JP2007194536A - 発光ダイオード及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】光取り出し面に２つの電極を有する発光ダイオードにおいて、光の取り出し効率が高く、高輝度の発光ダイオードを提供することを目的とする。
【解決手段】組成式（Ａｌ_XＧａ_1-X）_YＩｎ_1-YＰ；０≦Ｘ≦１，０＜Ｙ≦１）から成る発光層を含む発光部を有し、該発光部を含む化合物半導体層が透明基板と接合され、発光ダイオードの主たる光取り出し面第1の電極と、第１の電極とは極性の異なる第２の電極とを有する発光ダイオードである。この透明基板の側面は、発光層に近い側では発光層の発光面に対して略垂直である第１の側面と、発光層に遠い側では発光面に対して傾斜している第２の側面を有する。そして第２の側面は粗面化され、その表面が０．０５μｍ〜３μｍの範囲内の凸凹を有することからなる発光ダイオードである。
【選択図】図２

Description

本発明は、燐化アルミニウム・ガリウム・インジウム（組成式（Ａｌ_XＧａ_1-X）_YＩｎ_1-YＰ；０≦Ｘ≦１，０＜Ｙ≦１）から成る発光層を含む半導体層を透明基板に接合させた発光ダイオードおよびその製造方法に関する。

従来から、赤色、橙色、黄色或いは黄緑色の可視光を発する発光ダイオード（英略称：ＬＥＤ）として、燐化アルミニウム・ガリウム・インジウム（組成式（Ａｌ_XＧａ_1-X）_YＩｎ_1-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が知られている。この様なＬＥＤにあって、（Ａｌ_XＧａ_1-X）_YＩｎ_1-YＰ（０≦Ｘ≦１，０＜Ｙ≦１）から成る発光層を備えた発光部は、一般に発光層から出射される発光に対し光学的に不透明であり、また機械的にもそれ程強度のない砒化ガリウム（ＧａＡｓ）等の基板材料上に形成されている。

このため、最近では、より高輝度の可視ＬＥＤを得るために、また、更なる素子の機械的強度の向上を目的として、ＧａＡｓの如くの不透明な基板材料を除去して、然る後、発光を透過でき、尚且つ従来に増してより機械強度的に優れる透明な材料からなる支持体層を改めて接合させて、接合型ＬＥＤを構成する技術が開示されている（例えば、特許文献１〜５参照。）。

また、高輝度の可視ＬＥＤを得るために、素子形状による光取り出し効率向上の方法が用いられている。その例として半導体発光ダイオードの表面と裏面に電極を形成する素子構造において、側面形状による高輝度化の技術が開示されている（例えば、特許文献６〜７参照。）。
特許第３２３０６３８号公報 特開平６−３０２８５７号公報 特開２００２−２４６６４０号公報 特許第２５８８８４９号公報 特開２００１−５７４４１号公報 特開昭５８−３４９８５号公報 米国特許第６２２９１６０号公報

接合型ＬＥＤにより、高輝度のＬＥＤを提供することが可能となったが、さらに高い輝度のＬＥＤを求めるニーズがあった。また、発光ダイオードの表面と裏面に電極を形成する構造の素子においては多くの形状が提案されているが、光取り出し面に２つの電極を形成する素子の構造は、形状が複雑であり、側面状態と電極の配置について最適化がなされていなかった。本発明は光取り出し面に２つの電極を有する発光ダイオードにおいて、光の取り出し効率が高く、高輝度の発光ダイオードを提供することを目的とする。

本発明は上記の課題を解決する為に為されたもので、以下の発明からなる。
（１）組成式（Ａｌ_XＧａ_1-X）_YＩｎ_1-YＰ；０≦Ｘ≦１，０＜Ｙ≦１）から成る発光層を含む発光部を有し、該発光部を含む化合物半導体層が透明基板と接合され、発光ダイオードの主たる光取り出し面に第1の電極と、第１の電極とは極性の異なる第２の電極とを有する発光ダイオードにおいて、透明基板の側面は、発光層に近い側では発光層の発光面に対して略垂直である第１の側面と、発光層に遠い側では発光面に対して傾斜している第２の側面を有し、第２の側面は粗面化され、その表面が０．０５μｍ〜３μｍの範囲内の凹凸を有することを特徴とする発光ダイオード。
（２）透明基板が、ｎ型のＧａＰ単結晶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）透明基板の面方位が、（１００）または（１１１）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。

