JP4004378B2 - 半導体発光素子 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、化合物半導体からなり、発光層形成部を有する半導体積層部が、導電性基板と金属層を介して接着される半導体発光素子に関する。さらに詳しくは、外部への光の取出し効率を向上させた半導体発光素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のＩｎＧａＡｌＰ系化合物半導体を用いた半導体発光素子は、たとえば図３に示されるように、ＧａＡｓからなる半導体基板上に、ＩｎＧａＡｌＰ系の半導体材料からなるダブルヘテロ接合構造の発光層形成部３、ＡｌＧａＡｓ系半導体材料からなるウィンドウ層４、およびコンタクト層５などからなる半導体積層部１０が形成され、コンタクト層５上にＡｕ-Ｂｅ合金などからなる第１電極６、半導体基板の裏面側にＡｕ-Ｇｅ合金などからなる第２電極７がそれぞれ設けられることにより形成されている。
【０００３】
このような構造では、基板のＧａＡｓが発光層形成部３から発光した光に対して吸収する材料であるため、発光した光で基板側に進んだ光の殆どが吸収されてしまい無駄になるという問題がある。そのため図４に示されるように、ＧａＡｓ基板上に前述のような構造の半導体積層部１０を積層した後、ＧａＡｓ基板を除去し、シリコン基板１などをＡｕ-Ｇｅ合金層２ａ、Ａｕ、ＡｌまたはＡｇからなる層２ｂ、およびＡｕ層２ｃからなる金属層２を介して貼り合せ、挿入した金属層２で光を反射させ、光の取出し効率を向上させる構造などが提案されている（たとえば特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００１−３３９１００号公報（図２）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
前述のように、発光層形成部の基板側に金属層２を挿入することにより、発光層形成部で発光して基板側に向った光も金属層２で反射して上面側に比較的有効に取り出せるとして重用されている。
【０００６】
しかしながら、前述の図４に示される構造での外部光取出し効率を調べた結果、基板をわざわざ貼り替えている割には余り上昇せず、実際には期待される程の増加率が得られないことを見出した。そのため、費用対効果の点からも、さらに輝度向上が望まれる。
【０００７】
本発明は、このような状況に鑑みてなされたもので、導電性基板上に化合物半導体からなる発光層形成部を有する半導体積層部を、金属層を介して貼り合せることにより形成する半導体発光素子の輝度をさらに向上させることができる構造を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、導電性基板と半導体積層部の貼り合せ構造の半導体発光素子において、さらに輝度向上を図るため鋭意検討を重ねた結果、図４に示される構造では、（１）導電性基板との接着の際、高温下に曝されることになり半導体積層部との接合部で相互拡散をし、光を吸収しやすくなること、（２）第２層の金属として、とくに反射率の大きい金属に最適化されていないこと、（３）半導体積層部とのオーミックコンタクト層とするＡｕ-Ｇｅ層のＡｕの拡散により、とくに光の吸収が大きいこと、などに基づき、輝度が想定された程に向上しないことに原因があることを見出した。そして、第２層の金属としてＡｇを用い反射率を大きくすると共に、導電性基板と低温接着できる第３金属層を用い金属層から半導体積層部へのＡｕの拡散を防ぐ構造にすることにより、従来の輝度増加分のさらに２倍程度の増加率が得ることを見出した。
【０００９】
本発明による半導体発光素子は、発光層形成部を有する半導体積層部と導電性基板とが金属層を介して接着されることにより形成される半導体発光素子であって、
前記金属層は、前記半導体積層部とオーミック接触させる第１金属層と、Ａｇからなる第２金属層と、前記導電性基板と前記半導体積層部との接合を１５０〜３００℃の低温で可能とする金属からなる第３金属層とを少なくとも有し、前記第１金属層は部分的に欠落されると共に、該欠落された部分に前記発光層形成部で発光する光を透過し、かつ、前記金属層の金属の拡散を防止する保護膜が形成されている。
【００１０】
ここにＡｇからなる第２金属層には、Ａｇのみからなる場合だけでなく、Ａｇ以外の他の成分（たとえばＡｕやＺｎなど）が１０ａｔ％以下の割合で含有しているものも含まれる。
【００１１】
この構造にすることにより、第２金属層は反射率の高いＡｇからなる層を用いているため、第２金属層をＡｕ層やＡｌ層とするよりも反射される割合が高くなる。一方で、半導体積層部と導電性基板の貼り合せを低温で行うことができ、半導体積層部と接する第１金属層に含まれるＡｕと半導体積層部中のＧａとの相互拡散が抑制され、吸収領域が形成されることを減らし、反射する割合をさらに高めることができ、輝度が向上する。
【００１２】
さらに、前記第１金属層に、５０ａｔ％以下の割合でＡｇが添加されていることにより、輝度がさらに向上する。
【００１３】
【発明の実施の形態】
つぎに、図面を参照しながら本発明の半導体発光素子について説明をする。本発明による半導体発光素子は、図１にその一実施形態であるＬＥＤチップの断面構造が示されるように、発光層形成部３を有する半導体積層部１０と導電性基板１とが金属層２を介して接着されることにより形成されている。本発明では、金属層２が、半導体積層部１０とオーミック接触させる第１金属層２１と、Ａｇからなる第２金属層２２と、導電性基板１と低温接着可能とする金属からなる第３金属層２３とを少なくとも有していることに特徴がある。
