JPWO2004082033A1 - 半導体発光素子及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

半導体発光素子は、発光機能を有する半導体基板（２）とアノード電極（３）とオーミックコンタクト領域（４）と合金化阻止用の光透過層（２０）と金属光反射層（５）と導電性支持基板（８）とを有する。前記光透過層（２０）は絶縁性を有する材料から成り、前記半導体基板（２）と前記金属光反射層（５）との合金化を阻止する機能を有する。オーミックコンタクト領域（４）は光透過可能な厚みに形成される。前記半導体基板（２）から発生した光は前記光透過層（２０）を通って前記金属光反射層（５）で反射し、且つ前記オーミックコンタクト領域（４）を通って前記金属光反射層（５）で反射する。この結果、半導体発光素子の発光効率が高くなる。

Description

本発明は、例えばＡｌＧａＡｓ系、ＡｌＧａＩｎＰ系、ＧａＮ系等の化合物半導体等が発光層に使用されている高発光効率の半導体発光素子及びその製造方法に関する。

従来の典型的な半導体発光素子は、ＧａＡｓから成る支持基板と、この支持基板上に形成された発光に寄与する複数の半導体層とを有する。前記発光に寄与する複数の半導体層はそれぞれは、ＡｌＧａＩｎＰ系化合物半導体から成る。このＡｌＧａＩｎＰ系化合物半導体は、ＧａＡｓ支持基板に対して比較的良好に格子結合されるため、ＧａＡｓ支持基板上に比較的結晶性の良好な半導体層を得ることができる。
しかしながら、ＧａＡｓ支持基板は、ＡｌＧａＩｎＰ系化合物半導体から成る発光に寄与する複数の半導体層に含まれている発光層即ち活性層から発光された光の波長帯域での光吸収係数が極めて高い。このため、発光層から支持基板側に放出された光の多くはＧａＡｓ支持基板に吸収されてしまい、高い発光効率を有する半導体発光素子を得ることが出来なかった。
上記のＧａＡｓ支持基板による光吸収の問題を解決するための方法として、前述の半導体発光素子の形成と同様にＧａＡｓ支持基板上に発光に寄与する複数の半導体層をエピタキシャル成長させ、その後にＧａＡｓ支持基板を除去し、発光に寄与する複数の半導体層（以下、半導体基板と言う。）に対して例えばＧａＰから成る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方法が知られている。しかし、この方法に従う光透過性基板と光反射性電極とを有する構造は、発光層を含む半導体基板と光透過性基板との界面における抵抗が比較的大きくなり、この抵抗によっ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として、本件出願人に係わる日本の特許出願公開公報 特開２００２−２１７４５０号（文献１と言う。）に、発光層を含む半導体基板の下面側に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半導体基板の下面をＡｌ等の金属反射層で覆い、更に、この金属反射層に例えば導電性を有するシリコンから成る導電性支持基板を貼着する方法が開示されている。この方法における、前記ＡｕＧｅＧａ合金層は例えばＡｌＧａＩｎＰ等の半導体基板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。
また、発光層から支持基板側に放出された光を金属反射膜によって反射させることができるので、高い発光効率を得ることができる。
しかし、前記文献１に記載の半導体発光素子では、複数の製造プロセス中の種々の熱処理に起因して、金属反射膜とこれに隣接する半導体基板との間に反応が生じ、その界面における反射率が低下することがあった。このため、期待されたほどには、発光効率の高い半導体発光素子を歩留り良く生産することができなかった。

そこで、本発明の目的は、発光効率の向上が可能な半導体発光素子及びその製造方法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、本発明の説明及び特許請求の範囲での参照符号は、本発明の理解を助けるためのものであって、本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、発光に寄与する複数の化合物半導体層１１，１２，１３を有し、且つ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とを有する半導体基板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の他方の主面１６の一部に配置され且つ前記半導体基板２にオーミック接触しているオーミックコンタクト領域４と、
前記半導体基板２の他方の主面１６における前記オーミックコンタクト領域４が配置されていない部分の少なくとも一部に配置され、且つ前記半導体基板２で発光した光を透過させる機能を有し且つ前記半導体基板２と金属との反応を阻止又は抑制する機能を有している光透過層２０と、
前記オーミックコンタクト領域４及び前記光透過層２０を覆うように配置され且つ前記半導体基板２から発生した光を反射する機能を有している金属光反射層５と
備えている。
本発明における半導体発光素子は、完成した発光素子のみでなく、中間製品としての発光チップであってもよい。
なお、前記光透過層２０は、電気絶縁性を有する膜であることが望ましい。
また、前記光透過層２０は、ＳｉＯ_２，ＳｉＯ，ＭｇＯ，Ｉｎ_２Ｏ_３，ＺｒＯ_２，ＳｎＯ_２，Ａｌ_２Ｏ_３，ＴｉＯ_２，ＺｎＯ及びＴａＯから選択された１種以上の無機系酸化物、又は透光性ポリイミド樹脂から成ることが望ましい。
また、前記光透過層２０は、３ｎｍ〜１μｍの範囲の厚みを有することが望ましい。
また、光透過層２０は、量子力学的トンネル効果を得ることができる厚みを有することが望ましい。
