(57)【要約】【課題】高輝度の発光ダイオードを低コストで実現できる発光ダイオードおよびその製造方法の提供。【解決手段】Ｇｅから成る半導体基板と、前記半導体基板の表面側に形成された発光部を構成する複数のエピタキシャル層と、前記Ｇｅ半導体基板と前記エピタキシャル層との間に形成され、前記エピタキシャル層の面積よりも小なる面積の接続部と、前記エピタキシャル層の表面に形成された部分電極と、前記Ｇｅ半導体基板の裏面に形成された全面電極とを有する発光ダイオード。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｇｅから成る半導体基板と、前記半導体基板の表面側に形成された発光部を構成する複数のエピタキシャル層と、前記Ｇｅ半導体基板と前記エピタキシャル層との間に形成され、前記エピタキシャル層の面積よりも小なる面積の接続部と、前記エピタキシャル層の表面に形成された部分電極と、前記Ｇｅ半導体基板の裏面に形成された全面、または部分電極とを有することを特徴とする発光ダイオード。
【請求項２】
Ｇｅから成る半導体基板と、前記半導体基板の表面側に形成された発光部を構成する複数のエピタキシャル層と、前記エピタキシャル層の表面に形成された金属酸化物からなる透明導電膜と、前記Ｇｅ半導体基板と前記エピタキシャル層との間に形成され、前記エピタキシャル層の面積よりも小なる面積の接続部と、前記透明導電膜の表面に形成された部分電極と、前記Ｇｅ半導体基板の裏面に形成された全面、または部分電極とを有することを特徴とする発光ダイオード。
【請求項３】
前記接続部の面積は、前記発光部を構成する複数のエピタキシャル層の面積の３０％〜７０％である請求項１または２記載の発光ダイオード。
【請求項４】
前記Ｇｅ半導体基板と前記発光部を構成する複数のエピタキシャル層との間の前記接続部の周囲は、空隙状態または樹脂が充填された状態である請求項１または２記載の発光ダイオード。
【請求項５】
前記発光部を構成する複数のエピタキシャル層と前記接続部との間に、ブラッグ反射膜を有する請求項１または２記載の発光ダイオード。
【請求項６】
前記発光部を構成する複数のエピタキシャル層は、（ＡｌＸＧａ１−Ｘ）ＹＩｎ１−ＹＰ（０≦Ｘ≦１、０＜Ｙ≦１）であり、前記接続部は、ＡｌｘＧａ１−ＸＡｓ（０≦Ｘ≦１）である請求項１または２記載の発光ダイオード。
【請求項７】
前記発光部を構成する複数のエピタキシャル層は、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層、アンドープＡｌＧａＩｎＰ活性層、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層およびｐ型ＧａＰ窓層が順次形成されて成る請求項６記載の発光ダイオード。
【請求項８】
前記金属酸化物からなる透明導電膜は、ＩＴＯ（酸化インジウム・錫）膜である請求項２記載の発光ダイオード。
【請求項９】
Ｇｅから成る半導体基板の上に犠牲層となるエピタキシャル層を成長させると共に発光部を構成する複数のエピタキシャル層を成長させてエピタキシャルウエハを形成する工程と、前記エピタキシャル層の表面に部分電極を形成すると共に前記Ｇｅ半導体基板の裏面に全面、または部分電極を形成する工程と、前記エピタキシャルウエハをチップに分離する溝を形成する工程と、前記犠牲層の一部を溶解除去して前記エピタキシャル層の面積よりも小なる面積の接続部を形成すると共に前記Ｇｅ半導体基板と前記発光部を構成する複数のエピタキシャル層との間に空隙を形成する工程と、前記エピタキシャルウエハを分離する工程とを有することを特徴とする発光ダイオードの製造方法。
【請求項１０】
Ｇｅから成る半導体基板の上に犠牲層となるエピタキシャル層を成長させると共に発光部を構成する複数のエピタキシャル層を成長させ、さらにその上に金属酸化物からなる透明導電膜を設けてエピタキシャルウエハを形成する工程と、前記透明導電膜の表面に部分電極を形成すると共に前記Ｇｅ半導体基板の裏面に全面、または部分電極を形成する工程と、前記エピタキシャルウエハをチップに分離する溝を形成する工程と、前記犠牲層の一部を溶解除去して前記エピタキシャル層の面積よりも小なる面積の接続部を形成すると共に前記Ｇｅ半導体基板と前記発光部を構成する複数のエピタキシャル層との間に空隙を形成する工程と、前記エピタキシャルウエハを分離する工程とを有することを特徴とする発光ダイオードの製造方法。
【請求項１１】
前記犠牲層となるエピタキシャル層の上にブラッグ反射膜を形成してから前記発光部を構成する複数のエピタキシャル層を成長させる請求項９または１０記載の発光ダイオードの製造方法。
【請求項１２】
前記犠牲層は、ＡｌｘＧａ１−ＸＡｓ（０≦Ｘ≦１）を成長させて形成し、前記発光部を構成する複数のエピタキシャル層は（ＡｌＸＧａ１−Ｘ）ＹＩｎ１−ＹＰ（０≦Ｘ≦１、０＜Ｙ≦１）を成長させて形成する請求項９または１０記載の発光ダイオードの製造方法。
【請求項１３】
有機金属化学気相成長法によりｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層、アンドープＡｌＧａＩｎＰ活性層、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層およびｐ型ＧａＰ窓層を順次成長させることにより前記発光部を構成する複数のエピタキシャル層を形成する請求項９または１０記載の発光ダイオードの製造方法。
【請求項１４】
前記犠牲層の溶解除去は、Ｈ２ＳＯ４およびＨ２Ｏ２を含む希薄水溶液を溶液として行う請求項９または１０記載の発光ダイオードの製造方法。
【請求項１５】
