JP2005353809A

JP2005353809A - 発光素子の製造方法及び発光素子

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Publication number: JP2005353809A
Application number: JP2004172332A
Authority: JP
Inventors: Kazunori Hagimoto; 和徳萩本
Original assignee: Shin Etsu Handotai Co Ltd
Current assignee: Shin Etsu Handotai Co Ltd
Priority date: 2004-06-10
Filing date: 2004-06-10
Publication date: 2005-12-22
Anticipated expiration: 2024-06-10
Also published as: JP4978877B2

Abstract

【課題】素子基板との貼り合わせ面側にＡｌ含有化合物半導体層が配置される場合でも、該Ａｌ含有化合物半導体層のＡｌ成分が酸化されることが効果的に防止され、ひいては素子基板との間の接触抵抗ひいては順方向電圧の低減が容易な発光素子を提供する。
【解決手段】発光層部２４を有する化合物半導体層５０に金属層１０を介して素子基板７が貼り合わされた発光素子１００の製造方法であって、少なくとも素子基板７の表面が粗面加工の状態であるものを使用し、この粗面状態の表面に金属層１０として接合合金化層３２、拡散防止層１０ｃ及び反射金属層をこの順に積層形成して前記化合物半導体層と貼り合わせる。
【選択図】図１

Description

本発明は発光素子の製造方法及び発光素子に関し、さらに詳しくは外部への光取り出し効率を向上させ、且つ安価で量産性に優れた発光素子の製造方法及び発光素子に関する。

半導体結晶を用いた半導体発光素子として、発光ダイオード（ＬＥＤ；Light Emitting Diode）、レーザーダイオード（ＬＤ；Laser Diode）、エレクトロルミネッセンス（ＥＬ；Electro-Luminescence）素子等が知られている。これら半導体発光素子の中でも発光ダイオード、特に高輝度ＬＥＤは、屋内や駅構内用情報表示板、道路表示用情報板、自動車のストップランプ、信号機等に使用されている。また、低電流でありながら高輝度であるため従来よりも省エネルギータイプの表示用光源あるいは照明用光源として用いられる。このような分野に使用されるＬＥＤとしては次のようなものがある。

まず、赤色発光素子として、ピーク波長が６３０ｎｍ程度のＧａＡｓＰ赤色ＬＥＤ及びピーク波長が６６０ｎｍ程度のＧａＡｌＡｓ赤色ＬＥＤがあり、橙色発光素子として、ピーク波長が６１０ｎｍ程度のＧａＡｓＰ橙色ＬＥＤがある。次に、黄色発光素子として、ピーク波長が５９０ｎｍ程度のＧａＡｓＡｌＰ黄色ＬＥＤがあり、緑色発光素子としてピーク波長が５６５ｎｍ程度のＧａＰ緑色ＬＥＤがある。また、青色発光素子として、ピーク波長が４８０ｎｍ程度のＳｉＣ青色ＬＥＤ、ピーク波長が４５０ｎｍ程度のＧａＮ青色ＬＥＤがあり、紫色発光素子として、ピーク波長が３９０ｎｍ程度のＺｎＯ紫色ＬＥＤやＩｎＡｌＧａＮ紫色ＬＥＤ等がある。特に近年では、これら青色、赤色、黄色のＬＥＤを組み合わせてディスプレー表示等にも使用されるようになってきている。

ところで、これら半導体発光素子の高輝度化を図ろうとした場合、半導体発光素子の活性層から放射される光を如何に効率良く素子外へ取り出すかが極めて重要となる。例えば、活性層で発光された光を半導体発光素子の主表面側へ取り出す場合、活性層から半導体発光素子の一方の主表面へ効率良く取り出す手段として、基板と発光層との間に、多層膜反射層を形成して、積層された半導体多層膜の屈折率を利用して発光素子の高輝度化することが知られている（例えば特許文献１参照）。しかしながら、この構成においては、光反射率を高めようとした場合、反射に対する波長のスペクトル帯域が狭くなるという欠点を有する。また、限られた角度で入射した光しか反射されないため、効率的な光取り出しには限界がある。

一方、半導体発光素子の高輝度化を図るために、発光層部とシリコン基板との間にＡｕ金属層を挿入して反射層として用いて高輝度化することが知られている（例えば非特許文献１参照）。この構造では、入射角度に依存しない高い反射率が得られ、光取り出し効率を大幅に高めることが出来る。しかしながら、この構成においては、十分なオーミック接触を取るためには合金化熱処理を十分に行なう必要があるが、熱処理を行なえば接合界面のモホロジーが低下して反射率が低下することになる。

