CN102422445B - 发光二极管用外延晶片 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种发光二极管用外延晶片，其特征在于，具备GaAs基板、设置在GaAs基板上的发光部和设置在发光部上的应变调整层，所述发光部具有组成式为(AlXGa1-X)YIn1-YP(其中，X和Y是分别满足0≤X≤0.1以及0.39＜Y≤0.45的数值)的应变发光层，所述应变调整层对于发光波长透明并且具有比所述GaAs基板的晶格常数小的晶格常数。根据本发明，能够提供可量产发光波长为655nm以上的高输出功率和/或高效率的LED的外延晶片。
Description
技术领域
本发明涉及发光二极管用外延晶片(外延生长薄片；epitaxial wafer)，尤其是涉及高输出发光二极管用外延晶片。
本申请基于在2009年3月10日在日本申请的专利申请2009-056779号要求优选权，将其内容援引到本申请中。
背景技术
近年来在研究利用人工光源的植物培育。尤其是采用使用单色性优异、节能、长寿命、和能够小型化的发光二极管(LED)的照明的栽培方法引人注目。另外，由目前的研究结果，作为适合于植物培育(光合作用)用的光源的发光波长之一，确认波长600～700nm区域的红色光的效果。尤其是，对于光合作用来讲波长660～670nm左右的光是反应效率高而有希望的光源。对于该波长，在过去的红色发光二极管中，研究了由AlGaAs和InGaNP等构成的发光层的使用(例如专利文献1～4)。
另一方面，已知具有由磷化铝镓铟(组成式(AlXGa1-X)YIn1-YP；0≤X≤1，0＜Y≤1)构成的发光层的化合物半导体LED。该LED，具有Ga0.5In0.5P的组成的发光层的波长最长，由该发光层得到的峰波长为650nm左右。因此在比655nm长的波长的区域，化合物半导体LED难以实用化和高辉度化。
具有由(AlXGa1-X)YIn1-YP(0≤X≤1，0＜Y≤1)构成的发光层的发光部，形成在砷化镓(GaAs)单晶基板上。此时，上述发光部的组成以与GaAs单晶基板晶格常数匹配的方式选择。另一方面，发光机理不同的激光元件，对具有应变的发光层进行了研究，但发光二极管，现状是具有应变的发光层没有实用化(例如，参照专利文献5)。
另外，进行了使用量子阱结构的发光二极管的发光部的研究。然而，通过量子阱结构的使用得到的量子效应，由于使发光波长短波长化，因此存在不能够适用于长波长化技术的问题(例如，参照专利文献6)。
现有技术文献
专利文献1：日本特开平9-37648号公报
专利文献2：日本特开2002-27831号公报
专利文献3：日本特开2004-221042号公报
专利文献4：日本特开2001-274454号公报
专利文献5：日本特开2000-151024号公报
专利文献6：日本国专利第3373561号公报
发明内容
然而，为了作为植物培育用的照明的光源实用化，从节能和成本方面考虑，必须使用发光效率高的LED来削减使用电力和LED的使用数量。另外，确立LED的大量生产技术和降低成本也是重要的课题。
尤其是，适用于植物培育用的照明的660nm波长带的LED，以往的具有由AlGaAs构成的发光层的LED，发光输出功率不足，因此期望开发能够实现高输出功率化和/或高效率化的LED。
另一方面，发光效率高的由(AlXGa1-X)YIn1-YP(0≤X≤1，0＜Y≤1)构成的发光层，650nm以上的长波长化时，LED用的应变发光层存在特有的技术课题，因此不能够实用化、高效率化和/或大量生产化。尤其是，655nm以上的长波长化时，控制发光层的应变、发光波长均匀性良好的外延晶片的大量生产技术存在课题。
本发明是鉴于上述状况而完成的，其目的在于提供能够大量生产发光波长655nm以上的高输出功率和/或高效率的LED的外延晶片。
即，本发明涉及以下的发明。
(1)一种发光二极管用外延晶片，其特征在于，具有GaAs基板、设置在上述GaAs基板上的pn结型的发光部和设置在上述发光部上的应变调整层，上述发光部具有组成式为(AlXGa1-X)YIn1-YP(其中，X和Y是分别满足0≤X≤0.1和0.39≤Y≤0.45的数值)的应变发光层，上述应变调整层对于发光波长透明并且具有比上述GaAs基板的晶格常数小的晶格常数。
(2)根据前项1所述的发光二极管用外延晶片，其特征在于，上述应变发光层的组成式为GaYIn1-YP(其中，Y是满足0.39≤Y≤0.45的数值)。
(3)根据前项1或2所述的发光二极管用外延晶片，其特征在于，上述应变发光层的厚度是8～30nm的范围。
(4)根据前项1～3的任何一项所述的发光二极管用外延晶片，其特征在于，上述应变调整层的组成式为(AlXGa1-X)YIn1-YP(其中，X和Y是分别满足0≤X≤1和0.6≤Y≤1的数值)。
(5)根据前项1～3的任何一项所述的发光二极管用外延晶片，其特征在于，上述应变调整层的组成式为AlXGa1-XAs1-YPY(其中，X和Y是分别满足0≤X≤1和0.6≤Y≤1的数值)。
(6)根据前项1～3的任何一项所述的发光二极管用外延晶片，其特征在于，上述应变调整层的材质是GaP。
(7)根据前项1～6的任何一项所述的发光二极管用外延晶片，其特征在于，上述应变调整层的厚度是0.5～20μm的范围。
(8)根据前项1～7的任何一项所述的发光二极管用外延晶片，其特征在于，上述发光部具有上述应变发光层与势垒层的叠层结构，包含8～40层的应变发光层。
