JP3950801B2 - 発光素子及び発光素子の製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は発光素子の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
【特許文献１】
特開平７−６６４５５号公報
【特許文献２】
特開２００１−３３９１００号公報
【０００３】
発光ダイオードや半導体レーザー等の発光素子に使用される材料及び素子構造は、長年にわたる進歩の結果、素子内部における光電変換効率が理論上の限界に次第に近づきつつある。従って、一層高輝度の素子を得ようとした場合、素子からの光取出し効率が極めて重要となる。例えば、ＡｌＧａＩｎＰ混晶により発光層部が形成された発光素子は、薄いＡｌＧａＩｎＰ（あるいはＧａＩｎＰ）活性層を、それよりもバンドギャップの大きいｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層とｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層とによりサンドイッチ状に挟んだダブルへテロ構造を採用することにより、高輝度の素子を実現できる。このようなＡｌＧａＩｎＰダブルへテロ構造は、ＡｌＧａＩｎＰ混晶がＧａＡｓと格子整合することを利用して、ＧａＡｓ単結晶基板上にＡｌＧａＩｎＰ混晶からなる各層をエピタキシャル成長させることにより形成できる。そして、これを発光素子として利用する際には、通常、ＧａＡｓ単結晶基板をそのまま素子基板として利用することも多い。しかしながら、発光層部を構成するＡｌＧａＩｎＰ混晶はＧａＡｓよりもバンドギャップが大きいため、発光した光がＧａＡｓ基板に吸収されて十分な光取出し効率が得られにくい難点がある。この問題を解決するために、半導体多層膜からなる反射層を基板と発光素子との間に挿入する方法（例えば特許文献１）も提案されているが、積層された半導体層の屈折率の違いを利用するため、限られた角度で入射した光しか反射されず、光取出し効率の大幅な向上は原理的に期待できない。
【０００４】
そこで、特許文献２をはじめとする種々の公報には、成長用のＧａＡｓ基板を剥離する一方、補強用の素子基板（導電性を有するもの）を、反射用のＡｕ層を介して剥離面に貼り合わせる技術が開示されている。このＡｕ層は反射率が高く、また、反射率の入射角依存性が小さい利点がある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の方法では、反射層をなすＡｕ層を発光層部に貼り合せる際に、剥離等や反射率の低下等が生じやすかった。特に、貼り合せ熱処理の際に、素子基板（特にＳｉ基板）とＡｕ層との冶金的な反応が生じやすい場合、上記の問題は一層顕著となる。
【０００６】
本発明の課題は、金属層を介して発光層部と素子基板とを貼り合せた構造を有する発光素子において、貼り合せ熱処理時における素子基板と金属層との冶金的な反応を効果的に防止でき、ひいては、該反応による貼り合せ強度や反射率の低下などによる不良を生じにくい構造の発光素子と、その製造方法とを提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段及び作用・効果】
上記の課題を解決するために、本発明の発光素子は、
発光層部を有した化合物半導体層の第一主表面を光取出面とし、該化合物半導体層の第二主表面側に、発光層部からの光を光取出面側に反射させる反射面を有した主金属層を介して素子基板が結合された発光素子であって、
素子基板と主金属層との間に、無機導電性材料にて構成され、かつ、素子基板に由来した成分の主金属層への拡散を阻止する拡散阻止層が介挿されてなることを特徴とする。なお、本明細書において「主金属層」とは、化合物半導体層と拡散阻止層との間に位置する金属層であって、反射面を形成するととともに、化合物半導体層と拡散阻止層とを結合する役割を担う金属層のことをいう。従って、後述の発光層部側接合金属層は主金属層には属さないものとする。
【０００８】
上記本発明の発光素子の構造によると、主金属層を介して素子基板と化合物半導体層とを貼り合せる際に、素子基板から主金属層へ向かおうとする成分拡散が無機導電性材料からなる拡散阻止層によりブロックされ、ひいては素子基板成分との反応（例えば、共晶などの冶金的な反応）に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。
【０００９】
また、拡散阻止層を無機導電性材料により構成することにより、比較的高温域まで、拡散阻止層と素子基板及び／又は主金属層との化学的あるいは冶金的な反応を抑制することができ、ひいては、主金属層を介した素子基板と化合物半導体層との貼り合せ熱処理の温度域を高温側に拡張することができる。例えば、より高温の貼り合せ熱処理が可能になることから、主金属層に形成された反射面の状態を悪化させることなく、素子基板と化合物半導体層との貼り合せ状態の確実性や強度の向上を図ることができる。また、所期の貼り合せ状態が得られる熱処理温度域が広くなるため工程の自由度が増し、熱処理温度のばらつきなどによる貼り合せ不良の発生率を低減することができる。さらに、貼り合せ以外の目的で実施される高温域での熱処理を、貼り合せ熱処理に兼用すれば、工程の簡略化を図ることができる。
【００１０】
