JP2006261266A - 半導体発光素子およびその製造方法並びに電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】 光吸収に起因する輝度の低下を防止できる半導体発光素子を提供する。
【解決手段】 第１導電型の第１半導体層３と、光を生成する発光層５と、第２導電型の第２半導体層８と、発光層５からの光に対して透明であると共に第２半導体層８に下面が直接接合された透明基板１０とを順に備える。透明基板１０は、上面１０ａの一部領域に表面電極１１が設けられている。上面１０ａのうち表面電極１１が占める領域以外の領域に、外部に対して窪んだ溝３０が設けられている。
【選択図】図１Ａ

Description

この発明は半導体発光素子およびその製造方法に関する。典型的には、この発明の半導体発光素子は、光通信機器、情報表示パネル、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）カメラ補助光源、ＬＣＤ（Liquid Crystal Display）バックライト、あるいは、照明機器等の電子機器に用いられる。

また、この発明は、そのような半導体発光素子を備えた電子機器に関する。

近年、光通信機器、情報表示パネル、ＣＣＤカメラ補助光源、ＬＣＤバックライト、あるいは、照明機器等の電子機器に、半導体発光素子であるＬＥＤ（Light Emitting Diode：発光ダイオード）が広く用いられている。これらの用途のＬＥＤは高輝度であることが重要である。特に最近、照明機器用としてＬＥＤが使用され始め、高輝度化に対するニーズはいっそう高まってきている。高輝度を得るための一つの方法はＬＥＤの効率を高くすることである。ＬＥＤの効率は内部量子効率と外部出射効率によって決まり、このうち、外部出射効率は素子構造に大きく影響される。

ＬＥＤの外部出射効率を向上させるためには、発光波長に対して透明な基板を使用する手段がある。ＡｌＧａＩｎＰ（アルミニウム・ガリウム・インジウム・リン）系のＬＥＤについて、発光波長に対して透明な基板を有するＬＥＤの製造方法として、従来、図１１に示すようなものがある（特許文献１（特開平６−３０２８５７号公報）参照）。このＬＥＤの製造方法は、発光波長に対して不透明なＧａＡｓ（ガリウム・ヒ素）基板１０１上に、ＡｌＧａＩｎＰ系の発光層１０２をエピタキシャル成長し、その上に、ＧａＰ電流拡散層１０３を数１０μｍ成長する。続いて、発光波長に対して不透明な上記ＧａＡｓ基板１０１を除去し、この除去した面に、ＧａＰ基板１０５を熱処理によって直接接合する。図１１において、１８０が直接接合を示している。１０６は基板側電極であり、１０７は表面電極である。

このＬＥＤの製造方法では、ＡｌＧａＩｎＰ系の発光層１０２は、ＧａＰに対して格子整合しないので、一旦ＧａＡｓ基板１０１上に成長した後、このＧａＡｓ基板１０１を除去して、ＧａＰ基板を接合している。上記発光層１０２上に成長するＧａＰ電流拡散層１０３の厚さは、成長時間とＧａＡｓ基板１０１を除去した後のウエハの機械的強度との兼ね合いで、５０μｍ〜１００μｍ程度に設定されている。上記ＧａＰ電流拡散層１０３の厚さが５０μｍ以下であると、ウエハを取り扱う時に非常に割れやすい一方、上記厚さが１００μｍ以上であると、成長時間が長くなってＬＥＤのコストが高くなるからである。

しかしながら、上記ＧａＰ電流拡散層１０３の厚さを５０μｍ〜１００μｍとしても、機械的強度は十分とはいえず、ウエハの取り扱い時にウエハが割れてしまう問題は解決されていない。

そこで、上記問題を解決するため、ＡｌＧａＩｎＰ系のＬＥＤの他の製造方法として、図１２に示すようなものがある（特許文献２（特許第３２３０６３８号公報）参照）。このＬＥＤの製造方法は、発光波長に対して不透明なＧａＡｓ基板１１１上に、ＡｌＧａＩｎＰ系の発光層１１２をエピタキシャル成長し、この上にＧａＰ層１１３を形成する。そして、このＧａＰ層１１３上に、発光波長に対して透明なＧａＰ基板１１４を配置して熱処理を施すことによって直接接合する。この後、発光波長に対して不透明なＧａＡｓ基板１１１を除去している。図１２において、１９０が直接接合を示している。１１６は基板側電極であり、１１７は表面電極である。

このＬＥＤの製造方法は、５０μｍ〜１００μｍの厚さのウエハを取り扱う必要が無いので、製造過程においてウエハが割れるという問題を解決することができる。

ところで、ＬＥＤにおいて高輝度を得るための他の方法には、ＬＥＤに注入する電流を大きくすることがある。しかしながら、ＬＥＤに注入する電流を大きくするとき、発光層での発熱による熱飽和の問題が発生する。すなわち、注入電流の増大に伴い、発光層の発熱量が、主にダイボンド部を介して外部に放出される熱量を超えるので、上記発光層の温度が上昇して、キャリアがオーバーフローして、光出力が飽和するのである。

この問題を解決するため、従来、図１３に示すようなＡｌＧａＩｎＰ系ＬＥＤが提案されている（非特許文献１（大塚康二ら著「明るさの１００倍の発光ダイオード 蛍光管の置き換えが視野に」日経エレクトロニクス、株式会社日経ビーピー、２００２年１０月２１日 ｐ．１２３−１３１）参照）。このＬＥＤでは、従来使用されていたＧａＡｓ基板よりも熱伝導率が約３倍高いＳｉ（シリコン）基板１２１を、金属層１２２を介して、発光層１２４を含む半導体層１２５に貼り付けている。このＬＥＤは、ＧａＡｓ基板上に半導体層１２５をエピタキシャル成長し、金属層１２２を介してＳｉ基板１２１を貼り付けた後、上記ＧａＡｓ基板を除去している。図１１において、１２６は基板側電極であり、１２７は表面電極であり、１２８は電流ブロック層である。

