(57)【要約】【課題】  光取出し効率を向上させることが可能な半導体発光素子を提供する。【解決手段】  発光層構成部３０と、発光層構成部３０のｐ型の主面に一体的に接合し、発光層構成部３０に近い側で幅が広く遠い側で狭くなるように傾斜した外側面を有し、電流を流せる透明なｐ型ＧａＰウェーハ１１と、ｐ型ＧａＰウェーハ１１の発光層構成部３０に接合した面とは異なる面に配設されたｐ側電極４１と、発光層構成部３０のｎ型の主面に一体的に接合し、発光層構成部３０に近い側で幅が広く遠い側で狭くなるように傾斜した外側面を有し、電流を流せる透明なｎ型ＧａＰウェーハ１２と、ｎ型ＧａＰウェーハ１２の発光層構成部３０に接合した面とは異なる面に配設されたｎ側電極４２と、ｐ型ＧａＰウェーハ１１に、ｐ側電極４１とｎ側電極４２とを介して発光層構成部３０の接合した面の中央部に集中的に電流を流すように形成された反転層２１とを備える。【選択図】  図１
2006066422.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
特定の波長で発光可能なｐｎ接合を有する発光層構成部と、
前記発光層構成部の第１導電型の主面に一体的に接合し、前記発光層構成部に近い側で幅が広く且つ前記発光層構成部から遠い側で幅が狭くなるように傾斜した外側面を有し、前記波長に実質透明な第１導電型の半導体基板と、
前記第１導電型の半導体基板の前記発光層構成部に接合した面とは異なる前記第１導電型の半導体基板の面に配設された第１導電側電極と、
前記発光層構成部の第２導電型の主面に一体的に接合し、前記発光層構成部に近い側で幅が広く且つ前記発光層構成部から遠い側で幅が狭くなるように傾斜した外側面を有し、前記波長に実質透明な第２導電型の半導体基板と、
前記第２導電型の半導体基板の前記発光層構成部に接合した面とは異なる前記第２導電型の半導体基板の面に配設された第２導電側電極とを備え、
前記第１導電型及び第２導電型の半導体基板の少なくとも一方には、第１導電側電極と第２導電側電極とを介して前記発光層構成部の接合した面の中央部に集中的に電流を流すように不純物が導入された半導体層が、所定の領域に選択的に形成されていることを特徴とする半導体発光素子。
【請求項２】
前記半導体層は、前記半導体層が形成される前記半導体基板の導電型とは反対の導電型を有し、前記接合した面の中央部の周囲に形成されてい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】
前記半導体層は、前記半導体層が形成される前記半導体基板の導電型と同じ導電型を有し、前記半導体基板のキャリア濃度より高いキャリア濃度を有し、且つ前記接合した面の中央部に形成されている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】
前記第１導電型の半導体基板及び前記第２導電型の半導体基板はそれぞれ略半球状をなしていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の半導体発光素子。
【請求項５】
特定の波長で発光可能なｐｎ接合を有する発光層構成部と、
前記発光層構成部の第１導電型の主面の中央部に突起部が一体的に接合し、前記発光層構成部に近い側で幅が広く且つ前記発光層構成部から遠い側で幅が狭くなるように傾斜した外側面を有し、前記波長に実質透明な第１導電型の半導体基板と、
前記第１導電型の半導体基板の前記発光層構成部に接合した面とは異なる前記第１導電型の半導体基板の面に配設された第１導電側電極と、
前記発光層構成部の第２導電型の主面に一体的に接合し、前記発光層構成部に近い側で幅が広く且つ前記発光層構成部から遠い側で幅が狭くなるように傾斜した外側面を有し、前記波長に実質透明な第２導電型の半導体基板と、
前記第２導電型の半導体基板の前記発光層構成部に接合した面とは異なる前記第２導電型の半導体基板の面に配設された第２導電側電極と、
を備えたことを特徴とする半導体発光素子。
【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、特に光取出し効率の改善を目指す半導体発光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、表示用等に幅広く応用されるＩｎＧａＡｌＰ系材料を用いた可視領域の半導体発光素子が種々提案されている。従来の半導体発光素子は、例えば、ｎ型ＧａＡｓ基板の上に、ｎ型クラッド層、活性層、ｐ型クラッド層を順次エピタキシャル成長させたＩｎＧａＡｌＰ系のダブルヘテロ構造部を形成し、ｎ型ＧａＡｓ基板下面にｎ側電極を形成し、ｐ型クラッド層上のコンタクト層にｐ側電極を設けている。
【０００３】
このダブルへテロ構造部を形成する、活性層、及びｎ型／ｐ型クラッド層のバンドギャップ及び格子定数を設計値に合わせて、最適に選ぶことによって、キャリアを閉じ込めて効率よく可視光領域内で所望の波長で発光させることができる。
【０００４】
例えば、エピタキシャル成長する活性層の組成を、Ｉｎ０．５（Ｇａ１−ＸＡｌＸ）０．５Ｐ、ｎ型／ｐ型クラッド層の組成をＩｎ０．５（Ｇａ１−ＹＡｌＹ）０．５Ｐとした時、ＸあるいはＹを適当に選択することにより、赤色帯から緑色帯の発光が得られる。
【０００５】
