JP4974867B2 - 発光ダイオード及びその製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、発光ダイオード及びその製造方法に関する。
従来から、赤色、橙色、黄色或いは黄緑色の可視光を発する発光ダイオード（英略称：ＬＥＤ）として、例えば、燐化アルミニウム・ガリウム・インジウム（組成式（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が知られている。この様なＬＥＤにあって、（ＡｌＸＧａ１−Ｘ）ＹＩｎ１−ＹＰ（０≦Ｘ≦１，０＜Ｙ≦１）から成る発光層を備えた発光部は、一般に発光層から出射される光に対し光学的に不透明であり、また機械的にもそれ程強度のない砒化ガリウム（ＧａＡｓ）等の基板材料上に形成されている。
このため、最近では、より高輝度の可視ＬＥＤを得るために、また、更なる素子の機械的強度の向上を目的として、発光光に対して不透明な基板材料を除去して、然る後、発光光を透過または反射し、尚且つ機械強度的に優れる材料からなる支持体層（基板）を改めて接合させて、接合型ＬＥＤを構成する技術が開示されている（例えば、特許文献１〜５参照。）。
また一方で、高輝度の可視ＬＥＤを得るために、素子形状による光取り出し効率向上の方法が用いられている。半導体発光ダイオードの表面と裏面に電極を形成する素子構造において、素子側面の形状による高輝度化の技術が開示されている（例えば、特許文献６参照。）。
また、特許文献７には、金属層と反射層と接着した有機接着層にオーミック金属を埋め込んだ発光素子が記載されている。
特許第３２３０６３８号公報
特開平６−３０２８５７号公報
特開２００２−２４６６４０号公報
特許第２５８８８４９号公報
特開２００１−５７４４１号公報
米国特許第６２２９１６０号公報
特開２００５−２３６３０３号公報
しかしながら、電流を発光ダイオードの上下（発光層に対して垂直方向）に流す構造において、オーミック電極を接合界面に形成する場合には、接合面が凸凹になってしまい、接合が難しいという問題があった。
オーミック電極を接合界面に形成しない場合は、接合面の電気抵抗を低下させるために高度な接合技術が必要とされるばかりでなく、接合界面の不純物濃度や材質が制約され、光の吸収や機械的な応力等の解決が必要となる。また、接合界面の電気抵抗を均一にすることが困難な為、発光層へ流れる電流の均一性にも問題があった。
更に、発光層が方形である場合、発光層内部から発光された光が側面に対して斜めに当たると内部に反射されやすく、側面からの光取り出し効率に問題があった。
オーミック電極を接合界面に形成しない場合は、接合面の電気抵抗を低下させるために高度な接合技術が必要とされるばかりでなく、接合界面の不純物濃度や材質が制約され、光の吸収や機械的な応力等の解決が必要となる。また、接合界面の電気抵抗を均一にすることが困難な為、発光層へ流れる電流の均一性にも問題があった。
更に、発光層が方形である場合、発光層内部から発光された光が側面に対して斜めに当たると内部に反射されやすく、側面からの光取り出し効率に問題があった。
本発明は、上記事情を鑑みてなされたものであり、安定した接合を容易に形成することができ、発光層に流れる電流が均一であり、発光層からの光取り出し効率が高い、高輝度の発光ダイオードを提供することを目的とする。
上記課題を解決するため、本発明の発光ダイオードは、発光層を含む発光部と、半導体層を介して前記発光部に接合された基板と、前記発光部の上面に第１の電極と、前記基板の底面に第２の電極と、前記半導体層上で前記発光部の外周にオーミック電極とを備え、前記発光部の外周において、前記オーミック電極と前記基板とを導通させ、かつ前記半導体層の厚さ方向に貫通する貫通電極を前記半導体層中に備えたことを特徴とする。
また、本発明の発光ダイオードは、貫通電極の配置や光取り出し効率を考慮し、前記発光層の平面形状が、円形であることとした。
また、本発明の発光ダイオードは、前記オーミック電極が、前記発光部の外周を包囲する形状であることとした。
また、本発明の発光ダイオードは、前記発光部及び前記第１の電極の平面形状と、前記オーミック電極の平面形状が相似形であって、前記発光部の外周と前記オーミック電極との間隔が一定であることとした。
また、本発明の発光ダイオードは、前記オーミック電極が、前記発光部の外周を包囲する形状であることとした。
また、本発明の発光ダイオードは、前記発光部及び前記第１の電極の平面形状と、前記オーミック電極の平面形状が相似形であって、前記発光部の外周と前記オーミック電極との間隔が一定であることとした。
また、本発明の発光ダイオードは、前記発光部が、前記発光層の上下に半導体材料からなるクラッド層を備えたこととした。
また、本発明の発光ダイオードは、前記半導体層が、少なくともＧａＰからなる層を有することとした。
また、本発明の発光ダイオードは、前記発光層が、少なくともＡｌＧａＩｎＰを含むこととした。
また、本発明の発光ダイオードは、前記基板が、ＧａＰ、ＡｌＧａＡｓ、ＳｉＣのいずれかからなる透明基板であることとした。
