JP2013243202A - 半導体発光素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】高キャリア濃度で金属との接触抵抗が低く、かつ金属の半導体中への拡散が抑制され、光取り出し効率及び発光効率に優れた半導体発光装置の製造方法を提供する。
【解決手段】半導体基板上に各々が組成（Al_yGa_1-y）_xIn_1-xPを有するn型半導体層、活性層及びp型半導体層、炭素ドープGa_1-zIn_zPコンタクト層を成長する工程と、開口部を有する誘電体層をコンタクト層上に形成する工程と、誘電体層及び開口部上に金属電極層を形成する工程と、金属電極層上に第１の接合金属層を形成する工程と、開口部から露出するコンタクト層と金属電極層とのオーミックコンタクトを形成する熱処理工程と、支持基板上に第２の接合金属層が形成された支持体を用い、第１及び第２の接合金属層を熱圧着により接合する工程と、を有する。コンタクト層のキャリア濃度が5×10¹⁹cm^-3以上であり、熱処理工程の温度が400℃以下である。
【選択図】図６

Description

本発明は、成長基板上に成長した半導体層を支持基板に貼り合わせた後、成長基板を除去して形成される半導体発光素子の製造方法、特に、ＡｌＧａＩｎＰ系の発光ダイオード（ＬＥＤ：Light Emitting Diode）の製造方法に関する。

発光ダイオード（ＬＥＤ）の高効率化、高輝度化のため、成長基板（又は仮基板）上に成長した半導体発光積層体を、反射ミラーを介して導電性の支持基板（又は永久基板）に貼り合わせ、その後、成長基板を除去した構成のＬＥＤ（貼合せ構造又はボンディング構造）が採用されている（例えば、特許文献１及び特許文献２）。

例えば、AlGaInP系ＬＥＤにおいて、AlGaInP系半導体積層体をＳｉやＧｅなどの不透明支持基板に接合する場合、半導体積層体と接合金属層の間に誘電体層（例えば、SiO₂層）及び電極金属層を設けて反射ミラーが構成される。また、誘電体層の一部を除去し、半導体積層体と電極金属層との電気的接触を得ている。

かかる構造のＬＥＤの光取り出し効率向上のためには、誘電体層の面積をできるだけ大きくすることが必要であるが、その分、半導体と金属との接触面積が低減し、接触抵抗が増大する。一方、発光効率向上のためには、半導体と金属との接触抵抗を低減して動作電圧を低減することが重要になるが、半導体と金属との接触面積を低減すると接触抵抗が増大するという問題がある。半導体と金属との接触抵抗を低減するには、金属と接触する半導体層（コンタクト層）のキャリア濃度を高くする方法があるが、キャリア濃度の制御、高濃度ドーピング、ドーパントの拡散、成長阻害などの困難性を有している（例えば、特許文献３及び特許文献４）。

特開２００９−４４８７号公報 特開２０１０−５０３１８号公報 特開２００３−２４３６９８号公報 特開２００７−４２７５１号公報

本発明は、上述した点に鑑みてなされたものであり、その目的は、高キャリア濃度で金属との接触抵抗が低く、かつ金属の半導体中への拡散が抑制され、光取り出し効率及び発光効率に優れた半導体発光装置の製造方法を提供することにある。

本発明の製造方法は、半導体基板上に各々が組成（Ａｌ_yＧａ_1-y）_xＩｎ_1-xＰ（0.4≦ｘ≦0.6，0≦ｙ≦1.0）を有するｎ型半導体層、活性層及びｐ型半導体層を成長し、ｐ型半導体層上に炭素ドープのＧａ_1-zＩｎ_zＰコンタクト層（0≦ｚ≦0.1）を成長するステップと、
コンタクト層が露出する開口部を有する誘電体層をコンタクト層上に形成するステップと、
誘電体層及び上記開口部上に金属電極層を形成するステップと、
金属電極層上に第１の接合金属層を形成するステップと、
上記開口部から露出するコンタクト層と金属電極層とのオーミックコンタクトを形成する熱処理を行うステップと、
支持基板上に第２の接合金属層が形成された支持体を用い、第１の接合金属層及び第２の接合金属層を熱圧着により接合するステップと、を有し、
コンタクト層のキャリア濃度が５×１０¹⁹ｃｍ^-3以上であり、上記熱処理の温度が４００℃以下であることを特徴としている。

実施例１の方法により製造された発光装置を模式的に示す断面図である。 実施例１の発光装置の製造方法を模式的に示す断面図である。 実施例１の発光装置の製造方法を模式的に示す断面図である。 Ｖ／III比とキャリア濃度の関係を示す図である。 成長温度とキャリア濃度の関係を示す図である。 熱処理温度（合金化温度）に対する接触抵抗（Ωcm²）を示す図である。 比較例のＬＥＤ素子を模式的に示す断面図である。 実施例１のＬＥＤ素子サンプルの駆動電流Ｉｄに対する動作電圧Ｖｄの変化を示す図である。 熱処理（合金化）温度が５００℃の場合（図、左側）及び４００℃の場合（図、右側）のコンタクト金属と半導体の界面の断面ＳＥＭ像である。 熱処理温度が５００℃及び４００℃の場合のＳＩＭＳによる深さ方向プロファイルを示す図である。

