JP2013243202A - Manufacturing method of semiconductor light-emitting element - Google Patents

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JP2013243202A JP2012114458A JP2012114458A JP2013243202A JP 2013243202 A JP2013243202 A JP 2013243202A JP 2012114458 A JP2012114458 A JP 2012114458A JP 2012114458 A JP2012114458 A JP 2012114458A JP 2013243202 A JP2013243202 A JP 2013243202A
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Chiharu Sasaki
千治 佐々木
Keita Akiyama
慶太 秋山
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a manufacturing method of a semiconductor light-emitting device which has a high carrier concentration and low contact resistance with metal, in which diffusion of metal into a semiconductor is suppressed, and which is excellent in light-extraction efficiency and luminous efficiency.SOLUTION: A manufacturing method of a semiconductor light-emitting element, comprises: a process of growing on a semiconductor substrate, an n-type semiconductor layer, an active layer and a p-type conductor layer each of which has a composition (AlGa)InP, and a carbon-doped GaInP contact layer; a process of forming a dielectric layer having an opening, on the contact layer; a process of forming a metal electrode layer on the dielectric layer and the opening; a process of forming a first bonding metal layer on the metal electrode layer; a heat treatment process of forming an ohmic contact between the contact layer exposed from the opening and the metal electrode layer; and a process of bonding, by using a support medium in which a second boding metal layer is formed on a support substrate, the first and second bonding metal layers by thermocompression. A carrier concentration of the contact layer is 5×10cmor over and a temperature in the heat treatment process is 400°C or under.

Description

本発明は、成長基板上に成長した半導体層を支持基板に貼り合わせた後、成長基板を除去して形成される半導体発光素子の製造方法、特に、AlGaInP系の発光ダイオード(LED:Light Emitting Diode)の製造方法に関する。   The present invention relates to a method of manufacturing a semiconductor light emitting device formed by bonding a semiconductor layer grown on a growth substrate to a support substrate and then removing the growth substrate, and more particularly, an AlGaInP light emitting diode (LED: Light Emitting Diode). ) Manufacturing method.

発光ダイオード(LED)の高効率化、高輝度化のため、成長基板(又は仮基板)上に成長した半導体発光積層体を、反射ミラーを介して導電性の支持基板(又は永久基板)に貼り合わせ、その後、成長基板を除去した構成のLED(貼合せ構造又はボンディング構造)が採用されている(例えば、特許文献1及び特許文献2)。   In order to increase the efficiency and brightness of light emitting diodes (LEDs), the semiconductor light emitting laminate grown on the growth substrate (or temporary substrate) is attached to a conductive support substrate (or permanent substrate) via a reflection mirror. Then, an LED (bonding structure or bonding structure) having a structure in which the growth substrate is removed is employed (for example, Patent Document 1 and Patent Document 2).

例えば、AlGaInP系LEDにおいて、AlGaInP系半導体積層体をSiやGeなどの不透明支持基板に接合する場合、半導体積層体と接合金属層の間に誘電体層(例えば、SiO2層)及び電極金属層を設けて反射ミラーが構成される。また、誘電体層の一部を除去し、半導体積層体と電極金属層との電気的接触を得ている。 For example, in an AlGaInP-based LED, when an AlGaInP-based semiconductor stack is bonded to an opaque support substrate such as Si or Ge, a dielectric layer (for example, SiO 2 layer) and an electrode metal layer are provided between the semiconductor stack and the bonding metal layer. Is provided to form a reflection mirror. Further, a part of the dielectric layer is removed to obtain electrical contact between the semiconductor laminate and the electrode metal layer.

かかる構造のLEDの光取り出し効率向上のためには、誘電体層の面積をできるだけ大きくすることが必要であるが、その分、半導体と金属との接触面積が低減し、接触抵抗が増大する。一方、発光効率向上のためには、半導体と金属との接触抵抗を低減して動作電圧を低減することが重要になるが、半導体と金属との接触面積を低減すると接触抵抗が増大するという問題がある。半導体と金属との接触抵抗を低減するには、金属と接触する半導体層(コンタクト層)のキャリア濃度を高くする方法があるが、キャリア濃度の制御、高濃度ドーピング、ドーパントの拡散、成長阻害などの困難性を有している(例えば、特許文献3及び特許文献4)。   In order to improve the light extraction efficiency of the LED having such a structure, it is necessary to increase the area of the dielectric layer as much as possible. However, the contact area between the semiconductor and the metal is reduced accordingly, and the contact resistance is increased. On the other hand, in order to improve luminous efficiency, it is important to reduce the operating voltage by reducing the contact resistance between the semiconductor and the metal. However, if the contact area between the semiconductor and the metal is reduced, the contact resistance increases. There is. In order to reduce the contact resistance between the semiconductor and the metal, there is a method of increasing the carrier concentration of the semiconductor layer (contact layer) in contact with the metal. However, control of the carrier concentration, high concentration doping, dopant diffusion, growth inhibition, etc. (For example, patent document 3 and patent document 4).

特開2009−4487号公報JP 2009-4487 A 特開2010−50318号公報JP 2010-50318 A 特開2003−243698号公報JP 2003-243698 A 特開2007−42751号公報JP 2007-42751 A

本発明は、上述した点に鑑みてなされたものであり、その目的は、高キャリア濃度で金属との接触抵抗が低く、かつ金属の半導体中への拡散が抑制され、光取り出し効率及び発光効率に優れた半導体発光装置の製造方法を提供することにある。   The present invention has been made in view of the above-described points. The object of the present invention is to reduce the contact resistance with a metal at a high carrier concentration and suppress the diffusion of the metal into the semiconductor, and the light extraction efficiency and the light emission efficiency. An object of the present invention is to provide a method for manufacturing a semiconductor light emitting device excellent in the above.

本発明の製造方法は、半導体基板上に各々が組成(AlyGa1-yxIn1-xP(0.4≦x≦0.6,0≦y≦1.0)を有するn型半導体層、活性層及びp型半導体層を成長し、p型半導体層上に炭素ドープのGa1-zInzPコンタクト層(0≦z≦0.1)を成長するステップと、
コンタクト層が露出する開口部を有する誘電体層をコンタクト層上に形成するステップと、
誘電体層及び上記開口部上に金属電極層を形成するステップと、
金属電極層上に第1の接合金属層を形成するステップと、
上記開口部から露出するコンタクト層と金属電極層とのオーミックコンタクトを形成する熱処理を行うステップと、
支持基板上に第2の接合金属層が形成された支持体を用い、第1の接合金属層及び第2の接合金属層を熱圧着により接合するステップと、を有し、
コンタクト層のキャリア濃度が5×1019cm-3以上であり、上記熱処理の温度が400℃以下であることを特徴としている。
Production method of the present invention, n-type semiconductor layer, each having a composition (Al y Ga 1-y) x In 1-x P (0.4 ≦ x ≦ 0.6,0 ≦ y ≦ 1.0) on a semiconductor substrate, an active layer And growing a p-type semiconductor layer, and growing a carbon-doped Ga 1-z In z P contact layer (0 ≦ z ≦ 0.1) on the p-type semiconductor layer;
Forming a dielectric layer on the contact layer having an opening through which the contact layer is exposed;
Forming a metal electrode layer on the dielectric layer and the opening; and
Forming a first bonding metal layer on the metal electrode layer;
Performing a heat treatment to form an ohmic contact between the contact layer exposed from the opening and the metal electrode layer;
Using a support in which a second bonding metal layer is formed on a support substrate, and bonding the first bonding metal layer and the second bonding metal layer by thermocompression bonding, and
The carrier concentration of the contact layer is 5 × 10 19 cm −3 or more, and the temperature of the heat treatment is 400 ° C. or less.

実施例1の方法により製造された発光装置を模式的に示す断面図である。3 is a cross-sectional view schematically showing a light emitting device manufactured by the method of Example 1. FIG. 実施例1の発光装置の製造方法を模式的に示す断面図である。6 is a cross-sectional view schematically showing a method for manufacturing the light-emitting device of Example 1. FIG. 実施例1の発光装置の製造方法を模式的に示す断面図である。6 is a cross-sectional view schematically showing a method for manufacturing the light-emitting device of Example 1. FIG. V/III比とキャリア濃度の関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between V / III ratio and carrier concentration. 成長温度とキャリア濃度の関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between growth temperature and carrier concentration. 熱処理温度(合金化温度)に対する接触抵抗(Ωcm2)を示す図である。It is a figure which shows the contact resistance ((ohm) cm < 2 >) with respect to heat processing temperature (alloying temperature). 比較例のLED素子を模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows typically the LED element of a comparative example. 実施例1のLED素子サンプルの駆動電流Idに対する動作電圧Vdの変化を示す図である。It is a figure which shows the change of the operating voltage Vd with respect to the drive current Id of the LED element sample of Example 1. FIG. 熱処理(合金化)温度が500℃の場合(図、左側)及び400℃の場合(図、右側)のコンタクト金属と半導体の界面の断面SEM像である。It is a cross-sectional SEM image of the interface of a contact metal and a semiconductor when heat processing (alloying) temperature is 500 degreeC (a figure, left side) and 400 degreeC (a figure, right side). 熱処理温度が500℃及び400℃の場合のSIMSによる深さ方向プロファイルを示す図である。It is a figure which shows the depth direction profile by SIMS in case heat processing temperature is 500 degreeC and 400 degreeC.

