(57)【要約】【課題】工程歩留を低下させることなく発光素子チップ高さをＧａＮ系発光素子程度に低くし、高輝度で、放熱性が良い透明基板型のＡｌＧａＩｎＰ系体発光素子、それを廉価に作製できる形成方法を提供すること。【解決手段】組成式（ＡｌXＧａ1-X）YＩｎ1-YＰ（０≦Ｘ≦１，０＜Ｙ≦１）から成る発光部を有する半導体層上に、発光部から出射される発光に対して光学的に透明な基板を備えた発光ダイオードであって、この透明基板は、その主面が（１１１）もしくは（１１１）から２０°以内で傾斜した燐化ガリウム（ＧａＰ）から構成されている。そしてこのＧａＰ基板は厚さが２００μｍ以下であるか、基板の裏面及び側面に凹凸が形成されているか、あるいはｎ型基板がｐ型半導体層に接合されているかのいずれかからなる。【選択図】図２
2007109909.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
組成式（ＡｌXＧａ1-X）YＩｎ1-YＰ（０≦Ｘ≦１，０＜Ｙ≦１）から成る発光部を有する半導体層上に、発光部から出射される発光に対して光学的に透明な基板を備えた発光ダイオードであって、該透明基板は、その主面が（１１１）もしくは（１１１）から２０°以内で傾斜し、厚さが２００μｍ以下の燐化ガリウム（ＧａＰ）から構成されていることを特徴とする発光ダイオード。
【請求項２】
透明基板の厚さが、１５０μｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の発光ダイオード。
【請求項３】
透明基板の厚さが、５０μｍ以上であることを特徴とする請求項１または２に記載の発光ダイオード。
【請求項４】
組成式（ＡｌXＧａ1-X）YＩｎ1-YＰ（０≦Ｘ≦１，０＜Ｙ≦１）から成る発光部を有する半導体層上に、発光部から出射される発光に対して光学的に透明な基板を備えた発光ダイオードであって、該透明基板は、その主面が（１１１）もしくは（１１１）から２０°以内で傾斜した燐化ガリウム（ＧａＰ）から構成され、該ＧａＰの裏面及び側面に高低差１〜１０μｍの凹凸が形成されていることを特徴とする発光ダイオード。
【請求項５】
組成式（ＡｌXＧａ1-X）YＩｎ1-YＰ（０≦Ｘ≦１，０＜Ｙ≦１）から成る発光部を有する半導体層上に、発光部から出射される発光に対して光学的に透明な基板を備えた発光ダイオードであって、該透明基板はその主面が（１１１）もしくは（１１１）から２０°以内で傾斜したｎ型の燐化ガリウム（ＧａＰ）から構成され、前記半導体層のｐ型半導体層上に配置されていることを特徴とする発光ダイオード。
【請求項６】
ｎ型のＧａＰが、Ｓｉ、Ｓ、Ｔｅが添加されているか、もしくはアンドープ
である請求項５に記載の発光ダイオード。
【請求項７】
ＧａＰのキャリア濃度が１×１０18ｃｍ-3以下であることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の発光ダイオード。
【請求項８】
透明基板が半導体層に接合されていることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の発光ダイオード。
【請求項９】
ＧａＰが５６０ｎｍ以上の波長を持つ光に対して、透過率が５０％以上であることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の発光ダイオード。
【請求項１０】
不透明な基板上に組成式（ＡｌXＧａ1-X）YＩｎ1-YＰ（０≦Ｘ≦１，０＜Ｙ≦１）から成る発光部を含む半導体層を形成し、該半導体層上に、厚さが２００μｍ以下の燐化ガリウム（ＧａＰ）基板を、その主面を（１１１）にして、もしくは（１１１）から２０°以内で傾斜させて接合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】
不透明な基板上に組成式（ＡｌXＧａ1-X）YＩｎ1-YＰ（０≦Ｘ≦１，０＜Ｙ≦１）から成る発光部を含む半導体層を形成し、該半導体層上に燐化ガリウム（ＧａＰ）基板を、その主面を（１１１）にして、もしくは（１１１）から２０°以内で傾斜させて接合し、該基板の裏面および側面に高低差１〜１０μｍの凹凸を形成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１２】
