JP2009252860A - 半導体発光素子 - Google Patents

Abstract

【課題】低コストで高発光出力の半導体発光素子を提供する。
【解決手段】半導体基板上に、少なくとも光取り出し層（ウインドウ層）１７，１８とクラッド層５，７及び活性層６を有する発光部とを備えたエピタキシャル層が形成され、前記エピタキシャル層上の一部に接触抵抗低減のためのオ−ミックコンタクト接合部１１が配置され、オーミックコンタクト接合部１１に接続されて前記発光部の光を反射する反射金属膜１２が形成され、反射金属膜１２を介して支持基板１３が接合され、更に前記半導体基板が取り除かれ、前記エピタキシャル層側に第一の電極１５、前記支持基板１３側に第二の電極１６が形成されている。前記発光部の上部に位置する光取り出し層１７，１８の表面には凹凸状の傾斜した面が形成されており、傾斜した面は、傾斜角度が異なる傾斜面１７ａと傾斜面１８ａとからなる。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体発光素子に関し、更に詳しくは、発光部上部の光取り出し層からの光取り出し効率の向上を図った半導体発光素子に関するものである。

近年、半導体発光素子である発光ダイオード（以下ＬＥＤと略す）は、ＧａＮ系やＡｌＧａＩｎＰ系の高品質結晶をＭＯＶＰＥ（有機金属気相成長）法で成長出来る様になったことから、青色、緑色、橙色、黄色、赤色の高輝度ＬＥＤが製作出来る様になった。そして、ＬＥＤの高輝度化に伴い、その用途は、自動車のブレーキランプ等のリアコンビネーションランプや液晶ディスプレイのバックライト等へと広がり、その需要は年々増加している。

現在、ＭＯＶＰＥ法によって高品質の結晶が成長可能となってから、発光素子の内部効率は理論値の限界に近づきつつある。しかし、発光素子からの光取り出し効率はまだまだ低く、光取り出し効率を向上することが、更なる高輝度化を行う上で重要となっている。

例えば、高輝度赤色ＬＥＤは、ＡｌＧａＩｎＰ系の材料で形成され、その発光部は、導電性のＧａＡｓ基板上に格子整合する組成のＡｌＧａＩｎＰ系の材料から成るｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層とｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層とそれらに挟まれたＡｌＧａＩｎＰ又はＧａＩｎＰの活性層（発光層）とを有するダブルヘテロ構造と成っている。しかしながら、ＧａＡｓ基板のバンドギャップは発光層のバンドギャップよりも狭い為に、発光層からの光の多くがＧａＡｓ基板に吸収され、光の取り出し効率が著しく低下する。

ＧａＡｓ基板による吸収の対策の一つとして、発光層とＧａＡｓ基板の間に、屈折率の異なる半導体層から成る多層反射膜構造を形成することによってＧａＡｓ基板での光の吸収を低減し、光取り出し効率を向上させる方法がある。しかし、この方法では、多層反射膜構造への限定された入射角を持つ光しか反射することが出来ない。つまり、ＧａＡｓ基板側に向かった光の一部しか反射させる事が出来ず、光取り出し効率を十分に向上させる事が難しい。

そこで、ＧａＡｓ基板上にＡｌＧａＩｎＰ系の材料から成るダブルヘテロ構造を有するエピタキシャルウエハを製作した後に、このエピタキシャルウエハに、反射率の高い金属膜を介してＳｉやＧａＡｓ等の支持基板を貼り付け、その後、成長用に用いたＧａＡｓ基板を除去する方法が考案されている（例えば、特許文献１参照）。
この方法を用いた場合には、反射膜として金属膜を用いている為、金属膜への光の入射角に依らずに高い反射が可能となる。このため、上記した多層の半導体からなる多層反射膜構造を設ける場合よりも、発光部で発光した光をより有効に取り出すことができ、高輝度化を実現できる。

ＡｌＧａＩｎＰ系発光層からの発光波長に対して高い反射率を有する反射金属膜は、Ａｇ、Ａｌ、Ａｕ等の金属膜であり、ＡｌＧａＩｎＰ系材料と直接オーミックコンタクトを取ることが困難である。その為、高い反射率を有する反射金属膜と半導体層との間に部分的にオーミックコンタクト接合部を配置する必要がある。

また、反射金属膜を用いて反射率を高くしても、ＬＥＤの主面から多くの光を取り出す事が出来なければ、発光出力の向上は少ない。そこで、発光部で発光した光を有効に取り出す方法として、ＬＥＤ主面を粗面化、所謂凹凸化する技術が知られている。効果的に凹
凸化するには、周知の技術であるフォトリソグラフィを用いてレジストパターンを形成し、エッチングする方法がある。

特表２００５−５１３７８７号公報

ところで、オーミックコンタクト接合部は、オーミックコンタクトを取る為に半導体層と反射金属膜との間に配置されており、反射金属膜と比較すると反射率が低い。また、オーミックコンタクトをとる為に、半導体層上にオーミックコンタクト接合部を形成後に熱処理を行う必要がある。その際に、半導体層とオーミックコンタクト接合部間の合金化反応が生じ、オーミックコンタクト接合部に接する半導体層の光吸収率が増加する。その為に発光部からの光が、オーミックコンタクト接合部では、反射金属膜に比較して、光吸収が大きくなる。その結果として、光取り出し効率の低い発光素子となってしまう。

