JP2007042851A - 発光ダイオードとその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】GaAsxP1−x(0≦x≦1)基板上にGaAsxP1−x(0≦x≦1)層および内部にpn接合を有する発光層が形成された発光ダイオードチップの表面を特定のエッチング混合液で効率的に粗面化し、外部への光の取り出し効率を著しく向上させた高い光強度の発光ダイオードを提供する。
【解決手段】GaAsxP1−x(0≦x≦1)基板上に、少なくともGaAsxP1−x(0≦x≦1)層および内部にpn接合を有する発光層が形成された発光ダイオードチップの表面を、ヨウ素酸、フッ化水素酸および硫酸を含む混合液を用いて化学エッチングすることにより粗面化する。
【選択図】図1
【解決手段】GaAsxP1−x(0≦x≦1)基板上に、少なくともGaAsxP1−x(0≦x≦1)層および内部にpn接合を有する発光層が形成された発光ダイオードチップの表面を、ヨウ素酸、フッ化水素酸および硫酸を含む混合液を用いて化学エッチングすることにより粗面化する。
【選択図】図1
Description
本発明は、GaAsxP1−x(0≦x≦1)基板上にGaAsxP1−x(0≦x≦1)層および内部にpn接合を有する発光層が形成された発光ダイオードとその製造方法に関する。
GaP基板上に形成された窒素ドープされたGaAsxP1−x(0≦x≦1)層(以下「GaAsP混晶層」又は「GaAsP発光層」と称す場合がある。)を発光層とするGaAsP系の発光ダイオードは、混晶率xを変化させることにより、650nm付近の赤色の波長領域から、580nm付近の黄色の波長領域まで、発光する光の波長を変化させることができ、表示装置などの光源として広く使われている。
発光ダイオードの光強度を向上させる方法としては、内部量子効率を上げる方法と、光の取り出し効率を上げる方法がある。
このうち後者は、発光ダイオードの内部での光吸収による損失を抑制したり、あるいは光放出面における全反射によって外部に取り出されないことによる光の損失を抑制したりすること等によって達成される。例えば、発光ダイオードのpn接合からエピタキシャル層表面側に、バンドギャップがpn接合部分より大きい層を形成することにより高い光出力が得られることが知られている(特許文献1)。
また、光放出面における全反射を抑制する方法としては、発光ダイオードの表面(基板面、発光層面および側面のすべての面を含む)を粗面化する方法が知られている。発光ダイオードの表面を粗面化する方法としては、コストおよび簡便性などの点で、エッチング液による化学エッチングが有効である。
従来、発光ダイオードのエッチングによる粗面化処理方法としては、例えば、GaAsP混晶層に対しては、Br2又はI2と硝酸、フッ化水素、および酢酸を含むエッチング液を用いて粗面化する方法が提案されている(特許文献2)。一方、GaP発光素子チップに対しては、塩酸を用いた粗面化方法が開示されている(特許文献3)。また、実際には塩酸のみによる粗面化処理では、十分な光取り出し効率の向上が期待できないことから、まずラップ加工による粗面加工を行った後に、王水系、硫酸系等のエッチング液で処理する方法も提案されている(特許文献4)。また、その他に、エッチングによる粗面化が比較的困難なGaP結晶の(100)面のエッチング液として、過酸化水素とフッ化水素の混合液が知られている(特許文献5)。
特開2000−261030号公報
特開2000−196141号公報
特開平4−354382号公報
特開平10−65211号公報
特開昭64−17879号公報
しかしながら、GaP基板上に形成されたGaAsP混晶層を含む、組成の異なる複数層を有する発光ダイオードにおいては、前記いずれの方法を用いてもエッチングによる粗面化の効果、すなわち、発光ダイオードの外部への光取り出し効率の向上が不十分であった。
例えば、特許文献2に記載されるBr2又はI2と、硝酸、フッ化水素、および酢酸を含むエッチング液で粗面化した場合、GaAsP層はある程度粗面化されるものの、GaP基板やGaP組成が高い部分のGaAsP層の粗面化は不十分であり、光取り出し効率はさほど向上しなかった。一方、特許文献3に開示される塩酸単独によるエッチングは、GaP基板の粗面化には有効であるが、GaAsP層の粗面化は不十分であり、やはり光取り出し効率の向上効果は低い。
