JP4050444B2 - 発光素子及びその製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は発光素子とその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
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は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。光取出し効率を向上させる方法としては、発光層部から基板側に向かう光も発光に寄与できるように、発光層部に光透過性の半導体基板を接合する方法が提案されている。しかしながら、光透過性の半導体基板を、発光層部に直接接合しようとした場合、一般にその工程は複雑なものとなりやすく、また高温での接合処理が必要となるため発光層部が劣化しやすい問題がある。
【０００３】
次に、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（例えば特開平７−６６４５５号公報）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】
他方、最近の文献（Applied Physics Letters, 75(1999)3054）には、図１４に示すように、ＡｌＧａＩｎＰダブルへテロ構造を有する発光層部とシリコン単結晶基板との間にＡｕを主体とした金属層を挿入する提案がなされている。具体的には、図１４に示す発光素子１００は、ｎ型シリコン単結晶基板１０１を酸化して形成されるＳｉＯ２層１０２上に、ＡｕＢｅ層１０３及びＡｕ層１０４が金属層１１０として形成され、さらにｐ型ＧａＡｓキャップ層１０５、ダブルへテロ構造をなすｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層１０６、ＡｌＧａＩｎＰ活性層１０７及びｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層１０８、ならびにＡｕＧｅＮｉ／Ａｕ層からなる電極１０９が形成されている。活性層１０７で発生した光は、図１５に示すように、Ａｕ層１０４にて反射される。
【０００５】
この構造によると、金属層１１０が反射鏡として機能するため入射角度に依存しない高い反射率が実現され、光取出し効率を大幅に高めることができる。ただし、この場合はＡｌＧａＩｎＰ混晶層を金属層上に直接成長させることは不可能であるから、次のような方法が採用されている。まず、蒸着により金属層１１０を形成したシリコン単結晶基板１０１と、ＡｌＧａＩｎＰダブルへテロ構造１０６、１０７、１０８を有する発光層部及びＧａＡｓキャップ層１０５をエピタキシャル成長させたＧａＡｓ単結晶基板とを別々に用意する。次いで、両基板を金属層１１０とキャップ層１０５との間で接合した後ＧａＡｓ単結晶基板を除去し、必要な電極を形成して素子とする。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記文献に開示された素子においては、金属層１１０の形成されるシリコン単結晶基板１０１として、ＳｉＯ２からなる厚い絶縁膜１０２にて被覆されたものが使用されており、図１４に示すように、キャップ層１０５ならびに発光層部１０６〜１０８への通電は、Ａｕ層１０４においてキャップ層１０５ならびに発光層部１０６〜１０８の外側に露出した部分を電極として用い、前記Ａｕ層１０４と電極１０９との間で絶縁膜１０２を介さずに行なうようにしている。従って、この構造では、素子の端子取出し構造が複雑にならざるを得ず、製造工数の増加ひいては素子の価格上昇につながる欠点がある。
【０００７】
本発明の課題は、素子からの光取出し効率が良好であり、加えて素子の端子取出し構造が単純で利便性に優れた発光素子とその製造方法を提供することにある。
【０００８】
【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、導電性基板の第一主表面側に金属層と発光層部と第一電極とがこの順序にて形成され、前記第一電極と前記導電性基板を通じて前記発光層部への通電が可能となるように構成され、
前記導電性基板がシリコン単結晶基板であり、該シリコン単結晶基板の第二主表面側に第二電極を形成し、
前記金属層が前記シリコン単結晶基板に直接接して形成されてなり、
前記金属層は、前記シリコン単結晶基板と接する第一金属層と、前記発光層部と接する第二金属層とを含み、
前記金属層は、前記第一金属層と前記第二金属層との間に、前記第一金属層と接する中間金属層をさらに含み、前記中間金属層の主成分となる金属成分よりもシリコンとの共晶温度の低い金属成分を主成分に形成されていることを特徴とする。
【０００９】
上記の構造によると、基板と発光層部との間に金属層を挿入した発光素子において、金属層での反射を利用することにより良好な光取出し効率を実現できることに加え、発光素子の両側に電極または端子を形成することが可能となる。すなわち、前記した文献の発光素子（図１４）とは異なり、金属層を発光層部の側方に露出させて端子取出し部を形成するという複雑な構造にする必要がなくなる。従って、素子の端子取出し構造が大幅に単純化され、チップサイズを縮小することができるとともに、利便性に優れた発光素子が実現される。
【００１０】
図１に示すように、導電性基板２と金属層３と発光層部４からなる積層体９への通電方向は、（ａ）に示すように、第一電極側が負となる極性でも、また、（ｂ）に示すように、第一電極側が正となる極性でも、いずれも可能である。この場合、発光層部４におけるヘテロ接合構造の積層順序は、（ａ）と（ｂ）とで逆となる。
【００１１】
導電性基板２は、シリコン単結晶等の半導体とすることもできるし、Ａｌ等の金属とすることもできる。導電性基板２を半導体とする場合は、図１に示すように、導電性基板２の第二主表面側に第二電極６を形成し、該第二電極６に第二端子１２をさらに形成する。この場合、第一電極５と第二電極６との間で通電がなされる形となる。他方、導電性基板２を金属とする場合は、第二端子１２を導電性基板２に直接形成できるので、第二電極６は省略することも可能である。なお、導電性基板２として半導体を採用する場合、導電性基板２を介した通電を支障なく行なうこと、及び金属層３と導電性基板２との接合強度を高めることの２つの観点において、導電性基板２と金属層３とを直接接触させた構造を採用することが望ましい。
【００１２】
第一電極５は、発光層部４の表面の一部のみを覆う形にて形成することができる。この場合、発光層部４の活性層にて発生する光１３，１４のうち、金属層３側に向かう光１４の少なくとも一部を該金属層３にて反射させ、その反射光１５を、発光層部表面の第一電極５に覆われていない領域から漏出させることができる。これにより、一層良好な光取出し効率を実現できる。
【００１３】
上記のような発光素子１は、導電性基板２と発光層部４とを接合予定面にて金属層３を介して重ね合わせ、接合処理することにより製造することができる。
【００１４】
具体的には、以下に示す本発明の製造方法により製造することができる。すなわち、本発明の製造方法は、半導体単結晶基板上に発光層部４をエピタキシャル成長させる工程と、導電性基板２の第一主表面と発光層部４の第一主表面とを金属層３のみを介して接合する接合処理工程と、前記半導体単結晶基板を分離又は除去する工程と、をこの順に行なうことを特徴とする。接合処理は、例えば加熱による接合処理とすることができる。
【００１５】
上記の方法においては、導電性基板２と発光層部４とを金属層３のみを介して接合する。導電性基板２と発光層部４とを、前記の文献とは異なりＳｉＯ２等の絶縁被膜を介さずに金属層３のみで接合することで、接合強度を高めることができるばかりでなく、導電性基板２と金属層３との間の電気的導通状態も良好に確保することができる。特に、導電性基板２がシリコン単結晶や化合物半導体単結晶あるいは混晶である場合、基板と金属層の一部とを合金化させる形で接合を行なうようにすれば、接合強度を一層向上させることができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態について、添付の図面を用いて説明する。
