JP2020167401A - 点光源型発光ダイオード及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
該支持基板上の、光反射面を備える金属層と、
該金属層上の電流狭窄層と、
該電流狭窄層上の、p型半導体層、活性層及びn型半導体層を順次備えるIII−V族化合物半導体積層体と、
該III−V族化合物半導体積層体上の上面電極と、を有し、
前記上面電極は前記活性層で発光した光を出射する開口部を備え、
前記電流狭窄層は、貫通孔を備える誘電体層と、前記貫通孔内に設けられ、前記p型半導体層及び前記金属層を電気的に接続する中間電極とを備え、
前記上面電極に対して前記中間電極を含む電流狭窄層を垂直投影した投影面において、前記開口部が前記中間電極を内包し、かつ、前記誘電体層が前記上面電極を内包し、
前記p型半導体層の膜厚が0.5μm以上3.3μm以下であることを特徴とする点光源型発光ダイオード。
前記p型半導体層上に電流狭窄層を形成する第2工程と、
前記電流狭窄層上に金属反射層を形成する第3工程と
金属接合層が表面に設けられた支持基板を、該金属接合層を介して前記金属反射層に接合しつつ、金属層を形成する第4工程と、
前記成長用基板を除去する第5工程と、
前記n型半導体層における前記成長用基板の除去面に、前記活性層で発光した光を出射する開口部を有する上面電極を形成する第6工程と、を含み、
前記第3工程において、貫通孔を備える誘電体層と、前記貫通孔内に設けられ、前記p型半導体層及び前記金属層を電気的に接続する中間電極とを備える前記電流狭窄層を形成し、
前記上面電極に対して前記中間電極を含む前記電流狭窄層を垂直投影した投影面において、前記開口部が前記中間電極を内包し、かつ、前記誘電体層が前記上面電極を内包し、
前記p型半導体層の膜厚を0.5μm以上3.3μm以下とすることを特徴とする点光源型発光ダイオードの製造方法。
<III−V族化合物半導体>
まず、本明細書において単に「III−V族化合物半導体」と称する場合、その組成は一般式:(InaGabAlc)(PxAsySbz)により表される。ここで、各元素の組成比については以下の関係が成立する。
III族元素について、c=1−a−b,0≦a≦1,0≦b≦1,0≦c≦1
V族元素について、z=1−x−y,0≦x≦1,0≦y≦1,0≦z≦1
本明細書において、電気的にp型として機能する層をp型半導体層(「p型層」と略称する場合がある。)と称し、電気的にn型として機能する層をn型半導体層(「n型層」と略称する場合がある。)と称する。一方、Si、Zn、S、Sn、Mg等の特定の不純物を意図的には添加しておらず、電気的にp型又はn型として機能しない場合、「i型」又は「アンドープ」と言う。アンドープのIII−V族化合物半導体層には、製造過程における不可避的な不純物の混入はあってよい。具体的には、ドーパント濃度が低い(例えば7.6×1015atoms/cm3未満)場合、「アンドープ」であるとして、本明細書では取り扱うものとする。Si、Zn、S、Sn、Mg等の不純物濃度の値は、SIMS分析によるものとする。なお、各半導体層の境界付近においてドーパント濃度の値は大きく変移するため、各層の膜厚方向の中央におけるドーパント濃度の値をドーパント濃度の値とする。
また、形成される各層の膜厚全体は、光干渉式膜厚測定器を用いて測定することができる。さらに、各層の膜厚のそれぞれは、光干渉式膜厚測定器及び透過型電子顕微鏡による成長層の断面観察から算出できる。また、超格子構造に類する程度に各層の膜厚が数nm程度で小さい場合にはTEM−EDSを用いて膜厚を測定することができる。なお、各層の断面図において、所定の層が傾斜面を有する場合、その層の膜厚は、当該層の直下層の平坦面からの最大高さを用いるものとする。
図1に、本発明の一態様に従う点光源型発光ダイオード100の模式断面図及びその上面図を示す。この点光源型発光ダイオード100は、支持基板10と、該支持基板10上の、光反射面21を備える金属層20と、該金属層20上の電流狭窄層30と、該電流狭窄層30上の、p型半導体層51、活性層53及びn型半導体層55を順次備えるIII−V族化合物半導体積層体50と、該III−V族化合物半導体積層体50上の上面電極70と、を少なくとも有する。上面電極70は活性層53で発光した光を出射する開口部71を備える。また、電流狭窄層30は、貫通孔32を備える誘電体層31と、該貫通孔32内に設けられ、p型半導体層55及び金属層20を電気的に接続する中間電極35と、を備える。さらに、上面電極70に対して中間電極35を含む電流狭窄層30を垂直投影した投影面において、開口部71が中間電極35を内包し、かつ、誘電体層31が上面電極70を内包する。そして、p型半導体層51の膜厚が0.5μm以上3.3μm以下である。なお、本明細書における「内包する」とは、投影面において各領域が完全に一致する場合は含まないものとする。また、図1では半導体積層体50にメサ構造が形成されており、誘電体層31の外周縁の一部が膜厚方向において露出している。以下、各構成の詳細を順次説明する。
