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TWI458120B - 發光二極體、發光二極體燈及照明裝置 - Google Patents

發光二極體、發光二極體燈及照明裝置 Download PDF

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TWI458120B
TWI458120B TW99106553A TW99106553A TWI458120B TW I458120 B TWI458120 B TW I458120B TW 99106553 A TW99106553 A TW 99106553A TW 99106553 A TW99106553 A TW 99106553A TW I458120 B TWI458120 B TW I458120B
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松村篤
竹內良一
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昭和電工股份有限公司
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Description

發光二極體、發光二極體燈及照明裝置
本發明係關於一種發光二極體、發光二極體燈及照明裝置，特別是關於一種高輸出的紅色發光二極體、使用它的發光二極體燈及照明裝置。
本案根據2009年3月10日向日本申請的特願2009-056780號、及2009年4月1日向日本申請的特願2009-089300號，主張優先權，並將其內容引用於此處。
近幾年正在研究利用人工光源培育植物。特別是使用單色性佳、可省能源、長壽命及小型化的發光二極體(LED)的照明的栽培方法受人矚目。此外，由歷來的研究結果，作為適合植物培育(光合成)用的光源的發光波長之一，已證實波長600～700nm區域的紅色光的效果。特別是對於光合成，波長660～670nm附近的光為反應效率高度期望的光源。對於此波長，在先前的紅色發光二極體方面，一直在研討由AlGaAs及InGaNP等構成的發光層的適用，但仍然未能達成高輸出化(例如專利文獻1～3)。
另一方面，已知一種具備由磷化鋁鎵銦(組成式(AlX Ga1-X )Y In1-Y P；0≦X≦1，0＜Y≦1)構成的發光層的化合物半導體LED。在此LED方面，具有Ga0.5 In0.5 P組成的發光層的波長最長，由此發光層所得到的峰值波長為650nm附近。因此，在比655nm長波長的區域，化合物半導體LED的實用化及高亮度化困難。
此外，具備由(AlX Ga1-X )Y In1-Y P(0≦X≦1，0<Y≦1)構成的發光層的發光部，一般形成於對於由發光層所射出的發光在光學上為不透明，並且在機械上也不太有強度的砷化鎵(GaAs)單晶基板上。
因此，以得到更高亮度的可見LED為目的，同時以元件的機械強度更加提高為目的，一直在進行研究。即，揭示有一種構成所謂的接合型LED的技術：改善去除GaAs之類的不透明的基板材料後，可透過發光，並且由機械強度優於先前材料的透明材料構成的支持體層而接合(例如參閱專利文獻4)。另一方面，在發光機制不同的雷射元件方面，一直在對於有畸變的發光層進行研討，但在發光二極體方面，對於有畸變的發光層，實際狀況是尚未被實用化(例如參閱專利文獻5)。
此外，一直在進行適用量子井構造的發光二極體的發光部的研討。然而，由適用量子井構造所得到的量子效應使發光波長短波長化，所以對於長波長化的技術有無法適用的問題(例如參閱專利文獻6)。
[先前技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1]特開平9-37648號公報
[專利文獻2]特開2002-27831號公報
[專利文獻3]特開2004-221042號公報
[專利文獻4]專利第3230638號公報
[專利文獻5]特開2000-151024號公報
[專利文獻6]專利第3373561號公報
且說要作為植物培育用的照明的光源而實用化，由省能源及成本方面，需要使用發光效率高的LED來削減使用電力及LED的使用數量。
特別是對於植物培育用LED照明的實用化，強烈期望降低使用電力、小型化及降低成本，對於為以往的660nm的波長帶的發光二極體的AlGaAs系列的LED，期望高輸出化、高效率化、波長的偏差降低及/或高速化等的特性提高。
此外，對於亮燈方法，也正在研討利用高速脈衝方式來削減使用電力，需要反應速度快的發光二極體。隨著近幾年的研究，已證實植物培育用的照明，藉由將光在照射後，光合成的反應時間中熄燈，可省能源化。然而，需要具有可對應於高速脈衝通電的反應速度的發光二極體。具體而言，發光二極體的反應速度為1000ns以下，最好是100ns以下適合。
且說在發光效率高的由(AlX Ga1-X )Y In1-Y P(0≦X≦1，0＜Y≦1)構成的發光層方面，與使用於磊晶成長的GaAs基板的晶格常數匹配的最長波長(帶隙小)的發光層的組成為Ga0.5 In0.5 P。此發光層的發光波長為650nm，無法達成650nm以上的長波長化。如此，對於發光層的650nm以上的長波長化，存在技術性的課題，所以不能實用化及/或高效率化。特別是在具有655nm以上的長波長的LED方面，尚未確立高輸出化的技術。
此外，在植物培育用的照明方面，有時發光波長700nm以上的光會有抑制植物培育的效果。為此，期望發光波長660nm附近的單色性佳的紅色光。因此，就植物培育用的照明而言，最好在700nm的發光強度對於峰值發光波長的強度，具有小於10%的發光光譜。
本發明係鑑於上述情況所完成，其目的在於提供一種具有655nm以上的發光波長，單色性優良，並且高輸出及/或高效率又反應速度快的發光二極體。此外，其目的在於提供一種適合植物培育用的照明的發光二極體燈或搭載有該發光二極體燈的照明裝置。
即，本發明係關於以下：
(1)一種發光二極體，其特徵在於：具備至少包含pn接合型的發光部及層積於前述發光部的畸變調整層的化合物半導體層，前述發光部具有組成式為(AlX Ga1-X )Y In1-Y P(其中，X及Y為分別滿足0≦X≦0.1及0.39≦Y≦0.45的數值)的畸變發光層與阻障層的層積構造，前述畸變調整層對於發光波長為透明，並且具有比前述畸變發光層與前述阻障層的晶格常數小的晶格常數。
(2)如前項1之發光二極體，其特徵在於：前述畸變發光層的組成式為GaY In1-Y P(其中，Y為滿足0.39≦Y≦0.45的數值)。
(3)如前項1或2之發光二極體，其特徵在於：前述畸變發光層的厚度為8～30nm的範圍。
(4)如前項1至3中任一項之發光二極體，其特徵在於：前述畸變發光層含有8～40層。
(5)如前項1至4中任一項之發光二極體，其特徵在於：前述阻障層的組成式為(AlX Ga1-X )Y In1-Y P(其中，X及Y為分別滿足0.3≦X≦0.7及0.48≦Y≦0.52的數值)。
(6)如前項1至5中任一項之發光二極體，其特徵在於：前述發光部在前述畸變發光層的上面及下面的一方或兩方具有包覆層，前述包覆層的組成式為(AlX Ga1-X )Y In1-Y P(其中，X及Y為分別滿足0.5≦X≦1及0.48≦Y≦0.52的數值)。
(7)如前項1至6中任一項之發光二極體，其特徵在於：前述畸變調整層的組成式為(AlX Ga1-X )Y In1-Y P(其中，X及Y為分別滿足0≦X≦1及0.6≦Y≦1的數值)。
(8)如前項1至6中任一項之發光二極體，其特徵在於：前述畸變調整層的組成式為AlX Ga1-X As1-Y PY (其中，X及Y為分別滿足0≦X≦1及0.6≦Y≦1的數值)。
(9)如前項1至6中任一項之發光二極體，其特徵在於：前述畸變調整層的材質為GaP。
(10)如前項1至9中任一項之發光二極體，其特徵在於：前述畸變調整層的厚度為0.5～20μm的範圍。
(11)如前項1至10中任一項之發光二極體，其特徵在於：在與前述化合物半導體層的光取出面相反側之面接合有功能性基板。
(12)如前項11之發光二極體，其特徵在於：前述功能性基板為透明。
(13)如前項11或12之發光二極體，其特徵在於：前述功能性基板的材質為GaP。
(14)如前項11至13中任一項之發光二極體，其特徵在於：前述功能性基板的側面具有在接近前述化合物半導體層之側對於前述光取出面為大致垂直的垂直面，及在遠離前述化合物半導體層之側對於前述光取出面向內側傾斜的傾斜面。
