JP2007157852A - 半導体発光素子およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】反射率ならびに光反射層および半導体層の電気的な接触性がいずれも高い半導体発光素子を提供する。
【解決手段】半導体層２０、下地層３０および光反射層３１をこの順に積層して構成されたものである。半導体層２０は、バッファ層２１、ＧａＮ層２２、ｎ型コンタクト層２３、ｎ型クラッド層２４、活性層２５、ｐ型クラッド層２６およびｐ型コンタクト層２７をこの順に積層して構成される。下地層３０は、ｐ型コンタクト層２７の表面に形成されると共に遷移金属にＡｇ（銀）を添加して構成され、１ｎｍ以上１０ｎｍ以下の厚さを有する。光反射層３１は、下地層３０の表面に形成されると共にＡｇに所定の物質を添加して構成される。
【選択図】図１
【解決手段】半導体層２０、下地層３０および光反射層３１をこの順に積層して構成されたものである。半導体層２０は、バッファ層２１、ＧａＮ層２２、ｎ型コンタクト層２３、ｎ型クラッド層２４、活性層２５、ｐ型クラッド層２６およびｐ型コンタクト層２７をこの順に積層して構成される。下地層３０は、ｐ型コンタクト層２７の表面に形成されると共に遷移金属にＡｇ（銀）を添加して構成され、１ｎｍ以上１０ｎｍ以下の厚さを有する。光反射層３１は、下地層３０の表面に形成されると共にＡｇに所定の物質を添加して構成される。
【選択図】図１
Description
本発明は光反射層により射出窓側とは反対側に発光した光を射出窓側に反射させる構造を有する半導体発光素子およびその製造方法に関する。
発光ダイオード（ＬＥＤ；Light Emitting Diode）等の半導体発光素子の外部量子効率は、内部量子効率と光抽出効率との２つの要素からなり、これらの効率を改善することにより、長寿命、低消費電力、かつ、高出力の半導体発光素子を実現することが可能となる。ここで、前者の内部量子効率は、例えば、結晶欠陥や転位の少ない良質な結晶が得られるように成長条件を正確に管理したり、キャリア・オーバーフローの発生を抑制することの可能な層構造とすることにより改善される。一方、後者の光抽出効率は、例えば、活性層から発光した光が基板や活性層で吸収される前に射出窓に対して脱出円錐（エスケープ・コーン）角未満で入射する割合が多くなるような幾何形状や層構造とすることにより改善される。また、反射率の高い材料からなる光反射層を設け、射出窓側とは反対側に発光した光を射出窓側に反射することによっても改善され得る。
ところで、発光ダイオード等の半導体発光素子では、上記光反射層は通常、半導体層に電流を注入する電極としての役割も有しており、そのため、半導体層との電気的な接触性が高いことが求められる。一般に、各種半導体層との電気的な接触性が高く、汎用性の高い材料として、Ａｌ（アルミニウム）、Ａｕ（金）、Ｐｔ（白金），Ｎｉ（ニッケル），Ｐｄ（パラジウム）などを用いる。しかし、これらを光反射層に適用しても反射率はあまり高くならないので、高反射率が要求される用途には適さない場合が多い。
そのような用途では、反射率の極めて高いＡｇ（銀）を光反射層に適用することが考えられる。Ａｇでは、ＡｌＧａＡｓ系や、ＡｌＧａＩｎＰ系などの長波長帯の半導体層と電気的な接触性が高く、オーミック接触になりやすい。ところが、ＧａＮ系などの短波長帯の半導体層とは電気的な接触性が低く、他の材料系と比べてショットキー接触に近いオーミック接触になりやすいので、線形性が低くなる。このように、Ａｇでは、ＧａＮ系などの短波長帯の半導体層との関係で電気的な接触性が低い。そこで、特許文献１では、Ｐｔ，ＰｄまたはＮｉを含有する、厚さ０．１ｎｍ〜０．５ｎｍの極めて薄い層をＡｇからなる光反射層と半導体層との間に設ける技術や、Ａｇからなる光反射層をＡｇの耐熱性を考慮して低温（３００℃）で熱処理する技術が提案されている。
しかし、上記した特許文献１記載の前者の技術では、電気的な接触性は改善され得るが、反射率の低い材料からなる層を間に設けているので、必然的に反射率が低下してしまい、高い反射率を望めない。また、後者の技術では、Ａｇからなる光反射層が直接半導体層に接しているので反射率は高いが、光反射層を単に低温で熱処理してもショットキー接触からオーミック接触に変化することはほとんどないので、電気的な接触性が依然として低い。このように、特許文献１では、反射率および電気的な接触性のいずれか一方しか改善することができないという問題があった。
