JP3997523B2

JP3997523B2 - 発光素子

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Publication number: JP3997523B2
Application number: JP2003025147A
Authority: JP
Inventors: 和徳萩本; 宣彦能登
Original assignee: Shin Etsu Handotai Co Ltd
Current assignee: Shin Etsu Handotai Co Ltd
Priority date: 2002-11-28
Filing date: 2003-01-31
Publication date: 2007-10-24
Anticipated expiration: 2023-01-31
Also published as: JP2004228540A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は発光素子及び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、補強用の導電性基板を、反射層を兼ねた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、本発明者らが検討したところによると、反射層としてＡｕ層を用いると、発光層部の波長によっては十分な反射効果が得られず、光取出し効率が思ったほど顕著に向上しないことがわかった。
【０００６】
本発明の課題は、反射金属層を用いた発光素子において、光取出効率が高く、しかも波長依存性が小さい発光素子及びその製造方法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、化合物半導体よりなる発光層部の一方の主表面を光取出面とし、該発光層部の他方の主表面側に素子基板が結合されるとともに、該素子基板と前記発光層部との間にＡｇを主成分とするＡｇ系反射金属層を介在させるとともに、前記Ａｇ系反射金属層は該Ａｇ系反射金属層の主表面上に分散形成される、ＡｕＧｅＮｉ接合層又はＡｇを主成分とするＡｇ系接合層からなる厚みが０．５ｎｍ以上１５ｎｍ以下の接合層を介して前記発光層部に接合され、また、前記Ａｇ系反射金属層は、前記接合層の周囲にて、Ａｕ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｒｅ、Ｏｓ、Ｉｒ及びＰｔのいずれかを主成分とする保護金属層を介して前記発光層部に接合されていることを特徴とする。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。
【０００８】
上記金属元素を主成分とする反射金属層は、Ａｕ系金属よりなる反射金属層と比べて反射率の波長依存性が小さく、かつ反射率も高い。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。具体的には、本発明にて採用するＡｇ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｒｅ、Ｏｓ、Ｉｒ及びＰｔは、可視光域（３５０ｎｍ以上７００ｎｍ）の全域に渡って高い反射率を確保でき、また貴金属であるため、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。
【０００９】
反射金属層は、Ａｇを主成分とするＡｇ系反射金属層とすることが特に望ましい。Ａｇは比較的安価である上、可視光の略全波長域に渡って良好な反射率を示す。従って、反射光の波長依存性をより小さくすることができ、反射率も高くすることができる。
【００１０】
図９は、鏡面研磨した種々の金属表面の反射スペクトルを示すものであり、プロット点「■」はＡｇの反射スペクトルを、プロット点「△」はＡｕの反射スペクトルを、プロット点「◆」はＡｌの反射スペクトル（比較例）である。また、プロット点「×」はＡｇＰｄＣｕ合金である。Ａｇの反射スペクトルは、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。
【００１１】
他方、Ａｕは有色金属であり、図９に示す反射スペクトル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、総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、本発明にて採用するＡｇ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｒｅ、Ｏｓ、Ｉｒ及びＰｔ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、本発明の採用により、Ａｕよりもはるかに高い光取出し効率を実現できる。
