JP5032033B2 - 発光ダイオード - Google Patents

Description

本発明は、発光ダイオードに関し、特に、透明基板接合型の大型で高輝度の発光ダイオードに関する。

従来から、赤色、橙色、黄色或いは黄緑色の可視光を発する発光ダイオード（英略称：ＬＥＤ）として、例えば、燐化アルミニウム・ガリウム・インジウム（組成式（Ａｌ_XＧａ_1-X）_YＩｎ_1-YＰ；０≦Ｘ≦１，０＜Ｙ≦１）から成る発光層を備えた化合物半導体ＬＥＤが知られている。この様なＬＥＤにあって、（Ａｌ_XＧａ_1-X）_YＩｎ_1-YＰ（０≦Ｘ≦１，０＜Ｙ≦１）から成る発光層を備えた発光部は、一般に発光層から出射される発光に対し光学的に不透明であり、また機械的にもそれ程強度のない砒化ガリウム（ＧａＡｓ）等の基板材料上に形成されている。

このため、最近では、より高輝度の可視ＬＥＤを得るために、また、更なる素子の機械的強度の向上を目的として、発光光に対して不透明な基板材料を除去して、然る後、発光を透過でき、尚且つ従来に増してより機械強度的に優れる透明な材料からなる支持体層（透明基板）を改めて接合させて、接合型ＬＥＤを構成する技術が開示されている（例えば、特許文献１〜５参照。）。
特許第３２３０６３８号公報 特開平６−３０２８５７号公報 特開２００２−２４６６４０号公報 特許第２５８８８４９号公報 特開２００１−５７４４１号公報

また、高輝度の可視ＬＥＤを得るために、素子形状による光取り出し効率向上の方法が用いられている。半導体発光ダイオードの表面と裏面に電極を形成する素子構造において、側面形状による高輝度化の技術が開示されている（例えば、特許文献６〜７参照。）。
特開昭５８−３４９８５号公報 米国特許第６２２９１６０号公報

接合型ＬＥＤにより、高輝度のＬＥＤを提供することが可能となったが、さらに高い輝度のＬＥＤを求めるニーズがあった。また、発光ダイオードの表面と裏面に電極を形成する構造の素子においては多くの形状が提案されているが、光取り出し面に２つの電極を形成する素子の構造は、形状が複雑であり、側面状態と電極の配置について最適化がなされていなかった。
本発明は光り取り出し面に２つの電極を有する発光ダイオードにおいて、光取り出し効率が高く、高輝度の発光ダイオードを提供することを目的とする。

本発明は上記の課題を解決するためになされたもので、以下の発明からなる。
（１）発光層を含む発光部を有し、該発光部を含む化合物半導体層を透明基板と接合された発光ダイオードにおいて、発光ダイオードの透明基板と反対側の主たる光取り出し面に第1の電極と、第１の電極と極性の異なる第２の電極とを有し、第２の電極は半導体層を除去して露出させた化合物半導体層上の位置に形成され、主たる光取り出し面の外形の最大幅が０．８ｍｍ以上であり、第２の電極の形成位置は、その周囲を半導体層に囲まれていることを特徴とする発光ダイオード。
（２）透明基板は、発光部の発光光に対して透明な基板であることを特徴とする上記（１）に記載の発光ダイオード。
（３）透明基板は、略垂直である発光部側の第１の側面と、第１の側面に連続し、発光層に遠い側に形成された傾斜構造を有する第２の側面とを含むことを特徴とする上記（１）または（２）に記載の発光ダイオード。

（４）第２の側面の傾斜角が、第１の側面に対して１０°以上２０°未満であり、発光面に投影して見た場合、発光部の一部が第２の側面の上方に形成されていることを特徴とする上記（１）〜（３）の何れか１項に記載の発光ダイオード。
（５）透明基板の底面に、高低差０．１μｍ〜１０μｍの範囲内の凹凸が形成されていることを特徴とする上記（１）〜（４）の何れか１項に記載の発光ダイオード。
（６）透明基板が、ＧａＰであることを特徴とする上記（１）〜（５）の何れか１項に記載の発光ダイオード。
（７）透明基板が、ｎ型のＧａＰであり、主面が略（１１１）面であることを特徴とする上記（６）に記載の発光ダイオード。
（８）透明基板が、厚さ５０〜３００μｍであることを特徴とする上記（１）〜（７）の何れか１項に記載の発光ダイオード。

（９）発光ダイオードの発光面外形の面積を１００％とした場合、発光層の面積、第１の電極の面積及び第２の電極の面積をそれぞれＳ_Ａ、Ｓ_１、Ｓ_２とすると、８０％＜Ｓ_Ａ＜９０％、１０％＜Ｓ_１＜２０％、５％＜Ｓ_２＜１０％、の関係を有すること特徴とする上記（１）〜（８）の何れか１項に記載の発光ダイオード。
（１０）第２の電極が、互いに平行で同じ長さ、かつ端点の位置がそれぞれチップ側面に対して略平行である２つ以上の直線と、それら隣り合う平行線の近い側の端点どうし２箇所のうちのどちらか一方を任意で選んで結ぶ線から構成されることを特徴とする上記（１）〜（９）の何れか１項に記載の発光ダイオード。
（１１）第２の電極が、発光面に対して投影した場合、傾斜面の範囲外に配置されていることを特徴とする上記（１）〜（１０）の何れか１項に記載の発光ダイオード。