また、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に分散配置された多数の島状部分、又は格子状領域、又はストライプ状領域から成ることことが望ましい。
また、前記半導体基板２はこの他方の主面１６に露出しているＧａ系化合物半導体層１１を有し、前記オーミックコンタクト領域４は金属材料とＧａとの合金層から成ることが望ましい。なお、前記Ｇａ系化合物半導体層１１は、導電型決定不純物をそれぞれ含む、
Ａｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ｐ、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層、
Ａｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ａｓ、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層、及び
Ａｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ、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
から選択された１つであることことが望ましい。
また、前記金属光反射層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。
また、前記金属光反射層５はアルミニウム層であることが望ましい。
また、前記半導体発光素子は、更に、前記金属光反射層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。
また、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。
また、前記半導体発光素子は、
発光に寄与する複数の化合物半導体層１１，１２，１３を有し、且つ光を取り出すための一方の主面１５とこの一方の主面と反対側の他方の主面１６とを有する半導体基板２を用意する第１の工程と、
前記半導体基板２の他方の主面１６の一部にオーミックコンタクト領域４を形成し、且つ前記半導体基板２の他方の主面１６の残部の少なくとも一部に光透過性を有し且つ前記半導体基板２と金属との反応を阻止又は抑制する機能を有している光透過層２０を形成する第２の工程と、
前記オーミックコンタクト領域４及び前記光透過層２０を覆うように光反射性を有する金属光反射層５を形成する第３の工程と
を備えて製造することが望ましい。
また、前記半導体基板２を用意する第１の工程は、
化合物半導体基板３０を用意する工程と、
前記化合物半導体基板３０の上に発光に寄与する複数の化合物半導体層１１，１２，１３をエピタキシャル成長させる工程と、
前記化合物半導体基板３０を除去する工程と
を有していることが望ましい。
また、前記半導体基板２はこの他方の主面１６に露出しているＧａ系化合物半導体層１１を有し、且つ前記第２の工程は、
前記半導体基板２の前記他方の主面１６の一部に遷移金属層１７を形成する工程と、
前記半導体基板２の前記Ｇａ系化合物半導体層１１に前記遷移金属層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を前記遷移金属層１７の上に形成する工程と、
前記遷移金属層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Ｇａ系化合物半導体層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遷移金属層１７を介して前記Ｇａ系化合物半導体層（１１）に導入して前記Ｇａ系化合物半導体層１１を構成する元素と前記金属材料との合金層から成り且つ光を透過させることが可能な厚みを有しているオーミックコンタクト領域４を形成する工程と、
前記遷移金属層１７及び前記金属材料を含む層１８を除去する工程と
を有していることが望ましい。
また、前記半導体発光素子の製造方法は、更に、前記金属光反射層に導電性支持基板を結合させる工程を有していることが望ましい。
本発明に従う半導体発光素子は、発光機能を有する半導体基板２と金属光反射層５との間に、光透過性を有し且つ半導体と金属との反応を阻止又は抑制する機能を有する光透過層２０を備えているので、製造プロセス中の種々の熱処理工程における金属光反射層５と半導体基板２との間の反応が阻止又は抑制され、金属光反射層５の反射率の低下を防止することができる。このため、金属光反射層５の論理的な反射率に基づいて算出される高い発光効率を有する半導体発光素子を、容易且つ高い歩留まりで生産することができる。
本発明の好ましい実施形態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金属材料とＧａとの合金層から成る。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、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ので、半導体基板２の中で発生し、半導体基板２の他方の主面１６方向に放射した光の一部がオーミックコンタクト領域４を通過し、金属光反射層５で反射されて半導体基板２の一方の主面１５側に進み、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、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と金属光反射層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。