(9)根据前项1～8的任何一项所述的发光二极管用外延晶片，其特征在于，上述势垒层的组成式为(AlXGa1-X)YIn1-YP(其中，X和Y是分别满足0.3≤X≤0.7和0.49≤Y≤0.52的数值)。
(10)根据前项1～9的任何一项所述的发光二极管用外延晶片，其特征在于，在上述发光部的上面和下面的一方或两方具有覆盖层，上述覆盖层的组成式为(AlXGa1-X)YIn1-YP(其中，X和Y是分别满足0.5≤X≤1和0.48≤Y≤0.52的数值)。
(11)根据前项1～10的任何一项所述的发光二极管用外延晶片，其特征在于，上述GaAs基板的面取向的范围是从(100)方向向(0-1-1)方向偏离15°±5°。
(12)根据前项1～11的任何一项所述的发光二极管用外延晶片，其特征在于，上述GaAs基板的直径是75mm以上。
(13)根据前项12所述的发光二极管用外延晶片，其特征在于，翘曲量是200μm以下。
(14)根据前项1～13的任何一项所述的发光二极管用外延晶片，其特征在于，是用于促进植物培育的光合作用的发光二极管用外延晶片，上述应变发光层的峰发光波长是655～675nm的范围。
(15)根据前项14所述的发光二极管用外延晶片，其特征在于，上述应变发光层的在发光波长700nm下的发光强度，低于在上述峰发光波长下的发光强度的10％。
本发明的发光二极管用外延晶片，在GaAs基板上设置具有组成式为(AlXGa1-X)YIn1-YP(其中，X和Y是分别满足0≤X≤0.1和0.39≤Y≤0.45的数值)的应变发光层的发光部。通过应变发光层的材质采用AlGaInP，能够提高应变发光层的发光效率。另外，通过将应变发光层的组成规定在上述范围，能够使来自应变发光层的发光波长为655nm以上。
另外，本发明的发光二极管用外延晶片，在发光部上设置有应变调整层。该应变调整层对于发光波长透明，因此在使用该外延晶片制作LED时，不会吸收来自发光部的发光。此外，该应变调整层具有比GaAs基板的晶格常数小的晶格常数，因此能够减少该外延晶片整体的翘曲的发生。由此，能够抑制应变发光层发生缺陷。
因此，根据本发明的发光二极管用外延晶片，能够提供能够大量生产发光波长655nm以上的高输出功率和/或高效率的LED。另外，使用本发明外延晶片制作发光二极管时，与以往的采用GaAs系的发光层的发光二极管(LED)比较，能够提供具有3倍以上的发光效率的高输出功率发光二极管。
附图说明
图1是表示作为本发明的一种实施方式的发光二极管用外延晶片的剖面模式图。
图2是表示作为本发明的一种实施方式的发光二极管用外延晶片的发光部的剖面模式图。
图3是表示作为本发明的一种实施方式的发光二极管的俯视图。
图4是作为本发明的一种实施方式的发光二极管的沿着图3中表示的A-A′线的剖面模式图。
图5A是用于说明作为本发明的一种实施方式的发光二极管用外延晶片的翘曲量的测定方法的图。
图5B是用于说明作为本发明的一种实施方式的发光二极管用外延晶片的翘曲量的测定方法的图。
图6是用于说明构成作为本发明的一种实施方式的发光二极管用外延晶片的各层的应变的状况的图。
图7是表示作为本发明的一种实施方式的发光二极管的发光光谱的图。
具体实施方式
以下，对作为使用本发明的一种实施方式的发光二极管用外延晶片，与使用该外延晶片的发光二极管芯片一起利用附图详细地进行说明。本实施方式设为上下流过电流的一般的元件结构。以下的说明中使用的附图为了容易理解特征，为了方便起见有时放大表示成为特征的部分，各构成要素的尺寸比率等不一定与实际相同。
<发光二极管用外延晶片>
图1是用于说明作为使用本发明的一种实施方式的发光二极管用外延晶片的结构的剖面模式图。如图1所示，本实施方式的发光二极管用外延晶片10(以下，称为外延晶片10)至少具有GaAs基板1、设置在GaAs基板1上的pn结型的发光部2和设置在发光部2上的应变调整层3而概略构成。具体地，外延晶片10具有：在GaAs基板1的表面上依次层叠有由GaAs构成的缓冲层4、下部覆盖层5、发光部2、上部覆盖层6和应变调整层3的元件结构。再者，本实施方式，有时将缓冲层4、下部覆盖层5、发光部2、上部覆盖层6和应变调整层3合并称为外延生长层。
该元件结构，可以适当增加公知的功能层。例如，可以设置用于降低欧姆(Ohmic)电极的接触电阻的接触层、用于使元件驱动电流在整个发光部平面性地扩散的电流扩散层、反之用于限制元件驱动电流流通的区域的电流阻止层和电流狭窄层等的公知的层结构。另外，还可以在GaAs基板1的上方设置反射层(DBR层)等公知的层结构。
GaAs基板1可以使用采用公知的制法制作的市售品的单晶基板。GaAs基板1的进行外延生长的表面优选为平滑。GaAs基板1的表面的面取向，从品质稳定性的方面考虑，优选为容易外延生长、大量生产的(100)面以及从(100)偏离成±20°以内。进而，GaAs基板1的面取向的范围，更优选为从(100)方向向(0-1-1)方向偏离15°±5°。
为了使外延生长层的结晶性良好，优选GaAs基板1的位错密度低。具体地，例如，为10,000个cm-2以下，优选为1,000个cm-2以下。
GaAs基板1不论是N型还是P型均可。GaAs基板1的载流子浓度可以根据所希望的电导率和元件结构适当选择。例如，在GaAs基板1是掺杂硅的n型的场合，优选载流子浓度是1×1017～5×1018cm-3的范围。与此相对，在GaAs基板1为掺杂了锌的P型场合，优选载流子浓度是2×1018～5×1019cm-3的范围。
