JP2006196522A - 発光ダイオード - Google Patents

Abstract

【課題】 ２回のエピタキシャル成長を行うことなく、表面電極に対向する領域外に電流注入領域を絞り込む層を容易に半導体基板表面上に形成することができる低コストで高歩留で高光出力が得られる発光ダイオードの構造を提供することにある。
【解決手段】 半導体基板１の上に少なくともクラッド層６と活性層５を含む半導体層を形成し、表面電極９と裏面電極１０の間に電圧を印加することによって所定の方向に流れる電流を前記半導体層に注入して前記活性層５から光を出射させる発光ダイオードにおいて、前記半導体基板表面の前記表面電極９と対向する領域にイオン注入層２を設ける。
【選択図】 図１

Description

本発明は、発光ダイオードに関し、特に外部光取り出し効率の高い発光ダイオードに関するものである。

図３はメサ分離型ＧａＡｌＡｓ系発光ダイオードの構成を示したものである。ｎ型ＧａＡｓの半導体基板１の上にｎ型ＧａＡｓのバッファ層３、ｎ型ＧａＡｌＡｓクラッド層４、ｐ型ＧａＡｌＡｓの活性層５、ｐ型ＧａＡｌＡｓクラッド層６及びｐ型ＧａＡｓの電極コンタクト層７を順にエピタキシャル成長させ、このウェハの最上部と半導体基板１にそれぞれｐ型の表面電極９とｎ型の裏面電極１０を形成し、さらに半導体結晶層表面をガラス保護膜８で覆うことにより発光ダイオードが構成される。

この構成において、順方向に電流が流れると、裏面電極１０からクラッド層４を介して活性層５への電子の注入が行われ、かつ表面電極９からクラッド層６を介して活性層５には正孔の注入が行われ、活性層５内で電子と正孔が再結合することになり、その結果光が発生し、上面から光が取り出される。

図３（ａ）は光取り出し領域の中心に表面電極を配置した中心電極型構造であり、（ｂ）は光取り出し領域の周辺部に表面電極を配置した周辺電極型構造である。一般的に（ａ）の中心電極型構造は（ｂ）の周辺電極型構造と比較して電流分散に優れ高光出力が得やすいが、設計上発光面積が小の場合は光取り出し領域内での電極被覆率が大となる為、光出力が低下し易い。

一般的に標準的な発光ダイオードは（ａ）の中心電極型構造が多く、ＬＥＤプリンターのプリンターヘッドの光源として使用される高密度発光ダイオードアレイの場合は、１発光ダイオード（ドット）のサイズが微小になる為、（ｂ）の周辺電極型構造になる場合が多い。

これらの従来の発光ダイオードによると取り出される光出力効率の点で問題を有している。この構成の発光ダイオードにおいては、表面電極９と裏面電極１０が、バッファ層３〜電極コンタクト層７を介して対向配置されている関係より、電流密度は表面電極９の直下の領域が最も高くなる。従ってこれに伴い光出力も表面電極９の直下の領域で最も高くなるが、この領域から出力される光の大部分は上部に位置した表面電極９によって反射されることとなり、外部には取り出すことが出来ず、発光ダイオード本来の光出力が得られない。

この影響は特に１発光ダイオードあたりの面積が非常に小となる高密度タイプの発光ダイオードアレイには大きい。

その為、従来はこの問題の対策として、図４（ａ）（ｂ）に示すように、半導体基板１の表面の表面電極９に対向する領域に、逆導電層１１となるｐ型ＧａＡｓ層パターンを形成することにより電流注入領域を絞り、表面電極９直下に電流が集中しにくくすることにより、活性層全体の電流密度の均一化を行い、高出力化を計ってきた。

しかしながら、上記方法の場合、基板上にまずｐ型ＧａＡｓ逆導電層１１をエピタキシャル成長した後、ｐ型ＧａＡｓ逆導電層１１のパターンの加工を行い、再度エピタキシャル成長を行うというように、２回エピタキシャル成長を行わなくてはならない為、スループットの低下に繋がり、製作コストが大幅に増大する。

