JPWO2004051758A1 - 半導体発光素子及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
発光半導体基板2のAlGaInPから成るn型半導体層11の表面に遷移金属層を介してAu層を設ける。GaとAuとの共晶点よりも低い温度の熱処理によってAuを遷移金属層17を介してn型半導体層11に拡散させ、20〜1000オングストロームの厚みを有し且つ光吸収率の小さいオーミックコンタクト領域4を形成する。遷移金属層及びAu層を除去し、n型半導体層11及びオーミックコンタクト領域4の表面にAlから成る導電性を有する光反射層5を形成する。光反射層5に第1及び第2の接合金属層6,7を介して不純物がドープされたSiから成る導電性支持基板8を貼り合せる。
Description
本発明はGa系化合物半導体を有する半導体発光素子に関し、詳細には発光効率を改善することができる半導体発光素子に関する。
従来の典型的な半導体発光素子は、導電性を有するGaAs等から成る支持基板と、n型クラッド層と、活性層と、p型クラッド層と、p型クラッド層の一部に接続されたアノード電極と、支持基板に接続されたカソード電極とから成る。なお、以下、n型クラッド層と活性層とp型クラッド層とを発光半導体領域と呼ぶことにする。この半導体発光素子では、活性層で発生した光はp型クラッド層を介して上面側に放射されると共にn型クラッド層側即ち下面側にも放射される。半導体発光素子の光取り出し面は上面側であるので、発光効率を向上させるために活性層から下面側に放射された光をいかに上面側に反射させるかが重要である。
活性層から下面側に放射した光を上面側に反射させるために、前述の基本構造の半導体発光素子の支持基板と発光半導体領域との間に、ブラッグ(Bragg)反射膜を配置する構造が知られている。ブラッグ反射膜は発光半導体領域と同様に一連のエピタキシャル成長工程で形成できるという利点を有する。しかし、ブラッグ反射膜は波長のスペクトル帯域の広い光に対して十分な反射率を有さない。
光反射率を向上させる別の方法として、前述の基本構造の半導体発光素子において発光半導体領域のエピタキシャル成長工程後にGaAs等の支持基板を除去し、発光半導体領域に光透過性基板を貼着し、更にこの光透過性基板の下面に光反射性を有する電極を形成することが知られている。しかし、この光透過性基板と光反射性電極とを設ける構造は、発光半導体領域と光透過性基板との界面における抵抗が起因してアノード電極とカソード電極との間の順方向電圧が比較的大きくなるという欠点を有する。
上記欠点を解決するための方法が本件出願人に係わる日本の特開2002−217450号公報(以下、特許文献1と言う。)に開示されている。この特許文献1には、発光半導体領域の下面側にAuGeGa合金層を分散的に形成し、AuGeGa合金層及びこれによって覆われていない発光半導体領域の下面をAl等の金属反射層で覆い、更に、反射層に導電性支持基板を貼着することが開示されている。AuGeGa合金層は例えばAlGaInP等の発光半導体領域に対して比較的良好にオーミック接触する。従って、この構造によると、アノード電極とカソード電極との間の順方向電圧を低下させることができる。
ところで、上記特許文献1のAuGeGa合金層は比較的厚く且つGe(ゲルマニウム)を含んでいるので、比較的光吸収率が大きい。従って、AuGeGa合金層と光反射層とから成る複合層の反射率は約30%であって比較的小さい。このため、上記特許文献1の技術によって高い発光効率を有する半導体発光素子を得ることが困難であった。また、AuGeGa合金層の表面モフォロジー(surface morphology)即ちAuGeGa合金層の表面の平坦性が悪い。このため、導電性支持基板をAuGeGa合金層を有する発光半導体領域に容易且つ良好に貼り合せることができなかった。
活性層から下面側に放射した光を上面側に反射させるために、前述の基本構造の半導体発光素子の支持基板と発光半導体領域との間に、ブラッグ(Bragg)反射膜を配置する構造が知られている。ブラッグ反射膜は発光半導体領域と同様に一連のエピタキシャル成長工程で形成できるという利点を有する。しかし、ブラッグ反射膜は波長のスペクトル帯域の広い光に対して十分な反射率を有さない。
光反射率を向上させる別の方法として、前述の基本構造の半導体発光素子において発光半導体領域のエピタキシャル成長工程後にGaAs等の支持基板を除去し、発光半導体領域に光透過性基板を貼着し、更にこの光透過性基板の下面に光反射性を有する電極を形成することが知られている。しかし、この光透過性基板と光反射性電極とを設ける構造は、発光半導体領域と光透過性基板との界面における抵抗が起因してアノード電極とカソード電極との間の順方向電圧が比較的大きくなるという欠点を有する。
上記欠点を解決するための方法が本件出願人に係わる日本の特開2002−217450号公報(以下、特許文献1と言う。)に開示されている。この特許文献1には、発光半導体領域の下面側にAuGeGa合金層を分散的に形成し、AuGeGa合金層及びこれによって覆われていない発光半導体領域の下面をAl等の金属反射層で覆い、更に、反射層に導電性支持基板を貼着することが開示されている。AuGeGa合金層は例えばAlGaInP等の発光半導体領域に対して比較的良好にオーミック接触する。従って、この構造によると、アノード電極とカソード電極との間の順方向電圧を低下させることができる。
ところで、上記特許文献1のAuGeGa合金層は比較的厚く且つGe(ゲルマニウム)を含んでいるので、比較的光吸収率が大きい。従って、AuGeGa合金層と光反射層とから成る複合層の反射率は約30%であって比較的小さい。このため、上記特許文献1の技術によって高い発光効率を有する半導体発光素子を得ることが困難であった。また、AuGeGa合金層の表面モフォロジー(surface morphology)即ちAuGeGa合金層の表面の平坦性が悪い。このため、導電性支持基板をAuGeGa合金層を有する発光半導体領域に容易且つ良好に貼り合せることができなかった。
そこで、本発明の目的は、発光効率の向上又は順方向電圧の低減が可能な半導体発光素子を提供することにある。
上記目的を達成するための本発明を、実施形態を示す図面の符号を参照して説明する。なお、請求の範囲及びここでの参照符号は、本願発明の理解を助けるために付されており、本願発明を限定するものではない。
本発明に従う半導体発光素子は、
光を取り出すための一方の主面15とこの一方の主面15と反対側の他方の主面16とを有し、且つ前記一方の主面15と前記他方の主面16との間に発光のための複数の化合物半導体層を有し、且つ前記複数の化合物半導体層の内の前記他方の主面16に露出している化合物半導体層11がガリウム(Ga)を含む化合物半導体で形成されている半導体基板2と、
前記半導体基板2の一方の主面15に接続された電極3と、
前記半導体基板2の前記他方の主面16に露出している化合物半導体層11の少なくとも一部にオーミック接触しており、且つ金属材料とガリウム(Ga)との混合層から成るオーミックコンタクト領域4と、
前記半導体基板2の前記他方の主面16に露出している化合物半導体層11と前記オーミックコンタクト領域4とのいずれか一方又は両方を覆っており且つ導電性を有している光反射層5と
備えている。
なお、前記オーミックコンタクト領域4はGaとAuとの混合層から成ることが望ましい。
前記オーミックコンタクト領域4は20〜1000オングストロームの厚さを有していることが望ましい。
前記半導体基板2の前記他方の主面16に露出している化合物半導体層11は、
AlxGayIn1−x−yP、ここで、x,yは0≦x<1、0<y≦1、0<x+y≦1を満足する数値、から成る第1の化合物半導体、
AlxGayIn1−x−yAs、ここで、x,yは0≦x<1、0<y≦1、0<x+y≦1を満足する数値、から成る第2の化合物半導体、及び
AlxGayIn1−x−yN、ここで、x,yは0≦x<1、0<y≦1、0<x+y≦1を満足する数値、から成る第3の化合物半導体
から選択された1つに導電型決定不純物が添加されたものであることが望ましい。
前記光反射層5は、前記オーミックコンタクト領域4よりも反射率の大きい金属層であることが望ましい。
前記光反射層は、アルミニウム層であることが望ましい。
更に、前記光反射層5に結合された導電性支持基板8を有していることが望ましい。
前記導電性支持基板8は不純物を含むシリコン支持基板であり、更に、前記シリコン支持基板に接続された別の電極9を有することが望ましい。
前記オーミックコンタクト領域4は前記半導体基板2の他方の主面16の一部のみに設けられ、前記光反射層5は前記オーミックコンタクト領域4と前記半導体基板2の前記他方の主面16の前記オーミックコンタクト領域4が形成されていない部分との両方を覆っていることが望ましい。