本発明による点光源型発光ダイオード100は後述する「接合法」(特開2018−006495号公報を参照する)により形成されるため、支持基板10はその上に形成する半導体層の格子定数との関係での特段の制限はない。支持基板10を構成する好適な材料としては、例えばSi基板などの半導体基板、MoやWやコバールなどの金属基板、AlNなどを使用した各種サブマウント基板などを用いることができる。なお、支持基板10は導電性であることが好ましい。
金属層20は、光を反射する光反射面21を形成し、かつ中間電極35を介してp型半導体層51と電気的に接続できる金属であれば特に限定されることはない。具体的には、Auを主成分とすることが好ましく、より具体的には、Auが50質量%超を占めることが好ましく、より好ましくはAuが80質量%以上である。金属層20は、図1に示すように支持基板側の金属接合層25と金属反射層27との接合により形成することができる。また、金属層20がAuからなる金属層(以下、「Au金属層」)を含む場合には、金属層20の合計膜厚のうち、Au金属層の膜厚を50%超とすることが好ましい。金属層20を構成する金属(すなわち、反射金属)には、Auの他、Al,Pt,Ti、Agなどを用いることができる。これらの反射金属元素が、本発明による点光源型発光ダイオード100の金属層20に含まれる反射金属の起源となる。例えば、金属層20はAuのみからなる単一層であってもよいし、金属層20としてAu金属層が2層以上含まれていてもよい。特に、光反射面21は、Au金属層の表面であることが好ましい。金属層20におけるAu金属層の1層の膜厚を、例えば400nm〜2000nmとすることができ、Au以外の金属からなる金属層の膜厚を、例えば5nm〜200nmとすることができる。
電流狭窄層30は、誘電体層31と、p型半導体層51及び金属層20を電気的に接続する中間電極35とを備える。誘電体層31は貫通孔32を備え、当該貫通孔32内に中間電極35が設けられる。電流狭窄層30における、実質的な電気伝導領域は貫通孔32内に形成された中間電極35である。なお、中間電極35は貫通孔32内に充填されるため、貫通孔の形状と一致する。
誘電体層の材料は特に制限されることはなく、公知の材料を使用することができる。例えば誘電体材料としてSiO2、SiN及びAlNなどを用いることができ、特に、SiO2を用いることが好ましい。SiO2はBHF等によるエッチング加工が容易だからである。また、誘電体層31の材料としては、活性層53から放出される光に対して透明な材料を用いることが好ましい。
中間電極の材料は特に制限されることはなく、公知の材料を使用することができる。例えば中間電極の材料は、誘電体層より抵抗率が低い材料が好ましく、具体的には、AuZn系、AuBe系等が挙げられ、例えば、ボート加熱式により蒸着した後、所定の温度で急速加熱をすることにより形成される。また、中間電極の形状は特に制限されることはなく、先に述べたとおり、貫通孔の形状に併せて形成される。
電流狭窄層30上に半導体積層体50が設けられる。半導体積層体50はp型半導体層51、活性層53及びn型半導体層55を順次備え、活性層53への通電により活性層53内で電子及び正孔で結合して発光する。半導体積層体50の各層の組成に特段の制限はない。
電流狭窄層30上にp型半導体層51が設けられる。p型半導体層51は支持基板10の側から順に、p型コンタクト層及びp型クラッド層を備えることができる。p型クラッド層及びp型コンタクト層の間に格子不整合を緩和するための中間層を設けてもよい。また、p型クラッド層は複数層構造であってもよい。p型半導体層51の最上層としてp型スペーサ層を設けることも好ましい。p型スペーサ層の組成は結晶成長方向に一定であってもよいし、結晶成長方向に組成傾斜させてもよいし、組成を変調(連続的でない変化を含む)させてもよい。
