半導体発光素子
【課題】高輝度かつ低順方向電圧の半導体発光素子を提供する。
【解決手段】第一の導電型層１１と第二の導電型層１２に挟まれた発光層１３を有する化合物半導体１４において、第一の主表面１１ａを光取り出し面とし、第二の主表面１２ａに発光層１３からの光を第一の主表面１１ａ側に反射させる反射金属膜１５を介して、支持基板１６と化合物半導体１４が結合され、化合物半導体１４の第二の主表面１２ａと反射金属膜１５間に透明絶縁膜１７を有し、透明絶縁膜１７の一部に貫通して化合物半導体層と電気的にオーミック接合する界面電極１８を有する半導体発光素子において、発光波長が７８０ｎｍ以上の赤外光であり、第一の導電型層１１の内、Ｖ族がＡｓ系層である総膜厚が１．０μｍ以上であり、第一の導電型層１１、発光層１３、第二の導電型層１２および各層内のアンドープ層の各ヘテロ接合界面におけるバンドギャップの差が、０．３０ｅＶ以下である。
【解決手段】第一の導電型層１１と第二の導電型層１２に挟まれた発光層１３を有する化合物半導体１４において、第一の主表面１１ａを光取り出し面とし、第二の主表面１２ａに発光層１３からの光を第一の主表面１１ａ側に反射させる反射金属膜１５を介して、支持基板１６と化合物半導体１４が結合され、化合物半導体１４の第二の主表面１２ａと反射金属膜１５間に透明絶縁膜１７を有し、透明絶縁膜１７の一部に貫通して化合物半導体層と電気的にオーミック接合する界面電極１８を有する半導体発光素子において、発光波長が７８０ｎｍ以上の赤外光であり、第一の導電型層１１の内、Ｖ族がＡｓ系層である総膜厚が１．０μｍ以上であり、第一の導電型層１１、発光層１３、第二の導電型層１２および各層内のアンドープ層の各ヘテロ接合界面におけるバンドギャップの差が、０．３０ｅＶ以下である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高輝度の半導体発光素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体発光素子である発光ダイオード（ＬＥＤ：Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）は、近年、ＧａＮ系やＡｌＧａＩｎＰ系の高品質結晶をＭＯＶＰＥ（Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｖａｐｏｒ Ｐｈａｓｅ Ｅｐｉｔａｘｙ：有機金属気相成長）法で成長出来る様になったことから、可視光領域の表示用途として青色、緑色、橙色、黄色、赤色の高輝度ＬＥＤが製作出来る様になった。また、セキュリティー用ＣＣＤカメラの照明用として赤外領域のＬＥＤについても高輝度化の需要は年々増加している。
【０００３】
ＭＯＶＰＥ法によって高品質の結晶が成長可能となったことにより、現在、発光素子の内部効率は理論値な限界値に近づきつつある。しかし、発光素子からの光取り出し効率はまだまだ低く、光取り出し効率を向上することが重要となっている。例えば、高輝度赤外ＬＥＤはＡｌＧａＡｓ系の材料で形成され、導電性のＧａＡｓ基板上に格子整合する組成のＡｌＧａＡｓ系の材料から成るｎ型ＡｌＧａＡｓ層とｐ型ＡｌＧａＡｓ層とそれらに挟まれたＡｌＧａＡｓ，ＧａＡｓ又はＧａＩｎＡｓから成る発光層（活性層）を有するダブルへテロ構造または多重量子井戸層と成っている。
【０００４】
しかしながら、ＧａＡｓ基板のバンドギャップは発光層のバンドギャップより狭く、また、発光波長が８７０ｎｍ以下赤外ＬＥＤにおいては、発光波長エネルギーがＧａＡｓ基板のバンドギャップよりも大きいために、発光層からの光の多くがＧａＡｓ基板に吸収され、光の取り出し効率が著しく低下する。発光層とＧａＡｓ基板の間に、屈折率の異なる半導体層から成る多層反射膜構造を形成することによってＧａＡｓ基板での光の吸収を低減し、取り出し効率を向上させる方法もある。しかし、この方法では多層反射膜構造へ限定された入射角を持つ光しか反射することができない。
【０００５】
そこで、ＡｌＧａＩｎＰ系やＡｌＧａＩｎＡｓ系の材料から成るＬＥＤ構造エピタキシャル層を反射率の高い金属膜を介して、ＧａＡｓ基板よりも熱伝導率の良いＳｉ支持基板に貼り付け、その後、成長用に用いたＧａＡｓ基板を除去する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。この方法を用いた場合には、反射膜として金属膜を用いている為、金属膜への光の入射角を選ばずに高い反射が可能となり、ＬＥＤの高輝度化が実現されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００５−１７５４６２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、ＬＥＤの更なる高輝度化を図るためには、発光出力を高くすることが望まれる。発光出力を高くするために、貼り合せ型のＬＥＤ構造において表面電極下に界面電極を形成しない電流狭窄構造を採用している。しかし、電流狭窄構造では、発光出力は高くできるが順方向電圧が大きくなってしまう。
【０００８】
また、赤外ＬＥＤでは発光波長のエネルギーが小さいため順方向電圧が小さいので、僅かな半導体ヘテロ障壁による電圧上昇が大きく影響する。
【０００９】
そこで本発明の目的は、上記課題を解決し、高輝度かつ低順方向電圧の半導体発光素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するために本発明は、III−Ｖ族化合物半導体で形成され、第一の主表面を有する第一の導電型層と第二の主表面を有する第二の導電型層に挟まれた発光層を有する化合物半導体において、前記第一の主表面を光取り出し面とし、前記第二の主表面に前記発光層からの光を前記第一の主表面側に反射させる反射面を有する反射金属膜を介して、支持基板と前記化合物半導体が結合され、前記化合物半導体の第二の主表面と前記反射金属膜間に透明絶縁膜を有し、該透明絶縁膜の一部に透明絶縁膜を貫通して化合物半導体層と電気的にオーミック接合する界面電極を有し、前記第一の導電型層に外部より電子または正孔を注入するための電極パットおよび、前記支持基板裏面側に外部より電子または正孔を注入するための電極が形成された半導体発光素子において、発光波長が７８０ｎｍ以上の赤外光であり、前記第一の導電型層の内、Ｖ族がＡｓ系層である総膜厚が１．０μｍ以上であり、前記第一の導電層、前記発光層、前記第二の導電層および各層内のアンドープ層の各ヘテロ接合界面におけるバンドギャップの差が、０．３０ｅＶ以下の半導体発光素子である。
【００１１】
ｐ型コンタクト層のドーパントがＺｎであるとよい。
【００１２】
ｐ型コンタクト層のドーパントがＺｎであり、ｐ型クラッド層のドーパントがＭｇであり、Ｚｎドーピング層とＭｇドーピング層の間にアンドーピング層があるとよい。
【００１３】
化合物半導体層がIII−Ｖ族化合物半導体からなり、少なくともＶ族が全てＡｓであるとよい。
【００１４】