前記透明導電膜は、真空蒸着法、スパッタ法またはスプレー法により形成する請求項１０記載の発光ダイオードの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、発光ダイオードおよびその製造方法に関し、特に、Ｇｅ基板上の発光ダイオードの発光出力を改善した発光ダイオードおよびその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、発光ダイオードの発光出力を高めるためには、電気を光に変換する効率である内部量子効率を高くする方法と、発光した光を発光ダイオードチップから外部へ取り出す効率である光取り出し効率を高くする方法とがある。内部量子効率を高くするための手段としては、シングルヘテロ構造（ＳＨ構造）やダブルヘテロ構造（ＤＨ構造）が考案され、既に広く実用化されている。これに対して、光取り出し効率は発光ダイオードの輝度を左右する大きな要因となっているが、発光ダイオードチップの光取り出し面と外部（空気）との屈折率の差により、光が発光ダイオードチップ表面で反射を起こすため、高い光取り出し効率を達成することは難しい。また、発光部にＡｌＧａＩｎＰを用いた赤色帯から緑色帯を発光する発光ダイオードでは基板にＧａＡｓを用いることが一般的となっている。しかしながら、ＧａＡｓ基板は活性層で発光した光に対して光吸収層として作用し、こういったことも、光取り出し効率を高めることが難しいとされる要因の一つである。
【０００３】
そこで、最も一般的な方法として、発光ダイオードチップの裏面（ＧａＡｓ基板方向）に向かう光を、屈折率が異なる半導体層（ブラッグ反射層：ＤＢＲ）を設けることで反射させ、発光ダイオードチップの表面側から光を取り出す方法が提案されている（例えば、非特許文献１）。
【０００４】
一方、Ｇｅは、ＧａＰなどに比べて比較的ＧａＡｓに近い格子定数を持ち、ＧａＰなどを用いた発光ダイオードよりも高輝度のＡｌＧａＩｎＰ系発光ダイオードを得ることができ、さらに、ＧａＡｓ基板よりも大口径の基板作製が可能で、しかも製造コストが安価であるというメリットを有しており、Ｇｅ基板上にエピタキシャル層を成長させることが提案されている（例えば、非特許文献２）。
【０００５】
【非特許文献１】
Ａｐｐｌ．  Ｐｈｙｓ  Ｌｅｔｔ．  Ｖｏｌ．６１，  １７７５−１７７７  （１９９２）
【非特許文献２】
ＩＥＥＥ  Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  Ｌｅｔｔｅｒｓ，  Ｖｏｌ．１２，  Ｎｏ．８，  Ａｕｇｕｓｔ  ２０００，  ９５７−９５９）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、非特許文献１のように、ブラッグ反射膜層（ＤＢＲ層）による反射層は、十分な反射率を得るためには複雑な膜の積層構造を何十層も成長させる必要があり、製造コストが高くなるという問題がある。
【０００７】
非特許文献２のように、Ｇｅ基板を用いる方法では、前述した内部量子効率の問題が残り、また、ＧｅはＧａＡｓと同様に光吸収層として作用するため、光取り出し効率を高めることが困難であり、さらに、ＧｅとＧａＡｓとの格子定数の差のために、エピタキシャル層の結晶性に優劣差が出てしまい、Ｇｅ基板上の発光ダイオードをＧａＡｓ基板上の発光ダイオードよりも輝度を高くすることは困難であるという問題がある。
【０００８】
本発明の目的は、上記した問題を解決し、高輝度の発光ダイオードを低コストで実現できる発光ダイオードおよびその製造方法を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明は、Ｇｅから成る半導体基板と、前記半導体基板の表面側に形成された発光部を構成する複数のエピタキシャル層と、前記Ｇｅ半導体基板と前記エピタキシャル層との間に形成され、前記エピタキシャル層の面積よりも小なる面積の接続部と、前記エピタキシャル層の表面に形成された部分電極と、前記Ｇｅ半導体基板の裏面に形成された全面、または部分電極とを有する発光ダイオードを提供する。
【００１０】
本発明においては、Ｇｅ半導体基板と発光部を構成する複数のエピタキシャル層との間に、当該エピタキシャル層の面積よりも小なる面積の接続部を設けることにより、Ｇｅ半導体基板とエピタキシャル層との間に空隙が形成されるので、エピタキシャル層を透過して裏面側に向かう光の大半が空隙でほぼ完全に反射され、発光ダイオードの表面側から放出される。したがって、光取り出し効率を高くすることが可能となる。また、基板材料としてＧｅを用いることで、従来一般的であったＧａＡｓ基板を用いる発光ダイオードに比べ製造コストを大幅に低減できる。さらに、本発明においては、発光ダイオードの窓層として、金属酸化物から成る透明導電膜、特に、ＩＴＯ膜を用いることで、従来の窓層を厚く成長させる発光ダイオードに比してより低コスト化が可能となる。
【００１１】
また、上記目的を達成するため、本発明は、Ｇｅから成る半導体基板の上に犠牲層となるエピタキシャル層を成長させると共に発光部を構成する複数のエピタキシャル層を成長させてエピタキシャルウエハを形成する工程と、前記エピタキシャル層の表面に部分電極を形成すると共に前記Ｇｅ半導体基板の裏面に全面、または部分電極を形成する工程と、前記エピタキシャルウエハをチップに分離する溝を形成する工程と、前記犠牲層の一部を溶解除去して前記エピタキシャル層の面積よりも小なる面積の接続部を形成すると共に前記Ｇｅ半導体基板と前記発光部を構成する複数のエピタキシャル層との間に空隙を形成する工程と、前記エピタキシャルウエハを分離する工程とを有する発光ダイオードの製造方法を提供する。
【００１２】
本発明においては、犠牲層の一部を溶解除去することにより、発光部を構成する複数のエピタキシャル層の面積よりも小なる面積の接続部を形成すると共にＧｅ半導体基板と発光部を構成する複数のエピタキシャル層との間に空隙を形成することが可能となる。この場合、犠牲層は、ＡｌｘＧａ１−ＸＡｓ（０≦Ｘ≦１）を成長させて形成し、発光部を構成する複数のエピタキシャル層は（ＡｌＸＧａ１−Ｘ）ＹＩｎ１−ＹＰ（０≦Ｘ≦１、０＜Ｙ≦１）を成長させて形成すると、Ｈ２ＳＯ４およびＨ２Ｏ２を含む希薄水溶液を溶液として用いた場合は、犠牲層のみを効果的に溶解除去することが可能となる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
