CN1941435A - 发光二极管用外延片和发光二极管 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及在外延成长后不追加工序而提供高成品率、高光取出效率的发光二极管用外延片和发光二极管。对于该发光二极管用外延片，在n型GaAs衬底2上，通过MOVPE法依次成长n型AlGaInP包覆层3、AlGaInP活性层4和p型AlGaInP包覆层5，在p型AlGaInP包覆层5上，通过MOVPE成长以Mg为掺杂剂的p型GaP电流扩散层6，通过使p型GaP电流扩散层6的表面粗糙化，从而提高了光取出效率。
Description
技术领域
本发明涉及高亮度发光二极管用外延片和发光二极管。
背景技术
发光二极管(LED)被广泛用作工业用和民用的显示元件，作为高亮度的LED使用了AlGaAs的红色LED。另外，作为比红色更短波长的LED使用了GaAsP、GaP，但仅得到低亮度的LED。
但是，近年来由于可以通过有机金属气相成长(MOVPE)法成长AlGaInP系的结晶层，因此可以制作出橙色、黄色、绿色的高亮度LED(例如参照专利文献1)。
在专利文献1中记载的发光二极管是在n型GaAs衬底上通过MOVPE法依次成长n型GaAs缓冲层、n型AlGaInP包覆层、AlGaInP活性层、p型AlGaInP包覆层、掺杂了Zn的p型GaP电流扩散层而得到的二极管。根据该发光二极管，与没有p型GaP电流扩散层的二极管相比，可以有效地向外部取出所发出的光。
另外，已经公知通过使外延层的表面(外延表面)变得粗糙来提高光取出效率的方法，一般采用在外延成长后经过蚀刻等工序使外延表面变得粗糙的方法(例如参照专利文献2)。
在专利文献2中记载的方法是通过使用硝酸和甲醇的混合液对外延层的表面进行湿式蚀刻，使光取出面凹凸化的方法。
[专利文献1]特开2001-102627号公报
[专利文献2]特开2002-217451号公报
发明内容
根据以往的发光二极管，当外延成长厚度大于等于5μm的掺杂了Zn的GaP电流扩散层时，会产生大量的三角形、菱形形状的表面缺陷，在芯片加工时晶片会以该缺陷为起点而发生破裂，存在成品率低的问题。
另外，根据以往的光取出面的凹凸化方法，在外延成长后必需追加工序，从而成为成本增加的主要原因。
从而，本发明的目的在于在外延成长后不追加工序而提供高成品率、高光取出效率的发光二极管用外延片和发光二极管。
为了实现上述目的，本发明的第一方式提供一种发光二极管用外延片，其特征在于，具有形成于n型衬底上、由n型和p型包覆层夹持活性层而构成的发光部以及形成于所述发光部上的p型GaP电流扩散层，并且通过掺杂Mg，所述p型GaP电流扩散层表面的均方根粗糙度Rms为15nm～5μm。
根据使用了上述发光二极管用外延片的发光二极管，如果使p型GaP电流扩散层的表面粗糙度为Rms大于等于15nm，则在p型GaP电流扩散层的表面和空气的界面上反射光减少，光取出效率提高。另一方面，如果p型GaP电流扩散层的表面粗糙度以Rms计超过5μm，则在机械式引线接合时图像识别困难。另外，通过增加p型GaP电流扩散层的厚度，电流扩散效果会增大，在发光层可以得到宽范围的发光。进而，即使外延成长厚的掺杂了Mg的p型GaP电流扩散层，也难以产生三角形、菱形的表面缺陷，因此在芯片加工时很少会以这些缺陷为起点而产生破裂，从而防止了芯片成品率的降低。
对于上述p型GaP电流扩散层，通过除了Mg以外还掺杂C也可以使p型GaP电流扩散层的表面粗糙度以Rms计为15nm～5μm。
上述P型GaP电流扩散层可以使用以双环戊二烯基镁为Mg的原料，通过MOVPE法所成长的电流扩散层。
上述p型GaP电流扩散层可以自动掺杂在含有Ga的有机金属原料中包含的C。
在p型GaP电流扩散层中使用Mg掺杂剂时，Mg的原子浓度可以为大于等于1×1017cm-3。另外，使用Mg和C的掺杂剂时，Mg和C的原子浓度可以分别为大于等于1×1017cm-3。
上述n型衬底可以由GaAs构成。上述发光部可以根据发光波长、发光输出、驱动电压等适宜选择，可以由例如AlGaInP、GaInP等构成。
为了实现上述目的，本发明的第二方式提供一种发光二极管，其中，使用上述发光二极管用外延片，在n型衬底的没有成长外延层的面上形成背面电极，同时在p型GaP电流扩散层上形成表面电极。