前記界面電極は前記電極パット下に設けられる表面電極の直下以外に形成されるとよい。
【００１５】
前記第一の主表面形状が凹凸形状であるとよい。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、高輝度かつ低順方向電圧の半導体発光素子を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本実施の形態に係るＬＥＤ素子の模式図であり、（ａ）は各電極のパターンを示す図、（ｂ）は断面図である。
【図２】実施例で使用する半導体エピタキシャルウェハの断面模式図である。
【図３】図２の半導体エピタキシャルウェハに界面電極を形成した図である。
【図４】図３の界面電極付き半導体エピタキシャルウェハと支持基板とを貼り合わせた図である。
【図５】図４の半導体発光素子から成長用ＧａＡｓ基板などを除去し、ｎ型コンタクト層を露出させた図である。
【図６】図５のｎ型コンタクト層表面に表面電極を形成した図である。
【図７】図６の半導体発光素子の表面を凹凸形状とした図である。
【図８】図７の半導体発光素子の化合物半導体部分を素子間分離した図である。
【図９】図８の半導体発光素子にＳｉＯ2膜を成膜した図である。
【図１０】図９の半導体発光素子に裏面電極を形成した図である。
【図１１】半導体発光素子の電流分散層膜厚の依存性を示す図である。
【図１２】半導体発光素子のｎ型クラッド層と電流分散層間のバンドギャップ差の依存性を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
本発明の一実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
【００１９】
図１は、本実施の形態に係る半導体発光素子の構造を模式的に示したものであり、（ａ）各電極のパターンを示す平面図、（ｂ）は断面図である。
【００２０】
図１（ａ），（ｂ）に示すように、本実施の形態に係る半導体発光素子１は、III−Ｖ族化合物半導体で形成され、第一の主表面１１ａを有する第一の導電型層１１と第二の主表面１２ａを有する第二の導電型層１２に挟まれた発光層１３を有する化合物半導体１４において、第一の主表面１１ａを光取り出し面とし、第二の主表面１２ａに発光層（活性層）１３からの光を第一の主表面１１ａ側に反射させる反射面を有する反射金属膜１５を介して、支持基板１６と化合物半導体１４が結合され、化合物半導体１４の第二の主表面１２ａと反射金属膜１５間に透明絶縁膜（透明誘電体膜）１７を有し、透明絶縁膜１７の一部に透明絶縁膜１７を貫通して化合物半導体層（ここではｐ型コンタクト層２６）と電気的にオーミック接合する界面電極（界面配線電極）１８を有し、第一の導電型層１１に外部より電子または正孔を注入するための電極パット１９および、支持基板１６裏面側に外部より電子または正孔を注入するための電極（裏面電極２０）が形成されてなり、発光波長が７８０ｎｍ以上の赤外光であり、第一の導電型層１１の内、Ｖ族がＡｓ系層である総膜厚が１．０μｍ以上であり、第一の導電型層１１、発光層１３、第二の導電型層１２および各層内のアンドープ層の各ヘテロ接合界面におけるバンドギャップの差が、０．３０ｅＶ以下であることを特徴とする。
【００２１】
第一の導電型層１１は、第一の主表面１１ａ側から発光層１３側へ順に、ｎ型電流分散層２１、ｎ型クラッド層２２を有しており、電流分散層２１の表面が第一の主表面１１ａとなっている。この第一の主表面１１ａは光取り出し面であり、光取り出し効率を高める為に、表面が凹凸形状となっている。
【００２２】
第二の導電型層１２は、発光層１３側から第二の主表面１２ａ側へ順に、ｐ型クラッド層２３、ｐ型電流分散層２４、アンドープ拡散防止層２５、ｐ型コンタクト層２６を有しており、ｐ型コンタクト層２６の表面が第二の主表面１２ａとなっている。
【００２３】
発光素子の電極は光吸収因子として作用するため、発光出力を高くする観点で極力面積が小さい方が好ましい。しかし、電極の面積を小さくすると、半導体と電極間の接触抵抗が大きくなる問題が生じる。この問題を解決するためには、コンタクト層のキャリア濃度を高くすることが有効である。ｐ型コンタクト層においては、ドーパントによってキャリア濃度の限界に差が生じる。そこで、本実施の形態では、キャリア濃度を高くしやすいＺｎをｐ型コンタクト層２６のドーパントとしている。
【００２４】
ただし、Ｚｎは拡散し易いことが知られており、発光層１３の近傍は比較的拡散し難いＭｇをｐ型ドーパントとして用いることが望ましい。更に、ＺｎとＭｇは互いに相互拡散し易いため、Ｚｎドーピング層とＭｇドーピング層間に拡散防止層としてアンドープ層を設けることが望ましい。そこで、ｐ型クラッド層２３、ｐ型電流分散層２４にはＭｇをドーピングし、Ｚｎドーピング層（ｐ型コンタクト層２６）とＭｇドーピング層（ｐ型クラッド層２３、ｐ型電流分散層２４）の間にアンドープの拡散防止層２５を設けている。従って、半導体と界面電極１８間の接触抵抗を小さくしつつ、ＺｎとＭｇの相互拡散を防止できる。
【００２５】
発光層１３は、バリア層と井戸層とからなる多重量子井戸（ＭＱＷ：Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｗｅｌｌ）層である。ＭＱＷは、厚さ数〜数十ｎｍほどの薄膜半導体の両側を、それよりもバンドギャップの大きいバリア層で挟んだ量子井戸構造を重ねて多層としたものである。
【００２６】
化合物半導体１４は、第一の導電型層１１、第二の導電型層１２、発光層１３を有しており、例えば、ＭＯＶＰＥ法を用いて形成される。具体的には、ｎ型ＧａＡｓ基板上にエッチングストップ層を形成し、その上に、第一の導電型層１１、発光層１３、第二の導電型層１２を順次積層成長させた後、ｎ型ＧａＡｓ基板とエッチングストップ層を除去して形成される。
【００２７】
化合物半導体層はIII−Ｖ族化合物半導体からなり、少なくともＶ族が全てＡｓであることが好ましい。
【００２８】
反射金属膜１５は、発光波長に対して８０％以上の反射率を有する金属膜からなる。具体的には、Ａｕ，Ａｇ，Ａｌの何れか、またはその合金からなることが好ましい。
【００２９】
支持基板１６としては、例えば、導電性のＳｉ基板を用いる。支持基板１６は、金属接合層２７を介して反射金属膜１５と接合される。
【００３０】
透明絶縁膜１７は、発光層１３に対して透明な誘電体膜であり、その膜厚は発光波長λ、透明絶縁膜１７の屈折率をｎとした場合に、（２×λ）／（４×ｎ）以上の厚さであることが好ましい。また、具体的には透明絶縁膜１７はその加工性からＳｉＯ2、ＳｉＮであることが好ましい。
【００３１】
界面電極１８は、単一から成るオーミック接合部となる界面配線電極であり、透明絶縁膜１７内に形成された貫通孔（開口部）に、例えば真空蒸着法で形成される。界面電極１８は、後述する表面電極の直下以外の領域に形成される。つまり、界面電極１８と表面電極は、光取り出し面側から見て互いに重ならないように配置される。このような配置とすることで、光の取り出し効率を高めることができる。
