JP3951300B2 - 発光素子及び発光素子の製造方法 - 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及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
【特許文献１】
特開平７−６６４５５号公報
【特許文献２】
特開２００１−３３９１００号公報
【非特許文献１】
日経エレクトロニクス２００２年１０月２１日号１２４頁〜１３２頁
【０００３】
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。
【０００４】
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。一方、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。該非特許文献１の素子構造においては、発光層部とシリコン基板からなる素子基板との間にＡｌ反射層が配置され、さらに、Ａｌ反射層とシリコン基板との間には、シリコン基板と発光層部との貼り合わせ接合を容易にするために、Ａｕ層を介在させている。具体的には、発光層部側に形成したＡｌ反射層を覆うようにＡｕ層を形成し、他方シリコン基板側にもＡｕ層を形成して、それらＡｕ層同士を密着させて貼り合わせを行なうようにしている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、非特許文献１の構成では、Ａｌ層とＡｕ層とが接触して形成されているが、貼り合わせを比較的低温で行なっても、反射層をなすＡｌ層がＡｕ層と拡散により合金化し、反射率が低下してしまう問題を生ずる。
【０００６】
本発明の課題は、発光層部を反射金属層で覆い、さらに、その反射金属層を、別の結合用金属層を介して素子基板と貼り合せた構造を有する発光素子において、結合用金属層から反射金属層への成分拡散を効果的に防止でき、ひいては、該拡散による反射率低下などの不良を生じにくい発光素子と、その製造方法とを提供することにある。
【０００７】
【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、
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反射金属層が形成され、該反射金属層が結合用金属層を介して素子基板に結合されるとともに、前記反射金属層と前記結合用金属層との間に、該結合用金属層の金属成分が前記反射金属層側に拡散することを阻止する反射金属層側拡散阻止層が介挿され、さらに、前記素子基板と前記結合用金属層との間に、導電性材料にて構成され、かつ、前記素子基板に由来した成分の前記結合用金属層への拡散を阻止する基板側拡散阻止層が介挿されてなることを特徴とする。
【０００８】
上記本発明の発光素子は、反射金属層と結合用金属層との間に反射金属層側拡散阻止層を介挿することにより、結合用金属層から反射金属層へ成分拡散が生ずること、ひいては、該成分拡散による反射金属層の反射率低下を効果的に抑制でき、ひいては高輝度の発光素子を実現できる。
【０００９】
また、本発明の発光素子の製造方法は、
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反射金属層が形成され、該反射金属層が結合用金属層を介して素子基板に結合された発光素子の製造方法において、
化合物半導体層の貼り合わせ側主表面と、素子基板の貼り合わせ側主表面との間に、反射金属層と、結合用金属層の金属成分が反射金属層側に拡散することを阻止する反射金属層側拡散阻止層と、前記結合用金属層と、前記素子基板に由来した成分の前記結合用金属層への拡散を阻止する基板側拡散阻止層とが、化合物半導体層の側からこの順序で積層された形で介在するように重ね合わせて貼り合せすることを特徴とする。
【００１０】
上記本発明の発光素子の製造方法によると、反射金属層と結合用金属層との間に反射金属層側拡散阻止層を介在させて貼り合せを行なうので、貼り合わせ時又は貼り合わせ後に結合用金属層から反射金属層へ成分拡散が生ずること、引いては、該成分拡散による反射金属層の反射率低下等を効果的に抑制でき、ひいては高輝度の発光素子を容易に実現できる。特に、貼り合わせの際に、拡散の進行しやすい熱処理を行なう場合は、本発明の効果は一層顕著となる。
【００１１】
結合用金属層は、反射金属層単独では素子基板との貼り合わせが比較的困難な場合に、反射金属層と素子基板との間に介在して、その貼り合わせを補助する役割を果たすものであり、発光層部からの光に対する反射率そのものは反射金属層よりは劣っていることが多い。このように、発光層部からの光に対して反射金属層よりも反射率の低い金属が使用される場合、結合用金属層からの金属成分が反射金属層に拡散したとき、反射率低下の不具合が生じやすくなるのは当然であるといえる。そこで、本発明のごとく、結合用金属層と反射金属層との間に反射金属層側拡散阻止層を介挿しておけば、上記拡散による反射率低下を抑制する効果がとりわけ顕著である。
【００１２】
具体的には、結合用金属層がＡｕを主成分とするＡｕ系金属にて構成される場合である（なお、本明細書において「主成分」とは、最も質量含有率の高い成分のことをいう）。Ａｕは化学的に安定であり、しかもＡｌのような厚く強固な不働態被膜も形成されにくいので、結合用金属層の材質として好適である。特に、化合物半導体層の貼り合わせ側主表面に、該主表面側から金属反射層と反射金属層側拡散阻止層と第一Ａｕ系金属層とをこの順で形成する一方、素子基板の貼り合わせ側主表面に第二Ａｕ系金属層を形成し、それら第一Ａｕ系金属層と第二Ａｕ系金属層とを密着させて貼り合わせる方法を採用すると、Ａｕ系金属層同士の親和力が強いために、比較的低温でも十分な貼り合わせ強度を容易に得られる利点がある。
【００１３】
しかし、Ａｕは前述の通り、特定波長帯の光に対して強い吸収を示し、該波長帯の光に対する反射率は決して良好ではない。図４は、研磨した種々の金属表面における反射率を示すものであり、プロット点「△」がＡｕの反射率である。Ａｕは波長６７０ｎｍ以下の可視光域に強い吸収があり（特に６５０ｎｍ以下：６００ｎｍ以下ではさらに吸収が大きい）、Ａｕ系結合用金属層から反射金属層への拡散が多量に生ずると、発光層部のピーク発光波長が６７０ｎｍ以下に存在する場合に反射率低下が著しくなる。その結果、発光強度が低下しやすいほか、取り出される光のスペクトルが、吸収により本来の発光スペクトルとは異なるものとなり、発光色調の変化も招きやすくなる。しかし、本発明のごとく反射金属層側拡散阻止層を介挿しておけば、上記の不具合を効果的に抑制できる。
【００１４】
一方、反射金属層は、Ａｌを主成分とするＡｌ系金属にて構成することができる。図４に示すＡｌ層の反射率の波長依存性（プロット点「◆」）によると、波長５５０ｎｍ未満の可視光域においても、Ａｕのような強い吸収はなく、また、Ａｕに比べるとはるかに安価であり、汎用の反射層として本発明に好適に使用できる。特に、波長４００ｎｍ以上５５０ｎｍ以下の青色から緑色にかけての発光波長域に対しては、Ａｕよりも反射率が良好であり、光取出し効率の向上にも寄与する。