【００１４】
前述のように、本発明者らは、さらに輝度向上を図るために鋭意検討を重ねた結果、半導体積層部１０を導電性基板１と接着する際、高温下に曝されることになり半導体積層部１０と金属層２との間で相互拡散が生じ光吸収層が形成され、輝度の低下に繋がることを見出した。その観点から、第３金属層２３は、導電性基板１と半導体積層部１０との接合を低温で可能とする金属からなっている。低温とは、金属層２と半導体積層部１０との間でほとんど相互拡散を生じない程度の温度をいい、具体的に第３金属層は、Ｉｎ、Ｉｎ-Ｚｎ、Ｓｎ-Ｚｎなどが考えられ、たとえば、０.２〜５０μｍ程度の厚さに設けられている。Ｉｎ-ＺｎやＳｎ-Ｚｎなどの合金は、Ｚｎ割合が増えるに従い、高温でしか溶けなくなるため、Ｚｎの割合は、前述の金属層２と半導体積層部１０の間でほとんど相互拡散を生じない温度以下となるような割合とするが、僅かでもＺｎが混入されることによりＡｇ層などとの接触性が向上し、接触抵抗を下げることが可能である。
【００１５】
図４で示されるような従来構造では、半導体積層部１０と導電性基板１との接合は、このような低温接着可能な層は挿入されていないのに対して、本発明では、この第３金属層２３を介して導電性基板１と半導体積層部１０を低温接合可能な金属を用いて接合するため、接合温度を非常に低くすることができる。そして、この低温接合は、金属層２中のＡｕやＡｇが拡散することを抑制し、拡散による第１金属層２１と半導体積層部１０との界面での吸収領域が形成される割合を減らすことができ、反射効率が向上する。さらに、第３金属層２３の金属である低温で接合可能な金属は、第２金属層２２のＡｇとの接合相性もよいため、第２金属層２２と第３金属層２３との異種金属接合でもとくに問題も発生しない。なお、この第３金属層２３は、半導体積層部１０側に設けられないで、導電性基板１側に設けられてもよい。
【００１６】
また、本発明者らは発光層形成部３で発光する光の反射率を向上させるため、さらに鋭意検討を重ねた結果、たとえば赤色光や赤外光（６００ｎｍ〜８００ｎｍ）に対してＡｕ層が約８９％の反射率であるのに対してＡｇ層を用いれば約９６％の反射率を有しており、かつ、ＡｇはＡｕよりも拡散しにくいため、Ａｇを第２金属層２２として用いることで、反射率が高く、かつ第２金属層２２から半導体積層部１０へのＡｇの拡散も少なく吸収領域も形成されにくく、輝度を向上させ得ることを見出した。なお、Ａｇからなる層とは、Ａｇのみからなる層の他、ＺｎやＡｕなどの他の成分を１０ａｔ％以下しか含まず９０ａｔ％以上のＡｇを含む層をいい、第２金属層２２に１０ａｔ％以内のＡｇ以外の金属が含まれている場合、前述の第３金属層２３との異種金属接合に際し、さらに接合相性がよくなる点からもより好ましい。具体的には、Ａｇ層あるいはＡｇ-Ｚｎ層、Ａｕ-Ａｇ層などが考えられ、たとえば０.１〜０.５μｍ程度に形成すればよい。
【００１７】
第１金属層２１としては、半導体積層部１０とオーミック接触させるために、半導体積層部１０の第１金属層２１と接する層がｐ形であればＡｕ-Ｚｎ合金やＡｕ-Ｂｅ合金、ｎ形であればＡｕ-Ｇｅ合金などが用いられ、半導体積層部１０とオーミック接触できる最低限の厚さ、たとえば０.０５〜１μｍ程度、さらに好ましくは０.１〜０.５μｍ程度の厚さを有すればよい。厚すぎると後述するように、光吸収層が多くなり有効に利用できないためである。また、これらの合金などにＡｇを添加させると、反射率の高いＡｇが第１金属層２１にも含有することになり、従来のＡｇを含まない第１金属層２１を用いるよりも第１金属層２１で反射される割合も増えることになるためより好ましい。ただし、Ａｇの添加の割合を増やせば、半導体積層部１０とのオーミックコンタクトが得られにくくなるため、約５０ａｔ％までにすることが望ましい。
【００１８】
さらに、本発明者らは、図４に示される構造では、半導体積層部１０とのオーミックコンタクト層とするＡｕ-Ｇｅ層２ａのＡｕの拡散による光の吸収がとくに大きいことが輝度低下の原因の一つであることを見出した。すなわち、Ａｕ-Ｇｅ層２ａのＡｕは、半導体積層部１０とオーミックコンタクトを取るために熱処理により半導体積層部１０側へＡｕが大量に拡散しており、その際界面に光吸収領域が形成されてしまう。そして、この問題を解決するため、第１金属層２１はオーミックコンタクトを得るための最小限の厚さに薄くしたり、さらには後述するように部分的に欠落させたりすることで、光吸収領域を減らし得ることを見出した。したがって、第１金属層２１のＡｕの拡散を減らすためにも第１金属層２１の厚さは、薄い方がより望ましい。
【００１９】
そして、第１金属層２１でのＡｕ拡散をさらに抑えるために、第１金属層２１を部分的に欠落させることで、第１金属層２１と半導体積層部１０の接触面積を減らし、第１金属層２１から半導体積層部１０へのＡｕの拡散が抑えられ、さらに吸収領域の形成が抑制される。また、欠落部分は、半導体積層部１０の表面に対して５０％以下であることが接触面積低減による接触抵抗上昇を抑える点から望ましい。さらに、図２に示されるように、第１金属層２１の欠落部にＳｉＯ2などの保護膜を埋め込むことで、さらに吸収を抑えることが可能である。すなわち、ＡｇはＡｕに比べれば半導体積層部１０への拡散割合は少ないが、ある程度は半導体積層部１０へ拡散し吸収領域を形成するため、拡散防止としてＳｉＯ2やＡｌ2Ｏ3などの発光層形成部３で発光する光を透過させながら金属拡散を防止できる膜からなる保護膜を欠落部に形成し、第２金属層２２のＡｇの拡散をバリアすることができる。