不透明な基板上に組成式（ＡｌXＧａ1-X）YＩｎ1-YＰ（０≦Ｘ≦１，０＜Ｙ≦１）から成る発光部を含む半導体層を形成し、該半導体層のｐ型半導体層上に、ｎ型燐化ガリウム（ＧａＰ）基板を、その主面を（１１１）にして、もしくは（１１１）から２０°以内で傾斜させて接合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１３】
ＧａＰ基板の接合を１×１０-2Ｐａ以下の真空中で行うことを特徴とする請求項１０〜１２のいずれかに記載の発光ダイオードの製造方法。
【請求項１４】
ＧａＰ基板の接合面及び／又は半導体層の接合面が、接合前に原子ビーム又はイオンビームを照射されたものであることを特徴とする請求項１０〜１３のいずれかに記載の発光ダイオードの製造方法。
【請求項１５】
不透明な基板上に組成式（ＡｌXＧａ1-X）YＩｎ1-YＰ（０≦Ｘ≦１，０＜Ｙ≦１）から成る発光部を含む半導体層を形成し、該半導体層上に、燐化ガリウム（ＧａＰ）基板を、その主面を（１１１）にして、もしくは（１１１）から２０°以内で傾斜させて接合し、不透明な基板を除去することを特徴とする請求項１０〜１４のいずれかに記載の発光ダイオードの製造方法。
【請求項１６】
請求項１〜９のいずらかにに記載の発光ダイオードとＧａＮ系発光ダイオードとを組み合わせた発光ダイオードパッケージ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、高輝度の発光ダイオード、その製造方法及び発光ダイオードパッケージに関する。
【背景技術】
【０００２】
ＡｌＧａＩｎＰ系化合物半導体発光素子は、赤色から黄緑色の波長領域において高効率で発光でき、車載用、交通信号用等に利用拡大している。またＧａＮ系化合物半導体発光素子と共に用いられ、青・緑・赤の光三原色を出すことによる白色発光素子にも利用されている。
【０００３】
ＡｌＧａＩｎＰ系化合物半導体発光素子において、発光した光を効率良く素子から取り出すために、透明な基板が望ましいが、透明な例えばＧａＰ基板では、その上に成長させる半導体層と格子不整合の問題がある。ＧａＡｓ基板ならば格子不整合の問題は起こらないが、ＧａＡｓは不透明という問題が生じる。そこでＡｌＧａＩｎＰ結晶成長に用いた不透明なＧａＡｓ基板を除去し、透明なＧａＰ基板を接合する方法が開発されている（特許文献１及び２参照）。
また上記高輝度発光素子に用いられるＧａＰ基板として（１００）面もしくは（１００）面を＜０１１＞方向に２０°以内に傾斜させた面方位を主面とした場合、厚さが１００〜１５０μｍでは機械強度が弱く、製造工程中の ”割れ” による工程歩留の低下を招くことが問題となる。
【０００４】
機械強度を確保するため、ＧａＰ基板の厚さが２００μｍを越える場合 ”割れ” による歩留低下を低減できるが、チップ内部の熱が逃げにくくなり、輝度の低下、信頼性の悪化等の問題を引き起こす。また、ＧａＮ系発光素子と共に使用される白色発光素子において、一般的なＧａＮ系発光素子の２倍以上ものチップ高さになってしまう。そのためＧａＮ系発光素子と一緒にパッケージする際不都合をきたす。
特許文献２にはＧａＰ基板の主面（接合面）を(111)とすることも開示されているが、基板は厚くやはり上記のような問題がある。
【特許文献１】特許第３２３０６３８号公報
【特許文献２】特開２００１−５７４４１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、従来技術における上記の問題点に鑑み、工程歩留を低下させることなく発光素子チップ高さをＧａＮ系発光素子程度に低くし、高輝度で、放熱性が良い透明基板型のＡｌＧａＩｎＰ系体発光素子、それを廉価に作製できる形成方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、上記の目的を達成するために鋭意研究した結果、ＧａＰは主面を（１１１）とするものは（１００）面とするものより機械的強度が大きく、したがって基板を薄くすることが可能であること、またエッチングにより基板に容易に凹凸が形成できることができること等に基づいてなされたものである。
