(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の半導体基板上に、この第１の半導体基板と格子整合する１又は複数の第１の半導体層を形成する工程と、
前記第１の半導体層に、前記第１の半導体層に対して格子不整合であり可視光の透過性を有する第２の半導体基板を、加熱処理を行って接着する工程と、
前記第１の半導体基板を除去する工程と、
前記第２の半導体基板上において、前記第１の半導体層の前記第１の半導体基板を除去した面に、前記第１の半導体層と格子整合するが、前記第２の半導体基板とは格子不整合な、１又は複数の第２の半導体層を形成する工程と、
を備えることを特徴とする半導体素子の製造方法。
【請求項２】
前記第１の半導体基板の材料がＧａＡｓであり、
前記第２の半導体基板の材料がＧａＰであり、
前記第１の半導体層は、エピタキシャル成長により形成され、
前記第２の半導体層も、エピタキシャル成長により形成される、
ことを特徴とする請求項１に記載の半導体素子の製造方法。
【請求項３】
ＧａＡｓ基板上に、このＧａＡｓ基板と格子整合する１又は複数のＩｎＧａＡｌＰ系のバッファー層を形成する工程と、
前記バッファー層に、前記バッファー層に対して格子不整合であるＧａＰ基板を、加熱処理を行って接着する工程と、
前記ＧａＡｓ基板を除去する工程と、
前記ＧａＰ基板上において、前記バッファー層の前記ＧａＡｓ基板を除去した面に、ＩｎＧａＡｌＰ系の活性層とＩｎＡｌＰ系又はＩｎＧａＡｌＰ系のクラッド層とを含むダブルへテロ構造の発光層であって、前記バッファ層と格子整合するが、ＧａＰ基板とは格子不整合な、発光層を形成する工程と、
を備えることを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
【請求項４】
前記バッファー層は、エピタキシャル成長により形成され、
前記発光層もエピタキシャル成長により形成される、
ことを特徴とする請求項３に記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項５】
前記ＧａＰ基板はｎ型のＧａＰ基板である、ことを特徴とする請求項３又は請求項４に記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項６】
前記ＧａＰ基板を前記バッファー層に接着する前に、前記ＧａＰ基板上に、このＧａＰ基板と格子整合する接着層を形成し、この接着層を前記前記バッファー層と接着する、ことを特徴とする請求項３乃至請求項５のいずれかに記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項７】
前記バッファー層のＡｌ組成比が、前記ＩｎＧａＡｌＰ系の活性層のＡｌ組成比より大きい、ことを特徴とする請求項３乃至請求項６のいずれかに記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項８】
前記ＩｎＡｌＰ又はＩｎＧａＡｌＰ系クラッド層におけるｐ型の不純物として、Ｚｎを用いたことを特徴とする請求項３乃至請求項７のいずれかに記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項９】
前記バッファー層に前記ＧａＰ基板を接着する工程では、７００℃以上の温度での加熱処理を行う、ことを特徴とする請求項３乃至請求項８のいずれかに記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項１０】
前記ＧａＡｓ基板の面方位を（１、０、０）面から［０、０、１］方向に、７°以上１６°以下の範囲で傾斜した、ことを特徴とする請求項３乃至請求項９のいずれかに記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項１１】
前記発光層上に透明電極を形成する工程を、
さらに備えることを特徴とする請求項３乃至請求項１０のいずれかに記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項１２】
前記発光層上にＧａＡｌＰ系またはＧａＰ系からなる電流拡散層を形成する工程を、
さらに備えることを特徴とする請求項３乃至請求項１０のいずれかに記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項１３】
前記ＩｎＧａＡｌＰ系の活性層が多重量子井戸構造である、
ことを特徴とする請求項３乃至請求項１２に記載の半導体発光素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体素子の製造方法および半導体発光素子の製造方法に関し、特に光の発光効率の良好な半導体発光素子の製造方法、広くは半導体の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のＩｎＧａＡｌＰ系半導体発光ダイオード（ＬＥＤ）の断面図を図１５に示す。図１５に示されるように従来のＩｎＧａＡｌＰ系半導体発光ダイオードはｎ型ＧａＡｓ基板１０上にｎ型ＧａＡｓバッファー層１２が形成されており、このｎ型ＧａＡｓバッファー層１２上にｎ型ＩｎＡｌＰクラッド層１４が形成されており、このｎ型ＩｎＡｌＰクラッド層１４上にＩｎＧａＡｌＰ活性層１６が形成されており、このＩｎＧａＡｌＰ活性層１６上にｐ型ＩｎＡｌＰクラッド層１８が形成されている。これらｎ型ＩｎＡｌＰクラッド層１４とＩｎＧａＡｌＰ活性層１６とｐ型ＩｎＡｌＰクラッド層１８とで、発光部２０が構成される。