以下においては、本発明の好適な実施例について説明するが、これらを適宜改変し、組合せてもよい。また、以下の説明及び添付図面において、実質的に同一又は等価な部分には同一の参照符を付して説明する。   In the following, preferred embodiments of the present invention will be described, but these may be appropriately modified and combined. In the following description and the accompanying drawings, substantially the same or equivalent parts will be described with the same reference numerals.

図1は、本発明の実施例1の方法により製造された発光装置10を模式的に示す断面図である。発光装置10は、半導体構造層11と支持基板31とが接合層41を介して接合された構造を有するAlGaInP系の発光ダイオード(LED)である。   FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing a light emitting device 10 manufactured by the method of Example 1 of the present invention. The light emitting device 10 is an AlGaInP light emitting diode (LED) having a structure in which a semiconductor structure layer 11 and a support substrate 31 are bonded via a bonding layer 41.

より詳細には、半導体構造層(LED構造層)11は、n型の第1の半導体層12と、発光層14と、p型の第2の半導体層16及びp型のコンタクト層17からなる半導体構造層11を有する。   More specifically, the semiconductor structure layer (LED structure layer) 11 includes an n-type first semiconductor layer 12, a light emitting layer 14, a p-type second semiconductor layer 16, and a p-type contact layer 17. The semiconductor structure layer 11 is included.

また、コンタクト層17上にはSiO又はSiN等の透明絶縁体からなる誘電体層20が形成され、誘電体層20上には金属電極層21が形成されている。そして、誘電体層20及び金属電極層21の積層構造によって、発光層14からの光を反射する反射層が構成されている。また、誘電体層20には開口部が設けられ、当該開口部において金属電極層21とコンタクト層17との電気的接触(コンタクト)がとられている。 A dielectric layer 20 made of a transparent insulator such as SiO 2 or SiN is formed on the contact layer 17, and a metal electrode layer 21 is formed on the dielectric layer 20. A reflective layer that reflects light from the light emitting layer 14 is configured by the laminated structure of the dielectric layer 20 and the metal electrode layer 21. The dielectric layer 20 is provided with an opening, and the metal electrode layer 21 and the contact layer 17 are in electrical contact (contact) with the opening.

[発光装置10の製造方法]
実施例1による発光装置10の製造方法について、AlGaInP系の発光ダイオード(LED)の場合を例に以下に詳細に説明する。図2(a)〜(c)及び図3(a)、(b)は、実施例1の発光装置10の製造方法を模式的に示す断面図である。
[Manufacturing Method of Light-Emitting Device 10]
The method for manufacturing the light emitting device 10 according to the first embodiment will be described in detail below by taking the case of an AlGaInP light emitting diode (LED) as an example. 2A to 2C and FIGS. 3A and 3B are cross-sectional views schematically showing a method for manufacturing the light-emitting device 10 of the first embodiment.

MOCVD(Metal-Organic Chemical Vapor Deposition)法を用いて結晶成長を行い、半導体構造層11を形成した。III族有機金属原料としてTMG(トリメチルガリウム)、TMA(トリメチルアルミニウム)、TMI(トリメチルインジウム)を用い、V族原料としてPH3(ホスフィン)を用いた。また、n型ドーパントはSi(シリコン)とし、その原料としてSIH4(シラン)を、p型ドーパントはMg(マグネシウム)とし、その原料としてCp2Mg(ビスシクロペンタジエニルマグネシウム)を用いた。なお、p型コンタクト層のドーパントは炭素(C)とし、その原料としてCBr4(テトラブロモカーボン)を用いた。キャリアガスとしては水素(H)を用い、成長圧力は10kPa(Pa:パスカル)の減圧下で成長を行った。また、V/III比は30〜300、AlGaInP系半導体層の成長温度は680℃、Mgドープ電流拡散層の成長温度は750℃であった。また、成長基板10Aとして、(100)面から15°傾斜した(オフ角が15°)のn型GaAs基板を用いた。また、
より詳細には、図2(a)に示すように、GaAs成長基板10Aの(100)面上に、半導体構造層(LED構造層)11をエピタキシャル成長した。具体的には、厚さが3μm(マイクロメートル)でSiドープ(キャリア濃度1×1018 cm-3)の(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5Pからなるn型電流拡散層12A、厚さが0.5μmでSiドープ(キャリア濃度2×1017 cm-3)のAl0.5In0.5Pからなるnクラッド層12Bをこの順で順次エピタキシャル成長した。n型電流拡散層12A及びnクラッド層12Bにより第1の半導体層12が構成される。第1の半導体層12上に、(Al0.1Ga0.9)0.5In0.5P量子井戸層(層厚:10nm)及び(Al0.5Ga0.5)0.5In0.5P障壁層(層厚:10nm)が20周期形成された多重量子井戸(MQW)からなる活性層14を成長した。また、活性層14上に、Mgドープ(キャリア濃度3×1017 cm-3)の(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5Pからなるpクラッド層16A(層厚:1μm)、Mgドープ(キャリア濃度2×1018 cm-3)のGaPからなるp型電流拡散層(層厚:1μm)16Bを成長した。pクラッド層16A及びp型電流拡散層16Bにより第2の半導体層12が構成される。さらに、p型電流拡散層16B上に、炭素(C)をドープしたGaPからなるpコンタクト層17を成長した。GaPコンタクト層17のキャリア濃度は、1×1019〜5×1020cm-3、層厚は5〜100nmとした。
Crystal growth was performed using MOCVD (Metal-Organic Chemical Vapor Deposition) method to form the semiconductor structure layer 11. TMG (trimethylgallium), TMA (trimethylaluminum), and TMI (trimethylindium) were used as group III organometallic materials, and PH 3 (phosphine) was used as group V materials. The n-type dopant was Si (silicon), SIH 4 (silane) was used as the raw material, Mg (magnesium) was used as the p-type dopant, and Cp 2 Mg (biscyclopentadienyl magnesium) was used as the raw material. The dopant of the p-type contact layer was carbon (C), and CBr4 (tetrabromocarbon) was used as the raw material. Hydrogen (H 2 ) was used as a carrier gas, and growth was performed under a reduced pressure of 10 kPa (Pa: Pascal). The V / III ratio was 30 to 300, the growth temperature of the AlGaInP-based semiconductor layer was 680 ° C., and the growth temperature of the Mg-doped current diffusion layer was 750 ° C. Further, as the growth substrate 10A, an n-type GaAs substrate tilted by 15 ° from the (100) plane (off angle: 15 °) was used. Also,
More specifically, as shown in FIG. 2A, the semiconductor structure layer (LED structure layer) 11 was epitaxially grown on the (100) plane of the GaAs growth substrate 10A. Specifically, the n-type current diffusion layer 12A made of (Al 0.7 Ga 0.3 ) 0.5 In 0.5 P with a thickness of 3 μm (micrometer) and Si-doped (carrier concentration 1 × 10 18 cm −3 ) has a thickness of An n-cladding layer 12B made of Al 0.5 In 0.5 P of 0.5 μm and Si-doped (carrier concentration 2 × 10 17 cm −3 ) was epitaxially grown in this order. The first semiconductor layer 12 is configured by the n-type current diffusion layer 12A and the n-clad layer 12B. On the first semiconductor layer 12, (Al 0.1 Ga 0.9) 0.5 In 0.5 P quantum well layers (thickness: 10 nm) and (Al 0.5 Ga 0.5) 0.5 In 0.5 P barrier layer (thickness: 10 nm) is 20 cycles The active layer 14 made of the formed multiple quantum well (MQW) was grown. On the active layer 14, a p-cladding layer 16A (layer thickness: 1 μm) made of (Al 0.7 Ga 0.3 ) 0.5 In 0.5 P with Mg doping (carrier concentration 3 × 10 17 cm −3 ), Mg doping (carrier concentration) A p-type current diffusion layer (layer thickness: 1 μm) 16B made of GaP of 2 × 10 18 cm −3 ) was grown. The second semiconductor layer 12 is configured by the p-cladding layer 16A and the p-type current diffusion layer 16B. Further, a p-contact layer 17 made of GaP doped with carbon (C) was grown on the p-type current diffusion layer 16B. The carrier concentration of the GaP contact layer 17 was 1 × 10 19 to 5 × 10 20 cm −3 and the layer thickness was 5 to 100 nm.

