JP2006310527A - Light emitting element using amorphous material substrate and its manufacturing method - Google Patents
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本発明は、アモルファス材料基板上に成長した発光素子及びその製造方法に関するものである The present invention relates to a light emitting device grown on an amorphous material substrate and a method for manufacturing the same.
現在、発光ダイオードは電気製品の表示ランプ、電光掲示板、信号機など多くの場所で使用されており、不可欠なものとなりつつある。中でも青色発光ダイオードの発明により光の三原色が実現され照明用として発光ダイオードが注目を集めている。これは一般の照明として使われている蛍光灯に比べ小型、省エネルギー、環境有害物質の不使用などの利点があるからである。しかし、現在の発光ダイオードは初期設置費用が蛍光灯に比べ高いことや、発光ダイオードの単価も高いことが問題として挙げられる。 At present, light emitting diodes are used in many places such as display lamps for electric products, electric bulletin boards, and traffic lights, and are becoming indispensable. In particular, the invention of blue light emitting diodes has realized the three primary colors of light, and light emitting diodes are attracting attention for illumination. This is because there are advantages such as small size, energy saving, and non-use of environmentally hazardous substances compared to fluorescent lamps used as general lighting. However, current light-emitting diodes are problematic in that the initial installation cost is higher than that of fluorescent lamps and the unit price of light-emitting diodes is high.
現在の白色発光ダイオードは青色発光ダイオードを光源として使用している。発光材料としては実用化されているもののほとんどがInGaN系材料となっている。しかし、基板材料としては現在実用化されているサファイア(Al2O3)の他にZnSe、SiCなど多くの材料が研究されている。現在は21世紀明かりプロジェクトにより白色発光ダイオードを照明として使用するための活動が進められており、今後は発光ダイオードの低消費電力化と低コスト化が望まれる。 Current white light emitting diodes use blue light emitting diodes as light sources. Most of the light-emitting materials that have been put to practical use are InGaN-based materials. However, as a substrate material, many materials such as ZnSe and SiC have been studied in addition to sapphire (Al 2 O 3 ) which is currently in practical use. Currently, activities to use white light-emitting diodes as lighting are being promoted by the 21st century light project, and in the future, lower power consumption and cost reduction of light-emitting diodes are desired.
従来の技術において発光ダイオードの高効率化、低コスト化のための様々な構造が考案されている。その例として特許文献1にあるようにサファイア基板上にバッファ層とともに発光層を形成したものが主であるがサファイア基板を用いているため、コストは高く、効率の面でも良くはない。また特許文献2においては、基板として石英ガラス基板を、バッファ層に例えばZnOを用いているが、ZnO一層のみのバッファ層では転位などの欠陥を大きく取り除くことができず、これも高効率化を阻害する要因となっている。
上記に示すように、青色発光ダイオードの基板材料はほとんどがサファイア(Al2O3)であるが、サファイアは基板材料として、コストが高く、大量生産を行う際、好ましくない。 As shown above, the substrate material of the blue light emitting diode is mostly sapphire (Al 2 O 3 ), but sapphire is expensive as a substrate material and is not preferable when mass production is performed.
一方、ガラス基板発光ダイオードを製造するにあたっては、低コストのガラス基板を使用するので、材料のコストが安価になり大量生産に向いているといえる。 On the other hand, when manufacturing a glass substrate light emitting diode, since a low-cost glass substrate is used, it can be said that it is suitable for mass production because the material cost is low.
しかし、ガラス基板発光ダイオードを製造するにあたっては、大きな課題が未解決のままであった。 However, when manufacturing a glass substrate light emitting diode, the big subject remained unsolved.
それは、基板材料に用いるガラスがアモルファスであり、一方活性層材料であるInGaNまたはInGaPは単結晶であることが望ましいが、従来例ではガラス基板上に例えばZnOの一層しか層を挟んでいないため、発光層の結晶性自体が良くならず転位や格子欠陥が活性層に多く発生して発光材料として効率が大きく低下してしまうということである。 It is desirable that the glass used for the substrate material is amorphous, while the active layer material InGaN or InGaP is preferably a single crystal, but in the conventional example, only one layer of ZnO, for example, is sandwiched on the glass substrate. This means that the crystallinity of the light emitting layer itself is not improved, and many dislocations and lattice defects are generated in the active layer, so that the efficiency as a light emitting material is greatly reduced.
このためガラス基板上に、高効率の青色または赤色発光ダイオードは成長できないという問題点があった。 For this reason, there is a problem that a high-efficiency blue or red light emitting diode cannot be grown on the glass substrate.
