JP4997672B2 - 半導体発光素子、半導体発光素子の製造方法、及び半導体発光装置 - Google Patents
半導体発光素子、半導体発光素子の製造方法、及び半導体発光装置 Download PDFInfo
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は所定の光を発生させる半導体発光ダイオードなどの半導体発光素子とその製造方法、及びそのような半導体発光素子を複数個備えた半導体発光装置に関し、特に、簡便な製造方法により発光波長を多様化させる半導体発光素子とその製造方法、及び半導体発光装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
画像表示装置を構成する方法の１つとして、半導体発光ダイオードを２次元状に配列して、所定の画像表示を行うようにしたダイオードアレイ型ディスプレイが知られている。このようなダイオードアレイ型ディスプレイに用いられる発光素子は、デバイスとしての信頼性や生産性などが要求され、特に輝度や波長のばらつきなどの製造上のばらつきなどを所定の範囲以下に抑えることが必要となる。
【０００３】
また、カラー表示を行うためには、画素ごとに３原色の発光素子を形成する必要がある。最近では、青色発光ダイオードとしてはＧａＮ系の発光ダイオードが注目されてきており、また緑色発光ダイオードとしてはＧａＮ系やＧａＰ系の発光ダイオードが利用され、更に赤色発光ダイオードとしてはＡｌＧａＡｓ系やＡｌＩｎＧａＰ系などの材料からなる発光ダイオードの利用が検討されている。
【０００４】
ところで、半導体発光素子の中には、電流が直接注入されて発光するところの第１の発光層に加えて、その第１の発光層からの光を吸収し波長を変換して放出する第２の発光層を備えた構造の発光素子が知られており、例えば、特開平１１−２７４５５８号公報に記載されるように、ＧａＮ系の半導体活性層からなる第１の発光層からの光を受けてその波長を変換する第２の発光層を備えた半導体発光素子が知られている。また、ＧａＮ系半導体レーザーを励起光源として使用し、そのレーザー光を蛍光体に入射させて所要の可視域の蛍光発光をなすように構成したものとして、例えば特開２０００−１７４３４６号公報に記載される発光装置が知られている。このような半導体発光素子や発光装置を用いることで、１次発光した波長に拘わらず、その波長を変換する形式での発光が可能であり、単一素子からの多色発光などが容易に実現される。
【０００５】
【発明が解決すべき課題】
ＧａＮ系の半導体活性層からなる第１の発光層からの光を受けてその波長を変換する第２の発光層を備えた半導体発光素子（例えば、特開平１１−２７４５５８号公報参照。）においては、第２の発光層は第１の発光層の上に積層して形成することを前提としており、特に第２の発光層には直接駆動電流が注入されることがなく、第２の発光層として不安定な混晶を用いた場合でも、所定の波長の発光を安定して得ることができる。しかしながら、第1の発光層と第２の発光層を積層するように構成して同一の素子とすることが記載されているものの、貼り合わせ構造や多色化についての具体的な構成例についてはその記載がなく、特に高精細な画像表示装置を構成するための発光素子については示唆するところがない。
【０００６】
また、レーザー光を蛍光体に入射させる構造の発光装置についても、基本的に白色発光を目的として構成にとどまり、光強度の改善という点では効果があるとされているが、やはり高精細な画像表示装置を構成するための発光素子について、特に多色表示可能な画像表示装置については示唆するところがない。さらに蛍光体を使用した場合では、色純度の低下が見られ、輝度の飽和もし易いことから、高精細な画像表示装置を構成する場合に不利である。
【０００７】
そこで、本発明は、簡便な製造方法により発光波長を多様化させ、特に高精細な画像表示装置に用いて好適な半導体発光素子とその製造方法、及び半導体発光装置を提供することを目的とする。
【００１０】
また、本発明の他の半導体発光素子は、樹脂パッケージ内に形成され所定の光を放出させる第１の半導体発光層と、第１の半導体発光層とは異なる結晶系からなる半導体層から構成され、第１の半導体発光層からの光によって励起されて光を放出する第２の半導体発光層を有し、第２の半導体発光層は樹脂パッケージに貼り合わされて構成され、第１の半導体発光層からの発光波長と第２の半導体発光層からの発光波長が異なることを特徴とする。
【００１１】
第１の半導体発光層を樹脂パッケージ内に配設することで、光を樹脂パッケージの樹脂部分を介して透過させて外部に出すことができる。また、高精細な画像表示を行うためには精度良く発光素子を並べることが必要とされ、素子を樹脂パッケージ毎並べた方が高精度に発光素子を配列できる。前記第２の半導体発光層には、電流の注入が必要ないことから、樹脂パッケージに貼り付けるようにして素子を構成した場合でも確実に機能して、多様な波長の光を出力できる。
【００１２】
本発明の半導体発光素子の製造方法は、所定の光を放出させる第１の半導体発光層を形成し、第１の半導体発光層とは異なる結晶系からなる半導体層から構成され第１の半導体発光層からの光によって励起されて光を放出する第１の半導体発光層とは異なる結晶系からなる半導体層から構成される第２の半導体発光層を形成し、第２の半導体発光層を第１の半導体発光層を有する半導体構造部に貼り合わせ、第１の半導体発光層からの発光波長と第２の半導体発光層からの発光波長が異なる、ことを特徴とする。
【００１３】
同じ結晶系の半導体発光層を用いずに異なる結晶系の発光層を用いることで、大幅な波長の変更が可能であると共に、その予定された波長の光を放出できる結晶構造のもののうち、最適なものを選ぶことができる。結晶構造が異なる場合、一般に同一素子として積層形成していくことが困難であるが、第２の半導体発光層を第１の半導体発光層を有する半導体構造部に貼り合わせることで、それぞれの結晶構造を単一の発光素子に複合化できる。
【００１４】
また、本発明の他の半導体発光素子の製造方法は、樹脂パッケージ内に形成され所定の光を放出させる第１の半導体発光層を形成し、前記第１の半導体発光層からの光によって励起されて光を放出するための第２の半導体発光層を形成し、前記第２の半導体発光層を前記樹脂パッケージに貼り合わせることを特徴とする。
【００１５】
樹脂パッケージ内に配設することで、樹脂パッケージ毎並べた場合に高精度に発光素子を配列できる。第２の半導体発光層には電流の注入が必要ないことから、第２の半導体発光層を樹脂パッケージに貼り付けるようにして素子を構成した場合では、多様な波長の光を出力でき、特にカラー画像表示に有効である。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明の好適な実施形態を図面を参照しながら説明する。図１は本実施形態の半導体発光素子の一部破断して示す側断面図である。
【００１７】
［半導体発光素子の一例］
本実施形態の半導体発光素子は、下部側にＡｌＧａＩｎＰ系ダブルへテロ構造を有し、一対のクラッド層１０、１２の間に第２の半導体発光層としての第２の活性層１１を設けた構造を有する。詳しくはＡｌＧａＩｎＰ系ダブルへテロ構造は、下部クラッド層１０、第２の活性層１１、上部クラッド層１２から構成され、活性層１１よりもバンドギャップエネルギーの大きなクラッド層１０、１２で活性層１１を挟んだ構造とされる。ＡｌＧａＩｎＰ系材料からなる活性層１１の混晶比については、ＡｌＧａＩｎＰ系材料を（ＡｌＸＧａ１−Ｘ）ＹＩｎ１−ＹＰ混晶材料とした場合に、混晶比ｙは結晶成長時の格子整合の見地から設定されるが、ｘは目標とする発光波長に応じて設定する。例えば、活性層とクラッド層の組み合わせは、ＡｌＧａＩｎＰのみから構成するもの、ＡｌＧａＩｎＰ及びＧａＩｎＰから構成するもの、ＡｌＩｎＰ及びＡｌＧａＩｎＰから構成するもの等を用いることができる。
【００１８】
これらＡｌＧａＩｎＰ系ダブルへテロ構造の各層は、例えばＧａＡｓ基板上に格子整合させながら形成する層とされ、それぞれ閃亜鉛鉱型結晶構造を有する。この第２の活性層１１は直接電流の注入によって発光するのではなく、次に説明するＧａＮ系のピラミッド型発光層からの励起光によって発光する。このようなＡｌＧａＩｎＰ系ダブルへテロ構造の各層は、ＧａＡｓ基板上に結晶成長した後に発光層部分だけがＧａＡｓ基板から剥離されて形成される。特にＡｌＧａＩｎＰ系ダブルへテロ構造とＧａＡｓ基板を分離することから、素子として利用する部分をＡｓ（砒素）を含まない構成にでき、環境保護の面からも優れたデバイスとなる。このＡｌＧａＩｎＰ系ダブルへテロ構造では、青色などの励起光を基に赤色の高輝度の発光を可能とする。すなわち、このＡｌＧａＩｎＰ系ダブルへテロ構造では、一例として青色から赤色への波長変換が行われる。
【００１９】
このような活性層１１を有するＡｌＧａＩｎＰ系ダブルへテロ構造の上部クラッド層１２には接着層１３を介して、第１の半導体発光層側の構成が貼り合わせられる。この第１の半導体発光層側の構成は、例えばサファイア基板上に低温バッファ層などを介して形成されたシリコンドープの下部成長層１４が形成され、そのシリコンドープの下部成長層１４上に選択成長の成長阻害膜１５が形成され、更にその成長阻害膜１５の一部を開口した窓部から選択成長によって六角錐形状の結晶成長部１９が構成される。この六角錐形状の結晶成長部１９は傾斜した結晶面を有し、例えば選択成長の際に、基板主面をＣ面とした場合では、Ｓ面（｛１−１０１｝面）若しくは｛１１−２２｝面を傾斜したファセットとして成長する。傾斜したファセットでは、一部が選択成長用の成長阻害膜１５と平面上重なるため、その部分で基板からの貫通転位が抑制され、特に傾斜した結晶面では発光特性に優れることになる。なお、サファイア基板はＡｌＧａＩｎＰ系ダブルへテロ構造の各層と貼りあわせられる前に剥離される。
【００２０】
六角錐形状の結晶成長部１９の内側では、成長阻害膜１５の一部を開口した窓部に連続するシリコンドープのＧａＮ層１６が形成される。このシリコンドープのＧａＮ層１６は図示しないｎ側電極に接続されると共に、六角錐形状の結晶成長部１９の発光領域における下側のクラッド層として機能する。このシリコンドープのＧａＮ層１６の外側にはＩｎＧａＮ層などからなる第１の活性層１７が形成される。この第１の活性層１７は、次に説明するマグネシウムドープのＧａＮ層１８とシリコンドープのＧａＮ層１６に挟まれたダブルへテロ構造とされ、図示しないｐ側電極とｎ側電極からの電流注入によって発光する。ここで、第１の活性層１７からの発光波長は、そのバンドギャップから紫外光から青色、緑色発光色までを概ね設定できるものであり、例えば、青色若しくは緑色の発光波長とするように製造上の設定が可能となる。第１の活性層１７で単一の発光波長であっても前述の第２の半導体発光層で波長変換が可能であり、第１の活性層１７からの発光色を青色とした場合であっても赤色や緑色を容易に作り出すことができることから、カラー画像を表示する表示デバイスを製造する場合にも順応性良く対応できる。第１の活性層１７の外側には、マグネシウムドープのＧａＮ層１８が形成される。このマグネシウムドープのＧａＮ層１８は図示しないｐ側電極に接続される。
【００２１】
このような構造からなる本実施形態の半導体発光素子は、六角錐形状の結晶成長部１９からなる第１の半導体発光層側の構成がＧａＮ系のウルツ鉱型の半導体結晶構造を有し、他方、第２の半導体発光層側の構成はＡｌＧａＩｎＰ系の閃亜鉛鉱型の結晶構造を有する。特にＧａＮ系の半導体結晶構造は、電流注入に対し高い電流値でも構造部が壊れないという利点があり、長寿命である。従って、これらの組み合わせから、電流を流す対象は構造的に比較的強度の高いＧａＮ系ウルツ鉱型半導体結晶構造側に限られるため、素子の長寿命化を容易に図ることができる。また、それぞれ成長時の基板を剥がした後で第１の半導体発光層側の構成と第２の半導体発光層側の構成を組み合わせた構造を有するため、成長用基板を繰り返し利用することもでき、また、ＧａＡｓ基板などに含まれるＡｓを全く含まない構成も実現できる。
【００２２】
また、本実施形態の半導体発光素子では、第１の活性層１７で励起された光が第２の活性層１１で波長変換して出力されることになり、第２の活性層のかわりに蛍光体を使用するような発光素子に比べて、色純度を高くすることができ、同時に輝度飽和が抑制されて高輝度な表示が可能となる。このような本実施形態の半導体発光素子を用いてカラー画像表示装置を構成する場合、青色の第１の活性層１７からの励起光を赤色に変換することができ、同じ構成のＧａＮ系半導体結晶構造は、そのまま青色又は緑色として活用することもできることから、後述するように少なくとも同じＧａＮ系半導体結晶構造をアレイ状に配列し、一部に第２の活性層１１を形成して波長変換を行っても高精細な画像表示装置を作成できる。なお、第２の半導体発光層としては、ＡｌＧａＩｎＰ系半導体層、ＡｌＧａＩｎＡｓ系半導体層、ＧａＩｎＮＡｓ系半導体層、ＧａＩｎＡｓＰ系半導体層から選ばれた半導体層を形成しても良い。
【００２３】
［半導体発光素子の製造方法の一例］
次に、図２〜図８を参照しながら、本実施形態の半導体発光素子の製造方法について説明する。本製造方法においては、特にサファイア基板などのウルツ鉱型の化合物半導体層を形成し得る基板と、ＧａＡｓ基板などの閃亜鉛鉱型の結晶構造の半導体層を形成し得る基板とがそれぞれ結晶成長に使用されるが、それぞれ成長した半導体層は基板から剥離され、基板を伴わずに素子を構成するように製造される。以下、工程順に説明する。
【００２４】
先ず、半導体発光素子の製造に用いられる基板２０としては、ウルツ鉱型の化合物半導体層を形成し得るものであれば特に限定されず、種々のものを使用できる。例示すると、基体として用いることができるのは、サファイア（Ａｌ２Ｏ３、Ａ面、Ｒ面、Ｃ面を含む。）、ＳｉＣ（６Ｈ、４Ｈ、３Ｃを含む。）、ＧａＮ、Ｓｉ、ＺｎＳ、ＺｎＯ、ＡｌＮ、ＬｉＭｇＯ、ＬｉＧａＯ２、ＧａＡｓ、ＭｇＡｌ２Ｏ４、ＩｎＡｌＧａＮなどからなる基板などであり、好ましくはこれらの材料からなる六方晶系基板または立方晶系基板であり、より好ましくは六方晶系基板である。例えば、サファイア基板を用いる場合では、窒化ガリウム（ＧａＮ）系化合物半導体の材料を成長させる場合に多く利用されているＣ面を主面としたサファイア基板を用いることができる。この場合の基板主面としてのＣ面は、５乃至６度の範囲で傾いた面方位を含むものである。半導体装置の製造に広く使用されているシリコン基板などを利用することも可能である。
【００２５】
選択成長をさせるための基板２０上には、選択時に良好な結晶性を得るためにバッファ層などを形成しても良い。また、図２に示すように基板２０上には選択成長の下部成長層２１が形成される。下部成長層２１としては、化合物半導体層を選択することができ、後の工程でファセット構造を形成することからウルツ鉱型の化合物半導体を選ぶことが好ましい。さらに化合物半導体層としてはウルツ鉱型の結晶構造を有する窒化物半導体、ＢｅＭｇＺｎＣｄＳ系化合物半導体、およびＢｅＭｇＺｎＣｄＯ系化合物半導体などが好ましい。窒化物半導体からなる結晶層としては、例えばＩＩＩ族系化合物半導体を用いることができ、更には窒化ガリウム（ＧａＮ）系化合物半導体、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）系化合物半導体、窒化インジウム（ＩｎＮ）系化合物半導体、窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＮ）系化合物半導体、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）系化合物半導体を好ましくは形成することができ、特に窒化ガリウム系化合物半導体が好ましい。一例としては、サファイア基板上にアンドープのＧａＮ層を形成し、その後でＳｉドープのＧａＮ層を形成しても良い。なお、本発明において、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＧａＮなどは必ずしも、３元混晶のみ、２元混晶のみの窒化物半導体を指すのではなく、例えばＩｎＧａＮでは、ＩｎＧａＮの作用を変化させない範囲での微量のＡｌ、その他の不純物を含んでいても本発明の範囲であることはいうまでもない。また、Ｓ面に実質的に等価な面とは、Ｓ面に対して５乃至６度の範囲で傾いた面方位を含むものである。ここで本明細書中、窒化物とはＢ、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ、ＴａをＩＩＩ族とし、Ｖ族にＮを含む化合物を指し、全体の１％以内若しくは１ｘ１０２０ｃｍ３以下の不純物の混入を含む場合もある。
【００２６】
この下部成長層２１の成長方法としては、種々の気相成長法を挙げることができ、例えば有機金属化合物気相成長法（ＭＯＣＶＤ（ＭＯＶＰＥ）法）や分子線エピタキシー法（ＭＢＥ法）などの気相成長法や、ハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ法）を用いることができる。その中でもＭＯＶＰＥ法によると、迅速に結晶性の良いものが得られる。ＭＯＶＰＥ法では、ＧａソースとしてＴＭＧ（トリメチルガリウム）、ＴＥＧ（トリエチルガリウム）、ＡｌソースとしてはＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）、ＴＥＡ（トリエチルアルミニウム）、Ｉｎソースとしては、ＴＭＩ（トリメチルインジウム）、ＴＥＩ（トリエチルインジウム）などのアルキル金属化合物が多く使用され、窒素源としてはアンモニア、ヒドラジンなどのガスが使用される。また、不純物ソースとしてはＳｉであればシランガス、Ｇｅであればゲルマンガス、ＭｇであればＣｐ２Ｍｇ（シクロペンタジエニルマグネシウム）、ＺｎであればＤＥＺ（ジエチルジンク）などのガスが使用される。ＭＯＶＰＥ法では、これらのガスを例えば６００°Ｃ以上に加熱された基板の表面に供給して、ガスを分解することにより、ＩｎＡｌＧａＮ系化合物半導体をエピタキシャル成長させることができる。
【００２７】
結晶成長の下部成長層２１の表面には六角形に開口した開口部２３を有する選択マスク２２が形成され、図３に示すように、その六角形状に開口した開口部２３からの選択成長によって半導体層２４が形成される。選択マスク２２は基体主面上に直接若しくは基体上に形成されたバッファ層その他の層上に形成される成長阻害膜であり、例えば酸化シリコン膜や窒化シリコン膜などの絶縁膜からなるマスク材料が使用される。このマスクの形状は、一例として六角形状とされるが、帯状、円形状、円弧状、或いは三角形状、五角形状などの多角形形状であっても良い。
【００２８】
このような選択成長のマスク２２等を形成したところで、選択的な結晶成長によって半導体層２４を形成する。結晶成長は、前述の化合物半導体層の形成のための方法と同じ方法で行うことができる。具体的には、成長方法としては、種々の気相成長法を挙げることができ、例えば有機金属化合物気相成長法（ＭＯＣＶＤ（ＭＯＶＰＥ）法）や分子線エピタキシー法（ＭＢＥ法）などの気相成長法や、ハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ法）を用いることができる。
