JP3977572B2 - 接着型半導体基板および半導体発光素子並びにこれらの製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、接着型型半導体基板および半導体発光素子並びにこれらの製造方法に関し、特に、新規なウェーハ直接接着技術による接着型半導体基板及びこれを応用した高輝度ＬＥＤ（Light Emitting Diode）などの発光素子とそれらの製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術と発明が解決しようとする課題】
従来の技術による発光素子について図面を参照しながら説明する。図１８は、従来の技術によるＩｎＧａＡｌＰ可視光ＬＥＤの一例を示す。
【０００３】
図１８に示すＬＥＤ１００は、Ｎ型ＧａＡｓ基板８２の上に、発光に寄与するＩｎＧａＡｌＰエピタキシャル成長層８４，８５，８６が形成されている。同図には示されていないが、良質な発光層を得るために、要求仕様に応じて基板とエピタキシャル成長層との間にバッファ層が設けられることもある。
【０００４】
エピタキシャル成長層８６の上面と基板８２の下面には電流を供給するための電極８９がそれぞれ設けられている。同図には示されていないが、上側電極８９とエピタキシャル成長層８６との間に、電流を拡散するための層や、電気的なコンタクトを取るための層を設けることも多い。エピタキシャル成長層８４，８５，８６のうち、キャリアが再結合して発光するのは活性層８５である。活性層８５の上下に形成されたエピタキシャル成長層８４，８６は、キャリアを閉じこめて発光効率を上げるために活性層よりも広いバンドギャップを有するクラッド層８４，８６である。
【０００５】
これらのエピタキシャル成長層８４，８５，８６は、発光波長の調整やキャリアの閉じ込めのために、バンドギャップを設計に応じて最適に選ぶ必要がある。また、良好なエピタキシャル成長のためには、エピタキシャル成長層の格子定数が基板８２の格子定数と整合していることが望ましい。３−５族化合物であるＩｎＧａＡｌＰは、３族成分としてＩｎ，Ｇａ，Ａｌの３種を含むため、これらの組成比を選ぶことでバンドギャップと格子定数を独立して設計することができる。
【０００６】
例えば、エピタキシャル成長層の組成を次式
１ｎx（Ｇａ1-yＡ１y）1-xＰ・・・・・・・１）
で表した場合、Ｉｎ組成比ｘを０．５にすることでＧａＡｓ基板と格子定数がほぼ整合し、ｘ＝０．５のままでＡ１とＧａの組成比ｙを調整することでバンドギャップを制御することができる。
【０００７】
例えば、波長６４４ｎｍの赤色発光ＬＥＤを得る場合には、活性層８５の組成比をｘ＝０．５，ｙ＝０．０４３にし、クラッド層８４，８６の組成をｘ＝０．５，ｙ＝０．７にすればよい。また、波長５６２ｎｍの緑色発光ＬＥＤを得る場合には、活性層８５の組成比をｘ＝０．５，ｙ＝０，４５４にし、クラッド層８４，８６の組成をｘ＝０．５，ｙ＝１．００、即ち、ＩｎＡｌＰにすればよい。
【０００８】
以上説明したように、ＩｎＧａＡ１Ｐ系エピタキシャル成長層は、可視光領域内で発光波長を選ぶことができる。また、化合物半導体基板として最も一般的なＧａＡｓ基板に格子整合したエピタキシャル成長が可能であるため、基板の入手やエピタキシャル成長が比較的容易であるという利点がある。
【０００９】
しかし、この反面、ＧａＡｓ基板には可視光領域の光を吸収するという欠点がある。このため、ＩｎＧａＡ１Ｐエピタキシャル成長層で発光した光の一部がＧａＡｓ基板に吸収されるので、ＬＥＤの輝度の低下が避けられない。輝度低下を避けるためには、可視光領域に対し透明な材料を基板に使用すればよい。一般的な透明材料としてはＧａＰがあるが、ＧａＰ基板はＩｎＧａＡ１Ｐ系と格子整合がとれないため良好なエピタキシャル成長が難しい。この問題を解決するために、ＩｎＧａＡ１Ｐエピタキシャル成長層とＧａＰ基板とをウェーハ接着（Wafer Bonding）する方法が、１９９３年出願のＵＳＰ５，３７６，５８０に提案され ている。この提案はエピタキシャル成長層からＧａＡｓ基板を取り除き、代わりにＧａＰ基板を密着させて、圧力をかけながら熱処理をし、一体化する方法である。この方法によりＬＥＤの輝度増加が図れるが、ＧａＡｓ基板を除去した後のエピタキシャル成長層が薄いため取り扱いが難しく、また圧力を印加しながら熱処理をするので特殊な装置を用いる必要があり、ウェーハ接着工程の安定性や生産性に問題があった。
【００１０】
次に、ウェーハ接着について説明する。２種のウェーハを接合一体化できれば、格子定数に関わらず自由に異種材料による積層構造が得られたり、ＳＯＩ（Silicon on Insulater）に代表されるように内部に異種物質を埋め込むことができる。このため古くから種々のウェーハ接着技術が提案されてきた。例えば、上述した２枚のウェーハを押しつけながら熱処理する接着方法は、１９７０年出願の特許第７６５８９２号に記載されている。ウェーハ接着は古くから求められていた技術であったが、ウェーハの全面に渡って一体化することが困難であるため、長らく実用化されなかった。
【００１１】
本発明者らは、実用に耐える技術として「直接接着」あるい「直接接合」と呼ばれる技術を開発した。例えば、Ｓｉウェーハ同士の直接接着は１９８３年出願の特許第１４２０１０９号他に記載され、化合物半導体ウェーハの直接接着は１９８５年出願の特許第２０４０６３７号他に記載されている。
【００１２】
直接接着技術は、表面を鏡面とした２枚の基板同士を、実質的に異物がない雰囲気下において、室温で自力密着させ、その後熱処理で接合一体化するものである。熱処理の前から全面が密着しているため、未接着部を残すことなく全面を接合でき、また熱処理中に圧力をかける必要がないので、特殊な装置や器具を必要としない利点がある。Ｓｉウェーハ同士の直接接着の機構は次のように考えられている。
【００１３】
即ち、まず始めに洗浄や水洗によりウェーハの表面にＯＨ基を形成させる。そこでウェーハ表面同士を接触させると、ＯＨ基同士が水素結合により引き合い、室温でウェーハが密着する。密着力は強く、通常のウェーハの反りであれば、これを矯正して全面が密着する。熱処理中には、１００℃を上回る温度において脱水縮合反応（Ｓｉ−ＯＨ：ＨＯ−Ｓｉ→Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ＋Ｈ2Ｏ）が起こり、酸 素原子を介してウェーハ同士が結合し接着強度が上がっていく。さらに高温になると接着界面近傍の原子の拡散と再配列が起こり、強度的にも電気的にもウェーハが一体化する。化合物半導体の接着機構も同様と考えられている。
【００１４】
次に、直接接着を利用してＧａＰ基板に密着されたＩｎＧａＡｌＰ系エピタキシャル成長層を備えるＬＥＤの製造方法の一例を図１９を参照しながら説明する。
【００１５】
まず、図１９（ａ）に示すように、Ｎ型ＧａＡｓ基板９２の上にＮ型クラッド層９４、活性層９５，Ｐ型クラッド層９６を成長させる。次いで、図１９（ｂ）に示すように、エピタキシャル成長層９６の表面にＧａＰ基板９１を直接接着する。さらに、図１９（ｃ）に示すように、研磨やエッチングなどによりＧａＡｓ基板９２を除去し、上下を逆にしてＮ型クラッド層９４の上面とＧａＰ基板９１の下面に電極９９を設けると、図１９（ｄ）に示すように、ＧａＰを基板９１としたＩｎＧａＡ１Ｐ系ＬＥＤが得られる。
【００１６】
このように異種材料同士を直接接着する場合、特にエピタキシャル成長層の表面を直接接着する場合には、例えばＳｉ同士やＧａＡｓ同士の同種のウェーハ同士の直接接着に比べ、以下に述べる問題がある。
【００１７】
第一に、エピタキシャル成長層の表面はウェーハ表面に比べて、パーティクル（ゴミなどの異物）の付着が多い。このため室温での貼り合わせに支障をきたし、熱処理後も全面が接合せず、ボイドと呼ばれる未接着部分が発生する問題がある。一般に、ウェーハ表面は清浄に保たれており、エピタキシャル成長用の基板にも清浄なウェーハを使用するが、エピタキシャル成長中に反応物が堆積したり、エピタキシャル成長工程の前処理工程や後処理工程で異物が付着するなど、エピタキシャル成長層表面へのパーティクル付着は、現状ではある程度避けられない。
【００１８】
第二に、エピタキシャル成長によりウェーハが反るため、ウェーハ全面を室温密着ができない問題がある。
【００１９】
第三に、異種材料間に熱膨張差があるため熱処理中に熱応力が発生し、応力により接着した基板が破壊する問題がある。
【００２０】
第四に、異種材料間に熱膨張差があるために、接着した基板の破壊が生じない場合であっても、接着のための熱処理中に接着界面に「ずれ」が生じ、この「ずれ」によって基板全面を均一に接着できない問題がある。
【００２１】
第五に、接着界面に電気抵抗が生ずるという問題がある。すなわち、本発明者の独自の検討の結果、ウェーハ同士を接着すると、接着界面に電気的な抵抗成分が生ずることが判明した。このような接着基板を用いて、例えばＬＥＤを形成した場合には、接着界面の電気抵抗はＬＥＤの動作電圧を上昇させ、発光不良や発熱などの問題を生じる。
【００２２】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、半導体基板上に形成されたエピタキシャル成長層に直接かつ全面にわたって安定的に密着される接着型半導体基板および半導体発光素子並びにこれらの製造方法を提供することにある。
【００２３】
【課題を解決するための手段】
本発明は、以下の手段により上記課題の解決を図る。
【００２４】
即ち、本発明によれば、
第１の半導体基板上に形成された第１のエピタキシャル成長層と、少なくとも片面が鏡面加工され、この被鏡面加工面、もしくはこの被鏡面加工面上に成長した第２のエピタキシャル成長層で前記第１のエピタキシャル成長層に一体的に接合された第２の半導体基板と、を備え、前記第１のエピタキシャル成長層の熱膨張率は、上記第２の半導体基板の熱膨張率に近似する接着型半導体基板が提供される。
【００２５】
上記第１のエピタキシャル成長層の熱膨張率が上記第２の半導体基板の熱膨張率に近似するので、上記第１の半導体基板の除去前に熱処理を加えられる場合でも、熱応力の発生により接着した半導体基板が破壊されることがない。これにより、安定的に密着した接着型半導体基板が提供される。
【００２６】
また、本発明によれば、
第１の半導体基板上に化合物半導体の混晶で形成された第１のエピタキシャル成長層であって、上記第１の半導体基板の格子定数と整合するように、上記混晶の組成比が選択されて形成された第１のエピタキシャル成長層と、少なくとも片面が鏡面加工され、この被鏡面加工面、もしくはこの被鏡面加工面上に成長した第２のエピタキシャル成長層で前記第１のエピタキシャル成長層に一体的に接合された第２の半導体基板と、を備える接着型半導体基板が提供される。
【００２７】
上記第１のエピタキシャル成長層の格子定数と上記第１の半導体基板の格子定数とが整合しているので、エピタキシャル成長層を有するウェーハ（以下、エピウェーハという）の反りを低減することができる。これにより、比較的厚いエピウェーハでも安定的に上記第２の半導体基板と密着した接着型半導体基板が提供される。
【００２８】
上記第１の半導体基板は、ＧａＡｓから形成され、上記第２の半導体基板は、ＧａＰから形成され、また、上記エピタキシャル成長層は、組成式Ｉｎx（Ｇａ1-yＡｌy）1-xＰ（０．４５＜ｘ＜０．５０，０≦ｙ≦１）で表される化合物半導体層を含むと好適である。
【００２９】
また、本発明によれば、
第１の半導体基板上に化合物半導体の混晶で形成されたエピタキシャル成長層であって、上記第１の半導体基板の格子定数と整合するように、上記混晶の組成比が選択されて形成された第１のクラッド層と、この第１のクラッド層の上に形成された活性層と、この活性層の上に形成された第２のクラッド層とを含み、上記第１の半導体基板が除去されたエピタキシャル成長層と、主面が鏡面加工され、この主面側で上記エピタキシャル成長層に直接接合された第２の半導体基板と、上記第１のクラッド層の表面と上記第２の半導体基板の裏面に形成され、上記活性層に電流を供給する電極と、を備える半導体発光素子が提供される。
【００３０】
上記第１の半導体基板は、ＧａＡｓから形成され、上記第２の半導体基板は、ＧａＰから形成され、また、上記エピタキシャル成長層は、組成式Ｉｎx（Ｇａ1-yＡｌy）1-xＰで表され、上記第１のクラッド層の上記組成式における組成比は、０．４５＜ｘ＜０．５０、０≦ｙ≦１であると好適である。
【００３１】
上記半導体発光素子において、上記エピタキシャル成長層の熱膨張率は、上記第２の半導体基板の熱膨張率に近似することが望ましい。
【００３２】
また、本発明によれば、
第１の半導体基板上に半導体結晶をエピタキシャル成長させてエピタキシャル成長層を形成する第１の工程と、上記エピタキシャル成長層の表面の汚染物および異物を除去する第２の工程と、この第２の工程により汚染物および異物が除去されたエピタキシャル成長層の上に、少なくとも片面が鏡面加工された第２の半導体基板を被鏡面加工面が上記エピタキシャル成長層に接するように載置し、上記エピタキシャル成長層と一体的に接合させる第３の工程と、を備える接着型半導体基板の製造方法が提供される。
【００３３】
上記第２の工程により、エピタキシャル成長層の表面に付着するパーティクルを除去できるので、上記第２の半導体基板を上記エピタキシャル成長層に接合させることができる。これにより、半導体基板を高い歩留りで製造することができる。
【００３４】
また、本発明によれば、
第１の半導体基板の格子定数と整合するように、組成比を選択して上記第１の半導体基板上に半導体結晶をエピタキシャル成長させてエピタキシャル成長層を形成する第１の工程と、上記エピタキシャル成長層の表面の汚染物および異物を除去する第２の工程と、上記エピタキシャル成長層の上に、少なくとも片面が鏡面加工された第２の半導体基板をこの被鏡面加工面が上記エピタキシャル成長層に接するように載置し、上記エピタキシャル成長層と一体的に接合させる第３の工程とを備える接着型半導体基板の製造方法が提供される。
【００３５】
エピタキシャル成長層の格子定数と第１の半導体基板の格子定数とを整合させるので、エピウェーハの反りを低減させることができる。これにより、エピウェーハと第２の半導体基板とをより安定的に接合させることができるので、より高い歩留りで接着型半導体基板を製造することができる。
【００３６】
また、本発明によれば、
第１の半導体基板上に半導体結晶をエピタキシャル成長させてエピタキシャル成長層を形成する第１の工程と、上記エピタキシャル成長層の表面の汚染物および異物を除去する第２の工程と、上記エピタキシャル成長層の上に、少なくとも片面が鏡面加工された第２の半導体基板をこの被鏡面加工面が上記エピタキシャル成長層に接するように載置し、上記エピタキシャル成長層と一体的に接合させる第３の工程と、上記第１の半導体基板の少なくとも表面部を除去した後、熱処理する第４の工程と、を備える接着型半導体基板の製造方法が提供される。
【００３７】
上記第４の工程において熱処理の前に上記第１の半導体基板の少なくとも表面部を除去するので、エピウェーハ全体の平均熱膨張率がエピタキシャル成長層の熱膨張率と略同一となり、上記第２の半導体基板の熱膨張率に近似する。これにより、その後の再度の熱処理工程における被接着体の破壊を防止することができるので、さらに接着強度に優れた接合型半導体基板をより一層高い歩留りで製造することができる。
【００３８】
上記接着型半導体基板の製造方法において、上記第２の工程は、上記エピタキシャル成長層の表面部を除去する工程であっても良い。
【００３９】
また、上記第１の工程は、上記エピタキシャル成長層の上にカバー層を形成する工程を含み、上記第２の工程は、上記カバー層をエッチングにて除去する工程であることが望ましい。これにより、上記エピタキシャル成長層の表面部を直接除去する必要がないので、上記エピタキシャル成長層の厚さを精密に制御することが可能になる。
【００４０】
また、本発明によれば、
第１の半導体基板上に化合物半導体の混晶をエピタキシャル成長させて第１のクラッド層と活性層と第２のクラッド層が順次堆積した積層体を含むエピタキシャル成長を形成する工程と、上記第２のクラッド層の上にカバー層を形成する工程と、このカバー層をエッチングにて除去して上記第２のクラッド層の表面を露出させる工程と、表面が露出されたこの第２のクラッド層の上に主面が鏡面加工された第２の半導体基板を、上記主面が上記上記第２のクラッド層に接するように載置して一体的に接合させる工程と、上記第１の半導体基板と上記第２の半導体基板との熱膨張係数の差異に起因する接着面の破壊をもたらす温度を下回る温度で熱処理をする工程と、上記第１の半導体基板側からエッチング処理を行い上記第１のクラッド層を露出させる工程と、上記第１のクラッド層の表面と上記第２の半導体基板の裏面に電極を形成する工程とを備える半導体発光素子の製造方法が提供される。
【００４１】
上記第１のクラッド層は、その格子定数が上記第１の半導体基板の格子定数と整合するように、上記混晶の組成比が選択されて形成されることが望ましい。
【００４２】
上記半導体発光素子の製造方法において、上記第１の半導体基板は、ＧａＡｓから形成され、上記第２の半導体基板は、ＧａＰから形成され、上記積層体は、組成式Ｉｎx（Ｇａ1-yＡｌy）1-xＰで表される化合物半導体層であり、上記第１のクラッド層の上記組成式における組成比は、０．４５＜ｘ＜０．５０、０≦ｙ≦１であると好適である。
【００４３】
さらに、本発明によれば、
第１の半導体基板上に化合物半導体の混晶をエピタキシャル成長させて第１のクラッド層と活性層と第２のクラッド層が順次堆積した積層体を含むエピタキシャル成長を形成する工程と、上記第２のクラッド層の上にカバー層を形成する工程と、上記カバー層をエッチングにて除去して上記第２のクラッド層の表面を露出させる工程と、表面が露出されこの第２のクラッド層の上に主面が鏡面加工された第２の半導体基板を、上記主面が上記上記第２のクラッド層に接するように載置して一体的に接合させる工程と、上記第１の半導体基板の少なくとも表面部をエッチングにより除去した後に熱処理をする工程と、エッチングにより上記第１のクラッド層を露出させる工程と、上記第１のクラッド層の表面と上記第２の半導体基板の裏面に電極を形成する工程とを備える半導体発光素子の製造方法が提供される。
【００４４】
上記エピタキシャル成長層は、上記第１の半導体基板と上記積層体との間に介在して形成され、上記第１の半導体基板の除去工程においてエッチングストッパとなる保護膜を含むことが好ましい。この保護膜は、エッチング時のマージンを与えるとともに、上記熱処理の工程において上記第１のクラッド層の構成成分であるＰ（リン）やドープされた不純物が蒸発することをも防止する。
【００４５】
さらに、本発明によれば、第１の半導体基板上に形成されたエピタキシャル成長層と、少なくとも片面が鏡面加工され、この被鏡面加工面で前記エピタキシャル成長層に一体的に接合された第２の半導体基板と、を備え、前記第２の半導体基板の接合された面の結晶方位が、第１の半導体基板の接合された面の裏側の面の結晶方位と略同一であることを特徴とする接着型半導体基板が提供される。
【００４６】
結晶方位を略同一とすることにより、接着界面のダングリングボンドや結晶欠陥を低減し、電気抵抗の上昇を解消することができる。
【００４７】
または、本発明によれば、第１の半導体基板上に形成されたエピタキシャル成長層と、少なくとも片面が鏡面加工され、この被鏡面加工面で前記エピタキシャル成長層に一体的に接合された第２の半導体基板と、を備え、前記第１の半導体基板と前記第２の半導体基板は、いずれも化合物からなり、前記第１の半導体基板の主面のうちで（１１１）Ａ面と（１１１）Ｂ面のいずれか一方が優先的に出現した面に対して、前記第２の半導体基板の主面のうちで（１１１）Ａ面と（１１１）Ｂ面のいずれか他方が優先的に出現した面を接合してなることを特徴とする接着型半導体基板が提供される。
【００４８】
このような面方位関係により接着界面のダングリングボンドや結晶欠陥を低減し、電気抵抗の上昇を解消することができる。
【００４９】
ここで、前記第１の半導体基板と前記第２の半導体基板とは、それぞれの接合面における順メサ方向が直交するように接合され一体化されたものとすることができる。
【００５０】
また、前記第１の半導体基板は、ＧａＡｓから形成され、前記エピタキシャル成長層は、組成式Ｉｎｘ（Ｇａ１−ｙＡｌｙ）１−ｘＰ（０．４５＜ｘ＜０．５０、０≦ｙ≦１）で表される化合物半導体層を含み、前記第２の半導体基板は、ＧａＰから形成されたものとすることができる。
【００５１】
また、前記第１の半導体基板は、（１００）面から（１１１）III族面すなわちＧａ面方向に第１の傾斜角度をもって傾斜した表面を有し、前記第２の半導体基板は、（１００）面から（１１１）V族面すなわちＰ面方向に第２の傾斜角度をもって傾斜した表面を有するものとすれば、前述した方位関係を満足できる。
【００５２】
また、前記第１の傾斜角度と前記第２の傾斜角度が略同一であることが望ましい。
【００５３】
一方、本発明によれば、前述したいずれか１つに記載の接着型半導体基板を形成した後に前記第１の半導体基板の少なくとも一部を除去して得られた残部を備えたことを特徴とする半導体発光素子が提供される。
【００５４】
一方、本発明によれば、２枚の半導体基板を接合してなる接着型半導体基板の製造方法であって、化合物半導体からなる第１の半導体基板の主面のうちで（１１１）Ａ面と（１１１）Ｂ面のいずれか一方が優先的に出現した面に対して、化合物半導体からなる第２の半導体基板の主面のうちで（１１１）Ａ面と（１１１）Ｂ面のいずれか他方が優先的に出現した面を接合することを特徴とする接着型半導体基板の製造方法が提供される。
【００５５】
または、本発明によれば、化合物半導体からなる単結晶インゴットからスライスした第１及び第２の半導体基板を接合してなる接着型半導体基板の製造方法であって、前記第１の半導体基板の主面のうちの前記単結晶インゴットの種結晶に近い側の主面に対して、前記第２の半導体基板の主面のうちの前記単結晶インゴットの種結晶から遠い側の主面を接合することを特徴とする接着型半導体基板の製造方法が提供される。
【００５６】
ここで、前記第１及び第２のウェーハは、それぞれ異なる単結晶インゴットからスライスされたものでも良い。