また、上述したフォトリソグラフィを用いてレジストパターンを形成し、エッチングによりＬＥＤ主面を凹凸化する方法は、微細なレジストパターン形成が必要になるため、高価な装置が必要になり、結果としてＬＥＤの製作コストが高くなってしまう。またフォトリソグラフィ工程を行うことだけでも、製造コストが高くなる。つまり、製造コストの面で問題となる。

製造コストを下げるため、つまり低コストで粗面化を行う方法として、レジストパターンを形成しないで、ＬＥＤの主表面を全面的にエッチングして粗面化（凹凸化）する方法があるが、以下の問題がある。
レジストパターンを形成しないでＬＥＤの主表面をエッチングにより粗面化（凹凸化）処理すると、層表面が凹凸化すると同時に全体的にもエッチングが進行してしまう。これにより、全体の膜厚が薄くなる。膜厚が全体的に薄くなってしまうと、電流の広がりが悪くなり、順方向電圧が高くなると同時に発光出力も低下する。つまり発光効率が低下する事が問題である。この問題は、順方向電圧が上昇する事で、ＬＥＤ素子中の発熱量が大きくなり、その熱の影響により発光出力が低下するためである。要するに、粗面化するウインドウ層（前記発光部の上に位置する層）、所謂光取り出し層の全体の膜厚が薄くなると、直列抵抗が大きくなり、また電流の広がりが悪くなる事で、順方向電圧が高くなるために発光出力が低下する。

本発明の目的は、光取り出し層の表面を、発光部で発光した光を有効に取り出すことができる凹凸形状とし、発光効率の高い半導体発光素子を提供することにある。
また、本発明の目的は、レジストパターンを形成せずに、しかも光取り出し層の膜厚が薄くなる事を抑制しつつ凹凸化でき、低コストで高発光出力の半導体発光素子を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明は次のように構成されている。

本発明の第１の態様は、半導体基板上に、少なくとも光取り出し層とクラッド層及び活性層を有する発光部とを備えたエピタキシャル層が形成され、前記エピタキシャル層上の一部に接触抵抗低減のためのオ−ミックコンタクト接合部が配置され、前記オーミックコンタクト接合部に接続されて前記発光部の光を反射する反射金属膜が形成され、前記反射金属膜を介して支持基板が接合され、更に前記半導体基板が取り除かれ、前記エピタキシャル層側に第一の電極、前記支持基板側に第二の電極が形成された半導体発光素子において、前記発光部の上部に位置する前記光取り出し層の表面に凹凸状の傾斜した面が形成さ
れ、前記凹凸状の傾斜した面が、傾斜角度の異なる２つ以上の傾斜面から構成されている。

本発明の第２の態様は、第１の態様の半導体発光素子において、前記第一の電極の直下にのみ前記活性層よりもバンドギャップエネルギーが小さく且つ前記発光部で発光した光に対して不透明な材料からなるコンタクト層が設けられ、前記コンタクト層の膜厚が、５ｎｍ〜２００ｎｍ以下である。

本発明の第３の態様は、第１の態様又は第２の態様の半導体発光素子において、前記発光部の一部である前記活性層は、（Ａｌ_ＸＧａ_１−Ｘ）_ＹＩｎ_１−ＹＰ層（０≦Ｘ≦０.
５、０.４≦Ｙ≦０.６）からなる多重量子井戸構造若しくは歪多重量子井戸構造であり、且つ前記（Ａｌ_ＸＧａ_１−Ｘ）_ＹＩｎ_１−ＹＰ層が２０層〜１６０層で構成されている。

本発明の第４の態様は、第１〜第３の態様のいずれかの半導体発光素子おいて、前記光取り出し層が、Ｐ系層とＡｓ系層とがそれぞれ１層以上の半導体層から構成され、これら半導体層の内、最も前記第一の電極側に位置する半導体層の膜厚が５０ｎｍ〜１０００ｎｍ以下である。

本発明の第５の態様は、第１〜第４の態様のいずれかの半導体発光素子において、前記エピタキシャル層上の一部に配置される前記オーミックコンタクト接合部の面積が２０％以下である。

本発明の第６の態様は、第１〜第５の態様のいずれかの半導体発光素子において、前記オーミックコンタクト接合部とこれに近接する前記クラッド層との間に、前記クラッド層側からＧａ_ＸＩｎ_１−ＸＰ（但し、０.６≦Ｘ）からなる介在層と、Ｍｇが添加されたＧ
ａＰ層と、アンドープＧａＰ層と、Ｚｎが添加されたＧａＰ層とが設けられている。

本発明の第７の態様は、第１〜第６の態様のいずれかの半導体発光素子において、前記オーミックコンタクト接合部以外の前記反射金属膜と前記Ｚｎが添加されたＧａＰ層との間の部分に、酸化物層が設けられ、前記酸化物層の膜厚は、膜厚ｄ＝定数Ａ×波長λｐ／（４×屈折率ｎ）の関係式（但し、定数Ａは奇数）により求まる膜厚ｄの±３０％の範囲にあり、前記オーミックコンタクト接合部の膜厚も、前記酸化物層の膜厚と略一致する。

