JPWO2005038936A1 - 発光素子及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
発光素子１００は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる発光層部２４と、該発光層部２４の少なくとも一方の主表面側に形成され、発光層部２４からの発光光束のピーク波長に相当する光量子エネルギーよりも大きなバンドギャップエネルギーを有するＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる厚さ４０μｍ以上の透明厚膜半導体層９０とを有する。透明厚膜半導体層９０は、側面部９０Ｓが化学エッチング面とされ、かつ、該透明厚膜半導体層９０のドーパント濃度が５×１０１６／ｃｍ３以上２×１０１８／ｃｍ３以下とされる。これにより、透明厚膜半導体層を有するとともに、その側面部からの光取り出し効率を飛躍的に高めることができる発光素子を提供する。
Description
この発明は発光素子及びその製造方法に関する。
（ＡｌｘＧａ１−ｘ）ｙＩｎ１−ｙＰ混晶（ただし、０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１；以下、ＡｌＧａＩｎＰ混晶、あるいは単にＡｌＧａＩｎＰとも記載する）により発光層部が形成された発光素子は、薄いＡｌＧａＩｎＰ活性層を、それよりもバンドギャップの大きいｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層とｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層とによりサンドイッチ状に挟んだダブルへテロ構造を採用することにより、高輝度の素子を実現できる。発光層部への通電は、素子表面に形成された金属電極を介して行なわれる。金属電極は遮光体として作用するため、例えば発光層部の第一主表面を主表面の中央部のみを覆う形で形成され、その周囲の電極非形成領域から光を取り出すようにする。
この場合、金属電極の面積をなるべく小さくしたほうが、電極の周囲に形成される光漏出領域の面積を大きくできるので、光取り出し効率を向上させる観点において有利である。従来、電極形状の工夫により、素子内に効果的に電流を拡げて光取り出し量を増加させる試みがなされているが、この場合も電極面積の増大はいずれにしろ避けがたく、光取り出し面積の減少により却って光取り出し量が制限されるジレンマに陥っている。また、クラッド層のドーパントのキャリア濃度ひいては導電率は、活性層内でのキャリアの発光再結合を最適化するために多少低めに抑えられており、面内方向には電流が広がりにくい傾向がある。これは、電極被覆領域に電流密度が集中し、光漏出領域における実質的な光取り出し量が低下してしまうことにつながる。そこで、クラッド層と電極との間に、クラッド層よりもドーパント濃度を高めた低抵抗率の電流拡散層を形成する方法が採用されている。他方、半導体単結晶基板の貼り合わせ等により、厚膜かつ低抵抗率の透明半導体層を素子裏面側に配置し、素子基板に兼用させる構成も提案されている（特開２００１−６８７３１号公報）。いずれの場合も、電流拡散層ないし透明半導体層を、その厚みを一定以上に増加した透明厚膜半導体層として形成すれば、素子面内の電流拡散効果が向上するばかりでなく、層側面からの光取り出し量も増加するので、光取り出し効率をより高めることができるようになる。
ところで、上記のような透明厚膜半導体層を有した発光素子を製造する場合、該透明厚膜半導体層を有したウェーハを作製し、そのウェーハをダイシングして個々の素子チップに分離する方法が採用される。このダイシング時において切断面となる素子側面部には加工ダメージ層が形成され、該加工ダメージ層に含まれる多数の結晶欠陥が電流リークや散乱の原因となるため、ダイシング後に該加工ダメージ層を化学エッチングにより除去することが行なわれている。
しかしながら、発光層部と透明厚膜半導体層とは化学的な組成が異なるため、公知の化学エッチングによる加工ダメージ層の除去が、必ずしもリーク電流では判断できず、これら層の側面部からの光取り出し効率も結果的に十分に改善できない状況を招いていた。また、側面部のエッチング効果を高めるために、過剰に強い化学エッチングを行なう方法は、素子主表面の面荒れや形成済みの金属電極の損傷などを招き、素子の性能劣化につながるので採用することができない。
本発明の課題は、透明厚膜半導体層を有するとともに、その側面部からの光取り出し効率を飛躍的に高めることができる発光素子と、その製造方法を提供することにある。
上記の課題を解決するために、本発明の発光素子は、
ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる発光層部と、該発光層部の少なくとも一方の主表面側に形成され、発光層部からの発光光束のピーク波長に相当する光量子エネルギーよりも大きなバンドギャップエネルギーを有するＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる厚さ１０μｍ以上の透明厚膜半導体層とを有し、
透明厚膜半導体層の側面部が化学エッチング面とされ、かつ、該透明厚膜半導体層中に、ドーパント濃度が５×１０１６／ｃｍ３以上２×１０１８／ｃｍ３以下に制御されたドーピング制御領域が１０μｍ以上の厚さにて形成されてなることを特徴とする。
ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる発光層部と、該発光層部の少なくとも一方の主表面側に形成され、発光層部からの発光光束のピーク波長に相当する光量子エネルギーよりも大きなバンドギャップエネルギーを有するＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる厚さ１０μｍ以上の透明厚膜半導体層とを有し、
