(57)【要約】【課題】透光性導電半導体基板を有しつつも、該基板を発光層部に貼り合せる工程が不要となり、ひいては発光層部に損傷等が発生しにくい発光素子の製造方法を提供する。【解決手段】第一の化合物半導体よりなる発光層部２４が、該発光層部２４からの発光光束に対して透光性を有する第二の化合物半導体からなる透光性導電半導体基板７（７０）上に形成された構造を有する発光素子を製造するために、まず、第一の化合物半導体との格子定数差が第二の化合物半導体との格子定数差よりも小さい化合物半導体よりなる発光層成長準備層８の第一主表面ＭＰ１側に、貼り合せ又はエピタキシャル成長による厚膜成長により、透光性導電半導体基板７（７０）を形成して複合透光性基板５０を作製する。次に、該複合透光性基板５０の発光層成長準備層８の第二主表面ＭＰ２に発光層部２４をエピタキシャル成長する。【選択図】    図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第一の化合物半導体よりなる発光層部が、該発光層部からの発光光束に対して透光性を有する第二の化合物半導体からなる透光性導電半導体基板上に形成された構造を有する発光素子の製造方法であって、
前記第一の化合物半導体との格子定数差が前記第二の化合物半導体との格子定数差よりも小さい化合物半導体よりなる発光層成長準備層の第一主表面側に、前記透光性導電半導体基板を形成して複合透光性基板を作製する複合透光性基板製造工程と、
該複合透光性基板の前記発光層成長準備層の第二主表面側に前記発光層部をエピタキシャル成長する発光層部成長工程と、
を含むことを特徴とする発光素子の製造方法。
【請求項２】
前記複合透光性基板製造工程において、前記透光性導電半導体基板を前記発光層成長準備層の前記第一主表面側に貼り合せることを特徴とする請求項１記載の発光素子の製造方法。
【請求項３】
前記複合透光性基板製造工程において、前記発光層成長準備層の前記第一主表面側に、前記第二の化合物半導体をエピタキシャル成長し、該第二の化合物半導体層を前記透光性導電半導体基板とすることを特徴とする請求項１記載の発光素子の製造方法。
【請求項４】
前記第二の化合物半導体のエピタキシャル成長をハイドライド気相成長法又は液相成長法により行なうことを特徴とする請求項３記載の発光素子の製造方法。
【請求項５】
前記透光性導電半導体基板と前記発光層成長準備層との間に、それら前記透光性導電半導体基板と前記発光層成長準備層との結合を媒介する中間化合物半導体層を介挿することを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の発光素子の製造方法。
【請求項６】
前記複合透光性基板製造工程は、
前記第二の化合物半導体よりも、前記第一の化合物半導体との格子定数差が小さい成長用基板上に、前記発光層成長準備層を前記第二主表面側からエピタキシャル成長する発光層成長準備層成長工程と、
前記発光層成長準備層の前記第一主表面側に前記透光性導電半導体基板を形成する透光性導電半導体基板形成工程と、
前記発光層成長準備層の前記第二主表面から前記成長用基板を除去する成長用基板除去工程と、
を有することを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の発光素子の製造方法。
【請求項７】
前記発光層成長準備層を、前記発光層部からの発光光束のピーク波長に対応するエネルギーよりもバンドギャップの広い化合物半導体にて形成することを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の発光素子の製造方法。
【請求項８】
前記第一の化合物半導体がＡｌＧａＩｎＰ系混晶化合物であり、前記第二の化合物半導体がＧａＰまたはＧａＡｓＰであることを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載の発光素子の製造方法。
【請求項９】
前記発光層成長準備層の第二主表面の格子定数をａ１、前記発光層部の発光層成長準備層側の格子定数をａ２として、｜ａ１−ａ２｜／ａ１≦０．０１となっていることを特徴とする請求項１ないし請求項８のいずれか１項に記載の発光素子の製造方法。
【請求項１０】
前記発光層部と前記発光層成長準備層とが、ＩＩＩ族構成元素とＶ族構成元素との種別が一致したＩＩＩ−Ｖ族混晶化合物半導体よりなることを特徴とする請求項９記載の発光素子の製造方法。
【請求項１１】
前記発光層部と前記発光層成長準備層とが、いずれもＡｌＧａＩｎＰ系混晶化合物であることを特徴とする請求項１０記載の発光素子の製造方法。
【請求項１２】
前記発光層部がＡｌＧａＩｎＰ系混晶化合物であり、前記発光層成長準備層がＡｌＧａＡｓ系混晶化合物であることを特徴とする請求項１ないし請求項９のいずれか１項に記載の発光素子の製造方法。
【請求項１３】
第一の化合物半導体よりなる発光層部が、該発光層部からの発光光束に対して透光性を有する第二の化合物半導体からなる透光性導電半導体基板上に形成された構造を有する発光素子の、前記発光層部のエピタキシャル成長用に使用されるものであり、
