WO2004097948A1 - 発光素子及び発光素子の製造方法 - Google Patents

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WO2004097948A1
WO2004097948A1 PCT/JP2004/004420 JP2004004420W WO2004097948A1 WO 2004097948 A1 WO2004097948 A1 WO 2004097948A1 JP 2004004420 W JP2004004420 W JP 2004004420W WO 2004097948 A1 WO2004097948 A1 WO 2004097948A1
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light
light emitting
metal layer
semiconductor layer
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PCT/JP2004/004420
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Kazunori Hagimoto
Jyun Ikeda
Masanobu Takahashi
Masato Yamada
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Shin-Etsu Handotai Co. Ltd.
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Definitions

  • Light emitting device and method for manufacturing light emitting device are Light emitting device and method for manufacturing light emitting device
  • the present invention relates to a light emitting device and a method for manufacturing the same.
  • a light-emitting device in which the light-emitting layer is formed of AlGaInP mixed crystal has a thin AlGaInP (or GaInP) active layer and an n-type with a larger band gap.
  • Such an A1GaInP double heterostructure is formed on the GaAs single crystal substrate by utilizing the fact that the A1GaInP mixed crystal lattice-matches with GaAs.
  • Each layer composed of nP mixed crystals can be formed by epitaxial growth.
  • a GaAs single crystal substrate is often used as it is as an element substrate.
  • the Al Ga InP mixed crystal that constitutes the light emitting layer has a larger band gap than GaAs, so that the emitted light is absorbed by the GaAs substrate, making it difficult to obtain sufficient light extraction efficiency. There is.
  • the contact metal layer in order to join the reflective Au layer to the light emitting layer while ensuring conduction, the contact metal layer must be interposed between the Au layer and the light emitting layer to ensure ohmic contact. Need to be inserted. Specifically, after a contact metal layer is formed on the light emitting layer by vapor deposition or the like, an alloying heat treatment is performed to reduce the contact resistance. For example, when the light extraction surface of the light emitting element is on the P-type layer side of the light-emitting layer portion, the Au layer is connected to the n-type layer side of the light-emitting layer portion.
  • the light-emitting layer is made of a III-V compound semiconductor such as A 1 G a In P
  • a Ge germanium
  • the contact metal layer is usually used as the contact metal layer to make ohmic contact with the n-type layer. ) Is compounded.
  • JP-A-7-66455 or JP-A-2001-339100 when Ge is blended in the contact metal layer, the Ge from the contact metal layer is formed when the alloying heat treatment is performed. Is directly diffused into the cladding layer forming the light emitting layer. Since this cladding layer is usually thin, the effect of Ge diffusion tends to extend to the non-doped active layer beyond the cladding layer, and there is a problem that the light emission intensity is greatly reduced.
  • An object of the present invention is to provide a light-emitting element in which an element substrate is bonded to a light-emitting layer portion via a contact metal layer and a reflective metal layer, even if a heat treatment for alloying the contact metal layer is performed.
  • a light-emitting element in which the influence of diffusion is less likely to reach the light-emitting layer portion, and by extension, the light-emitting capability of the light-emitting layer portion can be sufficiently obtained, and a method of manufacturing the same. Is to do. Disclosure of the invention
  • the light emitting device of the present invention is:
  • the first main surface of the compound semiconductor layer having the light emitting layer portion is a light extraction surface, and the compound semiconductor layer has a reflection surface on the second main surface side for reflecting light from the light emitting layer portion to the light extraction surface side.
  • a contact metal layer is disposed between the compound semiconductor layer and the main metal layer in order to reduce contact resistance between the main metal layer and the compound semiconductor layer.
  • the portion located between the light emitting layer and the light emitting layer has the property of transmitting light emitted from the light emitting layer, and suppresses the diffusion of components from the contact metal layer to the light emitting layer from the contact metal layer.
  • a diffusion block semiconductor layer According to the light emitting device of the present invention, the portion of the compound semiconductor layer located between the contact metal layer and the light emitting layer suppresses component diffusion from the contact metal layer to the light emitting layer from the contact metal layer. This is a diffusion block semiconductor layer.
  • the diffusion blocking semiconductor layer has a light-transmitting property with respect to the luminous flux emitted from the light emitting layer portion, there is no fear that the luminous flux involved in reflection is attenuated by absorption in the diffusion blocking semiconductor layer. Therefore, the light emitting ability of the light emitting layer portion can be sufficiently brought out, the light extraction efficiency by the reflection effect of the main metal layer can be improved, and a light emitting element with significantly improved light emission intensity can be realized.
  • the first main surface of the compound semiconductor layer having the light emitting layer portion is defined as a light extraction surface, and light from the light emitting layer portion is formed on the second main surface side of the compound semiconductor layer via the contact metal layer.
  • a main metal layer with a reflective surface that reflects light is arranged, and the element substrate is connected via the main metal layer.
  • a compound semiconductor layer comprising: a light emitting layer portion; and a diffusion block semiconductor layer that is disposed on the second main surface side of the light emitting layer portion and that suppresses component diffusion from the contact metal layer to the light emitting layer portion.
  • Forming a main metal layer on at least one of the main surface of the diffusion block semiconductor layer on which the contact metal layer is formed and the main surface of the element substrate, and bonding the element substrate and the compound semiconductor layer via the main metal layer It is characterized by the following.
  • a diffusion block semiconductor layer is formed on the second main surface side of the compound semiconductor layer having the light emitting layer portion, and the second main surface of the diffusion block semiconductor layer is further formed.
  • a contact metal layer is formed on the side, and alloying heat treatment for alloying the contact metal layer and the diffusion block semiconductor layer is performed. Accordingly, the diffusion of the component from the contact metal layer to the light emitting layer due to the alloying heat treatment is prevented by the diffusion blocking semiconductor layer, and the influence of the diffusion hardly reaches the light emitting layer.
  • the semiconductor layer for the diffusion block has a light-transmitting property with respect to the luminous flux from the light-emitting layer portion, there is no fear that the luminous flux involved in the reflection is attenuated by absorption in the semiconductor layer for the diffusion block. . Therefore, the light emitting ability of the light emitting layer portion can be sufficiently brought out, the light extraction efficiency by the reflection effect of the main metal layer is improved, and a light emitting element with significantly improved light emission intensity can be manufactured. it can.
  • the light emitting layer portion can be configured as having a double hetero structure in which an active layer is sandwiched between two cladding layers having different conductivity types, and a diffusion block semiconductor layer is disposed in contact with the other cladding layer.
  • the active layer having a double hetero structure is usually non-doped in order to improve the probability of radiative recombination.
  • the luminous efficiency is particularly likely to decrease due to the diffusion of these components (particularly, dopant components for forming ohmic contacts). Therefore, it is one of the structures particularly effective to provide a diffusion blocking semiconductor layer to suppress diffusion to the light emitting layer portion.
  • the doping concentration of the cladding layer is set to be relatively low so that the dopant diffusion into the active layer does not excessively proceed.
  • the thickness of the cladding layer is desirably set to be as small as possible to reduce the increase in series resistance.However, the component diffusion distance from the contact layer to the light-emitting layer through the cladding layer is shortened. More susceptible to component diffusion. Therefore, the provision of the diffusion block semiconductor layer as in the present invention has a more remarkable effect when the thickness of the cladding layer is small (for example, 0.3111 or more and less than 2111).
  • the thickness of the diffusion block semiconductor layer is desirably 1 / zm or more and 5 im or less. If the thickness of the diffusion block semiconductor layer is less than 1 ⁇ , the effect of hindering component diffusion from the contact layer to the light emitting layer portion becomes insufficient. On the other hand, when the thickness of the semiconductor layer for the diffusion block exceeds 5 ⁇ m, the effect is saturated, and the unnecessary growth of the unnecessarily thick diffusion block semiconductor layer by epitaxy increases.
  • the light-emitting layer is made of a group III-V compound semiconductor such as A1GaInP, Ge, Au, Ni, Zn, and Be contained in the contact metal layer are particularly light-emitting layer parts. Therefore, it is preferable that the diffusion block semiconductor layer is configured to suppress at least any one of these diffusions.
  • the light emitting device of the present invention can be configured as follows. That is, the diffusion block semiconductor layer is composed of an n-type III-V compound semiconductor, the light-emitting layer is composed of a III-V compound semiconductor lattice-matched with the diffusion block semiconductor layer, and The n-type layer side is disposed so as to be located on the diffusion block semiconductor layer side.