（４）透明基板の厚さが５０μｍ〜３００μｍの範囲であることを特徴とする上記（１）〜（３）の何れか１項に記載の発光ダイオード。
（５）第２の側面と発光面に平行な面とのなす角度が、５５度〜８０度の範囲内であることを特徴とする上記（１）〜（４）の何れか１項に記載の発光ダイオード。
（６）第１の側面の幅が、３０μｍ〜１００μｍの範囲内であることを特徴とする上記（１）〜（５）の何れか１項に記載の発光ダイオード
（７）発光部が、ＧａＰ層を含み、第２の電極が、該ＧａＰ層上に形成されていることを特徴とする上記（１）〜（６）の何れか１項に記載の発光ダイオード。
（８）第１の電極の極性が、ｎ型であり、第２の電極の極性がｐ型であることを特徴とする上記（１）〜（７）の何れか１項に記載の発光ダイオード。

（９）組成式（Ａｌ_XＧａ_1-X）_YＩｎ_1-YＰ（０≦Ｘ≦１，０＜Ｙ≦１）から成る発光層を含む発光部を形成後、該発光部を含む化合物半導体層を透明基板と接合し、化合物半導体層の透明基板と反対側の主たる光取り出し面に第1の電極と、第１の電極とは極性の異なる第２の電極とを形成し、透明基板の側面で、発光層に近い側では発光層の発光面に対して略垂直である第１の側面を形成し、発光層に遠い側では発光面に対して傾斜している第２の側面をダイシング法で形成し、その後、第２の側面が０．０５μｍ〜３μｍの範囲内の凹凸を有するように粗面化する発光ダイオードの製造方法。
（１０）粗面化を湿式エッチングで行うことを特徴とする上記（９）に記載の発光ダイオードの製造方法。
（１１）第１の側面をスクライブ・ブレーク法で形成することを特徴とする上記（９）または（１０）に記載の発光ダイオードの製造方法。
（１２）第１の側面をダイシング法で形成することを特徴とする上記（９）または（１０）に記載の発光ダイオードの製造方法。

本発明によれば、ＬＥＤの発光部からの光取り出し効率を高め、高輝度で、作動電圧の低い高信頼性の発光ダイオードを提供することができる。

本発明に係る発光部は、（Ａｌ_XＧａ_1-X）_YＩｎ_1-YＰ（０≦Ｘ≦１，０＜Ｙ≦１）から成る発光層を含む化合物半導体積層構造体である。発光層はn型またはｐ型の何れの伝導形の（Ａｌ_XＧａ_1-X）_YＩｎ_1-YＰ（０≦Ｘ≦１，０＜Ｙ≦１）からも構成できる。発光層は、単一（ｓｉｎｇｌｅ）量子井戸（英略称：ＳＱＷ）または多重（ｍｕｌｔｉ）量子井戸（英略称：ＭＱＷ）の何れの構造であっても良いが、単色性に優れる発光を得るためにはＭＱＷ構造とするのが好適である。量子井戸（英略称：ＱＷ）構造をなす障壁（ｂａｒｒｉｅｒ）層及び井戸（ｗｅｌｌ）層を構成する（Ａｌ_XＧａ_1-X）_YＩｎ_1-YＰ（０≦Ｘ≦１，０＜Ｙ≦１）の組成は、所望の発光波長を帰結する量子準位が井戸層内に形成される様に決定する。

発光部は、上記の発光層と、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）層を含む、所謂、ダブルヘテロ（英略称：ＤＨ）構造とするのが高強度の発光を得る上で最も好ましい。クラッド層は、発光層を構成する（Ａｌ_XＧａ_1-X）_YＩｎ_1-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（Ａｌ_0.4Ｇａ_0.6）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐから構成される発光層について、クラッド層を（Ａｌ_0.7Ｇａ_0.3）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ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、両層間におけるバンド（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。

