JP3410166B2 - Red light-emitting diode element - Google Patents

Red light-emitting diode element

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賢一 小屋
博志 村田
研一 真田
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松下電器産業株式会社
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【発明の詳細な説明】 【0001】 【産業上の利用分野】本発明はIII−V族化合物半導体を用いた発光ダイオード素子に関する。 BACKGROUND OF THE INVENTION [0001] Field of the Invention The present invention relates to a light emitting diode device using a group III-V compound semiconductor. 【0002】 【従来の技術】従来、III−V族化合物半導体装置、例えばガリウムアルミニウム砒素(GaAlAs)半導体基板上のヘテロ接合からなる高輝度発光ダイオード(以下LED)は、ホモ接合構造LEDに比べてキャリアの注入効率が高いため、高出力、高速応答性が得られ、シングルヘテロ接合構造あるいはダブルヘテロ接合構造のLEDが用いられている。 [0004] Conventionally, III-V compound semiconductor device, such as gallium aluminum arsenide (GaAlAs) high brightness light-emitting diode comprising a heterojunction on a semiconductor substrate (hereinafter LED), as compared to homozygous structure LED since the carrier injection efficiency is high, high output, high-speed response is obtained, LED of single hetero-junction structure or double heterojunction structure is used. 特に、ダブルヘテロ接合構造を用いた高輝度赤色LEDは車載用ハイマウントストップランプや屋外表示装置等に実装されている。 In particular, high-brightness red LED using double hetero junction structure is mounted on the vehicle high mount stop lamp or an outdoor display device or the like. 【0003】これらヘテロ接合構造LEDに特徴的なことは、光取り出し側にアルミニウム砒素(AlAs)混晶比Xの高いGa 1-x Al x As半導体基板が用いられていることである。 [0003] These hetero-junction structure LED to a characteristic is that high Ga 1-x Al x As semiconductor substrate of aluminum arsenide (AlAs) mole fraction X is used for a light extraction side. 図3に従来のGaAlAs半導体基板からなるLED素子の断面図を示し説明する。 Shows illustrates a cross-sectional view of an LED element comprising a conventional GaAlAs semiconductor substrate in FIG. p型Ga p-type Ga
As基板((100)面)10上にpクラッド層11として液相エピタキシャル成長法等により亜鉛(Zn)ドープGa 0.20 Al 0.80 As層を100μm形成した後、 After 100μm form zinc (Zn) doped Ga 0.20 Al 0.80 As layer with As substrate ((100) plane) and the liquid phase epitaxial growth method or the like as a p-cladding layer 11 on 10,
p型アクティブ層12としてZnドープGa 0. 65 Al As the p-type active layer 12 Zn-doped Ga 0. 65 Al
0.35 As層を1〜2μmを形成し、次いでn型クラッド層13としてテルル(Te)ドープGa 0.20 Al 0.80 0.35 As layer to form a 1 to 2 [mu] m, then tellurium (Te) doped as an n-type cladding layer 13 Ga 0.20 Al 0.80 A
s層を30μm程度形成する。 The s layer is formed to a thickness of about 30μm. そしてGaAs基板選択性エッチャントを用いて光吸収性のGaAs基板10を除去して高輝度赤色のLED素子とする。 And a high-brightness red LED element by removing the GaAs substrate 10 of the light-absorbing using GaAs substrate selective etchant. 【0004】 【発明が解決しようとする課題】前述の高輝度赤色LE [0004] [INVENTION Problems to be Solved] The foregoing high-brightness red LE
D素子の表面にあるn型クラッド層13および裏面にあるp型クラッド層11のAlAs混晶比は0.8と高い。 AlAs mixed crystal ratio of the p-type cladding layer 11 in the n-type cladding layer 13 and the back on the surface of the D element is as high as 0.8. このようにAlAs混晶比が高いGa 1-x Al x As Thus a high AlAs mixed crystal ratio Ga 1-x Al x As
層は極めて酸化され易いため、大気に接する基板表面、 Since the layer is very liable to get oxidized, the substrate surface in contact with the atmosphere,
裏面にAl酸化層が形成され、水分が添加されることによりAl酸化層の成長が著しく助長される特性がある。 Al oxide layer is formed on the back surface, there is a characteristic that the growth of the Al oxide layer is greatly facilitated by the moisture is added.
