JP5557648B2 - Light emitting diode, light emitting diode lamp, and lighting device - Google Patents
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Description
本発明は、850nm以上、特に900nm以上の発光ピーク波長を有する発光ダイオードと、それを用いた発光ダイオードランプ及び照明装置に関する。 The present invention relates to a light emitting diode having an emission peak wavelength of 850 nm or more, particularly 900 nm or more, and a light emitting diode lamp and an illumination device using the light emitting diode.
赤外発光ダイオードは、赤外線通信、赤外線リモコン装置、各種センサー用光源、夜間照明など幅広く利用されている。
かかるピーク波長近傍については、GaAs基板にAlGaAs活性層を含む化合物半導体層を液相エピタキシャル法で成長させた発光ダイオードが知られている(例えば特許文献1〜3)、成長基板として用いたGaAs基板を除去し、その化合物半導体層を発光波長に対して透明な成長層だけで構成した、いわゆる基板除去型発光ダイオードが、現状で最も高出力の赤外発光ダイオードである(例えば特許文献4)。
一方、機器間の送受信に用いられる赤外線通信の場合には、例えば、850〜900nmの赤外線が用いられ、赤外線リモコン操作通信の場合には、受光部の感度が高い波長帯である、例えば880〜940nmの赤外線が用いられている。赤外線通信と赤外線リモコン操作通信の両機能を兼ね備えた携帯電話等の端末機器用の赤外線通信と赤外線リモコン操作通信の双方に使用できる赤外発光ダイオードとして、発光ピーク波長が880〜890nmの、実効的不純物としてGeを含むAlGaAs活性層を用いるものが知られている(特許文献4)。
また、900nm以上の発光ピーク波長を有し得る赤外発光ダイオードとして、InGaAs活性層を用いるものが知られている(特許文献5〜7)。
Infrared light emitting diodes are widely used for infrared communication, infrared remote control devices, light sources for various sensors, night illumination, and the like.
In the vicinity of such a peak wavelength, there is known a light emitting diode in which a compound semiconductor layer including an AlGaAs active layer is grown on a GaAs substrate by a liquid phase epitaxial method (for example,
On the other hand, in the case of infrared communication used for transmission / reception between devices, for example, infrared light of 850 to 900 nm is used, and in the case of infrared remote control operation communication, for example, 880 to 880 which is a wavelength band with high sensitivity of the light receiving unit. An infrared ray of 940 nm is used. As an infrared light emitting diode that can be used for both infrared communication and infrared remote control operation communication for terminal devices such as mobile phones that have both functions of infrared communication and infrared remote control operation communication, an effective emission peak wavelength is 880 to 890 nm. One using an AlGaAs active layer containing Ge as an impurity is known (Patent Document 4).
Moreover, what uses an InGaAs active layer is known as an infrared light emitting diode which can have an emission peak wavelength of 900 nm or more (
しかしながら、出願人の知る限り、850nm以上、特に900nm以上の赤外発光ダイオードについて、出力を向上させるために、機能性基板をエピタキシャルウェーハに貼り付け(接合し)、成長に用いたGaAs基板を除去する所謂接合型のタイプはない。
また、実効的不純物にGeを含むAlGaAs活性層を用いた場合、発光ピーク波長を900nm以上にすることは困難である(特許文献4の図3)。
また、900nm以上の発光ピーク波長を有し得る、InGaAs活性層を用いた赤外発光ダイオードについては、更なる性能向上、省エネ、コスト面から、より発光効率の高いものの開発が望まれている。
However, as far as the applicant knows, in order to improve the output of infrared light emitting diodes of 850 nm or more, particularly 900 nm or more, a functional substrate is attached (bonded) to the epitaxial wafer and the GaAs substrate used for growth is removed. There is no so-called junction type.
Further, when an AlGaAs active layer containing Ge as an effective impurity is used, it is difficult to set the emission peak wavelength to 900 nm or more (FIG. 3 of Patent Document 4).
In addition, for an infrared light emitting diode using an InGaAs active layer that can have an emission peak wavelength of 900 nm or more, development of a higher light emitting efficiency is desired from the viewpoint of further performance improvement, energy saving, and cost.
本発明は、上記事情を鑑みてなされたものであり、高出力・高効率で850nm以上、特に900nm以上の発光ピーク波長の赤外光を発光する赤外発光ダイオードと、それを用いてなる発光ダイオードランプ及び照明装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and an infrared light-emitting diode that emits infrared light having an emission peak wavelength of 850 nm or more, particularly 900 nm or more, with high output and high efficiency, and light emission using the same. An object of the present invention is to provide a diode lamp and a lighting device.
本発明者は、上記課題を解決するために鋭意研究を重ねた結果、InGaAsからなる井戸層とし、AlGaInPからなるバリア層とする多重量子井戸構造を活性層とし、AlGaInPからなるガイド層を介して活性層を挟む、クラッド層を4元混晶のAlGaInPとすると共に、活性層、ガイド層及びクラッド層を含む化合物半導体層を成長基板にエピタキシャル成長させた後、化合物半導体層を透明基板に改めて貼り付け(接合して)、その成長基板を除去する構成とすることにより、高出力・高効率で850nm以上、特に900nm以上の発光ピーク波長の赤外光を発光する赤外発光ダイオードを完成させた。
まず、本発明者は、赤外線通信等に用いられる850nm以上、特に900nm以上の発光ピーク波長を有するようにInGaAsからなる井戸層を採用し、単色性及び出力を高めるために多重量子井戸構造の活性層とした。
また、この3元混晶の井戸層を挟むバリア層、及び前記井戸層、バリア層を含む多重量子井戸構造を挟むガイド層及びクラッド層にも、バンドギャップが大きくて発光波長に対して透明であり、かつ、欠陥を作りやすいAsを含まないので結晶性の良い4元混晶のAlGaInPを採用した。
さらにInGaAs層を井戸層とする多重量子井戸構造は、成長基板として用いるGaAsに比較し格子定数が大きくひずみ量子井戸構造となる。かかるひずみ量子井戸構造ではInGaAsの組成及び厚さの出力や単色性への影響も大きく、適切な組成、厚さおよびペア数の選択が重要となる。そこで、バリア層のAlGaInPにInGaAs井戸層とは逆のひずみを追加して、InGaAsのペア数増加による格子不整を量子井戸構造全体で緩和することにより、高電流域での発光出力特性が改善されることを見出した。
また、上記の通り、従来、InGaAs系の活性層を用いる赤外発光ダイオードにおいては、この活性層を含む化合物半導体層を透明基板に貼り付ける(接合する)タイプはなく、化合物半導体層を成長させたGaAs基板をそのまま用いていた。しかし、GaAs基板は伝導性を高めるために高ドープしており、キャリアによる光の吸収が避けられない。そこで、キャリアによる光の吸収を回避でき、高出力・高効率が期待できる透明基板に貼り付ける(接合する)タイプを採用した。
特に、接合型の場合、機能性基板からの応力の影響もあり、前記ひずみ量子井戸構造の最適化を含めた素子の構造設計が重要である。
本発明者は、かかる知見に基づいてさらに研究を進めた結果、以下の構成に示す本発明を完成するに至った。
As a result of intensive research to solve the above problems, the present inventor has a multi-quantum well structure having a well layer made of InGaAs and a barrier layer made of AlGaInP as an active layer, and through a guide layer made of AlGaInP. The active layer is sandwiched between the quaternary mixed crystal AlGaInP and the compound semiconductor layer including the active layer, the guide layer, and the cladding layer is epitaxially grown on the growth substrate, and then the compound semiconductor layer is pasted on the transparent substrate again. An infrared light emitting diode that emits infrared light having an emission peak wavelength of 850 nm or more, particularly 900 nm or more with high output and high efficiency was completed by adopting a configuration in which the growth substrate was removed (bonded).
First, the present inventor adopts a well layer made of InGaAs so as to have an emission peak wavelength of 850 nm or more, particularly 900 nm or more, which is used for infrared communication or the like. Layered.
Further, the barrier layer sandwiching the ternary mixed crystal well layer, and the guide layer and the cladding layer sandwiching the multiple quantum well structure including the well layer and the barrier layer also have a large band gap and are transparent to the emission wavelength. Since it does not contain As, which is easy to make defects, quaternary mixed crystal AlGaInP having good crystallinity was adopted.
Furthermore, the multiple quantum well structure in which the InGaAs layer is a well layer has a strained quantum well structure having a larger lattice constant than GaAs used as a growth substrate. In such a strained quantum well structure, the influence of the composition and thickness of InGaAs on the output and monochromaticity is large, and selection of an appropriate composition, thickness, and number of pairs is important. Therefore, by adding a strain opposite to that of the InGaAs well layer to the AlGaInP barrier layer, the lattice irregularity due to the increase in the number of InGaAs pairs is alleviated throughout the quantum well structure, thereby improving the light emission output characteristics in the high current region. I found out.
Further, as described above, in the conventional infrared light emitting diode using an InGaAs-based active layer, there is no type in which the compound semiconductor layer including the active layer is attached (bonded) to the transparent substrate, and the compound semiconductor layer is grown. The GaAs substrate was used as it was. However, the GaAs substrate is highly doped to increase conductivity, and absorption of light by carriers is inevitable. Therefore, we adopted a type that can be affixed (bonded) to a transparent substrate that can avoid light absorption by the carrier and can be expected to have high output and high efficiency.
In particular, in the case of the junction type, there is an influence of stress from the functional substrate, and thus the element structure design including the optimization of the strain quantum well structure is important.
As a result of further research based on this knowledge, the present inventor has completed the present invention shown in the following configuration.
本発明は、以下の構成を提供する。
(1)組成式(InX1Ga1−X1)As(0≦X1≦1)からなる井戸層と組成式(AlX2Ga1−X2)Y1In1−Y1P(0≦X2≦1,0<Y1≦1)からなるバリア層とを交互に積層した量子井戸構造の活性層と、該活性層を挟む、組成式(AlX3Ga1−X3)Y2In1−Y2P(0≦X3≦1,0<Y2≦1)からなる第1のガイド及び第2のガイドと、該第1のガイド及び第2のガイドのそれぞれを介して前記活性層を挟む第1のクラッド層及び第2のクラッド層とを有する発光部と、前記発光部上に形成された電流拡散層と、前記電流拡散層に接合された機能性基板と、を備え、前記第1及び第2のクラッド層が組成式(AlX4Ga1−X4)Y3In1−Y3P(0≦X4≦1,0<Y3≦1)からなることを特徴とする発光ダイオード。
(2)前記井戸層のIn組成(X1)が0≦X1≦0.3であることを特徴とする前項(1)に記載の発光ダイオード。
(3)前記井戸層のIn組成(X1)が0.1≦X1≦0.3であることを特徴とする前項(2)に記載の発光ダイオード。
(4)前記バリア層の組成X2及びY1がそれぞれ、0≦X2≦0.2,0.5<Y1≦0.7であり、前記第1及び第2のガイドの組成X3及びY2がそれぞれ、0.2≦X3≦0.5,0.4<Y2≦0.6であり、前記第1及び第2のクラッド層の組成X4及びY3がそれぞれ、0.3≦X4≦0.7,0.4<Y3≦0.6であることを特徴とする前項(1)乃至(3)のいずれか一項に記載の発光ダイオード。
(5)前記機能性基板は発光波長に対して透明であることを特徴とする前項(1)乃至(4)のいずれか一項に記載の発光ダイオード。
(6)前記機能性基板はGaP又はSiCからなることを特徴とする前項(1)乃至(5)のいずれか一項に記載の発光ダイオード。
(7)前記機能性基板の側面は、前記発光部に近い側においては主たる光取り出し面に対して略垂直である垂直面を有し、前記発光部に遠い側においては前記主たる光取り出し面に対して内側に傾斜した傾斜面を有することを特徴とする前項(1)乃至(6)のいずれか一項に記載の発光ダイオード。
(8)前記傾斜面は粗い面を含むことを特徴とする前項(7)に記載の発光ダイオード。
(9)組成式(InX1Ga1−X1)As(0≦X1≦1)からなる井戸層と組成式(AlX2Ga1−X2)Y1In1−Y1P(0≦X2≦1,0<Y1≦1)からなるバリア層とを交互に積層した量子井戸構造の活性層と、該活性層を挟む、組成式(AlX3Ga1−X3)Y2In1−Y2P(0≦X3≦1,0<Y2≦1)からなる第1のガイド及び第2のガイドと、該第1のガイド及び第2のガイドのそれぞれを介して前記活性層を挟む第1のクラッド層及び第2のクラッド層とを有する発光部と、前記発光部上に形成された電流拡散層と、前記発光部に対向して配置され、発光波長に対して90%以上の反射率を有する反射層を含み、前記電流拡散層に接合された機能性基板と、を備え、前記第1及び第2のクラッド層が組成式(AlX4Ga1−X4)Y3In1−Y3P(0≦X4≦1,0<Y3≦1)からなることを特徴とする発光ダイオード。
ここで、「接合」は、さらに、電流拡散層と機能性基板との間の層を介して接合する場合も含む。
(10)前記井戸層のIn組成(X1)が0≦X1≦0.3であることを特徴とする前項(9)に記載の発光ダイオード。
(11)前記井戸層のIn組成(X1)が0.1≦X1≦0.3であることを特徴とする前項(10)に記載の発光ダイオード。
(12)前記バリア層の組成X2及びY1がそれぞれ、0≦X2≦0.2,0.5<Y1≦0.7であり、前記第1及び第2のガイドの組成X3及びY2がそれぞれ、0.2≦X3≦0.5,0.4<Y2≦0.6であり、前記第1及び第2のクラッド層の組成X4及びY3がそれぞれ、0.3≦X4≦0.7,0.4<Y3≦0.6であることを特徴とする前項(9)乃至(11)のいずれか一項に記載の発光ダイオード。
(13)前記機能性基板はシリコンまたはゲルマニウムからなる層を含むことを特徴とする前項(9)乃至(12)のいずれか一項に記載の発光ダイオード。
(14)前記機能性基板は金属基板を含むことを特徴とする前項(9)乃至(12)のいずれか一項に記載の発光ダイオード。
(15)前記金属基板は複数の金属層からなることを特徴とする前項(14)に記載の発光ダイオード。
(16)前記電流拡散層はGaP又はGaInPからなることを特徴とする前項(1)乃至(15)のいずれか一項に記載の発光ダイオード。
(17)前記電流拡散層の厚さは0.5〜20μmの範囲であることを特徴とする前項(1)乃至(16)のいずれか一項に記載の発光ダイオード。
(18)第1の電極及び第2の電極が発光ダイオードの前記主たる光取り出し面側に設けられていることを特徴とする前項(1)乃至(17)のいずれか一項に記載の発光ダイオード。
(19)前記第1の電極及び前記第2の電極がオーミック電極であることを特徴とする前項(18)に記載の発光ダイオード。
(20)前記機能性基板の、前記主たる光取り出し面側の反対側の面に、第3の電極をさらに備えることを特徴とする前項(18)又は(19)のいずれかに記載の発光ダイオード。
(21)前項(1)乃至(20)のいずれか一項に記載の発光ダイオードを備えることを特徴とする発光ダイオードランプ。
(22)前項(20)に記載の発光ダイオードを備え、前記第1の電極又は第2の電極と、前記第3の電極とが略同電位に接続されていることを特徴とする発光ダイオードランプ。
(23)前項(1)乃至(20)のいずれか一項に記載の発光ダイオード、及び/又は、前項(21)又は(22)の少なくともいずれかに記載の発光ダイオードランプを複数個搭載した照明装置。
The present invention provides the following configurations.
(1) the composition formula (In X1 Ga 1-X1) As (0 ≦ X1 ≦ 1) well layer and the composition formula consisting of (Al X2 Ga 1-X2) Y1 In 1-Y1 P (0 ≦ X2 ≦ 1,0 An active layer having a quantum well structure in which barrier layers made of <Y1 ≦ 1) are alternately stacked, and a composition formula (Al X3 Ga 1-X3 ) Y2 In 1-Y2 P (0 ≦ X3 ≦) sandwiching the
(2) The light-emitting diode as described in (1) above, wherein the In composition (X1) of the well layer is 0 ≦ X1 ≦ 0.3.
(3) The light-emitting diode according to item (2), wherein the In composition (X1) of the well layer is 0.1 ≦ X1 ≦ 0.3.
(4) The compositions X2 and Y1 of the barrier layer are 0 ≦ X2 ≦ 0.2 and 0.5 <Y1 ≦ 0.7, respectively, and the compositions X3 and Y2 of the first and second guides are respectively 0.2 ≦ X3 ≦ 0.5, 0.4 <Y2 ≦ 0.6, and the compositions X4 and Y3 of the first and second cladding layers are 0.3 ≦ X4 ≦ 0.7, 0, respectively. 4 <Y3 ≦ 0.6, The light-emitting diode according to any one of the above items (1) to (3).
(5) The light-emitting diode according to any one of (1) to (4), wherein the functional substrate is transparent to an emission wavelength.