(15)如前項11至14中任一項之發光二極體，其特徵在於更具備：設於前述化合物半導體層之前述光取出面側的第1及第2電極，及設於前述功能性基板背面的連接用的第3電極。
(16)如前項15之發光二極體，其特徵在於：前述第1及第2電極為歐姆電極。
(17)如前項11至16中任一項之發光二極體，其特徵在於：前述光取出面包含粗糙面。
(18)如前項1至17中任一項之發光二極體，其特徵在於：其係用以使用於促進植物培育的光合成的發光二極體，並且前述發光部的發光光譜的峰值發光波長為655～675nm的範圍。
(19)如前項18之發光二極體，其特徵在於：前述發光光譜的半寬度為10～40nm的範圍。
(20)如前項18或19之發光二極體，其特徵在於：前述發光光譜在發光波長700nm的發光強度為小於在前述峰值發光波長的發光強度的10%。
(21)如前項1至20中任一項之發光二極體，其特徵在於：前述發光部的反應速度(Tr)為100ns以下。
(22)一種發光二極體燈，其特徵在於：具備如前項1至21中任一項之發光二極體。
(23)如前項22之發光二極體燈，其特徵在於：將設於前述發光二極體的前述光取出面側的前述第1或第2電極及前述第3電極連接於大致相同電位。
(24)一種照明裝置，其特徵在於：具備前項22或23之發光二極體燈。
本發明之發光二極體具備化合物半導體層，該化合物半導體層係包含具有組成式為(AlX Ga1-X )Y In1-Y P(其中，X及Y為分別滿足0≦X≦0.1及0.39≦Y≦0.45的數值)的畸變發光層的發光部。藉由在畸變發光層的材質採用AlGaInP，可提高來自發光部的發光效率及反應速度。此外，藉由將畸變發光層的組成規定於上述範圍中，可製成具有655nm以上的發光波長的發光二極體。
此外，本發明之發光二極體在發光部上設有畸變調整層。此畸變調整層對於發光波長為透明，所以可不吸收來自發光部的發光而製成高輸出及/或高效率的發光二極體。再者，此畸變調整層具有比GaAs基板的晶格常數小的晶格常數，所以可抑制此半導體化合物層的翹曲的產生。藉此，減低畸變發光層的畸變量的偏差，所以可製成單色性優良的發光二極體。
因此，依據本發明，可提供一種具有655nm以上的發光波長，單色性優良，並且高輸出及/或高效率又反應速度快的發光二極體。此外，依據本發明，可提供一種與以往的AlGaAs系列的發光二極體相比，具有約4倍以上的發光效率的高輸出發光二極體。
此外，本發明之發光二極體燈具備具有655nm以上的發光波長，單色性優良，並且高輸出及/或高效率又反應速度快的上述發光二極體。因此，可提供一種適合植物培育用的照明的發光二極體燈或具備發光二極體燈的照明裝置。
 用以實施發明之形態
以下，就為適用本發明的一實施形態的發光二極體，和使用它之發光二極體燈共同使用附圖進行詳細說明。再者，在以下說明中使用的附圖為了容易了解特徵，方便上有時會擴大顯示成為特徵的部分，各構成元件的尺寸比率等不一定與實際相同。
＜發光二極體燈＞
圖1及圖2係用以說明使用為適用本發明的一實施形態的發光二極體的發光二極體燈的圖，圖1為平面圖，圖2為沿著圖1中所示的A-A’ 線的剖面圖。
如圖1及圖2所示，使用本實施形態的發光二極體1的發光二極體燈41在裝配基板42的表面安裝有1個以上的發光二極體1。更具體而言，在裝配基板42的表面設有n電極端子43與p電極端子44。此外，使用金屬線45連接(引線接合)為發光二極體1的第1電極的n型歐姆電極4與裝配基板42的n電極端子43。另一方面，使用金屬線46連接為發光二極體1的第2電極的p型歐姆電極5與裝配基板42的p電極端子44。再者，如圖2所示，在與設有發光二極體1的n型及p型歐姆電極4、5之面相反側之面設有第3電極6，藉由此第3電極6，將發光二極體1連接於n電極端子43上，並固定於裝配基板42。此處，將n型歐姆電極4與第3電極6藉由n極電極端子43，以成為相等電位或大致相等電位的方式電性連接。而且，裝配基板42的安裝有發光二極體1的表面為一般的環氧樹脂47所密封。
＜發光二極體＞
圖3及圖4係用以說明為適用本發明的一實施形態的發光二極體的圖，圖3為平面圖，圖4為沿著圖3中所示的B-B’ 線的剖面圖。如圖3及圖4所示，本實施形態的發光二極體1為接合化合物半導體層2與功能性基板3的發光二極體。而且，發光二極體1係具備設於主要的光取出面的n型歐姆電極(第1電極)4及p型歐姆電極(第2電極)5、及設於功能性基板3的與化合物半導體層2的接合面相反側的第3電極6而概略構成。再者，本實施形態中的所謂主要的光取出面，係在化合物半導體層2貼上功能性基板3之面的相反側之面。
化合物半導體層(亦稱為磊晶成長層)2如圖4所示，具有依次層積pn接合型的發光部7與畸變調整層8的構造。此化合物半導體層2的構造上可適當增加眾所周知的功能層。例如，可設置用以降低歐姆(Ohmic)電極的接觸電阻的接觸層、用以使元件驅動電流平面地擴散於發光部全面的電流擴散層、用以相反地限制元件驅動電流流通的區域的電流阻止層或電流狹窄層等眾所周知的層構造。再者，化合物半導體層2最好是在GaAs基板上使其磊晶成長而形成。
發光部7如圖4所示，係在畸變調整層8上依次層積至少p型的下部包覆層9、發光層10及n型的上部包覆層11而構成。即，發光部7形成包含為了將帶來放射再結合的載體(托體；carrier)及發光「封閉」在發光層10內，而對峙配置於發光層10的下側及上側的下部包覆(clad)層9及上部包覆層11的所謂雙異質(簡稱：DH)構造，在得到高強度的發光上較佳。
發光層10如圖5所示，為了控制發光二極體(LED)的發光波長，構成井構造較佳。即，發光層10為在兩端具有畸變發光層(亦稱為井層或坑(well)層)12的畸變發光層12與阻障層(亦稱為障壁層)13的多層構造較佳。
發光層10的層厚為0.02～2μm的範圍較佳。此外，並不特別限定發光層10的傳導型，可選擇不摻雜、p型及n型的任一者。要提高發光效率，最好為結晶性良好的不摻雜或小於3×1017 cm-3 的載體密度。
畸變發光層12具有(AlX Ga1-X )Y In1-Y P(其中，X及Y為分別滿足0≦X≦1及0＜Y≦1的數值)的組成。上述X為0.1以下較佳，為0更佳。此外，上述Y為0.37～0.46的範圍較佳，為0.39～0.45的範圍更佳。藉由將畸變發光層12的材質規定於上述範圍內，可將發光波長設定在655～675nm的範圍。然而，於此情形，畸變發光層12成為其以外的構造部分與晶格常數不同的結構，會在化合物半導體層2產生畸變。因此，有產生結晶缺陷產生這種弊病之虞。
畸變發光層12的層厚為8～30nm的範圍係適合的。此處，若是畸變發光層12的層厚為小於約6nm的薄膜的情況，則發光波長因井構造的量子效應而變短，得不到所希望的655nm以上。因此，畸變發光層12的層厚最好為加進層厚的變動且量子效應不顯現的8nm以上。此外，若考慮層厚控制的容易度，則10nm以上適合。另一方面，若畸變發光層12的層厚超過30nm，則畸變量變得過大，而容易產生結晶缺陷或表面的異常，並不理想。
阻障層13具有(AlX Ga1-X )Y In1-Y P(0≦X≦1，0＜Y≦1)的組成。上述X為0.3～0.7的範圍較佳，為0.4～0.6的範圍更佳。此外，上述Y為0.48～0.52的範圍較佳，為0.49～0.51的範圍更佳。此外，阻障層13的晶格常數可與GaAs基板同等或減少。
阻障層13的層厚比畸變發光層12的層厚厚較佳。藉此，可提高畸變發光層12的發光效率。此外，需要藉由阻障層13使發光效率最佳化，並且緩和產生於畸變發光層12的畸變。因此，阻障層13至少為15nm以上的層厚較佳，為20nm以上的層厚更佳。另一方面，若阻障層13的層厚超過50nm，則會接近發光波長的波長，出現光的干涉、布拉格(Bragg)反射等光學上的影響。因此，阻障層13為50nm以下的層厚較佳，為40nm以下的層厚更佳。
如上所述，畸變發光層12的層厚薄、阻障層13的層厚厚者藉由阻障層13吸收畸變發光層12的畸變，並且在畸變發光層12難以產生結晶缺陷。