【００２９】
この半導体発光素子の製造方法においては、選択成長によって半導体層２４が形成されるが、その半導体層２４の傾斜した結晶面は、好ましくは｛１−１０１｝面若しくは｛１１−２２｝面またはこれらの各面に実質的に等価な面の中から選ばれる面であることが望ましく、所要の条件で選択成長することで現れる結晶面である。これら傾斜した結晶面に囲まれる成長層は六角錐形状のピラミッド状とされ、断面略三角の尖頭形状である。この傾斜した結晶面としては、例えば基板の主面をＣ＋面とすることで、Ｓ面またはＳ面に実質的に等価な面、若しくは｛１１−２２｝面または｛１１−２２｝面に実質的に等価な面を容易に形成することができる。すなわち、選択成長を行った場合では、基板主面に対して傾斜した傾斜面としてＳ面及び｛１１−２２｝面は、Ｃ＋面の上に選択成長した際に見られる安定面であり、比較的得やすい面である。Ｃ面にＣ＋面とＣ−面が存在するのと同様に、Ｓ面についてはＳ＋面とＳ−面が存在するが、本明細書においては、特に断らない場合は、Ｃ＋面ＧａＮ上にＳ＋面を成長しており、これをＳ面として説明している。なお、Ｓ面についてはＳ＋面が安定面である。またＣ＋面の面指数は（０００１）である。
【００３０】
このＳ面ついては、窒化ガリウム系化合物半導体を用いて結晶層を構成した場合には、Ｓ面上、ＧａからＮへのボンド数が２または３とＣ−面の次に多くなる。ここでＣ−面はＣ＋面の上には事実上得ることができないので、Ｓ面でのボンド数は最も多いものとなる。例えば、Ｃ＋面を主面に有するサファイア基板に窒化物を成長した場合、一般にウルツ鉱型の窒化物の表面はＣ＋面になるが、選択成長を利用することでＳ面を安定して形成することができ、Ｃ＋面に平行な面では脱離しやすい傾向をもつＮのボンドがＧａから一本のボンドで結合しているのに対し、傾いたＳ面では少なくとも一本以上のポンドで結合することになる。従って、実効的にＶ／ＩＩＩ 比が上昇することになり、積層構造の結晶性の向上に有利である。また、基板と異なる方位に成長すると基板から上に伸びた転位が曲がることもあり、欠陥の低減にも有利となる。
【００３１】
このような半導体層２４には、図４に示すように、傾斜面上に第１導電型クラッド層２５、第１の活性層２６、および第２導電型クラッド層２７が積層される。本発明者らが窒化物半導体について行った実験において、カソードルミネッセンスを用い、成長したファセット構造を観測してみると、傾斜面であるＳ面の結晶は良質でありＣ＋面に比較して発光効率が高くなっていることが示されている。特にＩｎＧａＮ活性層の成長温度は例えば７００〜８００°Ｃとする。この温度ではアンモニアの分解効率が低く、よりＮ種が必要とされる。またＡＦＭで表面を見たところステップが揃ってＩｎＧａＮ取り込みに適した面が観測された。さらにその上、Ｍｇドープ層の成長表面は一般にＡＦＭレベルでの表面状態が悪いが、Ｓ面の成長によりこのＭｇドープ層も良い表面状態で成長し、しかもドーピング条件がかなり異なることがわかっている。また、顕微フォトルミネッセンスマッピングを行うと、０. ５- １μｍ程度の分解能で測定することができるが、Ｃ+ 面の上に成長した通常の方法では、１μｍピッチ程度のむらが存在し、選択成長でＳ面を得た試料については均一な結果が得られた。また、ＳＥＭで見た斜面の平坦性もＣ+ 面より滑らかに成っている。
【００３２】
傾斜面上に積層される第１導電型クラッド層２５、第１の活性層２６、および第２導電型クラッド層２７において、第１導電型はｐ型又はｎ型であり、第２導電型はその反対の導電型である。例えばＳ面を構成する結晶層をシリコンドープの窒化ガリウム系化合物半導体層によって構成した場合では、ｎ型クラッド層２５をシリコンドープの窒化ガリウム系化合物半導体層によって構成し、その上にＩｎＧａＮ層を活性層２６として形成し、さらにその上にｐ型クラッド層２７としてマグネシウムドープの窒化ガリウム系化合物半導体層を形成してダブルヘテロ構造を形成することができる。
【００３３】
なお、第１の活性層２６である例えばＩｎＧａＮ層をＡｌＧａＮ層で挟む構造や片側だけにＡｌＧａＮ層を形成する構造とすることも可能である。また、第１の活性層２６は単一のバルク活性層で構成することも可能であるが、単一量子井戸（ＳＱＷ）構造、二重量子井戸（ＤＱＷ）構造、多重量子井戸（ＭＱＷ）構造などの量子井戸構造を形成したものであっても良い。量子井戸構造には必要に応じて量子井戸の分離のために障壁層が併用される。活性層２６をＩｎＧａＮ層とした場合には、特に製造工程上も製造し易い構造となり、素子の発光特性を良くすることができる。さらにこのＩｎＧａＮ層は、窒素原子の脱離しにくい構造であるＳ面の上での成長では特に結晶化しやすくしかも結晶性も良くなり、発光効率を上げることが出来る。なお、窒化物半導体はノンドープでも結晶中にできる窒素空孔のためにｎ型となる性質があるが、通常Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｅなどのドナー不純物を結晶成長中にドープすることで、キャリア濃度の好ましいｎ型とすることができる。また、窒化物半導体をｐ型とするには、結晶中にＭｇ、Ｚｎ、Ｃ、Ｂｅ、Ｃａ、Ｂａなどのアクセプター不純物をドープすることによって得られるが、高キャリア濃度のｐ層を得るためには、アクセプター不純物のドープ後、窒素、アルゴンなどの不活性ガス雰囲気で４００℃以上でアニーリングを行うことが好ましく、電子線照射などにより活性化する方法もあり、マイクロ波照射、光照射などで活性化する方法もある。
【００３４】
第１の活性層２６を挟む第１導電型クラッド層２５及び第２導電型クラッド層２７には電極が直接或いは間接的に接続される。各電極はそれぞれの素子ごとに形成されるものであるが、ｐ電極またはｎ電極の一方は共通化することもできる。接触抵抗を下げるために、所要のコンタクト層を形成し、その後で電極をコンタクト層上に形成しても良い。一般的に各電極は多層の金属膜を蒸着などによって被着して形成されるが、素子ごとに区分するためにフォトリソグラフィーを用いてリフトオフなどにより微細加工することができる。各電極は選択結晶成長層や基板の一方の面に形成することもでき、両側に電極を形成してより高密度で電極を配線するようにすることもできる。また、独立して駆動される電極はそれぞれ同じ材料を微細加工して形成したものであっても良いが、領域ごとに異なる材料の電極材料を使用することも可能である。また、第１導電型クラッド層２５は下部半導体層２１に電気的に接続されるため、この下部半導体層２１に接続させる形でｎ側電極を形成しても良い。特に下部半導体層２１は貼り合わせ面としても利用されるため、接着面に電極を配設したり、接着層に導電性を付与したりして、ｎ側電極の一部として利用できる。
【００３５】
また特に、本発明の半導体発光素子では、結晶構造の良好な部分にのみ選択的に電極を形成する構造とすることもできる。例えば、結晶面に結晶のステップが揃っていない領域がある場合、そのステップが揃っていない領域上を外して電極を形成することができる。このような結晶のステップが揃っていない領域の存在は、ＡＦＭを用いた観察や、経験則などで把握することができ、一例として稜線上の部分や、端部に近い領域などを外した構造の電極を形成することができる。
【００３６】
次に、図５に示すように、基板２０の剥離が行われる。基板２０をエッチングや研磨などによって除去することも可能であるが、基板２０を透明なサファイア基板とした場合では、基板２０の裏面からの紫外線域のレーザー、例えばエキシマレーザーのビームを照射することで、基板２０とその上の下部半導体層２１との間にレーザーアブレーションが発生する。このレーザーアブレーションとは、紫外線の範囲のビームを照射して、基板２０と下部半導体層２１の間の界面でビームの光吸収エネルギーから下部半導体層２１の材料であるＧａＮのうちの窒素を発生させ、基板２０と下部半導体層２１を分離する技術である。基板２０をサファイア基板とした場合では、サファイア基板を透過してエキシマレーザーのビームを照射することができ、基板２０と下部半導体層２１を容易に分離できる。基板２０の分離により、下部半導体層２１の底面２８が露呈する。
【００３７】
このような第１の半導体発光層側の製造工程と並行或いは前後してＧａＡｓ基板３０上に第２の半導体発光層が形成される。具体的にはＧａＡｓ基板３０上にＡｌＧａＩｎＰ系ダブルへテロ構造を設けた構造とされ、一対のクラッド層３１、３３の間に第２の半導体発光層としての第２の活性層３２を設けた構造を有する。活性層３２とクラッド層３１、３３の組み合わせは、ＡｌＧａＩｎＰのみから構成するもの、ＡｌＧａＩｎＰ及びＧａＩｎＰから構成するもの、ＡｌＩｎＰ及びＡｌＧａＩｎＰから構成するもの等を用いることができる。また、これらＡｌＧａＩｎＰ系ダブルへテロ構造の各層は、例えばＧａＡｓ基板上に格子整合させながら形成する層とされ、それぞれ閃亜鉛鉱型結晶構造を有する。
【００３８】
ＧａＡｓ基板３０上にＡｌＧａＩｎＰ系ダブルへテロ構造を設けた後、図６に示すように、全面に接着層３４が形成される。この接着層３４は、例えば熱可塑性、熱硬化性の合成樹脂や、紫外線硬化、電子線硬化型の樹脂などにより構成される。この接着層３４は、ＧａＡｓ基板３０上のＡｌＧａＩｎＰ系化合物半導体層３１〜３３の上面に塗布されて形成されるが、例えば支持基板の片面若しくは両面に接着層を塗布した構成でも良く、その支持基板をそのまま実装基板として使用しても良い。
【００３９】
このような接着層３４の形成後、図７に示すように、接着層３４の上部に下部半導体層２１の底面を貼り合わせて、第１の半導体発光層側と第２の半導体発光層側を組み合わせる。この貼り合わせ工程によってピラミッド形状のＧａＮ系半導体層の光射出側にＡｌＧａＩｎＰ系ダブルへテロ構造が位置することになり、第１の活性層２６からの光が第２の活性層３２の発光に利用される。このような貼り合わせの後、レーザーアブレーションによってＧａＡｓ基板３０をＡｌＧａＩｎＰ系化合物半導体層であるクラッド層３１から剥がす。このＧａＡｓ基板３０の裏面側から例えばＹＡＧレーザーの照射によって、ＧａＡｓ基板３０とクラッド層３１の界面にエネルギーを集め、レーザーアブレーションが発生する。クラッド層３１にレーザーアブレーションが発生しにくい場合には、ＧａＡｓ基板３０とクラッド層３１の界面に犠牲層を設けるようにしても良い。レーザーアブレーションの場合、レーザー波長、基板波長、犠牲層波長の条件としては、犠牲層波長>レーザー波長>基板波長とすることで、レーザー照射時に犠牲層でのエネルギー吸収が生ずる。
【００４０】
また、本製造方法では、ＧａＡｓ基板３０を剥離するために、レーザーアブレーションを用いているが、これに限らず、ＧａＡｓ基板３０をエッチングにより除去したり、研磨したりすることも可能である。ＧａＡｓ基板３０をエッチングにより除去する場合、ＧａＡｓ基板３０自体をエッチングすることも可能であるが、エピタキシャルリフトオフ技術により中間層をエッチングして除き、ＧａＡｓ基板３０を除去するようにしても良い。
【００４１】
このようなＧａＡｓ基板３０の除去により、図８に示すような半導体発光素子が形成される。六角錐形状の結晶成長部２４からなる第１の半導体発光層側の構成がＧａＮ系のウルツ鉱型の半導体結晶構造を有し、他方、ＧａＡｓ基板３０を除去した第２の半導体発光層側の構成はＡｌＧａＩｎＰ系の閃亜鉛鉱型の結晶構造を有する。これらの組み合わせから、電流を流す対象は構造的に比較的強度の高いＧａＮ系ウルツ鉱型半導体結晶構造側に限られるため、素子の長寿命化を容易に図ることができる。また、それぞれ成長時の基板を剥がした後で第１の半導体発光層側の構成と第２の半導体発光層側の構成を組み合わせた構造を有するため、成長用基板を繰り返し利用することもでき、また、ＧａＡｓ基板３０などに含まれるＡｓを全く含まない構成も実現される。さらに第２の半導体発光層側には光励起が発生するだけで実質的な電流の注入がないことから、仮に第２の半導体発光層にひび割れや大きな結晶欠陥などがあった場合でもこれらは直接電流を注入する場合に比べて発光を妨げる程度は低い。
【００４２】
また、本実施形態により製造される半導体発光素子では、第１の活性層２６で励起された光が第２の活性層３２で波長変換して出力されることになり、蛍光体を使用するような発光素子に比べて、色純度を高くすることができ、同時に輝度飽和が抑制されて高輝度な表示が可能となる。このような本実施形態の半導体発光素子を用いてカラー画像表示装置を構成する場合、青色の第１の活性層２６からの励起光を赤色に変換することができ、同じ構成のＧａＮ系半導体結晶構造は、そのまま青色又は緑色として活用することもできることから、後述するように少なくとも同じＧａＮ系半導体結晶構造をアレイ状に配列し、一部に第２の活性層３２を形成して波長変換を行うことで高精細な画像表示装置を作成できる。なお、第２の半導体発光層を成長させる成長基板としては、上述のＧａＡｓ基板に限らず、ＩｎＰ基板、サファイア基板などエピタキシャシャル成長用基板として用いられる他の基板を適宜使用できる。
【００４３】
［樹脂パッケージを用いた半導体発光素子の一例］
次に、他の樹脂パッケージ内に発光ダイオードを配設した構造の半導体発光素子について図９を参照しながら説明する。本実施形態の半導体発光素子では、所定の光を放出させる第１の半導体発光層を備えた発光ダイオード５０が樹脂パッケージ５１内に形成され、その発光素子から第１の半導体発光層からの光によって励起されて光を放出する第２の半導体発光層が樹脂パッケージ５１に貼り合わされて構成されることを特徴とする。
【００４４】
図９に示すように、ポリイミド樹脂やエポキシ樹脂などの比較的耐熱性が高い樹脂材料からなる樹脂パッケージ５１に囲まれる形で、ＧａＮ系の発光ダイオード５０が配設される。この発光ダイオード５０は、前述の如きシリコンドープのＧａＮ層、ＩｎＧａＮ層からなる活性層、マグネシウムドープのＧａＮ層を積層した六角錐形状の尖頭構造部５３を有しており、このうちＩｎＧａＮ層からなる活性層が所定の光を放出させる第１の半導体発光層として機能する。この六角錐形状の尖頭構造部５３の下部側には、選択成長時の下部成長層５２が連続しており、この下部成長層５２に電気的に接続して下部電極パッド５５が形成され、六角錐形状の尖頭構造部５３側の図示しないｐ電極に接続するように上部電極パッド５４が形成されている。これら下部電極パッド５５及び上部電極パッド５４には、表示装置に装着した際には配線層が樹脂パッケージ５１を穿孔した部分を介して接続される。
【００４５】
このような樹脂パッケージ５１の底面側には接着層５６を介して貼り合わされたＡｌＧａＩｎＰ系ダブルへテロ構造層を設けた構造とされ、一対のクラッド層５７、５９の間に第２の半導体発光層としての第２の活性層５８を設けた構造を有する。活性層とクラッド層の組み合わせは、ＡｌＧａＩｎＰのみから構成するもの、ＡｌＧａＩｎＰ及びＧａＩｎＰから構成するもの、ＡｌＩｎＰ及びＡｌＧａＩｎＰから構成するもの等を用いることができる。これらＡｌＧａＩｎＰ系ダブルへテロ構造層は赤色発光を行うための波長変換領域であり、第１の半導体発光層からの光によって励起されて光を放出する第２の半導体発光層として機能する。
【００４６】
このように本実施形態の半導体発光素子においては、光を放出する第２の半導体発光層側であるＡｌＧａＩｎＰ系ダブルへテロ構造層は、接着層５６を介して接着するのは、素子ではなく直接的には樹脂パッケージ５１の底面である。この樹脂パッケージ５１及び接着層５６をＧａＮ系の発光ダイオード５０からの光は十分に透過することから、励起光は第２の活性層５８に届き、そこで第１の半導体発光層からの光によって励起されて波長変換を行って赤色発光の光を出力する。
【００４７】
本実施形態の半導体発光素子においては、蛍光体を使用するような発光素子に比べて、色純度を高くすることができ、同時に輝度飽和が抑制されて高輝度な表示が可能となる。また、電流を流す対象は構造的に比較的強度の高いＧａＮ系ウルツ鉱型半導体結晶構造側に限られるため、素子の長寿命化を容易に図ることができる。また、ＧａＡｓ基板などに含まれるＡｓを全く含まない構成も実現される。
【００４８】
また、このような本実施形態の半導体発光素子を用いてカラー画像表示装置を構成する場合、青色の第１の活性層からの励起光を赤色に変換することができ、同じ構成のＧａＮ系半導体結晶構造は、そのまま青色又は緑色として活用することもできることから、後述するように少なくとも同じＧａＮ系半導体結晶構造をアレイ状に配列し、一部に第２の活性層５８を形成して波長変換を行うことで高精細な画像表示装置を作成できる。
【００４９】
[二段階拡大転写法]
図９に示す樹脂パッケージを用いた半導体発光素子は、特に図１０〜図１２に説明するような拡大転写法を用いて画像表示装置を構成する場合に好適な構成となる。
【００５０】
本実施形態の半導体発光素子の製造方法では、高集積度をもって第一基板上に作成された素子を第一基板上で素子が配列された状態よりは離間した状態となるように一時保持用部材に転写し、次いで一時保持用部材に保持された前記素子をさらに離間して第二基板上に転写する二段階の拡大転写を行う。なお、本実施形態では転写を２段階としているが、素子を離間して配置する拡大度に応じて転写を三段階やそれ以上の多段階とすることもできる。
【００５１】
図１０と図１１はそれぞれ二段階拡大転写法の基本的な工程を示す図である。まず、図１０の(a)に示す第一基板１１０上に、例えば発光ダイオードような素子１１２を密に形成する。素子を密に形成することで、各基板当たりに生成される素子の数を多くすることができ、製品コストを下げることができる。第一基板１１０は例えば半導体ウエハ、ガラス基板、石英ガラス基板、サファイア基板、プラスチック基板などの種々素子形成可能な基板であるが、各素子１１２は第一基板１１０上に直接形成したものであっても良く、他の基板上で形成されたものを配列したものであっても良い。
【００５２】
次に図１０の(b)に示すように、第一基板１１０から各素子１１２が図中破線で示す一時保持用部材１１１に転写され、この一時保持用部材１１１の上に各素子１１２が保持される。ここで隣接する素子１１２は離間され、図示のようにマトリクス状に配される。すなわち素子１１２はｘ方向にもそれぞれ素子の間を広げるように転写されるが、ｘ方向に垂直なｙ方向にもそれぞれ素子の間を広げるように転写される。このとき離間される距離は、特に限定されず、一例として後続の工程での樹脂部形成や電極パッドの形成を考慮した距離とすることができる。一時保持用部材１１１上に第一基板１１０から転写した際に第一基板１１０上の全部の素子が離間されて転写されるようにすることができる。この場合には、一時保持用部材１１１のサイズはマトリクス状に配された素子１１２の数（ｘ方向、ｙ方向にそれぞれ）に離間した距離を乗じたサイズ以上であれば良い。また、一時保持用部材１１１上に第一基板１１０上の一部の素子が離間されて転写されるようにすることも可能である。