特許文献4で行われているラップ加工による粗面加工を行った後にエッチング液で処理する方法では、エッチング工程に加えてラップ加工という機械加工の工程が増えるために処理時間、コストの点で好ましくなく、エッチング液による処理工程のみで発光ダイオードの全表面の粗面化が可能となる簡便な方法が求められていた。また、特許文献5のエッチング方法は、単に、GaP結晶の(100)面の転位ピットを観察するためのエッチング方法であり、粗面化による光取り出し効率の向上への寄与は極めて低かった。
本発明は、かかる課題を解決しようとするものであり、GaAsxP1−x(0≦x≦1)基板上にGaAsxP1−x(0≦x≦1)層および内部にpn接合を有する発光層が形成された発光ダイオードチップの表面を特定のエッチング混合液で効率的に粗面化し、外部への光の取り出し効率を著しく向上させた高い光強度の発光ダイオードとその製造方法を提供することを目的とする。
本発明者は、GaAsxP1−x(0≦x≦1)基板とその上に形成されたGaAsxP1−x(0≦x≦1)層および内部にpn接合を有する発光層とを全面的に粗面化するべく、種々のエッチング液について鋭意検討を行った結果、特定の酸性エッチング液が、GaAsxP1−x(0≦x≦1)基板、GaAsxP1−x(0≦x≦1)層、および内部にpn接合を有する発光層を、適切に粗面化することができ、これにより、発光ダイオードの光出力が著しく向上することを見出した。
即ち、本発明の発光ダイオードの製造方法は、GaAsxP1−x(0≦x≦1)基板上に、少なくともGaAsxP1−x(0≦x≦1)層および内部にpn接合を有する発光層が形成された発光ダイオードチップの表面を化学エッチングする工程を有する発光ダイオードの製造方法において、該エッチング工程は、ヨウ素酸、フッ化水素酸および硫酸を含む混合液を用いてエッチングする工程を含むことを特徴とする。
また、本発明の発光ダイオードは、GaAsxP1−x(0≦x≦1)基板上に、少なくともGaAsxP1−x(0≦x≦1)層および内部にpn接合を有する発光層が形成された発光ダイオードにおいて、表面が、ヨウ素酸、フッ化水素酸および硫酸を含む混合液を用いた化学エッチングにより粗面化されていることを特徴とする。
本発明において、ヨウ素酸、フッ化水素酸および硫酸を含む混合液は、ヨウ素酸1モルに対して、フッ化水素酸を20〜1500モル、硫酸を10〜1000モル含むことが好ましい(請求項2)。
また、発光層は窒素ドープGaAsxP1−x(0<x<1)層であることが好ましく(請求項3)、この発光層に対して基板側と反対側に、バンドギャップが発光層のpn接合部分よりも大きいGaAsxP1−x(0≦x<1)層が形成されていても良い(請求項4)。
本発明でエッチング液として用いるヨウ素酸、フッ化水素酸および硫酸を含む混合液は、GaAsxP1−x(0≦x≦1)基板、GaAsxP1−x(0≦x≦1)層、更には内部にpn接合を有する発光層の表面を効果的に粗面化することができ、従って、このエッチング液を用いて化学エッチングを行うことにより、GaAsxP1−x(0≦x≦1)基板上にGaAsxP1−x(0≦x≦1)層および内部にpn接合を有する発光層が形成された発光ダイオードの全表面を適切な微細形状に粗面化することが可能となり、光取り出し効率の高い発光ダイオードを製造することが可能となる。
以下に、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明するが、以下に記載する構成要件の説明は、本発明の実施態様の一例(代表例)であり、本発明はその要旨を超えない限り、以下の内容に特定はされない。
まず、図1,2を参照して本発明の発光ダイオードについて説明する。
図1,2は、本発明の方法により表面が粗面化された本発明の発光ダイオードの実施の形態を示す断面の模式図である。図1,2において、同一機能を奏する部材には同一符号を付してある。
