JP4044261B2

JP4044261B2 - Semiconductor light emitting device and manufacturing method thereof

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Publication number: JP4044261B2
Application number: JP2000066736A
Authority: JP
Inventors: 秀人菅原; 康一新田
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2000-03-10
Filing date: 2000-03-10
Publication date: 2008-02-06
Anticipated expiration: 2020-03-10
Also published as: JP2001257379A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、複数波長の光を混成して出力する半導体発光素子とその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、可視光半導体発光素子（ＬＥＤ）は表示用光源として広く実用されている。実用されている主なＬＥＤ材料は、ＡｌＧａＡｓ，ＧａＡｌＰ，ＧａＰ，ＩｎＧａＡｌＰ等であり、これらの材料を用いて赤色、橙色、黄色、緑色のＬＥＤが低コストで供給されている。また近年、ＧａＮ系材料を用いた青色ＬＥＤや緑色ＬＥＤが実用化され、ＬＥＤによる３原色発光も可能となっている。
【０００３】
一方、白色発光のＬＥＤの開発も精力的に行われている。これは、白熱電球や蛍光灯に代わる照明用途として期待されている。これまでのところ、白色ＬＥＤとしては、ＧａＮ系の青色ＬＥＤとその出力光により黄色発光が励起されるＹＡＧ蛍光体を組み合わせるもの（ＧａＮ系白色ＬＥＤ）や、ＺｎＳｅ系青色ＬＥＤの基板に黄色発光の発光中心を作るもの（ＺｎＳｅ系白色ＬＥＤ）が提案されている。いずれも、青色発光とこれにより励起される黄色発光との混成（混色）により白色を放射するものである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来提案されている白色ＬＥＤは、いずれも寿命が短いことが実用上問題となっている。すなわち、ＧａＮ系白色ＬＥＤでは、蛍光体の特性の経時変化が大きい。ＺｎＳｅ系白色ＬＥＤでは、ＺｎＳｅ基板に発光中心を作ることによる間接遷移による黄色の発光を利用するが、これは安定した発光中心を作ることが難しい。
【０００５】
この発明は、安定した白色等の混色発光を可能とした半導体発光素子とその製造方法を提供することを目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この発明の一実施形態に係る半導体発光素子は、電流注入により光放射する第１の発光層を含む第１の半導体積層体と、前記第１の発光層の出力光により励起されて光放射する第２の発光層を含む第２の半導体積層体とを有し、前記第１及び第２の半導体積層体は接着されて一体化され、前記第１及び第２の発光層の放射光を混成して出力する半導体発光素子であって、前記第１の半導体積層体は、一方の面が鏡面加工された接着面となる第１の基板を有し、前記第２の半導体積層体は、第２の基板であるＧａＡｓ基板の（１００）面から［０１１］方向に傾斜した面から結晶成長させて形成された成長層の表面を前記第１の基板との接着面としたものであることを特徴とする。
【０００７】
この発明において好ましくは、前記第１の発光層は、青色光を放射するＧａＮ系半導体層であり、前記第２の発光層は、前記第１の発光層から出力される青色光により励起されて黄色光を放射するＩｎＧａＡｌＰ系半導体層であるものとする。
この発明によると、電流注入型の発光層を含む半導体積層体と、その発光光を吸収して発光する光励起型の発光層を含む半導体積層体とを、接着して一体化することにより、安定した混色発光が可能となる。特に、第１の発光層を青色光を放射するＧａＮ系半導体層とし、第２の発光層を黄色光を放射するＩｎＧａＡｌＰ系半導体層とすることにより、安定した白色発光が可能になる。
【０００９】
この発明の他の実施形態による半導体発光素子の製造方法は、第１の基板に電流注入により光放射する第１の発光層を含む半導体層を成長させると共に前記第１の基板を鏡面加工して第１の半導体積層体を形成する工程と、第２の基板であるＧａＡｓ基板の（１００）面から［０１１］方向に傾斜した面に光励起により光放射する第２の発光層を含む半導体層を成長して第２の半導体積層体を形成する工程と、前記第１の半導体積層体と第２の半導体積層体を、前記第１の発光層の放射光により前記第２の発光層が励起され、且つ第１の発光層と第２の発光層の放射光が混成して出力されるように前記第１の基板の鏡面加工された面と、前記ＧａＡｓ基板上に形成された半導体層の表面とを接着して一体化する工程とを有することを特徴とする。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、この発明の実施の形態を説明する。
［実施の形態１］
図１は、この発明の実施の形態によるＬＥＤの断面構造を示している。このＬＥＤは、それぞれに半導体発光層が結晶成長により形成された二つの半導体積層体１，２を接着面３で接着して一体化して作られている。
【００１２】
一方の半導体積層体１は、サファイア基板１０４にバッファ層１０５を介して、ｎ型ＧａＮクラッド層１０６、ＧａＮ／ＩｎＧａＮの多重量子井戸（ＭＱＷ）層１０７、ｐ型ＧａＮクラッド層１０８が順次結晶成長されたＬＥＤである。ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１０８の上には更にｐ型ＧａＮコンタクト層１０９が形成され、この上に電流注入電極である透明なｐ側電極１１０が形成されている。また半導体積層体１の一部はｎ型ＧａＮクラッド層１０６が露出するまでエッチングされ、ｎ型ＧａＮクラッド層１０６にコンタクトするｎ側電極１１１が形成されている。即ち、半導体積層体１は、ＭＱＷ層１０７を発光層とする電流注入型の青色ＬＥＤを構成している。
【００１３】
もう一方の半導体積層体２は、ＧａＡｓ基板１０１に光励起型の発光層であるＩｎＡｌＰ／ＩｎＧａＡｌＰ多層膜１０２が形成されている。多層膜１０２の上にはＩｎＡｌＰコンタクト層１０３が形成され、このコンタクト層１０３の面が半導体積層体１のサファイア基板１０４に接着されている。発光層である多層膜１０２は、半導体積層体１から放射される青色光により励起されて黄色光を放射するように組成が選択されている。
【００１４】
このＬＥＤ構造の結晶成長は、ＭＯＣＶＤ法により行われる。結晶成長の原料として、Ｇａ源にはトリメチルガリウムやトリエチルガリウムが、Ｉｎ源にはトリメチルインジウムやトリエチルインジウムが、Ａｌ源にはトリメチルアルミニウムやトリエチルアルミニウムが用いられる。また、Ｐ源にはホスフィンやターシャリブチルホスフィンが用いられ、Ｎ源にはアンモニアやヒドラジンが用いられる。ｐ型不純物にはビスシクロペンタジエルマグネシウム、ｎ型不純物にはモノシランがそれぞれ用いられる。
【００１５】
具体的な製造工程を次に説明する。
まず、半導体積層体２については、ＧａＡｓ基板１０１を有機溶剤や硫酸系エッチャントによりクリーニングした後、ＭＯＣＶＤ装置に導入する。基板を７３０℃に加熱し、Ｐ原料となる適当な５族原料を供給して、図２に示すように、ＩｎＡｌＰ／ＩｎＧａＡｌＰ多層膜１０２、ＩｎＡｌＰコンタクト層１０３を順次成長し、更にその表面にはＧａＡｓキャップ層１１２を成長する。ＧａＡｓキャップ層１１２は最終的に除去される保護膜である。
各結晶層の膜厚は、次の表１の通りである。
【００１６】
【表１】
ＩｎＡｌＰ／ＩｎＧａＡｌＰ多層膜１０２
ＩｎＡｌＰ…３０ｎｍ
ＩｎＧａＡｌＰ…５０ｎｍ
ＩｎＡｌＰコンタクト層１０３…３００ｎｍ以下
ＧａＡｓキャップ層１１２…１００ｎｍ
【００１７】
ＩｎＡｌＰ／ＩｎＧａＡｌＰ多層膜１０２中のＩｎＧａＡｌＰ層は具体的には、Ｉｎ_0.5（Ｇａ_1-xＡｌ_x）_0.5Ｐであり、Ａｌ組成比はｘ＝０．３とした。また層数は３０ペアとした。ＩｎＡｌＰコンタクト層１０３は、半導体積層体１に接着する際の接着層であり且つ多層膜１０２の保護層であり、同時に多層膜１０２の励起キャリアを閉じ込める機能を持つ。但し、このＩｎＡｌＰコンタクト層１０３は、光損失の原因ともなるから、好ましくは１００ｎｍ以下にする。
【００１８】
次に半導体積層体１については、サファイア基板１０４を有機溶剤や硫酸系エッチャントによりクリーニングした後、ＭＯＣＶＤ装置に導入する。そして、このサファイア基板１０４を１１００℃でサーマルクリーニングを行った後、バッファ層１０５、ｎ型ＧａＮクラッド層（兼コンタクト層）１０６、ＧａＮ／ＩｎＧａＮ−ＭＱＷ層１０７、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１０８、ｐ型ＧａＮコンタクト層１０９を順次結晶成長して、図３に示す積層構造を得る。
これらの各層の成長温度及び膜厚を表２に示す。
【００１９】
【表２】
バッファ層１０５５００℃ ３０ｎｍ
ｎ型ＧａＮクラッド層１０６１０５０℃ ４μｍ
ＧａＮ／ＩｎＧａＮ−ＭＱＷ膜１０７７５０℃ ７０ｎｍ／３０ｎｍ
ｐ型ＧａＮクラッド層１０８１０５０℃ ５０ｎｍ
ｐ型ＧａＮコンタクト層１０９１０５０℃ １５０ｎｍ
【００２０】
ＭＱＷ層１０７は、７０ｎｍのＩｎＧａＮ層と３０ｎｍのＧａＮ層の繰り返し多層膜であり、具体的にはＩｎ_xＧａ_1-xＮの組成比ｘ０．３５とし、井戸数は５とした。
【００２１】
以上のように作られた半導体積層体１，２を次に接着する。接着に先立ち、半導体積層体２では、保護を目的として形成されたＧａＡｓキャップ層１１２を硫酸系エッチャントでエッチングして除去する。このときＧａＡｓキャップ層１１２の除去後、引き続きＩｎＡｌＰコンタクト層１０３の表面クリーニングを行う。半導体積層体１については、サファイア基板１０４を鏡面研磨すると同時に薄膜化し、平坦面を形成する。このとき、半導体積層体１の全厚は、後の素子分離を容易にするため、１００μｍ程度とした。
【００２２】
次に、二つの半導体積層体１，２を貼り合わせる。具体的には、半導体積層体１の鏡面研磨されたサファイア基板１０４と半導体積層体２のコンタクト層１０３とを、水中で合わせた後、窒素雰囲気中で５００℃、３０分のアニールを行うことにより、脱水縮合反応により接合した。ここで密着性を良好にするためには、双方の接着面をできる限り平坦にすることが望ましい。半導体積層体２では、ＧａＡｓ基板１０１に（１００）面から［０１１］方向に傾斜した基板を用いることが成長層の平坦化に有効である。実際にここでは、１５°傾斜したＧａＡｓ基板を用い、コンタクト層１０３の表面粗さ２ｎｍ程度の平坦性を得た。また半導体積層体１のサファイア基板１０４については、鏡面研磨により、表面粗さ２０ｎｍ以下とした。
【００２３】
次に、半導体積層体１側について、表面のコンタクト層１０９からｎ型クラッド層１０６に達するまで一部エッチングする。そして、露出したｎ型クラッド層１０６と電極コンタクト層１０９にそれぞれ、電極１１１，１１０を形成する。更に必要ならＧａＡｓ基板１０１を研磨し、個々のＬＥＤ素子を分離する。
【００２４】
以上のように形成されたＬＥＤでは、半導体積層体１側では電流注入により、発光層であるＭＱＷ層１０７から青色光の放射１が得られる。青色光の一部は半導体積層体１内を透過して半導体積層体２の発光層である多層膜１０２に吸収され、黄色光が励起される。図１に示すように、黄色光は電極１１０を透過して上方に放射２として出される。これらの放射１，２の混成により、白色光が得られる。
【００２５】
実際にこの実施の形態により、波長４８５ｎｍの青色光と波長５９０ｎｍの黄色光の混色による安定な白色光が観測されている。白色光の色温度は約８０００Ｋであり、２０ｍＡ注入時の光度は、放射角度１０度のパッケージで２ｃｄであった。この白色の色温度は、二つの発光層の発光波長及び発光強度をを調整することにより、調整可能である。また、半導体積層体２側の発光層である多層膜１０２の発光効率（吸収光を波長変換して放射する効率）は、多層膜のペア数、膜厚、不純物ドーピングにより調整できる。例えば、多層膜１０２のＩｎＧａＡｌＰ層にＳｉをドーピングすることにより、発光効率が高くなることが確認されている。またこの実施の形態の素子構造では、ｐ側電極１１０を通して放射光を得るため、ｐ側電極１１０の透明性も色温度や光度に影響を与える。即ちｐ側電極１１０は、波長の異なる放射１，２を透過するものであるため、それぞれに対する透過率を調整することで必要な色温度や光度を得ることができる。
【００２６】
なおこの実施の形態において、半導体積層体１，２の接着法については、他の方法を用いることも可能である。例えば、十分に平坦化した半導体積層体１，２を重ねて圧力を加えることにより直接接着する方法も用い得る。また、エポキシ系接着剤等を用いて接着することもできる。