GaAs基板1的厚度根据基板的尺寸有适宜的范围。GaAs基板1的厚度比适宜的范围薄时，在外延晶片10的制造过程中存在开裂、收率降低的可能性。另一方面，GaAs基板1的厚度比适宜的范围厚时材料成本增加。因此，GaAs基板1的基板尺寸大的场合，例如，直径为75mm的场合，为了防止操作时的裂纹，优选为250～500μm的厚度。同样地，直径为50mm的场合，优选为200～400μm的厚度，直径为100mm的场合，优选为350～600μm的厚度。再者，本实施方式从生产效率的观点考虑，优选GaAs基板1的直径是75mm以上。
这样地，通过根据GaAs基板1的基板尺寸来增厚基板的厚度，能够降低起因于后述的应变发光层7的外延晶片10的翘曲。由此，外延生长中的温度分布变得均匀，因此能够缩小外延晶片10面内的波长分布。再者，GaAs基板1的形状不特别限定于圆形，也可以是矩形等。
发光部2，如图1所示，下部覆盖层5和上部覆盖层6一起构成双异质结构。另外，在使用外延晶片10制作发光二极管(LED)时为了控制发光波长，优选发光部2构成阱结构。即，如图2所示，优选发光部2是在两端具有应变发光层(也称为阱层或well层)7的、应变发光层7与势垒层(也称为垒层)8的多层结构。
发光部2的层厚优选是0.02～2μm的范围。另外，发光部2的传导类型没有特别的限定，非掺杂、p型和n型的任何一种都可以选择。为了提高发光效率，优选为结晶性良好的非掺杂或低于3×1017cm-3的载流子浓度。
应变发光层7具有(AlXGa1-X)YIn1-YP(其中，X和Y是分别满足0≤X≤1和0＜Y≤1的数值)的组成。上述X优选为0.1以下，更优选为0。另外，上述Y优选为0.37～0.46的范围，更优选为0.39～0.45的范围。
应变发光层7的层厚优选为8～30nm范围。在此，应变发光层7是层厚低于约6nm的薄膜的场合，由于阱结构的量子效应，发光波长变短，不能够得到希望的655nm以上的波长。因此，应变发光层7的层厚优选是附带考虑层厚的变动而不呈现量子效应的8nm以上。另外，若考虑层厚的控制容易程度，优选为10nm以上。另一方面，应变发光层7的层厚超过30nm时，应变量过大，因此容易发生结晶缺陷和/或表面的异常因而不优选。
势垒层8具有(AlXGa1-X)YIn1-YP(其中，X和Y是分别满足0≤X≤1和0＜Y≤1的数值)的组成。上述X优选0.3～0.7的范围，更优选0.4～0.6的范围。另外，上述Y优选0.48～0.52的范围，更优选0.49～0.52的范围，最优选0.49～0.51的范围。
势垒层8的层厚优选比应变发光层7的层厚厚。由此，能够提高应变发光层7的发光效率。另外，必须通过势垒层8使发光效率最佳化并且缓和应变发光层7发生的应变。因此，势垒层8优选至少为15nm以上的层厚，更优选为20nm以上的层厚。另一方面，势垒层8的层厚超过50nm时接近于发光波长的波长，出现光的干涉、布拉格反射等光学的影响。因此，势垒层8优选为50nm以下的层厚，更优选为40nm以下的层厚。如以上所述地应变发光层7的层厚薄、势垒层8的层厚厚时，利用势垒层8吸收应变发光层7的应变，并且应变发光层7难以发生结晶缺陷。
在应变发光层7与势垒层8的多层结构中，交替地层叠应变发光层7和势垒层8的成对的数没有特别的限定，但优选为8对以上、40对以下。即，优选发光部2包含8～40层的应变发光层。在此，作为发光部2的发光效率较佳的范围，应变发光层7为8层以上。另一方面，由于应变发光层7和势垒层8载流子浓度低，因此若形成为很多的对，则正向电压(VF)增大。为此，优选为40对以下，更优选为30对以下。另外，应变发光层具有的应变，由于外延生长基板与发光部2的晶格常数不同，因此是发光部2中发生的应力(stress)。因此，当交替地层叠应变发光层7和势垒层8的成对的数，即，发光部2中包含的应变发光层7的层的数量超过上述范围时，发光部2不耐应变，发生结晶缺陷，发生表面状态的恶化和发光效率降低等的问题。
在应变发光层7为如图3和图4那样的上下流过电流的元件结构(发光二极管20)的场合，其峰发光波长优选是655～675nm的范围，更优选是660～670nm的范围。上述范围的发光波长是适合于植物培育(光合作用)用的光源的发光波长之一，对于光合作用反应效率高因而优选。
另一方面，利用700nm以上的长波长区域的光时，引起抑制植物培育的反应，因此优选长波长区域的光量少。所以，为了高效率地进行植物培育，最优选对于光合作用反应最佳的655～675nm的波长区域的光较强，且不含有700nm以上的超波长区域的光的红色光源。
另外，应变发光层7的在发光波长700nm下的发光强度，优选是低于上述峰发光波长下的发光强度的10％。使用具有这样的特性的应变发光层7的外延晶片10制作的发光二极管，能够很适合作为用于促进植物培育的光合作用的照明使用。另外，应变发光层7的构成，可以选择组成、层厚和层数使得满足上述特性。
应变调整层3，如图1所示，隔着上部覆盖层6设置在发光部2上。另外，应变调整层3对于来自发光部2(应变发光层7)的发光波长是透明的。进而，应变调整层3具有比上述GaAs基板1的晶格常数小的晶格常数。
