JP2006114824A

JP2006114824A - 発光ダイオード

Info

Publication number: JP2006114824A
Application number: JP2004302852A
Authority: JP
Inventors: Hideki Sato; 秀樹佐藤; Taiichiro Konno; 泰一郎今野; Masahiro Arai; 優洋新井
Original assignee: Hitachi Cable Ltd
Current assignee: Hitachi Cable Ltd
Priority date: 2004-10-18
Filing date: 2004-10-18
Publication date: 2006-04-27

Abstract

【課題】ワイヤボンディングダメージをなくする発光ダイオードを提供する。
【解決手段】活性層５を導電型が異なる第一導電型クラッド層４と第二導電型クラッド層６で挟んだ発光層１１を有し、該発光層１１の第二導電型クラッド層６側に第二導電型コンタクト層７、金属酸化物窓層８、パッド電極９が順に形成された発光ダイオードにおいて、前記発光層１１の上面から前記パッド電極９の上面までの距離が２．５μｍ以上であって、前記パッド電極９の厚さが２μｍ未満であることにより、ワイヤボンディングダメージを防ぐ。
【選択図】図１

Description

本発明は、電流分散層に金属酸化膜を用いた発光ダイオードに係り、ワイヤボンディングダメージをなくする発光ダイオードに関する。

従来、発光ダイオードの発光色は、ＧａＰの緑色、ＡｌＧａＡｓの赤色がほとんどであった。しかし、最近では、ＧａＮ系やＡｌＧａＩｎＰ系の結晶層をＭＯＶＰＥ法で成長させることができるようになったことから、橙色、黄色、緑色、青色の高輝度発光ダイオードが制作できるようになった。

ＭＯＶＰＥ法で形成したエピタキシャルウェハは、これまでに無かった短波長の発光や高輝度を示す発光ダイオードの制作を可能にした。しかし、高輝度を得るために、電流分散層の層厚を厚く成長させようとすると、エピタキシャルウェハのコストが高くなるという問題があった。

この層厚が厚くなるという問題を解決する方法として、電流分散層にできるだけ低い抵抗値が得られる材料を用いる方法がある。例えば、ＡｌＧａＩｎＰ４元系の場合には、電流分散層にＧａＰやＡｌＧａＡｓが用いられる。しかし、これらの抵抗率の低い材料を用いても、電流分散を良くするためには、電流分散層の層厚を８μｍ以上まで厚くする必要がある。

電流分散層の層厚を薄くするためには、電流分散層の抵抗率を低くすることが考えられる。電流分散層の抵抗率を低くするために、移動度を大幅に変えることは困難であることから、キャリア濃度を高くしようと試みられている。しかし、現段階では電流分散層の層厚を薄くできるほど、キャリア濃度を高くすることはできない。

このキャリア濃度が高くできないという問題の解決方法として、半導体からなる電流分散層の代わりに透明導電膜を用いる方法が提案されている。金属酸化膜を用いた透明導電膜は、キャリア濃度が非常に高いため、膜厚が薄くても十分な電流分散を得ることができる。よって、電流分散層の層厚が厚くなるという問題も解決できる。

特開平８−２５０５４０号公報

ところで、前述した透明導電膜（＝金属酸化膜）は、半導体エピタキシャル層の表面に形成される。このとき、発光層からパッド電極の上面までの距離（厚さ）が薄いと、ワイヤボンディング時のダメージにより、発光ダイオードが劣化したり壊れたりする問題がある。この問題を解決するため、発光層からパッド電極までの間にワイヤボンディング時のダメージを緩和するクッション層を設ける方法が提案されている。しかし、この方法では、クッション層を設ける分だけ高コストになる。

本出願人は、半導体エピタキシャル層の表面に電流分散層として金属酸化膜からなる透明導電膜を設けた発光ダイオードにおいて、クッション層を設けることなく、ワイヤボンディングダメージの問題を解決することを目指した。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、ワイヤボンディングダメージをなくする発光ダイオードを提供することにある。

上記目的を達成するために本発明は、活性層を導電型が異なる第一導電型クラッド層と第二導電型クラッド層で挟んだ発光層を有し、該発光層の第二導電型クラッド層側に第二導電型コンタクト層、金属酸化物窓層、パッド電極が順に形成された発光ダイオードにおいて、前記発光層の上面から前記パッド電極の上面までの距離が２．５μｍ以上であって、前記パッド電極の厚さが２μｍ未満であるものである。