【００２７】
［実施の形態２］
図４は、図１の実施の形態１を変形した実施の形態２である。図１と対応する部分には図１と同じ符号を付して詳細な説明は省く。この実施の形態２では、半導体積層体２について、二つの半導体積層体１，２を接着した後に、ＧａＡｓ基板１０１を除去して、その面に保護膜としてＳｉＯ２等の酸化膜４０１を形成している。そしてこの酸化膜４０１側を素子発光面とする。
【００２８】
各半導体積層体１，２の製造工程は、基本的に実施の形態１と同様である。具体的には、ＩｎＡｌＰ／ＩｎＧａＡｌＰ多層膜１０２については、ＩｎＧａＡｌＰ層を、Ｉｎ_0.5（Ｇａ_0.7Ａｌ_0.3）_0.5Ｐとし、ペア数を１０とした。ＧａＡｓ基板はフッ酸系エッチャントによりエッチング除去した。
得られたＬＥＤを、電極１１０，１１１を下にしてパッケージにマウントし、バイアス電流を流したところ、ＭＱＷ層１０７から４８５ｎｍの青色発光が得られ、多層膜１０２からは青色光の励起により５９０ｎｍの黄色発光が得られた。これらの光は、酸化膜４０１を透過して、白色光として観測された。白色光の色温度は約８０００Ｋであり、２０ｍＡ注入時の光度は、放射角１０°のパッケージで３ｃｄであった。
【００２９】
［実施の形態３］
図５は、実施の形態２を変形した実施の形態３によるＬＥＤを示している。半導体積層体１側は、実施の形態１，２と同様であり、従って図１及び図４と同じ符号を付してある。半導体積層体２については、ＧａＡｓ基板が除去されている点で実施の形態２と同じであるが、内部には二つの発光層である第１，第２のＩｎＡｌＰ／ＩｎＧａＡｌＰ多層膜５０２，５０４が形成されている。これら二つのＩｎＡｌＰ／ＩｎＧａＡｌＰ多層膜５０２，５０４は、後に説明するように、それぞれ緑色，赤色の発光波長となるように組成が調整されている。
【００３０】
多層膜５０２，５０４の間には、ＩｎＡｌＰクラッド層５０３が設けられ、多層膜５０４の面には半導体積層体１との接着のためのＩｎＡｌＰコンタクト層５０５が形成されている。また発光面となる多層膜５０２側の面は、保護膜である酸化膜５０６で覆われている。図では示していないが、酸化膜５０６と多層膜５０２の間に、ＩｎＡｌＰクラッド層を設けることは、多層膜５０２でのキャリア閉じ込めのために有効である。
【００３１】
図６は、この実施の形態３の半導体積層体２について、接着前の構造を示している。これを具体的に製造工程に従って説明する。
ＧａＡｓ基板５０１を有機溶剤や硫酸系エッチャントによりクリーニングした後、ＭＯＣＶＤ装置に導入する。基板を７３０℃に加熱し、Ｐ原料となる適当な５族原料を供給して、ＩｎＡｌＰ／ＩｎＧａＡｌＰ多層膜５０２、ＩｎＡｌＰクラッド層５０３、ＩｎＡｌＰ／ＩｎＧａＡｌＰ多層膜５０４、ＩｎＡｌＰコンタクト層５０５を順次結晶成長し、更にその表面にはＧａＡｓキャップ層５０７を成長して、図６に示す積層構造を得る。ＧａＡｓキャップ層５０７は最終的に除去される保護膜である。
各結晶層の膜厚は、次の表３の通りである。
【００３２】
【表３】
ＩｎＡｌＰ／ＩｎＧａＡｌＰ多層膜５０２
ＩｎＡｌＰ…３０ｎｍ
ＩｎＧａＡｌＰ…５０ｎｍ
ＩｎＡｌＰクラッド層５０３…５００ｎｍ
ＩｎＡｌＰ／ＩｎＧａＡｌＰ多層膜５０４
ＩｎＡｌＰ…３０ｎｍ
ＩｎＧａＡｌＰ…５０ｎｍ
ＩｎＡｌＰコンタクト層５０５…３００ｎｍ以下
ＧａＡｓキャップ層５０７…１００ｎｍ
【００３３】
第１のＩｎＡｌＰ／ＩｎＧａＡｌＰ多層膜５０２中のＩｎＧａＡｌＰ層は具体的には、Ｉｎ_0.5（Ｇａ_1-xＡｌ_x）_0.5Ｐであり、Ａｌ組成比はｘ＝０．４とした。また層数は２０ペアとした。また、第２のＩｎＡｌＰ／ＩｎＧａＡｌＰ多層膜５０４中のＩｎＧａＡｌＰ層は具体的には、Ｉｎ_0.5（Ｇａ_1-xＡｌ_x）_0.5Ｐであり、Ａｌ組成比はｘ＝０．２とし、層数は２０ペアとした。ＩｎＡｌＰコンタクト層５０５は、半導体積層体１に接着する際の接着層であり且つ多層膜５０４の保護層であり、同時に多層膜５０４の光閉じ込めの機能を持つ。これらは全てＧａＡｓ基板５０１に格子整合されて成長される。
【００３４】
この様に作られた半導体積層体２のキャップ層５０７を除去して、実施の形態１，２と同様に半導体積層体１に接着する。そして、ＧａＡｓ基板５０１をエッチング除去し、その面に保護層５０６を形成して、図５の素子構造が得られる。
【００３５】
この実施の形態３のＬＥＤでは、図５に示すように、半導体積層体１の保護膜５０６側を素子発光面として、３つの放射１，２，３の混色による白色発光が得られる。即ち、半導体積層体１側の電流注入により、ＭＱＷ層１０７から青色光（放射１）が得られる。この青色光により半導体積層体２側の多層膜５０４が励起されて緑色光（放射２）が得られる。更に青色光と緑色光により多層膜５０２が励起されて、赤色光（放射３）が得られる。これらの混成により、白色光が得られる。
【００３６】
具体的に、ＭＱＷ層１０７からは４８５ｎｍの青色発光が得られ、多層膜５０４からは５６５ｎｍの緑色発光、多層膜５０２からは６２０ｎｍの赤色発光がそれぞれ得られ、混色による白色発光が観測された。白色の色温度は約６５００Ｋであった。また２０ｍＡ注入時の光度は、放射角１０度のパッケージで２ｃｄであった。
【００３７】
［実施の形態４］
図７は、図１の実施の形態を変形した実施の形態によるＬＥＤを示している。図１の実施の形態では、半導体積層体１側の基板としてサファイア基板１０４を用いたのに対し、この実施の形態では半導体基板９０１を用いている。半導体基板９０１としては、ＧａＮ，ＳｉＣ，Ｓｉ等が用い得る。この様な半導体基板９０１を用いると、図７に示したように、ｎ側電極１１１を半導体積層体２側のＧａＡｓ基板１０１の裏面に形成して、ｐ側電極１１０と上下に対向させることができる。その他、実施の形態１と同様である。
この実施の形態によっても、実施の形態１と同様の製造条件で同様の白色発光を得ることができる。この実施の形態の場合、ｎ側電極を形成するためのエッチング工程が要らないという点で、工程が簡単になる。
【００３８】
［実施の形態５］
図８は、図１の実施の形態を変形した別の実施の形態によるＬＥＤを示している。これは、図１における半導体積層体２側の不透明なＧａＡｓ基板１０１をエッチングにより除去して、接着面４に改めて別の透明基板８０１を接着したものである。具体的にこの透明基板８０１としては、黄色光を透過するＧａＰ基板やＺｎＳｅ基板を用いる。それ以外は、図１と同じである。
この実施の形態によると、図８に破線で示したように、放射３として、ＩｎＡｌＰ／ＩｎＧａＡｌＰ多層膜１０２からの黄色光を新たに接着した基板８０１の側面からも取り出すことができる。この放射３は例えばパッケージ内壁面を凹面として上方に取り出すようにすれば、有効に利用することができる。
【００３９】
ここまでの実施の形態において、半導体積層体２側の多層膜１０２を半導体積層体１に接着するためのコンタクト層（兼クラッド層）としてＩｎＡｌＰ層１０３を用いた。このＩｎＡｌＰコンタクト層１０３の上に、或いはこのコンタクト層１０３に代わって、別の材料からなるクラッド層を形成してもよい。この様なクラッド層として例えば、ＧａＮやＧａＰを用いることができる。この様なクラッド層を設けることにより、多層膜１０２での光閉じ込め効果をより大きくすることができる。特にＧａＮクラッド層の場合、多結晶薄膜となるが、青色をよく透過するため好ましい。また接着する相手の基板材料に応じて、ＧａＡｌＡｓ，ＩｎＧａＡｌＰ等を用いることもできる。
【００４０】
また、接着の前処理として、エッチングや研磨を利用したが、ガスエッチングや種々の雰囲気ガス中でのサーマルクリーニングを行ってもよい。更に、アニール雰囲気や温度も適宜変更することができる。高いアニール温度を用いる場合には、結晶からの原子抜けや脱離を防止するために雰囲気ガスを選択して適当な圧力を加えることも有効である。
【００４１】
［実施の形態６］
図９は、実施の形態６のＬＥＤの断面構造である。この実施の形態では、これまでの実施の形態と異なり、二つの半導体積層体の張り合わせではなく、ＧａＡｓ基板７０１上に結晶成長により二つの発光層を形成している。即ちｎ型ＧａＡｓ基板７０１上に、光励起型の黄色発光層であるｎ型ＩｎＡｌＰ／ＩｎＧａＡｌＰ多層膜７０２、ｎ型ＺｎＳｅバッファ層７０３、ｎ型ＺｎＭｇＳＳｅクラッド層７０４、ｎ型ＺｎＳｅ光ガイド層７０５、電流注入型の青色発光層であるＺｎＣｄＳｅ−ＭＱＷ層７０６、ｐ型ＺｎＳｅ光ガイド層７０７、ｐ型ＺｎＭｇＳｅクラッド層７０８、ｐ型ＺｎＴｅ／ＺｎＳｅ超格子層コンタクト層７０９が順次積層形成されている。コンタクト層７０９の面には透明なｐ側電極７１０が形成され、ＧａＡＳ基板７０１にはｎ側電極７１１が形成されている。
【００４２】
この実施の形態の素子構造の結晶成長には、ＭＯＣＶＤ法とＭＢＥ法を組み合わせる。即ち、ＧａＡｓ基板７０１へのＩｎＡｌＰ／ＩｎＧａＡｌＰ多層膜７０２の成長にはＭＯＣＶＤ法を用い、その上のＺｎＳｅバッファ層７０３からＺｎＴｅ／ＺｎＳｅ超格子層コンタクト層７０９までの成長にはＭＢＥ法を用いた。これは、ＺｎＳｅ系のｐ型導電層には特にＭＢＥ法を用いることで、良好な導電型制御が可能になるためである。
【００４３】
以下に具体的な製造工程を説明する。ＧａＡｓ基板７０１を有機溶剤や硫酸系エッチャントによりクリーニングした後、ＭＯＣＶＤ装置に導入する。基板を７３０℃に加熱し、Ｐ原料となる適当な５族原料を供給して、ＩｎＡｌＰ／ＩｎＧａＡｌＰ多層膜７０２を成長する。次いで基板をＭＢＥ装置に移し、多層膜７０２上にＺｎＳｅバッファ層７０３からＺｎＴｅ／ＺｎＳｅ超格子層コンタクト層７０９までを成長する。ＩｎＡｌＰ／ＩｎＧａＡｌＰ多層膜７０２は、ＩｎＧａＡｌＰ層として具体的には、Ｉｎ_0.5（Ｇａ_1-xＡｌ_x）_0.5ＰのＡｌ組成比をｘ＝０．３とし、ペア数を３０とした。
【００４４】
以上のように形成されたＬＥＤでは、電極７１０，７１１間に電流を流すことにより、発光層であるＭＱＷ層７０６から青色光の放射１が得られる。青色光の一部は素子内部を透過して多層膜１０２に吸収され、黄色光が励起される。黄色光は上方から放射２として出される。これらの放射１，２の混成により、白色光が得られる。
【００４５】
実際に、波長４８５ｎｍの青色光と波長５９０ｎｍの黄色光の混色による白色光が観測されている。白色光の色温度は約８０００Ｋであり、２０ｍＡ注入時の光度は、放射角度１０度のパッケージで２ｃｄであった。この発光の色純度やＩｎＡｌＰ／ＩｎＧａＡｌＰ多層膜７０２の発光効率は、実施の形態１で説明したと同様にして調整可能である。
【００４６】
［実施の形態７］
図１０は、図９に示した実施の形態６の構造を僅かに変形した実施の形態である。この実施の形態では、ｐ型コンタクト層７０９側から、ｎ型バッファ層７０３が露出するまでエッチングして、このｎ型バッファ層７０３にｎ側電極７１１を形成している。それ以外は図９と同じである。
この実施の形態によっても、実施の形態６と同様に混色による白色発光が得られる。
【００４７】
なお、実施の形態６，７において、ＩｎＧａＡｌＰ系とＺｎＳｅ系の結晶成長法をそれぞれ、ＭＯＣＶＤ法とＭＢＥ法に分けたが、ＭＢＥ法で統一することも可能である。実施の形態６，７の材料系の場合にも、実施の形態１と同様に二つの発光層をそれぞれ別の素子基板に形成した後に、接着して一体化してもよい。
【００４８】
【発明の効果】
以上述べたようにこの発明によれば、電流注入型の発光層と、その発光光を吸収して発光する光励起型の発光層とを、共に結晶成長により形成された半導体発光層として一体化することにより、安定した混色発光が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態によるＬＥＤの断面構造を示す図である。
【図２】同実施の形態の半導体積層体２の断面構造を示す図である。
【図３】同実施の形態の一方の半導体積層体１の断面構造を示す図である。
【図４】この発明の他の実施の形態によるＬＥＤの断面構造を示す図である。
【図５】この発明の他の実施の形態によるＬＥＤの断面構造を示す図である。
【図６】同実施の形態の半導体積層体２の断面構造を示す図である。
【図７】この発明の他の実施の形態によるＬＥＤの断面構造を示す図である。
【図８】この発明の他の実施の形態によるＬＥＤの断面構造を示す図である。
【図９】この発明の他の実施の形態によるＬＥＤの断面構造を示す図である。
【図１０】この発明の他の実施の形態によるＬＥＤの断面構造を示す図である。
【符号の説明】
