JP2007059873A - 半導体発光素子及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】光取り出し効率を向上できる半導体発光素子及びその製造方法を提供する。
【解決手段】ＡｌＧａＩｎＰ発光層５上には、Ａｌ_０．６Ｇａ_０．４Ａｓ電流拡散層３およびｎ型Ａｌ_０．５Ｉｎ_０．５Ｐクラッド層４を形成している。ＡｌＧａＩｎＰ発光層５には、ｐ型Ａｌ_０．５Ｉｎ_０．５Ｐクラッド層６、ｐ型ＧａＩｎＰ中間層７およびｐ型ＧａＰコンタクト層８を形成している。ｐ型ＧａＰコンタクト層８には、ｐ型ＧａＰコンタクト層８のキャリア濃度よりも低いキャリア濃度を有するｐ型ＧａＰ透光性基板９を貼り付けている。
【選択図】図８

Description

本発明は、例えば通信装置、道路・線路・案内表示板装置、広告表示装置、携帯電話、ディスプレイのバックライト、照明器具等に使用される発光体である半導体発光素子及びその製造方法に関するものである。

近年、半導体発光素子の一つである半導体発光ダイオード（以下、「ＬＥＤ」と言う。）の製造技術が急速に進歩し、特に青色のＬＥＤが開発されて以降は、光の３原色のＬＥＤが揃ったことから、その３原色のＬＥＤの組み合わせによりあらゆる波長の光を作り出すことが可能となった。その結果、ＬＥＤの適用範囲は急速に広まっており、中でも照明の分野では環境・エネルギー問題への意識の向上と相まって電球、蛍光灯に変わる自然光・白色光源として注目されているところである。

しかしながら、現状のＬＥＤは電球や蛍光灯と比較して投入されるエネルギーに対する光の変換効率が劣っており、より変換効率の高い、より輝度の高いＬＥＤを目指した研究開発が波長を問わず進められている。

一昔前までは高輝度化技術開発の中心はエピタキシャル成長技術にあったが、その技術が成熟した近年ではプロセス技術を中心とした開発へと移行しつつある。

プロセス技術による輝度の向上とはつまり外部量子効率（内部量子効率×外部取出し効率）の向上であり、素子の形状微細加工技術、反射膜、透明電極等が挙げられる。これらの中でもウェハボンディングによる手法は赤色、青色発光のＬＥＤにおいていくつかの手法が確立されており、高輝度タイプのＬＥＤが発明され市場に登場してきた。

このウェハボンディングによる高輝度化の手法は大きく分けて２種類ある。１つはエピタキシャル層にシリコンやゲルマニウムなどの不透明な基板を直接または金属層を介して貼り付ける手法である。もう１つは発光波長に対して透明な基板、例えばガラスやサファイア、ＧａＰなどをエピタキシャル層に直接または接着層を介して貼り付ける手法である。

図１に、前者の手法が用いられたＬＥＤの概略断面図を示す。また、図２に、後者の手法が用いられたＬＥＤの概略断面図を示す。

図１において、１０１，１０３はエピタキシャル層、１０２は発光層、１０４は反射用金属層、１０５はシリコン基板、１０６，１０７は電極である。

図１のＬＥＤでは、発光層１０３から出射された光が矢印で示すようにシリコン基板１０５で吸収される前に反射用金属層１０４で外部へ反射される。

図２において、２０１はウィンド層、２０２，２０４はエピタキシャル層、２０３は発光層、２０５は透明基板、２０６，２０７は電極である。

図２のＬＥＤでは、発光層２０３から出射された光が矢印で示すように透明基板２０５で吸収されずに透過する。

特に、上記透明基板２０５をエピタキシャル層２０４に貼り付ける手法は、発光層２０３から出射された光が再び発光層２０３を通過すること無く、つまり、発光層２０３から出射された光が発光層２０３に吸収されること無く、ＬＥＤのほぼ全面より光を外部へ取り出すことが可能であり、より変換効率（取り出し効率）の高いＬＥＤの開発が可能である。

従来、透明基板をエピタキシャル層に貼り付ける手法としては、特許第３２３０６３８号公報（特許文献１）に記載されたものがある。この特許第３２３０６３８号公報では、４元系のＬＥＤを作製するために、ＡｌＧａＩｎＰ（アルミニウム・ガリウム・インジウム・リン）系の半導体層にＧａＰ（ガリウム・リン）透明基板を直接貼り付けている。

ところで、上述したような透明基板をエピタキシャル層に貼り付ける手法では、光の透過性をよくするために直接透明基板を貼り付けられる。この場合、上記透明基板とエピタキシャル層との界面つまり貼付界面の抵抗が高いため、ＬＥＤの駆動電圧が上昇するという問題がある。

この問題を解決する方法としては、上記透明基板のキャリア濃度を高くして貼付界面の抵抗を下げることが考えられるが、透明基板のキャリア濃度を高くすると、キャリア濃度が高い透明基板で光の吸収や減衰が起こりやすくなる。

その結果、上記透明基板のキャリア濃度を高くしたＬＥＤでは、光取り出し効率が低下するという問題が発生してしまう。このとき起こる光の吸収は主にフリーキャリアによる吸収であり、結晶のバンドギャップなどにほぼ無関係に吸収が起こる。