前記半導体基板2は、第1導電型のGa系化合物半導体から成る第1導電型半導体層11と、前記第1導電型半導体領域11上に配置されたGa系化合物半導体から成る活性層12と、前記活性層12上に配置された第1導電型と反対の第2導電型のGa系化合物半導体から成る第2導電型半導体層13とを備えていることが望ましい。
半導体発光素子の好ましい製造方法は、
光を取り出すための一方の主面15とこの一方の主面15と反対側の他方の主面16とを有し、且つ前記一方の主面15と前記他方の主面16との間に発光のための複数の化合物半導体層を有し、且つ前記複数の化合物半導体層の内の前記他方の主面16に露出している化合物半導体層11がガリウム(Ga)を含む化合物半導体で形成されている半導体基板2を用意する工程と、
前記半導体基板2の前記他方の主面16の少なくとも一部に遷移金属を含む補助層17を形成する工程と、
前記半導体基板2の前記ガリウムを含む化合物半導体層11に前記補助層17を介して拡散させることが可能な金属材料を含む層18を前記補助層17の上に形成する工程と、
前記補助層17及び前記金属材料を含む層18を伴なった前記半導体基板2に、前記ガリウムを含む化合物半導体層11を構成する元素と前記金属材料との共晶点よりも低い温度の加熱処理を施して前記金属材料を前記補助層17を介して前記ガリウムを含む化合物半導体層11に導入して前記ガリウムを含む化合物半導体層11を構成する元素と前記金属材料との混合層から成るオーミックコンタクト領域4を形成する工程と、
前記補助層17及び前記金属材料を含む層18を除去する工程と、
前記半導体基板2の前記他方の主面16に露出している化合物半導体層11と前記オーミックコンタクト領域4とのいずれか一方又は両方を覆っており且つ導電性を有している光反射層5を形成する工程とを備えていることが望ましい。
前記補助層17及び前記金属材料を含む層18を、前記半導体基板2の前記他方の主面16の一部のみを覆うように形成することが望ましい。
前記光反射層5を、前記オーミックコンタクト領域4と前記半導体基板2の前記他方の主面16の前記オーミックコンタクト領域4が形成されていない部分との両方を覆うように形成することが望ましい。
前記半導体基板2の前記他方の主面16に露出している化合物半導体層11は、
AlxGayIn1−x−yP、ここで、x,yは0≦x<1、0<y≦1、0<x+y≦1を満足する数値、から成る第1の化合物半導体、
AlxGayIn1−x−yAs、ここで、x,yは0≦x<1、0<y≦1、0<x+y≦1を満足する数値、から成る第2の化合物半導体、及び
AlxGayIn1−x−yN、ここで、x,yは0≦x<1、0<y≦1、0<x+y≦1を満足する数値、から成る第3の化合物半導体
から選択された1つに導電型決定不純物が添加されたものであることが望ましい。
前記半導体基板2の前記他方の主面16に露出している化合物半導体層11は、AlxGayIn1−x−yP、ここで、x,yは0<x<1、0<y≦1、0<x+y≦1を満足する数値、から成る化合物半導体に導電型決定不純物が添加されたものであり、且つ前記xの値が0.4又はこれよりも大きく、且つ前記導電型決定不純物の濃度が1018cm−3又はこれよりも大きいものであることが望ましい。
前記補助層は、
Cr、Ti、Ni、Sc、V、Mn、Fe、Co、Cu、Zn、Beから選択された少なくとも1種を含む層、
Au層とCr層とAu層との複合層、
Cr層とNi層とAu層との複合層、及び
Cr層とAuSi層とAu層との複合層
から選択された1つであることが望ましい。
前記金属材料を含む層18は、
金(Au)層、
Au層とCr層とAu層との複合層、
Cr層とNi層とAu層との複合層、及び
Cr層とAuSi層とAu層との複合層
から選択された1つであることが望ましい。
本発明に従うオーミックコンタクト領域4は、従来のAuGeGaから成るオーミックコンタクト領域よりも光吸収率が低い。このため、オーミックコンタクト領域4での光吸収が抑制され、半導体基板2中で発生し且つ半導体基板2の他方の主面16方向に放射した光の多くをオーミックコンタクト領域4とGa系化合物半導体層11との界面で反射させることができる。また、オーミックコンタクト領域4が薄く形成されている時には、半導体基板2の中で発生し且つ半導体基板2の他方の主面16方向に放射された光の一部がオーミックコンタクト領域4を通過し、その後反射層5で反射されて半導体基板2の一方の主面15側に戻り、有効な光出力となる。このため、半導体発光素子の出力光量の増大を図り、発光効率を高めることができる。
また、本発明の好ましい実施形態に従って、オーミックコンタクト領域4を半導体基板2の他方の主面16の一部に設ける場合において、出力光量が従来と同一で良い場合には、オーミックコンタクト領域4と光反射層5との界面における反射量が多くなる分だけ、オーミックコンタクト領域4の面積を増大させることができる。換言すれば、オーミックコンタクト領域4の面積を増大しても、出力光量を従来と同一にすることができる。このようにオーミックコンタクト領域4の面積を増大させると、発光時における電流通路の抵抗が小さくなり、順方向電圧が低下し、電力損失が小さくなり、発光効率が向上する。
本発明の好ましい実施形態に従って、光透過性を有するオーミックコンタクト領域4が20〜1000オングストロームと比較的薄く形成されている時には、オーミックコンタクト領域4での光吸収が少なくなり、オーミックコンタクト領域4と光反射層5との複合部分の反射率が大きくなる。
また、本発明に従う製造方法によれば、補助層17の働きによって所望のオーミックコンタクト領域4を良好且つ容易且つ生産性良く形成することができる。即ち、遷移金属は化合物半導体を構成する元素を固相分解する機能及び半導体表面を清浄化する機能を有するため、遷移金属を含む補助層17を介して半導体層と金属材料層とを加熱すると、比較的低温(共晶温度以下)で半導体材料と金属材料が固相拡散する。この低温の固相拡散によって形成されたオーミックコンタクト領域4は比較的薄い厚みを有し且つ光透過を妨害する金属材料(例えば、Ge)を含まない。このため、光吸収の少ないオーミックコンタクト領域4が得られる。
上記目的を達成するための本発明を、実施形態を示す図面の符号を参照して説明する。なお、請求の範囲及びここでの参照符号は、本願発明の理解を助けるために付されており、本願発明を限定するものではない。
本発明に従う半導体発光素子は、
光を取り出すための一方の主面15とこの一方の主面15と反対側の他方の主面16とを有し、且つ前記一方の主面15と前記他方の主面16との間に発光のための複数の化合物半導体層を有し、且つ前記複数の化合物半導体層の内の前記他方の主面16に露出している化合物半導体層11がガリウム(Ga)を含む化合物半導体で形成されている半導体基板2と、
前記半導体基板2の一方の主面15に接続された電極3と、
前記半導体基板2の前記他方の主面16に露出している化合物半導体層11の少なくとも一部にオーミック接触しており、且つ金属材料とガリウム(Ga)との混合層から成るオーミックコンタクト領域4と、
前記半導体基板2の前記他方の主面16に露出している化合物半導体層11と前記オーミックコンタクト領域4とのいずれか一方又は両方を覆っており且つ導電性を有している光反射層5と
備えている。
なお、前記オーミックコンタクト領域4はGaとAuとの混合層から成ることが望ましい。
前記オーミックコンタクト領域4は20〜1000オングストロームの厚さを有していることが望ましい。
前記半導体基板2の前記他方の主面16に露出している化合物半導体層11は、
AlxGayIn1−x−yP、ここで、x,yは0≦x<1、0<y≦1、0<x+y≦1を満足する数値、から成る第1の化合物半導体、
AlxGayIn1−x−yAs、ここで、x,yは0≦x<1、0<y≦1、0<x+y≦1を満足する数値、から成る第2の化合物半導体、及び
AlxGayIn1−x−yN、ここで、x,yは0≦x<1、0<y≦1、0<x+y≦1を満足する数値、から成る第3の化合物半導体
から選択された1つに導電型決定不純物が添加されたものであることが望ましい。
前記光反射層5は、前記オーミックコンタクト領域4よりも反射率の大きい金属層であることが望ましい。
前記光反射層は、アルミニウム層であることが望ましい。
更に、前記光反射層5に結合された導電性支持基板8を有していることが望ましい。
前記導電性支持基板8は不純物を含むシリコン支持基板であり、更に、前記シリコン支持基板に接続された別の電極9を有することが望ましい。
前記オーミックコンタクト領域4は前記半導体基板2の他方の主面16の一部のみに設けられ、前記光反射層5は前記オーミックコンタクト領域4と前記半導体基板2の前記他方の主面16の前記オーミックコンタクト領域4が形成されていない部分との両方を覆っていることが望ましい。