作为应变调整层3，可以使用具有(AlXGa1-X)YIn1-YP(其中，X和Y是分别满足0≤X≤1和0.6≤Y≤1的数值)的组成的材料。上述X也取决于外延晶片10的元件结构，但由于Al浓度低的材料化学性稳定，因此优选为0.5以下，更优选为0。另外，上述Y的下限值优选为0.6以上。在此，若将发光部2(应变发光层7)具有的应变相同的场合进行比较，则上述Y的值小时应变调整层3的应变调整效果变小。因此，需要增厚应变调整层3的层厚，应变调整层3成膜时的生长时间和成本上升，因此上述Y的值优选为0.6以上，更优选为0.8以上。
另外，作为应变调整层3，也可以很适合地使用对于发光波长透明、并具有AlXGa1-XAs1-YPY(其中，X和Y是分别满足0≤X≤1和0.6≤Y≤1的数值)的组成的III-V族半导体材料。具有上述组成的应变调整层3，晶格常数根据Y的值而变化。上述Y的值大时晶格常数变小。另外，对于发光波长的透明度，与上述X和Y的双方相关联，因此只要选择X和Y的值使得成为透明的材料即可。
进而，作为应变调整层3，可以使用GaP。该GaP不需要调整组成并且应变调整效果大，因此从生产效率和稳定性的方面考虑最适合作为应变调整层3的材料。
应变调整层3具有比作为外延生长基板的GaAs基板1的晶格常数小的晶格常数，因此具有缓和应变发光层7包含的应变量的偏差的功能。因此，通过设置应变调整层3，具有发光波长等特性均匀化、防止裂纹等的结晶缺陷发生的效果。在此，应变调整层3的层厚优选是0.5～20μm的范围，更优选是3～15μm的范围。
若层厚小于0.5μm，则不足以缓和应变光层7的应变量的偏差，层厚超过20μm时，生长时间长且成本增大因而不优选。
另外，通过控制应变调整层3的组成，即使是使用薄的GaAs基板1的场合也能够降低外延晶片10的翘曲，因此能够制作面内波长分布小的外延晶片10。另外，对于相同厚度的基板而言，GaAs基板1的尺寸越大则外延晶片10的翘曲越大。然而，通过控制应变调整层3的组成，例如，即使是使用直径75mm以上的大口径的GaAs基板1的场合，也能够降低外延晶片10的翘曲。此外，例如，为了实现高辉度化进行功能性基板与外延晶片10的接合的元件结构的场合，外延晶片10的翘曲大时产生裂纹等的问题，因此优选减小外延晶片10的翘曲。外延晶片10的翘曲量，例如，使用直径75mm以上的GaAs基板1的场合，优选为200μm以下，更优选为150μm以下。再者，基板尺寸越大则存在翘曲越大的倾向。例如，基板尺寸为75mm的场合，根据应变调整层和应变发光层的组成以及基板的厚度而变动，但翘曲量为约50～150μm的范围。另外，基板尺寸为100mm的场合，根据应变调整层和应变发光层的组成以及基板的厚度而变动，但翘曲量为约80～200μm的范围。即，作为基板尺寸，优选为75mm以上、100mm以下。
在此，对本实施方式中的外延晶片10的翘曲的测定方法一边参照图5A和图5B一边进行说明。首先，如图5A所示，将外延晶片10载置在平坦面上使得GaAs基板2为下侧，即外延生长层为上侧。此时，外延晶片10向上凸。然后，测定该外延晶片10的中央部分距离平坦面的高度A。
接着，如图5B所示，将外延晶片10载置在平坦面上使得GaAs基板2为上侧，即外延生长层为下侧。此时，外延晶片10向下凸。然后，测定该外延晶片10的中央部分与平坦面接触的部分的高度(即，外延晶片10的厚度)B。
最后，算出由高度A的值减去高度B的值得到的值(A-B的值)。该值定义为本实施方式中的外延晶片10的翘曲量。
接着，一边参照图6一边对应变调整层3缓和应变的机理(应变调整层3、与GaAs基板1和发光部2的晶格常数的关系)进行说明。
如图6所示，应变调整层3的晶格常数处于比成为基准的GaAs基板1的晶格常数小的侧。该状态设为-(负)应变。与此相对，发光部2中的应变发光层7的晶格常数处于比成为基准的GaAs基板1的晶格常数大的侧。该状态设为+(正)应变。本发明发现，起因于应变调整层3的负应变的存在，将发光波长长波长化，因此具有减小需导入到应变发光层7中的正应变的偏差的效果。如上所述，应变发光层7的发光波长由应变发光层7的层厚、组成和应变量决定。这样，对应变发光层7的发光波长给予影响的要素多，因此存在由于各要素的偏差的协调效应因而波长的偏差容易变大的倾向。
例如，优选应变发光层7为层厚30nm以下的薄膜，但由于是薄的膜，因此难以均匀地控制层厚。而且，由于层厚与导入的应变量存在相关关系，因此由于应变发光层7的层厚产生偏差，使得所导入的应变量也发生偏差，结果应变发光层7的发光波长发生偏差。在此发现，通过在包含具有正应变的应变发光层7的发光部2上设置应变调整层3，该应变调整层3具有的负应变，将因应变发光层7的层厚的偏差而大大地向正侧偏移的应变拉向负侧，从而应变发光层7的应变量的偏差变小。该应变调整层3的效果，即使是应变发光层7的应变量的偏差的原因取决于应变发光层7的组成的偏差的场合也是同样的。
然而，没有应变调整层3的以往的发光二极管用外延晶片的结构中，由于发光波长等的特性的偏差大，因此收率降低，并且不能够满足品质要求且不能够大量生产。与此相对，本实施方式的外延晶片10，为在发光部2上设置了应变调整层3的元件结构。可认为该现象对于应变向正侧大大偏移的发光层具有较大地调整应变的功能。由此，为了进行长波长化所必需的应变发光层7的应变量在晶片面内和晶片间被均匀化，发光波长和输出特性的偏差变小。并且，外延晶片10的表面状态也得到改善。因此，例如，直径75mm以上的大口径晶片或外延生长的总面积为350cm2以上的多枚的同时生长成为可能，因此能够格外地提高生产率。
缓冲层4，如图1所示设置在GaAs基板1上。缓冲层4具有缓和用于外延生长的基板的结晶缺陷或晶格应变的传递的功能。
