発光ダイオード、発光ダイオードランプ及び照明装置
【課題】高速応答性と高出力性とを兼ね備えた赤外光を発光する発光ダイオード、発光ダイオードランプ及び照明装置を提供する。
【解決手段】組成式（ＩｎＸ１Ｇａ１−Ｘ１）Ａｓ（０≦Ｘ１≦１）の化合物半導体からなる井戸層、及び、組成式（ＡｌＸ２Ｇａ１−Ｘ２）Ａｓ（０≦Ｘ２≦１）の化合物半導体からなるバリア層を交互に積層した量子井戸構造の活性層１１と、該活性層１１を挟む第１のクラッド層９と第２のクラッド層１３とを有する発光部７と、発光部７上に形成された電流拡散層８と、電流拡散層８に接合された機能性基板３とを備え、第１及び第２のクラッド層９、１３が組成式（ＡｌＸ３Ｇａ１−Ｘ３）Ｙ１Ｉｎ１−Ｙ１Ｐ（０≦Ｘ３≦１，０＜Ｙ１≦１）の化合物半導体からなり、井戸層及びバリア層のペア数が５以下であることを特徴とする。
【解決手段】組成式（ＩｎＸ１Ｇａ１−Ｘ１）Ａｓ（０≦Ｘ１≦１）の化合物半導体からなる井戸層、及び、組成式（ＡｌＸ２Ｇａ１−Ｘ２）Ａｓ（０≦Ｘ２≦１）の化合物半導体からなるバリア層を交互に積層した量子井戸構造の活性層１１と、該活性層１１を挟む第１のクラッド層９と第２のクラッド層１３とを有する発光部７と、発光部７上に形成された電流拡散層８と、電流拡散層８に接合された機能性基板３とを備え、第１及び第２のクラッド層９、１３が組成式（ＡｌＸ３Ｇａ１−Ｘ３）Ｙ１Ｉｎ１−Ｙ１Ｐ（０≦Ｘ３≦１，０＜Ｙ１≦１）の化合物半導体からなり、井戸層及びバリア層のペア数が５以下であることを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光ダイオード、発光ダイオードランプ及び照明装置に関するものであり、特に、高速応答性と高出力性を備えた、赤外光を発光する発光ダイオード、発光ダイオードランプ及び照明装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
赤色光又は赤外光を発光する発光ダイオードは、通信、各種センサー、夜間照明、植物工場用の光源など用途が広がっている。
それに応じて、赤外光を発光する発光ダイオードに対する要求は、主に高出力性を重視するもの、あるいは、主に高速応答性を重視するものから、それらの両方を重視するものへと変化している。特に、通信用の発光ダイオードでは、大容量の光空間伝送を行うため、高速応答性と高出力性とが必須である。
【０００３】
赤色光及び赤外光を発光する発光ダイオードとして、ＧａＡｓ基板にＡｌＧａＡｓ活性層を含む化合物半導体層を液相エピタキシャル法で成長させた発光ダイオードが知られている（例えば、特許文献１〜４）。
【０００４】
特許文献４において、液相エピタキシャル法を用いてＧａＡｓ基板にＡｌＧａＡｓ活性層を含む化合物半導体層を成長させ、その後、成長基板として用いたＧａＡｓ基板を除去する、いわゆる基板除去型の発光ダイオードが開示されている。特許文献４において開示された発光ダイオードでは、応答速度（立ち上がり時間）が４０〜５５ｎｓｅｃ程度においては出力が４ｍＷ以下である。また、応答速度が２０ｎｓｅｃ程度においては出力が５ｍＷを若干超えた程度であり、液相エピタキシャル法を用いて作製した発光ダイオードとしては現在最も高い応答速度で高出力のものであると思われる。
【０００５】
また、９００ｎｍ以上の高い発光ピーク波長を有し得る赤外発光ダイオードとして、ＩｎＧａＡｓ活性層を用いるものが知られている（特許文献５〜７）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平６−２１５０７号公報
【特許文献２】特開２００１−２７４４５４号公報
【特許文献３】特開平７−３８１４８号公報
【特許文献４】特開２００６−１９０７９２号公報
【特許文献５】特開２００２−２６３７７号公報
【特許文献６】特開２００２−１１１０４８号公報
【特許文献７】特開２００２−３４４０１３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記した従来の技術の出力では通信用の発光ダイオードとしては十分ではない。
発光ダイオードは半導体レーザーと異なり、自然放出光を利用しているため、高速応答性と高出力性とはトレードオフの関係にある。従って、例えば、単に発光層の層厚を薄くしてキャリアの閉じ込め効果を増大して電子と正孔の発光再結合確率を高め、高速応答化を図っても、発光出力が低下してしまうという問題がある。
【０００８】
また、９００ｎｍ以上の高い発光ピーク波長を有し得る赤外発光ダイオードとして、ＩｎＧａＡｓからなる井戸層を備える活性層を用いた発光ダイオードが実用化されている。このようなＩｎＧａＡｓ井戸層を備えた発光ダイオードにおいても、さらなる性能向上や省エネ、コスト面等から、より発光効率の高いものの開発が望まれている。
【０００９】
本発明は、上記事情を鑑みてなされたものであり、高速応答性と高出力性とを兼ね備えた赤外光を発光する発光ダイオード、発光ダイオードランプ及び照明装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明者は、上記課題を解決するために鋭意研究を重ねた結果、ＩｎＧａＡｓからなる３元混晶の井戸層と、ＡｌＧａＡｓからなる３元混晶のバリア層とを交互に５ペア以下で積層した量子井戸構造を活性層とし、この活性層を挟むクラッド層を４元混晶のＡｌＧａＩｎＰからなるものとし、活性層及びクラッド層を含む化合物半導体層を成長基板にエピタキシャル成長させた後、その成長基板を除去し、化合物半導体層を透明基板に改めて貼り付ける（接合する）構成とすることにより、高速応答性を維持しつつ、高出力で赤外光を発光する発光ダイオードを完成させた。
【００１１】
これに加え、本発明者は、ＩｎＧａＡｓからなる３元混晶の井戸層と、ＡｌＧａＩｎＰからなる４元混晶のバリア層とを交互に５ペア以下で積層した量子井戸構造を活性層とし、この活性層を挟むクラッド層を４元混晶のＡｌＧａＩｎＰからなるものとし、活性層及びクラッド層を含む化合物半導体層を成長基板にエピタキシャル成長させた後、その成長基板を除去し、化合物半導体層を透明基板に改めて貼り付ける（接合する）構成とすることにより、高速応答性を維持しつつ、高出力で赤外光を発光する発光ダイオードを完成させた。
【００１２】
この際、本発明者は、まず、高いキャリアの閉じ込め効果を有し、高速応答に適した量子井戸構造を活性層に採用すると共に、高い注入キャリア密度を確保するために井戸層及びバリア層のペア数を５以下とした。この構成により、液相エピタキシャル法を用いて作製された発光ダイオードの上記の最も高速の応答速度と同程度か若しくはそれ以上の応答速度を実現した。
【００１３】
また、３元混晶の量子井戸構造、又は、３元混晶の井戸層と４元混晶のバリア層とからなる量子井戸構造を挟むクラッド層に、バンドギャップが大きくて発光波長に対して透明であり、かつ、欠陥を作りやすいＡｓを含まないので結晶性の良い４元混晶のＡｌＧａＩｎＰを採用した。
【００１４】
また、従来、ＩｎＧａＡｓ系の活性層を用いる赤外発光ダイオードにおいては、この活性層を含む化合物半導体層を透明基板に貼り付ける（接合する）タイプはなく、化合物半導体層を成長させたＧａＡｓ基板をそのまま用いていた。しかしながら、ＧａＡｓ基板は伝導性を高めるために高ドープされており、キャリアによる光の吸収が避けられない。そこで、化合物半導体層の成長後に、成長基板であるＧａＡｓ基板を除去し、キャリアによる光の吸収を回避でき、高出力・高効率が期待できる透明基板に貼り付ける（接合する）タイプを採用した。
【００１５】
以上の通り、本発明者は、５ペア以下の量子井戸構造を活性層とする構成を採用して高速応答性を確保し、また、この構成において、３元混晶あるいは３元−４元の量子井戸構造を挟むクラッド層に４元混晶を用いるという画期的な組み合わせを採用すると共に、化合物半導体層の成長に用いた成長基板を除去して、光吸収のない基板に改めて化合物半導体層を貼り付けた構成を採用することにより、高出力化を図ることに成功したのである。
【００１６】
本発明は、以下の手段を提供する。
（１） 組成式（ＩｎＸ１Ｇａ１−Ｘ１）Ａｓ（０≦Ｘ１≦１）の化合物半導体からなる井戸層、及び、組成式（ＡｌＸ２Ｇａ１−Ｘ２）Ａｓ（０≦Ｘ２≦１）の化合物半導体からなるバリア層を交互に積層した量子井戸構造の活性層と、該活性層を挟む第１のクラッド層及び第２のクラッド層とを有する発光部と、前記発光部上に形成された電流拡散層と、前記電流拡散層に接合された機能性基板と、を備え、前記第１及び第２のクラッド層が組成式（ＡｌＸ３Ｇａ１−Ｘ３）Ｙ１Ｉｎ１−Ｙ１Ｐ（０≦Ｘ３≦１，０＜Ｙ１≦１）の化合物半導体からなり、前記井戸層及びバリア層のペア数が５以下であることを特徴とする発光ダイオード。
（２） 組成式（ＩｎＸ１Ｇａ１−Ｘ１）Ａｓ（０≦Ｘ１≦１）の化合物半導体からなる井戸層、及び、組成式（ＡｌＸ４Ｇａ１−Ｘ４）Ｙ２Ｉｎ１−Ｙ２Ｐ（０≦Ｘ４≦１，０＜Ｙ２≦１）の化合物半導体からなるバリア層を交互に積層した量子井戸構造の活性層と、該活性層を挟む第１のクラッド層及び第２のクラッド層とを有する発光部と、前記発光部上に形成された電流拡散層と、前記電流拡散層に接合された機能性基板と、を備え、前記第１及び第２のクラッド層が組成式（ＡｌＸ５Ｇａ１−Ｘ５）Ｙ３Ｉｎ１−Ｙ３Ｐ（０≦Ｘ５≦１，０＜Ｙ３≦１）の化合物半導体からなり、前記井戸層及びバリア層のペア数が５以下であることを特徴とする発光ダイオード。
（３） 前記活性層と前記クラッド層との接合面積が２００００〜９００００μｍ２であることを特徴とする前項（１）または（２）のいずれかに記載の発光ダイオード。
なお、「前記活性層と前記クラッド層との接合面積」とは、ガイド層等の層を介して活性層とクラッド層とが接合されている場合には、それらの層と活性層若しくはクラッド層との間の接合面積を含む。
（４） 前記井戸層のＩｎ組成Ｘ１を０≦Ｘ１≦０．３とし、前記井戸層の厚さが３〜１０ｎｍであることを特徴とする前項（１）から（３）のいずれか一項に記載の発光ダイオード。
（５） 前記井戸層のＩｎ組成Ｘ１が０．１≦Ｘ１≦０．３であることを特徴とする前項（１）から（３）のいずれか一項に記載の発光ダイオード。
（６） 前記機能性基板は発光波長に対して透明であることを特徴とする前項（１）から（５）のいずれか一項に記載の発光ダイオード。
（７） 前記機能性基板はＧａＰ、サファイア又はＳｉＣからなることを特徴とする前項（１）から（６）のいずれか一項に記載の発光ダイオード。
【００１７】
（８） 組成式（ＩｎＸ１Ｇａ１−Ｘ１）Ａｓ（０≦Ｘ１≦１）の化合物半導体からなる井戸層、及び、組成式（ＡｌＸ２Ｇａ１−Ｘ２）Ａｓ（０≦Ｘ２≦１）の化合物半導体からなるバリア層を交互に積層した量子井戸構造の活性層と、該活性層を挟む第１のクラッド層及び第２のクラッド層とを有する発光部と、前記発光部上に形成された電流拡散層と、前記発光部に対向して配置され、発光波長に対して９０％以上の反射率を有する反射層を含み、前記電流拡散層に接合された機能性基板と、を備え、前記第１及び第２のクラッド層が組成式（ＡｌＸ３Ｇａ１−Ｘ３）Ｙ１Ｉｎ１−Ｙ１Ｐ（０≦Ｘ３≦１，０＜Ｙ１≦１）の化合物半導体からなり、前記井戸層及びバリア層のペア数が５以下であることを特徴とする発光ダイオード。
（９） 組成式（ＩｎＸ１Ｇａ１−Ｘ１）Ａｓ（０≦Ｘ１≦１）の化合物半導体からなる井戸層、及び、組成式（ＡｌＸ４Ｇａ１−Ｘ４）Ｙ２Ｉｎ１−Ｙ２Ｐ（０≦Ｘ４≦１，０＜Ｙ２≦１）の化合物半導体からなるバリア層を交互に積層した量子井戸構造の活性層と、該活性層を挟む第１のクラッド層及び第２のクラッド層とを有する発光部と、前記発光部上に形成された電流拡散層と、前記発光部に対向して配置され、発光波長に対して９０％以上の反射率を有する反射層を含み、前記電流拡散層に接合された機能性基板と、を備え、前記第１及び第２のクラッド層が組成式（ＡｌＸ５Ｇａ１−Ｘ５）Ｙ３Ｉｎ１−Ｙ３Ｐ（０≦Ｘ５≦１，０＜Ｙ３≦１）の化合物半導体からなり、前記井戸層及びバリア層のペア数が５以下であることを特徴とする発光ダイオード。
（１０） 前記活性層と前記クラッド層との接合面積が２００００〜９００００μｍ２であることを特徴とする前項（８）または（９）のいずれかに記載の発光ダイオード。
（１１） 前記井戸層のＩｎ組成Ｘ１を０≦Ｘ１≦０．３とし、前記井戸層の厚さが３〜１０ｎｍであることを特徴とする前項（８）から（１０）のいずれか一項に発光ダイオード。
（１２） 前記井戸層のＩｎ組成Ｘ１が０．１≦Ｘ１≦０．３であることを特徴とする前項（８）から（１０）のいずれか一項に記載の発光ダイオード。
（１３） 前記機能性基板はシリコンまたはゲルマニウムからなる層を含むことを特徴とする前項（８）から（１２）のいずれか一項に記載の発光ダイオード。
（１４） 前記機能性基板は金属基板を含むことを特徴とする前項（８）から（１２）のいずれか一項に記載の発光ダイオード。
（１５） 前記金属基板は複数の金属層からなることを特徴とする前項（１４）に記載の発光ダイオード。
（１６） 前記井戸層及びバリア層のペア数が３以下であることを特徴とする前項（１）から（１５）のいずれか一項に記載の発光ダイオード。
（１７） 前記電流拡散層はＧａＰからなることを特徴とする前項（１）から（１６）のいずれか一項に記載の発光ダイオード。
（１８） 前記電流拡散層の厚さは０．５〜２０μｍの範囲であることを特徴とする前項（１）から（１７）のいずれか一項に記載の発光ダイオード。
（１９） 前記機能性基板の側面は、前記発光部に近い側においては主たる光取り出し面に対して略垂直である垂直面を有し、前記発光部に遠い側においては前記主たる光取り出し面に対して内側に傾斜した傾斜面を有することを特徴とする前項（１）から（１８）のいずれか一項に記載の発光ダイオード。
（２０） 前記傾斜面は粗い面を含むことを特徴とする前項（１９）に記載の発光ダイオード。
（２１） 第１の電極及び第２の電極が発光ダイオードの前記主たる光取り出し面側に設けられていることを特徴とする前項（１９）または（２０）のいずれかに記載の発光ダイオード。
（２２） 前記第１の電極及び前記第２の電極がオーミック電極であることを特徴とする前項（２１）に記載の発光ダイオード。
【００１８】
（２３） 前項（１）から（２２）のいずれか一項に記載の発光ダイオードを備えることを特徴とする発光ダイオードランプ。
（２４） 前項（１）から（２２）のいずれか一項に記載の発光ダイオード、および／または、前項（２３）に記載の発光ダイオードランプを複数個搭載した照明装置。
【００１９】
なお、本発明において、「機能性基板」とは、成長基板に化合物半導体層を成長させた後にその成長基板を除去し、電流拡散層を介して化合物半導体層に接合して化合物半導体層を支持する基板をいうが、電流拡散層に所定の層を形成した後に、その所定の層の上に所定の基板を接合する構成の場合は、その所定の層を含めて「機能性基板」という。
【発明の効果】
【００２０】
本発明の発光ダイオードによれば、ＩｎＧａＡｓの３元混晶からなる井戸層及びＡｌＧａＡｓの３元混晶からなるバリア層を交互に積層した量子井戸構造の活性層を採用し、注入キャリアの閉じ込め効果が大きい量子井戸構造を用いる構成とすることにより、井戸層内に十分な注入キャリアが閉じ込められることで、井戸層内のキャリア密度が高くなり、その結果、発光再結合確率が増大して、応答速度が向上する。
また、量子井戸構造内に注入されたキャリアはその波動性のためにトンネル効果によって量子井戸構造内の井戸層間全体に広がることになるが、量子井戸構造の井戸層及びバリア層のペア数を５以下とする構成を採用したので、その広がりによる注入キャリアの閉じ込め効果の低下を極力回避し、高速応答性が担保されている。
さらにまた、量子井戸構造の活性層から発光する構成なので単色性が高い。
【００２１】
さらに、本発明の発光ダイオードによれば、ＩｎＧａＡｓの３元混晶からなる井戸層及びＡｌＧａＩｎＰの４元混晶からなるバリア層を交互に積層した３元−４元量子井戸構造の活性層を採用し、注入キャリアの閉じ込め効果が大きい量子井戸構造を用いた構成とすることができる。
【００２２】
また、活性層を挟む第１のクラッド層及び第２のクラッド層として、発光波長に対して透明であると共に、欠陥を作りやすいＡｓを含まないために結晶性が高いＡｌＧａＩｎＰからなる構成を採用したので、欠陥を介した電子と正孔の非発光再結合確率が低下し、発光出力が向上する。
さらに、活性層を挟む第１のクラッド層及び第２のクラッド層として、４元混晶のＡｌＧａＩｎＰからなる構成を採用したので、バリア層及びクラッド層が３元混晶からなる発光ダイオードに比べてＡｌ濃度が低く、耐湿性が向上する。
【００２３】
また、化合物半導体層の成長基板を除去して、電流拡散層に機能性基板を接合した構成を採用したので、成長基板による光の吸収が回避され、発光出力が向上する。すなわち、化合物半導体層の成長基板として通常用いられるＧａＡｓ基板はバンドギャップが活性層のバンドギャップよりも狭いために、活性層からの光がＧａＡｓ基板に吸収され、光取り出し効率が低下するが、このＧａＡｓ基板を除去することによって、発光出力が向上する。
【００２４】
本発明の発光ダイオードによれば、活性層とクラッド層との接合面積を２００００〜９００００μｍ２である構成を採用することにより、その接合面積を９００００μｍ２以下とすることで電流密度が高くなり、高出力を担保しつつ、発光再結合確率が増大して応答速度が向上する。他方、接合面積を２００００μｍ２以上とすることで、通電電流に対する発光出力の飽和を抑制することにより、発光出力の大きな低下がなく、高出力が担保される。
【００２５】
本発明の発光ダイオードによれば、井戸層のＩｎ組成Ｘ１を０≦Ｘ１≦０．３とし、井戸層の厚さを３〜１０ｎｍとしてなる構成を採用することにより、従来の赤外発光ダイオードに比べて応答速度が高くかつ高出力が実現される。
【００２６】
本発明の発光ダイオードによれば、機能性基板は発光波長に対して透明である構成を採用することにより、吸収がある基板を用いた発光ダイオードに比べて高出力が実現される。
【００２７】
本発明の発光ダイオードによれば、機能性基板がＧａＰ、サファイア又はＳｉＣ、シリコン、又はゲルマニウムからなる構成を採用することにより、発光部と熱膨張係数が近い為、応力を低減できる。また、腐食しにくい材質である為、耐湿性が向上する。
【００２８】
本発明の発光ダイオードによれば、機能性基板と電流拡散層とをいずれもＧａＰからなる構成を採用することにより、それらの間の接合強度を大きくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の一実施形態である発光ダイオードを用いた発光ダイオードランプの平面図である。
【図２】本発明の一実施形態である発光ダイオードを用いた発光ダイオードランプの、図１中に示すＡ−Ａ’線に沿った断面模式図である。
【図３】本発明の一実施形態である発光ダイオードの平面図である。
【図４】本発明の一実施形態である発光ダイオードの、図３中に示すＢ−Ｂ’線に沿った断面模式図である。
【図５】本発明の一実施形態である発光ダイオードを構成する活性層を説明するための図である。
【図６】本発明の第１の実施形態である発光ダイオードの井戸層及びバリア層のペア数と、発光出力及び応答速度との相関を示すグラフである（活性層とクラッド層との接合面積が１２３０００μｍ２の場合）。
【図７】本発明の第１の実施形態である発光ダイオードの井戸層及びバリア層のペア数と、発光出力及び応答速度との相関を示すグラフである（活性層とクラッド層との接合面積が５３０００μｍ２の場合）。
【図８】本発明の一実施形態である発光ダイオードに用いるエピウェーハの断面模式図である。
【図９】本発明の一実施形態である発光ダイオードに用いる接合ウェーハの断面模式図である。
【図１０】本発明の一実施形態である発光ダイオードの、バリア層にＡｌＧａＩｎＰを用いた場合の発光ダイオードの井戸層及びバリア層のペア数と発光出力との相関を示すグラフである。
【図１１】本発明の一実施形態である発光ダイオードの、バリア層にＡｌＧａＩｎＰを用いた場合の発光ダイオードのバリア層のＩｎ組成（Ｙ１）と発光出力との相関を示すグラフである。
【図１２】本発明の一実施形態である発光ダイオードの、バリア層にＡｌＧａＩｎＰを用いた場合の発光ダイオードの順方向電流と発光出力の相関に対する、井戸層及びバリア層のペア数の依存性を示すグラフである。
【図１３】本発明の他の実施形態である発光ダイオードの平面図であり、（ａ）平面図、（ｂ）（ａ）中に示すＣ−Ｃ’線に沿った断面模式図である。
【図１４】本発明の他の実施形態である発光ダイオードの断面模式図である。
【図１５】本発明の一実施形態である発光ダイオードのバリア層にＡｌＧａＡｓを用いた場合の接合面積が１２３０００μｍ２の場合と５３０００μｍ２の場合のペア数と応答速度との関係を示すグラフである。
【図１６】本発明の一実施形態である発光ダイオードのバリア層にＡｌＧａＡｓを用いた場合の接合面積が１２３０００μｍ２の場合と５３０００μｍ２の場合のペア数と発光出力との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
以下、本発明を適用した一実施形態である発光ダイオード及びこれを用いた発光ダイオードランプについて図面を用いて詳細に説明する。なお、以下の説明で用いる図面において、同一部材には同一符号を付し若しくは符号を省略する。また、以下の説明で用いる図面は模式的であり、長さ、幅、及び厚みの比率等は現実のものとは異なる場合がある。
【００３１】
＜発光ダイオードランプ＞
図１及び図２は、本発明を適用した一実施形態である発光ダイオードを用いた発光ダイオードランプを説明するための図であり、図１は平面図、図２は図１中に示すＡ−Ａ’線に沿った断面図である。
【００３２】
図１及び図２に示すように、本実施形態の発光ダイオード１を用いた発光ダイオードランプ４１は、マウント基板４２の表面に１以上の発光ダイオード１が実装されている。
より具体的には、マウント基板４２の表面には、ｎ電極端子４３とｐ電極端子４４とが設けられている。また、発光ダイオード１の第１の電極であるｎ型オーミック電極４とマウント基板４２のｎ電極端子４３とが金線４５を用いて接続されている（ワイヤボンディング）。一方、発光ダイオード１の第２の電極であるｐ型オーミック電極５とマウント基板４２のｐ電極端子４４とが金線４６を用いて接続されている。そして、マウント基板４２の発光ダイオード１が実装された表面は、シリコン樹脂やエポキシ樹脂等の一般的な封止樹脂４７によって封止されている。
【００３３】
＜発光ダイオード（第１の実施形態）＞
図３及び図４は、本発明を適用した第１の実施形態に係る発光ダイオードを説明するための図であり、図３は平面図、図４は図３中に示すＢ−Ｂ’線に沿った断面図である。また、図５は井戸層とバリア層の積層構造の断面図である。
第１の実施形態に係る発光ダイオードは、組成式（ＩｎＸ１Ｇａ１−Ｘ１）Ａｓ（０≦Ｘ１≦１）の化合物半導体からなる井戸層１７、及び、組成式（ＡｌＸ２Ｇａ１−Ｘ２）Ａｓ（０≦Ｘ２≦１）の化合物半導体からなるバリア層１８を交互に積層した量子井戸構造の活性層１１と、該活性層１１を挟む第１のクラッド層９と第２のクラッド層１３とを有する発光部７と、発光部７上に形成された電流拡散層８と、電流拡散層８に接合された機能性基板３とを備え、第１及び第２のクラッド層９、１３が組成式（ＡｌＸ３Ｇａ１−Ｘ３）Ｙ１Ｉｎ１−Ｙ１Ｐ（０≦Ｘ３≦１，０＜Ｙ１≦１）の化合物半導体からなり、井戸層１７及びバリア層１８のペア数が５以下であることを特徴とするものである。
なお、本実施形態における主たる光取り出し面とは、化合物半導体層２において、機能性基板３を貼り付けた面の反対側の面である。
【００３４】
化合物半導体層（エピタキシャル成長層ともいう）２は、図４に示すように、ｐｎ接合型の発光部７と電流拡散層８とが順次積層された構造を有している。この化合物半導体層２の構造には、公知の機能層を適時加えることができる。例えば、オーミック（Ｏｈｍｉｃ）電極の接触抵抗を下げるためのコンタクト層、素子駆動電流を発光部の全般に平面的に拡散させるための電流拡散層、逆に素子駆動電流の通流する領域を制限するための電流阻止層や電流狭窄層など公知の層構造を設けることができる。なお、化合物半導体層２は、ＧａＡｓ基板上にエピタキシャル成長させて形成されたものであることが好ましい。
【００３５】
発光部７は、図４に示すように、電流拡散層８上に、少なくともｐ型の下部クラッド層（第１のクラッド層）９、下部ガイド層１０、活性層１１、上部ガイド層１２、ｎ型の上部クラッド層（第２のクラッド層）１３が順次積層されて構成されている。すなわち、発光部７は、放射再結合をもたらすキャリア（担体；ｃａｒｒｉｅｒ）及び発光を活性層１１に「閉じ込める」ために、活性層１１の下側及び上側に対峙して配置した下部クラッド層９、下部ガイド（ｇｕｉｄｅ）層１０、及び上部ガイド層１２、上部クラッド層１３を含む、所謂、ダブルヘテロ（英略称：ＤＨ）構造とすることが高強度の発光を得る上で好ましい。
【００３６】
活性層１１は、図５に示すように、発光ダイオード（ＬＥＤ）の発光波長を制御するため、量子井戸構造を構成する。すなわち、活性層１１は、バリア層（障壁層ともいう）１８を両端に有する、井戸層１７とバリア層（障壁層ともいう）１８との多層構造（積層構造）である。従って、例えば、5対のペア数の量子井戸構造は、５層の井戸層１７と６層のバリア層１８とからなる。
【００３７】
活性層１１の層厚は、０．０２〜２μｍの範囲であることが好ましい。また、活性層１１の伝導型は特に限定されるものではなく、アンドープ、ｐ型及びｎ型のいずれも選択することができる。発光効率を高めるには、結晶性が良好なアンドープ又は３×１０１７ｃｍ−３未満のキャリア濃度とすることが望ましい。結晶性を向上させて欠陥を少なくすると、光の吸収が抑制され、発光出力の向上を図ることができる。
【００３８】
井戸層１７は、組成式（ＩｎＸ１Ｇａ１−Ｘ１）Ａｓ（０≦Ｘ１≦１）の化合物半導体からなる。
Ｉｎ組成Ｘ１は０≦Ｘ１≦０．３であるのが好ましい。Ｉｎ組成Ｘ１をこの範囲とすることにより、８３０〜１０００ｎｍの範囲で所望の発光波長を有するものとすることができる。
【００３９】
下記表１に、井戸層１７の層厚を５ｎｍに固定した、Ｉｎ組成（Ｘ１）と発光ピーク波長との相関を示す。下記表１に示すように、井戸層１７のＩｎ組成（Ｘ１）が低くなるほど、発光ピーク波長が長くなっていることがわかる。また、その変化の傾向から、下記表１に記載されていない発光ピーク波長に対応する、Ｉｎ組成（Ｘ１）を推定することができる。
【００４０】
【表１】
【００４１】
井戸層１７の層厚は、３〜３０ｎｍの範囲が好適であり、より好ましくは、３〜１０ｎｍの範囲である。
下記表２に、井戸層１７のＩｎ組成（Ｘ１）を０．２０とした際の、井戸層１７の層厚と発光ピーク波長との相関を示す。また、下記表３に、井戸層１７のＩｎ組成（Ｘ１）を０．０５とした際の、井戸層１７の層厚と発光ピーク波長との関係を示す。
【００４２】
【表２】
【００４３】
【表３】
【００４４】
表２、３に示すように、井戸層１７の層厚が薄くなると、量子効果によって発光ピーク波長が短くなる一方、層厚が厚い場合には、発光ピーク波長は組成によって決まる。また、それらの変化の傾向から、上記表２、３に記載されていない発光ピーク波長に対応する層厚を推定することができる。
【００４５】
以上のような、発光ピーク波長と、井戸層１７のＩｎ組成（Ｘ１）及び層厚との関係に基づいて、８３０ｎｍ〜１０００ｎｍの範囲内で所望の発光波長が得られるように、井戸層１７のＩｎ組成（Ｘ１）と層厚を決めることができる。
例えば、井戸層のＩｎ組成Ｘ１を０≦Ｘ１≦０．３とし、井戸層の厚さを３〜１０ｎｍの範囲とし、発光波長が８３０〜１０００ｎｍに設定されてなる発光ダイオードを作製できる。
【００４６】
バリア層１８は、組成式（ＡｌＸ２Ｇａ１−Ｘ２）Ａｓ（０≦Ｘ２≦１）の化合物半導体からなる。Ｘは、バリア層１８での吸収を防止して発光効率を高めるため、井戸層１７よりもバンドギャップが大きくなる組成とするのが好ましい。また、バリア層１８は、結晶性の観点からＡｌ濃度が低いことが好ましい。従って、バリア層１８のＡｌ組成Ｘ２は０．１〜０．３の範囲であることがより好ましい。
また、最適なＸ２の組成は井戸層の組成との関係で決まる。結晶性を向上させて欠陥を少なくすると、光の吸収が抑制され、その結果、発光出力の向上を図ることができる。
【００４７】
バリア層１８の層厚は、井戸層１７の層厚と等しいか又は井戸層１７の層厚より厚いことが好ましい。バリア層１８の層厚を、トンネル効果が生じる層厚範囲で十分に厚くすることにより、トンネル効果による井戸層の結合と、広がりの制限を両立することにより、キャリアの閉じ込め効果が増大し、電子と正孔の発光再結合確率が大きくなり、発光出力の向上を図ることができる。
【００４８】
本発明の発光ダイオードにおいては、井戸層１７とバリア層１８との多層構造において、井戸層１７とバリア層１８とを交互に積層する対の数は５ペア以下であり、１ペアであっても構わない。すなわち、活性層１１には、井戸層１７が１〜５層含まれていることが好ましい。このような構成により、キャリアの閉じ込め効果を増大し、電子と正孔の発光再結合確率が大きくして、２５ｎｓｅｃ以下の高速の応答速度（立ち上がり時間）が確保できる。後述する実施例で示すように、井戸層１７及びバリア層１８のペア数を５対から１対に少なくするほど、応答速度は高速になった。実施例で示した条件ではペア数が１対のときに最高速の１５ｎｓｅｃを実現した。多重量子井戸構造の活性層の場合、量子井戸層の数が少ないほど、電子と正孔が閉じ込められる領域が狭くなるために発光再結合確率が高くなり、その結果、応答速度が高速化する。