本発明によれば、光取り出し層の表面を、光を有効に取り出すことができ且つ簡易に形成できる凹凸形状とすることにより、発光効率の高い半導体発光素子を安価に提供できる。

以下、本発明に係る半導体発光素子の実施形態を図面を用いて説明する。

図１は、本実施形態の発光ダイオードの断面構造図である。
図１に示すように、半導体基板（図示せず）上に、ｎ型ＧａＡｓコンタクト層３、光取り出し層であるｎ型ＡｌＧａＩｎＰウインドウ層（第二ウインドウ層）１８及びｎ型ＡｌＧａＡｓ層（第一ウインドウ層）１７、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層５、アンドープ（Ａｌ_ＸＧａ_１−Ｘ）_ＹＩｎ_１−ＹＰ層（０≦Ｘ≦０.５、０.４≦Ｙ≦０.６）からなる多
重量子井戸活性層６、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層７、Ｍｇドープのｐ型Ｇａ_ＸＩｎ_１−ＸＰ（０.６≦Ｘ）介在層８、Ｍｇドープのｐ型ＧａＰ層９Ａ、アンドープＧａＰ層９
Ｂ及びＺｎドープのｐ型ＧａＰ層９Ｃが、ＭＯＶＰＥ法で積層形成されている。更に、Ｚｎドープのｐ型ＧａＰ層９Ｃには、酸化物層であるＳｉＯ_２膜１０が形成され、ＳｉＯ_２
膜１０に分散して形成された開口部には、金属からなるオーミックコンタクト接合部１１が形成されている。ＳｉＯ_２膜１０及びオーミックコンタクト接合部１１上には反射金属膜１２が形成されている。
反射金属膜１２と、支持基板１３表面に形成した金属密着層１４とは重ね合わされて、オーミックコンタクト接合部１１が設けられた半導体基板（エピタキシャル成長用基板）と支持基板１３とが貼り合わされる。更に、半導体基板が取り除かれ、ＧａＡｓコンタクト層３表面には、各チップの上面中央に位置させて形成される円形部１５ａとこれから放射状に柱状に伸びる分配部１５ｂを有する分配電極付きの第一の電極１５が形成され、また、支持基板１３の底面の全面には、第二の電極１６が形成されている。

第一の電極１５を形成した後に、硫酸と過酸化水素水との混合液からなるエッチング液を用いて、第一の電極１５をマスク代わりとして、第一の電極１５直下以外のＧａＡｓコンタクト層３を選択性エッチングによって除去し、ｎ型（Ａｌ_０.４Ｇａ_０.６）_０.５Ｉ
ｎ_０.５Ｐ層１８を露出させた。
更に、Ｐ系層であるｎ型ＡｌＧａＩｎＰウインドウ層（第二ウインドウ層）１８はエッチングするが、Ａｓ系層であるｎ型ＡｌＧａＡｓ層（第一ウインドウ層）１７はエッチングしないエッチング液、例えば塩酸系のエッチング液を用い、第二ウインドウ層１８をエッチングする。このエッチングにより、第二ウインドウ層１８表面は凹凸状に粗面化し、第一ウインドウ層１７上に第二ウインドウ層１８が島状に残って、第一ウインドウ層１７表面が部分的に露出した時点で一旦エッチングを終える。
次に、Ｐ系層であるｎ型ＡｌＧａＩｎＰウインドウ層（第二ウインドウ層）１８はエッチングしないが、Ａｓ系層であるｎ型ＡｌＧａＡｓ層（第一ウインドウ層）１７はエッチングするエッチング液、例えば硫酸と過酸化水素水との混合液からなるエッチング液を用い、第一ウインドウ層１７のエッチングを行う。この時には、第二ウインドウ層１８はエッチングされずにマスクとして機能し、第一ウインドウ層１７のみがエッチングされる。
これにより、ウインドウ層１７，１８の表面には、図１に一部を拡大して示すように、凹凸状の傾斜した面が形成される。この傾斜した面は、傾斜角度が異なる傾斜面１８ａと傾斜面１７ａとからなる。

光取り出し層であるウインドウ層を、Ｖ族が異なる材料、具体的にはＡｓ系とＰ系の材料からなる、第一ウインドウ層１７と第二ウインドウ層１８との２層構造とし、且つ、第一、第二ウインドウ層１７，１８に対して、エッチング液を変えて選択エッチングすることにより、第一ウインドウ層１７及び第二ウインドウ層１８からなる全ウインドウ層の膜厚が、全体的に薄くなる事を抑制できる。このため、エッチングによるウインドウ層での電流広がりの悪化を防止でき、順方向電圧の上昇及び発光部での電流集中による発熱を抑制して、低コストで発光効率が高く、しかも信頼性が高い発光素子を実現できる。

また、上述したようなフォトリソグラフィを用いてレジストパターンを形成し、エッチングにより発光素子主面を凹凸化する方法では、レジストパターンを除去した部分の主面が平坦になり、この平坦部分では発光部からの光を反射し易く、光取り出し効率を十分に向上できないが、上記実施形態では、光取り出し層であるウインドウ層１７，１８の表面が凹凸状の傾斜した面で形成されているので、光取り出し効率が良く、高出力化できる。特に、図１に一部を拡大して示すように、凹凸状の傾斜した面は、傾斜角度が緩やかな上部の傾斜面１８ａと傾斜角度が急な下部の傾斜面１７ａとから構成されており、ウインドウ層１７，１８の表面部は半球状ないし半楕円体状の凸部が並んだような形状に近似した形状となり、ウインドウ層１７，１８に入射する光の方向に依らずに有効に光を取り出すことができる。

