电极端子44。最后，利用一般的环氧树脂47封装安装基板42的安装有发光二极管1的表面。这样地制造使用了发光二极管1的发光二极管灯41。
对于具有如以上那样的构成的发光二极管灯41，关于对n电极端子43和p电极端子44施加了电压的情况进行说明。
首先，对于向发光二极管灯41施加了正向的电压的情况进行说明。
在施加了正向的电压的情况下，正向电流首先从连接到阳极的p型电极端子44经由金线46向p型欧姆电极5流通。接着，从p型欧姆电极5顺序向应变调整层8、下部覆盖层9、发光层10、上部覆盖层11和n型欧姆电极4流通。接着，从n型欧姆电极4经由金线45流通到与阴极连接的n型电极端子43。再者，因为发光二极管1设置有高电阻层，所以正向电流没有从应变调整层8流通到由n型GaP基板构成的功能性基板3。这样，在正向电流流通时，从发光层10发光。另外，从发光层10发出的光从主要的光取出面放出。另一方面，从发光层10向功能性基板3侧放出的光，被功能性基板3的形状和第3电极6反射，因此从主要的光取出面放出。因此，能够实现发光二极管灯41(发光二极管1)的高辉度化(参照图2和图4)。
另外，因为发光层10的组成被调整，所以发光二极管灯41的发光光谱的峰发光波长处于655～675nm的范围。另外，因为通过应变调整层8抑制了应变发光层12的应变量在发光层10内的偏差，所以发光光谱的半值宽度成为10～40nm的范围。另外，在发光波长700nm下的发光强度低于峰发光波长下的发光强度的10％。因此，使用发光二极管1制作的发光二极管灯41，可以很好地作为在促进植物生长发育的光合作用中使用的照明使用。
如以上说明那样，本实施方式的发光二极管1具备含有发光部7的混合物半导体层2，该发光部7具有组成式为(AlXGa1-X)YIn1-YP(在此，X和Y是分别满足0≤X≤0.1和0.39≤Y≤0.45的数值)的应变发光层12。通过应变发光层12的材质采用AlGaInP，可以提高来自发光部7的发光效率和响应速度。另外，通过将应变发光层12的组成规定在上述范围，可以制造具有655nm以上的发光波长的发光二极管1。
另外，本实施方式的发光二极管1在发光部7上设置有应变调整层8。该应变调整层8对于发光波长是透明的，因此不吸收来自发光部7的发光并可以制造高输出功率和/或高效率的发光二极管1。此外，该应变调整层8具有比GaAs基板14的晶格常数小的晶格常数，因此可以抑制该半导体化合物层2的翘曲的产生。由此，应变发光层12的应变量在发光层10内的偏差被降低，因此可以制造单色性优异的发光二极管1。
因此，根据本实施方式，可以提供具有655nm以上的发光波长，单色性优异，并且为高输出功率和/或高效率的、响应速度快的发光二极管1。另外，根据本实施方式，可以提供与现有的AlGaAs系的发光二极管相比，具有约4倍以上的发光效率的高输出功率的发光二极管1。
另外，本实施方式的发光二极管灯41具备：具有655nm以上的发光波长，单色性优异，并且为高输出功率和/或高效率的、响应速度快的上述发光二极管1。因此，可以提供适合于植物生长发育用的照明的发光二极管灯41。
实施例
以下，使用实施例具体地说明本发明的效果。再者，本发明并不限定于这些实施例。
在本实施例中，具体地说明制作了本发明涉及的发光二极管的例子。另外，本实施例中制作的发光二极管是具有AlGaInP发光部的红色发光二极管。在本实施例中，使在GaAs基板上生长的化合物半导体层和由GaP构成的功能性基板接合，制作了发光二极管。并且，为了特性评价，制作了在基板上安装了发光二极管芯片的发光二极管灯。
(实施例1)
实施例1的发光二极管，首先，在由掺杂了Si的n型的GaAs单晶构成的GaAs基板上顺序层叠化合物半导体层，制作了外延晶片。