また、本発明の好ましい実施形態に従う製造方法によれば、遷稜金属層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、遷移金属層１７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、遷移金属層１７を介して半導体基板２と金属材料層１８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れば、オーミックコンタクト領域４が薄く形成され且つ金属光反射層５を液化して半導体材料との合金化を促す作用を有する金属材料（例えば、Ｇｅ）を含まないオーミックコンタクト領域４が得られる。このため、オーミックコンタクト領域４の光吸収が少なくなる。

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（Ａｕ）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は、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１１は、図１０の半導体素子のＢ−Ｂ線断面図である。

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。
半導体発光素子１は、発光ダイオードを構成するものであって、図１に概略的に示すように、発光に寄与する複数の化合物半導体層を含む発光半導体基板２と、第１の電極としてのアノード電極３と、オーミックコンタクト領域４と、金属光反射層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、本発明に従う光透過層２０とから成る。なお、前記発光半導体基板２を主半導体領域又は発光機能領域と呼ぶことができる。
発光半導体基板２は、第１導電型を有する第１の化合物半導体層としてのｎ型クラッド層１１と、活性層１２と、第２導電型を有する第２の化合物半導体層としてのｐ型クラッド層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。なお、ｎ型クラッド層１１、活性層１２及びｐ型クラッド層１３から成る部分を発光半導体領域と呼ぶことができる。また、活性層１２を発光層と呼ぶことができる。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。
ｎ型クラッド層１１は、Ｇａ系化合物半導体層であることが望ましいくは、例えば
化学式 Ａｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ｐ、
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３−５族化合物半導体にｎ型不純物（例えばＳｉ）をドーピングしたものであることが望ましい。上記化学式における、Ａｌ（アルミニウム）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（ガリウム）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。上記化学式に従う３−５族化合物半導体は少なくともＧａ（ガリウム）とＰ（リン）とを含み、必要に応じてＩｎ（インジウム）を含む。ｎ型クラッド層１１のｎ型不純物の濃度は５×１０^１７ｃｍ^−３以上であることが望ましい。このｎ型クラッド層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。
なお、図１のｎ型クラッド層１１の位置に化学式Ａｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ｐ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を設ける時には、これ等の両方が第１の化合物半導体層として機能する。なお、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型コンタクト層の材料と別にすることができる。
ｎ型クラッド層１１の上に配置された活性層１２は、
化学式 Ａｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ｐ、
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。この実施形態では、活性層１２に、ｐ型クラッド層１３よりも低い濃度でｐ型不純物がドープされている。しかし、活性層１２にｎ型不純物をドープすること、又は導電型決定不純物をドープしないことも可能である。図１にはｎ型クラッド層１１と活性層１２とｐ型クラッド層１３とからなるダブルヘテロ接合構造の発光領域が示されている。従って、活性層１２が単一の層で示されているが、この単一の活性層１２の代わりに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）構造の活性層を設けることができる。
活性層１２の上に形成されたｐ型クラッド層１３は、
化学式Ａｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ} Ｐ、
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ことが望ましい。上記化学式におけるＡｌの割合ｘは好ましくは０．１５〜０．５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５×１０^１７ｃｍ^−３以上に決定される。
