JP2010098068A - Light emitting diode, manufacturing method thereof, and lamp - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、基板上に化合物半導体層が積層されてなる発光ダイオード及びその製造方法、並びにランプに関する。 The present invention relates to a light-emitting diode in which a compound semiconductor layer is laminated on a substrate, a method for manufacturing the same, and a lamp.
従来から、赤色、橙色、黄色あるいは黄緑色の可視光を発する発光ダイオード(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)からなる発光層を備えた化合物半導体LEDが知られている。このようなLEDにおいて、例えば(AlXGa1−X)YIn1−YP(0≦X≦1,0<Y≦1)からなる発光層を備えた化合物半導体層は、一般に発光層から出射される光に対して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)等の材料からなる基板上に形成されている。 Conventionally, as a light emitting diode (LED) that emits red, orange, yellow, or yellowish green visible light, for example, aluminum phosphide, gallium indium (composition formula (Al X Ga 1-X ) Y In 1-YP ; A compound semiconductor LED having a light emitting layer composed of 0 ≦ X ≦ 1, 0 <Y ≦ 1) is known. In such an LED, for example, a compound semiconductor layer including a light-emitting layer made of (Al X Ga 1-X ) Y In 1-YP (0 ≦ X ≦ 1, 0 <Y ≦ 1) is generally formed from a light-emitting layer. It is formed on a substrate made of a material such as gallium arsenide (GaAs) that is optically opaque to the emitted light and that is not mechanically strong.
また、最近では、より高輝度の可視LEDを得ること、並びに、さら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た後、発光光を透過または反射し、なお且つ機械強度的に優れる材料からなる支持体(基板)を、化合物半導体層に改めて接合させ、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を参照)。特許文献1〜5によれば、機械的強度に優れる透明な材料からなる基板を化合物半導体層に接合させることにより、LEDの輝度及び機械的強度を向上させることが可能であるとされている。 Recently, for the purpose of obtaining a brighter visible LED and further improving the mechanical strength of the device, the substrate material opaque to the emitted light is removed, and then the emitted light is transmitted or reflected. In addition, a technique is disclosed in which a support (substrate) made of a material having excellent mechanical strength is bonded to a compound semiconductor layer to form a bonded LED (for example, see Patent Documents 1 to 5). According to Patent Documents 1 to 5, it is said that the brightness and mechanical strength of the LED can be improved by bonding a substrate made of a transparent material having excellent mechanical strength to the compound semiconductor layer.
また、より高輝度の可視LEDを得るために、素子形状によって光取り出し効率を向上させる方法も提案されており、例えば、発光ダイオードの素子構造において、素子側面の形状によって高輝度化を図る技術が開示されている(例えば、特許文献6を参照)。特許文献6に記載の技術によれば、基板の側面を傾斜した面(傾斜側面)とすることにより、化合物半導体層に備えられる発光層から出射される光の素子外部への取り出し効率を向上させ、高輝度の発光ダイオードが得られるとされている。
また、素子形状が、非等価の各側面からなり、平面視で略三角形とされた発光ダイオードが提案されている(例えば、特許文献7を参照)。
In addition, a light emitting diode has been proposed in which the element shape is composed of non-equivalent side surfaces and is substantially triangular in plan view (see, for example, Patent Document 7).
特許文献1〜7に記載のような従来の発光ダイオードにおいては、発光層を含む化合物半導体層から出射された光の一部が基板に入射する。このため、例えば、基板内部に入射した光を外部に取り出すことにより、光取り出し効率が向上して発光ダイオードの輝度をより高めることが可能となる。
しかしながら、例えば、基板材料にGaP、サファイア、SiC等を用いた場合、基板とLEDチップを覆う樹脂との間の屈折率の差が大きいほど、光学の法則により、浅い入射角の光は界面で反射してチップ内部へ戻ることから、外部に取り出し難い状態となる。例えば、基板を平行四辺形に構成した場合には、光が、各対向面において同じ入射角となることから、外部へ取り出し難いという問題がある。また、基板を正四角形や長方形等とした場合には、4側面の内、一方の対向する各側面を光取り出し効率の高い結晶面が露出するように粗面化等の化学処理を施した場合、他方の対向する各側面においては化学的特性の異なる結晶面が露出し、この面における光取り出し効率が低くなるという問題がある。このような場合、基板に入射した光が内部で反射して閉じ込められる確率が高くなり、外部に取り出し難くなるため、光取り出し効率が低下して発光ダイオードの輝度向上の妨げとなるという大きな問題があった。また、基板と、発光層を含む半導体層との界面においても、上記同様、この間の屈折率の差が大きい程、基板側への光の透過が困難になるという問題点があった。
In the conventional light emitting diodes as described in Patent Documents 1 to 7, a part of the light emitted from the compound semiconductor layer including the light emitting layer is incident on the substrate. For this reason, for example, by extracting the light incident on the inside of the substrate to the outside, the light extraction efficiency can be improved and the luminance of the light emitting diode can be further increased.
However, for example, when using GaP, sapphire, SiC, or the like as the substrate material, the greater the difference in the refractive index between the substrate and the resin covering the LED chip, the light at the shallow incident angle at the interface due to the optical law. Since the light is reflected and returned to the inside of the chip, it is difficult to take it out. For example, when the substrate is configured in a parallelogram, there is a problem in that light has the same incident angle on each facing surface, and thus it is difficult to extract to the outside. In addition, when the substrate is a regular square, rectangle, etc., chemical processing such as roughening is performed so that the crystal surface with high light extraction efficiency is exposed on one of the four side surfaces facing each other. However, there is a problem in that crystal faces having different chemical characteristics are exposed on the other opposing side faces, and the light extraction efficiency on this face is lowered. In such a case, there is a high probability that light incident on the substrate will be reflected and confined inside, and it will be difficult to take out the light to the outside. there were. Further, at the interface between the substrate and the semiconductor layer including the light emitting layer, as described above, there is a problem that light transmission to the substrate side becomes more difficult as the difference in the refractive index between them increases.
本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、光取り出し効率に優れ、高い輝度を備える発光ダイオード及びその製造方法、並びに発光ダイオードが用いられてなるランプを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object thereof is to provide a light emitting diode excellent in light extraction efficiency and having high luminance, a method for manufacturing the same, and a lamp using the light emitting diode.
本発明者等は、発光ダイオードの輝度を向上させるために鋭意検討を行ない、以下に示す各発明を完成した。
即ち、本発明は以下に関する。
The inventors of the present invention have intensively studied to improve the luminance of the light emitting diode, and have completed the following inventions.
That is, the present invention relates to the following.
[1] 基板の主面上に少なくとも発光層を含む化合物半導体層が積層され、該化合物半導体層の上面側が発光面とされたチップ構造を有する発光ダイオードであって、前記基板は、平面視形状で、各々隣接する側面の間の角度が全て鋭角の略正三角形であることを特徴とする発光ダイオード。
[2] 前記基板の各側面が、略等価な面方位の結晶面からなることを特徴とする上記[1]に記載の発光ダイオード。
[3] 前記基板の各側面が、(011)面、又は(110)面であることを特徴とする上記[2]に記載の発光ダイオード。
[4] 前記基板の主面が、(111)面であることを特徴とする上記[1]〜[3]の何れか1項に記載の発光ダイオード。
[5] 前記基板の各側面が、へき開面であることを特徴とする上記[1]〜[4]の何れか1項に記載の発光ダイオード。
[6] 前記基板の各側面が粗面とされていることを特徴とする上記[1]〜[4]の何れか1項に記載の発光ダイオード。
[7] 前記基板が透光性材料からなることを特徴とする上記[1]〜[6]の何れか1項に記載の発光ダイオード。
[8] 前記基板がGaPからなることを特徴とする上記[7]に記載の発光ダイオード。
[9] 前記基板と前記発光層との間の屈折率の差が0.5以下であることを特徴とする上記[1]〜[8]の何れか1項に記載の発光ダイオード。
[10] 前記基板の屈折率が3以上であることを特徴とする上記[1]〜[9]の何れか1項に記載の発光ダイオード。
[1] A light emitting diode having a chip structure in which a compound semiconductor layer including at least a light emitting layer is stacked on a main surface of a substrate, and an upper surface side of the compound semiconductor layer is a light emitting surface. A light emitting diode characterized in that each of the angles between adjacent side surfaces is an acute regular triangle.
[2] The light emitting diode according to the above [1], wherein each side surface of the substrate is made of a crystal plane having a substantially equivalent plane orientation.
[3] The light-emitting diode according to [2], wherein each side surface of the substrate is a (011) plane or a (110) plane.
[4] The light-emitting diode according to any one of [1] to [3], wherein the main surface of the substrate is a (111) plane.