以上のような問題点を解決するために、ＡｌＧａＩｎＰダブルへテロ構造の発光層を有し、該発光層とオーミック接触するように部分的に設けられたコンタクト用合金層を介して表面を鏡面仕上げした金属板とを接合させて高導電率反射膜を形成することが開示されている（例えば特許文献２参照）。

特開平７−６６４５５号公報特開２００３−２４３６９９号公報 Applied Physics Letters, 75,(1999) p3054

しかしながら、特許文献２の発光素子は、金属基板と高導電率反射膜とを直接貼り合わせることにより、十分なオーミック接触を取りつつ接合界面のモホロジーの低下を防止して高反射率を得るものであり、特に金属基板の表面は鏡面に仕上げられていることが必要なので高価である欠点がある。

そこで、本発明は上記問題点に鑑みて成されたものであって、本発明の目的は、発光層部と素子基板との間に高反射率の金属層を貼り合わせて、発光層から放射される光を、光の入射角度に依存せず、かつ高効率で反射する層を導入することで、主表面から取り出す光を高効率なものとすることが可能であり、さらに量産性に優れた低コストかつ高輝度の発光素子の製造方法及び発光素子を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の発光素子の製造方法は、発光層部を有する化合物半導体層に金属層を介して素子基板が貼り合わされ、該金属層の化合物半導体層との接合面が反射面を形成する発光素子の製造方法であって、少なくとも素子基板の表面が粗面加工の状態であるものを使用し、この粗面状態の表面に金属層として接合合金化層、拡散防止層及び貼り合せ金属層をこの順に積層形成して化合物半導体層と貼り合わせることを特徴とする。

上記の方法によると、化合物半導体層と素子基板とを貼り合せる際に、両者の間に拡散防止層を介在させることで、素子基板から反射金属層へ向かおうとする素子基板の成分の拡散が拡散防止層によりブロックされ、ひいては素子基板成分の拡散よる主金属層の変質を効果的に抑制することができる。その結果、主金属層が形成する反射面の反射率低下や、主金属層と化合物半導体層との密着強度低下などといった不具合が効果的に抑制され、また、これら不具合による発光素子の製品歩留まりの低下も生じにくい。

また、本発明では、金属層を形成する素子基板の表面が多少荒れていても、貼り合せ金属層と素子基板との間に接合合金化層だけでなく拡散防止層も介在するため、該拡散防止層（及び接合合金化層）が基板表面の凹凸を埋める働きをなし、反射面の反射率劣化を目的として採用した拡散防止層が、素子基板表面の凹凸を充填するという別の効果ももたらす。その結果、素子基板としてより安価な粗面加工状態のものを敢えて採用しても、その表面に金属層として接合合金化層、拡散防止層及び貼り合せ金属層の順に形成することにより、貼りあわせ面である金属層の表面を十分に平坦化できるので、鏡面研磨の素子基板に代えて粗面加工状態の素子基板を用いても、貼り合わせを容易にかつ高強度に行うことができ、また、反射面も平坦だから発光層からの光を高効率で反射することが可能となる。つまり、素子基板の表面が粗面加工の状態であるものを使用することにより、素子基板の表面を鏡面研磨する工程が省略でき、量産性に優れた低コストの高輝度発光素子を製造することが可能となる。

この場合、粗面加工はラッピング又はエッチング（特に化学エッチング）により行なうことが好ましい。素子基板は円柱状のインゴットから切り出された薄板基板が用いられるが、切り出された状態の薄板基板には切り出し傷や歪が深く入っており且つ凹凸が大きいので、そのままでは使用することができない。前述の切り出し傷や歪、凹凸を無くすか小さくするためにラッピング加工が必要となる。また、さらに表面の平坦度を向上させるためにラッピング加工した表面を薬液によるエッチングを行なうことで達成することができ、鏡面研磨工程（例えばメカノケミカルポリッシングにて行われる）が不要である分、生産性が向上し、低コストの素子基板を得ることができる。なお、「表面が粗面加工の状態である素子基板」とは、鏡面研磨仕上げする一連の工程から最終工程である鏡面研磨を省略し、その前段処理として採用する粗面加工の段階で打ち切ったものとして捉えることができる。

また、接合合金化層は、Ａｕを主成分とするＡｕ系金属、Ａｇを主成分とするＡｇ系金属、またはＡｌを主成分とするＡｌ系金属を用いることが好ましい。このようなＡｕ系金属、Ａｇ系金属、またはＡｌ系金属を用いることで素子基板との高いオーミック接触が可能となる。

