JP2004095944A

JP2004095944A - 発光ダイオードおよびその製造方法

Info

Publication number: JP2004095944A
Application number: JP2002256632A
Authority: JP
Inventors: Nobuyuki Watanabe; 渡邊　信幸
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2002-09-02
Filing date: 2002-09-02
Publication date: 2004-03-25
Anticipated expiration: 2022-09-02
Also published as: JP4147073B2

Abstract

【課題】放出される光の天面方向への指向性を有する発光ダイオードの簡単な製造方法を提供する。
【解決手段】半導体層の発光層４，５より深い位置までメサエッチングを行うことにより発光層４，５の周囲にＶ溝１１を形成し、Ｖ溝１１上面の発光層４，５と対向する側面に金からなる反射膜１２を形成し、半導体層６の表面をアニール処理することにより保護膜９を形成するようにした。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、屋内及び屋外用表示パネル、車載用表示ランプ、信号機、携帯電話用バックライト等で使用される高輝度化合物半導体発光ダイオード及び放出光に指向性を必要とするフォトインタラプター、フォトカプラー、ファイバー光源等の機能デバイスに使用する発光ダイオードとその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
本発明に関連する先行技術文献としては次のものがある。
【０００３】
【特許文献１】
特開平７−１３１０６６号公報（図１）
【０００４】
従来の発光ダイオード素子として、例えば、図５に示すように、ＧａＡｌＡｓ赤色発光ダイオード１００は、ｐ型ＧａＡｓ基板１０１、ｐ型ＧａＡｌＡｓクラッド層１０２、ＧａＡｌＡｓ活性層１０３、ｎ型ＧａＡｌＡｓクラッド層１０４、およびｎ型ＧａＡｌＡｓコンタクト層１０５を積層した多層構造を有する。また、ｐ型ＧａＡｓ基板１０１下面、ｎ型ＧａＡｌＡｓコンタクト層１０５上面のそれぞれに電極１０６，１０７が形成されている。この発光ダイオード１００の電極１０６，１０７間に電流を流すと、ＧａＡｌＡｓ活性層１０３とｎ型ＧａＡｌＡｓクラッド層１０４が発光するようになっている。このとき、光は、素子１００の天面、側面および裏面から外方に放出され、その一部は発光ダイオード１００内部で反射を繰り返し、最終的に発光ダイオード１００外部に放出される。
【０００５】
しかしながら、発光層１０３，１０４から天面方向に放出された光や結晶内部で反射を繰り返した光は、ダイオード１００外部に放出されるまでの過程で結晶に吸収されたり、裏面側の電極１０６や素子接着用のはんだ材料によって吸収されるため、光の外部取り出し効率は必ずしも良いものではなかった。特に、発光ダイオード１００をフォトインタラプターや光ファイバー用の光源とする場合、放出される光の指向性は重要であり、可能な限り天面方向のみに発光することが望ましい。
【０００６】
そのため、発光ダイオード１００の結晶での吸収を低減させる目的でコンタクト層１０５のアルミ混晶比を高くしたり、裏面側の電極１０６の材料やその形状などが工夫され、光の外部取り出し効率の向上が図られている。
【０００７】
また、従来の発光ダイオード素子として、例えば、図６に示すように、ＧａＡｌＩｎＰ発光ダイオード１０８は、ｎ型ＧａＡｓ基板１０９、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層１１０、ＡｌＧａＩｎＰ活性層１１１、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層１１２を積層した多層構造を有する。また、ｎ型ＧａＡｓ基板１０９下面、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層１１２上面にｎ型電極１１３，ｐ型電極１１４がそれぞれ形成されている。