p型半導体層51上に活性層53が設けられる。活性層53を図1のように単層構造としてもよいし、多重量子井戸(MQW)構造とすることも好ましい。結晶欠陥抑制による光出力向上のため、半導体積層体50が多重量子井戸構造を有することがより好ましい。多重量子井戸構造は、井戸層および障壁層を交互に繰り返した構造により形成することができる。また、活性層53の膜厚方向の両端側(すなわち最初と最後)を障壁層とすることも好ましく、井戸層および障壁層の繰り返し回数をnとすると、この場合は「n.5組」の多重量子井戸構造と表記することとする。
活性層53上にはn型半導体層55が設けられる。当該n型半導体層55をn型クラッド層として用いることができる。n型半導体層55は単層構造であってもよいし、複数層が積層された複合層であっても構わない。また、n型半導体層55の最下層(活性化層53側の層)としてn型スペーサ層を設けることも好ましい。n型スペーサ層の組成は結晶成長方向に一定であってもよいし、結晶成長方向に組成傾斜させてもよいし、組成を変調させてもよい。また、必要に応じてn型半導体層55はn型コンタクト層を有してもよい。
ここで、本発明においては、p型半導体層51の膜厚を0.5μm以上3.3μm以下とする。p型半導体層51がp型層を複数層有する場合は、p型層の合計膜厚を0.5μm以上3.3μm以下とする。p型半導体層51の膜厚がこの範囲であると、p型半導体層51の膜厚は十分に薄いため、貫通孔32内部の中間電極35を通過した電流は、p型半導体層51の面内方向でほとんど拡散することなく活性層53に流れる。そのため、活性層53の特定部位に電流が集中し、当該部位において局所的に発光することとなる。
p型半導体層51の膜厚を0.5μm以上とするのは、0.5μm未満とすると発光素子の信頼性が下がり温度変化によって頓死する可能性があるためである。
p型半導体層51、活性層53及びn型半導体層55の各層の組成は、点光源型発光ダイオード100の発光波長の支配的要因となる活性層53のIII−V族化合物半導体の組成に応じて適宜定めればよい。
活性層は、III−V族化合物半導体で構成され、以下では活性層53のIII−V族化合物半導体の組成を(Ina1Gab1Alc1)(Px1Asy1Sbz1);c1=1−a1−b1,z1=1−x1−y1,0≦a1≦1,0≦b1≦1,0≦c1≦1,0≦x1≦1,0≦y1≦1,0≦z1≦1と表記する。
p型半導体層51の組成については、活性層53のIII−V族化合物半導体の組成に応じてp型半導体層51のIII−V族化合物半導体の組成を適宜定めればよい。p型コンタクト層としてp型AlGaAs又はp型InGaAs層等を、p型クラッド層としてp型AlGaAs又はp型InP層等を、p型スペーサ層としてp型AlGaAs層等を例示することができる。
また、n型半導体層55の組成についても、活性層53のIII−V族化合物半導体の組成に応じてn型半導体層55のIII−V族化合物半導体の組成を適宜定めればよい。n型スペーサ層としてn型AlGaAs又はn型InP等を、n型クラッド層としてn型AlGaAsを例示することができる。
p型半導体層51の全体膜厚と異なり、活性層53及びn型半導体層55の膜厚は制限されない。
活性層53が量子井戸構造を有する場合、井戸層の膜厚を3nm〜17nmとすることができ、障壁層の膜厚を5〜20nmとすることができ、両者の組数を3〜50とすることができる。また、単層構造及び量子井戸構造のいずれの場合も、活性層全体の膜厚を100nm〜500nmとすることができる。
n型クラッド層の膜厚は制限されず、例えば1μm〜15μm、3.5μm〜12μmを例示することができる。n型スペーサ層の膜厚も制限されず、例えば5〜500nmとすることができる。なお、n型半導体層55の全体の膜厚をp型半導体層51の全体の膜厚よりも大きくすることが好ましい。一般的にp型半導体は電子の移動度が低く抵抗が高いので、電流狭窄構造として利用しやすい一方、本発明ではn型半導体層側で電流を広げることが望ましいためである。
また、半導体積層体50の全体の膜厚も制限されず、例えば2μm〜17μmとすることができる。
半導体積層体50上には上面電極70が設けられる。上面電極70は開口部71を備え、当該開口部71において活性層53で発光した光が出射される。そして、上面電極70に対して中間電極35を含む電流狭窄層30を垂直投影した投影面において、開口部71が中間電極35を内包し、かつ、誘電体層31が上面電極70を内包する。