また、本発明の発光ダイオードは、前記基板が、少なくともＡｌ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｕのいずれを含む金属基板、またはＡｌ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｕ、Ｐｔのいずれかで反射膜を形成したＳｉ基板からなることとした。
また、本発明の発光ダイオードは、前記第１の電極が、オーミック電極と、透明導電膜層と、台座電極とを有することとした。
また、本発明の発光ダイオードは、前記発光層が、少なくともＡｌＧａＩｎＰを含むこととした。
また、本発明の発光ダイオードは、前記基板が、ＧａＰ、ＡｌＧａＡｓ、ＳｉＣのいずれかからなる透明基板であることとした。
また、本発明の発光ダイオードは、前記基板が、少なくともＡｌ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｕのいずれを含む金属基板、またはＡｌ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｕ、Ｐｔのいずれかで反射膜を形成したＳｉ基板からなることとした。
また、本発明の発光ダイオードは、前記第１の電極が、オーミック電極と、透明導電膜層と、台座電極とを有することとした。
本発明の発光ダイオードの製造方法は、エピタキシャル積層用基板上に、少なくともコンタクト層と、第１のクラッド層と、発光層と、第２のクラッド層と、半導体層を順に堆積してエピタキシャル積層構造体を形成する工程と、前記発光部の前記半導体層側に基板を貼り付ける工程と、前記エピタキシャル積層構造体から前記エピタキシャル積層用基板を除去して発光部を形成する工程と、前記発光層の外周において、前記半導体層の厚さ方向に貫通する貫通電極を前記半導体層中に設ける工程と、前記発光層の外周において、前記貫通電極と接合するオーミック電極を前記半導体層上に設ける工程と、前記発光部の上面に第１の電極、前記基板の底面に第２の電極を設ける工程を有することを特徴とする。
また、本発明の発光ダイオードの製造方法は、上記のいずれかに記載の発光ダイオードを製造することを特徴とした。
本発明の発光ダイオードによれば、発光層を含む発光部と、半導体層を介して前記発光部に接合された基板と、前記発光部の上面に第１の電極と、前記基板の底面に第２の電極と、前記半導体層上で前記発光部の外周にオーミック電極とを備え、前記発光部の外周において、前記オーミック電極と前記基板とを導通させ、かつ前記半導体層の厚さ方向に貫通する貫通電極を前記半導体層中に備えたことで、第２の電極から流れる電流を、基板と貫通電極とオーミック電極を経由して発光部に流すことができる。また、オーミック電極が基板と半導体層の界面にないため、貼り付け界面が凸凹にならず接合されやすい構造となる。また、貼り付け界面の電気抵抗が、必ずしも低抵抗である必要がなく、貼り付け方法、条件、貼り付け基板の品質、材質に係わる制約が緩和され安定した貼り付けが可能となる。
また、前記発光層の平面形状が円形であることで、発光層内部からの光が発光層の側面で反射されることが低減し、外部取り出し効率が、向上するだけでなく、側面から均一に発光される。
また、前記オーミック電極の平面形状が、前記発光部の外周を包囲する形状であることで、第１の電極への電流が均一に流れやすくなり、発光も均一になる。
また、前記発光部及び前記第１の電極の平面形状の輪郭と、前記オーミック電極の平面形状が相似形であって、前記発光部の外周と前記オーミック電極との間隔が一定であることで、より発光部への電流が均一に流れやすくなり、発光もより均一になる。また、第１の電極の平面形状は円形であると、電極の角がないため、静電耐圧が向上する。そのため、発光部及び第１の電極の平面形状と、オーミック電極の平面形状がともに円形であると、最も電流が均一に流れやすく、発光層全体を効率的に活用でき、発光も均一となり輝度が高まる。
また、前記オーミック電極の平面形状が、前記発光部の外周を包囲する形状であることで、第１の電極への電流が均一に流れやすくなり、発光も均一になる。
また、前記発光部及び前記第１の電極の平面形状の輪郭と、前記オーミック電極の平面形状が相似形であって、前記発光部の外周と前記オーミック電極との間隔が一定であることで、より発光部への電流が均一に流れやすくなり、発光もより均一になる。また、第１の電極の平面形状は円形であると、電極の角がないため、静電耐圧が向上する。そのため、発光部及び第１の電極の平面形状と、オーミック電極の平面形状がともに円形であると、最も電流が均一に流れやすく、発光層全体を効率的に活用でき、発光も均一となり輝度が高まる。
また、前記発光部は、前記発光層の上下にクラッド層を備えたことで、放射再結合をもたらすキャリアを発光層に閉じ込めることができ、高い発光効率が得られる。
また、前記半導体層は、発光光に対して透明であることで、高輝度化することができる。
また、前記半導体層は、少なくともＧａＰからなる層を有することで、前記オーミック電極と良好なオーミックコンタクトが得られ、作動電圧を下げることができる。
また、前記半導体層は、発光光に対して透明であることで、高輝度化することができる。
また、前記半導体層は、少なくともＧａＰからなる層を有することで、前記オーミック電極と良好なオーミックコンタクトが得られ、作動電圧を下げることができる。