（従来例）
図９に示した構造の赤色発光ダイオードチップ９１を製作した。ｎ型ＧａＡｓ基板９１上に、ＭＯＶＰＥ（有機金属化学気相成長）法でｎ型ＧａＡｓバッファ層９２、ｎ型ブラッグ反射膜９３、ｎ型（Ａｌ０．７Ｇａ０．３）０．５Ｉｎ０．５Ｐクラッド層９４、アンドープ（Ａｌ０．１５Ｇａ０．８５）０．５Ｉｎ０．５Ｐ活性層９５、ｐ型（Ａｌ０．７Ｇａ０．３）０．５Ｉｎ０．５Ｐクラッド層９６、ｐ型ＧａＰ窓層９７を成長させた。このエピタキシャルウエハの表面側には直径１２５μｍの円形のｐ側電極９９をマトリックス状に蒸着で形成した。ｐ側電極９９は、金・亜鉛、ニッケル、金の順にそれぞれ厚さ６０ｎｍ、１０ｎｍ、１０００ｎｍに蒸着した。さらに、エピタキシャルウエハの底面には全面にｎ側電極９８を形成した。ｎ側電極９８は、金・ゲルマニウム、ニッケル、金を順次それぞれ厚さ６０ｎｍ、１０ｎｍ、５００ｎｍに蒸着した。その後、電極の合金化（アロイ）を窒素ガス雰囲気中、温度４００℃で５分間行った。その後、この電極付きエピタキシャルウエハをダイシング等でチップサイズ３００μｍ角のチップ形状にした。分離した発光ダイオードチップ９１は、ステム上にマウントされ、ワイヤボンデングにより配線し、樹脂モールドを行って発光ダイオード素子を製作した。
【００１４】
この樹脂モールドした赤色発光ダイオードのＬＥＤ特性を調べた結果、順方向電流が２０ｍＡのときの発光出力は２．０ｍＷであった。
【００１５】
（実施例１）
本実施例の赤色発光ダイオードは、発光層を形成するエピタキシャル層よりも基板のバンドギャップエネルギーが低いことにより裏面側に向かった光が基板で吸収されていた従来構造の発光ダイオードを改良したもので、裏面側に向かった光を反射させて表面側に出す構造としたものである。この発光ダイオードチップ１は、図１に示すように、ｎ型Ｇｅ基板２、ｎ型ＧａＡｓ接続用犠牲層３、ｎ型（Ａｌ０．７Ｇａ０．３）０．５Ｉｎ０．５Ｐクラッド層４、アンドープ（Ａｌ０．１５Ｇａ０．８５）０．５Ｉｎ０．５Ｐ活性層５、ｐ型（Ａｌ０．７Ｇａ０．３）０．５Ｉｎ０．５Ｐクラッド層６、ｐ型ＧａＰ窓層７からなっている。ｎ型Ｇｅ基板２の裏面にはｎ側全面電極８が形成されており、ｐ型ＧａＰ窓層７の表面にはｐ側円形電極９が形成されている。ｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層４、アンドープＡｌＧａＩｎＰ活性層５、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層６、ｐ型ＧａＰ窓層７が発光部を構成するエピタキシャル層となる。
【００１６】
この発光ダイオードチップ１の構造の特徴は、ｎ型Ｇｅ基板２とｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層４が、ｎ型ＧａＡｓ接続用犠牲層３により接続されていることである。ｎ型ＧａＡｓ接続用犠牲層３の面積は、発光ダイオードチップ１の面積（３００μｍ×３００μｍ）よりも小さく、円形で直径が１５０μｍである。ｎ型ＧａＡｓ接続用犠牲層３は、チップの中央に位置してｎ型Ｇｅ基板２とエピタキシャル層とを空間的に接続する。したがって、ｎ型Ｇｅ基板２とｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層４の間には空隙１０が形成され、光はこの空隙１０で次のように作用する。
【００１７】
アンドープＡｌＧａＩｎＰ活性層５で発した光は、ｐ型ＧａＰ窓層７側（表面側）およびｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層４側（裏面側）にそれぞれ向かうが、そのうちｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層４側へ向かった光は、このｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層４と空隙１０の界面で反射されｐ型ＧａＰ窓層７側へ向かう。これにより、アンドープＡｌＧａＩｎＰ活性層５で発する光を高効率で発光ダイオードチップ１の表面から取り出すことができる。このように、空隙１０の界面で光が反射されるのは、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層４の屈折率が約３．５であるのに対し、空隙１０の屈折率が１．０または空隙に樹脂が入っても約１．５と非常に小さいため、この界面で光が反射するためである。信頼性を高めるために、発光ダイオードチップ１を樹脂モールドした場合に、空隙１０に樹脂が充填されることもあるが、この場合でも光反射が起こる。このように、本実施例によれば、ｎ型Ｇｅ基板２とｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層４との界面での反射効果の大きな発光ダイオードを製作することができる。また、本実施例の発光ダイオードは、空隙１０の存在により電流が狭窄されているため、空隙の無い従来の発光ダイオードに比して内部量子効率が高くなり、２倍程度の発光出力または発光光度が達成される。
【００１８】