さらに、拡散防止層は、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｃｒ、またはＷからなる金属層を用いることが好ましい。このようなＴｉ、Ｎｉ、Ｃｒ、またはＷからなる拡散防止層を形成することにより、素子基板の構成元素が拡散によって貼り合わせ表面に出現して貼り合わせを阻害することがない。

また、反射金属層は、Ａｕを主成分とするＡｕ系金属、Ａｇを主成分とするＡｇ系金属、またはＡｌを主成分とするＡｌ系金属を用いることが好ましい。このようなＡｕ系金属、Ａｇ系金属、またはＡｌ系金属を用いることで、高反射率の反射金属層とすることができる。

また、本発明は、上記の方法で製造された発光素子も提供する。さらに、本発明は、発光層部を有する化合物半導体層に金属層を介して素子基板が貼り合わされた発光素子であって、少なくとも前記素子基板の表面の光沢度が２０〜８０％であり、この表面に金属層として接合合金化層、拡散防止層及び貼り合せ金属層をこの順に積層形成して化合物半導体層と貼り合わせたことを特徴とする発光素子も提供する。

このように、素子基板の表面の光沢度が２０〜８０％であるものを使用することにより、素子基板の表面を鏡面研磨する工程が省略できるものとなり、量産性に優れた低コストの高輝度発光素子とすることが可能となる。また、特に素子基板表面の光沢度が２０〜８０％である表面上に接合合金化層、拡散防止層、貼り合せ金属層の順に形成することにより、貼りあわせ面である金属層の表面が平坦化し、結合強度も高く、発光層からの光を高効率で反射することが可能となる。光沢度が２０％未満では表面が粗すぎて、反射面や貼り合せ面の平坦化が非常に困難になり、８０％を超える光沢度は、通常の粗面化加工では達成困難であり、無理にこれ以上に光沢度を上げようとすることは、研磨コスト削減上のメリットが損なわれることにつながる。

なお、接合合金化層と拡散防止層とは、下地となる粗面加工された素子基板表面の局所的な突起の高さよりも合計厚さが小さいと、これが拡散防止層を突き破って貼り合せ金属層（ひいては反射金属層）に至り、拡散防止効果が損なわれることがあるので、該合計厚さは、素子基板表面の凹凸の最大高さ（Ｒmax）よりも大きく設定することが望ましい。また、凹凸を十分に充填し、ひいては反射面あるいは貼り合せ面の平坦化を十分に図る観点からは、上記の合計厚さは、ＲＭＳ（Root Mean Square:二乗平均粗さ）表示による粗さの２倍以上（経済性を考慮すると５０倍以下）に形成することが望ましい。なお、素子基板の表面の粗さは、最大高さ（Ｒmax）にて０．２μｍ以上２５μｍ以下であるのがよく、ＲＭＳ表示による粗さで０．０２μｍ以上６μｍ以下であるのがよい。

次に、素子基板はシリコンであることが好ましい。このように素子基板がシリコンであることにより、半導体基板として汎用的に製造されているものとなり、純度、抵抗率等が高精度に制御されたものとなる。

また、発光層は、ＡｌＧａＡｓＰ系化合物半導体、ＩｎＡｌＧａＰ系化合物半導体、ＧａＮ系化合物半導体、またはＺｎＯ系化合物半導体からなることが好ましい。このように発光層部としてＡｌＧａＡｓＰ系化合物半導体、ＩｎＡｌＧａＰ系化合物半導体、ＧａＮ系化合物半導体、またはＺｎＯ系化合物半導体を適用することにより、赤、橙、黄、緑、青、紫等、各種の色の高輝度発光素子を得ることが可能となる。

本発明によれば、発光層部と素子基板との間に高反射率の金属層を貼り合わせて、発光層から放射される光を、光の入射角度に依存せず、且つ高効率で反射する層を導入することで、主表面から取り出す光を高効率なものとすることが可能であり、且つ量産性に優れた低コストの高輝度発光素子の製造方法及び発光素子を提供することが可能となる。

