JP5315070B2 - 化合物半導体発光ダイオード - Google Patents
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Description
従って、素子の外部への発光の取り出し効率を充分に向上させることができず、高輝度の化合物半導体可視発光ダイオードを得るに好都合な構造とはなっていなかった。また、基板として用いるGaAsは、機械的強度にさほど優れる化合物半導体材料ではないが故に、機械的強度の高い化合物半導体可視発光ダイオードをもたらすための支持体としても充分に活用できない問題があった。
(1)本発明の第1の発明は、光学的に透明な材料からなる透明基体部の一表面上に、第1の伝導型の化合物半導体層と、第1の伝導型又は第1の伝導型と反対の伝導型の燐化アルミニウム・ガリウム混晶(組成式(AlXGa1−X)0.5In0.5P;0≦X<1)からなる発光層と、第1の伝導型と反対の伝導型の化合物半導体層とを含む素子構造部が形成され、前記素子構造部上に一の極性の第一オーミック電極が備えられてなる化合物半導体発光ダイオードであって、前記透明基体部の一表面の反対側に、垂直断面形状を逆等脚台形状とするメサが備えられており、前記メサは下底面と傾斜側面とを有し、前記下底面に第二オーミック電極が形成されており、前記第二オーミック電極、前記下底面及び前記傾斜側面を被覆して金属被膜が形成され、前記金属被膜を被覆して前記第二オーミック電極と導通する金属製の台部が形成されていることを特徴とする化合物半導体発光ダイオードである。
しいては、例えば、一辺の長さを1mmとする、平面的に広い素子構造部を有する大型発光ダイオードであっても、高輝度である化合物半導体発光ダイオードを提供できる。
(第1の実施形態)
図1および図2は、本発明の第1の実施形態に係る化合物半導体発光ダイオード101を模式的に示す図であって、図1(a)は、化合物半導体発光ダイオード101の平面模式図であり、図1(b)は、図1(a)のA−A’線における断面模式図であり、図2は図1(b)のB−B’線における平面断面模式図である。なお、化合物半導体発光ダイオード101は、発光ダイオード素子の上面側と下面側に電極を有する上下電極構造の一例を示している。
また、透明基体部25の一表面25aと反対側に、上底面90aと下底面90bと傾斜側面90dを有し、断面形状が台形形状のメサ90が、上底面90aより小さくされた下底面90bが正面と反対側の面となるように形成されている。
さらに、メサ90の下底面90bに他の極性の第二オーミック電極5が形成されている。さらにまた、第二オーミック電極5、下底面90bおよび傾斜側面90dを覆うように金属被膜6が形成され、金属被膜6を覆うように金属製の台部7が形成されている。
ここで、矢印fに示される方向が正面方向であり、化合物半導体発光ダイオード101から光が放射される方向である。
図1(a)に示すように、一の極性の第一オーミック電極1は、素子構造部10の正面方向fの面10a上すなわちコンタクト層11の正面方向fの面11a上に円形電極として構成されている。なお、前記一の極性は、+極もしくは−極のいずれかである。また、後述する他の極性は、前記一の極性と反対の極性であり、前記一の極性が+極ならば前記他の極性は−極であり、前記一の極性が−極ならば前記他の極性は+極である。
図1(b)に示す素子構造部10は、発光を担う重要なpn接合ダブルヘテロ(英略称:DH)構造を含む構成部位である。素子構造部10は、本発明では、第1の伝導型のコンタクト層11、第1の伝導型の下部クラッド層12、第1の伝導型又は第1の伝導型の反対の伝導型の(AlXGa1−X)0.5In0.5P(0≦X<1)からなる発光層13、及び第1の伝導型の反対の伝導型の上部クラッド層14から構成される部位である。
第1の伝導型をn型とすれば、第1の伝導型の反対の伝導型はp型である。逆に、第1の伝導型がp型であれば、第1の伝導型の反対の伝導型はn型である。
