TWI414076B - Manufacturing method of light-emitting element and light-emitting element - Google Patents

Description

發光元件之製造方法及發光元件

本發明係關於發光元件之製造方法及發光元件。

(專利文獻1)日本特開平7－66455號公報(專利文獻2)日本特開2001－339100號公報

使用於發光二極體或半導體雷射等發光元件之材料及元件構造經過長年進步之結果，元件內部之光電轉換效率正逐漸接近理論上之極限。據此，當想獲得更高亮度之元件時，元件之光取出效率便變得極為重要。例如，利用AlGaInP混晶形成發光層部之發光元件，係採用雙異質(double hetero)構造，該構造係以帶隙較大之n型AlGaInP包覆層與p型AlGaInP包覆層包夾薄的AlGaInP(或GaInP)活性層為三明治(sandwich)狀，藉此可實現高亮度之元件。此種AlGaInP雙異質構造係利用AlGaInP混晶可與GaAs進行晶格匹配，而藉由在GaAs單晶基板上磊晶成長由AlGaInP混晶構成之各層來形成。當利用此作為發光元件時，通常，往往直接利用GaAs單晶基板作為基板。然而，由於構成發光層部之AlGaInP混晶的帶隙較GaAs大，因此有其難點，亦即所發出的光被GaAs基板吸收，而難以得到足夠的光取出效率。為解決此問題，雖亦提出在基板與發光元件間***由半導體多層膜所構成之反射層之方法(例如專利文獻1)，但由於是利用所積層的半導體層折射率之差異，因此僅可反射特定範圍角度所射入的光，在原理上並無法期待大幅提高光取出效率。

因此，在包含專利文獻2之各種公報中，揭示了將成長用之GaAs基板加以剝離之外，亦揭示了將補強用之元件基板(具有導電性者：例如Si基板)透過反射用之Au層貼合於剝離面之技術。此Au層的優點為反射率高且反射率的入射角依存性小。

然而，上述方法中，當將形成反射層之Au層貼合於發光層部時，具有易產生剝離或反射率降低等不良情況的問題。本發明之課題在於提供一種發光元件之製造方法與藉此方法所製得之發光元件，該發光元件具有透過金屬層將發光層部與元件基板貼合之構造，且不易產生貼合強度或反射率降低等的構造。

為解決上述問題，本發明之發光元件製造方法，係把具有發光層部之化合物半導體層的第一主表面作為光取出面，於該化合物半導體層之第二主表面側透過金屬層來結合元件基板，該金屬層之與化合物半導體的接合面形成反射面，其特徵在於：將形成反射面之主金屬層形成在化合物半導體層之第二主表面，並且以被覆該主金屬層的方式配置AuSn系焊材所構成之第一焊材層；另一方面，在元件基板之第一主表面配置AuSn焊材構成之第二焊材層；使第一焊材層與第二焊材層彼此重疊，在該狀態下一邊進行加壓，一邊以高於AuSn系焊材之熔點，且低於主金屬層之熔點的溫度進行貼合熱處理，藉此使該等第一焊材層與第二焊材層結合而貼合。

又，本發明之發光元件係將具有發光層部之化合物半導體層的第一主表面作為光取出面，於該化合物半導體層的第二主表面側透過金屬層來結合元件基板，該金屬層之與該化合物半導體之接合面形成反射面；其特徵在於；將形成反射面之主金屬層形成在化合物半導體層之第二主表面，並且以被覆該主金屬層的方式配置由AuSn系焊材所構成之第一焊材層；另一方面，在元件基板之第一主表面配置由AuSn系焊材構成之第二焊材層；第一焊材層與第二焊材層係以熔融形態進行貼合來結合形成。