１…半導体積層体、２…半導体積層体、３…接着面、１０１…ＧａＡｓ基板、１０２…ＩｎＡｌＰ／ＩｎＧａＡｌＰ多層膜（発光層）、１０３…ＩｎＡｌＰコンタクト層、１０４…サファイア基板、１０５…バッファ層、１０６…ＧａＮ下部クラッド層、１０７…ＧａＮ／ＩｎＧａＮ−ＭＱＷ層（発光層）、１０８…ＡｌＧａＮ上部クラッド層、１０９…ＧａＮ電極コンタクト層、１１０，１１１…電極。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor light emitting device that outputs a mixture of light of a plurality of wavelengths and a method for manufacturing the same.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, a visible light semiconductor light emitting device (LED) has been widely used as a light source for display. The main LED materials in practical use are AlGaAs, GaAlP, GaP, InGaAlP, etc., and red, orange, yellow, and green LEDs are supplied at low cost using these materials. In recent years, blue LEDs and green LEDs using GaN-based materials have been put into practical use, and the three primary colors can be emitted by the LEDs.
[0003]
On the other hand, white light-emitting LEDs have also been vigorously developed. This is expected as a lighting application to replace incandescent bulbs and fluorescent lamps. So far, as white LEDs, GaN-based blue LEDs and YAG phosphors whose yellow light is excited by the output light are combined (GaN-based white LEDs), or ZnSe-based blue LED substrates emit yellow light. A light emitting center (ZnSe white LED) has been proposed. In either case, white light is emitted by mixing (color mixing) of blue light emission and yellow light emission excited thereby.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
All of the conventionally proposed white LEDs have a practical problem that their lifetime is short. That is, in the GaN-based white LED, the temporal change of the phosphor characteristics is large. In a ZnSe-based white LED, yellow light emission by indirect transition by creating a light emission center on a ZnSe substrate is used, but it is difficult to make a stable light emission center.
[0005]
An object of the present invention is to provide a semiconductor light-emitting device capable of stably emitting mixed colors such as white and a method for manufacturing the same.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
A semiconductor light emitting device according to an embodiment of the present invention emits light when excited by output light of the first light emitting layer and a first semiconductor stacked body including a first light emitting layer that emits light by current injection. A second semiconductor stack including a second light-emitting layer, and the first and second semiconductor stacks are bonded and integrated, and the emitted light of the first and second light-emitting layers is mixed The first semiconductor stacked body has a first substrate whose one surface is a mirror-finished adhesive surface, and the second semiconductor stacked body is The surface of the growth layer formed by crystal growth from a plane inclined in the [011] direction from the (100) plane of the GaAs substrate, which is the second substrate, is used as an adhesive surface with the first substrate. Features.
[0007]
In the present invention, preferably, the first light-emitting layer is a GaN-based semiconductor layer that emits blue light, and the second light-emitting layer is excited by blue light output from the first light-emitting layer. It is assumed that the InGaAlP-based semiconductor layer emits yellow light.
According to this invention, the semiconductor laminate including the current injection type light emitting layer and the semiconductor laminate including the photoexcited light emitting layer that absorbs the emitted light and emits light are bonded and integrated, thereby stabilizing the structure. The mixed color emission is possible. In particular, when the first light-emitting layer is a GaN-based semiconductor layer that emits blue light and the second light-emitting layer is an InGaAlP-based semiconductor layer that emits yellow light, stable white light emission is possible.
[0009]
According to another embodiment of the present invention, there is provided a method of manufacturing a semiconductor light emitting device, wherein a semiconductor layer including a first light emitting layer that emits light by current injection is grown on a first substrate and the first substrate is mirror-finished. A step of forming a first semiconductor laminate, and a semiconductor layer including a second light emitting layer that emits light by photoexcitation on a surface inclined in the [011] direction from a (100) surface of a GaAs substrate that is a second substrate. A step of growing to form a second semiconductor stacked body, and the second light emitting layer is excited by radiation of the first light emitting layer through the first semiconductor stacked body and the second semiconductor stacked body. And a mirror-finished surface of the first substrate so that the emitted light of the first light-emitting layer and the second light-emitting layer is mixed and output, and the surface of the semiconductor layer formed on the GaAs substrate It is characterized by a step of integrally bonding the bets .
[0011]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
[Embodiment 1]
FIG. 1 shows a cross-sectional structure of an LED according to an embodiment of the present invention. This LED is made by bonding two semiconductor laminates 1 and 2 each having a semiconductor light emitting layer formed by crystal growth and bonding them together at an adhesive surface 3.
[0012]
In one semiconductor stacked body 1, an n-type GaN cladding layer 106, a GaN / InGaN multiple quantum well (MQW) layer 107, and a p-type GaN cladding layer 108 are sequentially grown on a sapphire substrate 104 via a buffer layer 105. LED. A p-type GaN contact layer 109 is further formed on the p-type AlGaN cladding layer 108, and a transparent p-side electrode 110, which is a current injection electrode, is formed thereon. A part of the semiconductor stacked body 1 is etched until the n-type GaN cladding layer 106 is exposed, and an n-side electrode 111 that contacts the n-type GaN cladding layer 106 is formed. That is, the semiconductor stacked body 1 constitutes a current injection type blue LED having the MQW layer 107 as a light emitting layer.
