JP4892445B2 - 半導体発光素子および半導体発光素子の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、半導体発光素子および半導体発光素子の製造方法に関するものである。

従来から、赤色、橙色、黄色或いは黄緑色の可視光を発する発光ダイオード（英略称：ＬＥＤ）として、例えば、燐化アルミニウム・ガリウム・インジウム（組成式（Ａｌ_ＸＧａ_１−Ｘ）_ＹＩｎ_１−ＹＰ；０≦Ｘ≦１，０＜Ｙ≦１）から成る発光層を備えた化合物半導体ＬＥＤが知られている。この様なＬＥＤにあって、（Ａｌ_ＸＧａ_１−Ｘ）_ＹＩｎ_１−ＹＰ（０≦Ｘ≦１，０＜Ｙ≦１）から成る発光層を備えた発光部は、一般に発光層から出射される発光に対し光学的に不透明であり、また機械的にもそれ程強度のない砒化ガリウム（ＧａＡｓ）等の基板材料上に形成されている。

このため、最近では、より高輝度の可視ＬＥＤを得るために、また、更なる素子の機械的強度の向上を目的として、発光層を含む化合物半導体層から発光光に対して不透明な基板材料を除去して、然る後、発光を透過でき、尚且つ従来に増してより機械強度的に優れる透明な材料からなる支持体層（透明基板）を化合物半導体層に改めて接合させて、かつ前記接合界面近傍に反射層を設け、光取り出し効率を改善された接合型ＬＥＤを構成する技術が開示されている（例えば、特許文献１〜５参照）。

また、化合物半導体層と、支持体層として金属基板を接合させる場合には、金属基板を取り出し電極として用いるべく、化合物半導体層の金属基板側の面にオーミック電極を形成し、このオーミック電極と金属基板との導通を図るのが一般的である。
なお、オーミック電極を形成した半導体面は、金属基板との接合強度を確保するために、平坦面であることが好ましいとされている。
特許第３２３０６３８号公報 特開平６−３０２８５７号公報 特開２００２−２４６６４０号公報 特許第２５８８８４９号公報 特開２００１−５７４４１号公報

しかし、オーミック電極と化合物半導体層との界面では光の吸収が高いため、化合物半導体層の全面にオーミック電極を設けると光取り出し効率が低下してしまう。そこで従来からオーミック電極を化合物半導体層に島状に配置する構造が採用されるが、化合物半導体層の金属基板との接合面はオーミック電極が設けられているために接合面が平坦ではなく凹凸面となり、結果として化合物半導体層と金属基板との接合強度が低下してしまう問題がある。

また、化合物半導体層と金属基板の接合の際、透明樹脂接着剤を用いると、接着界面が絶縁性であり、接合界面を介して電流を流すことができず、さらに素子化プロセスの加熱処理で樹脂接着剤が熱変性してしまう問題がある。
また、上記接合にはんだ金属接合を採用すると、接合時に加熱処理が必要となり、熱膨張係数の異なる材料間の接着時に割れなどの不具合が生じる問題がある。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、光取り出し効率が高く、高輝度であり、放熱性能に優れ、かつ機械的強度にも優れた半導体発光素子を提供することを目的とする。
また、半導体材料と金属基板との熱膨張差による不具合を抑えた、歩留まりの良い半導体発光素子の製造方法を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明は以下の構成を採用した。
（１）III−Ｖ族化合物半導体からなる第１の伝導型の第１のクラッド（ｃｌａｄ）層と、第１又は第１とは反対の伝導型である第２の伝導型のIII−Ｖ族化合物半導体からなる発光層と、III−Ｖ族化合物半導体からなる第２の伝導型の第２のクラッド層とが少なくとも積層されてなる化合物半導体層と、
前記第１のクラッド層に形成される複数の第１のオーミック電極と、
前記第２のクラッド層に形成される複数の第２のオーミック電極と、
前記化合物半導体層の前記第１のクラッド層上に形成されて前記第１のオーミック電極と導通される透明導電膜と、
前記透明導電膜上に形成されるボンディング電極と、
前記化合物半導体層の前記第２のクラッド層側に配置されて前記第２のオーミック電極と導通される支持板とを備え、
前記第１のオーミック電極は、前記第１のクラッド層の表面に分散して配置され、
前記第２のクラッド層の前記支持板側の接合面には、複数の凹部が設けられるとともに、前記凹部の底部に前記第２のオーミック電極が配置され、
前記化合物半導体層には、前記第２のクラッド層の前記接合面と、前記凹部内の前記第２のオーミック電極の表面及び前記凹部の側部とを覆うように電流拡散層が設けられ、
前記電流拡散層に、前記支持板が接合されていることを特徴とする半導体発光素子。
（２）前記電流拡散層の前記第２のクラッド層と接触する表面が、前記第２のクラッド層を構成するIII−Ｖ族化合物半導体材料と共晶しない金属材料から構成されていることを特徴とする前記（１）項に記載の半導体発光素子。
（３）前記電流拡散層と前記支持板とに囲繞される、前記凹部に由来する空隙を空洞としたことを特徴とする前項（１）又は（２）に記載の半導体発光素子。
（４）前記空隙が、前記第１のオーミック電極の鉛直下方向の投影位置に設けられていることを特徴とする前項（３）に記載の半導体発光素子。
（５）基板上に、III−Ｖ族化合物半導体からなる第１の伝導型の第１のクラッド層と、第１又は第１とは反対の伝導型である第２の伝導型のIII−Ｖ族化合物からなる発光層と、第２の伝導型の第２のクラッド層とを少なくとも順次形成する化合物半導体層形成工程と、
前記第２のクラッド層の上面に複数の凹部を形成する凹部形成工程と、
前記凹部の底部に第２のオーミック電極を形成する第２のオーミック電極形成工程と、
前記凹部内の前記第２のオーミック電極の表面及び前記凹部の側部と前記凹部以外の領域の前記第２のクラッド層の表面とを電流拡散層で被覆するように形成する電流拡散層形成工程と、
前記電流拡散層と、前記電流拡散層と接合される接合面を前記電流拡散層と同一の構成材料で被覆した支持板とを前記凹部に空隙を残存させつつ接合させる支持板接合工程と、
前記基板を除去する基板除去工程と、
前記第１のクラッド層の上面に第１のオーミック電極を分散させて形成する第１のオーミック電極形成工程と、
前記第１のオーミック電極の周囲を透明導電膜で被覆するとともに、前記透明導電膜の上面にボンディング電極を形成するボンディング電極形成工程とを備えてなることを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
（６）前記電流拡散層形成工程が、前記第２のクラッド層を構成するIII−Ｖ族化合物半導体層と共晶しない金属材料からなる前記電流拡散層で被覆することを特徴とする前項（５）に記載の半導体発光素子の製造方法。
（７）前記電流拡散層形成工程が、前記凹部に空洞を残存させて前記電流拡散層で被覆することを特徴とする前項（５）又は（６）に記載の半導体発光素子の製造方法。
（８）前記第１のオーミック電極形成工程が、前記第１のクラッド層の上面の、前記空隙の鉛直上方向の投影位置に前記第１のオーミック電極を形成することを特徴とする前項（７）に記載の半導体発光素子の製造方法。

