专利名称：半导体发光元件及其制造方法和化合物半导体发光二极管的制作方法
技术领域：
本发明涉及在通信用和道路、线路、导向显示板或广告显示、便携式电话机、显示器的背光源和照明器具等所需要的作为发光体的半导体发光元件及其制造方法和化合物半导体发光二极管。
背景技术：
最近，作为一种半导体发光元件的半导体发光二极管(以下称为“LED”)的制造技术快速进步，特别是开发出蓝色LED以后，由于光三原色的LED齐全，通过该三原色LED的组合，就能合成所有波长的光。
因此，LED的应用范围迅速扩大，其中，在照明领域，应对提高环境、能源问题意识，作为代替电灯泡、荧光灯的自然光、白色光源而收到关注。
但是，现有的LED与电灯泡、荧光灯比较，光相对于投入能量的转换效率低，因此，不管波长如何，将转换效率更高的、辉度更高的LED作为目标的研究开发正在进行中。
以前，LED的高辉度化技术开发的中心在于外延生长技术，但随着多量子阱结构等的粘结结构优化等，晶体内部的发光效率(内部量子效率)变得充分高，外延生长技术已走向成熟。根据这样的背景，最近，LED高辉度化技术开发的中心逐渐转向工艺技术。
所谓依靠工艺技术实现的辉度提高，也就是提高向外部取出效率，可以举出元件形状微细加工技术、反射膜、透明电极等。其中，针对发红色、蓝色光的LED通过晶片粘结方法建立了几种方法，发明出高辉度型LED，并已投放市场。
这种晶片粘结的高辉度方法大致分为两种。一种是在外延层上直接或通过金属层粘贴硅、锗等不透明衬底的方法，另一种是在外延层上直接或通过粘接层粘贴对某一发光波长的光透明的衬底例如玻璃、蓝宝石、GaP等的方法。
前者粘贴的衬底或金属层具有作为反射层的功能，由于被外延生长用衬底吸收的光在被吸收以前向外部反射的效果而提高辉度，后者由于通过透明衬底向外部取出光，所以提高光的外部输出效率。
图1是前者一例的半导体发光元件的概略剖面图，101是硅衬底，102是反射用金属，103是发光层，104、105是电极。
图2是后者一例的半导体发光元件的概略剖面图，201是透明衬底，202是发光层，203是窗口层，204、205是电极。
特别是后者的方法，即粘贴透明衬底的方法，由于没有利用反射，所以光不会再次通过发光层。由此，不会由于上述光再次通过发光层时而被发光层吸收。
因此，粘贴上述透明衬底的方法，能够从半导体发光元件的大致全部表面向外部输出光，可以开发出转换效率(输出效率)更高的LED。
作为使用粘贴透明衬底的现有方法，使用四元素类的LED，在AlGaInP(铝、镓、铟、磷)类的半导体层上直接粘贴GaP(镓、磷)透明衬底，所述在(日本国)特许第三230638号和特许第三705791号等中。
但是，在粘贴上述透明衬底的现有方法的情况下，通常只在半导体叠层结构中的一个面上粘贴透明衬底，在另一面形成电流扩散层和窗口层那样的外延生长层。
然而，仅在上述半导体叠层结构的一个面粘贴透明衬底的情况下，虽然提高了从透明衬底层侧来的光的输出效率，但在透明衬底层侧的相反侧，由于外延生长层会吸收发光层的出射光，所以存在来自透明衬底层侧的相反侧的光输出效率低的问题。
此外，即使在从透明衬底层侧进行光输出的情况下，因为外延生长层本身是多层结构，由于该多层结构层间的折射率差而引起向内部的反射，其结果，出现在外延生长层间反复反射期间中光衰减等的问题。
并且，即使在设置有透明衬底的一侧，也不一定从透明衬底的整个表面射出光，由于在透明衬底与空气的界面，或者在树脂模制透明衬底的情况下，由于在透明衬底与树脂的界面光被反射，因此，光会在半导体层或透明衬底内反复被反射，而使光衰减。
此外，就制造方法来说，例如，由于难以确保电流扩散层的足够厚度(由于外延生长引起的)，所以存在花费成本的问题。
发明内容
因此，本发明的课题在于提供一种半导体发光元件及其制造方法和化合物半导体发光二极管，其使用透过性衬底而能够提高光输出效率。
为了解决上述课题，本发明的半导体发光元件，其特征在于，具备主体，其具有第一导电型半导体层、设置在上述第一导电型半导体层上的发光层、和设置在上述发光层上的第二导电型半导体层；第一透过性衬底，其直接或间接地设置在上述主体之下，并对于上述发光层的出射光具有透过性；以及第二透过性衬底，其直接或间接地设置在上述主体上，并对于上述发光层的出射光具有透过性。
其中，所谓第一导电型意思是p型或n型。所谓第二导电型意思是，当第一导电型是p型时，其为n型，当第一导电型是n型时，则其为p型。
按照上述结构的半导体发光元件，通过在上述主体之下直接或间接地设置对于发光层的出射光具有透过性的第一透过性衬底，并且在上述主体上直接或间接地设置对于发光层的出射光具有透过性的第二透过性衬底，能够通过第一透过性衬底及第二透过性衬底有效地向外部输出光。即，能提高光输出效率。
这时，通过将上述第一导电型半导体层及第二导电型半导体层设为例如包层，将发光层的结构采用例如多重量子阱结构，可以将构成主体的层数设定为需要的最小限度。
因此，由于减少构成上述主体的层数，防止反复的内部的反射，所以能通过第一、第二透过性衬底向外部更有效地输出光。
设置上述第一透过性衬底及第二透过性衬底的方法，只要是可以让全部或一部分光通过透过性衬底界面，可以直接粘贴，也可以通过粘接剂、金属、氧化物、氮化物等间接粘贴。
在一种实施方式的半导体发光元件中，上述第一透过性衬底由第一导电型半导体构成，而且，上述第二透过性衬底由第二导电型半导体构成。
按照上述实施方式的半导体发光元件，在第一导电型半导体层上电连接第一透过性衬底，在第二导电型半导体层上电连接第二透过性衬底的情况下，通过第一透过性衬底由第一导电型半导体构成，而且，第二透过性衬底由第二导电型半导体构成，在第一透过性衬底及第二透过性衬底的各自上形成电极，通过向该电极通电而得到发光。
