JP2004165654A - Light-emitting device and method of manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は発光素子及びその製造方法に関する。 The present invention relates to a light emitting device and a method for manufacturing the same.
化合物半導体にて発光層部を形成した半導体発光素子のうち、表示用や照明用などの発光ダイオード光源として用いるものは、発光層部の光取出面側に駆動電圧を印加するための金属電極を形成する。金属電極は遮光体として作用するため、例えば発光層部主表面の中央部のみを覆う形で形成し、その周囲の電極非形成領域から光を取り出すこととなる。しかし、金属電極が遮光体であることに変わりはなく、また、電極面積を極端に小さくしすぎると、素子面内の電流拡散が妨げられて、却って光取出量が制限される問題もある。そこで、発光層部の全面を、透明で高導電率のITO(Indium Tin Oxide:酸化インジウム錫)電極層にて覆い、ITO電極層を介した光取出し効率の向上と、電流拡散効果の改善とを同時に図る提案が、例えば特許文献1〜5等に開示されている。 Among semiconductor light-emitting elements in which a light-emitting layer portion is formed of a compound semiconductor, those used as light-emitting diode light sources for display and illumination use a metal electrode for applying a driving voltage to the light extraction surface side of the light-emitting layer portion. Form. Since the metal electrode functions as a light shielding body, for example, it is formed so as to cover only the central portion of the main surface of the light emitting layer portion, and light is extracted from the surrounding electrode non-formation region. However, there is no change in that the metal electrode is a light shield, and if the electrode area is made extremely small, current diffusion in the element surface is hindered, and there is a problem that the amount of light extraction is restricted. Therefore, the entire surface of the light emitting layer is covered with a transparent and highly conductive ITO (Indium Tin Oxide) electrode layer, and the light extraction efficiency through the ITO electrode layer is improved, and the current diffusion effect is improved. The proposal which aims at simultaneously is disclosed by patent documents 1-5 etc., for example.
ところで、従来の半導体発光素子は、表示用などの小型素子が主要な用途を占めていたが、半導体素子が高い光変換効率を有し、発熱も少なく、また、蛍光ランプのように水銀を使用しないので環境保護上の観点においても望ましいことから、照明用あるいは大形表示装置などに使用するため、素子の一辺の寸法が400μm以上の大形面発光素子の開発が進められている。大形面発光素子においては、発光層部の面内に、可及的に大きな電流を均一に流すことが、その寸法に見合った発光強度を得る上で重要である。 By the way, the conventional semiconductor light emitting device has been mainly used for small devices such as display, but the semiconductor device has high light conversion efficiency, generates little heat, and uses mercury like a fluorescent lamp. Therefore, since it is desirable from the viewpoint of environmental protection, development of a large surface light emitting element having a dimension of one side of the element of 400 μm or more is being promoted for use in lighting or large display devices. In a large-sized surface light emitting device, it is important in order to obtain a light emission intensity corresponding to the size of the light emitting layer portion in such a manner that a current as large as possible flows uniformly.
ITO電極層は、電流拡散層として従来使用されているGaPなどと比較して光透過性と導電率のいずれにおいても圧倒的に優れており、大電流を均一に通電可能とできることは、上記の特許文献1〜5の開示内容から一見自明であると考えられる。しかしながら、本発明らが検討したところ、1辺が400μm以上の大形素子への適用に関しては、いずれもITO電極層を用いているにもかかわらず、大型化に見合った発光強度が得られないことが判明した。
The ITO electrode layer is overwhelmingly superior in both light transmission and electrical conductivity as compared with GaP or the like conventionally used as a current diffusion layer, and it is possible to uniformly supply a large current as described above. It is thought that it is self-evident from the disclosure contents of
なお、特許文献2には、40mm角の基板試料を用いて実験測定を行なった例が開示されている。しかし、これは電流電圧特性の測定上の問題から、作為的に大形の試料を用いたものとも考えられ、該公報において、電流電圧特性以外の特性、特に発光素子として最も重要な特性である発光強度等について何ら測定結果が示されていないことから、上記のごとき大面積発光素子としての使用を前提とするものではないと考えられる。また、その他の公報においては、素子寸法が開示されていないか、開示があっても特許文献3は300μm角が最大であり、400μm角以上の大形素子への適用を示唆するものはない。他方、特許文献5には、400μm角を超える大形素子へのITO電極層の適用が示唆されているが、ITO電極層の形成形態について十分な考慮が払われていないために、大型化に見合った十分な発光強度が達成できない問題がある。
本発明の課題は、発光駆動用の電極としてITO電極層を使用するとともに、一辺の寸法を400μm以上とした大形面発光素子への適用を前提として、素子寸法に見合った均一で高い発光強度を実現できる発光素子と、その製造方法とを提供することにある。 An object of the present invention is to use an ITO electrode layer as an electrode for driving light emission, and on the premise that it is applied to a large surface light emitting element having a side dimension of 400 μm or more, uniform and high emission intensity corresponding to the element size. It is providing the light emitting element which can implement | achieve, and its manufacturing method.
上記の課題を解決するために、本発明の発光素子は、
化合物半導体よりなる発光層部の少なくとも一方の主表面が光取出面側電極であるITO電極層により覆われてなり、
発光層部の主表面の、正方形換算における一辺の寸法が400μm以上であり、
かつ、ITO電極層の厚さが400nm以上であることを特徴とする。
In order to solve the above problems, the light emitting device of the present invention is
At least one main surface of the light emitting layer portion made of a compound semiconductor is covered with an ITO electrode layer which is a light extraction surface side electrode,
The dimension of one side of the main surface of the light emitting layer portion in terms of square is 400 μm or more,
In addition, the thickness of the ITO electrode layer is 400 nm or more.
発光層部の主表面の形状は正方形状とすることができるが、長方形状など、他の形状であってもよい。そして、本発明においては、素子の一辺の寸法(素子寸法ともいう)を、正方形換算したときの(つまり、同一面積の正方形を考えたときの)、その正方形の一辺の長さにて定義する。 The shape of the main surface of the light emitting layer portion can be a square shape, but may be other shapes such as a rectangular shape. In the present invention, the dimension of one side of the element (also referred to as the element dimension) is defined by the length of one side of the square when converted into a square (that is, when a square having the same area is considered). .
ITOは、酸化スズをドープした酸化インジウム膜であり、酸化スズの含有量を1〜9質量%とすることで、電極層の抵抗率を5×10−4Ω・cm以下の十分低い値とすることができる。ITOは可視光に対して良好な透過性を有し(つまり、透明であり)、発光層部への電圧印加用電極として用いる場合、光の取出しをほとんど妨げない。また、ITO電極層は、ボンディングパッドなどの金属電極を介して素子駆動用の電圧を印加したとき、電流を面内に拡散させて発光を均一化し高効率化する役割も担う。ITOは、特にスパッタリングにより形成したとき、均質で高導電性のものを得やすい。 ITO is indium oxide film doped with tin oxide, the content of tin oxide by a 1-9% by weight, sufficiently low value of the resistivity of 5 × 10 -4 Ω · cm or less of the electrode layer can do. ITO has good transparency to visible light (that is, it is transparent), and when used as an electrode for applying a voltage to the light emitting layer portion, it hardly disturbs light extraction. The ITO electrode layer also plays a role of making the light emission uniform and highly efficient by diffusing current in the surface when a voltage for driving the element is applied through a metal electrode such as a bonding pad. When ITO is formed by sputtering, it is easy to obtain a homogeneous and highly conductive material.
本発明者らが実験により検討したところ、以下のことがわかった。すなわち、ITO電極層を用いる場合、発光層部の主表面の素子寸法が300μm以下の通常サイズの素子においては、素子の発光強度IvはITO電極層の厚さにほとんど依存せず、例えばITO電極層を200nm程度の薄膜に形成した場合も、逆に1000nm程度の厚膜に形成した場合も、発光強度に顕著な差は見られない(図22参照)。この場合、ITO電極層は、厚く形成する分だけ無駄が多くなるから、必要な発光強度が得られる範囲でなるべく薄く形成することになる。 When the present inventors examined by experiment, the following things were found. That is, when an ITO electrode layer is used, the light emission intensity Iv of the element is almost independent of the thickness of the ITO electrode layer in a normal size element whose element size on the main surface of the light emitting layer is 300 μm or less. When the layer is formed as a thin film of about 200 nm, and conversely, when it is formed as a thick film of about 1000 nm, there is no significant difference in emission intensity (see FIG. 22). In this case, the ITO electrode layer is wasted as much as it is formed, and therefore, the ITO electrode layer is formed as thin as possible within a range in which a necessary light emission intensity can be obtained.
しかし、素子寸法が400μm以上に大面積化すると状況は一変し、ITO電極層の厚さを、通常サイズの素子において必要十分な程度に設定したのでは、十分な発光強度が得られなくなる。そこで、ITO電極層厚さを400nm以上に厚く形成すれば、発光強度は著しく向上し、素子の大型化に見合った良好な発光特性が得られるようになる。より具体的には、ITO電極層厚さを400nm以上に設定することで、例えば通電時の総電流量を同じに設定しても、素子寸法が400μm以上の大形面発光素子のほうが、例えば素子寸法が300μm以下の通常の発光素子と比較して、より発光強度が高くなる。つまり、同じ電流を通電しても、より効率的に光として取り出すことができるようになる。 However, when the element size is increased to 400 μm or more, the situation changes. If the thickness of the ITO electrode layer is set to a necessary and sufficient level for a normal size element, sufficient light emission intensity cannot be obtained. Therefore, if the ITO electrode layer is formed to a thickness of 400 nm or more, the emission intensity is remarkably improved, and good emission characteristics commensurate with the increase in size of the element can be obtained. More specifically, by setting the ITO electrode layer thickness to 400 nm or more, for example, even if the total amount of current during energization is set to be the same, a large surface light emitting element having an element size of 400 μm or more is, for example, Compared with a normal light emitting device having an element size of 300 μm or less, the emission intensity is higher. That is, even if the same current is applied, it can be extracted as light more efficiently.
例えば、照明用等に必要な大きな光量を得たい場合、従来型の小面積の発光素子を多数アレー型に配置して面発光デバイスを構成することが考えられる。この場合、駆動電圧を一定に制御するとき、素子数すなわち素子の総面積に略比例して電流は増加し、発光強度も高くなってゆく。しかし、各ITO電極層上には、素子毎にワイヤボンディング用の金属電極(ボンディングパッド)の形成が不可欠であり、素子数が増えれば光遮断部となる金属電極の合計面積も増え、光取出効率の低下が避け難い。そこで、一つ一つの素子を大面積化し、ITO電極層に対する金属電極の相対的な占有面積率を減少できれば、光取出し効率の向上を図ることができ、素子を大面積化することの効果が顕著となる。しかし、そのためには金属電極にてITO電極層に駆動電圧を印加したとき、ITO電極層の全体に均一に電圧印加できなければならない。換言すれば、ITO電極層のシート抵抗が十分低く電流拡散効果が高いこと、すなわち、ITO電極層面内にて金属電極から遠方に位置する層部分にも十分に電流が供給できることが重要である。 For example, when it is desired to obtain a large amount of light necessary for illumination or the like, it is conceivable to form a surface light emitting device by arranging a number of conventional small area light emitting elements in an array type. In this case, when the drive voltage is controlled to be constant, the current increases substantially in proportion to the number of elements, that is, the total area of the elements, and the emission intensity increases. However, on each ITO electrode layer, it is indispensable to form metal electrodes (bonding pads) for wire bonding for each element. As the number of elements increases, the total area of the metal electrodes that serve as light blocking parts also increases. It is difficult to avoid a decrease in efficiency. Therefore, if the area of each element is increased and the relative area ratio of the metal electrode to the ITO electrode layer can be reduced, the light extraction efficiency can be improved, and the effect of increasing the area of the element can be achieved. Become prominent. However, for this purpose, when a driving voltage is applied to the ITO electrode layer with a metal electrode, it must be possible to apply a voltage uniformly to the entire ITO electrode layer. In other words, it is important that the sheet resistance of the ITO electrode layer is sufficiently low and the current diffusion effect is high, that is, it is possible to supply sufficient current to the layer portion located far from the metal electrode in the surface of the ITO electrode layer.