【０００３】
さらに、ｐ型ＩｎＡｌＰクラッド層１８上にｐ型ＧａＰ電流拡散層２２が形成され、このｐ型ＧａＰ電流拡散層２２の上に上部電極２４が形成され、上述したｎ型ＧａＡｓ基板１０の下面に下部電極２６が形成されている。上部電極２４と下部電極２６との間に電圧を印加するとＩｎＧａＡｌＰ活性層１６が可視光を発光し、この可視光がｐ型ＩｎＡｌＰクラッド層１８およびｐ型ＧａＰ電流拡散層２２を透過して、上部開口部２８より半導体発光ダイオードの外部に放射される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の半導体発光ダイオードではＧａＡｓ基板が可視光を透過しないため、ＩｎＧａＡｌＰ活性層１６からｎ型ＧａＡｓ基板１０に向かった可視光はｎ型ＧａＡｓ基板１０によって吸収される。このため、従来の半導体発光ダイオードでは発光した可視光の一部しか外部に放射されず、光の発光効率が低いという問題があった。
【０００５】
そこで、本発明は、前記課題に鑑みてなされたものであり、光の発光効率の良好な半導体発光素子を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明に係る半導体素子の製造方法は、第１の半導体基板上に、この第１の半導体基板と格子整合する１又は複数の第１の半導体層を形成する工程と、前記第１の半導体層に、前記第１の半導体層に対して格子不整合であり可視光の透過性を有する第２の半導体基板を、加熱処理を行って接着する工程と、前記第１の半導体基板を除去する工程と、前記第２の半導体基板上において、前記第１の半導体層の前記第１の半導体基板を除去した面に、前記第１の半導体層と格子整合するが、前記第２の半導体基板とは格子不整合な、１又は複数の第２の半導体層を形成する工程と、を備えることを特徴とする。
【０００７】
また、本発明に係る半導体素子の製造方法は、ＧａＡｓ基板上に、このＧａＡｓ基板と格子整合する１又は複数のＩｎＧａＡｌＰ系のバッファー層を形成する工程と、前記バッファー層に、前記ＧａＡｓ基板と格子不整合であるＧａＰ基板を、加熱処理を行って接着する工程と、前記ＧａＡｓ基板を除去する工程と、前記ＧａＰ基板上において、前記バッファー層の前記ＧａＡｓ基板を除去した面に、ＩｎＧａＡｌＰ系の活性層とＩｎＡｌＰ系又はＩｎＧａＡｌＰ系のクラッド層とを含むダブルへテロ構造の発光層を形成する工程であって、前記発光層はＧａＰ基板とは格子不整合するが、前記バッファ層とは格子整合する工程と、を備えることを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
【０００８】
【発明の実施の形態】
〔第１実施形態〕
本発明の前提となる技術の一例である第１の実施形態は、ＧａＰ基板上にＩｎＧａＡｌＰ活性層とＩｎＡｌＰクラッド層からなるダブルへテロ構造の発光部が接着されたことにより、光の発光効率を向上したものである。以下、詳細に説明する。
【０００９】
第１の実施形態に係る半導体発光素子の断面図を図１に示す。図１に示されるように、ｎ型ＧａＰ基板３０上に、ｎ型ＩｎＡｌＰクラッド層１４、ＩｎＧａＡｌＰ活性層１６、ｐ型ＩｎＡｌＰクラッド層１８が順に層をなしたダブルへテロ構造の発光部２０が接着されている。この発光部２０上には、ｐ型ＧａＰ電流拡散層２２が形成されている。そして、ｐ型ＧａＰ電流拡散層２２の上面中心付近に上部電極２４が形成され、ｎ型ＧａＰ基板３０の下面の中心から外れた箇所に上部電極２４が形成されている。ｐ型ＧａＰ電流拡散層２２の上面のうち上部電極２４が形成されていない部分は上部開口部２８をなし、ｎ型ＧａＰ基板３０の下面のうち下部電極２６が形成されていない部分は下部開口部３２をなしている。
【００１０】
ｎ型ＧａＰ基板３０は可視光を透過する性質がある。このため、ＩｎＧａＡｌＰ活性層１６から発光した可視光の一部はｎ型ＩｎＡｌＰクラッド層１４およびｎ型ＧａＰ基板３０を通って下部開口部３２から図１下方へ放射される。その結果、ＩｎＧａＡｌＰ活性層１６からの発光は図１上方および下方、そして前後左右と全ての方向に放射されることになる。このため、本実施形態に係る半導体発光素子は従来の半導体発光素子に比べ光の発光効率が約２倍程度に向上する。従って、同じ動作電圧を印加した場合、図１５に示した従来の半導体発光素子と比べて高い発光輝度が得られることになる。
【００１１】
図２及び図３に本実施形態の半導体発光素子の製造工程を示す。図２（ａ）に示すように、ｎ型ＧａＡｓ基板１０上にｎ型ＩｎＡｌＰクラッド層１４、ＩｎＧａＡｌＰ活性層１６、ｐ型ＩｎＡｌＰクラッド層１８を順にＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法によってエピタキシャル成長させて、ダブルへテロ構造の発光部２０を形成する。
【００１２】
次に、図２（ｂ）に示すように、発光部２０上に気相成長によりｐ型ＧａＰ電流拡散層２２を形成する。続いて、図２（ｃ）に示すように、ｎ型ＧａＡｓ基板１０を機械研磨およびエッチングによって除去する。
【００１３】