前記第一の化合物半導体との格子定数差が前記第二の化合物半導体との格子定数差よりも小さい化合物半導体よりなる発光層成長準備層が、前記透光性導電半導体基板上に形成され、かつ、前記発光層成長準備層の前記透光性導電半導体基板側を第一主表面とするとき、該発光層成長準備層の第二主表面側が前記発光層部のエピタキシャル成長に使用されることを特徴とする複合透光性基板。
【請求項１４】
前記透光性導電半導体基板が、前記発光層成長準備層の前記第一主表面側に貼り合せられてなることを特徴とする請求項１３記載の複合透光性基板。
【請求項１５】
前記透光性導電半導体基板が、前記第二の化合物半導体を前記発光層成長準備層の前記第一主表面上にエピタキシャル成長されてなることを特徴とする請求項１３記載の複合透光性基板。
【請求項１６】
前記透光性導電半導体基板が、ハイドライド気相成長法または液相成長法により形成されてなることを特徴とする請求項１５記載の複合透光性基板。
【請求項１７】
前記透光性導電半導体基板と前記発光層成長準備層との間に、それら前記透光性導電半導体基板と前記発光層成長準備層との結合を媒介する中間化合物半導体が介挿されてなることを特徴とする請求項１３ないし請求項１６のいずれか１項に記載の複合透光性基板。
【請求項１８】
前記発光層成長準備層が、前記発光層部からの発光光束のピーク波長に対応するエネルギーよりもバンドギャップの広い化合物半導体にて形成されてなることを特徴とする請求項１３ないし請求項１７のいずれか１項に記載の複合透光性基板。
【請求項１９】
前記発光層部をなす前記第一の化合物半導体がＡｌＧａＩｎＰ系混晶化合物であり、前記透光性導電半導体基板をなす前記第二の化合物半導体がＧａＰまたはＧａＡｓＰであることを特徴とする請求項１３ないし請求項１８のいずれか１項に記載の複合透光性基板。
【請求項２０】
前記発光層成長準備層の第二主表面の格子定数をａ１、前記発光層部の発光層成長準備層側の格子定数をａ２として、｜ａ１−ａ２｜／ａ１≦０．０１となっていることを特徴とする請求項１４ないし請求項１９のいずれか１項に記載の複合透光性基板。
【請求項２１】
前記発光層部と前記発光層成長準備層とが、いずれもＩＩＩ族構成元素とＶ族構成元素との種別が一致したＩＩＩ−Ｖ族混晶化合物半導体よりなることを特徴とする請求項２０記載の複合透光性基板。
【請求項２２】
前記発光層部と前記発光層成長準備層とが、いずれもＡｌＧａＩｎＰ系混晶化合物であることを特徴とする請求項２１記載の複合透光性基板。
【請求項２３】
前記発光層部がＡｌＧａＩｎＰ系混晶化合物であり、前記発光層成長準備層がＡｌＧａＡｓ系混晶化合物であることを特徴とする請求項１３ないし請求項２０のいずれか１項に記載の複合透光性基板。
【請求項２４】
ＧａＰ基板と、該ＧａＰ基板上に形成され最表面がＧａＡｓに格子整合する透光性の化合物半導体層とを有することを特徴とする複合透光性基板。
【請求項２５】
前記化合物半導体層は、ＡｌＧａＩｎＰ系混晶化合物よりなることを特徴とする請求項２４記載の複合透光性基板。
【請求項２６】
請求項１３ないし請求項２５のいずれか１項に記載の複合透光性基板の、前記発光層成長準備層の前記第二主表面に、前記発光層部をエピタキシャル成長させたことを特徴とする発光素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、発光素子の製造方法、複合透光性基板及び発光素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
【特許文献１】
特開２００１−６８７３１号公報
【０００３】
（ＡｌｘＧａ１−ｘ）ｙＩｎ１−ｙＰ（ただし、０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１；以下、ＡｌＧａＩｎＰとも記載する）系混晶化合物により発光層部が形成された発光素子は、薄いＡｌＧａＩｎＰ活性層を、それよりもバンドギャップの大きいｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層とｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層とによりサンドイッチ状に挟んだダブルへテロ構造を採用することにより、高輝度の素子を実現できる。また、近年では、ＩｎｘＧａｙＡｌ１−ｘ−ｙＮ（ただし、０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，ｘ＋ｙ≦１；以下、ＩｎＧａＡｌＮとも記載する）系混晶化合物を用いて同様のダブルへテロ構造を形成した青色発光素子も実用化されている。
【０００４】
例えば、ＡｌＧａＩｎＰ系発光素子を例に取れば、ｎ型ＧａＡｓ基板上にヘテロ形成させる形にて、ｎ型ＧａＡｓバッファ層、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層、ＡｌＧａＩｎＰ活性層、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層をこの順序にて積層し、ダブルへテロ構造をなす発光層部を形成する。発光層部への通電は、素子表面に形成された金属電極を介して行なわれる。ここで、金属電極は遮光体として作用するため、例えば発光層部主表面の中央部のみを覆う形で形成され、その周囲の電極非形成領域から光を取り出すようにする。