  • the contact metal layer may be composed of an alloy containing Ge. This is advantageous in forming good ohmic contact with the n-type III-V compound semiconductor.
  • the diffusion-blocking semiconductor layer suppresses Ge diffusion from the contact metal layer to the light-emitting layer, Ge diffusion to the light-emitting layer can be prevented. A decrease in luminous efficiency of the layer portion can be effectively suppressed.
  • the light emitting device of the present invention can be configured as follows. . That is, the diffusion block semiconductor layer is composed of a p-type III-V compound semiconductor, the light emitting layer is composed of a III-V compound semiconductor lattice-matched to the diffusion block semiconductor layer, and It is arranged so that the p-type layer side is located on the diffusion block semiconductor layer side.
  • the contact metal layer should be formed of an alloy containing Be, which is advantageous for forming a good ohmic contact with a P- type III_v compound semiconductor.
  • the semiconductor layer for the diffusion block is provided between the contact metal layer and the light emitting layer.
  • the light-emitting layer portion is configured to have a double heterostructure composed of A 1 GaInP, and one of the (n-type or!)-Type cladding layers has a semiconductor for a diffusion block.
  • the effect is particularly remarkable when the layers are arranged adjacent to each other.
  • the light-emitting layer portion composed of AlGaInP is generally grown by MOVPE (Metal-Organic Vapor Phase Epitaxy), but has few crystal defects.
  • the cladding layer is usually formed in a considerably thin film of not less than 0.3 ⁇ and not more than 2 ⁇ .
  • the diffusion rate of the Al Ga I 11? 0 6 ( n -type contact) there have medium is B e (for p-type contact), in the 660 ° C below the temperature range 350 ° C or higher to carry out the alloying heat treatment Relatively large. Therefore, a contact metal layer containing Ge or Be is directly formed on the n-type cladding layer made of A 1 Ga InP as described above.
  • the diffusion of Ge or Be into the A 1 G a InP active layer is particularly easy to occur, and the emission intensity is easily lowered.
  • a diffusion block semiconductor layer between the mold cladding layer and the mold cladding layer, such a problem can be effectively prevented or suppressed.
  • the semiconductor layer for the diffusion block is composed of 1 && 3 or 1 InP
  • the diffusion speed of Ge or Be is lower than A1GaInP, and the A1GaInP light emitting layer. Since the band gap is wider than that of the part, the transmissivity to the emitted light beam is good, and it can be suitably used in the present invention.
  • the contact metal layer for the n-type III-V group f semiconductor compound layer it is easy to achieve both the ease of alloying and the effect of reducing the contact resistance.
  • An AuGeNi alloy containing Ni and Ni, or an AgGeNi alloy containing Ag and Ge and Ni as main components can be effectively employed in the present invention.
  • the specific composition of the Au Ge Ni alloy or the Ag Ge Ni alloy is, for example, Ge: 0.1% by mass to 25% by mass, Ni: 0.1% by mass to 20% by mass, The composition of the remaining Au or Ag can be exemplified. If the composition is out of this range, the effect of reducing the contact resistance may not be sufficiently obtained.
  • Ni and Au (only in the case of AuGeNi alloy) easily diffuse into the light emitting layer, and the diffusion blocking semiconductor layer is assumed to block the diffusion of Ni or Au together with Ge. It is desirable to configure.
  • the aforementioned semiconductor layer for a diffusion block composed of A 1 Ga As or A 1 In P is excellent in the effect of blocking the diffusion of Au and Ni together with Ge, and can be suitably employed in the present invention. .
  • an AuBe alloy containing Au as a main component and containing Be as the contact metal layer for the p-type III-V compound semiconductor layer is used. It can be effectively adopted in the present invention.
  • the specific composition of the p-type III-V compound semiconductor layer alloy is, for example, Be: 0.1% by mass or more 25 A composition in which the content is Au or Ag and the balance is Au or Ag can be exemplified. If the composition is out of this range, the effect of reducing the contact resistance may not be sufficiently obtained.
  • the diffusion blocking semiconductor layer be configured to block the diffusion of Au together with Be.
  • the diffusion block semiconductor layer made of A1GaAs or A1InP described above has an excellent effect of blocking Au diffusion together with Be, and can be suitably employed in the present invention.
  • the part of the main metal layer forming the reflection surface can be an Au-based reflection layer containing Au as a main component.
  • the Au-based reflective layer has the advantages of high reflectivity and low dependence of the reflectivity on the incident angle.
  • the light emitting layer preferably emits visible light having a peak wavelength of 550 nm or more.
  • Figure 6 shows the wavelength dependence of the reflectivity of the Au layer (plot point “ ⁇ ”). It can be seen that there is strong absorption in the visible light region on the shorter wavelength side than the wavelength of 550 nm. Therefore, by setting the peak wavelength of the light emitting layer to 550 nm or more, it is possible to effectively suppress a decrease in reflectance and improve the light emission intensity. In addition, there is no problem in that the extracted light spectrum becomes different from the original light emission spectrum due to absorption or the light emission color tone changes. From this viewpoint, desirable color tone and peak wavelength range of light emission of the light emitting layer are as follows.
  • the reflectance is further improved and the light emission intensity can be increased.
  • the light-emitting layer is of yellow, amber, orange or red
  • the reflectance of the Au-based layer is particularly increased. And the effect of improving the light emission intensity becomes remarkable.
  • a light beam having such a color tone can be easily realized by adjusting the mixed crystal ratio of A 1 Ga InP described above.
  • the contact metal layer be made of, for example, an AuGeNi alloy in order to enhance the adhesion between the Au-based reflective layer and the contact metal layer.
  • the portion of the main metal layer that forms the reflection surface can be an A1-based reflection layer containing A1 as a main component.
  • Figure 6 also shows the wavelength dependence of the reflectance of the A1 layer (plot point “ ⁇ ”), but in the case of A1, even in the visible light range below 550 nm, strong absorption like Au is observed. However, it is much cheaper than Au, and can be suitably used in the present invention as a general-purpose reflective layer. In particular, in the emission wavelength range from blue to green with a wavelength of 400 nm or more and 550 nm or less, the reflectance is better than that of Au, which also contributes to the improvement of light extraction efficiency.
  • the contact metal layer for example, either an AuGeNi alloy or an AgGeNi alloy can be adopted, and there is no significant difference in adhesion between the contact metal layer and the A1-based reflective layer.
  • the peak wavelength of the light emitting layer is 400 nm or more and 550 nm or less, it is more advantageous to use an AgGeNi alloy with low absorption.
  • the portion of the main metal layer forming the reflection surface may be an Ag-based reflection layer containing Ag as a main component.
  • Ag-based reflective layers are less expensive than Au-based reflective layers, and exhibit better reflectivity than Au-based metals over almost the entire visible wavelength range (350 nm to 700 nm).
  • the wavelength dependence of the reflectance is small.
  • high light extraction efficiency can be realized regardless of the emission wavelength of the element.
  • a decrease in the reflectance due to the formation of an oxide film and the like is less likely to occur.
  • the plot point “garden” in FIG. 6 shows the wavelength dependence of the reflectance of Ag.
  • the plot point “X” is the Ag PdCu alloy.
  • the reflectivity of visible light is particularly good when the reflectivity of Ag is 350 nm or more and 700 nm or less (and in the infrared region on the longer wavelength side), particularly, 380 nm or more and 700 nm or less. Naturally, blue with a peak wavelength of 400 nm or more and 550 nm or less Good reflectance can be obtained even in a color to green emission wavelength range.
  • the reflectance in the visible light range is slightly lower (for example, 8 5 to 92%).
  • the Ag-based reflective film is less likely to form an oxide film than the A1-based reflective layer, a higher reflectance in the visible light region than A1 can be secured.
  • the light emitting layer having a blue-based peak wavelength may be, for example, an InGaA1N light-emitting layer.
  • an Ag-based reflective layer it is preferable to use an AgGeNi alloy for the contact metal layer because the adhesion to the Ag-based reflective layer is good and the present invention is suitable.
  • the contact metal layer disposed between the main metal layer and the semiconductor layer for the diffusion block be disposed in a dispersed manner on the main surface of the main metal layer.
  • the contact metal layer needs to be blended with a relatively large amount of an alloy component necessary for securing the ohmic junction, and has a slightly lower reflectivity because it involves alloying with the diffusion blocking semiconductor layer. Therefore, if the contact metal layer is dispersedly formed on the main surface of the main metal layer, a high reflectance can be secured in the non-formed region of the contact metal layer.