【００１５】
しかし、Ａｌ系反射金属層にＡｕ系結合用金属層が直接接して形成されていると、本発明者が検討したところ、１１５℃程度までの比較的低温域においてもＡｕ系結合用金属層からＡｌ系反射金属層へのＡｕの拡散が顕著に進み、反射率の低下が著しくなること、特に波長４００ｎｍ以上５５０ｎｍ以下の青色から緑色の発光波長域での反射率の低下が著しくなることが判明した。しかし、本発明のごとく反射金属層側拡散阻止層を介挿しておけば、該不具合を効果的に抑制できる。
【００１６】
また、反射金属層の反射面を形成する部分は、Ａｇを主成分とするＡｇ系反射層とすることもできる。Ａｇ系反射金属層は、可視光の略全波長域（３５０ｎｍ以上７００ｎｍ）に渡ってＡｕ系金属よりも良好な反射率を示し、反射率の波長依存性が小さい。その結果、素子の発光波長によらず高い光取出効率を実現できる。またＡｕ系反射金属層と比較した場合、青色から緑色の発光に対しても、酸化皮膜等の形成による反射率低下も生じにくい。図４のプロット点「■」はＡｇの反射率の波長依存性を示す。また、プロット点「×」はＡｇＰｄＣｕ合金である。Ａｇの反射率は、３５０ｎｍ以上７００ｎｍ以下（また、それより長波長側の赤外域）、特に、３８０ｎｍ以上７００ｎｍ以下にて、可視光の反射率が特に良好である。当然、ピーク波長が４００ｎｍ以上５５０ｎｍ以下の青色から緑色の発光波長域においても良好な反射率が得られる。なお、前述のＡｌ系反射金属層はＡｇ系反射金属層と比較しても安価であるが、酸化皮膜形成による反射率低下があるため、可視光域での反射率は多少低い値（例えば８５〜９２％）に留まっている。他方、Ａｇ系反射金属膜はＡｌ系反射金属層よりは酸化皮膜が形成されにくいため、Ａｌよりも高い反射率を可視光域に確保できる。そして、本発明のごとく反射金属層側拡散阻止層を介挿しておけば、Ａｕ系結合金属層からＡｇ系反射金属層へのＡｕ成分拡散を効果的に抑制できる。
【００１７】
Ａｕ系結合金属層を用いる場合、反射金属層側拡散阻止層は、具体的には、Ｔｉ、Ｎｉ及びＣｒのいずれか一つを主成分とする金属層とすることができる。Ｔｉ、ＮｉないしＣｒを主成分とする金属は、Ａｕに対する拡散係数が小さく、反射金属層へのＡｕ成分拡散を抑制する効果に優れているので、本発明に好適に採用できる。該反射金属層側拡散阻止層の厚さは、１ｎｍ以上１０μｍ以下とすることが望ましい。厚さが１ｎｍ未満では拡散防止効果が十分でなくなり、１０μｍを超えると効果が飽和して、製造コストの無駄な高騰につながる。なお、反射金属層側拡散阻止層は具体的には工業用の純Ｔｉ、純Ｎｉないし純Ｃｒを採用することもできるが、Ａｕに対する拡散防止効果が損なわれない範囲にて、副成分を含有させることが可能である。例えば、適量のＰｄ添加は、Ｔｉ、ＮｉないしＣｒを主成分とする金属の耐食性を向上させる効果がある。また、ＴｉとＮｉ、Ｃｒとの合金を用いることもできる。
【００１８】
次に、本発明の発光素子は、素子基板と結合用金属層との間に、導電性材料にて構成され、かつ、素子基板に由来した成分の結合用金属層への拡散を阻止する基板側拡散阻止層を介挿することができる。該構造によると、素子基板から結合用金属層への成分拡散が基板側拡散阻止層によりブロックされ、ひいては該拡散による結合用金属層の変質を効果的に抑制することができる。その結果、結合用金属層と素子基板との密着強度低下や、さらには反射金属層への素子基板の成分拡散による反射率低下などといった不具合が効果的に抑制され、また、これら不具合による発光素子の製品歩留まりの低下も生じにくい。
【００１９】
上記構成は、結合用金属層がＡｕを主成分とするＡｕ系金属層とされてなり、素子基板がＳｉ基板である場合に適用されたときに特に効果が大きい。すなわち、Ｓｉ基板はドーピングにより発光素子として十分な導電性を容易に確保することができ、しかも安価である。しかし、ＳｉとＡｕとは比較的低温で共晶反応を起こしやすく（Ａｕ−Ｓｉ二元系の共晶温度は３６３℃であるが、それ以外の合金成分が介在するとさらに共晶温度が低下することもありえる）、貼り合わせを熱処理により行なう場合は、基板側のＳｉのＡｕ系金属層側への拡散も進みやすい。その結果、金属層中のＡｕ系層は該Ｓｉ拡散による反射率低下を招きやすい。しかしながら、Ａｕ系金属層とＳｉ基板との間に基板側拡散阻止層を設けておくと、Ａｕ系金属層へのＳｉの拡散を効果的に抑制することができる。
【００２０】
Ａｕ系金属層とＳｉ基板とを用いる場合、基板側拡散阻止層は、具体的には、Ｔｉ、Ｎｉ及びＣｒのいずれか一つを主成分とする金属層とすることができる。Ｔｉ、ＮｉないしＣｒを主成分とする金属は、Ａｕ系金属層へのＳｉの拡散抑制効果に特に優れているので、本発明に好適に採用できる。また、該基板側拡散阻止層の厚さは、１ｎｍ以上１０μｍ以下とすることが望ましい。厚さが１ｎｍ未満では拡散防止効果が十分でなくなり、１０μｍを超えると効果が飽和して、製造コストの無駄な高騰につながる。なお、基板側拡散阻止層は具体的には工業用の純Ｔｉ、純Ｎｉないし純Ｃｒを採用することもできるが、Ａｕ系金属層へのＳｉの拡散防止効果が損なわれない範囲にて、Ｐｄなどの副成分を含有させることが可能であり、また、ＴｉとＮｉ、Ｃｒとの合金を用いることもできる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を添付の図面を参照して説明する。
図１は、本発明の一実施形態である発光素子１００を示す概念図である。発光素子１００は、素子基板をなす導電性基板であるｎ型Ｓｉ（シリコン）単結晶よりなるＳｉ基板７の第一主表面上に金属層１０を介して発光層部２４が貼り合わされた構造を有してなる。
【００２２】
発光層部２４は、ノンドープ（ＡｌｘＧａ１−ｘ）ｙＩｎ１−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（ＡｌｚＧａ１−ｚ）ｙＩｎ１−ｙＰ（ただしｘ＜ｚ≦１）からなるｐ型クラッド層６と、前記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（ＡｌｚＧａ１−ｚ）ｙＩｎ１−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。発光素子１００においては、金属電極９側にｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層６が配置されており、結合用金属層１０ｋ側にｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層４が配置されている。従って、通電極性は金属電極９側が正である。なお、ここでいう「ノンドープ」とは、「ドーパントの積極添加を行なわない」との意味であり、通常の製造工程上、不可避的に混入するドーパント成分の含有（例えば１０１３〜１０１６／ｃｍ３程度を上限とする）をも排除するものではない。
【００２３】