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、反射率ならびに光反射層および半導体層の電気的な接触性がいずれも高い半導体発光素子およびその製造方法を提供することにある。
本発明の半導体発光素子は、半導体層、下地層および光反射層をこの順に積層して構成されたものである。半導体層は、第１導電型層、活性層および第２導電型層をこの順に積層して構成される。下地層は、第２導電型層の表面に形成されると共に遷移金属にＡｇ（銀）を添加して構成され、１ｎｍ以上１０ｎｍ以下の厚さを有する。光反射層は、下地層の表面に形成されると共にＡｇに所定の物質を添加して構成される。
本発明の半導体発光素子では、光反射層と半導体層との間に設けられた下地層は仕事関数の大きな遷移金属を含んでいるので、下地層と半導体層との間に生じるエネルギー障壁が極めて小さくなる。このとき、半導体層の表面付近に存在する表面準位によって伝導性が妨げられないように、半導体層および下地層のそれぞれの材料を適切に選択することにより、光反射層が下地層を介して半導体層とオーミック接触するので、線形性が高くなる。また、下地層は、光反射層と同様、Ａｇを含んでいるので、半導体層からの発光光を高反射率で反射可能となる。したがって、光反射層から下地層を介して半導体層に電流を注入すると、半導体層で発光が生じ、その発光光が光反射層および下地層によって反射される。また、下地層の厚さを１ｎｍ以上１０ｎｍ以下にしたので、例えば厚さを０．１ｎｍ〜０．５ｎｍにしたときのような製造プロセスにおける厚さ制御の困難性はない。これより、下地層が半導体層上で島状に分布する虞がなくなるので、光反射層は下地層を介して半導体層と確実にオーミック接触する。
本発明の半導体発光素子の製造方法は、半導体層上に厚さ１ｎｍ以上１０ｎｍ以下の遷移金属を堆積させたのち、その遷移金属上にＡｇおよび所定の物質を含んで構成された金属的性質を有する物質を堆積させる工程と、半導体層上に形成された遷移金属および金属的性質を有する物質に対して、所定の温度範囲内および所定の時間範囲内で熱処理を行うことにより、金属的性質を有する物質に含まれるＡｇを遷移金属の層内に拡散させる工程とを含むものである。
本発明の半導体発光素子の製造方法では、金属的性質を有する物質の層と半導体層との間に遷移金属の層が形成されるので、遷移金属の層と半導体層との間に生じるエネルギー障壁が極めて小さくなる。このとき、半導体層の表面付近に存在する表面準位によって伝導性が妨げられないように、半導体層および遷移金属の層のそれぞれの材料を適切に選択することにより、金属的性質を有する物質の層が遷移金属の層を介して半導体層とオーミック接触するので、線形性が高くなる。また、遷移金属の層は、金属的性質を有する物質の層から拡散されたＡｇを含むので、金属的性質を有する物質の層、半導体層からの発光光を高反射率で反射可能となる。したがって、金属的性質を有する物質の層から遷移金属の層を介して半導体層に電流を注入すると、半導体層で発光が生じ、その発光光が金属的性質を有する物質の層および遷移金属の層によって反射される。また、遷移金属の層の厚さを１ｎｍ以上１０ｎｍ以下にしたので、例えば厚さを０．１ｎｍ〜０．５ｎｍにしたときのような製造プロセスにおける厚さ制御の困難性はない。これより、遷移金属の層が半導体層上で島状に分布する虞がなくなるので、金属的性質を有する物質の層は遷移金属の層を介して半導体層と確実にオーミック接触する。
本発明の半導体発光素子によれば、光反射層と半導体層との間に仕事関数の大きな遷移金属および反射率の極めて高いＡｇを含む下地層を設けるようにしたので、光反射層が下地層を介して半導体層にオーミック接触し、さらに下地層が光反射層と同様、半導体層からの発光光を高反射率で反射可能となる。これにより、反射率ならびに光反射層および半導体層の電気的な接触性のいずれも高い半導体発光素子を実現することができる。
本発明の半導体発光素子の製造方法によれば、金属的性質を有する物質の層と半導体層との間に仕事関数の大きな遷移金属および反射率の極めて高いＡｇを含む遷移金属の層を設けるようにしたので、金属的性質を有する物質の層が遷移金属の層を介して半導体層にオーミック接触し、さらに遷移金属の層が金属的性質を有する物質の層と同様、半導体層からの発光光を高反射率で反射可能となる。これにより、反射率ならびに金属的性質を有する物質の層および半導体層の電気的な接触性のいずれも高い半導体発光素子を実現することができる。
