(57)【要約】発光半導体基板２のＡｌＧａＩｎＰから成るｎ型半導体層１１の表面に遷移金属層を介してＡｕ層を設ける。ＧａとＡｕとの共晶点よりも低い温度の熱処理によってＡｕを遷移金属層１７を介してｎ型半導体層１１に拡散させ、２０〜１０００オングストロームの厚みを有し且つ光吸収率の小さいオーミックコンタクト領域４を形成する。遷移金属層及びＡｕ層を除去し、ｎ型半導体層１１及びオーミックコンタクト領域４の表面にＡｌから成る導電性を有する光反射層５を形成する。光反射層５に第１及び第２の接合金属層６，７を介して不純物がドープされたＳｉから成る導電性支持基板８を貼り合せる。
2004051758.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光を取り出すための一方の主面（１５）とこの一方の主面（１５）と反対側の他方の主面（１６）とを有し、且つ前記一方の主面（１５）と前記他方の主面（１６）との間に発光のための複数の化合物半導体層を有し、且つ前記複数の化合物半導体層の内の前記他方の主面（１６）に露出している化合物半導体層（１１）がガリウム（Ｇａ）を含む化合物半導体で形成されている半導体基板（２）と、
前記半導体基板（２）の一方の主面（１５）に接続された電極（３）と、
前記半導体基板（２）の前記他方の主面（１６）に露出している化合物半導体層（１１）の少なくとも一部にオーミック接触しており、且つ金属材料とガリウム（Ｇａ）との混合層から成るオーミックコンタクト領域（４）と、
前記半導体基板（２）の前記他方の主面（１６）に露出している化合物半導体層（１１）と前記オーミックコンタクト領域（４）とのいずれか一方又は両方を覆っており且つ導電性を有している光反射層（５）と備えていることを特徴とする半導体発光素子。
【請求項２】
前記オーミックコンタクト領域（４）はＧａとＡｕとの混合層から成ることを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子。
【請求項３】
前記オーミックコンタクト領域（４）の厚みは２０〜１０００オングストロームであることを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子。
【請求項４】
前記半導体基板（２）の前記他方の主面（１６）に露出している化合物半導体層（１１）は、
ＡｌｘＧａｙＩｎ１−ｘ−ｙＰ、ここで、ｘ，ｙは０≦ｘ＜１、０＜ｙ≦１、０＜ｘ＋ｙ≦１を満足する数値、から成る第１の化合物半導体、
ＡｌｘＧａｙＩｎ１−ｘ−ｙＡｓ、ここで、ｘ，ｙは０≦ｘ＜１、０＜ｙ≦１、０＜ｘ＋ｙ≦１を満足する数値、から成る第２の化合物半導体、及び
ＡｌｘＧａｙＩｎ１−ｘ−ｙＮ、ここで、ｘ，ｙは０≦ｘ＜１、０＜ｙ≦１、０＜ｘ＋ｙ≦１を満足する数値、から成る第３の化合物半導体
から選択された１つに導電型決定不純物が添加されたものであることを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子。
【請求項５】
前記光反射層（５）は、前記オーミックコンタクト領域（４）よりも反射率の大きい金属層であることを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子。
【請求項６】
前記金属層はアルミニウム層であることを特徴とする請求項５記載の半導体発光素子。
【請求項７】
更に、前記光反射層（５）に結合された導電性支持基板（８）を有していることを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子。
【請求項８】
前記導電性支持基板（８）は不純物を含むシリコン支持基板であり、更に、前記シリコン支持基板に接続された別の電極（９）を有することを特徴とする請求項７記載の半導体発光素子。
【請求項９】
前記オーミックコンタクト領域（４）は前記半導体基板（２）の他方の主面（１６）の一部のみに設けられ、前記光反射層（５）は前記オーミックコンタクト領域（４）と前記半導体基板（２）の前記他方の主面（１６）の前記オーミックコンタクト領域（４）が形成されていない部分との両方を覆っていることを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子。
【請求項１０】
前記半導体基板（２）は、
第１導電型のＧａ系化合物半導体から成る第１導電型半導体層（１１）と、
前記第１導電型半導体領域（１１）上に配置されたＧａ系化合物半導体から成る活性層（１２）と、
前記活性層（１２）上に配置された第１導電型と反対の第２導電型のＧａ系化合物半導体から成る第２導電型半導体層（１３）と
を備えていることを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子。
【請求項１１】
半導体発光素子を製造する方法であって、
光を取り出すための一方の主面（１５）とこの一方の主面（１５）と反対側の他方の主面（１６）とを有し、且つ前記一方の主面（１５）と前記他方の主面（１６）との間に発光のための複数の化合物半導体層を有し、且つ前記複数の化合物半導体層の内の前記他方の主面（１６）に露出している化合物半導体層（１１）がガリウム（Ｇａ）を含む化合物半導体で形成されている半導体基板（２）を用意する工程と、
前記半導体基板（２）の前記他方の主面（１６）の少なくとも一部に遷移金属を含む補助層（１７）を形成する工程と、