【０００５】
この場合、金属電極の面積をなるべく小さくしたほうが、電極の周囲に形成される光漏出領域の面積を大きくできるので、光取出し効率を向上させる観点において有利である。従来、電極形状の工夫により、素子内に効果的に電流を拡げて光取出量を増加させる試みがなされているが、この場合も電極面積の増大はいずれにしろ避けがたく、光漏出面積の減少により却って光取出量が制限されるジレンマに陥っている。
【０００６】
そこで、光取出し効率を向上させるために、発光層部の両面あるいは基板側面から光を取り出すことができるような素子構造が種々提案されている。ＡｌＧａＩｎＰ系発光素子の場合、発光層部の成長基板としてＡｌＧａＩｎＰと格子整合しやすいＧａＡｓ基板が使用されるが、ＧａＡｓはＡｌＧａＩｎＰ系発光層部の発光波長域において光吸収が大きい。これを解決するために、特許文献１には、発光層部の両面から光を取り出すために、一旦ＧａＡｓ基板を剥離し、発光波長域において透明なＧａＰ等の透光性導電半導体基板を新たに貼り合わせる方法が開示されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
発光素子においては、発光効率を高めるために発光層部をなす化合物半導体結晶は、転位等の結晶欠陥をなるべく含まない、高品質のものが要求される。しかし、特許文献１のように、予め成長した発光層部に透光性導電半導体基板を貼り合せる工程を採用した場合、貼り合せのためのハンドリングが必要となり、貼り合わせの密着加圧を行なう際に、発光層部に結晶欠陥が導入されたり、あるいはハンドリングに際して発光層部に損傷が加わったりするなどの不具合を生じやすい問題がある。また、貼り合わせを高温で実施すると、その熱影響により発光層部が劣化する懸念もある。さらに、ハンドリングを容易にするために、発光層部上に５０μｍ程度の厚膜の化合物半導体層を成長することもあるが、該厚膜の化合物半導体層を成長する際にも、既に形成されている発光層部にその熱履歴が加わり、劣化が促進されることがある。
【０００８】
本発明の課題は、透光性導電半導体基板を有しつつも、該基板を発光層部に貼り合せる工程が不要となり、ひいては発光層部に損傷もしくは劣化等が発生しにくい発光素子の製造方法と、それに用いる複合透光性基板、及びそれを用いた発光素子とを提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段及び作用・効果】
上記の課題を解決するために、本発明の発光素子の製造方法は、
第一の化合物半導体よりなる発光層部が、該発光層部からの発光光束に対して透光性を有する第二の化合物半導体からなる透光性導電半導体基板上に形成された構造を有する発光素子の製造方法であって、
第一の化合物半導体との格子定数差が第二の化合物半導体との格子定数差よりも小さい化合物半導体よりなる発光層成長準備層の第一主表面側に、透光性導電半導体基板を形成して複合透光性基板を作製する複合透光性基板製造工程と、
該複合透光性基板の発光層成長準備層の第二主表面側に発光層部をエピタキシャル成長する発光層部成長工程と、
を含むことを特徴とする。
【００１０】
また、本発明の複合透光性基板の第一は、第一の化合物半導体よりなる発光層部が、該発光層部からの発光光束に対して透光性を有する第二の化合物半導体からなる透光性導電半導体基板上に形成された構造を有する発光素子の、発光層部のエピタキシャル成長用に使用されるものであり、
第一の化合物半導体との格子定数差が第二の化合物半導体との格子定数差よりも小さい化合物半導体よりなる発光層成長準備層が、透光性導電半導体基板上に形成され、かつ、発光層成長準備層の透光性導電半導体基板側を第一主表面とするとき、該発光層成長準備層の第二主表面側が発光層部のエピタキシャル成長に使用されることを特徴とする。
【００１１】
さらに、本発明の発光素子は、上記本発明の複合透光性基板の、発光層成長準備層の第二主表面に、発光層部をエピタキシャル成長させたことを特徴とする。
【００１２】
上記本発明の複合透光性基板及びそれを用いた発光素子の製造方法によると、予め成長した発光層部を透光性導電半導体基板に貼り合せる方法は採用しない。具体的には、発光層部（第一の化合物半導体）に対して透光性導電半導体基板（第二の化合物半導体）よりも格子整合しやすい化合物半導体により発光層成長準備層を作り、その発光層成長準備層の第一主表面側に透光性導電半導体基板を形成して複合透光性基板を、まず作製する。そして、その複合透光性基板を基板として用い、該発光層成長準備層の第二主表面側を成長面とする形で、ここに発光層部をエピタキシャル成長させる。エピタキシャル成長後は、透光性導電半導体基板を発光素子の光取出用基板部分として流用する。透光性導電半導体基板上に格子定数差の大きい発光層部を直接エピタキシャル成長することは困難であるが、上記のごとき複合透光性基板を用いれば、発光層部に対して格子整合しやすい化合物半導体からなる発光層成長準備層の第二主表面側に、発光層部を容易にエピタキシャル成長することができる。そして、このエピタキシャル成長により、発光層部が、発光層成長準備層を介して初めから透光性導電半導体基板と結合された構造にて得られるから、従来のごとく、発光層部を透光性導電半導体基板に貼り合せる工程は全く必要でなくなる。その結果、貼り合わせのハンドリング等により発光層部に不要な圧力が加わったり損傷が発生する心配がなくなる。また、予め成長した発光層部に対して透光性導電半導体基板の貼り合わせをしたり、ハンドリング用の厚膜化合物半導体層の成長を行なったりすることがないので、それらの熱履歴による発光層部の劣化も生ずる心配がなくなる。このようにして、上記複合透光性基板を用いて得られる本発明の発光素子は、発光層部の品質が高められ、ひいては高輝度で長寿命の発光素子が実現する。