このＬＥＤは、ＧａＡｓ基板による比較的大きい熱抵抗が無いので、放熱のロスを大幅に低減することが可能となる。
特開平６−３０２８５７号公報 特許第３２３０６３８号公報 大塚康二ら著「明るさの１００倍の発光ダイオード 蛍光管の置き換えが視野に」日経エレクトロニクス、株式会社日経ビーピー、２００２年１０月２１日 ｐ．１２３−１３１

しかしながら、図１１乃至図１３に示した従来のＬＥＤは、次に述べる他の原因により、輝度の低下が生じるという問題がある。

すなわち、ＡｌＧａＩｎＰ系半導体材料は屈折率が３〜３．５程度である一方、空気は屈折率が１であり、樹脂は１．５程度である。したがって、ＬＥＤチップを構成するＡｌＧａＩｎＰ系半導体層とその周囲の空気や樹脂との間（これを「チップ界面」と呼ぶ。）には、２〜２．５または１．５〜２の屈折率差がそれぞれ存在する。この屈折率差によって、ＬＥＤチップ内で発生した光のうち、チップ界面に全反射臨界角以上の角度で入射した光は全反射される。全反射臨界角は、ＡｌＧａＩｎＰ系半導体層から空気に入射する場合は約１７°であり、ＡｌＧａＩｎＰ系半導体層から樹脂に入射する場合は約２５°である。

ここで、図１１および図１２に示した従来のＬＥＤ（ＧａＰ基板１０５，１１４を直接接合したもの）では、図１４に模式的に示すようにチップ１３０の形状が略直方体であるため、発光層１３１で生成された光Ｌ（実線の矢印で示す）のうち、チップ界面１４０で全反射される光の割合が比較的多い。詳しくは、発光層１３１で生成した光Ｌは、チップ内部で多重反射されて、発光層１３１を複数回通過し、また、複数の電極１３２，１３３で反射される。このとき、光Ｌは、図１４中に例示するような複数の位置Ａ（破線の楕円で示す）で、徐々に発光層１３１や電極１３２，１３３に吸収される。このように、複数の位置Ａで光が吸収される結果、ＬＥＤの輝度が低下する。

また、図１３に示した従来のＬＥＤ（Ｓｉ基板１２１を貼り付けたもの）では、出射光に対して透明な半導体層１２５（発光層１２４を除く）の厚さが、ＬＥＤ全体の厚さに対して比較的薄くなっている。このため、発光層１２４で生成された光が多重反射によって発光層１２４を通過し、電極１２６，１２７で反射される回数が、図１１および図１２に示したＬＥＤのそれよりも更に多くなる。したがって、発光層１２４や電極１２６，１２７での吸収量が多くなって、ＬＥＤの輝度の低下が大きくなる。

そこで、この発明の課題は、光吸収に起因する輝度の低下を防止できる半導体発光素子およびその製造方法を提供することにある。

また、この発明の課題は、そのような半導体発光素子を備えた電子機器を提供することにある。

上記課題を解決するため、この発明の半導体発光素子は、
第１導電型の第１半導体層と、光を生成する発光層と、第２導電型の第２半導体層と、上記発光層からの光に対して透明であると共に上記第２半導体層に第１の面が直接接合された透明基板とを順に備え、
上記透明基板は、上記第１の面とは反対側の第２の面の一部領域に表面電極が設けられ、上記第２の面のうち上記表面電極が占める領域以外の領域に、外部に対して窪んだ溝が設けられていることを特徴とする。

ここで「外部」とは、半導体発光素子の外部を意味する。半導体発光素子の外部には、通常は空気や樹脂が存在する。

また、透明基板の第１の面と第２の面は、互いに対向する二つの面である。

この発明の半導体発光素子では、上記発光層で生成された光のうち、もし上記溝が無ければ上記透明基板の第２の面で全反射される光を、上記溝の内面を通して外部へ出射させることができる。つまり、素子内部での多重反射を従来よりも少なくして外部出射効率を高めることができる。したがって、この半導体発光素子の輝度を増大できる。

一実施形態の半導体発光素子は、実質的に直方体状をなすチップの形態を取り、上記溝は、上記第２の面に沿って、チップ側面に対して実質的に４５°の角度をなして延在していることを特徴とする。

この一実施形態の半導体発光素子では、上記溝がチップ側面に対してなす角度のお蔭で、素子内部での多重反射をさらに少なくして外部出射効率を高めることができる。また、ウエハ上に複数の半導体発光素子を作製する製造段階で、例えばダイシングブレードを用いて複数の溝を一定ピッチで並べて形成することにより、ウエハ上の全ての半導体発光素子にわたって同様の溝を形成することができる。したがって、この半導体発光素子は容易に製造される。

一実施形態の半導体発光素子は、上記溝の数が１チップ当たり４本以上であることを特徴とする半導体発光素子。

この一実施形態の半導体発光素子では、上記溝の数が１チップ当たり４本以上であるので、素子内部での多重反射をさらに少なくして外部出射効率を高めることができる。

また、上記溝の本数を４の倍数に設定するのが望ましい。上記溝の本数を４の倍数に設定すれば、ウエハ上に複数の半導体発光素子を作製する製造段階で、例えばダイシングブレードを用いて、ウエハ上の全ての半導体発光素子にわたって同様の溝を形成することができる（詳しくは後述）。