(6) The light-emitting diode according to any one of (1) to (5), wherein the functional substrate is made of GaP or SiC.
(7) The side surface of the functional substrate has a vertical surface that is substantially perpendicular to the main light extraction surface on the side close to the light emitting unit, and the main light extraction surface on the side far from the light emitting unit. The light-emitting diode according to any one of (1) to (6), wherein the light-emitting diode has an inclined surface inclined inward.
(8) The light-emitting diode according to (7), wherein the inclined surface includes a rough surface.
(9) formula (In X1 Ga 1-X1) As (0 ≦ X1 ≦ 1) well layer and the composition formula consisting of (Al X2 Ga 1-X2) Y1 In 1-Y1 P (0 ≦ X2 ≦ 1,0 An active layer having a quantum well structure in which barrier layers made of <Y1 ≦ 1) are alternately stacked, and a composition formula (Al X3 Ga 1-X3 ) Y2 In 1-Y2 P (0 ≦ X3 ≦) sandwiching the
Here, “bonding” further includes the case of bonding through a layer between the current diffusion layer and the functional substrate.
(10) The light-emitting diode as described in (9) above, wherein the In composition (X1) of the well layer is 0 ≦ X1 ≦ 0.3.
(11) The light-emitting diode as described in (10) above, wherein an In composition (X1) of the well layer is 0.1 ≦ X1 ≦ 0.3.
(12) The compositions X2 and Y1 of the barrier layer are 0 ≦ X2 ≦ 0.2 and 0.5 <Y1 ≦ 0.7, respectively, and the compositions X3 and Y2 of the first and second guides are respectively 0.2 ≦ X3 ≦ 0.5, 0.4 <Y2 ≦ 0.6, and the compositions X4 and Y3 of the first and second cladding layers are 0.3 ≦ X4 ≦ 0.7, 0, respectively. 4 <Y3 ≦ 0.6, The light-emitting diode according to any one of (9) to (11) above.
(13) The light-emitting diode according to any one of (9) to (12), wherein the functional substrate includes a layer made of silicon or germanium.
(14) The light-emitting diode according to any one of (9) to (12), wherein the functional substrate includes a metal substrate.
(15) The light-emitting diode according to (14), wherein the metal substrate includes a plurality of metal layers.
(16) The light-emitting diode according to any one of (1) to (15), wherein the current diffusion layer is made of GaP or GaInP.
(17) The light-emitting diode according to any one of (1) to (16), wherein a thickness of the current diffusion layer is in a range of 0.5 to 20 μm.
(18) The light-emitting diode according to any one of (1) to (17), wherein the first electrode and the second electrode are provided on the main light extraction surface side of the light-emitting diode. .
(19) The light-emitting diode according to (18), wherein the first electrode and the second electrode are ohmic electrodes.
(20) The light-emitting diode according to any one of (18) and (19) above, further comprising a third electrode on a surface opposite to the main light extraction surface side of the functional substrate. .
(21) A light-emitting diode lamp comprising the light-emitting diode according to any one of (1) to (20).
(22) A light-emitting diode lamp comprising the light-emitting diode according to (20), wherein the first electrode or the second electrode and the third electrode are connected to substantially the same potential. .
(23) Illumination equipped with a plurality of light emitting diodes according to any one of (1) to (20) and / or at least one of the light emitting diode lamps according to (21) or (22). apparatus.
なお、本発明において、「機能性基板」とは、成長基板に化合物半導体層を成長させた後にその成長基板を除去し、電流拡散層を介して化合物半導体層に接合して化合物半導体層を支持する基板をいうが、電流拡散層に所定の層を形成した後に、その所定の層の上に所定の基板を接合する構成の場合は、その所定の層を含めて「機能性基板」という。 In the present invention, the term “functional substrate” means that after growing a compound semiconductor layer on a growth substrate, the growth substrate is removed and bonded to the compound semiconductor layer via a current diffusion layer to support the compound semiconductor layer. When a predetermined layer is formed on the current diffusion layer and then a predetermined substrate is bonded onto the predetermined layer, the substrate including the predetermined layer is referred to as a “functional substrate”.
上記の構成によれば、以下の効果を得る。
高出力・高効率で850nm以上、特に900nm以上の発光ピーク波長の赤外光を発光することができる。
活性層が組成式(InX1Ga1−X1)As(0≦X1≦1)からなる井戸層と組成式(AlX2Ga1−X2)Y1In1−Y1P(0≦X2≦1,0<Y1≦1)からなるバリア層とを交互に積層した多重井戸構造を有する構成なので、単色性に優れている。
機能性基板を発光波長に対して透明のものとする構成により、発光部からの発光を吸収することなく高出力・高効率を示すことができる。
バリア層、ガイド層、クラッド層が組成式(AlXGa1−X)YIn1−YP(0≦X≦1,0<Y≦1)からなる構成なので、欠陥を作りやすいAsを含まないため結晶性が高く、高出力に寄与する。
バリア層、ガイド層、クラッド層が組成式(AlXGa1−X)YIn1−YP(0≦X≦1,0<Y≦1)からなる構成なので、バリア層、ガイド層、クラッド層が3元混晶からなる赤外発光ダイオードに比べてと比べてAl濃度が低く、耐湿性が向上する。
活性層が組成式(InX1Ga1−X1)As(0≦X1≦1)からなる井戸層と組成式(AlX2Ga1−X2)Y1In1−Y1P(0≦X2≦1,0<Y1≦1)からなるバリア層との積層構造を有する構成なので、MOCVD法を利用して量産するのに適している。
According to said structure, the following effects are acquired.
Infrared light having an emission peak wavelength of 850 nm or more, particularly 900 nm or more can be emitted with high output and high efficiency.
The active layer is a well layer having a composition formula (In X1 Ga 1-X1 ) As (0 ≦ X1 ≦ 1) and a composition formula (Al X2 Ga 1-X2 ) Y1 In 1 -Y1 P (0 ≦ X2 ≦ 1,0) Since it has a multi-well structure in which barrier layers made of <Y1 ≦ 1) are alternately laminated, the monochromaticity is excellent.
With the configuration in which the functional substrate is transparent with respect to the emission wavelength, high output and high efficiency can be exhibited without absorbing light emitted from the light emitting portion.
Since the barrier layer, the guide layer, and the cladding layer are composed of the composition formula (Al X Ga 1-X ) Y In 1-YP (0 ≦ X ≦ 1, 0 <Y ≦ 1), As is easy to produce defects. Since it has no crystallinity, it contributes to high output.
Since the barrier layer, the guide layer, and the cladding layer have a composition formula (Al X Ga 1-X ) Y In 1-YP (0 ≦ X ≦ 1, 0 <Y ≦ 1), the barrier layer, the guide layer, and the cladding layer Compared with an infrared light emitting diode whose layer is composed of a ternary mixed crystal, the Al concentration is low, and the moisture resistance is improved.
The active layer is a well layer having a composition formula (In X1 Ga 1-X1 ) As (0 ≦ X1 ≦ 1) and a composition formula (Al X2 Ga 1-X2 ) Y1 In 1 -Y1 P (0 ≦ X2 ≦ 1,0) Since it has a laminated structure with a barrier layer made of <Y1 ≦ 1), it is suitable for mass production using the MOCVD method.
化合物半導体層の成長基板として用いたGaAs基板を用いた場合、組成式(AlX2Ga1−X2)Y1In1−Y1P(0≦X2≦1,0<Y1≦1)からなるバリア層の組成X2及びY1をそれぞれ、0≦X2≦0.2,0.5<Y1≦0.7にとった構成とすることにより、GaAs基板に対する井戸層のひずみを緩和して結晶性の低下を抑制できる。 When a GaAs substrate used as a growth substrate for a compound semiconductor layer is used, a barrier layer having a composition formula (Al X2 Ga 1-X2 ) Y1 In 1-Y1 P (0 ≦ X2 ≦ 1, 0 <Y1 ≦ 1) The composition X2 and Y1 are set to satisfy 0 ≦ X2 ≦ 0.2 and 0.5 <Y1 ≦ 0.7, respectively, thereby relaxing the strain of the well layer with respect to the GaAs substrate and suppressing the decrease in crystallinity. it can.
機能性基板をGaP、SiC、シリコン、又はゲルマニウムからなる構成とすることにより、発光部と熱膨張係数が近い為、応力を低減できる。また、腐食しにくい材質である為、耐湿性が向上する。
機能性基板と電流拡散層とをいずれもGaPからなる構成とすることにより、その接合が容易としかつ接合強度が大きくすることができる。
Since the functional substrate is made of GaP, SiC, silicon, or germanium, the thermal expansion coefficient is close to that of the light emitting portion, so that stress can be reduced. Moreover, since it is a material which does not corrode easily, moisture resistance improves.
When both the functional substrate and the current diffusion layer are made of GaP, the bonding can be facilitated and the bonding strength can be increased.
電流拡散層をGaInPからなる構成とすることにより、InGaAs井戸層と格子整合させて、結晶性を向上させることができる。 When the current diffusion layer is made of GaInP, the crystallinity can be improved by lattice matching with the InGaAs well layer.
本発明の発光ダイオードランプは、単色性に優れると共に、高出力・高効率であって耐湿性に優れた上記発光ダイオードを備えているため、センサー用途等、幅広い用途の光源に適している。 Emitting diode lamp of the present invention is excellent in single color property, and is provided with a high output and high efficiency even in the light emitting diode having excellent moisture resistance and is suitable for sensor applications such as the wide range of applications source.
以下、本発明を適用した一実施形態である発光ダイオード及びこれを用いた発光ダイオードランプについて図面を用いて詳細に説明する。なお、以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために、便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。 Hereinafter, a light emitting diode according to an embodiment to which the present invention is applied and a light emitting diode lamp using the same will be described in detail with reference to the drawings. In addition, in the drawings used in the following description, in order to make the features easy to understand, there are cases where the portions that become the features are enlarged for the sake of convenience, and the dimensional ratios of the respective components are not always the same as the actual ones. Absent.
<発光ダイオードランプ>
図1及び図2は、本発明を適用した一実施形態である発光ダイオードを用いた発光ダイオードランプを説明するための図であり、図1は平面図、図2は図1中に示すA−A’線に沿った断面図である。
<Light emitting diode lamp>
1 and 2 are views for explaining a light-emitting diode lamp using a light-emitting diode according to an embodiment to which the present invention is applied. FIG. 1 is a plan view, and FIG. It is sectional drawing along the A 'line.
図1及び図2に示すように、本実施形態の発光ダイオード1を用いた発光ダイオードランプ41は、マウント基板42の表面に1以上の発光ダイオード1が実装されている。
より具体的には、マウント基板42の表面には、n電極端子43とp電極端子44とが設けられている。また、発光ダイオード1の第1の電極であるn型オーミック電極4とマウント基板42のn電極端子43とが金線45を用いて接続されている(ワイヤボンディング)。一方、発光ダイオード1の第2の電極であるp型オーミック電極5とマウント基板42のp電極端子44とが金線46を用いて接続されている。さらに、図2に示すように、発光ダイオード1のn型及びp型オーミック電極4,5が設けられた面と反対側の面には、第3の電極6が設けられており、この第3の電極6によって発光ダイオード1がn電極端子43上に接続されてマウント基板42に固定されている。ここで、n型オーミック電極4と第3の電極6とは、n極電極端子43によって等電位又は略等電位となるように電気的に接続されている。第3の電極により、過大な逆電圧に対して、活性層には過電流が流れず、第3の電極とp型電極間に電流が流れ、活性層の破損を防止できる。第3の電極と基板界面側に、反射構造を付加し、高出力することもできる。また、第3の電極の表面側に、共晶金属、半田などを付加することにより、共晶ダイボンド等、より簡便な組み立て技術を利用可能とする。そして、マウント基板42の発光ダイオード1が実装された表面は、シリコン樹脂やエポキシ樹脂等の一般的な封止樹脂47によって封止されている。
As shown in FIGS. 1 and 2, in the light-emitting
More specifically, an
<発光ダイオード(第1の実施形態)>
図3及び図4は、本発明を適用した第1の実施形態に係る発光ダイオードを説明するための図であり、図3は平面図、図4は図3中に示すB−B’線に沿った断面図である。また、図5は井戸層とバリア層の積層構造の断面図である。
第1の実施形態に係る発光ダイオードは、組成式(InX1Ga1−X1)As(0≦X1≦1)からなる井戸層17と組成式(AlX2Ga1−X2)Y1In1−Y1P(0≦X2≦1,0<Y1≦1)からなるバリア層18とを交互に積層した量子井戸構造の活性層11と、活性層11を挟む、組成式(AlX3Ga1−X3)Y2In1−Y2P(0≦X3≦1,0<Y2≦1)からなる第1のガイド10及び第2のガイド12と、第1のガイド10及び第2のガイド12のそれぞれを介して活性層11を挟む第1のクラッド層9及び第2のクラッド層13を有する発光部7と、発光部7上に形成された電流拡散層8と、電流拡散層8に接合された機能性基板3と、を備え、第1のクラッド層9及び第2のクラッド層13が組成式(AlX4Ga1−X4)Y3In1−Y3P(0≦X4≦1,0<Y3≦1)からなることを特徴とする。
また、発光ダイオード1は、主たる光取り出し面に設けられたn型オーミック電極(第1の電極)4及びp型オーミック電極(第2の電極)5を備えて概略構成されている。
なお、本実施形態における主たる光取り出し面とは、化合物半導体層2において、機能性基板3を貼り付けた面の反対側の面である。
<Light Emitting Diode (First Embodiment)>
3 and 4 are diagrams for explaining the light emitting diode according to the first embodiment to which the present invention is applied. FIG. 3 is a plan view, and FIG. 4 is taken along the line BB ′ shown in FIG. FIG. FIG. 5 is a cross-sectional view of a laminated structure of a well layer and a barrier layer.
The light emitting diode according to the first embodiment includes a
The light-emitting
In addition, the main light extraction surface in this embodiment is a surface of the
化合物半導体層(エピタキシャル成長層ともいう)2は、図4に示すように、pn接合型の発光部7と電流拡散層8とが順次積層された構造を有している。この化合物半導体層2の構造には、公知の機能層を適時加えることができる。例えば、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公知の層構造を設けることができる。
なお、化合物半導体層2は、GaAs基板上にエピタキシャル成長させて形成されたものであることが好ましい。
As shown in FIG. 4, the compound semiconductor layer (also referred to as an epitaxial growth layer) 2 has a structure in which a pn junction type
The
発光部7は、図4に示すように、電流拡散層8上に、少なくともp型の下部クラッド層(第1のクラッド層)9、下部ガイド層10、活性層11、上部ガイド層12、n型の上部クラッド層(第2のクラッド層)13が順次積層されて構成されている。すなわち、発光部7は、放射再結合をもたらすキャリア(担体;carrier)及び発光を活性層11に「閉じ込める」ために、活性層11の下側及び上側に対峙して配置した下部クラッド層9、下部ガイド(guide)層10、及び上部ガイド層12、上部クラッド層13を含む、所謂、ダブルヘテロ(英略称:DH)構造とすることが高強度の発光を得る上で好ましい。
As shown in FIG. 4, the
活性層11は、図5に示すように、発光ダイオード(LED)の発光波長を制御するため、量子井戸構造を構成する。すなわち、活性層11は、バリア層(障壁層ともいう)18を両端に有する、井戸層17とバリア層(障壁層ともいう)18との多層構造(積層構造)である。
As shown in FIG. 5, the
活性層11の層厚は、50〜1000nmの範囲であることが好ましい。また、活性層11の伝導型は特に限定されるものではなく、アンドープ、p型及びn型のいずれも選択することができる。発光効率を高めるには、結晶性が良好なアンドープ又は3×1017cm−3未満のキャリア濃度とすることが望ましい。
The layer thickness of the
図6に、井戸層17のIn組成(X1)を0.1に固定して、その層厚と発光ピーク波長との相関を示す。表1に図6に示したデータの値を示す。井戸層が3nm、5nm、7nmと厚くなると、波長は820nm、870nm、920nmと単調に長くなることがわかる。
FIG. 6 shows the correlation between the layer thickness and the emission peak wavelength with the In composition (X1) of the
図7に、井戸層17の発光ピーク波長とそのIn組成(X1)及び層厚との相関を示す。図7は、井戸層17の発光ピーク波長を所定の波長とする、井戸層17のIn組成(X1)と層厚との組み合わせを示すものである。具体的には、発光ピーク波長がそれぞれ920nm、960nmとなる構成の井戸層17のIn組成(X1)と層厚との組み合わせを示す。図7にはさらに、他の発光ピーク波長820nm、870nm、985nm及び995nmのときのIn組成(X1)と層厚の組み合わせも示している。表2に図7に示したデータの値を示す。
FIG. 7 shows the correlation between the emission peak wavelength of the
発光ピーク波長920nmの場合、In組成(X1)が0.3から0.05へ低下していくと、それに対応する層厚は単調に3nmから8nmに厚くなっているから、当業者であれば、発光ピーク波長920nmとなる組み合わせを容易に見つけることができる。
また、In組成(X1)が0.1のとき、層厚が3nm、5nm、7nm、8nmと厚くなると、それに対応して発光ピーク波長は820nm、870nm、920nm、960nmと長くなっている。また、In組成(X1)が0.2のとき、層厚が5nm、6nmと厚くなるとそれに対応して発光ピーク波長は920nm、960nmと長くなり、In組成(X1)が0.25のとき、層厚が4nm、5nmと厚くなるとそれに対応して発光ピーク波長は920nm、960nmと長くなり、さらに、In組成(X1)が0.3のとき、層厚が3nm、5nmと厚くなると、それに対応して発光ピーク波長は920nm、985nmと長くなっている。
さらにまた、層厚が5nmのとき、In組成(X1)が0.1、0.2、0.25、0.3と増加すると、発光ピーク波長は870nm、920nm、960nm、985nmと長くなっており、In組成(X1)が0.35になると、発光ピーク波長は995nmとなる。
In the case of an emission peak wavelength of 920 nm, as the In composition (X1) decreases from 0.3 to 0.05, the corresponding layer thickness monotonously increases from 3 nm to 8 nm. A combination with an emission peak wavelength of 920 nm can be easily found.