【００１３】
なお、発光層成長準備層上には、発光層部を直接成長させてもよいし、発光層成長準備層と格子整合する別の化合物半導体層（例えばバッファ層）を成長させてから、その上に発光層部を成長することもできる。
【００１４】
複合透光性基板製造工程においては、透光性導電半導体基板を発光層成長準備層の第一主表面側に貼り合せる方法を採用することができる。これにより得られる複合透光性基板は、透光性導電半導体基板を、発光層成長準備層の第一主表面側に貼り合せたものとなる。上記の方法は、貼り合せ工程を透光性導電半導体基板と発光層成長準備層との間で行い、発光層部のエピタキシャル成長工程を、その貼り合せ工程の後で実施する。つまり、貼り合せ時の機械的ハンドリングの影響を発光層成長準備層にいわば肩代わりさせることにより、発光層部への影響を軽減することができる。
【００１５】
また、複合透光性基板製造工程においては、発光層成長準備層の第一主表面側に、第二の化合物半導体をエピタキシャル成長し、その第二の化合物半導体層を透光性導電半導体基板とする方法を採用することもできる。これにより得られる複合透光性基板は、透光性導電半導体基板が、第二の化合物半導体を発光層成長準備層の第一主表面上にエピタキシャル成長されたものとなる。透光性導電半導体基板は、発光層部よりも厚膜であることが望ましい。この方法によると、発光層成長準備層の第一主表面側に、透光性導電半導体基板をエピタキシャル成長により形成するから、透光性導電半導体基板の貼り合せ工程自体が不要となり、発光層成長準備層へのハンドリング等の影響が本質的に生じない。また、予め成長した発光層部に対して透光性導電半導体基板の貼り合わせをしたり、ハンドリング用の厚膜化合物半導体層の成長を行なったりすることがないので、それらの熱履歴による発光層部の劣化も生ずる心配がなくなる。さらに、貼り合せ界面に金属や酸化物などの異物や水蒸気などを噛みこむ心配がないので、該噛みこみによる有害不純物の発光層部への拡散等も心配する必要がない。
【００１６】
上記第二の化合物半導体のエピタキシャル成長は、ハイドライド気相成長法（Ｈｙｄｒｉｄｅ  Ｖａｐｏｒ  Ｐｈａｓｅ  Ｅｐｉｔａｘｉａｌ  Ｇｒｏｗｔｈ  Ｍｅｔｈｏｄ：以下、ＨＶＰＥ法という）または液相成長法（Ｌｉｑｕｉｄ  Ｐｈａｓｅ  Ｅｐｉｔａｘｉａｌ  Ｇｒｏｗｔｈ  Ｍｅｔｈｏｄ）：以下、ＬＰＥ法という）により行なうことができる。また、これにより得られる透光性導電半導体は、ハイドライド気相成長法または液相成長法により形成されたものとなる。ＨＶＰＥ法またはＬＰＥ法によると層成長速度を、他の方法、例えば有機金属気相成長法（ＭｅｔａｌＯｒｇａｎｉｃ  Ｖａｐｏｒ  Ｐｈａｓｅ  Ｅｐｉｔａｘｙ：以下、ＭＯＶＰＥ法ともいう）よりもはるかに大きくでき、透光性導電半導体基板としてある程度の強度を要する厚さであっても高能率にて形成できる。また、最終的に得られる透光性導電半導体基板の表面に、結晶に起因したファセットや面荒れがほとんど生じず、ひいては平滑性の良好な基板を得られる利点もある。さらに、ＨＶＰＥ法では、ＩＩＩ族元素源として高価な有機金属を使用せず、ＩＩＩ族元素源に対するＶ族元素源（ＡｓＨ３、ＰＨ３など）の配合比率もはるかに少なくて済む（例えば１／１００程度）ので、コスト的に有利である。
【００１７】
次に、本発明の複合透光性基板及び発光素子の製造方法において、透光性導電半導体基板と発光層成長準備層との間には、それら透光性導電半導体基板と発光層成長準備層との結合を媒介する中間化合物半導体層を介挿することもできる。中間化合物半導体層は、例えば透光性導電半導体基板と発光層成長準備層との不整合歪の緩和を目的として、それらの中間の格子定数を有する化合物半導体層として形成することができる。
【００１８】
また、本発明の発光素子の製造方法において、複合透光性基板製造工程は、
第二の化合物半導体よりも、第一の化合物半導体との格子定数差が小さい成長用基板上に、発光層成長準備層を第二主表面側からエピタキシャル成長する発光層成長準備層成長工程と、
発光層成長準備層の第一主表面側に透光性導電半導体基板を形成する透光性導電半導体基板形成工程と、
発光層成長準備層の第二主表面から成長用基板を除去する成長用基板除去工程と、を有するものとして実施することができる。上記のような成長用基板を用いることで、発光層成長準備層を高品質にて形成することができる。
【００１９】