光取り出し層であるウインドウ層が、Ｐ系層とＡｓ系層とがそれぞれ１層以上の半導体層から構成され、これら半導体層の内、最も前記第一の電極側に位置する半導体層（上記
実施形態では第二ウインドウ層１８）の膜厚が５０ｎｍ〜１０００ｎｍ以下であるのが好ましい。
第二ウインドウ層１８の膜厚が薄過ぎると、第二ウインドウ層１８がエッチング中に全てなくなってしまう。また、あまり厚過ぎても、エッチング時間が長くなり、また原材料を多く使用し、成膜時間も長くなってしまう。更にまた、第二ウインドウ層１８を必要以上に厚くしても高出力化に関してはあまり効果が出ず、単に高コストになってしまうだけである。よって、第二ウインドウ層１８の好ましい膜厚は５０ｎｍ〜１０００ｎｍであり、より好ましくは１００ｎｍ〜８００ｎｍである。
ウインドウ層全体の膜厚（第一、第二ウインドウ層１７、１８の膜厚の和）を厚くすると、電流の広がりが良くなる事から、ＬＥＤ素子の特性はよくなる方に向かう。しかし厚すぎる場合には、電流広がりの効果は飽和してしまう。よって、ＬＥＤ素子の特性上は、厚すぎても問題になる事は無いが、コスト面で不利になる。また薄すぎる場合は、ＬＥＤ素子特性上、発光出力は低くなり、順方向電圧は高くなる。よって、ウインドウ層全体の膜厚には最適値があり、それは５００ｎｍ〜５０００ｎｍであり、より好ましいのは１０００ｎｍ〜４０００ｎｍである。

なお、上記実施形態では、光取り出し層であるウインドウ層を、下層のｎ型ＡｌＧａＡｓ層（第一ウインドウ層）１７と上層のｎ型ＡｌＧａＩｎＰウインドウ層（第二ウインドウ層）１８との２層構造としたが、上層・下層のウインドウ層の材料を変えて、下層のｎ型ＡｌＧａＩｎＰ層（第一ウインドウ層）と上層のｎ型ＡｌＧａＡｓウインドウ層（第二ウインドウ層）との２層構造にしても、同様の効果を奏する。
また、上記実施形態では、光取り出し層であるウインドウ層を、Ｐ系層とＡｓ系層とからなる上層・下層の２層構造としたが、Ｐ系層とＡｓ系層とが交互に形成された上層・中層・下層の３層構造としてもよい。

ウインドウ層が３層構造の実施形態を図２に示す。この実施形態では、ウインドウ層は、上層のｎ型ＡｌＧａＩｎＰウインドウ層（第三ウインドウ層）２３と、中層のｎ型ＡｌＧａＡｓ層（第二ウインドウ層）２２と、下層のｎ型ＡｌＧａＩｎＰウインドウ層（第一ウインドウ層）２１とからなる。これら上層・中層・下層のウインドウ層のうち、上層および下層のＡｌＧａＩｎＰウインドウ層２３，２１のエッチングには、例えば塩酸系のエッチング液を用い、中層のＡｌＧａＡｓ層２２には、例えば硫酸と過酸化水素水との混合液からなるエッチング液を用いて選択エッチングを行い、ウインドウ層２１，２２，２３の表面に凹凸状の傾斜した面（傾斜角度が異なる３つの傾斜面からなる）を形成する。この３層構造のうち、中層のＡｌＧａＡｓ層２２を薄くして、所謂挿入層的に入れるようにしてもよい。更に、同様にして、ウインドウ層を４層以上の多層構造としてもよい。

次に、本発明の実施例を説明する。

図１に示した構造を有する発光波長６３０ｎｍ付近の赤色ＬＥＤ用エピタキシャルウエハを作製した。エピタキシャル成長方法、エピタキシャル層膜厚、エピタキシャル層の構造や電極形成方法及びＬＥＤ素子製作方法は、以下の通りである。

図４に示すように、ｎ型ＧａＡｓ基板１上に、ＭＯＶＰＥ法で、アンドープ（Ａｌ_０.
７Ｇａ_０.３）_０.５Ｉｎ_０.５Ｐエッチングストップ層（膜厚２００ｎｍ、キャリア濃度
１×１０^１８／ｃｍ^３）２、Ｓｅドープのｎ型ＧａＡｓコンタクト層（膜厚５０ｎｍ、キャリア濃度１×１０^１８／ｃｍ^３）３、Ｓｅドープのｎ型（Ａｌ_０.４Ｇａ_０.６）_０.５
Ｉｎ_０.５Ｐ層（膜厚４００ｎｍ、キャリア濃度１×１０^１８／ｃｍ^３）１８、Ｓｅドー
プのｎ型Ａｌ_０.８ＧａＡｓウインドウ層（膜厚２６００ｎｍ、キャリア濃度１×１０^１
８／ｃｍ^３）１７、Ｓｅドープのｎ型（Ａｌ_０.７Ｇａ_０.３）_０.５Ｉｎ_０.５Ｐクラッド
層（膜厚５００ｎｍ、キャリア濃度５×１０^１７／ｃｍ^３）５、アンドープ多重量子井戸活性層（２０ペア）６、Ｍｇドープのｐ型（Ａｌ_０.７Ｇａ_０.３）_０.５Ｉｎ_０.５Ｐクラッド層（膜厚４００ｎｍ、キャリア濃度１.２×１０^１８／ｃｍ^３）７、Ｍｇドープのｐ
型Ｇａ_ＸＩｎ_１−ＸＰ（０.６≦Ｘ）介在層８、Ｍｇドープのｐ型ＧａＰ層（膜厚２００
ｎｍ、キャリア濃度１×１０^１８／ｃｍ^３）９Ａ、アンドープＧａＰ層（膜厚１００ｎｍ）９Ｂ、Ｚｎドープのｐ型ＧａＰ層（膜厚５０ｎｍ、キャリア濃度１×１０^１９／ｃｍ^３）９Ｃ、を順次積層成長させた。なお、前記アンドープ多重量子井戸活性層６は、ＧａＩｎＰ層とＡｌＧａＩｎＰ層の１対を１ペアとしている。