なお、以下においては、第1の半導体層12がn型電流拡散層12A及びnクラッド層12Bが構成され、第2の半導体層12がpクラッド層16A及びp型電流拡散層16Bが構成されている場合を例に説明するが、第1の半導体層12及び/又は第2の半導体層12は、さらに他の半導体層を含んでいてもよい。例えば、当該半導体層には、キャリア注入層、キャリアオーバーフロー防止のための障壁層、オーミック接触性向上のためのコンタクト層、バッファ層などが含まれていてもよい。あるいは第1の半導体層12及び/又は第2の半導体層が単層で構成されていてもよい。   In the following description, the first semiconductor layer 12 includes an n-type current diffusion layer 12A and an n-cladding layer 12B, and the second semiconductor layer 12 includes a p-cladding layer 16A and a p-type current diffusion layer 16B. However, the first semiconductor layer 12 and / or the second semiconductor layer 12 may further include other semiconductor layers. For example, the semiconductor layer may include a carrier injection layer, a barrier layer for preventing carrier overflow, a contact layer for improving ohmic contact, a buffer layer, and the like. Alternatively, the first semiconductor layer 12 and / or the second semiconductor layer may be configured as a single layer.

次に、図2(b)に示すように、GaPコンタクト層17上にスパッタにより誘電体層(SiO2)の成膜を行った。次に、フォトリソグラフィによりパターニングを行い、SiO2膜の一部をエッチングにより除去し、開口部20Aが設けられた誘電体層20を形成した。その後、スパッタによりコンタクト金属(AuZn)からなる金属電極層21を蒸着した。金属電極層21の蒸着により誘電体層20の開口部20Aは埋められ、当該開口部20A(すなわち、コンタクト部)において金属電極層21の金属電極層21とコンタクト層17との電気的接触(コンタクト)がとられる。 Next, as shown in FIG. 2B, a dielectric layer (SiO 2 ) was formed on the GaP contact layer 17 by sputtering. Next, patterning was performed by photolithography, and a part of the SiO 2 film was removed by etching to form a dielectric layer 20 provided with an opening 20A. Thereafter, a metal electrode layer 21 made of contact metal (AuZn) was deposited by sputtering. The opening 20A of the dielectric layer 20 is filled by vapor deposition of the metal electrode layer 21, and electrical contact (contact) between the metal electrode layer 21 of the metal electrode layer 21 and the contact layer 17 in the opening 20A (that is, the contact portion). ) Is taken.

次に、金属電極層21上にバリアメタル層として、TaN層22、TiW層23、TaN層24の成膜を順次行った。次に、窒素雰囲気下で熱処理(合金化処理)を行った。合金化処理の温度条件等については後に詳述する。なお、コンタクト層17と電極層21が接触するコンタクト部の接触面積は素子面積の5%、すなわち開口部20Aが占める面積は誘電体層20及び開口部20Aの全体の面積の5%とした。次に、スパッタにより、TaN層24上に半田吸収層(Sn吸収層)として機能するNi層26を成膜し、Ni層26上に濡れ性向上層として機能するAu層27の成膜を行った。すなわち、電極層21上に形成した金属層22〜27により第1の接合金属層28が構成されている。なお、電極層21の金属層、第1の接合金属層28の成膜はスパッタ法に限らず、例えば抵抗加熱蒸着、電子ビーム(EB)蒸着法などを適宜用いることができる。かかる工程により、半導体発光体29の形成が完了する。   Next, a TaN layer 22, a TiW layer 23, and a TaN layer 24 were sequentially formed on the metal electrode layer 21 as a barrier metal layer. Next, heat treatment (alloying treatment) was performed in a nitrogen atmosphere. The temperature conditions for alloying will be described in detail later. The contact area of the contact portion where the contact layer 17 and the electrode layer 21 contact is 5% of the element area, that is, the area occupied by the opening 20A is 5% of the total area of the dielectric layer 20 and the opening 20A. Next, a Ni layer 26 that functions as a solder absorption layer (Sn absorption layer) is formed on the TaN layer 24 by sputtering, and an Au layer 27 that functions as a wettability improving layer is formed on the Ni layer 26. It was. That is, the first bonding metal layer 28 is constituted by the metal layers 22 to 27 formed on the electrode layer 21. The formation of the metal layer of the electrode layer 21 and the first bonding metal layer 28 is not limited to the sputtering method, and for example, resistance heating vapor deposition, electron beam (EB) vapor deposition, or the like can be used as appropriate. With this process, the formation of the semiconductor light emitter 29 is completed.

次に、図2(c)に示すように、半導体発光体29と貼り合わせを行う支持体30を形成した。例えばシリコン(Si)からなる支持基板31の表面及び裏面に、それぞれPt(白金)層33、32をスパッタにより形成した。支持基板(Si基板)31には、例えばホウ素が3×1018 cm-3以上ドーピングされている。次に、Pt層33上にスパッタによりTi層34、半田吸収層(Sn吸収層)として機能するNi層35、濡れ性向上層として機能するAu層36、半田層であるAuSn層37をこの順で順次形成した。なお、上記した半田吸収層(Sn吸収層)はNiに限らず、例えばPt又はPd(パラジウム)などであってもよい。すなわち、支持基板31上に形成した金属層33〜37により第2の接合金属層38が形成されている。また、これらの金属層の成膜はスパッタ法に限らず、例えば抵抗加熱蒸着、電子ビーム(EB)蒸着法などを適宜用いることができる。 Next, as shown in FIG. 2C, a support 30 for bonding to the semiconductor light emitting body 29 was formed. For example, Pt (platinum) layers 33 and 32 were formed by sputtering on the front and back surfaces of a support substrate 31 made of silicon (Si), for example. The support substrate (Si substrate) 31 is doped with, for example, boron 3 × 10 18 cm −3 or more. Next, a Ti layer 34, a Ni layer 35 functioning as a solder absorption layer (Sn absorption layer), an Au layer 36 functioning as a wettability improving layer, and an AuSn layer 37 as a solder layer are formed in this order on the Pt layer 33 by sputtering. Were sequentially formed. The solder absorption layer (Sn absorption layer) described above is not limited to Ni, and may be Pt or Pd (palladium), for example. That is, the second bonding metal layer 38 is formed by the metal layers 33 to 37 formed on the support substrate 31. The formation of these metal layers is not limited to sputtering, and for example, resistance heating vapor deposition, electron beam (EB) vapor deposition, or the like can be used as appropriate.

次に、図3(a)に示すように、半導体発光体29の第1の接合金属層28の最表面層であるAu層27と、支持体30の第2の接合金属層38の最表面層であるAuSn層37とを対向させて密着し、窒素雰囲気下で熱圧着した。熱圧着の条件は、例えば、圧力が約1MPa(メガパスカル)、温度が320℃〜370℃、圧着時間が約10分間である。ここで、熱圧着の温度は400℃以下であり、好ましくは、オーミック接触を得るための熱処理温度(後述する合金化温度)以下である。この熱圧着によって、AuSn層37が溶融し、Au層27及びAu層36のAu並びにNi層26及びNi層35のNiが、溶融しているAuSn層37に溶解する。更に、Au層27、Au層36及びAuSn層37のAu及びSnが、Ni層(Sn吸収層)26及びNi層(Sn吸収層)35に拡散して吸収される。更に、図3(b)に示すように、溶融したAuSn層37が固化することにより、AuSnNiかなる接合層40が形成される。次に、アンモニア水と過酸化水素水との混合液を用いたウェットエッチングにより、GaAs基板10Aを除去した。なお、GaAs基板10Aの除去は、ドライエッチング、化学機械研磨(CMP:Chemical Mechanical Polishing)、機械的研削などによって行われても良い。   Next, as shown in FIG. 3A, the outermost surface layer of the first bonding metal layer 28 of the semiconductor light emitting body 29 and the outermost surface of the second bonding metal layer 38 of the support 30. The AuSn layer 37, which is a layer, was placed in close contact with each other and thermocompression bonded in a nitrogen atmosphere. The thermocompression bonding conditions are, for example, a pressure of about 1 MPa (megapascal), a temperature of 320 ° C. to 370 ° C., and a pressure bonding time of about 10 minutes. Here, the temperature of thermocompression bonding is 400 ° C. or lower, and is preferably lower than the heat treatment temperature (alloying temperature described later) for obtaining ohmic contact. By this thermocompression bonding, the AuSn layer 37 is melted, and Au in the Au layer 27 and the Au layer 36 and Ni in the Ni layer 26 and the Ni layer 35 are dissolved in the melted AuSn layer 37. Further, Au and Sn in the Au layer 27, the Au layer 36, and the AuSn layer 37 are diffused and absorbed in the Ni layer (Sn absorption layer) 26 and the Ni layer (Sn absorption layer) 35. Furthermore, as shown in FIG. 3B, the molten AuSn layer 37 is solidified to form a bonding layer 40 made of AuSnNi. Next, the GaAs substrate 10A was removed by wet etching using a mixed solution of ammonia water and hydrogen peroxide water. The removal of the GaAs substrate 10A may be performed by dry etching, chemical mechanical polishing (CMP), mechanical grinding, or the like.

