JP3158869B2

JP3158869B2 - 発光ダイオード及びその製造方法

Info

Publication number: JP3158869B2
Application number: JP14164194A
Authority: JP
Inventors: 恒弘海野; 泰一郎今野
Original assignee: Hitachi Cable Ltd
Current assignee: Hitachi Cable Ltd
Priority date: 1993-06-30
Filing date: 1994-06-23
Publication date: 2001-04-23
Anticipated expiration: 2016-04-23
Also published as: JPH07193275A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、発光出力の高い発光ダ
イオード及びその製造方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】一般に、発光ダイオードの発光出力を高
くするためには、電気を光に変換する効率である内部量
子効率を高くする方法と、光を発光ダイオードチップか
ら取り出す効率である光取出し効率を高くする方法があ
る。

【０００３】内部量子効率を高くするための手段として
は、シングルヘテロ構造（ＳＨ構造）やダブルヘテロ構
造（ＤＨ構造）が考え出され、既に実用化されている。
この構造により、内部量子効率は著しく向上し、高い値
に達している。

【０００４】これに対して光取出し効率は発光ダイオー
ドの輝度を左右する大きな要因となっているが、発光ダ
イオードチップの光取出し面と外部（空気）との屈折率
の差により、光がチップ表面で反射を起こすため、高い
光取出し効率を達成することは難しい。

【０００５】そこで、チップの裏面に向かう光をこの裏
面で反射させ、チップの表面側から効率よく取り出す方
法が提案されている。これは、ＧａＡｓ基板の上に厚膜
のＡｌＧａＡｓ層を成長し、その上に発光部となるＡｌ
ＧａＡｓ層を成長した後、ＧａＡｓ基板を除去して得る
ものである。

【０００６】裏面に向かう光を効率よく反射させるため
には、裏面に向かう光がエピタキシャル層や基板中で吸
収されないようにする必要がある。この概念は、ＧａＰ
やＩｎＰ及びその混晶等の発光ダイオードでは周知であ
るが、ＧａＡｓ基板では、通常、光がＧａＡｓ基板で吸
収されるため、比較的ＡｌＡｓ混晶比の高いＡｌＧａＡ
ｓ基板を用いる必要がある。そこで、上記したように、
厚膜のＡｌＧａＡｓ層を成長して基板代りに用い、元の
基板は除去している。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上述したように、発光
ダイオードチップの裏面で光を反射させる構造のＡｌＧ
ａＡｓエピタキシャルウェハを製造するためには、Ａｌ
ＧａＡｓ基板が必要となる。これはＧａＡｓ基板の上に
厚膜のＡｌＧａＡｓ層を成長し、その上に発光部となる
ＡｌＧａＡｓ層を成長した後、ＧａＡｓ基板を除去して
得る。この基板となる厚膜のＡｌＧａＡｓ層は発光ダイ
オードチップの形状を保持するため、通常約１５０μm
程度の厚さが必要とされる。

【０００８】ところが、ＡｌＡｓ混晶比が高いＡｌＧａ
Ａｓ層を徐冷法により液相エピタキシャル成長させる場
合は、溶媒となるＧａ中に入れたＧａＡｓとＡｌのう
ち、Ａｌの溶解量が多く、ＧａＡｓの溶解量が少なくな
るため、厚膜でかつ高ＡｌＡｓ混晶比のＡｌＧａＡｓエ
ピタキシャル層を成長させることが難しい。このため、
成長開始温度を通常の９００℃付近から１０００℃程度
に高くしたり、溶液溜厚さを厚くしたり、冷却速度を遅
くする等の対策を取る必要がある。しかしこれらの方法
では、原料が多くなり、成長時間も長くなり、製造コス
トが嵩む。また、面内の膜厚が５０〜１００μm もばら
つき、膜厚及び特性の均一性を良くすることが難しく、
膜厚のばらつきに起因して、内部歪によりウェハが割れ
やすい。

【０００９】また、徐冷法以外の手段として温度差法が
あるが、この方法では一度に成長させることができるエ
ピタキシャルウェハの枚数が１〜２枚程度と極めて少な
い。このため、エピタキシャルウェハを量産するには多
数の成長装置が必要となり、また特性のばらつきも大き
いため歩留りが悪く、製造コストが嵩む。

【００１０】以上の理由からＡｌＧａＡｓの厚膜層を必
要とせず光を反射させて効率を向上させることができる
発光ダイオードが望まれていた。

【００１１】第１の発明は前記問題点に鑑みてなされた
もので、発光出力が高く、かつ製造が容易な発光ダイオ
ード及びその製造方法を提供することを目的とする。

【００１２】また、第２の発明は、高発光出力特性を保
持しながら、製作時の歩留りおよび信頼性をより向上し
た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。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に第１の発明は、発光部を構成する複数のエピタキシャ
ル層が基板上に形成された発光ダイオードにおいて、前
記基板の表面に複数の凸状のメサ部がマトリックス状に
形成され、これら凸状のメサ部で前記エピタキシャル層
が前記基板に部分的に接合され、前記メサ部を除く前記
基板とエピタキシャル層との間に空洞層が形成されてい
るものである。