【００５３】
一時保持用部材１１１への素子１１２の転写は、後述するように、所要の吸着用治具やアクチュエーターなどを用いた機械的手段を使用して行うようにすることもでき、或いは熱や光によって軟化、硬化、架橋、劣化などの反応を生ずる樹脂などを塗布した上で熱や光を局所的に照射して剥離や接着などを生じさせて選択的に転写を行うようにしても良い。さらには、熱や光と機械的手段の組み合わせで転写するようにしても良い。一時保持用部材１１１と第一基板１１０の面同士を対峙させて転写することが一般的ではあるが、一旦、第一基板１１０から素子１１２をチップ毎にばらばらに分離し、個々の素子１１２を改めて一時保持用部材１１１に並べるようにしても良い。
【００５４】
このような第一転写工程の後、図１０の(c)に示すように、一時保持用部材１１１上に存在する素子１１２は離間されていることから、各素子１１２ごとに素子周りの樹脂の被覆と電極パッドの形成が行われる。素子周りの樹脂の被覆は電極パッドを形成し易くし、次の第二転写工程での取り扱いを容易にするなどのために形成される。電極パッドの形成は、後述するように、最終的な配線が続く第二転写工程の後に行われるため、その際に配線不良が生じないように比較的大き目のサイズに形成されるものである。なお、図１０の(c)には電極パッドは図示していない。各素子１１２の周りを樹脂１１３が覆うことで樹脂形成チップ１１４が形成される。素子１１２は平面上、樹脂形成チップ１１４の略中央に位置するが、一方の辺や角側に偏った位置に存在するものであっても良い。
【００５５】
次に、図１０の(d)に示すように、第二転写工程が行われる。この第二転写工程では一時保持用部材１１１上でマトリクス状に配される素子１１２が樹脂形成チップ１１４ごと更に離間するように第二基板１１５上に転写される。この転写も第一転写工程と同様に、所要の吸着用治具やアクチュエーターなどを用いた機械的手段を使用して行うようにすることもでき、或いは熱や光によって軟化、硬化、架橋、劣化などの反応を生ずる樹脂などを塗布した上で熱や光を局所的に照射して剥離や接着などを生じさせて選択的に転写を行うようにしても良い。さらには、熱や光と機械的手段の組み合わせで転写するようにしても良い。
【００５６】
第二転写工程においても、隣接する素子１１２は樹脂形成チップ１１４ごと離間され、図示のようにマトリクス状に配される。すなわち素子１１２はｘ方向にもそれぞれ素子の間を広げるように転写されるが、ｘ方向に垂直なｙ方向にもそれぞれ素子の間を広げるように転写される。第二転写工程のよって配置された素子の位置が画像表示装置などの最終製品の画素に対応する位置であるとすると、当初の素子１１２間のピッチの略整数倍が第二転写工程のよって配置された素子１１２のピッチとなる。ここで第一基板１１０から一時保持用部材１１１での離間したピッチの拡大率をｎとし、一時保持用部材１１１から第二基板１１５での離間したピッチの拡大率をｍとすると、略整数倍の値ＥはＥ＝ｎｘｍであらわされる。拡大率ｎ、ｍはそれぞれ整数であっても良く、整数でなくともＥが整数となる組み合わせ（例えばｎ＝2.4でｍ＝5）であれば良い。
【００５７】
第二基板１１５上に樹脂形成チップ１１４ごと離間された各素子１１２には、配線が施される。この時、先に形成した電極パッド等を利用して接続不良を極力抑えながらの配線がなされる。この配線は例えば素子１１２が発光ダイオードなどの発光素子の場合には、ｐ電極、ｎ電極への配線を含む。
【００５８】
次に、図１１は図１０の二段階拡大転写法の変形例であり、第一基板１１０ａ上から一時保持用部材１１１ａへの転写方法が異なる実施形態である。図１１の（ａ）に示すように第一基板１１０ａ上に例えば発光ダイオードのような素子１１２が密に形成される。複数の素子１１２は第一基板１１０ａ上ではマトリクス状に配列されており、第一基板１１０ａ自体は図１の第一基板１０と同様に例えば半導体ウエハ、ガラス基板、石英ガラス基板、サファイア基板、プラスチック基板などの種々素子形成可能な基板であるが、各素子１１２は第一基板１１０上に直接形成したものであっても良く、他の基板上で形成されたものを配列したものであっても良い。
【００５９】
このように複数の素子１１２を第一基板１１０ａ上にマトリクス状に形成したところで、一時保持用部材１１１ａへ素子１１２を離間しながら転写する。この場合には、第一基板１１０ａと一時保持用部材１１１ａが対峙するように保持され、第一基板１１０ａ上のマトリクス状に配列された複数の素子１１２を間引きするように転写する。すなわち、第一基板１１０ａ上のある素子１１２を転写する場合、その隣接した周囲の素子１１２は転写しないで、所要距離だけ離間した位置の素子１１２が第一基板１１０ａと当該一時保持用部材１１１ａが対峙している間に転写される。隣接した周囲の素子１１２はこの間引き転写で第一基板１１０ａに残されるが、別個の一時保持用部材に対して転写することで、密に形成した素子１１２を無駄にすることなく有効に活用される。
【００６０】
一時保持用部材１１１ａへの素子１１２の転写は、後述するように、所要の吸着用治具やアクチュエーターなどを用いた機械的手段を使用して行うようにすることもでき、或いは熱や光によって軟化、硬化、架橋、劣化などの反応を生ずる樹脂などを塗布した上で熱や光を局所的に照射して剥離や接着などを生じさせて選択的に転写を行うようにしても良い。さらには、熱や光と機械的手段の組み合わせで転写するようにしても良い。
【００６１】
このような第一転写工程の後、図１１の(c)に示すように、一時保持用部材１１１ａ上に存在する素子１１２は離間されていることから、各素子１１２ごとに素子周りの樹脂１１３の被覆と電極パッドの形成が行われ、続いて図１１の(d)に示すように、第二転写工程が行われる。この第二転写工程では一時保持用部材１１１ａ上でマトリクス状に配される素子１２が樹脂形成チップ１１４ごと更に離間するように第二基板１１５上に転写される。これら素子周りの樹脂１１３の被覆と電極パッドの形成と第二転写工程は図１０を用いて説明した工程と同様であり、二段階拡大転写の後で所要の配線が形成される点も同様である。
【００６２】
これら図１０、図１１に示した二段階拡大転写法においては、第一転写後の離間したスペースを利用して電極パッドや樹脂固めなどを行うことができ、そして第二転写後に配線が施されるが、先に形成した電極パッド等を利用して接続不良を極力抑えながらの配線がなされる。従って、画像表示装置の歩留まりを向上させることができる。また、本実施形態の二段階拡大転写法においては、素子間の距離を離間する工程が２工程であり、このような素子間の距離を離間する複数工程の拡大転写を行うことで、実際は転写回数が減ることになる。すなわち、例えば、ここで第一基板１１０、１１０ａから一時保持用部材１１１、１１１ａでの離間したピッチの拡大率を２（ｎ＝２）とし、一時保持用部材１１１、１１１ａから第二基板１１５での離間したピッチの拡大率を２（ｍ＝２）とすると、仮に一度の転写で拡大した範囲に転写しようとしたときでは、最終拡大率が２ｘ２の４倍で、その二乗の１６回の転写すなわち第一基板のアライメントを１６回行う必要が生ずるが、本実施形態の二段階拡大転写法では、アライメントの回数は第一転写工程での拡大率２の二乗の４回と第二転写工程での拡大率２の二乗の４回を単純に加えただけの計８回で済むことになる。即ち、同じ転写倍率を意図する場合においては、（ｎ＋ｍ）２＝ｎ２＋２ｎｍ＋ｍ２であることから、必ず２ｎｍ回だけ転写回数を減らすことができることになる。従って、製造工程も回数分だけ時間や経費の節約となり、特に拡大率の大きい場合に有益となる。
【００６３】
なお、図１０、図１１に示した二段階拡大転写法においては、素子１１２を例えば発光素子や液晶制御素子としているが、これに限定されず、他の素子例えば光電変換素子、圧電素子、薄膜トランジスタ素子、薄膜ダイオード素子、抵抗素子、スイッチング素子、微小磁気素子、微小光学素子から選ばれた素子若しくはその部分、これらの組み合わせなどであっても良い。
【００６４】
［間引き転写の他の例］
【００６５】
図１２は図１１の（ａ）と（ｂ）で示した間引き転写の他の一例を示す図である。間引き転写は転写元の基板と転写先の基板（部材）を対峙させて選択的に素子を転写することで行われるが、転写先の基板（部材）を大きなサイズとすることで、転写元の基板上に有る素子の全部を転写先の基板（部材）に移動させることが可能である。
【００６６】
図１２は第一転写工程での拡大率３の場合の例を示しており、第一基板１１０ｃを単位とすると一時保持用部材１１１ｃは３の二乗の９倍の面積を有する。このため転写元の基板である第一基板１１０ｃ上に有る素子１２の全部を転写するために、全部で９回の転写が行われる。第一基板１１０ｃ上にマトリクス状に配される素子１１２を３ｘ３のマトリクス単位毎に分けて、その中の１つの素子１１２が一時保持用部材１１１ｃに順次転写されて最終的に全体の素子１１２が転写される。
【００６７】
図１２の（ａ）は第一基板１１０ｃ上の素子１１２の中３ｘ３のマトリクス単位毎で第１番目の素子１１２が一時保持用部材１１１ｃに転写されるところを模式的に示しており、図１２の（ｂ）は３ｘ３のマトリクス単位毎で第２番目の素子１１２が一時保持用部材１１１ｃに転写されるところを模式的に示している。第２番目の転写では、第一基板１１０ｃの一時保持用部材１１１ｃに対するアライメント位置が図中垂直方向にずれており、同様の間引き転写を繰り返すことで、素子１２を離間させて配置することができる。また図３の（ｃ）は３ｘ３のマトリクス単位毎で第８番目の素子１１２が一時保持用部材１１１ｃに転写されるところを模式的に示しており、図３の（ｄ）は３ｘ３のマトリクス単位毎で第９番目の素子１１２が一時保持用部材１１１ｃに転写されるところを模式的に示している。この３ｘ３のマトリクス単位毎で第９番目の素子１１２が転写された時点で、第一基板１１０ｃには素子１１２がなくなり、一時保持用部材１１１ｃにはマトリクス状に複数の素子１１２が離間された形式で保持されることになる。以降、図１０、図１１の（ｃ）、（ｄ）の工程により、二段階拡大転写が実行される。
【００６８】
［樹脂形成チップ］
次に、図１３および図１４を参照して、一時保持用部材上で形成され、第二基板に転写される樹脂形成チップについて説明する。樹脂形成チップ１２０は、離間して配置されている素子１２１の周りを樹脂１２２で固めたものであり、このような樹脂形成チップ１２０は、一時保持用部材から第二基板に素子１２１を転写する場合に使用できるものである。
【００６９】
素子１２１は後述するような発光素子の例であるが、特に発光素子に限らず他の素子であっても良い。樹脂形成チップ１２０は略平板上でその主たる面が略正方形状とされる。この樹脂形成チップ１２０の形状は樹脂１２２を固めて形成された形状であり、具体的には未硬化の樹脂を各素子１２１を含むように全面に塗布し、これを硬化した後で縁の部分をダイシング等で切断することで得られる形状である。略平板状の樹脂１２２の表面側と裏面側にはそれぞれ電極パッド１２３、１２４が形成される。これら電極パッド１２３、１２４の形成は全面に電極パッド１２３、１２４の材料となる金属層や多結晶シリコン層などの導電層を形成し、フォトリソグラフィー技術により所要の電極形状にパターンニングすることで形成される。これら電極パッド１２３、１２４は発光素子である素子１２１のｐ電極とｎ電極にそれぞれ接続するように形成されており、必要な場合には樹脂１２２にビアホールなどが形成される。
【００７０】
ここで電極パッド１２３、１２４は樹脂形成チップ１２０の表面側と裏面側にそれぞれ形成されているが、一方の面に両方の電極パッドを形成することも可能である。電極パッド１２３、１２４の位置が平板上ずれているのは、最終的な配線形成時に上側からコンタクトをとっても重ならないようにするためである。電極パッド１２３、１２４の形状も正方形に限定されず他の形状としても良い。
【００７１】
このような樹脂形成チップ１２０を構成することで、素子１２１の周りが樹脂１２２で被覆され平坦化によって精度良く電極パッド１２３、１２４を形成できるとともに素子１２１に比べて広い領域に電極パッド１２３、１２４を延在でき、次の第二転写工程での転写を吸着治具で進める場合には取り扱いが容易になる。後述するように、最終的な配線が続く第二転写工程の後に行われるため、比較的大き目のサイズの電極パッド１２３、１２４を利用した配線を行うことで、配線不良が未然に防止される。
【００７２】
［樹脂形成チップに配設される発光素子］
図１５に樹脂形成チップに配設される素子の一例としての発光素子の構造を示す。図１５の（ａ）が素子断面図であり、図１５の（ｂ）が平面図である。この発光素子はＧａＮ系の発光ダイオードであり、たとえばサファイア基板上に結晶成長される素子である。このようなＧａＮ系の発光ダイオードでは、前述のように、基板を透過するレーザー照射によってレーザーアブレーションが生じ、ＧａＮの窒素が気化する現象にともなってサファイア基板とＧａＮ系の成長層の間の界面で膜剥がれが生じ、素子分離を容易なものにできる特徴を有している。
【００７３】
まず、その構造については、ＧａＮ系半導体層からなる下地成長層１３１上に選択成長された六角錐形状のＧａＮ層１３２が形成されている。なお、下地成長層１３１上には図示しない絶縁膜が存在し、六角錐形状のＧａＮ層１３２はその絶縁膜を開口した部分にＭＯＣＶＤ法などによって形成される。このＧａＮ層１３２は、成長時に使用されるサファイア基板の主面をＣ面とした場合にＳ面（１−１０１面）で覆われたピラミッド型の成長層であり、シリコンをドープさせた領域である。このＧａＮ層１３２の傾斜したＳ面の部分はダブルへテロ構造のクラッドとして機能する。ＧａＮ層１３２の傾斜したＳ面を覆うように活性層であるＩｎＧａＮ層１３３が形成されており、その外側にマグネシウムドープのＧａＮ層１３４が形成される。このマグネシウムドープのＧａＮ層１３４もクラッドとして機能する。
【００７４】
このような発光ダイオードには、ｐ電極１３５とｎ電極１３６が形成されている。ｐ電極１３５はマグネシウムドープのＧａＮ層１３４上に形成されるＮｉ／Ｐｔ／ＡｕまたはＮｉ（Ｐｄ）／Ｐｔ／Ａｕなどの金属材料を蒸着して形成される。ｎ電極１３６は前述の図示しない絶縁膜を開口した部分でＴｉ／Ａｌ／Ｐｔ／Ａｕなどの金属材料を蒸着して形成される。なお、下地成長層１３１の裏面側からｎ電極取り出しを行う場合は、ｎ電極１３６の形成は下地成長層１３１の表面側には不要となる。
【００７５】
このような構造のＧａＮ系の発光ダイオードは、青色発光も可能な素子であって、特にレーザーアブレーションよって比較的簡単にサファイア基板から剥離することができ、レーザービームを選択的に照射することで選択的な剥離が実現される。なお、ＧａＮ系の発光ダイオードとしては、平板上や帯状に活性層が形成される構造であっても良く、上端部にＣ面が形成された角錐構造のものであっても良い。また、他の窒化物系発光素子や化合物半導体素子などであっても良い。
【００７６】
［発光素子の配列方法］
次に、図１６から図２０までを参照しながら、発光素子の配列方法について説明する。発光素子は図１５に示したＧａＮ系の発光ダイオードを用いている。
【００７７】
先ず、図１６に示すように、第一基板１４１の主面上には複数の発光ダイオード１４２がマトリクス状に形成されている。発光ダイオード１４２の大きさは約２０μｍ程度とすることができる。第一基板１４１の構成材料としてはサファイア基板などのように光ダイオード１４２に照射するレーザーの波長の透過率の高い材料が用いられる。発光ダイオード１４２にはｐ電極などまでは形成されているが最終的な配線は未だなされておらず、素子間分離の溝１４２ｇが形成されていて、個々の発光ダイオード１４２は分離できる状態にある。この溝１４２ｇの形成は例えば反応性イオンエッチングで行う。このような第一基板１４１を図１６に示すように一時保持用部材１４３に対峙させて選択的な転写を行う。
【００７８】
一時保持用部材１４３の第一基板１４１に対峙する面には剥離層１４４と接着剤層１４５が２層になって形成されている。ここで一時保持用部材１４１の例としては、ガラス基板、石英ガラス基板、プラスチック基板などを用いることができ、一時保持用部材１４１上の剥離層１４４の例としては、フッ素コート、シリコーン樹脂、水溶性接着剤（例えばＰＶＡ）、ポリイミドなどを用いることができる。また一時保持用部材１４３の接着剤層１４５としては紫外線（ＵＶ）硬化型接着剤、熱硬化性接着剤、熱可塑性接着剤のいずれかからなる層を用いることができる。一例としては、一時保持用部材１４３として石英ガラス基板を用い、剥離層１４４としてポリイミド膜４μｍを形成後、接着剤層１４５としてのＵＶ硬化型接着剤を約２０μｍ厚で塗布する。
【００７９】
一時保持用部材１４３の接着剤層１４５は、硬化した領域１４５ｓと未硬化領域１４５ｙが混在するように調整され、未硬化領域１４５ｙに選択転写にかかる発光ダイオード１４２が位置するように位置合わせされる。硬化した領域１４５ｓと未硬化領域１４５ｙが混在するような調整は、例えばＵＶ硬化型接着剤を露光機にて選択的に２００μｍピッチでＵＶ露光し、発光ダイオード１４２を転写するところは未硬化でそれ以外は硬化させてある状態にすれば良い。このようなアライメントの後、その位置の発光ダイオード１４２をレーザーにて第一基板１４１の裏面から照射して発光ダイオード１４２を第一基板１４１からレーザーアブレーションを利用して剥離する。ＧａＮ系の発光ダイオード１４２はサファイアとの界面で金属のＧａと窒素に分解することから、比較的簡単に剥離できる。照射するレーザーとしてはエキシマレーザー、高調波ＹＡＧレーザーなどが用いられる。
【００８０】
このレーザーアブレーションを利用した剥離によって、選択照射にかかる発光ダイオード１４２はＧａＮ層と第一基板１４１の界面で分離し、反対側の接着剤層１４５の未硬化領域１４５ｙに発光ダイオード１４２のｐ電極部分を突き刺すようにして転写される。他のレーザーが照射されない領域の発光ダイオード１４２については、対応する接着剤層１４５の部分が硬化した領域１４５ｓであり、レーザーも照射されていないために 一時保持用部材１４３側に転写されることはない。なお、図１６では１つの発光ダイオード１４２だけが選択的にレーザー照射されているが、ｎピッチ分だけ離間した領域においても同様に発光ダイオード１４２はレーザー照射されているものとする。このような選択的な転写によっては発光ダイオード１４２第一基板１４１上に配列されている時よりも離間して一時保持用部材１４３上に配列される。
【００８１】
次に、選択的な発光ダイオード１４２の第一基板１４１から一時保持用部材１４３への転写を行ったところで、図１７に示すように未硬化領域１４５ｙの接着剤層１４５を硬化させて発光ダイオード１４２を固着させる。この硬化は熱や光などのエネルギーを加えることで可能である。発光ダイオード１４２は一時保持用部材１４３の接着剤層１４５に保持された状態で、発光ダイオード１４２の裏面がｎ電極側（カソード電極側）になっていて、発光ダイオード１４２の裏面には樹脂（接着剤）がないように除去、洗浄されているため、電極パッド１４６を形成した場合では、電極パッド１４６は発光ダイオード１４２の裏面と電気的に接続される。