在上述实施方式的半导体发光元件中，设置上述第一透过性衬底及第二透过性衬底的方法，只要是可以让全部或一部分光从透过性衬底界面透过，可以直接粘贴，也可以通过粘接剂、金属、氧化物、氮化物等间接粘贴。
图3是上述实施方式的半导体发光元件直接接合一例的概略剖面图，301是p型GaP透过性衬底，302是p型GaP接触层，303是p型AlInP包层，304是AlGaInP活性层，305是n型AlInP包层，306是n型GaP接触层，307是n型GaP透过性衬底，308、309是电极。
图4是上述实施方式的半导体发光元件间接接合一例的概略剖面图，401是p型GaP透过性衬底，402是p型GaP接触层，403是p型AlInP包层，404是AlGaInP活性层，405是n型AlInP包层，406是n型GaP接触层，407是n型GaP透过性衬底，408、409是电极，410、411是接触层。这些接触层410、411使用粘接剂、金属、氧化物、氮化物等之中的至少一种形成。
在图3、图4中，发光层由GaAlInP构成，透过性衬底由GaP构成，本发明的发光层可以由GaAlInP以外的材料构成，本发明的透过性衬底也可以由GaP以外的材料构成。
在一种实施方式的半导体发光元件中，上述第一透过性衬底的导电型是第二导电型，或者，上述第二透过性衬底的导电型是第一导电型，或者，上述第一透过性衬底的导电型是第二导电型，而且，上述第二透过性衬底的导电型是第一导电型。
按照上述实施方式的半导体发光元件，由于上述第一透过性衬底的导电型是第二导电型，或上述第二透过性衬底的导电型是第一导电型，或上述第一透过性衬底的导电型是第二导电型，而且，上述第二透过性衬底的导电型是第一导电型，所以第一透过性衬底和第二透过性衬底之中的至少一个没有电连接。即，上述第一透过性衬底和第二透过性衬底之中的至少一个形成pn结。在具有这种pn结的界面，作为极性形成中性区域(耗尽层)，只要不施加一定的电压，就没有电流流动。
因此，通过在上述第一透过性衬底和第二透过性衬底之中的一个形成电极，而且在上述第一透过性衬底和第二透过性衬底以外的部分形成电极，能够制成双引线型或倒装型(表面安装型)的半导体发光元件。
在上述实施方式的半导体发光元件中，上述第一透过性衬底和第二透过性衬底中设置电连接的衬底的方法，只要是可以让全部或一部分光透过衬底界面，可以直接粘贴，也可以通过粘接剂、金属、氧化物、氮化物等间接粘贴。上述第一透过性衬底和第二透过性衬底之中设置形成pn结的衬底的方法，只要是可以让全部或一部分光透过衬底界面，可以直接粘贴，也可以通过粘接剂、金属、氧化物、氮化物等间接粘贴。
即，在上述实施方式的半导体发光元件中，设置上述第一透过性衬底和第二透过性衬底的方法，只要是可以让全部或一部分光从透过性衬底界面透过，可以直接粘贴，也可以通过粘接剂、金属、氧化物、氮化物等间接粘贴。
图5是上述实施方式的半导体发光元件一例的概略剖面图，501是n型GaP透过性衬底，502是p型GaP接触层，503是p型AlInP包层，504是AlGaInP活性层，505是n型AlInP包层，506是n型GaP接触层，507是n型GaP透过性衬底，508、509是电极。
在一种实施方式的半导体发光元件中，上述第一透过性衬底和上述第二透过性衬底之中的至少一个的载流子浓度是2.5×1018cm-3以下。
图6、图7表示成为上述第一透过性衬底或上述第二透过性衬底一例的p型(掺锌)GaP衬底的载流子浓度(1)是1.5×1018cm-3、(2)是5.0×1017cm-3的实验结果。
图6是作为上述第一透过性衬底或上述第二透过性衬底一例的GaP透过性衬底单体透过率的结果。由于不考虑入射到该GaP透过性衬底的光在各个界面的反射，能量低于带隙一侧的透过率为50％左右的值(实际透过率大致是90％以上)。
由于上述GaP透过性衬底本身厚度非常薄(约250μm)，所以在载流子浓度为(1)的GaP透过性衬底和载流子浓度为(2)的GaP透过性衬底中，透过率仅相差百分之几。根据这个结果和下式透过率＝I/I0＝exp(-αd)I0初始光量I透过光量d厚度，
对于波长640nm的光，算出吸收系数α时，GaP的载流子浓度分别如下，(1)1.5×1018cm-3情况的GaP透过性衬底吸收系数是3.30cm-1(2)5.0×1017cm-3情况的GaP透过性衬底吸收系数是5.46×10-2cm-1。
接着，若计算光通过具有上述(1)、(2)情况的吸收系数的衬底内时的透过率的厚度依存性，则成为图7那样，当然通过距离越长，光衰减越大。
在设置透过性衬底的情况下，从发光层射出的光包括直接输出外部的成分、和由衬底晶体、材料-外部之间界面反射的成分，大部分光在透过性衬底内反复反射。
因此可以看出，光通过了上述透过性衬底厚度以上的距离，光的通路越长衰减就越大，所以外部输出效率降低。
通过本发明的载流子浓度设定，可以尽可能降低这样的衰减。由于吸收并衰减光的主要原因是自由载流子，而不取决于衬底、掺杂剂等的种类，所以能适用于所有的晶体、化合物、材料。
在一种实施方式的半导体发光元件中，上述第一透过性衬底和上述第二透过性衬底之中的至少一个由绝缘体构成。
按照上述实施方式的半导体发光元件，由于上述第一透过性衬底和上述第二透过性衬底之中的至少一个由绝缘体构成，所以在安装时，能取得与安装面的绝缘，从而能够采用用于提高空气和模塑树脂等的配合性的低折射率材料。
作为上述绝缘体，例如有玻璃或蓝宝石等，作为上述实施方式的半导体发光元件的结构，可以采用图5的结构。
在一种实施方式的半导体发光元件中，上述第一透过性衬底和上述第二透过性衬底中的至少一个具有相对于上述发光层的上面倾斜的倾斜面。
