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WO2005038936A1 - 発光素子及びその製造方法 - Google Patents

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WO2005038936A1
WO2005038936A1 PCT/JP2004/015270 JP2004015270W WO2005038936A1 WO 2005038936 A1 WO2005038936 A1 WO 2005038936A1 JP 2004015270 W JP2004015270 W JP 2004015270W WO 2005038936 A1 WO2005038936 A1 WO 2005038936A1
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WO
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light
semiconductor layer
transparent thick
layer
light emitting
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Application number
PCT/JP2004/015270
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English (en)
French (fr)
Inventor
Masato Yamada
Masayuki Shinohara
Masanobu Takahashi
Keizou Adomi
Jun Ikeda
Original Assignee
Shin-Etsu Handotai Co., Ltd.
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Shin-Etsu Handotai Co., Ltd. filed Critical Shin-Etsu Handotai Co., Ltd.
Priority to US10/575,853 priority Critical patent/US7511314B2/en
Priority to JP2005514799A priority patent/JP4341623B2/ja
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Definitions

  • the present invention relates to a light emitting device and a method for manufacturing the same.
  • a light-emitting layer is formed of (Al Ga) In P mixed crystal (however, 0 ⁇ x ⁇ 1, 0 ⁇ y ⁇ 1; hereinafter, also referred to as AlGalnP mixed crystal or simply as AlGalnP)
  • AlGalnP mixed crystal or simply as AlGalnP
  • the device achieves high brightness by adopting a double hetero structure in which a thin A1 GalnP active layer has a larger band gap and a sandwich between an n-type AlGalnP cladding layer and a p-type A1 GalnP cladding layer.
  • Electric current is applied to the light emitting layer via metal electrodes formed on the element surface. Since the metal electrode functions as a light shield, the metal electrode is formed, for example, so as to cover only the central portion of the first main surface of the light emitting layer portion, and takes out light from an electrode non-formed region around the first main surface.
  • the current diffusion layer or the transparent semiconductor layer is made of a transparent thick film semiconductor whose thickness has been increased to a certain level or more.
  • a wafer having the transparent thick film semiconductor layer is manufactured, and the wafer is diced to obtain individual device chips. Is adopted.
  • a processing damage layer is formed on the side surface of the element that becomes a cut surface during dicing, and a large number of crystal defects contained in the processing damage layer cause current leakage and scattering. Removal is performed by dangling etiquette.
  • the chemical composition of the light emitting layer portion and that of the transparent thick film semiconductor layer are different from each other, it is not always possible to determine the removal power S of the processing damage layer by the known chemical etching, and it is not always possible to judge the leakage current. As a result, the efficiency of light extraction from the side surface of the device has not been sufficiently improved.
  • the method of performing excessively strong chemical etching in order to enhance the etching effect on the side surface is adopted because it leads to roughening of the main surface of the device and damage to the formed metal electrodes, leading to deterioration of the performance of the device. Can not do it.
  • An object of the present invention is to provide a light emitting element having a transparent thick film semiconductor layer and capable of dramatically improving the efficiency of extracting light from a side surface thereof, and a method of manufacturing the same. .
  • the region is formed with a thickness of 10 ⁇ m or more.
  • the method for manufacturing a light emitting device of the present invention includes: III V compound semiconductor light-emitting layer and a light emitting layer formed on at least one main surface of the light-emitting layer and having a bandgap energy larger than one which is equal to the peak wavelength of the light flux emitted from the light-emitting layer.
  • a wafer having a transparent thick semiconductor layer having a thickness of 10 ⁇ m or more is manufactured, and the wafer is diced to separate into individual device chips.
  • a doping control region in which the dopant concentration is controlled to 5 ⁇ 10 16 / cm 3 or more and 2 ⁇ 10 18 / cm 3 or less is formed with a thickness of 10 m or more, and after dicing, The processing damage layer formed on the side surface of the transparent thick film semiconductor layer is removed by etching.
  • the thickness of the transparent thick semiconductor layer is limited to 10 m or more because the light emitted from the light emitting layer portion is extracted through the transparent thick semiconductor layer. Then, the side surface force of the layer increases the extracted light flux, thereby increasing the luminance (integrated sphere luminance) of the entire light emitting element.
  • the transparent thick semiconductor layer is made of a ⁇ ⁇ ⁇ -V compound semiconductor having a band gap energy larger than the photon energy corresponding to the peak wavelength of the luminous flux from the light emitting layer. This is to suppress light absorption in the thick semiconductor layer and increase light extraction efficiency.
  • the thickness of the transparent thick semiconductor layer is desirably not less than the above.
  • the present inventors have studied that, when the above-mentioned transparent thick film semiconductor layer is formed, the dopant concentration in the transparent thick film semiconductor layer is 5 ⁇ 10 16 / cm 3 or more and 2 ⁇ 10 18
  • the doping control region controlled to not more than / cm 3 the light extraction efficiency of the side surface portion of the doping control region is drastically improved after the above chemical etching, and the integrated sphere luminance of the light emitting element is greatly increased.
  • the thickness of the transparent thick film semiconductor layer is not particularly limited, but the saturation of the side light extraction effect and the production efficiency (particularly, the transparent thick film semiconductor layer is formed by vapor phase growth instead of lamination of a single crystal substrate) Considering the case, the upper limit of the thickness is desirably 200 m (preferably 100 ⁇ m).
  • a wafer having a transparent thick semiconductor layer and a light emitting layer portion is manufactured, and the wafer is diced and separated into individual device chips. At the time of this dicing, a cut surface appears on the side surface of the transparent thick semiconductor layer, and a processing damage layer having a predetermined thickness is formed. Is formed. At the time of light extraction, a large number of crystal defects contained in the processed damage layer cause current leakage and scattering. Therefore, it is necessary to remove the damaged layer by dicing after dicing.
  • the dopant concentration in the transparent thick film semiconductor layer is 5 ⁇ 10 16 Zcm 3 or more.
  • a doping control region controlled to X 10 18 Zcm 3 or less is formed with a thickness of at least 10 m or more.
  • the processed damage layer can be removed smoothly and sufficiently without performing excessive chemical etching.
  • the damage layer which does not degrade the element parts other than the damaged layer (for example, the metal electrode on the light extraction surface side and the semiconductor surface part surrounding it), can be sufficiently removed, resulting in integration after etching. It is thought that the luminous intensity of the sphere is dramatically improved, and an extremely high performance light emitting device is realized.
  • the thickness of the doping control region is 40 m or more.
  • the entire thickness of the transparent thick film semiconductor layer may be used as the doping control region, or only the partial thickness of the transparent thick film semiconductor layer may be used as the doping control region.
  • the doping control region having a good light extraction efficiency from the side portion occupies as large a thickness portion of the transparent thick film semiconductor layer as possible.
  • the thickness of the transparent thick semiconductor layer in order to enhance the light extraction efficiency from the side surface of the transparent thick semiconductor layer, the thickness of the transparent thick semiconductor layer must be 40 m or more and the doping control in the transparent thick semiconductor layer must be controlled. It is more desirable that the thickness of the region be 40 ⁇ m or more.
  • the transparent thick semiconductor layer is made of any of GaP, GaAsP and AlGaAs as described later, using a sulfuric acid / hydrogen peroxide aqueous solution as the etchant for chemical etching is difficult.
  • the removal effect, and consequently the effect of improving the brightness of the integrating sphere, is particularly remarkable and can be used effectively in the present invention.
  • the doping control region of the transparent thick film semiconductor layer As a result of suppressing the dopant concentration to be low, the electrical resistivity is slightly increased. As a result of being formed in a thick film, sufficient even though the dopant concentration is low A low sheet resistance can be ensured, and a current diffusion effect comparable to a semiconductor doped with a high concentration of dopant can be easily achieved.
  • the dopant concentration in the doping control region is less than 5 ⁇ 10 16 Zcm 3 , it is difficult to avoid an increase in sheet resistance, and the current diffusion effect when applying current to the light emitting layer becomes insufficient, resulting in a decrease in the brightness of the integrating sphere.
  • the dopant concentration of the doping control region it is more preferable to set the dopant concentration of the doping control region to 5 X 10 16 Zcm 3 or more and 2 X 10 18 / cm 3 or less, and more desirably to 1 X 10 17 / cm 3 or more and 1 X 10 18 Zcm 3 or less. It is good to set.
  • one main surface of the light-emitting layer portion is used as a first main surface, and a main light extraction surface is formed on the first main surface side.
  • the light extraction surface side metal electrode may be arranged so as to cover the portion, and the transparent thick film semiconductor layer may be provided only on the second main surface side of the light emitting layer portion.
  • the transparent thick semiconductor layer is provided only on one side of the light emitting layer portion, it also contributes to a reduction in device manufacturing cost.
  • the transparent thick semiconductor layer is provided only on one side of the light emitting layer portion, it also contributes to a reduction in device manufacturing cost.
  • the effect of improving heat dissipation and reducing costs by reducing the element thickness is remarkable.
  • the “light extraction surface” of the device is the surface of the device from which emitted light can be extracted to the outside, and the “main light extraction surface” is the main surface of the element stack including the light emitting layer. It is a light extraction surface formed on the surface.
  • a side surface of the transparent thick semiconductor layer and the like constitute a light extraction surface.
  • the first main surface is unified as the surface providing the light extraction surface. It is described in.