これらの各層11〜14は、例えば、GaAs、燐化インジウム(InP)、燐化ガリウム(GaP)などのIII−V族半導体単結晶やシリコン(Si)などの単元素半導体単結晶を素子構造部形成用基板として、有機金属化学的気相堆積(英略称:MOCVD)法や分子線エピタキシャル(英略称:MBE)法などの成長手段により形成できる。
例えば、(001)結晶面から15°の角度に傾斜した面を表面とするGaAs単結晶基板上に、上記の各層11〜14を減圧方式のMOCVD法で堆積する際には、基板温度を710℃〜750℃として形成するのが適する。
例えば、n型であるコンタクト層11のキャリア濃度は、1×1018cm−3〜3×1018cm−3とし、同層11の層厚は1μm〜2μmとするのが好ましい。
コンタクト層11を堆積するに際し、素子構造部形成用基板上に第一緩衝層を形成した後、その緩衝層上にコンタクト層11を形成しても良い。
素子構造部形成用基板とコンタクト層11との間に挿入する第一緩衝層は、n型層であれば、そのキャリア濃度は1×1018cm−3〜3×1018cm−3とし、層厚は0.1μm〜0.3μmとするのが好ましい。例えば、GaAs基板上にGaAsからなる第一緩衝層を設け、その上にコンタクト層11を形成する場合を例示できる。本発明に係る化合物半導体発光ダイオード101を作製するにあって、素子構造部10に設ける一の極性の第一オーミック電極を第一緩衝層上に設けることとする場合には、第一緩衝層とコンタクト層11の伝導型は同一とする必要がある。
例えば、n型である下部クラッド層12のキャリア濃度は7×1017cm−3〜9×1017cm−3とし、同層12の層厚は、0.5μm〜1.5μmとするのが好ましい。下部クラッド層12は、発光層13をなす(AlXGa1−X)YIn1−YP(0≦X≦1、0<Y≦1)よりも禁止帯幅(band gap)が広く、且つ屈折率の大きな半導体材料から構成するのが好ましい。例えば、発光ピーク波長を約570nmとする黄緑色光の(Al0.4Ga0.6)0.5In0.5Pからなる発光層13について、下部クラッド層12をAl0.5In0.5Pから構成する例を挙げられる。
発光層13は、第1の伝導型又は第1の伝導型と反対の伝導型のいずれかの伝導型の燐化アルミニウム・ガリウム混晶(組成式(AlXGa1−X)0.5In0.5P;0≦X<1)からなる。
発光層13と下部クラッド層12との間には、発光ダイオードを動作させるための素子動作電流を発光層13の全体に平面的に拡散させるための低抵抗の導電材料からなる電流拡散層を設けることもできる。
また、発光ダイオードの素子動作電流を流通させる領域を故意に制限するための高抵抗又は絶縁性の材料からなる電流阻止層を、発光層13と下部クラッド層12との間の適所に設けることもできる。
さらにまた、発光層13と下部クラッド層12の間、又は発光層13と上部クラッド層14の間には、両層間のバンド(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。この中間層は、発光層13を構成する材料の禁止帯幅とクラッド層12、14を構成する材料の禁止帯幅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好ましい。
上部クラッド層14は、発光層13をなす(AlXGa1−X)YIn1−YP(0≦X≦1、0<Y≦1)よりも禁止帯幅が広く、且つ屈折率の大きな半導体材料から構成するのが好ましい。上部クラッド層14を、例えば、発光ピーク波長を約570nmとする黄緑色光の(Al0.4Ga0.6)0.5In0.5Pからなる発光層13について、Al0.5In0.5Pから構成する例を挙げられる。上部クラッド層14は、下部クラッド層12とは反対の伝導型の半導体材料から構成する。例えば、p型の上部クラッド層14のキャリア濃度は、1×1018cm−3〜3×1018cm−3とし、同層11の層厚は1μm〜2μmであるのが好ましい。
透明基体部25の一表面25aには、素子構造部10が形成されている。透明基体部25の一表面25aと反対側にはメサ90が形成されている。透明基体部25は、図1に例示する発光ダイオードにあっては、成長基体層3と透明接合基板4とから構成されている。透明基体部25は、素子構造部10から出射される光を透過できる材料からなる。
