JP2011171695A - 発光ダイオード、発光ダイオードランプ及び照明装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】本発明の発光ダイオードは、組成式(InX1Ga1−X1)As(0≦X1≦1)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、該活性層を挟む、組成式(AlX3Ga1−X3)As(0≦X3≦1)からなる第1のガイド及び第2のガイドと、該第1のガイド及び第2のガイドのそれぞれを介して前記活性層を挟む第1のクラッド層及び第2のクラッド層とを有する発光部と、前記発光部上に形成された電流拡散層と、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のクラッド層が組成式(AlX4Ga1−X4)YIn1−YP(0≦X4≦1,0<Y≦1)からなることを特徴とする。
【選択図】図6
Description
かかるピーク波長近傍については、GaAs基板にAlGaAs活性層を含む化合物半導体層を液相エピタキシャル法で成長させた発光ダイオードが知られている(例えば特許文献1〜3)、成長基板として用いたGaAs基板を除去し、その化合物半導体層を発光波長に対して透明な成長層だけで構成した、いわゆる基板除去型発光ダイオードが、現状で最も高出力の赤外発光ダイオードである(例えば、特許文献4)。
一方、機器間の送受信に用いられる赤外線通信の場合には、例えば、850〜900nmの赤外線が用いられ、赤外線リモコン操作通信の場合には、受光部の感度が高い波長帯である、例えば880〜940nmの赤外線が用いられている。赤外線通信と赤外線リモコン操作通信の両機能を兼ね備えた携帯電話等の端末機器用の赤外線通信と赤外線リモコン操作通信の双方に使用できる赤外発光ダイオードとして、発光ピーク波長が880〜890nmの、実効的不純物としてGeを含むAlGaAs活性層を用いるものが知られている(特許文献4)。
また、900nm以上の発光ピーク波長を有し得る赤外発光ダイオードとして、InGaAs活性層を用いるものが知られている(特許文献5〜7)。
また、実効的不純物にGeを含むAlGaAs活性層を用いた場合、発光ピーク波長を900nm以上にすることは困難である(特許文献4の図5)。
また、900nm以上の発光ピーク波長を有し得る、InGaAs活性層を用いた赤外発光ダイオードについては、更なる性能向上、省エネ、コスト面から、より発光効率の高いものの開発が望まれている。
まず、本発明者は、赤外線通信等に用いられる850nm以上、特に900nm以上の発光ピーク波長を有するようにInGaAsからなる井戸層を採用し、単色性及び出力を高めるために多重量子井戸構造の活性層とした。
また、この3元混晶の多重量子井戸構造を挟むクラッド層に、バンドギャップが大きくて発光波長に対して透明であり、かつ、欠陥を作りやすいAsを含まないので結晶性の良い4元混晶のAlGaInPを採用した。
また、上記の通り、従来、InGaAs系の活性層を用いる赤外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)タイプはなく、化合物半導体層を成長させたGaAs基板をそのまま用いていた。しかし、GaAs基板は伝導性を高めるために高ドープしており、キャリアによる光の吸収が避けられない。そこで、キャリアによる光の吸収を回避でき、高出力・高効率が期待できる透明基板に貼り付ける(接合する)タイプを採用した。
さらには、InGaAs/AlGaAsの多重量子井戸構造において、2つの層を格子整合させることは困難であり、活性層はひずみ量子井戸構造となる。かかるひずみ量子井戸構造からの発光波長はInGaAsの組成及び厚さに大きく依存し、また、その出力や単色性への影響も大きいから、適切な組成及び厚さの選択により、予想以上の高出力、高効率の発光も期待された。
本発明者は、かかる知見に基づ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。
(1)組成式(InX1Ga1−X1)As(0≦X1≦1)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、該活性層を挟む、組成式(AlX3Ga1−X3)As(0≦X3≦1)からなる第1のガイド及び第2のガイドと、該第1のガイド及び第2のガイドのそれぞれを介して前記活性層を挟む第1のクラッド層及び第2のクラッド層とを有する発光部と、前記発光部上に形成された電流拡散層と、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のクラッド層が組成式(AlX4Ga1−X4)YIn1−YP;0≦X4≦1,0<Y≦1)からなることを特徴とする発光ダイオード。
(2)前記井戸層のIn組成(X1)が0≦X1≦0.3であることを特徴とする前項(1)に記載の発光ダイオード。
(3)前記井戸層のIn組成(X1)が0.1≦X1≦0.3であることを特徴とする前項(2)に記載の発光ダイオード。
(4)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)乃至(3)のいずれか一項に記載の発光ダイオード。
(5)前記機能性基板はGaP又はSiCからなることを特徴とする前項(1)乃至(4)のいずれか一項に記載の発光ダイオード。
(6)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(5)のいずれか一項に記載の発光ダイオード。
(7)前記傾斜面は粗い面を含むことを特徴とする前項(6)に記載の発光ダイオード。
(8)組成式(InX1Ga1−X1)As(0≦X1≦1)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、該活性層を挟む、組成式(AlX3Ga1−X3)As(0≦X3≦1)からなる第1のガイド及び第2のガイドと、該第1のガイド及び第2のガイドのそれぞれを介して前記活性層を挟む第1のクラッド層及び第2のクラッド層とを有する発光部と、前記発光部上に形成された電流拡散層と、前記発光部に対向して配置され、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のクラッド層が組成式(AlX4Ga1−X4)Y3In1−Y3P(0≦X4≦1,0<Y3≦1)からなることを特徴とする発光ダイオード。
ここで、「接合」は反射層と機能性基板との間の層を介して接合する場合も含む。
(9)前記井戸層のIn組成(X1)が0≦X1≦0.3であることを特徴とする前項(8)に記載の発光ダイオード。
(10)前記井戸層のIn組成(X1)が0≦X1≦0.3であることを特徴とする前項(9)に記載の発光ダイオード。
(11)前記機能性基板は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(8)乃至(10)のいずれか一項に記載の発光ダイオード。
(12)前記機能性基板は金属基板を含むことを特徴とする前項(8)乃至(10)のいずれか一項に記載の発光ダイオード。
(13)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(12)に記載の発光ダイオード。