本発明者が行なった実験によると、素子寸法が400μm以上の大形面発光素子の場合は、ITO電極層厚さが小さいとシート抵抗が増大して電流拡散が進みにくくなり、順方向電圧も高くなるので、発光強度Ivはそれほど増加しない(図21参照)。また、電流拡散を補うため、ワイヤボンディング用の金属電極の面積を大きくすると、光取出し効率の低下が避け難くなる。 According to the experiments conducted by the present inventors, in the case of a large surface light emitting device having an element size of 400 μm or more, if the ITO electrode layer thickness is small, the sheet resistance increases and current diffusion is difficult to proceed, and the forward voltage is also reduced. Since it becomes higher, the emission intensity Iv does not increase so much (see FIG. 21). Further, if the area of the metal electrode for wire bonding is increased in order to compensate for current diffusion, it is difficult to avoid a decrease in light extraction efficiency.
しかし、本発明においては、400μm以上の大形面発光素子のITO電極層厚さを400nm以上の厚膜に形成することで、電流拡散効果が劇的に高められる。その結果、発光強度Ivも顕著に増加させることができる(図21参照)。これは、一見、ITO電極層の厚さ方向断面積が単に増加したことによる効果のようにも考えられるが、実際には、厚さ増加の寄与のみでは説明できない、より顕著な効果が達成される。このことは、図25に示すように、順方向電圧の測定結果が、ITO電極層厚さが400nm付近で不連続的かつ大きく減少していることからも明らかである。順方向電圧がこのように減少することにより、大面積の発光層部の全体に無駄なく電流を注入でき、発光強度が向上する。また、ワイヤボンディング用の金属電極が小面積であっても、ITO電極層内に十分に電流拡散させることができ、光取出し効率も向上する。その結果、素子全体の発光強度はさらに高くなる。 However, in the present invention, the current spreading effect is dramatically enhanced by forming the ITO electrode layer thickness of the large surface light emitting element of 400 μm or more in a thick film of 400 nm or more. As a result, the emission intensity Iv can be significantly increased (see FIG. 21). At first glance, this seems to be the effect of simply increasing the cross-sectional area in the thickness direction of the ITO electrode layer, but in reality, a more remarkable effect that cannot be explained only by the contribution of the increase in thickness is achieved. The This is also clear from the measurement result of the forward voltage, as shown in FIG. 25, that the ITO electrode layer thickness is discontinuously and greatly decreased in the vicinity of 400 nm. By reducing the forward voltage in this way, current can be injected into the entire light emitting layer portion having a large area without waste, and the light emission intensity is improved. Moreover, even if the metal electrode for wire bonding has a small area, the current can be sufficiently diffused in the ITO electrode layer, and the light extraction efficiency is improved. As a result, the emission intensity of the entire device is further increased.
本発明者らは、上記効果が発現する要因を以下のように考えている。ITOは酸化インジウムに酸化スズを固溶させた混合型の酸化物であるから、抵抗率分布の均一なITO電極層を得るためには、成膜温度(基板温度)を下げて形成すること(例えば300℃以下)が有利とされる。基板温度を下げた場合、図2(a)及び図2(b)に示すように、スパッタ成膜中の気相雰囲気内には高エネルギー粒子が存在し、これが打ち込まれることにより基板表面には多くの点欠陥が形成される。この点欠陥が、気相から固相のITOが析出する際に不均一核として作用する結果、ITO電極層20は、基板側(発光層部24あるいは発光層部24とITO電極層との間に介挿される図示しない層)との接触界面BI側にて、結晶粒径の非常に小さい微結晶粒層あるいは非晶質層からなる高抵抗層20aとなりやすい。他方、ITO電極層の成長が進むと、成長初期段階で高密度に形成されていた不均一核ないしこれに由来する微結晶粒のうち、ITOの優先成長方向である<100>方向のものが選択的に成長する結果、結晶粒径の大きい低抵抗層20bが形成されやすくなる。
The present inventors consider the factors that cause the above effects as follows. Since ITO is a mixed oxide in which tin oxide is dissolved in indium oxide, in order to obtain an ITO electrode layer having a uniform resistivity distribution, it is formed by lowering the film formation temperature (substrate temperature) ( For example, 300 ° C. or less) is advantageous. When the substrate temperature is lowered, as shown in FIGS. 2 (a) and 2 (b), high energy particles exist in the gas phase atmosphere during the sputtering film formation, and this is injected into the substrate surface. Many point defects are formed. As a result of this point defect acting as a non-uniform nucleus when solid-phase ITO is deposited from the gas phase, the
図2(a)のように、最終的なITO電極層の厚さが大きい場合は、低抵抗層20bも比較的厚く形成されやすく、該厚く形成された低抵抗層20b内で電流を十分に拡散させることができ、順方向電圧も低減される。一方、図2(b)のように、最終的なITO電極層の厚さが小さい場合は、低抵抗層20bの厚さが小さくなり(あるいは低抵抗層20bが形成される前に成長が終わってしまう)、高抵抗層20a内での電流拡散を余儀なくされるので、素子寸法が400μm以上の発光素子の場合には、電流拡散効果が損なわれ、順方向電圧も高くなってしまうと考えられる。
As shown in FIG. 2A, when the thickness of the final ITO electrode layer is large, the low-
本発明の効果は、ITO電極層が、スパッタリングによる成膜後、成膜温度よりも高温にて熱処理されたものである場合、さらに顕著となる。また、本発明の発光素子の製造方法は、主表面の正方形換算における一辺の寸法が400μm以上である化合物半導体よりなる発光層部の少なくとも一方の主表面上に、光取出面側電極であるITO電極層をスパッタリングにより形成し、その後、該ITO電極層を形成した発光層部を、該ITO電極層の成膜温度よりも高温にて熱処理することを特徴とする。スパッタリングは成膜温度の低温化が容易であり、抵抗率分布の均一なITO電極層を得やすい利点があるが、前述のように、結晶粒が微細化ないし非晶質化した高抵抗層(20a:図2(a)及び図2(b))が形成されやすくなる側面もある。しかし、上記のように、ITO電極層を成膜温度よりも高温で熱処理すると、図2(a)に示すように、高抵抗層をなしていた微細結晶粒ないし非晶質化部分の再結晶化が進み、抵抗率増大の要因となる結晶粒界量が減じた低抵抗層20bの厚みが増すことにより、電流拡散効果が向上し順方向電圧もより小さくすることができると考えられる。
The effect of the present invention becomes more remarkable when the ITO electrode layer is heat-treated at a temperature higher than the film formation temperature after film formation by sputtering. Further, in the method for manufacturing a light emitting device of the present invention, ITO, which is a light extraction surface side electrode, is formed on at least one main surface of the light emitting layer portion made of a compound semiconductor having a side dimension of 400 μm or more in terms of a square of the main surface. The electrode layer is formed by sputtering, and then the light emitting layer portion on which the ITO electrode layer is formed is heat-treated at a temperature higher than the film formation temperature of the ITO electrode layer. Sputtering has the advantage that the film forming temperature can be easily lowered and it is easy to obtain an ITO electrode layer having a uniform resistivity distribution. However, as described above, the high resistance layer (in which crystal grains are made finer or amorphous) ( 20a: There is also a side surface on which FIGS. 2A and 2B are easily formed. However, as described above, when the ITO electrode layer is heat-treated at a temperature higher than the film formation temperature, as shown in FIG. 2A, the recrystallization of the fine crystal grains or amorphized portions forming the high resistance layer is performed. It is considered that the current diffusion effect is improved and the forward voltage can be further reduced by increasing the thickness of the
ただし、こうした熱処理も、ITO電極層厚さが400nmより小さい薄膜である場合は、顕著な効果を発揮しない。基板側との接触界面BI付近は再結晶化したITOは形成されるものの、層厚方向の配向成長が顕著でなく、抵抗率もそれほど低下しない。従って、ITO電極層厚さが薄いと、抵抗率が比較的高いまま残留する接触界面BI付近の層の影響が大きく現れるものと考えられる。図2(a)に示すように、ITO電極層20の厚さが厚ければ、ある厚さの高抵抗層20aが残留していても、低抵抗層20bも十分に厚くできるので問題はないが、ITO電極層厚さが小さいと、高抵抗層20aの厚さ比率が大きくなり、電流拡散効果の向上は期待でない。
However, such a heat treatment does not exhibit a remarkable effect when the ITO electrode layer thickness is a thin film smaller than 400 nm. Although the recrystallized ITO is formed in the vicinity of the contact interface BI with the substrate side, the orientation growth in the layer thickness direction is not remarkable, and the resistivity is not lowered so much. Therefore, when the ITO electrode layer thickness is thin, it is considered that the influence of the layer in the vicinity of the contact interface BI that remains with a relatively high resistivity appears greatly. As shown in FIG. 2A, if the
上記の熱処理は、300℃以上750℃以下の温度で行なうのがよい。熱処理温度が300℃未満では、電流拡散効果向上あるいは順方向電圧低減効果の向上が必ずしも顕著でなくなる場合がある。また、熱処理温度を、750℃を超えて高めることは、電流拡散効果向上あるいは順方向電圧低減のそれ以上の改善が望めないか、却って悪化させることもあるので、望ましくない。 The above heat treatment is preferably performed at a temperature of 300 ° C. or higher and 750 ° C. or lower. When the heat treatment temperature is less than 300 ° C., the improvement of the current diffusion effect or the improvement of the forward voltage reduction effect may not always be significant. Further, it is not desirable to increase the heat treatment temperature beyond 750 ° C., because an improvement in the current diffusion effect or a further improvement in the forward voltage reduction cannot be expected or worsened.
本発明の発光素子によると、素子寸法が大面積であるにもかかわらず、ITO電極層内での電流拡散効果を十分に大きくすることができる。その結果、前述のように、ITO電極層の主表面に、発光層部に対して電圧を印加するための金属電極(ボンディングパッド)が、該主表面の一部領域を覆う形で形成される場合に、これを小面積化して、光取出し効率を向上させることができる。具体的には、金属電極によるITO電極層の被覆面積率(ITO電極層の全面積により、金属電極の形成面積を割った値として定義する)を、0.1%以上10%以下に設定するのがよい。金属電極による被覆面積率が1%以下ではITO電極層全体に均一に電圧を印加できなくなる場合があり、10%を超えると光取出し効率改善効果が顕著でなくなる。ITO電極層の被覆面積率望ましくは、0.1%以上5%以下、より望ましくは0.2%以上5%以下とするのがよい。 According to the light emitting device of the present invention, the current spreading effect in the ITO electrode layer can be sufficiently increased despite the large element size. As a result, as described above, the metal electrode (bonding pad) for applying a voltage to the light emitting layer portion is formed on the main surface of the ITO electrode layer so as to cover a partial region of the main surface. In some cases, the area can be reduced to improve the light extraction efficiency. Specifically, the coverage area ratio of the ITO electrode layer by the metal electrode (defined as a value obtained by dividing the formation area of the metal electrode by the total area of the ITO electrode layer) is set to 0.1% or more and 10% or less. It is good. When the covering area ratio by the metal electrode is 1% or less, it may not be possible to apply a voltage uniformly to the entire ITO electrode layer. When it exceeds 10%, the effect of improving the light extraction efficiency is not significant. The coverage area ratio of the ITO electrode layer is preferably 0.1% to 5%, more preferably 0.2% to 5%.
