JP2005277372A - 半導体発光素子及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 半導体発光素子の発光効率を高めることが困難であった。
【解決手段】 半導体発光素子１は、ｎ型半導体層１５と活性層１６とｐ型半導体層１７と第１、第２及び第３の補助層１３，１４，１８とを含む半導体領域２を有する。半導体領域２の光取り出し面として機能する一方の主面１１の中央にカソード電極８が接続されている。半導体領域２の他方の主面１２にオーミックコンタクト層１９とトンネル効果を有する絶縁膜３とを介して光反射層４が結合されている。反射層４には第１及び第２の接合金属層５，６を介してシリコン支持基板７が結合されている。絶縁膜３は光反射層４とオーミックコンタクト層１９との間の合金化を抑制する。これにより、光反射層４の反射率が良好に保たれる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、例えばＡｌＧａＡｓ系、ＡｌＧａＩｎＰ系、ＧａＮ系、ＡｌＧａＩｎN系等から成る半導体層を含む半導体発光素子及びその製造方法に関する。

ＡｌＧａＩｎＰ系化合物半導体によって発光層即ち活性層が形成されている従来の典型的な半導体発光素子は、ＧａＡｓから成る支持基板と、この支持基板上に配置された発光のために必要な複数のＡｌＧａＩｎＰ系化合物半導体層を含む主半導体領域とを有する。ＡｌＧａＩｎＰ系化合物半導体はＧａＡｓ支持基板に対して比較的良好にエピタキシャル成長させることができる。

しかしながら、ＧａＡｓ支持基板は、主半導体領域に含まれている発光層から発光された光の波長帯域での光吸収係数が極めて高い。このため、発光層から支持基板側に放出された光の多くはＧａＡｓ支持基板に吸収されてしまい、高い発光効率を有する発光素子を得ることが出来なかった。

上記のＧａＡｓ支持基板による光吸収を防いで発光効率を高める方法として、前述の基本構造の半導体発光素子においてＧａＡｓ等の支持基板上に発光層を含む主半導体領域をエピタキシャル成長させた後にＧａＡｓ支持基板を除去し、発光層を含む主半導体領域に例えばＧａＰから成る光透過性基板を貼着し、更にこの光透過性基板の下面に光反射性を有する電極を形成する方法が知られている。しかし、この光透過性基板と光反射性電極とを設ける構造は、発光層を含む主半導体領域と光透過性基板との界面における抵抗によってアノード電極とカソード電極との間の順方向電圧が比較的大きくなるという欠点を有する。

上記欠点を解決するための方法が、特開２００２−２１７４５０号公報（以下特許文献１と言う。）開示されている。即ち、前記特許文献１には、発光層を含む主半導体領域の下面側にＡｕＧｅＧａ合金層を分散的に形成し、ＡｕＧｅＧａ合金層及びこれによって覆われていない発光層を含む主半導体領域の下面との両方をＡｌ等の金属反射膜で覆い、更に、この金属反射膜に例えば導電性を有するシリコンから成る導電性支持基板を貼着することが開示されている。ＡｕＧｅＧａ合金層は例えばＡｌＧａＩｎＰ等の半導体基板に対して比較的良好にオーミック接触する。従って、この構造によると、アノード電極とカソード電極との間の順方向電圧を低下させることができる。
また、発光層から導電性支持基板側に放出された光を金属反射膜によって反射させることができるので、高い発光効率を得ることができる。

しかし、前記特許文献１に記載の発光素子では、製造プロセス中の種々の熱処理工程を経る過程において、金属反射膜及びＡｕＧｅＧａ合金層とこれに隣接する主半導体領域との間に反応が生じ、その界面における反射率が低下することがあった。このため、期待されたほどには、発光効率の高い半導体発光素子を歩留り良く生産することができなかった。

金属反射膜とオーミック電極との間に絶縁膜を配置し、絶縁膜に開口を設け、この開口を介して金属反射膜とオーミック電極とを電気的に接続することが後記特許文献２に開示されている。しかし、この構造では、開口で金属反射膜とオーミック電極との合金化が生じるので、反射率が低下する。

半導体発光素子の発光効率を高めるための方法として例えば後記特許文献３に示すように発光半導体領域におけるボンディングパッド電極の下側に電流ブロック層を設ける方法が知られている。この電流ブロック層を設けると、発光半導体領域における光取り出しに寄与しない部分の電流を低減させることができ、発光効率が増大する。しかし、電流ブロック層を設けるための特別な工程が必要になり、必然的にコストが高くなる。
特開２００２−２１７４５０号公報 特開２００３−２２４２９７号公報 特開平１１−４０２０号公報

従って、本発明の課題は、発光効率の高い半導体発光素子を容易に得ることができないことである。

上記課題を解決するための本発明は、
光取り出し面として機能する一方の主面とこの一方の主面と反対側の他方の主面とを有し且つ前記一方の主面側に配置された第１導電型半導体層と前記他方の主面側に配置された第２導電型半導体層とを少なくとも含んでいる発光用の半導体領域と
前記第１導電型半導体層に電気的に接続された電極と、
前記半導体領域の他方の主面の少なくとも一部にオーミック接触し且つ光透過可能に形成されているオーミックコンタクト層と、
前記オーミックコンタクト層に重ねて配置され且つ光透過可能に形成されている拡散抑制膜と、
前記オーミックコンタクト層及び前記拡散抑制膜を透過した光を前記半導体領域の一方の主面側に反射させるために前記拡散抑制膜に重ねて配置されている導電性光反射層と
を備えていることを特徴とする半導体発光素子に係わるものである。
本発明における半導体発光素子は、完成した発光素子のみでなく、中間製品としての発光チップであってもよい。また、本発明における光は前記半導体領域から放射される光を意味する。また、本発明における前記拡散抑制膜は、前記オーミックコンタクト層の元素と前記光反射層の元素との相互拡散を抑制する膜を意味する。

