JPWO2009017017A1 - 高輝度発光ダイオ−ド及びその製造方法 - Google Patents

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Abstract

反りが小さくチップ工程での加工割れの無い厚い窓層を備えた高輝度発光ダイオード、及びその高輝度発光ダイオードを安定して製造できる方法を提供する。ＧａＡｓ基板上に成長せしめられたＡｌＧａＩｎＰの４元発光層と、前記ＡｌＧａＩｎＰの４元発光層の表層に成長せしめられた発光光の取り出し用のｐ型ＧａＰ窓層と、前記ＧａＡｓ基板をエッチング除去した前記ＡｌＧａＩｎＰの４元発光層の裏面に気相成長せしめられた発光光の取り出し用のｎ型ＧａＰ窓層とを有し、前記裏面のｎ型ＧａＰ窓層と前記表層のｐ型ＧａＰ窓層の材質の組成を同一としかつ前記裏面のｎ型ＧａＰ窓層厚さ／前記表層のｐ型ＧａＰ窓層厚さの比Ｘを所定の範囲に設定するようにした。

Description

本発明は、両面エピタキシャル窓層を備えた高輝度発光ダイオ−ド及びその製造方法に関するものである。
従来、高輝度発光ダイオード用基板の製造方法として、ＡｌＧａＩｎＰの４元発光層の両面に光の窓層としてＧａＰまたはＧａＡｓＰ，ＡｌＧａＡｓ層を取り付ける方法が知られている（特許文献１）。この公知の方法では、ＡｌＧａＩｎＰの発光層の両面に光の窓層を作るのに、基板の上にＡｌＧａＩｎＰ発光層を気相エピタキシャル成長し、ＡｌＧａＩｎＰ発光層表面のｐ型層側に発光光の取り出し窓層を成長した後基板を除去し、続いて基板を除去した裏面にｎ型層の発光光の取り出し窓層をＧａＰ、ＧａＡｓＰ又はＡｌＧａＡｓをエピタキシャル成長で成長することによって行っていた。
しかし，４元発光層表面にＧａＰ窓層を気相成長した後，ＧａＡｓ基板を除去して，ＧａＡｓ基板に格子整合されたＧａＡｌＩｎＰに気相成長で格子不整合の大きいＧａＰを直接成長すると両面に窓層を備えた基板の反りが非常に大きくなってしまい、チップ加工時の割れによりランプ製作が難しいという問題があった。
つまり、従来は裏面の格子不整合の大きいＧａＡｓ除去面のＧａＰ窓層はＧａＰ基板を貼り合せて高輝度ランプを製作していたが貼り合せ界面の微小なパ−ティクルや凹凸により張り合わせ不良が多発してチップ歩留が悪く，また貼り合せ界面での接合不良でＶｆ高不良やΔＶｆ高不良が発生し易く安定して歩留まりよく高輝度発光ランプを製造することが困難であった。
なお、ΔＶｆは、発光素子を高速スイッチング（ＰＭＭ制御等）により調光駆動する際のスイッチング応答特性を示す指標であり、２０ｍＡ通電により通電開始した直後の順方向電圧Ｖｆを初期値とし、その後通電継続した際に漸減するＶｆの安定値までの順方向電圧Ｖｆの減少代をΔＶｆとして測定される。
ＵＳＰ ５，００８，７１８
本発明は、上記した従来技術の問題点に鑑みなされたもので、本発明の第１の目的は反りが小さくチップ工程での加工割れの無い厚い窓層を備えた高輝度発光ダイオードを提供すること、及び本発明の第２の目的はその高輝度発光ダイオードを安定して製造できる方法を提供することにある。
上記課題を解決するために、本発明の高輝度発光ダイオードは、ＧａＡｓ基板上に成長せしめられたＡｌＧａＩｎＰの４元発光層と、前記ＡｌＧａＩｎＰの４元発光層の表層に成長せしめられた発光光の取り出し用のｐ型ＧａＰ窓層と、前記ＧａＡｓ基板をエッチング除去した前記ＡｌＧａＩｎＰの４元発光層の裏面に気相成長せしめられた発光光の取り出し用のｎ型ＧａＰ窓層とを有し、前記裏面のｎ型ＧａＰ窓層と前記表層のｐ型ＧａＰ窓層の材質の組成を同一としかつ前記裏面のｎ型ＧａＰ窓層厚さ／前記表層のｐ型ＧａＰ窓層厚さの比Ｘを所定の範囲に設定することを特徴とする。この構成により、高輝度発光ダイオードにおける反りの緩和を図ることができ、チップ加工時の割れをなくすことができる。