また、上記透明基板のキャリア濃度を高くすると、当然に、透明基板内における不純物や欠陥の密度が上昇し、この不純物や欠陥によって光が吸収されたり、減衰したりする。

また、上記透明基板をエピタキシャル層に貼り付ける手法では、透明基板をエピタキシャル層に貼り付けるために加熱処理を施すが、この加熱処理が非常に高温であるため、ドーパントである原子の拡散が起こり、ドーパントである原子が貼付界面、結晶界面、発光層などへ偏析してしまう。

その結果、上記ドーパントである原子が貼付界面、結晶界面に偏析した場合、貼付界面、結晶界面における光透過率が低下し、また、ドーパントである原子が発光層に偏析した場合、発光層の発光効率の低下が起こる。

また、上記貼付界面の抵抗を低下させる目的で、その貼付界面に金属層を設ける場合も同様に、金属層自身が通常光を透過することは無く、また金属と結晶の界面のコンタクトを良好なものとするために加熱処理などを施すと界面の合金層（黒化現象）が光吸収層となり、光の外部取り出し効率の向上があまり期待できないといった結果になる。
特許第３２３０６３８号公報

そこで、本発明の課題は、光取り出し効率を向上できる半導体発光素子及びその製造方法を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明の半導体発光素子は、
第１導電型の半導体層と、
上記第１導電型の半導体層上に形成された発光層と、
上記発光層上に形成された第２導電型の半導体層と、
上記第２導電型の半導体層上に形成され、上記発光層からの光を透過する透過性基板と
を備え、
上記透過性基板のキャリア濃度が上記第２導電型の半導体層のキャリア濃度よりも低いことを特徴としている。

本明細書において、第１導電型とは、ｐ型またはｎ型を意味する。また、第２導電型とは、第１導電型がｐ型の場合はｎ型、ｎ型の場合はｐ型を意味する。

上記構成の半導体発光素子によれば、上記透過性基板を設置する一般的な方法としては例えば加熱処理がある。上記透過性基板を設置するために加熱処理を行うとき、透過性基板のキャリア濃度が第２導電型の半導体層のキャリア濃度よりも高いと、透過性基板中のキャリアが第２導電型の半導体層へ拡散し、そのキャリアが透過性基板、第２導電型の半導体層の界面や発光層などに偏析する。上記キャリアが透過性基板、第２導電型の半導体層の界面に偏析した場合には、その界面での光透過率が低下してしまう。また、上記キャリアが発光層に偏析した場合には、発光層の発光効率が低下してしまう。

図３Ａ，図３Ｂに、透過性基板の一例であるＧａＰ基板をＧａＡｌＩｎＰのＬＥＤ構造に貼り付けた場合に確認されるＧａＰ基板の貼付界面のキャリアの偏析に関するＳＩＭＳ（Secondary Ion Mass Spectroscopy）分析結果を示す。

図３から分かるように、貼付界面に偏析するキャリアの量がＧａＰ基板のキャリア濃度に依存しており、ＧａＰ基板のキャリア濃度が高濃度になるとキャリアの偏析が著しいことが確認できる。

したがって、上記透過性基板のキャリア濃度を第２導電型の半導体層のキャリア濃度よりも低くすることによって、透過性基板から第２導電型の半導体層へのキャリアの拡散が抑制され（高濃度から低濃度へ拡散することは熱力学的な安定性から明らかである）、光取り出し効率を向上できる。

その結果、上記半導体発光素子の輝度低下要因を無くすので、半導体発光素子の高輝度化を図ることが可能である。

また、上記透過性基板を設置する方法は、発光層からの光が透過性基板の界面の全部または一部を通過することが可能であれば、第２導電型の半導体層に透過性基板を直接貼り付けてもよいし、第２導電型の半導体層に接着剤・金属・酸化物・窒化物などを介して透過性基板を間接的に貼り付けてもよい。

一実施形態の半導体発光素子では、
上記透過性基板のキャリア濃度が２．５×１０^１８ｃｍ^−３以下である。

上記実施形態の半導体発光素子によれば、上記透過性基板のキャリア濃度が２．５×１０^１８ｃｍ^−３以下であるので、駆動電圧の上昇を防ぐことができる。

図４、図５に、キャリア濃度１．５×１０^１８ｃｍ^−３，５．０×１０^１７ｃｍ^−３のｐ型ＧａＰ基板についての実験結果を示す。なお、上記ｐ型ＧａＰ基板は亜鉛ドープされたものである。

図４では、上記ｐ型ＧａＰ基板の単体での光透過率の結果を示している。ここでは、入射する光の各界面での反射を考慮していないためバンドギャップより低エネルギー側の光透過率は５０％前後の値となる（実際の光透過率はほぼ９０％以上）。

上記キャリア濃度１．５×１０^１８ｃｍ^−３のｐ型ＧａＰ基板とキャリア濃度５．０×１０^１７ｃｍ^−３のｐ型ＧａＰ基板とでは、両基板自体の厚みが約２５０μｍと非常に薄いため、光透過率は数パーセント異なるのみである。この結果と、光透過率を求める一般式
Ｉ／Ｉ_０＝ｅｘｐ(−αｄ)
Ｉ_０：初期光量
Ｉ：透過光量
ｄ：厚み
α：吸収係数
に基づいて、波長６４０ｎｍの光に関して吸収係数αを算出すると、キャリア濃度１．５×１０^１８ｃｍ^−３のｐ型ＧａＰ基板の吸収係数αは３．３０ｃｍ^−１であり、キャリア濃度５．０×１０^１７ｃｍ^−３のｐ型ＧａＰ基板の吸収係数αは５．４６×１０^−２ｃｍ^−１であった。