透明厚膜半導体層の側面部が化学エッチング面とされ、かつ、該透明厚膜半導体層中に、ドーパント濃度が５×１０１６／ｃｍ３以上２×１０１８／ｃｍ３以下に制御されたドーピング制御領域が１０μｍ以上の厚さにて形成されてなることを特徴とする。
また、本発明の発光素子の製造方法は、
ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる発光層部と、該発光層部の少なくとも一方の主表面側に形成され、発光層部からの発光光束のピーク波長に相当する光量子エネルギーよりも大きなバンドギャップエネルギーを有するＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる厚さ１０μｍ以上の透明厚膜半導体層とを有するウェーハを作製し、該ウェーハをダイシングして個々の素子チップに分離するとともに、
該透明厚膜半導体層中に、ドーパント濃度が５×１０１６／ｃｍ３以上２×１０１８／ｃｍ３以下に制御されたドーピング制御領域を１０μｍ以上の厚さにて形成し、ダイシング後において該透明厚膜半導体層の側面部に形成された加工ダメージ層を化学エッチングにより除去することを特徴とする。
ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる発光層部と、該発光層部の少なくとも一方の主表面側に形成され、発光層部からの発光光束のピーク波長に相当する光量子エネルギーよりも大きなバンドギャップエネルギーを有するＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる厚さ１０μｍ以上の透明厚膜半導体層とを有するウェーハを作製し、該ウェーハをダイシングして個々の素子チップに分離するとともに、
該透明厚膜半導体層中に、ドーパント濃度が５×１０１６／ｃｍ３以上２×１０１８／ｃｍ３以下に制御されたドーピング制御領域を１０μｍ以上の厚さにて形成し、ダイシング後において該透明厚膜半導体層の側面部に形成された加工ダメージ層を化学エッチングにより除去することを特徴とする。
本発明に係る発光素子において、透明厚膜半導体層の厚さを１０μｍ以上に限定しているのは、発光層部からの発光光束を透明厚膜半導体層を介して取り出すに際し、該層の側面からの取出光束を増加させ、発光素子全体の輝度（積分球輝度）を高めるためである。また、その透明厚膜半導体層を、発光層部からの発光光束のピーク波長に相当する光量子エネルギーよりも大きなバンドギャップエネルギーを有するＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体で構成するのは、透明厚膜半導体層での光吸収を抑制し、光取り出し効率を高めるためである。透明厚膜半導体層の厚さは、望ましくは４０μｍ以上とするのがよい。
本発明者らが検討したところ、上記のような透明厚膜半導体層を形成する場合、該透明厚膜半導体層中に、ドーパント濃度が５×１０１６／ｃｍ３以上２×１０１８／ｃｍ３以下に制御されたドーピング制御領域を形成すると、上記化学エッチング後において、該ドーピング制御領域の側面部分の光取り出し効率が飛躍的に向上し、発光素子の積分球輝度を大幅に増加させることができる。なお、透明厚膜半導体層の厚さに特に制限はないが、側面光取り出し効果の飽和や製造能率（特に、透明厚膜半導体層を、単結晶基板の貼り合わせではなく気相成長で形成する場合）を考慮すれば、厚さの上限は２００μｍ（好ましくは１００μｍ）とすることが望ましい。
上記のような発光素子を製造する場合、透明厚膜半導体層と発光層部とを有するウェーハを製造し、これをダイシングして個々の素子チップに分離する。このダイシング時には、透明厚膜半導体層の側面に切断面が表れ、所定厚さの加工ダメージ層が形成される。光取り出しに際しては、該加工ダメージ層に含まれる多数の結晶欠陥が電流リークや散乱の原因となるため、ダイシング後に該加工ダメージ層を化学エッチングにより除去する必要がある。
本発明においては、透明厚膜半導体層に、ドーパント濃度が５×１０１６／ｃｍ３以上２×１０１８／ｃｍ３以下に制御されたドーピング制御領域を、少なくとも１０μｍ以上の厚さにて形成する。ドーパント濃度が２×１０１８／ｃｍ３以下の低い値に留められたドーピング制御領域では、過度の化学エッチングを施さずとも、加工ダメージ層をスムーズかつ十分に除去できる。換言すれば、ダメージ層以外の素子部分（例えば光取り出し面側金属電極や、その周囲をなす半導体表面部分）を劣化させることなく、加工ダメージ層は十分に除去できる結果、エッチング後の積分球輝度が劇的に向上し、極めて高性能の発光素子が実現するものと考えられる。この効果はドーピング制御領域の厚さが大きいほど顕著となり、具体的にはドーピング制御領域の厚さが４０μｍ以上であることがより望ましい。なお、透明厚膜半導体層の全厚さ部分をドーピング制御領域としてもよいし、透明厚膜半導体層の一部厚さ部分のみをドーピング制御領域とすることも可能である。しかし、素子全体の光取り出し効率向上を図る上では、側面部からの光取り出し効率の良好なドーピング制御領域が、透明厚膜半導体層のなるべく多くの厚さ部分を占めていることがより望ましいといえ、例えば該透明厚膜半導体層の厚さの５０％以上がドーピング制御領域となっていることが望ましい。以上から、透明厚膜半導体層の側面からの光取り出し効率を高めるためには、透明厚膜半導体層の厚さが４０μｍ以上であり、かつ、該透明厚膜半導体層中のドーピング制御領域の厚さが４０μｍ以上であることがより望ましいといえる。