前記半導体領域は３―５族化合物半導体から成ることが望ましい。
前記オーミックコンタクト層はＮｉ，Ａｕ，Ｃｒ，Ｖ，Ｔｉ，Ｃｏ，Ｐｄ，Ｉｒ，Ｏｓ，Ｒｕ、Ｐｔ，Al及びCuから選択された少なくとも１つの金属、又はＮｉ，Ａｕ，Ｃｒ，Ｖ，Ｔｉ，Ｃｏ，Ｐｄ，Ｉｒ，Ｏｓ，Ｒｕ、Ｐｔ，Al及びCuから選択された少なくとも１つの金属を含む合金、又はＡｌＧｅＧａ合金、又は３−５族化合物半導体から成ることが望ましい。

前記拡散抑制膜は前記オーミックコンタクト層の元素と前記光反射層の元素との相互拡散を抑制することができる材料で形成された絶縁膜又は導電性を有する膜であることが望ましい。前記絶縁膜は量子力学的トンネル効果を得ることが可能な厚みに形成されていることが望ましい。前記絶縁膜は、ＳｉＯ₂，ＴｉＯ₂、ＭｇＯ，ＮｉＯ，ＺｎＯ，ＡｌＮ，及びＳｉＮから選択された少なくとも１つの絶縁物であることが望ましい。前記導電性を有する膜は、酸化イジュウム（Ｉｎ₂Ｏ₃）と酸化錫（ＳｎＯ₂）との混合物（以下、ＩＴＯと言う。）、酸化インジウム（ＩｎＯ）、酸化錫（ＳｎＯ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、及び酸化ニッケル（ＮｉＯ）から選択された光透過性導電膜であることが望ましい。また、光透過性導電膜は量子力学的トンネル効果を得ることが可能な厚みに形成されていることが望ましい。

前記光反射層は、Al、Ag、Ｒｈ、Au、及びCuから選択された少なくとも１つの金属、又はAl、Ag、Ｒｈ、Au、及びCuから選択された少なくとも１つの金属を含む合金から成ることが望ましい。

前記電極は前記半導体領域の一方の主面の一部分の上に配置され且つ光透過不可能に形成され、前記オーミックコンタクト層は前記半導体領域の他方の主面の前記電極に対向している部分には設けられていないか又は第１の密度で設けられ且つ前記半導体領域の他方の主面の前記電極に対向していない部分には前記第１の密度よりも大きい第２の密度で設けられていることが望ましい。このようにオーミックコンタクト層が半導体領域の他方の主面における電極対向部分の全部又は一部に接触していない構造は、従来の電流ブロック層と同様な機能を有し、発光効率を向上させる。

前記電極が前記半導体領域の一方の主面の一部分の上に配置され且つ光透過不可能に形成されている場合において、前記拡散抑制膜は、前記オーミックコンタクト層を覆う部分と前記半導体領域の他方の主面の前記電極に対向する部分を覆う部分との両方を有していることが望ましい。この場合、前記拡散抑制膜は絶縁膜であることが望ましい。

前記電極が前記半導体領域の一方の主面の一部分の上に配置され且つ光透過不可能に形成されている場合において、前記半導体領域の他方の主面の前記電極に対向する部分に非オーミック接触している合金層を設けることができる。前記合金層は前記光反射層を形成する金属を含む合金であることが望ましい。

前記電極が前記半導体領域の一方の主面の一部分の上に配置され且つ光透過不可能に形成されている場合において、前記半導体領域の他方の主面の前記電極に対向する部分に配置されたオーミック接触防止用絶縁層を設けることができる。この場合、前記オーミックコンタクト層は前記オーミック接触防止用絶縁層を覆う部分を有していることが望ましい。

前記光反射層に支持基板を結合することが望ましい。

前記支持基板は導電性を有する基板であることが望ましい。

前記支持基板に結合された別の電極を設けることが望ましい。

前記半導体領域の一方の主面に配置され且つ前記電極に接続された光透過性電極を設けることができる。

前記半導体発光素子を製造するために、
成長用基板を用意する工程と、
光を取り出し可能な一方の主面とこの一方の主面と反対側の他方の主面とを有し且つ前記一方の主面側に配置された第１導電型半導体層と前記他方の主面側に配置された第２導電型半導体層とを少なくとも含んでいる発光用の半導体領域を前記成長用基板の上に気相成長方法で形成する工程と、
前記半導体領域の他方の主面にオーミック接触し且つ光透過可能な厚みを有しているオーミックコンタクト層を形成する工程と、
光透過可能な拡散抑制膜を前記オーミックコンタクト層に重ねて形成する工程と、
前記オーミックコンタクト層と前記拡散抑制膜とを透過した光を反射する機能を有している導電性光反射層を前記拡散抑制膜に重ねて形成する工程と、
支持基板を前記光反射層に接合する工程と、
前記成長用基板を除去する工程と、
前記第１導電型半導体層に電気的に接続された電極を形成する工程と
を設けることが望ましい。

本発明に従う光透過可能な拡散抑制膜はオーミックコンタクト層の元素と光反射層の元素との相互拡散を抑制し、オーミックコンタクト層と光反射層との間に合金層が形成されるのを防止する。従って、本発明によれば、従来の金属光反射膜をオーミックコンタクト層に直接に接合させる場合よりも優れた光反射面を得ることができる。このため、半導体領域から光反射層側に放射された光を半導体領域の一方の主面側に良好に戻すことができ、外部発光効率を増大させることができる。
また、拡散抑制膜としての絶縁膜又は光透過性導電膜が量子力学的トンネル効果を得ることができる厚みに形成されている場合には、拡散抑制膜を介して電流を流すことができ、オーミックコンタクト層と光反射層とを電気的に接続するための特別な接続手段を設けることが不要になり、半導体発光素子のコストの低減を図ることができる。もし、特別な接続手段を設けると、これにより光反射量が低減し、外部発光効率が低下し、また接続手段を形成するための特別な工程が必要になり、半導体発光素子のコストが高くなる。

