專利名稱：半導體發(fā)光器件及其制造方法
技術領域：
本發(fā)明涉及使用InGaAlP系混晶層作發(fā)光層的半導體發(fā)光器件及其制造方法，特別涉及耐濕性好、具備高輸出特性的長壽命的半導體發(fā)光器件及其制造方法。
近年來，實現(xiàn)了用InGaAl混晶作發(fā)光層的高輝度LED(發(fā)光二極管)。就該LED的結構之特點而言，應提出的要點在于，在出光面用高Al混晶比(下文用XAl表示)的Ga1-xAlxAs層作電流擴散層(下文為簡便起見，有含Al高的用高Al表示、含Al低的用低Al表示的情況)。
圖5表示用已有技術形成的發(fā)橙色光InGaAlP LED的示意剖面圖。
例如，若以圖5表示發(fā)黃色光的InGaAlP LED的外延生長為例，則在n型GaAs基片上，用有機金屬氣相淀積法(MOCVD法)，形成膜厚1.0μm的n型In0.5(Ga0.3Al0.7)0.5P覆蓋層2，再依次生長膜厚0.5μm的n型In0.5(Ga0.72Al0.28)0.5P有源層3、膜厚1.0μm的P型In0.5(Ga0.3Al0.7)0.5P覆蓋層4、以及膜厚10μm的P型Ga0.2Al0.8As電流擴散層5。而后，在電流擴散層Ga0.2Al0.8As5上及在n型GaAs基片一側分別形成電極7、8。最后，經(jīng)劃片工藝，將器件分離開，得到LED管芯。于是，管芯出光面一側的GaAlAs層5的Al混晶比XAl高達0.8。
然而，Al混晶比如此高的GaAlAs層極易氧化。因此引起發(fā)光特性的變壞，成為器件壽命明顯變短的原因。在用樹脂密封的器件中也如此。
作為對策，過去實施用其它藥品處理工藝的化學表面處理(例如，用NH4OH和H2O2混合液進行濕法腐蝕)形成自然氧化膜的方法，但此法所得的自然氧化膜的很不均勻，又因氧化膜是強制形成的，其附著性差，而且機械強度也低，造成壽命參數(shù)離散。
另外，該藥品處理工藝，在其性質上，不能與上述各層1、2、3、4、5的形成工藝連接進行，這就存在為此花費制造時間的問題。
再有，至于在用Si制造器件時，通常形成的SiO2和SiNx保護膜，在其性質上也不能與上述各層1、2、3、4、5的形成工藝連續(xù)進行，因而又存在使制造成本增高的問題。
可是，若將電流擴散層Ga1-xAlxAs 5的Al混晶比降低到0.5以下，雖然改善了器件的壽命，反過來對紅光至綠光的發(fā)光波長的吸收率變大，比如存在不能實現(xiàn)實用性的問題。
如上所述，在已有的半導體發(fā)光器件及其制造方法中，在出光面一側采用Al混晶比高的GaAlAs層作電流擴散層，存在極易氧化的問題，因而引起發(fā)光特性變壞，器件壽命顯著變短等缺陷。另外，為解決此類問題，也使用以化學表面處理來形成自然氧化膜的方法，但由于所得到的自然氧化膜很不均勻，且機械強度低，而造成壽命參數(shù)離散的缺點。而且，因這種化學處理是用與半導體發(fā)光器件各層的形成不同的工藝來實施的，存在需花費額外的制造時間的問題。
本發(fā)明為解決上述已有的問題，其目的在于提供以InGaAlP系混晶層作發(fā)光層的耐濕性好、具備高輸出特性的半導體發(fā)光器件，并提供效率高的半導體發(fā)光器件的制造方法。
為了解決上述已有的問題，本發(fā)明的半導體發(fā)光器件的特征在于，在出光面一側設置由含Al的克分子比在60%以上的高Al組成的結晶層的半導體發(fā)光器件上，在前述高Al結晶層上形成含Al的克分子比在50%以下的或不含Al的導電性結晶層。
還有，本發(fā)明的半導體發(fā)光器件的特征在于，用In0.5(Ga1-xAlx)0.5P(此處，0≤x≤1)作為前述的含Al的克分子比在50%以下的結晶層。再有，本發(fā)明的半導體發(fā)光器件用In0.5(Ga1-xAlx)0.5P(此處，0≤x≤1)作為前述的含Al的克分子比在50%以下的結晶層，該含Al的克分子比在50%以下的結晶層之膜厚為0.01μm以上。