Further, when the In composition (X1) is 0.1 and the layer thickness is increased to 3 nm, 5 nm, 7 nm, and 8 nm, the emission peak wavelengths are correspondingly increased to 820 nm, 870 nm, 920 nm, and 960 nm. Further, when the In composition (X1) is 0.2, the emission peak wavelength is correspondingly increased to 920 nm and 960 nm when the layer thickness is increased to 5 nm and 6 nm, and when the In composition (X1) is 0.25, When the layer thickness is increased to 4 nm and 5 nm, the emission peak wavelengths are correspondingly increased to 920 nm and 960 nm, and when the In composition (X1) is 0.3, the layer thickness is increased to 3 nm and 5 nm. The emission peak wavelengths are as long as 920 nm and 985 nm.
Furthermore, when the In composition (X1) increases to 0.1, 0.2, 0.25, and 0.3 when the layer thickness is 5 nm, the emission peak wavelengths are increased to 870 nm, 920 nm, 960 nm, and 985 nm. When the In composition (X1) becomes 0.35, the emission peak wavelength becomes 995 nm.
図7において、発光ピーク波長を920nm及び960nmとするIn組成(X1)と層厚の組み合わせを結ぶと略直線になることが示されている。また、850nm以上1000nm程度までの波長帯の所定の発光ピーク波長とするIn組成(X1)と層厚の組み合わせを結ぶ線も、略直線状になると推察される。さらに、その組み合わせを結ぶ線は発光ピーク波長が短いほど左下に位置し、長いほど右上に位置するものと推察される。
以上の規則性に基づけば、850nm以上1000nm以下の所望の発光ピーク波長を有する、In組成(X1)と層厚を容易に見つけることができる。
In FIG. 7, it is shown that when a combination of the In composition (X1) with the emission peak wavelengths of 920 nm and 960 nm and the layer thickness is connected, it becomes a substantially straight line. Further, it is presumed that a line connecting a combination of the In composition (X1) having a predetermined emission peak wavelength in the wavelength band from 850 nm to 1000 nm and the layer thickness is also substantially linear. Further, it is assumed that the line connecting the combinations is located at the lower left as the emission peak wavelength is shorter, and located at the upper right as the longer the emission peak wavelength.
Based on the above regularity, the In composition (X1) and the layer thickness having a desired emission peak wavelength of 850 nm or more and 1000 nm or less can be easily found.
図8に、井戸層17の層厚を5nmに固定した、In組成(X1)と発光ピーク波長及びその発光出力との相関を示す。表3に図8に示したデータの値を示す。
In組成(X1)が0.12、0.2、0.25、0.3、0.35と増加すると、発光ピーク波長は870nm、920nm、960nm、985nm、995nmと長くなっている。より詳細には、In組成(X1)が0.12から0.3へ増加していくにつれて、発光ピーク波長は略単調に870nmから985nmへと長くなっている。しかし、In組成(X1)を0.3から0.35へと増加しても、985nmから995nmへと長くなるが、長波長への変化率は小さくなっている。
また、発光ピーク波長は870nm(X1=0.12)、920nm(X1=0.2)、960nm(X1=0.25)では発光出力は6.5mWと高い値であり、985nm(X1=0.3)でも5mWと実用上十分な高い値を有するが、995nm(X1=0.35)では2mWと低い値であった。
FIG. 8 shows the correlation between the In composition (X1), the emission peak wavelength, and its emission output, with the
When the In composition (X1) is increased to 0.12, 0.2, 0.25, 0.3, and 0.35, the emission peak wavelengths are increased to 870 nm, 920 nm, 960 nm, 985 nm, and 995 nm. More specifically, as the In composition (X1) increases from 0.12 to 0.3, the emission peak wavelength increases from 870 nm to 985 nm almost monotonically. However, even if the In composition (X1) is increased from 0.3 to 0.35, the length increases from 985 nm to 995 nm, but the rate of change to long wavelengths is small.
The emission peak wavelength is 870 nm (X1 = 0.12), 920 nm (X1 = 0.2), and 960 nm (X1 = 0.25), and the emission output is as high as 6.5 mW, and 985 nm (X1 = 0). .3) has a practically high value of 5 mW, but was a low value of 2 mW at 995 nm (X1 = 0.35).
図6〜図8に基づくと、井戸層17は、(InX1Ga1−X1)As(0≦X1≦0.3の組成を有していることが好ましい。上記X1は、所望の発光波長になるように調整することができる。
発光ピーク波長を900nm以上とする場合は0.1≦X1≦0.3であるのが好ましく、900nm未満とする場合は、0≦X1≦0.1であるのが好ましい。
6 to 8, the
When the emission peak wavelength is 900 nm or more, 0.1 ≦ X1 ≦ 0.3 is preferable, and when it is less than 900 nm, 0 ≦ X1 ≦ 0.1 is preferable.
井戸層17の層厚は、3〜20nmの範囲が好適である。より好ましくは、3〜10nmの範囲である。
The thickness of the
バリア層18は、(AlX2Ga1−X2)Y1In1−Y1P(0≦X2≦1,0<Y1≦1)の組成を有している。上記X2は、井戸層17よりもバンドギャップが大きくなる組成とすることが好ましく、0〜0.2の範囲がより好ましい。また、Y1は、井戸層17の格子不整合に起因するひずみを緩和する為に0.5〜0.7とすることが好ましく、0.52〜0.60の範囲がより好ましい。
バリア層18の層厚は、井戸層17の層厚と等しいか又は厚いことが好ましい。これにより、井戸層17の発光効率を高くすることができる。
Barrier layer 18 has a composition of (Al X2 Ga 1-X2) Y1 In 1-Y1 P (0 ≦ X2 ≦ 1,0 <Y1 ≦ 1). X2 is preferably a composition having a larger band gap than the
The layer thickness of the
図9に、井戸層17の層厚を5nm、In組成(X1)=0.2とし、かつ、バリア層の組成X2=0.1、Y1=0.55のとき(すなわち、(Al0.1Ga0.9)0.55In0.45P)、井戸層及びバリア層のペア数と発光出力との相関を示す。表4に図9に示したデータの値を示す。成長基板としてGaAs基板を用いた場合である。
尚、バリア層の効果を示すために、比較例としてバリア層にAl0.3Ga0.7Asを用いたときを併せて示した。
バリア層にAl0.3Ga0.7Asを用いた比較例の場合はペア数1〜10対までは発光出力が6.5mW以上と高い値を有するが、20対では5mWと低下するのに対して、本発明の場合はペア数20対まで略6.5mW以上の高い値を維持している。このようにペア数を多くしても高い発光出力を維持できるのは、GaAs成長基板に対する組成式(InX1Ga1−X1)As(0≦X1≦1)からなる井戸層の歪みを、組成X2=0.1、Y1=0.55(すなわち、(Al0.1Ga0.9)0.55In0.45P)のバリア層が緩和して(すなわち、バリア層が井戸層と逆方向の格子歪みが与えられている)、結晶性の低下が抑制されていることに起因する。歪み緩和の効果についてさらに図10を用いて説明する。
In FIG. 9, when the thickness of the
In order to show the effect of the barrier layer, it is also shown a case of using the Al 0.3 Ga 0.7 As barrier layer as a comparative example.
In the case of the comparative example using Al 0.3 Ga 0.7 As for the barrier layer, the emission output has a high value of 6.5 mW or more when the number of pairs is 1 to 10, but it decreases to 5 mW with 20 pairs. On the other hand, in the case of the present invention, a high value of approximately 6.5 mW or more is maintained up to 20 pairs. Thus, even if the number of pairs is increased, a high light emission output can be maintained because the strain of the well layer composed of the composition formula (In X1 Ga 1 -X1 ) As (0 ≦ X1 ≦ 1) with respect to the GaAs growth substrate X2 = 0.1, Y1 = 0.55 (i.e., (Al 0.1 Ga 0.9) 0.55 in 0.45 P) barrier layer is relaxed (i.e., the barrier layer is well layer opposite This is because the decrease in crystallinity is suppressed. The effect of strain relaxation will be further described with reference to FIG.
図10は、井戸層17の層厚を5nm、In組成(X1)=0.2(発光波長920nm)とし、かつ、バリア層のAl組成X2=0.1で5ペアのとき、バリア層のY1(すなわち、(Al0.1Ga0.9)yIn1−yP)と発光出力との相関を示す。表5に図10に示したデータの値を示す。成長基板としてGaAs基板を用いた場合である。
バリア層の効果を示すために、比較例としてバリア層は本発明と同じだが、井戸層に成長基板と同じ材料であるGaAs層(すなわち、成長基板に対して歪みがない場合)を用いたときを併せて示した。
本発明の場合は、発光出力の最大は7mWであって、バリア層のY1が0.52〜0.60の範囲で略7mWを示す。これに対して、井戸層にGaAs層を用いた比較例の場合は発光出力の最大で6.5mWであって、高出力を示す範囲も本発明の場合よりも狭いことがわかる。
この結果は、本発明では、井戸層の歪みをバリア層の逆方向歪みが緩和して結晶性低下を抑制するために、発光出力は高くかつ高出力を示すバリア層の組成範囲も広いのに対して、比較例では、歪みがない井戸層と歪みを有するバリア層の組み合わせとなっているために、結果として結晶性が低下して発光出力特性が低下していると理解できる。
FIG. 10 shows that when the thickness of the
In order to show the effect of the barrier layer, as a comparative example, the barrier layer is the same as that of the present invention, but the well layer is a GaAs layer made of the same material as the growth substrate (that is, when the growth substrate is not distorted). Was also shown.
In the case of the present invention, the maximum light emission output is 7 mW, and Y1 of the barrier layer is about 7 mW in the range of 0.52 to 0.60. On the other hand, in the case of the comparative example using the GaAs layer as the well layer, the light emission output is 6.5 mW at the maximum, and the range showing high output is narrower than the case of the present invention.
As a result, in the present invention, since the strain in the well layer is relaxed by the reverse strain in the barrier layer to suppress the decrease in crystallinity, the composition range of the barrier layer exhibiting high light output and high output is wide. On the other hand, in the comparative example, since it is a combination of a well layer having no strain and a barrier layer having a strain, it can be understood that as a result, the crystallinity is lowered and the light emission output characteristics are lowered.
図11に、順方向電流と発光出力の相関に対する、井戸層及びバリア層のペア数の依存性を示す。データは井戸層17の層厚を5nm、In組成(X1)=0.2とし、かつ、バリア層の組成X2=0.1、Y1=0.55(すなわち、Al0.1Ga0.9)0.55In0.45P)であって、ペア数が3対及び5対の場合を示している、表6に図11に示したデータの値を示す。
順方向電流が30mAまでは、3対及び5対のいずれも電流の増加に略比例して発光出力が増大した。しかし、50mA、100mAでは5対について略比例を維持して電流の増加に対して発光出力が増大したが、3対については、50mA、100mAのそれぞれで5対の場合と比べて、発光出力が2mW、9mW低かった。
従って、大電流・高出力の発光ダイオードに対しては、3対のものより、5対のものの方が適していることがわかった。ペア数が多い方が大電流・高出力に適しているのは、成長基板に対する組成式(InX1Ga1−X1)As(0≦X1≦1)からなる井戸層の歪みを、組成X2=0.1、Y1=0.55(すなわち、(Al0.1Ga0.9)0.55In0.45P)のバリア層が緩和して、結晶性の低下が抑制されていることに起因する。
FIG. 11 shows the dependence of the number of well layer and barrier layer pairs on the correlation between the forward current and the light emission output. The data shows that the thickness of the
When the forward current was up to 30 mA, the light emission output increased substantially in proportion to the increase in current in both 3 and 5 pairs. However, at 50 mA and 100 mA, the light emission output increased with increasing current while maintaining approximately proportionality with respect to 5 pairs. However, the light emission output with respect to 3 pairs was higher than that with 5 pairs at 50 mA and 100 mA, respectively. It was 2 mW and 9 mW lower.
Therefore, it was found that five pairs are more suitable than three pairs for high current / high output light emitting diodes. The larger number of pairs is suitable for large current and high output because the strain of the well layer composed of the composition formula (In X1 Ga 1 -X1 ) As (0 ≦ X1 ≦ 1) with respect to the growth substrate is expressed by the composition X2 = The barrier layer of 0.1, Y1 = 0.55 (that is, (Al 0.1 Ga 0.9 ) 0.55 In 0.45 P) is relaxed, and the decrease in crystallinity is suppressed. to cause.
井戸層17とバリア層18との多層構造において、井戸層17とバリア層18とを交互に積層する対の数は特に限定されるものではないが、図9に基づくと、1対以上20対以下であることが好ましい。すなわち、活性層11には、井戸層17が1〜20層含まれていることが好ましい。ここで、図9に基づくと、活性層11の発光効率が好適な範囲としては井戸層17が1層で十分であるが、図10に基づくと、特に、高電流条件下の発光効率向上の点では複数であることが好ましい。一方、井戸層17及びバリア層18の間には格子不整が存在する為、多くの対にすると結晶欠陥の発生の為、発光効率が低下してしまう。このため、20対以下であることが好ましく、10対以下であることがより好ましい。
In the multilayer structure of the
下部ガイド層10及び上部ガイド層12は、図4に示すように、活性層11の下面及び上面にそれぞれ設けられている。具体的には、活性層11の下面に下部ガイド層10が設けられ、活性層11の上面に上部ガイド層12が設けられている。
As shown in FIG. 4, the
下部ガイド層10および上部ガイド層12は、(AlX3Ga1−X3)Y2In1−Y2P(0≦X3≦1,0<Y2≦1)の組成を有している。上記X3は、バリア層18とバンドギャップが等しいか又はバリア層18よりも大きくなる組成とすることが好ましく、0.2〜0.5の範囲がより好ましい。また、Y2は、0.4〜0.6とすることが好ましい。
X3はクラッド層として機能し且つ発光波長に対して透明な範囲で選ばれ、Y2はクラッド層が厚膜なので基板との格子整合を重視し、良質な結晶成長ができる範囲として選ばれる。
X3 functions as a clad layer and is selected in a range that is transparent to the emission wavelength, and Y2 is selected as a range in which good crystal growth can be achieved by placing importance on lattice matching with the substrate because the clad layer is thick.