一実施形態の半導体発光素子は、上記溝の深さが５０μｍ以上であることを特徴とする。

この一実施形態の半導体発光素子では、上記溝の深さが５０μｍ以上であるから、溝の側面積を大きくすることができる。したがって、素子内部での多重反射をさらに少なくして外部出射効率を高めることができる。

一実施形態の半導体発光素子は、上記第２の面のうち上記表面電極が占める領域以外で、かつ隣り合う二つのチップ側面と上記溝とによって囲まれた領域に対向する発光層部分に、注入電流を集中させる構造を備えたことを特徴とする。

ここで、「発光層部分」とは、上記発光層の一部を意味する。

この一実施形態の半導体発光素子では、動作時に、上記構造によって、上記第２の面のうち上記表面電極が占める領域以外で、かつ隣り合う二つのチップ側面と上記溝とによって囲まれた領域に対向する発光層部分に、注入電流が集中される。平面視では上記発光層部分は上記溝に関して上記表面電極とは反対側の領域にあるから、上記発光層部分で生成される光の大部分は、上記表面電極に達する前に、上記溝の内面を通して外部へ出射する。したがって、素子内部での多重反射をさらに少なくして外部出射効率を高めることができる。

一実施形態の半導体発光素子では、
上記溝は、それぞれ対応するチップ側面に対して実質的に平行に上記第２の面に沿って延在し、
上記第２の面のうち上記表面電極が占める領域以外で、かつ上記チップ側面とそのチップ側面に対応する上記溝とによって挟まれた領域に対向する発光層部分に、注入電流を集中させる構造を備えたことを特徴とする。

この一実施形態の半導体発光素子では、動作時に、上記構造によって、上記第２の面のうち上記表面電極が占める領域以外で、かつ上記チップ側面とそのチップ側面に対応する上記溝とによって挟まれた領域に対向する発光層部分に、注入電流が集中される。平面視では上記発光層部分は上記溝に関して上記表面電極とは反対側の領域にあるから、上記発光層部分で生成される光の大部分は、上記表面電極に達する前に、上記溝の内面を通して外部へ出射する。したがって、素子内部での多重反射をさらに少なくして外部出射効率を高めることができる。

一実施形態の半導体発光素子では、上記発光層は、（Ａｌ_yＧａ_1-y）_zＩｎ_1-zＰ（ただし、０≦ｙ≦１、０＜ｚ＜１である。）で形成された層を少なくとも１つ有することを特徴とする。

この一実施形態の半導体発光素子では、上記発光層の組成のお蔭で、赤色から緑色までの光を高輝度に出射することができる。

一実施形態の半導体発光素子は、上記透明基板がＧａＰからなることを特徴とする。

この一実施形態の半導体発光素子では、上記発光層の組成のお蔭で、赤色から緑色までの光を高輝度に出射することができる。

別の局面では、この発明は、請求項１に記載の半導体発光素子を作製する半導体発光素子の製造方法であって、
犠牲基板上に上記第１半導体層、発光層および第２半導体層を順に積層し、
上記第２半導体層に上記透明基板の第１の面を直接接合し、
上記犠牲基板を除去し、
上記透明基板の上記第１の面とは反対側の第２の面の一部領域に上記表面電極を設け、
上記透明基板の上記第２の面のうち上記表面電極が占める領域以外の領域に、ダイシングブレードを用いて、外部に対して窪んだ溝を設けることを特徴とする。

この発明の半導体発光素子の製造方法によれば、ダイシングブレードを用いて上記溝を形成しているので、上記溝を簡単に形成できる。また、製造過程で、各半導体層が犠牲基板または透明基板で支持されているので、ウエハが割れることもない。したがって、上記半導体発光素子が容易に作製される。

この発明の電子機器は、上記半導体発光素子を備えた電子機器であって、伝熱性をもつダイボンド面に、上記半導体発光素子の上記透明基板とは反対側の上記第１半導体層の側がダイボンディングされていることを特徴とする。

この発明の電子機器では、上記第１半導体層の厚さは基板に比して薄く設定され得るので、発光層とダイボンド面とが非常に接近している。したがって、動作時に上記発光層が発生した熱は、上記第１半導体層、ダイボンド面を介して効率良く放熱される。この結果、注入電流を増やすことが可能になる。したがって、上記半導体発光素子の外部出射効率が高いことと相まって、高輝度が得られる。

以下、この発明を図示の実施の形態により詳細に説明する。

（第１実施形態）
図１Ａ、図１Ｂおよび図１Ｃは、本発明の第１実施形態の半導体発光素子としてのＬＥＤ２０を示す側断面図、上方から見た平面図および底面図である。なお、図１Ａは、図１ＢにおけるＡ−Ａ線断面に相当する。このＬＥＤ２０は略直方体状をなすチップの形態を取っている。

図１Ａに示すように、このＬＥＤ２０は、第１半導体層としてのｎ型Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5Ａｓ電流拡散層３、ｎ型Ａｌ_0.5Ｉｎ_0.5Ｐクラッド層４、発光層としての量子井戸活性層５、ｐ型Ａｌ_0.5Ｉｎ_0.5Ｐクラッド層６、ｐ型（Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8）_0.77Ｉｎ_0.23Ｐ中間層７、第２半導体層としてのｐ型Ｇａ_0.915Ｉｎ_0.085Ｐ貼付コンタクト層８、および透明基板としてのｐ型ＧａＰ基板１０を順に備えている。量子井戸活性層５は、（Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐからなるバリア層と、ＧａＩｎＰからなる井戸層とを交互に複数積層して構成されている。ＧａＰ基板１０はコンタクト層８に対して直接接合されている（８０が直接接合界面を示す）。図１Ｂに示すように、このｐ型ＧａＰ基板１０の上面１０ａの中央領域には、表面電極としてのＡｕＢｅ/Ａｕからなる円形のボンディングパッド１１が形成されている。一方、図１Ｃに示すように、電流拡散層３の下面３ｂには、ＡｕＳｉからなる９個の円形のｎ型電極１２が形成されている。このＬＥＤ２０は、各種電子機器の伝熱性をもつダイボンド面（図示せず）に、ｎ型電極１２の側がダイボンディングされるようになっている。