【００５７】
また、本発明によれば、２枚の半導体基板を接合してなる接着型半導体基板の製造方法であって、重ね合わせた前記２枚の半導体基板の一部のみを加圧して押さえ、前記２枚の半導体基板のその他の部分を押さえない状態において加熱することにより前記２枚の半導体基板を接合することを特徴とする接着型半導体基板の製造方法が提供される。
【００５８】
ここで、前記重ね合わせた前記２枚の半導体基板の中央部のみを加圧して押さえると良い。
【００５９】
また、本発明によれば、発光層と、その発光に対して透光性を有する基板と、を備えた半導体発光素子であって、前記基板上における前記発光層の面積が前記基板の面積よりも小さいことを特徴とする半導体発光素子が提供される。
【００６０】
この構成によれば、発光効率を改善し、光取り出し効率の低下も抑制することができる。
【００６１】
ここで、前記基板は、その主面のうちの前記発光層側の主面の面積がその反対側の主面の面積よりも小さくなるように側面に段差を有するものとしても良い。
【００６２】
また、本発明によれば、前述したいずれかの半導体発光素子の製造方法において、前記活性層を部分的に除去することにより、前記第２の半導体基板上における前記活性層の面積を前記第２の半導体基板の面積よりも小さくする工程をさらに備えたものとすることができる。
【００６３】
また、本発明によれば、前述したいずれかの接着型半導体基板の製造方法において、前記第１の半導体基板と前記第２の半導体基板の少なくともいずれかの接合すべき表面に溝を形成した後に接合することにより、熱膨張率や格子定数の相異を緩和することができる。
【００６４】
ここで、前記したいずれの発明においても、第１の発明基板と第２の半導体基板とを接合する前に、第２の半導体基板の表面に第２のエピタキシャル成長層を成長しておき、この第２のエピタキシャル層で接合するようにしても良い。
【００６５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態のいくつかについて図面を参照しながら説明する。
【００６６】
（第１の実施の形態）
まず、本発明の第１の実施の形態について説明する。本実施形態は、本発明にかかる接着型半導体基板をＩｎＧａＡｌＰ系ＬＥＤに適用した形態である。
【００６７】
図１は、本実施形態のＩｎＧａＡｌＰ系ＬＥＤを示す略示断面図である。同図に示すＬＥＤ１は、活性層１５と、この活性層１５を介在させて積層形成されたＮ型クラッド層１４，Ｐ型クラッド層１６でなる積層体１０と、この積層体の下面に一体的に接合されたＧａＰ基板１１と、Ｎ型クラッド層１４の上面側とＧａＰ基板１１の下面にそれぞれ形成された電極１９と、を備えている。
【００６８】
積層体１０は、図示しないＧａＡｓ基板を成長用基板として化合物半導体の混晶をエピタキシャル成長させることにより形成されたものである。ＧａＰ基板１１は、Ｐ型クラッド層１６との接合面を主面とすると、この主面が鏡面加工され、積層体１０が成長用基板上に形成されたままで室温にて直接密着接合されている。成長用基板は、密着接合後に除去されている。
【００６９】
活性層１５および２つのクラッド層１４，１６はいずれも前述した組成式１）で表わすことができ、後述するように、各組成を好適に選択することにより特に室温で成長用基板と格子整合されているので、成長用基板の反りが大幅に低減され、この結果ＧａＰ基板１１の積層体１０への全面接合が可能となっている。
【００７０】
本実施形態において、ＧａＰ基板１１は、Ｐ型で直径が２インチ、厚さが２５０μｍであり、Ｐ型クラッド層１６は０．６μｍの厚さを有し、その組成比は前述の１）式を用いて表すとｘ＝０．５，ｙ＝１．０である。また、活性層１５は、厚さ０．６μｍで組成比がｘ＝０．５，ｙ＝０．２８である。さらに、Ｎ型クラッド層１４は、厚さ０．６μmmであり、その組成比は、ｘ＝０．５，ｙ＝１．０である。
【００７１】
このように、本実施形態のＬＥＤ１は、可視光領域の光を吸収しないＧａＰ基板１１上に形成されているため、高い輝度で発光させることができる。このＬＥＤ１の発光特性を評価したところ、図１８に示した従来のＧａＡｓを基板とするＬＥＤ１００の２倍以上の明るさを有することが確認された。
【００７２】
（第２の実施の形態）
次に、本発明の第２の実施の形態として、接着型半導体基板の製造方法の実施の形態について図面を参照しながら説明する。以下の説明においては、ＩｎＧａＡｌＰ系ＬＥＤの製造に適用した具体例として説明し、より具体的には図１に示すＬＥＤ１の製造方法の実施例のいくつかを示す。
【００７３】
（第１の実施例）
まず、本発明にかかる接着型半導体基板の製造方法の第１の実施例について図２を参照しながら説明する。本実施例は、第１の半導体基板上に形成されたエピタキシャル成長層の表面へのパーティクル付着を解決するものであり、その特徴は、エピウェーハの表面にカバー層を形成し、第２の半導体基板をエピウェーハに直接接着する前に、エピウェーハに付着したパーティクルをカバー層とともに除去する点にある。
【００７４】
図２（ａ）〜（ｄ）は、本実施例の製造方法を具体的に説明する略示断面図である。なお、図２は、図１の上下を逆にした記載となっている。
【００７５】
図２（ａ）に示すように、直接接着に供するエピウェーハには、Ｎ型ＧａＡｓ基板１２上にバッファ層１８，Ｎ型クラッド層１４、活性層１５，Ｐ型クラッド層１６、および表面カバー層１７が順次積層されて形成されている。これらのエピタキシャル成長層は、例えばＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法により形成される。
【００７６】
Ｎ型ＧａＡｓ基板１２は、サイズが直径２インチ、厚さ２５０μｍであり、不純物としてＳｉが約１Ｅ１８／cm3のキャリア濃度でドープされており、さらにその主面は鏡面仕上げとなっている。バッファー層１８はＧａＡｓで、厚さは０．５μｍである。最上層の表面カバー層１７は、ＧａＡｓで形成され、その厚さは０．１μｍである。
【００７７】
次に、エピウェーハを界面活性剤で洗浄した後、容積比で硫酸８、過酸化水素水１、水１の混合液にエピウェーハを浸漬してエッチングを行い、図２（ｂ）に示すように、表面カバー層１７を除去した。この混合液は、ＧａＡｓカバー層を選択的にエッチングするもので、数秒で表面カバー層１７が除去されたことが観察できたが、１分間侵漬を続けてＰクラッド層１６の表面を完全に表出させた。
【００７８】
次いで、表面カバー層１７を除去したエピウェーハとＧａＰ基板１１との直接接着を行い、図２（ｃ）に示す被接着体を得た。以下、直接接着の工程をより詳細に説明する。
【００７９】
直接接着の前処理として、ＧａＰ基板１１を界面活性剤で洗浄し、希弗酸に浸漬して表面の自然酸化膜を除去し、水洗をした後にスピナで乾燥させた。また、エピウェーハは上述した方法で表面カバー層１７を除去した後、ＧａＰ基板１１と同様にして酸化膜除去のため希弗酸処理を行い、水洗とスピナ乾燥を行なった。これらの前処理は、すべてクリーンルーム内の清浄な雰囲気下で行った。
【００８０】
次に、前処理を終えたエピウェーハをエピタキシャル成長層が上方になるように載置し、その上にＧａＰ基板１１を、鏡面が下向きになるように載置し、室温で密着させた。ＧａＰは透明であるため密着状態を目視にて観察できる。ＧａＰ基板１１をエピウェーハに載置すると、エピウェーハが正面視で凸形状をなすように反っているため、ＧａＰ基板１１の中央部が最初に密着した。そのまま放置するだけで密着部が自然にＧａＰ基板１１の周辺部へ向って広がり、１分以内にＧａＰ基板１１の周縁の面取り部分を除いて全面が密着した。同様の操作を繰り返し、計１０組の室温密着を行ない、そのすべてが全面密着した。本実施例との比較のため、カバー層１７を設けなかったエピウェーハを準備してカバー層に対するエッチング以外は本実施例と同様の工程を経て室温密着を試みた。その結果、カバー層１７を設けなかったエピウェーハは、１０組のうち６組にボイドが発生し、１組は室温での密着ができなかった。
【００８１】
直接接着の最終工程として、室温で密着している被接着体を石英ボートに立てて並べ、拡散炉内に入れて熱処理を行った。被接着体を５組ずつに分け、片方を８００℃で、もう片方を４００℃で熱処理した。いずれも処理時間は１時間で、雰囲気は水素を１０％含むアルゴンである。熱処理工程後、８００℃の被接着体は、５組中３組が割れるか、またはエピウェーハ側にクラックが入っていた。この一方、４００℃で熱処理した５組については、割れたりクラックが入ったりしたものはなかった。熱処理工程における温度に応じたこのような相違は、ＧａＡｓを基板とするエピウェーハとＧａＰ基板１１とは熱膨張係数が異なるため、室温被接着体を高温で熱処理する際に熱応力が発生し、この結果被接着体が破壊されるためである。熱処理温度が低い場合は、温度にほぼ比例して昇温時の熱膨張差と降温時の熱収縮差が小さくなるため、４００℃の熱処理では破壊が起こらなかった。
【００８２】
次に、図２（ｄ）に示すように、エピウェーハのＧａＡｓ基板１２を除去した。このＧａＡｓ基板１２の除去工程は、被接着体をアンモニアと過酸化水素水の混合液に浸漬し、ＧａＡｓを選択的にエッチングすることにより処理した。このエッチングによりＧａＡｓバッファ層１８も同時に除去された。
【００８３】
最後に、ＧａＰ基板１１とＮ型クラッド層１４に電極１９を設け、図１に示すＬＥＤ１を得た。
【００８４】
以上、ＩｎＧａＡｌＰエピタキシャル成長層上のＧａＡｓカバー層を選択エッチングで除去してから接着する工程を中心に本発明にかかる半導体発光素子の第１の実施例を説明した。但し、カバー層は必ずしもすべて除去する必要はなく、同様の効果が得られる範囲内で表面からその一部を除去してもよい。また、カバー層を設けずに、接着するエピタキシャル成長層の表面部分を除去してもよい。
【００８５】
本実施例においては、直接接着するクラッド層が発光に寄与する層であるため、厚さを精密に制御するために、カバー層を設けた上でこれを選択エッチングで完全に除去したものである。
【００８６】
本実施例の表面パーティクル除去方法は、上述したＩｎＧａＡ１Ｐ系エピタキシャル成長層とＧａＰ基板との直接接着に限らず、エピタキシャル成長層にウェーハ接着する場合に有効である。また接着法も上述した直接接着に限らず、荷重をかけながら熱処理する方法、電圧をかけて接着する方法、さらに接着層や接着材料を使用して接着する方法においても、接着表面のパーティクルは接着の障害になるため、本実施例の表面パーティクル除去方法は適用可能である。
【００８７】
（第２の実施例）
次に、本発明にかかる密着型半導体基板の製造方法の第２の実施例について説明する。本実施例は、エピウェーハの反りが大きい場合に、ＩｎＧａＡ１Ｐ系材料の格子定数を調整することにより、直接接着工程の室温密着が不完全となる問題を解決するものである。その他の製造方法は、前述した第１の実施例と略同一である。本実施例についても図１に示すＬＥＤ１の製造方法に適用した具体例として図２の略示断面図を用いて説明する。
【００８８】
上述した第１の実施例では、厚さの合計が１．８μｍのＩｎＧａＡｌＰ系エピタキシャル成長層を有するエピウェーハと、厚さ２５０μｍのＧａＰ基板とを使用し全面密着が可能であった。このエピウェーハには１１μｍ〜１８μｍの反りがあったが、室温密着カがエピウェーハの反りを矯正した結果、また、ＧａＰ基板をエピウェーハに合わせて凹に反らした結果、全面が密着した。
【００８９】
これに対して、ＩｎＧａＡｌＰ系エピタキシャル成長層の厚さ合計が３．６μｍのエピウェーハと、厚さ３５０μｍのＧａＰ基板を使用して、同様の直接接着を試みた。エピウェーハは、基板と各エピタキシャル成長層の組成を第１の実施例と同一にし、厚さは、活性層１５とバッファー層１８とカバー層１７については同一だが、Ｎ型クラッド層１４とＰ型クラッド層１６はそれぞれ１．５μｍと厚くしてある。この結果、エピウェーハの反りは２４〜３６μｍと、ほぼＩｎＧａＡ１Ｐ系エピタキシャル成長層の厚さ合計に比例して大きくなっていた。
【００９０】
この場合、エピウェーハの中央領域は室温で密着したが、全面の密着はできなかった。ここで、エピウェーハを平坦な真空チャックに吸着させると全面密着が可能であった。このことから、全面接着できない原因は、エピウェーハの反りが大きいことと、さらに、ＧａＰ基板が厚く変形しにくいことにより、室温密着カがウェーハの反りを矯正できなくなった点にあることが分る。
【００９１】
本実施例の特徴は、ＩｎＧａＡ１Ｐ系材料の特性を利用して、バンドギャップなどの発光に影響する特性を変えることなく、格子定数を調整して、エピウェーハの反りを減らすことにある。１ｎＧａＡｌＰ系材料は、ＩｎＰ，ＧａＰ，Ａ１Ｐの混晶である。一般にベガード則と呼ばれる法則によれば、混晶の格子定数やバンドギャップは、混晶を構成する物質の格子定数とバンドギャップとを構成比に応じて平均化した値となる。いくつかの１ｎＧａＡｌＰ材料について、１）式の組成比ｘ，ｙと、これらｘおよびｙから換算したＩｎＰ，ＧａＰ，ＡｌＰの構成比と、この構成比からベカード則より計算した格子定数およびバンドギャップとを図３に示す。格子定数についてはＧａＡｓの格子定数０．５６５３３ｎｍとの比を合わせて示した。同図中、番号１，２，３は、対応する組成比から分るようにそれぞれ１ｎＰ，ＡｌＰ，ＧａＰ単体の場合であり、格子定数とバンドギャップとの計算にはこの欄の値を使用した。
【００９２】
本発明にかかる接着型半導体基板の製造方法の第１の実施例で説明した、室温で全面密着ができなかったエピウェーハの組成は、番号４と５の欄に示し、また、従来の技術で説明した従来の赤色ＬＥＤと緑色ＬＥＤの組成は番号６〜９の欄に示している。従来の赤色と緑色ＬＥＤについては、いずれの格子定数もＧａＡｓより大きく、これがエピウェーハが反る原因となっている。
【００９３】
従来、エピタキシャル成長層の格子定数は、エピタキシャル成長を行う高温において基板の格子定数との間で整合が取られていた。これは、成長中の格子歪みを減らし高品質のエピタキシャル成長層を得ることを目的としている。しかしながら、高温で格子定数が合っていても、エピタキシャル成長層の熱膨張係数と基板の熱膨張係数は一般に異なるため、接着工程で室温にまで低下すると格子定数が合わなくなり、これが反りの発生原因となっている。
【００９４】
本実施例の特徴は、直接接着を実現するために室温における格子整合を重視し、エピウェーハの反りを減らしたことにある。その具体的手段は、以下の通りである。
【００９５】
図３において、番号１０〜１９の欄には、室温で全面密着ができなかったエピウェーハ（番号５）を元にクラッド層のＩｎ組成ｘを減らしていった場合の格子定数の変化を示している。ｘが０．４７で格子定数はＧａＡｓと同じになり、０．４７を下回ると、格子定数は逆にＧａＡｓよりも小さくなり、この結果エピウェーハを凹に反らせる応力が働く。そこで、クラッド層の組成だけを変えてエピウェーハを試作し直接接着試験を行った。ｘの値を減らすとエピウェーハの反りは減少し、ｘ＝０．４７で反りは６〜１２μｍと小さくなり、室温での全面密着が可能であった。ｘ＝０．４８またはｘ＝０．４９でも全面接着できるＧａＰ基板があった。ｘを０．４５にすると成長中の格子不整合が大きくなり、結晶欠陥が増えた。ｘの値の許容範囲は、エピタキシャル成長層の厚さや、接着するＧａＰ基板の厚さにも依存するため、一概には規定できないが、従来の０．５より小さければ反り低減の効果があり、０．４５以下になるとエピタキシャル成長に不都合が生じる。なお、Ｉｎ組成を減らすことによりバンドギャップが大きくなるが、クラッド層はキャリアを閉じこめる機能を有し、直接発光しないため、発光波長に影響することは少ない。本実施例では、発光波長の変化を避けるために、活性層の組成を変えなかった。また、ウェーハの反りは方法の如何を問わずウェーハ接着の障害となるため、本実施例は、ＩｎＧａＡ１Ｐ系エピタキシャル成長層とＧａＰウェーハとの直接接着に限らず、他のウェーハ接着に適用しても同様の効果を有する。
【００９６】
（第３の実施例）
次に、本発明にかかる接着型半導体基板の製造方法の第３の実施例について図面を参照しながら説明する。本実施例は、直接接着するウェーハ間の熱膨張差による破壊の問題を解決する方法を示すものである。
【００９７】
前述した第１の実施例では、熱処理温度を４００℃まで下げることにより直接接着熱処理による基板破壊を免れた。熱膨張量は熱処理温度にほぼ比例するため、熱処理温度の低下は基板破壊の防止に寄与する。この一方、熱処理温度を下げると、接着界面での原子の移動と再配列が不十分となるため、接合が不完全になるおそれがある。本実施例は接着型半導体基板の製造方法をＬＥＤ製造に応用するものであるため、接合強度がＬＥＤ製造プロセスに耐えることと、接着界面を横切って電流を流せることが求められる。第１の実施例では、接合強度に関しては４００℃の熱処理でも本発明にかかるＬＥＤの製造に十分な強度が得られた。直接接着界面の電気抵抗を評価するために、一定電流２０mmＡを順方向に流したときの電圧ＶＦを測定した。この際、電極のコンタクト抵抗を減らすために、図４のエッチング停止層を利用して、クラッド層と電極との間にＧａＡｓコンタクト層を設けた。第１の実施例のＬＥＤのうち、８００℃で接着熱処理をしたもののＶＦは平均２．０Ｖ、最大２．ｌＶで、従来のＬＥＤのＶＦと同じであった。これに対して４００℃で接着熱処理をしたＬＥＤのＶＦは、平均は２．ｌＶで同程度であるのに対し、最大が３．２Ｖと大きく、直接接着が不完全な部分があることを示している。この測定結果は、熱処理温度低下によるウェーハ熱膨張差の減少が接着の完全性と両立しない場合があることを示唆している。
【００９８】
本実施例の接着型半導体基板の製造方法を図４を参照しながら説明する。図４（ａ）は本実施例の製造方法に用いるエピウェーハを示す。同図に示すエピウェーハは、ＧａＡｓバッファー層３８とＧａＡｓ基板３２の問にエッチング停止層３３を形成した点が図２（ａ）に示すエピウェーハと異なり、その他の点は実質的に同一である。エッチング停止層３３は厚さ０．２μｍのＩｎＡｌＰである。後述するＧａＰウェーハ３１も第１の実施例と実質的に同一のものを使用した。
【００９９】
まず、図４（ａ）〜（ｃ）に示すように、直接接着工程のうち室温貼り合わせまでの工程を第１の実施例と同様に行なった。
【０１００】
次に、熱処理をする前にＧａＡｓ基板３２を除去する。この点が本実施例の特徴である。図４（ｃ）に示す室温被密着体をアンモニアと過酸化水素水の混合液に浸漬し、ＧａＡｓ基板３２をエッチングにより取り除いた。このエッチング液はＩｎＡｌＰをエッチングしないので、エッチング後は、図４（ｄ）に示すように、エッチング停止層３３が表面に残っている。
【０１０１】
ＧａＡｓ基板３２を取り除いた後、第１の実施例と同様に熱処理をした。処理温度は第１の実施例で用いた２つの温度のうち、高い方の８００℃とした。
【０１０２】
次に、図４（ｅ）に示すように、熱処理後、リン酸と過酸化水素水と水の混合液でエッチング停止層３３をエッチングにより除去し、また、硫酸と過酸化水素水と水の混合液でバッファー層３８を一部残してエッチングにより取り除き、さらに第１の実施例と同様にＮ型クラッド層３４の上側のバッファ層を残した部分とＧａＰ基板３１の下面に電極３９を設けて、図４（ｆ）に示すＬＥＤ２を得た。残したバッファ層は、コンタクト層の役割を果たす。
【０１０３】
８００℃で熱処理をすると、第１の実施例では５組中３組の被接着体が破壊したが、本実施例では５組すべてが割れずクラックも見られなかった。また本実施例のＬＥＤ２の特性は、輝度およびＶＦとも、第１の実施例の被接着体のうち、８００℃の熱処理で破壊されなかった被接着体から製造したものと同じであった。
【０１０４】
熱処理をする前にエピウェーハのＧａＡｓ基板３２を除去することで、熱処理による被接着体の破壊を免れた理由は次のとおりである。即ち、被接着体の破壊は、エピウェーハの熱膨張係数とＧａＰ基板３１の熱膨張係数との差異に基づく。エピウェーハの容積のほとんどはＧａＡｓ基板３２で構成されるので、エピウェーハの平均熱膨張係数はほぼＧａＡｓに等しい。ＧａＡｓはＧａＰより熱膨張係数が大きいため、エピウェーハの平均熱膨張係数もＧａＰ基板３１より大きい。この一方、エピタキシャル成長層の格子定数はＧａＡｓ基板３２に適合させているにもかかわらず、エピウェーハはエピタキシャル成長層側が凸に反っている。このことは、エピタキシャル成長層の熱膨張係数がＧａＡｓ基板３２の熱膨張係数よりも小さいことを示している。従って、エピウェーハからＧａＡｓ基板３２を除去すれば、エピウェーハの平均熱膨張係数はエピタキシャル成長層の熱膨張係数となり、ＧａＰ基板３１に近くなる。この結果、熱処理をしても被接着体の破壊が起こらなくなる。従って、ＧａＡｓ基板３２のすべてを熱処理前に除去しなくても、その一部を除去することでもエピウエーハの平均熱膨張係数がＧａＰ基板３１に近づき、熱処理中の被接着体の破壊を防止する効果がある。
【０１０５】
また、本実施例ではエッチング停止層３３を利用して、Ｎ型クラッド層３４が熱処理中に露出しないようにした。これは、ＩｎＧａＡｌＰ系材料を高温で加熱すると蒸気圧が高いＰ（リン）が蒸発し、いわゆるリン抜けを起こす可能性があるため、これを防止するのが目的である。このように、活性層やクラッド層などの発光に直接関与するエピタキシャル成長層は、熱処理中に露出させないことが望ましい。
【０１０６】
異種材料同士の直接接着に関しては、特許第２８０１６７２号で、低温で熱処理をした後に一方のウェーハを薄くして高温で熱処理をする方法が本発明者らにより提案されている。この方法は、一方のウェーハを薄くすることで、他方のウェーハへ印加される熱応力を減らすもので、本実施例のようにエピウェーハ全体の平均熱膨張係数を変えて熱応力を減らすものではない。
【０１０７】
本発明にかかる接着型基板の製造方法でも、低温で熱処理をして所定の接着強度を得てからエピウェーハの基板を除去し、その後所定の高温で熱処理をすることも可能である。ただし、本実施例のように接着面の電気的特性が問題となる場合には、低温熱処理を１００〜３００℃以下の低い温度で行うことが望ましい。この理由は次のとおりである。即ち、脱水縮合反応の進行で接着強度は増加するが、同時に脱離する水分も増える。そのまま温度を上げて接着反応を完結させればよいが、一度熱処理を止めると水分が接着界面に固定され、再度高温に昇温しても電気特性に悪影響を与える可能性が高いためである。
