光半導体装置及びその製造方法
【課題】エピタキシャル成長の半導体層の光取り出し面において、臨界角内光の透過光はフレネル係数によって制限されて低く、従って、臨界角内光Qの光取り出し効率は低かった。
【解決手段】発光部を形成する発光半導体層１１〜１４の光取り出し面に屈折率の異なる半導体層１０１１、１０１２、…を交互に積層形成した半導体交互積層体１０１を設けた。半導体交互積層体１０１は反射防止作用をする。
【解決手段】発光部を形成する発光半導体層１１〜１４の光取り出し面に屈折率の異なる半導体層１０１１、１０１２、…を交互に積層形成した半導体交互積層体１０１を設けた。半導体交互積層体１０１は反射防止作用をする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は発光ダイオード（LED）等の光半導体装置及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の光半導体装置として、GaAs成長基板上にGaAsと格子整合するAlGaInP発光層及びその上にGaAsと格子不整合のGaInP電流拡散層をエピタキシャル成長させ、さらにその上に反射ミラーを化学的気相成長（CVD）法、スパッタリング法等によって形成した半導体積層体を得、次いで、この半導体積層体に支持基板を貼り合わせ、最後に、発光波長の可視光を吸収するGaAs成長基板を除去するものがある（参照：特許文献１、２）。このように、可視光吸収のGaAs成長基板の除去と共に、発光層から反射ミラーへ放射された光は反射ミラーで正反射されて光取り出し面に向かい、その光の一部が光取り出し面から取り出されるので、光の取り出し効率が向上する。
【０００３】
上述の反射ミラーとして臨界角外の入射光の反射率が100％に近い酸化シリコン（SiO2）層と金属層とを組合せたものがある（参照：特許文献３）。この従来の光半導体装置を図２１を参照して詳述する。
【０００４】
図２１の光半導体装置は、半導体積層体１、支持体２、半導体積層体１と支持体２とを接合する接合層３、ｎ側電極４及びボンディングパッド５よりなる。
【０００５】
半導体積層体１は、GaAs成長基板（図示せず）上に有機金属化学気相成長（MOCVD）法によりエピタキシャル成長させたｎ型AlGaInPクラッド層１１、AlGaInP活性層１２、ｐ型AlGaInPクラッド層１３及びGaInP電流拡散層１４を有する。この場合、ｎ型AlGaInPクラッド層１１、AlGaInP活性層１２及びｐ型AlGaInPクラッド層１３はダブルヘテロ構造の発光部を形成する。また、ｎ型AlGaInPクラッド層１１、AlGaInP活性層１２及びｐ型AlGaInPクラッド層１３はGaAsと格子整合し、(AlzGa1-z)1-xInxP（0≦z≦1、0≦x≦1）で表され、他方、GaInP電流拡散層１４はGaAsと格子整合せず、Ga1-xInxP（0≦x≦1）で表される。
【０００６】
また、半導体積層体１は、GaInP電流拡散層１４下にCVD法等により形成されパターン化された酸化シリコン（SiO2）層１５及びその下にスパッタリング法等により形成されたAuZn反射電極層（ｐ側電極）１６を有する。この場合、酸化シリコン層１５及び反射電極層１６は一体となって反射ミラーとして作用する。尚、通常、ｐ型AlGaInPクラッド層１３の抵抗率はｎ型AlGaInPクラッド層１１の抵抗率より大きいために、ｎ側電極４と反射電極層（ｐ側電極）１６との間の電流密度は周辺部より中心部が大きくなる。このような電流集中を分散してｐ型AlGaInPクラッド層１３の抵抗率を実質的に低下させて発光効率を向上させるためにGaInP電流拡散層１４が設けられている。
【０００７】
さらに、半導体積層体１は、反射電極層１６のAuZnのZnの外方拡散を防止すると同時に、後工程での共晶材料が反射電極層１６へ侵入拡散するのを防止するバリア層１７を有する。バリア層１７はスパッタリング法等により形成されたTa、Ti、W等の高融点金属もしくはその窒化物よりなる。
【０００８】
このように、半導体積層体１は、エピタキシャル成長の半導体層１１〜１４以外に、酸化シリコン層１５、反射電極層１６及びバリア層１７を有する。
【０００９】
支持体２は、たとえば高濃度のボロンドープドシリコンよりなる導電性支持基板２１、導電性支持基板２１の一方の面に設けられた裏面電極層２２、導電性支持基板２１の他方の面に設けられた中間電極層２３、及び密着信頼性を高める密着層２４を有する。
【００１０】
接合層３は半導体積層体１及び支持体２を接合させるためのものであり、たとえば、AuSnNiよりなる。接合層３については、後述する。
【００１１】
半導体層１１〜１４の周囲はメサエッチングされ、半導体層１１〜１４の全体が樹脂モールド（図示せず）されている。
【００１２】
ｎ側電極４はｎ型AlGaInPクラッド層１１とのオーミック接合のためにたとえばAuGeNiよりなり、また、ボンディングパッド５はたとえばAuよりなる。ｎ側電極４は電流を拡散するために周辺部に位置し、他方、ボンディングパッド５は電流を中央部から供給するために中央部かつｎ側電極４の一部の上部に位置してｎ側電極４に電気的に接続されている。
【００１３】
図２１の光半導体装置においては、発光層（１１，１２，１３）より上方もしくは下方へ放射され光取り出し面（上面）において臨界角外で放射される臨界角外光Pは光取り出し面（上面）及び反射ミラー特に反射率100％の酸化シリコン層１５の反射面において光取り出し面（上面）及び反射面で多重反射を繰返して横方向つまり半導体積層体１内部の半導体層を伝播し続けて最終的に半導体積層体１の半導体層に吸収されて光取り出し面（上面）より取り出すことができない。
【００１４】
他方、図２１の光半導体装置においては、発光層（１１，１２，１３）から光取り出し面（上面）へ直接放射もしくは反射ミラー（酸化シリコン層１５、反射電極層１６）から正反射される臨界角内光Qはフレネル反射成分Q1を除き成分Q2が光取り出し面から取り出される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１５】
【特許文献１】特開２００６−８６２０８号公報
【特許文献２】特開２００８−９８３３６号公報
【特許文献３】特開２０００−３４９３４９号公報
【特許文献４】特開２００２−５０７９３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
しかしながら、図２２に示すように、たとえば、光半導体装置の光取り出し面がエポキシ樹脂（n=1.5）で包まれていれば、AlGaInPの屈折率nが3.3であるので、臨界角内光Qの光取り出し面での反射率は、垂直入射の場合、14％程度となり、臨界角内光Qの光取り出し効率は4.5％程度と低い。また、光半導体装置の光取り出し面が空気（n=1.0）であれば、臨界角内光Qの光取り出し面での反射率は、垂直入射の場合、29％程度となり、臨界角内光Qの光取り出し効率は2.0％程度とさらに低い。このように、臨界角内光Qの光取り出し効率はAlGaInPの屈折率と樹脂（もしくは空気）の屈折率との差によるフレネル係数によって制限されるので、低いという課題があった。尚、光取り出し効率は透過光Q2の透過率を立体角毎に算出し、これらを積分することによって得られる。
【００１７】
尚、光取り出し効率を高めるために、AlGaInPクラッド層の外側に接してより低屈折率の透過性半導体層を形成する光半導体装置がある（参照：特許文献４）。この場合、さらに、外側になるに従って屈折率を低くして臨界角外光の全反射を抑えることによって光取り出し効率を高めている。しかしながら、この光半導体装置においては、後述するように、臨界角内光の光取り出し効率の向上はわずかである（参照：図３、図５の１層構造）。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
上述の課題を解決するために、本発明に係る光半導体装置は、光発光部を形成する発光半導体層と、この発光半導体層の光取り出し面に、屈折率の異なる第１、第２の半導体層を交互に積層形成した半導体交互積層体とを具備するものである。この半導体交互積層体は反射防止作用をする。この場合、各第１、第２の半導体層の厚さが
λ/(4n)
但し、λは発光半導体層の発光波長、
nは発光波長での各第１、第２の半導体層の屈折率
である。
【００１９】
さらに、第１の半導体層の屈折率を第２の半導体層の屈折率より低いとし、第１の半導体層が発光半導体層の光取り出し面に接触しているとき、第１、第２の半導体層の交互積層数は３以上の奇数である。たとえば、図１の（Ａ）に示すように、第１、第２の半導体層の屈折率nL、nH（>nL）とすれば、交互積層数がたとえば５の奇数のために、臨界角内光Qの発光半導体層の半導体交互積層体に接する層（n=3.3）と各第１、第２の半導体層との各界面での各反射波の各位相と、樹脂あるいは空気（n=1.5あるいはn=1.0）と最外側の第１の半導体層（nL）との界面での反射波の位相とが逆相となる。このとき、後述するように、樹脂あるいは空気と最外側の第１の半導体層（nL）との界面での反射波の振幅（強度）は、他の界面における反射波の振幅（強度）より大きい。この結果、上記各反射波を打消し、全体の反射波成分Q1は小さくなり、この分、透過波成分Q2は大きくなる。つまり、臨界角内光Qの光取り出し効率は向上する。
【００２０】
他方、第１の半導体層の屈折率を第２の半導体層の屈折率より高いとし、第１の半導体層が発光半導体層の光取り出し面に接触しているとき、第１、第２の半導体層の交互積層数は偶数である。たとえば、図１の（Ｂ）に示すように、第１、第２の半導体層の屈折率nL、nH（<nL）とすれば、交互積層数がたとえば４の偶数のために、臨界角内光Qの発光半導体層の半導体交互積層体に接する層（n=3.3）と各第１、第２の半導体層との各界面での各反射波の各位相と、樹脂あるいは空気（n=1.5あるいはn=1.0）と最外側の第１の半導体層（nL）との界面での反射波の位相とが逆相となる。このとき、後述するように、樹脂あるいは空気と最外側の第１の半導体層（nL）との界面での反射波の振幅（強度）は、他の界面における反射波の振幅（強度）より大きい。この結果、上記各反射波を打消し、全体の反射波成分Q1は小さくなり、この分、透過波成分Q2は大きくなる。つまり、臨界角内光Qの光取り出し効率は向上する。
【００２１】
さらにまた、本発明に係る光半導体装置の製造方法は、光発光部を形成する発光半導体層を形成する工程と、この発光半導体層の光取り出し面に、屈折率の異なる第１、第２の半導体層を交互に積層形成した半導体交互積層体を形成する工程とを具備し、発光半導体層を形成する工程と半導体交互積層体を形成する工程は、同一チャンバ内で連続して成膜するものである。
【００２２】
尚、本発明において、発光半導体層とは、光発光部となる活性層及びクラッド層を含む半導体材料からなる層である。また、発光半導体層には、バッファ層、中間層、電流拡散層などの機能層が適宜含まれてもよい。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、臨界角内光の光取り出し効率を高くできる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の原理を示す断面図である。
【図２】本発明に係る光半導体装置の第１の実施の形態を示す断面図である。
【図３】図２の光半導体装置の臨界角内光の透過率及び光取り出し効率の第１のシミュレーション値を示すグラフである。