前記金属酸化物窓層の厚さが４５０ｎｍ以上、５００ｎｍ以下であってもよい。

前記第二導電型コンタクト層の厚さが１ｎｍ以上、５０ｎｍ以下であってもよい。

本発明は次の如き優れた効果を発揮する。

（１）ワイヤボンディングダメージをなくすることができる。

以下、本発明の一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。

図１に示されるように、本発明に係る発光ダイオードは、第一導電型基板１の上に、バッファ層２、ＤＢＲ層３、第一導電型クラッド層４、活性層５、第二導電型クラッド層６、第二導電型コンタクト層７、金属酸化物窓層８、パッド電極９が順に形成され、第一導電型基板１の下に裏面電極１０が形成されたものである。

活性層５を導電型が異なる第一導電型クラッド層４と第二導電型クラッド層６で挟んだことにより、発光が可能になり、これら３つの層４，５，６を一括して発光層１１と呼ぶ。

第一導電型基板１のすぐ上のバッファ層２から第二導電型コンタクト層７まではＭＯＶＰＥ法で成長させたものであり、これらの層を一括して半導体エピタキシャル層１２と呼ぶ。

金属酸化物窓層８は、電流分散層としての金属酸化膜のことであり、透明導電膜でもある。金属酸化物窓層８は、第二導電型コンタクト層７に金属材料を蒸着して形成される。また、パッド電極９は、金属酸化物窓層８に金属材料を蒸着して形成される。

本発明は、発光層１１の最上面、つまり第二導電型クラッド層６からパッド電極９の上面までの距離が２．５μｍ以上であって、しかもパッド電極９の厚さが２μｍ未満であることに特徴を有する。

このように発光層１１からパッド電極９の上面までの距離が２．５μｍ以上であれば、ワイヤボンディングダメージをなくすることができる。このとき、パッド電極９の厚さが２μｍ未満であっても、パッド電極９がワイヤボンディング装置の超音波のパワーを十分吸収できる。

本発明の効果を確認するために、発光層１１からパッド電極９の上面までの距離を種々異ならせてエピタキシャルウェハを作製し、それぞれのウェハから切り出された発光ダイオードのグループについて初期性能を測定し、比較を行った。

作成の過程を以下に詳しく説明する。

（実施例）
まず、図１のような構造を有し、発光波長６３０ｎｍ付近の赤色発光ダイオード用エピタキシャルウェハを作製する。すなわち、ｎ型ＧａＡｓ基板１上に、ＭＯＶＰＥ法でｎ型ＧａＡｓバッファ層２（厚さ４００ｎｍ）、ｎ型ＤＢＲ層３、ｎ型（Ａｌ_0.7Ｇａ_0.3）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐクラッド層４（厚さ３５０ｎｍ）、アンドープ（Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ活性層５（厚さ５５０ｎｍ）、ｐ型（Ａｌ_0.7Ｇａ_0.3）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐクラッド層６（厚さ３００ｎｍ）、ｐ型Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ａｓコンタクト層７（厚さ２ｎｍ）を順次成長させる。ｎ型ＤＢＲ層３は、ｎ型ＡｌＩｎＰ層（厚さ５０ｎｍ）とｎ型ＧａＡｓ層（厚さ約４０ｎｍ）とからなる積層構造とし、そのペア数は１０ペアとした。

この赤色発光ダイオード用エピタキシャルウェハをＭＯＶＰＥ装置から搬出した後、このエピタキシャルウェハの表面、すなわちｐ型コンタクト層７の上に金属酸化物窓層８としてＩＴＯ膜（厚さ４７０ｎｍ）を形成する。このときエピタキシャルウェハと同一バッチとしてＩＴＯ膜形成装置内にガラス基板を入れておき、ＩＴＯ膜形成後に取り出したガラス基板をＨａｌｌ測定が可能なサイズに切断し、ＩＴＯ膜の電気的特性を評価すると良い。例えば、ガラス基板のＩＴＯ膜がキャリア濃度１．２７×１０²¹／ｃｍ³、移動度２２．４ｃｍ²／Ｖｓ、抵抗率２．３１×１０^-4Ω・ｃｍであれば、金属酸化物窓層８も同じ特性を有することになる。