图8是上述实施方式的半导体发光元件一例的概略剖面图，801是p型GaP透过性衬底，802是p型GaP接触层，803是p型AlInP包层，804是AlGaInP活性层，805是n型AlInP包层，806是n型GaP接触层，807是n型GaP透过性衬底，808、809是电极。
通常，为了向半导体发光元件外部输出光，需要以不受外部例如空气或树脂的界面反射那样的条件入射。即，只要对这些界面的入射角是垂直的，在界面就不会引起反射，向外部射出。因此，为了相对于所有光射出方向满足上述条件，界面的形状为圆形(球形状)是理想的。即，上述界面的剖面形状为圆弧形状是理想的。
图9是具有圆弧形状界面的半导体发光元件一例的主要部分示意图。这里，上述半导体发光元件的发光源作为点光源。
在本发明中，虽然将第一、第二透过性衬底加工成球形是理想的，但这时需要使发光层也成为点光源。
图10表示假定发光层是点光源而加工本发明的透过性衬底形状的例子。
在图10中，假定发光层是由AlGaInP构成的半导体层，发光波长为红色640nm。并且，设上述透过性衬底为GaP，只表示发光层和透过性衬底的一个。考虑到根据GaP和空气的折射率差，当入射到透过性衬底与空气界面的光的入射角成为17.6°以上时，光全反射而朝向内部，透过性衬底的形状加工的最佳例成为图10那样。
另一方面，在树脂模制半导体发光元件的情况下等，考虑到折射率差时，成为图11那样，由于在入射角为30°前后全反射，透过性衬底的形状加工方法不限于图11的形状，也可以是图12所示的单纯的斜面状。
如图10～图12所示的形状和加工方法，若材料变化，当然也会改变，本发明包含对于所有材料适应同样的想法。
另一方面，由于技术上最容易加工的形状是图12所示的单纯斜面形状，考虑这种形状时，半导体发光元件整体高度(透过性衬底的厚度)也有最佳范围。
能够形成单纯斜面的半导体发光元件的大小与透过性衬底高度(厚度)的关系如图13所示，其他材料同样也有最佳范围，本发明也包含那些其他材料的范围。
但是，在实际的半导体发光元件中，将发光源完全作成点状在技术上是困难的。即使假定能制作，由于注入电流密度升高，在发光层也不能很有效地生成光(由于注入电流的溢出等)，而且产生发热量和电阻上升的问题。
因此，实际发光层成为具有某种范围的面状。这时不需要特别严密加工透过性衬底的形状，所以若存在加工成斜面状的部分，就能充分提高向外部的光输出效率。
在一种实施方式的半导体发光元件中，
在剖面看上述主体的发光区域位于上述主体的中心附近。
这是基于上述考察的结果。即，透过性衬底的高度(厚度)存在最佳范围，必然是发光层位于所设置的透过性衬底光射出面的大致相等距离就是最佳范围。
图14是上述实施方式的半导体发光元件一例的概略剖面图，1401是p型GaP透过性衬底，1402是p型GaP接触层，1403是p型AlInP包层，1404是AlGaInP活性层，1405是n型AlInP包层，1406是n型GaP接触层，1407是n型GaP透过性衬底，1408、1409是电极，1410是发光区域。
上述发光区域1410可以根据最佳透过性衬底厚度和注入电流的电极配置来限定。
此外，如果上述发光区域1410位于主体的中心附近，不管有无p型GaP透过性衬底1401及n型GaP透过性衬底1407的形状加工，但优选的是将p型GaP透过性衬底1401及n型GaP透过性衬底1407形状加工成斜面状，效果更大。
在一种实施方式的半导体发光元件中，具有用于在剖面看使上述主体发光区域位于上述主体中心附近的电流狭窄结构。
按照上述实施方式的半导体发光元件，作为使上述主体端面的发光区域位于主体端面中心附近的方法，通过发光层附近的半导体层形成电流狭窄，限定发光区域。
通过应用这样的电流狭窄结构，作为发光区域能容易地设计最佳的大小。
图15是上述实施方式的半导体发光元件一例的概略剖面图，1501是p型GaP透过性衬底，1502是p型GaP接触层，1503是p型AlInP包层，1504是AlGaInP活性层，1505是n型AlInP包层，1506是n型GaP接触层，1507是n型GaP透过性衬底，1508、1509是电极，1510是p型GaP电流封锁层。
图16A是上述实施方式的半导体发光元件的另一例的概略剖面图，1601是p型GaP透过性衬底，1602是p型GaP接触层，1603是p型AlInP包层，1604是AlGaInP活性层，1605是n型AlInP包层，1606是n型GaP接触层，1607是n型GaP透过性衬底，1608、1609是电极，1610是p型GaP电流封锁层。图16B是上述另一例的概略剖面图。
在图15、图16A及图16B中，发光区域由电流狭窄来限定，进行适于此的透过性衬底的形状加工。当然，这样的结构不限定于本例的GaP，对所有的材料也可以同样设计，发明的范围不限于材料。
在一种实施方式的半导体发光元件中，上述发光层具有层叠半导体晶体的结构，该半导体晶体由镓、铝、铟、磷、砷、锌、碲、硫、氮、硅、碳和氧之中的两种以上元素构成。
按照上述实施方式的半导体发光元件，由于上述发光层具有层叠半导体晶体的结构，该半导体晶体由镓、铝、铟、磷、砷、锌、碲、硫、氮、硅、碳和氧之中的两种以上元素构成，因此从红外区域到近紫外区域的广大范围选择发光层出射光的波长。
本发明的半导体发光元件的制造方法，其特征在于，包括在第一导电型半导体衬底上依次层叠第一导电型半导体层、发光层和第二导电型半导体层的层叠工序；在上述第二导电型半导体层的上面接合对于上述发光层的出射光具有透过性的第二透过性衬底的第二透过性衬底接合工序；以及在上述第二透过性衬底接合工序后，除去上述第一导电型半导体衬底，并在上述第一导电型半导体层的下面接合对于上述发光层的出射光具有透过性的第一透过性衬底的第一透过性衬底接合工序。