(14)前記電流拡散層はGaP又はGaInPからな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(14)のいずれか一項に記載の発光ダイオード。
(16)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。
(17)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(16)に記載の発光ダイオード。
(18)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(16)又は(17)のいずれかに記載の発光ダイオード。
(19)前項(1)乃至(18)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。
(20)前項(18)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。
(21)前項(1)乃至(18)のいずれか一項に記載の発光ダイオード、及び/又は、請求項19又は20の少なくともいずれかに記載の発光ダイオードランプを複数個搭載した照明装置。
高出力・高効率で850nm以上、特に900nm以上の発光ピーク波長の赤外光を発光することができる。
活性層が組成式(InX1Ga1−X1)As(0≦X1≦1)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多重井戸構造を有する構成なので、単色性に優れている。
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・高効率を示すことができる。
クラッド層が組成式(AlX4Ga1−X4)YIn1−YP;0≦X4≦1,0<Y≦1)からなる構成なので、欠陥を作りやすいAsを含まないため結晶性が高く、高出力に寄与する。
クラッド層が組成式(AlXGa1−X)YIn1−YP;0≦X≦1,0<Y≦1)からなる構成なので、クラッド層が3元混晶からなる赤外発光ダイオードに比べてと比べてAl濃度が低く、耐湿性が向上する。
活性層が組成式(InX1Ga1−X1)As(0≦X1≦1)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。
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、その接合が容易としかつ接合強度が大きくすることができる。
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。
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。
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は井戸層とバリア層の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(InX1Ga1−X1)As(0≦X1≦1)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、組成式(AlX2Ga1−X2)As(0≦X3≦1)からなる第1のガイド10及び第2のガイド12と、該第1のガイド10及び第2のガイド12のそれぞれを介して前記活性層11を挟む第1のクラッド層9及び第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のクラッド層9及び第2のクラッド層13が組成式(AlX4Ga1−X4)YIn1−YP;0≦X4≦1,0<Y≦1)からなることを特徴とするものである。
また、発光ダイオード1は、主たる光取り出し面に設けられたn型オーミック電極(第1の電極)4及びp型オーミック電極(第2の電極)5を備えて概略構成されている。
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。
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。
また、In組成(X1)が0.1のとき、層厚が3nm、5nm、7nm、8nmと厚くなると、それに対応して発光ピーク波長は820nm、870nm、920nm、960nmと長くなっている。また、In組成(X1)が0.2のとき、層厚が5nm、6nmと厚くなるとそれに対応して発光ピーク波長は920nm、960nmと長くなり、In組成(X1)が0.25のとき、層厚が4nm、5nmと厚くなるとそれに対応して発光ピーク波長は920nm、960nmと長くなり、さらに、In組成(X1)が0.3のとき、層厚が3nm、5nmと厚くなると、それに対応して発光ピーク波長は920nm、985nmと長くなっている。
さらにまた、層厚が5nmのとき、In組成(X1)が0.1、0.2、0.25、0.3と増加すると、発光ピーク波長は870nm、920nm、960nm、985nmと長くなっており、In組成(X1)が0.35になると、発光ピーク波長は995nmとなる。
以上の規則性に基づけば、850nm以上1000nm以下の所望の発光ピーク波長を有する、In組成(X1)と層厚を容易に見つけることができる。
In組成(X1)が0.12、0.2、0.25、0.3、0.35と増加すると、発光ピーク波長は870nm、920nm、960nm、985nm、995nmと長くなっている。より詳細には、In組成(X1)が0.12から0.3へ増加していくにつれて、発光ピーク波長は略単調に870nmから985nmへと長くなっている。しかし、In組成(X1)を0.3から0.35へと増加しても、985nmから995nmへと長くなるが、長波長への変化率は小さくなっている。
また、発光ピーク波長は870nm(X1=0.12)、920nm(X1=0.2)、960nm(X1=0.25)では発光出力は6.5mWと高い値であり、985nm(X1=0.3)でも5mWと実用上十分な高い値を有するが、995nm(X1=0.35)では2mWと低い値であった。
発光ピーク波長を900nm以上とする場合は、0.1≦X1≦0.3であるのが好ましく、900nm未満とする場合は、0≦X1≦0.1であるのが好ましい。
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。
ペア数1〜10対まで、発光出力が6.5mW以上と高い値を有し、20対でも5mWと実用上十分に高い値を有することがわかった。さらにペア数を多くすると、発光出力は低下するものと推察される。
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。
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という効果がある。
また、電流拡散層8にGaInPを適用する場合、GaとInの比率を変えることにより、電流拡散層8が積層される井戸層17の材料であるInGaAsと同じ格子定数にして、井戸層17と格子整合させることができるという効果がある。従って、所望の発光ピーク波長から選択された組成比のInGaAsと同じ格子定数となるように、GaInPの組成比を選択するのが好ましい。