次に、上記吸収係数αが３．３０ｃｍ^−１，５．４６×１０^−２ｃｍ^−１を持った基板内を光が通った場合の光透過率の厚み依存性を計算すると、図５に示すように、当然長い距離を通るほど光が減衰する。

上記ｐ型ＧａＰ基板を発光層上に設置した場合、発光層から放出された光の一部は直接外部に取り出され、また、上記光の他の一部は基板結晶・材料と外部との界面で反射されるが、上記光の多くはｐ型ＧａＰ基板内で反射を繰り返すことになる。

したがって、上記光の多くがｐ型ＧａＰ基板の厚み以上の距離を通ることは明らかであり、光のパスが多くなればなるほど減衰し、外部取り出し効率は低下する。

このような減衰を可能な限り低下させることが本発明のキャリア濃度の設定によって可能となる。

また、上記光を吸収、減衰させる要因は主にフリーキャリアであるから、本発明のキャリア濃度の設定は、基板、ドーパントなどの種類によらず、あらゆる結晶、化合物、材料に適用可能である。

そして、上記キャリア濃度１．５×１０^１８ｃｍ^−３のｐ型ＧａＰ基板を半導体層に直接貼り付けて波長６４０ｎｍの赤色半導体発光素子を作製し、キャリア濃度５．０×１０^１７ｃｍ^−３のｐ型ＧａＰ基板を半導体層に直接貼り付けて波長６４０ｎｍの赤色半導体発光素子を作製した。

上記キャリア濃度５．０×１０^１７ｃｍ^−３のｐ型ＧａＰ基板を含む赤色半導体発光素子は、キャリア濃度１．５×１０^１８ｃｍ^−３のｐ型ＧａＰ基板を含む赤色半導体発光素子に比べて、およそ１．５倍の光出力を得た。

具体的には、上記キャリア濃度５．０×１０^１７ｃｍ^−３のｐ型ＧａＰ基板を含む赤色半導体発光素子の光出力は５．６ｍＷ（波長６４０ｎｍ，ドミナント波長６２６ｎｍ）である一方、キャリア濃度１．５×１０^１８ｃｍ^−３のｐ型ＧａＰ基板を含む赤色半導体発光素子の光出力は３．８ｍＷ（波長６４０ｎｍ，ドミナント波長６２６ｎｍ）であった。

また、上記各素子について放射パターンを確認したところ、図６Ａ，図６Ｂに示すように、キャリア濃度１．５×１０^１８ｃｍ^−３のｐ型ＧａＰ基板を含む赤色半導体発光素子よりも、キャリア濃度５．０×１０^１７ｃｍ^−３のｐ型ＧａＰ基板を含む赤色半導体発光素子の方が、素子の横方向（ｐ型ＧａＰ基板）からの光放出成分が増えていることが確認できた。

一実施形態の半導体発光素子では、
上記第２導電型の半導体層のキャリア濃度は５．０×１０^１７ｃｍ^−３〜５．０×１０^１８ｃｍ^−３の範囲内である。

上記実施形態の半導体発光素子によれば、上記第２導電型の半導体層のキャリア濃度が５．０×１０^１７ｃｍ^−３〜５．０×１０^１８ｃｍ^−３の範囲内であるので、光取り出し効率をさらに向上できる。

上記第２導電型の半導体層のキャリア濃度は選択された透過性基板のキャリア濃度よりも低い濃度範囲において上記５．０×１０^１７ｃｍ^−３〜５．０×１０^１８ｃｍ^−３の範囲で任意に選択する事が可能である。

一実施形態の半導体発光素子では、
上記透過性基板は第２導電型の半導体または第２導電型の透過性材料からなる。

上記実施形態の半導体発光素子によれば、上記透過性基板は、第２導電型の半導体または第２導電型の透過性材料からなるので、第２導電型の半導体層と電気的に接続される。上記透過性基板と第２導電型の半導体層とは同一極性を有している。

したがって、上記発光層を発光させるための電極を透過性基板に形成することができる。

一実施形態の半導体発光素子では、
上記透過性基板は第１導電型の半導体または第１導電型の透過性材料からなる。

上記実施形態の半導体発光素子によれば、上記透過性基板は、第１導電型の半導体または第１導電型の透過性材料からなるので、第２導電型の半導体層と電気的に接続されていない。ここで、上記透過性基板が第２導電型の半導体層に直接貼り付けられているとき、透過性基板と第２導電型の半導体層の界面がｐｎ接合界面となる。このｐｎ接合界面では中性な領域（空乏層）が形成されるため、一定の電圧がかからない限り、電流が流れない。

したがって、例えば、透過性基板と第２導電型の半導体層との間にコンタクト層を形成し、このコンタクト層に電極を形成することにより、発光層を発光させることができる。

一実施形態の半導体発光素子では、
上記透過性基板は絶縁体からなる。

上記実施形態の半導体発光素子によれば、上記透過性基板は、絶縁体であるから、第２導電型の半導体層と電気的に接続されていない。

したがって、例えば、透過性基板と第２導電型の半導体層との間にコンタクト層を形成し、このコンタクト層に電極を形成することにより、発光層を発光させることができる。

一実施形態の半導体発光素子では、
上記第１導電型の半導体層、発光層および第２導電型の半導体層は、それぞれ、ガリウム、アルミニウム、インジウム、リン、砒素、亜鉛、テルル、硫黄、窒素、シリコン、炭素、酸素、マグネシウム、セレンのうちの少なくとも２つを含む。