以下、本発明の実施も形態について具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。図１は、本発明の適用対象となる発光素子の概念図の一例である。該発光素子１００は、素子基板としてのＳｉ単結晶よりなるＳｉ基板７（本実施形態ではｎ型であるがｐ型でもよい）の第一主表面上に、Ａｕ系金属層１０を介して発光層部２４を有する化合物半導体層５０が貼り合わされた構造を有してなる。化合物半導体層５０は、第二主表面側から貼り合わせ側保護層２６、拡散防止層２５、発光層部２４、電流拡散層２０及び光取出面側保護層２７がこの順序で積層形成されたものである。本実施形態において各層及び基板の主表面は、図１のごとく、発光素子１００の光取出面ＰＦを上側にした状態を正置状態として、該正置状態における図面上側に表れる面を第一主表面、下側に表れる面を第二主表面として統一的に記載する。従って、工程説明の都合上、上記正置状態に対し上下を反転した転置状態にて図示を行なう場合は、該図示における第一主表面と第二主表面の上下関係も反転する。

発光層部２４は、ノンドープの（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_ｙＩｎ_１−ｙＰ（ただし、０≦ｘ≦０．５５、０．４５≦ｙ≦０．５５）混晶からなる活性層５を、第一導電型クラッド層、本実施形態ではｐ型（Ａｌ_ｚＧａ_１−ｚ）_ｙＩｎ_１−ｙＰ（ただしｘ＜ｚ≦１）からなるｐ型クラッド層６（ｐ型ドーパントは例えばＺｎあるいはＭｇ：他のｐ型層についても同じ）と、第一導電型クラッド層とは異なる第二導電型クラッド層、本実施形態ではｎ型（Ａｌ_ｚＧａ_１−ｚ）_ｙＩｎ_１−ｙＰ（ただしｘ＜ｚ≦１）からなるｎ型クラッド層４（ｎ型ドーパントは例えばＳｉ、Ｓ、ＳｅあるいはＴｅ：他のｎ型層についても同じ）とにより挟んだ構造を有し、活性層５の組成に応じて、発光波長を、緑色から赤色領域（発光波長（ピーク発光波長）が５５０ｎｍ以上６７０ｎｍ以下）にて調整できる。

ｎ型クラッド層４及びｐ型クラッド層６の厚さは、例えばそれぞれ０．８μｍ以上４μｍ以下（望ましくは０．８μｍ以上２μｍ以下）であり、活性層５の厚さは例えば０．４μｍ以上２μｍ以下（望ましくは０．４μｍ以上１μｍ以下）である。発光層部２４全体の厚さは、例えば２μｍ以上１０μｍ以下（望ましくは２μｍ以上５μｍ以下）である。さらに、電流拡散層２０の厚さは、例えば５μｍ以上２８μｍ以下（望ましくは８μｍ以上１５μｍ以下）である。従って、化合物半導体層５０の厚さは、例えば７μｍ以上３０μｍ以下（望ましくは５μｍ以上１５μｍ以下）であり、単独でのハンドリングが難しい厚さである。

Ｓｉ基板７は、Ｓｉ単結晶インゴットをスライス・研磨して製造されたものであり、その厚みは例えば５０μｍ以上５００μｍ以下である。図５は、その製造工程を示す模式図である。まず、ＦＺ法あるいはＣＺ法等の公知の方法にてシリコン単結晶インゴットを製造する。こうして得られる単結晶インゴットは、一定の抵抗率範囲のブロックに切断され、さらに外径研削が施され、工程（ａ）に示すように、内周刃切断等のスライサーによりスライシングされる。スライスされたシリコン単結晶ウェーハは、工程（ｂ）に示すように、遊離砥粒を用いて両面がラッピングされ、ラッピングウェーハとなる。次に、工程ｃに示すように、そのラッピングウェーハを酸性エッチング液に浸漬することにより、両面をケミカルエッチング処理する。通常のデバイス用のシリコン単結晶ウェーハは、工程（ｄ）のごとく、メカノケミカルポリッシング工程により鏡面研磨が施されるが、本発明ではこの鏡面研磨を省略したシリコン単結晶ウェーハをＳｉ基板７として使用する。このような鏡面研磨を省略したＳｉ基板７の表面は、光沢度にして２０％以上８０％以下であり、表面の粗さは、最大高さ（Ｒmax）にて０．２μｍ以上２５μｍ以下、ＲＭＳ表示による粗さで０．０２μｍ以上６μｍ以下である。なお、Ｓｉ基板７は、図５の工程（ｂ）のラッピングウェーハを採用してもよいし、工程（ｃ）のケミカルエッチウェーハを採用してもよい。本実施形態では、ケミカルエッチウェーハを使用し、その光沢度は４０％である。