因此，如果选择基板的品质和/或外延生长条件则不一定需要缓冲层4。另外，缓冲层4的材质，优选为与用于外延生长的基板相同的材质。因此，在本实施方式中，缓冲层4优选与GaAs基板1相同地使用GaAs。另外，为了减少缺陷的传递，缓冲层4也可以使用由与GaAs基板1不同的材质构成的多层膜。缓冲层4的厚度优选为0.1μm以上，更优选为0.2μm以上。
下部覆盖层5和上部覆盖层6如图1所示分别设置在发光部2的下面和上面。具体地，下部覆盖层5设置在发光部2的下面侧(GaAs基板1侧)，上部覆盖层6设置在发光部2的上面侧(应变调整层3侧)，并且，成为由下部覆盖层5和上部覆盖层6从下面和上面夹持发光部2的结构。
作为下部覆盖层5和上部覆盖层6的材质，优选与缓冲4晶格匹配，并且带隙比应变发光层7大的材质，更优选带隙比势垒层8大的材质。作为上述材质，例如，可举出具有AlXGa1-XAs的组成的化合物、具有(AlXGa1-X)YIn1-YP(其中，X和Y是分别满足0≤X≤1和0＜Y≤1的数值)的组成的化合物。具有AlXGa1-XAs的组成的场合，上述X的值优选下限值为0.5以上，更优选为0.6以上。另外，具有(AlXGa1-X)YIn1-YP(其中，X和Y是分别满足0≤X≤1和0＜Y≤1的数值)组成的场合，上述X的值优选下限值为0.3以上、更优选为0.5以上。另外，上述Y的值优选0.48～0.52的范围，更优选0.49～0.52的范围，最优选0.49～0.51的范围。
下部覆盖层5与上部覆盖层6极性不同。另外，下部覆盖层5和上部覆盖层6的载流子浓度和厚度可以设为公知的适宜的范围，优选将条件最佳化以使得发光部2的发光效率提高。另外，通过控制下部覆盖层5和上部覆盖层6的组成也能够降低外延晶片10的翘曲。
具体地，作为下部覆盖层5，例如，优选使用具有掺杂了Si的n型的(AlXGa1-X)YIn1-YP(其中，X和Y是分别满足0.3≤X≤1和0.48＜Y≤0.52的数值)的组成的半导体材料。另外，载流子浓度优选1×1017～1×1018cm-3的范围，层厚优选0.5～2μm的范围。再者，下部覆盖层5的极性是与GaAs基板1相同的极性(n型)，但在将外延晶片10用于除去GaAs基板1的结构的LED的场合没有该限制。
另一方面，作为上部覆盖层6，例如，优选使用具有掺杂了Mg的p型的(AlXGa1-X)YIn1-YP(其中，X和Y是分别满足0.3≤X≤1和0.48＜Y≤0.52的数值)的组成的半导体材料。另外，载流子浓度优选2×1017～2×1018cm-3的范围，层厚优选0.5～5μm的范围。再者，上部覆盖层6(和应变调整层3)的极性可以考虑元件结构来进行选择。例如，如图3和图4所示，在将外延晶片用于上下流过电流的元件结构的发光二极管20的场合，设为与GaAs基板1不同的极性(p型)。
另外，也可以在下部覆盖层5与发光部2之间、发光部2与上部覆盖层6之间以及上部覆盖层6与应变调整层3之间，设置用于使两层间的带(band)不连续性平缓地变化的中间层。该场合，优选各中间层分别由具有上述两层的中间的禁带宽度的半导体材料构成。
<外延晶片的制造方法>
接着，对本实施方式的发光二极管用外延晶片10(外延晶片10)的制造方法进行说明。
本实施方式的外延晶片10，是在GaAs基板1上依次外延生长、层叠缓冲层4、下部覆盖层5、发光部2、上部覆盖层6、应变调整层3构成的外延生长层。
本实施方式可以使用分子束外延法(MBE)和减压有机金属化学气相沉积法(MOCVD法)等公知的生长方法。
其中，优选使用大量生产性优异的MOCVD法。具体地，生长所使用的GaAs基板1，优选：在生长前实施洗涤工序和热处理等的预处理，除去表面的污染和自然氧化膜。可以在MOCVD装置内安置8枚以上的直径50～150mm的GaAs基板1，使构成上述外延生长层的各层同时地外延生长而进行层叠。另外，作为MOCVD装置，可以使用自公转型或高速旋转型等的市售的大型装置。
在使上述外延生长层的各层外延生长时，作为III族构成元素的原料，例如，可以使用三甲基铝((CH3)3Al)、三甲基镓((CH3)3Ga)和三甲基铟((CH3)3In)等。另外，作为Mg的掺杂原料，例如，可以使用双环戊二烯基镁(bis-(C5H5)2Mg)等。另外，作为Si的掺杂原料，例如，可以使用乙硅烷(Si2H6)等。另外，作为V族构成元素的原料，可以使用膦(PH3)和胂(AsH3)等。另外，作为各层的生长温度，作为应变调整层3使用p型GaP的场合，可以使用720～770℃，其他的各层可以使用600～700℃。此外，各层的载流子浓度、层厚和温度条件等可以进行适当选择。
这样地制造的外延晶片10，尽管具有应变发光层7但具有没有结晶缺陷的良好的表面状态。另外，外延晶片10也可以对应于元件结构实施研磨等的表面加工。另外，也可以磨削GaAs基板1的背面来调整厚度。
<植物培育用的发光二极管>
对于将本实施方式的发光二极管用外延晶片10(外延晶片10)作为元件的场合进行说明。
如图3和图4所示，发光二极管20具有使用外延晶片在上下流过电流的元件结构。具体地，发光二极管20，在应变调整层3的上面和GaAs基板1的下面设置有加工成所希望的形状的欧姆电极9A和9B。作为该欧姆电极9A和9B可以使用公知的电极材料。例如，n型电极可以使用AuGe等，p型电极可以使用AuBe等。
发光二极管20，可以通过在外延晶片10的上面和下面形成欧姆电极9A和9B，采用划片(dicing)法裁切成所希望的尺寸的芯片后，通过蚀刻除去破碎层来进行制造。