以下においては、本発明の好適な実施例について説明するが、これらを適宜改変し、組合せてもよい。また、以下の説明及び添付図面において、実質的に同一又は等価な部分には同一の参照符を付して説明する。

図１は、本発明の実施例１の方法により製造された発光装置１０を模式的に示す断面図である。発光装置１０は、半導体構造層１１と支持基板３１とが接合層４１を介して接合された構造を有するＡｌＧａＩｎＰ系の発光ダイオード（ＬＥＤ）である。

より詳細には、半導体構造層（ＬＥＤ構造層）１１は、ｎ型の第１の半導体層１２と、発光層１４と、ｐ型の第２の半導体層１６及びｐ型のコンタクト層１７からなる半導体構造層１１を有する。

また、コンタクト層１７上にはＳｉＯ_２又はＳｉＮ等の透明絶縁体からなる誘電体層２０が形成され、誘電体層２０上には金属電極層２１が形成されている。そして、誘電体層２０及び金属電極層２１の積層構造によって、発光層１４からの光を反射する反射層が構成されている。また、誘電体層２０には開口部が設けられ、当該開口部において金属電極層２１とコンタクト層１７との電気的接触（コンタクト）がとられている。

［発光装置１０の製造方法］
実施例１による発光装置１０の製造方法について、AlGaInP系の発光ダイオード（ＬＥＤ）の場合を例に以下に詳細に説明する。図２（ａ）〜（ｃ）及び図３（ａ）、（ｂ）は、実施例１の発光装置１０の製造方法を模式的に示す断面図である。

ＭＯＣＶＤ（Metal-Organic Chemical Vapor Deposition）法を用いて結晶成長を行い、半導体構造層１１を形成した。III族有機金属原料としてＴＭＧ（トリメチルガリウム）、ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）、ＴＭＩ（トリメチルインジウム）を用い、Ｖ族原料としてＰＨ₃（ホスフィン）を用いた。また、ｎ型ドーパントはＳｉ（シリコン）とし、その原料としてＳＩＨ₄（シラン）を、ｐ型ドーパントはＭｇ（マグネシウム）とし、その原料としてＣｐ２Ｍｇ（ビスシクロペンタジエニルマグネシウム）を用いた。なお、ｐ型コンタクト層のドーパントは炭素（Ｃ）とし、その原料としてＣＢｒ4（テトラブロモカーボン）を用いた。キャリアガスとしては水素（Ｈ_２）を用い、成長圧力は１０ｋＰａ（Ｐａ：パスカル）の減圧下で成長を行った。また、V/III比は30〜300、AlGaInP系半導体層の成長温度は６８０℃、Ｍｇドープ電流拡散層の成長温度は７５０℃であった。また、成長基板１０Ａとして、（１００）面から１５°傾斜した（オフ角が１５°）のｎ型ＧａＡｓ基板を用いた。また、
より詳細には、図２（ａ）に示すように、ＧａＡｓ成長基板１０Ａの（１００）面上に、半導体構造層（ＬＥＤ構造層）１１をエピタキシャル成長した。具体的には、厚さが３μm（マイクロメートル）でＳｉドープ（キャリア濃度1×10¹⁸ cm^-3）の(Al_0.7Ga_0.3)_0.5In_0.5Pからなるｎ型電流拡散層１２Ａ、厚さが０．５μmでＳｉドープ（キャリア濃度2×10¹⁷ cm^-3）のAl_0.5In_0.5Pからなるｎクラッド層１２Ｂをこの順で順次エピタキシャル成長した。ｎ型電流拡散層１２Ａ及びｎクラッド層１２Ｂにより第１の半導体層１２が構成される。第１の半導体層１２上に、(Al_0.1Ga_0.9)_0.5In_0.5P量子井戸層（層厚：10ｎｍ）及び(Al_0.5Ga_0.5)_0.5In_0.5P障壁層（層厚：10ｎｍ）が２０周期形成された多重量子井戸（MQW）からなる活性層１４を成長した。また、活性層１４上に、Ｍｇドープ（キャリア濃度3×10¹⁷ cm^-3）の(Al_0.7Ga_0.3)_0.5In_0.5Pからなるｐクラッド層１６Ａ（層厚：１μm）、Ｍｇドープ（キャリア濃度2×10¹⁸ cm^-3）のGaPからなるｐ型電流拡散層（層厚：１μm）１６Ｂを成長した。ｐクラッド層１６Ａ及びｐ型電流拡散層１６Ｂにより第２の半導体層１２が構成される。さらに、ｐ型電流拡散層１６Ｂ上に、炭素（Ｃ）をドープしたGaPからなるｐコンタクト層１７を成長した。GaPコンタクト層１７のキャリア濃度は、1×10¹⁹〜5×10²⁰cm^-3、層厚は5〜100nmとした。