本願発明では、発光層を含む半導体層に、透明基板（透明な支持体層）を接合させる。透明な支持体層は、発光部を機械的に支持するの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。例えば、燐化ガリウム（ＧａＰ）、砒化アルミニウム・ガリウム（ＡｌＧａＡｓ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）等のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体結晶体、硫化亜鉛（ＺｎＳ）やセレン化亜鉛（ＺｎＳｅ）等のＩＩ−ＶＩ族化合物半導体結晶体、或いは六方晶或いは立方晶の炭化珪素（ＳｉＣ）等のＩＶ族半導体結晶体などから構成できる。
透明な支持体層は、発光部を機械的に充分な強度で支持できる様に凡そ、５０μｍ以上の厚みであるのが望ましい。また、接合後に透明な支持体層への機械的な加工を施し易くするため、約３００μｍの厚さを超えないものとするのが望ましい。（Ａｌ_XＧａ_1-X）_YＩｎ_1-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、透明な支持体層を、厚さを約５０μｍ以上で約３００μｍ以下とするｎ型ＧａＰ単結晶体から構成するのが最適である。

例えば、燐化ガリウム（ＧａＰ）からなる透明な支持体層を発光部の最表層に接合させて設ける場合、その発光部の最表層を、発光部を構成するその他のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層とは格子定数を異にするＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体材料から構成すると、透明な支持体層を接合させるのに際して発光部へ印加される応力を緩和する作用を発揮できる。これにより、接合時における発光層の損傷を防止でき、例えば、所望の波長の光を出射できる化合物半導体ＬＥＤを安定して提供するのに貢献できる。発光部の最表層の層厚は、透明な支持体層の接合時に、発光部へ印加される応力を充分に緩和するために０．５μｍ以上とするのが好適である。一方で、その最表層の層厚を極端に厚くすると、他の発光部構成層とは格子定数を相違する関係から、最表層を設ける段階で発光層に応力が印加されてしまう。これを避けるために最表層の層厚は２０μｍ以下とするのが好適である。

特に、（Ａｌ_XＧａ_1-X）_YＩｎ_1-YＰ（０≦Ｘ≦１，０＜Ｙ≦１）から成る発光層から出射される発光を外部へ透過させるのに好都合な透明な支持体層として、燐化ガリウム（ＧａＰ）を選択した場合、発光部の最表層をガリウム（Ｇａ）と燐（Ｐ）とを構成元素として含み、且つ、ＧａをＰより多く含む半導体材料から構成すると強固な接合を形成することができる。特に、最表層を非化学量論的な組成のＧａ_XＰ_1-X（０．５＜Ｘ＜０．７）から構成するのが好適である。

接合させようとする透明な支持体層の表面、及び発光部の最表層の表面は、単結晶からなる表面であり、且つ、それらの面方位は同一とするのが好ましい。例えば、表面は、双方共に（１００）面、または、（１１１）面とするのが望ましい。表面を（１００）面、または、（１１１）面とする発光部の最表層を得るのには、発光部の最表層を基板上に形成するのに際し、表面を（１００）面、または、（１１１）面とする基板を用いれば事足りる。例えば、表面を（１００）面とする砒化ガリウム（ＧａＡｓ）単結晶を基板として用いれば、表面を（１００）面とする発光部の最表層を形成できる。

発光部は、砒化ガリウム（ＧａＡｓ）や、燐化インジウム（ＩｎＰ）、燐化ガリウム（ＧａＰ）などのＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体単結晶基板や、シリコン（Ｓｉ）基板などの表面上に形成できる。発光部は、上記したように、放射再結合を担うキャリア（担体）と発光を「閉じ込め」られるダブルヘテロ（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）構造とするのが好適である。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。

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の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が設けられる。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。

透明な支持体層或いはそれを接合させる発光部の最表層の表面が、２乗平均平方根（英略称：ｒｍｓ）値にして０．３ｎｍ以下と平滑である場合、特に強度な接合が果たせる。この様な平滑な表面は、例えば、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）手段により得ることができる。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、清浄な表面を得るのに貢献できる。

透明な支持体層または発光部の最表層は、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。双方を接合させるのに際し、５０エレクトロンボルト（単位：ｅＶ）以上のエネルギーを有する原子のビーム（ｂｅａｍ）またはイオンビームを接合させようとする表面の各々に照射し、接合させる表面を活性化させるのが肝要である。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、透明な支持体層または発光部の構成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。