以上説明したように、本発明の半導体発光素子によれば、第２のオーミック電極が化合物半導体層の支持板との接合面に設けられた凹部の底部に配置されているため、前記接合面が平滑となることから、化合物半導体層と支持板との接合強度が向上し、半導体発光素子の機械的強度が優れたものとなる。
また、凹部に由来する空隙の存在により、前記接合面と凹部を覆う電流拡散層の表面積が増加し、高反射率構造の金属層を半導体界面に形成されるため、光取り出し効率が向上して高輝度な半導体発光素子となる。
さらに、第１のオーミック電極と第２のオーミック電極とが化合物半導体層を挟んで相互に重なる位置に配置されているため、光取り出し効率が向上する。

また、本発明の半導体発光素子の製造方法によれば、化合物半導体層の支持板との接合面を平滑となるため、化合物半導体層と支持板の接合強度が向上するとともに、歩留まりが向上する。

＜第１の実施形態＞
以下に本発明の第１の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
図１および図２は本発明の第１の実施形態の半導体発光素子の概略構成を模式的に示す図で、図１はその平面図、図２は図１の線Ａ−Ａ’に沿った断面を示す図である。
尚、以降の各図においては各層や各部材を図面上で認識可能な程度の大きさ表示するために、各層や各部材の各方向の縮尺は変えてある。また、以下の説明において例示される材料は一例であって、本発明はそれらに必ずしも限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲で適宜変更して実施することが可能である。

本発明の第１の実施形態の半導体発光素子１０は、図１および図２に示すように、化合物半導体層１３と化合物半導体層１３に接合される金属基板（支持板）１１を主体として構成されている。
化合物半導体層１３は第１のクラッド層１３１と、発光層１３２と、第２のクラッド層１３３が少なくとも積層されて構成されている。化合物半導体層１３の金属基板１１側の面１３３ａには第２のオーミック電極１５と反射層を兼ねた電流拡散層１４が形成されており、この電流拡散層１４と金属基板１１とが接合されている。
また、第２のオーミック電極１５と、電流拡散層１４と、金属基板１１とが導通するようになっており、金属基板１１が一方の端子電極なっている。一方、第１のクラッド層１３１の上面１３１ａには第１のオーミック電極１６があり、さらに第１のオーミック電極１６上に透明導電膜２１およびボンディング電極２２が形成されている。このボンディング電極２２が他方の取り出し電極になっている。

本実施形態の半導体発光素子の平面構造は、図１に示すように半導体発光素子１０を構成する第１のクラッド層１３１に、第１のオーミック電極１６が分散して配置されており、さらにその上に透明導電膜２１およびボンディング電極２２が形成されている。
また、本実施形態の半導体発光素子１０の断面構造は、図２に示すとおり発光部となる化合物半導体層１３が形成されており、化合物半導体層１３は発光層１３２の両側に第１のクラッド層１３１と第２のクラッド層１３３が対峙して配置される構成となっている。化合物半導体層１３の金属基板１１との接合面となる第２のクラッド層１３３の接合面１３３ａには、凹部１７が複数形成されており、凹部１７の底部１７ａに第２のオーミック電極１５が形成されている。