図１（ａ）は、本発明の一実施形態である発光素子１を示す概念図である。発光素子１には、導電性基板２の第一主表面７側に金属層３と発光層部４と第一電極５とがこの順序にて形成されている。第一電極５は、発光層部４の表面の一部のみを覆う形にて形成されている。また、導電性基板２の第二主表面８側には第二電極６が形成されており、発光層部４と金属層３とを挟んで第一電極５と第二電極６との間において（すなわち、第一電極５と導電性基板２を通じて）発光層部４への通電が行なわれるようになっている。
【００１７】
図２は、発光素子１のより具体的な構成を示すものである。導電性基板２はｎ型Ｓｉ（シリコン）単結晶基板とされ、金属層３は、Ｓｉ単結晶基板２と接して形成される第一金属層３１と、発光層部４側において該第一金属層３１と接する中間金属層３２と、発光層部４と接して形成される第二金属層３３とを含む。Ｓｉ単結晶基板２は、後述する加熱接合を行なう際にも熱応力等による変形を生じにくく、また、いくつかの特定の金属（例えばＡｕ）と合金化しやすいため、強度の高い接合構造を実現しやすい利点がある。この場合、該第一金属層３１を、中間金属層３２の主成分となる金属成分よりもＳｉと合金化しやすい金属成分を主成分にして形成することにより、金属層３とＳｉ単結晶基板２との合金化を主に第一金属層３１内に留め、中間金属層３２に及ぶことを抑制することが可能となる。これにより、金属層３と発光層部４との接合界面における金属相の面積率が高められ、また接合界面の平坦性を良好に保つことができる。いずれも、接合界面における反射率の向上に寄与する。
【００１８】
この場合、第一金属層３１は、中間金属層３２の主成分となる金属成分よりもＳｉとの共晶温度の低い金属成分を主成分に形成することができる。融点の高いシリコンとの間で、比較的低温にて共晶を形成する成分を第一金属層３１の主成分とすることで、加熱接合温度を低温化することができ、ひいては発光層部４の劣化等も生じにくくすることができる。具体的な例としては、第一金属層３１は、Ａｕ層あるいはＡｕＧｅ合金（例えばＧｅ含有率が１２重量％程度のもの）層などＡｕを主成分に構成することができ、中間金属層３２はＡｌ層あるいはＡｌ合金層など、Ａｌを主成分に構成することができる。ＡｕとＳｉとの共晶温度は約３６３℃であり、ＡｌとＳｉとの共晶温度は約５７７℃である。なお、中間金属層３２はＡｕとの間で融点の低い共晶をなるべく形成しない金属を主成分に構成することが、中間金属層３２とＳｉ単結晶基板２との合金化の影響を中間金属層３２に及びにくくする観点において望ましい。Ａｌは、この観点において中間金属層３２の主成分として望ましいものである。また、Ａｌ以外では、Ａｇ、Ｃｕ、Ｎｉ、ＰｄあるいはＰｔなどの成分も採用可能である。
【００１９】
なお、Ｓｉ単結晶基板２は、金属層３及び第二電極６とのオーミック接触性を高めるために、その第一主面側及び第二主面側に高濃度ドープ層２ａを形成したもの（例えば高濃度のドーパントを熱拡散させた両面拡散ウェーハ）を採用することが望ましい。あるいは、Ｓｉ単結晶基板２として、例えばＡｓやＢを高濃度にドープしたものを使用することが可能である。この実施形態では、両面にｎ＋ドープ層２ａを形成したｎ型Ｓｉ単結晶基板２が使用されている。
【００２０】
次に、本実施形態では、中間金属層３２と発光層部４との間に、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層４１と接するとともに発光層部４からの光を反射する第二金属層３３を形成している。
【００２１】
前記第二金属層３３の材質として、例えばＡｕを主体に構成されるものを例示することができる。この実施形態では、Ａｕ−Ｇｅ合金により第二金属層３３を形成している。使用するＡｕ−Ｇｅ合金中のＧｅ含有率は１〜３質量％とするのがよい。また、第二金属層３３はＡｕ層とすることもできる。
【００２２】
次に、発光層部４は、第一電極５側に位置する第一導電型クラッド層４３、金属層３側に位置する第二導電型クラッド層４１、及び第一導電型クラッド層４３と第二導電型クラッド層４１との間に形成される活性層４２からなるダブルへテロ構造層を有するものとすることができる。このような構造を採用することにより、両クラッド層４３，４１から注入されたホールと電子とが活性層４２の狭い空間内に閉じ込めらる形で効率よく再結合するので、高輝度の素子を実現できる。なお、反射による光取出し効率を高めるために、第二導電型クラッド層４１と金属層３とは直接接して形成されているのがよい。ただし、動作電圧を下げるために、第二導電型クラッド層４１と金属層３との間に高濃度ドープの薄膜を挿入することも可能である。
【００２３】
ダブルへテロ構造層は、具体的にはＡｌＧａＩｎＰ混晶にて構成することができる。具体的には、ＡｌＧａＩｎＰ混晶あるいはＧａＩｎＰ混晶からなる活性層４２を、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層４３とｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層４１とにより挟んだ構造とすることができる。ＡｌＧａＩｎＰは直接遷移型で大きなバンドギャップを有する半導体であり、活性層４２の両側に形成されるクラッド層４３，４１とのバンドギャップ差に起因したエネルギー障壁により、注入されたホールと電子とが狭い活性層４２中に閉じ込められて効率よく再結合するので、非常に高い発光効率を実現できる。さらに、活性層４２の組成調整により、緑色から赤色領域にかけて広範囲の発光波長を実現することができる。図２の発光素子１では、第一電極５側にｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層４３が配置されており、通電極性は第一電極５側が正である。
【００２４】
次に、第一電極５と第一導電型クラッド層４３との間には、該第一導電型クラッド層４３と同一導電型の電流拡散層４４が形成されている。第一電極５は、発光層部４の表面の一部のみを覆う形にて形成されているので、電流拡散層４４を形成することでダブルへテロ構造層４１，４２，４３に対し面内方向に均一になるように電流を拡散することが可能となり、第一電極５に覆われていない領域においても高輝度な発光状態を得ることができる。その結果、当該領域における直接光はもとより金属層３による反射光の強度も強まり、さらに第一電極５に邪魔されずに効率的にその光を取り出すことができるから、素子全体の発光輝度を大幅に高めることができる。
【００２５】
電流拡散層４４は、ＡｌＧａＡｓ混晶又はＡｌＧａＡｓＰ混晶にて構成することができる。ＡｌＧａＡｓ混晶あるいはＡｌＧａＡｓＰ混晶は、ＧａＡｓとの格子定数差が小さく、ＧａＡｓ単結晶基板との格子整合性が高いので、その上にさらにＡｌＧａＩｎＰ混晶をエピタキシャル成長させても良好な整合性を維持しやすい利点がある。図２の実施形態では、高濃度に不純物をドープしたｐ＋型ＡｌＧａＡｓＰ混晶により、電流拡散層４４を形成している。
【００２６】
なお、図２の発光素子１において、各層の厚さの実例として以下のような数値を例示できる：第一金属層３１＝２００ｎｍ、中間金属層３２＝１００ｎｍ、第二金属層３３＝２００ｎｍ、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層４１＝１０００ｎｍ、ＡｌＧａＩｎＰ活性層４２＝６００ｎｍ、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層４１＝１０００ｎｍ、ｐ＋型ＡｌＧａＡｓＰ電流拡散層４４＝１０００ｎｍ。また、例えば、第一電極５はＡｕ層とＡｕＢｅ層、第二電極６はＮｉ層により構成することができ、厚さをそれぞれ１０００ｎｍ程度とすることができる。