図1の発光ダイオードでは、GaP基板1の上に、GaP層2、GaAsP組成変化層(GaAsxP1−x(0≦x<1)でxが変化する層)3、GaAsP組成一定層(GaAsxP1−x(0<x<1)でxが一定の層)4、n型窒素ドープGaAsP層(GaAsxP1−x(0<x<1)層でxが一定の層)5、およびp型窒素ドープGaAsP層(GaAsxP1−x(0<x<1)層でxが一定の層)6がこの順で順次積層形成されている。なお、一般的にはGaAsP組成一定層のxと窒素ドープGaAsP層のxとは同一であるが、ウエハの反りを補正するために異なる場合もある。また、p型窒素ドープGaAsP層6のn型窒素ドープGaAsP層5と反対側の面にはp側電極7が形成されており、GaP基板1の各層を形成した面と反対側の面にはn側電極8を形成されている。10はn型窒素ドープGaAsP層5とp型窒素ドープGaAsP層6との界面のpn接合である。
なお、GaP基板1の上に直接GaAsP組成変化層3を形成しても差し支えないが、基板1とGaAsP組成変化層3との間に基板1と同一組成のGaP層2を厚さ0.1〜100μm、好ましくは厚さ0.1〜15μm程度で形成した方が、ミスフィット転移を抑制でき、また、安定に高光出力が得られるので好ましい。
GaAsP組成変化層3は、GaPとGaAsの混晶比率を変化させることにより格子定数を変化させた層であり、GaP層2とGaAsP組成一定層4の格子定数の差を緩和するように任意に設けることができる。例えば、GaPとの界面ではGaPと格子定数が略一致しかつGaAsP組成一定層4との界面ではGaAsP組成一定層4と格子定数が略一致するように層厚さ方向に組成を変化させたGaAsP組成変化層3を形成することで、結晶欠陥の少ないGaAsP組成一定層4を得ることが好ましい。
このGaAsP組成変化層3は、層厚さ方向に連続的に組成変化するものだけでなく、GaAsP組成一定層4の格子定数およびGaPの格子定数の中間の格子定数を有するものであれば、格子の歪みを緩和できることから、組成変化の形態によらず、例えば層厚さ方向に複数の階段状に組成変化するものであっても、GaAsP組成変化層3と見なすことができる。
このようなGaAsP組成変化層3の層厚は、好ましくは1〜100μm、より好ましくは10〜80μmである。また、組成変化層3のキャリア濃度は、0.5×1017〜30×1017cm-3、好ましくは0.8×1017cm-3〜20×1017cm-3であり、平均で1×1017〜8×1017cm-3であることがLED化した時の順方向電圧を下げ、良好な結晶性が得られるという点で好ましい。なお、キャリア濃度が30×1017cm-3を超えるとGaAsP組成変化層3の結晶性が悪化してエピタキシャル層表面に結晶欠陥が発生したり、LEDの光出力の低下を生じる。
GaAsP組成一定層4は、通常、発光層と同じGaAsP組成を持つ層、すなわち発光層と同じ格子定数を有する層として、GaAsP組成変化層3とn型窒素ドープGaAsP層5の間に任意に設けることができる。このGaAsP組成一定層4の層厚は好ましくは10〜70μm、より好ましくは10〜30μmである。また、GaAsP組成一定層4のキャリア濃度は、0.5×1017〜30×1017cm-3、好ましくは0.8×1017cm-3〜20×1017cm-3であり、平均で2×1017〜8×1017cm-3であることが、LED化した時の順方向電圧を下げ、良好な結晶性が得られるという点で好ましい。
そして、GaAsP組成変化層3およびGaAsP組成一定層4の合計層厚は、30〜130μmであることが好ましい。
GaAsP組成変化層3、GaAsP組成一定層4の各層厚、および合計層厚は、いずれも、上記範囲よりも薄いと、これを設けたことによる効果を得ることができず、上記範囲よりも厚くても問題は少ないものの、コストの点で不利である。
n型窒素ドープGaAsP層5、p型窒素ドープGaAsP層6は、いずれも窒素ドープをしたGaAsP発光層であり、界面にpn接合10が形成されている。窒素ドープは、例えば、GaAsP層形成時にNH3を用いて行うことができる。pn接合の形成方法としては、例えば、基板1の上に層2〜層6(層5、層6はノンドープ)を任意の方法で結晶成長させた後、Zn等のp型ドーパントを拡散源とした熱拡散を行い、所定の厚みでGaAsP層の表層部をp型に変換して層6を形成することにより、層5と層6の界面にpn接合を形成する方法が挙げられる。この際、GaP基板1側の表層部もp型となっているので、ラッピングによりp型となった部分を除去し、その後電極7,8の形成を行う。
