JP2005159297A - 半導体発光素子およびその製造方法並びに半導体装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】 所定の発光波長の光を発する活性層５を含む半導体積層３、４、５、６、７、８と、この半導体積層に対して直接接合された、上記発光波長に対して透明な基板１０とを備えた半導体発光素子であって、直接接合面１４内にヒロック等に起因する不完全接合が生じた場合でも、良好な電気的特性を示すことができ、高い歩留まりが得られるものを提供すること。
【解決手段】 半導体積層３、４、５、６、７、８の一部領域に、表面から活性層５の位置を越える深さをもつ底部８ａが形成されている。半導体積層３の表面に第１電極１１、１３が設けられ、また、底部８ａに第２電極が設けられている。
【選択図】図４
【解決手段】 半導体積層３、４、５、６、７、８の一部領域に、表面から活性層５の位置を越える深さをもつ底部８ａが形成されている。半導体積層３の表面に第１電極１１、１３が設けられ、また、底部８ａに第２電極が設けられている。
【選択図】図４
Description
この発明は、発光波長に対して透明な基板を備えた半導体発光素子及びその製造方法に関する。この種の半導体発光素子は、光伝送用、表示用、ＣＣＤ（電荷結合素子）カメラの補助光源、ＬＣＤ（液晶表示素子）のバックライト等の構成要素として好適に用いられる。
また、この発明は、そのような半導体発光素子を備えた半導体装置に関する。
近年、半導体発光素子の中で光通信や発光ダイオード情報表示パネル等に発光ダイオード（ＬＥＤ）が広く用いられている。これらの発光ダイオードは高輝度であることが重要であるが、発光ダイオードの輝度、言い換えれば外部量子効率は、内部量子効率と外部出射効率によってきまる。このうち外部出射効率は、発光層に生じた光を素子外部へ取り出す効率であるから、素子構造に大きく影響される。
発光ダイオードでは発光波長に対して透明な基板を用いることが外部出射効率を向上させることを目的として行われている。発光波長に対して不透明な基板を用いた場合には上面への出射光しか取り出せないのに対し、発光波長に対して透明な基板を用いた場合には上面だけでなく４つの側面からも光を取り出すことができるからである。また、下面における反射光も上面および側面から出射させることが可能となる。この方法はＩｎＧａＡｓＰ系の半導体材料を用いた赤外発光ダイオード、ＡｌＧａＡｓ系の半導体材料を用いた赤色、赤外発光ダイオード、ＧａＡｓＰ系の半導体材料を用いた黄色発光ダイオード、ＧａＰ系の半導体材料を用いた緑色発光ダイオード等に適用されている。
ＡｌＧａＩｎＰ系の発光ダイオードであって発光波長に対して透明な基板を備えたものを作製する製造方法としては、図７（ａ）〜図７（ｄ）に示すようなものが知られている（例えば、特許文献１（特許第３２３０６３８号明細書）参照。）。すなわち、まず図７（ａ）に示すように、発光波長に対して不透明なｎ型ＧａＡｓ基板１０１上に、ｎ型半導体層１０３、ＡｌＧａＩｎＰ系活性層１０４、ｐ型半導体層（図示しないＧａＰ層を含む）１０５をエピタキシャル成長する。次に図７（ｂ）に示すように、ｐ型半導体層１０５の表面を鏡面加工するためにポリッシュ（研磨）した後、この上に発光波長に対して透明なｐ型ＧａＰ基板１１０を接触させて熱処理を施すことによって、ｐ型半導体層１０５の表面にｐ型ＧａＰ基板１１０を直接接合する。続いて図７（ｃ）に示すように上記ｎ型ＧａＡｓ基板１０１を除去し、しかる後、図７（ｄ）に示すように、上下に電極１１１、１１２を形成する。この方法では、ＧａＰ基板１１０を直接接合した後にＧａＡｓ基板１０１を除去しているので、工程途中でウエハがエピタキシャル成長層１０３、１０４および１０５だけの薄い状態になることがなく、したがってウエハ割れを防止することができる。
特許第３２３０６３８号明細書