拡散阻止層は、具体的には導電性酸化物にて構成することが、高導電率が得やすく製造も比較的容易なので好適である。導電性酸化物層は、具体的には、ＩＴＯ（Indium Tin Oxide）にて構成できる。ＩＴＯは、酸化スズをドープした酸化インジウム膜であり、酸化スズの含有量を１〜９質量％とすることで、電極層の抵抗率を５×１０^−４Ω・ｃｍ以下の十分低い値とすることができる。なお、ＩＴＯ以外では、ＺｎＯが高導電率であり、本発明に採用可能である。また、酸化アンチモンをドープした酸化スズ（いわゆるネサ）、Ｃｄ_２ＳｎＯ_４、Ｚｎ_２ＳｎＯ_４、ＺｎＳｎＯ_３、ＭｇＩｎ_２Ｏ_４、酸化イットリウム（Ｙ）をドープしたＣｄＳｂ_２Ｏ_６、酸化スズをドープしたＧａＩｎＯ_３なども導電性酸化物層の材質として使用することができる。
【００１１】
上記拡散阻止層の厚みは、１ｎｍ以上１０μｍ以下に形成することが望ましい。厚さが１ｎｍ未満では拡散防止効果が十分でなくなり、１０μｍを超えると効果が飽和して、製造コストの無駄な高騰につながる。
【００１２】
拡散阻止層と素子基板との間には、該素子基板と拡散阻止層との接合抵抗を低減するための基板側接合金属層を介挿することができる。これにより、導電性材料からなる拡散阻止層と素子基板との接触抵抗が低減され、拡散阻止層を新たに挿入しているにもかかわらず、発光素子の直列抵抗ひいては順方向電圧の過度の上昇を効果的に抑制することができる。
【００１３】
上記本発明は、主金属層の少なくとも拡散阻止層との界面を含む部分がＡｕを主成分とするＡｕ系層とされてなり、素子基板がＳｉ基板である場合に適用されたとき、特に効果が大きい。すなわち、Ｓｉ基板はドーピングにより発光素子として十分な導電性を容易に確保することができ、しかも安価である。しかし、ＳｉとＡｕとは比較的低温で共晶反応を起しやすく（Ａｕ−Ｓｉ二元系の共晶温度は３６３℃であるが、それ以外の合金成分が介在するとさらに共晶温度が低下することもありえる）、貼り合せ熱処理時における基板側のＳｉのＡｕ系層側への拡散も進みやすい。その結果、主金属層中のＡｕ系層は素子基板をなすＳｉと共晶反応して主金属層の反射面が乱れ、反射率の低下を極めて招きやすい。しかしながら、本発明のごとく、Ａｕ系層とＳｉ基板との間に上記拡散阻止層を設けておくと、Ａｕ系層へのＳｉの拡散が抑制され、主金属層の反射面の反射率低下を効果的に防止することができる。なお、本明細書において「主成分」とは、最も質量含有率の高い成分のことをいう。
【００１４】
素子基板がｎ型のＳｉ基板である場合、拡散阻止層とＳｉ基板との間には、該Ｓｉ基板と拡散阻止層との接合抵抗を低減するために、ＡｕＳｂ合金又はＡｕＳｎ合金よりなる基板側接合金属層を介挿することが好ましい。この場合、基板側接合金属層とＳｉ基板との合金化熱処理を例えば１００℃以上５００℃以下にて行なうことにより、接触抵抗の低減効果が高められる。
【００１５】
本発明の発光素子においては、上記のＡｕ系層により反射面を形成することができる。Ａｕ系層は化学的に安定であり、酸化等による反射率劣化を生じにくいので、反射面の形成材質として好適である。特にＳｉ基板を使用する場合は、反射面をなす第一Ａｕ系層のＡｕと、Ｓｉ基板をなすＳｉとの共晶反応が進行すると、反射率の低下が特に生じやすいが、本発明のように拡散阻止層をＳｉ基板とＡｕ系層との間に介挿することにより、このような不具合が極めて効果的に抑制される結果、良好な反射率の反射面をＡｕ系層により問題なく形成できる。Ａｕ系層により反射面を形成する場合、Ａｕ系層と化合物半導体層との間に、Ａｕを主成分とする発光層部側接合金属層を、Ａｕ系層の主表面上に分散する形で配置することができる。Ａｕ系層は、発光層部への通電経路の一部をなす。しかし、Ａｕ系層を化合物半導体よりなる発光層部に直接接合すると、接触抵抗が高くなり、直列抵抗が増加して発光効率が低下する場合がある。Ａｕ系層を、Ａｕ系接合金属層を介して発光層部に接合することにより接触抵抗の低減を図ることができる。ただし、Ａｕ系接合金属層は、コンタクト確保のために必要な合金成分を比較的多量に配合する必要があり、反射率が若干劣る。そこで、発光層部側接合金属層をＡｕ系層の主表面上に分散形成しておけば、発光層部側接合金属層の非形成領域ではＡｕ系層による高い反射率を確保できる。
【００１６】
発光層部側接合金属層としては、これと接する化合物半導体層をｎ型のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体（例えば、前述の（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_ｙＩｎ_１−ｙＰ（ただし、０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１）)にて構成する場合、ＡｕＧｅＮｉ接合金属層を採用することにより接触抵抗の低減効果が特に高くなる。この場合、該化合物半導体層の貼り合わせ側主表面にＡｕＧｅＮｉ接合金属層を形成し、該ＡｕＧｅＮｉ接合金属層を覆うようにＡｕ系層を形成することができる。
【００１７】
なお、光取出効果を十分に高めるために、Ａｕ系層に対する発光層部側接合金属層の形成面積率（Ａｕ系層の全面積にて発光層部側接合金属層の形成面積を除した値である）は１％以上２５％以下とすることが望ましい。発光層部側接合金属層の形成面積率が１％未満では接触抵抗の低減効果が十分でなくなり、２５％を超えると反射強度が低下することにつながる。また、Ａｕ系層は、発光層部側接合金属層よりもＡｕ含有率を高く設定しておくことで、発光層部側接合金属層の非形成領域において、Ａｕ系層の反射率を一層高めることができる。
【００１８】
