专利名称：发光二极管、发光二极管灯和照明装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及发光二极管、发光二极管灯以及照明装置，特别是涉及高输出功率的红色和红外发光二极管以及使用了它的发光二极管灯和照明装置。本申请基于在2009年9月15日在日本申请的专利申请2009-213226号、在2010年1月观日在日本申请的专利申请2010-16877号、在2010年1月观日在日本申请的专利申请2010-16878号、在2010年8月10日在日本申请的专利申请2010-179472号、在2010年8月10日在日本申请的专利申请2010-179473号以及在2010年8月10日在日本申请的专利申请2010-179474号要求优先权，将这些申请的内容援引到本申请中。
背景技术：
红色和红外发光二极管(英文简称LED)被广泛应用于通信、各种传感器用光源、夜间照明等。例如，峰波长为660 720nm的光，是人能够识别的红色光源，被用于室外显示器、由于是输出功率高的波段而希望通过目视识别传感器的存在的安全关系的传感器、条形码阅读器的光源以及医疗用血氧计的光源等的广泛的用途中。另外，峰波长为760 850nm的光，是发光输出功率高的波段，因此是最适合于各种传感器的光源、监视相机、摄像机等的红外线照明的波段。特别是该波段的AWaAs活性层，能够高速响应，因此适合于光通信和高速光电耦合器。另一方面，利用发光波长的特征，也开始应用于静脉识别系统和医疗领域等的光源。另外，近年来研究了利用人造光源的植物培养。特别是采用了由单色性优异、节能、长寿命、可小型化的发光二极管进行的照明的栽培方法受到关注。可知对于光合作用的促进，波长为660 670nm附近的光，反应效率高，是优选的光源，进而从最近的研究结果来看，作为适合于植物培养的形状控制的发光波长之一，峰波长为730nm的红外光的效果得到确认。在上述用途中，为了提高各设备的性能，希望得到LED的高输出功率。例如，在以往的红外发光二极管中，在GaAs基板上包含使用了液相外延法的AlGaAs多层膜的LED被实用化，进行了各种各样的高输出功率化的研究。例如，采用液相法较厚地生长对于发光波长透明的AWaAs外延层，除去作为基板使用的不透明的GaAs基板的结构(所谓的透明基板型)，在现状下是最高输出功率和高效率的红外发光二极管(专利文献1 5)。现有技术文献专利文献专利文献1特开平7-30150号公报专利文献2特开2001-274454号公报专利文献3特开平6468250号公报专利文献4特开平6-13650号公报
专利文献5特开平8493622号公报
发明内容
作为红外照明的光源，从进一步的性能提高、节能、成本方面出发，希望开发发光效率高的LED。此外，不仅室内，室外和半室外等使用环境扩大，耐湿性是重要的可靠性项目之一。为了近年受到关注的植物培养用LED照明的实用化，更强烈希望使用电力的减少、耐湿性的提高、高输出功率化。在植物培养的场合，由于在撒水、水耕栽培等高湿环境下使用，因此耐湿性是特别重要的特性之一。本发明是鉴于上述情况完成的，其目的是提供高输出功率和高效率、耐湿性优异的红色和红外发光二极管。本发明者为了解决上述课题而反复刻苦研究的结果发现以往，在使用AWaAs系活性层的红外发光二极管中，尚没有将包含该活性层的化合物半导体层贴附(接合)于透明基板的类型，但通过形成为作为AKiaAs系的多重量子阱结构贴附(接合)于透明基板的类型，与以往的红外发光二极管相比，显示出高输出功率。