（１２）第２の電極の端と発光部の端との距離をＥ（μｍ）、主たる発光波長をλ_Ｄ（ｎｍ）とした場合、５７０＜λ_Ｄ＜６３５、０．８×λ_Ｄ−３５０＜Ｅ＜１．６×λ_Ｄ−７５０、の関係を有すること特徴とする上記（１）〜（１１）の何れか１項に記載の発光ダイオード。
（１３）第１の電極が、幅１５μｍ以下の線を組み合わせて形成され、略平行な隣り合う線の間隔をＤ（μｍ）、主たる発光波長をλ_Ｄ（ｎｍ）とした場合、５７０＜λ_Ｄ＜６３５、０．４×λ_Ｄ−２００＜Ｄ＜０．８×λ_Ｄ−４００、の関係を有することを特徴とする上記（１）〜（１２）の何れか１項に記載の発光ダイオード。
（１４）第１の電極と、光取り出し面の少なくとも一部を覆うように、透明導電膜が形成されていることを特徴とする上記（１）〜（１３）の何れか１項に記載の発光ダイオード。

（１５）透明導電膜が、ＩＴＯであることを特徴とする上記（１４）に記載の発光ダイオード。
（１６）発光部がＧａＰ層を含み、第２の電極がＧａＰ層上に形成されていることを特徴とする上記（１）〜（１５）の何れか１項に記載の発光ダイオード。
（１７）第１の電極の極性がｎ型であり、第２の電極の極性がｐ型であることを特徴とする上記（１）〜（１６）の何れか１項に記載の発光ダイオード。

（１８）発光部を含む化合物半導体層が組成式（Ａｌ_XＧａ_1-X）_YＩｎ_1-YＰ（０≦Ｘ≦１，０＜Ｙ≦１）から構成されていることを特徴とする上記（１）〜（１７）の何れか１項に記載の発光ダイオード。
（１９）発光部がＡｌＧａＩｎＰを含むことを特徴とする上記（１）〜（１８）の何れか１項に記載の発光ダイオード。
（２０）第１の側面及び第２の側面がダイシング法により形成されたものである上記（３）〜（１９）の何れか１項に記載の発光ダイオード。

本発明によれば、ＬＥＤの発光部からの光取り出し効率を高め、高輝度の発光ダイオードを提供することができる。

本発明に係る発光部は、発光層を含むｐｎ接合を有する化合物半導体積層構造体である。発光層はｎ形またはｐ形の何れの伝導形の化合物半導体からも構成できる。この化合物半導体は好適には一般式（Ａｌ_XＧａ_1-X）_YＩｎ_1-YＰ（０≦Ｘ≦１，０＜Ｙ≦１）で表されるものである。発光部は、ダブルへテロ、単一（ｓｉｎｇｌｅ）量子井戸（英略称：ＳＱＷ）または多重（ｍｕｌｔｉ）量子井戸（英略称：ＭＱＷ）の何れの構造であっても良いが、単色性に優れる発光を得るためにはＭＱＷ構造とするのが好適である。量子井戸（英略称：ＱＷ）構造をなす障壁（ｂａｒｒｉｅｒ）層及び井戸（ｗｅｌｌ）層を構成する（Ａｌ_XＧａ_1-X）_YＩｎ_1-YＰ（０≦Ｘ≦１，０＜Ｙ≦１）の組成は、所望の発光波長を帰結する量子準位が井戸層内に形成される様に決定する。

発光部は、上記の発光層と、放射再結合をもたらすキャリア（担体；ｃａｒｒｉｅｒ）及び発光を発光層に「閉じ込める」ために、発光層の両側に対峙して配置したクラッド（ｃｌａｄ）層とからなる、所謂、ダブルヘテロ（英略称：ＤＨ）構造とするのが高強度の発光を得る上で最も好ましい。クラッド層は、発光層を構成する化合物半導体よりも禁止帯幅が広く、且つ、屈折率の高い半導体材料から構成するが好ましい。例えば、波長が約５７０ｎｍの黄緑色を発する（Ａｌ_0.4Ｇａ_0.6）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐから構成される発光層について、クラッド層を（Ａｌ_0.7Ｇａ_0.3）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐから構成する（Y. Hosakawa et.al., J. Crystal Growth、221（2000）,652-656.）。発光層とクラッド層との間に、両層間におけるバンド（ｂａｎｄ）不連続性を緩やかに変化させるための中間層を設けても構わない、この場合、中間層は、発光層とクラッド層の中間の禁止帯幅を有する半導体材料から構成するのが望ましい。

本願発明では、高輝度化、放熱性、機械強度の向上のため、半導体基板に成長した発光層を含む発光部に、透明基板を接合した構造は、特性的に優れている。例えば、透明基板は燐化ガリウム（ＧａＰ）、砒化アルミニウム・ガリウム（ＡｌＧａＡｓ）、等のIII−Ｖ族化合物半導体結晶体、硫化亜鉛（ＺｎＳ）やセレン化亜鉛（ＺｎＳｅ）等のII−VI族化合物半導体結晶体、或いは六方晶或いは立方晶の炭化珪素（ＳｉＣ）等のIV族半導体結晶体などから構成できる。
透明基板は、発光部を機械的に充分な強度で支持できる様に凡そ、５０μｍ以上の厚みであるのが望ましい。また、接合後に透明基板への機械的な加工を施し易くするため、約３００・ｍの厚さを超えないものとするのが望ましい。例えば、（Ａｌ_XＧａ_1-X）_YＩｎ_1-YＰ（０≦Ｘ≦１，０＜Ｙ≦１）から成る発光層を備えた化合物半導体ＬＥＤにあって、透明基板を、厚さを約５０・ｍ以上で約３００・ｍ以下とするｎ型ＧａＰ単結晶体から構成するのが最適である。