上記ＧａＰ基板１０は、上面１０ａのうちボンディングパッド１１が占める領域以外の領域に、チップ外部に対して窪んだ４本の溝３０を有する。これらの溝３０は、断面矩形状で、ＧａＰ基板１０の上面１０ａから深さ７０μｍになるように形成されている。図１Ｂによって良く分かるように、平面視では、これらの溝３０は、ボンディングパッド１１の周りを取り囲むように設けられ、各チップ側面１０ｂに対して約４５°の角度をなしている。

このＬＥＤ２０は、以下のようにして製造される。なお、ＬＥＤ２０のチップサイズ（平面寸法）は３００μｍ□とする。

まず、図２に示すように、犠牲基板としてのｎ型ＧａＡｓ基板１上に、層厚１μｍのｎ型のＧａＡｓバッファ層２、層厚３μｍのｎ型Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5Ａｓ電流拡散層３、層厚１μｍのｎ型Ａｌ_0.5Ｉｎ_0.5Ｐクラッド層４、量子井戸活性層５、層厚１μｍのｐ型のＡｌ_0.5Ｉｎ_0.5Ｐクラッド層６、層厚０．１５μｍのｐ型（Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8）_0.77Ｉｎ_0.23Ｐ中間層７、層厚５μｍのｐ型Ｇａ_0.915Ｉｎ_0.085Ｐ貼付コンタクト層８、および、層厚０．０１μｍのノンドープＧａＡｓキャップ層９を、ＭＯＣＶＤ法（有機金属気相成長法）により順に積層する。量子井戸活性層５は、既述のように（Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐからなるバリア層と、ＧａＩｎＰからなる井戸層とを交互に複数積層して形成する。各半導体層の成長方法としては、ＭＯＣＶＤ法以外に、ＭＢＥ法（分子線エピタキシャル法）やＭＯＭＢＥ法（有機金属分子線エピタキシャル法）等の他の方法が利用可能である。

各半導体層の成長時に、ｐ型ドーパントにはＺｎを用いる一方、ｎ型ドーパントにはＳｉを用いる。この他にｐ型ドーパントとしてはＭｇ、Ｃ、Ｂｅ、ｎ型ドーパントとしてはＳｅ、Ｔｅ等が使用できる。

また、ｐ型のＧａ_0.915Ｉｎ_0.085Ｐ貼付コンタクト層８のキャリア濃度は、積層方向に関して変化（傾斜）させる。具体的には、ＧａＡｓキャップ層９側の４μｍは２.５×１０¹⁸ｃｍ^-3とし、ｐ型（Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8）_0.77Ｉｎ_0.23Ｐ中間層７側の１μｍは１.０×１０¹⁸ｃｍ^-3とする。このようにコンタクト層８のキャリア濃度を傾斜させる理由は、直接接合界面のキャリア濃度を高い状態として直接接合界面での動作電圧上昇を避ける一方、コンタクト層８から活性層５へのＺｎ拡散を抑制するためである。

この後、図３に示すように、ノンドープＧａＡｓキャップ層９を除去すると共に、ｐ型Ｇａ_0.915Ｉｎ_0.085Ｐ貼付コンタクト層８をポリッシュし、コンタクト層８の表面（図３における上面）を鏡面に加工した後、エッチャントで表面処理して酸化膜を除去する。また、表面が鏡面であるｐ型のＧａＰ基板１０を用意し、エッチャントで表面処理して酸化膜を除去する。その後、それらを十分に洗浄、乾燥した後、上記ＧａＰ基板１０の直接接合すべき面（図３における下面）を貼付コンタクト層８の表面に加圧状態で密着させて、真空中で７５０℃の温度で０.５時間熱処理する。これにより、上記貼付コンタクト層８にＧａＰ基板１０を直接接合する。上記熱処理は、水素雰囲気で行ってもよい。

その後、図４に示すように、アンモニア：過酸化水素系エッチャントにより、ｎ型ＧａＡｓ基板１及びｎ型ＧａＡｓバッファ層２をエッチング除去する。その後、ｐ型ＧａＰ基板１０の表面（図４における上面）を研磨して、このｐ型ＧａＰ基板１０を２８０μｍの厚さにする。このｐ型ＧａＰ基板１０の研磨された面に、チップ平面寸法に応じた３００μｍピッチで直径１００μｍのＡｕＢｅ/Ａｕからなるボンディングパッド１１を形成する。また、ｎ型のＡｌ_0.5Ｇａ_0.5Ａｓ電流拡散層３の表面（図４における下面）に、ＡｕＳｉからなる直径４０μmの円形状のｎ型電極１２を形成する。このｎ型電極１２は、１チップ当たり９個づつ分配されるように形成する。

その後、上記ｐ型ＧａＰ基板１０の上面に、２０μｍ幅のブレードによって、深さ７０μｍの複数の溝３０を形成する。この溝３０は、図５Ａに示すように、ボンディングパッド１１，１１間の中点を通って、チップ側面１０ｂとなることが見込まれるライン（図５Ａ中に破線で示す）に対して４５°の角度をなすように形成する。この例では、チップの平面寸法が３００μｍであるのに基づいて、溝３０のピッチは212.1μｍとなる。このようにすれば、全てのチップに対して同じように溝３０を形成することができる。

