JP4918245B2 - Light emitting diode and manufacturing method thereof - Google Patents
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Description
この発明は、高輝度の発光ダイオード、その製造方法及び発光ダイオードパッケージに関する。 The present invention relates to a high-intensity light emitting diode, a method for manufacturing the same, and a light emitting diode package.
AlGaInP系化合物半導体発光素子は、赤色から黄緑色の波長領域において高効率で発光でき、車載用、交通信号用等に利用拡大している。またGaN系化合物半導体発光素子と共に用いられ、青・緑・赤の光三原色を出すことによる白色発光素子にも利用されている。 AlGaInP-based compound semiconductor light-emitting elements can emit light with high efficiency in the wavelength region from red to yellow-green, and are being used more widely for in-vehicle use and traffic signals. Further, it is used together with a GaN-based compound semiconductor light-emitting device, and is also used for a white light-emitting device that emits three primary colors of blue, green, and red.
AlGaInP系化合物半導体発光素子において、発光した光を効率良く素子から取り出すために、透明な基板が望ましいが、透明な例えばGaP基板では、その上に成長させる半導体層と格子不整合の問題がある。GaAs基板ならば格子不整合の問題は起こらないが、GaAsは不透明という問題が生じる。そこでAlGaInP結晶成長に用いた不透明なGaAs基板を除去し、透明なGaP基板を接合する方法が開発されている(特許文献1及び2参照)。
また上記高輝度発光素子に用いられるGaP基板として(100)面もしくは(100)面を<011>方向に20°以内に傾斜させた面方位を主面とした場合、厚さが100〜150μmでは機械強度が弱く、製造工程中の ”割れ” による工程歩留の低下を招くことが問題となる。
In an AlGaInP-based compound semiconductor light emitting device, a transparent substrate is desirable in order to efficiently extract emitted light from the device. However, a transparent GaP substrate, for example, has a problem of lattice mismatch with a semiconductor layer grown thereon. A GaAs substrate does not cause a lattice mismatch problem, but GaAs has a problem of being opaque. Therefore, a method has been developed in which the opaque GaAs substrate used for AlGaInP crystal growth is removed and a transparent GaP substrate is bonded (see Patent Documents 1 and 2).
Further, when the GaP substrate used in the high-intensity light-emitting element has a (100) plane or a (100) plane inclined in the <011> direction within 20 ° as a principal plane, the thickness is 100 to 150 μm. The problem is that the mechanical strength is weak and the process yield decreases due to “cracking” during the manufacturing process.
機械強度を確保するため、GaP基板の厚さが200μmを越える場合 ”割れ” による歩留低下を低減できるが、チップ内部の熱が逃げにくくなり、輝度の低下、信頼性の悪化等の問題を引き起こす。また、GaN系発光素子と共に使用される白色発光素子において、一般的なGaN系発光素子の2倍以上ものチップ高さになってしまう。そのためGaN系発光素子と一緒にパッケージする際不都合をきたす。
特許文献2にはGaP基板の主面(接合面)を(111)とすることも開示されているが、基板は厚くやはり上記のような問題がある。
Patent Document 2 also discloses that the main surface (bonding surface) of the GaP substrate is (111), but the substrate is thick and still has the above-described problems.
本発明は、従来技術における上記の問題点に鑑み、工程歩留を低下させることなく発光素子チップ高さをGaN系発光素子程度に低くし、高輝度で、放熱性が良い透明基板型のAlGaInP系体発光素子、それを廉価に作製できる形成方法を提供することを目的とする。 In view of the above-described problems in the prior art, the present invention reduces the light emitting element chip height to a GaN-based light emitting element without lowering the process yield, and is a transparent substrate type AlGaInP having high brightness and good heat dissipation. It is an object of the present invention to provide a system light emitting device and a forming method capable of producing the same at a low cost.
本発明は、上記の目的を達成するために鋭意研究した結果、GaPは主面を(111)とするものは(100)面とするものより機械的強度が大きく、したがって基板を薄くすることが可能であること、またエッチングにより基板に容易に凹凸が形成できることができること等に基づいてなされたものである。
即ち、本発明は以下の発明からなる。
As a result of diligent research to achieve the above object, the present invention shows that GaP has a (111) principal surface with a higher mechanical strength than a (100) surface, and thus the substrate can be made thinner. This is based on the fact that it is possible, and that it is possible to easily form irregularities on the substrate by etching.
That is, this invention consists of the following invention.
(1)組成式(AlXGa1-X)YIn1-YP(0≦X≦1,0<Y≦1)から成る発光部を有する半導体層上に、発光部から出射される発光に対して光学的に透明な基板を備えた発光ダイオードであって、該透明基板は、その主面が(111)もしくは(111)から20°以内で傾斜し、厚さが200μm以下の燐化ガリウム(GaP)から構成されていることを特徴とする発光ダイオード。
(2)透明基板の厚さが、150μm以下であることを特徴とする上記(1)に記載の発光ダイオード。
(3)透明基板の厚さが、50μm以上であることを特徴とする上記(1)または(2)に記載の発光ダイオード。
(1) Light emitted from the light emitting portion on the semiconductor layer having the light emitting portion having the composition formula (Al X Ga 1-X ) Y In 1-YP (0 ≦ X ≦ 1, 0 <Y ≦ 1) A light emitting diode having an optically transparent substrate, the transparent substrate having a principal surface inclined within 20 ° from (111) or (111) and having a thickness of 200 μm or less A light emitting diode comprising gallium (GaP).