  • the formation area ratio of the contact metal layer to the main metal layer is 1%.
  • the content be at least 25%.
  • Contact metal layer formation area ratio is 1. /. If it is less than 25%, the effect of reducing the contact resistance will not be sufficient, and if it exceeds 25%, the reflection intensity will decrease.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing a light emitting device according to an embodiment of the present invention in a laminated structure.
  • FIG. 2 is an explanatory view showing an example of the manufacturing process of the light emitting device according to the present invention.
  • FIG. 3 is a schematic diagram showing a first modification of the light emitting device of the present invention in a laminated structure.
  • FIG. 4 is a schematic diagram showing a second modification of the light emitting device of the present invention in a laminated structure.
  • FIG. 5 is a schematic diagram showing a third modification of the light emitting device of the present invention in a laminated structure.
  • FIG. 6 is a diagram showing reflection spectra of various metals.
  • FIG. 7 is a schematic diagram showing a fourth modification of the light emitting device of the present invention in a laminated structure.
  • FIG. 8 is a view showing diffusion profiles of Ge, Au, and Ni into an A 1 GaAs substrate.
  • FIG. 1 is a conceptual diagram showing a light emitting device 100 according to one embodiment of the present invention.
  • the light-emitting element 100 is formed on the one main surface of an Si substrate 7 made of n-type Si (silicon) single crystal, which is a conductive substrate serving as an element substrate, via a main metal layer 10 via a light-emitting layer. It has a structure in which the compound semiconductor layer 60 including the portion 24 is bonded.
  • the main metal layer 10 is configured as an Au-based layer in which the entire reflecting surface 10 R is mainly composed of Au (a component having the highest mass content), and is formed on the light emitting layer portion 24 (compound semiconductor layer).
  • the first Au-based layer 10a and the second Au-based layer 10b formed on the Si substrate 7 are bonded by a bonding heat treatment.
  • the first Au-based layer 10a and the second Au-based layer 10b are made of pure Au or 11 alloy having an Au content of 95% by mass or more.
  • Emitting layer portion 24 A 1 G a I n P specifically, undoped (A 1 X G a x) y I ni - y P ( However, 0 ⁇ x ⁇ 0. 5 5, 0. 4 5 ⁇ an active layer 5 consisting of y ⁇ 0. .5 5) mixed crystal, the first-conductivity-type cladding layer, p-type in this embodiment (a l z G ai - z ) y I ⁇ ⁇ _ y P ( where x ⁇ z ⁇ l), a p-type cladding layer 6, and a second conductivity type cladding layer different from the first conductivity type cladding layer.
  • the emission wavelength is changed from green to red region (emission wavelength (peak (Emission wavelength) from 550 nm to 670 nm).
  • All of the A 1 Gain Ps constituting the light emitting layer portion 24 are lattice-matched with Ga As (with a difference in lattice constant of 1% or less).
  • the p-type A 1 G a I An nP cladding layer 6 is arranged, and an n-type A 1 G aI nP cladding layer 4 is arranged on the metal layer 10 side. Therefore, the current-carrying polarity is positive on the metal electrode 9 side.
  • “non-doped” means “does not actively add dopant”, and contains a dopant component that is unavoidably mixed in a normal production process (for example, 10 13 to 10 3 ). 10 16 / cni 3 is the upper limit).
  • a current diffusion layer 20 made of AlGaAs is formed on the main surface of the light-emitting layer portion 24 opposite to the surface facing the substrate 7, and the light-emitting layer portion is formed substantially at the center of the main surface.
  • a metal electrode (for example, an Au electrode) 9 for applying a light emission drive voltage to 24 is formed so as to cover a part of the main surface.
  • the area around the metal electrode 9 on the main surface of the current diffusion layer 20 forms a light extraction area from the light emitting layer section 24.
  • a metal electrode (back electrode: for example, an Au electrode) 15 is formed so as to cover the entire surface.
  • an Au Sb bonding layer 16 is interposed between the metal electrode 15 and the Si single crystal substrate 7 as a substrate-side bonding layer.
  • an Au Sn bonding layer may be used as the substrate-side bonding layer.
  • a contact metal layer 32 is disposed between the compound semiconductor layer 60 and the main metal layer 10 in order to reduce the contact resistance between the main metal layer 10 and the compound semiconductor layer 60.
  • a portion of the compound semiconductor layer 60 located between the contact metal layer 32 and the light emitting layer portion 24 has a property of transmitting light emitted from the light emitting layer portion 24 and has a contact metal property.
  • the diffusion blocking semiconductor layer 25 suppresses component diffusion from the layer 32 to the light emitting layer portion 24.
  • the contact metal layer 32 is an AuGeN i layer 32 (for example, Ge: 15% by mass, Ni: 10% by mass), It is dispersed and formed, and its formation area ratio is 1% or more and 25% or less.
  • the diffusion blocking semiconductor layer 25 is lattice-matched to Al GaAs, specifically, the n-type cladding layer 4 (within 1% difference in lattice constant), and has a wider band gap than the active layer 5. So that the Al As mixed crystal ratio a of Al a G ai — a As is 0.4 It consists of A 1 G a As adjusted to 1 or more.
  • the thickness t of the diffusion block semiconductor layer 25 is 1 or more and 5 ⁇ or less.
  • the light from the light emitting layer portion 24 is extracted in such a manner that the light reflected directly by the main metal layer 10 is superimposed on the light directly emitted to the light extraction surface side.
  • the thickness of the main metal layer 10 is desirably 80 nm or more in order to ensure a sufficient reflection effect. There is no particular upper limit on the thickness, but the reflection effect is saturated, so the thickness is appropriately determined in consideration of cost (for example, 1 ⁇ or less).
  • a p-type GaAs buffer layer 2 is formed on a main surface of a GaAs single crystal substrate 1 which is a semiconductor single crystal substrate forming a substrate for emitting a light emitting layer.
  • the release layer 3 made of 5A1As is grown to 0.5 m, for example, and the current spreading layer 20 made of p-type AlGaAs is grown to 5 m, for example, in this order.
  • a 1 ⁇ p-type A 1 G a In P clad layer 6 an 0.6 ⁇ m / z A 1 G a In P active layer (non-doped) 5, and 1 ⁇ m
  • the n-type A1GaInP clad layer 4 of m and the diffusion block semiconductor layer 25 of 5 ⁇ of A1GaAs are epitaxially grown in this order. Epitaxial growth of each of these layers can be performed by a known MOVPE method.
  • the following material gases can be used as the source gas for the components of Al, Ga, In, P and As.
  • A1 source gas Trimethyl aluminum (TMA 1), triethyl aluminum (TEA 1), etc.
  • Ga source gas Trimethylgallium (TMGa), triethylgallium (TEGa), etc.
  • In source gas Trimethinoleindium (TM In), Trietinoleindium (TE In), etc.
  • ⁇ P source gas tert-heptyl phosphine (TB P), phosphine (PH 3), etc.. •
  • a s source gas tertiary butyl arsine (TBA), such as arsine (A s H 3). The following can be used as the dopant gas.
  • Mg source bis cyclopentadienyl oxygenate - such as Le magnesium (C p 2 Mg).
  • Zn source dimethyl zinc (DMZn), getyl zinc (DEZn), etc.
  • Si i-hara Silicon hydride such as monosilane. .
  • an AuGeNi layer 32 is dispersedly formed on the main surface of the diffusion block semiconductor layer 25.
  • an alloying heat treatment is performed at a temperature in the range of 350 ° C to 500 ° C, and then the first Au-based layer 1 is formed so as to cover the AuGe Ni layer 32.
  • Form 0a An alloying layer is formed between the diffusion block semiconductor layer 25 and the AuGeNi layer 32 by the alloying heat treatment, and the series resistance is significantly reduced.
  • the diffusion block semiconductor layer 25 has a light-transmitting property with respect to the emitted light beam from the active layer 5, there is a concern that the light beam involved in reflection is attenuated by absorption in the diffusion block semiconductor layer 25. Absent. Therefore, the light emitting ability of the light emitting layer portion 24 can be sufficiently obtained, and the light extraction efficiency by the reflection effect of the main metal layer 10 can be improved.
  • Fig. 8 shows the diffusion of Au, Ge, and Ni in the depth direction when the A1GaAs substrate coated with the AuGeNi layer was heat-treated at 450 ° C for 10 minutes.
  • the profile shows the result of measurement by Secondary Ion Mass Spectrometry (SIMS).