さらに、２０μｍ幅のブレードを用いて、この状態のウエハを個々のチップにダイシングする。その後、ダイシングによるダメージ層をエッチングにより除去して、チップ毎に分割する。このようにして、図１Ａ乃至図１Ｃに示したＬＥＤ２０が得られる。

このようにして作製されたＬＥＤ２０では、外部量子効率が１７％となった。図６に示す比較例のＬＥＤ（ＬＥＤ２０に対して、ｐ形ＧａＰ基板１０に溝３０を設けない点のみが異なるもの）では、外部量子効率が１４％であった。したがって、ｐ型ＧａＰ基板１０に上記溝３０を設けることにより、外部量子効率が約１.２倍に向上したことになる。

この結果は、ｐ型ＧａＰ基板１０に設けられた溝３０がチップ側面１０ｂに対して４５°の角度をなしていることにより、チップ内部で多重反射する光が減少して、電極１１，１２及び活性層５での吸収によるロスが低減したことを示している。

なお、溝３０の深さは５０μｍ以上になるとその効果が明確になる。溝３０の深さを５０μｍにしたＬＥＤでは、外部量子効率は図６のＬＥＤに対して１．１倍であった。

また、上の例では、溝３０の数は１チップ当たり４本であったが、図５Ｂのように、各溝３０を平行な一対の溝５０，５０に分けて、１チップ当たり８本にすることも可能である。このようにすればチップ側面１０ｂに対して角度４５°をなす溝の内面積を増やすことができ、より外部量子効率を向上させることができる。実際に、このように溝（深さ７０μｍ）の数を８本にしたＬＥＤでは、外部量子効率を図６のＬＥＤに対して１．３倍に向上させることができた。

電流−光出力特性は、透明基板側をダイボンドする従来のＬＥＤでは、周期１秒、デューティ比３％のパルス駆動を行った場合、注入電流が２００ｍＡ程度で熱飽和が生じた。これに対して、本実施形態のＬＥＤ２０は、同じ条件でパルス駆動を行った場合、注入電流が８００ｍＡ以上となるまで熱飽和は生じなかった。これは、本実施形態の方が発光層である量子井戸活性層５がダイボンド面に近いため、放熱性が大幅に向上したからであると考えられる。この結果、注入電流を増やすことが可能になる。したがって、ＬＥＤ２０の外部出射効率が高いことと相まって、高輝度が得られる。

（第２実施形態）
図７Ａ、図７Ｂおよび図７Ｃは、本発明の第２実施形態の半導体発光素子としてのＬＥＤ４０を示す側断面図、上方から見た平面図および底面図である。なお、図７Ａは、図７ＢにおけるＡ−Ａ線断面に相当する。このＬＥＤ４０は略直方体状をなすチップの形態を取っている。

図７Ａに示すように、このＬＥＤ４０は、第１半導体層としてのｎ型Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5Ａｓ電流拡散層３、ｎ型Ａｌ_0.5Ｉｎ_0.5Ｐクラッド層４、発光層としての量子井戸活性層５、ｐ型Ａｌ_0.5Ｉｎ_0.5Ｐクラッド層６、ｐ型（Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8）_0.77Ｉｎ_0.23Ｐ中間層７、第２半導体層としてのｐ型Ｇａ_0.915Ｉｎ_0.085Ｐ貼付コンタクト層８、および透明基板としてのｐ型ＧａＰ基板１０を順に備えている。量子井戸活性層５は、（Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐからなるバリア層と、ＧａＩｎＰからなる井戸層とを交互に複数積層して構成されている。ＧａＰ基板１０はコンタクト層８に対して直接接合されている（８０が直接接合界面を示す）。図７Ｂに示すように、このｐ型ＧａＰ基板１０の上面１０ａの中央領域には、表面電極としてのＡｕＢｅ/Ａｕからなる円形のボンディングパッド１１が形成されている。一方、図７Ｃに示すように、電流拡散層３の下面３ｂの中央領域には円形のＡｌ電極２３が設けられ、そこから放射状に４本のＡｕＳｉからなるｎ型電極１２Ａが延びている。このＬＥＤ４０は、各種電子機器の伝熱性をもつダイボンド面（図示せず）に、Ａｌ電極２３およびｎ型電極１２Ａの側がダイボンディングされるようになっている。

上記ＧａＰ基板１０は、上面１０ａのうちボンディングパッド１１が占める領域以外の領域に、チップ外部に対して窪んだ４対（８本）の溝５０Ａ，５０Ｂを有する。これらの溝５０Ａ，５０Ｂは、断面矩形状で、ＧａＰ基板１０の上面１０ａから深さ７０μｍになるように形成されている。図７Ｂによって良く分かるように、平面視では、これらの４対の溝５０Ａ，５０Ｂは、ボンディングパッド１１の周りを取り囲むように設けられ、各チップ側面１０ｂに対して約４５°の角度をなしている。

また、図７Ａに示すように、上記ｐ型ＧａＰ基板１０のうち直接接合界面８０側の一部には、Ｚｎ拡散部２５が形成されている。図７Ｂに示すように、平面視では、このＺｎ拡散部２５は、隣り合う二つのチップ側面１０ｂと上記溝５０とによって囲まれた領域に設けられている。このＺｎ拡散部２５は、それが対向する量子井戸活性層のコーナー部に注入電流を集中させて、実質的な発光領域を量子井戸活性層５のコーナー部２６（図７Ａ中に破線で示す）に限定する。