GaAs基板10Aを除去することにより第1の半導体層12の表面、すなわちn型電流拡散層12Aの表面が露出する。光取り出し効率向上のため、n型電流拡散層12Aの表面に凹凸形状の光取り出し構造45を形成した。光取り出し構造45は、n型電流拡散層12Aの異方性ウェットエッチングにより形成することができる。あるいは、光取り出し構造45は、フォトリソグラフィ、電子線リソグラフィ、電子線(EB)描画装置、ナノインプリント、レーザ露光法等により形成したレジストをマスクパターンとしたエッチングにより形成することができる。また、n型電流拡散層12Aの表面の一部にn電極43を形成し、LEDデバイス構造を形成した。なお、支持基板31の裏面に形成されたPt(白金)層32がp電極として機能する。   By removing the GaAs substrate 10A, the surface of the first semiconductor layer 12, that is, the surface of the n-type current diffusion layer 12A is exposed. In order to improve the light extraction efficiency, an uneven light extraction structure 45 was formed on the surface of the n-type current diffusion layer 12A. The light extraction structure 45 can be formed by anisotropic wet etching of the n-type current diffusion layer 12A. Alternatively, the light extraction structure 45 can be formed by etching using a resist formed by photolithography, electron beam lithography, an electron beam (EB) drawing apparatus, nanoimprint, laser exposure, or the like as a mask pattern. Further, an n-electrode 43 was formed on a part of the surface of the n-type current diffusion layer 12A to form an LED device structure. Note that the Pt (platinum) layer 32 formed on the back surface of the support substrate 31 functions as a p-electrode.

[GaP層のドーピング]
前述のように、組成がGaPであるコンタクト層17に炭素(C)をドーピングするための材料として、CBr4(テトラブロモカーボン)を用いた。Mg材料のCp2Mg(ビスシクロペンタジエニルマグネシウムと同様にCBr4も常温で固体である。GaP層への炭素(C)のドーピングの検討のため、成長条件を変えてGaP層を成長した。
[Doping of GaP layer]
As described above, CBr 4 (tetrabromocarbon) was used as a material for doping carbon (C) into the contact layer 17 having a composition of GaP. For consideration doping carbon (C) to Cp2Mg of Mg material (biscyclopentadienyl magnesium as well as CBr 4 are also solid at room temperature .GaP layer, it was grown GaP layer by changing the growth conditions.

炭素(C)はIV族元素であり、V族サイトを置換することにより、p型不純物として働く。まず初めに、CBr4の供給量を10μmol/minとし、MgドープGaP電流拡散層16Bと同じ成長温度(すなわち、750℃)及びV/III比を100として成長を行ったところ、p型導電性を示さなかった。すなわち、Mgドーピングの場合と同じ条件ではp型導電性が得られないことが分かった。前述したように、炭素(C)はV族サイトを置換することにより、p型不純物として働くので、V族原料であるホスフィンの供給量、すなわち、V/III比を制御して成長を行い、キャリア濃度の検討を行った。具体的には、CBr4の供給量を10μmol/min、成長温度685℃とし、V/III比を変化させて、キャリア濃度を調べた。なお、Mgドーピングの場合よりも成長温度を低く設定したのは、カーボンの取り込み効率をよくするためである。 Carbon (C) is a group IV element, and acts as a p-type impurity by substituting the group V site. First, growth was performed at a CBr 4 supply rate of 10 μmol / min, the same growth temperature as the Mg-doped GaP current diffusion layer 16B (ie, 750 ° C.) and a V / III ratio of 100. Did not show. That is, it was found that p-type conductivity cannot be obtained under the same conditions as in the case of Mg doping. As described above, carbon (C) acts as a p-type impurity by substituting the group V site, so that the supply amount of phosphine as the group V raw material, that is, the V / III ratio is controlled to grow, The carrier concentration was examined. Specifically, the carrier concentration was examined by changing the V / III ratio while setting the supply amount of CBr 4 to 10 μmol / min and the growth temperature of 685 ° C. The reason why the growth temperature is set lower than in the case of Mg doping is to improve the carbon uptake efficiency.

図4は、V/III比とキャリア濃度の関係を示す。V/III比を2〜25の範囲で変化させた。なお、以下に説明する図において、Enは指数表記であり、例えば、5E20は5×1020を表している。V/III比を小さくしていくと、キャリア濃度は大きくなり、V/III比=2では1×1019cm-3のキャリア濃度が得られた。しかし、動作電圧低減のためには、さらにキャリア濃度を増加させることが好ましい。 FIG. 4 shows the relationship between the V / III ratio and the carrier concentration. The V / III ratio was varied in the range of 2-25. In the drawings described below, En is an exponential notation, for example, 5E20 represents 5 × 10 20 . As the V / III ratio was decreased, the carrier concentration was increased. When the V / III ratio = 2, a carrier concentration of 1 × 10 19 cm −3 was obtained. However, it is preferable to further increase the carrier concentration in order to reduce the operating voltage.

そこで、V/III比=2として、成長温度の検討を行った。成長温度を、550〜685℃の範囲で変化させた。図5に成長温度とキャリア濃度の関係を示す。成長温度を低減することによってキャリア濃度が増加することが分かった。具体的には、成長温度を550℃に下げることによって、5×1020cm-3のキャリア濃度を得ることが可能となった。さらに成長温度を下げると、GaP成長ができないため、成長温度は550℃以上630℃以下が好ましい。また、V/III比をさらに下げると、GaP層の表面状態(モフォロジ)が悪化するため、V/III比は2以上が良いことが分かった。MgやZnを用いた場合、このようなV/III比、成長温度では良い結晶を得ることができない。本実施例によれば、成長温度を下げることにより、V/III比が5でも、5×1019cm-3が得られている。よって、成長温度は、550〜685℃の範囲で、V/III比が2ないし5の範囲であれば、キャリア濃度5×1019〜5×1020cm-3を得ることができることが分かった。 Therefore, the growth temperature was examined with the V / III ratio = 2. The growth temperature was changed in the range of 550 to 685 ° C. FIG. 5 shows the relationship between the growth temperature and the carrier concentration. It has been found that the carrier concentration increases by reducing the growth temperature. Specifically, the carrier concentration of 5 × 10 20 cm −3 can be obtained by lowering the growth temperature to 550 ° C. Further, if the growth temperature is lowered, GaP growth cannot be performed, so the growth temperature is preferably 550 ° C. or higher and 630 ° C. or lower. Further, it was found that when the V / III ratio is further lowered, the surface state (morphology) of the GaP layer is deteriorated, so that the V / III ratio is preferably 2 or more. When Mg or Zn is used, good crystals cannot be obtained with such a V / III ratio and growth temperature. According to this example, by reducing the growth temperature, 5 × 10 19 cm −3 is obtained even when the V / III ratio is 5. Therefore, it was found that when the growth temperature is in the range of 550 to 685 ° C. and the V / III ratio is in the range of 2 to 5, a carrier concentration of 5 × 10 19 to 5 × 10 20 cm −3 can be obtained. .

[LED構造の作製及び接触抵抗]
次に実際にLED構造を作製し、炭素ドープGaPコンタクト層17の層厚、キャリア濃度を変化させて接触抵抗について検討した。AlGaInP系半導体層、すなわちAlGaInP電流拡散層層12A、AlInP層クラッド層12B、AlGaInP系活性層14及びAlGaInPクラッド層層16Aの成長温度を680℃とし、MgドープGaP電流拡散層16Bの成長温度を750℃とし、炭素ドープGaPコンタクト層17の成長温度を600℃としてエピタキシャル成長を行った。
[Production of LED structure and contact resistance]
Next, an LED structure was actually fabricated, and contact resistance was examined by changing the layer thickness and carrier concentration of the carbon-doped GaP contact layer 17. The growth temperature of the AlGaInP-based semiconductor layer, that is, the AlGaInP current diffusion layer 12A, the AlInP layer cladding layer 12B, the AlGaInP-based active layer 14 and the AlGaInP cladding layer 16A is 680 ° C., and the growth temperature of the Mg-doped GaP current diffusion layer 16B is 750. The epitaxial growth was performed by setting the growth temperature of the carbon-doped GaP contact layer 17 to 600 ° C.