また、ITO電極層の電流拡散性能が顕著に向上する結果、ITO電極層の主表面の幾何学的重心位置に対し、該金属電極の形成領域の幾何学的重心位置がずれて配置されても(つまり、金属電極をITO電極層の中央から偏るように配置しても)、ITO電極層の全体に均一に電圧印加することが可能であり、金属電極から離れたITO電極層領域にも十分な電流を供給できる。このようにすることで、発光層部の光取出面をボンディングワイヤが長く横切ることが効果的に防止でき、ワイヤの引きまわし形態等に関しても、設計上の自由度が大幅に向上する。例えば、発光層部の主表面が方形である場合、その全面を覆うITO電極層に対し、金属電極を該ITO電極層の周縁部に配置すること、あるいは金属電極を該ITO電極層の角部に配置することができる。これにより、光取出面上をボンディングワイヤが長く横切る不都合が生じなくなり、設計上の自由度も大幅に高められる。 Further, as a result of the remarkable improvement in the current diffusion performance of the ITO electrode layer, even if the geometric center of gravity of the formation region of the metal electrode is shifted from the geometric center of gravity of the main surface of the ITO electrode layer, (In other words, even if the metal electrode is arranged so as to be deviated from the center of the ITO electrode layer), it is possible to apply a voltage uniformly to the entire ITO electrode layer, and it is sufficient for the ITO electrode layer region away from the metal electrode. Current can be supplied. By doing in this way, it can prevent effectively that a bonding wire crosses the light extraction surface of a light emitting layer part long, and also the freedom degree of a design improves significantly also regarding the drawing form etc. of a wire. For example, when the main surface of the light emitting layer is square, the metal electrode is disposed on the periphery of the ITO electrode layer with respect to the ITO electrode layer covering the entire surface, or the metal electrode is disposed at the corner of the ITO electrode layer. Can be arranged. As a result, there is no inconvenience that the bonding wire crosses the light extraction surface for a long time, and the degree of freedom in design is greatly increased.
ITO電極層は、発光層部や電流拡散層をなす化合物半導体層と直接接合しようとしたとき、良好なオーミック接合が必ずしも形成されず、接触抵抗に基づく直列抵抗増大により発光効率が低下することがある。そこで、発光層部とITO電極層との間に、該ITO電極層の接合抵抗を減ずるためのコンタクト層を、該ITO電極層に接するように配置することが望ましい。このようなコンタクト層は、具体的には、Alを含有せず、かつバンドギャップエネルギーが比較的小さい(例えば1.42eV未満)化合物半導体からなるものを好適に採用することができる。このようなコンタクト層を用いることにより、良好なオーミックコンタクトが得られ、また、Al成分酸化による抵抗増加も生じにくい。具体的にはInを含有したGaAsをコンタクト層として用いることができる。コンタクト層を構成する化合物半導体は、ITO電極層との接合界面においてInxGa1−xAs(0<x≦1)となっていれば、所期の接触抵抗低減効果が得られる。特に、発光層部が(AlxGa1−x)yIn1−yP(ただし、0≦x≦1,0≦y≦1:本明細書では、単に「AlGaInP」と記することもある)よりなる場合、コンタクト層を構成する化合物半導体を、ITO電極層との接合界面においてInxGa1−xAs(0<x≦1)とすることで、コンタクト層と発光層部との格子整合性も良好となり、発光強度の更なる改善を図ることができる。また、発光層部がAlzGa1−zAs(ただし、0≦z≦1:本明細書では、単に「AlGaAs」と記することもある)よりなる場合でも、コンタクト層を構成する化合物半導体を、ITO電極層との接合界面においてInxGa1−xAs(0<x≦1)とすることができ、所期の接触抵抗低減効果が得られるとともに、コンタクト層と発光層部との格子整合性も良好となり、発光強度の更なる改善を図ることができる。 The ITO electrode layer does not necessarily form a good ohmic junction when attempting to directly join the compound semiconductor layer forming the light emitting layer portion or the current diffusion layer, and the luminous efficiency may decrease due to the increase in series resistance based on the contact resistance. is there. Therefore, it is desirable that a contact layer for reducing the junction resistance of the ITO electrode layer is disposed between the light emitting layer portion and the ITO electrode layer so as to be in contact with the ITO electrode layer. Specifically, a contact layer made of a compound semiconductor that does not contain Al and has a relatively small band gap energy (for example, less than 1.42 eV) can be preferably used. By using such a contact layer, a good ohmic contact can be obtained, and resistance increase due to Al component oxidation hardly occurs. Specifically, GaAs containing In can be used as the contact layer. Compound constituting the contact layer semiconductors, if made at the junction interface between the ITO electrode layer and the In x Ga 1-x As ( 0 <x ≦ 1), intended contact resistance reducing effect is obtained. In particular, the light emitting layer portion is (Al x Ga 1-x ) y In 1-y P (where 0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1: in this specification, it may be simply referred to as “AlGaInP”). ), The compound semiconductor composing the contact layer is In x Ga 1-x As (0 <x ≦ 1) at the junction interface with the ITO electrode layer, so that the lattice of the contact layer and the light emitting layer portion is obtained. Consistency is also good, and the emission intensity can be further improved. In addition, even when the light emitting layer portion is made of Al z Ga 1-z As (where 0 ≦ z ≦ 1: may be simply referred to as “AlGaAs” in this specification), the compound semiconductor constituting the contact layer the, in the bonding interface between the ITO electrode layer in x Ga 1-x as can be (0 <x ≦ 1), with the desired contact resistance reducing effect is obtained, the contact layer and the light emitting layer portion The lattice matching is also good, and the emission intensity can be further improved.
(AlxGa1−x)yIn1−yP(ただし、0≦x≦1,0≦y≦1)により発光層を形成する場合、ITO電極層と、(AlxGa1−x)yIn1−yP(ただし、0≦x≦1,0≦y≦1)よりなる発光層部との間にGaAs層を、ITO電極層と接するように形成し、その後、熱処理を行なうことにより、ITO電極層からGaAs層にInを拡散させて、Inを含有したGaAsよりなるコンタクト層となすことができる。この場合、コンタクト層の厚さ方向におけるIn濃度分布は、ITO電極層から厚さ方向に遠ざかるにつれ連続的に減少するものとなる。また、コンタクト層は、ITO電極層との接合界面において、必ずInxGa1−xAsよりなるものとなる。なお、この熱処理は、スパッタリングによるITO電極層の成膜後に、成膜温度よりも高温にてなされる前述の熱処理を兼ねるものとすることができる。また、AlzGa1−zAs(ただし、0≦z≦1)により発光層を形成する場合も同様に、ITO電極層とAlzGa1−zAs(ただし、0≦z≦1)よりなる発光層部との間にGaAs層を、ITO電極層と接するように形成し、その後、熱処理を行なうことにより、Inを含有したGaAsよりなるコンタクト層となすことができる。 When the light emitting layer is formed by (Al x Ga 1-x ) y In 1-y P (where 0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1), the ITO electrode layer and (Al x Ga 1-x ) A GaAs layer is formed so as to be in contact with the ITO electrode layer between the light emitting layer portion made of y In 1-y P (where 0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1), and then heat treatment is performed. Thus, In can be diffused from the ITO electrode layer to the GaAs layer to form a contact layer made of GaAs containing In. In this case, the In concentration distribution in the thickness direction of the contact layer continuously decreases as the distance from the ITO electrode layer increases in the thickness direction. Further, the contact layer is always made of In x Ga 1-x As at the bonding interface with the ITO electrode layer. In addition, this heat processing can serve as the above-mentioned heat processing performed at higher temperature than film-forming temperature after film-forming of the ITO electrode layer by sputtering. Also, Al z Ga 1-z As ( however, 0 ≦ z ≦ 1) Similarly, when forming the light-emitting layer by, ITO electrode layer and the Al z Ga 1-z As (however, 0 ≦ z ≦ 1) from A contact layer made of GaAs containing In can be formed by forming a GaAs layer in contact with the ITO electrode layer between the light emitting layer and forming a GaAs layer containing In.
コンタクト層はInGaAsを直接エピタキシャル成長する方法を採用してもよいのであるが、上記の方法を採用すると、次のような利点がある。すなわち、GaAs層は、例えばAlGaInPあるいはAlGaAsよりなる発光層部やGaPよりなる透明導電性半導体基板と格子整合が極めて容易であり、InGaAsを直接エピタキシャル成長する場合と比較して、均質で連続性のよい膜を形成できる。 For the contact layer, a method of directly epitaxially growing InGaAs may be adopted. However, the use of the above method has the following advantages. That is, the GaAs layer is extremely easy to lattice match with, for example, a light emitting layer portion made of AlGaInP or AlGaAs or a transparent conductive semiconductor substrate made of GaP, and is more homogeneous and continuous than the case where InGaAs is directly epitaxially grown. A film can be formed.
そして、そのGaAs層上にITO電極層を形成した後、熱処理することにより、ITO電極層からGaAs層にInを拡散させてコンタクト層とする。このように熱処理して得られるInを含有したGaAsよりなるコンタクト層は、In含有量が過剰とならず、発光層部との格子不整合による、発光強度低下などの品質劣化を効果的に防止することができる。GaAs層と発光層部との格子整合は、発光層部が(AlxGa1−x)yIn1−yP(ただし、0≦x≦1,0.45≦y≦0.55)にて構成される場合に特に良好となるので、混晶比yを上記の範囲に設定して、発光層部(クラッド層あるいは活性層)を形成することが望ましいといえる。また、発光層部がAlzGa1−zAs(0≦z≦1)の場合は、略任意のAl混晶比zについて、GaAs層との格子整合を良好に保つことができる。 Then, after forming an ITO electrode layer on the GaAs layer, heat treatment is performed to diffuse In from the ITO electrode layer to the GaAs layer to form a contact layer. The contact layer made of GaAs containing In obtained by heat treatment in this way does not have an excessive In content, and effectively prevents quality deterioration such as emission intensity reduction due to lattice mismatch with the light emitting layer. can do. The lattice matching between the GaAs layer and the light emitting layer is such that the light emitting layer is (Al x Ga 1-x ) y In 1-y P (where 0 ≦ x ≦ 1, 0.45 ≦ y ≦ 0.55). Therefore, it can be said that it is desirable to form the light emitting layer portion (cladding layer or active layer) by setting the mixed crystal ratio y in the above range. Further, when the light emitting layer portion is Al z Ga 1-z As (0 ≦ z ≦ 1), the lattice matching with the GaAs layer can be kept good for almost any Al mixed crystal ratio z.
コンタクト層の厚さ方向におけるIn濃度分布は、図8の(1)に示すように、ITO電極層から厚さ方向に遠ざかるにつれ連続的に減少するものとなるようにする(つまり、発光層部側にてIn濃度が小さくなるように、In濃度分布に傾斜をつける)ことが望ましい。こうした構造は、熱処理により、ITO側からコンタクト層側へInを拡散させることにより形成される。発光層部をAlGaInPにより形成する場合、コンタクト層のIn濃度分布が該発光層部側で小さくなっていれば、発光層部との格子定数差が接近し、発光層部とコンタクト層との格子整合性をより高めることができる。熱処理温度が過度に高くなったり、あるいは熱処理時間が長大化すると、ITO電極層からのIn拡散が過度に進行して、図8の(3)に示すように、コンタクト層内のIn濃度分布が厚さ方向にほぼ一定の高い値を示すようになり、上記の効果は得られなくなる(なお、熱処理温度が過度に低くなったり、あるいは熱処理時間が過度に短時間化すると、図8の(2)に示すように、コンタクト層内のIn濃度が不足することにつながる)。 As shown in FIG. 8 (1), the In concentration distribution in the thickness direction of the contact layer continuously decreases as the distance from the ITO electrode layer increases in the thickness direction (that is, the light emitting layer portion). It is desirable to incline the In concentration distribution so that the In concentration becomes smaller on the side. Such a structure is formed by diffusing In from the ITO side to the contact layer side by heat treatment. When the light emitting layer portion is formed of AlGaInP, if the In concentration distribution of the contact layer is smaller on the light emitting layer portion side, the lattice constant difference between the light emitting layer portion and the light emitting layer portion becomes closer to the contact layer. Consistency can be further increased. When the heat treatment temperature becomes excessively high or the heat treatment time is lengthened, the In diffusion from the ITO electrode layer proceeds excessively, and the In concentration distribution in the contact layer becomes as shown in FIG. 8 (3). The above-described effect cannot be obtained because the film shows a substantially constant high value in the thickness direction (Note that if the heat treatment temperature is excessively lowered or the heat treatment time is excessively shortened, (2 in FIG. (This leads to insufficient In concentration in the contact layer).