上記実施形態の半導体発光素子によれば、上記第１導電型の半導体層、発光層および第２導電型の半導体層は、それぞれ、ガリウム、アルミニウム、インジウム、リン、砒素、亜鉛、テルル、硫黄、窒素、シリコン、炭素、酸素、マグネシウム、セレンのうちの少なくとも２つを含むので、発光層の発光波長を赤外領域から近紫外領域までの広い範囲から選択することができる。

本発明の半導体発光素子の製造方法は、
第１導電型の半導体層と、上記第１導電型の半導体層上に形成された発光層と、上記発光層上に形成された第２導電型の半導体層と、上記第２導電型の半導体層上に形成され、上記発光層からの光を透過する透過性基板とを備え、上記透過性基板のキャリア濃度が上記第２導電型の半導体層のキャリア濃度よりも低い半導体発光素子を製造する半導体発光素子の製造方法であって、
第１導電型の半導体基板上に、上記第１導電型の半導体層、発光層および第２導電型の半導体層を積層する工程と、
上記透過性基板を上記第２導電型の半導体層へ向けて加圧しつつ、上記透過性基板を加熱することにより、上記第２導電型の半導体層に上記透過性基板を直接接合する工程と、
上記第１導電型の半導体基板を除去する工程と
を備えたことを特徴としている。

上記構成の半導体発光素子の製造方法によれば、上記透過性基板と第２導電型の半導体層との界面の抵抗が半導体発光素子の駆動電圧を左右する。このため、上記透過性基板のキャリア濃度は、２．５×１０^１８ｃｍ^−３以下が望ましく、５．０×１０^１７ｃｍ^−３〜１０．０×１０^１７ｃｍ^−３が特に望ましい。

上記透過性基板のキャリア濃度は、２．５×１０^１８ｃｍ^−３以下に設定した場合、上記透過性基板と第２導電型の半導体層との界面の抵抗を低減することができ、かつ、透過性基板の光透過率を高めることができる。

本発明の半導体発光素子の製造方法は、
第１導電型の半導体層と、上記第１導電型の半導体層上に形成された発光層と、上記発光層上に形成された第２導電型の半導体層と、上記第２導電型の半導体層上に形成され、上記発光層からの光を透過する透過性基板とを備え、上記透過性基板のキャリア濃度が上記第２導電型の半導体層のキャリア濃度よりも低い半導体発光素子を製造する半導体発光素子の製造方法であって、
第１導電型の半導体基板上に、上記第１導電型の半導体層、発光層および第２導電型の半導体層を積層する工程と、
上記透過性基板を上記第２導電型の半導体層へ向けて加圧しつつ、上記透過性基板を加熱することにより、上記第２導電型の半導体層に接着用の透過性材料層を介して上記透過性基板を接合する工程と、
上記第１導電型の半導体基板を除去する工程と
を備えたことを特徴としている。

上記構成の半導体発光素子の製造方法によれば、上記第２導電型の半導体層に接着用の透過性材料層を介して透過性基板を接合する場合は、第２導電型の半導体層に透過性基板を直接接合する場合に比べ、加熱処理の温度を低くすることができる。

また、上記透過性材料層を例えばＩＴＯ（Indium Tin Oxide）で形成すれば、透過性材料層と透過性基板との界面抵抗が下がり、より低いキャリア濃度の透過性基板を使用することができる。

また、上記第２導電型の半導体層に接着用の透過性材料層を積層してから、第２導電型の半導体層に接着用の透過性材料層を介して透過性基板を接合してもよいし、または、透過性基板に接着用の透過性材料層を積層してから、第２導電型の半導体層に接着用の透過性材料層を介して透過性基板を接合してもよい。つまり、上記透過性材料層は、透過性基板の接合を行う前に、第２の半導体層および透過性基板のどちらに積層しておいてもよい。

また、上記透過性材料層は少なくとも一部が発光層からの光を透過すればよい。

本発明の半導体発光体素子の製造方法は、
第１導電型の半導体層と、上記第１導電型の半導体層上に形成された発光層と、上記発光層上に形成された第２導電型の半導体層と、上記第２導電型の半導体層上に形成され、上記発光層からの光を透過する透過性基板とを備え、上記透過性基板のキャリア濃度が上記第２導電型の半導体層のキャリア濃度よりも低い半導体発光素子を製造する半導体発光素子の製造方法であって、
第１導電型の半導体基板上に、上記第１導電型の半導体層、発光層および第２導電型の半導体層を積層する工程と、
上記透過性基板を上記第２導電型の半導体層へ向けて加圧しつつ、上記透過性基板を加熱することにより、上記第２導電型の半導体層に接着用の金属材料層を介して上記透過性基板を接合する工程と、
上記第１導電型の半導体基板を除去する工程と
を備えたことを特徴としている。

上記構成の半導体発光素子の製造方法によれば、上記第２導電型の半導体層に接着用の金属材料層を介して透過性基板を接合するから、金属材料層と透過性基板との界面抵抗が下がり、より低いキャリア濃度の透過性基板を使用することができる。

