JP5416363B2 - 半導体発光素子及びその製造方法 - Google Patents
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現在、MOVPE法によって高品質の結晶が成長可能となってから、発光素子の内部効率は理論値限界値に近づきつつある。しかし、発光素子からの光取り出し効率はまだまだ低く、光取り出し効率を向上することが重要となっている。例えば、高輝度赤色LEDは、AlGaInP系の材料で形成され、導電性のGaAs基板上に格子整合する組成のAlGaInP系の材料から成るn型AlGaInP層とp型AlGaInP層とそれらに挟まれたAlGaInP又はGaInPから成る発光層(活性層)を有するダブルヘテロ構造を有する。
そこで、AlGaInP系の材料から成るダブルヘテロ構造を反射率の高い金属膜を介して、GaAs基板よりも熱伝導率の良いSi支持基板に貼り付け、その後、成長用に用いたGaAs基板を除去する方法が考案されている(例えば、特許文献1参照)。この方法を用いた場合には、反射膜として金属膜を用いている為、金属膜への光の入射角を選ばずに高い反射が可能となる。
光素子及びその製造方法を提供することにある。
本発明の第5の態様は、第1〜第3の態様のいずれかの半導体発光素子おいて、前記拡散調整層が、TiまたはNiからなることを特徴とする。
まず、GaAs基板等の成長用基板1上に、所定の波長の光を発する発光層5を含むAlGaInP系の材料などからなる半導体積層構造部15と、SiO2等からなる透明誘電体層8と、透明誘電体層8の一部に透明誘電体層8を貫通して形成され半導体積層構造部9にオーミック接触するオーミックコンタクト接合部9と、透明誘電体層8及びオーミックコンタクト接合部9に接して形成され発光層5からの光を反射する反射金属層10と、Siの拡散を抑制する拡散バリア層11と、母材がAuからなる発光構造側接合層12とを形成する。
一方、Si支持基板20上に、Si支持基板20にオーミック接触し且つSi支持基板20からのSi拡散を調整・制御する拡散調整層21と、母材がAuからなる支持基板側接合層22とを形成する。
次に、Si支持基板20の支持基板側接合層22と成長用基板1の発光構造側接合層12とを、加熱しながら圧接することにより接合して、接合金属層14を形成する(図1)。
接合後には、Si支持基板20に接合された成長用基板1を除去し、電極の形成、チップ化などのプロセス・素子製作工程を実施してLED素子を作製した。
また、拡散調整層21の厚さは、5nm以上500nm以下であることが好ましい。5nm未満であると、拡散調整層によるSiの拡散調整・規制が困難であると共に、オーミックコンタクトも兼ねさせる場合にはオーミックコンタクトが取れなくなる。また、500nmを超えると、Siの拡散によるAuSi共晶反応が難しくなる。
拡散調整層21の厚さは、より好ましくは10nm以上100nm以下の範囲とするのがよい。拡散調整層21の厚さが厚いと、拡散調整層21がバリア層として作用することがあるので、100nm以下がより好ましい。また、拡散調整層21が Si支持基板2
0とのオーミックコンタクト層としても働くことから、10nm以上の厚さがより好ましい。
なお、Si支持基板20と拡散調整層21との間に、オーミックコンタクト層を設けるようにしても良い。
属層14の接合界面に同程度のSi濃度を含むことになる。よって、接合金属層14中には、少なくともSi重量濃度が1%以上5%以下となる領域を含むのが好ましい。
透明誘電体層8には、SiO2、SiNまたはITOを用いるのが好ましい。また、金属反射層10には、Al、Ag、Auが好ましい。
[実施例]:Si拡散によりAu接合層でAuSi共晶合金を形成する場合
図3に示した構造を有する発光波長630nm付近の赤色LED素子を作製した。エピタキシャル成長方法、エピタキシャル層膜厚、エピタキシャル構造や電極形成方法及びLED素子製作方法は、以下の通りである。
成長用基板であるn型GaAs基板1上に、MOVPE法で、n型(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5Pエッチングストップ層(膜厚200nm、キャリア濃度1×1018/cm3)2、Siドープのn型GaAsコンタクト層(膜厚100nm、キャリア濃度1×1018/cm3)3、Siドープのn型(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5Pクラッド層(膜厚2000nm、キャリア濃度1×1018/cm3)4、アンドープ(Al0.1Ga0.9)0.5In0.5P活性層(膜厚900nm)5、Mgドープのp型(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5Pクラッド層(膜厚400nm、キャリア濃度1.2×1018/cm3)6、Mgドープのp型GaPコンタクト層(膜厚1000n
m、キャリア濃度1×1018/cm3)7を、MOVPE法で、順次積層成長させた。