また、前記発光層は、少なくとも発光効率の良好なＡｌＧａＩｎＰを含むことで、黄緑から赤色の高輝度の可視発光ダイオードが得られる。
また、前記基板は、ＧａＰ、ＡｌＧａＡｓ、ＳｉＣのいずれかからなる透明基板であることで、高輝度化することができ、更に基板の材料によっては、放熱性、機械強度も向上させることができる。
また、前記基板は、少なくともＡｌ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｕのいずれを含む金属基板、またはＡｌ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｕ、Ｐｔのいずれかで反射膜を形成したＳｉ基板からなることで、金属からなる場合は熱伝導率がよく、Ｓｉからなる場合は加工しやすく安価であるとういう利点がある。
また、前記第１の電極は、オーミック電極と、透明導電膜層と、台座電極とを有することで、台座電極を小さくすることや、台座電極に反射率の高い材質を選択し光の吸収を減らすことが可能になり、更にオーミック電極を均等に設けることで、発光ダイオードの光取り出し効率を高めることができる。
また、前記基板は、ＧａＰ、ＡｌＧａＡｓ、ＳｉＣのいずれかからなる透明基板であることで、高輝度化することができ、更に基板の材料によっては、放熱性、機械強度も向上させることができる。
また、前記基板は、少なくともＡｌ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｕのいずれを含む金属基板、またはＡｌ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｕ、Ｐｔのいずれかで反射膜を形成したＳｉ基板からなることで、金属からなる場合は熱伝導率がよく、Ｓｉからなる場合は加工しやすく安価であるとういう利点がある。
また、前記第１の電極は、オーミック電極と、透明導電膜層と、台座電極とを有することで、台座電極を小さくすることや、台座電極に反射率の高い材質を選択し光の吸収を減らすことが可能になり、更にオーミック電極を均等に設けることで、発光ダイオードの光取り出し効率を高めることができる。
本発明の発光ダイオードの製造方法は、エピタキシャル積層用基板上に、少なくともコンタクト層と、第１のクラッド層と、発光層と、第２のクラッド層と、半導体層を順に積層してエピタキシャル積層構造体を形成する工程と、前記発光部の前記半導体層側に基板を貼り付ける工程と、前記エピタキシャル積層構造体から前記エピタキシャル積層用基板を除去して発光部を形成する工程と、前記発光層の外周において、前記半導体層の厚さ方向に貫通する貫通電極を前記半導体層中に設ける工程と、前記発光層の外周において、前記貫通電極と接合するオーミック電極を前記半導体層上に設ける工程と、前記発光部の上面に第１の電極、前記基板の底面に第２の電極を設ける工程を有することで、第２の電極から基板に流した電流を、貫通電極とオーミック電極を経由して発光部に流すことができる。また、オーミック電極を基板と半導体層の貼り付け界面ではなく半導体層の上面に、設けることで貼り付け界面が凸凹にならず接合されやすい構造となる。
以下、本発明の発光ダイオード及びその製造方法について、図面を参照しながら詳細に説明する。
＜第１実施形態＞
「発光ダイオード」
図１（ａ）、（ｂ）に示すように、本発明の第１実施形態に係る発光ダイオード（ＬＥＤ）１は、発光層２を含む発光部３と、半導体層４を介して発光部３に接合された基板５と、発光部３の上面に第１の電極６と、基板５の底面に第２の電極７と、半導体層４上の発光部３の外周にオーミック電極８とを備え、発光部３の外周において、オーミック電極８と基板５とを導通させし、かつ半導体層４の厚さ方向に貫通する貫通電極９を半導体層４中に備えたことを特徴とする。
「発光ダイオード」
図１（ａ）、（ｂ）に示すように、本発明の第１実施形態に係る発光ダイオード（ＬＥＤ）１は、発光層２を含む発光部３と、半導体層４を介して発光部３に接合された基板５と、発光部３の上面に第１の電極６と、基板５の底面に第２の電極７と、半導体層４上の発光部３の外周にオーミック電極８とを備え、発光部３の外周において、オーミック電極８と基板５とを導通させし、かつ半導体層４の厚さ方向に貫通する貫通電極９を半導体層４中に備えたことを特徴とする。
発光部３は、発光層２を含むｐｎ接合を有する化合物半導体積層構造体で、発光層２はｎ形またはｐ形の何れの伝導形の化合物半導体からも構成できる。本発明は、発光部が薄い材料で構成され、エピタキシャル積層用基板が発光層からの光を吸収する、一般式（ＡｌＸＧａ１−Ｘ）ＹＩｎ１−ＹＰ（０≦Ｘ≦１，０＜Ｙ≦１）で表される発光ダイオードに好適に利用できる。発光部の薄いＧａＮ系にも効果がある。
発光部３は、ダブルへテロ、単一（ｓｉｎｇｌｅ）量子井戸（英略称：ＳＱＷ）または多重（ｍｕｌｔｉ）量子井戸（英略称：ＭＱＷ）の何れの構造であっても良いが、単色性に優れる発光を得るためにはＭＱＷ構造とするのが好適である。量子井戸（英略称：ＱＷ）構造をなす障壁（ｂａｒｒｉｅｒ）層及び井戸（ｗｅｌｌ）層を構成する（ＡｌＸＧａ１−Ｘ）ＹＩｎ１−ＹＰ（０≦Ｘ≦１，０＜Ｙ≦１）の組成は、所望の発光波長を帰結する様に決定する。