また、上記発光層からの光を透過性基板内へ入射させるために、金属材料層の厚みを５０ｎｍ以下にするから、透過性基板の発光層側の表面の全部を覆わないように金属材料層の形状を設定すればよい。

本発明の半導体発光素子によれば透過性基板のキャリア濃度を上記第２導電型の半導体層のキャリア濃度よりも低く設定することによって、透過性基板の光吸収を抑制することでき、貼付界面（透過性基板の発光層側の表面）の抵抗を低下させることができる。

したがって、上記半導体発光素子に関してより高い光取り出し効率を得ることができ、半導体発光素子の高輝度化を達成することができる。

以下、本発明の半導体発光素子を図示の実施の形態により詳細に説明する。

（第１実施形態）
図８に、本発明の第１実施形態の半導体発光素子の概略断面図を示す。

上記半導体発光素子は、赤色の発光波長となる４元系のＡｌＧａＩｎＰ発光層５を備えている。このＡｌＧａＩｎＰ発光層５が発光層の一例である。

また、上記半導体発光素子は、ＡｌＧａＩｎＰ発光層５の図中上側に位置するＡｌ_０．６Ｇａ_０．４Ａｓ電流拡散層３およびｎ型Ａｌ_０．５Ｉｎ_０．５Ｐクラッド層４を備えている。このＡｌ_０．６Ｇａ_０．４Ａｓ電流拡散層３は第１導電型の半導体層の一例である。

また、上記半導体発光素子は、ＡｌＧａＩｎＰ発光層５の図中下側に位置するｐ型Ａｌ_０．５Ｉｎ_０．５Ｐクラッド層６、ｐ型ＧａＩｎＰ中間層７およびｐ型ＧａＰコンタクト層８を備えている。このｐ型ＧａＰコンタクト層８は第２導電型の半導体層の一例である。

また、上記半導体発光素子は、ｐ型ＧａＰコンタクト層８に貼り付けられたｐ型ＧａＰ透光性基板９を備えている。このｐ型ＧａＰ透光性基板９は透過性基板の一例である。もちろん、本発明で用いる透光性基板は、ＧａＰ基板に限られるものではなく、例えばＢＮ、ＡｌＰ、ＡｌＮ、ＡｌＡｓ、ＡｌＳｂ、ＧａＮ、ＳｉＣ、ＺｎＳｅ、ＺｎＴｅ、ＣｄＳ、ＺｎＳ、ＩＴＯ、ＺｎＯ等の半導体材料や導電性材料で少なくとも一部が形成された基板であってもよいし、あるいは、その半導体材料や導電性材料の混晶からなる３元系以上の半導体材料や導電性材料で少なくとも一部が形成された基板であってもよい。

以下、上記半導体発光素子の製造方法について説明する。

先ず、ＭＯＣＶＤ法によりｎ型ＧａＡｓ基板１上に、ｎ型ＧａＡｓバッファ層２、Ａｌ_０．６Ｇａ_０．４Ａｓ電流拡散層３、ｎ型Ａｌ_０．５Ｉｎ_０．５Ｐクラッド層４、ＡｌＧａＩｎＰ活性層５、ｐ型Ａｌ_０．５Ｉｎ_０．５Ｐクラッド層６、ｐ型ＧａＩｎＰ中間層７およびｐ型ＧａＰコンタクト層８をこの順次で積層してなるＬＥＤ構造ウェハ２０（図７参照）を作成する。

上記ＡｌＧａＩｎＰ活性層５は量子井戸構造を有している。より詳しくは、上記ＡｌＧａＩｎＰ活性層５は（Ａｌ_０．０５Ｇａ_０．９５）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐ井戸層と（Ａｌ_０．５Ｇａ_０．５）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐバリア層とを交互に積層することで形成されている。そして、上記井戸層と上記バリア層とのペア数は１０ペアとなっている。

上記各層の厚みは、ｎ型ＧａＡｓ基板１：２５０μｍ、ｎ型ＧａＡｓバッファ層２：１．０μｍ、Ａｌ_０．６Ｇａ_０．４Ａｓ電流拡散層３：５．０μｍ、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層４：１．０μｍ、ＡｌＧａＩｎＰ活性層５：０．５μｍ、ｐ型Ａｌ_０．５Ｉｎ_０．５Ｐクラッド層６：１．０μｍ、ｐ型ＧａＩｎＰ中間層７：１．０μｍ、ｐ型ＧａＰコンタクト層８：４．０μｍである。

上記各層において、ｎ型ドーパントとしてＳｉを用いる一方、ｐ型ドーパントとしてはＺｎを用いている。このとき、上記各層のｎ型ドーパントとして、Ｓｉ以外に例えばＳｅ等を使用してもよい。また、上記各層のｐ型ドーパントとして、Ｚｎ以外に例えばＭｇや炭素等を使用してもよい。つまり、上記各層のｎ型ドーパントはＳｉに限定されず、また、各層のｐ型ドーパントはＺｎに限定されない。

上記各層のキャリア濃度は、ｎ型ＧａＡｓ基板１：１．０×１０^１８ｃｍ^−３、ｎ型ＧａＡｓバッファ層２：５×１０^１７ｃｍ^−３、ｎ型Ａｌ_０．６Ｇａ_０．４Ａｓ電流拡散層３：１．０×１０^１８ｃｍ^−３、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層４：５×１０^１７ｃｍ^−３、ＡｌＧａＩｎＰ活性層５：ノンドープ、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層６：５×１０^１７ｃｍ^−３、ｐ型ＧａＩｎＰ中間層７：１．０×１０^１８ｃｍ^−３、ｐ型ＧａＰコンタクト層８：２．０×１０^１８ｃｍ^−３とした。