(2) The light-emitting diode according to (1), wherein the transparent substrate has a thickness of 150 μm or less.
(3) The light-emitting diode according to (1) or (2) above, wherein the thickness of the transparent substrate is 50 μm or more.
(4)組成式(AlXGa1-X)YIn1-YP(0≦X≦1,0<Y≦1)から成る発光部を有する半導体層上に、発光部から出射される発光に対して光学的に透明な基板を備えた発光ダイオードであって、該透明基板は、その主面が(111)もしくは(111)から20°以内で傾斜した燐化ガリウム(GaP)から構成され、該GaPの裏面及び側面に高低差1〜10μmの凹凸が形成されていることを特徴とする発光ダイオード。
(5)組成式(AlXGa1-X)YIn1-YP(0≦X≦1,0<Y≦1)から成る発光部を有する半導体層上に、発光部から出射される発光に対して光学的に透明な基板を備えた発光ダイオードであって、該透明基板はその主面が(111)もしくは(111)から20°以内で傾斜したn型の燐化ガリウム(GaP)から構成され、前記半導体層のp型半導体層上に配置されていることを特徴とする発光ダイオード。
(6)n型のGaPが、Si、S、Teが添加されているか、もしくはアンドープ
である上記(5)に記載の発光ダイオード。
(4) Light emission emitted from the light emitting portion on the semiconductor layer having the light emitting portion having the composition formula (Al X Ga 1-X ) Y In 1-YP (0 ≦ X ≦ 1, 0 <Y ≦ 1) A light-emitting diode provided with a substrate optically transparent to the substrate, the transparent substrate being made of gallium phosphide (GaP) whose main surface is inclined within 20 ° from (111) or (111). A light emitting diode, wherein unevenness having a height difference of 1 to 10 μm is formed on the back and side surfaces of the GaP.
(5) Light emitted from the light emitting portion on the semiconductor layer having the light emitting portion having the composition formula (Al X Ga 1-X ) Y In 1-YP (0 ≦ X ≦ 1, 0 <Y ≦ 1) A light-emitting diode comprising an optically transparent substrate, the transparent substrate being made of n-type gallium phosphide (GaP) whose principal surface is inclined within 20 ° from (111) or (111). A light-emitting diode configured and disposed on a p-type semiconductor layer of the semiconductor layer.
(6) The light-emitting diode according to (5), wherein the n-type GaP is doped with Si, S, or Te or is undoped.
(7)GaPのキャリア濃度が1×1018cm-3以下であることを特徴とする上記(1)〜(6)のいずれかに記載の発光ダイオード。
(8)透明基板が半導体層に接合されていることを特徴とする上記(1)〜(7)のいずれかに記載の発光ダイオード。
(9)GaPが560nm以上の波長を持つ光に対して、透過率が50%以上であることを特徴とする上記(1)〜(8)のいずれかに記載の発光ダイオード。
(10)不透明な基板上に組成式(AlXGa1-X)YIn1-YP(0≦X≦1,0<Y≦1)から成る発光部を含む半導体層を形成し、該半導体層上に、厚さが200μm以下の燐化ガリウム(GaP)基板を、その主面を(111)にして、もしくは(111)から20°以内で傾斜させて接合することを特徴とする発光ダイオードの製造方法。
(7) The light-emitting diode according to any one of (1) to (6), wherein the carrier concentration of GaP is 1 × 10 18 cm −3 or less.
(8) The light-emitting diode according to any one of (1) to (7), wherein the transparent substrate is bonded to the semiconductor layer.
(9) The light-emitting diode according to any one of (1) to (8) above, wherein the transmittance is 50% or more for light having a wavelength of GaP of 560 nm or more.
(10) forming a semiconductor layer including a light emitting portion composed of a composition formula in an opaque substrate (Al X Ga 1-X) Y In 1-Y P (0 ≦ X ≦ 1,0 <Y ≦ 1), the Light emission characterized in that a gallium phosphide (GaP) substrate having a thickness of 200 μm or less is bonded onto a semiconductor layer with its main surface being (111) or inclined within 20 ° from (111). Diode manufacturing method.
(11)不透明な基板上に組成式(AlXGa1-X)YIn1-YP(0≦X≦1,0<Y≦1)から成る発光部を含む半導体層を形成し、該半導体層上に燐化ガリウム(GaP)基板を、その主面を(111)にして、もしくは(111)から20°以内で傾斜させて接合し、該基板の裏面および側面に高低差1〜10μmの凹凸を形成することを特徴とする発光ダイオードの製造方法。
(12)不透明な基板上に組成式(AlXGa1-X)YIn1-YP(0≦X≦1,0<Y≦1)から成る発光部を含む半導体層を形成し、該半導体層のp型半導体層上に、n型燐化ガリウム(GaP)基板を、その主面を(111)にして、もしくは(111)から20°以内で傾斜させて接合することを特徴とする発光ダイオードの製造方法。
(13)GaP基板の接合を1×10-2Pa以下の真空中で行うことを特徴とする上記(10)〜(12)のいずれかに記載の発光ダイオードの製造方法。
(11) forming a semiconductor layer including a light emitting portion composed of a composition formula in an opaque substrate (Al X Ga 1-X) Y In 1-Y P (0 ≦ X ≦ 1,0 <Y ≦ 1), the A gallium phosphide (GaP) substrate is bonded on the semiconductor layer with the main surface thereof set to (111) or inclined within 20 ° from (111), and the height difference of 1 to 10 μm on the back and side surfaces of the substrate. A method for manufacturing a light emitting diode, characterized by forming irregularities on the substrate.