【００４９】
図６及び図７はそれぞれ、活性層１１と下部クラッド層９又は上部クラッド層１３との接合面積を１２３０００μｍ２（３５０μｍ×３５０μｍ：図６）とした場合と、それよりも狭く５３０００μｍ２（２３０μｍ×２３０μｍ：図７）とした場合の発光ダイオードの井戸層及びバリア層のペア数と、発光出力及び応答速度との相関を示すグラフである。
図６及び図７に示すグラフに基づくと、活性層１１の発光効率が好適な範囲としては井戸層１７が１層でも十分である。一方、井戸層１７及びバリア層１８の間には格子不整が存在する為、ペア数が多すぎると、結晶欠陥の発生により、発光効率が低下してしまう。このため、本発明では、井戸層１７とバリア層１８とのペア数は、５ペア以下である。
【００５０】
例えば、図６のグラフに示すデータでは、井戸層１７とバリア層１８とのペア数が１ペアの場合は、発光出力が６．８ｍＷで応答速度Ｔｒが１５ｎｓｅｃであり、３ペアの場合には、発光出力が７ｍＷで応答速度Ｔｒが１８ｎｓｅｃ、５ペアの場合には、発光出力が６．９ｍＷで応答速度Ｔｒが２３ｎｓｅｃと、何れも高い発光効率並びに高速応答性が得られる。一方、井戸層とバリア層とのペア数が１０ペアでは、発光出力が６．５ｍＷ、応答速度Ｔｒが３２ｎｓｅｃであり、ペア数が１〜５ペアの場合に比べて、出力並びに応答速度の何れも劣るものとなっている。また、井戸層とバリア層とのペア数が２０ペアでは、発光出力が５．０ｍＷに低下するとともに、応答速度Ｔｒが４３ｎｓｅｃとなり、発光効率及び高速性の何れも劣ることがわかる。
【００５１】
また、図７のグラフに示すデータでは、井戸層１７とバリア層１８とのペア数が１ペアの場合は、発光出力が７．０ｍＷで応答速度Ｔｒが１２ｎｓｅｃであり、３ペアの場合には、発光出力が７．１ｍＷで応答速度Ｔｒが１５ｎｓｅｃ、５ペアの場合には、発光出力が７．０ｍＷで応答速度Ｔｒが１８ｎｓｅｃと、何れも高い発光効率並びに高速応答性が得られる。一方、井戸層とバリア層とのペア数が１０ペアでは、発光出力が６．２ｍＷ、応答速度Ｔｒが２３ｎｓｅｃであり、ペア数が１〜５ペアの場合に比べて、出力並びに応答速度の何れも劣るものとなっている。また、井戸層とバリア層とのペア数が２０ペアでは、発光出力が５．２ｍＷに低下するとともに、応答速度Ｔｒが３６ｎｓｅｃとなり、発光効率及び高速性の何れも劣ることがわかる。
【００５２】
図６及び図７のいずれの場合も、ペア数が１〜５ペアのうち、井戸層１７とバリア層１８とのペア数が３ペアのときはそれぞれ、応答速度Ｔｒも１８ｎｓｅｃ、１５ｎｓｅｃと高速性にも優れているだけでなく、それぞれ７．０mＶ、７．１mＶと最高出力であるから、発光出力を最重視する場合には３ペアが最も好ましい。
高速化の観点からすれば、１ペアがもっとも望ましいが、電子および正孔の閉じ込めが非常に狭い範囲で限定されることから、注入電流の増加に対する出力の飽和が発生しやすい。一方、本発明の井戸層には歪が存在することから、３ペア以上の領域ではペア数の増加に伴い、歪による結晶欠陥が拡大し出力が低下する。このことから、応答速度では２ペア以下の構造に劣るが、出力とのバランスを鑑み、３ペアがより望ましい。
【００５３】
なお、井戸層１７とバリア層１８の数を減らすと、ＰＮ接合の接合容量（キャパシタンス）は大きくなる。これは、井戸層１７とバリア層１８はアンドープ、または低いキャリア濃度とされるので、ＰＮ接合において空乏層として機能し、空乏層が薄いほどキャパシタンスが大きくなることに起因する。
一般に応答速度を早くするためにはキャパシタンスが小さい方が望ましいが、本発明の構造では、井戸層１７とバリア層１８の数を少なくすることにより、キャパシタンスが大きくなるにも関わらず、応答速度が早くなる効果が見出された。これは、井戸層１７とバリア層１８の数を少なくすることにより、注入キャリアの再結合速度が速くなる効果がより大きいためであるものと推定される。
【００５４】
活性層１１と下部クラッド層９又は上部クラッド層１３との接合面積は２００００〜９００００μｍ２であるのが好ましい。
【００５５】
活性層１１と下部クラッド層９又は上部クラッド層１３との接合面積を９００００μｍ２以下とすることで、電流密度が高くなり、発光再結合確率が増大して応答速度が向上する。後述する実施例で示すように、本発明者が鋭意実験したところ、例えば、活性層１１と下部クラッド層９又は上部クラッド層１３との接合面積を１２３０００μｍ２（３５０μｍ×３５０μｍ）とした場合と、それよりも狭く５３０００μｍ２（２３０μｍ×２３０μｍ）とした場合とでは、後者の方が、井戸層１７及びバリア層１８のペア数が５ペアのときで２０％以上応答速度が向上し、また、ペア数が１ペアのときでも、２０％応答速度が向上することが明らかとなった。
【００５６】
他方、活性層１１と下部クラッド層９又は上部クラッド層１３との接合面積を２００００μｍ２以上とすることで、発光出力の大きな低下がなく、高出力が担保される。後述する実施例で示すように、本発明者が鋭意実験したところ、例えば、活性層１１と下部クラッド層９又は上部クラッド層１３との接合面積を５３０００μｍ２とした場合に、井戸層１７及びバリア層１８のペア数が５ペアのときに発光出力７．０ｍＷ（応答速度１８ｎｓｅｃ）で、１ペアのときでも発光出力７．０ｍＷ（応答速度１２ｎｓｅｃ）という高い発光出力を維持できることが明らかとなった。
【００５７】
本実施形態においては、図４に例示するように、下部ガイド層１０及び上部ガイド層１２が、活性層１１の下面及び上面にそれぞれ設けられている。具体的には、活性層１１の下面に下部ガイド層１０が設けられ、活性層１１の上面に上部ガイド層１２が設けられている。
【００５８】
下部ガイド層１０及び上部ガイド層１２は、（ＡｌＸ６Ｇａ１−Ｘ６）Ａｓ（０＜Ｘ６≦１）の組成を有している。Ａｌ組成Ｘ６は、バリア層１５よりもバンドギャップが等しいか又は大きくなる組成とすることが好ましく、０．２〜０．５の範囲がより好ましい。結晶性の観点から最適なＸ６の組成は、井戸層１７の組成との関係で決まる。結晶性を向上させて欠陥を少なくすると、光の吸収が抑制され、その結果、発光出力の向上を図ることができる。
【００５９】
下記表４に、井戸層１７の層厚を５ｎｍとした際に、各発光ピーク波長における発光出力が最大となる、バリア層１８、下部ガイド層１０及び上部ガイド層１２のＡｌ組成（Ｘ２、Ｘ６）を示す。ここで、バリア層１８、下部ガイド層１０及び上部ガイド層１２は、井戸層１７よりもバンドギャップが大きくなる組成とするのが好ましいが、結晶性を高めて発光出力を向上させるためには、井戸層１７の組成との関係で最適な組成が定まる。このように、バリア層１８、下部ガイド層１０及び上部ガイド層１２の結晶性を向上させて欠陥を少なくすると、光の吸収が抑制され、その結果、発光出力の向上を図ることができる。
【００６０】
【表４】
【００６１】
下部ガイド層１０及び上部ガイド層１２はそれぞれ、下部クラッド層９及び上部クラッド層１３と、活性層１１との愛大における欠陥の伝搬を低減するために設けられている。すなわち、下部ガイド層１０、上部ガイド層１２及び活性層１１のＶ族構成元素は砒素（Ａｓ）であるのに対し、本発明では下部クラッド層９及び上部クラッド層１３のＶ族構成元素はリン（Ｐ）とするため、界面において欠陥が生じやすい。このような欠陥の活性層１１への伝播は、発光ダイオードの性能低下の原因となる。このため、下部ガイド層１０及び上部ガイド層１２の層厚は１０ｎｍ以上が好ましく、２０ｎｍ〜１００ｎｍがより好ましい。
【００６２】
下部ガイド層１０及び上部ガイド層１２の伝導型は特に限定されるものではなく、アンドープ、ｐ型及びｎ型のいずれも選択することができる。発光効率を高めるには、結晶性が良好なアンドープ又は３×１０１７ｃｍ−３未満のキャリア濃度とすることが望ましい。
【００６３】
下部クラッド層９及び上部クラッド層１３は、図４に示すように、下部ガイド層１０の下面及び上部ガイド層１２上面にそれぞれ設けられている。
【００６４】
下部クラッド層９及び上部クラッド層１３は、（ＡｌＸ３Ｇａ１−Ｘ３）Ｙ１Ｉｎ１−Ｙ１Ｐ（０≦Ｘ３≦１，０＜Ｙ１≦１）の化合物半導体からなり、バリア層１８よりもバンドギャップの大きい材質が好ましく、下部ガイド層１０及び上部ガイド層１２よりもバンドギャップが大きい材質がより好ましい。上記材質としては、（ＡｌＸ３Ｇａ１−Ｘ３）Ｙ１Ｉｎ１−Ｙ１Ｐ（０≦Ｘ３≦１，０＜Ｙ１≦１）のＡｌ組成Ｘ３が、０．２〜０．４である組成を有することが好ましい。また、Ｙ１は０．４〜０．６とすることが好ましい。Ｘ３は、クラッド層として機能し、且つ、発光波長に対して透明な範囲で選ばれ、Ｙ１は、クラッド層が厚膜なので基板との格子整合の観点から良質な結晶成長ができる範囲として選ばれる。
【００６５】
下部クラッド層９と上部クラッド層１３とは、極性が異なるように構成されている。また、下部クラッド層９及び上部クラッド層１３のキャリア濃度及び厚さは、公知の好適な範囲を用いることができ、活性層１１の発光効率が高まるように条件を最適化することが好ましい。また、下部クラッド層９及び上部クラッド層１３の組成を制御することによって、化合物半導体層２の反りを低減させることができる。
【００６６】
具体的に、下部クラッド層９としては、例えば、Ｍｇをドープしたｐ型の（ＡｌＸ３aＧａ１−Ｘ３ａ）Ｙ１ａＩｎ１−Ｙ１ａＰ（０．３≦Ｘ３ａ≦０．７，０．４≦Ｙ１ａ≦０．６）からなる半導体材料を用いることが望ましい。また、キャリア濃度は２×１０１７〜２×１０１８ｃｍ−３の範囲が好ましく、層厚は０．１〜１μｍの範囲が好ましい。
【００６７】
一方、上部クラッド層１３としては、例えば、Ｓｉをドープしたｎ型の（ＡｌＸ３ｂＧａ１−Ｘ３ｂ）Ｙ１ｂＩｎ１−Ｙ１ｂＰ（０．３≦Ｘ３ｂ≦０．７，０．４≦Ｙ１ｂ≦０．６）からなる半導体材料を用いることが望ましい。また、キャリア濃度は１×１０１７〜１×１０１８ｃｍ−３の範囲が好ましく、層厚は０．１〜１μｍの範囲が好ましい。
なお、下部クラッド層９及び上部クラッド層１３の極性は、化合物半導体層２の素子構造を考慮して選択することができる。
【００６８】
また、発光部７の構成層の上方には、オーミック（Ｏｈｍｉｃ）電極の接触抵抗を下げるためのコンタクト層、素子駆動電流を発光部の全般に平面的に拡散させるための電流拡散層、逆に素子駆動電流の通流する領域を制限するための電流阻止層や電流狭窄層など公知の層構造を設けることができる。
【００６９】
電流拡散層８は、図４に示すように、発光部７の下方に設けられている。この電流拡散層８は、ＧａＡｓ基板上に化合物半導体層２をエピタキシャル成長させる際に、活性層１２によって生じた歪を緩和させる。
また、電流拡散層８は、発光部７（活性層１１）からの発光波長に対して透明である材料、例えば、ＧａＰを適用することができる。電流拡散層８にＧａＰを適用する場合、機能性基板３をＧａＰ基板とすることにより、接合を容易にし、高い接合強度を得ることができる。
【００７０】
また、電流拡散層８の厚さは０．５〜２０μｍの範囲であることが好ましい。０．５μｍ以下であると電流拡散が不十分であり、２０μｍ以上であるとその厚さまで結晶成長させるためのコストが増大するであるからである。
【００７１】
機能性基板３は、化合物半導体層２の主たる光取り出し面と反対側の面に接合されている。すなわち、機能性基板３は、図４に示すように、化合物半導体層２を構成する電流拡散層８側に接合される。この機能性基板３は、発光部７を機械的に支持するのに充分な強度を有し、且つ、発光部７から出射される発光を透過でき、活性層１１からの発光波長に対して光学的に透明な材料から構成する。また、耐湿性に優れた化学的に安定な材質が、望ましく、例えば、腐食しやすいＡｌ等を含有しない材質を採用することが望ましい。
【００７２】
機能性基板３は発光部と熱膨張係数が近く、耐湿性に優れた基板であり、更に熱伝導の良いＧａＰ、ＳｉＣ、また、機械強度が強いサファイアからなるのが好ましい。また、機能性基板３は、発光部７を機械的に充分な強度で支持するために、例えば、約５０μｍ以上の厚みとすることが好ましい。また、化合物半導体層２へ接合した後に機能性基板３への機械的な加工を施し易くするため、約３００μｍの厚さを超えないものとすることが好ましい。すなわち、機能性基板３は、約５０μｍ以上約３００μｍ以下の厚さを有する透明度、コスト面からｎ型ＧａＰ基板から構成するのが最も好ましい。
【００７３】
また、図４に示すように、機能性基板３の側面は、化合物半導体層２に近い側において主たる光取り出し面に対して略垂直である垂直面３ａとされており、化合物半導体層２に遠い側において主たる光取り出し面に対して内側に傾斜した傾斜面３ｂとされている。これにより、活性層１１から機能性基板３側に放出された光を効率よく外部に取り出すことができる。また、活性層１１から機能性基板３側に放出された光のうち、一部は垂直面３ａで反射され傾斜面３ｂで取り出すことができる。一方、傾斜面３ｂで反射された光は垂直面３ａで取り出すことができる。このように、垂直面３ａと傾斜面３ｂとの相乗効果により、光の取り出し効率を高めることができる。
【００７４】
また、本実施形態では、図４に示すように、傾斜面３ｂと発光面に平行な面とのなす角度αを、５５度〜８０度の範囲内とすることが好ましい。このような範囲とすることで、機能性基板３の底部で反射された光を効率よく外部に取り出すことができる。
また、垂直面３ａの幅（厚さ方向）を、３０μｍ〜１００μｍの範囲内とすることが好ましい。垂直面３ａの幅を上記範囲内にすることで、機能性基板３の底部で反射された光を垂直面３ａにおいて効率よく発光面に戻すことができ、さらには、主たる光取り出し面から放出させることが可能となる。これにより、発光ダイオード１の発光効率を高めることができる。
【００７５】
また、機能性基板３の傾斜面３ｂは粗面化されているのが好ましい。傾斜面３ｂが粗面化されていることにより、この傾斜面３ｂでの光取り出し効率を上げる効果が得られる。すなわち、傾斜面３ｂを粗面化することにより、傾斜面３ｂでの全反射を抑制して、光取り出し効率を上げることができる。
【００７６】
化合物半導体層２と機能性基板３との接合界面は、高抵抗層となっている場合がある。すなわち、化合物半導体層２と機能性基板３との間には、図示略の高抵抗層が形成されている場合がある。この高抵抗層は、機能性基板３よりも高い抵抗値を示し、高抵抗層が形成されている場合には化合物半導体層２の電流拡散層８側から機能性基板３側への逆方向の電流を低減する機能を有している。また、機能性基板３側から電流拡散層８側へと不用意に印加される逆方向の電圧に対して耐電圧性を発揮する接合構造を構成しているが、その降伏電圧は、ｐｎ接合型の発光部７の逆方向電圧より低値となる様に構成するのが好ましい。
【００７７】
ｎ型オーミック電極（第１の電極）４およびｐ型オーミック電極（第２の電極）５は、発光ダイオード１の主たる光取り出し面に設けられた低抵抗のオーミック接触電極である。
ここで、ｎ型オーミック電極４は、上部クラッド層１１の上方に設けられており、例えば、ＡｕＧｅ、Ｎｉ合金／Ａｕからなる合金を用いることができる。一方、ｐ型オーミック電極５は、図４に示すように、露出させた電流拡散層８の表面にＡｕＢｅ／Ａｕ、またはＡｕＺｎ／Ａｕからなる合金を用いることができる。
【００７８】
ここで、本実施形態の発光ダイオード１では、第２の電極としてｐ型オーミック電極５を、電流拡散層８上に形成するのが好ましい。このような構成とすることにより、作動電圧を下げる効果が得られる。また、ｐ型オーミック電極５をｐ型ＧａＰからなる電流拡散層８上に形成することにより、良好なオーミックコンタクトが得られるため、作動電圧を下げることができる。
【００７９】
なお、本実施形態では、第１の電極の極性をｎ型とし、第２の電極の極性をｐ型とするのが好ましい。このような構成とすることにより、発光ダイオード１の高輝度化を達成することができる。一方、第１の電極をｐ型とすると、電流拡散が悪くなり、輝度の低下を招く。これに対して、第１の電極をｎ型とすることにより、電流拡散が良くなり、発光ダイオード１の高輝度化を達成することができる。
【００８０】
本実施形態の発光ダイオード１では、図３に示すように、ｎ型オーミック電極４とｐ型オーミック電極５とが対角の位置となるように配置することが好ましい。また、ｐ型オーミック電極５の周囲を、化合物半導体層２で囲んだ構成とすることが最も好ましい。このような構成とすることにより、作動電圧を下げる効果が得られる。また、ｐ型オーミック電極５の四方をｎ型オーミック電極４で囲むことにより、電流が四方に流れやすくなり、その結果作動電圧が低下する。
【００８１】
また、本実施形態の発光ダイオード１では、図３に示すように、ｎ型オーミック電極４を、ハニカム、格子形状など網目とすることが好ましい。このような構成とすることにより、信頼性を向上させる効果が得られる。また、格子状とすることにより、活性層１１に均一に電流を注入することができ、その結果、信頼性を向上させる効果が得られる。
なお、本実施形態の発光ダイオード１では、ｎ型オーミック電極４を、パッド形状の電極（パッド電極）と幅１０μｍ以下の線状の電極（線状電極）とで構成することが好ましい。このような構成とすることにより、高輝度化をはかることができる。さらに、線状電極の幅を狭くすることにより、光取り出し面の開口面積を上げることができ、高輝度化を達成することができる。
【００８２】
なお、本実施形態においては、図示を省略するが、さらに、機能性基板３の裏側に第３の電極が形成された構成を採用することができる。このような第３の電極を備えた構成とすることにより、透明基板（機能性基板）において、光が基板側へ反射する構造にすることで、さらなる高出力化ができる。反射金属材料としては、Ａｕ、Ａｇ、Ａｌなどの材料が使用できる。
また、電極表面側を、例えば、ＡｕＳｎ等の共晶金属、半田材料にすることで、ダイボンド工程においてペーストを使用する必要がなくなり、工程が簡易化できる。さらに、機能性基板３とｎ電極端子４３との間を、金属からなる第３の電極で接続することにより、熱伝導が向上して発光ダイオードの放熱特性が良好となる。
【００８３】
＜発光ダイオードの製造方法＞
次に、本実施形態の発光ダイオード１の製造方法について説明する。図８は、本実施形態の発光ダイオード１に用いるエピウェーハの断面図である。また、図９は、本実施形態の発光ダイオード１に用いる接合ウェーハの断面図である。
【００８４】
（化合物半導体層の形成工程）
まず、図８に示すように、化合物半導体層２を作製する。化合物半導体層２は、ＧａＡｓ基板１４上に、ＧａＡｓからなる緩衝層１５、選択エッチングに利用するために設けられたエッチングストップ層（図示略）、Ｓｉをドープしたｎ型のＡｌＧａＡｓからなるコンタクト層１６、ｎ型の上部クラッド層１３、上部ガイド層１２、活性層１１、下部ガイド層１０、ｐ型の下部クラッド層９、Ｍｇドープしたｐ型ＧａＰからなる電流拡散層８を順次積層して作製する。
【００８５】
ＧａＡｓ基板１４は、公知の製法で作製された市販品の単結晶基板を使用することができる。ＧａＡｓ基板１４のエピタキシャル成長させる表面は、平滑であることが望ましい。ＧａＡｓ基板１４の表面の面方位は、エピタキシャル成長しやすく、量産されている（１００）面および（１００）から、±２０°以内にオフした基板が、品質の安定性の面から望ましい。さらに、ＧａＡｓ基板１４の面方位の範囲が、（１００）方向から（０−１−１）方向に１５°オフ±５°であることがより好ましい。なお、本明細書では、ミラー指数の表記において、“−”はその直後の指数につくバーを意味する。
【００８６】
ＧａＡｓ基板１４の転位密度は、化合物半導体層２の結晶性を良くするために低い方が望ましい。具体的には、例えば、１０，０００個ｃｍ−２以下、望ましくは、１，０００個ｃｍ−２以下であることが好適である。
【００８７】
ＧａＡｓ基板１４は、ｎ型であってもｐ型であっても良い。ＧａＡｓ基板１４のキャリア濃度は、所望の電気伝導度と素子構造から、適宜選択することができる。例えば、ＧａＡｓ基板１４がシリコンドープのｎ型である場合には、キャリア濃度が１×１０１７〜５×１０１８ｃｍ−３の範囲であることが好ましい。これに対して、ＧａＡｓ基板１４が亜鉛をドープしたｐ型の場合には、キャリア濃度２×１０１８〜５×１０１９ｃｍ−３の範囲であることが好ましい。
【００８８】
ＧａＡｓ基板１４の厚さは、基板のサイズに応じて適切な範囲がある。ＧａＡｓ基板１４の厚さが適切な範囲よりも薄いと、化合物半導体層２の製造プロセス中に割れてしまうおそれがある。一方、ＧａＡｓ基板１４の厚さが適切な範囲よりも厚いと材料コストが増加することになる。このため、ＧａＡｓ基板１４の基板サイズが大きい場合、例えば、直径７５ｍｍの場合には、ハンドリング時の割れを防止するために２５０〜５００μｍの厚さが望ましい。同様に、直径５０ｍｍの場合は、２００〜４００μｍの厚さが望ましく、直径１００ｍｍの場合は、３５０〜６００μｍの厚さが望ましい。
【００８９】
このように、ＧａＡｓ基板１４の基板サイズに応じて基板の厚さを厚くすることにより、活性層７に起因する化合物半導体層２の反りを低減することができる。これにより、エピタキシャル成長中の温度分布が均一となることため、活性層１１の面内の波長分布を小さくすることができる。なお、ＧａＡｓ基板１４の形状は、特に円形に限定されず、矩形等であっても問題ない。
【００９０】
緩衝層（ｂｕｆｆｅｒ）１５は、ＧａＡｓ基板１４と発光部７の構成層との欠陥の伝搬を低減するために設けられている。このため、基板の品質やエピタキシャル成長条件を選択すれば、緩衝層１５は、必ずしも必要ではない。また、緩衝層１５の材質は、エピタキシャル成長させる基板と同じ材質とすることが好ましい。したがって、本実施形態では、緩衝層１５には、ＧａＡｓ基板１４と同じくＧａＡｓを用いることが好ましい。また、緩衝層１５には、欠陥の伝搬を低減するためにＧａＡｓ基板１４と異なる材質からなる多層膜を用いることもできる。緩衝層１５の厚さは、０．１μｍ以上とすることが好ましく、０．２μｍ以上とすることがより好ましい。
【００９１】
コンタクト層１６は、電極との接触抵抗を低下させるために設けられている。コンタクト層１６の材質は、活性層１１よりバンドギャップの大きい材質であることが好ましく、ＡｌＸ７Ｇａ１−Ｘ７Ａｓ、（ＡｌＸ７Ｇａ１−Ｘ７）Ｙ４Ｉｎ１−Ｙ４Ｐ（０≦Ｘ７≦１，０＜Ｙ４≦１）を好適に用いることができる。また、コンタクト層１６のキャリア濃度の下限値は、電極との接触抵抗を低下させるために５×１０１７ｃｍ−３以上であることが好ましく、１×１０１８ｃｍ−３以上がより好ましい。キャリア濃度の上限値は、結晶性の低下が起こりやすくなる２×１０１９ｃｍ−３以下が望ましい。コンタクト層１６の厚さは、０．５μｍ以上が好ましく、１μｍ以上が最適である。コンタクト層１６の厚さの上限値は特に限定されてはいないが、エピタキシャル成長に係るコストを適正範囲にするため、５μｍ以下とすることが望ましい。
【００９２】
本実施形態では、分子線エピタキシャル法（ＭＢＥ）や減圧有機金属化学気相堆積法（ＭＯＣＶＤ法）等の公知の成長方法を適用することができる。なかでも、量産性に優れるＭＯＣＶＤ法を適用することが、最も望ましい。具体的には、化合物半導体層２のエピタキシャル成長に使用するＧａＡｓ基板１４は、成長前に洗浄工程や熱処理等の前処理を実施して、表面の汚染や自然酸化膜を除去することが望ましい。上記化合物半導体層２を構成する各層は、直径５０〜１５０ｍｍのＧａＡｓ基板１４をＭＯＣＶＤ装置内にセットし、同時にエピタキシャル成長させて積層することができる。また、ＭＯＣＶＤ装置としては、自公転型、高速回転型等の市販の大型装置を適用することができる。
【００９３】
上記化合物半導体層２の各層をエピタキシャル成長する際、ＩＩＩ族構成元素の原料としては、例えば、トリメチルアルミニウム（（ＣＨ３）３Ａｌ）、トリメチルガリウム（（ＣＨ３）３Ｇａ）及びトリメチルインジウム（（ＣＨ３）３Ｉｎ）を用いることができる。また、Ｍｇのドーピング原料としては、例えば、ビスシクロペンタジエニルマグネシウム（ｂｉｓ−（Ｃ５Ｈ５）２Ｍｇ）等を用いることができる。また、Ｓｉのドーピング原料としては、例えば、ジシラン（Ｓｉ２Ｈ６）等を用いることができる。
また、Ｖ族構成元素の原料としては、ホスフィン（ＰＨ３）、アルシン（ＡｓＨ３）等を用いることができる。
また、各層の成長温度としては、電流拡散層８としてｐ型ＧａＰを用いる場合は、７２０〜７７０℃を適用することができ、その他の各層では６００〜７００℃を適用することができる。
さらに、各層のキャリア濃度及び層厚、温度条件は、適宜選択することができる。
【００９４】
このようにして製造した化合物半導体層２は、発光部７を有するにもかかわらず結晶欠陥が少ない良好な表面状態が得られる。また、化合物半導体層２は、素子構造に対応して研磨などの表面加工を施しても良い。
【００９５】
（機能性基板の接合工程）
次に、化合物半導体層２と機能性基板３とを接合する。
化合物半導体層２と機能性基板３との接合は、先ず、化合物半導体層２を構成する電流拡散層８の表面を研磨して、鏡面加工する。次に、この電流拡散層８の鏡面研磨した表面に貼付する機能性基板３を用意する。なお、この機能性基板３の表面は、電流拡散層８に接合させる以前に鏡面に研磨する。次に、一般の半導体材料貼付装置に、化合物半導体層２と機能性基板３とを搬入し、真空中で鏡面研磨した双方の表面に電子を衝突させて中性（ニュートラル）化したＡｒビームを照射する。その後、真空を維持した貼付装置内で双方の表面を重ね合わせて荷重をかけることで、室温で接合することができる（図７参照）。接合に関しては、接合条件の安定性から、接合面が同じ材質がより望ましい。
接合（貼り付け）はこのような真空下での常温接合が最適であるが、共晶金属、接着剤を用いて接合することもできる。
【００９６】
（第１及び第２の電極の形成工程）
次に、第１の電極であるｎ型オーミック電極４及び第２の電極であるｐ型オーミック電極５を形成する。
ｎ型オーミック電極４及びｐ型オーミック電極５の形成の際は、先ず、機能性基板３と接合した化合物半導体層２から、ＧａＡｓ基板１４及び緩衝層１５をアンモニア系エッチャントによって選択的に除去する。次に、露出したコンタクト層１６の表面にｎ型オーミック電極４を形成する。具体的には、例えば、ＡｕＧｅ、Ｎｉ合金／Ｐｔ／Ａｕを任意の厚さとなるように真空蒸着法により積層した後、一般的なフォトリソグラフィー手段を利用してパターニングを行ってｎ型オーミック電極４の形状を形成する。
【００９７】
次に、コンタクト層１６、上部クラッド層１３、上部ガイド層１２、活性層１１、下部ガイド層１０、ｐ型の下部クラッド層９の所定範囲について選択的に除去して電流拡散層８を露出させ、この露出した電流拡散層８の表面にｐ型オーミック電極５を形成する。具体的には、例えば、ＡｕＢｅ／Ａｕを任意の厚さとなるように真空蒸着法により積層した後、一般的なフォトリソグラフィー手段を利用してパターニングを行ってｐ型オーミック電極５の形状を形成する。その後、例えば４００〜５００℃、５〜２０分間の条件で熱処理を行って合金化することにより、低抵抗のｎ型オーミック電極４及びｐ型オーミック電極５を形成することができる。
【００９８】
（第３の電極の形成工程）
上述したような、図示略の第３の電極を設けた構成を採用する場合には、機能性基板３の裏面に第３の電極を形成する。第３の電極には、素子の構造により、オーミック電極、ショットキー電極、反射機能、共晶ダイボンド構造などの機能を組み合わせ付加することができる。また、透明基板（機能性基板）上においては、Ａｕ、Ａｇ、Ａｌ等の材料を形成し、光を反射可能な構造にする。この際、機能性基板と前記材料の間に、例えば、酸化ケイ素やＩＴＯ等の透明膜を挿入することができる。また、この際の形成方法としては、スパッタ法、蒸着法等の公知の技術を利用できる。
【００９９】
また、電極表面側を、例えば、ＡｕＳｎ等の共晶金属、鉛フリー半田材料等にすることで、ダイボンド工程においてペーストを使用する必要がなくなり、工程が簡易化できる。また、この際の形成方法としては、スパッタ法、蒸着法、めっき、印刷等の公知の技術を利用できる。このように、機能性基板３とｎ電極端子４３との間を金属からなる第３の電極で接続することで、熱伝導性が向上して発光ダイオードの放熱特性が良好となる。また、上述した機能の２つ以上を組み合わせる場合には、金属が拡散しないように、各層の愛大にバリア金属、酸化物を挿入することも好適な方法である。このようなバリア金属、酸化物としても、素子構造や基板材料に応じて、最適なものを選択すれば良い。
【０１００】
（機能性基板の加工工程）
次に、機能性基板３の形状を加工する。
機能性基板３の加工は、先ず、図示略の第３の電極を形成していない表面にＶ字状の溝入れを行う。この際、Ｖ字状の溝の第３の電極側の内側面が発光面に平行な面とのなす角度αを有する傾斜面３ｂとなる。次に、化合物半導体層２側から所定の間隔でダイシングを行ってチップ化する。なお、チップ化の際のダイシングによって機能性基板３の垂直面３ａが形成される。
【０１０１】
傾斜面３ｂの形成方法は、特に限定されるものではなく、ウェットエッチング、ドライエッチング、スクライブ法、レーザー加工などの従来からの方法を組み合わせて用いることができるが、形状の制御性及び生産性の高いダイシング法を適用することが最も好ましい。ダイシング法を適用することにより、製造歩留まりを向上することができる。
【０１０２】