次に、上記ウェハ２０のエピタキシャル面に、ハーフダイシングにより所定のピッチでハーフダイシング溝を形成する。このとき、上記ハーフダイシング溝の深さとしては１０〜５０μｍ程度がＬＥＤ構造ウェハの強度を維持する点で適当である。

次に、図７に示す治具５０を用いて、上記ウェハ２０に、キャリア濃度５．０×１０^１７ｃｍ^−３のｐ型ＧａＰ透光性基板９を直接接合する。

上記治具５０は石英からなり、ウエハ２０を支持する下台５１と、ｐ型ＧａＰ透光性基板９の図７において上側の面を覆う押さえ板５２と、所定の大きさの力を受けて押さえ板５２を押圧する押圧部５３とを有している。

上記押圧部５３は、正面から見て概略コ字状を有する枠体５４によって上下方向に案内されるようになっている。上記枠体５４は下台５１に係合して、この下台５１と押圧部５３との間に位置する押さえ板５２に力を適切に伝達するようになっている。

上記下台５１とウエハ２０との間にはカーボンシート２４を配置すると共に、押さえ板５２とｐ型ＧａＰ透光性基板９との間にはカーボンシート２５，ＰＢＮ（熱分解チッ化ホウ素：パイロリティックボロンナイトライド）板２９を配置する。

このような治具５０を用いて、ウエハ２０とｐ型ＧａＰ透光性基板９とを接触させ、押圧部５３に例えば０．３〜０．８Ｎ・ｍの力を加えて、ウエハ２０とｐ型ＧａＰ透光性基板９との接触面に圧縮力を作用させる。この状態で、上記ウエハ２０およびｐ型ＧａＰ透光性基板９を、治具５０と共に加熱炉にセットして、水素雰囲気下において８００℃前後で３０分加熱する。これにより、上記ウエハ２０にｐ型ＧａＰ透光性基板９が直接接合する。

次に、上記ウエハ２０およびｐ型ＧａＰ透光性基板９を冷却した後、加熱炉からウエハ２０およびｐ型ＧａＰ透光性基板９を取り出し、アンモニア水、過酸化水素、水の混合液により、ｎ型ＧａＡｓ基板１およびｎ型ＧａＡｓバッファ層２を溶解除去する。このとき、ｎ型ＧａＡｓ基板１を除去する他の手法としては、機械的なラッピングによってｎ型ＧａＡｓ基板１を除去する手法や、ｎ型ＧａＡｓ基板１とｎ型ＧａＡｓバッファ層２との界面にレーザー光等を照射することによって、ｎ型ＧａＡｓバッファ層２からｎ型ＧａＡｓ基板１を剥離させ、ｎ型ＧａＡｓ基板１を除去する手法がある。

次に、上記ｐ型ＧａＰ透光性基板９にｐ型用電極１０を形成すると共に、Ａｌ_０．６Ｇａ_０．４Ａｓ電流拡散層３にｎ型用電極１１を形成した後、上記ハーフダイシング溝に沿ってダイシングし、チップ分割を行うと、図８に示すような半導体発光素子が得られる。

上記ｐ型用電極１０の材料としてＡｕＢｅ／Ａｕを選択し、ｎ型用電極１１の材料としてＡｕＳｉ／Ａｕを選択し、これらの材料を積層してフォトリソグラフィ法、ウェットエッチングにより任意の形状に加工することにより、ｐ型用電極１０およびｎ型用電極１１で得る。

以上のようにして得た半導体発光素子によれば、ｐ型ＧａＰ透光性基板９のキャリア濃度が５．０×１０^１７ｃｍ^−３であるから、ｐ型ＧａＰ透光性基板９とｐ型ＧａＰコンタクト層８との界面の抵抗が高くならず、駆動電圧の上昇を防ぐことができる。

また、上記ｐ型ＧａＰ透光性基板９のキャリア濃度が５．０×１０^１７ｃｍ^−３であるから、ｐ型ＧａＰ透光性基板９とｐ型ＧａＰコンタクト層８との界面にドーパントであるＺｎが偏析せず、光取り出し効率を向上できる。

上記第１実施形態では、ｎ型ＧａＡｓ基板１およびｎ型ＧａＡｓバッファ層２がＡｌＧａＩｎＰ発光層５からの光を吸収するため、ｎ型ＧａＡｓ基板１およびｎ型ＧａＡｓバッファ層２を除去したが、ＡｌＧａＩｎＰ発光層５からの光を吸収しない材料からなるｎ型基板およびｎ型バッファ層であれば除去しなくてもよい。

上記第１実施形態では、キャリア濃度５．０×１０^１７ｃｍ^−３のｐ型ＧａＰ透光性基板９を用いていたが、本発明に用いるｐ型ＧａＰ透光性基板のキャリア濃度は５．０×１０^１７ｃｍ^−３に限定されない。つまり、本発明には、キャリア濃度２．５×１０^１８ｃｍ^−３以下のｐ型ＧａＰ透光性基板を用いることができる。