つぎに、図２（ａ）〜（ｄ）に基づいて、前述した構造の発光ダイオードの製造方法を説明する。まず、ｎ型Ｇｅ基板２を準備する（図２（ａ））。これは、例えば、キャリア濃度が１×１０１８ｃｍ−３〜３×１０１８ｃｍ−３のＳｂをドープしたＧｅ基板である。このｎ型Ｇｅ基板２の表面上に、図２（ｂ）に示すように、ＭＯＶＰＥ法でエピタキシャル層を５層積層させる。すなわち、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層４、アンドープＡｌＧａＩｎＰ活性層５、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層６およびｐ型ＧａＰ窓層７、さらにｎ型ＧａＡｓ接続用犠牲層部３ａを成長させて発光ダイオード用エピタキシャルウエハを形成する。ｎ型ＧａＡｓ接続用犠牲層部３ａは、ＧａＡｓまたはＡｌ組成を０．２程度に設定した低Ａｌ混晶比のＡｌＧａＡｓからなり、膜厚を約３００ｎｍに設定する。ｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層４は、混晶比を（Ａｌ０．７Ｇａ０．３）０．５Ｉｎ０．５Ｐにし、膜厚を約８００ｎｍに設定する。アンドープＡｌＧａＩｎＰ活性層５は、混晶比を（Ａｌ０．１５Ｇａ０．８５）０．５Ｉｎ０．５Ｐにし、膜厚を約１μｍに設定する。ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層６は、混晶比を（Ａｌ０．７Ｇａ０．３）０．５Ｉｎ０．５Ｐにし、膜厚を約８００ｎｍに設定する。なお、混晶比が（Ａｌ０．７Ｇａ０．３）０．５Ｉｎ０．５Ｐの屈折率は約３．２である。
【００１９】
前述の構造で成長させたエピタキシャルウエハの表面に、直径１２０μｍの円形のｐ側電極９を、裏面には全面にｎ側電極８をそれぞれ形成する（図２（ｃ））。両電極形成後、ウエハを各チップに分離するため深さ２５μｍの溝１１を形成し、この溝１１を形成したウエハをエッチング液に入れてｎ型ＧａＡＳ接続用犠牲層部３ａの一部を除去することにより、空隙１０を形成する（図２（ｄ））。具体的には、エピタキシャルウエハをＨ２ＳＯ４とＨ２Ｏ２の希薄水溶液に１０分間入れてｎ型ＧａＡｓ接続用犠牲層部３ａの周囲から溶解させ、中央の１５０μｍのｎ型ＧａＡｓ接続用犠牲層３のみが残るようにする。すなわち、この溶液によりＧａＡｓで構成したｎ型ＧａＡｓ接続用犠牲層部３ａのみが溶解除去される。このとき、中央の１５０μｍのｎ型ＧａＡｓ接続用犠牲層３のみが残るように精密に直径制御することが要求される。
【００２０】
その後、このエピタキシャルウエハをダイシングにより分離して図１に示すような発光ダイオードチップ１とする。分離した発光ダイオードチップ１を、ステム上にマウントし、ワイヤボンディングにより配線し、樹脂モールドして発光ダイオード素子を得る。モールド用樹脂は通常屈折率が１．５程度のエポキシ系樹脂が用いられるが、光取り出し効率を上げるためにはさらに屈折率の高い樹脂を用いることが望ましい。
【００２１】
樹脂モールドした上記赤色発光ダイオードの特性評価を行ったところ、次のような結果が得られた。通常の赤色発光ダイオードでは順方向電流が２０ｍＡで発光出力が２．０ｍＷであったのに対し、本実施例の発光ダイオードでは順方向電流が２０ｍＡで発光出力が３．９ｍＷと２倍程度の高出力化を実現できた。
【００２２】
なお、上記発光ダイオード用エピタキシャルウエハを製作するに際し、ｎ型ＧａＡｓ犠牲層部３ａをエッチングする時間を変えながら発光ダイオードの発光出力を評価した。その結果は、図３に示す通りである。発光出力は、ｎ型ＧａＡｓ接続用犠牲層部３ａの面積（直径）が少なくなるにつれて高くなっている。周囲から２０μｍエッチングすると、発光出力は、エッチングしない場合に比べて約３０％高くなった。この値は、ｎ型ＧａＡｓ接続用犠牲層３の面積がチップ面積の８０％のときに該当する。その後、さらにエッチングして行くと発光出力はさらに高くなって行き、ｎ型ＧａＡｓ接続用犠牲層３の面積が小さいほど発光出力が高くなる。
【００２３】
一方、ｎ型ＧａＡｓ接続用犠牲層３の面積が小さくなると、素子製作時、つまり、ダイシング、ダイボンディング、ワイヤボンディングまたは樹脂モールドの時に発光層のエピタキシャル層と基板２とが割れにより分離してしまう恐れがある。そこで、割れの発生率とｎ型ＧａＡｓ接続用犠牲層３の直径との関係を評価したところ、図４に示すような結果が得られた。これによると、ｎ型ＧａＡｓ接続用犠牲層３の直径が５０μｍから７０μｍの間で急激に割れの発生率が高くなり、製作が困難になることが明らかになった。因みに、ｎ型ＧａＡｓ接続用犠牲層３の直径が７０μｍの値は、ｎ型ＧａＡｓ接続用犠牲層３の面積がチップ面積の２３％のときに該当する。
【００２４】
このように、本実施例では、基板に加工を加えず、単に基板とエピタキシャル層との間の中央に犠牲層の一部を残すだけで、基板とエピタキシャル層との間に空隙を設けることができるため、非常に安価なコストでもって発光出力が高いエピタキシャルウエハを容易に製作することができる。また、チップ面積に対するｎ型ＧａＡｓ接続用犠牲層の面積を所定内に納めれば光取り出し効率が高く、しかも割れ分離の少ない信頼性の高い発光ダイオードを製作することができる。さらに、ｎ型ＧａＡｓ接続用犠牲層部の溶解除去工程は、特別な加工工程ではなく、ダイシングによる加工歪みを除去する工程と同一であり、その延長線上にあるものなので、発光ダイオードチップ作製のコストを上げることもない。さらに、基板のＧｅは、本実施例で使用するｎ型ＧａＡｓ接続用犠牲層部除去用溶解液のＨ２ＳＯ４とＨ２Ｏ２の希薄水溶液に対して極めて安定であり、また、複数のエピタキシャル層を占めるＡｌＧａＩｎＰ系材料もＧａＡｓとは全く異なるエッチングレートを示すため、空隙の形成が極めて容易である。すなわち、Ｇｅ基板上にＡｌＧａＩｎＰ系材料をエピタキシャル成長させた発光ダイオードにおいて、接続用犠牲層部をＧａＡｓで形成した点が発明の特徴の一つでもある。
【００２５】
なお、本実施例において、発光ダイオードは樹脂モールドされるが、この際に空隙は、内部にそのまま空気を保持していても良いが、モールド樹脂を充填しても良い。樹脂を充填する場合でも、樹脂の屈折率がｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層４の屈折率より小さい限り、光はｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層４と樹脂の界面で反射される。また、本実施例は、ダブルヘテロ構造の発光ダイオードについて説明したが、その他にシングルヘテロ構造に対しても適用可能であり、また、基板および各層の導電型については本実施例とは逆にしても良い。
