JP7432024B2 - 赤外線発光ダイオード - Google Patents

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Description

本発明は、半導体光電子技術領域に関し、より具体的には、赤外線発光ダイオードに関する。
赤外線発光ダイオードは、赤外線を発するダイオードであり、セキュリティ監視、ウェアラブルデバイス、赤外線通信、赤外線遠隔操縦装置、センサー用光源及び夜間照明などの領域、特に気体検出に応用されている。フリップ技術は、発光効率を上げ、熱放散性能を上げ、パッケージの信頼性及び歩留まりを上げる利点があるので、フリップ技術は重要なチップ技術である。
一般の赤外線の三元エピタキシャルシステムにおいて、ｐ型半導体層は、一般的にｐ型ＡｌＧａＡｓ材料である。現行のフリップボンディング技術で作ると、透明ボンディング層のＳｉＯ２材料とエピタキシャルＡｌＧａＡｓ材料との付着度が悪く、基材を外した後、エピタキシャル層が透明ボンディング層から脱落しやすく、ボンディングの歩留まりが非常に低くなり、ひいてはボンディングすら実現できない。また、赤外線の三元エピタキシャルシステムのメサエッチには、ウェットエッチング方法を使用することが必要である。しかし、今の赤光フリップ生産で使用されているのはドライエッチング方法であり、これは適用できない。赤外線のエピタキシャル層の組成が変わらない状況において、今の赤外線フリップ生産の製造を実現できない。
上記の問題点を鑑みて、本発明は、赤光エピタキシャル構造中の活性層を赤外線エピタキシャル構造の活性層に変えることにより、他のエピタキシャル構造には赤光のエピタキシャル構造を適用し、今のフリップ生産のステップを変える必要がなく、赤外線フリップ生産を実現でき、一定の実用性を有する。
上記の目的を実現するために、本発明は、半導体発光シリーズを備え、該半導体発光シリーズは、井戸層及び障壁層が交互に積層された量子井戸構造の活性層と、前記活性層を挟む第１の導波層及び第２の導波層と、前記第１の導波層及び第２の導波層を隔てて前記活性層を挟む第１のカバー層及び第２のカバー層と、を有し、前記第１の導波層及び第２の導波層は、組成式が(ＡｌＸ３Ｇａ１－Ｘ３)Ｙ１Ｉｎ１－Ｙ１Ｐの化合物半導体により組成される（式中０≦Ｘ３≦１、０＜Ｙ１≦１である）ことを特徴とする赤外線発光ダイオードを提供する。
好ましくは、前記井戸層は、組成式が(ＩｎＸ１Ｇａ１－Ｘ１)Ａｓの化合物半導体により構成され、障壁層は、組成式が(ＡｌＸ２Ｇａ１－Ｘ２)Ａｓの化合物半導体により構成され、式中０≦Ｘ１≦１、０≦Ｘ２≦１である。
好ましくは、前記第１のカバー層及び第２のカバー層は、組成式が(ＡｌＸ４Ｇａ１－
Ｘ４)Ｙ２Ｉｎ１－Ｙ２Ｐの化合物半導体により組成され、式中０≦Ｘ４≦１、０＜Ｙ２
≦１である。
好ましくは、前記半導体発光シリーズ上にある電流拡散層を更に備え、前記電流拡散層は、ＧａＰである。
好ましくは、前記電流拡散層と接合する透明基板を更に備える。
好ましくは、前記井戸層及び障壁層のペア数は、１０ペア以下、１ペア以上である。
好ましくは、前記井戸層数におけるＩｎの組成にあるＸ１は、０．１≦Ｘ１≦０．３に設定される。
好ましくは、前記井戸層の厚さは、４～１５ｎｍである。
好ましくは、前記透明基板は、ＧａＰ、サファイアまたはＳｉＣにより構成される。
好ましくは、前記半導体発光シリーズが射出する光の波長は、６８０～１１００ｎｍである。
好ましくは、前記電流拡散層の厚さは、３～１０μｍである。
好ましくは、前記電流拡散層の表面は粗面化されて、粗面が形成されていて、該粗面の粗さは、１００～３００ｎｍである。
好ましくは、前記粗面に透明ボンディング層を蒸着し、前記透明基板は、該透明ボンディング層を介して前記電流拡散層にボンディングされている。
好ましくは、前記透明ボンディング層の材料は、ＳｉＯ２であり、その厚さは、１～５μｍである。
好ましくは、前記第１の導波層及び第２の導波層におけるＡｌの組成にあるＸ３は、０．２≦Ｘ３≦０．８、０．３≦Ｙ１≦０．７に設定される。
好ましくは、前記第１のカバー層及び第２のカバー層におけるＡｌの組成にあるＸ４は、０．２≦Ｘ４≦０．８、０．３≦Ｙ１≦０．７に設定される。
好ましくは、主要出光面が、前記透明基板の電流拡散層と接合する面の反対側の面である。