この場合、図8において、コンタクト層の、ITO電極層との境界位置におけるIn濃度をCAとし、これと反対側の境界近傍におけるIn濃度をCBとしたとき、CB/CAが0.8以下となるように調整することが望ましく、該形態のIn濃度分布が得られるように、前述の熱処理を行なうことが望ましい。CB/CAが0.8を超えると、In濃度分布傾斜による発光層部との格子整合性改善効果が十分に得られなくなる。なお、コンタクト層の厚さ方向の組成分布(InあるいはGa濃度分布)は、層を厚さ方向に徐々にエッチングしながら、二次イオン質量分析(Secondary Ion Mass Spectroscopy:SIMS)、オージェ電子分光分析(Auger Electron Spectroscopy)、X線光電子分光(X-ray Photoelectron Spectroscopy:XPS)などの周知の表面分析方法により測定することができる。 In this case, in FIG. 8, when the In concentration at the boundary position of the contact layer with the ITO electrode layer is C A and the In concentration in the vicinity of the opposite side boundary is C B , C B / C A is 0. It is desirable to adjust so that it may become less than 0.8, and it is desirable to perform the above-mentioned heat treatment so that the In concentration distribution of the form can be obtained. When C B / C A exceeds 0.8, the effect of improving the lattice matching with the light emitting layer portion due to the In concentration distribution gradient cannot be sufficiently obtained. Note that the composition distribution (In or Ga concentration distribution) in the thickness direction of the contact layer is determined by secondary ion mass spectrometry (SIMS), Auger electron spectroscopy analysis while gradually etching the layer in the thickness direction. It can be measured by a known surface analysis method such as (Auger Electron Spectroscopy) or X-ray photoelectron spectroscopy (XPS).
コンタクト層のITO電極層との境界近傍におけるIn濃度は、InとGaとの合計濃度に対するInの原子比にて、0.1以上0.6以下とされることが望ましく、上記の熱処理もこのようなIn濃度が得られるように行なうことが望ましい。上記定義によるIn濃度が0.1未満になると、コンタクト層の接触抵抗低減効果が不十分となり、0.6を超えるとコンタクト層と発光層部との格子不整合による、発光強度低下などの品質劣化が甚だしくなる。なお、コンタクト層のITO電極層との境界近傍におけるIn濃度が、InとGaとの合計濃度に対するInの原子比にて、例えば前述の望ましい値(0.1以上0.6以下)を確保できるのであれば、コンタクト層の、ITO電極層に面しているのと反対側の境界近傍でのIn濃度CBがゼロとなっていること、つまり、図9に示すように、コンタクト層のITO電極層側にInGaAs層が形成され、反対側の部分がGaAs層となる構造となっていても差し支えない。 The In concentration in the vicinity of the boundary between the contact layer and the ITO electrode layer is preferably 0.1 or more and 0.6 or less in terms of the atomic ratio of In to the total concentration of In and Ga. It is desirable to carry out so that such an In concentration can be obtained. If the In concentration by the above definition is less than 0.1, the effect of reducing the contact resistance of the contact layer becomes insufficient, and if it exceeds 0.6, the quality of the emission intensity decreases due to lattice mismatch between the contact layer and the light emitting layer. Deterioration becomes severe. In addition, the In concentration in the vicinity of the boundary between the contact layer and the ITO electrode layer can ensure, for example, the above-described desirable value (0.1 or more and 0.6 or less) in the atomic ratio of In to the total concentration of In and Ga. if the, the contact layer, that the in concentration C B of the other side near the boundary as facing the ITO electrode layer is zero, that is, as shown in FIG. 9, ITO contact layer There may be a structure in which an InGaAs layer is formed on the electrode layer side and the opposite side portion is a GaAs layer.
ITOは、前述の通り酸化スズをドープした酸化インジウム膜であり、ITO電極層をGaAs層上に形成し、さらにこれを適正な温度範囲にて熱処理することにより、上記望ましいIn濃度を有したコンタクト層を容易に形成できる。また、この熱処理により、ITO電極層の電気抵抗率をさらに低減できる。この熱処理は、コンタクト層内のIn濃度が過剰とならないよう、なるべく低温で短時間にて行なうことが望ましい。 ITO is an indium oxide film doped with tin oxide as described above, and an ITO electrode layer is formed on the GaAs layer, and further subjected to heat treatment in an appropriate temperature range, so that the contact having the above desired In concentration is obtained. Layers can be easily formed. Moreover, the electrical resistivity of the ITO electrode layer can be further reduced by this heat treatment. This heat treatment is desirably performed in a short time at a temperature as low as possible so that the In concentration in the contact layer does not become excessive.
上記In拡散の熱処理は、600℃以上750℃以下にて行なうことが望ましい。熱処理温度が750℃を超えるとGaAs層へのInの拡散速度が大きくなりすぎ、コンタクト層中のIn濃度が過剰となりやすくなる。また、In濃度が飽和して、コンタクト層の厚さ方向に傾斜したIn濃度分布も得にくくなる。いずれも、コンタクト層と発光層部との格子整合が悪化することにつながる。また、GaAs層へのInの拡散が過度に進みすぎると、コンタクト層との接触部付近にてITO電極層のInが枯渇し、電極の電気抵抗値の上昇が避けがたくなる。さらに、熱処理温度が上記のように高温になりすぎると、ITOの酸素がGaAs層へ拡散して酸化が促進され、素子の直列抵抗が上昇しやすくなる。いずれも適正な電圧で発光素子を駆動できなくなる不具合につながる。また、熱処理温度が極端に高くなると、ITO電極層の導電率がかえって損なわれる場合がある。他方、熱処理温度が600℃未満になると、GaAs層へのInの拡散速度が小さくなりすぎ、接触抵抗を十分に低下させたコンタクト層を得るのに非常な長時間を要するようになるので、製造能率の低下が甚だしくなる。 The In diffusion heat treatment is desirably performed at 600 ° C. or higher and 750 ° C. or lower. When the heat treatment temperature exceeds 750 ° C., the In diffusion rate into the GaAs layer becomes too high, and the In concentration in the contact layer tends to become excessive. In addition, the In concentration is saturated, and it is difficult to obtain an In concentration distribution inclined in the thickness direction of the contact layer. In either case, the lattice matching between the contact layer and the light emitting layer is deteriorated. If the In diffusion to the GaAs layer proceeds excessively, the ITO electrode layer In is depleted in the vicinity of the contact portion with the contact layer, making it difficult to avoid an increase in the electrical resistance value of the electrode. Furthermore, if the heat treatment temperature becomes too high as described above, the oxygen of ITO diffuses into the GaAs layer and the oxidation is promoted, and the series resistance of the device tends to increase. In either case, the light emitting element cannot be driven with an appropriate voltage. Moreover, when the heat treatment temperature becomes extremely high, the conductivity of the ITO electrode layer may be lost. On the other hand, if the heat treatment temperature is less than 600 ° C., the diffusion rate of In to the GaAs layer becomes too small, and it takes a very long time to obtain a contact layer with sufficiently reduced contact resistance. The decline in efficiency becomes significant.
また、熱処理時間は、5秒以上120秒以下の短時間に設定することが望ましい。熱処理時間が120秒以上になると、特に、熱処理温度が上限値に近い場合、GaAs層へのInの拡散量が過剰となりやすくなる(ただし、熱処理温度を低めに留める場合は、これよりも長い熱処理時間(例えば300秒程度まで)を採用することも可能である)。他方、熱処理時間が5秒未満になると、GaAs層へのInの拡散量が不足し、接触抵抗を十分に低下させたコンタクト層が得にくくなる。 The heat treatment time is desirably set to a short time of 5 seconds to 120 seconds. When the heat treatment time is 120 seconds or more, especially when the heat treatment temperature is close to the upper limit value, the amount of In diffused into the GaAs layer tends to be excessive (however, if the heat treatment temperature is kept low, a heat treatment longer than this will be performed). It is also possible to employ time (for example, up to about 300 seconds). On the other hand, if the heat treatment time is less than 5 seconds, the amount of In diffused into the GaAs layer is insufficient, and it becomes difficult to obtain a contact layer with sufficiently reduced contact resistance.
コンタクト層は、ITO電極層との接合界面において、コンタクト層の形成領域と非形成領域とが混在してなることが望ましい。コンタクト層をITO電極層の素子側への接合面全面を被覆するように形成すると、次のような問題が生ずる場合がある。
(1)ITO電極層上にはワイヤボンディング用の小さな金属電極を形成する必要がある。ITO電極層と発光層部との接触抵抗が、その金属電極の直下領域でも大幅に低くなると、駆動電流ひいては発光が該領域に集中しやすくなり、発生した光の多くが金属電極により遮蔽されて光取出効率の低下を招く。
(2)コンタクト層として採用する化合物半導体の材質によっては、コンタクト層が光吸収体として作用し、同様に光取出効率の低下につながる。
The contact layer is preferably formed by mixing a contact layer forming region and a non-forming region at the bonding interface with the ITO electrode layer. When the contact layer is formed so as to cover the entire bonding surface of the ITO electrode layer to the element side, the following problem may occur.
(1) It is necessary to form a small metal electrode for wire bonding on the ITO electrode layer. If the contact resistance between the ITO electrode layer and the light emitting layer is significantly reduced even in the region immediately below the metal electrode, the drive current and thus the light emission tends to concentrate on the region, and much of the generated light is shielded by the metal electrode. The light extraction efficiency is reduced.
(2) Depending on the material of the compound semiconductor employed as the contact layer, the contact layer acts as a light absorber, which similarly leads to a decrease in light extraction efficiency.
そこで、本発明の発光素子は、ITO電極層の接合界面が、金属電極の直下領域からなる第一領域と残余の第二領域とを有し、第二領域は、第一領域より光取り出し量が多く、コンタクト層は、第二領域において、第一領域よりも形成面積率が大きいものとして構成できる。なお、各領域のコンタクト層の形成面積率とは、領域中のコンタクト層の合計面積を、領域の全面積により割った比率をいう。該構成によると、光取り出し量が少ない金属電極の直下領域(第一領域)において、光取り出し量が多い残余の領域(第二領域)よりもITO電極層の接合界面に形成されるコンタクト層の形成面積率を小さくしたから、第一領域におけるITO電極層の接触抵抗が増大する。その結果、発光素子の駆動電流は、第一領域を迂回して第二領域に流れる成分が大きくなり、光取出効率を大幅に高めることができる。なお、光取り出し量が少ない第一領域には、なるべく発光駆動電流が流れないことが光取出効率向上の観点においては望ましい。従って、第一領域にはコンタクト層が可及的に形成されていないことが望ましい。 Therefore, in the light emitting device of the present invention, the bonding interface of the ITO electrode layer has a first region consisting of a region immediately below the metal electrode and the remaining second region, and the second region has a light extraction amount from the first region. In many cases, the contact layer has a larger area ratio in the second region than in the first region. Note that the formation area ratio of the contact layer in each region refers to a ratio obtained by dividing the total area of the contact layers in the region by the total area of the region. According to this configuration, the contact layer formed at the bonding interface of the ITO electrode layer in the region immediately below the metal electrode (first region) where the light extraction amount is small is larger than the remaining region (second region) where the light extraction amount is large. Since the formation area ratio is reduced, the contact resistance of the ITO electrode layer in the first region increases. As a result, the drive current of the light emitting element has a larger component that flows around the first region and flows into the second region, so that the light extraction efficiency can be greatly increased. Note that it is desirable from the viewpoint of improving the light extraction efficiency that the light emission drive current does not flow as much as possible in the first region where the light extraction amount is small. Therefore, it is desirable that the contact layer is not formed as much as possible in the first region.