この種の半導体発光素子では、活性層１０４とｐ型半導体層１０５とが格子整合しない結果、エピタキャシャル成長工程で表面が完全な鏡面にはならないだけでなく、凸形状の結晶欠陥であるヒロックが発生することがある。一旦ヒロックが発生してしまうと、ｐ型半導体層１０５の表面をポリッシュしても完全には平坦化されず、ヒロックが発生した箇所の周辺が直接接合されず不完全接合となる。このため、素子完成後に電極１１１、１１２間に通電されたとき、直接接合面内で均一に電流が広がらず、順電圧ＶFが上昇して、歩留まりが低下するという問題がある。
そこで、この発明の課題は、活性層を含む半導体積層と発光波長に対して透明な基板との直接接合面内にヒロック等に起因する不完全接合が生じた場合でも、良好な電気的特性を示すことができ、高い歩留まりが得られるような半導体発光素子およびその製造方法を提供することにある。
また、この発明の課題は、そのような半導体発光素子を備えた半導体装置を提供することにある。
上記課題を解決するため、この発明の半導体発光素子は、
所定の発光波長の光を発する活性層を含む半導体積層と、
上記半導体積層に対して直接接合された、上記発光波長に対して透明な基板とを備え、
上記半導体積層の一部領域に、上記基板に対する直接接合面とは反対側の表面から上記活性層の位置を越える深さをもつ底部が形成され、
上記半導体積層の上記表面、上記底部にそれぞれ設けられた第１電極、第２電極とを備える。
所定の発光波長の光を発する活性層を含む半導体積層と、
上記半導体積層に対して直接接合された、上記発光波長に対して透明な基板とを備え、
上記半導体積層の一部領域に、上記基板に対する直接接合面とは反対側の表面から上記活性層の位置を越える深さをもつ底部が形成され、
上記半導体積層の上記表面、上記底部にそれぞれ設けられた第１電極、第２電極とを備える。
この発明の半導体発光素子では、動作時に第１電極と第２電極との間に電源が印加される。これにより、上記半導体積層の表面と底部との間で上記半導体積層に含まれた活性層を通して通電が行われて、上記活性層が所定の発光波長の光を発する。この半導体発光素子は、発光波長に対して透明な基板を備えているので、上面だけでなく４つの側面からも光を取り出すことができ、また、下面における反射光も上面および側面から出射させることができるので、外部出射効率を高めることができる。しかも、通電は上記半導体積層の表面と底部との間で行われて、上記半導体積層と上記基板との直接接合面には実質的に電流が流れないので、上記直接接合面の状態によって電気的特性が殆ど影響を受けない。したがって、直接接合面内にヒロック等に起因する不完全接合が生じた場合でも、良好な電気的特性を示すことができ、高い歩留まりが得られる。
上記活性層の材料としては、例えばＡｌＧａＩｎＰ系半導体が挙げられる。ＡｌＧａＩｎＰ系半導体とは、組成式が（ＡｌyＧａ1-y）zＩｎ1-zＰ（０≦ｙ≦１、０＜ｚ＜１）で表される半導体を意味する。
上記基板の材料としては、例えばＧａＰが挙げられる。
また、上記半導体積層は、発光ダイオードを構成するように、上記基板側から順に例えばｎ型半導体層、上記活性層、ｐ型半導体層が積層されているのが望ましい。
一実施形態の半導体発光素子では、上記第１電極は、上記底部上を除く上記半導体積層の表面全域に設けられた、上記発光波長に対して透明な透光性電極層を有することを特徴とする。
この一実施形態の半導体発光素子では、上記第１電極が有する透光性電極層は上記発光波長に対して透明であるから、チップ上面への光出射が透光性電極層によって妨げられることがない。したがって、さらに外部出射効率を高めることができる。また、動作時に、通電電流がこの透光性電極層によって拡散されて、活性層へ均一に電流が注入される。したがって、内部量子効率が高まる。これらの結果、半導体発光素子の特性が向上して、高輝度が実現される。