透明厚膜半導体層が後述のごとく、ＧａＰ、ＧａＡｓＰ及びＡｌＧａＡｓのいずれかにて構成される場合、化学エッチングのエッチャントとしては、硫酸−過酸化水素水溶液を使用することが、ダメージ層除去効果、ひいてはそれによる積分球輝度向上効果が特に顕著であり、本発明に効果的に使用できる。
透明厚膜半導体層のドーピング制御領域は、ドーパント濃度が低く抑制される結果、電気比抵抗は幾分上昇することになるが、側面光取り出し効率向上を図る目的で１０μｍ以上の厚膜に形成されている結果、ドーパント濃度が低いにもかかわらず十分に低いシート抵抗を確保することができ、高濃度にドーパントを添加した半導体と遜色ない電流拡散効果も、容易に達成することができる。ただし、ドーピング制御領域のドーパント濃度が５×１０１６／ｃｍ３未満になると、シート抵抗の増加が避け難くなり、発光層部に通電する際の電流拡散効果が不十分となって積分球輝度の低下を招くことにつながる。従って、ドーピング制御領域のドーパント濃度は５×１０１６／ｃｍ３以上２×１０１８／ｃｍ３以下に設定するのがよく、より望ましくは１×１０１７／ｃｍ３以上１×１０１８／ｃｍ３以下に設定するのがよい。
上記本発明の発光素子においては、発光層部の一方の主表面を第一主表面として、該第一主表面側に主光取り出し面を形成し、該主光取り出し面の一部を覆う形で光取り出し面側金属電極を配置し、透明厚膜半導体層を発光層部の第二主表面側にのみ設ける構成とすることができる。透明厚膜半導体層を発光層部の第二主表面側にのみ設けることで、発光素子全体の層厚を減少させることができる。これにより、素子を発光通電したときのジュール発熱に対する層厚方向の放熱が促進され、ひいては素子寿命を向上させることができる。また、透明厚膜半導体層が発光層部の片面にだけ設けられるので、素子の製造コスト削減にも寄与する。特に、高輝度表示素子（例えば交通信号用あるいは大画面ディスプレイ用など）、あるいは照明用素子等の大電流型面発光素子においては、素子厚削減による放熱改善及びコスト削減の波及効果が著しい。なお、素子の「光取り出し面」とは、発光光束が外部に取り出し可能となっている素子表面のことであり、「主光取り出し面」とは、発光層部を含む素子積層体の主表面に形成される光取り出し面のことである。また、上記主光取り出し面以外にも、透明厚膜半導体層の側面などが光取り出し面を構成する。そして、本明細書においては、発光層部の２つある主表面のうち、光取り出し面となる側が一方のみである場合、第一主表面は、その光取り出し面を与える側の面として統一的に記載する。
発光層部の第二主表面側にのみ透明厚膜半導体層を設ける構成は、素子の放熱改善に非常に顕著に寄与するが、第一主表面側（主光取り出し面側）の半導体層厚は薄くならざるを得ない。そこで、以下のような態様を採用することにより、該主光取り出し面側の電流拡散状態を良好に確保し、ひいては主光取り出し面領域にて発光層部を偏りなく発光駆動して積分球輝度のさらなる向上を図ることができる。
(1)第一導電型クラッド層上に、該第一導電型クラッド層と異なる組成の化合物半導体により第二主表面側の透明厚膜半導体層よりも薄い電流拡散層を形成する。該電流拡散層は、第一導電型クラッド層よりも有効キャリア濃度を高めておくことで、電流拡散効果をより顕著なものとすることができる。
(2)第一導電型クラッド層が第二導電型クラッド層よりも厚く、かつ透明厚膜半導体層よりも薄く形成する。この場合、第一導電型クラッド層の第一主表面側の部分が電流拡散層の役割を果たしていると見ることもでき、該部分の有効キャリア濃度を残余の部分よりも高めておくことで、電流拡散効果をより顕著なものとすることができる。
(1)第一導電型クラッド層上に、該第一導電型クラッド層と異なる組成の化合物半導体により第二主表面側の透明厚膜半導体層よりも薄い電流拡散層を形成する。該電流拡散層は、第一導電型クラッド層よりも有効キャリア濃度を高めておくことで、電流拡散効果をより顕著なものとすることができる。
(2)第一導電型クラッド層が第二導電型クラッド層よりも厚く、かつ透明厚膜半導体層よりも薄く形成する。この場合、第一導電型クラッド層の第一主表面側の部分が電流拡散層の役割を果たしていると見ることもでき、該部分の有効キャリア濃度を残余の部分よりも高めておくことで、電流拡散効果をより顕著なものとすることができる。
次に、透明厚膜半導体層を発光層部の第一主表面側に配置し、該透明厚膜半導体層の第一主表面を主光取り出し面として、その一部を覆う形で光取り出し面側金属電極を配置することもできる。このようにすると、透明厚膜半導体層により主光取り出し面側の電流拡散層効果を大幅に高めることができる。この場合、発光層部の第二主表面側に金属反射層を配置することができる。発光層部からの発光光束を金属反射層によって主光取り出し面側に反射させることで、主光取り出し面ないし該主光取り出し面をなす透明厚膜半導体層の側面からの取出光束を増加することができ、主光取り出し面側の指向性が極めて高い高輝度の発光素子を実現することができる。他方、透明厚膜半導体層として、発光層部の第一主表面側に第一透明厚膜半導体層を、同じく第二主表面側に第二透明厚膜半導体層をそれぞれ設けることも可能である。このようにすると、本発明特有の透明厚膜半導体層が２つ設けられることにより、側面からの光取り出し効率と電流拡散効果とがさらに向上し、素子の積分球輝度のさらなる増加に寄与する。