此外，本发明者发现在AKiaAs系的多重量子阱结构中使用的红色和红外发光二极管中，通过在夹着该多重量子阱结构的覆盖层中使用带隙大、并且结晶性好的4元的AKialnP系，与在覆盖层中使用AKiaAs系的场合相比，显示出高输出功率。此外，也能够使Al的浓度降低，难以引起腐蚀，耐湿性也提高。本发明者对于该见解进一步进行研究的结果，完成了显示以下的构成的本发明。本发明提供以下的手段。(1) 一种发光二极管，其特征在于，具备发光部，该发光部具有活性层、夹着该活性层的第1覆盖层和第2覆盖层，所述活性层是交替地层叠了组成式为(Alxi^vxi)As (0彡Xl彡1)的阱层和组成式为(AlX2(;ai_X2)As (0 < X2彡1)的势垒层的量子阱结构的活性层；形成于上述发光部上的电流扩散层；和与上述电流扩散层接合的功能性基板，上述第1和第2覆盖层由组成式(AIx3^Vx3)yJivyiP (0彡X3彡1,0 < Yl彡1)表不。(2) —种发光二极管，其特征在于，具备发光部，该发光部具有活性层、夹着该活性层的第1覆盖层和第2覆盖层，所述活性层是交替地层叠了为组成式(Alxi^vxi)As (0彡Xl彡1)的阱层和组成式为(Alx4^v5i4)Y2In1^2P (0≤X4≤1，0 < Y2≤1)的势垒层的量子阱结构的活性层；形成于上述发光部上的电流扩散层；和与上述电流扩散层接合的功能性基板，上述第1和第2覆盖层由组成式(AIx2^Vx2)yJivyiP (0彡X2彡1,0 < Yl彡1)表不。(3)根据前项(1)或者(2)的任一项所述的发光二极管，其特征在于，上述功能性基板相对于发光波长是透明的。(4)根据前项(1)至(3)的任一项所述的发光二极管，其特征在于，上述功能性基板由GaP、蓝宝石或者SiC构成。
(5) —种发光二极管，其特征在于，具备发光部，该发光部具有活性层、夹着该活性层的第1覆盖层和第2覆盖层，所述活性层是交替地层叠了组成式为(Alxi^vxi)As (0彡Xl彡1)的阱层和组成式为(AlX2(;ai_X2)As (0^X2^ 1)的势垒层的量子阱结构的活性层；形成于上述发光部上的电流扩散层；和包含与上述发光部对向地配置的、相对于发光波长具有90%以上的反射率的反射层，并与上述电流扩散层接合的功能性基板，上述第1和第2覆盖层由组成式(AIx3^Vx3)yJivyiP (0彡X3彡1,0 < Yl彡1)表不。(6) —种发光二极管，其特征在于，具备发光部，该发光部具有活性层、夹着该活性层的第1覆盖层和第2覆盖层，所述活性层是交替地层叠了组成式为(Alxi^vxi)As (0彡Xl彡1)的阱层和组成式为(Alx4^v5i4)Y2In1^2P (0彡X4彡1，0 < Y2彡1)的势垒层的量子阱结构的活性层；形成于上述发光部上的电流扩散层；和包含与上述发光部对向地配置的、相对于发光波长具有90%以上的反射率的反射层，并与上述电流扩散层接合的功能性基板，上述第1和第2覆盖层由组成式(Alxfau) YJn1-Y1P (0彡X3彡1,0 < Yl彡1)表不。(7)根据前项(5)或者(6)的任一项所述的发光二极管，其特征在于，上述功能性基板包含由硅或者锗构成的层。(8)根据前项(5)或者(6)的任一项所述的发光二极管，其特征在于，上述功能性基板包含金属基板。(9)根据前项(8)所述的发光二极管，其特征在于，上述金属基板包含多个金属层。( 10)根据前项(1)至(9)的任一项所述的发光二极管，其特征在于，上述电流扩散层由GaP构成。(11)根据前项(1)至(10)的任一项所述的发光二极管，其特征在于，上述电流扩散层的厚度为0. 5 20 μ m的范围。