【図４】図２の光半導体装置の半導体層の交互積層数と透過率の関係を説明するための図である。
【図５】図２の光半導体装置の臨界角内光の透過率及び光取り出し効率の第２のシミュレーション値を示すグラフである。
【図６】図２の光半導体装置の臨界角内光の透過率及び光取り出し効率の第３のシミュレーション値を示すグラフである。
【図７】本発明に係る光半導体装置の第２の実施の形態を示す断面図である。
【図８】図７の光半導体装置の臨界角内光の透過率及び光取り出し効率の第１のシミュレーション値を示すグラフである。
【図９】図７の光半導体装置の半導体層の交互積層数と透過率の関係を説明するための図である。
【図１０】図７の光半導体装置の臨界角内光の透過率及び光取り出し効率の第２のシミュレーション値を示すグラフである。
【図１１】図７の光半導体装置の臨界角内光の透過率及び光取り出し効率の第３のシミュレーション値を示すグラフである。
【図１２】図２、図７の光半導体装置の製造方法を説明するための断面図である。
【図１３】図２、図７の光半導体装置の製造方法を説明するための断面図である。
【図１４】図２、図７の光半導体装置の製造方法を説明するための断面図である。
【図１５】図２、図７の光半導体装置の製造方法を説明するための断面図である。
【図１６】図２、図７の光半導体装置の製造方法を説明するための断面図である。
【図１７】図２、図７の光半導体装置の製造方法を説明するための断面図である。
【図１８】図２、図７の光半導体装置の製造方法を説明するための断面図である。
【図１９】図２、図７の光半導体装置の製造方法を説明するための断面図である。
【図２０】図２、図７の光半導体装置の製造方法を説明するための断面図である。
【図２１】従来の光半導体装置を示す断面図である。
【図２２】図２１の臨界角内光の反射特性を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
図２は本発明に係る光半導体装置の第１の実施の形態を示す断面図である。図２においては、図２１のｎ型クラッド層１１上に半導体交互積層体１０１を形成してある。半導体交互積層体１０１は３以上の奇数の半導体層１０１１、１０１２、１０１３、…よりなり、屈折率nLの半導体層１０１１、１０１３、…及び屈折率nH（>nL）の半導体層１０１２、１０１４、…が交互に積層されている。たとえば、
nL ≦ nCLAD < nH （１）
但し、nCLADはｎ型クラッド層１１の屈折率である。（１）式を満足するために、ｎ型クラッド層１１、半導体層１０１１、１０１３、…、半導体層１０１２、１０１４、…をｎ型(AlzGa1-z)0.5In0.5Pにより構成する。この場合、Al組成すなわちzが大きくなるに従って屈折率は小さくなると共にバンドギャップは大きくなる。バンドギャップが活性層のバンドギャップ（λ=620）より大きい範囲内においてzを選択する。たとえば、発光波長λ=620nmにおいて、
nL = 3.214 (z=1.0)
nCLAD = 3.310 (z=0.7)
nH = 3.484 (z=0.3)
とすると、上述の（１）式を満足する。さらに、半導体層１０１１、１０１３、…の厚さを48.2nm（=λ/(4nL)）とし、また、半導体層１０１２、１０１４、…の厚さを44.5nm（=λ/(4nH)）とする。
【００２６】
図３の（Ａ）は（１）式を満足する場合の図２の光半導体装置の臨界角内光Qの透過光Q2の透過率を示すグラフである。図３の（Ａ）に示すように、半導体層１０１１、１０１２、１０１３、…の交互積層数が1層、3層、…、9層となるに従って、透過率は増加するが、ほぼ7層で飽和し、高入射角において低下傾向が見られる。この結果、図３の（Ｂ）に示すように、光取り出し効率も1層、3層、5層となるに従って増加するが、5層を超えると効果は減少する。但し、1層のみの場合には、透過率はわずかにしか増加せず、従って、光取り出し効率もわずかにしか増加しない（参照：特許文献４）。
【００２７】
他方、図３の（Ａ）に示すように、半導体層１０１１、１０１２、１０１３、…の交互積層数が2層、4層、…、8層の場合、透過率は半導体層１０１１、１０１２、１０１３、…が存在しない0層（従来）の場合よりも小さい。この結果、図３の（Ｂ）に示すように、光取り出し効率も2層、4層、…、8層の場合、半導体層１０１１、１０１２、１０１３、…が存在しない0層（従来）の場合よりも小さい。
【００２８】
このように、（１）式を満足する図２の光半導体装置における半導体交互積層体１０１の半導体層１０１１、１０１２、１０１３、…の交互積層数は３以上の奇数でなければならない。これについてさらに説明する。尚、半導体層１０１１、１０１２、１０１３、…の反射については、光の位相が同位相であれば強め合い、逆位相であれば打ち消すという干渉現象と共に、反射には、
低屈折率材料から高屈折率材料へ光が入射して反射した場合には、位相が180°シフトするという固定端反射と、
高屈折率材料から低屈折率材料へ光が入射して反射した場合には、位相シフトは発生しないという自由端反射と
がある。
【００２９】
図２の光半導体装置の半導体層１０１１、１０１２、１０１３、…の交互積層数が３以上の奇数のときに透過率が大きくつまり光取り出し効率が大きくなることについて図４の（Ａ）を参照して説明する。尚、図４の（Ａ）においては、交互積層数を３とする。
【００３０】
図４の（Ａ）に示すごとく、入射光（臨界角内光）Qは、ｎ型クラッド層１１（nCLAD = 3.310）と半導体層１０１１（nL = 3.210）との界面I1、半導体層１０１１（nL = 3.210）と半導体層１０１２（nH= 3.484）との界面I2、半導体層１０１２（nH = 3.484）と半導体層１０１３（nL= 3.210）との界面I3、及び半導体層１０１３（nL = 3.210）と樹脂（n=1.585）との界面I4で反射する。これらの反射光をQ1(1)、Q1(2)、Q1(3)及びQ1(4)とする。このとき、界面I1、I2、I3では屈折率差が小さいので、反射光Q1(1)、Q1(2)、Q1(3)の振幅（強度）は小さく、界面I4では屈折率差が大きいので、反射光Q1(4) の振幅（強度）は大きい。他方、反射光Q1(1)、Q1(3)、Q1(4)は位相シフトなしであり、反射光Q1(2)は180°位相シフトする。この結果、同位相の反射光Q1(1)、Q1(2)、Q1(3)の合計と逆位相の反射光Q1(4) とが互いに打ち消し合い、合成波の振幅（強度）は小さくなる。従って、反射率は小さくなり、透過率が大きくなる。尚、交互積層数が増加すると、同相の反射光の合計と、逆位相の反射光との差が小さくなり、結果として反射率がさらに小さくなり、透過率がさらに大きくなる。しかし、交互積層数がさらに増加すると、同相の反射光の合計が、逆位相の反射光より大きくなり、結果として反射率は大きくなり、透過率が小さくなる。
【００３１】
図２の光半導体装置の半導体層１０１１、１０１２、１０１３、…の交互積層数が偶数のときに透過率が小さくつまり光取り出し効率が小さくなることについて図４の（Ｂ）を参照して説明する。尚、図４の（Ｂ）においては、交互積層数を４とする。
【００３２】
図４の（Ｂ）に示すごとく、入射光（臨界角内光）Qは、ｎ型クラッド層１１（nCLAD = 3.310）と半導体層１０１１（nL = 3.210）との界面I1、半導体層１０１１（nL = 3.210）と半導体層１０１２（nH= 3.484）との界面I2、半導体層１０１２（nH = 3.484）と半導体層１０１３（nL= 3.210）との界面I3、半導体層１０１３（nL = 3.210）と半導体層１０１４（nH= 3.484）との界面I4、及び半導体層１０１４（nH = 3.484）と樹脂（n=1.585）との界面I5で反射する。これらの反射光をQ1(1)、Q1(2)、Q1(3)、Q1(4) 及びQ1(5)とする。このとき、界面I1、I2、I3、I4では屈折率差が小さいので、反射光Q1(1)、Q1(2)、Q1(3)、Q1(4)の振幅（強度）は小さく、界面I5では屈折率差が大きいので、反射光Q1(5) の振幅（強度）は大きい。他方、反射光Q1(1)、Q1(3)、Q1(5)は位相シフトなしであり、反射光Q1(2) 、Q1(4)は180°位相シフトする。この結果、同位相の反射光Q1(1)、Q1(2)、Q1(3)、Q1(4)の合計と同位相の反射光Q1(5) とが強め合い、合成波の振幅（強度）は大きくなる。従って、反射率は大きくなり、透過率が小さくなる。尚、交互積層数が増加すると、同相の反射光の合計が大きくなり、結果として反射率がさらに大きくなり、透過率がさらに小さくなる。
【００３３】
また、図２の半導体交互積層体１０１における半導体層１０１１、１０１２、１０１３、…の屈折率nL及び屈折率nH （>nL）を
nL < nH≦ nCLAD （２）
とすることもできる。（２）式を満足するために、たとえば、発光波長λ=620nmにおいて、
nL = 3.214 (z=1.0)
nH = 3.384 (z=0.5)
nCLAD = 3.484 (z=0.3)
とすると、上述の（２）式を満足する。さらに、半導体層１０１１、１０１３、…の厚さを48.2nm（=λ/(4nL)）とし、また、半導体層１０１２、１０１４、…の厚さを43.5nm（=λ/(4nH)）とする。
【００３４】
図５の（Ａ）は（２）式を満足する場合の図２の光半導体装置の臨界角内光Qの透過光Q2の透過率を示すグラフである。図５の（Ａ）に示すように、半導体層１０１１、１０１２、１０１３、…の交互積層数が1層、3層、…、9層となるに従って、透過率は増加するが、層数が多くなると高入射角において低下傾向が見られる。この結果、図５の（Ｂ）に示すように、光取り出し効率も1層、3層、5層となるに従って増加するが、5層を超えると効果は減少する。但し、1層のみの場合には、透過率はわずかにしか増加せず、従って、光取り出し効率もわずかにしか増加しない。
【００３５】
他方、図５の（Ａ）に示すように、半導体層１０１１、１０１２、１０１３、…の交互積層数が2層、4層、…、8層の場合、透過率は半導体層１０１１、１０１２、１０１３、…が存在しない0層（従来）の場合よりも小さい。この結果、図５の（Ｂ）に示すように、光取り出し効率も2層、4層、…、8層の場合、半導体層１０１１、１０１２、１０１３、…が存在しない0層（従来）の場合よりも小さい。
【００３６】
このように、（２）式を満足する図２の光半導体装置における半導体交互積層体１０１の半導体層１０１１、１０１２、１０１３、…の交互積層数は３以上の奇数でなければならない。
【００３７】
さらに、図２の半導体交互積層体１０１における半導体層１０１１、１０１２、１０１３、…の屈折率nL及び屈折率nH （>nL）を
nCLAD ≦ nL < nH （３）
とすることもできる。（３）式を満足するために、たとえば、発光波長λ=620nmにおいて、
nCLAD = 3.214 (z=1.0)
nL = 3.310 (z=0.7)
nH = 3.484 (z=0.3)
とすると、上述の（３）式を満足する。さらに、半導体層１０１１、１０１３、…の厚さを46.8nm（=λ/(4nL)）とし、また、半導体層１０１２、１０１４、…の厚さを44.5nm（=λ/(4nH)）とする。
【００３８】
図６の（Ａ）は（３）式を満足する場合の図２の光半導体装置の臨界角内光Qの透過光Q2の透過率を示すグラフである。図６の（Ａ）に示すように、半導体層１０１１、１０１２、１０１３、…の交互積層数が1層を除き、3層、…、9層となるに従って、透過率は増加するが、ほぼ9層で飽和する。この結果、図６の（Ｂ）に示すように、光取り出し効率も1層を除いて、3層、…、7層となるに従って増加するが、7層で飽和する。但し、1層のみの場合には、透過率は低下し、従って、光取り出し効率も低下する。