一実施形態の半導体発光素子では、上記半導体積層と上記基板とはｐｎ接合をなす要素によって電気的に分離されていることを特徴とする。
「電気的に分離」とは、ｐｎ接合が生ずる空乏層によってそのｐｎ接合を挟む層間を電気的に非導通にすることを意味する。上記ｐｎ接合を逆バイアスにすれば、ｐｎ接合が生ずる空乏層が広がって、電気的な分離が確実になる。
この一実施形態の半導体発光素子では、上記半導体積層と上記基板とはｐｎ接合をなす要素によって電気的に分離されているので、上記直接接合面の状態によって電気的特性がさらに影響を受けなくなる。
一実施形態の半導体発光素子では、上記ｐｎ接合をなす要素は、ｎ型の上記基板と、その基板上に堆積されたｐ型半導体層とからなること特徴とする。
この一実施形態の半導体発光素子では、上記ｐｎ接合をなす要素は、例えば予めｎ型の上記基板上にｐ型半導体層を堆積しておき、上記半導体積層に対して上記基板のそのｐ型半導体層側の面を直接接合することによって、簡単に構成される。
上記基板の材料としては例えばＧａＰ、また、上記ｐ型半導体層の材料としては例えばｐ型（ＡｌyＧａ1-y）zＩｎ1-zＰ（０≦ｙ≦１、０＜ｚ＜１）が挙げられる。
一実施形態の半導体発光素子では、上記ｐｎ接合をなす要素は、ｎ型の上記基板と、その基板表面に不純物拡散により形成されたｐ型拡散層とからなること特徴とする。
この一実施形態の半導体発光素子では、上記ｐｎ接合をなす要素は、例えば予めｎ型の上記基板表面にｐ型半導体層を不純物拡散により形成しておき、上記半導体積層に対して上記基板のそのｐ型半導体層側の面を直接接合することによって、簡単に構成される。
一実施形態の半導体発光素子では、上記半導体積層の上記底部と上記基板に対する直接接合面との間の厚さが１μｍ以上４μｍ以下であることを特徴とする。
この一実施形態の半導体発光素子では、上記半導体積層の上記底部と上記基板に対する直接接合面との間の厚さが４μｍ以下であるから、例えば上記半導体積層表面からエッチングを行うことにより、上記底部の位置を上記活性層の位置を越える深さに安定して設定できる。また、上記半導体積層の上記底部と上記基板に対する直接接合面との間の厚さが１μｍ以上であるから、上記半導体積層と上記底部上の第２電極との導通が安定して確保される。
一実施形態の半導体発光素子では、上記半導体積層は、上記活性層と上記第１電極との間に位置して上記半導体積層の上記表面を構成する電流拡散層を含むことを特徴とする。
一実施形態の半導体発光素子では、上記電流拡散層はＡｌxＧａx-1Ａｓ（０≦ｘ≦１)からなることを特徴とする。
一実施形態の半導体発光素子では、上記電流拡散層の厚みは５μｍ以上１０μｍ以下であることを特徴とする。
この発明の半導体装置は、上記基板の上記半導体積層に対する直接接合面とは反対側の面が、絶縁体からなるヒートシンクにボンディングされていることを特徴とする。
上記半導体発光素子を備えた半導体装置では、ヒートシンクが上記半導体発光素子のための通電経路にはならず、放熱とマウントの機能を有すれば足りる。したがって、採用可能なパッケージのバリエーションが広がる。したがって、この発明の半導体装置のように、絶縁体からなるヒートシンクを採用することができる。
一実施形態の半導体装置では、上記ヒートシンクをなす絶縁体は窒化アルミニウムであることを特徴とする。
上記ヒートシンクをなす絶縁体は窒化アルミニウム（ＡｌＮ）であるから、他の種類の絶縁体を用いる場合に比して、熱伝導度が比較的高い。したがって、温度特性が向上する。
この発明の半導体発光素子の製造方法は、
第１の半導体基板上に、所定の発光波長の光を発する活性層を含む半導体積層を成長させる工程と、
上記半導体積層の、上記第１の半導体基板に接する面とは反対側の面に、上記活性層の発光波長に対して透明な第２の半導体基板を直接接合する工程と、
上記第１の半導体基板を除去する工程と、