【００２０】
導電性基板１は、シリコン基板やＧａＰ基板などの半導体基板でも、Ａｌ基板などの金属基板でもよい。図１に示される例では半導体基板であるシリコン基板を用いている。シリコン基板は、ｐ形、ｎ形のいずれでもよく、導電性となっており電流注入を阻害しない程度のキャリア濃度を有すればよい。また、第２電極７や第４金属層２４と接合する付近をオーミック接触させるため、表面にＡｓやＢなどをさらに拡散させ、高濃度領域を形成することが望ましい。さらに、導電性基板１側に向かう発光層形成部３で発光した光は、金属層２でほとんど反射されるため、光を吸収するＧａＡｓ基板などでもよい。なお、導電性基板１として半導体基板を用いる場合には、図１に示されるような第２電極７および半導体基板とオーミックコンタクトを得るための第４金属層２４が必要となるが、金属基板を用いる場合には、直接端子接続できるため第２電極７および第４金属層２４は不要である。
【００２１】
第２電極７は、Ａｕ-Ｚｎ合金やＡｕ-Ｂｅ合金などシリコン基板とオーミック接触できる材料からなり、半導体積層部１０の導電形が逆の場合には、Ａｕ-Ｇｅ合金などが好ましい。また、第４金属層２４も、シリコン基板がｐ形の場合にはＡｕ-Ｚｎ合金やＡｕ-Ｂｅ合金、ｎ形の場合にはＡｕ-Ｇｅ合金などが好ましい。
【００２２】
発光層形成部３は、図１に示される例では、活性層３ｂをそれよりバンドギャップが大きく屈折率の小さい材料からなるｎ形クラッド層３ａおよびｐ形クラッド層３ｃにより挟持するダブルへテロ構造に形成されており、ｎ形クラッド層３ａが半導体基板側に設けられている。なお、活性層３ｂは、バルク構造だけに限定されるわけではなく、量子井戸構造であってもよい。半導体材料としては、たとえば、赤色光を得るためにはＩｎＧａＡｌＰ系材料、赤外光を得るためにはＡｌＧａＡｓ系材料、が主として用いられる。この発光層形成部３の成長は、目的とする素子の発光波長などにより必要な組成（Ａｌの組成比を変えたり、ドーパントをドーピングしたりする）にしたり、必要な厚さに成長される。
【００２３】
ここにＩｎＧａＡｌＰ系材料とは、Ｉｎ0.49（Ｇａ1-x Ａｌx ）0.51Ｐの形で表され、ｘの値が０と１との間で種々の値のときの材料を意味する。なお、Ｉｎと（Ａｌx Ｇａ1-x ）の混晶比率の０.４９および０.５１はＩｎＧａＡｌＰ系材料が積層されるＧａＡｓなどの半導体基板と格子整合される比率であることを意味し、ＡｌＧａＡｓ系材料とは、ＡｌyＧａ1-yＡｓの形で表され、ｙの値が０と１との間で種々の値のときの材料を意味する。
【００２４】
具体例としては、たとえば、Ｉｎ0.49（Ｇａ0.3Ａｌ0.7）0.51Ｐからなり、Ｓｅがドープされてキャリア濃度が１×１０17〜１×１０19ｃｍ-3程度、厚さが０.１〜２μｍ程度のｎ形クラッド層３ａと、Ｉｎ0.49（Ｇａ0.8Ａｌ0.2）0.51Ｐからなり、ノンドープで０.１〜２μｍ程度の厚さの活性層３ｂと、Ｚｎがドープされてキャリア濃度が１×１０16〜１×１０19ｃｍ-3程度、厚さが０.１〜２μｍ程度で、ｎ形クラッド層３ａと同じ組成のＩｎＧａＡｌＰ系化合物半導体からなるｐ形クラッド層３ｃとの積層構造により形成される。一方、ＡｌＧａＡｓ系化合物半導体からなる場合には、Ａｌ0.7Ｇａ0.3Ａｓからなり、Ｓｅがドープされてキャリア濃度が１×１０17〜１×１０19ｃｍ-3程度、厚さが０.１〜２μｍ程度のｎ形クラッド層３ａと、Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ａｓからなり、ノンドープで０.１〜２μｍ程度の厚さの活性層３ｂと、Ｚｎがドープされてキャリア濃度が１×１０16〜１×１０19ｃｍ-3程度、厚さが０.１〜２μｍ程度で、ｎ形クラッド層３ａと同じ組成のＡｌＧａＡｓ系化合物半導体からなるｐ形クラッド層３ｃとの積層構造により形成される。
【００２５】
この発光層形成部３のｎ形クラッド層３ａ上に、たとえばｎ形ＡｌzＧａ1-zＡｓ（０.５≦ｚ≦０.８）からなるウィンドウ層４が１〜１０μｍ程度形成され、さらにウィンドウ層４の一部にｎ形ＧａＡｓからなるコンタクト層５が０.１〜１μｍ程度形成されることにより、半導体積層部１０が形成されている。ウィンドウ層４は、電流をチップ全体に広げると共に、光を吸収しないようなバンドギャップの材料からなり、また、できるだけ厚くして側面から光を取り出せるようにすることが好ましい。一方、コンタクト層５は、第１電極６とオーミックコンタクトを取るための層であり、ウィンドウ層４が直接第１電極６に接合される場合には、コンタクト層５は不要である。さらに、半導体積層部１０のコンタクト層５上に第１電極６がパターニングされ形成されている。
【００２６】
なお、図１の例では示されていないが、ｐ形クラッド層３ｃ下に、屈折率の異なる半導体層をλ／（４ｎ）（λは発光波長、ｎは半導体層の屈折率）の厚さで交互に５〜４０層づつ程度積層する反射層（ＤＢＲ）が挿入されていてもよい。反射層を挿入することで、金属層２の手前である程度の光を反射することができるからである。反射層（ＤＢＲ）は、活性層３ｂよりもバンドギャップが大きい層、たとえばＡｌＧａＡｓのＡｌの組成を変更した積層構造により得られる。
【００２７】