特に、（Ａｌ_XＧａ_1-X）_YＩｎ_1-YＰ（０≦Ｘ≦１，０＜Ｙ≦１）から成る発光層から出射される発光を外部へ透過させるのに好都合な透明基板として、燐化ガリウム（ＧａＰ）を選択した場合、同じ材質であるＧａＰ表面に接合するのが、機械的強度、熱膨張係数一致するなど、良好な接合状態が得られ望ましい。
本願発明では、主たる光取り出し面の外形の最大幅を０．８ｍｍ以上のとき効果が大きい。最大幅とは表面外形の最も長い部分を云う。例えば長方形、正方形の場合は、対角線が最大幅である。このような構成をとることは、近年、求められている高電流用途の発光ダイオードに必要なことである。サイズを大きくした場合は、電流を均一に流すためには、電極設計を始めとする、特別な素子構成が重要である。

また本願発明では、第２の電極の形成位置を、その周囲を半導体層に囲まれている構成とする必要がある。このような構成をとることにより、半導体層との距離を均一にでき、電流を均一に流せ、抵抗を高くしないで、第２の電極の面積を最小にできる。第２の電極は、発光層を除去した領域に形成させるため、面積を最小にすることは、高輝度化効果が得られる。
特に本願発明は、発光部がＧａＰ層を含み、第２の電極がＧａＰ層上に形成する構成が好ましい。このような構成をとることにより、ＧａＰが、透明な材料であり、金属と接触抵抗の低いオーミック電極を形成でき、抵抗低減の効果が得られる。

接合させようとする透明基板は、量産され、安定した品質の基板が、安価に入手可能のＧａＰ単結晶が望ましい。基板は（１００）面、または、（１１１）面とするのが望ましい。この中で特に、主面が略（１１１）面であるｎ型のＧａＰ単結晶を用いるのが望ましい。同じ不純物濃度の場合ｎ型基板は、ｐ型基板にくらべ透過率が高く、高輝度にするために望ましい。それは、（１１１）は、凹凸を作製しやすい特性を有するからである。

発光部は、砒化ガリウム（ＧａＡｓ）や、燐化インジウム（ＩｎＰ）、燐化ガリウム（ＧａＰ）などのIII−Ｖ族化合物半導体単結晶基板や、シリコン（Ｓｉ）基板などの表面上に形成できる。発光部は、上記したように、放射再結合を担うキャリア（担体）と発光を「閉じ込め」られるダブルヘテロ（英略称：ＤＨ）構造とするのが好適である。また、発光層は単色性に優れる発光を得るため、単一（ｓｉｎｇｌｅ）量子井戸構造（英略称：ＳＱＷ）や多重（ｍｕｌｔｉ）量子井戸（英略称：ＭＱＷ）構造とするのが好適である。発光部の構成層の形成手段としては、有機金属化学的気相成長（英略称：ＭＯＣＶＤ）手段、分子線エピタキシャル（英略称：ＭＢＥ）手段や液相エピタキシャル（英略称：ＬＰＥ）手段を例示できる。

基板と発光部との中間には、基板材料と発光部の構成層との格子ミスマッチの緩和等の作用を担う緩衝（ｂｕｆｆｅｒ）層、発光層からの発光を素子外部へ反射させるためのブラッグ（Ｂｒａｇｇ）反射層、選択エッチングに利用するエッチングストップ層等が設けられる。また、発光部の構成層の上方には、オーミック（Ｏｈｍｉｃ）電極の接触抵抗を下げるためのコンタクト層、素子駆動電流を発光部の全般に平面的に拡散させるための電流拡散層、逆に素子駆動電流の通流する領域を制限するための電流阻止層や電流狭窄層などを設けることができる。

本願発明では、発光ダイオードの主たる光取り出し面に、第１の電極と、第１の電極と極性の異なる第２の電極とを形成することを特徴とする。本願発明における主たる光取り出し面とは、発光部において、透明基板を貼り付けた面の反対側の面である。
本願発明において、電極をこのような構造にすることにより、貼り付ける透明基板に電流を流す必要がなくなる。そのため、絶縁体や高抵抗の半導体など様々な材料の中から透過率の高い材料を選択することができ、透過率の高い基板を貼り付けることで高輝度が得られる。

また本発明では、透明基板の側面を、発光層に近い側の箇所では発光層の発光面に対して略垂直の第１側面とし、発光層に遠い側の箇所では発光面に対して傾斜させた第２側面とするのが望ましい。第２側面は第１側面に連続している。傾斜は半導体層の内側に向けて傾斜しているのが好ましい。本願発明において、このような構成とした理由は、発光層から透明基板側に放出された光を効率よく外部に取り出すためである。すなわち、発光層から透明基板側に放出された光のうち一部は第１の側面で反射され、第２の側面で取り出すことができる。また、第２の側面で反射された光は第１の側面で取り出すことができる。第１の側面と第２の側面の相乗効果により、光の取り出し確率を高めることが可能となる。