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施の形態に係る発光ダイオード（ＬＥＤ）の断面構造を表したものである。なお、図１は、模式的に表したものであり、実際の寸法、形状とは異なっている。
この発光ダイオードは、基板１0 上に、窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる半導体層２０を成長させたものである。この半導体層２０は、バッファ層２１、ＧａＮ層２２、ｎ型コンタクト層２３、ｎ型クラッド層２４，活性層２５，ｐ型クラッド層２６（第１ｐ型半導体層）およびｐ型コンタクト層２７（第２ｐ型半導体層）をこの順に積層して構成される。
なお、ここでいう窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体とは、ガリウム（Ｇａ）と窒素（Ｎ）とを含んだ窒化ガリウム系化合物のことであり、例えばＧａＮ，ＡｌＧａＮ（窒化アルミニウム・ガリウム），あるいはＡｌＧａＩｎＮ（窒化アルミニウム・ガリウム・インジウム）などが挙げられる。これらは、必要に応じてＳｉ（シリコン），Ｇｅ（ゲルマニウム），Ｏ（酸素），Ｓｅ（セレン）などのＩＶ族およびＶＩ族元素からなるｎ型不純物、または、Ｍｇ（マグネシウム），Ｚｎ（亜鉛），Ｃ（炭素）などのＩＩ族およびＩＶ族元素からなるｐ型不純物を含有している。
基板１０は、透明基板、例えば、ｃ面サファイアにより構成される。バッファ層２１は、例えば、厚さが３０ｎｍのアンドープのＧａＮにより構成され、ｃ面サファイア上に低温成長によって成長させることにより形成されている。ＧａＮ層２２は、例えば、厚さが０．５μｍのアンドープのＧａＮにより構成され、バッファ層２１を介してｃ面サファイア上にＥＬＯ（Epitaxial Lateral Overgrowth）などの横方向結晶成長技術を用いて成長させることにより形成されている。ｎ型コンタクト層２３は、例えば、厚さが４．０μｍのｎ型ＧａＮにより、ｎ型クラッド層２４は、例えば、厚さが１．０μｍのｎ型ＡｌＧａＮによりそれぞれ構成される。
活性層２５は、例えば、厚さが３．５ｎｍのアンドープＩｎx Ｇａ1-x Ｎ井戸層（０＜ｘ＜１）と厚さが７．０ｎｍのアンドープＩｎy Ｇａ1-y Ｎ障壁層（０＜ｙ＜１）とを一組としてこれを３組積層してなる多重量子井戸構造を有する。この活性層２５はその中心領域に、注入された電子と正孔の再結合により光子が発生する発光領域２５Ａを有する。ｐ型クラッド層２６は、例えば、厚さが０．５μｍのｐ型ＡｌＧａＮにより構成される。ｐ型コンタクト層２７は、例えば、厚さが０．１μｍのｐ型ＧａＮにより構成され、ｐ型クラッド層２６よりも高いｐ型不純物濃度を有する。
ｎ型コンタクト層２３の上部、ｎ型クラッド層２４，活性層２５，ｐ型クラッド層２６およびｐ型コンタクト層２７には、後述するようにｐ型コンタクト層２７側からｎ型コンタクト層２３の上部まで選択的にエッチングすることにより凸形状のメサ部２８が形成されている。
メサ部２８の上面、すなわち、ｐ型コンタクト層２７の上面の一部に、下地層３０および光反射層３１がこの順に積層されている。
光反射層３１は、金属的性質を有する物質、例えば厚さが７０ｎｍ以上２００ｎｍ以下のＡｇ合金により構成される。このＡｇ合金は、Ａｇに、Ｐｔ（白金）、Ｐｄ（パラジウム）、Ａｕ（金）、Ｃｕ（銅）、Ｉｎ（インジウム）およびＧａ（ガリウム）の少なくとも１つの物質を添加して構成されたものであり、例えば、Ａｇ９８％，Ｐｄ１％，Ｃｕ１％を含有する、いわゆるＡＰＣにより構成される。このＡｇ合金は、その組成によっても異なるが、例えばＰｄ，Ｃｕ，Ｉｎなどにより構成されている場合、２００℃を超える高温で加熱されたとしても、マイグレーションや凝集などによる光学特性（反射率）の劣化を起こす虞はほとんどない。そのため、２００℃程度で上記の現象が生じてしまう純Ａｇと比べて、極めて大きな耐熱性を有する。また、Ａｇ合金は、純Ａｇと比べて、酸化や硫化に対する反応性が低く、外部環境からの影響を受けにくい特徴を有する。ここで、Ａｇ合金は、蒸着法よりもスパッタ法により形成されることが好ましい。スパッタ法を用いることにより被着性を極めて大きくすることが可能となり、これにより、光反射層３１の剥離を抑制することができるからである。