根据本发明，由于通过掺杂Mg而使p型GaP电流扩散层的表面变得粗糙，因此可以在外延成长后不追加工序而提供高成品率、高光取出效率的发光二极管用外延片和发光二极管。
附图说明
图1是本发明的实施方式涉及的发光二极管的截面图。
图2(a)是表示Zn掺杂GaP(厚度为10μm)的表面粗糙度为Rms＝7nm(AFM图像)的照片，(b)是表示Mg掺杂GaP(厚度为10μm)的表面粗糙度为Rms＝20nm(AFM图像)的照片，(c)是表示Zn掺杂GaP(厚度为10μm)的表面粗糙度为Rms＝7nm(SEM图像)的照片，(d)是表示Mg掺杂GaP(厚度为10μm)的表面粗糙度为Rms＝20nm(SEM图像)的照片。
符号说明：
1 背面电极
2 n型GaAs衬底
3 n型AlGaInP包覆层
4 AlGaInP活性层
5 p型AlGaInP包覆层
6 p型GaP电流扩散层
7 表面电极
具体实施方式
[第一实施方式]
图1表示本发明的第一实施方式涉及的发光二极管。对于该发光二极管用外延片，在n型GaAs衬底2上，通过MOVPE法依次成长n型AlGaInP包覆层3、AlGaInP活性层4和p型AlGaInP包覆层5，在p型AlGaInP包覆层5上，通过MOVPE成长掺杂了Mg的p型GaP电流扩散层6。
另外，对于使用该发光二极管用外延片制作的发光二极管，在衬底2的整个背面上形成背面电极1，在p型电流扩散层6上的中央形成例如圆形的表面电极7。作为背面电极1可以使用例如AuGe/Ni/Au等层积电极，作为表面电极7可以使用例如AuZn/Ni/Au或Ti/Pt/Au等层积电极。
为了形成掺杂有Mg的p型GaP电流扩散层6，使用三甲基镓(Ga(CH3)3)和/或三乙基镓(Ga(C2H5)3)以V/III比率(1～100)进行外延成长，此时掺杂原子浓度大于等于1×1017cm-3的Mg。由此，P型GaP电流扩散层6的表面粗糙度以均方根粗糙度Rms计为大于等于15nm。
(发光动作)
以下对该发光二极管的发光动作进行说明。在背面电极1和表面电极7之间施加规定的驱动电压时，电流会从表面电极7流向背面电极1侧。通过GaP电流扩散层6，电流在横向方向扩散，从而在活性层4的宽范围内发光。来自活性层4的发光中的部分光从p型GaP电流扩散层6露出的部分即没有形成表面电极7的表面向外部射出。此时，对于GaP电流扩散层6的表面为平坦的情况，由于在GaP电流扩散层6(折射率约为3)和空气的折射率1之间存在较大的折射率差，在GaP电流扩散层6和空气的界面上，仅限定的入射角的光会向外部射出，其他的光在界面反射而被外延层吸收，从而光取出效率会降低。如本实施方式所述，当在GaP电流扩散层6的表面上形成凹凸时，可以从界面向外部射出的入射角增加，在界面反射的光减少，从而光取出效率会增加。
(第一实施方式的效果)
根据该第一实施方式得到以下效果。
(1)与通常使用的掺杂了Zn的GaP电流扩散层的表面粗糙度为Rms小于等于10nm相比，由于得到了Rms大于等于15nm的表面粗糙度，因此提高了光取出效率，可以提供更高亮度的发光二极管用外延片和发光二极管。
(2)由于不需要使GaP电流扩散层的表面粗糙化的蚀刻等后续工序，因此可以防止成本增加。
(3)即使外延成长厚的GaP电流扩散层，也难以产生表面缺陷，因此可以改善芯片加工时的成品率。
(4)通过增加GaP电流扩散层的厚度，可以在横向方向扩散电流，从而可以进一步增加光取出效率。
[第二实施方式]
接着说明本发明的第二实施方式。该第二实施方式的p型GaP电流扩散层6通过掺杂Mg和C而具有规定的表面粗糙度，其他构成与第一实施方式同样。
为了形成掺杂了Mg的p型GaP电流扩散层6，使用三甲基镓(Ga(CH3)3)和/或三乙基镓(Ga(C2H5)3)，以V/III比率(1～100)进行外延成长，此时分别掺杂原子浓度大于等于1×1017cm-3的Mg和C。由此，P型GaP电流扩散层6的表面粗糙度为Rms大于等于20nm。
根据该第二实施方式，由于可以使p型GaP电流扩散层6的表面粗糙度比第一实施方式大，因此提高了光取出效率，可以提供更高亮度的发光二极管和发光二极管用外延片。
实施例1
接着说明本发明的实施例1。该实施例1的发光二极管是对应上述第一实施方式的发光二极管，如下所述被制作。
首先，在n型GaAs衬底2上，由MOVPE法依次成长厚度为0.5μm的载流子浓度为1×1018cm-3的n型AlGaInP包覆层3、厚度为0.5μm的非掺杂AlGaInP活性层4、厚度为0.5μm的载流子浓度为5×1017cm-3的p型AlGaInP包覆层5。