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からである。
機能性基板3は、耐湿性に優れた基板であり、更に熱伝導の良いGaP、GaInP、SiC、また、機械強度が強いサファイア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。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。
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。
反射層は、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3は、この反射層に、AuIn、AuGe、AuSn等の共晶金属で、発光部と熱膨張係数の近いシリコン、ゲルマニウム等の安価な基板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3は、電流拡散層、反射金属および共晶金属が相互拡散しないよう、例えば、Ti,W、Ptなどの高融点金属または、ITOなどの透明導電酸化物を挿入することも、品質の安定性から望ましい。
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。
第3の電極は、機能性基板の裏面に形成され、透明基板に於いては、基板側へ反射する構造にすることで、更なる高出力化ができる。反射金属材料としては、Au、Ag、Alなどの材料が使用できる。
また、電極表面側を例えば、AuSn等の共晶金属、半田材料にすることで、ダイボンド工程で、ペーストを使用する必要がなくなり簡易化される。更に、金属で接続することで、熱伝導がよくなり、発光ダイオードの放熱特性が向上する。
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10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11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。
まず、図10に示す、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。
尚、本明細書では、ミラー指数の表記において、“−”はその直後の指数につくバーを意味する。
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。
また、電流拡散層8としてp型GaInPを用いる場合は、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。
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、まず、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11参照)。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。
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、まず、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。
第3の電極は、機能性基板の裏面に形成される。素子の構造により、オーミック電極、ショットキー電極、反射機能、共晶ダイボンド構造などの機能を組み合わせ付加できる。透明基板に於いては、Au、Ag、Alなどの材料を形成し、反射する構造にする。基板と前記材料の間に、例えば、酸化ケイ素、ITOなどの透明膜を挿入できる。形成方法は、スパッタ法、蒸着法など公知の技術を利用できる。
また、電極表面側を例えば、AuSn等の共晶金属、鉛フリー半田材料などにすることで、ダイボンド工程で、ペーストを使用する必要がなくなり簡易化される。形成方法は、スパッタ法、蒸着法、めっき、印刷など公知の技術を利用できる。
金属で接続することで、熱伝導がよくなり、発光ダイオードの放熱特性が向上する。
前記の2つの機能を組み合わせる場合は、金属が拡散しないようにバリア金属、酸化物を挿入することも好適な方法である。これらは、素子構造、基板材料により、最適なものを
選択できる。
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、まず、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。
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、ダイシング法は、切断の安定性に優れている。
図12(a)及び(b)は、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を説明するための図であり、図12(a)は平面図、図12(b)は図12(a)中に示すC−C’線に沿った断面図である。
第2の実施形態に係る発光ダイオードは、組成式(InX1Ga1−X1)As(0≦X1≦1)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、活性層11を挟む、組成式(AlX2Ga1−X2)As(0≦X3≦1)からなる第1のガイド10及び第2のガイド12と、第1のガイド10及び第2のガイド12のそれぞれを介して活性層11を挟む第1のクラッド層9及び第2のクラッド層13とを有する発光部7と、発光部7上に形成された電流拡散層8と、発光部7に対向して配置され、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のクラッド層が組成式(AlX4Ga1−X4)YIn1−YP(0≦X4≦1,0<Y≦1)からなることを特徴とする。
図12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21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。
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。
図13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る。
第3の実施形態に係る発光ダイオードは、組成式(InX1Ga1−X1)As(0≦X1≦1)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、活性層11を挟む、組成式(AlX3Ga1−X3)As(0≦X3≦1)からなる第1のガイド層10及び第2のガイド層12と、第1のガイド層10及び第2のガイド層12のそれぞれを介して活性層11を挟む第1のクラッド層9及び第2のクラッド層13とを有する発光部7と、発光部7上に形成された電流拡散層8と、発光部7に対向して配置され、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のクラッド層9及び第2のクラッド層13が組成式(AlX4Ga1−X4)Y3In1−Y3P;0≦X4≦1,0<Y3≦1)からなることを特徴とする。