かつ、２回目のエピタキシャル成長の際のｐ型ＧａＡｓ逆導電層１１のパターンの段差の影響によるエピタキシャル層の膜厚の均一性への悪影響、及びｐ型ＧａＡｓ逆導電層１１のパターンのエッチング加工の際に発生する結晶層表面の酸化、汚れ付着により、所望の特性を得ることが非常に困難となり、歩留が低下し易い。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、２回のエピタキシャル成長を行うことなく、表面電極に対向する領域外に電流注入領域を絞り込む層を容易に半導体基板表面上に形成することができる低コストで高歩留で高光出力が得られる発光ダイオードの構造を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明は、次のように構成したものである。

請求項１の発明に係る発光ダイオードは、半導体基板の上に少なくともクラッド層と活性層を含む半導体層を形成し、表面電極と裏面電極の間に電圧を印加することによって所定の方向に流れる電流を前記半導体層に注入して前記活性層から光を出射させる発光ダイオードにおいて、前記半導体基板表面の前記表面電極と対向する領域にイオン注入層を設けたことを特徴とする。

請求項２の発明は、請求項１項記載の発光ダイオードにおいて、前記半導体基板がＧａＡｓ基板であり、前記半導体層がＧａＡｓバッファ層、ＧａＡｌＡｓクラッド層、ＧａＡｌＡｓ活性層及びＧａＡｓ電極コンタクト層を含み、前記イオン注入層のイオンがＡｒイオンであることを特徴とする。

本発明によれば、表面電極に対向する半導体基板表面層に、Ａｒイオンを注入したイオン注入層を設けたことにより、イオン注入層による非晶質の領域が生まれることで高抵抗層が生まれ、電流が流れなくなることにより、表面電極直下に電流密度が集中すること無く、電流密度が活性層内で均等になり、外部光取り出し効率の高い発光ダイオードを構成することができる。

また本発明によれば、従来のように２回エピタキシャル成長を行う必要がなく、替わりにスループットの高いイオン注入技術を用いることにより製作コストの大幅削減も可能であり、かつ従来の２回のエピタキシャル成長による半導体結晶層の均一性の低下という問題も発生しないことより高い歩留が得られる。

以下、本発明を図示の実施の形態に基づいて説明する。

次に本発明によるメサ分離方式の中心電極型発光ダイオードの実施の形態を説明する。

これは、半導体基板の上に少なくともクラッド層と活性層を含む半導体層を形成し、表面電極と裏面電極の間に電圧を印加することによって所定方向に流れる電流を前記半導体層に注入して前記活性層から光を出射させる発光ダイオードにおいて、半導体基板表面の表面電極に対向する領域にイオン注入技術を用い、Ａｒイオンを注入した層を設けた発光ダイオードの構造例である。

図１（ａ）において、まずｎ型ＧａＡｓ半導体基板１の表面における所定の部分領域、つまり後に形成される表面電極９に対向する領域に、選択的に、イオン注入法によりＡｒイオンを注入し、Ａｒイオン注入層２を形成する。イオン注入には中電流イオン注入装置を使用し、ドーズ量は７．０×１０¹²ｃｍ^-2とし、加速電圧は１５０ｋｅｖとした。

なお、このイオン注入層２は、後に形成される表面電極９に対向する位置になるよう設計している。また使用するイオン注入装置は約１００枚／時間の処理能力を有する非常に生産性の高い設備である。注入イオン種としては、分子量大のＡｒが、結晶へのダメージを与えやすい点で最適である。

次にｎ型ＧａＡｓ半導体基板１上に、ｎ型ＧａＡｓのバッファ層３、ＡｌＡｓ混晶比が０．５〜０．６のｎ型ＧａＡｌＡｓクラッド層４、ｐ型ＧａＡｌＡｓ活性層５、ＡｌＡｓ混晶比が０．５〜０．６のｐ型ＧａＡｌＡｓクラッド層６及びｐ型ＧａＡｓ電極コンタクト層７をエピタキシャル成長する（図１（ｂ））。本実施例のエピタキシャル成長法としてＭＯＶＰＥ法（有機金属気相成長法）を使用した。