【００２７】
以下、図１の発光素子１の製造方法について説明する。
まず、図３（ａ）に示すように、半導体単結晶基板であるＧａＡｓ単結晶基板６１の第一主表面８１に、発光層部４として、ｐ＋型ＡｌＧａＡｓＰ電流拡散層４４、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層４３、ＡｌＧａＩｎＰ活性層４２及びｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層４１をこの順序にエピタキシャル成長させる。これら各層のエピタキシャル成長は、有機金属気相エピタキシャル成長（Metalorganic Vapor Phase Epitaxy:ＭＯＶＰＥ）法により行なうことができる。
【００２８】
次に、図３（ｂ）に示すように、発光層部４のｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層４１の上に金属層３として、ＡｕＧｅ層（第二金属層）３３、Ａｌ層（中間金属層）３２及びＡｕ層（第一金属層）３１をこの順序にて形成する。各層の形成は、例えば真空蒸着法あるいはスパッタ法等の公知の物理蒸着法により行なうことができる。そして、このようにして金属層３を形成した多層基板６３の金属層３の側をＳｉ単結晶基板２の第一主表面７に重ね合わせ（図３（ｃ））、３００℃〜５００℃に加熱することにより接合処理を行なう。加熱は、例えば窒素雰囲気中で行なう。これにより、Ａｕ層３１はＳｉ単結晶基板２の主表面７に接合される。接合処理は、例えばＡｕ−Ｓｉ共晶温度の直上（例えば３７０℃〜４００℃前後）にて行なうことがより望ましい。
【００２９】
上記接合処理温度においては、Ａｕ層３１の一部又は全体が接合の際にＳｉ単結晶基板２のＳｉと共晶反応してＡｕ−Ｓｉ合金層となる。形成されるＡｕ−Ｓｉ合金層の組成は、例えばＡｕ−２〜６質量％Ｓｉである。他方、Ａｌ層３２を構成するＡｌはＡｕとの間で種々の組成の金属間化合物を生成するが、それら金属間化合物はいずれも、接合温度である３００℃〜５００℃で共晶反応による液相を生成しないため、Ａｌとの間での合金化は比較的起こしにくい。その結果、接合処理時のＡｕ層３１とＳｉとの合金化の影響が、第二金属層をなすＡｕ−Ｇｅ層３３に及びにくくなり、Ａｕ−Ｇｅ層３３の光反射能を高めることができる。
【００３０】
接合処理が終了すれば、図３（ｄ）に示すように、ＧａＡｓ単結晶基板６１を除去することにより、多層構造の発光素子基板１ａが得られる。ＧａＡｓ単結晶基板６１の除去は、例えばケミカルエッチングにより行なうことができる。他方、図５（ａ）に示すように、発光層部４と半導体単結晶基板としてのＧａＡｓ単結晶基板６１との間に分離用成長層６２を予め形成し、発光層部４を、（ｂ）に示すように金属層３を介して導電性基板であるＳｉ単結晶基板２に接合した後、（ｃ）に示すように分離用成長層６２を選択的に除去することにより、発光層部４とＧａＡｓ単結晶基板６１とを分離するようにしてもよい。この場合、分離用成長層６２は、ＧａＡｓ単結晶基板６１上にエピタキシャル成長可能であり、かつ発光層部４よりも特定のエッチング液に対する溶解性の高い材質にて構成しておくことが望ましい。
【００３１】
例えば、電流拡散層４４がＡｌＧａＡｓ混晶にて構成される場合、分離用成長層６２はＡｌＡｓ単結晶層にて構成することができる。この場合、エッチング液として硫酸／過酸化水素水（Ｈ２ＳＯ４／Ｈ２Ｏ２／Ｈ２Ｏ）を用いるとよい。このエッチング液は、電流拡散層４４をなすＡｌＧａＡｓ混晶あるいはダブルへテロ構造層４１，４２，４３をなすＡｌＧａＩｎＰ混晶に対する腐食性はほとんどないが、ＡｌＡｓ単結晶層に対しては顕著な腐食性を有する。従って、分離用成長層６２を含んで形成された多層接合基板６７を該エッチング液に浸漬することにより、分離用成長層６２が選択的に溶解・除去され、ＧａＡｓ単結晶基板６１を容易に分離することができる。
【００３２】
ＧａＡｓ単結晶基板６１を除去ないし分離した発光素子基板１ａは、その電流拡散層４４側に第一電極５を、Ｓｉ単結晶基板２の第二主表面８側に第二電極６をそれぞれ形成してダイシング後、その半導体チップを支持体に固着し、さらにリード線をワイヤボンディングして樹脂封止することにより図２に示す発光素子１が得られる。
【００３３】
図３に示す実施の形態において接合処理は、発光層部４の第一主表面側に接して形成された金属層３を、導電性基板２の第一主表面７に接合する形で行なわれていた。他方、接合処理は、図４（ａ）に示すように、導電性基板２の第一主表面７に接して形成された金属層３を、発光層部４の第一主表面８２側に接合する形で行なってもよい。この実施の形態では、Ｓｉ単結晶基板２の第一主表面７上に金属層３として、Ａｕ層３１、Ａｌ層３２及びＡｕＧｅ層３３をこの順序にて積層形成しておき、発光層部４の第一主表面８２にその金属層３を直接接触させて加熱することにより接合処理を行なうようにしている。
【００３４】
さらに、接合処理は、図４（ｂ）に示すように、発光層部４の第一主表面８２に接して形成された金属層３２，３３を、導電性基板であるＳｉ単結晶基板２の第一主表面７に接して形成された金属層３１に接合する形で行なうこともできる。図に示した実施形態では、中間層となるＡｌ層３２と、第一金属層となるＡｕ層３１との間に接合界面が形成されるようにしている。例えば接合処理温度において、Ａｕ層３１のＡｕをＳｉ単結晶基板２のＳｉと反応させて共晶融液を発生させ、その共晶融液をＡｌ層３２と濡れ接触させることにより良好な接合状態を得ることができる。
【００３５】
なお、図６及び図７に示すように、金属層３の構成には種々の変形を加えることができる。図６の発光素子２００においては、金属層３はＡｕ層３３のみにより形成されている。ただし、Ａｕ層３３は、少なくともその一部がＡｕ−Ｓｉ合金となる。また、図７の発光素子２１０は、金属層３を、発光層部４側に位置するＡｕＧｅ合金層３３と、Ｓｉ単結晶基板２側に位置するＡｕ層３１との２層により形成した例である。いずれの場合も、処理温度をＳｉ−Ａｕの共晶温度付近かそれよりも若干低く設定する形で接合処理を行なうことが望ましい。
【００３６】
また、図２、図６及び図７の発光素子１，２００，２１０では、第一導電型クラッド層と電流拡散層とがいずれもｐ型である例を示していたが、図１１に示すように、第一導電型クラッド層と電流拡散層とをｎ型とする構成も可能である。この発光素子２３０では、Ｓｉ単結晶基板２の第一主表面７上に、金属層３'として、Ａｕ層（第一金属層）３１、Ａｌ層（中間金属層）３２及びＡｕＢｅ層（第二金属層）３３’がこの順序にて形成されている。また、発光層部４’として、金属層３’側からｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層４３、ＡｌＧａＩｎＰ活性層４２、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層４１及びｎ＋型ＡｌＧａＡｓ電流拡散層４４’が形成されている。この発光素子２３０の層４１、４２及び４３の積層順序は、図１の発光素子１と全く逆であり、通電極性は第一電極５側が負である。
【００３７】
この構造を採用することによる利点は以下の通りである。すなわち、図９に示すように、ＧａＡｓ単結晶基板６１上に発光層部４をエピタキシャル成長させたものを、金属層３を介してＳｉ単結晶基板２と接合し、その後ＧａＡｓ単結晶基板６１を除去すると、図９（ｂ）に示すように、得られる発光素子基板に反りが生じてしまうことがある。この反りが生ずる原因は次の通りである。すなわち、図１０に示すように、ＧａＡｓ単結晶基板６１上にエピタキシャル成長させたＡｌＧａＡｓ電流拡散層４４には、ＧａＡｓ単結晶基板６１と格子整合するための弾性整合歪が生じている。具体的にいえば、ＡｌＡｓの格子定数がＧａＡｓの格子定数よりも少し大きいので、ＡｌＧａＡｓ電流拡散層４４側には面内圧縮方向の弾性歪が生じた状態になっている。そして、ＧａＡｓ単結晶基板６１を除去すると、ＡｌＧａＡｓ電流拡散層４４の弾性歪は面内方向に伸張する形で解放され、結果として、図９（ｂ）に示すようにＡｌＧａＡｓ電流拡散層４４側が凸となる形で、発光素子基板に反りが発生することになる。このような反りが発生すると、発光層にクラックが導入されることがあり好ましくない。
