JP4590497B2 - アモルファス材料基板を用いた発光素子及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、アモルファス材料基板上に成長した発光素子及びその製造方法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。しかし、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。その例として特許文献１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サファイア基板を用いているため、コストは高く、効率の面でも良くはない。また特許文献２においては、基板として石英ガラス基板を、バッファ層に例えばＺｎＯを用いているが、ＺｎＯ一層のみのバッファ層では転位などの欠陥を大きく取り除くことができず、これも高効率化を阻害する要因となっている。
特開２００２−２７０８９２号公報 特開平８−１３９３６１号公報

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。

一方、ガラス基板発光ダイオードを製造するにあたっては、低コストのガラス基板を使用するので、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。

しかし、ガラス基板発光ダイオードを製造するにあたっては、大きな課題が未解決のままであった。

それは、基板材料に用いるガラスがアモルファスであり、一方活性層材料であるＩｎＧａＮまたはＩｎＧａＰは単結晶であることが望ましいが、従来例ではガラス基板上に例えばＺｎＯの一層しか層を挟んでいないため、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。

このためガラス基板上に、高効率の青色または赤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。

本発明は新バッファ層の導入によりアモルファス性を緩和し、活性層はほぼ単結晶化することにより高効率発光を実現する発光素子及びその製造技術を提供することである。

この発明のアモルファス材料基板上への発光ダイオードは、上記の目的を達成させるため、基板材料であるアモルファス材料、例えばガラス上に発光ダイオードの活性層材料であるＩｎＧａＮやＩｎＧａＰの単結晶に近い層を成長させるため、ＩｎＧａＮにはＩＩ−ＶＩ、ＩＩＩ−Ｖ、Ｉ−ＩＩＩ−ＶＩ、ＩＩ−ＩＩＩ−ＶＩ、ＩＩ−ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体材料のいずれか二種類以上の超格子を用いたバッファ層構造を、ＩｎＧａＰには
ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の二種類以上の超格子バッファ層を用いることによりガラス基板上に発光ダイオードを成長させることを特徴とする。

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左図に示すような組み合わせで超格子層を形成した。まずガラス基板1上にITOからなる透明電極膜２を成長させる。次にその上にＩＩ−ＶＩ、ＩＩＩ−Ｖ、Ｉ−ＩＩＩ−ＶＩ、ＩＩ−ＩＩＩ−ＶＩ、ＩＩ−ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体材料の中のＩ−ＩＩＩ−ＶＩ族化合物半導体材料であるＣｕＧａＳ_２層３を５[ｎｍ]の厚さで、次に活性層（ＩｎＧａＮ）５の格子定数に近い材料ＺｎＩｎ_２Ｓ_４層４を厚さ５[ｎｍ]で成長する。次に３層目には最初と同様のＣｕＧａＳ_２層３’を同じく５[ｎｍ]の厚さで成長し、４層目にはＺｎＩｎ_２Ｓ_４層４’を５[ｎｍ]の厚さで成長、このような成長を各層５０層の計１００層まで繰り返し、１００層目にはＺｎＩｎ_２Ｓ_４層４’’が成長される。その上に発光層材料であるＩｎＧａＮ層５を活性層とするダブルへテロ構造を成長させる。これらの成長はすべてＭＯＣＶＤ法で行った。

ここで、アモルファス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、１００層の超格子層を形成していく中で発光層に近づくにつれて徐々に結晶性が向上し単結晶化されていくので、発光層を成長する際には転位が極めて少ないほぼ単結晶の層が成長できることが実験結果より明確になった。

同様に赤色発光ダイオードもバッファ層としてガラス基板上にＩＩ−ＶＩ、ＩＩＩ−Ｖ、Ｉ−ＩＩＩ−ＶＩ、ＩＩ−ＩＩＩ−ＶＩ、ＩＩ−ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体材料のうち、ＩｎＰとＧａＰの超格子を用いることにより、赤色発光層（ＩｎＧａＰ）がほぼ単結晶化することが可能となった。

この超格子は層の数を増やすことによって単結晶に近づくと同時に、超格子界面に沿って転位を逃がすことができるので、発光層へ転位が入らず高効率発光ができる。

以上説明したことから明らかなように、本発明によれば、ガラス基板上に高効率の青色または赤色発光ダイオードを提供することができるので、青色または赤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または紫外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（Metal Organic Chemical Vapor Deposition：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（Liquid Phase Epitaxy：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（Molecular Beam Epitaxy：分子線エピタキシャル成長法）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２から図１右図に青色発光ダイオード装置の製造方法を示す。

