JP2009059851A

JP2009059851A - 半導体発光ダイオード

Info

Publication number: JP2009059851A
Application number: JP2007225225A
Authority: JP
Inventors: Gakuron O; 学論王; Shigenori Furue; 重紀古江; Mutsuro Ogura; 睦郎小倉
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2007-08-31
Filing date: 2007-08-31
Publication date: 2009-03-19

Abstract

【課題】光取出し効率の改善された高効率化合物半導体発光ダイオードを提供する。
【解決手段】量子井戸活性層4および障壁層2、3、5、6は、面内方向において、一つの平坦面と少なくとも二つの傾斜面によって構成されるリッジ構造を備え、第2の障壁層3、量子井戸活性層4、第3の障壁層5の三つの層の前記平坦面部における合計膜厚および前記量子井戸活性層の前記平坦面の横幅がいずれも0.1μm〜1μmであることを特徴とする発光ダイオード。
【選択図】図１

Description

本発明は、化合物半導体を材料とする高効率発光ダイオードに関し、より詳しくは二次元光閉じ込め構造を用いて形状基板上に成長させた量子微細構造の自然放出光を制御し、光の外部への取り出し効率を改善した化合物半導体発光ダイオードに関する。

化合物半導体(AlGaAs, AlGaInP, AlGaInNなど)を材料とする発光ダイオード(Light-Emitting Diode: LED)は、白熱電球や蛍光灯などの既存の照明デバイスに取って代わる省エネルギー・長寿命の照明・表示用光源として期待され、その大規模普及に向けた研究開発が世界各国で戦略的に進められている。
発光ダイオードのエネルギー変換効率は一般的に内部量子効率と光の外部への取り出し効率の積で決まる。内部量子効率に関しては、近年の結晶成長技術の進歩によって、飛躍的向上が見られた。例えば、AlGaInP系材料において、100％に近い内部量子効率を持つ赤色LEDがすでに実用化されている。

また、InGaN系青色LEDに関しても、70%-80%の内部量子効率を持つデバイスが報告されている。これに対して、半導体内部で発生した光（自然放出光）を効率よく外部へ取り出すことは非常に困難であり、これはLEDの発光効率向上を妨げる最大要因になっていると言っても過言ではない。
これには、主に三つの原因、すなわち1) 半導体-空気界面での光の全反射、2) 電極による光の遮蔽、3) 基板による光の吸収、が存在する。例えば、界面での全反射によって、平坦基板デバイスの場合、活性層で発生した光の内の数パーセント(2〜4%)しか外部へ取り出すことができない。

光の取り出し効率を向上させるため、これまでに様々な技術が開発された。例えば、界面での全反射を抑える技術として、(1) 屈折率の高い樹脂でLEDのチップを封止する、(2) 機械的方法で結晶を逆の角錐などの特殊形状に加工する、(3) マイクロキャビティやフォトニック結晶構造を用いて光の放射モードを制御する、などの方法が上げられる。
また、金属電極による光の遮蔽を緩和するため、(1) 活性層と電極との間に厚い電流拡散層(10μm程度)を設ける、(2) 金属電極とITO透明電極との複合構造を用いる、(3) 電極直下に電流ブロック層を挿入する、などの従来技術が開発された。しかし、上記技術を用いても50%を超える光取り出し効率を得るのは容易ではない。
しかも、機械的方法による結晶の特殊形状加工、マイクロキャビティやフォトニック結晶構造の作製、厚い電流拡散層の導入は、いずれも作製工程が複雑で、生産コストが高くなる。LEDによる固体照明を大規模普及させるためには、LEDの生産コストを現状より二桁下げることが必須条件であると言われている。

また、我々は、複数の結晶面を有する形状基板上に成長させた半導体エピタキシャル層のバンドギャップエネルギーが結晶面方位に依存する性質を利用し、電流注入のための金属電極をバンドギャップエネルギーの高い結晶面に選択的に形成し、電流注入領域と発光領域(バンドギャップエネルギーの低い結晶面)とを空間的に分離させた新しいタイプの発光ダイオードを開発した（特許文献１）。