本願発明では、第２の電極を、第２の側面の傾斜構造の上方の位置（投影してみた場合）以外の位置に形成するのが好ましい。また第２の側面の傾斜角が、第１の側面に対して１０°以上２０°未満であり、発光面に投影して見た場合、発光部の一部が第２の側面の上方に形成されていることが好ましい。本願発明で、そのような位置に第２の電極を形成することにより、高輝度化が得られ、、傾斜面での光取り出し効率が上がる。
本願発明では、第２の電極が、互いに平行で同じ長さ、かつ端点の位置がそれぞれチップ側面に対して略平行である２つ以上の直線と、それら隣り合う平行線の近い側の端点どうし２箇所のうちのどちらか一方を任意で選んで結ぶ線から構成されることが好ましい（図１、図６、図７、図９参照）。このような形状とすることで、第２の電極が発光部全体を網羅し、かつ電極面積を最小にできる。また、平行線の数を増やすことで、更に大きなチップサイズにも対応可能である。平行線の端点を結ぶ線は、電極面積を最小となる直線とするのが最も望ましい。しかし、第２の電極上にはワイヤボンディングをするためのパッド部が必要で、パッド部の位置の自由度をあげるという意味では、曲線や折れ線とすることも可能である。パッド部の位置の自由度があがることで、チップの作製が容易になる。

発光部に電流を均一に拡散させるために、発光部に対して第２の電極を均等に配置する必要がある。電極と、発光部のもっとも電極から遠い部分との距離が離れ過ぎている場合は、電流が発光部全体に拡散しないし、距離が近すぎる場合は、電流の拡散は問題無いが、電極の本数（面積）が増大するため、光取り出し面積が減少し輝度が低下する。また、電極から電流が拡散できる距離は発光波長によって異なり、ＡｌＧａＩｎＰの発光層（発光波長：５７０ｎｍ以上６３５ｎｍ以下）では、波長が長いほど電流拡散距離は長くなる。したがって、電極と、発光部の最も電極から遠い部分との距離は、発光波長に対して最適な範囲が存在する。第２の電極について、本願発明では、第２の電極の端（電極の最も素子周辺に近い部分）と発光部の端（発光部の最も素子周辺に近い部分）との距離をＥ（μｍ）、主たる発光波長をλ_Ｄ（ｎｍ）とした場合、５７０＜λ_Ｄ＜６３５、の発光波長に対して、０．８×λ_Ｄ−３５０＜Ｅ＜１．６×λ_Ｄ−７５０、の関係を有する構造とするのが好ましい。

上記の関係式は、図１８に示すように横軸に発光波長、縦軸に第２の電極の端と発光部の端との距離をとって、発光部全体に電流が拡散している領域をプロットした時に、関係式の左項が領域の下限を、関係式の右項が領域の上限を示し、発光波長を長くなるにつれて上記距離の範囲が拡張する様子を表している。このような形状とすることで、発光部全体に電流を拡散させると同時に、電極面積の増大を抑え、光取り出し面積減少による輝度低下を防ぐことができ、高輝度化が得られる。また上記の傾斜側面上方以外のところに第２の電極を配置するという条件も満たす。

第１の電極についても同様に、発光波長に対して電流拡散距離の最適な範囲が存在する。本願発明では、第１の電極が、幅１５μｍ以下の線を組み合わせて形成され、略平行な隣り合う線の間隔をＤ（μｍ）、主たる発光波長をλ_Ｄ（ｎｍ）とした場合、図１９に示すように５７０＜λ_Ｄ＜６３５、０．４×λ_Ｄ−２００＜Ｄ＜０．８×λ_Ｄ−４００、の関係を有する構造とするのが好ましい。上記の関係式は、発光部に電流が均一に拡散できる領域を表すもので、第１の電極の間隔が広すぎると、電流が拡散しない部分が生じ、狭すぎると多くの電極面積が必要となる。このような形状とすることで、発光部全体に電流を拡散させると同時に、電極面積の増大を抑え、光取り出し面積減少による輝度低下を防ぐことができ、高輝度化が得られる。

本願発明では、第２の側面と第１の側面とのなす角度を、１０度以上２０度未満の範囲内とするのが好ましい。このような範囲とすることにより、透明基板の底部で反射された光を効率よく外部に取り出すことが可能となる。
また、本願発明では、第１の側面の幅（厚さ方向）を、３０μｍ〜１００μｍの範囲内とするのが好ましい。第１の側面の幅をこの範囲内にすることにより、透明基板の底部で反射された光を、第１の側面の箇所で、効率よく発光面に戻し、さらには、主たる光取り出し面から放出させることが可能となるため、発光ダイオードの発光効率を高めることが可能となる。

本発明では、発光部がＧａＰ層を含む構成とし、第２の電極を、ＧａＰ層上に形成するのが好ましい。このような構成とすることにより、作動電圧を下げる効果が得られる。第２の電極をＧａＰ層上に形成することにより、良好なオーミックコンタクトが得られ、作動電圧を下げることができる。
本発明では、第１の電極の極性をｎ型とし、第２の電極の極性をｐ型とするのが好ましい。このような構成とすることにより、高輝度化の効果が得られる。第１の電極をｐ型とすると、電気抵抗が高いため電流拡散が悪くなり、輝度の低下を招く。第１の電極をｎ型とすることにより、電流拡散が良くなり、高輝度化が得られる。

