JP2006013381A

JP2006013381A - 発光素子

Info

Publication number: JP2006013381A
Application number: JP2004192050A
Authority: JP
Inventors: Kazunori Hagimoto; 和徳萩本
Original assignee: Shin Etsu Handotai Co Ltd
Current assignee: Shin Etsu Handotai Co Ltd
Priority date: 2004-06-29
Filing date: 2004-06-29
Publication date: 2006-01-12

Abstract

【課題】発光層部を金属層で覆った発光素子において、金属層による実質的な反射率をより高めることができ、ひいては光取出し効率により優れた発光素子を提供する。
【解決手段】発光素子１００は、発光層部２４を有した化合物半導体層５０の第一主表面を光取出面とし、該化合物半導体層５０の第二主表面側に、発光層部２４からの光を光取出面ＰＦ側に反射させる反射面を有した金属層１０が形成される。そして、金属層１０と発光層部２４との間には該金属層１０と接する形で、発光層部２４のピーク発光波長に対する屈折率が、自身の第一主表面側に接する化合物半導体よりも小さい化合物半導体よりなる反射調整層ＢＧが設けられている。
【選択図】図１

Description

発明の属する技術分野

この発明は発光素子に関する。

特開平７−６６４５５号公報特開２００１−３３９１００号公報日経エレクトロニクス２００２年１０月２１日号１２４頁〜１３２頁

発光ダイオードや半導体レーザー等の発光素子に使用される材料及び素子構造は、長年にわたる進歩の結果、素子内部における光電変換効率が理論上の限界に次第に近づきつつある。従って、一層高輝度の素子を得ようとした場合、素子からの光取出し効率が極めて重要となる。例えば、ＡｌＧａＩｎＰ混晶により発光層部が形成された発光素子は、薄いＡｌＧａＩｎＰ（あるいはＧａＩｎＰ）活性層を、それよりもバンドギャップの大きいｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層とｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層とによりサンドイッチ状に挟んだダブルへテロ構造を採用することにより、高輝度の素子を実現できる。このようなＡｌＧａＩｎＰダブルへテロ構造は、ＡｌＧａＩｎＰ混晶がＧａＡｓと格子整合することを利用して、ＧａＡｓ単結晶基板上にＡｌＧａＩｎＰ混晶からなる各層をエピタキシャル成長させることにより形成できる。そして、これを発光素子として利用する際には、通常、ＧａＡｓ単結晶基板をそのまま素子基板として利用することも多い。しかしながら、発光層部を構成するＡｌＧａＩｎＰ混晶はＧａＡｓよりもバンドギャップが大きいため、発光した光がＧａＡｓ基板に吸収されて十分な光取出し効率が得られにくい難点がある。この問題を解決するために、半導体多層膜からなる反射層を基板と発光素子との間に挿入する方法（例えば特許文献１）も提案されているが、積層された半導体層の屈折率の違いを利用するため、限られた角度で入射した光しか反射されず、光取出し効率の大幅な向上は原理的に期待できない。

そこで、特許文献２には、成長用のＧａＡｓ基板を剥離する一方、補強用の素子基板（導電性を有するもの）を、反射用のＡｕ層を介して剥離面に貼り合わせる技術が開示されている。このＡｕ層は反射率が高く、また、反射率の入射角依存性が小さい利点がある。しかし、Ａｕ層は、白色光下にて黄色に着色して見える事実からも明らかな通り、特定波長帯の光に対して吸収が大きく、ピーク波長が該波長域に設定された発光素子の場合、吸収による反射率の低下を生ずる問題がある。そこで、非特許文献１には、反射率の波長依存性がＡｕよりも小さいＡｌにて反射層を構成することにより、反射強度を高めるようにした発光素子が開示されている。

本発明者が検討したところ、非特許文献１の構成で用いているＡｌ層は、可視光域での反射率が大気中では概ね９０％前後の良好な値を示すが、発光層部を構成するＡｌＧａＩｎＰ等の化合物半導体と接した状態では反射率が８０％前後まで大きく低下し、光取出し効率が必ずしも良好とならないことが判明した。また、Ａｌ以外の金属で反射面を形成した場合も、このような反射率の低下が多かれ少なかれ生ずることがわかった。