一方、本発明の発光素子においては、Ａｕ系層と化合物半導体層との間に介挿されたＡｇを主成分とするＡｇ系層により反射面を形成してもよい。Ａｇ系層はＡｕ系層と比べて安価であり、しかも可視光の略全波長域（３５０ｎｍ以上７００ｎｍ）に渡って良好な反射率を示すので、反射率の波長依存性が小さい。その結果、素子の発光波長によらず高い光取出効率を実現できる。またＡｌのような金属と比較すれば、酸化皮膜等の形成による反射率低下も生じにくい。
【００１９】
図６は、鏡面研磨した種々の金属表面における反射率を示すものであり、プロット点「■」はＡｇの反射率を、プロット点「△」はＡｕの反射率を、プロット点「◆」はＡｌの反射率（比較例）である。また、プロット点「×」はＡｇＰｄＣｕ合金である。Ａｇの反射率は、３５０ｎｍ以上７００ｎｍ以下（また、それより長波長側の赤外域）、特に、３８０ｎｍ以上７００ｎｍ以下にて、可視光の反射率が特に良好である。
【００２０】
他方、Ａｕは有色金属であり、図６に示す反射率からも明らかなように、波長６７０ｎｍ以下の可視光域に強い吸収があり（特に６５０ｎｍ以下：６００ｎｍ以下ではさらに吸収が大きい）、発光層部のピーク発光波長が６７０ｎｍ以下に存在する場合に反射率低下が著しくなる。その結果、発光強度が低下しやすいほか、取り出される光のスペクトルが、吸収により本来の発光スペクトルとは異なるものとなり、発光色調の変化も招きやすくなる。しかしながら、Ａｇは波長６７０ｎｍ以下の可視光域においても反射率は極めて良好である。すなわち、発光層部のピーク発光波長が６７０ｎｍ以下（特に６５０ｎｍ以下、さらには６００ｎｍ以下）である場合、Ａｕ系金属よりもはるかに高い光取出し効率を実現できる。
【００２１】
他方、図６に示すように、Ａｌの反射率においても吸収ピークは生じないが、酸化皮膜形成による反射率低下があるため、可視光域での反射率は多少低い値（例えば８５〜９２％）に留まっている。しかし、Ａｇ系金属は酸化皮膜が形成されにくいため、Ａｌよりも高い反射率を可視光域に確保できる。具体的には、波長４００ｎｍ以上（特に４５０ｎｍ以上）においてＡｌよりも良好な反射率を示していることがわかる。
【００２２】
なお、図６のＡｌの反射率は、機械研磨と化学研磨とにより、表面酸化皮膜の形成を抑制した状態で鏡面化したＡｌ表面について測定したものであり、実際には酸化皮膜が厚く形成されることにより、図６に示すデータよりもさらに反射率が低下する可能性がある。Ａｇの場合、図６においては、３５０ｎｍ以上４００ｎｍ以下の短波長域ではＡｌより反射率が劣っているが、酸化皮膜がＡｌよりはるかに形成されにくい。従って、実際に発光素子上に反射金属層として形成した場合は、Ａｇ系層の採用により、この波長域においてもＡｌを上回る反射率を達成することが可能である。また、この波長域でも、Ａｇの反射率はＡｕと比較すれば高い。
【００２３】
以上を総合すれば、Ａｇ系層は、３５０ｎｍ以上６７０ｎｍ以下（望ましくは４００ｎｍ以上６７０ｎｍ以下、さらに望ましくは４５０ｎｍ以上６００ｎｍ以下）の波長域にピーク発光波長を有する発光層部の場合、光取出効率の改善効果がＡｌやＡｕに勝って特に顕著になるといえる。上記のようなピーク発光波長を有する発光層部は、例えば（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_ｙＩｎ_１−ｙＰ（ただし、０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１）又はＩｎ_ｘＧａ_ｙＡｌ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，ｘ＋ｙ≦１）により、第一導電型クラッド層、活性層及び第二導電型クラッド層がこの順序にて積層されたダブルへテロ構造を有するものとして構成することができる。
【００２４】
Ａｇ系層を反射面形成に用いる場合は、Ａｇ系層と化合物半導体層との間に、発光層部側接合金属層として、Ａｇを主成分とするＡｇ系接合金属層をＡｇ系層の主表面上に分散する形で配置することができる。Ａｇ系接合金属層は、これと接する化合物半導体層をｎ型のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体（例えば、前述の（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_ｙＩｎ_１−ｙＰ（ただし、０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１））にて構成する場合、ＡｇＧｅＮｉ接合金属層を採用することにより接触抵抗の低減効果が特に高くなる。Ａｇ系層に対する発光層部側Ａｇ系接合金属層の形成面積率は、前述のＡｕ系接合金属層と同様、１％以上２５％以下とすることが望ましい。
【００２５】
次に、本発明の発光素子の製造方法は、
発光層部を有した化合物半導体層の第一主表面を光取出面とし、該化合物半導体層の第二主表面側に、発光層部からの光を光取出面側に反射させる反射面を有した主金属層を介して素子基板が結合された発光素子の製造方法であって、
素子基板の化合物半導体層を結合する側の主表面に、無機導電性材料にて構成され、かつ、素子基板に由来した成分の主金属層への拡散を阻止する拡散阻止層を形成し、
化合物半導体層の第二主表面、及び素子基板に形成された拡散阻止層の主表面の少なくともいずれかに主金属層を形成し、
その後、拡散阻止層及び主金属層を介してそれら素子基板と化合物半導体層とを貼り合わせることを特徴とする。
【００２６】