即ち、本発明は以下の発明からなる。
【０００７】
（１）組成式（ＡｌXＧａ1-X）YＩｎ1-YＰ（０≦Ｘ≦１，０＜Ｙ≦１）から成る発光部を有する半導体層上に、発光部から出射される発光に対して光学的に透明な基板を備えた発光ダイオードであって、該透明基板は、その主面が（１１１）もしくは（１１１）から２０°以内で傾斜し、厚さが２００μｍ以下の燐化ガリウム（ＧａＰ）から構成されていることを特徴とする発光ダイオード。
（２）透明基板の厚さが、１５０μｍ以下であることを特徴とする上記（１）に記載の発光ダイオード。
（３）透明基板の厚さが、５０μｍ以上であることを特徴とする上記（１）または（２）に記載の発光ダイオード。
【０００８】
（４）組成式（ＡｌXＧａ1-X）YＩｎ1-YＰ（０≦Ｘ≦１，０＜Ｙ≦１）から成る発光部を有する半導体層上に、発光部から出射される発光に対して光学的に透明な基板を備えた発光ダイオードであって、該透明基板は、その主面が（１１１）もしくは（１１１）から２０°以内で傾斜した燐化ガリウム（ＧａＰ）から構成され、該ＧａＰの裏面及び側面に高低差１〜１０μｍの凹凸が形成されていることを特徴とする発光ダイオード。
（５）組成式（ＡｌXＧａ1-X）YＩｎ1-YＰ（０≦Ｘ≦１，０＜Ｙ≦１）から成る発光部を有する半導体層上に、発光部から出射される発光に対して光学的に透明な基板を備えた発光ダイオードであって、該透明基板はその主面が（１１１）もしくは（１１１）から２０°以内で傾斜したｎ型の燐化ガリウム（ＧａＰ）から構成され、前記半導体層のｐ型半導体層上に配置されていることを特徴とする発光ダイオード。
（６）ｎ型のＧａＰが、Ｓｉ、Ｓ、Ｔｅが添加されているか、もしくはアンドープ
である上記（５）に記載の発光ダイオード。
【０００９】
（７）ＧａＰのキャリア濃度が１×１０18ｃｍ-3以下であることを特徴とする上記（１）〜（６）のいずれかに記載の発光ダイオード。
（８）透明基板が半導体層に接合されていることを特徴とする上記（１）〜（７）のいずれかに記載の発光ダイオード。
（９）ＧａＰが５６０ｎｍ以上の波長を持つ光に対して、透過率が５０％以上であることを特徴とする上記（１）〜（８）のいずれかに記載の発光ダイオード。
（１０）不透明な基板上に組成式（ＡｌXＧａ1-X）YＩｎ1-YＰ（０≦Ｘ≦１，０＜Ｙ≦１）から成る発光部を含む半導体層を形成し、該半導体層上に、厚さが２００μｍ以下の燐化ガリウム（ＧａＰ）基板を、その主面を（１１１）にして、もしくは（１１１）から２０°以内で傾斜させて接合することを特徴とする発光ダイオードの製造方法。
【００１０】
（１１）不透明な基板上に組成式（ＡｌXＧａ1-X）YＩｎ1-YＰ（０≦Ｘ≦１，０＜Ｙ≦１）から成る発光部を含む半導体層を形成し、該半導体層上に燐化ガリウム（ＧａＰ）基板を、その主面を（１１１）にして、もしくは（１１１）から２０°以内で傾斜させて接合し、該基板の裏面および側面に高低差１〜１０μｍの凹凸を形成することを特徴とする発光ダイオードの製造方法。
（１２）不透明な基板上に組成式（ＡｌXＧａ1-X）YＩｎ1-YＰ（０≦Ｘ≦１，０＜Ｙ≦１）から成る発光部を含む半導体層を形成し、該半導体層のｐ型半導体層上に、ｎ型燐化ガリウム（ＧａＰ）基板を、その主面を（１１１）にして、もしくは（１１１）から２０°以内で傾斜させて接合することを特徴とする発光ダイオードの製造方法。
（１３）ＧａＰ基板の接合を１×１０-2Ｐａ以下の真空中で行うことを特徴とする上記（１０）〜（１２）のいずれかに記載の発光ダイオードの製造方法。
【００１１】
（１４）ＧａＰ基板の接合面及び／又は半導体層の接合面が、接合前に原子ビーム又はイオンビームを照射されたものであることを特徴とする上記（１０）〜（１３）のいずれかに記載の発光ダイオードの製造方法。