また、発光層部２４の基板７に面しているのと反対側の主表面上には、ＡｌＧａＡｓよりなる電流拡散層２０が形成され、その主表面の略中央に、発光層部２４に発光駆動電圧を印加するための金属電極（例えばＡｕ電極）９が、該主表面の一部を覆うように形成されている。電流拡散層２０の主表面における、金属電極９の周囲の領域は、発光層部２４からの光取出領域をなす。また、Ｓｉ単結晶基板７の裏面にはその全体を覆うように金属電極（裏面電極：例えばＡｕ電極である）１５が形成されている。金属電極１５がＡｕ電極である場合、金属電極１５とＳｉ単結晶基板７との間には基板側コンタクト金属層として、ＡｕＳｂコンタクト金属層１６が介挿される。なお、ＡｕＳｂコンタクト金属層１６に代えてＡｕＳｎコンタクト金属層を基板側コンタクト金属層として用いてもよい。
【００２４】
Ｓｉ単結晶基板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。そして、発光層部２４に対し金属層１０を挟んで貼り合わされている。また、金属層１０は、発光層部２４側の反射金属層１０ｃと、発光層部２４側の結合用金属層１０ａと、Ｓｉ基板７側の結合用金属層１０ｂと、さらに、反射金属層１０ｃと結合用金属層１０ａ，１０ｂ（＝１０ｋ）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。反射金属層１０ｃ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（＝１０ｋ）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）あるいはＣｒ系金属層（例えばＣｒ層）としてもよい。
【００２５】
一方、発光層部２４と反射金属層１０ｃ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３２（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３２は、発光層部２４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、Ｓｉ単結晶基板７と結合用金属層１０ｋ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３１（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３１に代えてＡｕＳｎコンタクト金属層を用いてもよい。
【００２６】
そして、該ＡｕＳｂコンタクト金属層３１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１０ｄにより覆われている。基板側拡散阻止層１０ｄ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１０ｄはＴｉ系金属層に代えてＮｉ系金属層（例えばＮｉ層）あるいはＣｒ系金属層（例えばＣｒ層）としてもよい。そして、該基板側拡散阻止層１０ｄの全面を覆う形で、これと接するように結合用金属層１０ｋ（Ａｕ系金属層）が配置されている。
【００２７】
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１０ｃ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１０ｃ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１０ｋの層厚は２００ｎｍ以上１０μｍ以下とする。
【００２８】
以下、図１の発光素子１００の製造方法について説明する。
まず、図２の工程１に示すように、発光層成長用基板をなす半導体単結晶基板であるＧａＡｓ単結晶基板１の主表面に、ｐ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、さらにｐ型ＡｌＧａＡｓよりなる電流拡散層２０を例えば５μｍ、この順序にて周知のＭＯＶＰＥ（Metal-Organic Vapor Phase Epitaxy）法等によりエピタキシャル成長させる。また、その後、発光層部２４として、１μｍのｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層６、０．６μｍのＡｌＧａＩｎＰ活性層（ノンドープ）５、及び１μｍのｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層４を、この順序にエピタキシャル成長させる。
【００２９】
次に、工程２に示すように、発光層部２４の主表面に、ＡｕＧｅＮｉコンタクト金属層３２を分散形成する。ＡｕＧｅＮｉコンタクト金属層３２を形成後、次に、３５０℃以上５００℃以下の温度域で合金化熱処理を行なう。発光層部２４とＡｕＧｅＮｉコンタクト金属層３２との間には、上記合金化熱処理により合金化層が形成され、直列抵抗が大幅に低減される。その後、ＡｕＧｅＮｉコンタクト金属層３２を覆うようにＡｌ系金属層からなる反射金属層１０ｃを形成し（厚さ例えば３００ｎｍ）、次いでＴｉ系金属層からなる反射金属層側拡散阻止層１０ｆ（厚さ：例えば２００ｎｍ）を形成する。そして、それら反射金属層１０ｃ及び反射金属層側拡散阻止層１０ｆをさらに覆う形で、結合金属層となる第一Ａｕ系金属層１０ａ（厚さ：例えば２μｍ）を形成する。このとき、Ａｌ系反射金属層１０ｃは発光層部２４の主表面の外周縁部を除く領域を覆うように形成し、第一Ａｕ系金属層１０ａを、反射金属層１０ｃの外周縁よりも外側に張り出すように形成して、Ａｌ系反射金属層１０ｃの周側面を第一Ａｕ系金属層１０ａにより覆う。
【００３０】
他方、工程３に示すように、別途用意したＳｉ単結晶基板７（ｎ型）の両方の主表面に基板側コンタクト金属層となるＡｕＳｂコンタクト金属層３１，１６（前述の通りＡｕＳｎコンタクト金属層でもよい）を形成し、１００℃以上５００℃以下の温度域で合金化熱処理を行なう。そして、ＡｕＳｂコンタクト金属層３１上には、Ｔｉ系金属層からなる基板側拡散阻止層１０ｄ（厚さ：例えば２００ｎｍ）及び第二Ａｕ系金属層１０ｂ（厚さ：例えば２μｍ）をこの順序にて形成する。また、ＡｕＳｂコンタクト金属層１６上には裏面電極層１５（例えばＡｕ系金属層からなるもの）を形成する。以上の工程で各金属層は、スパッタリングあるいは真空蒸着等を用いて行なうことができる。
【００３１】
そして、工程４に示すように、Ｓｉ単結晶基板７側の第二Ａｕ系金属層１０ｂを、発光層部２４上に形成された第一Ａｕ系金属層１０ａに重ね合わせて圧迫して、８０℃以上５００℃以下、例えば２００℃にて貼り合せ熱処理することにより、基板貼り合わせ体５０を作る。Ｓｉ単結晶基板７は、第一Ａｕ系金属層１０ａ及び第二Ａｕ系金属層１０ｂを介して発光層部２４に貼り合わせられる。また、第一Ａｕ系金属層１０ａと第二Ａｕ系金属層１０ｂとは上記貼り合せ熱処理により一体化して結合用金属層１０ｋとなる。第一Ａｕ系金属層１０ａ及び第二Ａｕ系金属層１０ｂが、いずれも酸化しにくいＡｕを主体に構成されているため、上記貼り合せ熱処理は、例えば大気中でも問題なく行なうことができる。
【００３２】