【００１２】
他方、図９に示すように、Ａｌの反射スペクトル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、本発明にて採用する金属は貴金属であり、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。例えば、図９に示すＡｇの場合、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。
【００１３】
なお、図９のＡｌの反射スペクトルは、鏡面研磨と化学研磨により、表面酸化皮膜の形成を抑制した状態で調整した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９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。例えば、Ａｇの場合、図９においては、３５０ｎｍ〜４００ｎｍ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系の反射金属層の採用により、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と比較すればはるかに高い。
【００１４】
以上を総合すれば、３５０ｎｍ以上６７０ｎｍ以下（望ましくは４００ｎｍ以上６５０ｎｍ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、Ａｇ系の反射金属層は、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。Ａｇ系の反射金属層は、例えば青色系あるいは緑色系の発光、つまりピーク波長が４５０ｎｍ以上５８０ｎｍ以下の光に対しても良好な反射率を示す。すなわち、発光層部のピーク発光波長が３５０ｎｍ以上６７０ｎｍ以下のとき、Ａｇ系の反射金属層を採用することにより、青色系あるいは緑色系の発光に対して、光取出効率を顕著に向上させることができる。
【００１５】
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（なお、適用対象となる反射金属層はＡｇ系のものに限らず、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｒｅ、Ｏｓ、Ｉｒ及びＰｔのいずれかを主成分に構成されたものであってもよい）。
【００１６】
また、上記構造の発光層部は、ピーク発光波長が４５０ｎｍ以上５８０ｎｍ以下、すなわち青色から緑色の発光を得るのに好都合であり、該発光層部と、Ａｇ系の反射金属層の採用をすれば、発光効率の極めて高い青色系ないし緑色系の発光素子を実現することができる。
【００１７】
反射金属層は、発光層部への通電経路の一部をなす。反射金属層をＡｇ系反射金属層として形成する場合、これ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。そこで、Ａｇ系反射金属層は、Ａｇを主成分とするＡｇ系接合層を介して発光層部に接合することが、接触抵抗の低減を図る上で望ましい。なお、Ａｇ系接合層は、Ａｇ系反射金属層と比較すれば、化合物半導体層と合金化により反射率が劣る。そこで、Ａｇ系接合層をＡｇ系反射金属層の主表面上に分散形成しておけば、接合層の非形成領域ではＡｇ系反射金属層による高い反射率を確保できる。
【００１８】
また、Ａｇ系接合層に代えて、Ａｕを主成分としたＡｕ系接合層（例えばＡｕＧｅＮｉ接合層）を用いることも可能である。しかし、前述のＡｇ系接合層は合金化を生ずるとはいえ、青色や緑色の光、具体的にはピーク発光波長が４５０ｎｍ以上５８０ｎｍ以下の光に対しての反射率が、Ａｕ系接合層と比較すればはるかに高い。従って、Ａｇ系接合層の採用により、青色や緑色の光に対する光取出効率をより改善することができる。またＡｇ系接合層はＡｕ系接合層よりも安価である。
【００１９】
なお、光取出効果を十分に高めるために、Ａｇ系反射金属層に対するＡｇ系接合層（あるいはＡｕ系接合層）の形成面積率（Ａｇ系反射金属層の全面積にて前記接合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。前記接合層の形成面積率が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。
【００２０】