素子構造部10の正面と反対側の面10bには、透明基体部25の一表面25aが接合され、上部クラッド層14と接している。なお、後述するように、透明基体部25の一表面25aは、成長基体層3の成長を開始させる面であるため、成長開始面3aと称される。
成長基体層3は、例えば、GaP層や、素子構造部10からの発光を充分に透過できる禁止帯幅を与える組成の砒化アルミニウム・ガリウム(AlXGa1−XAs;0<X≦1)やAlXGa1−X)YIn1−YP(0≦X≦1、0<Y≦1)などから構成できる。
成長基体層3を、MOCVD法で成長させたGaP層から構成する場合、その層厚は5μm以上20μm以下、更には、8μm以上10μm以下とするのが、顕著な“反り”を発生させないなどの観点からして望ましい。
成長基体層3は、例えば、MOCVD法や液相エピタキシャル(英略称LPE)法の成長手段で成長できる。成長基体層3を、MOCVD法に依り成長させたp型のGaP層から構成する場合にあって、キャリア濃度を2×1018cm−3〜4×1018cm−3とするp型GaP層からは、素子動作電流の通流に対し、低抵抗である成長基体層3を構成できる。
成長基体層3を上部クラッド層14上に設けるに際し、成長基体層3と上部クラッド層14との間の格子ミスマッチを緩和する作用を担う第二緩衝層を設けても構わない。
また、成長基体層3と上部クラッド層14との間には、素子構造部10からの発光を発光ダイオードの外部へ反射させる作用を有するブラッグ(Bragg)反射層等を挿入することも出来る。
透明基体部25は、図1に例示する如く、成長基体層3の成長開始面3aの反対側の面3bに透明接合基板4を接合させた接合体から構成されている。
本発明に係る化合物半導体発光ダイオード101は、後述する様に、透明基体部25の内部を経由して素子動作電流を通流させる構造であるため、成長基体層3に接合させて設ける透明接合基板4は、成長基体層3共々、導電性で低抵抗の材料から構成する。光学的に透明ではあるが、電気絶縁性であるガラスやサファイア(α−Al2O3)等の酸化物材料は透明接合基板4を構成する材料として不適である。
本発明に係る化合物半導体発光ダイオード101を得るにあって、透明接合基板4としてn型GaP結晶を用いる場合は、素子動作電流を導通させる必要性から上部クラッド層14及び成長基体層3も同一の伝導型のn型層から構成する必要がある。この構成に於いて、成長基体層3もn型GaP層から構成することとすれば、機械的強度及び熱膨張係数等の特性が一致する材料を接合させることとなるので、密着性良く、堅牢に接合した透明基体部25を構成することができる。
図1(b)に示すように、透明基体部25の一表面25aと反対側には、垂直断面形状が逆等脚台形状のメサ(mesa)90を設ける。また、図2に示すように、メサ90の平面断面形状は略矩形状とされている。また、メサ90は、成長基体層3に接合させた透明接合基板4から構成されている。そのため、メサ90の厚さdは、透明接合基板4の厚さと同一とされている。
なお、メサ90の平面断面形状は、特に限定されるものではなく、円形又は多角形としてもよい。
メサ90の傾斜側面90dを粗面とすると、素子構造部10からメサ90の傾斜側面90dに入射してくる光を乱反射するのに好都合な反射鏡を形成できる。しいては、この乱反射に依り、化合物半導体発光ダイオード101の正面方向fに効率的に光を取り出すことができ、化合物半導体発光ダイオード101の高輝度化に寄与できる。粗面は、酸を用いる湿式エッチング手段又はサンドブラストなどの機械的加工手段などにより、高低差を0.1μm〜10μmの凹凸を形成する処理などにより形成できる。
透明基体部25にメサ90を形成するには、ダイシング法、湿式(wet)エッチング法、乾式(dry)エッチング法、スクライブ法やレーザー加工法などを単独で用いて、或いは、これらを組み合わせた方法により形成できる。
