JP2009004766A - 化合物半導体ウェハ、発光ダイオード及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】安価で信頼性の高い化合物半導体ウェハ、発光ダイオード及びその製造方法を提供する。
【解決手段】発光層（２２）を含む化合物半導体結晶層（２）と導電性基板（６）とが金属層（５）を介して接合された構造を有する発光ダイオードにおいて、前記金属層（５）が、前記化合物半導体結晶層（２）の一方の主表面に形成された第１金属層（５１）と、前記導電性基板（６）の一方の主表面に形成された第２金属層（５３）とを有し、且つ、前記第１金属層（５１）と前記第２金属層（５３）の間に、平均粒径ｌｎｍ〜ｌ００ｎｍの金属微粒子が互いに結合して構成された金属微粒子層（５２）を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、化合物半導体結晶層と導電性基板とが金属層を介して接合された構造を有する化合物半導体ウェハ、発光ダイオード及びその製造方法に関するものである。

ＡｌＧａＩｎＰ系材料、ＡｌＧａＡｓ系材料およびＡｌＧａＩｎＮ系材料を発光層に用いた発光ダイオードは、各種情報機器、家電装置、産業用装置および自動車等の表示用光源等として、ますます市場が拡大している。特に、ＡｌＧａＩｎＰ系発光ダイオードにおいては、輝度向上の観点から、発光ダイオード用の化合物半導体結晶層とＳｉ等の導電性基板とを金属層を介して接合させた構造が盛んに検討されている（例えば、特許文献１、特許文献２参照）。

図３に、従来の発光ダイオードの断面構造の概略図を示す。
この発光ダイオードは、化合物半導体結晶層２と導電性基板６とを、金属層５を介して接合させた構造である。化合物半導体結晶層２は、主に、第１クラッド層２１、活性層２２および第２クラッド層２３から構成される。化合物半導体結晶層２の接合部側の表面には、光透過性膜３と部分オーミック電極４が形成される。化合物半導体結晶層２の光放射側の表面には第１電極１が、導電性基板６の接合部と反対側の表面（裏面）には第２電極７がそれぞれ形成される。第１電極１と第２電極７は、化合物半導体結晶層２および導電性基板６とオーミック接触している。金属層５は、単層または多層で構成され、化合物半導体結晶層２と導電性基板６の接合層としての機能の他、光透過性膜３と部分オーミック電極４との密着層、光反射層、部分オーミック電極４と導電性基板の構成元素が接合部界面に拡散するのを抑止する層、および導電性基板６とオーミック接触する層等としての機能を有するのが一般的である。

図３に概略構造を示した発光ダイオードの動作を簡単に説明する。
第１電極１と第２電極７との間に電圧を印加し通電すると、活性層２２で発光が起こる。発光光のうち、第１クラッド層２１の方向に向かった光は、光放射面から外部に放射される。一方、第２クラッド層２３の方向に向かった光の一部は金属層５で反射され、光放射面から外部に放射される。このように、第２クラッド層２３の方向に放射された光を金属層５で反射させることにより、発光ダイオードの光取出し効率を向上させ、高輝度化を図ることが可能となる。

次に、図３に概略構造を示した発光ダイオードの製造方法の一例を簡単に説明する。
まず、単結晶基板上に化合物半導体結晶層２を形成したエピタキシャルウェハが作製される。化合物半導体結晶層２は、第１クラッド層２１、活性層２２、第２クラッド層２３の順に単結晶基板上にエピタキシャル成長される。単結晶基板としては、化合物半導体結晶層２がＡｌＧａＡｓおよびＡｌＧａＩｎＰ系材料の場合にはＧａＡｓ基板、ＡｌＧａＩｎＮ系材料の場合にはサファイヤ基板やＧａＮ基板が用いられるのが一般的である。エピタキシャル成長法としては、ＭＯＶＰＥ（有機金属気相成長）法が主に用いられる。
エピタキシャル成長工程の終了後、エピタキシャルウェハの化合物半導体結晶層２の表面に酸化シリコン、窒化シリコン等の光透過性膜３が形成される。光透過性膜３の形成方法としては、熱ＣＶＤ法やプラズマＣＶＤ法が用いられるのが一般的である。光透過性膜３の形成工程の終了後、フォトリソグラフィー法を利用して、部分オーミック電極４が形成される。部分オーミック電極４は、単層または多層の金属層で構成され、形成方法としては、真空蒸着法やスパッタリング法が主に用いられる。
接合部の金属層５は多層で構成されるのがより一般的であり、それらの金属層の一部が
、化合物半導体結晶層２側の表面、および導電性基板６の接合部側の表面にそれぞれ形成される。導電性基板６としては、機械的強度が大きく、熱伝導率が高いＳｉが用いられるのが一般的である。金属層５の形成方法としては、真空蒸着法やスパッタリング法が主に用いられる。
金属層５の形成終了後、エピタキシャルウェハと導電性基板６が、両者の金属層面が接触するように重ねられ、接合工程が実施される。接合は、真空中あるいは不活性ガス中において、エピタキシャルウェハおよび導電性基板６の加熱と、両者の接合界面に対してほぼ垂直な方向の加圧を施しながら実施されるのが一般的である。

エピタキシャルウェハと導電性基板６の接合には、低融点金属を利用する方法や、金属間の固相接合を用いる方法がある。
低融点金属を利用する方法においては、Ａｕ−Ｓｎ等の比較的低融点の合金層をエピタキシャルウェハ側の接合面、または導電性基板６側の接合面に形成し、合金の融点以上の温度まで加熱することにより、接合が実施される。接合時の加熱温度としては、２００℃〜４００℃とするのが一般的である。
金属間の固相接合を用いる方法においては、Ａｕ等の金属層がエピタキシャルウェハ側の接合面、および導電性基板６側の接合面に形成される。接合時の加熱温度は、３００℃〜５００℃とするのが一般的である。