このデバイスにおいて、バンドギャップエネルギーの高い結晶面から注入されたキャリアがバンドギャップエネルギーの低い結晶面に移動してから発光するため、電極による光の遮蔽を大幅に押させることが可能になった。GaAs/AlGaAs系材料を用いた実証実験において、従来技術より簡単なプロセスを用いて15%程度(樹脂封止無し)の取り出し効率が得られた。しかしながら、この技術は、吸収性基板による光の吸収問題に対してほとんど効果がなく、界面での全反射に対する抑制効果も不十分であった。
特願２００７−３９３３

複数の結晶面を有する形状基板上に成長させた量子微細構造からの自然放出光は簡単な二次元光閉じ込め構造によって、極めて高い効率でしかも強い空間異方性を持って外部に放射される現象を見出した。
そこで、本発明の目的は、上記現象を利用し、発光ダイオードの光取出し効率の向上を妨げる三つの要因、すなわち、界面での全反射、電極による光の遮蔽、基板による光の吸収、すべてを効果的に抑えることのできる化合物半導体を材料とする高効率発光ダイオードを提供することにある。

以上から、本願発明は、
１．複数の結晶面を有する基板と、該基板上に順次成長させた第1の障壁層と、前記第1の障壁層より屈折率の高い第2の障壁層と、単一または多重量子井戸活性層と、前記第1の障壁層より屈折率の高い第3の障壁層と、前記第2の障壁層および前記第3の障壁層より屈折率の低い第4の障壁層とを備える化合物半導体発光ダイオードにおいて、前記障壁層および前記量子井戸活性層は、面内方向において、一つの平坦面と少なくとも二つの傾斜面によって構成されるリッジ構造を備え、前記第2の障壁層と、前記量子井戸活性層と、前記第3の障壁層との三つの層の前記平坦面部における合計膜厚および前記量子井戸活性層の前記平坦面の横幅がいずれも0.1μm〜1μmであることを特徴とする発光ダイオード、を提供する。

また、本願発明は、
２. 前記基板は、リソグラフィとエッチングプロセスを組み合わせて平坦基板上に複数の結晶面を形成させた加工形状基板であることを特徴とする前記1記載の発光ダイオード、を提供する。

また、本願発明は、
３．前記基板は、平坦基板上に絶縁膜のパターンを配置し選択エピタキシャル成長法によって複数の異なる結晶面を形成させた選択成長形状基板であることを特徴とする前記１記載の発光ダイオード、を提供する。

また、本願発明は、
４．0.1μm〜1μmの横幅をもつ平坦面が、（００１）面であることを特徴とする前記１〜３のいずれかに記載の発光ダイオード、を提供する。

また、本願発明は、
５．前記リッジ構造の平坦面に、リッジに沿ってストライプ状に形成されたオーミック電極を備えることを特徴とする前記１〜４のいずれかに記載の発光ダイオード、を提供する。

また、本願発明は、
６．前記リッジ構造が、(111)A面と(001)面によって構成されることを特徴とする前記１〜5のいずれかに記載の発光ダイオード、を提供する。

また、本願発明は、
７．(111)A面が傾斜面、(001)面が平坦面であり、この(111)A傾斜面と(001)平坦面との間に、(111)A面より指数の高い結晶面を備えていることを特徴とする前記１〜６のいずれかに記載の発光ダイオード、を提供する。

また、本願発明は、
８．(111)A面に[1-10]方向に沿って形成されたストライプ状の絶縁膜パターンと該絶縁膜パターン上に形成された該絶縁膜パターンより横幅の広いストライプ状のオーミック電極を備えることを特徴とする前記１〜４、６、７のいずれかに記載の発光ダイオード、を提供する。