ｐ型クラッド層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で発光した光を発光素子の外部に導出する働きを有し、例えばＧａＰ、又はＧａ_ｘＩｎ_１−ｘＰ又はＡｌ_ｘＧａ_１−ｘ Ａｓ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型クラッド層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型化合物半導体から成るｐ型コンタクト層を設けることができる。
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（クロム）層とＡｕ（金）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。
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型クラッド層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型クラッド層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のみから成る合金層即ち混合層から成り、ｎ型クラッド層１１及び光反射層５に対してオーミック接触している。ＧａＡｕ合金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合金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、前記文献１のＡｕＧｅＧａ合金層の光透過率よりも大きい。即ち、前記文献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合金層から成り且つ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。なお、本願での光透過率、光吸収率及び光反射率は活性層１２から放射された光に対するものである。
ｎ型クラッド層１１の表面はオーミックコンタクト領域４及び本発明に従う光透過層２０を介して金属光反射層５で覆われている。ｎ型クラッド層１１と金属光反射層５との間に配置された本発明に係わる絶縁性の光透過層２０は、金属光反射層５とｎ型クラッド層１１との間の反応即ち合金化を抑制する。このため、製造プロセス中の種々の熱処理工程を経た後においても、金属光反射層５は高い反射率を維持する。金属光反射層５の表面の反射率は、オーミックコンタクト領域４とｎ型クラッド層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本発明に従う光透過層２０を通って金属光反射層５の表面に至り、この光反射層５の表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。もし、前記文献１と同様に金属光反射層５をｎ型クラッド層１１に直接に接触させれば、製造工程中の加熱処理によって金属光反射層５とｎ型クラッド層１１との界面に光吸収層が生成される。このために、金属光反射層５における光反射率が低下する。これに対して本発明に従う絶縁性の光透過層２０は、製造工程中の加熱処理によって金属光反射層５とｎ型クラッド層１１との界面に光吸収層が生成されることを防止する。このため、本発明に従う絶縁性の光透過層２０を伴った金属光反射層５の光反射率は前記文献１の光吸収層を伴った金属光反射層の光反射率よりも２０％程度高くなる。即ち、図１の発光半導体基板２側から光透過層２０に入射した光の大部分が光透過層２０を介して金属光反射層５に至り、金属光反射層５で反射して発光半導体基板２の一方の主面側に戻される。これにより、発光素子の光の取り出し効率が向上する。
また、本実施形態に従うオーミックコンタクト領域４はＧｅを含まず実質的にＡｕＧａのみから成り、且つ２０〜１０００オングストローム程度に極く薄く形成されている。従って、発光半導体基板２側からオーミックコンタクト領域４に入射した光の一部はオーミックコンタクト領域４を通って金属光反射層５に至り、金属光反射層５で反射して発光半導体基板２の一方の主面側に戻される。このため、図１のオーミックコンタクト領域４と金属光反射層５との複合層の光反射率は前記文献１のオーミックコンタクト領域と金属光反射層との複合層の光反射率よりも大きい。
上述から明らかなように、金属光反射層５の光透過層２０を伴った部分及びオーミックコンタクト領域４を伴った部分のいずれにおいても光反射率が改善されている。これにより、発光素子の光の取り出し効率が前記文献１よりも向上する。
絶縁性の光透過層２０は、ｎ型クラッド層１１の表面に格子状又は網状に形成されている。しかし、光透過層２０の平面パターンは格子状又は網状に限定されるものではなく、例えば多数の島状部分を分散配置したパターン又はストライプ状パターンであってもよい。光透過層２０は、半導体基板２と金属光反射層５との合金化反応を阻止又は抑制する機能を有し且つ活性層１２から金属光反射層５側に放射された光を通過させる機能を有する材料から選択される。本実施形態では光透過層２０がシリコン酸化物（ＳｉＯ_２）から成る。しかし、光透過層２０を、ＳｉＯ_２（二酸化珪素），ＳｉＯ（一酸化珪素），ＭｇＯ（酸化マグネシウム），Ｉｎ_２Ｏ_３（酸化インジウム），ＺｒＯ_２（酸化ジルコニウム），ＳｎＯ_２（酸化スズ），Ａｌ_２Ｏ_３（酸化アルミニウム），ＴｉＯ_２（酸化チタン），ＺｎＯ（酸化亜鉛）及びＴａＯ（酸化タンタル）から選択された１種以上の無機系酸化物、又は透光性ポリイミド樹脂で形成することができる。活性層１２から放射された光に対する光透過層２０の光透過率はオーミックコンタクト領域４の光透過率よりも大きい。光透過層２０は、合金化反応を阻止又は抑制できる厚み、例えば３ｎｍ（３０Å）〜１μｍの範囲の厚みを有する。この光透過層２０のより好ましい厚みは、量子力学的トンネル効果を得ることができる厚み、例えば３〜１０ｎｍの範囲の厚みである。