【００３２】
電極パット１９は、その下方に設けられた表面電極２９に接合されている。表面電極２９は、第一の主表面１１ａ上に形成される。表面電極２９は、第一の主表面１１ａの中央部が直径１００μｍ程度の円形状であり、この円形状の中央部から幅１０μｍ程度の線状の電極が図示上下左右に延び、さらに、上下に延びた線状の電極がその先端部で左右に枝分かれした形状となっている。
【００３３】
貼り合わせ型のＬＥＤ構造において、表面電極下に界面電極を形成しない電流狭窄構造を採用することで発光出力を高くすることはできる。しかし、電流狭窄構造では、発光出力は高くできるが順方向電圧が大きくなってしまう。更に、赤外ＬＥＤでは発光波長のエネルギーが小さいため順方向電圧が小さいので、僅かな半導体ヘテロ障壁による電圧上昇が大きく影響する。
【００３４】
本発明者らの分析により、電流狭窄構造において、順方向電圧が増大する大きな要因は、半導体エピタキシャル層の直列抵抗成分であることが分かった。更に、光取り出し面側の導電層の抵抗を下げる事が重要であることも分析の結果分かった。
【００３５】
そこで、本発明では、光取り出し面側の導電層（第一の導電型層１１）のＶ族を移動度の大きいＡｓ系層とし、さらにその膜厚を１．０μｍ以上とした。更には、半導体ヘテロ障壁による電圧上昇を低減するために、ヘテロ障壁における半導体層のバンドギャップ差を０．３０ｅＶ以下とした。
【００３６】
このように、本発明の半導体発光素子１は、発光波長が７８０ｎｍ以上の赤外光であり、第一の導電型層１１の内、Ｖ族がＡｓ系層である総膜厚が１．０μｍ以上であり、第一の導電層１１、発光層１３、第二の導電層１２および各層内のアンドープ層の各ヘテロ接合界面におけるバンドギャップの差が、０．３０ｅＶ以下であるため、高輝度かつ低順方向電圧を実現できる。
【実施例】
【００３７】
次に、本発明の実施例を説明する。
【００３８】
（実施例）
図２〜１０に、図１で説明した半導体発光素子１の製造方法の各工程を示す。
【００３９】
まず、図２に示した構造の発光波長８５０ｎｍ付近の赤外ＬＥＤ用エピタキシャルウェハを作製した。エピタキシャル成長方法、エピタキシャル層膜厚、エピタキシャル構造や電極形成方法及びＬＥＤ素子製作方法は、以下の通りである。
【００４０】
エピタキシャル成長にはＭＯＶＰＥ法を用い、ｎ型ＧａＡｓ基板３１上に、アンドープＧａ0.5Ｉｎ0.5Ｐエッチングストップ層３２、ｎ型（Ｓｉドープ）Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ａｓコンタクト層３３（１００ｎｍ、２．０×１０18／ｃｍ3）、ｎ型（Ｓｉドープ）Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ａｓ電流分散層２１（１μｍ、１．０×１０18／ｃｍ3）、ｎ型（Ｓｉドープ）Ａｌ0.20Ｇａ0.80Ａｓクラッド層２２（５００ｎｍ、１．０×１０18／ｃｍ3）、発光層１３としてバリア層Ａｌ0.20Ｇａ0.80Ａｓと井戸層ＧａＡｓ層からなる多重量子井戸（ＭＱＷ）層、ｐ型（Ｍｇドープ）Ａｌ0.20Ｇａ0.80Ａｓクラッド層２３（５００ｎｍ、１．０×１０18／ｃｍ3）、ｐ型（Ｍｇドープ）Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ａｓ電流分散層２４（５００ｎｍ、１．０×１０18／ｃｍ3）、アンドープＡｌ0.15Ｇａ0.85Ａｓ拡散防止層２５（１００ｎｍ）、ｐ型（Ｚｎドープ）Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ａｓコンタクト層２６（１００ｎｍ、１．０×１０19／ｃｍ3）を順次積層成長させた。
【００４１】
ＭＯＶＰＥ成長での成長温度は６５０℃とし、成長圧力は５０Ｔｏｒｒ（約６６６６Ｐａ）、各層の成長速度は０.３〜１.０ｎｍ／ｓｅｃ、Ｖ／III比は約１００前後で行った。因みに、ここで言うＶ／III比とは、分母をトリメチルガリウム（ＴＭＧａ）やトリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）などのIII族原料のモル数とし、分子をアルシン（ＡｓＨ3）ホスフィン（ＰＨ3）などのＶ族原料のモル数とした場合の比率（商）を指している。
【００４２】
ＭＯＶＰＥ成長に用いる原料としては、例えばトリメチルガリウム（ＴＭＧａ）、又はトリエチルガリウム（ＴＥＧａ）、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）等の有機金属や、アルシン（ＡｓＨ3）、ホスフィン（ＰＨ3）等の水素化物ガスを用いた。
【００４３】
ｎ型半導体層の導電型決定不純物の添加物原料としては、ジシラン（Ｓｉ2Ｈ6）を用いた。また、ｐ型半導体層の導電型決定不純物の添加物原料としては、ビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ2Ｍｇ）を用いた。
【００４４】
その他に、ｎ型層の導電型決定不純物の添加物原料として、セレン化水素（Ｈ2Ｓｅ）、モノシラン（ＳｉＨ4）、ジエチルテルル（ＤＥＴｅ）、ジメチルテルル（ＤＭＴｅ）を用いることもできる。また、ｐ型層の導電型決定不純物のｐ型添加物原料として、ジメチルジンク（ＤＭＺｎ）、ジエチルジンク（ＤＥＺｎ）を用いる事も出来る。
【００４５】
更に、このＬＥＤ用エピタキシャルウェハをＭＯＣＶＤ装置から搬出した後、ｐ型コンタクト層２６表面にプラズマＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）装置で透明誘電体膜１７としてのＳｉＯ2膜を成膜し、レジストやマスクアライナなどの一般的なフォトリソグラフィー技術を駆使し、フッ酸系エッチング液でＳｉＯ2膜に開口部を形成し、その開口部に真空蒸着法によって、単一から成るオーミックコンタクト接合部となる界面配線電極１８を形成した。オーミックコンタクト接合部としてＡｕＺｎ（金・亜鉛）合金を用いた。また、界面配線電極１８は後で形成する表面電極２９直下以外の領域になるように配置した（図３）。
【００４６】
次に、界面配線電極１８付きのＬＥＤ用エピタキシャルウェハ上に反射金属膜１５として、Ａｌ（アルミニウム）、Ｔｉ（チタン）、Ａｕ（金）を、それぞれ順に蒸着した。Ａｌが反射膜、Ｔｉが拡散防止バリア層、Ａｕが接合層となる。
【００４７】
一方、支持基板１６として用意した導電性Ｓｉ基板表面に、Ｔｉ（チタン）、Ｐｔ（プラチナ）、Ａｕ（金）層を、それぞれ順に蒸着し、金属密着層（金属接合層２７）を形成した。Ｔｉがオーミックコンタクト金属層、Ｐｔが拡散防止バリア層、Ａｕが接合層となる。
【００４８】
上記の様にして作製したＬＥＤエピタキシャルウェハ表面のＡｕ接合層とＳｉ支持基板１６表面のＡｕ接合層とを貼り合わせる。貼り合わせは、圧力０.０１Ｔｏｒｒ（約１.３３Ｐａ）雰囲気で荷重を３０ｋｇｆ／ｃｍ2負荷した状態で、温度３５０℃で３０分間保持することによって行った（図４）。