另，在本發明中，AuSn系焊材係將Au或Sn的其中之一作為主成分(質量50%以上)，而將另一成分作為質量含有率最高之副成分。

當透過金屬層將Si基板與化合物半導體層貼合時，為得到均勻的貼合狀態，較為有效的是，一邊加壓透過金屬層重疊元件基板與化合物半導體層之積層體，一邊進行貼合熱處理。然而，當加壓力過高時，在薄的化合物半導體層易產生龜裂或裂痕等，導致易產生製品良率降低之問題。但是如上所述，只要將AuSn系焊材所組成之第一焊材層與第二焊材層重疊，並在該狀態下，將貼合熱處理溫度設定在高於AuSn系焊材熔點的溫度進行貼合，即使未賦予一定程度的高壓力，亦能以較低的溫度得到均勻的貼合狀態，而有助於提高製品良率。

本發明可採用之元件基板並無特別限定種類，但本發明可適合採用特別是易確保貼合面之平坦性等，且較廉價之導電性基板如Si基板。又，亦能採用GaAS基板、GaP基板或SiC基板等其他半導體基板來取代Si基板。再者，當不需使用元件基板作為發光元件之通電路徑時，亦能使用玻璃基板或石英基板等絕緣性基板。

當採用Si基板作為元件基板時，構成第一焊材層與第二焊材層之AuSn焊材的熔點以不滿364℃較佳。此時，將貼合熱處理溫度設定成低於364℃之溫度，可抑制AuSn系焊材之Au成分與Si基板之Si成分的共晶反應，且可防止在進行貼合熱處理時Si從Si基板側湧現於主金屬層而降低反射率之不良情況。

此外，亦可使第一焊材層與第二焊材層其中之一為熔點不滿364℃之低溫AuSn系焊材，而另一方則為熔點364℃以上之高溫AuSn系焊材，並將貼合熱處理溫度設定為超過低溫AuSn系焊材之熔點且不滿高溫AuSn系焊材之熔點來進行貼合。以此方式，可抑制高溫AuSn系焊材側之熔融，且亦可藉由低溫AuSn系焊材之熔融而順利地進行貼合。尤其是主金屬層為Au系層時，將第一焊材層作為熔點364℃以上之高溫AuSn系焊材，藉此在進行貼合時，能抑制接觸於主金屬層之第一焊材層的熔融，並能抑制主金屬層之焊材受到侵蝕。

當欲將熔點設定為不滿364℃時，AuSn系焊材，例如能使用含有：以Au作為主成分(50質量%以上)、Sn超過質量16質量%不滿27質量%者。若Sn之含有量為質量16質量%以下或質量27質量%以上的話，則任一者之AuSn系焊材的熔點皆在Au－Si共晶溫度364℃以上，而有無法將熱處理溫度(係以AuSn系焊材之熔融作為前提)設定為不滿該364℃之情形。另外，AuSn系焊材亦可以Sn作為主成分(50質量%以上)，除了Au、Sn以外，為了進一步使AuSn系焊材低熔點化，亦可能含有Pb、Ga、Bi等副成分。此外，如前所述，當使第一焊材層與第二焊材層之其中之一為熔點364℃以上之高溫AuSn系焊材時，例如，亦可將Sn調整至10質量%以上16質量%以下、或27質量%以上35質量%以下之組成範圍(剩餘部分為Au)。

當採用上述組成將AuSn系焊材作為Au－Sn二元系合金時，貼合熱處理較佳係在(AuSn系焊材之融點以上)280℃以上360℃以下進行。若貼合熱處理溫度不滿280℃，則不能使上述組成之AuSn系焊材熔融。又，將貼合熱處理溫度設為360℃以下，藉此能更有效抑制Si基板之Si向AuSn系焊材擴散。

藉由使主金屬層含有95質量%以上之Au、Ag及Al的任一者，且再加上AuSn系焊材之Si擴散阻擋效果，而可得到反射率非常良好的反射面，有助於提高所製得之發光元件的光取出效率。