例えば、ダイシング法に依り、断面形状を等脚台形状とする刃先を有する切削刃(ブレード)で、透明基体部25の表面から、透明基体部25の内部に向けて切創し、透明基体部25の縦横に溝を形成する。形成される溝の断面形状は、刃先の断面形状と略同形となる。上記のブレードを用いる場合、形成される溝の断面形状は等脚台形状となる。従って、溝が形成された以外の領域には、断面形状を等脚台形状とするメサ90が結果として残置されることとなる。
図2に示すように、第二オーミック電極5は、複数の円形電極として形成されており、略矩形状に形成されたメサ90の下底面90bの中心を対称にして配置されている。
n型の第二オーミック電極5は、例えば、金・ゲルマニウム(Au・Ge)合金から構成できる。また、n型半導体層に接触する側をAu・Ge合金膜とする多層構造の金属電極から構成できる。例えば、Au・Ge合金/ニッケル(Ni)膜/Au膜の3層構造からなる第二オーミック電極5を例示できる。
一つのメサ90の下底面90bに複数の第二オーミック電極5を設ける場合、それらは同一の平面形状を有する電極である必要は必ずしもなく、要は、素子動作電流を透明基体部25の広範囲に亘り拡散できる形状であるのが望ましい。
例えば、図3に示す第二オーミック電極5では、主電極301と2本の線状電極302以外の部分が、メサ90の下底面90bの露出部分とされている。また、図8に示す第二オーミック電極5では、主電極301と複数の補助電極304以外の部分が、メサ90の下底面90bの露出部分とされている。
図1(b)に示すように、第二オーミック電極5、下底面90bおよび傾斜側面90dを覆うように金属被膜6が形成されている。金属被膜6は、透明基体部25の一表面25aと反対側を覆うように形成されており、メサ90だけでなく、成長基体層3の一部をも被覆している。
また、金属被膜6を覆うように金属製の台部7が形成されている。
また、金属被膜6は、メサ90の下底面90bに設ける第二オーミック電極5をなす金属材料とも強固に接着できる金属材料から構成するのが好ましい。接着不良に因り発生する第二オーミック電極5と金属被膜6との剥離などに因る通流抵抗の増大を防止でき、台部7から第二オーミック電極5へ素子動作電流を抵抗なく供給できるためである。
特に、銀(Ag)、アルミニウム(Al)又は白金(Pt)を含む金属材料から構成すると、素子構造部10からの発光を正面方向fに反射させて、正面方向fで最大の強度となる配向特性を呈する化合物半導体発光ダイオード101を構成できる。
金属被膜6の材料としては、銀(Ag)、アルミニウム(Al)又は白金(Pt)の何れかを単独で用いて形成しても良いし、何れかの元素を含有する合金から形成することもできる。
図1(b)に示すように、金属被膜6を覆うように金属製の台部7が形成されている。
すなわち、台部7は、金属被膜6を介してメサ90の傾斜側面90dおよび下底面90bを覆うように取り付けられている。
このように台部7が化合物半導体発光ダイオード101を機械的に強固に支持することにより、化合物半導体発光ダイオード101の機械的安定性を向上させることができる。
台部7は、銅(Cu)、アルミニウム(Al)、金(Au)又は白金(Pt)の何れかを単独で用いて形成しても良いし、または、これらの元素の1種以上を含有する金属材料から構成できる。
製造工程は、化合物半導体層形成工程と、透明接合基板張り合わせ工程と、GaAs基板および緩衝層除去工程と、n型オーミック電極形成工程と、p型オーミック電極形成工程と、溝部形成工程と、粗面化工程と、金属被膜形成工程と、台部形成工程と、分割工程とから構成されている。
以下、各工程について説明する。
まず、素子構造部形成用基板として、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21を用意する。
半導体基板21を減圧装置に搬入し、MOCVD法を用いて、順に、Siをドープしたn型のGaAsからなる第一緩衝層22、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11、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12、アンドープの(Al0.2Ga0.8)0.5In0.5P/(Al0.7Ga0.5)0.5In0.5Pの20対からなる発光層13、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14、及びMgドープしたp型GaP層からなるp型の成長基体層3を積層し、図12(a)に示すようなエピタキシャルウェーハ30を形成する。