其中，所谓第一导电型意思是p型或n型。所谓第二导电型意思是，当第一导电型是p型时，其为n型，当第一导电型是n型时，则其为p型。
按照上述结构的半导体发光元件的制造方法，由于在上述第一导电型半导体层的下面接合对于上述发光层的出射光具有透过性的第一透过性衬底，并且在第二导电型半导体层的上面接合对于发光层的出射光具有透过性的第二透过性衬底，所以能够通过第一透过性衬底和第二透过性衬底向外部有效地输出光。即，可以提高光输出效率。
这时，通过例如将上述第一导电型半导体层和第二导电型半导体层设为包层，例如将发光层的结构设为多重量子阱结构，能够将构成主体的层数设定为所需要的最小限度。
因此，由于减少构成上述主体的层数，防止反复在内部反射，因此能够通过第一、第二透过性衬底向外部更有效地输出光。
在一种实施方式的半导体发光元件的制造方法中，在上述第二透过性衬底接合工序中，通过加热加压处理将上述第二透过性衬底直接接合在上述第二导电型半导体层的上面。
按照上述实施方式的半导体发光元件的制造方法，在上述第二导电型半导体层的上面接合上述第二透过性衬底时，通过粘贴、加压、加热使第二透过性衬底和第二导电型半导体层接合。
因此，例如，即使不使用粘接剂，也能够容易地对上述第二导电型半导体层的上面直接接合上述第二透过性衬底。
在一种实施方式的半导体发光元件的制造方法中，在上述第一透过性衬底接合工序中，在上述第一导电型半导体层的下面通过加热加压处理直接接合上述第一透过性衬底。
按照上述实施方式的半导体发光元件的制造方法，在上述第一导电型半导体层的下面接合上述第一透过性衬底时，通过粘贴、加压、加热接合第一透过性衬底和第一导电型半导体层。
因此，例如即使不使用粘接剂，也能容易地对上述第一导电型半导体层的下面直接接合第一透过性衬底。
在一种实施方式的半导体发光元件的制造方法中，在上述第二透过性衬底接合工序中，在上述第二导电型半导体层的上面通过对上述发光层的出射光具有透过性的第二透过性材料层接合上述第二透过性衬底。
按照上述实施方式的半导体发光元件的制造方法，在第二导电型半导体层的上面接合上述第二透过性衬底时，在第二透过性衬底的接合面(应与第二导电型半导体层相对的面)或第二导电型半导体层的上面形成第二透过性材料层，通过第二透过性材料层接合第二透过性衬底和第二导电型半导体层。
这样，通过上述第二透过性衬底的接合使用第二透过性材料层，与在第二透过性衬底的上面直接接合第二透过性衬底的情况比较，能谋求加热时的温度的低温化，并且通过选择最佳电阻率的第二透过性材料层，能够使第二导电型半导体层的粘贴界面的电阻值下降。
通过选择上述第二透过性材料层的折射率，可以使来自发光层的光从存在于垂直方向的电极错开，能够制造输出效率更高的半导体发光元件。
作为上述第二透过性材料，如果是粘接用的透过性材料，例如是导电体，则有ITO(氧化铟锡)或ZnO(氧化锌)等。
在一种实施方式的半导体发光元件的制造方法中，
在上述第一透过性衬底接合工序中，在上述第一导电型半导体层的下面通过对上述发光层的出射光具有透过性的第一透过性材料层接合上述第一透过性衬底。
按照上述实施方式的半导体发光元件的制造方法，在上述第一导电型半导体层的下面接合上述第一透过性衬底时，在第一透过性衬底的接合面(应与第一导电型半导体层相对的面)或第一导电型半导体层的下面形成第一透过性材料层，通过该第一透过性材料层接合第一透过性衬底和第一导电型半导体层。
这样，通过上述第一透过性衬底的接合使用第一透过性材料层，与在第一透过性衬底的下面直接接合第一透过性衬底的情况比较，能谋求加热时的温度的低温化，并且通过选择最佳电阻率的第一透过性材料层，能使第一导电型半导体层的粘贴界面的电阻值下降。
通过选择上述第一透过性材料层折射率，能使来自发光层的光从存在于垂直方向的电极错开，能制造输出效率更高的半导体发光元件。
作为上述第一透过性材料，如果是粘接用的透过性材料，例如是导电体，则有ITO(氧化铟锡)、ZnO(氧化锌)等。
在一种实施方式的半导体发光元件的制造方法中，在上述第二透过性衬底接合工序中，在上述第二导电型半导体层的上面通过任意形状的第二金属材料层接合上述第二透过性衬底。
按照上述实施方式的半导体发光元件的制造方法，通过在第二导电型半导体层的上面接合上述第二透过性衬底时，在第二透过性衬底的接合面(应与第二导电型半导体层相对的面)或第二导电型半导体层的上面层叠第二金属材料层的材料并加工成任意形状，在第二透过性衬底的接合面或第二导电型半导体层的上面形成任意形状的第二金属材料层，通过该第二金属材料层接合第二透过性衬底和第二导电型半导体层。
这样，通过对上述第二透过性衬底的接合使用第二透过性材料层，与在第二透过性衬底的上面直接接合第二透过性衬底的情况比较，能谋求加热时的温度的低温化，并且能使第二导电型半导体层的粘贴界面的电阻值下降。
由于能降低上述第二导电型半导体层的界面电阻，因此能使第二导电型半导体层的载流子浓度比第二透过性衬底的载流子浓度还低，提高第二导电型半导体层的透过率，进一步提高光的输出效率。
优选的是上述第二金属材料层要选择在宽的波长范围内反射率高的材料，例如选择Ag时，由于其在从近红外区域到紫外区域的宽的波长范围具有高的反射率，因此具有反射来自发光层的光的效果，也不会因吸收等而使发光层产生的光损耗。
此外，为了向上述第二透过性衬底内入射光，可以设金属材料层是50nm以下，或加工成任意形状，并进行选择而仅反射或吸收极小部分的光。
作为上述第二金属材料层的材料，可以举出例如Au、Ag、Cu、Mo等。
在一种实施方式的半导体发光元件的制造方法中，在上述第一透过性衬底接合工序中，在上述第一导电型半导体层的下面通过任意形状的第一金属材料层接合上述第一透过性衬底。