該方法によると、主金属層を介して素子基板と化合物半導体層とを貼り合せる際に、素子基板から主金属層へ向かおうとする成分拡散が拡散阻止層によりブロックされ、ひいては素子基板成分との反応に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、拡散阻止層を無機導電性材料により構成することにより、比較的高温域まで、拡散阻止層と素子基板や主金属層との化学的あるいは冶金的な反応を抑制することができ、ひいては、主金属層を介した素子基板と化合物半導体層との貼り合せ熱処理の温度域を高温側に拡張することができる。例えば、より高温の貼り合せ熱処理が可能になることから、主金属層に形成された反射面の状態を悪化させることなく、素子基板と化合物半導体層との貼り合せ状態の確実性や強度の向上を図ることができる。また、所期の貼り合せ状態が得られる熱処理温度域が広くなるため工程の自由度が増し、熱処理温度のばらつきなどによる貼り合わせ不良の発生率を低減することができる。さらに、貼り合せ以外の目的で実施される高温域での熱処理を、貼り合せ熱処理に兼用すれば、工程の簡略化を図ることができる。この場合、素子基板と化合物半導体層とを、拡散阻止層及び主金属層を介して重ね合わせ、その状態で貼り合わせ熱処理することにより、素子基板と化合物半導体層とを貼り合わせることができる。熱処理により前記成分の拡散がより進行しやすいにもかかわらず、拡散阻止層の介在により、該拡散による上記不具合を効果的に抑制することができる。
【００２７】
本発明の発光素子の製造方法には、以下の要件を任意に付加することができる。
▲１▼拡散阻止層を導電性酸化物にて構成する。
▲２▼導電性酸化物としてＩＴＯを使用する
▲３▼拡散阻止層の厚さを１ｎｍ以上１０μｍ以下とする。
▲４▼素子基板の主表面上に、該素子基板と拡散阻止層との接合抵抗を低減するための基板側接合金属層を形成し、該基板側接合金属層上に拡散阻止層を形成する。
▲５▼主金属層の少なくとも拡散阻止層との界面を含む部分を、Ａｕを主成分とするＡｕ系層とし、素子基板としてＳｉ基板を用いる。
▲６▼素子基板がｎ型のＳｉ基板であり、かつ、拡散阻止層とＳｉ基板との間に、該Ｓｉ基板と拡散阻止層との接合抵抗を低減するための、ＡｕＳｂ合金又はＡｕＳｎ合金よりなる基板側接合金属層を介挿する。
これら要件を付加することによる作用・効果については、本発明の発光素子の内容を開示する際に既に説明済みであるので、ここでは繰り返さない。
【００２８】
次に、本発明の発光素子の製造方法においては、
発光層部を有した化合物半導体層の光取出面になるのと反対側の主表面を貼り合わせ側主表面として、該貼り合わせ側主表面に、Ａｕを主成分とした、主金属層となるべき第一Ａｕ系層を配置し、
素子基板の、発光層部側に位置することが予定された主表面を貼り合わせ側主表面として、該貼り合わせ側主表面に、前述の拡散阻止層を介して、Ａｕを主成分とした、主金属層となるべき第二Ａｕ系層を配置し、
それら第一Ａｕ系層と第二Ａｕ系層とを密着させて貼り合わせることができる。
【００２９】
上記本発明の方法によると、化合物半導体層側と素子基板側に第一及び第二の各Ａｕ系層を振り分けて形成し、これらを相互に密着させて貼り合せる。Ａｕ系層同士は比較的低温でも容易に一体化するので、貼り合せの熱処理温度が低くとも十分な貼り合せ強度が得られ、かつ、Ａｕ系層を含む金属反射層の反射面も良好な状態のものを容易に形成することができる。
【００３０】
この場合、第一Ａｕ系層と第二Ａｕ系層とをいずれもＡｕ含有率が９５質量％以上のものとすれば、貼り合せ熱処理を８０℃以上にて行なうことができる。第一Ａｕ系層と第二Ａｕ系層のＡｕ含有率を９５質量％以上とすることで、第一Ａｕ系層と第二Ａｕ系層とを貼り合わせるための貼り合せ熱処理の設定範囲の下限を８０℃程度にまで低温化することが可能となる。これにより、素子基板と化合物半導体層との貼り合わせが一層容易となり、かつ貼り合わせ強度もより高めることができる。Ａｕ系層（ひいては、第一Ａｕ系層と第二Ａｕ系層）の材質として、より具体的には純Ａｕ（ただし、１質量％以内であれば不可避不純物を含有してもよい）を採用することにより、上記の効果は一層高められる。なお、貼り合せ熱処理は、より望ましくは１００℃以上に設定するのがよい。
【００３１】
このようにＡｕ系層を用いつつも、上記の方法により貼り合せ熱処理の温度を低下させることができる効果は、素子基板としてＳｉ基板を用いる場合に、特に顕著となる。すなわち、Ｓｉ基板はＡｕとの共晶温度が低いが、Ａｕ系層同士の貼り合わせであれば、上記共晶温度よりも十分低い温度で貼り合わせ熱処理を行なうことが可能であり、良好な反射率と貼り合わせ強度とを確保することができる。また、貼り合せ熱処理温度の低下は、拡散阻止層が配置されていることとも相俟って、Ａｕ系層（直接的には第二Ａｕ系層）へのＳｉの拡散を一層効果的に抑制でき、最終的に得られる主金属層が形成する反射面を、良好な反射率を有するものとして形成できる。この効果は、反射面が第一Ａｕ系層にて形成されるとき、すなわち反射面自体がＡｕ系層として構成されるとき特に顕著である。Ｓｉ基板を使用する場合、第一Ａｕ系層と第二Ａｕ系層とが、いずれもＡｕ含有率が９５質量％以上のものであれば、貼り合わせ熱処理の温度は３８０℃以下にて設定することが望ましい。貼り合わせ熱処理の温度が３８０℃を超えると、化合物半導体層とＡｕとの合金化が進んで、金属層の反射率が大幅に損なわれることにつながる。
【００３２】