【００１４】また第２の発明は、発光部を構成する複数
のエピタキシャル層が基板上に形成された発光ダイオー
ドにおいて、前記エピタキシャル層の裏面に複数の凸状
部がマトリックス状に形成され、これら凸状部で前記エ
ピタキシャル層が前記基板に部分的に接合され、前記凸
状部を除く前記基板とエピタキシャル層との間に空洞層
が形成されているものである。

【００１５】また第３の発明は、発光部を構成する複数
のエピタキシャル層が基板上に形成された発光ダイオー
ドにおいて、前記基板表面に凸状のメサ部を、前記エピ
タキシャル層の裏面に凸状部をそれぞれ有し、これらメ
サ部および凸状部で前記エピタキシャル層が基板に部分
的に接合され、前記メサ部および凸状部を除く前記基板
とエピタキシャル層との間に空洞層が形成されているも
のである。

【００１６】第４の発明は、第１ないし第３の発明にお
いて、より高輝度を得るためには、前記基板をＧａＡｓ
とし、前記エピタキシャル層をＧａＡｌＡｓとしたもの
である。

【００１７】第５の発明は、第１ないし第４の発明にお
いて、信頼性を高めるために、前記空洞層に樹脂を注入
したものである。

【００１８】第６の発明は、基板表面に凸状のメサ部を
形成した後、この凸状のメサ部の高さを越えない厚さの
犠牲層を前記基板表面に成長し、この犠牲層を成長した
基板の上に発光部を構成する複数のエピタキシャル層を
成長し、その後、前記犠牲層を溶解除去して前記凸状の
メサ部を除く前記基板表面と前記エピタキシャル層との
間に空洞層を形成するものである。

【００１９】第７の発明は、基板表面に凸状のメサ部を
形成した後、この凸状のメサ部の高さを越えない程度の
厚さの犠牲層を前記基板表面に成長し、前記犠牲層を成
長した基板表面をメルトバックすることにより、前記犠
牲層を除く凸条のメサ部を除去して凹状のメサ部跡を前
記犠牲層に形成し、この凹状のメサ部跡の深さを越える
厚さで発光部を構成する複数のエピタキシャル層を前記
犠牲層上に成長して、凹状のメサ部跡に凸状部を形成
し、その後、前記犠牲層を溶解除去して前記凹状のメサ
部跡に形成した凸状部を除く前記基板と前記エピタキシ
ャル層との間に空洞層を形成するものである。ここで、
凸状のメサ部の高さを越えない「程度」の厚さとは、凸
状のメサ部の高さを越えない厚さに対して、メサ部の高
さを少しぐらいは越えてもよいという幅のある意味であ
る。

【００２０】第８の発明は、第６ないし第７の発明にお
いて、前記基板がＧａＡｓ、前記エピタキシャル層がＧ
ａＡｌＡｓ、前記犠牲層が前記ＧａＡｌＡｓエピタキシ
ャル層のＡｌＡｓ混晶比よりも高いＡｌＡｓ混晶比を有
するＧａＡｌＡｓであり、該高ＡｌＡｓ混晶比のＧａＡ
ｌＡｓ犠牲層を溶解除去する溶液としてＨＦの稀薄水溶
液またはＨＦ及びＨ₂Ｏ₂を含む稀薄水溶液を用いたも
のである。

【００２１】なお、本発明を適用できる発光ダイオード
は、発光部を構成するエピタキシャル層よりも基板のバ
ンドギャップエネルギーが低いことにより、裏面側に向
った光が基板で吸収されていた構造の発光ダイオードで
あれば、いずれにも適用できる。

【００２２】

【作用】第１の発明によれば、基板とエピタキシャル層
との間に空洞層が形成されているので、エピタキシャル
層を通って裏面側へ向う光の大半が空洞層で反射され表
面から放出される。従って、従来のように光を吸収しな
いエピタキシャル層を基板代りに厚く形成して、本来の
基板を除去するということをしなくても、光取出し効率
を高くすることができる。また、発光部を構成するエピ
タキシャル層は、基板表面に形成した凸状のメサ部によ
って部分的に基板と接合されているので、発光ダイオー
ドチップの形状は保持される。また、空洞層の存在によ
り電流が狭窄されているため、空洞層のない発光ダイオ
ードに比べ、より高い発光出力が得られる。

【００２３】第２の発明によれば、発光部を構成するエ
ピタキシャル層は、エピタキシャル層の裏面に形成した
凸状部によって部分的に基板と接合されているので、発
光ダイオードチップの形状は第１の発明と同様に保持さ
れる。

【００２４】第３の発明によれば、発光部を構成するエ
ピタキシャル層は、基板表面に形成した凸状のメサ部、
およびエピタキシャル層の裏面に形成した凸状部によっ
て部分的に基板と接合されているので、発光ダイオード
チップの形状は第１または第２の発明と同様に保持され
る。