エッチングを行って、上記半導体積層の一部領域に、上記第２の半導体基板に対する直接接合面とは反対側の表面から上記活性層の位置を越える深さをもつ底部を形成する工程と、
上記半導体積層の上記表面、上記底部にそれぞれ第１電極、第２電極を設ける工程とを有する。
第１の半導体基板上に、所定の発光波長の光を発する活性層を含む半導体積層を成長させる工程と、
上記半導体積層の、上記第１の半導体基板に接する面とは反対側の面に、上記活性層の発光波長に対して透明な第２の半導体基板を直接接合する工程と、
上記第１の半導体基板を除去する工程と、
エッチングを行って、上記半導体積層の一部領域に、上記第２の半導体基板に対する直接接合面とは反対側の表面から上記活性層の位置を越える深さをもつ底部を形成する工程と、
上記半導体積層の上記表面、上記底部にそれぞれ第１電極、第２電極を設ける工程とを有する。
この発明の製造方法によれば、上記発明の半導体発光素子が容易に製造される。
以下、この発明を図示の実施の形態により詳細に説明する。
図１から図４は、一実施形態のＡｌＧａＩｎＰ系半導体発光素子の製造工程における断面を示している。
ｉ） まず図１に示すように、第１の半導体基板としてのｎ型のＧａＡｓ基板１上に、半導体積層として、ｐ型のＧａＡｓバッファ層（厚さ１μｍ）２と、ｐ型のＡｌ0.7Ｇａ0.3Ａｓ電流拡散層（厚さ５μｍ）３と、ｐ型のＡｌ0.5Ｉｎ0.5Ｐクラッド層（厚さ１μｍ）４と、活性層としてのｐ型の量子井戸活性層５と、ｎ型のＡｌ0.5Ｉｎ0.5Ｐクラッド層（厚さ１μｍ）６と、ｎ型の（Ａｌ0.2Ｇａ0.8）0.77Ｉｎ0.23Ｐ中間層（厚さ０．１５μｍ）７と、ｎ型の（Ａｌ0.1Ｇａ0.9）0.93Ｉｎ0.07Ｐコンタクト層（厚さ１０μｍ）８と、酸化防止用のｎ型のＧａＡｓキャップ層（厚さ０．０１μｍ）９と、を有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）によりこの順に連続してエピタキシャル成長させて積層する。発光ダイオードを構成するために、量子井戸活性層５の前に成長される半導体層４、３はｐ型、量子井戸活性層５の後に成長される半導体層６、７、８はｎ型となっている（なお、バッファ層２とキャップ層９は後工程で除去される。）。このとき、ｐ型ドーパントにはＺｎ、ｎ型ドーパントにはＳｉを使用する。
上記量子井戸活性層５は、詳しくは図示しないが、（Ａｌ0.6Ｇａ0.4）0.5Ｉｎ0.5Ｐからなるバリア層と、（Ａｌ0.2Ｇａ0.8）0.5Ｉｎ0.5Ｐからなる井戸層とを交互に複数積層して形成されている。量子井戸活性層５が（ＡｌyＧａ1-y）zＩｎ1-zＰ（ただし、０≦ｙ≦１、０＜ｚ＜１である。）からなれば、５５０ｎｍ〜６７０ｎｍの発光波長が得られる。なお、ＧａＡｓ基板１は、この量子井戸活性層５の発光波長５５０ｎｍ〜６７０ｎｍに対して不透明である。
ii） 次に図２に示すように、上記エピタキシャル成長層の表面（図２における上面）側をポリッシュして平坦化した後、露出したコンタクト層８の表面をエッチャントで表面処理して酸化膜を除去する。一方、量子井戸活性層５の発光波長５５０ｎｍ〜６７０ｎｍに対して透明な第２の半導体基板としてのｎ型のＧａＰ基板１０を用意し、このＧａＰ基板１０の表面を同じようにエッチャントで表面処理して酸化膜を除去する。
その後、両者を十分に洗浄、乾燥した後、ＧａＡｓ基板１上のコンタクト層８の表面とＧａＰ基板１０の表面とが密着するように加圧状態とし、真空中又は水素か窒素パージで温度７５０〜８００℃、１時間の熱処理を施す。これにより２枚の基板を直接接合する。
iii） 次に図３に示すように、アンモニアと過酸化水素水との混合液からなるエッチャントを用いて、ｎ型のＧａＡｓ基板１及びｐ型のＧａＡｓバッファ層２をエッチングして除去する。なお、図３は、図１、２に対して上下逆に描かれている。
