(57)【要約】【課題】光の取り出し効率の改善された半導体発光素子を提供する。【解決手段】基板１０と、基板１０上に配置された第１クラッド層１２と、第１クラッド層１２上に配置された多重量子井戸層１４と、多重量子井戸層１４上に配置された第２クラッド層１６と、第２クラッド層１６上に配置され、ＡｌＩｎＧａＰ層で形成されたフロスト処理層３０とを備える半導体発光素子。【選択図】図１
2010251531.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板上に配置された第１クラッド層と、
前記第１クラッド層上に配置された多重量子井戸層と、
前記多重量子井戸層上に配置された第２クラッド層と、
前記第２クラッド層上に配置され、ＡｌＩｎＧａＰ層で形成されたフロスト処理層と
を備えることを特徴とする半導体発光素子。
【請求項２】
前記フロスト処理層上には透明電極層を備えることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
【請求項３】
前記基板はＧａＡｓで形成され、前記第１クラッド層および前記第２クラッド層は、ＡｌＩｎＧａＰ層で形成され、前記多重量子井戸層は、ＩｎＧａＰ／ＡｌＩｎＧａＰのペアで形成されたことを特徴とする請求項１または２に記載の半導体発光素子。
【請求項４】
前記基板と前記第１クラッド層間には、分布ブラック反射層を備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体発光素子。
【請求項５】
前記分布ブラック反射層は、ＡｌＩｎＧａＰ／ＡｌＩｎＰ、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ、ＧａＡｓ／ＡｌＩｎＰの内、いずれかのペアで形成されたことを特徴とする請求項４に記載の半導体発光素子。
【請求項６】
基板と、
前記基板上に配置される金属層と、
前記金属層上に配置され，パターニングされた金属コンタクト層および絶縁層と、
前記金属コンタクト層および前記絶縁層上に配置される第１クラッド層と、
前記第１クラッド層上に配置される多重量子井戸層と、
前記多重量子井戸層上に配置される第２クラッド層と、
前記第２クラッド層上に配置され、ＡｌＩｎＧａＰ層で形成されたフロスト処理層と
を備えることを特徴とする半導体発光素子。
【請求項７】
前記フロスト処理層上には透明電極層を備えることを特徴とする請求項６に記載の半導体発光素子。
【請求項８】
前記基板はＧａＡｓで形成され、前記第１クラッド層および前記第２クラッド層は、ＡｌＩｎＧａＰ層で形成され、前記多重量子井戸層は、ＩｎＧａＰ／ＡｌＩｎＧａＰのペアで形成されたことを特徴とする請求項６または７に記載の半導体発光素子。
【請求項９】
表面に複数の溝部を形成した基板と、
前記基板の表面，前記溝部の側壁および前記溝部の底面に配置された金属バッファ層と、
前記金属バッファ層上に配置された金属層と、
前記金属層上に配置され、パターニングされた金属コンタクト層および絶縁層と、
前記金属コンタクト層および前記絶縁層上に配置される第１クラッド層と、
前記第１クラッド層上に配置される多重量子井戸層と、
前記多重量子井戸層上に配置される第２クラッド層と、
前記第２クラッド層上に配置され、ＡｌＩｎＧａＰ層で形成されたフロスト処理と
を備えることを特徴とする半導体発光素子。
【請求項１０】
前記フロスト処理層上には透明電極層を備えることを特徴とする請求項９に記載の半導体発光素子。
【請求項１１】
前記基板はＧａＡｓで形成され、前記第１クラッド層および前記第２クラッド層は、ＡｌＩｎＧａＰ層で形成され、前記多重量子井戸層は、ＩｎＧａＰ／ＡｌＩｎＧａＰのペアで形成されたことを特徴とする請求項９または１０に記載の半導体発光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体発光素子に関し、特に、光の取り出し効率の改善された半導体発光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
発光ダイオード（ＬＥＤ：Light Emitting Diode）を高輝度化するために、光の反射層として、基板と、多重量子井戸（ＭＱＷ：Multi-Quantum Well）層からなる活性層との間に金属反射層を形成する構造が提案されている。このような金属反射層を形成する方法として、例えば、発光ダイオード層の基板のボンディング（貼付け）技術が開示されている（例えば、特許文献１および特許文献２参照。）。
【０００３】
特許文献１および特許文献２においては、貼付けに用いる基板にはＧａＰやサファイア等の透明なものを適用している。
【０００４】
半導体発光素子（ＬＥＤ）を高輝度化するには、光の反射層としてＧａＡｓ基板と活性層（ＭＱＷ）の間に分布ブラック反射（ＤＢＲ：Distributed Bragg Reflector）層を入れる方法もある。ＤＢＲ層はある一方向から入射した光のみ反射し、入射角が変わるとＤＢＲは光を反射せず、透過してしまうという問題点がある。そのため、透過した光はＧａＡｓ基板に吸収されてしまい、半導体発光素子（ＬＥＤ）の発光輝度が低下するという問題点がある。
【０００５】
また、半導体発光素子の表面をフロスト処理することで、光の取り出し効率の向上を図ることが可能であることは知られている（例えば、特許文献３参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平６−３０２８５７号公報