【００２５】第４の発明によれば、第１ないし第３の発
明において、基板をＧａＡｓとし、エピタキシャル層を
ＧａＡｌＡｓとしたので、より高輝度が得られる。

【００２６】第５の発明によれば、第１ないし第４の発
明において、空洞層に樹脂を注入したので、信頼性が高
まる。

【００２７】第６の発明によれば、メサ部の高さを越え
ない厚さの犠牲層を基板表面に成長するので、メサ部上
に直接エピタキシャルが成長し、メサ部とエピタキシャ
ル層との間に犠牲層は介在しない。このため、後に犠牲
層を溶解除去するとき、エピタキシャル層が基板から剥
離することがなく、メサ部によって基板にエピタキシャ
ル層を強固に接合することができる。また、犠牲層を溶
解除去するだけでエピタキシャル層と基板表面との間に
空洞層を形成することができるので、空洞層の形成が容
易となる。

【００２８】第７の発明によれば、構造的に乱れた表面
層がメルトバックにより除去された基板の凹状部に、エ
ピタキシャル層の凸状部が接合形成される。従って、こ
のメルトバックで犠牲層の成長条件やエッチング条件の
影響を受けずに基板とエピタキシャル層との接合が計れ
るので、エピタキシャル層をより強固に接合することが
できる。また、第６の発明と同様に、犠牲層を溶解除去
するだけで空洞層を形成することができるので、空洞層
の形成が容易となる。

【００２９】第８の発明によれば、第６および第７の発
明において、基板をＧａＡｓ、エピタキシャル層をＧａ
ＡｌＡｓ、犠牲層をＧａＡｌＡｓエピタキシャル層のＡ
ｌＡｓ混晶比よりも高いＡｌＡｓ混晶比を有するＧａＡ
ｌＡｓとし、この高ＡｌＡｓ混晶比のＧａＡｌＡｓ犠牲
層を溶解除去する溶液としてＨＦの稀薄水溶液またはＨ
Ｆ及びＨ₂Ｏ₂を含む稀薄水溶液を用いたので、メルト
バックや犠牲層の溶解除去を確実に行なうことができ、
空洞層の形成がより確実、かつ容易となる。

【００３０】

【実施例】以下、本発明を赤外発光ダイオードに適用し
た実施例について添付図面を参照しながら説明する。

【００３１】第１実施例本実施例に係る赤外発光ダイオード１は、図１に示すよ
うに、発光層を形成するエピタキシャル層よりも基板の
バンドギャップエネルギーが低いことにより裏面側に向
かった光がこの基板で吸収されていた従来構造の発光ダ
イオードを改良したもので、裏面側に向かった光を反射
させて表面側に出す構造としたものである。この発光ダ
イオード１は次のように構成されている。

【００３２】発光ダイオード１は、ｐ型ＧａＡｓ基板２
上に、ｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層３、ｐ型ＡｌＧａＡ
ｓ活性層４、ｎ型ＡｌＧａＡｓウィンドウ層５を有する
ＤＨ構造をしている。ｐ型ＧａＡｓ基板２側にはｐ側全
面電極７が、ｎ型ＡｌＧａＡｓウィンドウ層５側にはｎ
側円形電極８がそれぞれ形成されている。

【００３３】ｐ型ＧａＡｓ基板２のクラッド層３側表面
には凸状のメサ部９が形成されている。クラッド層３
は、メサ部９の上部がクラッド層３内に食い込むような
形でメサ部９と直接に接合されている。この接合は部分
的に行なわれるため、ｐ型ＧａＡｓ基板２とｐ型ＡｌＧ
ａＡｓクラッド層３との間には空洞層１０が形成される
ことになる。

【００３４】光はこの空洞層１０の部分で次のように作
用する。ｐ型ＡｌＧａＡｓ活性層４で発した光はｎ型Ａ
ｌＧａＡｓウィンドウ層５側（表面側）及びｐ型ＡｌＧ
ａＡｓクラッド層３側（裏面側）にそれぞれ向かうが、
そのうちｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層３側へ向かった光
はこのクラッド層３と空洞層１０の界面で反射されｎ型
ＡｌＧａＡｓウィンドウ層５へ向かう。これにより、ｐ
型ＡｌＧａＡｓ活性層４で発する光を高効率で発光ダイ
オード１のチップ表面から取り出すことができる。

【００３５】空洞層１０の界面で反射されるのは、ｐ型
クラッド層の屈折率が約３．５に対し、空洞層１０の屈
折率が１．０、また樹脂が入っても約１．５と非常に小
さいため、光がこの界面で反射しやすいためである。こ
のチップを樹脂モールドした場合には、この空洞層がそ
のままの場合と空洞層中に樹脂が入る場合があるが、ど
ちらの場合でもｐ型クラッド層との界面で光反射が起こ
る。このため、ＧａＡｓ基板２が存在しても基板２とク
ラッド層３界面での反射効果の大きな発光ダイオードを
製作することができる。

【００３６】また、本実施例の発光ダイオードでは、空
洞層の存在により電流が狭窄されているため、空洞層の
ない従来のＤＨ構造発光ダイオードに比べ、内部量子効
率が高くなり、２倍以上の発光出力または発光光度が得
られる。また電流密度が高くなったことにより、応答速
度が従来の２倍になる。