金属基板50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50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)、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)がある。
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。
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ア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。
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。
複数の金属層の構成としては図13で示した例のように、2種類の金属層すなわち、第1の金属層50Aと第2の金属層50Bとが交互に積層されてなるものが好ましい。
特に、第1の金属層50Aと第2の金属層50Bの層数は合わせて奇数とすることがより好ましい。
この場合、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とすることにより、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とすることにより、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。
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。
実施例1は図4に示した実施形態の実施例である。
実施例1の発光ダイオードは、まず、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、Al0.4Ga0.6Asからなる上部ガイド層、(In0.2Ga0.8)As/(Al0.15Ga0.85)Asの3対からなる井戸層/バリア層、Al0.4Ga0.6As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。
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となるように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、表面の粗さ(rms)を0.12nmに仕上げた。
表5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920nmとする赤外光が出射された。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1.2ボルトとなった。順方向電流を20mAとした際の発光出力は、7.0mWであった。
このランプ100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。
実施例2は図12(a)及び(b)に示した実施形態の実施例である。
実施例2の発光ダイオードは、反射層と機能性基板とを組み合わせ場合である。その他の発光部の形成は、実施例1と同じである。尚、下部ガイド層10及び上部ガイド層12は図示省略している。
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、反射面23とした。
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。
表5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920nmとする赤外光が出射された。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1.2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、約6.0mWであった。
実施例1と同様に、このランプ100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。
(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13を参照して、実施例3の発光ダイオードを説明する。
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。
表5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1.2ボルトとなった。順方向電流を20mAとした際の発光出力は、5.9mW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。
実施例4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870nmにするべく井戸層のIn組成X1=0.12にしたこと以外は、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7に示した通りであり、ピーク波長870nmとする赤外光が出射され、発光出力(P0)、順方向電圧(VF)、出力残存率の平均はそれぞれ、6.8mW、1.3V、100%であった。
実施例5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870nmにするべく井戸層のIn組成X1=0.12にしたこと以外は、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7に示した通りであり、ピーク波長870nmとする赤外光が出射され、発光出力(P0)、順方向電圧(VF)、出力残存率の平均はそれぞれ、6.1mW、1.3V、100%であった。
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960nmにするべく井戸層のIn組成X1=0.25にしたこと以外は、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7に示した通りであり、ピーク波長960nmとする赤外光が出射され、発光出力(P0)、順方向電圧(VF)、出力残存率の平均はそれぞれ、6.5mW、1.18V、99%であった。
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960nmにするべく井戸層のIn組成X1=0.25にしたこと以外は、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7に示した通りであり、ピーク波長960nmとする赤外光が出射され、発光出力(P0)、順方向電圧(VF)、出力残存率の平均はそれぞれ、5.3mW、1.18V、98%であった。