(12) forming a semiconductor layer including a light emitting portion composed of a composition formula in an opaque substrate (Al X Ga 1-X) Y In 1-Y P (0 ≦ X ≦ 1,0 <Y ≦ 1), the An n-type gallium phosphide (GaP) substrate is bonded to a p-type semiconductor layer of a semiconductor layer with a principal surface of (111) or inclined within 20 ° from (111). Manufacturing method of light emitting diode.
(13) The method for producing a light-emitting diode according to any one of (10) to (12), wherein the bonding of the GaP substrate is performed in a vacuum of 1 × 10 −2 Pa or less.
(14)GaP基板の接合面及び/又は半導体層の接合面が、接合前に原子ビーム又はイオンビームを照射されたものであることを特徴とする上記(10)〜(13)のいずれかに記載の発光ダイオードの製造方法。
(15)不透明な基板上に組成式(AlXGa1-X)YIn1-YP(0≦X≦1,0<Y≦1)から成る発光部を含む半導体層を形成し、該半導体層上に、燐化ガリウム(GaP)基板を、その主面を(111)にして、もしくは(111)から20°以内で傾斜させて接合し、不透明な基板を除去することを特徴とする上記(10)〜(14)のいずれかに記載の発光ダイオードの製造方法。
(16)上記(1)〜(9)のいずれかに記載の発光ダイオードとGaN系発光ダイオードとを組み合わせた発光ダイオードパッケージ。
(14) The bonding surface of the GaP substrate and / or the bonding surface of the semiconductor layer has been irradiated with an atomic beam or an ion beam before bonding, according to any one of the above (10) to (13) The manufacturing method of the light emitting diode of description.
(15) forming a semiconductor layer including a light emitting portion made of an opaque substrate in the composition formula (Al X Ga 1-X) Y In 1-Y P (0 ≦ X ≦ 1,0 <Y ≦ 1), the A non-transparent substrate is removed by bonding a gallium phosphide (GaP) substrate on a semiconductor layer with its main surface being (111) or inclined within 20 ° from (111). The manufacturing method of the light emitting diode in any one of said (10)-(14).
(16) A light-emitting diode package in which the light-emitting diode according to any one of (1) to (9) is combined with a GaN-based light-emitting diode.
本発明では、基板と、その基板上の形成された組成式(AlXGa1-X)YIn1-YP(0≦X≦1,0<Y≦1)から成る発光層を含む化合物半導体層と、その発光部上に設けられた発光部から出射される発光に対して光学的に透明なGaP基板とを備えてなるLEDに於いて、歩留の低下を招くことなく、GaN系化合物半導体発光素子と同程度の高さで構成されるAlGaInP系化合物半導体発光素子を提供できる。 Compounds in the present invention, including a light emitting layer made of the substrate, the formed composition formula of the substrates (Al X Ga 1-X) Y In 1-Y P (0 ≦ X ≦ 1,0 <Y ≦ 1) In an LED comprising a semiconductor layer and a GaP substrate that is optically transparent to light emitted from a light emitting part provided on the light emitting part, a GaN-based material can be used without causing a decrease in yield. It is possible to provide an AlGaInP-based compound semiconductor light emitting device having a height similar to that of the compound semiconductor light emitting device.
本発明では、面方位が(111)もしくは(111)から20°以内に傾斜させて主面をもつGaP基板を使用しているので、ウェットエッチングにより基板に凹凸を形成し易く、これによって光の取り出し効率を上げることが出来る。
また上記の面方位のGaPは(100)面方位のGaPに比べて機械的強度が高いので基板を薄くすることが出来る。
さらに組成式(AlXGa1-X)YIn1-YP(0≦X≦1,0<Y≦1)から成る発光層を含む化合物半導体層を成長する基板として(100)もしくは(100)から20°以内に傾斜させた主面を用いた場合、GaP基板との接合界面の抵抗を大きく出来る。
本発明では、200μm以下の薄いGaPを使用しているので、発光層とステム間の熱抵抗が小さい。そのため発光層の温度上昇が抑えられ、高電流・高温時の動作がより安定的なAlGaInP系化合物半導体発光素子を提供できる。
In the present invention, since a GaP substrate having a main surface with a plane orientation inclined within 20 ° from (111) or (111) is used, it is easy to form irregularities on the substrate by wet etching, thereby The extraction efficiency can be increased.
In addition, since the GaP with the above-mentioned plane orientation has higher mechanical strength than GaP with the (100) plane orientation, the substrate can be made thin.
Further, as a substrate for growing a compound semiconductor layer including a light emitting layer having the composition formula (Al X Ga 1-X) Y In 1-Y P (0 ≦ X ≦ 1,0 <Y ≦ 1) (100) or (100 ), The resistance at the bonding interface with the GaP substrate can be increased.
In the present invention, since thin GaP of 200 μm or less is used, the thermal resistance between the light emitting layer and the stem is small. Therefore, an increase in the temperature of the light emitting layer can be suppressed, and an AlGaInP-based compound semiconductor light emitting element that can operate more stably at high current and high temperature can be provided.