【００３７】次に前記構造の発光ダイオードの製造方法
について説明する。

【００３８】まず、ｐ型ＧａＡｓ基板２を準備する。こ
れは例えばキャリア濃度が１×１０¹⁹cm^-3〜３×１０¹⁹
cm^-3のＺｎをドープしたＧａＡｓ基板である。このＧａ
Ａｓ基板の表面に凸状のメサ部９を、ホトリソグラフ法
とドライエッチングまたはウエットエッチングによって
形成する。このメサ部９は直径１０μm 、高さ５μmの
ほぼ円柱形状であり、４０μm 間隔でマトリックス状に
形成する。

【００３９】この凸状のメサ部９を形成したｐ型ＧａＡ
ｓ基板２の表面上に、図２に示すように液相エピタキシ
ャル法でエピタキシャル層を４層成長させる。即ち、ク
ラッド層３と活性層４とウィンドウ層５の他に、基板２
とクラッド層３の間に犠牲層１２を形成する。

【００４０】犠牲層１２はＡｌＡｓ混晶比を０．９０に
設定した高混晶のＡｌＧａＡｓからなり、メサ部９の高
さを越えないよう膜厚を約２μm に設定する。この高混
晶ＡｌＧａＡｓ犠牲層１２は過飽和度の小さい成長用溶
液をＧａＡｓ基板２に接触させることでメサ部９の頂上
には成長されない。ｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層３は、
ＡｌＡｓ混晶比を０．２５に、膜厚を約３０μm に設定
する。ｐ型ＡｌＧａＡｓ活性層４は、ＡｌＡｓ混晶比を
０．０５に、膜厚を約１μm に設定する。さらに、ｎ型
ＡｌＧａＡｓウィンドウ層５は、ＡｌＡｓ混晶比を０．
２５に、膜厚を約３０μm に設定する。なお、ＡｌＡｓ
混晶比が０．２５のＡｌＧａＡｓの屈折率は約３．５で
ある。

【００４１】次に、上記構造で成長させたエピタキシャ
ルウェハの裏面と表面にそれぞれ電極７，８を形成した
後、ウェハを各チップに分離するための深さ８０μm の
溝を形成する。その後、このウェハをエッチング液に入
れて犠牲層１２を除去して空洞層１０を形成する。具体
的には、前記エピタキシャルウェハをＨＦの稀薄水溶液
またはＨＦとＨ₂Ｏ₂の稀薄水溶液に入れて犠牲層１２
を溶解除去する。即ち、この溶液により高混晶比のＡｌ
ＧａＡｓで構成した犠牲層１２のみが溶解する。

【００４２】その後、エピタキシャルウェハをダイシン
グにより分離して発光ダイオードチップとする。分離し
た発光ダイオードチップは、それぞれステム上にマウン
トされ、ワイヤボンディングにより配線し、樹脂モール
ドして発光ダイオード素子を構成する。モールド用樹脂
は通常屈折率が１．５程度のエポキシ系樹脂が用いられ
るが、光取出し効率を上げるためにはさらに屈折率の高
い樹脂を用いることが望ましい。

【００４３】上記構造の赤外発光ダイオード素子の特性
評価を行なったところ、次のような結果が得られた。

【００４４】通常のＤＨ構造赤外発光ダイオード素子で
は順方向電流が５０ｍＡで発光出力が８．０±１ｍＷ
（樹脂モールドを施さないチップ状態では２．５±０．
３ｍＷ）であったのに対し、本実施例の発光ダイオード
素子では順方向電流が５０ｍＡで発光出力が２０±１ｍ
Ｗ（樹脂モールドを施さないチップ状態では７．０±
０．９ｍＷ）と高出力を得ることができた。

【００４５】特に、この発光ダイオードをＡｌＧａＡｓ
の赤色発光ダイオードとして製作した場合、この発光ダ
イオードの発光光度は順方向電流が２０ｍＡで２５００
ｍｃｄとなり、高い発光光度が得られた。

【００４６】また、通常裏面反射型の発光ダイオードを
製作する場合、発光出力にばらつきが多くなるが、本実
施例の発光ダイオードでは発光出力のばらつきが非常に
小さいことがわかった。

【００４７】さらに、従来、裏面反射型の発光ダイオー
ドを製作する場合に基板として必要とされた高ＡｌＡｓ
混晶比でかつ厚膜のＡｌＧａＡｓ層の成長を必要としな
い。即ち、ＧａＡｓ基板が基板として残るため、基板上
に成長させるＡｌＧａＡｓ層は本来必要とされる膜厚で
十分であるため、温度条件が非常に容易になり、エピタ
キシャル成長が容易になると共に、特性の均一性が向上
する。なお、高混晶のＡｌＧａＡｓ層は犠牲層として薄
く成長させ、しかも後に除去するため、特性に影響を与
えない。

【００４８】従来のＤＨ構造のエピタキシャルウェハ成
長方式を拡張して４層のエピタキシャル層を成長させる
だけでよく、ＧａＡｓ基板の除去も不要となるため、従
来の量産技術をそのまま使用することができる。