その後、金属酸化物窓層８の上面に上から見てφ１３０μｍのパッド電極９を形成する。パッド電極９はリフトオフ法を用いて蒸着により形成する。パッド電極９は、上から見た配置がマトリクス状になるよう複数個形成する。パッド電極９は、ニッケルを厚さ２０ｎｍ蒸着した後に金を蒸着する。このとき、ｐ型クラッド層６からパッド電極９の上面までの距離が１．５μｍ、２．０μｍ、２．５μｍ、３．０μｍになるように金の膜厚を調整することにより、パッド電極９の厚さが異なる４種類のエピタキシャルウェハを作製する。

つまり、パッド電極９の厚さは、それぞれ０．９９８μｍ、１．４９８μｍ、１．９９８μｍ、２．４９８μｍということになる。

一方、エピタキシャルウェハの下面には、その全面にｎ型電極（裏面電極）１０を形成する。ｎ型電極１０は、金・ゲルマニウム、ニッケル、金をそれぞれ厚さ６０ｎｍ、１０ｎｍ、３００ｎｍで順に蒸着し、その後、電極の合金化工程であるアロイ工程を窒素ガス雰囲気中４３０℃で５分間行う。

次に、これらパッド電極９の厚さが異なる４種類のエピタキシャルウェハをダイサ等の加工機械でチップサイズ３００μｍ角のチップに加工し、ダイボンディング、ワイヤボンディングを行う。

実際にこのようにして作製した４種類の発光ダイオードチップ、すなわちｐ型クラッド層６からパッド電極９の上面までの距離が１．５μｍ、２．０μｍ、２．５μｍ、３．０μｍの発光ダイオードチップについてＬＥＤ特性を評価したところ、発光しなかったものの割合は、距離の順に５０％、２０％、０％、０％であった。つまり、ｐ型クラッド層６からパッド電極９の上面までの距離が２．５μｍ、３．０μｍの発光ダイオードチップは発光不良率が０％である。コンタクト層７の厚さ２ｎｍ、金属酸化物窓層８の厚さ４７０ｎｍを差し引くと、パッド電極９の厚さが１．９９８μｍ、２．４９８μｍの発光ダイオードチップは発光不良率が０％ということになる。このように金属酸化物窓層８を有するものにおいては、パッド電極９の厚さを１．９９８μｍ以上にすることで、クッション層を設けなくてもワイヤボンディングダメージを低減できることが実証された。

本発明によれば、クッション層を設ける必要がないので、クッション層の原料費が削減できると共に、成長時間も短縮できて時間当たりの生産量が多くできることになり、エピタキシャルウェハ及び発光ダイオードのコストを低くすることができる。

（比較例）
図１のような構造を有し、発光波長６３０ｎｍ付近の赤色発光ダイオード用エピタキシャルウェハを作製する。エピタキシャル成長方法、エピタキシャル構造、金属酸化物窓層８は前述の実施例と同じとする。パッド電極９の形成方法及び電極形状・配置も基本的に実施例と同じとする（リフトオフ法、φ１３０μｍ、マトリクス配置）。プロセス加工及びワイヤボンディング工程も実施例と同じとする。

実施例との違いはパッド電極９の厚さである。すなわち、パッド電極９はニッケル２０ｎｍを蒸着した後、金を蒸着する。このときｐ型クラッド層６からパッド電極９の上面までの距離が１．０μｍになるように金の膜厚を調整して比較例のエピタキシャルウェハを作製する。つまり、パッド電極９の厚さは、０．４９８μｍである。

一方、エピタキシャルウェハの下面には、実施例と同様に、その全面にｎ型電極（裏面電極）１０を形成する。ｎ型電極１０は、金・ゲルマニウム、ニッケル、金をそれぞれ厚さ６０ｎｍ、１０ｎｍ、３００ｎｍで順に蒸着し、その後、電極の合金化工程であるアロイ工程を窒素ガス雰囲気中４３０℃で５分間行う。

次に、実施例と同様に、エピタキシャルウェハをダイサ等の加工機械でチップサイズ３００μｍ角のチップに加工し、ダイボンディング、ワイヤボンディングを行う。

実際にこのようにして作製した発光ダイオードチップ、すなわちｐ型クラッド層６からパッド電極９の上面までの距離が１．０μｍの発光ダイオードチップについてＬＥＤ特性を評価したところ、発光しなかったものの割合は９０％であった。

以上のように、実施例及び比較例を実際に作製して試験した結果、表１と図２のグラフが得られた。これより、ｐ型クラッド層６からパッド電極９の上面までの距離が２．５μｍ以上であればパッド電極の厚さが２μｍ未満であっても発光ダイオードを破壊することなくワイヤボンディングを行うことができることが確認された。これは、パッド電極の厚さが１．９９８μｍ以上であればワイヤボンディング装置の超音波のパワーを十分吸収できるためである。