  • SIMS Secondary Ion Mass Spectrometry
  • Au Sb bonding layers 31 and 16 serving as substrate-side bonding layers are provided on both main surfaces of the separately prepared Si single crystal substrate 7 (n-type).
  • An alloying heat treatment is performed in a temperature range of 250 ° C or more and 359 ° C or less.
  • a second Au-based layer 10 b is formed on the Au Sb bonding layer 31, and a back electrode layer 15 (for example, made of Au-based metal) is formed on the Au Sb bonding layer 16.
  • each metal layer can be formed by using sputtering or vacuum evaporation.
  • Step 4 the second Au-based layer 10b on the side of the Si single crystal substrate 7 is overlaid and pressed on the first Au-based layer 10a formed on the light emitting layer portion 24. Then, the bonded substrate is subjected to a bonding heat treatment at a temperature higher than 180 ° C. and 360 ° C. or less, for example, 250 ° C., to produce a bonded substrate 50.
  • the Si single crystal substrate 7 is bonded to the light emitting layer section 24 via the first Au-based layer 10a and the second Au-based layer 10b.
  • the first Au-based layer 10a and the second Au-based layer 10b are bonded with sufficient strength by employing the above-mentioned bonding heat treatment, and the Au Sb bonding layer 31 and the AuGeN-i layer are bonded. Together with 32, it becomes a metal layer 10 (FIG. 1). Since both the first Au-based layer 10a and the second Au-based layer 10b are mainly composed of Au which is hardly oxidized, the above-mentioned bonding heat treatment can be performed without any problem, for example, even in the air. Naturally, even during this bonding heat treatment, the power diffusion block semiconductor layer 25 is provided, which has a possibility that Ge, Au and Ni may diffuse from the contact metal layer 32 toward the light emitting layer portion 24. Is less likely to affect the light emitting layer 24.
  • the substrate bonded body 50 is immersed in an etching solution composed of, for example, a 10% hydrofluoric acid aqueous solution, and the A 1 As release layer 3 formed between the buffer layer 2 and the light emitting layer portion 24 is formed.
  • GaAs single crystal substrate 1 emission layer (Which is opaque to light from the part 24) is removed from the laminate 50a of the light emitting layer part 24 and the Si single crystal substrate 7 bonded thereto.
  • an etch stop layer made of A1InP is formed in place of the A1As release layer 3, and a first etchant (for example, ammonia Z).
  • a first etchant for example, ammonia Z
  • the GaAs single crystal substrate 1 is removed by etching together with the GaAs buffer layer 2 using a hydrogen oxide mixed solution, and then a second etching solution (for example, hydrochloric acid) having a selective etching property to AlInP. (Hydrofluoric acid may be added to remove the A1 oxide layer) to remove the etch stop layer.
  • Step 6 the wire bonding electrode 9 (bonding pad: FIG. 1) is placed so as to cover a part of the main surface of the current diffusion layer 20 exposed by removing the Ga As single crystal substrate 1. Form. Thereafter, a semiconductor chip is diced by a usual method, fixed to a support, wire-bonded to a lead wire and the like, and then sealed with a resin to obtain a final light emitting element.
  • the semiconductor layer 25 for the diffusion block is configured by n-type A 1 InP instead of n-type A 1 G a As. You can do it.
  • a 1 bI r is set so that lattice matching is performed with the n-type cladding layer 4 made of AlGaI nP (within a lattice constant difference of 1% or less) and the band gap is wider than the active layer 5.
  • ⁇ - the a 1 P mixed crystal ratio b of b P it is preferable to adjust the 0.5 or more and 1 or less.
  • the manufacturing method is substantially the same as the process of FIG. 2, except that the first Ag-based layer 10a and the second Au-based layer 10b are replaced with a second Ag-based layer 110a and a second Ag-based layer in step 2.
  • layer 110b Fig. 4
  • AuGeN i layer 3 instead of 2
  • an AgGeNi layer 13 2 (FIG. 4) is formed.
  • the alloying heat treatment temperature is, for example, 350 ° C. or more and 500 ° C. or less. Further, the heat treatment temperature for bonding the first Ag-based layer 110a and the second Ag-based layer 110b can be substantially the same as that of the Au-based metal layer.
  • the main metal layer 10 is formed such that a portion forming the reflection surface is formed of the Ag-based layer 30 (for example, a material containing 95% by mass or more of Ag: this embodiment). In this example, it is formed as pure Ag), and the remaining part is configured as an Au-based layer (10a, 1Ob).
  • the contact metal layer is composed of an AgGeNi layer 1332.
  • the manufacturing process is as follows.In FIG. 2, an AgGeNi layer 1332 (FIG. 4) is formed instead of the AuGeNi layer 32, and the Ag-based layer is first covered so as to cover this. After forming 30, a first Au-based layer 10 a is formed.