このＬＥＤ４０は、以下のようにして製造される。なお、ＬＥＤ４０のチップサイズ（平面寸法）は３００μｍ□とする。

まず、第１実施形態と同様に、ＭＯＣＶＤ法等により以下の各層を積層する。すなわち、図２に示したのと同様に、犠牲基板としてのｎ型ＧａＡｓ基板１上に、層厚１μｍのｎ型ＧａＡｓバッファ層２、層厚３μｍのｎ型Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5Ａｓ電流拡散層３、層厚１μｍのｎ型Ａｌ_0.5Ｉｎ_0.5Ｐクラッド層４、量子井戸活性層５、層厚１μｍのｐ型Ａｌ_0.5Ｉｎ_0.5Ｐクラッド層６、層厚０．１５μｍのｐ型（Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8）_0.77Ｉｎ_0.23Ｐ中間層７、層厚５μｍのｐ型Ｇａ_0.915Ｉｎ_0.085Ｐ貼付コンタクト層８、層厚０．０１μｍのノンドープＧａＡｓキャップ層９を積層する。量子井戸活性層５は、既述のように（Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐからなるバリア層と、ＧａＩｎＰからなる井戸層とを交互に複数積層して形成する。各半導体層の成長方法としてはＭＯＣＶＤ法の他にＭＢＥ法、ＭＯＭＢＥ法等の種々の方法が利用可能である。

各半導体層の成長時に、ｐ型ドーパントにはＺｎを用いる一方、ｎ型ドーパントにはＳｉを用いる。この他にｐ型ドーパントとしてはＭｇ、Ｃ、Ｂｅ、ｎ型ドーパントとしてはＳｅ、Ｔｅ等が使用できる。

また、ｐ型のＧａ_0.915Ｉｎ_0.085Ｐ貼付コンタクト層８のキャリア濃度は、５×１０¹⁷cm^-3で一定とする。

この後、図３に示したのと同様に、ノンドープＧａＡｓキャップ層９を除去すると共に、ｐ型Ｇａ_0.915Ｉｎ_0.085Ｐ貼付コンタクト層８をポリッシュし、コンタクト層８の表面（図３における上面）を鏡面に加工する。

一方、ｐ型ＧａＰ基板１０の直接接合すべき面（図３における下面）には、直径５０μｍで１チップ当たり４個の円形状にＺｎを拡散して、キャリア濃度が1×１０¹⁹cm^-3のＺｎ拡散部２５を形成する。このＺｎ拡散部２５は、ｐ型ＧａＰ基板１０の直接接合すべき面に、１チップ当たり４個ずつ、チップの平面寸法に応じた３００μｍピッチで形成する。

その後、このｐ型ＧａＰ基板１０の表面と、上記貼付コンタクト層８の表面とをエッチャントで表面処理し、酸化膜を除去する。その後、それらを十分に洗浄、乾燥した後、上記ｐ型ＧａＰ基板１０の直接接合すべき面と上記貼付コンタクト層８の表面とを加圧状態で密着させて、真空中で０.５時間にわたって、７５０℃で熱処理する。これにより、上記貼付コンタクト層８にｐ型ＧａＰ基板１０を直接接合する。

このとき、ｐ型ＧａＰ基板１０のＺｎ拡散部２５が貼付コンタクト層８に接合する部分はオーミック接合となるが、貼付コンタクト層８のその他の部分とｐ型ＧａＰ基板１０とは、いずれのキャリア濃度も低いためオーミック接合にならない。したがって、上記Ｚｎ拡散部２５による直径５０μｍの円形状のチャンネルが形成される。この結果、動作時に注入電流がこの部分にのみ流れ、実質的な発光領域を量子井戸活性層５のコーナー部２６に限定する電流狭窄構造が得られる。

その後、図４に示すように、アンモニア：過酸化水素系エッチャントにより、ｎ型ＧａＡｓ基板１及びｎ型ＧａＡｓバッファ層２をエッチング除去する。その後、ｐ型ＧａＰ基板１０の表面（図４における上面）を研磨して、このｐ型ＧａＰ基板１０を２８０μｍの厚さにする。このｐ型ＧａＰ基板１０の研磨された面に、チップ平面寸法に応じた３００μｍピッチで直径１００μｍのＡｕＢｅ/Ａｕからなるボンディングパッド１１を形成する。また、ｎ型のＡｌ_0.5Ｇａ_0.5Ａｓ電流拡散層３の表面（図４における下面）に、ＡｕＳｉからなるｎ型電極１２Ａを形成し、さらに、それらのｎ型電極１２と導通するように円形状のＡｌ電極２３を形成する。

その後、上記ｐ型ＧａＰ基板１０の上面に、２０μｍ幅のブレードによって、図５Ｂに示した態様で、深さ７０μｍの複数対の溝５０，５０を形成する。溝５０，５０の各対のピッチは、チップの平面寸法が３００μｍであるのに基づいて、212.1μｍとなる。このようにすれば、全てのチップに対して同じように溝５０Ａ，５０Ｂ（図７Ｂ）を形成することができる。

さらに、２０μｍ幅のブレードを用いて、この状態のウエハを個々のチップにダイシングする。その後、ダイシングによるダメージ層をエッチングにより除去して、チップ毎に分割する。このようにして、図７Ａ乃至図７Ｃに示したＬＥＤ４０が得られる。

このようにして作製されたＬＥＤ４０では、外部量子効率が２０％となった。一方、電流狭窄構造を有しない比較例のＬＥＤ（ＬＥＤ４０に対して、Ｚｎ拡散部２５を有しない点のみが異なるもの）では、外部量子効率が１８％であった。したがって、Ｚｎ拡散部２５によって電流狭窄を行うことにより、外部量子効率が約１.１倍に向上したことになる。