（１５）不透明な基板上に組成式（ＡｌXＧａ1-X）YＩｎ1-YＰ（０≦Ｘ≦１，０＜Ｙ≦１）から成る発光部を含む半導体層を形成し、該半導体層上に、燐化ガリウム（ＧａＰ）基板を、その主面を（１１１）にして、もしくは（１１１）から２０°以内で傾斜させて接合し、不透明な基板を除去することを特徴とする上記（１０）〜（１４）のいずれかに記載の発光ダイオードの製造方法。
（１６）上記（１）〜（９）のいずれかに記載の発光ダイオードとＧａＮ系発光ダイオードとを組み合わせた発光ダイオードパッケージ。
【発明の効果】
【００１２】
本発明では、基板と、その基板上の形成された組成式（ＡｌXＧａ1-X）YＩｎ1-YＰ（０≦Ｘ≦１，０＜Ｙ≦１）から成る発光層を含む化合物半導体層と、その発光部上に設けられた発光部から出射される発光に対して光学的に透明なＧａＰ基板とを備えてなるＬＥＤに於いて、歩留の低下を招くことなく、ＧａＮ系化合物半導体発光素子と同程度の高さで構成されるＡｌＧａＩｎＰ系化合物半導体発光素子を提供できる。
【００１３】
本発明では、面方位が（１１１）もしくは（１１１）から２０°以内に傾斜させて主面をもつＧａＰ基板を使用しているので、ウェットエッチングにより基板に凹凸を形成し易く、これによって光の取り出し効率を上げることが出来る。
また上記の面方位のＧａＰは（１００）面方位のＧａＰに比べて機械的強度が高いので基板を薄くすることが出来る。
さらに組成式（ＡｌXＧａ1-X）YＩｎ1-YＰ（０≦Ｘ≦１，０＜Ｙ≦１）から成る発光層を含む化合物半導体層を成長する基板として（１００）もしくは（１００）から２０°以内に傾斜させた主面を用いた場合、ＧａＰ基板との接合界面の抵抗を大きく出来る。
本発明では、２００μｍ以下の薄いＧａＰを使用しているので、発光層とステム間の熱抵抗が小さい。そのため発光層の温度上昇が抑えられ、高電流・高温時の動作がより安定的なＡｌＧａＩｎＰ系化合物半導体発光素子を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本発明は組成式（ＡｌXＧａ1-X）YＩｎ1-YＰ（０≦Ｘ≦１，０＜Ｙ≦１）から成る発光部を有する半導体層上に、発光部から出射される発光に対して光学的に透明な基板を備えた発光ダイオードである。そしてこの透明基板は、その主面が（１１１）もしくは（１１１）から２０°以内で傾斜した燐化ガリウム（ＧａＰ）から構成されている。
本発明に係る発光部は、（ＡｌXＧａ1-X）YＩｎ1-YＰ（０≦Ｘ≦１，０＜Ｙ≦１）から成る発光層を含む発光を担う部位である。発光層はｎ型またはｐ型の何れの伝導型の（ＡｌXＧａ1-X）YＩｎ1-YＰ（０≦Ｘ≦１，０＜Ｙ≦１）からも構成できる。
【００１５】
発光部は、放射再結合をもたらすキャリア（担体；ｃａｒｒｉｅｒ）及び発光を発光層に「閉じ込める」ために、発光層の両側に対峙して配置したクラッド（ｃｌａｄ）層とからなる、所謂、ダブルヘテロ（英略称：ＤＨ）構造とするのが好適である。また、発光層は単色性に優れる発光を得るため、単一（ｓｉｎｇｌｅ）量子井戸構造（英略称：ＳＱＷ）や多重（ｍｕｌｔｉ）量子井戸（英略称：ＭＱＷ）構造としてもよい。発光部の構成層の形成手段としては、有機金属化学的気相成長（英略称：ＭＯＣＶＤ）手段、分子線エピタキシャル（英略称：ＭＢＥ）手段や液相エピタキシャル（英略称：ＬＰＥ）手段を例示できる。
【００１６】
クラッド層は、発光層を構成する（ＡｌXＧａ1-X）YＩｎ1-YＰ（０≦Ｘ≦１，０＜Ｙ≦１）よりも禁止帯幅が広く、且つ、屈折率の高い半導体材料から構成するが好ましい。例えば、波長が約５７０ｎｍの黄緑色を発する（Ａｌ0.4Ｇａ0.6）0.5Ｉｎ0.5Ｐから構成される発光層について、クラッド層を（Ａｌ0.7Ｇａ0.3）0.5Ｉｎ0.5Ｐから構成する（Y. Hosakawa  et.al.,  J. Crystal  Growth、221（2000）,652-656.）。発光層とクラッド層との間に、両層間に於けるバンド（ｂａｎｄ）不連続性を緩やかに変化させるための中間層を設けても構わない、この場合、中間層は、発光層とクラッド層の中間の禁止帯幅を有する半導体材料から構成するのが望ましい。