  • the layer forming the reflection surface is an A1-based layer containing A1 as a main component (for example, containing 95% or more of A1 by mass). Thing: In the present embodiment, pure A 1) may be formed.
  • a layer 225 is a p-type AIGaAs layer, and an AuBe layer 232 is formed as a contact metal layer.
  • the diffusion blocking semiconductor layer 225 functions to suppress Au or Be from the 86 layer 232 from diffusing to the p-type cladding layer 6 side. The same effect can be obtained when an AuZn layer is used instead of the AuBe layer 232.
  • any of the embodiments other than using the Si substrate as the element substrate, it is also possible to use another conductive substrate, for example, a metal substrate such as A 1 (including an alloy).

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Abstract

　発光素子１００において、化合物半導体層６０と主金属層１０との間に、該主金属層１０と化合物半導体層６０との接触抵抗を減ずるためにコンタクト金属層３２が配置されている。そして、化合物半導体層６０の、コンタクト金属層３２と発光層部２４との間に位置する部分が、発光層部２４からの発光光束に対して透光性を有し、かつ、コンタクト金属層３２から発光層部２４への成分拡散を抑制する拡散ブロック用半導体層２５とされている。拡散ブロック用半導体層２５をＡｌＧａＡｓで構成すると、コンタクト金属層３２から発光層部２４へのＧｅ、Ｎｉ及びＡｕの拡散抑制に効果がある。これにより、コンタクト金属層及び反射用の金属層を介して素子基板を発光層部に結合した発光素子において、コンタクト金属層の合金化熱処理を行っても、該コンタクト金属層からの成分拡散の影響が発光層部に及びにくい発光素子を提供する。

Description

発光素子及び発光素子の製造方法
技術分野
本発明は発光素子及びその製造方法に関する。 明
背景技術 細 1
発光ダイォードゃ半導体レーザー等の発光書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、 A l Ga I n P混晶により発光層部が形成 された発光素子は、 薄い A l Ga I nP (あるいは G a I n P) 活性層を、 それよ りもパンドギャップの大きい n型 A 1 Ga I nPクラッド層と p型 A l G a I n P クラッド層とによりサンドィツ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 A 1 G a I n Pダブルへテロ構造は、 A 1 G a I nP混晶が Ga Asと格子整合することを利用して、 G a A s単結晶基 板上に Al Ga I n P混晶からなる各層をェ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 A l Ga I nP混晶は GaAsよりもパンドギャップが大きいため、 発光し た光が G a A s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 （例えば特開平 7— 66455号公報） 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、 特開 2001— 339100号公報をはじめとする種々の公報には、 成 長用の G a As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。 いずれも、 ダ ブルへテロ構造をなす発光層部の一方のクラッド層に、 Au層が直接形成された構 造となっている。
ところで、 反射用の Au層を発光層部に導通確保した状態で接合するためには、 A u層と発光層部との間にォーミックコンタクトを確保するために、 コンタクト金 属層を介挿する必要がある。 具体的には、 発光層部上にコンタクト金属層を蒸着等 で形成した後、 コンタクト抵抗を下げるために合金化の熱処理を行なう。 例えば、 発光素子の光取出面を発光層部の P型層側とする場合、 A u層には発光層部の n型 層側が結合される。 発光層部を A 1 G a I n P等の I I I一 V族化合物半導体で構 成するときは、 n型層とのォーミックコンタクトを取るために、 コンタクト金属層. には通常 Ge (ゲルマニウム） が配合される。
しかし、 上記特開平 7— 66455号公報あるいは特開 2001— 339100 号公報の構造では、 コンタクト金属層に Geを配合すると、 上記の合金化熱処理を 行った際に、 コンタ 'クト金属層からの Geが発光層部をなすクラッド層に直接拡散 することになる。 このクラッド層は通常薄いので、 該 Ge拡散の影響が、 クラッド 層を超えてノンドープとされた活性層にまで及びやすくなり、 発光強度を大幅に低 下させてしまう問題がある。
本発明の課題は、 コンタクト金属層及び反射用の金属層を介して素子基板を発光 層部に結合した発光素子において、 コンタクト金属層の合金化熱処理を行っても、 該コンタクト金属層からの成分拡散の影響が発光層部に及びにくく、 ひいては発光 層部の発光能力を十分に引き出すことができる発光素子と、 その製造方法とを提供 することにある。 発明の開示
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 主金属層を介して素子基板が結合された発光素子であって、
化合物半導体層と主金属層との間には、 該主金属層と化合物半導体層との接触抵 抗を減ずるためにコンタクト金属層が配置されてなり、 かつ、 化合物半導体層の、 コンタクト金属層と発光層部との間に位置する部分が、 発光層部からの発光光束に 対して透光性を有し、 かつ、 コンタクト金属層から発光層部への、 コンタクト金属 層からの成分拡散を抑制する拡散プロック用半導体層とされたことを特徴とする。 上記本発明の発光素子によると、 化合物半導体層の、 コンタクト金属層と発光層 部との間に位置する部分が、 コンタクト金属層から発光層部への、 コンタクト金属 層からの成分拡散を抑制する拡散プロック用半導体層とされている。 これにより、 コンタクト金属層から発光層部への成分拡散が拡散プロック用半導体層により妨げ られ、 ひいては該拡散の影響が発光層部に及ぴにくくなる。 また、 拡散ブロック用 半導体層は発光層部からの発光光束に対して透光性を有するので、 反射に関与する 光束が該拡散ブロック用半導体層での吸収により減衰する心配もない。 従って、 発 光層部の発光能力を十分に引き出すことができ、 主金属層の反射効果による光取出 し効率も良好となって、 発光強度が大幅に改善された発光素子が実現する。
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、 コンタクト金属層を介して、 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主金属層を配置し、 主金属層を介して素子基板が結合 された発光素子の製造方法であって、
化合物半導体層を、 発光層部と、 該発光層部の前記第二主表面側に配置されると ともに、 コンタクト金属層から発光層部への成分拡散を抑制する拡散ブロック用半 導体層とを有するものとして形成し、
該拡散ブロック用半導体層の前記第二主表面側にコンタクト金属層を形成し、 さ らに該コンタクト金属層と拡散ブロック用半導体層とを合金化する合金化熱処理を 行い、
コンタクト金属層が形成された拡散プロック用半導体層の主表面、 及び素子基板 の主表面の少なくともいずれかに主金属層を形成し、 主金属層を介して素子基板と 化合物半導体層とを貼り合わせることを特徴とする。
上記本発明の発光素子の製造方法によると、 発光層部を有した化合物半導体層の 第二主表面側に拡散プロック用半導体層を形成し、 さらに該拡散プロック用半導体 層の前記第二主表面側にコンタクト金属層を形成して、 コンタクト金属層と拡散ブ ロック用半導体層とを合金化する合金化熱処理を行なう。 これにより、 合金化熱処 理に伴うコンタクト金属層から発光層部への成分拡散が拡散ブロック用半導体層に より妨げられ、 ひいては該拡散の影響が発光層部に及びにくくなる。 また、 拡散ブ 口ック用半導体層は発光層部からの発光光束に対して透光性を有する.ので、 反射に 関与する光束が該拡散ブロック用半導体層での吸収により減衰する心配もない。 従 つて、 発光層部の発光能力を十分に引き出すことができ、 主金属層の反射効果によ る光取出し効率も良好となって、 発光強度が大幅に改善された発光素子を製造する ことができる。
発光層部は、 導電型の異なる 2つのクラッド層間に活性層を挟みこんだダブルへ テロ構造を有するものとして構成することができ、 拡散プロック用半導体層がー方 のクラッド層に接して配置されることが望ましい。 ダブルへテロ構造の活性層は、 発光再結合確率を向上させるために通常ノンドープにて構成され、 コンタクト層か らの成分拡散 （特に、 ォーミック接触形成用のドーパント成分） による発光効率の 低下を特に生じやすい。 従って、 拡散ブロック用半導体層を設けて、 発光層部への 拡散を抑制することが特に有効となる構造の一つである。 また、 クラッド層は、 活 性層へのドーパント拡散が過度に進まないよう、 ドーピングの濃度は比較的低めに 設定される。 このため、 クラッド層の厚さは、 直列抵抗の増加を軽減するためなる ベく薄く設定することが望ましいが、 クラッド層を経た発光層部までの成分拡散距 離が短くなるので、 コンタクト層からの成分拡散の影響をより受けやすくなる。 従 つて、 本発明のように拡散ブロック用半導体層を設けることは、 クラッド層厚さが 薄くなる場合 （例えば、 0 . 3 111以上2 111未満） に、 より顕著な効果を発揮す る。
拡散ブロック用半導体層の厚さは 1 /z m以上 5 i m以下であることが望ましい。 拡散プロック用半導体層の厚さが 1 μ πι未満では、 コンタクト層から発光層部へ向 かう成分拡散を妨害する効果が不十分となる。 他方、 拡散ブロック用半導体層の厚 さが 5 μ mを超えると効果が飽和し、 不必要に厚い拡散プロック用半導体層をェピ タキシャル成長させることによる無駄が多くなる。
