JP2014086533A - 発光ダイオードおよびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】指向性に優れ、高輝度発光が可能となる発光ダイオードおよびその製造方法を提供する。
【解決手段】本発明の発光ダイオードは、支持基板１上に、金属反射層２と、下部ＤＢＲ層３ｂ、活性層４及び上部ＤＢＲ層３ａを順に含む化合物半導体層５とを順に含む発光部６を備え、支持基板１と発光部６とが接合されてなることを特徴とする。
【選択図】図１Ｂ
【解決手段】本発明の発光ダイオードは、支持基板１上に、金属反射層２と、下部ＤＢＲ層３ｂ、活性層４及び上部ＤＢＲ層３ａを順に含む化合物半導体層５とを順に含む発光部６を備え、支持基板１と発光部６とが接合されてなることを特徴とする。
【選択図】図１Ｂ
Description
本発明は、発光ダイオードおよびその製造方法に関するものである。
２つのミラーからなる共振器内で発生する定在波の腹が共振器内に配置した発光層に位置するように構成すると共に、光出射側のミラー（上部ＤＢＲ層）の反射率を基板側のミラー（下部ＤＢＲ層）の反射率よりも低く設定することによりレーザ発振させないでＬＥＤモードで動作する、高効率の発光素子である共振器型発光ダイオード（ＲＣＬＥＤ：Resonant-Cavity Light Emitting Diode）が知られている（特許文献１，２）。共振器型発光ダイオードは通常の発光ダイオードと比較して、共振器構造の効果によって、発光スペクトル線幅が狭い、出射光の指向性が高い、自然放出によるキャリア寿命が短いため高速応答が可能である、等の特徴があるため、センサなどに適している。
共振器型発光ダイオードは、上述したように２つのミラー（下部ＤＢＲ層と上部ＤＢＲ層）からなる共振器内で発生する定在波の腹が発光層に位置するように構成されているが、下部ＤＢＲに入射する光のうち垂直方向以外の光に関しては、反射が十分でない場合がある。
そこで、高指向性を維持しつつ、より高出力を有する発光ダイオードのニーズがある。
そこで、高指向性を維持しつつ、より高出力を有する発光ダイオードのニーズがある。
本発明は、上記事情を鑑みてなされたものであり、高指向性及び高出力を有する発光ダイオード、及び、その製造方法を提供することを目的とする。
本発明者らは、上記目的を達成するために鋭意研究を重ねた結果、以下に示す本発明を完成させるに至った。
[１]支持基板上に、金属反射層と、下部ＤＢＲ層、活性層及び上部ＤＢＲ層を順に含む化合物半導体層とを順に含む発光部を備え、
前記支持基板と前記発光部とが接合されてなることを特徴とする発光ダイオード。
[２]前記支持基板は、Ｇｅ基板、金属基板、Ｓｉ基板、ＧａＡｓ基板、ＧａＰ基板、のいずれかを含んでなることを特徴とする上記[１]に記載の発光ダイオード。
[３]前記金属反射層は、金、銅、銀、アルミニウム、Ｐｔ、又はこれらの合金のいずれか一層又は二層以上からなることを特徴とする上記[１]又は[２]のいずれかに記載の発光ダイオード。
[４]前記金属反射層上に形成された拡散防止層及び／又は接合層を介して、前記発光部が前記前記支持基板に接合されていることを特徴とする上記[１]から[３]のいずれか一項に記載の発光ダイオード。
[５]前記下部ＤＢＲ層は、屈折率の異なる２種類の層が交互に１０〜５０対積層されてなることを特徴とする上記[１]から[４]のいずれか一項に記載の発光ダイオード。
[６]前記上部ＤＢＲ層は、屈折率の異なる２種類の層が交互に３〜１０対積層されてなることを特徴とする上記[１]から[５]のいずれか一項に記載の発光ダイオード。
[７]前記屈折率の異なる２種類の層は、組成の異なる２種類の（ＡｌＸｈＧａ１−Ｘｈ）Ｙ３Ｉｎ１−Ｙ３Ｐ（０＜Ｘｈ≦１、Ｙ３＝０．５）、（ＡｌＸｌＧａ１−Ｘｌ）Ｙ３Ｉｎ１−Ｙ３Ｐ；０≦Ｘｌ＜１、Ｙ３＝０．５）の対であり、両者のＡｌの組成差ΔＸ＝ｘh−ｘｌが０．５より大きいか又は等しくなる組み合わせか、又は、ＧａＩｎＰとＡｌＩｎＰの組み合わせか、又は、組成の異なる２種類のＡｌｘｌＧａ１−ｘｌＡｓ（０．１≦ｘｌ≦１）、ＡｌｘｈＧａ１−ｘｈＡｓ（０．１≦ｘｈ≦１）の対であり、両者の組成差ΔＸ＝ｘｈ−ｘｌが０．５より大きいか等しくなる組み合わせかのいずれかから選択されることを特徴とする上記[１]から[６]のいずれか一項に記載の発光ダイオード。
[８]前記活性層に含まれる発光層は、（（ＡｌＸ１Ｇａ１−Ｘ１）Ｙ１Ｉｎ１−Ｙ１Ｐ（０≦Ｘ１≦１，０＜Ｙ１≦１）、（ＡｌＸ２Ｇａ１−Ｘ２）Ａｓ（０≦Ｘ２≦１）、（ＩｎＸ３Ｇａ１−Ｘ３）Ａｓ（０≦Ｘ３≦１））、のいずれかからなることを特徴とする上記[１]から[７]のいずれか一項に記載の発光ダイオード。
前記支持基板と前記発光部とが接合されてなることを特徴とする発光ダイオード。
[２]前記支持基板は、Ｇｅ基板、金属基板、Ｓｉ基板、ＧａＡｓ基板、ＧａＰ基板、のいずれかを含んでなることを特徴とする上記[１]に記載の発光ダイオード。
[３]前記金属反射層は、金、銅、銀、アルミニウム、Ｐｔ、又はこれらの合金のいずれか一層又は二層以上からなることを特徴とする上記[１]又は[２]のいずれかに記載の発光ダイオード。
[４]前記金属反射層上に形成された拡散防止層及び／又は接合層を介して、前記発光部が前記前記支持基板に接合されていることを特徴とする上記[１]から[３]のいずれか一項に記載の発光ダイオード。
[５]前記下部ＤＢＲ層は、屈折率の異なる２種類の層が交互に１０〜５０対積層されてなることを特徴とする上記[１]から[４]のいずれか一項に記載の発光ダイオード。
[６]前記上部ＤＢＲ層は、屈折率の異なる２種類の層が交互に３〜１０対積層されてなることを特徴とする上記[１]から[５]のいずれか一項に記載の発光ダイオード。
[７]前記屈折率の異なる２種類の層は、組成の異なる２種類の（ＡｌＸｈＧａ１−Ｘｈ）Ｙ３Ｉｎ１−Ｙ３Ｐ（０＜Ｘｈ≦１、Ｙ３＝０．５）、（ＡｌＸｌＧａ１−Ｘｌ）Ｙ３Ｉｎ１−Ｙ３Ｐ；０≦Ｘｌ＜１、Ｙ３＝０．５）の対であり、両者のＡｌの組成差ΔＸ＝ｘh−ｘｌが０．５より大きいか又は等しくなる組み合わせか、又は、ＧａＩｎＰとＡｌＩｎＰの組み合わせか、又は、組成の異なる２種類のＡｌｘｌＧａ１−ｘｌＡｓ（０．１≦ｘｌ≦１）、ＡｌｘｈＧａ１−ｘｈＡｓ（０．１≦ｘｈ≦１）の対であり、両者の組成差ΔＸ＝ｘｈ−ｘｌが０．５より大きいか等しくなる組み合わせかのいずれかから選択されることを特徴とする上記[１]から[６]のいずれか一項に記載の発光ダイオード。
[８]前記活性層に含まれる発光層は、（（ＡｌＸ１Ｇａ１−Ｘ１）Ｙ１Ｉｎ１−Ｙ１Ｐ（０≦Ｘ１≦１，０＜Ｙ１≦１）、（ＡｌＸ２Ｇａ１−Ｘ２）Ａｓ（０≦Ｘ２≦１）、（ＩｎＸ３Ｇａ１−Ｘ３）Ａｓ（０≦Ｘ３≦１））、のいずれかからなることを特徴とする上記[１]から[７]のいずれか一項に記載の発光ダイオード。
[９]支持基板上に、金属反射層と、下部ＤＢＲ層、活性層及び上部ＤＢＲ層を順に含む化合物半導体層とを順に含む発光部を備えた発光ダイオードの製造方法であって、成長用基板上に、上部ＤＢＲ層及び活性層及び下部ＤＢＲ層を順に含む化合物半導体層を形成する工程と、前記化合物半導体層上に金属反射層を形成して発光部を形成する工程と、前記発光部と支持基板とを接合する工程と、前記成長用基板を除去する工程と、を有することを特徴とする発光ダイオードの製造方法。
本発明の発光ダイオードによれば、金属反射層及び下部ＤＢＲ層と上部ＤＢＲ層によって共振器型構造を構成する。当該共振器型構造を備えることにより高指向性を有する。
また、従来の上部ＤＢＲ層と下部ＤＢＲ層のみからなる共振器型構造では、反射側である下部ＤＢＲ層の直上の反射率はほぼ１００％とすることもできるが、斜めから入射する光に対する反射率は例えば、３０度を超えると６０％以下の反射率となる。これに対して、下部ＤＢＲ層の下方にさらに金属反射層を設けることにより、斜めからの入射光に対しても金属反射層により補うことができ、十分に反射させることができる。つまり、基板側から順に金属反射層、下部ＤＢＲ層、上部ＤＢＲ層を有する共振器型構造とすることにより、入射角度によらず、９０％以上の反射率を有するものとすることができ、これにより、本発明の発光ダイオードは、従来の共振器型構造を有する共振器型発光ダイオードよりも高出力となる。
なお、本発明の発光ダイオードは、支持基板と化合物半導体層との間に金属反射層が挟まれた構造となっているが、この構造は、化合物半導体層の成長に用いた成長用基板を除去して、支持基板に改めて、その化合物半導体層を含む発光部を貼り付けた構成を採用することにより可能となったものである。
また、従来の上部ＤＢＲ層と下部ＤＢＲ層のみからなる共振器型構造では、反射側である下部ＤＢＲ層の直上の反射率はほぼ１００％とすることもできるが、斜めから入射する光に対する反射率は例えば、３０度を超えると６０％以下の反射率となる。これに対して、下部ＤＢＲ層の下方にさらに金属反射層を設けることにより、斜めからの入射光に対しても金属反射層により補うことができ、十分に反射させることができる。つまり、基板側から順に金属反射層、下部ＤＢＲ層、上部ＤＢＲ層を有する共振器型構造とすることにより、入射角度によらず、９０％以上の反射率を有するものとすることができ、これにより、本発明の発光ダイオードは、従来の共振器型構造を有する共振器型発光ダイオードよりも高出力となる。
なお、本発明の発光ダイオードは、支持基板と化合物半導体層との間に金属反射層が挟まれた構造となっているが、この構造は、化合物半導体層の成長に用いた成長用基板を除去して、支持基板に改めて、その化合物半導体層を含む発光部を貼り付けた構成を採用することにより可能となったものである。
以下、本発明を適用した実施形態の発光ダイオードおよびその製造方法について、図を用いてその構成を説明する。なお、以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などは実際と同じであるとは限らない。また、以下の説明において例示される材料、寸法等は一例であって、本発明はそれらに限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲で適宜変更して実施することが可能である。
［発光ダイオード］
図１Ａは、本発明を適用した一実施形態の発光ダイオードの一例を示す断面模式図である。
本実施形態の発光ダイオード１００は、支持基板１上に、金属反射層２と、下部ＤＢＲ層３ｂ、活性層４、及び上部ＤＢＲ層３aを順に含む化合物半導体層５とを順に含む発光部６を備え、支持基板１と発光部６とが接合されてなる、ことを特徴とする。