【００４９】
支持基板１６に貼り合わせたＬＥＤエピタキシャルウェハのＧａＡｓ基板３１をアンモニア水と過酸化水素水の混合液によってエッチング除去し、エッチングストップ層３２を露出させた。次に、塩酸でエッチングストップ層３２を除去し、ｎ型コンタクト層３３を露出させた（図５）。
【００５０】
次に、ｎ型コンタクト層３３表面にレジストやマスクアライナなどの一般的なフォトリソグラフィー技術を駆使し、真空蒸着法によって直径１００μｍの円から線状に幅１０μｍの枝状に分配されたｎ型オーミック表面電極２９を形成した。表面電極２９は、ＡｕＧｅ（金・ゲルマニウム合金）、Ｔｉ（チタン）、Ａｕ（金）を、それぞれ順に蒸着して形成した（図６）。
【００５１】
次に、フォトリソグラフィー技術を用いて１．０μｍ〜３．０μｍ周期のパターニングを行い、ウエットエッチング法でｎ型コンタクト層３３およびｎ型電流分散層２１に亘って表面に凹凸形状を形成した（図７）。更に、フォトリソグラフィー技術を用いて素子間分離のためのパターニングを行い、発光素子表面からｐ型コンタクト層２６までをウエットエッチング法で除去することによって素子間分離を行った（図８）。
【００５２】
その後、プラズマ−ＣＶＤ装置でＳｉＯ2膜３７を成膜し、レジストやマスクアライナなどの一般的なフォトリソグラフィー技術を駆使し、フッ酸系エッチング液で表面電極２９上のＳｉＯ2膜３７を開口した（図９）。
【００５３】
更に、Ｓｉ支持基板１６の底面には、全面に裏面電極２０を同じく真空蒸着法によって形成した。前記裏面電極２０は、Ｔｉ（チタン）、Ａｕ（金）を、それぞれ順に蒸着し、電極の合金化であるアロイ工程を、窒素ガス雰囲気中にて４００℃に加熱し、５分間熱処理する事で行った（図１０）。更に、ワイヤーのボンディング用に表面電極２９およびオーミックコンタクト金属層に予め形成しておいたｐ側電極上に、フォトリソグラフィー技術および真空蒸着法によってＴｉ（チタン）、Ａｕ（金）からなる電極パット１９を形成した。
【００５４】
その後、上記の様にして構成されたＬＥＤ用基板をダイシング装置を用いて切断し、チップサイズ３００μｍ角のＬＥＤベアチップを作製した。更に前記ＬＥＤベアチップをＴＯ−１８ステム上にマウント（ダイボンディング）し、その後、更にマウントされた該ＬＥＤベアチップに、ワイヤボンディングを行い、ＬＥＤ素子（半導体発光素子）１を作製した（図１）。
【００５５】
上記の通りに作製されたＬＥＤ素子１の初期特性を評価した結果、５０ｍＡ通電時（評価時）の発光出力３２．５ｍＷ、順方向電圧１．４６Ｖという初期特性を有するＬＥＤであることがわかった。また、２５℃環境下で１００ｍＡを１０００時間通電した後の特性変化は、発光出力が−１．２０％、順方向電圧が＋０．２５％と良好であった。
【００５６】
次に、エピタキシャル成長の方法、エピタキシャル層膜厚、エピタキシャル層構造、反射金属膜、支持基板への貼り合わせ方法、エッチング方法等のプロセス工程やＬＥＤ素子作製方法を基本的に上記実施例と同様とし、ｎ型電流分散層の厚さを変え、電流分散層膜厚と順方向電圧の関係を調べた。この結果を図１１に示す。
【００５７】
図１１より、ｎ型電流分散層が５００ｎｍ以上ないと、順方向電圧が高くなることがわかる。ｎ型クラッド層も電流を分散する効果があることから、実質的にはｎ型層が１．０μｍ以上必要であることになる。
【００５８】
さらに、エピタキシャル成長の方法、エピタキシャル層膜厚、エピタキシャル層構造、反射金属膜、支持基板への貼り合わせ方法、エッチング方法等のプロセス工程やＬＥＤ素子作製方法を基本的に上記実施例と同様とし、ｎ型クラッド層のＡｌ組成を変えることによってｎ型クラッド層とｎ型電流分散層のバンドギャップ差（ΔＥｇ）と、順方向電圧の関係を調べた。この結果を図１２に示す。
【００５９】
バンドギャップ差が大きいと順方向電圧が大きく上昇することが分かる。
【００６０】
上記実施例では、支持基板１６としてＳｉ基板を用いたが、発光素子の製造プロセスに耐え得る支持基板であれば、Ｓｉ基板以外を用いることも可能である。具体的には、Ｇｅ基板、ＧａＡｓ基板、ＧａＰ基板、その他メタル基板等が挙げられる。
【００６１】
また、上記実施例では、発光層（活性層）１３を多重量子井戸層としているが、バルク層でもその効果は同様である。さらに、上記実施例では、発光波長が８５０ｎｍの赤外の発光素子について述べたが、本発明はＬＥＤの発光波長に依存せずにその効果が得られる。
【００６２】
さらにまた、上記実施例においては、光取り出し面側をｎ型ドーピング層としているが、ｎ型層とｐ型層を逆にしても同様の効果が得られる。また、上記実施例においては、発光層１３をアンドープ層としているが、発光層にドーピングしても同様の効果が得られる。
【符号の説明】
【００６３】
１ 半導体発光素子（ＬＥＤ素子）
１１ 第一の導電型層
１１ａ 第一の主表面
１２ 第二の導電型層
１２ａ 第二の主表面
１３ 発光層（活性層）
１４ 化合物半導体
１５ 反射金属膜
１６ 支持基板（Ｓｉ基板）
１７ 透明絶縁膜（透明誘電体膜）
１８ 界面電極（界面配線電極）
１９ 電極パット
２０ 裏面電極
２１ ｎ型電流分散層
２２ ｎ型クラッド層
２３ ｐ型クラッド層
２４ ｐ型電流分散層
２５ アンドープ拡散防止層
２６ ｐ型コンタクト層
２７ 金属接合層
２９ 表面電極
３７ ＳｉＯ2膜
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高輝度の半導体発光素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体発光素子である発光ダイオード（ＬＥＤ：Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）は、近年、ＧａＮ系やＡｌＧａＩｎＰ系の高品質結晶をＭＯＶＰＥ（Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｖａｐｏｒ Ｐｈａｓｅ Ｅｐｉｔａｘｙ：有機金属気相成長）法で成長出来る様になったことから、可視光領域の表示用途として青色、緑色、橙色、黄色、赤色の高輝度ＬＥＤが製作出来る様になった。また、セキュリティー用ＣＣＤカメラの照明用として赤外領域のＬＥＤについても高輝度化の需要は年々増加している。
【０００３】
ＭＯＶＰＥ法によって高品質の結晶が成長可能となったことにより、現在、発光素子の内部効率は理論値な限界値に近づきつつある。しかし、発光素子からの光取り出し効率はまだまだ低く、光取り出し効率を向上することが重要となっている。例えば、高輝度赤外ＬＥＤはＡｌＧａＡｓ系の材料で形成され、導電性のＧａＡｓ基板上に格子整合する組成のＡｌＧａＡｓ系の材料から成るｎ型ＡｌＧａＡｓ層とｐ型ＡｌＧａＡｓ層とそれらに挟まれたＡｌＧａＡｓ，ＧａＡｓ又はＧａＩｎＡｓから成る発光層（活性層）を有するダブルへテロ構造または多重量子井戸層と成っている。