また、ＩｎＧａＡｌＰ系のダブルへテロ半導体発光素子には、基板の入手や格子整合の取り易さ等の関係で、最も一般的なＧａＡｓ基板が利用されている。しかしながら、ＧａＡｓのバンドギャップ波長が０．８７μｍにあるため、約０．８７μｍ以下の、いわゆる可視光の吸収係数は大きくなり、ＧａＡｓ基板を用いた可視光半導体発光素子では、発光した光の約半分がＧａＡｓ基板に吸収されて輝度が低下する。
【０００６】
ＧａＡｓ基板による発光した可視光の吸収を避けるためには、可視光に透明な材料を基板に用いればよい。一般的な透明半導体材料として、ＧａＰがある。しかしながら、ＧａＰ基板はＩｎＧａＡｌＰ系材料とは格子整合が取れないために、良好なエピタキシャル結晶を成長することが難しい。そのために、ＧａＡｓ基板上に成長したＩｎＧａＡｌＰ系エピタキシャル層とＧａＰ基板とを、ウェーハ同士で直接接着し、その後、ＧａＡｓ基板を除去してなる半導体発光素子が提案されている。
【０００７】
この半導体発光素子によれば、接着した透明なＧａＰ基板を使用することによって、発光した可視光の吸収を抑制することができるので、ＧａＡｓ基板を使用した場合に比較して輝度の低下を防ぐことができる。更に、輝度すなわち光取出し効率を高くするために、ほぼ半球状の透明なｐ型ＧａＰ接着基板と、ほぼ半球状の透明なｎ型ＧａＰ接着基板と、これらに挟まれたエピタキシャル層からなる発光ダイオード層（後述の発光層構成部に相当）とにより、全体をほぼ球状とした半導体発光素子が開示されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００８】
この開示された半導体発光素子は、発光した可視光が基板で吸収される割合はずっと少なくなり、また、外形を球状としているので球の中心付近の中央部で発光した可視光が半導体発光素子の外側に取出せる割合も大きくなると期待される。しかしながら、中心から外れた球面近くに位置する発光層で発光した光は、球面に入射する角度が９０度から大きくずれてしまう割合が増えるため、半導体発光素子の外側に取出せる光は少なくなる。すなわち、注入した電流は、球状の外形により効率よく外側に取出せる球の中央部で発光するために使用される割合は多いが、球状の外形にしても効率よく外側に取出すことが出来ない球面近傍に位置する発光層にも流れるために、注入電流に対して、輝度が十分でないという問題が発生する。言い換えると、注入電力に対して取出せる光量が低いということが問題であった。
【特許文献１】特開２００２−１９０６１９号公報（第４頁、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、光取出し効率を向上させることが可能な半導体発光素子を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の一態様の半導体発光素子は、特定の波長で発光可能なｐｎ接合を有する発光層構成部と、前記発光層構成部の第１導電型の主面に一体的に接合し、前記発光層構成部に近い側で幅が広く且つ前記発光層構成部から遠い側で幅が狭くなるように傾斜した外側面を有し、前記波長に実質透明な第１導電型の半導体基板と、前記第１導電型の半導体基板の前記発光層構成部に接合した面とは異なる前記第１導電型の半導体基板の面に配設された第１導電側電極と、前記発光層構成部の第２導電型の主面に一体的に接合し、前記発光層構成部に近い側で幅が広く且つ前記発光層構成部から遠い側で幅が狭くなるように傾斜した外側面を有し、前記波長に実質透明な第２導電型の半導体基板と、前記第２導電型の半導体基板の前記発光層構成部に接合した面とは異なる前記第２導電型の半導体基板の面に配設された第２導電側電極とを備え、前記第１導電型及び第２導電型の半導体基板の少なくとも一方には、第１導電側電極と第２導電側電極とを介して前記発光層構成部の接合した面の中央部に集中的に電流を流すように不純物が導入された半導体層が、所定の領域に選択的に形成されていることを特徴とする。
【００１１】
また、本発明の別の態様の半導体発光素子は、特定の波長で発光可能なｐｎ接合を有する発光層構成部と、前記発光層構成部の第１導電型の主面の中央部に突起部が一体的に接合し、前記発光層構成部に近い側で幅が広く且つ前記発光層構成部から遠い側で幅が狭くなるように傾斜した外側面を有し、前記波長に実質透明な第１導電型の半導体基板と、前記第１導電型の半導体基板の前記発光層構成部に接合した面とは異なる前記第１導電型の半導体基板の面に配設された第１導電側電極と、前記発光層構成部の第２導電型の主面に一体的に接合し、前記発光層構成部に近い側で幅が広く且つ前記発光層構成部から遠い側で幅が狭くなるように傾斜した外側面を有し、前記波長に実質透明な第２導電型の半導体基板と、前記第２導電型の半導体基板の前記発光層構成部に接合した面とは異なる前記第２導電型の半導体基板の面に配設された第２導電側電極とを備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、光取出し効率を向上させることが可能な半導体発光素子を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の実施例について、図面を参照しながら説明する。以下に示す図では、同一の構成要素には同一の符号を付す。
【実施例１】