ここで、第一Ａｕ系金属層１０ａとＡｌ系金属からなる金属反射層１０ｃとの間には、Ｔｉ系金属層からなる金属反射層側拡散阻止層１０ｆが介挿されている。金属反射層１０ｃがＡｌ系金属層の場合、もし金属反射層側拡散阻止層１０ｆが省略されていると、１１５℃前後の低温でも第一Ａｕ系金属層１０ａから金属反射層１０ｃへのＡｕ成分の拡散が著しく、これにより、金属反射層１０ｃの反射率が低下する不具合につながる（特に、波長４００ｎｍ以上５５０ｎｍ以下の青色から緑色にかけての発光波長域）。しかし、上記のように金属反射層側拡散阻止層１０ｆを設けると、貼り合わせ熱処理時の第一Ａｕ系金属層１０ａから金属反射層１０ｃへのＡｕ成分の拡散が効果的に抑制され、金属反射層１０ｃの反射率を良好に保つことができる。また、３６０℃までであれば、貼り合わせの熱処理温度を上昇させても、Ａｌ系金属からなる金属反射層１０ｃへのＡｕの拡散が顕著とならず、ひいては貼り合わせ温度を高めることで貼り合わせ強度を向上することができる。
【００３３】
また、第二Ａｕ系金属層１０ｂとＳｉ単結晶基板７（ＡｕＳｂコンタクト金属層３１）との間には、Ｔｉ系金属層からなる基板側拡散阻止層１０ｄが介挿されている。上記貼り合せ熱処理時にＳｉ単結晶基板７から第二Ａｕ系金属層１０ｂに向けたＳｉ成分の拡散が上記基板側拡散阻止層１０ｄによりブロックされ、貼り合わせにより一体化した結合用金属層（第一Ａｕ系金属層／第二Ａｕ系金属層）１０ａ，１０ｂひいては反射金属層１０ｃ側へのＳｉ成分の染み出しが効果的に抑制される。その結果、最終的に得られる反射金属層１０ｃの反射面がＳｉ成分により汚染される不具合が防止され、良好な反射率を実現することができる。また、第二Ａｕ系金属層１０ｂ（結合用金属層）を蒸着等により形成したりする際の熱履歴により、Ｓｉ単結晶基板７からＡｕＳｂコンタクト金属層３１を突き抜けてＳｉが拡散し、第二Ａｕ系金属層１０ｂの最表面にそのＳｉが湧き上がることがある。この沸き上がったＳｉが酸化されると、第二Ａｕ系金属層（結合用金属層）１０ｂと第一Ａｕ系金属層（結合用金属層）１０ａとの貼り合わせが著しく阻害される場合がある。しかし、上記のように基板側拡散阻止層１０ｄを形成しておけば、該Ｓｉの湧き上がりひいては酸化が効果的に抑制され、結合用金属層１０ｋによるＳｉ単結晶基板７と発光層部（化合物半導体層）２４との貼り合せ強度をより高めることができる。
【００３４】
次に、工程５に進み、上記基板貼り合わせ体５０を、例えば１０％フッ酸水溶液からなるエッチング液に浸漬し、バッファ層２と電流拡散層２０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、ＧａＡｓ単結晶基板１（発光層部２４からの光に対して不透明である）を、発光層部２４とこれに接合されたＳｉ単結晶基板７との積層体５０ａから剥離する。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。
【００３５】
Ａｌ系金属層からなる反射金属層１０ｃは、第一Ａｕ系金属層１０ａに包まれる形となり、Ａｌ系反射金属層１０ｃの外周面が、耐食性の高い第一Ａｕ系金属層１０ａの外周縁部１０ｅにより保護されるので、工程５において、発光層成長用基板（ＧａＡｓ単結晶基板１）をエッチングしても、その影響がＡｌ系反射金属層１０ｃに及びにくくなる。ＧａＡｓ単結晶基板１を発光層成長用基板として用い、これをアンモニア／過酸化水素混合液をエッチング液として用いて溶解・除去する場合、Ａｌは該エッチング液に特に腐食されやすいが、上記の構造を採用すれば、問題なくＧａＡｓ単結晶基板１を溶解除去できる。
【００３６】
そして、工程６に示すように、ＧａＡｓ単結晶基板１の除去により露出した電流拡散層２０の主表面の一部を覆うように、ワイヤボンディング用の電極（ボンディングパッド：図１）を形成する。以下、通常の方法によりダイシングして半導体チップとし、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なった後、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。
【００３７】
以上の実施形態では、Ａｌ系金属からなる反射金属層１０ｃを用いていたが、図３の発光素子２００のごとく、Ａｇ系金属からなる反射金属層１０ｇを用いることもできる。この場合、発光層部側コンタクト金属層として、ＡｇＧｅＮｉ（例えばＧｅ：１５質量％、Ｎｉ：１０質量％）よりなるＡｇ系コンタクト金属層１３２を分散形成する。その他の部分については、図１の発光素子１００と同一である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の発光素子の第一実施形態を積層構造にて示す模式図。
【図２】図１の発光素子の、製造工程の一例を示す説明図。
【図３】本発明の発光素子の第二実施形態を積層構造にて示す模式図。
【図４】種々の金属における反射率を示す図。
【符号の説明】
１ ＧａＡｓ単結晶基板（発光層成長用基板）
４ ｎ型クラッド層（第二導電型クラッド層）
５ 活性層
６ ｐ型クラッド層（第一導電型クラッド層）
７ Ｓｉ単結晶基板（素子基板）
９ 金属電極
１０ａ 第一Ａｕ系金属層（結合金属層）
１０ｂ 第二Ａｕ系金属層（結合金属層）
１０ｃ 反射金属層（Ａｌ系金属層）
１０ｇ 反射金属層（Ａｇ系金属層）
１０ｄ 基板側拡散阻止層（Ｔｉ系金属層）
１０ｆ 反射金属層側拡散阻止層（Ｔｉ系金属層）
２４ 発光層部
１００，２００ 発光素子
【発明の属する技術分野】
この発明は発光素子及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
【特許文献１】
特開平７−６６４５５号公報
【特許文献２】
特開２００１−３３９１００号公報
【非特許文献１】
日経エレクトロニクス２００２年１０月２１日号１２４頁〜１３２頁
【０００３】
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。
【０００４】
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。一方、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。該非特許文献１の素子構造においては、発光層部とシリコン基板からなる素子基板との間にＡｌ反射層が配置され、さらに、Ａｌ反射層とシリコン基板との間には、シリコン基板と発光層部との貼り合わせ接合を容易にするために、Ａｕ層を介在させている。具体的には、発光層部側に形成したＡｌ反射層を覆うようにＡｕ層を形成し、他方シリコン基板側にもＡｕ層を形成して、それらＡｕ層同士を密着させて貼り合わせを行なうようにしている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、非特許文献１の構成では、Ａｌ層とＡｕ層とが接触して形成されているが、貼り合わせを比較的低温で行なっても、反射層をなすＡｌ層がＡｕ層と拡散により合金化し、反射率が低下してしまう問題を生ずる。