【００３８】
ところで、電流拡散層４４は、一般には多数キャリアが電子となるｎ型のほうが、有効質量の大きいホールが多数キャリアとなるｐ型のものよりも少ない厚みで十分な電流拡散効果が得られる。従って、ＧａＡｓ単結晶基板６１にエピタキシャル成長させるＡｌＧａＡｓ電流拡散層は、図１０（ｂ）に示すように、ｎ型のもの（４４’）のほうが、（ａ）に示すｐ型のもの（４４）よりも薄くすることができる。ＡｌＧａＡｓ電流拡散層の厚みが小さくなれば、ＧａＡｓ単結晶基板６１を除去したときに解放される弾性歪エネルギも小さくなり、その解放されたエネルギーが行なう仕事として現れる基板の反りも小さくすることができる。すなわち、図１１に示すように、第一導電型クラッド層と電流拡散層とをｎ型とする構造を採用することにより、発光素子基板に生ずる反りを軽減することができる。
【００３９】
なお、高濃度にドープしたｎ＋型のＡｌＧａＡｓ混晶又はＡｌＧａＡｓＰ混晶からなる電流拡散層４４’の厚さは、１０ｎｍ〜１０００ｎｍとするのがよい。また、これ以外の各層の厚さは図２の発光素子１と同様のものを採用できる。
【００４０】
なお、電流拡散層４４の組成を適切に選択して、該電流拡散層４４が接するクラッド層とのバンド不連続量を大きくすることにより、発光層部４におけるヘテロ接合界面での電流拡散効果を高めることができる。この場合、電流拡散層４４の厚さを小さくすることも可能となり、得られる発光素子基板の反り防止を図る上で有効である。
【００４１】
次に、図８に示すように、導電性基板はＳｉ単結晶等の半導体に代えて、金属を用いることも可能である。図８に示す発光素子２２０では、導電性基板２としてＡｌ基板２１が使用されている。金属層３としては、Ａｌ基板２１側にＡｕ層３１を、発光層部４側にＡｕ−Ｇｅ合金層３３を配置した２層構造のものを採用している。導電性基板２に金属を使用することで第二電極を省略することが可能となる。なお、導電性基板２として用いる金属の材質としては、Ａｌ以外にＳｎを使用することも可能である。
【００４２】
なお、図４〜図１１に示した実施形態では、電流拡散層をＡｌＧａＡｓ混晶により形成しているが、図２と同様にＡｌＧａＡｓＰ混晶を用いてもよい。
【００４３】
また、以上説明した実施の形態では、導電性基板２はＳｉ単結晶あるいは金属など、実質的に透光性を有さない材質にて構成していたが、図１２に示す発光素子２４０のように、透光性を有する材質にて形成することも可能である。この場合、金属層３には光通過部１４１を形成することができる。このようにすることで、金属層３による反射光と、光通過部１４１を経て透光性の導電性基板２２側に入射した透過光との双方の寄与により、光取出し効率を高めることができるようになる。この場合、金属製の第二電極６により透光性の導電性基板２２の第二主表面８を覆っておけば、第二電極６の表面での反射光による光取出し効率向上への寄与も期待できる。透光性の導電性基板２２としては、例えばＧａＰ基板を使用することができる。また、発光層部４と金属層３との積層構造は、金属層３に光通過部１４１を形成する点を除き、図２、図７、図１１等と同様のものを採用できる。
【００４４】
また、金属層３に光通過部１４１を形成するために、層形成時にマスキング等により金属層３をパターニングする方法を採用できる。例えば図１３（ａ）に示すように、金属層３を線状にパターンニングし、隣接する線状の金属層領域間に光通過部１４１をスリット状に形成することができる。また、図１３（ｂ）に示すように、金属層３を網状にパターンニングし、その網目を光通過部１４１とすることもできる。さらに、図１３（ｃ）に示すように、金属層３を散点状あるいは島状にパターンニングすれば、個々の金属層領域の背景部分を光通過部１４１として活用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の発光素子の、概略構造の例をいくつか示す模式図。
【図２】図１（ａ）の発光素子の具体的な積層構造の例を示す模式図。
【図３】図２の発光素子の、製造工程の第一例を示す説明図。
【図４】同じく第二例を示す説明図。
【図５】同じく第三例を示す説明図。
【図６】図２の発光素子における、金属層の第一変形例を示す模式図。
【図７】同じく第二変形例を示す模式図。
【図８】金属基板を用いた発光素子の例を示す模式図。
【図９】接合後に半導体単結晶基板を除去することにより、得られる発光素子基板に反りが発生する様子を説明する図。
【図１０】電流拡散層の導電型をｐ型とする場合とｎ型とする場合との、層厚さの違いを説明する図。
【図１１】第一電極側のクラッド層と電流拡散層とをｎ型とした発光素子の例を示す模式図。
【図１２】透光性の導電性基板基板を使用し、金属層に光通過部を形成する発光素子の例を、その作用とともに示す模式図。
【図１３】金属層に形成する光通過部の種々のパターンを示す模式図。
【図１４】従来の発光素子の構造を示す模式図。
【図１５】図１４の発光素子による光の反射経路を示す模式図。
【符号の説明】
１，１００，２００，２１０，２２０，２４０ 発光素子
２ 導電性基板
３ 金属層
４ 発光層部
５ 第一電極
６ 第二電極
２１ 金属基板（導電性基板）
３１ 第一金属層
３２ 中間金属層
３３ 第二金属層
４１ ｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層
４２ ＡｌＧａＩｎＰ活性層
４３ ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層
４４ 電流拡散層
６１ 半導体単結晶基板
１４１ 光通過部
【発明の属する技術分野】
この発明は発光素子とその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
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は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。光取出し効率を向上させる方法としては、発光層部から基板側に向かう光も発光に寄与できるように、発光層部に光透過性の半導体基板を接合する方法が提案されている。しかしながら、光透過性の半導体基板を、発光層部に直接接合しようとした場合、一般にその工程は複雑なものとなりやすく、また高温での接合処理が必要となるため発光層部が劣化しやすい問題がある。
【０００３】
次に、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（例えば特開平７−６６４５５号公報）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】
他方、最近の文献（Applied Physics Letters, 75(1999)3054）には、図１４に示すように、ＡｌＧａＩｎＰダブルへテロ構造を有する発光層部とシリコン単結晶基板との間にＡｕを主体とした金属層を挿入する提案がなされている。具体的には、図１４に示す発光素子１００は、ｎ型シリコン単結晶基板１０１を酸化して形成されるＳｉＯ２層１０２上に、ＡｕＢｅ層１０３及びＡｕ層１０４が金属層１１０として形成され、さらにｐ型ＧａＡｓキャップ層１０５、ダブルへテロ構造をなすｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層１０６、ＡｌＧａＩｎＰ活性層１０７及びｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層１０８、ならびにＡｕＧｅＮｉ／Ａｕ層からなる電極１０９が形成されている。活性層１０７で発生した光は、図１５に示すように、Ａｕ層１０４にて反射される。