Ａｇ系反射金属層は、Ａｇ系接合層よりもＡｇ含有率を高く設定しておくことで、Ａｇ系接合層の非形成領域において、Ａｇ系反射金属層の反射率を一層高めることができる。Ａｇ系反射金属層の材質として、Ａｇ含有率が９５質量％以上の金属、より具体的には純Ａｇ（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。一方、Ａｇ系反射金属層は、Ｐｄを含有したＡｇ合金により構成することもできる。Ｐｄを含有したＡｇ合金は、耐硫化性及び耐酸化性が良好であり、硫化ないし酸化に由来した反射率の劣化の防止に効果がある。また、後述の結合用金属層との接合強度も高めることができる。
【００２１】
Ａｇ系接合層は、Ａｇを主成分としてＮｉとＧｅを含有するＡｇＧｅＮｉ合金を採用することにより、良好なオーミックコンタクトを特に容易に形成できる。また、ＡｇＧｅＮｉ合金よりなるＡｇ系接合層は、Ａｇ系反射金属層との密着性も高い。本発明に好適に採用できるＡｇＧｅＮｉ合金の具体的な組成は、例えばＧｅ：０．１質量％以上２５質量％以下、Ｎｉ：０．１質量％以上２０質量％以下、残部Ａｇであり、この範囲外の組成では接触抵抗低減効果が十分に得られない場合がある。
【００２２】
素子基板と発光層部とを反射金属層を挟んで接合する場合、反射金属層を素子基板側に形成しておいてから、その反射金属層に発光層部を接合してもよいし、発光層部側に反射金属層を形成しておいてから、これに素子基板を接合してもよい。また、発光層部側に反射金属層を含む第一金属層を形成し、素子基板に形成した第二金属層と該第一金属層とを接合することも可能である。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。
【００２３】
反射金属層をなすＡｇ系反射金属層を発光層部に接合する製法を採用する場合、接合前のＡｇ系反射金属層の表面が酸化や硫化により光沢が減少したり、あるいは着色したりすることがあり、いずれも、反射強度の低下につながる。そこで、Ａｇ系反射金属層を、該Ａｇ系反射金属層と接する保護金属層を介して発光層部に接合すれば、Ａｇ系反射金属層の酸化や硫化が効果的に防止される。また、保護金属層を適度に薄く形成することで、発光層部からの光は、保護金属層が介在しているにもかかわらず、Ａｇ系金属の特徴（高反射強度及び低波長依存性）を反映した良好な反射特性が得られる。該効果は、具体的には、保護金属層の厚さ調整により、層を島状に形成し、その島間領域にてＡｇ系反射金属層を露出させる構造とするか、あるいは、トンネル効果による光透過効果が顕著となるように、保護金属層の厚みを反射すべき光の波長よりも十分小さい厚さとするかの、いずれかにより達成できる。
【００２４】
該保護金属層は、化学的に安定なＡｕを主成分とするＡｕ系金属層に構成すれば、Ａｇ系反射金属層に対する保護効果が特に顕著である。なお、Ａｇより貴な金属であれば、Ａｕ系金属以外にも、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｒｅ、Ｏｓ、Ｉｒ及びＰｔを主成分とする金属を保護金属層の材質として採用してもよい。
【００２５】
保護金属層を過度に厚く形成すると、Ａｇ系反射金属層よりも保護金属層の反射特性が優位となり、Ａｇ系反射金属層特有の高反射率ないし低波長依存性の効果が損なわれることにつながる。また、保護金属層が薄すぎると、Ａｇ系反射金属層を酸化や硫化から保護する効果が十分に得られなくなる。この観点から、保護金属層の厚みは０．５ｎｍ以上１５ｎｍ以下とすることが望ましい。
【００２６】
素子基板は導電性基板とすることにより、基板自体を、発光素子を駆動するための導通路の一部として利用でき、素子構造の簡略化を図ることができる。導電性基板としてはＡｌやＣｕないしそれらの合金よりなる金属基板を使用することもできるが、安価なＳｉ基板（多結晶基板又は単結晶基板：前者は特に安価である）を用いるとより有利である。
【００２７】
次に、反射金属層を素子基板に直接接合するのが困難な場合は、結合用金属層を介して反射金属層を素子基板に接合することができる。結合用金属層としては、Ａｕを主成分とするＡｕ系金属層が酸化等の影響を受けにくく、素子基板との結合力も確保しやすい。また、素子基板をＳｉ基板にて構成する場合、Ａｕ系金属層を結合用金属層として用いれば、該Ｓｉ基板との接合抵抗も概して低くできる。さらに、Ａｇ系反射金属層を用いる場合は、Ａｕ系金属層よりなる結合用金属層を、Ａｇ系反射金属層に容易に接合できる。
【００２８】
この場合、反射金属層は、該反射金属層の側からこの順序で互いに接して配置される、結合用金属層をなす第一Ａｕ系層と第二Ａｕ系層とを介して素子基板と結合されたものとすることができる。また、本発明の発光素子の製造方法は、上記構成の発光素子を製造するためのものであって、