次に、図１〜図１０を参照して本発明の実施形態に従う半導体発光素子としてのダブルヘテロ接合構造の発光ダイオード及びその製造方法を説明する。

本発明の実施例１に従う半導体発光素子１は、図１に概略的に示すように、発光のために必要な半導体領域２と、オーミック電極層とも呼ぶことができるオーミックコンタクト層１９と、本発明に従う光透過性絶縁膜３と、導電性光反射層４と、第１及び第２の接合金属層５、６と、導電性シリコン支持基板７と、第１の電極としてのカソード電極８と、第２の電極としてのアノード電極９とから成る。

半導体領域２は、主半導体領域又は発光半導体領域又は発光半導体基板と呼ぶこともできるものであって、一方の主面１１と他方の主面１２とを有し、一方の主面１１から他方の主面１２に向かって順次に配置されたｎ型（第１導電型）の第１の補助層１３と、ｎ型の第２の補助層１４と、ｎ型クラッド層又は第１導電型半導体層とも呼ぶことができるｎ型半導体層１５と、発光層と呼ぶこともできる活性層１６と、ｐ型クラッド層又は第２導電型半導体層と呼ぶこともできるｐ型半導体層１７と、ｐ型の第３の補助層１８とを有する。半導体領域２の各層１３〜１８は３−５族化合物半導体であって、Ｐ（リン）又はＮ（窒素）又はＡｓ（砒素）の５族元素と、Ａｌ（アルミニウム）、Ｇａ（ガリウム）及びＩｎ（インジウム）の内の１つ又は複数の３族元素との化合物半導体から成ることが望ましい。

半導体領域２において発光のために最も重要な部分はｎ型半導体層１５と活性層１６とｐ型半導体層１７である。従って、半導体領域２におけるｎ型の第１の補助層１３とｎ型の第２の補助層１４とｐ型の第３の補助層１８との全て又は一部を省略することができる。また、場合によっては、ダブルヘテロ接合構造のための活性層１６を省き、ｎ型半導体層１５にｐ型半導体層１７を直接に接触させることができる。要するに、半導体領域２に少なくともｎ型半導体層１５とｐ型半導体層１７とが含まれていると、発光機能が得られる。なお、オーミックコンタクト層１９を半導体で構成する場合は、オーミックコンタクト層１９を半導体領域２の一部とみなすこともできる。この半導体領域２の一方の主面１１が活性層１６から放射された光の取り出し面として機能する。次に、発光素子１の各部を詳しく説明する。

ｎ型半導体層１５とｐ型半導体層１７との間に配置された活性層１６は、３−５族化合物半導体から成る。この３−５族化合物半導体は、
化学式 Ａｌ_xＧａ_yＩｎ_1-x-yＰ、
ここで、ｘ，ｙは０≦ｘ≦１、
０≦ｙ≦１、
０≦ｘ＋ｙ≦１を満足する数値、
で示される材料であることが望ましい。この実施例の活性層１６は、導電型決定不純物が添加されていないＡｌＧａＩｎＰから成る。しかし、活性層１６にｐ型半導体層１７よりも低い濃度でｐ型不純物を添加すること、又はｎ型半導体層１５よりも低い濃度でｎ型不純物を添加することも可能である。また、図１では図示を簡略化するために活性層１６が単一の層で示されているが、実際には、周知の多重量子井戸（ＭＱＷ：Multi-Quantum-Well）構造、又は単一量子井戸（ＳＱＷ：Single-Quantum-Well ）構造を有する。
また、活性層１６を
化学式 Ａｌ_xＧａ_yＩｎ_1-x-yN、
ここで、ｘ，ｙは０≦ｘ≦１、
０≦ｙ≦１、
０≦ｘ＋ｙ≦１を満足する数値、
で示される窒化物半導体で構成することもできる。

活性層１６の一方の側に配置されたｎ型半導体層１５は、ｎ型不純物（例えばＳｉ）が添加された３−５族化合物半導体から成る。このｎ型半導体層１５の３−５族化合物半導体は、
化学式Ａｌ_x Ｇａ_y Ｉｎ_1-x-y Ｐ、
ここで、ｘ，ｙは０≦ｘ＜１、
０≦ｙ≦１、
０≦ｘ＋ｙ≦１を満足する数値、
で示される材料であることが望ましい。活性層１６で発生した光を外部に良好に取り出すためにｎ型半導体層１５のＡｌの割合ｘは活性層１６のＡｌの割合ｘよりも大きい値を有し、好ましくは０．１５〜０．４５、より好ましくは０．２〜０．４である。また、Ｇａの割合ｙは好ましくは０.１５〜０．３５、より好ましくは０．４〜０．６である。ｎ型半導体層１５のｎ型不純物の濃度は５×１０¹⁷ｃｍ^-3以上であることが望ましい。ｎ型半導体層１５のバンドギャップは活性層１６のバンドギャップよりも大きい。
このｎ型半導体層１５を
化学式 Ａｌ_xＧａ_yＩｎ_1-x-yN、
ここで、ｘ，ｙは０≦ｘ≦１、
０≦ｙ≦１、
０≦ｘ＋ｙ≦１を満足する数値、
で示される窒化物半導体で構成することもできる。

