JP2014158057A - Light-emitting diode, light-emitting diode lamp, and illuminating device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、発光ダイオード、発光ダイオードランプ及び照明装置に関するものであり、特に高出力の赤色発光ダイオード、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, a light-emitting diode lamp, and a lighting device, and more particularly, to a high-power red light-emitting diode, a light-emitting diode lamp, and a lighting device.
赤色発光ダイオード(以下、LED)は、赤色線通信、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。
近年、ピーク波長が660〜720nmの光は、人が認識できる赤色光源であり、屋外ディスプレイ、出力が高い波長帯である為、目視でセンサーの存在を認識した方が望ましい安全関係のセンサーや、バーコードリーダーの光源および医療用オキシメーターの光源など幅広い用途に使用されている。
Red light emitting diodes (hereinafter referred to as LEDs) are widely used for red line communication, various sensor light sources, night illumination, and the like.
In recent years, light with a peak wavelength of 660 to 720 nm is a red light source that can be recognized by humans, and because it is an outdoor display and a high output wavelength band, it is desirable to visually recognize the presence of the sensor, It is used in a wide range of applications such as light sources for barcode readers and medical oximeters.
上記用途に於いて、各機器の性能向上のため、LEDの高出力が望まれている。一方、耐湿環境下での信頼性向上が望まれている。
例えば、従来の赤色発光ダイオードに於いては、GaAs基板に液相エピタキシャル法を用いたAlGaAsの多層膜からなるLEDが実用化され、いろいろな高出力化の検討がされている。
上記発光波長に対して透明なAlGaAsエピタキシャル層を厚く液相法で成長し、基板として用いた不透明なGaAs基板を除去した構造(所謂、透明基板型)が、現状で最も高出力・高効率の赤色発光ダイオードである。高温高湿信頼性に対しては、Al濃度を低下させる腐食対策が検討されているが、660〜720nm帯では、Al濃度を高くする必要があり、高出力化との両立が困難であった(特許文献1〜5)。
In the above applications, high output of LEDs is desired to improve the performance of each device. On the other hand, it is desired to improve reliability in a moisture resistant environment.
For example, in a conventional red light emitting diode, an LED made of an AlGaAs multilayer film using a liquid phase epitaxial method on a GaAs substrate has been put into practical use, and various high output studies have been made.
The structure (so-called transparent substrate type) in which an opaque GaAs substrate used as a substrate is removed by thickly growing a transparent AlGaAs epitaxial layer with respect to the emission wavelength and removing the opaque GaAs substrate used as a substrate has the highest output and high efficiency at present. It is a red light emitting diode. For high-temperature and high-humidity reliability, anti-corrosion measures that reduce the Al concentration have been studied. However, in the 660 to 720 nm band, it is necessary to increase the Al concentration, and it is difficult to achieve high output. (
光源として更なる性能向上、省エネ、コスト面から、発光効率の高いLEDの開発が望まれている。更に、屋内だけでなく、屋外・半屋外など使用環境が広がり、耐湿性は、重要な信頼性項目の1つである。 From the viewpoint of further performance improvement, energy saving, and cost as a light source, development of an LED having high luminous efficiency is desired. Furthermore, not only indoors but also outdoor and semi-outdoor environments have been expanded, and moisture resistance is one of the important reliability items.
本発明は、上記事情を鑑みてなされたものであり、高出力・高効率であって耐湿性に優れる660〜720nm帯発光に適した赤色発光ダイオードおよび発光ダイオードランプ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 object thereof is to provide a red light-emitting diode and a light-emitting diode lamp suitable for light emission of 660 to 720 nm band, which has high output and high efficiency and excellent moisture resistance. .
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、従来、AlGaAs系の活性層を用いる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)タイプはなかったが、AlGaAs系の活性層構造として透明基板に貼り付ける(接合する)タイプとすることにより、従来の発光ダイオードに比べて高出力を示すことを見出した。さらに、本発明者は、AlGaAs系の活性層構造に用いる赤色発光ダイオードにおいて、この構造を挟むクラッド層に、バンドギャップが大きくかつ結晶性の良い4元のAlGaInP系を用いることにより、クラッド層にAlGaAs系を用いる場合に比べて高出力を示すことを見出した。更に、Alの濃度も低下させることが可能となり、腐食が起こりにくくなり耐湿性も向上する。
本発明者は、この知見につ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 studies to solve the above problems, the present inventor has conventionally pasted (bonded) a compound semiconductor layer including an active layer to a transparent substrate in a light emitting diode using an AlGaAs-based active layer. However, the present inventors have found that the AlGaAs-based active layer structure has a higher output than conventional light-emitting diodes by being attached (bonded) to a transparent substrate. Furthermore, the present inventor uses a quaternary AlGaInP system having a large band gap and good crystallinity for a clad layer sandwiching this structure in a red light emitting diode used for an AlGaAs-based active layer structure. It has been found that the output is higher than when using an AlGaAs system. In addition, the Al concentration can be reduced, corrosion is less likely to occur, and moisture resistance is improved.
As a result of further research on this knowledge, the present inventor has completed the present invention shown in the following configuration.
本発明は、以下の手段を提供する。
(1)組成式(AlX1Ga1−X1)As(0.20≦X1≦0.36)からなる井戸層と、組成式(AlX2Ga1−X2)As(0<X2≦1)からなるバリア層とを交互に積層し、両端にバリア層を有する量子井戸構造の活性層と、該活性層の下面と上面に設けられた第1のガイド層と第2のガイド層と、該活性層及び該ガイド層を挟む第1のクラッド層と第2のクラッド層とを有する発光部と、前記発光部の下方に設けられた電流拡散層と、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のガイド層が組成式(AlX5Ga1−X5)As(0.4≦X5≦1)からなるものとし、前記第1及び第2のクラッド層が組成式(AlX3Ga1−X3)Y1In1−Y1P(0≦X3≦1,0<Y1≦1)からなるものとし、X1<X2<X5の関係を満たし、前記井戸層の厚さを3〜30nmとし、発光波長を660〜720nmに設定されてなることを特徴とする発光ダイオード。
(2)組成式(AlX1Ga1−X1)As(0.20≦X1≦0.36)からなる井戸層と、組成式(AlX4Ga1−X4)Y2In1−Y2P(0≦X4≦1,0<Y2≦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、該活性層の下面と上面に設けられた第1のガイド層と第2のガイド層と、該活性層及び該ガイド層を挟む第1のクラッド層と第2のクラッド層とを有する発光部と、前記発光部の下方に設けられた電流拡散層と、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のガイド層を組成式(AlX6Ga1−X6)Y3In1−Y3P(0≦X6≦1,0<Y3≦1)からなるものとし、前記第1及び第2のクラッド層を組成式(AlX3Ga1−X3)Y1In1−Y1P(0≦X3≦1,0<Y1≦1)からなるものとし、X4<X6<X3の関係を満たし、前記井戸層の厚さを3〜30nmとし、発光波長を660〜720nmに設定されてなることを特徴とする発光ダイオード。
(3)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)又は(2)のいずれかに記載の発光ダイオード。
(4)前記機能性基板はGaP、サファイア又はSiCからな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)組成式(AlX1Ga1−X1)As(0.20≦X1≦0.36)からなる井戸層と、組成式(AlX2Ga1−X2)As(0<X2≦1)からなるバリア層とを交互に積層し、両端にバリア層を有する量子井戸構造の活性層と、該活性層の下面と上面に設けられた第1のガイド層と第2のガイド層と、該活性層及び該ガイド層を挟む第1のクラッド層と第2のクラッド層とを有する発光部と、前記発光部の下方に設けられた電流拡散層と、前記発光部に対向して配置して発光波長に対して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のガイド層が組成式(AlX5Ga1−X5)As(0.4≦X5≦1)からなるものとし、前記第1及び第2のクラッド層が組成式(AlX3Ga1−X3)Y1In1−Y1P(0≦X3≦1,0<Y1≦1)からなるものとし、X1<X2<X5の関係を満たし、前記井戸層の厚さを3〜30nmとし、発光波長を660〜720nmに設定されてなることを特徴とする発光ダイオード。
(6)組成式(AlX1Ga1−X1)As(0.20≦X1≦0.36)からなる井戸層と、組成式(AlX4Ga1−X4)Y2In1−Y2P(0≦X4≦1,0<Y2≦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、該活性層の下面と上面に設けられた第1のガイド層と第2のガイド層と、該活性層及び該ガイド層を挟む第1のクラッド層と第2のクラッド層とを有する発光部と、前記発光部の下方に設けられた電流拡散層と、前記発光部に対向して配置して発光波長に対して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のガイド層を組成式(AlX6Ga1−X6)Y3In1−Y3P(0≦X6≦1,0<Y3≦1)からなるものとし、前記第1及び第2のクラッド層を組成式(AlX3Ga1−X3)Y1In1−Y1P(0≦X3≦1,0<Y1≦1)からなるものとし、X4<X6<X3の関係を満たし、前記井戸層の厚さを3〜30nmとし、発光波長を660〜720nmに設定されてなることを特徴とする発光ダイオード。
(7)前記機能性基板が、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(5)又は(6)のいずれかに記載の発光ダイオード。
(8)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(5)又は(6)のいずれかに記載の発光ダイオード。
(9)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(8)に記載の発光ダイオード。
(10)前記電流拡散層はGaPからなることを特徴とする前項(1)乃至(9)のいずれか一項に記載の発光ダイオード。
(11)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(10)のいずれか一項に記載の発光ダイオード。
(12)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(11)のいずれか一項に記載の発光ダイオード。
(13)前記傾斜面は粗い面を含むことを特徴とする前項(1)乃至(12)のいずれか一項に記載の発光ダイオード。
(14)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(13)のいずれか一項に記載の発光ダイオード。
(15)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(14)に記載の発光ダイオード。
(16)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(14)又は(15)のいずれかに記載の発光ダイオード。
(17)前項(1)乃至(16)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。
(18)前項(16)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。
(19)前項(1)乃至(16)のいずれか一項に記載の発光ダイオードを複数個搭載した照明装置。
The present invention provides the following means.