本発明は組成式(AlXGa1-X)YIn1-YP(0≦X≦1,0<Y≦1)から成る発光部を有する半導体層上に、発光部から出射される発光に対して光学的に透明な基板を備えた発光ダイオードである。そしてこの透明基板は、その主面が(111)もしくは(111)から20°以内で傾斜した燐化ガリウム(GaP)から構成されている。
本発明に係る発光部は、(AlXGa1-X)YIn1-YP(0≦X≦1,0<Y≦1)から成る発光層を含む発光を担う部位である。発光層はn型またはp型の何れの伝導型の(AlXGa1-X)YIn1-YP(0≦X≦1,0<Y≦1)からも構成できる。
The present invention is a semiconductor layer having a light emitting portion having the composition formula (Al X Ga 1-X) Y In 1-Y P (0 ≦ X ≦ 1,0 <Y ≦ 1), luminescence emitted from the light emitting portion A light emitting diode provided with an optically transparent substrate. The transparent substrate is made of gallium phosphide (GaP) whose principal surface is inclined within 20 ° from (111) or (111).
Emitting unit according to the present invention is a portion having a light-emitting including a light emitting layer made of (Al X Ga 1-X) Y In 1-Y P (0 ≦ X ≦ 1,0 <Y ≦ 1). Emitting layer may be constructed from n-type or p-type one conductivity type (Al X Ga 1-X) Y In 1-Y P (0 ≦ X ≦ 1,0 <Y ≦ 1).
発光部は、放射再結合をもたらすキャリア(担体;carrier)及び発光を発光層に「閉じ込める」ために、発光層の両側に対峙して配置したクラッド(clad)層とからなる、所謂、ダブルヘテロ(英略称:DH)構造とするのが好適である。また、発光層は単色性に優れる発光を得るため、単一(single)量子井戸構造(英略称:SQW)や多重(multi)量子井戸(英略称:MQW)構造としてもよい。発光部の構成層の形成手段としては、有機金属化学的気相成長(英略称:MOCVD)手段、分子線エピタキシャル(英略称:MBE)手段や液相エピタキシャル(英略称:LPE)手段を例示できる。 The light-emitting portion is a so-called double heterogeneous structure composed of a carrier that brings about radiative recombination and a clad layer disposed opposite to both sides of the light-emitting layer in order to “confine” light emission in the light-emitting layer. A (English abbreviation: DH) structure is preferable. The light-emitting layer may have a single quantum well structure (abbreviation: SQW) or a multiple quantum well (abbreviation: MQW) structure in order to obtain light emission excellent in monochromaticity. Examples of the means for forming the constituent layers of the light emitting part include metal organic chemical vapor deposition (abbreviation: MOCVD), molecular beam epitaxy (abbreviation: MBE), and liquid phase epitaxy (abbreviation: LPE). .
クラッド層は、発光層を構成する(AlXGa1-X)YIn1-YP(0≦X≦1,0<Y≦1)よりも禁止帯幅が広く、且つ、屈折率の高い半導体材料から構成するが好ましい。例えば、波長が約570nmの黄緑色を発する(Al0.4Ga0.6)0.5In0.5Pから構成される発光層について、クラッド層を(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5Pから構成する(Y. Hosakawa et.al., J. Crystal Growth、221(2000),652-656.)。発光層とクラッド層との間に、両層間に於けるバンド(band)不連続性を緩やかに変化させるための中間層を設けても構わない、この場合、中間層は、発光層とクラッド層の中間の禁止帯幅を有する半導体材料から構成するのが望ましい。 Clad layer constituting the light emitting layer (Al X Ga 1-X) Y In 1-Y P (0 ≦ X ≦ 1,0 <Y ≦ 1) wider band gap than, and a high refractive index It is preferably made of a semiconductor material. For example, for a light-emitting layer composed of (Al 0.4 Ga 0.6 ) 0.5 In 0.5 P emitting yellow-green with a wavelength of about 570 nm, the cladding layer is composed of (Al 0.7 Ga 0.3 ) 0.5 In 0.5 P (Y. Hosakawa et al. al., J. Crystal Growth, 221 (2000), 652-656.). An intermediate layer for gently changing the band discontinuity between the two layers may be provided between the light emitting layer and the cladding layer. In this case, the intermediate layer is composed of the light emitting layer and the cladding layer. It is desirable that it is made of a semiconductor material having an intermediate band gap.
基板と発光部との中間には、基板材料と発光部の構成層との格子ミスマッチを緩和等の作用を担う緩衝(buffer)層、発光層からの発光を素子外部へ反射させるためのブラッグ(Bragg)反射層、選択エッチングに利用するエッチングストップ層等を設けられる。また、発光部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を設けることができる。 In the middle of the substrate and the light emitting portion, there is a buffer layer that acts to alleviate the lattice mismatch between the substrate material and the constituent layers of the light emitting portion, and a Bragg (for reflecting light emitted from the light emitting layer to the outside of the device). Bragg) A reflection layer, an etching stop layer used for selective etching, and the like are provided. Further, above the constituent layers of the light emitting part, a contact layer for lowering the contact resistance of the ohmic electrode, a current diffusion layer for planarly diffusing the element driving current throughout the light emitting part, and conversely, the element A current blocking layer, a current constricting layer, or the like for limiting the region through which the drive current flows can be provided.
