CN1825642A - 发光二极管及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供把在分布布拉格反射器的近红外光的发光减少到可忽视的水平，进而降低在分布布拉格反射器的光的吸收率的高亮度发光二极管。为了达到该目的，通过对AlGaInP系发光二极管的分布布拉格反射器使用AlGaAs层和AlInP层的组合，并将其膜厚规定为下述(1)、(2)、(3)式的关系。(AlGaAs层的膜厚[nm])＝{λ₀/(4×n₁)}×α…(1)，(AlInP层的膜厚[nm])＝{λ₀/(4×n₂)}×(2－α)…(2)，λ₀：需要反射的光的波长[nm]，n₁：对需要反射的光的波长的AlGaAs层的折射率，n₂：对需要反射的光的波长的AlInP层的折射率，0.5＜α＜0.9…(3)。

Description

发光二极管及其制造方法

技术领域

本发明涉及把在分布布拉格反射器的近红外光的发光减少到可忽视的水平，以防止利用红外光的光传感器类发生误操作的高亮度发光二极管及其制造方法。

背景技术

近年来，使用AlGaInP系外延晶片制造的高亮度的从红色到绿色的发光二极管的需求大幅度增长。主要需求为手机的液晶用背灯、显示灯、交通信号灯、汽车刹车灯等。AlGaInP是除了氮化物在III/V族化合物半导体中具有最大的带隙的直接迁移型半导体，与以往使用GaP或AlGaAs等间接迁移型半导体的发光二极管相比，在相当于从红色到绿色的可见光波长区域能够进行更高亮度的发光。另外，一般正在被制造销售的高亮度发光二极管的内部量子效率值极高，为了得到高于迄今的高亮度，提高外部量子效率要比提高内部量子效率更为有效，其方法有插入分布布拉格反射器(DBR)这种构造的发光二极管。

作为该以往例，图5表示发光波长为630nm的AlGaInP系发光二极管(参照专利文献1)的构造。

该AlGaInP系发光二极管的构造，如图5所示，在n型GaAs衬底22上，采用有机金属气相生长法(以下称为“MOVPE法”)，顺次层积由交互层积高折射率膜和低折射率膜的多层膜构成的分布布拉格反射器(DBR)23、n型AlGaInP下包层24、未掺杂AlGaInP活性层25、p型AlGaInP上包层26、p型GaP电流扩散层27，在n型衬底22的整个背面设置背面电极(n侧共通电极)21，在p型电流分散层表面的一部分设置表面电极(p侧欧姆接触电极)28。24～26构成AlGaInP四元双异质结构部分(发光部)。

将LED的发光波长记为λ、将折射率记为n时，分布布拉格反射器23是由交互层积了高折射率膜的λ/4n膜和低折射率膜的λ/4n膜的多层膜构成，具有将活性层所产生光中向下(GaAs衬底方向)行进的光向上(取光面方向)反射，而提高取光效率的功能。根据该效果，与不具备分布布拉格反射器的情况相比，可以提高大于等于50％(根据情况为100％左右)的亮度。

对于将AlGaInP混晶作为发光层的LED来说，构成上述分布布拉格反射器23的材料一般使用GaAs层和Al_XGa_1-XAs(0≤X≤1)层的组合，GaAs层和(Al_XGa_1-X)_1-YIn_YP(0≤X，Y≤1)层的组合等。另外，作为构成上述分布布拉格反射器23的材料，已知有折射率差更大的高反射率AlAs层和AlGaAs层的组合。

另一方面，上述专利文献1的情况，使用由GaAs层和AlInP层的组合构成的分布布拉格反射器。其理由是，在由AlAs层和AlGaAs层的组合构成的分布布拉格反射器中，AlAs层的制作条件非常困难，容易混入氧(O)，而显著恶化在其上生长的发光层的结晶性，导致亮度降低等问题，另外，如果为了防止混入氧，而采用提高V族原料和III族原料的供给量比即所谓V/III比的方法，则对制造装置带来较大的负荷，存在排气管线容易被As屑堵塞的问题。

因此，专利文献1就提出，对于由GaAs层和AlInP层的组合构成的分布布拉格反射器，为了减少被GaAs层吸收的光而使反射率更高，构成为使GaAs层尽量薄，而使AlInP层厚至能够反射需要反射的波长的光。