按照上述实施方式的半导体发光元件的制造方法，通过在第一导电型半导体层的下面接合上述第一透过性衬底时，在第一透过性衬底的接合面(应与第一导电型半导体层相对的面)或第一导电型半导体层的下面层叠第一金属材料层的材料，并加工成任意形状，在第一透过性衬底的接合面或第一导电型半导体层的下面形成任意形状的第一金属材料层，通过该第一金属材料层接合第一透过性衬底和第二导电型半导体层。
这样，通过对上述第一透过性衬底的接合使用第一金属材料层，与在第一导电型半导体层的下面直接接合第一透过性衬底的情况比较，能谋求加热时的温度的低温化，并且能使第一导电型半导体层的粘贴界面的电阻值下降。
由于能降低上述第一导电型半导体层的界面电阻，从而能够使第一导电型半导体层的载流子浓度比第一透过性衬底的载流子浓度还低，提高第一导电型半导体层的透过率，提高光的输出效率。
优选的是上述第一材料层选择在宽的波长范围内反射率高的材料，例如，选择Ag时，由于在从近红外区域到紫外区域的宽的波长区域内具有高的反射率，所以具有反射来自发光层的光的效果，也不会由于吸收等而使在发光层产生的光等损耗。
为了向上述第一透过性衬底内入射光，可以设金属材料层是50nμ以下，或加工成任意形状，并进行选择而仅反射或吸收极小部分的光。
在一种实施方式的半导体发光元件的制造方法中，在上述第一透过性衬底接合工序和上述第二透过性衬底接合工序中，接合方法相互不同。
按照上述实施方式的半导体发光元件的制造方法，由于上述第一透过性衬底接合工序和第二透过性衬底接合工序的接合方法相互不同，所以能够适当进行第一、第二透过性衬底的各自的接合。
例如，虽然作为接合界面的光透过率，直接接合是最适当的，但在实施两面直接接合的情况下，由于热滞后，有可能使元件活性层的结构和晶体性恶化。
因此，通过将直接接合和经由材料接合组合，能够使热滞后降低到最小限度。
本发明的化合物半导体发光二极管，是使用本发明的半导体发光元件的制造方法制造的化合物半导体发光二极管，其特征在于，上述发光层具有层叠半导体晶体的结构，所述半导体晶体由镓、铝、铟、磷、砷、锌、碲、硫、氮、硅、碳和氧之中的两种以上元素构成。
按照上述结构的化合物半导体发光二极管，上述发光层具有层叠半导体晶体的结构，所述半导体晶体由镓、铝、铟、磷、砷、锌、碲、硫、氮、硅、碳和氧之中的两种以上元素构成，作为发光层的出射光的波长，可以从红外区域到近紫外区域的宽的范围进行选择。
按照本发明的半导体发光元件，通过在主体下设置第一透过性衬底，而且在主体上设置第二透过性衬底，能够提高光的外部输出效率。
此外，通过将第一、第二透过性衬底加工成斜面状，能够进一步提高上述光的外部输出效率。
通过在上述主体的上下设置第一、第二透过性衬底，由于不需要形成由厚的外延层构成的窗口层，所以能够降低制造成本。
本发明通过以下详细说明和附图能更完全地理解，详细的说明和附图仅作为例证提供，因此并不限定本发明。
图1是现有的半导体发光元件的概略剖面图；图2是另一种现有的半导体发光元件的概略剖面图；图3是本发明一种实施方式的半导体发光元件的概略剖面图；图4是本发明一种实施方式的半导体发光元件的概略剖面图；图5是本发明一种实施方式的半导体发光元件的概略剖面图；
图6是表示高浓度GaP衬底的光透过率与低浓度GaP衬底的光透过率的比较结果的图；图7是表示相对光程长度变化的高浓度GaP衬底和低浓度GaP衬底的透过率变化的图；图8是本发明一种实施方式的半导体发光元件的概略剖面图；图9是本发明一种实施方式的半导体发光元件主要部分的示意图；图10是本发明一种实施方式的半导体发光元件主要部分的示意图；图11是本发明一种实施方式的半导体发光元件主要部分的示意图；图12是本发明一种实施方式的半导体发光元件主要部分的示意图；图13是表示透过性衬底厚度(高度)最佳值对芯片尺寸依存性的图；图14是本发明一种实施方式的半导体发光元件的概略剖面图；图15是本发明一种实施方式的半导体发光元件的概略剖面图；图16A是本发明一种实施方式的半导体发光元件的概略剖面图；图16B是图16A的半导体发光元件的概略立体图；图17是本发明第一实施方式的LED的概略剖面图；图18是上述第一实施方式的LED制造方法的一个工序图；图19是上述第一实施方式的LED制造所使用的夹具的概略剖面图；图20是本发明第二实施方式的LED概略剖面图；图21是本发明第三实施方式的LED概略剖面图；图22A是上述第三实施方式的LED制造方法的一个工序图；图22B是上述第三实施方式的LED制造方法的一个工序图；图22C是上述第三实施方式的LED制造方法的一个工序图；图22D是上述第三实施方式的LED制造方法的一个工序图；图22E是上述第三实施方式的LED制造方法的一个工序图。
具体实施例方式
以下，根据附图所示的实施方式更详细地说明本发明半导体发光元件及其制造方法和化合物半导体发光二极管。
(第一实施方式)图17表示本发明第一实施方式的LED的概略剖面图。
上述LED具有主体1750、设置在该主体1750之下的n-GaP透过性衬底1701、和设置在该主体1750之上的p-GaP透过性衬底1708。上述n-GaP透过性衬底1701是第一透过性衬底的一例，p-GaP透过性衬底1708是第二透过性衬底的一例。
上述主体1750包括n-Al0.6Ga0.4As电流扩散层1702、n-Al0.5In0.5P包层1703、AlGaInP活性层1704、p-Al0.5In0.5P包层1705、p-GaInP中间层1706和p-GaP接触层1707。上述AlGaInP发光层1705是发光层的一例。此外，上述n-Al0.6Ga0.4As电流扩散层1702和n-Al0.5In0.5P包层1703构成第一导电型半导体层的一例。而且，上述p-Al0.5In0.5P包层1705、p-GaInP中间层1706和p-GaP接触层1707构成第二导电型半导体层的一例。