【００１７】
基板と発光部との中間には、基板材料と発光部の構成層との格子ミスマッチを緩和等の作用を担う緩衝（ｂｕｆｆｅｒ）層、発光層からの発光を素子外部へ反射させるためのブラッグ（Ｂｒａｇｇ）反射層、選択エッチングに利用するエッチングストップ層等を設けられる。また、発光部の構成層の上方には、オーミック（Ｏｈｍｉｃ）電極の接触抵抗を下げるためのコンタクト層、素子駆動電流を発光部の全般に平面的に拡散させるための電流拡散層、逆に素子駆動電流の通流する領域を制限するための電流阻止層や電流狭窄層などを設けることができる。
【００１８】
本発明において発光部或いは発光部上のコンタクト層等の半導体層上に透明なＧａＰ基板が設けられている。ここで透明とはＧａＰが５６０ｎｍ以上の波長を持つ光に対して、透過率が５０％以上であることを意味する。このＧａＰ基板を半導体層に接合によって設けることが出来る。接合される半導体層はｐ型、ｎ型いずれも可能であるが通常はｐ型である。
発光部を含む半導体層に接合させる透明な基板は、発光部を機械的に支持するに充分な強度を有し、且つ、発光部から出射される発光を透過できる禁止帯幅が広く、光学的に透明な材料から構成する。
【００１９】
（ＡｌXＧａ1-X）YＩｎ1-YＰ（０≦Ｘ≦１，０＜Ｙ≦１）から成る発光層を備えた化合物半導体ＬＥＤにあって、より安価な透明基板材料としては、ＧａＰが好適である。
ＧａＰは主面を（１００）とするよりも（１１１）とする方が機械的強度が強く、そのため基板を２００μｍ以下、好ましくは１５０μｍ以下と薄くすることができる。その下限は強度上等から５０μｍは必要である。
発光層（ＡｌＧａＩｎＰ）は通常（１００）もしくは（１００）から２０°以内で傾斜した面を主面としている。面方位が近いほど電気抵抗が小さくなるので、（１１１）主面の基板を使うと接合面での電気抵抗が大きくなると考えられる。
ＧａＰ基板はｎ型、ｐ型いずれも使用できるが、ｐ型半導体層にｎ型のＧａＰ基板を接合等により配置した場合、接合界面の抵抗を大きくでき、接合界面を通過する電流を小さく出来る効果がある。実施例に示すようなＬＥＤではこの接合界面の抵抗は大きい方がよい。
このｎ型のＧａＰはＳｉ、Ｓ、Ｔｅが添加されているか、もしくはアンドープとし、そのキャリア濃度は、発光層で発生した光の内部吸収を抑制し、光の取り出し効率を上げるため１×１０18ｃｍ-3以下であることが好ましい。
またＧａＰ基板の裏面及び側面に高低差１〜１０μｍ程度の凹凸が形成されていることが好ましい。ＧａＰ基板は、その主面を（１１１）もしくは（１１１）から２０°以内で傾斜した場合、発光素子は、光の取り出し率を高めるため半導体層の成長に使用した不透明なＧａＡｓ基板等を除去することが望ましい。
【００２０】
本発明の発光素子は次のようにして得ることができる。
不透明な基板、例えばＧａＡｓ基板上に、必要によりバッファ層を介して、ｎ型クラッド層、発光層、ｐ型クラッド層を積層した半導体層からなる発光部を形成し、その上に必要によりｐ型コンタクト層、ｐ型電流拡散層などの半導体層を形成する。半導体層の形成にはＭＯＣＶＤ法など公知の方法が用いられる。これらの半導体層の上に前記ＧａＰ基板を接合する。
接合するＧａＰ基板或いはそれを接合させる半導体層の表面は、炭化珪素（ＳｉＣ）系微粉やセリウム（元素記号：Ｃｅ）微粉を含む研磨剤を用いる化学的機械研磨（英略称：ＣＭＰ）手段に依り平坦にすることができる。化学的機械研磨した後、研磨した表面を更に、酸溶液或いはアリカリ溶液で処理すれば、尚一層、表面の平滑度を向上させられると共に、研磨工程での表面への異物や汚染物を除去して、清浄な表面を得るに貢献できる。
【００２１】