本発明では、半導体積層部１０と導電性基板１との間の金属層２を、半導体積層部１０とオーミック接触させる第１金属層２１と、Ａｇからなる第２金属層２２と、導電性基板１と低温接着可能とする金属からなる第３金属層２３とが少なくとも有する構造とすることで、第２金属層２２をＡｕ層やＡｌ層とするよりも反射される割合が高くなり、一方で、半導体積層部１０と導電性基板１の貼り合せを低温で行うことができるため、吸収領域が形成されることを減らし、反射する割合をさらに高めることができ、輝度が向上する。さらに、第１金属層２１が、部分的に欠落されてなる半導体発光素子とすることで、半導体積層部１０と接触するＡｕが含まれる第１金属層２１と半導体積層部１０との接触面積を減らすことにより、より吸収領域が形成されることを防止し、輝度がさらに向上する。
【００２８】
このようなＬＥＤチップを製造するには、たとえば、ｎ形のＧａＡｓ基板をＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相成長）装置内に入れ、反応ガスのトリエチルガリウム（以下、ＴＥＧという）、トリメチルアルミニウム（以下、ＴＭＡという）、トリメチルインジウム（以下、ＴＭＩｎという）、アルシン（以下、ＡｓＨ3 という）、ホスフィン（以下、ＰＨ3 という）およびｎ形ドーパントガスとしてのＨ2 Ｓｅをキャリアガスの水素（Ｈ2 ）を適宜導入し、５００〜７００℃程度でエピタキシャル成長し、ｎ形でキャリア濃度が１×１０17〜１×１０21ｃｍ-3程度のたとえばＧａＡｓからなるｎ形コンタクト層５を０.１〜１μｍ程度、ｎ形でキャリア濃度が１×１０17〜１×１０20ｃｍ-3程度のたとえばＡｌ0.7Ｇａ0.3Ａｓからなるｎ形ウィンドウ層４を１〜１０μｍ程度、ｎ形でキャリア濃度が１×１０16〜１×１０19ｃｍ-3程度のＩｎ0.49（Ｇａ0.3Ａｌ0.7 ）0.51Ｐからなるｎ形クラッド層３ａを１μｍ程度エピタキシャル成長する。ついで、たとえばノンドープのＩｎ0.49（Ｇａ0.3Ａｌ0.7）0.51Ｐからなる活性層３ｂを０.５μｍ程度、さらにｎ形クラッド層３ａと同様の反応ガスで、ドーパントガスをジメチル亜鉛（ＤＭＺｎ）にして、ｐ形でキャリア濃度が１×１０17〜１×１０19ｃｍ-3程度のたとえばＩｎ0.49（Ｇａ0.3 Ａｌ0.7 ）0.51Ｐからなるｐ形クラッド層３ｃを１μｍ程度、それぞれ成長する。その後、半導体積層部１０のｐ形クラッド層３ｃの上にＡｕ-Ｂｅ合金からなる第１金属層２１を真空蒸着やスパッタにより０.０５〜１μｍ程度、好ましくは、０.１〜０.５μｍ程度形成後、熱処理によって、半導体積層部１０と第１金属層２１とのオーミック接触をとる。
【００２９】
また、第１金属層２１を部分的に欠落させ、欠落部にＳｉＯ2などを埋め込む場合には、真空蒸着やスパッタで第１金属層２１を形成する前に、ＳｉＯ2などをスパッタやＣＶＤなどで全面に０.０５〜０.２μｍ程度形成後、フォトレジスト工程にて、レジストのパターニングを行い、レジストに覆われていない部分のＳｉＯ2などをウェットエッチングする。その後、第１金属層２１を真空蒸着またはスパッタにより０.０５〜１μｍ程度、全面に形成してレジストを剥離することで得られる。
【００３０】
その後、真空蒸着やスパッタにより、Ａｇからなる第２金属層２２を０.１〜０.５μｍ程度、Ｉｎからなる第３金属層２３を０.２〜２μｍ程度、順次積層する。一方、導電性シリコン基板１上にＡｕ-Ｇｅ合金からなる第４金属層２４を０.１〜１μｍ程度、Ａｕ-Ｇｅ合金からなる第２電極７を０.１〜１μｍ程度、真空蒸着やスパッタにより形成後、熱処理によって、シリコン基板１と第４金属層２４および第２電極７とのオーミック接触をとり、上述の半導体積層部１０のＩｎからなる第３金属層２３側に第４金属層２４を重ね合わせ、窒素雰囲気で１５０〜３００℃に、より好ましくは、２００℃程度に加熱することにより接合処理を行う。接合処理が終われば、ｎ形ＧａＡｓ基板を除去する。基板の除去はウエットエッチングにより行うことができ、ｎ−ＧａＡｓコンタクト層５に達した段階で終了させる。そして、第１電極６を図１に示されるようにパターニングをしてＡｕ-Ｇｅ合金からなる第１電極６を０.１〜１μｍ程度形成し、第１電極６をマスクとして、ｎ形コンタクト層５の第１電極６で覆われていない部分をエッチングにより除去し、ｎ形コンタクト層５をパターニングし、その後ダイシングしてチップ化する。
【００３１】
【発明の効果】
本発明によれば、導電性基板上に化合物半導体からなる発光層形成部を有する半導体積層部を、金属層を介して貼り合せることにより形成する半導体発光素子の輝度をさらに向上させることができる構造が得られる。すなわち、従来ならば基板をわざわざ貼り替えている割には余り上昇せず、期待される程の増加率が得られないのに対して、本発明では、その増加分のさらに２倍程度の増加率にすることができ、非常に輝度の大きい、導電性基板と半導体積層部の貼り合せ構造の半導体発光素子が得られた。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による半導体発光素子の一実施形態の断面構造の説明図である。
【図２】本発明による半導体発光素子の他の実施形態の金属層付近の断面構造の説明図である。
【図３】従来のＬＥＤチップの断面構造の説明図である。
【図４】従来のＬＥＤチップの断面構造の説明図である。
【符号の説明】
１ 導電性基板
２ 金属層
３ 発光層形成部
１０ 半導体積層部
２１ 第１金属層
２２ 第２金属層
２３ 第３金属層
【発明の属する技術分野】