【０１０８】
（第３の実施の形態）
次に、本発明の第３の実施の形態について説明する。本実施形態は、２枚のウェーハを接着する際に、結晶学的にみて、一方のウェーハの「裏」と他方のウェーハの「表」とが接合されるように向きを揃える点に特徴を有する。
【０１０９】
図５は、本実施形態にかかる基板の接着方法を説明するための概念図である。
【０１１０】
すなわち、半導体基板は、通常は、図５（ａ）に例示したような単結晶インゴットから所定の結晶方位にスライスされることにより得られる。
【０１１１】
そして、従来は、図５（ｂ）に例示したように、このようなインゴットＩＧからスライスされたウェーハ１１１、１１２の表面１１１Ａ、１１２Ａをそれぞれ鏡面研磨し、必要に応じてその表面に図示しないエピタキシャル層などを形成し、しかる後に、表面１１１Ａと１１２Ａとが向き合う向きに対向させて接着していた。
【０１１２】
ここで、接着界面の抵抗に関しては、シリコン（Si）同士の接着と、化合物の接着では差異がある。すなわち、シリコン（Si）同士では、接着するウェーハの結晶方位に関わらず、接着面のキャリア濃度を高くして、接着熱処理温度を適切な範囲に選べば、界面に電気抵抗は発生しない。例えば、（１００）面に（１１１）面を接着しても、（１００）面同士のウェーハを互いに４５度回転させて界面抵抗はない。
【０１１３】
これに対して化合物、特にLED用ウェーハなどの接着の場合は、キャリア濃度を高くするだけでなく、接着するウェーハ間の面方位を整合させないと、界面に抵抗が発生する。この現象に従って、界面抵抗を減らすために、結晶の方向に対して同じ角度の傾きを持つウェーハ同士を、相互に回転させずに結晶の回転方向の向きを合わせて接着する方法が、米国特許（USP）第 5,661,316号で提案されている。
【０１１４】
これに対して、本発明者は、種々の結晶方向を組み合わせて接着を試みた結果、ウェーハの傾きと回転方向を合わせるだけでは不十分で、特に結晶に対して傾いた面を持つウェーハでは、一方のウェーハの「表」面に、他方のウェーハの「裏」面を接着することが、界面抵抗を減らす上で大きな効果があることを見いだした。
【０１１５】
すなわち、本実施形態においては、図５（ｃ）に表したように、ウェーハ１１１の裏面１１１Ｂとウェーハ１１２の表面１１２Ａとが向き合う向きに対向させて接着する。本発明者は、後に詳述するように、このように接着すると接着界面の結晶性を改善し、電気的な抵抗成分を大幅に低減できることを見いだした。
【０１１６】
例えば、閃亜鉛型構造を有するIII-V族化合物半導体を例に挙げると、図５（ａ）に表したように、［１００］方向に成長させた単結晶インゴットＩＧには、その成長軸に対して傾斜して（１１１）Ａ面が表れる方向と、（１１１）Ｂ面が表れる方向とが存在する。ここで、（１１１）Ａ面は、例えば、III属元素が表面に優勢に表れる原子面であり、（１１１）Ｂ面は、V属元素が表面に優勢に表れる原子面である。
【０１１７】
そして、このような単結晶インゴットから（１１１）Ａ面に所定の角度をもって傾けた方向にスライスして得られた半導体基板１１１、１１２の表面は、（１１１）Ａ面の物性が優勢に表れる表面１１１Ａ、１１２Ａを有する。これに対して、これらの半導体基板１１１、１１２の裏面１１１Ｂ、１１２Ｂは、（１１１）Ｂ面の物性が優勢に表れる面となる。
【０１１８】
結晶を傾けてスライスするのは、いわゆる「ジャスト」方位の基板よりも、傾いた表面方位を有する基板の方がエピタキシャル成長に都合がよいためで、一般に（１００）面を（１１１）面方向に傾ける。ところが、GaAsやGaPのような化合物半導体の場合は、上述したように、（１１１）面には２種類有り、一方は表面がIII族のGaで覆われ、他方はV族のAsやＰで覆われる。そして（１１１）面が表面になるように結晶を加工してウェーハを作ると、その表面と裏面は互いに異なる面になることが知られている。
【０１１９】
図５の場合、例えば、表面側が（１１１）III族面に傾くようにスライスすると、裏面は（１１１）V族面に傾く。従って、図５（ｃ）に表したように２枚の半導体基板の表面と裏面とを接着することは、（１１１）III族面に傾いた面と（１１１）V族面に傾いた面とを接着することにほかならない。
【０１２０】
（１００）面を（１１１）III族面に傾けた面は、（１００）面と（１１１）面が混在し、III族原子の比率が高い。逆に（１１１）V族面に傾いた面はV族原子の比率が高い。両者を組み合わせると、接着界面でIII族とV族の比が保たれ、電気特性に悪影響を与えるダングリングボンドが減り、電気抵抗を減らすことができる。
【０１２１】
従って、接着する半導体基板の材料が同一である場合には、表面の傾斜角度は２枚の基板の間で相互に近いことが望ましい。この場合に、最もIII族原子とV族原子のバランスが良好になるからである。
【０１２２】
一方、異なる材料の半導体基板同士を接着する場合には、両者の物性に合わせて、表面の傾斜角度も調節することが望ましい。材料が異なる場合には傾斜角度に対するIII族原子やV族原子の比率も異なる場合があるからである。
【０１２３】
また、異方性が出現する方向（例えば、ＧａＡｓやＧａＰにおける＜１１１＞方向）の傾斜角（オフアングル）が小さい表面を有する半導体基板の場合には、表面同士を組み合わせてもダングリングボンドの数が少なく、界面抵抗の上昇は比較的小さい傾向がある。これに対して、傾斜角が１０度以上の場合は、裏面と表面を組み合わせると顕著な効果が得られる。
【０１２４】
一方、本発明者の検討の結果によれば、表面の傾斜角が小さい場合、例えば傾斜角が０度の（１００）ジャスト面を表面に有する基板を接着する場合でも、裏面と表面とを接着すると効果が見られる。従来は、（１００）面は裏面も表面も電気的に等価と考えられていた。しかし、GaAsやGaPのようなIII-V族化合物半導体は閃亜鉛構造を有し、III族原子とV族原子がそれぞれ別の面心立格子位置に配置し、これらの格子が互いに対角線方向に格子定数の１／４だけずれている。従って、（１００）面は、III族原子かV族原子の一方が最表面に出て、他方は１／４格子分だけ内部にあると推測される。この場合、基板の裏面においては、電気的中性を保つために表面と逆の原子が最表面に出ることとなる。このような理由により、（１００）ジャスト面でも、表面と裏面とを組み合わせて接着する方が、ダングリングボンドの数が少なく、界面抵抗の上昇が小さくなるものと考えられる。
【０１２５】
本実施形態は、異なるインゴットからスライスされた２枚の半導体基板を接着する場合にも同様にも顕著な効果を奏する。
【０１２６】
図６は、２つの異なるインゴットからスライスされた半導体基板を接着する様子を表した概念図である。例えば、同図（ａ）に表したように、［１００］方向に成長したGaP単結晶インゴットから（１１１）方向に傾斜させたオフアングルを有する半導体基板１１をスライスする。半導体基板１１は、（１１１）Ａ面の成分が強く表れる表面１１Ａと、（１１１）Ｂ面の成分が強く表れる裏面１１Ｂとを有する。同様に、図６（ｂ）に表したように、GaAsインゴットからオフアングルを付けてスライスした半導体基板１２も、（１１１）Ａ面の成分が強く表れる表面１２Ａと、（１１１）Ｂ面の成分が強く表れる裏面１２Ｂとを有する。
【０１２７】
これら２枚の基板を接着する際には、裏面１１Ｂと表面１２Ａとを接着する。または、表面１１Ａと裏面１２Ｂとを接着する。このように表面と裏面とを接着することにより、界面でのIII族原子とV族原子とのバランスを良好なものとし、ダングリングボンドや結晶欠陥を低減して、電気抵抗も大幅に低下させることができる。
【０１２８】
なお、異なる単結晶インゴットからそれぞれスライスした半導体基板の「表」と「裏」の判断は、インゴットの成長方向すなわち種結晶に対する向きにより決定することができる。すなわち、通常はインゴットを成長する際に、種結晶の結晶方位を一定にする。従って、異なるインゴットであっても、その（１１１）Ａ面あるいは（１１１）Ｂ面の方位は、成長方向に対して一定の関係を有する。つまり、異なるインゴットからそれぞれスライスされた半導体基板のいずれにおいても、種結晶に近い側を「表」面とし、反対側の面を「裏」面と定義して、「表」面と「裏」面とを接着すれば良い。
【０１２９】
一般に市販されている化合物半導体のウェーハの場合には、（１１１）Ａ面とＢ面とを区別する目的で、「インデックス・フラット（IF）」などと称される直線状切断部がウェーハの一部に設けられていることも多い。このような場合には、ウェーハの「表」と「裏」を容易に識別できる。
【０１３０】
また、異なるインゴットからスライスした半導体基板の「表」と「裏」の判断は、メサエッチングにより行うこともできる。すなわち、GaAsやGaPウェーハにメサエッチングを行うと、メサの互いに直交する断面形状が順メサと逆メサを呈する。また、同じウェーハの表面と裏面では、順メサの方向が互いに直交する。これらの順メサと逆メサの方向は、それぞれ結晶の（１１１）Ａ面と（１１１）Ｂ面の方位に対応して出現する。従って、この順メサと逆メサの方向によって半導体基板の表面側と裏面側とを区別することができる。
【０１３１】
２枚の半導体基板の表面と裏面とを接着すると、接着された面同士の順メサ方向は互いに直交し、接着された面と反対側の面同士、すなわち２枚のウェーハが接着により１枚になった新たなウェーハの一方の面と他方の面の順メサ方向は互いに直交する。
【０１３２】
次に、本実施形態の具体例として第４〜第６実施例について説明する。
【０１３３】
（第４の実施例）
まず、第４の実施例として、接着ウェーハの界面抵抗を測定した具体例について説明する。
【０１３４】
図５に表したように［１００］方向に成長させたGaP単結晶インゴットから、（１１１）方向に１５度傾斜させてGaPウェーハ１１１、１１２を切り出した。切り出したウェーハ１１１、１１２をそれぞれ２つに分け、一組は図５（ｂ）に表したようにいずれも上面（表面）１１１Ａ、１１２Ａを研磨して鏡面を形成し、他の一組は図５（ｃ）に表したように、ウェーハ１１１の下面（裏面）１１１Ｂと、ウェーハ１１２の上面（表面）１１２Ａを鏡面研磨した。表面を研磨したウェーハは、研磨面が（１１１）Ga面方向に、裏側を研磨したウェーハは（１１１）Ｐ面方向に傾いている。
【０１３５】
この２組のウェーハを使用して、表面同士と、表面と裏面の組合せで接着し、界面の電気抵抗を比較した。
【０１３６】
接着の方法は、後に詳述する方法と同じであり、熱処理は８００℃で行った。GaPの接着面にはキャリア濃度を変えたGaPエピタキシャル層を成長させ、接着界面のキャリア濃度を種々の値に調節した。接着したウェーハは両面に電極を設けて接着面まで２５０μｍ□の大きさになるようにハーフダイシングを行い、I-V特性を測定し、GaP基板のバルク抵抗を差し引いて接着界面の抵抗を求めた。
【０１３７】
図７は、接着面のキャリア濃度と界面抵抗との関係を表すグラフ図である。同図において、黒丸は表面同士を接着したものを表し、白三角は表面と裏面とを接着したものを表す。表面同士の接着（黒丸）では、キャリア濃度を上げると界面抵抗が下がるがゼロにはならない。これに対して本発明の裏面と表面の組合せ（白三角）では、キャリア濃度が低い場合にも、界面抵抗は非常に低く、キャリア濃度が２×１０１８ｃｍ−３程度まで上昇すると、界面抵抗を実質的にゼロにすることができた。
【０１３８】
なお、キャリア濃度と界面抵抗との関係は、表面エピ層がなくても同様で、キャリア濃度が高い基板を利用すれば、エピ層がなくても界面抵抗を下げることができる。
【０１３９】
（第５の実施例）
次に、第５の実施例として、図２と同様の工程によりＬＥＤを試作評価した結果について説明する。
【０１４０】
まず、（１１１）Ga面方向に１５度傾斜させたGaAsウェーハ１２を用意し、その上に図２（ａ）に表したように、InGaAlPからなるLED構造１８〜１７をエピタキシャル成長した。このようにして得られた４元エピタキシャル・ウェーハの接着面（ｐ型クラッド層１６の表面）は、基板と同様に（１１１）Ga面方向に１５度傾斜している。
【０１４１】
次に、GaPウェーハ１１として、（１１１）Ga面方向に１５度傾斜させた２枚のGaPウェーハを用意し、一方は表面側、他方は裏面側を鏡面に研磨した。
【０１４２】
しかる後に、図２（ｃ）に表したように、GaPウェーハの研磨面をクラッド層１６に接着した。
【０１４３】
さらに、図２（ｄ）に表したようにGaAs基板１２を除去し、得られたLEDの動作電圧を調べた。
【０１４４】
その結果、GaPウェーハ１１の接着面がGaAs基板１２と同じく（１１１）Ga面に傾斜したLEDの２０mA通電時の動作電圧は４．５Vであった。これに対して、本実施形態に従ってGaPウェーハ１１の接着面が（１１１）P面に傾斜したLEDの２０mA通電時の動作電圧は２Vと顕著に低下し、明らかに界面抵抗が減少したことが分かった。
【０１４５】
（第６の実施例）
次に、第６の実施例として、（１００）ジャストの表面方位を有するウェーハ同士を接着した具体例を説明する。
【０１４６】
まず、GaPの単結晶インゴットから（１００）ジャストの表面方位をもつウェーハを切り出し、インゴットの種結晶に近い面と表面と定義した。次に、これらのウェーハの表面側あるいは裏面側を鏡面に加工し、０．２μｍの層厚でキャリア濃度１×１０１８ｃｍ−３のＧａＰ層をその鏡面上にエピタキシャル成長した。ここでエピタキシャルＧａＰ層のキャリア濃度を比較的低くしたのは、図７に関して前述したように、キャリア濃度が低い方が、界面抵抗に対する接着面の組合せの影響が大きく、比較が容易なためである。
【０１４７】
このようにしてエピタキシャル層を挟んで、ウェーハの表面同士、あるいは表面と裏面とをそれぞれ接着し、界面抵抗を測定した。
【０１４８】
その結果、表面同士を接着したものでは界面の電流電圧特性はオーミックにならず、２０ｍＡ通電時に界面付近において約２．２Ｖの電圧が発生した。これに対して、表面と裏面とを接着したものでは、電流電圧特性は直線状でオーミック性を示し、２０ｍＡ通電時の抵抗も０．８Ｖと小さかった。
【０１４９】
表面同士を接着したものにおいて大きい抵抗が発生するのは、ダングリングボンドがキャリアをトラップして、接着面のキャリア濃度が低下したためであると考えられる。つまり、（１００）ジャスト基板の場合においても、インゴットの成長方向に対応して、ウェーハの「表」と「裏」が存在し、「表」と「裏」とを接着することにより界面抵抗を有意に低下できることが分かった。
【０１５０】
（第４の実施の形態）
次に、本発明の第４の実施の形態について説明する。本実施形態は、２枚のウェーハを接着する際に、ウェーハの全体ではなく、一部のみを加圧することにより熱膨張に伴う「ずれ」を緩和する点に特徴を有する。
【０１５１】
図８は、本実施形態を説明するための概念図である。すなわち、前述したいずれかの実施形態に基づいて２枚のウェーハＡ及びＢを接着する際に、本発明者は、これらのウェーハをどのように保持加圧すべきかについて独自の検討を行った。
【０１５２】
図８（ａ）及び（ｂ）は、本実施形態に係る加圧保持方法を表すものであり、同図（ｃ）及び（ｄ）は、比較例としての加圧保持方法を表す。
【０１５３】
まず、比較例から説明すると、図８（ｃ）に表した例においては、２枚のウェーハＡ及びＢは、重ねた状態で十分に広いジグＪ３の上に載置されており、上方から荷重は印加されない。このような方法によると、ウェーハＡ及びＢは面内方向Ｓに自由に伸縮できるので、熱膨張率の差などに起因する割れなどの問題は生じないが、接着が不十分となる場合が多い。
【０１５４】
また、図８（ｄ）に表した例においては、２枚のウェーハＡ及びＢは、十分に広いジグＪ３及びＪ４によって保持され、荷重Ｐにより加圧される。この場合は、加圧は施されるものの、ウェーハＡ及びＢが面内方向に伸縮することが困難となり、熱膨張率の差などの「ずれ」を吸収緩和することができずにウェーハが割れることがある。
【０１５５】
これに対して、本実施形態においては、図８（ａ）に表したように、２枚のウェーハＡ及びＢの全面を加圧せずに、その一部のみを対向配置されたジグＪ１及びＪ２により加重Ｐで加圧する。ウェーハＡ及びＢが異なる材料からなる場合には、加熱に伴って熱膨張率の差による「ずれ」が生ずる。これに対して、本実施形態によれば、ウェーハの一部のみを保持加圧することにより、加圧部以外の部分は、面内方向Ｓに容易に伸縮することができる。その結果として、熱膨張の差に伴う「ずれ」を許容しつつ、接着することができる。
【０１５６】
ウェーハの一部のみを加圧するためには、図８（ｂ）に表したように、一方のジグＪ１の接触面積のみをウェーハよりも小さくしても良い。この場合にも、ウェーハＢは、全体がジグＪ３により保持されているが、荷重Ｐは、ウェーハＡの上のジグＪ１から部分的にのみ印加される。その結果として、ウェーハＡ及びＢは、面内方向Ｓに伸縮することが可能であり、熱膨張率の差に起因する「ずれ」などを吸収緩和することができる。
【０１５７】
以下、本実施形態の実施例について説明する。
【０１５８】
（第７の実施例）
図９（ａ）〜（ｄ）は、本実施形態の製造方法を具体的に説明する略示断面図である。
【０１５９】
まず、図９（ａ）に表したように、直接接着に供するエピウェーハには、ｎ型ＧａＡｓ基板１２上にバッファ層１８，ｎ型クラッド層１４、活性層１５，ｐ型クラッド層１６、および表面カバー層１７が順次積層されて形成されている。これらのエピタキシャル成長層は、例えばＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法により形成される。
【０１６０】
ｎ型ＧａＡｓ基板１２は、サイズが直径２インチ、厚さ２５０μｍであり、不純物としてＳｉが約１Ｅ１８／cm３のキャリア濃度でドープされており、さらにその主面は鏡面仕上げとなっている。バッファー層１８はＧａＡｓで、厚さは０．５μｍである。最上層の表面カバー層１７は２層構造で、下側が０．１μmのGaAs層１７Ａ、上側が０．２μmのInGaAlP層１７Ｂである。
【０１６１】
次に、エピウェーハをアンモニアと過酸化水素水の混合液に侵漬して裏側の堆積物を除去し、次に、エピウェーハを界面活性剤で洗浄した後、７０℃のリン酸でInGaAlPカバー層１７Ｂをエッチングした。このエッチングは下のGaAs層１７Ａで選択的に止まる。次いで、容積比でアンモニア１、過酸化水素水１５、混合液にエピウェーハを浸漬してエッチングを行い、図９（ｂ）に示すように、下側のGaAsカバー層１７Ａを除去した。この混合液は、ＧａＡｓカバー層１７Ａを選択的にエッチングするもので、数秒で表面カバー層１７Ａが除去されたことが観察できたが、１分間侵漬を続けてｐ型クラッド層１６の表面を完全に表出させた。
【０１６２】
次いで、表面カバー層１７を除去したエピウェーハと、表面に厚さ0.2μm、キャリア濃度２×１０１８ｃｍ−３の高濃度GaP層を成長させたＧａＰ基板１１との直接接着を行い、図９（ｃ）に示す被接着体を得た。以下、直接接着の工程をより詳細に説明する。
【０１６３】
直接接着の前処理として、ＧａＰ基板１１を界面活性剤で洗浄し、希弗酸に浸漬して表面の自然酸化膜を除去し、水洗をした後にスピナで乾燥させた。また、エピウェーハは上述した方法で表面カバー層１７を除去した後、ＧａＰ基板１１と同様にして酸化膜除去のため希弗酸処理を行い、水洗とスピナ乾燥を行なった。これらの前処理は、すべてクリーンルーム内の清浄な雰囲気下で行った。
【０１６４】
なお、第３実施形態に関して前述したように、本実施例においても、エピウェーハとＧａＰ基板１１とをそれらの表面と裏面を接着するように結晶方位を調節しても良いことはいうまでもない。
【０１６５】
次に、前処理を終えたエピウェーハをエピタキシャル成長層が上方になるように載置し、その上にＧａＰ基板１１を、鏡面が下向きになるように載置し、室温で密着させた。ＧａＰは透明であるため密着状態を目視にて観察できる。ＧａＰ基板１１をエピウェーハに載置すると、エピウェーハが正面視で凸形状をなすように反っているため、ＧａＰ基板１１の中央部が最初に密着した。そのまま放置するだけで密着部が自然にＧａＰ基板１１の周辺部へ向って広がり、１分以内にＧａＰ基板１１の周縁の面取り部分を除いて全面が密着した。同様の操作を繰り返し、計１５組の室温密着を行なった。
【０１６６】
直接接着の最終工程として、室温で密着している被接着体を拡散炉内に入れて８００℃で熱処理を行った。雰囲気は水素を１０％含むアルゴンである。
【０１６７】
被接着体は５組ずつに３つに分け、同時に異なる熱処理ジグを使用して比較した。
【０１６８】
本発明の実施例としては、図８（ａ）に例示したように、中央に５φの円形突起が付いたカーボン板で密着した基板を上下から挟み、上に120gのカーボン製の重りを乗せて、ウェーハの中央部だけを押さえた。このジグでは５枚ともウェーハ全面が接着でき、ウェーハの割れはなかった。
【０１６９】
比較例として、図８（ｃ）に例示したように、ウェーハを平らなカーボン板に置き、上にはなにも乗せずに無荷重状態で熱処理をした。この方法では５枚のうち２枚に面積にして３０%を越す大きな剥がれ部分が生じた。ウェーハの割れはなかった。
【０１７０】
もう一つの比較例として、図８（ｄ）に例示したように、ウェーハを平らなカーボン板で挟み、重りを乗せて全面に荷重をかけて熱処理した。この場合、５枚中２枚が割れ、残る３枚も全面接着には至らなかった。割れたウェーハも含めて、ウェーハの周辺部が接着し中央部が剥がれたことから、ウェーハの厚さバラツキで厚くなっていた周辺部分が先に接着してしまい、熱膨張による界面のズレを吸収できなかったのが原因であったと考えられる。
【０１７１】
以上説明したように、本実施形態によれば、ウェーハを部分的に保持加圧するこにより、接着工程を高い歩留まりで実施できることが確認された。
【０１７２】
（第５の実施の形態）
次に、本発明の第５の実施の形態として、発光層からの光に対して透光性のある基板を有する半導体発光素子について説明する。すなわち、本実施形態に係る半導体発光素子は、典型的には、第１乃至第４の実施形態に関して前述した基板の接着技術を用いて形成することができる発光素子である。
【０１７３】