  • the configuration in which the transparent thick semiconductor layer is provided only on the second main surface side of the light emitting layer portion contributes significantly to the improvement of the heat radiation of the element, but the structure on the first main surface side (main light extraction surface side).
  • the thickness of the semiconductor layer must be reduced. Therefore, by adopting the following mode, a good current diffusion state on the main light extraction surface side is ensured, and finally, light emission in the main light extraction surface region.
  • the layer portion can be driven to emit light without bias to further improve the luminance of the integrating sphere.
  • a current diffusion layer thinner than the transparent thick film semiconductor layer on the second main surface side is formed by a compound semiconductor having a composition different from that of the first conductivity type clad layer.
  • the first conductivity type cladding layer is formed thicker than the second conductivity type cladding layer and thinner than the transparent thick semiconductor layer.
  • the portion on the first main surface side of the first conductivity type cladding layer plays the role of the current spreading layer, and by increasing the effective carrier concentration in this portion more than the remaining portion, The current spreading effect can be made more remarkable.
  • the transparent thick film semiconductor layer is arranged on the first main surface side of the light emitting layer portion, and the first main surface of the transparent thick film semiconductor layer is used as a main light extraction surface to cover a part thereof.
  • the metal electrode on the light extraction surface side can be arranged in a shape. In this case, the effect of the current diffusion layer on the main light extraction surface side can be greatly increased by the transparent thick semiconductor layer.
  • a metal reflection layer can be arranged on the second main surface side of the light emitting layer portion. The emitted light flux from the light emitting layer is reflected by the metal reflective layer to the main light extraction surface side, thereby increasing the extracted light flux as the main light extraction surface and the lateral force of the transparent thick film semiconductor layer forming the main light extraction surface.
  • the transparent thick film semiconductor layer it is also possible to provide a first transparent thick film semiconductor layer on the first main surface side of the light emitting layer portion and a second transparent thick film semiconductor layer on the second main surface side, respectively. It is. In this case, by providing two transparent thick semiconductor layers unique to the present invention, the light extraction efficiency of the lateral force and the current diffusion effect are further improved, which contributes to a further increase in the luminance of the integrating sphere of the device. I do.
  • the light emitting layer portion can be configured to have a double hetero structure that also has AlGalnP force.
  • AlGalnP is capable of epitaxial growth on GaAs single crystal substrate (Al Ga) In
  • P (0 ⁇ x ⁇ l, 0 ⁇ y ⁇ l) is a mixed crystal compound, which may generate group III elements that are not contained depending on the selection of the mixed crystal ratio x, y.
  • group III elements that are not contained depending on the selection of the mixed crystal ratio x, y.
  • AlGalnP mixed crystal compound has the above mixed crystal ratio
  • GaP or GaAsP since GaP or GaAsP has a relatively wide band gap, the GaP or GaAsP has good light transmittance with respect to the luminous flux from the AlGalnP-based light emitting layer portion, and can improve the light extraction efficiency.
  • the transparent thick film semiconductor layer can be a single crystal substrate made of a group III V compound semiconductor bonded to the light emitting layer portion.
  • a single crystal substrate made of GaP, GaAsP, or AlGaAs is superposed on the light emitting layer and bonded and heat-treated at a relatively low temperature of 100 ° C or more and 700 ° C or less. Accordingly, the single crystal substrate can be directly bonded to the light emitting layer portion, and the transparent thick semiconductor layer can be easily formed.
  • the transparent thick semiconductor layer can be formed by epitaxially growing the light emitting layer by hydride vapor phase epitaxy.
  • HVPE method Hydroid Vapor Phase Epitaxial Growth Method
  • Ga (gallium) having a low vapor pressure is converted into GaCl which is easily vaporized by reaction with GaCl.
  • a group V element source gas is reacted with Ga in the form of a gas to grow a group III-V compound semiconductor layer in a vapor phase.
  • the light emitting layer portion which also has AlGalnP force is formed by metal organic vapor phase epitaxy (hereinafter, also referred to as MOVPE method).
  • the layer growth rate by MOVPE method is, for example, about 4 mZ. Even though it is suitable for the growth of a light emitting layer part as small as possible, it is clearly disadvantageous in terms of efficiency for growing a transparent thick semiconductor layer having a thickness of 40 m or more.
  • the layer growth rate of the HVPE method is, for example, about 9 mZ, which is more than twice that of the MOVPE method, and the HVPE method allows the layer growth rate to be higher than that of the MOVPE method. In addition to being able to form with high efficiency and using no expensive organic metal, the raw material cost can be kept much lower than the MOVPE method.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing an example of a light emitting device of the present invention in a laminated structure.
  • FIG. 2 is an explanatory view showing a manufacturing process of the light emitting device of FIG. 1.
  • FIG. 3 is an explanatory view following FIG. 2.
  • FIG. 4 is an explanatory view following FIG. 3;
  • FIG. 5 is a view for explaining how the removal state of the processing damage layer on the side surface of the transparent thick film semiconductor layer by chemical etching changes according to the dopant concentration of the transparent thick film semiconductor layer.
  • FIG. 6 is a graph illustrating how the integrating sphere luminance of the device before and after removal of the processed damage layer changes depending on the thickness of the transparent thick film semiconductor layer and the dopant concentration.
  • FIG. 7 is a schematic diagram showing an example in which a transparent thick film semiconductor layer is formed by bonding a single crystal substrate.
  • FIG. 8 is a cross-sectional view showing an example of a light emitting device in which first and second transparent thick semiconductor layers are provided on both main surfaces of a light emitting layer portion.
  • FIG. 9 is a cross-sectional view showing an example of a light emitting device in which a transparent thick film semiconductor layer is provided on the main light extraction surface side and a metal layer is provided on the opposite side.
  • FIG. 1 is a conceptual diagram showing a light emitting device 100 according to one embodiment of the present invention.
  • the light-emitting element 100 includes a light-emitting layer portion 24 made of a ⁇ -V compound semiconductor, and a photon formed on the second main surface side of the light-emitting layer portion 24 and corresponding to a peak wavelength of a light flux emitted from the light-emitting layer portion 24.
  • a group III V compound semiconductor having a bandgap energy larger than that of the energy.
  • the light emitting layer section 24 is made of non-doped (Al Ga) In P (where 0 ⁇ x ⁇ 0.55, 0.45 ⁇ y ⁇
  • the active layer 5 composed of a mixed crystal is formed by combining a p-type cladding layer 6 with p-type (AlGa) InP (x ⁇ z ⁇ 1) force and an n-type (AlGa) InP (x ⁇ z ⁇ 1) It has a structure sandwiched between the n-type cladding layer 4 which also has a strong force.
  • an n-type AlGalnP cladding layer 4 is disposed on the first main surface side (upper side of the drawing), and a p-type AlGalnP cladding layer 6 is disposed on the second main surface side (lower side of the drawing). Have been.
  • non-doped means “does not add a positive electrode of a dopant”, and a dopant that is inevitably mixed in a normal manufacturing process. It does not exclude the inclusion of punt components (for example, the upper limit is about 1 X 10 13 — 1 X 10 16 Zcm 3 )!
  • the light emitting layer portion 24 is grown by the MOVPE method.
  • each of the n-type cladding layer 4 and the p-type cladding layer 6 is, for example, not less than 0.8 ⁇ m and not more than 4 ⁇ m (preferably not less than 0.8 m and not more than 2 m).
  • the thickness is for example 0.
  • the entire thickness of the light emitting layer portion 24 is, for example, 2 ⁇ m or more and 10 ⁇ m or less (preferably 2 ⁇ m or more and 5 ⁇ m or less).
  • the transparent thick-film semiconductor layer 90 functions as a support substrate for the thin light-emitting layer portion 24 and also functions as a layer for extracting light emitted from the light-emitting layer portion 24, and is 10 ⁇ m or more and 200 ⁇ m or less ( When formed into a thick film (preferably 40 m or more and 100 m or more), it plays a role in increasing the luminous flux extracted from the side surface of the layer and increasing the luminance (integrated sphere luminance) of the entire light emitting device.
  • the light-emitting layer section 24 is made of a group III-V compound semiconductor having a band gap energy larger than the photon energy corresponding to the peak wavelength of the luminous flux of the luminous flux of 24 forces, specifically, GaP, GaAsP or AlGaAs.
  • Light absorption in the transparent thick semiconductor layer 90 is also suppressed.
  • This transparent thick semiconductor layer 90 is grown by the HVPE method (GaP and GaAsP are particularly suitable for the manufacture by the HVPE method), and its H concentration is determined by the MOVPE method. It can be set lower than the density (usually about 15 ⁇ 10 17 Zcm 3 ).
  • the transparent thick film semiconductor layer 90 is a p-type, and the light emitting layer section 24 laminated thereon is also a p-type transparent thick film semiconductor layer 90.
  • the p-type clad layer 6, the active layer 5, and the n-type clad The layers are stacked in order of layer 4.
  • the transparent thick film semiconductor layer 90 may be n-type, and the light-emitting layer portion 24 may be stacked in the reverse order.
  • a connection layer 92 also having a GaP (or GaAsP or AlGaAs) layer strength is provided between the transparent thick semiconductor layer 90 made of a GaP (or GaAsP or AlGaAs) layer and the light emitting layer section 24.
  • the light emitting layer portion 24 is formed by the MOVPE method.