本発明において発光部或いは発光部上のコンタクト層等の半導体層上に透明なGaP基板が設けられている。ここで透明とはGaPが560nm以上の波長を持つ光に対して、透過率が50%以上であることを意味する。このGaP基板を半導体層に接合によって設けることが出来る。接合される半導体層はp型、n型いずれも可能であるが通常はp型である。
発光部を含む半導体層に接合させる透明な基板は、発光部を機械的に支持するに充分な強度を有し、且つ、発光部から出射される発光を透過できる禁止帯幅が広く、光学的に透明な材料から構成する。
In the present invention, a transparent GaP substrate is provided on a light emitting portion or a semiconductor layer such as a contact layer on the light emitting portion. Here, the term “transparent” means that the transmittance is 50% or more for light having a wavelength of GaP of 560 nm or more. This GaP substrate can be provided by bonding to the semiconductor layer. The semiconductor layers to be joined can be either p-type or n-type, but are usually p-type.
The transparent substrate to be bonded to the semiconductor layer including the light emitting portion has sufficient strength to mechanically support the light emitting portion, and has a wide forbidden bandwidth capable of transmitting the light emitted from the light emitting portion, and is optically It is made of a transparent material.
(AlXGa1-X)YIn1-YP(0≦X≦1,0<Y≦1)から成る発光層を備えた化合物半導体LEDにあって、より安価な透明基板材料としては、GaPが好適である。
GaPは主面を(100)とするよりも(111)とする方が機械的強度が強く、そのため基板を200μm以下、好ましくは150μm以下と薄くすることができる。その下限は強度上等から50μmは必要である。
発光層(AlGaInP)は通常(100)もしくは(100)から20°以内で傾斜した面を主面としている。面方位が近いほど電気抵抗が小さくなるので、(111)主面の基板を使うと接合面での電気抵抗が大きくなると考えられる。
GaP基板はn型、p型いずれも使用できるが、p型半導体層にn型のGaP基板を接合等により配置した場合、接合界面の抵抗を大きくでき、接合界面を通過する電流を小さく出来る効果がある。実施例に示すようなLEDではこの接合界面の抵抗は大きい方がよい。
このn型のGaPはSi、S、Teが添加されているか、もしくはアンドープとし、そのキャリア濃度は、発光層で発生した光の内部吸収を抑制し、光の取り出し効率を上げるため1×1018cm-3以下であることが好ましい。
またGaP基板の裏面及び側面に高低差1〜10μm程度の凹凸が形成されていることが好ましい。GaP基板は、その主面を(111)もしくは(111)から20°以内で傾斜した場合、発光素子は、光の取り出し率を高めるため半導体層の成長に使用した不透明なGaAs基板等を除去することが望ましい。
In a compound semiconductor LED having a light emitting layer made of (Al X Ga 1-X ) Y In 1-YP (0 ≦ X ≦ 1, 0 <Y ≦ 1), as a more inexpensive transparent substrate material, GaP is preferred.
GaP has stronger mechanical strength when the main surface is set to (111) than (100), so that the substrate can be thinned to 200 μm or less, preferably 150 μm or less. The lower limit is 50 μm from the viewpoint of strength.
The light emitting layer (AlGaInP) usually has a main surface that is inclined within 20 ° from (100) or (100). The closer the plane orientation is, the smaller the electrical resistance is. Therefore, it is considered that the electrical resistance at the bonding surface increases when the (111) main surface substrate is used.
Both n-type and p-type GaP substrates can be used. However, when an n-type GaP substrate is disposed on the p-type semiconductor layer by bonding or the like, the resistance at the bonding interface can be increased, and the current passing through the bonding interface can be reduced. There is. In the LED as shown in the embodiment, it is preferable that the resistance of the bonding interface is large.
The n-type GaP is doped with Si, S, Te or undoped, and its carrier concentration is 1 × 10 18 in order to suppress internal absorption of light generated in the light emitting layer and increase light extraction efficiency. It is preferable that it is cm −3 or less.
Moreover, it is preferable that the unevenness | corrugation with a height difference of about 1-10 micrometers is formed in the back surface and side surface of a GaP board | substrate. When the main surface of the GaP substrate is tilted within 20 ° from (111) or (111), the light emitting element removes the opaque GaAs substrate used for the growth of the semiconductor layer in order to increase the light extraction rate. It is desirable.
本発明の発光素子は次のようにして得ることができる。
不透明な基板、例えばGaAs基板上に、必要によりバッファ層を介して、n型クラッド層、発光層、p型クラッド層を積層した半導体層からなる発光部を形成し、その上に必要によりp型コンタクト層、p型電流拡散層などの半導体層を形成する。半導体層の形成にはMOCVD法など公知の方法が用いられる。これらの半導体層の上に前記GaP基板を接合する。
接合するGaP基板或いはそれを接合させる半導体層の表面は、炭化珪素(SiC)系微粉やセリウム(元素記号:Ce)微粉を含む研磨剤を用いる化学的機械研磨(英略称:CMP)手段に依り平坦にすることができる。化学的機械研磨した後、研磨した表面を更に、酸溶液或いはアリカリ溶液で処理すれば、尚一層、表面の平滑度を向上させられると共に、研磨工程での表面への異物や汚染物を除去して、清浄な表面を得るに貢献できる。
The light emitting device of the present invention can be obtained as follows.
A light emitting part made of a semiconductor layer in which an n-type cladding layer, a light-emitting layer, and a p-type cladding layer are laminated on an opaque substrate, for example, a GaAs substrate, if necessary, via a buffer layer, and if necessary, p-type is formed thereon. Semiconductor layers such as a contact layer and a p-type current diffusion layer are formed. A known method such as MOCVD is used for forming the semiconductor layer. The GaP substrate is bonded onto these semiconductor layers.