まず、本実施形態に係る半導体発光素子として、発光に寄与する発光層の面積を、透明基板の面積に対して小さくして、発光の輝度を向上させた例を説明する。 図１０（ａ）は、本実施形態に係るＬＥＤの断面構成を表す概念図であり、同図（ｂ）は、比較例としての従来のＬＥＤの断面構成を表す概念図である。
【０１７４】
すなわち、いずれも透明基板であるGaP基板１１上に、クラッド層１４、活性層１５、クラッド層１６を持ち、上下に電極１９Ａと１９Ｂを設けたLEDである。但し、図１０は、概念図であり、実際には、これらの他に、コンタクト層や電流狭窄層あるいは電流拡散層などの各種の要素が設けられていても良い。
【０１７５】
従来のＬＥＤは、図１０（ｂ）に表したように、活性層１５と透明基板１１の大きさは等しく、上方から見た面積は同じであった。このような従来のＬＥＤは、例えば、多数のＬＥＤ構造を作り込んだウェーハを、ダイシングにより切ったり劈開するなどして、多数のＬＥＤチップに切り分けて製造することができる。
【０１７６】
これに対して、本実施形態においては、活性層１５を含む積層体１０の面積が、透明基板１１より小さい。そして、このように活性層１５の面積を小さくすると、ＬＥＤの発光輝度が向上する。以下、このように活性層の面積が小さくなるとＬＥＤの輝度が上がる機構を説明する。
【０１７７】
LEDは電流を流すことで注入されたキャリアが再結合して発光する。図１０（ａ）及び（ｂ）に表したLEDの場合、注入されたキャリアはクラッド層１４及び１６に挟まれた活性層１５に閉じこめられ、そこで再結合する。しかし、キャリアの再結合には、発光を伴うものだけではなく、発光を伴わない非発光再結合も混在する。例えば、結晶欠陥準位や界面準位を介して再結合した場合は非発光で再結合が生ずる。
【０１７８】
非発光再結合は発光再結合よりも速度が速いため、注入されたキャリアは優先的に非発光再結合を起こす傾向がある。一方、欠陥準位や界面準位は結晶中での密度が限られているため、非発光再結合がある一定の電流で飽和すると、それを越える電流が発光再結合に費やされて発光を生ずるようになる。従って、同じ量の電流をLEDに流す場合、狭い面積に流した方が、非発光再結合に消費される電流成分を減らすことができ、注入電流に対する発光再結合の割合、すなわち発光効率を高めることができる。つまり、活性層１５の面積を小さくすることにより、ＬＥＤの輝度を上げることができる。
【０１７９】
しかし、発光層の面積を小さくすると、発光が電極１９Ａにより遮られて光の取り出し効率が低下するという問題がある。これに対して、基板が透明であると有利である。
【０１８０】
すなわち、LEDの発光層は基板に比べて薄いため、基板が不透明なLEDでは発光層から基板側に放出された光は基板によって吸収され、外部に取り出すことはできない。つまり、不透明基板を用いたLEDの場合には、発光層から上方に放出された光のみを、外部に取り出し得る。しかし、このような不透明基板LEDで発光層を小さくすると、発光効率の上昇よりも上側電極１９Ａの遮光による取り出し効率の低下の方が大きくなり、LEDの輝度は低下する。
【０１８１】
同様の理由で、透明基板LEDであっても、発光層だけでなく基板の面積を同時に小さくすることも好ましくない。透明基板LEDでは、図１０（ａ）に表したように、発光層から基板側に放出された光は、基板１１を透過し、下側電極１９Ｂにより反射される。発光層としての積層体１０の両側に透明基板１１の上面Ｓが露出していると、下側電極１９Ｂにより反射された光を、この露出部分Ｓから取り出すことができる。このため、発光層としての積層体１０を小さくしても基板１１の面積を小さくしなければ、取り出し効率は下がらない。
【０１８２】
図１１は、図１０に例示したような透明基板を有するＩｎＧａＡｌＰ系ＬＥＤにおいて、チップ面積に対する発光層の面積の比率と、外部発光強度との関係を表すグラフ図である。すなわち、同図は、ＧａＰ基板を接着して形成したＩｎＧａＡｌＰ系ＬＥＤのデータであり、チップサイズは３００μｍ角で、上側電極サイズは１２０μφである。
【０１８３】
同図に表したように、発光層の面積を小さくするにつれて発光強度は増大し、面積の比率が０．３になると、発光強度は比率１の場合の約１．２倍まで増加する。このように、透明基板を用いたLEDにおいて、発光層を基板よりも小さく形成すると、活性層１５での発光効率を改善しつつ、光の取り出し効率の低下も抑制することができる。
【０１８４】
次に、本実施形態の発光素子の製造方法の具体例について説明する。
【０１８５】
図１２及び図１３は、本実施形態の半導体発光素子の製造方法の要部を表す工程断面図である。
【０１８６】
直接接着に供するエピウェーハの構造は、図１２（ａ）に示したとおりで、ＧａＡｓ基板１２の上に、ＭＯＣＶＤ法でエピ層９３から９８２までを成長させたものである。ここで、ｎ型ＧａＡｓ基板１２は、直径２インチ、厚さ２５０μｍ、Ｓｉドープでキャリア濃度は約１ｅ１８／ｃｍ３で、鏡面仕上げが施されている。エッチング停止層９３は、ＩｎＡｌＰで、厚さ０．２μｍ。ＧａＡｓコンタクト層９４は、厚さ０．０２μｍで、キャリア濃度は１ｅ１８／ｃｍ３である。ＩｎＧａＡｌＰ電流拡散層９５は、Ａｌ組成０．３のＩｎＧａＡｌＰで、厚さ１．５μｍであり、Ｎ型クラッド層１４は、Ａｌ組成０．６のＩｎＧａＡｌＰで、厚さ０．６μｍである。活性層１５は、Ａｌ組成０．１３のＩｎＧａＡｌＰで、厚さ０．４μｍである。Ｐ型クラッド層１６は、Ａｌ組成０．６のＩｎＧａＡｌＰで、厚さ０．６μｍである。ＩｎＧａＰ接着層９７は、厚さ０．１μｍであり、ＧａＡｓカバー層９８１は、厚さ０．１μｍ、ＩｎＡｌＰカバー層９８２は厚さ０．１５μｍである。
【０１８７】
次に、このエピウェーハを界面活性剤で洗浄し、容積比でアンモニア１、過酸化水素水１５の混合液に侵漬し、ＧａＡｓ基板１２の下側をエッチングして、エピウェーハの裏面に付着したエピ反応生成物などを除去する。この際、エピウェーハの表側（図の上側）はＩｎＡｌＰカバー層９８２で覆われているので、エッチングされない。
【０１８８】
次に、エピウェーハを再度界面活性剤で洗浄した後、リン酸で表面のＩｎＡｌＰカバー層９８２を除去する。引き続き、容積比で硫酸８、過酸化水素水１、水１の混合液でＧａＡｓカバー層９８１を除去する。この混合液は選択的にＧａＡｓカバー層をエッチングするもので、エッチングの後エピウェーハの表面にはＩｎＧａＰ接着層が表出する。
【０１８９】
次いで、表面カバー層を除去したエピウェーハとＧａＰウェーハ１１の直接接着を行い、図１２（ｂ）に表した接着体を得た。以下、直接接着の工程を詳しく説明する。
【０１９０】
ＧａＰウェーハは、直径２インチ、厚さ２５０μｍ、ｐ型の鏡面仕上げのものを使用した。接着界面の電気抵抗を下げるために、ＧａＰ表面に高濃度層をエピ成長させる場合もある。
【０１９１】
ここで、第３実施形態に関して前述したように、エピ層とＧａＰ層の接着面が「表」と「裏」の関係になるように両者の結晶方位を調節することが望ましい。
【０１９２】
さて、直接接着の前処理として、ＧａＰウェーハは界面活性剤で洗浄し、希弗酸に侵漬して表面の自然酸化膜を除去し、水洗をした後スピナで乾燥させた。またエピウェーハは表面カバー層を除去した後、ＧａＰ基板と同じく酸化膜除去のため希弗酸処理を行い、水洗とスピナ乾燥を行なった。これらの前処理は、すべてクリンルーム内の清浄な雰囲気下で行った。
【０１９３】
次に、前処理を終えたエピウェーハを上向きに置き、その上にＧａＰウェーハ１１を、鏡面が下向きになるように乗せ、室温で密着させた。ＧａＰウェーハ１１は透明なため密着状態を観察できる。ウェーハを重ねると、エピウェーハが凸に反っているため、ウェーハの中央部が最初に密着した。そのまま放置するだけで密着部が自然に広がり、ウェーハの縁の面取り部分を除いて全面が密着した。
【０１９４】
この工程においても、第４実施形態に関して前述したように、ウェーハの一部のみを加圧することにより、割れを抑制して確実に接着することができる。
【０１９５】
さて、直接接着の最終工程として、室温で密着しているウェーハを石英ボートに立てて並べ、拡散炉内に入れ熱処理を行った。熱処理温度は８００℃、時間は１時間、雰囲気は水素を１０％含むアルゴンである。
【０１９６】
次に、エピウェーハのＧａＡｓ基板１２を除去した。まず、接着体をアンモニアと過酸化水素水の混合液に侵漬し、ＧａＡｓを選択的にエッチングした。このエッチングはＩｎＡｌＰエッチング停止層で停止する。次いで、７０℃のリン酸でエッチングを行い、ＩｎＡｌＰエッチング停止層９３を選択的に除去することにより、図１２（ｃ）に表した積層体を得た。
【０１９７】
次に、この積層体のＧａＰ基板１１の裏面（図中下側）に、金（Ａｕ）／Ｚｎ合金と金（Ａｕ）からなる電極１９Ｂを設け、ＧａＡｓコンタクト層９４の表面（図中上側）には、金（Ａｕ）／Ｇｅ合金と金（Ａｕ）からなる電極１９Ａを設けた。そして、ＰＥＰ（photo-engraving process）により、上側の電極１９Ａを３００μｍピッチで直径２００μｍの円形に加工し、図１３（ａ）の構造を得た。
【０１９８】
次に、発光層の面積を透明基板の面積より小さくするために、金電極１９Ａをマスクにしてエッチングを行い、図１３（ｂ）に表したように、エピ層９４から９７をエッチングした。ここで、ＧａＡｓエピ層９４はアンモニアと過酸化水素水の混合液でエッチングし、ＩｎＧａＡｌＰ系エピ層９４〜１６とＩｎＧａＰエピ層９７はＨＢｒ−Ｂｒ液でエッチングした。
【０１９９】
最後に、図１３（ｃ）に表したように、電極１９Ａを直径１２０μｍの円形に再パターニングし、ウェーハを一点鎖線Ｃの部分で３００μｍ□に劈開分離して図１０（ａ）に表した構造のＬＥＤチップを得た。
【０２００】
なお、図１０（ａ）において、図１３（ｃ）のエピ層の一部は省略した。
【０２０１】
次に、本実施形態の別の実施例として、ウェーハ接着に先だって発光層の面積を小さくする製造方法について説明する。
【０２０２】
図１４は、本実施例の製造方法の要部を表す工程断面図である。
【０２０３】
まず、図１４（ａ）に表すように、ＧａＡｓ基板１２の上に発光層としての積層体１０を形成したエピタキシャルウェーハを形成する。このエピウェーハに、例えば３００μｍピッチで縦横にブレードダイシングを行い、図１４（ｂ）に表したように、幅１００μｍ、深さ２０μｍの溝Ｇを設けた。
【０２０４】
次に、図１４（ｃ）に表したように、ＧａＰ基板１１を接着する。
【０２０５】
次に、図１４（ｄ）に表したように、ＧａＡｓ基板１２を除去し、上下を逆さまにして電極１９Ａと１９Ｂを形成する。
【０２０６】
最後に、劈開やブレードダイシングにより、一点鎖線Ｃに沿って素子分離を行い、図１４（ｅ）に表したようにＬＥＤチップを得た。
【０２０７】
ＧａＡｓ基板１２の上に形成したエピウェーハとＧａＰ基板１１とを接着する場合、ＧａＡｓとＧａＰとの熱膨張係数の差により応力が発生し、接着後の反りや、ひどい場合にはウェーハの破壊が生じる。
【０２０８】
本実施例では、図１４（ｃ）に表したように、ウェーハ接着の際にエピウェーハ表面に溝Ｇが形成されて接着部が小面積に分割されているため、応力が緩和され、反りや破壊が少なくなるという利点が得られる。
【０２０９】
また、ウェーハを貼り合わせる際、２枚のウェーハ間に空気が巻き込まれて未接着部が発生することがある。本実施例のように溝Ｇを設けておくと、巻き込まれた空気をウェーハ外に逃がすことができ、未接着部発生が少なくなるという利点も得られる。
【０２１０】
なお、上述の実施例では、接着前にブレードダイシングでエピウェーハ表面を分割する例を挙げたが、ＰＥＰでウェーハ表面をパターニングすることにより溝Ｇを形成してもよい。
【０２１１】
次に、本実施形態の半導体発光素子の変型例について説明する。
【０２１２】
図１５は、本実施形態の半導体発光素子の変型例を表す概念図である。すなわち、本変型例においては、発光層としての積層体１０を上側電極１９Ａと略同一の面積まで小さくした。
【０２１３】
この構造では発光層としての積層体１０の上面すべてを電極１９Ａが覆っているため、発光層から上向きに放出した光は電極１９Ａで反射して透明基板１１内に入り、基板１１の側面から外部に取り出されるか、または下側電極１９Ｂで反射して電極１９Ａで覆われていない基板１１の上面Ｓから取り出される。
【０２１４】
本変型例の発光素子が、図１０（ａ）の実施例や、図１０（ｂ）の従来例と機能的に異なる点は、ＬＥＤの上面から取り出される光が発光層１６を殆ど通過していない点である。つまり、本変型例においては、活性層１５は、比較的小さい光源として作用し、この光源から放出された光の殆どは、基板１１を透過し、下側電極１９Ｂにより反射されて上面Ｓから外部に取り出される。
【０２１５】
ＬＥＤの発光波長は、活性層１５のバンドギャップで決まる。クラッド層１４、１６はキャリアを閉じこめるため、活性層よりバンドギャップが大きくなるように設計されており、活性層１５からの発光を吸収しない。しかし、活性層１５自体は自ら発光した光を自己吸収する。また、電気的接続に必要なＧａＡｓコンタクト層などのバンドギャップの小さい層も発光を吸収する。従って光を吸収する層を含む活性層あるいはコンタクト層など通さずに光を取り出した方が吸収が少なくてすむ。この点で、図１４に例示した本変型例は有利である。
【０２１６】
図１５の構造を得るためには、例えば図１２〜図１３に表した工程において、図１３（ａ）に表した電極１９Ａの１回目のパターニングを、図１３（ｃ）のサイズで行い、この電極１９Ａをマスクにして発光層をエッチングをすればよい。
【０２１７】
または、全く異なる方法によっても図１５の発光素子を製造することができる。 図１６は、図１５に表した半導体発光素子の製造方法の要部を表す工程断面図である。
【０２１８】
まず、図１６（ａ）に表したように、ＬＥＤ上下の電極１９Ａと１９Ｂを全面に付けたまま、パターニングをせずにチップに分離する。
【０２１９】
次に、このようにして得られたチップに、図１６（ｂ）に表したように、ワイヤーＷをボンディングする。すると、電極１９Ａの上には、ワイアＷがボール状に形成したボール部１９Ｃが接続される。
【０２２０】
次に、このボール部１９Ｃをマスクとして、上側電極１９Ａと発光層としての積層体１０をエッチングし、図１６（ｃ）に表した構造が得られる。
【０２２１】
以上説明した方法によれば、積層体１０のエッチングの際に、ワイアＷを介して通電し発光させておくこともできる。つまり、発光素子を発光させてその出力をモニタしながらエッチングを実施することにより、最適な発光強度が得られた時点でエッチングを停止することもできる。
【０２２２】
次に、本実施形態のもうひとつの実施例としての半導体発光素子について説明する。
【０２２３】
図１７は、本実施例にかかる半導体発光素子の構成を表す概念図である。すなわち、本実施例の発光素子は、透明基板１１の側面に段差ＳＴが設けられ、その上部が発光層としての積層体１０のサイズに合わせて小さくされている。
【０２２４】
この構造は、ＧａＰウェーハ１１を接着して図示しないＧａＡｓ基板を選択エッチングで取り除いた後、例えば、図１２（ｃ）や図１６（ａ）の状態で、発光層側から発光層を越えて透明基板１１の上部にまでブレードダイシングやエッチングで溝を設けることにより得られる。
【０２２５】
本実施例の発光素子においては、活性層１５から透明基板１１に入射した光は、直接、あるいは１度のみ反射で外部に取り出されるだけでなく、透明基板１１の内部で複雑な反射をして外部に取り出される場合が多い。一般に、光取り出し部の形状が複雑な方が光取り出し効率が高く、本実施例によれば透明基板１１に段差を設けることにより、光取り出し効率をさらに改善できるという効果が得られる。
【０２２６】
図１７に表した例においては、透明基板１１の上部を下部に対して１段小さくしてあるが、２段あるいはそれ以上の階段状に絞った方が光の取り出し効率をより高められる場合もある。
【０２２７】
以上、具体例を参照しつつ、本発明の第１乃至第５の実施の形態について説明した。しかし、本発明は、これらの具体例に限定されるものではない。
【０２２８】
例えば、接着するウェーハあるいは、これを用いた半導体素子の材料としては、ＧａＡｓやＧａＰに限定されず、その他の各種の化合物半導体について同様に本発明を適用して同様の効果を得ることができる。
【０２２９】
また、半導体発光素子の積層構造については、コンタクト層や電流拡散層などの各種の要素を加えて、同様の効果を奏することができる。この他にも、例えば、活性層にＭＱＷ（multiple-quantum well）構造を採用したものや、クラッド層にＭＱＢ（multiple-quantum barrier）を採用したものなどについても同様に適用することができる。
【０２３０】
さらに、本発明は、ＬＥＤのみに限定されず、半導体レーザやその他の各種の半導体素子に同様に適用することができる。
【０２３１】
【発明の効果】
以上詳述したとおり、本発明は、以下の効果を奏する。
【０２３２】
即ち、本発明によれば、直接接着の障害となる、エピウェーハ表面清浄度の低下、エピウェーハの反り、エピタキシャル成長層と基板との間の熱膨張差が解消されるので、エピウェーハに直接かつ全面にわたって安定的に密着された接着型半導体基板が提供される。
【０２３３】
また、本発明によれば、ＬＥＤなど発光素子の発光に寄与するエピタキシャル成長層を、その発光を吸収しない基板に直接かつ安定的に接着するので、輝度が高い半導体発光素子が提供される。
【０２３４】
また、本発明によれば、上述した効果を奏する接着型半導体基板および半導体発光素子をそれぞれ高い歩留りで生産することができる。
【０２３５】
また、本発明によれば、結晶の異方性に着目し、インゴットからスライスしたウェーハの「表」と「裏」とを接着することにより界面におけるダングリングボンドや結晶欠陥を低減し、界面抵抗を有意に低下できる。
【０２３６】
また、本発明によれば、２枚のウェーハを接着する際に、部分的に保持加圧するこにより、接着工程を高い歩留まりで実施できる。
【０２３７】
また、本発明によれば、透明基板の面積よりも発光層の面積を小さくすることで、ＬＥＤの取り出し効率を下げることなく発光効率を上げることができ、その結果輝度が高いＬＥＤを得ることができる。
【０２３８】
また、本発明によれば、ウェーハ貼り合わせ技術を応用することで、効率よく上記のＬＥＤを製造することができる。特に、貼り合わせ前にエピウェーハの表面を分割しておく製造方法では、熱応力を分散する効果があり、その結果、貼り合わせ工程での不良発生を防止できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかる接着型半導体基板の実施の一形態を示す略示断面図である。
【図２】本発明にかかる接着型半導体基板の製造方法の第１の実施例と第２の実施例を説明する略示断面図である。
【図３】本発明にかかる接着型半導体基板の製造方法に用いるＩｎＧａＡｌＰ材料の構成比と格子定数とバンドギャップを示す表である。
【図４】本発明にかかる接着型半導体基板の製造方法の第３の実施例を説明する略示断面図である。
【図５】本発明の第３実施形態にかかる基板の接着方法を説明するための概念図である。
【図６】２つの異なるインゴットからスライスされた半導体基板を接着する様子を表した概念図である。
【図７】接着面のキャリア濃度と界面抵抗との関係を表すグラフ図である。
【図８】本発明の第４実施形態を説明するための概念図である。
【図９】図９（ａ）〜（ｄ）は、本発明の第７実施例の製造方法を具体的に説明する略示断面図である。
【図１０】図１０（ａ）は、本発明の第５実施形態に係るＬＥＤの断面構成を表す概念図であり、同図（ｂ）は、比較例としての従来のＬＥＤの断面構成を表す概念図である。
【図１１】図１０に例示したような透明基板を有するＩｎＧａＡｌＰ系ＬＥＤにおいて、チップ面積に対する発光層の面積の比率と、外部発光強度との関係を表すグラフ図である。
【図１２】本発明の第５実施形態の半導体発光素子の製造方法の要部を表す工程断面図である。
【図１３】本発明の第５実施形態の半導体発光素子の製造方法の要部を表す工程断面図である。
【図１４】ウェーハ接着に先だって発光層の面積を小さくする製造方法の要部を表す工程断面図である。
【図１５】発光層としての積層体１０を上側電極１９Ａと略同一の面積まで小さくした半導体発光素子を表す概念図である。
【図１６】図１５に表した半導体発光素子の製造方法の要部を表す工程断面図である。
【図１７】透明基板１１の側面に段差ＳＴが設けられた半導体発光素子の構成を表す概念図である。
【図１８】従来の技術によるＩｎＧａＡｌＰ可視光ＬＥＤの一例を示す略示断面図である。
【図１９】図１８に示すＬＥＤの従来の技術による製造方法を示す略示断面図である。
【符号の説明】
１，２，１００ ＩｎＧａＡｌ系ＬＥＤ
１０ 積層体
１１，３１，９１ ＧａＰウェーハ
１２，３２，８２，９２ ＧａＡｓウェーハ
３３ エッチング停止層
１４，３４，８４，９４ Ｎ型クラッド層
１５，３５，８５，９５ 活性層
１６，３６，８６，９６ Ｐ型クラッド層
１７，３７ カバー層
１８，３８ バッファー層
１９，３９，８９，９９ 電極
【発明の属する技術分野】
本発明は、接着型型半導体基板および半導体発光素子並びにこれらの製造方法に関し、特に、新規なウェーハ直接接着技術による接着型半導体基板及びこれを応用した高輝度ＬＥＤ（Light Emitting Diode）などの発光素子とそれらの製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術と発明が解決しようとする課題】
従来の技術による発光素子について図面を参照しながら説明する。図１８は、従来の技術によるＩｎＧａＡｌＰ可視光ＬＥＤの一例を示す。
【０００３】
図１８に示すＬＥＤ１００は、Ｎ型ＧａＡｓ基板８２の上に、発光に寄与するＩｎＧａＡｌＰエピタキシャル成長層８４，８５，８６が形成されている。同図には示されていないが、良質な発光層を得るために、要求仕様に応じて基板とエピタキシャル成長層との間にバッファ層が設けられることもある。
【０００４】
エピタキシャル成長層８６の上面と基板８２の下面には電流を供給するための電極８９がそれぞれ設けられている。同図には示されていないが、上側電極８９とエピタキシャル成長層８６との間に、電流を拡散するための層や、電気的なコンタクトを取るための層を設けることも多い。エピタキシャル成長層８４，８５，８６のうち、キャリアが再結合して発光するのは活性層８５である。活性層８５の上下に形成されたエピタキシャル成長層８４，８６は、キャリアを閉じこめて発光効率を上げるために活性層よりも広いバンドギャップを有するクラッド層８４，８６である。