  • the connection layer 92 has a lattice constant difference (and hence a mixed crystal ratio) between the light emitting layer portion 24 made of A1 GalnP and the transparent thick film semiconductor layer 90 also having a GaP (GaAsP or AlGaAs! /) Layer force. ) May be used as an AlGal nP layer that changes gradually.
  • a current spreading layer 91 made of AlGaAs or AlGalnP is formed by MOVPE to a thickness smaller than that of the transparent thick semiconductor layer 90.
  • the current diffusion layer 91 functions as a layer that forms a main light extraction surface on the first main surface side of the light emitting layer portion 24, and covers the light extraction surface side metal so as to cover a part of the main light extraction surface. Electrodes 9 are formed. Therefore, the transparent thick semiconductor layer 90 is provided only on the second main surface side of the light emitting layer section 24. One end of an electrode wire 17 is joined to the light extraction surface side metal electrode 9.
  • the current diffusion layer 91 preferably has an effective carrier concentration (ie, n-type dopant concentration) adjusted to be higher than that of the cladding layer 4. Is 1 m or more and 15 m or less). It is to be noted that the current spreading layer 91 may be omitted and a structure in which the thickness of the cladding layer 4 is increased instead may be adopted. In this case, it can be seen that the thickness of the cladding layer 4 has increased, and the thickness of the cladding layer 4 does not change, and instead, a current diffusion layer made of the same AlGalnP color as the cladding layer 6 is formed. It can also be seen as a result. In this case, it is desirable that the effective carrier concentration (that is, the n-type dopant concentration) of the cladding layer 4 is adjusted to be higher in the surface layer portion on the light extraction surface side metal electrode 9 side than in the remaining portion.
  • the effective carrier concentration that is, the n-type dopant concentration
  • the entire surface of the second main surface of the transparent thick film semiconductor layer 90 is covered with the back electrode 15 having the same force as the Au electrode.
  • the back electrode 15 also serves as a reflective layer for the luminous flux that is transmitted from the light emitting layer section 24 through the transparent thick semiconductor layer 90, and contributes to an improvement in light extraction efficiency.
  • a bonding alloying layer 15c made of a color such as an AuBe alloy is dispersed and formed in a dot shape to reduce the contact resistance between them. .
  • the reflectivity of the bonding alloying layer 15c is slightly reduced due to alloying with the compound semiconductor layer forming the transparent thick film semiconductor layer 90. It is a direct reflection surface by the back electrode 15.
  • a bonding alloying layer 9a made of a color such as an AuGeNi alloy is formed.
  • the thickness of the current diffusion layer 91 disposed on the main light extraction surface side is relatively small, so that the current diffusion effect in the plane of the current diffusion layer 91 is further increased.
  • the dopant concentration of the current diffusion layer 91 (which becomes a majority carrier source) should be higher than the dopant concentration of the transparent thick film semiconductor layer 90 (for example, 2 ⁇ 10 18 / cm 3 or more and 5 ⁇ 10 19 / cm 3). The following is desirable.
  • the thickness of the transparent thick film semiconductor layer 90 is sufficiently large, it is possible to easily obtain a sheet resistance value that does not hinder light emission driving even if the dopant concentration is not so increased.
  • a transparent thick film semiconductor is used.
  • the overall dopant concentration of layer 90 has been adjusted to a relatively low level between 5 ⁇ 10 16 Zcm 3 and 2 ⁇ 10 18 Zcm 3 . That is, the entire transparent thick film semiconductor layer 90 is used as a driving control region.
  • an n-type GaAs single crystal substrate 1 is prepared as a growth substrate.
  • an n-type GaAs buffer layer 2 is formed on one main surface of the substrate 1 by, for example, 0.5 m, and an n-type AlGaAs current diffusion layer 91 is formed by, for example, 5 ⁇ m. It grows in the epitaxial.
  • n-type dopant is Si
  • active layer non-doped
  • p-type dopant is Mg: organometallic molecular force
  • C can also contribute as a p-type dopant) in this order.
  • Each dopant concentration of the p-type cladding layer 6 and the n-type cladding layer 4 is, for example, not less than 1 ⁇ 10 17 Zcm 3 and not more than 2 ⁇ 10 18 Zcm 3 .
  • a connection layer 92 is epitaxially grown on the p-type cladding layer 6.
  • the main surface on the side facing the substrate 1 is the first main surface.
  • Epitaxial growth of each of the above layers is performed by a known MOVPE method.
  • the following material gases can be used as the source of each component of Al, Ga, In (indium), and P (phosphorus).
  • A1 source gas trimethyl aluminum (TMA1), triethyl aluminum (TEA1), etc .
  • Ga source gas trimethyl gallium (TMGa), triethyl gallium (TEGa), etc.
  • TMP Trimethyl phosphorus
  • TEP triethyl phosphorus
  • PH phosphine
  • a transparent thick semiconductor layer 90 made of p-type GaP (or GaAsP) is grown by HVPE.
  • the HVPE method is specifically a group III element in a container
  • the GaCl is generated by the reaction of the following formula (1) by introducing the chloride hydrogen onto the Ga while heating and holding the Ga at a predetermined temperature, and the GaCl is formed on the substrate together with the H gas as a carrier gas.
  • the growth temperature is set to, for example, 640 ° C or higher and 860 ° C or lower.
  • P which is a group V element, supplies PH together with H, which is a carrier gas, onto the substrate.
  • H which is a carrier gas
  • the punt, Zn is supplied in the form of DMZn (dimethyl Zn). GaCl reacts with PH
  • the transparent thick film semiconductor layer 90 can be efficiently grown by the reaction of the following formula (2).
  • AsH is used together with PH, and the growth temperature is set slightly lower at 770-830 ° C.
  • the transparent thick semiconductor layer 90 when the transparent thick semiconductor layer 90 is grown by the HVPE method, its dopant excessively diffuses to the light emitting layer portion 24 side, or the dopant profile of the light emitting layer portion 24 deteriorates due to thermal diffusion (for example, the light emitting layer portion). Diffusion of the dopant in the cladding layers 6 and 4 included in the active layer 5 into the active layer 5) causes less problems such as lowering of light emission performance.
  • the process proceeds to step 5 in FIG. 4, and the GaAs substrate 1 (and the buffer layer 2) is etched using an etching solution such as a mixed solution of ammonia and hydrogen peroxide. It is removed by chemical etching to obtain a wafer with the current diffusion layer 91 exposed.
  • the bonding alloying layer is formed on the first main surface of the current spreading layer 91 and the second main surface of the transparent thick film semiconductor layer 90 by sputtering or vacuum evaporation.
  • a metal layer for forming is formed, and a heat treatment for alloying (a loose sintering process) is performed to form bonding alloyed layers 9a and 15c.
  • the light extraction surface side electrode 9 and the back surface electrode 15 are formed so as to cover these bonding alloy layers 9a and 15c, respectively.
  • the wafer after forming the electrodes is separated into individual device chips by dicing.
  • a processing damage layer 90 d having a predetermined thickness is formed on the side surface of the transparent thick film semiconductor layer 90. Included in 90d Since a large number of crystal defects cause current leakage and scattering when light emission is conducted, the processing damage layer 90d is removed by etching.
  • An aqueous solution of sulfuric acid and hydrogen peroxide is used as an etchant.
  • the aqueous solution for example, one having a weight ratio of sulfuric acid: peroxide / hydrogen: water of 20: 1: 1 can be used, and the liquid temperature is adjusted to 30 ° C. or more and 60 ° C. or more.
  • the luminous flux extracted from the side surface portion 90S is significantly reduced unless the damaged layer 90d forming the side surface is removed by etching.
  • the thickness of the transparent thick-film semiconductor layer 90 is increased, light extraction from the side surface is hindered by the processing damage layer 90d, although the area of the side surface is increased.
  • the increase in the luminance of the integrating sphere of the element with respect to the film thickness reaches a plateau at a small film thickness level of about 20 m. That is, there is almost no merit in thickening the transparent thick semiconductor layer 90. This tendency hardly changes even when the dopant concentration of the transparent thick semiconductor layer 90 changes.
  • the processing damage layer 90d which hinders light extraction is removed, so that light extraction of side force is remarkable, and the thickness of the transparent thick semiconductor layer 90 is increased. It is expected that the brightness of the integrating sphere increases as the amount of heat increases. However, when a dopant exceeding 2 ⁇ 10 18 Zcm 3 is added to the transparent thick semiconductor layer 90, the increase in the brightness of the integrating sphere with the increase in the film thickness is so large contrary to expectations, as shown by the dashed line in FIG. I knew it wasn't.
  • the processing damage layer 90d cannot be sufficiently removed, and the remaining processing damage layer 90d ′ hinders light extraction.
  • the thickness of the transparent thick semiconductor layer 90 is reduced. This is considered to be because the luminance enhancement effect commensurate with the above cannot be obtained (the case where the dopant concentration is 1 ⁇ 10 19 Zcm 3 is illustrated).
  • the dopant concentration of the transparent thick film semiconductor layer 90 at a low value of 2 ⁇ 10 18 Zcm 3 or less, the damaged layer 90d can be removed smoothly and sufficiently.
  • the thickness of the transparent thick film semiconductor layer 90 increases, the effect of improving light extraction from the side surface becomes remarkable, and as shown by a solid line in FIG.
  • the transparent thick film semiconductor layer 90 may be separately prepared as a GaP or GaAsP single crystal substrate 90 ′, and may be bonded to the light emitting layer section 24.
