JP2008071803A

JP2008071803A - 化合物混晶半導体発光装置。

Info

Publication number: JP2008071803A
Application number: JP2006246817A
Authority: JP
Inventors: Kunio Ito; 伊藤國雄
Original assignee: Institute of National Colleges of Technologies Japan
Current assignee: Institute of National Colleges of Technologies Japan
Priority date: 2006-09-12
Filing date: 2006-09-12
Publication date: 2008-03-27

Abstract

【課題】ＳｉまたはＧａＰ基板上に成長された化合物半導体発光層を用いて、発光層上のクラッド層に電流制限層を形成することで、低消費電力および高効率の青色発光ダイオードを提供する。
【解決手段】発光層およびダイオードを構成する層をII−VI、III−V、I−III−VI、II−III−VI、II−III−V族半導体の少なくとも一種類の三元以上の化合物混晶半導体を用い、この各層の格子定数が基板格子定数とほぼ一致するように混晶比を決定しエピタキシャル成長することにより活性層及び各層を単結晶化し、また発光層上のクラッド層内に電流制限層を設けることで低消費電力および高効率の青色発光ダイオードを実現する。
【選択図】図6

Description

本発明は、化合物混晶半導体を用いた発光装置に関するものである。

現在、発光ダイオードは電気製品の表示ランプ、電光掲示板、信号機など多くの場所で使用されており、不可欠なものとなりつつある。中でも青色発光ダイオードの発明により光の三原色が実現され照明用として発光ダイオードが注目を集めている。これは一般の照明として使われている蛍光灯に比べ小型、省エネルギー、環境有害物質の不使用などの利点があるからである。現在の発光ダイオードは初期設置費用が蛍光灯に比べ高いことや、発光ダイオードの単価も高いことが問題として挙げられる。

現在の白色発光ダイオードは青色発光ダイオードを光源として使用している。発光材料としては実用化されているもののほとんどがＩｎＧａＮ系材料となっている。しかし、基板材料としては現在実用化されているサファイア（Ａｌ_２Ｏ_３）の他にＺｎＳｅ、ＳｉＣなど多くの材料が研究されている。現在は２１世紀明かりプロジェクトにより白色発光ダイオードを照明として使用するための活動が進められており、今後は発光ダイオードの低消費電力化と低コスト化が望まれる。

従来の技術において発光ダイオードの高効率化、低コスト化のための様々な構造が考案されている。その例として特許公開平０９―１２９９２８にあるようにサファイア基板上にバッファ層とともに発光層を形成したものが主であるが、やはりサファイア基板を用いているため、コストは高く、放熱特性が悪く効率の面でも良くはない。
特許公開平０９―１２９９２８

上記に示すように、青色発光ダイオードの基板材料はほとんどがサファイア（Ａｌ_２Ｏ_３）であるが、サファイアは基板材料として、コストが高く、大量生産を行う際、好ましくない。また、電流制限層が用いられていないために発光強度を上げるために電流を多く流さないといけない。よって、省電力化もなされていない。

一方、Ｓｉ基板発光ダイオードを製造するにあたっては、低コストのＳｉを基板を仕様するので、材料のコストが安価になり大量生産に向いているといえる。そして電流制限層を設けることで光の閉じ込めが可能となり低電流で発光させることができ、省電力化につながるという利点がある。

しかし、Ｓｉ基板発光ダイオードを製造するにあたっては、大きな課題が発生する問題点があった。

それは、基板材料に用いるＳｉの格子定数は５．４３Åであり、一方活性層材料であるＩｎＧａＮの格子定数は３．３Åで、基板と発光層の格子ミスマッチにより発光層の結晶性自体が良くならず転位や格子欠陥が活性層に多く発生して発光材料として効率が大きく低下してしまうということである。

このためＳｉ基板上に、青色発光ダイオードは成長できないという問題点があった。

本発明は基板として安価で放熱特性が優れているＳｉやＧａＰを基板として用いて高効率青色発光素子を実現することを目的とする。

本発明は発光層およびダイオードを構成する層をII−VI、III−V、I−III−VI、II−III−VI、II−III−V族半導体の少なくとも一種類の三元以上の化合物混晶半導体を用い、この各層の格子定数が基板格子定数とほぼ一致するように混晶比を決定しエピタキシャル成長することにより活性層及び各層を単結晶化し、また発光層上のクラッド層内に電流制限層を設けることで青色発光ダイオードの低コスト化および低消費電力化を実現する発光素子である。