下部ガイド層10及び上部ガイド層12はそれぞれ、下部クラッド層9及び上部クラッド層13と活性層11との間における不純物の伝搬を低減するために設けられている。すなわち、本発明では、下部クラッド層9及び上部クラッド層13には高濃度に不純物がドープされており、この不純物の活性層11への拡散は発光ダイオードの性能低下の原因となる。この不純物の拡散を有効に低減するためには、下部ガイド層10および上部ガイド層12の層厚は10nm以上が好ましく、20nm〜100nmがより好ましい。
The
下部ガイド層10及び上部ガイド層12の伝導型は、特に限定されるものではなく、アンドープ、p型及びn型のいずれも選択することができる。発光効率を高めるには、結晶性が良好なアンドープ又は3×1017cm−3未満のキャリア濃度とすることが望ましい。
The conductivity type of the
下部クラッド層9及び上部クラッド層13は、図4に示すように、下部ガイド層10の下面及び上部ガイド層12上面にそれぞれ設けられている。
The
下部クラッド層9及び上部クラッド層13の材質としては、(AlX4Ga1−X4)Y3In1−Y3P(0≦X4≦1,0<Y3≦1)の半導体材料を用い、バリア層15よりもバンドギャップの大きい材質が好ましく、下部ガイド層10及び上部ガイド層12よりもバンドギャップが大きい材質がより好ましい。上記材質としては、(AlX4Ga1−X4)Y3In1−Y3P(0≦X4≦1,0<Y3≦1)のX4が、0.3〜0.7である組成を有することが好ましい。又、Y3は、0.4〜0.6とすることが好ましい。X4はクラッド層として機能し且つ発光波長に対して透明な範囲で選ばれ、Y3はクラッド層が厚膜なので基板との格子整合の観点から良質な結晶成長ができる範囲として選ばれる。
As the material of the
下部クラッド層9と上部クラッド層13とは、極性が異なるように構成されている。また、下部クラッド層9及び上部クラッド層13のキャリア濃度及び厚さは、公知の好適な範囲を用いることができ、活性層11の発光効率が高まるように条件を最適化することが好ましい。また、下部クラッド層9及び上部クラッド層13の組成を制御することによって、化合物半導体層2の反りを低減させることができる。
The lower
具体的に、下部クラッド層9としては、例えば、Mgをドープしたp型の(AlX4aGa1−X4a)YaIn1−YaP(0.3≦X4a≦0.7,0.4≦Y3a≦0.6)からなる半導体材料を用いることが望ましい。また、キャリア濃度は2×1017〜2×1018cm−3の範囲が好ましく、層厚は0.1〜1μmの範囲が好ましい。
Specifically, as the
一方、上部クラッド層13としては、例えば、Siをドープしたn型の((AlX4bGa1−X4b)YbIn1−YbP(0.3≦X4b≦0.7,0.4≦Y3b≦0.6)からなる半導体材料を用いることが望ましい。また、キャリア濃度は1×1017〜1×1018cm−3の範囲が好ましく、層厚は0.1〜1μmの範囲が好ましい。
なお、下部クラッド層9及び上部クラッド層13の極性は、化合物半導体層2の素子構造を考慮して選択することができる。
On the other hand, the upper clad
The polarities of the
また、発光部7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公知の層構造を設けることができる。
Further, above the constituent layers of the
電流拡散層8は、図4に示すように、発光部7の下方に設けられている。この電流拡散層8は、発光部7(活性層11)からの発光波長に対して透明である材料、例えば、GaPやGaInPを適用することができる。
電流拡散層8にGaPを適用する場合、機能性基板3をGaP基板とすることにより、接合を容易にし、高い接合強度を得ることができるという効果がある。
また、電流拡散層8にGaInPを適用する場合、GaとInの比率を変えることにより、電流拡散層8が積層される井戸層17の材料であるInGaAsと同じ格子定数にして、井戸層17と格子整合させることができるという効果がある。従って、所望の発光ピーク波長から選択された組成比のInGaAsと同じ格子定数となるように、GaInPの組成比を選択するのが好ましい。
また、電流拡散層8の厚さは0.5〜20μmの範囲であることが好ましい。0.5μm以下であると電流拡散が不十分であり、20μm以上であるとその厚さまで結晶成長させる為のコストが増大するからである。
As shown in FIG. 4, the current spreading
In the case of applying GaP to the
In addition, when GaInP is applied to the
The thickness of the current spreading
機能性基板3は、化合物半導体層2の主たる光取り出し面と反対側の面に接合されている。すなわち、機能性基板3は、図4に示すように、化合物半導体層2を構成する電流拡散層8側に接合されている。この機能性基板3は、発光部7を機械的に支持するのに充分な強度を有し、且つ、バンドギャップが広く、発光部7からの発光波長に対して光学的に透明である材料から構成する。
機能性基板3は発光部と熱膨張係数が近く、耐湿性に優れた基板であり、更に熱伝導の良いGaP、GaInP、SiC、また、機械強度が強いサファイアからなるのが好ましい。また、機能性基板3は、発光部7を機械的に充分な強度で支持するために、例えば約50μm以上の厚みとすることが好ましい。また、化合物半導体層2へ接合した後に機能性基板3への機械的な加工を施し易くするため、約300μmの厚さを超えないものとすることが好ましい。機能性基板3は、約50μm以上約300μm以下の厚さを有する透明度、応力、コスト面からn型GaP基板から構成するのが最適である。
The
The
また、図4に示すように、機能性基板3の側面は、化合物半導体層2に近い側において主たる光取り出し面に対して略垂直である垂直面3aとされており、化合物半導体層2に遠い側において主たる光取り出し面に対して内側に傾斜した傾斜面3bとされている。これにより、活性層11から機能性基板3側に放出された光を効率よく外部に取り出すことができる。また、活性層11から機能性基板3側に放出された光のうち、一部は垂直面3aで反射され傾斜面3bで取り出すことができる。一方、傾斜面3bで反射された光は垂直面3aで取り出すことができる。このように、垂直面3aと傾斜面3bとの相乗効果により、光の取り出し効率を高めることができる。
Further, as shown in FIG. 4, the side surface of the
また、本実施形態では、図4に示すように、傾斜面3bと発光面に平行な面とのなす角度αを、55度〜80度の範囲内とすることが好ましい。このような範囲とすることで、機能性基板3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できる。
また、垂直面3aの幅(厚さ方向)を、30μm〜100μmの範囲内とすることが好ましい。垂直面3aの幅を上記範囲内にすることで、機能性基板3の底部で反射された光を垂直面3aにおいて効率よく発光面に戻すことができ、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。このため、発光ダイオード1の発光効率を高めることができる。
Moreover, in this embodiment, as shown in FIG. 4, it is preferable to make angle (alpha) which the
Moreover, it is preferable to make the width | variety (thickness direction) of the
また、機能性基板3の傾斜面3bは、粗面化されることが好ましい。傾斜面3bが粗面化されることにより、この傾斜面3bでの光取り出し効率を上げる効果が得られる。すなわち、傾斜面3bを粗面化することにより、傾斜面3b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。
The
また、機能性基板3は、発光波長に対して90%以上の反射率を有し、前記発光部に対向して配置する反射層(図示せず)を備えることができる。この構成では、主たる光取り出し面から効率的に光を取り出すことができる。
反射層は、例えば、銀(Ag)、アルミニウム(Al)、金(Au)又はこれらの合金などにより構成される。これらの材料は光反射率が高く、反射層23からの光反射率を90%以上とすることができる。
機能性基板3は、この反射層に、AuIn、AuGe、AuSn等の共晶金属で、発光部と熱膨張係数の近いシリコン、ゲルマニウム等の安価な基板に接合する組み合わせを用いることができる。特にAuInは、接合温度が低く、熱膨張係数が発光部と差があるが、最も安価なシリコン基板(シリコン層)を接合するには、最適な組み合わせである。
機能性基板3は、電流拡散層、反射金属および共晶金属が相互拡散しないよう、例えば、Ti,W、Ptなどの高融点金属または、ITOなどの透明導電酸化物を挿入することも、品質の安定性から望ましい。
In addition, the
The reflective layer is made of, for example, silver (Ag), aluminum (Al), gold (Au), or an alloy thereof. These materials have high light reflectivity, and the light reflectivity from the
The
For the
化合物半導体層2と機能性基板3との接合界面は、高抵抗層とする場合がある。すなわち、化合物半導体層2と機能性基板3との間には、図示略の高抵抗層が設けられている場合がある。この高抵抗層は、機能性基板3よりも高い抵抗値を示し、高抵抗層が設けられている場合には化合物半導体層2の電流拡散層8側から機能性基板3側への逆方向の電流を低減する機能を有している。また、機能性基板3側から電流拡散層8側へと不用意に印加される逆方向の電圧に対して耐電圧性を発揮する接合構造を構成しているが、その降伏電圧は、pn接合型の発光部7の逆方向電圧より低い値となる様に構成することが好ましい。
The bonding interface between the
n型オーミック電極(第1の電極)4およびp型オーミック電極(第2の電極)5は、発光ダイオード1の主たる光取り出し面に設けられた低抵抗のオーミック接触電極である。ここで、n型オーミック電極4は、上部クラッド層11の上方に設けられており、例えば、AuGe、Ni合金/Auからなる合金を用いることができる。一方、p型オーミック電極5は、図4に示すように、露出させた電流拡散層8の表面にAuBe/Au、またはAuZn/Auからなる合金を用いることができる。
The n-type ohmic electrode (first electrode) 4 and the p-type ohmic electrode (second electrode) 5 are low-resistance ohmic contact electrodes provided on the main light extraction surface of the light-emitting
ここで、本実施形態の発光ダイオード1では、第2の電極としてp型オーミック電極5を、電流拡散層8上に形成することが好ましい。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。また、p型オーミック電極5をp型GaPからなる電流拡散層8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るため、作動電圧を下げることができる。
Here, in the
なお、本実施形態では、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、発光ダイオード1の高輝度化を達成することができる。一方、第1の電極をp型とすると、電流拡散が悪くなり、輝度の低下を招く。これに対して、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、発光ダイオード1の高輝度化を達成することができる。
In the present embodiment, it is preferable that the polarity of the first electrode is n-type and the polarity of the second electrode is p-type. By adopting such a configuration, it is possible to achieve high brightness of the
本実施形態の発光ダイオード1では、図3に示すように、n型オーミック電極4とp型オーミック電極5とが対角の位置となるように配置することが好ましい。また、p型オーミック電極5の周囲を、化合物半導体層2で囲んだ構成とすることが最も好ましい。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。また、p型オーミック電極5の四方をn型オーミック電極4で囲むことにより、電流が四方に流れやすくなり、その結果作動電圧が低下する。
In the
また、本実施形態の発光ダイオード1では、図3に示すように、n型オーミック電極4を、ハニカム、格子形状など網目とすることが好ましい。このような構成とすることにより、信頼性を向上させる効果が得られる。また、格子状とすることにより、活性層11に均一に電流を注入することができ、その結果、信頼性を向上させる効果が得られる。
なお、本実施形態の発光ダイオード1では、n型オーミック電極4を、パッド形状の電極(パッド電極)と幅10μm以下の線状の電極(線状電極)とで構成することが好ましい。このような構成とすることにより、高輝度化をはかることができる。さらに、線状電極の幅を狭くすることにより、光取り出し面の開口面積を上げることができ、高輝度化を達成することができる。
第3の電極は、機能性基板の裏面に形成され、透明基板に於いては、基板側へ反射する構造にすることで、更なる高出力化ができる。反射金属材料としては、Au、Ag、Alなどの材料が使用できる。
また、電極表面側を例えば、AuSn等の共晶金属、半田材料にすることで、ダイボンド工程で、ペーストを使用する必要がなくなり簡易化される。更に、金属で接続することで、熱伝導がよくなり、発光ダイオードの放熱特性が向上する。
Moreover, in the
In the
The third electrode is formed on the back surface of the functional substrate, and in the case of a transparent substrate, the output can be further increased by reflecting the substrate. As the reflective metal material, materials such as Au, Ag, and Al can be used.
Further, by using eutectic metal such as AuSn and solder material on the electrode surface side, it is not necessary to use a paste in the die bonding process, which is simplified. Furthermore, by connecting with metal, heat conduction is improved, and the heat dissipation characteristics of the light emitting diode are improved.
<発光ダイオードの製造方法>
次に、本実施形態の発光ダイオード1の製造方法について説明する。図12は、本実施形態の発光ダイオード1に用いるエピウェーハの断面図である。また、図13は、本実施形態の発光ダイオード1に用いる接合ウェーハの断面図である。
<Method for manufacturing light-emitting diode>
Next, the manufacturing method of the
(化合物半導体層の形成工程)
まず、図12に示す、化合物半導体層2を作製する。化合物半導体層2は、GaAs基板14上に、GaAsからなる緩衝層15、選択エッチングに利用するために設けられたエッチングストップ層(図示略)、Siをドープしたn型のコンタクト層16、n型の上部クラッド層13、上部ガイド層12、活性層11、下部ガイド層10、p型の下部クラッド層9、Mgドープしたp型GaPからなる電流拡散層8を順次積層して作製する。
(Formation process of compound semiconductor layer)
First, the
GaAs基板14は、公知の製法で作製された市販品の単結晶基板を使用することができる。GaAs基板14のエピタキシャル成長させる表面は、平滑であることが望ましい。GaAs基板14の表面の面方位は、エピタキシャル成長しやすく、量産されている(100)面および(100)から、±20°以内にオフした基板が、品質の安定性の面から望ましい。さらに、GaAs基板14の面方位の範囲が、(100)方向から(0−1−1)方向に15°オフ±5°であることがより好ましい。
尚、本明細書では、ミラー指数の表記において、“−”はその直後の指数につくバーを意味する。
As the
In this specification, in the notation of Miller index, “-” means a bar attached to the index immediately after that.
GaAs基板14の転位密度は、化合物半導体層2の結晶性を良くするために低い方が望ましい。具体的には、例えば、10,000個cm−2以下、望ましくは、1,000個cm−2以下であることが好適である。
The dislocation density of the
GaAs基板14は、n型であってもp型であっても良い。GaAs基板14のキャリア濃度は、所望の電気伝導度と素子構造から、適宜選択することができる。例えば、GaAs基板14がシリコンドープのn型である場合には、キャリア濃度が1×1017〜5×1018cm−3の範囲であることが好ましい。これに対して、GaAs基板14が亜鉛をドープしたp型の場合には、キャリア濃度2×1018〜5×1019cm−3の範囲であることが好ましい。
The
GaAs基板14の厚さは、基板のサイズに応じて適切な範囲がある。GaAs基板14の厚さが適切な範囲よりも薄いと、化合物半導体層2の製造プロセス中に割れてしまうおそれがある。一方、GaAs基板14の厚さが適切な範囲よりも厚いと材料コストが増加することになる。このため、GaAs基板14の基板サイズが大きい場合、例えば、直径75mmの場合には、ハンドリング時の割れを防止するために250〜500μmの厚さが望ましい。同様に、直径50mmの場合は、200〜400μmの厚さが望ましく、直径100mmの場合は、350〜600μmの厚さが望ましい。
The thickness of the
このように、GaAs基板14の基板サイズに応じて基板の厚さを厚くすることにより、発光部7に起因する化合物半導体層2の反りを低減することができる。これにより、エピタキシャル成長中の温度分布が均一となることため、活性層11の面内の波長分布を小さくすることができる。なお、GaAs基板14の形状は、特に円形に限定されず、矩形等であっても問題ない。
Thus, by increasing the thickness of the substrate according to the substrate size of the
緩衝層(buffer)15は、GaAs基板14と発光部7の構成層との欠陥の伝搬を低減するために設けられている。このため、基板の品質やエピタキシャル成長条件を選択すれば、緩衝層15は、必ずしも必要ではない。また、緩衝層15の材質は、エピタキシャル成長させる基板と同じ材質とすることが好ましい。したがって、本実施形態では、緩衝層15には、GaAs基板14と同じくGaAsを用いることが好ましい。また、緩衝層15には、欠陥の伝搬を低減するためにGaAs基板14と異なる材質からなる多層膜を用いることもできる。緩衝層15の厚さは、0.1μm以上とすることが好ましく、0.2μm以上とすることがより好ましい。
The
コンタクト層16(図4では省略)は、電極との接触抵抗を低下させるために設けられている。コンタクト層16の材質は、活性層11よりバンドギャップの大きい材質であることが好ましく、AlXGa1−XAs、(AlXGa1−X)YIn1−YP(0≦X≦1,0<Y≦1)を好適に用いることができる。また、コンタクト層16のキャリア濃度の下限値は、電極との接触抵抗を低下させるために5×1017cm−3以上であることが好ましく、1×1018cm−3以上がより好ましい。キャリア濃度の上限値は、結晶性の低下が起こりやすくなる2×1019cm−3以下が望ましい。コンタクト層16の厚さは、0.5μm以上が好ましく、1μm以上が最適である。コンタクト層16の厚さの上限値は特に限定されてはいないが、エピタキシャル成長に係るコストを適正範囲にするため、5μm以下とすることが望ましい。
The contact layer 16 (omitted in FIG. 4) is provided to reduce the contact resistance with the electrode. The material of the
本実施形態では、分子線エピタキシャル法(MBE)や減圧有機金属化学気相堆積法(MOCVD法)等の公知の成長方法を適用することができる。なかでも、量産性に優れるMOCVD法を適用することが、最も望ましい。具体的には、化合物半導体層2のエピタキシャル成長に使用するGaAs基板14は、成長前に洗浄工程や熱処理等の前処理を実施して、表面の汚染や自然酸化膜を除去することが望ましい。上記化合物半導体層2を構成する各層は、直径50〜150mmのGaAs基板14をMOCVD装置内にセットし、同時にエピタキシャル成長させて積層することができる。また、MOCVD装置としては、自公転型、高速回転型等の市販の大型装置を適用することができる。
In the present embodiment, a known growth method such as a molecular beam epitaxial method (MBE) or a low pressure metal organic chemical vapor deposition method (MOCVD method) can be applied. Among these, it is most desirable to apply the MOCVD method which is excellent in mass productivity. Specifically, the
上記化合物半導体層2の各層をエピタキシャル成長する際、III族構成元素の原料としては、例えば、トリメチルアルミニウム((CH3)3Al)、トリメチルガリウム((CH3)3Ga)及びトリメチルインジウム((CH3)3In)を用いることができる。また、Mgのドーピング原料としては、例えば、ビスシクロペンタジエニルマグネシウム(bis−(C5H5)2Mg)等を用いることができる。また、Siのドーピング原料としては、例えば、ジシラン(Si2H6)等を用いることができる。
また、V族構成元素の原料としては、ホスフィン(PH3)、アルシン(AsH3)等を用いることができる。
また、各層の成長温度としては、電流拡散層8としてp型GaPを用いる場合は、720〜770℃を適用することができ、その他の各層では600〜700℃を適用することができる。
また、電流拡散層8としてp型GaInPを用いる場合は、600〜700℃を適用することができる。
さらに、各層のキャリア濃度及び層厚、温度条件は、適宜選択することができる。
When each layer of the
In addition, phosphine (PH 3 ), arsine (AsH 3 ), or the like can be used as a raw material for the group V constituent element.