本発明の高輝度発光ダイオードの製造方法は、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）によってＧａＡｓ基板上にＡｌＧａＩｎＰの４元発光層を成長する第１工程と、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）によって前記ＡｌＧａＩｎＰの４元発光層の表面上にＧａＰ膜を気相成長する第２工程と、ハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ）によって前記ＧａＰ膜の表面上にｐ型ＧａＰ窓層を気相成長する第３工程と、前記第３工程終了後に前記ＧａＡｓ基板をエッチングで除去する第４工程と、前記ＧａＡｓ基板をエッチング除去した前記ＡｌＧａＩｎＰの４元発光層の裏面にハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ）でｎ型ＧａＰ窓層を気相成長する第５工程とを含み，前記裏面のｎ型ＧａＰ窓層と前記４元発光層の表層のｐ型ＧａＰ窓層の材質の組成を同一としかつ前記裏面のｎ型ＧａＰ窓層厚さ／前記表層のｐ型ＧａＰ窓層厚さの比Ｘを所定の範囲に設定することを特徴とする。
本発明において、前記裏面のｎ型ＧａＰ窓層厚さ／前記表層のｐ型ＧａＰ窓層厚さの比ＸをＸ＝０．２〜０．９、好ましくは、０．３〜０．７の範囲に設定することにより、反りの緩和を一層図ることができるようにするのが好適である。つまり、前記裏面のｎ型ＧａＰ窓層の成長厚さを前記表層のｐ型ＧａＰ窓層の成長厚さの０．２倍〜０．９倍、好ましくは、０．３倍〜０．７倍で成長することで、高輝度発光ダイオードにおける反りの緩和を一層図ることができ、チップ加工時の割れをなくすことができ高輝度ランプを安定して製作できる。
本発明の高輝度発光ダイオードによれば、反りが小さくチップ工程での加工割れの無い厚い窓層を備えた赤色の高輝度ランプが安定して製作できるという効果が達成される。また、本発明方法によれば、上記した本発明の高輝度発光ダイオードを安定して製造できるという利点がある。
本発明の高輝度発光ダイオードの製造方法の第１の態様の工程順の一例を模式的に示す説明図である。 図１の工程順のフローチャートである。 本発明の高輝度発光ダイオードの構造の１例を示す模式的説明図である。 実験例１における反りと（裏面窓層の厚さ）／（表面窓層の厚さ）の関係を示すグラフである。
符号の説明
１０：ＧａＡｓ基板、１２：ＡｌＧａＩｎＰの４元発光層、１４ａ：ＧａＰ膜、１４：ｐ型窓層、１６：ｎ型窓層。
以下、本発明の実施の形態について添付図面に基づいて説明するが、図示例は本発明の好ましい実施の形態を示すもので、本発明の技術思想から逸脱しない限り、種々の変形が可能であることはいうまでもない。
図１及び図２に示すように、本発明方法においては、まず有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）によってＧａＡｓ基板１０上にＡｌＧａＩｎＰの４元発光層１２を成長させる（図１（ａ）第１工程、図２のステップ１００）。ＧａＡｓ基板１０としては２８０μｍ±１０μｍ程度の厚さのものを用いる。ＡｌＧａＩｎＰの４元発光層１２の厚さは８μｍ±１μｍ程度である。
次いで、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）によって前記ＡｌＧａＩｎＰの４元発光層
１２の表面上にＧａＰ膜１４ａを数μｍ成長させる（図１（ｂ）第２工程、図２のステップ１０２）。
前記ＧａＰ膜１４ａの表面上にハイドライド気相成長（ＨＶＰＥ）反応機によってＺｎ等のｐ型不純物をドープして発光光の取り出し用のｐ型ＧａＰ窓層１４を成長させる（図１（ｃ）第３工程、図２のステップ１０４）。このｐ型窓層１４のキャリア濃度は６×１０１７個／ｃｍ３以上でかつ１．２×１０１８個／ｃｍ３以下程度である。このｐ型ＧａＰ窓層１４は１００μｍ〜２００μｍの厚さに成長させるのが好適である。