例として青色発光ダイオードの成長について示す。具体的な方法として図１に示すような組み合わせで青色発光素子を形成した。まずｎ−Ｓｉ基板1上にII−VI、III−V、I−III−VI、II−III−VI、II−III−V族化合物混晶半導体材料の中のI−III−VI族化合物半導体材料であるＮ−Ｃｕ（Ｇａ_０．５Ａｌ_０．５）Ｓ_２クラッド層２を２[μｍ]の厚さで、次に図2に示すようにＮ−Ｃｕ（Ｇａ_０．６Ａｌ_０．４）Ｓ_２2’を０．０５[μm]、Ｃｕ（Ｇａ_０．７５Ａｌ_０．２５）Ｓ_２３を１０[nm]で3層とＣｕ（Ｇａ_０．６Ａｌ_０．４）Ｓ_２４を１０[nm]で2層とのＴＱＷ構造を図2のバンド構造で作り、その上にＰ−Ｃｕ（Ｇａ_０．６Ａｌ_０．４）Ｓ_２層７’を０．０５[μｍ]形成し、この２’〜７’で活性層５とする。次にＰ−Ｃｕ（Ｇａ_０．５Ａｌ_０．５）Ｓ_２クラッド層７を０．２[μｍ]の厚さで成長する。次に電流制限層として、Ｎ−Ｃｕ（Ｇａ_{０．０２５}Ａｌ_０．７５）Ｓ_２電流制限層６を０．５[μｍ]の厚さで成長する。その後、フォトレジストにより発光部分３μｍのストライプ部分みを除去し、そしてその上にＰ−Ｃｕ（Ｇａ_０．５Ａｌ_０．５）Ｓ_２クラッド層７を１．３[μｍ]の厚さで成長する。これらの成長はすべてＭＯＣＶＤ法で行った。

ここで、Ｓｉ上に単結晶で層を形成することは困難だと考えられるが、クラッド層および活性層材料として用いたＣｕＧａＳ_２層は格子定数が５．３５ÅでSiの５．４３Åと極めて近く、結晶性を維持したまま発光層を成長できることが実験結果より明確になった。

また、組成比の違う材料を用いることで材料の屈性率差から光閉じ込めができ、光の分散が少なくなる。さらにＮ−Ｃｕ（Ｇａ_{０．０２５}Ａｌ_０．７５）Ｓ_２電流制限層６を成長したことで、０．２５[eV]の電位障壁ができ電流制限層部分には電流が流れず、低電流で発光させることができることが可能となった。

以上説明したことから明らかなように、本発明によれば、Si基板上に青色発光ダイオードを提供することができるので、青色発光ダイオードの低コスト化と、現在問題となっている将来の照明として期待される白色発光ダイオードへの適用が可能な青色発光ダイオードの低コスト化も実現できる。

これにより将来の照明として現在の蛍光灯に代わり期待される白色発光ダイオードの進展や、その他への様々な発光ダイオードの用途に大きく貢献する。

現在、発光ダイオードの製造の主流はＭＯＣＶＤ成長法(ＭｅｔａｌＯｒｇａｎｉｃＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：有機金属気相成長法）で行われている。これは過去一般的だったＬＰＥ成長法(ＬｉｑｕｉｄＰｈａｓｅＥｐｉｔａｘｙ：液相エピタキシャル成長法）や、研究などでよく使われるＭＢＥ成長法(ＭｏｌｅｃｕｌａｒＢｅａｍＥｐｉｔａｘｙ：分子線エピタキシャル成法）にくらべ、広い面積へ均一な薄膜成長が比較的容易なためである。ＭＯＣＶＤ法は、半導体の材料を有機化合物の状態で反応室へ導入し、誘導過熱によって高温にされた基板上に、薄膜を成長させる方法である。この発光ダイオードの製造においてもＭＯＣＶＤ成長法を用いる。
具体的に図３から図６に青色発光ダイオード装置の製造方法を示す。