この理由は次のように説明される。すなわち、このＬＥＤ４０では、図７Ｂに示すように平面視では、実質的な発光領域である量子井戸活性層５のコーナー部２６は上記溝５０Ｂに関して表面電極１１とは反対側の領域にある。したがって、図７Ａ中に示すように、コーナー部２６で生成される光Ｌの大部分Ｌｍは、表面電極１１に達する前に、上記溝５０Ｂの内面を通して外部へ出射する。したがって、素子内部での多重反射をさらに少なくして外部出射効率を高めることができる。

（第３実施形態）
上の第２実施形態では発光領域を限定する方法として内部狭窄構造を採用したが、図８Ａ、図８Ｂおよび図８Ｃに示すＬＥＤ６０のように、ｎ型Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5Ａｓ電流拡散層３に対してオーミック接触するｎ型電極１２Ｂをチップの四隅にのみ設ける構造としても同様の効果を得ることができる。

図８Ａ、図８Ｂ、図８Ｃはそれぞれ図７Ａ、図７Ｂ、図７Ｃに対応しており、同一の構成要素には同一の符号を用いて個々の説明を省略する。このＬＥＤ６０は、上述のｐ型ＧａＰ基板１０のＺｎ拡散部２５に代えて、電流拡散層３の下面３ｂの四隅に、それぞれＡｕＳｉからなる三角枠形状のｎ型電極１２Ｂを備えている。それらのｎ型電極１２Ｂは、下面３ｂの中央領域の円形状のＡｌ電極２３から放射状に延びる４本のＡｌ電極２４を介して、それぞれＡｌ電極２３と導通している。

このＬＥＤ６０でも、動作時に実質的な発光領域が量子井戸活性層５のコーナー部２６に限定される。したがって、図８Ａ中に示すように、コーナー部２６で生成される光Ｌの大部分Ｌｍは、表面電極１１に達する前に、上記溝５０Ｂの内面を通して外部へ出射する。したがって、素子内部での多重反射をさらに少なくして外部出射効率を高めることができる。

（第４実施形態）
また、図９Ａ、図９Ｂおよび図９Ｃに示すＬＥＤ６１のように、それぞれ対応するチップ側面１０ｂに対して実質的に平行な４本の溝３１を備えても良い。

図９Ａ、図９Ｂ、図９Ｃはそれぞれ図７Ａ、図７Ｂ、図７Ｃに対応しており、同一の構成要素には同一の符号を用いて個々の説明を省略する。図１Ｂによって良く分かるように、平面視では、このＬＥＤ６１の４本の溝３１は、ボンディングパッド１１の周りを取り囲むように設けられ、それぞれ対応するチップ側面１０ｂに対して実質的に平行に延びている。図９Ａ中に示すｐ型ＧａＰ基板１０のＺｎ拡散部２５Ａは、平面視では、チップ側面１０ｂとそのチップ側面に対応する上記溝３１とによって挟まれた領域、すなわちチップ周辺領域に全周にわたって枠状に設けられている。

このＺｎ拡散部２５Ａは、それが対向する量子井戸活性層のコーナー部に注入電流を集中させて、実質的な発光領域を量子井戸活性層５の周辺部２６Ａ（図９Ａ中に破線で示す）に限定する。したがって、図９Ａ中に示すように、周辺部２６Ａで生成される光Ｌの大部分Ｌｍは、表面電極１１に達する前に、上記溝３１の内面を通して外部へ出射する。したがって、素子内部での多重反射をさらに少なくして外部出射効率を高めることができる。

（第５実施形態）
上の第４実施形態では発光領域を限定する方法として内部狭窄構造を採用したが、図１０Ａ、図１０Ｂおよび図１０Ｃに示すＬＥＤ６２のように、ｎ型Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5Ａｓ電流拡散層３に対してオーミック接触するｎ型電極１２Ｃをチップの周辺領域に枠状に設ける構造としても同様の効果を得ることができる。

図１０Ａ、図１０Ｂ、図１０Ｃそれぞれ図９Ａ、図９Ｂ、図９Ｃに対応しており、同一の構成要素には同一の符号を用いて個々の説明を省略する。このＬＥＤ６２は、上述のｐ型ＧａＰ基板１０のＺｎ拡散部２５Ａに代えて、電流拡散層３の下面３ｂの周辺領域の全周にわたるＡｕＳｉからなる枠状のｎ型電極１２Ｃを備えている。そのｎ型電極１２Ｃは、下面３ｂの中央領域の円形状のＡｌ電極２３から放射状に延びる４本のＡｌ電極２４を介して、Ａｌ電極２３と導通している。

このＬＥＤ６２でも、動作時に実質的な発光領域が量子井戸活性層５のコーナー部２６Ａ（図１０Ａ中に破線で示す）に限定される。したがって、図１０Ａ中に示すように、周辺部２６Ａで生成される光Ｌの大部分Ｌｍは、表面電極１１に達する前に、上記溝３１の内面を通して外部へ出射する。したがって、素子内部での多重反射をさらに少なくして外部出射効率を高めることができる。

上述の各実施形態では、ＡｌＧａＩｎＰ系の材料で量子井戸活性層５を形成したが、発光層の材料および形式はこれに限定されるものではなく、ＡｌＧａＡｓ系等の他の材料系でもよく、また、単層のものでもよい。

また、透明基板としてＧａＰ基板１０を用いたが、これに限定されるものではなく、発光光に対して透明であれば、ＧａＮ、ＳｉＣ等の他の半導体基板でもよい。さらに、サファイアやガラス等の絶縁性の基板でもよい。この場合は、ダイボンディングされる側の半導体層にｐ型およびｎ型の両方の電極を形成し、この電極をバンプによりダイボンドすればよい。また、透明基板が直接接合される層は、コンタクト層以外のクラッド層等であってもよい。

また、電流拡散層としてｎ型Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5Ａｓ層を用いたが、これに限定されるものではなく、（Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ等の成長基板に格子整合し、発光波長に対して透明な層であればよい。