前記層2〜層6の形成方法としては、気相エピタキシャル成長法の中から選択することが好ましく、具体的には、ハロゲン輸送法又は有機金属気相成長法(MOCVD)のいずれかが選択される。原料としてハロゲン化合物原料を少なくとも1つ以上有するハロゲン輸送法は、高純度のエピタキシャル層が得られ、量産性に富むことから有利であり、特にハイドライド気相法が一般的である。
p側電極7、n側電極8は、例えば、金を主成分とする導電性の材料を、p型窒素ドープGaAsP層6の表面とGaP基板1の表面に蒸着することにより形成することができる。
図2の発光ダイオードは、図1に示すような発光ダイオードのp型窒素ドープGaAsP層6上に、更にp型GaAsP組成変化層(GaAsxP1−x(0<x<1)でxが変化する層)11を成長し、さらに光取り出し効果を高めるためにp型光取り出し層(GaAsxP1−x(0≦x<1)でxが一定の層)12がこの順で順次積層形成されたものである。
p型GaAsP組成変化層11は、GaPとGaAsの混晶比率を変化させることにより格子定数を変化させた層であり、p型窒素ドープGaAsP層6とp型光取り出し層12の格子定数の差を緩和するように任意に設けることができる。例えば、p型光取り出し層12との界面ではp型光取り出し層12と格子定数が略一致しかつp型窒素ドープGaAsP層6との界面ではp型窒素ドープGaAsP層6と格子定数が略一致するように、層厚さ方向に組成を変化させたp型GaAsP組成変化層11を形成することで、結晶欠陥の少ないp型光取り出し層12を得ることが好ましい。
p型光取り出し層12は、バンドギャップがpn接合部分10よりも大きい材料からなる層であり、pn接合部分が窒素ドープGaAsPの場合、例えばGaPを用いることができる。
このようにp型窒素ドープGaAsP層6上にp型GaAsP組成変化層11及びp型光取り出し層12を設けた発光ダイオードにあっても、基板1および層2〜6の厚さや形成方法は、図1に示す発光ダイオードと同様とすることができる。
p型GaAsP組成変化層11及びp型光取り出し層12の層厚は、光出力が大きくなるように発光ダイオードのサイズや発振波長に応じて適宜選択することができる。
p型GaAsP組成変化層11、p型光取り出し層12の各層厚、および合計層厚は、いずれも、上記範囲よりも薄いと、これを設けたことによる効果を得ることができず、上記範囲よりも厚くなると、通過抵抗が大きくなり、又、コストの点でも不利である。
これらの層11,12の形成方法としても、気相エピタキシャル成長法の中から選択することが好ましく、具体的には、ハロゲン輸送法又は有機金属気相成長法(MOCVD)のいずれかが選択される。原料としてハロゲン化合物原料を少なくとも1つ以上有するハロゲン輸送法は、高純度のエピタキシャル層が得られ、量産性に富むことから有利であり、特にハイドライド気相法が一般的である。
p側電極7、n側電極8は、図1の発光ダイオードと同様、例えば、金を主成分とする導電性の材料を、p型光取り出し層12の表面とGaP基板1の表面に蒸着することにより形成することができる。
粗面化処理前の発光ダイオードチップは、上述のようにしてGaP基板1上に各層の形成および電極7,8の形成を行った後、ダイシング加工により所望の形状に切断して製造される。なお、ダイシングによって、切断面に機械的なダメージ層が生じる場合は、硫酸、過酸化水素、および水の混合液によって処理し、機械的なダメージ層を除去しておくことが好ましい。
なお、図1,2では、GaAsP系の材料でpn接合が形成された発光層を有するGaP基板を用いた発光ダイオードについて例示したが、本発明に係る発光層及び基板は何らこれに限定されず、例えば、InGaAlP、InGaP又はAlGaAsなど他の材料系でpn接合が形成された発光層を有するGaAsP(0≦x≦1)基板を用いた発光ダイオードでも、pn接合以外の部分にGaAsxP1−x(0≦x<1)層を備えていれば、本願発明のエッチング方法により、表面(基板面、発光層面、光取り出し層面、および側面のすべての面を含む)を効果的に粗面化することができ、高い光出力を得ることができる。
本発明の発光ダイオードの製造方法では、このようにして得られる発光ダイオードチップの表面を、ヨウ素酸、フッ化水素酸および硫酸を含む混合液をエッチング液として用いた化学エッチングにより粗面化処理する。