【００４９】以上のことから、コスト的に非常に安価
で、発光出力が高く、均一性に優れた特性を有するエピ
タキシャルウェハを容易に成長させることができるよう
になる。

【００５０】なお、発光ダイオード１は樹脂モールドさ
れるが、この際に空洞層１０はそのまま保持しても、内
部にモールド用樹脂を充填させてもよい。樹脂を充填さ
せた場合でも樹脂の屈折率がｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド
層３の屈折率より小さい限り、光はクラッド層３と樹脂
の界面で反射される。

【００５１】また、上記実施例はダブルヘテロ構造の発
光ダイオードについて説明したが、本発明はシングルヘ
テロ構造に対しても適用可能であり、また基板及び各層
の導電型については上記実施例とは全く逆にしてもよ
い。

【００５２】上記したように第１実施例の構造の発光ダ
イオードを製作するためには、メサ部を形成した基板に
高混晶のＡｌＧａＡｓ層である犠牲層１２をメサ部９の
高さを越えない厚さに成長させる（図２参照）。しか
し、成長条件が多少ずれると、メサ部の上にも薄くＡｌ
ＧａＡｓ犠牲層が成長することがある。このような場合
に得られるのが、図３に示す構造の発光ダイオードであ
る。

【００５３】断面構造が同図に示すように、メサ部９の
上にｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層３が食い込むことな
く、メサ部９の上にちょうどクラッド層３が乗っている
ような構造の発光ダイオードが得られる。

【００５４】このような構造のＤＨ構造発光ダイオード
についても評価した結果、順方向電流は５０ｍＡで発光
出力が１８±１ｍＷ（樹脂モールドを施さないチップ状
態では６±０．８ｍＷ）であった。この値は、図１の構
造の発光ダイオードよりも若干落ちるものの、通常のも
のよりは高いことがわかった。

【００５５】ところで、上述した基板とエピタキシャル
層とが基板（メサ部）で部分的に接合される接合構造で
は、メサ部の上にＡｌＧａＡｓ犠牲層が成長すると、犠
牲層のエッチングの際、発光部を構成するエピタキシャ
ル層３，４，５が基板２より剥がれてしまうことがあ
る。

【００５６】また、うまくエッチングできても、樹脂モ
ールドした発光ダイオードを製作すると、基板とエピタ
キシャル層の界面に働く応力により、長時間の動作およ
び温度変化等により、剥がれが生じることがある。この
ような問題を解決するのが、次に説明する第２実施例で
ある。

【００５７】第２実施例本発明に係る赤外発光ダイオードの第２実施例を説明す
る。本実施例に係る発光ダイオード１１は、図４に示す
ように、基板とエピタキシャル層とが基板で部分的に接
合された第１実施例の接合構造を改良したもので、基板
とエピタキシャル層とがエピタキシャル層で部分的に接
合された構造としたものである。

【００５８】この発光ダイオード１１が第１実施例の発
光ダイオード１と異なる点は、ｐ型ＡｌＧａＡｓクラッ
ド層３の裏面に凸状部１４が形成され、クラッド層３は
この凸状部１４でｐ型ＧａＡｓ基板２に直接接合されて
いる点である。凸状部１４は拡径部をもち、その拡径部
が基板２と接合されているので、メサ部の頂上で接合さ
れている第１実施例に比して接合面積が大きく、従って
接合強度が大きい。

【００５９】次に、この構造の赤外発光ダイオードの製
造方法について、図５及び図６にしたがって説明する。

【００６０】まず、ｐ型ＧａＡｓ基板２を準備する（図
５（ａ））。これは例えばキャリア濃度が１×１０¹⁹cm
^-3〜３×１０¹⁹cm^-3のＺｎをドープしたＧａＡｓ基板で
ある。

【００６１】このＧａＡｓ基板２の表面に凸状のメサ部
９を、ホトリソグラフ法とエッチングによって形成し
た。このメサ部９は直径１０μm 、高さ３μm のほぼ円
柱形状であり、４０μm 間隔でマトリクッス状に形成す
る（図５（ｂ））。

【００６２】この凸状のメサ部９を形成したｐ型ＧａＡ
ｓ基板２上に、液相エピタキシャル法で、まず犠牲層１
２を成長させる（図５（ｃ））。

【００６３】ＧａＡｓ基板２上に形成する犠牲層１２で
あるＡｌＧａＡｓ層は、ＡｌＡｓ混晶比は０．９０で膜
厚は約２μm である。液相エピタキシャル法により成長
させることにより、犠牲層１２は、メサ部９以外の低い
部分にのみ成長する。このことは液相エピタキシャル成
長として周知である。しかし成長ばらつきにより、メサ
部９の上に薄く成長することもある。

【００６４】次に、ｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層３を成
長させるが、その際、クラッド層用成長溶液に添加する
ＧａＡｓ量を少なくして成長溶液を未飽和とする。第１
実施例では高混晶ＡｌＧａＡｓ犠牲層１２は過飽和度の
小さい成長用溶液を用いたが、ここでは未飽和の成長溶
液を用いる。この未飽和成長溶液を基板２と接触させる
ことにより、基板２表面をメルトバックして凸条のメサ
部９を除去する。この除去によりメサ部跡である凹状の
メルトバック部１３が犠牲層１２に形成される（図５
（ｄ））。