また、垂直面３ａの形成方法は、特に限定されるものではないが、レーザー加工、スクライブ・ブレーク法又はダイシング法で形成するのが好ましい。レーザー加工、スクライブ・ブレーク法を採用することにより、製造コストを低下させることができる。即ち、チップ分離の際に切りしろを設ける必要がなく、数多くの発光ダイオードが製造できるため、製造コストを下げることができる。一方、ダイシング法では、切断の安定性に優れている。
【０１０３】
最後に、破砕層及び汚れを必要に応じて硫酸・過酸化水素混合液等でエッチング除去する。このようにして発光ダイオード１を製造する。
【０１０４】
＜発光ダイオードランプの製造方法＞
次に、上記発光ダイオード１を用いた発光ダイオードランプ４１の製造方法、すなわち、発光ダイオード１の実装方法について説明する。
図１及び図２に示すように、マウント基板４２の表面に所定の数量の発光ダイオード１を実装する。発光ダイオード１の実装は、先ず、マウント基板４２と発光ダイオード１との位置合わせを行い、マウント基板４２の表面の所定の位置に発光ダイオード１を配置する。次に、Ａｇペーストでダイボンドし、発光ダイオード１がマウント基板４２の表面に固定される。次に、発光ダイオード１のｎ型オーミック電極４とマウント基板４２のｎ電極端子４３とを金線４５を用いて接続する（ワイヤボンディング）。次に、発光ダイオード１のｐ型オーミック電極５とマウント基板４２のｐ電極端子４４とを金線４６を用いて接続する。最後に、マウント基板４２の発光ダイオード１が実装された表面を、シリコン樹脂やエポキシ樹脂等の一般的な封止樹脂４７によって封止する。このようにして、発光ダイオード１を用いた発光ダイオードランプ４１を製造する。
【０１０５】
また、発光ダイオードランプ４１の発光スペクトルは、活性層１１の組成が調整されているため、ピーク発光波長が８３０〜１０００ｎｍの範囲となる。また、電流拡散層８によって井戸層１７及びバリア層１８の活性層１１内のばらつきが抑制されているため、発光スペクトルの半値幅が、１０〜４０ｎｍの範囲となる。
【０１０６】
以上説明したように、本実施形態の発光ダイオード１によれば、組成式（ＩｎＸ１Ｇａ１−Ｘ１）Ａｓ（０≦Ｘ１≦１）の３元混晶からなる井戸層１７、及び、組成式（ＡｌＸ２Ｇａ１−Ｘ２）Ａｓ（０≦Ｘ２≦１）の３元混晶からなるバリア層１８を交互に積層した量子井戸構造の活性層１１を有する発光部７を備えている。このように、注入キャリアの閉じ込め効果が大きい量子井戸構造を用いる構成とすることで、井戸層１７内に十分な注入キャリアが閉じ込められることにより、井戸層１７内のキャリア密度が高くなり、その結果、発光再結合確率が増大して、応答速度が向上する。
また、量子井戸構造の井戸層１７及びバリア層１８のペア数を５以下としたので、量子井戸構造内に注入されたキャリアが、その波動性によるトンネル効果で井戸層間全体に広がって注入キャリアの閉じ込め効果が低下するのを極力回避し、高速応答性が担保できる。
【０１０７】
また、活性層１１を挟む上部クラッド層１３及び下部クラッド層９を、発光波長に対して透明であるとともに、欠陥を作りやすいＡｓを含まないために結晶性が高いＡｌＧａＩｎＰから構成したので、欠陥を介した電子と正孔の非発光再結合確率が低下し、発光出力が向上する。さらに、上部クラッド層１３及び下部クラッド層９として、４元混晶のＡｌＧａＩｎＰを採用することで、バリア層及びクラッド層の両方が３元混晶からなる発光ダイオードに比べてＡｌ濃度が低く、耐湿性が向上する。
【０１０８】
また、本実施形態の発光ダイオード１では、発光部７上に電流拡散層８が設けられている。この電流拡散層８は、発光波長に対して透明であるため、発光部７からの発光を吸収することなく高出力・高効率の発光ダイオード１とすることができる。機能性基板は、材質的に安定で、腐食の心配がなく耐湿性に優れている。
【０１０９】
従って、本実施形態の発光ダイオード１によれば、活性層の条件を調整することで、８３０〜１０００ｎｍの発光波長を有し、単色性に優れると共に、高出力・高効率であって、耐湿性の高い発光ダイオード１を提供することができる。また、本実施形態の発光ダイオード１によれば、従来の液相エピタキシャル法で作製された、ＧａＡｓ基板が除去されてなる透明基板型ＡｌＧａＡｓ系の発光ダイオードと比較して、少なくとも約１．５倍以上の発光出力を有する高出力の発光ダイオード１を提供することができる。
【０１１０】
また、本実施形態の発光ダイオードランプ４１によれば、単色性に優れると共に、高出力・高効率であって耐湿性の上記発光ダイオード１を備えている。このため、赤外線照明、センサーに適した発光ダイオードランプ４１を提供することができる。
【０１１１】
＜発光ダイオード（第２の実施形態）＞
本発明を適用した第２の実施形態に係る発光ダイオードは、第１の実施形態に係る発光ダイオードにおけるＡｌＧａＡｓバリア層１８を、組成式（ＡｌＸ４Ｇａ１−Ｘ４）Ｙ２Ｉｎ１−Ｙ２Ｐ（０≦Ｘ４≦１，０＜Ｙ２≦１）の化合物半導体からなるバリア層に置き換えた点が異なる。
【０１１２】
上述したように、本実施形態で用いられるバリア層１８は、組成式（ＡｌＸ４Ｇａ１−Ｘ４）Ｙ２Ｉｎ１−Ｙ２Ｐ（０≦Ｘ４≦１，０＜Ｙ２≦１）の４元混晶の化合物半導体からなる。
Ａｌ組成Ｘ４は、井戸層１７よりもバンドギャップが大きくなる組成とすることが好ましく、具体的には０〜０．２の範囲とすることが好ましい。
また、Y２は、基板との格子不整によるひずみの発生を防止するため、０．４〜０．６の範囲とすることが好ましく、０．４５〜０．５５の範囲とすることがより好ましい。
バリア層１８の層厚は、井戸層１７の層厚と等しいか、又は、井戸層１７の層厚より厚いことが好ましい。このように、バリア層１８の層厚を、トンネル効果が生じる層厚の範囲で十分に厚くすることにより、トンネル効果による井戸層の結合と、広がりの制限を両立することにより、キャリアの閉じ込め効果が増大し、電子と正孔の発光再結合確率が大きくなり、発光出力の向上を図ることができる。
【０１１３】
＜発光ダイオード（第３の実施形態）＞
図１３（ａ）、（ｂ）は、本発明を適用した第３の実施形態に係る発光ダイオードを説明するための図であり、図１３（ａ）は平面図、図１３（ｂ）は図１３（ａ）中に示すＣ−Ｃ’線に沿った断面図である（ガイド層１０及び１２は図示省略）。
第３の実施形態に係る発光ダイオード２０は、組成式（ＩｎＸ１Ｇａ１−Ｘ１）Ａｓ（０≦Ｘ１≦１）の化合物半導体からなる井戸層１７、及び、組成式（ＡｌＸ２Ｇａ１−Ｘ２）Ａｓ（０≦Ｘ２≦１）の化合物半導体からなるバリア層１８を交互に積層した量子井戸構造の活性層１１と、該活性層１１を挟む下部クラッド層（第１のクラッド層）９及び上部クラッド層（第２のクラッド層）１３とを有する発光部７と、発光部７上に形成された電流拡散層８と、発光部７に対向して配置され、発光波長に対して９０％以上の反射率を有する反射層２３を含み、電流拡散層８に接合された機能性基板３１とを備え、下部クラッド層９及び上部クラッド層１３が組成式（ＡｌＸ３Ｇａ１−Ｘ３）Ｙ１Ｉｎ１−Ｙ１Ｐ（０≦Ｘ３≦１，０＜Ｙ１≦１）の化合物半導体からなり、井戸層１７及びバリア層１８のペア数が５以下であることを特徴とする。
【０１１４】
第３の実施形態に係る発光ダイオード２０では、発光波長に対して９０％以上の反射率を有し、発光部に対向して配置する反射層２３を備えた機能性基板３１を有するので、主たる光取り出し面から効率的に光を取り出すことができる。
図１３（ａ）、（ｂ）に示した例では、機能性基板３１は、電流拡散層８の下側の面８ｂに、第２の電極２１を備え、さらにその第２の電極８を覆うように透明導電膜２２と反射層２３とが積層されてなる反射構造体と、シリコン又はゲルマニウムからなる層(基板)３０を備えている。
【０１１５】
第３の実施形態に係る発光ダイオードにおいては、機能性基板３１はシリコン又はゲルマニウムからなる層を含むのが好ましい。これは、シリコン又はゲルマニウムは腐食しにくい材質である為、耐湿性が向上するからである。
【０１１６】
反射層２３は例えば、銀（Ａｇ）、アルミニウム（Ａｌ）、金（Ａｕ）又はこれらの合金などにより構成される。これらの材料は光反射率が高く、反射層２３からの光反射率を９０％以上とすることができる。
【０１１７】
機能性基板３１は、上記の反射層２３に、ＡｕＩｎ、ＡｕＧｅ、ＡｕＳｎ等の共晶金属で、シリコン、ゲルマニウム等の安価な基板（層）に接合する組み合わせを用いることができる。特にＡｕＩｎは、接合温度が低く、熱膨張係数が発光部と差があるが、最も安価なシリコン基板（シリコン層）を接合するには最適な組み合わせである。
機能性基板３１はさらに、電流拡散層、反射層金属および共晶金属が相互拡散しないよう、例えば、チタン（Ｔｉ）、タングステン（Ｗ）、白金（Ｐｔ）などの高融点金属からなる層を挿入された構成とすることも品質の安定性から望ましい。
【０１１８】
＜発光ダイオード（第４の実施形態）＞
図１４は、本発明を適用した第４の実施形態に係る発光ダイオードを説明するための図である。
本発明を適用した第４の実施形態に係る発光ダイオードは、組成式（ＩｎＸ１Ｇａ１−Ｘ１）Ａｓ（０≦Ｘ１≦１）の化合物半導体からなる井戸層、及び、組成式（ＡｌＸ２Ｇａ１−Ｘ２）Ａｓ（０≦Ｘ２≦１）の化合物半導体からなるバリア層を交互に積層した量子井戸構造の活性層１１（図５に示す井戸層１７、バリア層１８、活性層１１を参照）と、該活性層１１を挟む下部クラッド層（第１のクラッド層）９及び上部クラッド層（第２のクラッド層）１３とを有する発光部と、この発光部上に形成された電流拡散層８と、発光部に対向して配置され、発光波長に対して９０％以上の反射率を有する反射層５３と金属基板５０とを含み、電流拡散層８に接合された機能性基板５１とを備え、下部クラッド層９及び上部クラッド層１３が組成式（ＡｌＸ５Ｇａ１−Ｘ５）Ｙ３Ｉｎ１−Ｙ３Ｐ（０≦Ｘ５≦１，０＜Ｙ３≦１）の化合物半導体からなり、井戸層及びバリア層のペア数が５以下であることを特徴とする。
【０１１９】
第４の実施形態に係る発光ダイオード６０では、機能性基板５１が金属基板５０を含む点が、第２の実施形態に係る発光ダイオードに対して特徴的な構成である。
金属基板５０は放熱性が高く、発光ダイオードを高輝度で発光するのに寄与すると共に、発光ダイオードの寿命を長寿命とすることができる。
放熱性の観点からは、金属基板５０は熱伝導率が１３０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の金属からなるのが特に好ましい。熱伝導率が１３０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の金属としては、例えば、モリブデン（１３８Ｗ／ｍ・Ｋ）やタングステン（１７４Ｗ／ｍ・Ｋ）がある。
【０１２０】
図１４に示すように、化合物半導体層２は、活性層１１と、ガイド層（図示せず）を介してその活性層１１を挟む第１のクラッド層（下部クラッド）９及び第２のクラッド層（上部クラッド）１３と、第１のクラッド層（下部クラッド）９の下側に電流拡散層８と、第２のクラッド層（上部クラッド）１３の上側に第１の電極５５と平面視してほぼ同じサイズのコンタクト層５６とを有する。
機能性基板５１は、電流拡散層８の下側の面８ｂに、第２の電極５７を備え、さらにその第２の電極５７を覆うように透明導電膜５２と反射層５３とが積層されてなる反射構造体と、金属基板５０とからなり、反射構造体を構成する反射層５３の化合物半導体層２と反対側の面５３ｂに、金属基板５０の接合面５０ａが接合されている。
【０１２１】
反射層５３は例えば、銅、銀、金、アルミニウムなどの金属又はこれらの合金などにより構成される。これらの材料は光反射率が高く、反射構造体からの光反射率を９０％以上とすることができる。反射層５３を形成することにより、活性層１１からの光を反射層５３で正面方向ｆへ反射させて、正面方向ｆでの光取り出し効率を向上させることができる。これにより、発光ダイオードをより高輝度化できる。
【０１２２】
反射層５３は、透明導電膜５２側からＡｇ、Ｎｉ／Ｔｉバリア層、Ａｕ系の共晶金属（接続用金属）からなる積層構造が好ましい。
上記接続用金属は、電気抵抗が低く、低温で溶融する金属である。上記接続用金属を用いることにより、化合物半導体層２に熱ストレスを与えることなく、金属基板５０を接続することができる。
接続用金属としては、化学的に安定で、融点の低いＡｕ系の共晶金属などが用いられる。上記Ａｕ系の共晶金属としては、例えば、ＡｕＳｎ、ＡｕＧｅ、ＡｕＳｉなどの合金の共晶組成（Ａｕ系の共晶金属）を挙げることができる。
また、接続用金属には、チタン、クロム、タングステンなどの金属を添加することが好ましい。これにより、チタン、クロム、タングステンなどの金属がバリア金属として機能して、金属基板５０に含まれる不純物などが反射層５３側に拡散して、反応することを抑制できる。
【０１２３】
透明導電膜５２は、ＩＴＯ膜、ＩＺＯ膜などにより構成されている。なお、反射構造体は、反射層５３だけで構成してもよい。
また、透明導電膜５２の代わりに、または、透明導電膜５２とともに、透明な材料の屈折率差を利用したいわゆるコールドミラー、例えば、酸化チタン膜、酸化ケイ素膜の多層膜や白色のアルミナ、ＡｌＮを用いて、反射層５３に組み合わせてもよい。
【０１２４】
金属基板５０は複数の金属層からなるものを用いることができる。
複数の金属層の構成としては、図１４に示す例のように、２種類の金属層、即ち、第１の金属層５０Ａと第２の金属層５０Ｂとが交互に積層されてなるものが好ましい。特に、第１の金属層５０Ａと第２の金属層５０Ｂの層数は、合わせて奇数とすることがより好ましい。
【０１２５】
この場合、金属基板の反りや割れの観点から、第２の金属層５０Ｂとして化合物半導体層２よりも熱膨張係数が小さい材料を用いる際は、第１の金属層５０Ａとして化合物半導体層３よりも熱膨張係数が大きい材料からなるものを用いることが好ましい。これは、金属基板全体としての熱膨張係数が化合物半導体層の熱膨張係数に近いものとなるため、化合物半導体層と金属基板とを接合する際の金属基板の反りや割れを抑制することができ、発光ダイオードの製造歩留まりを向上させることができるからである。
同様に、第２の金属層５０Ｂとして化合物半導体層２よりも熱膨張係数が大きい材料を用いる際は、第１の金属層５０Ａとして化合物半導体層２より熱膨張係数が小さい材料からなるものを用いることが好ましい。これも、上記同様、金属基板全体としての熱膨張係数が化合物半導体層の熱膨張係数に近いものとなるため、化合物半導体層と金属基板とを接合する際の金属基板の反りや割れを抑制でき、発光ダイオードの製造歩留まりを向上できるからである。
以上の観点からは、２種類の金属層は、何れが第１の金属層でも第２の金属層でも構わない。
【０１２６】
２種類の金属層としては、例えば、銀（熱膨張係数＝１８．９ｐｐｍ／Ｋ）、銅（熱膨張係数＝１６．５ｐｐｍ／Ｋ）、金（熱膨張係数＝１４．２ｐｐｍ／Ｋ）、アルミニウム（熱膨張係数＝２３．１ｐｐｍ／Ｋ）、ニッケル（熱膨張係数＝１３．４ｐｐｍ／Ｋ）およびこれらの合金のいずれかからなる金属層と、モリブデン（熱膨張係数＝５．１ｐｐｍ／Ｋ）、タングステン（熱膨張係数＝４．３ｐｐｍ／Ｋ）、クロム（熱膨張係数＝４．９ｐｐｍ／Ｋ）およびこれらの合金のいずれかからなる金属層との組み合わせを用いることができる。
金属基板５０の好適な例としては、Ｃｕ／Ｍｏ／Ｃｕの３層からなるものが挙げられる。また、上記の観点ではＭｏ／Ｃｕ／Ｍｏの３層からなる金属基板でも同様な効果が得られるが、Ｃｕ／Ｍｏ／Ｃｕの３層からなる金属基板は、機械的強度が高いＭｏを、加工しやすいＣｕで挟んだ構成なので、Ｍｏ／Ｃｕ／Ｍｏの３層からなる金属基板よりも切断等の加工が容易であるという利点がある。
【０１２７】
金属基板全体としての熱膨張係数は、例えば、Ｃｕ（３０μｍ）／Ｍｏ（２５μｍ）／Ｃｕ（３０μｍ）の３層からなる金属基板では６．１ｐｐｍ／Ｋであり、Ｍｏ（２５μｍ）／Ｃｕ（７０μｍ）／Ｍｏ（２５μｍ）の３層からなる金属基板では５．７ｐｐｍ／Ｋとなる。
【０１２８】
また、放熱の観点からは、金属基板を構成する金属層は熱伝導率が高い材料からなることが好ましい。これにより、金属基板の放熱性を高くすることで発光ダイオードを高輝度で発光させることができるとともに、発光ダイオードの寿命を長寿命とすることができるからである。
例えば、金属基板としては、銀（熱伝導率＝４２０Ｗ／ｍ・Ｋ）、銅（熱伝導率＝３９８Ｗ／ｍ・Ｋ）、金（熱伝導率＝３２０Ｗ／ｍ・Ｋ）、アルミニウム（熱伝導率＝２３６Ｗ／ｍ・Ｋ）、モリブデン（熱伝導率＝１３８Ｗ／ｍ・Ｋ）、タングステン（熱伝導率＝１７４Ｗ／ｍ・Ｋ）及びこれらの合金等を用いることが好ましい。また、金属基板は、各金属層の熱膨張係数が、化合物半導体層の熱膨張係数と略等しい材料からなることがさらに好ましい。特に、金属層の材料が、化合物半導体層の熱膨張係数の±１．５ｐｐｍ／Ｋ以内である熱膨張係数を有する材料であることが好ましい。これにより、金属基板と化合物半導体層との接合時の、発光部への熱によるストレスを小さくすることができ、金属基板を化合物半導体層と接続させた際の熱による金属基板の割れを抑制することができ、発光ダイオードの製造歩留まりを向上させることができる。金属基板全体としての熱伝導率は、例えば、Ｃｕ（３０μｍ）／Ｍｏ（２５μｍ）／Ｃｕ（３０μｍ）の３層からなる金属基板では２５０Ｗ／ｍ・Ｋとなり、また、Ｍｏ（２５μｍ）／Ｃｕ（７０μｍ）／Ｍｏ（２５μｍ）の３層からなる金属基板では２２０Ｗ／ｍ・Ｋとなる。
【０１２９】
＜発光ダイオード（第５の実施形態）＞
本発明を適用した第５の実施形態に係る発光ダイオードは、組成式（ＩｎＸ１Ｇａ１−Ｘ１）Ａｓ（０≦Ｘ１≦１）の化合物半導体からなる井戸層１７と、組成式（ＡｌＸ４Ｇａ１−Ｘ４）Ｙ２Ｉｎ１−Ｙ２Ｐ（０≦Ｘ４≦１，０＜Ｙ２≦１）の化合物半導体からなるバリア層１８を交互に積層した量子井戸構造の活性層１１と、該活性層１１を挟む下部クラッド層（第１のクラッド層）９及び上部クラッド層（第２のクラッド層）１３とを有する発光部７と、発光部７上に形成された電流拡散層８と、発光部７に対向して配置され、発光波長に対して９０％以上の反射率を有する反射層２３を含み、電流拡散層８に接合された機能性基板３１とを備え、下部クラッド層９及び上部クラッド層１３が組成式（ＡｌＸ３Ｇａ１−Ｘ３）Ｙ１Ｉｎ１−Ｙ１Ｐ（０≦Ｘ３≦１，０＜Ｙ１≦１）の化合物半導体からなり、井戸層１７及びバリア層１８のペア数が５以下であることを特徴とする。
第５の実施形態に係る発光ダイオードは、第３の実施形態に係る発光ダイオードにおけるＡｌＧａＡｓバリア層１８を、組成式（ＡｌＸ４Ｇａ１−Ｘ４）Ｙ２Ｉｎ１−Ｙ２Ｐ（０≦Ｘ４≦１，０＜Ｙ２≦１）の化合物半導体からなるバリア層に置き換えた構成とされている。
【０１３０】
本実施形態のバリア層１８は、上述したように、組成式（ＡｌＸ４Ｇａ１−Ｘ４）Ｙ２Ｉｎ１−Ｙ２Ｐ（０≦Ｘ４≦１，０＜Ｙ２≦１）の化合物半導体からなる。
上記組成式におけるＡｌ組成（Ｘ４）としては、井戸層１７よりもバンドギャップが大きくなる組成とすることが好ましく、具体的には０〜０．２の範囲が好ましい。
また、Ｙ２としては、基板との格子不整によるひずみの発生を防止する為に０．４〜０．６の範囲とすることが好ましく、０．４５〜０．５５の範囲がより好ましい。
また、バリア層１８の層厚は、井戸層１７の層厚と等しいか、又は、井戸層１７の層厚よりも厚いことが好ましい。バリア層１８の層厚を、トンネル効果が生じる層厚の範囲で十分に厚くすることにより、トンネル効果による井戸層の結合と、広がりの制限を両立することにより、キャリアの閉じ込め効果が増大し、電子と正孔の発光再結合確率が大きくなり、発光出力の向上を図ることができる。
【０１３１】
本実施形態に係る発光ダイオードも、第３の実施形態と同様に、発光波長に対して９０％以上の反射率を有し、発光部に対向して配置する反射層を備えた機能性基板を有する構成なので、主たる光取り出し面から効率的に光を取り出すことができる。
また、本実施形態においても、機能性基板として、第３の実施形態で例示したものを用いることができる。
【０１３２】
＜発光ダイオード（第６の実施形態）＞
本発明を適用した第６の実施形態に係る発光ダイオードは、組成式（ＩｎＸ１Ｇａ１−Ｘ１）Ａｓ（０≦Ｘ１≦１）の化合物半導体からなる井戸層１７と、組成式（ＡｌＸ４Ｇａ１−Ｘ４）Ｙ２Ｉｎ１−Ｙ２Ｐ（０≦Ｘ４≦１，０＜Ｙ２≦１）の化合物半導体層からなるバリア層１８を交互に積層した量子井戸構造の活性層１１と、該活性層１１を挟む下部クラッド層（第１のクラッド層）９及び上部クラッド層（第２のクラッド層）１３とを有する発光部７と、発光部７上に形成された電流拡散層８と、発光部７に対向して配置され、発光波長に対して９０％以上の反射率を有する反射層５３と金属基板５０とを含み、電流拡散層８に接合された機能性基板５１とを備え、下部クラッド層９及び上部クラッド層１３が組成式（ＡｌＸ５Ｇａ１−Ｘ５）Ｙ３Ｉｎ１−Ｙ３Ｐ（０≦Ｘ５≦１，０＜Ｙ３≦１）の化合物半導体からなり、井戸層１７及びバリア層１８のペア数が５以下であることを特徴とする。
第６の実施形態に係る発光ダイオードは、第４の実施形態に係る発光ダイオードにおけるＡｌＧａＡｓバリア層１８を、組成式（ＡｌＸ４Ｇａ１−Ｘ４）Ｙ２Ｉｎ１−Ｙ２Ｐ（０≦Ｘ４≦１，０＜Ｙ２≦１）の化合物半導体からなるバリア層に置き換えた構成とされている。
【０１３３】
本実施形態に係る発光ダイオードも第４の実施形態と同様に、発光波長に対して９０％以上の反射率を有し、発光部に対向して配置する反射層を備えた機能性基板を有する構成なので、主たる光取り出し面から効率的に光を取り出すことができる。
また、本実施形態においても、機能性基板として、第４の実施形態で例示したものを用いることができる。
【実施例】
【０１３４】
以下、本発明の効果を、実施例を用いて具体的に説明する。なお、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
【０１３５】
本実施例では、本発明に係る発光ダイオードを作製した例を具体的に説明する。また、本実施例で作製した発光ダイオードは、ＩｎＧａＡｓからなる井戸層とＡｌＧａＡｓからなるバリア層との量子井戸構造からなる活性層を有する赤外発光ダイオードである。本実施例では、ＧａＡｓ基板上に成長させた化合物半導体層と機能性基板とを結合させて発光ダイオードを作製した。そして、特性評価のために発光ダイオードチップを基板上に実装した発光ダイオードランプを作製した。
【０１３６】
（実施例１）
実施例１の発光ダイオードは、図３、４に示すような第１の実施形態の実施例であり、井戸層とバリア層との接合面積は１２３０００μｍ２（３５０μｍ×３５０μｍ）であった。
実施例１の発光ダイオードは、まず、Ｓｉをドープしたｎ型のＧａＡｓ単結晶からなるＧａＡｓ基板上に、化合物半導体層を順次積層して発光波長９２０ｎｍのエピタキシャルウェーハを作製した。ＧａＡｓ基板は、（１００）面から（０−１−１）方向に１５°傾けた面を成長面とし、キャリア濃度を２×１０１８ｃｍ−３とした。また、ＧａＡｓ基板の層厚は、約０．５μｍとした。化合物半導体層としては、ＳｉをドープしたＧａＡｓからなるｎ型の緩衝層、Ｓｉをドープした（Ａｌ０．７Ｇａ０．３）０．５Ｉｎ０．５Ｐからなるｎ型のコンタクト層、Ｓｉをドープした（Ａｌ０．７Ｇａ０．３）０．５Ｉｎ０．５Ｐからなるｎ型の上部クラッド層、Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓからなる上部ガイド層、Ｉｎ０．２ Ｇａ０．８ Ａｓ／Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ａｓの対からなる井戸層／バリア層、Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓからなる下部ガイド層、Ｍｇをドープした（Ａｌ０．７Ｇａ０．３）０．５Ｉｎ０．５Ｐからなるｐ型の下部クラッド層、（Ａｌ０．５Ｇａ０．５）０．５Ｉｎ０．５Ｐからなる薄膜の中間層、Ｍｇドープしたｐ型ＧａＰからなる電流拡散層を用いた。
【０１３７】
本実施例では、減圧有機金属化学気相堆積装置法（ＭＯＣＶＤ装置）を用い、直径７６ｍｍ、厚さ３５０μｍのＧａＡｓ基板に化合物半導体層をエピタキシャル成長させて、エピタキシャルウェーハを形成した。エピタキシャル成長層を成長させる際、ＩＩＩ族構成元素の原料としては、トリメチルアルミニウム（（ＣＨ３）３Ａｌ）、トリメチルガリウム（（ＣＨ３）３Ｇａ）及びトリメチルインジウム（（ＣＨ３）３Ｉｎ）を使用した。また、Ｍｇのドーピング原料としては、ビスシクロペンタジエニルマグネシウム（ｂｉｓ−（Ｃ５Ｈ５）２Ｍｇ）を使用した。また、Ｓｉのドーピング原料としては、ジシラン（Ｓｉ２Ｈ６）を使用した。また、Ｖ族構成元素の原料としては、ホスフィン（ＰＨ３）、アルシン（ＡｓＨ３）を使用した。また、各層の成長温度としては、ｐ型ＧａＰからなる電流拡散層は、７５０℃で成長させた。その他の各層では７００℃で成長させた。
【０１３８】
ＧａＡｓからなる緩衝層は、キャリア濃度を約２×１０１８ｃｍ−３、層厚を約０．５μｍとした。コンタクト層は、キャリア濃度を約２×１０１８ｃｍ−３、層厚を約３．５μｍとした。上部クラッド層は、キャリア濃度を約１×１０１８ｃｍ−３、層厚を約０．５μｍとした。上部ガイド層は、アンドープで層厚を約５０ｎｍとした。井戸層は、アンドープで層厚が約５ｎｍのＩｎ０．２Ｇａ０．８Ａｓとし、バリア層はアンドープで層厚が約１９ｎｍのＡｌ０．１Ｇａ０．９Ａｓとした。また、井戸層及びバリア層のペア数を１対とした。下部ガイド層は、アンドープで層厚を約５０nｍとした。下部クラッド層は、キャリア濃度を約８×１０１７ｃｍ−３、層厚を約０．５μｍとした。中間層は、キャリア濃度を約８×１０１７ｃｍ−３、層厚を約０．０５μｍとした。ＧａＰからなる電流拡散層は、キャリア濃度を約３×１０１８ｃｍ−３、層厚を約９μｍとした。
【０１３９】
次に、電流拡散層を表面から約１μｍの深さに至る領域まで研磨して、鏡面加工した。この鏡面加工によって、電流拡散層の表面の粗さ（二乗平均平方根：ｒｍｓ）を０．１８ｎｍとした。
一方、上記の電流拡散層の鏡面研磨した表面に貼付するｎ型ＧａＰからなる機能性基板を用意した。この貼付用の機能性基板には、キャリア濃度が約２×１０１７ｃｍ−３となるようにＳｉを添加し、面方位を（１１１）とした単結晶を用いた。また、機能性基板の直径は７６ｍｍで、厚さは２５０μｍであった。この機能性基板の表面は、電流拡散層に接合させる以前に鏡面に研磨し、表面の粗さを、二乗平均平方根（ｒｍｓ）にして０．１２ｎｍに仕上げておいた。
【０１４０】
次に、一般の半導体材料貼付装置に、上記の機能性基板及びエピタキシャルウェーハを搬入し、３×１０−５Ｐａとなるまで装置内を真空に排気した。
【０１４１】
次に、機能性基板、及び電流拡散層の双方の表面に、電子を衝突させて中性（ニュートラル）化したＡｒビームを３分間に亘り照射した。その後、真空に維持した貼付装置内で、機能性基板及び電流拡散層の表面を重ね合わせ、各々の表面での圧力が５０ｇ／ｃｍ２となる様に荷重を掛け、双方を室温で接合した。このようにして接合ウェーハを形成した。
【０１４２】
次に、上記接合ウェーハから、ＧａＡｓ基板およびＧａＡｓ緩衝層をアンモニア系エッチャントにより選択的に除去した。次に、コンタクト層の表面に第１の電極として、ＡｕＧｅ、Ｎｉ合金を厚さが０．５μｍ、Ｐｔを０．２μｍ、Ａｕを１μｍとなるように真空蒸着法によって成膜した。その後、一般的なフォトリソグラフィー手段を利用してパターニングを施し、第１の電極としてｎ型オーミック電極を形成した。次に、ＧａＡｓ基板を除去した面である光取り出し面の表面に粗面化処理を施した。
【０１４３】
次に、第２の電極としてｐ型オーミック電極を形成する領域のエピ層を選択的に除去し、電流拡散層を露出させた。この露出した電流拡散層の表面に、ＡｕＢｅを０．２μｍ、Ａｕを１μｍとなるように真空蒸着法でｐ形オーミック電極を形成した。その後、４５０℃で１０分間熱処理を行って合金化し、低抵抗のｐ型およびｎ型オーミック電極を形成した。さらに、機能性基板の裏面側にＡｕを厚さ０．２μｍで形成し、２３０μｍ□の正方形にパターンを形成することにより、第３の電極を形成した。
【０１４４】
次に、ダイシングソーを用いて、機能性基板の裏面から、第３の電極を形成していない領域を傾斜面の角度αが７０°となると共に垂直面の厚さが１３０μｍとなるようにＶ字状の溝入れを行った。次に、化合物半導体層側からダイシングソーを用い３５０μｍ間隔で切断し、チップ化した。そして、ダイシングによる破砕層および汚れを硫酸・過酸化水素混合液でエッチング除去して、実施例１の発光ダイオードを作製した。
【０１４５】
上記の様にして作製した実施例１の発光ダイオードチップを、マウント基板上に実装した発光ダイオードランプを１００個組み立てた。この発光ダイオードランプは、マウントは、ダイボンダーで支持（マウント）し、発光ダイオードのｎ型オーミック電極とマウント基板の表面に設けたｎ電極端子とを金線でワイヤボンディングし、ｐ型オーミック電極とｐ電極端子とを金線でワイヤボンディングした後、一般的なエポキシ樹脂で封止して作製した。
【０１４６】
この発光ダイオード（発光ダイオードランプ）の特性を評価した結果を下記表８、図１５及び図１６に示す。図１５は、バリア層が組成式（ＡｌＸ２Ｇａ１−Ｘ２）Ａｓ（０≦Ｘ２≦１）の化合物半導体からなり、活性層とクラッド層との接合面積が１２３０００μｍ２の場合と５３０００μｍ２の場合のペア数と応答速度との関係を示すグラフであり、図１６は、図１５と同じ場合のペア数と発光出力との関係を示すグラフである。
【０１４７】
【表５】
【０１４８】