接着，将使用本实施方式的外延晶片10制作的发光二极管20的发光光谱示于图7。如图7所示，发光二极管20的发光光谱，峰发光波长是655～675nm的范围。另外，发光波长700nm下的发光强度低于峰发光波长下的发光强度的10％，因此，使用外延晶片10制作的发光二极管20，可以很适合地作为用于促进植物培育的光合作用的照明使用。
如以上说明，根据本实施方式的外延晶片10，在GaAs基板1上设置有发光部2，该发光部2具有组成式为(AlXGa1-X)YIn1-YP(其中，X和Y是分别满足0≤X≤0.1和0.39≤Y≤0.45的数值)的应变发光层。通过应变发光层7的材质采用AlGaInP，能够提高应变发光层7的发光效率。另外，通过将应变发光层7的组成规定在上述范围，能够使来自应变发光层7的发光波长为655nm以上。
另外，本实施方式的外延晶片10，在发光部2上设置有应变调整层3。该应变调整层3对于发光波长是透明的，因此使用该外延晶片10制作发光二极管20时，不会吸收来自发光部2的发光。进而，由于该应变调整层3具有比GaAs基板1的晶格常数小的晶格常数，因此能够降低该外延晶片10整体的翘曲的发生。由此，能够抑制应变发光层7中的缺陷的发生。
另外，根据本实施方式的外延晶片10，能够提供可大量生产发光波长655nm以上的高输出功率和/或高效率的LED的外延晶片。
实施例
以下，利用实施例具体地说明本发明的效果。再者，本发明不限定于这些实施例。
在本实施例中，具体地说明使用本发明涉及的发光二极管用外延晶片制作发光二极管的例子。另外，本实施例中制作的发光二极管，是具有AlGaInP发光部的红色发光二极管。本实施例制作了在GaAs基板上使包含由GaP构成的应变调整层的外延生长层生长的外延晶片。并且，为了特性评价制作发光二极管芯片，评价晶片面内和晶片间的偏差。
(实施例1)
实施例1的发光二极管，首先，在掺杂了Si的n型的GaAs单晶构成的半导体基板上，依次层叠外延生长层，制作了外延晶片。GaAs基板，将从(100)面向(0-1-1)方向倾斜15°的面作为生长面，使载流子浓度为2×1018cm-3。所谓外延生长层是掺杂了Si的n型的GaAs构成的缓冲层、掺杂了Si的n型的(Al0.5Ga0.5)0.5In0.5P构成的低电阻层、掺杂了Si的n型的Al0.5In0.5P构成的下部覆盖层、非掺杂的Ga0.44In0.56P/(Al0.53Ga0.47)0.5In0.5P的对构成的应变发光层/势垒层、掺杂了Mg的p型的Al0.5In0.5P构成的上部覆盖层、(Al0.6Ga0.4)0.5In0.5P构成的薄膜的中间层、掺杂了Mg的p型GaP构成的应变调整层。
本实施例使用减压有机金属化学气相淀积装置法(MOCVD装置)，使直径76mm和厚度350μm的GaAs基板18枚同时地生长来形成外延晶片。使外延生长层生长时，作为III族构成元素的原料，使用三甲基铝((CH3)3Al)、三甲基镓((CH3)3Ga)以及三甲基铟((CH3)3In)。另外，作为Mg的掺杂原料，使用双环戊二烯基镁(bis-(C5H5)2Mg)。另外，作为Si的掺杂原料，使用乙硅烷(Si2H6)。另外，作为V族构成元素的原料，使用膦(PH3)以及胂(AsH3)。另外，作为各层的生长温度，对于p型GaP构成的应变调整层为770℃，对于其他的各层为680℃。
GaAs构成的缓冲层，载流子浓度为约2×1018cm-3，层厚为约0.5μm。低电阻层载流子浓度为约3×1018cm-3，层厚为约3μm。下部覆盖层载流子浓度为约2×1018cm-3、层厚为约0.5μm。应变调整层为非掺杂且层厚约17nm的Ga0.44In0.56P，势垒层为非掺杂且层厚约19nm的(Al0.53Ga0.47)0.5In0.5P。另外，交替地层叠22对的应变发光层和势垒层。上部覆盖层载流子浓度为约8×1017cm-3、层厚为约0.5μm。中间层载流子浓度为约8×1017cm-3、层厚为约0.05μm。GaP构成的应变调整层载流子浓度为约3×1018cm-3、层厚为约9μm。
接着，为了使外延晶片的厚度为250μm，磨削GaAs基板调整厚度。
接着，在构成外延生长层的由GaP构成的应变调整层的表面上，采用真空蒸镀法形成0.2μm的AuBe膜，形成1μm的Au膜。然后，利用一般的光刻方法实施图案化，形成直径100μm的圆形的p型欧姆电极。
接着，在GaAs基板的背面，以AuGe以及Ni合金成为0.5μm、Au成为1μm的方式采用真空蒸镀法形成n型欧姆电极。
然后，在450℃进行10分钟的热处理来合金化，形成低电阻的p型以及n型欧姆电极。
接着，使用划片机(切割锯；dicing saw)以350μm间隔切断GaAs基板进行芯片化。使用硫酸-过氧化氢混合液蚀刻除去由划片导致的破碎层和污物，制作了实施例1的发光二极管。
将如上述那样制作的实施例1的发光二极管芯片均等地制样，组装各晶片17个×18枚＝306个的安装在安装基板上的发光二极管灯。
将评价该发光二极管的特性和均匀性的结果示于表1。如表1所示，在n型和p型欧姆电极间流过电流的结果，射出了峰波长660.4nm的红色光，正向流过20毫安(mA)电流时的正向电压(Vf)为约2.0伏特(V)。另外，正向电流为20mA时的发光输出功率为4mW。组装的全部的发光二极管芯片的峰波长的偏差(最大-最小)为2.1nm。
(实施例2)