上面電極70上及び支持基板10の裏面にはそれぞれ上面側パッド電極E1及び裏面電極E2を設けることができ、各電極を構成するための金属材料は、Ti、Pt、Auなどの金属や、金と共晶合金を形成する金属(Snなど)などの一般的なものを用いることができる。上面側パッド電極E1及び裏面電極E2の電極パターンは任意であり、何ら制限されない。
上記主発光領域53Aの最外周と、上記活性層53の外周縁との最短離間距離は、30μm以上が好ましく、60μm以上がより好ましい。これにより、より優れた発光出力の温度依存特性を示す点光源型発光ダイオードを提供できる。前述のとおり、主発光領域53Aの大きさ及び位置は、活性層53に対して中間電極35を垂直投影した投影体と同等であると考えられる。そのため、主発光領域53Aの最外周は、当該投影体の最外周により定義される。以下、最短離間距離が30μm以上であることが好ましい理由を説明する、
本発明の別の一態様を示す図2を参照する。点光源型発光ダイオード200においては、金属層20の光反射面21が誘電体層31を介して活性層53の側面部の少なくとも一部を被覆することが好ましい。活性層53の側面から放射される光を活性層53側面では閉じ込めることができつつ、光反射面21により半導体積層体50内部に反射して一部の光を外部に取り出すことができるため、外部量子効率の向上も期待できる。
本発明による前述の点光源型発光ダイオードの製造方法は、成長用基板上に、n型半導体層55、活性層53、p型半導体層51を順次備える半導体積層体50を形成する第1工程と、p型半導体層51上に、電流狭窄層30を形成する第2工程と、電流狭窄層30上に金属反射層27を形成する第3工程と、金属接合層25が表面に設けられた支持基板10を、該金属接合層25を介して金属反射層27に接合しつつ、金属層20を形成する第4工程と、成長用基板を除去する第5工程と、n型半導体層55における成長用基板の除去面に、活性層53で発光した光を出射する開口部71を有する上面電極70を形成する第6工程と、を少なくとも含む。そして、第3工程において、貫通孔32を備える誘電体層31と、貫通孔32内に設けられ、p型半導体層51及び金属層20を電気的に接続する中間電極35とを備え電流狭窄層30を形成する。さらに、上面電極70に対して中間電極35を含む電流30を垂直投影した投影面において、開口部71が中間電極35を内包し、かつ、誘電体層31が上面電極70を内包する。そして、p型半導体層51の膜厚が0.5μm以上3.3μm以下である。
上記第1工程では、成長用基板上に、n型半導体層55、活性層53、p型半導体層51を順次形成した半導体積層体50を形成する。成長用基板とn型半導体層55との間に、III−V族化合物半導体からなるエッチングストップ層を必要により形成してもよい。当該エッチングストップ層が歪緩衝層の機能を兼ねてもよい。成長用基板はその上に成長させる半導体積層体50の組成及び格子定数に応じてGaAs基板、InP基板、GaSb基板、InSb基板等から適宜採用すればよい。成長用基板上にはn型半導体層を形成するため、n型基板を用いることが好ましいが、成長用基板の導電型はアンドープであってもよいし、p型であってもよい。
中間電極層、誘電体層、金属反射層、金属接合層及び上面電極等の形成は公知の手法を用いることができ、例えばスパッタ法、電子ビーム蒸着法、又は抵抗加熱法などを用いることができる。誘電体層を形成する際には、プラズマCVD法又はスパッタ法などの、公知の成膜法を適用すればよいし、必要に応じて公知のエッチング法を用いて凹凸形成することも可能である。
上記第2工程では、p型半導体層51上に、中間電極35を備える電流狭窄層30を形成する。例えば、まずp型半導体層51表面の一部にスパッタ法などにより中間電極35を形成し、残部の表面を露出させる。次いで、当該露出部に誘電体層31を形成し、中間電極35の高さと揃えれば、電流狭窄層30を形成することができる。なお、電流狭窄層30から中間電極35を取り除いたと仮定した場合の部分が既述の貫通孔32に相当する。また、誘電体層を形成したのち、エッチング等により誘電体層の一部を除去してp型半導体層51を露出させて貫通孔32を形成し、当該貫通孔32内に中間電極35を形成してもよい。
続く第3工程では、電流狭窄層30上に金属反射層27を形成する。この結果、光反射面21が半導体積層体50においてp型半導体層51側に設けられることとなる。
次に、第4工程では、支持基板10の一方の面に金属接合層25を設けた後、接合により、支持基板10を、金属接合層25を介して金属反射層27と接合して金属層20を得る。金属反射層27及び金属接合層25を対向配置して加熱圧縮等により接合すればよい。