【００８２】
接着剤層１４５の洗浄の例としては酸素プラズマで接着剤用樹脂をエッチング、ＵＶオゾン照射にて洗浄する。かつ、レーザーにてＧａＮ系発光ダイオードをサファイア基板からなる第一基板１４１から剥離したときには、その剥離面にＧａが析出しているため、そのＧａをエッチングすることが必要であり、ＮａＯＨ水溶液もしくは希硝酸で行うことになる。その後、電極パッド１４６をパターニングする。このときのカソード側の電極パッドは約６０μｍ角とすることができる。電極パッド１４６としては透明電極（ＩＴＯ、ＺｎＯ系など）もしくはＴｉ／Ａｌ／Ｐｔ／Ａｕなどの材料を用いる。透明電極の場合は発光ダイオードの裏面を大きく覆っても発光をさえぎることがないので、パターニング精度が粗く、大きな電極形成ができ、パターニングプロセスが容易になる。
【００８３】
図１８は一時保持用部材１４３から発光ダイオード１４２を第二の一時保持用部材１４７に転写して、アノード電極（ｐ電極）側のビアホール１５０を形成した後、アノード側電極パッド１４９を形成し、樹脂からなる接着剤層１４５をダイシングした状態を示している。このダイシングの結果、素子分離溝１５１が形成され、発光ダイオード１４２は素子ごとに区分けされたものになる。素子分離溝１５１はマトリクス状の各発光ダイオード１４２を分離するため、平面パターンとしては縦横に延長された複数の平行線からなる。素子分離溝１５１の底部では第二の一時保持用部材１４７の表面が臨む。第二の一時保持用部材１４７上には剥離層１４８が形成される。この剥離層１４８は例えばフッ素コート、シリコーン樹脂、水溶性接着剤（例えばＰＶＡ）、ポリイミドなどを用いて作成することができる。第二の一時保持用部材１４７は、一例としてプラスチック基板にＵＶ粘着材が塗布してある、いわゆるダイシングシートであり、ＵＶが照射されると粘着力が低下するものを利用できる。一時保持部材１４７の裏面からエキシマレーザーを照射する。これにより、例えば剥離層１４４としてポリイミドを形成した場合では、ポリイミドと石英基板の界面でポリイミドのアブレーションにより剥離が発生して、各発光ダイオード１４２は第二の一時保持用部材１４７側に転写される。
【００８４】
このプロセスの例として、第二の一時保持用部材１４７の表面を酸素プラズマで発光ダイオード１４２の表面が露出してくるまでエッチングする。まずビアホール１５０の形成はエキシマレーザー、高調波ＹＡＧレーザー、炭酸ガスレーザを用いることができる。このとき、ビアホールは約３〜７μｍの径を開けることになる。アノード側電極パッドはＮｉ／Ｐｔ／Ａｕなどで形成する。ダイシングプロセスは通常のブレードを用いたダイシング、２０μｍ以下の幅の狭い切り込みが必要なときには上記レーザーを用いたレーザーによる加工を行う。その切り込み幅は画像表示装置の画素内の樹脂からなる接着剤層１４５で覆われた発光ダイオード１４２の大きさに依存する。一例として、エキシマレーザーにて幅約４０μｍの溝加工を行い、チップの形状を形成する。
【００８５】
次に、機械的手段を用いて発光ダイオード１４２が第二の一時保持用部材１４７から剥離される。図１９は、第二の一時保持用部材１４７上に配列している発光ダイオード１４２を吸着装置１５３でピックアップするところを示した図である。このときの吸着孔１５５は画像表示装置の画素ピッチにマトリクス状に開口していて、発光ダイオード１４２を多数個、一括で吸着できるようになっている。このときの開口径は、例えば約φ１００μｍで６００μｍピッチのマトリクス状に開口されて、一括で約３００個を吸着できる。このときの吸着孔１５５の部材は例えば、Ｎｉ電鋳により作製したもの、もしくはＳＵＳなどの金属板１５２をエッチングで穴加工したものが使用され、金属板１５２の吸着孔１５５の奥には、吸着チャンバ１５４が形成されており、この吸着チャンバ１５４を負圧に制御することで発光ダイオード１４２の吸着が可能になる。発光ダイオード１４２はこの段階で樹脂からなる接着剤層１４５で覆われており、その上面は略平坦化されており、このために吸着装置１５３による選択的な吸着を容易に進めることができる。
【００８６】
図２０は発光ダイオード１４２をＧａＡｓ基板１６５に転写するところを示した図である。ＧａＡｓ基板１６５に装着する際にＧａＡｓ基板１６５にあらかじめ接着層１６１が塗布されており、その発光ダイオード１４２下面の接着剤層１６１を硬化させ、発光ダイオード１４２をＧａＡｓ基板１６５上に固着して配列させることができる。
【００８７】
接着層１６１が塗布されるＧａＡｓ基板１６５の表面は、第２の半導体発光層として機能するＡｌＧａＩｎＰ系ダブルへテロ構造層が設けられており、一対のクラッド層１６２、１６４の間に第２の半導体発光層としての第２の活性層１６３を設けた構造を有する。活性層とクラッド層の組み合わせは、ＡｌＧａＩｎＰのみから構成するもの、ＡｌＧａＩｎＰ及びＧａＩｎＰから構成するもの、ＡｌＩｎＰ及びＡｌＧａＩｎＰから構成するもの等を用いることができる。これらＡｌＧａＩｎＰ系ダブルへテロ構造層は赤色発光を行うための波長変換領域であり、第１の半導体発光層からの光によって励起されて光を放出する第２の半導体発光層として機能する。
【００８８】
この素子の装着時には、吸着装置１５３の吸着チャンバ１５４が圧力の高い状態となり、吸着装置１５３と発光ダイオード１４２との吸着による結合状態は解放される。接着層１６１はＵＶ硬化型接着剤、熱硬化性接着剤、熱可塑性接着剤などによって構成することができる。そのとき接着層１６１の樹脂を硬化させるエネルギーＧａＡｓ基板１６５の裏面から供給することも可能である。
【００８９】
［半導体発光装置の一例］
図２１は３つの発光ダイオード２０２を化合物半導体構造部２０１に貼りあわせ、３つの発光ダイオード２０２を同じ構造しながらも赤色、緑色、青色の３原色の発光波長を出力する装置となっている。
【００９０】
具体的には、化合物半導体構造部２０１に貼り合わされる３つの発光ダイオード２０６、２０７、２０８は、同じウルツ鉱型結晶構造のＧａＮ系発光ダイオードであり、ＧａＮ系半導体層からなる下部成長層２０３上に選択成長された六角錐形状のＧａＮ層が形成されている。このＧａＮ層は、Ｓ面（１−１０１面）で覆われたピラミッド型の成長層であり、ＧａＮ層の傾斜したＳ面の部分はダブルへテロ構造のクラッド、活性層であるＩｎＧａＮ層、及びクラッドとして機能するマグネシウムドープのＧａＮ層が順次形成され、電流を供給した場合には一例として青色の発光をする。なお、化合物半導体構造部２０１はＧａＡｓ基板上に格子整合されて形成された閃亜鉛鉱型の結晶構造を有するＡｌＧａＩｎＰ系の化合物半導体層であり、レーザーアブレーションなどによってＧａＡｓ基板を除去したものである。
【００９１】
発光ダイオード２０６の下部の化合物半導体構造部２０１には、青色発光の光を励起光として赤色発光を行うＡｌＧａＩｎＰ系の第２の活性層２０５が形成されている。また、発光ダイオード２０７の下部の化合物半導体構造部２０１には、青色発光の光を励起光として緑色発光を行う第２の活性層２０４が形成されている。発光ダイオード２０８の下部の化合物半導体構造部２０１には、青色発光の光をそのまま出力とするため第２の活性層が形成されていない。
【００９２】
このような構造の半導体発光装置では、３つ若しくは３種類の発光素子が１つのモジュールに形成された構造を有しており、カラー画像表示を行う場合に有利である。特に３つの発光素子の組み合わせで半導体発光装置が構成される場合には、既に３つの発光ダイオード２０６、２０７、２０８の位置合わせは装置内で精度良く行われていることになり、ダイオードアレイ型のディスプレイを構成する場合には、これら半導体発光装置を精度良く並べるだけで高精彩な画像表示装置を製造できる。また、化合物半導体構造部２０１自体は、３つの発光ダイオード２０６、２０７、２０８に対応するだけではなく、画面全体や所定の領域に展開したものとすることができ、第２の活性層２０５、２０４のパターンも複数の発光ダイオードに対応するものとしてストライプ状やスポット状などのパターンにすることも可能である。
【００９３】
当該半導体発光装置では、蛍光体を使用するような発光装置に比べて、色純度を高くすることができ、同時に輝度飽和が抑制されて高輝度な表示が可能となる。また、電流を流す対象は構造的に比較的強度の高いＧａＮ系ウルツ鉱型半導体結晶構造側に限られるため、素子の長寿命化を容易に図ることができる。また、ＧａＡｓ基板などに含まれるＡｓを全く含まない構成も実現される。
【００９４】
また、このような本実施形態の半導体発光装置を用いてカラー画像表示装置を構成する場合、青色の第１の活性層からの励起光を赤色に変換することができ、同じ構成のＧａＮ系半導体結晶構造は、そのまま青色又は緑色として活用することもできることから、後述するように少なくとも同じＧａＮ系半導体結晶構造をアレイ状に配列し、一部に第２の活性層を形成して波長変換を行うことで高精細な画像表示装置を作成できることになる。
【００９５】
図２２は半導体発光装置の製造方法を説明するための工程断面図であり、アレイ状に発光ダイオード２１０を形成した後、接着層２１３を介してＧａＡｓ基板２２０上に格子整合されて積層された閃亜鉛鉱型結晶構造のＡｌＧａＩｎＰ系化合物半導体層２１４、２１５、２１６の上にこれら発光ダイオード２１０が接着される。化合物半導体層２１５が第１の半導体発光層からの光によって励起されて光を放出する第２の活性層として機能し、化合物半導体層２１４、２１６がクラッド層として機能する。これらＡｌＧａＩｎＰ系化合物半導体層２１４、２１５、２１６とＧａＡｓ基板２２０の間にはアブレーション層２１７が形成される。このアブレーション層２１７はアブレーション時の犠牲層であり、アブレーションによりレーザーエネルギーを吸収して破壊され、ＧａＡｓ基板２２０を簡単に剥離させるための層である。
【００９６】
アレイ状に配列された発光ダイオード２１０の尖頭部側は樹脂層２１２を介して支持基板２１１に保持される。このように支持基板２１１によってアレイ状に配列された発光ダイオード２１０の全体が保持されたところで、ＧａＡｓ基板２２０の裏面からＹＡＧレーザーなどのレーザービーム、紫外線を照射してアブレーション層２１７の犠牲からＧａＡｓ基板２２０を剥離させる。このＧａＡｓ基板２２０の剥離によって、半導体発光装置をＡｓを実質的に含まない構成にすることができ、環境保護の面からも望ましい画像表示装置を提供できることになる。
【００９７】
このようなレーザーアブレーションを実現するための条件としては、Ｅ(laser)をレーザーのエネルギーとし、Ｅｇ(sub)をＧａＡｓ基板２２０のバンドギャップと、Ｅｇ(ab)をアブレーション層２１７のバンドギャップとすると、レーザービームがＧａＡｓ基板２２０を透過する条件はＥ(laser)がＥｇ(sub)よりも小さくされ、アブレーション層２１７がレーザービームを吸収する条件としてはＥｇ(ab)がＥ(laser)よりも小さくされることが必要とされる。具体的な数値を入れてみると、Ｅ(laser)はＹＡＧの基本波で１．１７ｅＶとなり、Ｅｇ(sub)はＧａＡｓ基板の場合１．４２ｅＶとなる。ＹＡＧの基本波からの条件から１．１７ｅＶを満たすＧａＩｎＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓ、ＡｌＧａＩｎＡｓ、ＧａＩｎＡｓＰなど、ＧａＡｓ基板２２０に格子整合するようなアブレーション層２１７を設けることが可能である。
【００９８】
なお、上述の実施形態においては、発光素子として主に発光ダイオードの例について説明したが、発光素子は半導体レーザーであっても良い。また、第１の半導体発光層側に貼り合わせられる第２の半導体発光層をＡｌＧａＩｎＰ系化合物半導体層によって説明したが、他の波長変換機能を有する化合物半導体層であっても良い。また、第１の半導体発光層と第２の半導体発光層の間を接着層を介して接続するものとしたが、両者の間にはレンズ、鏡、格子、絞り、開口部などの光学部材や空間が含まれていても良く、光が入出力する関係を維持できれば第１の半導体発光層と第２の半導体発光層の間は離間していても良い。また、第１の半導体発光層と第２の半導体発光層の間の数の関係は、１対１のものに限らず、１対多、多対１、多対多などの構成であっても良い。
【００９９】
【発明の効果】
本発明の半導体発光素子、半導体発光装置によれば、蛍光体を使用するような発光素子に比べて、色純度を高くすることができ、同時に輝度飽和が抑制されて高輝度な表示が可能となる。特にＧａＮ系の半導体結晶構造は、電流注入に対し高い電流値でも構造部が壊れないという利点があり、長寿命であることから、電流を流す対象を構造的に比較的強度の高いＧａＮ系ウルツ鉱型半導体結晶構造側に限ることで、素子の長寿命化を容易に図ることができる。また、ＧａＡｓ基板などに含まれるＡｓを全く含まない構成も実現される。
【０１００】
また、本発明の半導体発光素子、半導体発光装置を用いてカラー画像表示装置を構成する場合、青色の第１の活性層からの励起光を赤色に変換することができ、同じ構成のＧａＮ系半導体結晶構造は、そのまま青色又は緑色として活用することもできることから、後述するように少なくとも同じＧａＮ系半導体結晶構造をアレイ状に配列し、一部に第２の活性層を形成して波長変換を行うことで高精細な画像表示装置を作成できる。
【０１０１】
また、製造方法においては、レーザーアブレーションを利用して第１の半導体発光層側のサファイア基板や第２の半導体発光層側のＧａＡｓ基板を製造工程の途中で剥がすことができ、工程の簡略化から歩留まり向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の半導体発光素子の一実施形態の素子構造を一部破断して示す側断面図である。
【図２】本発明の半導体発光素子の一実施形態の製造方法を工程順に説明するための工程断面図であって、選択マスクの形成までの工程断面図である。
【図３】本発明の半導体発光素子の一実施形態の製造方法を工程順に説明するための工程断面図であって、選択成長による半導体層の形成までの工程断面図である。
【図４】本発明の半導体発光素子の一実施形態の製造方法を工程順に説明するための工程断面図であって、傾斜面上への第１導電型クラッド層、第１の活性層、および第２導電型クラッド層の形成までの工程断面図である。
【図５】本発明の半導体発光素子の一実施形態の製造方法を工程順に説明するための工程断面図であって、基板の剥離までの工程断面図である。
【図６】本発明の半導体発光素子の一実施形態の製造方法を工程順に説明するための工程断面図であって、第２の半導体発光層側の接着層の形成までの工程断面図である。
【図７】本発明の半導体発光素子の一実施形態の製造方法を工程順に説明するための工程断面図であって、第２の半導体発光層側の基板の除去までの工程断面図である。
【図８】本発明の半導体発光素子の一実施形態の製造方法を工程順に説明するための工程断面図であって、素子完成までの工程断面図である。
【図９】本発明の半導体発光素子の一実施形態の素子構造を示す断面図である。
【図１０】本発明の実施形態の半導体発光素子の製造方法の一例を示す模式図である。
【図１１】本発明の実施形態の他の半導体発光素子の製造方法の一例を示す模式図である。
【図１２】本発明の実施形態の半導体発光素子の製造方法における間引き転写を示す模式図である。
【図１３】本発明の実施形態の半導体発光素子の製造方法における樹脂形成チップを示す概略斜視図である。
【図１４】本発明の実施形態の半導体発光素子の製造方法における樹脂形成チップを示す概略平面図である。
【図１５】本発明の実施形態の半導体発光素子の製造方法に用いられる発光素子の例を示す図であって、（ａ）断面図と（ｂ）平面図である。
【図１６】本発明の実施形態の半導体発光素子の製造方法における第一転写工程の工程断面図である。
【図１７】本発明の実施形態の半導体発光素子の製造方法における電極パッド形成工程の工程断面図である。
【図１８】本発明の実施形態の半導体発光素子の製造方法における他の電極パッド形成工程の工程断面図である。
【図１９】本発明の実施形態の半導体発光素子の製造方法における吸着工程の工程断面図である。
【図２０】本発明の実施形態の半導体発光素子の製造方法における貼り合わせ工程の工程断面図である。
【図２１】本発明の実施形態の半導体発光装置の一例の模式断面図である。
【図２２】本発明の実施形態の半導体発光装置の製造方法におけるレーザーアブレーション工程の工程断面図である。
【符号の説明】
１０ クラッド層
１１ 第２の活性層
１２ クラッド層
１５ 成長阻害膜
１６ シリコンドープのＧａＮ層
１７ 第１の活性層
１８ マグネシウムドープのＧａＮ層
１９ 結晶成長部
２０ 基板
２１ 下部成長層
２２ 選択マスク
２４ 半導体層
２５ 第１導電型クラッド層
２６ 第１の活性層
２７ 第２導電型クラッド層
３０ ＧａＡｓ基板
３１〜３３ ＡｌＧａＩｎＰ系化合物半導体層
３４ 接着層
５０ 発光ダイオード
５１ 樹脂パッケージ
５２ 下部成長層
５３ 尖頭構造部
５４ 上部電極パッド
５５ 下部電極パッド
５８ 第２の活性層
２０１ 化合物半導体構造部
２０４，２０５ 第２の活性層
２０６、２０７、２０８ 発光ダイオード
【発明の属する技術分野】
本発明は所定の光を発生させる半導体発光ダイオードなどの半導体発光素子とその製造方法、及びそのような半導体発光素子を複数個備えた半導体発光装置に関し、特に、簡便な製造方法により発光波長を多様化させる半導体発光素子とその製造方法、及び半導体発光装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
画像表示装置を構成する方法の１つとして、半導体発光ダイオードを２次元状に配列して、所定の画像表示を行うようにしたダイオードアレイ型ディスプレイが知られている。このようなダイオードアレイ型ディスプレイに用いられる発光素子は、デバイスとしての信頼性や生産性などが要求され、特に輝度や波長のばらつきなどの製造上のばらつきなどを所定の範囲以下に抑えることが必要となる。
【０００３】
また、カラー表示を行うためには、画素ごとに３原色の発光素子を形成する必要がある。最近では、青色発光ダイオードとしてはＧａＮ系の発光ダイオードが注目されてきており、また緑色発光ダイオードとしてはＧａＮ系やＧａＰ系の発光ダイオードが利用され、更に赤色発光ダイオードとしてはＡｌＧａＡｓ系やＡｌＩｎＧａＰ系などの材料からなる発光ダイオードの利用が検討されている。
【０００４】