实施例2的发光二极管，是只改变实施例1的发光二极管的应变发光层和势垒层的构成的发光二极管。在此，实施例2的发光二极管，将上述实施例1的应变发光层改变成非掺杂且层厚约10nm的Ga0.42In0.58P，将上述实施例1的势垒层改变成非掺杂且层厚约30nm的(Al0.53Ga0.47)0.5In0.5P，交替地层叠了20对的应变发光层和势垒层。
将评价安装了实施例2的发光二极管的发光二极管灯的特性和均匀性的结果示于表1。如表1所示，在n型和p型欧姆电极间流过电流的结果，射出了峰波长为660.5nm的红色光。另外，正向流过20毫安(mA)电流时的正向电压(Vf)为约2.0伏特(V)。另外，正向电流为20mA时的发光输出功率为3.6mW。组装的全部的发光二极管灯的峰波长的偏差为2.3nm。
(实施例3)
实施例3的发光二极管是只改变实施例2的发光二极管的应变发光层的构成的发光二极管。在此，实施例3的发光二极管，将上述实施例2的应变发光层变更成非掺杂且层厚约15nm的Ga0.41In0.49P。
将评价安装了实施例3的发光二极管的发光二极管灯的特性和均匀性的结果示于表1。如表1所示，在n型和p型欧姆电极间流过电流的结果，射出了峰波长为668.0nm的红色光。另外，正向流过20毫安(mA)的电流时的正向电压(Vf)为约2.0伏特(V)。另外，正向电流为20mA时的发光输出功率为3.7mW。组装的全部的发光二极管灯的峰波长的偏差为2.2nm。
(实施例4)
实施例4的发光二极管是只改变实施例2的发光二极管的应变发光层的构成的发光二极管。在此，实施例4的发光二极管，将上述实施例2的阱层变更成非掺杂且层厚约25nm的Ga0.45In0.55P。
将评价安装了实施例4的发光二极管的发光二极管灯的特性和均匀性的结果示于表1。如表1所示，在n型和p型欧姆电极间流过电流的结果，射出了峰波长656.0nm的红色光。另外，正向流过20毫安(mA)的电流时的正向电压(Vf)为约2.0伏特。另外，正向电流为20mA时的发光输出功率为4.0mW。组装的全部的发光二极管灯的峰波长的偏差为2.1nm。
(实施例5)
实施例5的发光二极管是只改变实施例2的发光二极管的应变发光层的构成的发光二极管。在此，实施例5的发光二极管，将上述实施例2的应变发光层变更成非掺杂且层厚约10nm的Ga0.39In0.61P。
将评价安装了实施例5的发光二极管的发光二极管灯的特性和均匀性的结果示于表1。如表1所示，在n型和p型欧姆电极间流过电流的结果，射出了峰波长为670.0nm的红色光。另外，正向流过20毫安(mA)电流时的正向电压(Vf)为约2.0伏特(V)。另外，正向电流为20mA时的发光输出功率为3.8mW。组装的全部的发光二极管灯的峰波长的偏差为2.8nm。
(比较例1)
比较例1的发光二极管，是将实施例2的发光二极管的表面层变更成没有应变的层的发光二极管。在此，比较例1的发光二极管，将上述实施例2的应变调整层变更成(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5P层。
将评价安装了比较例1的发光二极管的发光二极管灯的特性和均匀性的结果示于表1。如表1所示，在n型和p型欧姆电极间流过电流的结果，射出了峰波长为660nm的红色光。另外，正向流过20毫安(mA)的电流时的正向电压(Vf)为约2.0伏特(V)。另外，正向电流为20mA时的发光输出功率为2.5mW。组装的全部的发光二极管灯的峰波长的偏差为7.3nm。发光波长分布大，不能够满足特性。
(比较例2)
比较例2的发光二极管是只改变实施例2的发光二极管的应变发光层的构成的发光二极管。在此，比较例2的发光二极管，将上述实施例1的应变发光层变更成非掺杂且层厚约5nm的Ga0.38In0.62P。
将评价安装了比较例2的发光二极管的发光二极管灯的特性和均匀性的结果示于表1。如表1所示，在n型和p型欧姆电极间流过电流的结果，射出了峰波长为651.5nm的红色光。另外，正向流过20毫安(mA)的电流时的正向电压(Vf)为约2.0伏特(V)。另外，正向电流为20mA时的发光输出功率为3.1mW。组装的全部的发光二极管灯的峰波长的偏差为4.3nm。由于量子效应，发光波长低于655nm，不能够满足特性。
(比较例3)
比较例3的发光二极管，是只改变实施例2的发光二极管的应变发光层的构成的发光二极管。在此，比较例3的发光二极管，将上述实施例2的应变发光层的组成变更成Ga0.37In0.63P。
在比较例3中制作的外延晶片中，在由p型GaP构成的应变调整层的表面发生了起因于应变发光层的组成的结晶缺陷(阴影部分)。
将评价安装了比较例3的发光二极管的发光二极管灯的特性和均匀性的结果示于表1。如表1所示，在n型和p型欧姆电极间流过电流的结果，射出了峰波长为677.7nm的红色光。另外，正向流过20毫安(mA)的电流时的正向电压(Vf)为约2.3伏特(V)。另外，正向电流为20mA时的发光输出功率为1.3mW。组装的全部的发光二极管灯的峰波长的偏差为3.9nm。由于上述的应变调整层的缺陷的发生，发光输出功率低，不能够满足特性。
(比较例4)
比较例4的发光二极管是只改变实施例1的发光二极管的应变发光层的构成的发光二极管。在此，比较例4的发光二极管，将上述实施例1的应变发光层的组成变更成Ga0.48In0.52P。