以下，參照所附圖式說明本發明之實施形態。

第1圖係表示本發明一實施形態之發光元件100之概念圖。發光元件100，在元件基板之Si基板7(由n型Si單晶所構成)之第一主表面上具有透過金屬層10貼合發光層部24之構造。發光層部24，具有以第一導電型包覆層(於本實施形態，為p型(Al_z Ga_{1 － z} )_y In_{1 － y} P(其中，x<z≦1)所構成之p型包覆層6)及與前述第一導電型包覆層不同之第二導電型包覆層(於本實施形態，為n型(Al_z Ga_{1 － z} )_y In_{1 － y} P(其中，x<z≦1)所構成之n型包覆層4)夾持活性層5(由無摻雜(Al_x Ga_{1 － x} )_y In_{1 － y} P(其中，0≦x≦0.55，0.45≦y≦0.55)混晶所構成)之構造，且可視活性層5之組成將發光波長在綠色至紅色區域(發光波長(峰值發光波長)為550nm以上670nm以下)進行調整。於發光元件100，在金屬電極9側配置有p型AlGaInP包覆層6，在金屬層10側配置有n型AlGaInP包覆層4。另外，此處所謂「無摻雜」係指「未積極添加摻雜物」之意，亦不排除含有一般製程中，不可避免混入之摻雜物成分(例如，以10^{1 3} ~10^{1 6} /cm³ 程度作為上限)。

又，在面向發光層部24之Si基板7的相反側的主表面上形成有由AlGaAs所構成之電流擴散層20，於該主表面之大致中央，以覆蓋該主表面一部分之方式形成有用以施加發光驅動電壓於發光層部24之金屬電極(例如Au電極)9。在電流擴散層20之主表面的金屬電極9周圍區域，則形成光取出區域(由發光層部24所發出)。發光層部24與電流擴散層20形成為化合物半導體層50。

又，在Si單晶基板7之背面以覆蓋其整體之方式形成有金屬電極(背面電極：例如Au電極)15。當金屬電極15為Au電極時，在金屬電極15與Si單晶基板7之間***有AuSb接合合金化層16(係將AuSb合金與Si合金化)以作為基板側接合合金化層。此外，只要接合合金化層可藉由與Si基板之合金化而能減低接觸阻抗，則材質並無特別限定。例如，亦可使用p型Si基板作為Si基板，此時，較佳係使用由Al或Al合金所組成之接合合金化層等。又，使用n型Si基板時，接合合金化層之材質亦不限於AuSb合金。

Si單晶基板7係將Si單晶錠加以切割、研磨而製得，其厚度，例如為100μm以上500μm以下。並隔著金屬層10貼合於發光層部24。金屬層10，本實施形態中，係由後述AuSn系焊材層10s與主金屬層10c所構成。

在發光層部24與金屬層10之間形成有AuGeNi接合合金化層32(例如，係將Ge：15質量%，Ni：10質量%，剩餘部分Au所組成之AuGeNi接合金屬層與發光層部24側之化合物半導體合金化者)以作為發光層部側接合合金化層，而有利於降低元件之串聯阻抗。AuGeNi接合合金化層32係分散形成於金屬層10之主表面上，其形成面積率為1%以上25%以下。又，於Si單晶基板7與金屬層10之間，以與Si單晶基板7之第一主表面接觸之方式，形成有作為基板側接合合金化層之AuSb接合合金化層31(例如，將Sb：5質量%，剩餘部分Au所組成之AuSn合金與形成基板7之Si合金化者)。此處，接合合金化層之材質亦不限於AuSb合金。

接著，該AuSb接合合金化層31之全面被覆有形成金屬層10之一部分的AuSn系焊材層10s。該AuSn系焊材層10s係含有以Au作為主成分且Sn在超過16質量%不滿27質量%之範圍，厚度為50nm以上5μm以下(本實施形態為Au－Sn二元合金(Sn含有量：例如為質量20%)，厚度為600nm)。接著，以覆蓋該AuSn系焊材層10s全面之方式將主金屬層10c(係形成金屬層10之一部分者)配置成與此接觸。AuSn系焊材層10s係分別與主金屬層10c及Si基板7側之接合合金化層31接觸配置。此AuSn系焊材層10s，如後述，係將第一焊材層10s1與第二焊材層10s2以熔融形態加以一體化者。