第１の接合金属層６はＡｕ（金）から成り、金属光反射層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（金）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（Ａ）に示す例えばＧａＡｓからなる化合物半導体基板３０を用意する。次に、化合物半導体基板３０の上に、周知のＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法によってｎ型クラッド層１１、活性層１２、ｐ型クラッド層１３、及び電流拡散層１４を順次にエピタモシャル成長させる。本実施形態では、ｎ型クラッド層１１、活性層１２、ｐ型クラッド層１３、及び電流拡散層１４が発光半導体基板２とよばれている。発光半導体基板２は化合物半導体から成るので、化合物半導体基板３０の上に転位及び欠陥の少ない発光半導体基板２を形成することができる。
次に、化合物半導体基板３０を除去して、図３（Ｂ）に示す発光半導体基板２を残存させる。図３（Ａ）では、発光半導体基板２の他方の主面１６側に化合物半導体基板３０を配置したが、この代わり、発光半導体基板２の一方の主面１５側に化合物半導体基板３０を配置することができる。この場合には、化合物半導体基板３０の除去を図３よりも後の工程で実行することができる。
次に、発光半導体基板２の他方の主面１６即ちｎ型クラッド層１１の表面上に、シリコン酸化物を周知のスパッタリング又はプラズマＣＶＤ等によって被着させることによってシリコン酸化膜を形成する。続いて、このシリコン酸化膜の一部をホトリソグラフィー技術によって除去し、図３（Ｂ）に示す網状のシリコン酸化膜から成る絶縁性の光透過層２０を発光半導体基板２の他方の主面１６に形成する。これにより、発光半導体基板２の他方の主面１６の一部が絶縁性の光透過層２０で覆われ、残部が露出する。
次に、発光半導体基板２の他方の主面１６において、光透過層２０の間に島状に露出したｎ型クラッド層１１の表面上に例えばＣｒ（クロム）から成る遷移金属層１７とＡｕ（金）層１８とを真空蒸着法によって順次に形成する。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型クラッド層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（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型クラッド層１１に拡散し、ＧａとＡｕとの合金層から成るオーミックコンタクト領域４が生じる。
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、上述の加熱処理の温度は、薄く且つ均一な厚みを有し且つ低い抵抗を有するオーミックコンタクト領域４を得るために、Ｇａ（ガリウム）とＡｕ（金）との共晶点即ち共融点よりも低い任意の温度に決定される。
上述の加熱処理の温度の好ましい範囲を調べるために、オーミックコンタクト領域４を形成する時の熱処理温度を複数段階に変化させて複数の発光素子を形成し、各発光素子におけるオーミックコンタクト領域４と金属光反射層５とを１つの反射部分とみなした時のこの反射部分の反射率を測定した。この測定結果が図９の特性線Ａで示されている。なお、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。比較のために、前記文献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を複数段階に変化させて複数の発光素子を形成し、各発光素子におけるオーミックコンタクト領域と金属光反射層とを１つの反射部分とみなした時のこの反射部分の反射率を測定した。この測定結果が図９の特性線Ｂで示されている。
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の本発明の実施形態に従う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、本発明の実施形態によってオーミックコンタクト領域４と金属光反射層５とからなる複合化された反射部分の反射率が約３０％向上している。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型クラッド層１１との間の接触抵抗が大きくなる。この接触抵抗を２×１０^−４Ωｃｍ^２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型クラッド層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型クラッド層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型クラッド層１１に拡散し、ＧａとＡｕとの合金化層又は混合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と光透過層２０と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との合金層から成るオーミックコンタクト領域１１の表面モホロジーは、前記文献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（ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙ）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型クラッド層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層から成る金属光反射層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、導電性を有する金属光反射層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型クラッド層１１に隣接する光透過層２０にも接合される。