JP2004304049A

JP2004304049A - 発光ダイオード

Info

Publication number: JP2004304049A
Application number: JP2003097027A
Authority: JP
Inventors: Masahiro Arai; 優洋新井; Taiichiro Konno; 泰一郎今野; Kenji Shibata; 憲治柴田
Original assignee: Hitachi Cable Ltd
Current assignee: Hitachi Cable Ltd
Priority date: 2003-03-31
Filing date: 2003-03-31
Publication date: 2004-10-28

Abstract

【課題】高い光反射率を有する光反射層を備え、かつ光反射層から発光される光が外部に放出されるのを抑止することで、発光ダイオードの周囲で使用されるフォトダイオードなどの光センサ類の誤動作を防止できる高輝度発光ダイオードの提供。
【解決手段】半導体基板と、前記半導体基板の主面上に設けられた光反射層と、前記光反射層の上に成長されたｐｎ接合を有する活性層を含む発光部と、前記発光部の上に形成された表面電極と、前記半導体基板の裏面に形成された電極とを有する発光ダイオードにおいて、前記光反射層は、前記発光部から放射される波長の光を反射する第一光反射層と、前記発光部から放射される波長以外の光を反射する第二光反射層を備えた発光ダイオード。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、発光ダイオードに関するもので、特に、高い反射率を有する光反射層を備え、かつ光反射層から発光される光が外部に放出されるのを抑止することで、発光ダイオードの周囲で使用されるフォトダイオードなどの光センサ類の誤動作を防止できる高輝度発光ダイオードに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ＡｌＧａＩｎＰ系エピタキシャルウエハを用いて製造される高輝度の赤色から緑色の発光ダイオードの需要が大幅に伸びている。主な需要は、携帯電話の液晶用バックライト、表示灯、交通用信号灯、自動車のブレーキランプ等である。
【０００３】
ＡｌＧａＩｎＰは、窒化物を除くＩＩＩ／Ｖ族化合物半導体の中で最大のバンドギャップを有する直接遷移型半導体であり、従来のＧａＰやＡｌＧａＡｓ等の間接遷移型半導体を用いた発光ダイオードと比較して、赤色から緑色に相当する可視波長域において高輝度の発光が可能である。
【０００４】
現在一般に製造販売されている高輝度発光ダイオードの内部量子効率（電気を光に変換する効率）は極めて高い値にあり、これまで以上の高輝度化を求めるには、内部量子効率よりも外部量子効率（発光した光を発光ダイオードチップから外部へ取り出す効率）の向上が効果的である。
【０００５】
ＡｌＧａＩｎＰ系発光ダイオードにおいて、基板と活性層との間に、光取り出し効率を上げるため屈折率の異なる２半導体材料を組み合わせた光反射層を備えるものがある（例えば、特許文献１、２）。
【０００６】
【特許文献１】
特開平３−１１４２７７号公報
【特許文献２】
特開平７−８６６３８号公報
【０００７】
従来から知られている赤色帯のＡｌＧａＩｎＰ系発光ダイオードの代表的な構造を図５に示す。ｎ型ＧａＡｓ基板５１の上にｎ型ＧａＡｓバッファ層５２を成長させ、その上にｎ型光反射層５３が積層されている。ｎ型光反射層５３は、活性層５５からｎ型ＧａＡｓ基板５１側に向かう光を反対方向へ反射する役割を担い、これにより、光がｎ型ＧａＡｓ基板５１に吸収されることなく外部に放出され、外部量子効率を高めることができる。なお、図５において、５４はｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層、５６はｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層、５７はｐ型ＧａＰ電流分散層、５８はｐ側電極、５９はｎ側電極である。また、ｎ型バッファ層５２からｐ型電流分散層５７までは、有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ法）によりエピタキシャル成長させて形成されている。
【０００８】
ここで、ｎ型光反射層５３としては、屈折率の異なる材料を一層ずつ組み合わせ、これを１ペアとして複数ペア積層することにより、光反射率を向上させることができる。例えば、屈折率の異なる二つの半導体材料ＡとＢの屈折率をそれぞれｎ_Ａ、ｎ_Ｂとすると、Ａ層およびＢ層の膜厚は、発光波長λに対して、λ／４ｎ_Ａ、λ／４ｎ_Ｂと表わされる。そして、半導体材料ＡおよびＢの屈折率ｎ_Ａ、ｎ_Ｂの差が大きい程高い反射率を得ることができる。このような高い屈折率差を実現できる材料として、ＡｌＩｎＰおよびＧａＡｓをあげることができる。Ａｌ_０．５Ｉｎ_０．５Ｐの屈折率は約３．１１であり、ＧａＡｓの屈折率は約３．８５であるので、その差は０．７４である。従来、光反射層として一般的に使用されてきたＡｌ_０．５Ｉｎ_０．５Ｐ層（屈折率約３．１１）と（Ａｌ_０．４Ｇａ_０．６）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐ層（屈折率約３．３８）をペアとする層の屈折率差は、０．２７であり、Ａｌ_０．５Ｉｎ_０．