  • a single crystal substrate 90 'that also has a GaP (or GaP or GaAsP) force is superimposed and pressed on the bonding surface side of the light emitting layer portion 24, and is pressed at 100 ° C or more in that state.
  • heat treatment at 700 ° C or less, direct bonding can be performed.
  • the transparent thick film semiconductor layer 90 is disposed on the first main surface side of the light emitting layer portion 24, and the first main surface of the transparent thick film semiconductor layer 90 is As the main light extraction surface, a light extraction surface side metal electrode 9 may be disposed so as to cover a part thereof. By doing so, the current spreading layer effect on the main light extraction surface side can be greatly enhanced by the transparent thick film semiconductor layer 90.
  • a first transparent thick film semiconductor layer 90 made of p-type GaP may be GaAsP or AlGaAs
  • HVPE method is formed on the first main surface side of the light emitting layer portion 24 by the HVPE method.
  • reference numeral 92 is a connection layer by the MOVPE method similar to reference numeral 92 in FIG. 1).
  • the order of lamination of the respective layers 4 and 16 of the light emitting layer portion 24 as viewed from the main light extraction surface side is reverse to that of FIG. 1, and the light extraction surface side metal electrode 9 and the first transparent thick film semiconductor layer 90 Between them, a bonding alloying layer 9a using an AuBe alloy is arranged.
  • a second transparent thick film semiconductor layer 20 made of n-type GaP (which may be GaAsP or AlGaAs) is formed on the second main surface side of the light emitting layer portion 24 by laminating a single crystal substrate. .
  • a bonding alloying layer 15c using an AuGeNi alloy is dispersedly formed in a dot shape, and is covered with the back electrode 15.
  • First transparent thick semiconductor layer 90 and the second transparent thick semiconductor layer 20 are both dopant concentration is adjusted to 2 X 10 18 Zcm 3 or less 5 X 10 1 6 Zcm 3 or more, the side surface portion 90S, the 20S Each is a chemically etched surface from which the processing damage layer of dicing has been removed.
  • the light emitting layer portion 24 is formed by epitaxial growth on the second main surface side (here, the n-type cladding layer 4 side) on the GaAs substrate.
  • a second transparent surface is formed on the second main surface side (here, the second main surface of the connection layer 20p).
  • the thick semiconductor layer 20 can be bonded.
  • the second transparent thick film semiconductor layer 20 may be epitaxially grown by the HVPE method!
  • the light emitting element 300 in FIG. 9 is different from the light emitting element 200 in FIG. 8 in that instead of bonding the second transparent thick film semiconductor layer 20 to the second main surface side of the light emitting layer section 24, Au or Ag (or these This is a configuration in which a metal reflective layer 10 made of an alloy mainly composed of) is disposed.
  • the luminous flux from the light emitting layer portion 24 is reflected by the metal reflection layer 10 to the main light extraction surface side, thereby realizing a light emitting element having high directivity on the main light extraction surface side.
  • the conductive Si substrate 7 is bonded to the second main surface of the light emitting layer section 24 via the metal reflection layer 10.
  • the back electrode 15 is formed on the second main surface of the Si substrate 7, but since the back electrode 15 does not form a reflective surface, the bonding metal layer 15d is formed on the entire second main surface of the Si substrate 7. ing.
  • a dot-like joining alloying layer 32 (for example, having an AuGeNi alloy force) is dispersedly formed.
  • each of the light emitting devices 200 and 300 shown in FIGS. 8 and 9 instead of using the transparent thick film semiconductor layer 90 on the main light extraction surface side as an epitaxy growth layer by the HVPE method, a single crystal is used. It can also be formed by bonding substrates.
  • the back electrode 15 can be replaced with an Ag paste layer.
  • the active layer 5 of the light-emitting layer portion 24 has a single-layered force. This can be configured as a quantum well structure in which a plurality of compound semiconductor layers having different band gap energies are stacked. .
  • the entirety of the transparent thick film semiconductor layer 90 (20) is formed in a doping control region in which the dopant concentration is controlled to 5 ⁇ 10 16 Zcm 3 or more and 2 ⁇ 10 18 Zcm 3 or less.