[5] The light-emitting diode according to any one of [1] to [4], wherein each side surface of the substrate is a cleavage plane.
[6] The light-emitting diode according to any one of [1] to [4], wherein each side surface of the substrate is a rough surface.
[7] The light-emitting diode according to any one of [1] to [6], wherein the substrate is made of a translucent material.
[8] The light-emitting diode according to [7], wherein the substrate is made of GaP.
[9] The light-emitting diode according to any one of [1] to [8], wherein a difference in refractive index between the substrate and the light-emitting layer is 0.5 or less.
[10] The light-emitting diode according to any one of [1] to [9], wherein the substrate has a refractive index of 3 or more.
[11] 前記化合物半導体層は、前記基板の主面上に、p型半導体層、発光層及びn型半導体層が積層されてなることを特徴とする上記[1]〜[10]の何れか1項に記載の発光ダイオード。
[12] 前記化合物半導体層の前記発光面が、(111)面であることを特徴とする上記[1]〜[11]の何れか1項に記載の発光ダイオード。
[13] 前記発光層が、III−V族化合物半導体からなることを特徴とする上記[1]〜[12]の何れか1項に記載の発光ダイオード。
[14] 前記発光層が、GaP系化合物半導体からなることを特徴とする上記[13]に記載の発光ダイオード。
[15] 前記発光層が、AlGaInP系化合物半導体からなることを特徴とする上記[13]に記載の発光ダイオード。
[11] Any one of the above [1] to [10], wherein the compound semiconductor layer is formed by laminating a p-type semiconductor layer, a light emitting layer, and an n-type semiconductor layer on the main surface of the substrate. 2. A light emitting diode according to item 1.
[12] The light-emitting diode according to any one of [1] to [11], wherein the light-emitting surface of the compound semiconductor layer is a (111) plane.
[13] The light-emitting diode according to any one of [1] to [12], wherein the light-emitting layer is made of a III-V group compound semiconductor.
[14] The light emitting diode according to the above [13], wherein the light emitting layer is made of a GaP-based compound semiconductor.
[15] The light-emitting diode according to [13], wherein the light-emitting layer is made of an AlGaInP-based compound semiconductor.
[16] 前記化合物半導体層の前記発光面と前記基板とが、平面視形状で略相似形とされていることを特徴とする上記[1]〜[15]の何れか1項に記載の発光ダイオード。
[17] 前記化合物半導体層が、エピタキシャル成長用基板上において予め形成された層であり、前記基板の主面上に、予め形成された前記化合物半導体層が接合されてなることを特徴とする上記[1]〜[16]の何れか1項に記載の発光ダイオード。
[18] 略正三角形とされた前記基板の1辺あたりの長さが600μm以上であることを特徴とする上記[1]〜[17]の何れか1項に記載の発光ダイオード。
[16] The light emitting device according to any one of [1] to [15], wherein the light emitting surface of the compound semiconductor layer and the substrate are substantially similar in plan view. diode.
[17] The compound semiconductor layer is a layer formed in advance on an epitaxial growth substrate, and the compound semiconductor layer formed in advance is bonded to the main surface of the substrate. The light-emitting diode according to any one of [1] to [16].
[18] The light-emitting diode according to any one of [1] to [17], wherein a length of each side of the substrate that is a substantially equilateral triangle is 600 μm or more.
[19] エピタキシャル成長用基板上に、少なくともn型半導体層、発光層及びp型半導体層をこの順で積層して化合物半導体層を形成するエピタキシャル工程と、前記化合物半導体層に基板を貼り付ける接合工程と、前記化合物半導体層から前記エピタキシャル成長用基板を除去して発光面を露出させることにより、積層半導体ウェーハを形成する除去工程と、前記積層半導体ウェーハを裁断し、平面視形状で、各々隣接する側面の間の角度が全て鋭角の略正三角形となるように、素子単位のチップに分割する分割工程と、を備えることを特徴とする発光ダイオードの製造方法。 [19] An epitaxial process of forming a compound semiconductor layer by laminating at least an n-type semiconductor layer, a light emitting layer, and a p-type semiconductor layer in this order on an epitaxial growth substrate, and a bonding process of attaching the substrate to the compound semiconductor layer And removing the epitaxial growth substrate from the compound semiconductor layer to expose a light emitting surface, thereby forming a laminated semiconductor wafer, and cutting the laminated semiconductor wafer to form adjacent planar surfaces in a plan view. And a dividing step of dividing the chip into unit chips so that all of the angles are substantially equilateral triangles with acute angles.
[20] 上記[19]に記載の製造方法によって得られる発光ダイオード。
[21] 上記[1]〜[18]、又は[20]の何れか1項に記載の発光ダイオードが用いられてなるランプ。
[20] A light-emitting diode obtained by the production method according to [19].
[21] A lamp comprising the light-emitting diode according to any one of [1] to [18] or [20].
本発明の発光ダイオードによれば、基板の主面上に少なくとも発光層を含む化合物半導体層が積層され、該化合物半導体層の上面側が発光面とされたチップ構造を有しており、基板が、平面視形状で各々隣接する側面の間の角度が全て鋭角の略正三角形である構成とされている。基板に用いられる材料は、封止する樹脂材料よりも屈折率が大きく、界面での内部反射が大きいことと、基板の各側面の間が鋭角をなし、各側面における入射角が異なることから、基板に入射した光が内部で繰り返し反射するのを抑制することができるので、基板側面からの光取り出し効率を向上させることが可能になる。
また、基板を略正三角形に構成した場合には、各側面を略等価特性とすることができ、全ての側面の光取り出し効率を向上させた場合には基板側面から外部に出射される光が増加し、一方、全ての側面の光取り出し量を抑制した場合には発光ダイオード発光面からの光取り出し量が増加するので、発光ダイオードの使用形態等に応じて、効率良く光を取り出す方向を適宜設定することが可能となる。
従って、光取り出し効率に優れ、輝度が高められた発光ダイオードが実現できる。
According to the light-emitting diode of the present invention, a compound semiconductor layer including at least a light-emitting layer is stacked on the main surface of the substrate, and the top surface side of the compound semiconductor layer has a light-emitting surface. In the plan view shape, the angles between adjacent side surfaces are all substantially equilateral triangles having acute angles. The material used for the substrate has a refractive index greater than that of the resin material to be sealed, the internal reflection at the interface is large, and there is an acute angle between the side surfaces of the substrate, and the incident angle on each side surface is different, Since the light incident on the substrate can be prevented from being repeatedly reflected inside, the light extraction efficiency from the side surface of the substrate can be improved.
In addition, when the substrate is configured in a substantially equilateral triangle, each side surface can have substantially equivalent characteristics, and when the light extraction efficiency of all the side surfaces is improved, the light emitted from the substrate side surface to the outside is reduced. On the other hand, when the amount of light extraction from all sides is suppressed, the amount of light extraction from the light emitting diode light emitting surface increases. It becomes possible to set.
Therefore, a light emitting diode with excellent light extraction efficiency and increased luminance can be realized.
また、本発明のランプによれば、上記本発明の発光ダイオードが用いられてなるものなので、発光特性に優れたものとなる。 Moreover, according to the lamp of the present invention, since the light emitting diode of the present invention is used, the light emitting characteristics are excellent.
以下に、本発明の実施形態である発光ダイオード及びその製造方法、並びにランプについて、図1〜図6を適宜参照しながら説明する。図1は本実施形態の発光ダイオードを示す模式平面図であり、図2は図1に示す発光ダイオードの模式断面図である。また、図3及び図4は、本実施形態の発光ダイオードの製造方法を説明するための模式図であり、半導体積層ウェーハの層構造を示す断面図である。また、図5及び図6は本実施形態の発光ダイオードが用いられてなるランプの模式断面図である。なお、以下の説明において参照する図面は、本実施形態の発光ダイオード及びその製造方法、並びにランプを説明する図面であって、図示される各部の大きさや厚さや寸法等は、実際の発光ダイオード等の寸法関係とは異なっている。 Hereinafter, a light-emitting diode, a manufacturing method thereof, and a lamp that are embodiments of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 6 as appropriate. FIG. 1 is a schematic plan view showing a light-emitting diode according to this embodiment, and FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of the light-emitting diode shown in FIG. 3 and 4 are schematic views for explaining the method of manufacturing the light emitting diode according to this embodiment, and are cross-sectional views showing the layer structure of the semiconductor laminated wafer. 5 and 6 are schematic cross-sectional views of a lamp using the light emitting diode of this embodiment. The drawings referred to in the following description are for explaining the light emitting diode of the present embodiment, the manufacturing method thereof, and the lamp. The size, thickness, dimensions, and the like of each part shown are the actual light emitting diodes, etc. This is different from the dimensional relationship.