【特許文献２】米国特許第５，３７６，５８０号明細書
【特許文献３】特開２００５−３４７４９７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ＡｌＩｎＧａＰ層の材料に対して、凹凸形状を作成するための有効な方法は従来知られていなかった。
【０００８】
本発明の目的は、光の取り出し効率の改善された半導体発光素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の一態様によれば、基板と、前記基板上に配置された第１クラッド層と、前記第１クラッド層上に配置された多重量子井戸層と、前記多重量子井戸層上に配置された第２クラッド層と、前記第２クラッド層上に配置され、ＡｌＩｎＧａＰ層で形成されたフロスト処理層とを備える半導体発光素子が提供される。
【００１０】
本発明の他の態様によれば、基板と、前記基板上に配置される金属層と、前記金属層上に配置され，パターニングされた金属コンタクト層および絶縁層と、前記金属コンタクト層および前記絶縁層上に配置される第１クラッド層と、前記第１クラッド層上に配置される多重量子井戸層と、前記多重量子井戸層上に配置される第２クラッド層と、前記第２クラッド層上に配置され、ＡｌＩｎＧａＰ層で形成されたフロスト処理層とを備える半導体発光素子が提供される。
【００１１】
本発明の他の態様によれば、表面に複数の溝部を形成した基板と、前記基板の前記表面，前記溝部の側壁および前記溝部の底面に配置された金属バッファ層と、前記金属バッファ層上に配置された金属層と、前記金属層上に配置され，パターニングされた金属コンタクト層および絶縁層と、前記金属コンタクト層および前記絶縁層上に配置される第１クラッド層と、前記第１クラッド層上に配置される多重量子井戸層と、前記多重量子井戸層上に配置される第２クラッド層と、前記第２クラッド層上に配置され、ＡｌＩｎＧａＰ層で形成されたフロスト処理層とを備える半導体発光素子が提供される。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、光の取り出し効率の改善された半導体発光素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る半導体発光素子の模式的断面構造図。
【図２】本発明の第１の実施の形態の変形例に係る半導体発光素子の模式的断面構造図。
【図３】本発明の第２の実施の形態に係る半導体発光素子の模式的断面構造図。
【図４】本発明の第２の実施の形態の変形例に係る半導体発光素子の模式的断面構造図。
【図５】本発明の第３の実施の形態に係る半導体発光素子の模式的断面構造図。
【図６】本発明の第３の実施の形態の変形例に係る半導体発光素子の模式的断面構造図。
【図７】本発明の第４の実施の形態に係る半導体発光素子の模式的断面構造図。
【図８】本発明の第４の実施の形態の変形例に係る半導体発光素子の模式的断面構造図。
【図９】本発明の第４の実施の形態に係る半導体発光素子の模式的平面パターン構成図（構成例１）。
【図１０】本発明の第４の実施の形態に係る半導体発光素子の模式的平面パターン構成図（構成例２）。
【図１１】本発明の第４の実施の形態に係る半導体発光素子の模式的平面パターン構成図（構成例３）。
【図１２】本発明の第４の実施の形態に係る半導体発光素子の金属コンタクト層１１および絶縁層１７の模式的平面パターン構成図（構成例１）。
【図１３】本発明の第４の実施の形態に係る半導体発光素子の金属コンタクト層１１および絶縁層１７の模式的平面パターン構成図（構成例２）。
【図１４】本発明の第４の実施の形態に係る半導体発光素子において、ドライフロスト処理前後における光出力強度Ｐｏ（Ｗ）と順方向電流ＩF(ｍＡ)の発光特性の比較例。
【図１５】本発明の第４の実施の形態に係る半導体発光素子において、ドライフロスト処理時の基板温度Ｔ（℃）と光度上昇率Ｒ（％）との関係を示す図。
【図１６】図１５において、基板温度Ｔ＝２００度のときの半導体発光素子の表面ＳＥＭ写真。
【図１７】本発明の第４の実施の形態に係る半導体発光素子において、ドライフロスト処理時のプラズマパワーＰ（Ｗ）と光度上昇率Ｒ（％）との関係を示す図。
【図１８】図１７において、Ａ〜Ｄに対応する半導体発光素子の表面ＳＥＭ写真であって、（ａ）プラズマパワーＰ＝２００Ｗのときの表面ＳＥＭ写真、（ｂ）プラズマパワーＰ＝３００Ｗのときの表面ＳＥＭ写真、（ｃ）プラズマパワーＰ＝４００Ｗのときの表面ＳＥＭ写真、（ｄ）プラズマパワーＰ＝４００Ｗのときの表面ＳＥＭ写真。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
次に、図面を参照して、本発明の第１の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。又、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることはもちろんである。
【００１５】
又、以下に示す第１〜第４の実施の形態は、この発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、この発明の実施の形態は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記のものに特定するものでない。この発明の実施の形態は、特許請求の範囲において、種々の変更を加えることができる。