素子基板としてＳｉ基板を用いる場合、Ｓｉ基板の貼り合わせ側主表面に基板側接合金属層を形成し、該基板側接合金属層を覆うように第二Ａｕ系層を形成し、かつ基板側接合金属層とＳｉ基板との合金化熱処理を行なうことができる。ｎ型のＳｉ基板を用いる場合、基板側接合金属層は、ＡｕＳｂ合金あるいはＡｕＳｎ合金にて構成できる。この場合、基板側接合金属層とＳｉ基板との合金化熱処理を例えば１００℃以上５００℃以下にて行なうことにより、接触抵抗の低減効果が高められる。
【００３３】
また、発光層部側接合金属層と接する化合物半導体層をｎ型のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体（前述の（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_ｙＩｎ_１−ｙＰ（ただし、０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１））にて構成する場合、前述のごとく、該発光層部側接合金属層はＡｕＧｅＮｉ接合金属層を採用することが望ましい。この場合、該化合物半導体層の貼り合わせ側主表面にＡｕＧｅＮｉ接合金属層を形成し、該ＡｕＧｅＮｉ接合金属層を覆うように前記の第一Ａｕ系層を形成することができる。ＡｕＧｅＮｉ接合金属層と化合物半導体層との合金化熱処理は、例えば３５０℃以上６６０℃以下にて行なうことにより、接触抵抗の低減効果が高められる。他方、Ａｇ系層を反射面形成に用いる場合は、発光層部側接合金属層として、ＡｇＧｅＮｉ接合金属層を採用することができるが、ＡｕＧｅＮｉ接合金属層と化合物半導体層との合金化熱処理は、例えば３５０℃以上５５０℃以下にて行なうことにより、接触抵抗の低減効果が高められる。
【００３４】
なお、本発明において金属層の具体的な形成方法としては、真空蒸着やスパッタリングなどの気相成膜法のほか、無電解メッキあるいは電解メッキなどの電気化学的な成膜法を採用することもできる。また、無機導電性材料よりなる拡散阻止層は、公知の気相成膜法、例えば化学蒸着法（chemical vapor deposition：ＣＶＤ）あるいはスパッタリングや真空蒸着などの物理蒸着法（physical vapor deposition：ＰＶＤ）、あるいは分子線エピタキシャル成長法（molecular beam epitaxy：ＭＢＥ）にて形成することができる。例えば、導電性酸化物層は、ＩＴＯ層やＺｎＯ層などが、高周波スパッタリング又は真空蒸着により高導電率のものが比較的容易に製造できる。また、これら気相成長法に代えて、ゾル−ゲル法など他の方法を用いて形成してもよい。
【００３５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を添付の図面を参照して説明する。
図１は、本発明の一実施形態である発光素子１００を示す概念図である。発光素子１００は、素子基板をなす導電性基板であるｎ型Ｓｉ（シリコン）単結晶よりなるＳｉ基板７の第一主表面上に主金属層１０を介して発光層部２４が貼り合わされた構造を有してなる。
【００３６】
発光層部２４は、ノンドープ（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と、前記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。発光素子１００においては、金属電極９側にｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層６が配置されており、主金属層１０側にｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層４が配置されている。従って、通電極性は金属電極９側が正である。なお、ここでいう「ノンドープ」とは、「ドーパントの積極添加を行なわない」との意味であり、通常の製造工程上、不可避的に混入するドーパント成分の含有（例えば１０^１３〜１０^１６／ｃｍ^３程度を上限とする）をも排除するものではない。
【００３７】
また、発光層部２４の基板７に面しているのと反対側の主表面上には、ＡｌＧａＡｓよりなる電流拡散層２０が形成され、その主表面の略中央に、発光層部２４に発光駆動電圧を印加するための金属電極（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。電流拡散層２０の主表面における、金属電極９の周囲の領域は、発光層部２４からの光取出領域をなす。また、Ｓｉ単結晶基板７の裏面にはその全体を覆うように金属電極（裏面電極：例えばＡｕ電極である）１５が形成されている。金属電極１５がＡｕ電極である場合、金属電極１５とＳｉ単結晶基板７との間には基板側接合金属層として、ＡｕＳｂ接合金属層１６が介挿される。なお、ＡｕＳｂ接合金属層１６に代えてＡｕＳｎ接合金属層を基板側接合金属層として用いてもよい。
【００３８】
Ｓｉ単結晶基板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１００μｍ以上５００μｍ以下である。そして、発光層部２４に対し、主金属層１０を挟んで貼り合わされている。主金属層１０は全体がＡｕ系層として構成されている。
【００３９】
発光層部２４と主金属層１０との間には、発光層部側接合金属層としてＡｕＧｅＮｉ接合金属層３２（例えばＧｅ：１５質量％、Ｎｉ：１０質量％）が形成されており、素子の直列抵抗低減に貢献している。ＡｕＧｅＮｉ接合金属層３２は、主金属層１０の主表面上に分散形成され、その形成面積率は１％以上２５％以下である。また、Ｓｉ単結晶基板７と主金属層１０との間には、Ｓｉ単結晶基板７の主表面と接する形で、基板側接合金属層としてのＡｕＳｂ接合金属層３１（例えばＳｂ：５質量％）が形成されている。なお、ＡｕＳｂ接合金属層３１に代えてＡｕＳｎ接合金属層を用いてもよい。