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反射金属層を形成し、該反射金属層上にＡｕを主成分とする結合用金属層となる第一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Ａｕを主成分とする結合用金属層となる第二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。
【００２９】
上記の発明によると、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、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。
【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、最終的に得られる反射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。
【００３２】
なお、Ａｕ系層に対する基板側あるいは化合物半導体層側からの拡散や反応の影響を抑制するため、貼り合わせ熱処理温度の上限は３６０℃に設定することが望ましい。例えば、素子基板としてはＳｉ基板を用いることができる。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はＡｕ中へ拡散を起しやすく、また比較的低温で共晶反応を起しやすい（Ａｕ−Ｓｉ二元系の共晶温度は３６３℃である）。従って、貼り合わせの熱処理温度が少しでも過度に高くなると、金属反射層中のＡｕ系層へ素子基板をなすＳｉが多量に拡散したり共晶反応を起したりし、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系層同士の貼り合わせによりその熱処理温度を３６０℃以下に設定することで、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。
【００３３】
なお、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体よりなる化合物半導体層が用いられる場合は、上記貼り合わせ熱処理温度を１８０℃よりも高温に設定することが望ましい場合がある。第一Ａｕ系層と第二Ａｕ系層とを密着させて外部の熱源により貼り合わせ熱処理を行う際に、第一Ａｕ系層側へは化合物半導体層を介して熱が伝達されるが、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体は一般に、Ｓｉなどの他の半導体と比較すれば熱伝導率が低い。そのため、貼り合わせ熱処理温度が過度に低くなると、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層により第一Ａｕ系層への熱伝達が阻害され、第二Ａｕ系層との強固な貼り合わせ状態を得ることができなくなる。そこで、貼り合わせ熱処理温度は１８０℃よりも高く設定することにより、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の熱伝導率がそれほど高くない場合でも、第一Ａｕ系層と第二Ａｕ系層を十分な強度にて貼り合わせることができるようになる。特に、化合物半導体層が、ＩＩＩ族元素がＡｌ、Ｇａ及びＩｎより選ばれる１種以上からなり、Ｖ族元素がＰ及びＡｓより選ばれる１種以上からなる場合（例えば、（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_ｙＩｎ_１−ｙＰ（ただし、０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１））に、該効果は特に顕著となる。
【００３４】
化合物半導体層を（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_ｙＩｎ_１−ｙＰ（ただし、０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１）にて形成する場合、該化合物半導体層の貼り合わせ側主表面にＡｇＧｅＮｉコンタクト層を形成し、該ＡｇＧｅＮｉコンタクト層を覆うようにＡｇ系反射金属層を形成することが好ましい。この場合、ＡｇＧｅＮｉコンタクト金属と化合物半導体層との合金化熱処理を例えば、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。