【００１６】
なお、以下の説明において、(ＡｌxＧａ1-x)yＩｎ1-yＰ（０＜＝ｘ＜１，０＜ｙ＜＝１）層を、簡単化してＡｌＩｎＧａＰ層と表示し、ｘ＝０に相当するＧａyＩｎ1-yＰ（０＜ｙ＜＝１）層を、簡単化してＩｎＧａＰ層と表示する。
【００１７】
（第１の実施の形態）
本発明の第１の実施の形態に係る半導体発光素子の模式的断面構造は、図１に示すように、基板１０と、基板１０上に配置されたｎ型ＡｌＧａＩｎＰ層（第１クラッド層）１２と、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰ層（第１クラッド層）１２上に配置されたＭＱＷ層１４と、ＭＱＷ層１４上に配置されたｐ型ＡｌＧａＩｎＰ層（第２クラッド層）１６と、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰ層（第２クラッド層）１６上に配置され、ＡｌＩｎＧａＰ層で形成されたフロスト処理層３０とを備える。ｐ型ＡｌＧａＩｎＰ層１６の表面にはフロスト処理されて、凹凸形状のフロスト処理層３０が形成されている。
【００１８】
基板１０はＧａＡｓで形成され、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰ層１２およびｐ型ＡｌＧａＩｎＰ層１６は、ＡｌＩｎＧａＰ層で形成され、ＭＱＷ層１４は、ＩｎＧａＰ／ＡｌＩｎＧａＰのペアで形成されている。
【００１９】
基板１０の裏面には、裏面電極層２２が配置され、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰ層１６の表面には、表面電極層２０が配置されている。表面電極層２０および裏面電極層２２は、いずれも、例えばＡｕ層で形成されている。
【００２０】
第１の実施の形態の変形例に係る半導体発光素子の模式的断面構造は、図２に示すように、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰ層１６の表面全面にフロスト処理されて、凹凸形状のフロスト処理層３０が形成され、さらにフロスト処理層３０上には透明電極層２４を備える。透明電極層２４は、ＩＴＯなどで形成される。さらに、透明電極層２４上に、表面電極層２０が配置されている。
【００２１】
ｐ型ＡｌＧａＩｎＰ層１６の表面のフロスト処理では、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ：Reactive Ion Etching）技術によるドライフロスト処理技術を適用することができる。ＲＩＥドライフロスト処理を用いて、基板温度ＴとプラズマパワーＰ（Ｗ）の条件を求め、ＡｌＩｎＧａＰ層で形成されたｐ型ＡｌＧａＩｎＰ層１６に凹凸形状のフロスト処理層３０を形成することができる。
【００２２】
第１の実施の形態によれば、ＡｌＩｎＧａＰ層で形成されたｐ型ＡｌＧａＩｎＰ層１６の表面にＲＩＥドライフロスト処理を用いて凹凸形状を形成し、光の取り出し効率の改善された半導体発光素子を提供することができる。
【００２３】
なお、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰ層１６の構成は、クラッド層としての構成に限るものではない。ｐ型ＡｌＧａＩｎＰ層１６は、クラッド層とウィンドウ層の積層構造であっても良い。例えば、ＭＱＷ層１４が赤色発光の場合、クラッド層を(Ａｌ0.5Ｇａ0.5)0.5Ｉｎ0.5Ｐとし、ウィンドウ層を(ＡｌxＧａ1-x)0.5Ｉｎ0.5Ｐ(ｘ＞０．５)としても良い。
【００２４】
（第２の実施の形態）
第２の実施の形態に係る半導体発光素子の模式的断面構造は、図３に示すように、基板１０とｎ型ＡｌＧａＩｎＰ層１２間に、ＤＢＲ層１３を備える。その他の構成は、第１の実施の形態と同様であるため、重複説明は省略する。
【００２５】
ＤＢＲ層１３は、例えば、ＡｌＩｎＧａＰ／ＡｌＩｎＰ、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ、ＧａＡｓ／ＡｌＩｎＰの内、いずれかのペアで形成することができる。
【００２６】
第２の実施の形態の変形例に係る半導体発光素子の模式的断面構造は、図４に示すように、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰ層１６の表面全面にフロスト処理されて、凹凸形状のフロスト処理層３０が形成され、さらにフロスト処理層３０上には透明電極層２４を備える。透明電極層２４は、ＩＴＯなどで形成される。さらに、透明電極層２４上に、表面電極層２０が配置されている。
【００２７】
ｐ型ＡｌＧａＩｎＰ層１６の表面のフロスト処理では、第１の実施の形態と同様に、ＲＩＥ技術によるドライフロスト処理技術を適用することができる。ＲＩＥドライフロスト処理を用いて、基板温度ＴとプラズマパワーＰ（Ｗ）の条件を求め、ＡｌＩｎＧａＰ層で形成されたｐ型ＡｌＧａＩｎＰ層１６に凹凸形状のフロスト処理層３０を形成することができる。
【００２８】
第２の実施の形態によれば、ＡｌＩｎＧａＰ層で形成されたｐ型ＡｌＧａＩｎＰ層１６の表面にＲＩＥドライフロスト処理を用いて凹凸形状を形成し、さらに、基板１０とｎ型ＡｌＧａＩｎＰ層１２間に、ＤＢＲ層１３を備える構造によって、光の取り出し効率の改善された半導体発光素子を提供することができる。
【００２９】