なお、以下においては、第１の半導体層１２がｎ型電流拡散層１２Ａ及びｎクラッド層１２Ｂが構成され、第２の半導体層１２がｐクラッド層１６Ａ及びｐ型電流拡散層１６Ｂが構成されている場合を例に説明するが、第１の半導体層１２及び／又は第２の半導体層１２は、さらに他の半導体層を含んでいてもよい。例えば、当該半導体層には、キャリア注入層、キャリアオーバーフロー防止のための障壁層、オーミック接触性向上のためのコンタクト層、バッファ層などが含まれていてもよい。あるいは第１の半導体層１２及び／又は第２の半導体層が単層で構成されていてもよい。

次に、図２（ｂ）に示すように、GaPコンタクト層１７上にスパッタにより誘電体層（ＳｉＯ₂）の成膜を行った。次に、フォトリソグラフィによりパターニングを行い、ＳｉＯ₂膜の一部をエッチングにより除去し、開口部２０Ａが設けられた誘電体層２０を形成した。その後、スパッタによりコンタクト金属（ＡｕＺｎ）からなる金属電極層２１を蒸着した。金属電極層２１の蒸着により誘電体層２０の開口部２０Ａは埋められ、当該開口部２０Ａ（すなわち、コンタクト部）において金属電極層２１の金属電極層２１とコンタクト層１７との電気的接触（コンタクト）がとられる。

次に、金属電極層２１上にバリアメタル層として、ＴａＮ層２２、ＴｉＷ層２３、ＴａＮ層２４の成膜を順次行った。次に、窒素雰囲気下で熱処理（合金化処理）を行った。合金化処理の温度条件等については後に詳述する。なお、コンタクト層１７と電極層２１が接触するコンタクト部の接触面積は素子面積の５％、すなわち開口部２０Ａが占める面積は誘電体層２０及び開口部２０Ａの全体の面積の５％とした。次に、スパッタにより、ＴａＮ層２４上に半田吸収層（Ｓｎ吸収層）として機能するＮｉ層２６を成膜し、Ｎｉ層２６上に濡れ性向上層として機能するＡｕ層２７の成膜を行った。すなわち、電極層２１上に形成した金属層２２〜２７により第１の接合金属層２８が構成されている。なお、電極層２１の金属層、第１の接合金属層２８の成膜はスパッタ法に限らず、例えば抵抗加熱蒸着、電子ビーム（EB）蒸着法などを適宜用いることができる。かかる工程により、半導体発光体２９の形成が完了する。

次に、図２（ｃ）に示すように、半導体発光体２９と貼り合わせを行う支持体３０を形成した。例えばシリコン（Ｓｉ）からなる支持基板３１の表面及び裏面に、それぞれＰｔ（白金）層３３、３２をスパッタにより形成した。支持基板（Ｓｉ基板）３１には、例えばホウ素が3×10¹⁸ cm^-3以上ドーピングされている。次に、Ｐｔ層３３上にスパッタによりＴｉ層３４、半田吸収層（Ｓｎ吸収層）として機能するＮｉ層３５、濡れ性向上層として機能するＡｕ層３６、半田層であるＡｕＳｎ層３７をこの順で順次形成した。なお、上記した半田吸収層（Ｓｎ吸収層）はＮｉに限らず、例えばＰｔ又はＰｄ（パラジウム）などであってもよい。すなわち、支持基板３１上に形成した金属層３３〜３７により第２の接合金属層３８が形成されている。また、これらの金属層の成膜はスパッタ法に限らず、例えば抵抗加熱蒸着、電子ビーム（EB）蒸着法などを適宜用いることができる。

次に、図３（ａ）に示すように、半導体発光体２９の第１の接合金属層２８の最表面層であるＡｕ層２７と、支持体３０の第２の接合金属層３８の最表面層であるＡｕＳｎ層３７とを対向させて密着し、窒素雰囲気下で熱圧着した。熱圧着の条件は、例えば、圧力が約１ＭＰａ（メガパスカル）、温度が３２０℃〜３７０℃、圧着時間が約１０分間である。ここで、熱圧着の温度は４００℃以下であり、好ましくは、オーミック接触を得るための熱処理温度（後述する合金化温度）以下である。この熱圧着によって、ＡｕＳｎ層３７が溶融し、Ａｕ層２７及びＡｕ層３６のＡｕ並びにＮｉ層２６及びＮｉ層３５のＮｉが、溶融しているＡｕＳｎ層３７に溶解する。更に、Ａｕ層２７、Ａｕ層３６及びＡｕＳｎ層３７のＡｕ及びＳｎが、Ｎｉ層（Ｓｎ吸収層）２６及びＮｉ層（Ｓｎ吸収層）３５に拡散して吸収される。更に、図３（ｂ）に示すように、溶融したＡｕＳｎ層３７が固化することにより、ＡｕＳｎＮｉかなる接合層４０が形成される。次に、アンモニア水と過酸化水素水との混合液を用いたウェットエッチングにより、ＧａＡｓ基板１０Ａを除去した。なお、ＧａＡｓ基板１０Ａの除去は、ドライエッチング、化学機械研磨（ＣＭＰ：Chemical Mechanical Polishing）、機械的研削などによって行われても良い。