【００３９】
他方、図６の（Ａ）に示すように、半導体層１０１１、１０１２、１０１３、…の交互積層数が2層、4層、…、8層の場合、透過率は半導体層１０１１、１０１２、１０１３、…が存在しない0層（従来）の場合よりも小さい。この結果、図６の（Ｂ）に示すように、光取り出し効率も2層、4層、…、8層の場合、半導体層１０１１、１０１２、１０１３、…が存在しない0層（従来）の場合よりも小さい。
【００４０】
このように、（３）式を満足する図２の光半導体装置における半導体交互積層体１０１の半導体層１０１１、１０１２、１０１３、…の交互積層数は３以上の奇数でなければならない。つまり、クラッド層、活性層を含む(AlzGa1-z)0.5In0.5P（0≦z≦1）からなる発光半導体層に対し、低屈折率層がAl0.5In0.5P、高屈折率層が(Al0.3Ga0.7)0.5In0.5Pからなる半導体交互積層体を、低屈折率層を発光半導体層に隣接させて、層数を5層または7層で形成することが好ましい。Al0.5In0.5Pは(AlzGa1-z)0.5In0.5P（0≦z≦1）において屈折率が低く、(Al0.3Ga0.7)0.5In0.5Pは活性層よりバンドギャップが大きな領域で屈折率が高いため、光半導体装置の特性を損なうことなく、比較的少ない層数で高い光取り出し効率を得ることができる。
【００４１】
図７は本発明に係る光半導体装置の第２の実施の形態を示す断面図である。図７においては、図２１のｎ型クラッド層１１上に半導体交互積層体１０２を形成してある。半導体交互積層体１０２は偶数の半導体層１０２１、１０２２、１０２３、…よりなり、屈折率nHの半導体層１０２１、１０２３、…及び屈折率nL（<nH）の半導体層１０２２、１０２４、…が交互に積層されている。たとえば、上述の（１）式を満足するために、ｎ型クラッド層１１、半導体層１０２１、１０２３、…、半導体層１０２２、１０２４、…をｎ型(AlzGa1-z)0.5In0.5Pにより構成する。たとえば、発光波長λ=620nmにおいて、
nL = 3.214 (z=1.0)
nCLAD = 3.310 (z=0.7)
nH = 3.484 (z=0.3)
とすると、上述の（１）式を満足する。さらに、半導体層１０２１、１０２３、…の厚さを44.5nm（=λ/(4nH)）とし、また、半導体層１０２２、１０２４、…の厚さを48.2nm（=λ/(4nL)）とする。
【００４２】
図８の（Ａ）は（１）式を満足する場合の図７の光半導体装置の臨界角内光Qの透過光Q2の透過率を示すグラフである。図８の（Ａ）に示すように、半導体層１０２１、１０２２、１０２３、…の交互積層数が2層、4層、…、8層となるに従って、透過率は増加するが、ほぼ6層で飽和し、層数が多くなると高入射角において低下傾向が見られる。この結果、図８の（Ｂ）に示すように、光取り出し効率も2層、4層、6層となるに従って増加するが、6層を超えると効果は減少する。
【００４３】
他方、図８の（Ａ）に示すように、半導体層１０２１、１０２２、１０２３、…の交互積層数が1層、3層、…、9層の場合、透過率は半導体層１０２１、１０２２、１０２３、…が存在しない0層（従来）の場合よりも小さい。この結果、図８の（Ｂ）に示すように、光取り出し効率も1層、3層、…、9層の場合、半導体層１０２１、１０２２、１０２３、…が存在しない0層（従来）の場合よりも小さい。
【００４４】
このように、（１）式を満足する図７の光半導体装置における半導体交互積層体１０２の半導体層１０２１、１０２２、１０２３、…の交互積層数は偶数でなければならない。これについてさらに説明する。
【００４５】
図７の光半導体装置の半導体層１０２１、１０２２、１０２３、…の交互積層数が偶数のときに透過率が大きくつまり光取り出し効率が大きくなることについて図９の（Ａ）を参照して説明する。尚、図９の（Ａ）においては、交互積層数を４とする。
【００４６】
図９の（Ａ）に示すごとく、入射光（臨界角内光）Qは、ｎ型クラッド層１１（nCLAD = 3.310）と半導体層１０２１（nH = 3.484）との界面I1、半導体層１０２１（nH = 3.484）と半導体層１０２２（nL= 3.210）との界面I2、半導体層１０２２（nL = 3.210）と半導体層１０２３（nH= 3.484）との界面I3、半導体層１０２３（nH = 3.484）と半導体層１０２４（nL= 3.210）との界面I4、及び半導体層１０２４（nL = 3.210）と樹脂（n=1.585）との界面I5で反射する。これらの反射光をQ1(1)、Q1(2)、Q1(3)、Q1(4)及びQ1(5)とする。このとき、界面I1、I2、I3、I4では屈折率差が小さいので、反射光Q1(1)、Q1(2)、Q1(3)、Q1(4)の振幅（強度）は小さく、界面I5では屈折率差が大きいので、反射光Q1(5) の振幅（強度）は大きい。他方、反射光Q1(2)、Q1(4)、Q1(5)は位相シフトなしであり、反射光Q1(1)、Q1(3)は180°位相シフトする。この結果、同位相の反射光Q1(1)、Q1(2)、Q1(3)、Q1(4)の合計と逆位相の反射光Q1(5) とが互いに打ち消し合い、合成波の振幅（強度）は小さくなる。従って、反射率は小さくなり、透過率が大きくなる。尚、交互積層数が増加すると、同相の反射光の合計と、逆位相の反射光との差が小さくなり、結果として反射率がさらに小さくなり、透過率がさらに大きくなる。
【００４７】
図７の光半導体装置の半導体層１０２１、１０２２、１０２３、…の交互積層数が奇数のときに透過率が小さくつまり光取り出し効率が小さくなることについて図９の（Ｂ）を参照して説明する。尚、図９の（Ｂ）においては、交互積層数を３とする。
【００４８】
図９の（Ｂ）に示すごとく、入射光（臨界角内光）Qは、ｎ型クラッド層１１（nCLAD = 3.310）と半導体層１０２１（nH = 3.484）との界面I1、半導体層１０２１（nH = 3.484）と半導体層１０２２（nL= 3.210）との界面I2、半導体層１０２２（nL = 3.210）と半導体層１０２３（nH= 3.484）との界面I3、半導体層１０２３（nH = 3.484）と樹脂（n=1.585）との界面I4で反射する。これらの反射光をQ1(1)、Q1(2)、Q1(3)及びQ1(4)とする。このとき、界面I1、I2、I3では屈折率差が小さいので、反射光Q1(1)、Q1(2)、Q1(3)の振幅（強度）は小さく、界面I4では屈折率差が大きいので、反射光Q1(4) の振幅（強度）は大きい。他方、反射光Q1(2)、Q1(4)は位相シフトなしであり、反射光Q1(1)、Q1(3)は180°位相シフトする。この結果、同位相の反射光Q1(1)、Q1(2)、Q1(3)の合計と同位相の反射光Q1(4) とが強め合い、合成波の振幅（強度）は大きくなる。従って、反射率は大きくなり、透過率が小さくなる。尚、交互積層数が増加すると、同相の反射光の合計が大きくなり、結果として反射率がさらに大きくなり、透過率がさらに小さくなる。
【００４９】
また、図７の半導体交互積層体１０２における半導体層１０２１、１０２２、１０２３、…の屈折率nH及び屈折率nL （<nH）を上述の（２）式を満足するために、たとえば、発光波長λ=620nmにおいて、
nL = 3.214 (z=1.0)
nH = 3.384 (z=0.5)
nCLAD = 3.484 (z=0.3)
とする。さらに、半導体層１０２１、１０２３、…の厚さを43.5nm（=λ/(4nH)）とし、また、半導体層１０２２、１０２４、…の厚さを48.2nm（=λ/(4nL)）とする。
【００５０】
図１０の（Ａ）は（２）式を満足する場合の図７の光半導体装置の臨界角内光Qの透過光Q2の透過率を示すグラフである。図１０の（Ａ）に示すように、半導体層１０２１、１０２２、１０２３、…の交互積層数が2層、4層、…、8層となるに従って、透過率は増加するが、層数が多くなると高入射角において低下傾向が見られる。この結果、図１０の（Ｂ）に示すように、光取り出し効率も2層、4層、…、8層となるに従って増加するが、8層で飽和傾向が見られる。但し、1層のみの場合には、透過率はわずかに増加し、従って、光取り出し効率もわずかに増加する。
【００５１】
他方、図１０の（Ａ）に示すように、半導体層１０２１、１０２２、１０２３、…の交互積層数が3層、5層、…、9層の場合、透過率は半導体層１０２１、１０２２、１０２３、…が存在しない0層（従来）の場合よりも小さい。この結果、図１０の（Ｂ）に示すように、光取り出し効率も3層、5層、…、9層の場合、半導体層１０２１、１０２２、１０２３、…が存在しない0層（従来）の場合よりも小さい。
【００５２】
このように、（２）式を満足する図７の光半導体装置における半導体交互積層体１０２の半導体層１０２１、１０２２、１０２３、…の交互積層数は偶数でなければならない。
【００５３】
さらに、図７の半導体交互積層体１０２における半導体層１０２１、１０２２、１０２３、…の屈折率nH及び屈折率nL （<nH）を上述の（３）式を満足するために、たとえば、発光波長λ=620nmにおいて、
nCLAD = 3.214 (z=1.0)
nL = 3.310 (z=0.7)
nH = 3.484 (z=0.3)
とする。さらに、半導体層１０２１、１０２３、…の厚さを44.5nm（=λ/(4nH)）とし、また、半導体層１０２２、１０２４、…の厚さを46.8nm（=λ/(4nL)）とする。
【００５４】
図１１の（Ａ）は（３）式を満足する場合の図７の光半導体装置の臨界角内光Qの透過光Q2の透過率を示すグラフである。図１１の（Ａ）に示すように、半導体層１０２１、１０２２、１０２３、…の交互積層数が、2層、4層、…、8層となるに従って、透過率は増加するが、ほぼ8層で飽和する。この結果、図１１の（Ｂ）に示すように、光取り出し効率も、2層、4層、6層となるに従って増加するが、6層で飽和する。
【００５５】
他方、図１１の（Ａ）に示すように、半導体層１０２１、１０２２、１０２３、…の交互積層数が1層、3層、…、9層の場合、透過率は半導体層１０２１、１０２２、１０２３、…が存在しない0層（従来）の場合よりも小さい。この結果、図１１の（Ｂ）に示すように、光取り出し効率も1層、3層、…、9層の場合、半導体層１０２１、１０２２、１０２３、…が存在しない0層（従来）の場合よりも小さい。
【００５６】
このように、（３）式を満足する図７の光半導体装置における半導体交互積層体１０２の半導体層１０２１、１０２２、１０２３、…の交互積層数は偶数でなければならない。つまり、クラッド層、活性層を含む(AlzGa1-z)0.5In0.5P（0≦z≦1）からなる発光半導体層に対し、低屈折率層がAl0.5In0.5P、高屈折率層が(Al0.3Ga0.7)0.5In0.5Pからなる半導体交互積層体を、低屈折率層を発光半導体層に隣接させて、層数を5層または7層で形成することが好ましい。Al0.5In0.5Pは(AlzGa1-z)0.5In0.5P（0≦z≦1）において屈折率が低く、(Al0.3Ga0.7)0.5In0.5Pは活性層よりバンドギャップが大きな領域で屈折率が高いため、光半導体装置の特性を損なうことなく、比較的少ない層数で高い光取り出し効率を得ることができる。
【００５７】
次に、図２、図７の光半導体装置及びその製造方法を図１２〜図１５を参照して説明する。
【００５８】