[発光ダイオード(積層半導体ウェーハ)の積層構造]
本実施形態の発光ダイオード1は、図1及び図2に示す例のように、基板11の主面11a上に少なくとも発光層15を含む化合物半導体層20が接合又は積層され、該化合物半導体層20の上面20a側(図1及び図2に示すn型半導体14側)が発光面とされたチップ構造を有する発光ダイオード1であり、基板11は、平面視形状で、各々隣接する側面11b、11c、11dの間の角度が全て鋭角の略正三角形として概略構成されている。
また、図1及び図2に示す例の発光ダイオード1は、化合物半導体層20の発光面20aと基板11(本例では化合物半導体層20全体と基板11)とが平面視形状で略相似形とさている。
[Laminated structure of light emitting diode (laminated semiconductor wafer)]
In the light emitting diode 1 of the present embodiment, as in the example shown in FIGS. 1 and 2, the
1 and 2, the
また、図1及び図2に示す例の発光ダイオード1は、n型半導体層14上にn型オーミック電極(負極)18が積層されており、また、p型半導体層16に形成された露出領域16dにp型オーミック電極(正極)19が形成されている。
以下、本実施形態の発光ダイオード1の積層構造について詳述する。
In the light emitting diode 1 of the example shown in FIGS. 1 and 2, an n-type ohmic electrode (negative electrode) 18 is stacked on the n-
Hereinafter, the laminated structure of the light emitting diode 1 of the present embodiment will be described in detail.
『基板』
一般に、基板の材料としては、サファイア(α−Al2O3単結晶)、炭化シリコン(SiC)、ガリウムリン(GaP)及びGaN等のIII−V族半導体結晶を表面にエピタキシャル成長させることが可能な基板材料を適宜選択して用いることが可能である。これらの内、透光性材料を用いることが、発光ダイオードの光取り出し効率を向上させ、輝度を高められる点から好ましく、中でもGaPを用いることが、加工性や量産性等の点から最も好ましい。また、基板の材料としては、3つの側面を等価にできる単結晶基板を採用することが好ましいが、ガラス等の非晶質材料を採用することも可能である。またさらに、基板の材料としては、後述の発光層15に用いられる材料と、熱膨張係数、屈折率等の物性が近似しているものを採用することがより好ましい。例えば、AlGaInPからなる発光層を採用した場合には、GaPからなる基板を用い、GaInNからなる発光層に対しては、GaNからなる基板を用いる等の組み合わせが挙げられる。
"substrate"
Generally, as a substrate material, it is possible to epitaxially grow III-V group semiconductor crystals such as sapphire (α-Al 2 O 3 single crystal), silicon carbide (SiC), gallium phosphide (GaP), and GaN on the surface. A substrate material can be appropriately selected and used. Of these, the use of a light-transmitting material is preferable from the viewpoint of improving the light extraction efficiency of the light-emitting diode and increasing the luminance, and among them, the use of GaP is most preferable from the viewpoint of workability and mass productivity. Further, as the substrate material, it is preferable to employ a single crystal substrate capable of making three side surfaces equivalent, but it is also possible to employ an amorphous material such as glass. Furthermore, as a material for the substrate, it is more preferable to adopt a material whose physical properties such as a thermal expansion coefficient and a refractive index are similar to those used for the
また、基板11の大きさとしては、通常は直径2インチ又は3インチ程度のものが用いられるが、これには限定されず、例えば、直径4〜6インチの円形又は矩形基板等、さらに大型の基板を使用することも可能である。
Further, the size of the
従来から発光ダイオードの支持基板として用いられ、例えば、GaP等の材料からなる単結晶基板は、平面視四角形等の方形のチップとして素子分割した場合、一方の対向する各側面と他方の対向する各側面とでは、露出する結晶面が異なる構成となり、特に、化学的特性が異なる場合がある。このような場合には、例えば、化学的処理により、一方の対向する各側面において、光取り出し効率の高い結晶面(粗い面)を露出させると、他方の対向する各側面においては面が粗くならず、光取り出し効率のあまり高くない結晶面が露出することから、この他方の対向する各側面における光取り出し効率が低くなるという問題があった。また、このような従来の構成の発光ダイオードにおいては、チップの各側面からの光の取り出しが不均一になるという問題があった。 Conventionally used as a support substrate of a light emitting diode, for example, when a single crystal substrate made of a material such as GaP is divided into a square chip such as a quadrangle in a plan view, one opposing side surface and the other opposing surface The side faces have different structures of exposed crystal faces, and in particular, chemical characteristics may be different. In such a case, for example, when a crystal surface (coarse surface) with high light extraction efficiency is exposed on one opposing side surface by chemical treatment, the surface on the other opposing side surface becomes rough. In addition, since the crystal plane that is not so high in light extraction efficiency is exposed, there is a problem in that the light extraction efficiency on each of the other opposing side surfaces is low. In addition, the light emitting diode having such a conventional configuration has a problem that light extraction from each side surface of the chip is not uniform.
これに対し、本発明の発光ダイオード1に備えられる基板11は、平面視形状で、各々隣接する側面11b、11c、11dの間の角度が全て鋭角の略正三角形として構成されている。このように、発光ダイオード1の基板11を略正三角形とすることにより、各側面11b、11c、11d間の角度変化が大きくなるとともに、基板11の側面11b、11c、11dの各々に略等価な面方位の結晶面を露出させることが可能になる。
また、基板11の主面11aを(111)面にすると、各側面11b、11c、11dが、化学的性質も含めて略等価な面方位の結晶面からなるとともに、その結晶面が光取り出し効率を向上させるうえで適正な結晶面、つまり、(011)面、又はこの面より、同じ角度をオフした面である構成とすることにより、基板11に入射した光が内部で繰り返し反射するのを抑制することができる。従って、後述の化合物半導体層20から基板11に入射した光が、基板11内部で繰り返し反射したりすることがなく、効率良く基板11の外部へ向けて取り出すことが可能となる。
On the other hand, the board |
Further, when the
上述のように、本発明に係る発光ダイオード1は、後述の化合物半導体層20に備えられる発光層15から出射される光が、主面11aを介して基板11にも入射する。このような、基板11の内部に入射した光は、基板11の各側面11b、11c、11dを、上述のように略等価な結晶面として構成することにより、側面11b、11c、11dの各々における光取り出し特性も略等価の特性となる。
As described above, in the light emitting diode 1 according to the present invention, the light emitted from the
ここで、例えば、基板11の各側面11b、11c、11dを、へき開面として鏡面状に形成した場合には、各側面11b、11c、11dからの光取り出し量が抑制され、化合物半導体層20から基板11内部に入射された光が、主面11a側から出射され、再び化合物半導体層20に向かう。これにより、発光ダイオード1の発光面20a側からの発光比率が増加する。
一方、基板11の各側面11b、11c、11dを、例えば、メカニカル処理、化学処理方法等によって粗面化した場合には、各側面11b、11c、11dの光取り出し効率がさらに上昇し、これら各側面からの光取り出し量が一層増加するとともに光取り出し特性が略等価特性となる。
このように、基板11の各側面11b、11c、11dを略等価な面方位の結晶面で構成することにより、全ての側面11b、11c、11dの光取り出し効率を向上させた場合には、これら各側面から外部に出射される光が増加し、全ての側面11b、11c、11dの光取り出し量を抑制した場合には、発光ダイオード1の発光面20a側からの輝度が高められる。これにより、例えば、発光ダイオードの使用形態等に応じて、効率良く光を取り出す方向を適宜設定することが可能となる。従って、より輝度に優れた発光ダイオード1を実現することが可能となる。
Here, for example, when each
On the other hand, when the side surfaces 11b, 11c, and 11d of the
As described above, when the side surfaces 11b, 11c, and 11d of the
なお、本発明に係る発光ダイオードにおいては、基材11の主面11aの結晶面方位を選択する必要がある。本実施形態では、特に、基板11の主面11aが、(111)面であることが、良好な結晶性を有する化合物半導体層を形成できる点から好ましい。
また、主面11aを(111)面として基板11を分割した場合、該基板11が3方向の結晶面に沿って割れ易い面(へき開面)を有するという特性がある。また、この場合、(111)面の側面となる計6面の全てに同じ特性の面が露出するので、基板11を略正三角形に分割した際、全ての面を、化学的特性も含めて略等価特性として容易に構成することが可能となる。
