TWI429106B

TWI429106B - 發光二極體

Info

Publication number: TWI429106B
Application number: TW100109520A
Authority: TW
Inventors: Noriyoshi Seo; Noriyuki Aihara
Original assignee: Showa Denko Kk
Priority date: 2010-03-24
Filing date: 2011-03-21
Publication date: 2014-03-01
Also published as: JP2011222950A; TW201203608A

Description

發光二極體

本發明係關於一種發光二極體，尤其關於一種660 nm至850 nm之高輸出的發光二極體。

本發明申請案係根據於2010年3月24日，在日本所提出申請的特願2010-068133號，及於2010年11月17日，在日本所提出申請的特願2010-257184號而主張優先權，於此援用其內容。

紅外線發光二極體(以下，簡稱為LED)已被廣泛利用於紅外線通訊、各種感測器用光源、夜間照明等。

近年來，波峰波長為660至720 nm的光係人所能夠辨識的紅色光源，由於為屋外顯示器、輸出為高的波長帶，故使用於以目視而辨識感測器存在者為期望的安全關係之感測器、或讀條碼機之光源及醫療用量氧計之光源等廣範圍的用途。

另外，適合於植物培育之形狀控制的發光波長之一係波峰波長730 nm的紅外光效果已被確認。

還有另外，由於波峰波長為760至850 nm的光係發光輸出為高的波長帶，最適合於各種感測器之光源、監視器、錄影機等之紅外線照明的波長帶。由於此波長帶之AlGaAs活性層為能夠高速應答，適合於光通信或高速光耦合器。另一方面，利用發光波長之特徵，也開始被利用於靜脈認證系統或醫療領域等之光源。

於上述用途中，為使各機器性能提高，期望LED之高輸出。另一方面，期望耐濕環境下之信賴性提高。

例如，於習知之紅外發光二極體中，在GaAs基板，利用液相晶膜生長法之由AlGaAs多層膜所構成之LED已被實用化，已進行各式各樣之高輸出化的探討。

[先前技術文獻] [專利文獻]

專利文獻1：日本特開平6-21507號公報

專利文獻2：日本特開2001-274454號公報

專利文獻3：日本特開平7-38148號公報

從進一步地提高性能、節能、成本面之觀點，期望發光效率更高的LED作為光源之開發。不僅屋外，也擴大屋外/半屋外等使用環境，耐濕性係重要的信賴性項目之一。尤其，為了近年來受矚目的植物培育用LED照明之實用化，更強烈地期望使用電力之減低、耐濕性之提高、高輸出化。植物培育之情形，由於灑水、水耕栽培等之高濕環境下被使用，耐濕性係重要的特性之一。另外，於利用液相晶膜生長法而使化合物半導體層成長之方法中，難以形成具有優異的單色性之多重量子井構造。

本發明係有鑒於上述情況所完成者，目的在於提供一種高輸出/高效率且具有優異的耐濕性之發光二極體。

用以解決上述問題而不斷鑽研之結果，本發明人發現：於使用交互積層3元混晶之InGaAs井層與由AlGaAs或是4元混晶之AlGaInP所構成之障壁層的多重量子井構造活性層之發光二極體中，在挾住此活性層之包覆層內，藉由使用對發光波長為透明，且因為不含容易產生缺陷之As而結晶性佳的4元混晶之AlGaInP系，使其能帶隙大，較在包覆層內使用AlGaAs系之情形為顯示高輸出。另外，與將3元混晶之AlGaAs系用於包覆層之發光二極體作一比較，藉由將4元混晶之AlGaInP系用於包覆層便能夠使Al之濃度更降低，變得難以引起腐蝕而也提高耐濕性。

本發明人係基於此見解而進一步進行研究的結果，於是完成顯示於下列結構之本發明。

(1)一種發光二極體，其特徵為其係在基板上依序具備DBR反射層與發光部之發光二極體；

該發光部係具有由組成式(Al_X1 Ga_1-X1 )As(0X11)所構成之井層與障壁層的積層構造之活性層、與挾住該活性層之由組成式(Al_X2 Ga_1-X2 )_Y In_1-Y P(0X21、0＜Y1)所構成之第1包覆層及第2包覆層。

(2)一種發光二極體，其特徵為其係在基板上依序具備DBR反射層與發光部之發光二極體；

該發光部係具有由組成式(Al_X1 Ga_1-X1 )As(0X11)所構成之井層與由組成式(Al_X3 Ga_1-X3 )_Y2 In_1-Y2 P(0X31、0＜Y21)所構成之障壁層的積層構造之活性層、與挾住該活性層之由組成式(Al_X2 Ga_1-X2 )_Y In_1-Y P(0X21、0＜Y1)所構成之第1包覆層及第2包覆層。

(3)前項(1)或(2)記載之發光二極體，其中於該井層之組成式中，將Al組成(X1)設為0.20X10.36，將該井層之厚度設為3至30 nm，將發光波長設定為660至720 nm而成。

(4)前項(1)或(2)記載之發光二極體，其中於該井層之組成式中，將Al組成(X1)設為0.1X10.24，將該井層之厚度設為3至30 nm，將發光波長設定為720至760 nm而成。

(5)前項(1)或(2)記載之發光二極體，其中於該井層之組成式中，將Al組成(X1)設為0X10.2，將該井層之厚度設為3至30 nm，將發光波長設定為760至850 nm而成。