始めに、図１２を参照すると、たとえば15°オフ角の厚さ300μmのｎ型GaAs成長基板１０の（１００）面上に、半導体交互積層体１０１（もしくは１０２）をMOCVD法によりエピタキシャル成長させる。半導体交互積層体１０１であれば、たとえば厚さ48.2nmのｎ型Al0.5In0.5P（nL=3.214）及び厚さ44.5nmのｎ型(Al0.3Ga0.7)0.5In0.5P（nH=3.484）（前者を第1層）よりなる３以上の交互奇数層を形成し、また、半導体交互積層体１０２であれば、たとえば厚さ48.2nmのｎ型Al0.5In0.5P（nL=3.214）及び厚さ44.5nmのｎ型(Al0.3Ga0.7)0.5In0.5P（nH=3.484）（後者を第1層）よりなる交互偶数層を形成する。厚さ3.0μmのｎ型(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5Pクラッド層１１、厚さ0.5μmの活性層１２及び厚さ1.0μmのｐ型(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5Pクラッド層１３をMOCVD法により順次エピタキシャル成長させる。活性層１２は多重量子井戸構造（MQW）、単一量子井戸構造（SQW）あるいは単層でもよい。この場合、ｎ型クラッド層１１、活性層１２及びｐ型クラッド層１３はGaAs成長基板と格子整合する。多重量子井戸構造としては、(AlzGa1-z)0.5In0.5Pの組成をz=0.10、厚さ20nmの井戸層、z=0.56、厚さ10nmのバリア層とし、15ペアの井戸層、バリア層で構成する。尚、活性層１２のAl組成zは発光波長に合せて0≦z≦0.4の範囲で調整され、また、ｎ型クラッド層１１、ｐ型クラッド層１３のAl組成zは0.4≦z≦1.0の範囲で調整される。次いで、厚さ10μmのGa1-xInxP電流拡散層１４（x=0.1）をMOCVD法によりエピタキシャル成長させる。この場合、Ga1-xInxP電流拡散層１４の組成比xは発光層の光を吸収しないことを条件に定められる。このように、半導体交互積層体１０１（１０２）、ｎ型クラッド層１１、活性層１２、P型クラッド層１３及び電流拡散層１４は同一のチャンバ内で連続して成膜することができる。つまり、本発明における半導体交互積層体は半導体層から構成されることにより、クラッド層、活性層を含む発光半導体層の成膜と連続して成膜することができるため、本発明の光半導体装置は、一般的な反射防止膜を有する光半導体装置と比較して容易に製造することができる。
【００５９】
GaAs成長基板１０のオフ角は、GaAs成長基板の（１００）面がどの程度傾いているかを示す角度であり、AlGaInPを成長する場合、製造容易性や安定性の観点から一般的に0〜15°のオフ角の基板が用いられている。本発明は、上記オフ角に限定されることなく、0〜25°のオフ角のGaAs成長基板１０を好適に用いることができる。
【００６０】
次に、図１３を参照すると、Ga1-xInxP電流拡散層１４上にプラズマCVD法、熱CVD法あるいはスパッタリング法で成膜してフォトリソグラフィ／バッファード弗酸（BHF）によるエッチング法あるいはドライエッチング法により厚さ90nmの酸化シリコン（SiO2）層１５を形成する。さらに、Ga1-xInxP電流拡散層１４及び酸化シリコン層１５上に抵抗加熱蒸着法、電子ビーム（EB）蒸着法あるいはスパッタリング法により厚さ300nmのAuZnよりなる反射電極層１６を形成する。この場合、酸化シリコン層１５がパターン化されるのはGa1-xInxP電流拡散層１４とAuZn反射電極層１６とのオーミック接合をとるためである。酸化シリコン層１５及び反射電極層１６が一体となって反射層として機能する。尚、酸化シリコン層１５は他の透明な誘電体材料層たとえばAl2O3の層でもよく、また、反射電極層１６は他の高反射性金属で形成してもよい。
【００６１】
次に、図１４を参照すると、バリア層１７及び接着層３１を抵抗加熱蒸着法、電子ビーム（EB）蒸着法、スパッタリング法等によって形成する。
【００６２】
バリア層１７はTa、Ti、W等の高融点金属もしくはこれらの窒化物、たとえば厚さ100nmのTaN、TiW、TaNを順次積層する。ここで、バリア層１７が機能しないと、後工程の熱影響のために順方向電圧Vfの上昇等の電気特性の劣化及び反射ミラー（１５，１６）の反射率の低下を招き、この結果、光半導体装置の輝度も低下する。
【００６３】
次いで、約500℃の窒素雰囲気下でアニール処理を行い、これにより、酸化シリコン層１５の開口部において、Ga1-xInxP電流拡散層１４と反射電極層１６との間に良好なオーミック接合が形成される。
【００６４】
他方、図１５を参照すると、抵抗加熱蒸着法、電子ビーム蒸着法、スパッタリング法等より、導電性支持基板２１の一面に裏面電極層２２を形成し、導電性支持基板２１の他面に、中間電極層２３、密着層２４、接着層３２及び共晶接合層３３を形成する。
【００６５】
導電性支持基板２１は導電性かつ熱伝導性のたとえばSi、Al、Cu等よりなる。
【００６６】
裏面電極層２２及び中間電極層２３は導電性支持基板２１のSi、Al、Cu等への厚さ100〜300nmたとえば200nmのオーミック金属層であり、後述の熱圧着工程により導電性支持基板２１への密着性が向上する。尚、オーミック金属層はPt、Au、Ni、Ti等であり、Si等との良好なオーミック接合のために窒素雰囲気下での合金化処理を適宜行う。
【００６７】
密着層２４は中間電極層２３と接着層３２との密着信頼性を高めるためのものであり、厚さ100〜300nmたとえば150nmのTiよりなる。
【００６８】
接着層３２は後述の接合層３を形成する熱圧着工程における共晶接合層３３との漏れ性を良くするためのものであり、厚さ50〜150nmたとえば100nmのNi、NiV、Pt等よりなる。
【００６９】
共晶接合層３３は厚さ300〜3000nmのAuSnたとえば厚さ600nmのAu:Sn=80wt%:20wt%（=70at%:30at%）により構成される。この場合、AuSnを主成分として適当な添加物を加えてもよい。
【００７０】
次に、図１６を参照すると、半導体積層体１側に形成された接着層３１と支持体２側に形成された接着層３２及び共晶接合層３３とを熱圧着して接合する。これにより、図１７に示すように、図２、図７の半導体積層体１と支持体２との間には、NiAu接着層３１、３２及びAuSn共晶接合層３３等により新たにAuSnNiよりなる接合層３が新たに形成されることになる。この場合、熱圧着工程は、窒素雰囲気下の接合圧力約1MPaを接合温度330℃を10分間保持することにより行われる。尚、接合材料、接合時の雰囲気、接合温度及び接合時間は使用する共晶材料が溶融し、その特性に変化（例えば、酸化等による接合強度の劣化）を及ぼすことがなく、半導体積層体１と支持体２とが接合されるのに十分な材料、雰囲気、接合温度及び接合時間であればよく、上記の材料、雰囲気、接合温度及び接合時間に限定するものではない。
【００７１】
次に、図１８を参照すると、GaAs成長基板１０をアンモニア、過酸化水素よりなるエッチャントを用いたウェットエッチング法により除去する。尚、ウェットエッチング法の代りに、ドライエッチング法、機械研磨法、化学機械研磨（CMP）法、あるいはこれらの組合せを用いてもよい。
【００７２】
次に、図１９を参照すると、抵抗加熱蒸着法、電子ビーム（EB）蒸着法、スパッタリング法等及びリフトオフ法を用いることにより、ｎ型AlGaInPクラッド層１１上にAlGaInPとオーミック接合するAuGeNiよりなるｎ側電極４を形成し、次いで、Auよりなるボンディングパッド５を形成する。AuGeNiの代りに、AuGe、AuSn、AuSnNi等を用いてもよい。次いで、窒素雰囲気下で約400℃のアニールにより良好なオーミック接合の合金化を行う。
【００７３】
次に、図２０を参照すると、メサエッチング法により半導体層１０１（１０２）、１１〜１４をチップ毎に分離する。
【００７４】
最後に、図示しないが、半導体層１０１（１０２）、１１〜１４及び支持体２をダイシングしてチップ毎に切断し、必要に応じて樹脂モールドする。
【００７５】
尚、上述の実施の形態においては、光半導体装置の半導体層１０１（１０２）、１１〜１４全体を樹脂モールドしているが、本発明は樹脂モールドしない場合にも同様に適用し得る。
【００７６】
また、本発明の半導体交互積層体にはAlGaInP系材料以外にAlGaAs系の他の半導体材料にも適用し得る。この場合、AlGaAsはGaAs基板及びAlGaInP層と格子整合してエピタキシャル成長できるが、Al組成が小さいと発光波長に対して吸収を有するので、ある程度高いAl組成を必要とする。AlGaAs系同士もしくはAlGaInPとの組合せでもよい。
【００７７】
さらに、本発明において、成長基板上にクラッド層、活性層を含む発光半導体層を成長した後に、連続して同一チャンバ内で半導体交互積層体を成膜して光半導体装置を構成することもできる。
【符号の説明】
【００７８】
１：半導体積層体
２：支持体
３：接合層
４：ｎ側電極
５：ボンディングパッド
１０：GaAs成長基板
１１：ｎ型クラッド層
１２：活性層
１３：ｐ型クラッド層
１４：電流拡散層
１５：SiO2層
１６：反射電極層（ｐ側電極）
１７：バリア層
２１：導電性支持基板
２２：中間電極層
２３：裏面電極層
２４：密着層
３１，３２：接着層
３３：共晶接合層
１０１、１０２：半導体交互積層体
１０１１、１０１３、…、１０２２、１０２４、…：低屈折率nLの半導体層
１０１２、１０１４、…、１０２１、１０２３、…：高屈折率nHの半導体層
【技術分野】
【０００１】
本発明は発光ダイオード（LED）等の光半導体装置及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の光半導体装置として、GaAs成長基板上にGaAsと格子整合するAlGaInP発光層及びその上にGaAsと格子不整合のGaInP電流拡散層をエピタキシャル成長させ、さらにその上に反射ミラーを化学的気相成長（CVD）法、スパッタリング法等によって形成した半導体積層体を得、次いで、この半導体積層体に支持基板を貼り合わせ、最後に、発光波長の可視光を吸収するGaAs成長基板を除去するものがある（参照：特許文献１、２）。このように、可視光吸収のGaAs成長基板の除去と共に、発光層から反射ミラーへ放射された光は反射ミラーで正反射されて光取り出し面に向かい、その光の一部が光取り出し面から取り出されるので、光の取り出し効率が向上する。
【０００３】
上述の反射ミラーとして臨界角外の入射光の反射率が100％に近い酸化シリコン（SiO2）層と金属層とを組合せたものがある（参照：特許文献３）。この従来の光半導体装置を図２１を参照して詳述する。
【０００４】
図２１の光半導体装置は、半導体積層体１、支持体２、半導体積層体１と支持体２とを接合する接合層３、ｎ側電極４及びボンディングパッド５よりなる。
【０００５】
半導体積層体１は、GaAs成長基板（図示せず）上に有機金属化学気相成長（MOCVD）法によりエピタキシャル成長させたｎ型AlGaInPクラッド層１１、AlGaInP活性層１２、ｐ型AlGaInPクラッド層１３及びGaInP電流拡散層１４を有する。この場合、ｎ型AlGaInPクラッド層１１、AlGaInP活性層１２及びｐ型AlGaInPクラッド層１３はダブルヘテロ構造の発光部を形成する。また、ｎ型AlGaInPクラッド層１１、AlGaInP活性層１２及びｐ型AlGaInPクラッド層１３はGaAsと格子整合し、(AlzGa1-z)1-xInxP（0≦z≦1、0≦x≦1）で表され、他方、GaInP電流拡散層１４はGaAsと格子整合せず、Ga1-xInxP（0≦x≦1）で表される。