また、炭素ドープGaPコンタクト層17の層厚は50nmとし、キャリア濃度を1×1019〜5×1020cm-3とした。このように形成したサンプルのコンタクト層17上にAuZnを真空蒸着法により蒸着し、オーミック接触を得るための熱処理(合金化)を行って接触抵抗を調べた。 The layer thickness of the carbon-doped GaP contact layer 17 was 50 nm, and the carrier concentration was 1 × 10 19 to 5 × 10 20 cm −3 . AuZn was vapor-deposited on the sample contact layer 17 formed in this way by a vacuum vapor deposition method, and heat resistance (alloying) was performed to obtain ohmic contact, and the contact resistance was examined.

図6は、熱処理温度(合金化温度)に対する接触抵抗(Ωcm2)を示している。なお、GaPコンタクト層17のキャリア濃度が5×1019及び1×1019cm-3の場合について示している。熱処理温度が500℃の場合、キャリア濃度が5×1019cm-3以上では、接触抵抗はおよそ1×10-6Ωcm2以下となり良好な値を得ることができた。一方、キャリア濃度が1×1019cm-3の場合では、2×10-5Ωcm2となり、一桁高い接触抵抗を示した。 FIG. 6 shows the contact resistance (Ωcm 2 ) with respect to the heat treatment temperature (alloying temperature). The case where the carrier concentration of the GaP contact layer 17 is 5 × 10 19 and 1 × 10 19 cm −3 is shown. When the heat treatment temperature was 500 ° C., when the carrier concentration was 5 × 10 19 cm −3 or more, the contact resistance was about 1 × 10 −6 Ωcm 2 or less, and a good value could be obtained. On the other hand, when the carrier concentration was 1 × 10 19 cm −3 , the contact resistance was 2 × 10 −5 Ωcm 2 , indicating an order of magnitude higher contact resistance.

GaPコンタクト層17のキャリア濃度が5×1019cm-3以上の場合では、熱処理温度を400℃及び350℃に低減しても、接触抵抗は約1×10-6Ωcm2以下を維持した。しかし、キャリア濃度が1×1019cm-3の場合、熱処理温度では400℃以下では急激に接触抵抗が大きくなることが分かった。具体的には、熱処理温度が400℃では接触抵抗は2×10-4Ωcm2と大きくなり、350℃では1Ωcm2(=1E+00Ωcm2)と接触抵抗が極めて大きくなることが分かった。 When the carrier concentration of the GaP contact layer 17 was 5 × 10 19 cm −3 or more, the contact resistance was maintained at about 1 × 10 −6 Ωcm 2 or less even when the heat treatment temperature was reduced to 400 ° C. and 350 ° C. However, it was found that when the carrier concentration is 1 × 10 19 cm −3 , the contact resistance increases rapidly at a heat treatment temperature of 400 ° C. or lower. Specifically, it was found that the contact resistance increases as 2 × 10 −4 Ωcm 2 at a heat treatment temperature of 400 ° C., and the contact resistance increases as 1 Ωcm 2 (= 1E + 00 Ωcm 2 ) at 350 ° C.

これは、キャリア濃度が低い場合、熱処理温度(合金化温度)が低いと、オーミックコンタクトを得るための不純物の拡散が減少するため、接触抵抗が大きくなるからと考えられる。一方、キャリア濃度が5×1019cm-3以上では、熱処理温度が低く、不純物の拡散が少なくても、キャリア濃度が高いため接触抵抗は上昇しないと考えられる。前述のように、キャリア濃度が5×1019cm-3以上では熱処理温度が350℃と低い場合でも400℃以上の場合と同程度の接触抵抗が得られた。 This is presumably because, when the carrier concentration is low, if the heat treatment temperature (alloying temperature) is low, the diffusion of impurities for obtaining ohmic contact is reduced, so that the contact resistance increases. On the other hand, it is considered that when the carrier concentration is 5 × 10 19 cm −3 or more, the contact resistance does not increase because the carrier concentration is high even if the heat treatment temperature is low and the diffusion of impurities is small. As described above, when the carrier concentration is 5 × 10 19 cm −3 or more, even when the heat treatment temperature is as low as 350 ° C., contact resistance comparable to that at 400 ° C. or more is obtained.

[LED素子の評価]
次に、前述したSi基板を支持基板として用いた貼合せ構造の発光装置(LED素子)10(図1、実施例1)を製作した。また、比較例として、GaAs基板上に実施例1と同じ半導体構造層(LED構造層)91を形成したLED素子90を製作した。より詳細には、図7に示すように、LED素子90は、n−GaAs基板90A上にn型電流拡散層92A、nクラッド層92B、量子井戸活性層94、pクラッド層96A、p型電流拡散層96B、炭素(C)をドープしたGaPコンタクト層97をエピタキシャル成長した。なお、各層の結晶組成、層厚、キャリア濃度等は実施例1の場合と同じである。すなわち、比較例のLED素子90における半導体構造層91は、実施例1の半導体構造層11と同じ層構造を有する。また、GaPコンタクト層97上には第1の電極(p電極)98を、n−GaAs基板90Aの裏面には第2の電極(n電極)99を形成した。なお、実施例1及び比較例のGaPコンタクト層17、97の層厚は50nmとし、キャリア濃度は1×1019cm-3及び5×1019cm-3とした各2種類のサンプルを製作した。
[Evaluation of LED elements]
Next, a light emitting device (LED element) 10 (FIG. 1, Example 1) having a bonded structure using the Si substrate described above as a supporting substrate was manufactured. As a comparative example, an LED element 90 in which the same semiconductor structure layer (LED structure layer) 91 as that of Example 1 was formed on a GaAs substrate was manufactured. More specifically, as shown in FIG. 7, the LED element 90 includes an n-type current diffusion layer 92A, an n-clad layer 92B, a quantum well active layer 94, a p-clad layer 96A, a p-type current on an n-GaAs substrate 90A. A diffusion layer 96B and a GaP contact layer 97 doped with carbon (C) were epitaxially grown. The crystal composition, layer thickness, carrier concentration, etc. of each layer are the same as those in the first embodiment. That is, the semiconductor structure layer 91 in the LED element 90 of the comparative example has the same layer structure as the semiconductor structure layer 11 of the first embodiment. A first electrode (p electrode) 98 was formed on the GaP contact layer 97, and a second electrode (n electrode) 99 was formed on the back surface of the n-GaAs substrate 90A. In addition, two types of samples each having a thickness of 50 nm and a carrier concentration of 1 × 10 19 cm −3 and 5 × 10 19 cm −3 were manufactured for the GaP contact layers 17 and 97 of Example 1 and Comparative Example. .

前述のように、貼合せ構造のLED素子10では、半導体構造層11と接合金属層の間に誘電体層20が設けられ、誘電体層20の一部を除去し、半導体積層体11と金属電極層21との電気的接触を得ている。しかし、光取り出し効率向上のため誘電体層20の面積をできるだけ大きく(すなわち、半導体と金属との接触面積を低減)することが行われる。基板上に半導体構造層を形成し、半導体構造層表面から光を取り出す比較例の構造のLED素子においては、一般に、貼り合わせ構造のLED素子よりも半導体と金属との接触面積(コンタクト面積)は大きい。具体的には、比較例の構造のLED素子においては、半導体と金属との接触面積は素子面積の、例えば25%程度であるが、貼合せ構造のLED素子では、光取り出し効率向上のためコンタクト面積はその半分以下になってしまう。例えば、貼合せ構造のLED素子においては、コンタクト面積は素子面積の、例えば3〜15%程度とされる。実施例1のLED素子10においては、上記したように、コンタクト層17と電極層21が接触するコンタクト部の接触面積は素子面積の5%とした。また、比較例のLED素子90においては、コンタクト面積は素子面積の25%とした。なお、実施例1及び比較例のLED素子10、90の製作において、熱処理(合金化)温度を400℃とした。   As described above, in the LED element 10 having the bonded structure, the dielectric layer 20 is provided between the semiconductor structure layer 11 and the bonding metal layer, and a part of the dielectric layer 20 is removed, so that the semiconductor laminate 11 and the metal Electrical contact with the electrode layer 21 is obtained. However, in order to improve the light extraction efficiency, the area of the dielectric layer 20 is increased as much as possible (that is, the contact area between the semiconductor and the metal is reduced). In the LED element of the comparative example structure in which the semiconductor structure layer is formed on the substrate and the light is extracted from the surface of the semiconductor structure layer, the contact area (contact area) between the semiconductor and the metal is generally smaller than the LED element of the bonded structure. large. Specifically, in the LED element having the structure of the comparative example, the contact area between the semiconductor and the metal is, for example, about 25% of the element area, but in the LED element having the laminated structure, the contact is made to improve the light extraction efficiency. The area will be less than half of that. For example, in an LED element having a laminated structure, the contact area is, for example, about 3 to 15% of the element area. In the LED element 10 of Example 1, as described above, the contact area of the contact portion where the contact layer 17 and the electrode layer 21 contact is 5% of the element area. Further, in the LED element 90 of the comparative example, the contact area was set to 25% of the element area. In manufacturing the LED elements 10 and 90 of Example 1 and Comparative Example, the heat treatment (alloying) temperature was set to 400 ° C.