另外，本發(fā)明的半導體發(fā)光器件用In0.5(Ga1-xAlx)0.5P(此處，0≤x≤1)作為前述的含Al的克分子比在50%以下的結晶層，在該含Al的克分子比在50%以下的結晶層的禁帶寬度比發(fā)光材料的禁帶寬度小的情況下，前述的含Al的克分子比在50%以下的結晶層In0.5(Ga1-xAlx)0.5P的膜厚在0.01-2μm范圍內。
還有，本發(fā)明的半導體發(fā)光器件用Ga1-xAlxAs(此處，0≤x≤0.5)作為前述的含Al的克分子比在50%以下的結晶層。
再有，本發(fā)明的半導體發(fā)光器件特征在于，前述的含Al的克分子比在50%以下的結晶層Ga1-xAlxAs(此處，0≤x≤0.5)的膜厚為0.01μm以上。
另外，本發(fā)明的半導體發(fā)光器件在前述的含Al的克分子比在50%以下的結晶層Ga1-xAlxAs(此處，0≤x≤0.5)的禁帶寬度比發(fā)光材料的禁帶寬度小的情況下，該含Al的克分子比在50%以下的結晶層Ga1-xAlxAs(此處，0≤x≤0.5)的膜厚在0.01-2μm范圍內。
還有，本發(fā)明的半導體發(fā)光器件的制造方法，包含在出光面一側形成由含Al的克分子比在60%以上的高Al組成的結晶層的步驟，接著在前述的高Al結晶層上形成含Al的克分子比在50%以下或者不含Al的導電性結晶層的步驟，其特征在于，用氣相生長法形成上述的導電性結晶層。
再有，本發(fā)明的半導體發(fā)光器件的制造方法用有機金屬氣相淀積法(MDCVD法)或分子束氣相外延法(MBE法)作為前述的氣相生長法。
另外，本發(fā)明的半導體發(fā)光器件的特征在于，前述的由克分子比60%以上的高Al組成的結晶層是在GaAs基片上形成的。
本發(fā)明的半導體發(fā)光器件以及其制造方法示于

圖1，在成為出光面的GaAlAs電流擴散層15上，用含Al的克分子比不足50%的或不含Al的Ⅲ-Ⅴ族結晶層，例如，由In0.5(Ga1-xAlx)0.5P(此處，0≤x≤1)、Ga1-yAlyAs(此處，0≤y≤0.5)、InP、GaP、或者GaAs等形成保護膜層16，該保護膜16起耐濕性保護膜的作用。
還有，InGaAlP系混晶層12、13、14及15的生長工藝使用的是有機金屬氣相淀積法或分子束氣相外延法，與該混晶層12、13、14、15的形成相接續(xù)，形成薄而效率好的保護膜16。因而，電流擴散層15與Al含量的克分子比不足50%或不含Al的Ⅲ-Ⅴ族結晶層的粘附性很強。再有，含Al的克分子不足50%或不含Al的Ⅲ-Ⅴ族結晶層16的膜厚雖然薄，但缺陷很少。在管芯化工藝中的劃片工藝的沖擊下，成品化工藝中引線壓焊工藝的沖擊下，保護膜也不脫落，實現(xiàn)了高機械強度的半導體發(fā)光器件。
再有，由于該保護膜16是導電的，不必像SiO2、SiNx保護膜或載流子濃度低、阻抗高的Ⅲ-Ⅴ族結晶保護膜那樣，為了形成歐姆電極或為了設置引線壓焊點，而要在保護膜上形成開口部來形成歐姆電極。因此，由于形成了保護膜，可避免使管芯化工藝復雜化，而且可防止來自歐姆電極-保護膜界面的使高Al結晶受壞影響的OH-離子侵入。
進一步，在發(fā)光面上極難形成做為光吸收層的氧化膜，實現(xiàn)了使耐濕性提高的半導體發(fā)光器件。
下面，參照附圖對本發(fā)明的實施例加以說明。
圖1是依本發(fā)明的一實施例的半導體發(fā)光器件的示意剖面圖。
圖2是表示在高溫高濕條件下，LED燈的相對輸出光隨時間變化的特性曲線圖。
圖3是表示圖1所示的本實施例的半導體發(fā)光器件的管芯表面保護膜的Al克分子比與相對輸出光變動值的關系圖。
圖4是表示圖1所示的半導體發(fā)光器件中In0.5(Ga1-xAlx)0.5P保護膜16的膜厚與相對輸出光變動值(%)的關系圖。
圖5是已有技術的發(fā)橙光的InGaAlP LED的示意圖。