本発明の課題は、発光層部を金属層で覆った発光素子において、金属層による実質的な反射率をより高めることができ、ひいては光取出し効率により優れた発光素子を提供することにある。

課題を解決するための手段及び発明の効果

上記の課題を解決するために、本発明の発光素子は、発光層部を有した化合物半導体層の第一主表面を光取出面とし、該化合物半導体層の第二主表面側に、発光層部からの光を光取出面側に反射させる反射面を有した金属層が形成されるとともに、金属層と発光層部との間には該金属層と接する形で、発光層部のピーク発光波長に対する屈折率が、自身の第一主表面側に接する化合物半導体よりも小さい化合物半導体よりなる反射調整層が設けられていることを特徴とする。

上記本発明の発光素子によると、反射面を形成する金属層と発光層部との間に、金属層と接する形で、自身の第一主表面側に接する化合物半導体よりも低屈折率の化合物半導体からなる反射調整層を介挿した。これにより、自身の第一主表面側に接する化合物半導体が発光層部をなすものである場合、該発光層部が金属層と直接接した構造の発光素子と比べて、金属層による反射率を高めることができ、ひいては光取出し効率により優れた発光素子が実現する。該効果は、金属層の反射面がＡｌを主成分とするＡｌ系金属にて形成されてなる場合に特に顕著である。他方、金属層の反射面がＡｕを主成分とするＡｕ系金属又はＡｇを主成分とするＡｇ系金属にて形成されている場合も、反射調整層の配置により、Ａｌ系金属の場合ほどではないが反射光強度を高める効果が同様に発揮される。なお、上記の効果を顕著なものとするためには、反射調整層の屈折率をｎ、発光層部の大気中でのピーク発光波長をλ、発光層部からの発光光束の反射調整層内での波長λ’をλ／ｎとして、反射調整層の光学的膜厚をλ’／４以上に調整しておくことが望ましい。

ベールの法則によると、入射光強度をＩ_０、反射光強度をＩとしたとき、反射率Ｉ／Ｉ_０は以下の式で表される：
（Ｉ／Ｉ_０）＝ｅｘｐ（−αＺ） ‥（１）
α＝４πｋ／λ’ ‥（２）
Ｚ：入射光の浸透深さ、α：吸収係数、λ’：波長、ｋ：消衰係数
（１）式において、入射光の浸透深さは反射面を構成する材質によって固有に定まってしまうので、反射率を向上するには吸収係数をなるべく小さくすることが必要であることがわかる。他方（２）式によると、材料固有の消衰係数ｋのほかに、入射光の波長λ’も吸収係数αの値に影響することがわかる。同じバンドギャップエネルギーを有する発光層部であっても、発光光束の波長は光が伝播する媒質の屈折率により変化する。大気中での波長（可視光の場合、真空中の波長とほぼ同じである）をλとし、媒質の屈折率をｎとすれば、当該媒質中での波長λ’はλ／ｎにて表され、媒質の屈折率ｎが大きくなるほど波長は短くなる。

従って、反射面を形成する金属層に、例えば高屈折率の発光層部が直接接していれば、入射光の波長λ’は（２）式により短くなり、吸収係数αが大きくなって（１）式により反射率は低下しやすくなる。そこで、金属層と接する層を、該発光層部をなす化合物半導体よりも低屈折率の化合物半導体よりなる反射調整層とすることで、入射光の波長λ’は長くなり、反射率を向上できることがわかる。

一方、吸収係数αを支配するもう一つの因子である消衰係数ｋは、入射光の波長によっても異なるが、Ａｌ：Ａｇ：Ａｕの相対比で表すと、おおむね１３：１１：８とＡｌが最も高い。（１）式から明らかな通り、反射率は吸収係数αひいては消衰係数ｋの増加に対し指数関数的に減少するため、反射率低下への影響も特に著しいことがわかる。これは、反射調整層の配置により反射率を改善する効果がＡｌ系金属の場合に特に著しい理由の一つになっていると考えられる。

金属層は発光層部への通電経路の一部をなすので、これと接する反射調整層も、導電性を確保できる化合物半導体により構成する必要がある。また、化合物半導体からなる反射調整層は発光層部とともにエピタキシャル成長により形成できるので、工程簡略化の点で有利であることはいうまでもない。この場合、反射調整層を、発光層部のピーク発光波長に対応する光量子エネルギーよりも大きなバンドギャップエネルギーを有する化合物半導体にて構成しておくと、反射調整層の追加が発光光束の吸収に作用せず、ひいては光取出し効率をさらに向上することができる。