在畸變發光層12與阻障層13的多層構造方面，並不特別限定交替層積畸變發光層12與阻障層13之對的數量，但8對以上40對以下較佳。即，發光層10上含有8~40層畸變發光層12較佳。此處，就發光層10的發光效率適合的範圍而言，畸變發光層12為8層以上。另一方面，畸變發光層12及阻障層13的載體密度低，所以若形成許多對，則順向電壓(VF)增大。因此，為40對以下較佳，為30對以下更佳。此外，磊晶成長基板與發光部7的晶格常數不同，所以畸變發光層12具有的畸變為產生於發光層10中的應力。因此，若交替層積畸變發光層12與阻障層13之對的數量，即發光層10中所含的畸變發光層12之層的數量超過前述範圍，則發光層10耐不了畸變而產生結晶缺陷，產生表面狀態惡化或發光效率降低等的問題。
發光層10(發光部7)藉由將畸變發光層12的材質規定於上述範圍內，其發光光譜的峰值發光波長為655～675nm的範圍較佳，為660～670nm的範圍更佳。是因為上述範圍的發光波長為適合植物培育(光合成)用的光源的發光波長之一，對於光合成反應效率高。
另一方面，若利用700nm以上的長波長區域的光，則產生抑制植物培育的反應，所以最好長波長區域的光量少。因此，要有效地培育植物，對於光合成反應最適合的655～675nm的波長區域的光強、不含700nm以上的超波長區域的光的紅色光源最好。
此外，要形成前述較佳的紅色光源，半寬度需要窄。另一方面，若接近有波長偏差變大的可能性的量化條件，則半寬度變窄，所以結果發光光譜的半寬度為10～40nm的範圍較佳。再者，上述發光光譜在發光波長700nm的發光強度為小於在上述峰值發光波長的發光強度的10%較佳。此外，發光層10的反應速度(開始時間：Tr)為100ns以下較佳。
具有此種特性的發光層10的發光二極體1可適當用作使用於促進植物培育的光合成的照明(發光二極體燈或具備發光二極體燈的照明裝置)。
再者，所謂照明裝置，係指至少具備下述構件的照明裝置：形成有配線或通孔等的基板；安裝於基板表面的複數發光二極體燈；及具有凹字狀的剖面形狀，以在凹部內側的底部安裝發光二極體燈的方式所構成的反射器或遮罩。
「照明裝置之一例」
圖10中以斜視圖顯示本實施形態的照明裝置的一例。
圖10所示的照明裝置100係由電路基板200、安裝於電路基板200上的發光二極體燈41、及設置於電路基板200上的反射器400所概略構成。
電路基板200係由包含鋁的基板本體、層積於前述基板本體上的絕緣層、形成於前述絕緣層上的包含Cu等導體的配線圖案所概略構成。此外，此電路基板200的其一邊200a側從反射器400突出，藉此露出電路基板200的表面的一部分。
此外，前述配線圖案係由一對取出電極圖案、及從前述各取出電極圖案的一端側向電路基板200的大致中央延伸的6支端子電極圖案所構成。前述各端子電極圖案上分別連接有3個發光二極體燈41，藉此相互並排連接有各發光二極體燈41。此外，前述各取出電極圖案的另一端側在電路基板200的一邊200a側延伸而露出，此露出部分成為外部端子230c。
其次，發光二極體燈41如圖10所示，在本實施形態之例中係將全部3個發光二極體燈41安裝於電路基板200的大致中央，各發光二極體燈41隔開相等間隔而配置於一直線上。發光二極體燈41的正電極及負電極電性連接於前述端子電極圖案。
其次，反射器400如圖10所示，係在包含例如鋁或鋁合金的大致立方體形狀的反射器本體410上設置反射面420而概略構成。
反射面420如圖10所示，係由一對半旋轉拋物面420a、及配置於半旋轉拋物面420a彼此之間的拋物柱面420b所構成。
此外，反射器本體410的厚度，換言之，沿著光的射出方向的反射面420的高度係依據發光二極體燈41的尺寸及發光二極體燈41彼此的間隔而適當設定，但設定於例如5.0mm～20.0mm的範圍較佳。
「照明裝置另外之例」
圖11中以斜視圖顯示本實施形態的照明裝置的另外之例。
圖11所示的照明裝置101係由電路基板102、安裝於電路基板102上的發光二極體燈41、及設置於電路基板102上的反射器104所概略構成。本例的照明裝置101具備具有10列×3列的合計30個的反射面142的反射器104。而且，在各反射面142的內側，對於一個反射面具備3個發光二極體燈41。照明裝置101全體具備合計90個的發光二極體燈41。
反射面142的詳細形狀與前面的照明裝置100的情況大致同樣，係由一對半旋轉拋物面、及配置於此半旋轉拋物面彼此之間的拋物柱面所構成。
此外，發光層10的結構可適當選擇組成、層厚及層數，以滿足上述特性。
下部包覆層9及上部包覆層11如圖4所示，分別設於發光層10的下面及上面。具體而言，在發光層10的下面設有下部包覆層9，在發光層10的上面設有上部包覆層11。
就下部包覆層9及上部包覆層11的材質而言，帶隙大於發光層10的畸變發光層12的材質較佳，帶隙大於阻障層13的材質更佳。就上述材質而言，可舉例如具有AlX Ga1-X As的組成的化合物，或具有(AlX Ga1-X )Y In1-Y P(其中，X及Y為分別滿足0≦X≦1及0＜Y≦1的數值)的組成的化合物。上述X的值係下限值為0.3以上較佳，為0.5以上更佳。此外，上述Y的值為0.48～0.52的範圍較佳，為0.49～0.51的範圍更佳。
下部包覆層9及上部包覆層11以極性不同的方式構成。此外，下部包覆層9及上部包覆層11的載體密度及厚度可為眾所周知的適合範圍，最好以發光層10的發光效率提高的方式使條件最佳化。此外，藉由控制下部包覆層9及上部包覆層11的組成，可使化合物半導體層2的翹曲減低。
具體而言，作為下部包覆層9，最好使用例如具有摻入Mg的p型(AlX Ga1-X )Y In1-Y P(其中，X及Y為分別滿足0.3≦X≦1及0＜Y≦1的數值)的組成的半導體材料。此外，載體密度為2×1017 ～2×1018 cm-3 的範圍較佳，層厚為0.5～5μm的範圍較佳。
另一方面，作為上部包覆層11，最好使用例如具有摻入Si的n型(AlX Ga1-X )Y In1-Y P(其中，X及Y為分別滿足0.3≦X≦1及0＜Y≦1的數值)的組成的半導體材料。此外，載體密度為1×1017 ～1×1018 cm-3 的範圍較佳，層厚為0.5～2μm的範圍較佳。再者，下部包覆層9及上部包覆層11的極性可考慮化合物半導體層2的元件構造而選擇。
此外，也可以在下部包覆層9與發光層10之間、發光層10與上部包覆層11之間及上部包覆層11與畸變調整層8之間設置用以使兩層間的帶(band)不連續性緩和地變化的中間層。此情況，各中間層最好由具有上述兩層中間的禁帶寬度的半導體材料分別構成。
此外，可在發光部7的結構層上方設置用以降低歐姆(Ohmic)電極的接觸電阻的接觸層、用以使元件驅動電流平面地擴散於發光部全面的電流擴散層、用以相反地限制元件驅動電流流通的區域的電流阻止層或電流狹窄層等眾所周知的層構造。
畸變調整層8如圖4所示，設於發光部7的下方。此畸變調整層8係為了在GaAs基板上使化合物半導體層2磊晶成長之際，使由畸變發光層12所產生的畸變緩和而設置。
此外，畸變調整層8對於來自發光部7(發光層10)的發光波長為透明。
再者，畸變調整層8具有比畸變發光層12及阻障層13的晶格常數小的晶格常數。此外，畸變調整層8具有比用於化合物半導體層2形成(磊晶成長的形成)的GaAs基板的晶格常數小的晶格常數。更具體而言，以由後述的組成得到的畸變調整層8的晶格常數為A、阻障層13的晶格常數為B、畸變發光層12的晶格常數為C時，各晶格常數具有A＜B＜C的關係。
作為畸變調整層8，可適用具有(AlX Ga1-X )Y In1-Y P(其中，X及Y為分別滿足0≦X≦1及0.6≦Y≦1的數值)的組成的材料。上述X雖然亦取決於化合物半導體層2的元件構造，但Al濃度低的材料在化學上穩定，所以為0.5以下較佳，為0更佳。此外，上述Y的下限值為0.6以上較佳。此處，若比較發光層10(畸變發光層12)具有的畸變量相同的情況，則上述Y的值小者畸變調整層8的畸變調整效果變小。因此，產生加厚畸變調整層8的層厚的必要，畸變調整層8的成膜時的成長時間與成本上升，所以上述Y的值為0.6以上較佳，為0.8以上更佳。
此外，作為畸變調整層8，亦可適當地使用對於發光波長為透明，具有Alx Ga1-X As1-Y PY (其中，X及Y為分別滿足0≦X≦1及0.6≦Y≦1的數值)的組成的III-V屬半導體材料。若是具有上述組成的畸變調整層8，則晶格常數依Y的值而變化。上述Y的值大者，晶格常數變小。此外，對於發光波長的透明度與上述X及Y的值的雙方有關，所以最好選擇X及Y的值，以成為透明的材料。
再者，作為畸變調整層8，使用GaP，理想為例如摻入Mg的p型GaP較佳。此GaP不需調整組成，並且畸變調整效果大，所以由生產性及穩定性方面也最適合作為畸變調整層8的材料。