圖1表示本發(fā)明一實施例的發(fā)黃色光(波長約590nm)的半導體發(fā)光器件的示意剖面圖。
首先，在(100)n型GaAs基片11上，用有機金屬氣相淀積法(MOCVD法)或分子束外延法(MBE)依次結晶生長膜厚為1.0μm的n型In0.5(Ga0.3Al0.7)0.5P覆蓋層12(摻硅，載流子濃度5×1017cm-3)、膜厚為0.5μm的n型In0.5(Ga0.72Al0.28)0.5P有源層13(未摻雜，載流子濃度1×1017cm-3以下)、膜厚為1.0μm的P型In0.5(Ga0.3Al0.7)0.5P覆蓋層14(摻Zn，載流子濃度5×1017cm-3)以及膜厚為10μm的P型Ga0.2Al0.8As電流擴散層15(摻Zn，載流子濃度1-2×1018cm-3)。緊接著，連續(xù)用MOCVD法或MBE法生長含Al的克分子比不足50%的In0.5(Ga1-xAlx)0.5P(0≤x≤1)保護膜16(摻Zn，載流子濃度5×1017cm-3)，結晶生長完畢。
In0.5(Ga1-xAlx)0.5P(0≤x≤1)保護膜16大于0.01μm就能起耐濕性保護膜的作用，但過厚，則不能忽視對發(fā)光起光吸收層的作用，故將膜厚設置在0.01-2.0μm厚度范圍。
然后，在In0.5(Ga1-xAlx)0.5P保護膜16上形成膜厚為1.0μm為AuZn(Zn 3wt%，即Zn重量比為3%)前電極17，在n型GaAs基片一側形成膜厚為1.0μm的AuGe(Ge 3wt%)背電極18。此后，劃片，將器件分開，完成半導體發(fā)光器件的管芯化工藝步驟。
在本實施例中，因為在出光面GaAlAs電流擴散層15上生長含Al的克分子比不足50%或不含Al的In0.5(Ga1-xAlx)0.5P保護膜16，使用了InGaAlP系混晶層12、13、14及15的有機金屬氣相淀積法，各層12、13、14、15的形成是相繼進行的，由于生長得薄且效果良好，因而實現(xiàn)了具備In0.5(Ga1-xAlx)0.5P保護膜與GaAlAs電流擴散層14的附著性很強、雖然In0.5(Ga1-xAlx)0.5P保護膜16的膜厚很薄但缺陷少，以及機械強度高的優(yōu)點之半導體發(fā)光器件。
而且，形成Ga1-yAlyAs(此處，0≤y≤1)保護膜代替In0.5(Ga1-xAlx)0.5P保護膜也能得到同樣的效果。
圖2表示在高濕高濕條件下的LED燈相對輸出光隨時間的變化。用同圖也證明了本實施例的半導體發(fā)光器件的有效性。
在環(huán)境溫度60℃、濕度90%、通電電流(IF)20mA情況下，相對輸出光(%)與通電時間的關系示于圖2。
圖中，分別用點線A、虛線B、點劃線C表示三種情況下的LED，點線A表示已有半導體發(fā)光器件即InAaAl系LED未經(jīng)特別處理的情況，虛線B表示對已有半導體發(fā)光器件中InGaAlP系LED用NH4OH及H2O2混合液施加氧化膜處理的情況，點劃線C表示圖1所示的本實施例形成了膜厚為0.1μm的In0.5(Ga1-xAlx)0.5P保護膜16的半導體發(fā)光器件InGaAlP系LED的情況。還有，因各曲線是由一組平均值連結而成的，縱線的范圍表示該通電時間內的離散值。
由圖可見，對未經(jīng)特別處理的情況(A)，隨時間的增長而惡化程度越來越大，施加氧化膜處理的情況(B)比未經(jīng)處理的情況(A)有所改善，不能說離散值十分大，對本實施例的情況(C)，經(jīng)過1，000小時后也幾乎未變壞，離散值也小。
圖3是表示半導體發(fā)光器件管芯表面保護膜Al的克分子比相對輸出光變動值(壽命)的關系圖。
測試環(huán)境條件環(huán)境溫度60℃、濕度90%、通電電流(IF)20mA，是對半導體發(fā)光器件LED燈制品連續(xù)通電1，000小時后測出的值?？v軸為相對輸出光的變動值(%)，橫軸為管芯表面的Al的克分子比。
實線表示Ga1-xAlyAs的情況，點線表示In0.5(Ga1-xAlx)0.5P保護膜的情況。