ＭＯＶＰＥ成長での成長温度は６５０℃とし、成長圧力約６６６６Ｐａ（５０Ｔｏｒｒ）、各層の成長速度は０.３〜ｌ.０ｎｍ／ｓｅｃ、Ｖ／III比は約２００前後で行った。
因みに、ここで言うＶ／III比とは、分母をＴＭＧａやＴＭＡｌなどのIII族原料のモル数とし、分子をＡｓＨ_３、ＰＨ_３などのＶ族原料のモル数とした場合の比率（商）を指す。

ＭＯＶＰＥ成長の原料としては、例えばトリメチルガリウム（ＴＭＧａ）、又はトリエチルガリウム（ＴＥＧａ）、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）等の有機金属化合物や、アルシン（ＡｓＨ_３）、ホスフィン（ＰＨ_３）等の水素化物ガスを用いた。ｎ型半導体層の導電型決定不純物の添加物原料としては、セレン化水素（Ｈ_２Ｓｅ）を用いた。ｐ型半導体層の導電型決定不純物の添加物原料としては、ビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ_２Ｍｇ）、ジメチルジンク（ＤＭＺｎ）を用いた。
その他に、ｎ型層の導電型決定不純物の添加物原料として、ジシラン（Ｓｉ_２Ｈ_６）、モノシラン（ＳｉＨ_４）、ジエチルテルル（ＤＥＴｅ）、ジメチルテルル（ＤＭＴｅ）を用いることもできる。その他に、ｐ型層のｐ型添加物原料として、ジエチルジンク（ＤＥＺｎ）を用いる事も出来る。

更に、このＬＥＤ用エピタキシャルウエハをＭＯＶＰＥ装置から搬出した後、ｐ型ＧａＰ層９Ｃの表面に酸化物層、ここではＳｉＯ_２膜１０を約１００ｎｍ形成し、一般的なフォトリソグラフィー技術を用い、更にエッチングによって直径約１２μｍのＳｉＯ_２膜１０が設けられていない部分（開口部）を形成し、更にＳｉＯ_２膜１０が無い部分に、真空蒸着法によってオーミックコンタクト接合部１１を形成した。オーミックコンタクト接合部１１の材料としては、ＡｕＺｎ（金・亜鉛合金）を用いた。
また、オーミックコンタクト接合部１１の直径は約ｌ０μｍのドット状電極とし、それを３０μｍピッチで、且つ厚さ１００ｎｍで形成した。つまりＳｉＯ_２膜１０の無い部分にオーミックコンタクト接合部１１を、ＳｉＯ_２膜１０の膜厚が略同じになるように形成した。その後、電極の合金化であるアロイ工程を、窒素ガス雰囲気中にて３５０℃に加熱し、５分間熱処理する事で行った。

次に、オーミックコンククト接合部１１が設けられたＬＥＤ用エピタキシャルウエハ上（ＳｉＯ_２膜１０とオーミックコンタクト接合部１１上）に反射金属膜１２として、Ａｌ（アルミニウム）、Ｔｉ（チタン）、Ａｕ（金）をそれぞれ厚さ２００ｎｍ、２００ｎｍ、５００ｎｍで、この順に蒸着した。

一方、支持基板として用意したＳｉ基板１３表面には、ＡｕＧｅ（金・ゲルマニウム合金）、Ｔｉ（チタン）、Ａｕ（金）をそれぞれ厚さ１００ｎｍ、２００ｎｍ、５００ｎｍで、この順に蒸着して金属密着層１４を形成した。

上記の様に作製した反射金属膜１２が設けられたＬＥＤ用エピタキシャルウエハとＳｉ基板１３とを、反射金属膜１２と金属密着層１４とが合わさる形で貼り合わせた（図４）。貼り合わせは、圧力約１.３３Ｐａ（０.０ｌＴｏｒｒ）雰囲気で荷重を３０Ｋｇｆ／ｃ
ｍ^２負荷した状態で、温度３５０℃で３０分間保持することによって行った。

Ｓｉ基板１３を貼り合わせたＬＥＤエピタキシャルウエハを、アンモニア水と過酸化水素水系混合液に浸してＧａＡｓ基板１をエッチングで除去し、アンドープ（Ａｌ_０.７Ｇ
ａ_０.３）_０.５Ｉｎ_０.５Ｐエッチングストップ層２を露出させた。次に塩酸系のエッチ
ング液を用いて、エッチングストップ層２を除去し、ＧａＡｓコンタクト層３を露出させた。
次に、ＧａＡｓコンタクト層３表面に、一般的なフォトリソグラフィー技術を用いてパターンを形成し、更に真空蒸着法によって直径１００μｍの円形部１５ａから放射状に幅１０μｍの柱状に伸びた分配部１５ｂを有する分配電極付きの第一の電極１５を形成した（図１）。第一の電極１５は、ＡｕＧｅ（金・ゲルマニウム合金）、Ｎｉ（ニッケル）、Ａｕ（金）を、それぞれ厚さ１００ｎｍ、１００ｎｍ、５００ｎｍで、この順に蒸着して形成した。