図１で示す例では、金属反射層２と下部ＤＢＲ層３ｂとの間には下部電流拡散層７が、そして上部ＤＢＲ層３ａとコンタクト層８との間には上部電流拡散層９が形成されている。また、図１Ａで示す例では、化合物半導体層５の支持基板１の反対側には、コンタクト層８を介して表面電極１２が設けられており、支持基板１の金属反射層２の反対側には裏面電極１３設けられているが、電極の形態は特に限定せず、例えば、金属反射層２と下部電流拡散層７との間に透光膜（ＳｉＯ２膜）が成膜され、当該透光膜にｐ型のオーミック電極が形成された形態でもよい。
図１Ａは、本発明を適用した一実施形態の発光ダイオードの一例を示す断面模式図である。
本実施形態の発光ダイオード１００は、支持基板１上に、金属反射層２と、下部ＤＢＲ層３ｂ、活性層４、及び上部ＤＢＲ層３aを順に含む化合物半導体層５とを順に含む発光部６を備え、支持基板１と発光部６とが接合されてなる、ことを特徴とする。
図１で示す例では、金属反射層２と下部ＤＢＲ層３ｂとの間には下部電流拡散層７が、そして上部ＤＢＲ層３ａとコンタクト層８との間には上部電流拡散層９が形成されている。また、図１Ａで示す例では、化合物半導体層５の支持基板１の反対側には、コンタクト層８を介して表面電極１２が設けられており、支持基板１の金属反射層２の反対側には裏面電極１３設けられているが、電極の形態は特に限定せず、例えば、金属反射層２と下部電流拡散層７との間に透光膜（ＳｉＯ２膜）が成膜され、当該透光膜にｐ型のオーミック電極が形成された形態でもよい。
＜金属反射層＞
金属反射層２は、後述する発光層４３からの光を金属反射層２で正面方向ｆへ反射させて、正面方向ｆでの光取り出し効率を向上させることができ、これにより、発光ダイオードをより高輝度化できる。
金属反射層２の材料としては、ＡｇＰｄＣｕ合金（ＡＰＣ）、金、銅、銀、アルミニウム、Ｐｔなどの金属、又はこれらの合金等の一層又は二層以上を用いることができる。
金属反射層２は、後述する発光層４３からの光を金属反射層２で正面方向ｆへ反射させて、正面方向ｆでの光取り出し効率を向上させることができ、これにより、発光ダイオードをより高輝度化できる。
金属反射層２の材料としては、ＡｇＰｄＣｕ合金（ＡＰＣ）、金、銅、銀、アルミニウム、Ｐｔなどの金属、又はこれらの合金等の一層又は二層以上を用いることができる。
＜下部電流拡散層＞
下部電流拡散層７は、電流拡散とともに接合ダメージの活性層への伝播の抑制を目的として配置するものであり、材料としては、ＧａＰの他、発光波長に対し透明なＡｌＧａＩｎＰ、ＡｌＧａＡｓ等を用いることができる。
下部電流拡散層７は、電流拡散とともに接合ダメージの活性層への伝播の抑制を目的として配置するものであり、材料としては、ＧａＰの他、発光波長に対し透明なＡｌＧａＩｎＰ、ＡｌＧａＡｓ等を用いることができる。
＜下部ＤＢＲ層＞
下部ＤＢＲ（Distributed Bragg Reflector）層３ｂは、λ／（４ｎ）の膜厚で（λ：反射すべき光の真空中での波長、ｎ：層材料の屈折率）、屈折率が異なる２種類の層を交互に積層した多層膜からなるものである。反射率は２種類の屈折率の差が大きいと、比較的少ない層数の多層膜で高反射率が得られる。通常の反射膜のようにある面で反射されるのでなく、多層膜の全体として光の干渉現象に基づき反射が起きることが特徴である。
下部ＤＢＲ層３ｂの材料は発光波長に対して透明であることが好ましく、又、下部ＤＢＲ層を構成する２種類の材料の屈折率の差が大きくなる組み合わせとなるよう選択されるのが好ましい。
下部ＤＢＲ（Distributed Bragg Reflector）層３ｂは、λ／（４ｎ）の膜厚で（λ：反射すべき光の真空中での波長、ｎ：層材料の屈折率）、屈折率が異なる２種類の層を交互に積層した多層膜からなるものである。反射率は２種類の屈折率の差が大きいと、比較的少ない層数の多層膜で高反射率が得られる。通常の反射膜のようにある面で反射されるのでなく、多層膜の全体として光の干渉現象に基づき反射が起きることが特徴である。
下部ＤＢＲ層３ｂの材料は発光波長に対して透明であることが好ましく、又、下部ＤＢＲ層を構成する２種類の材料の屈折率の差が大きくなる組み合わせとなるよう選択されるのが好ましい。
下部ＤＢＲ層３ｂは、屈折率の異なる２種類の層３ｂａ、３ｂｂが交互に１０〜５０対積層されてなるのが好ましい。１０対以下である場合は反射率が低すぎるために出力の増大に寄与せず、５０対以上にしてもさらなる反射率の増大は小さいからである。
下部ＤＢＲ層３ｂを構成する屈折率の異なる２種類の層３ｂａ、３ｂｂは、組成の異なる２種類の（ＡｌＸｈＧａ１−Ｘｈ）Ｙ３Ｉｎ１−Ｙ３Ｐ（０＜Ｘｈ≦１、Ｙ３＝０．５）、（ＡｌＸｌＧａ１−Ｘｌ）Ｙ３Ｉｎ１−Ｙ３Ｐ；０≦Ｘｌ＜１、Ｙ３＝０．５）の対であり、両者のＡｌの組成差ΔＸ＝ｘh−ｘｌが０．５より大きいか又は等しくなる組み合わせか、又は、ＧａＩｎＰとＡｌＩｎＰの組み合わせか、又は、組成の異なる２種類のＡｌｘｌＧａ１−ｘｌＡｓ（０．１≦ｘｌ≦１）、ＡｌｘｈＧａ１−ｘｈＡｓ（０．１≦ｘｈ≦１）の対であり、両者の組成差ΔＸ＝ｘｈ−ｘｌが０．５より大きいか等しくなる組み合わせかのいずれかから選択されるのが効率よく高い反射率が得られることから望ましい。
組成の異なるＡｌＧａＩｎＰの組み合わせは、結晶欠陥を生じやすいＡｓを含まないので好ましく、ＧａＩｎＰとＡｌＩｎＰはその中で屈折率差を最も大きくとれるので、反射層の数を少なくすることができ、組成の切り替えも単純であるので好ましい。また、ＡｌＧａＡｓは、大きな屈折率差をとりやすいという利点がある。
下部ＤＢＲ層３ｂを構成する屈折率の異なる２種類の層３ｂａ、３ｂｂは、組成の異なる２種類の（ＡｌＸｈＧａ１−Ｘｈ）Ｙ３Ｉｎ１−Ｙ３Ｐ（０＜Ｘｈ≦１、Ｙ３＝０．５）、（ＡｌＸｌＧａ１−Ｘｌ）Ｙ３Ｉｎ１−Ｙ３Ｐ；０≦Ｘｌ＜１、Ｙ３＝０．５）の対であり、両者のＡｌの組成差ΔＸ＝ｘh−ｘｌが０．５より大きいか又は等しくなる組み合わせか、又は、ＧａＩｎＰとＡｌＩｎＰの組み合わせか、又は、組成の異なる２種類のＡｌｘｌＧａ１−ｘｌＡｓ（０．１≦ｘｌ≦１）、ＡｌｘｈＧａ１−ｘｈＡｓ（０．１≦ｘｈ≦１）の対であり、両者の組成差ΔＸ＝ｘｈ−ｘｌが０．５より大きいか等しくなる組み合わせかのいずれかから選択されるのが効率よく高い反射率が得られることから望ましい。
組成の異なるＡｌＧａＩｎＰの組み合わせは、結晶欠陥を生じやすいＡｓを含まないので好ましく、ＧａＩｎＰとＡｌＩｎＰはその中で屈折率差を最も大きくとれるので、反射層の数を少なくすることができ、組成の切り替えも単純であるので好ましい。また、ＡｌＧａＡｓは、大きな屈折率差をとりやすいという利点がある。
＜活性層＞
本実施形態において、化合物半導体層５は、金属反射層２上に、下部電流拡散層７、下部ＤＢＲ層３ｂ、活性層４及び上部ＤＢＲ層３ａを順に含むことを特徴とする。
活性層４は、図２に示すように、下部クラッド層４１、下部ガイド層４２、発光層４３、上部ガイド層４４、上部クラッド層４５が順次積層されて構成されている。すなわち、活性層４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４３に「閉じ込める」ために、発光層４３の下側及び上側に対峙して配置した下部クラッド層４１、下部ガイド層４２、及び上部ガイド層４４、上部クラッド層４５を含む、所謂、ダブルヘテロ（英略称：ＤＨ）構造とすることが高強度の発光を得る上で好ましい。
本実施形態において、化合物半導体層５は、金属反射層２上に、下部電流拡散層７、下部ＤＢＲ層３ｂ、活性層４及び上部ＤＢＲ層３ａを順に含むことを特徴とする。
活性層４は、図２に示すように、下部クラッド層４１、下部ガイド層４２、発光層４３、上部ガイド層４４、上部クラッド層４５が順次積層されて構成されている。すなわち、活性層４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４３に「閉じ込める」ために、発光層４３の下側及び上側に対峙して配置した下部クラッド層４１、下部ガイド層４２、及び上部ガイド層４４、上部クラッド層４５を含む、所謂、ダブルヘテロ（英略称：ＤＨ）構造とすることが高強度の発光を得る上で好ましい。
図２に示すように、発光層４３は、発光ダイオード（ＬＥＤ）の発光波長を制御するため、量子井戸構造を構成することができる。すなわち、発光層４３は、バリア層（障壁層ともいう）４８を両端に有する、井戸層４７とバリア層４８との多層構造（積層構造）とすることができる。
発光層４３の層厚は、０．０２〜２μｍの範囲であることが好ましい。発光層４３の伝導型は特に限定されるものではなく、アンドープ、ｐ型及びｎ型のいずれも選択することができる。発光効率を高めるには、結晶性が良好なアンドープ又は３×１０１７ｃｍ−３未満のキャリア濃度とすることが望ましい。
井戸層４７の材料としては、（（ＡｌＸ１Ｇａ１−Ｘ１）Ｙ１Ｉｎ１−Ｙ１Ｐ（０≦Ｘ１≦１，０＜Ｙ１≦１）、（ＡｌＸ２Ｇａ１−Ｘ２）Ａｓ（０≦Ｘ２≦１）、（ＩｎＸ３Ｇａ１−Ｘ３）Ａｓ（０≦Ｘ３≦１））等を用いることができる。
井戸層４７の層厚は、３〜３０ｎｍの範囲が好適である。より好ましくは、３〜１０ｎｍの範囲である。
バリア層（障壁層）４８の材料としては、井戸層４７の材料に対して適した材料を選択するのが好ましい。バリア層４８での吸収を防止して発光効率を高めるため、井戸層４７よりもバンドギャップが大きくなる組成とするのが好ましい。
例えば、井戸層４７の材料としてＡｌＧａＡｓ又はＩｎＧａＡｓを用いた場合にはバリア層４８の材料としてＡｌＧａＡｓやＡｌＧａＩｎＰが好ましい。バリア層１８の材料としてＡｌＧａＩｎＰを用いた場合、欠陥を作りやすいＡｓを含まないので結晶性が高く、高出力に寄与する。
井戸層４７の材料として（ＡｌＸ１Ｇａ１−Ｘ１）Ｙ１Ｉｎ１−Ｙ１Ｐ（０≦Ｘ１≦１，０＜Ｙ１≦１）を用いた場合、バリア層４８の材料としてよりＡｌ組成の高い（ＡｌＸ４Ｇａ１−Ｘ４）Ｙ１Ｉｎ１−Ｙ１Ｐ（０≦Ｘ４≦１，０＜Ｙ１≦１，Ｘ１＜Ｘ４）、または井戸層４７の（ＡｌＸ１Ｇａ１−Ｘ１）Ｙ１Ｉｎ１−Ｙ１Ｐ（０≦Ｘ１≦１，０＜Ｙ１≦１）よりバンドギャップエネルギーが大きくなるＡｌＧａＡｓを用いることができる。
井戸層４７の材料として（ＡｌＸ１Ｇａ１−Ｘ１）Ｙ１Ｉｎ１−Ｙ１Ｐ（０≦Ｘ１≦１，０＜Ｙ１≦１）を用いた場合、バリア層４８の材料としてよりＡｌ組成の高い（ＡｌＸ４Ｇａ１−Ｘ４）Ｙ１Ｉｎ１−Ｙ１Ｐ（０≦Ｘ４≦１，０＜Ｙ１≦１，Ｘ１＜Ｘ４）、または井戸層４７の（ＡｌＸ１Ｇａ１−Ｘ１）Ｙ１Ｉｎ１−Ｙ１Ｐ（０≦Ｘ１≦１，０＜Ｙ１≦１）よりバンドギャップエネルギーが大きくなるＡｌＧａＡｓを用いることができる。