The surface of the GaP substrate to be bonded or the semiconductor layer to which it is bonded depends on chemical mechanical polishing (English abbreviation: CMP) means using an abrasive containing silicon carbide (SiC) fine powder or cerium (element symbol: Ce) fine powder. It can be flat. After chemical mechanical polishing, if the polished surface is further treated with an acid solution or ant potassium solution, the smoothness of the surface can be further improved, and foreign matters and contaminants on the surface in the polishing process can be removed. Can contribute to obtaining a clean surface.
GaPと半導体層とは圧力にして1×10-2パスカル(圧力単位:Pa)以下、望ましくは、1×10-3Pa以下の真空中で接合させる。特に、上記の如く、研磨された平滑な表面を相互に接合させることとすると強固な接合を形成できる。双方を接合させるに際し、100エレクトロンボルト(単位:eV)以上のエネルギーを有するHe、Arなどの原子のビーム(beam)またはイオンビームを接合させようとする表面に照射し、接合させる表面を活性化させるのが好ましい。活性化とは、接合させる表面に存在する酸化膜、炭素等を含む不純物層や汚染層などが除去された清浄な状態の表面を創出することを云う。この照射を、透明な基板または発光部を含む半導体層の何れかの表面に行えば、双方を強固に確実に接合させられる。また、双方の表面に行うと、より強固な強度で双方を結合させることができる。また接合は機械的加圧を加えて行うことが好ましい。 The GaP and the semiconductor layer are bonded in a vacuum of 1 × 10 −2 Pascal (pressure unit: Pa) or less, preferably 1 × 10 −3 Pa or less. In particular, as described above, when the polished smooth surfaces are bonded to each other, a strong bond can be formed. When bonding both, the surface to be bonded is irradiated with a beam of an atom such as He or Ar having an energy of 100 electron volts (unit: eV) or ion, or an ion beam, and the surface to be bonded is activated. It is preferable to do so. Activation means creation of a clean surface from which an oxide film, an impurity layer containing carbon or the like, a contamination layer, and the like existing on the surfaces to be bonded are removed. If this irradiation is performed on the surface of either the transparent substrate or the semiconductor layer including the light emitting portion, both can be firmly and reliably bonded. Moreover, if it performs on both surfaces, both can be combined with stronger strength. The joining is preferably performed by applying mechanical pressure.
発光部を含む半導体層にGaPを接合させて、半導体層を機械的に支持できる状態とした後、その発光部を形成するために利用した基板を除去すると、発光の外部への取り出し効率を向上させられ、従って、高輝度の化合物半導体LEDを構成できる。特に、(AlXGa1-X)YIn1-YP(0≦X≦1,0<Y≦1)発光層からの発光を吸収してしまう光学的に不透明な材料を基板として利用している場合、この様に基板を除去する手段は、高輝度のLEDを安定して製造するに貢献できる。基板と発光部との中間の位置に、発光層から出射される光を吸収する材料から成る層、例えば、バッファ層が存在する場合、基板と併せてそれを除去するとLEDの高輝度化にとって有利となる。基板は、機械的切削加工、研磨、物理的乾式または化学的湿式エッチング等、及びそれらを併用して除去できる。特に、材質に依るエッチング速度の差を利用した選択エッチング手段に依れば、基板のみを選択的に除去することが可能とあり、再現性良く、且つ、均一に基板を除去できる。
GaP基板はその裏面及び側面をエッチングすることにより、凹凸を形成することができる。エッチングには塩酸や弗酸などを用いる。これによって高低差1〜10μm程度の凹凸を形成することができる。
After GaP is bonded to the semiconductor layer including the light emitting portion so that the semiconductor layer can be mechanically supported, the substrate used to form the light emitting portion is removed, thereby improving the efficiency of taking out light emission to the outside. Therefore, a high-brightness compound semiconductor LED can be constructed. In particular, utilizing the (Al X Ga 1-X) Y In 1-Y P (0 ≦ X ≦ 1,0 <Y ≦ 1) an optically opaque material that absorbs light emitted from the light emitting layer as the substrate In this case, the means for removing the substrate in this way can contribute to stable production of high-brightness LEDs. If a layer made of a material that absorbs light emitted from the light-emitting layer, for example, a buffer layer, is present at a position intermediate between the substrate and the light-emitting portion, removing it together with the substrate is advantageous for increasing the brightness of the LED. It becomes. The substrate can be removed by mechanical cutting, polishing, physical dry or chemical wet etching, or a combination thereof. In particular, according to the selective etching means using the difference in etching rate depending on the material, it is possible to selectively remove only the substrate, and the substrate can be removed uniformly with good reproducibility.
The GaP substrate can form irregularities by etching the back surface and side surfaces thereof. For etching, hydrochloric acid or hydrofluoric acid is used. As a result, irregularities with a height difference of about 1 to 10 μm can be formed.