ＧａＡｓ基板１０Ａを除去することにより第１の半導体層１２の表面、すなわちｎ型電流拡散層１２Ａの表面が露出する。光取り出し効率向上のため、ｎ型電流拡散層１２Ａの表面に凹凸形状の光取り出し構造４５を形成した。光取り出し構造４５は、ｎ型電流拡散層１２Ａの異方性ウェットエッチングにより形成することができる。あるいは、光取り出し構造４５は、フォトリソグラフィ、電子線リソグラフィ、電子線（EB）描画装置、ナノインプリント、レーザ露光法等により形成したレジストをマスクパターンとしたエッチングにより形成することができる。また、ｎ型電流拡散層１２Ａの表面の一部にｎ電極４３を形成し、ＬＥＤデバイス構造を形成した。なお、支持基板３１の裏面に形成されたＰｔ（白金）層３２がｐ電極として機能する。

［ＧａＰ層のドーピング］
前述のように、組成がＧａＰであるコンタクト層１７に炭素（Ｃ）をドーピングするための材料として、ＣＢｒ₄（テトラブロモカーボン）を用いた。Ｍｇ材料のＣｐ2Ｍｇ（ビスシクロペンタジエニルマグネシウムと同様にＣＢｒ₄も常温で固体である。GaP層への炭素（Ｃ）のドーピングの検討のため、成長条件を変えてGaP層を成長した。

炭素（Ｃ）はIV族元素であり、Ｖ族サイトを置換することにより、ｐ型不純物として働く。まず初めに、ＣＢｒ₄の供給量を10μmol/minとし、ＭｇドープGaP電流拡散層１６Ｂと同じ成長温度（すなわち、７５０℃）及びＶ／III比を100として成長を行ったところ、ｐ型導電性を示さなかった。すなわち、Ｍｇドーピングの場合と同じ条件ではｐ型導電性が得られないことが分かった。前述したように、炭素（Ｃ）はＶ族サイトを置換することにより、ｐ型不純物として働くので、Ｖ族原料であるホスフィンの供給量、すなわち、Ｖ／III比を制御して成長を行い、キャリア濃度の検討を行った。具体的には、ＣＢｒ₄の供給量を10μmol/min、成長温度６８５℃とし、Ｖ／III比を変化させて、キャリア濃度を調べた。なお、Ｍｇドーピングの場合よりも成長温度を低く設定したのは、カーボンの取り込み効率をよくするためである。

図４は、Ｖ／III比とキャリア濃度の関係を示す。Ｖ／III比を２〜２５の範囲で変化させた。なお、以下に説明する図において、Ｅｎは指数表記であり、例えば、５Ｅ２０は５×１０²⁰を表している。Ｖ／III比を小さくしていくと、キャリア濃度は大きくなり、Ｖ／III比＝２では１×１０¹⁹ｃｍ^-3のキャリア濃度が得られた。しかし、動作電圧低減のためには、さらにキャリア濃度を増加させることが好ましい。

そこで、Ｖ／III比＝２として、成長温度の検討を行った。成長温度を、５５０〜６８５℃の範囲で変化させた。図５に成長温度とキャリア濃度の関係を示す。成長温度を低減することによってキャリア濃度が増加することが分かった。具体的には、成長温度を５５０℃に下げることによって、５×１０²⁰ｃｍ^-3のキャリア濃度を得ることが可能となった。さらに成長温度を下げると、GaP成長ができないため、成長温度は５５０℃以上６３０℃以下が好ましい。また、Ｖ／III比をさらに下げると、GaP層の表面状態（モフォロジ）が悪化するため、Ｖ／III比は２以上が良いことが分かった。ＭｇやＺｎを用いた場合、このようなＶ／III比、成長温度では良い結晶を得ることができない。本実施例によれば、成長温度を下げることにより、Ｖ／III比が５でも、５×１０¹⁹ｃｍ^-3が得られている。よって、成長温度は、５５０〜６８５℃の範囲で、Ｖ／III比が２ないし５の範囲であれば、キャリア濃度５×１０¹⁹〜５×１０²⁰ｃｍ^-3を得ることができることが分かった。