活性層１２の他方の側に配置されたｐ型半導体層１７は、ｐ型不純物（例えばＺｎ）が添加された３−５族化合物半導体から成る。この３−５族化合物半導体は、化学式
Ａｌ_xＧａ_yＩｎ_1-x-y Ｐ、
ここでｘ，ｙは０≦ｘ≦１、
０≦ｙ≦１、
０≦ｘ＋ｙ≦１を満足する数値、
で示される材料であることが望ましい。活性層１６で発生した光を外部に良好に取り出すためにｐ型半導体層１７のＡｌの割合ｘは活性層１６のＡｌの割合ｘよりも大きい値を有し、好ましくは０．１５〜０.５の範囲に設定される。ｐ型半導体層１７のｐ型不純物の濃度は例えば５×１０¹⁷ｃｍ^-3以上に決定される。ｐ型半導体層１７のバンドギャップは活性層１６のバンドギャップよりも大きい。
また、ｐ型半導体層１７を、
化学式 Ａｌ_xＧａ_yＩｎ_1-x-yN、
ここで、ｘ，ｙは０≦ｘ≦１、
０≦ｙ≦１、
０≦ｘ＋ｙ≦１を満足する数値、
で示される窒化物半導体で構成することもできる。

ｎ型半導体層１５の上に配置された第２の補助層１４は電流拡散層又はバッファ層と呼ぶこともできるものであって、主として順方向電流の分布の均一性を高める働きを有する。即ち、第２の補助層１４は平面的に見て、即ち半導体領域２の一方の主面１１に対して垂直な方向から見て、カソード電極８の外周側に電流を広げる働きを有する。また、この第２の補助層１４は、活性層１６で発生した光を素子の外周側に広げて取り出す働きを有する。この実施例１の第２の補助層１４はｎ型ＧａＡｓから成る。しかし、第２の補助層１４を例えばＧａＡｓ以外の例えばＧａＰ、又はＧａ_xＩｎ_1-xＰ又はＡｌ_xＧａ_1-xＡｓ又はＡｌ_xＧａ_yＩｎ_1-x-yN等のｎ型の３−５族化合物半導体で構成することができる。

第２の補助層１４の上に配置されたｎ型の第１の補助層１３はｎ型コンタクト層と呼ぶこともできるものであって、主としてカソード電極８のオーミックコンタクトを良好にする機能を有し、更に、後述する発光素子の製造工程におけるエッチングのストッパとしての機能も有する。この第１の補助層１３は、例えば化学式
Ａｌ_xＧａ_yＩｎ_1-x-yＰ、
ここで、ｘ，ｙは０≦ｘ≦１、
０≦ｙ≦１、
０≦ｘ＋ｙ≦１を満足する数値、
で示すことができる材料、又は化学式
Ａｌ_xＧａ_yＩｎ_1-x-yN、
ここで、ｘ，ｙは０≦ｘ≦１、
０≦ｙ≦１、
０≦ｘ＋ｙ≦１を満足する数値、
で示すことができる材料にｎ型不純物を添加したものから成る。

ｐ型半導体層１７に隣接配置された第３の補助層１８は、電流拡散層又はバッファ層と呼ぶこともできるものであって、主として順方向電流の分布の均一性を高める働きを有する。即ち、第３の補助層１８は半導体領域２の一方の主面１１に対して垂直な方向から見て、カソード電極８の外周側に電流を広げる働きを有する。第３の補助層１８は例えばｐ型ＧａＰ（ガリウム リン）又はｐ型ＧａN（窒化ガリウム）又は別の３−５族化合物半導体で構成される。

第３の補助層１８に隣接配置されたオーミックコンタクト層１９は半導体領域２の他方の主面１２にオーミック接触しており、半導体領域２を光反射層４に良好に電気的に接続するために設けられている。このオーミックコンタクト層１９はオーミック電極層としての機能を得るために、例えば、Ｎｉ（ニッケル），Ａｕ（金），Ｃｒ(クロム)，Ｖ（バナジウム），Ｔｉ（チタン），Ｃｏ（コバルト），Ｐｄ（パラジウム），Ｉｒ（イリジウム），Ｏｓ（オスミウム），Ｒｕ（ルテニウム）及びＰｔ（白金）から選択された少なくとも１つの金属、又はＮｉ，Ａｕ，Ｃｒ，Ｖ，Ｔｉ，Ｃｏ，Ｐｄ，Ｉｒ，Ｏｓ，Ｒｕ、Ｐｔ，Al及びCuから選択された少なくとも１つの金属を含む合金、又はＡｌＧｅＧａ合金、又は３−５族化合物半導体で形成される。この実施例１ではオーミックコンタクト層１９がＮｉＡｕ合金で形成されている。なお、オーミックコンタクト層１９は半導体領域２から発生した例えば３５０〜５５０ｎｍの波長の光を透過させることができるように好ましくは０．５〜２０ｎｍの厚さに形成されている。

拡散抑制膜としての絶縁膜３は半導体領域２で発生した光を透過させるこが可能であり且つ量子力学的トンネル効果を得ることができる厚み有し、オーミックコンタクト層１９に重ねて配置されている。オーミックコンタクト層１９と光反射層４とは絶縁膜３によって分離されているので、絶縁膜３はオーミックコンタクト層１９と光反射層４との間のそれぞれの元素の相互拡散又は合金化の抑制機能を有する。この絶縁膜３は、例えば、ＳｉＯ₂（シリコン酸化物），ＴｉＯ₂（チタン酸化物）、ＭｇＯ（マグネシウム酸化物），ＮｉＯ（ニッケル酸化物），ＺｎＯ（亜鉛酸化物），ＡｌＮ（窒化アルミニウム），及びＳｉＮ（窒化シリコン）から選択された少なくとも１つの材料で形成することができる。この絶縁膜３は好ましくはスパッタリング又ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）又は蒸着で形成される。
絶縁膜３の厚みは、０．２ｎｍ〜１０ｎｍであることが望ましく、拡散抑制機能と量子力学的トンネル効果とを良好に得るために０．５ｎｍ〜５ｎｍであることがより望ましい。即ち、絶縁膜３の厚みを０．５ｎｍ以上にすると、導電性を有する光反射層４とオーミックコンタクト層１９との合金化を良好に抑制することができる。また、絶縁膜３の厚みを５ｎｍ以下にすると、トンネル効果によって光反射層４とオーミックコンタクト層１９との間が等価的に接続され、発光素子の電流が絶縁膜３を介して流れる。