発光層部は、ＡｌＧａＩｎＰからなるダブルへテロ構造を有するものとして構成できる。ＡｌＧａＩｎＰは、ＧａＡｓ単結晶基板上にエピタキシャル成長が可能な（ＡｌｘＧａ１−ｘ）ｙＩｎ１−ｙＰ（０≦ｘ≦１，０＜ｙ≦１）混晶化合物のことであり、混晶比ｘ，ｙの選択によっては含有されないＩＩＩ族元素を生ずることもあるが、本明細書では、こうした場合も総称して「ＡｌＧａＩｎＰ」と記載するものとする（従って、Ａｌ、Ｇａ及びＩｎの３つのＩＩＩ族元素を全て含有することを、必ずしも意味しない場合がある）。ＡｌＧａＩｎＰ混晶化合物は、上記混晶比ｘ及びｙを調整することにより、ＧａＡｓ単結晶基板と整合する格子定数を維持したまま、例えば５２０ｎｍ以上６７０ｎｍ以下の範囲で、高発光強度を維持しつつ発光波長を容易に調整することができる。この場合、ＧａＰあるいはＧａＡｓＰはバンドギャップが比較的広いため、該ＡｌＧａＩｎＰ系発光層部からの発光光束に対して良好な光透過性を有し、光取り出し効率を高めることができる。
透明厚膜半導体層は、発光層部に貼り合わされたＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる単結晶基板とすることが可能である。例えば発光層部をＡｌＧａＩｎＰにて構成する場合、ＧａＰ、ＧａＡｓＰ又はＡｌＧａＡｓからなる単結晶基板を該発光層部に重ね合わせ、１００℃以上７００℃以下の比較的低温で貼り合わせ熱処理することにより、該単結晶基板を発光層部に直接貼り合せることができ、透明厚膜半導体層を簡便に形成することができる。
一方、透明厚膜半導体層は、発光層部に対しハイドライド気相成長法によりエピタキシャル成長したものとして構成することができる。ハイドライド気相成長法（Hydride Vapor Phase Epitaxial Growth Method：以下、ＨＶＰＥ法という）は、蒸気圧の低いＧａ（ガリウム）を塩化水素との反応により気化しやすいＧａＣｌに転換し、該ＧａＣｌを媒介とする形でＶ族元素源ガスとＧａとを反応させることにより、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の気相成長を行なう方法である。例えば、ＡｌＧａＩｎＰからなる発光層部は、有機金属気相成長法（Metal Organic Vapor Phase Epitaxy：以下、ＭＯＶＰＥ法ともいう） により形成されるが、ＭＯＶＰＥ法による層成長速度は例えば約４μｍ／時程度と小さく、薄い発光層部の成長には適していても、４０μｍ以上もの厚さを有する透明厚膜半導体層の成長には、能率の点で明らかに不利である。これに対して、ＨＶＰＥ法の層成長速度は例えば約９μｍ／時とＭＯＶＰＥ法の２倍以上にも及び、ＨＶＰＥ法によると層成長速度をＭＯＶＰＥ法よりも大きくでき、透明厚膜半導体層を非常に高能率にて形成できるほか、高価な有機金属を使用しないので、原材料費をＭＯＶＰＥ法よりもはるかに低く抑えることができる。
以下、本発明を実施するための最良の形態を添付の図面を参照して説明する。
図１は、本発明の一実施形態である発光素子１００を示す概念図である。発光素子１００は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる発光層部２４と、該発光層部２４の第二主表面側に形成され、発光層部２４からの発光光束のピーク波長に相当する光量子エネルギーよりも大きなバンドギャップエネルギーを有するＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる透明厚膜半導体層９０とを有する。
図１は、本発明の一実施形態である発光素子１００を示す概念図である。発光素子１００は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる発光層部２４と、該発光層部２４の第二主表面側に形成され、発光層部２４からの発光光束のピーク波長に相当する光量子エネルギーよりも大きなバンドギャップエネルギーを有するＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる透明厚膜半導体層９０とを有する。
発光層部２４は、ノンドープ（ＡｌｘＧａ１−ｘ）ｙＩｎ１−ｙＰ（ただし、０≦ｘ≦０．５５，０．４５≦ｙ≦０．５５）混晶からなる活性層５を、ｐ型（ＡｌｚＧａ１−ｚ）ｙＩｎ１−ｙＰ（ただしｘ＜ｚ≦１）からなるｐ型クラッド層６とｎ型（ＡｌｚＧａ１−ｚ）ｙＩｎ１−ｙＰ（ただしｘ＜ｚ≦１）からなるｎ型クラッド層４とにより挟んだ構造を有する。図１の発光素子１００では、第一主表面側（図面上側）にｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層４が配置されており、第二主表面側（図面下側）にｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層６が配置されている。なお、ここでいう「ノンドープ」とは、「ドーパントの積極添加を行なわない」との意味であり、通常の製造工程上、不可避的に混入するドーパント成分の含有（例えば１×１０１３〜１×１０１６／ｃｍ３程度を上限とする）をも排除するものではない。この発光層部２４はＭＯＶＰＥ法により成長されたものである。
ｎ型クラッド層４及びｐ型クラッド層６の厚さは、例えばそれぞれ０．８μｍ以上４μｍ以下（望ましくは０．８μｍ以上２μｍ以下）であり、活性層５の厚さは例えば０．４μｍ以上２μｍ以下（望ましくは０．４μｍ以上１μｍ以下）である。発光層部２４全体の厚さは、例えば２μｍ以上１０μｍ以下（望ましくは２μｍ以上５μｍ以下）である。