例えば、発光層部がＧａＡｓと格子整合するＡｌＧａＩｎＰ化合物のダブルへテロ構造を有するものとして構成されている場合、反射調整層はＡｌＧａＡｓにて構成することができる。ＡｌＧａＡｓはＧａＡｓとの格子定数差が小さく、ＧａＡｓ基板上にＡｌＧａＩｎＰ化合物からなる発光層部と一括してエピタキシャル成長できる利点がある。この場合、ＡｌＧａＡｓ化合物からなる反射調整層は、発光層部のクラッド層をなすＡｌＧａＩｎＰ化合物よりも屈折率が小さくなるように、ＡｌＡｓ混晶比を調整する必要がある。ＡｌＧａＡｓ化合物の屈折率は、ＡｌＡｓ混晶比が増加するほど小さくなる。一方、ＡｌＡｓ混晶比ｘの下限値は、発光層部に含まれる活性層よりもバンドギャップエネルギーが大きくなるように（つまり、ピーク発光波長に対応する光量子エネルギーよりも大きなバンドギャップエネルギーを有するものとなるように）設定しておくと、発光光束の吸収を生じないので好都合である。

本発明において、「ＧａＡｓと格子整合する化合物半導体」とは、応力による格子変位を生じていないバルク結晶状態にて見込まれる、当該の化合物半導体の格子定数をａ１、同じくＧａＡｓの格子定数をａ０として、｛｜ａ１−ａ０｜／ａ０｝×１００（％）にて表される格子不整合率が、１％以内に収まっている化合物半導体のことをいう。また、「組成式（Ａｌ_ｘ’Ｇａ_１−ｘ’）_ｙ’Ｉｎ_１−ｙ’Ｐ（ただし、０≦ｘ’≦１，０≦ｙ’≦１）にて表される化合物のうち、ＧａＡｓと格子整合する化合物」のことを、「ＧａＡｓと格子整合するＡｌＧａＩｎＰ」などと記載する。

本発明の発光素子は、化合物半導体層に金属層を介して素子基板が貼り合わされたものとして構成することができる。他方、素子基板を省略し、化合物半導体層の第二主表面に電極を兼ねた金属層を形成する構成を採用することも可能である。

以下、本発明に係る発光素子の製造方法の実施形態を、図面を参照して説明する。図１は、本発明の適用対象となる発光素子の概念図である。該発光素子１００は、素子基板としてのシリコン単結晶よりなるシリコン基板７（本実施形態ではｎ型であるがｐ型でもよい）の第一主表面上に、金属層１０を介して発光層部２４を含む化合物半導体層５０が貼り合わされた構造を有してなる。

発光層部２４はＧａＡｓと格子整合するＡｌＧａＩｎＰからなり、ノンドープの（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_ｙＩｎ_１−ｙＰ（ただし、０≦ｘ≦０．５５、０．４５≦ｙ≦０．５５）混晶からなる活性層５を、第一導電型クラッド層、本実施形態ではｐ型（Ａｌ_ｚＧａ_１−ｚ）_ｙＩｎ_１−ｙＰ（ただしｘ＜ｚ≦１）からなるｐ型クラッド層６と、第一導電型クラッド層とは異なる第二導電型クラッド層、本実施形態ではｎ型（Ａｌ_ｚＧａ_１−ｚ）_ｙＩｎ_１−ｙＰ（ただしｘ＜ｚ≦１）からなるｎ型クラッド層４とにより挟んだ構造を有し、活性層５の組成に応じて、発光波長を、緑色から赤色領域（発光波長（ピーク発光波長）が５５０ｎｍ以上６７０ｎｍ以下）にて調整できる。

発光層部２４の第一主表面上には、ＡｌＧａＡｓ（ＡｌＩｎＰあるいはＧａＩｎＰでもよい）からなる電流拡散層２０が形成され、発光層部２４とともに化合物半導体層５０を構成している。電流拡散層２０の第一主表面の略中央には、発光層部２４に発光駆動電圧を印加するための光取出面側電極９（例えばＡｕ電極）が形成されている。該光取出面側電極９と電流拡散層２０との間には、光取出側接合合金化層としてのＡｕＢｅ接合合金化層９ａが配置されている。そして、電流拡散層２０の第一主表面における光取出面側電極９の周囲の領域が、発光層部２４からの光取出領域ＰＦを形成している。