前記半導体基板（２）の前記ガリウムを含む化合物半導体層（１１）に前記補助層（１７）を介して拡散させることが可能な金属材料を含む層（１８）を前記補助層（１７）の上に形成する工程と、
前記補助層（１７）及び前記金属材料を含む層（１８）を伴なった前記半導体基板（２）に、前記ガリウムを含む化合物半導体層（１１）を構成する元素と前記金属材料との共晶点よりも低い温度の加熱処理を施して前記金属材料を前記補助層（１７）を介して前記ガリウムを含む化合物半導体層（１１）に導入して前記ガリウムを含む化合物半導体層（１１）を構成する元素と前記金属材料との混合層から成るオーミックコンタクト領域（４）を形成する工程と、
前記補助層（１７）及び前記金属材料を含む層（１８）を除去する工程と、
前記半導体基板（２）の前記他方の主面（１６）に露出している化合物半導体層（１１）と前記オーミックコンタクト領域（４）とのいずれか一方又は両方を覆うように導電性を有する光反射層（５）を形成する工程と
を備えていることを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
【請求項１２】
前記補助層（１７）及び前記金属材料を含む層（１８）を、前記半導体基板（２）の前記他方の主面（１６）の一部のみを覆うように形成することを特徴とする請求項１１記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項１３】
前記光反射層（５）を、前記オーミックコンタクト領域（４）と前記半導体基板（２）の前記他方の主面（１６）の前記オーミックコンタクト領域（４）が形成されていない部分との両方を覆うように形成することを特徴とする請求項１２記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項１４】
前記半導体基板（２）の前記他方の主面（１６）に露出している化合物半導体層（１１）は、
ＡｌｘＧａｙＩｎ１−ｘ−ｙＰ、ここで、ｘ，ｙは０≦ｘ＜１、０＜ｙ≦１、０＜ｘ＋ｙ≦１を満足する数値、から成る第１の化合物半導体、
ＡｌｘＧａｙＩｎ１−ｘ−ｙＡｓ、ここで、ｘ，ｙは０≦ｘ＜１、０＜ｙ≦１、０＜ｘ＋ｙ≦１を満足する数値、から成る第２の化合物半導体、及び
ＡｌｘＧａｙＩｎ１−ｘ−ｙＮ、ここで、ｘ，ｙは０≦ｘ＜１、０＜ｙ≦１、０＜ｘ＋ｙ≦１を満足する数値、から成る第３の化合物半導体
から選択された１つに導電型決定不純物が添加されたものであることを特徴とする請求項１１記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項１５】
前記半導体基板（２）の前記他方の主面（１６）に露出している化合物半導体層（１１）は、ＡｌｘＧａｙＩｎ１−ｘ−ｙＰ、ここで、ｘ，ｙは０＜ｘ＜１、０＜ｙ≦１、０＜ｘ＋ｙ≦１を満足する数値、から成る化合物半導体に導電型決定不純物が添加されたものであり、且つ前記ｘの値が０．４又はこれよりも大きく、且つ前記導電型決定不純物の濃度が１０１８ｃｍ−３又はこれよりも大きいことを特徴とする請求項１１記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項１６】
前記補助層は、
Ｃｒ、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｓｃ、Ｖ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｂｅから選択された少なくとも１種を含む層、
Ａｕ層とＣｒ層とＡｕ層との複合層、
Ｃｒ層とＮｉ層とＡｕ層との複合層、及び
Ｃｒ層とＡｕＳｉ層とＡｕ層との複合層
から選択された１つであることを特徴とする請求項１１記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項１７】
前記金属材料を含む層（１８）は、
金（Ａｕ）層、
Ａｕ層とＣｒ層とＡｕ層との複合層、
Ｃｒ層とＮｉ層とＡｕ層との複合層、及び
Ｃｒ層とＡｕＳｉ層とＡｕ層との複合層
から選択された１つであることを特徴とする請求項１１記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項１８】
前記オーミックコンタクト領域（４）はＧａとＡｕとの合金層から成ることを特徴とする請求項１１記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項１９】
前記オーミックコンタクト領域（４）厚みは２０〜１０００オングストロームであることを特徴とする請求項１１記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項２０】
前記光反射層（５）は、前記オーミックコンタクト領域（４）よりも反射率の大きい金属層であることを特徴とする請求項１１記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項２１】
前記金属層はアルミニウム層であることを特徴とする請求項２０記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項２２】
更に、前記光反射層（５）に導電性支持基板（８）を結合させる工程を有していることを特徴とする請求項１１記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項２３】