好ましくは、第１の電極及び第２の電極を更に含み、前記第１の電極及び第２の電極は、発光ダイオードの主要出光面の反対側の面に設置される。
好ましくは、前記第１の電極及び第２の電極は、オーミック電極である。
本発明は、取付基板と、前記取付基板に取り付けられている少なくとも１つの発光ダイオードとを含む発光ダイオードパッケージにおいて、少なくとも１つのまたは複数のまたは全部の前記発光ダイオードが、上記の発光ダイオードである発光ダイオードパッケージを同時に提供する。
本発明は、上記の発光ダイオードを備える発光装置を提供する。
本発明は、上記の発光ダイオードを備える遠隔操縦装置を提供する。
上記のように、本発明で設計された発光ダイオードは、以下の有益な効果を含む。
赤光エピタキシャルシステム中の活性層部分を赤外線エピタキシャルシステムのＩｎＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ材料に変えることにより、従来のフリップ生産のステップを変えない状況で、赤外線発光ダイオードのフリップ生産を実現できる。
本発明の実施例１の発光ダイオードの断面説明図である。 本発明の実施例１の発光ダイオードの活性層の説明図である。 本発明の実施例１の発光ダイオードに使用するエピタキシャルチップの断面説明図である。 本発明の実施例１の発光ダイオードに使用するボンディングチップの断面説明図である。 本発明の実施例１の発光ダイオードを使用して形成されたパッケージの構造説明図である。
以下、特定の具体実施例で本発明の実施方式について詳しく説明する。本領域の技術者は本明細書に開示されている内容により簡単に本発明の他のメリット及び機能を理解できる。本発明は、他の異なる具体的な実施例により実施または応用できる。本明細書の各細部内容も異なる角度及び応用により、本発明の精神に反しない状況で各修飾及び変化を行える。
説明すべきなのは、本実施例に提供した図面は、要旨を表示する方法で本発明の基本構想を説明するものであり、即ち図面には、実際に実施する時の構成要件の数、形状、寸法に基づいて描いたものではなく、本発明に関わる構成要件のみを表すものである。実際に実施する時の各構成要件の形態、数量、比率は適宜に変更でき、構成要件の構成形態もより複雑であり得る。
実施例１
本発明は、図１に示す断面説明図のように、透明基板００１、透明ボンディング層００２、電流拡散層００３、下部カバー層００４、下部導波層００５、活性層００６、上部導波層００７、上部カバー層００８、第１の電極００９、第２の電極０１０による積重ね層を含む発光ダイオード１０を提供する。
以下、各構造積重ね層について詳しく説明する。
エピタキシャル成長層とも称する化合物半導体層１は、図３に示されるように、ＰＮ接合型の半導体発光シリーズ２及び電流拡散層００３が順次に積層された構造を有する。該化合物半導体層１の構造においては、他の周知の機能層を含み、例えば、オーミック電極の接触抵抗を低減するための接触層、発光ダイオードの駆動電流を平面全体内に拡散させるためのｎ型電流拡散層、が挙げられる。更に、化合物半導体層１は、ＧａＡｓ基板にエピタキシャル成長により形成される層であることが好ましい。
本実施例における主要出光面は、前記透明基板００１の電流拡散層００３と接合する面の反対側の面である。
透明基板００１は、透明ボンディング層００２を介して化合物半導体層１の主要の光取出し面と反対する面にボンディングされている。本実施例における透明ボンディング層は、ＳｉＯ２材料であり、蒸着により電流拡散層００３に透明ボンディング層００２が形成
されている。該透明基板００１は、半導体発光シリーズ２を機械的に支持する十分な強度を有し、且つ半導体発光シリーズ２から射出する光が透過することができ、活性層００６からの発光波長に対して光学的に透明な材料により構成されたものである。なお、耐湿性が優れる化学的に安定した材料が好ましく、例えば、腐食されやすいＡｌなどを含まない材料を採用することが好ましい。
透明基板００１は、熱膨張率係数が半導体発光シリーズ２に近く、耐湿性が優れる基板であり、伝熱性能が良好なＧａＰ、ＳｉＣまたはサファイア基材は好ましい。十分な機械強度で半導体発光シリーズ２を支持できるように、透明基板の厚さは５０μｍ以上であることが好ましい。なお、化合物半導体層１にボンディングした後に透明基板００１を機械的に加工しやすいようにするために、厚さは３００μｍを超えないことが好ましい。本実施例において、透明基板００１は、サファイア基板である。