ｎ型クラッド層４及びｐクラッド層６の厚さは、例えばそれぞれ０．８μｍ以上４μｍ
以下（望ましくは０．８μｍ以上２μｍ以下）であり、活性層５の厚さは例えば０．４μｍ以上２μｍ以下（望ましくは０．４μｍ以上１μｍ以下）である。発光層部２４全体の厚さは、例えば２μｍ以上１０μｍ以下（望ましくは２μｍ以上５μｍ以下）である。さらに、電流拡散層２０の厚さは、例えば５μｍ以上２８μｍ以下（望ましくは８μｍ以上１５μｍ以下）である。従って、化合物半導体層５０の厚さは、例えば７μｍ以上３０μｍ以下（望ましくは５μｍ以上１５μｍ以下）である。なお、本実施形態では、ｐ型クラッド層６が光取出面側に位置する積層形態としているが、ｎ型クラッド層４が光取出面側に位置する積層形態としてもよい（この場合、電流拡散層２０はｎ型にする必要があり、また、接合合金化層９ａはＡｕＧｅＮｉ等で構成する）。

他方、発光層部２４の第二主表面には、ＡｌＧａＡｓよりなる反射調整層ＢＧが形成されてなる。反射調整層ＢＧは、発光層部２４のクラッド層４をなすＡｌＧａＩｎＰよりも屈折率が小さくなるように、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓにてＡｌＡｓ混晶比ｘが調整される。

赤色発光の場合の具体的な各層の組成設定例を以下に示す：
ｐ型クラッド層６：（Ａｌ_０．８５Ｇａ_０．１５）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐ
活性層５：（Ａｌ_０．０４Ｇａ_０．９６）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐ
ｎ型クラッド層４：（Ａｌ_０．８５Ｇａ_０．１５）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐ
反射調整層ＢＧ：Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓ
活性層５のバンドギャップエネルギーは１．９４ｅＶであり、ピーク発光波長λ（大気中）は６３９ｎｍである。また、該波長に対するｎ型クラッド層４の屈折率は３．２７、反射調整層ＢＧの屈折率は３．２２である。

また、黄色発光の場合の具体的な各層の組成設定例を以下に示す：
ｐ型クラッド層６：（Ａｌ_０．８５Ｇａ_０．１５）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐ
活性層５：（Ａｌ_０．3Ｇａ_０．７）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐ
ｎ型クラッド層４：（Ａｌ_０．８５Ｇａ_０．１５）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐ
反射調整層ＢＧ：Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓ
活性層５のバンドギャップエネルギーは２．０６ｅＶであり、ピーク発光波長λ（大気中）は６０２ｎｍである。また、該波長に対するｎ型クラッド層４の屈折率は３．２６、反射調整層ＢＧの屈折率は３．２１である。

反射調整層ＢＧの光学的厚さはλ／４以上である。また、反射調整層ＢＧの光学的厚さの上限値は、素子厚さの過度の増大や反射調整層ＢＧによる光吸収の影響が顕著とならないように、例えば１μｍ以下の範囲で適宜調整する。

次に、金属層１０は、反射面を形成するために反射調整層ＢＧと接して配置された反射金属層１０ｒと、該反射金属層１０ｒとシリコン基板７との結合する結合用金属層１０ａ，１０ｂと、さらに、反射金属層１０ｒと結合用金属層１０ａ，１０ｂとの間に介在する反射金属層側拡散阻止層１０ｆとからなる（従って、後述のコンタクト金属層３１，３２は金属層１０には属さないものとする）。反射金属層１０ｒは、本実施形態ではＡｌ系金属層（Ａｌ層）であり、結合用金属層１０ａ，１０ｂはＡｕ系金属層（たとえばＡｕ層）である。さらに、反射金属層側拡散阻止層１０ｆはＴｉ系金属層（例えばＴｉ層）であり、その厚さは１ｎｍ以上１０μｍ以下（本実施形態では２００ｎｍ）である。反射金属層側拡散阻止層１０ｆは、Ｔｉ系金属層に代えてＮｉ系金属層（例えばＮｉ層）、Ｃｒ系金属層（例えばＣｒ層）あるいはＷ系金属層（例えばＷ層）としてもよい。