本発明は、化合物半導体からなり、発光層形成部を有する半導体積層部が、導電性基板と金属層を介して接着される半導体発光素子に関する。さらに詳しくは、外部への光の取出し効率を向上させた半導体発光素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のＩｎＧａＡｌＰ系化合物半導体を用いた半導体発光素子は、たとえば図３に示されるように、ＧａＡｓからなる半導体基板上に、ＩｎＧａＡｌＰ系の半導体材料からなるダブルヘテロ接合構造の発光層形成部３、ＡｌＧａＡｓ系半導体材料からなるウィンドウ層４、およびコンタクト層５などからなる半導体積層部１０が形成され、コンタクト層５上にＡｕ-Ｂｅ合金などからなる第１電極６、半導体基板の裏面側にＡｕ-Ｇｅ合金などからなる第２電極７がそれぞれ設けられることにより形成されている。
【０００３】
このような構造では、基板のＧａＡｓが発光層形成部３から発光した光に対して吸収する材料であるため、発光した光で基板側に進んだ光の殆どが吸収されてしまい無駄になるという問題がある。そのため図４に示されるように、ＧａＡｓ基板上に前述のような構造の半導体積層部１０を積層した後、ＧａＡｓ基板を除去し、シリコン基板１などをＡｕ-Ｇｅ合金層２ａ、Ａｕ、ＡｌまたはＡｇからなる層２ｂ、およびＡｕ層２ｃからなる金属層２を介して貼り合せ、挿入した金属層２で光を反射させ、光の取出し効率を向上させる構造などが提案されている（たとえば特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００１−３３９１００号公報（図２）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
前述のように、発光層形成部の基板側に金属層２を挿入することにより、発光層形成部で発光して基板側に向った光も金属層２で反射して上面側に比較的有効に取り出せるとして重用されている。
【０００６】
しかしながら、前述の図４に示される構造での外部光取出し効率を調べた結果、基板をわざわざ貼り替えている割には余り上昇せず、実際には期待される程の増加率が得られないことを見出した。そのため、費用対効果の点からも、さらに輝度向上が望まれる。
【０００７】
本発明は、このような状況に鑑みてなされたもので、導電性基板上に化合物半導体からなる発光層形成部を有する半導体積層部を、金属層を介して貼り合せることにより形成する半導体発光素子の輝度をさらに向上させることができる構造を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、導電性基板と半導体積層部の貼り合せ構造の半導体発光素子において、さらに輝度向上を図るため鋭意検討を重ねた結果、図４に示される構造では、（１）導電性基板との接着の際、高温下に曝されることになり半導体積層部との接合部で相互拡散をし、光を吸収しやすくなること、（２）第２層の金属として、とくに反射率の大きい金属に最適化されていないこと、（３）半導体積層部とのオーミックコンタクト層とするＡｕ-Ｇｅ層のＡｕの拡散により、とくに光の吸収が大きいこと、などに基づき、輝度が想定された程に向上しないことに原因があることを見出した。そして、第２層の金属としてＡｇを用い反射率を大きくすると共に、導電性基板と低温接着できる第３金属層を用い金属層から半導体積層部へのＡｕの拡散を防ぐ構造にすることにより、従来の輝度増加分のさらに２倍程度の増加率が得ることを見出した。
【０００９】
本発明による半導体発光素子は、発光層形成部を有する半導体積層部と導電性基板とが金属層を介して接着されることにより形成される半導体発光素子であって、
前記金属層は、前記半導体積層部とオーミック接触させる第１金属層と、Ａｇからなる第２金属層と、前記導電性基板と前記半導体積層部との接合を１５０〜３００℃の低温で可能とする金属からなる第３金属層とを少なくとも有し、前記第１金属層は部分的に欠落されると共に、該欠落された部分に前記発光層形成部で発光する光を透過し、かつ、前記金属層の金属の拡散を防止する保護膜が形成されている。
【００１０】
ここにＡｇからなる第２金属層には、Ａｇのみからなる場合だけでなく、Ａｇ以外の他の成分（たとえばＡｕやＺｎなど）が１０ａｔ％以下の割合で含有しているものも含まれる。
【００１１】
この構造にすることにより、第２金属層は反射率の高いＡｇからなる層を用いているため、第２金属層をＡｕ層やＡｌ層とするよりも反射される割合が高くなる。一方で、半導体積層部と導電性基板の貼り合せを低温で行うことができ、半導体積層部と接する第１金属層に含まれるＡｕと半導体積層部中のＧａとの相互拡散が抑制され、吸収領域が形成されることを減らし、反射する割合をさらに高めることができ、輝度が向上する。
【００１２】
さらに、前記第１金属層に、５０ａｔ％以下の割合でＡｇが添加されていることにより、輝度がさらに向上する。
【００１３】
【発明の実施の形態】
つぎに、図面を参照しながら本発明の半導体発光素子について説明をする。本発明による半導体発光素子は、図１にその一実施形態であるＬＥＤチップの断面構造が示されるように、発光層形成部３を有する半導体積層部１０と導電性基板１とが金属層２を介して接着されることにより形成されている。本発明では、金属層２が、半導体積層部１０とオーミック接触させる第１金属層２１と、Ａｇからなる第２金属層２２と、導電性基板１と低温接着可能とする金属からなる第３金属層２３とを少なくとも有していることに特徴がある。
【００１４】