本発明では、透明基板の傾斜面を粗面化するのが好ましい。このような構成とすることにより、傾斜面での光取り出し効率を上げる効果が得られる。傾斜面を粗面化することにより、傾斜面での全反射を抑制して、光取り出し効率を上げることができる。粗面化は、例えば、燐酸過水（リン酸と過酸化水素と水の混合物）＋塩酸の化学エッチングにより行うことができる。
また、本願発明では、透明基板の底面に、高低差０．１μｍ〜１０μｍの範囲内の凹凸を形成するのが好ましい。このような構成とすることにより、チップ内部に閉じ込められる光が底面の凹凸により乱反射し、チップ外部へ効率よく取り出される効果が得られる。

本発明では、第２の側面をダイシング法で形成するのが好ましい。このような製造方法を採用することにより、製造歩留まりを向上させる効果が得られる。第２の側面は、ウェットエッチング、ドライエッチング、スクライブ法、レーザー加工などの方法を組み合わせて、作製できるが、形状の制御性、生産性の高いダイシング法が最適な製造方法である。
本願発明では、第１の側面をダイシング法で形成するのが好ましい。このような製造方法を採用することにより、製造コストを低下させることができる。すなわち、この製造方法ではチップ分離の際、切りしろが必要ないため、数多くの発光ダイオードが製造でき、製造コストを下げることができる。この製造方法を採用することにより、第１の側面からの光取り出し効率が上がり、高輝度化が得られる。

本願発明では、発光ダイオードの発光面外形の面積を１００％とした場合、発光層の面積、第１の電極の面積及び第２の電極の面積をそれぞれＳ_Ａ、Ｓ_１、Ｓ_２とすると、８０％＜Ｓ_Ａ＜９０％、１０％＜Ｓ_１＜２０％、５％＜Ｓ_２＜１０％、の関係を有する構成とするのが好ましい。このような形状とすることで、小さな電極面積で大きな発光面積を効率よく発光させることができ、高輝度化が得られる。
本願発明では、第１の電極と、光取り出し面の一部とを覆うように、透明導電膜が形成するのが好ましい。このような形状とすることで、透明導電膜が電流の拡散を容易にし、作動電圧の低いＬＥＤチップが得られる。更には、透明導電膜を、ＩＴＯで形成するのが好ましい。ＩＴＯは低抵抗かつ高透過率を有し、光の取り出しを妨げることなく、作動電圧を低くする効果が得られる。

（実施例１）
本実施例では、本発明に係わる発光ダイオードを作製した例を具体的に説明する。
図１および図２は、本実施例で作製した半導体発光ダイオードを示した図で、図１はその平面図、図２は図１のＡ−Ａ’線に沿った断面図である。図３は、半導体発光ダイオードに用いられる半導体エピタキシャルウェーハの層構造の断面図である。
本実施例で作製した半導体発光ダイオード１０は、ＡｌＧａＩｎＰ発光部を有する赤色発光ダイオード（ＬＥＤ）である。
本実施例では、ＧａＡｓ基板上に設けたエピタキシャル積層構造体（エピウェーハ）とＧａＰ基板とを接合させて発光ダイオードを作製する場合を例にして、本発明を具体的に説明する。

ＬＥＤ１０は、Ｓｉドープしたｎ型の（１００）面から１５°傾けた面を有するＧａＡｓ単結晶からなる半導体基板１１上に順次、積層した半導体層１３を備えたエピタキシャルウェーハを使用して作製した。積層した半導体層とは、Ｓｉをドープしたｎ型のＧａＡｓからなる緩衝層１３０、Ｓｉドープしたｎ型の（Ａｌ_０．５Ｇａ_０．５）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐからなるコンタクト層１３１、Ｓｉをドープしたｎ型の（Ａｌ_０．７Ｇａ_０．３）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐからなる下部クラッド層１３２、アンドープの（Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐ／（Ａｌ_０．７Ｇａ_０．５）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐの２０対からなる発光層１３３、Ｍｇをドープしたｐ型の（Ａｌ_０．７Ｇａ_０．３）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐからなる上部クラッド層１３４、及びＭｇドープしたｐ型ＧａＰ層１３５である。

本実施例では、上記の半導体層１３０−１３５各層は、トリメチルアルミニウム（（ＣＨ_３）_３Ａｌ）、トリメチルガリウム（（ＣＨ_３）_３Ｇａ）及びトリメチルインジウム（（ＣＨ_３）_３Ｉｎ）をIII族構成元素の原料に用いた減圧有機金属化学気相堆積法（ＭＯＣＶＤ法）によりＧａＡｓ基板１１上に積層して、エピタキシャルウェーハを形成した。Ｍｇのドーピング原料にはビスシクロペンタジエチルマグネシウム（ｂｉｓ−（Ｃ_５Ｈ_５）_２Ｍｇ）を使用した。Ｓｉのドーピング原料にはジシラン（Ｓｉ_２Ｈ_６）を使用した。また、Ｖ族構成元素の原料としては、ホスフィン（ＰＨ_３）又はアルシン（ＡｓＨ_３）を用いた。ＧａＰ層１３５は７５０°Ｃで成長させ、半導体層１３を成すその他の半導体層１３０−１３４は７３０°Ｃで成長させた。