前記第２工程終了後に、前記ＧａＡｓ基板１０を硫酸・過酸化水素水等の薬液によりエッチングして除去する（図１（ｄ）第４工程、図２のステップ１０６）。
続いて、前記ＧａＡｓ基板１０をエッチング除去した前記ＡｌＧａＩｎＰの４元発光層１２の裏面にハイドライド気相成長（ＨＶＰＥ）反応機によってＳｉ，Ｔｅ又はＳ等のｎ型不純物をドープして発光光の取り出し用のｎ型ＧａＰ窓層１６を気相エピタキシャル成長させる（図１（ｅ）第５工程、図２のステップ１０８）。このｎ型窓層１６のキャリア濃度は３×１０１７個／ｃｍ３以上でかつ８×１０１７個／ｃｍ３以下程度である。このｎ型ＧａＰ窓層１６は３０μｍ〜１００μｍの厚さに成長させるのが好適である。
本発明方法においては、前記裏面のｎ型ＧａＰ窓層１６と前記表層のｐ型ＧａＰ窓層１４の材質の組成を同一としかつ前記裏面のｎ型ＧａＰ窓層厚さ／前記表層のｐ型ＧａＰ窓層厚さの比Ｘを所定の範囲に設定する。このような構成とすることにより、高輝度発光ダイオードにおける反りの緩和を図ることができる。
前記裏面のｎ型ＧａＰ窓層厚さ／前記表層のｐ型ＧａＰ窓層厚さの比ＸをＸ＝０．２〜０．９、好ましくは、０．３〜０．７の範囲に設定することにより、反りの緩和を一層図ることができるようにするのが好適である。つまり、前記裏面のｎ型ＧａＰ窓層の成長厚さを前記表層のｐ型ＧａＰ窓層の成長厚さの０．２倍から０．９倍、好ましくは、０．３倍から０．７倍で成長することで、高輝度発光ダイオードにおける反りの緩和を一層図ることができ、チップ加工時の割れをなくすことができ高輝度ランプを安定して製作できる。
本発明の高輝度発光ダイオードの構成は、図１（ｅ）及び図３に示されるように、ＧａＡｓ基板１０上に成長せしめられたＡｌＧａＩｎＰの４元発光層１２と、前記ＡｌＧａＩｎＰの４元発光層１２のＧａＰに格子整合した表層に成長せしめられた発光光の取り出し用のｐ型ＧａＰ窓層１４と、前記ＧａＡｓ基板１０をエッチング除去した前記ＡｌＧａＩｎＰの４元発光層１２の裏面に気相成長せしめられた発光光の取り出し用のｎ型ＧａＰ窓層１６とを有し、前記裏面のｎ型ＧａＰ窓層１６と前記表層のｐ型ＧａＰ窓層１４の材質の組成を同一としかつ前記裏面のｎ型ＧａＰ窓層厚さ／前記表層のｐ型ＧａＰ窓層厚さの比Ｘを所定の範囲に設定するものである。前述したように、前記裏面のｎ型ＧａＰ窓層１４の厚さ／前記表層のｐ型ＧａＰ窓層１６の厚さの比ＸをＸ＝０．２〜０．９、好ましくは、０．３〜０．７の範囲に設定することにより、高輝度発光ダイオードにおける反りの緩和を一層図ることができる。
本発明の高輝度発光ダイオードにおいては、ＡｌＧａＩｎＰの４元発光層１２の前記裏面のｎ型ＧａＰ窓層１６と前記表層のｐ型ＧａＰ窓層１４の材質の組成を同一としかつ前記裏面のｎ型ＧａＰ窓層厚さ／前記表層のｐ型ＧａＰ窓層厚さの比Ｘを所定の範囲に設定することにより、反りの小さい基板の製造ができてチップ加工工程での割れを防止でき、安定して高輝度発光ランプを製造できる。
即ち、本発明の高輝度発光ダイオードを所望の厚さに研磨加工するとともに切断電極付け加工して赤色ランプを作ることにより高輝度の赤色ランプが得られる。
以下に本発明の実施例を挙げてさらに詳細に説明するが、これらの実施例は例示的に示されるもので、限定的に解釈されるべきでないことはいうまでもない。
（実施例１）
図１及び２に示したように、２８０μｍ厚さのＧａＡｓ基板を用意し、そのＧａＡｓ基板上に有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）により８μｍ厚さのＡｌＧａＩｎＰの４元発光層を成長した。次いで、有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）によって前記ＡｌＧａＩｎＰの４元発光層の表面上にＧａＰ膜を３μｍ成長させた。