[0013]
In the other semiconductor laminated body 2, an InAlP / InGaAlP multilayer film 102 that is a light excitation type light emitting layer is formed on a GaAs substrate 101. An InAlP contact layer 103 is formed on the multilayer film 102, and the surface of the contact layer 103 is bonded to the sapphire substrate 104 of the semiconductor stacked body 1. The multilayer film 102 as the light emitting layer is selected in composition so that it is excited by the blue light emitted from the semiconductor laminate 1 and emits yellow light.
[0014]
Crystal growth of this LED structure is performed by the MOCVD method. As raw materials for crystal growth, trimethylgallium and triethylgallium are used for the Ga source, trimethylindium and triethylindium are used for the In source, and trimethylaluminum and triethylaluminum are used for the Al source. Further, phosphine and tertiary butyl phosphine are used as the P source, and ammonia and hydrazine are used as the N source. Biscyclopentadienyl magnesium is used for the p-type impurity, and monosilane is used for the n-type impurity.
[0015]
A specific manufacturing process will be described next.
First, the semiconductor laminate 2 is introduced into the MOCVD apparatus after the GaAs substrate 101 is cleaned with an organic solvent or a sulfuric acid-based etchant. The substrate is heated to 730 ° C., and an appropriate group 5 raw material as a P raw material is supplied. As shown in FIG. 2, an InAlP / InGaAlP multilayer film 102 and an InAlP contact layer 103 are sequentially grown, and further on the surface thereof. A GaAs cap layer 112 is grown. The GaAs cap layer 112 is a protective film that is finally removed.
The thickness of each crystal layer is as shown in Table 1 below.
[0016]
[Table 1]
InAlP / InGaAlP multilayer film 102
InAlP ... 30nm
InGaAlP ... 50nm
InAlP contact layer 103 ... 300 nm or less GaAs cap layer 112 ... 100 nm
[0017]
Specifically, the InGaAlP layer in the InAlP / InGaAlP multilayer film 102 is In _0.5 (Ga _1-x Al _x ) _0.5 P, and the Al composition ratio is x = 0.3. The number of layers was 30 pairs. The InAlP contact layer 103 is an adhesive layer for bonding to the semiconductor stacked body 1 and is a protective layer for the multilayer film 102, and has a function of confining excited carriers in the multilayer film 102 at the same time. However, since this InAlP contact layer 103 causes light loss, it is preferably made 100 nm or less.
[0018]
Next, about the semiconductor laminated body 1, after cleaning the sapphire substrate 104 with an organic solvent or a sulfuric acid system etchant, it introduce | transduces into a MOCVD apparatus. Then, after this sapphire substrate 104 is thermally cleaned at 1100 ° C., the buffer layer 105, the n-type GaN cladding layer (also contact layer) 106, the GaN / InGaN-MQW layer 107, the p-type AlGaN cladding layer 108, and the p-type The GaN contact layer 109 is successively crystal-grown to obtain the stacked structure shown in FIG.
Table 2 shows the growth temperature and film thickness of each of these layers.
[0019]
[Table 2]
Buffer layer 105 500 ° C. 30 nm
n-type GaN cladding layer 106 1050 ° C. 4 μm
GaN / InGaN-MQW film 107 750 ° C. 70 nm / 30 nm
p-type GaN cladding layer 108 1050 ° C. 50 nm
p-type GaN contact layer 109 1050 ° C. 150 nm
[0020]
The MQW layer 107 is a repeated multilayer film of a 70 nm InGaN layer and a 30 nm GaN layer. Specifically, the composition ratio of In _x Ga _1-x N is x0.35, and the number of wells is five.
[0021]
Next, the semiconductor laminates 1 and 2 manufactured as described above are bonded. Prior to bonding, in the semiconductor stacked body 2, the GaAs cap layer 112 formed for the purpose of protection is removed by etching with a sulfuric acid-based etchant. At this time, after the GaAs cap layer 112 is removed, the surface of the InAlP contact layer 103 is subsequently cleaned. About the semiconductor laminated body 1, the sapphire substrate 104 is mirror-polished and simultaneously thinned to form a flat surface. At this time, the total thickness of the semiconductor stacked body 1 was set to about 100 μm in order to facilitate later element isolation.
[0022]
Next, the two semiconductor laminates 1 and 2 are bonded together. Specifically, the mirror-polished sapphire substrate 104 of the semiconductor laminate 1 and the contact layer 103 of the semiconductor laminate 2 are combined in water, and then annealed at 500 ° C. for 30 minutes in a nitrogen atmosphere. And joined by dehydration condensation reaction. Here, in order to improve the adhesiveness, it is desirable to make both adhesive surfaces as flat as possible. In the semiconductor stacked body 2, it is effective for planarizing the growth layer to use a substrate inclined in the [011] direction from the (100) plane as the GaAs substrate 101. Actually, here, a GaAs substrate inclined by 15 ° was used, and the flatness of the surface roughness of the contact layer 103 of about 2 nm was obtained. Further, the surface roughness of the sapphire substrate 104 of the semiconductor laminate 1 was set to 20 nm or less by mirror polishing.
[0023]
Next, the semiconductor stacked body 1 side is partially etched until it reaches the n-type cladding layer 106 from the contact layer 109 on the surface. Then, electrodes 111 and 110 are formed on the exposed n-type cladding layer 106 and electrode contact layer 109, respectively. Further, if necessary, the GaAs substrate 101 is polished to separate individual LED elements.
[0024]