【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の一方の主表面上に、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。図１の発光素子１００では、金属電極９側にｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層６が配置されており、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Ａｕ系接合層であるＡｕＳｂ接合層１６が形成され、これと接して金属電極（裏面電極）１５が形成されている。
【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、金属層１０を挟んで貼り合わされている。
【００３９】
金属層１０は、発光層部２４側の反射金属層１０ａと、Ｓｉ基板７側の結合用金属層１０ｂとからなり、反射金属層１０ａと結合用金属層１０ｂ同士が互いに接している。反射金属層１０ａはＡｇ層（以下、Ａｇ系反射金属層１０ａという）であり、結合用金属層１０ｂはＡｕ層（以下、Ａｕ系結合用金属層１０ｂという）である。発光層部２４とＡｇ系反射金属層１０ａとの間には、Ａｇ系接合層としてのＡｇＧｅＮｉ接合層３２（Ａｕ系接合層としてのＡｕＧｅＮｉ接合層であってもよい）が形成されており、素子の直列抵抗低減に貢献している。ＡｇＧｅＮｉ接合層３２は、Ａｇ系反射金属層１０ａ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基板７とＡｕ系結合用金属層１０ｂとの間にはＡｕ系接合層であるＡｕＳｂ接合層３１が形成されている。
【００４０】
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、Ａｇ系反射金属層１０ａによる反射光が重畳される形で取り出される。Ａｕ系金属反射層を用いた従来の発光素子は、ＡｌＧａＩｎＰを用いた発光層部の場合、５５０ｎｍ以上６００ｎｍ以下、特に、５８０ｎｍまでの緑系の発光波長のとき、Ａｕ系金属反射層による吸収が大きくなり、反射率が低下しやすい欠点がある。しかしながら、本実施形態の発光素子１００のようにＡｇ系反射金属層１０ａを用いると、上記のような発光波長の発光層部２４を形成した場合も反射率が低下せず、素子の光取出し効率を著しく高めることができる。
【００４１】
なお、Ａｇ系反射金属層１０ａ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、ＡｇＧｅＮｉ接合層３２を分散形成する。ＡｇＧｅＮｉ接合層３２を形成後、次に、３５０℃以上５００℃以下の温度域でシンター処理を行ない、その後、ＡｇＧｅＮｉ接合層３２を覆うようにＡｇ系反射金属層１０ａを形成する。発光層部２４とＡｇＧｅＮｉ接合層３２との間には、上記シンター処理によりアロイ層が形成され、オーミック接触が形成されて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ＡｕＳｂ接合層３１，１６を形成し、２５０℃以上５００℃以下の温度域でシンター処理を行なう。そして、ＡｕＳｂ接合層３１上にはＡｕ系結合用金属層１０ｂを、ＡｕＳｂ接合層１６上には裏面電極層１５（例えばＡｕ系金属よりなるもの）をそれぞれ形成する。以上の工程で各金属層は、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。なお、Ｓｉ単結晶基板の表面に高濃度の不純物（例えばＳｂ）をドープした基板を用いる場合は、Ａｕ又は上記不純物を含有するＡｕ合金（例えばＡｕＳｂ）を基板表面に蒸着すれば、シンター処理を敢えて実施しなくともオーミック接触を形成できる。
【００４４】
そして、工程４に示すように、Ｓｉ単結晶基板７のＡｕ系結合用金属層１０ｂを、発光層部２４上に形成されたＡｇ系反射金属層１０ａに重ね合わせて圧迫して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、Ａｇ系反射金属層１０ａ及びＡｕ系結合用金属層１０ｂを介して発光層部２４に貼り合わせられる。
【００４５】