第二導電型コンタクト層７は、Ａｌ混晶比０から０．４３までのＧａＡｓまたはＡｌＧａＡｓ（つまりＡｌ_XＧａ_1-XＡｓ；０≦Ｘ≦０．４３）であることが望ましい。その理由を次に述べる。

金属酸化物窓層８（電流拡散層）としてのＩＴＯ膜は基本的にｎ型の半導体材料に属し、また、発光ダイオードは通常、ｐサイドアップで作製されるのが一般的である。このため、ＩＴＯ膜を電流拡散層に使用した発光ダイオードは導電型が基板１の側からｎ／ｐ／ｎとなってしまう。このために、この発光ダイオードは、ＩＴＯ膜とｐ型半導体層との界面に大きな電位障壁が生じ、このままでは非常に動作電圧の高い発光ダイオードとなってしまう。この問題を解決するため、ｐ型半導体層二は非常に高いキャリア濃度を有するコンタクト層７が必要になる。それには上記したＺｎが追加されたＧａＡｓから低Ａｌ混晶比のＡｌＧａＡｓが適しており、詳しくは１×１０¹⁹／ｃｍ³以上のキャリア濃度を有していることが好ましい。

また、第二導電型コンタクト層７の厚さは１ｎｍから５０ｎｍの範囲にあることが好ましい。なぜならば、第二導電型コンタクト層７は活性層５で発光した光に対し吸収層となるバンドギャップを有しているため、厚さが厚くなるにつれ発光ダイオードとしての発光出力が低下してしまう。従って、第二導電型コンタクト層７の厚さの上限をおよそ５０ｎｍとする。また、第二導電型コンタクト層７の厚さが１ｎｍ未満になってくると、金属酸化物窓層８（電流拡散層）としてのＩＴＯ膜と第二導電型コンタクト層７との間でのトンネル接合が難しくなってくるため、低動作電圧化及び動作電圧の安定化が困難になる。従って、ＩＴＯ膜と接する第二導電型コンタクト層７の厚さには最適値があり、それは１ｎｍから５０ｎｍの範囲となる。

ＩＴＯ膜の膜厚は、４５０ｎｍから５００ｎｍの範囲にあることが好ましい。下限が４５０ｎｍである理由は、十分な電流分散効果を得るためには２００ｎｍ程度以上の膜厚が必要であるが、４５０ｎｍ以上であることがより好ましい。上限が５００ｎｍである理由は、真空蒸着法で形成する場合、膜厚が５００ｎｍ以上になってくると、ＩＴＯ膜の透明性（透過率）が徐々に低下してしまうという現象があるからである。また、あまりに厚くし過ぎると製造コストが増加するので、好ましくない。従って、ＩＴＯ膜の膜厚は、２０００ｎｍから５００ｎｍの範囲にあることが好ましく、より好ましくは４５０ｎｍから５００ｎｍの範囲である。

なお、上記の実施例ではパッド電極９にニッケルと金を用いたが、ワイヤボンディング装置の超音波のパワーを十分吸収できる厚さであれば、他の材料を用いても本発明の効果を得ることができる。

本発明の一実施形態を示す発光ダイオードの断面図である。実施例及び比較例におけるパッド電極厚さと発光不良の割合との相関図である。

符号の説明

１基板（第一導電型基板）
２ｎ型バッファ層
３ｎ型ＤＢＲ層
４ｎ型クラッド層（第一導電型クラッド層）
５活性層
６ｐ型クラッド層（第二導電型クラッド層）
７ｐ型コンタクト層（第二導電型コンタクト層）
８金属酸化物窓層（電流分散層、金属酸化膜、透明導電膜）
９パッド電極
１０裏面電極
１１発光層

Claims

活性層を導電型が異なる第一導電型クラッド層と第二導電型クラッド層で挟んだ発光層を有し、該発光層の第二導電型クラッド層側に第二導電型コンタクト層、金属酸化物窓層、パッド電極が順に形成された発光ダイオードにおいて、前記発光層の上面から前記パッド電極の上面までの距離が２．５μｍ以上であって、前記パッド電極の厚さが２μｍ未満であることを特徴とする発光ダイオード。
前記金属酸化物窓層の厚さが４５０ｎｍ以上、５００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１記載の発光ダイオード。
前記第二導電型コンタクト層の厚さが１ｎｍ以上、５０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１又は２記載の発光ダイオード。