【０００４】
しかしながら、ＧａＡｓ基板のバンドギャップは発光層のバンドギャップより狭く、また、発光波長が８７０ｎｍ以下赤外ＬＥＤにおいては、発光波長エネルギーがＧａＡｓ基板のバンドギャップよりも大きいために、発光層からの光の多くがＧａＡｓ基板に吸収され、光の取り出し効率が著しく低下する。発光層とＧａＡｓ基板の間に、屈折率の異なる半導体層から成る多層反射膜構造を形成することによってＧａＡｓ基板での光の吸収を低減し、取り出し効率を向上させる方法もある。しかし、この方法では多層反射膜構造へ限定された入射角を持つ光しか反射することができない。
【０００５】
そこで、ＡｌＧａＩｎＰ系やＡｌＧａＩｎＡｓ系の材料から成るＬＥＤ構造エピタキシャル層を反射率の高い金属膜を介して、ＧａＡｓ基板よりも熱伝導率の良いＳｉ支持基板に貼り付け、その後、成長用に用いたＧａＡｓ基板を除去する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。この方法を用いた場合には、反射膜として金属膜を用いている為、金属膜への光の入射角を選ばずに高い反射が可能となり、ＬＥＤの高輝度化が実現されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００５−１７５４６２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、ＬＥＤの更なる高輝度化を図るためには、発光出力を高くすることが望まれる。発光出力を高くするために、貼り合せ型のＬＥＤ構造において表面電極下に界面電極を形成しない電流狭窄構造を採用している。しかし、電流狭窄構造では、発光出力は高くできるが順方向電圧が大きくなってしまう。
【０００８】
また、赤外ＬＥＤでは発光波長のエネルギーが小さいため順方向電圧が小さいので、僅かな半導体ヘテロ障壁による電圧上昇が大きく影響する。
【０００９】
そこで本発明の目的は、上記課題を解決し、高輝度かつ低順方向電圧の半導体発光素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するために本発明は、III−Ｖ族化合物半導体で形成され、第一の主表面を有する第一の導電型層と第二の主表面を有する第二の導電型層に挟まれた発光層を有する化合物半導体において、前記第一の主表面を光取り出し面とし、前記第二の主表面に前記発光層からの光を前記第一の主表面側に反射させる反射面を有する反射金属膜を介して、支持基板と前記化合物半導体が結合され、前記化合物半導体の第二の主表面と前記反射金属膜間に透明絶縁膜を有し、該透明絶縁膜の一部に透明絶縁膜を貫通して化合物半導体層と電気的にオーミック接合する界面電極を有し、前記第一の導電型層に外部より電子または正孔を注入するための電極パットおよび、前記支持基板裏面側に外部より電子または正孔を注入するための電極が形成された半導体発光素子において、発光波長が７８０ｎｍ以上の赤外光であり、前記第一の導電型層の内、Ｖ族がＡｓ系層である総膜厚が１．０μｍ以上であり、前記第一の導電層、前記発光層、前記第二の導電層および各層内のアンドープ層の各ヘテロ接合界面におけるバンドギャップの差が、０．３０ｅＶ以下の半導体発光素子である。
【００１１】
ｐ型コンタクト層のドーパントがＺｎであるとよい。
【００１２】
ｐ型コンタクト層のドーパントがＺｎであり、ｐ型クラッド層のドーパントがＭｇであり、Ｚｎドーピング層とＭｇドーピング層の間にアンドーピング層があるとよい。
【００１３】
化合物半導体層がIII−Ｖ族化合物半導体からなり、少なくともＶ族が全てＡｓであるとよい。
【００１４】
前記界面電極は前記電極パット下に設けられる表面電極の直下以外に形成されるとよい。
【００１５】
前記第一の主表面形状が凹凸形状であるとよい。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、高輝度かつ低順方向電圧の半導体発光素子を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本実施の形態に係るＬＥＤ素子の模式図であり、（ａ）は各電極のパターンを示す図、（ｂ）は断面図である。
【図２】実施例で使用する半導体エピタキシャルウェハの断面模式図である。
【図３】図２の半導体エピタキシャルウェハに界面電極を形成した図である。
【図４】図３の界面電極付き半導体エピタキシャルウェハと支持基板とを貼り合わせた図である。
【図５】図４の半導体発光素子から成長用ＧａＡｓ基板などを除去し、ｎ型コンタクト層を露出させた図である。
【図６】図５のｎ型コンタクト層表面に表面電極を形成した図である。
【図７】図６の半導体発光素子の表面を凹凸形状とした図である。
【図８】図７の半導体発光素子の化合物半導体部分を素子間分離した図である。
【図９】図８の半導体発光素子にＳｉＯ2膜を成膜した図である。
【図１０】図９の半導体発光素子に裏面電極を形成した図である。
【図１１】半導体発光素子の電流分散層膜厚の依存性を示す図である。
【図１２】半導体発光素子のｎ型クラッド層と電流分散層間のバンドギャップ差の依存性を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
本発明の一実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
【００１９】
図１は、本実施の形態に係る半導体発光素子の構造を模式的に示したものであり、（ａ）各電極のパターンを示す平面図、（ｂ）は断面図である。
【００２０】
図１（ａ），（ｂ）に示すように、本実施の形態に係る半導体発光素子１は、III−Ｖ族化合物半導体で形成され、第一の主表面１１ａを有する第一の導電型層１１と第二の主表面１２ａを有する第二の導電型層１２に挟まれた発光層１３を有する化合物半導体１４において、第一の主表面１１ａを光取り出し面とし、第二の主表面１２ａに発光層（活性層）１３からの光を第一の主表面１１ａ側に反射させる反射面を有する反射金属膜１５を介して、支持基板１６と化合物半導体１４が結合され、化合物半導体１４の第二の主表面１２ａと反射金属膜１５間に透明絶縁膜（透明誘電体膜）１７を有し、透明絶縁膜１７の一部に透明絶縁膜１７を貫通して化合物半導体層（ここではｐ型コンタクト層２６）と電気的にオーミック接合する界面電極（界面配線電極）１８を有し、第一の導電型層１１に外部より電子または正孔を注入するための電極パット１９および、支持基板１６裏面側に外部より電子または正孔を注入するための電極（裏面電極２０）が形成されてなり、発光波長が７８０ｎｍ以上の赤外光であり、第一の導電型層１１の内、Ｖ族がＡｓ系層である総膜厚が１．０μｍ以上であり、第一の導電型層１１、発光層１３、第二の導電型層１２および各層内のアンドープ層の各ヘテロ接合界面におけるバンドギャップの差が、０．３０ｅＶ以下であることを特徴とする。
【００２１】