次に、図３（ａ）に示すように、水素等の不活性ガス中での熱処理により、ｎ型ＩｎＡｌＰクラッド層１４をｎ型ＧａＰ基板３０上に接着する。続いて、図３（ｂ）に示すように、ｐ型ＧａＰ電流拡散層２２の上面およびｎ型ＧａＰ基板３０の下面にそれぞれ上部電極２４および下部電極２６を形成する。その後、チップ状に切り離すことにより、半導体発光素子が得られる。
【００１４】
ここで、ｐ型ＩｎＡｌＰクラッド層１８のｐ型不純物にＺｎ（亜鉛）を用いた場合における半導体発光素子の製造工程中の熱処理温度と半導体発光素子の特性との関係の一例を図４に示す。図４の横軸は図３（ａ）で接着を行う際の熱処理温度を表し、図左側の縦軸は図１５に示した従来の半導体発光素子の光出力に対する相対値を、図右側の縦軸は半導体発光素子の動作電圧を表している。また、図４のラインＡは熱処理温度と光出力の関係を、ラインＢは熱処理温度と動作電圧の関係を示している。これから光出力を高く保つには熱処理温度をある程度以下の値に保つべきこと、一方動作電圧を低く保つには熱処理温度をある程度以上高く保つべきことが判る。その結果、光出力を高く、しかも動作電圧を低く保つには、熱処理温度が図４に示した８００℃前後の最適範囲、例えば７７０℃から８３０℃程度の範囲、が好ましいことが判る。
【００１５】
ここで、熱処理温度の増加と共に光出力が低下するのは、ｐ型ＩｎＡｌＰクラッド層１８のｐ型不純物であるＺｎがＩｎＧａＡｌＰ活性層１６に拡散してＩｎＧａＡｌＰ活性層１６の結晶性を悪化することによると考えられる。また、熱処理温度の低下と共に動作電圧が上昇するのはｎ型ＩｎＡｌＰクラッド層１４とｎ型ＧａＰ基板３０の接着界面に良好なオーミック接触が得られなくなってくることに起因すると考えられる。
【００１６】
以上のように本実施形態においては、ｎ型ＩｎＡｌＰクラッド層１４、ＩｎＧａＡｌＰ活性層１６およびｐ型ＩｎＡｌＰクラッド層１８からなるダブルへテロ構造の発光部２０をｎ型ＧａＰ基板３０に接着することで、高い光放射率を有する半導体発光素子が得られる。
【００１７】
図５は、代表的な色である赤色と黄色の本実施形態に係る半導体発光素子と従来の半導体発光素子の発光効率を表にまとめて示す図である。この図５の例に示すように、本実施形態における半導体発光素子によれば従来の半導体発光素子と比べて、赤色については約１．９倍、黄色については約１．４倍、発光効率が向上する。
【００１８】
また、ｐ型ＩｎＡｌＰクラッド層１８のｐ型不純物にＺｎを用いる場合には、ｎ型ＩｎＡｌＰクラッド層１４にｎ型ＧａＰ基板３０を接着の際の熱処理温度を８００℃程度に保つのが好ましい。
〔第２実施形態〕
第１の実施形態においてｐ型ＩｎＡｌＰクラッド層１８のｐ型不純物にＺｎを用いる場合には、熱処理温度に対するオーミックコンタクトと光出力の関係が逆の傾向なので、可視光に対して透明なＧａＰ基板使ったことによる光出力の向上効果が十分には発揮されないおそれがある。また、熱処理の際に適正な温度範囲が８００℃前後の非常に狭い範囲にあるため、高い歩留まりで半導体発光素子を安定して生産しにくいという問題がある。第２実施形態はこの点を改良したものである。
【００１９】
本発明の第２実施形態においては、ＧａＰ基板上にＧａＡｓ基板に格子整合されたＩｎＧａＡｌＰバッファー層が接着されたことにより、光の発光効率を向上すると共に、接着後に発光部を形成できるようにして接着工程によって発光部の特性が劣化することのないようにしている。以下、詳細に説明する。
【００２０】
図６は本発明の第２の実施形態に係る半導体発光素子を表す断面図である。図６に示されるように、厚さ２５０μｍのｎ型ＧａＰ基板３０上に、厚さ０．５μｍのｎ型ＩｎＧａＡｌＰバッファー層３４が接着されている。このｎ型ＩｎＧａＡｌＰバッファー層３４上には、厚さ０．６μｍのｎ型ＩｎＡｌＰクラッド層１４、厚さ０．６μｍのＩｎＧａＡｌＰ活性層１６および厚さ０．６μｍのｐ型ＩｎＡｌＰクラッド層１８からなる発光部２０が形成されている。
【００２１】
この発光部２０上には、厚さ０．１μｍのｐ型ＧａＡｌＡｓ中間ギャップ層３６、厚さ０．０５μｍのｐ＋型ＧａＡｓコンタクト層３８が形成され、このｐ＋型ＧａＡｓコンタクト層３８上の中央付近に、電流ブロック層４０が形成されている。ｐ＋型ＧａＡｓコンタクト層３８および電流ブロック層４０上にはＩＴＯ透明電極４２が形成されている。そして、ＩＴＯ透明電極４２の上面中央付近の電流ブロック層４０に対応する位置には上部電極２４が、ｎ型ＧａＰ基板３０の下面の中心から外れた箇所に下部電極２６が形成されている。ＩＴＯ透明電極４２の上面のうち上部電極２４が形成されていない部分は上部開口部２８をなし、ｎ型ＧａＰ基板３０の下面のうち下部電極２６が形成されていない部分は下部開口部３２をなしている。
【００２２】
ｎ型ＧａＰ基板３０は可視光を透過するため、ＩｎＧａＡｌＰ活性層１６から発光された可視光は、上部開口部２８より図上方に放射される他に、ｎ型ＩｎＡｌＰクラッド層１４、ｎ型ＩｎＧａＡｌＰバッファー層３４およびｎ型ＧａＰ基板３０を通って下部開口部３２から図下方へも放射される。その結果、ＩｎＧａＡｌＰ活性層１６からの発光は図６における上下左右の全ての方向に放射されることになる。このため、本実施形態に係る半導体発光素子は従来の半導体発光素子に比べ光の発光効率が２〜３倍に向上し、従って同じ動作電圧を印加した場合に２〜３倍の発光輝度が得られることになる。
【００２３】