そしてAl酸化層は光吸収層となりAl酸化層の成長にともなって発光特性の劣化を招き素子寿命を著しく短くしてしまうという課題があった。 The Al oxide layer there is a problem that with the growth of the Al oxide layer becomes a light absorbing layer conspicuously shorten the device life leads to deterioration of light emission characteristics. 【0005】この酸化防止対策としてエッチャントによるネイティブオキサイド膜(N.O.膜)と称される自然酸化膜や、CVD法やスパッタリング法によりSiO [0005] or a natural oxide film called native oxide film (N.O. film) by an etchant as the oxidation prevention, SiO by a CVD method or a sputtering method
2膜、SiN膜、SiON膜を表面の保護膜として形成する方法がある。 2 film, SiN film, there is a method of forming an SiON film as a protective film on the surface. しかしながら、こういった保護膜は完全に均一と言うことはなくピンホール等の発生により耐湿性が破られることもある。 However, the protective film went this is sometimes moisture resistance is broken by the generation of pinholes is not to say that completely uniform. また完全表面被覆をするために、図3に示すようにn型電極6周辺を覆うように保護膜14を形成しているが、n型電極6と保護膜14の付着力が弱いためn型電極6と保護膜14の界面から水分が浸入しやすい。 In order to complete surface coverage, but forms a protective film 14 so as to cover the n-type electrode 6 around as shown in FIG. 3, n-type because adhesion is weak n-type electrode 6 and the protection film 14 moisture easily penetrates from the interface between the electrode 6 the protective film 14. このためn型電極6周辺からAl酸化層が成長し輝度劣化が始まり、Al酸化層がLED素子内部へ進行し、ひいてはLED素子に亀裂を生じ断線させるという致命的な結果を引き起こすものである。 Therefore Al oxide layer is grown luminance degradation starts from the peripheral n-type electrode 6, proceeds Al oxide layer to the internal LED element, those that cause a fatal result that is broken crack the thus LED element. この現象はエポキシ樹脂等で封止したLEDにおいても同様であった。 This phenomenon was also in LED encapsulated with epoxy resin or the like. 【0006】本発明は上記課題を解決するもので、発光特性を低下させることなくAl酸化層の発生を防止し、 [0006] The present invention is intended to solve the above problems, to prevent the occurrence of the Al oxide layer without lowering the emission characteristics,
高品質のLED素子を提供することを目的とする。 And to provide a high quality LED element. 【0007】 【課題を解決するための手段】本発明は半導体基板の表面第一層と裏面第一層にAlAs混晶比が0.6以下であるGaAlAsエピタキシャル層を形成し、また電極を形成した半導体基板に、半導体基板表面から裏面第一層に達するメサエッチング部を形成したのち電極を除く表面第一層全面とメサエッチング面に保護膜を形成するものである。 [0007] According to an aspect of the present invention AlAs mixed crystal ratio in the first layer and the rear surface a first layer surface of the semiconductor substrate to form a GaAlAs epitaxial layer is 0.6 or less, also form an electrode in the semiconductor substrate, thereby forming a protective film on the first layer over the entire surface and mesa etching face surface excluding the electrodes after forming the mesa etching portion of the semiconductor substrate surface reaches the back surface first layer. 【0008】 【作用】本発明は大気に接する半導体基板の表面第一層及び裏面第一層にAlAs混晶比が0.6以下のエピタキシャル層を形成したので、半導体基板のAl酸化層の形成が抑制できる。 [0008] Since [action] The invention AlAs mixed crystal ratio in the first layer and the rear surface a first layer surface of the semiconductor substrate in contact with the atmosphere to form an epitaxial layer of 0.6 or less, the formation of the Al oxide layer on the semiconductor substrate There can be suppressed. またLED素子分割後、側面に露出する高AlAs混晶比部分に保護膜を付着したので側面のAl酸化層の形成も防止できる。 Also after LED elements divided, since the deposited high AlAs mixed crystal protection ratio portion film exposed to the side surface also formed of Al oxide layer side can be prevented. 【0009】 【実施例】以下本発明の実施例を図を参照しながら説明する。 [0009] EXAMPLES be described with reference to FIG examples below the present invention. 【0010】本発明のLED素子の一実施例を図1に示す。 [0010] One embodiment of the LED device of the present invention shown in FIG. 本LED素子はp型GaAs基板(100面)(図示せず)上にAlAs混晶比0.6であるZnドープG This LED element is AlAs mixed crystal ratio 0.6 on p-type GaAs substrate (100 plane) (not shown) Zn-doped G
