説明

アモルファス材料基板を用いた発光素子及びその製造方法

【課題】ガラス基板上に発光層を形成するに際しその両方の間に新バッファ層を導入し、これにより発光層を限りなく単結晶に近づけることにより高効率の青色又は赤色発光ダイオードを提供する。
【解決手段】バッファ層としてII−VI、III−V、I−III−VI、II−III−VI、II−III−V族化合物半導体の少なくとも二種類の異なった化合物半導体からなる超格子構造を用いることにより、発光層に近づくにつれて徐々に単結晶化させ、ガラス基板上に高効率な青色又は赤色発光ダイオードを成長させることを特徴とする。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、アモルファス材料基板上に成長した発光素子及びその製造方法に関するものである
【背景技術】
【0002】
現在、発光ダイオードは電気製品の表示ランプ、電光掲示板、信号機など多くの場所で使用されており、不可欠なものとなりつつある。中でも青色発光ダイオードの発明により光の三原色が実現され照明用として発光ダイオードが注目を集めている。これは一般の照明として使われている蛍光灯に比べ小型、省エネルギー、環境有害物質の不使用などの利点があるからである。しかし、現在の発光ダイオードは初期設置費用が蛍光灯に比べ高いことや、発光ダイオードの単価も高いことが問題として挙げられる。
【0003】
現在の白色発光ダイオードは青色発光ダイオードを光源として使用している。発光材料としては実用化されているもののほとんどがInGaN系材料となっている。しかし、基板材料としては現在実用化されているサファイア(Al)の他にZnSe、SiCなど多くの材料が研究されている。現在は21世紀明かりプロジェクトにより白色発光ダイオードを照明として使用するための活動が進められており、今後は発光ダイオードの低消費電力化と低コスト化が望まれる。
【0004】
従来の技術において発光ダイオードの高効率化、低コスト化のための様々な構造が考案されている。その例として特許文献1にあるようにサファイア基板上にバッファ層とともに発光層を形成したものが主であるがサファイア基板を用いているため、コストは高く、効率の面でも良くはない。また特許文献2においては、基板として石英ガラス基板を、バッファ層に例えばZnOを用いているが、ZnO一層のみのバッファ層では転位などの欠陥を大きく取り除くことができず、これも高効率化を阻害する要因となっている。
【特許文献1】特開2002−270892号公報
【特許文献2】特開平8−139361号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
上記に示すように、青色発光ダイオードの基板材料はほとんどがサファイア(Al)であるが、サファイアは基板材料として、コストが高く、大量生産を行う際、好ましくない。
【0006】
一方、ガラス基板発光ダイオードを製造するにあたっては、低コストのガラス基板を使用するので、材料のコストが安価になり大量生産に向いているといえる。
【0007】
しかし、ガラス基板発光ダイオードを製造するにあたっては、大きな課題が未解決のままであった。
【0008】
それは、基板材料に用いるガラスがアモルファスであり、一方活性層材料であるInGaNまたはInGaPは単結晶であることが望ましいが、従来例ではガラス基板上に例えばZnOの一層しか層を挟んでいないため、発光層の結晶性自体が良くならず転位や格子欠陥が活性層に多く発生して発光材料として効率が大きく低下してしまうということである。
【0009】
このためガラス基板上に、高効率の青色または赤色発光ダイオードは成長できないという問題点があった。
【0010】
本発明は新バッファ層の導入によりアモルファス性を緩和し、活性層はほぼ単結晶化することにより高効率発光を実現する発光素子及びその製造技術を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【0011】
この発明のアモルファス材料基板上への発光ダイオードは、上記の目的を達成させるため、基板材料であるアモルファス材料、例えばガラス上に発光ダイオードの活性層材料であるInGaNやInGaPの単結晶に近い層を成長させるため、InGaNにはII−VI、III−V、I−III−VI、II−III−VI、II−III−V族化合物半導体材料のいずれか二種類以上の超格子を用いたバッファ層構造を、InGaPには