ＧａＰと半導体層とは圧力にして1×１０-2パスカル（圧力単位：Ｐａ）以下、望ましくは、1×１０-3Ｐａ以下の真空中で接合させる。特に、上記の如く、研磨された平滑な表面を相互に接合させることとすると強固な接合を形成できる。双方を接合させるに際し、１００エレクトロンボルト（単位：ｅＶ）以上のエネルギーを有するＨｅ、Ａｒなどの原子のビーム（ｂｅａｍ）またはイオンビームを接合させようとする表面に照射し、接合させる表面を活性化させるのが好ましい。活性化とは、接合させる表面に存在する酸化膜、炭素等を含む不純物層や汚染層などが除去された清浄な状態の表面を創出することを云う。この照射を、透明な基板または発光部を含む半導体層の何れかの表面に行えば、双方を強固に確実に接合させられる。また、双方の表面に行うと、より強固な強度で双方を結合させることができる。また接合は機械的加圧を加えて行うことが好ましい。
【００２２】
発光部を含む半導体層にＧａＰを接合させて、半導体層を機械的に支持できる状態とした後、その発光部を形成するために利用した基板を除去すると、発光の外部への取り出し効率を向上させられ、従って、高輝度の化合物半導体ＬＥＤを構成できる。特に、（ＡｌXＧａ1-X）YＩｎ1-YＰ（０≦Ｘ≦１，０＜Ｙ≦１）発光層からの発光を吸収してしまう光学的に不透明な材料を基板として利用している場合、この様に基板を除去する手段は、高輝度のＬＥＤを安定して製造するに貢献できる。基板と発光部との中間の位置に、発光層から出射される光を吸収する材料から成る層、例えば、バッファ層が存在する場合、基板と併せてそれを除去するとＬＥＤの高輝度化にとって有利となる。基板は、機械的切削加工、研磨、物理的乾式または化学的湿式エッチング等、及びそれらを併用して除去できる。特に、材質に依るエッチング速度の差を利用した選択エッチング手段に依れば、基板のみを選択的に除去することが可能とあり、再現性良く、且つ、均一に基板を除去できる。
ＧａＰ基板はその裏面及び側面をエッチングすることにより、凹凸を形成することができる。エッチングには塩酸や弗酸などを用いる。これによって高低差１〜１０μｍ程度の凹凸を形成することができる。
【００２３】
基板を除去した面に第１の電極（ｎ型）を形成する。またエッチングにより第２の電極（ｐ型）を形成する層までエピ層を除去し、第２の電極を形成する。また、ＧａＰ基板の裏面（半導体層との接合面と反対側の面）に発光層から出射される発光を反射する金属層を設けると、高輝度のＬＥＤを得ることができる。金属膜は、可視光に対して反射率の高い、アルミニウム（Ａｌ），金（Ａｕ）や銀（Ａｇ）などの金属からなる単層膜や、異なる金属の膜を多層に積層した多層膜から好ましく構成できる
【実施例】
【００２４】
本実施例１では、ＧａＡｓ基板上に設けたエピタキシャル積層構造体（エピウェーハ）とＧａＰ基板とを接合させて発光ダイオードを作製する場合を例にして、本発明を具体的に説明する。
【００２５】
図１および図２は、本実施例で作製した半導体発光ダイオードを示す模式図で、図１はその平面図、図２は図１のＩ−Ｉ線に沿った断面図である。図３は、半導体発光ダイオードに用いられる半導体エピウェーハの層構造の模式図である。本実施例で作製したのは、ＡｌＧａＩｎＰ赤色発光ダイオード（ＬＥＤ）である。
【００２６】
ＬＥＤ１０は、Ｓｉをドープしたｎ型の（１００）面から１５°傾けた面を有するＧａＡｓ単結晶からなる半導体基板１１上に順次、積層した半導体層１３を備えたエピタキシャルウェーハを使用して作製した。積層した半導体層とは、Ｓｉをドープしたｎ型のＧａＡｓからなる緩衝層１３０、Ｓｉをドープしたｎ型の（Ａｌ0.5Ｇａ0.5）0.5Ｉｎ0.5Ｐからなるコンタクト層１３１、Ｓｉをドープしたｎ型の（Ａｌ0.7Ｇａ0.3）0.5Ｉｎ0.5Ｐからなる下部クラッド層１３２、アンドープの（Ａｌ0.2Ｇａ0.8）0.5Ｉｎ0.5Ｐ／Ａｌ0.7Ｇａ0.3）0.5Ｉｎ0.5Ｐの２０対からなる発光層１３３、およびＭｇをドープしたｐ型の（Ａｌ0.7Ｇａ0.3）0.5Ｉｎ0.5Ｐからなる上部クラッド層および薄膜（Ａｌ0.5Ｇａ0.5）0.5Ｉｎ0.5Ｐからなる中間層１３４、Ｍｇドープしたｐ型ＧａＰ層１３５である。ＬＥＤ１０の発光部１２は、下部クラッド層１３２、発光層１３３、及び上部クラッド層＋中間層１３４から構成されているｐｎ接合型ダブルヘテロ接合構造となっている。
【００２７】