５Ｐ層とＧａＡｓ層をペアとする光反射層の屈折率差は極めて大きいことが理解できる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、ＡｌＩｎＰ層とＧａＡｓ層をペアとする光反射層、特に、ＧａＡｓ層をペアの一方に用いた光反射層においては、次のような問題があることがわかった。すなわち、活性層５５から放射された光（以下、「第一放射光」という）は、ｎ型ＧａＡｓ基板５１およびｎ型光反射層５３側へ向かい、その殆どはｎ型反射層５３によって反射される。このうち、ｎ型反射層５３を構成するＡｌＩｎＰ層とＧａＡｓ層のペア層におけるＧａＡｓ層が第一放射光によって光励起され、ＧａＡｓ層のバンドギャップに相当する光（以下、「第二放射光」という）を放出する。このように、光反射層を形成するペアの一方にＧａＡｓ層を用いた発光ダイオードでは、活性層のバンドギャップに相当する波長域の光に加え、ＧａＡｓのバンドギャップに相当する波長域の光、つまり、赤外光を同時に放出することになる。したがって、このような発光ダイオードの周囲に存在する一般的な半導体フォトダイオードにおいては、発光ダイオードから放射させる赤外光に反応し、誤動作を招く可能性がある。
【００１０】
本発明の目的は、上記した問題を解決し、高い光反射率を有する光反射層を備え、かつ光反射層から発光される光が外部に放出されるのを抑止することで、発光ダイオードの周囲で使用されるフォトダイオードなどの光センサ類の誤動作を防止できる高輝度発光ダイオードを提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明は、半導体基板と、前記半導体基板の主面上に設けられた光反射層と、前記光反射層の上に成長されたｐｎ接合を有する活性層を含む発光部と、前記発光部の上に形成された表面電極と、前記半導体基板の裏面に形成された電極とを有する発光ダイオードにおいて、前記光反射層は、前記発光部から放射される波長の光を反射する第一光反射層と、前記発光部から放射される波長以外の光を反射する第二光反射層を備えた発光ダイオードを提供する。
【００１２】
本発明において、第一光反射層は、活性層から半導体基板側に向かって放射された第一放射光を反射するもので、これによって、高輝度発光ダイオードを実現できるようになる。また、第二光反射層は、半導体基板および第一光反射層から放射される第二放射光（赤外光）を半導体基板側に反射するもので、これによって、赤外光が外部に放出されるのを抑止することができるようになる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明の発光ダイオードの一実施の形態を図１に示す。ｎ型ＧａＡｓ基板１上に、ＭＯＶＰＥ法でｎ型ＧａＡｓバッファ層２、ｎ型第一光反射層３、ｎ型第二光反射層４、ｎ型（Ａｌ_０．７Ｇａ_０．３）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐクラッド層５、アンドープ（Ａｌ_０．１５Ｇａ_０．８５）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐ活性層６、ｐ型（Ａｌ_０．７Ｇａ_０．３）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐクラッド層７、ｐ型ＧａＰ電流分散層８を順次成長させたエピタキシャル層が形成されている。ｎ型ＧａＡｓ基板１の裏面にはｎ側電極１０が、ｐ型ＧａＰ電流分散層８の表面側にはｐ側電極９がそれぞれ形成されて発光ダイオードが構成されている。
【００１４】
ｎ型第一反射層３は、活性層６からＧａＡｓ基板１側に向かって放射された第一反射光を反射するもので、高出力（高輝度）の発光ダイオードを得るには、第一反射光に対して高い光反射率を示すことが要求される。ｎ型第一光反射層３をＡｌＩｎＰ層とＧａＡｓ層をペアとした積層構造としたした場合、ペア数と第一放射光反射率の関係は図３に示す通りである。充分な光反射効果を達成するためには、ｎ型第一光反射層３は、５ペア以上の積層構造とすることが好ましい。
【００１５】
ｎ型第二光反射層４は、ＧａＡｓ基板１およびＧａＡｓ層を含むｎ型第一光反射層３から放射される第二放射光（赤外光）をＧａＡｓ基板側に反射するものである。ｎ型第二光反射層４をＡｌＩｎＰ層とＡｌＧａＩｎＰ層をペアとした積層構造とした場合、ペア数と第一放射光／第二放射光の強度比の関係は図４に示す通りである。１ペア積層以上であれば、第一放射光／第二放射光の強度比を約半分（約５０％）以上にできる。なお、第二放射光の光反射率はｎ型第二光反射層４のペア数が増加すると共に増加するので、第二放射光を抑止するには、ペア数を増加すれば良い。しかし、製造コストとの関係から１５ペア以下とするのが好ましい。
【００１６】
（従来例）
図５に示した構造の発光波長６３０ｎｍ付近の赤色帯発光ダイオードを製作した。ｎ型ＧａＡｓ基板５１上に、ＭＯＶＰＥ法でｎ型ＧａＡｓバッファ層５２、ｎ型光反射層５３、ｎ型（Ａｌ_０．７Ｇａ_０．３）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐクラッド層５４、アンドープ（Ａｌ_０．１５Ｇａ_０．８５）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐ活性層５５、ｐ型（Ａｌ_０．７Ｇａ_０．３）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐクラッド層５６、ｐ型ＧａＰ電流分散層５７を順次成長させた。なお、ｎ型光反射層５３は、ｎ型ＡｌＩｎＰ層（厚さ約５０ｎｍ）とｎ型ＧａＡｓ層（厚さ約４０ｎｍ）をペアとして１０ペア積層した構造とした。