発光部３は、ダブルへテロ、単一（ｓｉｎｇｌｅ）量子井戸（英略称：ＳＱＷ）または多重（ｍｕｌｔｉ）量子井戸（英略称：ＭＱＷ）の何れの構造であっても良いが、単色性に優れる発光を得るためにはＭＱＷ構造とするのが好適である。量子井戸（英略称：ＱＷ）構造をなす障壁（ｂａｒｒｉｅｒ）層及び井戸（ｗｅｌｌ）層を構成する（ＡｌＸＧａ１−Ｘ）ＹＩｎ１−ＹＰ（０≦Ｘ≦１，０＜Ｙ≦１）の組成は、所望の発光波長を帰結する様に決定する。
また、発光層２とクラッド層１０ａ、１０ｂとの間に、両層間におけるバンド（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２とクラッド層１０ａ、１０ｂ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。
発光部３及び発光層２の形状は、円形であることが特に好ましい。もしくは、例えば、図２（ａ）、（ｂ）に示すような円形に近い多角形、図３（ａ）に示すような曲線で囲まれた形状、図３（ｂ）に示すような楕円形などであってもよい。正方形や長方形などは、発光層２内部から発光された光が発光層２の側面に対して斜めに当たると内部に反射されやすく、光取り出し効率が低下し、発光ダイオード１の輝度が低下してしまう。
しかしながら、発光部３及び発光層２の形状が円形であれば、発光層２内部から発光された光が発光層２の側面に対して反射されにくいため、光取り出し効率が高まる。
しかしながら、発光部３及び発光層２の形状が円形であれば、発光層２内部から発光された光が発光層２の側面に対して反射されにくいため、光取り出し効率が高まる。
本発明では、高輝度化、のため、半導体層４は透明であることが好ましい。透明基板としては、燐化ガリウム（ＧａＰ）、砒化アルミニウム・ガリウム（ＡｌＧａＡｓ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、等のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体結晶、硫化亜鉛（ＺｎＳ）やセレン化亜鉛（ＺｎＳｅ）等のＩＩ−ＶＩ族化合物半導体結晶、或いは六方晶或いは立方晶の炭化珪素（ＳｉＣ）等のＩＶ族半導体結晶などから構成できる。
本発明では、半導体層４を介して発光部３と接合する基板５は、少なくともＣｕ、Ａｕ、Ａｌ、Ａｇのいずれを含む金属基板、またはＡｌ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｕ、Ｐｔ等で反射膜を形成したＳｉ基板からなることが好ましい。基板５が金属基板からなる場合は熱伝導率がよく、Ａｌ、Ａｇは、全波長に対して反射率が高く、Ｃｕは赤色に対して反射率が高いため、より好ましい。また、基板５がＳｉからなる場合は加工しやすく安価であるとういう利点がある。
本発明では、主たる光取り出し面の外形（発光部３の外形）の最大幅を０．８ｍｍ以上のとき効果が大きい。最大幅とは表面外形の最も長い部分を云う。例えば、円形の場合は直径であり、長方形、正方形の場合は、対角線が最大幅である。このような構成をとることは、近年、求められている高電流用途の発光ダイオードに必要なことである。サイズを大きくした場合、電流を均一に流すためには、電極設計、放熱設計など、特別な素子構成が重要である。
発光部３は、砒化ガリウム（ＧａＡｓ）や、燐化インジウム（ＩｎＰ）、燐化ガリウム（ＧａＰ）などのIII−Ｖ族化合物半導体単結晶基板や、シリコン（Ｓｉ）基板などの表面上に形成できる。発光部３は、上記したように、放射再結合を担うキャリアを閉じ込められるダブルヘテロ（英略称：ＤＨ）構造とするのが好適である。
また、発光層２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）構造とするのが好適である。
また、発光層２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）構造とするのが好適である。
半導体層４と発光部３との中間には、半導体層４と発光部３の構成層との格子ミスマッチを緩和させる緩衝（ｂｕｆｆｅｒ）層等を設けることができる。また、発光部３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。
発光部３に電流を均一に拡散させるため、発光部３に対してオーミック電極８を均等に配置する必要がある。
オーミック電極８は、発光部３の外周を包囲する形状が好ましく、発光部３の平面形状の輪郭、第１の電極６の平面形状の輪郭と相似であることがより好ましい。発光部３の平面形状及び第１の電極６の平面形状が円形であって、オーミック電極８の平面形状が発光部を取り巻く環形であることが最も好ましい。
オーミック電極８の材質は、例えばＮ型の半導体に対しては、ＡｕＧｅ、ＡｕＳｉなど、Ｐ型の半導体に対しては、ＡｕＢｅ、ＡｕＺｎなどを用いて形成することができる。
オーミック電極８は、発光部３の外周を包囲する形状が好ましく、発光部３の平面形状の輪郭、第１の電極６の平面形状の輪郭と相似であることがより好ましい。発光部３の平面形状及び第１の電極６の平面形状が円形であって、オーミック電極８の平面形状が発光部を取り巻く環形であることが最も好ましい。