(1) From a well layer having a composition formula (Al X1 Ga 1-X1 ) As (0.20 ≦ X1 ≦ 0.36) and a composition formula (Al X2 Ga 1-X2 ) As (0 <X2 ≦ 1) An active layer having a quantum well structure having barrier layers on both ends, a first guide layer and a second guide layer provided on the lower surface and the upper surface of the active layer, and the active layer And a light emitting part having a first clad layer and a second clad layer sandwiching the guide layer, a current diffusion layer provided below the light emission part, and a functional substrate bonded to the current diffusion layer And the first and second guide layers are composed of a composition formula (Al X5 Ga 1 -X5 ) As (0.4 ≦ X5 ≦ 1), and the first and second cladding layers are composed of formula (Al X3 Ga 1-X3) Y1 In 1-Y1 P (0 ≦ X3 ≦ 1,0 <Y ≦ 1) becomes as the from, X1 <X2 <satisfy the relationship of X5, the thickness of the well layer is 3 to 30 nm, the light emitting diode, characterized in that formed by setting the emission wavelength to 660~720Nm.
(2) A well layer having a composition formula (Al X1 Ga 1-X1 ) As (0.20 ≦ X1 ≦ 0.36) and a composition formula (Al X4 Ga 1-X4 ) Y2 In 1-Y2 P (0 ≦ An active layer having a quantum well structure in which barrier layers of X4 ≦ 1, 0 <Y2 ≦ 1) are alternately stacked, and a first guide layer and a second guide layer provided on the lower surface and the upper surface of the active layer. A light emitting portion having a first cladding layer and a second cladding layer sandwiching the active layer and the guide layer, a current diffusion layer provided below the light emitting portion, and a junction with the current diffusion layer And the first and second guide layers are composed of a composition formula ( AlX6Ga1 -X6 ) Y3In1 -Y3P (0≤X6≤1, 0 <Y3≤1). and then, the first and second cladding layer composition formula (Al X3 Ga 1-X3) Y1 I It consisted of 1-Y1 P (0 ≦ X3 ≦ 1,0 <Y1 ≦ 1), satisfies the relationship X4 <X6 <X3, the thickness of the well layer and 3~30nm, 660~720nm emission wavelength The light emitting diode characterized by being set to.
(3) The light-emitting diode according to any one of (1) and (2), wherein the functional substrate is transparent with respect to an emission wavelength.
(4) The light-emitting diode according to any one of (1) to (3), wherein the functional substrate is made of GaP, sapphire, or SiC.
(5) From a well layer having a composition formula (Al X1 Ga 1-X1 ) As (0.20 ≦ X1 ≦ 0.36) and a composition formula (Al X2 Ga 1-X2 ) As (0 <X2 ≦ 1) An active layer having a quantum well structure having barrier layers on both ends, a first guide layer and a second guide layer provided on the lower surface and the upper surface of the active layer, and the active layer A light emitting part having a first clad layer and a second clad layer sandwiching the layer and the guide layer, a current diffusion layer provided below the light emitting part, and a light emitting element disposed opposite to the light emitting part Including a reflective layer having a reflectance of 90% or more with respect to the wavelength, and a functional substrate bonded to the current diffusion layer, wherein the first and second guide layers have a composition formula (Al X5 Ga 1- X5) consisted of as (0.4 ≦ X5 ≦ 1) , the first and second class Shall de layer is made of composition formula (Al X3 Ga 1-X3) Y1 In 1-Y1 P (0 ≦ X3 ≦ 1,0 <Y1 ≦ 1), satisfies the relationship of X1 <X2 <X5, the well layer The light emitting diode is characterized in that the thickness is set to 3 to 30 nm and the emission wavelength is set to 660 to 720 nm.
(6) A well layer having a composition formula (Al X1 Ga 1-X1 ) As (0.20 ≦ X1 ≦ 0.36) and a composition formula (Al X4 Ga 1-X4 ) Y2 In 1-Y2 P (0 ≦ An active layer having a quantum well structure in which barrier layers of X4 ≦ 1, 0 <Y2 ≦ 1) are alternately stacked, and a first guide layer and a second guide layer provided on the lower surface and the upper surface of the active layer. A light emitting portion having a first cladding layer and a second cladding layer sandwiching the active layer and the guide layer, a current diffusion layer provided below the light emitting portion, and facing the light emitting portion A functional substrate that is disposed and includes a reflective layer having a reflectance of 90% or more with respect to the emission wavelength, and is bonded to the current diffusion layer, and the first and second guide layers are represented by a composition formula (Al X6 Ga 1-X6) Y3 In 1-Y3 P (0 ≦ X6 ≦ 1,0 from <Y3 ≦ 1) And it shall, shall become the first and second cladding layer from the composition formula (Al X3 Ga 1-X3) Y1 In 1-Y1 P (0 ≦ X3 ≦ 1,0 <Y1 ≦ 1), X4 < A light emitting diode satisfying a relationship of X6 <X3, wherein the thickness of the well layer is 3 to 30 nm, and an emission wavelength is set to 660 to 720 nm.
(7) The light-emitting diode according to any one of (5) and (6), wherein the functional substrate includes a layer made of silicon or germanium.
(8) The light-emitting diode according to any one of (5) and (6), wherein the functional substrate includes a metal substrate.
(9) The light-emitting diode according to (8), wherein the metal substrate includes a plurality of metal layers.
(10) The light-emitting diode according to any one of (1) to (9), wherein the current diffusion layer is made of GaP.
(11) The light-emitting diode according to any one of (1) to (10), wherein a thickness of the current diffusion layer is in a range of 0.5 to 20 μm.
(12) 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 (11), wherein the light-emitting diode has an inclined surface inclined inward.
(13) The light-emitting diode according to any one of (1) to (12), wherein the inclined surface includes a rough surface.
(14) The light-emitting diode according to any one of (1) to (13), wherein the first electrode and the second electrode are provided on the main light extraction surface side of the light-emitting diode. .
(15) The light-emitting diode according to (14), wherein the first electrode and the second electrode are ohmic electrodes.
(16) The light-emitting diode according to any one of (14) and (15) above, further comprising a third electrode on a surface opposite to the main light extraction surface side of the functional substrate. .
(17) A light-emitting diode lamp comprising the light-emitting diode according to any one of (1) to (16).
(18) A light-emitting diode lamp comprising the light-emitting diode according to (16), wherein the first electrode or the second electrode and the third electrode are connected to substantially the same potential. .
(19) A lighting device including a plurality of light emitting diodes according to any one of (1) to (16).
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”.
本発明の発光ダイオードは、組成式(AlX1Ga1−X1)As(0.20≦X1≦0.36)からなる井戸層と、組成式(AlX2Ga1−X2)As(0<X2≦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、活性層を挟む第1のクラッド層と第2のクラッド層とを有する発光部と、発光部上に形成された電流拡散層と、電流拡散層に接合された機能性基板とを備え、第1及び第2のクラッド層を組成式(AlX3Ga1−X3)Y1In1−Y1P(0≦X3≦1,0<Y1≦1)からなるものとし、井戸層の厚さを3〜30nmとし、発光波長を660〜720nmに設定されてなる構成を採用したことにより、従来の660〜720nmの赤色発光ダイオードに比べて高出力を示す。特に、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。また、活性層が組成式(AlX1Ga1−X1)As(0.20≦X1≦0.36)からなる井戸層と、組成式(AlX2Ga1−X2)As(0<X2≦1)からなるバリア層の多重井戸構造を有する構成としたので、単色性に優れている。また、クラッド層が組成式(AlX3Ga1−X3)Y1In1−Y1P(0≦X3≦1,0<Y1≦1)からなる構成であり、欠陥を作りやすいAsを含まないので、結晶性が高く、高出力に寄与する構成となっている。また、クラッド層が組成式(AlX3Ga1−X3)Y1In1−Y1P(0≦X3≦1,0<Y1≦1)からなる構成なので、3元系でなる従来の赤色発光ダイオードに比べてと比べてAl濃度が低く、耐湿性が向上している。また、活性層が組成式(AlX1Ga1−X1)As(0.20≦X1≦0.36)からなる井戸層と、組成式(AlX2Ga1−X2)As(0<X2≦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。 The light-emitting diode of the present invention includes a well layer having a composition formula (Al X1 Ga 1-X1 ) As (0.20 ≦ X1 ≦ 0.36), a composition formula (Al X2 Ga 1-X2 ) As (0 <X2 An active layer having a quantum well structure in which barrier layers composed of ≦ 1) are alternately stacked, a light emitting portion having a first cladding layer and a second cladding layer sandwiching the active layer, and formed on the light emitting portion A current diffusion layer and a functional substrate bonded to the current diffusion layer are provided, and the first and second cladding layers have a composition formula (Al X3 Ga 1-X3 ) Y1 In 1 -Y1 P (0 ≦ X3 ≦ 1). , 0 <Y1 ≦ 1), the thickness of the well layer is 3 to 30 nm, and the light emission wavelength is set to 660 to 720 nm, thereby adopting a conventional red light emitting diode of 660 to 720 nm. High output compared to. In particular, the configuration in which the functional substrate is transparent with respect to the emission wavelength exhibits high output and high efficiency without absorbing light emitted from the light emitting portion. The active layer is composed of a well layer having a composition formula (Al X1 Ga 1-X1 ) As (0.20 ≦ X1 ≦ 0.36), and a composition formula (Al X2 Ga 1-X2 ) As (0 <X2 ≦ 1). ), The monolithicity is excellent. In addition, the cladding layer has a composition formula (Al X3 Ga 1-X3 ) Y1 In 1-Y1 P (0 ≦ X3 ≦ 1, 0 <Y1 ≦ 1), and does not include As which tends to make defects. High crystallinity contributes to high output. In addition, since the clad layer is composed of the composition formula (Al X3 Ga 1-X3 ) Y1 In 1-Y1 P (0 ≦ X3 ≦ 1, 0 <Y1 ≦ 1), the conventional red light-emitting diode of the ternary system is used. Compared with comparatively low Al concentration, the moisture resistance is improved. The active layer is composed of a well layer having a composition formula (Al X1 Ga 1-X1 ) As (0.20 ≦ X1 ≦ 0.36), and a composition formula (Al X2 Ga 1-X2 ) As (0 <X2 ≦ 1). It is suitable for mass production using the MOCVD method.