第5工程では、成長用基板を公知の方法により除去する。例えば、アンモニア水と過酸化水素水の混合液を用いてウェットエッチングにより除去することができ、前述のエッチングストップ層を当該ウェットエッチングの終点として用いることもできる。なお、エッチングストップ層を除去する際には、成長用基板とは異なるエッチング液(例えば塩酸希釈液のエッチング液)でウェットエッチングすればよい。
最後に、第6工程では、n型半導体層55における成長用基板の除去面に上面電極70を形成する。上面電極の形成方法は、公知の手法を用いることができ、例えばスパッタ法、電子ビーム蒸着法、又は抵抗加熱法などを用いることができる。上面電極70は既述の開口部71を備え、前述の投影面における上面電極70、開口部71、誘電体層31、中間電極35の配置関係については既述のとおりである。
上記第6工程の後、光取り出し面に複数の凹凸を形成する粗面化処理工程を行ってもよい。さらに、点光源型発光ダイオードを個片化するための切断予定ラインにメサ構造を形成してもよい。その後、裏面電極E2を形成し、本発明に係る点光源型発光ダイオードを製造することができる。
限定されるものではない。
狙いの発光中心波長を850nmとして、以下の点光源型発光ダイオードを接合法により作製した。
成長用基板としてはn型GaAs基板を用いた。成長用基板の(100)面上に、エッチングストップ層をMOCVD法により形成し、さらに以下の条件でMOCVD法により各半導体層を順次エピタキシャル成長させた。
<1>膜厚7100nmのn型Al0.20Ga0.80As層(Teドープ、8.0×1017atoms/cm3;第1のn型クラッド層)
<2>膜厚400nmのn型Al0.40Ga0.60As層(Teドープ、1.0×1017atoms/cm3;第2のn型クラッド層)
<3>膜厚500nmのAl0.24Ga0.76As層(アンドープ;n側スペーサ層;
<4>全体膜厚nmの310nmの量子井戸型活性層(詳細を後述)
<5>膜厚500nmのp型Al0.24Ga0.76As(Cドープ、2.0×1016atoms/cm3)層(p側スペーサ層)
<6>膜厚400nmのAl0.40Ga0.60As層(Cドープ、1.5×1018atoms/cm3;第2のp型クラッド層)
<7>膜厚1500nmのAl0.20Ga0.80As層(Cドープ、1.5×1018atoms/cm3;第1のp型クラッド層)
<8>膜厚100nmのp型Al0.12Ga0.88As層(Znドープ、3×1018atoms/cm3;p型コンタクト層)
実施例1に係る点光源型発光ダイオードをパルス駆動(パルス順電流Ifp:100mA、周波数:10kHz、デューティ比:0.2%)で動作させた。このときの開口部を含む横断面の発光強度分布を図5Aに示す。なお、赤外顕微鏡を用いて発光強度分布を観察した。図5A中の縦軸は発光強度(相対強度)を示し、横軸は横断面の任意の相対位置を示す。赤外顕微鏡で観察される画像は、発光強度が強いほど白、弱いほど黒で表され、白と黒の度合いを数値化することでグラフ化した。このため、黒の度合いが一番強いところでも数値はゼロを示さない。図5Aを参照すると、開口部からほとんどの発光が出射されていることがわかり、点光源特有の特性を持っていることが確認された。そして、中間電極の幅(d1)であるφ40μmの範囲での発光強度が大きく、開口部の大きさ(d2)であるφ80μmの端部に向けて発光強度が小さくなっていることから、p型半導体層の合計膜厚が2.5μmの実施例1では、p型半導体層51の面内方向において中間電極に相当する範囲の外側にはほとんど電流が拡散することなく活性層53に電流が流れて活性層53の特定部位に電流が集中し、当該部位において局所的に発光していることが確認された。そして、実施例1に係る点光源型発光ダイオードは接合法を用いて作製したものであって、下記のとおり、従来技術に比べて簡略化した製造工程により得られることが確認された。
次に、実験例1と同様、狙いの発光中心波長を850nmとしつつ、発光強度分布及び温度依存特性を評価するために以下の実施例2〜4及び比較例1に係る点光源型発光ダイオードを接合法により作製した。
チップサイズ、開口部の大きさ、中間電極の幅、中間電極の幅、主発光領域の最大直径及び中間電極の投影体(主発光領域)の最外周と活性層の外周縁との最短離間距離を表1に示す値にした以外、上記実施例1と同様にして点光源型発光ダイオードを作製した。実施例1を含めて、上記各サイズを表1に示す。