(12)根据前项(1)至(11)的任一项所述的发光二极管，其特征在于，上述功能性基板的侧面，在接近上述发光部的一侧，具有相对于主要的光取出面大致垂直的垂直面，在远离上述发光部的一侧，具有相对于上述主要的光取出面向内侧倾斜的倾斜面。(13)根据前项(1)至(12)的任一项所述的发光二极管，其特征在于，上述倾斜面包含粗糙的面。(14)根据前项(1)至(13)的任一项所述的发光二极管，其特征在于，在发光二极管的上述主要的光取出面侧设置有第1电极和第2电极。(15)根据前项(14)所述的发光二极管，其特征在于，上述第1电极和上述第2电极为欧姆电极。(16)根据前项(14)或者(15)的任一项所述的发光二极管，其特征在于，在上述功能性基板的、上述主要的光取出面侧的相反侧的面上还具有第3电极。(17) 一种发光二极管灯，其特征在于，具备前项(1)至(16)的任一项所述的发光二极管。(18) —种发光二极管灯，其特征在于，具备前项(16)所述的发光二极管，上述第1电极或第2电极、与上述第3电极大致相同电位地连接。(19) 一种照明装置，搭载有多个前项(1)至(16)的任一项所述的发光二极管。再者，在本发明中，所谓「功能性基板」，是指在生长基板上生长化合物半导体层后，除去该生长基板，介由电流扩散层与化合物半导体层接合，并支持化合物半导体层的基板，但是在为在电流扩散层上形成规定的层后，在该规定的层上接合规定的基板的结构的场合，包括该规定的层在内称为「功能性基板」。本发明的发光二极管，通过形成为下述结构，与以往的红外发光二极管相比显示出高输出功率，所述结构具备具有交替地层叠了组成式为(Alxi^vxi)As (0彡Xl彡1)的阱层和组成式为(Alx2^vx2)As (0 < X2彡1)的势垒层的量子阱结构的活性层活性层、夹着该活性层的第1覆盖层和第2覆盖层的发光部；形成于发光部上的电流扩散层；和与电流扩散层接合的功能性基板，第1和第2覆盖层由组成式(ALGi^AJnmP^彡X3彡1，O < Yl < 1)表示。特别是，通过使功能性基板为相对于发光波长为透明的结构，不吸收来自发光部的发光而显示出高输出功率和高效率。另外，由于活性层是具有交替地层叠了组成式为(Alxi^vxi) As (O彡Xl彡1)的阱层和组成式为(Alx2^vx2)As (O < X2彡1)的势垒层的多重阱结构的结构，因此单色性优异。另外，覆盖层是由组成式(Alx3Ga1.) YJrvY1P(O ^ X3 ^ 1,0 < Yl ^D表示的构成，不含有容易造成缺陷的As，因此成为结晶性高、有助于高输出的构成。另外，由于覆盖层是由组成式(AlX3(}ai_X3)YJni_Y1P (0^X3^ 1,0<Y1 ^ 1)表示的构成，因此与由3元系构成的以往的红外发光二极管相比，Al浓度低，耐湿性提高。另外，由于活性层是具有组成式为(Alxl(;ai_xl) As (O彡Xl彡1)的阱层和势垒层的叠层结构的构成，因此适合于利用MOCVD法进行量产。本发明的发光二极管，通过采用下述结构，S卩，具备具有交替地层叠了组成式为(AlxiGa1^xi)AsCO ^ Xl ^ 1)的阱层和组成式为(AlJaHAJnuPCO 彡 X4 彡 1,0 <Y2 ^ 1)的势垒层的量子阱结构的活性层、夹着活性层的第1覆盖层和第2覆盖层的发光部；形成于发光部上的电流扩散层；和与电流扩散层接合的功能性基板，第1和第2覆盖层由组成式(Alx3Ga1^x3) Y1In1^1P (O彡Χ3彡1,0 < Yl ^ 1)表示，除了上述的效果以外，势垒层为组成式为(Alx4Givx4) Υ2Ιηι_Υ2Ρ (O彡Χ4彡1,0 < Υ2彡1)的构成，不含有容易造成缺陷的As，因此结晶性高，有助于高输出。本发明的发光二极管，通过将功能性基板设为由GaP、蓝宝石、SiC、硅、或者锗等构成的结构，为难以腐蚀的材质，因此耐湿性提高。另外，本发明的发光二极管，通过将功能性基板和电流扩散层都设为由GaP构成的结构，其接合变得容易，并且接合强度变大。本发明的发光二极管灯，具有可具有红色光以及红外光的发光波长，单色性优异，并且为高输出功率和高效率，耐湿性优异的上述发光二极管，因此在采用了例如730nm的发光波长的场合，适合于植物培养用的光源。