主金屬層10c係以Au、Ag或Al為主成分之金屬，具體而言，係由Au、Ag或Al之含有率95質量%以上之金屬所構成。該主金屬層10c形成反射面，而發光層部24所發出之光，係於直接照射於光取出面側之光上重疊被主金屬層10c所反射之反射光的形式加以取出。本實施形態中，主金屬層10c為純Au、或Au含有率在95質量%以上的Au合金所組成之Au系主金屬層。為充分確保反射效果，主金屬層10c之厚度較佳為80nm以上，又，主金屬層10c之厚度上限雖無特別限制，但為了使反射效果達到飽和，且兼顧成本，因此適當予以決定(例如10μm左右)。

此外，Si單晶基板7與金屬層10之間，及Si單晶基板7與背面側之電極15之間所設置之接合合金化層31,16，如前所述，不限於AuSb合金，例如亦能以AuSn合金構成。尤其是以AuSn合金構成與金屬層10間之接合合金化層31時，接合合金化層31本身有時亦可發揮Si從Si單晶基板7側向金屬層10側擴散之功能。此時，除了AuSn合金所構成之接合合金化層31之外，如上述，藉由設置AuSn焊材層10s，可更進一步改善Si向金屬層10側擴散之抑制效果。

以下，說明第1圖之發光元件100之製造方法。

首先，如第2圖之步驟1所示，在GaAs單晶基板1(為發光層成長用基板之半導體單晶基板)之主表面，以如下順序磊晶成長p型GaAs緩衝層2(例如0.5μm)、AlAs構成之剝離層3(例如0.5μm)、與p型AlGaAs構成之電流擴散層20(例如5μm)。又，然後，以如下順序磊晶成長1μm的p型AlGaInP包覆層6、0.6μm的AlGaInP活性層(無摻雜)5、以及1μm的n型AlGaInP包覆層4來作為發光層部24。

其次，如步驟2所示，以覆蓋已形成接合合金化層32之發光層部24的方式來形成主金屬層10c，並且以覆蓋該主金屬層10c之方式，藉由蒸鍍或濺鍍等來形成AuSn系焊材所構成之第一焊材層10s1。另一方面，如步驟3所示，在另行準備之Si單晶基板7(n型)兩邊之主表面，例如形成有AuSb接合金屬層，以100℃以上500℃以下的溫度區間進行合金化熱處理，藉此製成AuSb接合合金化層31,16。接著，在AuSb接合合金化層31上，藉由蒸鍍或濺鍍等形成AuSn系焊材所構成之第二焊材層10s2(第一焊材層10s1與第二焊材層10s2皆由熔點364℃以下之同一組成的AuSn二元系合金(Sn含有量：例如質量20%)所構成。又，各厚度皆為600nm)。又，在AuSb接合合金化層16上形成有背面電極層15(例如由Au系金屬所構成)。在以上製程中，各金屬層可使用濺鍍或真空蒸鍍等來進行。

接著，如步驟4所示，將第一焊材層10s1與第二焊材層10s2重疊並加壓，以溫度在焊材之熔點以上且不滿364℃，較佳係在280℃以上360℃以下，例如以300℃進行貼合熱處理。將Si單晶基板7透過第一焊材層10s1與第二焊材層10s2貼合於發光層部24。又，第一焊材層10s1與第二焊材層10s2藉由上述貼合熱處理進行一體化後形成AuSn系焊材層10s。