上記第１実施形態では、キャリア濃度５．０×１０^１７ｃｍ^−３のｐ型ＧａＰ透光性基板９をウェハ２０に直接接合していたが、キャリア濃度５．０×１０^１７ｃｍ^−３〜１０．０×１０^１７ｃｍ^−３のｐ型ＧａＰ透光性基板９をウェハ２０に直接接合するとさらに好ましい。

上記第１実施形態では、キャリア濃度２．０×１０^１８ｃｍ^−３のｐ型ＧａＰコンタクト層８を用いていたが、本発明に用いるｐ型ＧａＰコンタクト層のキャリア濃度は２．０×１０^１８ｃｍ^−３に限定されない。つまり、本発明には、キャリア濃度５．０×１０^１７ｃｍ^−３〜５．０×１０^１８ｃｍ^−３のｐ型ＧａＰコンタクト層を用いることができる。

（第２実施形態）
図９に、本発明の第２実施形態の半導体発光素子の概略断面図である。図９において、図８に示した第１実施形態と同じ材料からなる構成部には、図８の構成部と同一参照番号を付している。

上記半導体発光素子は、ｐ型ＧａＰ透光性基板９のキャリア濃度が５．０×１０^１７ｃｍ^−３よりも低い点と、ｐ型ＧａＰ透光性基板９とｐ型ＧａＰコンタクト層８との間に金属層２１を形成している点とが上記第１実施形態とは異なる。

上記半導体発光素子を製造する場合、上記第１実施形態と同様に、上記ウェハ２０を用意するが、このウェハ２０に予めハーフダイシング溝を形成する必要はない。

上記半導体発光素子の製造方法では、先ず、ウェハ２０のエピタキシャル面（ｐ型ＧａＰ透光性基板９側となる面）またはｐ型ＧａＰ透光性基板９の貼り付け面に、蒸着法またはスパッタリング法により金、銀、アルミ、チタンあるいはそれらの化合物またはそれらを含む合金の薄膜を形成する。

次に、上記薄膜をフォトリソグラフィ法、ウェットエッチングにより所定の形状に加工することにより、金属層２１を得る。

上記金属層２１のＡｌＧａＩｎＰ発光層５側の表面の面積は、ｐ型ＧａＰ透光性基板９のＡｌＧａＩｎＰ発光層５側の表面の面積の１０％以下に設定される。これにより、上記ｐ型ＧａＰ透光性基板９のＡｌＧａＩｎＰ発光層５側の表面における光の損失を最小限に抑えることができる。なお、上記金属層２１は接着用の金属材料層の一例である。

次に、上記第１実施形態と同様に、ｐ型ＧａＰ透光性基板９の貼り付け、基板およびバッファ層の除去、チップ分割を行うと、図９に示すような半導体発光素子が得られる。

本実施形態のように、ｐ型ＧａＰコンタクト層８に金属層２１を介してｐ型ＧａＰ透光性基板９を接合する場合、水素雰囲気下における５００℃前後，３０分の加熱処理によって、ｐ型ＧａＰコンタクト層８に金属層２１を介してｐ型ＧａＰ透光性基板９を接合することができる。

（第３実施形態）
図１０に、本発明の第３実施形態の半導体発光素子の概略断面図である。図１０において、図８に示した第１実施形態と同じ材料からなる構成部には、図８の構成部と同一参照番号を付している。

上記半導体発光素子は、絶縁体からなる透光性基板３１を備えている点が上記第１実施形態とは異なっている。

上記透光性基板３１はＡｌＧａＩｎＰ発光層５からの光を透過する。つまり、上記透光性基板３１は、ＡｌＧａＩｎＰ発光層５の発光波長に対して透明な絶縁材料からなっている。また、上記透光性基板３１は透過性基板の一例である。

上記半導体発光素子の製造方法では、基板およびバッファ層の除去した後、エピタキシャル層の一部をエッチング除去し、ｐ型ＧａＰコンタクト層８の一部を露出させて、この露出したｐ型ＧａＰコンタクト層８にｐ型用電極１０に形成する点が第１実施形態とは異なっている。

上記ｐ型ＧａＰコンタクト層８にｐ型用電極１０に形成することによって、電流はエピタキシャル層のみを流すことができる。

上記第３実施形態では、絶縁体からなる透光性基板３１を透過性基板の一例として用いたが、この透光性基板３１の代わりに、キャリア濃度が５．０×１０^１７ｃｍ^−３よりも低いｎ型ＧａＰ基板、例えばキャリア濃度５．０×１０^１６ｃｍ^−３のｎ型ＧａＰ基板を透過性基板の一例として用いてもよい。

上記キャリア濃度５．０×１０^１６ｃｍ^−３のｎ型ＧａＰ基板を使用した場合、エピタキシャル面とｎ型ＧａＰ基板との間は通常のＬＥＤ駆動電圧（１０Ｖ以下）において電気的に接続されることは無い。

上記第３実施形態では、絶縁体からなる透光性基板３１を透過性基板の一例として用いたが、この透光性基板３１の代わりに、ＡｌＧａＩｎＰ発光層５からの光を透過するｐ型透光性基板を透過性基板の一例として用いてもよい。

上記第１〜第３実施形態において導電型を逆にした半導体発光素子についても本発明を適用することができる。

本発明は、４元系のＡｌＧａＩｎＰ発光層を有する発光ダイオードに限ったものではなく、半導体結晶によりなる発光層を有する半導体発光素子であれば適用できることは言うまでもない。