前記導電性支持基板（８）は不純物を含むシリコン支持基板であり、更に、前記シリコン支持基板に電極（９）を接続させる工程を有していることを特徴とする請求項２２記載の半導体発光素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】  本発明はＧａ系化合物半導体を有する半導体発光素子に関し、詳細には発光効率を改善することができる半導体発光素子に関する。
【背景技術】  従来の典型的な半導体発光素子は、導電性を有するＧａＡｓ等から成る支持基板と、ｎ型クラッド層と、活性層と、ｐ型クラッド層と、ｐ型クラッド層の一部に接続されたアノード電極と、支持基板に接続されたカソード電極とから成る。なお、以下、ｎ型クラッド層と活性層とｐ型クラッド層とを発光半導体領域と呼ぶことにする。この半導体発光素子では、活性層で発生した光はｐ型クラッド層を介して上面側に放射されると共にｎ型クラッド層側即ち下面側にも放射される。半導体発光素子の光取り出し面は上面側であるので、発光効率を向上させるために活性層から下面側に放射された光をいかに上面側に反射させるかが重要である。
活性層から下面側に放射した光を上面側に反射させるために、前述の基本構造の半導体発光素子の支持基板と発光半導体領域との間に、ブラッグ（Ｂｒａｇｇ）反射膜を配置する構造が知られている。ブラッグ反射膜は発光半導体領域と同様に一連のエピタキシャル成長工程で形成できるという利点を有する。しかし、ブラッグ反射膜は波長のスペクトル帯域の広い光に対して十分な反射率を有さない。
光反射率を向上させる別の方法として、前述の基本構造の半導体発光素子において発光半導体領域のエピタキシャル成長工程後にＧａＡｓ等の支持基板を除去し、発光半導体領域に光透過性基板を貼着し、更にこの光透過性基板の下面に光反射性を有する電極を形成することが知られている。しかし、この光透過性基板と光反射性電極とを設ける構造は、発光半導体領域と光透過性基板との界面における抵抗が起因してアノード電極とカソード電極との間の順方向電圧が比較的大きくなるという欠点を有する。
上記欠点を解決するための方法が本件出願人に係わる日本の特開２００２−２１７４５０号公報（以下、特許文献１と言う。）に開示されている。この特許文献１には、発光半導体領域の下面側にＡｕＧｅＧａ合金層を分散的に形成し、ＡｕＧｅＧａ合金層及びこれによって覆われていない発光半導体領域の下面をＡｌ等の金属反射層で覆い、更に、反射層に導電性支持基板を貼着することが開示されている。ＡｕＧｅＧａ合金層は例えばＡｌＧａＩｎＰ等の発光半導体領域に対して比較的良好にオーミック接触する。従って、この構造によると、アノード電極とカソード電極との間の順方向電圧を低下させることができる。
ところで、上記特許文献１のＡｕＧｅＧａ合金層は比較的厚く且つＧｅ（ゲルマニウム）を含んでいるので、比較的光吸収率が大きい。従って、ＡｕＧｅＧａ合金層と光反射層とから成る複合層の反射率は約３０％であって比較的小さい。このため、上記特許文献１の技術によって高い発光効率を有する半導体発光素子を得ることが困難であった。また、ＡｕＧｅＧａ合金層の表面モフォロジー（ｓｕｒｆａｃｅ  ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙ）即ちＡｕＧｅＧａ合金層の表面の平坦性が悪い。このため、導電性支持基板をＡｕＧｅＧａ合金層を有する発光半導体領域に容易且つ良好に貼り合せることができなかった。
【発明の開示】
そこで、本発明の目的は、発光効率の向上又は順方向電圧の低減が可能な半導体発光素子を提供することにある。
上記目的を達成するための本発明を、実施形態を示す図面の符号を参照して説明する。なお、請求の範囲及びここでの参照符号は、本願発明の理解を助けるために付されており、本願発明を限定するものではない。
本発明に従う半導体発光素子は、
光を取り出すための一方の主面１５とこの一方の主面１５と反対側の他方の主面１６とを有し、且つ前記一方の主面１５と前記他方の主面１６との間に発光のための複数の化合物半導体層を有し、且つ前記複数の化合物半導体層の内の前記他方の主面１６に露出している化合物半導体層１１がガリウム（Ｇａ）を含む化合物半導体で形成されている半導体基板２と、
前記半導体基板２の一方の主面１５に接続された電極３と、
前記半導体基板２の前記他方の主面１６に露出している化合物半導体層１１の少なくとも一部にオーミック接触しており、且つ金属材料とガリウム（Ｇａ）との混合層から成るオーミックコンタクト領域４と、
前記半導体基板２の前記他方の主面１６に露出している化合物半導体層１１と前記オーミックコンタクト領域４とのいずれか一方又は両方を覆っており且つ導電性を有している光反射層５と
備えている。
なお、前記オーミックコンタクト領域４はＧａとＡｕとの混合層から成ることが望ましい。
前記オーミックコンタクト領域４は２０〜１０００オングストロームの厚さを有していることが望ましい。
前記半導体基板２の前記他方の主面１６に露出している化合物半導体層１１は、
ＡｌｘＧａｙＩｎ１−ｘ−ｙＰ、ここで、ｘ，ｙは０≦ｘ＜１、０＜ｙ≦１、０＜ｘ＋ｙ≦１を満足する数値、から成る第１の化合物半導体、
ＡｌｘＧａｙＩｎ１−ｘ−ｙＡｓ、ここで、ｘ，ｙは０≦ｘ＜１、０＜ｙ≦１、０＜ｘ＋ｙ≦１を満足する数値、から成る第２の化合物半導体、及び
ＡｌｘＧａｙＩｎ１−ｘ−ｙＮ、ここで、ｘ，ｙは０≦ｘ＜１、０＜ｙ≦１、０＜ｘ＋ｙ≦１を満足する数値、から成る第３の化合物半導体
から選択された１つに導電型決定不純物が添加されたものであることが望ましい。