ところで、半導体発光素子の中には、電流が直接注入されて発光するところの第１の発光層に加えて、その第１の発光層からの光を吸収し波長を変換して放出する第２の発光層を備えた構造の発光素子が知られており、例えば、特開平１１−２７４５５８号公報に記載されるように、ＧａＮ系の半導体活性層からなる第１の発光層からの光を受けてその波長を変換する第２の発光層を備えた半導体発光素子が知られている。また、ＧａＮ系半導体レーザーを励起光源として使用し、そのレーザー光を蛍光体に入射させて所要の可視域の蛍光発光をなすように構成したものとして、例えば特開２０００−１７４３４６号公報に記載される発光装置が知られている。このような半導体発光素子や発光装置を用いることで、１次発光した波長に拘わらず、その波長を変換する形式での発光が可能であり、単一素子からの多色発光などが容易に実現される。
【０００５】
【発明が解決すべき課題】
ＧａＮ系の半導体活性層からなる第１の発光層からの光を受けてその波長を変換する第２の発光層を備えた半導体発光素子（例えば、特開平１１−２７４５５８号公報参照。）においては、第２の発光層は第１の発光層の上に積層して形成することを前提としており、特に第２の発光層には直接駆動電流が注入されることがなく、第２の発光層として不安定な混晶を用いた場合でも、所定の波長の発光を安定して得ることができる。しかしながら、第1の発光層と第２の発光層を積層するように構成して同一の素子とすることが記載されているものの、貼り合わせ構造や多色化についての具体的な構成例についてはその記載がなく、特に高精細な画像表示装置を構成するための発光素子については示唆するところがない。
【０００６】
また、レーザー光を蛍光体に入射させる構造の発光装置についても、基本的に白色発光を目的として構成にとどまり、光強度の改善という点では効果があるとされているが、やはり高精細な画像表示装置を構成するための発光素子について、特に多色表示可能な画像表示装置については示唆するところがない。さらに蛍光体を使用した場合では、色純度の低下が見られ、輝度の飽和もし易いことから、高精細な画像表示装置を構成する場合に不利である。
【０００７】
そこで、本発明は、簡便な製造方法により発光波長を多様化させ、特に高精細な画像表示装置に用いて好適な半導体発光素子とその製造方法、及び半導体発光装置を提供することを目的とする。
【００１０】
また、本発明の他の半導体発光素子は、樹脂パッケージ内に形成され所定の光を放出させる第１の半導体発光層と、第１の半導体発光層とは異なる結晶系からなる半導体層から構成され、第１の半導体発光層からの光によって励起されて光を放出する第２の半導体発光層を有し、第２の半導体発光層は樹脂パッケージに貼り合わされて構成され、第１の半導体発光層からの発光波長と第２の半導体発光層からの発光波長が異なることを特徴とする。
【００１１】
第１の半導体発光層を樹脂パッケージ内に配設することで、光を樹脂パッケージの樹脂部分を介して透過させて外部に出すことができる。また、高精細な画像表示を行うためには精度良く発光素子を並べることが必要とされ、素子を樹脂パッケージ毎並べた方が高精度に発光素子を配列できる。前記第２の半導体発光層には、電流の注入が必要ないことから、樹脂パッケージに貼り付けるようにして素子を構成した場合でも確実に機能して、多様な波長の光を出力できる。
【００１２】
本発明の半導体発光素子の製造方法は、所定の光を放出させる第１の半導体発光層を形成し、第１の半導体発光層とは異なる結晶系からなる半導体層から構成され第１の半導体発光層からの光によって励起されて光を放出する第１の半導体発光層とは異なる結晶系からなる半導体層から構成される第２の半導体発光層を形成し、第２の半導体発光層を第１の半導体発光層を有する半導体構造部に貼り合わせ、第１の半導体発光層からの発光波長と第２の半導体発光層からの発光波長が異なる、ことを特徴とする。
【００１３】
同じ結晶系の半導体発光層を用いずに異なる結晶系の発光層を用いることで、大幅な波長の変更が可能であると共に、その予定された波長の光を放出できる結晶構造のもののうち、最適なものを選ぶことができる。結晶構造が異なる場合、一般に同一素子として積層形成していくことが困難であるが、第２の半導体発光層を第１の半導体発光層を有する半導体構造部に貼り合わせることで、それぞれの結晶構造を単一の発光素子に複合化できる。
【００１４】
また、本発明の他の半導体発光素子の製造方法は、樹脂パッケージ内に形成され所定の光を放出させる第１の半導体発光層を形成し、前記第１の半導体発光層からの光によって励起されて光を放出するための第２の半導体発光層を形成し、前記第２の半導体発光層を前記樹脂パッケージに貼り合わせることを特徴とする。
【００１５】
樹脂パッケージ内に配設することで、樹脂パッケージ毎並べた場合に高精度に発光素子を配列できる。第２の半導体発光層には電流の注入が必要ないことから、第２の半導体発光層を樹脂パッケージに貼り付けるようにして素子を構成した場合では、多様な波長の光を出力でき、特にカラー画像表示に有効である。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明の好適な実施形態を図面を参照しながら説明する。図１は本実施形態の半導体発光素子の一部破断して示す側断面図である。
【００１７】
［半導体発光素子の一例］
本実施形態の半導体発光素子は、下部側にＡｌＧａＩｎＰ系ダブルへテロ構造を有し、一対のクラッド層１０、１２の間に第２の半導体発光層としての第２の活性層１１を設けた構造を有する。詳しくはＡｌＧａＩｎＰ系ダブルへテロ構造は、下部クラッド層１０、第２の活性層１１、上部クラッド層１２から構成され、活性層１１よりもバンドギャップエネルギーの大きなクラッド層１０、１２で活性層１１を挟んだ構造とされる。ＡｌＧａＩｎＰ系材料からなる活性層１１の混晶比については、ＡｌＧａＩｎＰ系材料を（ＡｌＸＧａ１−Ｘ）ＹＩｎ１−ＹＰ混晶材料とした場合に、混晶比ｙは結晶成長時の格子整合の見地から設定されるが、ｘは目標とする発光波長に応じて設定する。例えば、活性層とクラッド層の組み合わせは、ＡｌＧａＩｎＰのみから構成するもの、ＡｌＧａＩｎＰ及びＧａＩｎＰから構成するもの、ＡｌＩｎＰ及びＡｌＧａＩｎＰから構成するもの等を用いることができる。
【００１８】
これらＡｌＧａＩｎＰ系ダブルへテロ構造の各層は、例えばＧａＡｓ基板上に格子整合させながら形成する層とされ、それぞれ閃亜鉛鉱型結晶構造を有する。この第２の活性層１１は直接電流の注入によって発光するのではなく、次に説明するＧａＮ系のピラミッド型発光層からの励起光によって発光する。このようなＡｌＧａＩｎＰ系ダブルへテロ構造の各層は、ＧａＡｓ基板上に結晶成長した後に発光層部分だけがＧａＡｓ基板から剥離されて形成される。特にＡｌＧａＩｎＰ系ダブルへテロ構造とＧａＡｓ基板を分離することから、素子として利用する部分をＡｓ（砒素）を含まない構成にでき、環境保護の面からも優れたデバイスとなる。このＡｌＧａＩｎＰ系ダブルへテロ構造では、青色などの励起光を基に赤色の高輝度の発光を可能とする。すなわち、このＡｌＧａＩｎＰ系ダブルへテロ構造では、一例として青色から赤色への波長変換が行われる。
【００１９】
このような活性層１１を有するＡｌＧａＩｎＰ系ダブルへテロ構造の上部クラッド層１２には接着層１３を介して、第１の半導体発光層側の構成が貼り合わせられる。この第１の半導体発光層側の構成は、例えばサファイア基板上に低温バッファ層などを介して形成されたシリコンドープの下部成長層１４が形成され、そのシリコンドープの下部成長層１４上に選択成長の成長阻害膜１５が形成され、更にその成長阻害膜１５の一部を開口した窓部から選択成長によって六角錐形状の結晶成長部１９が構成される。この六角錐形状の結晶成長部１９は傾斜した結晶面を有し、例えば選択成長の際に、基板主面をＣ面とした場合では、Ｓ面（｛１−１０１｝面）若しくは｛１１−２２｝面を傾斜したファセットとして成長する。傾斜したファセットでは、一部が選択成長用の成長阻害膜１５と平面上重なるため、その部分で基板からの貫通転位が抑制され、特に傾斜した結晶面では発光特性に優れることになる。なお、サファイア基板はＡｌＧａＩｎＰ系ダブルへテロ構造の各層と貼りあわせられる前に剥離される。
【００２０】
六角錐形状の結晶成長部１９の内側では、成長阻害膜１５の一部を開口した窓部に連続するシリコンドープのＧａＮ層１６が形成される。このシリコンドープのＧａＮ層１６は図示しないｎ側電極に接続されると共に、六角錐形状の結晶成長部１９の発光領域における下側のクラッド層として機能する。このシリコンドープのＧａＮ層１６の外側にはＩｎＧａＮ層などからなる第１の活性層１７が形成される。この第１の活性層１７は、次に説明するマグネシウムドープのＧａＮ層１８とシリコンドープのＧａＮ層１６に挟まれたダブルへテロ構造とされ、図示しないｐ側電極とｎ側電極からの電流注入によって発光する。ここで、第１の活性層１７からの発光波長は、そのバンドギャップから紫外光から青色、緑色発光色までを概ね設定できるものであり、例えば、青色若しくは緑色の発光波長とするように製造上の設定が可能となる。第１の活性層１７で単一の発光波長であっても前述の第２の半導体発光層で波長変換が可能であり、第１の活性層１７からの発光色を青色とした場合であっても赤色や緑色を容易に作り出すことができることから、カラー画像を表示する表示デバイスを製造する場合にも順応性良く対応できる。第１の活性層１７の外側には、マグネシウムドープのＧａＮ層１８が形成される。このマグネシウムドープのＧａＮ層１８は図示しないｐ側電極に接続される。
【００２１】
このような構造からなる本実施形態の半導体発光素子は、六角錐形状の結晶成長部１９からなる第１の半導体発光層側の構成がＧａＮ系のウルツ鉱型の半導体結晶構造を有し、他方、第２の半導体発光層側の構成はＡｌＧａＩｎＰ系の閃亜鉛鉱型の結晶構造を有する。特にＧａＮ系の半導体結晶構造は、電流注入に対し高い電流値でも構造部が壊れないという利点があり、長寿命である。従って、これらの組み合わせから、電流を流す対象は構造的に比較的強度の高いＧａＮ系ウルツ鉱型半導体結晶構造側に限られるため、素子の長寿命化を容易に図ることができる。また、それぞれ成長時の基板を剥がした後で第１の半導体発光層側の構成と第２の半導体発光層側の構成を組み合わせた構造を有するため、成長用基板を繰り返し利用することもでき、また、ＧａＡｓ基板などに含まれるＡｓを全く含まない構成も実現できる。
【００２２】
また、本実施形態の半導体発光素子では、第１の活性層１７で励起された光が第２の活性層１１で波長変換して出力されることになり、第２の活性層のかわりに蛍光体を使用するような発光素子に比べて、色純度を高くすることができ、同時に輝度飽和が抑制されて高輝度な表示が可能となる。このような本実施形態の半導体発光素子を用いてカラー画像表示装置を構成する場合、青色の第１の活性層１７からの励起光を赤色に変換することができ、同じ構成のＧａＮ系半導体結晶構造は、そのまま青色又は緑色として活用することもできることから、後述するように少なくとも同じＧａＮ系半導体結晶構造をアレイ状に配列し、一部に第２の活性層１１を形成して波長変換を行っても高精細な画像表示装置を作成できる。なお、第２の半導体発光層としては、ＡｌＧａＩｎＰ系半導体層、ＡｌＧａＩｎＡｓ系半導体層、ＧａＩｎＮＡｓ系半導体層、ＧａＩｎＡｓＰ系半導体層から選ばれた半導体層を形成しても良い。
【００２３】
［半導体発光素子の製造方法の一例］
次に、図２〜図８を参照しながら、本実施形態の半導体発光素子の製造方法について説明する。本製造方法においては、特にサファイア基板などのウルツ鉱型の化合物半導体層を形成し得る基板と、ＧａＡｓ基板などの閃亜鉛鉱型の結晶構造の半導体層を形成し得る基板とがそれぞれ結晶成長に使用されるが、それぞれ成長した半導体層は基板から剥離され、基板を伴わずに素子を構成するように製造される。以下、工程順に説明する。
【００２４】
先ず、半導体発光素子の製造に用いられる基板２０としては、ウルツ鉱型の化合物半導体層を形成し得るものであれば特に限定されず、種々のものを使用できる。例示すると、基体として用いることができるのは、サファイア（Ａｌ２Ｏ３、Ａ面、Ｒ面、Ｃ面を含む。）、ＳｉＣ（６Ｈ、４Ｈ、３Ｃを含む。）、ＧａＮ、Ｓｉ、ＺｎＳ、ＺｎＯ、ＡｌＮ、ＬｉＭｇＯ、ＬｉＧａＯ２、ＧａＡｓ、ＭｇＡｌ２Ｏ４、ＩｎＡｌＧａＮなどからなる基板などであり、好ましくはこれらの材料からなる六方晶系基板または立方晶系基板であり、より好ましくは六方晶系基板である。例えば、サファイア基板を用いる場合では、窒化ガリウム（ＧａＮ）系化合物半導体の材料を成長させる場合に多く利用されているＣ面を主面としたサファイア基板を用いることができる。この場合の基板主面としてのＣ面は、５乃至６度の範囲で傾いた面方位を含むものである。半導体装置の製造に広く使用されているシリコン基板などを利用することも可能である。
【００２５】
選択成長をさせるための基板２０上には、選択時に良好な結晶性を得るためにバッファ層などを形成しても良い。また、図２に示すように基板２０上には選択成長の下部成長層２１が形成される。下部成長層２１としては、化合物半導体層を選択することができ、後の工程でファセット構造を形成することからウルツ鉱型の化合物半導体を選ぶことが好ましい。さらに化合物半導体層としてはウルツ鉱型の結晶構造を有する窒化物半導体、ＢｅＭｇＺｎＣｄＳ系化合物半導体、およびＢｅＭｇＺｎＣｄＯ系化合物半導体などが好ましい。窒化物半導体からなる結晶層としては、例えばＩＩＩ族系化合物半導体を用いることができ、更には窒化ガリウム（ＧａＮ）系化合物半導体、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）系化合物半導体、窒化インジウム（ＩｎＮ）系化合物半導体、窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＮ）系化合物半導体、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）系化合物半導体を好ましくは形成することができ、特に窒化ガリウム系化合物半導体が好ましい。一例としては、サファイア基板上にアンドープのＧａＮ層を形成し、その後でＳｉドープのＧａＮ層を形成しても良い。なお、本発明において、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＧａＮなどは必ずしも、３元混晶のみ、２元混晶のみの窒化物半導体を指すのではなく、例えばＩｎＧａＮでは、ＩｎＧａＮの作用を変化させない範囲での微量のＡｌ、その他の不純物を含んでいても本発明の範囲であることはいうまでもない。また、Ｓ面に実質的に等価な面とは、Ｓ面に対して５乃至６度の範囲で傾いた面方位を含むものである。ここで本明細書中、窒化物とはＢ、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ、ＴａをＩＩＩ族とし、Ｖ族にＮを含む化合物を指し、全体の１％以内若しくは１ｘ１０２０ｃｍ３以下の不純物の混入を含む場合もある。
【００２６】
この下部成長層２１の成長方法としては、種々の気相成長法を挙げることができ、例えば有機金属化合物気相成長法（ＭＯＣＶＤ（ＭＯＶＰＥ）法）や分子線エピタキシー法（ＭＢＥ法）などの気相成長法や、ハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ法）を用いることができる。その中でもＭＯＶＰＥ法によると、迅速に結晶性の良いものが得られる。ＭＯＶＰＥ法では、ＧａソースとしてＴＭＧ（トリメチルガリウム）、ＴＥＧ（トリエチルガリウム）、ＡｌソースとしてはＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）、ＴＥＡ（トリエチルアルミニウム）、Ｉｎソースとしては、ＴＭＩ（トリメチルインジウム）、ＴＥＩ（トリエチルインジウム）などのアルキル金属化合物が多く使用され、窒素源としてはアンモニア、ヒドラジンなどのガスが使用される。また、不純物ソースとしてはＳｉであればシランガス、Ｇｅであればゲルマンガス、ＭｇであればＣｐ２Ｍｇ（シクロペンタジエニルマグネシウム）、ＺｎであればＤＥＺ（ジエチルジンク）などのガスが使用される。ＭＯＶＰＥ法では、これらのガスを例えば６００°Ｃ以上に加熱された基板の表面に供給して、ガスを分解することにより、ＩｎＡｌＧａＮ系化合物半導体をエピタキシャル成長させることができる。
【００２７】
結晶成長の下部成長層２１の表面には六角形に開口した開口部２３を有する選択マスク２２が形成され、図３に示すように、その六角形状に開口した開口部２３からの選択成長によって半導体層２４が形成される。選択マスク２２は基体主面上に直接若しくは基体上に形成されたバッファ層その他の層上に形成される成長阻害膜であり、例えば酸化シリコン膜や窒化シリコン膜などの絶縁膜からなるマスク材料が使用される。このマスクの形状は、一例として六角形状とされるが、帯状、円形状、円弧状、或いは三角形状、五角形状などの多角形形状であっても良い。
【００２８】
このような選択成長のマスク２２等を形成したところで、選択的な結晶成長によって半導体層２４を形成する。結晶成長は、前述の化合物半導体層の形成のための方法と同じ方法で行うことができる。具体的には、成長方法としては、種々の気相成長法を挙げることができ、例えば有機金属化合物気相成長法（ＭＯＣＶＤ（ＭＯＶＰＥ）法）や分子線エピタキシー法（ＭＢＥ法）などの気相成長法や、ハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ法）を用いることができる。
【００２９】
この半導体発光素子の製造方法においては、選択成長によって半導体層２４が形成されるが、その半導体層２４の傾斜した結晶面は、好ましくは｛１−１０１｝面若しくは｛１１−２２｝面またはこれらの各面に実質的に等価な面の中から選ばれる面であることが望ましく、所要の条件で選択成長することで現れる結晶面である。これら傾斜した結晶面に囲まれる成長層は六角錐形状のピラミッド状とされ、断面略三角の尖頭形状である。この傾斜した結晶面としては、例えば基板の主面をＣ＋面とすることで、Ｓ面またはＳ面に実質的に等価な面、若しくは｛１１−２２｝面または｛１１−２２｝面に実質的に等価な面を容易に形成することができる。すなわち、選択成長を行った場合では、基板主面に対して傾斜した傾斜面としてＳ面及び｛１１−２２｝面は、Ｃ＋面の上に選択成長した際に見られる安定面であり、比較的得やすい面である。Ｃ面にＣ＋面とＣ−面が存在するのと同様に、Ｓ面についてはＳ＋面とＳ−面が存在するが、本明細書においては、特に断らない場合は、Ｃ＋面ＧａＮ上にＳ＋面を成長しており、これをＳ面として説明している。なお、Ｓ面についてはＳ＋面が安定面である。またＣ＋面の面指数は（０００１）である。
【００３０】
このＳ面ついては、窒化ガリウム系化合物半導体を用いて結晶層を構成した場合には、Ｓ面上、ＧａからＮへのボンド数が２または３とＣ−面の次に多くなる。ここでＣ−面はＣ＋面の上には事実上得ることができないので、Ｓ面でのボンド数は最も多いものとなる。例えば、Ｃ＋面を主面に有するサファイア基板に窒化物を成長した場合、一般にウルツ鉱型の窒化物の表面はＣ＋面になるが、選択成長を利用することでＳ面を安定して形成することができ、Ｃ＋面に平行な面では脱離しやすい傾向をもつＮのボンドがＧａから一本のボンドで結合しているのに対し、傾いたＳ面では少なくとも一本以上のポンドで結合することになる。従って、実効的にＶ／ＩＩＩ 比が上昇することになり、積層構造の結晶性の向上に有利である。また、基板と異なる方位に成長すると基板から上に伸びた転位が曲がることもあり、欠陥の低減にも有利となる。