また、本発明は、上記第１〜第３実施形態の材料・手法は限定されるものではなく、あらゆる材料・手法を適用することができる。

図１は従来のＬＥＤの概略断面図である。 図２は他の従来のＬＥＤの概略断面図である。 図３Ａは高キャリア濃度のＧａＰ基板の貼付界面の亜鉛濃度深さ方向分布を示すグラフである。 図３Ｂは低キャリア濃度のＧａＰ基板の貼付界面の亜鉛濃度深さ方向分布を示すグラフである。 図４はＧａＰ基板への入射する光の波長とＧａＰ基板の光透過率との関係を示すグラフである。 図５はＧａＰ基板の光透過率と光路長との関係を示すグラフである。 図６Ａは高キャリア濃度のＧａＰ基板を含む赤色半導体発光素子の放射パターンを示す図である。 図６Ｂは低キャリア濃度のＧａＰ基板を含む赤色半導体発光素子の放射パターンを示す図である。 図７は本発明の第１〜第３実施形態の半導体発光素子の製造に用いる治具の概略断面図である。 図８は第１実施形態の半導体発光素子の概略断面図である。 図９は第２実施形態の半導体発光素子の概略断面図である。 図１０は第３実施形態の半導体発光素子の概略断面図である。

符号の説明

１ ｎ型ＧａＡｓ基板
２ ｎ型ＧａＡｓバッファ層
３ Ａｌ_０．６Ｇａ_０．４Ａｓ電流拡散層
４ ｎ型Ａｌ_０．５Ｉｎ_０．５Ｐクラッド層
５ ＡｌＧａＩｎＰ活性層
６ ｐ型Ａｌ_０．５Ｉｎ_０．５Ｐクラッド層
７ ｐ型ＧａＩｎＰ中間層
８ ｐ型ＧａＰコンタクト層
９ ｐ型ＧａＰ透光性基板
１０ ｐ型用電極
１１ ｎ型用電極
２１ 金属層
３１ 透光性基板

Claims (10)

1. 第１導電型の半導体層と、
   上記第１導電型の半導体層上に形成された発光層と、
   上記発光層上に形成された第２導電型の半導体層と、
   上記第２導電型の半導体層上に形成され、上記発光層からの光を透過する透過性基板と
   を備え、
   上記透過性基板のキャリア濃度が上記第２導電型の半導体層のキャリア濃度よりも低いことを特徴とする半導体発光素子。
2. 請求項１に記載の半導体発光素子において、
   上記透過性基板のキャリア濃度が２．５×１０^１８ｃｍ^−３以下であることを特徴とする半導体発光素子。
3. 請求項１に記載の半導体発光素子において、
   上記第２導電型の半導体層のキャリア濃度は５．０×１０^１７ｃｍ^−３〜５．０×１０^１８ｃｍ^−３の範囲内であることを特徴とする半導体発光素子。
4. 請求項１に記載の半導体発光素子において、
   上記透過性基板は第２導電型の半導体または第２導電型の透過性材料からなることを特徴とする半導体発光素子。
5. 請求項１に記載の半導体発光素子において、
   上記透過性基板は第１導電型の半導体または第１導電型の透過性材料からなることを特徴とする半導体発光素子。
6. 請求項１に記載の半導体発光素子において、
   上記透過性基板は絶縁体からなることを特徴とする半導体発光素子。
7. 請求項１に記載の半導体発光素子において、
   上記第１導電型の半導体層、発光層および第２導電型の半導体層は、それぞれ、ガリウム、アルミニウム、インジウム、リン、砒素、亜鉛、テルル、硫黄、窒素、シリコン、炭素、酸素、マグネシウム、セレンのうちの少なくとも２つを含むことを特徴とする半導体発光素子。
8. 請求項１に記載の半導体発光素子を製造する半導体発光素子の製造方法であって、
   第１導電型の半導体基板上に、上記第１導電型の半導体層、発光層および第２導電型の半導体層を積層する工程と、
   上記透過性基板を上記第２導電型の半導体層へ向けて加圧しつつ、上記透過性基板を加熱することにより、上記第２導電型の半導体層に上記透過性基板を直接接合する工程と、
   上記第１導電型の半導体基板を除去する工程と
   を備えたことを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
9. 請求項１に記載の半導体発光素子を製造する半導体発光素子の製造方法であって、
   第１導電型の半導体基板上に、上記第１導電型の半導体層、発光層および第２導電型の半導体層を積層する工程と、
   上記透過性基板を上記第２導電型の半導体層へ向けて加圧しつつ、上記透過性基板を加熱することにより、上記第２導電型の半導体層に接着用の透過性材料層を介して上記透過性基板を接合する工程と、
   上記第１導電型の半導体基板を除去する工程と
   を備えたことを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
10. 請求項１に記載の半導体発光素子を製造する半導体発光素子の製造方法であって、
    第１導電型の半導体基板上に、上記第１導電型の半導体層、発光層および第２導電型の半導体層を積層する工程と、
    上記透過性基板を上記第２導電型の半導体層へ向けて加圧しつつ、上記透過性基板を加熱することにより、上記第２導電型の半導体層に接着用の金属材料層を介して上記透過性基板を接合する工程と、
    上記第１導電型の半導体基板を除去する工程と
    を備えたことを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
    

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