また、第２のクラッド層１３３の接合面１３３ａと、凹部１７の底部１７ａに形成された第２のオーミック電極１５と、凹部１７の側部１７ｂとを覆うように、電流拡散層１４が形成されている。また、電流拡散層１４と金属基板１１は、スパッタ単層膜１２ａと１２ｂから成るスパッタ積層膜１２を介して接合されている。なお、電流拡散層１４と金属基板１１は全面では接合されておらず、スパッタ単層膜１２ａと１２ｂの接合界面には、前記凹部１７に由来する空隙１８が存在する。

さらに、化合物半導体層１３の第１のクラッド層１３１の上面１３１ａでは、第２のオーミック電極１５と対極をなす第１のオーミック電極１６が形成されている。また、第１のオーミック電極１６は、第２のオーミック電極１５と化合物半導体層１３を挟んで相互に重なる位置に配置されている。
本実施形態の半導体発光素子１０では、光の取出し方向は、第１のオーミック電極１６が設けられた第１のクラッド層１３１の上面１３１ａの方向である。

本実施形態に係る化合物半導体層１３は、III−Ｖ族化合物半導体からなる第１の伝導型の第１のクラッド（ｃｌａｄ）層１３１と、第１又は第１とは反対の伝導型である第２の伝導型のIII−Ｖ族化合物半導体からなる発光層１３２と、III−Ｖ族化合物半導体からなる第２の伝導型の第２のクラッド層１３３とが少なくとも積層されて構成されている。
すなわち、発光層１３２を含むｐｎ接合を有する化合物半導体積層構造体である。発光層１３２はｎ形またはｐ形の何れの伝導形の化合物半導体からも構成できる。この化合物半導体は好適には一般式（Ａｌ_ＸＧａ_１−Ｘ）_ＹＩｎ_１−ＹＰ（０≦Ｘ≦１，０＜Ｙ≦１）で表されるものである。発光部となる化合物半導体層１３は、ダブルへテロ、単一（ｓｉｎｇｌｅ）量子井戸（英略称：ＳＱＷ）または多重（ｍｕｌｔｉ）量子井戸（英略称：ＭＱＷ）の何れの構造であっても良いが、単色性に優れる発光を得るためにはＭＱＷ構造とするのが好適である。量子井戸（英略称：ＱＷ）構造をなす障壁（ｂａｒｒｉｅｒ）層及び井戸（ｗｅｌｌ）層を構成する（Ａｌ_ＸＧａ_１−Ｘ）_ＹＩｎ_１−ＹＰ（０≦Ｘ≦１，０＜Ｙ≦１）の組成は、所望の発光波長を帰結する量子準位が井戸層内に形成される様に決定する。

化合物半導体層１３は、上記の発光層１３２と、放射再結合をもたらすキャリア（担体；ｃａｒｒｉｅｒ）及び発光を発光層に「閉じ込める」ために、発光層１３２の両側に対峙して配置したクラッド（ｃｌａｄ）層１３１、１３３とからなる、所謂、ダブルヘテロ（英略称：ＤＨ）構造とするのが高強度の発光を得る上で最も好ましい。クラッド層１３１、１３３は、発光層１３２を構成する化合物半導体よりも禁止帯幅が広く、且つ、屈折率の高い半導体材料から構成することが好ましい。例えば、波長が約５７０ｎｍの黄緑色を発する（Ａｌ_０．４Ｇａ_０．６）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐから構成される発光層について、クラッド層を（Ａｌ_０．７Ｇａ_０．３）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐから構成することを例示することができる。発光層１３２とクラッド層１３１、１３３との間に、両層間におけるバンド（ｂａｎｄ）不連続性を緩やかに変化させるための中間層を設けても構わない。この場合、中間層は、発光層１３２とクラッド層１３１、１３３の中間の禁止帯幅を有する半導体材料から構成するのが望ましい。

本実施形態における凹部１７は、円形、正方形、長方形の形状、または配線形状が例示されるが、特に限定されるものではない。凹部１７は１つ又は２以上設けることが可能であり、化合物半導体層１３を構成する第２のクラッド層１３３の接合面１３３ａにおける位置および配置も特に限定されないが、後述するオーミック電極１５を設けるために、前記接合面１３３ａに均等に分散配置するのが好ましい。例えば、図１のオーミック電極１６のように、凹部１７を飛び石状に均等に配置しても良く、あるいは、独立していない放射状、ドーナッツ状、螺旋状、額縁状、格子状、あるいは枝状の電極を発光面に均等に分散して配置しても良い。

なお、凹部１７を、積層半導体層１３を構成する第２のクラッド層１３３の接合面１３３ａに分散して形成するとは、凹部１７の底部１７ａに形成するオーミック電極１５による半導体発光素子への動作電流が素子の全面に広がるよう、オーミック電極１５を偏り無く配置することが可能となるように凹部１７を配置することをいう。
凹部１７を円形とした場合、１つのドットサイズは、直径５〜３０μｍが好ましく、直径１０〜２０μｍが特に好ましい。また、化合物半導体層１３を構成する第２のクラッド層１３３の接合面１３３ａにおける、凹部１７の底部１７ａの占有面積は後述のオーミック電極１５の面積との関係により、５〜３０％であることが好ましい。