次に、メサ分離後、半導体層表面を覆うガラス保護膜を８を形成した後ｐ型の表面電極９を形成し、基板裏面にはｎ型の裏面電極１０を形成する（図１（ｃ））。

なお、ｐ型の表面電極９の材料としてはＡｕＺｎ／Ｎｉ／Ａｕを使用し、ｎ型の裏面電極１０の材料としてはＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕを使用した。

以上の構成の発光ダイオードによれば、表面電極９、裏面電極１０間に電圧を印加した場合、半導体基板１からの電子は、Ａｒイオンが注入されたＡｒイオン注入層２の領域においては非晶質または結晶欠陥が多数発生している為、非常に高抵抗領域であるために流れず、Ａｒイオン注入層２の領域外より電子は注入されることとなり、表面電極９直下に電流密度が集中することがない。

この結果、活性層５内では従来のように表面電極９直下に発光が集中することがなくなり、広い範囲での発光が生じるため、従来よりも外部光取り出し効率の高い発光ダイオードを構成することができる。

図２は、図１と同様に、メサ分離方式の周辺電極型発光ダイオードの実施の形態を示したものである。図１（ｃ）と同様に、半導体基板１表面の表面電極９に対向する領域に高抵抗となるＡｒイオン注入層２を形成したことにより、外部光取り出し効率の高い発光ダイオードを構成することができる。

なお、本発明ではＡｒイオン注入層２の形成を選択イオン注入法で形成したが、全面イオン注入法を用い、イオン注入後不要なイオン注入層をエッチングにより除去する手段も可能である。ただし、前述したように選択エッチングによるパターン段差、及びエッチング時に生じる結晶層表面の酸化により、エピタキシャル成長が安定せず、高い歩留を得ることはできない。特に発光ダイオードアレイのように１チップ内の発光ドットの光出力、電気特性の均一性が重視される素子については非常に作製が困難となる。

本発明の実施形態に係るＧａＡｌＡｓ系発光ダイオードの成長工程を示す図である。 本発明の他の実施形態に係るＧａＡｌＡｓ系発光ダイオードの構成を示す断面図である。 従来のＧａＡｌＡｓ系発光ダイオードの構成を示したものであり、（ａ）は中心電極型構造の断面図、（ｂ）は周辺電極型構造の断面図である。 従来の他のＧａＡｌＡｓ系発光ダイオードの構成を示したものであり、（ａ）は中心電極型構造の断面図、（ｂ）は周辺電極型構造の断面図である。

符号の説明

１ 半導体基板（ｎ型ＧａＡｓ）
２ Ａｒイオン注入層
３ バッファ層（ｎ型ＧａＡｓ）
４ クラッド層（ｎ型ＧａＡｌＡｓ）
５ 活性層（ｐ型ＧａＡｌＡｓ）
６ クラッド層（ｐ型ＧａＡｌＡｓ）
７ 電極コンタクト層（ｐ型ＧａＡｓ）
８ ガラス保護膜
９ 表面電極（ｐ型）
１０ 裏面電極（ｎ型）
１１ 逆導電層（ｐ型ＧａＡｓ）

Claims (2)

1. 半導体基板の上に少なくともクラッド層と活性層を含む半導体層を形成し、表面電極と裏面電極の間に電圧を印加することによって所定の方向に流れる電流を前記半導体層に注入して前記活性層から光を出射させる発光ダイオードにおいて、
   前記半導体基板表面の前記表面電極と対向する領域にイオン注入層を設けたことを特徴とする発光ダイオード。
2. 前記半導体基板がＧａＡｓ基板であり、前記半導体層がＧａＡｓバッファ層、ＧａＡｌＡｓクラッド層、ＧａＡｌＡｓ活性層及びＧａＡｓ電極コンタクト層を含み、前記イオン注入層のイオンがＡｒイオンであることを特徴とする請求項１項記載の発光ダイオード。

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