Au－Sn二元系焊材之情形，在Sn含有率超過16質量%不滿27質量%之範圍，熔點不滿364℃(係Au－Si二元共晶溫度)，而可一邊抑制Si從Si基板向焊材中擴散，一邊使第一焊材層10s1與第二焊材層10s2熔融進行貼合，故可容易以低溫、低壓實現均勻的貼合狀態。又，藉由上述AuSn系焊材層10s阻擋Si成分從Si單晶基板7向主金屬層10c擴散，可有效阻止Si成分向主金屬層10c側滲出。其結果，可防止最終所得之主金屬層10c反射面受到Si成分擴散污染之不良情況。

另一方面，焊材非上述AuSn系焊材時，由於藉由蒸鍍等形成第二焊材層10s2時之熱加工，使Si從Si單晶基板7穿透AuSb接合合金化金屬層31擴散，而有該Si湧現於第二焊材層10s2之最表面的情形。若此湧現之Si受到氧化，則會明顯阻礙第一焊材層10s1與第二焊材層10s2之貼合。然而，如上述，藉由使焊材層為AuSn系焊材層，即使在形成第二焊材層10s2時，亦能有效阻止因該熱加工所造成之Si之湧出甚至氧化，並能更提高藉由第一焊材層10s1與第二焊材層10s2進行貼合的Si單晶基板7與發光層部(化合物半導體層)24之貼合強度。

又，在上述製程中，由於使第一焊材層10s1與第二焊材層10s2熔融並進行貼合，因此貼合之加壓力只要5kPa以上1000kPa以下就可以。可以如此方式減低貼合之加壓力，藉此能有效抑制進行貼合處理時發光層部24之龜裂或裂痕之發生，尤其是可有效抑制配置於主金屬層10c與發光層部24間之散點狀接合金屬層32的周圍發生裂痕的不良情況，而可長期間維持良好的發光特性。

其次，進入步驟5，將上述基板貼合體浸漬於例如由10%氟酸水溶液所構成之蝕刻液，藉由選擇蝕刻形成於緩衝層2與發光層部24間的AlAs剝離層3，以將GaAs單晶基板1(對來自發光層部24的光為不透明)從發光層部24與接合於發光層部24之Si單晶基板7的積層體加以剝離、去除。此外，亦能採用以下步驟，亦即事先形成由AlInP所構成之蝕刻停止層來取代AlAs剝離層3，使用對GaAs具有選擇蝕刻性之第一蝕刻液(例如氨/過氧化氫混合液)，同時蝕刻去除GaAs緩衝層2與GaAs單晶基板1，接著，使用對AlInP具有選擇蝕刻性之第二蝕刻液(例如鹽酸：亦可添加氟酸作為去除Al氧化層用)來蝕刻去除蝕刻停止層。

接著，如步驟6所示，以覆蓋電流擴散層20(係將GaAs單晶基板1剝離後露出)之第一主表面一部分的方式形成線接合用之電極9(接合墊：第1圖)。以下，利用通常的方法進行切割而製成半導體晶片，並將該半導體晶片固定於支撐體且進行導線之線接合等後，進行樹脂密封，藉此可製得最終的發光元件。

此外，亦可使第一焊材層10s1與第二焊材層10s2的其中之一為熔點不滿364℃之低溫AuSn系焊材，而另一方則為熔點364℃以上之高溫AuSn系焊材，將貼合熱處理溫度設定為超過低溫AuSn系焊材之熔點、不滿高溫AuSn系焊材之熔點來進行貼合。所製得之發光元件的AuSn系焊材10s，第一焊材層10s1與第二焊材層10s係組成不同之焊材層，其一方發生熔融成為貼合之形態亦無任何改變。

尤其是，使第一焊材層10s1為熔點364℃以上之高溫AuSn系焊材，藉此可抑制在進行接合時接觸於主金屬層10c側之第一焊材層10s1(由高溫AuSn系焊材所構成)的熔融，且可抑制主金屬層10c之焊材受到侵蝕。高溫AuSn系焊材可以含有Sn在10質量%以上16質量%以下、或27質量%以上35質量%以下之任一範圍的Au－Sn二元系焊材所構成。尤其是，只要使用含有Sn27質量%以上35質量%以下(例如30質量%)者，即能減低焊材中的Au含有量，而可謀求低成本化。