凹部１７の深さは、特に限定されないが、オーミック電極１５を形成後、化合物半導体層１３と金属基板１１との接合時に、第２のクラッド層１３３の接合面１３３ａが平滑であることが好ましく、第２のオーミック電極１５の厚さよりも深く形成されることが好ましい。特に高低差０．１５μｍ〜１０μｍの範囲内の凹みを形成することが好ましい。

第２のオーミック電極１５と第２のクラッド層１３３との接触抵抗は、電極とする金属の種類と接合させる半導体結晶の種類に依る組み合わせ、および第２のオーミック電極１５の面積によって異なり、第２のオーミック電極１５全体と第２のクラッド層１３３との接触抵抗は、約５０Ω以下とするのが好ましい。第２のオーミック電極１５の面積が小さすぎると、接触抵抗が増大し半導体発光素子の順方向電圧（Ｖｆ）が大きくなる不都合が生じる。従って、第２のオーミック電極１５の全体の面積は、発光面の面積の５％以上が好ましい。逆に第２のオーミックの電極１５の面積があまり大きすぎると、発光部からの発光が第２のオーミック電極１５として形成された金属層により吸収されて外部に取り出せなくなり、発光強度が低下する。そのため第２のオーミック電極１５の面積は、発光面の面積の３０％以下とするのが望ましい。

第２のオーミック電極１５の材料には、第２のオーミック電極１５を形成する化合物半導体層１３の第２のクラッド層１３３がｐ型層の場合はＡｕＺｎ合金やＡｕＢｅ合金等を、また、第２のクラッド層１３３がｎ型層の場合はＡｕＧｅＮｉ合金やＡｕＳｉ合金等の公知の技術を適用できる。なお、第２のオーミック電極１５の厚さは、０．０５〜１．０μｍ程度が適当であり、凹部１７の深さよりも小さいことが好ましい。
本実施形態では、外部電気回路からの投入電力を、分散配置した第２のオーミック電極１５に供給するために、前記第２のオーミック電極１５を連結するように、第２のオーミック電極１５の表面、第２のクラッド層１３３の接合面１３３ａ、および凹部１７の側部１７ｂの全面を電流拡散層１４で覆う。

電流拡散層１４として使用する金属としては、電気伝導度の良い金属、例えば金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、アルミニウム（Ａｌ）、ニッケル（Ｎｉ）、亜鉛（Ｚｎ）、クロム（Ｃｒ）、白金（Ｐｔ）、もしくはチタン（Ｔｉ）、タンタル（Ｔａ）あるいはこれら金属の合金等が利用できる。また、金属の中でも、腐食し難い金や金合金、および半導体との密着性が良い金属、すなわち、高融点金属が好ましく、例えばクロム、白金又はチタンが好ましい。これらの金属の長所を生かし多層膜にすると更に安定した電流拡散層１４を形成することができる。
また、本実施形態では、電流拡散層１４を発光層１３２から放射される光の反射層としての機能を兼ねるため、Ａｌ、Ａｇ、Ａｕ、Ｐｔ等の高反射率金属が特に好ましい。
さらに、電流拡散層１４は、それを設ける第２のクラッド層１３３をなすIII−Ｖ族化合物半導体材料、例えば（Ａｌ_ＸＧａ_１−Ｘ）_ＹＩｎ_１−ＹＰ（０≦Ｘ≦１，０＜Ｙ≦１）と共晶化反応を生じない金属であることが好ましく、その中で電気伝導率が高い高反射率金属から構成するのが好適である。特に、Ｃｒ、Ｐｔ、Ｔｉ及びＴａなどを好ましく利用できる。

本実施形態において、支持板（金属基板）１１は半導体発光素子の支持体層、放熱板および端子電極として用いられる。
金属基板１１の大きさは、特に限定されないが、化合物半導体層１３との接合面である第２のクラッド層１３３の接合面１３３ａと同等以上の面積を有することが好ましい。また、金属基板１１の厚みについても特に限定されず、機械的強度や放熱特性を満たす必要な厚みを選択することができる。
また、金属基板１１の金属種類は、特に限定されず、機械的強度や放熱特性といった必要な機能を満たす金属を選択できる。例えば機械的強度を向上させる場合には、ＳＵＳ、Ａｌ、Ｃｕ等が例示される。

スパッタ積層膜１２は、電流拡散層１４で被覆された第２のクラッド層１３３の接合面１３３ａと、金属基板１１の接合に用いられる。
本実施形態では、第２のオーミック電極１５が前記接合面１３３ａに設けられた凹部１７の底部１７ａに形成されており、金属基板１１との接合面となる前記接合面１３３ａが平滑であるため、スパッタ積層膜１２を介した接合が可能となる。