強固な接合をもたらすに有効となる照射種としては、水素（元素記号：Ｈ）原子、水素分子（分子式：Ｈ₂）、または水素イオン（プロトン；Ｈ⁺）ビームを例示できる。また、接合させようとする表面領域に存在する元素を含むビームを照射すると、強度的に優れる接合を形成できる。例えば、透明な支持体層として亜鉛（元素記号：Ｚｎ）が添加された燐化ガリウム（ＧａＰ）を用いるのに際し、ガリウム（Ｇａ）、燐（Ｐ）、または亜鉛（Ｚｎ）を含む原子やイオンビームを接合させる表面に照射すると、強固な接合を形成できる。しかし、透明な支持体層や発光層の最表層の表面の電気抵抗が高いと、イオンを主体的に含むビームを表面に照射すると、表面が帯電する場合がある。この表面の帯電に因る電気的な反発が起こると強固な接合を形成できないため、イオンビームの照射による表面の活性化は導電性に優れる表面の活性化のために利用するのが好ましい。

また、透明な支持体層または発光部の構成層の表面領域において、それらの組成等に顕著な変化を及ぼさないヘリウム（元素記号：Ｈｅ）、ネオン（元素記号：Ｎｅ）、アルゴン（元素記号：Ａｒ）、及びクリプトン（元素記号：Ｋｒ）等の不活性ガスのビームを用いると表面の活性化を安定して果たせる。中でも、アルゴン（Ａｒ）原子（一原子分子）ビームを用いると、表面を短時間に簡便に活性化できる。ヘリウム（Ｈｅ）は、アルゴン（Ａｒ）よりも原子量が小さく、このため、Ｈｅビームでは接合させようとする表面の活性化に時間が浪費される欠点がある。一方、アルゴンよりは原子量が大きいクリプトン（Ｋｒ）のビームを用いると、表面に衝撃損傷を与えかねず不都合である。

透明な支持体層と発光部の最表層との表面を対向させて重ね合わせて接合させるのに際し、接合面の全般に機械的圧力が及ぶ様にすると、双方を強固に接合させるのに好都合となる。具体的には、接合面に対して垂直方向に（鉛直に）、５グラム（ｇ）・ｃｍ^-2以上で１００ｇ・ｃｍ^-2以下の範囲の圧力を加える。この手法によれば、透明な支持体層または発光部の最表層、或いはその双方が例えば、反っていても、その反りを解消して、均一な強度で接合させるのに効果を上げられる。

透明な支持体層と発光部とは、上記の望ましい真空度の真空中において、支持体層または発光部の最表層、或いは、それらの双方の接合させる表面の温度を、１００℃以下、望ましくは５０℃以下、更に、望ましくは室温として接合させる。約５００℃を超える高温環境下で接合させると、発光部に備えられている（Ａｌ_XＧａ_1-X）_YＩｎ_1-YＰ（０≦Ｘ≦１，０＜Ｙ≦１）から成る発光層が熱的に変性して、このため、所望の波長の発光を出射する化合物半導体ＬＥＤを安定して得るのに不都合となる。

本発明では、発光部の最表層に支持体層を接合させ、発光部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し、発光の外部への取り出し効率を向上させ、従って、高輝度の化合物半導体ＬＥＤを構成できる。特に、（Ａｌ_XＧａ_1-X）_YＩｎ_1-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のに貢献できる。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、材質によ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よれば、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。

本願発明では、発光ダイオードの主たる光取り出し面に、第1の電極と、第１の電極と極性の異なる第２の電極とを形成することを特徴とする。本願発明における主たる光取り出し面とは、発光部において、透明基板を貼り付けた面の反対側の面である。本願発明において、電極をこのような構成とした理由は高輝度化のためである。このような構造にすることにより、貼り付ける透明基板に電流を流す必要がなくなる。そのため、透過率の高い基板を貼り付けることができ、高輝度化が得られる。