導電性を有する光反射層４は半導体領域２で発生した光を反射する機能を有し、図１では絶縁膜３の全面を覆うように絶縁膜３に重ねて配置されている。この光反射層４、アルミニウム（Al）、銀（Ag）、Ｒｕ（ルテニウム）、金（Au）、及び銅（Cu）から選択された少なくとも１つ金属、又はアルミニウム（Al）、銀（Ag）、Ｒｕ（ルテニウム）、金（Au）、及び銅（Cu）から選択された少なくとも１つ金属を含む合金で形成することが望ましい。この実施例ではコストの点で有利なアルミニウム（Al）で光反射層４が形成されている。なお、光反射層４は特別な接続手段を介してオーミックコンタクト層１９に接続されていない。従って、光反射層４のほぼ全部が反射率の高い光反射面として機能する。十分な光反射機能を得るために光反射層４は好ましくは０．０５μｍ〜１μｍの厚さに形成される。

半導体領域２、オーミックコンタクト層１９、絶縁膜３、及び光反射層４を機械的に保護し且つ支持するために導電性支持基板７が第１及び第２の接合金属層５，６を介して光反射層４に結合されている。第１の接合金属層５は例えば金（Ａｕ）から成り、光反射層４を覆うように形成されている。第２の接合金属層６は例えば金（Ａｕ）から成り、導電性支持基板７を覆うように形成されている。第１及び第２の接合金属層５，６は熱圧着法によって相互に結合されている。この実施例では、導電性支持基板７として導電型決定不純物が添加され且つ３００μｍの厚さを有するシリコン基板が使用されている。シリコン基板は安価且つ加工が容易であり且つ熱伝導率が高いという特長を有する。支持基板７がシリコン基板である場合の、シリコン基板の好ましい厚みは２００〜１０００μｍである。

第１の電極としてのカソード電極８はＡｌ又はＮｉ等の金属層から成り、半導体領域２の一方の主面１１即ち第１の補助層１３の中央一部にオーミック接触している。カソード電極８は図示されていないワイヤ等から成る金属接続部材を結合するためのボンディングパッドとしての機能を有するものであって光非透過に形成されている。従って、半導体領域２の一方の主面１１のカソード電極８が形成されていない部分が光取り出し面となる。第１の電極をボンディングパッド機能を有するカソード電極８のみで形成せずに、図１で鎖線で示すように光透過性電極２３を半導体領域２の一方の主面１１上に形成し、ここにカソード電極８を接続することもできる。光透過性電極２３は、例えば酸化インジウム（Ｉｎ₂ Ｏ₃ ）と酸化錫（ＳｎＯ₂ ）との合金（ＩＴＯ膜）、又は５〜２０ｎｍ程度のＡｇ又はＡｇ合金等で形成される。

第２の電極としてのアノード電極９はシリコン支持基板７の下面全体に形成されている。シリコン支持基板７の代わりに金属支持基板を設ける場合には、これがアノード電極となるので、図１のアノード電極９を省くことができる。

図１の半導体発光素子１を製造する時には、まず、図２に示す例えばGaAsから成る成長用基板１０を用意する。次に、周知の有機金属化学気相成長即ちMＯCVD（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）方法によって、成長用基板１０の上にｎ型の第１の補助層１３と、ｎ型の第２の補助層１４と、ｎ型半導体層１５と、活性層１６と、ｐ型半導体層１７と、ｐ型の第３の補助層１８とを順次にエピタキシャル成長させ、半導体領域２を得る。

次に、それぞれの材料をスパッタリング又ＣＶＤ又は蒸着することによって、オーミックコンタクト層１９、絶縁膜３、及び光反射層４を順次に形成し、更に、Ａｕから成る第１の接合金属層５を形成する。これ等を形成する時に必要に応じて熱処理を施すことができる。

次に、GaAsから成る成長用基板１０をエッチングで除去する。これにより、オーミックコンタクト層１９、絶縁膜３、金属光反射層４、及び第１の接合金属層５を伴った半導体領域２が得られる。なお、GaAsから成る成長用基板１０の除去を、第２の接合金属層６を伴った支持基板７を第１の接合金属層５に結合した後に行うこともできる。

次に、不純物を含むSi基板から成る支持基板７の一方の主面にAuから成る第２の接合金属層６を真空蒸着したものを用意し、第１及び第２の金属接合層５、６を加圧接触させ、例えば２００℃〜３００℃の範囲の温度の熱処理を施してAuを相互に拡散させることによって第１及び第２の金属接合層５、６を貼り合わせて、オーミックコンタクト層１９、絶縁膜３、金属光反射層４、及び第１の接合金属層５を伴った半導体領域２と第２の接合金属層６を伴った支持基板７とを一体化する。この貼り合せ工程における熱処理はコンタクト層１９、光反射層４の安定化に寄与する。