制作该高反射率分布布拉格反射器所需要的GaAs层和AlInP层的膜厚是按照下述的公式求出。

(GaAs层的膜厚[nm])＝{λ₀/(4×n₁)}×α

(AlInP层的膜厚[nm])＝{λ₀/(4×n₂)}×(2-α)

λ₀：需要反射的光的波长[nm]

n₁：对需要反射的光的波长的GaAs层的折射率

n₂：对需要反射的光的波长的AlInP层的折射率

0.5＜α＜0.9

将这样求出的膜厚的GaAs层、AlInP层交互地组合数十回，制作分布布拉格反射器。

作为构成分布布拉格反射器23的材料，除了上述之外，还已知对高折射率膜和低折射率膜双方使用AlGaAs的材料(例如参照专利文献2)。

专利文献1：特开2003-218386号公报

专利文献2：特开2000-174332号公报

发明内容

但是，专利文献1的使用由AlInP层和GaAs层的组合构成的分布布拉格反射器的LED，存在较大问题。也就是，在活性层发光的波长(630nm)的光不仅作为如图6所示的主光(LED发光)产生，而且根据从活性层向分布布拉格反射器的光，在GaAs层产生不希望的近红外光(发光波长860nm)的发光，该近红外光以不可忽视的强度，与在活性层发光的主要光一起出到外部。

近红外光(发光波长860nm)的强度是主光(发光波长630nm)的约1/10。该近红外光有可能促使利用目前普及的红外光的传感器发生误操作。

另外，对于专利文献1的由AlInP层和GaAs层的组合构成的分布布拉格反射器来说，在GaAs层一部分光不被反射而被吸收，存在相应地变暗的问题。

因此，本发明的目的为提供把在分布布拉格反射器的近红外光的发光减少到可忽视的水平，进而降低在分布布拉格反射器的光的吸收率的高亮度发光二极管及其制造方法。

为了达到上述目的，本发明如下构成。

发明一涉及的发光二极管为，在第一导电型衬底上，形成用第一导电型下包层和第二导电型上包层夹持活性层的发光部，在第一导电型下包层和衬底之问，插入由交互层积高折射率膜和低折射率膜的多层膜构成的第一导电型的分布布拉格反射器，这样构造的发光二极管，其特征在于，构成上述分布布拉格反射器的高折射率膜和低折射率膜的材质使用AlGaAs层和AlInP层。

发明二涉及的发光二极管为，在第一导电型衬底上，形成用第一导电型下包层和第二导电型上包层夹持活性层的发光部，在其上形成第二导电型电流分散层，在第一导电型下包层与衬底之间，插入由交互层积高折射率膜和低折射率膜的多层膜构成的第一导电型的分布布拉格反射器，这样构造的发光二极管，其特征在于，构成上述分布布拉格反射器的高折射率膜和低折射率膜的材质使用AlGaAs层和AlInP层。

发明三涉及的发光二极管的特征在于，对于发明一或发明二的发光二极管，将用于上述分布布拉格反射器的AlGaAs层和AlInP层的膜厚比规定在下述(1)、(2)、(3)式的关系。

(AlGaAs层的膜厚[nm])＝{λ₀/(4×n₁)}×α…(1)

(AlInP层的膜厚[nm])＝{λ₀/(4×n₂)}×(2-α)…(2)

λ₀：需要反射的光的波长[nm]

n₁：对需要反射的光的波长的AlGaAs层的折射率

n₂：对需要反射的光的波长的AlInP层的折射率

0.5＜α＜0.9…(3)

发明四涉及的发光二极管特征在于，对于发明一至发明三的任意的发光二极管，将上述高折射率膜的材质用通式Al_xGa_1-xAs层表示时，规定其Al混晶比x为0＜x＜0.6。

发明五涉及的发光二极管特征在于，对于发明一至发明四的任意的发光二极管，所述衬底为GaAs，发光部由AlGaInP或GaInP形成。

发明六涉及的发光二极管的制造方法，其特征在于，采用MOVPE法，在第一导电型GaAs衬底上，形成交互生长第一导电型AlGaAs层和第一导电型AlInP层的分布布拉格反射器，在其上顺次生长第一导电型AlGaInP包层、未掺杂AlGaInP活性层、第二导电型AlGaInP包层、第二导电型AlGaInP电流分散层，此时将用于上述分布布拉格反射器的AlGaAs层和AlInP层的膜厚比规定在下述(1)、(2)、(3)式的关系。