また本発明では、透明基板の側面を、発光層に近い側の箇所では発光層の発光面に対して略垂直とし、発光層に遠い側の箇所では発光面に対して傾斜させる。本願発明において、このような構成とした理由は、発光層から透明基板側に放出された光を効率よく外部に取り出すためである。すなわち、発光層から透明基板側に放出された光のうち一部は第１の側面で反射され、第２の側面で取り出すことができる。また、第２の側面で反射された光は第１の側面で取り出すことができる。第１の側面と第２の側面の相乗効果により、光の取り出し確率を高めることが可能となる。
本願発明では、第２の側面と発光面に平行な面とのなす角度(図２のα)を、５５度〜８０度の範囲内とするのが好ましい。なお、図２のαは角部の角度ではなく側面の辺部の角度とする。αをこのような範囲とすることにより、透明基板の底部で反射された光を効率よく外部に取り出すことが可能となる。

また、本願発明では、第１の側面の幅（厚さ方向）を、３０μｍ〜１００μｍの範囲内とするのが好ましい。第１の側面の幅をこの範囲内にすることにより、透明基板の底部で反射された光を、第１の側面の箇所で、効率よく発光面に戻し、さらには、主たる光取り出し面から放出させることが可能となるため、発光ダイオードの発光効率を高めることが可能となる。
本願発明では、第２の電極の周囲を、半導体層で囲んだ構成にするのが好ましい。このような構成とすることにより、作動電圧を下げる効果が得られる。第２の電極の四方を第１の電極で囲むことにより、電流が四方に流れやすくなり、その結果作動電圧が低下する。

本発明では、第１の電極を、格子状とするのが好ましい。
このような構成とすることにより、信頼性を向上させる効果が得られる。格子状にすることにより、発光層に均一に電流を注入することができ、その結果信頼性の向上が得られる。
本発明では、第１の電極を、パッド電極と幅１０μｍ以下の線状電極で構成するのが好ましい。このような構成とすることにより、高輝度化の効果が得られる。電極の幅を狭くすることにより、光取り出し面の開口面積を上げることができ、高輝度化が得られる。

本発明では、発光部がＧａＰ層を含む構成とし、第２の電極を、ＧａＰ層上に形成するのが好ましい。このような構成とすることにより、作動電圧を下げる効果が得られる。第２の電極をＧａＰ層上に形成することにより、良好なオーミックコンタクトが得られ、作動電圧を下げることができる。
本発明では、第１の電極の極性をｎ型とし、第２の電極の極性をｐ型とするのが好ましい。このような構成とすることにより、高輝度化の効果が得られる。第１の電極をｐ型とすると、電流拡散が悪くなり、輝度の低下を招く。第１の電極をｎ型とすることにより、電流拡散が良くなり、高輝度化が得られる。

本発明では、透明基板の傾斜面を粗面化し、その表面に０．０５μｍ〜３μｍの範囲内、好ましくは、０．１μｍ〜１μｍの範囲内の凹凸を形成する。このような構成とすることにより、傾斜面での光取り出し効率を上げる効果が得られる。これは、傾斜面を粗面化することにより、傾斜面での全反射を抑制して、光取り出し効率を上げることができるからである。なお、本願発明の傾斜面の凸凹は、走査型電子顕微鏡の撮影写真から計算して、測定できる。凹凸が０．０５μｍ未満では上記の効果が不十分であり、３μｍを越えると結晶欠陥が入り、信頼性が悪くなる。

本願発明の傾斜面の粗面化は、ドライエッチング、湿式エッチング等を用いて行うことができるが、特に、透明基板側面の結晶方位を利用した湿式エッチングにより行うのが好ましい。湿式エッチングにより粗面化を行う場合は、例えば、燐酸過水（燐酸と過酸化水素と水の混合物）＋塩酸の化学エッチングにより行うのが好ましい。
本発明では、第２の側面をダイシング法で形成するのが好ましい。このような製造方法を採用することにより、製造歩留まりを向上させる効果が得られる。第２の側面は、ウェットエッチング、ドライエッチング、スクライブ法、レーザー加工などの方法を組み合わせて、作製できるが、形状の制御性、生産性の高いダイシング法が最適な製造方法である。

本願発明では、第１の側面をスクライブ・ブレーク法、または、ダイシング法で形成するのが好ましい。前者の製造方法を採用することにより、製造コストを低下させることができる。すなわち、この製造方法ではチップ分離の際、切りしろが必要ないため、数多くの発光ダイオードが製造でき、製造コストを下げることができる。後者では、高輝度化の効果が得られる。この製造方法を採用することにより、第１の側面からの光取り出し効率が上がり、高輝度化が得られる。