上記の貼り合わせ工程では、熱処理時に、Ａｕ系結合用金属層１０ｂのＡｕと、Ａｇ系反射金属層１０ａのＡｇと、Ｓｉ基板のＳｉとの３元共晶反応が介在する。例えば、熱処理温度が高すぎたり、あるいはＡｇ系金属反射層１０ａが薄すぎたりすると、共晶液相が過剰に生じ、Ａｇ系反射金属層１０ａの大部分が共晶化して良好な反射面を形成できなくなる。これを防止するために、貼り合わせの熱処理温度は５０℃以上３６０℃以下に設定することが望ましい。熱処理温度が３６０℃を超えると共晶液相が過剰に生じて良好な反射面を形成できなくなり、５０℃未満では貼り合わせ強度が不十分となる。また、共晶液相が過剰に生じないためには、Ａｇ系反射金属層１０ａよりもＡｕ系結合用金属層１０ｂの厚さを小さくしておくこと（例えば１／５以下）が望ましい。なお、より確実な貼り合わせ強度を得るために、貼り合わせの熱処理温度は、望ましくは１８０℃を超え、かつ３６０℃以下に設定するのがよい。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
以下、本発明の種々の変形例について説明する。
反射金属層１０ａ（ここではＡｇ層）と結合用金属層１０ｂ（ここではＡｕ層）とは、これらを直接接合するのではなく、図３に示すように、ろう材層１０ｓを介して接合することもできる。この場合、反射金属層１０ａと結合用金属層１０ｂとをろう材ペースト（あるいはろう材箔）層１０ｓ’を介して重ね合わせ、ろう付け熱処理することにより接合可能である。ろう材としては、Ｓｎ系あるいはＳｎ−Ｐｂ系など、液相線温度が３６３℃以下の半田を用い、ろう付け熱処理を該温度以下にて行なうと、Ａｕ−Ｓｉの共晶形成を回避しつつ、反射金属層１０ａと結合用金属層１０ｂとを接合することができる。また、図４に示すように、反射金属層１０ａと結合用金属層１０ｂとを、導電性接着層１０ｄ（例えば、高分子材料に溶剤とＡｇ粉末等の導電性粉末を分散・配合した導電性接着剤の塗布により形成されるもの）を介して粘着接合することも可能である。いずれの場合も、結合用金属層１０ｂをＡｕ層ではなく、Ａｇ系金属層として形成することもできる。
【００４９】
また、図５に示すように、基板７と発光層部２４との双方にＡｇ系金属層（例えばＡｇ層）１０’，１０’を形成し、これらを直接拡散熱処理により接合することも可能である。基板７側の接合層３１’は例えばＡｇＳｂで構成する。この場合、２つのＡｇ系金属層は接合により一体化し、金属層１０の全体が単一のＡｇ系反射金属層となる。なお、この熱処理は、Ｓｉ基板を用いる場合、Ａｇ−Ｓｉの共晶温度（８４０℃）以下にて行なうことが望ましく、例えば前述のアロイ層形成のための熱処理と同じ温度域（２５０℃以上５００℃以下）を採用することができる。Ａｇ系金属層１０’ではなくＡｕ系金属層を用いる場合は、ＡｕとＳｉとの共晶温度が低いため、図５の接合層３２をアロイ層とするためのシンター処理を、Ａｕ系金属層の形成前に行なう必要があったが、Ａｇ系金属層１０’の場合は、上記のようにＡｇとＳｉとの共晶温度が高いので、Ａｇ系金属層１０’の形成後にシンター処理を行なうことも十分可能である。さらに、２つのＡｇ系金属層１０’，１０’を接合する熱処理を、シンター処理に兼用させてもよい。
【００５０】
さらに、図６に示すように、Ａｇ系反射金属層１０ａを、該Ａｇ系反射金属層１０ａと接する保護金属層１０ｅを介して発光層部２４に接合することもできる。具体的には、発光層部２４側にＡｇＧｅＮｉ接合層３２を形成しておき、他方、基板７の主表面には、Ａｇ系反射金属層１０ａとＡｕ層よりなる保護金属層１０ｅとを、この順序にて形成する。そして、発光層部２４の主表面に、保護金属層１０ｅで覆われたＡｇ系反射金属層１０ａを重ね合わせて熱処理し、接合を行なう。Ｓｉ基板を用いる場合、該熱処理はＡｇ−Ｓｉの共晶温度（８４０℃）以下にて行なうことが望ましく、ＡｇＧｅＮｉ接合層３２によるアロイ層形成の熱処理に兼用させることも可能である。保護金属層１０ｅの厚さｔを０．５ｎｍ以上１５ｎｍ以下にすることで、発光層部２４からの光は、保護金属層１０ｅが介在しているにもかかわらず、Ａｇ系反射金属層１０ａにて良好な反射率にて反射され、保護金属層１０による吸収の影響も小さい。なお、ＡｇＧｅＮｉ接合層３２上にＡｕ層３２ｃをごく薄く、例えば１ｎｍ以上１０ｎｍ以下に形成しておけば、Ａｕ系の保護金属層１０ｅとの接合強度を高めることができる。
【００５１】
また、図１に一点鎖線で示すように、反射金属層１０ａと発光層部２４とを、透明導電性酸化物層（例えばＩＴＯ（Indium Tin Oxide）層）３０を介して接合することもできる。この場合、ＡｇＧｅＮｉ接合層３２を省略することもできる。
【００５２】
次に、図７に示すように、Ａｇ系反射金属層１０ａを、該Ａｇ系反射金属層１０ａの側からこの順序で互いに接して配置される、結合用金属層をなす第一Ａｕ系層１０ｂと第二Ａｕ系層１０ｃとを介してＳｉ基板（素子基板）７と結合した構造とすることもできる。この場合の製造工程を図８に示す。工程１は、既に説明済みの図２と同じである。次に、工程２に示すように、発光層部２４の主表面に、ＡｇＧｅＮｉ接合層３２を分散形成し、さらに３５０℃以上６６０℃以下の温度域で合金化熱処理を行なった後、Ａｇ系反射金属層１０ａをＡｇＧｅＮｉ接合層３２を覆うように形成する。また、該Ａｇ系反射金属層１０ａ上に重ねてＡｕ系結合用金属層となる第一Ａｕ系層１０ｂを形成する。