前記半導体基板2は、第1導電型のGa系化合物半導体から成る第1導電型半導体層11と、前記第1導電型半導体領域11上に配置されたGa系化合物半導体から成る活性層12と、前記活性層12上に配置された第1導電型と反対の第2導電型のGa系化合物半導体から成る第2導電型半導体層13とを備えていることが望ましい。
半導体発光素子の好ましい製造方法は、
光を取り出すための一方の主面15とこの一方の主面15と反対側の他方の主面16とを有し、且つ前記一方の主面15と前記他方の主面16との間に発光のための複数の化合物半導体層を有し、且つ前記複数の化合物半導体層の内の前記他方の主面16に露出している化合物半導体層11がガリウム(Ga)を含む化合物半導体で形成されている半導体基板2を用意する工程と、
前記半導体基板2の前記他方の主面16の少なくとも一部に遷移金属を含む補助層17を形成する工程と、
前記半導体基板2の前記ガリウムを含む化合物半導体層11に前記補助層17を介して拡散させることが可能な金属材料を含む層18を前記補助層17の上に形成する工程と、
前記補助層17及び前記金属材料を含む層18を伴なった前記半導体基板2に、前記ガリウムを含む化合物半導体層11を構成する元素と前記金属材料との共晶点よりも低い温度の加熱処理を施して前記金属材料を前記補助層17を介して前記ガリウムを含む化合物半導体層11に導入して前記ガリウムを含む化合物半導体層11を構成する元素と前記金属材料との混合層から成るオーミックコンタクト領域4を形成する工程と、
前記補助層17及び前記金属材料を含む層18を除去する工程と、
前記半導体基板2の前記他方の主面16に露出している化合物半導体層11と前記オーミックコンタクト領域4とのいずれか一方又は両方を覆っており且つ導電性を有している光反射層5を形成する工程とを備えていることが望ましい。
前記補助層17及び前記金属材料を含む層18を、前記半導体基板2の前記他方の主面16の一部のみを覆うように形成することが望ましい。
前記光反射層5を、前記オーミックコンタクト領域4と前記半導体基板2の前記他方の主面16の前記オーミックコンタクト領域4が形成されていない部分との両方を覆うように形成することが望ましい。
前記半導体基板2の前記他方の主面16に露出している化合物半導体層11は、
AlxGayIn1−x−yP、ここで、x,yは0≦x<1、0<y≦1、0<x+y≦1を満足する数値、から成る第1の化合物半導体、
AlxGayIn1−x−yAs、ここで、x,yは0≦x<1、0<y≦1、0<x+y≦1を満足する数値、から成る第2の化合物半導体、及び
AlxGayIn1−x−yN、ここで、x,yは0≦x<1、0<y≦1、0<x+y≦1を満足する数値、から成る第3の化合物半導体
から選択された1つに導電型決定不純物が添加されたものであることが望ましい。
前記半導体基板2の前記他方の主面16に露出している化合物半導体層11は、AlxGayIn1−x−yP、ここで、x,yは0<x<1、0<y≦1、0<x+y≦1を満足する数値、から成る化合物半導体に導電型決定不純物が添加されたものであり、且つ前記xの値が0.4又はこれよりも大きく、且つ前記導電型決定不純物の濃度が1018cm−3又はこれよりも大きいものであることが望ましい。
前記補助層は、
Cr、Ti、Ni、Sc、V、Mn、Fe、Co、Cu、Zn、Beから選択された少なくとも1種を含む層、
Au層とCr層とAu層との複合層、
Cr層とNi層とAu層との複合層、及び
Cr層とAuSi層とAu層との複合層
から選択された1つであることが望ましい。
前記金属材料を含む層18は、
金(Au)層、
Au層とCr層とAu層との複合層、
Cr層とNi層とAu層との複合層、及び
Cr層とAuSi層とAu層との複合層
から選択された1つであることが望ましい。
本発明に従うオーミックコンタクト領域4は、従来のAuGeGaから成るオーミックコンタクト領域よりも光吸収率が低い。このため、オーミックコンタクト領域4での光吸収が抑制され、半導体基板2中で発生し且つ半導体基板2の他方の主面16方向に放射した光の多くをオーミックコンタクト領域4とGa系化合物半導体層11との界面で反射させることができる。また、オーミックコンタクト領域4が薄く形成されている時には、半導体基板2の中で発生し且つ半導体基板2の他方の主面16方向に放射された光の一部がオーミックコンタクト領域4を通過し、その後反射層5で反射されて半導体基板2の一方の主面15側に戻り、有効な光出力となる。このため、半導体発光素子の出力光量の増大を図り、発光効率を高めることができる。
また、本発明の好ましい実施形態に従って、オーミックコンタクト領域4を半導体基板2の他方の主面16の一部に設ける場合において、出力光量が従来と同一で良い場合には、オーミックコンタクト領域4と光反射層5との界面における反射量が多くなる分だけ、オーミックコンタクト領域4の面積を増大させることができる。換言すれば、オーミックコンタクト領域4の面積を増大しても、出力光量を従来と同一にすることができる。このようにオーミックコンタクト領域4の面積を増大させると、発光時における電流通路の抵抗が小さくなり、順方向電圧が低下し、電力損失が小さくなり、発光効率が向上する。
本発明の好ましい実施形態に従って、光透過性を有するオーミックコンタクト領域4が20〜1000オングストロームと比較的薄く形成されている時には、オーミックコンタクト領域4での光吸収が少なくなり、オーミックコンタクト領域4と光反射層5との複合部分の反射率が大きくなる。
また、本発明に従う製造方法によれば、補助層17の働きによって所望のオーミックコンタクト領域4を良好且つ容易且つ生産性良く形成することができる。即ち、遷移金属は化合物半導体を構成する元素を固相分解する機能及び半導体表面を清浄化する機能を有するため、遷移金属を含む補助層17を介して半導体層と金属材料層とを加熱すると、比較的低温(共晶温度以下)で半導体材料と金属材料が固相拡散する。この低温の固相拡散によって形成されたオーミックコンタクト領域4は比較的薄い厚みを有し且つ光透過を妨害する金属材料(例えば、Ge)を含まない。このため、光吸収の少ないオーミックコンタクト領域4が得られる。
図1は本発明の第1の実施形態に従う半導体発光素子を示す断面図である。
図2は図1の半導体発光素子のA−A線断面図である。
図3は図1の半導体発光素子の製造工程を説明するための発光半導体基板の断面図である。
図4は図3の発光半導体基板に遷移金属層と金層とを設けたものを示す断面図である。
図5は図4に示す発光半導体基板に熱処理を施してオーミックコンタクト領域を形成したものを示す断面図である。
図6は図5から遷移金属層と金層を除去したものを示す断面図である。
図7は図6の発光半導体基板に光反射層と第1の接合金属層を設けたものを示す断面図である。
図8図7のものに導電性シリコン支持基板を貼り合せたものを示す断面図である。
図9はオーミックコンタクト領域を形成する時の熱処理温度と本発明及び従来例に従うオーミックコンタクト領域と光反射層との複合層の反射率との関係を示す図である。
図10は本発明に従う第2の実施形態の半導体発光素子を図1と同様に示す断面図である。
図2は図1の半導体発光素子のA−A線断面図である。
図3は図1の半導体発光素子の製造工程を説明するための発光半導体基板の断面図である。
図4は図3の発光半導体基板に遷移金属層と金層とを設けたものを示す断面図である。
図5は図4に示す発光半導体基板に熱処理を施してオーミックコンタクト領域を形成したものを示す断面図である。
図6は図5から遷移金属層と金層を除去したものを示す断面図である。
図7は図6の発光半導体基板に光反射層と第1の接合金属層を設けたものを示す断面図である。
図8図7のものに導電性シリコン支持基板を貼り合せたものを示す断面図である。
図9はオーミックコンタクト領域を形成する時の熱処理温度と本発明及び従来例に従うオーミックコンタクト領域と光反射層との複合層の反射率との関係を示す図である。
図10は本発明に従う第2の実施形態の半導体発光素子を図1と同様に示す断面図である。
第1の実施形態
次に、図1〜図9を参照して本発明の第1の実施形態に従う半導体発光素子1即ち発光ダイオード及びその製造方法を説明する。
本発明に従う半導体発光素子1は、図1に概略的に示すように、発光半導体領域としての発光半導体基板2と、第1の電極としてのアノード電極3と、本発明に従うオーミックコンタクト領域4と、光反射層5と、第1及び第2の接合金属層6、7と、導電性支持基板としてのシリコン支持基板8と、第2の電極としてのカソード電極9と、電流ブロック層10とから成る。
発光半導体基板2は、第1導電型半導体層としてのn型半導体層11と、活性層12と、第2導電型半導体層としてのp型半導体層13と、p型化合物半導体から成る電流拡散層14とを順次にエピタキシャル成長させたものから成る。発光半導体基板2は、光取り出し側の一方の主面15とこれと反対側の他方の主面16とを有する。活性層12で発生した光はp型半導体層13と電流拡散層14とを通って一方の主面15から取り出される。