【００４０】
そして、該ＡｕＳｂ接合金属層３１の全面が、拡散阻止層としてのＩＴＯ層１０ｄにより覆われている。該ＩＴＯ層１０ｄの厚さは１ｎｍ以上１０μｍ以下（本実施形態では１μｍ）である。なお、拡散阻止層はＩＴＯ層に代えてＺｎＯ層としてもよい。そして、該ＩＴＯ層１０ｄの全面を覆う形で、これと接するように主金属層１０（Ａｕ系層）が配置されている。なお、本実施形態においてＡｕ系層は、純ＡｕもしくはＡｕ含有率が９５質量％以上のＡｕ合金よりなる。
【００４１】
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、主金属層１０による反射光が重畳される形で取り出される。主金属層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、厚さの上限には制限は特にないが、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１μｍ程度）。
【００４２】
以下、図１の発光素子１００の製造方法について説明する。
まず、図２の工程１に示すように、発光層成長用基板をなす半導体単結晶基板であるＧａＡｓ単結晶基板１の主表面に、ｐ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、さらにｐ型ＡｌＧａＡｓよりなる電流拡散層２０を例えば５μｍ、この順序にてエピタキシャル成長させる。また、その後、発光層部２４として、１μｍのｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層６、０．６μｍのＡｌＧａＩｎＰ活性層（ノンドープ）５、及び１μｍのｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層４を、この順序にエピタキシャル成長させる。
【００４３】
次に、工程２に示すように、発光層部２４の主表面に、ＡｕＧｅＮｉ接合金属層３２を分散形成する。ＡｕＧｅＮｉ接合金属層３２を形成後、３５０℃以上５００℃以下の温度域で合金化熱処理を行なう。その後、ＡｕＧｅＮｉ接合金属層３２を覆うように第一Ａｕ系層１０ａを形成する。発光層部２４とＡｕＧｅＮｉ接合金属層３２との間には、上記合金化熱処理により合金化層が形成され、直列抵抗が大幅に低減される。他方、工程３に示すように、別途用意したＳｉ単結晶基板７（ｎ型）の両方の主表面に基板側接合金属層となるＡｕＳｂ接合金属層３１，１６（前述の通りＡｕＳｎ接合金属層でもよい）を形成し、１００℃以上５００℃以下の温度域で合金化熱処理を行なう。そして、ＡｕＳｂ接合金属層３１上には、ＩＴＯ層１０ｄ（厚さ：例えば１μｍ）と第二Ａｕ系層１０ｂをこの順序にて形成する。また、ＡｕＳｂ接合金属層１６上には裏面電極層１５（例えばＡｕ系金属よりなるもの）を形成する。以上の工程で各金属層及びＩＴＯ層１０ｄの形成は、スパッタリングあるいは真空蒸着等を用いて行なうことができる。本実施形態では、ＩＴＯ層１０ｄを高周波スパッタリングにて形成し、金属層は真空蒸着にて形成している。
【００４４】
そして、工程４に示すように、Ｓｉ単結晶基板７側の第二Ａｕ系層１０ｂを、発光層部２４上に形成された第一Ａｕ系層１０ａに重ね合わせて圧迫して、８０℃以上５００℃以下、例えば２００℃にて貼り合せ熱処理することにより、基板貼り合わせ体５０を作る。Ｓｉ単結晶基板７は、第一Ａｕ系層１０ａ及び第二Ａｕ系層１０ｂを介して発光層部２４に貼り合わせられる。また、第一Ａｕ系層１０ａと第二Ａｕ系層１０ｂとは上記貼り合せ熱処理により一体化して主金属層１０となる。第一Ａｕ系層１０ａ及び第二Ａｕ系層１０ｂが、いずれも酸化しにくいＡｕを主体に構成されているため、上記貼り合せ熱処理は、例えば大気中でも問題なく行なうことができる。
【００４５】
さらに、第二Ａｕ系層１０ｂとＳｉ単結晶基板７（ＡｕＳｂ接合金属層３１）との間には、拡散阻止層として機能するＩＴＯ層１０ｄが介挿されている。上記貼り合せ熱処理時にＳｉ単結晶基板７から第二Ａｕ系層１０ｂに向けたＳｉ成分の拡散が上記ＩＴＯ層１０ｄによりブロックされ、第二Ａｕ系層１０ｂひいては貼り合わせにより一体化した主金属層１０側へのＳｉ成分の染み出しが効果的に抑制される。その結果、最終的に得られる主金属層１０（Ａｕ系層）の反射面が、Ａｕ−Ｓｉの共晶反応により乱れたり、あるいはＳｉ成分によるＡｕ系層自体が黒く着色したりする不具合が防止され、良好な反射率を実現することができる。また、主金属層１０によるＳｉ単結晶基板７と発光層部（化合物半導体層）２４との貼り合せ強度も高く維持できる。
【００４６】
なお、基板側接合金属層（ＡｕＳｂ接合金属層３１，１６）の合金化熱処理温度は、前述の通り１００℃以上５００℃以下で可能であり、貼り合せ熱処理の許容温度範囲である８０℃以上５００℃以下との間で重なりがある。従って、この重なっている温度域（具体的には１００℃以上５００℃以下）を貼り合せ熱処理温度として採用することにより、ＩＴＯ層１０ｄの形成前に敢えて合金化熱処理を行なわず、該貼り合せ熱処理時に、基板側接合金属層のＳｉ単結晶基板（素子基板）との、オーミック接合形成のための合金化も同時に行なうことが可能である。すなわち、貼り合せ熱処理を基板側接合金属層の合金化熱処理に兼用させることができ、工程の簡略化に寄与する。他方、ＩＴＯ層１０ｄを形成する際に、基板７を昇温したほうが、ＩＴＯ層の導電性向上のために有利となる場合がある。この場合、基板温度を上記合金化熱処理の適正温度域内に設定すれば、ＩＴＯ層１０ｄの形成工程に基板側接合金属層の合金化熱処理を組み込むことができ、工程の簡略化に寄与する。