ここで用いるエッチング液の酸の混合比率と、エッチング時間は、製造する発光ダイオードの発光波長とエッチングされる面方位で最適値が異なり、個々の製品に応じて、最大輝度が得られる条件を微調整することができるが、例えば、ヨウ素酸、フッ化水素酸、硫酸のモル混合比率は、好ましくは、ヨウ素酸(HIO3)1に対して、フッ化水素酸(HF)を20〜1500、硫酸(H2SO4)を10〜1000の範囲、より好ましくはHIO3:HF:H2SO4=1:50〜1000:30〜700(モル比)、特に好ましくは1:100〜500:50〜500(モル比)の範囲である。なお、これらは、合計濃度として15重量%以上、特に30重量%以上、とりわけ50重量%以上の水溶液とすることが好ましい。合計濃度の上限は、取り扱い性等の面から通常95重量%以下である。
なお、ヨウ素酸とフッ化水素酸と硫酸とを混合して本発明に係るエッチング液を調製する場合、水和熱による急激な突沸が起きないように、予めヨウ素酸とフッ化水素酸とを所定の割合で混合し、その後、この混合液に硫酸を混合することが好ましい。
エッチング液の温度については特に制限はなく、通常15〜70℃程度である。エッチング時間は任意であるが、例えば30秒以上、好ましくは1分以上、より好ましくは10分以上で30分未満である。このエッチング時間が短すぎると粗面化が不十分であり、長すぎると粗面化が進行しすぎて逆効果となり、光出力が低下する。
エッチング工程は具体的には、所定の組成及び温度のエッチング液中に発光ダイオードチップを浸漬することにより行われる。
本発明によるエッチング工程の後は、必要に応じて発光ダイオードの表面に残留する酸成分を除去するために、超純水で流水洗浄を行ってもよい。また、流水洗浄の後に、アンモニア水を用いて中和を行い、再度超純水洗浄を行うとより効率よく酸成分を除去できる。超純水洗浄の終了は、例えば洗浄槽出口の排水の導電率をモニターすることで、再現性よく決定することができる。
このようなエッチング工程による粗面化処理で得られる発光ダイオードは、好ましくは電極形成部を除く全表面が、非円弧状の断面形状の微細な凹凸を含み、かつ、この凹凸が連なっている粗面とされたものである。ここで、非円弧状の微細な凹凸とは、微細な凹凸が単に断面円弧状の粒状凹凸の集まりではなく、非円弧状の凹凸が連なった非粒状凹凸のことをいう。
発光ダイオードの表面が鏡面である場合に比べて、微細な凹凸がある場合には、一般に光取り出し効率が向上して光強度が向上することは知られているが、本発明者は、この微細な凹凸が断面円弧状の場合に比べて、断面が非円弧状の部分を含み、かつこの凹凸が島状に連なっている場合に、著しく光強度が向上する現象を見出した。
次に、実施例、及び比較例を挙げて本発明を更に具体的に説明するが、本発明はその要旨を超えない限り、以下の実施例の記載に限定されるものではない。
なお、以下において、エッチング処理に供した粗面化前の発光ダイオードチップは、次のようにして製造したものである。
<発光ダイオードチップの製造方法>
ハイドライド気相法を用いてGaP基板上に、厚さ3μmのGaP層、厚さ23μmのGaAsP組成変化層(GaAsxP1−xでxが0から0.45に連続的に増加する層)、厚さ12μmのGaAsP組成一定層(GaAs0.45P0.55層)、厚さ20μmの窒素ドープGaAsP層(GaAs0.45P0.55層)を順次エピタキシャル成長させた後、DEZn(ジエチル亜鉛)を専用配管から導入することによってZnをドーピングした厚さ10μmのp型窒素ドープGaAsP層(GaAs0.45P0.55層)を成長させてpn接合を形成した(以下、このチップをチップA’という)。
ハイドライド気相法を用いてGaP基板上に、厚さ3μmのGaP層、厚さ23μmのGaAsP組成変化層(GaAsxP1−xでxが0から0.45に連続的に増加する層)、厚さ12μmのGaAsP組成一定層(GaAs0.45P0.55層)、厚さ20μmの窒素ドープGaAsP層(GaAs0.45P0.55層)を順次エピタキシャル成長させた後、DEZn(ジエチル亜鉛)を専用配管から導入することによってZnをドーピングした厚さ10μmのp型窒素ドープGaAsP層(GaAs0.45P0.55層)を成長させてpn接合を形成した(以下、このチップをチップA’という)。