n型クラッド層と呼ぶこともできるn型半導体層11は、
化学式AlxGayIn1−x−yP、
ここで、x,yは0≦x<1、0<y≦1、0<x+y≦1を満足する数値、
から成るGa系化合物半導体にn型不純物(例えばSi)をドーピングしたものから成る。ここで、Alの割合xは好ましくは0.15〜0.45、より好ましくは0.2〜0.4である。また、Gaの割合yは好ましくは0.15〜0.35、より好ましくは0.4〜0.6である。n型半導体層11のn型不純物の濃度は5×1017cm−3以上であることが望ましい。このn型半導体層11に含まれるGaはオーミックコンタクト領域4の形成に寄与する。n型半導体層11は周知のように活性層12よりも大きいバンドギャップを有する。
なお、図1のn型半導体層11の位置にAlxGayIn1−x−yPで示すことができる3−5族化合物半導体から成るn型コンタクト層を設け、このn型コンタクト層と活性層12との間にn型クラッド層即ちn型半導体層を設けることができる。n型コンタクト層とn型クラッド層との両方が設けられる時には、これ等を合わせて第1導電型半導体層と呼ぶこともできる。上記のn型コンタクト層を設ける時には、n型クラッド層の材料をn型コンタクト層と別にすることができる。
n型半導体層11の上に配置された活性層12は、発光層とも呼ぶことができるもあであり、化学式でAlxGayIn1−x−yP、ここで、x,yは0≦x≦1、0≦y≦1、0≦x+y≦1を満足する数値、から成るp型の3−5族化合物半導体から成る。なお、xは0.1以上であることが望ましい。この実施形態では、活性層12に導電型不純物が故意にドープされていないが、p型半導体層13よりも低い濃度でp型不純物をドープすること、n型半導体層11よりも低い濃度でn型不純物をドープすることも可能である。図1には単一の活性層12が示されているが、これを周知の多重量子井戸(MQW:Multi−Quantum−Well)構造、又は単一量子井戸(SQW:Single−Quantum−Well)構造にすることができる。
活性層12の上に形成されたp型半導体層13は、p型クラッド層と呼ぶこともできるものであって
化学式AlxGayIn1−x−yP、
ここでx,yは0≦x≦1、0≦y≦1、0≦x+y≦1を満足する数値、
で示すことができるp型の3−5族化合物半導体から成る。Alの割合xは好ましくは0.15〜0.45の範囲に設定される。p型クラッド層13のp型不純物(例えばZn)の濃度は例えば5×1017cm− 3以上に決定される。p型半導体層13は周知のように活性層12よりも大きいバンドギャップを有する。
p型半導体層13の上に配置された電流拡散層14は発光半導体基板2に流れる順方向電流の分布の均一性を高める働きと、アノード電極3のオーミック接触を可能にする働きと、活性層12で発光した光を素子の外部に導出する働きを有し、例えばGaP、又はGaxIn1−xP又はAlxGa1−xAs等のp型の3−5族化合物半導体から成る。この電流拡散層14のp型不純物濃度はp型半導体層13よりも高く設定されている。なお、電流拡散層14の上に更にp型コンタクト層を設けることもできる。
電流拡散層14の中央上部に配置された電流ブロック層10は絶縁層から成る。この電流ブロック層10は発光半導体基板2の中央部に順方向電流が集中して流れることを防止する。
アノード電極3は例えば、Cr層とAu層との複合層から成り、電流拡散層14と電流ブロック層10との上に配置され、電流拡散層14にオーミック接触している。また、アノード電極3は順方向電流を均一に流すために基板2の主面15に対して垂直な方向から見て網目又は格子状に形成されている。なお、アノード電極3を光透過性電極とすることもできる。
本発明に係わるオーミックコンタクト領域4は発光半導体基板2の他方の主面16に分散配置されている。即ち、発光半導体基板2の他方の主面16から見てn型半導体層11に島状に埋め込まれた状態に各オーミックコンタクト領域4が形成されている。従って、発光半導体基板2の他方の主面16には、各オーミックコンタクト領域4とこれ等の間のn型半導体層11との両方が露出する。
各オーミックコンタクト領域4は実質的にGaとAuのみの混合層又は合金層から成り、n型半導体層11及び光反射層5に対してオーミック接触している。GaAu混合層から成る各オーミックコンタクト領域4は、好ましくは20〜1000オングストロームの厚さに形成される。オーミックコンタクト領域4の厚みが20オングストロームよりも薄くなると、良好にオーミック接触をとることができなくなり、その厚みが1000オングストロームを越えると、オーミックコンタクト領域4の光透過性が悪くなる。
AuGa混合層から成るオーミックコンタクト領域4の光吸収率は、前記特許文献1のAuGeGa合金層の光吸収率よりも小さく、AuGa合金層から成るオーミックコンタクト領域4の光透過率は、前記特許文献1のAuGeGa合金層の光透過率よりも大きい。即ち、前記特許文献1のAuGeGa合金層は、光透過を阻害するGe(ゲルマニウム)を含み且つ2000オングストローム以上の厚さを有するので、前記特許文献1のオーミックコンタクト領域では、オーミックコンタクト領域によって多くの光が吸収され、オーミックコンタクト領域を透過する光もほとんどない。これに対して、本実施形態のオーミックコンタクト領域4はGeを含まないAuGa混合層から成り且つ20〜1000オングストロームの比較的薄い厚さを有するので、光透過率が従来のAuGeGaよりも大きくなる。
オーミックコンタクト領域4の表面及びn型半導体層11の表面は光反射層5で覆われている。光反射層5の表面の反射率は、オーミックコンタクト領域4とn型半導体層11との界面の反射率よりも大きい。活性層12から発光半導体基板2の他方の主面16側に放射された光の一部はオーミックコンタクト領域4の相互間のn型半導体層11と光反射層5との界面で反射して発光半導体基板2の一方の主面15側に戻され、光の別の一部はn型半導体層11とオーミックコンタクト領域4との界面で反射して発光半導体基板2の一方の主面15側に戻され、光の更に別の一部はオーミックコンタクト領域4を通過した後にオーミックコンタクト領域4と光反射層5との界面で反射して発光半導体基板2の一方の主面15側に戻される。本実施形態では、活性層12からオーミックコンタクト領域4側に放射した光に対するオーミックコンタクト領域4と光反射層5との複合層の光反射率、即ち、n型半導体層11とオーミックコンタクト領域4との界面の光反射率とオーミックコンタクト領域4と光反射層5との界面の光反射率との合計の光反射率が約60%である。前述の特許文献1のAuGeGaから成るオーミックコンタクト領域と光反射層との複合層の光反射率は約30%であるので、本発明に従うオーミックコンタクト領域4と光反射層5との複合層の光反射率は大幅に改善される。本発明に従う光反射率の改善は、オーミックコンタクト領域4がGeを含まず実質的にAuGaのみから成ること、及びオーミックコンタクト領域4が20〜1000オングストロームと極く薄いことによって達成されている。
第1の接合金属層6はAuから成り、光反射層5の下面全体に形成されている。第2の接合金属層7はAuから成り、導電性を有するシリコン支持基板8の一方の表面に形成されている。第1及び第2の接合金属層6,7は熱圧着法によって相互に結合されている。
導電性支持基板としてのシリコン支持基板8は、シリコンに不純物を導入したものであり、発光半導体基板2の機械的支持機能と放熱体としての機能と電流通路としての機能とを有する。
カソード電極9はシリコン支持基板8の下面全体に形成されている。シリコン支持基板8の代わりに金属支持基板を設ける場合には、これがカソード電極となるので、図1のカソード電極9を省くことができる。
図1の半導体発光素子1を製造する時には、まず図3の発光半導体基板2を用意する。図3の発光半導体基板2は、例えばGaAs基板(図示せず)上に周知のMO CVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法によってn型半導体層11、活性層12、P型半導体層13、及び電流拡散層14を順次にエピタモシャル成長させ、その後に前述のGaAs基板を除去することによって得る。
次に、発光半導体基板2の他方の主面16即ちn型半導体層11の表面上に例えばCrから成る遷移金属層とAu(金)層とを真空蒸着法によって順次に形成する。次に、周知のフォトリソグラフィ技術によって金層上に所定パターンにエッチングマスクを形成し、このマスクを使用して金層及び遷移金属層を所定パターンにエッチングで除去し、図4に示す遷移金属層17及び金層18を得る。これにより、発光半導体基板2の他方の主面16の一部が露出する。なお、図4のパターンに遷移金属層17及び金層18を形成するために、発光半導体基板2の他方の主面16に開口を有するレジスト層を形成し、この開口の中及びレジスト層の上に遷移金属層17と金層18とを真空蒸着で形成し、しかる後、レジスト層及びこの上の遷移金属層17と金層18とを除去することもできる。図4の遷移金属層17の厚みは10〜500オングストローム,金層18の厚みは200〜10000オングストローム程度に決定される。