(6)前項(1)至(5)中任一項記載之發光二極體，其中該DBR反射層係由交互積層10至50對之折射率不同的2種層所構成。

(7)前項(6)之發光二極體，其中該折射率不同的2種層係組成為不同的2種(Al_Xh Ga_1-Xh )_Y3 In_1-Y3 P(0＜Xh1、Y3=0.5)、(Al_X1 Ga_1-X1 )_Y3 In_1-Y3 P(0X1＜1、Y3=0.5)之組合，兩者之Al的組成差ΔX=Xh-X1係較0.5為大或相等。

(8)前項(6)之發光二極體，其中該折射率不同的2種層係GaInP與AlInP之組合。

(9)前項(6)之發光二極體，其中該折射率不同的2種層係組成為不同的2種Al_x1 Ga_1-x1 As(0.1x11)、Al_xh Ga_1-xh As(0.1xh1)之組合，兩者之Al的組成差ΔX=xh-x1係較0.5為大或相等。

(10)前項(1)至(9)中任一項記載之發光二極體，其中在該發光部之DBR反射層相反側之面上具備電流擴散層。

若根據上述之構造，獲得以下之效果。

能夠高輸出/高效率地發射660 nm至850 nm之發光波峰波長的紅色及紅外光。

因為活性層係具有交互積層由組成式(Al_X1 Ga_1-X1 )As(0X11)所構成之井層與由AlGaAs或是4元混晶之AlGaInP所構成之障壁層的多重井構造之結構，故具有優異的單色性。

因為包覆層係由4元混晶之組成式(Al_X2 Ga_1-X2 )_Y In_1-Y P(0X21、0＜Y1)所構成之構造，較包覆層係由3元混晶AlGaAs所構成之發光二極體，其Al濃度為低，耐濕性提高。

另外，因為挾住活性層之第1包覆層及第2包覆層係採用對發光波長為透明，同時也由於不含容易產生缺陷之As而結晶性為高的AlGaInP所構成之構造，使介有缺陷之電子與正電洞的非發光再結合機率降低，發光輸提高。

因為活性層係具有由組成式(Al_X1 Ga_1-X1 )As(0X11)所構成之井層與障壁層的積層構造之構造，適合於利用MOCVD法而量產。

因為在發光層與基板之間具備DBR反射膜之構造，不會發生因GaAs基板所導致的光吸收而造成發光輸出之降低。

[用於實施發明之形態]

以下，針對採用本發明之一實施形態的發光二極體，使用圖示而詳細說明。還有，在下列說明所用之圖示係為了容易了解特徵，將有放大以便表示成為特徵的部分之情形，各構造要件之尺寸比例等並不受限於與實際相同。

＜發光二極體(第1之實施形態)＞

第1圖係關於第1實施形態之發光二極體的剖面示意圖。另外，第2圖係井層與障壁層之積層構造的剖面示意圖。

關於第1實施形態之發光二極體100，其係在基板1上，依序具備DBR反射層3與發光部20之發光二極體，發光部20係具有由組成式(Al_X1 Ga_1-X1 )As(0X11)所構成之井層15與障壁層16的積層構造之活性層7、挾住該活性層7之由組成式(Al_X2 Ga_1-X2 )_Y In_1-Y P(0X21、0＜Y1)所構成之第1包覆層5與第2包覆層9。

化合物半導體層(也稱為晶膜成長層)30係如第1圖所示，具有依序積層DBR反射層3、發光部20與電流擴散層10的構造。於此化合物半導體層30之構造中，能夠適時地增加習知之機能層。例如，能夠設置用以降低歐姆(Ohmic)電極之接觸電阻的接觸層、用以使元件驅動電流平面地擴散於發光部全體之電流擴散層、相反地用以限制元件驅動電流所流通的區域之電流阻止層或電流狹窄層等習知之層構造。

還有，化合物半導體層30較佳為使其晶膜成長而形成於GaAs基板1上者。

在n型基板1上所具備的發光部20係如第1圖所示，例如在DBR反射層3上依序積層有n型之下部包覆層(第1包覆層)5、下部導光層6、活性層7、上部導光層8、p型之上部包覆層(第2包覆層)9所構成。

亦即，發光部20係為了將導致放射再結合的載體(carrier)及發光「關進」活性層7中，在獲得高強度發光之上，較佳為含有對峙於活性層7之下側及上側所配置的下部包覆層5、下部導光(guide)層6、及上部導光層8、上部包覆層9之所謂作成雙異質接面(英語簡稱為DH)之構造。

如第2圖所示，活性層7係用以控制發光二極體(LED)之發光波長而構成量子井構造。亦即，活性層7係在兩端具有障壁層16之井層15與障壁層16的多層構造(積層構造)。

活性層7之層厚較佳為0.02至2 μm之範圍。尤其從信賴性之觀點，特佳為若作成0.03 μm時，能夠使Al之組成降低。另外，活性層7之傳導型並未予以特別限定，也能夠選擇未摻雜、p型及n型中任一種。為了提高發光效率，期望作成結晶性良好之未摻雜或低於3×10¹⁷ cm^-3 之載體濃度。

DBR(Distributed Bragg Reflector：分佈布拉格反射器)反射層3係由交互積層以λ/(4n)之膜厚(λ：為了反射之光在真空中的波長、n：層材料之折射率)、折射率不同的2種層的多層膜所構成者。反射率係若2種折射率之差為大時，以較少層數之多層膜則可獲得高反射率。特徵為不會如通常之反射膜的方式來在某面上予以反射，而係以全體多層膜根據光之干涉現象而引起反射。