本発明の発光ダイオードは、組成式(AlX1Ga1−X1)As(0.20≦X1≦0.36)からなる井戸層と、(AlX4Ga1−X4)Y2In1−Y2P(0≦X4≦1,0<Y2≦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、活性層を挟む第1のクラッド層と第2のクラッド層とを有する発光部と、発光部上に形成された電流拡散層と、電流拡散層に接合された機能性基板とを備え、第1及び第2のクラッド層を組成式(AlX3Ga1−X3)Y1In1−Y1P(0≦X3≦1,0<Y1≦1)からなるものとし、井戸層の厚さを3〜30nmとし、発光波長を660〜720nmに設定されてなる構成を採用したことにより、上記の効果の他、バリア層が組成式(AlX4Ga1−X4)Y2In1−Y2P(0≦X4≦1,0<Y2≦1)からなる構成であり、欠陥を作りやすいAsを含まないので、結晶性が高く、高出力に寄与する。 The light-emitting diode of the present invention includes a well layer having a composition formula (Al X1 Ga 1-X1 ) As (0.20 ≦ X1 ≦ 0.36), (Al X4 Ga 1-X4 ) Y2 In 1-Y2 P ( A light emitting unit having an active layer having a quantum well structure in which barrier layers of 0 ≦ X4 ≦ 1, 0 <Y2 ≦ 1) are alternately stacked, and a first cladding layer and a second cladding layer sandwiching the active layer And a current diffusion layer formed on the light emitting portion, and a functional substrate bonded to the current diffusion layer, and the first and second cladding layers have a composition formula (Al X3 Ga 1 -X3 ) Y1 In 1 -Y1 P (0 ≦ X3 ≦ 1, 0 <Y1 ≦ 1), the thickness of the well layer is 3 to 30 nm, and the emission wavelength is set to 660 to 720 nm. addition to the above effects, the barrier layer composition formula (Al X4 Ga 1 X4) Y2 In 1-Y2 P ( a 0 ≦ X4 ≦ 1,0 <Y2 ≦ 1) consisting of structure, does not include the easy to make defects As, high crystallinity, which contributes to the high output.
本発明の発光ダイオードは、機能性基板をGaP、サファイア、SiC、シリコン、又はゲルマニウム等からなる構成とすることにより、腐食しにくい材質である為、耐湿性が向上する。
また、本発明の発光ダイオードは、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、その接合が容易となりかつ接合強度が大きくなる。
Since the light-emitting diode of the present invention is made of a material that is not easily corroded when the functional substrate is made of GaP, sapphire, SiC, silicon, germanium, or the like, moisture resistance is improved.
In the light emitting diode of the present invention, the functional substrate and the current diffusion layer are both made of GaP, so that the bonding becomes easy and the bonding strength is increased.
本発明の発光ダイオードランプは、660〜720nmの発光波長を有することができ、目視でき、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。 The light-emitting diode lamp of the present invention has an emission wavelength of 660 to 720 nm, is visible, has excellent monochromaticity, and has the above-described light-emitting diode having high output, high efficiency, and excellent moisture resistance. Suitable for a wide range of light sources such as sensor applications.
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について、これを用いた発光ダイオードランプとともに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 will be described in detail with reference to the drawings together with a light-emitting diode lamp using the light-emitting diode. 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
<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(AlX1Ga1−X1)As(0.20≦X1≦0.36)からなる井戸層17と、組成式(AlX2Ga1−X2)As(0<X2≦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、該活性層11を挟む第1のクラッド層9と第2のクラッド層13とを有する発光部7と、前記発光部7上に形成された電流拡散層8と、前記電流拡散層8に接合された機能性基板3とを備え、前記第1及び第2のクラッド層を組成式(AlX3Ga1−X3)Y1In1−Y1P;0≦X3≦1,0<Y1≦1)からなるものとし、前記井戸層17の厚さを3〜30nmとして発光波長を660〜720nmに設定したことを特徴とするものである。
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.
The light emitting diode according to the first embodiment includes a
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
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、0.02〜2μm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
井戸層17は、(AlX1Ga1−X1)As(0.20≦X1≦0.36)の組成を有していることが好ましい。
表1に、井戸層17の層厚が17nmのとき、Al組成X1と発光ピーク波長との関係を示す。Al組成X1が低くなるほど、発光ピーク波長が長くなっていることがわかる。
また、その変化の傾向から、表に掲載されていない発光ピーク波長に対応する、Al組成を推定することができる。
Table 1 shows the relationship between the Al composition X1 and the emission peak wavelength when the thickness of the
Moreover, from the tendency of the change, the Al composition corresponding to the emission peak wavelength not listed in the table can be estimated.
井戸層17の層厚は、3〜30nmの範囲が好適である。より好ましくは、5〜20nmの範囲である。
表2に、井戸層17のAl組成X1=0.24のとき、井戸層17の層厚と発光ピーク波長との関係を示す。層厚が薄くなると量子効果により、波長が短くなる。厚い場合には、発光ピーク波長は、組成により一定である。また、その変化の傾向から、表に掲載されていない発光ピーク波長に対応する、層厚を推定することができる。
Table 2 shows the relationship between the layer thickness of the
バリア層18は、(AlX2Ga1−X2)As(0<X2≦1)の組成を有している。上記Xは、発光効率を高めるため、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、結晶性の観点からAl濃度は、低い方が望ましいため、X2は0.4〜0.6の範囲がより好ましい。最適なX2の組成は井戸層の組成との関係で決まる。
The
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。
The layer thickness of the
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、2対以上40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2〜40層含まれていることが好ましい。ここで、活性層11の発光効率が好適な範囲としては、井戸層17が5層以上であることが好ましい。一方、井戸層17及びバリア層18は、キャリア濃度が低いため、多くの対にすると順方向電圧(VF)が、増大してしまう。このため、40対以下であることが好ましく、20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、(AlXGa1−X)As(0<X≦1)の組成を有している。上記Xは、バリア層15よりもバンドギャップが等しいか又は大きくなる組成とすることが好ましく、0.4〜0.7の範囲がより好ましい。結晶性の観点から最適なXの組成は井戸層の組成との関係で決まる。
The
表3に、井戸層17の層厚17nmのときの発光ピーク波長の発光出力を最大にするバリア層18とガイド層のAl組成Xを示す。バリア層及びガイド層は井戸層よりもバンドギャップが大きくなる組成とするのが好ましいが、結晶性を高めて発光出力を向上するために井戸層の組成との関係で最適な組成が定まる。
下部ガイド層10及び上部ガイド層12は、夫々、下部クラッド層9及び上部クラッド層13と活性層11との欠陥の伝搬を低減するために設けられている。すなわち下部ガイド層10、上部ガイド層12及び活性層11のV族構成元素は砒素(As)であるのに対し、本発明では下部クラッド層9及び上部クラッド層13のV族構成元素はリン(P)とするため、界面において欠陥が生じやすい。活性層11への欠陥の伝播は発光ダイオードの性能低下の原因となる。このため下部ガイド層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、(AlX3Ga1−X3)Y1In1−Y1P(0≦X3≦1,0<Y1≦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、(AlX3Ga1−X3)Y1In1−Y1P;0≦X3≦1,0<Y1≦1)のX3が、0.3〜0.7である組成を有することが好ましい。又、Y1は0.4〜0.6とすることが好ましい。
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(AlX3Ga1−X3)Y1In1−Y1P(0.3≦X3≦0.7,0.4≦Y1≦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 lower
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(AlX3Ga1−X3)Y1In1−Y1P(0.3≦X3≦0.7,0.4≦Y1≦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
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、GaAs基板上に化合物半導体層2をエピタキシャル成長させる際に、活性層12によって生じた歪を緩和させるために設けられたものである。
また、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、すなわちGaP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。
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であるからである。
As shown in FIG. 4, the current spreading
The current spreading
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、発光部7から出射される発光を透過でき、活性層10からの発光波長に対して光学的に透明な材料から構成する。また、耐湿性に優れた化学的に安定な材質が、望ましい。例えば、腐食しやすいAl等を含有しない材質である。
機能性基板3はGaP、サファイア又はSiC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。すなわち、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、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 functional substrate 3 is bonded to the surface of the
The functional substrate 3 is preferably made of GaP, sapphire or SiC.