次に、図4に示す遷移金属層17と金層18とを伴なった発光半導体基板2に対してn型半導体層11の中のGa(ガリウム)と金層18のAu(金)との共晶点即ち共融点(345℃)よりも低い温度であり且つ遷移金属層17の助けを借りてAu(金)又はこれに類似の金属をn型半導体層11に拡散することができる温度(例えば300℃)の加熱処理(アニール)を施す。これにより、金層18のAuが遷移金属層17を介してn型半導体層11に拡散し、GaとAuとの混合層から成るオーミックコンタクト領域4が生じる。このオーミックコンタクト領域4を金層18のAu又はこれに類似の金属の拡散層と呼ぶこともできる。
上述の加熱処理の温度と時間は,オーミックコンタクト領域4の厚みを20〜1000オーグストロームの範囲に制限するように決定される。また、熱処理温度は、薄く且つ均一な厚みを有し且つ低い抵抗を有し且つn型半導体層11に対して良好にオーミック接触する特性を有するオーミックコンタクト領域4を得ることが可能な任意の値に決定される。即ち、この熱処理温度は、Ga(ガリウム)とAu(金)との共晶点即ち共融点(345℃)よりも低い任意の温度に決定される。
図9の特性線Aは本発明に従う熱処理温度の変化に対するオーミックコンタクト領域4と光反射層5との複合部分の反射率の変化を示し、特性線Bは前述の特許文献1のAuGeGaから成るオーミックコンタクト領域を形成する時の熱処理温度の変化に対するAuGeGaオーミックコンタクト領域と光反射層との複合部分の反射率の変化を示す。ここでの反射率の測定は波長650nmの赤色光で行われている。
特性線Bに示す従来のGe(ゲルエニウム)が含まれているオーミックコンタクト領域の場合には、300℃の熱処理で反射率が約30%であり、特性線Aの本発明に従うGeを含まない場合には、300℃の熱処理で反射率が約60%である。従って、本発明によってオーミックコンタクト領域4と光反射層5との複合部分の反射率を30%向上させることができる。図9の特性線Aによれば熱処理温度が低いほど反射率が高くなっている。しかし、熱処理温度が低くなり過ぎると、オーミックコンタクト領域4とn型半導体層11との間の接触抵抗が大きくなる。この接触抵抗を2×10−4Ωcm2以下に抑えるためには、熱処理温度を好ましくは250〜340℃、より好ましくは290〜330℃とする。
遷移金属層17は、熱処理時にn型半導体層11を構成しているAlGaInPを各元素に分解し、各元素を動き易くする作用及びn型半導体層11の表面を清浄化する作用を有する。遷移金属層17の上記作用によってGaとAuとの共晶点よりも低い温度の熱処理によってAuがn型半導体層11に拡散し、GaとAuとの混合層又は合金層から成るオーミックコンタクト領域4が極薄く形成される。
次に、図5の熱処理後の遷移金属層17及び金層18をエッチングで除去して図6のオーミックコンタクト領域4を伴なった発光半導体基板2を得る。AuとGaとの共晶点よりも低い温度の熱処理で得たAuとGaとの混合層から成るオーミックコンタクト領域4の表面モホロジーは前記特許文献1の共晶点以上の熱処理によるAuGeGaから成るオーミックコンタクト領域の表面モホロジーよりも大幅に改善される。従って、図6のオーミックコンタクト領域4を含む発光半導体基板2の他方の主面16の平坦性が良い。
次に、図7に示すように発光半導体基板2の他方の主面16、即ちn型半導体層11の露出表面とオーミックコンタクト領域4の表面との両方を覆うように厚み1〜10μm程度のAl層から成る光反射層5を真空蒸着法で形成し、赤外線ランプ等で短時間の熱処理を施す。これにより、導電性を有する光反射層5がオーミックコンタクト領域4にオーミックに接合され且つn型半導体層11にも接合する。Alから成る光反射層5はn型半導体層11に対してショットキ接触するので、半導体発光素子1の順方向電流はn型半導体層11から光反射層5に向かって流れない。光反射層5に隣接するオーミックコンタクト領域4の表面モオロジーが良いので、光反射層6の平坦性が良い。
次に、光反射層5の上にAuの真空蒸着によって第1の接合金属層6を形成する。
次に、図8に示す不純物を含むSi基板から成る導電性基板8の一方の主面にAuから成る第2の接合金属層7を真空蒸着したものを用意し、第1及び第2の金属接合層6,7を加圧接触させ、300℃以下の温度の熱処理を施してAuを相互に拡散させることによって第1及び第2の金属接合層6,7を貼り合わせて発光半導体基板2と導電性を有するシリコン支持基板8とを一体化する。
次に、図1に示すように発光半導体基板2の一方の表面15上に電流ブロック層10及びアノード電極3を形成し、導電性支持基板8の下面にカソート電極9形成して半導体発光素子1を完成させる。
本実施形態は次の効果を有する。
(1) オーミックコンタクト領域4は光吸収性の大きいGeを含まず且つ極めて薄く形成されているので、オーミックコンタクト領域4と光反射層5との複合層の光反射率が高い値(例えば60%)を有する。このため、活性層12から光反射層5側に放出された光の多くが発光半導体基板2の一方の表面15側に戻され、発光効率が高くなる。
(2) オーミックコンタクト領域4と光反射層5との複合層による光反射率が大きくなるので、所定の光出力を得る時に発光半導体基板2の他方の主面16の面積に占めるオーミックコンタクト領域4の面積の割合を従来よりも増大することができる。オーミックコンタクト領域4の面積が増大すると、半導体発光素子1の順方向抵抗が減少し、順方向電圧降下及び電力損失が低減し、発光効率が向上する。本実施形態に従う赤色発光ダイオードの最大発光効率は、電流容度40A/cm2において、47 lm/W(ルーメン/ワット)であった。
(3) 遷移金属層17を介してAu層18からAuをn型半導体層11に拡散することによって、共晶点よりも低い温度でAuGaから成るオーミックコンタクト領域4を容易に形成することができる。
(4) オーミックコンタクト領域4の表面モフオロジーが良くなるので、導電性シリコン支持基板8の貼り合せを良好に達成することができる。
第2の実施形態
次に、図10を参照して第2の実施形態の半導体発光素子1aを説明する。但し、図10において図1と共通する部分には同一の参照符号を付してその説明を省略する。
図10の半導体発光素子1aにおけるオーミックコンタクト領域4は発光半導体基板2の他方の主面16の全体に形成されている。オーミックコンタクト領域4をこのように形成しても、オーミックコンタクト領域4と光反射層5との複合層の反射率が比較的高い約60%であるので、比較的高い発光効率が得られる。また、図1に比べてオーミックコンタクト領域4の面積が広くなった分だけ、順方向電流通路の抵抗が小さくなり、電力損失が少なくなる。
図10では図1のシリコン支持基板8の代りに金属支持基板8aが光反射層5に熱圧着されている。従って、金属支持基板8aが発光半導体基板2の支持機能とカソード電極としての機能を有する。
図10のオーミックコンタクト領域4は図1において同一符号で示すものと同一の方法で形成され、且つ同一の組成及び厚みを有する。従って、図10の半導体発光素子1aによっても図1の半導体発光素子1と同一の効果を得ることができる。
本発明は上記の実施形態に限定されるものでなく、例えば次の変形が可能なものである。
(1) 発光半導体基板2の機械的強度が十分な場合は、図1のシリコン支持基板8及び図10の金属支持基板8aを省くことができる。この場合には導電性光反射層5がカソード電極として機能する。
(2) 図2においてオーミックコンタクト領域4の平面的に見た分布パターンを四角形の島状にしたが、円形島状、又は格子状等に変形することができる。
(3) オーミックコンタクト領域4はn型半導体層11に接触しているが、この代りにn型半導体層11と光反射層5との間にAlGaInPから成るn型コンタクト層又はn型バッファ層又はこれ等の両方を設け、これに対してオーミックコンタクト領域4を接触させることができる。
(4) オーミックコンタクト領域4がAuGa以外のAuGeGa等の別の材料から成る場合であっても、これが光透過性を有すればこの厚さを20〜1000オーグストロームに制限することによって、オーミックコンタクト領域4と光反射層5との複合層の光反射率が比較的高くなり、発光効率を向上させることができる。
(5) 金層18をAu以外のGaと合金化してオーミックコンタクトを形成する材料とすることができる。
次に、図1〜図9を参照して本発明の第1の実施形態に従う半導体発光素子1即ち発光ダイオード及びその製造方法を説明する。