比較例1では、中間電極の形状をいわゆるドーナツ型とし(図4参照)、ドーナツ型の中間電極の中央部上に直径D:φ120μmの上面電極を形成した。なお、実施例1〜4と異なり、開口部は設けていない。図4における三重円の最小径の円で囲まれた部分(右下がりハッチング部分)が上面電極である。また、当該三重円の外側の2つの円で囲まれた部分(図4の左下がりハッチング部分)が中間電極に相当する。なお、中間電極の外径L2が300μmであり、内径L3が270μmである。また、最短離間距離dは25μmである。その他の条件は実施例1と同様とした。上記各サイズを表2に示す。
実験例1と同様にして、実施例2〜4の発光強度分布を測定した。結果を図5B〜図5Dにそれぞれ示す。図5B〜図5Dを参照すると、実施例1と同様に、実施例2〜4においても、開口部からほとんどの発光が出射されていることがわかり、点光源特有の特性を持っていることが確認された。そして、中間電極の幅(d1)の範囲での発光強度が大きく、開口部の大きさ(d2)の端部に向けて発光強度が小さくなっていることから、p型半導体層の合計膜厚が2.5μmでは、p型半導体層51の面内方向において中間電極に相当する範囲の外側にはほとんど電流が拡散することなく活性層53に電流が流れて活性層53の特定部位に電流が集中し、当該部位において局所的に発光していることが確認された。
実施例1〜4及び比較例1に係る点光源型発光ダイオードを−25℃〜100℃で動作させたときの各出力の25℃の出力に対する相対値をプロットし、直線近似したときの傾きを温度依存特性として求めた。当該傾きの絶対値が小さいほど温度特性が良好である(すなわち出力の温度依存性が小さい)。電流値が20mAのときの温度依存特性(%/℃)を表1,2に示す。なお、出力の温度依存特性を測定するため、まず、チップがマウントされたTO-18の金属ステムを恒温槽へ入れた。そして、恒温槽の温度を変化させ、恒温槽の窓越しに出力を測定することで、各温度での出力の変化を測定した。
次に、実験例1と同様、狙いの発光中心波長を850nmとしつつ、p型半導体層の厚さによる影響について評価するために以下の実施例5及び比較例2、3に係る点光源型発光ダイオードを接合法により作製した。
p型半導体層の合計膜厚(p型コンタクト層、p型クラッド層、p側スペーサ層の合計)を、実施例1の2.5μmよりも厚い3.3μmとした以外は、実施例1と同様にして、実施例5に係る点光源型発光ダイオードを製造した。なお、実施例5では第1のp型クラッド層の厚さを2100nm、p側スペーサ層の厚さを700nmに変えた。
p型半導体層の合計膜厚(p型コンタクト層、p型クラッド層、p側スペーサ層の合計)を、実施例1の2.5μmよりも厚い5.3μmとした以外は、実施例1と同様にして、比較例2に係る点光源型発光ダイオードを製造した。なお、比較例2では第1のp型クラッド層の厚さを4300nmに変えた。
p型半導体層の合計膜厚(p型コンタクト層、p型クラッド層、p側スペーサ層の合計)を、実施例1の2.5μmよりも薄い0.41μmとした以外は、実施例1と同様にして、比較例3に係る点光源型発光ダイオードを製造した。なお、比較例3では第1のp型クラッド層を無くし、pコンタクト層を10nm、第2のpクラッド層を100nm、pスペーサ層を300nmに変えた。
実施例1、5および比較例2、3について、定電流電圧電源を用いて電流20mAにおける発光出力(mW)および順方向電圧の測定を行った。その結果を表3に示す。
測定時の電流を20mAから5mAに変えた以外は、上記実験例2と同様にして、−25℃〜100℃で動作させたときの各出力の25℃の出力に対する相対値をプロットし、直線近似したときの傾きを温度依存特性として求めた。なお、出力の温度依存性は、チップがマウントされたTO-18金属ステムを恒温槽へ入れ、恒温槽の温度を変化させ、恒温槽の窓越しに出力を測定することで各温度での出力の変化の比較を行った。なお、本実験例3において、温度依存特性を評価する際に、測定時の電流を20mAから5mAに変更したのは、20mAよりも5mAの方が活性層での抵抗が相対的に大きくなるからである。その結果、電流が広がりやすくなるため、活性層がチップ側面に露出した箇所における表面再結合の影響が顕著に表れて温度依存性の傾きが大きくなり、20mAで測定するときよりも温度依存性の違いが分かりやすくなるためである。電力光変換効率(WPE: Wall Plug Efficiency)の値と併せて、結果を表3に示す。