バリア層４８の層厚は、井戸層４７の層厚と等しいか又は井戸層４７の層厚より厚いのが好ましい。トンネル効果が生じる層厚範囲で十分に厚くすることにより、トンネル効果による井戸層間への広がりが抑制されてキャリアの閉じ込め効果が増大し、電子と正孔の発光再結合確率が大きくなり、発光出力の向上を図ることができる。
井戸層４７とバリア層４８との多層構造において、井戸層４７とバリア層４８とを交互に積層する対の数は特に限定されるものではないが、２対以上４０対以下であることが好ましい。すなわち、活性層４１には、井戸層４７が２〜４０層含まれていることが好ましい。ここで、活性層４１の発光効率が好適な範囲としては、井戸層４７が５層以上であることが好ましい。一方、井戸層４７及びバリア層４８は、キャリア濃度が低いため、多くの対にすると順方向電圧（ＶＦ）が増大してしまう。このため、４０対以下であることが好ましく、２０対以下であることがより好ましい。
下部ガイド層４２及び上部ガイド層４４は、図２に示すように、発光層４３の下面及び上面にそれぞれ設けられている。具体的には、発光層４３の下面に下部ガイド層４２が設けられ、発光層４３の上面に上部ガイド層４４が設けられている。
下部ガイド層４２および上部ガイド層４４の材料としては、公知の化合物半導体材料を用いることができ、発光層４３の材料に対して適した材料を選択するのが好ましい。例えば、ＡｌＧａＡｓ、ＡｌＧａＩｎＰを用いることができる。
例えば、井戸層４７の材料としてＡｌＧａＡｓ又はＩｎＧａＡｓを用い、バリア層４８の材料としてＡｌＧａＡｓ又はＡｌＧａＩｎＰを用いた場合、下部ガイド層４２および上部ガイド層４４の材料としてはＡｌＧａＡｓ又はＡｌＧａＩｎＰが好ましい。下部ガイド層４２および上部ガイド層４４の材料としてＡｌＧａＩｎＰを用いた場合、欠陥を作りやすいＡｓを含まないので結晶性が高く、高出力に寄与する。
井戸層４７の材料として（ＡｌＸ１Ｇａ１−Ｘ１）Ｙ１Ｉｎ１−Ｙ１Ｐ（０≦Ｘ１≦１，０＜Ｙ１≦１）を用いた場合、ガイド層４４の材料としてよりＡｌ組成の高い（ＡｌＸ４Ｇａ１−Ｘ４）Ｙ１Ｉｎ１−Ｙ１Ｐ（０≦Ｘ４≦１，０＜Ｙ１≦１，Ｘ１＜Ｘ４）または井戸層（ＡｌＸ１Ｇａ１−Ｘ１）Ｙ１Ｉｎ１−Ｙ１Ｐ（０≦Ｘ１≦１，０＜Ｙ１≦１）よりバンドギャップエネルギーが大きくなるＡｌＧａＡｓを用いることができる。
井戸層４７の材料として（ＡｌＸ１Ｇａ１−Ｘ１）Ｙ１Ｉｎ１−Ｙ１Ｐ（０≦Ｘ１≦１，０＜Ｙ１≦１）を用いた場合、ガイド層４４の材料としてよりＡｌ組成の高い（ＡｌＸ４Ｇａ１−Ｘ４）Ｙ１Ｉｎ１−Ｙ１Ｐ（０≦Ｘ４≦１，０＜Ｙ１≦１，Ｘ１＜Ｘ４）または井戸層（ＡｌＸ１Ｇａ１−Ｘ１）Ｙ１Ｉｎ１−Ｙ１Ｐ（０≦Ｘ１≦１，０＜Ｙ１≦１）よりバンドギャップエネルギーが大きくなるＡｌＧａＡｓを用いることができる。
下部ガイド層４２及び上部ガイド層４４は、夫々、下部クラッド層４１及び上部クラッド層１５と活性層４１との欠陥の伝搬を低減するために設けられている。このため、下部ガイド層４２および上部ガイド層４４の層厚は１０ｎｍ以上が好ましく、２０ｎｍ〜１００ｎｍがより好ましい。
下部ガイド層４２及び上部ガイド層４４の伝導型は特に限定されるものではなく、アンドープ、ｐ型及びｎ型のいずれも選択することができる。発光効率を高めるには、結晶性が良好なアンドープ又は３×１０１７ｃｍ−３未満のキャリア濃度とすることが望ましい。
下部クラッド層４１及び上部クラッド層４５は、図２に示すように、下部ガイド層４２の下面及び上部ガイド層４４上面にそれぞれ設けられている。
下部クラッド層４１及び上部クラッド層４５の材料としては、公知の化合物半導体材料を用いることができ、発光層４３の材料に対して適した材料を選択するのが好ましい。例えば、ＡｌＧａＡｓ、ＡｌＧａＩｎＰを用いることができる。
例えば、井戸層４７の材料としてＡｌＧａＡｓ又はＩｎＧａＡｓを用い、バリア層４８の材料としてＡｌＧａＡｓ又はＡｌＧａＩｎＰを用いた場合、下部クラッド層４１及び上部クラッド層４５の材料としてはＡｌＧａＡｓ又はＡｌＧａＩｎＰが好ましい。下部クラッド層４１及び上部クラッド層４５の材料としてＡｌＧａＩｎＰを用いた場合、欠陥を作りやすいＡｓを含まないので結晶性が高く、高出力に寄与する。
井戸層４７の材料として（ＡｌＸ１Ｇａ１−Ｘ１）Ｙ１Ｉｎ１−Ｙ１Ｐ（０≦Ｘ１≦１，０＜Ｙ１≦１）を用いた場合、クラッド層４５の材料としてよりＡｌ組成の高い（ＡｌＸ４Ｇａ１−Ｘ４）Ｙ１Ｉｎ１−Ｙ１Ｐ（０≦Ｘ４≦１，０＜Ｙ１≦１，Ｘ１＜Ｘ４）または井戸層（ＡｌＸ１Ｇａ１−Ｘ１）Ｙ１Ｉｎ１−Ｙ１Ｐ（０≦Ｘ１≦１，０＜Ｙ１≦１）よりバンドギャップエネルギーが大きくなるＡｌＧａＡｓを用いることができる。
井戸層４７の材料として（ＡｌＸ１Ｇａ１−Ｘ１）Ｙ１Ｉｎ１−Ｙ１Ｐ（０≦Ｘ１≦１，０＜Ｙ１≦１）を用いた場合、クラッド層４５の材料としてよりＡｌ組成の高い（ＡｌＸ４Ｇａ１−Ｘ４）Ｙ１Ｉｎ１−Ｙ１Ｐ（０≦Ｘ４≦１，０＜Ｙ１≦１，Ｘ１＜Ｘ４）または井戸層（ＡｌＸ１Ｇａ１−Ｘ１）Ｙ１Ｉｎ１−Ｙ１Ｐ（０≦Ｘ１≦１，０＜Ｙ１≦１）よりバンドギャップエネルギーが大きくなるＡｌＧａＡｓを用いることができる。
下部クラッド層４１と上部クラッド層４５とは、極性が異なるように構成されている。また、下部クラッド層４１及び上部クラッド層４５のキャリア濃度及び厚さは、公知の好適な範囲を用いることができ、活性層４１の発光効率が高まるように条件を最適化することが好ましい。なお、下部および上部クラッド層は設けなくてもよい。
なお、本実施形態においては、下部ＤＢＲ層３ｂと活性層４との間に、ＡｌＧａＡｓや、ＡｌＧａＩｎＰ等の半導体層を適宜設けてもよい。
＜上部ＤＢＲ層＞
上部ＤＢＲ層３ａも、上記下部ＤＢＲ層３ｂと同様の層構造を用いることができるが、上部ＤＢＲ層３ａを透過させて光を射出する必要があるので、下部ＤＢＲ層３ｂよりも反射率が低くなるように構成する。具体的には、下部ＤＢＲ層３ｂと同じ材料からなる場合、下部ＤＢＲ層３ｂよりも層数が少なくなるように、屈折率の異なる２種類の層が交互に３〜１０対積層されてなるのが好ましい。２対以下である場合は反射率が低すぎるために出力の増大に寄与せず、１１対以上にすると上部ＤＢＲ層３ａを透過する光量が低下しすぎるからである。
上部ＤＢＲ層３ａも、上記下部ＤＢＲ層３ｂと同様の層構造を用いることができるが、上部ＤＢＲ層３ａを透過させて光を射出する必要があるので、下部ＤＢＲ層３ｂよりも反射率が低くなるように構成する。具体的には、下部ＤＢＲ層３ｂと同じ材料からなる場合、下部ＤＢＲ層３ｂよりも層数が少なくなるように、屈折率の異なる２種類の層が交互に３〜１０対積層されてなるのが好ましい。２対以下である場合は反射率が低すぎるために出力の増大に寄与せず、１１対以上にすると上部ＤＢＲ層３ａを透過する光量が低下しすぎるからである。
上部ＤＢＲ層３ａを構成する屈折率の異なる２種類の層３ａａ、３ａｂは、上記下部ＤＢＲ層３ｂと同様に、組成の異なる２種類の（ＡｌＸｈＧａ１−Ｘｈ）Ｙ３Ｉｎ１−Ｙ３Ｐ（０＜Ｘｈ≦１、Ｙ３＝０．５）、（ＡｌＸｌＧａ１−Ｘｌ）Ｙ３Ｉｎ１−Ｙ３Ｐ；０≦Ｘｌ＜１、Ｙ３＝０．５）の対であり、両者のＡｌの組成差ΔＸ＝ｘh−ｘｌが０．５より大きいか又は等しくなる組み合わせか、又は、ＧａＩｎＰとＡｌＩｎＰの組み合わせか、又は、組成の異なる２種類のＡｌｘｌＧａ１−ｘｌＡｓ（０．１≦ｘｌ≦１）、ＡｌｘｈＧａ１−ｘｈＡｓ（０．１≦ｘｈ≦１）の対であり、両者の組成差ΔＸ＝ｘｈ−ｘｌが０．５より大きいか等しくなる組み合わせかのいずれかから選択されるのが効率よく高い反射率が得られることから望ましい。
組成の異なるＡｌＧａＩｎＰの組み合わせは、結晶欠陥を生じやすいＡｓを含まないので好ましく、ＧａＩｎＰとＡｌＩｎＰはその中で屈折率差を最も大きくとれるので、反射層の数を少なくすることができ、組成の切り替えも単純であるので好ましい。また、ＡｌＧａＡｓは、大きな屈折率差をとりやすいという利点がある。
組成の異なるＡｌＧａＩｎＰの組み合わせは、結晶欠陥を生じやすいＡｓを含まないので好ましく、ＧａＩｎＰとＡｌＩｎＰはその中で屈折率差を最も大きくとれるので、反射層の数を少なくすることができ、組成の切り替えも単純であるので好ましい。また、ＡｌＧａＡｓは、大きな屈折率差をとりやすいという利点がある。
＜上部電流拡散層＞
上部電流拡散層９は、下部電流拡散層７と同様に、電流拡散を目的として配置するものであり、材料としては、ＧａＰの他、発光波長に対し透明なＡｌＧａＩｎＰ、ＡｌＧａＡｓ等を用いることができる。
上部電流拡散層９は、下部電流拡散層７と同様に、電流拡散を目的として配置するものであり、材料としては、ＧａＰの他、発光波長に対し透明なＡｌＧａＩｎＰ、ＡｌＧａＡｓ等を用いることができる。
＜コンタクト層＞
コンタクト層８は、表面電極１２との接触抵抗を低下させるために設けられている。コンタクト層８の材料は、発光層４３よりバンドギャップの大きい材料であることが好ましい。また、コンタクト層８のキャリア濃度の下限値は、電極との接触抵抗を低下させるために５×１０１７ｃｍ−３以上であることが好ましく、１×１０１８ｃｍ−３以上がより好ましい。キャリア濃度の上限値は、結晶性の低下が起こりやすくなる２×１０１９ｃｍ−３以下が望ましい。コンタクト層５の厚さは、０．０５μｍ以上が好ましい。コンタクト層５の厚さの上限値は特に限定されないが、エピタキシャル成長に係るコストを適正範囲にするため、１０μｍ以下とすることが望ましい。
コンタクト層８は、表面電極１２との接触抵抗を低下させるために設けられている。コンタクト層８の材料は、発光層４３よりバンドギャップの大きい材料であることが好ましい。また、コンタクト層８のキャリア濃度の下限値は、電極との接触抵抗を低下させるために５×１０１７ｃｍ−３以上であることが好ましく、１×１０１８ｃｍ−３以上がより好ましい。キャリア濃度の上限値は、結晶性の低下が起こりやすくなる２×１０１９ｃｍ−３以下が望ましい。コンタクト層５の厚さは、０．０５μｍ以上が好ましい。コンタクト層５の厚さの上限値は特に限定されないが、エピタキシャル成長に係るコストを適正範囲にするため、１０μｍ以下とすることが望ましい。
ここで、上述してきた金属反射層２及び化合物半導体層５（下部電流拡散層７、下部ＤＢＲ層３ｂ、活性層４、上部ＤＢＲ層３ａ、上部電流拡散層９、コンタクト層８）の構造には、公知の機能層を適時加えることができる。例えば、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公知の層構造を設けることができる。