Ａｌから成る金属光反射層５はｎ型クラッド層１１に対して絶縁性の光透過層２０を介して接合されるので、半導体発光素子１の順方向電流はｎ型クラッド層１１から金属光反射層５に向かって流れない。金属光反射層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、金属光反射層５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上に電流を阻止するための電流ブロック層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） 金属光反射層５と発光半導体基板２との間に絶縁性の光透過層２０が形成されているため、製造プロセス中の種々の熱処理工程を経る過程において金属反射層５と発光半導体基板２との間に生じる合金化反応を阻止又は抑制することができる。もし、合金化部分が生じると、金属反射層５における反射率が低下するが、本実施形態ではこのような問題が生じない。このため、金属光反射層５の論理的な反射率に基づいて算出される高い発光効率を有する発光素子を、容易に且つ高い歩留まりで生産することができる。
（２） 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と金属光反射層５とから成る反射部分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から金属光反射層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。
（３） オーミックコンタクト領域４と光反射層５とから成る反射部分の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／ｃｍ^２において、４７ ｌｍ／Ｗ（ルーメン／ワット）であった。
（４） 遷移金属層１７を介してＡｕ層１８からＡｕをｎ型クラッド層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。
（５） 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及び図１１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及び図１１において図１及び図２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及び図１１の半導体発光素子１ａは、絶縁性の光透過層２０の配置形態を変形し、この他は図１及び図２と同一に形成したものである。この第２の実施形態では、ｎ型クラッド層１１に網状又は格子状の凹部が設けられ、光透過層２０の厚み方向における一部が上記凹部の中に配置され、残部はｎ型クラッド層１１から突出している。図１０及び図１１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。
変形例
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及び図１０のシリコン支持基板８を省くことができる。この場合には金属光反射層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、又はストライプ状等に変形することができる。オーミックコンタクト領域４を格子状に変形する時には、図２のｎ型クラッド層１１の代わりにオーミックコンタクト領域４を格子状に配置し、図２のオーミックコンタクト領域４の代わりにｎ型クラッド層１１を島状に配置する。
（３） オーミックコンタクト領域４とｎ型クラッド層１１との間及び光透過層２０とｎ型クラッド層１１との間に、ＡｌＧａＩｎＰから成るｎ型コンタクト層、又はｎ型バッフア層、又はこれ等の両方を設けることができる。
（４） オーミックコンタクト領域４をＡｕＧａ以外のＡｕＧｅＧａ等の別の材料で形成することができる。この別の材料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と金属光反射層５とから成る反射部分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を別の金属の層とすることができる。この別の金属はＧａと合金化することが可能材料から選ばれる。
（６） シリコン支持基板８の代りに金属支持基板を設けることができる。
（７）前記遷移金属層（１７）層をＣｒ以外の、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つとすることができる。

上述から明らかなように、本発明は発光ダイオード等の半導体発光素子に利用することができる。

Claims (16)

1. 発光に寄与する複数の化合物半導体層（１１，１２，１３）を有し、且つ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）とを有する半導体基板（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）の他方の主面（１６）の一部に配置され且つ前記半導体基板（２）にオーミック接触しているオーミックコンタクト領域（４）と、