この場合、透光性導電半導体基板形成工程の実施後に成長用基板除去工程を実施することができる。このようにすると、透光性導電半導体基板の形成により発光層成長準備層の機械的強度を高めてから成長用基板を除去するので、ハンドリングがより容易である。なお、発光層成長準備層を、ハンドリングに耐える程度にまで厚くできる場合には、発光層成長準備層から成長用基板を除去した後に、透光性導電半導体基板を該発光層成長準備層の第一主表面上に形成する方法を採用することも可能である。
【００２０】
本発明の複合透光性基板及び発光素子の製造方法において、発光層成長準備層は、発光層部からの発光光束のピーク波長に対応するエネルギーよりもバンドギャップの広い化合物半導体にて形成することが望ましい。このようにすることにより、発光層部からの光が発光層成長準備層に吸収されにくくなり、発光層成長準備層を経由して透光性導電半導体基板に発光光束が出入りする際に、吸収による損失を低く留めることができ、ひいては光取出し効率の向上に寄与する。
【００２１】
また、本発明の複合透光性基板及び発光素子の製造方法において、発光層部を構成する第一の化合物半導体を、ＡｌＧａＩｎＰ系混晶化合物とする場合、透光性導電半導体基板をなす第二の化合物半導体は、例えばＧａＰまたはＧａＡｓＰにて形成することができる。ＡｌＧａＩｎＰ系混晶化合物（（ＡｌｘＧａ１−ｘ）ｙＩｎ１−ｙＰ（ただし、０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１））は、混晶比ｘ及びｙを調整することにより、ＧａＡｓ単結晶基板と整合する格子定数を維持したまま、例えば５２０ｎｍ以上６７０ｎｍ以下の範囲で、高発光強度を維持しつつ発光波長を容易に調整することができる。この場合、ＧａＰあるいはＧａＡｓＰはバンドギャップが比較的広いため、該ＡｌＧａＩｎＰ系発光層部からの発光光束に対して良好な光透過性を有し、光取出し効率を高めることができる。
【００２２】
次に、本発明の複合透光性基板及び発光素子の製造方法において、発光層成長準備層は、発光層部の品質向上の観点において発光層部との格子不整合がなるべく小さいこと、具体的には、発光層成長準備層の第二主表面の格子定数をａ１、発光層部の発光層成長準備層側の格子定数をａ２として、｜ａ１−ａ２｜／ａ１≦０．０１となっていることが望ましい。｜ａ１−ａ２｜／ａ１＞０．０１になると、発光層成長準備層の第二主表面上に発光層部をエピタキシャル成長する際に、発光層成長準備層との格子不整合により発光層部にミスフィット転位などの結晶欠陥が導入されやすくなり、発光効率の低下につながる場合がある。
【００２３】
具体的には、発光層部と発光層成長準備層とを、ＩＩＩ族構成元素とＶ族構成元素との種別が一致したＩＩＩ−Ｖ族混晶化合物半導体にて構成することが、発光層成長準備層と発光層部との格子不整合率を縮小する上で望ましい。発光層部と発光層成長準備層とを、いずれもＡｌＧａＩｎＰ系混晶化合物で構成すれば、発光層成長準備層上への発光層部のエピタキシャル成長を容易に行なうことができる。より具体的には、発光層部は、ＡｌＧａＩｎＰ系混晶化合物により、ノンドープの活性層をｎ型クラッド層とｐ型クラッド層とで挟んだダブルへテロ構造にて構成することにより、活性層へのキャリア閉じ込め効果を高め、ひいては発光再結合を促進して内部量子効率を向上することができる。この場合、キャリアの閉じ込め効果を高めるには、ｎ型クラッド層とｐ型クラッド層とは、ノンドープの活性層よりもワイドギャップに構成しておくことが有利である。そして、発光層成長準備層の第二主表面は、該発光層成長準備層側に位置するｎ型又はｐ型のクラッド層と同じ混晶比を有するか、あるいは、該クラッド層の格子定数をａ２として、｜ａ１−ａ２｜／ａ１≦０．０１となり、かつ活性層よりもバンドギャップが広くなるように混晶比が調整されたＡｌＧａＩｎＰ系混晶化合物で構成することで、発光層成長準備層上への発光層部のエピタキシャル成長を容易に行なうことができるばかりでなく、発光光束のピーク波長を規定する活性層よりもワイドギャップとなることにより、光吸収による損失も小さくできる。
【００２４】
一方、過度に光吸収を生じないものであれば、発光層部と発光層成長準備層とを、ＩＩＩ族構成元素とＶ族構成元素との種別が一致しないＩＩＩ−Ｖ族混晶化合物半導体にて構成することもできる。例えば、発光層部がＡｌＧａＩｎＰ系混晶化合物である場合、発光層成長準備層をＡｌＧａＡｓ系混晶化合物で構成することもできる。ＡｌＧａＡｓ系混晶化合物は、混晶比の調整により、ＡｌＧａＩｎＰ系混晶化合物と格子整合した化合物が容易に得られるほか、前述の液相成長法による高速成長も可能であり、また、周知のＭＯＶＰＥ法により形成する場合でも、層成長速度を比較的大きく設定しやすく、製造能率が高い利点がある。いずれの方法を採用する場合でも、発光層成長準備層の厚膜化を容易に図ることができるので、例えば、前述の成長用基板を発光層成長準備層から除去してから、該発光層成長準備層の第一主表面に透光性導電半導体基板を形成する工程も容易に実施できる。
【００２５】