また、本発明の発光素子は、第二領域において少なくとも、コンタクト層の形成領域と非形成領域とが混在してなるものとして構成できる。コンタクト層の形成領域は、分散形成されてなることが好ましい。ITO電極層の接合界面のうち、発光層部からの光を外部へ取り出す量が多くなるのは、金属電極に覆われない第二領域である。この第二領域にて、コンタクト層の形成領域と非形成領域とを混在させると、ITO電極層の接触抵抗低減のために形成するコンタクト層が、発光層部からの光を吸収しやすい性質を有している場合においても、コンタクト層の形成領域直下にて発生した光は、これと隣接する非形成領域から漏出することにより、コンタクト層による吸収を抑制することができる。その結果、素子全体としての光取出効率を高めることができる。 In addition, the light emitting element of the present invention can be configured such that at least the contact layer forming region and the non-forming region are mixed in the second region. The contact layer formation region is preferably formed in a dispersed manner. Of the bonding interface of the ITO electrode layer, the amount of light extracted from the light emitting layer portion to the outside increases in the second region not covered with the metal electrode. In this second region, when the contact layer formation region and the non-formation region are mixed, the contact layer formed to reduce the contact resistance of the ITO electrode layer has the property of easily absorbing light from the light emitting layer portion. Even in the case where it is present, the light generated immediately below the contact layer formation region leaks from the non-formation region adjacent thereto, whereby absorption by the contact layer can be suppressed. As a result, the light extraction efficiency of the entire element can be increased.
また、コンタクト層の、ITO電極層に接しているのと反対側の主表面には、中間層を介して発光層部を結合することができる。該中間層は、発光層部とコンタクト層との中間のバンドギャップエネルギーを有する化合物半導体により構成される。ダブルへテロ構造の発光層部は、活性層へのキャリア閉じ込め効果を高めて内部量子効率を向上させるために、クラッド層と活性層との間の障壁高さを一定以上に高める必要がある。図10の模式バンド図(Ecは伝導帯底、Evは価電子帯頂の各エネルギーレベルを示す)に示すように、このようなクラッド層(例えばAlGaInPあるいはAlGaAs)にコンタクト層(例えばInGaAs)を直接接合すると、クラッド層とコンタクト層との間に、接合によるバンドの曲がりにより、比較的高いヘテロ障壁が形成される場合がある。この障壁高さΔEは、クラッド層とコンタクト層との間のバンド端不連続値が大きくなるほど高くなり、キャリアの移動、特に有効質量のより大きいホールの移動を妨げやすくなる。例えば金属電極を使用する場合は、クラッド層の全面を金属電極で覆うと光取出しができなくなるので、部分的な被覆となるように電極形成せざるを得ない。この場合、光取出し効率向上のため、電極の面内方向外側への電流拡散を何らかの形で促進しなければならない。例えば、金属電極の場合も、発光層部との間にGaAs等のコンタクト層が形成されることが多いが、金属電極の場合は、コンタクト層と発光層部との間に、ある程度高い障壁が形成された方が、障壁によるキャリアのせき止め効果により面内方向の電流拡散を促進できる利点がある。しかし、高い障壁形成のため、直列抵抗の増加は避け難い。 The light emitting layer portion can be bonded to the main surface of the contact layer opposite to the ITO electrode layer through an intermediate layer. The intermediate layer is composed of a compound semiconductor having an intermediate band gap energy between the light emitting layer portion and the contact layer. In the light emitting layer portion having a double hetero structure, it is necessary to increase the barrier height between the cladding layer and the active layer to a certain level or more in order to enhance the carrier confinement effect in the active layer and improve the internal quantum efficiency. As shown in the schematic band diagram of FIG. 10 (Ec indicates the energy level at the bottom of the conduction band and Ev indicates the energy level at the top of the valence band), a contact layer (for example, InGaAs) is provided on such a cladding layer (for example, AlGaInP or AlGaAs). When direct bonding is performed, a relatively high hetero barrier may be formed between the cladding layer and the contact layer due to bending of the band due to bonding. This barrier height ΔE increases as the band edge discontinuity between the cladding layer and the contact layer increases, and tends to hinder the movement of carriers, particularly the movement of holes having a larger effective mass. For example, in the case of using a metal electrode, light cannot be extracted when the entire surface of the cladding layer is covered with the metal electrode, so that the electrode must be formed so as to be partially covered. In this case, in order to improve the light extraction efficiency, current diffusion to the outside in the in-plane direction of the electrode must be promoted in some form. For example, in the case of a metal electrode, a contact layer such as GaAs is often formed between the light emitting layer portion, but in the case of a metal electrode, a somewhat high barrier is provided between the contact layer and the light emitting layer portion. The formation is advantageous in that the current diffusion in the in-plane direction can be promoted by the effect of blocking the carriers by the barrier. However, an increase in series resistance is unavoidable due to the formation of a high barrier.
これに対し、ITO透明電極層を用いる場合は、ITO電極層自体が非常に高い電流拡散能を有しているため、障壁によるキャリアのせき止め効果はほとんど考慮する必要がない。しかも、ITO電極層の採用により、光取出領域の面積は金属電極使用時と比較して大幅に増加している。そこで、図11に示すように、コンタクト層とクラッド層との間に、それらコンタクト層とクラッド層との中間のバンドギャップエネルギーを有する中間層を挿入すると、コンタクト層と中間層、及び中間層とクラッド層とのそれぞれはバンド端不連続値が小さくなるので、各々形成される障壁高さΔEも小さくなる。その結果、直列抵抗が軽減されて、低い駆動電圧にて十分に高い発光強度を達成することが可能となる。 On the other hand, when the ITO transparent electrode layer is used, since the ITO electrode layer itself has a very high current diffusion capability, the effect of blocking the carriers due to the barrier hardly needs to be considered. In addition, the use of the ITO electrode layer greatly increases the area of the light extraction region compared to when using the metal electrode. Therefore, as shown in FIG. 11, when an intermediate layer having an intermediate band gap energy between the contact layer and the cladding layer is inserted between the contact layer and the cladding layer, the contact layer, the intermediate layer, and the intermediate layer Since each of the cladding layers has a small band edge discontinuity value, the formed barrier height ΔE is also small. As a result, the series resistance is reduced, and a sufficiently high light emission intensity can be achieved with a low driving voltage.
上記中間層を採用することによる効果は、ダブルへテロ構造の発光層部の中でも、特にコンタクト層をなすInを含有したGaAsとの格子整合性が比較的良好な(AlxGa1−x)yIn1−yP(ただし、0≦x≦1,0≦y≦1)あるいはAlzGa1−zAs(ただし、0≦z≦1)にて発光層部を形成する場合に顕著である。この場合、発光層部と、コンタクト層との中間のバンドギャップエネルギーを有する中間層として、具体的には、AlGaAs層、GaInP層及びAlGaInP層(バンドギャップエネルギーがクラッド層より小さくなるように組成調整されたもの)の少なくとも一つを含むものを好適に採用することができ、例えばAlGaAs層を含むものとして形成することができる(クラッド層がAlGaAsの場合、それよりもAl混晶比の小さいAlGaAs)。また、これ以外の発光層部、例えば、InxGayAl1−x−yNからなるダブルへテロ構造の発光層部にも適用可能である。この場合、中間層は、例えばInGaAlN層(バンドギャップエネルギーがクラッド層より小さくなるように組成調整されたもの)を含むものが採用可能である。 Effect obtained by employing the intermediate layer, among the light emitting layer portion of a double heterostructure, relatively good especially lattice matching with the In-containing GaAs forming the contact layer (Al x Ga 1-x) This is remarkable when the light emitting layer portion is formed with y In 1-y P (where 0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1) or Al z Ga 1-z As (where 0 ≦ z ≦ 1). is there. In this case, as an intermediate layer having an intermediate band gap energy between the light emitting layer portion and the contact layer, specifically, an AlGaAs layer, a GaInP layer, and an AlGaInP layer (composition adjustment so that the band gap energy is smaller than that of the cladding layer) Can be suitably employed, for example, can be formed as an AlGaAs layer (when the clad layer is AlGaAs, AlGaAs having a smaller Al mixed crystal ratio). ). In addition, the present invention can also be applied to other light emitting layer portions, for example, a light emitting layer portion having a double hetero structure made of In x Ga y Al 1-xy N. In this case, as the intermediate layer, for example, a layer including an InGaAlN layer (having a composition adjusted so that the band gap energy is smaller than that of the cladding layer) can be employed.
以下、本発明の実施の形態を添付の図面を参照して説明する。
図1は、本発明の一実施形態である発光素子100の概念図である。発光素子100は、n型GaAs単結晶基板(以下、単に基板という)1の第一主表面上にn型GaAsバッファ層2を介して発光層部24が形成されている。そして、その発光層部24の第一主表面側に、後述する中間層31と、Inを含有したGaAsよりなるコンタクト層30とITO電極層20とがこの順序にて形成され、さらに、ITO電極層20の略中央部に電極ワイヤを接合するためのAu等にて構成された金属電極9(ボンディングパッド)が配置されている。ITO電極層20の金属電極9の周囲の領域は、発光層部24からの光取出領域をなす。他方、基板1の第二主表面側には、Au−Ge−Ni合金等の金属からなる反射層を兼ねた裏面電極層15が全面に形成されている。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings.