図７及び図８は本実施形態に係る半導体発光素子を製造する工程を表す図である。図７（ａ）に示すように、厚さ２５０μｍのｎ型ＧａＡｓ基板１０上に、厚さ０．５μｍのｎ型ＧａＡｓバッファー層４４と厚さ０．５μｍのｎ型ＩｎＧａＡｌＰバッファー層３４とを、ＭＯＣＶＤ法でエピタキシャル成長することにより形成する。この結果、ｎ型ＧａＡｓバッファー層４４とｎ型ＩｎＧａＡｌＰバッファー層３４とは、ｎ型ＧａＡｓ基板１０に格子整合されて形成されることになる。これらｎ型ＧａＡｓバッファー層４４とｎ型ＩｎＧａＡｌＰバッファー層３４とを形成する際には、ｎ型ＧａＡｓ基板１０の面方位を（１、０、０）面から〔０１１〕方向に７°以上１６°以下の範囲で傾斜することにより、発光部２０の発光特性を向上させている。
【００２４】
次に、図７（ｂ）に示すように、水素等の不活性ガス雰囲気中で熱処理することで、ｎ型ＩｎＧａＡｌＰバッファー層３４上にｎ型ＧａＰ基板３０を接着する。熱処理温度は７００℃以上、好ましくは８００℃程度以上であれば良く、８５０℃程度がオーミック接触を確実にして歩留まりの向上を図る点でさらに好ましい。
【００２５】
次に、図７（ｃ）に示すように、ｎ型ＧａＡｓ基板１０とｎ型ＧａＡｓバッファー層４４を機械研磨とエッチングを用いて除去する。そしてこれを反転すると、ｎ型ＧａＰ基板３０上にｎ型ＩｎＧａＡｌＰバッファー層３４が接着されたものが作成される。
【００２６】
次に、図８（ａ）に示すように、ｎ型ＩｎＧａＡｌＰバッファー層３４上にＭＯＣＶＤ法により厚さ０．６μｍのｎ型ＩｎＡｌＰクラッド層１４、厚さ０．６μｍのＩｎＧａＡｌＰ活性層１６、厚さ０．６μｍのｐ型ＩｎＡｌＰクラッド層１８を順次エピタキシャル成長させて、発光部２０を形成する。この発光部２０の形成に際しては、ｎ型ＩｎＧａＡｌＰバッファー層３４のＡｌの組成比が、ＩｎＧａＡｌＰ活性層１６のＡｌの組成比よりも大きくなるようにして、ＩｎＧａＡｌＰ活性層１６からの発光光がｎ型ＩｎＧａＡｌＰバッファー層３４を透過するようにしている。
【００２７】
次に、発光部２０上に、ＭＯＣＶＤ法により、厚さ０．１μｍのｐ型ＧａＡｌＡｓ中間ギャップ層３６、厚さ０．０５μｍのｐ＋型ＧａＡｓコンタクト層３８、電流ブロック層４０を順次エピタキシャル成長により形成する。
【００２８】
このように、ｎ型ＧａＡｓ基板１０に対して格子整合されたｎ型ＩｎＧａＡｌＰバッファー層３４上にｎ型ＩｎＡｌＰクラッド層１４とＩｎＧａＡｌＰ活性層１６とｐ型ＩｎＡｌＰクラッド層１８（発光部２０）を形成するために、格子不整合がほとんどない高品質なエピタキシャル成長が行える。この結果、高品質な発光部２０の形成が可能である。これに対して、ｎ型ＧａＰ基板３０上に直接高品質な発光層２０をエピタキシャル成長させるのは、ｎ型ＧａＰ基板３０とＩｎＧａＡｌＰ活性層１６等との格子不整合が大きいため困難である。
【００２９】
次に、図８（ｂ）に示すように、ＰＥＰ（Photo Engraving Process）工程により電流ブロック層４０のパターニングを行った後、スパッタリング法でＩＴＯ透明電極４２を形成する。
【００３０】
次に、図８（ｃ）に示すように、ＩＴＯ透明電極４２の上面に上部電極２４を形成し、ｎ型ＧａＰ基板３０の下面に下部電極２６を形成する。その後、チップ状に切り離し、素子を形成する。
【００３１】
ここで、ＭＯＣＶＤ法の適用にあたっては原料としてＴＭＧ（トリメチルガリウム）、ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）、ＴＭＩ（トリメチルインジウム）等の有機金属やアルシン、ホスフィン等の水素化物ガスを用い、約７００℃程度で結晶成長（エピタキシャル成長）が行われる。
【００３２】
ｐ型ＩｎＡｌＰクラッド層１８、ｐ型ＧａＡｌＡｓ中間ギャップ層３６、ｐ＋型ＧａＡｓコンタクト層３８の形成にあたっては、ｐ型の不純物として亜鉛（Ｚｎ）、炭素（Ｃ）又はマグネシウム（Ｍｇ）をドープする。亜鉛（Ｚｎ）、炭素（Ｃ）、マグネシウム（Ｍｇ）の各不純物の原料には、それぞれ、ジメチル亜鉛（ＤＭＺ）、四臭化炭素（ＣＢｒ４）、ビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ２Ｍｇ）を用いる。
【００３３】
また、ｎ型ＩｎＧａＡｌＰバッファー層３４、ｎ型ＩｎＡｌＰクラッド層１４の形成にあたっては、ｎ型の不純物としてシリコン（Ｓｉ）をドープする。シリコン（Ｓｉ）の不純物の原料には、シラン（ＳｉＨ４）を用いる。
【００３４】
ＩｎＧａＡｌＰ活性層１６の組成は、発光波長を、例えば、赤色、橙色、黄色、黄緑色、緑色となるように定めることができる。
【００３５】
以上のように、本実施形態に係る半導体発光素子の製造工程においては、図７（ｂ）の接着工程の後に図８（ａ）の発光部２０の形成工程が行われていることから、ｐ型ＩｎＡｌＰクラッド層１８のｐ型不純物にＺｎを用いる場合においても、接着工程における熱処理によって発光部２０の特性が劣化することがない。従って、図７（ｂ）に示す接着工程の熱処理温度を高くしてもても、光出力に悪影響を及ぼさないようにすることができる。このため、ｎ型ＩｎＧａＡｌＰバッファー層３４とｎ型ＧａＰ基板３０界面のオーミック接触が確実にとれる温度まで熱処理温度を高くすることができる。熱処理温度は７００℃以上、好ましくは８００℃程度以上であれば良く、８５０℃程度がオーミック接触を確実にして歩留まりの向上を図る点でさらに好ましい。
【００３６】