  • the thickness of the transparent thick film semiconductor layer 90 (20) is partially increased (preferably within 50% of the total thickness), and the dopant concentration exceeds 2 ⁇ 10 18 Zcm 3 .
  • It can also be a layer area.
  • the contact resistance with the back surface electrode 15 is further improved. Can be lowered.

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Abstract

　発光素子１００は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる発光層部２４と、該発光層部２４の少なくとも一方の主表面側に形成され、発光層部２４からの発光光束のピーク波長に相当する光量子エネルギーよりも大きなバンドギャップエネルギーを有するＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる厚さ４０μｍ以上の透明厚膜半導体層９０とを有する。透明厚膜半導体層９０は、側面部９０Ｓが化学エッチング面とされ、かつ、該透明厚膜半導体層９０のドーパント濃度が５×１０１６／ｃｍ３以上２×１０１８／ｃｍ３以下とされる。これにより、透明厚膜半導体層を有するとともに、その側面部からの光取り出し効率を飛躍的に高めることができる発光素子を提供する。

Description

明 細 書
発光素子及びその製造方法
技術分野
[0001] この発明は発光素子及びその製造方法に関する。
背景技術
[0002] (Al Ga ) In P混晶（ただし、 0≤x≤ 1, 0≤y≤ 1；以下、 AlGalnP混晶、ある いは単に AlGalnPとも記載する）により発光層部が形成された発光素子は、薄い A1 GalnP活性層を、それよりもバンドギャップの大き 、n型 AlGalnPクラッド層と p型 A1 GalnPクラッド層とによりサンドイッチ状に挟んだダブルへテロ構造を採用することに より、高輝度の素子を実現できる。発光層部への通電は、素子表面に形成された金 属電極を介して行なわれる。金属電極は遮光体として作用するため、例えば発光層 部の第一主表面を主表面の中央部のみを覆う形で形成され、その周囲の電極非形 成領域から光を取り出すようにする。
[0003] この場合、金属電極の面積をなるベく小さくしたほうが、電極の周囲に形成される光 漏出領域の面積を大きくできるので、光取り出し効率を向上させる観点において有利 である。従来、電極形状の工夫により、素子内に効果的に電流を拡げて光取り出し 量を増加させる試みがなされて 、るが、この場合も電極面積の増大は 、ずれにしろ 避けがたぐ光取り出し面積の減少により却って光取り出し量が制限されるジレンマに 陥っている。また、クラッド層のドーパントのキャリア濃度ひいては導電率は、活性層 内でのキャリアの発光再結合を最適化するために多少低めに抑えられており、面内 方向には電流が広がりにくい傾向がある。これは、電極被覆領域に電流密度が集中 し、光漏出領域における実質的な光取り出し量が低下してしまうことにつながる。そこ で、クラッド層と電極との間に、クラッド層よりもドーパント濃度を高めた低抵抗率の電 流拡散層を形成する方法が採用されている。他方、半導体単結晶基板の貼り合わせ 等により、厚膜かつ低抵抗率の透明半導体層を素子裏面側に配置し、素子基板に 兼用させる構成も提案されている（特開 2001— 68731号公報)。いずれの場合も、電 流拡散層ないし透明半導体層を、その厚みを一定以上に増加した透明厚膜半導体 層として形成すれば、素子面内の電流拡散効果が向上するば力りでなぐ層側面か らの光取り出し量も増加するので、光取り出し効率をより高めることができるようになる
[0004] ところで、上記のような透明厚膜半導体層を有した発光素子を製造する場合、該透 明厚膜半導体層を有したゥエーハを作製し、そのゥエーハをダイシングして個々の素 子チップに分離する方法が採用される。このダイシング時において切断面となる素子 側面部には加工ダメージ層が形成され、該加工ダメージ層に含まれる多数の結晶欠 陥が電流リークや散乱の原因となるため、ダイシング後に該加工ダメージ層をィ匕学ェ ツチングにより除去することが行なわれている。
[0005] し力しながら、発光層部と透明厚膜半導体層とは化学的な組成が異なるため、公知 の化学エッチングによる加工ダメージ層の除去力 S、必ずしもリーク電流では判断でき ず、これら層の側面部からの光取り出し効率も結果的に十分に改善できない状況を 招いていた。また、側面部のエッチング効果を高めるために、過剰に強い化学エッチ ングを行なう方法は、素子主表面の面荒れや形成済みの金属電極の損傷などを招 き、素子の性能劣化につながるので採用することができない。
[0006] 本発明の課題は、透明厚膜半導体層を有するとともに、その側面部からの光取り出 し効率を飛躍的に高めることができる発光素子と、その製造方法を提供することにあ る。
発明の開示
[0007] 上記の課題を解決するために、本発明の発光素子は、
III V族化合物半導体力 なる発光層部と、該発光層部の少なくとも一方の主表面 側に形成され、発光層部からの発光光束のピーク波長に相当する光量子エネルギ 一よりも大きなバンドギャップエネルギーを有する ΠΙ— V族化合物半導体力 なる厚さ 10 μ m以上の透明厚膜半導体層とを有し、
透明厚膜半導体層の側面部が化学エッチング面とされ、かつ、該透明厚膜半導体 層中に、ドーパント濃度が 5 X 1016Zcm3以上 2 X 1018Zcm3以下に制御されたドー ビング制御領域が 10 μ m以上の厚さにて形成されてなることを特徴とする。
[0008] また、本発明の発光素子の製造方法は、 III V族化合物半導体力 なる発光層部と、該発光層部の少なくとも一方の主表面 側に形成され、発光層部からの発光光束のピーク波長に相当する光量子エネルギ 一よりも大きなバンドギャップエネルギーを有する m— V族化合物半導体力 なる厚さ
10 μ m以上の透明厚膜半導体層とを有するゥエーハを作製し、該ゥエーハをダイシ ングして個々の素子チップに分離するとともに、
該透明厚膜半導体層中に、ドーパント濃度が 5 X 1016/cm3以上 2 X 1018/cm3 以下に制御されたドーピング制御領域を 10 m以上の厚さにて形成し、ダイシング 後において該透明厚膜半導体層の側面部に形成された加工ダメージ層をィ匕学エツ チングにより除去することを特徴とする。
[0009] 本発明に係る発光素子において、透明厚膜半導体層の厚さを 10 m以上に限定 しているのは、発光層部力 の発光光束を透明厚膜半導体層を介して取り出すに際 し、該層の側面力もの取出光束を増カロさせ、発光素子全体の輝度 (積分球輝度)を 高めるためである。また、その透明厚膜半導体層を、発光層部からの発光光束のピ ーク波長に相当する光量子エネルギーよりも大きなバンドギャップエネルギーを有す る ΙΠ - V族化合物半導体で構成するのは、透明厚膜半導体層での光吸収を抑制し、 光取り出し効率を高めるためである。透明厚膜半導体層の厚さは、望ましくは 以上とするのがよい。
[0010] 本発明者らが検討したところ、上記のような透明厚膜半導体層を形成する場合、該 透明厚膜半導体層中に、ドーパント濃度が 5 X 1016/cm3以上 2 X 1018/cm3以下 に制御されたドーピング制御領域を形成すると、上記化学エッチング後において、該 ドーピング制御領域の側面部分の光取り出し効率が飛躍的に向上し、発光素子の積 分球輝度を大幅に増カロさせることができる。なお、透明厚膜半導体層の厚さに特に 制限はないが、側面光取り出し効果の飽和や製造能率 (特に、透明厚膜半導体層を 、単結晶基板の貼り合わせではなく気相成長で形成する場合)を考慮すれば、厚さ の上限は 200 m (好ましくは 100 μ m)とすることが望ましい。
[0011] 上記のような発光素子を製造する場合、透明厚膜半導体層と発光層部とを有する ゥエーハを製造し、これをダイシングして個々の素子チップに分離する。このダイシン グ時には、透明厚膜半導体層の側面に切断面が表れ、所定厚さの加工ダメージ層 が形成される。光取り出しに際しては、該加工ダメージ層に含まれる多数の結晶欠陥 が電流リークや散乱の原因となるため、ダイシング後に該カ卩工ダメージ層をィ匕学エツ チングにより除去する必要がある。
[0012] 本発明にお 、ては、透明厚膜半導体層に、ドーパント濃度が 5 X 1016Zcm3以上 2
X 1018Zcm3以下に制御されたドーピング制御領域を、少なくとも 10 m以上の厚 さにて形成する。ドーパント濃度が 2 X 1018Zcm3以下の低い値に留められたドーピ ング制御領域では、過度の化学エッチングを施さずとも、加工ダメージ層をスムーズ かつ十分に除去できる。換言すれば、ダメージ層以外の素子部分 (例えば光取り出 し面側金属電極や、その周囲をなす半導体表面部分)を劣化させることなぐ加エダ メージ層は十分に除去できる結果、エッチング後の積分球輝度が劇的に向上し、極 めて高性能の発光素子が実現するものと考えられる。この効果はドーピング制御領 域の厚さが大きいほど顕著となり、具体的にはドーピング制御領域の厚さが 40 m 以上であることがより望ましい。なお、透明厚膜半導体層の全厚さ部分をドーピング 制御領域としてもょ 、し、透明厚膜半導体層の一部厚さ部分のみをドーピング制御 領域とすることも可能である。しかし、素子全体の光取り出し効率向上を図る上では、 側面部からの光取り出し効率の良好なドーピング制御領域が、透明厚膜半導体層の なるべく多くの厚さ部分を占めていることがより望ましいといえ、例えば該透明厚膜半 導体層の厚さの 50%以上がドーピング制御領域となっていることが望ましい。以上か ら、透明厚膜半導体層の側面からの光取り出し効率を高めるためには、透明厚膜半 導体層の厚さが 40 m以上であり、かつ、該透明厚膜半導体層中のドーピング制御 領域の厚さが 40 μ m以上であることがより望ま U、と 、える。
[0013] 透明厚膜半導体層が後述のごとぐ GaP、 GaAsP及び AlGaAsのいずれかにて構 成される場合、化学エッチングのエツチャントとしては、硫酸 過酸化水素水溶液を使 用することが、ダメージ層除去効果、ひいてはそれによる積分球輝度向上効果が特 に顕著であり、本発明に効果的に使用できる。