【００１４】
本発明の実施例１に係る半導体発光素子について、その製造方法も加えて、図１乃至図３を参照しながら説明する。図１は半導体発光素子の構造を模式的に示すもので、図１（ａ）は断面図、図１（ｂ）は平面図であり、図１（ａ）は図１（ｂ）のＡ−Ａ線に沿った断面図、図１（ｃ）はエピタキシャル層の部分を拡大した部分断面図である。図２は半導体発光素子の製造方法を工程順に模式的に示す層構造断面図、図３は、図２に示す工程に引き続き、半導体発光素子の製造方法を工程順に模式的に示す層構造断面図である。
【００１５】
まず、図１に示すように、半導体発光素子１の主要部は、活性層を含む発光層構成部３０、この発光層構成部３０の一方の主面に接合し、接合面近傍の周辺部にｎ型の反転層２１を形成し、接合面から遠ざかるほど幅の狭くなる外側面を有する第１導電型の半導体基板であるｐ型ＧａＰウェーハ１１、この発光層構成部３０の他方の主面に接合した第２導電型の半導体基板であるｎ型ＧａＰウェーハ１２、ｐ型ＧａＰウェーハ１１の発光層構成部３０に対向する反対側の面に形成したｐ側電極４１、及び、ｎ型ＧａＰウェーハ１２の発光層構成部３０に対向する反対側の面に形成したｎ側電極４２を備えている。更に、半導体層である反転層２１は、発光層構成部３０に接してｐ型ＧａＰウェーハ１１層に形成されている。
【００１６】
詳しくは、図１（ａ）に示す図面の上側、すなわち、発光層構成部３０の上側の主面に接合する通電可能なキャリア濃度を有するｐ型ＧａＰウェーハ１１の中央部は矩形をしている。この矩形をしたｐ型の中央部の発光層構成部３０に沿った周囲且つ発光層構成部３０に近い部分は、例えばイオン注入で導電型がｎ型に反転された反転層２１となっている。この発光層構成部３０に接触する反転層２１は、図１（ｂ）の破線に示すように、発光層構成部３０に沿って矩形の境界をなす。この矩形の面積は、反転層２１を含む発光層構成部３０に接合する全面に対して概略１／４〜１／１０が好ましく、本実施例では約１／６である。
【００１７】
ｐ型ＧａＰウェーハ１１の外形は、発光層構成部３０に平行なｐ側電極４１形成面、発光層構成部３０に垂直な４面、及びこの垂直な４面とｐ側電極４１形成面にそれぞれ概略１２０度の角度をなすように形成された４面から構成される多面体である。
【００１８】
図１（ａ）に示す図面の上下方向の中央部にある発光層構成部３０は、エピタキシャル成長層で構成される。図１（ｃ）に示すように、発光層構成部３０は、中央部に活性層３５、その一面に設けられたｐ型クラッド層３６、このｐ型クラッド層３６表面に設けられた第１の接着層３７、活性層３５の一面に対向する他面に設けられたｎ型クラッド層３４、このｎ型クラッド層３４表面に設けられた第２の接着層３３からなる。なお、第１の接着層３７と第２の接着層３３の両者、または一方を省略することは可能である。
【００１９】
図１（ａ）に示す図面の下側、すなわち、発光層構成部３０の下側の主面に接合する通電可能なキャリア濃度を有するｎ型ＧａＰウェーハ１２は、ｐ型ＧａＰウェーハ１１を発光層構成部３０に対して概略面対称に置いた関係にある。ｎ型ＧａＰウェーハ１２の発光層構成部３０に垂直な４面は、ｐ型ＧａＰウェーハ１１の発光層構成部３０に垂直な４面と、それぞれ同一平面をなすように形成されている。従って、外見上、発光層構成部３０に垂直な面は４個と見なせて、その結果、半導体発光素子１の外形は概略１４面体構造となる。
【００２０】
次に、半導体発光素子１の構成要素の詳細を半導体発光素子１の製造工程に従って、図２及び図３を参照ながら説明する。図２（ａ）に示すように、例えば、周知のＭＯＣＶＤ装置等を使用して、エピタキシャル成長層を形成する。
【００２１】
３インチ（約７６ｍｍ）径のウェーハ状のＳｉドープされたｎ型ＧａＡｓ基板２８を用意して、その表面にｎ型ＧａＡｓからなる約０．５μｍ厚のバッファ層３１、その表面にｎ型ＩｎＡｌＰからなる約０．０５μｍ厚のエッチング停止層３２、その表面にｎ型ＩｎＧａＰからなる約０．０５μｍ厚の第２の接着層３３、その表面にｎ型ＩｎＧａＡｌＰからなる約０．６μｍ厚のｎ型クラッド層３４、その表面に約０．４μｍ厚のＩｎＧａＡｌＰからなる活性層３５、その表面にｐ型ＩｎＧａＡｌＰからなる約０．６μｍ厚のｐ型クラッド層３６、その表面にｐ型ＧａＡｓからなる約０．０５μｍ厚の第１の接着層３７、そして、その表面にＩｎＡｌＰからなる約０．１５μｍ厚のカバー層３８がエピタキシャル成長されている。
【００２２】
これらのエピタキシャル成長層は、必要に応じて、ＭＱＷ構造の活性層としてもよいし、電流拡散層等を加えても差し支えなく、また、例えば、ｎ型／ｐ型クラッド層３４、３６は３元層に置き換えることも可能である。
【００２３】
次に、図２（ｂ）に示すように、ｐ型ＧａＰウェーハ１１を第１の接着層３７に接着する。まず、３インチ径、２５０μｍ厚で、３Ｅ１７／ｃｍ３の濃度にＺｎドープされたｐ型ＧａＰウェーハ１１は、個片化されたとき発光素子として電流経路となる領域を確保するようにパターニングされ、矩形の電流経路となる領域の周囲の領域には、例えばＳｉをイオン注入してｎ型の反転層２１を形成して、予め準備される。
【００２４】
エピタキシャル成長されたｎ型ＧａＡｓ基板２８は、ウェーハ状態でＭＯＣＶＤ装置から取り出され、表面のカバー層３８は、例えば、リン酸でエッチング除去されて、第１の接着層３７が表面に露出される。