MOVPE成長での成長温度は650℃とし、成長圧力は約6666Pa(50Torr)、各層の成長速度は0.3〜1.0nm/sec、V/III比は約200前後で行った
。V/III比とは、分母をTMGaやTMAlなどのIII族原料のモル数とし、分子をAsH3、PH3などのV族原料のモル数とした場合の比率(商)を指す。
MOVPE成長において用いる原料としては、例えばトリメチルガリウム(TMGa)、又はトリエチルガリウム(TEGa)、トリメチルアルミニウム(TMAl)、トリメチルインジウム(TMIn)等の有機金属や、アルシン(AsH3)、ホスフィン(PH3)等の水素化物ガスを使用した。また、n型半導体層の導電型決定不純物の添加物原料
としては、ジシラン(Si2H6)を用い、p型半導体層の導電型決定不純物の添加物原料としては、ビスシクロペンタジエニルマグネシウム(Cp2Mg)を用いた。
その他に、n型層の導電型決定不純物の添加物原料として、セレン化水素(H2Se)、モノシラン(SiH4)、ジエチルテルル(DETe)、ジメチルテルル(DMTe)を用いることもできる。その他に、p型層のp型添加物原料として、ジメチルジンク(DMZn)、ジエチルジンク(DEZn)を用いる事も出来る。
次に、上記オーミックコンタクト金属層付きLED用エピタキシャルウエハ上に、真空蒸着法によって、反射金属層10としてAl(アルミニウム)を200nm形成し、反射金属層10上に拡散バリア層11としてTi(チタン)を200nm形成し、更に、拡散バリア層11上に発光構造側接合層12としてAu(金)を500nm形成した(図3(a))。
次に、GaAsコンタクト層3表面にレジストやマスクアライナなどの一般的なフォトリソグラフィー技術を用いてレジストに電極形状をパターニングし、真空蒸着法によって直径100μmの円形部から放射状に幅l0μmの枝状に分配された表面電極31を形成した。表面電極31は、AuGe(金・ゲルマニウム合金)、Ti(チタン)、Au(金)を、それぞれ100nm、100nm、500nmの順に蒸着して形成した。表面電極31形成後、硫酸と過酸化水素水と水の混合液からなるエッチング液を用いて、形成した表面電極31をマスクとして、表面電極31の直下以外のGaAsコンタクト層3をエッチング除去し、選択性エッチングによってn型(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5Pクラッド層4を露出させた。更に、Si支持基板20の底面には、全面に裏面電極32を同じく真空蒸着法によって形成した。前記裏面電極32は、Ti(チタン)、Au(金)を、それぞれ100nm、500nmの順に蒸着した。その後、電極の合金化であるアロイ工程を、窒素ガス雰囲気中にて400℃に加熱し、5分間熱処理する事で行った(図3(d))。
ウエハ内でのLED素子取得率は、ウエハを10枚作製して平均97.4%という良好
な結果であった。本実施例では、オーミックコンタクト層でもあるTiの拡散調整層21が50nmと薄いために、貼り合せ工程における熱履歴によってSi支持基板20のSiがTi拡散調整層21を拡散貫通しAu接合金属層14まで到達する。その際に、接合金属層14の接合界面に異物等によって発生するボイド領域には、上記図1に示すように、溶融化されたAuSi共晶合金が入り込み、ボイドがAuSi共晶合金で埋められる。その為、その後のプロセス工程中の熱履歴や外力による、ボイド領域からのLEDエピタキシャル層の剥離が防止される。その結果としてLED素子取得率が高くなる。
本実施例では、拡散調整層21の厚さを50nmとしたが、5nm以上500nm以下の範囲内で、ボイドを共晶合金で埋めることができ、エピタキシャル層の剥離を抑制することができた。
上記実施例と同様に、図3に示した構造の発光波長630nm付近の貼り換え型赤色LED用エピタキシャルウェハを作製した。エピタキシャル成長の方法、エピタキシャル層膜厚、エピタキシャル層構造、反射金属層、オーミックコンタクト接合部、支持基板への貼る換え方法、エッチング方法等のプロセス工程やLED素子製作方法は、基本的に上記実施例と同じにした。以下に上記実施例とは異なる点を述べ、それに伴う相違を説明をする。
上記の通り作製されたLED素子の初期特性を評価した結果、20mA通電時(評価時)の発光出力5.23mW、動作電圧1.98Vという初期特性を有するLED素子が得られた。ウェハ内でのLED素子の取得率は、ウェハを10枚作製して平均75.6%と上
記実施例よりも低かった。
比較例では、Tiのオーミックコンタクト層が600nmと厚いために、LEDエピタキシャルウェハとSi支持基板20を貼り合せる工程における熱履歴によっては、Si支持基板20のSiがTiオーミックコンタクト層を超えて拡散することはほとんど無い。このため、貼り合せ工程において、接合金属層の接合界面の異物等によって、図2に示す様に、貼り付かないボイド領域が形成される。その結果、その後のプロセス工程中の熱履歴によってボイド領域内のガスが膨張してSi支持基板からLEDエピタキシャル層が剥離してしまい、ウェハ面内に接合金属層の接合界面が露出する。エピタキシャル層が剥離した部分は、LED素子が取得できない為に、LED取得率が低くなってしまう。