透明厚膜半導体層９０は、薄い発光層部２４の支持基板の役割を果たすとともに、発光層部２４からの発光光束の取出層としても機能し、１０μｍ以上２００μｍ以下（望ましくは４０μｍ以上１００μｍ以上）の厚膜に形成されることで、層側面からの取出光束を増加させ、発光素子全体の輝度（積分球輝度）を高める役割を担う。また、発光層部２４からの発光光束のピーク波長に相当する光量子エネルギーよりも大きなバンドギャップエネルギーを有するＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体、具体的にはＧａＰ、ＧａＡｓＰ又はＡｌＧａＡｓにて構成されることで、該透明厚膜半導体層９０での光吸収も抑制されている。この透明厚膜半導体層９０はＨＶＰＥ法により成長されたものであり（ＧａＰ及びＧａＡｓＰがＨＶＰＥ法での製造に特に適している）、そのＨ濃度は、ＭＯＶＰＥ法によるｐ型クラッド層６のＨ濃度（通常、１５×１０１７／ｃｍ３程度）よりも小さく設定できる。本実施形態において透明厚膜半導体層９０はｐ型であり、この上に積層される発光層部２４はｐ型透明厚膜半導体層９０側からｐ型クラッド層６、活性層５、ｎ型クラッド層４の順で積層されている。しかし、透明厚膜半導体層９０をｎ型として、発光層部２４の積層順を上記の逆順としてもよい。
なお、ＧａＰ（ＧａＡｓＰ又はＡｌＧａＡｓでもよい）層からなる透明厚膜半導体層９０と発光層部２４との間には、ＧａＰ（ＧａＡｓＰ又はＡｌＧａＡｓでもよい）層からなる接続層９２が、発光層部２４に続く形でＭＯＶＰＥ法により形成されてなる。なお、接続層９２は、ＡｌＧａＩｎＰからなる発光層部２４と、ＧａＰ（ＧａＡｓＰ又はＡｌＧａＡｓでもよい）層からなる透明厚膜半導体層９０との間で、格子定数差（ひいては混晶比）を漸次変化させるＡｌＧａＩｎＰ層としてもよい。
次に、発光層部２４の第一主表面側には、ＡｌＧａＡｓ又はＡｌＧａＩｎＰからなる電流拡散層９１がＭＯＶＰＥ法により、透明厚膜半導体層９０よりも小さな膜厚で形成されている。つまり、該電流拡散層９１は、発光層部２４の第一主表面側において主光取り出し面を形成する層として機能し、該主光取り出し面の一部を覆う形で光取り出し面側金属電極９が形成されている。従って、透明厚膜半導体層９０は、発光層部２４の第二主表面側にのみ設けられた形となっている。光取り出し面側金属電極９には、電極ワイヤ１７の一端が接合されている。電流拡散層９１は、有効キャリア濃度（つまり、ｎ型ドーパント濃度）がクラッド層４よりも高く調整されていることが望ましく、厚さは、例えば０．５μｍ以上３０μｍ以下（望ましくは１μｍ以上１５μｍ以下）である。なお、電流拡散層９１を省略し、代わりにクラッド層４の厚さを増加させた構造とすることもできる。この場合、クラッド層４の厚さが増加したと見ることもできるし、クラッド層４の厚さが変化せず、代わって、該クラッド層６と同じＡｌＧａＩｎＰからなる電流拡散層が形成されたものとして見ることもできる。この場合、クラッド層４は、光取り出し面側金属電極９側の表層部において、残余の部分よりも有効キャリア濃度（つまり、ｎ型ドーパント濃度）が高く調整されていることが望ましい。
透明厚膜半導体層９０の第二主表面の全面がＡｕ電極等からなる裏面電極１５にて覆われている。該裏面電極１５は、発光層部２４から透明厚膜半導体層９０を透過して到来する発光光束に対する反射層を兼ねており、光取り出し効率の向上に寄与している。また、裏面電極１５と透明厚膜半導体層９０との間には、両者の接触抵抗を低減するための、ＡｕＢｅ合金等からなる接合合金化層１５ｃがドット状に分散形成されている。接合合金化層１５ｃは、透明厚膜半導体層９０をなす化合物半導体層との合金化に伴い、反射率が多少低くなるため、これをドット状に分散形成し、その背景領域を高反射率の裏面電極１５による直接反射面としてある。また、光取り出し面側金属電極９と電流拡散層９1との間には、ＡｕＧｅＮｉ合金等からなる接合合金化層９ａが形成されている。
上記素子の構成では、主光取り出し面側に配置される電流拡散層９１の厚さが比較的小さいため、該電流拡散層９１の面内の電流拡散効果をさらに高めるために、該電流拡散層９１の（多数キャリア源となる）ドーパント濃度を透明厚膜半導体層９０のドーパント濃度よりも高めておくこと（例えば２×１０１８／ｃｍ３以上５×１０１９／ｃｍ３以下）が望ましい。
他方、透明厚膜半導体層９０は厚さが十分に大きいため、ドーパント濃度をそれほど高めなくとも発光駆動に支障を生じないシート抵抗値を容易に得ることができる。そして、後に詳述するように、ウェーハをダイシングして素子チップとした際に、側面部９０Ｓに生ずる加工ダメージ層を除去するための化学エッチングを成功するために、透明厚膜半導体層９０の全体のドーパント濃度を、５×１０１６／ｃｍ３以上２×１０１８／ｃｍ３以下の比較的低いレベルに調整してある。つまり、透明厚膜半導体層９０の全体がドーピング制御領域とされている。
以下、図１の発光素子１００の製造方法について説明する。
まず、図２の工程１に示すように、成長用基板としてｎ型のＧａＡｓ単結晶基板１を用意する。次に、工程２に示すように、その基板１の一方の主表面に、ｎ型ＧａＡｓバッファ層２を例えば０．５μｍ、さらにｎ型ＡｌＧａＡｓ電流拡散層９１を例えば５μｍにてエピタキシャル成長させる。
まず、図２の工程１に示すように、成長用基板としてｎ型のＧａＡｓ単結晶基板１を用意する。次に、工程２に示すように、その基板１の一方の主表面に、ｎ型ＧａＡｓバッファ層２を例えば０．５μｍ、さらにｎ型ＡｌＧａＡｓ電流拡散層９１を例えば５μｍにてエピタキシャル成長させる。
次いで、発光層部２４として、各々（ＡｌｘＧａ１−ｘ）ｙＩｎ１−ｙＰよりなる、厚さ１μｍのｎ型クラッド層４（ｎ型ドーパントはＳｉ）、厚さ０．６μｍの活性層（ノンドープ）５及び厚さ１μｍのｐ型クラッド層６（ｐ型ドーパントはＭｇ：有機金属分子からのＣもｐ型ドーパントとして寄与しうる）を、この順序にてエピタキシャル成長させる。ｐ型クラッド層６とｎ型クラッド層４との各ドーパント濃度は、例えば１×１０１７／ｃｍ３以上２×１０１８／ｃｍ３以下である。さらに、図３の工程３に示すように、ｐ型クラッド層６上に接続層９２をエピタキシャル成長する。なお、発光層部２４は、基板１に面する側の主表面が第一主表面である。