【００２５】
準備されたｐ型ＧａＰウェーハ１１は、界面活性剤で洗浄し、希弗酸に浸漬して表面の自然酸化膜を除去し、水洗をした後スピナで乾燥される。一方の第１の接着層３７は、ｐ型ＧａＰウェーハ１１と同じく表面を希弗酸処理されて自然酸化膜の除去が行われ、水洗後スピナで乾燥される。
【００２６】
次に、第１の接着層３７を上向きに置き、その上に、ｐ型ＧａＰウェーハ１１の接着させる表面が下向きになるように載置して、第１の接着層３７とｐ型ＧａＰウェーハ１１とを室温で接着させる。第１の接着層３７とｐ型ＧａＰウェーハ１１との接着の強度を上げるために、例えば、水素を１０％含むアルゴン雰囲気、３００℃の炉の中に１時間入れて１回目の熱処理を行う。１回目の熱処理温度は１５０℃以上６００℃未満の範囲が望ましく、２００℃以上５００℃以下がより望ましい。接着強度増加の効果は１５０℃から得られ始め、２００℃以上で顕著となる。また５００℃を越えると、ｎ型ＧａＡｓ基板２８とｐ型ＧａＰウェーハ１１との熱膨張差が大きくなり熱処理中にｐ型ウェーハ１１にスリップが発生することがある。６００℃以上では半数以上にスリップが発生する。
【００２７】
次に、図２（ｃ）に示すように、エピタキシャル成長基板として使用したｎ型ＧａＡｓ基板２８側の発光及び接着に関わらない部分を除去する。ｐ型ＧａＰウェーハ１１に接着して一体化したｎ型ＧａＡｓ基板２８側のｎ型ＧａＡｓ基板２８及びバッファ層３１を、アンモニアと過酸化水素水の混合液でエッチング除去する。その後、エッチング停止層３２を、例えば７０℃のリン酸でエッチング除去し、第２の接着層３３を表面に露出させる。
【００２８】
次に、図２（ｄ）に示すように、第２の接着層３３は、界面活性剤で洗浄され、希弗酸に浸漬して表面の自然酸化膜を除去され、水洗後、スピナで乾燥される。３インチ径、２５０μｍ厚で、３Ｅ１７／ｃｍ３の濃度にＳｉドープされたｎ型ＧａＰウェーハ１２は、上述のｐ型ＧａＰウェーハ１１と同様に処理されて、第２の接着層３３を上向きに置き、その上にｎ型ＧａＰウェーハ１２の接着させる表面が下向きになるように載置して、第２の接着層３３とｎ型ＧａＰウェーハ１２とを室温で接着させる。
【００２９】
その後、例えば、水素を１０％含むアルゴン雰囲気、８００℃の炉の中に１時間入れて２回目の熱処理を行って、第２の接着層３３とｎ型ＧａＰウェーハ１２との間、及び、第１の接着層３７とｐ型ＧａＰウェーハ１１との間を接合して、機械的強度及び電気的接合が十分取れる状態にする。この段階で、エピタキシャル層からなる発光層構成部３０をｐ型及びｎ型ＧａＰウェーハ１１、１２で両面から接合した構造体が出来る。
【００３０】
なお、２回目の熱処理温度は６００℃〜９００℃の範囲が望ましい。６００℃未満では接着界面の接合反応が不十分なため機械的強度が不足し、また電気的抵抗が高い状態のままである。逆に９００℃を越えると原子の拡散により発光層構成部３０の構造が崩れ、輝度が極端に低下する。
【００３１】
次に、図３（ａ）に示すように、ｐ型ＧａＰウェーハ１１及びｎ型ＧａＰウェーハ１２の発光層構成部３０に平行な外側面上に電極を形成する。ｐ型ＧａＰウェーハ１１の発光層構成部３０に沿った矩形の電流経路となるｐ型の領域に対向するｐ型ＧａＰウェーハ１１の外側面に、パターニングして、ＡｕＺｎ／Ａｕを堆積させて、熱処理を行いｐ側電極４１を形成する。
【００３２】
次に、ｎ型ＧａＰウェーハ１２のｐ側電極４１と対向するｎ型ＧａＰウェーハ１２の外側面に、パターニングして、ＡｕＧｅ／Ａｕを堆積させて、熱処理を行いｎ側電極４２を形成する。ｐ側及びｎ側電極４１、４２共に、隣接する電極との間隔は５００μｍで、ｐ側電極４１は１００μｍ径の円形、ｎ側電極４２は一辺２００μｍの矩形である。
【００３３】
次に、図３（ｂ）及び図３（ｃ）に示すように、ｐ側及びｎ側電極４１、４２を設けた構造体を個々の半導体発光素子１に個片化する。ｐ側及びｎ側電極４１、４２は、それぞれが形成された面の個片化後の中心位置に配置されている。個片化には、ブレード先端の角度が６０度のＶ字型断面を有するダイヤモンドブレード（図示略）を用意し、ダイサー（図示略）を使用して、電極を設けた構造体の一方の面から、碁盤目状になるように、例えば、深さ約２４０μｍのＶ字型の溝を形成する。なお、Ｖ字型の溝を形成する側の反対側は、例えば、粘着テープ（図示略）で保護されている。
【００３４】
次に、構造体の他方の面から、碁盤目状になるように、例えば、深さ約２４０μｍのＶ字型の溝を形成する。両面から形成されたＶ字型の溝は、発光層構成部３０を間に置いて、図面の上下に対向した位置関係にある。Ｖ字型の溝が対向して、分離されずに残された部分は、例えば、反対側に貼り変えた粘着テープ（図示略）上で劈開により分離される。この結果、図１に示すような半導体発光素子１が完成する。
【００３５】
この半導体発光素子１は、ｐ側電極４１とｎ側電極４２を、それぞれ、駆動のための外部電源と接続可能な状態にした後、通常、エポキシ系樹脂（図示略）で封止されて使用される。
【００３６】