本発明に従う半導体発光素子1は、図1に概略的に示すように、発光半導体領域としての発光半導体基板2と、第1の電極としてのアノード電極3と、本発明に従うオーミックコンタクト領域4と、光反射層5と、第1及び第2の接合金属層6、7と、導電性支持基板としてのシリコン支持基板8と、第2の電極としてのカソード電極9と、電流ブロック層10とから成る。
発光半導体基板2は、第1導電型半導体層としてのn型半導体層11と、活性層12と、第2導電型半導体層としてのp型半導体層13と、p型化合物半導体から成る電流拡散層14とを順次にエピタキシャル成長させたものから成る。発光半導体基板2は、光取り出し側の一方の主面15とこれと反対側の他方の主面16とを有する。活性層12で発生した光はp型半導体層13と電流拡散層14とを通って一方の主面15から取り出される。
n型クラッド層と呼ぶこともできるn型半導体層11は、
化学式AlxGayIn1−x−yP、
ここで、x,yは0≦x<1、0<y≦1、0<x+y≦1を満足する数値、
から成るGa系化合物半導体にn型不純物(例えばSi)をドーピングしたものから成る。ここで、Alの割合xは好ましくは0.15〜0.45、より好ましくは0.2〜0.4である。また、Gaの割合yは好ましくは0.15〜0.35、より好ましくは0.4〜0.6である。n型半導体層11のn型不純物の濃度は5×1017cm−3以上であることが望ましい。このn型半導体層11に含まれるGaはオーミックコンタクト領域4の形成に寄与する。n型半導体層11は周知のように活性層12よりも大きいバンドギャップを有する。
なお、図1のn型半導体層11の位置にAlxGayIn1−x−yPで示すことができる3−5族化合物半導体から成るn型コンタクト層を設け、このn型コンタクト層と活性層12との間にn型クラッド層即ちn型半導体層を設けることができる。n型コンタクト層とn型クラッド層との両方が設けられる時には、これ等を合わせて第1導電型半導体層と呼ぶこともできる。上記のn型コンタクト層を設ける時には、n型クラッド層の材料をn型コンタクト層と別にすることができる。
n型半導体層11の上に配置された活性層12は、発光層とも呼ぶことができるもあであり、化学式でAlxGayIn1−x−yP、ここで、x,yは0≦x≦1、0≦y≦1、0≦x+y≦1を満足する数値、から成るp型の3−5族化合物半導体から成る。なお、xは0.1以上であることが望ましい。この実施形態では、活性層12に導電型不純物が故意にドープされていないが、p型半導体層13よりも低い濃度でp型不純物をドープすること、n型半導体層11よりも低い濃度でn型不純物をドープすることも可能である。図1には単一の活性層12が示されているが、これを周知の多重量子井戸(MQW:Multi−Quantum−Well)構造、又は単一量子井戸(SQW:Single−Quantum−Well)構造にすることができる。
活性層12の上に形成されたp型半導体層13は、p型クラッド層と呼ぶこともできるものであって
化学式AlxGayIn1−x−yP、
ここでx,yは0≦x≦1、0≦y≦1、0≦x+y≦1を満足する数値、
で示すことができるp型の3−5族化合物半導体から成る。Alの割合xは好ましくは0.15〜0.45の範囲に設定される。p型クラッド層13のp型不純物(例えばZn)の濃度は例えば5×1017cm− 3以上に決定される。p型半導体層13は周知のように活性層12よりも大きいバンドギャップを有する。
p型半導体層13の上に配置された電流拡散層14は発光半導体基板2に流れる順方向電流の分布の均一性を高める働きと、アノード電極3のオーミック接触を可能にする働きと、活性層12で発光した光を素子の外部に導出する働きを有し、例えばGaP、又はGaxIn1−xP又はAlxGa1−xAs等のp型の3−5族化合物半導体から成る。この電流拡散層14のp型不純物濃度はp型半導体層13よりも高く設定されている。なお、電流拡散層14の上に更にp型コンタクト層を設けることもできる。
電流拡散層14の中央上部に配置された電流ブロック層10は絶縁層から成る。この電流ブロック層10は発光半導体基板2の中央部に順方向電流が集中して流れることを防止する。
アノード電極3は例えば、Cr層とAu層との複合層から成り、電流拡散層14と電流ブロック層10との上に配置され、電流拡散層14にオーミック接触している。また、アノード電極3は順方向電流を均一に流すために基板2の主面15に対して垂直な方向から見て網目又は格子状に形成されている。なお、アノード電極3を光透過性電極とすることもできる。
本発明に係わるオーミックコンタクト領域4は発光半導体基板2の他方の主面16に分散配置されている。即ち、発光半導体基板2の他方の主面16から見てn型半導体層11に島状に埋め込まれた状態に各オーミックコンタクト領域4が形成されている。従って、発光半導体基板2の他方の主面16には、各オーミックコンタクト領域4とこれ等の間のn型半導体層11との両方が露出する。
各オーミックコンタクト領域4は実質的にGaとAuのみの混合層又は合金層から成り、n型半導体層11及び光反射層5に対してオーミック接触している。GaAu混合層から成る各オーミックコンタクト領域4は、好ましくは20〜1000オングストロームの厚さに形成される。オーミックコンタクト領域4の厚みが20オングストロームよりも薄くなると、良好にオーミック接触をとることができなくなり、その厚みが1000オングストロームを越えると、オーミックコンタクト領域4の光透過性が悪くなる。
AuGa混合層から成るオーミックコンタクト領域4の光吸収率は、前記特許文献1のAuGeGa合金層の光吸収率よりも小さく、AuGa合金層から成るオーミックコンタクト領域4の光透過率は、前記特許文献1のAuGeGa合金層の光透過率よりも大きい。即ち、前記特許文献1のAuGeGa合金層は、光透過を阻害するGe(ゲルマニウム)を含み且つ2000オングストローム以上の厚さを有するので、前記特許文献1のオーミックコンタクト領域では、オーミックコンタクト領域によって多くの光が吸収され、オーミックコンタクト領域を透過する光もほとんどない。これに対して、本実施形態のオーミックコンタクト領域4はGeを含まないAuGa混合層から成り且つ20〜1000オングストロームの比較的薄い厚さを有するので、光透過率が従来のAuGeGaよりも大きくなる。
オーミックコンタクト領域4の表面及びn型半導体層11の表面は光反射層5で覆われている。光反射層5の表面の反射率は、オーミックコンタクト領域4とn型半導体層11との界面の反射率よりも大きい。活性層12から発光半導体基板2の他方の主面16側に放射された光の一部はオーミックコンタクト領域4の相互間のn型半導体層11と光反射層5との界面で反射して発光半導体基板2の一方の主面15側に戻され、光の別の一部はn型半導体層11とオーミックコンタクト領域4との界面で反射して発光半導体基板2の一方の主面15側に戻され、光の更に別の一部はオーミックコンタクト領域4を通過した後にオーミックコンタクト領域4と光反射層5との界面で反射して発光半導体基板2の一方の主面15側に戻される。本実施形態では、活性層12からオーミックコンタクト領域4側に放射した光に対するオーミックコンタクト領域4と光反射層5との複合層の光反射率、即ち、n型半導体層11とオーミックコンタクト領域4との界面の光反射率とオーミックコンタクト領域4と光反射層5との界面の光反射率との合計の光反射率が約60%である。前述の特許文献1のAuGeGaから成るオーミックコンタクト領域と光反射層との複合層の光反射率は約30%であるので、本発明に従うオーミックコンタクト領域4と光反射層5との複合層の光反射率は大幅に改善される。本発明に従う光反射率の改善は、オーミックコンタクト領域4がGeを含まず実質的にAuGaのみから成ること、及びオーミックコンタクト領域4が20〜1000オングストロームと極く薄いことによって達成されている。
第1の接合金属層6はAuから成り、光反射層5の下面全体に形成されている。第2の接合金属層7はAuから成り、導電性を有するシリコン支持基板8の一方の表面に形成されている。第1及び第2の接合金属層6,7は熱圧着法によって相互に結合されている。
導電性支持基板としてのシリコン支持基板8は、シリコンに不純物を導入したものであり、発光半導体基板2の機械的支持機能と放熱体としての機能と電流通路としての機能とを有する。
カソード電極9はシリコン支持基板8の下面全体に形成されている。シリコン支持基板8の代わりに金属支持基板を設ける場合には、これがカソード電極となるので、図1のカソード電極9を省くことができる。
図1の半導体発光素子1を製造する時には、まず図3の発光半導体基板2を用意する。図3の発光半導体基板2は、例えばGaAs基板(図示せず)上に周知のMO CVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法によってn型半導体層11、活性層12、P型半導体層13、及び電流拡散層14を順次にエピタモシャル成長させ、その後に前述のGaAs基板を除去することによって得る。