実施例1のLED素子10及び比較例のLED素子90をステムに搭載し、ワイヤーボンディングによる配線を行った。下記の表1は、実施例1及び比較例のLED素子サンプルを駆動電流20mAで駆動した場合の動作電圧Vf(@20mA)を示している。   The LED element 10 of Example 1 and the LED element 90 of the comparative example were mounted on a stem, and wiring by wire bonding was performed. Table 1 below shows the operating voltage Vf (@ 20 mA) when the LED element samples of Example 1 and Comparative Example are driven with a drive current of 20 mA.

表1に示すように、比較例のLED素子90では、炭素ドープのコンタクト層97のキャリア濃度が1×1019cm-3及び5×1019cm-3の場合、それぞれ動作電圧は1.95V、1.90Vであった。一方、コンタクト面積がLED素子90の1/5である実施例1のLED素子10でも、コンタクト層17のキャリア濃度が1×1019cm-3及び5×1019cm-3の場合、それぞれ動作電圧は2.00V、1.92Vと、比較例のLED素子90と大きな違いは見られなかった。 As shown in Table 1, in the LED element 90 of the comparative example, when the carrier concentration of the carbon-doped contact layer 97 is 1 × 10 19 cm −3 and 5 × 10 19 cm −3 , the operating voltage is 1.95 V, 1.90V. On the other hand, the LED element 10 of Example 1 whose contact area is 1/5 of the LED element 90 also operates when the carrier concentration of the contact layer 17 is 1 × 10 19 cm −3 and 5 × 10 19 cm −3. The voltages were 2.00 V and 1.92 V, which was not significantly different from the LED element 90 of the comparative example.

また、図8は、実施例1のLED素子サンプルの駆動電流Idに対する動作電圧Vdの変化を示している。なお、熱処理(合金化)温度を400℃としたLED素子サンプルについて示している。駆動電流Idが20mA程度の低電流駆動領域では、キャリア濃度が1×1019cm-3及び5×1019cm-3と異なってもLED素子の動作電圧Vdに大きな変化は見られないが、駆動電流Idの増大に伴い、コンタクト層17のキャリア濃度の違いにより動作電圧Vdには大きな差が現れた。このような動作電圧の増大は、LEDの効率低下の原因となる。すなわち、動作電圧は低いほうがLEDの効率は高く、エネルギー変換効率がよい。GaAs基板上に作製され電極を具備した比較例のLED装置では、大電流駆動領域(例えば、100mAを超える電流域)で使用されることが無いため、問題とならない。しかしGaAs基板を剥離してより大きな熱伝導率のSi基板を貼り合わせた実施例1の貼合せ構造のLED装置では、大電流駆動領域での使用が期待される。従って、動作電圧の上昇は大きな問題となる。動作電圧の上昇はLED装置で発生する熱がより多くなることであり、これは効率の低下を招くからである。 FIG. 8 shows a change in the operating voltage Vd with respect to the drive current Id of the LED element sample of Example 1. In addition, it has shown about the LED element sample which heat processing (alloying) temperature was 400 degreeC. In the low current driving region where the driving current Id is about 20 mA, even if the carrier concentration is different from 1 × 10 19 cm −3 and 5 × 10 19 cm −3 , there is no significant change in the operating voltage Vd of the LED element. As the drive current Id increases, a large difference appears in the operating voltage Vd due to the difference in carrier concentration of the contact layer 17. Such an increase in operating voltage causes a reduction in LED efficiency. That is, the lower the operating voltage, the higher the efficiency of the LED and the better the energy conversion efficiency. The LED device of the comparative example manufactured on the GaAs substrate and provided with the electrode does not cause a problem because it is not used in a large current driving region (for example, a current region exceeding 100 mA). However, the LED device having the bonding structure of Example 1 in which the GaAs substrate is peeled off and the Si substrate having a higher thermal conductivity is bonded is expected to be used in a large current driving region. Therefore, the increase of the operating voltage becomes a big problem. The increase in operating voltage means that more heat is generated in the LED device, which causes a decrease in efficiency.

すなわち、貼合せ構造のLED素子10の効率を向上するには、内部量子効率の向上に加え、動作電圧の低減が重要である。動作電圧を低減するためには、コンタクト金属との接触抵抗を下げることが重要になる。しかしながら、前述したように、貼合せ構造の場合には半導体層と金属との接触面積が小さくなってしまうため、比較例の構造における半導体層のキャリア濃度(例えば、1×1019cm-3程度)では動作電圧が上昇してしまう。特に、高出力の半導体発光装置では、高い電流値で駆動するため、接触面積の減少による動作電圧の上昇の影響はさらに顕著になる。

一方、金属との接触抵抗を下げるためには、金属と接触する半導体層のキャリア濃度を高くする必要がある。しかしながら、ドーパントとしてMgやZnを用いた場合(例えば、特許文献3及び4)、1×1018〜1×1019cm-3程度までの範囲でしかキャリア濃度を制御することができず、キャリア濃度が5×1019cm-3を超えるものの作製は難しい。さらに、これらのドーピング材料を多量に添加した場合、成長炉内に残留するメモリー効果や、Znに関しては拡散係数が大きくAlGaInP層中で拡散しやすく、意図しない部分(活性層など)に拡散することにより、信頼性に悪影響を及ぼす、などの問題がある。さらに、高濃度ドーピングのために多量に不純物を添加するため、成長が阻害され表面に凹凸ができるなどの不具合が発生しやすい。 次に、実施例1の貼合せ構造において、金属と半導体層とのコンタクトをとるための熱処理温度、すなわち合金化温度が400℃の場合との比較のため、合金化温度を500℃とした場合の金属−半導体界面の評価を行った。図9に、熱処理温度が500℃の場合(図、左側)及び400℃の場合(図、右側)のコンタクト金属と半導体の界面の断面SEM(Scanning Electron Microscope)像を対比して示す。また、図10(a)、(b)は、それぞれ熱処理温度が500℃の場合、400℃の場合の二次イオン質量分析(SIMS:Secondary Ion Mass Spectrometry)による深さ方向プロファイルを示している。これらの図から、熱処理温度が500℃の場合では、金属層から金属(Au,Sn)が半導体層(CドープGaP層)中に拡散していることが分かる(図9中、破線の円内、図10(a))。また、コンタクト金属層である電極層21と接合層であるSn含有層(AuSn層37)との間に、上記したバリアメタル層やSn吸収層が設けられていても、Sn含有層からSnが半導体層中に拡散していることが分かる。一方、熱処理温度が400℃の場合では、電極層21や接合層の金属の半導体層中への拡散は見られなかった(図9、図10(b))。
That is, in order to improve the efficiency of the LED element 10 having a bonded structure, it is important to reduce the operating voltage in addition to the improvement of the internal quantum efficiency. In order to reduce the operating voltage, it is important to lower the contact resistance with the contact metal. However, as described above, in the case of the bonding structure, the contact area between the semiconductor layer and the metal becomes small, and therefore the carrier concentration (for example, about 1 × 10 19 cm −3) of the semiconductor layer in the structure of the comparative example. ) Will increase the operating voltage. In particular, since a high-power semiconductor light emitting device is driven at a high current value, the influence of an increase in operating voltage due to a decrease in contact area becomes even more significant.