【０００５】
この構造によると、金属層１１０が反射鏡として機能するため入射角度に依存しない高い反射率が実現され、光取出し効率を大幅に高めることができる。ただし、この場合はＡｌＧａＩｎＰ混晶層を金属層上に直接成長させることは不可能であるから、次のような方法が採用されている。まず、蒸着により金属層１１０を形成したシリコン単結晶基板１０１と、ＡｌＧａＩｎＰダブルへテロ構造１０６、１０７、１０８を有する発光層部及びＧａＡｓキャップ層１０５をエピタキシャル成長させたＧａＡｓ単結晶基板とを別々に用意する。次いで、両基板を金属層１１０とキャップ層１０５との間で接合した後ＧａＡｓ単結晶基板を除去し、必要な電極を形成して素子とする。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記文献に開示された素子においては、金属層１１０の形成されるシリコン単結晶基板１０１として、ＳｉＯ２からなる厚い絶縁膜１０２にて被覆されたものが使用されており、図１４に示すように、キャップ層１０５ならびに発光層部１０６〜１０８への通電は、Ａｕ層１０４においてキャップ層１０５ならびに発光層部１０６〜１０８の外側に露出した部分を電極として用い、前記Ａｕ層１０４と電極１０９との間で絶縁膜１０２を介さずに行なうようにしている。従って、この構造では、素子の端子取出し構造が複雑にならざるを得ず、製造工数の増加ひいては素子の価格上昇につながる欠点がある。
【０００７】
本発明の課題は、素子からの光取出し効率が良好であり、加えて素子の端子取出し構造が単純で利便性に優れた発光素子とその製造方法を提供することにある。
【０００８】
【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、導電性基板の第一主表面側に金属層と発光層部と第一電極とがこの順序にて形成され、前記第一電極と前記導電性基板を通じて前記発光層部への通電が可能となるように構成され、
前記導電性基板がシリコン単結晶基板であり、該シリコン単結晶基板の第二主表面側に第二電極を形成し、
前記金属層が前記シリコン単結晶基板に直接接して形成されてなり、
前記金属層は、前記シリコン単結晶基板と接する第一金属層と、前記発光層部と接する第二金属層とを含み、
前記金属層は、前記第一金属層と前記第二金属層との間に、前記第一金属層と接する中間金属層をさらに含み、前記中間金属層の主成分となる金属成分よりもシリコンとの共晶温度の低い金属成分を主成分に形成されていることを特徴とする。
【０００９】
上記の構造によると、基板と発光層部との間に金属層を挿入した発光素子において、金属層での反射を利用することにより良好な光取出し効率を実現できることに加え、発光素子の両側に電極または端子を形成することが可能となる。すなわち、前記した文献の発光素子（図１４）とは異なり、金属層を発光層部の側方に露出させて端子取出し部を形成するという複雑な構造にする必要がなくなる。従って、素子の端子取出し構造が大幅に単純化され、チップサイズを縮小することができるとともに、利便性に優れた発光素子が実現される。
【００１０】
図１に示すように、導電性基板２と金属層３と発光層部４からなる積層体９への通電方向は、（ａ）に示すように、第一電極側が負となる極性でも、また、（ｂ）に示すように、第一電極側が正となる極性でも、いずれも可能である。この場合、発光層部４におけるヘテロ接合構造の積層順序は、（ａ）と（ｂ）とで逆となる。
【００１１】
導電性基板２は、シリコン単結晶等の半導体とすることもできるし、Ａｌ等の金属とすることもできる。導電性基板２を半導体とする場合は、図１に示すように、導電性基板２の第二主表面側に第二電極６を形成し、該第二電極６に第二端子１２をさらに形成する。この場合、第一電極５と第二電極６との間で通電がなされる形となる。他方、導電性基板２を金属とする場合は、第二端子１２を導電性基板２に直接形成できるので、第二電極６は省略することも可能である。なお、導電性基板２として半導体を採用する場合、導電性基板２を介した通電を支障なく行なうこと、及び金属層３と導電性基板２との接合強度を高めることの２つの観点において、導電性基板２と金属層３とを直接接触させた構造を採用することが望ましい。
【００１２】
第一電極５は、発光層部４の表面の一部のみを覆う形にて形成することができる。この場合、発光層部４の活性層にて発生する光１３，１４のうち、金属層３側に向かう光１４の少なくとも一部を該金属層３にて反射させ、その反射光１５を、発光層部表面の第一電極５に覆われていない領域から漏出させることができる。これにより、一層良好な光取出し効率を実現できる。
【００１３】
上記のような発光素子１は、導電性基板２と発光層部４とを接合予定面にて金属層３を介して重ね合わせ、接合処理することにより製造することができる。
【００１４】
具体的には、以下に示す本発明の製造方法により製造することができる。すなわち、本発明の製造方法は、半導体単結晶基板上に発光層部４をエピタキシャル成長させる工程と、導電性基板２の第一主表面と発光層部４の第一主表面とを金属層３のみを介して接合する接合処理工程と、前記半導体単結晶基板を分離又は除去する工程と、をこの順に行なうことを特徴とする。接合処理は、例えば加熱による接合処理とすることができる。
【００１５】
上記の方法においては、導電性基板２と発光層部４とを金属層３のみを介して接合する。導電性基板２と発光層部４とを、前記の文献とは異なりＳｉＯ２等の絶縁被膜を介さずに金属層３のみで接合することで、接合強度を高めることができるばかりでなく、導電性基板２と金属層３との間の電気的導通状態も良好に確保することができる。特に、導電性基板２がシリコン単結晶や化合物半導体単結晶あるいは混晶である場合、基板と金属層の一部とを合金化させる形で接合を行なうようにすれば、接合強度を一層向上させることができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態について、添付の図面を用いて説明する。
図１（ａ）は、本発明の一実施形態である発光素子１を示す概念図である。発光素子１には、導電性基板２の第一主表面７側に金属層３と発光層部４と第一電極５とがこの順序にて形成されている。第一電極５は、発光層部４の表面の一部のみを覆う形にて形成されている。また、導電性基板２の第二主表面８側には第二電極６が形成されており、発光層部４と金属層３とを挟んで第一電極５と第二電極６との間において（すなわち、第一電極５と導電性基板２を通じて）発光層部４への通電が行なわれるようになっている。
【００１７】
図２は、発光素子１のより具体的な構成を示すものである。導電性基板２はｎ型Ｓｉ（シリコン）単結晶基板とされ、金属層３は、Ｓｉ単結晶基板２と接して形成される第一金属層３１と、発光層部４側において該第一金属層３１と接する中間金属層３２と、発光層部４と接して形成される第二金属層３３とを含む。Ｓｉ単結晶基板２は、後述する加熱接合を行なう際にも熱応力等による変形を生じにくく、また、いくつかの特定の金属（例えばＡｕ）と合金化しやすいため、強度の高い接合構造を実現しやすい利点がある。この場合、該第一金属層３１を、中間金属層３２の主成分となる金属成分よりもＳｉと合金化しやすい金属成分を主成分にして形成することにより、金属層３とＳｉ単結晶基板２との合金化を主に第一金属層３１内に留め、中間金属層３２に及ぶことを抑制することが可能となる。これにより、金属層３と発光層部４との接合界面における金属相の面積率が高められ、また接合界面の平坦性を良好に保つことができる。いずれも、接合界面における反射率の向上に寄与する。
【００１８】