【０００５】
これらのエピタキシャル成長層８４，８５，８６は、発光波長の調整やキャリアの閉じ込めのために、バンドギャップを設計に応じて最適に選ぶ必要がある。また、良好なエピタキシャル成長のためには、エピタキシャル成長層の格子定数が基板８２の格子定数と整合していることが望ましい。３−５族化合物であるＩｎＧａＡｌＰは、３族成分としてＩｎ，Ｇａ，Ａｌの３種を含むため、これらの組成比を選ぶことでバンドギャップと格子定数を独立して設計することができる。
【０００６】
例えば、エピタキシャル成長層の組成を次式
１ｎx（Ｇａ1-yＡ１y）1-xＰ・・・・・・・１）
で表した場合、Ｉｎ組成比ｘを０．５にすることでＧａＡｓ基板と格子定数がほぼ整合し、ｘ＝０．５のままでＡ１とＧａの組成比ｙを調整することでバンドギャップを制御することができる。
【０００７】
例えば、波長６４４ｎｍの赤色発光ＬＥＤを得る場合には、活性層８５の組成比をｘ＝０．５，ｙ＝０．０４３にし、クラッド層８４，８６の組成をｘ＝０．５，ｙ＝０．７にすればよい。また、波長５６２ｎｍの緑色発光ＬＥＤを得る場合には、活性層８５の組成比をｘ＝０．５，ｙ＝０，４５４にし、クラッド層８４，８６の組成をｘ＝０．５，ｙ＝１．００、即ち、ＩｎＡｌＰにすればよい。
【０００８】
以上説明したように、ＩｎＧａＡ１Ｐ系エピタキシャル成長層は、可視光領域内で発光波長を選ぶことができる。また、化合物半導体基板として最も一般的なＧａＡｓ基板に格子整合したエピタキシャル成長が可能であるため、基板の入手やエピタキシャル成長が比較的容易であるという利点がある。
【０００９】
しかし、この反面、ＧａＡｓ基板には可視光領域の光を吸収するという欠点がある。このため、ＩｎＧａＡ１Ｐエピタキシャル成長層で発光した光の一部がＧａＡｓ基板に吸収されるので、ＬＥＤの輝度の低下が避けられない。輝度低下を避けるためには、可視光領域に対し透明な材料を基板に使用すればよい。一般的な透明材料としてはＧａＰがあるが、ＧａＰ基板はＩｎＧａＡ１Ｐ系と格子整合がとれないため良好なエピタキシャル成長が難しい。この問題を解決するために、ＩｎＧａＡ１Ｐエピタキシャル成長層とＧａＰ基板とをウェーハ接着（Wafer Bonding）する方法が、１９９３年出願のＵＳＰ５，３７６，５８０に提案され ている。この提案はエピタキシャル成長層からＧａＡｓ基板を取り除き、代わりにＧａＰ基板を密着させて、圧力をかけながら熱処理をし、一体化する方法である。この方法によりＬＥＤの輝度増加が図れるが、ＧａＡｓ基板を除去した後のエピタキシャル成長層が薄いため取り扱いが難しく、また圧力を印加しながら熱処理をするので特殊な装置を用いる必要があり、ウェーハ接着工程の安定性や生産性に問題があった。
【００１０】
次に、ウェーハ接着について説明する。２種のウェーハを接合一体化できれば、格子定数に関わらず自由に異種材料による積層構造が得られたり、ＳＯＩ（Silicon on Insulater）に代表されるように内部に異種物質を埋め込むことができる。このため古くから種々のウェーハ接着技術が提案されてきた。例えば、上述した２枚のウェーハを押しつけながら熱処理する接着方法は、１９７０年出願の特許第７６５８９２号に記載されている。ウェーハ接着は古くから求められていた技術であったが、ウェーハの全面に渡って一体化することが困難であるため、長らく実用化されなかった。
【００１１】
本発明者らは、実用に耐える技術として「直接接着」あるい「直接接合」と呼ばれる技術を開発した。例えば、Ｓｉウェーハ同士の直接接着は１９８３年出願の特許第１４２０１０９号他に記載され、化合物半導体ウェーハの直接接着は１９８５年出願の特許第２０４０６３７号他に記載されている。
【００１２】
直接接着技術は、表面を鏡面とした２枚の基板同士を、実質的に異物がない雰囲気下において、室温で自力密着させ、その後熱処理で接合一体化するものである。熱処理の前から全面が密着しているため、未接着部を残すことなく全面を接合でき、また熱処理中に圧力をかける必要がないので、特殊な装置や器具を必要としない利点がある。Ｓｉウェーハ同士の直接接着の機構は次のように考えられている。
【００１３】
即ち、まず始めに洗浄や水洗によりウェーハの表面にＯＨ基を形成させる。そこでウェーハ表面同士を接触させると、ＯＨ基同士が水素結合により引き合い、室温でウェーハが密着する。密着力は強く、通常のウェーハの反りであれば、これを矯正して全面が密着する。熱処理中には、１００℃を上回る温度において脱水縮合反応（Ｓｉ−ＯＨ：ＨＯ−Ｓｉ→Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ＋Ｈ2Ｏ）が起こり、酸 素原子を介してウェーハ同士が結合し接着強度が上がっていく。さらに高温になると接着界面近傍の原子の拡散と再配列が起こり、強度的にも電気的にもウェーハが一体化する。化合物半導体の接着機構も同様と考えられている。
【００１４】
次に、直接接着を利用してＧａＰ基板に密着されたＩｎＧａＡｌＰ系エピタキシャル成長層を備えるＬＥＤの製造方法の一例を図１９を参照しながら説明する。
【００１５】
まず、図１９（ａ）に示すように、Ｎ型ＧａＡｓ基板９２の上にＮ型クラッド層９４、活性層９５，Ｐ型クラッド層９６を成長させる。次いで、図１９（ｂ）に示すように、エピタキシャル成長層９６の表面にＧａＰ基板９１を直接接着する。さらに、図１９（ｃ）に示すように、研磨やエッチングなどによりＧａＡｓ基板９２を除去し、上下を逆にしてＮ型クラッド層９４の上面とＧａＰ基板９１の下面に電極９９を設けると、図１９（ｄ）に示すように、ＧａＰを基板９１としたＩｎＧａＡ１Ｐ系ＬＥＤが得られる。
【００１６】
このように異種材料同士を直接接着する場合、特にエピタキシャル成長層の表面を直接接着する場合には、例えばＳｉ同士やＧａＡｓ同士の同種のウェーハ同士の直接接着に比べ、以下に述べる問題がある。
【００１７】
第一に、エピタキシャル成長層の表面はウェーハ表面に比べて、パーティクル（ゴミなどの異物）の付着が多い。このため室温での貼り合わせに支障をきたし、熱処理後も全面が接合せず、ボイドと呼ばれる未接着部分が発生する問題がある。一般に、ウェーハ表面は清浄に保たれており、エピタキシャル成長用の基板にも清浄なウェーハを使用するが、エピタキシャル成長中に反応物が堆積したり、エピタキシャル成長工程の前処理工程や後処理工程で異物が付着するなど、エピタキシャル成長層表面へのパーティクル付着は、現状ではある程度避けられない。
【００１８】
第二に、エピタキシャル成長によりウェーハが反るため、ウェーハ全面を室温密着ができない問題がある。
【００１９】
第三に、異種材料間に熱膨張差があるため熱処理中に熱応力が発生し、応力により接着した基板が破壊する問題がある。
【００２０】
第四に、異種材料間に熱膨張差があるために、接着した基板の破壊が生じない場合であっても、接着のための熱処理中に接着界面に「ずれ」が生じ、この「ずれ」によって基板全面を均一に接着できない問題がある。
【００２１】
第五に、接着界面に電気抵抗が生ずるという問題がある。すなわち、本発明者の独自の検討の結果、ウェーハ同士を接着すると、接着界面に電気的な抵抗成分が生ずることが判明した。このような接着基板を用いて、例えばＬＥＤを形成した場合には、接着界面の電気抵抗はＬＥＤの動作電圧を上昇させ、発光不良や発熱などの問題を生じる。
【００２２】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、半導体基板上に形成されたエピタキシャル成長層に直接かつ全面にわたって安定的に密着される接着型半導体基板および半導体発光素子並びにこれらの製造方法を提供することにある。
【００２３】
【課題を解決するための手段】
本発明は、以下の手段により上記課題の解決を図る。
【００２４】
即ち、本発明によれば、
第１の半導体基板上に形成された第１のエピタキシャル成長層と、少なくとも片面が鏡面加工され、この被鏡面加工面、もしくはこの被鏡面加工面上に成長した第２のエピタキシャル成長層で前記第１のエピタキシャル成長層に一体的に接合された第２の半導体基板と、を備え、前記第１のエピタキシャル成長層の熱膨張率は、上記第２の半導体基板の熱膨張率に近似する接着型半導体基板が提供される。
【００２５】
上記第１のエピタキシャル成長層の熱膨張率が上記第２の半導体基板の熱膨張率に近似するので、上記第１の半導体基板の除去前に熱処理を加えられる場合でも、熱応力の発生により接着した半導体基板が破壊されることがない。これにより、安定的に密着した接着型半導体基板が提供される。
【００２６】
また、本発明によれば、
第１の半導体基板上に化合物半導体の混晶で形成された第１のエピタキシャル成長層であって、上記第１の半導体基板の格子定数と整合するように、上記混晶の組成比が選択されて形成された第１のエピタキシャル成長層と、少なくとも片面が鏡面加工され、この被鏡面加工面、もしくはこの被鏡面加工面上に成長した第２のエピタキシャル成長層で前記第１のエピタキシャル成長層に一体的に接合された第２の半導体基板と、を備える接着型半導体基板が提供される。
【００２７】
上記第１のエピタキシャル成長層の格子定数と上記第１の半導体基板の格子定数とが整合しているので、エピタキシャル成長層を有するウェーハ（以下、エピウェーハという）の反りを低減することができる。これにより、比較的厚いエピウェーハでも安定的に上記第２の半導体基板と密着した接着型半導体基板が提供される。
【００２８】
上記第１の半導体基板は、ＧａＡｓから形成され、上記第２の半導体基板は、ＧａＰから形成され、また、上記エピタキシャル成長層は、組成式Ｉｎx（Ｇａ1-yＡｌy）1-xＰ（０．４５＜ｘ＜０．５０，０≦ｙ≦１）で表される化合物半導体層を含むと好適である。
【００２９】
また、本発明によれば、
第１の半導体基板上に化合物半導体の混晶で形成されたエピタキシャル成長層であって、上記第１の半導体基板の格子定数と整合するように、上記混晶の組成比が選択されて形成された第１のクラッド層と、この第１のクラッド層の上に形成された活性層と、この活性層の上に形成された第２のクラッド層とを含み、上記第１の半導体基板が除去されたエピタキシャル成長層と、主面が鏡面加工され、この主面側で上記エピタキシャル成長層に直接接合された第２の半導体基板と、上記第１のクラッド層の表面と上記第２の半導体基板の裏面に形成され、上記活性層に電流を供給する電極と、を備える半導体発光素子が提供される。
【００３０】
上記第１の半導体基板は、ＧａＡｓから形成され、上記第２の半導体基板は、ＧａＰから形成され、また、上記エピタキシャル成長層は、組成式Ｉｎx（Ｇａ1-yＡｌy）1-xＰで表され、上記第１のクラッド層の上記組成式における組成比は、０．４５＜ｘ＜０．５０、０≦ｙ≦１であると好適である。
【００３１】
上記半導体発光素子において、上記エピタキシャル成長層の熱膨張率は、上記第２の半導体基板の熱膨張率に近似することが望ましい。
【００３２】
また、本発明によれば、
第１の半導体基板上に半導体結晶をエピタキシャル成長させてエピタキシャル成長層を形成する第１の工程と、上記エピタキシャル成長層の表面の汚染物および異物を除去する第２の工程と、この第２の工程により汚染物および異物が除去されたエピタキシャル成長層の上に、少なくとも片面が鏡面加工された第２の半導体基板を被鏡面加工面が上記エピタキシャル成長層に接するように載置し、上記エピタキシャル成長層と一体的に接合させる第３の工程と、を備える接着型半導体基板の製造方法が提供される。
【００３３】
上記第２の工程により、エピタキシャル成長層の表面に付着するパーティクルを除去できるので、上記第２の半導体基板を上記エピタキシャル成長層に接合させることができる。これにより、半導体基板を高い歩留りで製造することができる。
【００３４】
また、本発明によれば、
第１の半導体基板の格子定数と整合するように、組成比を選択して上記第１の半導体基板上に半導体結晶をエピタキシャル成長させてエピタキシャル成長層を形成する第１の工程と、上記エピタキシャル成長層の表面の汚染物および異物を除去する第２の工程と、上記エピタキシャル成長層の上に、少なくとも片面が鏡面加工された第２の半導体基板をこの被鏡面加工面が上記エピタキシャル成長層に接するように載置し、上記エピタキシャル成長層と一体的に接合させる第３の工程とを備える接着型半導体基板の製造方法が提供される。
【００３５】
エピタキシャル成長層の格子定数と第１の半導体基板の格子定数とを整合させるので、エピウェーハの反りを低減させることができる。これにより、エピウェーハと第２の半導体基板とをより安定的に接合させることができるので、より高い歩留りで接着型半導体基板を製造することができる。
【００３６】
また、本発明によれば、
第１の半導体基板上に半導体結晶をエピタキシャル成長させてエピタキシャル成長層を形成する第１の工程と、上記エピタキシャル成長層の表面の汚染物および異物を除去する第２の工程と、上記エピタキシャル成長層の上に、少なくとも片面が鏡面加工された第２の半導体基板をこの被鏡面加工面が上記エピタキシャル成長層に接するように載置し、上記エピタキシャル成長層と一体的に接合させる第３の工程と、上記第１の半導体基板の少なくとも表面部を除去した後、熱処理する第４の工程と、を備える接着型半導体基板の製造方法が提供される。
【００３７】
上記第４の工程において熱処理の前に上記第１の半導体基板の少なくとも表面部を除去するので、エピウェーハ全体の平均熱膨張率がエピタキシャル成長層の熱膨張率と略同一となり、上記第２の半導体基板の熱膨張率に近似する。これにより、その後の再度の熱処理工程における被接着体の破壊を防止することができるので、さらに接着強度に優れた接合型半導体基板をより一層高い歩留りで製造することができる。
【００３８】
上記接着型半導体基板の製造方法において、上記第２の工程は、上記エピタキシャル成長層の表面部を除去する工程であっても良い。
【００３９】
また、上記第１の工程は、上記エピタキシャル成長層の上にカバー層を形成する工程を含み、上記第２の工程は、上記カバー層をエッチングにて除去する工程であることが望ましい。これにより、上記エピタキシャル成長層の表面部を直接除去する必要がないので、上記エピタキシャル成長層の厚さを精密に制御することが可能になる。
【００４０】
また、本発明によれば、
第１の半導体基板上に化合物半導体の混晶をエピタキシャル成長させて第１のクラッド層と活性層と第２のクラッド層が順次堆積した積層体を含むエピタキシャル成長を形成する工程と、上記第２のクラッド層の上にカバー層を形成する工程と、このカバー層をエッチングにて除去して上記第２のクラッド層の表面を露出させる工程と、表面が露出されたこの第２のクラッド層の上に主面が鏡面加工された第２の半導体基板を、上記主面が上記上記第２のクラッド層に接するように載置して一体的に接合させる工程と、上記第１の半導体基板と上記第２の半導体基板との熱膨張係数の差異に起因する接着面の破壊をもたらす温度を下回る温度で熱処理をする工程と、上記第１の半導体基板側からエッチング処理を行い上記第１のクラッド層を露出させる工程と、上記第１のクラッド層の表面と上記第２の半導体基板の裏面に電極を形成する工程とを備える半導体発光素子の製造方法が提供される。
【００４１】
上記第１のクラッド層は、その格子定数が上記第１の半導体基板の格子定数と整合するように、上記混晶の組成比が選択されて形成されることが望ましい。
【００４２】
上記半導体発光素子の製造方法において、上記第１の半導体基板は、ＧａＡｓから形成され、上記第２の半導体基板は、ＧａＰから形成され、上記積層体は、組成式Ｉｎx（Ｇａ1-yＡｌy）1-xＰで表される化合物半導体層であり、上記第１のクラッド層の上記組成式における組成比は、０．４５＜ｘ＜０．５０、０≦ｙ≦１であると好適である。
【００４３】
さらに、本発明によれば、
第１の半導体基板上に化合物半導体の混晶をエピタキシャル成長させて第１のクラッド層と活性層と第２のクラッド層が順次堆積した積層体を含むエピタキシャル成長を形成する工程と、上記第２のクラッド層の上にカバー層を形成する工程と、上記カバー層をエッチングにて除去して上記第２のクラッド層の表面を露出させる工程と、表面が露出されこの第２のクラッド層の上に主面が鏡面加工された第２の半導体基板を、上記主面が上記上記第２のクラッド層に接するように載置して一体的に接合させる工程と、上記第１の半導体基板の少なくとも表面部をエッチングにより除去した後に熱処理をする工程と、エッチングにより上記第１のクラッド層を露出させる工程と、上記第１のクラッド層の表面と上記第２の半導体基板の裏面に電極を形成する工程とを備える半導体発光素子の製造方法が提供される。
【００４４】
上記エピタキシャル成長層は、上記第１の半導体基板と上記積層体との間に介在して形成され、上記第１の半導体基板の除去工程においてエッチングストッパとなる保護膜を含むことが好ましい。この保護膜は、エッチング時のマージンを与えるとともに、上記熱処理の工程において上記第１のクラッド層の構成成分であるＰ（リン）やドープされた不純物が蒸発することをも防止する。
【００４５】
さらに、本発明によれば、第１の半導体基板上に形成されたエピタキシャル成長層と、少なくとも片面が鏡面加工され、この被鏡面加工面で前記エピタキシャル成長層に一体的に接合された第２の半導体基板と、を備え、前記第２の半導体基板の接合された面の結晶方位が、第１の半導体基板の接合された面の裏側の面の結晶方位と略同一であることを特徴とする接着型半導体基板が提供される。
【００４６】
結晶方位を略同一とすることにより、接着界面のダングリングボンドや結晶欠陥を低減し、電気抵抗の上昇を解消することができる。
【００４７】
または、本発明によれば、第１の半導体基板上に形成されたエピタキシャル成長層と、少なくとも片面が鏡面加工され、この被鏡面加工面で前記エピタキシャル成長層に一体的に接合された第２の半導体基板と、を備え、前記第１の半導体基板と前記第２の半導体基板は、いずれも化合物からなり、前記第１の半導体基板の主面のうちで（１１１）Ａ面と（１１１）Ｂ面のいずれか一方が優先的に出現した面に対して、前記第２の半導体基板の主面のうちで（１１１）Ａ面と（１１１）Ｂ面のいずれか他方が優先的に出現した面を接合してなることを特徴とする接着型半導体基板が提供される。
【００４８】
このような面方位関係により接着界面のダングリングボンドや結晶欠陥を低減し、電気抵抗の上昇を解消することができる。
【００４９】
ここで、前記第１の半導体基板と前記第２の半導体基板とは、それぞれの接合面における順メサ方向が直交するように接合され一体化されたものとすることができる。
【００５０】
また、前記第１の半導体基板は、ＧａＡｓから形成され、前記エピタキシャル成長層は、組成式Ｉｎｘ（Ｇａ１−ｙＡｌｙ）１−ｘＰ（０．４５＜ｘ＜０．５０、０≦ｙ≦１）で表される化合物半導体層を含み、前記第２の半導体基板は、ＧａＰから形成されたものとすることができる。
【００５１】
また、前記第１の半導体基板は、（１００）面から（１１１）III族面すなわちＧａ面方向に第１の傾斜角度をもって傾斜した表面を有し、前記第２の半導体基板は、（１００）面から（１１１）V族面すなわちＰ面方向に第２の傾斜角度をもって傾斜した表面を有するものとすれば、前述した方位関係を満足できる。
【００５２】
また、前記第１の傾斜角度と前記第２の傾斜角度が略同一であることが望ましい。
【００５３】
一方、本発明によれば、前述したいずれか１つに記載の接着型半導体基板を形成した後に前記第１の半導体基板の少なくとも一部を除去して得られた残部を備えたことを特徴とする半導体発光素子が提供される。
【００５４】
一方、本発明によれば、２枚の半導体基板を接合してなる接着型半導体基板の製造方法であって、化合物半導体からなる第１の半導体基板の主面のうちで（１１１）Ａ面と（１１１）Ｂ面のいずれか一方が優先的に出現した面に対して、化合物半導体からなる第２の半導体基板の主面のうちで（１１１）Ａ面と（１１１）Ｂ面のいずれか他方が優先的に出現した面を接合することを特徴とする接着型半導体基板の製造方法が提供される。
【００５５】
または、本発明によれば、化合物半導体からなる単結晶インゴットからスライスした第１及び第２の半導体基板を接合してなる接着型半導体基板の製造方法であって、前記第１の半導体基板の主面のうちの前記単結晶インゴットの種結晶に近い側の主面に対して、前記第２の半導体基板の主面のうちの前記単結晶インゴットの種結晶から遠い側の主面を接合することを特徴とする接着型半導体基板の製造方法が提供される。
【００５６】
ここで、前記第１及び第２のウェーハは、それぞれ異なる単結晶インゴットからスライスされたものでも良い。
【００５７】
また、本発明によれば、２枚の半導体基板を接合してなる接着型半導体基板の製造方法であって、重ね合わせた前記２枚の半導体基板の一部のみを加圧して押さえ、前記２枚の半導体基板のその他の部分を押さえない状態において加熱することにより前記２枚の半導体基板を接合することを特徴とする接着型半導体基板の製造方法が提供される。
【００５８】
ここで、前記重ね合わせた前記２枚の半導体基板の中央部のみを加圧して押さえると良い。
【００５９】
また、本発明によれば、発光層と、その発光に対して透光性を有する基板と、を備えた半導体発光素子であって、前記基板上における前記発光層の面積が前記基板の面積よりも小さいことを特徴とする半導体発光素子が提供される。
【００６０】
この構成によれば、発光効率を改善し、光取り出し効率の低下も抑制することができる。
【００６１】
ここで、前記基板は、その主面のうちの前記発光層側の主面の面積がその反対側の主面の面積よりも小さくなるように側面に段差を有するものとしても良い。
【００６２】
また、本発明によれば、前述したいずれかの半導体発光素子の製造方法において、前記活性層を部分的に除去することにより、前記第２の半導体基板上における前記活性層の面積を前記第２の半導体基板の面積よりも小さくする工程をさらに備えたものとすることができる。
【００６３】
また、本発明によれば、前述したいずれかの接着型半導体基板の製造方法において、前記第１の半導体基板と前記第２の半導体基板の少なくともいずれかの接合すべき表面に溝を形成した後に接合することにより、熱膨張率や格子定数の相異を緩和することができる。