[0014] 透明厚膜半導体層のドーピング制御領域は、ドーパント濃度が低く抑制される結果 、電気比抵抗は幾分上昇することになるが、側面光取り出し効率向上を図る目的で 1 0 m以上の厚膜に形成されている結果、ドーパント濃度が低いにもかかわらず十分 に低いシート抵抗を確保することができ、高濃度にドーパントを添加した半導体と遜 色ない電流拡散効果も、容易に達成することができる。ただし、ドーピング制御領域 のドーパント濃度が 5 X 1016Zcm3未満になると、シート抵抗の増加が避け難くなり、 発光層部に通電する際の電流拡散効果が不十分となって積分球輝度の低下を招く ことにつながる。従って、ドーピング制御領域のドーパント濃度は 5 X 1016Zcm3以上 2 X 1018/cm3以下に設定するのがよぐより望ましくは 1 X 1017/cm3以上 1 X 1018 Zcm3以下に設定するのがよ 、。
[0015] 上記本発明の発光素子においては、発光層部の一方の主表面を第一主表面とし て、該第一主表面側に主光取り出し面を形成し、該主光取り出し面の一部を覆う形 で光取り出し面側金属電極を配置し、透明厚膜半導体層を発光層部の第二主表面 側にのみ設ける構成とすることができる。透明厚膜半導体層を発光層部の第二主表 面側にのみ設けることで、発光素子全体の層厚を減少させることができる。これにより 、素子を発光通電したときのジュール発熱に対する層厚方向の放熱が促進され、ひ いては素子寿命を向上させることができる。また、透明厚膜半導体層が発光層部の 片面にだけ設けられるので、素子の製造コスト削減にも寄与する。特に、高輝度表示 素子 (例えば交通信号用あるいは大画面ディスプレイ用など）、あるいは照明用素子 等の大電流型面発光素子においては、素子厚削減による放熱改善及びコスト削減 の波及効果が著しい。なお、素子の「光取り出し面」とは、発光光束が外部に取り出し 可能となっている素子表面のことであり、「主光取り出し面」とは、発光層部を含む素 子積層体の主表面に形成される光取り出し面のことである。また、上記主光取り出し 面以外にも、透明厚膜半導体層の側面などが光取り出し面を構成する。そして、本 明細書においては、発光層部の 2つある主表面のうち、光取り出し面となる側が一方 のみである場合、第一主表面は、その光取り出し面を与える側の面として統一的に 記載する。
[0016] 発光層部の第二主表面側にのみ透明厚膜半導体層を設ける構成は、素子の放熱 改善に非常に顕著に寄与するが、第一主表面側 (主光取り出し面側)の半導体層厚 は薄くならざるを得ない。そこで、以下のような態様を採用することにより、該主光取り 出し面側の電流拡散状態を良好に確保し、ひ 、ては主光取り出し面領域にて発光 層部を偏りなく発光駆動して積分球輝度のさらなる向上を図ることができる。
(1)第一導電型クラッド層上に、該第一導電型クラッド層と異なる組成の化合物半導 体により第二主表面側の透明厚膜半導体層よりも薄い電流拡散層を形成する。該電 流拡散層は、第一導電型クラッド層よりも有効キャリア濃度を高めておくことで、電流 拡散効果をより顕著なものとすることができる。
(2)第一導電型クラッド層が第二導電型クラッド層よりも厚ぐかつ透明厚膜半導体層 よりも薄く形成する。この場合、第一導電型クラッド層の第一主表面側の部分が電流 拡散層の役割を果たしていると見ることもでき、該部分の有効キャリア濃度を残余の 部分よりも高めておくことで、電流拡散効果をより顕著なものとすることができる。
[0017] 次に、透明厚膜半導体層を発光層部の第一主表面側に配置し、該透明厚膜半導 体層の第一主表面を主光取り出し面として、その一部を覆う形で光取り出し面側金 属電極を配置することもできる。このようにすると、透明厚膜半導体層により主光取り 出し面側の電流拡散層効果を大幅に高めることができる。この場合、発光層部の第 二主表面側に金属反射層を配置することができる。発光層部からの発光光束を金属 反射層によって主光取り出し面側に反射させることで、主光取り出し面な 、し該主光 取り出し面をなす透明厚膜半導体層の側面力もの取出光束を増加することができ、 主光取り出し面側の指向性が極めて高い高輝度の発光素子を実現することができる 。他方、透明厚膜半導体層として、発光層部の第一主表面側に第一透明厚膜半導 体層を、同じく第二主表面側に第二透明厚膜半導体層をそれぞれ設けることも可能 である。このようにすると、本発明特有の透明厚膜半導体層が 2つ設けられることによ り、側面力 の光取り出し効率と電流拡散効果とがさらに向上し、素子の積分球輝度 のさらなる増加に寄与する。
[0018] 発光層部は、 AlGalnP力もなるダブルへテロ構造を有するものとして構成できる。
AlGalnPは、 GaAs単結晶基板上にェピタキシャル成長が可能な（Al Ga ) In
P (0≤x≤l, 0<y≤l)混晶化合物のことであり、混晶比 x, yの選択によっては含有 されない III族元素を生ずることもある力 本明細書では、こうした場合も総称して「A1 GaInP」と記載するものとする（従って、 Al、 Ga及び Inの 3つの III族元素を全て含有 することを、必ずしも意味しない場合がある）。 AlGalnP混晶化合物は、上記混晶比 x及び yを調整することにより、 GaAs単結晶基板と整合する格子定数を維持したまま 、例えば 520nm以上 670nm以下の範囲で、高発光強度を維持しつつ発光波長を 容易に調整することができる。この場合、 GaPあるいは GaAsPはバンドギャップが比 較的広いため、該 AlGalnP系発光層部からの発光光束に対して良好な光透過性を 有し、光取り出し効率を高めることができる。
[0019] 透明厚膜半導体層は、発光層部に貼り合わされた III V族化合物半導体力 なる 単結晶基板とすることが可能である。例えば発光層部を AlGalnPにて構成する場合 、 GaP、 GaAsP又は AlGaAsからなる単結晶基板を該発光層部に重ね合わせ、 10 0°C以上 700°C以下の比較的低温で貼り合わせ熱処理することにより、該単結晶基 板を発光層部に直接貼り合せることができ、透明厚膜半導体層を簡便に形成するこ とがでさる。
[0020] 一方、透明厚膜半導体層は、発光層部に対しハイドライド気相成長法によりェピタ キシャル成長したものとして構成することができる。ノ、イドライド気相成長法 (Hydride Vapor Phase Epitaxial Growth Method:以下、 HVPE法という）は、蒸気圧の低い Ga (ガリウム）を塩ィ匕水素との反応により気化しやすい GaClに転換し、該 GaClを媒介と する形で V族元素源ガスと Gaとを反応させることにより、 III - V族化合物半導体層の 気相成長を行なう方法である。例えば、 AlGalnP力もなる発光層部は、有機金属気 相成長法（Metal Organic Vapor Phase Epitaxy:以下、 MOVPE法ともいう） 〖こより开 成されるが、 MOVPE法による層成長速度は例えば約 4 mZ時程度と小さぐ薄い 発光層部の成長には適していても、 40 m以上もの厚さを有する透明厚膜半導体 層の成長には、能率の点で明らかに不利である。これに対して、 HVPE法の層成長 速度は例えば約 9 mZ時と MOVPE法の 2倍以上にも及び、 HVPE法によると層 成長速度を MOVPE法よりも大きくでき、透明厚膜半導体層を非常に高能率にて形 成できるほか、高価な有機金属を使用しないので、原材料費を MOVPE法よりもはる かに低く抑えることができる。
図面の簡単な説明
[0021] [図 1]図 1は、本発明の発光素子の一例を積層構造にて示す模式図。
[図 2]図 2は、図 1の発光素子の製造工程を示す説明図。 [図 3]図 3は、図 2に続く説明図。
[図 4]図 4は、図 3に続く説明図。
[図 5]図 5は、透明厚膜半導体層の側面の加工ダメージ層の化学エッチングによる除 去状態が、透明厚膜半導体層のドーパント濃度によって変化する様子を説明する図
[図 6]図 6は、加工ダメージ層の除去前と除去後の、素子の積分球輝度が、透明厚膜 半導体層の厚さ及びドーパント濃度によってどのように変化するかを例示するグラフ
[図 7]図 7は、透明厚膜半導体層を単結晶基板の貼り合わせにより形成する例を示し た模式図。
[図 8]図 8は、発光層部の両主表面に、第一及び第二の透明厚膜半導体層を設けた 発光素子の例を示す断面図。
[図 9]図 9は、主光取り出し面側に透明厚膜半導体層を設け、反対側に金属層を設け た発光素子の例を示す断面図。
発明を実施するための最良の形態
[0022] 以下、本発明を実施するための最良の形態を添付の図面を参照して説明する。
図 1は、本発明の一実施形態である発光素子 100を示す概念図である。発光素子 100は、 ΠΙ - V族化合物半導体からなる発光層部 24と、該発光層部 24の第二主表 面側に形成され、発光層部 24からの発光光束のピーク波長に相当する光量子エネ ルギ一よりも大きなバンドギャップエネルギーを有する III V族化合物半導体力 な る透明厚膜半導体層 90とを有する。
[0023] 発光層部 24は、ノンドープ (Al Ga ) In P (ただし、 0≤x≤0. 55, 0. 45≤y≤
0. 55)混晶からなる活性層 5を、 p型 (Al Ga ) In P (ただし x< z≤ 1)力もなる p 型クラッド層 6と n型 (Al Ga ) In P (ただし x< z≤ 1)力もなる n型クラッド層 4とに より挟んだ構造を有する。図 1の発光素子 100では、第一主表面側（図面上側）に n 型 AlGalnPクラッド層 4が配置されており、第二主表面側（図面下側）に p型 AlGaln Pクラッド層 6が配置されている。なお、ここでいう「ノンドープ」とは、「ドーパントの積 極添加を行なわない」との意味であり、通常の製造工程上、不可避的に混入するドー パント成分の含有 (例えば 1 X 1013— 1 X 1016Zcm3程度を上限とする）をも排除す るものではな!/、。この発光層部 24は MOVPE法により成長されたものである。
[0024] n型クラッド層 4及び p型クラッド層 6の厚さは、例えばそれぞれ 0. 8 μ m以上 4 μ m 以下（望ましくは 0. 8 m以上 2 m以下）であり、活性層 5の厚さは例えば 0.
以上 2 μ m以下（望ましくは 0. 4 μ m以上 1 μ m以下）である。発光層部 24全体の厚 さは、例えば 2 μ m以上 10 μ m以下（望ましくは 2 μ m以上 5 μ m以下）である。