【０００６】
本発明の課題は、発光層部を反射金属層で覆い、さらに、その反射金属層を、別の結合用金属層を介して素子基板と貼り合せた構造を有する発光素子において、結合用金属層から反射金属層への成分拡散を効果的に防止でき、ひいては、該拡散による反射率低下などの不良を生じにくい発光素子と、その製造方法とを提供することにある。
【０００７】
【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、
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反射金属層が形成され、該反射金属層が結合用金属層を介して素子基板に結合されるとともに、前記反射金属層と前記結合用金属層との間に、該結合用金属層の金属成分が前記反射金属層側に拡散することを阻止する反射金属層側拡散阻止層が介挿され、さらに、前記素子基板と前記結合用金属層との間に、導電性材料にて構成され、かつ、前記素子基板に由来した成分の前記結合用金属層への拡散を阻止する基板側拡散阻止層が介挿されてなることを特徴とする。
【０００８】
上記本発明の発光素子は、反射金属層と結合用金属層との間に反射金属層側拡散阻止層を介挿することにより、結合用金属層から反射金属層へ成分拡散が生ずること、ひいては、該成分拡散による反射金属層の反射率低下を効果的に抑制でき、ひいては高輝度の発光素子を実現できる。
【０００９】
また、本発明の発光素子の製造方法は、
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反射金属層が形成され、該反射金属層が結合用金属層を介して素子基板に結合された発光素子の製造方法において、
化合物半導体層の貼り合わせ側主表面と、素子基板の貼り合わせ側主表面との間に、反射金属層と、結合用金属層の金属成分が反射金属層側に拡散することを阻止する反射金属層側拡散阻止層と、前記結合用金属層と、前記素子基板に由来した成分の前記結合用金属層への拡散を阻止する基板側拡散阻止層とが、化合物半導体層の側からこの順序で積層された形で介在するように重ね合わせて貼り合せすることを特徴とする。
【００１０】
上記本発明の発光素子の製造方法によると、反射金属層と結合用金属層との間に反射金属層側拡散阻止層を介在させて貼り合せを行なうので、貼り合わせ時又は貼り合わせ後に結合用金属層から反射金属層へ成分拡散が生ずること、引いては、該成分拡散による反射金属層の反射率低下等を効果的に抑制でき、ひいては高輝度の発光素子を容易に実現できる。特に、貼り合わせの際に、拡散の進行しやすい熱処理を行なう場合は、本発明の効果は一層顕著となる。
【００１１】
結合用金属層は、反射金属層単独では素子基板との貼り合わせが比較的困難な場合に、反射金属層と素子基板との間に介在して、その貼り合わせを補助する役割を果たすものであり、発光層部からの光に対する反射率そのものは反射金属層よりは劣っていることが多い。このように、発光層部からの光に対して反射金属層よりも反射率の低い金属が使用される場合、結合用金属層からの金属成分が反射金属層に拡散したとき、反射率低下の不具合が生じやすくなるのは当然であるといえる。そこで、本発明のごとく、結合用金属層と反射金属層との間に反射金属層側拡散阻止層を介挿しておけば、上記拡散による反射率低下を抑制する効果がとりわけ顕著である。
【００１２】
具体的には、結合用金属層がＡｕを主成分とするＡｕ系金属にて構成される場合である（なお、本明細書において「主成分」とは、最も質量含有率の高い成分のことをいう）。Ａｕは化学的に安定であり、しかもＡｌのような厚く強固な不働態被膜も形成されにくいので、結合用金属層の材質として好適である。特に、化合物半導体層の貼り合わせ側主表面に、該主表面側から金属反射層と反射金属層側拡散阻止層と第一Ａｕ系金属層とをこの順で形成する一方、素子基板の貼り合わせ側主表面に第二Ａｕ系金属層を形成し、それら第一Ａｕ系金属層と第二Ａｕ系金属層とを密着させて貼り合わせる方法を採用すると、Ａｕ系金属層同士の親和力が強いために、比較的低温でも十分な貼り合わせ強度を容易に得られる利点がある。
【００１３】
しかし、Ａｕは前述の通り、特定波長帯の光に対して強い吸収を示し、該波長帯の光に対する反射率は決して良好ではない。図４は、研磨した種々の金属表面における反射率を示すものであり、プロット点「△」がＡｕの反射率である。Ａｕは波長６７０ｎｍ以下の可視光域に強い吸収があり（特に６５０ｎｍ以下：６００ｎｍ以下ではさらに吸収が大きい）、Ａｕ系結合用金属層から反射金属層への拡散が多量に生ずると、発光層部のピーク発光波長が６７０ｎｍ以下に存在する場合に反射率低下が著しくなる。その結果、発光強度が低下しやすいほか、取り出される光のスペクトルが、吸収により本来の発光スペクトルとは異なるものとなり、発光色調の変化も招きやすくなる。しかし、本発明のごとく反射金属層側拡散阻止層を介挿しておけば、上記の不具合を効果的に抑制できる。
【００１４】
一方、反射金属層は、Ａｌを主成分とするＡｌ系金属にて構成することができる。図４に示すＡｌ層の反射率の波長依存性（プロット点「◆」）によると、波長５５０ｎｍ未満の可視光域においても、Ａｕのような強い吸収はなく、また、Ａｕに比べるとはるかに安価であり、汎用の反射層として本発明に好適に使用できる。特に、波長４００ｎｍ以上５５０ｎｍ以下の青色から緑色にかけての発光波長域に対しては、Ａｕよりも反射率が良好であり、光取出し効率の向上にも寄与する。
【００１５】
しかし、Ａｌ系反射金属層にＡｕ系結合用金属層が直接接して形成されていると、本発明者が検討したところ、１１５℃程度までの比較的低温域においてもＡｕ系結合用金属層からＡｌ系反射金属層へのＡｕの拡散が顕著に進み、反射率の低下が著しくなること、特に波長４００ｎｍ以上５５０ｎｍ以下の青色から緑色の発光波長域での反射率の低下が著しくなることが判明した。しかし、本発明のごとく反射金属層側拡散阻止層を介挿しておけば、該不具合を効果的に抑制できる。
【００１６】
また、反射金属層の反射面を形成する部分は、Ａｇを主成分とするＡｇ系反射層とすることもできる。Ａｇ系反射金属層は、可視光の略全波長域（３５０ｎｍ以上７００ｎｍ）に渡ってＡｕ系金属よりも良好な反射率を示し、反射率の波長依存性が小さい。その結果、素子の発光波長によらず高い光取出効率を実現できる。またＡｕ系反射金属層と比較した場合、青色から緑色の発光に対しても、酸化皮膜等の形成による反射率低下も生じにくい。図４のプロット点「■」はＡｇの反射率の波長依存性を示す。また、プロット点「×」はＡｇＰｄＣｕ合金である。Ａｇの反射率は、３５０ｎｍ以上７００ｎｍ以下（また、それより長波長側の赤外域）、特に、３８０ｎｍ以上７００ｎｍ以下にて、可視光の反射率が特に良好である。当然、ピーク波長が４００ｎｍ以上５５０ｎｍ以下の青色から緑色の発光波長域においても良好な反射率が得られる。なお、前述のＡｌ系反射金属層はＡｇ系反射金属層と比較しても安価であるが、酸化皮膜形成による反射率低下があるため、可視光域での反射率は多少低い値（例えば８５〜９２％）に留まっている。他方、Ａｇ系反射金属膜はＡｌ系反射金属層よりは酸化皮膜が形成されにくいため、Ａｌよりも高い反射率を可視光域に確保できる。そして、本発明のごとく反射金属層側拡散阻止層を介挿しておけば、Ａｕ系結合金属層からＡｇ系反射金属層へのＡｕ成分拡散を効果的に抑制できる。