【００５３】
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層となるＡｕＳｂ接合層３１，１６（ＡｕＳｎ接合層でもよい）を形成し、２５０℃以上３５９℃以下の温度域で合金化熱処理を行なう。そして、ＡｕＳｂ接合層３１上にはＡｕ系結合用金属層となる第二Ａｕ系層１０ｃを、ＡｕＳｂ接合層１６上には裏面電極層１５（例えばＡｕ系金属よりなるもの）をそれぞれ形成する。以上の工程で各金属層は、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。
【００５４】
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１０ｃを、発光層部２４上に形成された第一Ａｕ系層１０ｂに重ね合わせて圧迫して、１８０℃よりも高温かつ３６０℃以下、例えば２５０℃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１０ｂ及び第二Ａｕ系層１０ｃ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１０ｂと第二Ａｕ系層１０ｃとは、上記貼り合せ熱処理を採用することにより十分な強度にて結合される。第一Ａｕ系層１０ｂ及び第二Ａｕ系層１０ｃは、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。
【００５５】
続く工程５における、基板貼り合わせ体５０からのＧａＡｓ単結晶基板１の剥離は、図２と同様の工程にて行なうことができる。他方、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（発光層成長用基板）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。
【００５６】
上記のように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系反射金属層１０ａ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、反射金属層をなすＡｇ系反射金属層１０ａと接する第一Ａｕ系層１０ｂを、第一Ａｕ系層１０ｂの外周縁よりもＡｇ系反射金属層１０ａの外周縁が内側に位置するように、Ａｇ系反射金属層１０ａよりも大面積にて形成する。これにより、Ａｇ系反射金属層１０ａは第一Ａｕ系層１０ｂに包まれる形となり、Ａｇ系反射金属層１０ａの外周面が、耐食性の高い第一Ａｕ系層１０ｂの外周縁部１０ｅにより保護されるので、工程５において、発層成長用基板（ＧａＡｓ単結晶基板１）をエッチングしても、その影響がＡｇ系反射金属層１０ａ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。
【００５７】
以上の実施形態ではＡｇ系反射金属層１０ａを用いていたが、Ａｇ系反射金属層１０ａに代えて、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｒｅ、Ｏｓ、Ｉｒ及びＰｔのいずれかを主成分とする反射金属層（例えばＰｔ系反射金属層）を形成してもよい。さらに、電流拡散層２０に代えて、ＩＴＯ層等の透明導電性酸化物層を形成し、その上に電極９（ボンディングパッド）を配置してもよい。
【００５８】
また、以上の実施形態では、発光層部２４の各層をＡｌＧａＩｎＰ混晶にて形成していたが、該各層（ｐ型クラッド層６、活性層５及びｎ型クラッド層４）を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）が使用される。サファイア基板上にＧａＮバッファ層を介してＡｌＧａＩｎＮ混晶よりなる発光層部が形成されている場合、サファイア基板の裏面側からエキシマレーザーを照射することによりＧａＮバッファ層が溶解し、サファイア基板を剥離除去することができる。発光層部２４の発光波長が４５０ｎｍ以上５８０ｎｍ以下のとき、Ａｇ系反射金属層１０ａとＡｇＧｅＮｉ接合層３２とを採用することによる、青色ないし緑色系の光の反射率向上効果が大きい。
【００５９】
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。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の発光素子の一実施形態を積層構造にて示す模式図。