畸變調整層8具有比使化合物半導體層2磊晶成長之際使用的基板的GaAs基板的晶格常數小的晶格常數，所以具備緩和畸變發光層12包含的畸變量偏差的功能。因此，藉由設置畸變調整層8，具有發光波長等的特性的均勻化、防止裂紋產生等的結晶缺陷產生的效果。此處，畸變調整層8的層厚為0.5～20μm的範圍較佳，為3～15μm的範圍更佳。若層厚小於0.5μm，則對於緩和畸變發光層12的畸變量偏差不足，若層厚超過20μm，則成長時間變長，製造成本增加，並不理想。
如此，藉由控制畸變調整層8的組成，可減低化合物半導體層2的翹曲，所以可製作面內波長分布小的發光二極體1。再者，如本實施形態，具有進行功能性基板3與化合物半導體層2接合的構造的情況也是，化合物半導體層2的翹曲大的情況會產生裂紋等的問題，所以最好減少化合物半導體層2的翹曲。
其次，就畸變調整層8緩和化合物半導體層2的畸變的機制(畸變調整層8與化合物半導體層2的晶格常數的關係)，一面參閱圖6一面進行說明。
如圖6所示，畸變調整層8的晶格常數在比成為基準的GaAs基板的晶格常數小之側。以此狀態為-(負)畸變。相對於此，發光層10的畸變發光層12的晶格常數在比成為基準的GaAs基板的晶格常數大之側。以此為+(正)畸變。在本發明中，發現起因於畸變調整層8的-畸變的存在具有減少為了使發光波長長波長化而在畸變發光層12需要導入的+畸變的偏差的效果。如上所述，畸變發光層12的發光波長取決於畸變發光層12的層厚、組成及畸變量。如此，給予畸變發光層12的發光波長影響的要素多，所以有波長的偏差容易因各要素偏差的複合效果而變大的傾向。
例如畸變發光層12的層厚最好是30nm以下的薄膜，但由於是薄膜，所以均勻地控制層厚困難。而且，層厚與所導入的畸變量有相關，所以因畸變發光層12的層厚偏差而導入的畸變量也偏差，結果畸變發光層12的發光波長偏差。因此，發現形成化合物半導體層2之際，藉由在包含具有+畸變的畸變發光層12的發光部7的上方(圖4中成為發光部7的下方)設置畸變調整層8，此畸變調整層8具有的-畸變利用畸變發光層12的層厚偏差將在+側大幅偏離的畸變拉到-側，而畸變發光層12的畸變量偏差變小。此畸變調整層8的效果即使是畸變發光層12的畸變量偏差的原因取決於畸變發光層12的組成偏差的情況也同樣。
且說在無畸變調整層8的習知發光二極體方面，發光波長等的特性偏差大，所以不能滿足所要求的品質。相對於此，在本實施形態的發光二極體1方面，形成在發光部7的下方設有畸變調整層8的元件構造。藉此，進行長波長化所需的畸變發光層12的畸變量在發光層10內被均勻化，而發光波長及輸出的特性偏差變小。此外，化合物半導體層2的表面狀態也被改善。
功能性基板3如圖4所示，接合於構成化合物半導體層2的畸變調整層8側。此功能性基板3係由對於機械性地支持發光部7具有充分的強度，並且可透過由發光部7所射出的發光的禁帶寬度寬，對於來自發光層10的發光波長在光學上透明的材料所構成。例如可由磷化鎵(GaP)、砷化鋁鎵(AlGaAs)、氮化鎵(GaN)等的III-V族化合物半導體結晶體、硫化鋅(ZnS)或硒化鋅(ZnSe)等的II-VI族化合物半導體結晶體、或者六方晶或立方晶的碳化矽(SiC)等的IV族半導體結晶體、玻璃或藍寶石等的絕緣基板構成，GaP等較佳。
另一方面，也可選擇在接合面有反射率高的表面的功能性基板。例如也可選擇在表面有銀、金、銅或鋁等的金屬基板或合金基板，或者在半導體上形成有金屬反射鏡構造的複合基板等。最好是從與無因接合而產生的畸變影響的畸變調整層相同的材質中選擇。
功能性基板3係機械地以充分的強度支持發光部7，所以最好是例如約50μm以上的厚度。此外，為了在接合於化合物半導體層2後容易施行對功能性基板3的機械性加工，最好是不超過約300μm的厚度。即，功能性基板3由具有約50μm以上約300μm以下的厚度的n型GaP基板構成最適合。
此外，如圖4所示，功能性基板3的側面形成為在接近化合物半導體層2之側對於主要的光取出面為大致垂直的垂直面3a，並且形成為在遠離化合物半導體層2之側對於主要的光取出面向內側傾斜的傾斜面3b。藉此，可將由發光層10向功能性基板3側放射的光有效地取出到外部。此外，由發光層10向功能性基板3側放射的光之中，一部分可為垂直面3a所反射，以傾斜面3b取出。另一方面，為傾斜面3b所反射的光可以垂直面3a取出。如此，藉由垂直面3a與傾斜面3b的複合效果，可提高光的取出效率。
此外，在本實施形態方面，如圖4所示，最好設傾斜面3b與和發光面平行之面形成的角度α為55度～80度的範圍內。藉由設成此種範圍，可將由功能性基板3的底部所反射的光有效地取出到外部。
此外，最好設垂直面3a的寬度(厚度方向)為30μm～100μm的範圍內。藉由將垂直面3a的寬度設為上述範圍內，可使由功能性基板3的底部所反射的光在垂直面3a有效地回到發光面，並可使其由主要的光取出面放射。因此，可提高發光二極體1的發光效率。
此外，最好將功能性基板3的傾斜面3b粗面化。藉由將傾斜面3b粗面化，可得到提高此傾斜面3b的光取出效率的效果。即，藉由將傾斜面3b粗面化，可抑制傾斜面3b的全反射，並且提高光取出效率。
化合物半導體層2與功能性基板3的接合界面有時會成為高電阻層。即，有時會在化合物半導體層2與功能性基板3之間設有圖示省略的高電阻層。此高電阻層顯示高於功能性基板3的電阻值，在設有高電阻層的情況，具有減低從化合物半導體層2的畸變調整層8側向功能性基板3側的逆向的電流的功能。此外，構成對於從功能性基板3側向畸變調整層8側不慎施加的逆向的電壓發揮耐電壓性的接合構造，但其屈服(yield)電壓最好以比pn接合型的發光部7的逆向電壓低值的方式構成。
n型歐姆電極4及p型歐姆電極5為設於發光二極體1主要的光取出面的低電阻的歐姆接觸電極。此處，n型歐姆電極4設於上部包覆層11的上方，可使用例如由AuGe、Ni合金/Au構成的合金。另一方面，p型歐姆電極5如圖4所示，可在使其露出的畸變調整層8的表面使用由AuBe/Au構成的合金。
此處，在本實施形態的發光二極體1方面，作為第2電極，最好將p型歐姆電極5形成於畸變調整層8上。藉由形成此種結構，可降低動作電壓。此外，藉由將p型歐姆電極5形成於由p型GaP構成的畸變調整層8上，可得到良好的歐姆接觸，所以可降低動作電壓。
再者，在本實施形態方面，最好以第1電極的極性為n型，以第2電極的極性為p型。藉由形成此種結構，可達成發光二極體1的高亮度化。另一方面，若以第1電極為p型，則電流擴散變差，招致亮度降低。相對於此，藉由以第1電極為n型，電流擴散變好，可達成發光二極體1的高亮度化。
在本實施形態的發光二極體1方面，如圖3所示，最好n型歐姆電極4與p型歐姆電極5以成為對角位置的方式配置。此外，形成以化合物半導體層2包圍p型歐姆電極5的周圍的結構最好。藉由形成此種結構，可降低動作電壓。此外，藉由以n型歐姆電極4包圍p型歐姆電極5的四方，電流容易流向四方，其結果動作電壓降低。
此外，在本實施形態的發光二極體1方面，如圖3所示，最好將n型歐姆電極4形成為蜂巢、格子形狀等網眼。藉由形成此種結構，可使可靠性提高。此外，藉由形成為格子狀，可將電流均勻地注入發光層10，其結果，可使可靠性提高。再者，在本實施形態的發光二極體1方面，最好以墊片形狀的電極(墊片電極)與寬度10μm以下的線狀的電極(線狀電極)構成n型歐姆電極4。藉由形成此種結構，可謀求高亮度化。再者，藉由縮小線狀電極的寬度，可提高光取出面的開口面積，並可達成高亮度化。
第3電極6如圖4所示，設於功能性基板3的底面，具有使高亮度化、導通性及安裝步驟穩定化的功能。第3電極6的材質並不特別限定，例如可使用反射率高的銀(Ag)糊。此外，第3電極6例如可使用由反射層、阻障層及連接層構成的層積構造體。就上述反射層而言，可使用反射率高的金屬，例如銀、金、鋁、鉑及此等金屬的合金。此外，在功能性基板3與反射層之間可設置例如由氧化銦錫(ITO)及氧化銦鋅(IZO)等透明導電膜構成的氧化膜。此外，就阻障層而言，例如可使用鎢、鉬、鈦、鉑、鉻或鉭等高熔點金屬。此外，就連接層而言，例如可使用AuSn、AuGe或AuSi等低熔點的共晶金屬。
此外，第3電極6可為歐姆電極，亦可為肖特基(Schottky)電極，但若在功能性基板3的底面形成歐姆電極，則第3電極6會吸收來自發光層10的光，所以最好為肖特基電極。第3電極6的厚度並不特別限定，但0.2～5μm的範圍較佳，1～3μm的範圍更佳，1.5～2.5μm的範圍特別好。此處，若第3電極6的厚度小於0.2μm，則需要高度的膜厚控制技術，並不理想。此外，若第3電極6的厚度超過5μm，則難以形成圖案，且為高成本，並不理想。另一方面，若第3電極6的厚度為上述範圍，則品質穩定性與成本可並存，很理想。