As the growth temperature of each layer, 720 to 770 ° C. can be applied when p-type GaP is used as the
When p-type GaInP is used as the
Furthermore, the carrier concentration, layer thickness, and temperature conditions of each layer can be selected as appropriate.
このようにして作製した化合物半導体層2は、発光部7を有するにもかかわらず結晶欠陥が少ない良好な表面状態が得られる。また、化合物半導体層2は、素子構造に対応して研磨などの表面加工を施しても良い。
The
(機能性基板の接合工程)
次に、化合物半導体層2と機能性基板3とを接合する。
化合物半導体層2と機能性基板3との接合は、まず、化合物半導体層2を構成する電流拡散層8の表面を研磨して、鏡面加工する。次に、この電流拡散層8の鏡面研磨した表面に貼付する機能性基板3を用意する。なお、この機能性基板3の表面は、電流拡散層8に接合させる以前に鏡面に研磨する。次に、一般の半導体材料貼付装置に、化合物半導体層2と機能性基板3とを搬入し、真空中で鏡面研磨した双方の表面に電子を衝突させて中性(ニュートラル)化したArビームを照射する。その後、真空を維持した貼付装置内で双方の表面を重ね合わせて荷重をかけることで、室温で接合することができる(図13参照)。接合に関しては、接合条件の安定性から、接合面が同じ材質がより望ましい。
接合(貼り付け)はこのような真空下での常温接合が最適であるが、共晶金属、接着剤を用いて接合することもできる。
(Functional substrate bonding process)
Next, the
In joining the
Bonding (pasting) is optimally performed at room temperature bonding under such a vacuum, but bonding can also be performed using a eutectic metal or an adhesive.
(第1及び第2の電極の形成工程)
次に、第1の電極であるn型オーミック電極4及び第2の電極であるp型オーミック電極5を形成する。
n型オーミック電極4及びp型オーミック電極5の形成は、まず、機能性基板3と接合した化合物半導体層2から、GaAs基板14及び緩衝層15をアンモニア系エッチャントによって選択的に除去する。次に、露出したコンタクト層16の表面にn型オーミック電極4を形成する。具体的には、例えば、AuGe、Ni合金/Pt/Auを任意の厚さとなるように真空蒸着法により積層した後、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行ってn型オーミック電極4の形状を形成する。
(First and second electrode forming steps)
Next, an n-
In forming the n-
次に、コンタクト層16、上部クラッド層13、上部ガイド層12、活性層11、下部ガイド層10、p型の下部クラッド層9の所定範囲について選択的に除去して電流拡散層8を露出させ、この露出した電流拡散層8の表面にp型オーミック電極5を形成する。具体的には、例えば、AuBe/Auを任意の厚さとなるように真空蒸着法により積層した後、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行ってp型オーミック電極5の形状を形成する。その後、例えば400〜500℃、5〜20分間の条件で熱処理を行って合金化することにより、低抵抗のn型オーミック電極4及びp型オーミック電極5を形成することができる。
Next, the
(第3の電極の形成工程)
第3の電極は、機能性基板の裏面に形成される。素子の構造により、オーミック電極、ショットキー電極、反射機能、共晶ダイボンド構造などの機能を組み合わせ付加できる。透明基板に於いては、Au、Ag、Alなどの材料を形成し、反射する構造にする。基板と前記材料の間に、例えば、酸化ケイ素、ITOなどの透明膜を挿入できる。形成方法は、スパッタ法、蒸着法など公知の技術を利用できる。
また、電極表面側を例えば、AuSn等の共晶金属、鉛フリー半田材料などにすることで、ダイボンド工程で、ペーストを使用する必要がなくなり簡易化される。形成方法は、スパッタ法、蒸着法、めっき、印刷など公知の技術を利用できる。
金属で接続することで、熱伝導がよくなり、発光ダイオードの放熱特性が向上する。
前記の2つの機能を組み合わせる場合は、金属が拡散しないようにバリア金属、酸化物を挿入することも好適な方法である。これらは、素子構造、基板材料により、最適なものを選択できる。
(Third electrode forming step)
The third electrode is formed on the back surface of the functional substrate. Depending on the structure of the element, functions such as an ohmic electrode, a Schottky electrode, a reflection function, and a eutectic die bond structure can be combined and added. In the transparent substrate, a material such as Au, Ag, or Al is formed to reflect the light. For example, a transparent film such as silicon oxide or ITO can be inserted between the substrate and the material. As a forming method, a known technique such as a sputtering method or a vapor deposition method can be used.
Further, by using eutectic metal such as AuSn, lead-free solder material, etc. on the electrode surface side, it is not necessary to use paste in the die-bonding process, thereby simplifying. As a forming method, known techniques such as sputtering, vapor deposition, plating, and printing can be used.
By connecting with metal, heat conduction is improved and heat dissipation characteristics of the light emitting diode are improved.
In the case of combining the above two functions, it is also preferable to insert a barrier metal and an oxide so that the metal does not diffuse. These can be selected optimally depending on the element structure and the substrate material.
(機能性基板の加工工程)
次に、機能性基板3の形状を加工する。
機能性基板3の加工は、まず、第3の電極6を形成していない表面にV字状の溝入れを行う。この際、V字状の溝の第3の電極6側の内側面が発光面に平行な面とのなす角度αを有する傾斜面3bとなる。次に、化合物半導体層2側から所定の間隔でダイシングを行ってチップ化する。なお、チップ化の際のダイシングによって機能性基板3の垂直面3aが形成される。
(Functional substrate processing process)
Next, the shape of the
In processing the
傾斜面3bの形成方法は、特に限定されるものではなく、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従来からの方法を組み合わせて用いることができるが、形状の制御性及び生産性の高いダイシング法を適用することが最も好ましい。ダイシング法を適用することにより、製造歩留まりを向上することができる。
The formation method of the
また、垂直面3aの形成方法は、特に限定されるものではないが、レーザー加工、スクライブ・ブレーク法又はダイシング法で形成するのが好ましい。
レーザー加工、スクライブ・ブレーク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、チップ分離の際に切りしろを設ける必要なく、数多くの発光ダイオードが製造できるため製造コストを下げることができる。
一方、ダイシング法は、切断の安定性に優れている。
The method for forming the
By employing the laser processing and the scribe / break method, the manufacturing cost can be reduced. That is, since it is not necessary to provide a margin for chip separation and many light emitting diodes can be manufactured, the manufacturing cost can be reduced.
On the other hand, the dicing method is excellent in cutting stability.
最後に、破砕層及び汚れを必要に応じて硫酸・過酸化水素混合液等でエッチング除去する。このようにして発光ダイオード1を製造する。
Finally, the crushed layer and dirt are removed by etching with a mixed solution of sulfuric acid and hydrogen peroxide as necessary. In this way, the
以上説明したように、本実施形態の発光ダイオード1によれば、組成式(InX1Ga1−X1)As(0≦X1≦1)からなる井戸層17を有する発光部7を含む化合物半導体層2を備えている。
As described above, according to the light-emitting
また、本実施形態の発光ダイオード1では、発光部7上に電流拡散層8が設けられている。この電流拡散層8は、発光波長に対して透明であるため、発光部7からの発光を吸収することなく高出力・高効率の発光ダイオード1とすることができる。機能性基板は、材質的に安定で、腐食の心配がなく耐湿性に優れている。
Further, in the
したがって、本実施形態の発光ダイオード1によれば、850nm以上の発光波長を有し、単色性に優れると共に、高出力・高効率であって耐湿性の発光ダイオード1を提供することができる。また、本実施形態の発光ダイオード1によれば、従来の液相エピタキシャル法で作製した透明基板型AlGaAs系の発光ダイオードと比較して、約2倍以上の発光効率を有する高出力発光ダイオード1を提供することができる。また、高温高湿信頼性も向上した。
Therefore, according to the
<発光ダイオード(第2の実施形態)>
図14(a)及び(b)は、本発明を適用した第2の実施形態に係る発光ダイオードを説明するための図であり、図14(a)は平面図、図14(b)は図14(a)中に示すC−C’線に沿った断面図である(ガイド層10及び12は図示省略)。
第2の実施形態に係る発光ダイオードは、組成式(InX1Ga1−X1)As(0≦X1≦1)からなる井戸層17と、組成式(AlX2Ga1−X2)Y1In1−Y1P(0≦X2≦1,0<Y1≦1)からなるバリア層18とを交互に積層した量子井戸構造の活性層11と、活性層11を挟む、組成式(AlX3Ga1−X3)Y2In1−Y2P(0≦X3≦1,0<Y2≦1)からなる第1のガイド層10及び第2のガイド層12と、第1のガイド層10及び第2のガイド層12のそれぞれを介して活性層11を挟む第1のクラッド層9及び第2のクラッド層13とを有する発光部7と、発光部7上に形成された電流拡散層8と、発光部7に対向して配置され、発光波長に対して90%以上の反射率を有する反射層23を含み、電流拡散層8に接合された機能性基板31と、を備え、第1のクラッド層9及び第2のクラッド層13が組成式(AlX4Ga1−X4)Y3In1−Y3P;0≦X4≦1,0<Y3≦1)からなることを特徴とする。
<Light Emitting Diode (Second Embodiment)>
14A and 14B are views for explaining a light emitting diode according to a second embodiment to which the present invention is applied. FIG. 14A is a plan view and FIG. 14B is a diagram. It is sectional drawing along CC 'line shown in 14 (a) (guide
The light emitting diode according to the second embodiment includes a
第2の実施形態に係る発光ダイオードでは、発光波長に対して90%以上の反射率を有し、発光部7に対向して配置する反射層23を含む機能性基板31を有するので、主たる光取り出し面から効率的に光を取り出すことができる。
図14に示した例では、機能性基板31は、電流拡散層8の下側の面8bに、第2の電極21を備え、さらにその第2の電極21を覆うように透明導電膜22と反射層23とが積層されてなる反射構造体と、シリコン又はゲルマニウムからなる層(基板)30を備えている。
The light-emitting diode according to the second embodiment has a
In the example shown in FIG. 14, the
第2の実施形態に係る発光ダイオードにおいては、機能性基板31はシリコンまたはゲルマニウムからなる層を含むのが好ましい。腐食しにくい材質である為、耐湿性が向上するからである。
In the light emitting diode according to the second embodiment, the
反射層23は例えば、銀(Ag)、アルミニウム(Al)、金(Au)又はこれらの合金などにより構成される。これらの材料は光反射率が高く、反射層23からの光反射率を90%以上とすることができる。
機能性基板31は、この反射層23に、AuIn、AuGe、AuSn等の共晶金属で、シリコン、ゲルマニウム等の安価な基板(層)に接合する組み合わせを用いることができる。特にAuInは、接合温度が低く、熱膨張係数が発光部と差があるが、最も安価なシリコン基板(シリコン層)を接合するには最適な組み合わせである。
機能性基板31はさらに、電流拡散層、反射層金属および共晶金属が相互拡散しないよう、例えば、チタン(Ti)、タングステン(W)、白金(Pt)などの高融点金属からなる層を挿入された構成とすることも品質の安定性から望ましい。
The
In the
The
<発光ダイオード(第3の実施形態)>
図15は、本発明を適用した第3の実施形態に係る発光ダイオードを説明するための図である。
第3の実施形態に係る発光ダイオードは、組成式(InX1Ga1−X1)As(0≦X1≦1)からなる井戸層17と、組成式(AlX2Ga1−X2)Y1In1−Y1P(0≦X2≦1,0<Y1≦1)からなるバリア層18とを交互に積層した量子井戸構造の活性層11と、活性層11を挟む、組成式(AlX3Ga1−X3)Y2In1−Y2P(0≦X3≦1,0<Y2≦1)からなる第1のガイド層10及び第2のガイド層12と、第1のガイド層10及び第2のガイド層12のそれぞれを介して活性層11を挟む第1のクラッド層9及び第2のクラッド層13とを有する発光部7と、発光部7上に形成された電流拡散層8と、発光部7に対向して配置され、発光波長に対して90%以上の反射率を有する反射層53と金属基板50とを含み、電流拡散層8に接合された機能性基板51と、を備え、第1のクラッド層9及び第2のクラッド層13が組成式(AlX4Ga1−X4)Y3In1−Y3P;0≦X4≦1,0<Y3≦1)からなることを特徴とする。
<Light Emitting Diode (Third Embodiment)>
FIG. 15 is a diagram for explaining a light emitting diode according to a third embodiment to which the present invention is applied.
The light-emitting diode according to the third embodiment includes a
第3の実施形態に係る発光ダイオードでは、機能性基板が金属基板を含む点が第2の実施形態に係る発光ダイオードに対して特徴的な構成である。
金属基板50は放熱性が高く、発光ダイオードを高輝度で発光するのに寄与すると共に、発光ダイオードの寿命を長寿命とすることができる。
放熱性の観点からは、金属基板50は熱伝導率が130W/m・K以上の金属からなるのが特に好ましい。熱伝導率が130W/m・K以上の金属としては、例えば、モリブデン(138W/m・K)やタングステン(174W/m・K)、銀(熱伝導率=420W/m・K)、銅(熱伝導率=398W/m・K)、金(熱伝導率=320W/m・K)、アルミニウム(熱伝導率=236W/m・K)がある。
The light-emitting diode according to the third embodiment is a characteristic configuration with respect to the light-emitting diode according to the second embodiment in that the functional substrate includes a metal substrate.
The
From the viewpoint of heat dissipation, the
図15に示すように、化合物半導体層2は、活性層11と、ガイド層(図示せず)を介してその活性層11を挟む第1のクラッド層(下部クラッド)9及び第2のクラッド層(上部クラッド)13と、第1のクラッド層(下部クラッド)9の下側に電流拡散層8と、第2のクラッド層(上部クラッド)13の上側に第1の電極55と平面視してほぼ同じサイズのコンタクト層56とを有する。
機能性基板51は、電流拡散層8の下側の面8bに、第2の電極57を備え、さらにその第2の電極57を覆うように透明導電膜52と反射層53とが積層されてなる反射構造体と、金属基板50とからなり、反射構造体を構成する反射層53の化合物半導体層2と反対側の面53bに、金属基板50の接合面50aが接合されている。
As shown in FIG. 15, the
The
反射層53は例えば、銅、銀、金、アルミニウムなどの金属又はこれらの合金などにより構成される。これらの材料は光反射率が高く、反射構造体からの光反射率を90%以上とすることができる。反射層53を形成することにより、活性層11からの光を反射層53で正面方向fへ反射させて、正面方向fでの光取り出し効率を向上させることができる。これにより、発光ダイオードをより高輝度化できる。
The
反射層53は、透明導電膜52側からAg、Ni/Tiバリア層、Au系の共晶金属(接続用金属)からなる積層構造が好ましい。
上記接続用金属は、電気抵抗が低く、低温で溶融する金属である。上記接続用金属を用いることにより、化合物半導体層2に熱ストレスを与えることなく、金属基板を接続することができる。
接続用金属としては、化学的に安定で、融点の低いAu系の共晶金属などを用いられる。上記Au系の共晶金属としては、例えば、AuSn、AuGe、AuSiなどの合金の共晶組成(Au系の共晶金属)を挙げることができる。
また、接続用金属には、チタン、クロム、タングステンなどの金属を添加することが好ましい。これにより、チタン、クロム、タングステンなどの金属がバリア金属として機能して、金属基板に含まれる不純物などが反射層53側に拡散して、反応することを抑制できる。
The
The connection metal is a metal having a low electrical resistance and melting at a low temperature. By using the connecting metal, the metal substrate can be connected without applying thermal stress to the
As the connection metal, an Au-based eutectic metal that is chemically stable and has a low melting point is used. Examples of the Au-based eutectic metal include eutectic compositions (Au-based eutectic metals) of alloys such as AuSn, AuGe, and AuSi.