【００３１】
このような半導体層２４には、図４に示すように、傾斜面上に第１導電型クラッド層２５、第１の活性層２６、および第２導電型クラッド層２７が積層される。本発明者らが窒化物半導体について行った実験において、カソードルミネッセンスを用い、成長したファセット構造を観測してみると、傾斜面であるＳ面の結晶は良質でありＣ＋面に比較して発光効率が高くなっていることが示されている。特にＩｎＧａＮ活性層の成長温度は例えば７００〜８００°Ｃとする。この温度ではアンモニアの分解効率が低く、よりＮ種が必要とされる。またＡＦＭで表面を見たところステップが揃ってＩｎＧａＮ取り込みに適した面が観測された。さらにその上、Ｍｇドープ層の成長表面は一般にＡＦＭレベルでの表面状態が悪いが、Ｓ面の成長によりこのＭｇドープ層も良い表面状態で成長し、しかもドーピング条件がかなり異なることがわかっている。また、顕微フォトルミネッセンスマッピングを行うと、０. ５- １μｍ程度の分解能で測定することができるが、Ｃ+ 面の上に成長した通常の方法では、１μｍピッチ程度のむらが存在し、選択成長でＳ面を得た試料については均一な結果が得られた。また、ＳＥＭで見た斜面の平坦性もＣ+ 面より滑らかに成っている。
【００３２】
傾斜面上に積層される第１導電型クラッド層２５、第１の活性層２６、および第２導電型クラッド層２７において、第１導電型はｐ型又はｎ型であり、第２導電型はその反対の導電型である。例えばＳ面を構成する結晶層をシリコンドープの窒化ガリウム系化合物半導体層によって構成した場合では、ｎ型クラッド層２５をシリコンドープの窒化ガリウム系化合物半導体層によって構成し、その上にＩｎＧａＮ層を活性層２６として形成し、さらにその上にｐ型クラッド層２７としてマグネシウムドープの窒化ガリウム系化合物半導体層を形成してダブルヘテロ構造を形成することができる。
【００３３】
なお、第１の活性層２６である例えばＩｎＧａＮ層をＡｌＧａＮ層で挟む構造や片側だけにＡｌＧａＮ層を形成する構造とすることも可能である。また、第１の活性層２６は単一のバルク活性層で構成することも可能であるが、単一量子井戸（ＳＱＷ）構造、二重量子井戸（ＤＱＷ）構造、多重量子井戸（ＭＱＷ）構造などの量子井戸構造を形成したものであっても良い。量子井戸構造には必要に応じて量子井戸の分離のために障壁層が併用される。活性層２６をＩｎＧａＮ層とした場合には、特に製造工程上も製造し易い構造となり、素子の発光特性を良くすることができる。さらにこのＩｎＧａＮ層は、窒素原子の脱離しにくい構造であるＳ面の上での成長では特に結晶化しやすくしかも結晶性も良くなり、発光効率を上げることが出来る。なお、窒化物半導体はノンドープでも結晶中にできる窒素空孔のためにｎ型となる性質があるが、通常Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｅなどのドナー不純物を結晶成長中にドープすることで、キャリア濃度の好ましいｎ型とすることができる。また、窒化物半導体をｐ型とするには、結晶中にＭｇ、Ｚｎ、Ｃ、Ｂｅ、Ｃａ、Ｂａなどのアクセプター不純物をドープすることによって得られるが、高キャリア濃度のｐ層を得るためには、アクセプター不純物のドープ後、窒素、アルゴンなどの不活性ガス雰囲気で４００℃以上でアニーリングを行うことが好ましく、電子線照射などにより活性化する方法もあり、マイクロ波照射、光照射などで活性化する方法もある。
【００３４】
第１の活性層２６を挟む第１導電型クラッド層２５及び第２導電型クラッド層２７には電極が直接或いは間接的に接続される。各電極はそれぞれの素子ごとに形成されるものであるが、ｐ電極またはｎ電極の一方は共通化することもできる。接触抵抗を下げるために、所要のコンタクト層を形成し、その後で電極をコンタクト層上に形成しても良い。一般的に各電極は多層の金属膜を蒸着などによって被着して形成されるが、素子ごとに区分するためにフォトリソグラフィーを用いてリフトオフなどにより微細加工することができる。各電極は選択結晶成長層や基板の一方の面に形成することもでき、両側に電極を形成してより高密度で電極を配線するようにすることもできる。また、独立して駆動される電極はそれぞれ同じ材料を微細加工して形成したものであっても良いが、領域ごとに異なる材料の電極材料を使用することも可能である。また、第１導電型クラッド層２５は下部半導体層２１に電気的に接続されるため、この下部半導体層２１に接続させる形でｎ側電極を形成しても良い。特に下部半導体層２１は貼り合わせ面としても利用されるため、接着面に電極を配設したり、接着層に導電性を付与したりして、ｎ側電極の一部として利用できる。
【００３５】
また特に、本発明の半導体発光素子では、結晶構造の良好な部分にのみ選択的に電極を形成する構造とすることもできる。例えば、結晶面に結晶のステップが揃っていない領域がある場合、そのステップが揃っていない領域上を外して電極を形成することができる。このような結晶のステップが揃っていない領域の存在は、ＡＦＭを用いた観察や、経験則などで把握することができ、一例として稜線上の部分や、端部に近い領域などを外した構造の電極を形成することができる。
【００３６】
次に、図５に示すように、基板２０の剥離が行われる。基板２０をエッチングや研磨などによって除去することも可能であるが、基板２０を透明なサファイア基板とした場合では、基板２０の裏面からの紫外線域のレーザー、例えばエキシマレーザーのビームを照射することで、基板２０とその上の下部半導体層２１との間にレーザーアブレーションが発生する。このレーザーアブレーションとは、紫外線の範囲のビームを照射して、基板２０と下部半導体層２１の間の界面でビームの光吸収エネルギーから下部半導体層２１の材料であるＧａＮのうちの窒素を発生させ、基板２０と下部半導体層２１を分離する技術である。基板２０をサファイア基板とした場合では、サファイア基板を透過してエキシマレーザーのビームを照射することができ、基板２０と下部半導体層２１を容易に分離できる。基板２０の分離により、下部半導体層２１の底面２８が露呈する。
【００３７】
このような第１の半導体発光層側の製造工程と並行或いは前後してＧａＡｓ基板３０上に第２の半導体発光層が形成される。具体的にはＧａＡｓ基板３０上にＡｌＧａＩｎＰ系ダブルへテロ構造を設けた構造とされ、一対のクラッド層３１、３３の間に第２の半導体発光層としての第２の活性層３２を設けた構造を有する。活性層３２とクラッド層３１、３３の組み合わせは、ＡｌＧａＩｎＰのみから構成するもの、ＡｌＧａＩｎＰ及びＧａＩｎＰから構成するもの、ＡｌＩｎＰ及びＡｌＧａＩｎＰから構成するもの等を用いることができる。また、これらＡｌＧａＩｎＰ系ダブルへテロ構造の各層は、例えばＧａＡｓ基板上に格子整合させながら形成する層とされ、それぞれ閃亜鉛鉱型結晶構造を有する。
【００３８】
ＧａＡｓ基板３０上にＡｌＧａＩｎＰ系ダブルへテロ構造を設けた後、図６に示すように、全面に接着層３４が形成される。この接着層３４は、例えば熱可塑性、熱硬化性の合成樹脂や、紫外線硬化、電子線硬化型の樹脂などにより構成される。この接着層３４は、ＧａＡｓ基板３０上のＡｌＧａＩｎＰ系化合物半導体層３１〜３３の上面に塗布されて形成されるが、例えば支持基板の片面若しくは両面に接着層を塗布した構成でも良く、その支持基板をそのまま実装基板として使用しても良い。
【００３９】
このような接着層３４の形成後、図７に示すように、接着層３４の上部に下部半導体層２１の底面を貼り合わせて、第１の半導体発光層側と第２の半導体発光層側を組み合わせる。この貼り合わせ工程によってピラミッド形状のＧａＮ系半導体層の光射出側にＡｌＧａＩｎＰ系ダブルへテロ構造が位置することになり、第１の活性層２６からの光が第２の活性層３２の発光に利用される。このような貼り合わせの後、レーザーアブレーションによってＧａＡｓ基板３０をＡｌＧａＩｎＰ系化合物半導体層であるクラッド層３１から剥がす。このＧａＡｓ基板３０の裏面側から例えばＹＡＧレーザーの照射によって、ＧａＡｓ基板３０とクラッド層３１の界面にエネルギーを集め、レーザーアブレーションが発生する。クラッド層３１にレーザーアブレーションが発生しにくい場合には、ＧａＡｓ基板３０とクラッド層３１の界面に犠牲層を設けるようにしても良い。レーザーアブレーションの場合、レーザー波長、基板波長、犠牲層波長の条件としては、犠牲層波長>レーザー波長>基板波長とすることで、レーザー照射時に犠牲層でのエネルギー吸収が生ずる。
【００４０】
また、本製造方法では、ＧａＡｓ基板３０を剥離するために、レーザーアブレーションを用いているが、これに限らず、ＧａＡｓ基板３０をエッチングにより除去したり、研磨したりすることも可能である。ＧａＡｓ基板３０をエッチングにより除去する場合、ＧａＡｓ基板３０自体をエッチングすることも可能であるが、エピタキシャルリフトオフ技術により中間層をエッチングして除き、ＧａＡｓ基板３０を除去するようにしても良い。
【００４１】
このようなＧａＡｓ基板３０の除去により、図８に示すような半導体発光素子が形成される。六角錐形状の結晶成長部２４からなる第１の半導体発光層側の構成がＧａＮ系のウルツ鉱型の半導体結晶構造を有し、他方、ＧａＡｓ基板３０を除去した第２の半導体発光層側の構成はＡｌＧａＩｎＰ系の閃亜鉛鉱型の結晶構造を有する。これらの組み合わせから、電流を流す対象は構造的に比較的強度の高いＧａＮ系ウルツ鉱型半導体結晶構造側に限られるため、素子の長寿命化を容易に図ることができる。また、それぞれ成長時の基板を剥がした後で第１の半導体発光層側の構成と第２の半導体発光層側の構成を組み合わせた構造を有するため、成長用基板を繰り返し利用することもでき、また、ＧａＡｓ基板３０などに含まれるＡｓを全く含まない構成も実現される。さらに第２の半導体発光層側には光励起が発生するだけで実質的な電流の注入がないことから、仮に第２の半導体発光層にひび割れや大きな結晶欠陥などがあった場合でもこれらは直接電流を注入する場合に比べて発光を妨げる程度は低い。
【００４２】
また、本実施形態により製造される半導体発光素子では、第１の活性層２６で励起された光が第２の活性層３２で波長変換して出力されることになり、蛍光体を使用するような発光素子に比べて、色純度を高くすることができ、同時に輝度飽和が抑制されて高輝度な表示が可能となる。このような本実施形態の半導体発光素子を用いてカラー画像表示装置を構成する場合、青色の第１の活性層２６からの励起光を赤色に変換することができ、同じ構成のＧａＮ系半導体結晶構造は、そのまま青色又は緑色として活用することもできることから、後述するように少なくとも同じＧａＮ系半導体結晶構造をアレイ状に配列し、一部に第２の活性層３２を形成して波長変換を行うことで高精細な画像表示装置を作成できる。なお、第２の半導体発光層を成長させる成長基板としては、上述のＧａＡｓ基板に限らず、ＩｎＰ基板、サファイア基板などエピタキシャシャル成長用基板として用いられる他の基板を適宜使用できる。
【００４３】
［樹脂パッケージを用いた半導体発光素子の一例］
次に、他の樹脂パッケージ内に発光ダイオードを配設した構造の半導体発光素子について図９を参照しながら説明する。本実施形態の半導体発光素子では、所定の光を放出させる第１の半導体発光層を備えた発光ダイオード５０が樹脂パッケージ５１内に形成され、その発光素子から第１の半導体発光層からの光によって励起されて光を放出する第２の半導体発光層が樹脂パッケージ５１に貼り合わされて構成されることを特徴とする。
【００４４】
図９に示すように、ポリイミド樹脂やエポキシ樹脂などの比較的耐熱性が高い樹脂材料からなる樹脂パッケージ５１に囲まれる形で、ＧａＮ系の発光ダイオード５０が配設される。この発光ダイオード５０は、前述の如きシリコンドープのＧａＮ層、ＩｎＧａＮ層からなる活性層、マグネシウムドープのＧａＮ層を積層した六角錐形状の尖頭構造部５３を有しており、このうちＩｎＧａＮ層からなる活性層が所定の光を放出させる第１の半導体発光層として機能する。この六角錐形状の尖頭構造部５３の下部側には、選択成長時の下部成長層５２が連続しており、この下部成長層５２に電気的に接続して下部電極パッド５５が形成され、六角錐形状の尖頭構造部５３側の図示しないｐ電極に接続するように上部電極パッド５４が形成されている。これら下部電極パッド５５及び上部電極パッド５４には、表示装置に装着した際には配線層が樹脂パッケージ５１を穿孔した部分を介して接続される。
【００４５】
このような樹脂パッケージ５１の底面側には接着層５６を介して貼り合わされたＡｌＧａＩｎＰ系ダブルへテロ構造層を設けた構造とされ、一対のクラッド層５７、５９の間に第２の半導体発光層としての第２の活性層５８を設けた構造を有する。活性層とクラッド層の組み合わせは、ＡｌＧａＩｎＰのみから構成するもの、ＡｌＧａＩｎＰ及びＧａＩｎＰから構成するもの、ＡｌＩｎＰ及びＡｌＧａＩｎＰから構成するもの等を用いることができる。これらＡｌＧａＩｎＰ系ダブルへテロ構造層は赤色発光を行うための波長変換領域であり、第１の半導体発光層からの光によって励起されて光を放出する第２の半導体発光層として機能する。
【００４６】
このように本実施形態の半導体発光素子においては、光を放出する第２の半導体発光層側であるＡｌＧａＩｎＰ系ダブルへテロ構造層は、接着層５６を介して接着するのは、素子ではなく直接的には樹脂パッケージ５１の底面である。この樹脂パッケージ５１及び接着層５６をＧａＮ系の発光ダイオード５０からの光は十分に透過することから、励起光は第２の活性層５８に届き、そこで第１の半導体発光層からの光によって励起されて波長変換を行って赤色発光の光を出力する。
【００４７】
本実施形態の半導体発光素子においては、蛍光体を使用するような発光素子に比べて、色純度を高くすることができ、同時に輝度飽和が抑制されて高輝度な表示が可能となる。また、電流を流す対象は構造的に比較的強度の高いＧａＮ系ウルツ鉱型半導体結晶構造側に限られるため、素子の長寿命化を容易に図ることができる。また、ＧａＡｓ基板などに含まれるＡｓを全く含まない構成も実現される。
【００４８】
また、このような本実施形態の半導体発光素子を用いてカラー画像表示装置を構成する場合、青色の第１の活性層からの励起光を赤色に変換することができ、同じ構成のＧａＮ系半導体結晶構造は、そのまま青色又は緑色として活用することもできることから、後述するように少なくとも同じＧａＮ系半導体結晶構造をアレイ状に配列し、一部に第２の活性層５８を形成して波長変換を行うことで高精細な画像表示装置を作成できる。
【００４９】
[二段階拡大転写法]
図９に示す樹脂パッケージを用いた半導体発光素子は、特に図１０〜図１２に説明するような拡大転写法を用いて画像表示装置を構成する場合に好適な構成となる。
【００５０】
本実施形態の半導体発光素子の製造方法では、高集積度をもって第一基板上に作成された素子を第一基板上で素子が配列された状態よりは離間した状態となるように一時保持用部材に転写し、次いで一時保持用部材に保持された前記素子をさらに離間して第二基板上に転写する二段階の拡大転写を行う。なお、本実施形態では転写を２段階としているが、素子を離間して配置する拡大度に応じて転写を三段階やそれ以上の多段階とすることもできる。
【００５１】
図１０と図１１はそれぞれ二段階拡大転写法の基本的な工程を示す図である。まず、図１０の(a)に示す第一基板１１０上に、例えば発光ダイオードような素子１１２を密に形成する。素子を密に形成することで、各基板当たりに生成される素子の数を多くすることができ、製品コストを下げることができる。第一基板１１０は例えば半導体ウエハ、ガラス基板、石英ガラス基板、サファイア基板、プラスチック基板などの種々素子形成可能な基板であるが、各素子１１２は第一基板１１０上に直接形成したものであっても良く、他の基板上で形成されたものを配列したものであっても良い。
【００５２】
次に図１０の(b)に示すように、第一基板１１０から各素子１１２が図中破線で示す一時保持用部材１１１に転写され、この一時保持用部材１１１の上に各素子１１２が保持される。ここで隣接する素子１１２は離間され、図示のようにマトリクス状に配される。すなわち素子１１２はｘ方向にもそれぞれ素子の間を広げるように転写されるが、ｘ方向に垂直なｙ方向にもそれぞれ素子の間を広げるように転写される。このとき離間される距離は、特に限定されず、一例として後続の工程での樹脂部形成や電極パッドの形成を考慮した距離とすることができる。一時保持用部材１１１上に第一基板１１０から転写した際に第一基板１１０上の全部の素子が離間されて転写されるようにすることができる。この場合には、一時保持用部材１１１のサイズはマトリクス状に配された素子１１２の数（ｘ方向、ｙ方向にそれぞれ）に離間した距離を乗じたサイズ以上であれば良い。また、一時保持用部材１１１上に第一基板１１０上の一部の素子が離間されて転写されるようにすることも可能である。
【００５３】
一時保持用部材１１１への素子１１２の転写は、後述するように、所要の吸着用治具やアクチュエーターなどを用いた機械的手段を使用して行うようにすることもでき、或いは熱や光によって軟化、硬化、架橋、劣化などの反応を生ずる樹脂などを塗布した上で熱や光を局所的に照射して剥離や接着などを生じさせて選択的に転写を行うようにしても良い。さらには、熱や光と機械的手段の組み合わせで転写するようにしても良い。一時保持用部材１１１と第一基板１１０の面同士を対峙させて転写することが一般的ではあるが、一旦、第一基板１１０から素子１１２をチップ毎にばらばらに分離し、個々の素子１１２を改めて一時保持用部材１１１に並べるようにしても良い。
【００５４】
このような第一転写工程の後、図１０の(c)に示すように、一時保持用部材１１１上に存在する素子１１２は離間されていることから、各素子１１２ごとに素子周りの樹脂の被覆と電極パッドの形成が行われる。素子周りの樹脂の被覆は電極パッドを形成し易くし、次の第二転写工程での取り扱いを容易にするなどのために形成される。電極パッドの形成は、後述するように、最終的な配線が続く第二転写工程の後に行われるため、その際に配線不良が生じないように比較的大き目のサイズに形成されるものである。なお、図１０の(c)には電極パッドは図示していない。各素子１１２の周りを樹脂１１３が覆うことで樹脂形成チップ１１４が形成される。素子１１２は平面上、樹脂形成チップ１１４の略中央に位置するが、一方の辺や角側に偏った位置に存在するものであっても良い。
【００５５】
次に、図１０の(d)に示すように、第二転写工程が行われる。この第二転写工程では一時保持用部材１１１上でマトリクス状に配される素子１１２が樹脂形成チップ１１４ごと更に離間するように第二基板１１５上に転写される。この転写も第一転写工程と同様に、所要の吸着用治具やアクチュエーターなどを用いた機械的手段を使用して行うようにすることもでき、或いは熱や光によって軟化、硬化、架橋、劣化などの反応を生ずる樹脂などを塗布した上で熱や光を局所的に照射して剥離や接着などを生じさせて選択的に転写を行うようにしても良い。さらには、熱や光と機械的手段の組み合わせで転写するようにしても良い。