【００１７】
Ａｕ系結合金属層を用いる場合、反射金属層側拡散阻止層は、具体的には、Ｔｉ、Ｎｉ及びＣｒのいずれか一つを主成分とする金属層とすることができる。Ｔｉ、ＮｉないしＣｒを主成分とする金属は、Ａｕに対する拡散係数が小さく、反射金属層へのＡｕ成分拡散を抑制する効果に優れているので、本発明に好適に採用できる。該反射金属層側拡散阻止層の厚さは、１ｎｍ以上１０μｍ以下とすることが望ましい。厚さが１ｎｍ未満では拡散防止効果が十分でなくなり、１０μｍを超えると効果が飽和して、製造コストの無駄な高騰につながる。なお、反射金属層側拡散阻止層は具体的には工業用の純Ｔｉ、純Ｎｉないし純Ｃｒを採用することもできるが、Ａｕに対する拡散防止効果が損なわれない範囲にて、副成分を含有させることが可能である。例えば、適量のＰｄ添加は、Ｔｉ、ＮｉないしＣｒを主成分とする金属の耐食性を向上させる効果がある。また、ＴｉとＮｉ、Ｃｒとの合金を用いることもできる。
【００１８】
次に、本発明の発光素子は、素子基板と結合用金属層との間に、導電性材料にて構成され、かつ、素子基板に由来した成分の結合用金属層への拡散を阻止する基板側拡散阻止層を介挿することができる。該構造によると、素子基板から結合用金属層への成分拡散が基板側拡散阻止層によりブロックされ、ひいては該拡散による結合用金属層の変質を効果的に抑制することができる。その結果、結合用金属層と素子基板との密着強度低下や、さらには反射金属層への素子基板の成分拡散による反射率低下などといった不具合が効果的に抑制され、また、これら不具合による発光素子の製品歩留まりの低下も生じにくい。
【００１９】
上記構成は、結合用金属層がＡｕを主成分とするＡｕ系金属層とされてなり、素子基板がＳｉ基板である場合に適用されたときに特に効果が大きい。すなわち、Ｓｉ基板はドーピングにより発光素子として十分な導電性を容易に確保することができ、しかも安価である。しかし、ＳｉとＡｕとは比較的低温で共晶反応を起こしやすく（Ａｕ−Ｓｉ二元系の共晶温度は３６３℃であるが、それ以外の合金成分が介在するとさらに共晶温度が低下することもありえる）、貼り合わせを熱処理により行なう場合は、基板側のＳｉのＡｕ系金属層側への拡散も進みやすい。その結果、金属層中のＡｕ系層は該Ｓｉ拡散による反射率低下を招きやすい。しかしながら、Ａｕ系金属層とＳｉ基板との間に基板側拡散阻止層を設けておくと、Ａｕ系金属層へのＳｉの拡散を効果的に抑制することができる。
【００２０】
Ａｕ系金属層とＳｉ基板とを用いる場合、基板側拡散阻止層は、具体的には、Ｔｉ、Ｎｉ及びＣｒのいずれか一つを主成分とする金属層とすることができる。Ｔｉ、ＮｉないしＣｒを主成分とする金属は、Ａｕ系金属層へのＳｉの拡散抑制効果に特に優れているので、本発明に好適に採用できる。また、該基板側拡散阻止層の厚さは、１ｎｍ以上１０μｍ以下とすることが望ましい。厚さが１ｎｍ未満では拡散防止効果が十分でなくなり、１０μｍを超えると効果が飽和して、製造コストの無駄な高騰につながる。なお、基板側拡散阻止層は具体的には工業用の純Ｔｉ、純Ｎｉないし純Ｃｒを採用することもできるが、Ａｕ系金属層へのＳｉの拡散防止効果が損なわれない範囲にて、Ｐｄなどの副成分を含有させることが可能であり、また、ＴｉとＮｉ、Ｃｒとの合金を用いることもできる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を添付の図面を参照して説明する。
図１は、本発明の一実施形態である発光素子１００を示す概念図である。発光素子１００は、素子基板をなす導電性基板であるｎ型Ｓｉ（シリコン）単結晶よりなるＳｉ基板７の第一主表面上に金属層１０を介して発光層部２４が貼り合わされた構造を有してなる。
【００２２】
発光層部２４は、ノンドープ（ＡｌｘＧａ１−ｘ）ｙＩｎ１−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（ＡｌｚＧａ１−ｚ）ｙＩｎ１−ｙＰ（ただしｘ＜ｚ≦１）からなるｐ型クラッド層６と、前記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（ＡｌｚＧａ１−ｚ）ｙＩｎ１−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。発光素子１００においては、金属電極９側にｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層６が配置されており、結合用金属層１０ｋ側にｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層４が配置されている。従って、通電極性は金属電極９側が正である。なお、ここでいう「ノンドープ」とは、「ドーパントの積極添加を行なわない」との意味であり、通常の製造工程上、不可避的に混入するドーパント成分の含有（例えば１０１３〜１０１６／ｃｍ３程度を上限とする）をも排除するものではない。
【００２３】
また、発光層部２４の基板７に面しているのと反対側の主表面上には、ＡｌＧａＡｓよりなる電流拡散層２０が形成され、その主表面の略中央に、発光層部２４に発光駆動電圧を印加するための金属電極（例えばＡｕ電極）９が、該主表面の一部を覆うように形成されている。電流拡散層２０の主表面における、金属電極９の周囲の領域は、発光層部２４からの光取出領域をなす。また、Ｓｉ単結晶基板７の裏面にはその全体を覆うように金属電極（裏面電極：例えばＡｕ電極である）１５が形成されている。金属電極１５がＡｕ電極である場合、金属電極１５とＳｉ単結晶基板７との間には基板側コンタクト金属層として、ＡｕＳｂコンタクト金属層１６が介挿される。なお、ＡｕＳｂコンタクト金属層１６に代えてＡｕＳｎコンタクト金属層を基板側コンタクト金属層として用いてもよい。
【００２４】
Ｓｉ単結晶基板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。そして、発光層部２４に対し金属層１０を挟んで貼り合わされている。また、金属層１０は、発光層部２４側の反射金属層１０ｃと、発光層部２４側の結合用金属層１０ａと、Ｓｉ基板７側の結合用金属層１０ｂと、さらに、反射金属層１０ｃと結合用金属層１０ａ，１０ｂ（＝１０ｋ）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。反射金属層１０ｃ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（＝１０ｋ）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）あるいはＣｒ系金属層（例えばＣｒ層）としてもよい。
【００２５】