一方、発光層部２４と反射金属層１０ｒとの間には、発光層部側コンタクト金属層としてＡｕＧｅＮｉコンタクト金属層３１（例えばＧｅ：１５質量％、Ｎｉ：１０質量％）が形成されており、素子の直列抵抗低減に貢献している。ＡｕＧｅＮｉコンタクト金属層３１は、反射金属層１０ｒの主表面上に分散形成され、その形成面積率は１％以上２５％以下である。また、ＡｕＧｅＮｉコンタクト金属層３１に代えてＡｌＧｅＮｉコンタクト金属層を用いてもよい。

シリコン基板７は、Ｓｉ単結晶インゴットをスライス・研磨して製造されたものであり、その厚みは例えば１００μｍ以上５００μｍ以下である。Ｓｉ単結晶基板７と金属層１０との間には、Ｓｉ単結晶基板７の主表面と接する形で、基板側コンタクト金属層としてのＡｕＳｂコンタクト金属層３２（例えばＳｂ：５質量％）が形成されている。なお、ＡｕＳｂコンタクト金属層３２に代えてＡｕＳｎコンタクト金属層を用いてもよい。

そして、該ＡｕＳｂコンタクト金属層３２の全面が、Ｔｉ系金属層（例えばＴｉ層）からなる基板側拡散阻止層１０ｃにより覆われている。基板側拡散阻止層１０ｃの厚さは１ｎｍ以上１０μｍ以下（本実施形態では２００ｎｍ）である。なお、基板側拡散阻止層１０ｃはＴｉ系金属層に代えてＮｉ系金属層（例えばＮｉ層）、Ｃｒ系金属層（例えばＣｒ層）あるいはＷ系金属層（例えばＷ層）としてもよい。そして、該基板側拡散阻止層１０ｃの全面を覆う形で、これと接するようにＡｕ系金属からなる結合用金属層１０ａ，１０ｂが配置されている。他方、シリコン基板７の裏面には、その全体を覆うように裏面電極（例えばＡｕ電極である）１５が形成されている。該裏面電極１５とシリコン基板７との間には基板側接合合金化層として、ＡｕＳｂ接合合金化層１６が介挿されている。なお、ＡｕＳｂ接合合金化層１６に代えてＡｕＳｎ接合合金化層を基板側接合合金化層として用いてもよい。

発光層部２４からの光は、光取出面側に直接放射される光に、反射金属層１０ｒによる反射光が重畳される形で取り出される。反射金属層１０ｒの厚さは、反射効果を十分に確保するため、８０ｎｍ以上とすることが望ましい。また、厚さの上限には制限は特にないが、反射効果が飽和するため、コストとの兼ね合いにより適当に定める（例えば１μｍ程度）。また、結合用金属層１０ａ＋１０ｂの層厚は２００ｎｍ以上１０μｍ以下とする。Ａｌ層からなる反射金属層１０ｒは発光層部２４と直接接していると反射率の低下が著しいが、ＡｌＧａＡｓからなる反射調整層ＢＧを介挿することで、入射光が長波長化し、吸収係数が減少するので反射率を高めることができ、光取出し効率の向上に寄与する。

以下、上記発光素子１００の製造方法の具体例について説明する。
まず、図２の工程１に示すように、成長用基板をなすＧａＡｓ単結晶基板１の主表面に、ｎ型ＧａＡｓバッファ層２を例えば０．５μｍ、ＡｌＡｓからなる剥離層３を例えば０．５μｍ、この順序にてエピタキシャル成長させる。その後、ＡｌＧａＡｓからなる反射調整層ＢＧを例えば１００ｎｍエピタキシャル成長し、次いで発光層部２４をエピタキシャル成長させる。発光層部２４の全厚は２．６μｍである。また、さらにｐ型ＡｌＧａＡｓよりなる電流拡散層２０を例えば５μｍ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、公知のＭＯＶＰＥ法により行なうことができる。Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｐ及びＡｓの各成分源となる原料ガスとしては以下のようなものを使用できる；
・Ａｌ源ガス；トリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）、トリエチルアルミニウム（ＴＥＡｌ）など；
・Ｇａ源ガス；トリメチルガリウム（ＴＭＧａ）、トリエチルガリウム（ＴＥＧａ）など；
・Ｉｎ源ガス；トリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）、トリエチルインジウム（ＴＥＩｎ）など。
・Ｐ源ガス；ターシャルブチルホスフィン（ＴＢＰ）、ホスフィン（ＰＨ_３）など。
・Ａｓ源ガス；ターシャルブチルアルシン（ＴＢＡ）、アルシン（ＡｓＨ_３）など。