（第３の実施の形態）
第３の実施の形態に係る半導体発光素子の模式的断面構造は、図５に示すように、基板１０と、基板１０上に配置される金属層１５と、金属層１５上に配置され，パターニングされた金属コンタクト層１１および絶縁層１７と、金属コンタクト層１１および絶縁層１７上に配置されるｐ型ＡｌＧａＩｎＰ層（第１クラッド層）１６と、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰ層（第１クラッド層）１６上に配置されるＭＱＷ層１４と、ＭＱＷ層１４上に配置されたｎ型ＡｌＧａＩｎＰ層（第２クラッド層）１２と、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰ層（第２クラッド層）１２上に配置され、ＡｌＩｎＧａＰ層で形成されたフロスト処理層３０とを備える。ｎ型ＡｌＧａＩｎＰ層（第２クラッド層）１２の表面にはフロスト処理されて、凹凸形状のフロスト処理層３０が形成されている。
【００３０】
基板１０はＧａＡｓで形成され、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰ層１２およびｐ型ＡｌＧａＩｎＰ層１６は、ＡｌＩｎＧａＰ層で形成され、多重量子井戸層１４は、ＩｎＧａＰ／ＡｌＩｎＧａＰのペアで形成されている。
【００３１】
基板１０の裏面には、裏面電極層２２が配置され、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰ層１２の表面には、表面電極層２０が配置されている。表面電極層２０および裏面電極層２２は、いずれも、例えばＡｕ層で形成されている。
【００３２】
第３の実施の形態の変形例に係る半導体発光素子の模式的断面構造は、図６に示すように、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰ層１２の表面全面にフロスト処理されて、凹凸形状のフロスト処理層３０が形成され、さらにフロスト処理層３０上には透明電極層２４を備える。透明電極層２４は、ＩＴＯなどで形成される。さらに、透明電極層２４上に、表面電極層２０が配置されている。
【００３３】
ｎ型ＡｌＧａＩｎＰ層１２の表面のフロスト処理では、ＲＩＥ技術によるドライフロスト処理技術を適用することができる。ＲＩＥドライフロスト処理を用いて、基板温度ＴとプラズマパワーＰ（Ｗ）の条件を求め、ＡｌＩｎＧａＰ層で形成されたｎ型ＡｌＧａＩｎＰ層１２に凹凸形状のフロスト処理層３０を形成することができる。
【００３４】
図５および図６の構造において、金属層１５は、例えばＡｕ層で形成され、例えば厚さは約２．５〜５μｍである。また、金属コンタクト層１１は、例えばＡｕＢｅ層あるいはＡｕＢｅとＮｉとの合金層などで形成され、例えば厚さは、絶縁層１７と同程度であり、約４５０ｎｍである。絶縁層１７は、例えばシリコン酸化膜、シリコン窒化膜、ＳｉＯＮ膜、ＳｉＯｘＮｙ膜、或いはこれらの多層膜などで形成される。
【００３５】
Ａｕ層からなる金属層１５は青色光、紫外光を吸収するため、このような短波長側の光を反射するためには、例えばＡｇ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｃｒ若しくはＷ層などからなる金属バッファ層を金属層１５と金属コンタクト層１１および絶縁層１７との間に備えていても良い。
【００３６】
第３の実施の形態に係る半導体発光素子は、ボンディング技術を用いて形成することができる。
【００３７】
金属層１５を用いて、ＧａＡｓ基板１０と、エピタキシャル成長層からなるＬＥＤ構造を貼り付けることにより、反射率のよい金属反射層を形成することを可能にしている。金属反射層は、金属層１５によって形成される。ＬＥＤからの放射光は、絶縁層１７と、金属層１５との界面によってミラー面が形成されるため、当該ミラー面において反射される。金属コンタクト層１１は、金属層１５とｐ型ＡｌＧａＩｎＰ層１６とのオーミックコンタクトを取るための層であり、金属層１５とｐ型ＡｌＧａＩｎＰ層１６の界面に介在し、絶縁層１７と同程度の厚さを有する。
【００３８】
金属コンタクト層１１のパターン幅が広い場合には、実質的な発光領域が制限されるため、面積効率が低下し発光効率が減少する。一方、金属コンタクト層１１のパターン幅が狭い場合には、金属コンタクト層１１の面積抵抗が増大し、ＬＥＤの順方向電圧Ｖfが上昇するため、最適なパターン幅およびパターン構造が存在する。幾つかのパターン例では、六角形を基本とするハニカムパターン構造、或いは、円形を基本とするドットパターン構造が存在する。これらのパターン形状については、第４の実施の形態に関連して、図１２よび図１３において説明する。
【００３９】
第３の実施の形態に係る半導体発光素子は、ＧａＡｓ基板１０上に配置される金属層（図示省略）、およびＬＥＤ側に配置される金属層１５をともにＡｕ層によって形成することで、ＧａＡｓ基板１０側の金属層（図示省略）とエピタキシャル成長層からなるＬＥＤ構造側の金属層１５を熱圧着によって貼り付けることができる。
【００４０】
貼付けの条件は、例えば、約２５０℃〜７００℃、望ましくは３００℃〜４００℃であり、熱圧着の圧力は、例えば、約１０ＭＰａ〜２０ＭＰａ程度である。
【００４１】