【０００６】
また、半導体積層体１は、GaInP電流拡散層１４下にCVD法等により形成されパターン化された酸化シリコン（SiO2）層１５及びその下にスパッタリング法等により形成されたAuZn反射電極層（ｐ側電極）１６を有する。この場合、酸化シリコン層１５及び反射電極層１６は一体となって反射ミラーとして作用する。尚、通常、ｐ型AlGaInPクラッド層１３の抵抗率はｎ型AlGaInPクラッド層１１の抵抗率より大きいために、ｎ側電極４と反射電極層（ｐ側電極）１６との間の電流密度は周辺部より中心部が大きくなる。このような電流集中を分散してｐ型AlGaInPクラッド層１３の抵抗率を実質的に低下させて発光効率を向上させるためにGaInP電流拡散層１４が設けられている。
【０００７】
さらに、半導体積層体１は、反射電極層１６のAuZnのZnの外方拡散を防止すると同時に、後工程での共晶材料が反射電極層１６へ侵入拡散するのを防止するバリア層１７を有する。バリア層１７はスパッタリング法等により形成されたTa、Ti、W等の高融点金属もしくはその窒化物よりなる。
【０００８】
このように、半導体積層体１は、エピタキシャル成長の半導体層１１〜１４以外に、酸化シリコン層１５、反射電極層１６及びバリア層１７を有する。
【０００９】
支持体２は、たとえば高濃度のボロンドープドシリコンよりなる導電性支持基板２１、導電性支持基板２１の一方の面に設けられた裏面電極層２２、導電性支持基板２１の他方の面に設けられた中間電極層２３、及び密着信頼性を高める密着層２４を有する。
【００１０】
接合層３は半導体積層体１及び支持体２を接合させるためのものであり、たとえば、AuSnNiよりなる。接合層３については、後述する。
【００１１】
半導体層１１〜１４の周囲はメサエッチングされ、半導体層１１〜１４の全体が樹脂モールド（図示せず）されている。
【００１２】
ｎ側電極４はｎ型AlGaInPクラッド層１１とのオーミック接合のためにたとえばAuGeNiよりなり、また、ボンディングパッド５はたとえばAuよりなる。ｎ側電極４は電流を拡散するために周辺部に位置し、他方、ボンディングパッド５は電流を中央部から供給するために中央部かつｎ側電極４の一部の上部に位置してｎ側電極４に電気的に接続されている。
【００１３】
図２１の光半導体装置においては、発光層（１１，１２，１３）より上方もしくは下方へ放射され光取り出し面（上面）において臨界角外で放射される臨界角外光Pは光取り出し面（上面）及び反射ミラー特に反射率100％の酸化シリコン層１５の反射面において光取り出し面（上面）及び反射面で多重反射を繰返して横方向つまり半導体積層体１内部の半導体層を伝播し続けて最終的に半導体積層体１の半導体層に吸収されて光取り出し面（上面）より取り出すことができない。
【００１４】
他方、図２１の光半導体装置においては、発光層（１１，１２，１３）から光取り出し面（上面）へ直接放射もしくは反射ミラー（酸化シリコン層１５、反射電極層１６）から正反射される臨界角内光Qはフレネル反射成分Q1を除き成分Q2が光取り出し面から取り出される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１５】
【特許文献１】特開２００６−８６２０８号公報
【特許文献２】特開２００８−９８３３６号公報
【特許文献３】特開２０００−３４９３４９号公報
【特許文献４】特開２００２−５０７９３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
しかしながら、図２２に示すように、たとえば、光半導体装置の光取り出し面がエポキシ樹脂（n=1.5）で包まれていれば、AlGaInPの屈折率nが3.3であるので、臨界角内光Qの光取り出し面での反射率は、垂直入射の場合、14％程度となり、臨界角内光Qの光取り出し効率は4.5％程度と低い。また、光半導体装置の光取り出し面が空気（n=1.0）であれば、臨界角内光Qの光取り出し面での反射率は、垂直入射の場合、29％程度となり、臨界角内光Qの光取り出し効率は2.0％程度とさらに低い。このように、臨界角内光Qの光取り出し効率はAlGaInPの屈折率と樹脂（もしくは空気）の屈折率との差によるフレネル係数によって制限されるので、低いという課題があった。尚、光取り出し効率は透過光Q2の透過率を立体角毎に算出し、これらを積分することによって得られる。
【００１７】
尚、光取り出し効率を高めるために、AlGaInPクラッド層の外側に接してより低屈折率の透過性半導体層を形成する光半導体装置がある（参照：特許文献４）。この場合、さらに、外側になるに従って屈折率を低くして臨界角外光の全反射を抑えることによって光取り出し効率を高めている。しかしながら、この光半導体装置においては、後述するように、臨界角内光の光取り出し効率の向上はわずかである（参照：図３、図５の１層構造）。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
上述の課題を解決するために、本発明に係る光半導体装置は、光発光部を形成する発光半導体層と、この発光半導体層の光取り出し面に、屈折率の異なる第１、第２の半導体層を交互に積層形成した半導体交互積層体とを具備するものである。この半導体交互積層体は反射防止作用をする。この場合、各第１、第２の半導体層の厚さが
λ/(4n)
但し、λは発光半導体層の発光波長、
nは発光波長での各第１、第２の半導体層の屈折率
である。
【００１９】
さらに、第１の半導体層の屈折率を第２の半導体層の屈折率より低いとし、第１の半導体層が発光半導体層の光取り出し面に接触しているとき、第１、第２の半導体層の交互積層数は３以上の奇数である。たとえば、図１の（Ａ）に示すように、第１、第２の半導体層の屈折率nL、nH（>nL）とすれば、交互積層数がたとえば５の奇数のために、臨界角内光Qの発光半導体層の半導体交互積層体に接する層（n=3.3）と各第１、第２の半導体層との各界面での各反射波の各位相と、樹脂あるいは空気（n=1.5あるいはn=1.0）と最外側の第１の半導体層（nL）との界面での反射波の位相とが逆相となる。このとき、後述するように、樹脂あるいは空気と最外側の第１の半導体層（nL）との界面での反射波の振幅（強度）は、他の界面における反射波の振幅（強度）より大きい。この結果、上記各反射波を打消し、全体の反射波成分Q1は小さくなり、この分、透過波成分Q2は大きくなる。つまり、臨界角内光Qの光取り出し効率は向上する。
【００２０】
他方、第１の半導体層の屈折率を第２の半導体層の屈折率より高いとし、第１の半導体層が発光半導体層の光取り出し面に接触しているとき、第１、第２の半導体層の交互積層数は偶数である。たとえば、図１の（Ｂ）に示すように、第１、第２の半導体層の屈折率nL、nH（<nL）とすれば、交互積層数がたとえば４の偶数のために、臨界角内光Qの発光半導体層の半導体交互積層体に接する層（n=3.3）と各第１、第２の半導体層との各界面での各反射波の各位相と、樹脂あるいは空気（n=1.5あるいはn=1.0）と最外側の第１の半導体層（nL）との界面での反射波の位相とが逆相となる。このとき、後述するように、樹脂あるいは空気と最外側の第１の半導体層（nL）との界面での反射波の振幅（強度）は、他の界面における反射波の振幅（強度）より大きい。この結果、上記各反射波を打消し、全体の反射波成分Q1は小さくなり、この分、透過波成分Q2は大きくなる。つまり、臨界角内光Qの光取り出し効率は向上する。
【００２１】
さらにまた、本発明に係る光半導体装置の製造方法は、光発光部を形成する発光半導体層を形成する工程と、この発光半導体層の光取り出し面に、屈折率の異なる第１、第２の半導体層を交互に積層形成した半導体交互積層体を形成する工程とを具備し、発光半導体層を形成する工程と半導体交互積層体を形成する工程は、同一チャンバ内で連続して成膜するものである。
【００２２】
尚、本発明において、発光半導体層とは、光発光部となる活性層及びクラッド層を含む半導体材料からなる層である。また、発光半導体層には、バッファ層、中間層、電流拡散層などの機能層が適宜含まれてもよい。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、臨界角内光の光取り出し効率を高くできる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の原理を示す断面図である。
【図２】本発明に係る光半導体装置の第１の実施の形態を示す断面図である。
【図３】図２の光半導体装置の臨界角内光の透過率及び光取り出し効率の第１のシミュレーション値を示すグラフである。
【図４】図２の光半導体装置の半導体層の交互積層数と透過率の関係を説明するための図である。
【図５】図２の光半導体装置の臨界角内光の透過率及び光取り出し効率の第２のシミュレーション値を示すグラフである。
【図６】図２の光半導体装置の臨界角内光の透過率及び光取り出し効率の第３のシミュレーション値を示すグラフである。
【図７】本発明に係る光半導体装置の第２の実施の形態を示す断面図である。
【図８】図７の光半導体装置の臨界角内光の透過率及び光取り出し効率の第１のシミュレーション値を示すグラフである。
【図９】図７の光半導体装置の半導体層の交互積層数と透過率の関係を説明するための図である。
【図１０】図７の光半導体装置の臨界角内光の透過率及び光取り出し効率の第２のシミュレーション値を示すグラフである。
【図１１】図７の光半導体装置の臨界角内光の透過率及び光取り出し効率の第３のシミュレーション値を示すグラフである。
【図１２】図２、図７の光半導体装置の製造方法を説明するための断面図である。
【図１３】図２、図７の光半導体装置の製造方法を説明するための断面図である。
【図１４】図２、図７の光半導体装置の製造方法を説明するための断面図である。
【図１５】図２、図７の光半導体装置の製造方法を説明するための断面図である。
【図１６】図２、図７の光半導体装置の製造方法を説明するための断面図である。
【図１７】図２、図７の光半導体装置の製造方法を説明するための断面図である。
【図１８】図２、図７の光半導体装置の製造方法を説明するための断面図である。
【図１９】図２、図７の光半導体装置の製造方法を説明するための断面図である。
【図２０】図２、図７の光半導体装置の製造方法を説明するための断面図である。
【図２１】従来の光半導体装置を示す断面図である。
【図２２】図２１の臨界角内光の反射特性を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
図２は本発明に係る光半導体装置の第１の実施の形態を示す断面図である。図２においては、図２１のｎ型クラッド層１１上に半導体交互積層体１０１を形成してある。半導体交互積層体１０１は３以上の奇数の半導体層１０１１、１０１２、１０１３、…よりなり、屈折率nLの半導体層１０１１、１０１３、…及び屈折率nH（>nL）の半導体層１０１２、１０１４、…が交互に積層されている。たとえば、
nL ≦ nCLAD < nH （１）
但し、nCLADはｎ型クラッド層１１の屈折率である。（１）式を満足するために、ｎ型クラッド層１１、半導体層１０１１、１０１３、…、半導体層１０１２、１０１４、…をｎ型(AlzGa1-z)0.5In0.5Pにより構成する。この場合、Al組成すなわちzが大きくなるに従って屈折率は小さくなると共にバンドギャップは大きくなる。バンドギャップが活性層のバンドギャップ（λ=620）より大きい範囲内においてzを選択する。たとえば、発光波長λ=620nmにおいて、