0. 4 Al 0.6 As層を100μm成長してp型コンタクト層1となし、次いでAlAs混晶比0.8のZnドープGa 0.2 Al 0.8 As層20μm成長してp型クラッド層2とし、引続きp型アクティブ層3であるGa 0.65 p-type contact layer 1 ungated, then Zn-doped Ga 0.2 Al 0.8 As layer 20μm growth of the AlAs mixed crystal ratio of 0.8 and p-type cladding layer 2 to 100μm grow a 0. 4 Al 0.6 As layer, subsequently a p-type active layer 3 Ga 0.65 a
0.35 As層を1μm、n型クラッド層4であるTeドープGa 0.2 Al 0.8 As層を20μm成長し、さらにA l 0.35 As layer 1 [mu] m, Te-doped Ga 0.2 Al 0.8 As layer is an n-type cladding layer 4 was 20μm growth, further A
lAs混晶比0.6のTeドープGa 0.4 Al 0.6 As層を10μm成長してn型コンタクト層5となす。 The Te-doped Ga 0.4 Al 0.6 As layer of lAs mixed crystal ratio 0.6 to 10μm Growth form the n-type contact layer 5. 最後にGaAs基板選択性エッチャントでp型GaAs基板を除去する。 Finally, remove the p-type GaAs substrate with the GaAs substrate selective etchant. そしてn型コンタクト層上に電極6を、p型コンタクト層1に電極7を蒸着・熱処理して金合金電極を形成し、最後にダイシング等で分割してLED素子を得るものである。 And an electrode 6 to the n-type contact layer, by depositing and heat treatment of the electrode 7 to the p-type contact layer 1 to form a gold alloy electrode is finally to obtain the LED element is divided by dicing or the like. 【0011】このように半導体基板の表面第一層としてAlAs混晶比が0.6以下であるn型コンタクト層5 [0011] Thus n-type contact layer AlAs mixed crystal ratio is 0.6 or less as the first layer surface of the semiconductor substrate 5
と、裏面第一層として同じくAlAs混晶比が0.6以下であるp型コンタクト層1を形成したので、Al酸化層の発生・成長を防止することができる。 When, can therefore also AlAs mixed crystal ratio as the back first layer was formed a p-type contact layer 1 is 0.6 or less, to prevent the occurrence and growth of Al oxide layer. 【0012】次に上記に加えて更に保護膜を成膜した実施例の断面図を図2に示し説明する。 [0012] The following illustrates a cross-sectional view of an embodiment which is further deposited a protective film in addition to the above in FIG. 図2では上述の電極6、電極7を形成した後に、LED素子の境界部分にメサエッチングを行い、電極6を除く部分に保護膜9を生成したものである。 Above the electrode 6 in FIG. 2, after forming the electrodes 7, perform mesa etching at the boundary portion of the LED element is obtained by generating a protective film 9 on the portion excluding the electrode 6. 製造手順としては、電極6形成後の半導体基板の所定部分を除いた表面全面にホトレジスト(図示せず)を付着し、ホトレジストの付着していない部分をウェットエッチング等の手段でエッチングし、 The manufacturing procedure, attach a photoresist (not shown) on the entire surface except the predetermined portion of the semiconductor substrate after the electrode 6 is formed, a portion not adhering the photoresist is etched by means such as wet etching,
メサエッチング部8を形成する。 To form a mesa etching part 8. このメサエッチング部8がLED素子分割の際の境界になる。 The mesa etching portion 8 is the boundary at the time of the LED elements divided. またこのメサエッチング部8は半導体基板表面から裏面第一層であるp p Also the mesa etching portion 8 is first layer backside surface of the semiconductor substrate