この発光ダイオード１０８の電極１１３，１１４間に電流を流すと、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層１１０とＡｌＧａＩｎＰ活性層１１１が発光するようになっている。この発光ダイオード１０８では、結晶中に組成の異なる半導体結晶を積層することにより半導体多層膜反射鏡または光反射多層膜１１５（ＤＢＲ）が形成されており、裏面側への放出光を天面方向へと反射させるようになっている。このＤＢＲ１１５は液層成長法では形成することが困難なため、気相成長によって積層されるＡｌＧａＩｎＰを中心とした４元系発光ダイオードに主に形成されている。さらに、ＤＢＲ１１５に加えて、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層（電流狭窄層）１１６を形成したり、天面の電極配置を工夫して光を遮蔽するなどして、強制的に天面方向のみ光が放出されるようになっている。
【０００８】
また、別の手法として、素子を樹脂モールドすることにより素子の側面から放出される光を屈折させて、その放出方向を天面方向へ変えたり、図７に示すように、発光ダイオード素子１００をすり鉢状のフレーム１１７の内側底部に配置し、発光ダイオード素子１００の側面から放出される光を天面方向に反射させることにより発光ダイオード１００の天面方向から見た輝度に関与させる方法が公知である。しかしながら、発光ダイオード素子１００を前記すり鉢状のフレーム１１７に組み込むため、製造工程が複雑化するという問題があった。
【０００９】
また、発光ダイオード素子の側面から放出される光を天面方向に向ける他の方法として、例えば、発光ダイオードの発光層から発光された光のうち、水平方向に向けて発光された光を発光層の周囲に形成されたＶ溝の斜面に設けられた反射膜で反射させたものがある（例えば、特許文献１を参照）。この発光ダイオードの反射膜と電極は、アルミニウムの金属材料から形成されている。また、発光ダイオードの信頼性向上のため、発光ダイオード素子表面に保護膜であるシリコン酸化膜が形成されている。しかしながら、この発光ダイオードは、保護膜を設けるためにシリコン酸化膜を形成する必要があり、製造工程が複雑化するという問題があった。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、本発明では、放出される光の天面方向への指向性を向上し、輝度の低下を防ぐことができる発光ダイオードの簡単な製造方法を提供することを課題とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、前記課題を解決するための手段として、
基板上に発光層が積層された発光ダイオードにおいて
前記発光層の周囲に前記半導体層の発光層より深い位置まで形成されたＶ溝と、
前記Ｖ溝の前記発光層と対向する側面に形成された金からなる反射膜と、
前記半導体層の表面をアニール処理することにより形成された保護膜を備えるものである。
【００１２】
前記発明によれば、発光層の周囲に形成されたＶ溝の発光層と対向する側面に金からなる反射膜を形成したので、発光層から放出される光の天面方向への指向性が向上するとともに、光を有効に反射できる。
【００１３】
前記半導体層上面に薄膜形成された金からなる電極を備えることが好ましい。。
【００１４】
本発明は、前記課題を解決するための他の手段として、
基板上に発光層を積層する発光ダイオードの製造方法において、
前記半導体層の発光層より深い位置までメサエッチングを行うことにより前記発光層の周囲にＶ溝を形成し、
前記Ｖ溝の前記発光層と対向する側面に金からなる反射膜を形成し、
前記半導体層の表面をアニール処理することにより保護膜を形成するものである。
【００１５】
前記発明によれば、アニール処理により保護膜を形成するので、従来の製造方法に比べて簡略化することができる。また、反射膜は金からなるので、このアニール処理時に用いられる酸により侵食されない。
【００１６】
前記反射膜形成時に、前記半導体層上面に金からなる電極を薄膜形成することにより、従来の発光ダイオード製造方法に比べて製造方法を簡略化することができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を添付図面に従って説明する。
【００１８】