将评价安装了比较例4的发光二极管的发光二极管灯的特性和均匀性的结果示于表1。如表1所示，在n型和p型欧姆电极间流过电流的结果，射出了峰波长为647.7nm的红色光。另外，正向流过20毫安(mA)的电流时的正向电压(Vf)为约2.0伏特(V)。另外，正向电流为20mA时的发光输出功率为3.3mW。组装的全部的发光二极管灯的峰波长的偏差为2.5nm。发光波长小于655nm，不能够满足特性。
(比较例5)
比较例5的发光二极管是只改变实施例2的发光二极管的应变发光层和势垒层的构成的发光二极管。在此，比较例5的发光二极管，将上述实施例2的应变发光层改变成非掺杂且层厚约30nm的Ga0.44In0.56P，将上述实施例1的势垒层变更成非掺杂且层厚约30nm的(Al0.53Ga0.47)0.5In0.5P，交替地层叠了12对的应变发光层和势垒层。
在比较例5中制作的外延晶片中，在由p型GaP构成的应变调整层的表面发生了起因于应变发光层的组成的结晶缺陷(阴影部分)。
将安装了比较例5的发光二极管的结果示于表1。如表1所示，在n型和p型欧姆电极间流过电流的结果，射出了峰波长为668.5nm的红色光。另外，正向流过20毫安(mA)的电流时的正向电压(Vf)为约2.3伏特(V)。另外，正向电流为20mA时的发光输出功率为1.1mW。组装的全部的发光二极管灯的峰波长的偏差为3.7nm。由于发生缺陷，发光输出功率低，不能够满足特性。
(比较例6)
比较例6的发光二极管，采用作为以往技术的液相外延法形成。是改变成在GaAs基板上具有以Al0.35Ga0.65As为发光层，上下覆盖层为Al0.7Ga0.3As的双异质结构的发光部的发光二极管的发光二极管。
将安装了比较例6的发光二极管的结果示于表1。如表1所示，在n型和p型欧姆电极间流过电流的结果，射出了峰波长为660.7nm的红色光。另外，正向流过20毫安(mA)的电流时的正向电压(Vf)为约1.9伏特(V)。另外，正向电流为20mA时的发光输出功率为1.2mW。组装的全部的发光二极管灯的峰波长的偏差为7.2nm。输出功率低，发光波长分布大，不能够满足特性。
产业上的利用可能性
本发明的发光二极管，是在由AlGaInP构成的发光层中，以发光波长655nm以上的长波长实现高效率的发光，均匀性优异的生产率高的发光二极管用外延晶片。本发明可以在植物培育用途、显示、通信、传感器用光源等的、对于以往AlGaAs系的LED而言输出功率不足而不能应对的各种用途中应用。
附图标记说明
1-GaAs基板；
2-发光部；
3-应变调整层；
4-缓冲层；
5-下部覆盖层；
6-上部覆盖层；
7-应变发光层；
8-势垒层；
9A，9B-欧姆电极；
10-发光二极管用外延晶片(外延晶片)；
20-发光二极管。
Claims (13)
1.一种发光二极管用外延晶片，其特征在于，
具备GaAs基板、设置在所述GaAs基板上的pn结型的发光部和设置在所述发光部上的应变调整层，
所述发光部具有组成式为（AlXGa1-X）YIn1-YP的应变发光层，其中，X和Y是分别满足0≤X≤0.1以及0.39≤Y≤0.45的数值，
所述应变调整层对于发光波长透明并且具有比所述GaAs基板的晶格常数小的晶格常数，
所述应变发光层的厚度为8～30nm的范围，
所述应变发光层的峰发光波长为655nm～675nm的范围，
所述应变调整层的厚度是3～15μm的范围。
2.根据权利要求1所述的发光二极管用外延晶片，其特征在于，所述应变发光层的组成式为GaYIn1-YP，其中，Y是满足0.39≤Y≤0.45的数值。
3.根据权利要求1所述的发光二极管用外延晶片，其特征在于，所述应变调整层的组成式为（AlXGa1-X）YIn1-YP，其中，X和Y是分别满足0≤X≤1以及0.6≤Y≤1的数值。
4.根据权利要求1所述的发光二极管用外延晶片，其特征在于，所述应变调整层的组成式为AlXGa1-XAs1-YPY，其中，X和Y是分别满足0≤X≤1以及0.6≤Y≤1的数值。
5.根据权利要求1所述的发光二极管用外延晶片，其特征在于，所述应变调整层的材质为GaP。
6.根据权利要求1所述的发光二极管用外延晶片，其特征在于，所述发光部具有所述应变发光层与势垒层的叠层结构，包含8～40层的所述应变发光层。
7.根据权利要求6所述的发光二极管用外延晶片，其特征在于，所述势垒层的组成式为（AlXGa1-X）YIn1-YP，其中，X和Y分别是满足0.3≤X≤0.7以及0.49≤Y≤0.52的数值。
8.根据权利要求1所述的发光二极管用外延晶片，其特征在于，
在所述发光部的上面和下面的一方或两方具有覆盖层，
所述覆盖层的组成式为（AlXGa1-X）YIn1-YP，其中，X和Y是分别满足0.5≤X≤1以及0.48≤Y≤0.52的数值。
9.根据权利要求1所述的发光二极管用外延晶片，其特征在于，所述GaAs基板的面取向的范围是从（100）方向向（0-1-1）方向偏离15°±5°。
10.根据权利要求1所述的发光二极管用外延晶片，其特征在于，所述GaAs基板的直径为75mm以上。
11.根据权利要求10所述的发光二极管用外延晶片，其特征在于，翘曲量为200μm以下。
12.根据权利要求1所述的发光二极管用外延晶片，其特征在于，是用于促进植物培育的光合作用的发光二极管用外延晶片。
13.根据权利要求12所述的发光二极管用外延晶片，其特征在于，所述应变发光层的在发光波长700nm下的发光强度低于在所述峰发光波长下的发光强度的10%。
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