[0025] 透明厚膜半導体層 90は、薄い発光層部 24の支持基板の役割を果たすとともに、 発光層部 24からの発光光束の取出層としても機能し、 10 μ m以上 200 μ m以下（望 ましくは 40 m以上 100 m以上）の厚膜に形成されることで、層側面からの取出光 束を増加させ、発光素子全体の輝度 (積分球輝度)を高める役割を担う。また、発光 層部 24力 の発光光束のピーク波長に相当する光量子エネルギーよりも大きなバン ドギャップエネルギーを有する III V族化合物半導体、具体的には GaP、 GaAsP又 は AlGaAsにて構成されることで、該透明厚膜半導体層 90での光吸収も抑制されて いる。この透明厚膜半導体層 90は HVPE法により成長されたものであり（GaP及び G aAsPが HVPE法での製造に特に適している）、その H濃度は、 MOVPE法による p 型クラッド層 6の H濃度 (通常、 15 X 1017Zcm3程度)よりも小さく設定できる。本実施 形態において透明厚膜半導体層 90は p型であり、この上に積層される発光層部 24 は P型透明厚膜半導体層 90側力も p型クラッド層 6、活性層 5、 n型クラッド層 4の順で 積層されている。しかし、透明厚膜半導体層 90を n型として、発光層部 24の積層順 を上記の逆順としてもよい。
[0026] なお、 GaP (GaAsP又は AlGaAsでもよ ヽ)層からなる透明厚膜半導体層 90と発 光層部 24との間には、 GaP (GaAsP又は AlGaAsでもよい）層力もなる接続層 92が 、発光層部 24に続く形で MOVPE法により形成されてなる。なお、接続層 92は、 A1 GalnPからなる発光層部 24と、 GaP (GaAsP又は AlGaAsでもよ!/、）層力もなる透明 厚膜半導体層 90との間で、格子定数差 (ひいては混晶比)を漸次変化させる AlGal nP層としてもよ ヽ。
[0027] 次に、発光層部 24の第一主表面側には、 AlGaAs又は AlGalnPからなる電流拡 散層 91が MOVPE法により、透明厚膜半導体層 90よりも小さな膜厚で形成されてい る。つまり、該電流拡散層 91は、発光層部 24の第一主表面側において主光取り出し 面を形成する層として機能し、該主光取り出し面の一部を覆う形で光取り出し面側金 属電極 9が形成されている。従って、透明厚膜半導体層 90は、発光層部 24の第二 主表面側にのみ設けられた形となっている。光取り出し面側金属電極 9には、電極ヮ ィャ 17の一端が接合されている。電流拡散層 91は、有効キャリア濃度（つまり、 n型ド 一パント濃度）がクラッド層 4よりも高く調整されていることが望ましぐ厚さは、例えば 0 . 5 m以上 30 m以下（望ましくは 1 m以上 15 m以下）である。なお、電流拡散 層 91を省略し、代わりにクラッド層 4の厚さを増加させた構造とすることもできる。この 場合、クラッド層 4の厚さが増加したと見ることもできるし、クラッド層 4の厚さが変化せ ず、代わって、該クラッド層 6と同じ AlGalnPカゝらなる電流拡散層が形成されたものと して見ることもできる。この場合、クラッド層 4は、光取り出し面側金属電極 9側の表層 部において、残余の部分よりも有効キャリア濃度 (つまり、 n型ドーパント濃度）が高く 調整されて 、ることが望ま 、。
[0028] 透明厚膜半導体層 90の第二主表面の全面が Au電極等力もなる裏面電極 15にて 覆われている。該裏面電極 15は、発光層部 24から透明厚膜半導体層 90を透過して 到来する発光光束に対する反射層を兼ねており、光取り出し効率の向上に寄与して いる。また、裏面電極 15と透明厚膜半導体層 90との間には、両者の接触抵抗を低 減するための、 AuBe合金等カゝらなる接合合金化層 15cがドット状に分散形成されて いる。接合合金化層 15cは、透明厚膜半導体層 90をなす化合物半導体層との合金 化に伴い、反射率が多少低くなるため、これをドット状に分散形成し、その背景領域 を高反射率の裏面電極 15による直接反射面としてある。また、光取り出し面側金属 電極 9と電流拡散層 91との間には、 AuGeNi合金等カゝらなる接合合金化層 9aが形 成されている。
[0029] 上記素子の構成では、主光取り出し面側に配置される電流拡散層 91の厚さが比 較的小さいため、該電流拡散層 91の面内の電流拡散効果をさらに高めるために、該 電流拡散層 91の (多数キャリア源となる）ドーパント濃度を透明厚膜半導体層 90のド 一パント濃度よりも高めておくこと (例えば 2 X 1018/cm3以上 5 X 1019/cm3以下） が望ましい。 [0030] 他方、透明厚膜半導体層 90は厚さが十分に大きいため、ドーパント濃度をそれほ ど高めなくとも発光駆動に支障を生じないシート抵抗値を容易に得ることができる。そ して、後に詳述するように、ゥヱーハをダイシングして素子チップとした際に、側面部 9 OSに生ずる加工ダメージ層を除去するための化学エッチングを成功するために、透 明厚膜半導体層 90の全体のドーパント濃度を、 5 X 1016Zcm3以上 2 X 1018Zcm3 以下の比較的低いレベルに調整してある。つまり、透明厚膜半導体層 90の全体がド 一ビング制御領域とされて 、る。
[0031] 以下、図 1の発光素子 100の製造方法について説明する。
まず、図 2の工程 1に示すように、成長用基板として n型の GaAs単結晶基板 1を用 意する。次に、工程 2に示すように、その基板 1の一方の主表面に、 n型 GaAsバッフ ァ層 2を例えば 0. 5 m、さらに n型 AlGaAs電流拡散層 91を例えば 5 μ mにてェピ タキシャル成長させる。
[0032] 次いで、発光層部 24として、各々（Al Ga ) In Pよりなる、厚さ 1 μ mの η型クラ
1— 1—
ッド層 4 (n型ドーパントは Si)、厚さ 0. 6 μ mの活性層（ノンドープ） 5及び厚さ 1 μ mの P型クラッド層 6 (p型ドーパントは Mg：有機金属分子力もの Cも p型ドーパントとして寄 与しうる）を、この順序にてェピタキシャル成長させる。 p型クラッド層 6と n型クラッド層 4との各ドーパント濃度は、例えば 1 X 1017Zcm3以上 2 X 1018Zcm3以下である。さ らに、図 3の工程 3に示すように、 p型クラッド層 6上に接続層 92をェピタキシャル成長 する。なお、発光層部 24は、基板 1に面する側の主表面が第一主表面である。
[0033] 上記各層のェピタキシャル成長は、公知の MOVPE法により行なわれる。 Al、 Ga、 In (インジウム）、 P (リン)の各成分源となる原料ガスとしては以下のようなものを使用 できる。
• A1源ガス；トリメチルアルミニウム（TMA1)、トリェチルアルミニウム (TEA1)など； . Ga源ガス；トリメチルガリウム（TMGa)、トリェチルガリウム（TEGa)など；
• In源ガス；トリメチルインジウム（TMIn)、トリェチルインジウム（TEIn)など；
• P源ガス；トリメチルリン (TMP)、トリェチルリン（TEP)、ホスフィン（PH )など。
3
[0034] 図 3の工程 4に進み、 p型 GaP (GaAsPでもよい)よりなる透明厚膜半導体層 90を、 HVPE法により成長させる。 HVPE法は、具体的には、容器内にて III族元素である Gaを所定の温度に加熱保持しながら、その Ga上に塩ィ匕水素を導入することにより、 下記（1)式の反応により GaClを生成させ、キャリアガスである Hガスとともに基板上
2
に供給する。
Ga (液体） +HC1 (気体） → GaCl (気体） + 1Z2H · ' · · (1)
2
GaPの場合、成長温度は例えば 640°C以上 860°C以下に設定する。また、 V族元素 である Pは、 PHをキャリアガスである Hとともに基板上に供給する。さらに、 p型ドー
3 2
パントである Znは、 DMZn (ジメチル Zn)の形で供給する。 GaClは PHとの反応性
3
に優れ、下記（2)式の反応により、効率よく透明厚膜半導体層 90を成長させることが できる。
GaCl (気体） +PH (気体）
3
→GaP (固体） +HC1 (気体） +H (気体） · · · ·（2)
2
[0035] 一方、 GaAsP (GaAs P : 0. 5≤a≤0. 9)を採用する場合は、前記（2)式におい
1— a a
て、 PHとともに AsHが併用され、成長温度が 770— 830°Cとやや低めに設定され
3 3
る。従って、透明厚膜半導体層 90を HVPE法により成長する際に、そのドーパントが 発光層部 24側に過度に拡散したり、あるいは発光層部 24ドーパントプロファイルの 熱拡散による劣化 (例えば、発光層部 24に含まれるクラッド層 6, 4内のドーパントの 活性層 5内への拡散）により、発光性能を低下させたりする不具合がより生じにくい。
[0036] 透明厚膜半導体層 90の成長が終了したら、図 4の工程 5に進み、 GaAs基板 1 (及 びバッファ層 2)をアンモニア Z過酸ィ匕水素混合液などのエッチング液を用いて化学 エッチングすることにより除去し、電流拡散層 91が露出したゥエーハを得る。以上の 工程が終了すれば、工程 6に示すように、スパッタリングや真空蒸着法により、電流拡 散層 91の第一主表面及び透明厚膜半導体層 90の第二主表面に、接合合金化層 形成用の金属層をそれぞれ形成し、さらに合金化の熱処理 ( ヽゎゆるシンター処理） を行うことにより、接合合金化層 9a, 15cとする。そして、これら接合合金化層 9a, 15 cをそれぞれ覆うように、光取り出し面側電極 9及び裏面電極 15を形成する。続いて 、電極形成後のゥエーハを個々の素子チップに、ダイシングにより分離する。
[0037] 上記のダイシングにより、図 5の左下に示すように、透明厚膜半導体層 90の側面部 には、所定厚さの加工ダメージ層 90dが形成される。該カ卩工ダメージ層 90dに含まれ る多数の結晶欠陥は、発光通電時において電流リークや散乱の原因となるため、該 加工ダメージ層 90dをィ匕学エッチングにより除去する。エツチャントとしては硫酸一過 酸化水素水溶液を使用する。該水溶液としては、例えば硫酸:過酸ィ匕水素：水の重 量配合比率が 20 : 1： 1のものを使用でき、液温は 30°C以上 60°C以上に調整される。
[0038] 透明厚膜半導体層 90は、側面をなすカ卩工ダメージ層 90dをエッチングにより除去 しなければ、該側面部 90Sからの取出光束は著しく減少する。具体的には、透明厚 膜半導体層 90を厚膜化した場合、側面の面積が増加しているにもカゝかわらず、該側 面からの光取り出しが加工ダメージ層 90dにより妨げられるので、図 6に破線で示す ように、膜厚に対する素子の積分球輝度の増加が、 20 m前後の小さな膜厚のレべ ルで頭打ちとなってしまう。つまり、透明厚膜半導体層 90を厚膜ィ匕することのメリット がほとんどなくなってしまうのである。この傾向は、透明厚膜半導体層 90のドーパント 濃度が変化してもほとんど変わらない。