以上のようにして形成された半導体発光素子１のｐ側電極４１とｎ側電極４２から通電すると、電流は、反転層２１の部分で遮断されるので、反転層２１のないｐ型の部分を選択的に流れることになる。その結果、電流経路は発光層構成部３０の中央部に絞られる。従って、注入されたキャリアがこの発光層構成部３０の中央部の活性層３５で集中的に再結合して、発光する。中央部の発光部の面積は、発光層構成部３０の接合面の約１／６である。活性層３５から四方八方に発光する光は、発光層構成部３０から、実質的に透明な接合されたｐ型及びｎ型ＧａＰウェーハ１１、１２に入射して、ｐ型及びｎ型ＧａＰウェーハ１１、１２の外形を構成する界面に進む。
【００３７】
ＧａＰウェーハからエポキシ系樹脂に光を取り出す場合、周知のように、屈折率差があるために、入射角が約２７度（臨界角）以下であることが必要である。例えば、中央部に絞られた発光層構成部３０から概ね垂直方向に発光する光は、臨界角約２７度以下で、発光層構成部３０に平行なｐ側あるいはｎ側電極４１、４２が形成された界面から外部に取り出され、一部は、ｐ側あるいはｎ側電極４１、４２で反射されて反対方向から外部に取り出される。また、中央部に絞られた発光層構成部３０から、ｐ側あるいはｎ側電極４１、４２が形成された界面から概略１２０度をなす斜面方向に放射された光は、臨界角約２７度以下で入射する割合が高く、斜面から外部に取り出される。
【００３８】
比較のために、半導体発光素子１で反転層２１を形成せず、他の構成を全て半導体発光素子１と同様にした第１比較半導体発光素子（図示略）を作製した。半導体発光素子１の注入電力に対する輝度、すなわち光取出し効率は、第１比較半導体発光素子より約２５％良いことが分かった。この結果、光取出し効率が重要な携帯用機器等に対して、より広い応用が可能となる。
【００３９】
半導体発光素子１では、ｐ側電極４１とｎ側電極４２を結ぶ電流経路を反転層２１で狭めて、発光部を発光層構成部３０の中央部に絞ることにより、光取り出し効率の向上が実現できた。なお、電流経路の絞込みを反転層２１を設けることで行ったが、例えば、イオン注入量あるいはイオン種を最適に選択して、反転層２１に相当する位置に高抵抗層を形成しても、電流経路の絞込みを実現できる。
【実施例２】
【００４０】
本発明の実施例２に係る半導体発光素子について、図４を参照しながら説明する。図４は半導体発光素子の構造を模式的に示す断面図である。図４に示すように、実施例１とは、ｐ型ＧａＰウェーハに突起部を形成して、これを発光部構成層の中央部に接着していることが異なっている。以下、実施例１と同一構成部分には同一の符号を付して、その説明は省略し、異なる構成部分について説明する。
【００４１】
まず、図４に示すように、半導体発光素子２の主要部は、活性層を含む発光層構成部３０、この発光層構成部３０の一方の主面の中央部に接合する突起部２２を有する第１導電型であるｐ型ＧａＰウェーハ１３、この発光層構成部３０の他方の主面に接合する第２導電型であるｎ型ＧａＰウェーハ１２、ｐ型ＧａＰウェーハ１３の発光層構成部３０に対向する反対側の面に形成したｐ側電極４１、及び、ｎ型ＧａＰウェーハ１２の発光層構成部３０に対向する反対側の面に形成したｎ側電極４２を備えている。外形形状は、発光層構成部３０に隣接して細い隙間が付加されている他は実施例１と同様である。
【００４２】
詳しくは、図４に示す図面の上側、すなわち、発光層構成部３０の上側の主面の中央部に、突起部２２を形成された通電可能なキャリア濃度を有するｐ型ＧａＰウェーハ１３が、突起部２２を介して接合されている。このｐ型ＧａＰウェーハ１３の突起部２２は、残すべき突起部２２の周囲部分に、例えばエッチングによる窪みを付けることによって形成される。ｐ型ＧａＰウェーハ１３は、接合部の突起部２２とその周囲の窪みを除くと、発光層構成部３０に平行なｐ側電極４１形成面、発光層構成部３０に垂直な４面、及びこの垂直な４面とｐ側電極４１形成面にそれぞれ概略１２０度の角度をなすように形成された４面からなる多面体である。
【００４３】
これらのｐ型及びｎ型ＧａＰウェーハ１３、１２を使用した半導体発光素子２の製造方法は、実施例１と同様である。
【００４４】
以上のようにして形成された半導体発光素子２のｐ側電極４１とｎ側電極４２から通電すると、電流は、突起部２２を介して発光層構成部３０の中央部を流れることになる。その結果、電流経路は発光層構成部３０の中央部に絞られることになり、実施例１と同様な効果を得ることができ、半導体発光素子２の注入電力に対する輝度、すなわち光取出し効率は、実施例１とほとんど同様となる。
【実施例３】
【００４５】
本発明の実施例３に係る半導体発光素子について、図５を参照しながら説明する。図５は半導体発光素子の構造を模式的に示す断面図である。図５に示すように、実施例１とは、発光部構成層の中央部に接して半導体層である高キャリア濃度層を形成したことが異なっている。以下、実施例１と同一構成部分には同一の符号を付して、その説明は省略し、異なる構成部分について説明する。
【００４６】
まず、図５に示すように、半導体発光素子３の主要部は、活性層を含む発光層構成部３０、この発光層構成部３０の一方の主面に接合する第１導電型であるｐ型ＧａＰウェーハ１５、この発光層構成部３０の他方の主面に接合し、接合面の中央部にｎ型の高キャリア濃度層２３を形成した第２導電型であるｎ型ＧａＰウェーハ１６、ｐ型ＧａＰウェーハ１５の発光層構成部３０に対向する反対側の面に形成したｐ側電極４１、及び、ｎ型ＧａＰウェーハ１６の発光層構成部３０に対向する反対側の面に形成したｎ側電極４２を備えている。外形形状は、実施例１と同様である。