nL = 3.214 (z=1.0)
nCLAD = 3.310 (z=0.7)
nH = 3.484 (z=0.3)
とすると、上述の（１）式を満足する。さらに、半導体層１０１１、１０１３、…の厚さを48.2nm（=λ/(4nL)）とし、また、半導体層１０１２、１０１４、…の厚さを44.5nm（=λ/(4nH)）とする。
【００２６】
図３の（Ａ）は（１）式を満足する場合の図２の光半導体装置の臨界角内光Qの透過光Q2の透過率を示すグラフである。図３の（Ａ）に示すように、半導体層１０１１、１０１２、１０１３、…の交互積層数が1層、3層、…、9層となるに従って、透過率は増加するが、ほぼ7層で飽和し、高入射角において低下傾向が見られる。この結果、図３の（Ｂ）に示すように、光取り出し効率も1層、3層、5層となるに従って増加するが、5層を超えると効果は減少する。但し、1層のみの場合には、透過率はわずかにしか増加せず、従って、光取り出し効率もわずかにしか増加しない（参照：特許文献４）。
【００２７】
他方、図３の（Ａ）に示すように、半導体層１０１１、１０１２、１０１３、…の交互積層数が2層、4層、…、8層の場合、透過率は半導体層１０１１、１０１２、１０１３、…が存在しない0層（従来）の場合よりも小さい。この結果、図３の（Ｂ）に示すように、光取り出し効率も2層、4層、…、8層の場合、半導体層１０１１、１０１２、１０１３、…が存在しない0層（従来）の場合よりも小さい。
【００２８】
このように、（１）式を満足する図２の光半導体装置における半導体交互積層体１０１の半導体層１０１１、１０１２、１０１３、…の交互積層数は３以上の奇数でなければならない。これについてさらに説明する。尚、半導体層１０１１、１０１２、１０１３、…の反射については、光の位相が同位相であれば強め合い、逆位相であれば打ち消すという干渉現象と共に、反射には、
低屈折率材料から高屈折率材料へ光が入射して反射した場合には、位相が180°シフトするという固定端反射と、
高屈折率材料から低屈折率材料へ光が入射して反射した場合には、位相シフトは発生しないという自由端反射と
がある。
【００２９】
図２の光半導体装置の半導体層１０１１、１０１２、１０１３、…の交互積層数が３以上の奇数のときに透過率が大きくつまり光取り出し効率が大きくなることについて図４の（Ａ）を参照して説明する。尚、図４の（Ａ）においては、交互積層数を３とする。
【００３０】
図４の（Ａ）に示すごとく、入射光（臨界角内光）Qは、ｎ型クラッド層１１（nCLAD = 3.310）と半導体層１０１１（nL = 3.210）との界面I1、半導体層１０１１（nL = 3.210）と半導体層１０１２（nH= 3.484）との界面I2、半導体層１０１２（nH = 3.484）と半導体層１０１３（nL= 3.210）との界面I3、及び半導体層１０１３（nL = 3.210）と樹脂（n=1.585）との界面I4で反射する。これらの反射光をQ1(1)、Q1(2)、Q1(3)及びQ1(4)とする。このとき、界面I1、I2、I3では屈折率差が小さいので、反射光Q1(1)、Q1(2)、Q1(3)の振幅（強度）は小さく、界面I4では屈折率差が大きいので、反射光Q1(4) の振幅（強度）は大きい。他方、反射光Q1(1)、Q1(3)、Q1(4)は位相シフトなしであり、反射光Q1(2)は180°位相シフトする。この結果、同位相の反射光Q1(1)、Q1(2)、Q1(3)の合計と逆位相の反射光Q1(4) とが互いに打ち消し合い、合成波の振幅（強度）は小さくなる。従って、反射率は小さくなり、透過率が大きくなる。尚、交互積層数が増加すると、同相の反射光の合計と、逆位相の反射光との差が小さくなり、結果として反射率がさらに小さくなり、透過率がさらに大きくなる。しかし、交互積層数がさらに増加すると、同相の反射光の合計が、逆位相の反射光より大きくなり、結果として反射率は大きくなり、透過率が小さくなる。
【００３１】
図２の光半導体装置の半導体層１０１１、１０１２、１０１３、…の交互積層数が偶数のときに透過率が小さくつまり光取り出し効率が小さくなることについて図４の（Ｂ）を参照して説明する。尚、図４の（Ｂ）においては、交互積層数を４とする。
【００３２】
図４の（Ｂ）に示すごとく、入射光（臨界角内光）Qは、ｎ型クラッド層１１（nCLAD = 3.310）と半導体層１０１１（nL = 3.210）との界面I1、半導体層１０１１（nL = 3.210）と半導体層１０１２（nH= 3.484）との界面I2、半導体層１０１２（nH = 3.484）と半導体層１０１３（nL= 3.210）との界面I3、半導体層１０１３（nL = 3.210）と半導体層１０１４（nH= 3.484）との界面I4、及び半導体層１０１４（nH = 3.484）と樹脂（n=1.585）との界面I5で反射する。これらの反射光をQ1(1)、Q1(2)、Q1(3)、Q1(4) 及びQ1(5)とする。このとき、界面I1、I2、I3、I4では屈折率差が小さいので、反射光Q1(1)、Q1(2)、Q1(3)、Q1(4)の振幅（強度）は小さく、界面I5では屈折率差が大きいので、反射光Q1(5) の振幅（強度）は大きい。他方、反射光Q1(1)、Q1(3)、Q1(5)は位相シフトなしであり、反射光Q1(2) 、Q1(4)は180°位相シフトする。この結果、同位相の反射光Q1(1)、Q1(2)、Q1(3)、Q1(4)の合計と同位相の反射光Q1(5) とが強め合い、合成波の振幅（強度）は大きくなる。従って、反射率は大きくなり、透過率が小さくなる。尚、交互積層数が増加すると、同相の反射光の合計が大きくなり、結果として反射率がさらに大きくなり、透過率がさらに小さくなる。
【００３３】
また、図２の半導体交互積層体１０１における半導体層１０１１、１０１２、１０１３、…の屈折率nL及び屈折率nH （>nL）を
nL < nH≦ nCLAD （２）
とすることもできる。（２）式を満足するために、たとえば、発光波長λ=620nmにおいて、
nL = 3.214 (z=1.0)
nH = 3.384 (z=0.5)
nCLAD = 3.484 (z=0.3)
とすると、上述の（２）式を満足する。さらに、半導体層１０１１、１０１３、…の厚さを48.2nm（=λ/(4nL)）とし、また、半導体層１０１２、１０１４、…の厚さを43.5nm（=λ/(4nH)）とする。
【００３４】
図５の（Ａ）は（２）式を満足する場合の図２の光半導体装置の臨界角内光Qの透過光Q2の透過率を示すグラフである。図５の（Ａ）に示すように、半導体層１０１１、１０１２、１０１３、…の交互積層数が1層、3層、…、9層となるに従って、透過率は増加するが、層数が多くなると高入射角において低下傾向が見られる。この結果、図５の（Ｂ）に示すように、光取り出し効率も1層、3層、5層となるに従って増加するが、5層を超えると効果は減少する。但し、1層のみの場合には、透過率はわずかにしか増加せず、従って、光取り出し効率もわずかにしか増加しない。
【００３５】
他方、図５の（Ａ）に示すように、半導体層１０１１、１０１２、１０１３、…の交互積層数が2層、4層、…、8層の場合、透過率は半導体層１０１１、１０１２、１０１３、…が存在しない0層（従来）の場合よりも小さい。この結果、図５の（Ｂ）に示すように、光取り出し効率も2層、4層、…、8層の場合、半導体層１０１１、１０１２、１０１３、…が存在しない0層（従来）の場合よりも小さい。
【００３６】
このように、（２）式を満足する図２の光半導体装置における半導体交互積層体１０１の半導体層１０１１、１０１２、１０１３、…の交互積層数は３以上の奇数でなければならない。
【００３７】
さらに、図２の半導体交互積層体１０１における半導体層１０１１、１０１２、１０１３、…の屈折率nL及び屈折率nH （>nL）を
nCLAD ≦ nL < nH （３）
とすることもできる。（３）式を満足するために、たとえば、発光波長λ=620nmにおいて、
nCLAD = 3.214 (z=1.0)
nL = 3.310 (z=0.7)
nH = 3.484 (z=0.3)
とすると、上述の（３）式を満足する。さらに、半導体層１０１１、１０１３、…の厚さを46.8nm（=λ/(4nL)）とし、また、半導体層１０１２、１０１４、…の厚さを44.5nm（=λ/(4nH)）とする。
【００３８】
図６の（Ａ）は（３）式を満足する場合の図２の光半導体装置の臨界角内光Qの透過光Q2の透過率を示すグラフである。図６の（Ａ）に示すように、半導体層１０１１、１０１２、１０１３、…の交互積層数が1層を除き、3層、…、9層となるに従って、透過率は増加するが、ほぼ9層で飽和する。この結果、図６の（Ｂ）に示すように、光取り出し効率も1層を除いて、3層、…、7層となるに従って増加するが、7層で飽和する。但し、1層のみの場合には、透過率は低下し、従って、光取り出し効率も低下する。
【００３９】
他方、図６の（Ａ）に示すように、半導体層１０１１、１０１２、１０１３、…の交互積層数が2層、4層、…、8層の場合、透過率は半導体層１０１１、１０１２、１０１３、…が存在しない0層（従来）の場合よりも小さい。この結果、図６の（Ｂ）に示すように、光取り出し効率も2層、4層、…、8層の場合、半導体層１０１１、１０１２、１０１３、…が存在しない0層（従来）の場合よりも小さい。
【００４０】
このように、（３）式を満足する図２の光半導体装置における半導体交互積層体１０１の半導体層１０１１、１０１２、１０１３、…の交互積層数は３以上の奇数でなければならない。つまり、クラッド層、活性層を含む(AlzGa1-z)0.5In0.5P（0≦z≦1）からなる発光半導体層に対し、低屈折率層がAl0.5In0.5P、高屈折率層が(Al0.3Ga0.7)0.5In0.5Pからなる半導体交互積層体を、低屈折率層を発光半導体層に隣接させて、層数を5層または7層で形成することが好ましい。Al0.5In0.5Pは(AlzGa1-z)0.5In0.5P（0≦z≦1）において屈折率が低く、(Al0.3Ga0.7)0.5In0.5Pは活性層よりバンドギャップが大きな領域で屈折率が高いため、光半導体装置の特性を損なうことなく、比較的少ない層数で高い光取り出し効率を得ることができる。
【００４１】
図７は本発明に係る光半導体装置の第２の実施の形態を示す断面図である。図７においては、図２１のｎ型クラッド層１１上に半導体交互積層体１０２を形成してある。半導体交互積層体１０２は偶数の半導体層１０２１、１０２２、１０２３、…よりなり、屈折率nHの半導体層１０２１、１０２３、…及び屈折率nL（<nH）の半導体層１０２２、１０２４、…が交互に積層されている。たとえば、上述の（１）式を満足するために、ｎ型クラッド層１１、半導体層１０２１、１０２３、…、半導体層１０２２、１０２４、…をｎ型(AlzGa1-z)0.5In0.5Pにより構成する。たとえば、発光波長λ=620nmにおいて、
nL = 3.214 (z=1.0)
nCLAD = 3.310 (z=0.7)
nH = 3.484 (z=0.3)
とすると、上述の（１）式を満足する。さらに、半導体層１０２１、１０２３、…の厚さを44.5nm（=λ/(4nH)）とし、また、半導体層１０２２、１０２４、…の厚さを48.2nm（=λ/(4nL)）とする。
【００４２】