上述AlGaInP发光层1705是出射红色发光波长的光的四元素类发光层。n-GaP透过性衬底1701及D-GaP透过性衬底1708对于该AlGaInP发光层1705的出射光具有透过性。
在上述n-GaP透过性衬底1701之下形成有电极1709，另一方面，在p-GaP透过性衬底1708上面形成有电极1710。
以下，说明上述LED的制造方法。
首先，如图18所示，利用MOCVD法，在作为第一导电型半导体衬底一例的n-GaAs衬底1801上，依次层叠n-GaAs缓冲层1802、n-Al0.6Ga0.4As电流扩散层1702、n-Al0.5In0.5P包层1703、AlGaInP活性层1704、p-Al0.5In0.5P包层1705、p-GaInP中间层1706和p-GaP接触层1707，制成LED结构晶片1850。
上述AlGaInP活性层1704具有量子阱结构。更详细地说，上述AlGaInP活性层1704通过交替层叠(Al0.05Ga0.95)0.5In0.5P阱层和(Al0.5Ga0.5)0.5In0.5P阻挡层而形成。而且，上述(Al0.05Ga0.95)0.5In0.5P阱层和(Al0.5Ga0.5)0.5In0.5P阻挡层的对数作为8对。
上述衬底或各层的厚度为，n-GaAs衬底1801是250μm，n-GaAs缓冲层1802是1.0μm，n-Al0.6Ga0.4As电流扩散层1702是5.0μm，n-Al0.5In0.5P包层1703是1.0μm，AlGaInP活性层1704是0.5μm，p-Al0.5In0.5P包层1705是1.0μm，p-GaInP中间层1706是1.0μm，p-GaP接触层1707是4.0μm。
在上述衬底或各层中，作为n型掺杂剂使用Te，另一方面作为p型掺杂剂使用Mg。
上述衬底或各层的载流子浓度，设n-GaAs衬底1801为1.0×1018cm-3，n-GaAs缓冲层1802为5×1017cm-3，n-Al0.6Ga0.4As电流扩散层1702为1.0×1018cm-3，n-Al0.5In0.5P包层1703为5×1017cm-3，AlGaInP活性层1704为非掺杂，p-Al0.5In0.5P包层1705为5×1017cm-3，p-GaInP中间层1706为1.0×1018cm-3，p-GaP接触层1707为2.0×1018cm-3。
接着，在上述晶片20的外延面，以规定的间距用半切割法形成半切割槽。这时，上述半切割槽的深度，在维持LED结构晶片的强度方面10～50μm左右是适当的。
接着，用图19所示的石英制粘贴用夹具1950，在上述LED结构晶片1850的外延面(p-GaP接触层1707的上面)直接接合p-GaP透过性衬底1708。该p-GaP透过性衬底1708的载流子浓度设为5.0×1017cm-3。
上述夹具1950具有支承晶片的第一石英片1951、位于该第一石英片1951上的第二石英片1952、和接受规定大小力并按压第二石英片1952的按压部1953。
上述按压部1953通过从正面看大致具有コ字状的框体1954在上下方向导向。上述框体1954与第一石英片1951卡合，向位于该第一石英片1951与按压部1953之间的第二石英片1952适当地传递力。
在上述第一石英片1951与LED结构晶片1850之间配置有石墨片1955，并且在第二石英片1952与p-GaP透过性衬底1708之间配置有石墨片1956和PBN(热分解氮化硼热解的一氮化硼)片1957。
用这样的夹具1950，使p-GaP透过性衬底1708与p-GaP接触层1707接触，给按压部1953施加例如0.3～0.8N·m的力，使压缩力作用在p-GaP透过性衬底1708与p-GaP接触层1707的接触面。将这样状态的夹具1950安置在加热炉中，在氢气氛下用800℃左右加热大约30分钟。于是，上述p-GaP透过性衬底1708与LED结构晶片1850直接接合。
接着，在冷却上述LED结构晶片1850和p-GaP透过性衬底1708后，从加热炉取出夹具1950，用氨水、过氧化氢水和水的混合液溶解除去n-GaAs衬底1801和n-GaAs缓冲层1802。
接着，在除去了上述n-GaAs衬底1801和n-GaAs缓冲层1802的面(AlGaAs面)上直接接合n-GaP透过性衬底1701。该n-GaP透过性衬底1701的接合与p-GaP透过性衬底1708相同，用加压加热处理进行。上述n-GaP透过性衬底1701的载流子浓度设为5.0×1017cm-3。
以后，进行通常的半导体发光元件制造方法的电极形成和芯片化处理，完成图17所示的发光波长640nm的红色高辉度LED。
按照上述LED，通过在上述主体1750之下设置对于AlGaInP活性层1704的出射光具有透过性的n-GaP透过性衬底1701，并且在主体1750之上设置对于AlGaInP活性层1704的出射光具有透过性的p-GaP透过性衬底1708，能够通过n-GaP透过性衬底1701和p-GaP透过性衬底1708向外部效率良好地输出光。即，能提高光输出效率。
在本实施方式中，选择AuSi/Au作为电极1709的材料，选择AuBe/Au作为电极1710的材料。即，在本实施方式中，用光刻法和湿法蚀刻将AuSi/Au层及AuBe/Au层加工成任意形状，得到电极1709、1710。
上述电极1709、1710形成后，进行分割成规定芯片尺寸用的半切割。这时，通过选择能斜切的切割片，元件侧面能容易地加工成斜面状。其结果，能将上述n-GaP透过性衬底1701和p-GaP透过性衬底1708的一个侧面制成规定的斜面形状。