iv） 次に、塩酸：酢酸：過酸化水素水又は硫酸：リン酸：過酸化水素水：純水のエッチャントを用いて、半導体層３の表面側（ＧａＰ基板１０とは反対の側）から半導体層３、４、５、６、７および８の一部領域（図中に２点鎖線で示す領域）をエッチングして除去する。これにより、量子井戸活性層５の位置を越える深さをもつ底部８ａをコンタクト層８内に形成する。
このとき、底部８ａとコンタクト層８のＧａＰ基板１０に対する直接接合面１４との間の厚さ（これを「残厚」と呼ぶ。）を１μｍ以上４μｍ以下にするのが望ましい。残厚が４μｍ以下であれば、底部８ａの位置を量子井戸活性層５の位置を越える深さに安定して設定できる。また、残厚が１μｍ以上であれば、後述する第２電極とコンタクト層８との導通が安定して確保される。
ｖ） 次に図４に示すように、底部８ａ上を除く電流拡散層３の表面全域に、第１電極として、量子井戸活性層５の発光波長５５０ｎｍ〜６７０ｎｍに対して透明なＩＴＯ（錫添加酸化インジウム）やＧＺＯ（ガリウム添加酸化亜鉛）等からなる透光性電極層１３を形成し、さらに、透光性電極層１３上の一部領域上にＡｕＺｎ／Ｍｏ／Ａｕの積層からなる第１ボンディングパッド１１を形成する。
続いて、コンタクト層８内の底部８ａに、第２電極として、ＡｕＳｉからなる第２ボンディングパッド１２を形成する（素子作製完了）。
vi） この後、半導体装置に適用するために、上記半導体発光素子（つまり、チップ）は、ＧａＰ基板１０側を下にして、例えばシリコーン樹脂を主成分とした公知の熱伝導性接着剤１９を用いてヒートシンク２０上にボンディングされる。また、第１ボンディングパッド１１と第２ボンディングパッド１２に、それぞれワイヤボンディングによって金属配線が接続される。
上記半導体発光素子の動作時には、第１ボンディングパッド１１と第２ボンディングパッド１２との間に電源が印加される。これにより、第１ボンディングパッド１１から透光性電極層１３、電流拡散層３、クラッド層４、量子井戸活性層５、クラッド層６、中間層７、コンタクト層８を通して第２ボンディングパッド１２へ通電が行われて、量子井戸活性層５が発光波長５５０ｎｍ〜６７０ｎｍの光を発する。
この半導体発光素子は、発光波長５５０ｎｍ〜６７０ｎｍに対して透明なＧａＰ基板１０を備えているので、チップ上面だけでなく４つの側面からも光を取り出すことができ、また、下面における反射光も上面および側面から出射させることができるので、外部出射効率を高めることができる。しかも、透光性電極層１３は発光波長５５０ｎｍ〜６７０ｎｍに対して透明であるから、チップ上面への光出射が透光性電極層１３によって妨げられることがない。したがって、さらに外部出射効率を高めることができる。また、動作時に、通電電流がこの透光性電極層１３によって拡散されて、量子井戸活性層５へ均一に電流が注入される。したがって、内部量子効率が高まる。これらの結果、半導体発光素子の特性が向上して、高輝度が実現される。
また、通電は第１ボンディングパッド１１と第２ボンディングパッド１２との間、より詳しくは透光性電極１３からコンタクト層８までの間で行われて、直接接合面１４には実質的に電流が流れないので、直接接合面１４の状態によって電気的特性が殆ど影響を受けない。したがって、直接接合面１４内にヒロック等に起因する不完全接合が生じた場合でも、良好な電気的特性を示すことができ、高い歩留まりが得られる。
上の例では、ｐ型の量子井戸活性層５と透光性電極層１３との間にｐ型のＡｌ0.7Ｇａ0.3Ａｓ電流拡散層（厚さ５μｍ）３を形成していたが、ｐ型の量子井戸活性層５と透光性電極層１３との間にｐ型の（Ａｌ0.15Ｇａ0.85）0.52Ｉｎ0.47Ｐ電流拡散層（厚さ０．２μｍ）を形成してもよい。つまり、上記ｐ型のＡｌ0.7Ｇａ0.3Ａｓ電流拡散層（厚さ５μｍ）３の代わりに、ｐ型の（Ａｌ0.15Ｇａ0.85）0.52Ｉｎ0.47Ｐ電流拡散層（厚さ０．２μｍ）を用いてもよい。