発光層部が A 1 G a I n Pなどの I I I _ V族化合物半導体からなる場合、 コン タクト金属層に含有される G e、 A u、 N i、 Z n及び B eが特に発光層部への拡 散を生じやすいので、 拡散プロック用半導体層は、 これらの少なくともいずれかの 拡散を抑制するものとして構成することが望ましい。
発光層部を I I I _ V族化合物半導体にて構成し、 コンタクト金属層をその n型 層側に形成する場合は、 本発明の発光素子を次のように構成することができる。 す なわち、 拡散プロック用半導体層を n型の I I I一 V族化合物半導体にて構成し、 発光層部を該拡散ブロック用半導体層と格子整合する I I I一 V族化合物半導体に て構成し、 かつその n型層側を、 該拡散プロック用半導体層側に位置するように配 置する。 この場合、 コンタクト金属層は G eを含有した合金にて構成することが、 n型の I I I一 V族化合物半導体と良好なォーミック接触を形成する上で有利であ る。 そして、 拡散ブロック用半導体層は、 コンタクト金属層から発光層部への G e 拡散を抑制するものとすれば、 発光層部への Ge拡散を阻止することができ、 ひい ては Ge拡散による発光層部の発光効率低下を効果的に抑制することができる。 . また、 発光層部を I I I一 V族化合物半導体にて構成し、 コンタクト金属層をそ の P型層側に形成する場合は、 本発明の発光素子を次のように構成することができ る。 すなわち、 拡散ブロック用半導体層を p型の I I I一 V族化合物半導体にて構 成し、 発光層部は拡散ブロック用半導体層と格子整合する I I I一 V族化合物半導 体にて構成し、 かつその p型層側が、 該拡散ブロック用半導体層側に位置するよう に配置する。 この場合、 コンタクト金属層は B eを含有した合金にて構成すること 力 P型の I I I _v族化合物半導体と良好なォーミック接触を形成する上で有利 である。 そして、 拡散ブロック用半導体層は、 コンタクト金属層から発光層部への
B e拡散を抑制するものとすれば、 発光層部への B e拡散を阻止することができ、 ひいては B e拡散による発光層部の発光効率低下を効果的に抑制することができる。 上記構成は、 特に、 発光層部が A 1 Ga I n Pからなるダブルへテロ構造を有す るものとして構成され、 その一方の （n型又は！)型） クラッド層側に拡散ブロック 用半導体層が接して配置されている場合に、 とりわけその効果が顕著である。 すな わち、 A l Ga I n Pからなる発光層部は、 一般に MOVPE (Metal-Organic Vapor Phase Epitaxy：有機金属気相成長） 法により成長されることが多いが、 結 晶欠陥等の少ない良質な A 1 G a I nPを MOVPEにより厚膜に成長させること は非常に難しい。 従って、 そのクラッド層も通常、 0. 3 μπι以上 2 μηι以下と、 相当薄膜に形成される。 また、 Al Ga I 11 ?中の06 (n型コンタクト用） ある いは B e (p型コンタクト用） の拡散速度は、 合金化熱処理を行なう 350°C以上 660°C以下の温度域において比較的大きい。 そのため、 上記のような A 1 Ga I nPからなる n型クラッド層上に Geないし B eを含有したコンタクト金属層が直 接形成されていると、 A 1 G a I n P活性層への G eないし B eの拡散が特に進み やすく、 発光強度の低下を招きやすくなるが、 本発明のようにコンタクト金属層と n型クラッド層との間に拡散ブロック用半導体層を配置することで、 該不具合を効 果的に防止ないし抑制することができる。 この場合、 拡散ブロック用半導体層を、 1 && 3又は 1 I nPにて構成すると、 G eないし B eの拡散速度が A 1 G a I nPよりも小さく、 かつ、 A 1 Ga I nP発光層部よりもバンドギャップが広 いので、 発光光束に対する透光性も良好であり、 本発明に好適に採用することがで さる。
n型 I I I一 V族^ f匕合物半導体層に対するコンタクト金属層としては、 合金化の 容易性と、 接触抵抗の低減効果との両立が容易であることから、 A uを主成分とし て Geと N iとを含有する AuGeN i合金、 又は A gを主成分として Geと N i とを含有する AgGeN i合金を、 本発明に効果的に採用することができる。 Au G e N i合金あるいは Ag G e N i合金の具体的な組成は、 例えば G e : 0. 1質 量％以上 25質量％以下、 N i ： 0. 1質量％以上 20質量％以下、 残部 A u又は Agとする組成を例示でき、 この範囲外の組成では接触抵抗低減効果が十分に得ら れない場合がある。 この場合、 Geとともに N iや Au (AuGeN i合金の場合 のみ） も発光層部への拡散を生じやすく、 拡散ブロック用半導体層は、 Geととも に N iないし Auの拡散をブロックするものとして構成しておくことが望ましい。 前述の A 1 Ga As又は A 1 I n Pからなる拡散ブロック用半導体層は、 Geとと もに A uや N iの拡散をブロックする効果においても優れており、 本発明に好適に 採用できる。
他方、 p型 I I I一 V族化合物半導体層に対するコンタクト金属層としては、 n 型 I I I一 V族化合物半導体層の場合と同様の観点から、 A uを主成分として B e を含有する AuB e合金を、 本発明に効果的に採用することができる。 p型 I I I 一 V族化合物半導体層合金の具体的な組成は、 例えば B e ： 0. 1質量％以上25 質量％以下、 残部 Au又は A gとする組成を例示でき、 この範囲外の組成では接触 抵抗低減効果が十分に得られない場合がある。 この場合、 B eとともに Auも発光 層部への拡散を生じやすく、 拡散ブロック用半導体層は、 B eとともに Auの拡散 をプロックするものとして構成しておくことが望ましい。 前述の A 1 G a A s又は A 1 I n Pからなる拡散ブロック用半導体層は、 B eとともに Auの拡散をプロッ クする効果においても優れており、 本発明に好適に採用できる。
主金属層の反射面を形成する部分は、 A uを主成分とする A u系反射層とするこ とができる。 A u系反射層は反射率が高く、 また、 反射率の入射角依存性が小さい 利点がある。 この場合、 発光層部は、 ピーク波長が 550 nm以上の可視光を発光 するものであることが望ましい。 図 6に A u層の反射率の波長依存性を示すが （プ ロット点 「△」 ） 、 波長 550 nmより短波長側の可視光域に強い吸収があること がわかる。 そこで、 発光層部のピーク波長が 550 nm以上とすることで、 反射率 低下を効果的に抑制でき、 発光強度を向上させることができる。 また、 取り出され る光のスぺクトルが、 吸収により本来の発光スぺクトルとは異なるものとなったり 発光色調が変化したりする不具合も生じにくレ、。 この観点で、 発光層部の発光の望 ましい色調とピーク波長域は、 以下の通りである。
•黄緑系： 550 n m以上 580 n m未満
-黄色系： 580 n m以上 595 n m未満
•アンバー系： 595 nm以上 610 nm未満
·オレンジ系： 6.10 nm以上 630 nm未満
•赤色系： 630 n m以上 780 n m未満
なお、 図 6から明らかなように、 発光層部のピーク波長が、 望ましくは 58 O n m以上、 より望ましくは 600 nm以上のとき、 より反射率が向上し、 発光強度を 高めることができる。 この観点において、 発光層部は、 黄色系、 アンバー系、 ォレ ンジ系あるいは赤色系のものを採用するとき、 Au系層による反射率を特に高める ことができ、 発光強度向上効果が顕著となる。 こうした色調の発光光束は、 前述の A 1 Ga I nPの混晶比調整により容易に実現できる。 A u系反射層を用いる場合、 コンタクト金属層は、 例えば AuG e N i合金にて構成することが、 A u系反射層 とコンタクト金属層との密着性を高める上で望ましい。
一方、 主金属層の反射面を形成する部分は、 A 1を主成分とする A 1系反射層と することもできる。 図 6には A 1層の反射率の波長依存性も示しているが （プロッ ト点 「♦」 ) 、 A 1の場合は波長 550 nm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、 A u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 400 nm以上 550 nm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。 この場合、 コンタクト金属層は、 例えば AuGeN i合金又は A gGeN i合金のいずれを採用することも可能であり、 A 1系反射層 との密着性においても大きな差異は生じない。 ただし、 発光層部のピーク波長が 4 00 nm以上 550 nm以下である場合は、 吸収の少ない A g G e N i合金を用い ることがより有利である。
さらに、 主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。 A g系反射層は、 A u系反射層と比べれば安価であり、 しか も可視光の略全波長域 （350 nm以上 700 nm) 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 A 1系反射層と比較した場合、 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 6のプロ ット点 「園」 は A gの反射率の波長依存性を示す。 また、 プロット点 「X」 は Ag PdCu合金である。 A gの反射率は、 350 nm以上 700 nm以下 （また、 そ れより長波長側の赤外域） 、 特に、 380 nm以上 700 nm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 400 nm以上 550 nm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 A 1系反射層は A g系反射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 8 5 〜9 2 %) に留まっている。 他方、 A g系反射膜は A 1系反射層よりは酸化皮膜が 形成されにくいため、 A 1よりも高い反射率を可視光域に確保できる。 なお、 青色 系のピーク波長を有する発光層部としては、 例えば I n G a A 1 N系発光層部を例 示できる。 なお、 A g系反射層を用いる場合、 コンタクト金属層は A g G e N i合 金を用いることが、 A g系反射層との密着性も良好であり、 本発明に好適である。 主金属層と拡散ブロック用半導体層との間に配置するコンタクト金属層は、 主金 属層の主表面上に分散する形で配置することが好ましい。 コンタクト金属層はォー ミック接合確保のために必要な合金成分を比較的多量に配合する必要があり、 かつ、 拡散ブロック用半導体層との合金化を伴うので反射率が若干劣る。 そこで、 コンタ クト金属層を主金属層の主表面上に分散形成しておけば、 コンタクト金属層の非形 成領域で高い反射率を確保できる。 なお、 光取出効果を十分に高めるために、 主金 属層に対するコンタクト金属層の形成面積率 （主金属層の全面積にてコンタクト金 属層の形成面積を除した値である） は 1 %以上 2 5 %以下とすることが望ましい。 コンタクト金属層の形成面積率が 1。/。未満では接触抵抗の低減効果が十分でなくな り、 2 5 %を超えると反射強度が低下することにつながる。 図面の簡単な説明