(AlGaAs层的膜厚[nm])＝{λ₀/(4×n₁)}×α…(1)

(AlInP层的膜厚[nm])＝{λ₀/(4×n₂)}×(2-α)…(2)

λ₀：需要反射的光的波长[nm]

n₁：对需要反射的光的波长的AlGaAs层的折射率

n₂：对需要反射的光的波长的AlInP层的折射率

0.5＜α＜0.9…(3)

发明点

专利文献1的AlInP、GaAs配对分布布拉格反射器的较大问题在于，除了相当于活性层带隙的波长区域的主光(发光波长630nm)(以下称为第一放射光)以外，还同时放出相对于GaAs带隙的波长区域的光，即强的近红外光(860nm)(第二放射光)(参照图6)。同时放出强的近红外光(第二放射光)的原因在于，图5中，从活性层25放射的光中，朝着n型GaAs衬底22和n型分布布拉格反射器23侧的光，绝大部分被n型分布布拉格反射器23反射到位于其相反侧的主取光面。但是一部分第一放射光进入构成n型分布布拉格反射器23的AlInP、GaAs的GaAs层。因此，由进入到GaAs层的第一放射光引起光激发，放出相当于GaAs层带隙的光。即，对于n型分布布拉格反射器23的配对的单方使用GaAs层的发光二极管，无论如何都会放出强的第二放射光。从而，在这种发光二极管的周围放置利用红外光的传感器类，例如普通的半导体光电二极管时，该光电二极管就会受到从发光二极管放射出的近红外光(第二放射光)的影响，存在发生误操作等不良情况。

因此，在本发明(发明一、发明二)中，作为构成分布布拉格反射器的高折射率膜和低折射率膜的材质，使用AlGaAs层和AlInP层。即，使用AlGaAs层代替以往的GaAs层来作为高折射率膜。这样，本发明中可以使来自分布布拉格反射器的近红外光减少至如图3所示可忽视的水平。从而，本发明的发光二极管的情况，即使其周围存在利用红外光的传感器，也不会有受到从该发光二极管放射出的近红外光(第二放射光)的影响而发生误操作的问题。

另外，在本发明(发明三至发明五)中，构成分布布拉格反射器的配对膜中，使一方的吸收光的AlGaAs层形成得尽量薄，而另一方的AlInP层则形成得厚，以反射需要反射的波长的光，因此可以得到高亮度的发光二极管。

另外，在本发明(发明一至发明六)中，通过只是变化分布布拉格反射器的AlGaAs层和AlInP层的膜厚比，就可以得到比以往发光二极管亮度更高的发光二极管。

由AlAs层和AlGaAs层的组合构成的普通分布布拉格反射器中，AlAs层的制作条件非常困难，容易混入氧(O)，而显著恶化在其上生长的发光层的结晶性，导致亮度降低。另外，如果为了防止混入氧，而采用提高V族原料和III族原料的供给量比即所谓V/III比的方法，则对制造装置带来较大的负荷，存在排气管线容易被As屑堵塞的问题。但是，在本发明(发明一至发明六)中，由于分布布拉格反射器是组合AlGaAs层和AiInP层，因此不存在这种问题，可以容易地生产出适合于生产并且具有更高反射率的分布布拉格反射器。

有益效果

根据本发明可以得到如下的优异的效果。

在发明一、发明二中，作为构成分布布拉格反射器的高折射率膜和低折射率膜的材质，使用AlGaAs层和AlInP层，因此可以使来自分布布拉格反射器的近红外光减少至可忽视的水平。从而，即使本发明的发光二极管的周围存在普通的半导体光电二极管也不会发生误操作。

另外，在发明三至发明五中，使吸收光的AlGaAs层形成得尽量薄，而使AlInP层形成得厚，以反射需要反射的波长的光，因此可以得到高亮度的发光二极管。

另外，在发明一至发明六中，通过只是变化分布布拉格反射器的AlGaAs层和AlInP层的膜厚比，就可以得到比以往发光二极管亮度更高的发光二极管。

附图说明

图1是表示本发明实施方式涉及的发光二极管的构造的图。

图2是表示在本发明使用的公式中的系数α与分布布拉格反射膜的光谱面积之间关系的图。

图3是表示本发明实施方式涉及的发光二极管的发光光谱的图。

图4是表示本发明另一实施方式涉及的发光二极管的构造的图。

图5是表示以往的发光二极管的构造的图。

图6是表示以往的发光二极管的发光光谱的图。

图中，1是背面电极；2是GaAs衬底；3是布拉格反射器；4是AlGaInP下包层；5是AlGaInP活性层；6是AlGaInP上包层；7是AlGaInP电流分散层；8是表面电极。