前記光反射層５は、前記オーミックコンタクト領域４よりも反射率の大きい金属層であることが望ましい。
前記光反射層は、アルミニウム層であることが望ましい。
更に、前記光反射層５に結合された導電性支持基板８を有していることが望ましい。
前記導電性支持基板８は不純物を含むシリコン支持基板であり、更に、前記シリコン支持基板に接続された別の電極９を有することが望ましい。
前記オーミックコンタクト領域４は前記半導体基板２の他方の主面１６の一部のみに設けられ、前記光反射層５は前記オーミックコンタクト領域４と前記半導体基板２の前記他方の主面１６の前記オーミックコンタクト領域４が形成されていない部分との両方を覆っていることが望ましい。
前記半導体基板２は、第１導電型のＧａ系化合物半導体から成る第１導電型半導体層１１と、前記第１導電型半導体領域１１上に配置されたＧａ系化合物半導体から成る活性層１２と、前記活性層１２上に配置された第１導電型と反対の第２導電型のＧａ系化合物半導体から成る第２導電型半導体層１３とを備えていることが望ましい。
半導体発光素子の好ましい製造方法は、
光を取り出すための一方の主面１５とこの一方の主面１５と反対側の他方の主面１６とを有し、且つ前記一方の主面１５と前記他方の主面１６との間に発光のための複数の化合物半導体層を有し、且つ前記複数の化合物半導体層の内の前記他方の主面１６に露出している化合物半導体層１１がガリウム（Ｇａ）を含む化合物半導体で形成されている半導体基板２を用意する工程と、
前記半導体基板２の前記他方の主面１６の少なくとも一部に遷移金属を含む補助層１７を形成する工程と、
前記半導体基板２の前記ガリウムを含む化合物半導体層１１に前記補助層１７を介して拡散させることが可能な金属材料を含む層１８を前記補助層１７の上に形成する工程と、
前記補助層１７及び前記金属材料を含む層１８を伴なった前記半導体基板２に、前記ガリウムを含む化合物半導体層１１を構成する元素と前記金属材料との共晶点よりも低い温度の加熱処理を施して前記金属材料を前記補助層１７を介して前記ガリウムを含む化合物半導体層１１に導入して前記ガリウムを含む化合物半導体層１１を構成する元素と前記金属材料との混合層から成るオーミックコンタクト領域４を形成する工程と、
前記補助層１７及び前記金属材料を含む層１８を除去する工程と、
前記半導体基板２の前記他方の主面１６に露出している化合物半導体層１１と前記オーミックコンタクト領域４とのいずれか一方又は両方を覆っており且つ導電性を有している光反射層５を形成する工程とを備えていることが望ましい。
前記補助層１７及び前記金属材料を含む層１８を、前記半導体基板２の前記他方の主面１６の一部のみを覆うように形成することが望ましい。
前記光反射層５を、前記オーミックコンタクト領域４と前記半導体基板２の前記他方の主面１６の前記オーミックコンタクト領域４が形成されていない部分との両方を覆うように形成することが望ましい。
前記半導体基板２の前記他方の主面１６に露出している化合物半導体層１１は、
ＡｌｘＧａｙＩｎ１−ｘ−ｙＰ、ここで、ｘ，ｙは０≦ｘ＜１、０＜ｙ≦１、０＜ｘ＋ｙ≦１を満足する数値、から成る第１の化合物半導体、
ＡｌｘＧａｙＩｎ１−ｘ−ｙＡｓ、ここで、ｘ，ｙは０≦ｘ＜１、０＜ｙ≦１、０＜ｘ＋ｙ≦１を満足する数値、から成る第２の化合物半導体、及び
ＡｌｘＧａｙＩｎ１−ｘ−ｙＮ、ここで、ｘ，ｙは０≦ｘ＜１、０＜ｙ≦１、０＜ｘ＋ｙ≦１を満足する数値、から成る第３の化合物半導体
から選択された１つに導電型決定不純物が添加されたものであることが望ましい。
前記半導体基板２の前記他方の主面１６に露出している化合物半導体層１１は、ＡｌｘＧａｙＩｎ１−ｘ−ｙＰ、ここで、ｘ，ｙは０＜ｘ＜１、０＜ｙ≦１、０＜ｘ＋ｙ≦１を満足する数値、から成る化合物半導体に導電型決定不純物が添加されたものであり、且つ前記ｘの値が０．４又はこれよりも大きく、且つ前記導電型決定不純物の濃度が１０１８ｃｍ−３又はこれよりも大きいものであることが望ましい。
前記補助層は、
Ｃｒ、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｓｃ、Ｖ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｂｅから選択された少なくとも１種を含む層、
Ａｕ層とＣｒ層とＡｕ層との複合層、
Ｃｒ層とＮｉ層とＡｕ層との複合層、及び
Ｃｒ層とＡｕＳｉ層とＡｕ層との複合層
から選択された１つであることが望ましい。
前記金属材料を含む層１８は、
金（Ａｕ）層、
Ａｕ層とＣｒ層とＡｕ層との複合層、
Ｃｒ層とＮｉ層とＡｕ層との複合層、及び
Ｃｒ層とＡｕＳｉ層とＡｕ層との複合層
から選択された１つであることが望ましい。
本発明に従うオーミックコンタクト領域４は、従来のＡｕＧｅＧａから成るオーミックコンタクト領域よりも光吸収率が低い。このため、オーミックコンタクト領域４での光吸収が抑制され、半導体基板２中で発生し且つ半導体基板２の他方の主面１６方向に放射した光の多くをオーミックコンタクト領域４とＧａ系化合物半導体層１１との界面で反射させることができる。また、オーミックコンタクト領域４が薄く形成されている時には、半導体基板２の中で発生し且つ半導体基板２の他方の主面１６方向に放射された光の一部がオーミックコンタクト領域４を通過し、その後反射層５で反射されて半導体基板２の一方の主面１５側に戻り、有効な光出力となる。このため、半導体発光素子の出力光量の増大を図り、発光効率を高めることができる。