一方、発光層部２４と反射金属層１０ｃ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３２（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３２は、発光層部２４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、Ｓｉ単結晶基板７と結合用金属層１０ｋ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３１（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３１に代えてＡｕＳｎコンタクト金属層を用いてもよい。
【００２６】
そして、該ＡｕＳｂコンタクト金属層３１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１０ｄにより覆われている。基板側拡散阻止層１０ｄ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１０ｄはＴｉ系金属層に代えてＮｉ系金属層（例えばＮｉ層）あるいはＣｒ系金属層（例えばＣｒ層）としてもよい。そして、該基板側拡散阻止層１０ｄの全面を覆う形で、これと接するように結合用金属層１０ｋ（Ａｕ系金属層）が配置されている。
【００２７】
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１０ｃ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１０ｃ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１０ｋの層厚は２００ｎｍ以上１０μｍ以下とする。
【００２８】
以下、図１の発光素子１００の製造方法について説明する。
まず、図２の工程１に示すように、発光層成長用基板をなす半導体単結晶基板であるＧａＡｓ単結晶基板１の主表面に、ｐ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、さらにｐ型ＡｌＧａＡｓよりなる電流拡散層２０を例えば５μｍ、この順序にて周知のＭＯＶＰＥ（Metal-Organic Vapor Phase Epitaxy）法等によりエピタキシャル成長させる。また、その後、発光層部２４として、１μｍのｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層６、０．６μｍのＡｌＧａＩｎＰ活性層（ノンドープ）５、及び１μｍのｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層４を、この順序にエピタキシャル成長させる。
【００２９】
次に、工程２に示すように、発光層部２４の主表面に、ＡｕＧｅＮｉコンタクト金属層３２を分散形成する。ＡｕＧｅＮｉコンタクト金属層３２を形成後、次に、３５０℃以上５００℃以下の温度域で合金化熱処理を行なう。発光層部２４とＡｕＧｅＮｉコンタクト金属層３２との間には、上記合金化熱処理により合金化層が形成され、直列抵抗が大幅に低減される。その後、ＡｕＧｅＮｉコンタクト金属層３２を覆うようにＡｌ系金属層からなる反射金属層１０ｃを形成し（厚さ例えば３００ｎｍ）、次いでＴｉ系金属層からなる反射金属層側拡散阻止層１０ｆ（厚さ：例えば２００ｎｍ）を形成する。そして、それら反射金属層１０ｃ及び反射金属層側拡散阻止層１０ｆをさらに覆う形で、結合金属層となる第一Ａｕ系金属層１０ａ（厚さ：例えば２μｍ）を形成する。このとき、Ａｌ系反射金属層１０ｃは発光層部２４の主表面の外周縁部を除く領域を覆うように形成し、第一Ａｕ系金属層１０ａを、反射金属層１０ｃの外周縁よりも外側に張り出すように形成して、Ａｌ系反射金属層１０ｃの周側面を第一Ａｕ系金属層１０ａにより覆う。
【００３０】
他方、工程３に示すように、別途用意したＳｉ単結晶基板７（ｎ型）の両方の主表面に基板側コンタクト金属層となるＡｕＳｂコンタクト金属層３１，１６（前述の通りＡｕＳｎコンタクト金属層でもよい）を形成し、１００℃以上５００℃以下の温度域で合金化熱処理を行なう。そして、ＡｕＳｂコンタクト金属層３１上には、Ｔｉ系金属層からなる基板側拡散阻止層１０ｄ（厚さ：例えば２００ｎｍ）及び第二Ａｕ系金属層１０ｂ（厚さ：例えば２μｍ）をこの順序にて形成する。また、ＡｕＳｂコンタクト金属層１６上には裏面電極層１５（例えばＡｕ系金属層からなるもの）を形成する。以上の工程で各金属層は、スパッタリングあるいは真空蒸着等を用いて行なうことができる。
【００３１】
そして、工程４に示すように、Ｓｉ単結晶基板７側の第二Ａｕ系金属層１０ｂを、発光層部２４上に形成された第一Ａｕ系金属層１０ａに重ね合わせて圧迫して、８０℃以上５００℃以下、例えば２００℃にて貼り合せ熱処理することにより、基板貼り合わせ体５０を作る。Ｓｉ単結晶基板７は、第一Ａｕ系金属層１０ａ及び第二Ａｕ系金属層１０ｂを介して発光層部２４に貼り合わせられる。また、第一Ａｕ系金属層１０ａと第二Ａｕ系金属層１０ｂとは上記貼り合せ熱処理により一体化して結合用金属層１０ｋとなる。第一Ａｕ系金属層１０ａ及び第二Ａｕ系金属層１０ｂが、いずれも酸化しにくいＡｕを主体に構成されているため、上記貼り合せ熱処理は、例えば大気中でも問題なく行なうことができる。
【００３２】
ここで、第一Ａｕ系金属層１０ａとＡｌ系金属からなる金属反射層１０ｃとの間には、Ｔｉ系金属層からなる金属反射層側拡散阻止層１０ｆが介挿されている。金属反射層１０ｃがＡｌ系金属層の場合、もし金属反射層側拡散阻止層１０ｆが省略されていると、１１５℃前後の低温でも第一Ａｕ系金属層１０ａから金属反射層１０ｃへのＡｕ成分の拡散が著しく、これにより、金属反射層１０ｃの反射率が低下する不具合につながる（特に、波長４００ｎｍ以上５５０ｎｍ以下の青色から緑色にかけての発光波長域）。しかし、上記のように金属反射層側拡散阻止層１０ｆを設けると、貼り合わせ熱処理時の第一Ａｕ系金属層１０ａから金属反射層１０ｃへのＡｕ成分の拡散が効果的に抑制され、金属反射層１０ｃの反射率を良好に保つことができる。また、３６０℃までであれば、貼り合わせの熱処理温度を上昇させても、Ａｌ系金属からなる金属反射層１０ｃへのＡｕの拡散が顕著とならず、ひいては貼り合わせ温度を高めることで貼り合わせ強度を向上することができる。
【００３３】
また、第二Ａｕ系金属層１０ｂとＳｉ単結晶基板７（ＡｕＳｂコンタクト金属層３１）との間には、Ｔｉ系金属層からなる基板側拡散阻止層１０ｄが介挿されている。上記貼り合せ熱処理時にＳｉ単結晶基板７から第二Ａｕ系金属層１０ｂに向けたＳｉ成分の拡散が上記基板側拡散阻止層１０ｄによりブロックされ、貼り合わせにより一体化した結合用金属層（第一Ａｕ系金属層／第二Ａｕ系金属層）１０ａ，１０ｂひいては反射金属層１０ｃ側へのＳｉ成分の染み出しが効果的に抑制される。その結果、最終的に得られる反射金属層１０ｃの反射面がＳｉ成分により汚染される不具合が防止され、良好な反射率を実現することができる。また、第二Ａｕ系金属層１０ｂ（結合用金属層）を蒸着等により形成したりする際の熱履歴により、Ｓｉ単結晶基板７からＡｕＳｂコンタクト金属層３１を突き抜けてＳｉが拡散し、第二Ａｕ系金属層１０ｂの最表面にそのＳｉが湧き上がることがある。この沸き上がったＳｉが酸化されると、第二Ａｕ系金属層（結合用金属層）１０ｂと第一Ａｕ系金属層（結合用金属層）１０ａとの貼り合わせが著しく阻害される場合がある。しかし、上記のように基板側拡散阻止層１０ｄを形成しておけば、該Ｓｉの湧き上がりひいては酸化が効果的に抑制され、結合用金属層１０ｋによるＳｉ単結晶基板７と発光層部（化合物半導体層）２４との貼り合せ強度をより高めることができる。