由同圖所示可知，保護膜16的Al克分子比若在50%以下，即使在通電時間經(jīng)1000小時之后，相對輸出光變動值還維持在50%以上。
圖4是表示本實施例半導體發(fā)光器件中In0.5(Ga1-xAlx)0.5P保護膜16的膜厚對相對輸出光變動值(%)的關系圖。
在測試環(huán)境條件為溫度60℃、濕度90%、通電電流(IF)20mA時，對半導體發(fā)光器件LED燈制品在連續(xù)通電1000小時之后的測定值?？v軸為相對輸出光變動值(%)，橫軸為耐濕保護膜厚度(μm)。
由圖可知，保持膜16厚度在0.01μm以上，起到了耐濕性保護膜的作用。
在上述本實施例中，保護膜16使用的是InGaAlP及GaAlAs，但也可用InP、GaAs、GaP、GaAlP、GaAsP等作保護膜層16。
另外，發(fā)光層及保護膜層雖然使用MOCVD法、MBE法作為結晶生長法，也可使用其它一些方法，諸如MOMBE法，氫化物VPE法、氯化物VPE法等。
表1表示，以膜厚〔t〕及吸收系數(shù)〔α〕為參數(shù)，半導體器件的發(fā)光波長(λp)對Ga1-xAlyAs(y＝0及y＝0.5)保護膜的透光率(p/p0)的計算值之一例。

表2表示以膜厚〔t〕及吸收系數(shù)〔α〕為參數(shù)，半導體發(fā)光器件的發(fā)光波長(λp)對In0.5(Ga1-xAlx)0.5P(x＝0及x＝0.7)時保護膜的光率(p/p0)的計算值之一例。當p/p1＝exp(-at)時，表1及表2的p/p0為透光率，α為吸收系數(shù)，t為膜厚。

為了保持透光率在0.8左右(約80%)，隨保護膜的Al混晶比XAl值而異，在560nm附近膜厚大致在0.02-0.05μm以下的范圍。但在650mm附近透光率隨保護膜的Al混晶比XAl值變化更大，在XAl為0.7厚度在10μm以上時，發(fā)光幾乎不吸收完全透過。但是將保護膜加厚超過必需值時，勢必增加管芯的成本，因此將厚度設在2μm以下最為適合。
如上所述，根據(jù)本實施例，由于生長Al含量的克分子比不足50%的或不含Al的Ⅲ-Ⅴ族結晶層，可實現(xiàn)耐濕性優(yōu)良的LED。
另外，在本實施例中，雖然用In0.5(Ga1-xAlx)0.5P(此處0≤x≤1)保護膜16作為耐濕性保護膜，但是Ga1-yAlyAs(0≤y≤0.5)、其它不含Al的GaAs，或InP等Ⅲ-Ⅴ族結晶層，也可實現(xiàn)具有同樣特性的LED。
再有，在上述實施例中，雖然對發(fā)黃色光的半導體發(fā)光器件做了說明，將有源層的Al組成比加以變化，在所得的橙色光〔In0.5(Ga0.57Al0.43)0.5P〕、綠色光〔In0.5(Ga0.6Al0.4)0.5P〕器件中也有同樣的效果。再就管芯的構造而言，對于在n型覆蓋層與n型GaAs基片間設置用Ⅲ-Ⅴ族結晶層疊層結構形成的反光層的管芯、具有電流包容結構的管芯、或兼有此兩種結構的管芯都具有相同效果。再就GaAs基片而論，用具有與(100)晶面錯開的晶面的基片、晶面為(111)面的、晶面為(110)面的基片也能獲得同樣的特性。
另外，除n型外，用P型GaAs作基片，在把各層的導電類型換用與上述實施例相反的導電類型所形成的半導體發(fā)光器件中，也能獲得相同的效果。
根據(jù)上述的本發(fā)明，由于在出光面含Al的結晶層GaAlAs電流擴散層)上，用InGaAlP系混晶層生長工藝例如用有機金屬氣相淀積法，同InGaAlP系混晶層連續(xù)形成含Al的克分子比不足50%或不含Al的結晶層，例如In0.5(Ga1-xAlx)0.5P、Ga1-yAlyAs(0≤y≤0.5)、InP或GaAs等保護膜，因而可生長得薄且效率好。
又因該保護膜層能起耐濕性保護膜的作用，使得含Al的克分子比不足50%或不含Al的Ⅲ-Ⅴ族結晶層與含Al的結晶層的粘附性增強。