Further, it is preferable to add a metal such as titanium, chromium, or tungsten to the connection metal. Thereby, metals such as titanium, chromium, and tungsten can function as a barrier metal, and impurities contained in the metal substrate can be prevented from diffusing and reacting on the
透明導電膜52は、ITO膜、IZO膜などにより構成されている。なお、反射構造体は、反射層53だけで構成してもよい。
また、透明導電膜52の代わりに、または、透明導電膜52とともに、透明な材料の屈折率差を利用したいわゆるコールドミラー、例えば、酸化チタン膜、酸化ケイ素膜の多層膜や白色のアルミナ、AlNを用いて、反射層53に組み合わせてもよい。
The transparent
Further, instead of the transparent
金属基板50は複数の金属層からなるものを用いることができる。
複数の金属層の構成としては図15で示した例のように、2種類の金属層すなわち、第1の金属層50Aと第2の金属層50Bとが交互に積層されてなるものが好ましい。
特に、第1の金属層50Aと第2の金属層50Bの層数は合わせて奇数とすることがより好ましい。
The
As the configuration of the plurality of metal layers, it is preferable that two types of metal layers, that is, the
In particular, it is more preferable that the
この場合、金属基板の反りや割れの観点から、第2の金属層50Bとして化合物半導体層2より熱膨張係数が小さい材料を用いるときは、第1の金属層50A、50Aを化合物半導体層3より熱膨張係数が大きい材料からなるものを用いるのが好ましい。金属基板全体としての熱膨張係数が化合物半導体層の熱膨張係数に近いものとなるため、化合物半導体層と金属基板とを接合する際の金属基板の反りや割れを抑制することができ、発光ダイオードの製造歩留まりを向上させることができるからである。同様に、第2の金属層50Bとして化合物半導体層2より熱膨張係数が大きい材料を用いるときは、第1の金属層50A、50Aを化合物半導体層2より熱膨張係数が小さい材料からなるものを用いるのが好ましい。金属基板全体としての熱膨張係数が化合物半導体層の熱膨張係数に近いものとなるため、化合物半導体層と金属基板とを接合する際の金属基板の反りや割れを抑制でき、発光ダイオードの製造歩留まりを向上できるからである。
以上の観点からは、2種類の金属層はいずれが第1の金属層でも第2の金属層でも構わない。
In this case, from the viewpoint of warping and cracking of the metal substrate, when a material having a smaller thermal expansion coefficient than the
From the above viewpoint, any of the two types of metal layers may be the first metal layer or the second metal layer.
2種類の金属層としては、例えば、銀(熱膨張係数=18.9ppm/K)、銅(熱膨張係数=16.5ppm/K)、金(熱膨張係数=14.2ppm/K)、アルミニウム(熱膨張係数=23.1ppm/K)、ニッケル(熱膨張係数=13.4ppm/K)およびこれらの合金のいずれかからなる金属層と、モリブデン(熱膨張係数=5.1ppm/K)、タングステン(熱膨張係数=4.3ppm/K)、クロム(熱膨張係数=4.9ppm/K)およびこれらの合金のいずれかからなる金属層との組み合わせを用いることができる。
好適な例としては、Cu/Mo/Cuの3層からなる金属基板があげられる。上記の観点ではMo/Cu/Moの3層からなる金属基板でも同様な効果が得られるが、Cu/Mo/Cuの3層からなる金属基板は、機械的強度が高いMoを加工しやすいCuで挟んだ構成なので、Mo/Cu/Moの3層からなる金属基板よりも切断等の加工が容易であるという利点がある。
Examples of the two metal layers include silver (thermal expansion coefficient = 18.9 ppm / K), copper (thermal expansion coefficient = 16.5 ppm / K), gold (thermal expansion coefficient = 14.2 ppm / K), and aluminum. (Thermal expansion coefficient = 23.1 ppm / K), nickel (thermal expansion coefficient = 13.4 ppm / K) and a metal layer made of any of these alloys, molybdenum (thermal expansion coefficient = 5.1 ppm / K), Combinations of tungsten (thermal expansion coefficient = 4.3 ppm / K), chromium (thermal expansion coefficient = 4.9 ppm / K), and a metal layer made of any of these alloys can be used.
A preferred example is a metal substrate composed of three layers of Cu / Mo / Cu. From the above viewpoint, the same effect can be obtained with a metal substrate composed of three layers of Mo / Cu / Mo, but the metal substrate composed of three layers of Cu / Mo / Cu is a Cu layer that has high mechanical strength and is easy to process Mo. Therefore, there is an advantage that processing such as cutting is easier than a metal substrate composed of three layers of Mo / Cu / Mo.
金属基板全体としての熱膨張係数は例えば、Cu(30μm)/Mo(25μm)/Cu(30μm)の3層からなる金属基板では6.1ppm/Kであり、Mo(25μm)/Cu(70μm)/Mo(25μm)の3層からなる金属基板では5.7ppm/Kとなる。 The thermal expansion coefficient of the entire metal substrate is, for example, 6.1 ppm / K for a three-layer metal substrate of Cu (30 μm) / Mo (25 μm) / Cu (30 μm), and Mo (25 μm) / Cu (70 μm). In the case of a metal substrate composed of three layers of / Mo (25 μm), it is 5.7 ppm / K.
また、放熱の観点からは、金属基板を構成する金属層は熱伝導率が高い材料からなるのが好ましい。これにより、金属基板の放熱性を高くして、発光ダイオードを高輝度で発光させることができるとともに、発光ダイオードの寿命を長寿命とすることができるからである。
例えば、銀(熱伝導率=420W/m・K)、銅(熱伝導率=398W/m・K)、金(熱伝導率=320W/m・K)、アルミニウム(熱伝導率=236W/m・K)、モリブデン(熱伝導率=138W/m・K)、タングステン(熱伝導率=174W/m・K)およびこれらの合金などを用いることが好ましい。
From the viewpoint of heat dissipation, the metal layer constituting the metal substrate is preferably made of a material having high thermal conductivity. This is because the heat dissipation of the metal substrate can be increased, the light emitting diode can emit light with high brightness, and the life of the light emitting diode can be extended.
For example, silver (thermal conductivity = 420 W / m · K), copper (thermal conductivity = 398 W / m · K), gold (thermal conductivity = 320 W / m · K), aluminum (thermal conductivity = 236 W / m) · K), molybdenum (thermal conductivity = 138 W / m · K), tungsten (thermal conductivity = 174 W / m · K), and alloys thereof are preferably used.
それらの金属層の熱膨張係数が化合物半導体層の熱膨張係数と略等しい材料からなるのがさらに好ましい。特に、金属層の材料が、化合物半導体層の熱膨張係数の±1.5ppm/K以内である熱膨張係数を有する材料であるのが好ましい。これにより、金属基板と化合物半導体層との接合時の発光部への熱によるストレスを小さくすることができ、金属基板を化合物半導体層と接続させたときの熱による金属基板の割れを抑制することができ、発光ダイオードの製造歩留まりを向上させることができる。
金属基板全体としての熱伝導率は例えば、Cu(30μm)/Mo(25μm)/Cu(30μm)の3層からなる金属基板では250W/m・Kとなり、Mo(25μm)/Cu(70μm)/Mo(25μm)の3層からなる金属基板では220W/m・Kとなる。
More preferably, the metal layers are made of a material having a thermal expansion coefficient substantially equal to that of the compound semiconductor layer. In particular, the material of the metal layer is preferably a material having a thermal expansion coefficient that is within ± 1.5 ppm / K of the thermal expansion coefficient of the compound semiconductor layer. As a result, it is possible to reduce stress due to heat applied to the light emitting portion when the metal substrate and the compound semiconductor layer are joined, and to suppress cracking of the metal substrate due to heat when the metal substrate is connected to the compound semiconductor layer. The manufacturing yield of the light emitting diode can be improved.
The thermal conductivity of the entire metal substrate is, for example, 250 W / m · K for a three-layer metal substrate of Cu (30 μm) / Mo (25 μm) / Cu (30 μm), and Mo (25 μm) / Cu (70 μm) / In the case of a metal substrate composed of three layers of Mo (25 μm), it is 220 W / m · K.
以下、本発明の効果を、実施例を用いて具体的に説明する。なお、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。 Hereinafter, the effect of the present invention will be specifically described with reference to examples. The present invention is not limited to these examples.
本実施例では、本発明に係る発光ダイオードを作製した例を具体的に説明する。また、本実施例で作製した発光ダイオードは、InGaAsからなる井戸層とAlGaInPからなるバリア層との量子井戸構造からなる活性層を有する赤外発光ダイオードである。本実施例では、GaAs基板上に成長させた化合物半導体層と機能性基板とを結合させて発光ダイオードを作製した。そして、特性評価のために発光ダイオードチップを基板上に実装した発光ダイオードランプを作製した。 In this example, an example in which a light-emitting diode according to the present invention is manufactured will be specifically described. The light-emitting diode manufactured in this example is an infrared light-emitting diode having an active layer having a quantum well structure of a well layer made of InGaAs and a barrier layer made of AlGaInP. In this example, a compound semiconductor layer grown on a GaAs substrate and a functional substrate were combined to produce a light emitting diode. Then, a light-emitting diode lamp having a light-emitting diode chip mounted on a substrate was prepared for characteristic evaluation.
(実施例1)
実施例1は図4に示した実施形態の実施例である。
実施例1の発光ダイオードは、まず、Siをドープしたn型のGaAs単結晶からなるGaAs基板上に、化合物半導体層を順次積層してエピタキシャルウェーハを作製した。GaAs基板は、(100)面から(0−1−1)方向に15°傾けた面を成長面とし、キャリア濃度を2×1018cm−3とした。化合物半導体層としては、SiをドープしたGaAsからなるn型の緩衝層、Siをドープした(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5Pからなるn型のコンタクト層、Siをドープした(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5Pからなるn型の上部クラッド層、(Al0.3 Ga0.7 )0.5 In0.5 Pからなる上部ガイド層、In0.2 Ga0.8 As/(Al0.1Ga0.9 )0.5 In0.5Pの3対からなる井戸層/バリア層、(Al0.3 Ga0.7)0.5 In0.5Pからなる下部ガイド層、Mgをドープした(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5Pからなるp型の下部クラッド層、(Al0.5Ga0.5)0.5In0.5Pからなる薄膜の中間層、Mgドープしたp型GaPからなる電流拡散層を用いた。
Example 1
Example 1 is an example of the embodiment shown in FIG.
In the light emitting diode of Example 1, first, an epitaxial wafer was fabricated by sequentially laminating compound semiconductor layers on a GaAs substrate made of an n-type GaAs single crystal doped with Si. In the GaAs substrate, a plane inclined by 15 ° in the (0-1-1) direction from the (100) plane was used as a growth plane, and the carrier concentration was set to 2 × 10 18 cm −3 . As the compound semiconductor layer, an n-type buffer layer made of GaAs doped with Si, an n-type contact layer made of Si-doped (Al 0.7 Ga 0.3 ) 0.5 In 0.5 P, Si N-type upper clad layer made of (Al 0.7 Ga 0.3 ) 0.5 In 0.5 P, doped with (Al 0.3 Ga 0.7 ) 0.5 In 0.5 P Upper guide layer, well layer / barrier layer composed of three pairs of In 0.2 Ga 0.8 As / (Al 0.1 Ga 0.9 ) 0.5 In 0.5 P, (Al 0.3 Ga 0 .7) 0.5 in 0.5 lower guide layer made of P, doped with Mg (Al 0.7 Ga 0.3) p-type lower cladding layer composed of 0.5 in 0.5 P, (Al 0.5 Ga 0.5) an intermediate layer of a thin film made of 0.5 in 0.5 P, M Using current diffusion layer made of doped p-type GaP.
本実施例では、減圧有機金属化学気相堆積装置法(MOCVD装置)を用い、直径76mm、厚さ350μmのGaAs基板に化合物半導体層をエピタキシャル成長させて、エピタキシャルウェーハを形成した。エピタキシャル成長層を成長させる際、III族構成元素の原料としては、トリメチルアルミニウム((CH3)3Al)、トリメチルガリウム((CH3)3Ga)及びトリメチルインジウム((CH3)3In)を使用した。また、Mgのドーピング原料としては、ビスシクロペンタジエニルマグネシウム(bis−(C5H5)2Mg)を使用した。また、Siのドーピング原料としては、ジシラン(Si2H6)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(PH3)、アルシン(AsH3)を使用した。また、各層の成長温度としては、p型GaPからなる電流拡散層は、750℃で成長させた。その他の各層では700℃で成長させた。 In this example, a compound semiconductor layer was epitaxially grown on a GaAs substrate having a diameter of 76 mm and a thickness of 350 μm by using a low pressure metal organic chemical vapor deposition apparatus method (MOCVD apparatus) to form an epitaxial wafer. When growing an epitaxial growth layer, trimethylaluminum ((CH 3 ) 3 Al), trimethylgallium ((CH 3 ) 3 Ga) and trimethylindium ((CH 3 ) 3 In) are used as the raw material for the group III constituent element did. Further, biscyclopentadienyl magnesium (bis- (C 5 H 5 ) 2 Mg) was used as a Mg doping material. Further, disilane (Si 2 H 6 ) was used as a Si doping material. Further, phosphine (PH 3 ) and arsine (AsH 3 ) were used as raw materials for the group V constituent elements. As the growth temperature of each layer, the current diffusion layer made of p-type GaP was grown at 750 ° C. The other layers were grown at 700 ° C.
GaAsからなる緩衝層は、キャリア濃度を約2×1018cm−3、層厚を約0.5μmとした。コンタクト層は、キャリア濃度を約2×1018cm−3、層厚を4μmとした。上部クラッド層は、キャリア濃度を約1×1018cm−3、層厚を約0.5μmとした。上部ガイド層は、アンドープで層厚を約50nmとした。井戸層は、アンドープで層厚が約 5nmのIn0.2 Ga0.8 Asとし、バリア層はアンドープで層厚が約10nmの(Al0.1Ga0.9 )0.5 In0.5Pとした。また、井戸層とバリア層とを交互に3対積層した。下部ガイド層は、アンドープで層厚を約50nmとした。下部クラッド層は、キャリア濃度を約8×1017cm−3、層厚を約0.5μmとした。中間層は、キャリア濃度を約8×1017cm−3、層厚を約50nmとした。GaPからなる電流拡散層は、キャリア濃度を約3×1018cm−3、層厚を約10μmとした。 The buffer layer made of GaAs has a carrier concentration of about 2 × 10 18 cm −3 and a layer thickness of about 0.5 μm. The contact layer had a carrier concentration of about 2 × 10 18 cm −3 and a layer thickness of 4 μm. The upper cladding layer had a carrier concentration of about 1 × 10 18 cm −3 and a layer thickness of about 0.5 μm. The upper guide layer was undoped and had a thickness of about 50 nm. The well layer is undoped In 0.2 Ga 0.8 As having a thickness of about 5 nm, and the barrier layer is undoped and has a thickness of about 10 nm (Al 0.1 Ga 0.9 ) 0.5 In 0. 5 P. Three pairs of well layers and barrier layers were alternately laminated. The lower guide layer was undoped and had a thickness of about 50 nm. The lower cladding layer had a carrier concentration of about 8 × 10 17 cm −3 and a layer thickness of about 0.5 μm. The intermediate layer had a carrier concentration of about 8 × 10 17 cm −3 and a layer thickness of about 50 nm. The current diffusion layer made of GaP has a carrier concentration of about 3 × 10 18 cm −3 and a layer thickness of about 10 μm.
次に、電流拡散層を表面から約1μmの深さに至る領域まで研磨して、鏡面加工した。この鏡面加工によって、電流拡散層の表面の粗さ(rms)を0.18nmとした。
一方、上記の電流拡散層の鏡面研磨した表面に貼付するn型GaPからなる機能性基板を用意した。この貼付用の機能性基板には、キャリア濃度が約2×1017cm−3となるようにSiを添加し、面方位を(111)とした単結晶を用いた。また、機能性基板の直径は76mmで、厚さは250μmであった。この機能性基板の表面は、電流拡散層に接合させる以前に鏡面に研磨し、表面の粗さ(rms)を0.12nmに仕上げた。
Next, the current diffusion layer was polished to a region extending from the surface to a depth of about 1 μm and mirror-finished. By this mirror finishing, the surface roughness (rms) of the current diffusion layer was set to 0.18 nm.
On the other hand, a functional substrate made of n-type GaP to be attached to the mirror-polished surface of the current diffusion layer was prepared. A single crystal having a plane orientation of (111) was used for the functional substrate for pasting, to which Si was added so that the carrier concentration was about 2 × 10 17 cm −3 . The functional substrate had a diameter of 76 mm and a thickness of 250 μm. The surface of this functional substrate was polished to a mirror surface before being bonded to the current spreading layer, and the surface roughness (rms) was finished to 0.12 nm.
次に、一般の半導体材料貼付装置に、上記の機能性基板及びエピタキシャルウェーハを搬入し、3×10−5Paとなるまで装置内を真空に排気した。 Next, the functional substrate and the epitaxial wafer were carried into a general semiconductor material pasting apparatus, and the inside of the apparatus was evacuated to 3 × 10 −5 Pa.