第一の電極１５を形成後、硫酸と過酸化水素水との混合液からなるエッチング液を用いて、第一の電極１５をマスク代わりとして、第一電極１５直下以外のＧａＡｓコンタクト層３を選択性エッチングによって除去し、ｎ型（Ａｌ_０.４Ｇａ_０.６）_０.５Ｉｎ_０.５Ｐ層１８を露出させた。
更にｎ型（Ａｌ_０.４Ｇａ_０.６）_０.５Ｉｎ_０.５Ｐ層１８の表面を塩酸系エッチングにより、凹凸状に粗面化し、第一ウインドウ層１７表面が部分的に露出した時点でエッチングを止めた。次に、硫酸と過酸化水素水との混合液からなるエッチング液を用い、第一ウインドウ層１７のみエッチングした。これにより、ウインドウ層１７，１８の表面に、凹凸状の傾斜した面（傾斜角度が異なる傾斜面１８ａと傾斜面１７ａとからなる）を形成した。

次に、Ｓｉ支持基板１３の底面（金属密着層１４とは反対側の面）全面に、第二の電極１６を真空蒸着法によって形成した。第二の電極１６は、Ａｌ（アルミニウム）、Ｔｉ（チタン）、Ａｕ（金）を、この順に蒸着し、その後、電極の合金化であるアロイ工程を、窒素ガス雰囲気中にて４００℃に加熱し、５分間熱処理する事で行った。

その後、上記の様にして構成された電極形成済みＬＥＤ用エピタキシャルウエハを、第一の電極１５の円形部１５ａが中心になる様にダイシング装置を用いて切断し、チップサイズ３００μｍ角のＬＥＤベアチップを作製した（図１）。更に、このＬＥＤベアチップを、図示省略のＴＯ−１８ステム上にマウント（ダイボンディング）し、その後、更にマウントされたＬＥＤベアチップに、ワイヤボンディングを行い、ＬＥＤ素子を作製した。
この様にして製作されたＬＥＤの初期特性を評価した結果、２０ｍＡ通電時（評価時）の発光出力６.６４ｍＷ、順方向電圧１.９８Ｖという初期特性を有するＬＥＤ素子を得る事が出来た。

（比較例）
図３に示した構造を有する発光波長６３０ｎｍ付近の貼り換え型赤色ＬＥＤ用エピタキシャルウエハを作製した。エピタキシャル成長の方法、エピタキシャル層膜厚、エピタキシャル層構造、反射金属層膜の構成、オーミックコンタクト接合部構成及びサイズ、支持基板への貼り換え方法、エッチング方法等のプロセス工程やＬＥＤ素子製作方法は、基本的に上記実施例と同じである。以下に上記実施例とは異なる点を説明をする。

この比較例では、前記２層構造のｎ型ウインドウ層１７，１８を、Ｓｅドープのｎ型（Ａｌ_０.４Ｇａ_０.６）_０.５Ｉｎ_０.５Ｐウインドウ層（膜厚３０００ｎｍ、キャリア濃度１×１０^１８／ｃｍ^３）４に変更した。つまり、ウインドウ層全体の膜厚（ウインドウ層１７，１８の膜厚の和）を同じにして、単層のｎ型（Ａｌ_０.４Ｇａ_０.６）_０.５Ｉｎ_０.
５Ｐウインドウ層４とした。そして、上記実施例と同様に、第一の電極１５を形成した後、硫酸と過酸化水素水と水の混合液からなるエッチング液を用いて、第一の電極１５をマスク代わりとして、第一の電極１５直下以外のＧａＡｓコンタクト層３を選択性エッチングによって除去し、ｎ型（Ａｌ_０.４Ｇａ_０.３）_０.５Ｉｎ_０.５Ｐウインドウ層４を露出させた。更に、ｎ型（Ａｌ_０.４Ｇａ_０.６）_０.５Ｉｎ_０.５Ｐウインドウ層４の表面を、塩酸系エッチングにより粗面化（凹凸化）した。
上記のような工程を経て作製されたエピタキシャルウエハを、基本的に上記実施例と同じ方法でＬＥＤ素子にした。この様にして作製されたＬＥＤ素子の初期特性を、通電電流２０ｍＡにて評価した。その結果、発光出力は５.０ｍＷ、順方向電圧は２.３Ｖであった。また、上記ｎ型（Ａｌ_０.４Ｇａ_０.６）_０.５Ｉｎ_０.５Ｐウインドウ層４のエッチングによる粗面化（凹凸化）を行わなかったＬＥＤ素子も作製したが、このＬＥＤ素子の初期特性は、発光出力４.３ｍＷ，順方向電圧１.９６Ｖであった。