また、本発明の好ましい実施形態に従って、オーミックコンタクト領域４を半導体基板２の他方の主面１６の一部に設ける場合において、出力光量が従来と同一で良い場合には、オーミックコンタクト領域４と光反射層５との界面における反射量が多くなる分だけ、オーミックコンタクト領域４の面積を増大させることができる。換言すれば、オーミックコンタクト領域４の面積を増大しても、出力光量を従来と同一にすることができる。このようにオーミックコンタクト領域４の面積を増大させると、発光時における電流通路の抵抗が小さくなり、順方向電圧が低下し、電力損失が小さくなり、発光効率が向上する。
本発明の好ましい実施形態に従って、光透過性を有するオーミックコンタクト領域４が２０〜１０００オングストロームと比較的薄く形成されている時には、オーミックコンタクト領域４での光吸収が少なくなり、オーミックコンタクト領域４と光反射層５との複合部分の反射率が大きくなる。
また、本発明に従う製造方法によれば、補助層１７の働きによって所望のオーミックコンタクト領域４を良好且つ容易且つ生産性良く形成することができる。即ち、遷移金属は化合物半導体を構成する元素を固相分解する機能及び半導体表面を清浄化する機能を有するため、遷移金属を含む補助層１７を介して半導体層と金属材料層とを加熱すると、比較的低温（共晶温度以下）で半導体材料と金属材料が固相拡散する。この低温の固相拡散によって形成されたオーミックコンタクト領域４は比較的薄い厚みを有し且つ光透過を妨害する金属材料（例えば、Ｇｅ）を含まない。このため、光吸収の少ないオーミックコンタクト領域４が得られる。
【図面の簡単な説明】  図１は本発明の第１の実施形態に従う半導体発光素子を示す断面図である。
図２は図１の半導体発光素子のＡ−Ａ線断面図である。
図３は図１の半導体発光素子の製造工程を説明するための発光半導体基板の断面図である。
図４は図３の発光半導体基板に遷移金属層と金層とを設けたものを示す断面図である。
図５は図４に示す発光半導体基板に熱処理を施してオーミックコンタクト領域を形成したものを示す断面図である。
図６は図５から遷移金属層と金層を除去したものを示す断面図である。
図７は図６の発光半導体基板に光反射層と第１の接合金属層を設けたものを示す断面図である。
図８図７のものに導電性シリコン支持基板を貼り合せたものを示す断面図である。
図９はオーミックコンタクト領域を形成する時の熱処理温度と本発明及び従来例に従うオーミックコンタクト領域と光反射層との複合層の反射率との関係を示す図である。
図１０は本発明に従う第２の実施形態の半導体発光素子を図１と同様に示す断面図である。
【発明を実施するための最良の形態】  第１の実施形態
次に、図１〜図９を参照して本発明の第１の実施形態に従う半導体発光素子１即ち発光ダイオード及びその製造方法を説明する。
本発明に従う半導体発光素子１は、図１に概略的に示すように、発光半導体領域としての発光半導体基板２と、第１の電極としてのアノード電極３と、本発明に従うオーミックコンタクト領域４と、光反射層５と、第１及び第２の接合金属層６、７と、導電性支持基板としてのシリコン支持基板８と、第２の電極としてのカソード電極９と、電流ブロック層１０とから成る。
発光半導体基板２は、第１導電型半導体層としてのｎ型半導体層１１と、活性層１２と、第２導電型半導体層としてのｐ型半導体層１３と、ｐ型化合物半導体から成る電流拡散層１４とを順次にエピタキシャル成長させたものから成る。発光半導体基板２は、光取り出し側の一方の主面１５とこれと反対側の他方の主面１６とを有する。活性層１２で発生した光はｐ型半導体層１３と電流拡散層１４とを通って一方の主面１５から取り出される。
ｎ型クラッド層と呼ぶこともできるｎ型半導体層１１は、
化学式ＡｌｘＧａｙＩｎ１−ｘ−ｙＰ、
ここで、ｘ，ｙは０≦ｘ＜１、０＜ｙ≦１、０＜ｘ＋ｙ≦１を満足する数値、
から成るＧａ系化合物半導体にｎ型不純物（例えばＳｉ）をドーピングしたものから成る。ここで、Ａｌの割合ｘは好ましくは０．１５〜０．４５、より好ましくは０．２〜０．４である。また、Ｇａの割合ｙは好ましくは０．１５〜０．３５、より好ましくは０．４〜０．６である。ｎ型半導体層１１のｎ型不純物の濃度は５×１０１７ｃｍ−３以上であることが望ましい。このｎ型半導体層１１に含まれるＧａはオーミックコンタクト領域４の形成に寄与する。ｎ型半導体層１１は周知のように活性層１２よりも大きいバンドギャップを有する。
なお、図１のｎ型半導体層１１の位置にＡｌｘＧａｙＩｎ１−ｘ−ｙＰで示すことができる３−５族化合物半導体から成るｎ型コンタクト層を設け、このｎ型コンタクト層と活性層１２との間にｎ型クラッド層即ちｎ型半導体層を設けることができる。ｎ型コンタクト層とｎ型クラッド層との両方が設けられる時には、これ等を合わせて第１導電型半導体層と呼ぶこともできる。上記のｎ型コンタクト層を設ける時には、ｎ型クラッド層の材料をｎ型コンタクト層と別にすることができる。
ｎ型半導体層１１の上に配置された活性層１２は、発光層とも呼ぶことができるもあであり、化学式でＡｌｘＧａｙＩｎ１−ｘ−ｙＰ、ここで、ｘ，ｙは０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１を満足する数値、から成るｐ型の３−５族化合物半導体から成る。なお、ｘは０．１以上であることが望ましい。この実施形態では、活性層１２に導電型不純物が故意にドープされていないが、ｐ型半導体層１３よりも低い濃度でｐ型不純物をドープすること、ｎ型半導体層１１よりも低い濃度でｎ型不純物をドープすることも可能である。図１には単一の活性層１２が示されているが、これを周知の多重量子井戸（ＭＱＷ：Ｍｕｌｔｉ−Ｑｕａｎｔｕｍ−Ｗｅｌｌ）構造、又は単一量子井戸（ＳＱＷ：Ｓｉｎｇｌｅ−Ｑｕａｎｔｕｍ−Ｗｅｌｌ）構造にすることができる。