次に、機能性基板、及び電流拡散層の双方の表面に、電子を衝突させて中性(ニュートラル)化したArビームを3分間に亘り照射した。その後、真空に維持した貼付装置内で、機能性基板及び電流拡散層の表面を重ね合わせ、各々の表面での圧力が50g/cm2となる様に荷重を掛け、双方を室温で接合した。このようにして接合ウェーハを形成した。 Next, the surface of both the functional substrate and the current spreading layer was irradiated with an Ar beam neutralized by colliding electrons for 3 minutes. Thereafter, the surfaces of the functional substrate and the current diffusion layer were superposed in a sticking apparatus maintained in vacuum, a load was applied so that the pressure on each surface was 50 g / cm 2, and both were bonded at room temperature. In this way, a bonded wafer was formed.
次に、上記接合ウェーハから、GaAs基板およびGaAs緩衝層をアンモニア系エッチャントにより選択的に除去した。次に、コンタクト層の表面に第1の電極として、AuGe、Ni合金を厚さが0.5μm、Ptを0.2μm、Auを1μmとなるように真空蒸着法によって成膜した。その後、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、第1の電極としてn型オーミック電極を形成した。次に、GaAs基板を除去した面である光取り出し面の表面に粗面化処理を施した。 Next, the GaAs substrate and the GaAs buffer layer were selectively removed from the bonded wafer with an ammonia-based etchant. Next, a first electrode was formed on the surface of the contact layer by vacuum deposition so that the thickness of AuGe and Ni alloy was 0.5 μm, Pt was 0.2 μm, and Au was 1 μm. Then, patterning was performed using a general photolithography means, and an n-type ohmic electrode was formed as the first electrode. Next, the surface of the light extraction surface, which is the surface from which the GaAs substrate was removed, was roughened.
次に、第2の電極としてp型オーミック電極を形成する領域のエピ層を選択的に除去し、電流拡散層を露出させた。この露出した電流拡散層の表面に、AuBeを0.2μm、Auを1μmとなるように真空蒸着法でp形オーミック電極を形成した。その後、450℃で10分間熱処理を行って合金化し、低抵抗のp型およびn型オーミック電極を形成した。更に、機能性基板の裏面にAuを厚さ0.2μm形成し、220μmの正方形にパターンを形成した。 Next, the epi layer in the region where the p-type ohmic electrode was formed as the second electrode was selectively removed to expose the current diffusion layer. A p-type ohmic electrode was formed on the exposed surface of the current diffusion layer by vacuum deposition so that AuBe was 0.2 μm and Au was 1 μm. Thereafter, heat treatment was performed at 450 ° C. for 10 minutes to form an alloy, and low resistance p-type and n-type ohmic electrodes were formed. Furthermore, Au was formed in a thickness of 0.2 μm on the back surface of the functional substrate, and a pattern was formed in a 220 μm square.
次に、ダイシングソーを用いて、機能性基板の裏面から、第3の電極を形成していない領域を傾斜面の角度αが70°となると共に垂直面の厚さが80μmとなるようにV字状の溝入れを行った。次に、化合物半導体層側からダイシングソーを用い350μm間隔で切断し、チップ化した。ダイシングによる破砕層および汚れを硫酸・過酸化水素混合液でエッチング除去して、実施例1の発光ダイオードを作製した。 Next, using a dicing saw, the region where the third electrode is not formed from the back surface of the functional substrate is set so that the angle α of the inclined surface becomes 70 ° and the thickness of the vertical surface becomes 80 μm. A letter-shaped grooving was performed. Next, a dicing saw was used to cut from the compound semiconductor layer side at 350 μm intervals to form chips. The crushing layer and dirt by dicing were removed by etching with a mixed solution of sulfuric acid and hydrogen peroxide to produce a light emitting diode of Example 1.
上記の様にして作製した実施例1の発光ダイオードチップを、マウント基板上に実装した発光ダイオードランプを100個組み立てた。この発光ダイオードランプは、マウントは、ダイボンダーで支持(マウント)し、発光ダイオードのn型オーミック電極とマウント基板の表面に設けたn電極端子とを金線でワイヤボンディングし、p型オーミック電極とp電極端子とを金線でワイヤボンディングした後、一般的なエポキシ樹脂で封止して作製した。 100 light emitting diode lamps each having the light emitting diode chip of Example 1 manufactured as described above mounted on a mount substrate were assembled. In this light-emitting diode lamp, the mount is supported (mounted) by a die bonder, the n-type ohmic electrode of the light-emitting diode and the n-electrode terminal provided on the surface of the mount substrate are wire-bonded with a gold wire, and the p-type ohmic electrode and the p-type electrode are connected. The electrode terminal was wire bonded with a gold wire and then sealed with a general epoxy resin.
この発光ダイオード(発光ダイオードランプ)の特性を評価した結果を表7に示す。
表7に示すように、n型及びp型オーミック電極間に電流を流したところ、ピーク波長920nmとする赤外光が出射された。順方向に20ミリアンペア(mA)の電流を通流した際の順方向電圧(Vf)は、化合物半導体層を構成する電流拡散層と機能性基板との接合界面での抵抗の低さ及び各オーミック電極の良好なオーミック特性を反映し、約1.22ボルトとなった。順方向電流を20mAとした際の発光出力は、7mWであった 更に、温度60℃、湿度90%の高温高湿環境下で、通電試験(20mA通電)を1000時間実施し、発光出力の残存率を測定した結果を表7に示す。
このランプ100個を、60℃、90RH%,20mAで高温高湿通電試験を実施した。1000時間後の出力残存率の平均は100%であった。
Table 7 shows the results of evaluating the characteristics of the light emitting diode (light emitting diode lamp).
As shown in Table 7, when current was passed between the n-type and p-type ohmic electrodes, infrared light having a peak wavelength of 920 nm was emitted. The forward voltage (Vf) when a current of 20 milliamperes (mA) flows in the forward direction is the low resistance at each junction interface between the current diffusion layer constituting the compound semiconductor layer and the functional substrate and each ohmic resistance. Reflecting the good ohmic characteristics of the electrode, it was about 1.22 volts. When the forward current was 20 mA, the light emission output was 7 mW. Furthermore, in a high temperature and high humidity environment with a temperature of 60 ° C. and a humidity of 90%, an energization test (20 mA energization) was conducted for 1000 hours, and the light emission output remained. Table 7 shows the result of measuring the rate.
The 100 lamps were subjected to a high-temperature and high-humidity energization test at 60 ° C., 90 RH%, 20 mA. The average output remaining rate after 1000 hours was 100%.
(実施例2)
実施例2は図14(a)及び(b)に示した第2の実施形態の実施例である。
実施例2の発光ダイオードは、反射層と機能性基板とを組み合わせ場合である。その他の発光部の形成は、実施例1と同じである。尚、下部ガイド層10及び上部ガイド層12は図示省略している。
(Example 2)
Example 2 is an example of the second embodiment shown in FIGS. 14 (a) and 14 (b).
The light emitting diode of Example 2 is a case where a reflective layer and a functional substrate are combined. Other light emitting portions are formed in the same manner as in the first embodiment. The
電流拡散層8の表面に、AuBe/Au合金を厚さ0.2μmで20μmφのドットでなる電極(第2の電極)21を、光取り出し面の端から50μmになるように等間隔で8個配置した。
次に、透明導電膜であるITO膜22を0.4μmの厚さでスパッタ法により形成した。更に、銀合金/Ti/Auでなる層23を0.2μm/0.1μm/1μmの厚さで形成し、反射面23とした。
On the surface of the current spreading
Next, an
一方、シリコン基板(機能性基板)31の表面に、Ti/Au/Inでなる層32を0.1μm/0.5μm/0.3μmの厚さで形成した。シリコン基板31の裏面に、Ti/Auでなる層33を0.1μm/0.5μmの厚さで形成した。前記発光ダイオードウェーハ側のAuとシリコン基板側のIn表面とを重ね合わせ、320℃で加熱・500g/cm2で加圧し、機能性基板を発光ダイオードウェーハに接合した。
On the other hand, a
GaAs基板を除去し、コンタクト層16の表面に、AuGe/Auでなる直径100μmで厚さ3μmのオーミック電極(第1の電極)25を形成し、420℃で、5分間熱処理し、p、nオーミック電極を合金化処理した。
The GaAs substrate is removed, an AuGe / Au ohmic electrode (first electrode) 25 having a diameter of 100 μm and a thickness of 3 μm is formed on the surface of the
次に、コンタクト層16の表面を粗面化処理した。
チップに分離する為の切断予定部分の半導体層と反射層、共晶金属を除去し、シリコン基板の裏面電極の上にTi/AuSn/Auを0.3μm/1μm/0.1μmを形成した。ダイシングソーで、350μmピッチで正方形に切断した。
Next, the surface of the
The semiconductor layer, the reflective layer, and the eutectic metal that were to be cut to be separated into chips were removed, and Ti / AuSn / Au was formed to 0.3 μm / 1 μm / 0.1 μm on the back electrode of the silicon substrate. Dicing saw cut into squares at a pitch of 350 μm.
この発光ダイオード(発光ダイオードランプ)の特性を評価した結果を表7に示す。
表7に示すように、上面及び下面の電極間に電流を流したところ、ピーク波長920nmとする赤外光が出射された。順方向に20ミリアンペア(mA)の電流を通流した際の順方向電圧(Vf)は、化合物半導体層を構成する電流拡散層と機能性基板との接合界面での抵抗の低さ及び各オーミック電極の良好なオーミック特性を反映し、約1.20ボルト(V)となった。順方向電流を20mAとした際の発光出力は、約6mWであった。更に、温度60℃、湿度90%の高温高湿環境下で、通電試験(20mA通電)を1000時間実施し、発光出力の残存率を測定した結果を表7に示す。
実施例1と同様に、このランプ100個を、60℃、90RH%,20mAで高温高湿通電試験を実施した。1000時間後の出力残存率の平均は99%であった。
Table 7 shows the results of evaluating the characteristics of the light emitting diode (light emitting diode lamp).
As shown in Table 7, when current was passed between the upper and lower electrodes, infrared light having a peak wavelength of 920 nm was emitted. The forward voltage (Vf) when a current of 20 milliamperes (mA) flows in the forward direction is the low resistance at each junction interface between the current diffusion layer constituting the compound semiconductor layer and the functional substrate and each ohmic resistance. Reflecting the good ohmic characteristics of the electrode, it was about 1.20 volts (V). The light emission output when the forward current was 20 mA was about 6 mW. Furthermore, Table 7 shows the results of conducting an energization test (20 mA energization) for 1000 hours in a high-temperature and high-humidity environment at a temperature of 60 ° C. and a humidity of 90%, and measuring the residual ratio of light emission output.
Similarly to Example 1, 100 lamps were subjected to a high-temperature and high-humidity energization test at 60 ° C., 90 RH%, 20 mA. The average output remaining rate after 1000 hours was 99%.
(実施例3)
実施例3の発光ダイオードは第3の実施形態の実施例であり、電流拡散層に、反射層と金属基板とを含む機能性基板を接合した構成である。図15を参照して、実施例3の発光ダイオードを説明する。
(Example 3)
The light-emitting diode of Example 3 is an example of the third embodiment, and has a configuration in which a functional substrate including a reflective layer and a metal substrate is bonded to a current diffusion layer. With reference to FIG. 15, the light-emitting diode of Example 3 will be described.
まず、金属基板を作製した。2枚の略平板状で厚さ10μmのCu板と、1枚の略平板状の厚さ75μmのMo板とを用意し、2枚のCu板の間にMo板を挿入してこれらを重ねて配置し、加圧装置に前記基板を配置して、高温下でそれら金属板に対してそれらを挟む方向に荷重をかけた。これにより、Cu(10μm)/Mo(75μm)/Cu(10μm)の3層からなる金属基板を作製した。 First, a metal substrate was produced. Two substantially flat Cu plates with a thickness of 10 μm and one substantially flat Mo plate with a thickness of 75 μm are prepared, and the Mo plates are inserted between the two Cu plates and stacked. And the said board | substrate was arrange | positioned to the pressurization apparatus and the load was applied in the direction which pinches | interposes them with respect to these metal plates under high temperature. Thus, a metal substrate composed of three layers of Cu (10 μm) / Mo (75 μm) / Cu (10 μm) was produced.
化合物半導体層は、緩衝層とコンタクト層との間に、Siドープの(Al0.5Ga0.5)0.5In0.5Pからなり、層厚が0.5μmのエッチングストップ層を形成した点を除いて、実施例1の条件と同じ条件で形成した。
電流拡散層8の面8b上に、0.4μmの厚さのAuBe上に0.2μmの厚さのAuが積層されてなり、平面視したときに20μmφの円形状であり、60μmの間隔で第2の電極57を形成した。
次に、透明導電膜であるITO膜52を、第2の電極57を覆うように、0.8μmの厚さでスパッタ法により形成した。
次に、ITO膜52上に、蒸着法を用いて、銀(Ag)合金からなる膜を0.7μm成膜した後、ニッケル(Ni)/チタン(Ti)からなる膜を0.5μm、金(Au)からなる膜を1μm成膜して、反射膜53を形成した。
次に、化合物半導体層の電流拡散層8上にITO膜52及び反射膜53を形成した構造体と、金属基板とを対向して重ね合わせるように配置して減圧装置内に搬入し、400℃で加熱した状態で、500kg重の荷重でそれらを接合して接合構造体を形成した。
次に、接合構造体から、化合物半導体層の成長基板であるGaAs基板と緩衝層とをアンモニア系エッチャントにより選択的に除去し、さらに、エッチングストップ層を塩酸系エッチャントにより選択的に除去した。
次に、真空蒸着法を用いて、コンタクト層上に、AuGeを0.15μmの厚さで成膜した後、Niを0.05μmの厚さで成膜し、さらにAuを1μmの厚さで成膜して、第1の電極用導電膜を形成した。次に、フォトリソグラフィーを用いて、電極用導電膜を平面視円形状にパターニングして、直径100μmで厚さ3μmの第1の電極55を作製した。
次に、第1の電極をマスクとして、アンモニア系エッチャントにより、コンタクト層のうち、第1の電極の下以外の部分をエッチングで除去してコンタクト層56を形成した。
チップに分離する為の切断予定部分の化合物半導体層と反射層、共晶金属を除去し、金属基板をレーザーダイシングにより、350μmピッチで正方形に切断した。
The compound semiconductor layer is formed of Si-doped (Al 0.5 Ga 0.5 ) 0.5 In 0.5 P between the buffer layer and the contact layer, and an etching stop layer having a layer thickness of 0.5 μm. It formed on the same conditions as Example 1 except the point formed.
On the
Next, an
Next, a film made of a silver (Ag) alloy is formed to 0.7 μm on the
Next, the structure in which the
Next, the GaAs substrate, which is a growth substrate for the compound semiconductor layer, and the buffer layer were selectively removed from the bonded structure with an ammonia-based etchant, and the etching stop layer was selectively removed with a hydrochloric acid-based etchant.
Next, using a vacuum deposition method, AuGe is deposited on the contact layer to a thickness of 0.15 μm, Ni is deposited to a thickness of 0.05 μm, and Au is further deposited to a thickness of 1 μm. A first electrode conductive film was formed by film formation. Next, by using photolithography, the electrode conductive film was patterned into a circular shape in plan view, and a
Next, using the first electrode as a mask, the
The compound semiconductor layer, the reflective layer, and the eutectic metal to be cut to be separated into chips were removed, and the metal substrate was cut into squares at a pitch of 350 μm by laser dicing.
この発光ダイオード(発光ダイオードランプ)の特性を評価した結果を表7に示す。
表7に示すように、n型及びp型オーミック電極間に電流を流したところ、ピーク波長920nmとする赤色光が出射された。順方向に20ミリアンペア(mA)の電流を通流した際の順方向電圧(VF)は、化合物半導体層を構成する電流拡散層と機能性基板との接合界面での抵抗の低さ及び各オーミック電極の良好なオーミック特性を反映し、1.2ボルトとなった。順方向電流を20mAとした際の発光出力は、5.9mWであった。
このランプ20個を、60℃、90RH%,20mAで高温高湿通電試験を実施した。1000時間後の、出力残存率の平均は、100%であった。
Table 7 shows the results of evaluating the characteristics of the light emitting diode (light emitting diode lamp).
As shown in Table 7, when a current was passed between the n-type and p-type ohmic electrodes, red light having a peak wavelength of 920 nm was emitted. The forward voltage (V F ) when a current of 20 milliamperes (mA) is passed in the forward direction is low in resistance at the junction interface between the current diffusion layer constituting the compound semiconductor layer and the functional substrate. Reflecting the good ohmic characteristics of the ohmic electrode, it was 1.2 volts. The light emission output when the forward current was 20 mA was 5.9 mW.
Twenty lamps were subjected to a high-temperature and high-humidity energization test at 60 ° C., 90 RH%, 20 mA. The average output remaining rate after 1000 hours was 100%.