【００１７】
このエピタキシャルウエハの上面には直径１２５μｍの円形のｐ側電極５８をマトリックス状に蒸着で形成した。ｐ側電極５８は、金・亜鉛、ニッケル、金の順にそれぞれ厚さ６０ｎｍ、１０ｎｍ、１０００ｎｍに蒸着した。さらに、エピタキシャルウエハの底面には全面にｎ側電極５９を形成した。ｎ側電極５９は、金・ゲルマニウム、ニッケル、金を順次それぞれ厚さ６０ｎｍ、１０ｎｍ、５００ｎｍに蒸着した。その後、電極の合金化（アロイ）を窒素ガス雰囲気中、温度４００℃で５分間行った。その後、この電極付きエピタキシャルウエハをダイシング等でチップサイズ３００μｍ角のチップ形状加工し、さらに、ダイボンディング、ワイヤボンディングを行って発光ダイオードを製作した。
【００１８】
この発光ダイオードの発光スペクトルを測定した結果、６３０ｎｍと８７０ｎｍ近傍に発光を観測した。発光スペクトルの測定結果は、図６に示す通りであり、強度比は、６３０ｎｍ：８７０ｎｍ＝１４：１であり、非常に強い赤外発光が起きていることが確認された。さらに、発光ダイオードのＬＥＤ特性を調べた結果、発光出力は２．６ｍＷ、順方向動作電圧（２０ｍＡ通電時）は、１．９５Ｖであった。
【００１９】
（実施例）
図１に示した構造の発光波長６３０ｎｍ付近の赤色帯発光ダイオードを製作した。ｎ型ＧａＡｓ基板１上に、ＭＯＶＰＥ法でｎ型ＧａＡｓバッファ層２、ｎ型第一光反射層３、ｎ型第二光反射層４、ｎ型（Ａｌ_０．７Ｇａ_０．３）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐクラッド層５、アンドープ（Ａｌ_０．１５Ｇａ_０．８５）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐ活性層６、ｐ型（Ａｌ_０．７Ｇａ_０．３）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐクラッド層７、ｐ型ＧａＰ電流分散層８を順次成長させた。なお、ｎ型第一光反射層３は、ｎ型ＡｌＩｎＰ層（厚さ約５０ｎｍ）とｎ型ＧａＡｓ層（厚さ約４０ｎｍ）をペアとして１０ペア積層した構造とした。また、ｎ型第二光反射層４は、ｎ型ＡｌＩｎＰ層（厚さ約７０ｎｍ）とｎ型ＡｌＧａＩｎＰ層（厚さ約５４ｎｍ）をペアとして５ペア積層した構造とした。
【００２０】
このエピタキシャルウエハの上面には直径１２５μｍの円形のｐ側電極９をマトリックス状に蒸着で形成した。ｐ側電極９は、金・亜鉛、ニッケル、金の順にそれぞれ厚さ６０ｎｍ、１０ｎｍ、１０００ｎｍに蒸着した。さらに、エピタキシャルウエハの底面には全面にｎ側電極１０を形成した。ｎ側電極１０は、金・ゲルマニウム、ニッケル、金を順次それぞれ厚さ６０ｎｍ、１０ｎｍ、５００ｎｍに蒸着した。その後、電極の合金化（アロイ）を窒素ガス雰囲気中、温度４００℃で５分間行った。その後、この電極付きエピタキシャルウエハをダイシング等でチップサイズ３００μｍ角のチップ形状加工し、さらに、ダイボンディング、ワイヤボンディングを行って発光ダイオードを製作した。
【００２１】
この発光ダイオードの発光スペクトルを測定した結果、６３０ｎｍ近傍に強い発光を、８７０ｎｍ近傍に極めて微弱な発光を観測した。発光スペクトルの測定結果は、図２に示す通りであり、強度比は、６３０ｎｍ：８７０ｎｍ＝９６：１であり、ＧａＡｓ基板および第一光反射層中のＧａＡｓ層による赤外発光が抑制されていることが確認された。さらに、発光ダイオードのＬＥＤ特性を調べた結果、発光出力は２．４３ｍＷ、順方向動作電圧（２０ｍＡ通電時）は、１．９６Ｖであった。従来例と比較して発光出力が若干低下しているが、これは、外部に放出される赤外光が減少したためである。
【００２２】
【発明の効果】
以上説明してきたとおり、本発明は、半導体基板と、前記半導体基板の主面上に設けられた光反射層と、前記光反射層の上に成長されたｐｎ接合を有する活性層を含む発光部と、前記発光部の上に形成された表面電極と、前記半導体基板の裏面に形成された電極とを有する発光ダイオードにおいて、前記光反射層は、前記発光部から放射される波長の光を反射する第一光反射層と、前記発光部から放射される波長以外の光を反射する第二光反射層を備えた発光ダイオードを提供するものであり、高い光反射率を有する光反射層を備え、かつ光反射層から発光される光が外部に放出されるのを抑止することで、発光ダイオードの周囲で使用されるフォトダイオードなどの光センサ類の誤動作を防止できる高輝度発光ダイオードを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の発光ダイオードの一実施の形態の説明図。
【図２】実施例で製作した発光ダイオードの発光スペクトルの測定結果。
【図３】６３０ｎｍ帯赤色発光ダイオードにおける第一光反射層のペア数と第一放射光反射率の関係を表わすグラフ。
【図４】第二光反射層のペア数と第一放射光／第二放射光の強度比の関係を表わすグラフ。
【図５】従来の発光ダイオードの説明図。
【図６】従来例で製作した発光ダイオードの発光スペクトルの測定結果。
【符号の説明】
１：ｎ型ＧａＡｓ基板
２：ｎ型ＧａＡｓバッファ層
３：ｎ型第一光反射層
４：ｎ型第二光反射層
５：ｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層
６：アンドープＡｌＧａＩｎＰ活性層
７：ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層
８：ｐ型ＧａＰ電流分散層
９：ｐ側電極
１０：ｎ側電極