接合工程終了後に、単結晶基板を除去する工程を経て、化合物半導体結晶層２と導電性基板６が、金属層５を介して接合された化合物半導体ウェハが作製される。単結晶基板の除去は、機械的な研磨、溶液によるエッチングのいずれか、あるは、両者を組み合わせた方法により実施される。化合物半導体ウェハの結晶層２側の表面と、導電性基板６側の表面に、第１電極１および第２電極７をそれぞれ形成する工程、ダイシングによるチップ化工程を経て、平面サイズが２５０μｍ角〜８００μｍ角程度の発光ダイオードが作製される。第１電極１と第２電極７の形成においては、接触抵抗の低いオーミック接触を得るため、４００℃程度の熱処理が実施される。

特開平１０−１２９１７号公報 特開２００１−３３９１００号公報

金属層５を構成する接合層として、低融点の合金層を用いた場合は、化合物半導体結晶層２と導電性基板６の接合界面に空隙が発生し、発光ダイオードの製造歩留りが著しく低下するという問題がある。その空隙は、第１電極１および第２電極７形成における熱処理時に、合金層の一部が液相化することにより発生すると推察される。

金属層５を構成する接合層として、固相接合のＡｕ層を用いた場合は、Ａｕ層の合計厚さを２μｍ程度まで厚く形成することにより、空隙の発生を抑止することが可能である。Ａｕ層の厚さを２μｍよりも薄くすると、空隙の発生が増加する。例えば、導電性基板６にＳｉを用いる場合、エピタキシャルウェハとの線膨張係数の差により、接合界面には大きな応力が発生し、その応力が空隙発生の一因になると考えられる。Ａｕ層を厚く形成した場合、Ａｕ層が応力の緩和層として機能し、空隙の発生が抑止されると推察される。
ところが、Ａｕ層の形成方法である真空蒸着法やスパッタリング法は、Ａｕ原料の利用効率が５％〜２５％と極めて低く、Ａｕ層の形成工程に係わる製造コストが高いという問題がある。ここで、原料の利用効率とは、接合用の金属層の形成工程において、接合部の表面に形成された金属層の重量と、真空蒸着装置またはスパッタリング装置で消費した金属原料の重量との比である。

本発明の目的は、化合物半導体結晶層と導電性基板との接合に用いられる金属層の金属原料の利用効率を大幅に向上でき、安価に作製可能な化合物半導体ウェハ、発光ダイオード及びその製造方法を提供することにある。
また、本発明の目的は、化合物半導体結晶層と導電性基板の接合部における応力を低減でき、信頼性の高い化合物半導体ウェハ、発光ダイオード及びその製造方法を提供することにある。

本発明の第１の態様は、化合物半導体結晶層と導電性基板とが金属層を介して接合された構造を有する化合物半導体ウェハにおいて、前記金属層が、平均粒径ｌｎｍ〜ｌ００ｎｍの金属微粒子が互いに結合して構成された金属微粒子層を含むことを特徴とする化合物半導体ウェハである。
前記化合物半導体ウェハにおいて、前記金属微粒子の平均粒径は、ｌｎｍ〜３０ｎｍであるのがより好ましい。また、前記金属微粒子層の充実率が、７０〜９５％の範囲であるのが好ましい。

本発明の第２の態様は、発光層を含む化合物半導体結晶層と導電性基板とが金属層を介して接合された構造を有する発光ダイオードにおいて、前記金属層が、前記化合物半導体結晶層の一方の主表面に形成された第１金属層と、前記導電性基板の一方の主表面に形成された第２金属層とを有し、且つ、前記第１金属層と前記第２金属層の間に、平均粒径ｌｎｍ〜ｌ００ｎｍの金属微粒子が互いに結合して構成された金属微粒子層を有することを特徴とする発光ダイオードである。
前記発光ダイオードにおいて、前記金属微粒子の平均粒径は、ｌｎｍ〜３０ｎｍであるのがより好ましい。また、前記金属微粒子層の充実率が、７０〜９５％の範囲であるのが好ましい。

本発明の第３の態様は、発光層を含む化合物半導体結晶層と導電性基板とが金属層を介して接合された構造を有する発光ダイオードの製造方法において、単結晶基板上に前記化合物半導体結晶層をエピタキシャル成長させる工程と、前記化合物半導体結晶層の最上層の表面に第１金属層を形成する工程と、前記導電性基板の表面に第２金属層を形成する工程と、前記第１金属層の表面と第２金属層の表面のいずれか一方、または両方に平均粒径ｌｎｍ〜ｌ００ｎｍの金属微粒子が互いに結合して構成される金属微粒子層を形成する工程と、前記単結晶基板側の前記第１金属層と前記導電性基板側の前記第２金属層とを前記金属微粒子層を介して接合する工程と、前記導電性基板に接合された前記単結晶基板を除去する工程と、を含むことを特徴とする発光ダイオードの製造方法である。
前記発光ダイオードの製造方法において、前記金属微粒子の平均粒径は、ｌｎｍ〜３０ｎｍであるのがより好ましい。また、前記金属微粒子層の充実率が、７０〜９５％の範囲であるのが好ましい。

本発明の第４の態様は、第３の態様の発光ダイオードの製造方法において、前記金属微粒子層を形成する工程が、前記金属微粒子を含む液状またはペースト状物質を塗布する工程と、前記金属微粒子を含む液状またはペースト状物質を加熱して、前記液状またはペースト状物質中の有機物成分を蒸発させると共に前記金属微粒子を融着させる工程とを含むことを特徴とする。

本発明の第５の態様は、第３または第４の態様の発光ダイオードの製造方法において、前記第１金属層と前記第２金属層とを前記金属微粒子層を介して接合させる工程が、真空中で実施され、且つ、接合界面にほぼ垂直な方向の加圧と、前記単結晶基板および導電性基板の加熱とがなされることを特徴とする。

本発明の第６の態様は、第４または第５の態様の発光ダイオードの製造方法において、前記金属微粒子を含む液状またはペースト状物質を塗布する工程が、インクジェット法またはスクリーン印刷法を用いてなされることを特徴とする。