活性層１２の上に形成されたｐ型半導体層１３は、ｐ型クラッド層と呼ぶこともできるものであって
化学式ＡｌｘＧａｙＩｎ１−ｘ−ｙＰ、
ここでｘ，ｙは０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１を満足する数値、
で示すことができるｐ型の３−５族化合物半導体から成る。Ａｌの割合ｘは好ましくは０．１５〜０．４５の範囲に設定される。ｐ型クラッド層１３のｐ型不純物（例えばＺｎ）の濃度は例えば５×１０１７ｃｍ−３以上に決定される。ｐ型半導体層１３は周知のように活性層１２よりも大きいバンドギャップを有する。
ｐ型半導体層１３の上に配置された電流拡散層１４は発光半導体基板２に流れる順方向電流の分布の均一性を高める働きと、アノード電極３のオーミック接触を可能にする働きと、活性層１２で発光した光を素子の外部に導出する働きを有し、例えばＧａＰ、又はＧａｘＩｎ１−ｘＰ又はＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ等のｐ型の３−５族化合物半導体から成る。この電流拡散層１４のｐ型不純物濃度はｐ型半導体層１３よりも高く設定されている。なお、電流拡散層１４の上に更にｐ型コンタクト層を設けることもできる。
電流拡散層１４の中央上部に配置された電流ブロック層１０は絶縁層から成る。この電流ブロック層１０は発光半導体基板２の中央部に順方向電流が集中して流れることを防止する。
アノード電極３は例えば、Ｃｒ層とＡｕ層との複合層から成り、電流拡散層１４と電流ブロック層１０との上に配置され、電流拡散層１４にオーミック接触している。また、アノード電極３は順方向電流を均一に流すために基板２の主面１５に対して垂直な方向から見て網目又は格子状に形成されている。なお、アノード電極３を光透過性電極とすることもできる。
本発明に係わるオーミックコンタクト領域４は発光半導体基板２の他方の主面１６に分散配置されている。即ち、発光半導体基板２の他方の主面１６から見てｎ型半導体層１１に島状に埋め込まれた状態に各オーミックコンタクト領域４が形成されている。従って、発光半導体基板２の他方の主面１６には、各オーミックコンタクト領域４とこれ等の間のｎ型半導体層１１との両方が露出する。
各オーミックコンタクト領域４は実質的にＧａとＡｕのみの混合層又は合金層から成り、ｎ型半導体層１１及び光反射層５に対してオーミック接触している。ＧａＡｕ混合層から成る各オーミックコンタクト領域４は、好ましくは２０〜１０００オングストロームの厚さに形成される。オーミックコンタクト領域４の厚みが２０オングストロームよりも薄くなると、良好にオーミック接触をとることができなくなり、その厚みが１０００オングストロームを越えると、オーミックコンタクト領域４の光透過性が悪くなる。
ＡｕＧａ混合層から成るオーミックコンタクト領域４の光吸収率は、前記特許文献１のＡｕＧｅＧａ合金層の光吸収率よりも小さく、ＡｕＧａ合金層から成るオーミックコンタクト領域４の光透過率は、前記特許文献１のＡｕＧｅＧａ合金層の光透過率よりも大きい。即ち、前記特許文献１のＡｕＧｅＧａ合金層は、光透過を阻害するＧｅ（ゲルマニウム）を含み且つ２０００オングストローム以上の厚さを有するので、前記特許文献１のオーミックコンタクト領域では、オーミックコンタクト領域によって多くの光が吸収され、オーミックコンタクト領域を透過する光もほとんどない。これに対して、本実施形態のオーミックコンタクト領域４はＧｅを含まないＡｕＧａ混合層から成り且つ２０〜１０００オングストロームの比較的薄い厚さを有するので、光透過率が従来のＡｕＧｅＧａよりも大きくなる。
オーミックコンタクト領域４の表面及びｎ型半導体層１１の表面は光反射層５で覆われている。光反射層５の表面の反射率は、オーミックコンタクト領域４とｎ型半導体層１１との界面の反射率よりも大きい。活性層１２から発光半導体基板２の他方の主面１６側に放射された光の一部はオーミックコンタクト領域４の相互間のｎ型半導体層１１と光反射層５との界面で反射して発光半導体基板２の一方の主面１５側に戻され、光の別の一部はｎ型半導体層１１とオーミックコンタクト領域４との界面で反射して発光半導体基板２の一方の主面１５側に戻され、光の更に別の一部はオーミックコンタクト領域４を通過した後にオーミックコンタクト領域４と光反射層５との界面で反射して発光半導体基板２の一方の主面１５側に戻される。本実施形態では、活性層１２からオーミックコンタクト領域４側に放射した光に対するオーミックコンタクト領域４と光反射層５との複合層の光反射率、即ち、ｎ型半導体層１１とオーミックコンタクト領域４との界面の光反射率とオーミックコンタクト領域４と光反射層５との界面の光反射率との合計の光反射率が約６０％である。前述の特許文献１のＡｕＧｅＧａから成るオーミックコンタクト領域と光反射層との複合層の光反射率は約３０％であるので、本発明に従うオーミックコンタクト領域４と光反射層５との複合層の光反射率は大幅に改善される。本発明に従う光反射率の改善は、オーミックコンタクト領域４がＧｅを含まず実質的にＡｕＧａのみから成ること、及びオーミックコンタクト領域４が２０〜１０００オングストロームと極く薄いことによって達成されている。