しかる後、図１のカソード電極８及びアノード電極９を形成して半導体発光素子を完成させる。

本実施例は次の効果を有する。
（１） 光反射層４とオーミックコンタクト層１９との間にトンネル効果を有する絶縁膜３が形成されているため、製造プロセス中の種々の熱処理工程において光反射層４とオーミックコンタクト層１９との間に生じる相互拡散に基づく合金化反応を阻止又は抑制することができる。もし、合金化部分が生じると、反射率が低下するが、本実施形態ではこのような問題が生じない。このため、高い発光効率を有する発光素子を、容易に且つ高い歩留まりで生産することができる。
（２）絶縁膜３はトンネル効果を有するので、光反射層４とオーミックコンタクト層１９との間に特別な接続箇所を設けることが不要になり、光反射層４の光反射に寄与する部分の面積が大きくなり、反射量が増大し、発光効率が向上する。
（３）絶縁膜３はスパッタリング又ＣＶＤ又は蒸着等の絶縁材料を被着する方法によって形成されているので、光反射膜４とオーミックコンタクト層１９との合金化反応を良好に抑制又は阻止することができる。
（４）オーミックコンタクト層１９を半導体領域２の他方の主面１２の実質的に全部に設けるので、オーミックコンタクト層１９を部分的に設ける前記特許文献１の半導体発光素子に比べて半導体領域２の他方の主面１２の平坦性が良くなり、シリコン支持基板７の貼り合せを良好に達成することができる。
（５）オーミックコンタクト層１９を部分的に設けることが不要になるので、オーミックコンタクト層１９を部分的に設けるためのパターニングが不要になり、製造工程が簡素化される。
（６）活性層１６と一方の主面１１との間にn型半導体層１５、n型の第１及び第２の補助層１３、１４が配置されているので、電流拡散作用を良好に得ることができる。即ち、半導体領域２における横方向への電流はp型半導体よりもｎ型半導体において流れ易い。このため、カソード電極８から活性層１６の外周側への電流拡散が従来のｐ型半導体層を光取り出し面としたよりも良好になり、発光効率が向上する。また、この実施例１では、一方の主面１１と活性層１６との間のｎ型半導体層１５とｎ型の第１及び第２の補助層１３、１４との合計の厚みが活性層１６とオーミックコンタクト層１９との間のp型半導体層１７とｐ型の第３の補助層１８との合計の厚みよりも大きいので、カソード電極８から活性層１６の外周側への電流拡散が良好になり、発光効率が向上する。

次に、図３を参照して実施例２に従う半導体発光素子１ａを説明する。但し、図３及び後述する実施例３〜７を示す図４〜図１０において図１及び図２と共通する部分には同一の参照符号を付してその説明を省略する。

図３の半導体発光素子１ａは、変形された半導体領域２ａと変形された支持基板７ａとを設け、且つアノード電極９の接続位置を変えた他は、図１と同一に形成したものである。図３の変形された半導体領域２ａは、図１の半導体領域１から第１及び第３の補助層１３，１８を省いたものに相当する。従って、第１の電極としてのカソード電極８が図１の第２の補助層１４と同一の構成のｎ型の電流拡散層１４の主面に接続されている。また、オーミックコンタクト層１９がp型半導体領域１７にオーミック接触している。支持基板７ａ及び光反射層４は半導体領域２ａから横方向に突出する部分を有するように形成されている。アノード電極９は金属から成る光反射層４に直接に接続されている。なお、アノード電極９を省いて、光反射層４又は支持基板７ａまた、光反射層４は図示が省略されている接合材によって支持基板７ａに結合されている。支持基板７ａは放熱性を高めるために熱伝導性の良い金属材料で形成されている。

図３の半導体発光素子１ａにおいても半導体領域２ａの他方の主面１２に対してオーミックコンタクト層１９及び絶縁膜３を介して金属光反射膜４が結合されているので、図１の実施例１と同一の効果を得ることができる。

図４〜図６に示す実施例３に従う半導体発光素子１ｂはオーミックコンタクト層１９の中央に電流ブロック機能を得るための開口２２が形成されている点で図１と相違し、この他は図１と実質的に同一である。なお、図６は図４の半導体発光素子１ｂの製造工程の状態を図２と同様に示す。

図４に示す実施例３に従う半導体発光素子１ｂのオーミックコンタクト層１９は電流ブロック機能を得るための開口２２をその中央に有する。従って、オーミックコンタクト層１９は半導体領域２の他方の主面１２の外周側部分１２ａのみを覆っている。即ち、他方の主面１２における図４で２本の鎖線２０、２１で区画して示し、且つ図５において鎖線で区画して示す電極８の対向領域１２ｂにはオーミックコンタクト層１９が接触していない。図４の実施例３では、オーミックコンタクト層１９が半導体領域２の他方の主面１２の電極対向部分１２ｂに全く形成されず且つ外周側部分１２ａの全てに形成されているが、この代りに、オーミックコンタクト層１９を外周側部分１２ａに第１の密度で形成し、電極対向部分１２ｂに第１の密度よりも小さい第２の密度で形成することができる。ここでの第１の密度は外周側部分１２ａの表面積に対するこの外周側部分におけるオーミックコンタクト層１９の形成領域の面積の比であり、好ましくは０．７〜１．０（８０〜１００％）である。また、第２の密度は電極対向部分１２ｂの表面積に対するこの電極対向部分１２ｂにおけるオーミックコンタクト層１９の形成領域の面積の比であり、好ましくは０〜０．３（０〜３０％）である。電流ブロック機能及び電流拡散機能を十分に得るために第１の密度が１．０（１００％）、第２の密度が０（０％）であることが最も望ましい。

絶縁膜３は、オーミックコンタクト層１９と光反射層４との間及び半導体領域２の他方の主面１２の電極対向部分１２bの上即ちオーミックコンタクト層１９の開口２２の中に配置されている。図４では光反射層４がオーミックコンタクト層１９の開口２２を埋めるように形成され且つ第１の接合金属層５に対向する側に平坦な表面を有している。しかし、光反射層４の表面にオーミックコンタクト層１９の開口２２に対応した凹部が生じても差し支えない。
図４の半導体発光素子１ｂは、図６に示す貼り合せ工程を含んで製造される。オーミックコンタクト層１９の開口２２は所定のパターンにオーミックコンタクト層１９のための材料を被着させること、又は被着後に所定のパターンにエッチングすることによって得る。