本発明の発光ダイオードは、複数の結晶面を有する形状基板上に成長させた量子微細構造からの自然放出光が簡単な二次元光閉じ込め構造を形成することによって極めて高い効率でしかも強い空間異方性を持って外部に放射される現象を利用するものである。
本発明の発光ダイオードによれば、発光ダイオードの光取出し効率向上を妨げる三つの要因、すなわち、界面での全反射、電極による光の遮蔽、基板による吸収、すべてを効果的に抑えることができ、従来技術を超える80%以上の光取出し効率を実現することが可能である。
さらに、本発明の発光ダイオードの作製は、機械的方法による結晶の特殊形状加工や高度な結晶成長・プロセス技術を要するマイクロキャビティ、フォトニック結晶構造の形成などの複雑な作製工程を必要とせず、発光ダイオード作製の低コスト化に大きく貢献できる。

本発明は、複数の結晶面を有する形状基板上にエピタキシャル成長させた量子微細構造の発光特性を研究する過程において、量子微細構造からの自然放出光は、量子微細構造の周辺を屈折率の低い半導体層で囲み光の二次元閉じ込め構造を形成することによって、極めて高い効率でしかも強い空間異方性を持って外部に放射される現象を見出した。

ここで、図1の模式図を用いてこの現象について詳しく説明する。
図１の試料は[1-10]方向の周期4μm のV溝形GaAs基板上に成長したGaAs/AlGaAs系の量子構造であり、Al_0.65Ga_0.35Asの第1障壁層2、Al_0.3Ga_0.7As(0.25μm )の第2障壁層3、GaAs(4nm)の単一量子井戸活性層4、Al_0.3Ga_0.7As(0.25μm)の第3障壁層5、およびAl_0.65Ga_0.35Asの第4障壁層6を有する。ここで、Al_0.3Ga_0.7As障壁層の屈折率はAl_0.65Ga_0.35As障壁層より高く、量子井戸活性層の発光波長(室温、〜0.8μm)における屈折率の値がそれぞれ約3.38と3.17である。ここで、膜厚およびAl組成はすべて(001)平坦面の値を用いているが、エピタキシャル成長の異方性により、(111)A面に成長した層のAl組成が(001)面より数パーセント高く、またその膜厚が(001)面より薄い（1/2〜1/3程度）。
また、図１に示すように、GaAs量子井戸層は面方位によって三つの主要構造、すなわち(001)平坦面量子井戸9、(111)A傾斜面量子井戸7、V溝底に形成された三日月状量子細線8、に分けられる。

このような試料の発光特性を低温(4.5K)および室温のホトルミネセンス測定で評価したところ、(001)平坦面量子井戸からの発光は(001)面の横幅に強く依存し、(001)面の横幅が1μm以下になるとその発光強度が横幅の減少とともに急激に強くなる。
例えば、横幅0.5μm 程度の試料の発光強度は、（室温において）積分球を用いたホトルミネセンス発光全強度の測定結果から、平坦基板上に成長した量子井戸参考試料より約45倍、また屈折率の低いAl_0.65Ga_0.35As障壁層のないV溝試料より100倍以上も強いことが判明した。

ホトルミネセンスの測定結果および平坦基板試料の光取出し効率（約2%、全反射によって決まる）から、横幅0.5μmの試料において、(001)面量子井戸の発光は80%を超える効率で上面の自由空間に放射されているが分かった。さらに、この試料の発光強度の空間分布をCCDカメラで観測したところ、強い空間異方性を持っていることも判明した。
すなわち、図１の矢印で示すように、発光は(001)平坦面からではなく、(111)A傾斜面の一部から左右対称の二つのローブに分けて放出されていることが分かった。

上記の(001)量子井戸発光強度の増大現象は、光の二次元（成長方向および横方向）閉じ込め効果によるものと考えられ、前記(001)量子井戸の横幅が0.1μmまで顕著な横方向光閉じ込め効果が期待できる。
特に、0.4μm〜1μmの範囲で、発光強度の増大現象が観測された。また、横幅が1μmを超えると発光強度の増加は殆どないことが確認できた。したがって、量子井戸の平坦面の横幅は0.1μm〜1μmとすることが有効である。
さらに、成長方向においても同様な光閉じ込め構造が必要である。そして、このためには、前記第2の障壁層と、前記量子井戸活性層と、前記第3の障壁層との三つの層の前記平坦面部における合計膜厚を0.1μm〜1μmとすることが有効である。