また、表面電極１２及び裏面電極１３については、それぞれ公知の電極材料を用いることができるが、表面電極１２としては、ＡｕＧｅＮｉを用いることができ、裏面電極１３としてはＡｕＢｅを用いることができる。
ここで、上述してきたような図１Ａで示す半導体装置では、支持基板１の金属反射層２の反対側に裏面電極１３を設ける例を示したが、本実施形態における表面電極１２及び裏面電極１３の形態は特に限定しない。例えば、図１Ｂに示すように、金属反射層２と下部電流拡散層７との間に透光膜（ＳｉＯ２膜）１４が成膜され、当該透光膜１４にオーミック電極１５が形成された形態でもよい。
なお、図１Ｂにおいては、図１Ａに示す半導体装置における部材と同一の部材については同一の符号を付して示している。
なお、図１Ｂにおいては、図１Ａに示す半導体装置における部材と同一の部材については同一の符号を付して示している。
＜支持基板＞
本実施形態における支持基板１としては、Ｇｅ基板、金属基板、Ｓｉ基板、ＧａＡｓ基板、ＧａＰ基板等を用いることができる。
以下、それぞれの基板を用いた場合について説明する。
本実施形態における支持基板１としては、Ｇｅ基板、金属基板、Ｓｉ基板、ＧａＡｓ基板、ＧａＰ基板等を用いることができる。
以下、それぞれの基板を用いた場合について説明する。
図３は、本実施形態の発光ダイオードにおいて、支持基板１としてＧｅ基板５１とした例の断面模式図である。
支持基板１としてＧｅ基板５１を用いた場合、後述する接合層１０側のおもて面にＴｉ／Ａｕ／Ｉｎでなる層５２を配置し、裏面にＴｉ／Ａｕでなる層５３を配置することで、本実施形態に係る支持基板１に適用することができる。
なお、上記層５２及び層５３の材料としては、他にもＧｅと密着性がよい金属層、例えばＰｔやＡｕを用いることができる。
支持基板１としてＧｅ基板５１を用いた場合、後述する接合層１０側のおもて面にＴｉ／Ａｕ／Ｉｎでなる層５２を配置し、裏面にＴｉ／Ａｕでなる層５３を配置することで、本実施形態に係る支持基板１に適用することができる。
なお、上記層５２及び層５３の材料としては、他にもＧｅと密着性がよい金属層、例えばＰｔやＡｕを用いることができる。
「金属基板」
支持基板１として金属基板を用いる場合、複数の金属層（金属板）を積層した構造とすることができる。
複数の金属層（金属板）を積層した構造とする場合、２種類の金属層が交互に積層されてなるのが好ましく、特に、この２種類の金属層（例えば、これらを第1の金属層、第２の金属層という）の層数は合わせて奇数とするのが好ましい。
例えば、前記２種類の金属層を第1の金属層６１ｂ、第２の金属層６１ａとし、層数を３層とした場合は、図４に示すような構造となる。
支持基板１として金属基板を用いる場合、複数の金属層（金属板）を積層した構造とすることができる。
複数の金属層（金属板）を積層した構造とする場合、２種類の金属層が交互に積層されてなるのが好ましく、特に、この２種類の金属層（例えば、これらを第1の金属層、第２の金属層という）の層数は合わせて奇数とするのが好ましい。
例えば、前記２種類の金属層を第1の金属層６１ｂ、第２の金属層６１ａとし、層数を３層とした場合は、図４に示すような構造となる。
図４に示すように、第２の金属層６１ａを第1の金属層６１ｂで挟んだ金属基板とした場合、金属基板の反りや割れの観点から、第２の金属層６１ａとして化合物半導体層５（図４には図示せず）より熱膨張係数が小さい材料を用いるときは、第１の金属層６１ｂを化合物半導体層より熱膨張係数が大きい材料からなるものを用いるのが好ましい。金属基板全体としての熱膨張係数が化合物半導体層５の熱膨張係数に近いものとなるため、化合物半導体層５と金属基板とを接合する際の金属基板の反りや割れを抑制することができ、発光ダイオードの製造歩留まりを向上させることができるからである。同様に、第２の金属層６１ａとして化合物半導体層５より熱膨張係数が大きい材料を用いるときは、第１の金属層６１ｂを化合物半導体層５より熱膨張係数が小さい材料からなるものを用いるのが好ましい。金属基板全体としての熱膨張係数が化合物半導体層５の熱膨張係数に近いものとなるため、化合物半導体層５と金属基板とを接合する際の金属基板の反りや割れを抑制でき、発光ダイオードの製造歩留まりを向上できるからである。
２種類の金属層としては、例えば、銀（熱膨張係数＝１８．９ｐｐｍ／Ｋ）、銅（熱膨張係数＝１６．５ｐｐｍ／Ｋ）、金（熱膨張係数＝１４．２ｐｐｍ／Ｋ）、アルミニウム（熱膨張係数＝２３．１ｐｐｍ／Ｋ）、ニッケル（熱膨張係数＝１３．４ｐｐｍ／Ｋ）およびこれらの合金のいずれかからなる金属層と、モリブデン（熱膨張係数＝５．１ｐｐｍ／Ｋ）、タングステン（熱膨張係数＝４．３ｐｐｍ／Ｋ）、クロム（熱膨張係数＝４．９ｐｐｍ／Ｋ）およびこれらの合金のいずれかからなる金属層との組み合わせを用いることができる。
好適な例としては、Ｃｕ／Ｍｏ／Ｃｕの３層からなる金属基板があげられる。上記の観点ではＭｏ／Ｃｕ／Ｍｏの３層からなる金属基板でも同様な効果が得られるが、Ｃｕ／Ｍｏ／Ｃｕの３層からなる金属基板は、機械的強度が高いＭｏを加工しやすいＣｕで挟んだ構成なので、Ｍｏ／Ｃｕ／Ｍｏの３層からなる金属基板よりも切断等の加工が容易であるという利点がある。
好適な例としては、Ｃｕ／Ｍｏ／Ｃｕの３層からなる金属基板があげられる。上記の観点ではＭｏ／Ｃｕ／Ｍｏの３層からなる金属基板でも同様な効果が得られるが、Ｃｕ／Ｍｏ／Ｃｕの３層からなる金属基板は、機械的強度が高いＭｏを加工しやすいＣｕで挟んだ構成なので、Ｍｏ／Ｃｕ／Ｍｏの３層からなる金属基板よりも切断等の加工が容易であるという利点がある。
金属基板全体としての熱膨張係数は例えば、Ｃｕ（３０μｍ）／Ｍｏ（２５μｍ）／Ｃｕ（３０μｍ）の３層からなる金属基板では６．１ｐｐｍ／Ｋであり、Ｍｏ（２５μｍ）／Ｃｕ（７０μｍ）／Ｍｏ（２５μｍ）の３層からなる金属基板では５．７ｐｐｍ／Ｋとなる。
また、後述する成長用基板に化合物半導体層等を成長させた後に、金属基板を接合してその成長用基板をエッチング液を用いて除去する際に、そのエッチング液による劣化を回避するために、金属基板の上面及び下面を金属保護膜６１ｃで覆うことが好ましい。
金属保護膜６１ｃの材料としては、密着性に優れるクロム、ニッケル、化学的に安定な白金、又は金の少なくともいずれか一つを含む金属からなるものであることが好ましい。
金属保護膜６１ｃは密着性がよいニッケルと耐薬品に優れる金を組み合わせた層からなるのが最適である。
金属保護膜６１ｃの材料としては、密着性に優れるクロム、ニッケル、化学的に安定な白金、又は金の少なくともいずれか一つを含む金属からなるものであることが好ましい。
金属保護膜６１ｃは密着性がよいニッケルと耐薬品に優れる金を組み合わせた層からなるのが最適である。
また、本実施形態における支持基板１としては、上述したようなＧｅ基板または金属基板のほかにも、Ｓｉ基板、ＧａＡｓ基板、ＧａＰ基板のいずれかを用いることができる。
Ｓｉ基板を用いる場合には、例えば、シリコン基板の金属反射層側の表面に、Ｔｉ／Ａｕ／Ｉｎでなる層を配置し、さらにシリコン基板の裏面に、Ｔｉ／Ａｕでなる層を配置することにより適用できる。
Ｓｉ基板を用いる場合には、例えば、シリコン基板の金属反射層側の表面に、Ｔｉ／Ａｕ／Ｉｎでなる層を配置し、さらにシリコン基板の裏面に、Ｔｉ／Ａｕでなる層を配置することにより適用できる。
なお、本実施形態においては、金属反射層２の基板側上に拡散防止層１１及び／又は接合層１０を配置して、発光部６が支持基板１に接合されていてもよい。
＜拡散防止層＞
拡散防止層１１は、支持基板１に含まれる金属が拡散して、金属反射層２と反応するのを抑制することができる。
拡散防止層１１の材料としては、ニッケル、チタン、白金、クロム、タンタル、タングステン、モリブデン等を用いることができる。
拡散防止層１１は、２種類以上の金属の組み合わせ、たとえば白金とチタンの組み合わせなどにより、拡散防止の性能を向上させることができる。
なお、拡散防止層１１を設けなくても、後述する接合層にそれらの材料を添加することにより接合層に拡散防止層１１と同様な機能を持たせることもできる。
拡散防止層１１は、支持基板１に含まれる金属が拡散して、金属反射層２と反応するのを抑制することができる。
拡散防止層１１の材料としては、ニッケル、チタン、白金、クロム、タンタル、タングステン、モリブデン等を用いることができる。
拡散防止層１１は、２種類以上の金属の組み合わせ、たとえば白金とチタンの組み合わせなどにより、拡散防止の性能を向上させることができる。
なお、拡散防止層１１を設けなくても、後述する接合層にそれらの材料を添加することにより接合層に拡散防止層１１と同様な機能を持たせることもできる。
＜接合層＞
接合層１０は、活性層４を含む化合物半導体層５等を支持基板１に接合するための層である。
接合層１０の材料としては、化学的に安定で、融点の低いＡｕ系の共晶金属などが用いられる。Ａｕ系の共晶金属としては、例えば、ＡｕＧｅ、ＡｕＳｎ、ＡｕＳｉ、ＡｕＩｎなどの合金の共晶組成を挙げることができる。
接合層１０は、活性層４を含む化合物半導体層５等を支持基板１に接合するための層である。
接合層１０の材料としては、化学的に安定で、融点の低いＡｕ系の共晶金属などが用いられる。Ａｕ系の共晶金属としては、例えば、ＡｕＧｅ、ＡｕＳｎ、ＡｕＳｉ、ＡｕＩｎなどの合金の共晶組成を挙げることができる。
本実施形態の発光ダイオード１００は、活性層４を、金属反射層２及び下部ＤＢＲ層３ｂと、上部ＤＢＲ層３ａとで挟む構造である。すなわち、活性層４で発光した光が下部ＤＢＲ層３ｂと上部ＤＢＲ層３ａとで共振して定在波の腹が発光層に位置させるともに、活性層４で発光した光のうち斜めからの入射光に対しては、下部ＤＢＲ層３ｂの下方に形成した金属反射層２により反射させる構成をとることにより、レーザ発振させないで、従来の発光ダイオードよりも指向性が高く、高効率の発光ダイオードとなっている。
［発光ダイオードの製造方法］
次に、本発明の一実施形態である発光ダイオードの製造方法について説明する。
本実施形態の発光ダイオードの製造方法は、成長用基板上に、上部ＤＢＲ層、活性層及び下部ＤＢＲ層を順に含む化合物半導体層を形成する工程と、化合物半導体層上に金属反射層を形成して発光部を形成する工程と、発光部と支持基板とを接合する工程と、成長用基板を除去する工程と、を有することを特徴とする。
次に、本発明の一実施形態である発光ダイオードの製造方法について説明する。