また、本発明は、複合透光性基板の第二の構成として、ＧａＰ基板と、該ＧａＰ基板上に形成され最表面がＧａＡｓに格子整合する透光性の化合物半導体層とを有することを特徴とする複合透光性基板も提供する。このような複合透光性基板は、透光性導電基板であるＧａＰ基板を主体としつつも、該ＧａＰ基板上には、最表面がＧａＡｓに格子整合する透光性の化合物半導体層を形成してある。ＧａＰ基板上に、格子定数差の大きいＡｌＧａＩｎＰ系混晶化合物等からなる発光層部を直接エピタキシャル成長することは困難であるが、上記のごとき複合透光性基板を用いれば、前記透光性の化合物半導体層の、ＧａＡｓに格子整合する最表面に発光層部を容易にエピタキシャル成長することができる。。エピタキシャル成長後は、ＧａＰ基板を発光素子の光取出用基板部分として流用することができる。そして、このエピタキシャル成長により、発光層部が、発光層成長準備層を介して初めからＧａＰ基板と結合された構造にて得られるから、従来のごとく、発光層部をＧａＰ基板に貼り合せる工程は全く必要でなくなる。その結果、貼り合わせのハンドリング等により発光層部に不要な圧力が加わったり損傷が発生する心配がなくなる。また、予め成長した発光層部に対して透光性導電半導体基板の貼り合わせをしたり、ハンドリング用の厚膜化合物半導体層の成長を行なったりすることがないので、それらの熱履歴による発光層部の劣化も生ずる心配がなくなる。このようにして、上記複合透光性基板を用いて得られる本発明の発光素子は、発光層部の品質が高められ、ひいては高輝度で長寿命の発光素子が実現する。なお、化合物半導体層は、ＡｌＧａＩｎＰ系混晶化合物にて形成でき、これによりＡｌＧａＩｎＰ系混晶化合物からなる高品質の発光層部をより容易にエピタキシャル成長することができる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の一実施形態である発光素子１を示す概念図である。発光素子１は、第一の化合物半導体であるＡｌＧａＩｎＰ系混晶化合物よりなる発光層部２４を有する。発光層部２４は、各々ＡｌＧａＩｎＰ系混晶化合物とされるとともに、第一導電型クラッド層４、第二導電型クラッド層６、及び第一導電型クラッド層４と第二導電型クラッド層６との間に位置する活性層５からなるダブルへテロ構造とされている。具体的には、ノンドープ（ＡｌｘＧａ１−ｘ）ｙＩｎ１−ｙＰ（ただし、０≦ｘ≦０．５５，０．４５≦ｙ≦０．５５）混晶からなる活性層５を、ｐ型（ＡｌｘＧａ１−ｘ）ｙＩｎ１−ｙＰクラッド層６とｎ型（ＡｌｘＧａ１−ｘ）ｙＩｎ１−ｙＰクラッド層４とにより挟んだ構造となっている。なお、当業者には自明のことであるが、ここでいう「ノンドープ」とは、「ドーパントの積極添加を行なわない」との意味であり、通常の製造工程上、不可避的に混入するドーパント成分の含有（例えば１０１３〜１０１６／ｃｍ３程度を上限とする）をも排除するものではない。
【００２７】
上記の発光層部２４は複合透光性基板５０上に形成されてなる。複合透光性基板５０は、透光性導電半導体基板であるｎ型のＧａＰ単結晶基板７０を有し、ＡｌＧａＩｎＰ系混晶化合物（第一の化合物半導体）との格子定数差が、ＧａＰ（第二の化合物半導体）との格子定数差よりも小さい化合物半導体、具体的には、ｎ型クラッド層４と同じ混晶比及びドーパント濃度のＡｌＧａＩｎＰ系混晶化合物よりなる発光層成長準備層８の第一主表面ＭＰ１側に、透光性導電半導体基板であるＧａＰ単結晶基板７０を貼り合せたものである。
【００２８】
発光層部２４のｐ型クラッド層６側は光取出面とされ、これを覆うように、該ｐ型クラッド層６よりもｐ型ドーパント濃度が高いｐ型ＡｌＧａＡｓよりなる電流拡散層２０が形成されている。また、透光性を有するＧａＰ単結晶基板７０の側面も光取出面として機能する。電流拡散層２０のほぼ中央部には、Ａｕ等にて構成されたボンディングパッド９が配置され、ここにＡｕ等で構成された図示しない電極ワイヤが接合される。他方、ＧａＰ単結晶基板７０の他方の主表面側には、Ａｕ系金属よりなる裏面電極層１５が全面に形成されている。この裏面電極層１５は、発光層部２４から発光層成長準備層８を経てＧａＰ単結晶基板７０内に入射する発光光束を、光取出面側あるいはＧａＰ単結晶基板７０の側面側に反射して、光取出し効率を高める働きをなす。
【００２９】
以下、図１の発光素子１００の製造方法について説明する。
まず、図２の工程１に示すように、成長用基板をなすＧａＡｓ単結晶基板１の主表面に、ＧａＡｓバッファ層２を例えば０．５μｍ、ＡｌＡｓからなる剥離層３を例えば０．５μｍこの順序にてエピタキシャル成長させる。そして、工程２に示すように、剥離層３上に、さらにｎ型ＡｌＧａＩｎＰよりなる発光層成長準備層８（成長開始面は第二主表面ＭＰ２側である）を例えば０．５μｍ以上２μｍ以下の厚さにエピタキシャル成長させる。これら各層のエピタキシャル成長は、後述の発光層部２４及び電流拡散層２０と同様に、公知のＭＯＶＰＥ法により行なうことができる。Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｐ及びＡｓの各成分源となる原料ガスとしては以下のようなものを使用できる；
・Ａｌ源ガス；トリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）、トリエチルアルミニウム（ＴＥＡｌ）など；
・Ｇａ源ガス；トリメチルガリウム（ＴＭＧａ）、トリエチルガリウム（ＴＥＧａ）など；
・Ｉｎ源ガス；トリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）、トリエチルインジウム（ＴＥＩｎ）など。