GaAs基板是以从(100)面向(0-1-1)方向倾斜15°的面作为生长面，将载流子浓度设为2×1018cm-3。另外，GaAs基板的层厚设为约0.5μm。所谓化合物半导体层是：由掺杂Si的GaAs构成的n型的缓冲层、由掺杂Si的(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5P构成的n型的接触层、由掺杂Si(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5P构成的n型的上部覆盖层、由未掺杂的Ga0.44In0.56P/(Al0.53Ga0.47)0.5In0.5P的对构成的应变发光层/势垒层、由掺杂Mg的(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5P构成的p型的下部覆盖层、由(Al0.5Ga0.5)0.5In0.5P构成的薄膜的中间层、和由掺杂Mg的p型GaP构成的应变调整层。
在本实施例中，采用减压有机金属化学气相沉积装置法(MOCVD装置)，在直径为76mm和厚度为350μm的GaAs基板使化合物半导体层外延生长，形成了外延晶片。在使外延生长层生长时，作为III族构成元素的原料，使用了三甲基铝((CH3)3A1)、三甲基镓((CH3)3Ga)和三甲基铟((CH3)3In)。另外，作为Mg的掺杂原料，使用了双环戊二烯基镁(bis-(C5H5)2Mg)。另外，作为Si的掺杂原料，使用了乙硅烷(Si2H6)。另外，作为V族构成元素的原料，使用了膦(PH3)和胂(AsH3)。另外，作为各层的生长温度，由p型GaP构成的应变调整层设为750℃；并且对于其他的各层，设为700℃。
由GaAs构成的缓冲层，载流子浓度设为2×1018cm-3、层厚设为约0.5μm。接触层，载流子浓度设为2×1018cm-3、层厚设为约3.5μm。上部覆盖层，载流子浓度设为1×1018cm-3、层厚设为约0.5μm。应变发光层为未掺杂且层厚约为17nm的Ga0.44In0.56P，势垒层为未掺杂且层厚约为19nm的(Al0.53Ga0.47)0.5In0.5P。另外，将应变发光层和势垒层交替地层叠了22对。下部覆盖层，载流子浓度设为约8×1017cm-3、层厚设为约0.5μm。中间层，载流子浓度设为约8×1017cm-3、层厚设为约0.05μm。由GaP构成的应变调整层，载流子浓度设为约3×1018cm-3、层厚设为约9μm。
接着，将应变调整层从表面研磨达到约1μm的深度的区域，进行了镜面加工。通过该镜面加工，使应变调整层的表面的粗糙度为0.18nm。另一方面，准备了向上述的应变调整层的镜面研磨过的表面贴附的由n型GaP构成的功能性基板。该贴附用的功能性基板，使用了以载流子浓度变为约2×1017cm-3的方式添加Si，并将面取向设为(111)的单晶。另外，功能性基板的直径为76mm，厚度为250μm。该功能性基板的表面，在与应变调整层接合以前研磨成镜面，加工至均方根值(rms)为0.12nm。
接着，向一般的半导体材料贴附装置送入上述的功能性基板和具有应变调整层的外延晶片，将装置内排气成为真空直到变为3×10-5Pa。
接着，对功能性基板和应变调整层的双方的表面冲击电子，并照射中性(neutral)化了的Ar束3分钟。其后，在维持为真空的贴附装置内使功能性基板和应变调整层的表面重合，并以在各自的表面的压力成为50g/cm2的方式施加载荷，在室温将双方接合。这样形成了接合晶片。
接着，利用氨系蚀刻剂从上述接合晶片选择性地除去GaAs基板和GaAs缓冲层。接着，在接触层的表面，作为第1电极，采用真空蒸镀法形成厚度为0.5μm的AuGe、Ni合金、0.2μm的Pt、1μm的Au的薄膜。其后，利用一般的光刻法实施图案化，形成了n型欧姆电极作为第1电极。接着，对作为除去了GaAs基板的面的光取出面的表面实施了粗糙化处理。
接着，选择性地除去形成作为第2电极的p型欧姆电极的区域的外延层，使应变调整层露出。在该露出了的应变调整层的表面采用真空蒸镀法以AuBe为0.2μm、Au为1μm的方式形成了p型欧姆电极。其后，在450℃进行10分钟热处理以合金化，形成了低电阻的p型和n型欧姆电极。