ＧａＡｓ緩衝層１３０のキャリア濃度は２×１０¹⁸ｃｍ^-3、層厚は０．２μｍとした。コンタクト層１３１は、（Ａｌ_０．５Ｇａ_０．５）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐから構成し、キャリア濃度は２×１０¹⁸ｃｍ^-3、層厚は１．５μｍとした。ｎ−クラッド層１３２のキャリア濃度は８×１０¹⁷ｃｍ^-3、層厚は１μｍとした。発光層１３３はアンドープで層厚は０．８μｍとした。ｐ−クラッド層１３４のキャリア濃度は２×１０¹⁷ｃｍ^-3とし、層厚は１μｍとした。ＧａＰ層１３５のキャリア濃度は３×１０¹⁸ｃｍ^-3し、層厚は９μｍとした。
ｐ型ＧａＰ層１３５は、表面から１μｍの深さに至る領域を研磨し、鏡面加工した。鏡面加工に依り、ｐ型ＧａＰ層１３５の表面の粗さを０．１８ｎｍとした。一方、上記のｐ型ＧａＰ層１３５の鏡面研磨した表面に貼付するｎ型ＧａＰ基板１４を用意した。この貼付用ＧａＰ基板１４には、キャリア濃度が２×１０¹⁷ｃｍ^-3となる様にＳｉを添加した、面方位を（１１１）とする単結晶を用いた。貼付用ＧａＰ基板１４の直径は５０ｍｍで、厚さは２５０μｍであった。このＧａＰ基板１４の表面は、ｐ型ＧａＰ層１３５に接合させる以前に鏡面に研磨し、平方平均平方根値（ｒｍｓ）にして０．１２ｎｍに仕上げておいた。

上記のＧａＰ基板１４及びエピタキシャルウェーハを搬入し、３×１０^-5Ｐａまで装置内を真空に排気した。その後、表面の汚染を除去するためにＧａＰ基板１４及びエピウェーハ表面に、加速されたＡｒビームを照射した。その後、両者を室温で接合した。

次に、接合したウェーハから、ＧａＡｓ基板１１及びＧａＡｓ緩衝層１３０をアンモニア系エッチャントにより選択的に除去した。
コンタクト層１３１の表面にｎ型オーミック電極１５として、ＡｕＧｅ（Ｇｅ質量比１２％）が０．１５μｍ、Ｎｉが０．０５μｍ、Ａｕが１μｍとなるように真空蒸着法により堆積した。一般的なフォトリソグラフィー手段を利用してパターニングを施し、電極１５を形成した。ｎ型オーミック電極の形状は、幅１０μｍ、間隔６０μｍの格子状とした（図１）。

次に、ｐ電極を形成する領域のエピ層１３１−１３４を選択的に除去し、ＧａＰ層１３５を露出させた。ＧａＰ層の表面にＡｕＢｅを０．２μｍ、Ａｕを１μｍとなるように真空蒸着法でｐ型オーミック電極１６を形成した。ｐ型オーミック電極１６は、幅２５μｍでコの字型を２つ重ねた形状とした（図１）。この時、発光部の端からｐ型オーミック電極までの距離は１３０μｍであった。その後、４５０°Ｃで１０分間熱処理を行い、合金化し低抵抗のｐ型およびｎ型オーミック電極を形成した。
その後、真空蒸着法を用いて、一部のｎ型オーミック電極上にＡｕが１μｍとなるようにボンディングパッドを形成した。更に、厚さ０．３μｍとなるように半導体層をＳｉＯ２膜で覆って保護膜とした。

次に、ダイシングソーを用いて、ＧａＰ基板１４の裏面から、傾斜面の角度（図２の符号２０）が１５°となるように、かつ第２の側面２２の長さが１８０μｍとなるようにＶ字状の溝入れを行った。その後、発光ダイオードの表面をレジストで保護して、ＧａＰ基板１４の裏面２３を燐酸／過酸化水素／水混合水溶液及び塩酸によりエッチングして、粗面化した。ＧａＰ基板１４の裏面の平方平均平方根値（ｒｍｓ）は５００ｎｍであった。
次に、表面側からダイシングソーを用い１ｍｍ間隔で切断し、チップ化した。第１の側面２１の長さが８０μｍとなり、発光層とほぼ垂直となるようにした。
ダイシングによる破砕層及び汚れを硫酸／過酸化水素混合液でエッチング除去し、半導体発光ダイオード（チップ）１０を作製した。

上記の様にして作製したＬＥＤチップ１０を、図４及び図５に模式的に示す如く発光ダイオードランプ４２に組み立てた。このＬＥＤランプ４２は、マウント用基板４５に銀（Ａｇ）ペーストで固定、支持（マウント）し、ＬＥＤチップ１０のｎ型オーミック電極１５とマウント基板４５の表面に設けたｎ電極端子４３とを、また、ｐ型オーミック電極１６とｐ電極端子４４とを金線４６で、ワイヤボンディングした後、一般的なエポキシ樹脂４１で封止して作製した。

マウント用基板４５の表面に設けられたｎ電極端子４３とｐ電極端子４４とを介してｎ型及びｐ型オーミック電極１５、１６間に電流を流したところ、主波長を６２０ｎｍとする赤色光が出射された。順方向に４００ｍＡの電流を通流した際の順方向電圧（Ｖｆ）は、各オーミック電極１５、１６の良好なオーミック特性を反映し、２．３Ｖとなった。また、順方向電流を４００ｍＡとした際の発光強度は、発光効率の高い発光部の構成及びチップへの裁断時に発生する破砕層を除去するなど外部への取り出し効率も向上させている事を反映して、４０００ｍｃｄの高輝度となった。