実施例１では、ｎ型及びｐ型オーミック電極間に電流を流したところ、ピーク発光波長９２０ｎｍとする赤外光が出射された。また、表６に示すように、実施例１では、順方向に２０ミリアンペア（ｍＡ）の電流を通流した際の順方向電圧（Ｖｆ）は、化合物半導体層を構成する電流拡散層と機能性基板との接合界面での抵抗の低さ及び各オーミック電極の良好なオーミック特性を反映し、１．２ボルトとなった。また、順方向電流を２０ｍＡとした際の応答速度（立ち上がり時間）ｔｒ及び発光出力（Ｐ０）はそれぞれ、１５ｎｓｅｃ、６．８ｍＷであった。
【０１４９】
（実施例２）
実施例２の発光ダイオードは第１の実施形態の実施例であり、井戸層及びバリア層のペア数を３対とした以外は、実施例１と同じ条件で作製し、同様の評価を行った。
この結果、応答速度（ｔｒ）、発光出力（Ｐ０）及び順方向電圧（ＶＦ）は、それぞれ、１８ｎｓｅｃ、７．０ｍＷ、１．２Ｖであった。
【０１５０】
（実施例３）
実施例３の発光ダイオードは第１の実施形態の実施例であり、井戸層及びバリア層のペア数を５対とした以外は、実施例１と同じ条件で作製し、同様の評価を行った。
この結果、応答速度（ｔｒ）、発光出力（Ｐ０）及び順方向電圧（ＶＦ）は、それぞれ、２３ｎｓｅｃ、６．９ｍＷ、１．２２Ｖであった。
【０１５１】
以下に示す実施例４〜６の発光ダイオードも、第１の実施形態の実施例であるが、活性層とクラッド層との接合面積を５３０００μｍ２（２３０μｍ×２３０μｍ）とした点のみが実施例１等とは異なる実施例である。
【０１５２】
（実施例４）
実施例４の発光ダイオードは、活性層とクラッド層との接合面積以外の条件は、実施例１と同じ条件で作製し、同様の評価を行った。
この結果、応答速度（ｔｒ）、発光出力（Ｐ０）及び順方向電圧（ＶＦ）は、それぞれ、１２ｎｓｅｃ、７．０ｍＷ、１．２５Ｖであった。
【０１５３】
（実施例５）
実施例５の発光ダイオードは、井戸層及びバリア層のペア数を３対とした点以外は実施例４と同じ条件で作製し、同様の評価を行った。
この結果、応答速度（ｔｒ）、発光出力（Ｐ０）及び順方向電圧（ＶＦ）は、それぞれ、１５ｎｓｅｃ、７．１ｍＷ、１．２６Ｖであった。
【０１５４】
（実施例６）
実施例６の発光ダイオードは、井戸層及びバリア層のペア数を５対とした点以外は、実施例４と同じ条件で作製し、同様の評価を行った。
この結果、応答速度（ｔｒ）、発光出力（Ｐ０）及び順方向電圧（ＶＦ）は、それぞれ、１８ｎｓｅｃ、７．０ｍＷ、１．３０Ｖであった。
【０１５５】
（実施例７）
実施例７の発光ダイオードも第１の実施形態の実施例であるが、活性層とクラッド層との接合面積を２００００μｍ２（２００μｍ×１００μｍ）とした実施例である。
【０１５６】
実施例７の発光ダイオードは活性層とクラッド層との接合面積以外の条件は、実施例１と同じ条件で作製し、同様の評価を行った。
この結果、応答速度（ｔｒ）、発光出力（Ｐ０）及び順方向電圧（ＶＦ）は、それぞれ、１４ｎｓｅｃ、７．０ｍＷ、１．３６Ｖであった。
【０１５７】
（実施例８）
実施例８の発光ダイオードも第１の実施形態の実施例であるが、井戸層及びバリア層のペア数を３対とした点以外は、実施例７と同じ条件で作製し、同様の評価を行った。
この結果、応答速度（ｔｒ）、発光出力（Ｐ０）及び順方向電圧（ＶＦ）は、それぞれ、１２ｎｓｅｃ、７．０ｍＷ、１．３５Ｖであった。
【０１５８】
（実施例９）
実施例９の発光ダイオードも第１の実施形態の実施例であるが、活性層とクラッド層との接合面積を９００００μｍ２（３００μｍ×３００μｍ）とした実施例である。
【０１５９】
実施例９の発光ダイオードは、活性層とクラッド層との接合面積以外の条件は、実施例１と同じ条件で作製し、同様の評価を行った。
この結果、応答速度（ｔｒ）、発光出力（Ｐ０）及び順方向電圧（ＶＦ）は、それぞれ、２１ｎｓｅｃ、６．９ｍＷ、１．２３Ｖであった。
【０１６０】
（実施例１０）
実施例１０の発光ダイオードも第１の実施形態の実施例であるが、井戸層及びバリア層のペア数を３対とした点以外は、実施例９と同じ条件で作製し、同様の評価を行った。
この結果、応答速度（ｔｒ）、発光出力（Ｐ０）及び順方向電圧（ＶＦ）は、それぞれ、１６ｎｓｅｃ、７．０ｍＷ、１．２２Ｖであった。
【０１６１】
以下に示す実施例１１〜１３の発光ダイオードは、第２の実施形態の実施例である。
【０１６２】
（実施例１１）
実施例１１の発光ダイオードは、活性層とクラッド層との接合面積を１２３０００μｍ２（３５０μｍ×３５０μｍ）で、発光波長が９６０ｎｍの実施例である。
【０１６３】
実施例１１の発光ダイオードの層構成は以下の通りである。
実施例１１では、Ｓｉをドープしたｎ型のＧａＡｓ単結晶からなるＧａＡｓ基板上は、（１００）面から（０−１−１）方向に１５°傾けた面を成長面とし、キャリア濃度を２×１０１８ｃｍ−３とした。化合物半導体層としては、ＳｉをドープしたＧａＡｓからなるｎ型の緩衝層、Ｓｉをドープした（Ａｌ０．７Ｇａ０．３）０．５Ｉｎ０．５Ｐからなるｎ型のコンタクト層、Ｓｉをドープした（Ａｌ０．３Ｇａ０．７）０．５Ｉｎ０．５Ｐからなるｎ型の上部クラッド層、（Ａｌ０．１ Ｇａ０．９ ）０．５ Ｉｎ０．５ Ｐからなる上部ガイド層、Ｉｎ０．２５Ｇａ０．７５Ａｓ／（Ａｌ０．１Ｇａ０．９ ）０．５ Ｉｎ０．５Ｐの対からなる井戸層／バリア層、（Ａｌ０．１ Ｇａ０．９）０．５ Ｉｎ０．５Ｐからなる下部ガイド層、Ｍｇをドープした（Ａｌ０．３Ｇａ０．７）０．５Ｉｎ０．５Ｐからなるｐ型の下部クラッド層、（Ａｌ０．５Ｇａ０．５）０．５Ｉｎ０．５Ｐからなる薄膜の中間層、Ｍｇドープしたｐ型ＧａＰからなる電流拡散層を用いた。
【０１６４】
ＧａＡｓからなる緩衝層は、キャリア濃度を約２×１０１８ｃｍ−３、層厚を約０．５μｍとした。コンタクト層は、キャリア濃度を約２×１０１８ｃｍ−３、層厚を約３．５μｍとした。上部クラッド層は、キャリア濃度を約１×１０１８ｃｍ−３、層厚を約０．５μｍとした。上部ガイド層は、アンドープで層厚を約５０nｍとした。井戸層は、アンドープで層厚が約５ｎｍのＩｎ０．２５Ｇａ０．７５Ａｓとし、バリア層はアンドープで層厚が約１９ｎｍの（Ａｌ０．１Ｇａ０．９ ）０．５ Ｉｎ０．５Ｐとした。また、井戸層及びバリア層のペア数は５対とした。下部ガイド層は、アンドープで層厚を約５０nｍとした。下部クラッド層は、キャリア濃度を約８×１０１７ｃｍ−３、層厚を約０．５μｍとした。中間層は、キャリア濃度を約８×１０１７ｃｍ−３、層厚を約０．０５μｍとした。ＧａＰからなる電流拡散層は、キャリア濃度を約３×１０１８ｃｍ−３、層厚を約９μｍとした。
実施例１１の発光ダイオードは、応答速度（ｔｒ）、発光出力（Ｐ０）及び順方向電圧（ＶＦ）が、それぞれ、２４ｎｓｅｃ、６．７ｍＷ、１．２６Ｖであった。
【０１６５】
（実施例１２）
実施例１２の発光ダイオードも第２の実施形態の実施例であるが、井戸層及びバリア層のペア数を３対とした点以外は、実施例１１と同じ条件で作製し、同様の評価を行った。
この結果、応答速度（ｔｒ）、発光出力（Ｐ０）及び順方向電圧（ＶＦ）は、それぞれ、１８ｎｓｅｃ、６．８ｍＷ、１．２４Ｖであった。
【０１６６】
（実施例１３）
実施例１３の発光ダイオードは、活性層とクラッド層との接合面積を５３０００μｍ２（２３０μｍ×２３０μｍ）とし、井戸層及びバリア層のペア数を３対とした以外は、実施例１１と同じ条件で作製し、同様の評価を行った。
この結果、応答速度（ｔｒ）、発光出力（Ｐ０）及び順方向電圧（ＶＦ）は、それぞれ、１４ｎｓｅｃ、６．８ｍＷ、１．２９Ｖであった。
【０１６７】
以下に示す実施例１４〜１９は、実施例１〜１３と同様に化合物半導体層を作製し、その後、反射層を含む機能性基板を電流拡散層に接合した構成であり、機能性基板がシリコンからなる層を含む実施例である。ここで、実施例１４〜１６の発光ダイオードは第３の実施形態の実施例であり、実施例１７〜１９の発光ダイオードは第５の実施形態の実施例である。
【０１６８】
（実施例１４）
実施例１４の発光ダイオードは、活性層とクラッド層との接合面積を１２３０００μｍ２（３５０μｍ×３５０μｍ）とした実施例であり、実施例１等と同様の手順で化合物半導体層を作製した後、電流拡散層に反射層を備えた機能性基板を接合した構成である。この際、井戸層及びバリア層のペア数は５対とした。
以下、実施例１４の発光ダイオードの作製方法を、図１３（ａ）、（ｂ）を参照して説明する。
【０１６９】
まず、電流拡散層８の表面に、ＡｕＢｅ／Ａｕ合金を厚さ０．２μｍで２０μｍφのドットでなる電極（第２の電極）２１を、光取り出し面の端から５０μｍになるように等間隔で８個配置した。
次に、透明導電膜であるＩＴＯ膜２２を０．４μｍの厚さでスパッタ法により形成した。さらに、銀合金／Ｔｉ／Ａｕでなる層２３を０．２μｍ／０．１μｍ／１μｍの厚さで形成し、反射層２３とした。
【０１７０】
一方、シリコン基板（機能性基板）３１の表面に、Ｔｉ／Ａｕ／Ｉｎでなる層３２を０．１μｍ／０．５μｍ／０．３μｍの厚さで形成した。また、シリコン基板３１の裏面に、Ｔｉ／Ａｕでなる層３３を、０．１μｍ／０．５μｍの厚さで形成した。そして、前記発光ダイオードウェーハ側のＡｕとシリコン基板側のＩｎ表面とを重ね合わせ、３２０℃で加熱・５００ｇ／ｃｍ２で加圧し、機能性基板を発光ダイオードウェーハに接合した。
【０１７１】
次に、ＧａＡｓ基板を除去し、コンタクト層１６の表面に、ＡｕＧｅ／Ａｕでなる直径１００μｍで厚さ３μｍのオーミック電極（第１の電極）２５を形成し、４２０℃で５分間熱処理し、ｐ、ｎオーミック電極を合金化処理した。
【０１７２】
次に、第１の電極２５をマスクとして、コンタクト層１６の電極２５直下分以外を除去した後、表面を粗面化処理した。
次に、チップに分離する為の切断予定部分の半導体層と反射層、共晶金属を除去し、シリコン基板３１を、ダイシングソーで、３５０μｍピッチで正方形に切断した。
【０１７３】
このようにして得られた発光ダイオード（発光ダイオードランプ）に対し、上面及び下面の電極間に電流を流したところ、ピーク波長９２０ｎｍとする赤外光が出射された。また、順方向に２０ミリアンペア（ｍＡ）の電流を通流した際の順方向電圧（Ｖｆ）は、化合物半導体層を構成する電流拡散層と機能性基板との接合界面での抵抗の低さ及び各オーミック電極の良好なオーミック特性を反映し、応答速度（ｔｒ）、発光出力（Ｐ０）及び順方向電圧（ＶＦ）は、それぞれ、２４ｎｓｅｃ、６．５ｍＷ、１．２４Ｖであった。
【０１７４】
（実施例１５）
実施例１５の発光ダイオードも第３の実施形態の実施例であるが、井戸層及びバリア層のペア数を３対とした点以外は、実施例１４と同じ条件で作製し、同様の評価を行った。
この結果、応答速度（ｔｒ）、発光出力（Ｐ０）及び順方向電圧（ＶＦ）は、それぞれ、２０ｎｓｅｃ、６．７ｍＷ、１．２４Ｖであった。
【０１７５】
（実施例１６）
実施例１６の発光ダイオードは、活性層とクラッド層との接合面積を５３０００μｍ２（２３０μｍ×２３０μｍ）とし、井戸層及びバリア層のペア数を３対とした以外は、実施例１１と同じ条件で作製し、同様の評価を行った。
【０１７６】
この発光ダイオード（発光ダイオードランプ）の特性を評価した結果、応答速度（ｔｒ）、発光出力（Ｐ０）及び順方向電圧（ＶＦ）は、それぞれ、１５ｎｓｅｃ、６．５ｍＷ、１．２８Ｖであった。
【０１７７】
（実施例１７）
実施例１７の発光ダイオードは、活性層とクラッド層との接合面積を１２３０００μｍ２（３５０μｍ×３５０μｍ）とし、井戸層及びバリア層のペア数は５対とした実施例である。実施例１７の発光ダイオードは、実施例１１と同様の手順で化合物半導体層を作製した後、実施例１４と同様の手順で、電流拡散層に反射層を備えた機能性基板を接合した構成である。
この発光ダイオード（発光ダイオードランプ）の特性を評価した結果、応答速度（ｔｒ）、発光出力（Ｐ０）及び順方向電圧（ＶＦ）は、それぞれ、２４ｎｓｅｃ、６．４ｍＷ、１．２６Ｖであった。
【０１７８】
（実施例１８）
実施例１８の発光ダイオードも第５の実施形態の実施例であるが、井戸層及びバリア層のペア数を３対とした点以外は、実施例１７と同じ条件で作製し、同様の評価を行った。
この結果、応答速度（ｔｒ）、発光出力（Ｐ０）及び順方向電圧（ＶＦ）は、それぞれ、２０ｎｓｅｃ、６．５ｍＷ、１．２５Ｖであった。
【０１７９】
（実施例１９）
実施例１９の発光ダイオードは、活性層とクラッド層との接合面積を５３０００μｍ２（２３０μｍ×２３０μｍ）とし、井戸層及びバリア層のペア数を３対とした以外は、実施例１３と同じ条件で作製し、同様の評価を行った。
この結果、応答速度（ｔｒ）、発光出力（Ｐ０）及び順方向電圧（ＶＦ）は、それぞれ、１５ｎｓｅｃ、６．５ｍＷ、１．２９Ｖであった。
【０１８０】
以下に示す実施例２０及び２１は第４の実施形態の実施例であり、実施例２２及び２３は第６の実施形態の実施例であり、実施例１〜１３と同様に化合物半導体層を作製し、その後、反射層と金属基板とを含む機能性基板を電流拡散層に接合した構成である。
【０１８１】
（実施例２０）
実施例２０の発光ダイオードは、活性層とクラッド層との接合面積を１２３０００μｍ２（３５０μｍ×３５０μｍ）とし、井戸層及びバリア層のペア数は５対とした実施例である。実施例２０の発光ダイオードの作製方法を、図１４を参照しながら説明する。
【０１８２】
まず、電流拡散層８の表面８ｂに、ＡｕＢｅ／Ａｕ合金を厚さ０．２μｍで２０μｍφのドットでなる第２の電極５７を、光取り出し面の端から５０μｍになるように等間隔で８個配置した。
次に、透明導電膜であるＩＴＯ膜５２を０．４μｍの厚さでスパッタ法により形成した。さらに、銀合金／Ｔｉ／Ａｕでなる層５３を０．２μｍ／０．１μｍ／１μｍの厚さで形成し、反射層５３とした。
【０１８３】
次に、熱膨張係数が化合物半導体層２の材料よりも大きい材質からなる第１の金属板５０Ａ、５０Ａと、熱膨張係数が化合物半導体層２の材料よりも小さい材質からなる第２の金属板５０Ｂとを採用して、ホットプレスによって金属基板５０を形成した。具体的には、第１の金属板５０Ａとしては厚さ１０μｍのＣｕ、第２の金属板５０Ｂとしては厚さ７５μｍのＭｏを用い、図１４に示すように、２枚の第１の金属板５０Ａ、５０Ａの間に第２の金属板５０Ｂを挿入し、これらを重ねて所定の加圧装置によって高温下で荷重をかけることにより、Ｃｕ（１０μｍ）／Ｍｏ（７５μｍ）／Ｃｕ（１０μｍ）の３層からなる金属基板５０を形成した。
【０１８４】
次に、発光ダイオードの反射層５３の表面と金属基板５０とを重ね合わせ、４００℃で加熱・５００ｇ／ｃｍ２で加圧して接合することにより、機能性基板５１が接合されてなる発光ダイオードウェーハを作製した。
【０１８５】
次に、ＧａＡｓ基板を除去し、コンタクト層５６の表面に、ＡｕＧｅ／Ａｕからなる直径１００μｍで厚さ３μｍのオーミック電極５５を形成し、４２０℃で、５分間熱処理し、ｐ、ｎオーミック電極を合金化処理した。
次に、第１の電極２５をマスクとして、コンタクト層１６の電極２５直下分以外を除去した後、表面を粗面化処理した。
そして、チップに分離する為の切断予定部分の半導体層と反射層、共晶金属を除去し、シリコン基板を、ダイシングソーで、３５０μｍピッチで正方形に切断した。
【０１８６】
この発光ダイオード（発光ダイオードランプ）の特性を評価した結果、応答速度（ｔｒ）、発光出力（Ｐ０）及び順方向電圧（ＶＦ）はそれぞれ、２５ｎｓｅｃ、６．６ｍＷ、１．２７Ｖであった。
【０１８７】
（実施例２１）
実施例２１の発光ダイオードも第４の実施形態の実施例であるが、井戸層及びバリア層のペア数を３対とした点以外は、実施例２０と同じ条件で作製し、同様の評価を行った。
この結果、応答速度（ｔｒ）、発光出力（Ｐ０）及び順方向電圧（ＶＦ）は、それぞれ、２０ｎｓｅｃ、６．７ｍＷ、１．２７Ｖであった。
【０１８８】
（実施例２２）
実施例２２の発光ダイオードは、実施例２０の発光ダイオードにおけるＡｌＧａＡｓバリア層を、組成式（ＡｌＸ４Ｇａ１−Ｘ４）Ｙ２Ｉｎ１−Ｙ２Ｐ（０≦Ｘ４≦１，０＜Ｙ２≦１）の化合物半導体からなるバリア層に置き換えた点が異なる。
この発光ダイオード（発光ダイオードランプ）の特性を評価した結果、応答速度（ｔｒ）、発光出力（Ｐ０）及び順方向電圧（ＶＦ）は、それぞれ、２５ｎｓｅｃ、６．４ｍＷ、１．３１Ｖであった。
【０１８９】
（実施例２３）
実施例２３の発光ダイオードも第６の実施形態の実施例であるが、井戸層及びバリア層のペア数を３対とした点以外は、実施例２２と同じ条件で作製し、同様の評価を行った。
この結果、応答速度（ｔｒ）、発光出力（Ｐ０）及び順方向電圧（ＶＦ）は、それぞれ、２１ｎｓｅｃ、６．５ｍＷ、１．３０Ｖであった。
【０１９０】
以下に示す参考例１〜４は、井戸層及びバリア層のペア数を１０対及び２０対とした例であり、本発明の３元混晶の量子井戸構造、又は、３元混晶の井戸層と４元混晶のバリア層とからなる量子井戸構造を４元クラッド層で挟む構成が、何れも高い発光出力に適した構成であることを示すためのものである。
【０１９１】
（参考例１）
参考例１の発光ダイオードは、井戸層及びバリア層のペア数を１０対とした点以外は、実施例１の発光ダイオードと同じ条件で作製し、同様の評価を行った。
この発光ダイオード（発光ダイオードランプ）の特性を評価した結果、応答速度（ｔｒ）、発光出力（Ｐ０）及び順方向電圧（ＶＦ）は、それぞれ、３２ｎｓｅｃ、６．５ｍＷ、１．３２Ｖであった。
【０１９２】
（参考例２）
参考例２の発光ダイオードは、井戸層及びバリア層のペア数を２０対とした点以外は、実施例１の発光ダイオードと同じ条件で作製し、同様の評価を行った。
この発光ダイオード（発光ダイオードランプ）の特性を評価した結果、応答速度（ｔｒ）、発光出力（Ｐ０）及び順方向電圧（ＶＦ）は、それぞれ、４３ｎｓｅｃ、５ｍＷ、１．３８Ｖであった。
【０１９３】
（参考例３）
参考例３の発光ダイオードは、井戸層及びバリア層のペア数を１０対とした点以外は、実施例４の発光ダイオードと同じ条件で作製し、同様の評価を行った。
この発光ダイオード（発光ダイオードランプ）の特性を評価した結果、応答速度（ｔｒ）、発光出力（Ｐ０）及び順方向電圧（ＶＦ）は、それぞれ、２３ｎｓｅｃ、６．２ｍＷ、１．４０Ｖであった。
【０１９４】
（参考例４）
参考例４の発光ダイオードは、井戸層及びバリア層のペア数を２０対とした点以外は、実施例１の発光ダイオードと同じ条件で作製し、同様の評価を行った。
この発光ダイオード（発光ダイオードランプ）の特性を評価した結果、応答速度（ｔｒ）、発光出力（Ｐ０）及び順方向電圧（ＶＦ）は、それぞれ、３６ｎｓｅｃ、５．２ｍＷ、１．５１Ｖであった。
【０１９５】
上記参考例１〜４の結果から明らかなように、例え、井戸層及びバリア層のペア数を多くした場合であっても、上記実施例に比べて、決して高い発光出力（Ｐ０）が得られるものとはならないことがわかる。
【０１９６】
（比較例１）
比較例１の発光ダイオードは、従来技術である液相エピタキシャル法を用いて化合物半導体層を形成した比較例である。具体的には、ＧａＡｓ基板にＡｌ０．０１Ｇａ０．９９Ａｓを発光層とするダブルヘテロ構造の発光部をエピタキシャル成長させ、発光ダイオードを作製、評価した。
【０１９７】
比較例１の発光ダイオードの作製においては、ＧａＡｓ基板上に、スライドボート型成長装置を用いて結晶成長を行った。
具体的には、まず、スライドボート型成長装置の基板収納溝にｎ型のＧａＡｓ単結晶からなる基板をセットし、各層の成長用に用意したルツボにＧａメタル、ＧａＡｓ多結晶、金属Ａｌ、及びドーパントを入れた。成長する層は、透明厚膜層（第１のｐ型層）、下部クラッド層（ｐ型クラッド層）、活性層、上部クラッド層（ｎ型クラッド層）の４層構造とし、この順序で積層した。
【０１９８】
次に、これらの原料をセットしたスライドボート型成長装置を、石英反応管内にセットし、水素気流中で９５０℃まで加温し、原料を溶解した後、雰囲気温度を９１０℃まで降温し、スライダーを右側に押して原料溶液（メルト）に接触させたあと０．５℃／分の速度で降温し、所定温度に達した後、またスライダーを押して順次各原料溶液に接触させたあと高温させる動作を繰り返し、最終的にはメルトと接触させた後、雰囲気温度を７０３℃まで降温してｎクラッド層を成長させた後、スライダーを押して原料溶液とウェーハを切り離してエピタキシャル成長を終了させた。
【０１９９】
上記条件により、ｎ型の（１００）面のＧａＡｓ単結晶基板上に、Ａｌ０．０１Ｇａ０．９９Ａｓからなるｎ型上部クラッド層を５０μｍ、Ａｌ０．０１Ｇａ０．９９ＡｓからなるＳｉドープの発光層を２０μｍ、Ａｌ０．７Ｇａ０．３Ａｓからなるｐ型の下部クラッド層を２０μｍ、発光波長に対して透明なＡｌ０．２５Ｇａ０．７５Ａｓからなるｐ型の厚膜層を６０μｍとなるように、各層を液相エピタキシャル方法によって成長させた。
【０２００】
エピタキシャル成長終了後、エピタキシャル基板を取り出し、ｎ型のＧａＡｌＡｓクラッド層表面を保護しながら、アンモニア−過酸化水素系エッチャントでｐ型のＧａＡｓ基板を選択的に除去した。
次に、エピタキシャルウェーハ両面に金電極を形成し、長辺が３５０μｍの電極マスクを用いて、ｎ型ＡｌＧａＡｓ上部クラッド層の表面に、直径１００μｍのワイヤボンディング用パッドが中央に配置された表面電極を形成した。また、ｐ型ＡｌＧａＡｓ厚膜層の裏面に、裏面電極として、直径２０μｍのオーミック電極を８０μｍ間隔に形成した。
そして、ダイシングソーにより、ウェーハを３５０μｍ間隔で切断した後、破砕層をエッチング除去することにより、ｎ型のＡｌＧａＡｓ層が表面側となるように、比較例１の発光ダイオードチップを作製した。
【０２０１】
比較例１の発光ダイオードを実装した発光ダイオードランプの特性を評価した結果を、上記表６に示した。
表６に示すように、比較例１の発光ダイオードのｎ型及びｐ型オーミック電極間に電流を流したところ、ピーク波長を９４０ｎｍとする赤外光が出射された。また、順方向に２０ミリアンペア（ｍＡ）の電流を通流した際の順方向電圧（Ｖｆ）は、約１．２ボルト（Ｖ）となった。また、順方向電流を２０ｍＡとした際の発光出力は、２ｍＷであった。また、応答速度（ｔｒ）は、１７００ｎｓｅｃであり、比較例１のいずれのサンプルについても、本発明の実施例に比べ、高速応答に劣るものとなった。
【産業上の利用可能性】
【０２０２】
本発明の発光ダイオードは、高速応答性と高出力性とを兼ね備えた赤外光を発光する発光ダイオード、発光ダイオードランプ及び照明装置として利用できる。
【符号の説明】
【０２０３】
１・・・発光ダイオード、
２・・・化合物半導体層、
３・・・機能性基板、
３ａ・・・垂直面、
３ｂ・・・傾斜面、
４・・・ｎ型オーミック電極（第１の電極）、
５・・・ｐ型オーミック電極（第２の電極）、
７・・・発光部、
８・・・電流拡散層、
９・・・下部クラッド層（第１のクラッド層）、
１０・・・下部ガイド層、
１１・・・活性層、
１２・・・上部ガイド層、
１３・・・上部クラッド層（第２のクラッド層）、
１４・・・ＧａＡｓ基板、
１５・・・緩衝層、
１６・・・コンタクト層、
１７・・・井戸層、
１８・・・バリア層、
２０・・・発光ダイオード、
２１・・・電極、
２２・・・透明導電膜、
２３・・・反射層、
２５・・・ボンディング電極、
３１…機能性基板、
４１・・・発光ダイオードランプ、
４２・・・マウント基板、
４３・・・ｎ電極端子、
４４・・・ｐ電極端子、
４５，４６・・・金線、
４７・・・エポキシ樹脂、
α・・・傾斜面と発光面に平行な面とのなす角度、
５０・・・金属基板、
５１・・・機能性基板、
５２・・・透明導電膜、
５３・・・反射層、
５５・・・第１の電極、
５６・・・コンタクト層、
５７・・・第２の電極、
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光ダイオード、発光ダイオードランプ及び照明装置に関するものであり、特に、高速応答性と高出力性を備えた、赤外光を発光する発光ダイオード、発光ダイオードランプ及び照明装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
赤色光又は赤外光を発光する発光ダイオードは、通信、各種センサー、夜間照明、植物工場用の光源など用途が広がっている。
それに応じて、赤外光を発光する発光ダイオードに対する要求は、主に高出力性を重視するもの、あるいは、主に高速応答性を重視するものから、それらの両方を重視するものへと変化している。特に、通信用の発光ダイオードでは、大容量の光空間伝送を行うため、高速応答性と高出力性とが必須である。
【０００３】
赤色光及び赤外光を発光する発光ダイオードとして、ＧａＡｓ基板にＡｌＧａＡｓ活性層を含む化合物半導体層を液相エピタキシャル法で成長させた発光ダイオードが知られている（例えば、特許文献１〜４）。
【０００４】
特許文献４において、液相エピタキシャル法を用いてＧａＡｓ基板にＡｌＧａＡｓ活性層を含む化合物半導体層を成長させ、その後、成長基板として用いたＧａＡｓ基板を除去する、いわゆる基板除去型の発光ダイオードが開示されている。特許文献４において開示された発光ダイオードでは、応答速度（立ち上がり時間）が４０〜５５ｎｓｅｃ程度においては出力が４ｍＷ以下である。また、応答速度が２０ｎｓｅｃ程度においては出力が５ｍＷを若干超えた程度であり、液相エピタキシャル法を用いて作製した発光ダイオードとしては現在最も高い応答速度で高出力のものであると思われる。
【０００５】
また、９００ｎｍ以上の高い発光ピーク波長を有し得る赤外発光ダイオードとして、ＩｎＧａＡｓ活性層を用いるものが知られている（特許文献５〜７）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平６−２１５０７号公報
【特許文献２】特開２００１−２７４４５４号公報
【特許文献３】特開平７−３８１４８号公報
【特許文献４】特開２００６−１９０７９２号公報
【特許文献５】特開２００２−２６３７７号公報
【特許文献６】特開２００２−１１１０４８号公報
【特許文献７】特開２００２−３４４０１３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記した従来の技術の出力では通信用の発光ダイオードとしては十分ではない。
発光ダイオードは半導体レーザーと異なり、自然放出光を利用しているため、高速応答性と高出力性とはトレードオフの関係にある。従って、例えば、単に発光層の層厚を薄くしてキャリアの閉じ込め効果を増大して電子と正孔の発光再結合確率を高め、高速応答化を図っても、発光出力が低下してしまうという問題がある。
【０００８】
また、９００ｎｍ以上の高い発光ピーク波長を有し得る赤外発光ダイオードとして、ＩｎＧａＡｓからなる井戸層を備える活性層を用いた発光ダイオードが実用化されている。このようなＩｎＧａＡｓ井戸層を備えた発光ダイオードにおいても、さらなる性能向上や省エネ、コスト面等から、より発光効率の高いものの開発が望まれている。
【０００９】
本発明は、上記事情を鑑みてなされたものであり、高速応答性と高出力性とを兼ね備えた赤外光を発光する発光ダイオード、発光ダイオードランプ及び照明装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明者は、上記課題を解決するために鋭意研究を重ねた結果、ＩｎＧａＡｓからなる３元混晶の井戸層と、ＡｌＧａＡｓからなる３元混晶のバリア層とを交互に５ペア以下で積層した量子井戸構造を活性層とし、この活性層を挟むクラッド層を４元混晶のＡｌＧａＩｎＰからなるものとし、活性層及びクラッド層を含む化合物半導体層を成長基板にエピタキシャル成長させた後、その成長基板を除去し、化合物半導体層を透明基板に改めて貼り付ける（接合する）構成とすることにより、高速応答性を維持しつつ、高出力で赤外光を発光する発光ダイオードを完成させた。
【００１１】
これに加え、本発明者は、ＩｎＧａＡｓからなる３元混晶の井戸層と、ＡｌＧａＩｎＰからなる４元混晶のバリア層とを交互に５ペア以下で積層した量子井戸構造を活性層とし、この活性層を挟むクラッド層を４元混晶のＡｌＧａＩｎＰからなるものとし、活性層及びクラッド層を含む化合物半導体層を成長基板にエピタキシャル成長させた後、その成長基板を除去し、化合物半導体層を透明基板に改めて貼り付ける（接合する）構成とすることにより、高速応答性を維持しつつ、高出力で赤外光を発光する発光ダイオードを完成させた。
【００１２】
この際、本発明者は、まず、高いキャリアの閉じ込め効果を有し、高速応答に適した量子井戸構造を活性層に採用すると共に、高い注入キャリア密度を確保するために井戸層及びバリア層のペア数を５以下とした。この構成により、液相エピタキシャル法を用いて作製された発光ダイオードの上記の最も高速の応答速度と同程度か若しくはそれ以上の応答速度を実現した。
【００１３】
また、３元混晶の量子井戸構造、又は、３元混晶の井戸層と４元混晶のバリア層とからなる量子井戸構造を挟むクラッド層に、バンドギャップが大きくて発光波長に対して透明であり、かつ、欠陥を作りやすいＡｓを含まないので結晶性の良い４元混晶のＡｌＧａＩｎＰを採用した。
【００１４】
また、従来、ＩｎＧａＡｓ系の活性層を用いる赤外発光ダイオードにおいては、この活性層を含む化合物半導体層を透明基板に貼り付ける（接合する）タイプはなく、化合物半導体層を成長させたＧａＡｓ基板をそのまま用いていた。しかしながら、ＧａＡｓ基板は伝導性を高めるために高ドープされており、キャリアによる光の吸収が避けられない。そこで、化合物半導体層の成長後に、成長基板であるＧａＡｓ基板を除去し、キャリアによる光の吸収を回避でき、高出力・高効率が期待できる透明基板に貼り付ける（接合する）タイプを採用した。
【００１５】
以上の通り、本発明者は、５ペア以下の量子井戸構造を活性層とする構成を採用して高速応答性を確保し、また、この構成において、３元混晶あるいは３元−４元の量子井戸構造を挟むクラッド層に４元混晶を用いるという画期的な組み合わせを採用すると共に、化合物半導体層の成長に用いた成長基板を除去して、光吸収のない基板に改めて化合物半導体層を貼り付けた構成を採用することにより、高出力化を図ることに成功したのである。