In the light emitting diode according to the present invention, it is necessary to select the crystal plane orientation of the
Further, when the
また、基板11を、上述のような略正三角形に裁断して略等価な面方位の結晶面を露出させ、素子単位に分割する方法としては、例えば、従来公知のダイシングソー等を利用することができる。この場合、サイズの制約は無いが、例えば、1辺を400μm程度とし、基板11の全ての側面11b、11c、11dが、(110)面から0度〜30度オフ面の範囲となるように裁断を施し、平面視で略正三角形に切断する方法とすることができる。あるいは、各側面11b、11c、11dを(110)面として、スクライブ法によって切断することにより、これら各側面11b、11c、11dを鏡面にすることも可能である。なお、この際に用いる切断技術としては、小さなチップを切断した場合には収率の低下を招く虞があるので、略正三角形の一辺あたりの長さが600μm以上とされた、比較的大きなチップに構成することが好ましい。
Further, as a method of cutting the
また、本発明に係る発光ダイオードにおいては、基板11と、詳細を後述する化合物半導体層20に備えられる発光層15との間の屈折率の差が0.5以下であることが好ましい。基板11と発光層15との間の屈折率を上記範囲とすることにより、発光層15(化合物半導体層20)からの発光が、基板11に容易に入射することから、より輝度を高めることが可能となる。また、基板11の屈折率は、3以上であることが、上記効果がより高められる点で、さらに好ましい。
In the light emitting diode according to the present invention, the difference in refractive index between the
『化合物半導体層』
図1及び図2に示すように、基板11の主面11a上には、p型半導体層16、発光層15及びn型半導体層14の各層をこの順で備える化合物半導体層20が設けられている。
本実施形態の化合物半導体層20は、図示例では、平面視形状において基板11と略相似形とされている。また、本実施形態で説明する化合物半導体層20は、後述の製造方法において詳細を説明するが、エピタキシャル成長用基板30(図3及び図4を参照)上において予め形成された層であり、発光ダイオード1は、基板11の主面11a上に、予め形成された化合物半導体層20に備えられるp型半導体層16の表面16aが接合されてなるものである。
Compound semiconductor layer
As shown in FIGS. 1 and 2, a
In the illustrated example, the
本実施形態の化合物半導体層20は、発光層15を含む積層半導体構造を有し、図2の模式断面図に示すように(図3及び図4も参照)、基板11の主面11a上に、p型半導体層16、発光層15及びn型半導体層14が順次積層された構造とされており、一般式(AlXGa1−X)YIn1−YP(0≦X≦1,0<Y≦1)で表されるIII−V族化合物半導体を好適に用いることができる。
化合物半導体層20は、具体的には、以下に説明するような構造とされている。
The
Specifically, the
p型半導体層16は、Mg、Zn等が所定量でドープされたp型特性を有し、例えば、GaPからなるp型のコンタクト層である。Mgをドーピングするための原料としては、例えば、公知のビスシクロペンタジエチルマグネシウム(bis−(C5H5)2Mg)等が用いられる。
また、本発明においては、輝度をより向上させるため、p型半導体層16には上記GaPを用いることが好ましいが、その他、例えば、AlGaAs、AlGaInP等のIII−V族化合物半導体結晶についても、何ら制限無く採用することが可能である。
The p-
In the present invention, the GaP is preferably used for the p-
発光層15は、上記p型半導体層16上に備えられており、該p型半導体層16側から順に、例えば、Mg、Zn等をドープしたp形特性を有し、(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5Pからなるp型クラッド層及び(Al0.5Ga0.5)0.5In0.5Pの薄膜からなるp型クラッド層15cと、アンドープの(Al0.2Ga0.8)0.5In0.5Pからなる障壁層と、(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5Pからなる井戸層が交互に20対で積層されてなる多重量子井戸層15bと、Si、Te等をドープしたn形特性を有する(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5Pからなるn型クラッド層15aと、が積層された構成とされている。この際、多重量子井戸層等の構造を有する公知の発光層15(多重量子井戸層15b)をなし、(AlXGa1−X)YIn1−YP(0≦X≦1,0<Y≦1)なる組成の障壁層及び井戸層の構成は、所望の発光波長が得られるように適宜決定することができる。また、p型クラッド層15c、n型クラッド層15a、多重量子井戸層15bをなす障壁層の組成や厚さ、キャリア濃度等は、発光効率が高くなるように適宜調整すれば良い。また、本実施形態の発光ダイオードにおいては、上記n型及びp型の極性を入れ替えた層構造とすることも可能である。
Emitting
発光層15の材質としては、上述した一例のみならず、GaInN系、AlGaAs系等の空来公知の材料を用いることが可能であるが、GaP基板に直接成長するGaP系化合物半導体からなる発光層15は、貼付け工程が不要である点から好適に用いることが出来る。特に、発光効率の高いAlGaInP系とGaP基板の組み合わせとすることが、最も好ましい。
The material of the
本実施形態の発光ダイオード1に備えられる発光層15は、上記構成により、p型クラッド層15c、多重量子井戸層15b及びn型クラッド層15aからなる、所謂pn接合型ダブルヘテロ接合構造とされている。発光層15は、キャリアを閉じ込めるため、ダブルヘテロ構造等の公知の構造を適用できる。
The
上述のような多重量子井戸層15bは、n形又はp形の何れの伝導形の化合物半導体からも構成することが可能である。
また、本実施形態の発光層15は、上記構成の多重量子井戸構造(Multiple Quantum Well:MQW)とされた、多重量子井戸層15bが備えられた構成とされているが、発光構造については、これには限定されない。例えば、上記多重量子井戸構造の他、単一(single)量子井戸(SQW)構造を採用することも可能であるが、単色性に優れる発光を得るためには多重量子井戸構造であることが好ましい。
このような発光層15は、格子整合したGaAsや、InP、GaP等のIII−V族化合物半導体等の単結晶基板の表面上に形成することができる。また、上記発光層の構造に付加して、従来公知の技術である機能的な層、例えば、コンタクト層、電流拡散層、電流素子層等を設けた構成とすることができる。
The multiple
In addition, the
Such a
n型半導体層14は、上記発光層15上に備えられており、Si、Te、Snが所定量でドープされたn型特性を有し、例えば、Siドープの(Al0.5Ga0.5)0.5In0.5Pからなるn型のコンタクト層である。Siをドーピングするための原料としては、例えば、ジシラン(Si2H6)が用いられる。
The n-
また、図1及び図2に示す例のように、化合物半導体層20の発光面20aは、基板11と平面視形状で略相似形とさていることが、発光ダイオード1の輝度をより向上させる点から好ましい。図示例においては、化合物半導体層20の上面、つまりn型半導体層14の上面である発光面20aが、p型半導体層16上に形成される露出領域16dに対応する位置を除き、その下方に位置する基板11と平面視形状で略相似形に構成されている。
また、図示例のように、化合物半導体層20全体を基板11と平面視形状で略相似形に構成し、化合物半導体層20の側面20b、20c、20dの各々を、基板11の各側面11b、11c、11dに沿うように形成することが、発光ダイオード1の輝度をより一層高めることが可能となる点から好ましい。
Further, as in the example shown in FIGS. 1 and 2, the
Further, as illustrated, the entire
『n型オーミック電極及びp型オーミック電極』
n型オーミック電極18は、上述のn型半導体層14上に設けられる電極である。n型オーミック電極18の材料及び構造としては、例えば、AuGe/Ni合金膜、及びAu膜からなる積層膜等、各種構成が周知であり、これら周知の材料、構造のものを何ら制限無く用いることができる。
"N-type ohmic electrode and p-type ohmic electrode"
The n-
p型オーミック電極19は、基板11上に、p型半導体層16、発光層15及びn型半導体層14が順次積層された半導体層において、p型半導体層16に接するように設けられる。このため、p型オーミック電極19を設ける際は、n型半導体層14、発光層15の少なくとも一部を除去することにより、p型半導体層16の露出領域16aを形成し、この上にp型オーミック電極19を形成する。
p型オーミック電極19の材料としては、例えば、AuBe合金膜、及びAu膜からなる積層膜等、各種構成が周知であり、この技術分野でよく知られた慣用の手段で設けることができる。
The p-
As the material of the p-
以上説明したように、本発明に係る発光ダイオード1によれば、基板11の主面11a上に少なくとも発光層15を含む化合物半導体層20が積層され、該化合物半導体層20の上面側が発光面20aとされたチップ構造を有しており、基板11が、平面視形状で各々隣接する側面11b、11c、11dの間の角度が全て鋭角の略正三角形である構成とされている。基板11に用いられる材料は、樹脂材料よりも屈折率が大きく、界面での内部反射が大きいことと、基板11の各側面11b、11c、11dの間が鋭角をなし、各側面11b、11c、11dにおける入射角が異なることから、基板11に入射した光が内部で繰り返し反射するのを抑制することができるので、各側面11b、11c、11dからの光取り出し効率を向上させることが可能になる。
As described above, according to the light emitting diode 1 according to the present invention, the
また、基板11を略正三角形に構成した場合には、各側面11b、11c、11dを略等価特性とすることができ、全ての側面11b、11c、11dの光取り出し効率を向上させた場合には基板側面から外部に出射される光が増加し、一方、全ての側面11b、11c、11dの光取り出し量を抑制した場合には、発光ダイオード1の発光面20aからの光取り出し量が増加するので、発光ダイオードの使用形態等に応じて、効率良く光を取り出す方向を適宜設定することが可能となる。従って、光取り出し効率に優れ、輝度が高められた発光ダイオードが実現できる。
Further, when the
また、本発明は、図1及び図2に示す例のような同一面電極型の発光ダイオードに限定されるものではなく、例えば、GaPからなる基板にオーミック電極が形成されてなる上下電極型のものに適用した場合でも同様の効果が得られ、この場合には、輝度に優れた上下電極型の発光ダイオードを実現することが可能となる。 Further, the present invention is not limited to the coplanar electrode type light emitting diode as shown in the examples shown in FIG. 1 and FIG. 2. For example, the upper and lower electrode type in which an ohmic electrode is formed on a substrate made of GaP. The same effect can be obtained even when applied to a device, and in this case, it is possible to realize an upper and lower electrode type light emitting diode excellent in luminance.