20 金属層
25 金属接合層
27 金属反射層
30 電流狭窄層
31 誘電体層
32 貫通孔
35 中間電極
50 半導体積層体
51 p型半導体層
53 活性層
55 n型半導体層
70 上面電極
71 開口部
E1 パッド電極
E2 裏面電極
100 点光源型発光ダイオード
Claims (6)
- 支持基板と、
該支持基板上の、光反射面を備える金属層と、
該金属層上の電流狭窄層と、
該電流狭窄層上の、p型半導体層、活性層及びn型半導体層を順次備えるIII−V族化合物半導体積層体と、
該III−V族化合物半導体積層体上の上面電極と、を有し、
前記上面電極は前記活性層で発光した光を出射する開口部を備え、
前記電流狭窄層は、貫通孔を備える誘電体層と、前記貫通孔内に設けられ、前記p型半導体層及び前記金属層を電気的に接続する中間電極とを備え、
前記上面電極に対して前記中間電極を含む電流狭窄層を垂直投影した投影面において、前記開口部が前記中間電極を内包し、かつ、前記誘電体層が前記上面電極を内包し、
前記p型半導体層の膜厚が0.5μm以上3.3μm以下であることを特徴とする点光源型発光ダイオード。 - 前記投影面において、前記開口部及び前記中間電極のそれぞれの重心が一致する位置に前記開口部及び前記中間電極が配置される、請求項1に記載の点光源型発光ダイオード。
- 前記活性層の外周縁と前記活性層における主発光領域の最外周との最短離間距離が30μm以上である、請求項1又は2に記載の点光源型発光ダイオード。
- 前記最短離間距離が60μm以上である、請求項3に記載の点光源型発光ダイオード。
- 前記光反射面は、前記誘電体層を介して前記活性層側面部の少なくとも一部を被覆する、請求項1〜4のいずれか1項に記載の点光源型発光ダイオード。
- 成長用基板上に、n型半導体層、活性層、p型半導体層を順次備える半導体積層体を形成する第1工程と、
前記p型半導体層上に電流狭窄層を形成する第2工程と、
前記電流狭窄層上に金属反射層を形成する第3工程と
金属接合層が表面に設けられた支持基板を、該金属接合層を介して前記金属反射層に接合しつつ、金属層を形成する第4工程と、
前記成長用基板を除去する第5工程と、
前記n型半導体層における前記成長用基板の除去面に、前記活性層で発光した光を出射する開口部を有する上面電極を形成する第6工程と、を含み、
前記第3工程において、貫通孔を備える誘電体層と、前記貫通孔内に設けられ、前記p型半導体層及び前記金属層を電気的に接続する中間電極とを備える前記電流狭窄層を形成し、
前記上面電極に対して前記中間電極を含む前記電流狭窄層を垂直投影した投影面において、前記開口部が前記中間電極を内包し、かつ、前記誘電体層が前記上面電極を内包し、
前記p型半導体層の膜厚を0.5μm以上3.3μm以下とすることを特徴とする点光源型発光ダイオードの製造方法。
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2023286468A1 (ja) * | 2021-07-16 | 2023-01-19 | ローム株式会社 | 半導体発光装置 |
Citations (11)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2007221029A (ja) * | 2006-02-20 | 2007-08-30 | Sony Corp | 半導体発光素子およびその製造方法 |
JP2012129357A (ja) * | 2010-12-15 | 2012-07-05 | Hitachi Cable Ltd | 半導体発光素子 |
KR20120129449A (ko) * | 2011-05-20 | 2012-11-28 | 엘지이노텍 주식회사 | 자외선 발광 소자 |
JP2013128072A (ja) * | 2011-12-19 | 2013-06-27 | Showa Denko Kk | 発光ダイオード及びその製造方法 |
JP2014082321A (ja) * | 2012-10-16 | 2014-05-08 | Showa Denko Kk | 発光ダイオード、発光ダイオードランプ及び照明装置 |
JP2014524675A (ja) * | 2011-09-07 | 2014-09-22 | 株式会社東芝 | 発光装置およびその製造方法 |