本実施例では、上記の半導体層１３０〜１３５各層は、トリメチルアルミニウム（（ＣＨ3）3Ａｌ）、トリメチルガリウム（（ＣＨ3）3Ｇａ）およびトリメチルインジウム（（ＣＨ3）3Ｉｎ）をIII族構成元素の原料に用いた減圧有機金属化学気相堆積法（ＭＯＣＶＤ法）によりＧａＡｓ基板１１上に積層して、エピタキシャルウェーハを形成した。Ｍｇのドーピング原料にはビスシクロペンタジエチルマグネシウム（ｂｉｓ−（Ｃ5Ｈ5）2Ｍｇ）を使用した。Ｓｉのドーピング原料にはジシラン（Ｓｉ2Ｈ6）を使用した。また、Ｖ族構成元素の原料としては、ホスフィン（ＰＨ3）またはアルシン（ＡｓＨ3）を用いた。ＧａＰ層１３５は７５０℃で成長させ、半導体層１３をなすその他の半導体層１３０〜１３４は７３０℃で成長させた。
【００２８】
ＧａＡｓ緩衝層１３０のキャリア濃度は約２×１０18ｃｍ-3、また、層厚は約０．２μｍとした。コンタクト層１３１は、（Ａｌ0.5Ｇａ0.5）0.5Ｉｎ0.5Ｐから構成し、キャリア濃度は約２×１０18ｃｍ-3、層厚は、約１．５μｍとした。ｎ−クラッド層１３２のキャリア濃度は約８×１０17ｃｍ-3、また、層厚は約１μｍとした。発光層１３３は、アンドープの０．８μｍとした。ｐ−クラッド層１３４のキャリア濃度は約２×１０17ｃｍ-3とし、また、層厚は１μｍとした。ＧａＰ層１３５のキャリア濃度は約３×１０18ｃｍ-3とし、層厚は９μｍとした。  
ｐ型ＧａＰ層１３５は、表面から約１μｍの深さに至る領域を研磨し、鏡面加工した。鏡面加工に依り、ｐ型ＧａＰ層１３５の表面の粗さを０．１８ｎｍとした。一方、上記のｐ型ＧａＰ層１３５の鏡面研磨した表面に接合するｎ型ＧａＰ基板１４を用意した。この接合用ＧａＰ基板１４には、キャリア濃度が約２×１０17ｃｍ-3となる様にＳｉおよびＴｅを添加した、面方位を（１１１）とする単結晶を用いた。接合用ＧａＰ基板１４の直径は５０ミリメートル（ｍｍ）で、厚さは１００μｍであった。このＧａＰ基板１４の表面は、ｐ型ＧａＰ層１３５に接合させる以前に鏡面に研磨し、平方平均平方根値（ｒｍｓ）にして０．１２ｎｍに仕上げておいた。
【００２９】
一般の半導体材料貼付装置に、上記のＧａＰ基板１４及びエピタキシャルウェーハを搬入し、３×１０-5Ｐａまで装置内を真空に排気した。その後、炭素等の汚染を回避するために炭素（カーボン）材料からなる部材を排除した装置内に載置したＧａＰ基板１４の温度を真空中で約８００℃の温度に加熱しつつ、８００ｅＶのエネルギーに加速されたＡｒイオンを、ＧａＰ基板１４の表面に照射した。これより、ＧａＰ基板１４の表面に、非化学量論的な組成からなる接合層１４１を形成した。接合層１４１を形成した後、上記のＡｒイオンの照射を停止し、ＧａＰ基板１４の温度を室温迄、降下させた。
【００３０】
次に、表面領域に非化学量論的な組成からなる接合層１４１を有するＧａＰ基板１４、及びＧａＰ層１３５の双方の表面に、電子を衝突させて中性（ニュートラル）化した中性のＡｒビームを３分間に亘り照射した。然る後、真空に維持した貼付装置内で、双方１３５，１４の表面を重ね合わせ、各々の表面での圧力が２０ｇ／ｃｍ2となる様に荷重を掛け、双方を室温で接合した。接合したウェーハを貼付装置の真空チャンバーから取り出し、接合界面を分析した。その結果接合部には、非化学量論的な組成を有するＧａ0.6Ｐ0.4からなる接合層１４１が存在していた。接合層１４１の厚さは約３ｎｍで、接合層１４１の酸素原子の濃度は、一般的なＳＩＭＳ分析法に依れば７×１０18ｃｍ-3であり、炭素の原子濃度は、９×１０18ｃｍ-3であった。
【００３１】
次に、ＧａＡｓ基板１１およびＧａＡｓ緩衝層１３０をアンモニア系エッチャント選択的に除去した。露出させたコンタクト層１３１の表面には、厚さを０．２μｍとするＡｕＧｅ／Ｎｉ合金膜、及び厚さが０．１μｍのＡｕ膜を真空蒸着法により堆積した。一般的なフォトリソグラフィー手段を利用してパターニングを施し、ｎ型オーミック電極１５を形成した。次に、コンタクト層１３１の表面及びｎ型オーミック電極１５の表面を、一般的なスパッタ装置を利用して形成した厚さ０．５μｍのインジウム・錫複合酸化（ＩＴＯ）膜１７で被覆した。更に、ＩＴＯ表面に、スパッタ法で厚さ０．０３μｍのクロム（Ｃｒ）薄膜、及び厚さ１μｍの金（Ａｕ）薄膜を順次、重層させてから、直径１１０μｍのボンディングパッドを形成した。