【００１６】
本発明は、以下の手段を提供する。
（１） 組成式（ＩｎＸ１Ｇａ１−Ｘ１）Ａｓ（０≦Ｘ１≦１）の化合物半導体からなる井戸層、及び、組成式（ＡｌＸ２Ｇａ１−Ｘ２）Ａｓ（０≦Ｘ２≦１）の化合物半導体からなるバリア層を交互に積層した量子井戸構造の活性層と、該活性層を挟む第１のクラッド層及び第２のクラッド層とを有する発光部と、前記発光部上に形成された電流拡散層と、前記電流拡散層に接合された機能性基板と、を備え、前記第１及び第２のクラッド層が組成式（ＡｌＸ３Ｇａ１−Ｘ３）Ｙ１Ｉｎ１−Ｙ１Ｐ（０≦Ｘ３≦１，０＜Ｙ１≦１）の化合物半導体からなり、前記井戸層及びバリア層のペア数が５以下であることを特徴とする発光ダイオード。
（２） 組成式（ＩｎＸ１Ｇａ１−Ｘ１）Ａｓ（０≦Ｘ１≦１）の化合物半導体からなる井戸層、及び、組成式（ＡｌＸ４Ｇａ１−Ｘ４）Ｙ２Ｉｎ１−Ｙ２Ｐ（０≦Ｘ４≦１，０＜Ｙ２≦１）の化合物半導体からなるバリア層を交互に積層した量子井戸構造の活性層と、該活性層を挟む第１のクラッド層及び第２のクラッド層とを有する発光部と、前記発光部上に形成された電流拡散層と、前記電流拡散層に接合された機能性基板と、を備え、前記第１及び第２のクラッド層が組成式（ＡｌＸ５Ｇａ１−Ｘ５）Ｙ３Ｉｎ１−Ｙ３Ｐ（０≦Ｘ５≦１，０＜Ｙ３≦１）の化合物半導体からなり、前記井戸層及びバリア層のペア数が５以下であることを特徴とする発光ダイオード。
（３） 前記活性層と前記クラッド層との接合面積が２００００〜９００００μｍ２であることを特徴とする前項（１）または（２）のいずれかに記載の発光ダイオード。
なお、「前記活性層と前記クラッド層との接合面積」とは、ガイド層等の層を介して活性層とクラッド層とが接合されている場合には、それらの層と活性層若しくはクラッド層との間の接合面積を含む。
（４） 前記井戸層のＩｎ組成Ｘ１を０≦Ｘ１≦０．３とし、前記井戸層の厚さが３〜１０ｎｍであることを特徴とする前項（１）から（３）のいずれか一項に記載の発光ダイオード。
（５） 前記井戸層のＩｎ組成Ｘ１が０．１≦Ｘ１≦０．３であることを特徴とする前項（１）から（３）のいずれか一項に記載の発光ダイオード。
（６） 前記機能性基板は発光波長に対して透明であることを特徴とする前項（１）から（５）のいずれか一項に記載の発光ダイオード。
（７） 前記機能性基板はＧａＰ、サファイア又はＳｉＣからなることを特徴とする前項（１）から（６）のいずれか一項に記載の発光ダイオード。
【００１７】
（８） 組成式（ＩｎＸ１Ｇａ１−Ｘ１）Ａｓ（０≦Ｘ１≦１）の化合物半導体からなる井戸層、及び、組成式（ＡｌＸ２Ｇａ１−Ｘ２）Ａｓ（０≦Ｘ２≦１）の化合物半導体からなるバリア層を交互に積層した量子井戸構造の活性層と、該活性層を挟む第１のクラッド層及び第２のクラッド層とを有する発光部と、前記発光部上に形成された電流拡散層と、前記発光部に対向して配置され、発光波長に対して９０％以上の反射率を有する反射層を含み、前記電流拡散層に接合された機能性基板と、を備え、前記第１及び第２のクラッド層が組成式（ＡｌＸ３Ｇａ１−Ｘ３）Ｙ１Ｉｎ１−Ｙ１Ｐ（０≦Ｘ３≦１，０＜Ｙ１≦１）の化合物半導体からなり、前記井戸層及びバリア層のペア数が５以下であることを特徴とする発光ダイオード。
（９） 組成式（ＩｎＸ１Ｇａ１−Ｘ１）Ａｓ（０≦Ｘ１≦１）の化合物半導体からなる井戸層、及び、組成式（ＡｌＸ４Ｇａ１−Ｘ４）Ｙ２Ｉｎ１−Ｙ２Ｐ（０≦Ｘ４≦１，０＜Ｙ２≦１）の化合物半導体からなるバリア層を交互に積層した量子井戸構造の活性層と、該活性層を挟む第１のクラッド層及び第２のクラッド層とを有する発光部と、前記発光部上に形成された電流拡散層と、前記発光部に対向して配置され、発光波長に対して９０％以上の反射率を有する反射層を含み、前記電流拡散層に接合された機能性基板と、を備え、前記第１及び第２のクラッド層が組成式（ＡｌＸ５Ｇａ１−Ｘ５）Ｙ３Ｉｎ１−Ｙ３Ｐ（０≦Ｘ５≦１，０＜Ｙ３≦１）の化合物半導体からなり、前記井戸層及びバリア層のペア数が５以下であることを特徴とする発光ダイオード。
（１０） 前記活性層と前記クラッド層との接合面積が２００００〜９００００μｍ２であることを特徴とする前項（８）または（９）のいずれかに記載の発光ダイオード。
（１１） 前記井戸層のＩｎ組成Ｘ１を０≦Ｘ１≦０．３とし、前記井戸層の厚さが３〜１０ｎｍであることを特徴とする前項（８）から（１０）のいずれか一項に発光ダイオード。
（１２） 前記井戸層のＩｎ組成Ｘ１が０．１≦Ｘ１≦０．３であることを特徴とする前項（８）から（１０）のいずれか一項に記載の発光ダイオード。
（１３） 前記機能性基板はシリコンまたはゲルマニウムからなる層を含むことを特徴とする前項（８）から（１２）のいずれか一項に記載の発光ダイオード。
（１４） 前記機能性基板は金属基板を含むことを特徴とする前項（８）から（１２）のいずれか一項に記載の発光ダイオード。
（１５） 前記金属基板は複数の金属層からなることを特徴とする前項（１４）に記載の発光ダイオード。
（１６） 前記井戸層及びバリア層のペア数が３以下であることを特徴とする前項（１）から（１５）のいずれか一項に記載の発光ダイオード。
（１７） 前記電流拡散層はＧａＰからなることを特徴とする前項（１）から（１６）のいずれか一項に記載の発光ダイオード。
（１８） 前記電流拡散層の厚さは０．５〜２０μｍの範囲であることを特徴とする前項（１）から（１７）のいずれか一項に記載の発光ダイオード。
（１９） 前記機能性基板の側面は、前記発光部に近い側においては主たる光取り出し面に対して略垂直である垂直面を有し、前記発光部に遠い側においては前記主たる光取り出し面に対して内側に傾斜した傾斜面を有することを特徴とする前項（１）から（１８）のいずれか一項に記載の発光ダイオード。
（２０） 前記傾斜面は粗い面を含むことを特徴とする前項（１９）に記載の発光ダイオード。
（２１） 第１の電極及び第２の電極が発光ダイオードの前記主たる光取り出し面側に設けられていることを特徴とする前項（１９）または（２０）のいずれかに記載の発光ダイオード。
（２２） 前記第１の電極及び前記第２の電極がオーミック電極であることを特徴とする前項（２１）に記載の発光ダイオード。
【００１８】
（２３） 前項（１）から（２２）のいずれか一項に記載の発光ダイオードを備えることを特徴とする発光ダイオードランプ。
（２４） 前項（１）から（２２）のいずれか一項に記載の発光ダイオード、および／または、前項（２３）に記載の発光ダイオードランプを複数個搭載した照明装置。
【００１９】
なお、本発明において、「機能性基板」とは、成長基板に化合物半導体層を成長させた後にその成長基板を除去し、電流拡散層を介して化合物半導体層に接合して化合物半導体層を支持する基板をいうが、電流拡散層に所定の層を形成した後に、その所定の層の上に所定の基板を接合する構成の場合は、その所定の層を含めて「機能性基板」という。
【発明の効果】
【００２０】
本発明の発光ダイオードによれば、ＩｎＧａＡｓの３元混晶からなる井戸層及びＡｌＧａＡｓの３元混晶からなるバリア層を交互に積層した量子井戸構造の活性層を採用し、注入キャリアの閉じ込め効果が大きい量子井戸構造を用いる構成とすることにより、井戸層内に十分な注入キャリアが閉じ込められることで、井戸層内のキャリア密度が高くなり、その結果、発光再結合確率が増大して、応答速度が向上する。
また、量子井戸構造内に注入されたキャリアはその波動性のためにトンネル効果によって量子井戸構造内の井戸層間全体に広がることになるが、量子井戸構造の井戸層及びバリア層のペア数を５以下とする構成を採用したので、その広がりによる注入キャリアの閉じ込め効果の低下を極力回避し、高速応答性が担保されている。
さらにまた、量子井戸構造の活性層から発光する構成なので単色性が高い。
【００２１】
さらに、本発明の発光ダイオードによれば、ＩｎＧａＡｓの３元混晶からなる井戸層及びＡｌＧａＩｎＰの４元混晶からなるバリア層を交互に積層した３元−４元量子井戸構造の活性層を採用し、注入キャリアの閉じ込め効果が大きい量子井戸構造を用いた構成とすることができる。
【００２２】
また、活性層を挟む第１のクラッド層及び第２のクラッド層として、発光波長に対して透明であると共に、欠陥を作りやすいＡｓを含まないために結晶性が高いＡｌＧａＩｎＰからなる構成を採用したので、欠陥を介した電子と正孔の非発光再結合確率が低下し、発光出力が向上する。
さらに、活性層を挟む第１のクラッド層及び第２のクラッド層として、４元混晶のＡｌＧａＩｎＰからなる構成を採用したので、バリア層及びクラッド層が３元混晶からなる発光ダイオードに比べてＡｌ濃度が低く、耐湿性が向上する。
【００２３】
また、化合物半導体層の成長基板を除去して、電流拡散層に機能性基板を接合した構成を採用したので、成長基板による光の吸収が回避され、発光出力が向上する。すなわち、化合物半導体層の成長基板として通常用いられるＧａＡｓ基板はバンドギャップが活性層のバンドギャップよりも狭いために、活性層からの光がＧａＡｓ基板に吸収され、光取り出し効率が低下するが、このＧａＡｓ基板を除去することによって、発光出力が向上する。
【００２４】
本発明の発光ダイオードによれば、活性層とクラッド層との接合面積を２００００〜９００００μｍ２である構成を採用することにより、その接合面積を９００００μｍ２以下とすることで電流密度が高くなり、高出力を担保しつつ、発光再結合確率が増大して応答速度が向上する。他方、接合面積を２００００μｍ２以上とすることで、通電電流に対する発光出力の飽和を抑制することにより、発光出力の大きな低下がなく、高出力が担保される。
【００２５】
本発明の発光ダイオードによれば、井戸層のＩｎ組成Ｘ１を０≦Ｘ１≦０．３とし、井戸層の厚さを３〜１０ｎｍとしてなる構成を採用することにより、従来の赤外発光ダイオードに比べて応答速度が高くかつ高出力が実現される。
【００２６】
本発明の発光ダイオードによれば、機能性基板は発光波長に対して透明である構成を採用することにより、吸収がある基板を用いた発光ダイオードに比べて高出力が実現される。
【００２７】
本発明の発光ダイオードによれば、機能性基板がＧａＰ、サファイア又はＳｉＣ、シリコン、又はゲルマニウムからなる構成を採用することにより、発光部と熱膨張係数が近い為、応力を低減できる。また、腐食しにくい材質である為、耐湿性が向上する。
【００２８】
本発明の発光ダイオードによれば、機能性基板と電流拡散層とをいずれもＧａＰからなる構成を採用することにより、それらの間の接合強度を大きくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の一実施形態である発光ダイオードを用いた発光ダイオードランプの平面図である。
【図２】本発明の一実施形態である発光ダイオードを用いた発光ダイオードランプの、図１中に示すＡ−Ａ’線に沿った断面模式図である。
【図３】本発明の一実施形態である発光ダイオードの平面図である。
【図４】本発明の一実施形態である発光ダイオードの、図３中に示すＢ−Ｂ’線に沿った断面模式図である。
【図５】本発明の一実施形態である発光ダイオードを構成する活性層を説明するための図である。
【図６】本発明の第１の実施形態である発光ダイオードの井戸層及びバリア層のペア数と、発光出力及び応答速度との相関を示すグラフである（活性層とクラッド層との接合面積が１２３０００μｍ２の場合）。
【図７】本発明の第１の実施形態である発光ダイオードの井戸層及びバリア層のペア数と、発光出力及び応答速度との相関を示すグラフである（活性層とクラッド層との接合面積が５３０００μｍ２の場合）。
【図８】本発明の一実施形態である発光ダイオードに用いるエピウェーハの断面模式図である。
【図９】本発明の一実施形態である発光ダイオードに用いる接合ウェーハの断面模式図である。
【図１０】本発明の一実施形態である発光ダイオードの、バリア層にＡｌＧａＩｎＰを用いた場合の発光ダイオードの井戸層及びバリア層のペア数と発光出力との相関を示すグラフである。
【図１１】本発明の一実施形態である発光ダイオードの、バリア層にＡｌＧａＩｎＰを用いた場合の発光ダイオードのバリア層のＩｎ組成（Ｙ１）と発光出力との相関を示すグラフである。
【図１２】本発明の一実施形態である発光ダイオードの、バリア層にＡｌＧａＩｎＰを用いた場合の発光ダイオードの順方向電流と発光出力の相関に対する、井戸層及びバリア層のペア数の依存性を示すグラフである。
【図１３】本発明の他の実施形態である発光ダイオードの平面図であり、（ａ）平面図、（ｂ）（ａ）中に示すＣ−Ｃ’線に沿った断面模式図である。
【図１４】本発明の他の実施形態である発光ダイオードの断面模式図である。
【図１５】本発明の一実施形態である発光ダイオードのバリア層にＡｌＧａＡｓを用いた場合の接合面積が１２３０００μｍ２の場合と５３０００μｍ２の場合のペア数と応答速度との関係を示すグラフである。
【図１６】本発明の一実施形態である発光ダイオードのバリア層にＡｌＧａＡｓを用いた場合の接合面積が１２３０００μｍ２の場合と５３０００μｍ２の場合のペア数と発光出力との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
以下、本発明を適用した一実施形態である発光ダイオード及びこれを用いた発光ダイオードランプについて図面を用いて詳細に説明する。なお、以下の説明で用いる図面において、同一部材には同一符号を付し若しくは符号を省略する。また、以下の説明で用いる図面は模式的であり、長さ、幅、及び厚みの比率等は現実のものとは異なる場合がある。
【００３１】
＜発光ダイオードランプ＞
図１及び図２は、本発明を適用した一実施形態である発光ダイオードを用いた発光ダイオードランプを説明するための図であり、図１は平面図、図２は図１中に示すＡ−Ａ’線に沿った断面図である。
【００３２】
図１及び図２に示すように、本実施形態の発光ダイオード１を用いた発光ダイオードランプ４１は、マウント基板４２の表面に１以上の発光ダイオード１が実装されている。
より具体的には、マウント基板４２の表面には、ｎ電極端子４３とｐ電極端子４４とが設けられている。また、発光ダイオード１の第１の電極であるｎ型オーミック電極４とマウント基板４２のｎ電極端子４３とが金線４５を用いて接続されている（ワイヤボンディング）。一方、発光ダイオード１の第２の電極であるｐ型オーミック電極５とマウント基板４２のｐ電極端子４４とが金線４６を用いて接続されている。そして、マウント基板４２の発光ダイオード１が実装された表面は、シリコン樹脂やエポキシ樹脂等の一般的な封止樹脂４７によって封止されている。
【００３３】
＜発光ダイオード（第１の実施形態）＞
図３及び図４は、本発明を適用した第１の実施形態に係る発光ダイオードを説明するための図であり、図３は平面図、図４は図３中に示すＢ−Ｂ’線に沿った断面図である。また、図５は井戸層とバリア層の積層構造の断面図である。
第１の実施形態に係る発光ダイオードは、組成式（ＩｎＸ１Ｇａ１−Ｘ１）Ａｓ（０≦Ｘ１≦１）の化合物半導体からなる井戸層１７、及び、組成式（ＡｌＸ２Ｇａ１−Ｘ２）Ａｓ（０≦Ｘ２≦１）の化合物半導体からなるバリア層１８を交互に積層した量子井戸構造の活性層１１と、該活性層１１を挟む第１のクラッド層９と第２のクラッド層１３とを有する発光部７と、発光部７上に形成された電流拡散層８と、電流拡散層８に接合された機能性基板３とを備え、第１及び第２のクラッド層９、１３が組成式（ＡｌＸ３Ｇａ１−Ｘ３）Ｙ１Ｉｎ１−Ｙ１Ｐ（０≦Ｘ３≦１，０＜Ｙ１≦１）の化合物半導体からなり、井戸層１７及びバリア層１８のペア数が５以下であることを特徴とするものである。
なお、本実施形態における主たる光取り出し面とは、化合物半導体層２において、機能性基板３を貼り付けた面の反対側の面である。
【００３４】
化合物半導体層（エピタキシャル成長層ともいう）２は、図４に示すように、ｐｎ接合型の発光部７と電流拡散層８とが順次積層された構造を有している。この化合物半導体層２の構造には、公知の機能層を適時加えることができる。例えば、オーミック（Ｏｈｍｉｃ）電極の接触抵抗を下げるためのコンタクト層、素子駆動電流を発光部の全般に平面的に拡散させるための電流拡散層、逆に素子駆動電流の通流する領域を制限するための電流阻止層や電流狭窄層など公知の層構造を設けることができる。なお、化合物半導体層２は、ＧａＡｓ基板上にエピタキシャル成長させて形成されたものであることが好ましい。
【００３５】
発光部７は、図４に示すように、電流拡散層８上に、少なくともｐ型の下部クラッド層（第１のクラッド層）９、下部ガイド層１０、活性層１１、上部ガイド層１２、ｎ型の上部クラッド層（第２のクラッド層）１３が順次積層されて構成されている。すなわち、発光部７は、放射再結合をもたらすキャリア（担体；ｃａｒｒｉｅｒ）及び発光を活性層１１に「閉じ込める」ために、活性層１１の下側及び上側に対峙して配置した下部クラッド層９、下部ガイド（ｇｕｉｄｅ）層１０、及び上部ガイド層１２、上部クラッド層１３を含む、所謂、ダブルヘテロ（英略称：ＤＨ）構造とすることが高強度の発光を得る上で好ましい。
【００３６】
活性層１１は、図５に示すように、発光ダイオード（ＬＥＤ）の発光波長を制御するため、量子井戸構造を構成する。すなわち、活性層１１は、バリア層（障壁層ともいう）１８を両端に有する、井戸層１７とバリア層（障壁層ともいう）１８との多層構造（積層構造）である。従って、例えば、5対のペア数の量子井戸構造は、５層の井戸層１７と６層のバリア層１８とからなる。
【００３７】
活性層１１の層厚は、０．０２〜２μｍの範囲であることが好ましい。また、活性層１１の伝導型は特に限定されるものではなく、アンドープ、ｐ型及びｎ型のいずれも選択することができる。発光効率を高めるには、結晶性が良好なアンドープ又は３×１０１７ｃｍ−３未満のキャリア濃度とすることが望ましい。結晶性を向上させて欠陥を少なくすると、光の吸収が抑制され、発光出力の向上を図ることができる。
【００３８】
井戸層１７は、組成式（ＩｎＸ１Ｇａ１−Ｘ１）Ａｓ（０≦Ｘ１≦１）の化合物半導体からなる。
Ｉｎ組成Ｘ１は０≦Ｘ１≦０．３であるのが好ましい。Ｉｎ組成Ｘ１をこの範囲とすることにより、８３０〜１０００ｎｍの範囲で所望の発光波長を有するものとすることができる。
【００３９】
下記表１に、井戸層１７の層厚を５ｎｍに固定した、Ｉｎ組成（Ｘ１）と発光ピーク波長との相関を示す。下記表１に示すように、井戸層１７のＩｎ組成（Ｘ１）が低くなるほど、発光ピーク波長が長くなっていることがわかる。また、その変化の傾向から、下記表１に記載されていない発光ピーク波長に対応する、Ｉｎ組成（Ｘ１）を推定することができる。
【００４０】
【表１】
【００４１】
井戸層１７の層厚は、３〜３０ｎｍの範囲が好適であり、より好ましくは、３〜１０ｎｍの範囲である。
下記表２に、井戸層１７のＩｎ組成（Ｘ１）を０．２０とした際の、井戸層１７の層厚と発光ピーク波長との相関を示す。また、下記表３に、井戸層１７のＩｎ組成（Ｘ１）を０．０５とした際の、井戸層１７の層厚と発光ピーク波長との関係を示す。
【００４２】
【表２】
【００４３】
【表３】
【００４４】
表２、３に示すように、井戸層１７の層厚が薄くなると、量子効果によって発光ピーク波長が短くなる一方、層厚が厚い場合には、発光ピーク波長は組成によって決まる。また、それらの変化の傾向から、上記表２、３に記載されていない発光ピーク波長に対応する層厚を推定することができる。
【００４５】
以上のような、発光ピーク波長と、井戸層１７のＩｎ組成（Ｘ１）及び層厚との関係に基づいて、８３０ｎｍ〜１０００ｎｍの範囲内で所望の発光波長が得られるように、井戸層１７のＩｎ組成（Ｘ１）と層厚を決めることができる。
例えば、井戸層のＩｎ組成Ｘ１を０≦Ｘ１≦０．３とし、井戸層の厚さを３〜１０ｎｍの範囲とし、発光波長が８３０〜１０００ｎｍに設定されてなる発光ダイオードを作製できる。
【００４６】
バリア層１８は、組成式（ＡｌＸ２Ｇａ１−Ｘ２）Ａｓ（０≦Ｘ２≦１）の化合物半導体からなる。Ｘは、バリア層１８での吸収を防止して発光効率を高めるため、井戸層１７よりもバンドギャップが大きくなる組成とするのが好ましい。また、バリア層１８は、結晶性の観点からＡｌ濃度が低いことが好ましい。従って、バリア層１８のＡｌ組成Ｘ２は０．１〜０．３の範囲であることがより好ましい。
また、最適なＸ２の組成は井戸層の組成との関係で決まる。結晶性を向上させて欠陥を少なくすると、光の吸収が抑制され、その結果、発光出力の向上を図ることができる。
【００４７】
バリア層１８の層厚は、井戸層１７の層厚と等しいか又は井戸層１７の層厚より厚いことが好ましい。バリア層１８の層厚を、トンネル効果が生じる層厚範囲で十分に厚くすることにより、トンネル効果による井戸層の結合と、広がりの制限を両立することにより、キャリアの閉じ込め効果が増大し、電子と正孔の発光再結合確率が大きくなり、発光出力の向上を図ることができる。
【００４８】
本発明の発光ダイオードにおいては、井戸層１７とバリア層１８との多層構造において、井戸層１７とバリア層１８とを交互に積層する対の数は５ペア以下であり、１ペアであっても構わない。すなわち、活性層１１には、井戸層１７が１〜５層含まれていることが好ましい。このような構成により、キャリアの閉じ込め効果を増大し、電子と正孔の発光再結合確率が大きくして、２５ｎｓｅｃ以下の高速の応答速度（立ち上がり時間）が確保できる。後述する実施例で示すように、井戸層１７及びバリア層１８のペア数を５対から１対に少なくするほど、応答速度は高速になった。実施例で示した条件ではペア数が１対のときに最高速の１５ｎｓｅｃを実現した。多重量子井戸構造の活性層の場合、量子井戸層の数が少ないほど、電子と正孔が閉じ込められる領域が狭くなるために発光再結合確率が高くなり、その結果、応答速度が高速化する。
【００４９】
図６及び図７はそれぞれ、活性層１１と下部クラッド層９又は上部クラッド層１３との接合面積を１２３０００μｍ２（３５０μｍ×３５０μｍ：図６）とした場合と、それよりも狭く５３０００μｍ２（２３０μｍ×２３０μｍ：図７）とした場合の発光ダイオードの井戸層及びバリア層のペア数と、発光出力及び応答速度との相関を示すグラフである。
図６及び図７に示すグラフに基づくと、活性層１１の発光効率が好適な範囲としては井戸層１７が１層でも十分である。一方、井戸層１７及びバリア層１８の間には格子不整が存在する為、ペア数が多すぎると、結晶欠陥の発生により、発光効率が低下してしまう。このため、本発明では、井戸層１７とバリア層１８とのペア数は、５ペア以下である。
【００５０】
例えば、図６のグラフに示すデータでは、井戸層１７とバリア層１８とのペア数が１ペアの場合は、発光出力が６．８ｍＷで応答速度Ｔｒが１５ｎｓｅｃであり、３ペアの場合には、発光出力が７ｍＷで応答速度Ｔｒが１８ｎｓｅｃ、５ペアの場合には、発光出力が６．９ｍＷで応答速度Ｔｒが２３ｎｓｅｃと、何れも高い発光効率並びに高速応答性が得られる。一方、井戸層とバリア層とのペア数が１０ペアでは、発光出力が６．５ｍＷ、応答速度Ｔｒが３２ｎｓｅｃであり、ペア数が１〜５ペアの場合に比べて、出力並びに応答速度の何れも劣るものとなっている。また、井戸層とバリア層とのペア数が２０ペアでは、発光出力が５．０ｍＷに低下するとともに、応答速度Ｔｒが４３ｎｓｅｃとなり、発光効率及び高速性の何れも劣ることがわかる。
【００５１】
また、図７のグラフに示すデータでは、井戸層１７とバリア層１８とのペア数が１ペアの場合は、発光出力が７．０ｍＷで応答速度Ｔｒが１２ｎｓｅｃであり、３ペアの場合には、発光出力が７．１ｍＷで応答速度Ｔｒが１５ｎｓｅｃ、５ペアの場合には、発光出力が７．０ｍＷで応答速度Ｔｒが１８ｎｓｅｃと、何れも高い発光効率並びに高速応答性が得られる。一方、井戸層とバリア層とのペア数が１０ペアでは、発光出力が６．２ｍＷ、応答速度Ｔｒが２３ｎｓｅｃであり、ペア数が１〜５ペアの場合に比べて、出力並びに応答速度の何れも劣るものとなっている。また、井戸層とバリア層とのペア数が２０ペアでは、発光出力が５．２ｍＷに低下するとともに、応答速度Ｔｒが３６ｎｓｅｃとなり、発光効率及び高速性の何れも劣ることがわかる。
【００５２】
図６及び図７のいずれの場合も、ペア数が１〜５ペアのうち、井戸層１７とバリア層１８とのペア数が３ペアのときはそれぞれ、応答速度Ｔｒも１８ｎｓｅｃ、１５ｎｓｅｃと高速性にも優れているだけでなく、それぞれ７．０mＶ、７．１mＶと最高出力であるから、発光出力を最重視する場合には３ペアが最も好ましい。
高速化の観点からすれば、１ペアがもっとも望ましいが、電子および正孔の閉じ込めが非常に狭い範囲で限定されることから、注入電流の増加に対する出力の飽和が発生しやすい。一方、本発明の井戸層には歪が存在することから、３ペア以上の領域ではペア数の増加に伴い、歪による結晶欠陥が拡大し出力が低下する。このことから、応答速度では２ペア以下の構造に劣るが、出力とのバランスを鑑み、３ペアがより望ましい。
【００５３】
なお、井戸層１７とバリア層１８の数を減らすと、ＰＮ接合の接合容量（キャパシタンス）は大きくなる。これは、井戸層１７とバリア層１８はアンドープ、または低いキャリア濃度とされるので、ＰＮ接合において空乏層として機能し、空乏層が薄いほどキャパシタンスが大きくなることに起因する。
一般に応答速度を早くするためにはキャパシタンスが小さい方が望ましいが、本発明の構造では、井戸層１７とバリア層１８の数を少なくすることにより、キャパシタンスが大きくなるにも関わらず、応答速度が早くなる効果が見出された。これは、井戸層１７とバリア層１８の数を少なくすることにより、注入キャリアの再結合速度が速くなる効果がより大きいためであるものと推定される。
【００５４】
活性層１１と下部クラッド層９又は上部クラッド層１３との接合面積は２００００〜９００００μｍ２であるのが好ましい。
【００５５】
活性層１１と下部クラッド層９又は上部クラッド層１３との接合面積を９００００μｍ２以下とすることで、電流密度が高くなり、発光再結合確率が増大して応答速度が向上する。後述する実施例で示すように、本発明者が鋭意実験したところ、例えば、活性層１１と下部クラッド層９又は上部クラッド層１３との接合面積を１２３０００μｍ２（３５０μｍ×３５０μｍ）とした場合と、それよりも狭く５３０００μｍ２（２３０μｍ×２３０μｍ）とした場合とでは、後者の方が、井戸層１７及びバリア層１８のペア数が５ペアのときで２０％以上応答速度が向上し、また、ペア数が１ペアのときでも、２０％応答速度が向上することが明らかとなった。
【００５６】
他方、活性層１１と下部クラッド層９又は上部クラッド層１３との接合面積を２００００μｍ２以上とすることで、発光出力の大きな低下がなく、高出力が担保される。後述する実施例で示すように、本発明者が鋭意実験したところ、例えば、活性層１１と下部クラッド層９又は上部クラッド層１３との接合面積を５３０００μｍ２とした場合に、井戸層１７及びバリア層１８のペア数が５ペアのときに発光出力７．０ｍＷ（応答速度１８ｎｓｅｃ）で、１ペアのときでも発光出力７．０ｍＷ（応答速度１２ｎｓｅｃ）という高い発光出力を維持できることが明らかとなった。
【００５７】
本実施形態においては、図４に例示するように、下部ガイド層１０及び上部ガイド層１２が、活性層１１の下面及び上面にそれぞれ設けられている。具体的には、活性層１１の下面に下部ガイド層１０が設けられ、活性層１１の上面に上部ガイド層１２が設けられている。
【００５８】
下部ガイド層１０及び上部ガイド層１２は、（ＡｌＸ６Ｇａ１−Ｘ６）Ａｓ（０＜Ｘ６≦１）の組成を有している。Ａｌ組成Ｘ６は、バリア層１５よりもバンドギャップが等しいか又は大きくなる組成とすることが好ましく、０．２〜０．５の範囲がより好ましい。結晶性の観点から最適なＸ６の組成は、井戸層１７の組成との関係で決まる。結晶性を向上させて欠陥を少なくすると、光の吸収が抑制され、その結果、発光出力の向上を図ることができる。
【００５９】
下記表４に、井戸層１７の層厚を５ｎｍとした際に、各発光ピーク波長における発光出力が最大となる、バリア層１８、下部ガイド層１０及び上部ガイド層１２のＡｌ組成（Ｘ２、Ｘ６）を示す。ここで、バリア層１８、下部ガイド層１０及び上部ガイド層１２は、井戸層１７よりもバンドギャップが大きくなる組成とするのが好ましいが、結晶性を高めて発光出力を向上させるためには、井戸層１７の組成との関係で最適な組成が定まる。このように、バリア層１８、下部ガイド層１０及び上部ガイド層１２の結晶性を向上させて欠陥を少なくすると、光の吸収が抑制され、その結果、発光出力の向上を図ることができる。
【００６０】
【表４】
【００６１】
下部ガイド層１０及び上部ガイド層１２はそれぞれ、下部クラッド層９及び上部クラッド層１３と、活性層１１との愛大における欠陥の伝搬を低減するために設けられている。すなわち、下部ガイド層１０、上部ガイド層１２及び活性層１１のＶ族構成元素は砒素（Ａｓ）であるのに対し、本発明では下部クラッド層９及び上部クラッド層１３のＶ族構成元素はリン（Ｐ）とするため、界面において欠陥が生じやすい。このような欠陥の活性層１１への伝播は、発光ダイオードの性能低下の原因となる。このため、下部ガイド層１０及び上部ガイド層１２の層厚は１０ｎｍ以上が好ましく、２０ｎｍ〜１００ｎｍがより好ましい。
【００６２】
下部ガイド層１０及び上部ガイド層１２の伝導型は特に限定されるものではなく、アンドープ、ｐ型及びｎ型のいずれも選択することができる。発光効率を高めるには、結晶性が良好なアンドープ又は３×１０１７ｃｍ−３未満のキャリア濃度とすることが望ましい。