本発明の第７の態様は、第３〜第６の態様のいずれかの発光ダイオードの製造方法において、前記金属微粒子が、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｒｕから選択された金属の微粒子を含むことを特徴とする。

本発明の第８の態様は、第３〜第７の態様のいずれかの発光ダイオードの製造方法において、前記第１金属層と前記第２金属層が、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｒｕから選択された材料を主成分とする金属層を含むことを特徴とする。

本発明によれば、化合物半導体結晶層と導電性基板の接合部の金属層を、平均粒径ｌｎｍ〜ｌ００ｎｍの金属微粒子が互いに結合して構成された金属微粒子層を含む構造としたので、従来の真空蒸着法やスパッタ法等により形成された金属層のみによる接合に比べて、金属原料の利用効率を大幅に向上でき、化合物半導体ウェハおよび発光ダイオードの製造コストを削減できると共に、化合物半導体結晶層と導電性基板の接合部の応力を大幅に緩和でき、信頼性の高い素子の形成が可能な化合物半導体ウェハおよび発光ダイオードが得られる。

以下に、本発明に係る発光ダイオードの実施形態を図面を用いて説明する。

図１は、本実施形態の発光ダイオードの概略的な構造を示す断面図である。
この発光ダイオードは、化合物半導体結晶層２と導電性基板６とを金属層５を介して接合させた構造を有する。化合物半導体結晶層２の上面には第１電極１、導電性基板６の下面には第２電極７が形成されている。本実施形態の化合物半導体結晶層２は、第１電極１側から、電極コンタクト層２４と、ＡｌＧａＩｎＰの第１クラッド層２１、活性層（発光層）２２および第２クラッド層２３から成る発光層部と、中間層２５と、ＧａＰ層２６とを有する。また、ＧａＰ層２６の下面には、発光光に対して透明な光透過性膜３と部分オーミック電極４とからなる層が形成されている。金属層５は、光透過性膜３と部分オーミック電極４とからなる層の表面に形成された第１金属層５１と、導電性基板６の表面に形成された第２金属層５３と、第１金属層５１と第２金属層５３と間に接合層として形成された金属微粒子層５２とから構成される。

第１金属層５１および第２金属層５３は、通常は多層で構成され、化合物半導体結晶層２と導電性基板６を接合する接合層ないし機能の他、光透過性膜３および部分オーミック電極４との密着層、活性層２２からの光を反射する光反射層、部分オーミック電極４と導電性基板６の構成元素が接合部界面に拡散するのを抑止する層、導電性基板６とオーミック接触する層、或いはこれら機能を有する。

金属微粒子層５２は、粒径がナノオーダーの金属微粒子を互いに融着させることにより形成した金属層である。金属粒子は、粒径がナノオーダーまで小さくなると、融点が低下し、低温で融着が起こることが知られている。金属微粒子の融着は、常温でも進展する。そのため、金属微粒子を扱う際は、金属微粒子の周囲を有機物で保護し、それを有機溶媒中に分散させ、液状あるいはペースト状にしたものを扱うのが便利である。金属微粒子を分散させた溶液の粘度は、金属微粒子の濃度や、金属微粒子周囲の有機保護剤および有機溶媒の材質により制御することが可能である。

金属微粒子は、平均粒径が１ｎｍ〜ｌ００ｎｍの範囲のものを用いた。粒径が１ｎｍ〜ｌ００ｎｍの範囲では、金属微粒子層の抵抗率は、真空蒸着法やスパッタリング法により形成した金属層とほぼ同じオーダーとなった。粒径がｌ００ｎｍを超えた場合は、金属微粒子層の抵抗率が１桁以上高くなった。一方、粒径がｌｎｍよりも小さくなると、粒径の測定精度が得られなくなり、粒径の管理が困難になる。

金属微粒子は、平均粒径が１ｎｍ〜３０ｎｍの範囲の微粒子を用いるのがより好ましい。化合物半導体結晶層２と導電性基板６との接合においては、接合界面の空隙発生を抑える上で、金属微粒子層５２の表面が平滑であることが望ましい。平均粒径が１ｎｍ〜３０ｎｍの金属微粒子を用いた場合、形成した金属微粒子層５２の表面は、走査型プローブ顕微鏡 (Scanning Probe Microscope；ＳＰＭ)で測定した中心線平均粗さＲａが９ｎｍ以下となり、極めて平滑であった。平均粒径が３０ｎｍを超えると、中心線平均粗さＲａが増加する傾向がみられたが、平均粒径が１００ｎｍ以下では、接合界面に空隙はみられなかった。

本発明においては、金属微粒子の平均粒径は、動的光散乱法を用いた粒度測定装置により計測した。体積基準の粒径の累積度数分布において、累積度が５０％に相当する粒径を「平均粒径」とした。粒度測定装置は市販されており、下記の実施例では、日機装株式会社製のＵＰＡ−ＥＸ１５０を用いて計測した。

金属微粒子層５２、第１金属層５１および第２金属層５３の材料は、Ｃｕ（銅）、Ａｇ（銀）、Ａｕ（金）、Ｐｄ（パラジウム）、Ｐｔ（白金）、Ｒｕ（ルテニウム）の中から選択することが望ましい。これらのうち、発光ダイオードの動作信頼性や価格を考慮すると、Ａｕが最も有望な材料である。

Ａｇは、Ａｕよりも安価な材料であるが、エレクトロマイグレーションを起こしやすく、発光ダイオードの信頼性を低下させる危険性がある。Ａｇのエレクトロマイグレーションは、水分が関与していることが知られており、金属シール等、水分の混入の可能性が低いパッケージに発光ダイオードを実装する場合には、Ａｇの使用が可能である。
Ｃｕは、空気中で容易に酸化されるため、金属微粒子層５２の形成、および接合の工程を実施する際に、還元雰囲気にて還元させることにより、適用が可能になる。
Ｐｄ、Ｐｔ、Ｒｕは、Ａｕと同様に酸化されにくい金属材料であり、金属微粒子層５２を介した接合に適用できる。