第３の実施の形態に係る半導体発光素子によれば、金属反射層となる金属層１５と、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰ層１６などの半導体層との間に透明な絶縁層１７を形成することにより、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰ層１６などの半導体層と金属層１５との接触を避け、光の吸収を防ぎ、反射率の良い金属反射層を形成することができる。
【００４２】
第３の実施の形態によれば、ＡｌＩｎＧａＰ層で形成されたｎ型ＡｌＧａＩｎＰ層１２の表面にＲＩＥドライフロスト処理を用いて凹凸形状を形成し、さらに金属層１５を用いて、反射率のよい金属反射層を形成することによって、光の取り出し効率の改善された半導体発光素子を提供することができる。
【００４３】
なお、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰ層１２の構成は、クラッド層としての構成に限るものではない。ｎ型ＡｌＧａＩｎＰ層１２は、クラッド層とウィンドウ層の積層構造であっても良い。例えば、ＭＱＷ層１４が赤色発光の場合、クラッド層を(Ａｌ0.5Ｇａ0.5)0.5Ｉｎ0.5Ｐとし、ウィンドウ層を(ＡｌxＧａ1-x)0.5Ｉｎ0.5Ｐ(ｘ＞０．５)としても良い。
【００４４】
（第４の実施の形態）
第４の実施の形態に係る半導体発光素子の模式的断面構造は、図７に示すように、表面に複数の溝部４０を形成した基板１０と、基板１０の表面，溝部４０の側壁および底面に配置された金属バッファ層４２と、金属バッファ層４２上に配置された金属層４１と、金属層４１上に配置された金属層１５と、金属層１５上に配置され、パターニングされた金属コンタクト層１１および絶縁層１７と、金属コンタクト層１１および絶縁層１７上に配置されるｐ型ＡｌＧａＩｎＰ層（第１クラッド層）１６と、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰ層（第１クラッド層）１６上に配置されるＭＱＷ層１４と、ＭＱＷ層１４上に配置されたｎ型ＡｌＧａＩｎＰ層（第２クラッド層）１２とを備える。ｎ型ＡｌＧａＩｎＰ層（第２クラッド層）１２の表面にはフロスト処理されて、凹凸形状のフロスト処理層３０が形成されている。
【００４５】
基板はＧａＡｓで形成され、第１クラッド層および第２クラッド層は、ＡｌＩｎＧａＰ層で形成され、多重量子井戸層は、ＩｎＧａＰ／ＡｌＩｎＧａＰのペアで形成されている。
【００４６】
第４の実施の形態の変形例に係る半導体発光素子の模式的断面構造は、図８に示すように、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰ層（第２クラッド層）１２の表面全面にフロスト処理されて、凹凸形状のフロスト処理層３０が形成され、さらにフロスト処理層３０上には透明電極層２４を備える。
【００４７】
ｎ型ＡｌＧａＩｎＰ層（第２クラッド層）１２の表面のフロスト処理では、ＲＩＥ技術によるドライフロスト処理技術を適用することができる。ＲＩＥドライフロスト処理を用いて、基板温度ＴとプラズマパワーＰ（Ｗ）の条件を求め、ＡｌＩｎＧａＰ層で形成されたｎ型ＡｌＧａＩｎＰ層（第２クラッド層）１２に凹凸形状のフロスト処理層３０を形成することができる。
【００４８】
図７および図８の構造において、金属層１５は、例えばＡｕ層で形成され、例えば厚さは約２．５〜５μｍ程度である。また、金属コンタクト層１１は、例えばＡｕＢｅ層あるいはＡｕＢｅとＮｉとの合金層などで形成され、例えば厚さは、絶縁層１７と同程度であり、約４５０ｎｍ程度である。絶縁層１７は、例えばシリコン酸化膜、シリコン窒化膜、ＳｉＯＮ膜、ＳｉＯｘＮｙ膜、或いはこれらの多層膜などで形成される。
【００４９】
Ａｕ層からなる金属層１５は青色光、紫外光を吸収するため、このような短波長側の光を反射するためには、例えばＡｇ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｃｒ若しくはＷ層などからなる金属バッファ層を金属層１５と金属コンタクト層１１および絶縁層１７との間に備えていても良い。
【００５０】
第４の実施の形態に係る半導体発光素子に適用されるＧａＡｓ基板１０は、図７に示すように、表面に複数の溝部４０を形成し、ＧａＡｓ基板１０の表面,溝部４０の側壁および底面上に配置されたチタン（Ｔｉ）層からなる金属バッファ層４２と、金属バッファ層４２の表面に配置されたＡｕ層からなる金属層４１を備える。
【００５１】
第４の実施の形態に係る半導体発光素子は、ＧａＡｓ基板１０と、ＬＥＤをボンディング技術によって互いに貼り付けて形成することができる。
【００５２】
ＬＥＤ構造側に配置された金属層１５によって金属反射層が形成される。ＬＥＤからの放射光は、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰ層１６と、金属層１５との界面によってミラー面が形成されるため、当該ミラー面において反射される。
【００５３】
第４の実施の形態に係る半導体発光素子は、図７に示すように、金属層４１および金属層１５をともにＡｕ層によって形成することで、ＧａＡｓ基板１０側の金属層４１とエピタキシャル成長層からなるＬＥＤ構造側の金属層１５を熱圧着によって貼り付けると共に、溝部の金属層４１と金属層１５との間には、エアギャップが存在する。
【００５４】