Claims

半導体基板と、前記半導体基板の主面上に設けられた光反射層と、前記光反射層の上に成長されたｐｎ接合を有する活性層を含む発光部と、前記発光部の上に形成された表面電極と、前記半導体基板の裏面に形成された電極とを有する発光ダイオードにおいて、前記光反射層は、前記発光部から放射される波長の光を反射する第一光反射層と、前記発光部から放射される波長以外の光を反射する第二光反射層を備えたことを特徴とする発光ダイオード。
前記半導体基板がＧａＡｓであり、前記発光部を構成する主たる材料が、（Ａｌ_ＸＧａ_１−Ｘ）_ＹＩｎ_１−ＹＰ（０≦Ｘ≦１、０≦Ｙ≦１）であり、前記第一光反射層はＧａＡｓ層を含み、前記第二光反射層は（Ａｌ_ＸＧａ_１−Ｘ）_ＹＩｎ_１−ＹＰ（０≦Ｘ≦１、０≦Ｙ≦１）層を含んでいる請求項１記載の発光ダイオード。
前記第二光反射層の膜厚は、前記半導体基板または前記第一光反射層に含まれるＧａＡｓのバンドギャップに相当する赤外光を反射する厚さである請求項１記載の発光ダイオード。
前記第一光反射層は、Ａｌ_ＸＩｎ_１−ＸＰ（０≦Ｘ≦１）層とＧａＡｓ層を１ペアとして少なくとも５ペア以上積層して構成され、前記第二光反射層は、Ａｌ_ＸＩｎ_１−ＸＰ（０≦Ｘ≦１）層と（Ａｌ_ＸＧａ_１−Ｘ）_ＹＩｎ_１−ＹＰ（０≦Ｘ≦１、０≦Ｙ≦１）層を１ペアとして少なくとも１ペア以上積層して構成されていている請求項２記載の発光ダイオード。