具体实施方式

下面基于图示的实施方式说明本发明。

图1表示本发明实施方式涉及的发光二极管的构造。这里，将第一导电型规定为n型，将第二导电型规定为p型。该发光二极管，在第一导电型衬底n型GaAs衬底2上，形成由交互层积高折射率膜n型AlGaAs层和低折射率膜n型AlInP层的多层膜构成的n型分布布拉格反射器3。进而在其上形成由第一导电型下包层n型AlGaInP下包层4、未掺杂AlGaInP活性层5、第二导电型上包层的p型AlGaInP上包层6的双异质结构构成的发光部(发光区域层)。这里，也可以在n型GaAs衬底2和n型分布布拉格反射器3之间，设置n型GaAs阻挡层。

进而，在上述的发光部的上面，正确地说是在p型AlGaInP上包层6上面，形成作为第二导电型电流分散层的p型AlGaInP电流分散层7。进而，在芯片表面形成其中央由圆形的部分电极构成的表面电极8，并且在背面形成其一部分或全面由n侧用金属电极构成的背面电极1。

构成上述分布布拉格反射器3的AlGaAs层和AlInP层的膜厚，可以通过下述(1)、(2)、(3)式求出。

(AlGaAs层的膜厚[nm])＝{λ₀/(4×n₁)}×α…(1)

(AlInP层的膜厚[nm])＝{λ₀/(4×n₂)}×(2-α)…(2)

λ₀：需要反射的光的波长[nm]

n₁：对需要反射的光的波长的AlGaAs层的折射率

n₂：对需要反射的光的波长的AlInP层的折射率

0.5＜α＜0.9…(3)

图2表示上述系数α与分布布拉格反射器的光谱面积之间关系。可以知道，与α＝1的普通分布布拉格反射器(将高折射率膜与低折射率膜的膜厚等同为λ/4n的情况)相比，将系数α的范围规定为0.5＜α＜0.9的分布布拉格反射器，能够进一步提高发光二极管的亮度。即，对于上述系数α来说，如从图2中可以知道，如果规定在0.5＜α＜0.9的范围，优选规定在0.6≤α≤0.8的范围，进一步优选规定为约0.7，则与α＝1的情况(使高折射率膜和低折射率膜的膜厚等同为λ/4n的情况)相比，可以得到更大的光谱面积[a.u.(任意单位)]，从而可以得到高反射率的分布布拉格反射器。

图3表示具有上述构成分布布拉格反射器的LED的发光光谱。以往的GaAs层和AlInP层配对的分布布拉格反射器的情况，来自GaAs层的近红外光(图6)的发生程度是主峰的1/10左右的大小，但本实施方式的AlGaAs层和AlInP层配对的分布布拉格反射器3的情况，则如图3所示，被取出到外部的近红外光减少至主峰的1/60左右这种实质上可忽视的水平。从而，即使本实施方式的发光二极管的周围存在普通的半导体光电二极管，该光电二极管也不会受到放射出的近红外光的影响，可防止发生误操作。

更具体地说明图1发光二极管(LED)的实施例。

采用MOVPE法，在n型GaAs衬底2上，形成交互生长高折射率膜n型AlGaAs层(膜厚30.7nm、载流子浓度1×10¹⁸cm^-3)和低折射率膜n型AlInP层(膜厚71.2nm、载流子浓度1×10¹⁸cm^-3)的两层共20对的分布布拉格反射器3。进而在其上顺次生长厚度为0.5μm且载流子浓度为1×10¹⁸cm^-3的n型AlGaInP下包层4、厚度为0.5μm的未掺杂AlGaInP活性层5、厚度为0.5μm且载流子浓度为5×10¹⁷cm^-3的p型AlGaInP上包层6。进而在其上生长厚度为5μm且载流子浓度为1×10¹⁸cm^-3的p型AlGaInP电流分散层7。

