[发明专利]半导体发光元件及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及应用晶片直接键合技术的半导体发光元件及其制造方法。

背景技术

近些年来，人们提出了种种使用InGaAlP系材料的可见光区域的发光元件的方案。图6是示出了现有的InGaAlP可见光LED的一个例子的元件构造图。在n型GaAs衬底50的上边，形成用n型和p型包层52、54把有源层58夹在中间的InGaAlP系的双异质结构造部分，在p型包层54上边形成p侧电极57，在n型GaAs衬底50的下表面上设置n侧电极58。

为了进行发光波长的调整和把载流子封闭起来，要形成双异质结构造的各层52～54，必须使能带间隙与设计相对应地进行选择。此外，为进行良好的外延生长，理想的是各层52～54的晶格常数与衬底50的晶格常数匹配。作为III-V族化合物的InGaAlP，由于作为III族成分含有In、Ga、Al这3种成分，故可以采用对这些组分进行选择的办法独立地设计能带间隙和晶格常数。

例如，在用In_x(Ga_1-yAl_y)_1-xP来表示外延生长层的组成时，采用使In组分比x为0.5的办法，就可以使GaAs衬底与晶格常数大体上匹配，采用保持x＝0.5的原样不变而调整Al与Ga的组分比的办法，就可以控制能带间隙。说得更具体点，在要想得到波长644nm的发红色光LED的情况下，只要使有源层53的组分比变成为x＝0.5，y＝0.043，使包层52、54的组分比变成为x＝0.5，y＝0.7即可。此外，在要想得到波长562nm的发绿色光LED的情况下，使有源层53的组分比变成为x＝0.5，y＝0.454，使包层52、54的组分变成为x＝0.5，y＝1.00，即使之变成为InAlP即可。

这样一来，InGaAlP系双异质结构造部分，就可以在可见光区域内选择波长。此外，由于作为化合物半导体衬底可以在最一般性的GaAs衬底上进行晶格匹配的外延生长，故具有易于买到衬底和易于进行外延生长的优点。但是，与此相反，GaAs衬底具有吸收可见光区域的光的缺点。为此，由于在InGaAlP系双异质结构造部分发光的光的一部分被GaAs衬底吸收，故LED的辉度的降低是不可避免的。

要想避免辉度降低，可以把对于可见光区域透明的材料用做衬底。作为一般性的透明材料虽然有GaP，但是GaP衬底由于不能与InGaAlP系取得晶格匹配而难于进行良好的外延生长。为了解决该问题人们提出了使InGaAlP外延生长层与GaAs衬底进行晶片键合的方案。该方案是这样一种方法：先从外延生长层上除去衬底，而代之以紧密贴合上GaAs衬底，边加压力边进行热处理，使之一体化。用该方法虽然可以增加辉度，但是，由于除去了GaAs衬底后的外延生长层很薄，难于加工，而且由于要边加压力边进行加热，需要使用特殊的装置，故在晶片键合工序的稳定性和生产性方面存在着问题。

另一方面，对于晶片键合来说，人们已开发出了一种使具有清洁的表面的晶片彼此间直接键合的被称之为‘直接键合’或‘直接接合’的技术。例如，Si晶片彼此间的直接键合，在1983年申请专利的特许第1420109号等中进行了论述，化合物半导体晶片的直接键合，则在1985年申请专利的特许第2040637号等中进行了论述。

下边说明具备利用这样的直接键合技术，紧密地键合到GaAs衬底上的InGaAlP系外延生长层的LED制造方法的一个例子。首先，如图7(a)所示，在n型GaAs衬底50的上边，生长n型电流扩散层51，n型包层52，有源层53，键合层54，和键合层55。接着，如图7(b)所示，把生长有1×10¹⁸cm^-3这种程度的高浓度的GaP层61的GaP衬底直接键合到键合层55的表面上。

然后，如图7(c)所示，在借助于研磨或刻蚀等除去了GaAs衬底之后，采用上下颠倒过来，在n型GaAs衬底60的下面一侧形成p侧电极，在n型扩散层51的上表面上设置n侧电极57的办法，就可以得到以GaAs为衬底的InGaAlP系LED。

这样制作的应用键合技术的高辉度的LED的发光效率，具有不使用键合技术的现有型的LED的大约2倍的辉度。与此相反，已经判明键合型的高辉度LED与现有型的LED比较，具有芯片的辉度对于每一种产品波动性大的问题。以下说明其理由。