【００５６】
第二転写工程においても、隣接する素子１１２は樹脂形成チップ１１４ごと離間され、図示のようにマトリクス状に配される。すなわち素子１１２はｘ方向にもそれぞれ素子の間を広げるように転写されるが、ｘ方向に垂直なｙ方向にもそれぞれ素子の間を広げるように転写される。第二転写工程のよって配置された素子の位置が画像表示装置などの最終製品の画素に対応する位置であるとすると、当初の素子１１２間のピッチの略整数倍が第二転写工程のよって配置された素子１１２のピッチとなる。ここで第一基板１１０から一時保持用部材１１１での離間したピッチの拡大率をｎとし、一時保持用部材１１１から第二基板１１５での離間したピッチの拡大率をｍとすると、略整数倍の値ＥはＥ＝ｎｘｍであらわされる。拡大率ｎ、ｍはそれぞれ整数であっても良く、整数でなくともＥが整数となる組み合わせ（例えばｎ＝2.4でｍ＝5）であれば良い。
【００５７】
第二基板１１５上に樹脂形成チップ１１４ごと離間された各素子１１２には、配線が施される。この時、先に形成した電極パッド等を利用して接続不良を極力抑えながらの配線がなされる。この配線は例えば素子１１２が発光ダイオードなどの発光素子の場合には、ｐ電極、ｎ電極への配線を含む。
【００５８】
次に、図１１は図１０の二段階拡大転写法の変形例であり、第一基板１１０ａ上から一時保持用部材１１１ａへの転写方法が異なる実施形態である。図１１の（ａ）に示すように第一基板１１０ａ上に例えば発光ダイオードのような素子１１２が密に形成される。複数の素子１１２は第一基板１１０ａ上ではマトリクス状に配列されており、第一基板１１０ａ自体は図１の第一基板１０と同様に例えば半導体ウエハ、ガラス基板、石英ガラス基板、サファイア基板、プラスチック基板などの種々素子形成可能な基板であるが、各素子１１２は第一基板１１０上に直接形成したものであっても良く、他の基板上で形成されたものを配列したものであっても良い。
【００５９】
このように複数の素子１１２を第一基板１１０ａ上にマトリクス状に形成したところで、一時保持用部材１１１ａへ素子１１２を離間しながら転写する。この場合には、第一基板１１０ａと一時保持用部材１１１ａが対峙するように保持され、第一基板１１０ａ上のマトリクス状に配列された複数の素子１１２を間引きするように転写する。すなわち、第一基板１１０ａ上のある素子１１２を転写する場合、その隣接した周囲の素子１１２は転写しないで、所要距離だけ離間した位置の素子１１２が第一基板１１０ａと当該一時保持用部材１１１ａが対峙している間に転写される。隣接した周囲の素子１１２はこの間引き転写で第一基板１１０ａに残されるが、別個の一時保持用部材に対して転写することで、密に形成した素子１１２を無駄にすることなく有効に活用される。
【００６０】
一時保持用部材１１１ａへの素子１１２の転写は、後述するように、所要の吸着用治具やアクチュエーターなどを用いた機械的手段を使用して行うようにすることもでき、或いは熱や光によって軟化、硬化、架橋、劣化などの反応を生ずる樹脂などを塗布した上で熱や光を局所的に照射して剥離や接着などを生じさせて選択的に転写を行うようにしても良い。さらには、熱や光と機械的手段の組み合わせで転写するようにしても良い。
【００６１】
このような第一転写工程の後、図１１の(c)に示すように、一時保持用部材１１１ａ上に存在する素子１１２は離間されていることから、各素子１１２ごとに素子周りの樹脂１１３の被覆と電極パッドの形成が行われ、続いて図１１の(d)に示すように、第二転写工程が行われる。この第二転写工程では一時保持用部材１１１ａ上でマトリクス状に配される素子１２が樹脂形成チップ１１４ごと更に離間するように第二基板１１５上に転写される。これら素子周りの樹脂１１３の被覆と電極パッドの形成と第二転写工程は図１０を用いて説明した工程と同様であり、二段階拡大転写の後で所要の配線が形成される点も同様である。
【００６２】
これら図１０、図１１に示した二段階拡大転写法においては、第一転写後の離間したスペースを利用して電極パッドや樹脂固めなどを行うことができ、そして第二転写後に配線が施されるが、先に形成した電極パッド等を利用して接続不良を極力抑えながらの配線がなされる。従って、画像表示装置の歩留まりを向上させることができる。また、本実施形態の二段階拡大転写法においては、素子間の距離を離間する工程が２工程であり、このような素子間の距離を離間する複数工程の拡大転写を行うことで、実際は転写回数が減ることになる。すなわち、例えば、ここで第一基板１１０、１１０ａから一時保持用部材１１１、１１１ａでの離間したピッチの拡大率を２（ｎ＝２）とし、一時保持用部材１１１、１１１ａから第二基板１１５での離間したピッチの拡大率を２（ｍ＝２）とすると、仮に一度の転写で拡大した範囲に転写しようとしたときでは、最終拡大率が２ｘ２の４倍で、その二乗の１６回の転写すなわち第一基板のアライメントを１６回行う必要が生ずるが、本実施形態の二段階拡大転写法では、アライメントの回数は第一転写工程での拡大率２の二乗の４回と第二転写工程での拡大率２の二乗の４回を単純に加えただけの計８回で済むことになる。即ち、同じ転写倍率を意図する場合においては、（ｎ＋ｍ）２＝ｎ２＋２ｎｍ＋ｍ２であることから、必ず２ｎｍ回だけ転写回数を減らすことができることになる。従って、製造工程も回数分だけ時間や経費の節約となり、特に拡大率の大きい場合に有益となる。
【００６３】
なお、図１０、図１１に示した二段階拡大転写法においては、素子１１２を例えば発光素子や液晶制御素子としているが、これに限定されず、他の素子例えば光電変換素子、圧電素子、薄膜トランジスタ素子、薄膜ダイオード素子、抵抗素子、スイッチング素子、微小磁気素子、微小光学素子から選ばれた素子若しくはその部分、これらの組み合わせなどであっても良い。
【００６４】
［間引き転写の他の例］
【００６５】
図１２は図１１の（ａ）と（ｂ）で示した間引き転写の他の一例を示す図である。間引き転写は転写元の基板と転写先の基板（部材）を対峙させて選択的に素子を転写することで行われるが、転写先の基板（部材）を大きなサイズとすることで、転写元の基板上に有る素子の全部を転写先の基板（部材）に移動させることが可能である。
【００６６】
図１２は第一転写工程での拡大率３の場合の例を示しており、第一基板１１０ｃを単位とすると一時保持用部材１１１ｃは３の二乗の９倍の面積を有する。このため転写元の基板である第一基板１１０ｃ上に有る素子１２の全部を転写するために、全部で９回の転写が行われる。第一基板１１０ｃ上にマトリクス状に配される素子１１２を３ｘ３のマトリクス単位毎に分けて、その中の１つの素子１１２が一時保持用部材１１１ｃに順次転写されて最終的に全体の素子１１２が転写される。
【００６７】
図１２の（ａ）は第一基板１１０ｃ上の素子１１２の中３ｘ３のマトリクス単位毎で第１番目の素子１１２が一時保持用部材１１１ｃに転写されるところを模式的に示しており、図１２の（ｂ）は３ｘ３のマトリクス単位毎で第２番目の素子１１２が一時保持用部材１１１ｃに転写されるところを模式的に示している。第２番目の転写では、第一基板１１０ｃの一時保持用部材１１１ｃに対するアライメント位置が図中垂直方向にずれており、同様の間引き転写を繰り返すことで、素子１２を離間させて配置することができる。また図３の（ｃ）は３ｘ３のマトリクス単位毎で第８番目の素子１１２が一時保持用部材１１１ｃに転写されるところを模式的に示しており、図３の（ｄ）は３ｘ３のマトリクス単位毎で第９番目の素子１１２が一時保持用部材１１１ｃに転写されるところを模式的に示している。この３ｘ３のマトリクス単位毎で第９番目の素子１１２が転写された時点で、第一基板１１０ｃには素子１１２がなくなり、一時保持用部材１１１ｃにはマトリクス状に複数の素子１１２が離間された形式で保持されることになる。以降、図１０、図１１の（ｃ）、（ｄ）の工程により、二段階拡大転写が実行される。
【００６８】
［樹脂形成チップ］
次に、図１３および図１４を参照して、一時保持用部材上で形成され、第二基板に転写される樹脂形成チップについて説明する。樹脂形成チップ１２０は、離間して配置されている素子１２１の周りを樹脂１２２で固めたものであり、このような樹脂形成チップ１２０は、一時保持用部材から第二基板に素子１２１を転写する場合に使用できるものである。
【００６９】
素子１２１は後述するような発光素子の例であるが、特に発光素子に限らず他の素子であっても良い。樹脂形成チップ１２０は略平板上でその主たる面が略正方形状とされる。この樹脂形成チップ１２０の形状は樹脂１２２を固めて形成された形状であり、具体的には未硬化の樹脂を各素子１２１を含むように全面に塗布し、これを硬化した後で縁の部分をダイシング等で切断することで得られる形状である。略平板状の樹脂１２２の表面側と裏面側にはそれぞれ電極パッド１２３、１２４が形成される。これら電極パッド１２３、１２４の形成は全面に電極パッド１２３、１２４の材料となる金属層や多結晶シリコン層などの導電層を形成し、フォトリソグラフィー技術により所要の電極形状にパターンニングすることで形成される。これら電極パッド１２３、１２４は発光素子である素子１２１のｐ電極とｎ電極にそれぞれ接続するように形成されており、必要な場合には樹脂１２２にビアホールなどが形成される。
【００７０】
ここで電極パッド１２３、１２４は樹脂形成チップ１２０の表面側と裏面側にそれぞれ形成されているが、一方の面に両方の電極パッドを形成することも可能である。電極パッド１２３、１２４の位置が平板上ずれているのは、最終的な配線形成時に上側からコンタクトをとっても重ならないようにするためである。電極パッド１２３、１２４の形状も正方形に限定されず他の形状としても良い。
【００７１】
このような樹脂形成チップ１２０を構成することで、素子１２１の周りが樹脂１２２で被覆され平坦化によって精度良く電極パッド１２３、１２４を形成できるとともに素子１２１に比べて広い領域に電極パッド１２３、１２４を延在でき、次の第二転写工程での転写を吸着治具で進める場合には取り扱いが容易になる。後述するように、最終的な配線が続く第二転写工程の後に行われるため、比較的大き目のサイズの電極パッド１２３、１２４を利用した配線を行うことで、配線不良が未然に防止される。
【００７２】
［樹脂形成チップに配設される発光素子］
図１５に樹脂形成チップに配設される素子の一例としての発光素子の構造を示す。図１５の（ａ）が素子断面図であり、図１５の（ｂ）が平面図である。この発光素子はＧａＮ系の発光ダイオードであり、たとえばサファイア基板上に結晶成長される素子である。このようなＧａＮ系の発光ダイオードでは、前述のように、基板を透過するレーザー照射によってレーザーアブレーションが生じ、ＧａＮの窒素が気化する現象にともなってサファイア基板とＧａＮ系の成長層の間の界面で膜剥がれが生じ、素子分離を容易なものにできる特徴を有している。
【００７３】
まず、その構造については、ＧａＮ系半導体層からなる下地成長層１３１上に選択成長された六角錐形状のＧａＮ層１３２が形成されている。なお、下地成長層１３１上には図示しない絶縁膜が存在し、六角錐形状のＧａＮ層１３２はその絶縁膜を開口した部分にＭＯＣＶＤ法などによって形成される。このＧａＮ層１３２は、成長時に使用されるサファイア基板の主面をＣ面とした場合にＳ面（１−１０１面）で覆われたピラミッド型の成長層であり、シリコンをドープさせた領域である。このＧａＮ層１３２の傾斜したＳ面の部分はダブルへテロ構造のクラッドとして機能する。ＧａＮ層１３２の傾斜したＳ面を覆うように活性層であるＩｎＧａＮ層１３３が形成されており、その外側にマグネシウムドープのＧａＮ層１３４が形成される。このマグネシウムドープのＧａＮ層１３４もクラッドとして機能する。
【００７４】
このような発光ダイオードには、ｐ電極１３５とｎ電極１３６が形成されている。ｐ電極１３５はマグネシウムドープのＧａＮ層１３４上に形成されるＮｉ／Ｐｔ／ＡｕまたはＮｉ（Ｐｄ）／Ｐｔ／Ａｕなどの金属材料を蒸着して形成される。ｎ電極１３６は前述の図示しない絶縁膜を開口した部分でＴｉ／Ａｌ／Ｐｔ／Ａｕなどの金属材料を蒸着して形成される。なお、下地成長層１３１の裏面側からｎ電極取り出しを行う場合は、ｎ電極１３６の形成は下地成長層１３１の表面側には不要となる。
【００７５】
このような構造のＧａＮ系の発光ダイオードは、青色発光も可能な素子であって、特にレーザーアブレーションよって比較的簡単にサファイア基板から剥離することができ、レーザービームを選択的に照射することで選択的な剥離が実現される。なお、ＧａＮ系の発光ダイオードとしては、平板上や帯状に活性層が形成される構造であっても良く、上端部にＣ面が形成された角錐構造のものであっても良い。また、他の窒化物系発光素子や化合物半導体素子などであっても良い。
【００７６】
［発光素子の配列方法］
次に、図１６から図２０までを参照しながら、発光素子の配列方法について説明する。発光素子は図１５に示したＧａＮ系の発光ダイオードを用いている。
【００７７】
先ず、図１６に示すように、第一基板１４１の主面上には複数の発光ダイオード１４２がマトリクス状に形成されている。発光ダイオード１４２の大きさは約２０μｍ程度とすることができる。第一基板１４１の構成材料としてはサファイア基板などのように光ダイオード１４２に照射するレーザーの波長の透過率の高い材料が用いられる。発光ダイオード１４２にはｐ電極などまでは形成されているが最終的な配線は未だなされておらず、素子間分離の溝１４２ｇが形成されていて、個々の発光ダイオード１４２は分離できる状態にある。この溝１４２ｇの形成は例えば反応性イオンエッチングで行う。このような第一基板１４１を図１６に示すように一時保持用部材１４３に対峙させて選択的な転写を行う。
【００７８】
一時保持用部材１４３の第一基板１４１に対峙する面には剥離層１４４と接着剤層１４５が２層になって形成されている。ここで一時保持用部材１４１の例としては、ガラス基板、石英ガラス基板、プラスチック基板などを用いることができ、一時保持用部材１４１上の剥離層１４４の例としては、フッ素コート、シリコーン樹脂、水溶性接着剤（例えばＰＶＡ）、ポリイミドなどを用いることができる。また一時保持用部材１４３の接着剤層１４５としては紫外線（ＵＶ）硬化型接着剤、熱硬化性接着剤、熱可塑性接着剤のいずれかからなる層を用いることができる。一例としては、一時保持用部材１４３として石英ガラス基板を用い、剥離層１４４としてポリイミド膜４μｍを形成後、接着剤層１４５としてのＵＶ硬化型接着剤を約２０μｍ厚で塗布する。
【００７９】
一時保持用部材１４３の接着剤層１４５は、硬化した領域１４５ｓと未硬化領域１４５ｙが混在するように調整され、未硬化領域１４５ｙに選択転写にかかる発光ダイオード１４２が位置するように位置合わせされる。硬化した領域１４５ｓと未硬化領域１４５ｙが混在するような調整は、例えばＵＶ硬化型接着剤を露光機にて選択的に２００μｍピッチでＵＶ露光し、発光ダイオード１４２を転写するところは未硬化でそれ以外は硬化させてある状態にすれば良い。このようなアライメントの後、その位置の発光ダイオード１４２をレーザーにて第一基板１４１の裏面から照射して発光ダイオード１４２を第一基板１４１からレーザーアブレーションを利用して剥離する。ＧａＮ系の発光ダイオード１４２はサファイアとの界面で金属のＧａと窒素に分解することから、比較的簡単に剥離できる。照射するレーザーとしてはエキシマレーザー、高調波ＹＡＧレーザーなどが用いられる。
【００８０】
このレーザーアブレーションを利用した剥離によって、選択照射にかかる発光ダイオード１４２はＧａＮ層と第一基板１４１の界面で分離し、反対側の接着剤層１４５の未硬化領域１４５ｙに発光ダイオード１４２のｐ電極部分を突き刺すようにして転写される。他のレーザーが照射されない領域の発光ダイオード１４２については、対応する接着剤層１４５の部分が硬化した領域１４５ｓであり、レーザーも照射されていないために 一時保持用部材１４３側に転写されることはない。なお、図１６では１つの発光ダイオード１４２だけが選択的にレーザー照射されているが、ｎピッチ分だけ離間した領域においても同様に発光ダイオード１４２はレーザー照射されているものとする。このような選択的な転写によっては発光ダイオード１４２第一基板１４１上に配列されている時よりも離間して一時保持用部材１４３上に配列される。
【００８１】
次に、選択的な発光ダイオード１４２の第一基板１４１から一時保持用部材１４３への転写を行ったところで、図１７に示すように未硬化領域１４５ｙの接着剤層１４５を硬化させて発光ダイオード１４２を固着させる。この硬化は熱や光などのエネルギーを加えることで可能である。発光ダイオード１４２は一時保持用部材１４３の接着剤層１４５に保持された状態で、発光ダイオード１４２の裏面がｎ電極側（カソード電極側）になっていて、発光ダイオード１４２の裏面には樹脂（接着剤）がないように除去、洗浄されているため、電極パッド１４６を形成した場合では、電極パッド１４６は発光ダイオード１４２の裏面と電気的に接続される。
【００８２】
接着剤層１４５の洗浄の例としては酸素プラズマで接着剤用樹脂をエッチング、ＵＶオゾン照射にて洗浄する。かつ、レーザーにてＧａＮ系発光ダイオードをサファイア基板からなる第一基板１４１から剥離したときには、その剥離面にＧａが析出しているため、そのＧａをエッチングすることが必要であり、ＮａＯＨ水溶液もしくは希硝酸で行うことになる。その後、電極パッド１４６をパターニングする。このときのカソード側の電極パッドは約６０μｍ角とすることができる。電極パッド１４６としては透明電極（ＩＴＯ、ＺｎＯ系など）もしくはＴｉ／Ａｌ／Ｐｔ／Ａｕなどの材料を用いる。透明電極の場合は発光ダイオードの裏面を大きく覆っても発光をさえぎることがないので、パターニング精度が粗く、大きな電極形成ができ、パターニングプロセスが容易になる。
【００８３】
図１８は一時保持用部材１４３から発光ダイオード１４２を第二の一時保持用部材１４７に転写して、アノード電極（ｐ電極）側のビアホール１５０を形成した後、アノード側電極パッド１４９を形成し、樹脂からなる接着剤層１４５をダイシングした状態を示している。このダイシングの結果、素子分離溝１５１が形成され、発光ダイオード１４２は素子ごとに区分けされたものになる。素子分離溝１５１はマトリクス状の各発光ダイオード１４２を分離するため、平面パターンとしては縦横に延長された複数の平行線からなる。素子分離溝１５１の底部では第二の一時保持用部材１４７の表面が臨む。第二の一時保持用部材１４７上には剥離層１４８が形成される。この剥離層１４８は例えばフッ素コート、シリコーン樹脂、水溶性接着剤（例えばＰＶＡ）、ポリイミドなどを用いて作成することができる。第二の一時保持用部材１４７は、一例としてプラスチック基板にＵＶ粘着材が塗布してある、いわゆるダイシングシートであり、ＵＶが照射されると粘着力が低下するものを利用できる。一時保持部材１４７の裏面からエキシマレーザーを照射する。これにより、例えば剥離層１４４としてポリイミドを形成した場合では、ポリイミドと石英基板の界面でポリイミドのアブレーションにより剥離が発生して、各発光ダイオード１４２は第二の一時保持用部材１４７側に転写される。