FIG. 1 is a conceptual diagram of a
ITO電極層20は、発光層部24の光取出面側の主表面を、全面覆う形にて形成されている。発光層部24の主表面の、正方形換算における一辺の寸法Lは400μm以上(上限は、例えば40mm)であり、ITO電極層20の厚さは400nm以上(上限は、例えば3μm)である。金属電極9によるITO電極層の被覆面積率は0.1%以上10%以下である。
The
発光層部24は、ノンドープ(AlxGa1−x)yIn1−yP(ただし、0≦x≦0.55,0.45≦y≦0.55)混晶からなる活性層5を、p型(AlzGa1−z)yIn1−yP(ただしx<z≦1)からなるp型クラッド層6とn型(AlzGa1−z)yIn1−yP(ただしx<z≦1)からなるn型クラッド層4とにより挟んだ構造を有し、活性層5の組成に応じて、発光波長を、緑色から赤色領域(発光波長(中心波長)が550nm以上650nm以下)にて調整できる。図1の発光素子100では、金属電極9側にp型AlGaInPクラッド層6が配置されており、基板1側にn型AlGaInPクラッド層4が配置されている。従って、通電極性は金属電極9側が正である。なお、ここでいう「ノンドープ」とは、「ドーパントの積極添加を行なわない」との意味であり、通常の製造工程上、不可避的に混入するドーパント成分の含有(例えば1013〜1016/cm3程度を上限とする)をも排除するものではない。
Emitting
コンタクト層30は、Inを含有したGaAsよりなり、図8(1)において、ITO電極層との境界近傍におけるIn濃度CAが、InとGaとの合計濃度に対するInの原子比にて、0.1以上0.6以下とされる。また、In濃度は、ITO電極層から厚さ方向に遠ざかるにつれ連続的に減少するものとなっており、ITO電極層との境界近傍におけるIn濃度をCAとし、これと反対側の境界位置におけるIn濃度をCBとしたとき、CB/CAが0.8以下となるように調整されている。また、コンタクト層30は、光吸収の影響を小さくするため、その厚さを1nm以上20nm以下(望ましくは5nm以上10nm以下)とする。
さらに、コンタクト層30は、金属電極9の直下領域をなす光取り出し量が少ない第一領域には形成されず、その周囲の光取り出し量が多い第二領域にのみ選択的に形成されている。さらに、該第二領域においてコンタクト層30は、その形成領域と非形成領域とが混在した形となっている。従って、コンタクト層30の非形成領域においてはITO電極層20が発光層部24と直接接触する形となっている。
Further, the
図3(a)〜(c)に示すように、コンタクト層30の形成領域SAは、ITO電極層20の接合界面において分散形成することにより、発光層部24における発光をより均一化し、かつコンタクト層30の非形成領域PAからより均一に光を取り出すことができる。図3(a)はコンタクト層30の形成領域SAを散点状とした例であり、(b)は細長い帯状のコンタクト層30の形成領域SAと、同形態の非形成領域PAとを交互に形成した例である。さらに、(c)は、(a)とは逆に、コンタクト層30の形成領域SAを背景として、散点状の非形成領域PAをこれに分散形成した例である。ここではコンタクト層30の形成領域SAを格子状に形成している。
As shown in FIGS. 3A to 3C, the formation region SA of the
コンタクト層30と発光層部24とを直接接合した場合、接合界面にやや高いヘテロ障壁が形成され、これに起因して直列抵抗成分が増大する場合がありうる。そこで、これを低減する目的で、ITO電極層20と接するコンタクト層30と、発光層部24(ここでは、AlGaInPクラッド層6)との間に、両者の中間のバンドギャップエネルギーを有する中間層31が挿入されている。中間層31は、例えばAlGaAs、GaInP及びAlGaInPの少なくとも一つを含むものとして構成でき、例えば中間層の全体を単一のAlGaAs層として構成できる。中間層の厚さはそれぞれ0.1μm程度以下(ただし0.01μm以上:これ以上薄くなると、バルクのバンド構造が失われ、所期の接合構造が得られなくなる)とすることが可能なため、薄層化によるエピタキシャル成長時間の短縮、ひいては生産性の向上を図ることができ、中間層形成による直列抵抗の増分も少なくできるため、発光効率も損なわれにくい。特に、ITO電極層20の一部領域のみにコンタクト層30を形成する場合は、発光通電の際の電流密度はこれらコンタクト層30の形成領域において選択的に高くなる傾向にある。もし、コンタクト層30とAlGaInPクラッド層6との間に形成されるヘテロ障壁が高いと、電流集中の影響により、該コンタクト層30とAlGaInPクラッド層6との接合界面を通過する際の電圧降下が一層甚だしくなり、見かけの直列抵抗がより大きくなりやすい問題がある。従って、コンタクト層30をITO電極層20の全面に形成する場合よりも、中間層31の形成によりヘテロ障壁高さを減ずることの効果が一層顕著であるといえる。
When the
以下、図1の発光素子100の製造方法について説明する。
まず、図1に示すように、AlGaInP混晶と格子整合する化合物半導体単結晶基板であるGaAs単結晶基板1の第一主表面1aに、n型GaAsバッファ層2、n型AlGaInPクラッド層4、AlGaInP活性層(ノンドープ)5、p型AlGaInPクラッド層6、中間層31、さらにコンタクト層となる厚さ5nmのGaAs層30’(図4(a))をこの順にてエピタキシャル成長させ、図4(a)の状態とする。これら各層のエピタキシャル成長は、公知の有機金属気相エピタキシャル成長(Metalorganic Vapor Phase Epitaxy:MOVPE)法により行なうことができる。
Hereinafter, a method for manufacturing the
First, as shown in FIG. 1, an n-type
次いで、図4(b)及び(c)に示すように、GaAs層30’及び中間層31に対し公知のフォトリソグラフィー技術を用いてパターニングを施すことにより、図3(a)〜(c)に例示したようなコンタクト層30の形成領域SA及び非形成領域PAの形成パターンを、発光素子チップとなるべき領域毎に形成する。具体的には、図4(b)に示すようにGaAs層30’上にフォトレジスト層130を形成し、さらにガラス基板上にワックス等を用いて基板1を固定する。次いでフォトレジスト層130上にマスクをかぶせて露光・現像することにより、コンタクト層30を形成しない領域にGaAs層30’が露出するようにフォトレジスト層130にマスクパターンを転写する。その後、該GaAs層30’の露出している部分をエッチングし、さらにフォトレジスト層130を除去すれば、パターニングされたGaAs層30’及び中間層31が得られる。
Next, as shown in FIGS. 4B and 4C, the
中間層31は、厚さがごく小さい場合など、光吸収にそれほど悪影響を及ぼす心配が無い場合は、図15に示すように、発光層部24の全面を覆うように形成することができる。このようにすると、GaAs層30’のみをパターニングすればよいので、例えば化学エッチングの場合、GaAs層30’に対するエッチャントにて中間層31を十分にエッチングできない場合でも、製造が容易である。他方、図6に示すように、中間層31をGaAs層30’の形成領域にのみ形成することもでき、中間層31による光吸収の影響をより小さくすることができる。この場合、GaAs層30’と中間層31とを発光層部24の全面を覆うように形成しておき、前述のフォトリソグラフィーにより、両者を各々パターニングすればよい。この場合は、気相エッチングによりGaAs層30’と中間層31とを同時にエッチングしてもよいし、化学エッチングの場合は、GaAs層30’と中間層31とでエッチャントを交換して順次エッチングを行なうことも可能である。また、化学エッチングによりGaAs層30’をパターニングする際に、中間層31は、発光層部24側への腐食の進行を停止させるストップ層として利用できる場合がある。例えば、GaAs層30’を、Inを含有したGaAsにて構成する場合、中間層31をAlGaAsにて構成しておけば、アンモニア/過酸化水素をエッチャントとすることで、中間層31をストップ層としてGaAs層30’のみを選択エッチングすることができる。
The
次に、図4(d)に示すように、GaAs層30’上に高周波スパッタリング法により、ITO電極層20を400nm以上の厚さにて形成する。ITO電極層20は、光取出機能と電流拡散機能とを両立した透明電極として機能する。電流拡散機能を高めるには、ITO電極層20のシート抵抗(あるいは電気比抵抗)を低減することが重要であり、また、光取出機能を高めるには、必要に応じてITO電極層20を厚く形成した場合でも、十分な光透過性が確保できるようにすることが重要である。ITO電極層20をスパッタリングにより形成する場合、シート抵抗を低減するには、スパッタリング電圧をなるべく低く設定することが望ましい。これは、スパッタリングのプラズマ中に含まれる負イオン(主に酸素イオンである)が堆積中のITO電極層に高速で入射すると、絶縁性のInOが形成されやすくなるが、加速電圧が低くなると該InOの形成が抑制されるためである。このようなスパッタリングの低電圧化を図るためには、スパッタリング時の磁界強度を一定以上に高めること(例えば、0.8kG以上:電圧低減効果が飽和するので2kG以下で設定することが望ましい)が有効である。シート抵抗の低減効果は、例えばカソード電圧の絶対値にて350V以下、望ましくは250V以下に設定することで顕著となる。磁界強度を例えば1000G以上に設定すれば、スパッタリング電圧をカソード電圧の絶対値にて250V以下に容易に調整することができる。
Next, as shown in FIG. 4D, the
また、均質なITO電極層を得るには、ITO電極層を非晶質層として形成することが有利である。非晶質のITO電極層を得るには、ITOの結晶化を防止するため200℃以下の低温で成膜を行なう必要がある。この場合、スパッタリング雰囲気中に水蒸気を導入することが有効である(例えば3×10−3Pa以上15×10−3Pa以下)。スパッタリング雰囲気の水蒸気分圧が過度に低くなると、得られるITO電極層の微結晶化が進みやすくなり、後述の平滑化エッチング処理時に脱粒による悪影響が生ずるが、一定以上の水蒸気分圧を確保することで、この微結晶化を効果的に抑制することができる。これにより、最終的には、光透過率が90%以上(望ましくは95%以上)、比抵抗が1000μΩ・cm以下(望ましくは800μΩ・cm以下)のITO電極層を実現できるようになる。 In order to obtain a homogeneous ITO electrode layer, it is advantageous to form the ITO electrode layer as an amorphous layer. In order to obtain an amorphous ITO electrode layer, it is necessary to form a film at a low temperature of 200 ° C. or lower in order to prevent crystallization of ITO. In this case, it is effective to introduce water vapor into the sputtering atmosphere (for example, 3 × 10 −3 Pa to 15 × 10 −3 Pa). If the water vapor partial pressure in the sputtering atmosphere is excessively low, microcrystallization of the obtained ITO electrode layer is likely to proceed, and an adverse effect due to degranulation occurs during the smoothing etching process described later, but a water vapor partial pressure above a certain level should be ensured. Thus, this microcrystallization can be effectively suppressed. As a result, finally, an ITO electrode layer having a light transmittance of 90% or more (preferably 95% or more) and a specific resistance of 1000 μΩ · cm or less (preferably 800 μΩ · cm or less) can be realized.
また、ITO電極層20は、均一で大きな電流拡散効果を有していることが、均一で高い発光効率を実現する上で重要である。そのためには、ITO電極層20を均質で低抵抗率のものとして構成する以外に、その表面の平滑性を高めることが必要となる。表面の平滑性が低下すると、電界集中しやすい突起部が多数形成されやすくなり、発光層部24への印加電圧の不均一化により局所的な暗所を生じやすくなったり、あるいはリーク電流の発生により発光効率そのものが低下することにつながる。これらの不具合防止のため、ITO電極層20の表面粗さは、具体的には、原子間力顕微鏡(AFM)による3次元表面トポグラフィーにて、評価面積を0.2μm四方としたときのRmaxの値にて10nm以下(例えば4nm以上7nm以下)に設定することが望ましい。
Further, it is important for the
上記のようなITO電極層20の表面平滑化のためには、ITO電極層20を形成したあと、その表面を研磨することが有効であるが、機械的な研磨は高コストなので化学研磨の採用が望ましい。ITOの化学研磨液としては、例えば塩酸と硝酸の混合液や、蓚酸水溶液を採用できる。この場合、前述のようなITO電極層20の微結晶化が進むと、結晶粒界でエッチングが進行しやすいことから、粒界侵食や脱粒による表面粗化を生じやすくなる。従って、均質な非晶質層を得るために、スパッタリング雰囲気中への水蒸気を導入することは、化学研磨後のITO電極層の表面粗さを上記のように低減する上でも有力な手法となりうる。
In order to smooth the surface of the
次に、上記のようにITO電極層20を形成し、さらに表面の化学研磨が終了した積層体ウェーハ13(図6参照)を、図7に示すように炉Fの中に配置し、例えば窒素雰囲気中あるいはAr等の不活性ガス雰囲気中にて、600℃以上750℃以下(例えば700℃)の低温で、5秒以上120秒以下(例えば30秒)の短時間の熱処理を施す。これにより、ITO電極層20からGaAs層30’にInが拡散し、Inを含有したGaAsよりなるコンタクト層30(図1)が得られる。また、この熱処理により、ITO電極層20はシート抵抗が劇的に減少し、素子の順方向電圧も顕著に低くなる。この要因の一つは、図2(a)を用いて既に説明したITO電極層20の結晶化によりもたらされるものと考えられる。なお、ITO電極層20の平滑化のための化学研磨は、熱処理後に行なうと成長したITO結晶粒の脱落により良好な平滑性が得にくくなる。従って、上記のように熱処理前に化学研磨を終わらせておくことが望ましい。