上記実施例では、活性層5はアンドープのバルク層としたが、活性層を多重量子井戸または歪み多重量子井戸としても良い。
上記実施例では、発光波長630nmの赤色LED素子を作製したが、同じAlGaInP系の材料を用いて製作される、それ以外のLED素子、例えば発光波長560nm〜660nmのLED素子にも適用でき、上記実施例と同様な効果が得られる。
上記実施例における表面電極形状とは異なる形状、例えば四角、菱形、多角形等に表面電極形状を変更してもよい。
上記実施例のように半導体光取り出し面に表面電極31を設け、導電性Si基板に裏面電極32を設ける構造以外にも、図4に示すように、半導体光取り出し面に表面電極33を設け、エッチングプロセスによって光取り出し面側と逆の導電型の半導体層上に第二の電極34を設ける発光素子構造においても、本発明の効果が得られる。
2 n型AlGaInPエッチングストップ層
3 n型GaAsコンタクト層
4 n型AlGaInPクラッド層
5 AlGaInP活性層
6 p型AlGaInPクラッド層
7 p型GaPコンタクト層
8 透明誘電体層
9 オーミックコンタクト接合部
10 反射金属層
11 拡散バリア層
12 発光構造側接合層
14 接合金属層
15 半導体積層構造部
20 Si支持基板
21 拡散調整層
22 支持基板側接合層
31 表面電極
32 裏面電極
Claims (9)
- 支持構造体と発光構造体を備える半導体発光素子であって、
前記支持構造体は、
Si支持基板と、母材がAuからなる支持基板側接合層とを有し、
前記発光構造体は、
所定の波長の光を発する発光層を含む半導体積層構造部と、前記発光層からの光を反射する反射金属層と、前記反射金属層の前記支持構造体側に設けられ、前記支持基板側接合層と接合する母材がAuからなる発光構造側接合層とを有し、
前記支持基板側接合層と前記発光構造側接合層とを接合することで接合金属層が形成され、
前記接合金属層の接合面部の少なくとも一部に、前記Si支持基板から拡散されたSiを用いたAuSi共晶合金の領域が形成され、
前記Si支持基板と前記支持基板側接合層との間には、前記AuSi共晶合金が形成される程度に、前記Si支持基板から前記支持基板側接合層へのSi拡散を調整する拡散調整層が設けられ、
前記発光構造側接合層と前記反射金属層との間には、前記反射金属層へのSiの拡散を抑制する拡散バリア層が設けられている
ことを特徴とする半導体発光素子。 - 請求項1に記載の半導体発光素子において、前記接合金属層中に、少なくともSi重量濃度が1%以上5%以下となる領域を含むことを特徴とする半導体発光素子。
- 請求項1又は2に記載の半導体発光素子において、前記拡散調整層の厚さが、10nm以上100nm以下であることを特徴とする半導体発光素子。
- 請求項1〜3のいずれかに記載の半導体発光素子において、前記拡散調整層が、Al、Pt、Pdのいずれかからなることを特徴とする半導体発光素子。
- 請求項1〜3のいずれかに記載の半導体発光素子において、前記拡散調整層が、TiまたはNiからなることを特徴とする半導体発光素子。
- 請求項1〜5のいずれかに記載の半導体発光素子において、前記半導体積層構造部と前記反射金属層との間に透明誘電体層を形成し、前記透明誘電体層の一部に当該透明誘電体層を貫通し前記半導体積層構造部及び前記反射金属層に接するようにしてオーミックコンタクト接合部を配置したことを特徴とする半導体発光素子。
- 請求項1〜6のいずれかに記載の半導体発光素子において、前記拡散バリア層が、Ni、Ti、Pt、W、Moのいずれかからなることを特徴とする半導体発光素子。
- 請求項6又は7に記載の半導体発光素子において、前記透明誘電体層が、SiO2またはSiNからなることを特徴とした半導体発光素子。
- 成長用基板上に、所定の波長の光を発する発光層を含む半導体積層構造部と、前記発光層からの光を反射する反射金属層と、Siの拡散を抑制する拡散バリア層と、母材がAuからなる発光構造側接合層とを形成する工程と、
Si支持基板上に、前記Si支持基板からのSi拡散を調整する拡散調整層と、母材がAuからなる支持基板側接合層とを形成する工程と、
前記支持基板側接合層と前記発光構造側接合層とを接合して接合金属層を形成し、前記接合金属層の接合面部の少なくとも一部に、前記Si支持基板から拡散されたSiを用いたAuSi共晶合金の領域を形成する工程と、
前記接合金属層の形成により前記Si支持基板に接合された前記成長用基板を除去する工程とを含み、
前記拡散調整層は、前記AuSi共晶合金が形成される程度の厚さとされることを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
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