オーミック電極８の材質は、例えばＮ型の半導体に対しては、ＡｕＧｅ、ＡｕＳｉなど、Ｐ型の半導体に対しては、ＡｕＢｅ、ＡｕＺｎなどを用いて形成することができる。
貫通電極９は、基板５とオーミック電極８とを接合できるように均等に配置されていればよく、形状、本数などは特に限定されない。
材質は、導電性で基板５とオーミック電極８とを接合するようなメタルビアを形成できるものであればよく、特に限定はない。
具体的には、例えばＣｕ、Ａｕ、Ｎｉ、ハンダなどを用いて形成することができる。
材質は、導電性で基板５とオーミック電極８とを接合するようなメタルビアを形成できるものであればよく、特に限定はない。
具体的には、例えばＣｕ、Ａｕ、Ｎｉ、ハンダなどを用いて形成することができる。
本発明では、半導体層４は、電気抵抗が低く、電極形成ができる半導体材料が好ましく、化学的に安定で、形成が容易なＧａＰ層からなることが特に好ましい。貫通電極９がＧａＰ層中に形成され、オーミック電極８がＧａＰ層上に形成されていることにより、良好なオーミックコンタクトが得られ、作動電圧を下げることができる。また、ＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ）などの透明導電膜も利用できる。
本発明では、第１の電極６の極性をｎ型とし、第２の電極７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、高輝度化の効果が得られる。ｎ型半導体の方が、電気抵抗が小さく電流が拡散しやすいため、第１の電極６をｎ型とすることにより、電流拡散が良くなり、高輝度化が容易である。
また、第１の電極６と発光部３と間には、コンタクト層（ＧａＡｓ、ＧａＩｎＰなど）を設けることが好ましい。
本発明では、第１の電極６の極性をｎ型とし、第２の電極７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、高輝度化の効果が得られる。ｎ型半導体の方が、電気抵抗が小さく電流が拡散しやすいため、第１の電極６をｎ型とすることにより、電流拡散が良くなり、高輝度化が容易である。
また、第１の電極６と発光部３と間には、コンタクト層（ＧａＡｓ、ＧａＩｎＰなど）を設けることが好ましい。
本発明では、発光ダイオード１の平面積を１００％とした場合、発光層２の平面積、オーミック電極８の平面積をそれぞれＳ１、Ｓ２とすると、６０％＜Ｓ１＜８０％、５％＜Ｓ２＜１０％、の関係を有する構成とするのが好ましい。このような形状とすることで、小さな電極面積で大きな発光面積を効率よく発光させることができ、高輝度化が得られる。また、オーミック電極８は光を吸収するため、できるだけ表面積を少なくすることが好ましい。また、第１の電極６は発光層２からの光を遮るので、第１の電極６の面積は、ワイヤーボンディングができる範囲でなるべく小さくすることが望ましい。
「発光ダイオードの製造方法」
続いて、半発明の第１実施形態に係る発光ダイオード１の製造方法について説明する。
続いて、半発明の第１実施形態に係る発光ダイオード１の製造方法について説明する。
まず、発光部３の積層構造を作製する。発光部３の構成層の形成手段としては、有機金属化学気相成長（英略称：ＭＯＣＶＤ）法、分子線エピタキシャル（英略称：ＭＢＥ）法や液相エピタキシャル（英略称：ＬＰＥ）法を例示できる。
本実施形態では、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。
本実施形態では、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。
図４に示すように、発光ダイオード１は、例えばＳｉ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（エピタキシャル積層用基板）１１上に積層された、エピタキシャル成長層１２を備えたエピタキシャル積層構造体１３を使用して作製する。積層したエピタキシャル成長層１２とは、Ｓｉをドープしたｎ型のＧａＡｓからなる緩衝層１２ａ、Ｓｉドープしたｎ型の（Ａｌ０．５Ｇａ０．５）０．５Ｉｎ０．５Ｐからなるコンタクト層１２ｂ、Ｓｉをドープしたｎ型の（Ａｌ０．７Ｇａ０．３）０．５Ｉｎ０．５Ｐからなるクラッド層１０ａ、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２、Ｍｇをドープしたｐ型の（Ａｌ０．７Ｇａ０．３）０．５Ｉｎ０．５Ｐからなるクラッド層１０ｂ、及びＭｇドープしたｐ型ＧａＰ層（半導体層）４である。
本実施形態では、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III族構成元素の原料に用いた減圧ＭＯＣＶＤ法により、ＧａＡｓ基板（エピタキシャル積層用基板）１１上にエピタキシャル成長層１２の各層を積層して、エピタキシャル積層構造体１３を形成する。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）を使用できる。Ｓｉのドーピング原料にはジシラン（Ｓｉ２Ｈ６）を使用できる。また、Ｖ族構成元素の原料としては、ホスフィン（ＰＨ３）又はアルシン（ＡｓＨ３）を用いることができる。ＧａＰからなる半導体層４は、例えば７５０°Ｃで成長させ、エピタキシャル成長層１２を成すその他の層は、例えば７３０°Ｃで成長させる。