さらに、本実施形態では、ｎ型ＧａＰ基板３０上にｎ型ＧａＡｓ基板１０に格子整合されたｎ型ＩｎＧａＡｌＰバッファー層３４が接着され、ｎ型ＩｎＧａＡｌＰバッファー層３４上にｎ型ＩｎＡｌＰクラッド層１４、ＩｎＧａＡｌＰ活性層１６、ｐ型ＩｎＡｌＰクラッド層１８からなるダブルへテロ構造の発光部２０が形成されている。ｎ型ＧａＰ基板３０が可視光を透過するため、可視光に対して高い光放射率を有する半導体発光素子を得ることができる。
【００３７】
また、本実施形態では、ｎ型ＧａＡｓ基板１０に格子整合されたｎ型ＩｎＧａＡｌＰバッファー層３４を形成することとしたので、ｎ型ＧａＡｓ基板１０を除去しｎ型ＩｎＧａＡｌＰバッファー層３４とｎ型ＧａＰ基板３０を接着した後に、ｎ型ＩｎＧａＡｌＰバッファー層３４上に、格子不整合が極めて少ないｎ型ＩｎＡｌＰクラッド層１４、ＩｎＧａＡｌＰ活性層１６、ｐ型ＩｎＡｌＰクラッド層１８を形成することができる。
【００３８】
〔第３実施形態〕
本発明の第３実施形態において、ＧａＰ基板上にＧａＰ接着層が形成され、ＧａＰ接着層上に、ＧａＡｓ基板に格子整合されたＩｎＧａＡｌＰバッファー層が接着されている。このため、光の発光効率が向上する。また、ＧａＰ基板にＧａＰ接着層をＭＯＣＶＤ法により形成することによって、ＧａＰ基板とＩｎＧａＡｌＰバッファー層との間の良好なオーミックコンタクトを得るのが容易となり、製造時の歩留まりが向上する。以下、詳細に説明する。
【００３９】
本発明の第３の実施形態に係る半導体発光素子の断面図を図９に示す。図９に示されるように、厚さ２５０μｍのｎ型ＧａＰ基板３０上に厚さ１．０μｍのｎ型ＧａＰ接着層４６が形成されている。このｎ型ＧａＰ接着層４６上に厚さ０．５μｍのｎ型ＩｎＧａＡｌＰバッファー層３４が接着されている。そして、ｎ型ＩｎＧａＡｌＰバッファー層３４上に厚さ０．６μｍのｎ型ＩｎＡｌＰクラッド層１４、厚さ０．６μｍのＩｎＧａＡｌＰ活性層１６、厚さ０．６μｍのｐ型ＩｎＡｌＰクラッド層１８からなる発光部２０が形成されている。
【００４０】
この発光部２０上に、厚さ０．１μｍのｐ型ＧａＡｌＡｓ中間ギャップ層３６、厚さ０．０５μｍのｐ＋型ＧａＡｓコンタクト層３８が形成されている。さらに、ｐ＋型ＧａＡｓコンタクト層３８上中央付近に電流ブロック層４０が形成され、ｐ＋型ＧａＡｓコンタクト層３８および電流ブロック層４０上にはＩＴＯ透明電極４２が形成されている。そして、ＩＴＯ透明電極４２の上面中央付近の電流ブロック層４０に対向する位置には上部電極２４が形成され、ｎ型ＧａＰ基板３０の下面中心から外れた箇所にには下部電極２６が形成されている。ＩＴＯ透明電極４２の上面のうち上部電極２４が形成されていない部分は上部開口部２８をなし、ｎ型ＧａＰ基板３０の下面のうち下部電極２６が形成されていない部分は下部開口部３２をなしている。
【００４１】
ｎ型ＧａＰ基板３０が可視光を透過するため、ＩｎＧａＡｌＰ活性層１６からの可視光の発光は上部開口部２８より紙面上方に放射される他に、ｎ型ＩｎＡｌＰクラッド層１４、ｎ型ＩｎＧａＡｌＰバッファー層３４、ｎ型ＧａＰ接着層４６およびｎ型ＧａＰ基板３０を通って下部開口部３２から図９下方へも放射される。その結果、ＩｎＧａＡｌＰ活性層１６からの発光は図９の上方、下方、左右と全ての方向に放射されることになる。このため、本実施形態に係る半導体発光素子は従来の半導体発光素子に比べ光の発光効率が２〜３倍に向上し、従って同一の電力を注入した場合に２〜３倍の発光輝度が得られることになる。
【００４２】
上述した図５は、代表的な色である赤色と黄色の本実施形態に係る半導体発光素子と従来の半導体発光素子の発光効率を表にまとめて示す図である。この図５の例に示すように、本実施形態における半導体発光素子によれば従来の半導体発光素子と比べて、赤色については約２．５倍、黄色についても約２．５倍、発光効率が向上する。
【００４３】
次に、図１０に基づいて、本実施形態に係る半導体発光素子の製造工程を説明する。
【００４４】
まず、図１０（ａ）に示すように、厚さ２５０μｍのｎ型ＧａＡｓ基板１０上に、厚さ０．５μｍのｎ型ＧａＡｓバッファー層４４と厚さ０．５μｍのｎ型ＩｎＧａＡｌＰバッファー層３４とを形成する。この結果、ｎ型ＧａＡｓバッファー層４４とｎ型ＩｎＧａＡｌＰバッファー層３４はｎ型ＧａＡｓ基板１０に格子整合されて形成されることになる。一方、図１０（ｂ）に示すように、厚さ２５０μｍのｎ型ＧａＰ基板３０上に、厚さ１．０μｍのｎ型ＧａＰ接着層４６をＭＯＣＶＤ法により形成する。
【００４５】
次に、図１０（ｃ）に示すように、水素等の不活性ガス雰囲気中で熱処理することにより、図１０（ｂ）に示すｎ型ＧａＰ接着層４６を、（ａ）に示すｎ型ＩｎＧａＡｌＰバッファー層３４の表面に接着する。
【００４６】
次に、図１０（ｄ）に示すように、ｎ型ＧａＡｓ基板１０とｎ型ＧａＡｓバッファー層４４を機械研磨およびエッチングによって除去する。これを反転することにより、ｎ型ＧａＰ基板３０上にｎ型ＧａＰ接着層４６が形成され、このｎ型ＧａＰ接着層４６上にｎ型ＩｎＧａＡｌＰバッファー層３４が接着された基板が作成される。
【００４７】
これ以降の工程は、上述した図８（ａ）〜（ｃ）と同様であるので、その詳しい説明は省略する。
【００４８】
以上のように本実施形態においては、上述した第２実施形態と同様に、ｎ型ＧａＰ基板３０が可視光を透過するため、可視光に対して高い光放射率を有する半導体発光素子を得ることができる。また、接着工程における熱処理が発光部２０の特性に影響を及ぼすことがないため熱処理の温度範囲の制限が緩和される。