また、ドーパントガスとしては、以下のようなものを使用できる；
（ｐ型ドーパント）
・Ｍｇ源：ビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ_２Ｍｇ）など。
・Ｚｎ源：ジメチル亜鉛（ＤＭＺｎ）、ジエチル亜鉛（ＤＥＺｎ）など。
（ｎ型ドーパント）
・Ｓｉ源：モノシランなどのシリコン水素化物など。

これによって、ＧａＡｓ単結晶基板１上に、反射調整層ＢＧ、発光層部２４及び電流拡散層２０からなる化合物半導体層５０が形成される。該化合物半導体層５０の厚さは７．７μｍであり、ＧａＡｓ単結晶基板１を除去した場合、これを単独で無傷にハンドリングすることは事実上不可能である。なお、化合物半導体層５０の第一主表面には、この段階でＡｕＢｅ接合金属層９ａ’（光取出面側接合合金化層）とこれを覆う光取出面側電極９をパターニング形成する。このあと引き続き光取出側合金化熱処理を行ってＡｕＢｅ接合金属層９ａ’を接合合金化層９ａとしてもよいが、本実施形態では該光取出側合金化熱処理を、後述の第一の貼り合わせ金属層１２ａ側のＡｕＧｅＮｉ接合合金化層３１を形成する際の、貼り合わせ側合金化熱処理に兼用させている。

次に、工程２に示すように、化合物半導体層５０の第一主表面に高分子材料結合層１１１を、光取出面側電極９を覆う形態で塗付形成し、工程３に示すように、高分子材料結合層１１１を加熱軟化させた状態で、別途用意した仮支持基板１１０を重ね合わせて密着させ、その後冷却して該高分子材料結合層１１１を硬化させることにより、化合物半導体層５０と仮支持基板１１０とを高分子材料結合層１１１を介して貼り合わせた仮支持貼り合わせ体１２０を作成する（工程３）。この時点では、化合物半導体層５０の第二主表面側には、成長用基板であるＧａＡｓ単結晶基板１が付随した状態となっている。

仮支持基板１１０の材質は、後述の合金化熱処理時においても剛性を保ち、かつ、ガス発生等が少ない材料で構成する。具体的には、Ｓｉ基板やセラミック板（例えばアルミナ板）、あるいは金属板等で構成することができる。その厚さは、例えば１００μｍ以上５００μｍ以下であるが、もっと厚くてもよい。他方、高分子材料結合層１１１としては、ホットメルト型接着剤やワックス類を用いることができる。

次に、図３の工程４に示すように、仮支持貼り合わせ体１２０に付随している成長用基板としてのＧａＡｓ単結晶基板１を除去する。該除去は、例えば仮支持貼り合わせ体１２０（工程３参照）をＧａＡｓ単結晶基板１とともにエッチング液（例えば１０％フッ酸水溶液）に浸漬し、バッファ層２と発光層部２４との間に形成したＡｌＡｓ剥離層３を選択エッチングすることにより、該ＧａＡｓ単結晶基板１を仮支持貼り合わせ体１２０から剥離する形で実施することができる。なお、ＡｌＡｓ剥離層３に代えてＡｌＩｎＰよりなるエッチストップ層を形成しておき、ＧａＡｓに対して選択エッチング性を有する第一エッチング液（例えばアンモニア／過酸化水素混合液）を用いてＧａＡｓ単結晶基板１をＧａＡｓバッファ層２とともにエッチング除去し、次いでＡｌＩｎＰに対して選択エッチング性を有する第二エッチング液（例えば塩酸：Ａｌ酸化層除去用にフッ酸を添加してもよい）を用いてエッチストップ層をエッチング除去する工程を採用することもできる。なお、高分子材料結合層１１１は、上記のエッチング液に対し耐腐食性を有したものを用いることが望ましく、前述の市販品は該耐腐食性の観点でも本発明に好適に採用可能である。