The functional substrate 3 preferably has a thickness of, for example, about 50 μm or more in order to support 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10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10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 functional substrate 3 is a vertical surface 3 a that is substantially perpendicular to the main light extraction surface on the side close to 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 vertical surface 3a into the range of 30 micrometers-100 micrometers. By setting the width of the vertical surface 3a within the above range, the light reflected at the bottom of the functional substrate 3 can be efficiently returned to the light emitting surface at the vertical surface 3a, and further emitted from the main light extraction surface. It becomes possible. For this reason, the light emission efficiency 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
化合物半導体層2と機能性基板3との接合界面は、高抵抗層となる場合がある。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4およびp型オーミック電極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-
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10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。
Moreover, in the
<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6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7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)
先ず、図6に示すように、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AlGaInPからなるコンタクト層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, as shown in FIG. 6, 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のぞましい。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。
As the
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、活性層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10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 in accordance with 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12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)が好適である。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
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。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
このようにして製造した化合物半導体層2は、活性層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、先ず、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7参照)。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
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、先ず、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-
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を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
(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、先ず、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 functional substrate 3 is processed. In processing the functional substrate 3, first, V-shaped grooving is performed on the surface where 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、ダイシング法では、切断の安定性に優れている。 The method for forming the vertical surface 3a is not particularly limited, but it is preferably formed by laser processing, a scribe / break method or a dicing method. 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
<発光ダイオードランプの製造方法>
次に、上記発光ダイオード1を用いた発光ダイオードランプ41の製造方法、すなわち、発光ダイオード1の実装方法について説明する。
図1及び図2に示すように、マウント基板42の表面に所定の数量の発光ダイオード1を実装する。発光ダイオード1の実装は、先ず、マウント基板42と発光ダイオード1との位置合せを行い、マウント基板42の表面の所定の位置に発光ダイオード1を配置する。次に、Agペーストでダイボンドし、発光ダイオード1がマウント基板42の表面に固定される。次に、発光ダイオード1の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とを金線45を用いて接続する(ワイヤボンディング)。次に、発光ダイオード1の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とを金線46を用いて接続する。最後に、マウント基板42の発光ダイオード1が実装された表面を、シリコン樹脂やエポキシ樹脂等の一般的な封止樹脂47によって封止する。このようにして、発光ダイオード1を用いた発光ダイオードランプ41を製造する。
<Method for manufacturing light-emitting diode lamp>
Next, a manufacturing method of the light emitting
As shown in FIGS. 1 and 2, a predetermined number of
また、発光ダイオードランプ41の発光スペクトルは、活性層11の組成が調整されているため、ピーク発光波長が660〜720nmの範囲となる。また、電流拡散層8によって井戸層17及びバリア層18の活性層11内のばらつきが抑制されているため、発光スペクトルの半値幅が、10〜40nmの範囲となる。
The emission spectrum of the light-emitting
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(AlXGa1−X)As(0.20≦X≦0.36)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には、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る。
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、活性層の条件を調整すれば660〜720nm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GaAs基板を除去した透明基板型AlGaAs系の発光ダイオードと比較して、約1.5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 light-emitting
また、本実施形態の発光ダイオードランプ41によれば、660〜720nm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上記発光ダイオード1を備えている。
Further, according to the light emitting
<発光ダイオード(第2の実施形態)>
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は、組成式(AlX1Ga1−X1)As(0.20≦X1≦0.36)からなる井戸層と、組成式(AlX4Ga1−X4)Y2In1−Y2P(0≦X4≦1,0<Y2≦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、活性層を挟む第1のクラッド層と第2のクラッド層とを有する発光部と、発光部上に形成された電流拡散層と、電流拡散層に接合された機能性基板とを備え、第1及び第2のクラッド層を組成式(AlX3Ga1−X3)Y1In1−Y1P;0≦X3≦1,0<Y1≦1)からなるものとし、井戸層の厚さを3〜30nmとし、発光波長を660〜720nmに設定されてなることを特徴とする。
第1の実施形態に係る発光ダイオードにおけるAlGaAsバリア層18を、組成式(AlX4Ga1−X4)Y2In1−Y2P(0≦X4≦1,0<Y2≦1)からなるバリア層とした点が第1の実施形態に係る発光ダイオードと異なる。
<Light Emitting Diode (Second Embodiment)>
The light emitting diode according to the second embodiment to which the present invention is applied includes a well layer having a composition formula (Al X1 Ga 1 -X1 ) As (0.20 ≦ X1 ≦ 0.36), a composition formula (Al X4 Ga 1-X4 ) Y2In1 -Y2P (0 ≦ X4 ≦ 1, 0 <Y2 ≦ 1) active layers having a quantum well structure alternately stacked, and a first cladding layer sandwiching the active layers And a second clad layer, a current diffusion layer formed on the light emission unit, and a functional substrate bonded to the current diffusion layer, the first and second clad layers having a composition formula (Al X3 Ga 1-X3) Y1 in 1-Y1 P; 0 ≦ X3 ≦ 1,0 consisted of <Y1 ≦ 1), the thickness of the well layer is 3 to 30 nm, the emission wavelength 660~720nm It is characterized by being set.
The
上記X3は、発光効率を高めるため、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、結晶性の観点からAl濃度は、低い方が望ましいため、X3は0.3〜0.7、Y2は0.4〜0.6の範囲がより好ましい。最適なX3、Y2の組成は井戸層の組成との関係で決まる。
X3 preferably has a composition having a band gap larger than that of the
<発光ダイオード(第3の実施形態)>
図8(a)及び(b)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り、図8(a)は平面図、図8(b)は図8(a)中に示すC−C’線に沿った断面図である。
第3の実施形態に係る発光ダイオードは、組成式(AlX1Ga1−X1)As(0.20≦X1≦0.36)からなる井戸層と、組成式(AlX2Ga1−X2)As(0<X2≦1)からなるバリア層との積層構造を有して赤色光を発する活性層11と、活性層を挟む第1のクラッド層9と第2のクラッド層13とを有する発光部と、発光部上に形成された電流拡散層8と、発光部に対向して配置して発光波長に対して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及び第2のクラッド層9、13が組成式(AlX3Ga1−X3)Y1In1−Y1P;0≦X3≦1,0<Y1≦1)からなるものとし、井戸層の厚さを3〜30nmとして発光波長を660〜720nmに設定されてなることを特徴とする。
<Light Emitting Diode (Third Embodiment)>
8A and 8B are views for explaining a light emitting diode according to a third embodiment to which the present invention is applied. FIG. 8A is a plan view and FIG. 8B is a diagram. It is sectional drawing along CC 'line shown in 8 (a).
The light emitting diode according to the third embodiment includes a well layer having a composition formula (Al X1 Ga 1-X1 ) As (0.20 ≦ X1 ≦ 0.36) and a composition formula (Al X2 Ga 1-X2 ) As. A light emitting section having an
第3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、発光部に対向して配置する反射層23を備えた機能性基板30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8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8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 third embodiment has a
In the example illustrated in FIG. 8, the
第3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 third 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4の実施形態)>
図9は、本発明を適用した第4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。
本発明を適用した第4の実施形態に係る発光ダイオードは、組成式(AlX1Ga1−X1)As(0.20≦X1≦0.36)からなる井戸層と、組成式(AlX2Ga1−X2)As(0<X2≦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11と、該活性層を挟む第1のクラッド層9と第2のクラッド層13とを有する発光部と、発光部上に形成された電流拡散層8と、発光部に対向して配置して発光波長に対して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及び第2のクラッド層9、13を組成式(AlX3Ga1−X3)Y1In1−Y1P;0≦X3≦1,0<Y1≦1)からなるものとし、井戸層の厚さを3〜30nmとし、発光波長を660〜720nmに設定されてなることを特徴とする。
<Light Emitting Diode (Fourth Embodiment)>
FIG. 9 is a view for explaining a light emitting diode according to a fourth embodiment to which the present invention is applied.
The light-emitting diode according to the fourth embodiment to which the present invention is applied includes a well layer having a composition formula (Al X1 Ga 1 -X1 ) As (0.20 ≦ X1 ≦ 0.36), a composition formula (Al X2 Ga). 1-X2 ) As (0 <X2 ≦ 1), an
第4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3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)がある。
In the light emitting diode according to the fourth embodiment, the functional substrate includes a metal substrate, which is a characteristic configuration of the light emitting diode according to the third embodiment.
The metal substrate has high heat dissipation, contributes to light emission of the light emitting diode with high luminance, and can extend the life of the light emitting diode.
From the viewpoint of heat dissipation, the metal substrate is particularly preferably made of a metal having a thermal conductivity of 130 W / m · K or more. Examples of the metal having a thermal conductivity of 130 W / m · K or more include molybdenum (138 W / m · K) and tungsten (174 W / m · K).
図9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. 9, 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バリヤ層、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ヤ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 barrier metals, 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。
金属基板は2種類の金属層が交互に積層されてなるのが好ましい。
特に、この2種類の金属層の層数は合わせて奇数とするのが好ましい。
The
The metal substrate is preferably formed by alternately laminating two kinds of metal layers.
In particular, the total number of the two types of metal layers is preferably an odd number.
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。
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。
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.
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。
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。
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.
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.