なお、コンタクト層11、下部クラッド層12、発光層13、上部クラッド層14からなる層を素子構造部10と呼称し、素子構造部10とp型GaP層からなるp型の成長基体層3の積層体を化合物半導体層2と呼称する。
また、上部クラッド層14に接するp型の成長基体層3の面が成長開始面3aとされている。
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)を使用し、Siのドーピング原料にはジシラン(Si2H6)を使用する。
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。
p型GaP層からなるp型の成長基体層3は、基板温度を730〜770°Cとして成長させ、第一緩衝層22、コンタクト層11、下部クラッド層12、発光層13、上部クラッド層14は、基板温度を710〜750°Cとして成長させる。
p型GaP層からなるp型の成長基体層3は、表面から0.5〜1.5μmの深さに至る領域を研磨し、鏡面加工する。鏡面加工により、p型GaP層からなるp型の成長基体層3の表面の粗さを0.17〜0.19nmとする。
まず、p型GaP層からなるp型の成長基体層3の他面3bを鏡面研磨する。次に、この面3bに貼り付ける透明接合基板4を用意する。透明接合基板4には、面方位を(111)とするGaP単結晶を用い、キャリア濃度が1×1017cm−3〜3×1017cm−3となる様にSiを添加する。透明接合基板4の直径は40〜60mmで、厚さは200〜300μmとする。この透明接合基板4の表面は、p型GaP層からなるp型の成長基体層3に接合させる前に鏡面研磨し、二乗平均平方根(rms)の値を0.10〜0.14nmとする。
次に、図12(c)に示すように、アンモニア系エッチャントを用いて、貼り付け基板31から、GaAs基板21及び第一緩衝層22を選択的に除去する。
さらに、図12(d)に示すように、コンタクト層11の表面11aにn型オーミック電極1を形成して、n型オーミック電極形成基板33を形成する。
n型オーミック電極1は、真空蒸着法を用いて、膜厚0.1〜0.2μmのAuGe(Ge質量比12%)、膜厚0.04〜0.06μmのNi、膜厚0.8〜1.2μmのAuを順番に積層する。
次に、n型オーミック電極形成基板33において、真空蒸着法を用いて、透明接合基板4の下底面4bに、膜厚0.1〜0.3μmのAuBe、および膜厚0.8〜1.2μmのAuを順番に積層して、図13(a)に示すようなp型オーミック電極5を形成する。
その後、400〜500℃で5〜15分間熱処理を行い、両電極を合金化する。合金化処理により、両電極を低抵抗とすることができる。
次に、図13(b)に示すように、ダイシングソーを用いて透明接合基板4の底面4bに溝入れを行うことにより、透明接合基板4に溝部8を形成し、溝部形成基板45とする。
なお、溝部8を設けることにより、透明接合基板4は、成長基体層3の成長開始面3aの垂線vに対して傾斜角度αとなる傾斜側面4dを有し、断面形状が等脚台形形状のメサ90とされる。また、透明接合基板4の厚さmとメサ90の厚さdは同一の厚さとされている。
透明接合基板4の下底面4bおよび傾斜側面4dを酸処理により粗面化する。一般的に用いられる他の粗面化処理を用いてもよい。
図13(c)に示すように、溝部形成基板45を減圧装置に搬入し、真空蒸着法を用いて、膜厚0.2μmのAlを透明接合基板4の傾斜側面4dおよび下底面4bに成膜して金属被膜6を形成し、金属被膜形成基板46を形成する。
図13(d)に示すように、金属被膜形成基板46を減圧装置から取り出した後、金属被膜形成基板46の金属被膜6を形成した面に銅メッキ処理を行い、台部形成基板47を作成する。
貴金属メッキ、はんだメッキを仕上げメッキとして行ってもよい。