【００４７】
次に、工程５に進み、上記基板貼り合わせ体５０を、例えば１０％フッ酸水溶液からなるエッチング液に浸漬し、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、ＧａＡｓ単結晶基板１（発光層部２４からの光に対して不透明である）を、発光層部２４とこれに接合されたＳｉ単結晶基板７との積層体５０ａから剥離する。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。このように、発光層成長用基板を全てエッチングにより除去することも、「剥離」の概念に属するものとする。
【００４８】
そして、工程６に示すように、ＧａＡｓ単結晶基板１の剥離により露出した電流拡散層２０の主表面の一部を覆うように、ワイヤボンディング用の電極９（ボンディングパッド：図１）を形成する。以下、通常の方法によりダイシングして半導体チップとし、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なった後、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。
【００４９】
以上の実施形態では、第一Ａｕ系層１０ａが反射面を形成していたが、図３の発光素子２００のごとく、第一Ａｕ系層１０ａと発光層部２４との間にＡｇ系層１０ｃを介挿することもできる。この場合、発光層部側接合金属層は、Ａｕ系接合金属層に代えてＡｇＧｅＮｉ（例えばＧｅ：１５質量％、Ｎｉ：１０質量％）よりなるＡｇ系接合金属層１３２を分散形成する。その他の部分については、図１の発光素子１００と同一である。図４は、その製造工程の一例を示すものである。図２の製造工程との相違点は、工程２においてＡｕ系接合金属層３２に代えてＡｇ系接合金属層１３２を分散形成し、３５０℃以上６６０℃以下の温度域で合金化熱処理を行ない、その後、Ａｇ系層１０ｃ及び第一Ａｕ系層１０ａをこの順序で形成する点にある。これ以外は、基本的に図２と同じである。
【００５０】
なお、発光層成長用基板をエッチングにより剥離（除去）する際に、そのエッチング液によりＡｇ系層１０ｃが腐食を受ける可能性がある場合は、次のようにするとよい。すなわち、工程３に示すように、Ａｇ系層１０ｃと接する第一Ａｕ系層１０ａを、第一Ａｕ系層１０ａの外周縁よりもＡｇ系層１０ｃの外周縁が内側に位置するように、Ａｇ系層１０ｃよりも大面積にて形成する。これにより、Ａｇ系層１０ｃは第一Ａｕ系層１０ａに包まれる形となり、Ａｇ系層１０ｃの外周面が、耐食性の高い第一Ａｕ系層１０ａの外周縁部１０ｅにより保護されるので、工程５において、発光層成長用基板（ＧａＡｓ単結晶基板１）をエッチングしても、その影響がＡｇ系層１０ｃに及びにくくなる。ＧａＡｓ単結晶基板１を発光層成長用基板として用い、これをアンモニア／過酸化水素混合液をエッチング液として用いて溶解・除去する場合、Ａｇは該エッチング液に特に腐食されやすいが、上記の構造を採用すれば、問題なくＧａＡｓ単結晶基板１を溶解除去できる。
【００５１】
また、発光層部２４の各層は、ＡｌＧａＩｎＮ混晶により形成することもできる。発光層部２４を成長させるための発光層成長用基板は、ＧａＡｓ単結晶基板に代えて、例えばサファイア基板（絶縁体）やＳｉＣ単結晶基板が使用される。また、発光層部２４の各層は、上記実施形態では、基板側からｎ型クラッド層４、活性層５及びｐ型クラッド層６の順になっていたが、これを反転させ、基板側からｐ型クラッド、活性層及びｎ型クラッド層の順に形成してもよい。
【００５２】
また、図５（工程３）に示すように、Ａｕ系層（主金属層）１０をＳｉ単結晶基板７（素子基板）と発光層部２４（化合物半導体層）とのいずれか一方の側にのみ形成して貼り合せを行なってもよい。例えば、図５に示すように、Ｓｉ単結晶基板７（素子基板）側にＩＴＯ層（あるいはＺｎＯ層）１０ｄを形成後、Ａｕ系層（主金属層）１０をさらに形成し、このＡｕ系層（主金属層）１０を発光層部２４（化合物半導体層）に対して貼り合せる場合は、貼り合せ熱処理温度は、８０℃以上５００℃以下に設定する。また、発光層部２４（化合物半導体層）側にＡｕ系層１０を形成後、Ｓｉ単結晶基板７側のＩＴＯ層１０ｄに該Ａｕ系層１０を貼り合せる場合は、貼り合せ熱処理温度は、２００℃以上７００℃以下に設定する。いずれも、図２のＡｕ系層同士の貼り合せ熱処理温度（１００℃以上５００℃以下）と比較すればかなりの高温となっているが、ＩＴＯ層（あるいはＺｎＯ層）１０が熱的に安定であり、Ｓｉ単結晶基板７あるいはＡｕ系層（主金属層）１０との冶金的反応も上記の温度域ではほとんど生じず、かつ、Ｓｉの拡散阻止効果も十分大きいので、問題なく貼り合わせを行なうことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の適用対象となる発光素子の第一実施形態を積層構造にて示す模式図。
【図２】図１の発光素子の、製造工程の一例を示す説明図。
【図３】本発明の適用対象となる発光素子の第二実施形態を積層構造にて示す模式図。
【図４】図３の発光素子の、製造工程の一例を示す説明図。
【図５】図１の発光素子の、製造工程の別例を示す説明図。
【図６】種々の金属における反射率を示す図。
【符号の説明】
１ ＧａＡｓ単結晶基板（発光層成長用基板）
４ ｎ型クラッド層（第二導電型クラッド層）
５ 活性層
６ ｐ型クラッド層（第一導電型クラッド層）