In the LED formed as described above, emission 1 of blue light is obtained from the MQW layer 107 which is a light emitting layer by current injection on the semiconductor laminate 1 side. Part of the blue light is transmitted through the semiconductor stacked body 1 and absorbed by the multilayer film 102 which is the light emitting layer of the semiconductor stacked body 2, and yellow light is excited. As shown in FIG. 1, yellow light passes through the electrode 110 and is emitted upward as radiation 2. By mixing these radiations 1 and 2, white light is obtained.
[0025]
Actually, according to this embodiment, stable white light due to a color mixture of blue light having a wavelength of 485 nm and yellow light having a wavelength of 590 nm is observed. The color temperature of white light was about 8000 K, and the luminous intensity at 20 mA injection was 2 cd in a package with a radiation angle of 10 degrees. The white color temperature can be adjusted by adjusting the emission wavelength and emission intensity of the two light emitting layers. Further, the light emission efficiency of the multilayer film 102 which is the light emitting layer on the semiconductor stacked body 2 side (efficiency for converting the wavelength of the absorbed light and emitting it) can be adjusted by the number of pairs of the multilayer film, the film thickness, and impurity doping. For example, it has been confirmed that luminous efficiency is increased by doping Si into the InGaAlP layer of the multilayer film 102. In the element structure of this embodiment, since the emitted light is obtained through the p-side electrode 110, the transparency of the p-side electrode 110 also affects the color temperature and the luminous intensity. That is, since the p-side electrode 110 transmits the radiations 1 and 2 having different wavelengths, the necessary color temperature and luminous intensity can be obtained by adjusting the transmittance for each.
[0026]
In this embodiment, other methods can be used for bonding the semiconductor laminates 1 and 2. For example, it is possible to use a method in which semiconductor laminates 1 and 2 that are sufficiently flattened are directly bonded by applying pressure. Moreover, it can also adhere | attach using an epoxy-type adhesive agent etc.
[0027]
[Embodiment 2]
FIG. 4 is a second embodiment obtained by modifying the first embodiment of FIG. Parts corresponding to those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals as those in FIG. In the second embodiment, after bonding the two semiconductor stacked bodies 1 and 2 to the semiconductor stacked body 2, the GaAs substrate 101 is removed, and an oxide film 401 such as SiO2 is formed on the surface thereof as a protective film. Yes. The oxide film 401 side is an element light emitting surface.
[0028]
The manufacturing process of each of the semiconductor stacked bodies 1 and 2 is basically the same as that of the first embodiment. Specifically, for the InAlP / InGaAlP multilayer film 102, the InGaAlP layer was In _0.5 (Ga _0.7 Al _0.3 ) _0.5 P and the number of pairs was 10. The GaAs substrate was removed by etching with a hydrofluoric acid etchant.
When the obtained LED was mounted on a package with the electrodes 110 and 111 facing down and a bias current was passed, blue light emission of 485 nm was obtained from the MQW layer 107, and the multilayer film 102 emitted 590 nm light by exciting blue light. Yellow luminescence was obtained. These lights passed through the oxide film 401 and were observed as white light. The color temperature of white light was about 8000 K, and the luminous intensity at the time of 20 mA injection was 3 cd in a package with a radiation angle of 10 °.
[0029]
[Embodiment 3]
FIG. 5 shows an LED according to the third embodiment, which is a modification of the second embodiment. The semiconductor laminate 1 side is the same as in the first and second embodiments, and therefore, the same reference numerals as those in FIGS. 1 and 4 are given. The semiconductor stacked body 2 is the same as that of the second embodiment in that the GaAs substrate is removed, but the first and second InAlP / InGaAlP multilayer films 502 and 504 that are two light emitting layers are provided inside. Is formed. As will be described later, these two InAlP / InGaAlP multilayer films 502 and 504 are adjusted in composition so as to have green and red emission wavelengths, respectively.
[0030]
An InAlP clad layer 503 is provided between the multilayer films 502 and 504, and an InAlP contact layer 505 for bonding to the semiconductor stacked body 1 is formed on the surface of the multilayer film 504. In addition, the surface on the multilayer film 502 side which becomes a light emitting surface is covered with an oxide film 506 which is a protective film. Although not shown in the drawing, providing an InAlP cladding layer between the oxide film 506 and the multilayer film 502 is effective for carrier confinement in the multilayer film 502.
[0031]
FIG. 6 shows the structure before bonding of the semiconductor stacked body 2 of the third embodiment. This will be specifically described according to the manufacturing process.
The GaAs substrate 501 is cleaned with an organic solvent or a sulfuric acid-based etchant and then introduced into the MOCVD apparatus. The substrate is heated to 730 ° C., an appropriate group 5 source material as a P source is supplied, and an InAlP / InGaAlP multilayer film 502, an InAlP cladding layer 503, an InAlP / InGaAlP multilayer film 504, and an InAlP contact layer 505 are sequentially grown. Further, a GaAs cap layer 507 is grown on the surface to obtain a laminated structure shown in FIG. The GaAs cap layer 507 is a protective film that is finally removed.