DBR(Distributed Bragg Reflector：分佈布拉格反射器)反射層3較佳為由交互積層10至50對之折射率不同的2種層所構成。因為10對以下之情形，由於反射率過低而無助於輸出之增大；即使作成50對以上，反射率進一步之增大亦小。

構成DBR(Distributed Bragg Reflector：分佈布拉格反射器)反射層3之折射率不同的2種層係為了可獲得效率佳且高的反射率而期望為由：組成為不同的2種(Al_Xh Ga_1-Xh )_Y3 In_1-Y3 P(0＜Xh1、Y3=0.5)、(Al_X1 Ga_1-X1 )_Y3 In_1-Y3 P(0Xh＜1、Y3=0.5)之對，兩者之Al的組成差ΔX=Xh-X1係較0.5為大或成為相等之組合；或是GaInP與AlInP之組合；或是組成為不同的2種Al_x1 Ga_1-x1 As(0.1x11)、Al_xh Ga_1-xh As(0.1xh1)之對，兩者之組成差ΔX=xh-x1係較0.5為大或成為相等之組合中任一種所選出者。

因為不含容易產生結晶缺陷之As，故組成不同的AlGaInP之組合較佳，且因為GaInP與AlInP係可採取其中最大折射率差，能夠減少反射層之數目，組成之更換也為單純，故較佳。另外，AlGaAs係具有容易取得大的折射率差之優點。

井層15較佳為具有(Al_X1 Ga_1-X1 )As(0X10.36)之組成。

表1中，井層15之層厚為17 nm之時，顯示Al組成X1與發光波峰波長之關係。得知Al組成X1變得越低，發光波峰波長變得越長。

另外，從其變化之傾向，能夠推測對應於表中所未揭示之發光波峰波長的Al組成。

井層15之層厚適合為3至30 nm之範圍。更佳為5至20 nm之範圍。

表2中，井層15之Al組成X1=0.24之時，顯示井層15之層厚與發光波峰波長之關係。若層厚變薄時，依照量子效果，波長變短。厚的情形下，發光波峰波長係依照組成而為一定。另外，從其變化之傾向，能夠推測對應於表中所未揭示之發光波峰波長的層厚。

根據以上之發光波峰波長與井層15之Al組成X及與層厚之關係，能夠以使660 nm至720 nm之範圍內所欲之發光波峰波長可以獲得的方式來決定井層15之Al組成X與層厚。

將發光波峰波長設定為660 nm至720 nm之情形，井層15之Al組成較佳為0.20X10.36。

表3中，井層15之Al組成X1=0.18之時，顯示井層15之層厚與發光波峰波長之關係。若層厚變薄時，依照量子效果，波長將變短。厚的情形下，發光波峰波長係依照組成而為一定。另外，從其變化之傾向，能夠推測對應於表中所未揭示之發光波峰波長的層厚。

根據以上之發光波峰波長與井層15之Al組成X及層厚之關係，能夠以使720 nm至760 nm之範圍內所欲之發光波峰波長可以獲得的方式來決定井層15之Al組成X與層厚。

將發光波峰波長設定為720 nm至760 nm之情形，井層15之Al組成較佳為0.1X10.24。

表4中，井層15之Al組成X1=0.03之時，顯示井層15之層厚與發光波峰波長之關係。若層厚變薄時，依照量子效果，波長將變短。厚的情形下，發光波峰波長係依照組成而為一定。另外，從其變化之傾向，能夠推測對應於表中所未揭示之發光波峰波長的層厚。

根據以上之發光波峰波長與井層15之Al組成X及層厚之關係，能夠以使760 nm至850 nm之範圍內所欲之發光波峰波長可以獲得的方式來決定井層15之Al組成X與層厚。

將發光波峰波長設定為760 nm至850 nm之情形，井層15之Al組成較佳為0X10.2。

障壁層16係具有(Al_X3 Ga_1-X3 )As(0＜X31)之組成。上述X3係為了提高發光效率，較佳為作成能帶隙較井層15為大之組成，但從結晶性之觀點，期望Al濃度較低者，最適之X3的組成係以與井層組成之關係而決定。若使結晶性提高而使缺陷減少時，光之吸收受到抑制，其結果，能夠謀求發光輸出之提高。

具體而言，井層之Al組成(X1)為0.20X10.36之時，X3較佳為0.4至0.6之範圍。另外，井層之Al組成(X1)為0X10.2之時，X3較佳為0.1至0.4之範圍。

障壁層16之層厚較佳為與井層15之層厚相等或較厚，藉此而能夠提高井層15之發光效率。

於井層15與障壁層16之多層構造中，交互積層井層15與障壁層16之成對數並未予以特別限定，較佳為2對以上40對以下。亦即，於活性層7中，井層15較佳為含有2至40層。於此，以活性層7之發光效率為適合的範圍而言，井層15較佳為5層以上。另一方面，井層15及障壁層16係由於載體濃度低，若作成許多對時，順向電壓(V_F )將增大。因此，較佳為40對以下，更佳為20對以下。

如第2圖所示，下部導光層6及上部導光層8係分別設置於活性層7之下面及上面。具體而言，在活性層7之下面設置有下部導光層6，在活性層7之上面設置有上部導光層8。

下部導光層6及上部導光層8係具有(Al_X4 Ga_1-X4 )As(0＜X41)之組成。上述X4較佳為作成能帶隙與障壁層16相等或是變得較障壁層16為大的組成，從結晶性之觀點，最適之X的組成係以與井層之組成之關係而決定。若使結晶性提高而減少缺陷時，光之吸收受到抑制，其結果，能夠謀求發光輸出之提高。