【００６３】
下部クラッド層９及び上部クラッド層１３は、図４に示すように、下部ガイド層１０の下面及び上部ガイド層１２上面にそれぞれ設けられている。
【００６４】
下部クラッド層９及び上部クラッド層１３は、（ＡｌＸ３Ｇａ１−Ｘ３）Ｙ１Ｉｎ１−Ｙ１Ｐ（０≦Ｘ３≦１，０＜Ｙ１≦１）の化合物半導体からなり、バリア層１８よりもバンドギャップの大きい材質が好ましく、下部ガイド層１０及び上部ガイド層１２よりもバンドギャップが大きい材質がより好ましい。上記材質としては、（ＡｌＸ３Ｇａ１−Ｘ３）Ｙ１Ｉｎ１−Ｙ１Ｐ（０≦Ｘ３≦１，０＜Ｙ１≦１）のＡｌ組成Ｘ３が、０．２〜０．４である組成を有することが好ましい。また、Ｙ１は０．４〜０．６とすることが好ましい。Ｘ３は、クラッド層として機能し、且つ、発光波長に対して透明な範囲で選ばれ、Ｙ１は、クラッド層が厚膜なので基板との格子整合の観点から良質な結晶成長ができる範囲として選ばれる。
【００６５】
下部クラッド層９と上部クラッド層１３とは、極性が異なるように構成されている。また、下部クラッド層９及び上部クラッド層１３のキャリア濃度及び厚さは、公知の好適な範囲を用いることができ、活性層１１の発光効率が高まるように条件を最適化することが好ましい。また、下部クラッド層９及び上部クラッド層１３の組成を制御することによって、化合物半導体層２の反りを低減させることができる。
【００６６】
具体的に、下部クラッド層９としては、例えば、Ｍｇをドープしたｐ型の（ＡｌＸ３aＧａ１−Ｘ３ａ）Ｙ１ａＩｎ１−Ｙ１ａＰ（０．３≦Ｘ３ａ≦０．７，０．４≦Ｙ１ａ≦０．６）からなる半導体材料を用いることが望ましい。また、キャリア濃度は２×１０１７〜２×１０１８ｃｍ−３の範囲が好ましく、層厚は０．１〜１μｍの範囲が好ましい。
【００６７】
一方、上部クラッド層１３としては、例えば、Ｓｉをドープしたｎ型の（ＡｌＸ３ｂＧａ１−Ｘ３ｂ）Ｙ１ｂＩｎ１−Ｙ１ｂＰ（０．３≦Ｘ３ｂ≦０．７，０．４≦Ｙ１ｂ≦０．６）からなる半導体材料を用いることが望ましい。また、キャリア濃度は１×１０１７〜１×１０１８ｃｍ−３の範囲が好ましく、層厚は０．１〜１μｍの範囲が好ましい。
なお、下部クラッド層９及び上部クラッド層１３の極性は、化合物半導体層２の素子構造を考慮して選択することができる。
【００６８】
また、発光部７の構成層の上方には、オーミック（Ｏｈｍｉｃ）電極の接触抵抗を下げるためのコンタクト層、素子駆動電流を発光部の全般に平面的に拡散させるための電流拡散層、逆に素子駆動電流の通流する領域を制限するための電流阻止層や電流狭窄層など公知の層構造を設けることができる。
【００６９】
電流拡散層８は、図４に示すように、発光部７の下方に設けられている。この電流拡散層８は、ＧａＡｓ基板上に化合物半導体層２をエピタキシャル成長させる際に、活性層１２によって生じた歪を緩和させる。
また、電流拡散層８は、発光部７（活性層１１）からの発光波長に対して透明である材料、例えば、ＧａＰを適用することができる。電流拡散層８にＧａＰを適用する場合、機能性基板３をＧａＰ基板とすることにより、接合を容易にし、高い接合強度を得ることができる。
【００７０】
また、電流拡散層８の厚さは０．５〜２０μｍの範囲であることが好ましい。０．５μｍ以下であると電流拡散が不十分であり、２０μｍ以上であるとその厚さまで結晶成長させるためのコストが増大するであるからである。
【００７１】
機能性基板３は、化合物半導体層２の主たる光取り出し面と反対側の面に接合されている。すなわち、機能性基板３は、図４に示すように、化合物半導体層２を構成する電流拡散層８側に接合される。この機能性基板３は、発光部７を機械的に支持するのに充分な強度を有し、且つ、発光部７から出射される発光を透過でき、活性層１１からの発光波長に対して光学的に透明な材料から構成する。また、耐湿性に優れた化学的に安定な材質が、望ましく、例えば、腐食しやすいＡｌ等を含有しない材質を採用することが望ましい。
【００７２】
機能性基板３は発光部と熱膨張係数が近く、耐湿性に優れた基板であり、更に熱伝導の良いＧａＰ、ＳｉＣ、また、機械強度が強いサファイアからなるのが好ましい。また、機能性基板３は、発光部７を機械的に充分な強度で支持するために、例えば、約５０μｍ以上の厚みとすることが好ましい。また、化合物半導体層２へ接合した後に機能性基板３への機械的な加工を施し易くするため、約３００μｍの厚さを超えないものとすることが好ましい。すなわち、機能性基板３は、約５０μｍ以上約３００μｍ以下の厚さを有する透明度、コスト面からｎ型ＧａＰ基板から構成するのが最も好ましい。
【００７３】
また、図４に示すように、機能性基板３の側面は、化合物半導体層２に近い側において主たる光取り出し面に対して略垂直である垂直面３ａとされており、化合物半導体層２に遠い側において主たる光取り出し面に対して内側に傾斜した傾斜面３ｂとされている。これにより、活性層１１から機能性基板３側に放出された光を効率よく外部に取り出すことができる。また、活性層１１から機能性基板３側に放出された光のうち、一部は垂直面３ａで反射され傾斜面３ｂで取り出すことができる。一方、傾斜面３ｂで反射された光は垂直面３ａで取り出すことができる。このように、垂直面３ａと傾斜面３ｂとの相乗効果により、光の取り出し効率を高めることができる。
【００７４】
また、本実施形態では、図４に示すように、傾斜面３ｂと発光面に平行な面とのなす角度αを、５５度〜８０度の範囲内とすることが好ましい。このような範囲とすることで、機能性基板３の底部で反射された光を効率よく外部に取り出すことができる。
また、垂直面３ａの幅（厚さ方向）を、３０μｍ〜１００μｍの範囲内とすることが好ましい。垂直面３ａの幅を上記範囲内にすることで、機能性基板３の底部で反射された光を垂直面３ａにおいて効率よく発光面に戻すことができ、さらには、主たる光取り出し面から放出させることが可能となる。これにより、発光ダイオード１の発光効率を高めることができる。
【００７５】
また、機能性基板３の傾斜面３ｂは粗面化されているのが好ましい。傾斜面３ｂが粗面化されていることにより、この傾斜面３ｂでの光取り出し効率を上げる効果が得られる。すなわち、傾斜面３ｂを粗面化することにより、傾斜面３ｂでの全反射を抑制して、光取り出し効率を上げることができる。
【００７６】
化合物半導体層２と機能性基板３との接合界面は、高抵抗層となっている場合がある。すなわち、化合物半導体層２と機能性基板３との間には、図示略の高抵抗層が形成されている場合がある。この高抵抗層は、機能性基板３よりも高い抵抗値を示し、高抵抗層が形成されている場合には化合物半導体層２の電流拡散層８側から機能性基板３側への逆方向の電流を低減する機能を有している。また、機能性基板３側から電流拡散層８側へと不用意に印加される逆方向の電圧に対して耐電圧性を発揮する接合構造を構成しているが、その降伏電圧は、ｐｎ接合型の発光部７の逆方向電圧より低値となる様に構成するのが好ましい。
【００７７】
ｎ型オーミック電極（第１の電極）４およびｐ型オーミック電極（第２の電極）５は、発光ダイオード１の主たる光取り出し面に設けられた低抵抗のオーミック接触電極である。
ここで、ｎ型オーミック電極４は、上部クラッド層１１の上方に設けられており、例えば、ＡｕＧｅ、Ｎｉ合金／Ａｕからなる合金を用いることができる。一方、ｐ型オーミック電極５は、図４に示すように、露出させた電流拡散層８の表面にＡｕＢｅ／Ａｕ、またはＡｕＺｎ／Ａｕからなる合金を用いることができる。
【００７８】
ここで、本実施形態の発光ダイオード１では、第２の電極としてｐ型オーミック電極５を、電流拡散層８上に形成するのが好ましい。このような構成とすることにより、作動電圧を下げる効果が得られる。また、ｐ型オーミック電極５をｐ型ＧａＰからなる電流拡散層８上に形成することにより、良好なオーミックコンタクトが得られるため、作動電圧を下げることができる。
【００７９】
なお、本実施形態では、第１の電極の極性をｎ型とし、第２の電極の極性をｐ型とするのが好ましい。このような構成とすることにより、発光ダイオード１の高輝度化を達成することができる。一方、第１の電極をｐ型とすると、電流拡散が悪くなり、輝度の低下を招く。これに対して、第１の電極をｎ型とすることにより、電流拡散が良くなり、発光ダイオード１の高輝度化を達成することができる。
【００８０】
本実施形態の発光ダイオード１では、図３に示すように、ｎ型オーミック電極４とｐ型オーミック電極５とが対角の位置となるように配置することが好ましい。また、ｐ型オーミック電極５の周囲を、化合物半導体層２で囲んだ構成とすることが最も好ましい。このような構成とすることにより、作動電圧を下げる効果が得られる。また、ｐ型オーミック電極５の四方をｎ型オーミック電極４で囲むことにより、電流が四方に流れやすくなり、その結果作動電圧が低下する。
【００８１】
また、本実施形態の発光ダイオード１では、図３に示すように、ｎ型オーミック電極４を、ハニカム、格子形状など網目とすることが好ましい。このような構成とすることにより、信頼性を向上させる効果が得られる。また、格子状とすることにより、活性層１１に均一に電流を注入することができ、その結果、信頼性を向上させる効果が得られる。
なお、本実施形態の発光ダイオード１では、ｎ型オーミック電極４を、パッド形状の電極（パッド電極）と幅１０μｍ以下の線状の電極（線状電極）とで構成することが好ましい。このような構成とすることにより、高輝度化をはかることができる。さらに、線状電極の幅を狭くすることにより、光取り出し面の開口面積を上げることができ、高輝度化を達成することができる。
【００８２】
なお、本実施形態においては、図示を省略するが、さらに、機能性基板３の裏側に第３の電極が形成された構成を採用することができる。このような第３の電極を備えた構成とすることにより、透明基板（機能性基板）において、光が基板側へ反射する構造にすることで、さらなる高出力化ができる。反射金属材料としては、Ａｕ、Ａｇ、Ａｌなどの材料が使用できる。
また、電極表面側を、例えば、ＡｕＳｎ等の共晶金属、半田材料にすることで、ダイボンド工程においてペーストを使用する必要がなくなり、工程が簡易化できる。さらに、機能性基板３とｎ電極端子４３との間を、金属からなる第３の電極で接続することにより、熱伝導が向上して発光ダイオードの放熱特性が良好となる。
【００８３】
＜発光ダイオードの製造方法＞
次に、本実施形態の発光ダイオード１の製造方法について説明する。図８は、本実施形態の発光ダイオード１に用いるエピウェーハの断面図である。また、図９は、本実施形態の発光ダイオード１に用いる接合ウェーハの断面図である。
【００８４】
（化合物半導体層の形成工程）
まず、図８に示すように、化合物半導体層２を作製する。化合物半導体層２は、ＧａＡｓ基板１４上に、ＧａＡｓからなる緩衝層１５、選択エッチングに利用するために設けられたエッチングストップ層（図示略）、Ｓｉをドープしたｎ型のＡｌＧａＡｓからなるコンタクト層１６、ｎ型の上部クラッド層１３、上部ガイド層１２、活性層１１、下部ガイド層１０、ｐ型の下部クラッド層９、Ｍｇドープしたｐ型ＧａＰからなる電流拡散層８を順次積層して作製する。
【００８５】
ＧａＡｓ基板１４は、公知の製法で作製された市販品の単結晶基板を使用することができる。ＧａＡｓ基板１４のエピタキシャル成長させる表面は、平滑であることが望ましい。ＧａＡｓ基板１４の表面の面方位は、エピタキシャル成長しやすく、量産されている（１００）面および（１００）から、±２０°以内にオフした基板が、品質の安定性の面から望ましい。さらに、ＧａＡｓ基板１４の面方位の範囲が、（１００）方向から（０−１−１）方向に１５°オフ±５°であることがより好ましい。なお、本明細書では、ミラー指数の表記において、“−”はその直後の指数につくバーを意味する。
【００８６】
ＧａＡｓ基板１４の転位密度は、化合物半導体層２の結晶性を良くするために低い方が望ましい。具体的には、例えば、１０，０００個ｃｍ−２以下、望ましくは、１，０００個ｃｍ−２以下であることが好適である。
【００８７】
ＧａＡｓ基板１４は、ｎ型であってもｐ型であっても良い。ＧａＡｓ基板１４のキャリア濃度は、所望の電気伝導度と素子構造から、適宜選択することができる。例えば、ＧａＡｓ基板１４がシリコンドープのｎ型である場合には、キャリア濃度が１×１０１７〜５×１０１８ｃｍ−３の範囲であることが好ましい。これに対して、ＧａＡｓ基板１４が亜鉛をドープしたｐ型の場合には、キャリア濃度２×１０１８〜５×１０１９ｃｍ−３の範囲であることが好ましい。
【００８８】
ＧａＡｓ基板１４の厚さは、基板のサイズに応じて適切な範囲がある。ＧａＡｓ基板１４の厚さが適切な範囲よりも薄いと、化合物半導体層２の製造プロセス中に割れてしまうおそれがある。一方、ＧａＡｓ基板１４の厚さが適切な範囲よりも厚いと材料コストが増加することになる。このため、ＧａＡｓ基板１４の基板サイズが大きい場合、例えば、直径７５ｍｍの場合には、ハンドリング時の割れを防止するために２５０〜５００μｍの厚さが望ましい。同様に、直径５０ｍｍの場合は、２００〜４００μｍの厚さが望ましく、直径１００ｍｍの場合は、３５０〜６００μｍの厚さが望ましい。
【００８９】
このように、ＧａＡｓ基板１４の基板サイズに応じて基板の厚さを厚くすることにより、活性層７に起因する化合物半導体層２の反りを低減することができる。これにより、エピタキシャル成長中の温度分布が均一となることため、活性層１１の面内の波長分布を小さくすることができる。なお、ＧａＡｓ基板１４の形状は、特に円形に限定されず、矩形等であっても問題ない。
【００９０】
緩衝層（ｂｕｆｆｅｒ）１５は、ＧａＡｓ基板１４と発光部７の構成層との欠陥の伝搬を低減するために設けられている。このため、基板の品質やエピタキシャル成長条件を選択すれば、緩衝層１５は、必ずしも必要ではない。また、緩衝層１５の材質は、エピタキシャル成長させる基板と同じ材質とすることが好ましい。したがって、本実施形態では、緩衝層１５には、ＧａＡｓ基板１４と同じくＧａＡｓを用いることが好ましい。また、緩衝層１５には、欠陥の伝搬を低減するためにＧａＡｓ基板１４と異なる材質からなる多層膜を用いることもできる。緩衝層１５の厚さは、０．１μｍ以上とすることが好ましく、０．２μｍ以上とすることがより好ましい。
【００９１】
コンタクト層１６は、電極との接触抵抗を低下させるために設けられている。コンタクト層１６の材質は、活性層１１よりバンドギャップの大きい材質であることが好ましく、ＡｌＸ７Ｇａ１−Ｘ７Ａｓ、（ＡｌＸ７Ｇａ１−Ｘ７）Ｙ４Ｉｎ１−Ｙ４Ｐ（０≦Ｘ７≦１，０＜Ｙ４≦１）を好適に用いることができる。また、コンタクト層１６のキャリア濃度の下限値は、電極との接触抵抗を低下させるために５×１０１７ｃｍ−３以上であることが好ましく、１×１０１８ｃｍ−３以上がより好ましい。キャリア濃度の上限値は、結晶性の低下が起こりやすくなる２×１０１９ｃｍ−３以下が望ましい。コンタクト層１６の厚さは、０．５μｍ以上が好ましく、１μｍ以上が最適である。コンタクト層１６の厚さの上限値は特に限定されてはいないが、エピタキシャル成長に係るコストを適正範囲にするため、５μｍ以下とすることが望ましい。
【００９２】
本実施形態では、分子線エピタキシャル法（ＭＢＥ）や減圧有機金属化学気相堆積法（ＭＯＣＶＤ法）等の公知の成長方法を適用することができる。なかでも、量産性に優れるＭＯＣＶＤ法を適用することが、最も望ましい。具体的には、化合物半導体層２のエピタキシャル成長に使用するＧａＡｓ基板１４は、成長前に洗浄工程や熱処理等の前処理を実施して、表面の汚染や自然酸化膜を除去することが望ましい。上記化合物半導体層２を構成する各層は、直径５０〜１５０ｍｍのＧａＡｓ基板１４をＭＯＣＶＤ装置内にセットし、同時にエピタキシャル成長させて積層することができる。また、ＭＯＣＶＤ装置としては、自公転型、高速回転型等の市販の大型装置を適用することができる。
【００９３】
上記化合物半導体層２の各層をエピタキシャル成長する際、ＩＩＩ族構成元素の原料としては、例えば、トリメチルアルミニウム（（ＣＨ３）３Ａｌ）、トリメチルガリウム（（ＣＨ３）３Ｇａ）及びトリメチルインジウム（（ＣＨ３）３Ｉｎ）を用いることができる。また、Ｍｇのドーピング原料としては、例えば、ビスシクロペンタジエニルマグネシウム（ｂｉｓ−（Ｃ５Ｈ５）２Ｍｇ）等を用いることができる。また、Ｓｉのドーピング原料としては、例えば、ジシラン（Ｓｉ２Ｈ６）等を用いることができる。
また、Ｖ族構成元素の原料としては、ホスフィン（ＰＨ３）、アルシン（ＡｓＨ３）等を用いることができる。
また、各層の成長温度としては、電流拡散層８としてｐ型ＧａＰを用いる場合は、７２０〜７７０℃を適用することができ、その他の各層では６００〜７００℃を適用することができる。
さらに、各層のキャリア濃度及び層厚、温度条件は、適宜選択することができる。
【００９４】
このようにして製造した化合物半導体層２は、発光部７を有するにもかかわらず結晶欠陥が少ない良好な表面状態が得られる。また、化合物半導体層２は、素子構造に対応して研磨などの表面加工を施しても良い。
【００９５】
（機能性基板の接合工程）
次に、化合物半導体層２と機能性基板３とを接合する。
化合物半導体層２と機能性基板３との接合は、先ず、化合物半導体層２を構成する電流拡散層８の表面を研磨して、鏡面加工する。次に、この電流拡散層８の鏡面研磨した表面に貼付する機能性基板３を用意する。なお、この機能性基板３の表面は、電流拡散層８に接合させる以前に鏡面に研磨する。次に、一般の半導体材料貼付装置に、化合物半導体層２と機能性基板３とを搬入し、真空中で鏡面研磨した双方の表面に電子を衝突させて中性（ニュートラル）化したＡｒビームを照射する。その後、真空を維持した貼付装置内で双方の表面を重ね合わせて荷重をかけることで、室温で接合することができる（図７参照）。接合に関しては、接合条件の安定性から、接合面が同じ材質がより望ましい。
接合（貼り付け）はこのような真空下での常温接合が最適であるが、共晶金属、接着剤を用いて接合することもできる。
【００９６】
（第１及び第２の電極の形成工程）
次に、第１の電極であるｎ型オーミック電極４及び第２の電極であるｐ型オーミック電極５を形成する。
ｎ型オーミック電極４及びｐ型オーミック電極５の形成の際は、先ず、機能性基板３と接合した化合物半導体層２から、ＧａＡｓ基板１４及び緩衝層１５をアンモニア系エッチャントによって選択的に除去する。次に、露出したコンタクト層１６の表面にｎ型オーミック電極４を形成する。具体的には、例えば、ＡｕＧｅ、Ｎｉ合金／Ｐｔ／Ａｕを任意の厚さとなるように真空蒸着法により積層した後、一般的なフォトリソグラフィー手段を利用してパターニングを行ってｎ型オーミック電極４の形状を形成する。
【００９７】
次に、コンタクト層１６、上部クラッド層１３、上部ガイド層１２、活性層１１、下部ガイド層１０、ｐ型の下部クラッド層９の所定範囲について選択的に除去して電流拡散層８を露出させ、この露出した電流拡散層８の表面にｐ型オーミック電極５を形成する。具体的には、例えば、ＡｕＢｅ／Ａｕを任意の厚さとなるように真空蒸着法により積層した後、一般的なフォトリソグラフィー手段を利用してパターニングを行ってｐ型オーミック電極５の形状を形成する。その後、例えば４００〜５００℃、５〜２０分間の条件で熱処理を行って合金化することにより、低抵抗のｎ型オーミック電極４及びｐ型オーミック電極５を形成することができる。
【００９８】
（第３の電極の形成工程）
上述したような、図示略の第３の電極を設けた構成を採用する場合には、機能性基板３の裏面に第３の電極を形成する。第３の電極には、素子の構造により、オーミック電極、ショットキー電極、反射機能、共晶ダイボンド構造などの機能を組み合わせ付加することができる。また、透明基板（機能性基板）上においては、Ａｕ、Ａｇ、Ａｌ等の材料を形成し、光を反射可能な構造にする。この際、機能性基板と前記材料の間に、例えば、酸化ケイ素やＩＴＯ等の透明膜を挿入することができる。また、この際の形成方法としては、スパッタ法、蒸着法等の公知の技術を利用できる。
【００９９】
また、電極表面側を、例えば、ＡｕＳｎ等の共晶金属、鉛フリー半田材料等にすることで、ダイボンド工程においてペーストを使用する必要がなくなり、工程が簡易化できる。また、この際の形成方法としては、スパッタ法、蒸着法、めっき、印刷等の公知の技術を利用できる。このように、機能性基板３とｎ電極端子４３との間を金属からなる第３の電極で接続することで、熱伝導性が向上して発光ダイオードの放熱特性が良好となる。また、上述した機能の２つ以上を組み合わせる場合には、金属が拡散しないように、各層の愛大にバリア金属、酸化物を挿入することも好適な方法である。このようなバリア金属、酸化物としても、素子構造や基板材料に応じて、最適なものを選択すれば良い。
【０１００】
（機能性基板の加工工程）
次に、機能性基板３の形状を加工する。
機能性基板３の加工は、先ず、図示略の第３の電極を形成していない表面にＶ字状の溝入れを行う。この際、Ｖ字状の溝の第３の電極側の内側面が発光面に平行な面とのなす角度αを有する傾斜面３ｂとなる。次に、化合物半導体層２側から所定の間隔でダイシングを行ってチップ化する。なお、チップ化の際のダイシングによって機能性基板３の垂直面３ａが形成される。
【０１０１】
傾斜面３ｂの形成方法は、特に限定されるものではなく、ウェットエッチング、ドライエッチング、スクライブ法、レーザー加工などの従来からの方法を組み合わせて用いることができるが、形状の制御性及び生産性の高いダイシング法を適用することが最も好ましい。ダイシング法を適用することにより、製造歩留まりを向上することができる。
【０１０２】
また、垂直面３ａの形成方法は、特に限定されるものではないが、レーザー加工、スクライブ・ブレーク法又はダイシング法で形成するのが好ましい。レーザー加工、スクライブ・ブレーク法を採用することにより、製造コストを低下させることができる。即ち、チップ分離の際に切りしろを設ける必要がなく、数多くの発光ダイオードが製造できるため、製造コストを下げることができる。一方、ダイシング法では、切断の安定性に優れている。
【０１０３】
最後に、破砕層及び汚れを必要に応じて硫酸・過酸化水素混合液等でエッチング除去する。このようにして発光ダイオード１を製造する。
【０１０４】
＜発光ダイオードランプの製造方法＞
次に、上記発光ダイオード１を用いた発光ダイオードランプ４１の製造方法、すなわち、発光ダイオード１の実装方法について説明する。
図１及び図２に示すように、マウント基板４２の表面に所定の数量の発光ダイオード１を実装する。発光ダイオード１の実装は、先ず、マウント基板４２と発光ダイオード１との位置合わせを行い、マウント基板４２の表面の所定の位置に発光ダイオード１を配置する。次に、Ａｇペーストでダイボンドし、発光ダイオード１がマウント基板４２の表面に固定される。次に、発光ダイオード１のｎ型オーミック電極４とマウント基板４２のｎ電極端子４３とを金線４５を用いて接続する（ワイヤボンディング）。次に、発光ダイオード１のｐ型オーミック電極５とマウント基板４２のｐ電極端子４４とを金線４６を用いて接続する。最後に、マウント基板４２の発光ダイオード１が実装された表面を、シリコン樹脂やエポキシ樹脂等の一般的な封止樹脂４７によって封止する。このようにして、発光ダイオード１を用いた発光ダイオードランプ４１を製造する。
【０１０５】
また、発光ダイオードランプ４１の発光スペクトルは、活性層１１の組成が調整されているため、ピーク発光波長が８３０〜１０００ｎｍの範囲となる。また、電流拡散層８によって井戸層１７及びバリア層１８の活性層１１内のばらつきが抑制されているため、発光スペクトルの半値幅が、１０〜４０ｎｍの範囲となる。
【０１０６】
以上説明したように、本実施形態の発光ダイオード１によれば、組成式（ＩｎＸ１Ｇａ１−Ｘ１）Ａｓ（０≦Ｘ１≦１）の３元混晶からなる井戸層１７、及び、組成式（ＡｌＸ２Ｇａ１−Ｘ２）Ａｓ（０≦Ｘ２≦１）の３元混晶からなるバリア層１８を交互に積層した量子井戸構造の活性層１１を有する発光部７を備えている。このように、注入キャリアの閉じ込め効果が大きい量子井戸構造を用いる構成とすることで、井戸層１７内に十分な注入キャリアが閉じ込められることにより、井戸層１７内のキャリア密度が高くなり、その結果、発光再結合確率が増大して、応答速度が向上する。
また、量子井戸構造の井戸層１７及びバリア層１８のペア数を５以下としたので、量子井戸構造内に注入されたキャリアが、その波動性によるトンネル効果で井戸層間全体に広がって注入キャリアの閉じ込め効果が低下するのを極力回避し、高速応答性が担保できる。
【０１０７】
また、活性層１１を挟む上部クラッド層１３及び下部クラッド層９を、発光波長に対して透明であるとともに、欠陥を作りやすいＡｓを含まないために結晶性が高いＡｌＧａＩｎＰから構成したので、欠陥を介した電子と正孔の非発光再結合確率が低下し、発光出力が向上する。さらに、上部クラッド層１３及び下部クラッド層９として、４元混晶のＡｌＧａＩｎＰを採用することで、バリア層及びクラッド層の両方が３元混晶からなる発光ダイオードに比べてＡｌ濃度が低く、耐湿性が向上する。
【０１０８】
また、本実施形態の発光ダイオード１では、発光部７上に電流拡散層８が設けられている。この電流拡散層８は、発光波長に対して透明であるため、発光部７からの発光を吸収することなく高出力・高効率の発光ダイオード１とすることができる。機能性基板は、材質的に安定で、腐食の心配がなく耐湿性に優れている。
【０１０９】
従って、本実施形態の発光ダイオード１によれば、活性層の条件を調整することで、８３０〜１０００ｎｍの発光波長を有し、単色性に優れると共に、高出力・高効率であって、耐湿性の高い発光ダイオード１を提供することができる。また、本実施形態の発光ダイオード１によれば、従来の液相エピタキシャル法で作製された、ＧａＡｓ基板が除去されてなる透明基板型ＡｌＧａＡｓ系の発光ダイオードと比較して、少なくとも約１．５倍以上の発光出力を有する高出力の発光ダイオード１を提供することができる。
【０１１０】
また、本実施形態の発光ダイオードランプ４１によれば、単色性に優れると共に、高出力・高効率であって耐湿性の上記発光ダイオード１を備えている。このため、赤外線照明、センサーに適した発光ダイオードランプ４１を提供することができる。
【０１１１】
＜発光ダイオード（第２の実施形態）＞
本発明を適用した第２の実施形態に係る発光ダイオードは、第１の実施形態に係る発光ダイオードにおけるＡｌＧａＡｓバリア層１８を、組成式（ＡｌＸ４Ｇａ１−Ｘ４）Ｙ２Ｉｎ１−Ｙ２Ｐ（０≦Ｘ４≦１，０＜Ｙ２≦１）の化合物半導体からなるバリア層に置き換えた点が異なる。
【０１１２】
上述したように、本実施形態で用いられるバリア層１８は、組成式（ＡｌＸ４Ｇａ１−Ｘ４）Ｙ２Ｉｎ１−Ｙ２Ｐ（０≦Ｘ４≦１，０＜Ｙ２≦１）の４元混晶の化合物半導体からなる。
Ａｌ組成Ｘ４は、井戸層１７よりもバンドギャップが大きくなる組成とすることが好ましく、具体的には０〜０．２の範囲とすることが好ましい。
また、Y２は、基板との格子不整によるひずみの発生を防止するため、０．４〜０．６の範囲とすることが好ましく、０．４５〜０．５５の範囲とすることがより好ましい。
バリア層１８の層厚は、井戸層１７の層厚と等しいか、又は、井戸層１７の層厚より厚いことが好ましい。このように、バリア層１８の層厚を、トンネル効果が生じる層厚の範囲で十分に厚くすることにより、トンネル効果による井戸層の結合と、広がりの制限を両立することにより、キャリアの閉じ込め効果が増大し、電子と正孔の発光再結合確率が大きくなり、発光出力の向上を図ることができる。
【０１１３】
＜発光ダイオード（第３の実施形態）＞
図１３（ａ）、（ｂ）は、本発明を適用した第３の実施形態に係る発光ダイオードを説明するための図であり、図１３（ａ）は平面図、図１３（ｂ）は図１３（ａ）中に示すＣ−Ｃ’線に沿った断面図である（ガイド層１０及び１２は図示省略）。
第３の実施形態に係る発光ダイオード２０は、組成式（ＩｎＸ１Ｇａ１−Ｘ１）Ａｓ（０≦Ｘ１≦１）の化合物半導体からなる井戸層１７、及び、組成式（ＡｌＸ２Ｇａ１−Ｘ２）Ａｓ（０≦Ｘ２≦１）の化合物半導体からなるバリア層１８を交互に積層した量子井戸構造の活性層１１と、該活性層１１を挟む下部クラッド層（第１のクラッド層）９及び上部クラッド層（第２のクラッド層）１３とを有する発光部７と、発光部７上に形成された電流拡散層８と、発光部７に対向して配置され、発光波長に対して９０％以上の反射率を有する反射層２３を含み、電流拡散層８に接合された機能性基板３１とを備え、下部クラッド層９及び上部クラッド層１３が組成式（ＡｌＸ３Ｇａ１−Ｘ３）Ｙ１Ｉｎ１−Ｙ１Ｐ（０≦Ｘ３≦１，０＜Ｙ１≦１）の化合物半導体からなり、井戸層１７及びバリア層１８のペア数が５以下であることを特徴とする。
【０１１４】
第３の実施形態に係る発光ダイオード２０では、発光波長に対して９０％以上の反射率を有し、発光部に対向して配置する反射層２３を備えた機能性基板３１を有するので、主たる光取り出し面から効率的に光を取り出すことができる。
図１３（ａ）、（ｂ）に示した例では、機能性基板３１は、電流拡散層８の下側の面８ｂに、第２の電極２１を備え、さらにその第２の電極８を覆うように透明導電膜２２と反射層２３とが積層されてなる反射構造体と、シリコン又はゲルマニウムからなる層(基板)３０を備えている。
【０１１５】
第３の実施形態に係る発光ダイオードにおいては、機能性基板３１はシリコン又はゲルマニウムからなる層を含むのが好ましい。これは、シリコン又はゲルマニウムは腐食しにくい材質である為、耐湿性が向上するからである。
【０１１６】