【００４９】
さらに、本実施形態に係る半導体発光素子の製造工程によれば、ｎ型ＧａＰ基板３０の接着部分に同じ材質のｎ型ＧａＰ接着層４６を形成して表面を平滑化し、また、ｎ型ＧａＰ接着層４６中のキャリア濃度もドーピングにより高くすることができるので、ｎ型ＧａＰ接着層４６とｎ型ＩｎＧａＡｌＰバッファー層３４の接着を容易に行うことができる。即ち、接着に必要な熱処理温度範囲が広く、オーミックコンタクトが形成しやすくできる。
【００５０】
〔第４実施形態〕
本発明の第４実施形態においては、ＧａＰ基板上にＧａＡｓ基板に格子整合されたＩｎＧａＡｌＰバッファー層が接着され、かつＧａＡｌＡｓ電流拡散層が上部電極と発光部の間に形成されている。このことにより、光の発光効率が向上すると共に、製造工程において接着後に発光部を形成でき、さらにＩＴＯ透明電極の形成が不要となる。以下、詳細に説明する。
【００５１】
本発明の第４の実施形態にかかる半導体発光素子の断面図を図１１に示す。図１１に示されるように、厚さ２５０μｍのｎ型ＧａＰ基板３０上に厚さ０．５μｍのｎ型ＩｎＧａＡｌＰバッファー層３４が接着され、ｎ型ＩｎＧａＡｌＰバッファー層３４上に厚さ０．６μｍのｎ型ＩｎＡｌＰクラッド層１４、厚さ０．６μｍのＩｎＧａＡｌＰ活性層１６、厚さ０．６μｍのｐ型ＩｎＡｌＰクラッド層１８からなる発光部２０が形成されている。
【００５２】
この発光部２０上には厚さ７．０μｍのｐ型ＧａＡｌＡｓ電流拡散層４８が形成され、ｐ型ＧａＡｌＡｓ電流拡散層４８上の中心付近に上部電極２４が、ｎ型ＧａＰ基板３０の下面には中心付近を避けて下部電極２６が形成されている。ｐ型ＧａＡｌＡｓ電流拡散層４８の上面のうち上部電極２４が形成されていない部分は上部開口部２８をなし、ｎ型ＧａＰ基板３０の下面のうち下部電極２６が形成されていない部分は下部開口部３２をなしている。
【００５３】
次に、図１２に基づいて、本実施形態に係る半導体発光素子の製造工程を説明する。なお、図７（ｃ）に至るまでの工程は、上述した第２実施形態とどうようであるので、その詳しい説明は省略する。
【００５４】
図１２（ａ）に示すように、図７（ｃ）のｎ型ＩｎＧａＡｌＰバッファー層３４上に、ＭＯＣＶＤ法により厚さ０．６μｍのｎ型ＩｎＡｌＰクラッド層１４、厚さ０．６μｍのＩｎＧａＡｌＰ活性層１６、厚さ０．６μｍのｐ型ＩｎＡｌＰクラッド層１８を順次エピタキシャル成長させて、発光部２０を形成する。さらに、ＭＯＣＶＤ法により発光部２０の上に、厚さ７．０μｍのｐ型ＧａＡｌＡｓ電流拡散層４８をエピタキシャル成長することにより形成する。このように、ｎ型ＧａＡｓ基板１０に対して格子整合されたｎ型ＩｎＧａＡｌＰバッファー層３４上に発光部２０を形成するために、格子不整合がほとんどない高品質なエピタキシャル成長が行え、高品質な発光部２０の形成が可能となる。
【００５５】
次に、図１２（ｂ）に示すように、ｐ型ＧａＡｌＡｓ電流拡散層４８上に上部電極２４を、ｎ型ＧａＰ基板３０の下面に下部電極２６を形成する。その後、チップ状に切り離し、素子を形成する。
【００５６】
以上のように本実施形態においては、上述した第２実施形態及び第３実施形態と同様に、ｎ型ＧａＰ基板３０が可視光を透過するため、可視光に対して高い光放射率を有する半導体発光素子を得ることができる。また、ｎ型ＩｎＧａＡｌＰバッファー層３４とｎ型ＧａＰ基板３０の接着後にｎ型ＩｎＧａＡｌＰバッファー層３４上への発光部２０の形成を行うようにしたので、接着工程における熱処理が発光部２０の特性に影響を及ぼさないようにすることができ、接着工程における熱処理の温度範囲の制限が緩和される。
【００５７】
さらに、ＭＯＣＶＤ法により、ｎ型ＩｎＡｌＰクラッド層１４と、ＩｎＧａＡｌＰ活性層１６と、ｐ型ＩｎＡｌＰクラッド層１８とに続いて、ｐ型ＧａＡｌＡｓ電流拡散層４８を連続的に形成することができるため、半導体発光素子の製造工程数を削減することができる。すなわち、本実施形態においては、ｐ型ＧａＡｌＡｓ電流拡散層４８を形成することにより、ＩＴＯ透明電極４２の形成が不要となり、上述した第２実施形態及び第３実施形態におけるＩＴＯ透明電極４２形成のためのスパッタリング工程等を省くことができる。
【００５８】
〔第５実施形態〕
上述した第４実施形態では、ｐ型ＧａＡｌＡｓ電流拡散層４８の電流拡散性能がそれほど大きくないために、素子全体への電流の広がりが例えば第２の実施形態ほど均一ではない。上部電極２４の真下に流れＩｎＧａＡｌＰ活性層１６の中央部に至った電流は、この電流による発光が上部電極２４により遮られ素子外部に放射されないために有効に使われない。このため、本発明の第４の実施形態は第２の実施形態に比して、光出力が小くなる傾向がある。第５実施形態は、この点を改良したものである。
【００５９】
本発明の第５実施形態においては、ＧａＰ基板上にＧａＡｓ基板に格子整合されたＩｎＧａＡｌＰバッファー層が接着され、かつｐ型ＧａＰ電流拡散層が上部電極と発光部の間に形成されている。このことにより、光の発光効率が向上すると共に、製造工程において接着後に発光部を形成でき、ＩＴＯ透明電極の形成が不要であり、しかも単純な構成にもかかわらず発光強度が大きい。以下、詳細に説明する。
【００６０】