半導体発光シリーズ２は、図１に示されるように、電流拡散層００３に少なくとも順次にｐ型の下部カバー層（第１のカバー層）００４、下部導波層００５、活性層００６、上部導波層００７、ｎ型の上部カバー層（第２のカバー層）００８を積層することにより構成される。高強度の発光を得るために、半導体発光シリーズ２は、電荷担体が活性層００６内で発光するよう制限するための、活性層００６の下側及び上側で向かい合うように配置される下部カバー層００４及び下部導波層００５と、上部導波層００７及び上部カバー層００８とのダブルヘテロ接合構造を含むように形成されることが好ましい。
活性層００６は、図２に示されるように、発光ダイオードの発光波長を調整するために、量子井戸構造を形成する。即ち、活性層００６は、両端に障壁層０１２、井戸層０１１及び障壁層０１２の多層構造を有する。１層の井戸層０１１及び１層の障壁層０１２の１対をペア層とする場合、ペア層数が５対である量子井戸構造は、５層の井戸層０１１及び６層の障壁層０１２により構成される。
活性層００６の厚さは、０．０２～２μｍの範囲にあることが好ましい。活性層００６の伝導タイプは特に限定されず、ドーピングなし、ｐ型、ｎ型のいずれも選択できる。発光効率を上げるために、結晶性が良好なドーピングなしまたは電荷担体濃度が３*１０１
７ｃｍ－３より低いものが好ましい。活性層００６の結晶性の向上により、エピタキシャル成長の欠陥が低減して、エピタキシャル欠陥における光の吸収を抑え、発光効率が向上する。
井戸層０１１は、組成式がＩｎＸ１Ｇａ１－Ｘ１Ａｓ(０≦Ｘ１≦１)の化合物半導体により構成される。Ｉｎの組成は、０．１≦Ｘ１≦０．３が好ましい。井戸層０１１のＩｎの組成Ｘ１を該範囲に設定することにより、発光ダイオードの発光波長が６８０～１１００ｎｍの範囲内にあることを実現できる。井戸層０１１の厚さが一定の場合、井戸層０１１のＩｎの組成（Ｘ１）が高いほど、発光波長が長い。
井戸層０１１の厚さは、３～３０ｎｍの範囲がより適合であり、４～１５ｎｍの範囲が好ましい。
障壁層０１２は、組成式が(ＡｌＸ２Ｇａ１－Ｘ２)Ａｓ(０≦Ｘ２≦１)の化合物半導体により構成される。障壁層０１２における光の吸収を防止するために、障壁層０１２は、バンドギャップが井戸層より大きい。なお、障壁層０１２を結晶性の角度から見ると、Ａｌの濃度が低いことが好ましい。従って、障壁層０１２のＡｌの組成は、０．０５～０．５の組成が好ましい。
障壁層０１２の厚さは、井戸層０１１の厚さと同じかまたはそれより厚いことが好まし
い。障壁層０１２の厚さを、トンネル効果が生じる範囲内で十分に厚くすることにより、トンネル効果による井戸層０１１の結合と拡散の制限の両方に配慮でき、電荷担体の封入効果が増え、電子と正孔の発光再結合の確率が大きくなり、発光効率が向上できる。
本発明の発光ダイオードにおいて、井戸層０１１と障壁層０１２との多層構造中、井戸層０１１と障壁層０１２とが交互に積層するペア層数は１０ペア層以下であるが、１ペア層でもよい。即ち、活性層００６に０～１０層の井戸層０１１を含むことが好ましい。多重量子井戸構造の活性層の場合、量子井戸層の数が少ないほど、電子と正孔が封入されるエリアが狭くなって、電子と正孔の発光再結合の確率が大きくなり、また、井戸層０１１と障壁層０１２との間に格子不整合が存在するので、ペア層数が多すぎると、結晶欠陥が生じて、発光効率が低下する。従って、井戸層０１１及び障壁層０１２のペア層数は、１０ペア以下が好ましい。
活性層００６と下部カバー層００４または上部カバー層００８との結合面積は、２００００～９００００μｍ２であることが好ましい。
下部導波層００５と上部導波層００７とのそれぞれは、活性層００６の下面と上面とに設置されている。具体的には、活性層００６の下面に下部引導層００５が設置されており、活性層００６の上面に上部引導層００７が設置されている。
下部引導層００５及び上部引導層００７は、（ＡｌＸ３Ｇａ１－Ｘ３）Ｙ１Ｉｎ１－Ｙ１Ｐ（０≦Ｘ３≦１、０＜Ｙ１≦１）の化合物半導体により組成され、式中Ａｌの組成Ｘ３は、バンドギャップが障壁層と相当またはより大きい組成が好ましく、０．２～０．８の範囲が好ましく、Ｙ１は０．３～０．７の範囲が好ましい。
下部引導層００５及び上部引導層００７は、活性層００６と下部カバー層００４及び上部カバー層００８との間の欠陥の拡大を低減させるために設置される。下部導波層００５及び上部導波層００７の厚さは、１０ｎｍ以上が好ましく、２０ｎｍ～１００ｎｍがより好ましい。