On the other hand, in order to reduce the contact resistance with the metal, it is necessary to increase the carrier concentration of the semiconductor layer in contact with the metal. However, when Mg or Zn is used as a dopant (for example, Patent Documents 3 and 4), the carrier concentration can be controlled only in the range of about 1 × 10 18 to 1 × 10 19 cm −3. It is difficult to produce a material having a concentration exceeding 5 × 10 19 cm −3 . Furthermore, when these doping materials are added in large quantities, the memory effect remaining in the growth furnace and Zn have a large diffusion coefficient and are easily diffused in the AlGaInP layer, and diffuse into unintended parts (active layer, etc.). Therefore, there are problems such as adversely affecting reliability. Further, since a large amount of impurities are added for high concentration doping, the growth is hindered and irregularities such as unevenness on the surface are likely to occur. Next, in the bonding structure of Example 1, the heat treatment temperature for making contact between the metal and the semiconductor layer, that is, when the alloying temperature is 500 ° C. for comparison with the case where the alloying temperature is 400 ° C. The metal-semiconductor interface was evaluated. FIG. 9 shows a cross-sectional SEM (Scanning Electron Microscope) image of the interface between the contact metal and the semiconductor when the heat treatment temperature is 500 ° C. (left side of the figure) and 400 ° C. (right side of the figure). FIGS. 10A and 10B show depth direction profiles obtained by secondary ion mass spectrometry (SIMS) when the heat treatment temperature is 500 ° C. and 400 ° C., respectively. From these figures, it can be seen that when the heat treatment temperature is 500 ° C., the metal (Au, Sn) is diffused from the metal layer into the semiconductor layer (C-doped GaP layer) (in FIG. 9, inside the broken circle). FIG. 10 (a)). Even if the barrier metal layer and the Sn absorption layer described above are provided between the electrode layer 21 that is the contact metal layer and the Sn-containing layer (AuSn layer 37) that is the bonding layer, Sn is contained from the Sn-containing layer. It turns out that it has spread | diffused in the semiconductor layer. On the other hand, when the heat treatment temperature was 400 ° C., no diffusion of the metal in the electrode layer 21 or the bonding layer into the semiconductor layer was observed (FIGS. 9 and 10B).

なお、熱処理温度が400℃のSIMSプロファイル(図10(b))において、半導体層と金属層の界面からAuが僅か(0.2μm程度)半導体層中に侵入しているように見える。しかし、界面から急峻にSIMS信号強度(濃度)が減少しており、その状態は熱処理温度が500℃の場合の場合とは明らかに異なると考えられる。すなわち、熱処理温度が500℃の場合(図10(a))では、界面からAu及びSnが極めて高い濃度かつ緩やかな傾斜でコンタクト層17中に侵入しており、接合層からも金属(Au及びSn)がコンタクト層17中に拡散している。   In the SIMS profile (FIG. 10B) with a heat treatment temperature of 400 ° C., it seems that Au slightly penetrates the semiconductor layer (about 0.2 μm) from the interface between the semiconductor layer and the metal layer. However, the SIMS signal intensity (concentration) decreases sharply from the interface, and this state is considered to be clearly different from the case where the heat treatment temperature is 500 ° C. That is, when the heat treatment temperature is 500 ° C. (FIG. 10A), Au and Sn enter the contact layer 17 from the interface with a very high concentration and a gentle inclination, and the metal (Au and Sn) also enter the contact layer. Sn) is diffused in the contact layer 17.

貼合せ構造のLED素子の場合、貼り合わせ金属層には電気伝導に加えて、貼り合わせのための機能と金属の拡散を防ぐバリア効果とを持たせなければならない。貼り合わせに用いた金属が熱処理により半導体中に拡散すると、輝度劣化の原因となるため、金属の拡散は抑制しなければならない。前述のように、実施例1のLED素子10をステムに搭載し、駆動電流20mAで駆動した場合の動作電圧Vfは1.92Vであった。このことは合金温度が400℃でも問題ないことを示している。   In the case of an LED element having a bonded structure, the bonded metal layer must have a bonding function and a barrier effect for preventing metal diffusion in addition to electrical conduction. If the metal used for bonding diffuses into the semiconductor by heat treatment, it causes deterioration in luminance, so that metal diffusion must be suppressed. As described above, the operating voltage Vf when the LED element 10 of Example 1 was mounted on the stem and driven with a drive current of 20 mA was 1.92V. This indicates that there is no problem even when the alloy temperature is 400 ° C.

さらに、熱処理温度が400℃及び500℃と異なる2種類の実施例1のLED素子10をステムに搭載し、ワイヤーボンディングをした後、樹脂モールドを行い、LEDランプを作製した。作製したLEDランプについて150mAの通電試験を行ったところ、熱処理温度が500℃の場合、通電により輝度が減少していくのに対し、熱処理温度が400℃の場合は通電による輝度の変化はほとんどないことが分かった。これは、合金化により、接合層の金属が半導体層中に拡散し、通電によって輝度劣化が起こっているからと考えられる。このことは、上記したSEM像からも推察できる。すなわち、カーボンドープGaPコンタクト層17により、動作電圧を上昇させることなく、熱処理(合金化)温度を下げることができ、さらにそれにより信頼性が改善されることを示している。   Further, two kinds of LED elements 10 of Example 1 having heat treatment temperatures different from 400 ° C. and 500 ° C. were mounted on the stem, wire bonding was performed, resin molding was performed, and an LED lamp was manufactured. When a 150 mA energization test was performed on the manufactured LED lamp, when the heat treatment temperature was 500 ° C., the luminance decreased with the energization, whereas when the heat treatment temperature was 400 ° C., there was almost no change in luminance due to the energization. I understood that. This is presumably because the metal in the bonding layer diffuses into the semiconductor layer due to alloying, and the luminance is deteriorated due to energization. This can also be inferred from the SEM image described above. That is, it is shown that the carbon-doped GaP contact layer 17 can lower the heat treatment (alloying) temperature without increasing the operating voltage, thereby further improving the reliability.

以上、説明したように、コンタクト層17のキャリア濃度が5×1019cm-3以上であり、当該熱処理温度が400℃以下であれば、接合層の金属の半導体中への拡散が抑制されたオーミックコンタクトが得られることが分かった。なお、当該熱処理温度は、コンタクト層17の半導体と金属電極層21の金属とが合金化し、オーミックコンタクトを形成する温度(合金化温度)以上であればよく、350℃以上であることが好ましい。 As described above, when the carrier concentration of the contact layer 17 is 5 × 10 19 cm −3 or more and the heat treatment temperature is 400 ° C. or less, diffusion of the metal in the bonding layer into the semiconductor is suppressed. It was found that ohmic contact can be obtained. The heat treatment temperature may be higher than the temperature at which the semiconductor of the contact layer 17 and the metal of the metal electrode layer 21 are alloyed to form an ohmic contact (alloying temperature), and is preferably 350 ° C. or higher.

上記実施例では炭素ドープGaPコンタクト層17のキャリア濃度が5×1019cm-3の場合に良好な特性を有することを示したが、キャリア濃度がそれ以上であっても同様な良好な特性を得ることは明らかである。また、表面状態(モフォロジ)に鑑みると、キャリア濃度の上限は5×1020cm-3程度である。 In the above embodiment, it was shown that the carbon-doped GaP contact layer 17 has good characteristics when the carrier concentration is 5 × 10 19 cm −3 , but similar good characteristics are obtained even when the carrier concentration is higher than that. Obviously you get. In view of the surface state (morphology), the upper limit of the carrier concentration is about 5 × 10 20 cm −3 .

また、上記実施例ではクラッド層や活性層にAlGaInP層を用いているが、GaAs基板に格子整合する条件で作製されている。GaAsに格子整合する条件は成長する温度によって異なる。GaAs基板に格子整合するためには、(AlyGa1-y)xIn1-xP のxを調整すれば良い。500℃〜700℃の温度範囲で成長する場合は、(AlyGa1-y)xIn1-xP の範囲は0.45≦x≦0.55となる。この範囲においても、本発明で得られたキャリア濃度と層厚を調整することにより、得られる効果は変わらない。活性層が量子井戸構造の場合、ウエル層およびバリア層については、臨界膜厚以下にすれば、GaAs基板に格子整合する必要はなく、この範囲でなくともよい。好ましいウエル層およびバリア層の組成範囲は、臨界膜厚を考慮すると、それぞれ(AlyGa1-y)xIn1-xP (0.4≦x≦0.6)、(AlyGa1-y)xIn1-xP (0≦x≦0.7)である。 In the above embodiment, an AlGaInP layer is used for the clad layer and the active layer, but it is fabricated under the condition of lattice matching with the GaAs substrate. The conditions for lattice matching with GaAs vary depending on the growth temperature. In order to lattice match with the GaAs substrate, x of (Al y Ga 1-y ) x In 1-x P may be adjusted. When growing in the temperature range of 500 ° C. to 700 ° C., the range of (Al y Ga 1-y ) x In 1-x P is 0.45 ≦ x ≦ 0.55. Even in this range, the effect obtained by adjusting the carrier concentration and the layer thickness obtained in the present invention does not change. When the active layer has a quantum well structure, the well layer and the barrier layer do not need to be lattice-matched to the GaAs substrate as long as the thickness is equal to or less than the critical film thickness. The preferable composition ranges of the well layer and the barrier layer are (Al y Ga 1-y ) x In 1-x P (0.4 ≦ x ≦ 0.6), (Al y Ga 1-y ) x , respectively, considering the critical film thickness. In 1-x P (0 ≦ x ≦ 0.7).