金属微粒子層５２の形成においては、まず、金属微粒子を分散させた液状あるいはペースト状物質を、第１金属層５１の表面と第２金属層５３の表面のいずれか一方、または両方に塗布する。その後、加熱により有機成分を蒸発させるともに、金属微粒子を融着結合させることにより金属微粒子層５２を形成する。

金属微粒子を分散させた液状あるいはペースト状物質を、塗布・被着させる方法としては、インクジェット法（スプレー法）またはスクリーン印刷法が用いられる。金属微粒子を含む液状物質やペースト状物質をインクジェット法、あるいは、スクリーン印刷法により塗布させることで、金属原料の利用効率を９０％以上に高めることができる。

金属微粒子層５２の形成後、ＧａＡｓ等の単結晶基板上に化合物半導体結晶層２をエピタキシャル成長させたエピタキシャルウェハと、導電性基板６とを真空中で重ね合わせ、接合界面にほぼ垂直な方向の加圧と、エピタキシャルウェハおよび導電性基板の加熱を施すことにより、接合を行う。

接合終了後に、エピタキシャル成長に用いた単結晶基板を除去することにより、化合物
半導体結晶層２と導電性基板６とを金属微粒子層５２を含む金属層５を介して接合させた発光ダイオード用化合物半導体ウェハが形成される。

接合層に金属微粒子層５２を用いた直径４インチの発光ダイオード用化合物半導体ウェハの反り量を測定した結果、真空蒸着法やスパッタリング法により形成した金属層のみで接合した場合に比べて、反り量が低減されることがわかった。

発光ダイオード用化合物半導体ウェハは、断面が概略弓状に反り、導電性基板（Ｓｉ基板）側が凸となる。
反り量の測定方法には、まず、化合物半導体ウェハを導電性基板が上方となるように、平滑でフラットなプレートの上に置く。次に、化合物半導体ウェハの中央部で、前記プレート表面からの高さが最も大きくなる個所（点）を探し、その点の高さを、接触式の高さゲージを使用して計測する。計測した高さの最大値と、化合物半導体ウェハの厚さとの差を反り量とする。なお、化合物半導体ウェハの厚さは、導電性基板が下方になるようにしてプレート上に置き、高さゲージで計測する。
従来の真空蒸着法等より形成した金属層のみで接合した化合物半導体ウェハ（直径４インチ）の反り量は、平均で約６０μｍであったが、本実施形態の化合物半導体ウェハ（直径４インチ）では、３０μｍ以下であり、反り量が５０％以下に低減された。

また、金属微粒子層５２は、真空蒸着法やスパッタリング法により形成した金属層に比べて、若干ポーラス（多孔質）であり、接合界面の応力緩和に効果的に機能したものと考えられる。
金属微粒子層５２が若干ポーラス（多孔質）である程度は、充実率ないし実積率（あるいは空隙率）で規定することができ、金属微粒子層５２の充実率は、接合界面の応力緩和の効果などを考慮すると、７０〜９５％の範囲が好ましい。

充実率は、金属微粒子層の比重計測値と、当該金属の比重(金の場合、比重は１９.３)
との比（百分率表示）で表す。金属微粒子層の比重は、金属微粒子層を形成する前後のＳｉチップの重量測定値と、形成した金属微粒子層の平均的な厚さ、及びチップ面積から算出した。下記の実施例で行った金（Ａｕ）微粒子層の比重の計測値は、おおむね金の比重の９０〜９４％の範囲であった。
充実率は、後述の接合時のホットプレートによる熱処理条件により、さらに下げることが可能である。ただし、充実率をあまり低くすると、金属微粒子層の表面の凹凸が増加し、金属微粒子層を含む金属層の接合時にウェハ割れが発生する懸念があるので、充実率の下限は７０％とするのがよい。

次いで、発光ダイオード用化合物半導体ウェハの化合物半導体結晶層２側の表面と、導電性基板６側の表面に、第１電極１および第２電極７をそれぞれ形成する工程と、ダイシングによるチップ化工程とを経て、発光ダイオード（ベアチップ）を作製した。

本実施形態の発光ダイオードは、発光出力が高く、信頼性も高いことから、信号機、自動車の外装ランプ、液晶テレビのバックライトモジュール等への適用が可能である。
なお、上記実施形態では、発光ダイオードついて説明したが、本発明は、化合物半導体結晶層と導電性基板とが金属層を介して接合された構造を有する、発光ダイオード以外の素子用の化合物半導体ウェハにも勿論適用できる。

次に、本発明の実施例を説明する。

（実施例１）
この実施例１では、図１に示す上記実施形態の発光ダイオードと同一の断面構造を有する発光ダイオードを作製した。すなわち、本実施例の発光ダイオードは、図１に示すように、化合物半導体結晶層２と導電性基板６とを金属層５を介して接合させ、化合物半導体結晶層２の上面と導電性基板６の下面に、発光ダイオードに通電するための第１電極１と第２電極７をそれぞれ形成した。

