JP4073733B2

JP4073733B2 - 発光ダイオード

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Publication number: JP4073733B2
Application number: JP2002229927A
Authority: JP
Inventors: 浩梅田
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2002-08-07
Filing date: 2002-08-07
Publication date: 2008-04-09
Anticipated expiration: 2022-08-07
Also published as: JP2004071869A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、点発光ダイオードの改善に関するものである。このような点発光ダイオードの典型的な用途としては、日付機構を有するカメラのデータバックユニット内でネガフィルムに日付を焼き付けるために使用される発光ダイオードアレイを構成するように、点発光ダイオードの複数個を配列させて使用することができる。
【０００２】
【従来の技術】
図３の上面図において、カメラ用データバックユニット内でネガフィルムに日付を焼きつけるために使用される従来の発光ダイオードアレイが模式的に示されている。なお、本願の各図において、同一の参照符号は同一部分または相当部分を表わしており、同一符号に関する類似の説明は繰り返されない。図３の発光ダイオードアレイでは、７個のダイオードチップ１００が一列に配列されている。そして、各ダイオードチップ１００は、電流注入のための電極１１０を有している。
【０００３】
従来の典型的な点発光ダイオードの場合、ｎ型半導体基板上に順次積層されたｎ型クラッド層、（Ａｌ_xＧａ_1-x）_yＩｎ_1-yＰ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）活性層、ｐ型クラッド層、およびｐ型電流拡散層とを含むエピタキシャルウエハにおいて、ｎ型基板側とｐ型電流拡散層側とに電流注入用の電極を配置させた構造を有している。
【０００４】
このような点発光ダイオードは小型化が進められ、その最小サイズのものでは約０．２ｍｍ（８ｍｉｌ）角程度まで小さくなっている。しかし、カメラのデータバックユニット内でネガフィルムに日付を焼きつけるために使用される発光ダイオードアレイに従来の点発光ダイオードアレイを使用する場合、従来の０．２ｍｍ角寸法のダイオードチップではアレイサイズが大きくなるし、各発光点も十分には小さくされ得ない。
【０００５】
このような課題を解決するために、特許第３１９８０１６号は、図４の模式的な上面図とそれに対応する図５の模式的な斜視図に示されているような点発光ダイオードアレイを提案している。
【０００６】
図４と図５に図解された発光ダイオードアレイにおいては、半導体基板上に複数個の点発光ダイオードが直線的に配置されている。そして、各発光ダイオードは、ｎ型半導体基板１上に順次積層されたｎ型クラッド層２、（Ａｌ_xＧａ_1-x）_yＩｎ_1-yＰ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）活性層３、ｐ型クラッド層４、およびｐ型電流拡散層５を含んでいる。隣り合う各発光ダイオードは、活性層３またはｎ型クラッド層２が露出するまでのエッチングによって、互いに電気的に分離された構造を有している。
【０００７】
発光領域を除く電流拡散層５上には絶縁膜６が形成されている。この絶縁膜６上と発光領域内の電流拡散層５の部分的領域上に、ｐ型用電極層７が形成されている。そして、ワイヤボンディング領域内においてｐ型用電極７上にワイヤボンディングパッド８が形成されている。また、ｎ型基板１の裏面側には、ｎ型用電極９が形成されている。
【０００８】
図４と図５に示されているような構造を有する発光ダイオードアレイにおいては、数十μｍ角の小さな発光ドットサイズを容易に得ることができる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