図 1は、 本発明の発光素子の一実施形態を積層構造にて示す模式図。
図 2は、 本発明に係る発光素子の製造工程の一例を示す説明図。
図 3は、 本発明の発光素子の第一変形例を積層構造にて示す模式図。
図 4は、 本発明の発光素子の第二変形例を積層構造にて示す模式図。
図 5は、 本発明の発光素子の第三変形例を積層構造にて示す模式図。 図 6は、 種々の金属の反射スぺクトルを示す図。
図 7は、 本発明の発光素子の第四変形例を積層構造にて示す模式図。
図 8は、 A 1 G a A s基板への G e、 Au及び N iの拡散プロファイルを示す図。 発明を実施するための最良の形態
以下、 本発明を実施するための最良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 1 00を示す概念図である。 発光素 子 1 00は、 素子基板をなす導電性基板である n型 S i (シリコン） 単結晶よりな る S i基板 7の一方の主表面上に主金属層 1 0を介して、 発光層部 24を含む化合 物半導体層 6 0が貼り合わされた構造を有してなる。 主金属層 1 0は反射面 1 0 R 全体が Auを主成分 （最も質量含有率の高い成分） とする Au系層として構成され、 発光層部 24 (化合物半導体層） 上に形成された第一 Au系層 1 0 aと、 S i基板 7上に形成された第二 A u系層 1 0 bとが貼り合せ熱処理により貼り合わされたも のである。 本実施形態において第一 A u系層 1 0 a及び第二 A u系層 1 0 bは、 純 Auもしくは Au含有率が 9 5質量％以上の 11合金ょりなる。
発光層部 24は A 1 G a I n P、 具体的には、 ノンドープ （A 1 XG a x) y I n i— yP (ただし、 0≤x≤ 0. 5 5， 0. 4 5≤y≤ 0. .5 5) 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 （A l zG a i— z) y I η ι _yP (ただし x< z≤ l) 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 （A l zG a i— 2) y I nx_yP (ただし xく z ^ l) 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 5 5 0 nm以上 6 70 nm以下） にて調整できる。 発光層部 24を構 成する A 1 G a i n Pは、 いずれも G a A sと格子整合 （格子定数差にて 1 %以 内） するものである。 発光素子 1 00においては、 金属電極 9側に p型 A 1 G a I n Pクラッド層 6が配置されており、 金属層 10側に n型 A 1 G a I n P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カ卩を行なわない」 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 101 3〜1016/cni3程度を上限とする） をも排除するものではない。
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、 A l Ga As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、 S i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 A u電極である） 15が 形成されている。 金属電極 15が A u電極である場合、 金属電極 15と S i単結晶 基板 7との間には基板側接合層として、 Au S b接合層 16が介挿される。 なお、 ■ Au S b接合層 16に代えて Au S n接合層を基板側接合層として用いてもよい。 他方、 化合物半導体層 60と主金属層 10との間には、 該主金属層 10と化合物 半導体層 60との接触抵抗を減ずるためにコンタクト金属層 32が配置されている。 そして、 化合物半導体層 60の、 コンタクト金属層 32と発光層部 24との間に位 置する部分が、 発光層部 24からの発光光束に対して透光性を有し、 かつ、 コンタ クト金属層 32から発光層部 24への成分拡散を抑制する拡散ブロック用半導体層 25とされている。 本実施形態において、 コンタクト金属層 32は AuGeN i層 32 (例えば Ge ： 15質量％、 N i ： 10質量％) であり、 主金属層 10 (第一 八11系層10 &) 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、 拡散ブロック用半導体層 25は、 A l GaAs、 具体的には n型 クラッド層 4に格子整合し （格子定数差にて 1%以内） 、 かつ、 活性層 5よりもバ ンドギャップが広くなるように、 A l aGa i— aAsの A l As混晶比 aが 0. 4 以上 1以下に調整された A 1 G a A sよりなる。 なお、 拡散ブロック用半導体層 2 5の厚さ tは 1 以上 5 μηι以下である。
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、 主金属層 1 0によ る反射光が重畳される形で取り出される。 主金属層 1 0の厚さは、 反射効果を十分 に確保するため、 80 nm以上とすることが望ましい。 また、 厚さの上限に制限は 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 1 μπι以下） 。
以下、 図 1の発光素子 1 00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 G a A s単結晶基板 1の主表面に、 p型 G a A sバッファ層 2を例えば 0. 5 A 1 A sからなる剥離層 3を例えば 0. 5 m、 さらに p型 A l G aA sよ りなる電流拡散層 20を例えば 5 m、 この順序にてェピタキシャル成長させる。 また、 その後、 発光層部 24として、 1 μπαの p型 A 1 G a I n Pクラッド層 6、 0. 6 /zmの A 1 G a I n P活性層 （ノンドープ） 5、 及ぴ 1 μ mの n型 A 1 G a I n Pクラッド層 4を、 さらに、 5 μπιの A 1 G a A sよりなる拡散ブロック用半 導体層 2 5を、 この順序にェピタキシャル成長させる。 これら各層のェピタキシャ ル成長は、 公知の MOVPE法により行なうことができる。 A l、 G a、 I n、 P 及び A s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。
• A 1源ガス ： トリメチルアルミニウム （TMA 1 ) 、 トリェチルアルミニウム (TEA 1 ) など。
• G a源ガス： トリメチルガリウム （TMG a) 、 トリェチルガリウム （TEG a) など。
• I n源ガス： トリメチノレインジウム （TM I n) 、 トリェチノレインジウム （TE I n) など。
· P源ガス ： ターシャルプチルホスフィン （TB P) 、 ホスフィン （PH3) など。 • A s源ガス ： ターシャルブチルアルシン （TBA) 、 アルシン （A s H3) 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ェ-ルマグネシウム （C p 2Mg) など。
. Z n源：ジメチル亜鉛 （DMZ n) 、ジェチル亜鉛 （DE Z n) など。
(n型ドーパント）
• S i ί原：モノシランなどのシリコン水素化物など。 .
次に、 工程 2に示すように、 拡散ブロック用半導体層 2 5の主表面に、 AuG e N i層 3 2を分散形成する。 AuG e N i層 3 2を形成後、 3 50 °C以上 500 °C 以下の温度域で合金化熱処理を行ない、 その後、 AuG e N i層 3 2を覆うように 第一 A u系層 1 0 aを形成する。 拡散プロック用半導体層 2 5と AuG e N i層 3 2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。 また、 該合金化熱処理時において、 AuG e N i層 3 2から発光層部 2 4の n型クラッド層 4を経て活性層 5に向かう成分拡散、 すなわち、 G e、 Au及 ぴ N i成分の拡散が、 拡散ブロック用半導体層 2 5により妨げられ、 活性層 5が G e、 Au及び N i成分によって汚染される不具合が効果的に抑制される。 また、 拡 散プロック用半導体層 2 5は活性層 5からの発光光束に対して透光性を有するので、 反射に関与する光束が該拡散プロック用半導体層 2 5での吸収により減衰する心配 もない。 従って、 発光層部 24の発光能力を十分に引き出すことができ、 主金属層 1 0の反射効果による光取出し効率も良好となる。
図 8は、 上記 AuG e N i層にて被覆した A 1 G a A s基板を 4 50°Cにて 1 0 分熱処理したときの、 Au、 G e及ぴ N iの深さ方向の拡散プロファイルを、 二次 イオン質量分析法 (Secondary Ion Mass Spectrometry： S IMS) により測定し た結果を示すものである。 これによると、 A 1 G a A s基板側に G e、 Au及ぴ N iが多少拡散しているが、 いずれも 1 μΐη前後の拡散深さで濃度が 2桁程度減少し ており、 A l G a A sがこれらの元素に対する拡散ブロック層として有効であるこ とがわかる。
次に、 工程 3に示すように、 別途用意した S i単結晶基板 7 (n型） の両方の主 表面に基板側接合層となる A u S b接合層 31， 16 (前述の通り A u S n接合層 でもよい） を形成し、 250°C以上 359°C以下の温度域で合金化熱処理を行なう。 そして、 A u S b接合層 31上には第二 A u系層 10 bを、 Au S b接合層 16上 には裏面電極層 15 (例えば Au系金属よりなるもの） をそれぞれ形成する。 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 さる。