貼付けの条件は、例えば、約２５０℃〜７００℃、望ましくは３００℃〜４００℃であり、熱圧着の圧力は、例えば、約１０ＭＰａ〜２０ＭＰａ程度である。エアギャップを設けたことにより、金属層４１と金属層１５の接触面積は、全面を密着させる構造に比較して、減少している。上記熱圧着の圧力は、結果として、エアギャップを設けたことにより、相対的に接触面積が低下した金属層４１と金属層１５の接触面積に加圧されることになり、金属層４１と金属層１５の熱圧着時において、貼り付け強度が高くなる。したがって、ＧａＡｓ基板１０と、ＬＥＤ構造を貼り付けるに際して、エアギャップが存在することにより、ＧａＡｓ基板１０の表面に配置された金属層４１と金属層１５との密着性を良好に保つことができる。
【００５５】
第４の実施の形態に係る半導体発光素子によれば、金属層４１と金属層１５との密着性を良好に保ちつつ、ＧａＡｓ基板１０への光の吸収を防ぐために、反射層に金属を用いて光を全反射させ、ＧａＡｓ基板１０への吸収を防ぐようにしている。半導体基板の材料としては、ＧａＡｓ他に、Ｓｉなどの不透明な半導体基板材料を用いることができる。
【００５６】
（製造方法）
第４の実施の形態に係る半導体発光素子の製造方法を以下に説明する。
【００５７】
（ａ）まず、貼付け用のＧａＡｓ基板構造、および貼付け用のＬＥＤ構造を準備する。
【００５８】
まず、ＧａＡｓ基板１０の表面にＲＩＥ技術、もしくはウェットエッチング技術により、所定のピッチと幅を有するストライプ状の溝を形成する。ストライプ溝の幅は、例えば約１０μｍ，約３０μｍ，或いは約６０μｍ程度であり、ピッチは、例えば約１００μｍ，２００μｍ，４１０μｍ，１０００μｍ，或いは２０００μｍ程度である。尚、溝部４０は、ストライプ形状に限定されるものではなく、格子状、ドット状、渦巻き状、六角形パターン形状などであってもよい。また、溝部４０の深さは、ストライプの幅と同程度若しくは、浅くてもよい。上記エッチングの代りに、ＹＡＧレーザなどを用いて、レーザ光によるカッティング技術、ダイサーによるカッティング技術などを適用して、所定の深さに溝部をしてもよい。
【００５９】
（ｂ）さらに、表面に複数の溝部４０を形成したＧａＡｓ基板１０上にチタン合金からなる金属バッファ層４２およびＡｕなどからなる金属層４１をスパッタリング法、真空蒸着法などを用いて順次形成する。
【００６０】
（ｃ）ＬＥＤ構造においては、ＧａＡｓ基板（図示省略）上に分子線エピタキシャル成長法（ＭＢＥ：Molecular Beam Epitaxy）、ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法などを用いて、第２クラッド層１６、ＭＱＷ層１４および第１クラッド層１２を順次形成する。次に、第１クラッド層１２上にリフトオフ法を用いて、パターニングされた絶縁層１７に対して、金属コンタクト層１１および金属層１５を形成する。
【００６１】
（ｄ）次に、貼付け用のＧａＡｓ基板構造、および貼付け用のＬＥＤ構造を貼り付ける。貼り付け工程においては、例えばプレス機を用いて、熱圧着温度として約３４０℃程度、熱圧着の圧力として約１８ＭＰａ程度、熱圧着の時間として約１０分程度の条件で実施する。結果として、図７に示すように、溝部４０の金属層４１と金属層１５との間には、エアギャップが形成される。
【００６２】
（ｅ）次に、図７に示すように、ＧａＡｓ基板１０の裏面に対して、チタン層およびＡｕなどからなる裏面電極層２２をスパッタリング法、真空蒸着法などを用いて形成する。
【００６３】
（ｆ）次に、裏面電極層２２をレジストなどで保護した後、ＧａＡｓ基板（図示省略）をエッチングにより除去する。例えばアンモニア／過酸化水素水からなるエッチング液を用い、エッチング時間は、約６５〜８５分程度である。
【００６４】
（ｇ）次に、図７に示すように、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰ層１２上に、表面電極層２０をスパッタリング法、真空蒸着法などを用いて形成後、パターニングする。表面電極層２０のパターンは絶縁層１７のパターンに略一致させているが、金属コンタクト層１１のパターンに一致させても良い。表面電極層２０の材料としては、例えばＡｕ／ＡｕＧｅ−Ｎｉ合金／Ａｕからなる積層構造を用いることができる。
【００６５】
（ｈ）次に、ＲＩＥドライフロスト処理を実施して、表面電極層２０の直下のＡｌＩｎＧａＰ層で形成されたｎ型ＡｌＧａＩｎＰ層１２以外の、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰ層１２の表面処理を行う。ＲＩＥドライフロスト処理の条件としては、基板温度Ｔを約１５０℃〜約２５０℃、プラズマパワーＰを約２００Ｗ〜５００Ｗとする。
【００６６】
尚、金属バッファ層４２の材料としては、チタン合金の代りとして、例えばタングステン（Ｗ）バリアメタル、白金（Ｐｔ）バリアメタルなどを用いることもできる。
【００６７】
以上の説明により、図７に示すように、表面に複数の溝部４０を形成したＧａＡｓ基板１０を用いた第４の実施の形態に係る半導体発光素子が完成される。
【００６８】
また、第４の実施の形態の変形例に係る半導体発光素子の製造方法では、図８に示すように、ＲＩＥドライフロスト処理を実施して、ＡｌＩｎＧａＰ層で形成されたｎ型ＡｌＧａＩｎＰ層１２の表面処理を全面に行った後、ＩＴＯからなる透明電極層２４を形成する。さらに透明電極層２４上に、表面電極層２０を形成することによって、図８の構造を形成することができる。
【００６９】
（平面パターン構成）
第４の実施の形態に係る半導体発光素子の模式的平面パターン構成例を図９〜図１１に示す。