この場合、第一金属層３１は、中間金属層３２の主成分となる金属成分よりもＳｉとの共晶温度の低い金属成分を主成分に形成することができる。融点の高いシリコンとの間で、比較的低温にて共晶を形成する成分を第一金属層３１の主成分とすることで、加熱接合温度を低温化することができ、ひいては発光層部４の劣化等も生じにくくすることができる。具体的な例としては、第一金属層３１は、Ａｕ層あるいはＡｕＧｅ合金（例えばＧｅ含有率が１２重量％程度のもの）層などＡｕを主成分に構成することができ、中間金属層３２はＡｌ層あるいはＡｌ合金層など、Ａｌを主成分に構成することができる。ＡｕとＳｉとの共晶温度は約３６３℃であり、ＡｌとＳｉとの共晶温度は約５７７℃である。なお、中間金属層３２はＡｕとの間で融点の低い共晶をなるべく形成しない金属を主成分に構成することが、中間金属層３２とＳｉ単結晶基板２との合金化の影響を中間金属層３２に及びにくくする観点において望ましい。Ａｌは、この観点において中間金属層３２の主成分として望ましいものである。また、Ａｌ以外では、Ａｇ、Ｃｕ、Ｎｉ、ＰｄあるいはＰｔなどの成分も採用可能である。
【００１９】
なお、Ｓｉ単結晶基板２は、金属層３及び第二電極６とのオーミック接触性を高めるために、その第一主面側及び第二主面側に高濃度ドープ層２ａを形成したもの（例えば高濃度のドーパントを熱拡散させた両面拡散ウェーハ）を採用することが望ましい。あるいは、Ｓｉ単結晶基板２として、例えばＡｓやＢを高濃度にドープしたものを使用することが可能である。この実施形態では、両面にｎ＋ドープ層２ａを形成したｎ型Ｓｉ単結晶基板２が使用されている。
【００２０】
次に、本実施形態では、中間金属層３２と発光層部４との間に、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層４１と接するとともに発光層部４からの光を反射する第二金属層３３を形成している。
【００２１】
前記第二金属層３３の材質として、例えばＡｕを主体に構成されるものを例示することができる。この実施形態では、Ａｕ−Ｇｅ合金により第二金属層３３を形成している。使用するＡｕ−Ｇｅ合金中のＧｅ含有率は１〜３質量％とするのがよい。また、第二金属層３３はＡｕ層とすることもできる。
【００２２】
次に、発光層部４は、第一電極５側に位置する第一導電型クラッド層４３、金属層３側に位置する第二導電型クラッド層４１、及び第一導電型クラッド層４３と第二導電型クラッド層４１との間に形成される活性層４２からなるダブルへテロ構造層を有するものとすることができる。このような構造を採用することにより、両クラッド層４３，４１から注入されたホールと電子とが活性層４２の狭い空間内に閉じ込めらる形で効率よく再結合するので、高輝度の素子を実現できる。なお、反射による光取出し効率を高めるために、第二導電型クラッド層４１と金属層３とは直接接して形成されているのがよい。ただし、動作電圧を下げるために、第二導電型クラッド層４１と金属層３との間に高濃度ドープの薄膜を挿入することも可能である。
【００２３】
ダブルへテロ構造層は、具体的にはＡｌＧａＩｎＰ混晶にて構成することができる。具体的には、ＡｌＧａＩｎＰ混晶あるいはＧａＩｎＰ混晶からなる活性層４２を、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層４３とｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層４１とにより挟んだ構造とすることができる。ＡｌＧａＩｎＰは直接遷移型で大きなバンドギャップを有する半導体であり、活性層４２の両側に形成されるクラッド層４３，４１とのバンドギャップ差に起因したエネルギー障壁により、注入されたホールと電子とが狭い活性層４２中に閉じ込められて効率よく再結合するので、非常に高い発光効率を実現できる。さらに、活性層４２の組成調整により、緑色から赤色領域にかけて広範囲の発光波長を実現することができる。図２の発光素子１では、第一電極５側にｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層４３が配置されており、通電極性は第一電極５側が正である。
【００２４】
次に、第一電極５と第一導電型クラッド層４３との間には、該第一導電型クラッド層４３と同一導電型の電流拡散層４４が形成されている。第一電極５は、発光層部４の表面の一部のみを覆う形にて形成されているので、電流拡散層４４を形成することでダブルへテロ構造層４１，４２，４３に対し面内方向に均一になるように電流を拡散することが可能となり、第一電極５に覆われていない領域においても高輝度な発光状態を得ることができる。その結果、当該領域における直接光はもとより金属層３による反射光の強度も強まり、さらに第一電極５に邪魔されずに効率的にその光を取り出すことができるから、素子全体の発光輝度を大幅に高めることができる。
【００２５】
電流拡散層４４は、ＡｌＧａＡｓ混晶又はＡｌＧａＡｓＰ混晶にて構成することができる。ＡｌＧａＡｓ混晶あるいはＡｌＧａＡｓＰ混晶は、ＧａＡｓとの格子定数差が小さく、ＧａＡｓ単結晶基板との格子整合性が高いので、その上にさらにＡｌＧａＩｎＰ混晶をエピタキシャル成長させても良好な整合性を維持しやすい利点がある。図２の実施形態では、高濃度に不純物をドープしたｐ＋型ＡｌＧａＡｓＰ混晶により、電流拡散層４４を形成している。
【００２６】
なお、図２の発光素子１において、各層の厚さの実例として以下のような数値を例示できる：第一金属層３１＝２００ｎｍ、中間金属層３２＝１００ｎｍ、第二金属層３３＝２００ｎｍ、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層４１＝１０００ｎｍ、ＡｌＧａＩｎＰ活性層４２＝６００ｎｍ、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層４１＝１０００ｎｍ、ｐ＋型ＡｌＧａＡｓＰ電流拡散層４４＝１０００ｎｍ。また、例えば、第一電極５はＡｕ層とＡｕＢｅ層、第二電極６はＮｉ層により構成することができ、厚さをそれぞれ１０００ｎｍ程度とすることができる。
【００２７】
以下、図１の発光素子１の製造方法について説明する。
まず、図３（ａ）に示すように、半導体単結晶基板であるＧａＡｓ単結晶基板６１の第一主表面８１に、発光層部４として、ｐ＋型ＡｌＧａＡｓＰ電流拡散層４４、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層４３、ＡｌＧａＩｎＰ活性層４２及びｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層４１をこの順序にエピタキシャル成長させる。これら各層のエピタキシャル成長は、有機金属気相エピタキシャル成長（Metalorganic Vapor Phase Epitaxy:ＭＯＶＰＥ）法により行なうことができる。
【００２８】
次に、図３（ｂ）に示すように、発光層部４のｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層４１の上に金属層３として、ＡｕＧｅ層（第二金属層）３３、Ａｌ層（中間金属層）３２及びＡｕ層（第一金属層）３１をこの順序にて形成する。各層の形成は、例えば真空蒸着法あるいはスパッタ法等の公知の物理蒸着法により行なうことができる。そして、このようにして金属層３を形成した多層基板６３の金属層３の側をＳｉ単結晶基板２の第一主表面７に重ね合わせ（図３（ｃ））、３００℃〜５００℃に加熱することにより接合処理を行なう。加熱は、例えば窒素雰囲気中で行なう。これにより、Ａｕ層３１はＳｉ単結晶基板２の主表面７に接合される。接合処理は、例えばＡｕ−Ｓｉ共晶温度の直上（例えば３７０℃〜４００℃前後）にて行なうことがより望ましい。
【００２９】