この発明の第１実施形態のＬＥＤを示す側断面図である。 第１実施形態のＬＥＤを示す平面図である。 第１実施形態のＬＥＤを示す底面図である。 第１実施形態のＬＥＤの製造工程のうちの１工程を示す図である。 貼付コンタクト層に、ｐ型ＧａＰ基板を直接接合する様子を示す図である。 ｎ型ＧａＡｓ基板およびｎ型ＧａＡｓバッファ層を除去した様子を示す図である。 ダイシングによって溝を形成する例を示す図である。 ダイシングによって溝を形成する別の例を示す図である。 比較例のＬＥＤを示す図である。 第２実施形態の一例のＬＥＤを示す側断面図である。 第２実施形態の一例のＬＥＤを示す平面図である。 第２実施形態のＬＥＤを示す底面図である。 第３実施形態のＬＥＤを示す側断面図である。 第３実施形態のＬＥＤを示す平面図である。 第３実施形態のＬＥＤを示す底面図である。 第４実施形態のＬＥＤを示す側断面図である。 第４実施形態のＬＥＤを示す平面図である。 第４実施形態のＬＥＤを示す底面図である。 第５実施形態のＬＥＤを示す側断面図である。 第５実施形態のＬＥＤを示す平面図である。 第５実施形態のＬＥＤを示す底面図である。 従来のＡｌＧａＩｎＰ系ＬＥＤの製造方法を示す図である。 従来のＡｌＧａＩｎＰ系ＬＥＤの製造方法を示す図である。 従来のＡｌＧａＩｎＰ系ＬＥＤを示す図である。 従来のＬＥＤにおける多重反射の様子を示す模式図である。

符号の説明

１ ｎ型ＧａＡｓ基板
２ ｎ型ＧａＡｓバッファ層
３ ｎ型Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5Ａｓ電流拡散層
４ ｎ型Ａｌ_0.5Ｉｎ_0.5Ｐクラッド層
５ 量子井戸活性層
６ ｐ型Ａｌ_0.5Ｉｎ_0.5Ｐクラッド層
７ ｐ型（Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8）_0.77Ｉｎ_0.23Ｐ中間層
８ ｐ型Ｇａ_0.915Ｉｎ_0.085Ｐ貼付コンタクト層
９ ノンドープＧａＡｓキャップ層９
１０ ｐ型ＧａＰ基板
１１ ボンディングパッド
１２，１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃ ｎ型電極
２０，４０，６０，６１，６２ ＬＥＤ
２５，２５Ａ Ｚｎ拡散部
３０，３１，５０，５０Ａ，５０Ｂ 溝

Claims (10)

1. 第１導電型の第１半導体層と、光を生成する発光層と、第２導電型の第２半導体層と、上記発光層からの光に対して透明であると共に上記第２半導体層に第１の面が直接接合された透明基板とを順に備え、
   上記透明基板は、上記第１の面とは反対側の第２の面の一部領域に表面電極が設けられ、上記第２の面のうち上記表面電極が占める領域以外の領域に、外部に対して窪んだ溝が設けられていることを特徴とする半導体発光素子。
2. 請求項１に記載の半導体発光素子において、
   実質的に直方体状をなすチップの形態を取り、
   上記溝は、上記第２の面に沿って、チップ側面に対して実質的に４５°の角度をなして延在していることを特徴とする半導体発光素子。
3. 請求項２に記載の半導体発光素子において、
   上記溝の数が１チップ当たり４本以上であることを特徴とする半導体発光素子。
4. 請求項１に記載の半導体発光素子において、
   上記溝の深さが５０μｍ以上であることを特徴とする半導体発光素子。
5. 請求項２に記載の半導体発光素子において、
   上記第２の面のうち上記表面電極が占める領域以外で、かつ隣り合う二つのチップ側面と上記溝とによって囲まれた領域に対向する発光層部分に、注入電流を集中させる構造を備えたことを特徴とする半導体発光素子。
6. 請求項１に記載の半導体発光素子において、
   実質的に直方体状をなすチップの形態を取り、
   上記溝は、それぞれ対応するチップ側面に対して実質的に平行に上記第２の面に沿って延在し、
   上記第２の面のうち上記表面電極が占める領域以外で、かつ上記チップ側面とそのチップ側面に対応する上記溝とによって挟まれた領域に対向する発光層部分に、注入電流を集中させる構造を備えたことを特徴とする半導体発光素子。
7. 請求項１に記載の半導体発光素子において、
   上記発光層は、（Ａｌ_yＧａ_1-y）_zＩｎ_1-zＰ（ただし、０≦ｙ≦１、０＜ｚ＜１である。）で形成された層を少なくとも１つ有することを特徴とする半導体発光素子。
8. 請求項１に記載の半導体発光素子において、
   上記透明基板がＧａＰからなることを特徴とする半導体発光素子。
9. 請求項１に記載の半導体発光素子を作製する半導体発光素子の製造方法であって、
   犠牲基板上に上記第１半導体層、発光層および第２半導体層を順に積層し、
   上記第２半導体層に上記透明基板の第１の面を直接接合し、
   上記犠牲基板を除去し、
   上記透明基板の上記第１の面とは反対側の第２の面の一部領域に上記表面電極を設け、
   上記透明基板の上記第２の面のうち上記表面電極が占める領域以外の領域に、ダイシングブレードを用いて、外部に対して窪んだ溝を設けることを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
10. 請求項１に記載の半導体発光素子を備えた電子機器であって、
    伝熱性をもつダイボンド面に、上記半導体発光素子の上記透明基板とは反対側の上記第１半導体層の側がダイボンディングされていることを特徴とする電子機器。

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