下部導波層００５及び上部導波層００７の伝導タイプは特に限定されず、ドーピングなし、ｐ型、ｎ型のいずれも選択できる。発光効率を上げるために、結晶性が良好なドーピングなしまたは電荷担体濃度が３*１０１７ｃｍ－３より低いものが好ましい。
下部カバー層００４及び上部カバー層００８は、図１に示されるように、それぞれが下部導波層００５の下面と上部導波層００７の上面とに設置されている。下部カバー層００４及び上部カバー層００８は、（ＡｌＸ４Ｇａ１－Ｘ４）Ｙ２Ｉｎ１－Ｙ２Ｐ（０≦Ｘ４≦１、０＜Ｙ２≦１）の化合物半導体により構成され、バンドギャップが障壁層より大きい材料が好ましく、バンドギャップが下部導波層００４及び上部導波層００６より大きい材料がより好ましい。上記の条件を満足するために、（ＡｌＸ４Ｇａ１－Ｘ４）Ｙ２Ｉｎ１－Ｙ２ＰのＡｌの組成Ｘ４は０．２～０．８の組成を有することが好ましい。また、Ｙ２は０．３～０．７が好ましい。Ｘ４はカバー層として機能を発揮し、且つ、発光波長に対して透明となる範囲で選択する。カバー層は厚膜なので、基板の格子整合の角度から見ると、Ｙ２は、結晶生長が良好に進行できる範囲が好ましい。
下部カバー層００４及び上部カバー層００８は、極性が異なるように組成される。下部カバー層００４及び上部カバー層００８の電荷担体濃度及び厚さは、周知の適合の範囲を採用することができ、条件を最適化することが好ましく、それにより活性層００６の発光効率が向上できる。また、下部カバー層００４及び上部カバー層００８の組成を制御することにより、化合物半導体層１の反りを低減させることができる。
具体的には、下部カバー層００４として、例えばＭｇがドーピングされたｐ型の(Ａｌ
Ｘ４ａＧａ１－Ｘ４ａ)Ｙ２ａＩｎ１－Ｙ２ａＰ(０．２≦Ｘ４ａ≦０．８、０．３＜Ｙ２ａ≦０．７)により構成された半導体材料を使用することが好ましい。また、電荷担体濃
度は、７＊１０１７～３＊１０１８ｃｍ－３の範囲が好ましく、厚さは、０．１～１μｍの範囲が好ましい。
一方、上部カバー層００８として、例えばＳｉがドーピングされたｎ型の(ＡｌＸ４ｂ
Ｇａ１－Ｘ４ｂ)Ｙ２ｂＩｎ１－Ｙ２ｂＰ(０．２≦Ｘ４ｂ≦０．８、０．３＜Ｙ２ｂ≦０．７)により構成された半導体材料を使用することが好ましい。また、電荷担体濃度は、
７＊１０１７～３＊１０１８ｃｍ－３の範囲が好ましく、厚さは、０．１～１μｍの範囲が好ましい。
下部カバー層００４及び上部カバー層００８の極性は、結合する化合物半導体のデバイス構造に応じて選択できる。
また、半導体発光シリーズ２の構成層の上方には、オーミック電極の接触抵抗を低減するための接触層、デバイス駆動電流を半導体発光シリーズ全体に平面的に拡散させるための電流拡散層、その反対にデバイス駆動電流の流通エリアを制限する電流阻止層などの周知の層構造を設置できる。
電流拡散層００３は、半導体発光シリーズ２の下方に設置され、該電流拡散層００３は、化合物半導体層１がＧａＡｓ基板でエピタキシャル成長する時活性層００６による応力変形を低減できる。
電流拡散層００３は、活性層００６からの発光波長に対して光学的に透明な材料を応用でき、例えばＧａＰである。電流拡散層００３の厚さは、３～１０μｍの範囲が好ましい。電流拡散層００３の厚さが３μｍより小さいと、電流の拡散が不充分になり、電流拡散層００３の厚さが１０μｍより大きいと、発光ダイオードの製造コストが増える。
電流拡散層００３は、溶液エッチングの方法で粗面化され、粗面化後に不規則な錐状表面が形成される。蒸着の方法で粗面に透明ボンディング層００２を形成する。電流拡散層００３の粗面化により、粗面化処理後、電流拡散層００３と透明ボンディング層００２とのボンディング効果が向上する。本実施例において、透明ボンディング層は、ＳｉＯ２であり、厚さが１～５μｍである。化合物半導体層１は、透明ボンディング層００２を介して透明基板００１にボンディングされた。
第１の電極００９及び第２の電極０１０は、発光ダイオードの主要出光面の反対側の面に設置される。前記第１の電極及び第２の電極は、オーミック電極である。第１の電極（ｎ型オーミック電極）は、上部カバー層００８の上方に設置され、例えばＡｕＧｅ、Ｎｉ合金／Ａｕで形成された合金を使用できる。また、第２の電極（ｐ型オーミック電極）は、露出した電流拡散層００３の表面に、ＡｕＢｅ／Ａｕ、またはＡｕＺｎ／Ａｕで形成された合金を使用できる。