上記のＳｉ基板７が発光層部２４に対し、貼り合せ金属層であるＡｕ系金属層１０を挟んで貼り合わされている。Ａｕ系金属層１０は、化合物半導体層５０と接する第一Ａｕ系金属層１０ａと、Ｓｉ基板７と接する第二Ａｕ系金属層１０ｂとが貼り合わせにより一体化したものであり、見かけ上は単一のＡｕ系金属層である。これら第一Ａｕ系金属層１０ａ及び第二Ａｕ系金属層１０ｂ（ひいてはＡｕ系金属層１０）は、純ＡｕもしくはＡｕ含有率が９５質量％以上のＡｕ合金よりなる。

Ａｕ系金属層１０は、本実施形態では反射層も兼ねるものとなっている（つまり、反射金属層も構成している）。発光層部２４からの光は、光取出面側に直接放射される光に、Ａｕ系金属層１０による反射光が重畳される形で取り出される。Ａｕ系金属層１０の厚さは、反射効果を十分に確保するため、８０ｎｍ以上とすることが望ましい。また、厚さの上限に制限は特にないが、反射効果が飽和するため、コストとの兼ね合いにより適当に定める（例えば１０μｍ以下）。

化合物半導体層５０の第二主表面側には、発光層部２４からの発光光束に対して透光性を有し、かつ、貼り合わせ側接合合金化層３１から発光層部２４への成分拡散を抑制する拡散防止層２５がＡｌ含有化合物半導体として形成され、当該拡散防止層２５の第二主表面が、ＧａＡｓ層からなる貼り合わせ側保護層２６にて覆われている。

拡散防止層２５は、ｎ型のＡｌＧａＡｓ、具体的にはｎ型クラッド層４に格子整合し（格子定数差にて１％以内）、かつ、活性層５よりもバンドギャップが広くなるように、Ａｌ_ａＧａ_１−ａＡｓのＡｌＡｓ混晶比ａが０．４以上１以下に調整されたＡｌＧａＡｓよりなる。なお、拡散防止層２５の厚さは０．５μｍ以上３μｍ以下である。また、貼り合わせ側保護層２６をなすＧａＡｓ層は、厚さが１ｎｍ以上２０ｎｍ以下であり、拡散防止層２５よりもドーパント濃度が高く設定されている（ｎ型ドーパント濃度：５×１０^１７／ｃｍ^３以上１×１０^１９／ｃｍ^３未満）。

化合物半導体層５０とＡｕ系金属層１０との間には、該Ａｕ系金属層１０と化合物半導体層６０との接触抵抗を減ずるために貼り合わせ側接合合金化層３１が配置されている。貼り合わせ側接合合金化層は、本実施形態ではＡｕＧｅＮｉ接合合金化層３１であり、ＡｕＧｅＮｉ接合金属層（例えばＧｅ：１５質量％、Ｎｉ：１０質量％）を化合物半導体層５０と合金化したものである。ＡｕＧｅＮｉ接合合金化層３１はＡｕ系金属層１０の第一主表面上に分散形成され、その形成面積率（金属層１０の第一主表面全面積に対する接合合金化層３１の合計面積の比率で表す）は１％以上５０％以下である。

Ｓｉ基板７と第二Ａｕ系金属層１０ｂとの間には、基板側接合合金化層としてＡｕＳｂ接合合金化層３２（例えばＳｂ：５質量％）が介挿されている（厚さは、５０ｎｍ以上２，０００ｎｍ以下である）。そして、本実施形態においては、該ＡｕＳｂ接合金属層３２の全面が、後述の貼り合わせ熱処理時においてＳｉ基板７からのＳｉ成分がＡｕ系金属層１０へ拡散するのを防ぐ拡散防止層（具体的にはＴｉ層である）１０ｃにより覆われている。拡散防止層１０ｃの厚さは５０ｎｍ以上５μｍ以下（本実施形態では２００ｎｍ）である。なお、拡散防止層はＴｉ層に代えてＮｉ層、Ｃｒ層又はＷ層にて構成してもよい。また、Ａｕ系金属層１０（第二Ａｕ系金属層１０ｂ）は、該拡散防止層１０ｃの全面を覆う形でこれと接するように配置されている。

接合合金化層３２と拡散防止層１０ｃとは、下地となる粗面加工されたＳｉ基板７の表面の局所的な突起の高さ、つまり、Ｓｉ基板７の表面の凹凸の最大高さ（Ｒmax）よりも大きく設定されている。また、上記の合計厚さは、Ｓｉ基板７の表面のＲＭＳ（Root Mean Square:二乗平均粗さ）表示による粗さの２倍以上（経済性を考慮すると５０倍以下）に形成されている。