図４の実施例３は実施例と同一の効果を有する他に、発光効率を高める効果を有する。即ち、図４ではオーミックコンタクト層１９が半導体領域２の他方の主面１２の電極対向部分１２bに形成されていないので、活性層１６の中央部分の電流制限を達成でき、電流を他方の主面１２の外周部分１２aに流すことができ、周知の電流ブロック層と同様に発光効率を高めることができる。また、オーミックコンタクト層１９に開口２を設けるという簡単な工程で電極対向部分１２bの電流ブロックの機能を得ることができ、コストの上昇を抑えることができる。

図７の半導体発光素子１ｃは、図３と同様に変形された半導体領域２ａと変形された支持基板７ａとを設け、且つアノード電極９の接続位置を変えた他は、図４と同一に形成したものである。

図７の半導体発光素子１ｃにおいてもオーミックコンタクト層１９が図４と同一の開口２２を有するので、図７の半導体発光素子１ｃよっても図４の半導体発光素子１ｂと同一の効果を得ることができる。
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図８の実施例５の半導体発光素子１ｄは、図４のオーミックコンタクト層１９の開口２２に相当する部分に非オーミック性合金層２５を設け、且つ絶縁膜３のカソード電極８に対向する部分に開口２４を設け、この他は図４と同一に形成したものである。

合金層２５はオーミックコンタクト層１９の材料と光反射層４の材料との合金から成る。この合金層２５は、まず、オーミックコンタクト層１９を他方の主面１２の外周側部分１２ａと電極対向部分１２ｂとの両方を覆うように形成し、次に開口２４を有する絶縁膜３を形成し、次に、金属光反射層４を形成し、その後に熱処理を施すことによって得られる。合金層２５は半導体領域２に対して高い抵抗を有して接触するので、電流ブロック層として機能し、図４の実施例３と同様な効果を得ることができる。なお、図８の実施例５においても、アノード電極９の配置及び半導体領域２を図７の実施例４と同様に変形すること、及び光透過性電極２３を設けることができる。

図９の実施例４の半導体発光素子１ｅは、図４の実施例３のオーミックコンタクト層１９の開口２２の代りに半導体領域２の他方の主面１２の電極対向部分１２ｂにオーミック接触防止用絶縁層２６を設け、この他は図４と同一に構成したものである。

図９のオーミックコンタクト層１９は半導体領域２の他方の主面１２の電極対向部分１２ｂに対して直接に接触せずにオーミック接触防止用絶縁層２６を介して対向しているので、オーミック接触防止用絶縁層２６は電流ブロック層として機能し、図４の実施例３と同様な効果を得ることができる。

図１０の実施例７の半導体発光素子１ｆは、図１の実施例１の絶縁膜３の代わりに光透過性導電膜３ａを設け、この他は図１と同一に構成したものである。光透過性導電膜３ａは、酸化イジュウム（Ｉｎ₂Ｏ₃）と酸化錫（ＳｎＯ₂）との混合物（ＩＴＯ）、ＩｎＯ（酸化インジウム）、ＳｎＯ（酸化錫）、ＺｎＯ（酸化亜鉛）、及びＮｉＯ（酸化ニッケル）から選択された光透過性導電膜であることが望ましい。また、光透過性導電膜３ａは量子力学的トンネル効果を得ることが可能な厚みに形成されていることが望ましい。

光透過性導電膜３ａは図１の絶縁膜３と同様にオーミックコンタクト層１９の元素と光反射層４の元素との相互拡散を抑制し、オーミックコンタクト層１９と光反射層４との間に光反射率を低減させる合金層が形成されるのを防止する。従って、図１０の実施例７は図１の実施例１と同様な効果を有する。
なお、図３、図４、及び図６〜図９の絶縁膜３の代わりに図１０の光透過性導電膜３ａを設けることもできる。

本発明は上記の実施例に限定されるものでなく、例えば次の変形が可能なものである。
（１）半導体領域２又は２ａの機械的強度が十分な場合は、図１、図４、図８、図９の支持基板７及び図３、図４の支持基板７ａを省くことができる。この場合には光反射層４がカソード電極として機能する。
（２）半導体領域２又は２ａの各層１３，１４，１５，１７，１８，１９の導電型を各実施例と逆にすることができる。

本発明の実施例１に従う半導体発光素子を示す断面図である。 図１の半導体発光素子の製造段階の状態を示す断面図である。 本発明の実施例２に従う半導体発光素子を示す断面図である。 本発明の実施例３に従う半導体発光素子を示す断面図である。 図４のA―A線における半導体領域の他方の主面を示す平面図である。 図４の半導体発光素子の製造段階の状態を示す断面図である。 本発明の実施例４に従う半導体発光素子を示す断面図である。 本発明の実施例５に従う半導体発光素子を示す断面図である。 本発明の実施例６に従う半導体発光素子を示す断面図である。 本発明の実施例７に従う半導体発光素子を示す断面図である。

１，１ａ 半導体発光素子
２，２ａ 半導体領域
３ 絶縁膜
４ 光反射層
５，６ 第１及び第２の接合金属層
７ シリコン支持基板
８ カソード電極
９ アノード電極
１１ 一方の主面
１２ 他方の主面
１５ ｎ型半導体層
１６ 活性層
１７ ｐ型半導体層
１３，１４，１８ 第１、第２及び第３の補助層
１９ オーミックコンタクト層
２２ 開口

Claims (16)