具體而言，井層之Al組成(X1)為0.20X10.36、障壁層之Al組成(X3)為0.4至0.6之範圍時，X4較佳為0.4至0.7之範圍。另外，井層之Al組成(X1)為0X10.2、障壁層之Al組成(X3)為0.1至0.4之時，X4較佳為0.2至0.6之範圍。

下部導光層6及上部導光層8係分別用以減低在下部包覆層5及上部包覆層9與活性層7之間的缺陷傳遞所設置。亦即，於本發明中，由於對於活性層7之V族構成元素係砷(As)，下部包覆層5及上部包覆層9之V族構成元素係磷(P)，在活性層7與下部包覆層5及與上部包覆層9之界面容易產生缺陷。對活性層7之缺陷的傳遞成為發光二極體性能降低之原因。為了有效減低此缺陷之傳遞，下部導光層6及上部導光層8之層厚較佳為10 nm以上，更佳為20 nm至100 nm。

下部導光層6及上部導光層8之傳導型並未予以特別限定，能夠選擇未摻雜、p型及n型中任一種。為了提高發光效率，期望作成結晶性良好之未摻雜或低於3×10¹⁷ cm^-3 之載體濃度。

如第1圖所示，下部包覆層5與上部包覆層9係分別設置於下部導光層6之下面及上部導光層8之上面。

下部包覆層5及上部包覆層9之材質係使用(Al_X2 Ga_1-X2 )_Y In_1-Y P(0X21、0＜Y1)之半導體材料，較佳為較障壁層15之能帶隙為大的材質，更佳為較下部導光層6及上部導光層8之能帶隙為大的材質。上述材質較佳為具有(Al_X2 Ga_1-X2 )_Y In_1-Y P(0X41、0＜Y1)之X2為0.3至0.7之組成。另外，Y較佳為作成0.4至0.6。

下部包覆層5及上部包覆層9係使極性成為不同的方式來構成。另外，下部包覆層5及上部包覆層9之載體濃度及厚度能夠使用習知之合適範圍，較佳為使活性層7之發光效率提高的方式來使條件最適化。另外，藉由控制下部包覆層5及上部包覆層9之組成，能夠使化合物半導體層30之彎曲減低。

具體而言，期望下部包覆層5係使用例如由摻雜Si之n型的(Al_X4b Ga_1-X4b )_Yb In_1-Yb P(0.3X4b0.7、0.4Yb0.6)所構成之半導體材料。另外，載體濃度較佳為1×10¹⁷ 至1×10¹⁸ cm^-3 之範圍，層厚較佳為0.1至1 μm之範圍。

另一方面，期望上部包覆層9係使用例如由摻雜Mg之p型的(Al_X4a Ga_1-X4a )_Ya In_1-Ya P(0.3X4a0.7、0.4Ya0.6)所構成之半導體材料。另外，載體濃度較佳為2×10¹⁷ 至2×10¹⁸ cm^-3 之範圍，層厚較佳為0.1至1 μm之範圍。

還有，下部包覆層5及上部包覆層9之極性能夠考量化合物半導體層30之元件構造而選擇。

另外，在發光部20之構造層的上方，能夠設置用以降低歐姆(Ohmic)電極之接觸電阻的接觸層、用以使元件驅動電流平面地擴散於發光部全體的電流擴散層、相反地用以限制元件驅動電流所流通的區域之電流阻止層或電流狹窄層等習知之層構造。

如第1圖所示，電流擴散層10係設置於發光部20之上方。此電流擴散層10係對於來自發光部20(活性層7)之發光波長為透明之材料，例如能夠採用GaP或GaInP。

另外，電流擴散層10之厚度較佳為0.5至20 μm之範圍。若為0.5 μm以下時，電流擴散為不充分；若為20 μm以上時，由於為了使結晶成長直到其厚度為止之成本將增大。

p型歐姆電極(第1電極)12係在發光二極體100之主要的光取出面所設置的低電阻之歐姆接觸電極。n型歐姆電極(第2電極)13係在發光二極體100之基板側背面所設置的低電阻膜之歐姆接觸電極。於此，p型歐姆電極12係設置於電流擴散層10之表面，能夠使用例如由AuBe/Au、或AuZn/Au所構成之合金。另一方面，n型歐姆電極13能夠使用例如由AuGe、Ni合金/Au所構成之合金。

<發光二極體之製造方法>

接著，針對本實施形態之發光二極體100之製造方法，利用第1圖而加以說明。

(化合物半導體層之形成步驟)

首先，如第1圖所示，製作化合物半導體層30。化合物半導體層30係在n型GaAs基板1上，依序積層由GaAs所構成之緩衝層2、交互積層40對之由GaInP所構成之層(折射率為大的層)3a與由AlInP所構成之層(折射率為小的層)3b的DBR反射層3、摻雜Si的n型之下部包覆層5、下部導光層6、活性層7、上部導光層8、摻雜Mg的p型之上部包覆層9、由摻雜Mg的p型GaP所構成之電流擴散層10而製得。