前記ＧａＰ膜の表面上にハイドライド気相成長（ＨＶＰＥ）反応機によってＺｎをドープして発光光の取り出し用のｐ型ＧａＰ窓層を１２０μｍ成長させた。このｐ型窓層のキャリア濃度は１．１×１０１８個／ｃｍ３であった。
前記ｐ型ＧａＰ窓層を形成した後に、前記ＧａＡｓ基板を硫酸・過酸化水素水によりエッチングして除去した。
続いて、前記ＧａＡｓ基板をエッチング除去した前記ＡｌＧａＩｎＰの４元発光層１２の裏面にハイドライド気相成長（ＨＶＰＥ）反応機によってＳｉをドープして発光光の取り出し用のｎ型ＧａＰ窓層を８０μｍ気相エピタキシャル成長させた。このｎ型窓層のキャリア濃度は５×１０１７個／ｃｍ３であった。
このようにして得られた高輝度発光ダイオードを研磨加工するとともに切断電極付け加工して赤色ランプを作製し、反りが小さく高輝度の赤色ランプが得られたことを確認した。ｐ型ＧａＰ（表面窓層の厚さ）は３μｍ＋１２０μｍであり、ｎ型ＧａＰ（裏面窓層の厚さ）は８０μｍであるので、両者の比Ｘ＝８０／１２３＝０．６５となる。図４のグラフから、反りの大きさは約３００μｍと評価される。
（実験例１）
（裏面窓層の厚さ）／（表面窓層の厚さ）の比Ｘを変えて実施例１と同様にして作製した発光ダイオードについて、その反りを測定し、その結果を図４に示した。図４の結果から、Ｘ＝０．２〜０．９の範囲であれば、発光ダイオードの反りが所定の範囲に収まることを確認した。反りの変位ｕは、特開２００５−１０９２０７号公報に記載された測定方法によって測定したもので、層ないし基板を水平面上に置いたときの見掛けの高さＨから層ないし基板の実厚さｔ０を減じた値として定義される。

Claims (4)

  1. ＧａＡｓ基板上に成長せしめられたＡｌＧａＩｎＰの４元発光層と、前記ＡｌＧａＩｎＰの４元発光層の表層に成長せしめられた発光光の取り出し用のｐ型ＧａＰ窓層と、前記ＧａＡｓ基板をエッチング除去した前記ＡｌＧａＩｎＰの４元発光層の裏面に気相成長せしめられた発光光の取り出し用のｎ型ＧａＰ窓層とを有し、前記裏面のｎ型ＧａＰ窓層と前記表層のｐ型ＧａＰ窓層の材質の組成を同一としかつ前記裏面のｎ型ＧａＰ窓層厚さ／前記表層のｐ型ＧａＰ窓層厚さの比Ｘを所定の範囲に設定することを特徴とする高輝度発光ダイオード。
  2. 前記裏面のｎ型ＧａＰ窓層厚さ／前記表層のｐ型ＧａＰ窓層厚さの比ＸをＸ＝０．２〜０．９の範囲に設定することを特徴とする請求項１記載の高輝度発光ダイオード。
  3. 有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）によってＧａＡｓ基板上にＡｌＧａＩｎＰの４元発光層を成長する第１工程と、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）によって前記ＡｌＧａＩｎＰの４元発光層の表面上にＧａＰ膜を気相成長する第２工程と、ハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ）によって前記ＧａＰ膜の表面上にｐ型ＧａＰ窓層を気相成長する第３工程と、前記第３工程終了後に前記ＧａＡｓ基板をエッチングで除去する第４工程と、前記ＧａＡｓ基板をエッチング除去した前記ＡｌＧａＩｎＰの４元発光層の裏面にハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ）によってｎ型ＧａＰ窓層を気相成長する第５工程とを含み，前記裏面のｎ型ＧａＰ窓層と前記４元発光層の表層のｐ型ＧａＰ窓層の材質の組成を同一としかつ前記裏面のｎ型ＧａＰ窓層厚さ／前記表層のｐ型ＧａＰ窓層厚さの比Ｘを所定の範囲に設定することを特徴とする高輝度発光ダイオードの製造方法。
  4. 前記裏面のＧａＰ窓層厚さ／前記表層のｐ型ＧａＰ窓層厚さの比ＸをＸ＝０．２〜０．９の範囲に設定することを特徴とする請求項３記載の高輝度発光ダイオードの製造方法。
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