実施例では、ウインドウ層をＶ族が異なる材料の２層構造にし、且つそれぞれのエチャントを変えてエッチングしたことにより、ウインドウ層１７及びウインドウ層１８からなるウインドウ層の全膜厚が、全体的に薄くなる事を抑制できた。このため、順方向電圧の上昇を抑制でき、順方向電圧１.９８Ｖを達成できた。また順方向電圧の上昇を抑制した
事で、ＬＥＤの発熱を抑制でき、結果的に発光出力が向上した。またウインドウ層全体の膜厚が薄くならなかった事により、活性層６に流れる電流を均一化できた事でも、ＬＥＤの発熱を抑制できた。更に電流分散特性が良好になった事で、第一の電極１５による光取り出し悪化（第一の電極１５が光を遮蔽することによる光取り出し損失）を抑制できた事も、高出力化出来た事の一つである。更にまた電流集中を抑制できた事で、キャリアのオーバーフローが無くなり、内部量子効率も向上したと考えられる。前記した幾つかの要因が重なり合って、本実施例では発光出力が向上した。

次に、上記実施例における各層の組成・構成・膜厚などの最適条件に付いて説明する。

前記ＧａＡｓコンククト層３の膜厚は、あまり薄すぎると本来のコンタクト層としての機能が不十分になる。また逆に厚過ぎると、電流が流れ難くなって直列抵抗が高くなり、順方向電圧が高くなってしまう。よってＧａＡｓコンククト層３の好ましい膜厚は５ｎｍ〜２００ｎｍであり、より好ましくは１０ｎｍ〜１００ｎｍである。

前記ｐ型Ｇａ_ＸＩｎ_１−ＸＰ（０.６≦Ｘ）介在層８のＧａ組成Ｘを０.６以上としたのは、０.６よりも小さくなると、６３０ｎｍの波長で発光した光を吸収してしまうからで
ある。このため、発光波長が変わった場合には、Ｇａ組成Ｘを変化させる。つまり所望の発光ピーク波長が５９５ｎｍ等、短波長側になった場合には、Ｇａ_ＸＩｎ_１−ＸＰ介在層８の組成Ｘは０.６よりも大きくする事が望ましい。

前記ｐ型ＧａＰ層９ＣにはＺｎを添加するのが望ましい。これはＭｇよりもＺｎの方が添加しやすいために、多く添加できるからである。添加物を多くする事で接触抵抗を低く出来、ひいては順方向電圧を低く出来るからである。ｐ型ＧａＰ層９ＡにＭｇを用いるのは、ＺｎよりもＭｇの方が拡散しにくい事から、拡散による初期発光出力の低下を抑止出来る。また拡散し難い事で、信頼性（相対出力）が向上するためである。更にＭｇドープのｐ型ＧａＰ層９ＡとＺｎドープのｐ型ＧａＰ層９Ｃとの間にアンドープＧａＰ層９Ｂを入れるのは、ＭｇとＺｎが隣り合わせに存在すると、相互拡散を起こすからである。つまり、実施例で示したＧａＰ層９の構造が好ましい。

発光部の一部である多重量子井戸活性層６は、２０層〜１６０層、つまり１０〜８０ペアにするのが好ましい。これはペア数が少な過ぎると電子及び正札のオーバーフローが起こってしまい、内部量子効率が低下する。また、あまり多過ぎると、活性層６での光吸収
による発光出力の低下が多くなるからである。よって好ましいペア数は、１０〜８０ペアであり、より好ましくは２０ｎｍ〜６０ペアである。また前記活性層６が単一層であった場合も、上記で述べた様な理由により、２０ｎｍ〜２００ｎｍの膜厚にする事が好ましい。

酸化物層であるのＳｉＯ_２膜１０の膜厚は、膜厚ｄ＝定数Ａ×波長λｐ／（４×屈折率ｎ）の関係式（但し、定数Ａは奇数）により求まる膜厚ｄの±３０％の範囲にするのがよい。これは、ＳｉＯ_２膜１０を反射防止膜として機能させるためである。また、ＳｉＯ_２膜１０の膜厚を上記関係式により求まる膜厚ｄの±３０％の範囲にあればよいのは、発光部からの光の波長帯域にある程度の幅を有するからである。なお、波長λｐはＬＥＤ素子の発光ピ−ク波長である。

ｐ型ＧａＰ層９Ｃ表面積に対するオーミックコンタクト接合部１１の面積の割合は、２０％以下が好ましい。これは、オーミックコンタクト接合部１１は、反射金属膜１２と比べて反射率が低く、オーミックコンタクト接合部１１の面積を２０％よりも大きくすると、光取り出し効率が低下するからである。

以下に、上記実施例を変形・変更した他の実施例を述べる。

上記の実施例において、多重量子井戸活性層６とｎ型クラッド層５及びｐ型クラッド層７の間に、積極的に添加物を入れない、所謂アンドープ層、若しくは低濃度層を設けてもよい。また、このアンドープ層若しくは低濃度層を多層構造にしてもよい。更に、実施例では、活性層を多重量子井戸（ＭＱＷ）としたが、アンドープのバルク層（単層）や歪み多重量子井戸としてもよい。

また、上記実施例では、酸化物層としてＳｉＯ_２膜１０を形成したが、ＳｉＮ膜等を用いても、同様な効果がある。また、ＳｉＯ_２膜等の酸化物層を無くしてもよい。

上記実施例においては、発光波長６３０ｎｍの赤色ＬＥＤ素子であったが、同じＡｌＧａＩｎＰ系の材料を用いて製作されるそれ以外の発光波長域のＬＥＤ素子、例えば発光波長５６０ｎｍ〜６６０ｎｍのＬＥＤ素子にも勿論適用でき、この場合に用いられる各層の材料、キャリア濃度、特にウインドウ層においては一切の変更なしに作製できる。