   前記半導体基板（２）の他方の主面（１６）における前記オーミックコンタクト領域（４）が配置されていない部分の少なくとも一部に配置され、且つ前記半導体基板（２）で発光した光を透過させる機能を有し且つ前記半導体基板（２）と金属との反応を阻止又は抑制する機能を有している光透過層（２０）と、
   前記オーミックコンタクト領域（４）及び前記光透過層（２０）を覆うように配置され且つ前記半導体基板（２）から発生した光を反射する機能を有している金属光反射層（５）と
   備えていることを特徴とする半導体発光素子。
2. 前記光透過層（２０）は、電気絶縁性を有する膜であることを特徴とする請求項１に従う半導体発光素子。
3. 前記光透過層（２０）は、ＳｉＯ_２，ＳｉＯ，ＭｇＯ，Ｉｎ_２Ｏ_３，ＺｒＯ_２，ＳｎＯ_２，Ａｌ_２Ｏ_３，ＴｉＯ_２，ＺｎＯ及びＴａＯから選択された１種以上の無機系酸化物、又は透光性ポリイミド樹脂から成ることを特徴とする請求項１に従う半導体発光素子。
4. 前記光透過層（２０）は、３ｎｍ〜１μｍの範囲の厚みを有することを特徴とする請求項１に従う半導体発光素子。
5. 光透過層（２０）は、量子力学的トンネル効果を得ることができる厚みを有することを特徴とする請求項１に従う半導体発光素子。
6. 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）に分散配置された多数の島状部分、又は格子状領域から成ることを特徴とする請求項１に従う半導体発光素子。
7. 前記半導体基板（２）はこの他方の主面（１６）に露出しているＧａ系化合物半導体層（１１）を有し、前記オーミックコンタクト領域（４）は金属材料とＧａとの合金層から成ることを特徴とする請求項１に従う半導体発光素子。
8. 前記Ｇａ系化合物半導体層（１１）は、
   化学式 Ａｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ｐ、
   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３−５族化合物半導体に導電型決定不純物をドーピングしたものであることを特徴とする請求項４に従う半導体発光素子。
9. 前記金属光反射層（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に従う半導体発光素子。
10. 前記金属光反射層（５）はアルミニウム層であることを特徴とする請求項６に従う半導体発光素子。
11. 更に、前記金属光反射層（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に従う半導体発光素子。
12. 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１１に従う半導体発光素子。
13. 発光に寄与する複数の化合物半導体層（１１，１２，１３）を有し、且つ光を取り出すための一方の主面（１５）とこの一方の主面と反対側の他方の主面（１６）とを有する半導体基板（２）を用意する第１の工程と、
    前記半導体基板（２）の他方の主面（１６）の一部にオーミックコンタクト領域（４）を形成し、且つ前記半導体基板（２）の他方の主面（１６）の残部の少なくとも一部に光透過性を有し且つ前記半導体基板（２）と金属との反応を阻止又は抑制する機能を有している光透過層（２０）を形成する第２の工程と、
    前記オーミックコンタクト領域（４）及び前記光透過層（２０）を覆うように光反射性を有する金属光反射層（５）を形成する第３の工程と
    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。
14. 前記半導体基板（２）を用意する第１の工程は、
    化合物半導体基板（３０）を用意する工程と、
    前記化合物半導体基板（３０）の上に発光に寄与する複数の化合物半導体層（１１，１２，１３）をエピタキシャル成長させる工程と、
    前記化合物半導体基板（３０）を除去する工程と
    を有していることを特徴とする請求項１３に従う半導体発光素子の製造方法。
15. 前記半導体基板（２）はこの他方の主面（１６）に露出しているＧａ系化合物半導体層（１１）を有し、
    前記第２の工程は、
    前記半導体基板（２）の前記他方の主面（１６）の一部に遷移金属層（１７）を形成する工程と、
    前記半導体基板（２）の前記Ｇａ系化合物半導体層（１１）に前記遷移金属層（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）を前記遷移金属層（１７）の上に形成する工程と、
    前記遷移金属層（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Ｇａ系化合物半導体層（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遷移金属層（１７）を介して前記Ｇａ系化合物半導体層（１１）に導入して前記Ｇａ系化合物半導体層（１１）を構成する元素と前記金属材料との合金層から成り、且つ光を透過させることが可能な厚みを有しているオーミックコンタクト領域（４）を形成する工程と、
    前記遷移金属層（１７）及び前記金属材料を含む層（１８）を除去する工程と
    を有していることを特徴とする請求項１３に従う半導体発光素子の製造方法。
16. 更に、前記金属光反射層に導電性支持基板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１３に従う半導体発光素子の製造方法。

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