そして、 工程 4に示すように、 S i単結晶基板 7側の第二 Au系層 10 bを、 発 光層部 24上に形成された第一 A u系層 10 aに重ね合わせて圧迫して、 180°C よりも高温かつ 360°C以下、 例えば 250°C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。 S i単結晶基板 7は、 第一 Au系層 10 a及び第二 A u系層 10 bを介して発光層部 24に貼り合わせられる。 また、 第一 Au系層 1 0 aと第二 Au系層 10 bとは、 上記貼り合せ熱処理を採用することにより十分な 強度にて結合され、 Au S b接合層 31及び AuG eN-i層 32とともに金属層 1 0 (図 1) となる。 第一 Au系層 10 a及び第二 Au系層 10 bが、 いずれも酸化 しにくい A u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。 当然、 この貼り合わせ熱処理時にもコンタクト 金属層 32から Ge、 A u及ぴ N iが発光層部 24に向けて拡散する可能性がある 力 拡散ブロック用半導体層 25を設けてあるので、 該拡散の影響が発光層部 24 に及ぶ不具合が生じにくい。
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と発光層部 24との間に形成した A 1 As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 S i 単結晶基板 7との積層体 50 aから除去する。 なお、 A 1 A s剥離層 3に代えて A 1 I n Pよりなるエッチストップ層を形成しておき、 G a A s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 Z過酸化水素混合液） を用い て G a As単結晶基板 1を G a Asバッファ層 2とともにエッチング除去し、 次い で A l I n P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： A 1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。
そして、 工程 6に示すように、 Ga As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 9 (ボンデ イングパッド：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。
以下、 本発明の発光素子の変形例について説明する。
図 1の発光素子 100は、 図 3の発光素子 200のように、 拡散ブロック用半導 体層 25を、 n型 A 1 G a A sに代えて、 n型 A 1 I n Pにより構成することもで きる。 この場合、 Al Ga I nPよりなる n型クラッド層 4に格子整合し （格子定 数差にて 1%以内） 、 かつ、 活性層 5よりもバンドギャップが広くなるように、 A 1 b I r^— bPの A 1 P混晶比 bを、 0. 5以上 1以下に調整することが望ましい。 ' また、 図 4の発光素子 300は、 主金属層 110を、 A gを主成分とする A g系 金属層 （例えば、 Agを 95質量。 /0以上含有するもの：本実施形態では純 A g) と した例であり、 コンタクト金属層を Ag G e N i層 132 (例えば Ge : 15質 量％、 N i ： 10質量％) として構成している。 製造方法は、 図 2の工程と略同様 であるが、 工程 2において第一 Au系層 10 a及ぴ第二 A u系層 10 bに代えて第 — Ag系層 110 a及び第二 Ag系層 110 b (図 4) を用い、 AuGeN i層 3 2に代えて Ag G eN i層 1 3 2 (図 4) を形成するようにする。 合金化熱処理温 度は例えば 3 50°C以上 5 00°C以下である。 また、 第一 Ag系層 1 1 0 a及ぴ第 二 Ag系層 1 1 0 bの貼り合わせ熱処理温度は、 A u系金属層の場合と略同じ温度 域を採用できる。
また、 図 5の発光素子 400においては、 主金属層 1 0のうち、 反射面を形成す る部分を A g系層 30 (例えば、 A gを 9 5質量％以上含有するもの：本実施形態 では純 Ag) として形成し、 残余の部分を Au系層 （1 0 a， 1 O b) として構成 した例である。 コンタクト金属層は Ag G e N i層 1 3 2により構成している。 こ の場合の製造工程は、 図 2において、 AuG e N i層 3 2に代えて Ag G e N i層 1 3 2 (図 4) を形成し、 これを覆うように先に A g系層 3 0を形成した後、 第一 A u系層 1 0 aを形成する。 以降の工程は、 図 2と全く同じである。 なお、 図 5に おいて、 反射面を形成する層は、 A g系層 3 0に代えて、 A 1を主成分とする A 1 系層 （例えば、 A 1を 9 5質量％以上含有するもの：本実施形態では純 A 1 ) を形 成してもよい。
さらに、 図 7の発光素子 50 0は、 発光層部 24における: p型クラッド層 6、 活 性層 5及び n型クラッド層 4の積層順序を図 1とは逆順とし、 拡散ブロック用半導 体層 2 2 5を p型 A I Ga A s層とし、 コンタクト金属層として A uB e層 2 3 2 を形成した例である。 拡散ブロック用半導体層 2 2 5は、 八 6層2 3 2からの Auないし B eが p型クラッド層 6側に拡散することを抑制する働きをなす。 なお、 AuB e層 23 2に代えて Au Z n層を用いた場合も同様の効果が得られる。
また、 いずれの実施形態においても、 素子基板として S i基板を使用する以外に、 他の導電性基板、 例えば A 1 (合金含む） などの金属基板を用いることも可能であ る。

Claims

I . 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、 前記努光層部からの光を前記光取出面側に反射させる反 射面を有した主金属層を介して素子基板が結合された発光素子であって、
前記化合物半導体層と前記主金属層との間には、 該主金属層と化合物半導体層と
卩青
の接触抵抗を減ずるためにコンタクト金属層が配置されてなり、 かつ、 前記化合物 半導体層の、 前記コンタクト金属層と前記の 1発光層部との間に位置する部分が、 前記
8
発光層部からの発光光束に対して透光性を有し、 かつ、 前記コンタクト金属層から 前記発光層部への、 コンタクト金属層からの成分拡囲散を抑制する拡散ブロック用半 導体層とされたことを特徴とする発光素子。
2 . 前記発光層部は、 導電型の異なる 2つのクラッド層間に活性層を挟みこんだ ダブルへテロ構造を有するものとして構成され、 前記拡散プロック用半導体層が一 方のクラッド層に接して配置されていることを特徴とする請求の範囲第 1項に記載 の発光素子。
3 . 前記拡散プロック用半導体層の厚さが 1 μ m以上 5 μ m以下であることを特 徴とする請求の範囲第 1項又は第 2項に記載の発光素子。
4 . 前記発光層部は I I I—V族化合物半導体からなり、 前記拡散ブロック用半 導体層は、 前記コンタクト金属層に含有される G e、 A u、 N i、 Z n及び B eの 少なくともいずれかの拡散を抑制するものであることを特徴とする請求の範囲第 1 項ないし第 3項のいずれか 1項に記載の発光素子。
5 . 前記拡散ブロック用半導体層は n型の I I I一 V族化合物半導体からなり、 前記発光層部は前記拡散ブロック用半導体層と格子整合する I I I一 V族化合物半 導体にて構成され、 かつその n型層側が、 該拡散ブロック用半導体層側に位置する ように配置されてなり、
前記コンタクト金属層は G eを含有した合金からなり、 前記拡散ブロック用半導 体層は、 前記コンタクト金属層から前記発光層部への Ge拡散を抑制するものであ ることを特徴とする請求の範囲第 4項に記載の発光素子。
6. 前記コンタクト金属層は、 Auを主成分として Geと N iとを含有する Au GeN i合金、 又は A gを主成分として Geと N iとを含有する A g G e N i合金 - であることを特徴とする請求の範囲第 5項に記載の発光素子。
7. 前記拡散ブロック用半導体層は p型の I I I一 V族化合物半導体からなり、 前記発光層部は前記拡散ブロック用半導体層と格子整合する I I I一 V族化合物半 導体にて構成され、 かつその p型層側が、 該拡散ブロック用半導体層側に位置する ように配置されてなり、
前記コンタクト金属層は B eを含有した合金からなり、 前記拡散ブロック用半導 体層は、 前記コンタクト金属層から前記発光層部への B e拡散を抑制するものであ ることを特徴とする請求の範囲第 4項に記載の発光素子。
8. 前記コンタクト金属層は、 Auを主成分として B eを含有する AuB e合金 であることを特徴とする請求の範囲第 7項に記載の発光素子。
9. 前記発光層部が Al Ga I n Pからなるダブルへテロ構造を有するものとし て構成され、 その一方のクラッド層側に前記拡散プロック用半導体層が接して配置 されていることを特徴とする請求の範囲第 5項ないし第 8項のいずれか 1項に記載 の発光素子。
10. 前記拡散ブロック用半導体層が A 1 Ga As又は A 1 I nPからなること を特徴とする請求の範囲第 4項ないし第 9項のいずれか 1項に記載の発光素子。
11. 前記主金属層の前記反射面を形成する部分が Auを主成分とする Au系反 射層であることを特徴とする請求の範囲第 1項ないし第 10項のいずれか 1項に記 載の発光素子。
1 2 . 前記主金属層の前記反射面を形成する部分が A 1を主成分とする A 1系反 射層であることを特徴とする請求の範囲第 1項ないし第 1 0項のいずれか 1項に記 載の発光素子。
1 3 . 前記主金属層の前記反射面を形成する部分が A gを主成分とする A g系反 射層であることを特徴とする請求の範囲第 1項ないし第 1 0項のいずれか 1項に記 載の発光素子。
1 4. 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、 コンタクト金属層を介して、 前記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主金属層を配置し、 主金属層を介して素子 基板が結合された発光素子の製造方法であって、
前記化合物半導体層を、 前記発光層部と、 該発光層部の前記第二主表面側に配置 されるとともに、 前記コンタクト金属層から前記発光層部への成分拡散を抑制する 拡散プロック用半導体層とを有するものとして形成し、
該拡散プロック用半導体層の前記第二主表面側に前記コンタクト金属層を形成し、 さらに該コンタクト金属層と前記拡散ブロック用半導体層とを合金化する合金化熱 処理を行い、
前記コンタクト金属層が形成された前記拡散ブロック用半導体層の主表面、 及び 前記素子基板の主表面の少なくともいずれかに前記主金属層を形成し、 前記主金属 層を介して前記素子基板と前記化合物半導体層とを貼り合わせることを特徴とする 発光素子の製造方法。
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