【００８４】
このプロセスの例として、第二の一時保持用部材１４７の表面を酸素プラズマで発光ダイオード１４２の表面が露出してくるまでエッチングする。まずビアホール１５０の形成はエキシマレーザー、高調波ＹＡＧレーザー、炭酸ガスレーザを用いることができる。このとき、ビアホールは約３〜７μｍの径を開けることになる。アノード側電極パッドはＮｉ／Ｐｔ／Ａｕなどで形成する。ダイシングプロセスは通常のブレードを用いたダイシング、２０μｍ以下の幅の狭い切り込みが必要なときには上記レーザーを用いたレーザーによる加工を行う。その切り込み幅は画像表示装置の画素内の樹脂からなる接着剤層１４５で覆われた発光ダイオード１４２の大きさに依存する。一例として、エキシマレーザーにて幅約４０μｍの溝加工を行い、チップの形状を形成する。
【００８５】
次に、機械的手段を用いて発光ダイオード１４２が第二の一時保持用部材１４７から剥離される。図１９は、第二の一時保持用部材１４７上に配列している発光ダイオード１４２を吸着装置１５３でピックアップするところを示した図である。このときの吸着孔１５５は画像表示装置の画素ピッチにマトリクス状に開口していて、発光ダイオード１４２を多数個、一括で吸着できるようになっている。このときの開口径は、例えば約φ１００μｍで６００μｍピッチのマトリクス状に開口されて、一括で約３００個を吸着できる。このときの吸着孔１５５の部材は例えば、Ｎｉ電鋳により作製したもの、もしくはＳＵＳなどの金属板１５２をエッチングで穴加工したものが使用され、金属板１５２の吸着孔１５５の奥には、吸着チャンバ１５４が形成されており、この吸着チャンバ１５４を負圧に制御することで発光ダイオード１４２の吸着が可能になる。発光ダイオード１４２はこの段階で樹脂からなる接着剤層１４５で覆われており、その上面は略平坦化されており、このために吸着装置１５３による選択的な吸着を容易に進めることができる。
【００８６】
図２０は発光ダイオード１４２をＧａＡｓ基板１６５に転写するところを示した図である。ＧａＡｓ基板１６５に装着する際にＧａＡｓ基板１６５にあらかじめ接着層１６１が塗布されており、その発光ダイオード１４２下面の接着剤層１６１を硬化させ、発光ダイオード１４２をＧａＡｓ基板１６５上に固着して配列させることができる。
【００８７】
接着層１６１が塗布されるＧａＡｓ基板１６５の表面は、第２の半導体発光層として機能するＡｌＧａＩｎＰ系ダブルへテロ構造層が設けられており、一対のクラッド層１６２、１６４の間に第２の半導体発光層としての第２の活性層１６３を設けた構造を有する。活性層とクラッド層の組み合わせは、ＡｌＧａＩｎＰのみから構成するもの、ＡｌＧａＩｎＰ及びＧａＩｎＰから構成するもの、ＡｌＩｎＰ及びＡｌＧａＩｎＰから構成するもの等を用いることができる。これらＡｌＧａＩｎＰ系ダブルへテロ構造層は赤色発光を行うための波長変換領域であり、第１の半導体発光層からの光によって励起されて光を放出する第２の半導体発光層として機能する。
【００８８】
この素子の装着時には、吸着装置１５３の吸着チャンバ１５４が圧力の高い状態となり、吸着装置１５３と発光ダイオード１４２との吸着による結合状態は解放される。接着層１６１はＵＶ硬化型接着剤、熱硬化性接着剤、熱可塑性接着剤などによって構成することができる。そのとき接着層１６１の樹脂を硬化させるエネルギーＧａＡｓ基板１６５の裏面から供給することも可能である。
【００８９】
［半導体発光装置の一例］
図２１は３つの発光ダイオード２０２を化合物半導体構造部２０１に貼りあわせ、３つの発光ダイオード２０２を同じ構造しながらも赤色、緑色、青色の３原色の発光波長を出力する装置となっている。
【００９０】
具体的には、化合物半導体構造部２０１に貼り合わされる３つの発光ダイオード２０６、２０７、２０８は、同じウルツ鉱型結晶構造のＧａＮ系発光ダイオードであり、ＧａＮ系半導体層からなる下部成長層２０３上に選択成長された六角錐形状のＧａＮ層が形成されている。このＧａＮ層は、Ｓ面（１−１０１面）で覆われたピラミッド型の成長層であり、ＧａＮ層の傾斜したＳ面の部分はダブルへテロ構造のクラッド、活性層であるＩｎＧａＮ層、及びクラッドとして機能するマグネシウムドープのＧａＮ層が順次形成され、電流を供給した場合には一例として青色の発光をする。なお、化合物半導体構造部２０１はＧａＡｓ基板上に格子整合されて形成された閃亜鉛鉱型の結晶構造を有するＡｌＧａＩｎＰ系の化合物半導体層であり、レーザーアブレーションなどによってＧａＡｓ基板を除去したものである。
【００９１】
発光ダイオード２０６の下部の化合物半導体構造部２０１には、青色発光の光を励起光として赤色発光を行うＡｌＧａＩｎＰ系の第２の活性層２０５が形成されている。また、発光ダイオード２０７の下部の化合物半導体構造部２０１には、青色発光の光を励起光として緑色発光を行う第２の活性層２０４が形成されている。発光ダイオード２０８の下部の化合物半導体構造部２０１には、青色発光の光をそのまま出力とするため第２の活性層が形成されていない。
【００９２】
このような構造の半導体発光装置では、３つ若しくは３種類の発光素子が１つのモジュールに形成された構造を有しており、カラー画像表示を行う場合に有利である。特に３つの発光素子の組み合わせで半導体発光装置が構成される場合には、既に３つの発光ダイオード２０６、２０７、２０８の位置合わせは装置内で精度良く行われていることになり、ダイオードアレイ型のディスプレイを構成する場合には、これら半導体発光装置を精度良く並べるだけで高精彩な画像表示装置を製造できる。また、化合物半導体構造部２０１自体は、３つの発光ダイオード２０６、２０７、２０８に対応するだけではなく、画面全体や所定の領域に展開したものとすることができ、第２の活性層２０５、２０４のパターンも複数の発光ダイオードに対応するものとしてストライプ状やスポット状などのパターンにすることも可能である。
【００９３】
当該半導体発光装置では、蛍光体を使用するような発光装置に比べて、色純度を高くすることができ、同時に輝度飽和が抑制されて高輝度な表示が可能となる。また、電流を流す対象は構造的に比較的強度の高いＧａＮ系ウルツ鉱型半導体結晶構造側に限られるため、素子の長寿命化を容易に図ることができる。また、ＧａＡｓ基板などに含まれるＡｓを全く含まない構成も実現される。
【００９４】
また、このような本実施形態の半導体発光装置を用いてカラー画像表示装置を構成する場合、青色の第１の活性層からの励起光を赤色に変換することができ、同じ構成のＧａＮ系半導体結晶構造は、そのまま青色又は緑色として活用することもできることから、後述するように少なくとも同じＧａＮ系半導体結晶構造をアレイ状に配列し、一部に第２の活性層を形成して波長変換を行うことで高精細な画像表示装置を作成できることになる。
【００９５】
図２２は半導体発光装置の製造方法を説明するための工程断面図であり、アレイ状に発光ダイオード２１０を形成した後、接着層２１３を介してＧａＡｓ基板２２０上に格子整合されて積層された閃亜鉛鉱型結晶構造のＡｌＧａＩｎＰ系化合物半導体層２１４、２１５、２１６の上にこれら発光ダイオード２１０が接着される。化合物半導体層２１５が第１の半導体発光層からの光によって励起されて光を放出する第２の活性層として機能し、化合物半導体層２１４、２１６がクラッド層として機能する。これらＡｌＧａＩｎＰ系化合物半導体層２１４、２１５、２１６とＧａＡｓ基板２２０の間にはアブレーション層２１７が形成される。このアブレーション層２１７はアブレーション時の犠牲層であり、アブレーションによりレーザーエネルギーを吸収して破壊され、ＧａＡｓ基板２２０を簡単に剥離させるための層である。
【００９６】
アレイ状に配列された発光ダイオード２１０の尖頭部側は樹脂層２１２を介して支持基板２１１に保持される。このように支持基板２１１によってアレイ状に配列された発光ダイオード２１０の全体が保持されたところで、ＧａＡｓ基板２２０の裏面からＹＡＧレーザーなどのレーザービーム、紫外線を照射してアブレーション層２１７の犠牲からＧａＡｓ基板２２０を剥離させる。このＧａＡｓ基板２２０の剥離によって、半導体発光装置をＡｓを実質的に含まない構成にすることができ、環境保護の面からも望ましい画像表示装置を提供できることになる。
【００９７】
このようなレーザーアブレーションを実現するための条件としては、Ｅ(laser)をレーザーのエネルギーとし、Ｅｇ(sub)をＧａＡｓ基板２２０のバンドギャップと、Ｅｇ(ab)をアブレーション層２１７のバンドギャップとすると、レーザービームがＧａＡｓ基板２２０を透過する条件はＥ(laser)がＥｇ(sub)よりも小さくされ、アブレーション層２１７がレーザービームを吸収する条件としてはＥｇ(ab)がＥ(laser)よりも小さくされることが必要とされる。具体的な数値を入れてみると、Ｅ(laser)はＹＡＧの基本波で１．１７ｅＶとなり、Ｅｇ(sub)はＧａＡｓ基板の場合１．４２ｅＶとなる。ＹＡＧの基本波からの条件から１．１７ｅＶを満たすＧａＩｎＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓ、ＡｌＧａＩｎＡｓ、ＧａＩｎＡｓＰなど、ＧａＡｓ基板２２０に格子整合するようなアブレーション層２１７を設けることが可能である。
【００９８】
なお、上述の実施形態においては、発光素子として主に発光ダイオードの例について説明したが、発光素子は半導体レーザーであっても良い。また、第１の半導体発光層側に貼り合わせられる第２の半導体発光層をＡｌＧａＩｎＰ系化合物半導体層によって説明したが、他の波長変換機能を有する化合物半導体層であっても良い。また、第１の半導体発光層と第２の半導体発光層の間を接着層を介して接続するものとしたが、両者の間にはレンズ、鏡、格子、絞り、開口部などの光学部材や空間が含まれていても良く、光が入出力する関係を維持できれば第１の半導体発光層と第２の半導体発光層の間は離間していても良い。また、第１の半導体発光層と第２の半導体発光層の間の数の関係は、１対１のものに限らず、１対多、多対１、多対多などの構成であっても良い。
【００９９】
【発明の効果】
本発明の半導体発光素子、半導体発光装置によれば、蛍光体を使用するような発光素子に比べて、色純度を高くすることができ、同時に輝度飽和が抑制されて高輝度な表示が可能となる。特にＧａＮ系の半導体結晶構造は、電流注入に対し高い電流値でも構造部が壊れないという利点があり、長寿命であることから、電流を流す対象を構造的に比較的強度の高いＧａＮ系ウルツ鉱型半導体結晶構造側に限ることで、素子の長寿命化を容易に図ることができる。また、ＧａＡｓ基板などに含まれるＡｓを全く含まない構成も実現される。
【０１００】
また、本発明の半導体発光素子、半導体発光装置を用いてカラー画像表示装置を構成する場合、青色の第１の活性層からの励起光を赤色に変換することができ、同じ構成のＧａＮ系半導体結晶構造は、そのまま青色又は緑色として活用することもできることから、後述するように少なくとも同じＧａＮ系半導体結晶構造をアレイ状に配列し、一部に第２の活性層を形成して波長変換を行うことで高精細な画像表示装置を作成できる。
【０１０１】
また、製造方法においては、レーザーアブレーションを利用して第１の半導体発光層側のサファイア基板や第２の半導体発光層側のＧａＡｓ基板を製造工程の途中で剥がすことができ、工程の簡略化から歩留まり向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の半導体発光素子の一実施形態の素子構造を一部破断して示す側断面図である。
【図２】本発明の半導体発光素子の一実施形態の製造方法を工程順に説明するための工程断面図であって、選択マスクの形成までの工程断面図である。
【図３】本発明の半導体発光素子の一実施形態の製造方法を工程順に説明するための工程断面図であって、選択成長による半導体層の形成までの工程断面図である。
【図４】本発明の半導体発光素子の一実施形態の製造方法を工程順に説明するための工程断面図であって、傾斜面上への第１導電型クラッド層、第１の活性層、および第２導電型クラッド層の形成までの工程断面図である。
【図５】本発明の半導体発光素子の一実施形態の製造方法を工程順に説明するための工程断面図であって、基板の剥離までの工程断面図である。
【図６】本発明の半導体発光素子の一実施形態の製造方法を工程順に説明するための工程断面図であって、第２の半導体発光層側の接着層の形成までの工程断面図である。
【図７】本発明の半導体発光素子の一実施形態の製造方法を工程順に説明するための工程断面図であって、第２の半導体発光層側の基板の除去までの工程断面図である。
【図８】本発明の半導体発光素子の一実施形態の製造方法を工程順に説明するための工程断面図であって、素子完成までの工程断面図である。
【図９】本発明の半導体発光素子の一実施形態の素子構造を示す断面図である。
【図１０】本発明の実施形態の半導体発光素子の製造方法の一例を示す模式図である。
【図１１】本発明の実施形態の他の半導体発光素子の製造方法の一例を示す模式図である。
【図１２】本発明の実施形態の半導体発光素子の製造方法における間引き転写を示す模式図である。
【図１３】本発明の実施形態の半導体発光素子の製造方法における樹脂形成チップを示す概略斜視図である。
【図１４】本発明の実施形態の半導体発光素子の製造方法における樹脂形成チップを示す概略平面図である。
【図１５】本発明の実施形態の半導体発光素子の製造方法に用いられる発光素子の例を示す図であって、（ａ）断面図と（ｂ）平面図である。
【図１６】本発明の実施形態の半導体発光素子の製造方法における第一転写工程の工程断面図である。
【図１７】本発明の実施形態の半導体発光素子の製造方法における電極パッド形成工程の工程断面図である。
【図１８】本発明の実施形態の半導体発光素子の製造方法における他の電極パッド形成工程の工程断面図である。
【図１９】本発明の実施形態の半導体発光素子の製造方法における吸着工程の工程断面図である。
【図２０】本発明の実施形態の半導体発光素子の製造方法における貼り合わせ工程の工程断面図である。
【図２１】本発明の実施形態の半導体発光装置の一例の模式断面図である。
【図２２】本発明の実施形態の半導体発光装置の製造方法におけるレーザーアブレーション工程の工程断面図である。
【符号の説明】
１０ クラッド層
１１ 第２の活性層
１２ クラッド層
１５ 成長阻害膜
１６ シリコンドープのＧａＮ層
１７ 第１の活性層
１８ マグネシウムドープのＧａＮ層
１９ 結晶成長部
２０ 基板
２１ 下部成長層
２２ 選択マスク
２４ 半導体層
２５ 第１導電型クラッド層
２６ 第１の活性層
２７ 第２導電型クラッド層
３０ ＧａＡｓ基板
３１〜３３ ＡｌＧａＩｎＰ系化合物半導体層
３４ 接着層
５０ 発光ダイオード
５１ 樹脂パッケージ
５２ 下部成長層
５３ 尖頭構造部
５４ 上部電極パッド
５５ 下部電極パッド
５８ 第２の活性層
２０１ 化合物半導体構造部
２０４，２０５ 第２の活性層
２０６、２０７、２０８ 発光ダイオード
Claims (13)
- 樹脂パッケージ内に形成され所定の光を放出させる第１の半導体発光層と、
前記第１の半導体発光層とは異なる結晶系からなる半導体層から構成され、前記第１の半導体発光層からの光によって励起されて光を放出する第２の半導体発光層を有し、
前記第２の半導体発光層は前記樹脂パッケージに貼り合わされて構成され、
前記第１の半導体発光層からの発光波長と前記第２の半導体発光層からの発光波長が異なる、ことを特徴とする半導体発光素子。 - 前記第１の半導体発光層と前記第２の半導体発光層は、互いに異なる結晶系からなる半導体層から構成されることを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子。
- 前記第１の半導体発光層はウルツ鉱型結晶構造を有し、第２の半導体発光層は閃亜鉛鉱型結晶構造を有することを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子。
- 前記第１の半導体発光層は窒化ガリウム系半導体層からなることを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子。
- 前記第２の半導体発光層はＡｌＧａＩｎＰ系半導体層、ＡｌＧａＩｎＡｓ系半導体層、ＧａＩｎＮＡｓ系半導体層、ＧａＩｎＡｓＰ系半導体層から選ばれた半導体層からなることを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子。
- 前記第１の半導体発光層は選択成長により形成された尖頭状の成長層に形成されることを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子。
- 前記第１の半導体発光層と前記第２の半導体発光層は異なる発光波長を有することを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子。
- 前記第２の半導体発光層は成長基板上で形成され、アブレーション若しくはエッチングによって該成長基板を剥離してなることを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子。
- 前記第２の半導体発光層は、接着層を介して前記第１の半導体発光層に貼り付けられることを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子。
- 樹脂パッケージ内に形成され所定の光を放出させる第１の半導体発光層を形成し、
前記第１の半導体発光層とは異なる結晶系からなる半導体層から構成され、前記第１の半導体発光層からの光によって励起されて光を放出するための第２の半導体発光層を形成し、
前記第２の半導体発光層を前記樹脂パッケージに貼り合わせ、前記第１の半導体発光層からの発光波長と前記第２の半導体発光層からの発光波長が異なる、
ことを特徴とする半導体発光素子の製造方法。 - 前記第２の半導体発光層は基板上に積層されて形成され、前記樹脂パッケージに貼り合わせる際に前記第２の半導体発光層は前記基板から剥離されることを特徴とする請求項１０記載の半導体発光素子の製造方法。
- 前記第２の半導体発光層の前記基板からの剥離は、レーザーアブレーションによって行われることを特徴とする請求項１０記載の半導体発光素子の製造方法。
- 前記第２の半導体発光層の前記基板からの剥離は、エッチングによって前記基板を除去することで行われることを特徴とする請求項１０記載の半導体発光素子の製造方法。
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