上記接合処理温度においては、Ａｕ層３１の一部又は全体が接合の際にＳｉ単結晶基板２のＳｉと共晶反応してＡｕ−Ｓｉ合金層となる。形成されるＡｕ−Ｓｉ合金層の組成は、例えばＡｕ−２〜６質量％Ｓｉである。他方、Ａｌ層３２を構成するＡｌはＡｕとの間で種々の組成の金属間化合物を生成するが、それら金属間化合物はいずれも、接合温度である３００℃〜５００℃で共晶反応による液相を生成しないため、Ａｌとの間での合金化は比較的起こしにくい。その結果、接合処理時のＡｕ層３１とＳｉとの合金化の影響が、第二金属層をなすＡｕ−Ｇｅ層３３に及びにくくなり、Ａｕ−Ｇｅ層３３の光反射能を高めることができる。
【００３０】
接合処理が終了すれば、図３（ｄ）に示すように、ＧａＡｓ単結晶基板６１を除去することにより、多層構造の発光素子基板１ａが得られる。ＧａＡｓ単結晶基板６１の除去は、例えばケミカルエッチングにより行なうことができる。他方、図５（ａ）に示すように、発光層部４と半導体単結晶基板としてのＧａＡｓ単結晶基板６１との間に分離用成長層６２を予め形成し、発光層部４を、（ｂ）に示すように金属層３を介して導電性基板であるＳｉ単結晶基板２に接合した後、（ｃ）に示すように分離用成長層６２を選択的に除去することにより、発光層部４とＧａＡｓ単結晶基板６１とを分離するようにしてもよい。この場合、分離用成長層６２は、ＧａＡｓ単結晶基板６１上にエピタキシャル成長可能であり、かつ発光層部４よりも特定のエッチング液に対する溶解性の高い材質にて構成しておくことが望ましい。
【００３１】
例えば、電流拡散層４４がＡｌＧａＡｓ混晶にて構成される場合、分離用成長層６２はＡｌＡｓ単結晶層にて構成することができる。この場合、エッチング液として硫酸／過酸化水素水（Ｈ２ＳＯ４／Ｈ２Ｏ２／Ｈ２Ｏ）を用いるとよい。このエッチング液は、電流拡散層４４をなすＡｌＧａＡｓ混晶あるいはダブルへテロ構造層４１，４２，４３をなすＡｌＧａＩｎＰ混晶に対する腐食性はほとんどないが、ＡｌＡｓ単結晶層に対しては顕著な腐食性を有する。従って、分離用成長層６２を含んで形成された多層接合基板６７を該エッチング液に浸漬することにより、分離用成長層６２が選択的に溶解・除去され、ＧａＡｓ単結晶基板６１を容易に分離することができる。
【００３２】
ＧａＡｓ単結晶基板６１を除去ないし分離した発光素子基板１ａは、その電流拡散層４４側に第一電極５を、Ｓｉ単結晶基板２の第二主表面８側に第二電極６をそれぞれ形成してダイシング後、その半導体チップを支持体に固着し、さらにリード線をワイヤボンディングして樹脂封止することにより図２に示す発光素子１が得られる。
【００３３】
図３に示す実施の形態において接合処理は、発光層部４の第一主表面側に接して形成された金属層３を、導電性基板２の第一主表面７に接合する形で行なわれていた。他方、接合処理は、図４（ａ）に示すように、導電性基板２の第一主表面７に接して形成された金属層３を、発光層部４の第一主表面８２側に接合する形で行なってもよい。この実施の形態では、Ｓｉ単結晶基板２の第一主表面７上に金属層３として、Ａｕ層３１、Ａｌ層３２及びＡｕＧｅ層３３をこの順序にて積層形成しておき、発光層部４の第一主表面８２にその金属層３を直接接触させて加熱することにより接合処理を行なうようにしている。
【００３４】
さらに、接合処理は、図４（ｂ）に示すように、発光層部４の第一主表面８２に接して形成された金属層３２，３３を、導電性基板であるＳｉ単結晶基板２の第一主表面７に接して形成された金属層３１に接合する形で行なうこともできる。図に示した実施形態では、中間層となるＡｌ層３２と、第一金属層となるＡｕ層３１との間に接合界面が形成されるようにしている。例えば接合処理温度において、Ａｕ層３１のＡｕをＳｉ単結晶基板２のＳｉと反応させて共晶融液を発生させ、その共晶融液をＡｌ層３２と濡れ接触させることにより良好な接合状態を得ることができる。
【００３５】
なお、図６及び図７に示すように、金属層３の構成には種々の変形を加えることができる。図６の発光素子２００においては、金属層３はＡｕ層３３のみにより形成されている。ただし、Ａｕ層３３は、少なくともその一部がＡｕ−Ｓｉ合金となる。また、図７の発光素子２１０は、金属層３を、発光層部４側に位置するＡｕＧｅ合金層３３と、Ｓｉ単結晶基板２側に位置するＡｕ層３１との２層により形成した例である。いずれの場合も、処理温度をＳｉ−Ａｕの共晶温度付近かそれよりも若干低く設定する形で接合処理を行なうことが望ましい。
【００３６】
また、図２、図６及び図７の発光素子１，２００，２１０では、第一導電型クラッド層と電流拡散層とがいずれもｐ型である例を示していたが、図１１に示すように、第一導電型クラッド層と電流拡散層とをｎ型とする構成も可能である。この発光素子２３０では、Ｓｉ単結晶基板２の第一主表面７上に、金属層３'として、Ａｕ層（第一金属層）３１、Ａｌ層（中間金属層）３２及びＡｕＢｅ層（第二金属層）３３’がこの順序にて形成されている。また、発光層部４’として、金属層３’側からｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層４３、ＡｌＧａＩｎＰ活性層４２、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層４１及びｎ＋型ＡｌＧａＡｓ電流拡散層４４’が形成されている。この発光素子２３０の層４１、４２及び４３の積層順序は、図１の発光素子１と全く逆であり、通電極性は第一電極５側が負である。
【００３７】
この構造を採用することによる利点は以下の通りである。すなわち、図９に示すように、ＧａＡｓ単結晶基板６１上に発光層部４をエピタキシャル成長させたものを、金属層３を介してＳｉ単結晶基板２と接合し、その後ＧａＡｓ単結晶基板６１を除去すると、図９（ｂ）に示すように、得られる発光素子基板に反りが生じてしまうことがある。この反りが生ずる原因は次の通りである。すなわち、図１０に示すように、ＧａＡｓ単結晶基板６１上にエピタキシャル成長させたＡｌＧａＡｓ電流拡散層４４には、ＧａＡｓ単結晶基板６１と格子整合するための弾性整合歪が生じている。具体的にいえば、ＡｌＡｓの格子定数がＧａＡｓの格子定数よりも少し大きいので、ＡｌＧａＡｓ電流拡散層４４側には面内圧縮方向の弾性歪が生じた状態になっている。そして、ＧａＡｓ単結晶基板６１を除去すると、ＡｌＧａＡｓ電流拡散層４４の弾性歪は面内方向に伸張する形で解放され、結果として、図９（ｂ）に示すようにＡｌＧａＡｓ電流拡散層４４側が凸となる形で、発光素子基板に反りが発生することになる。このような反りが発生すると、発光層にクラックが導入されることがあり好ましくない。
【００３８】
ところで、電流拡散層４４は、一般には多数キャリアが電子となるｎ型のほうが、有効質量の大きいホールが多数キャリアとなるｐ型のものよりも少ない厚みで十分な電流拡散効果が得られる。従って、ＧａＡｓ単結晶基板６１にエピタキシャル成長させるＡｌＧａＡｓ電流拡散層は、図１０（ｂ）に示すように、ｎ型のもの（４４’）のほうが、（ａ）に示すｐ型のもの（４４）よりも薄くすることができる。ＡｌＧａＡｓ電流拡散層の厚みが小さくなれば、ＧａＡｓ単結晶基板６１を除去したときに解放される弾性歪エネルギも小さくなり、その解放されたエネルギーが行なう仕事として現れる基板の反りも小さくすることができる。すなわち、図１１に示すように、第一導電型クラッド層と電流拡散層とをｎ型とする構造を採用することにより、発光素子基板に生ずる反りを軽減することができる。
【００３９】
なお、高濃度にドープしたｎ＋型のＡｌＧａＡｓ混晶又はＡｌＧａＡｓＰ混晶からなる電流拡散層４４’の厚さは、１０ｎｍ〜１０００ｎｍとするのがよい。また、これ以外の各層の厚さは図２の発光素子１と同様のものを採用できる。
【００４０】
なお、電流拡散層４４の組成を適切に選択して、該電流拡散層４４が接するクラッド層とのバンド不連続量を大きくすることにより、発光層部４におけるヘテロ接合界面での電流拡散効果を高めることができる。この場合、電流拡散層４４の厚さを小さくすることも可能となり、得られる発光素子基板の反り防止を図る上で有効である。