通过在与先前进行半切割的面相反的面进行上述能够斜切的切割加工，能将n-GaP透过性衬底1701和p-GaP透过性衬底1708的另一个侧面制成规定的斜面形状。
不限定于上述选择的材料和方法，可以选择任意的材料和方法，例如，湿法蚀刻和干法蚀刻，但在不必选择材料(不依存)的方面，认为切割的方法是适当的。
本实施方式的制造工艺不限于具有由AlGaInP构成的四元素类发光层的LED，也可以用半导体晶体形成发光层。
(第二实施方式)图20表示本发明第二实施方式的LED的概略剖面图。在图20中，与图17表示的第一实施方式LED的构成部分相同的构成部分，附加与图17的构成部分相同的参照标记，省略说明。
在本实施方式中，隔着金属在主体1750粘贴n-GaP透过性衬底1701和p-GaP透过性衬底1708。
即，本实施方式的LED具有形成在n-Al0.6Ga0.4As电流扩散层1702下的第一金属薄膜2001和形成在p-GaP接触层1707上的第二金属薄膜2002。上述第一金属薄膜2001是第一金属材料层的一例，第二金属薄膜2002是第二金属材料层的一例。
以下，说明上述LED的制造方法。
首先，与上述第一实施方式同样制成LED结构晶片1850。本实施方式的情况，LED结构晶片1850不需要预先形成槽。
接着，在上述LED结构晶片1850的外延面(p-GaP接触层1707的上面)或p-GaP透过性衬底1708的粘贴面(应与LED结构晶片1850相对的面)，用蒸镀或溅射法形成薄膜。
上述薄膜可以用金、银、铝、钛的任一种构成，也可以是金、银、铝、钛的化合物，也可以是包含金、银、铝、钛之中的至少一种的合金。
接着，用光刻法和湿法蚀刻将上述薄膜加工成任意形状，形成第二金属薄膜2002。这时，通过将上述第二金属薄膜2002的面积作成元件化时的元件面积的10％以下，能够将粘贴界面的光损耗降到最小限度。
接着，与上述第一实施方式同样用夹具1950(参照图19)接合p-GaP接触层1707和p-GaP透过性衬底1708。这时，上述p-GaP接触层1707和p-GaP透过性衬底1708在氢气氛下用400～500℃左右大约30分钟加热处理进行接合。
接着，与上述第一实施方式同样，进行衬底和缓冲层除去后，在n-Al0.6Ga0.4As电流扩散层1702下面或n-GaP透过性衬底1702的粘贴面(应与LED结构的晶片1850相对的面)，与第二金属薄膜2002同样形成第一金属薄膜2001。
以后，与上述p-GaP透过性衬底1708同样，在进行n-GaP透过性衬底1702的粘贴后，进行作为通常的半导体发光元件制造方法的电极形成和芯片化加工，从而完成本实施方式的LED。
(第三实施方式)图21是本发明第三实施方式的LED概略剖面图。
本实施方式的LED是两个透过性衬底的一个由绝缘体构成的情况。即，本实施方式的LED具有主体2150、设置于该主体2150下的玻璃衬底2101、和设置于该主体2150上的n-GaP透过性衬底2107。上述玻璃衬底2101是第一透过性衬底的一例，n-GaP透过性衬底2107是第一透过性衬底的一例。
上述主体2150包括p-GaP接触层2102、p-AlInP包层2103、AlGaInP活性层2104、n-AlInP包层2105和n-GaP接触层2106。上述AlGaInP活性层2104是发光层的一例。上述p-GaP接触层2102和p-AlInP包层2103构成第一导电型半导体层的一例。而且，上述n-AlInP包层2105和n-GaP接触层2106构成第二导电型半导体层的一例。
上述p-AlInP包层2103的一部分露出，电极2108形成在该一部分上。在上述n-GaP透过性衬底2107上形成电极2109。
以下，说明上述LED的制造方法。
首先，如图22A所示，利用MOCVD法，在作为第一导电型半导体衬底一例的p-GaAs衬底2111上，依次层叠p-GaP接触层2102、p-AlInP包层2103、AlGaInP活性层2104、n-AlInP包层2105和n-GaP接触层2106，制成LED结构晶片2250。
其次，在上述LED结构晶片2250的外延面(n-AlInP包层2105的上面)直接接合n-GaP透过性衬底2107。即，不用粘接剂等进行上述n-GaP透过性衬底的接合。
上述n-GaP透过性衬底2107的直接接合可以用与第一实施方式同样的方法进行。
利用光刻法(掩模用例如SiO2等的氧化膜)、湿法蚀刻(王水或硫酸、过氧化氢水混合液等)实施图案加工，使上述n-GaP透过性衬底表面预先成为规定的芯片形状。
接着，除去上述p-GaAs衬底2111，形成图22B所示的状态后，如图22C所示，用例如环氧树脂在除去GaAs衬底的面(p-GaP接触层2102的下面)接合玻璃衬底2101。
接着，沿上述n-GaP透过性衬底2107的图案进行半切割，如图22D所示，将n-GaP透过性衬底2107的侧面做成斜面状。
通过用能斜切的刀片进行上述半切割，可以将n-GaP透过性衬底2107的侧面形成斜面状。
接着，将形成图案的n-GaP透过性衬底2107作为掩模，使用磷酸、硫酸、过氧化氢水和水的混合液进行蚀刻直到露出p-GaP接触层2102。
接着，如图21所示，在上述p-AlInP包层2103的露出部上形成电极2108，并且在n-GaP透过性衬底2107上形成电极219后，从下面侧切割玻璃衬底2101，完成本实施方式的LED。
作为与本实施方式的LED同样的LED也有如下的LED，即，在透过性衬底和粘贴其的半导体层相互是不同导电型的情况下，在透过性衬底与半导体之间不形成电连接的LED。
这种LED是在上述第一实施方式中，将n-GaP透过性衬底1701换成p-GaP透过性衬底。