Ａｇ合金は、上記したような純Ａｇの不利な点を克服している一方で、純Ａｇと同様に極めて大きな反射率を有する。これにより、光反射層３１は活性層２５の発光領域２５Ａから発せられる発光光のうち、射出窓である基板１０とは反対側に向かう光を基板１０側に反射する機能を有する。また、光反射層３１は、後述のｐ側バンプ部３４と電気的に接続されているので、ｐ側電極としての機能も兼ね備えている。そのため、光反射層３１は、ｐ型コンタクト層２７との電気的な接触性が高いことが要求される。ところが、光反射層３０は、下地層３０を介してｐ型コンタクト層２７とオーミック接触しており、電気的な接触性が高い。
下地層３０は、例えば、遷移金属にＡｇを添加して構成されたものである。遷移金属は、ｐ型コンタクト層２７中のＮ（窒素）と容易に反応して侵入型窒化物を形成し、これにより下地層３０とｐ型コンタクト層２７との間のエネルギー障壁を極めて小さくするという特性を有しているので、光反射層３１とｐ型コンタクト層２７との電気的な接触性を高めることの可能な物質といえる。ただし、ｐ型コンタクト層２７の表面付近に存在する表面準位によって伝導性が妨げられないように、ｐ型コンタクト層２７および下地層３０のそれぞれの材料を適切に選択することが重要である。ここで、下地層３０に含まれる遷移金属としては、熱処理（シンタリング）を行う関係上、純Ａｇよりも融点の高いもの、例えば、Ｐｄ、Ｎｉ（ニッケル）、Ｐｔ（白金）およびＲｈ（ロジウム）の少なくとも１つであることが好ましく、さらに上記した表面準位を考慮すると、ｐ型コンタクト層２７がＧａＮにより構成される場合は、例えば、Ｐｄ、Ｎｉが好ましい。このように、種々の条件を考慮することにより、下地層３０は、光反射層３１とｐ型コンタクト層２７とを互いにオーミック接触させ、線形性を高くすることが可能となる。
また、下地層３０は、蒸着法または低入射パワーでのスパッタ法により形成されることが好ましい。このような方法を用いることにより、ｐ型コンタクト層２７の表面状態が変化するのを抑制することができるので、電気的な接触性が低下してオーミック接触がショットキー接触に変化し、線形性が低下することを抑制することができる。
下地層３０に含まれるＡｇは、後述するように光反射層３１に含まれるＡｇが熱処理（シンタリング）によって拡散してきたものであり、この拡散してきたＡｇの濃度分布に応じた反射率を有する。すなわち、この下地層３０の反射率、ひいては光反射層３１および下地層３０からなるミラー層の反射率は、下地層３０に含まれるＡｇの濃度分布を変化させることにより変更可能になっている。
具体的には、光反射層３１に含まれるＡｇを、下地層３０のうち光反射層３１との界面からｐ型コンタクト層２７との界面に向かって拡散させればさせる程、ミラー層の反射率を高くすることができるようになっている。そして、Ａｇを拡散させてｐ型コンタクト層２７との界面に到達させると、ミラー層の反射率を大幅に高くすることができ、さらにｐ型コンタクト層２７との界面におけるＡｇの濃度を所定の濃度以上にすると、ミラー層の反射率を広い波長帯域に渡って純Ａｇの反射率（９７％）とほぼ同様の高反射率（例えば９５％程度）とすることができるようになっている。
ここで、Ａｇを上記したように下地層３０内に拡散させるためには、熱処理（シンタリング）の条件（温度、時間）を、下地層３０および光反射層３１のそれぞれの層の厚さや熱伝導率などの値を考慮して精密に設定することが重要となる。このとき、下地層３０の厚さが例えば１μｍのようにあまり厚いと、下地層３０のうちｐ型コンタクト層２７との界面でのＡｇ濃度が所定の値に達するまでに膨大な時間がかかる。逆に、例えば０．１ｎｍ〜０．５ｎｍのようにあまりに薄いと、下地層３０を形成する際に厚さの制御が困難となり、その結果、下地層３０がｐ型コンタクト層２７上で島状に分布する虞が出てくる。そのため、高いスループットと、高い電気的な接触性とを両立させるためには、下地層３０の厚さは１ｎｍ以上１０ｎｍ以下であることが好ましい。なお、熱処理（シンタリング）の条件（温度、時間）の設定の仕方については後に詳述する。
ｐ側パッド部３３が保護層３２の上面の一部に、ｐ側バンプ部３４がｐ側パッド部３３の上面の一部にそれぞれ形成されている。このｐ側パッド部３３は、例えば、厚さ５０ｎｍのＴｉ、厚さ１００ｎｍのＮｉおよび厚さ３００ｎｍのＡｕをこの順に積層した構造を有する。ｐ側バンプ部３４は、例えば、厚さ５０００ｎｍのＡｕからなる。