本発明の第５の実施形態にかかる半導体発光素子の断面図を図１３に示す。図１３に示されるように、厚さ２５０μｍのｎ型ＧａＰ基板３０上に、厚さ０．５μｍのｎ型ＩｎＧａＡｌＰバッファー層３４が接着されている。このｎ型ＩｎＧａＡｌＰバッファー層３４上に、厚さ０．６μｍのｎ型ＩｎＡｌＰクラッド層１４、厚さ０．６μｍのＩｎＧａＡｌＰ活性層１６、厚さ０．６μｍのｐ型ＩｎＡｌＰクラッド層１８からなる発光部２０が形成されている。
【００６１】
この発光部２０上には、厚さ４０μｍのｐ型ＧａＰ電流拡散層５０が形成されている。ｐ型ＧａＰ電流拡散層５０上の中心付近に上部電極２４が形成され、ｎ型ＧａＰ基板３０の下面には中心付近を避けて下部電極２６が形成されている。ｐ型ＧａＰ電流拡散層５０の上面のうち上部電極２４が形成されていない部分は上部開口部２８をなし、ｎ型ＧａＰ基板３０の下面のうち下部電極２６が形成されていない部分は下部開口部３２をなしている。即ち、本実施形態は、上述した第４実施形態におけるｐ型ＧａＡｌＡｓ電流拡散層４８に換えて、ｐ型ＧａＰ電流拡散層５０を形成している。
【００６２】
本実施形態に係る半導体発光素子の製造工程は、上述した第４実施形態の製造工程を説明する図１２（ａ）において、ＭＯＣＶＤ法によるｐ型ＧａＡｌＡｓ電流拡散層４８の形成に換えて、気相成長法によって厚さ４０μｍのｐ型ＧａＰ電流拡散層５０を形成する。
【００６３】
以上のように本実施形態においては、上述した他の実施形態と同様に、ｎ型ＧａＰ基板３０が可視光を透過するため、可視光に対して高い光放射率を有する半導体発光素子を得ることができる。また、ｎ型ＩｎＧａＡｌＰバッファー層３４とｎ型ＧａＰ基板３０の接着後にｎ型ＩｎＧａＡｌＰバッファー層３４上への発光部２０の形成を行うため、接着工程における熱処理が発光部２０の特性に影響を及ぼさないようにすることができ、接着工程における熱処理の温度範囲の制限が緩和される。
【００６４】
さらに、ｐ型ＧａＰ電流拡散層５０の膜厚を、上述した第４実施形態のｐ型ＧａＡｌＡｓ電流拡散層５０の膜厚である７．０μｍよりも厚い、４０μｍで形成することができるので、上部電極２４から電流の広がりを上述した第２実施形態と同程度に広くすることができる。このため、上述した第４実施形態よりも高い光出力を得ることができる。
【００６５】
〔第６実施形態〕
本発明の第２実施形態においては、ＧａＰ基板上にＧａＡｓ基板に格子整合されたＩｎＧａＡｌＰバッファー層が接着され、かつ発光部に多重量子井戸構造活性層を用いている。このことにより、光の発光効率が向上すると共に、製造工程において接着後に発光部を形成でき、さらに発光効率が大きくなっている。以下、詳細に説明する。
【００６６】
本発明の第６の実施形態にかかる半導体発光素子の断面図を図１４に示す。図１４に示されるように、厚さ２５０μｍのｎ型ＧａＰ基板３０上に厚さ０．５μｍのｎ型ＩｎＧａＡｌＰバッファー層３４が接着されている。このｎ型ＩｎＧａＡｌＰバッファー層３４上には、厚さ０．６μｍのｎ型ＩｎＡｌＰクラッド層１４、厚さ０．６μｍの多重量子井戸構造活性層５２、厚さ０．６μｍのｐ型ＩｎＡｌＰクラッド層１８からなる発光部２０が形成されている。
【００６７】
この発光部２０上には厚さ０．１μｍのｐ型ＧａＡｌＡｓ中間ギャップ層３６、厚さ０．０５μｍのｐ＋型ＧａＡｓコンタクト層３８が形成され、ｐ＋型ＧａＡｓコンタクト層３８上の中央付近に電流ブロック層４０が形成されている。ｐ＋型ＧａＡｓコンタクト層３８および電流ブロック層４０上にはＩＴＯ透明電極４２が形成されている。そして、ＩＴＯ透明電極４２の上面中央付近の電流ブロック層４０に対応する位置には上部電極２４が、ｎ型ＧａＰ基板３０の下面の中心から外れた箇所に下部電極２６が形成されている。ＩＴＯ透明電極４２の上面のうち上部電極２４が形成されていない部分は上部開口部２８をなし、ｎ型ＧａＰ基板３０の下面のうち下部電極２６が形成されていない部分は下部開口部３２をなしている。即ち、本実施形態は、上述した第２実施形態におけるＩｎＧａＡｌＰ活性層１６に換えて、多重量子井戸構造活性層５２を形成している。これ以外は第２実施形態と同様の構成である。
【００６８】
本実施形態に係る半導体発光素子の製造工程は、上述した第２実施形態の製造工程を説明する図８（ａ）において、ＭＯＣＶＤ法によるＩｎＡｌＰ活性層１６の形成に換えて、多重量子井戸構造活性層５２を形成する。例えば、Ｉｎ０．５（Ｇａ１−ｘＡｌｘ）０．５ＰのＧａとＡｌの比を交互に変化させて、バンドギャップが交互に異なる井戸層と障壁層を気相成長法で積層することにより、多重量子井戸構造活性層５２を形成する。
【００６９】
以上のように本実施形態においては、上述した他の実施形態と同様に、ｎ型ＧａＰ基板３０が可視光を透過するため、可視光に対して高い光放射率を有する半導体発光素子を得ることができる。また、ｎ型ＩｎＧａＡｌＰバッファー層３４とｎ型ＧａＰ基板３０の接着後にｎ型ＩｎＧａＡｌＰバッファー層３４上へ発光部２０の形成を行うため、接着工程における熱処理が発光部２０の特性に影響を及ぼさないようにすることができ、接着工程における熱処理の温度範囲の制限が緩和される。
【００７０】
さらに、発光部２０の活性層として、多重量子井戸構造活性層５２を用いたので、上述した第２実施形態に比してより大きな光出力を得ることができる。
【００７１】