【００２６】
（実施例２）
本実施例の赤色発光ダイオードは、発光層を形成するエピタキシャル層よりも基板のバンドギャップエネルギーが低いことにより裏面側に向かった光が基板で吸収されていた従来構造の発光ダイオードを改良したもので、裏面側に向かった光を反射させて表面側に出す構造としたものである。この発光ダイオードチップ５１は、図５に示すように、ｎ型Ｇｅ基板２、ｎ型ＧａＡｓ接続用犠牲層部３、ｎ型（Ａｌ０．７Ｇａ０．３）０．５Ｉｎ０．５Ｐクラッド層４、アンドープ（Ａｌ０．１５Ｇａ０．８５）０．５Ｉｎ０．５Ｐ活性層５、ｐ型（Ａｌ０．７Ｇａ０．３）０．５Ｉｎ０．５Ｐクラッド層６、ＩＴＯ窓層１２からなっている。ｎ型Ｇｅ基板２の裏面にはｎ側全面電極８が形成されており、ＩＴＯ窓層１４の表面にはｐ側円形電極９が形成されている。ｎ型クラッド層４、活性層５、ｐ型クラッド層６、窓層１２が発光部を構成するエピタキシャル層となる。
【００２７】
この発光ダイオードチップ１１の構造の特徴は、ｎ型Ｇｅ基板２とｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層４が、ｎ型ＧａＡｓ接続用犠牲層３により接続されていることである。このｎ型ＧａＡｓ接続用犠牲層３の面積は、発光ダイオードチップ５１の面積（３００μｍ×３００μｍ）よりも小さく、円形で直径が１５０μｍである。ｎ型ＧａＡｓ接続用犠牲層３は、チップの中央に位置してｎ型Ｇｅ基板２とエピタキシャル層とを空間的に接続する。したがって、ｎ型Ｇｅ基板２とｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層４の間には空隙１０が形成され、光はこの空隙１０で次のように作用する。
【００２８】
アンドープＡｌＧａＩｎＰ活性層５で発した光は、ＩＴＯ窓層１２側（表面側）およびｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層４側（裏面側）にそれぞれ向かうが、そのうちｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層４側へ向かった光は、この型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層４と空隙１０の界面で反射され、ＩＴＯ窓層１２側へ向かう。これにより、アンドープＡｌＧａＩｎＰ活性層５で発する光を高効率で発光ダイオードチップ５１の表面から取り出すことができる。このように、空隙１０の界面で光が反射されるのは、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層４の屈折率が約３．５であるのに対し、空隙１０の屈折率が１．０または空隙に樹脂が入っても約１．５と非常に小さいため、この界面で光が反射するためである。信頼性を高めるために、発光ダイオードチップ５１を樹脂モールドした場合に、空隙１０に樹脂が充填されることもあるが、この場合でも光反射が起こる。このように、本実施例によれば、ｎ型Ｇｅ基板２とｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層４との界面での反射効果の大きな発光ダイオードを製作することができる。
【００２９】
また、本実施例の発光ダイオードは、実施例１とは異なり、窓層にＩＴＯ膜を用いている。ＩＴＯ膜は、ＧａＰやＡｌＧａＡｓなどの一般に窓層に使用されるどの材料よりもキャリア濃度が高く、非常に良好な電流分布特性を持つ。このため、実施例１で用いたｐ型ＧａＰ窓層７の膜厚は約８μｍになるが、本実施例におけるＩＴＯ窓層１４の膜厚は、約２００ｎｍで同等の電流分散効果をもたらす。さらに、ＩＴＯ膜の屈折率は約２．０であり、ＡｌＧａＩｎＰの屈折率（約３．５）と比べて非常に小さい。このＩＴＯ膜が、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層６と空気、または発光ダイオードチップを被覆する樹脂との間に介在されることによって、実施例１に示した発光ダイオードよりもよりも高い光取り出し効率を実現することができる。また、本実施例の発光ダイオードは、空隙１０の存在により電流が狭窄されているため、空隙の無い従来の発光ダイオードに比して内部量子効率が高くなり、２倍程度の発光出力または発光光度が達成される。
【００３０】
つぎに、図６（ａ）〜（ｅ）に基づいて、前述した構造の発光ダイオードの製造方法を説明する。まず、ｎ型Ｇｅ基板２を準備する（図６（ａ））。これは、例えば、キャリア濃度が１×１０１８ｃｍ−３〜３×１０１８ｃｍ−３のＳｂをドープしたＧｅ基板である。このｎ型Ｇｅ基板２の表面上に、図６（ｂ）に示すように、ＭＯＶＰＥ法でエピタキシャル層を４層成長させる。すなわち、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層４、アンドープＡｌＧａＩｎＰ活性層５、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層６、さらにｎ型ＧａＡｓ接続用犠牲層部３ａを成長させて発光ダイオード用エピタキシャルウエハを形成する。ｎ型ＧａＡｓ接続用犠牲層部３ａは、ＧａＡｓまたはＡｌ組成を０．２程度に設定した低Ａｌ混晶比のＡｌＧａＡｓからなり、膜厚を約３００ｎｍに設定する。ｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層４は、混晶比を（Ａｌ０．７Ｇａ０．３）０．５Ｉｎ０．５Ｐにし、膜厚を約８００ｎｍに設定する。アンドープＡｌＧａＩｎＰ活性層５は、混晶比を（Ａｌ０．１５Ｇａ０．８５）０．５Ｉｎ０．５Ｐにし、膜厚を約１μｍに設定する。ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層６は、混晶比を（Ａｌ０．７Ｇａ０．３）０．５Ｉｎ０．５Ｐにし、膜厚を約８００ｎｍに設定する。なお、混晶比が（Ａｌ０．７Ｇａ０．３）０．５Ｉｎ０．５Ｐの屈折率は約３．２である。