次に、台部7を形成した面側からダイシングソーを用いて、一定間隔(たとえば、1mm間隔)で、成長開始面3aと垂直に切断し、台部形成基板47をチップ化することにより、図13(e)に示す化合物半導体発光ダイオード101を製造することができる。ダイシングによる破砕層及び汚れをエッチング除去する。
図14は、本発明の実施形態である化合物半導体発光ダイオードの別の一例を示す断面模式図である。
本発明の実施形態である化合物半導体発光ダイオード102は、メサ90の作成の際、透明成長層3の一部を切り込んで、メサ90を形成するほかは実施形態1と同様の構成とされている。なお、実施形態1に示した部材と同様の部材については同じ符号をつけて示している。
表面積が大きな傾斜側面90dを可視光に対し高い反射率を発揮する金属材料で被膜すれば、表面積の大きな反射鏡を形成できることとなり、外部への発光の取り出し効率が高い高輝度の化合物半導体可視発光ダイオード102を得ることができる。
図15は、本発明の実施形態である化合物半導体発光ダイオードのさらに別の一例を示す断面模式図である。
本発明の実施形態である化合物半導体発光ダイオード103は、透明基体部25が透明成長層3のみから形成されているほかは実施形態1と同様の構成とされている。なお、実施形態1に示した部材と同様の部材については同じ符号をつけて示している。
このような構成とすることにより、透明接合基板4を接合する工程を省くことができ、製造工程を簡略化することができる。
図16は、本発明の実施形態である化合物半導体発光ダイオードのさらに別の一例を示す断面模式図である。
本発明の実施形態である化合物半導体発光ダイオード104は、透明基体部25が透明接合基板4のみから形成されているほかは実施形態1と同様の構成とされている。なお、実施形態1に示した部材と同様の部材については同じ符号をつけて示している。
図17は、本発明の実施形態である化合物半導体発光ダイオードのさらに別の一例を示す断面模式図である。
本発明の実施形態である化合物半導体発光ダイオード105は、金属被膜6と透明基体部25との間に透明酸化物層88が形成されているほかは実施形態1と同様の構成とされている。なお、実施形態1に示した部材と同様の部材については同じ符号をつけて示している。
なお、第二オーミック電極5上には透明酸化物層88は形成されず、第二オーミック電極5と金属被膜6は接するようにされている。第二オーミック電極5上の透明酸化物層88を除去する方法は、フォトリソグラフィー法を利用することができる。
図18は、本発明の実施形態である化合物半導体発光ダイオードのさらに別の一例を説明する図であって、図18(a)は断面模式図であり、図18(b)はG−G’線における平面断面模式図である。
本発明の実施形態である化合物半導体発光ダイオード145は、透明基体部25にメサ90が縦2個×横2個となるように配置されたほかは、実施形態1に示した化合物半導体発光ダイオード101と同様の構成とされている。
図19は、本発明の実施形態である化合物半導体発光ダイオードのさらに別の一例を示す図であって、図19(a)が断面図であり、図19(b)が図19(a)のH−H’線における平面断面図である。メサ90の個数は、非常に多いため、図では、簡略化して記載し、サイズ、個数が実際と異なる。
図19に示すように、本発明の実施形態である化合物半導体発光ダイオード147は、光学的に透明な材料からなる透明基体部25と、透明基体部25の一表面25aに形成され、発光層13を含む素子構造部10と、素子構造部10の正面側の面10aに形成された一の極性の第一オーミック電極1とを有している。なお、透明基体部25は、メサ90を形成するp型GaP層3から構成されている。また、透明基体部25の一表面25aと反対側に、円柱状のメサ90が形成されている。