ｎ側電極３５がｎ型コンタクト層２３の表面のうちメサ部２８の外縁に沿った部分に、ｎ側バンプ部３６がｎ側電極３５の上面の一部にそれぞれ形成されている。このｎ側電極３５は、例えば、厚さ５０ｎｍのＴｉ、厚さ１００ｎｍのＮｉおよび厚さ３００ｎｍのＡｕをこの順に積層した構造を有する。ｎ側バンプ部３６は、例えば、厚さ５０００ｎｍのＡｕからなる。絶縁層３７が、メサ部２８および保護層３２の側面、ならびにｎ型コンタクト層２３の露出部分に形成されている。この絶縁層３７は、例えば、厚さ３００ｎｍのＳｉＮからなる。
次に、このような構成を備えた発光ダイオードの製造方法の一例について、図２ないし図５を参照しつつ詳細に説明する。図２は製造工程の流れを簡略化して表すものであり、図３は製造過程における発光ダイオードの断面構成を表すものである。図４および図５は光反射層３１に含まれるＡｇが下地層３０に拡散していく様子を概念的に表すものである。
発光ダイオードを製造するためには、ｃ面サファイアからなる基板１０上に、窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる半導体層２０を、例えば、ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition ：有機金属気相成長）法により形成する。この際、ＧａＮ系化合物半導体の原料としては、例えば、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）、アンモニア (ＮＨ3)を用い、ドナー不純物の原料としては、例えば、シラン（ＳｉＨ4 ）を用い、アクセプタ不純物の原料としては、例えばビス＝メチルシクロペンタジエニルマグネシウム（（ＣＨ3 Ｃ5 Ｈ4 ）2 Ｍｇ）あるいはビス＝シクロペンタジエニルマグネシウム（（Ｃ5 Ｈ5 ）2 Ｍｇ）を用いる。
まず、基板１０の表面を例えばサーマルクリーニングにより清浄する。続いて、清浄された基板１０上に、例えばＭＯＣＶＤ法により例えば５００℃程度の温度でバッファ層２１Ａを成長させた後、例えばＥＬＯなどの横方向結晶成長技術により例えば１０００℃の成長温度でＧａＮ層２２を成長させる。
次に、ＧａＮ層２２上に、例えばＭＯＣＶＤ法により、ｎ型コンタクト層２３、ｎ型クラッド層２４，活性層２５，ｐ型クラッド層２６およびｐ型コンタクト層２７を順次成長させる。ここで、Ｉｎを含まない層であるｎ型コンタクト層２３、ｎ型クラッド層２４、ｐ型クラッド層２６およびｐ型コンタクト層２７の成長温度は例えば１０００℃程度とし、Ｉｎを含む層である活性層２５の成長温度は例えば７００℃以上８００℃以下とする。このようにして半導体層２０を結晶成長させた（ステップＳ１）のち、例えば６００℃以上７００℃以下の温度で数十分加熱して、ｐ型クラッド層２６およびｐ型コンタクト層２７中のアクセプタ不純物を活性化させる（ステップＳ２）。
次に、ｐ型コンタクト層２７上に、メサ部２８の形状に対応した所定形状のレジストパターン（図示せず）を形成し、このレジストパターンをマスクとして、例えば塩素系ガスを用いたＲＩＥ(Reactive Ion Etching:反応性イオンエッチング) 法によりｎ型コンタクト層２３に達するまでエッチングを行うことにより、メサ部２８を形成する。
次に、図３に示したように、ｐ型コンタクト層２７上に、例えば蒸着法または低入射パワーでのスパッタ法により、遷移金属層３０Ａを堆積させ、この堆積した遷移金属層３０Ａ上に、例えばスパッタ法により、光反射層３１を形成する（ステップＳ３）。
次に、所定の温度範囲内および所定の時間範囲内で、光反射層３１および遷移金属層３０ＡをＮ2 雰囲気中で熱処理（シンタリング）し、光反射層３１に含まれるＡｇを遷移金属層３０Ａに拡散させることにより下地層３０を形成する（ステップＳ４、図４，図５参照）。その後、ｐ側パッド部３３、ｐ側バンプ部３４、ｎ側電極３５およびｎ側バンプ部３６を順次形成する。このようにして、本実施の形態の発光ダイオードが製造される。
以下、本実施の形態の特徴部分である熱処理（シンタリング）について詳述する。