このようにして、ＧａＡｓ単結晶基板１が除去された化合物半導体層５０は、高分子材料結合層１１１を介して仮支持基板１１０と貼り合わされ、仮支持貼り合わせ体１２０を形成している。従って、化合物半導体層５０がごく薄いにもかかわらず、ＧａＡｓ単結晶基板１のエッチング除去時に泡等の衝撃で破壊される不具合を生じにくく、かつ、ＧａＡｓ単結晶基板１の除去後も仮支持貼り合わせ体１２０の形で補強されているために、以降の工程に供する際のハンドリングを容易に行なうことが可能となる。

次に、工程５に示すように、上記仮支持貼り合わせ体１２０の状態で、ＧａＡｓ単結晶基板１の除去により露出した化合物半導体層５０の第二主表面にＡｕＧｅＮｉ接合金属層を分散形成し、さらに該ＡｕＧｅＮｉ接合金属層をＡｕＧｅＮｉ接合合金化層３１とするための貼り合わせ側合金化熱処理を行なう。このとき、光取出面側電極９に対するＡｕＢｅ接合金属層９ａ’の合金化も同時に行なうことができる（つまり、光取出側合金化熱処理にも兼用されている）。

ＡｕＧｅＮｉ接合金属層の成膜は、真空雰囲気にてスパッタリングあるいは真空蒸着等により行なわれる。また、合金化熱処理は、３００℃以上４５０℃以下の温度の不活性ガス雰囲気下で実施され、具体的には、大気圧と同程度のＮ_２等の不活性ガス雰囲気下で行なうことができる。なお、合金化熱処理の上記温度は、高分子材料結合層１１１のガラス転移温度（８０〜９０℃程度）よりも高いので、処理中に高分子材料結合層１１１は軟化する。そこで、合金化熱処理中においては滑り防止のため、仮支持貼り合わせ体１２０を、化合物半導体層５０側を上側、仮支持基板１１０側を下側となるように（つまり、図３の工程５とは上下反対の状態）水平配置し、さらに、セラミック基板やＳｉ基板などの荷重付与体を載置することが望ましい。

次に、工程６に進み、仮支持貼り合わせ体１２０の状態で、化合物半導体層５０の第二主表面にＡｌ系金属からなる反射金属層１０ｒを蒸着により形成し、次いでＴｉ系金属からなる反射金属層側拡散阻止層１０ｆを蒸着により形成し、さらにＡｕ系金属からなる結合用金属層１０ａを蒸着により形成する。他方、シリコン基板７を別途用意し、その両主表面にＡｕＳｂ接合金属層を形成して、さらに２５０℃以上３６０℃以下の温度域で合金化熱処理を行なうことにより、それぞれＡｕＳｂ接合合金化層３２，１６とする。そして、接合合金化層３２を覆うようにＴｉ系金属層（例えばＴｉ層）からなる基板側拡散阻止層１０ｃを蒸着により形成し、さらにＡｕ系金属からなる結合用金属層１０ｂを形成する。なお、合金化熱処理は結合用金属層１０ｂを形成後に行なってもよい。

次に、図４の工程７に示すように、化合物半導体層５０側に形成されたＡｕ系金属層１０ａを、シリコン基板７側に形成されたＡｕ系金属層１０ｂに重ね合わせて圧迫し、１８０℃以上３６０℃以下（前述の合金化熱処理よりも低温とする）、例えば２５０℃にて貼り合わせ熱処理する。これにより、Ａｕ系金属層１０ａとＡｕ系金属層１０ｂとが十分な強度にて貼り合わされる。また、化合物半導体層５０とシリコン基板７とは、金属層１０を介して貼り合わされ、貼り合わせ結合体１３０となる。Ａｕ系金属層１０ａ，１０ｂは、いずれも酸化しにくいＡｕを主体に構成されているので、上記貼り合わせ熱処理は、例えば大気中でも問題なく行なうことができる。

貼り合わせ熱処理が完了したら仮支持基板分離工程を行なう。仮支持基板分離工程は、図４の工程８に示すように、高分子材料結合層１１１を加熱・軟化させ、仮支持基板１１０を分離・除去する。なお、この分離は、工程７の貼り合わせ熱処理の際に同時に行なうことも可能である。その後、工程９に示すように、化合物半導体層５０の第一主表面上に残存している高分子材料結合層１１１を有機溶剤を用いて溶解・除去する。