＜發光二極體之製造方法＞
其次，就本實施形態的發光二極體1之製造方法進行說明。圖7為使用於本實施形態的發光二極體1的磊晶晶圓的剖面圖。此外，圖8為使用於本實施形態的發光二極體1的接合晶圓的剖面圖。
(化合物半導體層之形成步驟)
首先，如圖7所示，製作化合物半導體層2。化合物半導體層2係在GaAs基板14上依次層積由GaAs構成的緩衝層15、為利用於選擇蝕刻而設的蝕刻停止層(圖示省略)、摻入Si的由n型AlGaInP構成的接觸層16、n型上部包覆層11、發光層10、p型下部包覆層9、及摻入Mg的由p型GaP構成的畸變調整層8而製作。
就GaAs基板14而言，可使用以眾所周知的製法製作的市售品的單晶基板。最好GaAs基板14的使其磊晶成長的表面為平滑。GaAs基板14的表面的面方位由品質穩定性方面，最好是容易磊晶成長、已量產的(100)面及由(100)偏移在±20°以內。再者，GaAs基板14的面方位的範圍從(100)方向向(0-1-1)方向為15°偏移±5°更佳。
為了使化合物半導體層2的結晶性良好，GaAs基板14的差排密度低者較佳。具體而言，例如10,000個cm-2 以下，理想的是1,000個cm-2 以下為適合。
GaAs基板14可為n型，亦可為p型。GaAs基板14的載體密度可由所希望的導電度與元件構造適當選擇。例如GaAs基板14為摻入矽的n型時，最好載體密度為1×1017 ～5×1018 cm-3 的範圍。相對於此，GaAs基板14為摻入鋅的p型時，最好載體密度為2×1018 ～5×1019 cm-3 的範圍。
GaAs基板14的厚度按照基板的尺寸，有適當的範圍。若GaAs基板14的厚度比適當的範圍薄，則在化合物半導體層2的製程中有破裂之虞。另一方面，若GaAs基板14的厚度比適當的範圍厚，則材料成本增加。因此，在GaAs基板14的基板尺寸大的情況，例如直徑75mm的情況，為了防止處理時的破裂，最好是250～500μm的厚度。同樣地，直徑50mm的情況，最好是200～400μm的厚度，直徑100mm的情況，最好是350～600μm的厚度。
如此，藉由按照GaAs基板14的基板尺寸而加厚基板的厚度，可減低起因於畸變發光層7的化合物半導體層2的翹曲。藉此，磊晶成長中的溫度分布成為均勻，所以可減少發光層10面內的波長分布。再者，GaAs基板14的形狀並不特別限定為圓形，也可以是矩形等。
緩衝層(buffer)15係為了緩和與半導體基板14和發光部7的結構層的晶格不匹配而設。因此，若選擇基板的品質或磊晶成長條件，則未必需要緩衝層15。此外，緩衝層15的材質最好為與使其磊晶成長的基板相同的材質。因此，在本實施形態方面，最好將與GaAs基板14相同的GaAs使用於緩衝層15。此外，亦可將為減低缺陷傳播而由與GaAs基板14不同的材質構成的多層膜使用於緩衝層15。緩衝層15的厚度為0.1μm以上較佳，為0.2μm以上更佳。
接觸層16係為了使與電極的接觸電阻降低而設。接觸層16的材質最好為帶隙大於畸變發光層12的材質，具有AlX Ga1-X As或(AlX Ga1-X )Y In1-Y P(其中，X及Y為分別滿足0≦X≦1及0<Y≦1的數值)的組成的材質適合。此外，為了使與電極的接觸電阻降低，接觸層16的載體密度的下限值為5×1017 cm-3 以上較佳，為1×1018 cm-3 以上更佳。載體密度的上限值最好是容易產生結晶性降低的2×1019 cm-3 以下。接觸層16的厚度為0.5μm以上較佳，為1μm以上最適合。接觸層16的厚度的上限值並不特別限定，但為了使關於磊晶成長的成本成為適當範圍，最好是5μm以下。
在本實施形態方面，可適用分子束磊晶法(MBE)或減壓有機金屬化學氣相沉積法(MOCVD法)等眾所周知的成長方法。其中尤以適用量產性優良的MOCVD法較佳。具體而言，使用於化合物半導體層2的磊晶成長的GaAs基板14最好在成長前實施清洗步驟或熱處理等的前處理，以去除表面的污染或自然氧化膜。構成上述化合物半導體層2的各層可將直徑50～150mm的GaAs基板14在MOCVD裝置內放置8片以上，同時使其磊晶成長而層積。此外，就MOCVD裝置而言，可適用自己公轉型或高速旋轉型等市售的大型裝置。
使上述化合物半導體層2的各層磊晶成長之際，就III族構成元素的原料而言，例如可使用三甲基鋁((CH3 )3 Al)、三甲基鎵((CH3 )3 Ga)及三甲基銦((CH3 )3 In)等。此外，就Mg的摻雜原料而言，例如可使用二茂鎂(bis-(C5 H5 )2 Mg)等。此外，就Si的摻雜原料而言，例如可使用乙矽烷(Si2 H6 )等。此外，就V族構成元素的原料而言，可使用磷化氫(PH3 )或砷化氫(AsH3 )等。此外，就各層的成長溫度而言，使用p型GaP作為畸變調整層8的情況，可適用720～770℃，若是其他各層則可適用600～700℃。再者，各層的載體密度、層厚及溫度條件等可適當選擇。
如此製造的化合物半導體層2雖有畸變發光層12，但仍有結晶缺陷少的良好表面狀態。此外，化合物半導體層2亦可對應於元件構造而施行研磨等的表面加工。
(透明基板之接合步驟)
其次，接合化合物半導體層2與功能性基板3。化合物半導體層2與功能性基板3的接合，係首先研磨構成化合物半導體層2的畸變調整層8的表面，並且進行鏡面加工。其次，準備貼在此已鏡面研磨的畸變調整層8的表面上的功能性基板3。
再者，此功能性基板3的表面在接合於畸變調整層8以前，研磨成鏡面。其次，將化合物半導體層2與功能性基板3搬入一般的半導體材料張貼裝置，在真空中將使電子碰撞而中性(neutral)化的Ar射束照射於已鏡面研磨的雙方的表面。其後，在維持真空的張貼裝置內疊合雙方的表面，並施加負載，藉此可在室溫下接合(參閱圖8)。
(第1及第2電極之形成步驟)
其次，形成為第1電極的n型歐姆電極4及為第2電極的p型歐姆電極5。n型歐姆電極4及p型歐姆電極5的形成，係首先從與功能性基板3接合的化合物半導體層2用氨系蝕刻劑選擇性地去除GaAs基板14及緩衝層15。其次，在露出的接觸層16的表面形成n型歐姆電極4。具體而言，例如將AuGe或Ni合金/Pt/Au以成為任意厚度的方式，利用真空蒸鍍法層積後，利用一般的微影(photolithography)法進行圖案化而形成n型歐姆電極4的形狀。
其次，選擇性地去除接觸層16、上部包覆層11、發光層10及下部包覆層9的一部分的區域而使畸變調整層8露出，在此露出的畸變調整層8的表面形成p型歐姆電極5。具體而言，例如將Au/Be/Au以成為任意厚度的方式，利用真空蒸鍍法層積後，利用一般的微影(photolithography)法進行圖案化而形成p型歐姆電極5的形狀。其後，在例如400～500℃、5～20分鐘的條件下進行熱處理而合金化，藉此可形成低電阻的n型歐姆電極4及p型歐姆電極5。
(第3電極之形成步驟)
其次，在與功能性基板3的和化合物半導體層2的接合面相反側形成第3電極6。使用銀糊作為第3電極6的情況，係在功能性基板的表面塗布銀糊。此外，使用層積構造體作為第3電極的情況，具體而言，例如係在功能性基板3的表面，利用濺鍍法形成0.1μm為透明導電膜的ITO膜作為氧化膜後，形成0.1μm銀合金膜而形成反射層。其次，在此反射層上形成0.1μm例如鎢膜作為阻障層。其次，在此阻障層上依次形成0.5μmAu膜、1μmAuSn膜(共晶：熔點283℃)及0.1μmAu膜而形成連接層。然後，利用通常的微影(photolithography)法圖案化成任意的形狀而形成第3電極6。再者，功能性基板3與第3電極6為光吸收少的肖特基(Schottky)接觸。
(透明基板之加工步驟)
其次，加工功能性基板3的形狀。功能性基板3的加工，係首先在未形成第3電極6的表面進行V字狀的槽置入。此時，V字狀的槽的第3電極6側的內側面成為具有與和發光面平行之面形成的角度α的傾斜面3b。其次，從化合物半導體層2側以預定間隔進行切割而晶片化。再者，利用晶片化之際的切割形成功能性基板3的垂直面3a。
就傾斜面3b的形成方法而言，並不特別限定，可適當組合濕式蝕刻、乾式蝕刻、劃割法、雷射加工等的習知方法而使用，但適用形狀控制性及生產性高的切割(dicing)法最好。藉由適用切割法，可提高製造良率。