<発光ダイオード(第5の実施形態)>
第5の実施形態に係る発光ダイオードは、組成式(AlX1Ga1−X1)As(0.20≦X1≦0.36)からなる井戸層と、組成式(AlX3Ga1−X3)Y2In1−Y2P(0≦X3≦1,0<Y2≦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、該活性層を挟む第1のクラッド層と第2のクラッド層とを有する発光部と、発光部上に形成された電流拡散層と、発光部に対向して配置して発光波長に対して90%以上の反射率を有する反射層を含み、電流拡散層に接合された機能性基板とを備え、第1及び第2のクラッド層を組成式(AlX2Ga1−X2)Y1In1−Y1P;0≦X2≦1,0<Y1≦1)からなるものとし、井戸層の厚さを3〜30nmとし、発光波長を660〜720nmに設定されてなることを特徴とする。
<Light Emitting Diode (Fifth Embodiment)>
The light-emitting diode according to the fifth embodiment includes a well layer having a composition formula (Al X1 Ga 1-X1 ) As (0.20 ≦ X1 ≦ 0.36), and a composition formula (Al X3 Ga 1-X3 ) Y2. An active layer having a quantum well structure in which barrier layers made of In 1-Y2 P (0 ≦ X3 ≦ 1, 0 <Y2 ≦ 1) are alternately stacked, a first cladding layer sandwiching the active layer, and a second layer A current diffusion unit including a light emitting part having a cladding layer, a current diffusion layer formed on the light emitting part, and a reflective layer disposed opposite to the light emitting part and having a reflectance of 90% or more with respect to an emission wavelength. And a functional substrate bonded to the layer, and the first and second cladding layers are composed of a composition formula (Al X2 Ga 1-X2 ) Y1 In 1-Y1 P; 0 ≦ X2 ≦ 1, 0 <Y1 ≦ 1) The well layer has a thickness of 3 to 30 nm and an emission wavelength of 660 to 7 Characterized by comprising set to 0 nm.
本実施形態においても、機能性基板として、第3の実施形態及び第4の実施形態で例示したものを用いることができる。 Also in the present embodiment, those exemplified in the third embodiment and the fourth embodiment can be used as the functional substrate.
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。発光ダイオードを作製した後、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. After the light emitting diode was manufactured, 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の発光ダイオードは第1の実施形態の実施例である。
先ず、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。また、GaAs基板の層厚は、約0.5μmとした。化合物半導体層とは、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、Al0.6Ga0.4Asからなる上部ガイド層、Al0.24Ga0.76As/Al0.4Ga0.6Asの対からなる井戸層/バリア層、Al0.6Ga0.4As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である。
Example 1
The light-emitting diode of Example 1 is an example of the first embodiment.
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 . The layer thickness of the GaAs substrate was about 0.5 μm. The compound semiconductor layer is 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 cladding layer made of (Al 0.7 Ga 0.3 ) 0.5 In 0.5 P, upper guide layer made of Al 0.6 Ga 0.4 As, Al 0.24 Ga Well layer / barrier layer made of 0.76 As / Al 0.4 Ga 0.6 As pair, lower guide layer made of Al 0.6 Ga 0.4 As, Mg-doped (Al 0.7 Ga 0 .3) p-type lower cladding layer composed of 0.5 in 0.5 P, the intermediate layer, p-type and Mg-doped thin film made of (Al 0.5 Ga 0.5) 0.5 in 0.5 P It is a current diffusion layer made of 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 the epitaxial growth layer, trimethylaluminum ((CH 3 ) 3 Al), trimethyl gallium ((CH 3 ) 3 Ga) and trimethyl indium ((CH 3 ) 3 In) were used as raw materials for the group III constituent elements. . 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、層厚を約3.5μm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17nmのAl0.24Ga0.76Asとし、バリア層はアンドープで層厚が約19nmのAl0.4Ga0.6Asとした。また、井戸層とバリア層とを交互に18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0.05μm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9μm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 about 3.5 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 was undoped Al 0.24 Ga 0.76 As with a thickness of about 17 nm, and the barrier layer was undoped Al 0.4 Ga 0.6 As with a thickness of about 19 nm. Further, 18 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 0.05 μm. The current diffusion layer made of GaP has a carrier concentration of about 3 × 10 18 cm −3 and a layer thickness of about 9 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となる様に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、平方平均平方根値(rms)にして0.12nmに仕上げておいた。
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 roughness of the surface 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 finished to a square average square root value (rms) of 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。
次に、厚さ0.2μmのAuからなる230μm□の第3の電極を機能性基板に形成した。
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.
Next, a 230 μm square third electrode made of Au having a thickness of 0.2 μm was formed on the functional substrate.
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130μm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 V so that the angle α of the inclined surface is 70 ° and the thickness of the vertical surface is 130 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、一般的なシリコン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 silicon 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4に示す。
表4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700nm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、約2.0ボルトとなった。順方向電流を20mAとした際の発光出力は、13mW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、98%であった。VFの変動はなく100%であった。
As shown in Table 4, when a current was passed between the n-type and p-type ohmic electrodes, red light having a peak wavelength of 700 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 about 2.0 volts. The light emission output when the forward current was 20 mA was 13 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 98%. There was no change in V F and it was 100%.
(実施例2)
実施例2の発光ダイオードは第2の実施形態の実施例である。
化合物半導体層は以下の条件で形成し、その他の条件は実施例1と同様である。
Siをドープしたn型のGaAs単結晶からなるGaAs基板上は、(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、Al0.24Ga0.76As/(Al0.1Ga0.9 )0.5 In0.5Pの対からなる井戸層/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。
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、層厚を約3.5μm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17nmのAl0.24Ga0.76Asとし、バリア層はアンドープで層厚が約19nmの(Al0.1Ga0.9 )0.5 In0.5Pとした。また、井戸層及びバリア層のペア数を18対とした。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0.05μm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9μmとした。
(Example 2)
The light-emitting diode of Example 2 is an example of the second embodiment.
The compound semiconductor layer is formed under the following conditions, and other conditions are the same as in Example 1.
On a GaAs substrate made of an n-type GaAs single crystal doped with Si, a plane inclined by 15 ° in the (0-1-1) direction from the (100) plane is the growth plane, and the carrier concentration is 2 × 10 18 cm −. It was set to 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 Al 0.24 Ga 0.76 As / (Al 0.1 Ga 0.9 ) 0.5 In 0.5 P pair, (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, Using current diffusion layer made of g-doped p-type GaP.
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 about 3.5 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 Al 0.24 Ga 0.76 As with a layer thickness of about 17 nm, and the barrier layer is undoped (Al 0.1 Ga 0.9 ) 0.5 In 0. 5 P. Further, the number of pairs of well layers and barrier layers was set to 18. 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 0.05 μm. The current diffusion layer made of GaP has a carrier concentration of about 3 × 10 18 cm −3 and a layer thickness of about 9 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4に示す。
表4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700nm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、約2.2ボルトとなった。順方向電流を20mAとした際の発光出力は、11.2mW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、99%であった。VFの変動はなく100%であった。
Table 4 shows the results of evaluating the characteristics of this light emitting diode (light emitting diode lamp).
As shown in Table 4, when a current was passed between the n-type and p-type ohmic electrodes, red light having a peak wavelength of 700 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 about 2.2 volts. The light emission output when the forward current was 20 mA was 11.2 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 99%. There was no change in V F and it was 100%.
(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、反射層を含む機能性基板を接合した構成である。図8(a)及び(b)を参照して、実施例3の発光ダイオードの製造方法について説明する。尚、下部ガイド層及び上部ガイド層は図示を省略している。
(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 is bonded to a current diffusion layer. With reference to FIG. 8 (a) and (b), the manufacturing method of the light emitting diode of Example 3 is demonstrated. The lower guide layer and the upper guide layer are not shown.
化合物半導体層は実施例1の条件と同じ条件で形成した。
次に、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、反射層23とした。
The compound semiconductor layer was formed under the same conditions as in Example 1.
Next, on the surface of the
Next, an
一方、シリコン基板30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30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
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、シリコン基板をダイシングソーで、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 for separation into chips were removed, and the silicon substrate was cut into squares at a pitch of 350 μm with a dicing saw.
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4に示す。
表4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700nmとする光が出射された。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1.9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、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98%であった。VFの変動はなく100%であった。
Table 4 shows the results of evaluating the characteristics of this light emitting diode (light emitting diode lamp).
As shown in Table 4, when a current was passed between the upper and lower electrodes, light having a peak wavelength of 700 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 about 1.9 volts (V). The light emission output when the forward current was 20 mA was 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 98%. There was no change in V F and it was 100%.
(実施例4)
実施例4の発光ダイオードは第4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9を参照して、実施例4の発光ダイオードを説明する。
Example 4
The light-emitting diode of Example 4 is an example of the fourth 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. 9, the light-emitting diode of Example 4 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 first electrode 55 having a diameter of 100 μm and a thickness of 3 μm was produced.
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4に示す。
表4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700nm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、約1.9ボルトとなった。順方向電流を20mAとした際の発光出力は、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、99%であった。VFの変動はなく100%であった。
Table 4 shows the results of evaluating the characteristics of this light emitting diode (light emitting diode lamp).
As shown in Table 4, when a current was passed between the n-type and p-type ohmic electrodes, red light having a peak wavelength of 700 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 about 1.9 volts. The light emission output when the forward current was 20 mA was 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 99%. There was no change in V F and it was 100%.
(実施例5)
実施例5の発光ダイオードは第5の実施形態の実施例である。
化合物半導体層は実施例2の条件と同じ条件で形成し、その他の条件は実施例3と同様である。
(Example 5)
The light-emitting diode of Example 5 is an example of the fifth embodiment.
The compound semiconductor layer is formed under the same conditions as in Example 2, and the other conditions are the same as in Example 3.