III−V族化合物半導体の二種類以上の超格子バッファ層を用いることによりガラス基板上に発光ダイオードを成長させることを特徴とする。
【0012】
例として青色発光ダイオードの成長について示す。具体的な方法として図1左図に示すような組み合わせで超格子層を形成した。まずガラス基板1上にITOからなる透明電極膜2を成長させる。次にその上にII−VI、III−V、I−III−VI、II−III−VI、II−III−V族化合物半導体材料の中のI−III−VI族化合物半導体材料であるCuGaS層3を5[nm]の厚さで、次に活性層(InGaN)5の格子定数に近い材料ZnIn層4を厚さ5[nm]で成長する。次に3層目には最初と同様のCuGaS層3’を同じく5[nm]の厚さで成長し、4層目にはZnIn層4’を5[nm]の厚さで成長、このような成長を各層50層の計100層まで繰り返し、100層目にはZnIn層4’’が成長される。その上に発光層材料であるInGaN層5を活性層とするダブルへテロ構造を成長させる。これらの成長はすべてMOCVD法で行った。
【0013】
ここで、アモルファス上に単結晶で層を形成することは困難だと考えられるが、100層の超格子層を形成していく中で発光層に近づくにつれて徐々に結晶性が向上し単結晶化されていくので、発光層を成長する際には転位が極めて少ないほぼ単結晶の層が成長できることが実験結果より明確になった。
【0014】
同様に赤色発光ダイオードもバッファ層としてガラス基板上にII−VI、III−V、I−III−VI、II−III−VI、II−III−V族化合物半導体材料のうち、InPとGaPの超格子を用いることにより、赤色発光層(InGaP)がほぼ単結晶化することが可能となった。
【0015】
この超格子は層の数を増やすことによって単結晶に近づくと同時に、超格子界面に沿って転位を逃がすことができるので、発光層へ転位が入らず高効率発光ができる。
【発明の効果】
【0016】
以上説明したことから明らかなように、本発明によれば、ガラス基板上に高効率の青色または赤色発光ダイオードを提供することができるので、青色または赤色発光ダイオードの低コスト化と、現在問題となっている将来の照明として期待される白色発光ダイオードへの適用が可能な青色または紫外発光ダイオードの低コスト化も実現できる。
【0017】
これにより将来の照明として現在の蛍光灯に代わり期待される白色発光ダイオードの進展や、その他への様々な発光ダイオードの用途に大きく貢献する。
【発明を実施するための最良の形態】
【0018】
現在、発光ダイオードの製造の主流はMOCVD成長法(Metal Organic Chemical Vapor Deposition:有機金属気相成長法)で行われている。これは過去一般的だったLPE成長法(Liquid Phase Epitaxy:液相エピタキシャル成長法)や、研究などでよく使われるMBE成長法(Molecular Beam Epitaxy:分子線エピタキシャル成長法)にくらべ、広い面積へ均一な薄膜成長が比較的容易なためである。MOCVD法は、半導体の材料を有機化合物の状態で反応室へ導入し、誘導過熱によって高温にされた基板上に、薄膜を成長させる方法である。この発光ダイオードの製造においてもMOCVD成長法を用いる。
【0019】
具体的に図2から図1右図に青色発光ダイオード装置の製造方法を示す。
【0020】
まずガラス基板1上に、ITO透明電極層2をスパッタで成長させる。その上にCuGaS、ZnInからなる超格子バッファ層6を全厚さで0.5μm、n−AlGaNクラッド層7を1μm、InGaNとGaNからなるTQW活性層8を全厚さで40nm、p−AlGaNクラッド層9を0.3μm成長しその上にSiO酸化膜10を0.5μm成長させる(図2)。バッファ層6の詳細は上記に説明してある図1左図の構造を有する。次に150μm周期でSiO酸化膜10の右側三分の二即ち100μmの幅をエッチング除去する(図3)。次にSiO膜10を除去した全域でITO透明電極2まで成長層6から9をドライエッチングで取り除く(図4)。次に表面のSiO酸化膜10をHFでエッチングして取り除き、再びSiO酸化膜10を全面に成長する(図5)。その後、発光ダイオードとなる領域上にあるSiO酸化膜10のみをエッチングして取り除き(図6)、その上にNi/Au2層の金属電極11をニッケル0.1μm、金1μmの順で真空蒸着し、残っていたSiO酸化膜10をHFで取り除けば、発光ダイオード上のNi/Au2層の金属電極11のみが残る(図7)。