この熱処理（シンタリング）は、上記したように、光反射層３１に含まれるＡｇを遷移金属層３０Ａに拡散させ、これにより光反射層３１および下地層３０からなるミラー層の反射率を高くすることを主な目的としている。このことから、この熱処理における温度範囲は、光反射層３１に含まれるＡｇが遷移金属層３０Ａ内に十分に拡散することの可能な温度以上、光反射層３１が急速に劣化する温度より低い温度であることが好ましい。ただし、この温度範囲は、熱処理の時間が短いほど高い方にシフトし、長いほど低い方にシフトする時間依存性を有する。一方、この熱処理における時間範囲は、設定温度と、光反射層３１および遷移金属層３０Ａのそれぞれの厚さおよび熱伝導率とに基づいて、図４に示したように、光反射層３１に含まれるＡｇが遷移金属層３０Ａのうち光反射層３１との界面を含む所定の領域に拡散することの可能な時間以上であることが好ましく、図５に示したように、光反射層３１に含まれるＡｇが遷移金属層３０Ａのうちｐ型コンタクト層２７との界面まで拡散することの可能な時間以上であることがより好ましい。ここで、設定温度が高い場合は熱処理の時間を短くすることにより光反射層３１を劣化させることなくＡｇを所定の領域まで拡散させることができ、その結果、高反射率を実現することができ、設定温度が低い場合は熱処理の時間を長くすることによりＡｇを所定の領域まで拡散させることができ、その結果、高反射率を実現することができる。
例えば、光反射層３１を厚さ１５０ｎｍのＡｇ合金、遷遷移金属層３０Ａを厚さ５ｎｍのＰｄとした場合に、全く熱処理を行わなかったときの反射率は、図６に示したように８３％しかなく、９０％を超えていない。しかし、加熱時間を１分と固定した場合（図中の実線）に、設定温度を３００℃にすると反射率は９１％となり、４００℃以上４５０℃以下の値にすると９５％となる。このように、４００℃以上４５０℃以下の値にすると製造過程において温度が多少ばらついたとしても安定した反射率が得られる。さらに温度を上げると５５０℃ぐらいまでは緩やかに減少し、それを超えると急激に減少する。これは、４５０℃を超えると光反射層３１の劣化が始まり、５５０℃を超えると光反射層３１の劣化が激しくなることを意味している。したがって、加熱時間を１分としたときは、温度範囲は３００℃以上５５０℃以下であることが好ましく、４００℃以上４５０℃以下であることがより好ましい。また、加熱時間を１０分と長くした場合（図中の一点鎖線）に、設定温度を２８０℃にすると反射率は９１％となり、設定温度を３２０℃以上４２０℃以下の値にすると９５％となる。このように、３２０℃以上４２０℃以下の値にすると製造過程において温度が多少ばらついたとしても安定した反射率が得られる。さらに温度を上げると４３０℃ぐらいまでは緩やかに減少し、それを超えると急激に減少する。これは、４３０℃を超えると光反射層３１の劣化が始まり、それを超えると光反射層３１の劣化が激しくなることを意味している。したがって、加熱時間を１０分としたときは、温度範囲は２８０℃以上４３０℃以下であることが好ましく、３２０℃以上４２０℃以下であることがより好ましい。
このように、好ましい温度範囲は、熱処理の時間が短いほど高い方にシフトし、長いほど低い方にシフトすることがわかる。また、設定温度が高い場合は熱処理の時間を短くすることにより光反射層３１を劣化を最小限にとどめて高反射率を実現することができ、設定温度が低い場合は熱処理の時間を長くすることにより高反射率を実現することができる。
つまり、本発光ダイオードは、光反射層３１とｐ型コンタクト層２７との間に下地層３０を設けているにも拘わらず、純Ａｇと同様の高反射率を実現することができる。
このようにして製造された発光ダイオードでは、ｐ側バンプ部３４およびｎ側バンプ部３６に電流が供給されると、電流が活性層２５の発光領域２５Ａに注入され、これにより電子と正孔の再結合による発光が生じる。この発光領域２５Ａで生じた発光光のうち射出窓である基板１０に直接向かう光Ｌ１は基板１０を透過して外部に射出され、射出窓である基板１０とは反対側に向かう光Ｌ２，Ｌ３は下地層３０および光反射層３１からなるミラー層によって基板１０側に反射されたのち、基板１０を透過して外部に射出される。
このとき、光Ｌ２，Ｌ３は極めて大きな反射率を有するＡｇを含んで構成された下地層３０および光反射層３１からなるミラー層で反射されるので、Ａｇを含まないミラー層で反射された場合と比べて反射率や、光抽出効率が大きくなる。特に、Ａｇと同様の反射率を有するミラー層で反射させた場合は、この発光ダイオードの反射率や、光抽出効率が極めて大きくなる。