・Ｐ源ガス；ターシャルブチルホスフィン（ＴＢＰ）、ホスフィン（ＰＨ３）など。
・Ａｓ源ガス；ターシャルブチルアルシン（ＴＢＡ）、アルシン（ＡｓＨ３）など。
【００３０】
また、ドーパントガスとしては、以下のようなものを使用できる；
（ｐ型ドーパント）
・Ｍｇ源：ビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ２Ｍｇ）など。
・Ｚｎ源：ジメチル亜鉛（ＤＭＺｎ）、ジエチル亜鉛（ＤＥＺｎ）など。
（ｎ型ドーパント）
・Ｓｉ源：モノシランなどのシリコン水素化物など。
【００３１】
次に、発光層成長準備層８までＭＯＶＰＥ成長した積層体を、一旦、成長装置の外に取り出し、次いで工程３に示すように、別途用意したＧａＰ単結晶基板７０（例えば、液体封止型チョクラルスキー法にて引き上げ成長した単結晶インゴットをスライスして製造したもの）を、発光層成長準備層８の第一主表面ＭＰ１上に重ね合わせ、例えば加圧しながら適当な温度（例えば３００℃以上８００℃以下）にて熱処理することにより貼り合せる。
【００３２】
次に、工程４に進み、上記ＧａＰ単結晶基板７０を貼り合せた積層体を、例えば１０％フッ酸水溶液からなるエッチング液に浸漬し、バッファ層２と発光層成長準備層８との間に形成したＡｌＡｓ剥離層３を選択エッチングすることにより、ＧａＡｓ単結晶基板１（発光層部２４からの光に対して不透明である）を、発光層成長準備層８とこれに接合されたＧａＰ単結晶基板７０との積層体、すなわち複合透光性基板５０から除去する。なお、ＡｌＡｓ剥離層３に代えてＡｌＩｎＰよりなるエッチストップ層を形成しておき、ＧａＡｓに対して選択エッチング性を有する第一エッチング液（例えばアンモニア／過酸化水素混合液）を用いてＧａＡｓ単結晶基板１をＧａＡｓバッファ層２とともにエッチング除去し、次いでＡｌＩｎＰに対して選択エッチング性を有する第二エッチング液（例えば塩酸：Ａｌ酸化層除去用にフッ酸を添加してもよい）を用いてエッチストップ層をエッチング除去する工程を採用することもできる。
【００３３】
次に、工程５に進み、ＧａＡｓ単結晶基板１を除去した複合透光性基板５０を、再びＭＯＣＶＤ成長装置内に配置し、発光層成長準備層８の第二主表面ＭＰ２上に発光層部２４及び電流拡散層２０を順次エピタキシャル成長する。そして、工程６に示すように、電流拡散層２０の主表面の一部を覆うように、ワイヤボンディング用の電極９（ボンディングパッド：図１）を形成する一方、ＧａＰ単結晶基板７０の裏面側には、反射用の裏面電極層１５を形成する。以下、通常の方法によりダイシングして半導体チップとし、これを支持体に固着してリード線のワイヤボンディング等を行なった後、樹脂封止をすることにより最終的な発光素子が得られる。
【００３４】
本発明においては、発光層部２４に透光性導電半導体基板であるＧａＰ単結晶基板７０を直接貼り合せる工程を採用せず、まず、発光層部２４に対してＧａＰ単結晶基板７０よりも格子整合しやすいＡｌＧａＩｎＰ混晶化合物により発光層成長準備層８を作り、その発光層成長準備層８の第一主表面ＭＰ１側にＧａＰ単結晶基板７０を貼り合せて複合透光性基板５０を作製する。そして、その複合透光性基板５０を発光層部２４の成長時に基板として用い、発光層成長準備層８の第二主表面ＭＰ２側を成長面とする形で、ここに発光層部２４をエピタキシャル成長させる。ＧａＰ単結晶基板７０上に格子定数差の大きいＡｌＧａＩｎＰよりなる発光層部２４を直接エピタキシャル成長することは困難であるが、上記のごとき複合透光性基板５０を用いれば、同じＡｌＧａＩｎＰよりなる発光層成長準備層８の第二主表面ＭＰ２を用いて、発光層部２４を容易にエピタキシャル成長することができる。該工程により、発光層部２４は、初めからＧａＰ単結晶基板７０と結合された構造にて得られるから、発光層部２４をＧａＰ単結晶基板７０に貼り合せる工程は全く必要でなくなる。その結果、貼り合わせのハンドリング等により発光層部２４に不要な圧力が加わったり損傷が発生する心配がなくなる。また、予め成長した発光層部に対してＧａＰ単結晶基板の貼り合わせをしたり、ハンドリング用の厚膜化合物半導体層の成長を行なったりすることがないので、それらの熱履歴による発光層部２４の劣化も生ずる心配がなくなる。
【００３５】
なお、上記の複合透光性基板５０は、ＧａＰ単結晶基板７０（ＧａＰ基板）と、該ＧａＰ単結晶基板７０上に形成され、最表面がＧａＡｓに格子整合する透光性の化合物半導体層８（発光層成長準備層）とを有するものとして見ることもできる。化合物半導体層８は、本実施形態では、ＡｌＧａＩｎＰ系混晶化合物にて構成されている。
【００３６】
以上の結果、得られる発光素子１は、その発光層部２４を結晶欠陥の少ない高品質のものとして形成することができ、高輝度で長寿命のものが得られる。なお、発光層成長準備層８上には、発光層部を直接成長させてもよいし、発光層成長準備層８と格子整合する別の化合物半導体層を成長させてから、その上に発光層部２４を成長することもできる。例えば、より高品質の発光層部２４を得るために、発光層成長準備層８上にＡｌＧａＩｎＰよりなるバッファ層を形成した後、発光層部２４を成長することができる。
【００３７】
以下、本発明の種々の変形例について説明する。