［ＬＥＤ構造の作製及び接触抵抗］
次に実際にＬＥＤ構造を作製し、炭素ドープGaPコンタクト層１７の層厚、キャリア濃度を変化させて接触抵抗について検討した。AlGaInP系半導体層、すなわちAlGaInP電流拡散層層１２Ａ、AlInP層クラッド層１２Ｂ、AlGaInP系活性層１４及びAlGaInPクラッド層層１６Ａの成長温度を６８０℃とし、ＭｇドープGaP電流拡散層１６Ｂの成長温度を７５０℃とし、炭素ドープGaPコンタクト層１７の成長温度を６００℃としてエピタキシャル成長を行った。

また、炭素ドープGaPコンタクト層１７の層厚は５０ｎｍとし、キャリア濃度を１×１０¹⁹〜５×１０²⁰ｃｍ^-3とした。このように形成したサンプルのコンタクト層１７上にＡｕＺｎを真空蒸着法により蒸着し、オーミック接触を得るための熱処理（合金化）を行って接触抵抗を調べた。

図６は、熱処理温度（合金化温度）に対する接触抵抗（Ωcm²）を示している。なお、GaPコンタクト層１７のキャリア濃度が５×１０¹⁹及び１×１０¹⁹ｃｍ^-3の場合について示している。熱処理温度が５００℃の場合、キャリア濃度が５×１０¹⁹ｃｍ^-3以上では、接触抵抗はおよそ１×１０^-6Ωｃｍ²以下となり良好な値を得ることができた。一方、キャリア濃度が１×１０¹⁹ｃｍ^-3の場合では、２×１０^-5Ωｃｍ²となり、一桁高い接触抵抗を示した。

GaPコンタクト層１７のキャリア濃度が５×１０¹⁹ｃｍ^-3以上の場合では、熱処理温度を４００℃及び３５０℃に低減しても、接触抵抗は約１×１０^-6Ωｃｍ²以下を維持した。しかし、キャリア濃度が１×１０¹⁹ｃｍ^-3の場合、熱処理温度では４００℃以下では急激に接触抵抗が大きくなることが分かった。具体的には、熱処理温度が４００℃では接触抵抗は２×１０^-4Ωｃｍ²と大きくなり、３５０℃では１Ωｃｍ²（＝１Ｅ+00Ωｃｍ²）と接触抵抗が極めて大きくなることが分かった。

これは、キャリア濃度が低い場合、熱処理温度（合金化温度）が低いと、オーミックコンタクトを得るための不純物の拡散が減少するため、接触抵抗が大きくなるからと考えられる。一方、キャリア濃度が５×１０¹⁹ｃｍ^-3以上では、熱処理温度が低く、不純物の拡散が少なくても、キャリア濃度が高いため接触抵抗は上昇しないと考えられる。前述のように、キャリア濃度が５×１０¹⁹ｃｍ^-3以上では熱処理温度が３５０℃と低い場合でも４００℃以上の場合と同程度の接触抵抗が得られた。

［ＬＥＤ素子の評価］
次に、前述したＳｉ基板を支持基板として用いた貼合せ構造の発光装置（ＬＥＤ素子）１０（図１、実施例１）を製作した。また、比較例として、ＧａＡｓ基板上に実施例１と同じ半導体構造層（ＬＥＤ構造層）９１を形成したＬＥＤ素子９０を製作した。より詳細には、図７に示すように、ＬＥＤ素子９０は、ｎ−ＧａＡｓ基板９０Ａ上にｎ型電流拡散層９２Ａ、ｎクラッド層９２Ｂ、量子井戸活性層９４、ｐクラッド層９６Ａ、ｐ型電流拡散層９６Ｂ、炭素（Ｃ）をドープしたGaPコンタクト層９７をエピタキシャル成長した。なお、各層の結晶組成、層厚、キャリア濃度等は実施例１の場合と同じである。すなわち、比較例のＬＥＤ素子９０における半導体構造層９１は、実施例１の半導体構造層１１と同じ層構造を有する。また、GaPコンタクト層９７上には第１の電極（ｐ電極）９８を、ｎ−ＧａＡｓ基板９０Ａの裏面には第２の電極（ｎ電極）９９を形成した。なお、実施例１及び比較例のGaPコンタクト層１７、９７の層厚は50nmとし、キャリア濃度は１×１０¹⁹ｃｍ^-3及び５×１０¹⁹ｃｍ^-3とした各２種類のサンプルを製作した。

前述のように、貼合せ構造のＬＥＤ素子１０では、半導体構造層１１と接合金属層の間に誘電体層２０が設けられ、誘電体層２０の一部を除去し、半導体積層体１１と金属電極層２１との電気的接触を得ている。しかし、光取り出し効率向上のため誘電体層２０の面積をできるだけ大きく（すなわち、半導体と金属との接触面積を低減）することが行われる。基板上に半導体構造層を形成し、半導体構造層表面から光を取り出す比較例の構造のＬＥＤ素子においては、一般に、貼り合わせ構造のＬＥＤ素子よりも半導体と金属との接触面積（コンタクト面積）は大きい。具体的には、比較例の構造のＬＥＤ素子においては、半導体と金属との接触面積は素子面積の、例えば25%程度であるが、貼合せ構造のＬＥＤ素子では、光取り出し効率向上のためコンタクト面積はその半分以下になってしまう。例えば、貼合せ構造のＬＥＤ素子においては、コンタクト面積は素子面積の、例えば3〜15%程度とされる。実施例１のＬＥＤ素子１０においては、上記したように、コンタクト層１７と電極層２１が接触するコンタクト部の接触面積は素子面積の５％とした。また、比較例のＬＥＤ素子９０においては、コンタクト面積は素子面積の２５％とした。なお、実施例１及び比較例のＬＥＤ素子１０、９０の製作において、熱処理（合金化）温度を４００℃とした。