発光層部２４の第一主表面上には、ＡｌＧａＡｓよりなる電流拡散層２０が形成され、その第一主表面がＧａＡｓ層からなる光取出面側保護層２７にて覆われている。光取出面側保護層２７の厚さは１ｎｍ以上２０ｎｍ以下である。そして、その光取出面側保護層２７の第一主表面の略中央に、発光層部２４に発光駆動電圧を印加するための光取出面側電極（例えばＡｕ電極）９が、該主表面の一部を覆うように形成されている。なお、光取出面側保護層２７上には、ＡｕＢｅ合金等を用いて形成された光取出面側接合合金化層９ａが形成され、その上に光取出面側電極９が配置されている。また、Ｓｉ基板７の裏面にはその全体を覆うように裏面電極（例えばＡｕ電極である）１５が形成されている。裏面電極１５がＡｕ電極である場合、裏面電極１５とＳｉ基板７との間には基板側接合合金化層として、ＡｕＳｂ接合合金化層１６が介挿される。

以下、上記発光素子１００の製造方法の具体例について説明する。
まず、図２の工程１に示すように、成長用基板をなすＧａＡｓ単結晶基板１の主表面に、ｎ型ＧａＡｓバッファ層２を例えば０．５μｍ、ＡｌＡｓからなる剥離層３を例えば０．５μｍ、この順序にてエピタキシャル成長させる。その後、厚さ例えば５ｎｍのＧａＡｓ層からなる光取出面側保護層２６、及び厚さ例えば２μｍのＡｌＧａＡｓよりなる拡散防止層２５、さらに、発光層部２４として、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層４（厚さ：例えば１μｍ）、ＡｌＧａＩｎＰ活性層（ノンドープ）５（厚さ：例えば０．６μｍ）、及びｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層６（厚さ：例えば１μｍ）を、この順序にエピタキシャル成長させる。発光層部２４の全厚は２．６μｍである。その後、ｐ型ＡｌＧａＡｓよりなる電流拡散層２０を例えば５μｍエピタキシャル成長させ、さらにＧａＡｓからなる光取出面側保護層２７（厚さ例えば５ｎｍ）をエピタキシャル成長させる。これら各層のエピタキシャル成長は、公知のＭＯＶＰＥ法により行なうことができる。

これによって、ＧａＡｓ単結晶基板１上には、光取出面側保護層２６、拡散防止層２５、発光層部２４、電流拡散層２０及び光取出面側保護層２７からなる化合物半導体層５０が形成される。化合物半導体層５０の厚さは約９．６μｍであり、ＧａＡｓ単結晶基板１を除去した場合、これを単独で無傷にハンドリングすることは事実上不可能である。なお、化合物半導体層５０の第一主表面には、この段階でＡｕＢｅ接合金属層９ａ’とこれを覆う光取出面側電極９をパターニング形成する。このＡｕＢｅ接合金属層９ａ’及び光取出面側電極９の蒸着形成に際したハンドリングのため、Ａｌ含有化合物半導体からなる電流拡散層２０は大気中に曝される場合があるが、光取出面側保護層２７により覆われているため、電流拡散層２０のＡｌ成分の酸化を防止することができる。

次に、工程２に示すように、化合物半導体層５０の第一主表面に高分子材料結合層１１１を、光取出面側電極９を覆う形態で塗付形成し、工程３に示すように、高分子材料結合層１１１を加熱軟化させた状態で、別途用意した仮支持基板１１０を重ね合わせて密着させ、その後冷却して該高分子材料結合層１１１を硬化させることにより、化合物半導体層５０と仮支持基板１１０とを高分子材料結合層１１１を介して貼り合わせた仮支持貼り合わせ体１２０を作成する（工程３）。この時点では、化合物半導体層５０の第二主表面側には、成長用基板であるＧａＡｓ単結晶基板１が付随した状態となっている。仮支持基板１１０の材質は、例えばＳｉ基板やセラミック板（例えばアルミナ板）、あるいは金属板等である。または、高分子材料結合層１１１としては、ホットメルト型接着剤やワックス類を用いることができる。

なお、化合物半導体層５０の第一主表面を含む部分を、耐熱性に優れた酸化物導電体層（例えばＩＴＯ（Indium-Tin Oxide）層）とすることで、高分子材料結合層１１１に代えて金属ろう材からなる結合層を採用することも可能である。他方、電流拡散層２０を、ＧａＰ等からなる単結晶基板の貼り合せや、ハイドライド気相成長法によりエピタキシャル成長層とすることで、単独ハンドリングが可能な５０μｍ以上（望ましくは１００μｍ以上）に厚膜化することができれば、仮支持基板１１０を省略することもできる。