本発明は、例えば、本実施形態で説明する例のような、GaPからなる(111)面の基板に化合物半導体層を貼り付けて得られるAlGaInP系の発光ダイオードの他、GaP(111)面単結晶基板上に、液相エピタキシャル法(LPE法)によって発光層を含む化合物半導体層をエピタキシャル成長させて得られる黄緑色、赤色のGaP発光ダイオードに容易に適用でき、効果が大きく好適な例である。 The present invention includes, for example, an AlGaInP light emitting diode obtained by attaching a compound semiconductor layer to a (111) plane substrate made of GaP as in the example described in the present embodiment, and a single GaP (111) plane. This is a suitable example because it can be easily applied to yellow-green and red GaP light-emitting diodes obtained by epitaxially growing a compound semiconductor layer including a light-emitting layer on a crystal substrate by a liquid phase epitaxial method (LPE method).
[発光ダイオードの製造方法]
本実施形態の発光ダイオードの製造方法は、エピタキシャル成長用基板30上に、少なくともn型半導体層14、発光層15及びp型半導体層16をこの順で積層して化合物半導体層20を形成するエピタキシャル工程と、化合物半導体層20に基板11を貼り付ける接合工程と、化合物半導体層20からエピタキシャル成長用基板30を除去して発光面20aを露出させることにより、積層半導体ウェーハ21を形成する除去工程と、積層半導体ウェーハ21を裁断し、平面視形状で、各々隣接する側面の間の角度が全て鋭角の略正三角形となるように、素子単位のチップに分割して発光ダイオード1とする分割工程と、を備えた方法である。また、本実施形態の製造方法では、上記除去工程と分割工程との間において、電極を形成する工程が設けられている。
また、本実施形態の製造方法に備えられる上記分割工程においては、積層半導体ウェーハ21を構成する基板11及び化合物半導体層20の各側面、つまり、基板11の各側面11b、11c、11d、並びに化合物半導体層20の各側面20b、20c、20dの各々を、平面視形状で、各々隣接する側面の間の角度が全て鋭角の略正三角形となるように分割する。
[Method for manufacturing light-emitting diode]
In the method of manufacturing the light emitting diode according to the present embodiment, the
Moreover, in the said division | segmentation process with which the manufacturing method of this embodiment is equipped, each side surface of the board |
そして、本実施形態では、n型半導体層14上にn型オーミック電極18を積層するとともに、p型半導体層16上に形成された露出領域16dにp型オーミック電極19を積層して各電極を形成する工程が備えられている(図1及び図2を参照)。
以下、本実施形態の発光ダイオードの製造方法について詳述する。
In this embodiment, the n-
Hereinafter, the manufacturing method of the light emitting diode of this embodiment is explained in full detail.
『エピタキシャル工程』
エピタキシャル工程においては、まず、Siをドープしたn形特性とされ、(100)面から15°傾けた面を有するGaAs単結晶からなるエピタキシャル成長用基板30を用意し、この基板上に、n型半導体層14、発光層15及びp型半導体層16をこの順で積層して化合物半導体層20を形成する。
本実施形態では、エピタキシャル工程として、まず、エピタキシャル成長用基板30上に、Siをドープしたn形特性のGaAsからなる緩衝層13を形成し、この上に、Siドープの(Al0.5Ga0.5)0.5In0.5Pからなるn型半導体層14、Siドープのn形特性を有する(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5Pからなるn型クラッド層15aと、アンドープの(Al0.2Ga0.8)0.5In0.5Pからなる障壁層と(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5Pからなる井戸層が交互に20対で積層されてなる多重量子井戸層15bと、Mgドープのp形特性を有し、(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5Pからなる第2クラッド層及び(Al0.5Ga0.5)0.5In0.5Pの薄膜からなるp型クラッド層15cとが積層されてなる発光層15、及び、Mgドープでp型特性を有するGaPからなるp型半導体層16を順次積層する例を説明する。
"Epitaxial process"
In the epitaxial process, first, an
In this embodiment, as an epitaxial process, first, a
本実施形態のエピタキシャル工程では、上記組成からなる緩衝層13、n型半導体層14、発光層15及びp型半導体層16の各層を形成する際、トリメチルアルミニウム((CH3)3Al)、トリメチルガリウム((CH3)3Ga)およびトリメチルインジウム((CH3)3In)III族構成元素の原料に用いた減圧有機金属化学気相堆積法(MOCVD法)により、エピタキシャル成長用基板30に各層を形成することができる。
In the epitaxial process of this embodiment, trimethylaluminum ((CH 3 ) 3 Al), trimethyl is formed when the
p型クラッド層15c及びp型半導体層16を形成する際にドープするMgの原料としては、上述したように、ビスシクロペンタジエチルマグネシウム(bis−(C5H5)2Mg)を用いることができる。また、n型半導体層14及びn型クラッド層15aを形成する際にドープするSiの原料としては、ジシラン(Si2H6)を用いることができる。
また、V族構成元素の原料としては、ホスフィン(PH3)またはアルシン(AsH3)を用いることができる。
As described above, biscyclopentadiethylmagnesium (bis- (C 5 H 5 ) 2 Mg) is used as the Mg raw material to be doped when forming the p-
In addition, phosphine (PH 3 ) or arsine (AsH 3 ) can be used as a raw material for the group V constituent element.