実施例１のＬＥＤ素子１０及び比較例のＬＥＤ素子９０をステムに搭載し、ワイヤーボンディングによる配線を行った。下記の表１は、実施例１及び比較例のＬＥＤ素子サンプルを駆動電流２０ｍＡで駆動した場合の動作電圧Vf（@20mA）を示している。

表１に示すように、比較例のＬＥＤ素子９０では、炭素ドープのコンタクト層９７のキャリア濃度が１×１０¹⁹ｃｍ^-3及び５×１０¹⁹ｃｍ^-3の場合、それぞれ動作電圧は1.95V、1.90Vであった。一方、コンタクト面積がＬＥＤ素子９０の１／５である実施例１のＬＥＤ素子１０でも、コンタクト層１７のキャリア濃度が１×１０¹⁹ｃｍ^-3及び５×１０¹⁹ｃｍ^-3の場合、それぞれ動作電圧は2.00V、1.92Vと、比較例のＬＥＤ素子９０と大きな違いは見られなかった。

また、図８は、実施例１のＬＥＤ素子サンプルの駆動電流Ｉｄに対する動作電圧Ｖｄの変化を示している。なお、熱処理（合金化）温度を４００℃としたＬＥＤ素子サンプルについて示している。駆動電流Ｉｄが２０ｍＡ程度の低電流駆動領域では、キャリア濃度が１×１０¹⁹ｃｍ^-3及び５×１０¹⁹ｃｍ^-3と異なってもＬＥＤ素子の動作電圧Ｖｄに大きな変化は見られないが、駆動電流Ｉｄの増大に伴い、コンタクト層１７のキャリア濃度の違いにより動作電圧Ｖｄには大きな差が現れた。このような動作電圧の増大は、ＬＥＤの効率低下の原因となる。すなわち、動作電圧は低いほうがＬＥＤの効率は高く、エネルギー変換効率がよい。GaAs基板上に作製され電極を具備した比較例のＬＥＤ装置では、大電流駆動領域（例えば、100mAを超える電流域）で使用されることが無いため、問題とならない。しかしGaAs基板を剥離してより大きな熱伝導率のＳｉ基板を貼り合わせた実施例１の貼合せ構造のＬＥＤ装置では、大電流駆動領域での使用が期待される。従って、動作電圧の上昇は大きな問題となる。動作電圧の上昇はＬＥＤ装置で発生する熱がより多くなることであり、これは効率の低下を招くからである。

すなわち、貼合せ構造のＬＥＤ素子１０の効率を向上するには、内部量子効率の向上に加え、動作電圧の低減が重要である。動作電圧を低減するためには、コンタクト金属との接触抵抗を下げることが重要になる。しかしながら、前述したように、貼合せ構造の場合には半導体層と金属との接触面積が小さくなってしまうため、比較例の構造における半導体層のキャリア濃度（例えば、１×１０¹⁹ｃｍ^-3程度）では動作電圧が上昇してしまう。特に、高出力の半導体発光装置では、高い電流値で駆動するため、接触面積の減少による動作電圧の上昇の影響はさらに顕著になる。

一方、金属との接触抵抗を下げるためには、金属と接触する半導体層のキャリア濃度を高くする必要がある。しかしながら、ドーパントとしてＭｇやＺｎを用いた場合（例えば、特許文献３及び４）、１×１０¹⁸〜１×１０¹⁹ｃｍ^-3程度までの範囲でしかキャリア濃度を制御することができず、キャリア濃度が５×１０¹⁹ｃｍ^-3を超えるものの作製は難しい。さらに、これらのドーピング材料を多量に添加した場合、成長炉内に残留するメモリー効果や、Ｚｎに関しては拡散係数が大きくAlGaInP層中で拡散しやすく、意図しない部分（活性層など）に拡散することにより、信頼性に悪影響を及ぼす、などの問題がある。さらに、高濃度ドーピングのために多量に不純物を添加するため、成長が阻害され表面に凹凸ができるなどの不具合が発生しやすい。 次に、実施例１の貼合せ構造において、金属と半導体層とのコンタクトをとるための熱処理温度、すなわち合金化温度が４００℃の場合との比較のため、合金化温度を500℃とした場合の金属−半導体界面の評価を行った。図９に、熱処理温度が５００℃の場合（図、左側）及び４００℃の場合（図、右側）のコンタクト金属と半導体の界面の断面ＳＥＭ（Scanning Electron Microscope）像を対比して示す。また、図１０（ａ）、（ｂ）は、それぞれ熱処理温度が５００℃の場合、４００℃の場合の二次イオン質量分析（ＳＩＭＳ：Secondary Ion Mass Spectrometry）による深さ方向プロファイルを示している。これらの図から、熱処理温度が５００℃の場合では、金属層から金属（Ａｕ，Ｓｎ）が半導体層（ＣドープＧａＰ層）中に拡散していることが分かる（図９中、破線の円内、図１０（ａ））。また、コンタクト金属層である電極層２１と接合層であるＳｎ含有層（ＡｕＳｎ層３７）との間に、上記したバリアメタル層やＳｎ吸収層が設けられていても、Ｓｎ含有層からＳｎが半導体層中に拡散していることが分かる。一方、熱処理温度が４００℃の場合では、電極層２１や接合層の金属の半導体層中への拡散は見られなかった（図９、図１０（ｂ））。