また、発光ダイオードの電流電圧特性は、図７に示したように、ほとんど線形となっていることから、ｐ側バンプ部３４と電気的に接続された光反射層３１は仕事関数の大きな遷移金属を含む下地層３０を介してｐ型コンタクト層２７にオーミック接触していることがわかる。これより、ｐ側バンプ部３４およびｎ側バンプ部３６を駆動するに際して、遷移金属を含まない層を介してｐ型コンタクト層２７に接している場合と比べて接触抵抗を低くすることができ、その結果、駆動電圧を小さくすることができる。
このように、本実施の形態では、光反射層３１とｐ型コンタクト層２７との間に、仕事関数の大きな遷移金属および反射率の極めて高いＡｇを含む下地層３０を設けるようにしたので、光反射層３１が下地層３０を介してｐ型コンタクト層２７とオーミック接触し、さらに、下地層３０が光反射層３１と同様、半導体層２０からの発光光を高反射率で反射可能となる。これにより、下地層３０および光反射層３１からなるミラー層の反射率ならびに光反射層３１およびｐ型コンタクト層２７の電気的な接触性のいずれも高い発光ダイオードを実現することができる。
また、例えば、熱処理（シンタリング）を行った発光ダイオードを高温高湿度（７０℃、９０％）の雰囲気中で２００時間発光させた場合であっても、下地層３０および光反射層３１は変質したり、剥離しなかったことから、熱処理（シンタリング）を行うことによって、光反射層３１および下地層３０の被着性を向上させることができる。このとき、反射率の変動率が１％程度と、測定誤差の範囲内であったことから、熱処理（シンタリング）を行うことによって、反射率の変動を低減することができる。
［変形例］
ところで、上記実施の形態では、下地層３０および光反射層３１を、熱処理（シンタリング）の際に窒素雰囲気中で露出させるようにしていたが、図８に示したような、これらの層を熱から保護するための保護層３２を形成したのち、熱処理（シンタリング）を行うようにしてもよい。
ところで、上記実施の形態では、下地層３０および光反射層３１を、熱処理（シンタリング）の際に窒素雰囲気中で露出させるようにしていたが、図８に示したような、これらの層を熱から保護するための保護層３２を形成したのち、熱処理（シンタリング）を行うようにしてもよい。
この保護層３２は、光反射層３１を上記熱処理による高温から保護することの可能な材料、例えば、Ｎｉ（ニッケル）、Ｔｉ（チタン）およびＰｔの少なくとも１つにより構成されたものであり、例えば１００ｎｍの厚さを有する。この保護層３２は、保護層３２が設けられていない場合と比べて、熱処理の温度の上限、すなわち、光反射層３１が急速に劣化する温度をおよそ２００℃上げることを可能にしている。このように、保護層３２を備えることにより、熱処理において、例えば、加熱時間を１０分とした場合に、設定温度を５００℃程度にしたとしても、光反射層３１の劣化を最小限にとどめて高反射率を実現することができる。
例えば、保護層３２を厚さ１００ｎｍのＮｉ、光反射層３１を厚さ３６０ｎｍのＡｇ合金、遷遷移金属層３０Ａを厚さ２ｎｍのＰｄとした場合に、全く熱処理を行わなかったときの反射率は図９のＲａに示したように９０％を超えることはない。しかし、設定温度を４００℃、加熱時間を１０分としたときの反射率は図９のＲｂに示したように波長帯域の一部が９１％を超えるようになり、加熱温度を５００℃としたときの反射率は図９のＲｃに示したように波長帯域の多くが９３％を超えるようになり、加熱温度を５５０℃としたときの反射率は図６のＲｄに示したように波長帯域のほぼ全域が９５％となる。
このように加熱時間を固定した状態で加熱温度を高くするにつれて反射率が高くなるのは、光反射層３１に含まれるＡｇが遷移金属層３０Ａのうちｐ型コンタクト層２７との界面に向かって拡散する速度が速くなるからである。これより、光反射層３１および下地層３０を保護層３２で覆ったのち、上記実施の形態での設定温度よりも高い温度で熱処理を行うことにより、光反射層３１の劣化を抑制しつつ、より短時間で高反射率を実現することができる。
以上、実施の形態および変形例を挙げて本発明を説明したが、本発明は上記実施の形態および変形例に限定されるものではなく、種々変形可能である。
例えば、上記実施の形態では、窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を含んで構成された発光ダイオードについて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、他の半導体材料、例えば、ＡｌＧａＡｓ系や、ＡｌＧａＩｎＰ系などの長波長帯の発光ダイオードに適用することも可能である。
