專利名稱：半導體發(fā)光元件及其制造方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及一種在發(fā)光層上使用例如AlGaAs系、AlGaInP系、GaN系等的化合物半導體等的高發(fā)光效率的半導體發(fā)光元件及其制造方法。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的典型的半導體發(fā)光元件中設有GaAs組成的支持襯底和在該支持襯底上形成的對發(fā)光有貢獻的多個半導體層。所述對發(fā)光有貢獻的多個半導體層分別由AlGaInP系化合物半導體構(gòu)成。該AlGaInP系化合物半導體與GaAs支持襯底較良好地格子接合，因此在GaAs支持襯底上可獲得結(jié)晶性較良好的半導體層。
但是，GaAs支持襯底對從AlGaInP系化合物半導體組成的對發(fā)光有貢獻的多個半導體層中包含的發(fā)光層即活性層發(fā)出的光的波段上的光吸收系數(shù)極高。因此，從發(fā)光層向支持襯底側(cè)放射的光的大部分被GaAs支持襯底所吸收，不能得到具有高發(fā)光效率的半導體發(fā)光元件。
作為解決上述GaAs支持襯底的光吸收問題的方法，公知的方法有以與上述半導體發(fā)光元件的形成同樣的方式在GaAs支持襯底上外延生長對發(fā)光有貢獻的多個半導體層，然后除去GaAs支持襯底，在對發(fā)光有貢獻的多個半導體層(以下稱為半導體襯底)上粘貼例如由GaP組成的光透射性襯底，進而在該光透射性襯底下面形成具有光反射性的電極。但是，按照該方法制造的設有光透射性襯底和光反射性電極的結(jié)構(gòu)，存在包含發(fā)光層的半導體襯底和光透射性襯底的界面的電阻較大，且由于該電阻陽極和陰極之間的正向電壓較大的缺點。
作為解決上述缺點的方法，本案申請人的日本專利申請公開公報特開2002-217450號(稱為文獻1)中公開了在包含發(fā)光層的半導體襯底下面?zhèn)确稚⑿纬葾uGeGa合金層，用Al等的金屬反射層覆蓋AuGeGa合金層及未被該AuGeGa合金層覆蓋的半導體襯底的下面，然后在該金屬反射層上粘貼例如由具有導電性的硅組成的導電性支持襯底的方法。該方法中的所述AuGeGa合金層與例如AlGaInp等半導體襯底有較良好的歐姆接觸。因而，依據(jù)該結(jié)構(gòu)，可降低陽極與陰極之間的正向電壓。
另外，由于能夠用金屬反射膜反射從發(fā)光層向支持襯底側(cè)放射的光，可得到高發(fā)光效率。
但是，在上述文獻1中記載的半導體發(fā)光元件中，有時由于多個制造工序中的各種熱處理在金屬反射膜與相鄰的半導體襯底之間發(fā)生反應，因此降低了其界面上的反射率。從而，不能高成品率地生產(chǎn)達到所期望程度的發(fā)光效率高的半導體發(fā)光元件。
發(fā)明的公開本發(fā)明的目的在于提供可提高發(fā)光效率的半導體發(fā)光元件及其制造方法。
以下，參照表示實施例的附圖標記，就達成上述目的的本發(fā)明進行說明。另外，本發(fā)明的說明及權(quán)利要求中的附圖標記用以幫助理解本發(fā)明，不構(gòu)成對本發(fā)明的限定。
本發(fā)明的半導體發(fā)光元件中設有半導體襯底2，其中含有對發(fā)光有貢獻的多個化合物半導體層11、12、13，且含有用以取出光的一主面15和該主面15相反側(cè)的另一主面16；電極3，與所述半導體襯底2的一主面15連接；歐姆接觸區(qū)4，設于所述半導體襯底2的另一主面16的一部分上，且與所述半導體襯底2歐姆接觸；光透射層20，設在所述半導體襯底2的另一主面16上未配置所述歐姆接觸區(qū)4的部分的至少一部分上，具有使所述半導體襯底2上發(fā)出的光透射的功能且具有阻止或抑制所述半導體襯底2和金屬之間的反應的功能；以及金屬光反射層5，配置成覆蓋所述歐姆接觸區(qū)4和所述光透射層20且具有反射從所述半導體襯底2發(fā)生的光的功能。
本發(fā)明的半導體發(fā)光元件不僅可以是已完成的發(fā)光元件，也可以是作為中間產(chǎn)品的發(fā)光芯片。
并且，所述光透射層20最好是具有電絕緣性的膜。
并且，所述光透射層20最好是由SiO2、SiO、MgO、In2O3、ZrO2、SnO2、Al2O3、TiO2、ZnO及TaO中選擇的一種以上的無機氧化物或者透光性聚酰亞胺樹脂構(gòu)成。
并且，所述光透射層20最好具有3nm～1μm范圍的厚度。
并且，光透射層20最好具有能夠獲得量子力學隧道效應的厚度。
并且，所述歐姆接觸區(qū)4最好由在所述半導體襯底2的另一主面16分散配置的許多島狀部分或格子狀區(qū)域或條狀區(qū)域構(gòu)成。
并且，最好所述半導體襯底2設有在該另一主面16露出的Ga系化合物半導體層11，且所述歐姆接觸區(qū)4由金屬材料和Ga的合金層構(gòu)成。再有，所述Ga系化合物半導體層11最好是從分別含有導電型確定雜質(zhì)的由AlxGayIn1-x-yP組成的化合物半導體層、由AlxGayIn1-x-yAs組成的化合物半導體層和由AlxGayIn1-x-yN組成的化合物半導體中選擇的一種，其中，x和y是滿足0≤x＜1、0＜y≤1、0＜x+y≤1的數(shù)值。