基板を除去した面に第1の電極(n型)を形成する。またエッチングにより第2の電極(p型)を形成する層までエピ層を除去し、第2の電極を形成する。また、GaP基板の裏面(半導体層との接合面と反対側の面)に発光層から出射される発光を反射する金属層を設けると、高輝度のLEDを得ることができる。金属膜は、可視光に対して反射率の高い、アルミニウム(Al),金(Au)や銀(Ag)などの金属からなる単層膜や、異なる金属の膜を多層に積層した多層膜から好ましく構成できる A first electrode (n-type) is formed on the surface from which the substrate has been removed. Further, the epitaxial layer is removed to the layer where the second electrode (p-type) is formed by etching, and the second electrode is formed. In addition, when a metal layer that reflects light emitted from the light emitting layer is provided on the back surface of the GaP substrate (the surface opposite to the bonding surface with the semiconductor layer), a high-brightness LED can be obtained. The metal film may be a single layer film made of a metal such as aluminum (Al), gold (Au), silver (Ag) or the like having a high reflectivity with respect to visible light, or a multilayer film in which films of different metals are laminated in multiple layers. Can be configured preferably
本実施例1では、GaAs基板上に設けたエピタキシャル積層構造体(エピウェーハ)とGaP基板とを接合させて発光ダイオードを作製する場合を例にして、本発明を具体的に説明する。 In the first embodiment, the present invention will be specifically described with reference to an example in which a light emitting diode is manufactured by bonding an epitaxial multilayer structure (epiwafer) provided on a GaAs substrate and a GaP substrate.
図1および図2は、本実施例で作製した半導体発光ダイオードを示す模式図で、図1はその平面図、図2は図1のI−I線に沿った断面図である。図3は、半導体発光ダイオードに用いられる半導体エピウェーハの層構造の模式図である。本実施例で作製したのは、AlGaInP赤色発光ダイオード(LED)である。 1 and 2 are schematic views showing a semiconductor light emitting diode manufactured in this example, FIG. 1 is a plan view thereof, and FIG. 2 is a cross-sectional view taken along the line II of FIG. FIG. 3 is a schematic diagram of a layer structure of a semiconductor epiwafer used for a semiconductor light emitting diode. In this example, an AlGaInP red light emitting diode (LED) was produced.
LED10は、Siをドープしたn型の(100)面から15°傾けた面を有するGaAs単結晶からなる半導体基板11上に順次、積層した半導体層13を備えたエピタキシャルウェーハを使用して作製した。積層した半導体層とは、Siをドープしたn型のGaAsからなる緩衝層130、Siをドープしたn型の(Al0.5Ga0.5)0.5In0.5Pからなるコンタクト層131、Siをドープしたn型の(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5Pからなる下部クラッド層132、アンドープの(Al0.2Ga0.8)0.5In0.5P/Al0.7Ga0.3)0.5In0.5Pの20対からなる発光層133、およびMgをドープしたp型の(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5Pからなる上部クラッド層および薄膜(Al0.5Ga0.5)0.5In0.5Pからなる中間層134、Mgドープしたp型GaP層135である。LED10の発光部12は、下部クラッド層132、発光層133、及び上部クラッド層+中間層134から構成されているpn接合型ダブルヘテロ接合構造となっている。
The
本実施例では、上記の半導体層130〜135各層は、トリメチルアルミニウム((CH3)3Al)、トリメチルガリウム((CH3)3Ga)およびトリメチルインジウム((CH3)3In)をIII族構成元素の原料に用いた減圧有機金属化学気相堆積法(MOCVD法)によりGaAs基板11上に積層して、エピタキシャルウェーハを形成した。Mgのドーピング原料にはビスシクロペンタジエチルマグネシウム(bis−(C5H5)2Mg)を使用した。Siのドーピング原料にはジシラン(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)またはアルシン(AsH3)を用いた。GaP層135は750℃で成長させ、半導体層13をなすその他の半導体層130〜134は730℃で成長させた。
In this embodiment, each of the semiconductor layers 130 to 135 is made of trimethylaluminum ((CH 3 ) 3 Al), trimethyl gallium ((CH 3 ) 3 Ga), and trimethylindium ((CH 3 ) 3 In) as a group III. An epitaxial wafer was formed by laminating on the
GaAs緩衝層130のキャリア濃度は約2×1018cm-3、また、層厚は約0.2μmとした。コンタクト層131は、(Al0.5Ga0.5)0.5In0.5Pから構成し、キャリア濃度は約2×1018cm-3、層厚は、約1.5μmとした。n−クラッド層132のキャリア濃度は約8×1017cm-3、また、層厚は約1μmとした。発光層133は、アンドープの0.8μmとした。p−クラッド層134のキャリア濃度は約2×1017cm-3とし、また、層厚は1μmとした。GaP層135のキャリア濃度は約3×1018cm-3とし、層厚は9μmとした。
p型GaP層135は、表面から約1μmの深さに至る領域を研磨し、鏡面加工した。鏡面加工に依り、p型GaP層135の表面の粗さを0.18nmとした。一方、上記のp型GaP層135の鏡面研磨した表面に接合するn型GaP基板14を用意した。この接合用GaP基板14には、キャリア濃度が約2×1017cm-3となる様にSiおよびTeを添加した、面方位を(111)とする単結晶を用いた。接合用GaP基板14の直径は50ミリメートル(mm)で、厚さは100μmであった。このGaP基板14の表面は、p型GaP層135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。