上記各層のエピタキシャル成長は、公知のＭＯＶＰＥ法により行なわれる。Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ（インジウム）、Ｐ（リン）の各成分源となる原料ガスとしては以下のようなものを使用できる。
・Ａｌ源ガス；トリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）、トリエチルアルミニウム（ＴＥＡｌ）など；
・Ｇａ源ガス；トリメチルガリウム（ＴＭＧａ）、トリエチルガリウム（ＴＥＧａ）など；
・Ｉｎ源ガス；トリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）、トリエチルインジウム（ＴＥＩｎ）など；
・Ｐ源ガス；トリメチルリン（ＴＭＰ）、トリエチルリン（ＴＥＰ）、ホスフィン（ＰＨ３）など。
・Ａｌ源ガス；トリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）、トリエチルアルミニウム（ＴＥＡｌ）など；
・Ｇａ源ガス；トリメチルガリウム（ＴＭＧａ）、トリエチルガリウム（ＴＥＧａ）など；
・Ｉｎ源ガス；トリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）、トリエチルインジウム（ＴＥＩｎ）など；
・Ｐ源ガス；トリメチルリン（ＴＭＰ）、トリエチルリン（ＴＥＰ）、ホスフィン（ＰＨ３）など。
図３の工程４に進み、ｐ型ＧａＰ（ＧａＡｓＰでもよい）よりなる透明厚膜半導体層９０を、ＨＶＰＥ法により成長させる。ＨＶＰＥ法は、具体的には、容器内にてＩＩＩ族元素であるＧａを所定の温度に加熱保持しながら、そのＧａ上に塩化水素を導入することにより、下記（１）式の反応によりＧａＣｌを生成させ、キャリアガスであるＨ2ガスとともに基板上に供給する。
Ｇａ（液体）＋ＨＣｌ（気体） → ＧａＣｌ（気体）＋１／２Ｈ２‥‥（１）
ＧａＰの場合、成長温度は例えば６４０℃以上８６０℃以下に設定する。また、Ｖ族元素であるＰは、ＰＨ３をキャリアガスであるＨ2とともに基板上に供給する。さらに、ｐ型ドーパントであるＺｎは、ＤＭＺｎ（ジメチルＺｎ）の形で供給する。ＧａＣｌはＰＨ３との反応性に優れ、下記（２）式の反応により、効率よく透明厚膜半導体層９０を成長させることができる。
ＧａＣｌ（気体）＋ＰＨ３（気体）
→ＧａＰ（固体）＋ＨＣｌ（気体）＋Ｈ2（気体）‥‥（２）
Ｇａ（液体）＋ＨＣｌ（気体） → ＧａＣｌ（気体）＋１／２Ｈ２‥‥（１）
ＧａＰの場合、成長温度は例えば６４０℃以上８６０℃以下に設定する。また、Ｖ族元素であるＰは、ＰＨ３をキャリアガスであるＨ2とともに基板上に供給する。さらに、ｐ型ドーパントであるＺｎは、ＤＭＺｎ（ジメチルＺｎ）の形で供給する。ＧａＣｌはＰＨ３との反応性に優れ、下記（２）式の反応により、効率よく透明厚膜半導体層９０を成長させることができる。
ＧａＣｌ（気体）＋ＰＨ３（気体）
→ＧａＰ（固体）＋ＨＣｌ（気体）＋Ｈ2（気体）‥‥（２）
一方、ＧａＡｓＰ（ＧａＡｓ１−ａＰａ：０．５≦ａ≦０．９）を採用する場合は、前記（２）式において、ＰＨ３とともにＡｓＨ３が併用され、成長温度が７７０〜８３０℃とやや低めに設定される。従って、透明厚膜半導体層９０をＨＶＰＥ法により成長する際に、そのドーパントが発光層部２４側に過度に拡散したり、あるいは発光層部２４ドーパントプロファイルの熱拡散による劣化（例えば、発光層部２４に含まれるクラッド層６，４内のドーパントの活性層５内への拡散）により、発光性能を低下させたりする不具合がより生じにくい。
透明厚膜半導体層９０の成長が終了したら、図４の工程５に進み、ＧａＡｓ基板１（及びバッファ層２）をアンモニア／過酸化水素混合液などのエッチング液を用いて化学エッチングすることにより除去し、電流拡散層９１が露出したウェーハを得る。以上の工程が終了すれば、工程６に示すように、スパッタリングや真空蒸着法により、電流拡散層９１の第一主表面及び透明厚膜半導体層９０の第二主表面に、接合合金化層形成用の金属層をそれぞれ形成し、さらに合金化の熱処理（いわゆるシンター処理）を行うことにより、接合合金化層９ａ，１５ｃとする。そして、これら接合合金化層９ａ，１５ｃをそれぞれ覆うように、光取り出し面側電極９及び裏面電極１５を形成する。続いて、電極形成後のウェーハを個々の素子チップに、ダイシングにより分離する。
上記のダイシングにより、図５の左下に示すように、透明厚膜半導体層９０の側面部には、所定厚さの加工ダメージ層９０ｄが形成される。該加工ダメージ層９０ｄに含まれる多数の結晶欠陥は、発光通電時において電流リークや散乱の原因となるため、該加工ダメージ層９０ｄを化学エッチングにより除去する。エッチャントとしては硫酸−過酸化水素水溶液を使用する。該水溶液としては、例えば硫酸：過酸化水素：水の重量配合比率が２０：１：１のものを使用でき、液温は３０℃以上６０℃以上に調整される。
透明厚膜半導体層９０は、側面をなす加工ダメージ層９０ｄをエッチングにより除去しなければ、該側面部９０Ｓからの取出光束は著しく減少する。具体的には、透明厚膜半導体層９０を厚膜化した場合、側面の面積が増加しているにもかかわらず、該側面からの光取り出しが加工ダメージ層９０ｄにより妨げられるので、図６に破線で示すように、膜厚に対する素子の積分球輝度の増加が、２０μｍ前後の小さな膜厚のレベルで頭打ちとなってしまう。つまり、透明厚膜半導体層９０を厚膜化することのメリットがほとんどなくなってしまうのである。この傾向は、透明厚膜半導体層９０のドーパント濃度が変化してもほとんど変わらない。
一方、化学エッチングを施せば、光取り出しの妨げとなる加工ダメージ層９０ｄが除去されるので、側面からの光取り出しが顕著化し、透明厚膜半導体層９０の膜厚を増加させるほど積分球輝度も増加することが期待される。しかし、透明厚膜半導体層９０に２×１０１８／ｃｍ３を超えるドーパントを添加した場合、図６に一点鎖線で示すように、膜厚増大に伴う積分球輝度の増加は期待に反してそれほど大きくないことがわかった。