GaAs基板1能夠使用以習知之製法所製得的市售品之單晶基板。期望GaAs基板1之使其晶膜成長的表面係平滑。GaAs基板1之表面的面方位從所量產的(100)方面而言，期望為容易地進行晶膜成長，及從品質安定性方面而言，期望為從(100)偏移±20°以內之基板。還有，GaAs基板1的面方位之範圍，更佳為從(100)方向朝(0-1-1)方向偏移15°±5°。

還有，於本發明專利說明書中，於米勒(Miller)指數之標示中，“-”係意指附加於其隨後的指數之橫線。

GaAs基板1之差排密度係用以使化合物半導體層30之結晶性變佳而期望越低越好。具體而言，例如適合為10,000個cm^-2 以下，期望更佳為1,000個cm^-2 以下。

GaAs基板1可以為n型也可以為p型。GaAs基板1之載體濃度能夠從所欲之導電性與元件構造而適當選擇。例如，GaAs基板1為摻雜Si的n型之情形下，載體濃度較佳為1×10¹⁷ 至5×10¹⁸ cm^-3 之範圍。相對於此，將Zn摻雜於GaAs基板1的p型之情形下，載體濃度較佳為2×10¹⁸ 至5×10¹⁹ cm^-3 之範圍。

GaAs基板1之厚度係按照基板之尺寸而具有適切之範圍。若GaAs基板1之厚度較適切之範圍為薄時，將憂慮於化合物半導體層30在製程中裂開。另一方面，若GaAs基板1之厚度較適切之範圍為厚時，材料成本將變得增加。因此，GaAs基板1之基板尺寸為大之情形，例如，直徑75 mm之情形下，為了防止操作時之裂開，期望為250至500 μm之厚度。同樣地，直徑50 mm之情形，期望為200至400 μm之厚度；直徑100 mm之情形，期望為350至600 μm之厚度。

如此方式，藉由按照GaAs基板1之基板尺寸而增加基板之厚度，能夠減低起因於發光部20之化合物半導體層30的彎曲。藉此，可使晶膜成長中之溫度分布成為均一而能夠減小活性層7之面內的波長分布。還有，GaAs基板1之形狀並未特別限定為圓形，即使為矩形等也無問題。

緩衝層(buffer)2係用以減低GaAs基板1與發光部20之構造層的缺陷傳遞所設置。因此，若選擇基板之品質或晶膜成長條件，緩衝層2則不一定為必要。另外，緩衝層2之材質較佳為作成與使其晶膜成長之基板相同的材質。因而，於本實施形態中，與GaAs基板1同樣地，於緩衝層2中較佳為使用GaAs。另外，於緩衝層2中，用以減低缺陷的傳遞，也能夠使用與GaAs基板1不同的材質所構成之多層膜。緩衝層2之厚度較佳為作成0.1 μm以上，更佳為作成0.2 μm以上。

DBR反射層3係用以反射朝基板方向進行的光所設置。DBR反射層3之材質較佳為對發光波長為透明，另外，使其成為構成DBR反射層3之2種材料的折射率差得以變大之組合來加以選擇較佳。於本實施形態中，將DBR反射層3之材質作成AlInP與GaInP之組合，但也能夠從組成不同的2種(Al_X1 Ga_1-X1 )_0.5 In_0.5 P(0X1＜1)、(Al_Xh Ga_1-Xh )_0.5 In_0.5 P(0＜Xh1)來選擇，另外也能夠從組成不同的2種Al_x1 Ga_1-x1 As(0.1x11)、Al_xh Ga_1-xh As(0.1xh1)來選擇。

於本實施形態中，能夠採用分子束磊晶法(MBE法)或有機金屬化學澱積法(MOCVD法)等習知之成長方法。其中，最期望採用具有優異的量產性之MOCVD法。具體而言，使用於化合物半導體層30之晶膜成長的GaAs基板1係期望於成長前實施洗淨步驟或熱處理等之前處理而去除表面之污染或自然氧化膜。構成上述化合物半導體層30之各層能夠以將直徑50至150 mm之GaAs基板1.裝設於MOCVD裝置內，同時使其晶膜成長來積層。另外，MOCVD裝置能夠採用自轉公轉型、高速旋轉型等之市售的大型裝置。

於晶膜成長上述化合物半導體層30的各層之際，III族構成元素之原料能夠使用例如三甲基鋁((CH₃ )₃ Al)、三甲基鎵((CH₃ )₃ Ga)及三甲基銦((CH₃ )₃ In)。另外，Mg之摻雜原料能夠使用例如雙環戊二烯基鎂(bis-(C₅ H₅ )₂ Mg)等。另外，Si之摻雜原料能夠使用例如二矽烷(Si₂ H₆ )等。

另外，V族構成元素之原料能夠使用膦(PH₃ )、胂(AsH₃ )等。

另外，以各層之成長溫度而言，將p型GaP作為電流擴散層10使用之情形，能夠採用720至770℃，其他各層之情形，能夠採用600至700℃。

另外，將p型GaInP作為電流擴散層10使用之情形，能夠採用600至700℃。

還有，各層之載體濃度及層厚、溫度條件能夠適當選擇。

進行如此方式所製得的化合物半導體層30，儘管具有發光部20也可以獲得結晶缺陷少的良好表面狀態。另外，化合物半導體層30也可以對應於元件構造而實施研磨等之表面加工。

(第1及第2之電極的形成步驟)