图1是使用了作为本发明的一实施方式的发光二极管的发光二极管灯的平面图。
图2是使用了作为本发明的一实施方式的发光二极管的发光二极管灯的、沿图1中所示的A-A’线的截面模式图。图3是作为本发明的一实施方式的发光二极管的平面图。图4是作为本发明的一实施方式的发光二极管的、沿图3中所示的B-B’线的截面模式图。图5是用于说明构成作为本发明的一实施方式的发光二极管的发光层的图。图6是用于作为本发明的一实施方式的发光二极管的外延晶片的截面模式图。图7是用于作为本发明的一实施方式的发光二极管的接合晶片的截面模式图。图8 (a)是作为本发明的另外的实施方式的发光二极管的平面图，(b)是沿(a)中所示的C-C’线的截面模式图。图9是作为本发明的另外的实施方式的发光二极管的截面模式图。
具体实施例方式以下对于作为应用了本发明的一实施方式的发光二极管，与使用了它的发光二极管灯一起，使用附图进行详细说明。再者，在以下的说明中使用的附图，为了容易明白特征，为方便起见有时放大地表示成为特征的部分，各构成要素的尺寸比率等未必与实际相同。<发光二极管灯>图1和图2是用于说明使用了作为应用了本发明的一实施方式的发光二极管的发光二极管灯的图，图1是平面图，图2是沿图1中所示的A-A’线的截面图。如图1和图2所示，使用了本实施方式的发光二极管1的发光二极管灯41，在装配基板42的表面安装有1个以上的发光二极管1。更具体地讲，在装配基板42的表面设置有η电极端子43和ρ电极端子44。另外，作为发光二极管1的第1电极的η型欧姆电极4和装配基板42的η电极端子43采用金线45连接(线接合)。另一方面，作为发光二极管1的第2电极的ρ型欧姆电极5和装配基板42的ρ电极端子44采用金线46连接。此外，如图2所示，在发光二极管1的与设置有η型以及ρ型欧姆电极4、5的面相反侧的面上，设置有第3电极6，通过该第3电极6，发光二极管1被连接于η电极端子43上，被固定于装配基板42。在此，η型欧姆电极4和第3电极6，通过η极电极端子43以成为等电位或者大致等电位的方式电连接。通过第3电极，相对于过大的逆电压，在活性层中不流通过电流，可在第3电极和ρ型电极间流通电流，可防止活性层的破损。也可以在第3电极和基板界面侧附加反射结构来进行高输出。另外，也可以通过在第3电极的表面侧附加共晶金属、钎料等来利用共晶管芯连接等的更简便的组装技术。另外，装配基板42的安装有发光二极管1的表面，采用硅树脂、环氧树脂等的一般的封装树脂47封装。<发光二极管(第1实施方式)>图3和图4是用于说明应用了本发明的第1实施方式涉及的发光二极管的图，图3是平面图，图4是沿图3中所示的Β-Β’线的截面图。另外，图5是叠层结构的截面图。第1实施方式涉及的发光二极管，其特征在于，具备具有交替地层叠了组成式为(AlxiGa1^xi)As (0彡Xl彡1)的阱层17和组成式为(Alx2^vx2)As (0 < Χ2彡1)的势垒层18的量子阱结构的活性层11、夹着活性层11的第1覆盖层9和第2覆盖层13的发光部7 ；形成于发光部7上的电流扩散层8 ；和与电流扩散层8接合的功能性基板3，第1和第2覆盖层由组成式(Alx3^vx3) ^h1-Y1P (0 ^ X3 ^ 1,0 < Yl 彡 1)表示。