化合物半導体層20を形成する際の成長温度としては、例えば、GaPからなるp型半導体層16は700〜780℃程度で成長させることができる。また、その他の層、つまり、n型半導体層14及び発光層15に加え、障壁層13を含めた各層の成長温度も、700〜780℃程度で成長させることができる。
As a growth temperature when forming the
ここで、GaAsからなる緩衝層13は、キャリア濃度を、単結晶基板と同程度の約0.1×1018cm−3〜5×1018cm−3、膜厚を0.1〜1μm程度とすることができる。
また、(Al0.5Ga0.5)0.5In0.5Pからなるn型半導体層14は、キャリア濃度を約0.1×1018cm−3〜5×1018cm−3、膜厚を1〜8μm程度とすることができる。
また、発光層15を構成するn型クラッド層15aは、キャリア濃度を約1×1017cm−3〜30×1017cm−3、膜厚を0.1〜2μm程度とすることができる。多重量子井戸層15bは、アンドープで、膜厚を0.2〜2μm程度とすることができる。p型クラッド層15cは、キャリア濃度を約1×1017cm−3〜20×1017cm−3とし、膜厚を0.1〜3μm程度とすることができる。
また、p型半導体層16は、キャリア濃度を約0.5×1018cm−3〜5×1018cm−3とし、膜厚を0.5〜20μm程度とすることができる。このp型半導体層16の膜厚が薄いと、電流拡散が不十分となり、発光層15へ電流が均一に供給されないため、発光効率の低下を招く虞がある。また、不必要に厚い膜厚とした場合にはコストアップとなり、また、層の成長も技術的に困難となる場合がある。またさらに、p型半導体層16のキャリア濃度が低い場合は電流拡散が不十分となり、高すぎる場合は結晶品質の低下を招く虞がある。
Here, the
Further, (Al 0.5 Ga 0.5) 0.5 In 0.5 n -
The n-
The p-
『接合工程』
次に、接合工程においては、化合物半導体層20のp型半導体層16側に基板11を貼り付ける。
"Joining process"
Next, in the bonding step, the
基板11としては、例えば、キャリア濃度が約0.5×1017cm−3〜5×1017cm−3となるようにSiが添加され、面方位が(111)とされたGaP単結晶基板を用いることが好ましい。また、基板11の直径としては、積層半導体の分野において通常用いられる、例えば、直径が50mm程度、厚さが50〜250μm程度のものを何ら制限無く用いることができる。また、基板11は、その主面11aを鏡面研磨することにより、平方平均平方根値(rms)にして1nm以下、より好ましくは0.2nm以下に仕上げておく。
As the
次いで、化合物半導体層20のp型半導体層16と基板11とを接合するが、この際、一般に用いられる半導体材料貼付装置を用いることができ、加熱圧着法や接着剤等の公知の方法を何ら制限無く用いることが可能である。中でも、応力が小さく接合強度の強い、常温接合法を用いることが好ましく、このような方法とした場合には、まず、半導体材料貼付装置の内部に、基板11及びエピタキシャル成長用基板30上に化合物半導体層20が形成されたウェーハを搬入し、装置内を真空減圧する。
次いで、基板11の主面11a及びp型半導体層16の双方にArビームを照射する。そして、基板11の主面11aと化合物半導体層20のp型半導体層16(表面16a)を重ね合わせ、各々の表面における圧力が10〜500g/cm2となるように荷重を付与することにより、室温下で直接接合する。
Next, the p-
Next, both the
なお、詳細な図示を省略するが、本実施形態においては、基板11と化合物半導体層20に備えられるp型半導体層16との間に貼付用基板を介在させた方法とすることができる。このような場合には、例えば、貼付用基板を化合物半導体層20に備えられるp型半導体層16の表面16a、又は、基板11に貼り付けた後、基板11と化合物半導体層20とを接合する手順とすることができる。
In addition, although detailed illustration is abbreviate | omitted, in this embodiment, it can be set as the method of interposing the sticking board | substrate between the board |
『除去工程』
次に、除去工程では、化合物半導体層20からエピタキシャル成長用基板30を除去して発光面20aを露出させることにより、積層半導体ウェーハ21を形成する。
具体的には、エピタキシャル成長用基板30及び緩衝層13を、機械的研磨や、アンモニア系エッチャント等を用いて選択的にエッチングする方法を採用することが好ましい。
"Removal process"
Next, in the removing step, the
Specifically, it is preferable to employ a method of selectively etching the
『電極形成工程』
次に、電極形成工程では、n型半導体層14上にn型オーミック電極18を積層するとともに、p型半導体層16上に形成された露出領域16dにp型オーミック電極19を積層する(図1及び図2を参照)。
"Electrode formation process"
Next, in the electrode formation step, the n-
具体的には、まず、n型半導体層14上にn型オーミック電極18を形成する。このn型オーミック電極18は、例えば、n型半導体層14側から順に、0.1〜1μmの厚さのAuGe/Ni合金膜、及び、厚さが1〜3μmのAu膜を真空蒸着法により堆積した後、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施すことにより、図1及び図2に示すような形状に形成することができる。
Specifically, first, an n-
また、p型オーミック電極19を形成する際は、まず、基板11上のn型半導体層14及び発光層15の一部を、ウェットエッチング、ドライエッチング等の方法によって除去することにより、p型半導体層16の露出領域16dを形成する。そして、この露出領域16d上に、例えば、露出領域16d表面側から順に、一般的な真空蒸着法やスパッタ法等を用いて、厚さが0.1〜1μmのAuBe合金膜やAuZn、及び厚さが1〜3μmのAu膜との積層膜を被着させる。そして、400〜500℃の温度で10分間の熱処理を施し、合金化して低接触抵抗のp形オーミック電極19を形成する。また、この際、上記合金層とAu膜の間に、Pt、Ti、Cr、Wなどのバリアメタルを介在させても良い。
When the p-
『分割工程』
次に、分割工程では、積層半導体ウェーハ21をダイシングによって裁断し、平面視形状で、各々隣接する側面の間の角度が全て鋭角の三角形となるように、素子単位のチップに分割して発光ダイオード1とする。
"Division process"
Next, in the dividing step, the
具体的には、まず、化合物半導体層20を、裁断予定ラインであるスクライブラインに沿ってエッチング除去する。
次いで、ダイシングソーを用いて、基板11の全ての側面11b、11c、11dの各々が(110)面から30度オフ面となるように裁断を施し、平面視形状で1辺が300〜2000μmの略正三角形に切断することにより、チップ状の発光ダイオード1とする。
Specifically, first, the
Next, using a dicing saw, all the side surfaces 11b, 11c, and 11d of the
なお、ダイシングによる分割後、裁断によって各側面11b、11c、11dに破砕層が生じることがある。このような場合には、各側面11b、11c、11dに化学的エッチングを施すことにより、破砕層を除去すれば良い。
また、上述したように、基板11内部からの光取り出し効率の向上を目的として、各側面11b、11c、11dを粗面とする場合には、さらに、各側面11b、11c、11dに化学的処理を施す方法を用いることが、低コストである点から好ましい。
In addition, after division | segmentation by dicing, a crushing layer may arise in each
Further, as described above, when the side surfaces 11b, 11c, and 11d are roughened for the purpose of improving the light extraction efficiency from the inside of the
また、本実施形態においては、各側面11b、11c、11dを(110)面30度オフとして形成する方法を例に挙げて説明しているが、例えば、各側面11b、11c、11dを(110)面としてスクライブ法によって切断することにより、各側面11b、11c、11dを鏡面にすることも可能である。各側面11b、11c、11dを鏡面とした場合には、これら各側面からの光取り出し量は抑制されるものの、発光ダイオード1の上面側である発光面20aからの光取り出し量が増加する。また、種々の面方位と切断方法を組み合わせることにより、各側面からの光取り出し特性が中間的特性とされた発光ダイオードチップを作製することも可能となる。
In the present embodiment, the method of forming the side surfaces 11b, 11c, and 11d with the (110)
[ランプ]
本発明に係る発光ダイオードを用いて、当業者周知の手段によってランプを構成することができる。このようなランプとしては、一般用途の砲弾型、携帯機器用途のサイドビュー型、表示器に用いられるトップビュー型等、何れの用途にも用いることができる。
[lamp]
Using the light emitting diode according to the present invention, a lamp can be constituted by means well known to those skilled in the art. As such a lamp, it can be used for any purpose such as a bullet type for general use, a side view type for portable equipment, and a top view type used for a display.
例えば、図5及び図6に示す例のように、同一面電極型の発光ダイオード1をトップビュー型に実装する場合には、マウント用基板45の表面に設けられたn電極端子43及びp電極端子44の内の一方(図5及び図6ではn電極端子43)に発光ダイオード1の基板11側を接着し、また、発光ダイオード1のp型オーミック電極19をワイヤー46でp電極端子44に接合し、n型オーミック電極18をワイヤー47でn電極端子43に接合する。そして、透明な樹脂からなるモールド樹脂41で発光ダイオード1の周辺をモールドすることにより、図5及び図6に示すようなトップビュー型のランプ4を作製することができる。
本実施形態のランプ4は、上記本発明に係る発光ダイオード1が用いられてなるものなので、非常に高い輝度を備え、発光特性に優れたものとなる。
For example, as in the example shown in FIGS. 5 and 6, when the coplanar electrode type light emitting diode 1 is mounted in a top view type, an
The lamp 4 of the present embodiment is formed by using the light emitting diode 1 according to the present invention, and therefore has extremely high luminance and excellent light emission characteristics.
以下に、本発明の発光ダイオード及びその製造方法、並びにランプを、実施例によりさらに詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例にのみ限定されるものではない。 Hereinafter, the light-emitting diode, the manufacturing method thereof, and the lamp of the present invention will be described in more detail by way of examples. However, the present invention is not limited to these examples.
[実施例1]
図1及び図2は、本実施例で作製した発光ダイオードの模式図であり、図1は平面図、図2は図1に示すI−I断面図である。また、図3及び図4は、半導体積層ウェーハの層構造を示す断面図であり、図5及び図6は、図1に示す発光ダイオードを用いて作製したランプの模式断面図である。
本実施例では、GaAsからなるエピタキシャル成長用基板上に設けたエピタキシャル積層構造体(半導体積層ウェーハ)と、GaPからなる基板とを接合させ、発光層がAlGaInP系化合物半導体からなる、赤色発光を呈する発光ダイオードを作製し、さらに、この発光ダイオードを用いてトップビュー型のランプを作製した。
[Example 1]
1 and 2 are schematic views of a light-emitting diode manufactured in this example, FIG. 1 is a plan view, and FIG. 2 is a cross-sectional view taken along the line II shown in FIG. 3 and 4 are cross-sectional views showing the layer structure of the semiconductor laminated wafer, and FIGS. 5 and 6 are schematic cross-sectional views of lamps manufactured using the light-emitting diodes shown in FIG.