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4に示す。
表4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700nm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、約2.2ボルトとなった。順方向電流を20mAとした際の発光出力は、8.2mW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。VFの変動はなく100%であった。
Table 4 shows the results of evaluating the characteristics of this light emitting diode (light emitting diode lamp).
As shown in Table 4, when a current was passed between the n-type and p-type ohmic electrodes, red light having a peak wavelength of 700 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 about 2.2 volts. The light emission output when the forward current was 20 mA was 8.2 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%. There was no change in V F and it was 100%.
(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680nmにするべく井戸層のAl組成X1=0.28にしたこと、組成式(AlX2Ga1−X2)As(0≦X2≦1)のバリア層のAl組成X2=0.45にしたこと、すなわち、発光部をAl0.28Ga0.72As/Al0.45Ga0.55Asの対からなる
井戸層/バリア層に変更した以外は、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4に示した通りであり、ピーク波長680nmとする赤色光が出射され、発光出力(P0)、順方向電圧(VF)、出力残存率の平均、順方向電圧の変動はそれぞれ、11mW、2V、99%、100%であった。
(Example 6)
The light-emitting diode of Example 6 is an example of the first embodiment, and the Al composition X1 of the well layer was set to 0.28 in order to set the emission peak wavelength to 680 nm, and the composition formula (Al X2 Ga 1-X2 ) Al composition X2 of the barrier layer of As (0 ≦ X2 ≦ 1) was changed to 0.45, that is, the light emitting part was changed to a well layer / barrier layer composed of a pair of Al0.28Ga0.72As / Al0.45Ga0.55As It was produced under the same conditions as in Example 1 except that.
The results of evaluating the characteristics of this light emitting diode (light emitting diode lamp) are as shown in Table 4. Red light having a peak wavelength of 680 nm is emitted, and the light emission output (P 0 ), forward voltage (V F ), The average of the output remaining ratio and the fluctuation of the forward voltage were 11 mW, 2 V, 99%, and 100%, 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680nmにするべく井戸層のAl組成X1=0.28にしたこと、組成式(AlX4Ga1−X4)Y2In1−Y2P(0≦X4≦1,0<Y2≦1)のバリア層のAl組成X4=0.1、Y2=0.5にしたこと、すなわち、発光部をAl0.28Ga0.72As/(Al0.1Ga0.9)0.5In0.5Pの対からなる井戸層/バリア層に変更した以外は、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4に示した通りであり、ピーク波長680nmとする赤色光が出射され、発光出力(P0)、順方向電圧(VF)、出力残存率の平均、順方向電圧の変動はそれぞれ、9.6mW、2.2V、100%、100%であった。
(Example 7)
The light-emitting diode of Example 7 is an example of the second embodiment. The Al composition X1 of the well layer was set to 0.28 in order to set the emission peak wavelength to 680 nm, and the composition formula (Al X4 Ga 1-X4 ) Y2 in 1-Y2 P (0 ≦ X4 ≦ 1,0 <Y2 ≦ 1) barrier layer of Al composition X4 = 0.1, and it was Y2 = 0.5, i.e., Al0.28Ga0.72As the light emitting portion It was produced under the same conditions as in Example 1 except that it was changed to a well layer / barrier layer consisting of a pair of / (Al 0.1 Ga 0.9 ) 0.5 In 0.5 P.
The results of evaluating the characteristics of this light emitting diode (light emitting diode lamp) are as shown in Table 4. Red light having a peak wavelength of 680 nm is emitted, and the light emission output (P 0 ), forward voltage (V F ), The average of the output remaining ratio and the fluctuation of the forward voltage were 9.6 mW, 2.2 V, 100%, and 100%, respectively.
(実施例8)
実施例8の発光ダイオードは第3の実施形態の実施例であり、発光ピーク波長を680nmにするべく井戸層のAl組成X1=0.28にしたこと、組成式(AlX2Ga1−X2)As(0≦X2≦1)のバリア層のAl組成X2=0.45にしたこと、すなわち、発光部をAl0.28Ga0.72As/Al0.45Ga0.55Asの対からなる井戸層/バリア層に変更した以外は、実施例3と同じ条件で作製した。尚、バリア層のAl組成X=0.4からX=0.45に変わったことは発光ピーク波長には影響していない。
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4に示した通りであり、ピーク波長680nmとする赤色光が出射され、発光出力(P0)、順方向電圧(VF)、出力残存率の平均、順方向電圧の変動はそれぞれ、8mW、1.9V、98%、100%であった。
(Example 8)
The light-emitting diode of Example 8 is an example of the third embodiment. The Al composition X1 of the well layer is set to 0.28 so that the emission peak wavelength is 680 nm, and the composition formula (Al X2 Ga 1-X2 ) The Al composition X2 of the barrier layer of As (0 ≦ X2 ≦ 1) was set to 0.45, that is, the light emitting portion was made of a pair of Al 0.28 Ga 0.72 As / Al 0.45 Ga 0.55 As. It was produced under the same conditions as in Example 3 except that the well layer / barrier layer was changed. Note that the change of the Al composition X of the barrier layer from X = 0.4 to X = 0.45 does not affect the emission peak wavelength.
The results of evaluating the characteristics of this light emitting diode (light emitting diode lamp) are as shown in Table 4. Red light having a peak wavelength of 680 nm is emitted, and the light emission output (P 0 ), forward voltage (V F ), The average of the output remaining ratio and the fluctuation of the forward voltage were 8 mW, 1.9 V, 98%, and 100%, respectively.
(実施例9)
実施例9の発光ダイオードは第5の実施形態の実施例であり、発光ピーク波長を680nmにするべく井戸層のAl組成X1=0.28にしたこと、組成式(AlX4Ga1−X4)Y2In1−Y2P(0≦X4≦1,0<Y2≦1)のバリア層のAl組成X4=0.1、Y2=0.5にしたこと、すなわち、発光部をAl0.28Ga0.72As/(Al0.1Ga0.9)0.5In0.5Pの対からなる井戸層/バリア層に変更した以外は、実施例3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4に示した通りであり、ピーク波長680nmとする赤色光が出射され、発光出力(P0)、順方向電圧(VF)、出力残存率の平均、順方向電圧の変動はそれぞれ、7.2mW、2.2V、100%、100%であった。
Example 9
The light-emitting diode of Example 9 is an example of the fifth embodiment, in which the Al composition X1 of the well layer is set to 0.28 in order to set the emission peak wavelength to 680 nm, and the composition formula (Al X4 Ga 1 -X4 ) Y2 in 1-Y2 P (0 ≦ X4 ≦ 1,0 <Y2 ≦ 1) barrier layer of Al composition X4 = 0.1, and it was Y2 = 0.5, i.e., the light emitting portion Al 0.28 Ga It was produced under the same conditions as in Example 3, except that the well layer / barrier layer was made of 0.72 As / (Al 0.1 Ga 0.9 ) 0.5 In 0.5 P.
The results of evaluating the characteristics of this light emitting diode (light emitting diode lamp) are as shown in Table 4. Red light having a peak wavelength of 680 nm is emitted, and the light emission output (P 0 ), forward voltage (V F ), The average of the output remaining ratio and the fluctuation of the forward voltage were 7.2 mW, 2.2 V, 100%, and 100%, 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、発光ピーク波長を720nmにするべく井戸層のAl組成X1=0.2にしたこと、組成式(AlX2Ga1−X2)As(0≦X2≦1)のバリア層のAl組成X2=0.4にしたこと、すなわち、発光部をAl0.2Ga0.8As/Al0.4Ga0.6Asの対からなる井戸層/バ
リア層に変更した以外は、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4に示した通りであり、ピーク波長720nmとする赤色光が出射され、発光出力(P0)、順方向電圧(VF)、出力残存率の平均、順方向電圧の変動はそれぞれ、14mW、2V、100%、100%であった。
(Example 10)
The light-emitting diode of Example 10 is an example of the first embodiment. The Al composition X1 of the well layer was set to 0.2 in order to set the emission peak wavelength to 720 nm, and the composition formula (Al X2 Ga 1-X2 ). The Al composition X2 of the barrier layer of As (0 ≦ X2 ≦ 1) was set to 0.4, that is, the light emitting part was changed to a well layer / barrier layer composed of a pair of Al0.2Ga0.8As / Al0.4Ga0.6As. It was produced under the same conditions as in Example 1 except that.
The results of evaluating the characteristics of this light emitting diode (light emitting diode lamp) are as shown in Table 4. Red light having a peak wavelength of 720 nm is emitted, and the light emission output (P 0 ), forward voltage (V F ), The average of the output remaining ratio and the fluctuation of the forward voltage were 14 mW, 2 V, 100%, and 100%, respectively.
(実施例11)
実施例11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720nmにするべく井戸層のAl組成X1=0.2にしたこと、組成式(AlX4Ga1−X4)Y2In1−Y2P(0≦X4≦1,0<Y2≦1)のバリア層のAl組成X4=0.1、Y2=0.5にしたこと、すなわち、発光部をAl0.2Ga0.8As/(Al0.1Ga0.9)0.5In0.5Pの対からなる井戸層/バリア層に変更した以外は、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4に示した通りであり、ピーク波長720nmとする赤色光が出射され、発光出力(P0)、順方向電圧(VF)、出力残存率の平均、順方向電圧の変動はそれぞれ、12mW、2.2V、99%、100%であった。
(Example 11)
The light-emitting diode of Example 11 is an example of the second embodiment, in which the Al composition X1 of the well layer is set to 0.2 in order to set the emission peak wavelength to 720 nm, the composition formula (Al X4 Ga 1-X4 ) Y2 in 1-Y2 P (0 ≦ X4 ≦ 1,0 <Y2 ≦ 1) barrier layer of Al composition X4 = 0.1, and it was Y2 = 0.5, i.e., the light emitting portion Al 0.2 Ga It was produced under the same conditions as in Example 2 except that the well layer / barrier layer was made of 0.8 As / (Al 0.1 Ga 0.9 ) 0.5 In 0.5 P.