【００６４】
ここで、前記したいずれの発明においても、第１の発明基板と第２の半導体基板とを接合する前に、第２の半導体基板の表面に第２のエピタキシャル成長層を成長しておき、この第２のエピタキシャル層で接合するようにしても良い。
【００６５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態のいくつかについて図面を参照しながら説明する。
【００６６】
（第１の実施の形態）
まず、本発明の第１の実施の形態について説明する。本実施形態は、本発明にかかる接着型半導体基板をＩｎＧａＡｌＰ系ＬＥＤに適用した形態である。
【００６７】
図１は、本実施形態のＩｎＧａＡｌＰ系ＬＥＤを示す略示断面図である。同図に示すＬＥＤ１は、活性層１５と、この活性層１５を介在させて積層形成されたＮ型クラッド層１４，Ｐ型クラッド層１６でなる積層体１０と、この積層体の下面に一体的に接合されたＧａＰ基板１１と、Ｎ型クラッド層１４の上面側とＧａＰ基板１１の下面にそれぞれ形成された電極１９と、を備えている。
【００６８】
積層体１０は、図示しないＧａＡｓ基板を成長用基板として化合物半導体の混晶をエピタキシャル成長させることにより形成されたものである。ＧａＰ基板１１は、Ｐ型クラッド層１６との接合面を主面とすると、この主面が鏡面加工され、積層体１０が成長用基板上に形成されたままで室温にて直接密着接合されている。成長用基板は、密着接合後に除去されている。
【００６９】
活性層１５および２つのクラッド層１４，１６はいずれも前述した組成式１）で表わすことができ、後述するように、各組成を好適に選択することにより特に室温で成長用基板と格子整合されているので、成長用基板の反りが大幅に低減され、この結果ＧａＰ基板１１の積層体１０への全面接合が可能となっている。
【００７０】
本実施形態において、ＧａＰ基板１１は、Ｐ型で直径が２インチ、厚さが２５０μｍであり、Ｐ型クラッド層１６は０．６μｍの厚さを有し、その組成比は前述の１）式を用いて表すとｘ＝０．５，ｙ＝１．０である。また、活性層１５は、厚さ０．６μｍで組成比がｘ＝０．５，ｙ＝０．２８である。さらに、Ｎ型クラッド層１４は、厚さ０．６μmmであり、その組成比は、ｘ＝０．５，ｙ＝１．０である。
【００７１】
このように、本実施形態のＬＥＤ１は、可視光領域の光を吸収しないＧａＰ基板１１上に形成されているため、高い輝度で発光させることができる。このＬＥＤ１の発光特性を評価したところ、図１８に示した従来のＧａＡｓを基板とするＬＥＤ１００の２倍以上の明るさを有することが確認された。
【００７２】
（第２の実施の形態）
次に、本発明の第２の実施の形態として、接着型半導体基板の製造方法の実施の形態について図面を参照しながら説明する。以下の説明においては、ＩｎＧａＡｌＰ系ＬＥＤの製造に適用した具体例として説明し、より具体的には図１に示すＬＥＤ１の製造方法の実施例のいくつかを示す。
【００７３】
（第１の実施例）
まず、本発明にかかる接着型半導体基板の製造方法の第１の実施例について図２を参照しながら説明する。本実施例は、第１の半導体基板上に形成されたエピタキシャル成長層の表面へのパーティクル付着を解決するものであり、その特徴は、エピウェーハの表面にカバー層を形成し、第２の半導体基板をエピウェーハに直接接着する前に、エピウェーハに付着したパーティクルをカバー層とともに除去する点にある。
【００７４】
図２（ａ）〜（ｄ）は、本実施例の製造方法を具体的に説明する略示断面図である。なお、図２は、図１の上下を逆にした記載となっている。
【００７５】
図２（ａ）に示すように、直接接着に供するエピウェーハには、Ｎ型ＧａＡｓ基板１２上にバッファ層１８，Ｎ型クラッド層１４、活性層１５，Ｐ型クラッド層１６、および表面カバー層１７が順次積層されて形成されている。これらのエピタキシャル成長層は、例えばＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法により形成される。
【００７６】
Ｎ型ＧａＡｓ基板１２は、サイズが直径２インチ、厚さ２５０μｍであり、不純物としてＳｉが約１Ｅ１８／cm3のキャリア濃度でドープされており、さらにその主面は鏡面仕上げとなっている。バッファー層１８はＧａＡｓで、厚さは０．５μｍである。最上層の表面カバー層１７は、ＧａＡｓで形成され、その厚さは０．１μｍである。
【００７７】
次に、エピウェーハを界面活性剤で洗浄した後、容積比で硫酸８、過酸化水素水１、水１の混合液にエピウェーハを浸漬してエッチングを行い、図２（ｂ）に示すように、表面カバー層１７を除去した。この混合液は、ＧａＡｓカバー層を選択的にエッチングするもので、数秒で表面カバー層１７が除去されたことが観察できたが、１分間侵漬を続けてＰクラッド層１６の表面を完全に表出させた。
【００７８】
次いで、表面カバー層１７を除去したエピウェーハとＧａＰ基板１１との直接接着を行い、図２（ｃ）に示す被接着体を得た。以下、直接接着の工程をより詳細に説明する。
【００７９】
直接接着の前処理として、ＧａＰ基板１１を界面活性剤で洗浄し、希弗酸に浸漬して表面の自然酸化膜を除去し、水洗をした後にスピナで乾燥させた。また、エピウェーハは上述した方法で表面カバー層１７を除去した後、ＧａＰ基板１１と同様にして酸化膜除去のため希弗酸処理を行い、水洗とスピナ乾燥を行なった。これらの前処理は、すべてクリーンルーム内の清浄な雰囲気下で行った。
【００８０】
次に、前処理を終えたエピウェーハをエピタキシャル成長層が上方になるように載置し、その上にＧａＰ基板１１を、鏡面が下向きになるように載置し、室温で密着させた。ＧａＰは透明であるため密着状態を目視にて観察できる。ＧａＰ基板１１をエピウェーハに載置すると、エピウェーハが正面視で凸形状をなすように反っているため、ＧａＰ基板１１の中央部が最初に密着した。そのまま放置するだけで密着部が自然にＧａＰ基板１１の周辺部へ向って広がり、１分以内にＧａＰ基板１１の周縁の面取り部分を除いて全面が密着した。同様の操作を繰り返し、計１０組の室温密着を行ない、そのすべてが全面密着した。本実施例との比較のため、カバー層１７を設けなかったエピウェーハを準備してカバー層に対するエッチング以外は本実施例と同様の工程を経て室温密着を試みた。その結果、カバー層１７を設けなかったエピウェーハは、１０組のうち６組にボイドが発生し、１組は室温での密着ができなかった。
【００８１】
直接接着の最終工程として、室温で密着している被接着体を石英ボートに立てて並べ、拡散炉内に入れて熱処理を行った。被接着体を５組ずつに分け、片方を８００℃で、もう片方を４００℃で熱処理した。いずれも処理時間は１時間で、雰囲気は水素を１０％含むアルゴンである。熱処理工程後、８００℃の被接着体は、５組中３組が割れるか、またはエピウェーハ側にクラックが入っていた。この一方、４００℃で熱処理した５組については、割れたりクラックが入ったりしたものはなかった。熱処理工程における温度に応じたこのような相違は、ＧａＡｓを基板とするエピウェーハとＧａＰ基板１１とは熱膨張係数が異なるため、室温被接着体を高温で熱処理する際に熱応力が発生し、この結果被接着体が破壊されるためである。熱処理温度が低い場合は、温度にほぼ比例して昇温時の熱膨張差と降温時の熱収縮差が小さくなるため、４００℃の熱処理では破壊が起こらなかった。
【００８２】
次に、図２（ｄ）に示すように、エピウェーハのＧａＡｓ基板１２を除去した。このＧａＡｓ基板１２の除去工程は、被接着体をアンモニアと過酸化水素水の混合液に浸漬し、ＧａＡｓを選択的にエッチングすることにより処理した。このエッチングによりＧａＡｓバッファ層１８も同時に除去された。
【００８３】
最後に、ＧａＰ基板１１とＮ型クラッド層１４に電極１９を設け、図１に示すＬＥＤ１を得た。
【００８４】
以上、ＩｎＧａＡｌＰエピタキシャル成長層上のＧａＡｓカバー層を選択エッチングで除去してから接着する工程を中心に本発明にかかる半導体発光素子の第１の実施例を説明した。但し、カバー層は必ずしもすべて除去する必要はなく、同様の効果が得られる範囲内で表面からその一部を除去してもよい。また、カバー層を設けずに、接着するエピタキシャル成長層の表面部分を除去してもよい。
【００８５】
本実施例においては、直接接着するクラッド層が発光に寄与する層であるため、厚さを精密に制御するために、カバー層を設けた上でこれを選択エッチングで完全に除去したものである。
【００８６】
本実施例の表面パーティクル除去方法は、上述したＩｎＧａＡ１Ｐ系エピタキシャル成長層とＧａＰ基板との直接接着に限らず、エピタキシャル成長層にウェーハ接着する場合に有効である。また接着法も上述した直接接着に限らず、荷重をかけながら熱処理する方法、電圧をかけて接着する方法、さらに接着層や接着材料を使用して接着する方法においても、接着表面のパーティクルは接着の障害になるため、本実施例の表面パーティクル除去方法は適用可能である。
【００８７】
（第２の実施例）
次に、本発明にかかる密着型半導体基板の製造方法の第２の実施例について説明する。本実施例は、エピウェーハの反りが大きい場合に、ＩｎＧａＡ１Ｐ系材料の格子定数を調整することにより、直接接着工程の室温密着が不完全となる問題を解決するものである。その他の製造方法は、前述した第１の実施例と略同一である。本実施例についても図１に示すＬＥＤ１の製造方法に適用した具体例として図２の略示断面図を用いて説明する。
【００８８】
上述した第１の実施例では、厚さの合計が１．８μｍのＩｎＧａＡｌＰ系エピタキシャル成長層を有するエピウェーハと、厚さ２５０μｍのＧａＰ基板とを使用し全面密着が可能であった。このエピウェーハには１１μｍ〜１８μｍの反りがあったが、室温密着カがエピウェーハの反りを矯正した結果、また、ＧａＰ基板をエピウェーハに合わせて凹に反らした結果、全面が密着した。
【００８９】
これに対して、ＩｎＧａＡｌＰ系エピタキシャル成長層の厚さ合計が３．６μｍのエピウェーハと、厚さ３５０μｍのＧａＰ基板を使用して、同様の直接接着を試みた。エピウェーハは、基板と各エピタキシャル成長層の組成を第１の実施例と同一にし、厚さは、活性層１５とバッファー層１８とカバー層１７については同一だが、Ｎ型クラッド層１４とＰ型クラッド層１６はそれぞれ１．５μｍと厚くしてある。この結果、エピウェーハの反りは２４〜３６μｍと、ほぼＩｎＧａＡ１Ｐ系エピタキシャル成長層の厚さ合計に比例して大きくなっていた。
【００９０】
この場合、エピウェーハの中央領域は室温で密着したが、全面の密着はできなかった。ここで、エピウェーハを平坦な真空チャックに吸着させると全面密着が可能であった。このことから、全面接着できない原因は、エピウェーハの反りが大きいことと、さらに、ＧａＰ基板が厚く変形しにくいことにより、室温密着カがウェーハの反りを矯正できなくなった点にあることが分る。
【００９１】
本実施例の特徴は、ＩｎＧａＡ１Ｐ系材料の特性を利用して、バンドギャップなどの発光に影響する特性を変えることなく、格子定数を調整して、エピウェーハの反りを減らすことにある。１ｎＧａＡｌＰ系材料は、ＩｎＰ，ＧａＰ，Ａ１Ｐの混晶である。一般にベガード則と呼ばれる法則によれば、混晶の格子定数やバンドギャップは、混晶を構成する物質の格子定数とバンドギャップとを構成比に応じて平均化した値となる。いくつかの１ｎＧａＡｌＰ材料について、１）式の組成比ｘ，ｙと、これらｘおよびｙから換算したＩｎＰ，ＧａＰ，ＡｌＰの構成比と、この構成比からベカード則より計算した格子定数およびバンドギャップとを図３に示す。格子定数についてはＧａＡｓの格子定数０．５６５３３ｎｍとの比を合わせて示した。同図中、番号１，２，３は、対応する組成比から分るようにそれぞれ１ｎＰ，ＡｌＰ，ＧａＰ単体の場合であり、格子定数とバンドギャップとの計算にはこの欄の値を使用した。
【００９２】
本発明にかかる接着型半導体基板の製造方法の第１の実施例で説明した、室温で全面密着ができなかったエピウェーハの組成は、番号４と５の欄に示し、また、従来の技術で説明した従来の赤色ＬＥＤと緑色ＬＥＤの組成は番号６〜９の欄に示している。従来の赤色と緑色ＬＥＤについては、いずれの格子定数もＧａＡｓより大きく、これがエピウェーハが反る原因となっている。
【００９３】
従来、エピタキシャル成長層の格子定数は、エピタキシャル成長を行う高温において基板の格子定数との間で整合が取られていた。これは、成長中の格子歪みを減らし高品質のエピタキシャル成長層を得ることを目的としている。しかしながら、高温で格子定数が合っていても、エピタキシャル成長層の熱膨張係数と基板の熱膨張係数は一般に異なるため、接着工程で室温にまで低下すると格子定数が合わなくなり、これが反りの発生原因となっている。
【００９４】
本実施例の特徴は、直接接着を実現するために室温における格子整合を重視し、エピウェーハの反りを減らしたことにある。その具体的手段は、以下の通りである。
【００９５】
図３において、番号１０〜１９の欄には、室温で全面密着ができなかったエピウェーハ（番号５）を元にクラッド層のＩｎ組成ｘを減らしていった場合の格子定数の変化を示している。ｘが０．４７で格子定数はＧａＡｓと同じになり、０．４７を下回ると、格子定数は逆にＧａＡｓよりも小さくなり、この結果エピウェーハを凹に反らせる応力が働く。そこで、クラッド層の組成だけを変えてエピウェーハを試作し直接接着試験を行った。ｘの値を減らすとエピウェーハの反りは減少し、ｘ＝０．４７で反りは６〜１２μｍと小さくなり、室温での全面密着が可能であった。ｘ＝０．４８またはｘ＝０．４９でも全面接着できるＧａＰ基板があった。ｘを０．４５にすると成長中の格子不整合が大きくなり、結晶欠陥が増えた。ｘの値の許容範囲は、エピタキシャル成長層の厚さや、接着するＧａＰ基板の厚さにも依存するため、一概には規定できないが、従来の０．５より小さければ反り低減の効果があり、０．４５以下になるとエピタキシャル成長に不都合が生じる。なお、Ｉｎ組成を減らすことによりバンドギャップが大きくなるが、クラッド層はキャリアを閉じこめる機能を有し、直接発光しないため、発光波長に影響することは少ない。本実施例では、発光波長の変化を避けるために、活性層の組成を変えなかった。また、ウェーハの反りは方法の如何を問わずウェーハ接着の障害となるため、本実施例は、ＩｎＧａＡ１Ｐ系エピタキシャル成長層とＧａＰウェーハとの直接接着に限らず、他のウェーハ接着に適用しても同様の効果を有する。
【００９６】
（第３の実施例）
次に、本発明にかかる接着型半導体基板の製造方法の第３の実施例について図面を参照しながら説明する。本実施例は、直接接着するウェーハ間の熱膨張差による破壊の問題を解決する方法を示すものである。
【００９７】
前述した第１の実施例では、熱処理温度を４００℃まで下げることにより直接接着熱処理による基板破壊を免れた。熱膨張量は熱処理温度にほぼ比例するため、熱処理温度の低下は基板破壊の防止に寄与する。この一方、熱処理温度を下げると、接着界面での原子の移動と再配列が不十分となるため、接合が不完全になるおそれがある。本実施例は接着型半導体基板の製造方法をＬＥＤ製造に応用するものであるため、接合強度がＬＥＤ製造プロセスに耐えることと、接着界面を横切って電流を流せることが求められる。第１の実施例では、接合強度に関しては４００℃の熱処理でも本発明にかかるＬＥＤの製造に十分な強度が得られた。直接接着界面の電気抵抗を評価するために、一定電流２０mmＡを順方向に流したときの電圧ＶＦを測定した。この際、電極のコンタクト抵抗を減らすために、図４のエッチング停止層を利用して、クラッド層と電極との間にＧａＡｓコンタクト層を設けた。第１の実施例のＬＥＤのうち、８００℃で接着熱処理をしたもののＶＦは平均２．０Ｖ、最大２．ｌＶで、従来のＬＥＤのＶＦと同じであった。これに対して４００℃で接着熱処理をしたＬＥＤのＶＦは、平均は２．ｌＶで同程度であるのに対し、最大が３．２Ｖと大きく、直接接着が不完全な部分があることを示している。この測定結果は、熱処理温度低下によるウェーハ熱膨張差の減少が接着の完全性と両立しない場合があることを示唆している。
【００９８】
本実施例の接着型半導体基板の製造方法を図４を参照しながら説明する。図４（ａ）は本実施例の製造方法に用いるエピウェーハを示す。同図に示すエピウェーハは、ＧａＡｓバッファー層３８とＧａＡｓ基板３２の問にエッチング停止層３３を形成した点が図２（ａ）に示すエピウェーハと異なり、その他の点は実質的に同一である。エッチング停止層３３は厚さ０．２μｍのＩｎＡｌＰである。後述するＧａＰウェーハ３１も第１の実施例と実質的に同一のものを使用した。
【００９９】
まず、図４（ａ）〜（ｃ）に示すように、直接接着工程のうち室温貼り合わせまでの工程を第１の実施例と同様に行なった。
【０１００】
次に、熱処理をする前にＧａＡｓ基板３２を除去する。この点が本実施例の特徴である。図４（ｃ）に示す室温被密着体をアンモニアと過酸化水素水の混合液に浸漬し、ＧａＡｓ基板３２をエッチングにより取り除いた。このエッチング液はＩｎＡｌＰをエッチングしないので、エッチング後は、図４（ｄ）に示すように、エッチング停止層３３が表面に残っている。
【０１０１】
ＧａＡｓ基板３２を取り除いた後、第１の実施例と同様に熱処理をした。処理温度は第１の実施例で用いた２つの温度のうち、高い方の８００℃とした。
【０１０２】
次に、図４（ｅ）に示すように、熱処理後、リン酸と過酸化水素水と水の混合液でエッチング停止層３３をエッチングにより除去し、また、硫酸と過酸化水素水と水の混合液でバッファー層３８を一部残してエッチングにより取り除き、さらに第１の実施例と同様にＮ型クラッド層３４の上側のバッファ層を残した部分とＧａＰ基板３１の下面に電極３９を設けて、図４（ｆ）に示すＬＥＤ２を得た。残したバッファ層は、コンタクト層の役割を果たす。
【０１０３】
８００℃で熱処理をすると、第１の実施例では５組中３組の被接着体が破壊したが、本実施例では５組すべてが割れずクラックも見られなかった。また本実施例のＬＥＤ２の特性は、輝度およびＶＦとも、第１の実施例の被接着体のうち、８００℃の熱処理で破壊されなかった被接着体から製造したものと同じであった。
【０１０４】
熱処理をする前にエピウェーハのＧａＡｓ基板３２を除去することで、熱処理による被接着体の破壊を免れた理由は次のとおりである。即ち、被接着体の破壊は、エピウェーハの熱膨張係数とＧａＰ基板３１の熱膨張係数との差異に基づく。エピウェーハの容積のほとんどはＧａＡｓ基板３２で構成されるので、エピウェーハの平均熱膨張係数はほぼＧａＡｓに等しい。ＧａＡｓはＧａＰより熱膨張係数が大きいため、エピウェーハの平均熱膨張係数もＧａＰ基板３１より大きい。この一方、エピタキシャル成長層の格子定数はＧａＡｓ基板３２に適合させているにもかかわらず、エピウェーハはエピタキシャル成長層側が凸に反っている。このことは、エピタキシャル成長層の熱膨張係数がＧａＡｓ基板３２の熱膨張係数よりも小さいことを示している。従って、エピウェーハからＧａＡｓ基板３２を除去すれば、エピウェーハの平均熱膨張係数はエピタキシャル成長層の熱膨張係数となり、ＧａＰ基板３１に近くなる。この結果、熱処理をしても被接着体の破壊が起こらなくなる。従って、ＧａＡｓ基板３２のすべてを熱処理前に除去しなくても、その一部を除去することでもエピウエーハの平均熱膨張係数がＧａＰ基板３１に近づき、熱処理中の被接着体の破壊を防止する効果がある。
【０１０５】
また、本実施例ではエッチング停止層３３を利用して、Ｎ型クラッド層３４が熱処理中に露出しないようにした。これは、ＩｎＧａＡｌＰ系材料を高温で加熱すると蒸気圧が高いＰ（リン）が蒸発し、いわゆるリン抜けを起こす可能性があるため、これを防止するのが目的である。このように、活性層やクラッド層などの発光に直接関与するエピタキシャル成長層は、熱処理中に露出させないことが望ましい。
【０１０６】
異種材料同士の直接接着に関しては、特許第２８０１６７２号で、低温で熱処理をした後に一方のウェーハを薄くして高温で熱処理をする方法が本発明者らにより提案されている。この方法は、一方のウェーハを薄くすることで、他方のウェーハへ印加される熱応力を減らすもので、本実施例のようにエピウェーハ全体の平均熱膨張係数を変えて熱応力を減らすものではない。
【０１０７】
本発明にかかる接着型基板の製造方法でも、低温で熱処理をして所定の接着強度を得てからエピウェーハの基板を除去し、その後所定の高温で熱処理をすることも可能である。ただし、本実施例のように接着面の電気的特性が問題となる場合には、低温熱処理を１００〜３００℃以下の低い温度で行うことが望ましい。この理由は次のとおりである。即ち、脱水縮合反応の進行で接着強度は増加するが、同時に脱離する水分も増える。そのまま温度を上げて接着反応を完結させればよいが、一度熱処理を止めると水分が接着界面に固定され、再度高温に昇温しても電気特性に悪影響を与える可能性が高いためである。
【０１０８】
（第３の実施の形態）
次に、本発明の第３の実施の形態について説明する。本実施形態は、２枚のウェーハを接着する際に、結晶学的にみて、一方のウェーハの「裏」と他方のウェーハの「表」とが接合されるように向きを揃える点に特徴を有する。
【０１０９】
図５は、本実施形態にかかる基板の接着方法を説明するための概念図である。
【０１１０】
すなわち、半導体基板は、通常は、図５（ａ）に例示したような単結晶インゴットから所定の結晶方位にスライスされることにより得られる。
【０１１１】
そして、従来は、図５（ｂ）に例示したように、このようなインゴットＩＧからスライスされたウェーハ１１１、１１２の表面１１１Ａ、１１２Ａをそれぞれ鏡面研磨し、必要に応じてその表面に図示しないエピタキシャル層などを形成し、しかる後に、表面１１１Ａと１１２Ａとが向き合う向きに対向させて接着していた。
【０１１２】
ここで、接着界面の抵抗に関しては、シリコン（Si）同士の接着と、化合物の接着では差異がある。すなわち、シリコン（Si）同士では、接着するウェーハの結晶方位に関わらず、接着面のキャリア濃度を高くして、接着熱処理温度を適切な範囲に選べば、界面に電気抵抗は発生しない。例えば、（１００）面に（１１１）面を接着しても、（１００）面同士のウェーハを互いに４５度回転させて界面抵抗はない。
【０１１３】