接着，在功能性基板的背面形成了厚度为0.2μm的Au、厚度为0.2μm的Pt和厚度为1.2μm的AuSn的连接用的第3电极。
接着，使用划片机，从功能性基板的背面形成V字状的沟，使得没有形成第3电极的区域成为倾斜面的角度α为70°，并垂直面的厚度为80μm。接着，使用划片机从化合物半导体层侧以350μm间隔切断来芯片化。利用硫酸-过氧化氢混合液将由划片引起的破碎层和污物蚀刻除去，制作了实施例1的发光二极管。
组装了100个在安装基板上安装了如上述那样制作的实施例1的发光二极管芯片的发光二极管灯。该发光二极管灯是如下制作的：利用共晶芯片焊接机(die bonder)将上述发光二极管芯片加热连接到安装基板上并支持(安装；mount)，用金线将上述发光二极管的n型欧姆电极和设置在安装基板的表面的n电极端子进行线连接，并用金线将p型欧姆电极和p电极端子进行线连接后，利用一般的环氧树脂来封装。
将评价了该发光二极管(发光二极管灯)的特性的结果示于表1。如表1所示，在n型和p型欧姆电极间流通了电流，射出了峰波长为660nm的红色光。在正向流通了20毫安(mA)的电流时的正向电压(Vf)反映构成化合物半导体层的应变调整层和功能性基板的接合界面的电阻之低和各欧姆电极的良好的欧姆特性，约为2.0伏(V)。正向电流为20mA时的发光输出功率为20mW。组装好的全部的发光二极管芯片的峰波长的偏差(最大-最小)为2.1nm。发光的上升的响应速度(Tr)为70ns。
实施例1的发光二极管灯的发光光谱如图9所示，半值宽度为18nm，在波长700nm下的发光强度大约为0。
(实施例2)
实施例2的发光二极管是仅改变了实施例1的发光二极管中的应变发光层和势垒层的构成的发光二极管。在此，实施例2的发光二极管，将上述实施例1中的应变发光层改变为无掺杂且层厚约为10nm的Ga0.42In0.58P，将上述实施例1中的势垒层改变为无掺杂且层厚约为30nm的(Al0.53Ga0.47)0.5In0.5P，将应变发光层和势垒层交替地层叠了22对。
将评价了安装有实施例2的发光二极管的发光二极管灯的特性的结果示于表1。如表1所示，在n型和p型欧姆电极间流通了电流，射出了峰波长为660.5nm的红色光。另外，在正向流通了20毫安(mA)的电流时的正向电压(Vf)约为2.0伏(V)。
另外，正向电流为20mA时的发光输出功率为18mW。组装的全部的发光二极管灯中的峰波长的偏差为2.3nm。发光的上升的响应速度(Tr)为68ns。
(实施例3)
实施例3的发光二极管是仅改变了实施例2的发光二极管中的应变发光层的构成的发光二极管。在此，实施例3的发光二极管，将上述实施例2中的应变发光层改变为无掺杂且层厚约为15nm的Ga0.41In0.59P。
将评价了安装有实施例3的发光二极管的发光二极管灯的特性的结果示于表1。如表1所示，在n型和p型欧姆电极间流通了电流，射出了峰波长为668.0nm的红色光。另外，在正向流通了20毫安(mA)的电流时的正向电压(Vf)约为2.0伏(V)。
另外，正向电流为20mA时的发光输出功率为19mW。组装的全部的发光二极管灯中的峰波长的偏差为2.5nm。发光的上升的响应速度(Tr)为71ns。
(实施例4)
实施例4的发光二极管，是仅改变了实施例2的发光二极管中的应变发光层的构成的发光二极管。在此，实施例4的发光二极管，将上述实施例2中的阱层改变为无掺杂且层厚约为25nm的Ga0.45In0.55P。
将评价了安装有实施例4的发光二极管的发光二极管灯的特性的结果示于表1。如表1所示，在n型和p型欧姆电极间流通了电流，射出了峰波长为656.0nm的红色光。另外，在正向流通了20毫安(mA)的电流时的正向电压(Vf)约为2.0伏(V)。
另外，正向电流为20mA时的发光输出功率为20mW。组装的全部的发光二极管灯中的峰波长的偏差为2.1nm。发光的上升的响应速度(Tr)为66ns。
(实施例5)
实施例5的发光二极管是仅改变了实施例2的发光二极管中的应变发光层的构成的发光二极管。在此，实施例5的发光二极管，将上述实施例2中的应变发光层改变为无掺杂且层厚约为10nm的Ga0.39In0.61P。