再者，所谓本实施方式中的主要的光取出面，是在化合物半导体层2上的贴附了功能性基板3的面的相反侧的面。化合物半导体层(也称为外延生长层》，如图4所示，具有依次层叠有pn结型的发光部7和电流扩散层8的结构。在该化合物半导体层2的结构中，可以适时施加公知的功能层。例如，可以设置用于降低欧姆(Ohmic)电极的接触电阻的接触层、用于使元件驱动电流在整个发光部平面性地扩散的电流扩散层、相反地用于限制元件驱动电流流通的区域的电流阻止层和电流狭窄层等公知的层结构。再者，化合物半导体层2，优选是在GaAs基板上外延生长而形成的。发光部7，如图4所示，是在电流扩散层8上，至少依次层叠ρ型的下部覆盖层(第1覆盖层)9、下部引导层10、发光层(活性层)11、上部引导层12、n型的上部覆盖层(第2覆盖层)13而构成的。即，发光部7，为了将造成辐射再结合的载流子(carrier)以及发光“闭入”发光层11，在得到高强度的发光方面优选形成为包含在发光层11的下侧以及上侧对峙地配置的下部覆盖层9、下部引导(guide)层10、以及上部引导层12、上部覆盖层13的所谓的双异质(英文简称DH)结构。活性层11，如图5所示，为了控制发光二极管(LED)的发光波长而构成量子阱结构。即，活性层11，为在两端具有势垒层(也称为垒层)18的、阱层17与势垒层18的多层结构(叠层结构)。活性层11的层厚，优选为0.02 2μπι的范围。另外，活性层11的传导类型并不特别地限定，非掺杂、P型以及η型的任一种都可以选择。为了提高发光效率，优选为结晶性良好的非掺杂或者低于3Χ IO17cnT3的载流子浓度。阱层17，优选具有(Alxi^vxi) As (0彡Xl彡0. 36)的组成。上述Xl可以进行调整以使得成为最佳的发光波长。表1示出在阱层17的层厚为17nm时Al组成Xl和发光峰波长的关系。可知Al组成Xl越低，则发光峰波长越长。另外，从该变化的倾向可以推定与表中未记载的发光峰波长对应的Al组成。表 权利要求
1.一种发光二极管，其特征在于，具备发光部，该发光部具有活性层、夹着该活性层的第1覆盖层和第2覆盖层，所述活性层是交替地层叠了组成式为(Alxi^vxi)As (0彡Xl彡1)的阱层和组成式为(Alx2^vx2)As (0<X2^ 1)的势垒层的量子阱结构的活性层；形成于所述发光部上的电流扩散层；和与所述电流扩散层接合的功能性基板，所述第1和第2覆盖层由组成式(AIx3^Vx3)YJivyiP (0彡X3彡1,0 < Yl彡1)表示。
2.一种发光二极管，其特征在于，具备发光部，该发光部具有活性层、夹着该活性层的第1覆盖层和第2覆盖层，所述活性层是交替地层叠了组成式为(Alxl(iai_xl)AS(0彡Xl彡1)的阱层和组成式为(AIx4^vx4)YJivy2P(0彡X4彡1，0 < Y2彡1)的势垒层的量子阱结构的活性层；形成于所述发光部上的电流扩散层；和与所述电流扩散层接合的功能性基板，所述第1和第2覆盖层由组成式(AIx3Gjvx3)yJIVyiP (0彡X3彡1,0 < Yl彡1)表示。
3.根据权利要求1或者2所述的发光二极管，其特征在于，所述功能性基板相对于发光波长是透明的。
4.根据权利要求1或者2所述的发光二极管，其特征在于，所述功能性基板由GaP、蓝宝石或者SiC构成。