さらに、上記実施例ではnクラッド層として、AlInPを用いたが、nクラッド層は、活性層に対して透明かつ電子を活性層に有効に閉じ込め得る組成であればよく、(AlyGa1-y)xIn1-xP (0.4≦x≦0.6、0≦y≦1.0)の範囲であれば良い。 Further, as the n-clad layer in the above embodiment uses an AlInP, n clad layer may be any composition that can effectively confined in the active layer transparent and electrons to the active layer, (Al y Ga 1- y ) x In 1-x P (0.4 ≦ x ≦ 0.6, 0 ≦ y ≦ 1.0) is acceptable.

また、n型導電性を得るために、ドーパントとしてSiH4(シラン)を用いた場合を例に説明したが、DeTe(ジエチルテルル)、もしくは、H2Se(セレン化水素)を用いてもよい。つまり、本発明の効果はn型不純物によって変わることはなく、n型層の不純物の種類に依存するものではなく、得られる効果は変わらない。また、nクラッド層の層厚に関しても、本発明に影響を与えるものではなく、上記した3μmに限定されるものではない。 In addition, the case where SiH 4 (silane) is used as a dopant in order to obtain n-type conductivity has been described as an example, but DeTe (diethyl tellurium) or H 2 Se (hydrogen selenide) may be used. . That is, the effect of the present invention is not changed by the n-type impurity, does not depend on the type of impurity in the n-type layer, and the obtained effect is not changed. Further, the layer thickness of the n-clad layer does not affect the present invention and is not limited to the above 3 μm.

本実施例では、赤色発光する量子井戸構造(ウエル層のAl組成10%)の場合を例に説明したが、ウエル層の層厚やウエル数を変更しても、pクラッド層および電流拡散層の構造を本発明の実施形態にすれば、本発明の効果を得ることができる。また、ウエル層のAl組成に関しても同様であり、Al組成を変更して、黄色発光(波長590nm)の素子や真紅発光素子(波長660nm)としても、本発明の効果は変わらない。基板のオフ角に関しても同様であり、オフ角、オフ方向の異なるGaAs基板を用いても同様の効果を得ることができる。なお、(100)面から4度オフしたn型GaAs基板を用いた場合においても同様の効果を確認している。   In the present embodiment, the case of a quantum well structure that emits red light (Al composition of Al in the well layer is 10%) has been described as an example. If the structure is made an embodiment of the present invention, the effect of the present invention can be obtained. The same applies to the Al composition of the well layer, and the effect of the present invention does not change even if the Al composition is changed to obtain a yellow light emitting (wavelength 590 nm) element or a crimson light emitting element (wavelength 660 nm). The same applies to the off-angle of the substrate, and the same effect can be obtained even if a GaAs substrate having a different off-angle and off-direction is used. The same effect has been confirmed when using an n-type GaAs substrate which is turned off by 4 degrees from the (100) plane.

電流拡散層について、本実施例ではGaPを用いたが、Inを添加し、InGaPとした場合においても、電流拡散層が活性層に対して透明であればよく、本発明の効果に影響を与えるものではない。   For the current spreading layer, GaP was used in this example. However, even when In is added to form InGaP, it is sufficient that the current spreading layer is transparent to the active layer, which affects the effect of the present invention. It is not a thing.

また、上記実施例では、貼り合わせの基板としてSi(シリコン)を用いたが、他の永久基板(例えば銅、ガラス)に貼りあわせるタイプの発光装置にも有効である。電極の構造は、pn接合を介して活性層に電流を注入する構造であれば良く、上下に電極を配置する必要は無く、例えばフリップチップタイプの構造であっても良い。   In the above embodiment, Si (silicon) is used as the bonding substrate. However, the present invention is also effective for a light-emitting device that is bonded to another permanent substrate (for example, copper or glass). The electrode structure may be any structure as long as a current is injected into the active layer through a pn junction, and there is no need to dispose the electrodes above and below, and for example, a flip chip type structure may be used.

10A 成長基板
11 半導体構造層
12A n型電流拡散層
12B nクラッド層
14 活性層
16A pクラッド層
16B p型電流拡散層
17 pコンタクト層
20A 開口部
20 誘電体層
21 金属電極層
10A growth substrate 11 semiconductor structure layer 12A n-type current diffusion layer 12B n-clad layer 14 active layer 16A p-clad layer 16B p-type current diffusion layer 17 p contact layer 20A opening 20 dielectric layer 21 metal electrode layer

Claims (8)

半導体基板上に各々が組成(AlyGa1-yxIn1-xP(0.4≦x≦0.6,0≦y≦1.0)を有するn型半導体層、活性層及びp型半導体層を成長し、前記p型半導体層上に炭素ドープのGa1-zInzPコンタクト層(0≦z≦0.1)を成長するステップと、
前記コンタクト層が露出する開口部を有する誘電体層を前記コンタクト層上に形成するステップと、
前記誘電体層及び前記開口部上に金属電極層を形成するステップと、
前記金属電極層上に第1の接合金属層を形成するステップと、
前記開口部から露出する前記コンタクト層と前記金属電極層とのオーミックコンタクトを形成する熱処理を行うステップと、
支持基板上に第2の接合金属層が形成された支持体を用い、前記第1の接合金属層及び前記第2の接合金属層を熱圧着により接合するステップと、を有し、
前記コンタクト層のキャリア濃度が5×1019cm-3以上であり、前記熱処理の温度が400℃以下であることを特徴とする発光素子の製造方法。
N-type semiconductor layer, each having a composition (Al y Ga 1-y) x In 1-x P (0.4 ≦ x ≦ 0.6,0 ≦ y ≦ 1.0) on a semiconductor substrate, growing an active layer and a p-type semiconductor layer And growing a carbon-doped Ga 1-z In z P contact layer (0 ≦ z ≦ 0.1) on the p-type semiconductor layer;
Forming a dielectric layer on the contact layer having an opening through which the contact layer is exposed;
Forming a metal electrode layer on the dielectric layer and the opening;
Forming a first bonding metal layer on the metal electrode layer;
Performing a heat treatment to form an ohmic contact between the contact layer and the metal electrode layer exposed from the opening;
Using a support in which a second bonding metal layer is formed on a support substrate, and bonding the first bonding metal layer and the second bonding metal layer by thermocompression bonding, and
A method for manufacturing a light-emitting element, wherein the carrier concentration of the contact layer is 5 × 10 19 cm −3 or more, and the temperature of the heat treatment is 400 ° C. or less.
前記熱処理の温度は350℃以上かつ400℃以下であることを特徴とする請求項1に記載の製造方法。   The manufacturing method according to claim 1, wherein a temperature of the heat treatment is 350 ° C. or more and 400 ° C. or less. 前記熱圧着の温度は前記熱処理の温度を超えないことを特徴とする請求項1又は2に記載の製造方法。   The manufacturing method according to claim 1, wherein a temperature of the thermocompression bonding does not exceed a temperature of the heat treatment. 前記コンタクト層のキャリア濃度は5×1019cm-3以上でかつ5×1020cm-3以下であることを特徴とする請求項1ないし3のいずれか1に記載の製造方法。 The manufacturing method according to claim 1, wherein the carrier concentration of the contact layer is 5 × 10 19 cm −3 or more and 5 × 10 20 cm −3 or less. 前記第1の接合金属層及び前記第2の接合金属層のうち少なくとも1はAuSn層を含むことを特徴とする請求項1ないし4のいずれか1に記載の製造方法。   5. The method according to claim 1, wherein at least one of the first bonding metal layer and the second bonding metal layer includes an AuSn layer. 前記第1の接合金属層は前記金属電極層上に形成されたバリアメタル層を含むことを特徴とする請求項1ないし5のいずれか1に記載の製造方法。   6. The manufacturing method according to claim 1, wherein the first bonding metal layer includes a barrier metal layer formed on the metal electrode layer. 前記コンタクト層はMOCVD法により、V/III比が2ないし5の範囲で成長されたことを特徴とする請求項1ないし6のいずれか1に記載の製造方法。   7. The method according to claim 1, wherein the contact layer is grown by MOCVD in a range of V / III ratio of 2 to 5. 前記n型半導体層、活性層及びp型半導体層は、発光ダイオード構造層を構成していることを特徴とする請求項1ないし7のいずれか1に記載の製造方法。   The manufacturing method according to claim 1, wherein the n-type semiconductor layer, the active layer, and the p-type semiconductor layer constitute a light emitting diode structure layer.
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