接著，形成第1電極之p型歐姆電極12及第2電極之n型歐姆電極13。

＜發光二極體(第2實施形態)＞

關於採用本發明之第2實施形態之發光二極體係將關於第1實施形態的發光二極體中之AlGaAs障壁層16作成由組成式(Al_X3 Ga_1-X3 )_Y2 In_1-Y2 P(0X31、0＜Y21)所構成之障壁層而有所不同。

障壁層係由組成式(Al_X3 Ga_1-X3 )_Y2 In_1-Y2 P(0X31、0＜Y21)之化合物半導體所構成。

Al組成X3較佳為作成能帶隙較井層為大之組成，具體而言較佳為0至0.2之範圍。

另外，為了防止發生因與基板之晶格不整所造成的歪斜，Y2較佳為作成0.4至0.6，更佳為0.45至0.55之範圍。

[實施例]

以下，使用實施例而具體說明本發明之效果。還有，本發明並不受此等實施例所限定。

於本實施例中，具體說明製作關於本發明之發光二極體之例子。另外，在本實施例所製得的發光二極體係具有由AlGaAs所構成之井層與由AlGaAs所構成之障壁層的量子井構造所構成之活性層的發光二極體；及由AlGaAs所構成之井層與由AlGaInP所構成之障壁層的量子井構造所構成之活性層的發光二極體。於本實施例中，為了特性評估而製作將發光二極體晶片裝牢於基板上之發光二極體燈。

(實施例1)

實施例1之發光二極體係首先在由摻雜Si之n型GaAs單晶所構成之GaAs基板上，依序積層化合物半導體層而製作矽磊晶片。

GaAs基板係將從(100)面朝(0-1-1)方向傾斜15°之面作為成長面，使載體濃度成為2×10¹⁸ cm^-3 。另外，GaAs基板之層厚係作成約0.5 μm。化合物半導體層係為由摻雜Si之GaAs所構成之n型緩衝層、摻雜Si之重複40對的AlInP與GaInP的構造之n型DBR反射層、由摻雜Si之(Al_0.7 Ga_0.3 )_0.5 In_0.5 P所構成之n型下部包覆層、由Al_0.6 Ga_0.4 As所構成之下部導光層、由22對之Al_0.24 Ga_0.76 As/Al_0.4 Ga_0.6 As所構成之井層/障壁層、由Al_0.6 Ga_0.4 As所構成之上部導光層、由摻雜Mg之(Al_0.7 Ga_0.3 )_0.5 In_0.5 P所構成之p型上部包覆層、由(Al_0.5 Ga_0.5 )_0.5 In_0.5 P所構成之薄膜的中間層、由摻雜Mg之p型GaP所構成之電流擴散層。

於本實施例中，利用有機金屬化學澱積裝置(MOCVD裝置)而使化合物半導體層晶膜成長於直徑76 mm、厚度350 μm之GaAs基板上，形成矽磊晶片。於使晶膜成長層成長之際，III族構成元素之原料係使用三甲基鋁((CH₃ )₃ Al)、三甲基鎵((CH₃ )₃ Ga)及三甲基銦((CH₃ )₃ In)。另外，Mg之摻雜原料能夠使用雙環戊二烯基鎂(bis-(C₅ H₅ )₂ Mg)。另外，Si之摻雜原料能夠使用二矽烷(Si₂ H₆ )。另外，V族構成元素之原料能夠使用膦(PH₃ )、胂(AsH₃ )。另外，作為各層之成長溫度，由p型GaP所構成之電流擴散層係於750℃使其成長。其他之各層則於700℃使其成長。

由GaAs所構成之緩衝層係使載體濃度成為約2×10¹⁸ cm^-3 、使層厚成為約0.5 μm。下部包覆層係使載體濃度成為約1×10¹⁸ cm^-3 、使層厚成為約0.5 μm。下部導光層係作成未摻雜且層厚約為50 nm。井層係作成未摻雜且層厚約為17 nm之Al_0.24 Ga_0.76 As，障壁層係作成未摻雜且層厚約為19 nm之Al_0.4 Ga_0.6 As。另外，交互積層22對之井層與障壁層。上部導光層係作成未摻雜且層厚約為50 nm。上部包覆層係使載體濃度成為約8×10¹⁷ cm^-3 、使層厚成為約0.5 μm。中間層係使載體濃度成為約8×10¹⁷ cm^-3 、使層厚成為約0.05 μm。由GaP所構成之電流擴散層係使載體濃度成為約3×10¹⁸ cm^-3 、使層厚成為約9 μm。

另外，DBR反射層係交互積層40對之使載體濃度成為約1×10¹⁸ cm^-3 、使層厚成為約54 nm之AlInP、與使載體濃度成為約1×10¹⁸ cm^-3 、使層厚成為約51 nm之GaInP。

接著，在電流擴散層之表面，使AuBe成為0.2 μm、使Au成為1 μm的來利用真空蒸鍍法而進行成膜。之後，利用一般之光刻手段而實施圖案形成，形成作為第1電極之p型歐姆電極。接著，在電極部以外之表面的光取出面實施粗面化處理。

接著，在作為第2電極之基板背面，使AuGe、Ni合金成為厚度0.5 μm、使Pt成為0.2 μm、使Au成為1 μm的來利用真空蒸鍍法而進行成膜，形成n型歐姆電極。其後，在450℃進行10分鐘之熱處理而合金化，形成低電阻之p型及n型歐姆電極。

接著，使用晶粒切割機，從化合物半導體層側，以350 μm間隔進行切斷、晶片化。利用硫酸/過氧化氫混合液而蝕刻去除因晶粒切割所造成的破碎層及污垢，製作實施例1之發光二極體。