【００７０】
ｎ型ＡｌＧａＩｎＰ層１２は、図９に示すように、例えば、矩形の平面パターンを有し、表面電極層２０は、矩形の平面パターン上の中心部に配置された中心電極２７と、中心電極２７に接続され，中心電極２７から矩形の対角線方向に延伸する結合電極２６と、結合電極２６に接続され，かつ矩形の四隅に配置された周辺電極２５とを備える。
【００７１】
周辺電極２５は、開口部２８を有する。図９の例では、開口部２８は矩形である。
【００７２】
図１０は、第４の実施の形態に係る半導体発光素子の表面電極層の別の平面パターン構成図を示す。また、図１１は、第４の実施の形態に係る半導体発光素子の表面電極層の更に別の平面パターン構成図を示す。
【００７３】
図１０に示すように、開口部２８は、真円、実質的に円形であっても良く、また楕円、長円などであっても良い。
【００７４】
また、図１１に示すように、周辺電極３２は、結合電極２６に直交する部分を備えていても良い。また、周辺電極３２は、複数本配置されていても良い。また、複数本配置されている場合、周辺電極３２の長さは互いに異なっていても良い。
【００７５】
さらに、ここでは図示されていないが、周辺電極３２は、フラクタル図形の構造に配置されていても良い。
【００７６】
（金属コンタクト層１１の平面パターン構造）
第４の実施の形態に係る半導体発光素子の金属コンタクト層１１および絶縁層１７の模式的平面パターン構成例を図１２〜図１３に示す。
【００７７】
金属コンタクト層１１のパターン幅が広い場合には、実質的な発光領域が制限されるため、面積効率が低下し発光効率が減少する。一方、金属コンタクト層１１のパターン幅が狭い場合には、金属コンタクト層１１の面積抵抗が増大し、ＬＥＤの順方向電圧Ｖfが上昇する。このため、最適なパターン幅ＷおよびパターンピッチＤ１が存在する。幾つかのパターン例では、六角形を基本とするハニカムパターン構造、或いは、円形ドット形状を基本構造とする円形ドットパターン構造が存在する。
【００７８】
第４の実施の形態に係る半導体発光素子に適用される金属コンタクト層１１の模式的平面パターン構造は、例えば図１２に示すように、六角形を基本構造とするハニカムパターン構造を有する。図１２において、パターン幅Ｗで示される形状部分が図７における例えばＡｕＢｅ層あるいはＡｕＢｅとＮｉとの合金層などで形成される金属コンタクト層１１のパターンを示し、幅Ｄ１を有する六角形パターンは、絶縁層１７の部分に相当し、ＬＥＤからの放射光が導光する領域を表す。幅Ｄ１は、例えば約１００μｍ程度であり、パターン幅Ｗは、約５μｍ〜約１１μｍ程度である。
【００７９】
第４の実施の形態に係る半導体発光素子に適用される金属コンタクト層１１の別の模式的平面パターン構造は、例えば図１３に示すように、円形を基本とするドットパターン構造を有する。図１３において、幅ｄで示される形状部分が図７における例えばＡｕＢｅ層あるいはＡｕＢｅとＮｉとの合金層などで形成される金属コンタクト層１１のパターンを示し、幅Ｄ２を有するパターンピッチで配置されている。図１３において、幅ｄ、パターンピッチＤ２を有する円形のパターン部分以外の領域が、絶縁層１７の部分に相当し、ＬＥＤからの放射光が導光する領域を表す。パターンピッチＤ２は、例えば約１００μｍ程度であり、幅ｄは、約５μｍ〜約１１μｍ程度である。
【００８０】
また、本発明の第４の実施の形態に係る半導体発光素子に適用される金属コンタクト層１１の模式的平面パターン構造は、六角形ハニカムパターン、円形ドットパターンに限定されるものではなく、三角形パターン、矩形パターン、六角形パターン、八角形パターン、円形ドットパターンなどをランダムに配置するランダムパターンを適用することもできる。
【００８１】
本発明の第４の実施の形態に係る半導体発光素子に適用される金属コンタクト層１１の模式的平面パターン構造は、導光領域の面積を確保してＬＥＤからの発光輝度を低下させず、かつをＬＥＤの順方向電圧Ｖfが上昇しない程度の金属配線パターン幅を確保できればよい。
【００８２】
第４の実施の形態に係る半導体発光素子において、素子面積０．３８ｍｍ角のサンプルを試作した結果の光出力強度Ｐｏ（Ｗ）と順方向電流ＩF(ｍＡ)の発光特性は、図１４に示すように、ドライフロスト処理前後において、約２５％向上している。ＡｌＩｎＧａＰ層で形成された第２クラッド層１６にドライフロスト処理を実施することによって、凹凸形状のフロスト処理層３０を形成し、光の屈折効果を高め、光の取り出し効率を上昇することができる。
【００８３】
（ドライフロスト処理条件）
第４の実施の形態に係る半導体発光素子において、ドライフロスト処理時の基板温度Ｔ（℃）と光度上昇率Ｒ（％）との関係は、図１５に示すように表される。基板温度Ｔが１５０℃〜２５０℃の範囲内で、光度上昇率Ｒが向上しており、特に基板温度Ｔが約２００℃において、Ｒ＝５０％が得られている。
【００８４】
図１５において、基板温度Ｔ＝２００℃のときの第４の実施の形態に係る半導体発光素子の表面ＳＥＭ写真は、図１６に示すように表され、デバイス表面において、数１００ｎｍ程度の凹凸形状を有するフロスト処理層が得られている。
【００８５】