（比較例１）
実施例１では、チップ側面は発光層の発光面に対して略垂直の第１側面と発光面に対して傾斜させた第２側面で構成されているが、本比較例では側面形状を変更し、チップ側面を発光面に対して略垂直の第１側面のみで構成した。ｐ、ｎ型オーミック電極形成までは実施例１と同様の工程であるが、ＧａＰ基板裏面からのダイシングソーを用いたＶ字状の溝入れ及びエッチングによる粗面化は行なわず、表面側からダイシングソーを用い１ｍｍ間隔で切断し、チップ化した。チップ側面が発光層とほぼ垂直となるようにした。次に、ダイシングによる破砕層及び汚れを硫酸／過酸化水素混合液でエッチング除去し、チップを作製した。実施例１と同様の評価を行った結果、チップ側面からの光取り出し効率が低く、発光強度は２５００ｍｃｄにとどまった。

（実施例２）
実施例１と同様な工程で、ｐ型オーミック電極の形状を変更した。その形態を図６に示す。このようにｐ型オーミック電極のコの字の一方が左右反転した場合も、実施例１と同様に低抵抗及び高輝度の利点を有していた。この他にも、ｐ型オーミック電極は多くの異なる形状及びパターンを有することができ、ＬＥＤチップのサイズが更に大きくなった場合にもコの字の数を増やすことで対応可能である（図７）。

（比較例２）
実施例１と同様にして、但し、ｐ型オーミック電極を発光部の端付近に配置した場合（図８）、ＧａＰ基板の傾斜面上方に発光部が存在しないことになり、光取り出し効率が低下する。実施例１と同様の評価を行った結果、発光強度は３５００ｍｃｄにとどまった。ｐ型オーミック電極を中央付近に配置することで、光取り出し効率を高めることができる。

（実施例３）
ｐ型オーミック電極及びｎ型オーミック電極を図９−図１５に示す形状にした以外は実施例１と同様にして発光ダイオードを作製した。これらの場合も、実施例１と同様に低抵抗及び高輝度の利点を有していた。

（実施例４）
また本実施例４では、実施例１と同様の基板及びエピウェーハを用いて、透明導電膜を設置した発光ダイオードチップを作製した。図１６および図１７は、本実施例で作製した半導体発光ダイオードを示した図で、図１６はその平面図、図１７は図１６のＢ−Ｂ’線に沿った断面図である。コンタクト層の表面に、ｎ型オーミック電極をＡｕＧｅ（Ｇｅ質量比１２％）が０．１５μｍ、Ｎｉが０．０５μｍとなるように真空蒸着法により堆積した。一般的なフォトリソグラフィー手段を利用してパターニングを施し、直径を３０μｍとする円形の電極を形成した。最も近接したｎ型オーミック電極の中心間距離は０．２５ｍｍとした。その後、ｐ型オーミック電極を形成し、４５０°Ｃで１０分間の合金化熱処理を行った。

次に、上部クラッド層の発光面とｎ型オーミック電極とを覆う酸化インジウム錫（ＩＴＯ）からなる透明導電膜を、一般のマグネトロンスパッタリング法により３００ｎｍ堆積した。透明導電膜の比抵抗は２×１０^-4Ω・ｃｍであり、発光波長の光に対する透過率は９４％であった。

次に、真空蒸着法を用いて、一部の透明導電膜上にＡｕが１μｍとなるようにボンディングパッドを形成した。更に、厚さ０．３μｍとなるように半導体層をＳｉＯ_２膜で覆って保護膜とした。その後は、実施例１と同様の工程で発光ダイオードチップとした。

実施例１と同様の評価を行った結果、透明導電膜の均一に電流を拡散させる効果、及び発光波長の光をほとんど損失することなく取り出せる効果により、実施例１と同様に低抵抗及び高輝度の利点を有していた。

本発明の発光ダイオードでは、電極の配置及びチップ形状の最適化により、大型であって、従来にない高輝度で、作動電圧の低い高信頼性の発光ダイオードを提供でき、各種の表示ランプ等に利用できる。

本発明の実施例に係わる半導体発光ダイオードの平面図である。 本発明の実施例に係わる半導体発光ダイオードの、図１のＡ−Ａ’線に沿った断面を示す図である。 本発明の実施例、比較例に係わるエピタキシャルウェーハの断面を示す図である。 実施例、比較例に係る半導体発光ダイオードランプの平面図である。 実施例、比較例に係る半導体発光ダイオードランプの断面図である。 実施例に係る半導体発光ダイオードの平面図である。 実施例に係る半導体発光ダイオードの平面図である。 比較例に係る半導体発光ダイオードの平面図である。 実施例に係る半導体発光ダイオードの平面図である。 実施例に係る半導体発光ダイオードの平面図である。 実施例に係る半導体発光ダイオードの平面図である。 実施例に係る半導体発光ダイオードの平面図である。 実施例に係る半導体発光ダイオードの平面図である。 実施例に係る半導体発光ダイオードの平面図である。 実施例に係る半導体発光ダイオードの平面図である。 本発明の実施例に係わる半導体発光ダイオードの平面図である。 本発明の実施例に係わる半導体発光ダイオードの、図１６のＢ−Ｂ’線に沿った断面を示す図である。 発光波長（ｎｍ）と電極からの発光距離（μｍ）との関係図である。 第１電極の間隔Ｄ（μｍ）と発光波長（ｎｍ）との関係図である。