反射層２３は例えば、銀（Ａｇ）、アルミニウム（Ａｌ）、金（Ａｕ）又はこれらの合金などにより構成される。これらの材料は光反射率が高く、反射層２３からの光反射率を９０％以上とすることができる。
【０１１７】
機能性基板３１は、上記の反射層２３に、ＡｕＩｎ、ＡｕＧｅ、ＡｕＳｎ等の共晶金属で、シリコン、ゲルマニウム等の安価な基板（層）に接合する組み合わせを用いることができる。特にＡｕＩｎは、接合温度が低く、熱膨張係数が発光部と差があるが、最も安価なシリコン基板（シリコン層）を接合するには最適な組み合わせである。
機能性基板３１はさらに、電流拡散層、反射層金属および共晶金属が相互拡散しないよう、例えば、チタン（Ｔｉ）、タングステン（Ｗ）、白金（Ｐｔ）などの高融点金属からなる層を挿入された構成とすることも品質の安定性から望ましい。
【０１１８】
＜発光ダイオード（第４の実施形態）＞
図１４は、本発明を適用した第４の実施形態に係る発光ダイオードを説明するための図である。
本発明を適用した第４の実施形態に係る発光ダイオードは、組成式（ＩｎＸ１Ｇａ１−Ｘ１）Ａｓ（０≦Ｘ１≦１）の化合物半導体からなる井戸層、及び、組成式（ＡｌＸ２Ｇａ１−Ｘ２）Ａｓ（０≦Ｘ２≦１）の化合物半導体からなるバリア層を交互に積層した量子井戸構造の活性層１１（図５に示す井戸層１７、バリア層１８、活性層１１を参照）と、該活性層１１を挟む下部クラッド層（第１のクラッド層）９及び上部クラッド層（第２のクラッド層）１３とを有する発光部と、この発光部上に形成された電流拡散層８と、発光部に対向して配置され、発光波長に対して９０％以上の反射率を有する反射層５３と金属基板５０とを含み、電流拡散層８に接合された機能性基板５１とを備え、下部クラッド層９及び上部クラッド層１３が組成式（ＡｌＸ５Ｇａ１−Ｘ５）Ｙ３Ｉｎ１−Ｙ３Ｐ（０≦Ｘ５≦１，０＜Ｙ３≦１）の化合物半導体からなり、井戸層及びバリア層のペア数が５以下であることを特徴とする。
【０１１９】
第４の実施形態に係る発光ダイオード６０では、機能性基板５１が金属基板５０を含む点が、第２の実施形態に係る発光ダイオードに対して特徴的な構成である。
金属基板５０は放熱性が高く、発光ダイオードを高輝度で発光するのに寄与すると共に、発光ダイオードの寿命を長寿命とすることができる。
放熱性の観点からは、金属基板５０は熱伝導率が１３０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の金属からなるのが特に好ましい。熱伝導率が１３０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の金属としては、例えば、モリブデン（１３８Ｗ／ｍ・Ｋ）やタングステン（１７４Ｗ／ｍ・Ｋ）がある。
【０１２０】
図１４に示すように、化合物半導体層２は、活性層１１と、ガイド層（図示せず）を介してその活性層１１を挟む第１のクラッド層（下部クラッド）９及び第２のクラッド層（上部クラッド）１３と、第１のクラッド層（下部クラッド）９の下側に電流拡散層８と、第２のクラッド層（上部クラッド）１３の上側に第１の電極５５と平面視してほぼ同じサイズのコンタクト層５６とを有する。
機能性基板５１は、電流拡散層８の下側の面８ｂに、第２の電極５７を備え、さらにその第２の電極５７を覆うように透明導電膜５２と反射層５３とが積層されてなる反射構造体と、金属基板５０とからなり、反射構造体を構成する反射層５３の化合物半導体層２と反対側の面５３ｂに、金属基板５０の接合面５０ａが接合されている。
【０１２１】
反射層５３は例えば、銅、銀、金、アルミニウムなどの金属又はこれらの合金などにより構成される。これらの材料は光反射率が高く、反射構造体からの光反射率を９０％以上とすることができる。反射層５３を形成することにより、活性層１１からの光を反射層５３で正面方向ｆへ反射させて、正面方向ｆでの光取り出し効率を向上させることができる。これにより、発光ダイオードをより高輝度化できる。
【０１２２】
反射層５３は、透明導電膜５２側からＡｇ、Ｎｉ／Ｔｉバリア層、Ａｕ系の共晶金属（接続用金属）からなる積層構造が好ましい。
上記接続用金属は、電気抵抗が低く、低温で溶融する金属である。上記接続用金属を用いることにより、化合物半導体層２に熱ストレスを与えることなく、金属基板５０を接続することができる。
接続用金属としては、化学的に安定で、融点の低いＡｕ系の共晶金属などが用いられる。上記Ａｕ系の共晶金属としては、例えば、ＡｕＳｎ、ＡｕＧｅ、ＡｕＳｉなどの合金の共晶組成（Ａｕ系の共晶金属）を挙げることができる。
また、接続用金属には、チタン、クロム、タングステンなどの金属を添加することが好ましい。これにより、チタン、クロム、タングステンなどの金属がバリア金属として機能して、金属基板５０に含まれる不純物などが反射層５３側に拡散して、反応することを抑制できる。
【０１２３】
透明導電膜５２は、ＩＴＯ膜、ＩＺＯ膜などにより構成されている。なお、反射構造体は、反射層５３だけで構成してもよい。
また、透明導電膜５２の代わりに、または、透明導電膜５２とともに、透明な材料の屈折率差を利用したいわゆるコールドミラー、例えば、酸化チタン膜、酸化ケイ素膜の多層膜や白色のアルミナ、ＡｌＮを用いて、反射層５３に組み合わせてもよい。
【０１２４】
金属基板５０は複数の金属層からなるものを用いることができる。
複数の金属層の構成としては、図１４に示す例のように、２種類の金属層、即ち、第１の金属層５０Ａと第２の金属層５０Ｂとが交互に積層されてなるものが好ましい。特に、第１の金属層５０Ａと第２の金属層５０Ｂの層数は、合わせて奇数とすることがより好ましい。
【０１２５】
この場合、金属基板の反りや割れの観点から、第２の金属層５０Ｂとして化合物半導体層２よりも熱膨張係数が小さい材料を用いる際は、第１の金属層５０Ａとして化合物半導体層３よりも熱膨張係数が大きい材料からなるものを用いることが好ましい。これは、金属基板全体としての熱膨張係数が化合物半導体層の熱膨張係数に近いものとなるため、化合物半導体層と金属基板とを接合する際の金属基板の反りや割れを抑制することができ、発光ダイオードの製造歩留まりを向上させることができるからである。
同様に、第２の金属層５０Ｂとして化合物半導体層２よりも熱膨張係数が大きい材料を用いる際は、第１の金属層５０Ａとして化合物半導体層２より熱膨張係数が小さい材料からなるものを用いることが好ましい。これも、上記同様、金属基板全体としての熱膨張係数が化合物半導体層の熱膨張係数に近いものとなるため、化合物半導体層と金属基板とを接合する際の金属基板の反りや割れを抑制でき、発光ダイオードの製造歩留まりを向上できるからである。
以上の観点からは、２種類の金属層は、何れが第１の金属層でも第２の金属層でも構わない。
【０１２６】
２種類の金属層としては、例えば、銀（熱膨張係数＝１８．９ｐｐｍ／Ｋ）、銅（熱膨張係数＝１６．５ｐｐｍ／Ｋ）、金（熱膨張係数＝１４．２ｐｐｍ／Ｋ）、アルミニウム（熱膨張係数＝２３．１ｐｐｍ／Ｋ）、ニッケル（熱膨張係数＝１３．４ｐｐｍ／Ｋ）およびこれらの合金のいずれかからなる金属層と、モリブデン（熱膨張係数＝５．１ｐｐｍ／Ｋ）、タングステン（熱膨張係数＝４．３ｐｐｍ／Ｋ）、クロム（熱膨張係数＝４．９ｐｐｍ／Ｋ）およびこれらの合金のいずれかからなる金属層との組み合わせを用いることができる。
金属基板５０の好適な例としては、Ｃｕ／Ｍｏ／Ｃｕの３層からなるものが挙げられる。また、上記の観点ではＭｏ／Ｃｕ／Ｍｏの３層からなる金属基板でも同様な効果が得られるが、Ｃｕ／Ｍｏ／Ｃｕの３層からなる金属基板は、機械的強度が高いＭｏを、加工しやすいＣｕで挟んだ構成なので、Ｍｏ／Ｃｕ／Ｍｏの３層からなる金属基板よりも切断等の加工が容易であるという利点がある。
【０１２７】
金属基板全体としての熱膨張係数は、例えば、Ｃｕ（３０μｍ）／Ｍｏ（２５μｍ）／Ｃｕ（３０μｍ）の３層からなる金属基板では６．１ｐｐｍ／Ｋであり、Ｍｏ（２５μｍ）／Ｃｕ（７０μｍ）／Ｍｏ（２５μｍ）の３層からなる金属基板では５．７ｐｐｍ／Ｋとなる。
【０１２８】
また、放熱の観点からは、金属基板を構成する金属層は熱伝導率が高い材料からなることが好ましい。これにより、金属基板の放熱性を高くすることで発光ダイオードを高輝度で発光させることができるとともに、発光ダイオードの寿命を長寿命とすることができるからである。
例えば、金属基板としては、銀（熱伝導率＝４２０Ｗ／ｍ・Ｋ）、銅（熱伝導率＝３９８Ｗ／ｍ・Ｋ）、金（熱伝導率＝３２０Ｗ／ｍ・Ｋ）、アルミニウム（熱伝導率＝２３６Ｗ／ｍ・Ｋ）、モリブデン（熱伝導率＝１３８Ｗ／ｍ・Ｋ）、タングステン（熱伝導率＝１７４Ｗ／ｍ・Ｋ）及びこれらの合金等を用いることが好ましい。また、金属基板は、各金属層の熱膨張係数が、化合物半導体層の熱膨張係数と略等しい材料からなることがさらに好ましい。特に、金属層の材料が、化合物半導体層の熱膨張係数の±１．５ｐｐｍ／Ｋ以内である熱膨張係数を有する材料であることが好ましい。これにより、金属基板と化合物半導体層との接合時の、発光部への熱によるストレスを小さくすることができ、金属基板を化合物半導体層と接続させた際の熱による金属基板の割れを抑制することができ、発光ダイオードの製造歩留まりを向上させることができる。金属基板全体としての熱伝導率は、例えば、Ｃｕ（３０μｍ）／Ｍｏ（２５μｍ）／Ｃｕ（３０μｍ）の３層からなる金属基板では２５０Ｗ／ｍ・Ｋとなり、また、Ｍｏ（２５μｍ）／Ｃｕ（７０μｍ）／Ｍｏ（２５μｍ）の３層からなる金属基板では２２０Ｗ／ｍ・Ｋとなる。
【０１２９】
＜発光ダイオード（第５の実施形態）＞
本発明を適用した第５の実施形態に係る発光ダイオードは、組成式（ＩｎＸ１Ｇａ１−Ｘ１）Ａｓ（０≦Ｘ１≦１）の化合物半導体からなる井戸層１７と、組成式（ＡｌＸ４Ｇａ１−Ｘ４）Ｙ２Ｉｎ１−Ｙ２Ｐ（０≦Ｘ４≦１，０＜Ｙ２≦１）の化合物半導体からなるバリア層１８を交互に積層した量子井戸構造の活性層１１と、該活性層１１を挟む下部クラッド層（第１のクラッド層）９及び上部クラッド層（第２のクラッド層）１３とを有する発光部７と、発光部７上に形成された電流拡散層８と、発光部７に対向して配置され、発光波長に対して９０％以上の反射率を有する反射層２３を含み、電流拡散層８に接合された機能性基板３１とを備え、下部クラッド層９及び上部クラッド層１３が組成式（ＡｌＸ３Ｇａ１−Ｘ３）Ｙ１Ｉｎ１−Ｙ１Ｐ（０≦Ｘ３≦１，０＜Ｙ１≦１）の化合物半導体からなり、井戸層１７及びバリア層１８のペア数が５以下であることを特徴とする。
第５の実施形態に係る発光ダイオードは、第３の実施形態に係る発光ダイオードにおけるＡｌＧａＡｓバリア層１８を、組成式（ＡｌＸ４Ｇａ１−Ｘ４）Ｙ２Ｉｎ１−Ｙ２Ｐ（０≦Ｘ４≦１，０＜Ｙ２≦１）の化合物半導体からなるバリア層に置き換えた構成とされている。
【０１３０】
本実施形態のバリア層１８は、上述したように、組成式（ＡｌＸ４Ｇａ１−Ｘ４）Ｙ２Ｉｎ１−Ｙ２Ｐ（０≦Ｘ４≦１，０＜Ｙ２≦１）の化合物半導体からなる。
上記組成式におけるＡｌ組成（Ｘ４）としては、井戸層１７よりもバンドギャップが大きくなる組成とすることが好ましく、具体的には０〜０．２の範囲が好ましい。
また、Ｙ２としては、基板との格子不整によるひずみの発生を防止する為に０．４〜０．６の範囲とすることが好ましく、０．４５〜０．５５の範囲がより好ましい。
また、バリア層１８の層厚は、井戸層１７の層厚と等しいか、又は、井戸層１７の層厚よりも厚いことが好ましい。バリア層１８の層厚を、トンネル効果が生じる層厚の範囲で十分に厚くすることにより、トンネル効果による井戸層の結合と、広がりの制限を両立することにより、キャリアの閉じ込め効果が増大し、電子と正孔の発光再結合確率が大きくなり、発光出力の向上を図ることができる。
【０１３１】
本実施形態に係る発光ダイオードも、第３の実施形態と同様に、発光波長に対して９０％以上の反射率を有し、発光部に対向して配置する反射層を備えた機能性基板を有する構成なので、主たる光取り出し面から効率的に光を取り出すことができる。
また、本実施形態においても、機能性基板として、第３の実施形態で例示したものを用いることができる。
【０１３２】
＜発光ダイオード（第６の実施形態）＞
本発明を適用した第６の実施形態に係る発光ダイオードは、組成式（ＩｎＸ１Ｇａ１−Ｘ１）Ａｓ（０≦Ｘ１≦１）の化合物半導体からなる井戸層１７と、組成式（ＡｌＸ４Ｇａ１−Ｘ４）Ｙ２Ｉｎ１−Ｙ２Ｐ（０≦Ｘ４≦１，０＜Ｙ２≦１）の化合物半導体層からなるバリア層１８を交互に積層した量子井戸構造の活性層１１と、該活性層１１を挟む下部クラッド層（第１のクラッド層）９及び上部クラッド層（第２のクラッド層）１３とを有する発光部７と、発光部７上に形成された電流拡散層８と、発光部７に対向して配置され、発光波長に対して９０％以上の反射率を有する反射層５３と金属基板５０とを含み、電流拡散層８に接合された機能性基板５１とを備え、下部クラッド層９及び上部クラッド層１３が組成式（ＡｌＸ５Ｇａ１−Ｘ５）Ｙ３Ｉｎ１−Ｙ３Ｐ（０≦Ｘ５≦１，０＜Ｙ３≦１）の化合物半導体からなり、井戸層１７及びバリア層１８のペア数が５以下であることを特徴とする。
第６の実施形態に係る発光ダイオードは、第４の実施形態に係る発光ダイオードにおけるＡｌＧａＡｓバリア層１８を、組成式（ＡｌＸ４Ｇａ１−Ｘ４）Ｙ２Ｉｎ１−Ｙ２Ｐ（０≦Ｘ４≦１，０＜Ｙ２≦１）の化合物半導体からなるバリア層に置き換えた構成とされている。
【０１３３】
本実施形態に係る発光ダイオードも第４の実施形態と同様に、発光波長に対して９０％以上の反射率を有し、発光部に対向して配置する反射層を備えた機能性基板を有する構成なので、主たる光取り出し面から効率的に光を取り出すことができる。
また、本実施形態においても、機能性基板として、第４の実施形態で例示したものを用いることができる。
【実施例】
【０１３４】
以下、本発明の効果を、実施例を用いて具体的に説明する。なお、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
【０１３５】
本実施例では、本発明に係る発光ダイオードを作製した例を具体的に説明する。また、本実施例で作製した発光ダイオードは、ＩｎＧａＡｓからなる井戸層とＡｌＧａＡｓからなるバリア層との量子井戸構造からなる活性層を有する赤外発光ダイオードである。本実施例では、ＧａＡｓ基板上に成長させた化合物半導体層と機能性基板とを結合させて発光ダイオードを作製した。そして、特性評価のために発光ダイオードチップを基板上に実装した発光ダイオードランプを作製した。
【０１３６】
（実施例１）
実施例１の発光ダイオードは、図３、４に示すような第１の実施形態の実施例であり、井戸層とバリア層との接合面積は１２３０００μｍ２（３５０μｍ×３５０μｍ）であった。
実施例１の発光ダイオードは、まず、Ｓｉをドープしたｎ型のＧａＡｓ単結晶からなるＧａＡｓ基板上に、化合物半導体層を順次積層して発光波長９２０ｎｍのエピタキシャルウェーハを作製した。ＧａＡｓ基板は、（１００）面から（０−１−１）方向に１５°傾けた面を成長面とし、キャリア濃度を２×１０１８ｃｍ−３とした。また、ＧａＡｓ基板の層厚は、約０．５μｍとした。化合物半導体層としては、ＳｉをドープしたＧａＡｓからなるｎ型の緩衝層、Ｓｉをドープした（Ａｌ０．７Ｇａ０．３）０．５Ｉｎ０．５Ｐからなるｎ型のコンタクト層、Ｓｉをドープした（Ａｌ０．７Ｇａ０．３）０．５Ｉｎ０．５Ｐからなるｎ型の上部クラッド層、Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓからなる上部ガイド層、Ｉｎ０．２ Ｇａ０．８ Ａｓ／Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ａｓの対からなる井戸層／バリア層、Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓからなる下部ガイド層、Ｍｇをドープした（Ａｌ０．７Ｇａ０．３）０．５Ｉｎ０．５Ｐからなるｐ型の下部クラッド層、（Ａｌ０．５Ｇａ０．５）０．５Ｉｎ０．５Ｐからなる薄膜の中間層、Ｍｇドープしたｐ型ＧａＰからなる電流拡散層を用いた。
【０１３７】
本実施例では、減圧有機金属化学気相堆積装置法（ＭＯＣＶＤ装置）を用い、直径７６ｍｍ、厚さ３５０μｍのＧａＡｓ基板に化合物半導体層をエピタキシャル成長させて、エピタキシャルウェーハを形成した。エピタキシャル成長層を成長させる際、ＩＩＩ族構成元素の原料としては、トリメチルアルミニウム（（ＣＨ３）３Ａｌ）、トリメチルガリウム（（ＣＨ３）３Ｇａ）及びトリメチルインジウム（（ＣＨ３）３Ｉｎ）を使用した。また、Ｍｇのドーピング原料としては、ビスシクロペンタジエニルマグネシウム（ｂｉｓ−（Ｃ５Ｈ５）２Ｍｇ）を使用した。また、Ｓｉのドーピング原料としては、ジシラン（Ｓｉ２Ｈ６）を使用した。また、Ｖ族構成元素の原料としては、ホスフィン（ＰＨ３）、アルシン（ＡｓＨ３）を使用した。また、各層の成長温度としては、ｐ型ＧａＰからなる電流拡散層は、７５０℃で成長させた。その他の各層では７００℃で成長させた。
【０１３８】
ＧａＡｓからなる緩衝層は、キャリア濃度を約２×１０１８ｃｍ−３、層厚を約０．５μｍとした。コンタクト層は、キャリア濃度を約２×１０１８ｃｍ−３、層厚を約３．５μｍとした。上部クラッド層は、キャリア濃度を約１×１０１８ｃｍ−３、層厚を約０．５μｍとした。上部ガイド層は、アンドープで層厚を約５０ｎｍとした。井戸層は、アンドープで層厚が約５ｎｍのＩｎ０．２Ｇａ０．８Ａｓとし、バリア層はアンドープで層厚が約１９ｎｍのＡｌ０．１Ｇａ０．９Ａｓとした。また、井戸層及びバリア層のペア数を１対とした。下部ガイド層は、アンドープで層厚を約５０nｍとした。下部クラッド層は、キャリア濃度を約８×１０１７ｃｍ−３、層厚を約０．５μｍとした。中間層は、キャリア濃度を約８×１０１７ｃｍ−３、層厚を約０．０５μｍとした。ＧａＰからなる電流拡散層は、キャリア濃度を約３×１０１８ｃｍ−３、層厚を約９μｍとした。
【０１３９】
次に、電流拡散層を表面から約１μｍの深さに至る領域まで研磨して、鏡面加工した。この鏡面加工によって、電流拡散層の表面の粗さ（二乗平均平方根：ｒｍｓ）を０．１８ｎｍとした。
一方、上記の電流拡散層の鏡面研磨した表面に貼付するｎ型ＧａＰからなる機能性基板を用意した。この貼付用の機能性基板には、キャリア濃度が約２×１０１７ｃｍ−３となるようにＳｉを添加し、面方位を（１１１）とした単結晶を用いた。また、機能性基板の直径は７６ｍｍで、厚さは２５０μｍであった。この機能性基板の表面は、電流拡散層に接合させる以前に鏡面に研磨し、表面の粗さを、二乗平均平方根（ｒｍｓ）にして０．１２ｎｍに仕上げておいた。
【０１４０】
次に、一般の半導体材料貼付装置に、上記の機能性基板及びエピタキシャルウェーハを搬入し、３×１０−５Ｐａとなるまで装置内を真空に排気した。
【０１４１】
次に、機能性基板、及び電流拡散層の双方の表面に、電子を衝突させて中性（ニュートラル）化したＡｒビームを３分間に亘り照射した。その後、真空に維持した貼付装置内で、機能性基板及び電流拡散層の表面を重ね合わせ、各々の表面での圧力が５０ｇ／ｃｍ２となる様に荷重を掛け、双方を室温で接合した。このようにして接合ウェーハを形成した。
【０１４２】
次に、上記接合ウェーハから、ＧａＡｓ基板およびＧａＡｓ緩衝層をアンモニア系エッチャントにより選択的に除去した。次に、コンタクト層の表面に第１の電極として、ＡｕＧｅ、Ｎｉ合金を厚さが０．５μｍ、Ｐｔを０．２μｍ、Ａｕを１μｍとなるように真空蒸着法によって成膜した。その後、一般的なフォトリソグラフィー手段を利用してパターニングを施し、第１の電極としてｎ型オーミック電極を形成した。次に、ＧａＡｓ基板を除去した面である光取り出し面の表面に粗面化処理を施した。
【０１４３】
次に、第２の電極としてｐ型オーミック電極を形成する領域のエピ層を選択的に除去し、電流拡散層を露出させた。この露出した電流拡散層の表面に、ＡｕＢｅを０．２μｍ、Ａｕを１μｍとなるように真空蒸着法でｐ形オーミック電極を形成した。その後、４５０℃で１０分間熱処理を行って合金化し、低抵抗のｐ型およびｎ型オーミック電極を形成した。さらに、機能性基板の裏面側にＡｕを厚さ０．２μｍで形成し、２３０μｍ□の正方形にパターンを形成することにより、第３の電極を形成した。
【０１４４】
次に、ダイシングソーを用いて、機能性基板の裏面から、第３の電極を形成していない領域を傾斜面の角度αが７０°となると共に垂直面の厚さが１３０μｍとなるようにＶ字状の溝入れを行った。次に、化合物半導体層側からダイシングソーを用い３５０μｍ間隔で切断し、チップ化した。そして、ダイシングによる破砕層および汚れを硫酸・過酸化水素混合液でエッチング除去して、実施例１の発光ダイオードを作製した。
【０１４５】
上記の様にして作製した実施例１の発光ダイオードチップを、マウント基板上に実装した発光ダイオードランプを１００個組み立てた。この発光ダイオードランプは、マウントは、ダイボンダーで支持（マウント）し、発光ダイオードのｎ型オーミック電極とマウント基板の表面に設けたｎ電極端子とを金線でワイヤボンディングし、ｐ型オーミック電極とｐ電極端子とを金線でワイヤボンディングした後、一般的なエポキシ樹脂で封止して作製した。
【０１４６】
この発光ダイオード（発光ダイオードランプ）の特性を評価した結果を下記表８、図１５及び図１６に示す。図１５は、バリア層が組成式（ＡｌＸ２Ｇａ１−Ｘ２）Ａｓ（０≦Ｘ２≦１）の化合物半導体からなり、活性層とクラッド層との接合面積が１２３０００μｍ２の場合と５３０００μｍ２の場合のペア数と応答速度との関係を示すグラフであり、図１６は、図１５と同じ場合のペア数と発光出力との関係を示すグラフである。
【０１４７】
【表５】
【０１４８】
実施例１では、ｎ型及びｐ型オーミック電極間に電流を流したところ、ピーク発光波長９２０ｎｍとする赤外光が出射された。また、表６に示すように、実施例１では、順方向に２０ミリアンペア（ｍＡ）の電流を通流した際の順方向電圧（Ｖｆ）は、化合物半導体層を構成する電流拡散層と機能性基板との接合界面での抵抗の低さ及び各オーミック電極の良好なオーミック特性を反映し、１．２ボルトとなった。また、順方向電流を２０ｍＡとした際の応答速度（立ち上がり時間）ｔｒ及び発光出力（Ｐ０）はそれぞれ、１５ｎｓｅｃ、６．８ｍＷであった。
【０１４９】
（実施例２）
実施例２の発光ダイオードは第１の実施形態の実施例であり、井戸層及びバリア層のペア数を３対とした以外は、実施例１と同じ条件で作製し、同様の評価を行った。
この結果、応答速度（ｔｒ）、発光出力（Ｐ０）及び順方向電圧（ＶＦ）は、それぞれ、１８ｎｓｅｃ、７．０ｍＷ、１．２Ｖであった。
【０１５０】
（実施例３）
実施例３の発光ダイオードは第１の実施形態の実施例であり、井戸層及びバリア層のペア数を５対とした以外は、実施例１と同じ条件で作製し、同様の評価を行った。
この結果、応答速度（ｔｒ）、発光出力（Ｐ０）及び順方向電圧（ＶＦ）は、それぞれ、２３ｎｓｅｃ、６．９ｍＷ、１．２２Ｖであった。
【０１５１】
以下に示す実施例４〜６の発光ダイオードも、第１の実施形態の実施例であるが、活性層とクラッド層との接合面積を５３０００μｍ２（２３０μｍ×２３０μｍ）とした点のみが実施例１等とは異なる実施例である。
【０１５２】
（実施例４）
実施例４の発光ダイオードは、活性層とクラッド層との接合面積以外の条件は、実施例１と同じ条件で作製し、同様の評価を行った。
この結果、応答速度（ｔｒ）、発光出力（Ｐ０）及び順方向電圧（ＶＦ）は、それぞれ、１２ｎｓｅｃ、７．０ｍＷ、１．２５Ｖであった。
【０１５３】
（実施例５）
実施例５の発光ダイオードは、井戸層及びバリア層のペア数を３対とした点以外は実施例４と同じ条件で作製し、同様の評価を行った。
この結果、応答速度（ｔｒ）、発光出力（Ｐ０）及び順方向電圧（ＶＦ）は、それぞれ、１５ｎｓｅｃ、７．１ｍＷ、１．２６Ｖであった。
【０１５４】
（実施例６）
実施例６の発光ダイオードは、井戸層及びバリア層のペア数を５対とした点以外は、実施例４と同じ条件で作製し、同様の評価を行った。
この結果、応答速度（ｔｒ）、発光出力（Ｐ０）及び順方向電圧（ＶＦ）は、それぞれ、１８ｎｓｅｃ、７．０ｍＷ、１．３０Ｖであった。
【０１５５】
（実施例７）
実施例７の発光ダイオードも第１の実施形態の実施例であるが、活性層とクラッド層との接合面積を２００００μｍ２（２００μｍ×１００μｍ）とした実施例である。
【０１５６】
実施例７の発光ダイオードは活性層とクラッド層との接合面積以外の条件は、実施例１と同じ条件で作製し、同様の評価を行った。
この結果、応答速度（ｔｒ）、発光出力（Ｐ０）及び順方向電圧（ＶＦ）は、それぞれ、１４ｎｓｅｃ、７．０ｍＷ、１．３６Ｖであった。
【０１５７】
（実施例８）
実施例８の発光ダイオードも第１の実施形態の実施例であるが、井戸層及びバリア層のペア数を３対とした点以外は、実施例７と同じ条件で作製し、同様の評価を行った。
この結果、応答速度（ｔｒ）、発光出力（Ｐ０）及び順方向電圧（ＶＦ）は、それぞれ、１２ｎｓｅｃ、７．０ｍＷ、１．３５Ｖであった。
【０１５８】
（実施例９）
実施例９の発光ダイオードも第１の実施形態の実施例であるが、活性層とクラッド層との接合面積を９００００μｍ２（３００μｍ×３００μｍ）とした実施例である。
【０１５９】
実施例９の発光ダイオードは、活性層とクラッド層との接合面積以外の条件は、実施例１と同じ条件で作製し、同様の評価を行った。
この結果、応答速度（ｔｒ）、発光出力（Ｐ０）及び順方向電圧（ＶＦ）は、それぞれ、２１ｎｓｅｃ、６．９ｍＷ、１．２３Ｖであった。
【０１６０】
（実施例１０）
実施例１０の発光ダイオードも第１の実施形態の実施例であるが、井戸層及びバリア層のペア数を３対とした点以外は、実施例９と同じ条件で作製し、同様の評価を行った。
この結果、応答速度（ｔｒ）、発光出力（Ｐ０）及び順方向電圧（ＶＦ）は、それぞれ、１６ｎｓｅｃ、７．０ｍＷ、１．２２Ｖであった。
【０１６１】
以下に示す実施例１１〜１３の発光ダイオードは、第２の実施形態の実施例である。
【０１６２】
（実施例１１）
実施例１１の発光ダイオードは、活性層とクラッド層との接合面積を１２３０００μｍ２（３５０μｍ×３５０μｍ）で、発光波長が９６０ｎｍの実施例である。
【０１６３】
実施例１１の発光ダイオードの層構成は以下の通りである。
実施例１１では、Ｓｉをドープしたｎ型のＧａＡｓ単結晶からなるＧａＡｓ基板上は、（１００）面から（０−１−１）方向に１５°傾けた面を成長面とし、キャリア濃度を２×１０１８ｃｍ−３とした。化合物半導体層としては、ＳｉをドープしたＧａＡｓからなるｎ型の緩衝層、Ｓｉをドープした（Ａｌ０．７Ｇａ０．３）０．５Ｉｎ０．５Ｐからなるｎ型のコンタクト層、Ｓｉをドープした（Ａｌ０．３Ｇａ０．７）０．５Ｉｎ０．５Ｐからなるｎ型の上部クラッド層、（Ａｌ０．１ Ｇａ０．９ ）０．５ Ｉｎ０．５ Ｐからなる上部ガイド層、Ｉｎ０．２５Ｇａ０．７５Ａｓ／（Ａｌ０．１Ｇａ０．９ ）０．５ Ｉｎ０．５Ｐの対からなる井戸層／バリア層、（Ａｌ０．１ Ｇａ０．９）０．５ Ｉｎ０．５Ｐからなる下部ガイド層、Ｍｇをドープした（Ａｌ０．３Ｇａ０．７）０．５Ｉｎ０．５Ｐからなるｐ型の下部クラッド層、（Ａｌ０．５Ｇａ０．５）０．５Ｉｎ０．５Ｐからなる薄膜の中間層、Ｍｇドープしたｐ型ＧａＰからなる電流拡散層を用いた。
【０１６４】
ＧａＡｓからなる緩衝層は、キャリア濃度を約２×１０１８ｃｍ−３、層厚を約０．５μｍとした。コンタクト層は、キャリア濃度を約２×１０１８ｃｍ−３、層厚を約３．５μｍとした。上部クラッド層は、キャリア濃度を約１×１０１８ｃｍ−３、層厚を約０．５μｍとした。上部ガイド層は、アンドープで層厚を約５０nｍとした。井戸層は、アンドープで層厚が約５ｎｍのＩｎ０．２５Ｇａ０．７５Ａｓとし、バリア層はアンドープで層厚が約１９ｎｍの（Ａｌ０．１Ｇａ０．９ ）０．５ Ｉｎ０．５Ｐとした。また、井戸層及びバリア層のペア数は５対とした。下部ガイド層は、アンドープで層厚を約５０nｍとした。下部クラッド層は、キャリア濃度を約８×１０１７ｃｍ−３、層厚を約０．５μｍとした。中間層は、キャリア濃度を約８×１０１７ｃｍ−３、層厚を約０．０５μｍとした。ＧａＰからなる電流拡散層は、キャリア濃度を約３×１０１８ｃｍ−３、層厚を約９μｍとした。
実施例１１の発光ダイオードは、応答速度（ｔｒ）、発光出力（Ｐ０）及び順方向電圧（ＶＦ）が、それぞれ、２４ｎｓｅｃ、６．７ｍＷ、１．２６Ｖであった。
【０１６５】
（実施例１２）
実施例１２の発光ダイオードも第２の実施形態の実施例であるが、井戸層及びバリア層のペア数を３対とした点以外は、実施例１１と同じ条件で作製し、同様の評価を行った。
この結果、応答速度（ｔｒ）、発光出力（Ｐ０）及び順方向電圧（ＶＦ）は、それぞれ、１８ｎｓｅｃ、６．８ｍＷ、１．２４Ｖであった。
【０１６６】
（実施例１３）
実施例１３の発光ダイオードは、活性層とクラッド層との接合面積を５３０００μｍ２（２３０μｍ×２３０μｍ）とし、井戸層及びバリア層のペア数を３対とした以外は、実施例１１と同じ条件で作製し、同様の評価を行った。
この結果、応答速度（ｔｒ）、発光出力（Ｐ０）及び順方向電圧（ＶＦ）は、それぞれ、１４ｎｓｅｃ、６．８ｍＷ、１．２９Ｖであった。
【０１６７】
以下に示す実施例１４〜１９は、実施例１〜１３と同様に化合物半導体層を作製し、その後、反射層を含む機能性基板を電流拡散層に接合した構成であり、機能性基板がシリコンからなる層を含む実施例である。ここで、実施例１４〜１６の発光ダイオードは第３の実施形態の実施例であり、実施例１７〜１９の発光ダイオードは第５の実施形態の実施例である。
【０１６８】
（実施例１４）