第４の実施の形態に係る半導体発光素子において、ドライフロスト処理時のプラズマパワーＰ（Ｗ）と光度上昇率Ｒ（％）との関係は、図１７に示すように表される。動作点Ａでは、プラズマパワーＰ＝２００Ｗにおいて、光度上昇率Ｒ＝３０％、動作点Ｂでは、プラズマパワーＰ＝３００Ｗにおいて、光度上昇率Ｒ＝４０％、動作点Ｃでは、プラズマパワーＰ＝４００Ｗにおいて、光度上昇率Ｒ＝５０％、動作点Ｄでは、プラズマパワーＰ＝５００Ｗにおいて、光度上昇率Ｒ＝２０％が得られている。プラズマパワーＰ＝４００Ｗにおいて、ピーク値が得られている。なお、ＲＩＥドライフロスト処理におけるエッチングガスとしては、例えば、塩素系のガス、例えば、Ｃｌ2、ＳｉＣｌ4などを用いることができる。
【００８６】
図１７において、動作点Ａ〜Ｄに対応する半導体発光素子の表面ＳＥＭ写真は、それぞれ図１８（ａ）〜図１８（ｄ）に示すように表される。
【００８７】
基板温度Ｔが２５０℃の高温の場合には、プラズマパワーＰを２００Ｗ〜５００Ｗに変化しても、ＲＩＥドライフロスト処理において、ＡｌＩｎＧａＰ層で形成された第２クラッド層１６は、ほぼ等方エッチングされ、凹凸形状を得ることが難しい。また、基板温度Ｔが１５０℃の低温の場合には、プラズマパワーＰを２００Ｗ〜５００Ｗに変化しても、ＲＩＥドライフロスト処理において、ＡｌＩｎＧａＰ層で形成されたｎ型ＡｌＧａＩｎＰ層１２は、エッチングされない。
【００８８】
一方、基板温度Ｔが２００℃の程度の温度の場合には、プラズマパワーＰを２００Ｗ〜５００Ｗに変化すると、ＲＩＥドライフロスト処理において、ＡｌＩｎＧａＰ層で形成されたｎ型ＡｌＧａＩｎＰ層１２には、凹凸形状を得ることができる。
【００８９】
第４の実施の形態によれば、ＡｌＩｎＧａＰ層で形成されたｎ型ＡｌＧａＩｎＰ層１２の表面にＲＩＥドライフロスト処理を用いて凹凸形状を形成し、さらにボンディング技術を用いてＧａＡｓ基板構造とＬＥＤ構造の密着性を良好に保ちつつ貼り付けることができ、かつＧａＡｓ基板への光の吸収を防ぐために、反射層に金属を用いて光を全反射させ、ＧａＡｓ基板への吸収を防ぎ、あらゆる角度の光を反射することが可能になるので、光の取り出し効率の改善された半導体発光素子を提供することができる。
【００９０】
（その他の実施の形態）
上記のように、本発明は第１〜第４の実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述および図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例および運用技術が明らかとなろう。
【００９１】
第１〜第２の実施の形態においては、基板１０および第１クラッド層１２の導電型をｎ型とし、第２クラッド層１６の導電型をｐ型とする例が開示されているが、これらの導電型を反対にしても良い。
【００９２】
また、第３〜第４の実施の形態においては、基板１０および第１クラッド層１６の導電型をｐ型とし、第２クラッド層１２の導電型をｎ型とする例が開示されているが、これらの導電型を反対にしても良い。
【００９３】
また、第２、第４の実施の形態においても、第１、第３の実施の形態と同様に、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰ層１６、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰ層１２をクラッド層とウィンドウ層の積層構造としても良い。
【００９４】
第１〜第４の実施の形態においては、基板１０として、主として、ＧａＡｓ基板を適用する例が開示されているが、シリコン基板、ＳｉＣ基板、ＧａＰ基板、サファイア基板などを適用することも可能である。
【００９５】
第１クラッド層１２および第２クラッド層１６は、例えばＡｌＧａＡｓ層によって形成され、ＭＱＷ層１４は、例えばＧａＡｓ／ＧａＡｌＡｓ層からなるヘテロ接合ペアを積層して形成しても良い。
【００９６】
このように、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。
【産業上の利用可能性】
【００９７】
本発明の半導体発光素子およびその製造方法は、ＧａＡｓ基板、Ｓｉ基板等の不透明基板を有するＬＥＤ素子,ＬＤ素子等の半導体発光素子全般に利用可能である。
【符号の説明】
【００９８】
１０…基板
１１…金属コンタクト層（ＡｕＢｅ−Ｎｉ合金）
１２、１６…クラッド層
１３…分布ブラック反射（ＤＢＲ）層
１４…多重量子井戸（ＭＱＷ）層
１５、４１…金属層（Ａｕ層）
１７…絶縁層
２０…表面電極層
２２…裏面電極層
２４…透明電極層
２５、３２…周辺電極
２６…結合電極
２７…中心電極
２８…開口部
３０…フロスト処理層
４０…溝部
４２…金属バッファ層（Ｔｉ合金）
【図１】
2010251531.tif 000003
【図２】
2010251531.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
2010251531.tif 000007
【図６】
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【図７】
2010251531.tif 000009
【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
2010251531.tif 000016
【図１５】
2010251531.tif 000017
【図１７】
2010251531.tif 000018
【図１６】
2010251531.tif 000019
【図１８】
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