（実施例１）
以下、本発明の実施形態を図２ないし図８を用いて説明する。
図２、図３、図４を用いて第1の実施例の発光ダイオードを説明する。
まず、図２において、n型の(001)GaAs基板19上に、フォトリソグラフィおよびウェットエッチング用いて[1-10]方向に周期4μmのV形の溝パターンを形成する。ここで、エッチング液としてNH₄OH:H₂O₂:H₂O=1:3:50を用い、室温で約3min間エッチングを行った。これによって、横幅約0.5μmの(001)平坦面を持つV溝パターンが得られた。
(001)平坦面の横幅はエピタキシャル成長の条件によってもある程度調整可能であるが、最初のV溝形成プロセスで最終寸法に近いV溝パターンを形成することが望ましい。

次に、上記基板19上に、有機金属気相エピタキシー法を用いて、0.3μmのSiドープn型GaAsバッファー層11、0.74μmのSiドープAl_0.65Ga_0.35As第1障壁層12、0.25μmのSiドープAl_0.3Ga_0.7As第2障壁層13、4nmのノンドープGaAs単一量子井戸活性層14、0.25μmのZnドープAl_0.3Ga_0.7As第3障壁層15、0.75μm のZnドープAl_0.65Ga_0.35As第4障壁層16、および20nmのZnドープGaAsキャップ層17を順次成長させる。ここで、Alの組成および成長層の膜厚はいずれも(001)上部平坦面での値である。

図１のところで説明したように、(111)A面に成長した層のAl組成は(001)面より若干高く、第1、第4障壁層12,16および第2、第3障壁層13,15の(111)A面におけるAl組成はそれぞれ約0.69および0.34である。
この成長において、Al、GaおよびAsの原料としてそれぞれトリメチルアルミニウム(TMAl)、トリエチルガリウム(TEGa)およびターシャリブチルアルシン(TBAs)を用いた。また、成長温度は約680℃とし、AlGaAs層成長時のV/III比は40 - 80とした。上記条件において、 (001)平坦面の横幅は成長中ほぼ維持され、最終的に(001)平坦面横幅約0.5μmの構造が得られる。

次に、プラズマCVD法により、上記試料表面に厚さ100nmのSiO₂膜を堆積する。その後、フォトリソグラフィおよびウェットエッチングを用いて、V溝の一部を覆う[1-10]方向のストライプおよびV溝の垂直方向に幅約200μmのストライプを有するSiO₂のメッシュパターンを形成する。ここで、V溝の中に残るSiO₂ストライプの横幅はウェットエッチング（バッファーフッ酸）時のサイドエッチング量で、例えば0.5μm〜1μm程度に調整することが望ましい。

次に、図３において、p型オーミック電極形成用金属として、Ti(40nm)とAu(150nm)の多層膜またはAuZn(150nm)合金を真空蒸着法で表面全面に蒸着する。
次に、フォトレジストを塗布し、基板表面を平坦化させる。その後、O₂プラズマアッシングを行い、V溝の中にのみレジストを残すように(001)平坦面および(111)A傾斜面の一部を露出させる。次に、V溝の中に残っているフォトレジストをマスクとして用い、Au（またはAuZn合金）とTiをそれぞれKI:I₂系およびHF:H₂O₂:H₂O系のエッチング液でエッチングし、V溝中のSiO₂膜より横幅の広いp型オーミック電極をV溝の一部を覆うように(111)A傾斜面にストライプ状に形成する。
ここで、p型電極の横幅はO₂プラズマアッシングの時間および金属電極エッチング時のサイドエッチング量で制御することが可能である。なお、p型オーミック電極は、フォトリソグラフィとリフトオフ法を用いても形成可能である。さらに、試料の裏面全面にn型電極形成用金属としてAuGe/Ni/Auを真空蒸着する。最後に、アロイ処理を行い、p型電極20およびn型電極21の形成が完成する。