再び、SiO酸化膜10を全体に成長し、ITO膜上のSiO酸化膜10のみを発光素子領域近傍20μmの幅以外を取り除いた後、Au−Ge−Ni合金の金属電極12を1μmの厚さ真空蒸着する(図8)。その後、SiO膜10をHFですべて除去する。これによりITO透明電極層2上にのみAu−Ge−Ni合金の金属電極12が残る(図9)。ガラス基板1をCu(放熱体)13にボンディングし、ITO透明電極層2上のAu−Ge−Ni合金の金属電極12にカソードの金線を取り付け、発光ダイオードのNi/Au2層の金属電極11上にアノードの金線を取り付ける(図1右図)。また、この放熱体13への放熱特性をよくするためにガラス基板から発光層のみをはがして、放熱体13にはりつけてもよい。この方法で青色発光ダイオードが完成する。
【図面の簡単な説明】
【0021】
【図1】本発明に係る超格子構造と本発明の青色LED装置の製造方法の一例を示す概略断面図
【図2】本発明の青色LED装置の製造方法の一例を示す概略断面図
【図3】本発明の青色LED装置の製造方法の一例を示す概略断面図
【図4】本発明の青色LED装置の製造方法の一例を示す概略断面図
【図5】本発明の青色LED装置の製造方法の一例を示す概略断面図
【図6】本発明の青色LED装置の製造方法の一例を示す概略断面図
【図7】本発明の青色LED装置の製造方法の一例を示す概略断面図
【図8】本発明の青色LED装置の製造方法の一例を示す概略断面図
【図9】本発明の青色LED装置の製造方法の一例を示す概略断面図
【符号の説明】
【0022】
1・・・ガラス基板
2・・・ITO透明薄膜層
3,3’・・・CuGaS
4,4’,4’’・・・ZnIn
5・・・InGaAlN
6・・・図1に示したバッファ層
7・・・n−InAlGaNクラッド層
8・・・InGaN TQW活性層
9・・・p−InAlGaNクラッド層
10・・・SiO酸化膜
11・・・Ni/Au2層の金属電極
12・・・Au−Ge−Niの金属合金電極
13・・・Cu(放熱体)

【特許請求の範囲】
【請求項1】
発光素子においてアモルファス材料基板に超格子構造からなるバッファ層を形成しその上に多層薄膜成長層からなることを特徴とする発光素子及びその製造方法
【請求項2】
上記請求項1において発光素子の基板としてガラスを用いることを特徴とする発光素子及びその製造方法
【請求項3】
上記請求項1においてバッファ層としてII−VI、III−V、I−III−VI、II−III−VI、II−III−V族化合物半導体の少なくとも二種類の化合物結晶の超格子構造と、多層薄膜成長層としてInGaAlNからなることを特徴とする発光素子及びその製造方法
【請求項4】
上記請求項3においてガラス基板とバッファ層との間にITOやInなどの透明電極膜を形成することを特徴とする発光素子及びその製造方法
【請求項5】
上記請求項1においてバッファ層としてIII−V族化合物半導体の少なくとも二種類の化合物結晶の超格子構造と多層薄膜成長層としてInGaAlPからなることを特徴とする発光素子及びその製造方法
【請求項6】
上記請求項5においてガラス基板とバッファ層との間にITOやInなどの透明電極膜を形成することを特徴とする発光素子及びその製造方法

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【図5】
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【図6】
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【図7】
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【図8】
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【図9】
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【公開番号】特開2006−310527(P2006−310527A)
【公開日】平成18年11月9日(2006.11.9)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2005−131067(P2005−131067)
【出願日】平成17年4月28日(2005.4.28)
【出願人】(504237050)独立行政法人国立高等専門学校機構 (656)
【出願人】(305006716)
【出願人】(305006727)
【Fターム(参考)】