また、第二オーミック電極5、メサ90の下底面90bを覆うように金属被膜6が形成されている。金属被膜6の構造は、たとえば、ITO、銀(Ag)、タングステン(W)、プラチナ(Pt)、金(Au)、共晶AuSnが積層されてなる。各層の膜厚は、たとえば、ITOが0.1μm、Agが0.1μm、Wが0.1μm、Niが0.1μm、凹凸の平坦化をするCuが1.5μm、Auが0.5μm、AuSnが1μmとする。この金属被膜6に含まれるCuは、半導体層の微細形状の凹凸による段差を平坦化するためにめっき法によって形成することが望ましい。
このように、台部7は、Cu、Moの層構造を含む材料から構成されていることが好ましい。台部7が、Cuを有する層構造を含むことにより、200W/mK以上の熱伝導率を有するようにでき、放熱性が高い台部7を有する化合物半導体発光ダイオードを提供できる。さらに、これにより、効果的に放熱して、高輝度の発光をさせることができる。
また、台部7が、CuをMoで挟んだCu、Moの層構造を含むことにより、高い熱膨張係数を有するCuを化合物半導体層2と同程度の熱膨張係数を有するMoで挟み、Cuの熱膨張をMoが抑えることができ、3〜7ppm/Kの熱膨張率を有するようにでき、後述する台部7の形成工程で、台部7を構成する金属基板と、金属被膜6とを共晶接合する際に、前記金属基板を熱膨張させることなく、接合することができ、精度よく化合物半導体発光ダイオードを製造することができる。
台部7の熱膨張率は、化合物半導体層2の熱膨張率の±20%以内とすることが好ましい。これにより、台部7を構成する金属基板と、金属被膜6とを共晶接合する際に、前記金属基板を熱膨張させることなく、接合することができ、精度よく化合物半導体発光ダイオードを製造することができる。
まず、前記金属基板としては、たとえば、Cu(30μm)/Mo(25μm)/Cu(30μm)からなる総膜厚85μmの金属基板を用意する。たとえば、前記金属基板の熱伝導率は250W/mKとなり、熱膨張率は6ppm/Kとなる。
次に、前記金属基板の表面にPtとAuからなる膜をスパッタ法により成膜する。各層の膜厚は、たとえば、Ptが0.1μm、Auが0.5μmとする。PtとAuからなる層を形成することにより、次の共晶接合工程で、前記金属基板と金属被膜6との接合不良を少なくすることができる。
最後に、前記金属基板の一部を0.7mm2に集光したレーザーを用いて切断してチップ化して、化合物半導体発光ダイオードを作製する。
前記化合物半導体発光ダイオードは、250W/mKと熱伝導率が大きい台部7を用いているので、放熱性に優れた、高輝度の化合物半導体発光ダイオードを提供することができる。
図20は、本発明の実施形態である化合物半導体発光ダイオードのさらに別の一例を示す図であって、図20(a)が断面図であり、図20(b)が図20(a)のI−I’線における平面断面図である。
図20に示すように、本発明の実施形態である化合物半導体発光ダイオード148は、
光学的に透明な材料からなる透明基体部25と、透明基体部25の一表面25aに形成され、発光層13を含む素子構造部10と、素子構造部10の正面側の面10aに形成された一の極性の第一オーミック電極1とを有している。なお、透明基体部25は、メサ90を形成するp型GaP層3から構成されている。また、透明基体部25の一表面25aと反対側に、円柱状のメサ90が形成されている。
また、第二オーミック電極5、下底面90bを覆うように金属被膜6が形成されている。金属被膜6の構造は、たとえば、ITO、Agが積層されてなる。各層の膜厚は、たとえば、ITOが0.3μm、Agが0.5μmとする。各層は、たとえば、スパッタ法で形成する。
このように、台部7をCu、Moの層構造を含む材料から構成することにより、350W/mKの熱伝導率を有するようにでき、放熱性が高い台部7を有する化合物半導体発光ダイオードを提供できる。さらに、これにより、効果的に放熱して、高輝度の発光をさせることができる。
Claims (20)
- 光学的に透明な材料からなる透明基体部の一表面上に、第1の伝導型の化合物半導体層と、第1の伝導型又は第1の伝導型と反対の伝導型の燐化アルミニウム・ガリウム混晶(組成式(AlXGa1−X)0.5In0.5P;0≦X<1)からなる発光層と、第1の伝導型と反対の伝導型の化合物半導体層とを含む素子構造部が形成され、前記素子構造部上に一の極性の第一オーミック電極が備えられてなる化合物半導体発光ダイオードであって、