将评价了安装有实施例5的发光二极管的发光二极管灯的特性的结果示于表1。如表1所示，在n型和p型欧姆电极间流通了电流，射出了峰波长为670.0nm的红色光。另外，在正向流通了20毫安(mA)的电流时的正向电压(Vf)约为2.0伏(V)。
另外，正向电流为20mA时的发光输出功率为18mW。组装的全部的发光二极管灯中的峰波长的偏差为2.9nm。发光的上升的响应速度(Tr)为65ns。
(比较例1)
比较例1的发光二极管是将实施例2的发光二极管中的表面层改变为没有应变的层的发光二极管。在此，比较例1的发光二极管，将上述实施例2中的应变调整层改变为(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5P层。
将评价了安装有比较例1的发光二极管的发光二极管灯的特性的结果示于表1。如表1所示，在n型和p型欧姆电极间流通了电流，射出了峰波长为660nm的红色光。另外，在正向流通了20毫安(mA)的电流时的正向电压(Vf)约为2.1伏(V)。另外，正向电流为20mA时的发光输出功率为13mW。组装的发光二极管灯中的峰波长的偏差为71nm。发光的上升的响应速度(Tr)为65ns。发光波长的分布大，不能够满足特性。
(比较例2)
比较例2的发光二极管是仅改变了实施例2的发光二极管中的应变发光层的构成的发光二极管。在此，比较例2的发光二极管，将上述实施例2中的应变发光层改变为无掺杂且层厚约为5nm的Ga0.38In0.62P。
将评价了安装有比较例2的发光二极管的发光二极管灯的特性的结果示于表1。如表1所示，在n型和p型欧姆电极间流通了电流，射出了峰波长为651.5nm的红色光。另外，在正向流通了20毫安(mA)的电流时的正向电压(Vf)约为2.0伏(V)。
另外，正向电流为20mA时的发光输出功率为16mW。组装的全部的发光二极管灯中的峰波长的偏差为5.1nm。发光的上升的响应速度(Tr)为42ns。因量子效应发光波长低于655nm，不能够满足特性。
(比较例3)
比较例3的发光二极管是仅改变了实施例2的发光二极管中的应变发光层的构成的发光二极管。在此，比较例3的发光二极管，将上述实施例2中的应变发光层的组成改变为Ga0.37In0.63P。
在比较例3中制作的外延晶片中，在由p型GaP构成的应变调整层的表面产生了起因于应变发光层的组成的晶体缺陷(影线；hatching)。
将评价了安装有比较例3的发光二极管的发光二极管灯的特性的结果示于表1。如表1所示，在n型和p型欧姆电极间流通了电流，射出了峰波长为677.7nm的红色光。另外，在正向流通了20毫安(mA)的电流时的正向电压(Vf)约为2.2伏(V)。
另外，正向电流为20mA时的发光输出功率为5mW。组装的全部的发光二极管灯中的峰波长的偏差为3.8nm。发光的上升的响应速度(Tr)为45ns。因上述的应变调整层的缺陷的产生而使发光输出功率低，不能够满足特性。
(比较例4)
比较例4的发光二极管是仅改变了实施例1的发光二极管中的应变发光层的构成的发光二极管。在此，比较例4的发光二极管，将上述实施例1中的应变发光层的组成改变为Ga0.48In0.52P。
将评价了安装有比较例4的发光二极管的发光二极管灯的特性的结果示于表1。如表1所示，在n型和p型欧姆电极间流通了电流，射出了峰波长为647.7nm的红色光。另外，在正向流通了20毫安(mA)的电流时的正向电压(Vf)约为2.0伏(V)。
另外，正向电流为20mA时的发光输出功率为16mW。组装的全部的发光二极管灯中的峰波长的偏差为2.7nm。发光的上升的响应速度(Tr)为62ns。发光波长低于655nm，不能够满足特性。
(比较例5)