また、チップA’のp型窒素ドープGaAsP層上にさらに、それぞれZnをドープした厚さ5μmのp型GaAsP組成変化層(GaAsxP1−xでxが0.45から0に連続的に増加する層)と厚さ40μmのp型GaP光取り出し層を成長させた発光ダイオードチップを作製した(以下、このチップをチップB’という)。
このようにして得られたチップA’,B’について、各々基板側の表面をラッピングして薄くし、機械的なダメージを除去するために王水のエッチング液でエッチングを行い、それぞれ、厚みを270μmにそろえた。
続いて、p型層側の表面に直径120μmの電極材料を蒸着し、GaP基板の表面に、被覆率20%で電極をフォトリソグラフィー法で形成し、さらに温度450℃で合金化を行った。そして、ダイシングマシンでチップを切り出し、その際のダメージを硫酸、過酸化水素水、水の混合液で除去することにより、発光面サイズ220μm×220μm、高さ270μmの赤色発光ダイオードチップA,Bを完成させた。
続いて、p型層側の表面に直径120μmの電極材料を蒸着し、GaP基板の表面に、被覆率20%で電極をフォトリソグラフィー法で形成し、さらに温度450℃で合金化を行った。そして、ダイシングマシンでチップを切り出し、その際のダメージを硫酸、過酸化水素水、水の混合液で除去することにより、発光面サイズ220μm×220μm、高さ270μmの赤色発光ダイオードチップA,Bを完成させた。
また、以下の実施例および比較例において、発光ダイオードの発光輝度は次のようにして求めた。
<発光輝度>
図3に示すような積分球を用いて発光輝度の測定を行った。この積分球20の内壁は高い反射率をもつ材料で覆われており、内部の光を集め空間的に積分して均一にすることができる。従って、複数の方向に対して発光する発光素子の輝度を正確に測定するのに有効である。積分球20は発光輝度を測定するためのディテクタ21と検出器22を備えており、また、積分球20の内部に設置する発光ダイオード23を発光させるための電源24を備えている。輝度の測定は、動作電流20mA一定にして行った。
<発光輝度>
図3に示すような積分球を用いて発光輝度の測定を行った。この積分球20の内壁は高い反射率をもつ材料で覆われており、内部の光を集め空間的に積分して均一にすることができる。従って、複数の方向に対して発光する発光素子の輝度を正確に測定するのに有効である。積分球20は発光輝度を測定するためのディテクタ21と検出器22を備えており、また、積分球20の内部に設置する発光ダイオード23を発光させるための電源24を備えている。輝度の測定は、動作電流20mA一定にして行った。
また、以下の実施例および比較例において、エッチング処理に用いた薬剤の詳細は次の通りである。
<使用薬剤>
ヨウ素酸:0.1規定水溶液
硫酸:97重量%水溶液
フッ化水素酸:49重量%水溶液
過酸化水素:30重量%水溶液
硝酸:69重量%水溶液
酢酸:99.7重量%水溶液
<使用薬剤>
ヨウ素酸:0.1規定水溶液
硫酸:97重量%水溶液
フッ化水素酸:49重量%水溶液
過酸化水素:30重量%水溶液
硝酸:69重量%水溶液
酢酸:99.7重量%水溶液
実施例1
前記のヨウ素酸水溶液とフッ化水素酸水溶液をエッチング槽内で体積比率1:1で混合し、さらに前記の硫酸水溶液を体積比率0.5で混合することによりエッチング混合液を作製した(モル比は、HIO3:HF:H2SO4=1:288:91、合計濃度65.9重量%)。なお、混合した際に反応熱で液温が一旦90℃以上になるが、本実施例では、これを放置して常温付近まで降温させてエッチング液として用いた。
このエッチング液(温度27℃)中に発光ダイオードチップA、チップBをそれぞれ浸漬し、エッチング時間を1分、3分、5分間の3通りでエッチング処理を行い、その後取り出して、超純水で10分間流水洗浄し、乾燥した。
得られた粗面化発光ダイオードについて、発光輝度を調べ、3通りのエッチング時間のうち、最も輝度の高いエッチング時間5分の発光ダイオードの結果を表1に示した。
前記のヨウ素酸水溶液とフッ化水素酸水溶液をエッチング槽内で体積比率1:1で混合し、さらに前記の硫酸水溶液を体積比率0.5で混合することによりエッチング混合液を作製した(モル比は、HIO3:HF:H2SO4=1:288:91、合計濃度65.9重量%)。なお、混合した際に反応熱で液温が一旦90℃以上になるが、本実施例では、これを放置して常温付近まで降温させてエッチング液として用いた。