これは、図５の右下に示すように、加工ダメージ層９０ｄが十分除去できなくなり、残留した加工ダメージ層９０ｄ’が光取り出しを妨げる結果、透明厚膜半導体層９０の層厚に見合う輝度向上効果が得られなくなる（ドーパント濃度が１×１０１９／ｃｍ３の場合を例示している）ためと考えられる。しかし、透明厚膜半導体層９０のドーパント濃度を２×１０１８／ｃｍ３以下の低い値に留めることで、ダメージ層９０ｄをスムーズかつ十分に除去できる。その結果、透明厚膜半導体層９０の層厚が増加したときの、側面からの光取り出し向上効果が著しくなり、図６に実線にて示すように（ドーパント濃度が１×１０１８／ｃｍ３の場合を例示している）エッチング後の積分球輝度が劇的に向上し、とりわけ層厚が４０μｍ以上の領域では、化学エッチングをしない場合よりも１．５〜２倍近くも積分球輝度を増加させることができる。
以下、本発明の発光素子の、種々の変形例について説明する（図１の発光素子１００と同一構成部分には同一の符号を付与して詳細は省略し、相違点のみ説明する）。まず、図７に示すように、透明厚膜半導体層９０は、ＧａＰないしＧａＡｓＰ単結晶基板９０’として別途用意し、発光層部２４に対して貼り合わせるようにしてもよい。発光層部２４がＡｌＧａＩｎＰからなる場合、該発光層部２４の貼り合わせ面側にＧａＰ（ＧａＰ又はＧａＡｓＰでもよい）からなる単結晶基板９０’を重ね合わせて圧迫し、その状態で１００℃以上７００℃以下にて熱処理することにより、直接貼り合わせを行なうことが可能である。
次に、図８の発光素子２００のように、透明厚膜半導体層９０を発光層部２４の第一主表面側に配置し、該透明厚膜半導体層９０の第一主表面を主光取り出し面として、その一部を覆う形で光取り出し面側金属電極９を配置することもできる。このようにすると、透明厚膜半導体層９０により主光取り出し面側の電流拡散層効果を大幅に高めることができる。本実施形態の発光素子２００においては、発光層部２４の第一主表面側に、ｐ型ＧａＰ（ＧａＡｓＰ又はＡｌＧａＡｓでもよい）からなる第一透明厚膜半導体層９０がＨＶＰＥ法にてエピタキシャル成長されている（符号９２は、図１の符号９２と同様のＭＯＶＰＥ法による接続層である）。また、主光取り出し面側からみた発光層部２４の各層４〜６の積層順は、図１とは逆順とされ、光取り出し面側金属電極９と第一透明厚膜半導体層９０との間には、ＡｕＢｅ合金を用いた接合合金化層９ａが配置されている。また、発光層部２４の第二主表面側には、ｎ型ＧａＰ（ＧａＡｓＰ又はＡｌＧａＡｓでもよい）からなる第二透明厚膜半導体層２０が、単結晶基板の貼り合わせにより形成されている。第二透明厚膜半導体層２０の第二主表面にはＡｕＧｅＮｉ合金を用いた接合合金化層１５ｃがドット状に分散形成され、裏面電極１５により被覆されている。第一透明厚膜半導体層９０及び第二透明厚膜半導体層２０は、いずれも、ドーパント濃度が５×１０１６／ｃｍ３以上２×１０１８／ｃｍ３以下に調整され、側面部９０Ｓ，２０Ｓがそれぞれ、ダイシングの加工ダメージ層を除去した化学エッチング面とされている。なお、発光層部２４はＧａＡｓ基板上に第二主表面側（ここではｎ型クラッド層４側）からエピタキシャル成長して形成されるが、該発光層部２４の該第二主表面側からＧａＡｓ基板をエッチングにより除去した後、該第二主表面側（ここでは、接続層２０ｐの第二主表面）に第二透明厚膜半導体層２０を貼り合わせることができる。ただし、第二透明厚膜半導体層２０はＨＶＰＥ法にてエピタキシャル成長してもよい。
図９の発光素子３００は、図８の発光素子２００において発光層部２４の第二主表面側に第二透明厚膜半導体層２０を貼り合わせる代わりに、ＡｕあるいはＡｇ（ないしこれらを主成分とする合金）からなる金属反射層１０を配置した構成である。発光層部２４からの発光光束が金属反射層１０によって主光取り出し面側に反射され、主光取り出し面側の指向性が高い発光素子が実現する。本実施形態では、発光層部２４の第二主表面に、金属反射層１０を介して導電性のＳｉ基板７が貼り合わされている。Ｓｉ基板７の第二主表面には裏面電極１５が形成されているが、該裏面電極１５は反射面を形成しないため、接合金属層１５ｄはＳｉ基板７の第二主表面全面に形成されている。また、金属反射層１０と発光層部２４との間には、ドット状の接合合金化層３２（例えばＡｕＧｅＮｉ合金からなる）が分散形成されている。
図８及び図９の発光素子２００，３００においては、いずれも、主光取り出し面側の透明厚膜半導体層９０を、ＨＶＰＥ法によるエピタキシャル成長層とする代わりに、単結晶基板の貼り合わせにより形成することもできる。
また、図１、図８及び図９の発光素子１００，２００，３００において、裏面電極１５はＡｇペースト層にて置き換えることも可能である。さらに、発光層部２４の活性層５は単一層として形成していたが、これを、バンドギャップエネルギーの異なる複数の化合物半導体層が積層された、量子井戸構造を有するものとして構成することもできる。
さらに、上記実施形態では、いずれも透明厚膜半導体層９０（２０）の全体を、ドーパント濃度が５×１０１６／ｃｍ３以上２×１０１８／ｃｍ３以下に制御されたドーピング制御領域として形成していたが、透明厚膜半導体層９０（２０）の一部の厚さ領域（望ましくは、全厚の５０％以下の範囲）を、ドーパント濃度が２×１０１８／ｃｍ３を超える層領域とすることもできる。例えば、図１の発光素子１００において、透明厚膜半導体層９０の裏面電極１５と接する領域のドーパント濃度を２×１０１８／ｃｍ３を超える値に高めることで、裏面電極１５との接触抵抗をより下げることができる。