本実施例の発光ダイオードにおいて、第２の電極とするｐ型オーミック電極０１０を電流拡散層００３に形成することが好ましい。即ち、ｐ型ＧａＰにより構成された電流拡散層に、良好なオーミック接触を得られるので、動作電圧を低減できる。
以下、実施例１に述べた発光ダイオードの製造方法を説明する。
先ず、図３に示されるように、生長基板であるＧａＡｓ基板０１３に化合物半導体層１を形成する。該化合物半導体層１には、ＧａＡｓにより構成された緩衝層０１４、選択エッチングに使用するために設置された腐食停止層０１５、Ｓｉがドーピングされたｎ型の(ＡｌＸ５Ｇａ１－Ｘ５)Ｙ３Ｉｎ１－Ｙ３Ｐ(０≦Ｘ５≦１、０＜Ｙ３≦１)により構成された接触層０１６、ｎ型の上部カバー層００８、上部導波層００７、活性層００６、下部導波層００５、ｐ型の下部カバー層００４、Ｍｇがドーピングされたｐ型ＧａＰにより構成された電流拡散層００３が順次に積層される。
ＧａＡｓ基板０１３は、周知の製造方法で製造された市販の単結晶基板を使用することができる。ＧａＡｓ基板０１３のエピタキシャル成長を行う表面は、平滑のものが好ましい。品質の安定性から見ると、ＧａＡｓ基板０１３の表面の面配向が、エピタキシャル成長しやすく、且つ量産された（１００）面及び（１００）から±２０°以内でずれた基板は好ましい。ＧａＡｓ基板０１３の面配向の範囲は、（１００）方向から（０－１－１）方向に１５°±５°ずれることがより好ましい。
ＧａＡｓ基板０１３に成長した化合物半導体の結晶の質を向上させるために、ＧａＡｓ基板０１３は転位密度が低いものが好ましい。具体的には、例えば、１００００個ｃｍ－２以下が望ましく、１０００個ｃｍ－２以下が好ましい。ＧａＡｓ基板は、ｎ型のもので、一般的にＳｉがドーピングされ、電荷担体濃度が１＊１０１７～５＊１０１８ｃｍ－３の範囲が好ましい。
ＧａＡｓ基板０１３の厚さは、基板の寸法に応じて適宜の範囲を有する。ＧａＡｓ基板０１３の厚さが比較的に薄いと、化合物半導体の製造過程において破裂が生じやすい。一方、ＧａＡｓ基板０１３の厚さが厚すぎると、材料のコストが増える。従って、ＧａＡｓ基板０１３の寸法が大きい場合、例えば直径が７５ｍｍである場合、製造過程での破裂を防止するために、ＧａＡｓ基板０１３の厚さは、２５０～５００μｍが好ましい。同じく、直径が５０ｍｍである場合、２００～４００μｍが好ましく、直径が１００ｍｍである場合、３５０～６００μｍが好ましい。
ＧａＡｓ基板０１３の基板寸法に応じて基板を厚くすることにより、活性層００６による化合物半導体層１の反りを低減させることができる。エピタキシャル成長中の温度分布が均一になるので、活性層の面内の波長分布の均一性が向上できる。
緩衝層０１４は、ＧａＡｓ基板０１３及び半導体発光シリーズ２の構成層の欠陥の拡散を低減するために設置される。緩衝層０１４の材料は、エピタキシャル成長を行う基板と同じ材料が好ましい。従って、本実施例において、緩衝層０１４は、ＧａＡｓ基板０１３と同じ材料のＧａＡｓである。なお、欠陥の拡大を低減するために、緩衝層０１４は、ＧａＡｓ基板０１３と異なる材料により構成された多層膜を使用することもできる。緩衝層０１４の厚さは、０．１μｍ以上が好ましく、０．２μｍ以上が好ましい。
接触層０１６は、電極との接触抵抗を低減するために設置される。接触層０１６の材料は、バンドギャップが活性層００６より大きい材料が好ましく、ＡｌＧａＩｎＰをうまく使用できる。また、接触層０１６の電荷担体濃度の下限値は、電極との接触抵抗を低減するために５＊１０１７ｃｍ－３以上が好ましく、１＊１０１８ｃｍ－３以上がより好ましい。電荷担体濃度の上限値は、結晶性の低下を引き起こしやすくなる２＊１０１９ｃｍ－３以下が好ましい。接触層０１６の厚さは、０．５μｍ以上が好ましく、１μｍ以上がより好ましい。接触層０１６の厚さの上限値は特に限定せず、エピタキシャル成長のコストを適宜の範囲内に設定するために５μｍ以下が好ましい。
そして、図４に示されるように、溶液エッチングの方法で、化合物半導体層１の電流拡
散層００３の表面を粗面化して、粗面を形成する。粗面の表面に透明ボンディング層００２を蒸着する。本実施例において、透明ボンディング層の材料は、ＳｉＯ２であり、厚さは２μｍである。前記透明ボンディング層００２は、堆積された後、仕上げ磨き処理を経て、平坦面に形成される。上記の構造を透明基板００１にボンディングする。本実施例において、前記透明基板００１は、サファイア基板である。