第１の接合金属層６はＡｕから成り、光反射層５の下面全体に形成されている。第２の接合金属層７はＡｕから成り、導電性を有するシリコン支持基板８の一方の表面に形成されている。第１及び第２の接合金属層６，７は熱圧着法によって相互に結合されている。
導電性支持基板としてのシリコン支持基板８は、シリコンに不純物を導入したものであり、発光半導体基板２の機械的支持機能と放熱体としての機能と電流通路としての機能とを有する。
カソード電極９はシリコン支持基板８の下面全体に形成されている。シリコン支持基板８の代わりに金属支持基板を設ける場合には、これがカソード電極となるので、図１のカソード電極９を省くことができる。
図１の半導体発光素子１を製造する時には、まず図３の発光半導体基板２を用意する。図３の発光半導体基板２は、例えばＧａＡｓ基板（図示せず）上に周知のＭＯ  ＣＶＤ（Ｍｅｔａｌ  Ｏｒｇａｎｉｃ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法によってｎ型半導体層１１、活性層１２、Ｐ型半導体層１３、及び電流拡散層１４を順次にエピタモシャル成長させ、その後に前述のＧａＡｓ基板を除去することによって得る。
次に、発光半導体基板２の他方の主面１６即ちｎ型半導体層１１の表面上に例えばＣｒから成る遷移金属層とＡｕ（金）層とを真空蒸着法によって順次に形成する。次に、周知のフォトリソグラフィ技術によって金層上に所定パターンにエッチングマスクを形成し、このマスクを使用して金層及び遷移金属層を所定パターンにエッチングで除去し、図４に示す遷移金属層１７及び金層１８を得る。これにより、発光半導体基板２の他方の主面１６の一部が露出する。なお、図４のパターンに遷移金属層１７及び金層１８を形成するために、発光半導体基板２の他方の主面１６に開口を有するレジスト層を形成し、この開口の中及びレジスト層の上に遷移金属層１７と金層１８とを真空蒸着で形成し、しかる後、レジスト層及びこの上の遷移金属層１７と金層１８とを除去することもできる。図４の遷移金属層１７の厚みは１０〜５００オングストローム，金層１８の厚みは２００〜１００００オングストローム程度に決定される。
次に、図４に示す遷移金属層１７と金層１８とを伴なった発光半導体基板２に対してｎ型半導体層１１の中のＧａ（ガリウム）と金層１８のＡｕ（金）との共晶点即ち共融点（３４５℃）よりも低い温度であり且つ遷移金属層１７の助けを借りてＡｕ（金）又はこれに類似の金属をｎ型半導体層１１に拡散することができる温度（例えば３００℃）の加熱処理（アニール）を施す。これにより、金層１８のＡｕが遷移金属層１７を介してｎ型半導体層１１に拡散し、ＧａとＡｕとの混合層から成るオーミックコンタクト領域４が生じる。このオーミックコンタクト領域４を金層１８のＡｕ又はこれに類似の金属の拡散層と呼ぶこともできる。
上述の加熱処理の温度と時間は，オーミックコンタクト領域４の厚みを２０〜１０００オーグストロームの範囲に制限するように決定される。また、熱処理温度は、薄く且つ均一な厚みを有し且つ低い抵抗を有し且つｎ型半導体層１１に対して良好にオーミック接触する特性を有するオーミックコンタクト領域４を得ることが可能な任意の値に決定される。即ち、この熱処理温度は、Ｇａ（ガリウム）とＡｕ（金）との共晶点即ち共融点（３４５℃）よりも低い任意の温度に決定される。
図９の特性線Ａは本発明に従う熱処理温度の変化に対するオーミックコンタクト領域４と光反射層５との複合部分の反射率の変化を示し、特性線Ｂは前述の特許文献１のＡｕＧｅＧａから成るオーミックコンタクト領域を形成する時の熱処理温度の変化に対するＡｕＧｅＧａオーミックコンタクト領域と光反射層との複合部分の反射率の変化を示す。ここでの反射率の測定は波長６５０ｎｍの赤色光で行われている。
特性線Ｂに示す従来のＧｅ（ゲルエニウム）が含まれているオーミックコンタクト領域の場合には、３００℃の熱処理で反射率が約３０％であり、特性線Ａの本発明に従うＧｅを含まない場合には、３００℃の熱処理で反射率が約６０％である。従って、本発明によってオーミックコンタクト領域４と光反射層５との複合部分の反射率を３０％向上させることができる。図９の特性線Ａによれば熱処理温度が低いほど反射率が高くなっている。しかし、熱処理温度が低くなり過ぎると、オーミックコンタクト領域４とｎ型半導体層１１との間の接触抵抗が大きくなる。この接触抵抗を２×１０−４Ωｃｍ２以下に抑えるためには、熱処理温度を好ましくは２５０〜３４０℃、より好ましくは２９０〜３３０℃とする。
遷移金属層１７は、熱処理時にｎ型半導体層１１を構成しているＡｌＧａＩｎＰを各元素に分解し、各元素を動き易くする作用及びｎ型半導体層１１の表面を清浄化する作用を有する。遷移金属層１７の上記作用によってＧａとＡｕとの共晶点よりも低い温度の熱処理によってＡｕがｎ型半導体層１１に拡散し、ＧａとＡｕとの混合層又は合金層から成るオーミックコンタクト領域４が極薄く形成される。
次に、図５の熱処理後の遷移金属層１７及び金層１８をエッチングで除去して図６のオーミックコンタクト領域４を伴なった発光半導体基板２を得る。ＡｕとＧａとの共晶点よりも低い温度の熱処理で得たＡｕとＧａとの混合層から成るオーミックコンタクト領域４の表面モホロジーは前記特許文献１の共晶点以上の熱処理によるＡｕＧｅＧａから成るオーミックコンタクト領域の表面モホロジーよりも大幅に改善される。従って、図６のオーミックコンタクト領域４を含む発光半導体基板２の他方の主面１６の平坦性が良い。