【００３１】
前述したエピタキシャル層の成長は、全てＭＯＶＰＥ法で行われるが、さらに、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層６の上に、真空蒸着法にてＩＴＯ膜１２を厚さ約２００ｎｍに形成する。このときのＩＴＯ膜１２は、できる限り低抵抗であることが好ましく、具体的には、１×１０−３Ω・ｃｍ以下の抵抗率であることが好ましい。
【００３２】
前述の構造で成長させたエピタキシャルウエハの表面に、直径１２０μｍの円形のｐ側電極９を、裏面には全面にｎ側電極８をそれぞれ形成する（図６（ｃ））。両電極形成後、ウエハを各チップに分離するため深さ２５μｍの溝１１を形成し、この溝１１を形成したウエハをエッチング液に入れてｎ型ＧａＡｓ接続用犠牲層部３ａの一部を除去することにより、空隙１０を形成する（図６（ｄ））。具体的には、エピタキシャルウエハをＨ２ＳＯ４とＨ２Ｏ２の希薄水溶液に１０分間入れてｎ型ＧａＡｓ接続用犠牲層部３ａの周囲から溶解させ、中央の１５０μｍのｎ型ＧａＡｓ接続用犠牲層３のみが残るようにする。すなわち、この溶液によりＧａＡｓで構成したｎ型ＧａＡｓ接続用犠牲層部３ａのみが溶解除去される。このとき、中央の１５０μｍのｎ型ＧａＡｓ接続用犠牲層３のみが残るように精密に直径制御することが要求される。
【００３３】
その後、このエピタキシャルウエハをダイシングにより分離して図５に示すような発光ダイオードチップ５１とする。分離した発光ダイオードチップ１を、ステム上にマウントし、ワイヤボンディングにより配線し、樹脂モールドして発光ダイオード素子を得る。モールド用樹脂は通常屈折率が１．５程度のエポキシ系樹脂が用いられるが、光取り出し効率を上げるためにはさらに屈折率の高い樹脂を用いることが望ましい。
【００３４】
樹脂モールドした上記赤色発光ダイオードの特性評価を行ったところ、次のような結果が得られた。通常の赤色発光ダイオードでは順方向電流が２０ｍＡで発光出力が２．０ｍＷであったのに対し、本実施例の発光ダイオードでは順方向電流が２０ｍＡで発光出力が４．３ｍＷと２倍強の高出力化を実現できた。
【００３４】
このように、本実施例では、基板に加工を加えず、単に基板とエピタキシャル層との間の中央に犠牲層の一部を残すだけで、基板とエピタキシャル層との間に空隙を設けることができるため、非常に安価なコストでもって発光出力が高いエピタキシャルウエハを容易に製作することができる。また、チップ面積に対するｎ型ＧａＡｓ接続用犠牲層の面積を所定内に納めれば光取り出し効率が高く、しかも割れ分離の少ない信頼性の高い発光ダイオードを製作することができる。さらに、ｎ型ＧａＡｓ接続用犠牲層部の溶解除去工程は、特別な加工工程ではなく、ダイシングによる加工歪みを除去する工程と同一であり、その延長線上にあるものなので、発光ダイオードチップ作製のコストを上げることもない。さらには、窓層にＩＴＯ膜を用いることで、ＧａＰやＡｌＧａＡｓを窓層に用いた発光ダイオードよりも製造コストを低減することができる。これは、ＧａＰやＡｌＧａＡｓの成長に多くの時間と大量の原料を要し、またエピタキシャル層を成長させる成長炉の維持管理費用が大であることに起因する費用を軽減できることによる。このことから、安価なコストでもって発光出力が高いエピタキシャルウエハを容易に製作することができるようになる。
【００３６】
さらに、基板のＧｅは、本実施例で使用するｎ型ＧａＡｓ接続用犠牲層部除去用溶解液のＨ２ＳＯ４とＨ２Ｏ２の希薄水溶液に対して極めて安定であり、また、複数のエピタキシャル層を占めるＡｌＧａＩｎＰ系材料もＧａＡｓとは全く異なるエッチングレートを示すため、空隙の形成が極めて容易である。すなわち、Ｇｅ基板上にＡｌＧａＩｎＰ系材料をエピタキシャル成長させた発光ダイオードにおいて、接続用犠牲層部をＧａＡｓで形成した点が発明の特徴の一つでもある。
【００３７】
なお、本実施例において、発光ダイオードは樹脂モールドされるが、この際に空隙は、内部にそのまま空気を保持していても良いが、モールド樹脂を充填しても良い。樹脂を充填する場合でも、樹脂の屈折率がｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層４の屈折率より小さい限り、光はｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層４と樹脂の界面で反射される。また、本実施例は、ダブルヘテロ構造の発光ダイオードについて説明したが、その他にシングルヘテロ構造に対しても適用可能であり、また、基板および各層の導電型については本実施例とは逆にしても良い。さらに、ＩＴＯ膜の形成は、真空蒸着法に限定されることなく、スパッタ法、スプレー法または真空蒸着法を含むこれらの方法の組み合わせにより形成しても良い。
【００３８】
（実施例３）
本実施例の赤色発光ダイオードは、発光層を形成するエピタキシャル層よりも基板のバンドギャップエネルギーが低いことにより裏面側に向かった光が基板で吸収されていた従来構造の発光ダイオードを改良したもので、裏面側に向かった光を反射させて表面側に出す構造としたものである。この発光ダイオードチップ７１は、図７に示すように、ｎ型Ｇｅ基板２、ｎ型ＧａＡｓ接続用犠牲層３、ｎ型ブラッグ反射膜１３、ｎ型（Ａｌ０．７Ｇａ０．３）０．５Ｉｎ０．５Ｐクラッド層４、アンドープ（Ａｌ０．１５Ｇａ０．８５）０．５Ｉｎ０．５Ｐ活性層５、ｐ型（Ａｌ０．７Ｇａ０．３）０．５Ｉｎ０．５Ｐクラッド層６、ｐ型ＧａＰ窓層７からなっている。ｎ型Ｇｅ基板２の裏面にはｎ側全面電極８が形成されており、ｐ型ＧａＰ窓層７の表面にはｐ側円形電極９が形成されている。ｎ型クラッド層４、活性層５、ｐ型クラッド層６、窓層７が発光部を構成するエピタキシャル層となる。