The carrier concentration of the
The p-
一般の半導体材料貼付装置に、上記のGaP基板14及びエピタキシャルウェーハを搬入し、3×10-5Paまで装置内を真空に排気した。その後、炭素等の汚染を回避するために炭素(カーボン)材料からなる部材を排除した装置内に載置したGaP基板14の温度を真空中で約800℃の温度に加熱しつつ、800eVのエネルギーに加速されたArイオンを、GaP基板14の表面に照射した。これより、GaP基板14の表面に、非化学量論的な組成からなる接合層141を形成した。接合層141を形成した後、上記のArイオンの照射を停止し、GaP基板14の温度を室温迄、降下させた。
The
次に、表面領域に非化学量論的な組成からなる接合層141を有するGaP基板14、及びGaP層135の双方の表面に、電子を衝突させて中性(ニュートラル)化した中性のArビームを3分間に亘り照射した。然る後、真空に維持した貼付装置内で、双方135,14の表面を重ね合わせ、各々の表面での圧力が20g/cm2となる様に荷重を掛け、双方を室温で接合した。接合したウェーハを貼付装置の真空チャンバーから取り出し、接合界面を分析した。その結果接合部には、非化学量論的な組成を有するGa0.6P0.4からなる接合層141が存在していた。接合層141の厚さは約3nmで、接合層141の酸素原子の濃度は、一般的なSIMS分析法に依れば7×1018cm-3であり、炭素の原子濃度は、9×1018cm-3であった。
Next, neutral Ar that is neutralized by colliding electrons with the surface of both the
次に、GaAs基板11およびGaAs緩衝層130をアンモニア系エッチャント選択的に除去した。露出させたコンタクト層131の表面には、厚さを0.2μmとするAuGe/Ni合金膜、及び厚さが0.1μmのAu膜を真空蒸着法により堆積した。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、n型オーミック電極15を形成した。次に、コンタクト層131の表面及びn型オーミック電極15の表面を、一般的なスパッタ装置を利用して形成した厚さ0.5μmのインジウム・錫複合酸化(ITO)膜17で被覆した。更に、ITO表面に、スパッタ法で厚さ0.03μmのクロム(Cr)薄膜、及び厚さ1μmの金(Au)薄膜を順次、重層させてから、直径110μmのボンディングパッドを形成した。
Next, the
次に、p電極を形成する領域のエピ層131〜134を選択的に除去し、GaP層135を露出させた。GaP層の表面にAuBeを0.2μm、Ptを0.2μm、Auを1μmとなるように真空蒸着法でp型オーミック電極16を形成した。
450℃で10分間熱処理を行い、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。
Next, the epi layers 131 to 134 in the region for forming the p electrode were selectively removed to expose the
Heat treatment was performed at 450 ° C. for 10 minutes, and alloyed to form low resistance p-type and n-type ohmic electrodes.
次に、一般的なダイシングソーを利用して、250mμの間隔で裁断を施し、平面視で略正方形に切断して、LEDチップ10となした。尚、ダイシング後、裁断に因って、エピタキシャルウェーハをなす半導体層の裁断した側面に発生した破砕層を除去するため、硫酸・過酸化水素混合液でその側面部をエッチングした。さらに塩酸を用いることによりチップのGaP基板の裏面及び側面に高低差約2μmの凹凸が形成された。
Next, using a general dicing saw, cutting was performed at an interval of 250 mμ, and was cut into a substantially square shape in plan view, whereby the
上記の様にして作製したLEDチップ10を、発光ダイオードランプに組み立てた。このLEDランプは、マウント用基盤に銀(Ag)ペーストで固定、支持(マウント)し、LEDチップ10のn型オーミック電極15とマウント基盤の表面に設けたn電極端子とを、また、p型オーミック電極16とp電極端子とを金線で、ワイヤボンディングした後、一般的なエポキシ樹脂で封止して作製した。基盤とLEDチップ10との接合面に係わるシエア強度は、約300g以上であった。破壊モードはLEDチップ10の割れであったことから、接合面の接合強度は、エピタキシャルウェーハを構成する結晶層の破壊強度以上であると解釈された。
The
マウント用基盤の表面に設けられたn電極端子とp電極端子とを介してn型及びp型オーミック電極15,16間に電流を流したところ、主波長を620nm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、GaP層135及びGaP基板14との接合界面での抵抗の低さ、及び各オーミック電極15、16の良好なオーミック特性を反映し、約2.2ボルト(V)となった。また、順方向電流を20mAとした際の発光強度は、発光効率の高い発光部の構成及びチップへの裁断時に発生する破砕層を除去するなど外部への取り出し効率も向上させている事を反映して520mcdの高輝度となった。
When a current was passed between the n-type and p-
尚、本実施例では、図1に例示した如くの単純な構成から例えば、オーミック電極15を構成したが、電極の形状は、平面視で例えば、点(ドット)、格子、円、四角形状やそれらの組み合わせた形状等、電流拡散に適する電極のパターンを選択しても、本実施例に記す特性のLEDを得るに貢献できる。
In the present embodiment, for example, the
本発明の発光素子は輝度が高く、素子の高さは低い。GaN系発光素子も高さが低いので、このGaN系発光素子と組み合わせて例えば白色の発光素子とする場合好都合である。 The light-emitting element of the present invention has high luminance and low element height. Since the height of the GaN-based light emitting element is also low, it is convenient to combine it with this GaN-based light emitting element to form, for example, a white light emitting element.
10 半導体発光ダイオード
11 半導体基板
12 発光部
13 半導体層
14 接合用GaP単結晶基板
15 n型オーミック電極
16 p型オーミック電極
130 バッファ層
131 コンタクト層
132 下部クラッド層
133 発光層
134 上部クラッド層
135 GaP層
141 接合層
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134
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