【００３４】
次に、工程５に進み、上記基板貼り合わせ体５０を、例えば１０％フッ酸水溶液からなるエッチング液に浸漬し、バッファ層２と電流拡散層２０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、ＧａＡｓ単結晶基板１（発光層部２４からの光に対して不透明である）を、発光層部２４とこれに接合されたＳｉ単結晶基板７との積層体５０ａから剥離する。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。
【００３５】
Ａｌ系金属層からなる反射金属層１０ｃは、第一Ａｕ系金属層１０ａに包まれる形となり、Ａｌ系反射金属層１０ｃの外周面が、耐食性の高い第一Ａｕ系金属層１０ａの外周縁部１０ｅにより保護されるので、工程５において、発光層成長用基板（ＧａＡｓ単結晶基板１）をエッチングしても、その影響がＡｌ系反射金属層１０ｃに及びにくくなる。ＧａＡｓ単結晶基板１を発光層成長用基板として用い、これをアンモニア／過酸化水素混合液をエッチング液として用いて溶解・除去する場合、Ａｌは該エッチング液に特に腐食されやすいが、上記の構造を採用すれば、問題なくＧａＡｓ単結晶基板１を溶解除去できる。
【００３６】
そして、工程６に示すように、ＧａＡｓ単結晶基板１の除去により露出した電流拡散層２０の主表面の一部を覆うように、ワイヤボンディング用の電極（ボンディングパッド：図１）を形成する。以下、通常の方法によりダイシングして半導体チップとし、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なった後、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。
【００３７】
以上の実施形態では、Ａｌ系金属からなる反射金属層１０ｃを用いていたが、図３の発光素子２００のごとく、Ａｇ系金属からなる反射金属層１０ｇを用いることもできる。この場合、発光層部側コンタクト金属層として、ＡｇＧｅＮｉ（例えばＧｅ：１５質量％、Ｎｉ：１０質量％）よりなるＡｇ系コンタクト金属層１３２を分散形成する。その他の部分については、図１の発光素子１００と同一である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の発光素子の第一実施形態を積層構造にて示す模式図。
【図２】図１の発光素子の、製造工程の一例を示す説明図。
【図３】本発明の発光素子の第二実施形態を積層構造にて示す模式図。
【図４】種々の金属における反射率を示す図。
【符号の説明】
１ ＧａＡｓ単結晶基板（発光層成長用基板）
４ ｎ型クラッド層（第二導電型クラッド層）
５ 活性層
６ ｐ型クラッド層（第一導電型クラッド層）
７ Ｓｉ単結晶基板（素子基板）
９ 金属電極
１０ａ 第一Ａｕ系金属層（結合金属層）
１０ｂ 第二Ａｕ系金属層（結合金属層）
１０ｃ 反射金属層（Ａｌ系金属層）
１０ｇ 反射金属層（Ａｇ系金属層）
１０ｄ 基板側拡散阻止層（Ｔｉ系金属層）
１０ｆ 反射金属層側拡散阻止層（Ｔｉ系金属層）
２４ 発光層部
１００，２００ 発光素子
Claims (12)
- 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反射金属層が形成され、該反射金属層が結合用金属層を介して素子基板に結合されるとともに、前記反射金属層と前記結合用金属層との間に、該結合用金属層の金属成分が前記反射金属層側に拡散することを阻止する反射金属層側拡散阻止層が介挿され、
さらに、前記素子基板と前記結合用金属層との間に、導電性材料にて構成され、かつ、前記素子基板に由来した成分の前記結合用金属層への拡散を阻止する基板側拡散阻止層が介挿されてなることを特徴とする発光素子。 - 前記結合用金属層は、前記発光層部からの光に対して前記反射金属層よりも反射率の低い金属が使用されることを特徴とする請求項１記載の発光素子。
- 前記結合用金属層がＡｕを主成分とするＡｕ系金属層とされることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の発光素子。
- 前記反射金属層がＡｌを主成分とするＡｌ系金属とされることを特徴とする請求項３記載の発光素子。
- 前記反射金属層がＡｇを主成分とするＡｇ系金属とされることを特徴とする請求項３記載の発光素子。
- 前記反射金属層側拡散阻止層が、Ｔｉ、Ｎｉ及びＣｒのいずれか一つを主成分とする金属層であることを特徴とする請求項３ないし請求項５のいずれか１項に記載の発光素子。
- 前記反射金属層側拡散阻止層の厚さが１ｎｍ以上１０μｍ以下であることを特徴とする請求項６記載の発光素子。
- 前記結合用金属層がＡｕを主成分とするＡｕ系金属層とされてなり、前記素子基板がＳｉ基板であることを特徴とする請求項１に記載の発光素子。
- 前記基板側拡散阻止層がＴｉ、Ｎｉ及びＣｒのいずれか一つを主成分とする金属層であることを特徴とする請求項８記載の発光素子。
- 請求項１ないし請求項９のいずれか１項に記載の発光素子の製造方法であって、
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反射金属層が形成され、該反射金属層が結合用金属層を介して素子基板に結合された発光素子の製造方法において、
前記化合物半導体層の貼り合わせ側主表面と、前記素子基板の貼り合わせ側主表面との間に、前記反射金属層と、前記結合用金属層の金属成分が前記反射金属層側に拡散することを阻止する反射金属層側拡散阻止層と、前記結合用金属層と、前記素子基板に由来した成分の前記結合用金属層への拡散を阻止する基板側拡散阻止層とが、前記化合物半導体層の側からこの順序で積層された形で介在するように重ね合わせて貼り合わせすることを特徴とする発光素子の製造方法。 - 前記貼り合わせの際に熱処理を行なうことを特徴とする請求項１０記載の発光素子の製造方法。
- 前記化合物半導体層の前記貼り合わせ側主表面に、該主表面側から前記金属反射層と前記反射金属層側拡散阻止層と第一Ａｕ系金属層とをこの順で形成する一方、前記素子基板の貼り合わせ側主表面に第二Ａｕ系金属層を形成し、それら第一Ａｕ系金属層と第二Ａｕ系金属層とを密着させて貼り合わせることを特徴とする請求項１０又は請求項１１に記載の発光素子の製造方法。
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