これに対して化合物、特にLED用ウェーハなどの接着の場合は、キャリア濃度を高くするだけでなく、接着するウェーハ間の面方位を整合させないと、界面に抵抗が発生する。この現象に従って、界面抵抗を減らすために、結晶の方向に対して同じ角度の傾きを持つウェーハ同士を、相互に回転させずに結晶の回転方向の向きを合わせて接着する方法が、米国特許（USP）第 5,661,316号で提案されている。
【０１１４】
これに対して、本発明者は、種々の結晶方向を組み合わせて接着を試みた結果、ウェーハの傾きと回転方向を合わせるだけでは不十分で、特に結晶に対して傾いた面を持つウェーハでは、一方のウェーハの「表」面に、他方のウェーハの「裏」面を接着することが、界面抵抗を減らす上で大きな効果があることを見いだした。
【０１１５】
すなわち、本実施形態においては、図５（ｃ）に表したように、ウェーハ１１１の裏面１１１Ｂとウェーハ１１２の表面１１２Ａとが向き合う向きに対向させて接着する。本発明者は、後に詳述するように、このように接着すると接着界面の結晶性を改善し、電気的な抵抗成分を大幅に低減できることを見いだした。
【０１１６】
例えば、閃亜鉛型構造を有するIII-V族化合物半導体を例に挙げると、図５（ａ）に表したように、［１００］方向に成長させた単結晶インゴットＩＧには、その成長軸に対して傾斜して（１１１）Ａ面が表れる方向と、（１１１）Ｂ面が表れる方向とが存在する。ここで、（１１１）Ａ面は、例えば、III属元素が表面に優勢に表れる原子面であり、（１１１）Ｂ面は、V属元素が表面に優勢に表れる原子面である。
【０１１７】
そして、このような単結晶インゴットから（１１１）Ａ面に所定の角度をもって傾けた方向にスライスして得られた半導体基板１１１、１１２の表面は、（１１１）Ａ面の物性が優勢に表れる表面１１１Ａ、１１２Ａを有する。これに対して、これらの半導体基板１１１、１１２の裏面１１１Ｂ、１１２Ｂは、（１１１）Ｂ面の物性が優勢に表れる面となる。
【０１１８】
結晶を傾けてスライスするのは、いわゆる「ジャスト」方位の基板よりも、傾いた表面方位を有する基板の方がエピタキシャル成長に都合がよいためで、一般に（１００）面を（１１１）面方向に傾ける。ところが、GaAsやGaPのような化合物半導体の場合は、上述したように、（１１１）面には２種類有り、一方は表面がIII族のGaで覆われ、他方はV族のAsやＰで覆われる。そして（１１１）面が表面になるように結晶を加工してウェーハを作ると、その表面と裏面は互いに異なる面になることが知られている。
【０１１９】
図５の場合、例えば、表面側が（１１１）III族面に傾くようにスライスすると、裏面は（１１１）V族面に傾く。従って、図５（ｃ）に表したように２枚の半導体基板の表面と裏面とを接着することは、（１１１）III族面に傾いた面と（１１１）V族面に傾いた面とを接着することにほかならない。
【０１２０】
（１００）面を（１１１）III族面に傾けた面は、（１００）面と（１１１）面が混在し、III族原子の比率が高い。逆に（１１１）V族面に傾いた面はV族原子の比率が高い。両者を組み合わせると、接着界面でIII族とV族の比が保たれ、電気特性に悪影響を与えるダングリングボンドが減り、電気抵抗を減らすことができる。
【０１２１】
従って、接着する半導体基板の材料が同一である場合には、表面の傾斜角度は２枚の基板の間で相互に近いことが望ましい。この場合に、最もIII族原子とV族原子のバランスが良好になるからである。
【０１２２】
一方、異なる材料の半導体基板同士を接着する場合には、両者の物性に合わせて、表面の傾斜角度も調節することが望ましい。材料が異なる場合には傾斜角度に対するIII族原子やV族原子の比率も異なる場合があるからである。
【０１２３】
また、異方性が出現する方向（例えば、ＧａＡｓやＧａＰにおける＜１１１＞方向）の傾斜角（オフアングル）が小さい表面を有する半導体基板の場合には、表面同士を組み合わせてもダングリングボンドの数が少なく、界面抵抗の上昇は比較的小さい傾向がある。これに対して、傾斜角が１０度以上の場合は、裏面と表面を組み合わせると顕著な効果が得られる。
【０１２４】
一方、本発明者の検討の結果によれば、表面の傾斜角が小さい場合、例えば傾斜角が０度の（１００）ジャスト面を表面に有する基板を接着する場合でも、裏面と表面とを接着すると効果が見られる。従来は、（１００）面は裏面も表面も電気的に等価と考えられていた。しかし、GaAsやGaPのようなIII-V族化合物半導体は閃亜鉛構造を有し、III族原子とV族原子がそれぞれ別の面心立格子位置に配置し、これらの格子が互いに対角線方向に格子定数の１／４だけずれている。従って、（１００）面は、III族原子かV族原子の一方が最表面に出て、他方は１／４格子分だけ内部にあると推測される。この場合、基板の裏面においては、電気的中性を保つために表面と逆の原子が最表面に出ることとなる。このような理由により、（１００）ジャスト面でも、表面と裏面とを組み合わせて接着する方が、ダングリングボンドの数が少なく、界面抵抗の上昇が小さくなるものと考えられる。
【０１２５】
本実施形態は、異なるインゴットからスライスされた２枚の半導体基板を接着する場合にも同様にも顕著な効果を奏する。
【０１２６】
図６は、２つの異なるインゴットからスライスされた半導体基板を接着する様子を表した概念図である。例えば、同図（ａ）に表したように、［１００］方向に成長したGaP単結晶インゴットから（１１１）方向に傾斜させたオフアングルを有する半導体基板１１をスライスする。半導体基板１１は、（１１１）Ａ面の成分が強く表れる表面１１Ａと、（１１１）Ｂ面の成分が強く表れる裏面１１Ｂとを有する。同様に、図６（ｂ）に表したように、GaAsインゴットからオフアングルを付けてスライスした半導体基板１２も、（１１１）Ａ面の成分が強く表れる表面１２Ａと、（１１１）Ｂ面の成分が強く表れる裏面１２Ｂとを有する。
【０１２７】
これら２枚の基板を接着する際には、裏面１１Ｂと表面１２Ａとを接着する。または、表面１１Ａと裏面１２Ｂとを接着する。このように表面と裏面とを接着することにより、界面でのIII族原子とV族原子とのバランスを良好なものとし、ダングリングボンドや結晶欠陥を低減して、電気抵抗も大幅に低下させることができる。
【０１２８】
なお、異なる単結晶インゴットからそれぞれスライスした半導体基板の「表」と「裏」の判断は、インゴットの成長方向すなわち種結晶に対する向きにより決定することができる。すなわち、通常はインゴットを成長する際に、種結晶の結晶方位を一定にする。従って、異なるインゴットであっても、その（１１１）Ａ面あるいは（１１１）Ｂ面の方位は、成長方向に対して一定の関係を有する。つまり、異なるインゴットからそれぞれスライスされた半導体基板のいずれにおいても、種結晶に近い側を「表」面とし、反対側の面を「裏」面と定義して、「表」面と「裏」面とを接着すれば良い。
【０１２９】
一般に市販されている化合物半導体のウェーハの場合には、（１１１）Ａ面とＢ面とを区別する目的で、「インデックス・フラット（IF）」などと称される直線状切断部がウェーハの一部に設けられていることも多い。このような場合には、ウェーハの「表」と「裏」を容易に識別できる。
【０１３０】
また、異なるインゴットからスライスした半導体基板の「表」と「裏」の判断は、メサエッチングにより行うこともできる。すなわち、GaAsやGaPウェーハにメサエッチングを行うと、メサの互いに直交する断面形状が順メサと逆メサを呈する。また、同じウェーハの表面と裏面では、順メサの方向が互いに直交する。これらの順メサと逆メサの方向は、それぞれ結晶の（１１１）Ａ面と（１１１）Ｂ面の方位に対応して出現する。従って、この順メサと逆メサの方向によって半導体基板の表面側と裏面側とを区別することができる。
【０１３１】
２枚の半導体基板の表面と裏面とを接着すると、接着された面同士の順メサ方向は互いに直交し、接着された面と反対側の面同士、すなわち２枚のウェーハが接着により１枚になった新たなウェーハの一方の面と他方の面の順メサ方向は互いに直交する。
【０１３２】
次に、本実施形態の具体例として第４〜第６実施例について説明する。
【０１３３】
（第４の実施例）
まず、第４の実施例として、接着ウェーハの界面抵抗を測定した具体例について説明する。
【０１３４】
図５に表したように［１００］方向に成長させたGaP単結晶インゴットから、（１１１）方向に１５度傾斜させてGaPウェーハ１１１、１１２を切り出した。切り出したウェーハ１１１、１１２をそれぞれ２つに分け、一組は図５（ｂ）に表したようにいずれも上面（表面）１１１Ａ、１１２Ａを研磨して鏡面を形成し、他の一組は図５（ｃ）に表したように、ウェーハ１１１の下面（裏面）１１１Ｂと、ウェーハ１１２の上面（表面）１１２Ａを鏡面研磨した。表面を研磨したウェーハは、研磨面が（１１１）Ga面方向に、裏側を研磨したウェーハは（１１１）Ｐ面方向に傾いている。
【０１３５】
この２組のウェーハを使用して、表面同士と、表面と裏面の組合せで接着し、界面の電気抵抗を比較した。
【０１３６】
接着の方法は、後に詳述する方法と同じであり、熱処理は８００℃で行った。GaPの接着面にはキャリア濃度を変えたGaPエピタキシャル層を成長させ、接着界面のキャリア濃度を種々の値に調節した。接着したウェーハは両面に電極を設けて接着面まで２５０μｍ□の大きさになるようにハーフダイシングを行い、I-V特性を測定し、GaP基板のバルク抵抗を差し引いて接着界面の抵抗を求めた。
【０１３７】
図７は、接着面のキャリア濃度と界面抵抗との関係を表すグラフ図である。同図において、黒丸は表面同士を接着したものを表し、白三角は表面と裏面とを接着したものを表す。表面同士の接着（黒丸）では、キャリア濃度を上げると界面抵抗が下がるがゼロにはならない。これに対して本発明の裏面と表面の組合せ（白三角）では、キャリア濃度が低い場合にも、界面抵抗は非常に低く、キャリア濃度が２×１０１８ｃｍ−３程度まで上昇すると、界面抵抗を実質的にゼロにすることができた。
【０１３８】
なお、キャリア濃度と界面抵抗との関係は、表面エピ層がなくても同様で、キャリア濃度が高い基板を利用すれば、エピ層がなくても界面抵抗を下げることができる。
【０１３９】
（第５の実施例）
次に、第５の実施例として、図２と同様の工程によりＬＥＤを試作評価した結果について説明する。
【０１４０】
まず、（１１１）Ga面方向に１５度傾斜させたGaAsウェーハ１２を用意し、その上に図２（ａ）に表したように、InGaAlPからなるLED構造１８〜１７をエピタキシャル成長した。このようにして得られた４元エピタキシャル・ウェーハの接着面（ｐ型クラッド層１６の表面）は、基板と同様に（１１１）Ga面方向に１５度傾斜している。
【０１４１】
次に、GaPウェーハ１１として、（１１１）Ga面方向に１５度傾斜させた２枚のGaPウェーハを用意し、一方は表面側、他方は裏面側を鏡面に研磨した。
【０１４２】
しかる後に、図２（ｃ）に表したように、GaPウェーハの研磨面をクラッド層１６に接着した。
【０１４３】
さらに、図２（ｄ）に表したようにGaAs基板１２を除去し、得られたLEDの動作電圧を調べた。
【０１４４】
その結果、GaPウェーハ１１の接着面がGaAs基板１２と同じく（１１１）Ga面に傾斜したLEDの２０mA通電時の動作電圧は４．５Vであった。これに対して、本実施形態に従ってGaPウェーハ１１の接着面が（１１１）P面に傾斜したLEDの２０mA通電時の動作電圧は２Vと顕著に低下し、明らかに界面抵抗が減少したことが分かった。
【０１４５】
（第６の実施例）
次に、第６の実施例として、（１００）ジャストの表面方位を有するウェーハ同士を接着した具体例を説明する。
【０１４６】
まず、GaPの単結晶インゴットから（１００）ジャストの表面方位をもつウェーハを切り出し、インゴットの種結晶に近い面と表面と定義した。次に、これらのウェーハの表面側あるいは裏面側を鏡面に加工し、０．２μｍの層厚でキャリア濃度１×１０１８ｃｍ−３のＧａＰ層をその鏡面上にエピタキシャル成長した。ここでエピタキシャルＧａＰ層のキャリア濃度を比較的低くしたのは、図７に関して前述したように、キャリア濃度が低い方が、界面抵抗に対する接着面の組合せの影響が大きく、比較が容易なためである。
【０１４７】
このようにしてエピタキシャル層を挟んで、ウェーハの表面同士、あるいは表面と裏面とをそれぞれ接着し、界面抵抗を測定した。
【０１４８】
その結果、表面同士を接着したものでは界面の電流電圧特性はオーミックにならず、２０ｍＡ通電時に界面付近において約２．２Ｖの電圧が発生した。これに対して、表面と裏面とを接着したものでは、電流電圧特性は直線状でオーミック性を示し、２０ｍＡ通電時の抵抗も０．８Ｖと小さかった。
【０１４９】
表面同士を接着したものにおいて大きい抵抗が発生するのは、ダングリングボンドがキャリアをトラップして、接着面のキャリア濃度が低下したためであると考えられる。つまり、（１００）ジャスト基板の場合においても、インゴットの成長方向に対応して、ウェーハの「表」と「裏」が存在し、「表」と「裏」とを接着することにより界面抵抗を有意に低下できることが分かった。
【０１５０】
（第４の実施の形態）
次に、本発明の第４の実施の形態について説明する。本実施形態は、２枚のウェーハを接着する際に、ウェーハの全体ではなく、一部のみを加圧することにより熱膨張に伴う「ずれ」を緩和する点に特徴を有する。
【０１５１】
図８は、本実施形態を説明するための概念図である。すなわち、前述したいずれかの実施形態に基づいて２枚のウェーハＡ及びＢを接着する際に、本発明者は、これらのウェーハをどのように保持加圧すべきかについて独自の検討を行った。
【０１５２】
図８（ａ）及び（ｂ）は、本実施形態に係る加圧保持方法を表すものであり、同図（ｃ）及び（ｄ）は、比較例としての加圧保持方法を表す。
【０１５３】
まず、比較例から説明すると、図８（ｃ）に表した例においては、２枚のウェーハＡ及びＢは、重ねた状態で十分に広いジグＪ３の上に載置されており、上方から荷重は印加されない。このような方法によると、ウェーハＡ及びＢは面内方向Ｓに自由に伸縮できるので、熱膨張率の差などに起因する割れなどの問題は生じないが、接着が不十分となる場合が多い。
【０１５４】
また、図８（ｄ）に表した例においては、２枚のウェーハＡ及びＢは、十分に広いジグＪ３及びＪ４によって保持され、荷重Ｐにより加圧される。この場合は、加圧は施されるものの、ウェーハＡ及びＢが面内方向に伸縮することが困難となり、熱膨張率の差などの「ずれ」を吸収緩和することができずにウェーハが割れることがある。
【０１５５】
これに対して、本実施形態においては、図８（ａ）に表したように、２枚のウェーハＡ及びＢの全面を加圧せずに、その一部のみを対向配置されたジグＪ１及びＪ２により加重Ｐで加圧する。ウェーハＡ及びＢが異なる材料からなる場合には、加熱に伴って熱膨張率の差による「ずれ」が生ずる。これに対して、本実施形態によれば、ウェーハの一部のみを保持加圧することにより、加圧部以外の部分は、面内方向Ｓに容易に伸縮することができる。その結果として、熱膨張の差に伴う「ずれ」を許容しつつ、接着することができる。
【０１５６】
ウェーハの一部のみを加圧するためには、図８（ｂ）に表したように、一方のジグＪ１の接触面積のみをウェーハよりも小さくしても良い。この場合にも、ウェーハＢは、全体がジグＪ３により保持されているが、荷重Ｐは、ウェーハＡの上のジグＪ１から部分的にのみ印加される。その結果として、ウェーハＡ及びＢは、面内方向Ｓに伸縮することが可能であり、熱膨張率の差に起因する「ずれ」などを吸収緩和することができる。
【０１５７】
以下、本実施形態の実施例について説明する。
【０１５８】
（第７の実施例）
図９（ａ）〜（ｄ）は、本実施形態の製造方法を具体的に説明する略示断面図である。
【０１５９】
まず、図９（ａ）に表したように、直接接着に供するエピウェーハには、ｎ型ＧａＡｓ基板１２上にバッファ層１８，ｎ型クラッド層１４、活性層１５，ｐ型クラッド層１６、および表面カバー層１７が順次積層されて形成されている。これらのエピタキシャル成長層は、例えばＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法により形成される。
【０１６０】
ｎ型ＧａＡｓ基板１２は、サイズが直径２インチ、厚さ２５０μｍであり、不純物としてＳｉが約１Ｅ１８／cm３のキャリア濃度でドープされており、さらにその主面は鏡面仕上げとなっている。バッファー層１８はＧａＡｓで、厚さは０．５μｍである。最上層の表面カバー層１７は２層構造で、下側が０．１μmのGaAs層１７Ａ、上側が０．２μmのInGaAlP層１７Ｂである。
【０１６１】
次に、エピウェーハをアンモニアと過酸化水素水の混合液に侵漬して裏側の堆積物を除去し、次に、エピウェーハを界面活性剤で洗浄した後、７０℃のリン酸でInGaAlPカバー層１７Ｂをエッチングした。このエッチングは下のGaAs層１７Ａで選択的に止まる。次いで、容積比でアンモニア１、過酸化水素水１５、混合液にエピウェーハを浸漬してエッチングを行い、図９（ｂ）に示すように、下側のGaAsカバー層１７Ａを除去した。この混合液は、ＧａＡｓカバー層１７Ａを選択的にエッチングするもので、数秒で表面カバー層１７Ａが除去されたことが観察できたが、１分間侵漬を続けてｐ型クラッド層１６の表面を完全に表出させた。
【０１６２】
次いで、表面カバー層１７を除去したエピウェーハと、表面に厚さ0.2μm、キャリア濃度２×１０１８ｃｍ−３の高濃度GaP層を成長させたＧａＰ基板１１との直接接着を行い、図９（ｃ）に示す被接着体を得た。以下、直接接着の工程をより詳細に説明する。
【０１６３】
直接接着の前処理として、ＧａＰ基板１１を界面活性剤で洗浄し、希弗酸に浸漬して表面の自然酸化膜を除去し、水洗をした後にスピナで乾燥させた。また、エピウェーハは上述した方法で表面カバー層１７を除去した後、ＧａＰ基板１１と同様にして酸化膜除去のため希弗酸処理を行い、水洗とスピナ乾燥を行なった。これらの前処理は、すべてクリーンルーム内の清浄な雰囲気下で行った。
【０１６４】
なお、第３実施形態に関して前述したように、本実施例においても、エピウェーハとＧａＰ基板１１とをそれらの表面と裏面を接着するように結晶方位を調節しても良いことはいうまでもない。
【０１６５】
次に、前処理を終えたエピウェーハをエピタキシャル成長層が上方になるように載置し、その上にＧａＰ基板１１を、鏡面が下向きになるように載置し、室温で密着させた。ＧａＰは透明であるため密着状態を目視にて観察できる。ＧａＰ基板１１をエピウェーハに載置すると、エピウェーハが正面視で凸形状をなすように反っているため、ＧａＰ基板１１の中央部が最初に密着した。そのまま放置するだけで密着部が自然にＧａＰ基板１１の周辺部へ向って広がり、１分以内にＧａＰ基板１１の周縁の面取り部分を除いて全面が密着した。同様の操作を繰り返し、計１５組の室温密着を行なった。
【０１６６】
直接接着の最終工程として、室温で密着している被接着体を拡散炉内に入れて８００℃で熱処理を行った。雰囲気は水素を１０％含むアルゴンである。
【０１６７】
被接着体は５組ずつに３つに分け、同時に異なる熱処理ジグを使用して比較した。
【０１６８】
本発明の実施例としては、図８（ａ）に例示したように、中央に５φの円形突起が付いたカーボン板で密着した基板を上下から挟み、上に120gのカーボン製の重りを乗せて、ウェーハの中央部だけを押さえた。このジグでは５枚ともウェーハ全面が接着でき、ウェーハの割れはなかった。
【０１６９】
比較例として、図８（ｃ）に例示したように、ウェーハを平らなカーボン板に置き、上にはなにも乗せずに無荷重状態で熱処理をした。この方法では５枚のうち２枚に面積にして３０%を越す大きな剥がれ部分が生じた。ウェーハの割れはなかった。
【０１７０】
もう一つの比較例として、図８（ｄ）に例示したように、ウェーハを平らなカーボン板で挟み、重りを乗せて全面に荷重をかけて熱処理した。この場合、５枚中２枚が割れ、残る３枚も全面接着には至らなかった。割れたウェーハも含めて、ウェーハの周辺部が接着し中央部が剥がれたことから、ウェーハの厚さバラツキで厚くなっていた周辺部分が先に接着してしまい、熱膨張による界面のズレを吸収できなかったのが原因であったと考えられる。
【０１７１】
以上説明したように、本実施形態によれば、ウェーハを部分的に保持加圧するこにより、接着工程を高い歩留まりで実施できることが確認された。
【０１７２】
（第５の実施の形態）
次に、本発明の第５の実施の形態として、発光層からの光に対して透光性のある基板を有する半導体発光素子について説明する。すなわち、本実施形態に係る半導体発光素子は、典型的には、第１乃至第４の実施形態に関して前述した基板の接着技術を用いて形成することができる発光素子である。
【０１７３】
まず、本実施形態に係る半導体発光素子として、発光に寄与する発光層の面積を、透明基板の面積に対して小さくして、発光の輝度を向上させた例を説明する。 図１０（ａ）は、本実施形態に係るＬＥＤの断面構成を表す概念図であり、同図（ｂ）は、比較例としての従来のＬＥＤの断面構成を表す概念図である。
【０１７４】
すなわち、いずれも透明基板であるGaP基板１１上に、クラッド層１４、活性層１５、クラッド層１６を持ち、上下に電極１９Ａと１９Ｂを設けたLEDである。但し、図１０は、概念図であり、実際には、これらの他に、コンタクト層や電流狭窄層あるいは電流拡散層などの各種の要素が設けられていても良い。
【０１７５】
従来のＬＥＤは、図１０（ｂ）に表したように、活性層１５と透明基板１１の大きさは等しく、上方から見た面積は同じであった。このような従来のＬＥＤは、例えば、多数のＬＥＤ構造を作り込んだウェーハを、ダイシングにより切ったり劈開するなどして、多数のＬＥＤチップに切り分けて製造することができる。
【０１７６】
これに対して、本実施形態においては、活性層１５を含む積層体１０の面積が、透明基板１１より小さい。そして、このように活性層１５の面積を小さくすると、ＬＥＤの発光輝度が向上する。以下、このように活性層の面積が小さくなるとＬＥＤの輝度が上がる機構を説明する。
【０１７７】
LEDは電流を流すことで注入されたキャリアが再結合して発光する。図１０（ａ）及び（ｂ）に表したLEDの場合、注入されたキャリアはクラッド層１４及び１６に挟まれた活性層１５に閉じこめられ、そこで再結合する。しかし、キャリアの再結合には、発光を伴うものだけではなく、発光を伴わない非発光再結合も混在する。例えば、結晶欠陥準位や界面準位を介して再結合した場合は非発光で再結合が生ずる。