スパッタ積層膜１２を介した接合の際、前記接合面１３３ａを被覆している電流拡散層１４、金属基板１１およびスパッタ積層膜１２の金属種の組み合わせは、特に限定されるものではなく、スパッタ材料と電流拡散層１４あるいは金属基板１１の被接合面との密着力が確保できる組み合わせであればよい。このため、すべて同種の金属を用いることが可能であるとともに、すべて異なる金属を用いることも可能である。
したがって、電流拡散層１４に積層したスパッタ単層膜１２ａと、金属基板１１に積層したスパッタ単層膜１２ｂを接触させると、スパッタ単層膜１２ａと１２ｂの界面で金属の自己拡散が生じ、スパッタ積層膜１２が形成される。このスパッタ積層膜１２の形成を利用して、化合物半導体層１３と金属基板１１を無加熱、無加圧で接合することができる。
なお、本実施形態においては前述の電流拡散層１４を発光層１３２から発光した光の反射層として機能させるため、Ａｌ、Ａｇ、Ａｕ、Ｐｔ等の高反射率金属が最も好ましい。

本実施形態において空隙１８は、化合物半導体層１３に積層した電流拡散層１４と金属基板１１の接合界面であるスパッタ積層膜１２を構成する、電流拡散層１４に積層されたスパッタ単層膜１２ａと金属基板１１に積層されたスパッタ単層膜１２ｂの接合界面に位置する。また、空隙１８は、第１のオーミック電極の鉛直下方向の投影位置に設けられていることが好ましい。
空隙１８の形状は、第２のクラッド層１３３に設けた凹部１７の形状と近似する。また、空隙１８の深さおよび容積についても、凹部１７の深さ、第２のオーミック電極１５および積層した電流拡散層１４の膜厚によって定まる。
なお、空隙１８の内部は、例えば、不活性気体などで充填されているか又は真空の状態（空洞）であるのが望ましい。

本実施形態において、第１のオーミック電極１６は、化合物半導体層１３を構成する第１のクラッド層１３１の上面１３１ａに形成される。第１のオーミック電極１６は、外部から電力を供給する一方の電極となるので、前記表面１３１ａの一部に、接触抵抗が約５０Ω以下となる面積を確保することが好ましい。第１のオーミック電極１６の材質は特に限定されるものではなく、ＡｕＧｅＮｉやＡｕＢｅ等を用いることができる。
また、第１のオーミック電極１６の数は特に限定されるものではなく、後述する第２実施形態のように１つ設けることが可能であるとともに、複数設けることが可能である。なお、本実施形態では、第１のオーミック電極１６を光取り出し面となる第１のクラッド層１３１の上面１３１ａに形成するため、第１のクラッド層１３１の上面１３１ａに島状に配置するとともに、第１のオーミック電極１６と第２のオーミック電極１５とを化合物半導体層１３を介して、相互に重なる位置に配置することが好ましい。

さらに、島状に配置された第１のオーミック電極１６および第１のクラッド層１３１の上面１３１ａの全面には透明導電膜２１が形成されて、透明導電膜構造となっている。透明導電膜２１の材料として、ＩＴＯを用いることができるが、特にこれに限定されるものではない。
更にまた、透明導電膜２１上には、ボンディング電極２２が形成されている。ボンディング電極２１の材料として、Ａｕを用いることができるが、特にこれに限定されるものではない。

以上説明したように、本実施形態の半導体発光素子１０によれば、第２のオーミック電極１５が化合物半導体層１３の金属基板１１との接合面１３３ａに設けられた凹部１７の底部１７ａに配置されているため、前記接合面１３３ａが平滑となることから、化合物半導体層１３と金属基板１１との接合強度が向上し、機械的強度が向上する。
また、スパッタ積層膜１２によって化合物半導体層１３と金属基板１１を接合することにより、第２のオーミック電極１５と金属基板１１が導通されて、発光効率が向上して高輝度になるとともに、放熱性能にも優れる。

さらに、凹部１７に由来する空隙１８が設けられることにより、反射層を兼ねる電流拡散層１４の表面に凹凸が形成される。この高反射率構造の金属層となる電流拡散層１４により半導体発光素子１０の内部に閉じ込められる光が乱反射して、半導体発光素子１０の外部への光取り出し効率が向上するため、高輝度となる。
更にまた、真空なスパッタ装置内で接合された空隙１８は、スパッタ装置から取り出されて大気圧環境に戻ると、大気圧により空隙１８が収縮するため、化合物半導体層１３と金属基板１１の密着強度が向上する。
また、第２のオーミック電極１５と第１のオーミック電極１６とを化合物半導体層１３を挟んで相互に重なる位置に配置することにより、光取り出し効率が向上して、高輝度な半導体発光素子となる。

上記の本実施形態の半導体発光素子１０によれば、光取り出し効率が高く、高輝度であり、放熱性能に優れ、かつ機械的強度にも優れた半導体発光素子が提供される。

次に、本発明の第１の実施形態の半導体発光素子の製造方法について図面を参照して説明する。図３〜図１３は本実施形態の半導体発光素子の製造方法を説明するための図であって、図３〜図４は化合物半導体層形成工程を示す断面模式図であり、図５は凹部形成工程を示す断面模式図であり、図６は、第２のオーミック電極形成工程を示す断面模式図であり、図７は電流拡散層形成工程を示す断面模式図であり、図８〜図１０は支持板（金属基板）接合工程を示す断面模式図であり、図１１は基板除去工程を示す断面模式図であり、図１２は第１のオーミック電極形成工程を示す断面模式図であり、図１３はボンディング電極形成工程を示す断面模式図である。
尚、図３〜図１３は図１〜図２と同様に、本実施形態の半導体発光素子の製造方法を説明するためのものであり、図示される各部の大きさや厚さや寸法等は、実際の半導体発光素子の寸法関係とは異なる場合がある。