此外，垂直面3a的形成方法並不特別限定，但最好以劃線折斷(scribe break)法或切割(dicing)法形成。藉由採用劃線折斷(scribe break)法，可使製造成本降低。即，無需在晶片分離之際設置切斷餘量，可製造數量多的發光二極體，所以可降低製造成本。另一方面，若是切割法，則來自垂直面3a的光取出效率提高，可達成高亮度化。
最後，按照需要，以硫酸-過氧化氫混合液等蝕刻去除切割的破碎層及污垢。如此一來，可製造發光二極體1。
＜發光二極體燈之製造方法＞
其次，就使用上述發光二極體1的發光二極體燈41的製造方法，即發光二極體1的安裝方法進行說明。
如圖1及圖2所示，在裝配基板42的表面安裝預定數量的發光二極體1。發光二極體1的安裝，係首先進行裝配基板42與發光二極體1的對位，在裝配基板42表面的預定位置配置發光二極體1。其次，共晶金屬接合(共晶金屬晶粒接合)構成第3電極6的連接層與設於裝配基板42表面的n電極端子43。藉此，將發光二極體1固定於裝配基板42的表面。其次，使用金屬線45連接(引線接合)發光二極體1的n型歐姆電極4與裝配基板42的n電極端子43。其次，使用金屬線46連接發光二極體1的p型歐姆電極5與裝配基板42的p電極端子44。最後，利用一般的環氧樹脂47密封裝配基板42的安裝有發光二極體1的表面。如此製造使用發光二極體1的發光二極體燈41。
對於具有如以上結構的發光二極體燈41，就將電壓附加於n電極端子43及p電極端子44的情況進行說明。
首先，就將順向電壓施加於發光二極體燈41的情況進行說明。
在施加有順向電壓的情況，順向電流首先從連接於陽極的p型電極端子44經過金屬線46向p型歐姆電極5流通。其次，從p型歐姆電極5向畸變調整層8、下部包覆層9、發光層10、上部包覆層11及n型歐姆電極4依次流通。其次，從n型歐姆電極4經過金屬線45向連接於陰極的n型電極端子43流通。再者，由於在發光二極體1上設有高電阻層，所以順向電流不從畸變調整層8向由n型GaP基板構成的功能性基板3流通。如此在順向電流流通之際，從發光層10發光。此外，從發光層10發出的光會從主要的光取出面放射。另一方面，從發光層10向功能性基板3側放射的光為功能性基板3的形狀及第3電極6所反射，所以會從主要的光取出面放射。因此，可達成發光二極體燈41(發光二極體1)的高亮度化(參閱圖2及圖4)。
此外，發光二極體燈41的發光光譜由於已調整發光層10的組成，所以峰值發光波長成為655～675nm的範圍。此外，已藉由畸變調整層8抑制畸變發光層12的畸變量在發光層10內的偏差，所以發光光譜的半寬度成為10～40nm的範圍。此外，在發光波長700nm的發光強度成為小於在峰值發光波長的發光強度的10%。因此，使用發光二極體1而製作的發光二極體燈41可適當用作使用於促進植物培育的光合成的照明。
如以上說明，本實施形態的發光二極體1具備化合物半導體層2，該化合物半導體層2係包含具有組成式為(AlX Ga1-X )Y In1-Y P(其中，X及Y為分別滿足0≦X≦0.1及0.39≦Y≦0.45的數值)的畸變發光層12的發光部7。藉由在畸變發光層12的材質採用AlGaInP，可提高來自發光部7的發光效率及反應速度。此外，藉由將畸變發光層12的組成規定於上述範圍中，可製造具有655nm以上的發光波長的發光二極體1。
此外，本實施形態的發光二極體1在發光部7上設有畸變調整層8。此畸變調整層8對於發光波長為透明，所以可不吸收來自發光部7的發光而製造高輸出及/或高效率的發光二極體1。再者，此畸變調整層8具有比GaAs基板14的晶格常數小的晶格常數，所以可抑制此半導體化合物層2的翹曲的產生。藉此，減低畸變發光層12的畸變量在發光層10內的偏差，所以可製造單色性優良的發光二極體1。
因此，依據本實施形態，可提供一種具有655nm以上的發光波長，單色性優良，並且高輸出及/或高效率又反應速度快的發光二極體1。此外，依據本實施形態，可提供一種與以往的AlGaAs系列的發光二極體相比，具有約4倍以上的發光效率的高輸出發光二極體1。
此外，本實施形態的發光二極體燈41具備具有655nm以上的發光波長，單色性優良，並且高輸出及/或高效率又反應速度快的上述發光二極體1。因此，可提供一種適合植物培育用的照明的發光二極體燈41。
[實施例]
以下，使用實施例具體說明本發明之效果。再者，本發明並不限定於此等實施例。
在本實施例中，將具體說明製作出關於本發明的發光二極體之例。此外，在本實施例所製作出的發光二極體為具有AlGaInP發光部的紅色發光二極體。在本實施例中，使成長於GaAs基板上的化合物半導體層與由GaP構成的功能性基板接合而製作出發光二極體。而且，為了評估特性，而製作出在基板上安裝有發光二極體晶片的發光二極體燈。
(實施例1)
實施例1的發光二極體，係首先在摻入Si的由n型GaAs單晶構成的GaAs基板上，依次層積化合物半導體層而製作出磊晶晶圓。
GaAs基板係以從(100)面向(0-1-1)方向傾斜15°之面為成長面，並以載體密度為2×1018 cm-3 。此外，GaAs基板的層厚為約0.5μm。所謂化合物半導體層，係摻入Si的由GaAs構成的n型緩衝層、摻入Si的由(Al0.7 Ga0.3 )0.5 In0.5 P構成的n型接觸層、摻入Si的由(Al0.7 Ga0.3 )0.5 In0.5 P構成的n型上部包覆層、不摻雜的由Ga0.44 In0.56 P/(Al0.53 Ga0.47 )0.5 In0.5 P之對構成的畸變發光層/阻障層、摻入Mg的由(Al0.7 Ga0.3 )0.5 In0.5 P構成的p型下部包覆層、由(Al0.5 Ga0.5 )0.5 In0.5 P構成的薄膜的中間層、及摻入Mg的由p型GaP構成的畸變調整層。
在本實施例中，使用減壓有機金屬化學氣相沉積裝置法(MOCVD裝置)，在直徑76mm及厚度350μm的GaAs基板上使化合物半導體層磊晶成長，形成磊晶晶圓。使磊晶成長層成長之際，作為III族構成元素的原料，使用三甲基鋁((CH3 )3 Al)、三甲基鎵((CH3 )3 Ga)及三甲基銦((CH3 )3 In)。此外，作為Mg的摻雜原料，使用二茂鎂(bis-(C5 H5 )2 Mg)。此外，作為Si的摻雜原料，使用乙矽烷(Si2 H6 )。此外，作為V族構成元素的原料，使用磷化氫(PH3 )及砷化氫(AsH3 )。此外，作為各層的成長溫度，由p型GaP構成的畸變調整層為750℃；及關於其他各層，為700℃。
由GaAs構成的緩衝層以載體密度為約2×1018 cm-3 、以層厚為約0.5μm。接觸層以載體密度為約2×1018 cm-3 、以層厚為約3.5μm。上部包覆層以載體密度為約1×1018 cm-3 、以層厚為約0.5μm。畸變發光層為不摻雜，層厚為約17nm的Ga0.44 In0.56 P，阻障層為不摻雜，層厚為約19nm的(Al0.53 Ga0.47 )0.5 In0.5 P。此外，將畸變發光層與阻障層交替層積22對。下部包覆層以載體密度為約8×1017 cm-3 、以層厚為約0.5μm。中間層以載體密度為約8×1017 cm-3 、以層厚為約0.05μm。由GaP構成的畸變調整層以載體密度為約3×1018 cm-3 、以層厚為約9μm。
其次，將畸變調整層研磨到從表面至約1μm的深度的區域，並進行鏡面加工。藉由此鏡面加工，使畸變調整層表面的粗糙度成為0.18nm。另一方面，準備貼在上述畸變調整層已鏡面研磨的表面上的由n型GaP構成的功能性基板。對此張貼用的功能性基板以載體密度成為約2×1017 cm-3 的方式添加Si，使用以面方位為(111)的單晶。此外，功能性基板的直徑為76mm，厚度為250μm。此功能性基板的表面在使其接合於畸變調整層以前，研磨成鏡面，就平方平均平方根值(rms)而言，精加工成0.12nm。
其次，將具有上述功能性基板及畸變調整層的磊晶晶圓搬入一般的半導體材料張貼裝置，將裝置內真空排氣到成為3×10-5 Pa。
其次，將使電子碰撞而中性(neutral)化的Ar射束3分鐘地照射於功能性基板及畸變調整層雙方的表面。其後，在維持成真空的張貼裝置內，疊合功能性基板及畸變調整層的表面，以在各表面的壓力成為50g/cm2 的方式施加負載，在室溫下接合雙方。如此一來，形成了接合晶圓。
其次，從上述接合晶圓用氨系蝕刻劑選擇性地去除GaAs基板及GaAs緩衝層。其次，在接觸層的表面，作為第1電極，利用真空蒸鍍法以厚度成為0.5μm的方式形成AuGe、Ni合金膜，以厚度成為0.2μm的方式形成Pt膜，以厚度成為1μm的方式形成Au膜。其後，利用一般的微影(photolithography)法施行圖案化，形成n型歐姆電極作為第1電極。其次，對為已去除GaAs基板之面的光取出面的表面施行粗面化處理。