【００４１】
次に、図８に示すように、導電性基板はＳｉ単結晶等の半導体に代えて、金属を用いることも可能である。図８に示す発光素子２２０では、導電性基板２としてＡｌ基板２１が使用されている。金属層３としては、Ａｌ基板２１側にＡｕ層３１を、発光層部４側にＡｕ−Ｇｅ合金層３３を配置した２層構造のものを採用している。導電性基板２に金属を使用することで第二電極を省略することが可能となる。なお、導電性基板２として用いる金属の材質としては、Ａｌ以外にＳｎを使用することも可能である。
【００４２】
なお、図４〜図１１に示した実施形態では、電流拡散層をＡｌＧａＡｓ混晶により形成しているが、図２と同様にＡｌＧａＡｓＰ混晶を用いてもよい。
【００４３】
また、以上説明した実施の形態では、導電性基板２はＳｉ単結晶あるいは金属など、実質的に透光性を有さない材質にて構成していたが、図１２に示す発光素子２４０のように、透光性を有する材質にて形成することも可能である。この場合、金属層３には光通過部１４１を形成することができる。このようにすることで、金属層３による反射光と、光通過部１４１を経て透光性の導電性基板２２側に入射した透過光との双方の寄与により、光取出し効率を高めることができるようになる。この場合、金属製の第二電極６により透光性の導電性基板２２の第二主表面８を覆っておけば、第二電極６の表面での反射光による光取出し効率向上への寄与も期待できる。透光性の導電性基板２２としては、例えばＧａＰ基板を使用することができる。また、発光層部４と金属層３との積層構造は、金属層３に光通過部１４１を形成する点を除き、図２、図７、図１１等と同様のものを採用できる。
【００４４】
また、金属層３に光通過部１４１を形成するために、層形成時にマスキング等により金属層３をパターニングする方法を採用できる。例えば図１３（ａ）に示すように、金属層３を線状にパターンニングし、隣接する線状の金属層領域間に光通過部１４１をスリット状に形成することができる。また、図１３（ｂ）に示すように、金属層３を網状にパターンニングし、その網目を光通過部１４１とすることもできる。さらに、図１３（ｃ）に示すように、金属層３を散点状あるいは島状にパターンニングすれば、個々の金属層領域の背景部分を光通過部１４１として活用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の発光素子の、概略構造の例をいくつか示す模式図。
【図２】図１（ａ）の発光素子の具体的な積層構造の例を示す模式図。
【図３】図２の発光素子の、製造工程の第一例を示す説明図。
【図４】同じく第二例を示す説明図。
【図５】同じく第三例を示す説明図。
【図６】図２の発光素子における、金属層の第一変形例を示す模式図。
【図７】同じく第二変形例を示す模式図。
【図８】金属基板を用いた発光素子の例を示す模式図。
【図９】接合後に半導体単結晶基板を除去することにより、得られる発光素子基板に反りが発生する様子を説明する図。
【図１０】電流拡散層の導電型をｐ型とする場合とｎ型とする場合との、層厚さの違いを説明する図。
【図１１】第一電極側のクラッド層と電流拡散層とをｎ型とした発光素子の例を示す模式図。
【図１２】透光性の導電性基板基板を使用し、金属層に光通過部を形成する発光素子の例を、その作用とともに示す模式図。
【図１３】金属層に形成する光通過部の種々のパターンを示す模式図。
【図１４】従来の発光素子の構造を示す模式図。
【図１５】図１４の発光素子による光の反射経路を示す模式図。
【符号の説明】
１，１００，２００，２１０，２２０，２４０ 発光素子
２ 導電性基板
３ 金属層
４ 発光層部
５ 第一電極
６ 第二電極
２１ 金属基板（導電性基板）
３１ 第一金属層
３２ 中間金属層
３３ 第二金属層
４１ ｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層
４２ ＡｌＧａＩｎＰ活性層
４３ ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層
４４ 電流拡散層
６１ 半導体単結晶基板
１４１ 光通過部
Claims (14)
- 導電性基板の第一主表面側に金属層と発光層部と第一電極とがこの順序にて形成され、前記第一電極と前記導電性基板を通じて前記発光層部への通電が可能となるように構成され、
前記導電性基板がシリコン単結晶基板であり、該シリコン単結晶基板の第二主表面側に第二電極を形成し、
前記金属層が前記シリコン単結晶基板に直接接して形成されてなり、
前記金属層は、前記シリコン単結晶基板と接する第一金属層と、前記発光層部と接する第二金属層とを含み、
前記金属層は、前記第一金属層と前記第二金属層との間に、前記第一金属層と接する中間金属層をさらに含み、前記第一金属層は、前記中間金属層の主成分となる金属成分よりもシリコンとの共晶温度の低い金属成分を主成分に形成されていることを特徴とする発光素子。 - 前記金属層がＡｕを主成分に形成されている請求項１に記載の発光素子。
- 前記中間金属層は、Ａｌ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｐｄ及びＰｔのいずれかを主成分とするものである請求項１又は請求項２に記載の発光素子。
- 前記第一金属層はＡｕを主成分に形成され、前記中間金属層はＡｌを主成分に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の発光素子。
- 前記第二金属層はＡｕを主体に構成されることを特徴とする請求項１に記載の発光素子。
- 前記発光層部は、前記第一電極側に位置する第一導電型クラッド層、前記金属層側に位置する第二導電型クラッド層、及び前記第一導電型クラッド層と前記第二導電型クラッド層との間に形成される活性層からなるダブルへテロ構造層を有し、さらに、前記第一電極と前記第一導電型クラッド層との間に形成される第一導電型電流拡散層を有することを特徴とする請求項１に記載の発光素子。
- 前記第一導電型クラッド層と前記電流拡散層とがｐ型であることを特徴とする請求項６に記載の発光素子。
- 前記ダブルへテロ構造層はＡｌＧａＩｎＰ混晶にて構成され、前記電流拡散層はＡｌＧａＡｓ混晶又はＡｌＧａＡｓＰ混晶にて構成され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。
- 請求項１ないし請求項８のいずれか１項に記載の発光素子の製造方法であって、
半導体単結晶基板上に発光層部をエピタキシャル成長させる工程と、
導電性基板の第一主表面と前記発光層部の第一主表面とを金属層のみを介して接合する接合処理工程と、
前記半導体単結晶基板を分離又は除去する工程と、
をこの順に行なうことを特徴とする発光素子の製造方法。 - 前記発光層部と前記半導体単結晶基板との間に分離用成長層を予め形成し、前記発光層部を、前記金属層を介して前記導電性基板に接合後、前記分離用成長層を選択的に除去することにより、前記発光層部から前記半導体単結晶基板を分離することを特徴とする請求項９に記載の発光素子の製造方法。
- 前記接合処理は、加熱による接合処理であることを特徴とする請求項９又は請求項１０に記載の発光素子の製造方法。
- 前記接合処理は、前記導電性基板の第一主表面に接して形成された金属層を、前記発光層部の第一主表面に接合することを特徴とする請求項１１に記載の発光素子の製造方法。
- 前記接合処理は、前記発光層部の第一主表面に接して形成された金属層を、前記導電性基板の第一主表面に接合することを特徴とする請求項１１に記載の発光素子の製造方法。
- 前記接合処理は、前記発光層部の第一主表面に接して形成された金属層を、前記導電性基板の第一主表面に接して形成された金属層に接合することを特徴とする請求項１１に記載の発光素子の製造方法。
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