７ Ｓｉ単結晶基板（素子基板）
９ 金属電極
１０ Ａｕ系層
１０ａ 第一Ａｕ系層
１０ｂ 第二Ａｕ系層
１０ｃ Ａｇ系層
１０ｄ ＩＴＯ層（拡散阻止層）
２４ 発光層部
３１ ＡｕＳｂ層（基板側接合金属層）
３２ ＡｕＧｅＮｉ接合金属層３１（発光層部側接合金属層）
１００，２００ 発光素子

Claims (20)

1. 発光層部を有した化合物半導体層の第一主表面を光取出面とし、該化合物半導体層の第二主表面側に、前記発光層部からの光を前記光取出面側に反射させる反射面を有した主金属層を介して素子基板が結合された発光素子であって、
   前記素子基板と前記主金属層との間に、無機導電性材料にて構成され、かつ、前記素子基板に由来した成分の前記主金属層への拡散を阻止する拡散阻止層が介挿されてなることを特徴とする発光素子。
2. 前記拡散阻止層が導電性酸化物よりなることを特徴とする請求項１記載の発光素子。
3. 前記導電性酸化物がＩＴＯよりなることを特徴とする請求項２記載の発光素子。
4. 前記拡散阻止層の厚さが１ｎｍ以上１０μｍ以下であ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。
5. 前記拡散阻止層と前記素子基板との間に、該素子基板と前記拡散阻止層との接合抵抗を低減するための基板側接合金属層が介挿されてな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。
6. 前記主金属層の少なくとも前記拡散阻止層との界面を含む部分がＡｕを主成分とするＡｕ系層とされてなり、前記素子基板がＳｉ基板であ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。
7. 前記素子基板がｎ型のＳｉ基板であり、かつ、前記拡散阻止層と前記Ｓｉ基板との間に、該Ｓｉ基板と前記拡散阻止層との接合抵抗を低減するための、ＡｕＳｂ合金又はＡｕＳｎ合金よりなる基板側接合金属層が介挿されてなることを特徴とする請求項６記載の発光素子。
8. 前記Ａｕ系層が前記反射面を形成してなることを特徴とする請求項６又は請求項７に記載の発光素子。
9. 前記Ａｕ系層と前記化合物半導体層との間に介挿されたＡｇを主成分とするＡｇ系層が前記反射面を形成してなることを特徴とする請求項６又は請求項７に記載の発光素子。
10. 発光層部を有した化合物半導体層の第一主表面を光取出面とし、該化合物半導体層の第二主表面側に、前記発光層部からの光を前記光取出面側に反射させる反射面を有した主金属層を介して素子基板が結合された発光素子の製造方法であって、
    素子基板の化合物半導体層を結合する側の主表面に、無機導電性材料にて構成され、かつ、前記素子基板に由来した成分の前記主金属層への拡散を阻止する拡散阻止層を形成し、
    前記化合物半導体層の前記第二主表面、及び前記素子基板に形成された前記拡散阻止層の主表面の少なくともいずれかに前記主金属層を形成し、
    その後、前記拡散阻止層及び前記主金属層を介してそれら素子基板と化合物半導体層とを貼り合わせることを特徴とする発光素子の製造方法。
11. 前記素子基板と前記化合物半導体層とを、前記拡散阻止層及び前記主金属層を介して重ね合わせ、その状態で貼り合わせ熱処理することにより、前記素子基板と前記化合物半導体層とを貼り合わせることを特徴とする請求項１０記載の発光素子の製造方法。
12. 前記拡散阻止層を導電性酸化物にて構成することを特徴とする請求項１０又は請求項１１記載の発光素子の製造方法。
13. 前記導電性酸化物としてＩＴＯを使用する請求項１２記載の発光素子の製造方法。
14. 前記拡散阻止層の厚さが１ｎｍ以上１０μｍ以下であることを特徴とする請求項１３記載の発光素子の製造方法。
15. 前記素子基板の前記主表面上に、該素子基板と前記拡散阻止層との接合抵抗を低減するための基板側接合金属層を形成し、該基板側接合金属層上に前記拡散阻止層を形成することを特徴とする請求項１０ないし請求項１４のいずれか１項に記載の発光素子の製造方法。
16. 前記主金属層の少なくとも前記拡散阻止層との界面を含む部分を、Ａｕを主成分とするＡｕ系層とし、前記素子基板としてＳｉ基板を用いることを特徴とする請求項１０ないし請求項１５のいずれか１項に記載の発光素子の製造方法。
17. 前記素子基板がｎ型のＳｉ基板であり、かつ、前記拡散阻止層と前記Ｓｉ基板との間に、該Ｓｉ基板と前記拡散阻止層との接合抵抗を低減するための、ＡｕＳｂ合金又はＡｕＳｎ合金よりなる基板側接合金属層が介挿されてなることを特徴とする請求項１６記載の発光素子の製造方法。
18. 前記化合物半導体層の光取出面になるのと反対側の主表面を貼り合わせ側主表面として、該貼り合わせ側主表面に、Ａｕを主成分とした、前記主金属層となるべき第一Ａｕ系層を配置し、
    前記素子基板の、前記発光層部側に位置することが予定された主表面を貼り合わせ側主表面として、該貼り合わせ側主表面に前記拡散阻止層を介して、Ａｕを主成分とした、前記主金属層となるべき第二Ａｕ系層を配置し、
    それら第一Ａｕ系層と第二Ａｕ系層とを密着させて貼り合わせることを特徴とする請求項１０ないし請求項１７のいずれか１項に記載の発光素子の製造方法。
19. 前記素子基板としてＳｉ基板を用いることを特徴とする請求項１８記載の発光素子の製造方法。
20. 前記反射面を前記第一Ａｕ系層により形成することを特徴とする請求項１８又は請求項１９に記載の発光素子の製造方法。

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