実施例8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985nmにするべく井戸層のIn組成X1=0.3にしたこと以外は、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7に示した通りであり、ピーク波長985nmとする赤外光が出射され、発光出力(P0)、順方向電圧(VF)、出力残存率の平均はそれぞれ、5.0mW、1.16V、97%であった。
実施例9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985nmにするべく井戸層のIn組成X1=0.3にしたこと以外は、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7に示した通りであり、ピーク波長985nmとする赤外光が出射され、発光出力(P0)、順方向電圧(VF)、出力残存率の平均はそれぞれ、3.8mW、1.15V、96%であった。
比較例1の発光ダイオードは、従来技術である液相エピタキシャル法で形成した。GaAs基板にAl0.01Ga0.99Asを発光層とするダブルヘテロ構造の発光部を有する発光ダイオードに変更したものである。
表5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940nmとする赤外光が出射された。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1.2ボルト(V)となった。また、順方向電流を20mAとした際の発光出力は、2mWであった。また、比較例1のいずれのサンプルについても、本発明の実施例に比べて出力が低かった。
また、実施例と同様に、このランプ100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実験開始時に比べて14%も低下し、1%以内の低下に過ぎなかった実施例に比べて大きく低下した。
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(第1のクラッド層)
10・・・下部ガイド層
11・・・活性層
12・・・上部ガイド層
13・・・上部クラッド層(第2のクラッド層)
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・・・反射面
25・・・ボンディング電極
30・・・シリコン基板
31・・・機能性基板
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
Claims (21)
- 組成式(InX1Ga1−X1)As(0≦X1≦1)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、該活性層を挟む、組成式(AlX3Ga1−X3)As(0≦X3≦1)からなる第1のガイド及び第2のガイドと、該第1のガイド及び第2のガイドのそれぞれを介して前記活性層を挟む第1のクラッド層及び第2のクラッド層とを有する発光部と、
前記発光部上に形成された電流拡散層と、
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のクラッド層が組成式(AlX4Ga1−X4)YIn1−YP;0≦X4≦1,0<Y≦1)からなることを特徴とする発光ダイオード。 - 前記井戸層のIn組成(X1)が0≦X1≦0.3であることを特徴とする請求項1に記載の発光ダイオード。
- 前記井戸層のIn組成(X1)が0.1≦X1≦0.3であることを特徴とする請求項2に記載の発光ダイオード。
- 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請求項1乃至3のいずれか一項に記載の発光ダイオード。
- 前記機能性基板はGaP又はSiCからなることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか一項に記載の発光ダイオード。
- 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請求項1乃至5のいずれか一項に記載の発光ダイオード。
- 前記傾斜面は粗い面を含むことを特徴とする請求項6に記載の発光ダイオード。
- 組成式(InX1Ga1−X1)As(0≦X1≦1)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、該活性層を挟む、組成式(AlX2Ga1−X2)As(0≦X3≦1)からなる第1のガイド及び第2のガイドと、該第1のガイド及び第2のガイドのそれぞれを介して前記活性層を挟む第1のクラッド層及び第2のクラッド層とを有する発光部と、
前記発光部上に形成された電流拡散層と、
前記発光部に対向して配置され、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のクラッド層が組成式(AlX4Ga1−X4)Y3In1−Y3P(0≦X4≦1,0<Y3≦1)からなることを特徴とする発光ダイオード。 - 前記井戸層のIn組成(X1)が0≦X1≦0.3であることを特徴とする請求項8に記載の発光ダイオード。
- 前記井戸層のIn組成(X1)が0.1≦X1≦0.3であることを特徴とする請求項9に記載の発光ダイオード。
- 前記機能性基板は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請求項8乃至10のいずれか一項に記載の発光ダイオード。
- 前記機能性基板は金属基板を含むことを特徴とする請求項8乃至10のいずれか一項に記載の発光ダイオード。
- 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請求項12に記載の発光ダイオード。
- 前記電流拡散層はGaP又はGaInPからなることを特徴とする請求項1乃至13のいずれか一項に記載の発光ダイオード。
- 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請求項1乃至14のいずれか一項に記載の発光ダイオード。
- 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請求項1乃至15のいずれか一項に記載の発光ダイオード。
- 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請求項16に記載の発光ダイオード。
- 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請求項16又は17のいずれかに記載の発光ダイオード。
- 請求項1乃至18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。
- 請求項18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。
- 請求項1乃至18のいずれか一項に記載の発光ダイオード、及び/又は、請求項19又は20の少なくともいずれかに記載の発光ダイオードランプを複数個搭載した照明装置。
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