The film thickness of each crystal layer is as shown in Table 3 below.
[0032]
[Table 3]
InAlP / InGaAlP multilayer film 502
InAlP ... 30nm
InGaAlP ... 50nm
InAlP cladding layer 503 ... 500 nm
InAlP / InGaAlP multilayer film 504
InAlP ... 30nm
InGaAlP ... 50nm
InAlP contact layer 505 ... 300 nm or less GaAs cap layer 507 ... 100 nm
[0033]
Specifically, the InGaAlP layer in the first InAlP / InGaAlP multilayer film 502 is In _0.5 (Ga _1-x Al _x ) _0.5 P, and the Al composition ratio is x = 0.4. The number of layers was 20 pairs. In addition, the InGaAlP layer in the second InAlP / InGaAlP multilayer film 504 is specifically In _0.5 (Ga _1-x Al _x ) _0.5 P, the Al composition ratio is x = 0.2, and the number of layers is There were 20 pairs. The InAlP contact layer 505 is an adhesive layer for adhering to the semiconductor stacked body 1 and is a protective layer for the multilayer film 504, and at the same time, has a function of confining the multilayer film 504. These are all grown in a lattice-matched manner with the GaAs substrate 501.
[0034]
The cap layer 507 of the semiconductor laminated body 2 made in this way is removed and bonded to the semiconductor laminated body 1 in the same manner as in the first and second embodiments. Then, the GaAs substrate 501 is removed by etching, and a protective layer 506 is formed on the surface of the GaAs substrate 501 to obtain the element structure shown in FIG.
[0035]
In the LED according to the third embodiment, as shown in FIG. 5, white light emission is obtained by mixing three radiations 1, 2, and 3 with the protective film 506 side of the semiconductor laminate 1 as an element light emitting surface. That is, blue light (radiation 1) is obtained from the MQW layer 107 by current injection on the semiconductor stacked body 1 side. The blue light excites the multilayer film 504 on the semiconductor laminate 2 side to obtain green light (radiation 2). Further, the multilayer film 502 is excited by blue light and green light, and red light (radiation 3) is obtained. By mixing these, white light is obtained.
[0036]
Specifically, blue light emission of 485 nm was obtained from the MQW layer 107, green light emission of 565 nm was obtained from the multilayer film 504, and red light emission of 620 nm was obtained from the multilayer film 502, and white light emission due to color mixing was observed. The color temperature of white was about 6500K. The luminous intensity at the time of 20 mA injection was 2 cd for a package with a radiation angle of 10 degrees.
[0037]
[Embodiment 4]
FIG. 7 shows an LED according to an embodiment obtained by modifying the embodiment of FIG. In the embodiment of FIG. 1, the sapphire substrate 104 is used as the substrate on the semiconductor laminate 1 side, whereas in this embodiment, the semiconductor substrate 901 is used. As the semiconductor substrate 901, GaN, SiC, Si, or the like can be used. When such a semiconductor substrate 901 is used, as shown in FIG. 7, the n-side electrode 111 can be formed on the back surface of the GaAs substrate 101 on the semiconductor stacked body 2 side so as to face the p-side electrode 110 vertically. it can. Others are the same as in the first embodiment.
Also in this embodiment, similar white light emission can be obtained under the same manufacturing conditions as in the first embodiment. In the case of this embodiment, the process is simplified in that an etching process for forming the n-side electrode is not required.
[0038]
[Embodiment 5]
FIG. 8 shows an LED according to another embodiment, which is a modification of the embodiment of FIG. This is the one in which the opaque GaAs substrate 101 on the semiconductor laminate 2 side in FIG. 1 is removed by etching, and another transparent substrate 801 is bonded again to the bonding surface 4. Specifically, a GaP substrate or a ZnSe substrate that transmits yellow light is used as the transparent substrate 801. The rest is the same as FIG.
According to this embodiment, as indicated by a broken line in FIG. 8, yellow light from the InAlP / InGaAlP multilayer film 102 can be extracted from the side surface of the newly bonded substrate 801 as the radiation 3. The radiation 3 can be used effectively if, for example, the package inner wall surface is taken out as a concave surface.
[0039]
In the embodiments described so far, the InAlP layer 103 is used as a contact layer (also a clad layer) for bonding the multilayer film 102 on the semiconductor stacked body 2 side to the semiconductor stacked body 1. A cladding layer made of another material may be formed on the InAlP contact layer 103 or instead of the contact layer 103. For example, GaN or GaP can be used as such a clad layer. By providing such a cladding layer, the light confinement effect in the multilayer film 102 can be further increased. In particular, a GaN clad layer is a polycrystalline thin film, but is preferable because it transmits blue light well. Further, GaAlAs, InGaAlP, or the like can be used depending on the substrate material to be bonded.
[0040]
Further, although etching or polishing is used as a pretreatment for bonding, gas etching or thermal cleaning in various atmospheric gases may be performed. Furthermore, the annealing atmosphere and temperature can be changed as appropriate. When a high annealing temperature is used, it is also effective to select an atmospheric gas and apply an appropriate pressure in order to prevent atomic escape and desorption from the crystal.
[0041]
[Embodiment 6]