透明厚膜半導体層９０は、薄い発光層部２４の支持基板の役割を果たすとともに、発光層部２４からの発光光束の取出層としても機能し、１０μｍ以上２００μｍ以下（望ましくは４０μｍ以上１００μｍ以下）の厚膜に形成されることで、層側面からの取出光束を増加させ、発光素子全体の輝度（積分球輝度）を高める役割を担う。また、発光層部２４からの発光光束のピーク波長に相当する光量子エネルギーよりも大きなバンドギャップエネルギーを有するＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体、具体的にはＧａＰ、ＧａＡｓＰ又はＡｌＧａＡｓにて構成されることで、該透明厚膜半導体層９０での光吸収も抑制されている。この透明厚膜半導体層９０はＨＶＰＥ法により成長されたものであり（ＧａＰ及びＧａＡｓＰがＨＶＰＥ法での製造に特に適している）、そのＨ濃度は、ＭＯＶＰＥ法によるｐ型クラッド層６のＨ濃度（通常、１５×１０１７／ｃｍ３程度）よりも小さく設定できる。本実施形態において透明厚膜半導体層９０はｐ型であり、この上に積層される発光層部２４はｐ型透明厚膜半導体層９０側からｐ型クラッド層６、活性層５、ｎ型クラッド層４の順で積層されている。しかし、透明厚膜半導体層９０をｎ型として、発光層部２４の積層順を上記の逆順としてもよい。
上記のダイシングにより、図５の左下に示すように、透明厚膜半導体層９０の側面部には、所定厚さの加工ダメージ層９０ｄが形成される。該加工ダメージ層９０ｄに含まれる多数の結晶欠陥は、発光通電時において電流リークや散乱の原因となるため、該加工ダメージ層９０ｄを化学エッチングにより除去する。エッチャントとしては硫酸−過酸化水素水溶液を使用する。該水溶液としては、例えば硫酸：過酸化水素：水の重量配合比率が２０：１：１のものを使用でき、液温は３０℃以上６０℃以下に調整される。
Claims (11)
- ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる発光層部と、該発光層部の少なくとも一方の主表面側に形成され、前記発光層部からの発光光束のピーク波長に相当する光量子エネルギーよりも大きなバンドギャップエネルギーを有するＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる厚さ１０μｍ以上の透明厚膜半導体層とを有し、
前記透明厚膜半導体層の側面部が化学エッチング面とされ、かつ、該透明厚膜半導体層中に、ドーパント濃度が５×１０１６／ｃｍ３以上２×１０１８／ｃｍ３以下に制御されたドーピング制御領域が１０μｍ以上の厚さにて形成されてなることを特徴とする発光素子。 - 前記透明厚膜半導体層の厚さが４０μｍ以上であり、該透明厚膜半導体層中の前記ドーピング制御領域の厚さが４０μｍ以上であることを特徴とする請求の範囲第１項に記載の発光素子。
- 前記発光層部の一方の主表面を第一主表面として、該第一主表面側に主光取り出し面が形成され、該主光取り出し面の一部を覆う形で光取り出し面側金属電極が配置されてなり、他方、前記透明厚膜半導体層が前記発光層部の第二主表面側にのみ設けられていることを特徴とする請求の範囲第１項又は第２項に記載の発光素子。
- 前記透明厚膜半導体層が前記発光層部の第一主表面側に配置され、該透明厚膜半導体層の第一主表面を主光取り出し面として、その一部を覆う形で光取り出し面側金属電極が配置されてなることを特徴とする請求の範囲第１項又は第２項に記載の発光素子。
- 前記発光層部の第二主表面側に金属反射層が配置されてなることを特徴とする請求の範囲第４項に記載の発光素子。
- 前記透明厚膜半導体層として、前記発光層部の第一主表面側に第一透明厚膜半導体層が、同じく第二主表面側に第二透明厚膜半導体層がそれぞれ設けられてなることを特徴とする請求の範囲第４項に記載の発光素子。
- 前記発光層部がＡｌＧａＩｎＰからなるダブルへテロ構造を有し、前記透明厚膜半導体層がＧａＰ、ＧａＡｓＰ及びＡｌＧａＡｓのいずれかからなることを特徴とする請求の範囲第１項ないし第６項のいずれか１項に記載の発光素子。
- 前記透明厚膜半導体層は前記発光層部に対しハイドライド気相成長法によりエピタキシャル成長されたものであることを特徴とする請求の範囲第１項ないし第７項のいずれか１項に記載の発光素子。
- 前記透明厚膜半導体層は前記発光層部に貼り合わされたＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる単結晶基板であることを特徴とする請求の範囲第１項ないし第７項のいずれか１項に記載の発光素子。
- ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる発光層部と、該発光層部の少なくとも一方の主表面側に形成され、前記発光層部からの発光光束のピーク波長に相当する光量子エネルギーよりも大きなバンドギャップエネルギーを有するＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる厚さ１０μｍ以上の透明厚膜半導体層とを有するウェーハを作製し、該ウェーハをダイシングして個々の素子チップに分離するとともに、
前記透明厚膜半導体層中に、ドーパント濃度が５×１０１６／ｃｍ３以上２×１０１８／ｃｍ３以下に制御されたドーピング制御領域を１０μｍ以上の厚さにて形成し、前記ダイシング後において該透明厚膜半導体層の側面部に形成された加工ダメージ層を化学エッチングにより除去することを特徴とする発光素子の製造方法。 - 前記透明厚膜半導体層はＧａＰ、ＧａＡｓＰ及びＡｌＧａＡｓのいずれかからなり、前記化学エッチングのエッチャントとして硫酸−過酸化水素水溶液が使用されることを特徴とする請求の範囲第１０項に記載の発光素子の製造方法。
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