まずガラス基板１上に、ＩＴＯ透明電極層２をスパッタで成長させる。その上にＣｕＧａＳ_２、ＺｎＩｎ_２Ｓ_４からなる超格子バッファ層６を全厚さで０．５μｍ、ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層７を１μｍ、ＩｎＧａＮとＧａＮからなるＴＱＷ活性層８を全厚さで４０ｎｍ、ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層９を０．３μｍ成長しその上にＳｉＯ_２酸化膜１０を０．５μｍ成長させる（図２）。バッファ層６の詳細は上記に説明してある図１左図の構造を有する。次に１５０μｍ周期でＳｉＯ_２酸化膜１０の右側三分の二即ち１００μｍの幅をエッチング除去する（図３）。次にＳｉＯ_２膜１０を除去した全域でＩＴＯ透明電極２まで成長層６から９をドライエッチングで取り除く（図４）。次に表面のＳｉＯ_２酸化膜１０をＨＦでエッチングして取り除き、再びＳｉＯ_２酸化膜１０を全面に成長する（図５）。その後、発光ダイオードとなる領域上にあるＳｉＯ_２酸化膜１０のみをエッチングして取り除き（図６）、その上にＮｉ／Ａｕ２層の金属電極１１をニッケル０．１μｍ、金１μｍの順で真空蒸着し、残っていたＳｉＯ_２酸化膜１０をＨＦで取り除けば、発光ダイオード上のＮｉ／Ａｕ２層の金属電極１１のみが残る（図７）。再び、ＳｉＯ_２酸化膜１０を全体に成長し、ＩＴＯ膜上のＳｉＯ_２酸化膜１０のみを発光素子領域近傍２０μｍの幅以外を取り除いた後、Ａｕ−Ｇｅ−Ｎｉ合金の金属電極１２を１μｍの厚さ真空蒸着する（図８）。その後、ＳｉＯ_２膜１０をＨＦですべて除去する。これによりＩＴＯ透明電極層２上にのみＡｕ−Ｇｅ−Ｎｉ合金の金属電極１２が残る（図９）。ガラス基板１をＣｕ（放熱体）１３にボンディングし、ＩＴＯ透明電極層２上のＡｕ−Ｇｅ−Ｎｉ合金の金属電極１２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１１上にアノードの金線を取り付ける（図１右図）。また、この放熱体１３への放熱特性をよくするためにガラス基板から発光層のみをはがして、放熱体１３にはりつけてもよい。この方法で青色発光ダイオードが完成する。

本発明に係る超格子構造と本発明の青色LED装置の製造方法の一例を示す概略断面図 本発明の青色LED装置の製造方法の一例を示す概略断面図 本発明の青色LED装置の製造方法の一例を示す概略断面図 本発明の青色LED装置の製造方法の一例を示す概略断面図 本発明の青色LED装置の製造方法の一例を示す概略断面図 本発明の青色LED装置の製造方法の一例を示す概略断面図 本発明の青色LED装置の製造方法の一例を示す概略断面図 本発明の青色LED装置の製造方法の一例を示す概略断面図 本発明の青色LED装置の製造方法の一例を示す概略断面図

符号の説明

１・・・ガラス基板
２・・・ＩＴＯ透明薄膜層
３，３’・・・ＣｕＧａＳ_２層
４，４’，４’’・・・ＺｎＩｎ_２Ｓ_４層
５・・・ＩｎＧａＡｌＮ
６・・・図１に示したバッファ層
７・・・ｎ−ＩｎＡｌＧａＮクラッド層
８・・・ＩｎＧａＮ ＴＱＷ活性層
９・・・ｐ−ＩｎＡｌＧａＮクラッド層
１０・・・ＳｉＯ_２酸化膜
１１・・・Ｎｉ／Ａｕ２層の金属電極
１２・・・Ａｕ−Ｇｅ−Ｎｉの金属合金電極
１３・・・Ｃｕ（放熱体）

Claims (6)

1. 発光素子においてアモルファス材料基板に超格子構造からなるバッファ層を形成し、その上に形成したダブルヘテロ構造を有することを特徴とする発光素子
2. 上記請求項１において発光素子の基板としてガラスを用いることを特徴とする発光素子
3. 上記請求項１においてバッファ層としてＩＩ−ＶＩ、ＩＩＩ−Ｖ、Ｉ−ＩＩＩ−ＶＩ、ＩＩ−ＩＩＩ−ＶＩ、ＩＩ−ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の少なくとも二種類の化合物結晶の超格子構造と、その上に形成したＩｎＧａＡｌＮを活性層とするダブルヘテロ構造を有することを特徴とする発光素子
4. 上記請求項３においてガラス基板とバッファ層との間にＩＴＯやＩｎ_２Ｓ_３などの透明電極膜を形成することを特徴とする発光素子
5. 上記請求項１においてバッファ層としてＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の少なくとも二種類の化合物結晶の超格子構造と、その上に形成したＩｎＧａＡｌＰを活性層とするダブルヘテロ構造を有することを特徴とする発光素子
6. 上記請求項５においてガラス基板とバッファ層との間にＩＴＯやＩｎ_２Ｓ_３などの透明電極膜を形成することを特徴とする発光素子

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