比较例5的发光二极管是仅改变了实施例2的发光二极管中的应变发光层和势垒层的构成的发光二极管。在此，比较例5的发光二极管，将上述实施例2中的应变发光层改变为无掺杂且层厚约为30nm的Ga0.44In0.56P，将上述实施例1中的势垒层改变为无掺杂且层厚约为30nm的(Al0.53Ga0.47)0.5In0.5P，将应变发光层和势垒层交替地层叠了12对。
在比较例5中制作的外延晶片中，在由p型GaP构成的应变调整层的表面产生了起因于应变发光层的组成的晶体缺陷(影线)。
将评价了安装有比较例5的发光二极管的发光二极管灯的特性的结果示于表1。如表1所示，在n型和p型欧姆电极间流通了电流，射出了峰波长为668.9nm的红色光。另外，在正向流通了20毫安(mA)的电流时的正向电压(Vf)约为2.3伏(V)。
另外，正向电流为20mA时的发光输出功率为3mW。组装的全部的发光二极管灯中的峰波长的偏差为4.1nm。发光的上升的响应速度(Tr)为43ns。因缺陷的产生而使发光输出功率低，不能够满足特性。
(比较例6)
比较例6的发光二极管采用作为现有技术的液相外延法形成。是改变成为在GaAs基板上具有作为Al0.35Ga0.65As发光层的双异质结构的发光部的发光二极管的发光二极管。
比较例6的发光二极管的制作，具体地讲，是在n型的(100)面的GaAs单晶基板采用液相外延方法制作使得由Al0.7Ga0.3As构成的n型的上部覆盖层为20μm、由Al0.35Ga0.65As构成的无掺杂的发光层为2μm、由Al0.7Ga0.3As构成的p型的下部覆盖层为20μm、对于发光波长为透明的由Al0.6Ga0.4As构成的p型的厚膜层为120μm。在该外延生长后除去GaAs基板。接着，在n型AlGaAs的表面形成了直径为100μm的n型欧姆电极。接着，在p型AlGaAs的背面以80μm间隔形成了直径为20μm的p型欧姆电极。接着，利用划片锯以350μm间隔切断后，蚀刻除去破碎层，制作了比较例6的发光二极管芯片。
将评价了安装有比较例6的发光二极管的发光二极管灯的特性的结果示于表1。如表1所示，使n型和p型欧姆电极间流通了电流，射出了峰波长为661.1nm的红色光。另外，在正向流通了20毫安(mA)的电流时的正向电压(Vf)约为1.9伏(V)。
另外，正向电流为20mA时的发光输出功率为4mW。组装的全部的发光二极管灯中的峰波长的偏差为6.7nm。输出功率低，并且响应速度(Tr)为150ns，不能够满足特性。
(照明装置的制作)
在上述实施例1～5记载的发光二极管灯之中，选择上述实施例1记载的发光二极管灯，按照日本特开2008-16412号公报记载的内容将该灯固定于照明装置用反射器内，制作了具备多个该反射器的照明装置(包含形成有电源配线和通孔等的基板等)。在此引用日本特开2008-16412号公报，构成为本说明书的一部分。
Figure BDA0000103940200000341
产业上的利用可能性
本发明的发光二极管实现660nm的红色的高效率发光，可以作为植物生长发育用途的光源等的、采用现有AlGaAs的LED得不到的高输出功率发光二极管制品使用。并且，具有替代现有的AlGaAs发光层LED的高输出功率产品的可能性。
附图标记说明
1...发光二极管
2...化合物半导体层
3...功能性基板
3a...垂直面
3b...倾斜面
4...n型欧姆电极(第1电极)
5...p型欧姆电极(第2电极)
6...第3电极
7...发光部
8...应变调整层
9...下部覆盖层
10...发光层
11...上部覆盖层
12...应变发光层
13...势垒层
14...GaAs基板
15...缓冲层
16...接触层
41...发光二极管灯
42...安装基板
43...n电极端子
44...p电极端子
45、46...金线
47...环氧树脂
α...倾斜面与平行于发光面的面构成的角度
100、101...照明装置

Claims (24)

1.一种发光二极管，其特征在于，
具备至少含有pn结型的发光部和层叠于所述发光部的应变调整层的化合物半导体层，
所述发光部具有组成式为(AlXGa1-X)YIn1-YP的应变发光层与势垒层的叠层结构，其中，X和Y是分别满足0≤X≤0.1和0.39≤Y≤0.45的数值，