The results of evaluating the characteristics of this light emitting diode (light emitting diode lamp) are as shown in Table 4. Red light having a peak wavelength of 720 nm is emitted, and the light emission output (P 0 ), forward voltage (V F ), The average of the output remaining ratio and the fluctuation of the forward voltage were 12 mW, 2.2 V, 99%, and 100%, respectively.
(実施例12)
実施例12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660nmにするべく井戸層のAl組成X1=0.33にしたこと、組成式(AlX2Ga1−X2)As(0≦X2≦1)のバリア層のAl組成X2=0.45にしたこと、すなわち、発光部をAl0.33Ga0.67As/Al0.45Ga0.55Asの対からな
る井戸層/バリア層に変更した以外は、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4に示した通りであり、ピーク波長660nmとする赤色光が出射され、発光出力(P0)、順方向電圧(VF)、出力残存率の平均、順方向電圧の変動はそれぞれ、8mW、2V、98%、100%であった。
(Example 12)
The light-emitting diode of Example 12 is an example of the first embodiment, in which the Al composition X1 of the well layer is set to 0.33 in order to set the emission peak wavelength to 660 nm, the composition formula (Al X2 Ga 1-X2 ) The barrier layer of As (0 ≦ X2 ≦ 1) was made to have an Al composition X2 = 0.45, that is, the light emitting part was made of a pair of Al 0.33 Ga 0.67 As / Al 0.45 Ga 0.55 As. It was produced under the same conditions as in Example 1 except that the well layer / barrier layer was changed.
The results of evaluating the characteristics of this light emitting diode (light emitting diode lamp) are as shown in Table 4. Red light having a peak wavelength of 660 nm is emitted, and the light emission output (P 0 ), forward voltage (V F ), The average of the output remaining ratio and the fluctuation of the forward voltage were 8 mW, 2 V, 98%, and 100%, respectively.
(実施例13)
実施例13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660nmにするべく井戸層のAl組成X1=0.33にしたこと、組成式(AlX4Ga1−X4)Y2In1−Y2P(0≦X4≦1,0<Y2≦1)のバリア層のAl組成X4=0.1、Y2=0.5にしたこと、すなわち、発光部をAl0.33Ga0.67As/(Al0.1Ga0.9)0.5In0.5Pの対からなる井戸層/バリア層に変更した以外は、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4に示した通りであり、ピーク波長660nmとする赤色光が出射され、発光出力(P0)、順方向電圧(VF)、出力残存率の平均、順方向電圧の変動はそれぞれ、7.6mW、2.3V、100%、100%であった。
(Example 13)
The light-emitting diode of Example 13 is an example of the second embodiment, and the Al composition X1 = 0.33 of the well layer was set so that the emission peak wavelength was 660 nm, and the composition formula (Al X4 Ga 1-X4 ) Y2 in 1-Y2 P (0 ≦ X4 ≦ 1,0 <Y2 ≦ 1) barrier layer of Al composition X4 = 0.1, and it was Y2 = 0.5, i.e., Al0.33Ga0.67As the light emitting portion This was produced under the same conditions as in Example 2 except that the well layer / barrier layer was made of a pair of /(Al0.1Ga0.9)0.5In0.5P.
The results of evaluating the characteristics of this light emitting diode (light emitting diode lamp) are as shown in Table 4. Red light having a peak wavelength of 660 nm is emitted, and the light emission output (P 0 ), forward voltage (V F ), The average of the output remaining ratio and the fluctuation of the forward voltage were 7.6 mW, 2.3 V, 100%, and 100%, respectively.
(比較例1)
比較例1の発光ダイオードは、AlGaAs系発光ダイオードの高輝度タイプである、ダブルヘテロ構造の発光部を有する基板除去型の発光ダイオードである。
まず、GaAs基板に、スライドボート型成長装置を用いて液相エピタキシャル法で、AlGaAs層を成長した。
スライドボート型成長装置の基板収納溝にp型GaAs基板をセットし、各層の成長用に用意したルツボにGaメタル、GaAs多結晶、金属Al、及びドーパントを入れた。
成長する層は、透明厚膜層(第1のp型層)、下部クラッド層(p型クラッド層)、活性層、上部クラッド層(n型クラッド層)の4層構造とし、この順序で積層した。
これらの原料をセットしたスライドボート型成長装置を、石英反応管内にセットし、水素気流中で950℃まで加温し、原料を溶解した後、雰囲気温度を910℃まで降温し、スライダーを右側に押して原料溶液(メルト)に接触させたあと0.5℃/分の速度で降温し、所定温度に達した後、またスライダーを押して順次各原料溶液に接触させたあと降温させる動作を繰り返し、最終的にはメルトと接触させた後、雰囲気温度を700℃まで降温してnクラッド層を成長させた後、スライダーを押して原料溶液とウェーハを切り離してエピタキシャル成長を終了させた。
得られたエピタキシャル層の構造は、第1のp型層は、Al組成X1=0.36〜0.45、層厚55μm、キャリア濃度9×1017cm−3、p型クラッド層は、Al組成X2=0.4〜0.5、層厚70μm、キャリア濃度5×1017cm−3、p型活性層
は、発光波長が700nmの組成で、層厚1μm、キャリア濃度1×1018cm−3、n型クラッド層は、Al組成X4=0.4〜0.5、層厚28μm、キャリア濃度5×1017cm−3、であった。
(Comparative Example 1)
The light emitting diode of Comparative Example 1 is a substrate removal type light emitting diode having a light emitting portion of a double hetero structure, which is a high luminance type of AlGaAs light emitting diode.
First, an AlGaAs layer was grown on a GaAs substrate by a liquid phase epitaxial method using a slide boat type growth apparatus.
A p-type GaAs substrate was set in a substrate storage groove of a slide boat type growth apparatus, and Ga metal, GaAs polycrystal, metal Al, and a dopant were put in a crucible prepared for growth of each layer.
The growing layer has a four-layer structure of a transparent thick film layer (first p-type layer), a lower clad layer (p-type clad layer), an active layer, and an upper clad layer (n-type clad layer). did.
A slide boat type growth apparatus in which these raw materials are set is set in a quartz reaction tube, heated to 950 ° C. in a hydrogen stream, dissolved, and then the ambient temperature is lowered to 910 ° C. After pressing and bringing into contact with the raw material solution (melt), the temperature is decreased at a rate of 0.5 ° C./min. After reaching the predetermined temperature, the operation of repeatedly lowering the temperature after sequentially contacting each raw material solution by pressing the slider is repeated. Specifically, after contact with the melt, the ambient temperature was lowered to 700 ° C. to grow the n-clad layer, and then the slider was pushed to separate the raw material solution from the wafer to complete the epitaxial growth.
The structure of the obtained epitaxial layer is such that the first p-type layer has an Al composition X1 = 0.36 to 0.45, a layer thickness of 55 μm, a carrier concentration of 9 × 10 17 cm −3 , and the p-type cladding layer has an Al Composition X2 = 0.4 to 0.5, layer thickness 70 μm,
このエピタキシャル成長終了後、エピタキシャル基板を取り出し、n型AlGaAs透明厚膜層表面を保護して、アンモニア−過酸化水素系エッチャントでp型GaAs基板を選択的に除去した。これにより露出したp型クラッド層側を裏面側、n型AlGaAs透明厚膜層側を表面側として、発光ダイオードを作成した。
エピタキシャルウェーハ表面側に金合金/金電極を形成し、350μm間隔の電極マスクを用いて、直径100μmのワイヤーボンディング用パッドを中央に配置された表面電極を設けた。エピタキシャル裏面側にも金合金/金電極を形成し、直径20μmのオーミック電極を80μm間隔で設けた。その後、ダイシングで分離、エッチングすることにより、n型GaAlAs層が表面側となるようにした約320μm角の発光ダイオードを作製した。
After this epitaxial growth was completed, the epitaxial substrate was taken out, the n-type AlGaAs transparent thick film layer surface was protected, and the p-type GaAs substrate was selectively removed with an ammonia-hydrogen peroxide etchant. A light-emitting diode was produced with the exposed p-type cladding layer side as the back side and the n-type AlGaAs transparent thick film layer side as the front side.
A gold alloy / gold electrode was formed on the surface side of the epitaxial wafer, and a surface electrode in which a wire bonding pad having a diameter of 100 μm was arranged at the center was provided using an electrode mask having an interval of 350 μm. A gold alloy / gold electrode was also formed on the epitaxial back side, and ohmic electrodes with a diameter of 20 μm were provided at intervals of 80 μm. Thereafter, separation and etching were performed by dicing to produce a light emitting diode of about 320 μm square in which the n-type GaAlAs layer was on the surface side.
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4に示す。
表4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700nmとする赤色光が出射された。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1.9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、3.8mW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78%であった。VFの変動は少し高くなり105%であった。
Table 4 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 4, when a current was passed between the n-type and p-type ohmic electrodes, red light having a peak wavelength of 700 nm was emitted. The forward voltage (V F ) when a current of 20 mA (mA) was passed in the forward direction was about 1.9 volts (V). The light emission output when the forward current was 20 mA was 3.8 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 78%. Fluctuation of V F was 105% is slightly higher.