前述のように、本発明者らは、さらに輝度向上を図るために鋭意検討を重ねた結果、半導体積層部１０を導電性基板１と接着する際、高温下に曝されることになり半導体積層部１０と金属層２との間で相互拡散が生じ光吸収層が形成され、輝度の低下に繋がることを見出した。その観点から、第３金属層２３は、導電性基板１と半導体積層部１０との接合を低温で可能とする金属からなっている。低温とは、金属層２と半導体積層部１０との間でほとんど相互拡散を生じない程度の温度をいい、具体的に第３金属層は、Ｉｎ、Ｉｎ-Ｚｎ、Ｓｎ-Ｚｎなどが考えられ、たとえば、０.２〜５０μｍ程度の厚さに設けられている。Ｉｎ-ＺｎやＳｎ-Ｚｎなどの合金は、Ｚｎ割合が増えるに従い、高温でしか溶けなくなるため、Ｚｎの割合は、前述の金属層２と半導体積層部１０の間でほとんど相互拡散を生じない温度以下となるような割合とするが、僅かでもＺｎが混入されることによりＡｇ層などとの接触性が向上し、接触抵抗を下げることが可能である。
【００１５】
図４で示されるような従来構造では、半導体積層部１０と導電性基板１との接合は、このような低温接着可能な層は挿入されていないのに対して、本発明では、この第３金属層２３を介して導電性基板１と半導体積層部１０を低温接合可能な金属を用いて接合するため、接合温度を非常に低くすることができる。そして、この低温接合は、金属層２中のＡｕやＡｇが拡散することを抑制し、拡散による第１金属層２１と半導体積層部１０との界面での吸収領域が形成される割合を減らすことができ、反射効率が向上する。さらに、第３金属層２３の金属である低温で接合可能な金属は、第２金属層２２のＡｇとの接合相性もよいため、第２金属層２２と第３金属層２３との異種金属接合でもとくに問題も発生しない。なお、この第３金属層２３は、半導体積層部１０側に設けられないで、導電性基板１側に設けられてもよい。
【００１６】
また、本発明者らは発光層形成部３で発光する光の反射率を向上させるため、さらに鋭意検討を重ねた結果、たとえば赤色光や赤外光（６００ｎｍ〜８００ｎｍ）に対してＡｕ層が約８９％の反射率であるのに対してＡｇ層を用いれば約９６％の反射率を有しており、かつ、ＡｇはＡｕよりも拡散しにくいため、Ａｇを第２金属層２２として用いることで、反射率が高く、かつ第２金属層２２から半導体積層部１０へのＡｇの拡散も少なく吸収領域も形成されにくく、輝度を向上させ得ることを見出した。なお、Ａｇからなる層とは、Ａｇのみからなる層の他、ＺｎやＡｕなどの他の成分を１０ａｔ％以下しか含まず９０ａｔ％以上のＡｇを含む層をいい、第２金属層２２に１０ａｔ％以内のＡｇ以外の金属が含まれている場合、前述の第３金属層２３との異種金属接合に際し、さらに接合相性がよくなる点からもより好ましい。具体的には、Ａｇ層あるいはＡｇ-Ｚｎ層、Ａｕ-Ａｇ層などが考えられ、たとえば０.１〜０.５μｍ程度に形成すればよい。
【００１７】
第１金属層２１としては、半導体積層部１０とオーミック接触させるために、半導体積層部１０の第１金属層２１と接する層がｐ形であればＡｕ-Ｚｎ合金やＡｕ-Ｂｅ合金、ｎ形であればＡｕ-Ｇｅ合金などが用いられ、半導体積層部１０とオーミック接触できる最低限の厚さ、たとえば０.０５〜１μｍ程度、さらに好ましくは０.１〜０.５μｍ程度の厚さを有すればよい。厚すぎると後述するように、光吸収層が多くなり有効に利用できないためである。また、これらの合金などにＡｇを添加させると、反射率の高いＡｇが第１金属層２１にも含有することになり、従来のＡｇを含まない第１金属層２１を用いるよりも第１金属層２１で反射される割合も増えることになるためより好ましい。ただし、Ａｇの添加の割合を増やせば、半導体積層部１０とのオーミックコンタクトが得られにくくなるため、約５０ａｔ％までにすることが望ましい。
【００１８】
さらに、本発明者らは、図４に示される構造では、半導体積層部１０とのオーミックコンタクト層とするＡｕ-Ｇｅ層２ａのＡｕの拡散による光の吸収がとくに大きいことが輝度低下の原因の一つであることを見出した。すなわち、Ａｕ-Ｇｅ層２ａのＡｕは、半導体積層部１０とオーミックコンタクトを取るために熱処理により半導体積層部１０側へＡｕが大量に拡散しており、その際界面に光吸収領域が形成されてしまう。そして、この問題を解決するため、第１金属層２１はオーミックコンタクトを得るための最小限の厚さに薄くしたり、さらには後述するように部分的に欠落させたりすることで、光吸収領域を減らし得ることを見出した。したがって、第１金属層２１のＡｕの拡散を減らすためにも第１金属層２１の厚さは、薄い方がより望ましい。
【００１９】
そして、第１金属層２１でのＡｕ拡散をさらに抑えるために、第１金属層２１を部分的に欠落させることで、第１金属層２１と半導体積層部１０の接触面積を減らし、第１金属層２１から半導体積層部１０へのＡｕの拡散が抑えられ、さらに吸収領域の形成が抑制される。また、欠落部分は、半導体積層部１０の表面に対して５０％以下であることが接触面積低減による接触抵抗上昇を抑える点から望ましい。さらに、図２に示されるように、第１金属層２１の欠落部にＳｉＯ2などの保護膜を埋め込むことで、さらに吸収を抑えることが可能である。すなわち、ＡｇはＡｕに比べれば半導体積層部１０への拡散割合は少ないが、ある程度は半導体積層部１０へ拡散し吸収領域を形成するため、拡散防止としてＳｉＯ2やＡｌ2Ｏ3などの発光層形成部３で発光する光を透過させながら金属拡散を防止できる膜からなる保護膜を欠落部に形成し、第２金属層２２のＡｇの拡散をバリアすることができる。
【００２０】