本実施形態の発光ダイオードの製造方法は、成長用基板上に、上部ＤＢＲ層、活性層及び下部ＤＢＲ層を順に含む化合物半導体層を形成する工程と、化合物半導体層上に金属反射層を形成して発光部を形成する工程と、発光部と支持基板とを接合する工程と、成長用基板を除去する工程と、を有することを特徴とする。
＜支持基板の製造工程＞
〔１〕支持基板１としてＧｅ基板を用いた場合
図５に示すように、Ｇｅ基板５１のおもて面５１Ａに例えば、Ｔｉ／Ａｕ／Ｉｎでなる層５２を形成し、Ｇｅ基板５１の裏面に例えば、Ｔｉ／Ａｕでなる層５３を形成して、支持基板１を作製する。
なお、層５２及び層５３の材料はこれらに限らず、本発明の効果を損なわない範囲において選択してよい。
〔１〕支持基板１としてＧｅ基板を用いた場合
図５に示すように、Ｇｅ基板５１のおもて面５１Ａに例えば、Ｔｉ／Ａｕ／Ｉｎでなる層５２を形成し、Ｇｅ基板５１の裏面に例えば、Ｔｉ／Ａｕでなる層５３を形成して、支持基板１を作製する。
なお、層５２及び層５３の材料はこれらに限らず、本発明の効果を損なわない範囲において選択してよい。
〔２〕支持基板１として金属基板を用いた場合
本実施形態では、熱膨張係数がそれぞれ異なる３層の金属を積層した構造について説明する。
図６に示すように、支持基板１として金属基板を用いる場合、熱膨張係数が活性層の材料より大きい第１の金属層（第１の金属板）６１ｂと、熱膨張係数が活性層の材料より小さい第２の金属層（第２の金属板）６１ａとを採用して、ホットプレスして金属基板を形成する。
本実施形態では、熱膨張係数がそれぞれ異なる３層の金属を積層した構造について説明する。
図６に示すように、支持基板１として金属基板を用いる場合、熱膨張係数が活性層の材料より大きい第１の金属層（第１の金属板）６１ｂと、熱膨張係数が活性層の材料より小さい第２の金属層（第２の金属板）６１ａとを採用して、ホットプレスして金属基板を形成する。
具体的にはまず、２枚の略平板状の第１の金属層６１ｂと、１枚の略平板状の第２の金属層６１ａを用意する。例えば、第１の金属層６１ｂとしては厚さ１０μｍのＣｕ、第２の金属層６１ａとしては厚さ７５μｍのＭｏを用いる。
次に、２枚の第１の金属層６１ｂの間に第２の金属層６１ａを挿入してこれらを重ねて配置する。
次に、２枚の第１の金属層６１ｂの間に第２の金属層６１ａを挿入してこれらを重ねて配置する。
次に、重ね合わせたそれらの金属層を所定の加圧装置に配置して、高温下で第１の金属層６１ｂと第２の金属層６１ａに荷重をかける。これにより、図６に示すように、第１の金属層６１ｂがＣｕであり、第２の金属層６１ａがＭｏであり、Ｃｕ（１０μｍ）／Ｍｏ（７５μｍ）／Ｃｕ（１０μｍ）の３層からなる金属基板を形成する。
金属基板は、例えば、熱膨張係数が５．７ｐｐｍ／Ｋとなり、熱伝導率は２２０Ｗ／ｍ・Ｋとなる。
金属基板は、例えば、熱膨張係数が５．７ｐｐｍ／Ｋとなり、熱伝導率は２２０Ｗ／ｍ・Ｋとなる。
次に、図６に示すように、金属基板の全面すなわち、上面、下面及び側面を覆う金属保護膜６１ｃを形成する。このとき、金属基板は各発光ダイオードに個片化のために切断される前なので、金属保護膜６１ｃが覆う側面とは金属基板の外周側面である。
従って、個片化後の各発光ダイオードの金属基板の側面を金属保護膜６１ｃで覆う場合には別途、金属保護膜６１ｃで側面を覆う工程を実施する。
なお、図６は、金属基板の外周端側でない箇所の一部を示しているものであり、外周側面の金属保護膜は図に表れていない。
従って、個片化後の各発光ダイオードの金属基板の側面を金属保護膜６１ｃで覆う場合には別途、金属保護膜６１ｃで側面を覆う工程を実施する。
なお、図６は、金属基板の外周端側でない箇所の一部を示しているものであり、外周側面の金属保護膜は図に表れていない。
金属保護膜６１ｃは公知の膜形成方法を用いることができるが、側面を含めた全面に膜形成ができるめっき法が最も好ましい。例えば、無電解めっき法では、ニッケルその後、金をめっきし、金属基板の上面、側面、下面をニッケル膜及び金膜（金属保護膜）で覆われた金属基板を作製できる。
めっき材質は、特に制限はなく、銅、銀、ニッケル、クロム、白金、金など公知の材質が適用できるが、密着性がよいニッケルと耐薬品に優れる金を組み合わせた層が最適である。
めっき法は、公知の技術、薬品が使用できる。電極が不要な無電解めっき法が、簡便で望ましい。
めっき材質は、特に制限はなく、銅、銀、ニッケル、クロム、白金、金など公知の材質が適用できるが、密着性がよいニッケルと耐薬品に優れる金を組み合わせた層が最適である。
めっき法は、公知の技術、薬品が使用できる。電極が不要な無電解めっき法が、簡便で望ましい。
〔３〕支持基板１としてＳｉ基板を用いた場合
Ｓｉ基板のおもて面に例えば、Ａｕ／Ｐｔでなる層を形成し、Ｓｉ基板の裏面に例えば、Ｐｔ／Ａｕでなる層を形成して、支持基板１を作製する。
なお、Ｓｉ基板のおもて面または裏面に形成する各層の材料はこれらに限らず、本発明の効果を損なわない範囲において選択してよい。
Ｓｉ基板のおもて面に例えば、Ａｕ／Ｐｔでなる層を形成し、Ｓｉ基板の裏面に例えば、Ｐｔ／Ａｕでなる層を形成して、支持基板１を作製する。
なお、Ｓｉ基板のおもて面または裏面に形成する各層の材料はこれらに限らず、本発明の効果を損なわない範囲において選択してよい。
〔４〕支持基板１としてＧａＰ基板を用いた場合
例えば、ｐ型ＧａＰからなる機能性基板を用意し、そのおもて面に例えば、Ａｕ／Ｐｔでなる層を形成し、Ｓｉ基板の裏面に例えば、Ｐｔ／Ａｕでなる層を形成して、支持基板１を作製する。
なお、Ｓｉ基板のおもて面または裏面に形成する各層の材料はこれらに限らず、本発明の効果を損なわない範囲において選択してよい。
例えば、ｐ型ＧａＰからなる機能性基板を用意し、そのおもて面に例えば、Ａｕ／Ｐｔでなる層を形成し、Ｓｉ基板の裏面に例えば、Ｐｔ／Ａｕでなる層を形成して、支持基板１を作製する。
なお、Ｓｉ基板のおもて面または裏面に形成する各層の材料はこれらに限らず、本発明の効果を損なわない範囲において選択してよい。
なお、本実施形態においては、上述してきたような支持基板のほかに、ＧａＡｓ基板も支持基板１として用いることができる。
＜化合物半導体層の形成工程＞
次に、成長用基板上に、上部ＤＢＲ層、活性層及び下部ＤＢＲ層を順に含む化合物半導体層を形成する工程について説明する。
まず、図７に示すように、半導体基板（成長用基板）２１の一面２１ａ上に、複数のエピタキシャル層を成長させて化合物半導体層５を含むエピタキシャル積層体３０を形成する。
半導体基板２１は、エピタキシャル積層体３０形成用基板であり、例えば、一面２１ａが（１００）面から１５°傾けた面とされた、Ｓｉドープしたｎ型のＧａＡｓ単結晶基板である。エピタキシャル積層体３０としてＡｌＧａＩｎＰ層またはＡｌＧａＡｓ層を用いる場合、エピタキシャル積層体３０を形成する基板として砒化ガリウム（ＧａＡｓ）単結晶基板を用いることができる。
次に、成長用基板上に、上部ＤＢＲ層、活性層及び下部ＤＢＲ層を順に含む化合物半導体層を形成する工程について説明する。
まず、図７に示すように、半導体基板（成長用基板）２１の一面２１ａ上に、複数のエピタキシャル層を成長させて化合物半導体層５を含むエピタキシャル積層体３０を形成する。
半導体基板２１は、エピタキシャル積層体３０形成用基板であり、例えば、一面２１ａが（１００）面から１５°傾けた面とされた、Ｓｉドープしたｎ型のＧａＡｓ単結晶基板である。エピタキシャル積層体３０としてＡｌＧａＩｎＰ層またはＡｌＧａＡｓ層を用いる場合、エピタキシャル積層体３０を形成する基板として砒化ガリウム（ＧａＡｓ）単結晶基板を用いることができる。
化合物半導体層１０の形成方法としては、有機金属化学気相成長（Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＭＯＣＶＤ）法、分子線エピタキシャル（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｂｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｉｃｙ：ＭＢＥ）法や液相エピタキシャル（Ｌｉｑｕｉｄ Ｐｈａｓｅ Ｅｐｉｔａｘｉｃｙ：ＬＰＥ）法などを用いることができる。
本実施形態では、トリメチルアルミニウム（（ＣＨ３）３Ａｌ）、トリメチルガリウム（（ＣＨ３）３Ｇａ）及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ＭＯＣＶＤ法を用いて、各層をエピタキシャル成長させる。
なお、Ｍｇのドーピング原料にはビスシクロペンタジエニルマグネシウム（（Ｃ５Ｈ５）２Ｍｇ）を用いる。また、Ｓｉのドーピング原料にはジシラン（Ｓｉ２Ｈ６）を用いる。また、Ｖ族構成元素の原料としては、ホスフィン（ＰＨ３）又はアルシン（ＡｓＨ３）を用いる。
なお、Ｍｇのドーピング原料にはビスシクロペンタジエニルマグネシウム（（Ｃ５Ｈ５）２Ｍｇ）を用いる。また、Ｓｉのドーピング原料にはジシラン（Ｓｉ２Ｈ６）を用いる。また、Ｖ族構成元素の原料としては、ホスフィン（ＰＨ３）又はアルシン（ＡｓＨ３）を用いる。
具体的には、まず、半導体基板２１の一面２１ａ上に、Ｓｉをドープしたｎ型のＧａＡｓからなる緩衝層２２ａを成膜する。緩衝層２２ａとしては、例えば、Ｓｉをドープしたｎ型のＧａＡｓを用い、キャリア濃度を２×１０１８ｃｍ−３とし、層厚を０．２μｍとする。
次に、本実施形態では、緩衝層２２ａ上に、Ｓｉドープしたｎ型の（Ａｌ０．５Ｇａ０．５）０．５Ｉｎ０．５Ｐからなるエッチングストップ層２２ｂを成膜する。
エッチングストップ層２２ｂは、半導体基板をエッチング除去する際、クラッド層および発光層までがエッチングされてしまうことを防ぐための層であり、例えば、Ｓｉドープの（Ａｌ０．５Ｇａ０．５）０．５Ｉｎ０．５Ｐからなり、層厚を０．５μｍとする。
エッチングストップ層２２ｂは、半導体基板をエッチング除去する際、クラッド層および発光層までがエッチングされてしまうことを防ぐための層であり、例えば、Ｓｉドープの（Ａｌ０．５Ｇａ０．５）０．５Ｉｎ０．５Ｐからなり、層厚を０．５μｍとする。
次に、エッチングストップ層２２ｂ上に、Ｓｉドープしたｎ型のＧａＡｓからなるコンタクト層８を成膜する。
次に、コンタクト層８上に、Ｓｉドープしたｎ型の、例えばＡｌＧａＩｎＰからなる上部電流拡散層（ｎ型半導体層）９を成膜する。
次に、上記電流拡散層９上に、上部ＤＢＲ層３aを形成する。