【００３２】
次に、p電極を形成する領域のエピ層１３１〜１３４を選択的に除去し、ＧａＰ層１３５を露出させた。ＧａＰ層の表面にＡｕＢｅを０．２μｍ、Ｐｔを０．２μｍ、Ａｕを１μｍとなるように真空蒸着法でｐ型オーミック電極１６を形成した。
４５０℃で１０分間熱処理を行い、合金化し低抵抗のｐ型およびｎ型オーミック電極を形成した。
【００３３】
次に、一般的なダイシングソーを利用して、２５０ｍμの間隔で裁断を施し、平面視で略正方形に切断して、ＬＥＤチップ１０となした。尚、ダイシング後、裁断に因って、エピタキシャルウェーハをなす半導体層の裁断した側面に発生した破砕層を除去するため、硫酸・過酸化水素混合液でその側面部をエッチングした。さらに塩酸を用いることによりチップのＧａＰ基板の裏面及び側面に高低差約２μｍの凹凸が形成された。
【００３４】
上記の様にして作製したＬＥＤチップ１０を、発光ダイオードランプに組み立てた。このＬＥＤランプは、マウント用基盤に銀（Ａｇ）ペーストで固定、支持（マウント）し、ＬＥＤチップ１０のｎ型オーミック電極１５とマウント基盤の表面に設けたｎ電極端子とを、また、ｐ型オーミック電極１６とｐ電極端子とを金線で、ワイヤボンディングした後、一般的なエポキシ樹脂で封止して作製した。基盤とＬＥＤチップ１０との接合面に係わるシエア強度は、約３００ｇ以上であった。破壊モードはＬＥＤチップ１０の割れであったことから、接合面の接合強度は、エピタキシャルウェーハを構成する結晶層の破壊強度以上であると解釈された。
【００３５】
マウント用基盤の表面に設けられたｎ電極端子とｐ電極端子とを介してｎ型及びｐ型オーミック電極１５，１６間に電流を流したところ、主波長を６２０ｎｍとする赤色光が出射された。順方向に２０ミリアンペア（ｍＡ）の電流を通流した際の順方向電圧（Ｖｆ）は、ＧａＰ層１３５及びＧａＰ基板１４との接合界面での抵抗の低さ、及び各オーミック電極１５、１６の良好なオーミック特性を反映し、約２．２ボルト（Ｖ）となった。また、順方向電流を２０ｍＡとした際の発光強度は、発光効率の高い発光部の構成及びチップへの裁断時に発生する破砕層を除去するなど外部への取り出し効率も向上させている事を反映して５２０ｍｃｄの高輝度となった。
【００３６】
尚、本実施例では、図１に例示した如くの単純な構成から例えば、オーミック電極１５を構成したが、電極の形状は、平面視で例えば、点（ドット）、格子、円、四角形状やそれらの組み合わせた形状等、電流拡散に適する電極のパターンを選択しても、本実施例に記す特性のＬＥＤを得るに貢献できる。
【産業上の利用可能性】
【００３７】
本発明の発光素子は輝度が高く、素子の高さは低い。ＧａＮ系発光素子も高さが低いので、このＧａＮ系発光素子と組み合わせて例えば白色の発光素子とする場合好都合である。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の実施例に係わる半導体発光ダイオードの平面模式図である。
【図２】本発明の実施例に係わる半導体発光ダイオードの、図１のＩ−Ｉ線に沿った断面を示す模式図である。
【図３】本発明の実施例に係わるエピウェーハの断面構造を示す模式図である。
【図４】本発明の実施例に係わるエピウェーハおよび接合するＧａＰの断面構造を示す模式図である。
【符号の説明】
【００３９】
１０    半導体発光ダイオード
１１    半導体基板
１２    発光部
１３    半導体層
１４    接合用ＧａＰ単結晶基板
１５    ｎ型オーミック電極
１６    ｐ型オーミック電極
１３０ バッファ層
１３１    コンタクト層
１３２    下部クラッド層
１３３    発光層 
１３４   上部クラッド層
１３５ ＧａＰ層
１４１    接合層
【図１】
2007109909.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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