本実施形態の半導体発光素子１０の製造方法は、化合物半導体層形成工程と、凹部形成工程と、第２のオーミック電極形成工程と、電流拡散層形成工程と、支持板（金属基板）接合工程と、基板除去工程と、第１のオーミック電極形成工程と、ボンディング電極形成工程とから概略構成されている。以下、各工程について順次説明する。

まず化合物半導体層形成工程では、図３に示すように半導体基板（基板）１３０を用意し、次に、図４に示すように、半導体基板１３０に、少なくとも第１のクラッド層１３１、発光層１３２および第２のクラッド層１３３を順次積層し、化合物半導体層１３を形成する。
例えば、半導体基板１３０としてごく一般的なＧａＡｓ基板を使用すれば、ＡｌＧａＩｎＰエピタキシャル層と容易に格子整合させることができ、結晶性の優れたＡｌＧａＩｎＰエピタキシャル層が得られる。
また、化合物半導体層１３の形成方法は特に限定されず、液相エピタキシャル成長法や気相エピタキシャル成長法（ＶＰＥ）が例示されるが、膜厚制御の点およびＤＨ構造のＡｌＩｎＧａＰの様な発光効率の高い発光部の形成法としては、ＭＯＣＶＤ法が最適である。

次に、凹部形成工程では、図５に示すように、第２のクラッド層１３３の上面１３３ｂに凹部１７を形成する。
なお、第２のクラッド層１３３の上面１３３ｂは、前述の本発明の実施形態である半導体発光素子１０の断面図である図２中において、第２のクラッド層１３３の接合面１３３ａに対応している。
凹部１７の形成方法は、特に限定されないが、本実施形態では、フォトリソグラフィー工法またはレーザー工法が好ましく、凹部１７の形状、サイズの制御が容易であり、かつ加工後において凹部１７の底部１７ａおよび側部１７ｂの表面が平滑面となりやすいフォトリソグラフィー工法が特に好ましい。

次に、第２のオーミック電極形成工程では、図６に示すように、凹部１７の底部１７ａに第２のオーミック電極１５を形成する。
第２のオーミック電極１５の形成方法は特に限定されないが、金属薄膜を蒸着法やスパッタ法で形成した後、所定の形状にパターニングする方法が好ましい。また、金属薄膜の形状加工後、熱処理により第２のオーミック電極１５を形成する。

次に、電流拡散層形成工程では、図７に示すように、第２のクラッド層１３３の上面１３３ｂ、第２のオーミック電極１５の表面および凹部１７の側部１７ｂを覆うように電流拡散層１４を形成する。
電流拡散層１４の形成方法は特に限定されないが、金属薄膜を蒸着法やスパッタ法が好ましく、本実施形態の製造方法では、特にスパッタ工法が好ましい。
このようにして、電流拡散層１４を形成した化合物半導体基板１９を製造する。

次に、支持板（金属基板）接合工程では、図８に示すように、スパッタ装置内において、化合物半導体基板１９と金属基板１１を保持し、化合物半導体基板１９に形成されている電流拡散層１４にスパッタ単層膜１２ａを、金属基板１１にスパッタ単層膜１２ｂをそれぞれ形成する。スパッタ単層膜１２ａおよび１２ｂは同種の金属が同時に形成される。
次に、図９に示すように、スパッタ装置内において、化合物半導体基板１９に積層したスパッタ単層膜１２ａと、金属基板１１に積層したスパッタ単層膜１２ｂとを接触させる。スパッタ膜成膜後のスパッタ単層膜１２ａおよび１２ｂは非常に活性であり、スパッタ単層膜同士を接触させた界面で金属の自己拡散が生じる。その結果、図１０に示すようにスパッタ積層膜１２が形成されることにより、化合物半導体基板１９と金属基板１１が接合される。
なお、化合物半導体基板１９と金属基板１１の接合方法は特に限定されず、はんだによる接合やアルゴン中性ビーム、アルゴンイオンビームなどを用いた表面活性化接合技術を選択することもできる。

次に、基板（半導体基板）除去工程では、図１１に示すように、半導体基板１３０を除去する。半導体基板１３０の除去方法は特に限定されないが、エッチングによる除去が好ましい。
たとえば、半導体基板１３０にＧａＡｓ基板を用いた場合には、発光層１３２からの発光に対して、半導体基板１３０が吸収層として働いてしまうので、ＧａＡｓ基板側に放射された光を有効に外部に取り出すことができないため、除去することが好ましい。

次に、第１のオーミック電極形成工程では、まず図１２に示すように、半導体基板１３０の除去により露出した、第１のクラッド層１３１の上面１３１ａに第１のオーミック電極１６を形成する。第１のオーミック電極１６の形成方法は特に限定されないが、蒸着法やスパッタ法等を利用して金属膜を形成する方法が好ましい。