[0039] 一方、化学エッチングを施せば、光取り出しの妨げとなる加工ダメージ層 90dが除 去されるので、側面力 の光取り出しが顕著ィ匕し、透明厚膜半導体層 90の膜厚を増 カロさせるほど積分球輝度も増加することが期待される。しかし、透明厚膜半導体層 90 に 2 X 1018Zcm3を超えるドーパントを添加した場合、図 6に一点鎖線で示すように、 膜厚増大に伴う積分球輝度の増加は期待に反してそれほど大きくないことがわかつ た。
[0040] これは、図 5の右下に示すように、加工ダメージ層 90dが十分除去できなくなり、残 留した加工ダメージ層 90d'が光取り出しを妨げる結果、透明厚膜半導体層 90の層 厚に見合う輝度向上効果が得られなくなる（ドーパント濃度が 1 X 1019Zcm3の場合 を例示している）ためと考えられる。しかし、透明厚膜半導体層 90のドーパント濃度を 2 X 1018Zcm3以下の低い値に留めることで、ダメージ層 90dをスムーズかつ十分に 除去できる。その結果、透明厚膜半導体層 90の層厚が増カロしたときの、側面からの 光取り出し向上効果が著しくなり、図 6に実線にて示すように（ドーパント濃度が 1 X 1 018/cm3の場合を例示している）エッチング後の積分球輝度が劇的に向上し、とりわ け層厚が 40 m以上の領域では、化学エッチングをしない場合よりも 1. 5— 2倍近く も積分球輝度を増加させることができる。 [0041] 以下、本発明の発光素子の、種々の変形例について説明する（図 1の発光素子 10 0と同一構成部分には同一の符号を付与して詳細は省略し、相違点のみ説明する） 。まず、図 7に示すように、透明厚膜半導体層 90は、 GaPないし GaAsP単結晶基板 90'として別途用意し、発光層部 24に対して貼り合わせるようにしてもよい。発光層 部 24が AlGalnP力もなる場合、該発光層部 24の貼り合わせ面側に GaP (GaP又は GaAsPでもよい）力もなる単結晶基板 90'を重ね合わせて圧迫し、その状態で 100 °C以上 700°C以下にて熱処理することにより、直接貼り合わせを行なうことが可能で ある。
[0042] 次に、図 8の発光素子 200のように、透明厚膜半導体層 90を発光層部 24の第一 主表面側に配置し、該透明厚膜半導体層 90の第一主表面を主光取り出し面として、 その一部を覆う形で光取り出し面側金属電極 9を配置することもできる。このようにす ると、透明厚膜半導体層 90により主光取り出し面側の電流拡散層効果を大幅に高め ることができる。本実施形態の発光素子 200においては、発光層部 24の第一主表面 側に、 p型 GaP (GaAsP又は AlGaAsでもよ ヽ）カゝらなる第一透明厚膜半導体層 90 が HVPE法にてェピタキシャル成長されている（符号 92は、図 1の符号 92と同様の MOVPE法による接続層である）。また、主光取り出し面側からみた発光層部 24の各 層 4一 6の積層順は、図 1とは逆順とされ、光取り出し面側金属電極 9と第一透明厚膜 半導体層 90との間には、 AuBe合金を用いた接合合金化層 9aが配置されている。ま た、発光層部 24の第二主表面側には、 n型 GaP (GaAsP又は AlGaAsでもよい）力 らなる第二透明厚膜半導体層 20が、単結晶基板の貼り合わせにより形成されている 。第二透明厚膜半導体層 20の第二主表面には AuGeNi合金を用いた接合合金化 層 15cがドット状に分散形成され、裏面電極 15により被覆されている。第一透明厚膜 半導体層 90及び第二透明厚膜半導体層 20は、いずれも、ドーパント濃度が 5 X 101 6Zcm3以上 2 X 1018Zcm3以下に調整され、側面部 90S, 20Sがそれぞれ、ダイシ ングの加工ダメージ層を除去した化学エッチング面とされている。なお、発光層部 24 は GaAs基板上に第二主表面側（ここでは n型クラッド層 4側）力 ェピタキシャル成長 して形成されるが、該発光層部 24の該第二主表面側力も GaAs基板をエッチングに より除去した後、該第二主表面側 (ここでは、接続層 20pの第二主表面）に第二透明 厚膜半導体層 20を貼り合わせることができる。ただし、第二透明厚膜半導体層 20は HVPE法にてェピタキシャル成長してもよ!/、。
[0043] 図 9の発光素子 300は、図 8の発光素子 200において発光層部 24の第二主表面 側に第二透明厚膜半導体層 20を貼り合わせる代わりに、 Auあるいは Ag (ないしこれ らを主成分とする合金)からなる金属反射層 10を配置した構成である。発光層部 24 からの発光光束が金属反射層 10によって主光取り出し面側に反射され、主光取り出 し面側の指向性が高い発光素子が実現する。本実施形態では、発光層部 24の第二 主表面に、金属反射層 10を介して導電性の Si基板 7が貼り合わされている。 Si基板 7の第二主表面には裏面電極 15が形成されているが、該裏面電極 15は反射面を形 成しないため、接合金属層 15dは Si基板 7の第二主表面全面に形成されている。ま た、金属反射層 10と発光層部 24との間には、ドット状の接合合金化層 32 (例えば A uGeNi合金力 なる）が分散形成されて!、る。
[0044] 図 8及び図 9の発光素子 200, 300においては、いずれも、主光取り出し面側の透 明厚膜半導体層 90を、 HVPE法によるェピタキシャル成長層とする代わりに、単結 晶基板の貼り合わせにより形成することもできる。
[0045] また、図 1、図 8及び図 9の発光素子 100, 200, 300において、裏面電極 15は Ag ペースト層にて置き換えることも可能である。さらに、発光層部 24の活性層 5は単一 層として形成していた力 これを、バンドギャップエネルギーの異なる複数の化合物 半導体層が積層された、量子井戸構造を有するものとして構成することもできる。
[0046] さらに、上記実施形態では、いずれも透明厚膜半導体層 90 (20)の全体を、ドーパ ント濃度が 5 X 1016Zcm3以上 2 X 1018Zcm3以下に制御されたドーピング制御領 域として形成していたが、透明厚膜半導体層 90 (20)の一部の厚さ領域 (望ましくは 、全厚の 50%以下の範囲）を、ドーパント濃度が 2 X 1018Zcm3を超える層領域とす ることもできる。例えば、図 1の発光素子 100において、透明厚膜半導体層 90の裏面 電極 15と接する領域のドーパント濃度を 2 X 1018Zcm3を超える値に高めることで、 裏面電極 15との接触抵抗をより下げることができる。

Claims

請求の範囲
[l] m— v族化合物半導体力 なる発光層部と、該発光層部の少なくとも一方の主表面 側に形成され、前記発光層部からの発光光束のピーク波長に相当する光量子エネ ルギ一よりも大きなバンドギャップエネルギーを有する in— V族化合物半導体力 な る厚さ 10 m以上の透明厚膜半導体層とを有し、
前記透明厚膜半導体層の側面部が化学エッチング面とされ、かつ、該透明厚膜半 導体層中に、ドーパント濃度が 5 X 1016Zcm3以上 2 X 1018Zcm3以下に制御され たドーピング制御領域が 10 μ m以上の厚さにて形成されてなることを特徴とする発光 素子。
[2] 前記透明厚膜半導体層の厚さが 40 μ m以上であり、該透明厚膜半導体層中の前 記ドーピング制御領域の厚さが 40 μ m以上であることを特徴とする請求の範囲第 1 項に記載の発光素子。
[3] 前記発光層部の一方の主表面を第一主表面として、該第一主表面側に主光取り 出し面が形成され、該主光取り出し面の一部を覆う形で光取り出し面側金属電極が 配置されてなり、他方、前記透明厚膜半導体層が前記発光層部の第二主表面側に のみ設けられていることを特徴とする請求の範囲第 1項又は第 2項に記載の発光素 子。
[4] 前記透明厚膜半導体層が前記発光層部の第一主表面側に配置され、該透明厚膜 半導体層の第一主表面を主光取り出し面として、その一部を覆う形で光取り出し面 側金属電極が配置されてなることを特徴とする請求の範囲第 1項又は第 2項に記載 の発光素子。
[5] 前記発光層部の第二主表面側に金属反射層が配置されてなることを特徴とする請 求の範囲第 4項に記載の発光素子。
[6] 前記透明厚膜半導体層として、前記発光層部の第一主表面側に第一透明厚膜半 導体層が、同じく第二主表面側に第二透明厚膜半導体層がそれぞれ設けられてな ることを特徴とする請求の範囲第 4項に記載の発光素子。
[7] 前記発光層部が AlGalnP力もなるダブルへテロ構造を有し、前記透明厚膜半導体 層力 GaP、 GaAsP及び AlGaAsの!、ずれ力からなることを特徴とする請求の範囲第 1項な 、し第 6項の 、ずれか 1項に記載の発光素子。
[8] 前記透明厚膜半導体層は前記発光層部に対しハイドライド気相成長法によりェピ タキシャル成長されたものであることを特徴とする請求の範囲第 1項な 、し第 7項の ヽ ずれか 1項に記載の発光素子。
[9] 前記透明厚膜半導体層は前記発光層部に貼り合わされた ΠΙ - V族化合物半導体 力もなる単結晶基板であることを特徴とする請求の範囲第 1項ないし第 7項のいずれ 力 1項に記載の発光素子。
[10] III V族化合物半導体力 なる発光層部と、該発光層部の少なくとも一方の主表面 側に形成され、前記発光層部からの発光光束のピーク波長に相当する光量子エネ ルギ一よりも大きなバンドギャップエネルギーを有する III V族化合物半導体力 な る厚さ 10 m以上の透明厚膜半導体層とを有するゥエーハを作製し、該ゥエーハを ダイシングして個々の素子チップに分離するとともに、
前記透明厚膜半導体層中に、ドーパント濃度が 5 X 1016Zcm3以上 2 X 1018Zcm
3以下に制御されたドーピング制御領域を 10 m以上の厚さにて形成し、前記ダイシ ング後において該透明厚膜半導体層の側面部に形成された加工ダメージ層をィ匕学 エッチングにより除去することを特徴とする発光素子の製造方法。
[11] 前記透明厚膜半導体層は GaP、 GaAsP及び AlGaAsのいずれ力からなり、前記 化学エッチングのエツチャントとして硫酸一過酸ィ匕水素水溶液が使用されることを特 徴とする請求の範囲第 10項に記載の発光素子の製造方法。
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