所述应变调整层相对于发光波长是透明的，并且具有比所述应变发光层和所述势垒层的晶格常数小的晶格常数。
2.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，所述应变发光层的组成式为GaYIn1-YP，其中，Y是满足0.39≤Y≤0.45的数值。
3.根据权利要求1或2所述的发光二极管，其特征在于，所述应变发光层的厚度为8～30nm的范围。
4.根据权利要求1～3的任一项所述的发光二极管，其特征在于，含有8～40层的所述应变发光层。
5.根据权利要求1～4的任一项所述的发光二极管，其特征在于，所述势垒层的组成式为(AlXGa1-X)YIn1-YP，其中，X和Y是分别满足0.3≤X≤0.7和0.48≤Y≤0.52的数值。
6.根据权利要求1～5的任一项所述的发光二极管，其特征在于，
所述发光部在所述应变发光层的上面和下面的一方或两方具有覆盖层，
所述覆盖层的组成式为(AlXGa1-X)YIn1-YP，其中，X和Y是分别满足0.5≤X≤1和0.48≤Y≤0.52的数值。
7.根据权利要求1～6的任一项所述的发光二极管，其特征在于，所述应变调整层的组成式为(AlXGa1-X)YIn1-YP，其中，X和Y是分别满足0≤X≤1和0.6≤Y≤1的数值。
8.根据权利要求1～6的任一项所述的发光二极管，其特征在于，所述应变调整层的组成式为AlXGa1-XAs1-YPY，其中，X和Y是分别满足0≤X≤1和0.6≤Y≤1的数值。
9.根据权利要求1～6的任一项所述的发光二极管，其特征在于，所述应变调整层的材质为GaP。
10.根据权利要求1～9的任一项所述的发光二极管，其特征在于，所述应变调整层的厚度为0.5～20μm的范围。
11.根据权利要求1～10的任一项所述的发光二极管，其特征在于，在所述化合物半导体层的与光取出面相反的一侧的表面接合有功能性基板。
12.根据权利要求11所述的发光二极管，其特征在于，所述功能性基板是透明的。
13.根据权利要求11或12所述的发光二极管，其特征在于，所述功能性基板的材质为GaP。
14.根据权利要求11～13的任一项所述的发光二极管，其特征在于，所述功能性基板的侧面具有：在接近所述化合物半导体层的一侧相对于所述光取出面大致垂直的垂直面；和在远离所述化合物半导体层的一侧相对于所述光取出面向内侧倾斜的倾斜面。
15.根据权利要求11～14的任一项所述的发光二极管，其特征在于，还具备：
设置在所述化合物半导体层的所述光取出面侧的第1和第2电极；和
设置在所述功能性基板的背面的连接用的第3电极。
16.根据权利要求15所述的发光二极管，其特征在于，所述第1和第2电极为欧姆电极。
17.根据权利要求11～16的任一项所述的发光二极管，其特征在于，所述光取出面包含粗糙的面。
18.根据权利要求1～17的任一项所述的发光二极管，其特征在于，
是用于促进植物生长发育的光合作用的发光二极管，
所述发光部的发光光谱的峰发光波长为655～675nm的范围。
19.根据权利要求18所述的发光二极管，其特征在于，所述发光光谱的半值宽度为10～40nm的范围。
20.根据权利要求18或19所述的发光二极管，其特征在于，所述发光光谱的在发光波长700nm下的发光强度低于在所述峰发光波长下的发光强度的10％。
21.根据权利要求1～20的任一项所述的发光二极管，其特征在于，所述发光部的响应速度(Tr)为100ns以下。
22.一种发光二极管灯，其特征在于，具备权利要求1～21的任一项所述的发光二极管。
23.根据权利要求22所述的发光二极管灯，其特征在于，设置在所述发光二极管的所述光取出面侧的所述第1或第2电极、与所述第3电极大致相同电位地连接。
24.一种照明装置，其特征在于，具备权利要求22或23所述的发光二极管灯。
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