図４と図５に示された発光ダイオードアレイにおいては、活性層３またはｎ型クラッド層４までエッチングして分離形成される各ダイオードは、発光領域、ワイヤボンディング領域、およびそれらの間の接続領域を含み、発光領域以外においてｐ型用電極７と電流拡散層５とは絶縁膜６によって絶縁されている。
【００１０】
絶縁膜６を通して電流が流れることはないが、電極７から印加された電界はボンディングパッド８の下方の領域にも及び、電流拡散層５を介してその領域にも電流が流れることによる発光が生じ得る。発光領域以外の発光は部外発光（ノイズ）であり、これを防ぐ必要がある。
【００１１】
上述のような先行技術における状況に鑑み、本発明は、不所望なノイズ発光を防止し得る点発光ダイオードを歩留良く提供することを目的とし、これに伴って、そのようなダイオードの複数が整列された点発光ダイオードアレイを良好な歩留まりで提供することをも目的としている。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明による発光ダイオードは、第１導電型半導体基板上において順次積層された第１導電型クラッド層、（Ａｌ_xＧａ_1-x）_yＩｎ_1-yＰ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）活性層、第２導電型クラッド層、および第２導電型電流拡散層を含むとともに、互いに隣接した発光領域とワイヤボンディング領域とを含み、発光領域とワイヤボンディング領域を除く領域においては活性層または第１導電型クラッド層が露出するまでエッチングされており、ワイヤボンディング領域において電流拡散層上に光吸収層がさらに設けられており、光吸収層の側面の内で発光領域との境界に存在する側面は順メサ状の側面を形成しており、発光領域内において電流拡散層上に形成された電極部とワイヤボンディング領域内において光吸収層上に形成された電極部とは光吸収層の順メサ状の側面上に形成された電極部によって接続されていることを特徴としている。
【００１３】
なお、光吸収層は第１導電型であるか、または前記電流拡散層に比べて充分に低いキャリア濃度を有する第２導電型であることが望まれる。
【００１４】
また、光吸収層の側面の内で前記順メサ状の側面以外の側面は前記電流拡散層の側面から突出したひさし部を形成するように突出していることが望まれる。こうすることによって、ワイヤボンディング領域下の活性層中で生じた光が光吸収層より上方に漏れないようにすることができる。
【００１５】
ひさし部の突出し長さは、５〜２０μｍの範囲内にあることが好ましい。また、光吸収層の厚は、０.５〜２μｍの範囲内にあることが好ましい。
【００１６】
発光領域とワイヤボンディング領域との境界は基板の＜１１０＞方向に平行に配置されていることが好ましい。
【００１７】
上述のような発光ダイオードの複数を所定のアレイ状に配列させることによって、良好な点発光ダイオード特性を有しかつ小型化された発光ダイオードアレイを得ることができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
図４と図５に示されているようなダイオードにおいてノイズ発光を防止する方法としては、ワイヤボンディング領域よりも電流拡散層とｐ型クラッド層のサイズを少し小さくして、ボンディングパッド外周部をひさし状に形成することが有効であると考えられる。
【００１９】
図６から図８において、そのようなひさし状の外周部を有するボンディングパッド部を含む発光ダイオードの一例が図解されている。図６は上面図を表わし、図７は図６中の一点鎖線Ａ−Ａに沿った断面を示し、そして図８は図６中の一点鎖線Ｂ−Ｂに沿った断面を示している。
【００２０】
図４と図５に示された発光ダイオードに類似して、図６から図８に示された発光ダイオードも、ｎ型半導体基板１上に順次積層されたｎ型クラッド層２、（Ａｌ_xＧａ_1-x）_yＩｎ_1-yＰ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）活性層３、ｐ型クラッド層４、およびｐ型電流拡散層５を含んでいる。発光領域を除く電流拡散層５上には絶縁膜６が形成されている。この絶縁膜６上と発光領域内の電流拡散層５の部分的領域上に、ｐ型用電極層７が形成されている。また、ｎ型基板１の裏面側には、ｎ型用電極９が形成されている。なお、図６から図８において、ボンディングパッド８は、図示が省略されている。