具体的には、屈折率の異なる２種類の層３ａａ、３ａｂを交互に積層する。本実施形態では、屈折率の異なる２種類の層３ａａ、３ａｂは、組成の異なる２種類の（ＡｌＸｈＧａ１−Ｘｈ）Ｙ３Ｉｎ１−Ｙ３Ｐ（０＜Ｘｈ≦１、Ｙ３＝０．５）、（ＡｌＸｌＧａ１−Ｘｌ）Ｙ３Ｉｎ１−Ｙ３Ｐ；０≦Ｘｌ＜１、Ｙ３＝０．５）の対とすることができ、両者のＡｌの組成差ΔＸ＝ｘh−ｘｌが０．５より大きいか又は等しくなる組み合わせか、又は、ＧａＩｎＰとＡｌＩｎＰの組み合わせか、又は、組成の異なる２種類のＡｌｘｌＧａ１−ｘｌＡｓ（０．１≦ｘｌ≦１）、ＡｌｘｈＧａ１−ｘｈＡｓ（０．１≦ｘｈ≦１）の対であり、両者の組成差ΔＸ＝ｘｈ−ｘｌが０．５より大きいか等しくなる組み合わせかのいずれかから選択されるのが好ましい。
なお、上部ＤＢＲ層３ａは、後述する下部ＤＢＲ層３ｂと同様の層構造で形成することができるが、上部ＤＢＲ層３ａを透過させて光を射出する必要があるので、下部ＤＢＲ層３ｂよりも反射率が低くなるように形成する。
具体的には、下部ＤＢＲ層３ｂと同じ材料からなる場合、下部ＤＢＲ層３ｂよりも層数が少なくなるように、屈折率の異なる２種類の層が交互に３〜１０対積層されてなるのが好ましい。
具体的には、屈折率の異なる２種類の層３ａａ、３ａｂを交互に積層する。本実施形態では、屈折率の異なる２種類の層３ａａ、３ａｂは、組成の異なる２種類の（ＡｌＸｈＧａ１−Ｘｈ）Ｙ３Ｉｎ１−Ｙ３Ｐ（０＜Ｘｈ≦１、Ｙ３＝０．５）、（ＡｌＸｌＧａ１−Ｘｌ）Ｙ３Ｉｎ１−Ｙ３Ｐ；０≦Ｘｌ＜１、Ｙ３＝０．５）の対とすることができ、両者のＡｌの組成差ΔＸ＝ｘh−ｘｌが０．５より大きいか又は等しくなる組み合わせか、又は、ＧａＩｎＰとＡｌＩｎＰの組み合わせか、又は、組成の異なる２種類のＡｌｘｌＧａ１−ｘｌＡｓ（０．１≦ｘｌ≦１）、ＡｌｘｈＧａ１−ｘｈＡｓ（０．１≦ｘｈ≦１）の対であり、両者の組成差ΔＸ＝ｘｈ−ｘｌが０．５より大きいか等しくなる組み合わせかのいずれかから選択されるのが好ましい。
なお、上部ＤＢＲ層３ａは、後述する下部ＤＢＲ層３ｂと同様の層構造で形成することができるが、上部ＤＢＲ層３ａを透過させて光を射出する必要があるので、下部ＤＢＲ層３ｂよりも反射率が低くなるように形成する。
具体的には、下部ＤＢＲ層３ｂと同じ材料からなる場合、下部ＤＢＲ層３ｂよりも層数が少なくなるように、屈折率の異なる２種類の層が交互に３〜１０対積層されてなるのが好ましい。
次に、上部ＤＢＲ層３a上に、活性層４を形成する。
具体的には、まず、図８に示すように、Ｓｉをドープしたｎ型のＡｌ０．５Ｉｎ０．５Ｐからなる上部クラッド層４５を成膜する。
なお、上部クラッド層４５は、光取り出し向上の為に表面を粗面化させる表面粗面化層と、クラッド層の２層構造としてもよい。この場合は、上部クラッド層４５を成膜する前に、表面粗面化層を成膜すればよく、表面粗面化層としては、Ｓｉをドープしたｎ型の（Ａｌ０．５Ｇａ０．５）０．５Ｉｎ０．５Ｐを用いることができる。
具体的には、まず、図８に示すように、Ｓｉをドープしたｎ型のＡｌ０．５Ｉｎ０．５Ｐからなる上部クラッド層４５を成膜する。
なお、上部クラッド層４５は、光取り出し向上の為に表面を粗面化させる表面粗面化層と、クラッド層の２層構造としてもよい。この場合は、上部クラッド層４５を成膜する前に、表面粗面化層を成膜すればよく、表面粗面化層としては、Ｓｉをドープしたｎ型の（Ａｌ０．５Ｇａ０．５）０．５Ｉｎ０．５Ｐを用いることができる。
次に、上部クラッド層４５上に、例えば、アンドープの（Ａｌ０．１Ｇａ０．９）０．５Ｉｎ０．５Ｐ／（Ａｌ０．７Ｇａ０．３）０．５Ｉｎ０．５Ｐの２０対の量子井戸構造からなる発光層４３を成膜する。
具体的には、発光層４３は、バリア層（障壁層ともいう）４８を両端に有する、井戸層４７とバリア層４８との多層構造（積層構造）とすることができる。
具体的には、発光層４３は、バリア層（障壁層ともいう）４８を両端に有する、井戸層４７とバリア層４８との多層構造（積層構造）とすることができる。
井戸層４７の材料としては、（（ＡｌＸ１Ｇａ１−Ｘ１）Ｙ１Ｉｎ１−Ｙ１Ｐ（０≦Ｘ１≦１，０＜Ｙ１≦１）、（ＡｌＸ２Ｇａ１−Ｘ２）Ａｓ（０≦Ｘ２≦１）、（ＩｎＸ３Ｇａ１−Ｘ３）Ａｓ（０≦Ｘ３≦１））のいずれかを用いることができる。
バリア層４８の材料としては、井戸層４７の材料に対して適した材料を選択するのが好ましい。バリア層４８での吸収を防止して発光効率を高めるため、井戸層４７よりもバンドギャップが大きくなる組成とするのが好ましい。
バリア層４８の材料としては、井戸層４７の材料に対して適した材料を選択するのが好ましい。バリア層４８での吸収を防止して発光効率を高めるため、井戸層４７よりもバンドギャップが大きくなる組成とするのが好ましい。
次に、発光層４３上に、Ｍｇをドープしたｐ型のＡｌ０．５Ｉｎ０．５Ｐからなる下部クラッド層４１を成膜する。
次に、活性層４上に、下部ＤＢＲ層３ｂを形成する。
具体的には、上記上部ＤＢＲ層３ａと同様に、屈折率の異なる２種類の層３ｂａ、３ｂｂを交互に積層する。本実施形態では、屈折率の異なる２種類の層３ｂａ、３ｂｂは、組成の異なる２種類の（ＡｌＸｈＧａ１−Ｘｈ）Ｙ３Ｉｎ１−Ｙ３Ｐ（０＜Ｘｈ≦１、Ｙ３＝０．５）、（ＡｌＸｌＧａ１−Ｘｌ）Ｙ３Ｉｎ１−Ｙ３Ｐ；０≦Ｘｌ＜１、Ｙ３＝０．５）の対とすることができ、両者のＡｌの組成差ΔＸ＝ｘh−ｘｌが０．５より大きいか又は等しくなる組み合わせか、又は、ＧａＩｎＰとＡｌＩｎＰの組み合わせか、又は、組成の異なる２種類のＡｌｘｌＧａ１−ｘｌＡｓ（０．１≦ｘｌ≦１）、ＡｌｘｈＧａ１−ｘｈＡｓ（０．１≦ｘｈ≦１）の対であり、両者の組成差ΔＸ＝ｘｈ−ｘｌが０．５より大きいか等しくなる組み合わせかのいずれかから選択されるのが好ましい。
なお、下部ＤＢＲ層３ｂは、屈折率の異なる２種類の層３ｂａ、３ｂｂが交互に１０〜５０対積層されてなるのが好ましい。１０対以下である場合は反射率が低すぎるために出力の増大に寄与せず、５０対以上にしてもさらなる反射率の増大は小さいからである。
具体的には、上記上部ＤＢＲ層３ａと同様に、屈折率の異なる２種類の層３ｂａ、３ｂｂを交互に積層する。本実施形態では、屈折率の異なる２種類の層３ｂａ、３ｂｂは、組成の異なる２種類の（ＡｌＸｈＧａ１−Ｘｈ）Ｙ３Ｉｎ１−Ｙ３Ｐ（０＜Ｘｈ≦１、Ｙ３＝０．５）、（ＡｌＸｌＧａ１−Ｘｌ）Ｙ３Ｉｎ１−Ｙ３Ｐ；０≦Ｘｌ＜１、Ｙ３＝０．５）の対とすることができ、両者のＡｌの組成差ΔＸ＝ｘh−ｘｌが０．５より大きいか又は等しくなる組み合わせか、又は、ＧａＩｎＰとＡｌＩｎＰの組み合わせか、又は、組成の異なる２種類のＡｌｘｌＧａ１−ｘｌＡｓ（０．１≦ｘｌ≦１）、ＡｌｘｈＧａ１−ｘｈＡｓ（０．１≦ｘｈ≦１）の対であり、両者の組成差ΔＸ＝ｘｈ−ｘｌが０．５より大きいか等しくなる組み合わせかのいずれかから選択されるのが好ましい。
なお、下部ＤＢＲ層３ｂは、屈折率の異なる２種類の層３ｂａ、３ｂｂが交互に１０〜５０対積層されてなるのが好ましい。１０対以下である場合は反射率が低すぎるために出力の増大に寄与せず、５０対以上にしてもさらなる反射率の増大は小さいからである。
次に、下部ＤＢＲ層３ｂ上に、Ｍｇドープしたｐ型の、例えばＧａＰからなる下部電流拡散層（ｐ型半導体層）７を成膜する。
なお、上部クラッド層４５、下部クラッド層４１それぞれと発光層４３との間に、上部ガイド層４４、下部ガイド層４２を設けてもよい。
＜金属反射層の形成工程＞
次に、図７に示すように、下部電流拡散層７上に金属反射層２を形成する。
具体的には、例えば、蒸着法を用いて、金、銅、銀、アルミニウム、Ｐｔ、又はこれらの合金のいずれか一層又は二層以上からなる金属反射層２を下部電流拡散層７に形成する。
次に、図７に示すように、下部電流拡散層７上に金属反射層２を形成する。
具体的には、例えば、蒸着法を用いて、金、銅、銀、アルミニウム、Ｐｔ、又はこれらの合金のいずれか一層又は二層以上からなる金属反射層２を下部電流拡散層７に形成する。
＜拡散防止層の形成工程＞
本実施形態においては、金属反射層２の支持基板側表面上に、適宜、拡散防止層又は／及び接合層を形成してもよい。
具体的には、まず金属反射層２上に拡散防止層１１を形成する。例えば、蒸着法を用いて、ニッケルからなるバリア層を金属反射層２上に形成できる
＜接合層の形成工程＞
次に、拡散防止層１１上に接合層１０を形成する。例えば、蒸着法を用いて、Ａｕ系の共晶金属であるＡｕＧｅからなる接合層を上記拡散防止層１１上に形成する。
本実施形態においては、金属反射層２の支持基板側表面上に、適宜、拡散防止層又は／及び接合層を形成してもよい。
具体的には、まず金属反射層２上に拡散防止層１１を形成する。例えば、蒸着法を用いて、ニッケルからなるバリア層を金属反射層２上に形成できる
＜接合層の形成工程＞
次に、拡散防止層１１上に接合層１０を形成する。例えば、蒸着法を用いて、Ａｕ系の共晶金属であるＡｕＧｅからなる接合層を上記拡散防止層１１上に形成する。
＜支持基板の接合工程＞
次に、図９に示すように、エピタキシャル積層体３０や金属反射層２等を形成した半導体基板２１と、上記支持基板の製造工程で形成した支持基板１とを接合する。
具体的には、例えば、支持基板１としてＧｅ基板を用いた場合、図５に示したようなＧｅ基板５１のおもて面５１Ａに形成したＴｉ／Ａｕ／Ｉｎでなる層５２と、図７に示した構造体の金属反射層２とを重ね合わせて、例えば、３２０℃で加熱・５００ｇ／ｃｍ２で加圧し、図９に示すように、支持基板１を、エピタキシャル積層体３０を含む構造体に接合する。
また、支持基板１として金属基板を用いた場合は、図６に示したような金属基板と、図７に示した構造体の金属反射層２とが対向して重ね合わされるように配置する。次に、減圧装置内を３×１０−５Ｐａまで排気した後、４００℃に加熱した状態で、５００ｋｇの荷重を印加して図７に示した構造体の金属反射層２と金属基板とを接合する。
次に、図９に示すように、エピタキシャル積層体３０や金属反射層２等を形成した半導体基板２１と、上記支持基板の製造工程で形成した支持基板１とを接合する。
具体的には、例えば、支持基板１としてＧｅ基板を用いた場合、図５に示したようなＧｅ基板５１のおもて面５１Ａに形成したＴｉ／Ａｕ／Ｉｎでなる層５２と、図７に示した構造体の金属反射層２とを重ね合わせて、例えば、３２０℃で加熱・５００ｇ／ｃｍ２で加圧し、図９に示すように、支持基板１を、エピタキシャル積層体３０を含む構造体に接合する。
また、支持基板１として金属基板を用いた場合は、図６に示したような金属基板と、図７に示した構造体の金属反射層２とが対向して重ね合わされるように配置する。次に、減圧装置内を３×１０−５Ｐａまで排気した後、４００℃に加熱した状態で、５００ｋｇの荷重を印加して図７に示した構造体の金属反射層２と金属基板とを接合する。