第一の導電型層１１は、第一の主表面１１ａ側から発光層１３側へ順に、ｎ型電流分散層２１、ｎ型クラッド層２２を有しており、電流分散層２１の表面が第一の主表面１１ａとなっている。この第一の主表面１１ａは光取り出し面であり、光取り出し効率を高める為に、表面が凹凸形状となっている。
【００２２】
第二の導電型層１２は、発光層１３側から第二の主表面１２ａ側へ順に、ｐ型クラッド層２３、ｐ型電流分散層２４、アンドープ拡散防止層２５、ｐ型コンタクト層２６を有しており、ｐ型コンタクト層２６の表面が第二の主表面１２ａとなっている。
【００２３】
発光素子の電極は光吸収因子として作用するため、発光出力を高くする観点で極力面積が小さい方が好ましい。しかし、電極の面積を小さくすると、半導体と電極間の接触抵抗が大きくなる問題が生じる。この問題を解決するためには、コンタクト層のキャリア濃度を高くすることが有効である。ｐ型コンタクト層においては、ドーパントによってキャリア濃度の限界に差が生じる。そこで、本実施の形態では、キャリア濃度を高くしやすいＺｎをｐ型コンタクト層２６のドーパントとしている。
【００２４】
ただし、Ｚｎは拡散し易いことが知られており、発光層１３の近傍は比較的拡散し難いＭｇをｐ型ドーパントとして用いることが望ましい。更に、ＺｎとＭｇは互いに相互拡散し易いため、Ｚｎドーピング層とＭｇドーピング層間に拡散防止層としてアンドープ層を設けることが望ましい。そこで、ｐ型クラッド層２３、ｐ型電流分散層２４にはＭｇをドーピングし、Ｚｎドーピング層（ｐ型コンタクト層２６）とＭｇドーピング層（ｐ型クラッド層２３、ｐ型電流分散層２４）の間にアンドープの拡散防止層２５を設けている。従って、半導体と界面電極１８間の接触抵抗を小さくしつつ、ＺｎとＭｇの相互拡散を防止できる。
【００２５】
発光層１３は、バリア層と井戸層とからなる多重量子井戸（ＭＱＷ：Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｗｅｌｌ）層である。ＭＱＷは、厚さ数〜数十ｎｍほどの薄膜半導体の両側を、それよりもバンドギャップの大きいバリア層で挟んだ量子井戸構造を重ねて多層としたものである。
【００２６】
化合物半導体１４は、第一の導電型層１１、第二の導電型層１２、発光層１３を有しており、例えば、ＭＯＶＰＥ法を用いて形成される。具体的には、ｎ型ＧａＡｓ基板上にエッチングストップ層を形成し、その上に、第一の導電型層１１、発光層１３、第二の導電型層１２を順次積層成長させた後、ｎ型ＧａＡｓ基板とエッチングストップ層を除去して形成される。
【００２７】
化合物半導体層はIII−Ｖ族化合物半導体からなり、少なくともＶ族が全てＡｓであることが好ましい。
【００２８】
反射金属膜１５は、発光波長に対して８０％以上の反射率を有する金属膜からなる。具体的には、Ａｕ，Ａｇ，Ａｌの何れか、またはその合金からなることが好ましい。
【００２９】
支持基板１６としては、例えば、導電性のＳｉ基板を用いる。支持基板１６は、金属接合層２７を介して反射金属膜１５と接合される。
【００３０】
透明絶縁膜１７は、発光層１３に対して透明な誘電体膜であり、その膜厚は発光波長λ、透明絶縁膜１７の屈折率をｎとした場合に、（２×λ）／（４×ｎ）以上の厚さであることが好ましい。また、具体的には透明絶縁膜１７はその加工性からＳｉＯ2、ＳｉＮであることが好ましい。
【００３１】
界面電極１８は、単一から成るオーミック接合部となる界面配線電極であり、透明絶縁膜１７内に形成された貫通孔（開口部）に、例えば真空蒸着法で形成される。界面電極１８は、後述する表面電極の直下以外の領域に形成される。つまり、界面電極１８と表面電極は、光取り出し面側から見て互いに重ならないように配置される。このような配置とすることで、光の取り出し効率を高めることができる。
【００３２】
電極パット１９は、その下方に設けられた表面電極２９に接合されている。表面電極２９は、第一の主表面１１ａ上に形成される。表面電極２９は、第一の主表面１１ａの中央部が直径１００μｍ程度の円形状であり、この円形状の中央部から幅１０μｍ程度の線状の電極が図示上下左右に延び、さらに、上下に延びた線状の電極がその先端部で左右に枝分かれした形状となっている。
【００３３】
貼り合わせ型のＬＥＤ構造において、表面電極下に界面電極を形成しない電流狭窄構造を採用することで発光出力を高くすることはできる。しかし、電流狭窄構造では、発光出力は高くできるが順方向電圧が大きくなってしまう。更に、赤外ＬＥＤでは発光波長のエネルギーが小さいため順方向電圧が小さいので、僅かな半導体ヘテロ障壁による電圧上昇が大きく影響する。
【００３４】
本発明者らの分析により、電流狭窄構造において、順方向電圧が増大する大きな要因は、半導体エピタキシャル層の直列抵抗成分であることが分かった。更に、光取り出し面側の導電層の抵抗を下げる事が重要であることも分析の結果分かった。
【００３５】
そこで、本発明では、光取り出し面側の導電層（第一の導電型層１１）のＶ族を移動度の大きいＡｓ系層とし、さらにその膜厚を１．０μｍ以上とした。更には、半導体ヘテロ障壁による電圧上昇を低減するために、ヘテロ障壁における半導体層のバンドギャップ差を０．３０ｅＶ以下とした。
【００３６】
このように、本発明の半導体発光素子１は、発光波長が７８０ｎｍ以上の赤外光であり、第一の導電型層１１の内、Ｖ族がＡｓ系層である総膜厚が１．０μｍ以上であり、第一の導電層１１、発光層１３、第二の導電層１２および各層内のアンドープ層の各ヘテロ接合界面におけるバンドギャップの差が、０．３０ｅＶ以下であるため、高輝度かつ低順方向電圧を実現できる。
【実施例】
【００３７】
次に、本発明の実施例を説明する。
【００３８】
（実施例）
図２〜１０に、図１で説明した半導体発光素子１の製造方法の各工程を示す。
【００３９】
まず、図２に示した構造の発光波長８５０ｎｍ付近の赤外ＬＥＤ用エピタキシャルウェハを作製した。エピタキシャル成長方法、エピタキシャル層膜厚、エピタキシャル構造や電極形成方法及びＬＥＤ素子製作方法は、以下の通りである。
【００４０】
エピタキシャル成長にはＭＯＶＰＥ法を用い、ｎ型ＧａＡｓ基板３１上に、アンドープＧａ0.5Ｉｎ0.5Ｐエッチングストップ層３２、ｎ型（Ｓｉドープ）Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ａｓコンタクト層３３（１００ｎｍ、２．０×１０18／ｃｍ3）、ｎ型（Ｓｉドープ）Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ａｓ電流分散層２１（１μｍ、１．０×１０18／ｃｍ3）、ｎ型（Ｓｉドープ）Ａｌ0.20Ｇａ0.80Ａｓクラッド層２２（５００ｎｍ、１．０×１０18／ｃｍ3）、発光層１３としてバリア層Ａｌ0.20Ｇａ0.80Ａｓと井戸層ＧａＡｓ層からなる多重量子井戸（ＭＱＷ）層、ｐ型（Ｍｇドープ）Ａｌ0.20Ｇａ0.80Ａｓクラッド層２３（５００ｎｍ、１．０×１０18／ｃｍ3）、ｐ型（Ｍｇドープ）Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ａｓ電流分散層２４（５００ｎｍ、１．０×１０18／ｃｍ3）、アンドープＡｌ0.15Ｇａ0.85Ａｓ拡散防止層２５（１００ｎｍ）、ｐ型（Ｚｎドープ）Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ａｓコンタクト層２６（１００ｎｍ、１．０×１０19／ｃｍ3）を順次積層成長させた。