【０１７８】
非発光再結合は発光再結合よりも速度が速いため、注入されたキャリアは優先的に非発光再結合を起こす傾向がある。一方、欠陥準位や界面準位は結晶中での密度が限られているため、非発光再結合がある一定の電流で飽和すると、それを越える電流が発光再結合に費やされて発光を生ずるようになる。従って、同じ量の電流をLEDに流す場合、狭い面積に流した方が、非発光再結合に消費される電流成分を減らすことができ、注入電流に対する発光再結合の割合、すなわち発光効率を高めることができる。つまり、活性層１５の面積を小さくすることにより、ＬＥＤの輝度を上げることができる。
【０１７９】
しかし、発光層の面積を小さくすると、発光が電極１９Ａにより遮られて光の取り出し効率が低下するという問題がある。これに対して、基板が透明であると有利である。
【０１８０】
すなわち、LEDの発光層は基板に比べて薄いため、基板が不透明なLEDでは発光層から基板側に放出された光は基板によって吸収され、外部に取り出すことはできない。つまり、不透明基板を用いたLEDの場合には、発光層から上方に放出された光のみを、外部に取り出し得る。しかし、このような不透明基板LEDで発光層を小さくすると、発光効率の上昇よりも上側電極１９Ａの遮光による取り出し効率の低下の方が大きくなり、LEDの輝度は低下する。
【０１８１】
同様の理由で、透明基板LEDであっても、発光層だけでなく基板の面積を同時に小さくすることも好ましくない。透明基板LEDでは、図１０（ａ）に表したように、発光層から基板側に放出された光は、基板１１を透過し、下側電極１９Ｂにより反射される。発光層としての積層体１０の両側に透明基板１１の上面Ｓが露出していると、下側電極１９Ｂにより反射された光を、この露出部分Ｓから取り出すことができる。このため、発光層としての積層体１０を小さくしても基板１１の面積を小さくしなければ、取り出し効率は下がらない。
【０１８２】
図１１は、図１０に例示したような透明基板を有するＩｎＧａＡｌＰ系ＬＥＤにおいて、チップ面積に対する発光層の面積の比率と、外部発光強度との関係を表すグラフ図である。すなわち、同図は、ＧａＰ基板を接着して形成したＩｎＧａＡｌＰ系ＬＥＤのデータであり、チップサイズは３００μｍ角で、上側電極サイズは１２０μφである。
【０１８３】
同図に表したように、発光層の面積を小さくするにつれて発光強度は増大し、面積の比率が０．３になると、発光強度は比率１の場合の約１．２倍まで増加する。このように、透明基板を用いたLEDにおいて、発光層を基板よりも小さく形成すると、活性層１５での発光効率を改善しつつ、光の取り出し効率の低下も抑制することができる。
【０１８４】
次に、本実施形態の発光素子の製造方法の具体例について説明する。
【０１８５】
図１２及び図１３は、本実施形態の半導体発光素子の製造方法の要部を表す工程断面図である。
【０１８６】
直接接着に供するエピウェーハの構造は、図１２（ａ）に示したとおりで、ＧａＡｓ基板１２の上に、ＭＯＣＶＤ法でエピ層９３から９８２までを成長させたものである。ここで、ｎ型ＧａＡｓ基板１２は、直径２インチ、厚さ２５０μｍ、Ｓｉドープでキャリア濃度は約１ｅ１８／ｃｍ３で、鏡面仕上げが施されている。エッチング停止層９３は、ＩｎＡｌＰで、厚さ０．２μｍ。ＧａＡｓコンタクト層９４は、厚さ０．０２μｍで、キャリア濃度は１ｅ１８／ｃｍ３である。ＩｎＧａＡｌＰ電流拡散層９５は、Ａｌ組成０．３のＩｎＧａＡｌＰで、厚さ１．５μｍであり、Ｎ型クラッド層１４は、Ａｌ組成０．６のＩｎＧａＡｌＰで、厚さ０．６μｍである。活性層１５は、Ａｌ組成０．１３のＩｎＧａＡｌＰで、厚さ０．４μｍである。Ｐ型クラッド層１６は、Ａｌ組成０．６のＩｎＧａＡｌＰで、厚さ０．６μｍである。ＩｎＧａＰ接着層９７は、厚さ０．１μｍであり、ＧａＡｓカバー層９８１は、厚さ０．１μｍ、ＩｎＡｌＰカバー層９８２は厚さ０．１５μｍである。
【０１８７】
次に、このエピウェーハを界面活性剤で洗浄し、容積比でアンモニア１、過酸化水素水１５の混合液に侵漬し、ＧａＡｓ基板１２の下側をエッチングして、エピウェーハの裏面に付着したエピ反応生成物などを除去する。この際、エピウェーハの表側（図の上側）はＩｎＡｌＰカバー層９８２で覆われているので、エッチングされない。
【０１８８】
次に、エピウェーハを再度界面活性剤で洗浄した後、リン酸で表面のＩｎＡｌＰカバー層９８２を除去する。引き続き、容積比で硫酸８、過酸化水素水１、水１の混合液でＧａＡｓカバー層９８１を除去する。この混合液は選択的にＧａＡｓカバー層をエッチングするもので、エッチングの後エピウェーハの表面にはＩｎＧａＰ接着層が表出する。
【０１８９】
次いで、表面カバー層を除去したエピウェーハとＧａＰウェーハ１１の直接接着を行い、図１２（ｂ）に表した接着体を得た。以下、直接接着の工程を詳しく説明する。
【０１９０】
ＧａＰウェーハは、直径２インチ、厚さ２５０μｍ、ｐ型の鏡面仕上げのものを使用した。接着界面の電気抵抗を下げるために、ＧａＰ表面に高濃度層をエピ成長させる場合もある。
【０１９１】
ここで、第３実施形態に関して前述したように、エピ層とＧａＰ層の接着面が「表」と「裏」の関係になるように両者の結晶方位を調節することが望ましい。
【０１９２】
さて、直接接着の前処理として、ＧａＰウェーハは界面活性剤で洗浄し、希弗酸に侵漬して表面の自然酸化膜を除去し、水洗をした後スピナで乾燥させた。またエピウェーハは表面カバー層を除去した後、ＧａＰ基板と同じく酸化膜除去のため希弗酸処理を行い、水洗とスピナ乾燥を行なった。これらの前処理は、すべてクリンルーム内の清浄な雰囲気下で行った。
【０１９３】
次に、前処理を終えたエピウェーハを上向きに置き、その上にＧａＰウェーハ１１を、鏡面が下向きになるように乗せ、室温で密着させた。ＧａＰウェーハ１１は透明なため密着状態を観察できる。ウェーハを重ねると、エピウェーハが凸に反っているため、ウェーハの中央部が最初に密着した。そのまま放置するだけで密着部が自然に広がり、ウェーハの縁の面取り部分を除いて全面が密着した。
【０１９４】
この工程においても、第４実施形態に関して前述したように、ウェーハの一部のみを加圧することにより、割れを抑制して確実に接着することができる。
【０１９５】
さて、直接接着の最終工程として、室温で密着しているウェーハを石英ボートに立てて並べ、拡散炉内に入れ熱処理を行った。熱処理温度は８００℃、時間は１時間、雰囲気は水素を１０％含むアルゴンである。
【０１９６】
次に、エピウェーハのＧａＡｓ基板１２を除去した。まず、接着体をアンモニアと過酸化水素水の混合液に侵漬し、ＧａＡｓを選択的にエッチングした。このエッチングはＩｎＡｌＰエッチング停止層で停止する。次いで、７０℃のリン酸でエッチングを行い、ＩｎＡｌＰエッチング停止層９３を選択的に除去することにより、図１２（ｃ）に表した積層体を得た。
【０１９７】
次に、この積層体のＧａＰ基板１１の裏面（図中下側）に、金（Ａｕ）／Ｚｎ合金と金（Ａｕ）からなる電極１９Ｂを設け、ＧａＡｓコンタクト層９４の表面（図中上側）には、金（Ａｕ）／Ｇｅ合金と金（Ａｕ）からなる電極１９Ａを設けた。そして、ＰＥＰ（photo-engraving process）により、上側の電極１９Ａを３００μｍピッチで直径２００μｍの円形に加工し、図１３（ａ）の構造を得た。
【０１９８】
次に、発光層の面積を透明基板の面積より小さくするために、金電極１９Ａをマスクにしてエッチングを行い、図１３（ｂ）に表したように、エピ層９４から９７をエッチングした。ここで、ＧａＡｓエピ層９４はアンモニアと過酸化水素水の混合液でエッチングし、ＩｎＧａＡｌＰ系エピ層９４〜１６とＩｎＧａＰエピ層９７はＨＢｒ−Ｂｒ液でエッチングした。
【０１９９】
最後に、図１３（ｃ）に表したように、電極１９Ａを直径１２０μｍの円形に再パターニングし、ウェーハを一点鎖線Ｃの部分で３００μｍ□に劈開分離して図１０（ａ）に表した構造のＬＥＤチップを得た。
【０２００】
なお、図１０（ａ）において、図１３（ｃ）のエピ層の一部は省略した。
【０２０１】
次に、本実施形態の別の実施例として、ウェーハ接着に先だって発光層の面積を小さくする製造方法について説明する。
【０２０２】
図１４は、本実施例の製造方法の要部を表す工程断面図である。
【０２０３】
まず、図１４（ａ）に表すように、ＧａＡｓ基板１２の上に発光層としての積層体１０を形成したエピタキシャルウェーハを形成する。このエピウェーハに、例えば３００μｍピッチで縦横にブレードダイシングを行い、図１４（ｂ）に表したように、幅１００μｍ、深さ２０μｍの溝Ｇを設けた。
【０２０４】
次に、図１４（ｃ）に表したように、ＧａＰ基板１１を接着する。
【０２０５】
次に、図１４（ｄ）に表したように、ＧａＡｓ基板１２を除去し、上下を逆さまにして電極１９Ａと１９Ｂを形成する。
【０２０６】
最後に、劈開やブレードダイシングにより、一点鎖線Ｃに沿って素子分離を行い、図１４（ｅ）に表したようにＬＥＤチップを得た。
【０２０７】
ＧａＡｓ基板１２の上に形成したエピウェーハとＧａＰ基板１１とを接着する場合、ＧａＡｓとＧａＰとの熱膨張係数の差により応力が発生し、接着後の反りや、ひどい場合にはウェーハの破壊が生じる。
【０２０８】
本実施例では、図１４（ｃ）に表したように、ウェーハ接着の際にエピウェーハ表面に溝Ｇが形成されて接着部が小面積に分割されているため、応力が緩和され、反りや破壊が少なくなるという利点が得られる。
【０２０９】
また、ウェーハを貼り合わせる際、２枚のウェーハ間に空気が巻き込まれて未接着部が発生することがある。本実施例のように溝Ｇを設けておくと、巻き込まれた空気をウェーハ外に逃がすことができ、未接着部発生が少なくなるという利点も得られる。
【０２１０】
なお、上述の実施例では、接着前にブレードダイシングでエピウェーハ表面を分割する例を挙げたが、ＰＥＰでウェーハ表面をパターニングすることにより溝Ｇを形成してもよい。
【０２１１】
次に、本実施形態の半導体発光素子の変型例について説明する。
【０２１２】
図１５は、本実施形態の半導体発光素子の変型例を表す概念図である。すなわち、本変型例においては、発光層としての積層体１０を上側電極１９Ａと略同一の面積まで小さくした。
【０２１３】
この構造では発光層としての積層体１０の上面すべてを電極１９Ａが覆っているため、発光層から上向きに放出した光は電極１９Ａで反射して透明基板１１内に入り、基板１１の側面から外部に取り出されるか、または下側電極１９Ｂで反射して電極１９Ａで覆われていない基板１１の上面Ｓから取り出される。
【０２１４】
本変型例の発光素子が、図１０（ａ）の実施例や、図１０（ｂ）の従来例と機能的に異なる点は、ＬＥＤの上面から取り出される光が発光層１６を殆ど通過していない点である。つまり、本変型例においては、活性層１５は、比較的小さい光源として作用し、この光源から放出された光の殆どは、基板１１を透過し、下側電極１９Ｂにより反射されて上面Ｓから外部に取り出される。
【０２１５】
ＬＥＤの発光波長は、活性層１５のバンドギャップで決まる。クラッド層１４、１６はキャリアを閉じこめるため、活性層よりバンドギャップが大きくなるように設計されており、活性層１５からの発光を吸収しない。しかし、活性層１５自体は自ら発光した光を自己吸収する。また、電気的接続に必要なＧａＡｓコンタクト層などのバンドギャップの小さい層も発光を吸収する。従って光を吸収する層を含む活性層あるいはコンタクト層など通さずに光を取り出した方が吸収が少なくてすむ。この点で、図１４に例示した本変型例は有利である。
【０２１６】
図１５の構造を得るためには、例えば図１２〜図１３に表した工程において、図１３（ａ）に表した電極１９Ａの１回目のパターニングを、図１３（ｃ）のサイズで行い、この電極１９Ａをマスクにして発光層をエッチングをすればよい。
【０２１７】
または、全く異なる方法によっても図１５の発光素子を製造することができる。 図１６は、図１５に表した半導体発光素子の製造方法の要部を表す工程断面図である。
【０２１８】
まず、図１６（ａ）に表したように、ＬＥＤ上下の電極１９Ａと１９Ｂを全面に付けたまま、パターニングをせずにチップに分離する。
【０２１９】
次に、このようにして得られたチップに、図１６（ｂ）に表したように、ワイヤーＷをボンディングする。すると、電極１９Ａの上には、ワイアＷがボール状に形成したボール部１９Ｃが接続される。
【０２２０】
次に、このボール部１９Ｃをマスクとして、上側電極１９Ａと発光層としての積層体１０をエッチングし、図１６（ｃ）に表した構造が得られる。
【０２２１】
以上説明した方法によれば、積層体１０のエッチングの際に、ワイアＷを介して通電し発光させておくこともできる。つまり、発光素子を発光させてその出力をモニタしながらエッチングを実施することにより、最適な発光強度が得られた時点でエッチングを停止することもできる。
【０２２２】
次に、本実施形態のもうひとつの実施例としての半導体発光素子について説明する。
【０２２３】
図１７は、本実施例にかかる半導体発光素子の構成を表す概念図である。すなわち、本実施例の発光素子は、透明基板１１の側面に段差ＳＴが設けられ、その上部が発光層としての積層体１０のサイズに合わせて小さくされている。
【０２２４】
この構造は、ＧａＰウェーハ１１を接着して図示しないＧａＡｓ基板を選択エッチングで取り除いた後、例えば、図１２（ｃ）や図１６（ａ）の状態で、発光層側から発光層を越えて透明基板１１の上部にまでブレードダイシングやエッチングで溝を設けることにより得られる。
【０２２５】
本実施例の発光素子においては、活性層１５から透明基板１１に入射した光は、直接、あるいは１度のみ反射で外部に取り出されるだけでなく、透明基板１１の内部で複雑な反射をして外部に取り出される場合が多い。一般に、光取り出し部の形状が複雑な方が光取り出し効率が高く、本実施例によれば透明基板１１に段差を設けることにより、光取り出し効率をさらに改善できるという効果が得られる。
【０２２６】
図１７に表した例においては、透明基板１１の上部を下部に対して１段小さくしてあるが、２段あるいはそれ以上の階段状に絞った方が光の取り出し効率をより高められる場合もある。
【０２２７】
以上、具体例を参照しつつ、本発明の第１乃至第５の実施の形態について説明した。しかし、本発明は、これらの具体例に限定されるものではない。
【０２２８】
例えば、接着するウェーハあるいは、これを用いた半導体素子の材料としては、ＧａＡｓやＧａＰに限定されず、その他の各種の化合物半導体について同様に本発明を適用して同様の効果を得ることができる。
【０２２９】
また、半導体発光素子の積層構造については、コンタクト層や電流拡散層などの各種の要素を加えて、同様の効果を奏することができる。この他にも、例えば、活性層にＭＱＷ（multiple-quantum well）構造を採用したものや、クラッド層にＭＱＢ（multiple-quantum barrier）を採用したものなどについても同様に適用することができる。
【０２３０】
さらに、本発明は、ＬＥＤのみに限定されず、半導体レーザやその他の各種の半導体素子に同様に適用することができる。
【０２３１】
【発明の効果】
以上詳述したとおり、本発明は、以下の効果を奏する。
【０２３２】
即ち、本発明によれば、直接接着の障害となる、エピウェーハ表面清浄度の低下、エピウェーハの反り、エピタキシャル成長層と基板との間の熱膨張差が解消されるので、エピウェーハに直接かつ全面にわたって安定的に密着された接着型半導体基板が提供される。
【０２３３】
また、本発明によれば、ＬＥＤなど発光素子の発光に寄与するエピタキシャル成長層を、その発光を吸収しない基板に直接かつ安定的に接着するので、輝度が高い半導体発光素子が提供される。
【０２３４】
また、本発明によれば、上述した効果を奏する接着型半導体基板および半導体発光素子をそれぞれ高い歩留りで生産することができる。
【０２３５】
また、本発明によれば、結晶の異方性に着目し、インゴットからスライスしたウェーハの「表」と「裏」とを接着することにより界面におけるダングリングボンドや結晶欠陥を低減し、界面抵抗を有意に低下できる。
【０２３６】
また、本発明によれば、２枚のウェーハを接着する際に、部分的に保持加圧するこにより、接着工程を高い歩留まりで実施できる。
【０２３７】
また、本発明によれば、透明基板の面積よりも発光層の面積を小さくすることで、ＬＥＤの取り出し効率を下げることなく発光効率を上げることができ、その結果輝度が高いＬＥＤを得ることができる。
【０２３８】
また、本発明によれば、ウェーハ貼り合わせ技術を応用することで、効率よく上記のＬＥＤを製造することができる。特に、貼り合わせ前にエピウェーハの表面を分割しておく製造方法では、熱応力を分散する効果があり、その結果、貼り合わせ工程での不良発生を防止できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかる接着型半導体基板の実施の一形態を示す略示断面図である。
【図２】本発明にかかる接着型半導体基板の製造方法の第１の実施例と第２の実施例を説明する略示断面図である。
【図３】本発明にかかる接着型半導体基板の製造方法に用いるＩｎＧａＡｌＰ材料の構成比と格子定数とバンドギャップを示す表である。
【図４】本発明にかかる接着型半導体基板の製造方法の第３の実施例を説明する略示断面図である。
【図５】本発明の第３実施形態にかかる基板の接着方法を説明するための概念図である。
【図６】２つの異なるインゴットからスライスされた半導体基板を接着する様子を表した概念図である。
【図７】接着面のキャリア濃度と界面抵抗との関係を表すグラフ図である。
【図８】本発明の第４実施形態を説明するための概念図である。
【図９】図９（ａ）〜（ｄ）は、本発明の第７実施例の製造方法を具体的に説明する略示断面図である。
【図１０】図１０（ａ）は、本発明の第５実施形態に係るＬＥＤの断面構成を表す概念図であり、同図（ｂ）は、比較例としての従来のＬＥＤの断面構成を表す概念図である。
【図１１】図１０に例示したような透明基板を有するＩｎＧａＡｌＰ系ＬＥＤにおいて、チップ面積に対する発光層の面積の比率と、外部発光強度との関係を表すグラフ図である。
【図１２】本発明の第５実施形態の半導体発光素子の製造方法の要部を表す工程断面図である。
【図１３】本発明の第５実施形態の半導体発光素子の製造方法の要部を表す工程断面図である。
【図１４】ウェーハ接着に先だって発光層の面積を小さくする製造方法の要部を表す工程断面図である。
【図１５】発光層としての積層体１０を上側電極１９Ａと略同一の面積まで小さくした半導体発光素子を表す概念図である。
【図１６】図１５に表した半導体発光素子の製造方法の要部を表す工程断面図である。
【図１７】透明基板１１の側面に段差ＳＴが設けられた半導体発光素子の構成を表す概念図である。
【図１８】従来の技術によるＩｎＧａＡｌＰ可視光ＬＥＤの一例を示す略示断面図である。
【図１９】図１８に示すＬＥＤの従来の技術による製造方法を示す略示断面図である。
【符号の説明】
１，２，１００ ＩｎＧａＡｌ系ＬＥＤ
１０ 積層体
１１，３１，９１ ＧａＰウェーハ
１２，３２，８２，９２ ＧａＡｓウェーハ
３３ エッチング停止層
１４，３４，８４，９４ Ｎ型クラッド層
１５，３５，８５，９５ 活性層
１６，３６，８６，９６ Ｐ型クラッド層
１７，３７ カバー層
１８，３８ バッファー層
１９，３９，８９，９９ 電極
Claims (6)
- 第１の半導体基板上にエッチングストップ層を形成し、このエッチングストップ層の上に半導体結晶をエピタキシャル成長させて第１のエピタキシャル成長層を形成する第１の工程と、
前記第１のエピタキシャル成長層の上に、少なくとも片面が鏡面加工されるか、またはこの被鏡面加工面に形成された第２のエピタキシャル成長層を有する第２の半導体基板を、この被鏡面加工面または前記第２のエピタキシャル成長層が前記第１のエピタキシャル成長層に接するように載置し、前記第１のエピタキシャル成長層と一体的に接合させる第２の工程と、
前記第１および第２の半導体基板を一体的に接合した後に、前記第１の半導体基板の少なくとも表面部を除去した後、熱処理する第３の工程と、
を備える接着型半導体基板の製造方法。 - 前記第１の工程は、前記第１のエピタキシャル成長層の表面部を除去する工程を含むことを特徴とする請求項１に記載の接着型半導体基板の製造方法。
- 第１の半導体基板上にエッチングストップ層を形成し、このエッチングストップ層の上に化合物半導体の混晶をエピタキシャル成長させて第１のクラッド層と活性層と第２のクラッド層が順次堆積した積層体を含む第１のエピタキシャル成長層を形成する工程と、
前記第１のエピタキシャル成長層の上に主面が鏡面加工されるか、またはこの被鏡面加工面に形成された第２のエピタキシャル成長層を有する第２の半導体基板を、この被鏡面加工面または前記第２のエピタキシャル成長層が前記第１のエピタキシャル成長層に接するように載置して一体的に接合させる工程と、
前記第１および第２の半導体基板を一体的に接合した後に、前記第１の半導体基板の少なくとも表面部をエッチングにより除去し、その後に熱処理をする工程と、
エッチングにより前記第１のエピタキシャル成長層を露出させる工程と、
前記第１のエピタキシャル成長層の露出面側と前記第２の半導体基板の裏面側に電極を形成する工程とを備える半導体発光素子の製造方法。 - 前記第１のエピタキシャル成長層の上にカバー層を形成する工程と、
前記カバー層を除去して前記第１のエピタキシャル成長層の表面を露出させる工程と、を備えることを特徴とする請求項３に記載の半導体発光素子の製造方法。 - 前記第１および第２の半導体基板を一体的に接合する際に、重ね合わせた前記第１および第２の半導体基板の一部のみを加圧して押さえ、前記第１および第２の半導体基板のその他の部分を押さえない状態において加熱することにより前記第１および第２の半導体基板を接合することを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の半導体発光素子の製造方法。
- 重ね合わせた前記第１および第２の半導体基板の中央部のみを加圧して押さえることを特徴とする請求項５に記載の半導体発光素子の製造方法。
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