本発明は新バッファ層の導入によりアモルファス性を緩和し、活性層はほぼ単結晶化することにより高効率発光を実現する発光素子及びその製造技術を提供することである。 An object of the present invention is to provide a light-emitting element that realizes high-efficiency light emission by reducing the amorphous nature by introducing a new buffer layer and making the active layer almost single crystal, and a manufacturing technique thereof.
この発明のアモルファス材料基板上への発光ダイオードは、上記の目的を達成させるため、基板材料であるアモルファス材料、例えばガラス上に発光ダイオードの活性層材料であるInGaNやInGaPの単結晶に近い層を成長させるため、InGaNにはII−VI、III−V、I−III−VI、II−III−VI、II−III−V族化合物半導体材料のいずれか二種類以上の超格子を用いたバッファ層構造を、InGaPには
III−V族化合物半導体の二種類以上の超格子バッファ層を用いることによりガラス基板上に発光ダイオードを成長させることを特徴とする。
In order to achieve the above object, the light-emitting diode on the amorphous material substrate of the present invention has a layer close to a single crystal of an amorphous material as a substrate material, for example, an active layer material of InGaN or InGaP as a light-emitting diode material on glass. A buffer layer using a superlattice of at least two kinds of II-VI, III-V, I-III-VI, II-III-VI, and II-III-V compound semiconductor materials for InGaN to grow. The structure is characterized in that a light emitting diode is grown on a glass substrate by using two or more types of superlattice buffer layers of III-V group compound semiconductor for InGaP.
例として青色発光ダイオードの成長について示す。具体的な方法として図1左図に示すような組み合わせで超格子層を形成した。まずガラス基板1上にITOからなる透明電極膜2を成長させる。次にその上にII−VI、III−V、I−III−VI、II−III−VI、II−III−V族化合物半導体材料の中のI−III−VI族化合物半導体材料であるCuGaS2層3を5[nm]の厚さで、次に活性層(InGaN)5の格子定数に近い材料ZnIn2S4層4を厚さ5[nm]で成長する。次に3層目には最初と同様のCuGaS2層3’を同じく5[nm]の厚さで成長し、4層目にはZnIn2S4層4’を5[nm]の厚さで成長、このような成長を各層50層の計100層まで繰り返し、100層目にはZnIn2S4層4’’が成長される。その上に発光層材料であるInGaN層5を活性層とするダブルへテロ構造を成長させる。これらの成長はすべてMOCVD法で行った。
As an example, the growth of a blue light emitting diode will be described. As a specific method, a superlattice layer was formed by a combination as shown in the left diagram of FIG. First, a
ここで、アモルファス上に単結晶で層を形成することは困難だと考えられるが、100層の超格子層を形成していく中で発光層に近づくにつれて徐々に結晶性が向上し単結晶化されていくので、発光層を成長する際には転位が極めて少ないほぼ単結晶の層が成長できることが実験結果より明確になった。 Here, it seems that it is difficult to form a single crystal layer on an amorphous material, but as the superlattice layer of 100 layers is formed, the crystallinity gradually improves as the light emitting layer is approached, and single crystallization is achieved. As a result, it has become clear from the experimental results that an almost single crystal layer with very few dislocations can be grown when the light emitting layer is grown.
同様に赤色発光ダイオードもバッファ層としてガラス基板上にII−VI、III−V、I−III−VI、II−III−VI、II−III−V族化合物半導体材料のうち、InPとGaPの超格子を用いることにより、赤色発光層(InGaP)がほぼ単結晶化することが可能となった。 Similarly, a red light-emitting diode is also used as a buffer layer on a glass substrate with II-VI, III-V, I-III-VI, II-III-VI, and II-III-V compound semiconductor materials. By using the lattice, the red light emitting layer (InGaP) can be substantially single-crystallized.
この超格子は層の数を増やすことによって単結晶に近づくと同時に、超格子界面に沿って転位を逃がすことができるので、発光層へ転位が入らず高効率発光ができる。 By increasing the number of layers, this superlattice approaches a single crystal, and at the same time, dislocations can escape along the superlattice interface, so that dislocation does not enter the light emitting layer and high efficiency light emission can be achieved.
以上説明したことから明らかなように、本発明によれば、ガラス基板上に高効率の青色または赤色発光ダイオードを提供することができるので、青色または赤色発光ダイオードの低コスト化と、現在問題となっている将来の照明として期待される白色発光ダイオードへの適用が可能な青色または紫外発光ダイオードの低コスト化も実現できる。 As is apparent from the above description, according to the present invention, a high-efficiency blue or red light emitting diode can be provided on a glass substrate. It is also possible to reduce the cost of blue or ultraviolet light emitting diodes that can be applied to white light emitting diodes that are expected as future illumination.