図８の（Ａ）は（１）式を満足する場合の図７の光半導体装置の臨界角内光Qの透過光Q2の透過率を示すグラフである。図８の（Ａ）に示すように、半導体層１０２１、１０２２、１０２３、…の交互積層数が2層、4層、…、8層となるに従って、透過率は増加するが、ほぼ6層で飽和し、層数が多くなると高入射角において低下傾向が見られる。この結果、図８の（Ｂ）に示すように、光取り出し効率も2層、4層、6層となるに従って増加するが、6層を超えると効果は減少する。
【００４３】
他方、図８の（Ａ）に示すように、半導体層１０２１、１０２２、１０２３、…の交互積層数が1層、3層、…、9層の場合、透過率は半導体層１０２１、１０２２、１０２３、…が存在しない0層（従来）の場合よりも小さい。この結果、図８の（Ｂ）に示すように、光取り出し効率も1層、3層、…、9層の場合、半導体層１０２１、１０２２、１０２３、…が存在しない0層（従来）の場合よりも小さい。
【００４４】
このように、（１）式を満足する図７の光半導体装置における半導体交互積層体１０２の半導体層１０２１、１０２２、１０２３、…の交互積層数は偶数でなければならない。これについてさらに説明する。
【００４５】
図７の光半導体装置の半導体層１０２１、１０２２、１０２３、…の交互積層数が偶数のときに透過率が大きくつまり光取り出し効率が大きくなることについて図９の（Ａ）を参照して説明する。尚、図９の（Ａ）においては、交互積層数を４とする。
【００４６】
図９の（Ａ）に示すごとく、入射光（臨界角内光）Qは、ｎ型クラッド層１１（nCLAD = 3.310）と半導体層１０２１（nH = 3.484）との界面I1、半導体層１０２１（nH = 3.484）と半導体層１０２２（nL= 3.210）との界面I2、半導体層１０２２（nL = 3.210）と半導体層１０２３（nH= 3.484）との界面I3、半導体層１０２３（nH = 3.484）と半導体層１０２４（nL= 3.210）との界面I4、及び半導体層１０２４（nL = 3.210）と樹脂（n=1.585）との界面I5で反射する。これらの反射光をQ1(1)、Q1(2)、Q1(3)、Q1(4)及びQ1(5)とする。このとき、界面I1、I2、I3、I4では屈折率差が小さいので、反射光Q1(1)、Q1(2)、Q1(3)、Q1(4)の振幅（強度）は小さく、界面I5では屈折率差が大きいので、反射光Q1(5) の振幅（強度）は大きい。他方、反射光Q1(2)、Q1(4)、Q1(5)は位相シフトなしであり、反射光Q1(1)、Q1(3)は180°位相シフトする。この結果、同位相の反射光Q1(1)、Q1(2)、Q1(3)、Q1(4)の合計と逆位相の反射光Q1(5) とが互いに打ち消し合い、合成波の振幅（強度）は小さくなる。従って、反射率は小さくなり、透過率が大きくなる。尚、交互積層数が増加すると、同相の反射光の合計と、逆位相の反射光との差が小さくなり、結果として反射率がさらに小さくなり、透過率がさらに大きくなる。
【００４７】
図７の光半導体装置の半導体層１０２１、１０２２、１０２３、…の交互積層数が奇数のときに透過率が小さくつまり光取り出し効率が小さくなることについて図９の（Ｂ）を参照して説明する。尚、図９の（Ｂ）においては、交互積層数を３とする。
【００４８】
図９の（Ｂ）に示すごとく、入射光（臨界角内光）Qは、ｎ型クラッド層１１（nCLAD = 3.310）と半導体層１０２１（nH = 3.484）との界面I1、半導体層１０２１（nH = 3.484）と半導体層１０２２（nL= 3.210）との界面I2、半導体層１０２２（nL = 3.210）と半導体層１０２３（nH= 3.484）との界面I3、半導体層１０２３（nH = 3.484）と樹脂（n=1.585）との界面I4で反射する。これらの反射光をQ1(1)、Q1(2)、Q1(3)及びQ1(4)とする。このとき、界面I1、I2、I3では屈折率差が小さいので、反射光Q1(1)、Q1(2)、Q1(3)の振幅（強度）は小さく、界面I4では屈折率差が大きいので、反射光Q1(4) の振幅（強度）は大きい。他方、反射光Q1(2)、Q1(4)は位相シフトなしであり、反射光Q1(1)、Q1(3)は180°位相シフトする。この結果、同位相の反射光Q1(1)、Q1(2)、Q1(3)の合計と同位相の反射光Q1(4) とが強め合い、合成波の振幅（強度）は大きくなる。従って、反射率は大きくなり、透過率が小さくなる。尚、交互積層数が増加すると、同相の反射光の合計が大きくなり、結果として反射率がさらに大きくなり、透過率がさらに小さくなる。
【００４９】
また、図７の半導体交互積層体１０２における半導体層１０２１、１０２２、１０２３、…の屈折率nH及び屈折率nL （<nH）を上述の（２）式を満足するために、たとえば、発光波長λ=620nmにおいて、
nL = 3.214 (z=1.0)
nH = 3.384 (z=0.5)
nCLAD = 3.484 (z=0.3)
とする。さらに、半導体層１０２１、１０２３、…の厚さを43.5nm（=λ/(4nH)）とし、また、半導体層１０２２、１０２４、…の厚さを48.2nm（=λ/(4nL)）とする。
【００５０】
図１０の（Ａ）は（２）式を満足する場合の図７の光半導体装置の臨界角内光Qの透過光Q2の透過率を示すグラフである。図１０の（Ａ）に示すように、半導体層１０２１、１０２２、１０２３、…の交互積層数が2層、4層、…、8層となるに従って、透過率は増加するが、層数が多くなると高入射角において低下傾向が見られる。この結果、図１０の（Ｂ）に示すように、光取り出し効率も2層、4層、…、8層となるに従って増加するが、8層で飽和傾向が見られる。但し、1層のみの場合には、透過率はわずかに増加し、従って、光取り出し効率もわずかに増加する。
【００５１】
他方、図１０の（Ａ）に示すように、半導体層１０２１、１０２２、１０２３、…の交互積層数が3層、5層、…、9層の場合、透過率は半導体層１０２１、１０２２、１０２３、…が存在しない0層（従来）の場合よりも小さい。この結果、図１０の（Ｂ）に示すように、光取り出し効率も3層、5層、…、9層の場合、半導体層１０２１、１０２２、１０２３、…が存在しない0層（従来）の場合よりも小さい。
【００５２】
このように、（２）式を満足する図７の光半導体装置における半導体交互積層体１０２の半導体層１０２１、１０２２、１０２３、…の交互積層数は偶数でなければならない。
【００５３】
さらに、図７の半導体交互積層体１０２における半導体層１０２１、１０２２、１０２３、…の屈折率nH及び屈折率nL （<nH）を上述の（３）式を満足するために、たとえば、発光波長λ=620nmにおいて、
nCLAD = 3.214 (z=1.0)
nL = 3.310 (z=0.7)
nH = 3.484 (z=0.3)
とする。さらに、半導体層１０２１、１０２３、…の厚さを44.5nm（=λ/(4nH)）とし、また、半導体層１０２２、１０２４、…の厚さを46.8nm（=λ/(4nL)）とする。
【００５４】
図１１の（Ａ）は（３）式を満足する場合の図７の光半導体装置の臨界角内光Qの透過光Q2の透過率を示すグラフである。図１１の（Ａ）に示すように、半導体層１０２１、１０２２、１０２３、…の交互積層数が、2層、4層、…、8層となるに従って、透過率は増加するが、ほぼ8層で飽和する。この結果、図１１の（Ｂ）に示すように、光取り出し効率も、2層、4層、6層となるに従って増加するが、6層で飽和する。
【００５５】
他方、図１１の（Ａ）に示すように、半導体層１０２１、１０２２、１０２３、…の交互積層数が1層、3層、…、9層の場合、透過率は半導体層１０２１、１０２２、１０２３、…が存在しない0層（従来）の場合よりも小さい。この結果、図１１の（Ｂ）に示すように、光取り出し効率も1層、3層、…、9層の場合、半導体層１０２１、１０２２、１０２３、…が存在しない0層（従来）の場合よりも小さい。
【００５６】
このように、（３）式を満足する図７の光半導体装置における半導体交互積層体１０２の半導体層１０２１、１０２２、１０２３、…の交互積層数は偶数でなければならない。つまり、クラッド層、活性層を含む(AlzGa1-z)0.5In0.5P（0≦z≦1）からなる発光半導体層に対し、低屈折率層がAl0.5In0.5P、高屈折率層が(Al0.3Ga0.7)0.5In0.5Pからなる半導体交互積層体を、低屈折率層を発光半導体層に隣接させて、層数を5層または7層で形成することが好ましい。Al0.5In0.5Pは(AlzGa1-z)0.5In0.5P（0≦z≦1）において屈折率が低く、(Al0.3Ga0.7)0.5In0.5Pは活性層よりバンドギャップが大きな領域で屈折率が高いため、光半導体装置の特性を損なうことなく、比較的少ない層数で高い光取り出し効率を得ることができる。
【００５７】
次に、図２、図７の光半導体装置及びその製造方法を図１２〜図１５を参照して説明する。
【００５８】
始めに、図１２を参照すると、たとえば15°オフ角の厚さ300μmのｎ型GaAs成長基板１０の（１００）面上に、半導体交互積層体１０１（もしくは１０２）をMOCVD法によりエピタキシャル成長させる。半導体交互積層体１０１であれば、たとえば厚さ48.2nmのｎ型Al0.5In0.5P（nL=3.214）及び厚さ44.5nmのｎ型(Al0.3Ga0.7)0.5In0.5P（nH=3.484）（前者を第1層）よりなる３以上の交互奇数層を形成し、また、半導体交互積層体１０２であれば、たとえば厚さ48.2nmのｎ型Al0.5In0.5P（nL=3.214）及び厚さ44.5nmのｎ型(Al0.3Ga0.7)0.5In0.5P（nH=3.484）（後者を第1層）よりなる交互偶数層を形成する。厚さ3.0μmのｎ型(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5Pクラッド層１１、厚さ0.5μmの活性層１２及び厚さ1.0μmのｐ型(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5Pクラッド層１３をMOCVD法により順次エピタキシャル成長させる。活性層１２は多重量子井戸構造（MQW）、単一量子井戸構造（SQW）あるいは単層でもよい。この場合、ｎ型クラッド層１１、活性層１２及びｐ型クラッド層１３はGaAs成長基板と格子整合する。多重量子井戸構造としては、(AlzGa1-z)0.5In0.5Pの組成をz=0.10、厚さ20nmの井戸層、z=0.56、厚さ10nmのバリア層とし、15ペアの井戸層、バリア層で構成する。尚、活性層１２のAl組成zは発光波長に合せて0≦z≦0.4の範囲で調整され、また、ｎ型クラッド層１１、ｐ型クラッド層１３のAl組成zは0.4≦z≦1.0の範囲で調整される。次いで、厚さ10μmのGa1-xInxP電流拡散層１４（x=0.1）をMOCVD法によりエピタキシャル成長させる。この場合、Ga1-xInxP電流拡散層１４の組成比xは発光層の光を吸収しないことを条件に定められる。このように、半導体交互積層体１０１（１０２）、ｎ型クラッド層１１、活性層１２、P型クラッド層１３及び電流拡散層１４は同一のチャンバ内で連続して成膜することができる。つまり、本発明における半導体交互積層体は半導体層から構成されることにより、クラッド層、活性層を含む発光半導体層の成膜と連続して成膜することができるため、本発明の光半導体装置は、一般的な反射防止膜を有する光半導体装置と比較して容易に製造することができる。
【００５９】
GaAs成長基板１０のオフ角は、GaAs成長基板の（１００）面がどの程度傾いているかを示す角度であり、AlGaInPを成長する場合、製造容易性や安定性の観点から一般的に0〜15°のオフ角の基板が用いられている。本発明は、上記オフ角に限定されることなく、0〜25°のオフ角のGaAs成長基板１０を好適に用いることができる。