Next, the laminated wafer 13 (see FIG. 6) on which the
該熱処理によりコンタクト層30は、図8(1)において、ITO電極層との境界近傍におけるIn濃度CAが、InとGaとの合計濃度に対するInの原子比にて、0.1以上0.6以下となる。また、In濃度は、ITO電極層から厚さ方向に遠ざかるにつれ連続的に減少するものとなり、ITO電極層との境界近傍におけるIn濃度をCAとし、これと反対側の境界位置におけるIn濃度をCBとしたとき、CB/CAが0.8以下となるように調整される。上記のように、AlGaInPよりなる発光層部24に対し、格子整合性の良好なGaAs層30’をまず形成し、その後、比較的低温で短時間の熱処理を施すことにより、In含有量が過剰でなく、しかも均質で連続性の良好なコンタクト層30が得られる。その結果、発光層部24との格子不整合による、発光強度低下などの品質劣化を効果的に防止することができる。
コンタクト層30は、適当なドーパントの添加により、クラッド層6と同じ導電型を有するものとして形成してもよいが、コンタクト層30を上記のような薄層として形成する場合は、ドーパント濃度の低い低ドープ層(例えば1017個/cm3以下;あるいはノンドープ層(1013個/cm3〜1016個/cm3))として形成しても直列抵抗の過度の増加を招かないので、問題なく採用可能である。他方、低ドープ層とした場合、発光素子の駆動電圧によっては、以下のような効果が達成できる。すなわち、コンタクト層30を低ドープ層とすることで、層の電気抵抗率自体は高くなるので、これを挟む電気抵抗率の小さいクラッド層あるいはITO電極層20に対して、コンタクト層30の層厚方向に印加される電界(すなわち、単位距離当たりの電圧)が相対的に高くなる。このとき、コンタクト層30を、バンドギャップの比較的小さいInを含有したGaAsにより形成しておくと、上記電界の印加によりコンタクト層のバンド構造に適度な曲がりが生じ、より良好なオーミック状接合を形成することができる。そして、図8に示すように、コンタクト層30のIn濃度が、ITO電極層20との接触側にて高められていることで、該効果が一層顕著なものとなる。
The
図4に戻り、(e)に示すように、基板1の裏面側には真空蒸着法により裏面電極層15を形成し、他方、第一主表面側のITO電極層20上には、各発光素子チップに対応する領域毎に金属電極9を配置し、適当な温度で電極定着用のベーキングを施すことにより、図4(f)に示す発光素子ウェーハ50が得られる。該発光素子ウェーハ50は、各発光素子チップ領域を分離するために図5(a)に示すようにハーフダイシングされ、さらに(b)に示すようにダイシング面の加工歪をメサエッチングにより除去した後、(c)に示すスクライビングにより発光素子チップ51に分離される。そして、(d)に示すように、裏面電極層15(図4参照)をAgペースト等の導電性ペーストを用いて支持体を兼ねた端子電極9aに固着する一方、金属電極9と別の端子電極9bとにまたがる形態でAuワイヤ47をボンディングし、(e)に示すように樹脂モールド52を形成することにより発光素子100が得られる。
Returning to FIG. 4, as shown in FIG. 4E, a
上記発光素子は、p型AlGaInPクラッド層6の全面がITO電極層20により覆われてなり、このITO電極層20を介して駆動電圧が印加される。前述の通り、発光素子100(素子チップ51)は正方形換算における一辺の寸法が400μm以上であり、そのITO電極層20は厚さが400nm以上に形成されている。これにより、ITO電極層20はシート抵抗が大幅に低減され、素子100全体の順方向電圧も小さくなる。その結果、金属電極9を介して駆動電圧を印加することにより、ITO電極層20の全面に均一に電流拡散し、光取出面の全体にわたって均一な発光が得られる。また、金属電極9の被覆面積率が0.1%以上10%以下であってもITO電極層20に対し十分に電流拡散でき、発光層部24が大面積化することにより、金属電極9による遮蔽の影響が小さくなり、光取出し効率を大幅に向上させることができる。その結果、順方向電圧が小さくなっていることとも相俟って、低い駆動電圧により大きな発光強度を実現することができる。
In the light emitting element, the entire surface of the p-type AlGaInP clad
また、図12に示すように、金属電極9は、ITO電極層20の中央に、つまり、ITO電極層20の主表面の幾何学的重心位置Gに対し、該金属電極9の形成領域の幾何学的重心位置G’が一致するように形成してもよいが、ITO電極層20の電流拡散特性が良好であるため、両重心位置G,G’がずれるように、つまり、金属電極9をITO電極層20の中央位置から偏心して配置することも可能である。例えば、発光層部24の主表面が方形である場合、その全面を覆うITO電極層20に対し、図14に示すように、金属電極9を該ITO電極層2の周縁部に配置することもできるし、図13に示すように、角部に配置することもできる。
Further, as shown in FIG. 12, the
以下、発光素子100の種々の変形態様について説明する(図1の発光素子との共通部分については、同一の符号を付与して詳細な説明は省略する)。図16の発光素子200は、素子寸法が400μm以上であり、発光層部24に対し、その片側の主表面に、図1の素子と同様に膜厚調整されたITO電極層20が形成され、反対側の主表面に、透明導電性半導体基板23(本実施形態ではn型GaP単結晶基板)が貼り合わされている。透明導電性半導体基板23の裏面側は、その一部を覆う金属電極を設けて、光取出面とすることもできる。しかし、図16に示すように、その全面を、反射層を兼ねた裏面金属電極15にて覆い、その反射光を、ITO電極層20の形成された光取出面側に重畳させて取り出すようにすると、素子の大面積化に見合った適正なITO層膜厚が採用されていることとも相俟って、発光強度をより高めることができる。
Hereinafter, various modifications of the
この場合、透明導電性半導体基板23は、接合用透明導電性酸化物層10(例えばITO層)を介して発光層部24に貼り合わせることができる。これにより、発光層部24と透明導電性半導体基板23との導通を、より良好に確保でき、また、発光層部24と透明導電性半導体基板23との格子整合も考慮する必要がないので、製造が容易である。この場合、図16に示すように、接合用透明導電性酸化物層10と透明導電性半導体基板23との間、あるいは、接合用透明導電性酸化物層10と発光層部24との間に、ITO電極層20の場合と同様のコンタクト層30および中間層31を設けることができる。
In this case, the transparent
図17は、図16の発光素子の製造方法の一例を示すものである。まず、工程1に示すように、発光層成長用基板をなすGaAs単結晶基板1上にn型GaAsバッファ層2と、図示しないAlAsからなる剥離層をエピタキシャル成長させる。次いで、後にコンタクト層30となるGaAs30’と中間層31とをこの順序でエピタキシャル成長させ、さらに発光層部24をエピタキシャル成長させ、最後に中間層31とGaAs30’とをこの順序でエピタキシャル成長させる。
FIG. 17 shows an example of a method for manufacturing the light emitting device of FIG. First, as shown in
次に、工程2に示すように、発光層部24側のGaAs30’上に、透明導電酸化物層としてITO層10aをスパッタリングにて形成し、他方、工程3に示すように、別途用意したn−GaP単結晶基板23にも同様のITO層10bを形成する。そして、n−GaP単結晶基板23のITO層10bを、発光層部24のITO層10aに重ね合わせて圧迫し、工程3に示すように、所定の条件(例えば450℃にて30分間)にて熱処理することにより、基板貼り合わせ体60’を作る。ITO層10aとITO層10bとは一体化して接合用透明導電性酸化物層10となる。
Next, as shown in
次に、工程4に進み、上記貼り合わせ体を、例えば10%フッ酸水溶液からなるエッチング液に浸漬し、バッファ層2と発光層24との間に形成した前記AlAs剥離層を選択エッチングすることにより、GaAs単結晶基板1(発光層24からの光に対して不透明である)を、発光層部24とこれに接合されたp−GaP単結晶基板7との積層体60aから剥離する。なお、AlAs剥離層3に代えてAlInPよりなるエッチストップ層を形成しておき、GaAsに対して選択エッチング性を有する第一エッチング液(例えばアンモニア/過酸化水素混合液)を用いてGaAs単結晶基板1をGaAsバッファ層2とともにエッチング除去し、次いでAlInPに対して選択エッチング性を有する第二エッチング液(例えば塩酸:Al酸化層除去用にフッ酸を添加してもよい)を用いてエッチストップ層をエッチング除去する工程を採用することもできる。さらに工程5に示すように、GaAs単結晶基板1の剥離により露出した中間層31とコンタクト層30となるGaAs層30’とをパターニングする。
Next, proceeding to
そして、工程6に示すように、GaAs単結晶基板1の剥離により露出した発光層24上に形成された中間層31及びGaAs層30’を覆うように、ITO層20を形成する。こうして得られた積層体ウェーハ60(電極9の形成前であっても形成後であってもいずれでもよい)を炉の中に配置し、例えば窒素雰囲気中あるいはAr等の不活性ガス雰囲気中にて、600℃以上750℃以下(例えば700℃)の低温で、5秒以上120秒以下(例えば30秒)の短時間の熱処理を施す。電極9及び15を形成すれば、以下の工程は図5と同様である。
Then, as shown in
図18に示す発光素子300は、素子寸法が400μm以上であり、発光層部24の片側の主表面、図1の素子と同様に膜厚調整されたITO電極層20が形成され、反対側の主表面に導電性基板7が貼り合わされている。この導電性基板7は、金属層11を介して発光層部24に貼り合わせることができる。このように発光素子300を構成すると、ITO電極層20が形成された光取出面側に、裏面側に向かう発光を、金属層11での反射により重畳させることができ、光取出し効率を向上させることができる。これにより、素子の大面積化に見合った適正なITO層膜厚が採用されていることとも相俟って、発光強度をより高めることができる。
The
この場合、導電性基板としてはAl等の金属基板を使用することもできるが、図18においては、安価なSi基板(多結晶基板又は単結晶基板:前者は特に安価である)が用いられている。貼り合わせ面に介在させる金属層11は、図18においてはAu系金属層(Auを主成分(50質量%以上)とするもの)であり、高反射率を実現できるので好適である。
In this case, a metal substrate such as Al can be used as the conductive substrate, but in FIG. 18, an inexpensive Si substrate (polycrystalline substrate or single crystal substrate: the former is particularly inexpensive) is used. Yes. The
図19は、その製造方法の一例を示すものである。まず、工程1に示すように、発光層成長用基板をなすp型GaAs単結晶基板1上にGaAsバッファ層2と、図示しないAlAsからなる剥離層、さらにコンタクト層30となるGaAs層30’と中間層31とをエピタキシャル成長させる。そして、その上に発光層部24を、p型クラッド層6側からエピタキシャル成長させる。次に、工程2に示すように、スパッタリングあるいは真空蒸着等を用いて、発光層部24上に、AuGeNiよりなる金属層用接合層32を分散形成する。この状態で、350℃以上500℃以下で熱処理することにより、発光層部24と金属層用接合層32との間にアロイ層が形成され、直列抵抗低減が大幅に低減される。その後、アロイ化が終了した金属層用接合層32を覆うようにAu層11aを形成する。他方、工程3に示すように、別途用意したSi単結晶基板7の主裏面MP2にはAl層11bを形成する。そして、Si単結晶基板7のAl層11bを、発光層部24のAu層11aに重ね合わせて圧迫し、工程4に示すように熱処理することにより、基板貼り合わせ体70’を作る。Au層11aとAl層11bとは合金化してAlを含んだAu系金属よりなる金属層11となる。
FIG. 19 shows an example of the manufacturing method. First, as shown in
次に、工程5に進み、上記基板貼り合わせ体70’を、例えば10%フッ酸水溶液からなるエッチング液に浸漬し、バッファ層2と発光層24との間に形成した前記AlAs剥離層を選択エッチングすることにより、GaAs単結晶基板1(発光層24からの光に対して不透明である)を、発光層部24とこれに接合されたSi単結晶基板7との積層体70aから剥離する。そして、工程6に示すように、GaAs単結晶基板1の剥離により露出した中間層31とコンタクト層30となるGaAs層30’とをパターニングし、さらに発光層24の全面を覆うようにITO層20を形成する。
Next, the process proceeds to step 5, and the
そして、ITO層20を形成した積層体ウェーハ70を炉の中に配置し、例えば窒素雰囲気中あるいはAr等の不活性ガス雰囲気中にて、600℃以上750℃以下(例えば700℃)の低温で、5秒以上120秒以下(例えば30秒)の短時間の熱処理を施す。これにより、ITO層20からGaAs層30’にInが拡散し、Inを含有したGaAsよりなるコンタクト層30が得られる。
Then, the
なお、図18の発光素子100においては、導電性基板7と発光層部24とは、金属層11を介して貼り合わされていたが、図20に示すように、導電性基板7側の金属層40と、発光層部24側の接合用透明導電性酸化物層(例えばITO層)10とを介して、それら導電性基板7と発光層部24とを貼り合わせることもできる。これにより、金属層40と発光層部24をなす化合物半導体との合金化が抑制され、金属層の反射率を高めることができる。接合用透明導電性酸化物層10と発光層部24との間には、ITO電極層20の場合と同様のコンタクト層30あるいは中間層31を設けることができる。
In the
以下、本発明の効果を確認するために行なった実験結果について説明する。
まず、図1の発光素子100において、各層を以下の厚さにて形成した。素子形状は正方形状であり、素子寸法は、300μm角(比較例)、500μm角及び1000μm角とした。
・コンタクト層30:約10nm
・中間層31(AlGaAs層):約0.3μm
・ITO電極層20:200nm〜1000nm(酸化錫含有率=7質量%(残部は酸化インジウム))
・p型AlGaInPクラッド層6=1μm;
・AlGaInP活性層5=0.6μm(発光波長650nm);
・n型AlGaInPクラッド層4=1μm;
Hereinafter, experimental results performed to confirm the effects of the present invention will be described.