緩衝層１２ａは、例えばキャリア濃度を２×１０１８ｃｍ−３、層厚を０．２μｍとすればよい。コンタクト層１２ｂは、例えば（Ａｌ０．５Ｇａ０．５）０．５Ｉｎ０．５Ｐから構成し、キャリア濃度を２×１０１８ｃｍ−３、層厚を１．５μｍとすればよい。クラッド層１０ａは、例えばキャリア濃度を８×１０１７ｃｍ−３、層厚を１μｍとすればよい。発光層２はアンドープで、層厚を例えば０．８μｍとすればよい。クラッド層１０ｂは、例えばキャリア濃度を２×１０１７ｃｍ−３とし、層厚を１μｍとすればよい。半導体層４は、例えばキャリア濃度を３×１０１８ｃｍ−３とし、層厚を９μｍとすればよい。
半導体層４は、表面から１μｍの深さに至る領域を研磨し、鏡面加工するとよく、表面の粗さを例えば０．１８ｎｍとすればよい。ここで、上記の半導体層４の鏡面研磨した表面に貼付する基板５を用意する。この貼付用の基板５としては、前述したように、Ｃｕ、Ａｌ、Ａｇなどの金属が好ましい。Ｓｉを用いることもでき、加工しやすさや価格の面で利点がある。
半導体層４は、表面から１μｍの深さに至る領域を研磨し、鏡面加工するとよく、表面の粗さを例えば０．１８ｎｍとすればよい。ここで、上記の半導体層４の鏡面研磨した表面に貼付する基板５を用意する。この貼付用の基板５としては、前述したように、Ｃｕ、Ａｌ、Ａｇなどの金属が好ましい。Ｓｉを用いることもでき、加工しやすさや価格の面で利点がある。
上記の基板５及びエピタキシャル積層構造体１３を接合装置内に搬入し、３×１０−５Ｐａまで装置内を真空に排気する。その後、表面の汚染を除去するために基板５及びエピ積層構造体１３表面に、加速されたＡｒビームを照射する。その後、両者を室温で接合する。
次に、接合した構造体から、エピタキシャル積層用基板１１及び緩衝層１２ａをアンモニア系エッチャントにより選択的に除去する。
コンタクト層１２ｂの表面にｎ型オーミック電極（第１の電極）６を、例えばＡｕＧｅ（Ｇｅ質量比１２％）が０．１５μｍ、Ｎｉが０．０５μｍ、Ａｕが１μｍとなるように真空蒸着法により形成する。
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６を形成する。第１の電極６の平面形状は円形が好ましい。
コンタクト層１２ｂの表面にｎ型オーミック電極（第１の電極）６を、例えばＡｕＧｅ（Ｇｅ質量比１２％）が０．１５μｍ、Ｎｉが０．０５μｍ、Ａｕが１μｍとなるように真空蒸着法により形成する。
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６を形成する。第１の電極６の平面形状は円形が好ましい。
次に、オーミック電極８を形成する領域のエピタキシャル成長層１２の緩衝層１２ｂ〜クラッド層１０ｂまでを選択的に除去し、半導体層４を露出させると同時に発光部３を形成する。発光部３の平面形状は円形が好ましい。
そして発光部３の外周を包囲するように、半導体層４に均等に孔をあけて、その孔にメタルビスを埋め込み基板５と接合するように貫通電極９を形成する。貫通電極９は、例えば、材質がＣｕで、直径２０μｍの円柱状で、発光部３との間隔が２０μｍとなるように四方に等間隔で４本配置すればよい。
続いて、この貫通電極９と接合しながら、発光部３の外周を包囲するように半導体層４の表面にオーミック電極８を形成する。オーミック電極８は、例えばＡｕＢｅを０．２μｍ、Ａｕを１μｍとなるように真空蒸着法で形成すればよい。
オーミック電極８の形状は第１の電極６の平面形状の輪郭と相似であることが好ましく、第１の電極６の平面形状が円形であってオーミック電極８が環形であると最も好ましい。
発光部３の端からオーミック電極８までの距離は例えば１０μｍとすればよく、幅は例えば１０μｍとすればよい。
そして発光部３の外周を包囲するように、半導体層４に均等に孔をあけて、その孔にメタルビスを埋め込み基板５と接合するように貫通電極９を形成する。貫通電極９は、例えば、材質がＣｕで、直径２０μｍの円柱状で、発光部３との間隔が２０μｍとなるように四方に等間隔で４本配置すればよい。
続いて、この貫通電極９と接合しながら、発光部３の外周を包囲するように半導体層４の表面にオーミック電極８を形成する。オーミック電極８は、例えばＡｕＢｅを０．２μｍ、Ａｕを１μｍとなるように真空蒸着法で形成すればよい。
オーミック電極８の形状は第１の電極６の平面形状の輪郭と相似であることが好ましく、第１の電極６の平面形状が円形であってオーミック電極８が環形であると最も好ましい。
発光部３の端からオーミック電極８までの距離は例えば１０μｍとすればよく、幅は例えば１０μｍとすればよい。
その後、例えば４５０°Ｃで１０分間熱処理を行い、合金化し低抵抗のオーミック電極８を形成する。そして、基板５の底面に第２の電極を形成する。
その後、真空蒸着法を用いて、一部の第１の電極６上にＡｕが１μｍとなるようにボンディングパッドを形成してもよい。更に、半導体層４を例えば厚さ０．３μｍのＳｉＯ２膜で覆って保護膜としてもよい。
その後、真空蒸着法を用いて、一部の第１の電極６上にＡｕが１μｍとなるようにボンディングパッドを形成してもよい。更に、半導体層４を例えば厚さ０．３μｍのＳｉＯ２膜で覆って保護膜としてもよい。