これにより将来の照明として現在の蛍光灯に代わり期待される白色発光ダイオードの進展や、その他への様々な発光ダイオードの用途に大きく貢献する。 This greatly contributes to the development of white light-emitting diodes that are expected to replace current fluorescent lamps as future illumination, and to various other light-emitting diode applications.
現在、発光ダイオードの製造の主流はMOCVD成長法(Metal Organic Chemical Vapor Deposition:有機金属気相成長法)で行われている。これは過去一般的だったLPE成長法(Liquid Phase Epitaxy:液相エピタキシャル成長法)や、研究などでよく使われるMBE成長法(Molecular Beam Epitaxy:分子線エピタキシャル成長法)にくらべ、広い面積へ均一な薄膜成長が比較的容易なためである。MOCVD法は、半導体の材料を有機化合物の状態で反応室へ導入し、誘導過熱によって高温にされた基板上に、薄膜を成長させる方法である。この発光ダイオードの製造においてもMOCVD成長法を用いる。 At present, the mainstream of the manufacture of light emitting diodes is performed by MOCVD growth method (Metal Organic Chemical Vapor Deposition). Compared to the LPE growth method (Liquid Phase Epitaxy) and the MBE growth method (Molecular Beam Epitaxy) often used in research, this is a uniform thin film over a large area. This is because growth is relatively easy. The MOCVD method is a method in which a semiconductor material is introduced into a reaction chamber in the state of an organic compound, and a thin film is grown on a substrate heated to a high temperature by induction overheating. The MOCVD growth method is also used in the manufacture of this light emitting diode.
具体的に図2から図1右図に青色発光ダイオード装置の製造方法を示す。 Specifically, FIGS. 2 to 1 show the blue light emitting diode device manufacturing method.
まずガラス基板1上に、ITO透明電極層2をスパッタで成長させる。その上にCuGaS2、ZnIn2S4からなる超格子バッファ層6を全厚さで0.5μm、n−AlGaNクラッド層7を1μm、InGaNとGaNからなるTQW活性層8を全厚さで40nm、p−AlGaNクラッド層9を0.3μm成長しその上にSiO2酸化膜10を0.5μm成長させる(図2)。バッファ層6の詳細は上記に説明してある図1左図の構造を有する。次に150μm周期でSiO2酸化膜10の右側三分の二即ち100μmの幅をエッチング除去する(図3)。次にSiO2膜10を除去した全域でITO透明電極2まで成長層6から9をドライエッチングで取り除く(図4)。次に表面のSiO2酸化膜10をHFでエッチングして取り除き、再びSiO2酸化膜10を全面に成長する(図5)。その後、発光ダイオードとなる領域上にあるSiO2酸化膜10のみをエッチングして取り除き(図6)、その上にNi/Au2層の金属電極11をニッケル0.1μm、金1μmの順で真空蒸着し、残っていたSiO2酸化膜10をHFで取り除けば、発光ダイオード上のNi/Au2層の金属電極11のみが残る(図7)。再び、SiO2酸化膜10を全体に成長し、ITO膜上のSiO2酸化膜10のみを発光素子領域近傍20μmの幅以外を取り除いた後、Au−Ge−Ni合金の金属電極12を1μmの厚さ真空蒸着する(図8)。その後、SiO2膜10をHFですべて除去する。これによりITO透明電極層2上にのみAu−Ge−Ni合金の金属電極12が残る(図9)。ガラス基板1をCu(放熱体)13にボンディングし、ITO透明電極層2上のAu−Ge−Ni合金の金属電極12にカソードの金線を取り付け、発光ダイオードのNi/Au2層の金属電極11上にアノードの金線を取り付ける(図1右図)。また、この放熱体13への放熱特性をよくするためにガラス基板から発光層のみをはがして、放熱体13にはりつけてもよい。この方法で青色発光ダイオードが完成する。
First, an ITO
1・・・ガラス基板
2・・・ITO透明薄膜層
3,3’・・・CuGaS2層
4,4’,4’’・・・ZnIn2S4層
5・・・InGaAlN
6・・・図1に示したバッファ層
7・・・n−InAlGaNクラッド層
8・・・InGaN TQW活性層
9・・・p−InAlGaNクラッド層
10・・・SiO2酸化膜
11・・・Ni/Au2層の金属電極
12・・・Au−Ge−Niの金属合金電極
13・・・Cu(放熱体)
1 ...
6
Claims (6)
6. A light emitting device according to claim 5, wherein a transparent electrode film such as ITO or In 2 S 3 is formed between the glass substrate and the buffer layer, and a method for manufacturing the same.
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