型コンタクト層1に達する深さとする。 A depth reaching the -type contact layer 1. この後電極6を除く表面全面にSiO 2膜やSiN膜等の保護膜9を成膜し、メサエッチング部8の底部をダイシング等の手段で分割しLED素子とする。 The protective film 9 such as SiO 2 film or SiN film is formed on the entire surface excluding the electrodes 6 Then, by dividing the bottom of the mesa etching portion 8 by a means such as dicing an LED element. ここで保護膜9は電極6に接しても良いし、電極6との間にマスク合わせの誤差を見込んだ隙間があってもよい。 It may be protective film 9 is in contact with the electrode 6, where there may be a gap in anticipation of mask alignment error between the electrode 6. 【0013】このように裏面第一層であるp型コンタクト層1に達するメサエッチングを行ったうえで保護膜9 [0013] the protective film 9 after performing mesa etching in this way reach the p-type contact layer 1 is a rear first layer
を成膜するので、素子分割した際側面に露出する高Al Since the formation of the high Al exposed to the side surface upon device division
As混晶比部分すなわちn型クラッド層5とp型クラッド層2側面を保護膜9で覆うことができ、側面のAl酸化膜形成を防止することができる。 As mixed crystal ratio portion or can cover the n-type cladding layer 5 and the p-type cladding layer 2 side with a protective film 9, it is possible to prevent the Al oxide film formed in the side surface. 【0014】次に表1に本発明のLED素子と従来構造のLED素子の寿命試験の結果を輝度残存率の比較で示す。 [0014] Next an LED element and the results of life test of the LED element having a conventional structure of the present invention in comparison of the luminance residual ratio in Table 1. 【0015】 【表1】 [0015] [Table 1] 【0016】試験Aは、温度85℃、相対湿度85%、 [0016] Test A, the temperature 85 ° C., 85% relative humidity,
駆動電流5mAの高温高湿連続通電試験、試験Bは、温度65℃、相対湿度95%、駆動電流10mAの高温高湿連続通電試験である。 High-temperature and high-humidity continuous current test driving current 5 mA, the test B, the temperature 65 ° C., 95% relative humidity, a high temperature and high humidity continuous current test driving current 10mA. 輝度残存率とは未試験時0時間での輝度を100%とし、試験後の輝度を%表示したものである。 The luminance residual ratio and the luminance at 0 hours at untested 100%, and setting the brightness after the test%. 【0017】従来品の1000時間経過後の輝度残存率は試験A、試験Bの両方とも20%以下となりかなり劣化が進んでいるのに対し、本発明品は1000時間経過後でも90%以上の高レベルを維持しており、本発明のAl酸化層形成防止効果をはっきり示している。 [0017] The residual ratio of luminance after 1000 hours passed in conventional tests A, whereas is progressing both fairly deteriorated becomes 20% or less of the test B, the product of the present invention 90% or more even after 1000 hours It maintains a high level, which clearly shows the Al oxide layer formation preventing effect of the present invention. 【0018】なお、本実施例ではドーピング材料としてZnとTeを使用したがドーピング材料の種類に制限されるものではない。 [0018] Although using Zn and Te as a doping material not intended to be limited to the type of doping material in the present embodiment. 【0019】 【発明の効果】本発明によれば、半導体基板の表面第一層と裏面第一層にAlAs混晶比が0.60以下のエピタキシャル層を形成することでAl酸化層の形成を防止し、メサエッチング部にSiO 2膜、SiN膜等の保護膜を形成することで側面に露出するAlAs混晶比の高いn型クラッド層、p型クラッド層に形成されるAl酸化層を防止することができる。 According to the present invention, the formation of the Al oxide layer by AlAs mixed crystal ratio to form an epitaxial layer of 0.60 or less in the first layer and the rear surface a first layer surface of the semiconductor substrate anti preventing, SiO 2 film on the mesa etched portion, a high n-type cladding layer of AlAs mixed crystal ratio to be exposed on the side surface by forming a protective film of SiN film, an Al oxide layer formed on the p-type cladding layer can do. これによってLED素子の耐湿性は格段に向上し、Al酸化層形成による光吸収の影響を低減させることで寿命特性を向上させることができる。 This moisture resistance of the LED element is significantly improved, thereby improving the life characteristics by reducing the influence of light absorption by the Al oxide layer formation.