(比較例2)
比較例1と同様な方法で、発光波長を680nmになるように、活性層を調整した発光ダイオードの評価結果を表4に示す。
特性評価した結果は発光出力(P0)、順方向電圧(VF)、出力残存率の平均、順方向電圧の変動はそれぞれ、2.8mW、1.9V、74%、107%であった。
(Comparative Example 2)
Table 4 shows the evaluation results of the light emitting diode in which the active layer was adjusted so that the emission wavelength was 680 nm by the same method as in Comparative Example 1.
As a result of the characteristic evaluation, light emission output (P 0 ), forward voltage (V F ), average of output remaining rate, and fluctuation of forward voltage were 2.8 mW, 1.9 V, 74%, and 107%, respectively. .
比較例のランプは、本発明の実施例に比べて出力が1/2以下と非常に低かった。また、高温高湿の信頼性も、実施例はほとんど変動がなかったが、比較例は、出力低下とVF上昇が認められた。これは、発光ダイオードの高濃度Alの表面が酸化(腐食)し、光の透過を阻害し、抵抗が上昇したと考えられる。 The lamp of the comparative example had a very low output of 1/2 or less compared to the embodiment of the present invention. Also, the reliability of the high temperature and high humidity, embodiments have had little change, the comparative example, the output drop and V F increase was observed. This is probably because the surface of the high-concentration Al of the light-emitting diode was oxidized (corroded), obstructing the transmission of light, and the resistance increased.
本発明の発光ダイオード、発光ダイオードランプ、照明装置は高効率発光し、高温高湿に対しても、信頼性の高い従来の液相エピタキシャル法のAlGaAsのLEDで得られなかった高出力発光ダイオード製品として、屋外、半屋外用途においても、利用できる。 The light-emitting diode, light-emitting diode lamp, and illumination device of the present invention emit light with high efficiency, and are high-power light-emitting diode products that could not be obtained with high-reliability conventional liquid phase epitaxial AlGaAs LEDs even at high temperatures and high humidity. As such, it can be used in outdoor and semi-outdoor applications.
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
10・・・下部ガイド層
11・・・発光(活性)層
12・・・上部ガイド層
13・・・上部クラッド層
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・・・反射層
25・・・ボンディング電極
30 シリコン基板
31 機能性基板
41・・・発光ダイオードランプ
42・・・マウント基板
43・・・n電極端子
44・・・p電極端子
45,46・・・金線
47・・・エポキシ樹脂
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 ...
DESCRIPTION OF
DESCRIPTION OF
Claims (19)
前記発光部の下方に設けられた電流拡散層と、
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のガイド層が組成式(AlX5Ga1−X5)As(0.4≦X5≦1)からなるものとし、
前記第1及び第2のクラッド層が組成式(AlX3Ga1−X3)Y1In1−Y1P(0≦X3≦1,0<Y1≦1)からなるものとし、
X1<X2<X5の関係を満たし、前記井戸層の厚さを3〜30nmとし、発光波長を660〜720nmに設定されてなることを特徴とする発光ダイオード。 A well layer having a composition formula (Al X1 Ga 1-X1 ) As (0.20 ≦ X1 ≦ 0.36) and a barrier layer having a composition formula (Al X2 Ga 1-X2 ) As (0 <X2 ≦ 1) And an active layer having a quantum well structure having barrier layers at both ends, a first guide layer and a second guide layer provided on a lower surface and an upper surface of the active layer, the active layer, and the active layer A light emitting part having a first cladding layer and a second cladding layer sandwiching the guide layer;
A current spreading layer provided below the light emitting unit;
A functional substrate bonded to the current spreading layer,
The first and second guide layers are composed of a composition formula ( AlX5Ga1 -X5 ) As ( 0.4≤X5≤1 ),
The first and second cladding layers are composed of a composition formula ( AlX3Ga1 -X3 ) Y1In1 -Y1P (0 ≦ X3 ≦ 1, 0 <Y1 ≦ 1),
A light-emitting diode satisfying a relationship of X1 <X2 <X5, wherein the thickness of the well layer is 3 to 30 nm, and an emission wavelength is set to 660 to 720 nm.
前記発光部の下方に設けられた電流拡散層と、
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のガイド層を組成式(AlX6Ga1−X6)Y3In1−Y3P(0≦X6≦1,0<Y3≦1)からなるものとし、
前記第1及び第2のクラッド層を組成式(AlX3Ga1−X3)Y1In1−Y1P(0≦X3≦1,0<Y1≦1)からなるものとし、
X4<X6<X3の関係を満たし、前記井戸層の厚さを3〜30nmとし、発光波長を660〜720nmに設定されてなることを特徴とする発光ダイオード。 Composition formula (Al X1 Ga 1-X1) As (0.20 ≦ X1 ≦ 0.36) and a well layer made of a composition formula (Al X4 Ga 1-X4) Y2 In 1-Y2 P (0 ≦ X4 ≦ 1 , 0 <Y2 ≦ 1), and an active layer having a quantum well structure alternately stacked, a first guide layer and a second guide layer provided on a lower surface and an upper surface of the active layer, A light emitting section having an active layer and a first cladding layer and a second cladding layer sandwiching the guide layer;
A current spreading layer provided below the light emitting unit;
A functional substrate bonded to the current spreading layer,
The first and second guide layers are composed of a composition formula ( AlX6Ga1 -X6 ) Y3In1 -Y3P (0≤X6≤1, 0 <Y3≤1),
The first and second cladding layers are composed of a composition formula (Al X3 Ga 1-X3 ) Y1 In 1-Y1 P (0 ≦ X3 ≦ 1, 0 <Y1 ≦ 1),
A light emitting diode satisfying a relationship of X4 <X6 <X3, wherein the thickness of the well layer is 3 to 30 nm, and an emission wavelength is set to 660 to 720 nm.
前記発光部の下方に設けられた電流拡散層と、
前記発光部に対向して配置して発光波長に対して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のガイド層が組成式(AlX5Ga1−X5)As(0.4≦X5≦1)からなるものとし、
前記第1及び第2のクラッド層が組成式(AlX3Ga1−X3)Y1In1−Y1P(0≦X3≦1,0<Y1≦1)からなるものとし、
X1<X2<X5の関係を満たし、前記井戸層の厚さを3〜30nmとし、発光波長を660〜720nmに設定されてなることを特徴とする発光ダイオード。 A well layer having a composition formula (Al X1 Ga 1-X1 ) As (0.20 ≦ X1 ≦ 0.36) and a barrier layer having a composition formula (Al X2 Ga 1-X2 ) As (0 <X2 ≦ 1) And an active layer having a quantum well structure having barrier layers at both ends, a first guide layer and a second guide layer provided on a lower surface and an upper surface of the active layer, the active layer, and the active layer A light emitting part having a first cladding layer and a second cladding layer sandwiching the guide layer;
A current spreading layer provided below the light emitting unit;
A reflective substrate disposed opposite to the light emitting portion and having a reflectance of 90% or more with respect to the emission wavelength, and a functional substrate bonded to the current diffusion layer,
The first and second guide layers are composed of a composition formula ( AlX5Ga1 -X5 ) As ( 0.4≤X5≤1 ),
The first and second cladding layers are composed of a composition formula ( AlX3Ga1 -X3 ) Y1In1 -Y1P (0 ≦ X3 ≦ 1, 0 <Y1 ≦ 1),
A light-emitting diode satisfying a relationship of X1 <X2 <X5, wherein the thickness of the well layer is 3 to 30 nm, and an emission wavelength is set to 660 to 720 nm.
前記発光部の下方に設けられた電流拡散層と、
前記発光部に対向して配置して発光波長に対して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のガイド層を組成式(AlX6Ga1−X6)Y3In1−Y3P(0≦X6≦1,0<Y3≦1)からなるものとし、
前記第1及び第2のクラッド層を組成式(AlX3Ga1−X3)Y1In1−Y1P(0≦X3≦1,0<Y1≦1)からなるものとし、
X4<X6<X3の関係を満たし、前記井戸層の厚さを3〜30nmとし、発光波長を660〜720nmに設定されてなることを特徴とする発光ダイオード。 Composition formula (Al X1 Ga 1-X1) As (0.20 ≦ X1 ≦ 0.36) and a well layer made of a composition formula (Al X4 Ga 1-X4) Y2 In 1-Y2 P (0 ≦ X4 ≦ 1 , 0 <Y2 ≦ 1), and an active layer having a quantum well structure alternately stacked, a first guide layer and a second guide layer provided on a lower surface and an upper surface of the active layer, A light emitting section having an active layer and a first cladding layer and a second cladding layer sandwiching the guide layer;
A current spreading layer provided below the light emitting unit;
A reflective substrate disposed opposite to the light emitting portion and having a reflectance of 90% or more with respect to the emission wavelength, and a functional substrate bonded to the current diffusion layer,
The first and second guide layers are composed of a composition formula ( AlX6Ga1 -X6 ) Y3In1 -Y3P (0≤X6≤1, 0 <Y3≤1),
The first and second cladding layers are composed of a composition formula (Al X3 Ga 1-X3 ) Y1 In 1-Y1 P (0 ≦ X3 ≦ 1, 0 <Y1 ≦ 1),
A light emitting diode satisfying a relationship of X4 <X6 <X3, wherein the thickness of the well layer is 3 to 30 nm, and an emission wavelength is set to 660 to 720 nm.
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JP2011176268A (en) | 2011-09-08 |
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