図１は、本発明に係る発光ダイオードであるＧａＡｌＡｓ赤色発光ダイオード１を示す。この発光ダイオード１は、ｐ型ＧａＡｓ基板２、ｐ型ＧａＡｌＡｓクラッド層３、ＧａＡｌＡｓ活性層４、ｎ型ＧａＡｌＡｓクラッド層５、ｎ型ＧａＡｌＡｓコンタクト層６を積層した多層構造を有する。ｐ型ＧａＡｓ基板２下面とｎ型ＧａＡｌＡｓコンタクト層６上面には、それぞれｐ型電極７、ｎ型電極８が形成されている。この発光ダイオード１の発光領域は、ＧａＡｌＡｓ活性層４とｎ型ＧａＡｌＡｓクラッド層５である。また、発光ダイオード１の周囲には、Ｖ溝１１が形成され、該Ｖ溝１１の外側の側面すなわちＶ溝１１の発光層４，５と対向する側面には、反射膜１２が形成されている。
【００１９】
発光ダイオード１の表面には、保護膜として自然酸化膜９が形成されている。この自然酸化膜９は、後述するように、発光ダイオード１の表面を強い酸化性を有する酸でアニール処理することにより結晶表面を酸化させたものである。
【００２０】
次に、前記発光ダイオード１を製造する製造方法について説明する。
【００２１】
図２（ａ）に示すように、先ず、ｐ型ＧａＡｓ基板２上にｐ型ＧａＡｌＡｓクラッド層３、ＧａＡｌＡｓ活性層４、ｎ型ＧａＡｌＡｓクラッド層５およびｎ型ＧａＡｌＡｓコンタクト層６を液層エピタキシャル成長法により順次積層する。ここで、各エピタキシャル層のアルミ混晶比（Ｇａ_１−ＸＡｌ_ＸＡｓ：混晶比Ｘ）は、０．６、０．２、０．４および０．６であり、それぞれの厚みは、２０μｍ、１μｍ、１０μｍおよび３０μｍである。ｐ型ドーパントとしてはマグネシウム、ｎ型ドーパントとしてはテルルを用いることが好ましい。
【００２２】
次に、図２（ｂ）に示すように、ｐ型ＧａＡｓ基板２の一部或いは全部をエッチングにより除去し、エピタキシャルウェハを所定の厚みとなるように加工する。
【００２３】
続いて、図３（ａ）に示すように、スパッタ法或いは蒸着法によりｐ型ＧａＡｓ基板２下面に電極材料を薄膜形成し、ｐ型電極７を形成する。さらに、図３（ａ）および図３（ｂ）に示すように、感光性レジストを用いてマスク１０を形成することによりパターニングを行う。このマスク１０は、ｎ型電極８が形成される部分を保護する領域１０ａと、各領域１０ａ間の中心を通るような格子状領域１０ｂを有する。
【００２４】
この状態で、図４（ａ）に示すように、発光層４，５より深い位置まで（ｐ型ＧａＡｓ基板２付近まで）メサエッチングを行い、発光層４，５の周囲にＶ溝１１をそれぞれ形成する。このとき、隣接するＶ溝１１の間に位置する頂部１１ａは、電極形成部分（ｎ型ＧａＡｌＡｓコンタクト層６上面）と同一の高さである必要は無く、頂部１１ａが発光領域４，５と比べて高い位置にあればよい。すなわち、メサエッチング時にサイドエッチングが進行して格子状領域１０ｂが剥離してもよい。
【００２５】
そして、図４（ｂ）に示すように、スパッタ法或いは蒸着法により金（金属材料）をウェハ状に薄膜形成した後、感光性レジストを用いてｎ型電極８と反射膜１２が残るようにパターンニングを行なう。ここで、ｎ型電極８は、ｎ型ＧａＡｌＡｓコンタクト層６上面の所定領域に形成され、反射膜１２は、Ｖ溝１１の発光層４，５と対向する側面に形成される。電極形成と反射膜形成を同時に行うことにより従来の製造方法に比べて簡単な発光ダイオード製造方法が実現できる。また、前記電極形成、反射膜形成工程は、先にレジスト等でパターンニングしてから金属材料を蒸着により薄膜形成し、リフトオフ方式で形成するようにしてもよい。
【００２６】
次に、図４（ｃ）に示すように、発光ダイオード１を酸化性溶液にて処理し、発光ダイオード１の結晶表面を酸化、アニール処理して保護膜９を形成する。このとき、ｎ型電極８と反射膜１２は非常に安定的な金からなるので、酸化性溶液により侵食されることなく、反射膜１２の反射率および反射膜としての機能が低下することがない。これにより、従来の製造方法のように複雑なシリコン膜形成工程により保護膜を形成するのではなく、アニール処理により保護膜９を形成するので、従来の製造方法に比べて簡単に保護膜９を形成することができる。
【００２７】
そして、図４（ｄ）に示すように、反射膜１２が形成されている頂部１１ａを目安にチップ分割を行なう。チップ分割方法としては、裏面からスクライブラインを入れてヘキ開を利用して分割してもよいが、チップ割れやチップ欠けを低減させるためにダイシングによる分割が望ましい。
【００２８】