次に、図３の工程４に示すように、仮支持貼り合わせ体１２０に付随している成長用基板としてのＧａＡｓ単結晶基板１を除去する。該除去は、例えば仮支持貼り合わせ体１２０（工程３参照）をＧａＡｓ単結晶基板１とともにエッチング液（例えば１０％フッ酸水溶液）に浸漬し、バッファ層２と発光層部２４との間に形成したＡｌＡｓ剥離層３を選択エッチングすることにより、該ＧａＡｓ単結晶基板１を仮支持貼り合わせ体１２０から剥離する形で実施することができる。なお、ＡｌＡｓ剥離層３に代えてＡｌＩｎＰよりなるエッチストップ層を形成しておき、ＧａＡｓに対して選択エッチング性を有する第一エッチング液（例えばアンモニア／過酸化水素混合液）を用いてＧａＡｓ単結晶基板１をＧａＡｓバッファ層２とともにエッチング除去し、次いでＡｌＩｎＰに対して選択エッチング性を有する第二エッチング液（例えば塩酸：Ａｌ酸化層除去用にフッ酸を添加してもよい）を用いてエッチストップ層をエッチング除去する工程を採用することもできる。なお、光取出面側保護層２６は、上記エッチングに際して拡散防止層２５のＡｌ成分が酸化される不具合を防止する役割を果たす。

次に、工程５に示すように、上記仮支持貼り合わせ体１２０の状態で、ＧａＡｓ単結晶基板１の除去により露出した化合物半導体層５０の第二主表面（光取出面側保護層２６により覆われている）にＡｕＧｅＮｉ接合金属層を分散形成し、さらに該ＡｕＧｅＮｉ接合金属層をＡｕＧｅＮｉ接合合金化層３１とするための貼り合わせ側合金化熱処理を行なう。このとき、光取出面側電極９に対するＡｕＢｅ接合金属層９ａ’の合金化も同時に行なうことができる（つまり、光取出側合金化熱処理にも兼用されている）。ここで、ＡｕＧｅＮｉ接合金属層が形成される光取出面側保護層２６は、ドーパント濃度を高めたＧａＡｓ層にて形成されているので、接触抵抗低減効果が一層高められている。また、合金化熱処理は、３００℃以上４５０℃以下の温度の不活性ガス雰囲気下で実施され、具体的には、大気圧と同程度のＮ_２等の不活性ガス雰囲気下で行なうことができる。

他方、Ｓｉ基板７を別途用意し、その両主表面にＡｕＳｂ接合金属層を形成して、さらに２５０℃以上３６０℃以下の温度域で合金化熱処理を行なうことにより、それぞれＡｕＳｂ接合合金化層３２，１６とする。このうち、ＡｕＳｂ接合合金化層３２上には、続く素子基板貼り合わせ工程においてＳｉ基板７の成分が第二Ａｕ系金属層１０ｂへ拡散するのを阻止する拡散防止層１０ｃを形成しておく。他方、ＡｕＳｂ接合合金化層１６上には裏面電極１５を形成する。そして、図３の工程６に示すように、仮支持貼り合わせ体１２０の状態で、化合物半導体層５０の第二主表面に第一Ａｕ系金属層１０ａを形成し、他方、素子基板７の第一主表面側に第二Ａｕ系金属層１０ｂを形成する。なお、各Ａｕ系金属層の形成は、真空雰囲気（スパッタリングあるいは真空蒸着等により）にて行なうことができる。その後、図４の工程７に示すように、化合物半導体層５０側に形成された第一Ａｕ系金属層１０ａを、Ｓｉ基板７側に形成された第二Ａｕ系金属層１０ｂに重ね合わせて圧迫し、１８０℃以上３６０℃以下（前述の合金化熱処理よりも低温とする）、本実施形態では２４０℃にて３０分間、圧力２００ｋＰａで貼り合わせ熱処理する。これにより、第一Ａｕ系金属層１０ａと第二Ａｕ系金属層１０ｂとが十分な強度にて貼り合わされ、Ａｕ系金属層１０となる。また、化合物半導体層５０とＳｉ基板７とは、Ａｕ系金属層１０を介して貼り合わされ、貼り合わせ結合体１３０となる。