導電性基板１は、シリコン基板やＧａＰ基板などの半導体基板でも、Ａｌ基板などの金属基板でもよい。図１に示される例では半導体基板であるシリコン基板を用いている。シリコン基板は、ｐ形、ｎ形のいずれでもよく、導電性となっており電流注入を阻害しない程度のキャリア濃度を有すればよい。また、第２電極７や第４金属層２４と接合する付近をオーミック接触させるため、表面にＡｓやＢなどをさらに拡散させ、高濃度領域を形成することが望ましい。さらに、導電性基板１側に向かう発光層形成部３で発光した光は、金属層２でほとんど反射されるため、光を吸収するＧａＡｓ基板などでもよい。なお、導電性基板１として半導体基板を用いる場合には、図１に示されるような第２電極７および半導体基板とオーミックコンタクトを得るための第４金属層２４が必要となるが、金属基板を用いる場合には、直接端子接続できるため第２電極７および第４金属層２４は不要である。
【００２１】
第２電極７は、Ａｕ-Ｚｎ合金やＡｕ-Ｂｅ合金などシリコン基板とオーミック接触できる材料からなり、半導体積層部１０の導電形が逆の場合には、Ａｕ-Ｇｅ合金などが好ましい。また、第４金属層２４も、シリコン基板がｐ形の場合にはＡｕ-Ｚｎ合金やＡｕ-Ｂｅ合金、ｎ形の場合にはＡｕ-Ｇｅ合金などが好ましい。
【００２２】
発光層形成部３は、図１に示される例では、活性層３ｂをそれよりバンドギャップが大きく屈折率の小さい材料からなるｎ形クラッド層３ａおよびｐ形クラッド層３ｃにより挟持するダブルへテロ構造に形成されており、ｎ形クラッド層３ａが半導体基板側に設けられている。なお、活性層３ｂは、バルク構造だけに限定されるわけではなく、量子井戸構造であってもよい。半導体材料としては、たとえば、赤色光を得るためにはＩｎＧａＡｌＰ系材料、赤外光を得るためにはＡｌＧａＡｓ系材料、が主として用いられる。この発光層形成部３の成長は、目的とする素子の発光波長などにより必要な組成（Ａｌの組成比を変えたり、ドーパントをドーピングしたりする）にしたり、必要な厚さに成長される。
【００２３】
ここにＩｎＧａＡｌＰ系材料とは、Ｉｎ0.49（Ｇａ1-x Ａｌx ）0.51Ｐの形で表され、ｘの値が０と１との間で種々の値のときの材料を意味する。なお、Ｉｎと（Ａｌx Ｇａ1-x ）の混晶比率の０.４９および０.５１はＩｎＧａＡｌＰ系材料が積層されるＧａＡｓなどの半導体基板と格子整合される比率であることを意味し、ＡｌＧａＡｓ系材料とは、ＡｌyＧａ1-yＡｓの形で表され、ｙの値が０と１との間で種々の値のときの材料を意味する。
【００２４】
具体例としては、たとえば、Ｉｎ0.49（Ｇａ0.3Ａｌ0.7）0.51Ｐからなり、Ｓｅがドープされてキャリア濃度が１×１０17〜１×１０19ｃｍ-3程度、厚さが０.１〜２μｍ程度のｎ形クラッド層３ａと、Ｉｎ0.49（Ｇａ0.8Ａｌ0.2）0.51Ｐからなり、ノンドープで０.１〜２μｍ程度の厚さの活性層３ｂと、Ｚｎがドープされてキャリア濃度が１×１０16〜１×１０19ｃｍ-3程度、厚さが０.１〜２μｍ程度で、ｎ形クラッド層３ａと同じ組成のＩｎＧａＡｌＰ系化合物半導体からなるｐ形クラッド層３ｃとの積層構造により形成される。一方、ＡｌＧａＡｓ系化合物半導体からなる場合には、Ａｌ0.7Ｇａ0.3Ａｓからなり、Ｓｅがドープされてキャリア濃度が１×１０17〜１×１０19ｃｍ-3程度、厚さが０.１〜２μｍ程度のｎ形クラッド層３ａと、Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ａｓからなり、ノンドープで０.１〜２μｍ程度の厚さの活性層３ｂと、Ｚｎがドープされてキャリア濃度が１×１０16〜１×１０19ｃｍ-3程度、厚さが０.１〜２μｍ程度で、ｎ形クラッド層３ａと同じ組成のＡｌＧａＡｓ系化合物半導体からなるｐ形クラッド層３ｃとの積層構造により形成される。
【００２５】
この発光層形成部３のｎ形クラッド層３ａ上に、たとえばｎ形ＡｌzＧａ1-zＡｓ（０.５≦ｚ≦０.８）からなるウィンドウ層４が１〜１０μｍ程度形成され、さらにウィンドウ層４の一部にｎ形ＧａＡｓからなるコンタクト層５が０.１〜１μｍ程度形成されることにより、半導体積層部１０が形成されている。ウィンドウ層４は、電流をチップ全体に広げると共に、光を吸収しないようなバンドギャップの材料からなり、また、できるだけ厚くして側面から光を取り出せるようにすることが好ましい。一方、コンタクト層５は、第１電極６とオーミックコンタクトを取るための層であり、ウィンドウ層４が直接第１電極６に接合される場合には、コンタクト層５は不要である。さらに、半導体積層部１０のコンタクト層５上に第１電極６がパターニングされ形成されている。
【００２６】
なお、図１の例では示されていないが、ｐ形クラッド層３ｃ下に、屈折率の異なる半導体層をλ／（４ｎ）（λは発光波長、ｎは半導体層の屈折率）の厚さで交互に５〜４０層づつ程度積層する反射層（ＤＢＲ）が挿入されていてもよい。反射層を挿入することで、金属層２の手前である程度の光を反射することができるからである。反射層（ＤＢＲ）は、活性層３ｂよりもバンドギャップが大きい層、たとえばＡｌＧａＡｓのＡｌの組成を変更した積層構造により得られる。
【００２７】
本発明では、半導体積層部１０と導電性基板１との間の金属層２を、半導体積層部１０とオーミック接触させる第１金属層２１と、Ａｇからなる第２金属層２２と、導電性基板１と低温接着可能とする金属からなる第３金属層２３とが少なくとも有する構造とすることで、第２金属層２２をＡｕ層やＡｌ層とするよりも反射される割合が高くなり、一方で、半導体積層部１０と導電性基板１の貼り合せを低温で行うことができるため、吸収領域が形成されることを減らし、反射する割合をさらに高めることができ、輝度が向上する。さらに、第１金属層２１が、部分的に欠落されてなる半導体発光素子とすることで、半導体積層部１０と接触するＡｕが含まれる第１金属層２１と半導体積層部１０との接触面積を減らすことにより、より吸収領域が形成されることを防止し、輝度がさらに向上する。