本実施例では、本発明に係わる発光ダイオードを作製した例を具体的に説明する。
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した図で、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タキシャルウェーハの層構造の断面図である。
本実施例で作製した半導体発光ダイオード１０は、ＡｌＧａＩｎＰ発光部を有する赤色発光ダイオード（ＬＥＤ）である。
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。

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（Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐからなるコンタクト層１３１、Ｓｉをドープしたｎ型の（Ａｌ_0.7Ｇａ_0.3）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐからなる下部クラッド層１３２、アンドープの（Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ／Ａｌ_0.7Ｇａ_0.3）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐの２０対からなる発光層１３３、およびＭｇをドープしたｐ型の（Ａｌ_0.7Ｇａ_0.3）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐからなる上部クラッド層および薄膜（Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐからなる中間層１３４、Ｍｇドープしたｐ型ＧａＰ層１３５である。

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。

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、（Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ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貼付するｎ型ＧａＰ基板１４を用意した。この貼付用ＧａＰ基板１４には、キャリア濃度が約２×１０¹⁷ ｃｍ^-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。貼付用ＧａＰ基板１４の直径は５０ミリメートル（ｍｍ）で、厚さは２５０μｍ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。

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。

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（図４）。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Ｇａ_0.6Ｐ_0.4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。

次に、接合したウェーハから、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により選択的に除去した。
コンタクト層１３１の表面に第１のオーミック電極１５として、ＡｕＧｅ、Ｎｉ合金を厚さが０．５μｍ、Ｐｔを０．２μｍ、Ａｕを1μｍとなるように真空蒸着法によりn型オーミック電極を形成した。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、電極１５を形成した。
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、Ａｕを１μｍとなるように真空蒸着法でｐ形オーミック電極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（図１、図２）。

次に、ダイシングソーを用いて、ＧａＰ基板１４の裏面から、図２に示す傾斜面の角度α（ここでは角部ではなく辺部とする）が７０°となるように、第一の側面Dが８０μmとなるようにＶ字状の溝入れを行った。
発光ダイオードの表面をレジストで保護して、傾斜面を燐酸：過水：水エッチャント、塩酸によりエッチングして、粗面化した。傾斜面の凹凸は約５００ｎｍ（０．５μｍ）であった。粗面化した表面の電子顕微鏡写真を図９に示す。

次に、表面側からダイシングソーを用い３５０μｍ間隔で切断し、チップ化した。ダイシングによる破砕層および汚れを硫酸・過酸化水素混合液でエッチング除去し、半導体発光ダイオード（チップ）１０を作製した。

上記の様にして作製したＬＥＤチップ１０を、図５及び図６に模式的に示す如く発光ダイオードランプ４２に組み立てた。このＬＥＤランプ４２は、マウント用基板４５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とマウント基板４５の表面に設けたｎ電極端子４３とを、また、ｐ型オーミック電極１６とｐ電極端子４４とを金線４６で、ワイヤボンディングした後、一般的なエポキシ樹脂４１で封止して作製した。

マウント用基板４５の表面に設けられたｎ電極端子４３とｐ電極端子４４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、適切な電極配置、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１．９５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１０００ｍｃｄの高輝度となった。
(比較例)

実施例と同様に、図７，８のごとく、P型およびｎ型オーミック電極を形成した。
次に、表面側からダイシングソーを用い３５０μｍ間隔で切断し、チップ化した。ダイシングによる破砕層および汚れを硫酸・過酸化水素混合液でエッチング除去し、半導体発光ダイオード（チップ）１０を作製した。

上記の様にして作製したＬＥＤチップ１０を、図５及び図６に模式的に示す如く発光ダイオードランプ４２に組み立てた。このＬＥＤランプ４２は、マウント用基板４５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とマウント基板４５の表面に設けたｎ電極端子４３とを、また、ｐ型オーミック電極１６とｐ電極端子４４とを金線４６で、ワイヤボンディングした後、一般的なエポキシ樹脂４１で封止して作製した。

マウント用基板４５の表面に設けられたｎ電極端子４３とｐ電極端子４４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、約２．３０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、２００ｍｃｄであった。