このエッチング液(温度27℃)中に発光ダイオードチップA、チップBをそれぞれ浸漬し、エッチング時間を1分、3分、5分間の3通りでエッチング処理を行い、その後取り出して、超純水で10分間流水洗浄し、乾燥した。
得られた粗面化発光ダイオードについて、発光輝度を調べ、3通りのエッチング時間のうち、最も輝度の高いエッチング時間5分の発光ダイオードの結果を表1に示した。
比較例1
実施例1のエッチング処理を行っていない粗面化されていない発光ダイオードチップA、チップBについて、発光輝度を調べ、結果を表1に示した。
実施例1のエッチング処理を行っていない粗面化されていない発光ダイオードチップA、チップBについて、発光輝度を調べ、結果を表1に示した。
比較例2
前記のフッ化水素酸水溶液と硫酸水溶液を体積比率1:1で混合することにより調製したエッチング液(モル比は、HF:H2SO4=288:182、合計濃度80.0重量%)を用いたこと以外は実施例1と同様にしてエッチング処理し、得られた粗面化発光ダイオードについて、発光輝度を調べ、最も輝度の高いエッチング時間5分の発光ダイオードの結果を表1に示した。
前記のフッ化水素酸水溶液と硫酸水溶液を体積比率1:1で混合することにより調製したエッチング液(モル比は、HF:H2SO4=288:182、合計濃度80.0重量%)を用いたこと以外は実施例1と同様にしてエッチング処理し、得られた粗面化発光ダイオードについて、発光輝度を調べ、最も輝度の高いエッチング時間5分の発光ダイオードの結果を表1に示した。
比較例3
前記のフッ化水素酸水溶液と過酸化水素水を体積比率1:0.5で混合し、さらに前記の硫酸水溶液を体積比率0.5で混合することにより調製したエッチング液(モル比は、HF:H2O2:H2SO4=288:49:92、合計濃度61.7重量%)を用いたこと以外は実施例1と同様にしてエッチング処理し、得られた粗面化発光ダイオードについて、発光輝度を調べ、最も輝度の高いエッチング時間1分の発光ダイオードの結果を表1に示した。
前記のフッ化水素酸水溶液と過酸化水素水を体積比率1:0.5で混合し、さらに前記の硫酸水溶液を体積比率0.5で混合することにより調製したエッチング液(モル比は、HF:H2O2:H2SO4=288:49:92、合計濃度61.7重量%)を用いたこと以外は実施例1と同様にしてエッチング処理し、得られた粗面化発光ダイオードについて、発光輝度を調べ、最も輝度の高いエッチング時間1分の発光ダイオードの結果を表1に示した。
比較例4
前記のヨウ素酸水溶液、フッ化水素酸水溶液、硝酸、酢酸を混合することにより調製したエッチング液(モル比は、HIO3:HF:HNO3:CH3COOH=1:247:457:2254、合計濃度91.1重量%)を用いたこと以外は実施例1と同様にしてエッチング処理し、得られた粗面化発光ダイオードについて、発光輝度を調べ、最も輝度の高いエッチング時間3分の発光ダイオードの結果を表1に示した。
前記のヨウ素酸水溶液、フッ化水素酸水溶液、硝酸、酢酸を混合することにより調製したエッチング液(モル比は、HIO3:HF:HNO3:CH3COOH=1:247:457:2254、合計濃度91.1重量%)を用いたこと以外は実施例1と同様にしてエッチング処理し、得られた粗面化発光ダイオードについて、発光輝度を調べ、最も輝度の高いエッチング時間3分の発光ダイオードの結果を表1に示した。
表1から、チップA(GaP光取り出し層なし)では、比較例1〜4の発光輝度(波長650nm)が6.0〜10.3ミリカンデラであるのに対し、実施例1は10.5ミリカンデラであり、最も輝度が高い。また、チップB(GaP光取り出し層あり)では、比較例1〜4の発光輝度が4.2〜9.4ミリカンデラであるのに対し、実施例1は15.0ミリカンデラと極めて高輝度であることがわかる。
なお、実施例1及び比較例2、3、4で得られた粗面化発光ダイオードチップBのp型層側の表面(GaP光取り出し層の表面)と、側面(GaP基板、GaAsP層、GaP層を含む側面)の走査電子顕微鏡写真を各々図4に示す。また、実施例1で得られた粗面化発光ダイオードチップBの走査電子顕微鏡写真を更に拡大したものを図5に示す。