以上のようにして、製造された発光ダイオード１では、図１に示すように、前記発光領域（ＧａＡｌＡｓ活性層４、ｎ型ＧａＡｌＡｓクラッド層５）から発光される光のうち、天面方向に放出された光は、ｎ型ＧａＡｌＡｓコンタクト層６を透過して外方に射出される。また、水平方向に発光された光は、Ｖ溝１１の発光層４，５と対向する側面に位置する反射膜１２で天面方向に反射される。さらに、裏面方向に放出された光は、発光ダイオード１の結晶内で反射を繰り返して最終的に外部に放出される。これにより、放出する光の指向性の高いＧａＡｌＡｓ赤色発光ダイオード１が得られる。尚、この製造プロセスは、ＧａＡｌＡｓ系の発光ダイオードに限ったものではなく、処理条件を変更することにより他の種類の発光ダイオード材料（例えば、４元系発光ダイオードなど）にも適用可能なものである。
【００２９】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明の発光ダイオードは、発光層の周囲に半導体層の発光層より深い位置まで形成されたＶ溝と、Ｖ溝の発光層と対向する側面に形成された金からなる反射膜と、半導体層の表面をアニール処理することにより形成された保護膜を備えるので、発光層の側面から放出される光を天面方向へと効率よく反射させ、発光ダイオードの輝度を向上させると共に指向性を持った発光ダイオードを得ることができる。更に、反射膜として金を用いることで、より反射率を向上させることが可能である。また、発光ダイオード素子自身が指向性を有するため、フォトインタラプターや光ファイバー用光源などのユニットを作成する際に、従来行われていた樹脂モールドやカップ底面配置などの複雑な工程を必要としなくなる。
【００３０】
また、本発明の発光ダイオード製造方法は、半導体層の発光層より深い位置までメサエッチングを行うことにより発光層の周囲にＶ溝を形成し、Ｖ溝の発光層と対向する側面に金からなる反射膜を形成し、半導体層の表面をアニール処理することにより保護膜を形成するようにしたので、従来の発光ダイオード製造方法に比べて製造方法が簡略化するという効果を奏する。
【００３１】
特に、反射膜形成時に、半導体層上面に金からなる電極を薄膜形成することにより、さらに従来の発光ダイオード製造方法に比べて製造方法を簡略化することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の発光ダイオードの断面図である。
【図２】（ａ），（ｂ）は、図１の発光ダイオードの製造時を示す断面図である。
【図３】（ａ）は、図１の発光ダイオードの製造時を示す断面図である。（ｂ）は、図１の発光ダイオードの製造時を示す平面図である。
【図４】（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ）は、図１の発光ダイオードの製造時を示す断面図である。
【図５】従来の発光ダイオードの断面図である。
【図６】従来の発光ダイオードの断面図である。
【図７】従来の発光ダイオードの断面図である。
【符号の説明】
１…発光ダイオード
２…ｐ型ＧａＡｓ基板（基板）
３…ｐ型ＧａＡｌＡｓクラッド層（半導体層）
４…ＧａＡｌＡｓ活性層（半導体層、発光層）
５…ｎ型ＧａＡｌＡｓクラッド層（半導体層、発光層）
６…ｎ型ＧａＡｌＡｓコンタクト層（半導体層）
７…ｐ型電極
８…ｎ型電極
９…自然酸化膜（保護膜）
１１…Ｖ溝
１２…反射膜

Claims

基板上に発光層が積層された発光ダイオードにおいて
前記発光層の周囲に前記半導体層の発光層より深い位置まで形成されたＶ溝と、
前記Ｖ溝の前記発光層と対向する側面に形成された金からなる反射膜と、
前記半導体層の表面をアニール処理することにより形成された保護膜を備えることを特徴とする発光ダイオード。
前記半導体層上面に薄膜形成された金からなる電極を備えることを特徴とする請求項１に記載の発光ダイオード。
基板上に発光層を積層する発光ダイオードの製造方法において、
前記半導体層の発光層より深い位置までメサエッチングを行うことにより前記発光層の周囲にＶ溝を形成し、
前記Ｖ溝の前記発光層と対向する側面に金からなる反射膜を形成し、
前記半導体層の表面をアニール処理することにより保護膜を形成することを特徴とする発光ダイオード製造方法。
前記反射膜形成時に、前記半導体層上面に金からなる電極を薄膜形成することを特徴とする請求項３に記載の発光ダイオード製造方法。