本発明の発光ダイオードは赤色、橙色、黄色或いは黄緑色の可視光を発し、発光部からの光取り出し効率が高く、高輝度で、作動電圧の低い高信頼性の発光ダイオーとして各種の表示ランプ等に好ましいく利用できる。

本発明の実施例に係わる半導体発光ダイオードの平面図である。 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図である。 本発明の実施例、比較例に係わるエピウェーハの断面を示す図である。 本発明の実施例、比較例に係わる透明基板を接合したウェーハの断面を示す図である。 本発明の実施例、比較例に係る発光ダイオードの平面図を示す図である。 本発明の実施例、比較例に係る発光ダイオードの断面図を示す図である。 比較例に係る半導体発光ダイオードの平面図である。 比較例に係る半導体発光ダイオードの、図７のＩ−Ｉ線に沿った断面を示す図である。 本願発明の実施例における、粗面化した表面の電子顕微鏡写真である。

符号の説明

１０ 半導体発光ダイオード
１１ 半導体基板
１２ 発光部
１３ エピタキシャル成長層
１３０ 緩衝層
１３１ コンタクト層
１３２ 下部クラッド層
１３３ 発光層
１３４ 上部クラッド層および中間層
１３５ ＧａＰ層
１４１ 接合層
１４２ 第１側面
１４３ 第２側面
１４ ＧａＰ基板
１５ 第１の電極（ｎ型オーミック）
１６ 第２の電極（ｐ型オーミック）
４１ エポキシ樹脂
４２ 発光ダイオード
４３ 第１の電極端子
４４ 第２の電極端子
４５ 絶縁性基板
４６ 金ワイヤー

Claims (12)

1. 組成式（Ａｌ_XＧａ_1-X）_YＩｎ_1-YＰ；０≦Ｘ≦１，０＜Ｙ≦１）から成る発光層を含む発光部を有し、該発光部を含む化合物半導体層が透明基板と接合され、発光ダイオードの主たる光取り出し面に第1の電極と、第１の電極とは極性の異なる第２の電極とを有する発光ダイオードにおいて、透明基板の側面は、発光層に近い側では発光層の発光面に対して略垂直である第１の側面と、発光層に遠い側では発光面に対して傾斜している第２の側面を有し、第２の側面は粗面化され、その表面が０．０５μｍ〜３μｍの範囲内の凹凸を有することを特徴とする発光ダイオード。
2. 透明基板が、ｎ型のＧａＰ単結晶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。
3. 透明基板の面方位が、（１００）または（１１１）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。
4. 透明基板の厚さが５０μｍ〜３００μｍの範囲であることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の発光ダイオード。
5. 第２の側面と発光面に平行な面とのなす角度が、５５度〜８０度の範囲内であることを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の発光ダイオード。
6. 第１の側面の幅が、３０μｍ〜１００μｍの範囲内であることを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載の発光ダイオード
7. 発光部が、ＧａＰ層を含み、第２の電極が、該ＧａＰ層上に形成されていることを特徴とする請求項１〜６の何れか１項に記載の発光ダイオード。
8. 第１の電極の極性が、ｎ型であり、第２の電極の極性がｐ型であることを特徴とする請求項１〜７の何れか１項に記載の発光ダイオード。
9. 組成式（Ａｌ_XＧａ_1-X）_YＩｎ_1-YＰ（０≦Ｘ≦１，０＜Ｙ≦１）から成る発光層を含む発光部を形成後、該発光部を含む化合物半導体層を透明基板と接合し、化合物半導体層の透明基板と反対側の主たる光取り出し面に第1の電極と、第１の電極とは極性の異なる第２の電極とを形成し、透明基板の側面で、発光層に近い側では発光層の発光面に対して略垂直である第１の側面を形成し、発光層に遠い側では発光面に対して傾斜している第２の側面をダイシング法で形成し、その後、第２の側面が０．０５μｍ〜３μｍの範囲内の凹凸を有するように粗面化する発光ダイオードの製造方法。
10. 粗面化を湿式エッチングで行うことを特徴とする請求項９に記載の発光ダイオードの製造方法。
11. 第１の側面をスクライブ・ブレーク法で形成することを特徴とする請求項９または１０に記載の発光ダイオードの製造方法。
12. 第１の側面をダイシング法で形成することを特徴とする請求項９または１０に記載の発光ダイオードの製造方法。