本実施例では、化合物半導体結晶層２は、電極コンタクト層２４、第１クラッド層２１、活性層２２、第２クラッド層２３、中間層２５、ＧａＰ層２６から構成される。
電極コンタクト層２４は、Ｔｅドープのｎ型（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_ｙＩｎ_１−ｙＰ（ｘ≒０、ｙ≒０.５１）で構成され、ドーパント濃度は２×１０^１８ｃｍ^−３、厚さを０.３μｍとした。
第１クラッド層２１は、Ｔｅドープのｎ型（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_ｙＩｎ_１−ｙＰ（ｘ≒０.７、ｙ≒０.５１）で構成され、ドーパント濃度を約１×１０^１７ｃｍ^−３、厚さを約２μｍとした。
活性層２２は、（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_ｙＩｎ_１−ｙＰで構成される多重量子井戸構造とした。本実施例では、多重量子井戸構造の構成層として、（（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_ｙＩｎ_１−ｙＰ（ｘ≒０.５、ｙ≒０.５１）、および（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_ｙＩｎ_１−ｙＰ（ｘ≒０、ｙ≒０.５１）を用い、発光ダイオードの発光エネルギースペクトルのピーク波長
がほぼ６３５ｎｍになる構造にした。多重量子井戸構造の構成層は、アンドープで成長させた。
第２クラッド層２３は、Ｍｇドープのｐ型（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_ｙＩｎ_１−ｙＰ（ｘ≒０.７、ｙ≒０.５１）で構成され、ドーパント濃度を約４×１０^１７ｃｍ^−３、厚さを約０.５μｍとした。
中間層２５は、Ｍｇドープのｐ型（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_ｙＩｎ_１−ｙＰ（ｘ≒０、ｙ≒０.７）で構成され、ｐ型ドーパントのＭｇの濃度を約５×１０^１８ｃｍ^−３、厚さを約
２０ｎｍとした。
ＧａＰ層２６のＭｇドープのｐ型とし、厚さを約１μｍ、ｐ型ドーパント濃度を約４.
５×１０^１８ｃｍ^−３とした。

電極コンタクト層２４の上面には第１電極１が形成され、第１電極１の直下以外の領域の電極コンタクト層２４はエッチングによって除去されている。これは、光吸収性を有する電極コンタクト層２４による光の取出し効率の低下を防ぐためである。

ＧａＰ層２６の下面には、発光光に対して透明な光透過性膜３と、部分オーミック電極４とから成る層が形成されている。光透過性膜３として、本実施例では、酸化シリコン膜を用いた。部分オーミック電極４は、ｐ型のＧａＰ層２６とオーミック接続されていて、さらに金属層５（５１）にも接続されている。

金属層５は、第１金属層５１、金属微粒子層５２および第２金属層５３から構成される。第１金属層５１と第２金属層５３は、いずれも金属微粒子層５２と接する表面の金属層をＡｕ層とし、このＡｕ層の厚さは０.１μｍとした。
金属微粒子層５２は、平均粒径が約８ｎｍのＡｕ微粒子を融着させることにより形成した。本実施例において、金属微粒子層５２は、第２金属層５３の表面に形成し、厚さは１.８μｍとした。

導電性基板６として、本実施例では、ｎ型の単結晶Ｓｉを用いた。導電性基板６の接合部とは反対側の面には、第２電極７が形成され、第２電極７は、導電性基板６とオーミック接触している。

次に、図１に示した本実施例による発光ダイオードの製造方法について、図２を用いて
説明する。
まず、ＧａＡｓ単結晶基板８の上に、化合物半導体結晶層２として、電極コンタクト層２４、第１クラッド層２１、活性層２２、第２クラッド層２３、中間層２５、およびＧａＰ層２６を順次エピタキシャル成長させ、エピタキシャルウェハを作製した（図２（ａ））。エピタキシャル成長法としては、ＭＯＶＰＥ法を用いた。
ＭＯＶＰＥ法により、化合物半導体結晶層２をエピタキシャル成長させる際のIII族元
素原料としては、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）の有機金属材料を用いた。また、Ｖ族元素原料としては、水素化物ガスであるフォスフィン（ＰＨ_３）を用いた。
前述した有機金属材料の蒸気や水素化物ガスは、水素ガスをキャリアガスとしてＭＯＶＰＥ装置の反応室に送られる。反応室には、サセプタと加熱機構が装備されていて、ＧａＡｓ単結晶基板８はサセプタの所定の位置に設置され、ヒータ等の加熱機構によって加熱される。本実施例では、ＧａＡｓ単結晶基板８の温度が６００℃〜７５０℃の範囲で、エピタキシャル成長を実施した。
化合物半導体結晶層２をｐ型の導電型に制御するためのドーパント元素には、Ｍｇを用い、その原料としては、ビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ_２Ｍｇ）を用いた。また、化合物半導体結晶層２をｎ型の導電型に制御するためのドーパント元素には、Ｔｅを用い、その原料としては、ジメチルテルル（ＤＭＴｅ）とジエチルテルル（ＤＥＴｅ）を用いた。ドーパント原料は、III族元素原料およびＶ族元素原料とほぼ同時に反応室
へ供給される。

エピタキシャルウェハを作製した後、化合物半導体結晶層２の表面に、プラズマＣＶＤ法により、光透過性膜３として酸化シリコン膜を形成した。さらに、フォトリソグラフィーを利用したリフトオフ法により、光透過性膜３の一部に部分オーミック電極４を分散して形成した。部分オーミック電極４は、ＡｕＺｎ、Ｎｉ、Ａｕの積層構造とし、それらの金属膜は真空蒸着法により形成した。
部分オーミック電極４を形成した後、光透過性膜３と部分オーミック電極４からなる層の上に、第１金属層５１を真空蒸着法により形成した（図２（ｂ））。第１金属層５１の表面は、厚さを０.１μｍのＡｕ層とした。

導電性基板６としては、本実施例では、リン（Ｐ）ドープによるキャリア濃度が約１×１０^１８ｃｍ^−３のｎ型Ｓｉ基板を用いた。導電性基板６の表面には、第２金属層５３を真空蒸着法により形成した（図２（ｃ））。第２金属層の表面は、厚さ０.１μｍのＡｕ
層とした。

導電性基板６の表面に第２金属層５３を形成した後、金属微粒子層５２を第２金属層５３の表面に形成した（図２（ｄ））。金属微粒子層５２は、平均粒径が約８ｎｍのＡｕ微粒子を融着させることにより形成した。まず、周囲が有機物で保護されたＡｕ微粒子を有機溶媒中に分散させた液状物質を準備した。その液状物質をスクリーン印刷法により、第２金属層５３の表面に膜状に塗布した。その後、熱処理により、塗布した液状物質の有機溶媒とＡｕ微粒子周囲の有機物質を蒸発させるとともに、Ａｕ微粒子相互を融着させ一体的に結合させて、金属微粒子層５２を形成した。