【００４７】
詳しくは、図５に示す図面の上側、すなわち、発光層構成部３０の上側の主面に接触して、通電可能なキャリア濃度を有するｐ型ＧａＰウェーハ１５が接合されている。ｐ型ＧａＰウェーハ１５は、発光層構成部３０に平行なｐ側電極４１形成面、発光層構成部３０に垂直な４面、及びこの垂直な４面とｐ側電極４１形成面にそれぞれ概略１２０度の角度をなすように形成された４面からなる多面体である。
【００４８】
図５に示す図面の下側、すなわち、発光層構成部３０の下側の主面に接合するｎ型ＧａＰウェーハ１６中心部の領域には、ｎ型不純物を高濃度にドープした高キャリア濃度層２３を形成し、比較的低いキャリア濃度を有する周辺部に比較して電流が集中される様に形成されている。
【００４９】
ここで、高キャリア濃度層２３を形成することによって、発光部構成層３０の中央部に電流が集中する機構について、発明者等が得た知見について説明する。中央部に電流が集中する機構は、単に高キャリア濃度で抵抗が低いためだけではなく、接着界面のキャリア濃度が高いことに関係している。本実施例のｎ型ＧａＰウェーハ１６と発光部構成層３０とを接着そして接合する場合には、接着界面のキャリア濃度が、接着界面を横断して通電する時の抵抗値に大きく影響する。すなわちキャリア濃度を高く、一般には１Ｅ１８／ｃｍ３以上にすれば界面抵抗は検出できないほど小さくすることができる。
【００５０】
一方、１Ｅ１８／ｃｍ３に達しない比較的低キャリア濃度の場合は界面抵抗が顕著となり、例えば１Ｅ１７／ｃｍ３では３〜４Ｖの印加電圧まで電流が立ち上がらなくなる。この機構は完全には解明されていないが、接着界面には電気的な欠陥が多数存在しキャリアを捕獲するため、十分な数のキャリアで欠陥を埋める必要があるものと思われる。また、本実施例のように異種の材料を接着する場合は、接着界面の両側でバンドギャップが異なるためキンクと呼ばれる障壁層が発生するのも一因と思われる。この機構は、ウェーハ同士の接着においても、他の導電型においても関係すると考えられる。
【００５１】
従って、通電したい部分の接着界面のキャリア濃度を高めておけば、望ましくは１Ｅ１８／ｃｍ３以上に高めておけば、この部分に電流を集中することができる。
【００５２】
この発光層構成部３０に接合する高キャリア濃度層２３は、発光層構成部３０に沿った広がり方向が概略矩形の境界を有し、その面積は発光層構成部３０に接合する全面に対して概略１／４〜１／１０が好ましく、本実施例では約１／６である。ｎ型ＧａＰウェーハ１６の発光層構成部３０に垂直な４面は、ｐ型ＧａＰウェーハ１５の発光層構成部３０に垂直な４面と、それぞれ同一平面をなすように形成されている。従って、外見上、発光層構成部３０に垂直な面は４個と見なせて、その結果、半導体発光素子３は概略１４面体構成となる。
【００５３】
そして、ｐ型ＧａＰウェーハ１５は、２５０μｍ厚で、３Ｅ１７／ｃｍ３の濃度にＺｎドープされている。一方、ｎ型ＧａＰウェーハ１６は、２５０μｍ厚で、３Ｅ１７／ｃｍ３の濃度にＳｉドープされ、発光層構成部３０との接合面に沿った中央部の領域には、例えば、Ｓｉを１Ｅ１８／ｃｍ３以上にドープした高キャリア濃度層２３が形成されている。これらのｐ型及びｎ型ＧａＰウェーハ１５、１６を使用した半導体発光素子３の製造方法は、実施例１と同様である。
【００５４】
以上のようにして形成された半導体発光素子３のｐ側電極４１とｎ側電極４２から通電すると、電流は、低抵抗の高キャリア濃度層２３を選択的に流れることになる。その結果、電流経路は発光層構成部３０の中央部に絞られる。従って、注入されたキャリアがこの発光層構成部３０の中央部の活性層３５で集中的に再結合して、発光する。中央部の発光部の面積は、発光層構成部３０の接合面の約１／６となる。四方八方に発光する光は、発光層構成部３０から、実質的に透明な両側のｐ型及びｎ型ＧａＰウェーハ１５、１６に入射して、ｐ型及びｎ型ＧａＰウェーハ１５、１６の外形を構成する界面に進む。
【００５５】
半導体発光素子３は、電流経路を発光層構成部３０の中央部に絞る手段が実施例１と異なる他は、実施例１と同様な構造を有している。その結果、半導体発光素子３の注入電力に対する輝度、すなわち光取出し効率は、実施例１とほとんど同様である。
【００５６】
ｐ側電極４１とｎ側電極４２を結ぶ電流経路を低抵抗の高キャリア濃度層２３で流れ易くして、発光部を発光層構成部３０の中央部に絞ることにより、光取り出し効率の向上が確認できた。なお、高キャリア濃度層２３をｎ型ＧａＰウェーハ１６に形成する例を示したが、高キャリア濃度層（図示略）をｐ型ＧａＰウェーハ１６に形成することは可能である。また、高キャリア濃度層をｐ型及びｎ型ＧａＰウェーハ１５、１６のそれぞれに形成しても差し支えない。
【実施例４】
【００５７】
本発明の実施例４に係る半導体発光素子について、その製造方法も加えて、図６及び図７を参照しながら説明する。図６は半導体発光素子の構造を模式的に示す断面図、図７は半導体発光素子の製造途中工程における構造を模式的に示す平面図である。図６に示すように、実施例１とは、外形形状が概略球状、発光層構成部の主面に接触するｐ型ＧａＰウェーハ中心部が円形、及びｎ側電極が円形に形成されていること等が異なっている。以下、実施例１と同一構成部分には同一の符号を付して、その説明は省略し、異なる構成部分について説明する。