In the present embodiment, an epitaxial laminated structure (semiconductor laminated wafer) provided on an epitaxial growth substrate made of GaAs and a substrate made of GaP are joined, and the light emitting layer is made of an AlGaInP-based compound semiconductor and emits red light. A diode was manufactured, and a top view type lamp was manufactured using the light emitting diode.
『化合物半導体層の成長(エピタキシャル工程)』
まず、Siをドープしたn形特性とされ、(100)面から15°傾けた面を有するGaAs単結晶からなるエピタキシャル成長用基板30を用意した。
そして、エピタキシャル成長用基板30上に、まず、Siをドープしたn形特性のGaAsからなる緩衝層13を形成し、この上に、Siドープの(Al0.5Ga0.5)0.5In0.5Pからなるn型半導体層14、Siドープのn形特性を有する(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5Pからなるn型クラッド層15aと、アンドープの(Al0.2Ga0.8)0.5In0.5Pからなる障壁層と(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5Pからなる井戸層が交互に20対で積層されてなる多重量子井戸層15bと、Mgドープのp形特性を有し、(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5Pからなる第2クラッド層及び(Al0.5Ga0.5)0.5In0.5Pの薄膜からなるp型クラッド層15cとが積層されてなる発光層15、及び、Mgドープでp型特性を有するGaPからなるp型半導体層16を順次積層した。
“Growth of compound semiconductor layers (epitaxial process)”
First, an
Then, a
本実施例では、上記組成からなる緩衝層13、n型半導体層14、発光層15及びp型半導体層16の各層を形成する際、トリメチルアルミニウム((CH3)3Al)、トリメチルガリウム((CH3)3Ga)およびトリメチルインジウム((CH3)3In)III族構成元素の原料に用いた減圧有機金属化学気相堆積法(MOCVD法)により、エピタキシャル成長用基板30に各層を形成した。
In this embodiment, when the
また、p型クラッド層15c及びp型半導体層16にドープするMgの原料としては、ビスシクロペンタジエチルマグネシウム(bis−(C5H5)2Mg)を用い、n型半導体層14及びn型クラッド層15aにドープするSiの原料としては、ジシラン(Si2H6)を用いた。
また、V族構成元素の原料として、ホスフィン(PH3)またはアルシン(AsH3)を用いた。
また、各層の成長温度としては、GaPからなるp型半導体層16を750℃で成長させ、n型半導体層14、発光層15の他、障壁層13を含めた各層を、730℃で成長させた。
Further, biscyclopentadiethylmagnesium (bis- (C 5 H 5 ) 2 Mg) is used as a raw material of Mg doped into the p-
Further, phosphine (PH 3 ) or arsine (AsH 3 ) was used as a raw material for the group V constituent element.
As the growth temperature of each layer, the p-
また、上記成膜処理において、GaAsからなる緩衝層13は、キャリア濃度を約5×1018cm−3、膜厚を約0.2μmとして形成した。
また、n型半導体層14は、キャリア濃度を約2×1018cm−3、膜厚を約1.5μmとして形成した。
また、発光層15を構成するn型クラッド層15aは、キャリア濃度を約8×1017cm−3、膜厚を約1μmとし、多重量子井戸層15bは、アンドープで膜厚を約0.8μmとするとともに、p型クラッド層15cは、キャリア濃度を約2×1017cm−3とし、膜厚を約1μmとして形成した。
また、p型半導体層16は、キャリア濃度を約3×1018cm−3とし、膜厚を約9μmとして形成した。
In the film forming process, the
The n-
The n-
The p-
以上の各工程処理により、エピタキシャル成長用基板30上に、n型半導体層14、発光層15及びp型半導体層16をこの順で積層して化合物半導体層20を形成した。
Through the above process steps, the
『化合物半導体層と基板の接合(接合工程)』
次に、上記工程で形成された化合物半導体層20のp型半導体層16側に基板11を貼り付けた。
この際、まず、p型半導体層16の表面から1μm程度の深さに至る領域を研磨することによって鏡面加工を行い、p型半導体層16の表面粗さが約0.18nmとなるように加工した。
また、p型半導体層16の表面に接合するための支持基板として、GaPからなる基板11を用意した。基板11としては、キャリア濃度が約2×1017cm−3となるようにSiが添加され、面方位が(111)とされた単結晶基板であり、直径が約50mm、厚さが約250μmとされたものを用意した。またさらに、基板11の主面11aを鏡面研磨することにより、平方平均平方根値(rms)にして約0.12nmに仕上げた。また、本実施例では、図2に示すように、さらに、上述の基板11と同様の材質からなり、基板11よりも薄く、また、同様の鏡面研磨処理を施した貼付用基板を準備した。
“Bonding of compound semiconductor layer and substrate (bonding process)”
Next, the
At this time, first, mirror polishing is performed by polishing a region extending from the surface of the p-
Further, a
次いで、半導体材料貼付装置に、基板11、貼付用基板及びエピタキシャル成長用基板30上に化合物半導体層20が形成されたウェーハを搬入し、装置内を3×10−5Pa程度まで減圧した。次いで、基板11の主面11a、貼付用基板の両面及びp型半導体層16表面の各々に、電子を衝突させて中性(ニュートラル)化した中性のArビームを約3分間照射した。そして、真空に維持した装置内において、基板11の主面11aと貼付用基板の一面、並びに貼付用基板の他面とp型半導体層16表面を重ね合わせ、各々の表面における圧力が200g/cm2となるように荷重を付与することにより、室温下で直接接合した。
Next, the wafer on which the
『エピタキシャル成長用基板の除去(除去工程)』
次に、化合物半導体層20からエピタキシャル成長用基板30を除去して発光面20aを露出させることにより、積層半導体ウェーハ21を形成した。この際、エピタキシャル成長用基板30及び緩衝層13を、アンモニア系エッチャント等を用いて選択的に除去した。
“Removal of epitaxial growth substrate (removal process)”
Next, the substrate for
『n型オーミック電極及びp型オーミック電極の形成(電極形成工程)』
次に、n型半導体層14上にn型オーミック電極18を積層するとともに、p型半導体層16上に形成された露出領域16dにp型オーミック電極19を積層した。
“Formation of n-type ohmic electrode and p-type ohmic electrode (electrode formation process)”
Next, the n-
まず、露出させたn型半導体層14の発光面20a上に、2μm厚さのAuGe/Ni合金膜、及び、厚さが1μmのAu膜を、この順で真空蒸着法により堆積した後、フォトリソグラフィー手段でパターニングを施すことにより、図1及び図2に示すような形状のn型オーミック電極18を形成した。
First, an AuGe / Ni alloy film having a thickness of 2 μm and an Au film having a thickness of 1 μm are sequentially deposited on the
また、基板11上のn型半導体層14及び発光層15の一部をドライエッチングによって除去することにより、p型半導体層16の露出領域16dを形成した。そして、露出領域16d上に、真空蒸着法を用いて、厚さが0.2μmのAuBe合金膜と、厚さが1.8μmのAu膜との積層膜をこの順で被着させた。その後、450℃の温度で10分間の熱処理を施して合金化することにより、低接触抵抗のp形オーミック電極19を形成した。
Further, an exposed
『チップ分割(分割工程)』
次に、積層半導体ウェーハ21をダイシングによって裁断し、平面視形状で各々隣接する側面の間の角度が全て鋭角の略正三角形となるように、素子単位のチップに分割した。
まず、化合物半導体層20を、裁断予定ラインに沿ってエッチング除去した後、ダイシングソーを用いて、基板11の全ての側面11b、11c、11dの各々が(110)面から30度オフ面となるように裁断を施した。また、ダイシングによる分割後、裁断によって各側面11b、11c、11dに生じた破砕層を、硫酸及び過酸化水素水の混合液でエッチングすることにより除去した。また、各側面11b、11c、11dを塩酸系エッチャントに浸漬することにより、これら各側面11b、11c、11dを粗面に仕上げた。
上記各手順により、平面視形状で1辺が700μmの略正三角形とされた、チップ状の発光ダイオード1を作製した。
"Chip division (division process)"
Next, the
First, after removing the
Through the above procedures, a chip-shaped light emitting diode 1 having a shape of a plan view and a substantially equilateral triangle having a side of 700 μm was manufactured.