FIG. 9 shows a cross-sectional structure of the LED of the sixth embodiment. In this embodiment, unlike the previous embodiments, two light emitting layers are formed on the GaAs substrate 701 by crystal growth instead of bonding two semiconductor stacked bodies. That is, an n-type InAlP / InGaAlP multilayer film 702, an n-type ZnSe buffer layer 703, an n-type ZnMgSSe cladding layer 704, an n-type ZnSe light guide layer 705, a current injection, which are photo-excited yellow light-emitting layers, are formed on an n-type GaAs substrate 701. A ZnCdSe-MQW layer 706, a p-type ZnSe light guide layer 707, a p-type ZnMgSe cladding layer 708, and a p-type ZnTe / ZnSe superlattice layer contact layer 709 are sequentially stacked. A transparent p-side electrode 710 is formed on the surface of the contact layer 709, and an n-side electrode 711 is formed on the GaAS substrate 701.
[0042]
The MOCVD method and the MBE method are combined for crystal growth of the element structure of this embodiment. That is, the MOCVD method was used for the growth of the InAlP / InGaAlP multilayer film 702 on the GaAs substrate 701, and the MBE method was used for the growth from the ZnSe buffer layer 703 to the ZnTe / ZnSe superlattice layer contact layer 709. This is because good conductivity control can be achieved by using the MBE method particularly for the ZnSe-based p-type conductive layer.
[0043]
A specific manufacturing process will be described below. The GaAs substrate 701 is cleaned with an organic solvent or a sulfuric acid-based etchant and then introduced into the MOCVD apparatus. The substrate is heated to 730 ° C., and an appropriate Group 5 material as a P material is supplied to grow an InAlP / InGaAlP multilayer film 702. Next, the substrate is transferred to an MBE device, and a ZnSe buffer layer 703 to a ZnTe / ZnSe superlattice layer contact layer 709 are grown on the multilayer film 702. Specifically, the InAlP / InGaAlP multilayer film 702 is an InGaAlP layer in which the Al composition ratio of In _0.5 (Ga _1-x Al _x ) _0.5 P is x = 0.3 and the number of pairs is 30.
[0044]
In the LED formed as described above, emission of blue light 1 is obtained from the MQW layer 706 that is a light emitting layer by passing a current between the electrodes 710 and 711. Part of the blue light is transmitted through the element and absorbed by the multilayer film 102, and yellow light is excited. Yellow light is emitted as radiation 2 from above. By mixing these radiations 1 and 2, white light is obtained.
[0045]
Actually, white light is observed as a mixture of blue light having a wavelength of 485 nm and yellow light having a wavelength of 590 nm. The color temperature of white light was about 8000 K, and the luminous intensity at 20 mA injection was 2 cd in a package with a radiation angle of 10 degrees. The color purity of the light emission and the light emission efficiency of the InAlP / InGaAlP multilayer film 702 can be adjusted in the same manner as described in the first embodiment.
[0046]
[Embodiment 7]
FIG. 10 shows an embodiment in which the structure of the sixth embodiment shown in FIG. 9 is slightly modified. In this embodiment, the n-side electrode 711 is formed on the n-type buffer layer 703 by etching from the p-type contact layer 709 side until the n-type buffer layer 703 is exposed. The rest is the same as FIG.
Also in this embodiment, white light emission by mixed colors can be obtained as in the sixth embodiment.
[0047]
In the sixth and seventh embodiments, the InGaAlP-based and ZnSe-based crystal growth methods are divided into the MOCVD method and the MBE method, respectively, but may be unified by the MBE method. In the case of the material systems of the sixth and seventh embodiments, the two light emitting layers may be formed on different element substrates as in the first embodiment, and then bonded and integrated.
[0048]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the current injection type light emitting layer and the light excitation type light emitting layer that absorbs the emitted light and emits light are integrated as a semiconductor light emitting layer formed by crystal growth. As a result, stable color mixture light emission is possible.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a cross-sectional structure of an LED according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a view showing a cross-sectional structure of a semiconductor stacked body 2 of the same embodiment;
FIG. 3 is a view showing a cross-sectional structure of one semiconductor stacked body 1 of the same embodiment;
FIG. 4 is a diagram showing a cross-sectional structure of an LED according to another embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a diagram showing a cross-sectional structure of an LED according to another embodiment of the present invention.
6 is a view showing a cross-sectional structure of a semiconductor stacked body 2 of the same embodiment; FIG.
FIG. 7 is a diagram showing a cross-sectional structure of an LED according to another embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a diagram showing a cross-sectional structure of an LED according to another embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a diagram showing a cross-sectional structure of an LED according to another embodiment of the present invention.
FIG. 10 is a diagram showing a cross-sectional structure of an LED according to another embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Semiconductor laminated body, 2 ... Semiconductor laminated body, 3 ... Adhesion surface, 101 ... GaAs substrate, 102 ... InAlP / InGaAlP multilayer film (light emitting layer), 103 ... InAlP contact layer, 104 ... Sapphire substrate, 105 ... Buffer layer, 106 ... GaN lower cladding layer, 107 ... GaN / InGaN-MQW layer (light emitting layer), 108 ... AlGaN upper cladding layer, 109 ... GaN electrode contact layer, 110, 111 ... electrode.