なお、実施例1及び比較例2、3、4で得られた粗面化発光ダイオードチップBのp型層側の表面(GaP光取り出し層の表面)と、側面(GaP基板、GaAsP層、GaP層を含む側面)の走査電子顕微鏡写真を各々図4に示す。また、実施例1で得られた粗面化発光ダイオードチップBの走査電子顕微鏡写真を更に拡大したものを図5に示す。
図4,5より次のことが明らかである。
実施例1では、p型層側の表面(GaP層表面)と側面(GaAsP層を含む)はいずれも多数の島状に深く粗面化されており、チップ全面が粗面化している。
比較例2では、GaP層表面は非常に細かく粗面化されるが、GaAsP層側面は殆ど粗面化していない。
比較例3では、GaP層表面はほとんど粗面化せず、GaAsP層側面は粗面化せず、横方向にえぐり取られている。
比較例4では、GaP層表面はほとんど粗面化せず、GaAsP層側面は非常に細かく粗面化される。
実施例1では、p型層側の表面(GaP層表面)と側面(GaAsP層を含む)はいずれも多数の島状に深く粗面化されており、チップ全面が粗面化している。
比較例2では、GaP層表面は非常に細かく粗面化されるが、GaAsP層側面は殆ど粗面化していない。
比較例3では、GaP層表面はほとんど粗面化せず、GaAsP層側面は粗面化せず、横方向にえぐり取られている。
比較例4では、GaP層表面はほとんど粗面化せず、GaAsP層側面は非常に細かく粗面化される。
以上の結果から明らかなように、ヨウ素酸/フッ化水素酸/硫酸の混酸系エッチング液であれば、GaP基板、GaAsP層、GaP層のいずれをも粗面化することができることから、発光ダイオードチップの表面を広く粗面化することができ、従来に比べて光取り出し効率に優れ、高輝度の発光ダイオードを提供することが可能となる。
1 GaP基板
2 GaP層
3 GaAsP組成変化層
4 GaAsP組成一定層
5 n型窒素ドープGaAsP層
6 p型窒素ドープGaAsP層
7 p側電極
8 n側電極
10 pn接合
11 p型GaAsP組成変化層
12 p型光取り出し層
20 積分球
23 発光ダイオード
2 GaP層
3 GaAsP組成変化層
4 GaAsP組成一定層
5 n型窒素ドープGaAsP層
6 p型窒素ドープGaAsP層
7 p側電極
8 n側電極
10 pn接合
11 p型GaAsP組成変化層
12 p型光取り出し層
20 積分球
23 発光ダイオード
Claims (5)
- GaAsxP1−x(0≦x≦1)基板上に、少なくともGaAsxP1−x(0≦x≦1)層および内部にpn接合を有する発光層が形成された発光ダイオードチップの表面を化学エッチングする工程を有する発光ダイオードの製造方法において、
該エッチング工程は、ヨウ素酸、フッ化水素酸および硫酸を含む混合液を用いてエッチングする工程を含むことを特徴とする発光ダイオードの製造方法。 - 前記ヨウ素酸、フッ化水素酸および硫酸を含む混合液が、ヨウ素酸1モルに対して、フッ化水素酸を20〜1500モル、硫酸を10〜1000モル含むことを特徴とする請求項1に記載の発光ダイオードの製造方法。
- 前記発光層が窒素ドープGaAsxP1−x(0<x<1)層であることを特徴とする請求項1または2に記載の発光ダイオードの製造方法。
- 前記発光ダイオードチップは、発光層に対して基板側と反対側に、バンドギャップが前記pn接合部分よりも大きいGaAsxP1−x(0≦x<1)層が形成されていることを特徴とする請求項1ないし3のいずれか1項に記載の発光ダイオードの製造方法。
- GaAsxP1−x(0≦x≦1)基板上に、少なくともGaAsxP1−x(0≦x≦1)層および内部にpn接合を有する発光層が形成された発光ダイオードにおいて、表面が、ヨウ素酸、フッ化水素酸および硫酸を含む混合液を用いた化学エッチングにより粗面化されていることを特徴とする発光ダイオード。
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- 2005-08-03 JP JP2005225095A patent/JP2007042851A/ja active Pending
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