最後に、ボンディング電極形成工程では、図１３に示すように、第１のオーミック電極１６の上面および第１のオーミック電極１６が形成されていない第１のクラッド層１３１の上面１３１ａに、透明導電膜２１を全面に形成する。透明導電膜２１の形成方法は特に限定されるものではないが、蒸着法やスパッタ法等を利用して形成する方法が好ましい。さらに、透明導電膜２１の上面に、ボンディング電極２２を形成する。ボンディング電極２２の形成方法は特に限定されるものではないが、蒸着法やスパッタ法等を利用して形成する方法が好ましい。
以上のようにして、図１〜図２に示すような、半導体発光素子１０が製造される。

以上説明したように、本実施形態の半導体発光素子１０の製造方法によれば、化合物半導体層１３の金属基板１１との接合面となる、第２のクラッド層１３３の上面１３３ｂが平滑となるため、化合物半導体層１３と金属基板１１の接合強度が向上し、歩留まり良く半導体発光素子１０を製造することができる。
また、前記上面１３３ｂが平滑であることから、化合物半導体基板１３と金属基板１１の接合にスパッタ積層膜１２を用いた接合方法の選択が可能となり、前記接合方法は無加熱、無加圧であることから、化合物半導体基板１３と金属基板１１の熱膨張差による不具合を抑えられ、歩留まり良く半導体発光素子１０を製造することができる。

＜第２の実施形態＞
図１４および図１５は、本発明の第２の実施形態を示している。図１４は本発明の第２実施形態の半導体発光素子の平面図を示しており、図１５は図１４の線Ｂ−Ｂ’に沿った断面模式図を示している。
本実施形態の半導体発光素子２０と第１実施形態の半導体発光素子１０とを比較すると、図１４に示すように、第１のオーミック電極１６が一つだけ形成されている点が相違しており、その他の構成は第１実施形態と同じ構成となっている。したがって、以下に第２実施形態の第１実施形態と異なる点について説明し、第１実施形態と同じ構成の部分については説明を省略する。

図１５に示すように、本実施形態の第１のオーミック電極１６は、化合物半導体層１３を構成する第１のクラッド層１３１の上面１３１ａに、１つだけ形成されている。第１のオーミック電極１６は、外部から電力を供給する一方の電極となるので、前記表面１３１ａの一部に、接触抵抗が約５０Ω以下となる面積を確保することが好ましい。第１のオーミック電極１６の材質は特に限定されるものではなく、ＡｕＧｅＮｉやＡｕＢｅ等を用いることができる。
また、第１のオーミック電極１６上には、ボンディング電極２２が形成されている。ボンディング電極２１の材料として、Ａｕを用いることができるが、特にこれに限定されるものではない。

以上説明したように、本実施形態の半導体発光素子２０によれば、第１実施形態の半導体発光素子１０と同様の効果を得ることができる。さらに、光の取り出し面である第１のクラッド層１３１の上面１３１ａに、光の吸収層として働く第１のオーミック電極１６が１つのみであるため、半導体発光素子２０の外部への光取り出し効率が向上して高輝度となる。

次に、本実施形態の半導体発光素子２０の製造方法について、第１実施形態と異なる工程のみ説明し、同じ工程については説明を省略する。
本実施形態では、第１実施形態の半導体基板除去工程までは同じ工程となる。第２実施形態の第１オーミック電極形成工程では、まず、半導体基板１３０の除去により露出した、第１のクラッド層１３１の上面１３１ａに、第１のオーミック電極１６を形成する。第１のオーミック電極１６形成方法については第１実施形態と同様である。次に、ボンディング電極形成工程では、第１のオーミック電極１６の上面に、透明導電膜を形成することなくボンディング電極２２を形成する。ボンディング電極２２の形成方法については第１実施形態と同様である。
以上のようにして、図１４〜図１５に示すような、半導体発光素子２０が製造される。

以上説明したように、本実施形態の半導体発光素子２０の製造方法によれば、第１実施形態と同様の効果が得られる。また、透明導電膜を用いないため、簡便かつ安価に半導体発光素子２０を製造することができる。

本発明の第１の実施形態の半導体発光素子の平面図である。 図１の線Ａ−Ａ’に沿った断面を示す図である。 本発明の実施形態の半導体発光素子の製造方法を説明するための図であって、化合物半導体層形成工程を示す断面模式図である。 本発明の実施形態の半導体発光素子の製造方法を説明するための図であって、化合物半導体層形成工程を示す断面模式図である。 本発明の実施形態の半導体発光素子の製造方法を説明するための図であって、凹部形成工程を示す断面模式図である。 本発明の実施形態の半導体発光素子の製造方法を説明するための図であって、電流拡散層形成工程を示す断面模式図である。 本発明の実施形態の半導体発光素子の製造方法を説明するための図であって、電流拡散層形成工程を示す断面模式図である。 本発明の実施形態の半導体発光素子の製造方法を説明するための図であって、金属基板接合工程を示す断面模式図である。 本発明の実施形態の半導体発光素子の製造方法を説明するための図であって、金属基板接合工程を示す断面模式図である。 本発明の実施形態の半導体発光素子の製造方法を説明するための図であって、金属基板接合工程を示す断面模式図である。 本発明の実施形態の半導体発光素子の製造方法を説明するための図であって、半導体基板除去工程を示す断面模式図である。 本発明の実施形態の半導体発光素子の製造方法を説明するための図であって、電極形成工程を示す断面模式図である。 本発明の実施形態の半導体発光素子の製造方法を説明するための図であって、電極形成工程を示す断面模式図である。 本発明の第２実施形態の半導体発光素子の平面図である。 図１４の線Ｂ−Ｂ’に沿った断面模式図である。