即，上述LED可以通过如下方法获得，即，在上述第一实施方式中，通过在除去n-GaAs衬底1801而露出的n-Al0.6Ga0.4As电流扩散层1702，作为第一透过性衬底的一例直接接合例如p-GaP透过性衬底(载流子浓度5×1017cm-3)就能够得到。
上述p-GaP透过性衬底与n-Al0.6Ga0.4As电流扩散层1702之间，在通常的LED驱动电压下(10V以下)不会电连接。
以上说明了本发明的第一～第三实施方式，但本发明不限于四元素类LED情况，而能够适用于所有的半导体发光元件。
本发明正如以上所所述的那样，本发明可以用许多方法加以变更而获得。但这样的变更不应认为脱离本发明的精神和范围，应理解为本领域技术人员清楚的改良，并且全部包含在技术方案的范围内。
权利要求
1.一种半导体发光元件，其特征在于，具备主体，其具有第一导电型半导体层、设置在上述第一导电型半导体层上的发光层、和设置在上述发光层上的第二导电型半导体层；第一透过性衬底，其直接或间接地设置在上述主体之下，并对于上述发光层的出射光具有透过性；以及第二透过性衬底，其直接或间接地设置在上述主体上，并对于上述发光层的出射光具有透过性。
2.如权利要求1所述的半导体发光元件，其特征在于，上述第一透过性衬底由第一导电型半导体构成，而且，上述第二透过性衬底由第二导电型半导体构成。
3.如权利要求1所述的半导体发光元件，其特征在于，上述第一透过性衬底的导电型是第二导电型，或者，上述第二透过性衬底的导电型是第一导电型，或者，上述第一透过性衬底的导电型是第二导电型，而且，上述第二透过性衬底的导电型是第一导电型。
4.如权利要求2所述的半导体发光元件，其特征在于，上述第一透过性衬底和上述第二透过性衬底之中的至少一个的载流子浓度是2.5×1018cm-3以下。
5.如权利要求1所述的半导体发光元件，其特征在于，上述第一透过性衬底和上述第二透过性衬底之中的至少一个由绝缘体构成。
6.如权利要求1所述的半导体发光元件，其特征在于，上述第一透过性衬底和上述第二透过性衬底之中的至少一个具有相对于上述发光层的上面倾斜的倾斜面。
7.如权利要求1所述的半导体发光元件，其特征在于，在剖面看上述主体的发光区域位于上述主体的中心附近。
8.如权利要求1所述的半导体发光元件，其特征在于，具有用于在剖面看使上述主体的发光区域位于上述主体的中心附近的电流狭窄结构。
9.如权利要求1所述的半导体发光元件，其特征在于，上述发光层具有层叠半导体晶体的结构，所述半导体晶体由镓、铝、铟、磷、砷、锌、碲、硫、氮、硅、碳和氧之中的两种以上元素构成。
10.一种半导体发光元件的制造方法，其特征在于，包括在第一导电型半导体衬底上依次层叠第一导电型半导体层、发光层和第二导电型半导体层的层叠工序；在上述第二导电型半导体层的上面接合对于上述发光层的出射光具有透过性的第二透过性衬底的第二透过性衬底接合工序；以及在上述第二透过性衬底接合工序后，除去上述第一导电型半导体衬底，并在上述第一导电型半导体层的下面接合对于上述发光层的出射光具有透过性的第一透过性衬底的第一透过性衬底接合工序。
11.如权利要求10所述的半导体发光元件的制造方法，其特征在于，在上述第二透过性衬底接合工序中，通过加热加压处理将上述第二透过性衬底直接接合在上述第二导电型半导体层的上面。
12.如权利要求10所述的半导体发光元件的制造方法，其特征在于，在上述第一透过性衬底接合工序中，通过加热加压处理将上述第一透过性衬底直接接合在上述第一导电型半导体层的下面。
13.如权利要求10所述的半导体发光元件的制造方法，其特征在于，在上述第二透过性衬底接合工序中，在上述第二导电型半导体层的上面，通过对于上述发光层的出射光具有透过性的第二透过性材料层接合上述第二透过性衬底。
14.如权利要求10所述的半导体发光元件的制造方法，其特征在于，在上述第一透过性衬底接合工序中，在上述第一导电型半导体层的下面，通过对于上述发光层的出射光具有透过性的第一透过性材料层接合上述第一透过性衬底。
15.如权利要求10所述的半导体发光元件的制造方法，其特征在于，在上述第二透过性衬底接合工序中，在上述第二导电型半导体层的上面，通过任意形状的第二金属材料层接合上述第二透过性衬底。
16.如权利要求10所述的半导体发光元件的制造方法，其特征在于，在上述第一透过性衬底接合工序中，在上述第一导电型半导体层的下面，通过任意形状的第一金属材料层接合上述第一透过性衬底。
17.如权利要求11所述的半导体发光元件的制造方法，其特征在于，在上述第一透过性衬底接合工序和上述第二透过性衬底接合工序中，接合方法相互不同。
18.一种化合物半导体发光二极管，是使用权利要求10所述的半导体发光元件的制造方法制造的化合物半导体发光二极管，其特征在于，上述发光层具有层叠半导体晶体的结构，所述半导体晶体由镓、铝、铟、磷、砷、锌、碲、硫、氮、硅、碳和氧之中的两种以上元素构成。
19.如权利要求3所述的半导体发光元件，其特征在于，上述第一透过性衬底和上述第二透过性衬底之中的至少一个的载流子浓度是2.5×1018cm-3以下。
20.如权利要求11所述的半导体发光元件的制造方法，其特征在于，在上述第一透过性衬底接合工序中，通过加热加压处理将上述第一透过性衬底直接接合在上述第一导电型半导体层的下面。
21.如权利要求13所述的半导体发光元件的制造方法，其特征在于，在上述第一透过性衬底接合工序和上述第二透过性衬底接合工序中，接合方法相互不同。
全文摘要
本发明提供一种半导体发光元件及其制造方法和化合物半导体发光二极管，其使用透过性衬底，能够提高光输出效率。主体(1705)包括n－Al
文档编号H01L33/30GK101093871SQ200710138868
公开日2007年12月26日 申请日期2007年6月20日 优先权日2006年6月20日
发明者渡边信幸 申请人:夏普株式会社