5.一种发光二极管，其特征在于，具备发光部，该发光部具有活性层、夹着该活性层的第1覆盖层和第2覆盖层，所述活性层是交替地层叠了组成式为(Alxi^vxi)As (0彡Xl彡1)的阱层和组成式为(Alx2^vx2)As (0<X2^ 1)的势垒层的量子阱结构的活性层；形成于所述发光部上的电流扩散层；和包含与所述发光部对向地配置的、相对于发光波长具有90%以上的反射率的反射层，并与所述电流扩散层接合的功能性基板，所述第1和第2覆盖层由组成式(AIx3^vx3)yJivyiP (0 ^ X3 ^ 1,0 < Yl ^ 1)表示。
6.一种发光二极管，其特征在于，具备发光部，该发光部具有活性层、夹着该活性层的第1覆盖层和第2覆盖层，所述活性层是交替地层叠了组成式为(Alxl(iai_xl)AS(0 ^ Xl ^ 1)的阱层和组成式为(Alx4Gi^x4)Y2^h2P(0彡Χ4彡1，0 < Υ2彡1)的势垒层的量子阱结构的活性层；形成于所述发光部上的电流扩散层；和包含与所述发光部对向地配置的、相对于发光波长具有90%以上的反射率的反射层，并与所述电流扩散层接合的功能性基板，所述第1和第2覆盖层由组成式(AIx3^vx3)yJivyiP (0 ^ Χ3 ^ 1,0 < Yl ^ 1)表示。
7.根据权利要求5或者6所述的发光二极管，其特征在于，所述功能性基板包含由硅或者锗构成的层。
8.根据权利要求5或者6所述的发光二极管，其特征在于，所述功能性基板包含金属基板。
9.根据权利要求8所述的发光二极管，其特征在于，所述金属基板包含多个金属层。
10.根据权利要求1、2、5或者6的任一项所述的发光二极管，其特征在于，所述电流扩散层由GaP构成。
11.根据权利要求1、2、5或者6的任一项所述的发光二极管，其特征在于，所述电流扩散层的厚度为0. 5 20 μ m的范围。
12.根据权利要求1、2、5或者6的任一项所述的发光二极管，其特征在于，所述功能性基板的侧面，在接近所述发光部的一侧，具有相对于主要的光取出面大致垂直的垂直面，在远离所述发光部的一侧，具有相对于所述主要的光取出面向内侧倾斜的倾斜面。
13.根据权利要求1、2、5或者6的任一项所述的发光二极管，其特征在于，所述倾斜面包含粗糙的面。
14.根据权利要求1、2、5或者6的任一项所述的发光二极管，其特征在于，在发光二极管的所述主要的光取出面侧设置有第1电极和第2电极。
15.根据权利要求14所述的发光二极管，其特征在于，所述第1电极和所述第2电极为欧姆电极。
16.根据权利要求14所述的发光二极管，其特征在于，在所述功能性基板的、所述主要的光取出面侧的相反侧的面上还具有第3电极。
17.一种发光二极管灯，其特征在于，具备权利要求1、2、5或者6的任一项所述的发光二极管。
18.一种发光二极管灯，其特征在于，具备权利要求16所述的发光二极管，所述第1电极或第2电极、与所述第3电极大致相同电位地连接。
19.一种照明装置，搭载有多个权利要求1、2、5或者6的任一项所述的发光二极管。
全文摘要
本发明提供一种具有红色光以及红外光的发光波长、单色性优异、并且为高输出功率和高效率、耐湿性优异的发光二极管。本发明的发光二极管，其特征在于，具备发光部、形成于所述发光部上的电流扩散层、和与所述电流扩散层接合的功能性基板，所述发光部具有具有组成式为(AlX1Ga1-X1)As(0≤X1≤1)的阱层和组成式为(AlX2Ga1-X2)As(0＜X2≤1)的势垒层的叠层结构并发出红外光的活性层、夹着该活性层的第1覆盖层和第2覆盖层，所述第1和第2覆盖层由组成式(AlX3Ga1-X3)Y1In1-Y1P(0≤X3≤1，0＜Y1≤1)表示。
文档编号H01L33/30GK102598318SQ20108005148
公开日2012年7月18日 申请日期2010年9月15日 优先权日2009年9月15日
发明者村木典孝, 濑尾则善, 竹内良一, 粟饭原范行 申请人:昭和电工株式会社