エピタキシャル成長基材ＧａＡｓ基板０１３と緩衝層０１４及び腐食停止層０１５は、薄化、化学腐食除去を経て、接触層０１６を露出し、接触層０１６上に第１の電極００９を製造する。接触層０１６、上部カバー層００８、上部引導層００７、活性層００６、下部引導層００５、ｐ型の下部カバー層００４の規定範囲に対して選択的にエッチング除去を行い、電流拡散層００３を露出させ、該露出した電流拡散層００３上に第２の電極０１０を製造する。
最後に、透明基板を研磨して薄化し、レーザー切断により独立の発光ダイオードを形成した。
また、本発明は、図５に示されるパッケージを同時に提供する。少なくとも１つの本発明実施例１の発光ダイオードを取付基板３０に取り付ける。取付基板３０は絶縁性基板であり、取付基板３０の一方の表面には、電気的に隔離された第１の電極端子３０１及び第２の電極端子３０２を有する。発光ダイオード１０は、取付基板３０の一方の表面に位置し、発光ダイオード１０の第１の電極００９及び第２の電極０１０のそれぞれは、第１の結合部３０３及び第２の結合部３０４を介して、第１の電極端子３０１及び第２の電極端子３０２に連接される。第１の結合部３０３及び第２の結合部３０４は、溶接材料、例えば共晶溶接材料またはリフロー溶接材料を含むが、それらに限らない。
具体的な実施例を用いて本発明の効果を説明するが、本発明は以下の実施例に限定されない。
本実施例においては、本発明で設計された発光ダイオードの例を具体的に説明する。本実施例で製造された発光ダイオードは、ＩｎＧａＡｓ構成の井戸層及びＡｌＧａＡｓ構成の障壁層の量子井戸構造で構成された活性層を有する赤外線発光ダイオードである。本実施例において、ＧａＡｓ基板に成長した化合物半導体層を透明基板に結合させて発光ダイオードを製造した。
実施例１の発光ダイオードにおいて、活性層とカバー層の結合面積は６００００μｍ２(３００μｍ*２００μｍ)である。
実施例１の発光ダイオードは、先ず、Ｓｉがドーピングされたｎ型のＧａＡｓ単結晶により構成されたＧａＡｓ基板に、化合物半導体層で製造された発光波長が８３０ｎｍのエピタキシャルチップを順次に積層した。ＧａＡｓ基板は、（１００）面から（０-１-１）方向へ１５°傾いた面を成長面とし、電荷担体濃度を２*１０１８ｃｍ-３に設定した。また、ＧａＡｓ基板の厚さは、約０．５μｍである。化合物半導体層として、ＳｉがドーピングされていないＧａＡｓにより構成された緩衝層と、Ｇａ０．５Ｉｎ０．５Ｐにより構成された腐食阻止層と、Ｓｉがドーピングされた(Ａｌ０．６Ｇａ０．４)０．５Ｉｎ０．５Ｐにより構成されたｎ型の接触層と、ＳｉがドーピングされたＡｌ０．５Ｉｎ０．５Ｐにより構成されたｎ型の上部カバー層と、（Ａｌ０．７Ｇａ０．３）０．５Ｉｎ０．５Ｐにより構成された上部導波層と、Ｉｎ０．２Ｇａ０．８Ａｓ/Ａｌ０．２Ｇａ０．８ Ａｓのペアにより構成された井戸層／障壁層と、(Ａｌ０．７Ｇａ０．３)０．５Ｉｎ０．５Ｐにより構成された下部導波層と、ＭｇがドーピングされたＡｌ０．５Ｉｎ０．５Ｐにより構成されたｐ型の下部カバー層と、(Ａｌ０．４Ｇａ０．６)０．５Ｉｎ０．５Ｐにより構成された薄膜である中間過渡層と、Ｍｇがドーピングされたｐ型のＧａＰにより構成された電流拡散層とを含む。
本実施例において、有機金属化学気相成長装置（ＭＯＣＶＤ装置）を採用し、直径が１００ｍｍ、厚さが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、エピタキシャルチップを形成した。エピタキシャル成長層を成長させる際に、ＩＩＩ族構成元素の原料として、トリメチルアルミニウム（(ＣＨ３)３Ａｌ）、トリメチルガリウム（(ＣＨ３)３Ｇａ）、トリメチルインジウム（(ＣＨ３)３Ｉｎ）を使用する。Ｍｇのドーピング原料として、ビス(シクロペンタジエニル)マグネシウム（ｂｉｓ-(Ｃ５Ｈ５)
２Ｍｇ）を使用する。Ｓｉのドーピング原料として、ジシラン（Ｓｉ２Ｈ６）を使用する。また、Ｖ族構成元素の原料として、ホスファン（ＰＨ３）、アルシン（ＡｓＨ３）を使用する。各層の成長温度としては、Ｐ型ＧａＰにより構成された電流拡散層が７５０℃以上で成長し、その他の各層は６８０～７５０℃で成長する。