【００５８】
まず、図６に示すように、半導体発光素子４の主要部の構成要素は、発光層構成部４０の主面に接合するｐ型ＧａＰウェーハ１７中央部の形状、ｎ側電極４４形状、及び外形形状等を除いて実施例１と同様である。
【００５９】
詳しくは、図６に示す図面の上側、すなわち、発光層構成部４０の上側の主面に接合する通電可能なキャリア濃度を有するｐ型ＧａＰウェーハ１７中央部は円形をしている。この円形をしたｐ型ＧａＰウェーハ１７中央部の発光層構成部４０に沿った周囲の領域は、例えばイオン注入で導電型がｎ型に反転された反転層２５が形成されている。反転層２５は、発光層構成部４０に沿って円形の境界をなし、この円形の面積は、反転層２５を含む発光層構成部４０に接合する全面に対して概略１／４〜１／１０が好ましく、本実施例では約１／６である。発光層構成部４０に平行なｐ側電極４１形成面以外の面は、概略球面をなすように形成された半球形状である。
【００６０】
図６に示す図面の上下方向の中央部にある発光層構成部４０は、実施例１と同様なエピタキシャル成長層で構成される。発光層構成部４０の半導体発光素子４外形を構成する部分は、近似的に、発光層構成部４０の層厚に相当する長さを有する薄い円柱をなす以外は実施例１と同様である。
【００６１】
図６に示す図面の下側、すなわち、発光層構成部４０の下側の主面に接合する通電可能なキャリア濃度を有するｎ型ＧａＰウェーハ１８は、発光層構成部４０に平行なｎ側電極４４形成面以外の面は、概略球面をなすように形成された半球形状である。従って、外見上、半導体発光素子４は、発光層構成部４０に平行なｐ側及びｎ側電極４１、４４を除いて、概略球面で構成される。
【００６２】
次に、半導体発光素子４の構成要素の詳細を製造工程に沿って説明すると、個片化する前の工程まで、概ね実施例１の製造方法を使用することによって実現できる。ただし、発光層構成部４０の主面に接触し、周囲を反転層２５によって囲まれたｐ型ＧａＰウェーハ１７中央部の形状が円形なので、これを実現するパターニング形状に変更する必要があり、同様に、ｎ側電極４４形状が円形なので、これを実現するパターニング形状に変更する必要がある。
【００６３】
更に、最終的な球形近似の半導体発光素子４に近づけるために、例えば、ダイシングを互いに６０度で交わる方向に３方向で行うことができる形状、すなわち、図７に示すように、平面図上で６角形の外形を有する配置に合わせるように、個々の半導体発光素子構造体７の配置パターンを変更する。この場合、隣接する３個の半導体発光素子構造体７で挟まれた中間に、平面図上、３角形の切捨て部５１が生じる配置となる。
【００６４】
そして、図７に示すように、ｐ側及びｎ側電極４１、４４を設けた半導体発光素子構造体７を個片化する。なお、ｐ側及びｎ側電極４１、４４共に、隣接する電極の間隔は約５７７μｍで、ｐ側電極４１は１００μｍ径の円形、ｎ側電極４４は２００μｍ径の円形である。ｐ側及びｎ側電極４１、４４は、それぞれが形成された面の個片化後の中心位置に配置される。
【００６５】
個片化には、ｐ型ＧａＰウェーハ１７側では、ブレード先端の角度が約７０度のＶ字型断面を有するダイヤモンドブレード（図示略）を用意し、ダイサー（図示略）を使用して、互いに６０度で交差する方向に、例えば、深さ約２５０μｍのＶ字型の溝を形成する。この時、Ｖ字型の溝を形成する側の反対側は、例えば、粘着テープ（図示略）で保護されている。
【００６６】
次に、ｎ型ＧａＰウェーハ１８側では、ブレード先端の角度が約６０度のＶ字型断面を有するダイヤモンドブレードを用意し、ダイサーを使用して、互いに６０度で交差する方向に、例えば、深さ約２５０μｍのＶ字型の溝を形成する。Ｖ字型の溝が深さ約２５０μｍに達した時、対向した位置関係にある反対側のＶ字型の溝に達して、切断線に沿って半導体発光素子構造体７が分離される。すなわち、図７に示すような平面図上で６角形、概略１４面体の個片化された半導体発光素子構造体７が、反対側に貼り変えた粘着テープ（図示略）上に出来上がる。なお、Ｖ字型の溝を形成する深さは、実施例１のように両側から約２４０μｍずつまでとして、最後に、劈開あるいは応力をかけたブレイキングで分離しても差し支えない。
【００６７】
次に、個々に分離された粘着テープ上の半導体発光素子構造体７は、粘着テープを引き伸ばすことにより、間隔が大きく離されて、その後、塩酸系のエッチング液によりエッチングされる。多面体である半導体発光素子構造体７の角や辺等が相対的に速くエッチングされるので、結果として、多面体は球面形状に近づき、図６に示すような概略球面形状の半導体発光素子４を得る。
【００６８】
この半導体発光素子４は、ｐ側電極４１とｎ側電極４４を、それぞれ、駆動のための外部電源と接続可能な状態にした後、通常、エポキシ系樹脂（図示略）で封止されて使用される。
【００６９】
以上のようにして形成された半導体発光素子４のｐ側電極４１とｎ側電極４４から通電すると、電流は、実施例１と同様に、発光層構成部４０の中央部に絞られ、発光する。例えば、中央部に絞られた発光層構成部４０から発光する多くの光は、臨界角約２７度以下で、発光層構成部３０に平行なｐ側あるいはｎ側電極４１、４４が形成された界面及び球面から外部に取り出され、一部は、ｐ側あるいはｎ側電極４１、４４で反射されて反対方向から外部に取り出される。