其次，作為第2電極，選擇性地去除形成p型歐姆電極的區域的磊晶層，使畸變調整層露出。在此露出的畸變調整層的表面，利用真空蒸鍍法以AuBe成為0.2μm、Au成為1μm的方式形成p型歐姆電極。其後，以450℃進行10分鐘熱處理而合金化，形成低電阻的p型及n型歐姆電極。
其次，在功能性基板的背面形成厚度0.2μm的Au、厚度0.2μm的Pt及厚度1.2μm的AuSn的連接用的第3電極。
其次，使用切割鋸從功能性基板的背面，將未形成第3電極的區域以傾斜面的角度α成為70°，並且垂直面的厚度成為80μm的方式，進行V字狀的槽置入。其次，從化合物半導體層側，使用切割鋸以350μm間隔切斷，晶片化。以硫酸-過氧化氫混合液蝕刻去除切割的破碎層及污垢，製作出實施例1的發光二極體。
組裝100個在裝配基板上安裝有如上述製作的實施例1的發光二極體晶片的發光二極體燈。此發光二極體燈係在裝配基板上以共晶晶粒接合器(die bonder)加熱連接前述發光二極體晶片而支持(安裝)，以金屬線引線接合(wire bonding)前述發光二極體的n型歐姆電極與設於裝配基板表面的n電極端子，以金屬線引線接合p型歐姆電極與p電極端子後，以一般的環氧樹脂密封而製作出。
表1中顯示評估此發光二極體(發光二極體燈)特性的結果。如表1所示，使電流流到n型及p型歐姆電極間的結果，射出為峰值波長660nm的紅色光。順向流通20毫安培(mA)的電流之際的順向電壓(Vf)反映構成化合物半導體層的畸變調整層與功能性基板的接合界面的電阻低度及各歐姆電極的良好歐姆特性，為約2.0伏特(V)。以順向電流為20mA之際的發光輸出為20mW。組裝的全部發光二極體晶片的峰值波長的偏差(最大-最小)為2.1nm。發光的上升的反應速度(Tr)為70ns。
實施例1的發光二極體燈的發光光譜如圖9所示，半寬度為18nm，在波長700nm的發光強度為大約0。
(實施例2)
實施例2的發光二極體係只變更實施例1的發光二極體的畸變發光層及阻障層的結構。此處，實施例2的發光二極體係將上述實施例1的畸變發光層變更為不摻雜且層厚約10nm的Ga0.42 In0.58 P，將上述實施例1的阻障層變更為不摻雜且層厚約30nm的(Al0.53 Ga0.47 )0.5 In0.5 P，並將畸變發光層與阻障層交替層積22對。
表1中顯示評估安裝有實施例2的發光二極體的發光二極體燈特性的結果。如表1所示，使電流流到n型及p型歐姆電極間的結果，射出以峰值波長為660.5nm的紅色光。此外，順向流通20毫安培(mA)的電流之際的順向電壓(Vf)為約2.0伏特(V)。
此外，以順向電流為20mA之際的發光輸出為18mW。組裝的全部發光二極體燈的峰值波長的偏差為2.3nm。發光的上升的反應速度(Tr)為68ns。
(實施例3)
實施例3的發光二極體係只變更實施例2的發光二極體的畸變發光層的結構。此處，實施例3的發光二極體係將上述實施例2的畸變發光層變更為不摻雜且層厚約15nm的Ga0.41 In0.59 P。
表1中顯示評估安裝有實施例3的發光二極體的發光二極體燈特性的結果。如表1所示，使電流流到n型及p型歐姆電極間的結果，射出以峰值波長為668.0nm的紅色光。此外，順向流通20毫安培(mA)的電流之際的順向電壓(Vf)為約2.0伏特(V)。
此外，以順向電流為20mA之際的發光輸出為19mW。組裝的全部發光二極體燈的峰值波長的偏差為2.5nm。發光的上升的反應速度(Tr)為71ns。
(實施例4)
實施例4的發光二極體係只變更實施例2的發光二極體的畸變發光層的結構。此處，實施例4的發光二極體係將上述實施例2的井層變更為不摻雜且層厚約25nm的Ga0.45 In0.55 P。
表1中顯示評估安裝有實施例4的發光二極體的發光二極體燈特性的結果。如表1所示，使電流流到n型及p型歐姆電極間的結果，射出以峰值波長為656.0nm的紅色光。此外，順向流通20毫安培(mA)的電流之際的順向電壓(Vf)為約2.0伏特(V)。
此外，以順向電流為20mA之際的發光輸出為20mw。組裝的全部發光二極體燈的峰值波長的偏差為2.1nm。發光的上升的反應速度(Tr)為66ns。
(實施例5)
實施例5的發光二極體係只變更實施例2的發光二極體的畸變發光層的結構。此處，實施例5的發光二極體係將上述實施例2的畸變發光層變更為不摻雜且層厚約10nm的Ga0.39 In0.61 P。
表1中顯示評估安裝有實施例5的發光二極體的發光二極體燈特性的結果。如表1所示，使電流流到n型及p型歐姆電極間的結果，射出以峰值波長為670.0nm的紅色光。此外，順向流通20毫安培(mA)的電流之際的順向電壓(Vf)為約2.0伏特(V)。
此外，以順向電流為20mA之際的發光輸出為18mw。組裝的全部發光二極體燈的峰值波長的偏差為2.9nm。發光的上升的反應速度(Tr)為65ns。
(比較例1)
比較例1的發光二極體係將實施例2的發光二極體的表面層變更為無畸變的層。此處，比較例1的發光二極體係將上述實施例2的畸變調整層變更為(Al0.7 Ga0.3 )0.5 In0.5 P層。
表1中顯示評估安裝有比較例1的發光二極體的發光二極體燈特性的結果。如表1所示，使電流流到n型及p型歐姆電極間的結果，射出以峰值波長為660nm的紅色光。此外，順向流通20毫安培(mA)的電流之際的順向電壓(Vf)為約2.1伏特(V)。此外，以順向電流為20mA之際的發光輸出為13mW。組裝的全部發光二極體燈的峰值波長的偏差為71nm。發光的上升的反應速度(Tr)為65ns。發光波長的分布大，無法滿足特性。
(比較例2)
比較例2的發光二極體係只變更實施例2的發光二極體的畸變發光層的結構。此處，比較例2的發光二極體係將上述實施例2的畸變發光層變更為不摻雜且層厚約5nm的Ga0.38 In0.62 P。
表1中顯示評估安裝有比較例2的發光二極體的發光二極體燈特性的結果。如表1所示，使電流流到n型及p型歐姆電極間的結果，射出以峰值波長為651.5nm的紅色光。此外，順向流通20毫安培(mA)的電流之際的順向電壓(Vf)為約2.0伏特(V)。
此外，以順向電流為20mA之際的發光輸出為16mW。組裝的全部發光二極體燈的峰值波長的偏差為5.1nm。發光的上升的反應速度(Tr)為42ns。發光波長因量子效應而小於655nm，無法滿足特性。
(比較例3)
比較例3的發光二極體係只變更實施例2的發光二極體的畸變發光層的結構。此處，比較例3的發光二極體係將上述實施例2的畸變發光層的組成變更為Ga0.37 In0.63 P。
在比較例3中所製作出的磊晶晶圓方面，在由p型GaP構成的畸變調整層的表面產生了起因於畸變發光層組成的結晶缺陷(影線)。
表1中顯示評估安裝有比較例3的發光二極體的發光二極體燈特性的結果。如表1所示，使電流流到n型及p型歐姆電極間的結果，射出以峰值波長為677.7nm的紅色光。此外，順向流通20毫安培(mA)的電流之際的順向電壓(Vf)為約2.2伏特(V)。
此外，以順向電流為20mA之際的發光輸出為5mW。組裝的全部發光二極體燈的峰值波長的偏差為3.8nm。發光的上升的反應速度(Tr)為45ns。發光輸出因產生上述的畸變調整層的缺陷而降低，無法滿足特性。
(比較例4)
比較例4的發光二極體係只變更實施例1的發光二極體的畸變發光層的結構。此處，比較例4的發光二極體係將上述實施例1的畸變發光層的組成變更為Ga0.48 In0.52 P。
表1中顯示評估安裝有比較例4的發光二極體的發光二極體燈特性的結果。如表1所示，使電流流到n型及p型歐姆電極間的結果，射出以峰值波長為647.7nm的紅色光。此外，順向流通20毫安培(mA)的電流之際的順向電壓(Vf)為約2.0伏特(V)。
此外，以順向電流為20mA之際的發光輸出為16mW。組裝的全部發光二極體燈的峰值波長的偏差為2.7nm。發光的上升的反應速度(Tr)為62ns。發光波長小於655nm，無法滿足特性。
(比較例5)
比較例5的發光二極體係只變更實施例2的發光二極體的畸變發光層及阻障層的結構。此處，比較例5的發光二極體係將上述實施例2的畸變發光層變更為不摻雜且層厚約30nm的Ga0.44 In0.56 P，將上述實施例1的阻障層變更為不摻雜且層厚約30nm的(Al0.53 Ga0.47 )0.5 In0.5 P，並將畸變發光層與阻障層交替層積12對。