【００４１】
ＭＯＶＰＥ成長での成長温度は６５０℃とし、成長圧力は５０Ｔｏｒｒ（約６６６６Ｐａ）、各層の成長速度は０.３〜１.０ｎｍ／ｓｅｃ、Ｖ／III比は約１００前後で行った。因みに、ここで言うＶ／III比とは、分母をトリメチルガリウム（ＴＭＧａ）やトリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）などのIII族原料のモル数とし、分子をアルシン（ＡｓＨ3）ホスフィン（ＰＨ3）などのＶ族原料のモル数とした場合の比率（商）を指している。
【００４２】
ＭＯＶＰＥ成長に用いる原料としては、例えばトリメチルガリウム（ＴＭＧａ）、又はトリエチルガリウム（ＴＥＧａ）、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）等の有機金属や、アルシン（ＡｓＨ3）、ホスフィン（ＰＨ3）等の水素化物ガスを用いた。
【００４３】
ｎ型半導体層の導電型決定不純物の添加物原料としては、ジシラン（Ｓｉ2Ｈ6）を用いた。また、ｐ型半導体層の導電型決定不純物の添加物原料としては、ビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ2Ｍｇ）を用いた。
【００４４】
その他に、ｎ型層の導電型決定不純物の添加物原料として、セレン化水素（Ｈ2Ｓｅ）、モノシラン（ＳｉＨ4）、ジエチルテルル（ＤＥＴｅ）、ジメチルテルル（ＤＭＴｅ）を用いることもできる。また、ｐ型層の導電型決定不純物のｐ型添加物原料として、ジメチルジンク（ＤＭＺｎ）、ジエチルジンク（ＤＥＺｎ）を用いる事も出来る。
【００４５】
更に、このＬＥＤ用エピタキシャルウェハをＭＯＣＶＤ装置から搬出した後、ｐ型コンタクト層２６表面にプラズマＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）装置で透明誘電体膜１７としてのＳｉＯ2膜を成膜し、レジストやマスクアライナなどの一般的なフォトリソグラフィー技術を駆使し、フッ酸系エッチング液でＳｉＯ2膜に開口部を形成し、その開口部に真空蒸着法によって、単一から成るオーミックコンタクト接合部となる界面配線電極１８を形成した。オーミックコンタクト接合部としてＡｕＺｎ（金・亜鉛）合金を用いた。また、界面配線電極１８は後で形成する表面電極２９直下以外の領域になるように配置した（図３）。
【００４６】
次に、界面配線電極１８付きのＬＥＤ用エピタキシャルウェハ上に反射金属膜１５として、Ａｌ（アルミニウム）、Ｔｉ（チタン）、Ａｕ（金）を、それぞれ順に蒸着した。Ａｌが反射膜、Ｔｉが拡散防止バリア層、Ａｕが接合層となる。
【００４７】
一方、支持基板１６として用意した導電性Ｓｉ基板表面に、Ｔｉ（チタン）、Ｐｔ（プラチナ）、Ａｕ（金）層を、それぞれ順に蒸着し、金属密着層（金属接合層２７）を形成した。Ｔｉがオーミックコンタクト金属層、Ｐｔが拡散防止バリア層、Ａｕが接合層となる。
【００４８】
上記の様にして作製したＬＥＤエピタキシャルウェハ表面のＡｕ接合層とＳｉ支持基板１６表面のＡｕ接合層とを貼り合わせる。貼り合わせは、圧力０.０１Ｔｏｒｒ（約１.３３Ｐａ）雰囲気で荷重を３０ｋｇｆ／ｃｍ2負荷した状態で、温度３５０℃で３０分間保持することによって行った（図４）。
【００４９】
支持基板１６に貼り合わせたＬＥＤエピタキシャルウェハのＧａＡｓ基板３１をアンモニア水と過酸化水素水の混合液によってエッチング除去し、エッチングストップ層３２を露出させた。次に、塩酸でエッチングストップ層３２を除去し、ｎ型コンタクト層３３を露出させた（図５）。
【００５０】
次に、ｎ型コンタクト層３３表面にレジストやマスクアライナなどの一般的なフォトリソグラフィー技術を駆使し、真空蒸着法によって直径１００μｍの円から線状に幅１０μｍの枝状に分配されたｎ型オーミック表面電極２９を形成した。表面電極２９は、ＡｕＧｅ（金・ゲルマニウム合金）、Ｔｉ（チタン）、Ａｕ（金）を、それぞれ順に蒸着して形成した（図６）。
【００５１】
次に、フォトリソグラフィー技術を用いて１．０μｍ〜３．０μｍ周期のパターニングを行い、ウエットエッチング法でｎ型コンタクト層３３およびｎ型電流分散層２１に亘って表面に凹凸形状を形成した（図７）。更に、フォトリソグラフィー技術を用いて素子間分離のためのパターニングを行い、発光素子表面からｐ型コンタクト層２６までをウエットエッチング法で除去することによって素子間分離を行った（図８）。
【００５２】
その後、プラズマ−ＣＶＤ装置でＳｉＯ2膜３７を成膜し、レジストやマスクアライナなどの一般的なフォトリソグラフィー技術を駆使し、フッ酸系エッチング液で表面電極２９上のＳｉＯ2膜３７を開口した（図９）。
【００５３】
更に、Ｓｉ支持基板１６の底面には、全面に裏面電極２０を同じく真空蒸着法によって形成した。前記裏面電極２０は、Ｔｉ（チタン）、Ａｕ（金）を、それぞれ順に蒸着し、電極の合金化であるアロイ工程を、窒素ガス雰囲気中にて４００℃に加熱し、５分間熱処理する事で行った（図１０）。更に、ワイヤーのボンディング用に表面電極２９およびオーミックコンタクト金属層に予め形成しておいたｐ側電極上に、フォトリソグラフィー技術および真空蒸着法によってＴｉ（チタン）、Ａｕ（金）からなる電極パット１９を形成した。
【００５４】
その後、上記の様にして構成されたＬＥＤ用基板をダイシング装置を用いて切断し、チップサイズ３００μｍ角のＬＥＤベアチップを作製した。更に前記ＬＥＤベアチップをＴＯ−１８ステム上にマウント（ダイボンディング）し、その後、更にマウントされた該ＬＥＤベアチップに、ワイヤボンディングを行い、ＬＥＤ素子（半導体発光素子）１を作製した（図１）。
【００５５】
上記の通りに作製されたＬＥＤ素子１の初期特性を評価した結果、５０ｍＡ通電時（評価時）の発光出力３２．５ｍＷ、順方向電圧１．４６Ｖという初期特性を有するＬＥＤであることがわかった。また、２５℃環境下で１００ｍＡを１０００時間通電した後の特性変化は、発光出力が−１．２０％、順方向電圧が＋０．２５％と良好であった。
【００５６】
次に、エピタキシャル成長の方法、エピタキシャル層膜厚、エピタキシャル層構造、反射金属膜、支持基板への貼り合わせ方法、エッチング方法等のプロセス工程やＬＥＤ素子作製方法を基本的に上記実施例と同様とし、ｎ型電流分散層の厚さを変え、電流分散層膜厚と順方向電圧の関係を調べた。この結果を図１１に示す。
【００５７】
図１１より、ｎ型電流分散層が５００ｎｍ以上ないと、順方向電圧が高くなることがわかる。ｎ型クラッド層も電流を分散する効果があることから、実質的にはｎ型層が１．０μｍ以上必要であることになる。