【００２８】
このようなＬＥＤチップを製造するには、たとえば、ｎ形のＧａＡｓ基板をＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相成長）装置内に入れ、反応ガスのトリエチルガリウム（以下、ＴＥＧという）、トリメチルアルミニウム（以下、ＴＭＡという）、トリメチルインジウム（以下、ＴＭＩｎという）、アルシン（以下、ＡｓＨ3 という）、ホスフィン（以下、ＰＨ3 という）およびｎ形ドーパントガスとしてのＨ2 Ｓｅをキャリアガスの水素（Ｈ2 ）を適宜導入し、５００〜７００℃程度でエピタキシャル成長し、ｎ形でキャリア濃度が１×１０17〜１×１０21ｃｍ-3程度のたとえばＧａＡｓからなるｎ形コンタクト層５を０.１〜１μｍ程度、ｎ形でキャリア濃度が１×１０17〜１×１０20ｃｍ-3程度のたとえばＡｌ0.7Ｇａ0.3Ａｓからなるｎ形ウィンドウ層４を１〜１０μｍ程度、ｎ形でキャリア濃度が１×１０16〜１×１０19ｃｍ-3程度のＩｎ0.49（Ｇａ0.3Ａｌ0.7 ）0.51Ｐからなるｎ形クラッド層３ａを１μｍ程度エピタキシャル成長する。ついで、たとえばノンドープのＩｎ0.49（Ｇａ0.3Ａｌ0.7）0.51Ｐからなる活性層３ｂを０.５μｍ程度、さらにｎ形クラッド層３ａと同様の反応ガスで、ドーパントガスをジメチル亜鉛（ＤＭＺｎ）にして、ｐ形でキャリア濃度が１×１０17〜１×１０19ｃｍ-3程度のたとえばＩｎ0.49（Ｇａ0.3 Ａｌ0.7 ）0.51Ｐからなるｐ形クラッド層３ｃを１μｍ程度、それぞれ成長する。その後、半導体積層部１０のｐ形クラッド層３ｃの上にＡｕ-Ｂｅ合金からなる第１金属層２１を真空蒸着やスパッタにより０.０５〜１μｍ程度、好ましくは、０.１〜０.５μｍ程度形成後、熱処理によって、半導体積層部１０と第１金属層２１とのオーミック接触をとる。
【００２９】
また、第１金属層２１を部分的に欠落させ、欠落部にＳｉＯ2などを埋め込む場合には、真空蒸着やスパッタで第１金属層２１を形成する前に、ＳｉＯ2などをスパッタやＣＶＤなどで全面に０.０５〜０.２μｍ程度形成後、フォトレジスト工程にて、レジストのパターニングを行い、レジストに覆われていない部分のＳｉＯ2などをウェットエッチングする。その後、第１金属層２１を真空蒸着またはスパッタにより０.０５〜１μｍ程度、全面に形成してレジストを剥離することで得られる。
【００３０】
その後、真空蒸着やスパッタにより、Ａｇからなる第２金属層２２を０.１〜０.５μｍ程度、Ｉｎからなる第３金属層２３を０.２〜２μｍ程度、順次積層する。一方、導電性シリコン基板１上にＡｕ-Ｇｅ合金からなる第４金属層２４を０.１〜１μｍ程度、Ａｕ-Ｇｅ合金からなる第２電極７を０.１〜１μｍ程度、真空蒸着やスパッタにより形成後、熱処理によって、シリコン基板１と第４金属層２４および第２電極７とのオーミック接触をとり、上述の半導体積層部１０のＩｎからなる第３金属層２３側に第４金属層２４を重ね合わせ、窒素雰囲気で１５０〜３００℃に、より好ましくは、２００℃程度に加熱することにより接合処理を行う。接合処理が終われば、ｎ形ＧａＡｓ基板を除去する。基板の除去はウエットエッチングにより行うことができ、ｎ−ＧａＡｓコンタクト層５に達した段階で終了させる。そして、第１電極６を図１に示されるようにパターニングをしてＡｕ-Ｇｅ合金からなる第１電極６を０.１〜１μｍ程度形成し、第１電極６をマスクとして、ｎ形コンタクト層５の第１電極６で覆われていない部分をエッチングにより除去し、ｎ形コンタクト層５をパターニングし、その後ダイシングしてチップ化する。
【００３１】
【発明の効果】
本発明によれば、導電性基板上に化合物半導体からなる発光層形成部を有する半導体積層部を、金属層を介して貼り合せることにより形成する半導体発光素子の輝度をさらに向上させることができる構造が得られる。すなわち、従来ならば基板をわざわざ貼り替えている割には余り上昇せず、期待される程の増加率が得られないのに対して、本発明では、その増加分のさらに２倍程度の増加率にすることができ、非常に輝度の大きい、導電性基板と半導体積層部の貼り合せ構造の半導体発光素子が得られた。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による半導体発光素子の一実施形態の断面構造の説明図である。
【図２】本発明による半導体発光素子の他の実施形態の金属層付近の断面構造の説明図である。
【図３】従来のＬＥＤチップの断面構造の説明図である。
【図４】従来のＬＥＤチップの断面構造の説明図である。
【符号の説明】
１ 導電性基板
２ 金属層
３ 発光層形成部
１０ 半導体積層部
２１ 第１金属層
２２ 第２金属層
２３ 第３金属層
Claims (2)
- 発光層形成部を有する半導体積層部と導電性基板とが金属層を介して接着されることにより形成される半導体発光素子であって、
前記金属層は、前記半導体積層部とオーミック接触させる第１金属層と、Ａｇからなる第２金属層と、前記導電性基板と前記半導体積層部との接合を１５０〜３００℃の低温で可能とする金属からなる第３金属層とを少なくとも有し、前記第１金属層は部分的に欠落されると共に、該欠落された部分に前記発光層形成部で発光する光を透過し、かつ、前記金属層の金属の拡散を防止する保護膜が形成されてなる半導体発光素子。 - 前記第１金属層に、５０ａｔ％以下の割合でＡｇが添加されてなる請求項１記載の半導体発光素子。
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