Claims

A first semiconductor stack including a first light emitting layer that emits light by current injection;
A second semiconductor stack including a second light emitting layer that is excited by the output light of the first light emitting layer and emits light;
The first and second semiconductor laminates are bonded and integrated, and the radiated light of the first and second light emitting layers is mixed and output.
A semiconductor light emitting device,
The first semiconductor laminated body has a first substrate that has a mirror-finished bonding surface on one surface,
In the second semiconductor stacked body, the surface of the growth layer formed by crystal growth from a plane inclined in the [011] direction from the (100) plane of the GaAs substrate as the second substrate is defined as the first substrate. A semiconductor light emitting device characterized by having an adhesive surface .

The first light emitting layer is a GaN-based semiconductor layer that emits blue light,
The semiconductor light emitting element according to claim 1, wherein the second light emitting layer is an InGaAlP-based semiconductor layer that emits yellow light when excited by blue light output from the first light emitting layer.

The said 2nd semiconductor laminated body has the 3rd light emitting layer which radiates | emits light by optical excitation, and it mixes and outputs the radiated light of the said 1st thru | or 3rd light emitting layer. Semiconductor light emitting device.

The first light emitting layer is a GaN-based semiconductor layer that emits blue light,
The second light emitting layer is a first InGaAlP-based semiconductor layer that emits green light by being excited by the blue light output from the first light emitting layer,
4. The semiconductor light emitting element according to claim 3, wherein the third light emitting layer is a second InGaAlP-based semiconductor layer that emits red light when excited by the blue light and green light. 5.

Said first semiconductor stack includes a first substrate to GaN lower cladding layer which is crystal grown via a buffer layer, GaN / InGaN multi-quantum well layer and GaN upper cladding layer is a first light-emitting layer ,
It said second semiconductor layer comprises a InAlP / InGaAlP multilayer film and the contact layer is a second light-emitting layer that is grown on the second substrate,
The semiconductor light emitting element according to claim 1, wherein the first semiconductor stacked body and the second semiconductor stacked body are bonded between the contact layer and the first substrate.

The first substrate is a sapphire substrate ;
Before SL is the first semiconductor stack first electrode transparent on the upper cladding layer is formed,
6. The semiconductor light emitting device according to claim 5, wherein a second electrode is formed on a lower clad layer exposed by partially etching the first semiconductor laminate.

The first substrate is a semiconductor substrate selected from GaN, SiC, and Si ;
Before SL is the first semiconductor stack first electrode transparent on the upper cladding layer is formed,
The semiconductor light emitting element according to claim 5, wherein a second electrode is formed on the back surface of the GaAs substrate.

6. The semiconductor light emitting device according to claim 5, wherein the second substrate is removed after bonding, a protective film is formed on the exposed surface of the second light emitting layer, and the protective film side is used as an element light emitting surface. element.

The second substrate is removed after bonding, and a third substrate that transmits light emitted from the second light emitting layer is bonded to the exposed surface of the second light emitting layer. 5. The semiconductor light emitting device according to 5.

Growing a semiconductor layer including a first light-emitting layer that emits light by current injection on a first substrate and mirror-treating the first substrate to form a first semiconductor stack;
A semiconductor layer including a second light-emitting layer that emits light by photoexcitation is grown on a surface inclined in the [011] direction from the (100) plane of the GaAs substrate that is the second substrate to form a second semiconductor stacked body. Process,
In the first and second semiconductor stacks, the second light emitting layer is excited by the emitted light of the first light emitting layer, and the first light emitting layer and the second light emitting layer emit radiation. A step of bonding and integrating a mirror-finished surface of the first substrate and a surface of a semiconductor layer formed on the GaAs substrate so that light is mixed and output. A method for manufacturing a semiconductor light emitting device.

The step of forming the first semiconductor stacked body includes a GaN lower clad layer, a GaN / InGaN multiple quantum well layer and a GaN upper clad layer as the first light emitting layer via a buffer layer on the first substrate. Having a step of crystal growth sequentially,
The step of forming the second semiconductor stacked body includes a step of sequentially growing an InAlP / InGaAlP multilayer film as a second light emitting layer and a contact layer on a second substrate.
Process, a semiconductor light emitting according to claim 1 0, wherein a is for adhesive between the said contact layer first substrate for adhering the first semiconductor stack and the second semiconductor stack Device manufacturing method.

The step of forming the first semiconductor stacked body includes a step of mirror polishing one surface of the first substrate to a surface roughness of 20 nm or less,
The step of forming the second semiconductor stacked body is performed from the (100) plane of the GaAs substrate in the [011] direction so that the surface of the semiconductor layer including the second light emitting layer has a surface roughness of about 2 nm. the method of manufacturing a semiconductor light emitting device according to claim 10, wherein the step of setting the inclination angle, characterized in including it.

The step of integrating is a step of bonding the bonding surfaces of the first semiconductor stacked body and the second semiconductor stacked body by any one of a dehydration condensation reaction, pressurization, and use of an adhesive.
The method of manufacturing a semiconductor light emitting device according to claim 10.