又，元件基板亦能採用GaAs基板、GaP基板或SiC基板等其他半導體基板來取代Si基板7。再者，當不需使用元件基板來作為發光元件通電路徑時，亦能使用玻璃基板或石英基板等絕緣性基板。

1．．．GaAs單晶基板(發光層成長用基板)

4．．．n型包覆層

5．．．活性層

6．．．p型包覆層

7．．．Si單晶基板(元件基板)

9．．．金屬電極

10．．．金屬層

10c．．．主金屬層

10s．．．AuSn系焊材層

10s1．．．第一焊材層

10s2．．．第二焊材層

24．．．發光層部

100．．．發光元件

第1圖係以積層構造顯示本發明之發光元件之第1實施形態示意圖。

第2圖係顯示第1圖之發光元件之一製程例的說明圖。

1．．．GaAs單晶基板(發光層成長用基板)

4．．．n型包覆層

5．．．活性層

6．．．p型包覆層

7．．．Si單晶基板(元件基板)

9．．．金屬電極

10．．．金屬層

10c．．．主金屬層

10s．．．AuSn系焊材層

10s1．．．第一焊材層

10s2．．．第二焊材層

24．．．發光層部

100．．．發光元件

Claims (7)

1. 一種發光元件之製造方法，係將具有發光層部之化合物半導體層的第一主表面作為光取出面，於該化合物半導體層的第2主表面側透過金屬層來結合元件基板，該金屬層之與該化合物半導體層之接合面形成反射面，其特徵在於：將形成該反射面之主金屬層形成在該化合物半導體層之第二主表面，並且以被覆該主金屬層的方式配置AuSn系焊材所構成之第一焊材層；另一方面，在該元件基板之第一主表面配置AuSn焊材構成之第二焊材層；使該第一焊材層與該第二焊材層彼此重疊，在該狀態下一邊進行加壓，一邊以高於該AuSn系焊材之熔點、且低於該主金屬層之熔點的溫度進行貼合熱處理，藉此使該等第一焊材層與該第二焊材層結合而貼合，該元件基板為Si基板，於該Si基板與該第二焊材層之間，以與該Si基板之第一主表面及該第二焊材層之第二主表面接觸的方式形成有接合合金化層。
2. 如申請專利範圍第1項之發光元件之製造方法，其中，構成該第一焊材層與該第二焊材層之AuSn系焊材之熔點皆不滿364℃。
3. 如申請專利範圍第1或2項之發光元件之製造方法，其中，該AuSn系焊材係使用以Au作為主成分且含有 Sn超過16質量%、不滿27質量%。
4. 如申請專利範圍第3項之發光元件之製造方法，其中，該AuSn系焊材係由Au-Sn二元合金構成，且在280℃以上360℃以下進行該貼合熱處理。
5. 如申請專利範圍第1或2項之發光元件之製造方法，其中，該主金屬層係使用含有95質量%以上之Au、Ag及Al的任一者。
6. 一種發光元件，係將具有發光層部之化合物半導體層的第一主表面作為光取出面，於該化合物半導體層的第二主表面側透過金屬層來結合元件基板，該金屬層之與該化合物半導體之接合面形成反射面，其特徵在於：將形成該反射面之主金屬層形成在該化合物半導體層之第二主表面，並且以被覆該主金屬層的方式配置AuSn系焊材所構成之第一焊材層；另一方面，在該元件基板之第一主表面配置AuSn系焊材構成之第二焊材層；該第一焊材層與該第二焊材層係以熔融形態進行貼合來結合形成，該元件基板為Si基板，於該Si基板與該第二焊材層之間，以與該Si基板之第一主表面及該第二焊材層之第二主表面接觸的方式形成有接合合金化層。
7. 如申請專利範圍第6項之發光元件，其中，該AuSn系焊材係以Au作為主成分且含有Sn超過16質量%不滿27 質量%。