上記の様にして作製したＬＥＤチップ（発光ダイオード１）を用いて、例えば、図５に模式的に示す如くＬＥＤランプ（発光ダイオードランプ）１４に組み立てることができる。このＬＥＤランプ１４は、ＬＥＤチップ１をマウント用基板１５に銀（Ａｇ）ペーストで固定、支持（マウント）し、第１の電極６とマウント基板１５の表面に設けたｎ電極端子１６とを金線１７で、ワイヤーボンディングした後、一般的なエポキシ樹脂１８で封止して作製する。
以上説明したように、本発明の発光ダイオード１によれば、発光層２を含む発光部３と、半導体層４を介して発光部３に接合された基板５と、発光部３の上面に第１の電極６と、基板５の底面に第２の電極７と、半導体層４上の発光部３の外周にオーミック電極８とを備え、発光部３の外周において、オーミック電極８と基板５とを導通させ、かつ半導体層４の厚さ方向に貫通する貫通電極９を半導体層４中に備えたことで、第２の電極７から流れる電流が基板５を通り、貫通電極９とオーミック電極８を経由して発光部３に流れることができる。また、オーミック電極８が基板５と半導体層４の貼り付け界面にないため、貼り付け界面が凸凹にならず接着されやすい構造となり、加工の面でも好ましく、この発光ダイオード１を用いたＬＥＤランプなどの製品においても特性や品質が向上する。
＜第２実施形態＞
「発光ダイオード」
続いて、本発明の第２実施形態に係る発光ダイオード１Ａについて説明する。
図６（ａ）、（ｂ）に示すように、発光ダイオード１Ａは、第１実施形態の発光ダイオード１と同様に、発光層２Ａの上下にクラッド層１０Ａ，１０Ｂを有する発光部３Ａと、半導体層４Ａを介して発光部３Ａに接合された基板５Ａと、発光部３Ａの上面に第１の電極６Ａと、基板５Ａの底面に第２の電極７Ａと、半導体層４Ａ上の発光部３Ａ外周にオーミック電極８Ａとを備え、発光部３Ａの外周において、オーミック電極８Ａと基板５Ａとを導通させ、かつ半導体層４Ａの厚さ方向に貫通する貫通電極９Ａを半導体層４Ａ中に備えている。
「発光ダイオード」
続いて、本発明の第２実施形態に係る発光ダイオード１Ａについて説明する。
図６（ａ）、（ｂ）に示すように、発光ダイオード１Ａは、第１実施形態の発光ダイオード１と同様に、発光層２Ａの上下にクラッド層１０Ａ，１０Ｂを有する発光部３Ａと、半導体層４Ａを介して発光部３Ａに接合された基板５Ａと、発光部３Ａの上面に第１の電極６Ａと、基板５Ａの底面に第２の電極７Ａと、半導体層４Ａ上の発光部３Ａ外周にオーミック電極８Ａとを備え、発光部３Ａの外周において、オーミック電極８Ａと基板５Ａとを導通させ、かつ半導体層４Ａの厚さ方向に貫通する貫通電極９Ａを半導体層４Ａ中に備えている。
第１の電極６Ａは、台座電極６ａと、台座電極６ａの下方に、インジウムスズ酸化物(ＩＴＯ)からなる透明導電膜層６ｂと、透明導電膜層６ｂの内周に沿って透明導電膜層６ｂの内部にｎ型のオーミック電極６ｃとを備えている。
オーミック電極６ｃは発光部３Ａに電流を均一に拡散させるため、発光部３Ａの内周に沿った形状が好ましく、発光部３Ａの平面形状、台座電極６ａの平面形状、透明導電膜層６ｂの平面形状は、いずれも相似であることが好ましく、これらが同心円からなる円形であることが最も好ましい。
オーミック電極６ｃの材質は、例えばＮ型の半導体に対しては、ＡｕＧｅ、ＡｕＳｉなど、Ｐ型の半導体に対しては、ＡｕＢｅ、ＡｕＺｎなどを用いて形成することができる。
その他の構造については、第１実施形態に係る発光ダイオード１と概略同じである。
オーミック電極６ｃの材質は、例えばＮ型の半導体に対しては、ＡｕＧｅ、ＡｕＳｉなど、Ｐ型の半導体に対しては、ＡｕＢｅ、ＡｕＺｎなどを用いて形成することができる。
その他の構造については、第１実施形態に係る発光ダイオード１と概略同じである。
このような形状とすることで、透明導電膜が台座電極６aとオーミック電極６ｃをつなぐ配線の役割を果たし、オーミック電極の配置、大きさ、形状の自由度が増し、最適な設計により電流の拡散を容易にし、作動電圧の低い発光ダイオード１Ａが得られる。更に、台座電極６ａは、反射率の高い材料を選択でき、光の吸収を減らし、高輝度化が可能となる。
なお、オーミック電極６ｃの形状は図６（ａ）に示す環形のものに限らず、小さな電極を島状に分散させたものでもよい。
なお、オーミック電極６ｃの形状は図６（ａ）に示す環形のものに限らず、小さな電極を島状に分散させたものでもよい。
以上説明したように、本発明の発光ダイオード１Ａによれば、発光層２Ａを含む発光部３Ａと、半導体層４Ａを介して発光部３Ａに接合された基板５Ａと、発光部３Ａの上面に第１の電極６Ａと、基板５Ａの底面に第２の電極７Ａと、半導体層４Ａ上の発光部３Ａの外周にオーミック電極８Ａとを備え、発光部３Ａの外周において、オーミック電極８Ａと基板５Ａとを導通させ、かつ半導体層４Ａの厚さ方向に貫通する貫通電極９Ａを半導体層４Ａ中に備えたことで、第２の電極７Ａから流れる電流が基板５Ａを通り、貫通電極９Ａとオーミック電極８Ａを経由して発光部３Ａに流れることができる。また、オーミック電極８Ａが基板５Ａと半導体層４Ａの貼り付け界面にないため、貼り付け界面が凸凹にならず接着されやすい構造となり、加工の面でも好ましく、この発光ダイオード１Ａを用いたＬＥＤランプなどの製品においても特性や品質が向上する。