上の例では、量子井戸活性層５よりも下方に配置されたクラッド層６、中間層７、コンタクト層８がｎ型であるから、直接接合面１４を介してｎ型のＧａＰ基板１０と導通している。直接接合面１４の状態によって素子の電気的特性が影響を受けないのを確実にするためには、コンタクト層８（およびその上方の半導体層）とＧａＰ基板１０とをｐｎ接合をなす要素によって電気的に分離するのが望ましい。
そこで、図５の例では、ｎ型のコンタクト層８とｎ型のＧａＰ基板１０との間にｐ型半導体層１５を介挿している。ｐ型半導体層１５の組成は、格子整合のために（ＡｌyＧａ1-y）zＩｎ1-zＰ（ただし、０≦ｙ≦１、０＜ｚ＜１である。）とする。この構造によれば、直接接合面１４の状態によって電気的特性がさらに影響を受けなくなる。なお、このｐ型半導体層１５は、ＭＯＣＶＤ法によるエピタキシャル成長時に、コンタクト層８とキャップ層９との間に成長させる。上記エピタキシャル成長層の表面（図２における上面）側をポリッシュして平坦化するとき、ｐ型半導体層１５を露出させるようにする。そして、露出したｐ型半導体層１５の表面にｎ型のＧａＰ基板１０を直接接合する。このようにした場合、工程数を増やすことなく簡単にｐ型半導体層１５を介挿できる。
また、図６の例では、ｎ型のＧａＰ基板１０の直接接合される表面に、ｐ型半導体層としてのｐ型拡散層１６が設けられている。この構造でも、直接接合面１４の状態によって電気的特性がさらに影響を受けなくなる。この構造は、例えば予めｎ型のＧａＰ基板１０に不純物拡散によりｐ型拡散層１６を形成しておき、コンタクト層８に対してＧａＰ基板１０のそのｐ型拡散層１６側の面を直接接合することによって、簡単に構成される。
図８から図１１は、他の一実施形態のＡｌＧａＩｎＰ系半導体発光素子の製造工程における断面を示している。
まず図８に示すように、第１の半導体基板としてのｎ型のＧａＡｓ基板１上に、半導体積層として、ｐ型のＧａＡｓバッファ層（厚さ１μｍ）２と、ｐ型のＡｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ電流拡散層（厚さ５μｍ）２３と、ｐ型のＡｌ0.5Ｉｎ0.5Ｐクラッド層（厚さ１μｍ）４と、活性層としてのｐ型の量子井戸活性層５と、ｎ型のＡｌ0.5Ｉｎ0.5Ｐクラッド層（厚さ１μｍ）６と、ｎ型の（Ａｌ0.2Ｇａ0.8）0.77Ｉｎ0.23Ｐ中間層（厚さ０．１５μｍ）７と、ｎ型の（Ａｌ0.1Ｇａ0.9）0.93Ｉｎ0.07Ｐコンタクト層（厚さ１０μｍ）８と、酸化防止用のｎ型のＧａＡｓキャップ層（厚さ０．０１μｍ）９と、を有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）によりこの順に連続してエピタキシャル成長させて積層する。発光ダイオードを構成するために、量子井戸活性層５の前に成長される半導体層４、２３はｐ型、量子井戸活性層５の後に成長される半導体層６、７、８はｎ型となっている（なお、バッファ層２とキャップ層９は後工程で除去される。）。このとき、ｐ型ドーパントにはＺｎ、ｎ型ドーパントにはＳｉを使用する。
上記ｐ型Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ電流拡散層２３の層厚は、十分な電流拡散を得るために５μｍ以上が望ましく、エッチング等のプロセスを実施するうえで１０μｍ以下が望ましい。
上記量子井戸活性層５は、詳しくは図示しないが、（Ａｌ0.6Ｇａ0.4）0.5Ｉｎ0.5Ｐからなるバリア層と、（Ａｌ0.2Ｇａ0.8）0.5Ｉｎ0.5Ｐからなる井戸層とを交互に複数積層して形成されている。量子井戸活性層５が（ＡｌyＧａ1-y）zＩｎ1-zＰ（ただし、０≦ｙ≦１、０＜ｚ＜１である。）からなれば、５５０ｎｍ〜ら６７０ｎｍの発光波長が得られる。なお、ＧａＡｓ基板１は、この量子井戸活性層５の発光波長５５０ｎｍ〜６７０ｎｍに対して不透明である。