１０…基板、２０…半導体層、２１…バッファ層、２２…ＧａＮ層、２３…ｎ型コンタクト層、２４…ｎ型クラッド層、２５…活性層、２５Ａ…発光領域、２６…ｐ型クラッド層、２７…ｐ型コンタクト層、２８…メサ部、３０…下地層、３０Ａ…遷移金属層、３１…光反射層、３２…保護層、３３…ｐ側パッド部、３４…ｐ側バンプ部、３５…ｎ側電極、３６…ｎ側バンプ部、３７…絶縁層、Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３…光。
Claims (11)
- 第１導電型層、活性層および第２導電型層をこの順に積層して構成された半導体層と、
Ａｇ（銀）に所定の物質を添加して構成された光反射層と
前記半導体層および前記光反射層の間に形成されると共に遷移金属にＡｇを添加して構成された厚さ１ｎｍ以上１０ｎｍ以下の下地層と
を備えたことを特徴とする半導体発光素子。 - 前記下地層のＡｇは、前記光反射層との界面を含む所定の領域に添加されている
ことを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子。 - 前記下地層のＡｇは、当該下地層全体に渡って添加されている
ことを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子。 - 前記所定の物質は、Ｐｔ（白金）、Ｐｄ（パラジウム）、Ａｕ（金）、Ｃｕ（銅）、Ｉｎ（インジウム）およびＧａ（ガリウム）の少なくとも１つである
ことを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子。 - 前記遷移金属は、Ａｇよりも高い融点を有する
ことを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子。 - 前記遷移金属は、Ｐｄ、Ｎｉ（ニッケル）、Ｐｔ（白金）およびＲｈ（ロジウム）の少なくとも１つである
ことを特徴とする請求項５記載の半導体発光素子。 - 前記反射層は、スパッタ法により形成されたものである
ことを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子。 - 前記第２導電型層は、ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体からなる、第１ｐ型半導体層および第２ｐ型半導体層をこの順に積層して構成されたものであり、
前記第２ｐ型半導体層は、前記第１ｐ型半導体層よりも高いｐ型不純物濃度を有する
ことを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子。 - 半導体層上に厚さ１ｎｍ以上１０ｎｍ以下の遷移金属を堆積させたのち、その遷移金属上にＡｇおよび所定の物質を含んで構成された、金属的性質を有する物質を堆積させる工程と、
前記半導体層上に形成された遷移金属および前記金属的性質を有する物質に対して、所定の温度範囲内および所定の時間範囲内で熱処理を行うことにより、前記金属的性質を有する物質に含まれるＡｇを前記遷移金属の層内に拡散させる工程と
を含むことを特徴とする半導体発光素子の製造方法。 - 前記所定の温度範囲は、前記金属的性質を有する物質に含まれるＡｇが前記遷移金属の層内に拡散することの可能な温度以上、前記金属的性質を有する物質の融点より低い温度以下であり、
前記所定の時間範囲は、設定された温度、前記金属的性質を有する物質および遷移金属のそれぞれの層の厚さならびに前記金属的性質を有する物質および遷移金属のそれぞれの熱伝導率に基づいて、前記金属的性質を有する物質に含まれるＡｇが前記遷移金属の層のうち前記金属的性質を有する物質の層との界面を含む所定の領域に拡散することの可能な時間以上である
ことを特徴とする請求項９記載の半導体発光素子の製造方法。 - 前記所定の時間範囲は、前記金属的性質を有する物質に含まれるＡｇが前記遷移金属の層のうち前記半導体層との界面まで拡散することの可能な時間以上である
ことを特徴とする請求項１０記載の半導体発光素子の製造方法。
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