在比較例5中所製作出的磊晶晶圓方面，在由p型GaP構成的畸變調整層的表面產生了起因於畸變發光層組成的結晶缺陷(影線)。
表1中顯示評估安裝有比較例5的發光二極體的發光二極體燈特性的結果。如表1所示，使電流流到n型及p型歐姆電極間的結果，射出以峰值波長為668.9nm的紅色光。此外，順向流通20毫安培(mA)的電流之際的順向電壓(Vf)為約2.3伏特(V)。
此外，以順向電流為20mA之際的發光輸出為3mW。組裝的全部發光二極體燈的峰值波長的偏差為4.1nm。發光的上升的反應速度(Tr)為43ns。發光輸出因產生缺陷而降低，無法滿足特性。
(比較例6)
比較例6的發光二極體係以為先前技術的液相磊晶法形成。係變更為在GaAs基板上具有作為Al0.35 Ga0.65 As發光層的雙異質構造的發光部的發光二極體。
比較例6的發光二極體的製作，具體而言，係在n型(100)面的GaAs單晶基板上，以由Al0.7 Ga0.3 As構成的n型上部包覆層成為20μm、由Al0.35 Ga0.65 As構成的不摻雜的發光層成為2μm、由Al0.7 Ga0.3 As構成的p型下部包覆層成為20μm、對於發光波長透明的由Al0.6 Ga0.4 As構成的p型厚膜層成為120μm的方式，利用液相磊晶方法製作。此磊晶成長後，去除GaAs基板。其次，在n型AlGaAs的表面形成直徑100μm的n型歐姆電極。其次，在p型AlGaAs的背面以80μm間隔形成直徑20μm的p型歐姆電極。其次，利用切割鋸以350μm間隔切斷後，蝕刻去除破碎層，製作出比較例6的發光二極體晶片。
表1中顯示評估安裝有比較例6的發光二極體的發光二極體燈特性的結果。如表1所示，使電流流到n型及p型歐姆電極間的結果，射出以峰值波長為661.1nm的紅色光。此外，順向流通20毫安培(mA)的電流之際的順向電壓(Vf)為約1.9伏特(V)。
此外，以順向電流為20mA之際的發光輸出為4mW。組裝的全部發光二極體燈的峰值波長的偏差為6.7nm。輸出低且反應速度(Tr)為150ns，無法滿足特性。
(照明裝置之製作)
記載於前述實施例1～5的發光二極體燈之中，選擇記載於前述實施例1的發光二極體燈，按照記載於特開2008-16412號公報的內容，將該燈固定於照明裝置用反射器內，製作出具備複數該反射器的照明裝置(包含形成有電源配線或通孔等的基板等)。在此處引用特開2008-16412號公報，作為本說明書的一部分。
[產業上之利用可能性]
本發明之發光二極體達成660nm的紅色、高效率發光，可利用作為植物培育用途的光源等由先前AlGaAs的LED所得不到的高輸出發光二極體製品。此外，有替代作為先前AlGaAs發光層LED的高輸出品的可能性。
1．．．發光二極體
2．．．化合物半導體層
3．．．功能性基板
3a．．．垂直面
3b．．．傾斜面
4．．．n型歐姆電極(第1電極)
5．．．p型歐姆電極(第2電極)
6．．．第3電極
7．．．發光部
8．．．畸變調整層
9．．．下部包覆層
10．．．發光層
11．．．上部包覆層
12．．．畸變發光層
13．．．阻障層
14．．．GaAs基板
15．．．緩衝層
16．．．接觸層
41．．．發光二極體燈
42．．．裝配基板
43．．．n電極端子
44．．．p電極端子
45、46．．．金屬線
47．．．環氧樹脂
α．．．傾斜面與和發光面平行之面形成的角度
100、101．．．照明裝置
230c．．．外部端子
400．．．反射器
410．．．反射器本體
420．．．反射面
420a．．．半旋轉拋物面
420b．．．拋物柱面
102．．．電路基板
104．．．反射器
142．．．反射面
200．．．電路基板
200a．．．電路基板200的一側
圖1係使用為本發明一實施形態的發光二極體的發光二極體燈的平面圖。
圖2係使用為本發明一實施形態的發光二極體的發光二極體燈的沿著圖1中所示的A-A’ 線的剖面模式圖。
圖3係為本發明一實施形態的發光二極體的平面圖。
圖4係為本發明一實施形態的發光二極體的沿著圖3中所示的B-B’ 線的剖面模式圖。
圖5係用以說明為本發明一實施形態的發光二極體的發光部結構的擴大剖面圖。
圖6係用以說明緩和構成為本發明一實施形態的發光二極體的畸變調整層畸變的機制的圖。
圖7係使用於為本發明一實施形態的發光二極體的磊晶晶圓的剖面模式圖。
圖8係使用於為本發明一實施形態的發光二極體的接合晶圓的剖面模式圖。
圖9係顯示本發明實施例的發光二極體燈的發光光譜的圖。
圖10係顯示為本發明一實施形態的照明裝置的斜視圖。
圖11係顯示為本發明另外的實施形態的照明裝置的斜視圖。
1．．．發光二極體
2．．．接合化合物半導體層
3．．．功能性基板
3a．．．垂直面
3b．．．傾斜面
4．．．n型歐姆電極
5．．．p型歐姆電極
6．．．第3電極
7．．．發光部
8．．．畸變調整層
9．．．下部包覆層
10．．．發光層
11．．．上部包覆層
α．．．傾斜面與和發光面平行之面形成的角度

Claims (19)

  1. 一種發光二極體，其特徵在於：具備至少包含pn接合型的發光部及層積於該發光部的畸變調整層的化合物半導體層，該發光部具有組成式為GaY In1-Y P(其中，Y為滿足0.37≦Y≦0.46的數值)的畸變發光層與組成式為(AlX Ga1-X )Y In1-Y P(其中，X及Y為分別滿足0.3≦X≦0.7及0.48≦Y≦0.52的數值)的阻障層的層積構造，且畸變發光層與阻障層呈交替積層，該畸變調整層對於發光波長為透明，並且具有比該畸變發光層與該阻障層的晶格常數小的晶格常數，該畸變調整層的層厚為3~15μm的範圍，該畸變發光層的厚度為8~30nm的範圍，該畸變發光層含有8~40層，該阻障層的厚度為15~50nm，該發光部的發光光譜的峰值發光波長為655~675nm的範圍。
  2. 如申請專利範圍第1項之發光二極體，其中該發光部在該畸變發光層的上面及下面的一方或兩方具有包覆層，該包覆層的組成式為(AlX Ga1-X )Y In1-Y P(其中，X及Y為分別滿足0.5≦X≦1及0.48≦Y≦0.52的數值)。
  3. 如申請專利範圍第1項之發光二極體，其中該畸變調整層的組成式為(AlX Ga1-X )Y In1-Y P(其中，X及Y為分別滿 足0≦X≦1及0.6≦Y≦1的數值)。
  4. 如申請專利範圍第1項之發光二極體，其中該畸變調整層的組成式為AlX Ga1-X As1-Y PY (其中，X及Y為分別滿足0≦X≦1及0.6≦Y≦1的數值)。
  5. 如申請專利範圍第1項之發光二極體，其中該畸變調整層的材質為GaP。
  6. 如申請專利範圍第1項之發光二極體，其係在與該化合物半導體層的光取出面相反側之面接合有功能性基板。
  7. 如申請專利範圍第6項之發光二極體，其中該功能性基板為透明。
  8. 如申請專利範圍第6項之發光二極體，其中該功能性基板的材質為GaP。
  9. 如申請專利範圍第6項之發光二極體，其中該功能性基板的側面具有在接近該化合物半導體層之側對於該光取出面為大致垂直的垂直面，及在遠離該化合物半導體層之側對於該光取出面向內側傾斜的傾斜面。
  10. 如申請專利範圍第6項之發光二極體，其係更具備：設於該化合物半導體層之該光取出面側的第1及第2電極，及設於該功能性基板背面的連接用的第3電極。
  11. 如申請專利範圍第10項之發光二極體，其中該第1及第2電極為歐姆電極。
  12. 如申請專利範圍第6項之發光二極體，其中該光取出面 包含粗糙面。
  13. 如申請專利範圍第1至12項中任一項之發光二極體，其係用以使用於促進植物培育的光合成的發光二極體。
  14. 如申請專利範圍第13項之發光二極體，其中該發光光譜的半寬度為10~40nm的範圍。
  15. 如申請專利範圍第13項之發光二極體，其中該發光光譜在發光波長700nm的發光強度為小於在該峰值發光波長的發光強度的10%。
  16. 如申請專利範圍第1至12項中任一項之發光二極體，其中該發光部的反應速度(Tr)為100ns以下。
  17. 一種發光二極體燈，其特徵在於：具備如申請專利範圍第1至16項中任一項之發光二極體。
  18. 如申請專利範圍第17項之發光二極體燈，其係將設於該發光二極體的光取出面側的第1或第2電極及第3電極連接於大致相同電位。
  19. 一種照明裝置，其特徵在於：具備如申請專利範圍第17或18項之發光二極體燈。
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