【００６５】前記成長溶液は、金属Ｇａ、金属Ａｌ、Ｇ
ａＡｓ多結晶、ドーパントＺｎからなっている。ＧａＡ
ｓ添加量が多過ぎるとメルトバックせず、少な過ぎると
メルトバック量が大き過ぎる。このためメルトバック量
がメサ部９の頂上から目標４μm の深さで、ばらつきが
０．１μm から１０μm 程度になるようにＧａＡｓ添加
量を適正化した。この未飽和溶液は、犠牲層１２をほと
んどエッチングすることなく、ＧａＡｓ基板２の表面を
大きく溶解する。その結果、メルトバック部１３は、メ
サ部９よりも深く抉られ、図の右側に拡大して抜き出し
て示したように拡径部１３ａを有する凹状となる。

【００６６】これはメルトバック速度が溶解する材料の
ＡｌＡｓ混昌比に大きく依存するためである。面白いこ
とに、溶解が犠牲層１２の下側全部に及んでも、犠牲層
がマトリックス状となっているため、エピタキシャル成
長後は、犠牲層１２がｐ型クラッド層３中に埋め込まれ
た様な構造となることもある。

【００６７】なお、上記メルトバックで、成長ばらつき
によりメサ部９の上に薄く成長することもある犠牲層１
２は、完全に溶解除去される。従って、犠牲層１２の厚
さはメサ部９の高さを超えても良い。

【００６８】このようにしてメルトバック後、引き続き
クラッド層３を成長し、さらに続けてｐ型ＡｌＧａＡｓ
活性層４とｎ型ＡｌＧａＡｓウィンドウ層５を成長させ
る（図５（ｅ））。

【００６９】メルトバック後、引き続きクラッド層３を
成長させることにより、クラッド層３の裏面には、図の
右側に拡大して抜き出して示したように、凹状のメルト
バック部１３に対応するエピタキシャル層による凸状部
１４が形成される。この凸状部１４がｐ型クラッド層３
を基板２に、直接かつ部分的に接合する。

【００７０】ｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層３は、ＡｌＡ
ｓ混晶比は約０．２５μm とし、膜厚は約３０μm とし
た。また次のｐ型活性層４は、ＡｌＡｓ混晶比は約０．
０５とし、膜厚は１μm とした。さらにｎ型ＡｌＧａＡ
ｓウィンドウ層５は、ＡｌＡｓ混晶比は約０．３０と
し、膜厚は３０μm である。

【００７１】しかる後、このエピタキシャルウェハの表
面にｎ側円形電極８、裏面にｐ側全面電極７を形成する
（図６（ａ））。

【００７２】電極形成後、寸法が３００μm ×３００μ
m のチップを得るため、チップ分離用の溝を形成する。
溝の間隔３００μm 、幅４０μm 、深さ８０μm のマト
リックス状である。このエピタキシャルウェハをＨＦと
Ｈ₂Ｏの稀薄水溶液またはＨＦ、Ｈ₂Ｏ₂、とＨ₂Ｏの
稀薄水溶液に入れ、高混晶のＡｌＧａＡｓ犠牲層１２を
溶解除去する。この溶解除去によりクラッド層３裏面の
凸状部１４を除く基板２とクラッド層３との間に空洞層
１０が形成される（図６（ｂ））。

【００７３】このエッチング溶液では高混晶のＡｌＧａ
Ａｓ犠牲層１２のみがエッチングされ、その他のＡｌＧ
ａＡｓ層３、４、５はほとんどエッチングされない。

【００７４】このようにして形成されたエピタキシャル
ウェハは、前記クラッド層３と空洞層１０の界面で光が
反射され、その多くがｎ型ＡｌＧａＡｓウィンドウ層５
へ向かうことになる（図６（ｃ））。

【００７５】本実施例によれば、成長条件が多少ずれて
メサ部の上にＡｌＧａＡｓ犠牲層の薄層が成長しても、
メサ部自体をメルトバックにより除去してしまうので、
成長条件の影響を受けず、しかも、メルトバックにより
清浄化された基板表面にクラッド層裏面の凸状部を接合
するので、接合が強固であり、チップ製作時の犠牲層エ
ッチングの際、発光部を構成するＤＨ構造エピタキシャ
ル層が基板より剥がれてしまうことも、樹脂モールドし
た発光ダイオードの製作後、基板とエピタキシャル層の
界面に働く応力により、長時間の動作および温度変化等
により、剥がれが生じることもない。

【００７６】さて、前記エピタキシャルウェハを更にダ
イシングにより分離し、赤外発光ダイオードチップとす
る。この赤外発光ダイオードチップをステム上にマウン
トし、ワイヤボンディングにより配線し、樹脂モールド
して、発光ダイオード素子を製作した。