次に図９に示すように、上記エピタキシャル成長層の表面（図８における上面）側をポリッシュして平坦化した後、露出したコンタクト層８の表面をエッチャントで表面処理して酸化膜を除去する。一方、量子井戸活性層５の発光波長５５０ｎｍ〜６７０ｎｍに対して透明な第２の半導体基板としてのｎ型のＧａＰ基板１０を用意し、このＧａＰ基板１０の表面を同じようにエッチャントで表面処理して酸化膜を除去する。
その後、両者を十分に洗浄、乾燥した後、ＧａＡｓ基板１上のコンタクト層８の表面とＧａＰ基板１０の表面とが密着するように加圧状態とし、真空中又は水素か窒素パージで温度７５０〜８００℃、１時間の熱処理を施す。これにより２枚の基板を直接接合する。
次に図１０に示すように、アンモニアと過酸化水素水との混合液からなるエッチャントを用いて、ｎ型のＧａＡｓ基板１及びｐ型のＧａＡｓバッファ層２をエッチングして除去する。なお、図１０は、図８、９に対して上下逆に描かれている。
次に、硫酸：過酸化水素水：純水又は硫酸：リン酸：過酸化水素水：純水のエッチャントを用いて、半導体層３の表面側（ＧａＰ基板１０とは反対の側）から半導体層２３、４、５、６、７および８の一部領域（図中に２点鎖線で示す領域）をエッチングして除去する。これにより、量子井戸活性層５の位置を越える深さをもつ底部８ａをコンタクト層８内に形成する。
このとき、底部８ａとコンタクト層８のＧａＰ基板１０に対する直接接合面１４との間の厚さ（これを「残厚」と呼ぶ。）を１μｍ以上４μｍ以下にするのが望ましい。残厚が４μｍ以下であれば、底部８ａの位置を量子井戸活性層５の位置を越える深さに安定して設定できる。また、残厚が１μｍ以上であれば、後述する第２電極とコンタクト層８との導通が安定して確保される。
次に図１１に示すように、上の一部領域上にＡｕＺｎ／Ｍｏ／Ａｕの積層からなる第１ボンディングパッド１１を形成する。
続いて、コンタクト層８内の底部８ａに、第２電極として、ＡｕＳｉからなる第２ボンディングパッド１２を形成する（素子作製完了）。
この後、半導体装置に適用するために、上記半導体発光素子（つまり、チップ）は、ＧａＰ基板１０側を下にして、例えばシリコーン樹脂を主成分とした公知の熱伝導性接着剤１９を用いてヒートシンク２０上にボンディングされる（図４参照）。また、第１ボンディングパッド１１と第２ボンディングパッド１２に、それぞれワイヤボンディングによって金属配線が接続される。
上記半導体発光素子の動作時には、第１ボンディングパッド１１と第２ボンディングパッド１２との間に電源が印加される。これにより、第１ボンディングパッド１１から電流拡散層２３、クラッド層４、量子井戸活性層５、クラッド層６、中間層７、コンタクト層８を通して第２ボンディングパッド１２へ通電が行われて、量子井戸活性層５が発光波長５５０ｎｍ〜６７０ｎｍの光を発する。
この半導体発光素子は、発光波長５５０ｎｍ〜６７０ｎｍに対して透明なＧａＰ基板１０を備えているので、チップ上面だけでなく４つの側面からも光を取り出すことができ、また、下面における反射光も上面および側面から出射させることができるので、外部出射効率を高めることができる。さらに電流拡散層２３によって電流が拡散されて、量子井戸活性層５へ均一に電流が注入される。したがって、内部量子効率が高まる。これらの結果、半導体発光素子の特性が向上して、高輝度が実現される。
上記半導体発光素子の半導体積層は、活性層と第１電極との間に位置して半導体積層の表面を構成する共に、ＡｌxＧａx-1Ａｓ（０≦ｘ≦１)からなる電流拡散層を含んでもよい。
上述の半導体発光素子をヒートシンク２０上に備えた半導体装置では、ヒートシンク２０が半導体発光素子のための通電経路にはならず、放熱とマウントの機能を有すれば足りる。したがって、ヒートシンク２０の材料は金属であっても良いし、絶縁体であっても良い。これにより、採用可能なパッケージのバリエーションが広がる。ヒートシンク２０の絶縁体材料としては、例えば窒化アルミニウム（ＡｌＮ）などの熱伝導度が比較的高いものが望ましい。温度特性を向上させるためである。