次に、発光半導体基板2の他方の主面16即ちn型半導体層11の表面上に例えばCrから成る遷移金属層とAu(金)層とを真空蒸着法によって順次に形成する。次に、周知のフォトリソグラフィ技術によって金層上に所定パターンにエッチングマスクを形成し、このマスクを使用して金層及び遷移金属層を所定パターンにエッチングで除去し、図4に示す遷移金属層17及び金層18を得る。これにより、発光半導体基板2の他方の主面16の一部が露出する。なお、図4のパターンに遷移金属層17及び金層18を形成するために、発光半導体基板2の他方の主面16に開口を有するレジスト層を形成し、この開口の中及びレジスト層の上に遷移金属層17と金層18とを真空蒸着で形成し、しかる後、レジスト層及びこの上の遷移金属層17と金層18とを除去することもできる。図4の遷移金属層17の厚みは10〜500オングストローム,金層18の厚みは200〜10000オングストローム程度に決定される。
次に、図4に示す遷移金属層17と金層18とを伴なった発光半導体基板2に対してn型半導体層11の中のGa(ガリウム)と金層18のAu(金)との共晶点即ち共融点(345℃)よりも低い温度であり且つ遷移金属層17の助けを借りてAu(金)又はこれに類似の金属をn型半導体層11に拡散することができる温度(例えば300℃)の加熱処理(アニール)を施す。これにより、金層18のAuが遷移金属層17を介してn型半導体層11に拡散し、GaとAuとの混合層から成るオーミックコンタクト領域4が生じる。このオーミックコンタクト領域4を金層18のAu又はこれに類似の金属の拡散層と呼ぶこともできる。
上述の加熱処理の温度と時間は,オーミックコンタクト領域4の厚みを20〜1000オーグストロームの範囲に制限するように決定される。また、熱処理温度は、薄く且つ均一な厚みを有し且つ低い抵抗を有し且つn型半導体層11に対して良好にオーミック接触する特性を有するオーミックコンタクト領域4を得ることが可能な任意の値に決定される。即ち、この熱処理温度は、Ga(ガリウム)とAu(金)との共晶点即ち共融点(345℃)よりも低い任意の温度に決定される。
図9の特性線Aは本発明に従う熱処理温度の変化に対するオーミックコンタクト領域4と光反射層5との複合部分の反射率の変化を示し、特性線Bは前述の特許文献1のAuGeGaから成るオーミックコンタクト領域を形成する時の熱処理温度の変化に対するAuGeGaオーミックコンタクト領域と光反射層との複合部分の反射率の変化を示す。ここでの反射率の測定は波長650nmの赤色光で行われている。
特性線Bに示す従来のGe(ゲルエニウム)が含まれているオーミックコンタクト領域の場合には、300℃の熱処理で反射率が約30%であり、特性線Aの本発明に従うGeを含まない場合には、300℃の熱処理で反射率が約60%である。従って、本発明によってオーミックコンタクト領域4と光反射層5との複合部分の反射率を30%向上させることができる。図9の特性線Aによれば熱処理温度が低いほど反射率が高くなっている。しかし、熱処理温度が低くなり過ぎると、オーミックコンタクト領域4とn型半導体層11との間の接触抵抗が大きくなる。この接触抵抗を2×10−4Ωcm2以下に抑えるためには、熱処理温度を好ましくは250〜340℃、より好ましくは290〜330℃とする。
遷移金属層17は、熱処理時にn型半導体層11を構成しているAlGaInPを各元素に分解し、各元素を動き易くする作用及びn型半導体層11の表面を清浄化する作用を有する。遷移金属層17の上記作用によってGaとAuとの共晶点よりも低い温度の熱処理によってAuがn型半導体層11に拡散し、GaとAuとの混合層又は合金層から成るオーミックコンタクト領域4が極薄く形成される。
次に、図5の熱処理後の遷移金属層17及び金層18をエッチングで除去して図6のオーミックコンタクト領域4を伴なった発光半導体基板2を得る。AuとGaとの共晶点よりも低い温度の熱処理で得たAuとGaとの混合層から成るオーミックコンタクト領域4の表面モホロジーは前記特許文献1の共晶点以上の熱処理によるAuGeGaから成るオーミックコンタクト領域の表面モホロジーよりも大幅に改善される。従って、図6のオーミックコンタクト領域4を含む発光半導体基板2の他方の主面16の平坦性が良い。
次に、図7に示すように発光半導体基板2の他方の主面16、即ちn型半導体層11の露出表面とオーミックコンタクト領域4の表面との両方を覆うように厚み1〜10μm程度のAl層から成る光反射層5を真空蒸着法で形成し、赤外線ランプ等で短時間の熱処理を施す。これにより、導電性を有する光反射層5がオーミックコンタクト領域4にオーミックに接合され且つn型半導体層11にも接合する。Alから成る光反射層5はn型半導体層11に対してショットキ接触するので、半導体発光素子1の順方向電流はn型半導体層11から光反射層5に向かって流れない。光反射層5に隣接するオーミックコンタクト領域4の表面モオロジーが良いので、光反射層6の平坦性が良い。
次に、光反射層5の上にAuの真空蒸着によって第1の接合金属層6を形成する。
次に、図8に示す不純物を含むSi基板から成る導電性基板8の一方の主面にAuから成る第2の接合金属層7を真空蒸着したものを用意し、第1及び第2の金属接合層6,7を加圧接触させ、300℃以下の温度の熱処理を施してAuを相互に拡散させることによって第1及び第2の金属接合層6,7を貼り合わせて発光半導体基板2と導電性を有するシリコン支持基板8とを一体化する。
次に、図1に示すように発光半導体基板2の一方の表面15上に電流ブロック層10及びアノード電極3を形成し、導電性支持基板8の下面にカソート電極9形成して半導体発光素子1を完成させる。
本実施形態は次の効果を有する。
(1) オーミックコンタクト領域4は光吸収性の大きいGeを含まず且つ極めて薄く形成されているので、オーミックコンタクト領域4と光反射層5との複合層の光反射率が高い値(例えば60%)を有する。このため、活性層12から光反射層5側に放出された光の多くが発光半導体基板2の一方の表面15側に戻され、発光効率が高くなる。
(2) オーミックコンタクト領域4と光反射層5との複合層による光反射率が大きくなるので、所定の光出力を得る時に発光半導体基板2の他方の主面16の面積に占めるオーミックコンタクト領域4の面積の割合を従来よりも増大することができる。オーミックコンタクト領域4の面積が増大すると、半導体発光素子1の順方向抵抗が減少し、順方向電圧降下及び電力損失が低減し、発光効率が向上する。本実施形態に従う赤色発光ダイオードの最大発光効率は、電流容度40A/cm2において、47 lm/W(ルーメン/ワット)であった。
(3) 遷移金属層17を介してAu層18からAuをn型半導体層11に拡散することによって、共晶点よりも低い温度でAuGaから成るオーミックコンタクト領域4を容易に形成することができる。
(4) オーミックコンタクト領域4の表面モフオロジーが良くなるので、導電性シリコン支持基板8の貼り合せを良好に達成することができる。
第2の実施形態
次に、図10を参照して第2の実施形態の半導体発光素子1aを説明する。但し、図10において図1と共通する部分には同一の参照符号を付してその説明を省略する。
図10の半導体発光素子1aにおけるオーミックコンタクト領域4は発光半導体基板2の他方の主面16の全体に形成されている。オーミックコンタクト領域4をこのように形成しても、オーミックコンタクト領域4と光反射層5との複合層の反射率が比較的高い約60%であるので、比較的高い発光効率が得られる。また、図1に比べてオーミックコンタクト領域4の面積が広くなった分だけ、順方向電流通路の抵抗が小さくなり、電力損失が少なくなる。
図10では図1のシリコン支持基板8の代りに金属支持基板8aが光反射層5に熱圧着されている。従って、金属支持基板8aが発光半導体基板2の支持機能とカソード電極としての機能を有する。
図10のオーミックコンタクト領域4は図1において同一符号で示すものと同一の方法で形成され、且つ同一の組成及び厚みを有する。従って、図10の半導体発光素子1aによっても図1の半導体発光素子1と同一の効果を得ることができる。
本発明は上記の実施形態に限定されるものでなく、例えば次の変形が可能なものである。
(1) 発光半導体基板2の機械的強度が十分な場合は、図1のシリコン支持基板8及び図10の金属支持基板8aを省くことができる。この場合には導電性光反射層5がカソード電極として機能する。
(2) 図2においてオーミックコンタクト領域4の平面的に見た分布パターンを四角形の島状にしたが、円形島状、又は格子状等に変形することができる。
(3) オーミックコンタクト領域4はn型半導体層11に接触しているが、この代りにn型半導体層11と光反射層5との間にAlGaInPから成るn型コンタクト層又はn型バッファ層又はこれ等の両方を設け、これに対してオーミックコンタクト領域4を接触させることができる。