前記透明基体部の一表面の反対側に、垂直断面形状を逆等脚台形状とするメサが備えられており、前記メサは下底面と傾斜側面とを有し、前記下底面に第二オーミック電極が形成されており、前記第二オーミック電極、前記下底面及び前記傾斜側面を被覆して金属被膜が形成され、前記金属被膜を被覆して前記第二オーミック電極と導通する金属製の台部が形成されていることを特徴とする化合物半導体発光ダイオード。 - 前記透明基体部が、成長基体層からなることを特徴とする請求項1に記載の化合物半導体発光ダイオード。
- 前記透明基体部が、成長基体層と、前記成長基体層に接合された透明接合基板とからなることを特徴とする請求項1に記載の化合物半導体発光ダイオード。
- 前記透明接合基板が、前記成長基体層と同一の伝導型を有することを特徴とする請求項3に記載の化合物半導体発光ダイオード。
- 前記透明接合基板の前記成長基体層と接合させる面が、二乗平均平方根にして0.10nm〜0.20nmの粗さの鏡面研磨面であることを特徴とする請求項3又は4のいずれか1項に記載の化合物半導体発光ダイオード。
- 前記傾斜側面の傾斜角度が、前記透明基体部の一表面の垂線に対して10°以上45°以下であることを特徴とする請求項1乃至5の何れか1項に記載の化合物半導体発光ダイオード。
- 前記傾斜側面が、高低差にして0.1μm以上10μm以下の凹凸を有する粗面であることを特徴とする請求項1乃至6の何れか1項に記載の化合物半導体発光ダイオード。
- 前記下底面が、高低差にして0.1μm以上で10μm以下の凹凸を有する粗面であることを特徴とする請求項1乃至7の何れか1項に記載の化合物半導体発光ダイオード。
- 前記透明基体部の一表面の反対側に、前記メサが複数設けられていることを特徴とする請求項1乃至8の何れか1項に記載の化合物半導体発光ダイオード。
- 前記複数のメサが、平面視したときに、前記透明基体部の中心に対して対称の位置に設けられていることを特徴とする請求項9に記載の化合物半導体発光ダイオード。
- 前記第二オーミック電極が、前記下底面に複数配置されていることを特徴とする請求項1乃至10の何れか1項に記載の化合物半導体発光ダイオード。
- 前記金属被膜が、前記第二オーミック電極とは異なる材料から構成されていることを特徴とする請求項1乃至11の何れか1項に記載の化合物半導体発光ダイオード。
- 前記金属被膜が、前記素子構造部から放射される光について80%以上の反射率を有し、銀、アルミニウム又は白金の何れかを含有する材料から構成されていることを特徴とする請求項1乃至12の何れか1項に記載の化合物半導体発光ダイオード。
- 前記金属被膜が、前記透明基体部の一表面の反対側を被覆するように形成されていることを特徴とする請求項1乃至13の何れか1項に記載の化合物半導体発光ダイオード。
- 前記台部が、200W/mK以上の熱伝導率を有し、銅、アルミニウム、金又は白金の何れかを含む材料から構成されていることを特徴とする請求項1乃至14の何れか1項に記載の化合物半導体発光ダイオード。
- 前記台部が、200W/mK以上の熱伝導率を有し、銅、モリブデンの層構造を含む材料から構成されていることを特徴とする請求項15に記載の化合物半導体発光ダイオード。
- 前記台部の熱膨張率が、前記化合物半導体層の熱膨張率の±20%以内を有し、銅、モリブデンの層構造を含む材料から構成されていることを特徴とする請求項15又は16に記載の化合物半導体発光ダイオード。
- 前記台部の熱膨張率が、3〜7ppm/Kである、銅、モリブデンの層構造を含む材料から構成されていることを特徴とする請求項15乃至17の何れか1項に記載の化合物半導体発光ダイオード。
- 前記金属被膜と前記透明基体部との間に透明酸化物層が挿入されていることを特徴とする請求項1乃至18の何れか1項に記載の化合物半導体発光ダイオード。
- 前記透明酸化物層が導電性であることを特徴とする請求項19に記載の化合物半導体発光ダイオード。
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