次に、図４において、ボンディングパッドとして、V溝の垂直方向に形成されたSiO₂ストライプ上に、幅の少し狭いCr/Auパターン22をフォトリソグラフィとリフトオフ法で形成し、デバイスの作製が完了する。

このデバイスにおいて、V溝の中に形成されたSiO₂パターンはV溝中心部にある量子細線領域への直接電流注入を阻止し、注入されたキャリアが光取出し効率が高く、しかもバンドギャップエネルギーの低い(001)平坦面量子井戸に効率よく拡散していくことができる。また、p型電極の横幅が光の放射経路より十分狭ければ、電極による光の遮蔽のほとんどない発光ダイオードが得られる。

（実施例２）
図５、図６、図７を用いて第２の実施例の発光ダイオードを説明する。
まず、実施例１と同様なプロセスで、同様な構造を持つ発光ダイオードのエピタキシャルウェファーを作製する。
次に、図５に示すように、実施例１と同様なプロセスを用いて、試料表面にV溝の垂直方向に幅約200μmのSiO₂のストライプパターンを形成する。

次に、図６において、試料表面全面にp型オーミック電極形成用金属(Au/TiまたはAuZn)を真空蒸着する。その後、フォトリソグラフィを用いて横幅1-2μmのストライプ状のフォトレジストパターンをV溝方向に沿って(001)平坦面を中心に形成する。
次に、実施例１と同じエッチング液を用いてV溝の中の金属をウェットエッチングで除去する。このとき、サイドエッチングの量を制御し、(001)平坦面に(001)面の横幅より若干狭い金属ストライプ20を残す。
次に、実施例１と同じプロセスで、裏面電極の蒸着、アロイ処理を行い、オーミック電極の形成が完成する。

最後に、図７に示すように、ボンディングパッドとしてV溝の垂直方向に形成されたSiO₂ストライプ18上に、SiO₂ストライプより幅の若干狭いCr/Auパターン22をフォトリソグラフィとリフトオフ法で形成し、デバイスの作製が完了する。

このデバイスにおいて、電極は(001)平坦面に選択的に形成されているので、キャリアはほとんど (001)平坦面量子井戸に直接注入される。さらに、前述するようにこの構造において、光は(111)A傾斜面から放射されるため、電極による光の遮蔽がほとんどなく、ホトルミネセンス実験と同様な80%以上の光取り出し効率が期待できる。

（実施例３）
図８を用いて第３の実施例の発光ダイオードを説明する。
すなわち、まず、実施例１と同じように、フォトリソグラフィを用いてn型(001)平坦GaAs基板19上にフォトレジストのライン・スペースパターンを[1-10]方向に形成する。次に、NH₄OH:H₂O₂:H₂O = 1:3:50液を用いて上記基板をエッチングし、二つの(111)A傾斜面と１つの(001)上部平坦面を持つV溝形パターンを基板上に形成する。
その後、フォトレジストが(001)平坦面に残ったまま、エッチング液を、例えばNH₄OH:H₂O₂:H₂O = 4:0.5:40に変更し追加エッチングを行う。この追加エッチングによって、(111)A傾斜面と(001)平坦面との間に(111)A面より指数の高い結晶面23、例えば(113)A面を形成することができる。
ここで、追加エッチングに用いたNH₄OH:H₂O₂:H₂O液のH₂O₂の量を調整することによって、形成される高指数面の面方位、すなわち高指数面と(001)平坦面との交差角度をある程度制御することができる。

図８の基板は、高指数面のない基板に比べて、エピタキシャル成長において(001)平坦面の横幅は制御しやすい特徴がある。
なお、この場合、実施例1および実施例2と同じプロセスでデバイスを作製することができる。

本発明によれば、発光ダイオードの光取出し効率向上を妨げる三つの要因、すなわち、界面での全反射、電極による光の遮蔽、基板による吸収、すべてを効果的に抑えることができ、従来技術を超える80%以上の光取出し効率を実現することが可能である。さらに、発光ダイオードの作製に際しては、複雑な作製工程を必要としないので、低コスト化に大きく貢献できる。したがって、効率的な化合物半導体発光ダイオード及びその作製に極めて有用である。