ＧａＡｓにより構成された緩衝層は、その厚さが約０．３μｍである。接触層は、電荷担体濃度を１*１０１８ｃｍ-３に設定し、層の厚さが約３μｍである。上部カバー層は、電荷担体濃度を１*１０１８ｃｍ-３に設定し、層の厚さが約０．５μｍである。上部引導層は、ドーピングなし、且つその厚さが約８０ｎｍである。井戸層は、ドーピングなし、且つその厚さが約５．５ｎｍのＩｎ０．２Ｇａ０．８Ａｓであり、障壁層は、ドーピングなし、且つその厚さが約１５ｎｍのＡｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓである。下部引導層は、ドーピングなし、且つその厚さが約０．２μｍである。下部カバー層の電荷担体濃度は１．５*１０１８ｃｍ-３であり、層の厚さが約０．４μｍである。中間層の電荷担体濃度は１*１０１８ｃｍ-３であり、ＧａＰにより構成された電流拡散層は、電荷担体濃度が４*１
０１８ｃｍ-３であり、層の厚さが約８μｍである。
そして、溶液エッチングの方法で、化合物半導体層の電流拡散層ＧａＰの表面に粗面化を行って、粗面を形成する。粗面の表面に透明ボンディング層ＳｉＯ２を蒸着し、その厚さが約２μｍである。前記透明ボンディング層は、堆積された後、仕上げ磨き処理を経て、平坦面に形成された。上記の構造を透明サファイア基板にボンディングした。
そして、薄化、化学腐食でエピタキシャル成長基材ＧａＡｓ基板と緩衝層及び腐食停止層を除去して、接触層を露出し、接触層上に第１の電極を製造した。フォトリソグラフィマスクの方法により、選択的に上部カバー層、上部引導層、活性層、下部引導層、ｐ型の下部カバー層の一部をエッチング除去し、電流拡散層を露出させ、該露出した電流拡散層上に第２の電極を製造した。
最後に、サファイア基板を研磨して薄化すること及びレーザー切断により独立の発光ダイオードチップを形成した。
実験の結果によると、基材を除去した後、エピタキシャル層とボンディング層との間の付着性が良好であり、ボンディング層を介して透明基板に安定に連接する。
実施例２
実施例１との違いは、本実施例では、上部導波層及び下部導波層の材料をＡｌＧａＡｓに設定し、それ以外は実施例１と同じ条件で発光ダイオードの製造を行う。
実施例１及び２の発光ダイオードに対して光電子性能テストを行った。その特性結果は以下表１に示される。
Figure 0007432024000001
実施例１において、ｎ型及びｐ型オーミック電極の間に電流を通すと、ピーク発光波長が８３０ｎｍの赤外線が射出した。また、表１に示されるように、実施例１において、順方向で５ミリアンペア（ｍＡ）の電流時の順方向電圧（Ｖｆ）は、化合物半導体層を構成する電流拡散層及び透明基板の接合界面の低抵抗特性及び各オーミック電極の良好なオーミック接触特性を表し、そのＶｆ１は１．９５Ｖである。順方向電流を５ｍＡに設定した時、発光の出力パワー（Ｐ０）は、２ｍＷである。実施例２の発光ダイオードに対してテストを行ったところ、順方向電流が５ｍＡである時、発光出力パワー（Ｐ０）及び順方向電圧（Ｖｆ）のそれぞれは、１ｍＷ、３．０Ｖである。実験結果によると、導波層がＡｌＩｎＰである時、ＡｌＧａＡｓを導波層として使用する時に比べて、その光出力パワー（Ｐ０）が高く、順方向電圧（Ｖｆ）が低く、これはカバー層ＡｌＧａＩｎＰに導波層ＡｌＧａＡＳをエピタキシャル成長する時に、その界面に欠陥が生じて、発光ダイオードの発光効率及び順方向電圧が影響されたことが原因である。
上記実施例は例示的に本発明の原理及び効果を説明するものであり、本発明を制限するものではない。本技術を熟知する当業者であれば本発明の精神及び範囲から離れないという前提の下、上記の実施例に対して若干の変更や修飾が可能で有る。従って、当業者が本発明の主旨から離れないという前提の下、行った全ての変更や修飾も本発明の保護範囲に含まれるものとされるべきである。
００１ 透明基板
００２ 透明ボンディング層
００３ 電流拡散層
００４ 下部カバー層
００５ 下部導波層
００６ 活性層
００７ 上部導波層
００８ 上部カバー層
００９ 第１の電極
０１０ 第２の電極
０１１ 井戸層
０１２ 障壁層
０１３ ＧａＡｓ基板
０１４ 緩衝層
０１５ 腐食停止層
０１６ 接触層
１０ 発光ダイオード
１ 化合物半導体層
２ 半導体発光シリーズ
３０１ 第１の電極端子
３０２ 第２の電極端子
３０３ 第１の結合部
３０４ 第２の結合部
３０ 取付基板

Claims (20)

  1. 透明基板と、
    前記透明基板に取り付けられている半導体発光シリーズとを備え、