【００６０】
次に、図１３を参照すると、Ga1-xInxP電流拡散層１４上にプラズマCVD法、熱CVD法あるいはスパッタリング法で成膜してフォトリソグラフィ／バッファード弗酸（BHF）によるエッチング法あるいはドライエッチング法により厚さ90nmの酸化シリコン（SiO2）層１５を形成する。さらに、Ga1-xInxP電流拡散層１４及び酸化シリコン層１５上に抵抗加熱蒸着法、電子ビーム（EB）蒸着法あるいはスパッタリング法により厚さ300nmのAuZnよりなる反射電極層１６を形成する。この場合、酸化シリコン層１５がパターン化されるのはGa1-xInxP電流拡散層１４とAuZn反射電極層１６とのオーミック接合をとるためである。酸化シリコン層１５及び反射電極層１６が一体となって反射層として機能する。尚、酸化シリコン層１５は他の透明な誘電体材料層たとえばAl2O3の層でもよく、また、反射電極層１６は他の高反射性金属で形成してもよい。
【００６１】
次に、図１４を参照すると、バリア層１７及び接着層３１を抵抗加熱蒸着法、電子ビーム（EB）蒸着法、スパッタリング法等によって形成する。
【００６２】
バリア層１７はTa、Ti、W等の高融点金属もしくはこれらの窒化物、たとえば厚さ100nmのTaN、TiW、TaNを順次積層する。ここで、バリア層１７が機能しないと、後工程の熱影響のために順方向電圧Vfの上昇等の電気特性の劣化及び反射ミラー（１５，１６）の反射率の低下を招き、この結果、光半導体装置の輝度も低下する。
【００６３】
次いで、約500℃の窒素雰囲気下でアニール処理を行い、これにより、酸化シリコン層１５の開口部において、Ga1-xInxP電流拡散層１４と反射電極層１６との間に良好なオーミック接合が形成される。
【００６４】
他方、図１５を参照すると、抵抗加熱蒸着法、電子ビーム蒸着法、スパッタリング法等より、導電性支持基板２１の一面に裏面電極層２２を形成し、導電性支持基板２１の他面に、中間電極層２３、密着層２４、接着層３２及び共晶接合層３３を形成する。
【００６５】
導電性支持基板２１は導電性かつ熱伝導性のたとえばSi、Al、Cu等よりなる。
【００６６】
裏面電極層２２及び中間電極層２３は導電性支持基板２１のSi、Al、Cu等への厚さ100〜300nmたとえば200nmのオーミック金属層であり、後述の熱圧着工程により導電性支持基板２１への密着性が向上する。尚、オーミック金属層はPt、Au、Ni、Ti等であり、Si等との良好なオーミック接合のために窒素雰囲気下での合金化処理を適宜行う。
【００６７】
密着層２４は中間電極層２３と接着層３２との密着信頼性を高めるためのものであり、厚さ100〜300nmたとえば150nmのTiよりなる。
【００６８】
接着層３２は後述の接合層３を形成する熱圧着工程における共晶接合層３３との漏れ性を良くするためのものであり、厚さ50〜150nmたとえば100nmのNi、NiV、Pt等よりなる。
【００６９】
共晶接合層３３は厚さ300〜3000nmのAuSnたとえば厚さ600nmのAu:Sn=80wt%:20wt%（=70at%:30at%）により構成される。この場合、AuSnを主成分として適当な添加物を加えてもよい。
【００７０】
次に、図１６を参照すると、半導体積層体１側に形成された接着層３１と支持体２側に形成された接着層３２及び共晶接合層３３とを熱圧着して接合する。これにより、図１７に示すように、図２、図７の半導体積層体１と支持体２との間には、NiAu接着層３１、３２及びAuSn共晶接合層３３等により新たにAuSnNiよりなる接合層３が新たに形成されることになる。この場合、熱圧着工程は、窒素雰囲気下の接合圧力約1MPaを接合温度330℃を10分間保持することにより行われる。尚、接合材料、接合時の雰囲気、接合温度及び接合時間は使用する共晶材料が溶融し、その特性に変化（例えば、酸化等による接合強度の劣化）を及ぼすことがなく、半導体積層体１と支持体２とが接合されるのに十分な材料、雰囲気、接合温度及び接合時間であればよく、上記の材料、雰囲気、接合温度及び接合時間に限定するものではない。
【００７１】
次に、図１８を参照すると、GaAs成長基板１０をアンモニア、過酸化水素よりなるエッチャントを用いたウェットエッチング法により除去する。尚、ウェットエッチング法の代りに、ドライエッチング法、機械研磨法、化学機械研磨（CMP）法、あるいはこれらの組合せを用いてもよい。
【００７２】
次に、図１９を参照すると、抵抗加熱蒸着法、電子ビーム（EB）蒸着法、スパッタリング法等及びリフトオフ法を用いることにより、ｎ型AlGaInPクラッド層１１上にAlGaInPとオーミック接合するAuGeNiよりなるｎ側電極４を形成し、次いで、Auよりなるボンディングパッド５を形成する。AuGeNiの代りに、AuGe、AuSn、AuSnNi等を用いてもよい。次いで、窒素雰囲気下で約400℃のアニールにより良好なオーミック接合の合金化を行う。
【００７３】
次に、図２０を参照すると、メサエッチング法により半導体層１０１（１０２）、１１〜１４をチップ毎に分離する。
【００７４】
最後に、図示しないが、半導体層１０１（１０２）、１１〜１４及び支持体２をダイシングしてチップ毎に切断し、必要に応じて樹脂モールドする。
【００７５】
尚、上述の実施の形態においては、光半導体装置の半導体層１０１（１０２）、１１〜１４全体を樹脂モールドしているが、本発明は樹脂モールドしない場合にも同様に適用し得る。
【００７６】
また、本発明の半導体交互積層体にはAlGaInP系材料以外にAlGaAs系の他の半導体材料にも適用し得る。この場合、AlGaAsはGaAs基板及びAlGaInP層と格子整合してエピタキシャル成長できるが、Al組成が小さいと発光波長に対して吸収を有するので、ある程度高いAl組成を必要とする。AlGaAs系同士もしくはAlGaInPとの組合せでもよい。
【００７７】
さらに、本発明において、成長基板上にクラッド層、活性層を含む発光半導体層を成長した後に、連続して同一チャンバ内で半導体交互積層体を成膜して光半導体装置を構成することもできる。
【符号の説明】
【００７８】
１：半導体積層体
２：支持体
３：接合層
４：ｎ側電極
５：ボンディングパッド
１０：GaAs成長基板
１１：ｎ型クラッド層
１２：活性層
１３：ｐ型クラッド層
１４：電流拡散層
１５：SiO2層
１６：反射電極層（ｐ側電極）
１７：バリア層
２１：導電性支持基板
２２：中間電極層
２３：裏面電極層
２４：密着層
３１，３２：接着層
３３：共晶接合層
１０１、１０２：半導体交互積層体
１０１１、１０１３、…、１０２２、１０２４、…：低屈折率nLの半導体層
１０１２、１０１４、…、１０２１、１０２３、…：高屈折率nHの半導体層
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光発光部を形成する発光半導体層と、
該発光半導体層の光取り出し面に、屈折率の異なる第１、第２の半導体層を交互に積層形成した半導体交互積層体と
を具備し、
前記各第１、第２の半導体層の厚さが
λ/(4n)
但し、λは発光半導体層の発光波長、
nは発光波長での前記各第１、第２の半導体層の屈折率
であり、
前記第１の半導体層の屈折率を前記第２の半導体層の屈折率より低いとし、前記第１の半導体層が前記発光半導体層の光取り出し面に接触しているとき、
前記第１、第２の半導体層の交互積層数が３以上の奇数である光半導体装置。
【請求項２】
光発光部を形成する発光半導体層と、
該発光半導体層の光取り出し面に、屈折率の異なる第１、第２の半導体層を交互に積層形成した半導体交互積層体と
を具備し、
前記各第１、第２の半導体層の厚さが
λ/(4n)
但し、λは発光半導体層の発光波長、
nは発光波長での前記各第１、第２の半導体層の屈折率
であり、
前記第１の半導体層の屈折率を前記第２の半導体層の屈折率より高いとし、前記第１の半導体層が前記発光半導体層の光取り出し面に接触しているとき、
前記第１、第２の半導体層の交互積層数が偶数である光半導体装置。
【請求項３】
前記各第１、第２の半導体層のバンドギャップが前記発光半導体層の活性層のバンドギャップより大きい請求項１または２に記載の光半導体装置。
【請求項４】
請求項１または２に記載の光半導体装置の製造方法であって、
光発光部を形成する発光半導体層を形成する工程と、
該発光半導体層の光取り出し面に、屈折率の異なる第１、第２の半導体層を交互に積層形成した半導体交互積層体を形成する工程とを具備し、
前記発光半導体層を形成する工程と前記半導体交互積層体を形成する工程は、同一チャンバ内で連続して成膜することを特徴とする光半導体装置の製造方法。
【請求項１】
光発光部を形成する発光半導体層と、
該発光半導体層の光取り出し面に、屈折率の異なる第１、第２の半導体層を交互に積層形成した半導体交互積層体と
を具備し、
前記各第１、第２の半導体層の厚さが
λ/(4n)
但し、λは発光半導体層の発光波長、
nは発光波長での前記各第１、第２の半導体層の屈折率
であり、
前記第１の半導体層の屈折率を前記第２の半導体層の屈折率より低いとし、前記第１の半導体層が前記発光半導体層の光取り出し面に接触しているとき、
前記第１、第２の半導体層の交互積層数が３以上の奇数である光半導体装置。
【請求項２】
光発光部を形成する発光半導体層と、
該発光半導体層の光取り出し面に、屈折率の異なる第１、第２の半導体層を交互に積層形成した半導体交互積層体と
を具備し、
前記各第１、第２の半導体層の厚さが
λ/(4n)
但し、λは発光半導体層の発光波長、
nは発光波長での前記各第１、第２の半導体層の屈折率
であり、
前記第１の半導体層の屈折率を前記第２の半導体層の屈折率より高いとし、前記第１の半導体層が前記発光半導体層の光取り出し面に接触しているとき、
前記第１、第２の半導体層の交互積層数が偶数である光半導体装置。
【請求項３】
前記各第１、第２の半導体層のバンドギャップが前記発光半導体層の活性層のバンドギャップより大きい請求項１または２に記載の光半導体装置。
【請求項４】
請求項１または２に記載の光半導体装置の製造方法であって、
光発光部を形成する発光半導体層を形成する工程と、
該発光半導体層の光取り出し面に、屈折率の異なる第１、第２の半導体層を交互に積層形成した半導体交互積層体を形成する工程とを具備し、
前記発光半導体層を形成する工程と前記半導体交互積層体を形成する工程は、同一チャンバ内で連続して成膜することを特徴とする光半導体装置の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【公開番号】特開２０１０−２１２４０１（Ｐ２０１０−２１２４０１Ａ）
【公開日】平成２２年９月２４日（２０１０．９．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−５６０８０（Ｐ２００９−５６０８０）
【出願日】平成２１年３月１０日（２００９．３．１０）
【出願人】（０００００２３０３）スタンレー電気株式会社 (2,684)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年９月２４日（２０１０．９．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年３月１０日（２００９．３．１０）
【出願人】（０００００２３０３）スタンレー電気株式会社 (2,684)
【Ｆターム（参考）】
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