將如上述方式所製作的實施例1之發光二極體晶片裝牢於架設基板上的100個發光二極體燈予以裝配。此發光二極體燈之架設係利用晶粒結合劑而支撐(架設)，利用金線而線結合p型歐姆電極與p電極終端後，利用一般之環氧樹脂進行密封而製得。

將評估此發光二極體(發光二極體燈)之特性的結果顯示於表5。

如表5所示，將電流流入n型及p型歐姆電極間之後，發射出形成波峰波長700 nm之紅色光。順向流通20微安培(mA)的電流之際的順向電壓(V_F )成為約1.4伏特。於將順向電流成為20 mA之際的發光輸出為6.5 mW。

(實施例2)

實施例2之發光二極體係第1實施形態之實施例，使發光波峰波長應該成為730 nm之井層的Al組成X=0.18、障壁層之Al組成X=0.4，亦即將發光部變更為由Al_0.18 Ga_0.82 As/Al_0.4 Ga_0.6 As對所構成之井層/障壁層。進一步將DBR反射層之層厚變更為約57 nm之AlInP、與約53 nm之GaInP。其他則以相同於實施例1之條件而製得。

評估此發光二極體(發光二極體燈)之特性的結果係如表5所示，射出成為波峰波長730 nm之紅色光，發光輸出(P_o )及順向電壓(V_F )分別為6.7 mW、1.4 V。

(實施例3)

實施例3之發光二極體係第1實施形態之實施例，使發光波峰波長應該成為830 nm之井層的Al組成X=0.03、障壁層之Al組成X=0.2，亦即將發光部變更為由Al_0.03 Ga_0.97 As/Al_0.2 Ga_0.8 As對所構成之井層/障壁層。進一步將DBR反射層之層厚變更為約64 nm之AlInP、與約60 nm之GaInP。其他則以相同於實施例1之條件而製得。

評估此發光二極體(發光二極體燈)之特性的結果係如表5所示，射出成為波峰波長830 nm之紅色光，發光輸出(P_o )及順向電壓(V_F )分別為7.2 mW、1.4 V。

(實施例4)

實施例4之發光二極體係除了變更DBR反射層之構成成分以外，以相同於實施例1之條件而製得。

具體而言，DBR反射層係交互積層40對之使載體濃度成為約1×10¹⁸ cm^-3 、使層厚成為約54 nm之(Al_0.9 Ga_0.1 )_0.5 In_0.5 P、與使載體濃度成為約1×10¹⁸ cm^-3 、使層厚成為約51 nm之(Al_0.2 Ga_0.8 )_0.5 In_0.5 P。

評估此發光二極體(發光二極體燈)之特性的結果係如表5所示，射出成為波峰波長700 nm之紅色光，發光輸出(P_o )及順向電壓(V_F )分別為6.3 mW、1.4 V。

(實施例5)

實施例5之發光二極體係除了變更DBR反射層之構成成分以外，以相同於實施例1之條件而製得。

具體而言，DBR反射層係交互積層40對之使載體濃度成為約1×10¹⁸ cm^-3 、使層厚成為約54 nm之Al_0.9 Ga_0.1 As、與使載體濃度成為約1×10¹⁸ cm^-3 、使層厚成為約50 nm之Al_0.3 Ga_0.7 As。

評估此發光二極體(發光二極體燈)之特性的結果係如表5所示，射出成為波峰波長700 nm之紅色光，發光輸出(P_o )及順向電壓(V_F )分別為6.4 mW、1.3 V。

(實施例6)

實施例6之發光二極體係第2實施形態之實施例，如以下之方式而製得。

首先，在由摻雜Si之n型GaAs單晶所構成之GaAs基板上，依序積層化合物半導體層而製作矽磊晶片。GaAs基板係將從(100)面朝(0-1-1)方向傾斜15°之面作為成長面，使載體濃度成為2×10¹⁸ cm^-3 。另外，GaAs基板之層厚係作成約0.5 μm。化合物半導體層係使用由摻雜Si之GaAs所構成之n型緩衝層、摻雜Si之重複40對的AlInP與GaInP的構造之n型DBR反射層、由摻雜Si之(Al_0.7 Ga_0.3 )_0.5 In_0.5 P所構成之n型下部包覆層、由Al_0.4 Ga_0.6 As所構成之下部導光層、由Al_0.17 Ga_0.83 As/(Al_0.1 Ga_0.9 )_0.5 In_0.5 P對所構成之井層/障壁層、由Al_0.4 Ga_0.6 As所構成之上部導光層、由摻雜Mg之(Al_0.7 Ga_0.3 )_0.5 In_0.5 P所構成之p型上部包覆層、由(Al_0.5 Ga_0.5 )_0.5 In_0.5 P所構成之薄膜的中間層、由摻雜Mg之p型GaP所構成之電流擴散層。

由GaAs所構成之緩衝層係使載體濃度成為約2×10¹⁸ cm^-3 、使層厚成為約0.5 μm。接觸層係使載體濃度成為約2×10¹⁸ cm^-3 、使層厚成為約3.5 μm。上部包覆層係使載體濃度成為約1×10¹⁸ cm^-3 、使層厚成為約0.5 μm。上部導光層係作成未摻雜且層厚約為50 nm。井層係作成未摻雜且層厚約為7 nm之Al_0.17 Ga_0.83 As，障壁層係作成未摻雜且層厚約為19 nm之(Al_0.1 Ga_0.9 )_0.5 In_0.5 P。另外，使井層及障壁層之成對數成為5對。下部導光層係作成未摻雜且層厚約為50 nm。下部包覆層係使載體濃度成為約8×10¹⁷ cm^-3 、使層厚成為約0.5 μm。中間層係使載體濃度成為約8×10¹⁷ cm^-3 、使層厚成為約0.05 μm。由GaP所構成之電流擴散層係使載體濃度成為約3×10¹⁸ cm^-3 、使層厚成為約9 μm。