(実施例4)
実施例4の発光ダイオードは第1の実施形態の実施例であり、発光ピーク波長を870nmにするべく井戸層のIn組成X1=0.12にしたこと以外は、実施例1と同じ条件で作製した。
この発光ダイオード(発光ダイオードランプ)の特性を評価した結果は表7に示した通りであり、ピーク波長870nmとする赤外光が出射され、発光出力(P0)、順方向電圧(VF)、出力残存率の平均はそれぞれ、6.8mW、1.31V、100%であった。
(Example 4)
The light-emitting diode of Example 4 is an example of the first embodiment, and is manufactured under the same conditions as in Example 1 except that the In composition X1 of the well layer is set to 0.12 so that the emission peak wavelength is 870 nm. did.
The results of evaluating the characteristics of the light emitting diode (light emitting diode lamp) are as shown in Table 7. Infrared light having a peak wavelength of 870 nm is emitted, and the light emission output (P 0 ) and the forward voltage (V F ). The average output residual ratios were 6.8 mW, 1.31 V, and 100%, respectively.
(実施例5)
実施例5の発光ダイオードは第2の実施形態の実施例であり、発光ピーク波長を870nmにするべく井戸層のIn組成X1=0.12にしたこと以外は、実施例2と同じ条件で作製した。
この発光ダイオード(発光ダイオードランプ)の特性を評価した結果は表7に示した通りであり、ピーク波長870nmとする赤外光が出射され、発光出力(P0)、順方向電圧(VF)、出力残存率の平均はそれぞれ、6.1mW、1.3V、100%であった。
(Example 5)
The light-emitting diode of Example 5 is an example of the second embodiment, and is manufactured under the same conditions as Example 2 except that the In composition X1 of the well layer is set to 0.12 so that the emission peak wavelength is 870 nm. did.
The results of evaluating the characteristics of the light emitting diode (light emitting diode lamp) are as shown in Table 7. Infrared light having a peak wavelength of 870 nm is emitted, and the light emission output (P 0 ) and the forward voltage (V F ). The average output residual ratio was 6.1 mW, 1.3 V, and 100%, respectively.
(実施例6)
実施例6の発光ダイオードは第1の実施形態の実施例であり、発光ピーク波長を960nmにするべく井戸層のIn組成X1=0.25にしたこと以外は、実施例1と同じ条件で作製した。
この発光ダイオード(発光ダイオードランプ)の特性を評価した結果は表7に示した通りであり、ピーク波長960nmとする赤外光が出射され、発光出力(P0)、順方向電圧(VF)、出力残存率の平均はそれぞれ、6.5mW、1.2V、99%であった。
(Example 6)
The light-emitting diode of Example 6 is an example of the first embodiment, and is manufactured under the same conditions as Example 1 except that the In composition X1 of the well layer is set to 0.25 so that the emission peak wavelength is 960 nm. did.
The results of evaluating the characteristics of this light emitting diode (light emitting diode lamp) are as shown in Table 7. Infrared light having a peak wavelength of 960 nm is emitted, and the light emission output (P 0 ) and forward voltage (V F ). The average output residual ratio was 6.5 mW, 1.2 V, and 99%, respectively.
(実施例7)
実施例7の発光ダイオードは第2の実施形態の実施例であり、発光ピーク波長を960nmにするべく井戸層のIn組成X1=0.25にしたこと以外は、実施例2と同じ条件で作製した。
この発光ダイオード(発光ダイオードランプ)の特性を評価した結果は表7に示した通りであり、ピーク波長960nmとする赤外光が出射され、発光出力(P0)、順方向電圧(VF)、出力残存率の平均はそれぞれ、5.3mW、1.2V、99%であった。
(Example 7)
The light emitting diode of Example 7 is an example of the second embodiment, and is manufactured under the same conditions as Example 2 except that the In composition X1 of the well layer is set to 0.25 in order to set the emission peak wavelength to 960 nm. did.
The results of evaluating the characteristics of this light emitting diode (light emitting diode lamp) are as shown in Table 7. Infrared light having a peak wavelength of 960 nm is emitted, and the light emission output (P 0 ) and forward voltage (V F ). The average output residual ratio was 5.3 mW, 1.2 V, and 99%, respectively.
(実施例8)
実施例8の発光ダイオードは第1の実施形態の実施例であり、発光ピーク波長を985nmにするべく井戸層のIn組成X1=0.3にしたこと以外は、実施例1と同じ条件で作製した。
この発光ダイオード(発光ダイオードランプ)の特性を評価した結果は表7に示した通りであり、ピーク波長985nmとする赤外光が出射され、発光出力(P0)、順方向電圧(VF)、出力残存率の平均はそれぞれ、5.0mW、1.2V、99%であった。
(Example 8)
The light-emitting diode of Example 8 is an example of the first embodiment, and is manufactured under the same conditions as in Example 1 except that the In composition X1 of the well layer is set to 0.3 so that the emission peak wavelength is 985 nm. did.
The results of evaluating the characteristics of the light emitting diode (light emitting diode lamp) are as shown in Table 7. Infrared light having a peak wavelength of 985 nm is emitted, and the light emission output (P 0 ) and forward voltage (V F ). The average output residual ratio was 5.0 mW, 1.2 V, and 99%, respectively.
(実施例9)
実施例9の発光ダイオードは第2の実施形態の実施例であり、発光ピーク波長を985nmにするべく井戸層のIn組成X1=0.3にしたこと以外は、実施例2と同じ条件で作製した。
この発光ダイオード(発光ダイオードランプ)の特性を評価した結果は表7に示した通りであり、ピーク波長985nmとする赤外光が出射され、発光出力(P0)、順方向電圧(VF)、出力残存率の平均はそれぞれ、3.8mW、1.2V、99%であった。
Example 9
The light-emitting diode of Example 9 is an example of the second embodiment, and is manufactured under the same conditions as Example 2 except that the In composition X1 of the well layer is set to 0.3 so that the emission peak wavelength is 985 nm. did.
The results of evaluating the characteristics of the light emitting diode (light emitting diode lamp) are as shown in Table 7. Infrared light having a peak wavelength of 985 nm is emitted, and the light emission output (P 0 ) and forward voltage (V F ). The average output residual ratio was 3.8 mW, 1.2 V, and 99%, respectively.
(実施例10)
実施例10の発光ダイオードは第1の実施形態の実施例であり、バリア層をアンドープで層厚が約10nmの(Al0.1Ga0.9 )0.55 In0.45Pとしたこと、また、井戸層とバリア層とを交互に5対積層したこと以外は、実施例1と同じ条件で作製した。
この発光ダイオード(発光ダイオードランプ)の特性を評価した結果は表7に示した通りであり、ピーク波長920nmとする赤外光が出射され、発光出力(P0)、順方向電圧(VF)、出力残存率の平均はそれぞれ、7.0mW、1.24V、99%であった。
(Example 10)
The light-emitting diode of Example 10 is an example of the first embodiment, and the barrier layer is undoped and has a thickness of about 10 nm of (Al 0.1 Ga 0.9 ) 0.55 In 0.45 P. Moreover, it was produced under the same conditions as in Example 1 except that five pairs of well layers and barrier layers were alternately laminated.
The results of evaluating the characteristics of this light emitting diode (light emitting diode lamp) are as shown in Table 7. Infrared light having a peak wavelength of 920 nm is emitted, and the light emission output (P 0 ) and forward voltage (V F ). The average output residual ratio was 7.0 mW, 1.24 V, and 99%, respectively.
(比較例1)
比較例1の発光ダイオードは、従来技術である液相エピタキシャル法で形成した。GaAs基板にAl0.01Ga0.99Asを発光層とするダブルヘテロ構造の発光部を有する発光ダイオードに変更したものである。
(Comparative Example 1)
The light emitting diode of Comparative Example 1 was formed by a liquid phase epitaxial method which is a conventional technique. This is a light emitting diode having a double heterostructure light emitting portion having a light emitting layer of Al 0.01 Ga 0.99 As on a GaAs substrate.
比較例1の発光ダイオードの作製は、具体的には、n型の(100)面のGaAs単結晶基板に、界面の組成をAl0.2Ga0.8Asのn型上部クラッド層を50μm、Al0.03Ga0.97AsからなるSiドープの発光層を20μm、Al0.1Ga0.9Asからなるp型の下部クラッド層を20μm、発光波長に対して透明なAl0.25Ga0.75Asからなるp型の厚膜層を60μmとなるように液相エピタキシャル方法によって作製した。このエピタキシャル成長後にGaAs基板を除去した。次に、n型AlGaAs上部クラッド層の表面に直径100μmのn型オーミック電極を形成した。次に、p型AlGaAs厚膜層の裏面に直径20μmのp型オーミック電極を80μm間隔に形成し、420℃で、5分間熱処理し、p、nオーミック電極を合金化処理した。次に、ダイシングソーにより350μm間隔で切断した後、破砕層をエッチング除去し、高出力化の為、表面を粗面化処理して比較例1の発光ダイオードチップを作製した。 Specifically, the light-emitting diode of Comparative Example 1 was prepared by forming an n-type (100) GaAs single crystal substrate with an n-type upper cladding layer having an interface composition of Al 0.2 Ga 0.8 As of 50 μm. 20 μm of Si-doped light-emitting layer made of Al 0.03 Ga 0.97 As, 20 μm of p-type lower cladding layer made of Al 0.1 Ga 0.9 As, transparent to the emission wavelength . A p-type thick film layer made of 25 Ga 0.75 As was prepared by a liquid phase epitaxial method so as to be 60 μm. After this epitaxial growth, the GaAs substrate was removed. Next, an n-type ohmic electrode having a diameter of 100 μm was formed on the surface of the n-type AlGaAs upper cladding layer. Next, p-type ohmic electrodes having a diameter of 20 μm were formed on the back surface of the p-type AlGaAs thick film layer at intervals of 80 μm and heat-treated at 420 ° C. for 5 minutes to alloy the p and n ohmic electrodes. Next, after cutting with a dicing saw at an interval of 350 μm, the crushed layer was removed by etching, and the surface was roughened for high output to produce a light emitting diode chip of Comparative Example 1.
比較例1の発光ダイオードを実装した発光ダイオードランプの特性を評価した結果を表7に示す。
表7に示すように、n型及びp型オーミック電極間に電流を流したところ、ピーク波長を920nmとする赤外光が出射された。また、順方向に20ミリアンペア(mA)の電流を通流した際の順方向電圧(VF)は、約1.2ボルト(V)となった。また、順方向電流を20mAとした際の発光出力は、2mWであった。また、比較例1のいずれのサンプルについても、本発明の実施例に比べて出力が低かった。更に、温度60℃、湿度90%の高温高湿環境下で、通電試験(20mA通電)を500時間実施し、発光出力の残存率を測定した結果を表1に示す。出力低下の原因は、AlGaAs表面の腐食により、光の吸収が増加した為と考えられる。
また、実施例と同様に、このランプ100個を、60℃、90RH%,20mAで高温高湿通電試験を実施した。500時間後の出力残存率の平均は実験開始時に比べて14%も低下し、1%以内の低下に過ぎなかった実施例に比べて大きく低下した。
Table 7 shows the results of evaluating the characteristics of the light-emitting diode lamp on which the light-emitting diode of Comparative Example 1 was mounted.
As shown in Table 7, when current was passed between the n-type and p-type ohmic electrodes, infrared light having a peak wavelength of 920 nm was emitted. The forward voltage (V F ) when a current of 20 mA (mA) was passed in the forward direction was about 1.2 volts (V). The light emission output when the forward current was 20 mA was 2 mW. Moreover, the output of any sample of Comparative Example 1 was lower than that of the example of the present invention. Further, Table 1 shows the results of conducting a current test (20 mA power supply) for 500 hours in a high temperature and high humidity environment at a temperature of 60 ° C. and a humidity of 90%, and measuring the residual rate of light emission output. The cause of the decrease in output is thought to be that light absorption increased due to corrosion of the AlGaAs surface.
Further, as in the example, 100 lamps were subjected to a high-temperature and high-humidity energization test at 60 ° C., 90 RH%, 20 mA. The average of the remaining power after 500 hours was 14% lower than that at the start of the experiment, and was significantly lower than that of the example in which the decrease was only within 1%.
本発明の発光ダイオードは高出力・高効率で850nm以上、特に900nm以上の発光ピーク波長の赤外光を発光する発光ダイオード製品として利用できる。 The light-emitting diode of the present invention can be used as a light-emitting diode product that emits infrared light having an emission peak wavelength of 850 nm or more, particularly 900 nm or more with high output and high efficiency.
1・・・発光ダイオード
2・・・化合物半導体層
3・・・機能性基板
3a・・・垂直面
3b・・・傾斜面
4・・・n型オーミック電極(第1の電極)
5・・・p型オーミック電極(第2の電極)
6・・・第3の電極
7・・・発光部
8・・・電流拡散層
9・・・下部クラッド層(第1のクラッド層)
10・・・下部ガイド層
11・・・活性層
12・・・上部ガイド層
13・・・上部クラッド層(第2のクラッド層)
14・・・GaAs基板
15・・・緩衝層
16・・・コンタクト層
17・・・井戸層
18・・・バリア層
20・・・発光ダイオード
21・・・電極
22・・・透明導電膜
23・・・反射面
25・・・ボンディング電極
30・・・シリコン基板
31・・・機能性基板
α・・・傾斜面と発光面に平行な面とのなす角度
50・・・金属基板
51・・・機能性基板
52・・・透明導電膜
53・・・反射層
55・・・第1の電極
56・・・コンタクト層
57・・・第2の電極
DESCRIPTION OF
5 ... p-type ohmic electrode (second electrode)
6 ...
10 ... Lower guide layer
DESCRIPTION OF
14 ...
17 ... Well
Claims (17)
前記発光部上に形成された電流拡散層と、
前記電流拡散層に接合された機能性基板と、を備え、
前記第1及び第2のクラッド層が組成式(AlX4Ga1−X4)Y3In1−Y3P(0.3≦X4≦0.7,0.4<Y3≦0.6)からなり、
前記各層の成長後、前記GaAs基板は除去され、
発光波長が900nm以上、985nm以下であることを特徴とする発光ダイオード。 Grown on GaAs substrate used as a growth substrate, the composition formula (In X1 Ga 1-X1) As (0.1 ≦ X1 ≦ 0.3) consisting of a well layer and the composition formula (Al X2 Ga 1-X2 ) An active layer having a quantum well structure in which barrier layers made of Y1 In 1-Y1 P (0 ≦ X2 ≦ 0.2 , 0.5 <Y1 ≦ 0.7 ) are alternately stacked, and the active layer interposed therebetween. A first guide and a second guide having a composition formula (Al X3 Ga 1-X3 ) Y2 In 1-Y2 P ( 0.2 ≦ X3 ≦ 0.5 , 0.4 <Y2 ≦ 0.6 ); A light emitting unit having a first clad layer and a second clad layer sandwiching the active layer via each of the first guide and the second guide;
A current spreading layer formed on the light emitting part;
A functional substrate bonded to the current spreading layer,
Said first and second cladding layer composition formula (Al X4 Ga 1-X4) Y3 In 1-Y3 P (0.3 ≦ X4 ≦ 0.7, 0.4 <Y3 ≦ 0.6) consists,
After the growth of each layer, the GaAs substrate is removed,
A light emitting diode having an emission wavelength of 900 nm or more and 985 nm or less.
前記発光部上に形成された電流拡散層と、
前記発光部に対向して配置され、発光波長に対して90%以上の反射率を有する反射層を含み、前記電流拡散層に接合された機能性基板と、を備え、
前記第1及び第2のクラッド層が組成式(AlX4Ga1−X4)Y3In1−Y3P(0.3≦X4≦0.7,0.4<Y3≦0.6)からなり、
前記各層の成長後、前記GaAs基板は除去され、
発光波長が900nm以上、985nm以下であることを特徴とする発光ダイオード。 Grown on GaAs substrate used as a growth substrate, the composition formula (In X1 Ga 1-X1) As (0.1 ≦ X1 ≦ 0.3) consisting of a well layer and the composition formula (Al X2 Ga 1-X2 ) An active layer having a quantum well structure in which barrier layers made of Y1 In 1-Y1 P (0 ≦ X2 ≦ 0.2 , 0.5 <Y1 ≦ 0.7 ) are alternately stacked, and the active layer interposed therebetween. A first guide and a second guide having a composition formula (Al X3 Ga 1-X3 ) Y2 In 1-Y2 P ( 0.2 ≦ X3 ≦ 0.5 , 0.4 <Y2 ≦ 0.6 ); A light emitting unit having a first clad layer and a second clad layer sandwiching the active layer via each of the first guide and the second guide;
A current spreading layer formed on the light emitting part;
A functional substrate disposed opposite to the light emitting portion and including a reflective layer having a reflectance of 90% or more with respect to an emission wavelength, and a functional substrate bonded to the current diffusion layer,
Said first and second cladding layer composition formula (Al X4 Ga 1-X4) Y3 In 1-Y3 P (0.3 ≦ X4 ≦ 0.7, 0.4 <Y3 ≦ 0.6) consists,
After the growth of each layer, the GaAs substrate is removed,
A light emitting diode having an emission wavelength of 900 nm or more and 985 nm or less.
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