接着，在p型AlGaInP包覆层5上，由MOVPE法成长厚度为10μm、载流子浓度为1×1018cm-3的Mg掺杂GaP电流扩散层6。
该GaP电流扩散层6通过在成长温度700℃下流通约2小时1000cc/min的磷化氢(PH3)、50cc/min的三甲基镓(TMG：(CH3)3Ga)、200cc/min的双环戊二烯基镁(Cp2Mg)和20L/min的H2载气而形成。
(评价)
该GaP电流扩散层6的表面粗糙度通过原子力显微镜进行评价，其结果是Rms为20nm。另外，由上述外延片制作边长350μm的方形LED芯片，评价发光特性。与具有表面没有粗糙化的Zn掺杂GaP层的LED芯片(表面粗糙度以Rms计为7nm)进行比较，其结果是发光输出提高约15％，为2.1mW。
图2是表示Zn掺杂GaP与实施例1的比较的照片，(a)是表示Zn掺杂GaP(厚度为10μm)的表面粗糙度为Rms＝7nm(AFM图像)的照片，(b)是表示Mg掺杂GaP(厚度为10μm)的表面粗糙度为Rms＝20nm(AFM图像)的照片，(c)是表示Zn掺杂GaP(厚度为10μm)的表面粗糙度为Rms＝7nm(SEM图像)的照片，(d)是表示Mg掺杂GaP(厚度为10μm)的表面粗糙度为Rms＝20nm(SEM图像)的照片。由照片可知，实施例1的GaP电流扩散层6的表面得到比Zn掺杂GaP大的表面粗糙度。
实施例2
接着说明本发明的实施例2。该实施例2的发光二极管是对应上述第二实施方式的发光二极管，如下所述被制作。
首先，在n型GaAs衬底2上，由MOVPE法依次成长厚度为0.5μm的载流子浓度为1×1018cm-3的n型AlGaInP包覆层3、厚度为0.5μm的非掺杂AlGaInP活性层4、厚度为0.5μm的载流子浓度为5×1017cm-3的p型AlGaInP包覆层5。
接着，在p型AlGaInP包覆层5上，由MOVPE法成长厚度为10μm、载流子浓度为1×1018cm-3的掺杂了Mg和C的GaP电流扩散层6。
该GaP电流扩散层6通过在成长温度700℃下流通约2小时200cc/min的PH3、50cc/min的TMG、100cc/min的Cp2Mg和20L/min的H2载气而形成。
(评价)
该GaP电流扩散层6的表面粗糙度通过原子力显微镜进行评价，其结果是Rms为20nm。另外，由上述外延片制作边长350μm的方形LED芯片，评价发光特性。与具有表面没有粗糙化的Zn掺杂GaP层的LED芯片(表面粗糙度以Rms计为7nm)进行比较，其结果是发光输出提高约15％，为2.2mW。
[其他实施方式]
本发明并不限于上述实施方式及上述实施例，在不脱离本发明的宗旨的范围内可以进行各种变形。
Claims (8)
1.一种发光二极管用外延片，其特征在于，具有形成于n型衬底上、由n型和p型包覆层夹持活性层而构成的发光部以及形成于所述发光部上的p型GaP电流扩散层，并且通过掺杂Mg，所述p型GaP电流扩散层表面的均方根粗糙度Rms为15nm～5μm。
2.根据权利要求1所述的发光二极管用外延片，其特征在于：除了Mg以外，所述p型GaP电流扩散层中还掺杂了C。
3.根据权利要求1所述的发光二极管用外延片，其特征在于：以双环戊二烯基镁为Mg的原料，通过MOVPE法成长了所述p型GaP电流扩散层。
4.根据权利要求2所述的发光二极管用外延片，其特征在于：所述p型GaP电流扩散层自动掺杂了在含有Ga的有机金属原料中包含的C。
5.根据权利要求1所述的发光二极管用外延片，其特征在于：所述p型GaP电流扩散层中，Mg的原子浓度为大于等于1×1017cm-3。
6.根据权利要求2所述的发光二极管用外延片，其特征在于：所述p型GaP电流扩散层中，Mg和C的原子浓度分别为大于等于1×1017cm-3。
7.根据权利要求1所述的发光二极管用外延片，其特征在于：所述n型衬底由GaAs构成，所述发光部由AlGaInP或者GaInP构成。
8.一种发光二极管，其特征在于：使用权利要求1～7中的任何一项所述的发光二极管用外延片，在所述n型衬底的没有成长外延层的面上形成背面电极，同时在所述p型GaP电流扩散层上形成表面电极。
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