＜半導体基板および緩衝層除去工程＞
次に、図１０に示すように、図９に示す接合構造体から、成長用基板（半導体基板）２１及び緩衝層２２ａをアンモニア系エッチャントにより選択的に除去する
＜エッチングストップ層除去工程＞
次に、エッチングストップ層２２ｂを塩酸系エッチャントにより選択的に除去する。
次に、図１０に示すように、図９に示す接合構造体から、成長用基板（半導体基板）２１及び緩衝層２２ａをアンモニア系エッチャントにより選択的に除去する
＜エッチングストップ層除去工程＞
次に、エッチングストップ層２２ｂを塩酸系エッチャントにより選択的に除去する。
＜表面電極及び裏面電極の形成工程＞
次に、コンタクト層８上に、例えば、ＡｎＧｅ／Ｎｉを含有する材料からなる表面電極１２を形成すると共に、支持基板１の金属反射層２が形成されているのと反対側に、ＡｕＢｅを含有する材料からなる裏面電極１３を形成する。
具体的には例えば、蒸着法を用いて、ＡｎＧｅ／Ｎｉを含有する材料をコンタクト層８上に、そしてＡｕＢｅを含有する材料を支持基板１上に成膜する。
次に、コンタクト層８上に、例えば、ＡｎＧｅ／Ｎｉを含有する材料からなる表面電極１２を形成すると共に、支持基板１の金属反射層２が形成されているのと反対側に、ＡｕＢｅを含有する材料からなる裏面電極１３を形成する。
具体的には例えば、蒸着法を用いて、ＡｎＧｅ／Ｎｉを含有する材料をコンタクト層８上に、そしてＡｕＢｅを含有する材料を支持基板１上に成膜する。
なお、上述したように、本実施形態における半導体装置では、上述したような裏面電極１３の配置形態に限らない。
以下に、図１Ｂに示したような電極構造を形成するための工程について説明する。
まず、上述した方法により下部電流拡散層７を成膜した後、下部電流拡散層（ｐ型半導体層）７上にｐ型電極（ｐ型オーミック電極）１５を形成する。
具体的には、下部電流拡散層７全面に、例えば、ＣＶＤ法を用いて透光膜（ＳｉＯ２膜）１４を形成する。なお、透光膜１４を構成する材料としては、ＳｉＯ２、ＳｉＮ、ＳｉＯＮ、Ａｌ２Ｏ３、ＭｇＦ２、ＴｉＯ２、ＴｉＮ、ＺｎＯ、ＩＴＯ、ＩＺＯなどを用いることができる。
以下に、図１Ｂに示したような電極構造を形成するための工程について説明する。
まず、上述した方法により下部電流拡散層７を成膜した後、下部電流拡散層（ｐ型半導体層）７上にｐ型電極（ｐ型オーミック電極）１５を形成する。
具体的には、下部電流拡散層７全面に、例えば、ＣＶＤ法を用いて透光膜（ＳｉＯ２膜）１４を形成する。なお、透光膜１４を構成する材料としては、ＳｉＯ２、ＳｉＮ、ＳｉＯＮ、Ａｌ２Ｏ３、ＭｇＦ２、ＴｉＯ２、ＴｉＮ、ＺｎＯ、ＩＴＯ、ＩＺＯなどを用いることができる。
次に、フォトリソグラフィー技術及びエッチング技術を用いて、透光膜１４に、ｐ型オーミック電極１５を構成する導電性部材を埋め込むための複数の貫通孔を形成する。
具体的には、それらの貫通孔に対応する孔を有するフォトレジストパターンを透光膜１４上に形成し、フッ酸系のエッチャントを用いて貫通孔に対応する箇所の透光膜１４を除去することにより、透光膜１４に複数の貫通孔を形成する。
具体的には、それらの貫通孔に対応する孔を有するフォトレジストパターンを透光膜１４上に形成し、フッ酸系のエッチャントを用いて貫通孔に対応する箇所の透光膜１４を除去することにより、透光膜１４に複数の貫通孔を形成する。
次に、例えば、蒸着法を用いて、下部電流拡散層７上であって、透光膜１４の複数の貫通孔にＡｕとＢｅとＮｉとを含有する材料からなるｐ型オーミック電極１５を形成する。なお、ｐ型オーミック電極１５は、ＡｕＢｅＮｉの合金からなることが好ましく、さらに合金中のＮｉの含有量が５〜４０ｍｏｌ％であり、かつ、ｍｏｌ％で、Ｂｅ／Ａｕが０．０１〜０．３であることが好ましい。
次に、ｐ型オーミック電極１５及び透光膜１４上に金属反射層２を形成するが、これ以降の工程は上述した工程を採用することで、図１Ｂに示したような半導体装置を製造できる。
＜個片化工程＞
次に、ウェハ上の発光ダイオードを個片化する。
切断する領域の半導体層を除去した後に、以上の工程で形成された支持基板１を含む構造体をレーザで例えば、３５０μｍ間隔で切断し、発光ダイオード１００を作製する。
次に、ウェハ上の発光ダイオードを個片化する。
切断する領域の半導体層を除去した後に、以上の工程で形成された支持基板１を含む構造体をレーザで例えば、３５０μｍ間隔で切断し、発光ダイオード１００を作製する。
＜支持基板側面の金属保護膜形成工程＞
個片化された各発光ダイオード１００では、基板１の側面には金属保護膜は形成されていないが、上面及び下面の金属保護膜の形成条件と同様な条件で、切断された基板１の側面に金属保護膜を形成してもよい。
個片化された各発光ダイオード１００では、基板１の側面には金属保護膜は形成されていないが、上面及び下面の金属保護膜の形成条件と同様な条件で、切断された基板１の側面に金属保護膜を形成してもよい。
以下、本発明を実施例に基づいて具体的に説明する。しかし、本発明はこれらの実施例のみに限定されるものではない。
（実施例１）
実施例１は、図１および図２に示した実施形態の実施例である。本実施例では、特性評価のために発光ダイオードチップを基板上に実装した発光ダイオードランプを作製した。また、支持基板１としてＧｅ基板を用い作製した。
実施例１は、図１および図２に示した実施形態の実施例である。本実施例では、特性評価のために発光ダイオードチップを基板上に実装した発光ダイオードランプを作製した。また、支持基板１としてＧｅ基板を用い作製した。
まず、Ｇｅ基板の表面にＡｕ／Ｐｔでなる層を０．５μｍ／０．１μｍの厚さで形成した。Ｇｅ基板の裏面に、Ｐｔ／Ａｕでなる層４３を０．１μｍ／０．５μｍの厚さで形成した。
次に、Ｓｉをドープしたｎ型のＧａＡｓ単結晶からなるＧａＡｓ基板上に、化合物半導体層を順次積層して発光波長７３０ｎｍのエピタキシャルウェハを作製した。
ＧａＡｓ基板は、（１００）面から（０−１−１）方向に１５°傾けた面を成長面とし、キャリア濃度を２×１０１８ｃｍ−３とした。また、ＧａＡｓ基板の層厚は、約０．５μｍとした。化合物半導体層としては、ＳｉをドープしたＧａＡｓからなるｎ型の緩衝層、Ｓｉドープの（Ａｌ０．５Ｇａ０．５）０．５Ｉｎ０．５Ｐからなるエッチングストップ層、Ｓｉドープしたｎ型のＡｌ０．１ＧａＡｓからなるコンタクト層、Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓからなる上部電流拡散層、Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ／Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓからなる上部ＤＢＲ層、ＳｉドープのＡｌ０．５Ｉｎ０．５Ｐからなるｎ型の上部クラッド層、（Ａｌ０．１Ｇａ０．９）０．５Ｉｎ０．５Ｐ／（Ａｌ０．５Ｇａ０．５）０．５Ｉｎ０．５Ｐの２０対からなる井戸層／バリア層の発光層、Ａｌ０．５Ｉｎ０．５Ｐからなるｐ型の下部クラッド層、Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ／Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓからなる下部ＤＢＲ層、Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓからなる下部電流拡散層である。
ＧａＡｓ基板は、（１００）面から（０−１−１）方向に１５°傾けた面を成長面とし、キャリア濃度を２×１０１８ｃｍ−３とした。また、ＧａＡｓ基板の層厚は、約０．５μｍとした。化合物半導体層としては、ＳｉをドープしたＧａＡｓからなるｎ型の緩衝層、Ｓｉドープの（Ａｌ０．５Ｇａ０．５）０．５Ｉｎ０．５Ｐからなるエッチングストップ層、Ｓｉドープしたｎ型のＡｌ０．１ＧａＡｓからなるコンタクト層、Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓからなる上部電流拡散層、Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ／Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓからなる上部ＤＢＲ層、ＳｉドープのＡｌ０．５Ｉｎ０．５Ｐからなるｎ型の上部クラッド層、（Ａｌ０．１Ｇａ０．９）０．５Ｉｎ０．５Ｐ／（Ａｌ０．５Ｇａ０．５）０．５Ｉｎ０．５Ｐの２０対からなる井戸層／バリア層の発光層、Ａｌ０．５Ｉｎ０．５Ｐからなるｐ型の下部クラッド層、Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ／Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓからなる下部ＤＢＲ層、Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓからなる下部電流拡散層である。
本実施例では、減圧有機金属化学気相堆積装置法（ＭＯＣＶＤ装置）を用い、直径５０ｍｍ、厚さ３５０μｍのＧａＡｓ基板に化合物半導体層をエピタキシャル成長させて、エピタキシャルウェーハを形成した。エピタキシャル成長層を成長させる際、ＩＩＩ族構成元素の原料としては、トリメチルアルミニウム（（ＣＨ３）３Ａｌ）、トリメチルガリウム（（ＣＨ３）３Ｇａ）及びトリメチルインジウム（（ＣＨ３）３Ｉｎ）を使用した。また、Ｍｇのドーピング原料としては、ビスシクロペンタジエニルマグネシウム（ｂｉｓ−（Ｃ５Ｈ５）２Ｍｇ）を使用した。また、Ｓｉのドーピング原料としては、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）、アルシン（ＡｓＨ３）を使用した。また、各層の成長温度としては、７００℃で成長させた。