US20150243862A1 (en) * | 2013-03-07 | 2015-08-27 | Xiamen Sanan Optoelectronics Technology Co., Ltd. | Light-Emitting Diode and Fabrication Method Thereof |
JP2015228497A (ja) * | 2014-05-30 | 2015-12-17 | エルジー イノテック カンパニー リミテッド | 発光素子 |
WO2016157850A1 (ja) * | 2015-03-30 | 2016-10-06 | ソニーセミコンダクタソリューションズ株式会社 | 発光素子、発光ユニット、発光パネル装置、および発光パネル装置の駆動方法 |
JP2017103439A (ja) * | 2015-12-04 | 2017-06-08 | ウシオ電機株式会社 | 半導体発光素子及びその製造方法 |
JP2018032820A (ja) * | 2016-08-26 | 2018-03-01 | ローム株式会社 | 半導体発光素子 |
Family Cites Families (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2013093412A (ja) * | 2011-10-25 | 2013-05-16 | Showa Denko Kk | 発光ダイオード、発光ダイオードの製造方法、発光ダイオードランプ及び照明装置 |
-
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Patent Citations (11)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2007221029A (ja) * | 2006-02-20 | 2007-08-30 | Sony Corp | 半導体発光素子およびその製造方法 |
JP2012129357A (ja) * | 2010-12-15 | 2012-07-05 | Hitachi Cable Ltd | 半導体発光素子 |
KR20120129449A (ko) * | 2011-05-20 | 2012-11-28 | 엘지이노텍 주식회사 | 자외선 발광 소자 |
JP2014524675A (ja) * | 2011-09-07 | 2014-09-22 | 株式会社東芝 | 発光装置およびその製造方法 |
JP2013128072A (ja) * | 2011-12-19 | 2013-06-27 | Showa Denko Kk | 発光ダイオード及びその製造方法 |
JP2014082321A (ja) * | 2012-10-16 | 2014-05-08 | Showa Denko Kk | 発光ダイオード、発光ダイオードランプ及び照明装置 |
US20150243862A1 (en) * | 2013-03-07 | 2015-08-27 | Xiamen Sanan Optoelectronics Technology Co., Ltd. | Light-Emitting Diode and Fabrication Method Thereof |
JP2015228497A (ja) * | 2014-05-30 | 2015-12-17 | エルジー イノテック カンパニー リミテッド | 発光素子 |
WO2016157850A1 (ja) * | 2015-03-30 | 2016-10-06 | ソニーセミコンダクタソリューションズ株式会社 | 発光素子、発光ユニット、発光パネル装置、および発光パネル装置の駆動方法 |
JP2017103439A (ja) * | 2015-12-04 | 2017-06-08 | ウシオ電機株式会社 | 半導体発光素子及びその製造方法 |
JP2018032820A (ja) * | 2016-08-26 | 2018-03-01 | ローム株式会社 | 半導体発光素子 |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2023286468A1 (ja) * | 2021-07-16 | 2023-01-19 | ローム株式会社 | 半導体発光装置 |
Also Published As
Publication number | Publication date |
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