前記熱処理には、本実施例ではホットプレートを用い、約１５０℃と約３００℃の２段階で熱処理を実施した。１段階目の約１５０℃の熱処理では、塗布した液状物質に含まれる有機成分の大部分を蒸発させ、２段階目の約３００℃の熱処理で、さらに有機成分を蒸発させるとともに、Ａｕ微粒子を融着させた。前記液状物質に含まれるＡｕ微粒子の重量組成は約６０％とした。
本実施例では、金属微粒子層５２の厚さを約１.８μｍとした。金属微粒子層５２の厚
さは、後述する化合物半導体ウェハの切断断面を観察することにより測定した。図１に示
した実施例において、金属微粒子層５２の厚さと、金属微粒子層５２に接する第１金属層５１および第２金属層５３の各Ａｕ層の厚さの合計は、約２μｍであった。

金属微粒子層５２の形成後、前記エピタキシャルウェハの第１金属層５１の表面のＡｕ層と、導電性基板６の金属微粒子層５２の表面とを真空中で重ね合わせ、接合界面にほぼ垂直な方向の加圧と、エピタキシャルウェハおよび導電性基板６の加熱を施すことにより、接合を実施した（図２（ｅ））。本実施例では、前記接合は、１５Ｐａ以下の真空中で実施した。
また、前記加圧は、二つの板状治具が互いにほぼ平行になるように上下に配置し、二つの板状治具の間に、重ね合わせた前記エピタキシャルウェハと導電性基板６をセットし、前記板状治具の下段の治具が固定された状態で、上段の治具を下降させることにより実施した。加圧の圧力は、本実施例では、約０.５ＭＰａで実施した。
前記加熱は、上段側の板状治具の上側、及び下段側の板状治具の下側に配されたヒータにより、前記二つの板状治具を介して、前記エピタキシャルウェハと導電性基板６を加熱することにより実施した。本実施例では、加熱温度は約３５０℃とした。

接合終了後に、エピタキシャル成長に用いたＧａＡｓ単結晶基板８を除去することにより、化合物半導体結晶層２と導電性基板６とを金属微粒子層５２を含む金属層５を介して接合させた化合物半導体ウェハを形成した（図２（ｅ））。
ＧａＡｓ単結晶基板８の除去は、まず、機械的な研磨でＧａＡｓ単結晶基板８の一部を除去した後、エッチング液を用いてＧａＡｓ単結晶基板８をエッチング除去することにより実施した。

前記化合物半導体ウェハの作成後、フォトリソグラフィー法により、電極コンタクト層２４の一部を除去した。その後、電極コンタクト層２４の表面に、フォトリソグラフィーを利用したリフトオフ法により、第１電極１を形成した。第１電極１は、ＡｕＧｅ、Ｎｉ、Ａｕの積層構造とし、それらの金属膜は真空蒸着法により形成した。
第１電極１を形成した後、前記化合物半導体ウェハの導電性基板６側の表面に、第２電極７を形成した。第１電極１および第２電極７を形成した後、約４００℃の熱処理を実施した。この熱処理は、第１電極１と電極コンタクト層２４間、および第２電極７と導電性基板６間で、低抵抗のオーム性接触を得るために実施したものである。
前記熱処理を実施した後、ダイシングによるチップ化工程を経て、平面サイズが約３００μｍ×３００μｍの発光ダイオードを作製した（図２（ｆ））。

作製した発光ダイオードを金属ステム上に実装後、発光出力、順方向電圧の測定、および信頼度試験を実施した。
発光出力および順方向電圧の測定は、電流密度約２２.２Ａ／ｃｍ^２、周囲温度２５℃
の条件で実施した。本実施例による発光ダイオードでは、発光出力が約７ｍＷ、順方向電圧が約１.９５Ｖと良好な値が得られた。
それらの特性値は、金属微粒子層５２の代わりに、真空蒸着法で形成したＡｕ層（厚さ１.８μｍ）を接合して作製した比較例の発光ダイオードとほぼ同等であった。
信頼度試験としては、周囲温度８５℃、湿度８５％の環境における電流密度約２２.２
Ａ／ｃｍ^２での２０００時間の通電試験、周囲温度８５℃、湿度８５％の環境における２０００時間の放置試験、および温度−５５℃〜１００℃の熱衝撃試験を実施した。本実施例による発光ダイオードでは、信頼度試験後における発光出力の変動は２％以内と小さく、また、順方向電圧には変化がみられなかった。
一方、金属微粒子層５２の代わりに、真空蒸着法で形成したＡｕ層（厚さ１.８μｍ）
を用いて作製した比較例の発光ダイオードの信頼度試験においては、熱衝撃試験後の発光出力が、約７％低下した。熱衝撃試験における発光出力の低下には、化合物半導体結晶層２と導電性基板６の線膨張係数の差による応力が関与すると考えられ、金属微粒子層５２
の適用によりその応力が緩和されたと推察される。

金属微粒子層５２の厚さは、本実施例では、１.８μｍとしたが、０.３μｍ〜３μｍの厚さの範囲で本実施例と同様に良好な結果が得られた。金属微粒子層５２の厚さが０.３
μｍよりも薄い場合、および３μｍよりも厚い場合のいずれにおいても、金属微粒子層５２と第１金属層５１の接合界面の空隙が増加する傾向がみられた。
接合界面の空隙は、超音波試験装置により評価した。金属微粒子層５２を０.３μｍよ
りも薄くした場合の空隙の発生は、金属微粒子層５２の応力緩和層としての機能が低下したためと考えられる。一方、金属微粒子層５２を３μｍ以上に厚くした場合は、金属微粒子層５２中に残存する有機成分が増加し、この有機成分が空隙の発生に関与したと推察される。