(4) オーミックコンタクト領域4がAuGa以外のAuGeGa等の別の材料から成る場合であっても、これが光透過性を有すればこの厚さを20〜1000オーグストロームに制限することによって、オーミックコンタクト領域4と光反射層5との複合層の光反射率が比較的高くなり、発光効率を向上させることができる。
(5) 金層18をAu以外のGaと合金化してオーミックコンタクトを形成する材料とすることができる。
上述から明らかなように、本発明は半導体発光素子に利用することができる。
Claims (23)
- 光を取り出すための一方の主面(15)とこの一方の主面(15)と反対側の他方の主面(16)とを有し、且つ前記一方の主面(15)と前記他方の主面(16)との間に発光のための複数の化合物半導体層を有し、且つ前記複数の化合物半導体層の内の前記他方の主面(16)に露出している化合物半導体層(11)がガリウム(Ga)を含む化合物半導体で形成されている半導体基板(2)と、
前記半導体基板(2)の一方の主面(15)に接続された電極(3)と、
前記半導体基板(2)の前記他方の主面(16)に露出している化合物半導体層(11)の少なくとも一部にオーミック接触しており、且つ金属材料とガリウム(Ga)との混合層から成るオーミックコンタクト領域(4)と、
前記半導体基板(2)の前記他方の主面(16)に露出している化合物半導体層(11)と前記オーミックコンタクト領域(4)とのいずれか一方又は両方を覆っており且つ導電性を有している光反射層(5)と備えていることを特徴とする半導体発光素子。 - 前記オーミックコンタクト領域(4)はGaとAuとの混合層から成ることを特徴とする請求項1記載の半導体発光素子。
- 前記オーミックコンタクト領域(4)の厚みは20〜1000オングストロームであることを特徴とする請求項1記載の半導体発光素子。
- 前記半導体基板(2)の前記他方の主面(16)に露出している化合物半導体層(11)は、
AlxGayIn1−x−yP、ここで、x,yは0≦x<1、0<y≦1、0<x+y≦1を満足する数値、から成る第1の化合物半導体、
AlxGayIn1−x−yAs、ここで、x,yは0≦x<1、0<y≦1、0<x+y≦1を満足する数値、から成る第2の化合物半導体、及び
AlxGayIn1−x−yN、ここで、x,yは0≦x<1、0<y≦1、0<x+y≦1を満足する数値、から成る第3の化合物半導体
から選択された1つに導電型決定不純物が添加されたものであることを特徴とする請求項1記載の半導体発光素子。 - 前記光反射層(5)は、前記オーミックコンタクト領域(4)よりも反射率の大きい金属層であることを特徴とする請求項1記載の半導体発光素子。
- 前記金属層はアルミニウム層であることを特徴とする請求項5記載の半導体発光素子。
- 更に、前記光反射層(5)に結合された導電性支持基板(8)を有していることを特徴とする請求項1記載の半導体発光素子。
- 前記導電性支持基板(8)は不純物を含むシリコン支持基板であり、更に、前記シリコン支持基板に接続された別の電極(9)を有することを特徴とする請求項7記載の半導体発光素子。
- 前記オーミックコンタクト領域(4)は前記半導体基板(2)の他方の主面(16)の一部のみに設けられ、前記光反射層(5)は前記オーミックコンタクト領域(4)と前記半導体基板(2)の前記他方の主面(16)の前記オーミックコンタクト領域(4)が形成されていない部分との両方を覆っていることを特徴とする請求項1記載の半導体発光素子。
- 前記半導体基板(2)は、
第1導電型のGa系化合物半導体から成る第1導電型半導体層(11)と、
前記第1導電型半導体領域(11)上に配置されたGa系化合物半導体から成る活性層(12)と、
前記活性層(12)上に配置された第1導電型と反対の第2導電型のGa系化合物半導体から成る第2導電型半導体層(13)と
を備えていることを特徴とする請求項1記載の半導体発光素子。 - 半導体発光素子を製造する方法であって、
光を取り出すための一方の主面(15)とこの一方の主面(15)と反対側の他方の主面(16)とを有し、且つ前記一方の主面(15)と前記他方の主面(16)との間に発光のための複数の化合物半導体層を有し、且つ前記複数の化合物半導体層の内の前記他方の主面(16)に露出している化合物半導体層(11)がガリウム(Ga)を含む化合物半導体で形成されている半導体基板(2)を用意する工程と、
前記半導体基板(2)の前記他方の主面(16)の少なくとも一部に遷移金属を含む補助層(17)を形成する工程と、
前記半導体基板(2)の前記ガリウムを含む化合物半導体層(11)に前記補助層(17)を介して拡散させることが可能な金属材料を含む層(18)を前記補助層(17)の上に形成する工程と、
前記補助層(17)及び前記金属材料を含む層(18)を伴なった前記半導体基板(2)に、前記ガリウムを含む化合物半導体層(11)を構成する元素と前記金属材料との共晶点よりも低い温度の加熱処理を施して前記金属材料を前記補助層(17)を介して前記ガリウムを含む化合物半導体層(11)に導入して前記ガリウムを含む化合物半導体層(11)を構成する元素と前記金属材料との混合層から成るオーミックコンタクト領域(4)を形成する工程と、
前記補助層(17)及び前記金属材料を含む層(18)を除去する工程と、
前記半導体基板(2)の前記他方の主面(16)に露出している化合物半導体層(11)と前記オーミックコンタクト領域(4)とのいずれか一方又は両方を覆うように導電性を有する光反射層(5)を形成する工程と
を備えていることを特徴とする半導体発光素子の製造方法。 - 前記補助層(17)及び前記金属材料を含む層(18)を、前記半導体基板(2)の前記他方の主面(16)の一部のみを覆うように形成することを特徴とする請求項11記載の半導体発光素子の製造方法。
- 前記光反射層(5)を、前記オーミックコンタクト領域(4)と前記半導体基板(2)の前記他方の主面(16)の前記オーミックコンタクト領域(4)が形成されていない部分との両方を覆うように形成することを特徴とする請求項12記載の半導体発光素子の製造方法。
- 前記半導体基板(2)の前記他方の主面(16)に露出している化合物半導体層(11)は、
AlxGayIn1−x−yP、ここで、x,yは0≦x<1、0<y≦1、0<x+y≦1を満足する数値、から成る第1の化合物半導体、
AlxGayIn1−x−yAs、ここで、x,yは0≦x<1、0<y≦1、0<x+y≦1を満足する数値、から成る第2の化合物半導体、及び
AlxGayIn1−x−yN、ここで、x,yは0≦x<1、0<y≦1、0<x+y≦1を満足する数値、から成る第3の化合物半導体
から選択された1つに導電型決定不純物が添加されたものであることを特徴とする請求項11記載の半導体発光素子の製造方法。 - 前記半導体基板(2)の前記他方の主面(16)に露出している化合物半導体層(11)は、AlxGayIn1−x−yP、ここで、x,yは0<x<1、0<y≦1、0<x+y≦1を満足する数値、から成る化合物半導体に導電型決定不純物が添加されたものであり、且つ前記xの値が0.4又はこれよりも大きく、且つ前記導電型決定不純物の濃度が1018cm−3又はこれよりも大きいことを特徴とする請求項11記載の半導体発光素子の製造方法。
- 前記補助層は、
Cr、Ti、Ni、Sc、V、Mn、Fe、Co、Cu、Zn、Beから選択された少なくとも1種を含む層、
Au層とCr層とAu層との複合層、
Cr層とNi層とAu層との複合層、及び
Cr層とAuSi層とAu層との複合層
から選択された1つであることを特徴とする請求項11記載の半導体発光素子の製造方法。 - 前記金属材料を含む層(18)は、
金(Au)層、
Au層とCr層とAu層との複合層、
Cr層とNi層とAu層との複合層、及び
Cr層とAuSi層とAu層との複合層
から選択された1つであることを特徴とする請求項11記載の半導体発光素子の製造方法。 - 前記オーミックコンタクト領域(4)はGaとAuとの合金層から成ることを特徴とする請求項11記載の半導体発光素子の製造方法。
- 前記オーミックコンタクト領域(4)厚みは20〜1000オングストロームであることを特徴とする請求項11記載の半導体発光素子の製造方法。
- 前記光反射層(5)は、前記オーミックコンタクト領域(4)よりも反射率の大きい金属層であることを特徴とする請求項11記載の半導体発光素子の製造方法。
- 前記金属層はアルミニウム層であることを特徴とする請求項20記載の半導体発光素子の製造方法。
- 更に、前記光反射層(5)に導電性支持基板(8)を結合させる工程を有していることを特徴とする請求項11記載の半導体発光素子の製造方法。
- 前記導電性支持基板(8)は不純物を含むシリコン支持基板であり、更に、前記シリコン支持基板に電極(9)を接続させる工程を有していることを特徴とする請求項22記載の半導体発光素子の製造方法。
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