上記実施例の第一の電極１５の形状は、円形ではなく、例えば四角、菱形、多角形等に変更してもよく、また分配部を設けなくともよい。

上記実施例においては、支持基板にＳｉを用いたが、この他にも、ＧｅやＧａＡｓを支持基板とするＬＥＤ用エピタキシャルウエハや、金属基板、例えばＣｕ，ＭＯ，Ｗ，ＣｕＷ等を支持基板とするＬＥＤ用エピタキシャルウエハに変更してもよい。

また、上記実施例のＬＥＤ素子は、いわゆるｎサイドアップの構造を採用したが、各エピタキシャル層の導電性を逆にするなどして、ｐサイドアップの構造としてもよい。

本発明の実施形態及び実施例にかかるＡｌＧａＩｎＰ系赤色発光ダイオードの断面構造図である。 本発明の他の実施形態にかかるＡｌＧａＩｎＰ系赤色発光ダイオードの断面構造図である。 比較例にかかるＡｌＧａＩｎＰ系赤色発光ダイオードの断面構造図である。 本発明の実施例の製造工程を説明するためのＡｌＧａＩｎＰ系赤色ＬＥＤ用エピタキシャルウエハの断面構造図である。

符号の説明

１ ｎ型ＧａＡｓ基板
２ ｎ型ＡｌＧａＩｎＰエッチングストップ層
３ ｎ型ＧａＡｓコンタクト層
４ ｎ型ＡｌＧａＩｎＰウインドウ層
５ ｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層
６ アンドープＭＱＷ活性層
７ ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層
８ ｐ型ＧａＩｎＰ介在層
９ ＧａＰ層
９Ａ ｐ型ＧａＰ層
９Ｂ アンドープＧａＰ層
９Ｃ ｐ型ＧａＰ層
１０ 酸化物層
１１ オーミックコンタクト接合部
１２ 反射金属膜層
１３ 支持基板
１４ 金属密着層
１５ 第一の電極
１６ 第二の電極
１７ ｎ型ＡｌＧａＡｓ層（第一ウインドウ層）
１７ａ 傾斜面
１８ ｎ型ＡｌＧａＩｎＰ層（第二ウインドウ層）
１８ａ 傾斜面

Claims (7)

1. 半導体基板上に、少なくとも光取り出し層とクラッド層及び活性層を有する発光部とを備えたエピタキシャル層が形成され、前記エピタキシャル層上の一部に接触抵抗低減のためのオ−ミックコンタクト接合部が配置され、前記オーミックコンタクト接合部に接続されて前記発光部の光を反射する反射金属膜が形成され、前記反射金属膜を介して支持基板が接合され、更に前記半導体基板が取り除かれ、前記エピタキシャル層側に第一の電極、前記支持基板側に第二の電極が形成された半導体発光素子において、
   前記発光部の上部に位置する前記光取り出し層の表面に凹凸状の傾斜した面が形成され、前記凹凸状の傾斜した面が、傾斜角度の異なる２つ以上の傾斜面から構成されている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、前記第一の電極の直下にのみ前記活性層よりもバンドギャップエネルギーが小さく且つ前記発光部で発光した光に対して不透明な材料からなるコンタクト層が設けられ、前記コンタクト層の膜厚が、５ｎｍ〜２００ｎｍ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または２に記載の半導体発光素子において、前記発光部の一部である前記活性層は、（Ａｌ_ＸＧａ_１−Ｘ）_ＹＩｎ_１−ＹＰ層（０≦Ｘ≦０.５、０.４≦Ｙ≦０.６）か
   らなる多重量子井戸構造若しくは歪多重量子井戸構造であり、且つ前記（Ａｌ_ＸＧａ_１−Ｘ）_ＹＩｎ_１−ＹＰ層が２０層〜１６０層で構成されていることを特徴とする半導体発光素子。
4. 請求項１乃至３に記載の半導体発光素子において、前記光取り出し層が、Ｐ系層とＡｓ系層とがそれぞれ１層以上の半導体層から構成され、これら半導体層の内、最も前記第一の電極側に位置する半導体層の膜厚が５０ｎｍ〜１０００ｎｍ以下であることを特徴とする半導体発光素子。
5. 請求項１乃至４に記載の半導体発光素子において、前記エピタキシャル層上の一部に配置される前記オーミックコンタクト接合部の面積が２０％以下であることを特徴とする半導体発光素子。
6. 請求項１乃至５に記載の半導体発光素子において、前記オーミックコンタクト接合部とこれに近接する前記クラッド層との間に、前記クラッド層側からＧａ_ＸＩｎ_１−ＸＰ（但し、０.６≦Ｘ）からなる介在層と、Ｍｇが添加されたＧａＰ層と、アンドープＧａＰ層
   と、Ｚｎが添加されたＧａＰ層とが設けられていることを特徴とする半導体発光素子。
7. 請求項１乃至６に記載の半導体発光素子において、前記オーミックコンタクト接合部以外の前記反射金属膜と前記Ｚｎが添加されたＧａＰ層との間の部分に、酸化物層が設けられ、前記酸化物層の膜厚は、膜厚ｄ＝定数Ａ×波長λｐ／（４×屈折率ｎ）の関係式（但し、定数Ａは奇数）により求まる膜厚ｄの±３０％の範囲にあり、前記オーミックコンタクト接合部の膜厚も、前記酸化物層の膜厚と略一致することを特徴とする半導体発光素子。

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