エピタキシャルウェハと導電性基板６の接合時における圧力は、本実施例では、約０.
５ＭＰａとしたが、０.ｌＭＰａ〜ｌ０ＭＰａの圧力の範囲で、本実施例と同様に良好な
結果が得られた。圧力を０.ｌＭＰａよりも低くした場合は、接合界面の空隙が増加する
傾向がみられた。一方、圧力をｌ０ＭＰａよりも高くした場合は、エピタキシャルウェハの破壊が頻繁に発生し、歩留りが低下した。

接合時の加熱温度については、本実施例では、約３５０℃としたが、２９０℃〜４５０℃の温度範囲で、本実施例と同様に良好な結果が得られた。加熱温度を２９０℃よりも低くした場合は、接合界面の空隙が急激に増加する傾向がみられた。一方、加熱温度を高くした場合は、作製した発光ダイオードの順方向電圧が増加する傾向がみられた。順方向電圧の上昇は、主に、部分オーミック電極４と、ＧａＰ層２６の接触抵抗が増加したためと考えられる。

本実施例では、Ａｕ微粒子を含む液状物質をスクリーン印刷法により第２金属層５３の表面に塗布することにより、Ａｕ原料の利用効率を９２％程度まで向上させることができた。金属微粒子層５２の代わりに、真空蒸着法で形成したＡｕ層を用いた比較例の場合、Ａｕ原料の利用効率は約１２％であった。
尚、金属微粒子を含む液状物質の塗布方法は、スクリーン印刷法に限定されるものではなく、インクジェット法を用いてもＡｕ原料の利用効率を９０％以上にすることが可能である。また、ロールコート法を用いても、Ａｕ原料の利用効率を５０％以上に向上させることが可能である。
また、本実施例では、Ａｕ微粒子を含む液状物質を第２金属層５３の表面に塗布したが、第１金属層５１の表面、あるいは、第１金属層５１と第２金属層５３の両方の表面に塗布して形成しても良い。
Ａｕ微粒子を含む液状物質を塗布し、熱処理により金属微粒子層５２を形成する際に、本実施例ではホットプレート（ヒータで加熱された板状治具）を用いたが、赤外線照射等他の加熱手段を用いることも可能である。例えば、金属微粒子を含む液状物質を塗布した基板を、長手方向に１００℃〜５００℃程度の温度分布を有する円筒状のヒータの内部を通過させることにより、有機成分の蒸発とＡｕ微粒子の融着を実施することも可能である。

（実施例２）
上記実施例１では、金属微粒子層５２を平均粒径８ｎｍのＡｕ微粒子を融着させることにより形成したが、本実施例２では、平均粒径３０ｎｍのＡｇ微粒子を融着させることにより形成した。また、実施例１と同様にして、エピタキシャルウェハと導電性基板とを、このＡｇ微粒子からなる金属微粒子層を介して接合したが、本実施例２では、接合時の加圧の圧力を約０.７ＭＰａとした。その他の製造条件は、上記実施例１と同一として発光
ダイオードを作製した。この発光ダイオード（ダイチップ）を金属ステム上に実装後、光
を取出すためのガラス窓が取付けられた金属キャップを金属ステム上に装着し、発光ダイオードの周囲に水分が浸入しないようにした。

（実施例３） この実施例３では、図１に示した上記実施例１の発光ダイオードと同様に、接合部の金属層５に金属微粒子層を適用すると共に、第１電極１にも金属微粒子層を適用した（なお、金属微粒子層を第１電極１にのみ適用するようにしてもよい）。
この実施例３では、第１電極１の構成を電極コンタクト層２４側から順に、ＡｕＧｅ層、Ｎｉ層、Ａｕ層とした。前記Ａｕ層は、真空蒸着法で形成したＡｕ層と、Ａｕ微粒子層で構成した。真空蒸着法で形成したＡｕの厚さは約０.０５μｍとし、Ａｕ微粒子層の厚
さは約０.５μｍとした。
本実施例による発光ダイオードの製造方法は、基本的に実施例１の発光ダイオードとほぼ同じである。ただし、前記Ａｕ微粒子層は、第２電極７を形成後に、真空蒸着法で形成した第１電極１のＡｕＧｅ層、Ｎｉ層、Ａｕ層の上に形成した。真空蒸着法で形成したＡｕＧｅ層、Ｎｉ層、およびＡｕ層は、フォトリソグラフィーを利用したリフトオフ法により、平面形状が直径約１００μｍの円形に加工されており、その上に概略、同一形状のＡｕ微粒子層をスクリーン印刷法により形成した。
スクリーン印刷法によるＡｕ微粒子層の形成においては、平均粒径が約８ｎｍのＡｕ微粒子を含む液状物質を、真空蒸着法により形成したＡｕ層の上に塗布した。Ａｕ微粒子を含む液状物質から有機物成分を蒸発させ、Ａｕ微粒子間を融着させる工程は、第１電極１と電極コンタクト層２４間、および第２電極７と導電性基板６間で、低抵抗のオーム性接触を得るための約４００℃の熱処理により実施した。

本実施例の発光ダイオードの第１電極１と、この発光ダイオードを実装する金属ステムの通電端子とを直径約２２μｍのＡｕワイヤを用いたワイボンディングにより接続し、Ａｕワイヤの引張り試験を実施した。その結果、破断箇所は全てＡｕワイヤであり、第１電極１の最上層であるＡｕ微粒子層とＡｕワイヤが強固に接続されていることが確認された。

第１電極１の最上層をＡｕ層とし、ワイヤボンディングによる外部端子との接続を実施する場合、ワイヤボンディング時の接続加重による下地層の破壊を防ぎ、充分な接続強度を確保するためには、Ａｕ層の厚さとして０.３μｍ〜１μｍ程度が必要である。また、
通常、第１電極１のような発光ダイオードの上部電極は、平面形状が直径１００μｍ程度の概略円形状に加工されるのが一般的である。そのため、平面サイズが３００μｍ×３００μｍの発光ダイオードの上部電極のＡｕ層の形成方法として真空蒸着法を用いた場合、Ａｕ原料の利用効率は、１〜２％程度まで低下する。従って、Ａｕ層のほとんどの部分をスクリーン印刷法によるＡｕ微粒子層で構成することにより、Ａｕ原料の利用効率を大幅に向上させることが可能になる。