符号の説明

１０ 半導体発光ダイオード
１１ 半導体基板 （ＧａＡｓ）
１２ 発光部
１３ エピタキシャル成長層
１３０ 緩衝層
１３１ コンタクト層
１３２ 下部クラッド層
１３３ 発光層
１３４ 上部クラッド層
１３５ ＧａＰ層
１４ ＧａＰ基板
１５ 第１の電極（ｎ型オーミック）
１６ 第２の電極（ｐ型オーミック）
２０ 傾斜角
２１ 第１の側面
２２ 第２の側面
２３ 裏面
４１ エポキシ樹脂
４２ 発光ダイオード
４３ 第１の電極端子
４４ 第２の電極端子
４５ 絶縁性基板
４６ 金ワイヤー

Claims (16)

1. 発光層を含む発光部を有し、該発光部を含む組成式（Ａｌ _X Ｇａ _1−X ） _Y Ｉｎ _1−Y Ｐ（０≦Ｘ≦１，０＜Ｙ≦１）の化合物半導体層にＧａＰからなる透明基板を貼り付けた発光ダイオードにおいて、発光ダイオードの透明基板と反対側の主たる光取り出し面に第1の電極と、第１の電極と極性の異なる第２の電極とを有し、第１の電極は幅１５μｍ以下の線を組み合わせて形成され、略平行な隣り合う線の間隔をＤ（μｍ）、主たる発光波長をλ _Ｄ （ｎｍ）とした場合、５７０＜λ _Ｄ ＜６３５、０．４×λ _Ｄ −２００＜Ｄ＜０．８×λ _Ｄ −４００、の関係を有し、第２の電極は半導体層の一部を除去して露出させた化合物半導体層上に、互いに平行で同じ長さ、かつ端点の位置がそれぞれチップ側面に対して略平行である２つ以上の直線と、それら隣り合う平行線の近い側の端点どうし２箇所のうちのどちらか一方を任意で選んで結ぶ線から構成され、その側面の周囲全体が上記の半導体層の除去により形成された半導体層の側面によって、間隔を空けて囲まれて形成されており、主たる光取り出し面の外形の最大幅が０．８ｍｍ以上であることを特徴とする発光ダイオード。
2. 透明基板は、発光部の発光光に対して透明な基板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。
3. 透明基板は、略垂直である発光部側の第１の側面と、第１の側面に連続し、発光層に遠い側に形成された傾斜構造を有する第２の側面とを含む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。
4. 第２の側面の傾斜角が、第１の側面に対して１０°以上２０°未満であり、発光面に投影して見た場合、発光部の一部が第２の側面の上方に形成されていることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の発光ダイオード。
5. 透明基板の底面に、高低差０．１μｍ〜１０μｍの範囲内の凹凸が形成されていることを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の発光ダイオード。
6. 透明基板が、ｎ型のＧａＰであり、主面が略（１１１）面であることを特徴とする請求項５に記載の発光ダイオード。
7. 透明基板が、厚さ５０〜３００μｍであることを特徴とする請求項１〜６の何れか１項に記載の発光ダイオード。
8. 発光ダイオードの発光面外形の面積を１００％とした場合、発光層の面積、第１の電極の面積及び第２の電極の面積をそれぞれＳ_Ａ、Ｓ_１、Ｓ_２とすると、８０％＜Ｓ_Ａ＜９０％、１０％＜Ｓ_１＜２０％、５％＜Ｓ_２＜１０％、の関係を有すること特徴とする請求項１〜７の何れか１項に記載の発光ダイオード。
9. 第２の電極が、発光面に対して投影した場合、傾斜面の範囲外に配置されていることを特徴とする請求項１〜８の何れか１項に記載の発光ダイオード。
10. 第２の電極の端と発光部の端との距離をＥ（μｍ）、主たる発光波長をλ_Ｄ（ｎｍ）とした場合、５７０＜λ_Ｄ＜６３５、０．８×λ_Ｄ−３５０＜Ｅ＜１．６×λ_Ｄ−７５０、の関係を有すること特徴とする請求項１〜９の何れか１項に記載の発光ダイオード。
11. 第１の電極と、光取り出し面の少なくとも一部を覆うように、透明導電膜が形成されていることを特徴とする請求項１〜１０の何れか１項に記載の発光ダイオード。
12. 透明導電膜が、ＩＴＯであることを特徴とする請求項１１に記載の発光ダイオード。
13. 発光部がＧａＰ層を含み、第２の電極がＧａＰ層上に形成されていることを特徴とする請求項１〜１２の何れか１項に記載の発光ダイオード。
14. 第１の電極の極性がｎ型であり、第２の電極の極性がｐ型であることを特徴とする請求項１〜１３の何れか１項に記載の発光ダイオード。
15. 発光部がＡｌＧａＩｎＰを含むことを特徴とする請求項１〜１４の何れか１項に記載の発光ダイオード。
16. 第１の側面及び第２の側面がダイシング法により形成されたものである請求項３〜１５の何れか１項に記載の発光ダイオード。

Images