First, in the
Contact layer 30: about 10 nm
Intermediate layer 31 (AlGaAs layer): about 0.3 μm
ITO electrode layer 20: 200 nm to 1000 nm (tin oxide content = 7% by mass (the balance is indium oxide))
P-type
AlGaInP
N-type
ITO電極層20は、以下の条件の高周波スパッタリングにて行なった:
・ターゲット組成:In2O3=約90質量%,SnO2=約10質量%;
・成膜温度:20℃;
・rf周波数約14MHz
・Ar圧力0.6Pa
・スパッタ電力30W
さらに、ITO電極層成膜後の熱処理は700℃にて30秒行なった。さらに、金属電極9はAu電極であり、寸法は直径100μmの円状である。
The
Target composition: In 2 O 3 = about 90 wt%, SnO 2 = about 10 wt%;
-Film formation temperature: 20 ° C;
・ Rf frequency about 14MHz
・ Ar pressure 0.6Pa
・ Spatter power 30W
Further, the heat treatment after forming the ITO electrode layer was performed at 700 ° C. for 30 seconds. Further, the
得られた各素子は、以下の各特性を周知の方法にて測定した:
・発光強度(Iv:通電電流値を40〜200mA/パルス(Duty 10%)の種々の値とした);
・I−V特性;
・順方向電圧(VF:通電電流値を20mAとしたとき);
Each obtained element was measured for each of the following characteristics by a well-known method:
-Luminous intensity (Iv: Current value of energization was set to various values of 40 to 200 mA / pulse (
-IV characteristics;
-Forward voltage (V F : When the conduction current value is 20 mA);
図21は、素子寸法を1000μmとした場合の発光強度特性を示すものである。ITO電極層の厚さが400nm以上のとき、それより薄い場合(具体的には200nm)と比較して、発光強度が大幅に増加することがわかる。他方、図22は、素子寸法が300μmの、比較例の結果を示すが、ITO電極層の厚さが400nm以上としても発光強度はそれほど改善されない。また、図23は、ITO電極層の厚さを800nmに固定し、素子寸法を変化させたときの発光強度を比較して示すものである。素子寸法が400μm以上(具体的には500μm及び1000μm)のとき、それより寸法が小さい場合(具体的には300μm)と比較して、発光強度が大幅に増加していることがわかる。 FIG. 21 shows the light emission intensity characteristics when the element size is 1000 μm. It can be seen that when the thickness of the ITO electrode layer is 400 nm or more, the emission intensity is significantly increased as compared with a case where the thickness is thinner (specifically, 200 nm). On the other hand, FIG. 22 shows the result of the comparative example in which the element size is 300 μm. However, even if the thickness of the ITO electrode layer is 400 nm or more, the emission intensity is not improved so much. FIG. 23 shows a comparison of light emission intensities when the thickness of the ITO electrode layer is fixed at 800 nm and the element dimensions are changed. It can be seen that when the element size is 400 μm or more (specifically, 500 μm and 1000 μm), the emission intensity is greatly increased as compared to the case where the element size is smaller (specifically, 300 μm).
すなわち、上記の結果から以下のことがわかる。発光層部の主表面の素子寸法が300μm以下の素子においては、図22に示すように、素子の発光強度IvがITO電極層の厚さにあまり依存せず、例えばITO電極層を200nm程度の薄膜に形成した場合(「×」のプロット点)も、逆に1000nm程度の厚膜に形成した場合(「●」のプロット点)も、発光強度にそれほど顕著な差は見られない。しかし、素子寸法が400μm以上に大面積化すると、図21に示すように、ITO電極層厚さを400nm以上に厚く形成した場合に限って、発光強度が著しく向上し、素子の大型化に見合った良好な発光特性が得られるようになることがわかる。換言すれば、ITO電極層厚さを400nm以上に設定することで、通電時の総電流量を同じに設定しても、素子寸法が400μm以上の大形面発光素子のほうが、素子寸法が300μm以下の通常の発光素子と比較して、より発光強度が高くなることを示すものである。 That is, the following can be understood from the above results. In an element having an element size of 300 μm or less on the main surface of the light emitting layer portion, as shown in FIG. 22, the light emission intensity Iv of the element does not depend much on the thickness of the ITO electrode layer. When formed into a thin film (“×” plot point) or conversely formed into a thick film of about 1000 nm (“●” plot point), there is no significant difference in emission intensity. However, when the element size is increased to 400 μm or more, as shown in FIG. 21, the emission intensity is remarkably improved only when the ITO electrode layer is formed to have a thickness of 400 nm or more. It can be seen that excellent light emission characteristics can be obtained. In other words, by setting the ITO electrode layer thickness to 400 nm or more, even if the total current amount during energization is set to be the same, the large surface light emitting element having an element size of 400 μm or more has an element size of 300 μm. It shows that the emission intensity is higher than that of the following ordinary light emitting devices.
また、図25は素子寸法を1000μmとし、順方向電流を20mAに固定したときの順方向電圧VFを、種々のITO電極層厚さについて測定した結果をグラフにしたものである。この結果からも明らかなように、ITO電極層が厚いほど順方向電圧が小さくなっており、特にITO電極層厚さが400nm付近で、順方向電圧は不連続的に大きく減少している。順方向電圧が減少すれば素子面内の電流拡散効果が高められ、大面積の発光層部の全体に無駄なく電流を注入できる。すなわち、該結果は、ITO電極層厚さを400nm以上の厚膜に形成すると順方向電圧が急減し、これに対応して電流拡散効果が劇的に高められる結果、発光強度が顕著に向上するすることを裏付けるものである。 FIG. 25 is a device dimensions and 1000 .mu.m, in which a forward voltage V F when fixing the forward current 20 mA, and the results of measurement for various ITO electrode layer thickness on a graph. As is clear from this result, the forward voltage decreases as the ITO electrode layer is thicker. Particularly, when the ITO electrode layer thickness is around 400 nm, the forward voltage decreases greatly discontinuously. If the forward voltage is reduced, the current spreading effect in the element surface is enhanced, and current can be injected into the entire light emitting layer portion having a large area without waste. That is, as a result, when the ITO electrode layer thickness is formed to a thickness of 400 nm or more, the forward voltage is drastically reduced, and the current spreading effect is dramatically enhanced correspondingly, resulting in a remarkable improvement in the emission intensity. That is what we do.
なお、図1の発光素子100は、図26の発光素子1100のように、AlGaInPよりなる発光層部24を、AlGaAsよりなる発光層部124にて置き換えることもできる。該発光層部124は、ノンドープAlzGa1−zAs(ただし、0≦z≦0.4)混晶からなる活性層105を、p型Alz’Ga1−z’As(ただしz<z’≦1)からなるp型クラッド層106とn型Alz’Ga1−z’As(ただしz<z’≦1)からなるn型クラッド層104とにより挟んだ構造を有し、活性層5の組成に応じて、発光波長を、赤色から赤外領域(発光波長(中心波長)が630nm以上940nm以下)にて調整できる。
In the
同様に、図27の発光素子1100は、図15の発光素子100の発光層部24を、図26と同じAlGaAsからなる発光層部124で置き換えた例である。図28の発光素子1200は、図16の発光素子200の発光層部24を、図26と同じAlGaAsからなる発光層部124で置き換えた例である。図29の発光素子1300は、図18の発光素子300の発光層部24を、図26と同じAlGaAsからなる発光層部124で置き換えた例である。図30の発光素子1100は、図20の発光素子100の発光層部24を、図26と同じAlGaAsからなる発光層部124で置き換えた例である。
Similarly, the light-emitting
図26〜図30の各構成において、対応する各図(図1、図15、図16、図18、図20)の構成と同一の符号を付与した部分は、同一の要素を表すものである。ただし、中間層31については、これと接するクラッド層106よりもAl混晶比の小さいAlGaAs(つまり、Alz”Ga1−z”As(ただし0<z”<z’)からなるものである。コンタクト層30は、Inを含有したGaAsよりなるので、中間層31はGaAsであってもよい。また、図1〜図20を用いて行なった説明についても、AlGaInPをAlGaAsに、発光層部24を発光層部124に、p型クラッド層6をp型クラッド層106に、活性層5を活性層105に、n型クラッド層4をn型クラッド層104にそれぞれ読み替えれば、図26〜図30についても同様に適用できる。
In each configuration of FIGS. 26 to 30, the portions given the same reference numerals as the configurations of the corresponding diagrams (FIGS. 1, 15, 16, 18, and 20) represent the same elements. . However, the
また、図26〜図30の各構成の製造方法は、図1、図15、図16、図18、図20の各構成と基本部分は同じであり、例えば、AlGaAsからなる発光層部124をMOVPE法で成長することもできるが、AlGaAsの場合、より安価で高能率の液相エピタキシャル成長法(Luquid Phase Epitaxy:LPE、方法自体は周知であるので詳細な説明は省略する)にて成長することも可能である。この場合、バッファ層2を含めて、発光層部124の全体をLPE法にて成長できる。ただし、中間層31ないしコンタクト層30は、層厚が小さいため、層厚制御の容易なMOVPE法で成長すすることが望ましい。具体的には、GaAs基板上にLPE法にて発光層部124にて成長し、その後、該発光層部124上にコンタクト層30、あるいは中間層31及びコンタクト層30を、MOVPE法にて成長する方法を例示できる。
The manufacturing method of each configuration shown in FIGS. 26 to 30 is the same as the basic configuration shown in FIGS. 1, 15, 16, 18, and 20. For example, the light emitting
4,104 n型クラッド層
5,105 活性層
6,106 p型クラッド層
7 Si単結晶基板(導電性基板)
9 金属電極
20 ITO電極層
24,124 発光層部
30 コンタクト層
30’ GaAs層
31 中間層
100,200,300,1100,1200,1300 発光素子
4,104 n-type cladding layer 5,105 active layer 6,106 p-
DESCRIPTION OF
Claims (20)
前記発光層部の前記主表面の、正方形換算における一辺の寸法が400μm以上であり、
かつ、前記ITO電極層の厚さが400nm以上であることを特徴とする発光素子。 At least one main surface of the light emitting layer portion made of a compound semiconductor is covered with an ITO electrode layer which is a light extraction surface side electrode,
The dimension of one side in square conversion of the main surface of the light emitting layer portion is 400 μm or more,
And the thickness of the said ITO electrode layer is 400 nm or more, The light emitting element characterized by the above-mentioned.
かつ、前記金属電極による前記ITO電極層の被覆面積率が0.1%以上10%以下であることを特徴とする請求項1又は2に記載の発光素子。 On the main surface of the ITO electrode layer, a metal electrode for applying a voltage to the light emitting layer portion is formed so as to cover a partial region of the main surface,
The light emitting device according to claim 1, wherein a coverage area ratio of the ITO electrode layer by the metal electrode is 0.1% or more and 10% or less.
前記ITO電極層は、金属電極の直下領域からなる第一領域と残余の第二領域とを有し、前記コンタクト層は、前記第二領域において、前記第一領域よりも形成面積率が大きい請求項1ないし請求項10のいずれか1項に記載の発光素子。 On the main surface of the ITO electrode layer, a metal electrode for applying a voltage to the light emitting layer portion is formed so as to cover a partial region of the main surface,
The ITO electrode layer has a first region composed of a region immediately below the metal electrode and a remaining second region, and the contact layer has a larger area ratio than the first region in the second region. The light-emitting element according to claim 1.
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