【図面の簡単な説明】 【図1】本発明の一実施例のLED素子の断面図【図2】本発明の別の実施例のLED素子の工程断面図【図3】従来のLED素子の工程断面図【符号の説明】 1 p型コンタクト層2 p型クラッド層3 p型アクティブ層4 n型クラッド層5 n型コンタクト層8 メサエッチング部9 保護膜10 p型GaAs基板11 p型クラッド層12 p型アクティブ層13 n型クラッド層14 保護膜 Another embodiment process cross-sectional view of an LED device of Figure 3 a conventional LED element of a cross-sectional view the present invention; FIG LED elements of an embodiment BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS [Figure 1] The present invention sectional views [eXPLANATION oF sYMBOLS] 1 p-type contact layer 2 p-type cladding layer 3 p-type active layer 4 n-type cladding layer 5 n-type contact layer 8 mesa etching portion 9 protective layer 10 p-type GaAs substrate 11 p-type clad layer 12 p-type active layer 13 n-type cladding layer 14 protective layer

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 小屋 賢一 大阪府高槻市幸町1番1号 松下電子工 業株式会社内 (56)参考文献 特開 昭60−153186(JP,A) 特開 昭59−114885(JP,A) 特開 平4−212480(JP,A) 特開 平3−127873(JP,A) 特開 平1−226181(JP,A) 特開 平4−273174(JP,A) ────────────────────────────────────────────────── ─── of the front page continued (72) invention's cabin Kenichi Osaka Takatsuki Saiwaicho No. 1 No. 1 Matsushita electronic industrial Co., Ltd. in the (56) reference Patent Sho 60-153186 (JP, a) JP Akira 59-114885 (JP, A) Patent Rights 4-212480 (JP, A) Patent Rights 3-127873 (JP, A) Patent Rights 1-226181 (JP, A) Patent Rights 4-273174 (JP, A)

Claims (1)

  1. (57)【特許請求の範囲】 【請求項1】 III−V族化合物半導体による裏面コンタクト層および表面コンタクト層をアルミニウムを含みアルミニウム砒素混晶比が0.6以下のガリウムアルミニウム砒素エピタキシャル層で形成し、前記表裏両面のコンタクト層間にアルミニウム混晶比が0.6をこえるガリウムアルミニウム砒素エピタキシャル層をクラッド層とするヘテロ接合を形成し、かつ前記表面コンタクト層から裏面コンタクト層に達するメサエッチング面を設け、前記メサエッチング面および表面コンタクト層の露出面に保護膜を形成し、前記クラッド層が直接大気に接 (57) formed in the Patent Claims 1. A group III-V compound aluminum arsenide mole fraction comprises aluminum back contact layer and a surface contact layer by the semiconductor is 0.6 or less of gallium aluminum arsenide epitaxial layer and the aluminum mole fraction in the front and rear surfaces of the contact layers form a heterojunction which the cladding layer of gallium aluminum arsenide epitaxial layer in excess of 0.6, and a mesa etching surface to reach the back contact layer from the surface contact layer provided, the mesa etching surface and form a protective film on the exposed surface of the surface contact layer, into contact with the atmosphere the cladding layer is directly
    しなくしたことを特徴とする赤色発光ダイオード素子。 Red light-emitting diode device characterized in that the stop.
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