次に、図７に示すように発光半導体基板２の他方の主面１６、即ちｎ型半導体層１１の露出表面とオーミックコンタクト領域４の表面との両方を覆うように厚み１〜１０μｍ程度のＡｌ層から成る光反射層５を真空蒸着法で形成し、赤外線ランプ等で短時間の熱処理を施す。これにより、導電性を有する光反射層５がオーミックコンタクト領域４にオーミックに接合され且つｎ型半導体層１１にも接合する。Ａｌから成る光反射層５はｎ型半導体層１１に対してショットキ接触するので、半導体発光素子１の順方向電流はｎ型半導体層１１から光反射層５に向かって流れない。光反射層５に隣接するオーミックコンタクト領域４の表面モオロジーが良いので、光反射層６の平坦性が良い。
次に、光反射層５の上にＡｕの真空蒸着によって第１の接合金属層６を形成する。
次に、図８に示す不純物を含むＳｉ基板から成る導電性基板８の一方の主面にＡｕから成る第２の接合金属層７を真空蒸着したものを用意し、第１及び第２の金属接合層６，７を加圧接触させ、３００℃以下の温度の熱処理を施してＡｕを相互に拡散させることによって第１及び第２の金属接合層６，７を貼り合わせて発光半導体基板２と導電性を有するシリコン支持基板８とを一体化する。
次に、図１に示すように発光半導体基板２の一方の表面１５上に電流ブロック層１０及びアノード電極３を形成し、導電性支持基板８の下面にカソート電極９形成して半導体発光素子１を完成させる。
本実施形態は次の効果を有する。
（１）  オーミックコンタクト領域４は光吸収性の大きいＧｅを含まず且つ極めて薄く形成されているので、オーミックコンタクト領域４と光反射層５との複合層の光反射率が高い値（例えば６０％）を有する。このため、活性層１２から光反射層５側に放出された光の多くが発光半導体基板２の一方の表面１５側に戻され、発光効率が高くなる。
（２）  オーミックコンタクト領域４と光反射層５との複合層による光反射率が大きくなるので、所定の光出力を得る時に発光半導体基板２の他方の主面１６の面積に占めるオーミックコンタクト領域４の面積の割合を従来よりも増大することができる。オーミックコンタクト領域４の面積が増大すると、半導体発光素子１の順方向抵抗が減少し、順方向電圧降下及び電力損失が低減し、発光効率が向上する。本実施形態に従う赤色発光ダイオードの最大発光効率は、電流容度４０Ａ／ｃｍ２において、４７  ｌｍ／Ｗ（ルーメン／ワット）であった。
（３）  遷移金属層１７を介してＡｕ層１８からＡｕをｎ型半導体層１１に拡散することによって、共晶点よりも低い温度でＡｕＧａから成るオーミックコンタクト領域４を容易に形成することができる。
（４）  オーミックコンタクト領域４の表面モフオロジーが良くなるので、導電性シリコン支持基板８の貼り合せを良好に達成することができる。
第２の実施形態
次に、図１０を参照して第２の実施形態の半導体発光素子１ａを説明する。但し、図１０において図１と共通する部分には同一の参照符号を付してその説明を省略する。
図１０の半導体発光素子１ａにおけるオーミックコンタクト領域４は発光半導体基板２の他方の主面１６の全体に形成されている。オーミックコンタクト領域４をこのように形成しても、オーミックコンタクト領域４と光反射層５との複合層の反射率が比較的高い約６０％であるので、比較的高い発光効率が得られる。また、図１に比べてオーミックコンタクト領域４の面積が広くなった分だけ、順方向電流通路の抵抗が小さくなり、電力損失が少なくなる。
図１０では図１のシリコン支持基板８の代りに金属支持基板８ａが光反射層５に熱圧着されている。従って、金属支持基板８ａが発光半導体基板２の支持機能とカソード電極としての機能を有する。
図１０のオーミックコンタクト領域４は図１において同一符号で示すものと同一の方法で形成され、且つ同一の組成及び厚みを有する。従って、図１０の半導体発光素子１ａによっても図１の半導体発光素子１と同一の効果を得ることができる。
本発明は上記の実施形態に限定されるものでなく、例えば次の変形が可能なものである。
（１）  発光半導体基板２の機械的強度が十分な場合は、図１のシリコン支持基板８及び図１０の金属支持基板８ａを省くことができる。この場合には導電性光反射層５がカソード電極として機能する。
（２）  図２においてオーミックコンタクト領域４の平面的に見た分布パターンを四角形の島状にしたが、円形島状、又は格子状等に変形することができる。
（３）  オーミックコンタクト領域４はｎ型半導体層１１に接触しているが、この代りにｎ型半導体層１１と光反射層５との間にＡｌＧａＩｎＰから成るｎ型コンタクト層又はｎ型バッファ層又はこれ等の両方を設け、これに対してオーミックコンタクト領域４を接触させることができる。
（４）  オーミックコンタクト領域４がＡｕＧａ以外のＡｕＧｅＧａ等の別の材料から成る場合であっても、これが光透過性を有すればこの厚さを２０〜１０００オーグストロームに制限することによって、オーミックコンタクト領域４と光反射層５との複合層の光反射率が比較的高くなり、発光効率を向上させることができる。
（５）  金層１８をＡｕ以外のＧａと合金化してオーミックコンタクトを形成する材料とすることができる。
【産業上の利用可能性】  上述から明らかなように、本発明は半導体発光素子に利用することができる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【国際調査報告】
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