【００２１】
しかしながら、図６から図８において図解されているような発光ダイオードにおいても、ノイズ発光が生じることがある。このノイズ発光の原因は、ワイヤボンディング領域における電極剥がれや、ひさし部下のエッチング不足または不均一性によるワイヤボンディング領域からの半導体結晶層のはみ出しなどによる。
【００２２】
また、ボンディングパッド外周部をひさし状に形成する場合、各ダイオードを互いに分離するためのエッチングによって露出させられている活性層３またはｎ型クラッド層２に電極７が接触して、ショットキー接触による順方向リークが発生することがある。
【００２３】
そこで、本発明者によるさらなる検討によれば、発光波長よりもエネルギーギャップの小さい半導体結晶からなる光吸収層を電流拡散層上に設け、これを発光領域上のみでエッチング除去し、ボンディングパッド下の発光は吸収させることが可能である。なお、ボンディングパッド下での活性層への電流注入を阻止するために、この光吸収層は電流拡散層に対して逆導電型を有するか、または同一導電型の場合には十分に低いキャリア濃度を有することが必要である。
【００２４】
ボンディングパッド下の発光層からの側射光に対しては、光吸収層を含むボンディングパッド外周部をひさし状に形成して防ぐ必要がある。その場合、電極領域を光吸収層よりも少し小さくすることによって、各ダイオードを互いに分離させるためのエッチングによって露出させられている活性層または第１導電型クラッド層に電極が接触してショットキー接触による順方向リークが発生することを防止し得る。
【００２５】
光吸収層については、光吸収させるために充分な層厚が必要である。しかし、この厚みは発光領域の電流拡散層の上面との間で段差を生じ、この段差が大きくなれば、電流拡散層上でオーミックコンタクトを成している電極部と光吸収層上の電極部との間で断線が生じ易くなる。
【００２６】
そこで、｛００１｝の主面を有する半導体基板の＜１１０＞方向に対して発光領域とワイヤボンディング領域との境界が平行になるようにすることが好ましい。そうすることによって、光吸収層の側面の内で発光領域との境界に存在する側面は順メサ状の側面を形成光吸収層について、発光面である電流拡散層側の光吸収層側面が順メサ状の側面することができる。すなわち、｛１１１｝面に対して異方性を持つエッチャントを使用して光吸収層をエッチングすれば、露出させた発光領域の電流拡散層の上面と光吸収層の上面との段差は、その光吸収層の側面に形成された約５５度のスロープで接続され、ｐ型用電極層の断線現象を防止することができる。
【００２７】
（実施例）
図１の模式的斜視図を参照して、ｎ型ＧａＡｓ基板１上において、ＭＯＣＶＤ（有機金属気相堆積）によって、ｎ型ＧａＡｓバッファ層（キャリア濃度：５×１０¹⁷ｃｍ^-3、層厚：０.５μｍ）（図示省略）、ｎ型Ａｌ_0.5Ｉｎ_0.5Ｐクラッド層（キャリア濃度：５×１０¹⁷ｃｍ^-3、層厚：１.０μｍ）２、アンドープ（Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ活性層（層厚：０.６μｍ）３、ｐ型Ａｌ_0.5Ｉｎ_0.5Ｐクラッド層（キャリア濃度：３×１０¹⁷ｃｍ^-3、層厚：１.０μｍ）４、ｐ型Ａｌ_0.7Ｇａ_0.3Ａｓ電流拡散層（キャリア濃度：５０×１０¹⁷ｃｍ^-3、層厚：３.０μｍ）５、およびｎ型ＧａＡｓ光吸収層（キャリア濃度：５×１０¹⁷ｃｍ^- ³、層厚：１.５μｍ）６を順次積層する。
【００２８】
図１の発光素子における寸法関係において、チップサイズは２００μｍ×３００μｍ、発光領域は６０μｍ×６０μｍ、そしてワイヤボンディング領域は１２０μｍ×１４０μｍである。
【００２９】