なお、熱処理温度が４００℃のＳＩＭＳプロファイル（図１０（ｂ））において、半導体層と金属層の界面からＡｕが僅か（0.2μm程度）半導体層中に侵入しているように見える。しかし、界面から急峻にＳＩＭＳ信号強度（濃度）が減少しており、その状態は熱処理温度が５００℃の場合の場合とは明らかに異なると考えられる。すなわち、熱処理温度が５００℃の場合（図１０（ａ））では、界面からＡｕ及びＳｎが極めて高い濃度かつ緩やかな傾斜でコンタクト層１７中に侵入しており、接合層からも金属（Ａｕ及びＳｎ）がコンタクト層１７中に拡散している。

貼合せ構造のＬＥＤ素子の場合、貼り合わせ金属層には電気伝導に加えて、貼り合わせのための機能と金属の拡散を防ぐバリア効果とを持たせなければならない。貼り合わせに用いた金属が熱処理により半導体中に拡散すると、輝度劣化の原因となるため、金属の拡散は抑制しなければならない。前述のように、実施例１のＬＥＤ素子１０をステムに搭載し、駆動電流２０ｍＡで駆動した場合の動作電圧Vfは1.92Vであった。このことは合金温度が４００℃でも問題ないことを示している。

さらに、熱処理温度が４００℃及び５００℃と異なる２種類の実施例１のＬＥＤ素子１０をステムに搭載し、ワイヤーボンディングをした後、樹脂モールドを行い、ＬＥＤランプを作製した。作製したＬＥＤランプについて150mAの通電試験を行ったところ、熱処理温度が５００℃の場合、通電により輝度が減少していくのに対し、熱処理温度が４００℃の場合は通電による輝度の変化はほとんどないことが分かった。これは、合金化により、接合層の金属が半導体層中に拡散し、通電によって輝度劣化が起こっているからと考えられる。このことは、上記したＳＥＭ像からも推察できる。すなわち、カーボンドープGaPコンタクト層１７により、動作電圧を上昇させることなく、熱処理（合金化）温度を下げることができ、さらにそれにより信頼性が改善されることを示している。

以上、説明したように、コンタクト層１７のキャリア濃度が５×１０¹⁹ｃｍ^-3以上であり、当該熱処理温度が４００℃以下であれば、接合層の金属の半導体中への拡散が抑制されたオーミックコンタクトが得られることが分かった。なお、当該熱処理温度は、コンタクト層１７の半導体と金属電極層２１の金属とが合金化し、オーミックコンタクトを形成する温度（合金化温度）以上であればよく、３５０℃以上であることが好ましい。

上記実施例では炭素ドープGaPコンタクト層１７のキャリア濃度が５×１０¹⁹ｃｍ^-3の場合に良好な特性を有することを示したが、キャリア濃度がそれ以上であっても同様な良好な特性を得ることは明らかである。また、表面状態（モフォロジ）に鑑みると、キャリア濃度の上限は５×１０²⁰ｃｍ^-3程度である。

また、上記実施例ではクラッド層や活性層にAlGaInP層を用いているが、GaAs基板に格子整合する条件で作製されている。GaAsに格子整合する条件は成長する温度によって異なる。GaAs基板に格子整合するためには、(Al_yGa_1-y)_xIn_1-xP のｘを調整すれば良い。５００℃〜７００℃の温度範囲で成長する場合は、(Al_yGa_1-y)_xIn_1-xP の範囲は0.45≦ｘ≦0.55となる。この範囲においても、本発明で得られたキャリア濃度と層厚を調整することにより、得られる効果は変わらない。活性層が量子井戸構造の場合、ウエル層およびバリア層については、臨界膜厚以下にすれば、GaAs基板に格子整合する必要はなく、この範囲でなくともよい。好ましいウエル層およびバリア層の組成範囲は、臨界膜厚を考慮すると、それぞれ(Al_yGa_1-y)_xIn_1-xP （0.4≦ｘ≦0.6）、(Al_yGa_1-y)_xIn_1-xP （0≦ｘ≦0.7）である。