『ランプの作製』
上記手順によって得られた発光ダイオード1を実装することにより、図5及び図6に示すようなトップビュー型のランプ4を作製した。
まず、マウント用基板45の表面に設けられたn電極端子43に、発光ダイオード1の基板11側を接着した。次いで、発光ダイオード1のp型オーミック電極19をワイヤー46でp電極端子44に接合し、n型オーミック電極18をワイヤー47でn電極端子43に接合した。そして、透明な樹脂からなるモールド樹脂41で発光ダイオード1の周辺をモールドすることにより、図5及び図6に示すようなランプ4を作製した。
"Production of lamp"
By mounting the light emitting diode 1 obtained by the above procedure, a top view type lamp 4 as shown in FIGS. 5 and 6 was produced.
First, the
『発光特性の測定』
次いで、上記手順で得られた発光ダイオード1が実装されてなるランプ4について、n電極端子43及びp電極端子44を介して、n型オーミック電極18とp型オーミック電極19との各電極間に順方向電流を流したところ、主波長が620nmとされた赤色光が出射された。また、各電極間に20mAの順方向電流を流した際の順方向電圧(Vf)は、良好なオーミック特性が反映され、約2.0Vであった。また、順方向電流を20mAとした際の発光強度は、上述のような化合物半導体層及び基板の構成によって発光効率が向上され、また、基板の側面が粗面化されて外部への光取り出し効率が向上していることが反映され、700mcdの高輝度となった。
“Measurement of luminous characteristics”
Next, for the lamp 4 on which the light-emitting diode 1 obtained by the above procedure is mounted, between the n-
以上の結果により、本発明に係る発光ダイオード、並びにそれが用いられてなるランプが、光取り出し効率に優れ、高い輝度を備えることが明らかである。 From the above results, it is clear that the light-emitting diode according to the present invention and the lamp using the light-emitting diode have excellent light extraction efficiency and high luminance.
[実施例2]
本実施例においては、主面12aが(111)面からなるGaP基板12を用い、図7(a)、(b)に示すような上下電極構造とした点を除き、上記実施例1と同様の方法で発光ダイオード2を作製した。
[Example 2]
In this example, the same as that of Example 1 above, except that a
『GaP基板の貼付』
本実施例では、実施例1と同様の手順で形成された化合物半導体層20のp型半導体層16(表面16a)側に、p型のGaP単結晶基板であるGaP基板12を貼り付けた。
GaP基板12としては、キャリア濃度が約1×1018cm−3となるようにZnが添加され、面方位が(111)とされたp型単結晶基板であり、直径が約50mm、厚さが約250μmとされたものを用意した。またさらに、基板12の主面12aを鏡面研磨することにより、平方平均平方根値(rms)にして約0.11nmに仕上げた。
“Attaching GaP substrate”
In this example, a
The
『n型オーミック電極及びp型オーミック電極の形成(電極形成工程)』
次に、n型半導体層14上にn型オーミック電極28を積層するとともに、p型GaPからなるGaP基板12上にp型オーミック電極29を積層した。
“Formation of n-type ohmic electrode and p-type ohmic electrode (electrode formation process)”
Next, an n-
『ランプの作製』
上記手順によって得られた発光ダイオード2を実装することにより、図5及び図6に示すランプ4と同様に、トップビュー型のランプを作製した。
"Production of lamp"
By mounting the
『発光特性の測定』
上記手順で得られた発光ダイオード2が実装されてなるランプについて、n電極端子及びp電極端子を介して、n型オーミック電極28とp型オーミック電極29との各電極間に順方向電流を流したところ、主波長が620nmとされた赤色光が出射された。また、各電極間に20mAの順方向電流を流した際の順方向電圧(Vf)は、良好なオーミック特性が反映され、約2.0Vであった。また、順方向電流を20mAとした際の発光強度は、上述のような化合物半導体層及び基板の構成によって発光効率が向上され、また、基板の側面が粗面化されて外部への光取り出し効率が向上していることが反映され、600mcdの高輝度となった。
上記結果により、GaP基板が用いられるとともに上下電極構造を有する、本発明に係る発光ダイオード2及びそれが用いられてなるランプが、光取り出し効率に優れ、高い輝度を備えることが明らかとなった。
“Measurement of luminous characteristics”
For the lamp in which the
From the above results, it has been clarified that the
[比較例]
本比較例においては、基板を分割する際、(110)面から45度オフしたラインに沿った1辺350umの正方形として分割した点を除き、上記実施例1と同様の方法で発光ダイオードを作製し、さらに、この発光ダイオードを用いて、上記実施例1と同様の方法でトップビュー型のランプを作製した。
[Comparative example]
In this comparative example, a light-emitting diode was produced in the same manner as in Example 1 except that when the substrate was divided, the substrate was divided into a square of 350 μm per side along a line that was turned off by 45 degrees from the (110) plane. Further, a top view type lamp was manufactured by using the light emitting diode in the same manner as in Example 1.
本比較例で作製した発光ダイオードが実装されてなるランプについて、n電極端子及びp電極端子を介して、n型オーミック電極とp型オーミック電極との各電極間に順方向電流を流したところ、主波長が620nmとされた赤色光が出射された。また、各電極間に20mAの順方向電流を流した際の順方向電圧(Vf)は、良好なオーミック特性が反映され、約2.0Vであった。しかしながら、順方向電流を20mAとした際の発光強度は、450mcdであり、実施例1、2に比べて劣ることが明らかとなった。これは、本比較例で作製した発光ダイオードは、側面が粗面化されることで、各側面からの外部への光取り出し効率は向上しているものの、基板が正方形に形成されていることから、チップの各側面からの光の取り出しが不均一であるためと考えられる。
このように、本比較例で作製した、正方形の基板を備える発光ダイオードは、本発明に係る実施例1、2の発光ダイオードに比べ、光取り出し効率が低いことが明らかとなった。
About the lamp on which the light emitting diode manufactured in this comparative example is mounted, when a forward current is passed between each electrode of the n-type ohmic electrode and the p-type ohmic electrode via the n-electrode terminal and the p-electrode terminal, Red light having a dominant wavelength of 620 nm was emitted. Further, the forward voltage (Vf) when a forward current of 20 mA was passed between the electrodes was about 2.0 V, reflecting good ohmic characteristics. However, the emission intensity when the forward current was 20 mA was 450 mcd, which was inferior to those of Examples 1 and 2. This is because the light-emitting diode manufactured in this comparative example has a roughened side surface, which improves the light extraction efficiency from each side surface to the outside, but the substrate is formed in a square shape. This is probably because the light extraction from each side of the chip is uneven.
Thus, it became clear that the light-emitting diode having a square substrate manufactured in this comparative example has lower light extraction efficiency than the light-emitting diodes of Examples 1 and 2 according to the present invention.
以上の結果により、本発明に係る発光ダイオード及びそれが用いられてなるランプが、光取り出し効率に優れ、高い輝度を備えることが明らかである。 From the above results, it is clear that the light emitting diode according to the present invention and the lamp using the same are excellent in light extraction efficiency and have high luminance.
1、2…発光ダイオード、11、12…基板、11a、12a…主面、11b、11c、11d…側面(基板)、14…n型半導体層、15…発光層、16…p型半導体層、20…化合物半導体層、20a…発光面、20b、20c、20d…側面(化合物半導体層)、21…半導体積層ウェーハ、30…エピタキシャル成長用基板、4…ランプ
DESCRIPTION OF
Claims (21)
前記基板は、平面視形状で、各々隣接する側面の間の角度が全て鋭角とされた略正三角形であることを特徴とする発光ダイオード。 A light emitting diode having a chip structure in which a compound semiconductor layer including at least a light emitting layer is stacked on a main surface of a substrate, and an upper surface side of the compound semiconductor layer is a light emitting surface,
The light emitting diode according to claim 1, wherein the substrate has a shape in plan view and is a substantially equilateral triangle in which angles between adjacent side surfaces are all acute angles.
前記化合物半導体層に基板を貼り付ける接合工程と、
前記化合物半導体層から前記エピタキシャル成長用基板を除去して発光面を露出させることにより、積層半導体ウェーハを形成する除去工程と、
前記積層半導体ウェーハを裁断し、平面視形状で、各々隣接する側面の間の角度が全て鋭角の略正三角形となるように、素子単位のチップに分割する分割工程と、を備えることを特徴とする発光ダイオードの製造方法。 An epitaxial step of forming a compound semiconductor layer by laminating at least an n-type semiconductor layer, a light emitting layer, and a p-type semiconductor layer in this order on an epitaxial growth substrate;
A bonding step of attaching a substrate to the compound semiconductor layer;
Removing the epitaxial growth substrate from the compound semiconductor layer to expose the light emitting surface, thereby forming a laminated semiconductor wafer; and
A step of cutting the laminated semiconductor wafer and dividing the wafer into chip units in an element unit so that all of the angles between adjacent side faces are acutely equilateral triangles in a shape in plan view. A method for manufacturing a light emitting diode.
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