【００７７】この発光ダイオードについて評価した結
果、順方向電流５０ｍＡで発光出力が２２．０±２．０
ｍＷ（樹脂モールドを施さないチップ状態では１０．０
±１ｍＷ）となり、第１実施例のものよりも高出力を得
ることができた。また、通常、裏面反射型の発光ダイオ
ードを製作した場合、発光出力にばらつきが多いが本実
施例構造の発光ダイオードでは発光出力のばらつきが非
常に小さいことが分かった。

【００７８】また、第１実施例の発光ダイオード製作時
には、犠牲層エッチングの際、ＤＨ構造のエピタキシャ
ル層が基板から剥がれる率が３０％程度あったが、メル
トバック後、ＤＨ構造エピタキシャル層を成長させる本
実施例方式にすることにより、それは１％以下となっ
た。

【００７９】また第１実施例のものでは、エピタキシャ
ル層が剥がれなくても、電流の通電できる限界が１０ｍ
Ａ程度であったチップが２０％程度発生していたが、本
実施例のものでは１％以下と大幅に低減することができ
るようになった。

【００８０】また本実施例により、樹脂モールドした素
子の寿命を大幅に改善できた。試験方法は、室温から−
４０℃までを１００ｍＡの電流を流しながら１０００サ
イクル実施したが１００チップで電流が流れなくなった
チップはなかった。

【００８１】さらに、赤外発光ダイオードに適用した本
実施例をＡｌＧａＡｓ赤色発光ダイオードに適用したと
ころ、発光光度は順方向電流が２０ｍＡで正面光度２５
００ｍｃｄ（発光出力６．０ｍＷ）であり、高い発光光
度を得られることが確かめられた。

【００８２】なお、第２の実施例では、凸状のメサ部全
体をメルトバックにより除去するようにしたが、メルト
バックをメサ部の頂上付近のみに止めて、発光ダイオー
ド構造を第１実施例のようにすることもできる。これに
よれば、メサ部の頂上に薄く成長することがある犠牲層
を有効に除去できるので、第１実施例よりも接合の信頼
性が向上する。

【００８３】また、第１実施例と第２実施例とを組合せ
て、基板表面に凸状のメサ部を、エピタキシャル層の裏
面に凸状部をそれぞれ形成し、これらメサ部および凸状
部で前記エピタキシャル層が基板に部分的に接合し、メ
サ部および凸状部を除く基板とエピタキシャル層との間
に空洞層を形成するようにしても良い。

【００８４】

【発明の効果】

(1) 請求項１に記載の発明によれば、基板表面のメサ部
でエピタキシャル層との接合を部分的に確保することに
より、エピタキシャル層と基板との間に空洞層を形成
し、この空洞層により光を反射させるようにしたので、
発光出力を大幅に向上させることができる。

【００８５】(2) 請求項２に記載の発明によれば、エピ
タキシャル層裏面の凸状部で基板との接合を部分的に確
保することにより、エピタキシャル層と基板との間に空
洞層を形成し、この空洞層により光を反射させるように
したので、発光出力を大幅に向上させることができる。

【００８６】(3) 請求項３に記載の発明によれば、基板
表面のメサ部でエピタキシャル層との接合を、エピタキ
シャル層裏面の凸状部で基板との接合をそれぞれ部分的
に確保することにより、エピタキシャル層と基板との間
に空洞層を形成し、この空洞層により光を反射させるよ
うにしたので、発光出力を大幅に向上させることができ
る。

【００８７】(4) 請求項４に記載の発明によれば、発光
ダイオード材料に高輝度のＧａＡｓ／ＧａＡｌＡｓ系化
合物半導体を用いたので、発光出力をさらに大幅に向上
させることができる。また、高ＡｌＡｓ混晶比の厚膜Ａ
ｌＧａＡｓ層の成長を必要とせず、特性の均一化を図る
ことができる。

【００８８】(5) 請求項５に記載の発明によれば、空洞
層に樹脂を注入したので、信頼性を大幅に向上させるこ
とができる。

【００８９】(6) 請求項６に記載の発明によれば、メサ
部の高さを越えない厚さの犠牲層を基板表面に成長する
ので、メサ部によってエピタキシャル層を基板に強固に
接合することができ、また犠牲層を溶解除去するだけで
エピタキシャル層と基板表面との間に空洞層を形成する
ことができるので、空洞層の形成が容易となる。

【００９０】(7) 請求項７に記載の発明によれば、メル
トバックで作った基板の凹状部にエピタキシャル層によ
る凸状部を形成し、この凸状部で基板との接合を計るよ
うにしたので、エピタキシャル層をより強固に接合する
ことができる。また犠牲層を溶解除去するだけで空洞層
を形成することができるので、空洞層の形成が容易とな
る。