実施例１４の発光ダイオードは、活性層とクラッド層との接合面積を１２３０００μｍ２（３５０μｍ×３５０μｍ）とした実施例であり、実施例１等と同様の手順で化合物半導体層を作製した後、電流拡散層に反射層を備えた機能性基板を接合した構成である。この際、井戸層及びバリア層のペア数は５対とした。
以下、実施例１４の発光ダイオードの作製方法を、図１３（ａ）、（ｂ）を参照して説明する。
【０１６９】
まず、電流拡散層８の表面に、ＡｕＢｅ／Ａｕ合金を厚さ０．２μｍで２０μｍφのドットでなる電極（第２の電極）２１を、光取り出し面の端から５０μｍになるように等間隔で８個配置した。
次に、透明導電膜であるＩＴＯ膜２２を０．４μｍの厚さでスパッタ法により形成した。さらに、銀合金／Ｔｉ／Ａｕでなる層２３を０．２μｍ／０．１μｍ／１μｍの厚さで形成し、反射層２３とした。
【０１７０】
一方、シリコン基板（機能性基板）３１の表面に、Ｔｉ／Ａｕ／Ｉｎでなる層３２を０．１μｍ／０．５μｍ／０．３μｍの厚さで形成した。また、シリコン基板３１の裏面に、Ｔｉ／Ａｕでなる層３３を、０．１μｍ／０．５μｍの厚さで形成した。そして、前記発光ダイオードウェーハ側のＡｕとシリコン基板側のＩｎ表面とを重ね合わせ、３２０℃で加熱・５００ｇ／ｃｍ２で加圧し、機能性基板を発光ダイオードウェーハに接合した。
【０１７１】
次に、ＧａＡｓ基板を除去し、コンタクト層１６の表面に、ＡｕＧｅ／Ａｕでなる直径１００μｍで厚さ３μｍのオーミック電極（第１の電極）２５を形成し、４２０℃で５分間熱処理し、ｐ、ｎオーミック電極を合金化処理した。
【０１７２】
次に、第１の電極２５をマスクとして、コンタクト層１６の電極２５直下分以外を除去した後、表面を粗面化処理した。
次に、チップに分離する為の切断予定部分の半導体層と反射層、共晶金属を除去し、シリコン基板３１を、ダイシングソーで、３５０μｍピッチで正方形に切断した。
【０１７３】
このようにして得られた発光ダイオード（発光ダイオードランプ）に対し、上面及び下面の電極間に電流を流したところ、ピーク波長９２０ｎｍとする赤外光が出射された。また、順方向に２０ミリアンペア（ｍＡ）の電流を通流した際の順方向電圧（Ｖｆ）は、化合物半導体層を構成する電流拡散層と機能性基板との接合界面での抵抗の低さ及び各オーミック電極の良好なオーミック特性を反映し、応答速度（ｔｒ）、発光出力（Ｐ０）及び順方向電圧（ＶＦ）は、それぞれ、２４ｎｓｅｃ、６．５ｍＷ、１．２４Ｖであった。
【０１７４】
（実施例１５）
実施例１５の発光ダイオードも第３の実施形態の実施例であるが、井戸層及びバリア層のペア数を３対とした点以外は、実施例１４と同じ条件で作製し、同様の評価を行った。
この結果、応答速度（ｔｒ）、発光出力（Ｐ０）及び順方向電圧（ＶＦ）は、それぞれ、２０ｎｓｅｃ、６．７ｍＷ、１．２４Ｖであった。
【０１７５】
（実施例１６）
実施例１６の発光ダイオードは、活性層とクラッド層との接合面積を５３０００μｍ２（２３０μｍ×２３０μｍ）とし、井戸層及びバリア層のペア数を３対とした以外は、実施例１１と同じ条件で作製し、同様の評価を行った。
【０１７６】
この発光ダイオード（発光ダイオードランプ）の特性を評価した結果、応答速度（ｔｒ）、発光出力（Ｐ０）及び順方向電圧（ＶＦ）は、それぞれ、１５ｎｓｅｃ、６．５ｍＷ、１．２８Ｖであった。
【０１７７】
（実施例１７）
実施例１７の発光ダイオードは、活性層とクラッド層との接合面積を１２３０００μｍ２（３５０μｍ×３５０μｍ）とし、井戸層及びバリア層のペア数は５対とした実施例である。実施例１７の発光ダイオードは、実施例１１と同様の手順で化合物半導体層を作製した後、実施例１４と同様の手順で、電流拡散層に反射層を備えた機能性基板を接合した構成である。
この発光ダイオード（発光ダイオードランプ）の特性を評価した結果、応答速度（ｔｒ）、発光出力（Ｐ０）及び順方向電圧（ＶＦ）は、それぞれ、２４ｎｓｅｃ、６．４ｍＷ、１．２６Ｖであった。
【０１７８】
（実施例１８）
実施例１８の発光ダイオードも第５の実施形態の実施例であるが、井戸層及びバリア層のペア数を３対とした点以外は、実施例１７と同じ条件で作製し、同様の評価を行った。
この結果、応答速度（ｔｒ）、発光出力（Ｐ０）及び順方向電圧（ＶＦ）は、それぞれ、２０ｎｓｅｃ、６．５ｍＷ、１．２５Ｖであった。
【０１７９】
（実施例１９）
実施例１９の発光ダイオードは、活性層とクラッド層との接合面積を５３０００μｍ２（２３０μｍ×２３０μｍ）とし、井戸層及びバリア層のペア数を３対とした以外は、実施例１３と同じ条件で作製し、同様の評価を行った。
この結果、応答速度（ｔｒ）、発光出力（Ｐ０）及び順方向電圧（ＶＦ）は、それぞれ、１５ｎｓｅｃ、６．５ｍＷ、１．２９Ｖであった。
【０１８０】
以下に示す実施例２０及び２１は第４の実施形態の実施例であり、実施例２２及び２３は第６の実施形態の実施例であり、実施例１〜１３と同様に化合物半導体層を作製し、その後、反射層と金属基板とを含む機能性基板を電流拡散層に接合した構成である。
【０１８１】
（実施例２０）
実施例２０の発光ダイオードは、活性層とクラッド層との接合面積を１２３０００μｍ２（３５０μｍ×３５０μｍ）とし、井戸層及びバリア層のペア数は５対とした実施例である。実施例２０の発光ダイオードの作製方法を、図１４を参照しながら説明する。
【０１８２】
まず、電流拡散層８の表面８ｂに、ＡｕＢｅ／Ａｕ合金を厚さ０．２μｍで２０μｍφのドットでなる第２の電極５７を、光取り出し面の端から５０μｍになるように等間隔で８個配置した。
次に、透明導電膜であるＩＴＯ膜５２を０．４μｍの厚さでスパッタ法により形成した。さらに、銀合金／Ｔｉ／Ａｕでなる層５３を０．２μｍ／０．１μｍ／１μｍの厚さで形成し、反射層５３とした。
【０１８３】
次に、熱膨張係数が化合物半導体層２の材料よりも大きい材質からなる第１の金属板５０Ａ、５０Ａと、熱膨張係数が化合物半導体層２の材料よりも小さい材質からなる第２の金属板５０Ｂとを採用して、ホットプレスによって金属基板５０を形成した。具体的には、第１の金属板５０Ａとしては厚さ１０μｍのＣｕ、第２の金属板５０Ｂとしては厚さ７５μｍのＭｏを用い、図１４に示すように、２枚の第１の金属板５０Ａ、５０Ａの間に第２の金属板５０Ｂを挿入し、これらを重ねて所定の加圧装置によって高温下で荷重をかけることにより、Ｃｕ（１０μｍ）／Ｍｏ（７５μｍ）／Ｃｕ（１０μｍ）の３層からなる金属基板５０を形成した。
【０１８４】
次に、発光ダイオードの反射層５３の表面と金属基板５０とを重ね合わせ、４００℃で加熱・５００ｇ／ｃｍ２で加圧して接合することにより、機能性基板５１が接合されてなる発光ダイオードウェーハを作製した。
【０１８５】
次に、ＧａＡｓ基板を除去し、コンタクト層５６の表面に、ＡｕＧｅ／Ａｕからなる直径１００μｍで厚さ３μｍのオーミック電極５５を形成し、４２０℃で、５分間熱処理し、ｐ、ｎオーミック電極を合金化処理した。
次に、第１の電極２５をマスクとして、コンタクト層１６の電極２５直下分以外を除去した後、表面を粗面化処理した。
そして、チップに分離する為の切断予定部分の半導体層と反射層、共晶金属を除去し、シリコン基板を、ダイシングソーで、３５０μｍピッチで正方形に切断した。
【０１８６】
この発光ダイオード（発光ダイオードランプ）の特性を評価した結果、応答速度（ｔｒ）、発光出力（Ｐ０）及び順方向電圧（ＶＦ）はそれぞれ、２５ｎｓｅｃ、６．６ｍＷ、１．２７Ｖであった。
【０１８７】
（実施例２１）
実施例２１の発光ダイオードも第４の実施形態の実施例であるが、井戸層及びバリア層のペア数を３対とした点以外は、実施例２０と同じ条件で作製し、同様の評価を行った。
この結果、応答速度（ｔｒ）、発光出力（Ｐ０）及び順方向電圧（ＶＦ）は、それぞれ、２０ｎｓｅｃ、６．７ｍＷ、１．２７Ｖであった。
【０１８８】
（実施例２２）
実施例２２の発光ダイオードは、実施例２０の発光ダイオードにおけるＡｌＧａＡｓバリア層を、組成式（ＡｌＸ４Ｇａ１−Ｘ４）Ｙ２Ｉｎ１−Ｙ２Ｐ（０≦Ｘ４≦１，０＜Ｙ２≦１）の化合物半導体からなるバリア層に置き換えた点が異なる。
この発光ダイオード（発光ダイオードランプ）の特性を評価した結果、応答速度（ｔｒ）、発光出力（Ｐ０）及び順方向電圧（ＶＦ）は、それぞれ、２５ｎｓｅｃ、６．４ｍＷ、１．３１Ｖであった。
【０１８９】
（実施例２３）
実施例２３の発光ダイオードも第６の実施形態の実施例であるが、井戸層及びバリア層のペア数を３対とした点以外は、実施例２２と同じ条件で作製し、同様の評価を行った。
この結果、応答速度（ｔｒ）、発光出力（Ｐ０）及び順方向電圧（ＶＦ）は、それぞれ、２１ｎｓｅｃ、６．５ｍＷ、１．３０Ｖであった。
【０１９０】
以下に示す参考例１〜４は、井戸層及びバリア層のペア数を１０対及び２０対とした例であり、本発明の３元混晶の量子井戸構造、又は、３元混晶の井戸層と４元混晶のバリア層とからなる量子井戸構造を４元クラッド層で挟む構成が、何れも高い発光出力に適した構成であることを示すためのものである。
【０１９１】
（参考例１）
参考例１の発光ダイオードは、井戸層及びバリア層のペア数を１０対とした点以外は、実施例１の発光ダイオードと同じ条件で作製し、同様の評価を行った。
この発光ダイオード（発光ダイオードランプ）の特性を評価した結果、応答速度（ｔｒ）、発光出力（Ｐ０）及び順方向電圧（ＶＦ）は、それぞれ、３２ｎｓｅｃ、６．５ｍＷ、１．３２Ｖであった。
【０１９２】
（参考例２）
参考例２の発光ダイオードは、井戸層及びバリア層のペア数を２０対とした点以外は、実施例１の発光ダイオードと同じ条件で作製し、同様の評価を行った。
この発光ダイオード（発光ダイオードランプ）の特性を評価した結果、応答速度（ｔｒ）、発光出力（Ｐ０）及び順方向電圧（ＶＦ）は、それぞれ、４３ｎｓｅｃ、５ｍＷ、１．３８Ｖであった。
【０１９３】
（参考例３）
参考例３の発光ダイオードは、井戸層及びバリア層のペア数を１０対とした点以外は、実施例４の発光ダイオードと同じ条件で作製し、同様の評価を行った。
この発光ダイオード（発光ダイオードランプ）の特性を評価した結果、応答速度（ｔｒ）、発光出力（Ｐ０）及び順方向電圧（ＶＦ）は、それぞれ、２３ｎｓｅｃ、６．２ｍＷ、１．４０Ｖであった。
【０１９４】
（参考例４）
参考例４の発光ダイオードは、井戸層及びバリア層のペア数を２０対とした点以外は、実施例１の発光ダイオードと同じ条件で作製し、同様の評価を行った。
この発光ダイオード（発光ダイオードランプ）の特性を評価した結果、応答速度（ｔｒ）、発光出力（Ｐ０）及び順方向電圧（ＶＦ）は、それぞれ、３６ｎｓｅｃ、５．２ｍＷ、１．５１Ｖであった。
【０１９５】
上記参考例１〜４の結果から明らかなように、例え、井戸層及びバリア層のペア数を多くした場合であっても、上記実施例に比べて、決して高い発光出力（Ｐ０）が得られるものとはならないことがわかる。
【０１９６】
（比較例１）
比較例１の発光ダイオードは、従来技術である液相エピタキシャル法を用いて化合物半導体層を形成した比較例である。具体的には、ＧａＡｓ基板にＡｌ０．０１Ｇａ０．９９Ａｓを発光層とするダブルヘテロ構造の発光部をエピタキシャル成長させ、発光ダイオードを作製、評価した。
【０１９７】
比較例１の発光ダイオードの作製においては、ＧａＡｓ基板上に、スライドボート型成長装置を用いて結晶成長を行った。
具体的には、まず、スライドボート型成長装置の基板収納溝にｎ型のＧａＡｓ単結晶からなる基板をセットし、各層の成長用に用意したルツボにＧａメタル、ＧａＡｓ多結晶、金属Ａｌ、及びドーパントを入れた。成長する層は、透明厚膜層（第１のｐ型層）、下部クラッド層（ｐ型クラッド層）、活性層、上部クラッド層（ｎ型クラッド層）の４層構造とし、この順序で積層した。
【０１９８】
次に、これらの原料をセットしたスライドボート型成長装置を、石英反応管内にセットし、水素気流中で９５０℃まで加温し、原料を溶解した後、雰囲気温度を９１０℃まで降温し、スライダーを右側に押して原料溶液（メルト）に接触させたあと０．５℃／分の速度で降温し、所定温度に達した後、またスライダーを押して順次各原料溶液に接触させたあと高温させる動作を繰り返し、最終的にはメルトと接触させた後、雰囲気温度を７０３℃まで降温してｎクラッド層を成長させた後、スライダーを押して原料溶液とウェーハを切り離してエピタキシャル成長を終了させた。
【０１９９】
上記条件により、ｎ型の（１００）面のＧａＡｓ単結晶基板上に、Ａｌ０．０１Ｇａ０．９９Ａｓからなるｎ型上部クラッド層を５０μｍ、Ａｌ０．０１Ｇａ０．９９ＡｓからなるＳｉドープの発光層を２０μｍ、Ａｌ０．７Ｇａ０．３Ａｓからなるｐ型の下部クラッド層を２０μｍ、発光波長に対して透明なＡｌ０．２５Ｇａ０．７５Ａｓからなるｐ型の厚膜層を６０μｍとなるように、各層を液相エピタキシャル方法によって成長させた。
【０２００】
エピタキシャル成長終了後、エピタキシャル基板を取り出し、ｎ型のＧａＡｌＡｓクラッド層表面を保護しながら、アンモニア−過酸化水素系エッチャントでｐ型のＧａＡｓ基板を選択的に除去した。
次に、エピタキシャルウェーハ両面に金電極を形成し、長辺が３５０μｍの電極マスクを用いて、ｎ型ＡｌＧａＡｓ上部クラッド層の表面に、直径１００μｍのワイヤボンディング用パッドが中央に配置された表面電極を形成した。また、ｐ型ＡｌＧａＡｓ厚膜層の裏面に、裏面電極として、直径２０μｍのオーミック電極を８０μｍ間隔に形成した。
そして、ダイシングソーにより、ウェーハを３５０μｍ間隔で切断した後、破砕層をエッチング除去することにより、ｎ型のＡｌＧａＡｓ層が表面側となるように、比較例１の発光ダイオードチップを作製した。
【０２０１】
比較例１の発光ダイオードを実装した発光ダイオードランプの特性を評価した結果を、上記表６に示した。
表６に示すように、比較例１の発光ダイオードのｎ型及びｐ型オーミック電極間に電流を流したところ、ピーク波長を９４０ｎｍとする赤外光が出射された。また、順方向に２０ミリアンペア（ｍＡ）の電流を通流した際の順方向電圧（Ｖｆ）は、約１．２ボルト（Ｖ）となった。また、順方向電流を２０ｍＡとした際の発光出力は、２ｍＷであった。また、応答速度（ｔｒ）は、１７００ｎｓｅｃであり、比較例１のいずれのサンプルについても、本発明の実施例に比べ、高速応答に劣るものとなった。
【産業上の利用可能性】
【０２０２】
本発明の発光ダイオードは、高速応答性と高出力性とを兼ね備えた赤外光を発光する発光ダイオード、発光ダイオードランプ及び照明装置として利用できる。
【符号の説明】
【０２０３】
１・・・発光ダイオード、
２・・・化合物半導体層、
３・・・機能性基板、
３ａ・・・垂直面、
３ｂ・・・傾斜面、
４・・・ｎ型オーミック電極（第１の電極）、
５・・・ｐ型オーミック電極（第２の電極）、
７・・・発光部、
８・・・電流拡散層、
９・・・下部クラッド層（第１のクラッド層）、
１０・・・下部ガイド層、
１１・・・活性層、
１２・・・上部ガイド層、
１３・・・上部クラッド層（第２のクラッド層）、
１４・・・ＧａＡｓ基板、
１５・・・緩衝層、
１６・・・コンタクト層、
１７・・・井戸層、
１８・・・バリア層、
２０・・・発光ダイオード、
２１・・・電極、
２２・・・透明導電膜、
２３・・・反射層、
２５・・・ボンディング電極、
３１…機能性基板、
４１・・・発光ダイオードランプ、
４２・・・マウント基板、
４３・・・ｎ電極端子、
４４・・・ｐ電極端子、
４５，４６・・・金線、
４７・・・エポキシ樹脂、
α・・・傾斜面と発光面に平行な面とのなす角度、
５０・・・金属基板、
５１・・・機能性基板、
５２・・・透明導電膜、
５３・・・反射層、
５５・・・第１の電極、
５６・・・コンタクト層、
５７・・・第２の電極、
【特許請求の範囲】
【請求項１】
組成式（ＩｎＸ１Ｇａ１−Ｘ１）Ａｓ（０≦Ｘ１≦１）の化合物半導体からなる井戸層、及び、組成式（ＡｌＸ２Ｇａ１−Ｘ２）Ａｓ（０≦Ｘ２≦１）の化合物半導体からなるバリア層を交互に積層した量子井戸構造の活性層と、該活性層を挟む第１のクラッド層及び第２のクラッド層とを有する発光部と、
前記発光部上に形成された電流拡散層と、
前記電流拡散層に接合された機能性基板と、を備え、
前記第１及び第２のクラッド層が組成式（ＡｌＸ３Ｇａ１−Ｘ３）Ｙ１Ｉｎ１−Ｙ１Ｐ（０≦Ｘ３≦１，０＜Ｙ１≦１）の化合物半導体からなり、
前記井戸層及びバリア層のペア数が５以下であることを特徴とする発光ダイオード。
【請求項２】
組成式（ＩｎＸ１Ｇａ１−Ｘ１）Ａｓ（０≦Ｘ１≦１）の化合物半導体からなる井戸層、及び、組成式（ＡｌＸ４Ｇａ１−Ｘ４）Ｙ２Ｉｎ１−Ｙ２Ｐ（０≦Ｘ４≦１，０＜Ｙ２≦１）の化合物半導体からなるバリア層を交互に積層した量子井戸構造の活性層と、該活性層を挟む第１のクラッド層及び第２のクラッド層とを有する発光部と、
前記発光部上に形成された電流拡散層と、
前記電流拡散層に接合された機能性基板と、を備え、
前記第１及び第２のクラッド層が組成式（ＡｌＸ５Ｇａ１−Ｘ５）Ｙ３Ｉｎ１−Ｙ３Ｐ（０≦Ｘ５≦１，０＜Ｙ３≦１）の化合物半導体からなり、
前記井戸層及びバリア層のペア数が５以下であることを特徴とする発光ダイオード。
【請求項３】
前記活性層と前記クラッド層との接合面積が２００００〜９００００μｍ２であることを特徴とする請求項１または２に記載の発光ダイオード。
【請求項４】
前記井戸層のＩｎ組成Ｘ１を０≦Ｘ１≦０．３とし、前記井戸層の厚さが３〜１０ｎｍであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の発光ダイオード。
【請求項５】
前記井戸層のＩｎ組成Ｘ１が０．１≦Ｘ１≦０．３であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の発光ダイオード。
【請求項６】
前記機能性基板は発光波長に対して透明であることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の発光ダイオード。
【請求項７】
前記機能性基板はＧａＰ、サファイア又はＳｉＣからなることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の発光ダイオード。
【請求項８】
組成式（ＩｎＸ１Ｇａ１−Ｘ１）Ａｓ（０≦Ｘ１≦１）の化合物半導体からなる井戸層、及び、組成式（ＡｌＸ２Ｇａ１−Ｘ２）Ａｓ（０≦Ｘ２≦１）の化合物半導体からなるバリア層を交互に積層した量子井戸構造の活性層と、該活性層を挟む第１のクラッド層及び第２のクラッド層とを有する発光部と、
前記発光部上に形成された電流拡散層と、
前記発光部に対向して配置され、発光波長に対して９０％以上の反射率を有する反射層を含み、前記電流拡散層に接合された機能性基板と、を備え、
前記第１及び第２のクラッド層が組成式（ＡｌＸ３Ｇａ１−Ｘ３）Ｙ１Ｉｎ１−Ｙ１Ｐ（０≦Ｘ３≦１，０＜Ｙ１≦１）の化合物半導体からなり、
前記井戸層及びバリア層のペア数が５以下であることを特徴とする発光ダイオード。
【請求項９】
組成式（ＩｎＸ１Ｇａ１−Ｘ１）Ａｓ（０≦Ｘ１≦１）の化合物半導体からなる井戸層、及び、組成式（ＡｌＸ４Ｇａ１−Ｘ４）Ｙ２Ｉｎ１−Ｙ２Ｐ（０≦Ｘ４≦１，０＜Ｙ２≦１）の化合物半導体からなるバリア層を交互に積層した量子井戸構造の活性層と、該活性層を挟む第１のクラッド層及び第２のクラッド層とを有する発光部と、
前記発光部上に形成された電流拡散層と、
前記発光部に対向して配置され、発光波長に対して９０％以上の反射率を有する反射層を含み、前記電流拡散層に接合された機能性基板と、を備え、
前記第１及び第２のクラッド層が組成式（ＡｌＸ５Ｇａ１−Ｘ５）Ｙ３Ｉｎ１−Ｙ３Ｐ（０≦Ｘ５≦１，０＜Ｙ３≦１）の化合物半導体からなり、
前記井戸層及びバリア層のペア数が５以下であることを特徴とする発光ダイオード。
【請求項１０】
前記活性層と前記クラッド層との接合面積が２００００〜９００００μｍ２であることを特徴とする請求項８または９に記載の発光ダイオード。
【請求項１１】
前記井戸層のＩｎ組成Ｘ１を０≦Ｘ１≦０．３とし、前記井戸層の厚さが３〜１０ｎｍであることを特徴とする請求項８〜１０のいずれか一項に記載の発光ダイオード。
【請求項１２】
前記井戸層のＩｎ組成Ｘ１が０．１≦Ｘ１≦０．３であることを特徴とする請求項８〜１０のいずれか一項に記載の発光ダイオード。
【請求項１３】
前記機能性基板はシリコンまたはゲルマニウムからなる層を含むことを特徴とする請求項８から１２のいずれか一項に記載の発光ダイオード。
【請求項１４】
前記機能性基板は金属基板を含むことを特徴とする請求項８から１２のいずれか一項に記載の発光ダイオード。
【請求項１５】
前記金属基板は複数の金属層からなることを特徴とする請求項１４に記載の発光ダイオード。
【請求項１６】
前記井戸層及びバリア層のペア数が３以下であることを特徴とする請求項１から１５のいずれか一項に記載の発光ダイオード。
【請求項１７】
前記電流拡散層はＧａＰからなることを特徴とする請求項１から１６のいずれか一項に記載の発光ダイオード。
【請求項１８】
前記電流拡散層の厚さは０．５〜２０μｍの範囲であることを特徴とする請求項１から１７のいずれか一項に記載の発光ダイオード。
【請求項１９】
前記機能性基板の側面は、前記発光部に近い側においては主たる光取り出し面に対して略垂直である垂直面を有し、前記発光部に遠い側においては前記主たる光取り出し面に対して内側に傾斜した傾斜面を有することを特徴とする請求項１から１８のいずれか一項に記載の発光ダイオード。
【請求項２０】
前記傾斜面は粗い面を含むことを特徴とする請求項１９に記載の発光ダイオード。
【請求項２１】
第１の電極及び第２の電極が発光ダイオードの前記主たる光取り出し面側に設けられていることを特徴とする請求項１９または２０のいずれかに記載の発光ダイオード。
【請求項２２】
前記第１の電極及び前記第２の電極がオーミック電極であることを特徴とする請求項２１に記載の発光ダイオード。
【請求項２３】
請求項１から２２のいずれか一項に記載の発光ダイオードを備えることを特徴とする発光ダイオードランプ。
【請求項２４】
請求項１から２２のいずれか一項に記載の発光ダイオード、および／または、請求項２３に記載の発光ダイオードランプを複数個搭載した照明装置。
【請求項１】
組成式（ＩｎＸ１Ｇａ１−Ｘ１）Ａｓ（０≦Ｘ１≦１）の化合物半導体からなる井戸層、及び、組成式（ＡｌＸ２Ｇａ１−Ｘ２）Ａｓ（０≦Ｘ２≦１）の化合物半導体からなるバリア層を交互に積層した量子井戸構造の活性層と、該活性層を挟む第１のクラッド層及び第２のクラッド層とを有する発光部と、
前記発光部上に形成された電流拡散層と、
前記電流拡散層に接合された機能性基板と、を備え、
前記第１及び第２のクラッド層が組成式（ＡｌＸ３Ｇａ１−Ｘ３）Ｙ１Ｉｎ１−Ｙ１Ｐ（０≦Ｘ３≦１，０＜Ｙ１≦１）の化合物半導体からなり、
前記井戸層及びバリア層のペア数が５以下であることを特徴とする発光ダイオード。
【請求項２】
組成式（ＩｎＸ１Ｇａ１−Ｘ１）Ａｓ（０≦Ｘ１≦１）の化合物半導体からなる井戸層、及び、組成式（ＡｌＸ４Ｇａ１−Ｘ４）Ｙ２Ｉｎ１−Ｙ２Ｐ（０≦Ｘ４≦１，０＜Ｙ２≦１）の化合物半導体からなるバリア層を交互に積層した量子井戸構造の活性層と、該活性層を挟む第１のクラッド層及び第２のクラッド層とを有する発光部と、
前記発光部上に形成された電流拡散層と、
前記電流拡散層に接合された機能性基板と、を備え、
前記第１及び第２のクラッド層が組成式（ＡｌＸ５Ｇａ１−Ｘ５）Ｙ３Ｉｎ１−Ｙ３Ｐ（０≦Ｘ５≦１，０＜Ｙ３≦１）の化合物半導体からなり、
前記井戸層及びバリア層のペア数が５以下であることを特徴とする発光ダイオード。
【請求項３】
前記活性層と前記クラッド層との接合面積が２００００〜９００００μｍ２であることを特徴とする請求項１または２に記載の発光ダイオード。
【請求項４】
前記井戸層のＩｎ組成Ｘ１を０≦Ｘ１≦０．３とし、前記井戸層の厚さが３〜１０ｎｍであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の発光ダイオード。
【請求項５】
前記井戸層のＩｎ組成Ｘ１が０．１≦Ｘ１≦０．３であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の発光ダイオード。
【請求項６】
前記機能性基板は発光波長に対して透明であることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の発光ダイオード。
【請求項７】
前記機能性基板はＧａＰ、サファイア又はＳｉＣからなることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の発光ダイオード。
【請求項８】
組成式（ＩｎＸ１Ｇａ１−Ｘ１）Ａｓ（０≦Ｘ１≦１）の化合物半導体からなる井戸層、及び、組成式（ＡｌＸ２Ｇａ１−Ｘ２）Ａｓ（０≦Ｘ２≦１）の化合物半導体からなるバリア層を交互に積層した量子井戸構造の活性層と、該活性層を挟む第１のクラッド層及び第２のクラッド層とを有する発光部と、
前記発光部上に形成された電流拡散層と、
前記発光部に対向して配置され、発光波長に対して９０％以上の反射率を有する反射層を含み、前記電流拡散層に接合された機能性基板と、を備え、
前記第１及び第２のクラッド層が組成式（ＡｌＸ３Ｇａ１−Ｘ３）Ｙ１Ｉｎ１−Ｙ１Ｐ（０≦Ｘ３≦１，０＜Ｙ１≦１）の化合物半導体からなり、
前記井戸層及びバリア層のペア数が５以下であることを特徴とする発光ダイオード。
【請求項９】
組成式（ＩｎＸ１Ｇａ１−Ｘ１）Ａｓ（０≦Ｘ１≦１）の化合物半導体からなる井戸層、及び、組成式（ＡｌＸ４Ｇａ１−Ｘ４）Ｙ２Ｉｎ１−Ｙ２Ｐ（０≦Ｘ４≦１，０＜Ｙ２≦１）の化合物半導体からなるバリア層を交互に積層した量子井戸構造の活性層と、該活性層を挟む第１のクラッド層及び第２のクラッド層とを有する発光部と、
前記発光部上に形成された電流拡散層と、
前記発光部に対向して配置され、発光波長に対して９０％以上の反射率を有する反射層を含み、前記電流拡散層に接合された機能性基板と、を備え、
前記第１及び第２のクラッド層が組成式（ＡｌＸ５Ｇａ１−Ｘ５）Ｙ３Ｉｎ１−Ｙ３Ｐ（０≦Ｘ５≦１，０＜Ｙ３≦１）の化合物半導体からなり、
前記井戸層及びバリア層のペア数が５以下であることを特徴とする発光ダイオード。
【請求項１０】
前記活性層と前記クラッド層との接合面積が２００００〜９００００μｍ２であることを特徴とする請求項８または９に記載の発光ダイオード。
【請求項１１】
前記井戸層のＩｎ組成Ｘ１を０≦Ｘ１≦０．３とし、前記井戸層の厚さが３〜１０ｎｍであることを特徴とする請求項８〜１０のいずれか一項に記載の発光ダイオード。
【請求項１２】
前記井戸層のＩｎ組成Ｘ１が０．１≦Ｘ１≦０．３であることを特徴とする請求項８〜１０のいずれか一項に記載の発光ダイオード。
【請求項１３】
前記機能性基板はシリコンまたはゲルマニウムからなる層を含むことを特徴とする請求項８から１２のいずれか一項に記載の発光ダイオード。
【請求項１４】
前記機能性基板は金属基板を含むことを特徴とする請求項８から１２のいずれか一項に記載の発光ダイオード。
【請求項１５】
前記金属基板は複数の金属層からなることを特徴とする請求項１４に記載の発光ダイオード。
【請求項１６】
前記井戸層及びバリア層のペア数が３以下であることを特徴とする請求項１から１５のいずれか一項に記載の発光ダイオード。
【請求項１７】
前記電流拡散層はＧａＰからなることを特徴とする請求項１から１６のいずれか一項に記載の発光ダイオード。
【請求項１８】
前記電流拡散層の厚さは０．５〜２０μｍの範囲であることを特徴とする請求項１から１７のいずれか一項に記載の発光ダイオード。
【請求項１９】
前記機能性基板の側面は、前記発光部に近い側においては主たる光取り出し面に対して略垂直である垂直面を有し、前記発光部に遠い側においては前記主たる光取り出し面に対して内側に傾斜した傾斜面を有することを特徴とする請求項１から１８のいずれか一項に記載の発光ダイオード。
【請求項２０】
前記傾斜面は粗い面を含むことを特徴とする請求項１９に記載の発光ダイオード。
【請求項２１】
第１の電極及び第２の電極が発光ダイオードの前記主たる光取り出し面側に設けられていることを特徴とする請求項１９または２０のいずれかに記載の発光ダイオード。
【請求項２２】
前記第１の電極及び前記第２の電極がオーミック電極であることを特徴とする請求項２１に記載の発光ダイオード。
【請求項２３】
請求項１から２２のいずれか一項に記載の発光ダイオードを備えることを特徴とする発光ダイオードランプ。
【請求項２４】
請求項１から２２のいずれか一項に記載の発光ダイオード、および／または、請求項２３に記載の発光ダイオードランプを複数個搭載した照明装置。
【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】
【公開番号】特開２０１２−１１９５８５（Ｐ２０１２−１１９５８５Ａ）
【公開日】平成２４年６月２１日（２０１２．６．２１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２６９７０９（Ｐ２０１０−２６９７０９）
【出願日】平成２２年１２月２日（２０１０．１２．２）
【出願人】（０００００２００４）昭和電工株式会社 (3,251)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年６月２１日（２０１２．６．２１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１２月２日（２０１０．１２．２）
【出願人】（０００００２００４）昭和電工株式会社 (3,251)
【Ｆターム（参考）】
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