ＧａＡｓからなる緩衝層は、キャリア濃度を約１×１０１８ｃｍ−３、層厚を約０．５μｍとした。エッチングストップ層は、キャリア濃度を１×１０１８ｃｍ−３、層厚を約０．５μｍとした。コンタクト層は、キャリア濃度を約１×１０１８ｃｍ−３、層厚を約０．０５μｍとした。上部電流拡散層はキャリア濃度を約１．０×１０１８ｃｍ−３、層厚を約５μｍとしたＡｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓを積層した。上部ＤＢＲ層はキャリア濃度を約１×１０１８ｃｍ−３、層厚を約５７ｎｍとしたＡｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓと、キャリア濃度を約１×１０１８ｃｍ−３、層厚を約５２ｎｍとしたＡｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓを交互に８対積層した。上部クラッド層は、キャリア濃度を約２×１０１８ｃｍ−３、層厚を約０．５μｍとした。井戸層は、アンドープで層厚が約５ｎｍの（Ａｌ０．１Ｇａ０．９）０．５Ｉｎ０．５Ｐとし、バリア層はアンドープで層厚が約５ｎｍの（Ａｌ０．５Ｇａ０．５）０．５Ｉｎ０．５Ｐとした。また、井戸層とバリア層とを交互に２０対積層した。下部クラッド層は、キャリア濃度を約８×１０１７ｃｍ−３、層厚を約０．５μｍとした。また、下部ＤＢＲ層はキャリア濃度を約１×１０１８ｃｍ−３、層厚を約５７ｎｍとしたＡｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓと、キャリア濃度を約１×１０１８ｃｍ−３、層厚を約５２ｎｍとしたＡｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓを交互に４０対積層した。又、下部電流拡散層はキャリア濃度を約１×１０１８ｃｍ−３、層厚を約３μｍとしたＡｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓを積層した。
次に、下部電流拡散層上にｐ型電極（ｐ型オーミック電極）を形成した。
具体的には、下部電流拡散層全面に、例えば、ＣＶＤ法を用いて厚さ０．３μｍの透光膜（ＳｉＯ２膜）を形成した。
具体的には、下部電流拡散層全面に、例えば、ＣＶＤ法を用いて厚さ０．３μｍの透光膜（ＳｉＯ２膜）を形成した。
次に、フォトリソグラフィー技術及びエッチング技術を用いて、透光膜膜に、ｐ型オーミック電極を構成する導電性部材を埋め込むための直径９μｍの複数の貫通孔を形成した。
次いで、蒸着法を用いて、透光膜の複数の貫通孔にＡｕＢｅ合金を充填することにより、下部電流拡散層上に高さ０．３μｍ、直径９μｍの複数の円柱状のｐ型オーミック電極を形成した。
次いで、蒸着法を用いて、透光膜の複数の貫通孔にＡｕＢｅ合金を充填することにより、下部電流拡散層上に高さ０．３μｍ、直径９μｍの複数の円柱状のｐ型オーミック電極を形成した。
次に、下部ＤＢＲ層上に、蒸着法を用いて、厚さ０．７μｍのＡｕ膜からなる金属反射層を形成した。
次に、金属反射層上に、蒸着法を用いて、厚さ０．５μｍのＴｉ膜からなる拡散防止層を形成した。
次に、拡散防止層上に、蒸着法を用いて、厚さ１．０μｍのＡｕＧｅからなる接合層を形成した。
次に、金属反射層上に、蒸着法を用いて、厚さ０．５μｍのＴｉ膜からなる拡散防止層を形成した。
次に、拡散防止層上に、蒸着法を用いて、厚さ１．０μｍのＡｕＧｅからなる接合層を形成した。
次に、ＧａＡｓ基板上に化合物半導体層及び金属反射層等を形成した構造体（図７参照）と、Ｇｅ基板とを対向して重ね合わせるように配置して減圧装置内に搬入し、４００℃で加熱した状態で、５００ｋｇ重の荷重でそれらを接合して接合構造体を形成した。
次に、接合構造体から、化合物半導体層の成長基板であるＧａＡｓ基板と緩衝層とをアンモニア系エッチャントにより選択的に除去し、さらに、エッチングストップ層を塩酸系エッチャントにより選択的に除去した。
次に、コンタクト層のＧｅ基板と反対側の面に、ＡｕＧｅ、Ｎｉ合金を厚さが０．５μｍ、Ｐｔを０．２μｍ、Ａｕを１．０μｍとなるように真空蒸着法を用いて成膜し表面電極（ｎ型電極）を形成した。
次に、ウェットエッチングとレーザ切断を順に行って個片化して、実施例の発光ダイオードを作製した。
次に、上述のように作製した実施例１の発光ダイオードチップをマウント基板上に実装して発光ダイオードランプを組み立てた。
次に、上述のように作製した実施例１の発光ダイオードチップをマウント基板上に実装して発光ダイオードランプを組み立てた。
次に、得られた発光ダイオード（発光ダイオードランプ）の特性を評価した。
この発光ダイオード（発光ダイオードランプ）のｎ型及びｐ型オーミック電極間に電流を流したところ、ピーク波長７３０ｎｍとする赤外光が出射された。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１．９ボルトとなった。順方向電流を２０ｍＡとした際の発光出力は、１３ｍＷであった。
この発光ダイオード（発光ダイオードランプ）のｎ型及びｐ型オーミック電極間に電流を流したところ、ピーク波長７３０ｎｍとする赤外光が出射された。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１．９ボルトとなった。順方向電流を２０ｍＡとした際の発光出力は、１３ｍＷであった。
（比較例）
比較例の発光ダイオードは上記実施例１の発光ダイオードにおける下部ＤＢＲ層及び上部ＤＢＲ層が無いこと以外は実施例と同様である。
この発光ダイオードのｎ型及びｐ型オーミック電極間に電流を流したところ、ピーク波長７３０ｎｍとする赤外光が出射された。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１．９ボルトであり、発光出力は、１０ｍＷであった。
比較例の発光ダイオードは上記実施例１の発光ダイオードにおける下部ＤＢＲ層及び上部ＤＢＲ層が無いこと以外は実施例と同様である。
この発光ダイオードのｎ型及びｐ型オーミック電極間に電流を流したところ、ピーク波長７３０ｎｍとする赤外光が出射された。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１．９ボルトであり、発光出力は、１０ｍＷであった。
実施例１のランプは、比較例に比べて出力が３０％高く、またランプ直上の発光出力に関しては７０％高い出力が得られた。これは、実施例１においては金属反射層、下部ＤＢＲ層での反射および上部ＤＢＲ層との間での共振により発光部からの光が干渉により効率よく取り出し可能となったためであると考えられる
１ 支持基板
２ 金属反射層
３ａ 上部ＤＢＲ層
３ｂ 下部ＤＢＲ層
４ 活性層
５ 化合物半導体層
６ 発光部
７ 下部電流拡散層
８ コンタクト層
９ 上部電流拡散層
１０ 接合層
１１ 拡散防止層
１２ 表面電極（ｎ型電極）
１３ 裏面電極
１４ 透光膜
１５ ｐ型電極（ｐ型オーミック電極）
２１ 半導体基板（成長用基板）
３０ 化合物半導体層
４１ 下部クラッド層
４２ 下部ガイド層
４３ 発光層
４４ 上部ガイド層
４５ 上部クラッド層
４７ 井戸層
４８ バリア層（障壁層）
１００ 発光ダイオード
２ 金属反射層
３ａ 上部ＤＢＲ層
３ｂ 下部ＤＢＲ層
４ 活性層
５ 化合物半導体層
６ 発光部
７ 下部電流拡散層
８ コンタクト層
９ 上部電流拡散層
１０ 接合層
１１ 拡散防止層
１２ 表面電極（ｎ型電極）
１３ 裏面電極
１４ 透光膜
１５ ｐ型電極（ｐ型オーミック電極）
２１ 半導体基板（成長用基板）
３０ 化合物半導体層
４１ 下部クラッド層
４２ 下部ガイド層
４３ 発光層
４４ 上部ガイド層
４５ 上部クラッド層
４７ 井戸層
４８ バリア層（障壁層）
１００ 発光ダイオード
Claims (9)
- 支持基板上に、金属反射層と、下部ＤＢＲ層、活性層及び上部ＤＢＲ層を順に含む化合物半導体層とを順に含む発光部を備え、
前記支持基板と前記発光部とが接合されてなることを特徴とする発光ダイオード。 - 前記支持基板は、Ｇｅ基板、金属基板、Ｓｉ基板、ＧａＡｓ基板、ＧａＰ基板、のいずれかを含んでなることを特徴とする請求項１に記載の発光ダイオード。
- 前記金属反射層は、金、銅、銀、アルミニウム、Ｐｔ、又はこれらの合金のいずれか一層又は二層以上からなることを特徴とする請求項１又は２のいずれかに記載の発光ダイオード。
- 前記金属反射層上に形成された拡散防止層及び／又は接合層を介して、前記発光部が前記前記支持基板に接合されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の発光ダイオード。
- 前記下部ＤＢＲ層は、屈折率の異なる２種類の層が交互に１０〜５０対積層されてなることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の発光ダイオード。
- 前記上部ＤＢＲ層は、屈折率の異なる２種類の層が交互に３〜１０対積層されてなることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の発光ダイオード。
- 前記屈折率の異なる２種類の層は、組成の異なる２種類の（ＡｌＸｈＧａ１−Ｘｈ）Ｙ３Ｉｎ１−Ｙ３Ｐ（０＜Ｘｈ≦１、Ｙ３＝０．５）、（ＡｌＸｌＧａ１−Ｘｌ）Ｙ３Ｉｎ１−Ｙ３Ｐ；０≦Ｘｌ＜１、Ｙ３＝０．５）の対であり、両者のＡｌの組成差ΔＸ＝ｘh−ｘｌが０．５より大きいか又は等しくなる組み合わせか、又は、ＧａＩｎＰとＡｌＩｎＰの組み合わせか、又は、組成の異なる２種類のＡｌｘｌＧａ１−ｘｌＡｓ（０．１≦ｘｌ≦１）、ＡｌｘｈＧａ１−ｘｈＡｓ（０．１≦ｘｈ≦１）の対であり、両者の組成差ΔＸ＝ｘｈ−ｘｌが０．５より大きいか等しくなる組み合わせかのいずれかから選択されることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の発光ダイオード。
- 前記活性層に含まれる発光層は、（（ＡｌＸ１Ｇａ１−Ｘ１）Ｙ１Ｉｎ１−Ｙ１Ｐ（０≦Ｘ１≦１，０＜Ｙ１≦１）、（ＡｌＸ２Ｇａ１−Ｘ２）Ａｓ（０≦Ｘ２≦１）、（ＩｎＸ３Ｇａ１−Ｘ３）Ａｓ（０≦Ｘ３≦１））、のいずれかからなることを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の発光ダイオード。
- 支持基板上に、金属反射層と、下部ＤＢＲ層、活性層及び上部ＤＢＲ層を順に含む化合物半導体層とを順に含む発光部を備えた発光ダイオードの製造方法であって、
成長用基板上に、上部ＤＢＲ層、活性層及び下部ＤＢＲ層を順に含む化合物半導体層を形成する工程と、
前記化合物半導体層上に金属反射層を形成して発光部を形成する工程と、
前記発光部と支持基板とを接合する工程と、
前記成長用基板を除去する工程と、
を有することを特徴とする発光ダイオードの製造方法。
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