評估此發光二極體(發光二極體燈)之特性的結果係如表5所示，射出成為波峰波長700 nm之紅色光，發光輸出(P_o )及順向電壓(V_F )分別為6.4 mW、1.5 V。

(實施例7)

實施例7之發光二極體係第2實施形態之實施例，使發光波峰波長應該成為830 nm之井層的Al組成X=0.03、障壁層之Al組成X=0.2，亦即將發光部變更為由Al_0.03 Ga_0.97 As/(Al_0.2 Ga_0.8 )_0.5 In_0.5 P對所構成之井層/障壁層。進一步將DBR反射層之層厚變更為約64 nm之AlInP、與約60 nm之GaInP。其他則以相同於實施例6之條件而製得。

評估此發光二極體(發光二極體燈)之特性的結果係如表5所示，射出成為波峰波長830 nm之紅色光，發光輸出(P_o )及順向電壓(V_F )分別為7.0 mW、1.5 V。

(比較例1)

顯示利用液相晶膜生長法而進行厚膜成長、基板去除的構造之波長760 nm的發光二極體之例子。

使用滑動舟型成長裝置而在GaAs基板上成長AlGaAs層。

將p型GaAs基板設置於滑動舟型成長裝置之基板收納溝內，將金屬Ga、GaAs多晶、金屬Al及摻雜劑置入準備好的各層成長用之坩堝中。

進行成長之層係依照透明厚膜層(第1 p型層)、下部包覆層(p型包覆層)、活性層、上部包覆層(n型包覆層)之順序而作成4層構造。

將設置好此等原料之滑動舟型成長裝置設置於石英反應管內，於氫氣流中加熱至950℃，溶解原料之後，將氣體環境溫度降溫直到910℃，將滑塊向右側按壓而使其接觸原料溶液(熔融)之後，以0.5℃/分鐘之速度進行降溫，到達既定溫度之後，另外重複按壓滑塊以使其依序接觸各原料溶液後而使其高溫之動作，最後與熔融接觸之後，將氣體環境溫度降溫直到703℃而使n型包覆層成長之後，按壓滑塊以使原料溶液與晶圓分離而結束晶膜成長。

所獲得之晶膜層構造為：第1 p型層係Al組成X1=0.3至0.4、層厚64 μm、載體濃度3×10¹⁷ cm^-3 ；p型包覆層係Al組成X2=0.4至0.5、層厚79 μm、載體濃度5×10¹⁷ cm^-3 ；p型活性層係發光波長為760 nm之組成、層厚1 μm、載體濃度1×10¹⁸ cm^-3 ；n型包覆層係Al組成X4=0.4至0.5、層厚25 μm、載體濃度5×10¹⁷ cm^-3 。

晶膜成長結束後，取出磊晶基板，保護n型GaAlAs包覆層表面，利用氨-過氧化氫系蝕刻劑而選擇性地去除p型GaAs基板。之後，在矽磊晶片兩面形成金電極，使用長邊為350 μm之電極遮罩，形成在中央配置有直徑100 μm之線結合用墊的表面電極。在背面電極，以80 μm間隔形成直徑20 μm之歐姆電極。之後，藉由利用切割來分離、蝕刻，而使n型GaAlAs層成為表面側的來製得350 μm正方之發光二極體。

裝牢比較例1之發光二極體、評估發光二極體燈之特性的結果顯示於表5。

如表5所示，將電流流入n型及p型歐姆電極間之後，發射將波峰波長成為760 nm之紅外光。另外，順向流通20微安培(mA)的電流之際的順向電壓(V_F )成為1.9伏特(V)。另外，於使順向電流成為20 mA之際的發光輸出為5.0 mW，較本發明之實施例的輸出為低。

(比較例2)

利用與比較例1同樣之方法而使發光波長成為830 nm的方式來將調整活性層之發光二極體的評估結果顯示於表5。

特性評估之結果係發光輸出(P_o )及順向電壓(V_F )分別為6.0 mW、1.9 V。

[產業上利用之可能性]

本發明之發光二極體能夠作成以高效率發光、信賴性高的高輸出發光二極體製品來利用，其是利用習知之液相晶膜生長法製得的AlGaAs之LED所未能獲得。

1．．．GaAs基板

2．．．緩衝層

3．．．DBR反射層

3a．．．DBR反射層之第1構造層

3b．．．DBR反射層之第2構造層

5．．．下部包覆層(第1包覆層)

6．．．下部導光層

7．．．活性層

8．．．上部導光層

9．．．上部包覆層(第2包覆層)

10．．．電流擴散層

12．．．p型歐姆電極(第1電極)

13．．．n型歐姆電極(第2電極)

20．．．發光部

30．．．化合物半導體層

100．．．發光二極體

第1圖係使用本發明之一實施形態的發光二極體之發光二極體的剖面示意圖。

第2圖係用於本發明之一實施形態的發光二極體之矽磊晶片的剖面示意圖。