以上においては、理解を容易にする便宜上、貼り合わせ結合体１３０を作る工程を素子単体の積層形態にて図示しつつ説明していたが、実際は、複数の素子チップがマトリックス状に配列した形で一括形成された貼り合わせウェーハが作成される。そして、この貼り合わせウェーハを通常の方法によりダイシングして素子チップとし、これを支持体に固着してリード線のワイヤボンディング等を行った後、樹脂封止をすることにより最終的な発光素子が得られる。

なお、本発明の発光素子は、図５の発光素子２００のように、反射面の形成部も含めて金属層１０の全体をＡｕ系金属により構成することもできる（図１の発光素子１００と共通部分には同一の符号を付与した）。該金属層１０は、Ａｕ系金属層１０ａ，１０ｂ同士が貼り合わされたものである。また、Ａｕ系金属層１０ａ，１０ｂをＡｇ系金属層に置き換えて、それらＡｇ系金属層同士の貼り合わせにより形成することもできる。この場合、反射面の形成部も含めて金属層の全体がＡｇ系金属により構成される。これらの構成においても、Ａｌ系反射金属層１０ｒを用いる図１の発光素子１００ほどではないが、反射調整層ＢＧの形成により反射率の向上を図ることができる。さらに、図６の発光素子３００においては、発光層部２４の第二主表面に透明導電性半導体基板であるＧａＰ基板（ｎ型）７０が貼り合わされ、該ＧａＰ基板７０の第二主表面にＡｌＧａＡｓ（ｎ型）からなる反射調整層ＢＧが形成されている。そして、反射調整層ＢＧの第二主表面にはＡｕＧｅＮｉ合金を用いた接合合金化層１６’が分散形成され、これを覆うように、Ａｌ系金属、Ａｇ系金属あるいはＡｕ系金属のいずれかからなる、反射金属層を兼ねた裏面電極１５が形成されている。反射調整層ＢＧの第一主表面に接するのはＧａＰであるが、反射調整層ＢＧをなすＡｌＧａＡｓはＧａＰよりも屈折率が低く、裏面電極１５による反射率向上に寄与している。

本発明の発光素子の第一例を示す断面模式図。図１の発光素子の製造方法の一例を示す工程説明図。図２に続く工程説明図。図３に続く工程説明図。本発明の発光素子の第二例を示す断面模式図。本発明の発光素子の第三例を示す断面模式図。

符号の説明

１０金属層
１０ｒ反射金属層
２４発光層部
ＢＧ反射調整層
５０化合物半導体層
１００，２００，３００発光素子

Claims

発光層部を有した化合物半導体層の第一主表面を光取出面とし、該化合物半導体層の第二主表面側に、前記発光層部からの光を前記光取出面側に反射させる反射面を有した金属層が形成されるとともに、前記金属層と前記発光層部との間には該金属層と接する形で、前記発光層部のピーク発光波長に対する屈折率が、自身の第一主表面側に接する化合物半導体よりも小さい化合物半導体からなる反射調整層が設けられていることを特徴とする発光素子。
前記反射調整層の前記屈折率をｎ、前記発光層部の大気中でのピーク発光波長をλ、前記発光層部からの発光光束の前記反射調整層内での波長λ’をλ／ｎとして、前記反射調整層の光学的膜厚がλ’／４以上に調整されてなることを特徴とする請求項１記載の発光素子。
前記金属層の前記反射面がＡｌを主成分とするＡｌ系金属にて形成されてなることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の発光素子。
前記金属層の前記反射面がＡｕを主成分とするＡｕ系金属又はＡｇを主成分とするＡｇ系金属にて形成されてなることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の発光素子。
前記反射調整層は、前記発光層部のピーク発光波長に対応する光量子エネルギーよりも大きなバンドギャップエネルギーを有する化合物半導体よりなることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の発光素子。
前記発光層部がＧａＡｓと格子整合するＡｌＧａＩｎＰ化合物のダブルへテロ構造を有するものとして構成され、前記発光層部のクラッド層をなすＡｌＧａＩｎＰ化合物よりも前記屈折率が小さくなるようにＡｌＡｓ混晶比が調整されたＡｌＧａＡｓにより前記反射調整層が構成されてなることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の発光素子。