【００３９】
この発光ダイオードチップ７１の構造の特徴は、ｎ型Ｇｅ基板２とｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層４が、ｎ型ＧａＡｓ接続用犠牲層３により接続されており、さらに、ｎ型ＧａＡｓ接続用犠牲層３とｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層４との間にｎ型のブラッグ反射膜１３を設けたことである。ｎ型ＧａＡｓ接続用犠牲層３の面積は、発光ダイオードチップの面積（３００μｍ×３００μｍ）よりも小さく、円形で直径が１５０μｍである。ｎ型ＧａＡｓ接続用犠牲層３は、チップの中央に位置してｎ型Ｇｅ基板２とエピタキシャル層とを空間的に接続する。したがって、ｎ型Ｇｅ基板２とｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層４の間には空隙１０が形成され、光はこの空隙１０で次のように作用する。
【００４０】
アンドープＡｌＧａＩｎＰ活性層５で発した光は、ｐ型ＧａＰ窓層７側（表面側）およびｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層４側（裏面側）にそれぞれ向かうが、そのうちｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層４側へ向かった光は、このクラッド層４と空隙１０の界面で反射されｐ型ＧａＰ窓層７側へ向かう。空隙１０の界面で光が反射されるのは、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層４の屈折率が約３．５であるのに対し、空隙１０の屈折率が１．０または空隙に樹脂が入っても約１．５と非常に小さいため、この界面で光が反射するためである。前述した実施例１の構造の発光ダイオードでは、空隙１０が無い領域で光の吸収が少なからず起きていたが、本実施例の構造によれば、空隙１０の無い領域の光、つまり、ｎ型Ｇｅ基板２側へ向かう光をブラッグ反射膜１３によりチップ表面側に反射させることにより、空隙１０程の効果は達成できないものの、光取り出し効果が向上する。これにより、アンドープＡｌＧａＩｎＰ活性層５で発する光を高率で発光ダイオードチップ７１の表面から取り出すことができる。信頼性を高めるために、はっこう発光ダイオードチップ７１を樹脂モールドした場合に、空隙１０に樹脂が充填されるときと充填されないときがあるが、どちらの場合でもｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層４との界面で光反射が起こる。このため、ｎ型Ｇｅ基板２が存在していても、ｎ型Ｇｅ基板２とｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層４界面での反射効果の大きい発光ダイオードを製作することができる。また、本実施例の発光ダイオードは、空隙１０の存在により電流が狭窄されているため、空隙の無い従来の発光ダイオードに比して内部量子効率が高くなり、２倍程度の発光出力または発光光度が達成される。
【００４１】
つぎに、図８（ａ）〜（ｅ）に基づいて、前述した構造の発光ダイオードの製造方法を説明する。まず、ｎ型Ｇｅ基板２を準備する（図８（ａ））。これは、例えば、キャリア濃度が１×１０１８ｃｍ−３〜３×１０１８ｃｍ−３のＳｂをドープしたＧｅ基板である。このｎ型Ｇｅ基板２の表面上に、図８（ｂ）に示すように、ＭＯＶＰＥ法でエピタキシャル層を６層成長させる。すなわち、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層４、アンドープＡｌＧａＩｎＰ活性層５、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層６およびｐ型ＧａＰ窓層７、さらに、ｎ型Ｇｅ基板２とｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層４との間に、ｎ型ＧａＡｓ接続用犠牲層部３ａとｎ型ブラッグ反射膜１３を成長させて発光ダイオード用エピタキシャルウエハを形成する。ｎ型ＧａＡｓ接続用犠牲層部３ａは、ＧａＡｓまたはＡｌ組成を０．２程度に設定した低Ａｌ混晶比のＡｌＧａＡｓからなり、膜厚を約３００ｎｍに設定する。ｎ型ブラッグ反射膜１３は、混晶比Ａｌ０．５Ｉｎ０．５Ｐと（Ａｌ０．２Ｇａ０．８）０．５Ｉｎ０．５Ｐの積層構造で１５ペアに設定する。ｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層４は、混晶比を（Ａｌ０．７Ｇａ０．３）０．５Ｉｎ０．５Ｐにし、膜厚を約８００ｎｍに設定する。アンドープＡｌＧａＩｎＰ活性層５は、混晶比を（Ａｌ０．１５Ｇａ０．８５）０．５Ｉｎ０．５Ｐにし、膜厚を約１μｍに設定する。ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層６は、混晶比を（Ａｌ０．７Ｇａ０．３）０．５Ｉｎ０．５Ｐにし、膜厚を約８００ｎｍに設定する。なお、混晶比が（Ａｌ０．７Ｇａ０．３）０．５Ｉｎ０．５Ｐの屈折率は約３．２である。
【００４２】
前述した構造で成長させたエピタキシャルウエハの表面に、直径１２０μｍの円形のｐ側電極９を、裏面には全面にｎ側電極８をそれぞれ形成する（図８（ｃ））。両電極形成後、ウエハを各チップに分離するため深さ２５μｍの溝１１を形成し、この溝１１を形成したウエハをエッチング液に入れてｎ型ＧａＡｓ接続用犠牲層部３ａを除去することにより、空隙１０を形成する（図８（ｄ））。具体的には、エピタキシャルウエハをＨ２ＳＯ４とＨ２Ｏ２の希薄水溶液に１０分間入れてｎ型ＧａＡｓ接続用犠牲層部３ａの周囲から溶解させ、中央の１５０μｍのｎ型ＧａＡｓ接続用犠牲層３のみが残るようにする。すなわち、この溶液によりＧａＡｓで構成したｎ型ＧａＡｓ接続用犠牲層部３ａのみが溶解除去される。このとき、中央の１５０μｍの接続用犠牲層３のみが残るように精密に直径制御することが要求される。