采用该外延晶片制作图1的LED芯片，评价特性。与具有在上述式中α＝1的情况(使高折射率膜和低折射率膜的膜厚等同为λ/4n的情况)的分布布拉格反射器的LED芯片相比，发光输出为2.8mW，提高了约15％，器件的工作电压(Vf特性)为1.9V，没有变化。即，对于发光输出和工作电压的特性来说，可以维持与专利文献1基本相同的良好的结果。

另一方面，对于本发明的重要论点，即从发光二极管被取出到外部的近红外光的强度来说，如图3所示减少到了可忽视的水平，即使周围存在普通的半导体光电二极管也不受影响。

在上述实施方式中，说明了具有电流分散层7的发光二极管的构造，但本发明并不限于这些，对于在图1省略了电流分散层7的发光二极管的构造也可以适用。即，可以是如图4所示的构造，也就是说，在n型GaAs衬底2上，按照上述(1)、(2)式，形成由交互层积高折射率膜n型AlGaAs层和低折射率膜n型AlInP层的多层膜构成的n型分布布拉格反射器3，进而在其上设置由n型AlGaInP下包层4、未掺杂AlGaInP活性层5、p型AlGaInP上包层6构成的双异质结构的发光部，在该上包层6上形成p型AlGaInP电流分散层7，进而形成表面电极8和背面电极1。

另外，电流分散层7除了AlGaInP以外，还可以使用透明导电膜ITO膜或GaAlAs或GaP等。

Claims (6)

1.发光二极管，是在第一导电型衬底上，形成用第一导电型下包层和第二导电型上包层夹持活性层的发光部，在第一导电型下包层和衬底之间，插入由交互层积高折射率膜和低折射率膜的多层膜构成的第一导电型分布布拉格反射器这种构造的发光二极管，其特征在于，构成所述分布布拉格反射器的高折射率膜和低折射率膜的材质使用AlGaAs层和AlInP层。

2.发光二极管，是在第一导电型衬底上，形成用第一导电型下包层和第二导电型上包层夹持活性层的发光部，在其上形成第二导电型电流分散层，在第一导电型下包层与衬底之间，插入由交互层积高折射率膜和低折射率膜的多层膜构成的第一导电型分布布拉格反射器这种构造的发光二极管，其特征在于，构成所述分布布拉格反射器的高折射率膜和低折射率膜的材质使用AlGaAs层和AlInP层。

3.权利要求1或2所述的发光二极管，其特征在于，将用于所述分布布拉格反射器的AlGaAs层和AlInP层的膜厚比规定在下述(1)、(2)、(3)式的关系：

(AlGaAs层的膜厚[nm])＝{λ₀/(4×n₁)}×α…(1)

(AlInP层的膜厚[nm])＝{λ₀/(4×n₂)}×(2-α)…(2)

λ₀：需要反射的光的波长[nm]

n₁：对需要反射的光的波长的AlGaAs层的折射率

n₂：对需要反射的光的波长的AlInP层的折射率

0.5＜α＜0.9…(3)。

4.权利要求1～3的任意一项所述的发光二极管，其特征在于，将所述高折射率膜的材质用通式Al_xGa_1-xAs层表示时，规定其Al混晶比x为0＜x＜0.6。

5.权利要求1～4的任意一项所述的发光二极管，其特征在于，所述衬底为GaAs，发光部由AlGaInP或GaInP形成。

6.发光二极管的制造方法，其特征在于，采用MOVPE法，在第一导电型GaAs衬底上，形成交互生长第一导电型AlGaAs层和第一导电型AlInP层的分布布拉格反射器，在其上顺次生长第一导电型AlGaInP包层、未掺杂AlGaInP活性层、第二导电型AlGaInP包层、第二导电型AlGaInP电流分散层，此时将用于所述分布布拉格反射器的AlGaAs层和AlInP层的膜厚比规定在下述(1)、(2)、(3)式的关系：

(AlGaAs层的膜厚[nm])＝{λ₀/(4×n₁)}×α…(1)

(AlInP层的膜厚[nm])＝{λ₀/(4×n₂)}×(2-α)…(2)

λ₀：需要反射的光的波长[nm]

n₁：对需要反射的光的波长的AlGaAs层的折射率

n₂：对需要反射的光的波长的AlInP层的折射率0.5＜α＜0.9…(3)。

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