また、第１の電極６Ａに、台座電極層６ａと、ＩＴＯ層６ｂと、ＩＴＯ層６ｂの内部にオーミック電極層６ｃを設けることで、電極設計の自由度が増し、発光ダイオード１Ａの作動電圧を低くするとともに、光取り出し率を高めることができる。
また、第１の電極６Ａに、台座電極層６ａと、ＩＴＯ層６ｂと、ＩＴＯ層６ｂの内部にオーミック電極層６ｃを設けることで、電極設計の自由度が増し、発光ダイオード１Ａの作動電圧を低くするとともに、光取り出し率を高めることができる。
本発明の発光ダイオードでは、貫通電極の設置と、発光層及びオーミック電極の形状の最適化により、従来にない高輝度で、作動電圧の低い高信頼性の発光ダイオードを提供でき、各種の表示ランプ等に利用できる。
１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ，１Ｅ・・・発光ダイオード、２，２Ａ・・・発光層、３，３Ａ，３Ｂ，３Ｃ，３Ｄ，３Ｅ・・・発光部、４，４Ａ，４Ｂ，４Ｃ，４Ｄ，４Ｅ・・・半導体層、５，５Ａ・・・基板、６，６Ａ，６Ｂ，６Ｃ，６Ｄ，６Ｅ・・・第１の電極、７，７Ａ・・・第２の電極、８，８Ａ・・・オーミック電極、９，９Ａ，９Ｂ，９Ｃ，９Ｄ，９Ｅ・・・貫通電極、１０ａ，１０ｂ，１０Ａ，１０Ｂ・・・クラッド層、１１・・・エピタキシャル積層用基板、１２・・・エピタキシャル成長層、１２ａ・・・緩衝層、１２ｂ・・・コンタクト層、１３・・・エピタキシャル積層構造体、１４・・・ＬＥＤランプ、１５・・・マウント用基板、１６・・・ｎ電極端子、１７・・・金線、１８・・・エポキシ樹脂、６ａ・・・台座電極、６ｂ・・・透明導電膜層、６ｃ・・・オーミック電極。
Claims (12)
- 発光層を含む発光部と、半導体層を介して前記発光部に接合された基板と、前記発光部の上面に第１の電極と、前記基板の底面に第２の電極と、前記半導体層上で前記発光部の外周にオーミック電極とを備え、前記発光部の外周において、前記オーミック電極と前記基板とを導通させ、かつ前記半導体層の厚さ方向に貫通する貫通電極を前記半導体層中に備えたことを特徴とする発光ダイオード。
- 前記発光層の平面形状が、円形であることを特徴とする請求項１記載の発光ダイオード。
- 前記オーミック電極が、前記発光部の外周を包囲する形状であることを特徴とする請求項１または２に記載の発光ダイオード。
- 前記発光部及び前記第１の電極の平面形状の輪郭と、前記オーミック電極の平面形状が相似形であって、前記第１の電極の外周と前記オーミック電極との間隔が一定であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の発光ダイオード。
- 前記発光部は、前記発光層の上下に半導体材料からなるクラッド層を備えたことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の発光ダイオード。
- 前記半導体層は、少なくともＧａＰからなる層を有することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の発光ダイオード。
- 前記発光層は、少なくともＡｌＧａＩｎＰを含むことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の発光ダイオード。
- 前記基板は、ＧａＰ、ＡｌＧａＡｓ、ＳｉＣのいずれかからなる透明基板であることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の発光ダイオード。
- 前記基板は、少なくともＡｌ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｕのいずれかを含む金属基板、またはＡｌ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｕ、Ｐｔのいずれかで反射膜を形成したＳｉ基板からなることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の発光ダイオード。
- 前記第１の電極は、オーミック電極と、透明導電膜層と、台座電極とを有することを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載の発光ダイオード。
- エピタキシャル積層用基板上に、少なくともコンタクト層と、第１のクラッド層と、発光層と、第２のクラッド層と、半導体層を順に堆積してエピタキシャル積層構造体を形成する工程と、前記発光部の前記半導体層側に基板を貼り付ける工程と、前記エピタキシャル積層構造体から前記エピタキシャル積層用基板を除去して発光部を形成する工程と、前記発光層の外周において、前記半導体層の厚さ方向に貫通する貫通電極を前記半導体層中に設ける工程と、前記発光層の外周において、前記貫通電極と接合するオーミック電極を前記半導体層上に設ける工程と、前記発光部の上面に第１の電極、前記基板の底面に第２の電極を設ける工程を有することを特徴とする発光ダイオードの製造方法。
- 請求項１〜１０のいずれかに記載の発光ダイオードを製造することを特徴とする請求項１１記載の発光ダイオードの製造方法。
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