【００４３】
その後、このエピタキシャルウエハをダイシングにより分離して図７に示すような発光ダイオードチップ７１とする。分離した発光ダイオードチップ７１を、ステム上にマウントし、ワイヤボンディングにより配線し、樹脂モールドして発光ダイオード素子を得る。モールド用樹脂は通常屈折率が１．５程度のエポキシ系樹脂が用いられるが、光取り出し効率を上げるためにはさらに屈折率の高い樹脂を用いることが望ましい。
【００４４】
樹脂モールドした上記赤色発光ダイオードの特性評価を行ったところ、次のような結果が得られた。通常の赤色発光ダイオードでは順方向電流が２０ｍＡで発光出力が２．０ｍＷであったのに対し、本実施例の発光ダイオードでは順方向電流が２０ｍＡで発光出力が４．４ｍＷと２倍強の高出力化を実現できた。
【００４５】
このように、本実施例では、基板に加工を加えず、単に基板とエピタキシャル層との間の中央にｎ型ＧａＡｓ接続用犠牲層部の一部を残すだけで、基板とエピタキシャル層との間に空隙を設けることができるため、非常に安価なコストでもって発光出力が高いエピタキシャルウエハを容易に製作することができる。また、チップ面積に対するｎ型ＧａＡｓ接続用犠牲層の面積を所定内に納めれば光取り出し効率が高く、しかも割れ分離の少ない信頼性の高い発光ダイオードを製作することができる。さらに、ｎ型ＧａＡｓ接続用犠牲層部の溶解除去工程は、特別な加工工程ではなく、ダイシングによる加工歪みを除去する工程と同一であり、その延長線上にあるものなので、発光ダイオードチップ作製のコストを上げることもない。さらに、基板のＧｅは、本実施例で使用するｎ型ＧａＡｓ接続用犠牲層部除去用溶解液のＨ２ＳＯ４とＨ２Ｏ２の希薄水溶液に対して極めて安定であり、また、複数のエピタキシャル層を占めるＡｌＧａＩｎＰ系材料もＧａＡｓとは全く異なるエッチングレートを示すため、空隙の形成が極めて容易である。すなわち、Ｇｅ基板上にＡｌＧａＩｎＰ系材料をエピタキシャル成長させた発光ダイオードにおいて、接続用犠牲層部をＧａＡｓで形成した点が発明の特徴の一つでもある。
【００４６】
なお、本実施例において、発光ダイオードは樹脂モールドされるが、この際に空隙は、内部にそのまま空気を保持していても良いが、モールド樹脂を充填しても良い。樹脂を充填する場合でも、樹脂の屈折率がｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層４の屈折率より小さい限り、光はｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層４と樹脂の界面で反射される。また、本実施例は、ダブルヘテロ構造の発光ダイオードについて説明したが、その他にシングルヘテロ構造に対しても適用可能であり、また、基板および各層の導電型については本実施例とは逆にしても良い。
【００４７】
【発明の効果】
以上説明してきたとおり、本発明においては、Ｇｅ半導体基板と発光部を構成する複数のエピタキシャル層との間に、当該エピタキシャル層の面積よりも小なる面積の接続部を設けることにより、Ｇｅ半導体基板とエピタキシャル層との間に空隙が形成されるので、エピタキシャル層を透過して裏面側に向かう光の大半が空隙でほぼ完全に反射され、発光ダイオードの表面側から放出される。したがって、光取り出し効率を高くすることが可能となる。また、基板材料としてＧｅを用いることで、従来一般的であったＧａＡｓ基板を用いる発光ダイオードに比べ製造コストを大幅に低減できる。さらに、本発明においては、発光ダイオードの窓層として、金属酸化物から成る透明導電膜、特に、ＩＴＯ膜を用いることで、従来の窓層を厚く成長させる発光ダイオードに比してより低コスト化が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の発光ダイオードの一実施の形態の説明図。
【図２】本発明の発光ダイオードの製造方法の一実施の形態の説明図。
【図３】接続用犠牲層直径と発光出力の関係を表わすグラフ。
【図４】接続用犠牲層直径とチップ割れ率の関係を表わすグラフ。
【図５】本発明の発光ダイオードの他の実施の形態の説明図。
【図６】本発明の発光ダイオードの製造方法の他の実施の形態の説明図。
【図７】本発明の発光ダイオードの他の実施の形態の説明図。
【図８】本発明の発光ダイオードの製造方法の他の実施の形態の説明図。
【図９】従来例の説明図。
【符号の説明】
１：発光ダイオードチップ
２：ｎ型Ｇｅ基板
３：ｎ型ＧａＡｓ接続用犠牲層
４：ｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層
５：アンドープＡｌＧａＩｎＰ活性層
６：ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層
７：ｐ型ＧａＰ窓層
８：ｎ側電極
９：ｐ側電極
１０：空隙
１１：溝
１２：ＩＴＯ窓層
１３：ブラッグ反射膜
【図１】
2004304047.tif 000003
【図２】
2004304047.tif 000004
【図３】
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【図４】
2004304047.tif 000006
【図５】
2004304047.tif 000007
【図６】
2004304047.tif 000008
【図７】
2004304047.tif 000009
【図８】
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【図９】
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