その後、ワイヤボンディング領域内で活性層に電流が注入されることを防ぎかつ光吸収層として働くｎ型ＧａＡｓ光吸収層１０のパターンをフォトリソグラフィとエッチングにて形成する。この時に、ワイヤボンディング領域の周辺の内で発光領域に対面する辺は、｛００１｝の主面を有するＧａＡｓ基板１の＜０１１＞方向にアライメントさせられる。エッチャントには、ＮＨ₄ＯＨ：Ｈ₂Ｏ₂＝１：１の混合液が用いられる。２３℃で概ね１０秒のエッチング時間が好ましい。
【００３０】
次に、光吸収層上と電流拡散層上に電極材料であるＴｉ／ＡｕＺｎ／Ｔｉ／Ａｌを順次スパッタリングにて堆積させ、フォトリソグラフィとエッチングにてオーミック部およびボンディングパッド部を形成し、そしてパターニング用レジスト膜除去後に概ね４５０℃にて電極材料をアロイングさせる。
【００３１】
ここで、ワイヤボンディング領域の周辺の内で発光領域との境界をなす辺は＜０１１＞方向であるので、光吸収層１０と電流拡散層５の段差部が異方性エッチングによって順メサ形状になっている部分１０ａを横切ってに電極をパターンニングすることができ、ワイヤボンディング領域と発光領域との境界における電極７の断線が防止され得る。なお、図１において、光吸収層１０のもう１つの側面１０ｂは、逆メサの傾斜を有する側面になっている。
【００３２】
次に、発光領域と光吸収層の形状に合わせて、フォトリソグラフィとエッチングを実施する。このエッチングでは、活性層３の表面からｎ型クラッド層２の表面までの任意のレベルまでエッチングすればよい。なお、図１の例では、活性層３の表面までがエッチングされている。
【００３３】
このエッチング工程では、まずＡｌ_0.7Ｇａ_0.3Ａｓ電流拡散層５をフッ酸にて部分的に除去する。この時、ＧａＡｓ光吸収層１０はエッチングされない。次に、ｐ型Ａｌ_0.5Ｉｎ_0.5Ｐクラッド層４を熱リン酸（７０℃）にてエッチングする。この時、電流拡散層５とｐ型クラッド層４に対しては、共にサイドエッチ量を見込んで長めにエッチングする。概ね１２０秒から２１０秒のエッチング時間によって、光吸収層１０の周縁に対する電流拡散層５とｐ型クラッド層４のサイドエッチ量５〜２０μｍが得られる。
【００３４】
ここで、このサイドエッチが望まれる理由を以下において説明する。本実施例のダイオード素子の場合、電流注入により発光し得る半導体層は、発光領域下とワイヤボンディング領域下の活性層３である。したがって、ワイヤボンディング領域下の活性層３も電界分布にしたがって発光を生じ得る。ｐ型クラッド層４を通って上方に放射される光は、光吸収層１０にて吸収されて外部に漏れることがない。本実施例における光吸収層１０の厚みが０.５〜２.０μｍであれば、結晶表面粗れがあっても吸収層１０の上方に光が漏れることはない。
【００３５】
しかし、電流拡散層５から活性層３までエッチングされた側面から斜め上方への放射光は、光吸収層１０で遮断することは困難である。
【００３６】
図２は、電流拡散層５とｐ型クラッド層４のサイドエッチ量に対する部外（ノイズ）発光によるダイオード素子不良率を示している。すなわち、図２のグラフにおいて、横軸はサイドエッチング量（μｍ）を表わし、縦軸は部外発光による素子不良率（％）を示している。このグラフから分かるように、サイドエッチ量が増加するにしたがって素子の不良率が低減している。サイドエッチ量が５〜２０μｍの範囲内にあれば、ノイズ光阻止の効果が十分に認められる。サイドエッチ量が２０μｍ以上では、部外発光不良率が殆ど無視できる。しかし、サイドエッチ量があまりに大きくなり過ぎれば、発光領域が小さくなることによる形状不良が増加する。
【００３７】
サイドエッチが完了したのち、ウエハ全体の厚みを２５０μｍになるように、ｎ型ＧａＡｓ基板１側からバックグラインドを実施する。このバックグラインド面を若干エッチングした後にＡｕＧｅを蒸着し、４００℃程度の温度にてアロイングしてｎ側電極９を形成する。
【００３８】
最後にダイシングにより所定のチップサイズに分割し、ダイオードチップの作製が完了する。
【００３９】
なお、上述の発光ダイオードにおいて、それに含まれるｎ型層とｐ型層は、互いに反転されてもよいことも言うまでもない。
【００４０】
また、上述の実施例では１つの発光領域を有する発光ダイオード（ＬＥＤ）チップについて説明したが、同様の方法でＬＥＤアレイチップを作製することも可能である。その場合には、複数のワイヤボンディング領域の配置を調整するとともに、チップサイズを変えるだけで、作製プロセスは同様の方法にて実施すればよい。