１ ｎ型ＧａＡｓ基板
３ 電流拡散層
５ 量子井戸活性層
８ コンタクト層
８ａ 底部
１０ ｎ型ＧａＰ基板
１１ 第１ボンディングパッド
１２ 第２ボンディングパッド
１３ 透明電極
１４ 直接接合面
１５ ｐ型半導体層
１６ ｐ型拡散層
１７ 残厚
２３ 電流拡散層
３ 電流拡散層
５ 量子井戸活性層
８ コンタクト層
８ａ 底部
１０ ｎ型ＧａＰ基板
１１ 第１ボンディングパッド
１２ 第２ボンディングパッド
１３ 透明電極
１４ 直接接合面
１５ ｐ型半導体層
１６ ｐ型拡散層
１７ 残厚
２３ 電流拡散層
Claims (12)
- 所定の発光波長の光を発する活性層を含む半導体積層と、
上記半導体積層に対して直接接合された、上記発光波長に対して透明な基板とを備え、
上記半導体積層の一部領域に、上記基板に対する直接接合面とは反対側の表面から上記活性層の位置を越える深さをもつ底部が形成され、
上記半導体積層の上記表面、上記底部にそれぞれ設けられた第１電極、第２電極とを備えた半導体発光素子。 - 請求項１に記載の半導体発光素子において、
上記第１電極は、上記底部上を除く上記半導体積層の表面全域に設けられた、上記発光波長に対して透明な透光性電極層を有することを特徴とする半導体発光素子。 - 請求項１に記載の半導体発光素子において、
上記半導体積層と上記基板とはｐｎ接合をなす要素によって電気的に分離されていることを特徴とする半導体発光素子。 - 請求項３に記載の半導体発光素子において、
上記ｐｎ接合をなす要素は、ｎ型の上記基板と、その基板上に堆積されたｐ型半導体層とからなること特徴とする半導体発光素子。 - 請求項３に記載の半導体発光素子において、
上記ｐｎ接合をなす要素は、ｎ型の上記基板と、その基板表面に不純物拡散により形成されたｐ型拡散層とからなること特徴とする半導体発光素子。 - 請求項１に記載の半導体発光素子において、
上記半導体積層の上記底部と上記基板に対する直接接合面との間の厚さが１μｍ以上４μｍ以下であることを特徴とする半導体発光素子。 - 請求項１に記載の半導体発光素子において、
上記半導体積層は、上記活性層と上記第１電極との間に位置して上記半導体積層の上記表面を構成する電流拡散層を含むことを特徴とする半導体発光素子。 - 請求項７に記載の半導体発光素子において、
上記電流拡散層はＡｌxＧａx-1Ａｓ（０≦ｘ≦１)からなることを特徴とする半導体発光素子。 - 請求項７に記載の半導体発光素子において、
上記電流拡散層の厚みは５μｍ以上１０μｍ以下であることを特徴とする半導体発光素子。 - 請求項１に記載の半導体発光素子を備えた半導体装置であって、
上記基板の上記半導体積層に対する直接接合面とは反対側の面が、絶縁体からなるヒートシンクにボンディングされていることを特徴とする半導体装置。 - 請求項１０に記載の半導体装置において、
上記ヒートシンクをなす絶縁体は窒化アルミニウムであることを特徴とする半導体装置。 - 第１の半導体基板上に、所定の発光波長の光を発する活性層を含む半導体積層を成長させる工程と、
上記半導体積層の、上記第１の半導体基板に接する面とは反対側の面に、上記活性層の発光波長に対して透明な第２の半導体基板を直接接合する工程と、
上記第１の半導体基板を除去する工程と、
エッチングを行って、上記半導体積層の一部領域に、上記第２の半導体基板に対する直接接合面とは反対側の表面から上記活性層の位置を越える深さをもつ底部を形成する工程と、
上記半導体積層の上記表面、上記底部にそれぞれ第１電極、第２電極を設ける工程とを有する半導体発光素子の製造方法。
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