【００５８】
さらに、エピタキシャル成長の方法、エピタキシャル層膜厚、エピタキシャル層構造、反射金属膜、支持基板への貼り合わせ方法、エッチング方法等のプロセス工程やＬＥＤ素子作製方法を基本的に上記実施例と同様とし、ｎ型クラッド層のＡｌ組成を変えることによってｎ型クラッド層とｎ型電流分散層のバンドギャップ差（ΔＥｇ）と、順方向電圧の関係を調べた。この結果を図１２に示す。
【００５９】
バンドギャップ差が大きいと順方向電圧が大きく上昇することが分かる。
【００６０】
上記実施例では、支持基板１６としてＳｉ基板を用いたが、発光素子の製造プロセスに耐え得る支持基板であれば、Ｓｉ基板以外を用いることも可能である。具体的には、Ｇｅ基板、ＧａＡｓ基板、ＧａＰ基板、その他メタル基板等が挙げられる。
【００６１】
また、上記実施例では、発光層（活性層）１３を多重量子井戸層としているが、バルク層でもその効果は同様である。さらに、上記実施例では、発光波長が８５０ｎｍの赤外の発光素子について述べたが、本発明はＬＥＤの発光波長に依存せずにその効果が得られる。
【００６２】
さらにまた、上記実施例においては、光取り出し面側をｎ型ドーピング層としているが、ｎ型層とｐ型層を逆にしても同様の効果が得られる。また、上記実施例においては、発光層１３をアンドープ層としているが、発光層にドーピングしても同様の効果が得られる。
【符号の説明】
【００６３】
１ 半導体発光素子（ＬＥＤ素子）
１１ 第一の導電型層
１１ａ 第一の主表面
１２ 第二の導電型層
１２ａ 第二の主表面
１３ 発光層（活性層）
１４ 化合物半導体
１５ 反射金属膜
１６ 支持基板（Ｓｉ基板）
１７ 透明絶縁膜（透明誘電体膜）
１８ 界面電極（界面配線電極）
１９ 電極パット
２０ 裏面電極
２１ ｎ型電流分散層
２２ ｎ型クラッド層
２３ ｐ型クラッド層
２４ ｐ型電流分散層
２５ アンドープ拡散防止層
２６ ｐ型コンタクト層
２７ 金属接合層
２９ 表面電極
３７ ＳｉＯ2膜
【特許請求の範囲】
【請求項１】
III−Ｖ族化合物半導体で形成され、第一の主表面を有する第一の導電型層と第二の主表面を有する第二の導電型層に挟まれた発光層を有する化合物半導体において、前記第一の主表面を光取り出し面とし、前記第二の主表面に前記発光層からの光を前記第一の主表面側に反射させる反射面を有する反射金属膜を介して、支持基板と前記化合物半導体が結合され、前記化合物半導体の第二の主表面と前記反射金属膜間に透明絶縁膜を有し、該透明絶縁膜の一部に透明絶縁膜を貫通して化合物半導体層と電気的にオーミック接合する界面電極を有し、前記第一の導電型層に外部より電子または正孔を注入するための電極パットおよび、前記支持基板裏面側に外部より電子または正孔を注入するための電極が形成された半導体発光素子において、
発光波長が７８０ｎｍ以上の赤外光であり、前記第一の導電型層の内、Ｖ族がＡｓ系層である総膜厚が１．０μｍ以上であり、前記第一の導電層、前記発光層、前記第二の導電層および各層内のアンドープ層の各ヘテロ接合界面におけるバンドギャップの差が、０．３０ｅＶ以下であることを特徴とする半導体発光素子。
【請求項２】
ｐ型コンタクト層のドーパントがＺｎである請求項１記載の半導体発光素子。
【請求項３】
ｐ型コンタクト層のドーパントがＺｎであり、ｐ型クラッド層のドーパントがＭｇであり、Ｚｎドーピング層とＭｇドーピング層の間にアンドーピング層がある請求項１記載の半導体発光素子。
【請求項４】
化合物半導体層がIII−Ｖ族化合物半導体からなり、少なくともＶ族が全てＡｓである請求項１〜３いずれかに記載の半導体発光素子。
【請求項５】
前記界面電極は前記電極パット下に設けられる表面電極の直下以外に形成される請求項１〜４いずれかに記載の半導体発光素子。
【請求項６】
前記第一の主表面形状が凹凸形状である請求項１〜５いずれかに記載の半導体発光素子。
【請求項１】
III−Ｖ族化合物半導体で形成され、第一の主表面を有する第一の導電型層と第二の主表面を有する第二の導電型層に挟まれた発光層を有する化合物半導体において、前記第一の主表面を光取り出し面とし、前記第二の主表面に前記発光層からの光を前記第一の主表面側に反射させる反射面を有する反射金属膜を介して、支持基板と前記化合物半導体が結合され、前記化合物半導体の第二の主表面と前記反射金属膜間に透明絶縁膜を有し、該透明絶縁膜の一部に透明絶縁膜を貫通して化合物半導体層と電気的にオーミック接合する界面電極を有し、前記第一の導電型層に外部より電子または正孔を注入するための電極パットおよび、前記支持基板裏面側に外部より電子または正孔を注入するための電極が形成された半導体発光素子において、
発光波長が７８０ｎｍ以上の赤外光であり、前記第一の導電型層の内、Ｖ族がＡｓ系層である総膜厚が１．０μｍ以上であり、前記第一の導電層、前記発光層、前記第二の導電層および各層内のアンドープ層の各ヘテロ接合界面におけるバンドギャップの差が、０．３０ｅＶ以下であることを特徴とする半導体発光素子。
【請求項２】
ｐ型コンタクト層のドーパントがＺｎである請求項１記載の半導体発光素子。
【請求項３】
ｐ型コンタクト層のドーパントがＺｎであり、ｐ型クラッド層のドーパントがＭｇであり、Ｚｎドーピング層とＭｇドーピング層の間にアンドーピング層がある請求項１記載の半導体発光素子。
【請求項４】
化合物半導体層がIII−Ｖ族化合物半導体からなり、少なくともＶ族が全てＡｓである請求項１〜３いずれかに記載の半導体発光素子。
【請求項５】
前記界面電極は前記電極パット下に設けられる表面電極の直下以外に形成される請求項１〜４いずれかに記載の半導体発光素子。
【請求項６】
前記第一の主表面形状が凹凸形状である請求項１〜５いずれかに記載の半導体発光素子。
【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２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２０１２−１２９３５７（Ｐ２０１２−１２９３５７Ａ）
【公開日】平成２４年７月５日（２０１２．７．５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２７９３８２（Ｐ２０１０−２７９３８２）
【出願日】平成２２年１２月１５日（２０１０．１２．１５）
【出願人】（０００００５１２０）日立電線株式会社 (3,358)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年７月５日（２０１２．７．５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１２月１５日（２０１０．１２．１５）
【出願人】（０００００５１２０）日立電線株式会社 (3,358)
【Ｆターム（参考）】
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