まずＳｉ基板１上に、Ｎ−Ｃｕ（Ｇａ_０．５Ａｌ_０．５）Ｓ_２クラッド層２を２[μｍ]の厚さで成長させる。次にＮ−Ｃｕ（Ｇａ_０．６Ａｌ_０．４）Ｓ_２2’を０．０５[μm]、Ｃｕ（Ｇａ_０．７５Ａｌ_０．２５）Ｓ_２３を１０[nm]で３層とＣｕ（Ｇａ_０．６Ａｌ_０．４）Ｓ_２４を１０[nm]で２層とのＴＱＷ構造を作り、その上にＰ−Ｃｕ（Ｇａ_０．６Ａｌ_０．４）Ｓ_２層７’を０．０５[μｍ]形成し、この２’〜７’で活性層５とする。次にＰ−Ｃｕ（Ｇａ_０．５Ａｌ_０．５）Ｓ_２クラッド層７を０．２[μｍ]成長しその上にＮ−Ｃｕ（Ｇａ_{０．０２５}Ａｌ_０．７５）Ｓ_２電流制限層６を０．５[μｍ]の厚さで成長させる（図３）。ＴＱＷ活性層の詳細は上記に説明してある図２のバンド構造を有する。次に活性層上に３[μｍ]のストライプ幅だけ残し、フォトレジスト工程を行い、ＨＦ（ＨＦ１０％：Ｈ_２Ｏ９０％）でエッチングしてストライプの部分を取り除く（図４）。次にその上にＰ−Ｃｕ（Ｇａ_０．５Ａｌ_０．５）Ｓ_２クラッド層７を１．３[μｍ]の厚さで成長し、その上ｐ+ＧａＡｓ８を成長し、Ｎｉ／Ａｕ２層の金属電極９をニッケル０．１[μｍ]、金１[μｍ]の順で真空蒸着する(図５)。次にn−Ｓｉ基板１のＬＥＤ素子を形成してあるのとは逆側を研磨して全体の厚さが１００[μｍ]になるようにし、Ａｕ−Ｇｅ−Ｎｉ合金の金属電極１０を1[μｍ]の厚さ真空蒸着する。最後に、Ｓｉ基板１をＣｕ（放熱体）１１にボンディングし、Ｃｕ（放熱体）１１にカソードの金線を取り付け、発光ダイオードのＮｉ／Ａｕ２層の金属電極９上にアノードの金線を取り付ける（図６）。この方法で青色発光ダイオードが完成する。またぼんでぃんぐは放熱特性をよくするためにアップサイドダウン方式でもよいのはもちろんのことである。

なお、この方法はSi以外にもGaPを基板としても実現できる。この際もGaPの格子定数は５．４Åであり、Ｃｕ（Ｇａ_１−ＸＡｌ_ｘ）Ｓ_２と格子定数はほぼ一致する。

本発明に係るＬＥＤの簡単な構造活性領域のバンド構造発明の実施例の青色ＬＥＤの成長（１）発明の実施例の青色ＬＥＤの成長（２）発明の実施例の青色ＬＥＤの成長（３）発明の実施例のアノード、カソード電極層の形成およびボンディングと銅線の取り付け（４）

符号の説明

１・・・Ｓｉ基板
２・・・Ｎ−Ｃｕ（Ｇａ_０．５Ａｌ_０．５）Ｓ_２クラッド層
２’・・・Ｎ−Ｃｕ（Ｇａ_０．６Ａｌ_０．４）Ｓ_２2
３・・・Ｃｕ（Ｇａ_０．７５Ａｌ_０．２５）Ｓ_２
４・・・Ｃｕ（Ｇａ_０．６Ａｌ_０．４）Ｓ_２
５・・・Ｃｕ（Ｇａ_０．７５Ａｌ_０．２５）Ｓ_２３とＣｕ（Ｇａ_０．６Ａｌ_０．４）Ｓ_２４からなるＴＱＷ活性層
６・・・Ｎ−Ｃｕ（Ｇａ_０．２５Ａｌ_０．７５）Ｓ_２電流制限層
７・・・Ｐ−Ｃｕ（Ｇａ_０．５Ａｌ_０．５）Ｓ_２クラッド層
７’・・・Ｐ−Ｃｕ（Ｇａ_０．６Ａｌ_０．４）Ｓ_２層
８・・・ｐ+ＧａＡｓ
９・・・Ｎｉ／Ａｕ２層の金属電極
１０・・・Ａｕ−Ｇｅ−Ｎｉ合金の金属電極
１１・・・Ｃｕ（放熱体）

Claims

Si又はGaP基板上に形成された発光ダイオードにおいて発光層にII−VI、III−V、I−III−VI、II−III−VI、II−III−V族半導体の少なくとも一種類の三元以上の化合物混晶半導体結晶を用い、それをはさむＮ及びＰ型クラッド層及び内部ストライプを形成する電流制限層は活性層と同じ混晶半導体を用いてその組成比のみが異なることを特徴とする化合物混晶半導体発光装置。
上記請求項１において発光素子の活性層、クラッド層、電流制限層はＣｕ（Ｇａ_１−ｘＡｌ_ｘ）（Ｓ_ｙＳｅ_１−ｙ）_２からなることを特徴とする化合物混晶半導体発光装置。
上記請求項２において電流制限層の禁制帯幅はＮ及びＰ型クラッド層の禁制帯幅よりすくなくとも０．１ｅＶ広いことを特徴とする化合物混晶半導体発光装置。