符号の説明

１０，２０・・・半導体発光素子、１１・・・支持板（金属基板）、１２・・・スパッタ積層膜、１２ａ、１２ｂ・・・スパッタ単層膜、１３・・・化合物半導体層、１３０・・・基板（半導体基板）、１３１・・・第１のクラッド層、１３１ａ・・・第１のクラッド層の上面、１３２・・・発光層、１３３・・・第２のクラッド層、１３３ａ・・・第２のクラッド層の接合面、１３３ｂ・・・第２のクラッド層の上面、１４・・・電流拡散層、１５・・・第２のオーミック電極、１６・・・第１のオーミック電極、１７・・・凹部、１７ａ・・・凹部の底部、１７ｂ・・・凹部の側部、１８・・・空隙、１９・・・化合物半導体基板、２１・・・透明導電膜、２２・・・ボンディング電極

Claims (8)

1. III−Ｖ族化合物半導体からなる第１の伝導型の第１のクラッド（ｃｌａｄ）層と、第１又は第１とは反対の伝導型である第２の伝導型のIII−Ｖ族化合物半導体からなる発光層と、III−Ｖ族化合物半導体からなる第２の伝導型の第２のクラッド層とが少なくとも積層されてなる化合物半導体層と、
   前記第１のクラッド層に形成される複数の第１のオーミック電極と、
   前記第２のクラッド層に形成される複数の第２のオーミック電極と、
   前記化合物半導体層の前記第１のクラッド層上に形成されて前記第１のオーミック電極と導通される透明導電膜と、
   前記透明導電膜上に形成されるボンディング電極と、
   前記化合物半導体層の前記第２のクラッド層側に配置されて前記第２のオーミック電極と導通される支持板とを備え、
   前記第１のオーミック電極は、前記第１のクラッド層の表面に分散して配置され、
   前記第２のクラッド層の前記支持板側の接合面には、複数の凹部が設けられるとともに、前記凹部の底部に前記第２のオーミック電極が配置され、
   前記化合物半導体層には、前記第２のクラッド層の前記接合面と、前記凹部内の前記第２のオーミック電極の表面及び前記凹部の側部とを覆うように電流拡散層が設けられ、
   前記電流拡散層に、前記支持板が接合されていることを特徴とする半導体発光素子。
2. 前記電流拡散層の前記第２のクラッド層と接触する表面が、前記第２のクラッド層を構成するIII−Ｖ族化合物半導体材料と共晶しない金属材料から構成されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
3. 前記電流拡散層と前記支持板とに囲繞される、前記凹部に由来する空隙を空洞としたことを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体発光素子。
4. 前記空隙が、前記第１のオーミック電極の鉛直下方向の投影位置に設けられていることを特徴とする請求項３に記載の半導体発光素子。
5. 基板上に、III−Ｖ族化合物半導体からなる第１の伝導型の第１のクラッド層と、第１又は第１とは反対の伝導型である第２の伝導型のIII−Ｖ族化合物からなる発光層と、第２の伝導型の第２のクラッド層とを少なくとも順次形成する化合物半導体層形成工程と、
   前記第２のクラッド層の上面に複数の凹部を形成する凹部形成工程と、
   前記凹部の底部に第２のオーミック電極を形成する第２のオーミック電極形成工程と、
   前記凹部内の前記第２のオーミック電極の表面及び前記凹部の側部と前記凹部以外の領域の前記第２のクラッド層の表面とを電流拡散層で被覆するように形成する電流拡散層形成工程と、
   前記電流拡散層と、前記電流拡散層と接合される接合面を前記電流拡散層と同一の構成材料で被覆した支持板とを前記凹部に空隙を残存させつつ接合させる支持板接合工程と、
   前記基板を除去する基板除去工程と、
   前記第１のクラッド層の上面に第１のオーミック電極を分散させて形成する第１のオーミック電極形成工程と、
   前記第１のオーミック電極の周囲を透明導電膜で被覆するとともに、前記透明導電膜の上面にボンディング電極を形成するボンディング電極形成工程とを備えてなることを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
6. 前記電流拡散層形成工程が、前記第２のクラッド層を構成するIII−Ｖ族化合物半導体層と共晶しない金属材料からなる前記電流拡散層で被覆することを特徴とする請求項５に記載の半導体発光素子の製造方法。
7. 前記電流拡散層形成工程が、前記凹部に空洞を残存させて前記電流拡散層で被覆することを特徴とする請求項５又は６に記載の半導体発光素子の製造方法。
8. 前記第１のオーミック電極形成工程が、前記第１のクラッド層の上面の、前記空隙の鉛直上方向の投影位置に前記第１のオーミック電極を形成することを特徴とする請求項７に記載の半導体発光素子の製造方法。

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