さらに、上記実施例ではｎクラッド層として、AlInPを用いたが、nクラッド層は、活性層に対して透明かつ電子を活性層に有効に閉じ込め得る組成であればよく、(Al_yGa_1-y)_xIn_1-xP （0.4≦x≦0.6、0≦y≦1.0）の範囲であれば良い。

また、ｎ型導電性を得るために、ドーパントとしてSiH₄(シラン)を用いた場合を例に説明したが、DeTe（ジエチルテルル）、もしくは、H₂Se（セレン化水素）を用いてもよい。つまり、本発明の効果はｎ型不純物によって変わることはなく、ｎ型層の不純物の種類に依存するものではなく、得られる効果は変わらない。また、ｎクラッド層の層厚に関しても、本発明に影響を与えるものではなく、上記した３μmに限定されるものではない。

本実施例では、赤色発光する量子井戸構造（ウエル層のAl組成10%）の場合を例に説明したが、ウエル層の層厚やウエル数を変更しても、ｐクラッド層および電流拡散層の構造を本発明の実施形態にすれば、本発明の効果を得ることができる。また、ウエル層のAl組成に関しても同様であり、Al組成を変更して、黄色発光（波長590nm）の素子や真紅発光素子（波長660nm）としても、本発明の効果は変わらない。基板のオフ角に関しても同様であり、オフ角、オフ方向の異なるGaAs基板を用いても同様の効果を得ることができる。なお、（100）面から４度オフしたｎ型GaAs基板を用いた場合においても同様の効果を確認している。

電流拡散層について、本実施例ではGaPを用いたが、Inを添加し、InGaPとした場合においても、電流拡散層が活性層に対して透明であればよく、本発明の効果に影響を与えるものではない。

また、上記実施例では、貼り合わせの基板としてＳｉ（シリコン）を用いたが、他の永久基板（例えば銅、ガラス）に貼りあわせるタイプの発光装置にも有効である。電極の構造は、ｐｎ接合を介して活性層に電流を注入する構造であれば良く、上下に電極を配置する必要は無く、例えばフリップチップタイプの構造であっても良い。

１０Ａ 成長基板
１１ 半導体構造層
１２Ａ ｎ型電流拡散層
１２Ｂ ｎクラッド層
１４ 活性層
１６Ａ ｐクラッド層
１６Ｂ ｐ型電流拡散層
１７ ｐコンタクト層
２０Ａ 開口部
２０ 誘電体層
２１ 金属電極層

Claims (8)

1. 半導体基板上に各々が組成（Ａｌ_yＧａ_1-y）_xＩｎ_1-xＰ（0.4≦ｘ≦0.6，0≦ｙ≦1.0）を有するｎ型半導体層、活性層及びｐ型半導体層を成長し、前記ｐ型半導体層上に炭素ドープのＧａ_1-zＩｎ_zＰコンタクト層（0≦ｚ≦0.1）を成長するステップと、
   前記コンタクト層が露出する開口部を有する誘電体層を前記コンタクト層上に形成するステップと、
   前記誘電体層及び前記開口部上に金属電極層を形成するステップと、
   前記金属電極層上に第１の接合金属層を形成するステップと、
   前記開口部から露出する前記コンタクト層と前記金属電極層とのオーミックコンタクトを形成する熱処理を行うステップと、
   支持基板上に第２の接合金属層が形成された支持体を用い、前記第１の接合金属層及び前記第２の接合金属層を熱圧着により接合するステップと、を有し、
   前記コンタクト層のキャリア濃度が５×１０¹⁹ｃｍ^-3以上であり、前記熱処理の温度が４００℃以下であることを特徴とする発光素子の製造方法。
2. 前記熱処理の温度は３５０℃以上かつ４００℃以下であることを特徴とする請求項１に記載の製造方法。
3. 前記熱圧着の温度は前記熱処理の温度を超えないことを特徴とする請求項１又は２に記載の製造方法。
4. 前記コンタクト層のキャリア濃度は５×１０¹⁹ｃｍ^-3以上でかつ５×１０²⁰ｃｍ^-3以下であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１に記載の製造方法。
5. 前記第１の接合金属層及び前記第２の接合金属層のうち少なくとも１はＡｕＳｎ層を含むことを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１に記載の製造方法。
6. 前記第１の接合金属層は前記金属電極層上に形成されたバリアメタル層を含むことを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１に記載の製造方法。
7. 前記コンタクト層はＭＯＣＶＤ法により、Ｖ／III比が２ないし５の範囲で成長されたことを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１に記載の製造方法。
8. 前記ｎ型半導体層、活性層及びｐ型半導体層は、発光ダイオード構造層を構成していることを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１に記載の製造方法。