本実施例では、Ａｕ微粒子層の形成方法としてスクリーン印刷法を用いたが、この方法に限定されるものではなく、例えば、インクジェット法も適用できる。
また、本実施例では、第１電極１の最上層に形成する金属微粒子層の材質としてＡｕを用いたが、Ａｕに限定されるものではなく、Ａｇ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｃｕ、あるいは、それらの合金を適用することも可能である。

本発明に係る発光ダイオードの実施形態及び実施例の構造を模式的に示す断面図である。 本発明に係る発光ダイオードの実施例の製造方法を示す工程図である。 従来の発光ダイオードの構造を模式的に示す断面図である。

符号の説明

１ 第１電極
２ 化合物半導体結晶層
２１ 第１クラッド層
２２ 活性層
２３ 第２クラッド層
２４ 電極コンタクト層
２５ 中間層
２６ ＧａＰ層
３ 光透過性膜
４ 部分オーミック電極
５ 金属層
５１ 第１金属層
５２ 金属微粒子層
５３ 第２金属層
６ 導電性基板
７ 第２電極
８ ＧａＡｓ単結晶基板

Claims (14)

1. 化合物半導体結晶層と導電性基板とが金属層を介して接合された構造を有する化合物半導体ウェハにおいて、
   前記金属層が、平均粒径ｌｎｍ〜ｌ００ｎｍの金属微粒子が互いに結合して構成された金属微粒子層を含むことを特徴とする化合物半導体ウェハ。
2. 請求項１に記載の化合物半導体ウェハにおいて、前記金属微粒子の平均粒径が、ｌｎｍ〜３０ｎｍであることを特徴とする化合物半導体ウェハ。
3. 請求項１または２に記載の化合物半導体ウェハにおいて、前記金属微粒子層の充実率が、７０〜９５％の範囲であることを特徴とする化合物半導体ウェハ。
4. 発光層を含む化合物半導体結晶層と導電性基板とが金属層を介して接合された構造を有する発光ダイオードにおいて、
   前記金属層が、前記化合物半導体結晶層の一方の主表面に形成された第１金属層と、前記導電性基板の一方の主表面に形成された第２金属層とを有し、且つ、前記第１金属層と前記第２金属層の間に、平均粒径ｌｎｍ〜ｌ００ｎｍの金属微粒子が互いに結合して構成された金属微粒子層を有することを特徴とする発光ダイオード。
5. 請求項４に記載の発光ダイオードにおいて、前記金属微粒子の平均粒径が、ｌｎｍ〜３０ｎｍであることを特徴とする発光ダイオード。
6. 請求項４または５に記載の発光ダイオードにおいて、前記金属微粒子層の充実率が、７０〜９５％の範囲であることを特徴とする発光ダイオード。
7. 発光層を含む化合物半導体結晶層と導電性基板とが金属層を介して接合された構造を有する発光ダイオードの製造方法において、
   単結晶基板上に前記化合物半導体結晶層をエピタキシャル成長させる工程と、
   前記化合物半導体結晶層の最上層の表面に第１金属層を形成する工程と、
   前記導電性基板の表面に第２金属層を形成する工程と、
   前記第１金属層の表面と第２金属層の表面のいずれか一方、または両方に平均粒径ｌｎｍ〜ｌ００ｎｍの金属微粒子が互いに結合して構成される金属微粒子層を形成する工程と、
   前記単結晶基板側の前記第１金属層と前記導電性基板側の前記第２金属層とを前記金属微粒子層を介して接合する工程と、
   前記導電性基板に接合された前記単結晶基板を除去する工程と、
   を含むことを特徴とする発光ダイオードの製造方法。
8. 請求項７に記載の発光ダイオードの製造方法において、前記金属微粒子の平均粒径が、ｌｎｍ〜３０ｎｍであることを特徴とする発光ダイオードの製造方法。
9. 請求項７または８に記載の発光ダイオードの製造方法において、前記金属微粒子層の充実率が、７０〜９５％の範囲であることを特徴とする発光ダイオードの製造方法。
10. 請求項７〜９のいずれかに記載の発光ダイオードの製造方法において、前記金属微粒子層を形成する工程が、前記金属微粒子を含む液状またはペースト状物質を塗布する工程と、前記金属微粒子を含む液状またはペースト状物質を加熱して、前記液状またはペースト状物質中の有機物成分を蒸発させると共に前記金属微粒子を融着させる工程とを含むことを特徴とする発光ダイオードの製造方法。
11. 請求項７〜１０のいずれかに記載の発光ダイオードの製造方法において、前記第１金属層と前記第２金属層とを前記金属微粒子層を介して接合させる工程が、真空中で実施され、且つ、接合界面にほぼ垂直な方向の加圧と、前記単結晶基板および導電性基板の加熱とがなされることを特徴とする発光ダイオードの製造方法。
12. 請求項１０または１１に記載の発光ダイオードの製造方法において、前記金属微粒子を含む液状またはペースト状物質を塗布する工程が、インクジェット法またはスクリーン印刷法を用いてなされることを特徴とする発光ダイオードの製造方法。
13. 請求項７〜１２のいずれかに記載の発光ダイオードの製造方法において、前記金属微粒子が、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｒｕから選択された金属の微粒子を含むことを特徴とする発光ダイオードの製造方法。
14. 請求項７〜１３のいずれかに記載の発光ダイオードの製造方法において、前記第１金属層と前記第２金属層が、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｒｕから選択された材料を主成分とする金属層を含むことを特徴とする発光ダイオードの製造方法。

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