図３の発光素子２００は、複合透光性基板５０において、透光性導電半導体基板であるＧａＰ単結晶基板７が、発光層成長準備層８の第一主表面ＭＰ１上にＨＶＰＥ法あるいはＬＰＥ法によりエピタキシャル成長され、発光層部２４よりも厚く形成されている。他の構成は、図１の発光素子１００と同じである。ＧａＰ単結晶基板７をエピタキシャル成長により形成するから、図２のような貼り合せ工程が不要となり、発光層成長準備層８へのハンドリング等の影響が本質的に生じないほか、貼り合せ界面に金属や酸化物などの異物や水蒸気などを噛みこむ心配がない。また、予め成長した発光層部に対してＧａＰ単結晶基板の貼り合わせをしたり、ハンドリング用の厚膜化合物半導体層の成長を行なったりすることがないので、それらの熱履歴による発光層部２４の劣化も生ずる心配がなくなる。
【００３８】
図４は、発光素子２００の製造工程の一例を示すものである。図２の工程とは、
工程３において発光層成長準備層８の第一主表ＭＰ１上に、ＧａＰ単結晶基板７０を貼り合せる代わりに、ＧａＰ単結晶基板７を、厚膜成長層としてエピタキシャル成長させる点においてのみ相違する。ＨＶＰＥ法は、具体的には、容器内にてＩＩＩ族元素であるＧａを所定の温度に加熱保持しながら、そのＧａ上に塩化水素を導入することにより、下記（１）式の反応によりＧａＣｌを生成させ、キャリアガスであるＨ２ガスとともに基板上に供給する。
Ｇａ（液体）＋ＨＣｌ（気体）  →  ＧａＣｌ（気体）＋１／２Ｈ２‥‥（１）
ＧａＰの場合、成長温度は例えば８００〜８６０℃程度に設定する。また、Ｖ族元素であるＰは、ＰＨ３をキャリアガスであるＨ２とともに基板上に供給する。なお、ｎ型ドーパントであるＳｉは、ＳｉＨ４の形で供給する。ＧａＣｌはＰＨ３との反応性に優れ、下記（２）式の反応により、Ｇａとの間で効率よく、ＧａＰ単結晶基板７を成長させることができる：
ＧａＣｌ（気体）＋ＰＨ３（気体）
→ＧａＰ（固体）＋ＨＣｌ（気体）＋Ｈ２（気体）‥‥（２）
なお、ＧａＰ単結晶基板７に代えてＧａＡｓＰ単結晶基板をＨＶＰＥにより成長させることもできる。
【００３９】
次に、図５の製造工程においては、工程２において、ＡｌＧａＡｓよりなる発光層成長準備層８０を、ＭＯＶＰＥ法（あるいはＬＰＥ法でもよい）により、単独ハンドリングの可能な２０μｍ以上１００μｍ以下の層厚に成長している。そして、工程３において、先にＧａＡｓ基板１（成長用基板）を除去している。そして、その後、工程４において、ＧａＰ単結晶基板７０を貼り付けている。これにより、工程６において最終的に得られる発光素子３００は、図１の発光素子１００のＡｌＧａＩｎＰよりなる発光層成長準備層８を、それより厚膜のＡｌＧａＡｓよりなる発光層成長準備層８０にて置き換えたものとなる。
【００４０】
また、図６に示す発光素子４００は、図１あるいは図３の発光素子１００ないし２００において、発光層成長準備層８と透光性導電半導体基板であるＧａＰ単結晶基板７（あるいは７０）との間に、それら発光層成長準備層８とＧａＰ単結晶基板７（７０）との結合を媒介する中間化合物半導体層７ｂを介挿した例である。本実施形態では、中間化合物半導体層７ｂを、図７に示すように、ＡｌＧａＩｎＰよりなる発光層成長準備層８とＧａＰ単結晶基板７（７０）との不整合歪を層厚方向に緩和するために、ＧａＰ単結晶基板７（７０）側から発光層成長準備層８側に向けて格子定数が漸増するように、混晶比が層厚方向に変化するＡｌＧａＩｎＰのグラデーション層として形成している。図８は、この場合の製造工程を示すものであるが、工程１及び工程２は図２と全く同じである。そして、工程３において、発光層成長準備層８上に、ＭＯＶＰＥ法により中間化合物半導体層７ｂを成長し、工程４に示すように、該中間化合物半導体層７ｂ上にＧａＰ単結晶基板７をＨＶＰＥ法により厚膜成長するか、ないしはＧａＰ単結晶基板７０を貼り合せる。以降の工程は、図２又は図４と同様である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の発光素子に係る第一実施形態を示す断面模式図。
【図２】本発明の発光素子の製造方法に係る第一実施形態を示す工程説明図。
【図３】本発明の発光素子に係る第二実施形態を示す断面模式図。
【図４】本発明の発光素子の製造方法に係る第二実施形態を示す工程説明図。
【図５】本発明の発光素子の製造方法に係る第三実施形態を示す工程説明図。
【図６】本発明の発光素子に係る第三実施形態を示す断面模式図。
【図７】図６の発光素子における中間化合物半導体層の概念説明図。
【図８】中間化合物半導体層を含む場合の、本発明の発光素子の製造方法に係る部分工程説明図。
【符号の説明】
１  成長用基板
７，７０  ＧａＰ単結晶基板（透光性導電半導体基板）
７ｂ  中間化合物半導体層
８，８０  発光層成長準備層
２４  発光層部
５０  複合透光性基板
１００，２００，３００，４００  発光素子
【図１】
2004260109.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2004260109.tif 000008
【図７】
2004260109.tif 000009
【図８】
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