【００４１】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、不所望なノイズ発光を防止し得る点発光ダイオードを歩留良く提供することができ、これに伴って、そのようなダイオードの複数が整列された点発光ダイオードアレイをも良好な歩留まりで提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態による点発光ダイオードを図解する模式的な斜視図である。
【図２】図１のダイオードにおけるｐ型電流拡散層とｐ型クラッド層のサイドエッチング量と部外発光不良率との関係を示すグラフである。
【図３】従来の点発光ダイオードアレイの一例を示す模式的な上面図である。
【図４】特許第３１８７０１６に開示された点発光ダイオードアレイを示す模式的な上面図である。
【図５】図４の点発光ダイオードアレイを示す模式的斜視図である。
【図６】図４の点発光ダイオードアレイに含まれるダイオードの改善を試みたダイオードの模式的な上面図である。
【図７】図６中の一点鎖線Ａ−Ａに沿った断面図である。
【図８】図６中の一点鎖線Ｂ−Ｂに沿った断面図である。
【符号の説明】
１ｎ型半導体基板、２ｎ型クラッド層、３（Ａｌ_xＧａ_1-x）_yＩｎ_1-yＰ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）活性層、４ｐ型クラッド層、５ｐ型電流拡散層、６絶縁膜、７ｐ型用電極、８ボンディングパッド、９ｎ型用電極、１０光吸収層、１０ａ光吸収層の順メサ側面、１０ｂ光吸収層の逆メサ側面、１００従来の点発光ダイオードチップ、１１０電極。

Claims

第１導電型半導体基板上において順次積層された第１導電型クラッド層、（Ａｌ_xＧａ_1-x）_yＩｎ_1-yＰ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）活性層、第２導電型クラッド層、および第２導電型電流拡散層を含むとともに、互いに隣接した発光領域とワイヤボンディング領域とを含み、
前記発光領域と前記ワイヤボンディング領域を除く領域においては前記活性層または前記第１導電型クラッド層が露出するまでエッチングされており、
前記ワイヤボンディング領域において前記電流拡散層上に光吸収層がさらに設けられており、
前記光吸収層の側面の内で前記発光領域との境界に存在する側面は順メサ状の側面を形成しており、
前記発光領域内において前記電流拡散層上に形成された電極部と前記ワイヤボンディング領域内において前記光吸収層上に形成された電極部とは前記順メサ状の側面上に形成された電極部によって接続されていることを特徴とする発光ダイオード。
前記光吸収層は第１導電型であるか、または前記電流拡散層に比べて充分に低いキャリア濃度を有する第２導電型であることを特徴とする請求項１に記載の発光ダイオード。
前記光吸収層の側面の内で前記順メサ状の側面以外の側面は前記電流拡散層の側面から突出したひさし部を形成するように突出してい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。
前記ワイヤボンディング領域下の前記活性層中で生じた光が前記光吸収層より上方に漏れないことを特徴とする請求項３に記載の発光ダイオード。
前記ひさし部の突出し長さは５〜２０μｍの範囲内にあることを特徴とする請求項３または４に記載の発光ダイオード。
前記光吸収層の厚は０.５〜２μｍの範囲内にあることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の発光ダイオード。
前記発光領域と前記ワイヤボンディング領域との境界は前記基板の＜１１０＞方向に平行に配置されていることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の発光ダイオード。
請求項１から７のいずれかに記載された発光ダイオードを複数含み、それらのダイオードが所定のアレイ状に配列されていることを特徴とする発光ダイオードアレイ。