素子基板７の第一主表面側は前述のごとく粗面加工面とされているが、接合合金化層３２と拡散防止層１０ｃとの形成により、その凹凸が充填されるので、貼り合せに使用する第二Ａｕ系金属層１０ｂの表面を十分平坦化でき、第二Ａｕ系金属層１０ｂとの貼り合せも問題なく行うことができる。また、第二Ａｕ系金属層１０ｂが形成する反射面も平坦化し、反射率を向上させることができる。さらに、接合合金化層３２とＳｉ基板７との結合面積が粗面化により増大し、そのアンカー効果によって貼り合せ強度の向上を図ることもできる。

貼り合わせ熱処理が完了したら、高分子材料結合層１１１を加熱・軟化させ、仮支持基板１１０を分離・除去する。残存している高分子材料結合層は、トルエンやメチルエチルケトン（ＭＥＫ）等の有機溶剤を用いて溶解・除去する。貼り合わせ結合体１３０は、複数の素子チップがマトリックス状に配列した形で一括形成された貼り合わせウェーハであり、これを通常の方法によりダイシングして素子チップとし、これを支持体に固着してリード線のワイヤボンディング等を行った後、樹脂封止をすることにより最終的な発光素子が得られる。

上記の工程（ただし、接合合金化層３１，３２の合金化熱処理はおこなわず）に準じて製造された貼り合せウェーハの結合強度を確認するために、結合強度増すための熱処理を３００℃にて１０分、及び３５０℃にて１０分の２条件にて行い、ダイシングにより１ｍｍ×１ｍｍ角ないし３３０μｍ×３３０μｍ角にチップ化して、貼り合わせ結合強度の確認を行ない、結合強度が１００ｋｇ／ｃｍ^２以上であることを確認した。その結果、いずれも良好な結合強度が得られていることがわかった。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は単なる例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的思想に包含される。例えば、図６の発光素子４００に示すように、反射面を、貼り合せ金属層を形成する第一Ａｕ系金属層１０ａとは別に、ＡｌあるいはＡｇを主成分とする反射金属層１０ｒで形成することができる。なお、接合合金化層１３１の主成分金属は、反射金属層１０ｒと同一の主成分金属からなるものが使用される。

本発明の発光素子の一実施形態を積層構造にて示す模式図。本発明の発光素子の製造方法の一例を示す工程説明図。図２に続く工程説明図。図３に続く工程説明図。Ｓｉ基板の製造工程を示す説明図。本発明の発光素子の変形例を積層構造にて示す模式図。

符号の説明

７Ｓｉ単結晶基板（素子基板）
２４発光層部
５０化合物半導体層
１０金属層
１０ｃ拡散防止層
３２接合合金化層
１００，４００発光素子

Claims

発光層部を有する化合物半導体層に金属層を介して素子基板が貼り合わされ、該金属層の前記化合物半導体層との接合面が反射面を形成する発光素子の製造方法であって、少なくとも前記素子基板の表面が粗面加工の状態であるものを使用し、この粗面状態の表面に前記金属層として接合合金化層、拡散防止層及び貼り合せ金属層をこの順に積層形成して前記化合物半導体層と貼り合わせることを特徴とする発光素子の製造方法。
前記貼り合せ金属がＡｕを主成分とするＡｕ系金属層とされることを特徴とする請求項１に記載の発光素子の製造方法。
前記粗面加工はラッピング又はエッチングにより行なうことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の発光素子の製造方法。
前記接合合金化層は、Ａｕを主成分とするＡｕ系金属、Ａｇを主成分とするＡｇ系金属、またはＡｌを主成分とするＡｌ系金属を用いることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の発光素子の製造方法。
前記拡散防止層としてＴｉ、Ｎｉ、Ｃｒ又はＷからなる金属層を用いることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の発光素子の製造方法。
前記反射面をなす反射金属層は、Ａｕを主成分とするＡｕ系金属、Ａｇを主成分とするＡｇ系金属、またはＡｌを主成分とするＡｌ系金属を用いることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の発光素子の製造方法。
請求項１ないし請求項６のいずれか一項に記載の方法で製造されたことを特徴とする発光素子。
発光層部を有する化合物半導体層に金属層を介して素子基板が貼り合わされた発光素子であって、少なくとも前記素子基板の表面の光沢度が２０〜８０％であり、この表面に前記金属層として接合合金化層、拡散防止層及び貼り合せ金属層をこの順に積層形成して前記化合物半導体層と貼り合わせたことを特徴とする発光素子。
前記素子基板がシリコンであることを特徴とする請求項７又は請求項８に記載の発光素子。
前記発光層が、ＡｌＧａＩｎ系化合物半導体、ＧａＮ系化合物半導体、またはＺｎＯ系化合物半導体からなることを特徴とする請求項７ないし請求項９のいずれか１項に記載の発光素子。