【図２】本発明の発光素子の製造工程の一例を示す説明図。
【図３】本発明の発光素子の製造工程の第一変形例を、それにより得られる発光素子の構造の要部と共に示す説明図。
【図４】本発明の発光素子の製造工程の第二変形例を、それにより得られる発光素子の構造の要部と共に示す説明図。
【図５】本発明の発光素子の製造工程の第三変形例を、それにより得られる発光素子の構造の要部と共に示す説明図。
【図６】本発明の発光素子の製造工程の第四変形例を、それにより得られる発光素子の構造の要部と共に示す説明図。
【図７】本発明の発光素子の変形例を積層構造にて示す模式図。
【図８】図７の発光素子の製造工程の一例を示す説明図。
【図９】種々の金属の反射スペクトルを示す図。
【符号の説明】
１ＧａＡｓ単結晶基板（発光層成長用基板）
４ｎ型クラッド層（第二導電型クラッド層）
５活性層
６ｐ型クラッド層（第一導電型クラッド層）
７Ｓｉ単結晶基板（素子基板）
９金属電極
１０金属層
１０ａＡｇ系反射金属層（反射金属層）
１０ｂ，１０ｃＡｕ系結合用金属層（結合用金属層）
２４発光層部
３２ＡｇＧｅＮｉ接合層
１００発光素子

Claims

化合物半導体よりなる発光層部の一方の主表面を光取出面とし、該発光層部の他方の主表面側に素子基板が結合されるとともに、該素子基板と前記発光層部との間にＡｇを主成分とするＡｇ系反射金属層を介在させるとともに、前記Ａｇ系反射金属層は該Ａｇ系反射金属層の主表面上に分散形成される、ＡｕＧｅＮｉ接合層又はＡｇを主成分とするＡｇ系接合層からなる接合層を介して前記発光層部に接合され、
また、前記Ａｇ系反射金属層は、前記接合層の周囲にて、Ａｕ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｒｅ、Ｏｓ、Ｉｒ及びＰｔのいずれかを主成分とする厚みが０．５ｎｍ以上１５ｎｍ以下の保護金属層を介して前記発光層部に接合されていることを特徴とする発光素子。
前記発光層部はピーク発光波長が６７０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１記載の発光素子。
前記発光層部はピーク発光波長が３５０ｎｍ以上６７０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項２記載の発光素子。
前記発光層部はピーク発光波長が４５０ｎｍ以上５８０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項２記載の発光素子。
前記発光層部は、（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されていることを特徴とする請求項４記載の発光素子。
前記Ａｇ系反射金属層に対する前記ＡｕＧｅＮｉ接合層の形成面積率が１％以上２５％以下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。
前記Ａｇ系反射金属層に対する前記Ａｇ系接合層の形成面積率が１％以上２５％以下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。
前記Ａｇ系反射金属層は、前記Ａｇ系接合層よりもＡｇ含有率が高く設定されてな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。
前記Ａｇ系接合層は、Ａｇを主成分としてＮｉとＧｅを含有するＡｇＧｅＮｉ合金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。
前記反射金属層が、結合用金属層を介して前記素子基板に接合されていることを特徴とする請求項１ないし請求項９のいずれか１項に記載の発光素子。
前記結合用金属層がＡｕを主成分とするＡｕ系金属層であることを特徴とする請求項１０記載の発光素子。
前記反射金属層が、該反射金属層の側からこの順序で互いに接して配置される、前記結合用金属層をなす第一Ａｕ系層と第二Ａｕ系層とを介して前記素子基板と結合されてなることを特徴とする請求項１１記載の発光素子。
請求項１２記載の発光素子の製造方法であって、
前記化合物半導体層の前記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前記反射金属層を形成し、該反射金属層上にＡｕを主成分とする前記結合用金属層となる第一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Ａｕを主成分とする前記結合用金属層となる第二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発光素子の製造方法。