再有，含Al的克分子比不足50%或不含Al的Ⅲ-Ⅴ族結晶層的膜厚雖然很薄，但缺陷很少、在管芯化工藝中的劃片工藝的沖擊下，成品化工藝中引線壓焊工藝的沖擊下保護膜也不脫落，可獲得機械強度大的半導體發(fā)光器件。
另外，所形成的保護膜具有導電的性能，不必像SiO2、SiNx保護膜或載流子濃度低的阻抗高的Ⅲ-Ⅴ族結晶保護膜那樣，為了形成歐姆電極，或為了設置引線壓焊點而要在保護膜上形成開口部以形成歐姆電極。由于形成了保護膜，可避免使管芯化工藝變得復雜，而且可防止來自歐姆電極-保護膜界面的使高Al結晶受壞影響的OH-離子的入侵。因而可以提供高效率的半導體發(fā)光器件的制造方法。
還有，在出光面上極難形成作為光吸收層的氧化膜，可獲得改善了耐濕性的半導體發(fā)光器件。
權利要求
1.一種半導體發(fā)光器件，在出光面一側具有由含Al的克分子比在60%以上的高Al組成的結晶層，其特征在于在前述的高Al結晶層上形成含Al的克分子比不足50%的導電性結晶層，或不含Al的導電性結晶層。
2.權利要求1記載的半導體發(fā)光器件，其特征在于用In0.5(Ga1-xAlx)0.5P(此處，0≤x≤1)做前述的含Al的克分子比不足50%的結晶層。
3.權利要求1記載的半導體發(fā)光器件，其特征在于用In0.5(Ga1-xAlx)0.5P(此處，0≤x≤1)做前述的含Al的克分子比不足50%的結晶層，該含Al的克分子比不足50%的結晶層的膜厚在0.01μm以上。
4.權利要求1記載的半導體發(fā)光器件，其特征在于用In0.5(Ga1-xAlx)0.5P(此處，0≤x≤1)做前述的含Al的克分子比不足50%的結晶層，在該含Al的克分子比不足50%的結晶層的禁帶寬度比發(fā)光層禁帶寬度小的情況下，前述的含Al的克分子不足50%的結晶層In0.5(Ga1-xAlx)0.5P的膜厚在0.01-2μm的范圍內。
5.權利要求1記載的半導體發(fā)光器件，其特征在于用Ga1-xAlxAs(此處，0≤x≤0.5)作前述的含Al的克分子比不足50%的結晶層。
6.權利要求5記載的半導體發(fā)光器件，其特征在于前述的含Al的克分子比不足50%的結晶層Ga1-xAlxAs(此處，0≤x≤0.5)的厚度在0.01μm以上。
7.權利要求5記載的半導體發(fā)光器件，其特征在于前述的含Al的克分子比不足50%的結晶層Ga1-xAlxAs(此處，0≤x≤0.5)的禁帶寬度比發(fā)光層的禁帶寬度小的情況下，該含Al的克分子比不足50%的結晶層Ga1-xAlxAs(此處，0≤x≤0.5)的膜厚在0.01-2μm范圍內。
8.一種半導體發(fā)光器件的制造方法，包括在出光面一側形成由含Al的克分子比在60%以上的高Al組成的結晶層的步驟，及緊接著，在前述的高Al結晶層上形成含Al的克分子比不足50%或不含Al的導電性結晶層的步驟，其特征在于上述各結晶層是用氣相生長法形成的。
9.權利要求8中記載的半導體發(fā)光器件的制造方法，其特征在于前述的氣相生長法采用有機金屬氣相淀積法(MOCVD法)、或分子束氣相外延法(MBE法)。
10.權利要求1記載的半導體發(fā)光器件，其特征在于前述的由克分子比在60%以上的高Al組成結晶層是在GaAs基片上形成的。
全文摘要
本發(fā)明之目的在于提供具備耐濕性好、輸出光強的半導體發(fā)光器件。所述半導體發(fā)光器件由在出光面一側設有含Al的結晶層15作為該半導體發(fā)光器件發(fā)光層的InGaAlP系混晶層12、13、14、15以及在結晶層15上淀積的含Al的克分子比不足50％或不含Al的III-V族結晶層16所構成。該含Al的克分子比不足50％或不含Al的III-V族結晶層16是用有機金屬氣相淀積法，同其它各層連續(xù)形成的。
文檔編號H01L33/44GK1099190SQ9410233
公開日1995年2月22日 申請日期1994年3月15日 優(yōu)先權日1993年3月15日
發(fā)明者野崎秀樹, 海野和美 申請人:株式會社東芝