本発明の化合物半導体発光ダイオードの動作原理を説明するための試料の立体模式図である。本発明の第1の実施例に係わる化合物半導体発光ダイオードの作製工程を示す立体模式図である。本発明の第1の実施例に係わる化合物半導体発光ダイオードの作製工程を示す立体模式図である。本発明の第1の実施例に係わる化合物半導体発光ダイオードの作製工程を示す立体模式図である。本発明の第2の実施例に係わる化合物半導体発光ダイオードの作製工程を示す立体模式図である。本発明の第2の実施例に係わる化合物半導体発光ダイオードの作製工程を示す立体模式図である。本発明の第2の実施例に係わる化合物半導体発光ダイオードの作製工程を示す立体模式図である。本発明の第3の実施例に係わる化合物半導体発光ダイオードの成長に用いた形状基板の立体模式図である。

符号の説明

1 (001) GaAs基板
2 第1の障壁層Al_0.65Ga_0.35As
3 第2の障壁層Al_0.3Ga_0.7As
4 GaAs量子井戸層
5 第3の障壁層Al_0.3Ga_0.7As
6 第4の障壁層Al_0.65Ga_0.35As
7 (111)A傾斜面量子井戸
8 V溝底三日月状量子細線
9 （001）平坦面量子井戸
10 光の放射方向を示す矢印
11 Siドープn型GaAsバッファー層
12 Siドープn型Al_0.65Ga_0.35As第1障壁層
13 Siドープn型Al_0.3Ga_0.7As第2障壁層
14 ノンドープGaAs量子井戸活性層
15 Zn ドープp型Al_0.3Ga_0.7As第3障壁層
16 Znドープp型Al_0.65Ga_0.35As第4障壁層
17 Znドープp型GaAsキャップ層
18 SiO₂膜
19 n型(001)GaAs基板
20 p型オーミック電極(Ti/Au, AuZn)
21 n型オーミック電極(AuGe/Ni/Au)
22 ボンディングパッド(Cr/Au)
23 (111)A面より指数の高い結晶面

Claims

複数の結晶面を有する基板と、該基板上に順次成長させた第1の障壁層と、前記第1の障壁層より屈折率の高い第2の障壁層と、単一または多重量子井戸活性層と、前記第1の障壁層より屈折率の高い第3の障壁層と、前記第2の障壁層および前記第3の障壁層より屈折率の低い第4の障壁層とを備える化合物半導体発光ダイオードにおいて、
前記障壁層および前記量子井戸活性層は、面内方向において、一つの平坦面と少なくとも二つの傾斜面によって構成されるリッジ構造を備え、前記第2の障壁層と、前記量子井戸活性層と、前記第3の障壁層との三つの層の前記平坦面部における合計膜厚および前記量子井戸活性層の前記平坦面の横幅がいずれも0.1μm〜1μmであることを特徴とする発光ダイオード。
前記基板は、リソグラフィとエッチングプロセスを組み合わせて平坦基板上に複数の結晶面を形成させた加工形状基板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。
前記基板は、平坦基板上に絶縁膜のパターンを配置し選択エピタキシャル成長法によって複数の異なる結晶面を形成させた選択成長形状基板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。
0.1μm〜1μmの横幅をもつ平坦面が、（００１）面であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の発光ダイオード。
前記リッジ構造の平坦面に、リッジに沿ってストライプ状に形成されたオーミック電極を備えることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の発光ダイオード。
前記リッジ構造が、(111)A面と(001)面によって構成されることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の発光ダイオード。
(111)A面が傾斜面、(001)面が平坦面であり、この(111)A傾斜面と(001)平坦面との間に、(111)A面より指数の高い結晶面を備えていることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の発光ダイオード。
(111)A面に[1-10]方向に沿って形成されたストライプ状の絶縁膜パターンと該絶縁膜パターン上に形成された該絶縁膜パターンより横幅の広いストライプ状のオーミック電極を備えることを特徴とする請求項１〜４、６、７のいずれかに記載の発光ダイオード。