    該半導体発光シリーズは、井戸層及び障壁層が交互に積層された量子井戸構造の活性層と、前記活性層を挟む第１の導波層及び第２の導波層と、前記第１の導波層及び第２の導波層を隔てて前記活性層を挟む第１のカバー層及び第２のカバー層と、を有し、
    前記第１の導波層及び第２の導波層は、組成式が（ＡｌＸ３Ｇａ１-Ｘ３）Ｙ１Ｉｎ１-Ｙ１Ｐの化合物半導体により組成され、式中０≦Ｘ３≦１、０＜Ｙ１≦１であり、
    また、前記半導体発光シリーズを前記透明基板にボンディングする透明ボンディング層と、
    前記半導体発光シリーズと前記透明ボンディング層との間に設置されている電流拡散層と、を更に備え、
    前記電流拡散層は、前記透明ボンディング層と接続する界面が粗面に形成されており、
    前記透明ボンディング層は、前記透明基板にボンディングする界面が平坦面であり、前記平坦面の粗さは、前記粗面の粗さより小さいことを特徴とする赤外線発光ダイオード。
  2. 前記井戸層は、組成式が(ＩｎＸ１Ｇａ１－Ｘ１)Ａｓの化合物半導体により構成され、障壁層は、組成式が(ＡｌＸ２Ｇａ１－Ｘ２)Ａｓの化合物半導体により構成され、式中０≦Ｘ１≦１、０≦Ｘ２≦１であることを特徴とする請求項１に記載の赤外線発光ダイオード。
  3. 前記第１のカバー層及び第２のカバー層は、組成式が(ＡｌＸ４Ｇａ１－Ｘ４)Ｙ２Ｉｎ１－Ｙ２Ｐの化合物半導体により組成され、式中０≦Ｘ４≦１、０＜Ｙ２≦１であることを特徴とする請求項１に記載の赤外線発光ダイオード。
  4. 前記電流拡散層は、ＧａＰであることを特徴とする請求項１に記載の赤外線発光ダイオード。
  5. 前記井戸層及び障壁層のペア数は、１０ペア以下、１ペア以上であることを特徴とする請求項１に記載の赤外線発光ダイオード。
  6. 前記井戸層におけるＩｎの組成にあるＸ１は、０．１≦Ｘ１≦０．３に設定されることを特徴とする請求項２に記載の赤外線発光ダイオード。
  7. 前記井戸層の厚さは、４～１５ｎｍであることを特徴とする請求項１に記載の発光ダイオード。
  8. 前記透明基板は、ＧａＰ、サファイアまたはＳｉＣにより構成されることを特徴とする請求項１に記載の発光ダイオード。
  9. 前記半導体発光シリーズが射出する光の波長は、６８０～１１００ｎｍであることを特徴とする請求項１に記載の発光ダイオード。
  10. 前記電流拡散層の厚さは、３～１０μｍであることを特徴とする請求項４に記載の発光ダイオード。
  11. 前記電流拡散層の粗面の粗さは、１００～３００ｎｍであることを特徴とする請求項４に記載の発光ダイオード。
  12. 前記透明ボンディング層の材料は、ＳｉＯ２であり、その厚さは、１～５μｍであることを特徴とする請求項１１に記載の発光ダイオード。
  13. 前記第１の導波層及び第２の導波層の組成式にあるＸ３、Ｙ１は、０．２≦Ｘ３≦０．８、０．３≦Ｙ１≦０．７に設定されることを特徴とする請求項１に記載の発光ダイオード。
  14. 前記第１のカバー層及び第２のカバー層の組成式にあるＸ４、Ｙ２は、０．２≦Ｘ４≦０．８、０．３≦Ｙ２≦０．７に設定されることを特徴とする請求項３に記載の発光ダイオード。
  15. 主要出光面が、前記透明基板の電流拡散層と接合する面の反対側の面であることを特徴とする請求項１に記載の発光ダイオード。
  16. 第１の電極及び第２の電極を更に含み、前記第１の電極及び第２の電極は、前記発光ダイオードの主要出光面の反対側の面に設置されることを特徴とする請求項１５に記載の発光ダイオード。
  17. 前記第１の電極及び第２の電極は、オーミック電極であることを特徴とする請求項１６に記載の発光ダイオード。
  18. 取付基板と、前記取付基板に取り付けられている少なくとも１つの発光ダイオードとを含む発光ダイオードパッケージにおいて、少なくとも１つの前記発光ダイオードが、請求項１～１７のいずれか一項に記載の発光ダイオードであることを特徴とする発光ダイオードパッケージ。
  19. 請求項１～１７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装置。
  20. 請求項１～１７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遠隔操縦装置。
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