【００７０】
比較のために、半導体発光素子４で反転層２５を形成せず、他の構成を全て半導体発光素子４と同様にした第２比較半導体発光素子（図示略）を作製した。半導体発光素子４の注入電力に対する輝度、すなわち光取出し効率は、第２比較半導体発光素子より約２５％良いことが分かった。また、実施例１で作製した半導体発光素子１と比較すると、半導体発光素子４の光取出し効率は、半導体発光素子１より約２０％良いことが分かった。この結果、電流経路を発光層構成部４０の中央部に絞ることによる光取出し効率の改善の効果は、半導体発光素子４の外形を多角形外形から概略球状外形に形状変更することによる光取出し効率の改善と同等かそれ以上の効果であることが分かった。
【００７１】
半導体発光素子４では、ｐ側電極４１とｎ側電極４４を結ぶ電流経路を反転層２５で狭めて、発光部を発光層構成部４０の中央部に絞り、概略球状外形とすることにより、注入電力に対する発光効率の更なる向上が確認できた。なお、電流経路の絞込みを実施例３で採用した高キャリア濃度層を形成することによって行うことは可能である。
【００７２】
本発明は、上述した実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で、種々、変形して実施することができる。
【００７３】
例えば、実施例では、発光層構成部との接合面近傍のＧａＰウェーハの周辺部に形成された反転層とする手段、あるいは中央部に形成された高キャリア濃度層とする手段を別々に示した。これらの両手段が同時に適用されても、電流経路の絞込みにプラスになることはあってもマイナスになることはない。つまり、発光層構成部の両主面に接触するｐ型及びｎ型ＧａＰウェーハの、少なくとも一方のＧａＰウェーハに、少なくとも１つの手段を用いることにより、電流経路の絞込みを実行できる。従って、これらの手段を、ｐ型及びｎ型ＧａＰウェーハに適宜組み合わせて使用することは差し支えない。また、周辺部に形成された反転層の代わりに、中央部に形成された突起部（周辺部に形成された窪み）を使用する手段を組み合わせることが可能である。
【００７４】
発光層構成部で発光する光に透明な半導体基板として、ｐ型あるいはｎ型ＧａＰウェーハを使用する例を示したが、発光する波長に透明で、導電性を有する半導体基板であれば、ＧａＰ以外のものでも差し支えない。
【００７５】
また、不純物導入による反転層あるいは高キャリア濃度層の形成は、イオン注入の他、熱拡散あるいはプラズマドーピング法等で行うことは可能である。いずれの場合も、半導体基板側に不純物を導入することで、電流経路を発光層構成部の中央部に絞る手段を発光層構成部側に形成する場合とは異なり、発光層構成部の変質に伴って発光する光の波長等への影響を招くおそれを回避しながら、容易に電流経路の絞込みを実行することができる。
【００７６】
概略球状の半導体発光素子外形を形成するために、その前段階の半導体発光素子構造体の平面図形状を６角形とする例を示したが、例えば、８角形あるいはその他の多角形であっても差し支えない。
【図面の簡単な説明】
【００７７】
【図１】本発明の実施例１に係る半導体発光素子の構造を模式的に示すもので、図１（ａ）は断面図、図１（ｂ）は平面図であり、図１（ａ）は図１（ｂ）のＡ−Ａ線に沿った断面図、図１（ｃ）は部分断面図。
【図２】本発明の実施例１に係る半導体発光素子の製造方法を工程順に模式的に示す層構造断面図。
【図３】本発明の実施例１に係る半導体発光素子の製造方法を工程順に模式的に示す層構造断面図。
【図４】本発明の実施例２に係る半導体発光素子の構造を模式的に示す断面図。
【図５】本発明の実施例３に係る半導体発光素子の構造を模式的に示す断面図。
【図６】本発明の実施例４に係る半導体発光素子の構造を模式的に示す断面図。
【図７】本発明の実施例４に係る半導体発光素子の製造途中工程における構造を模式的に示す平面図。
【符号の説明】
【００７８】
１、２、３、４  半導体発光素子
７  半導体発光素子構造体
１１、１３、１５、１７  ｐ型ＧａＰウェーハ
１２、１６、１８  ｎ型ＧａＰウェーハ
２１、２５  反転層（ｎ型）
２２  突起部
２３  高キャリア濃度層
２８  ｎ型ＧａＡｓ基板
３０、４０  発光層構成部
３１  バッファ層
３２  エッチング停止層
３３  第２の接着層
３４  ｎ型クラッド層
３５  活性層
３６  ｐ型クラッド層
３７  第１の接着層
３８  カバー層
４１  ｐ側電極
４２、４４  ｎ側電極
５１  切捨て部
【図１】
2006066422.tif 000003
【図２】
2006066422.tif 000004
【図３】
2006066422.tif 000005
【図４】
2006066422.tif 000006
【図５】
2006066422.tif 000007
【図６】
2006066422.tif 000008
【図７】
2006066422.tif 000009
【手続補正書】
【提出日】平成17年9月6日(2005.9.6)
【手続補正１】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図７】
2006066422.tif 000010