1. 光取り出し可能な一方の主面とこの一方の主面と反対側の他方の主面とを有し且つ前記一方の主面側に配置された第１導電型半導体層と前記他方の主面側に配置された第２導電型半導体層とを少なくとも含んでいる発光用の半導体領域と
   前記第１導電型半導体層に電気的に接続された電極と、
   前記半導体領域の他方の主面の少なくとも一部にオーミック接触し且つ光透過可能に形成されているオーミックコンタクト層と、
   前記オーミックコンタクト層に重ねて配置され且つ光透過可能に形成されている拡散抑制膜と、
   前記オーミックコンタクト層及び前記拡散抑制膜を透過した光を前記半導体領域の一方の主面側に反射させるために前記拡散抑制膜に重ねて配置されている導電性光反射層と
   を備えていることを特徴とする半導体発光素子。
2. 前記オーミックコンタクト層はＮｉ，Ａｕ，Ｃｒ，Ｖ，Ｔｉ，Ｃｏ，Ｐｄ，Ｉｒ，Ｏｓ，Ｒｕ、Ｐｔ，Al及びCuから選択された少なくとも１つの金属、又はＮｉ，Ａｕ，Ｃｒ，Ｖ，Ｔｉ，Ｃｏ，Ｐｄ，Ｉｒ，Ｏｓ，Ｒｕ、Ｐｔ，Al及びCuから選択された少なくとも１つの金属を含む合金、又はＡｌＧｅＧａ合金、又は３−５族化合物半導体から成ることを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子。
3. 前記拡散抑制膜は量子力学的トンネル効果を得ることが可能な厚みを有している絶縁膜であることを特徴とする請求項１又は２記載の半導体発光素子。
4. 前記絶縁膜はＳｉＯ₂，ＴｉＯ₂、ＭｇＯ，ＮｉＯ，ＺｎＯ，ＡｌＮ，及びＳｉＮから選択された少なくとも１つから成ることを特徴する請求項３記載の半導体発光素子。
5. 前記拡散抑制膜は、酸化イジュウム（Ｉｎ₂Ｏ₃）と酸化錫（ＳｎＯ₂）との混合物（ＩＴＯ）、酸化インジウム（ＩｎＯ）、酸化錫（ＳｎＯ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、及び酸化ニッケル（ＮｉＯ）から選択された導電性を有する膜であることを特徴とする請求項１又は２記載の半導体発光素子。
6. 前記光反射層は、Al、Ag、Ｒｈ、Au、及びCuから選択された少なくとも１つの金属、又はAl、Ag、Ｒｈ、Au、及びCuから選択された少なくとも１つの金属を含む合金から成ることを特徴とする請求項１又は２又は３記載の半導体発光素子。
7. 前記電極は前記半導体領域の一方の主面の一部分の上に配置され且つ光透過不可能に形成されており、
   前記オーミックコンタクト層は前記半導体領域の他方の主面の前記電極に対向している部分には設けられていないか又は第１の密度で設けられ且つ前記半導体領域の他方の主面の前記電極に対向していない部分には前記第１の密度よりも大きい第２の密度で設けられていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の半導体発光素子。
8. 前記拡散抑制膜は、前記オーミックコンタクト層を覆う部分と前記半導体領域の他方の主面の前記電極に対向する部分を覆う部分とを有していることを特徴とする請求項７記載の半導体発光素子。
9. 更に、前記半導体領域の他方の主面の前記電極に対向する部分に非オーミック接触している合金層を有し、前記合金層は前記光反射層を形成する金属を含む合金であることを特徴とする請求項７又は８記載の半導体発光素子。
10. 更に、前記半導体領域の他方の主面の前記電極に対向する部分に配置されたオーミック接触防止用絶縁層を有し、前記オーミックコンタクト層は前記オーミック接触防止用絶縁層オーミック接触防止用絶縁層を覆う部分を有していることを特徴とする請求項７又は８又は９記載の半導体発光素子。
11. 更に、前記光反射層に結合された支持基板を有していることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれかに記載の半導体発光素子。
12. 前記支持基板は導電性を有する基板であることを特徴とする請求項１１記載の半導体発光素子。
13. 更に、前記支持基板に結合された別の電極を有していることを特徴とする請求項１２記載の半導体発光素子。
14. 更に、前記半導体領域の一方の主面に配置され且つ前記電極に接続された光透過性電極を有していることを特徴とする請求項１乃至１３のいずれかに記載の半導体発光素子。
15. 成長用基板を用意する工程と、
    光を取り出し可能な一方の主面とこの一方の主面と反対側の他方の主面とを有し且つ前記一方の主面側に配置された第１導電型半導体層と前記他方の主面側に配置された第２導電型半導体層とを少なくとも含んでいる発光用の半導体領域を前記成長用基板の上に気相成長方法で形成する工程と、
    前記半導体領域の他方の主面にオーミック接触し且つ光透過可能な厚みを有しているオーミックコンタクト層を形成する工程と、
    光透過可能な拡散抑制膜を前記オーミックコンタクト層に重ねて形成する工程と、
    前記オーミックコンタクト層と前記拡散抑制膜とを透過した光を反射する機能を有している導電性光反射層を前記拡散抑制膜に重ねて形成する工程と、
    支持基板を前記光反射層に接合する工程と、
    前記成長用基板を除去する工程と、
    前記第１導電型半導体層に電気的に接続された電極を形成する工程と
    を備えていることを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
16. 前記電極は前記半導体領域の一方の主面の一部分の上に配置され且つ光透過不可能に形成されており、
    前記オーミックコンタクト層は前記半導体領域の他方の主面の前記電極に対向している部分には設けられていないか又は第１の密度で設けられ且つ前記半導体領域の他方の主面の前記電極に対向していない部分には前記第１の密度よりも大きい第２の密度で設けられていることを特徴とする請求項１５記載の半導体発光素子の製造方法。

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