なお、本発明は上記実施形態に限定されず種々に変形可能である。例えば、半導体材料は必ずしもＧａＡｓやＧａＰ等には限られない。また、半導体発光素子に限らず受光素子、光制御素子等光を用いた半導体素子一般に適用でき、発光効率を向上できる。さらに、本発明は、半導体発光素子に限らず、一般の半導体素子に適用することもできる。
【００７２】
本発明の基本的な考え方は、第１の半導体基板上に格子整合されたバッファー層を形成し、このバッファー層に第２の半導体基板を接着した後に、第１の半導体基板を除去することにある。このため、第２の半導体基板上に、第１の半導体基板に格子整合されたバッファー層を得ることができる。そして、このバッファー層の材質を適宜選択しておくことにより、高品質な半導体層をエピタキシャル成長により形成することができる。
【００７３】
また、バッファー層に第２の半導体基板を接着した後に、このバッファー層上に半導体層を形成することとしたので、半導体層の特性が接着工程における熱処理によって劣化することを回避することができる。
【００７４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る半導体素子の製造方法によれば、第１の半導体基板上に形成した第１の半導体層に第２の半導体基板を接着した後に、第１の半導体基板を除去し、この第１の半導体基板を除去した第１の半導体層の面に第２の半導体層を形成することとしたので、第１の半導体層に第２の半導体基板を接着する際の熱処理による影響を第２の半導体層に及ぼさないようにすることができる。
【００７５】
また、本発明に係る半導体発光素子の製造方法によれば、ＧａＡｓ基板上に形成したＩｎＧａＡｌＰ系のバッファー層にＧａＰ基板を接着した後に、ＧａＡｓ基板を除去し、このＧａＡｓ基板を除去したバッファー層の面に発光層を形成することとしたので、バッファー層にＧａＰ基板を接着する際の熱処理による影響を発光層に及ぼさないようにすることができる。このため、半導体発光素子の発光効率を良好なものにすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の前提となる技術の一例である第１実施形態に係る半導体発光素子の断面図である。
【図２】  本発明の前提となる技術の一例である第１実施形態に係る半導体発光素子の各製造工程における、半導体発光素子の断面図である（その１）。
【図３】  本発明の前提となる技術の一例である第１実施形態に係る半導体発光素子の各製造工程における、半導体発光素子の断面図である（その２）。
【図４】  本発明の前提となる技術の一例である第１実施形態に係る半導体発光素子の製造工程時の熱処理温度と光出力および動作電圧の関係を表すグラフである。
【図５】従来の半導体発光素子と第１実施形態の半導体発光素子と第３実施形態の半導体発光素子における赤色と黄色の発光効率を表にまとめて示す図である。
【図６】本発明の第２実施形態に係る半導体発光素子の断面図である。
【図７】本発明の第２実施形態に係る半導体発光素子の各製造工程における、半導体発光素子の断面図である。
【図８】本発明の第２実施形態に係る半導体発光素子の各製造工程における、半導体発光素子の断面図である。
【図９】本発明の第３実施形態に係る半導体発光素子の断面図である。
【図１０】本発明の第３実施形態に係る半導体発光素子の各製造工程の一部における、半導体発光素子の断面図である。
【図１１】本発明の第４実施形態に係る半導体発光素子の断面図である。
【図１２】本発明の第４実施形態に係る半導体発光素子の各製造工程の一部における、半導体発光素子の断面図である。
【図１３】本発明の第５実施形態に係る半導体発光素子の断面図である。
【図１４】本発明の第６実施形態に係る半導体発光素子の断面図である。
【図１５】従来の半導体発光素子の断面図である。
【符号の説明】
１０  ｎ型ＧａＡｓ基板
１２  ｎ型ＧａＡｓバッファー層
１４  ｎ型ＩｎＡｌＰクラッド層
１６  ＩｎＧａＡｌＰ活性層
１８  ｐ型ＩｎＡｌＰクラッド層
２０  発光部
２２  ｐ型ＧａＰ電流拡散層
２４  上部電極
２６  下部電極
２８  上部開口部
３０  ｎ型ＧａＰ基板
３２  下部開口部
３４  ｎ型ＩｎＧａＡｌＰバッファー層
３６  ｐ型ＧａＡｌＡｓ中間ギャップ層
３８  ｐ＋型ＧａＡｓコンタクト層
４０  電流ブロック層
４２  ＩＴＯ透明電極
４４  ｎ型ＧａＡｓバッファー層
４６  ｎ型ＧａＰ接着層
４８  ｐ型ＧａＡｌＡｓ電流拡散層
５０  ｐ型ＧａＰ電流拡散層
５２  多重量子井戸構造活性層
【図１】
0003725382.tif 000002
【図２】
0003725382.tif 000003
【図３】
0003725382.tif 000004
【図４】
0003725382.tif 000005
【図５】
0003725382.tif 000006
【図６】
0003725382.tif 000007
【図７】
0003725382.tif 000008
【図８】
0003725382.tif 000009
【図９】
0003725382.tif 000010
【図１０】
0003725382.tif 000011
【図１１】
0003725382.tif 000012
【図１２】
0003725382.tif 000013
【図１３】
0003725382.tif 000014
【図１４】
0003725382.tif 000015
【図１５】
0003725382.tif 000016