【００９１】(8) 請求項８に記載の発明によれば、発光
ダイオード材料に高輝度のＧａＡｓ／ＧａＡｌＡｓ系化
合物半導体を用い、犠牲層を高混晶ＧａＡｌＡｓ化合物
半導体とし、この犠牲層を溶解除去するのに最適なＨＦ
の稀薄水溶液またはＨＦ／Ｈ₂Ｏ₂の稀薄水溶液からな
るＨＦ系エッチング溶液を用いたので、犠牲層の溶解除
去を確実に行なうことができ、空洞層の形成がより確
実、かつ容易となる。さらに、高ＡｌＡｓ混晶比の厚膜
ＡｌＧａＡｓ層の成長を必要とせず製造も容易なため、
高輝度特性を保持しながら、製作時の歩留りおよび信頼
性の高い発光ダイオードを生産できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る第１実施例の赤外発光ダイオード
を示す断面図である。

【図２】第１実施例による基板に犠牲層を含むエピタキ
シャル層を４層成長させた状態を示す断面図である。

【図３】第１実施例の変形例の赤外発光ダイオードを示
す断面図である。

【図４】第２実施例による基板に犠牲層を含むエピタキ
シャル層を４層成長させた状態を示す断面図である。

【図５】第２実施例による赤外発光ダイオードのエピタ
キシャル成長までの製造工程図。

【図６】同じく第２実施例の電極形成から光の反射状況
を示す製品までの製造工程図。

【符号の説明】

１発光ダイオード２ｐ型ＧａＡｓ基板３ｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層４ｐ型ＡｌＧａＡｓ活性層５ｎ型ＡｌＧａＡｓウィンドウ層７ｐ側全面電極８ｎ側円形電極９メサ部１０空洞層１２犠牲層１３メルトバック部（凹状のメサ部跡）

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】発光部を構成する複数のエピタキシャル層
が基板上に形成された発光ダイオードにおいて、前記基
板の表面に複数の凸状のメサ部がマトリックス状に形成
され、これら凸状のメサ部で前記エピタキシャル層が前
記基板に部分的に接合され、前記メサ部を除く前記基板
とエピタキシャル層との間に空洞層が形成されているこ
とを特徴とする発光ダイオード。
【請求項２】発光部を構成する複数のエピタキシャル層
が基板上に形成された発光ダイオードにおいて、前記エ
ピタキシャル層の裏面に複数の凸状部がマトリックス状
に形成され、これら凸状部で前記エピタキシャル層が前
記基板に部分的に接合され、前記凸状部を除く前記基板
とエピタキシャル層との間に空洞層が形成されているこ
とを特徴とする発光ダイオード。
【請求項３】発光部を構成する複数のエピタキシャル層
が基板上に形成された発光ダイオードにおいて、前記基
板表面に凸状のメサ部を、前記エピタキシャル層の裏面
に凸状部をそれぞれ有し、これらメサ部および凸状部で
前記エピタキシャル層が基板に部分的に接合され、前記
メサ部および凸状部を除く前記基板とエピタキシャル層
との間に空洞層が形成されていることを特徴とする発光
ダイオード。
【請求項４】請求項１ないし３のいずれかに記載の発光
ダイオードにおいて、前記基板がＧａＡｓであり、前記
エピタキシャル層がＧａＡｌＡｓであることを特徴とす
る発光ダイオード。
【請求項５】請求項１ないし４のいずれかに記載の発光
ダイオードにおいて、前記空洞層に樹脂が注入されてい
ることを特徴とする発光ダイオード。
【請求項６】基板表面に凸状のメサ部を形成した後、該
凸状のメサ部の高さを越えない厚さの犠牲層を前記基板
表面に成長し、該犠牲層を成長した基板の上に発光部を
構成する複数のエピタキシャル層を成長し、その後、前
記犠牲層を溶解除去して前記凸状のメサ部を除く前記基
板表面と前記エピタキシャル層との間に空洞層を形成す
ることを特徴とする発光ダイオードの製造方法。
【請求項７】基板表面に凸状のメサ部を形成した後、該
凸状のメサ部の高さを越えない程度の厚さの犠牲層を前
記基板表面に成長し、前記犠牲層を成長した基板表面を
メルトバックすることにより、前記犠牲層を除く凸条の
メサ部を除去して凹状のメサ部跡を前記犠牲層に形成
し、該凹状のメサ部跡の深さを越える厚さで発光部を構
成する複数のエピタキシャル層を前記犠牲層上に成長し
て、凹状のメサ部跡に凸状部を形成し、その後、前記犠
牲層を溶解除去して前記凹状のメサ部跡に形成した凸状
部を除く前記基板と前記エピタキシャル層との間に空洞
層を形成することを特徴とする発光ダイオードの製造方
法。
【請求項８】請求項６または７に記載の発光ダイオード
の製造方法において、前記基板がＧａＡｓ、前記エピタ
キシャル層がＧａＡｌＡｓ、前記犠牲層が前記ＧａＡｌ
Ａｓエピタキシャル層のＡｌＡｓ混晶比よりも高いＡｌ
Ａｓ混晶比を有するＧａＡｌＡｓであり、該高ＡｌＡｓ
混晶比のＧａＡｌＡｓ犠牲層を溶解除去する溶液として
ＨＦの稀薄水溶液またはＨＦ及びＨ₂Ｏ₂を含む稀薄水
溶液を用いたことを特徴とする発光ダイオードの製造方
法。