并且，所述金屬光反射層5最好是反射率大于所述歐姆接觸區(qū)4的金屬層。
并且，所述金屬光反射層5最好為鋁層。
并且，所述半導體發(fā)光元件最好還設有與所述金屬光反射層5接合的導電性支持襯底8。
并且，最好所述導電性支持襯底8為包含雜質(zhì)的硅支持襯底，而且，還設有與所述硅支持襯底連接的另一電極9。
另外，所述半導體發(fā)光元件最好經(jīng)過以下工序制造第一工序，準備設有對發(fā)光有貢獻的多個化合物半導體層11、12、13，且設有用以取出光的一主面15和該主面相反側(cè)的另一主面16的半導體襯底2；第二工序，在所述半導體襯底2的另一主面16的一部分上形成歐姆接觸區(qū)4，且在所述半導體襯底2的另一主面16的剩余的至少一部分上形成具有光透射性且具有阻止或抑制所述半導體襯底2和金屬之間的反應的功能的光透射層20；以及第三工序，形成具有光反射性的金屬光反射層5，覆蓋所述歐姆接觸區(qū)4和所述光透射層20。
并且，準備所述半導體襯底2的第一工序最好包括準備化合物半導體襯底30的工序；在所述化合物半導體襯底30上外延生長對發(fā)光有貢獻的多個化合物半導體層11、12、13的工序；以及除去所述化合物半導體襯底30的工序。
并且，最好這樣所述半導體襯底2設有在其另一主面16露出的Ga系化合物半導體層11，且所述第二工序中包括在所述半導體襯底2的所述另一主面16的一部分上形成過渡金屬層17的工序；在所述過渡金屬層17上形成包含可在所述半導體襯底2的所述Ga系化合物半導體層11上經(jīng)由所述過渡金屬層17擴散的金屬材料的層18的工序；在帶有所述過渡金屬層17和包含所述金屬材料的層18的所述半導體襯底2上，通過低于構(gòu)成所述Ga系化合物半導體層11的元素和所述金屬材料的共晶點的溫度下的加熱處理，經(jīng)由所述過渡金屬層17將所述金屬材料導入所述Ga系化合物半導體層11，形成由構(gòu)成所述Ga系化合物半導體層11的元素和所述金屬材料的合金層構(gòu)成的且具有可讓光透射的厚度的歐姆接觸區(qū)4的工序；以及除去所述過渡金屬層17和包含所述金屬材料的層18的工序。
并且，所述半導體發(fā)光元件的制造方法最好還包括將導電性支持襯底與所述金屬光反射層接合的工序。
本發(fā)明的半導體發(fā)光元件，在具有發(fā)光功能的半導體襯底2和金屬光反射層5之間，設有具備光透射性且具備阻止或抑制半導體和金屬的反應的功能的光透射層20，因此，制造工序中的各種熱處理工序中金屬光反射層5和半導體襯底2之間的反應被阻止或抑制，能夠防止金屬光反射層5的反射率下降。因此，能夠容易且高成品率地生產(chǎn)基于金屬光反射層5的理論反射率算出的具有高發(fā)光效率的半導體發(fā)光元件。
本發(fā)明優(yōu)選實施例的歐姆接觸區(qū)4由其光吸收率低于傳統(tǒng)的AuGeGa構(gòu)成的歐姆接觸區(qū)的金屬材料和Ga的合金層構(gòu)成。因此，在歐姆接觸區(qū)4的光吸收被抑制且在半導體襯底2中發(fā)生的、向半導體襯底2的另一主面16方向放射的光的大部分能夠在歐姆接觸區(qū)4和Ga系化合物半導體層11的界面上反射。另外，歐姆接觸區(qū)4形成得較薄，因此，在半導體襯底2中發(fā)生并向半導體襯底2的另一主面16方向放射的光的一部分通過歐姆接觸區(qū)4，并在金屬光反射層5反射后向半導體襯底2的一主面15側(cè)傳播，能夠有效地光輸出。因此，能夠增大半導體發(fā)光元件的輸出光量，提高發(fā)光效率。
另外，輸出光量與傳統(tǒng)的相同即可時，可按照在歐姆接觸區(qū)4和金屬光反射層5的界面上增多的反射量增大歐姆接觸區(qū)4的面積。換言之，即使增大歐姆接觸區(qū)4的面積，也可令輸出光量與傳統(tǒng)的相同。這樣增大歐姆接觸區(qū)4的面積時，發(fā)光時的電流通路的電阻變小，正向電壓下降且功率損耗減小，發(fā)光效率提高。
另外，依據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施例的制造方法，可通過過渡金屬層17的作用良好、容易且高生產(chǎn)性地形成所要的歐姆接觸區(qū)4。即，由于過渡金屬層17具有將構(gòu)成化合物半導體的元素固相分解的功能和將半導體表面凈化的功能，經(jīng)由過渡金屬層17加熱半導體襯底2和金屬材料層18時，在較低溫度(共晶溫度以下)下半導體材料和金屬材料固相擴散。依據(jù)該低溫的固相擴散，形成較薄的歐姆接觸區(qū)4且得到不含具有將金屬光反射層5液化并促進與半導體材料的合金化之作用的金屬材料(例如，Ge)的歐姆接觸區(qū)4。因此，可減少歐姆接觸區(qū)4的光吸收。
附圖的簡單說明

圖1是表示本發(fā)明實施例1的半導體發(fā)光元件的剖視圖。
圖2是圖1的半導體發(fā)光元件的A-A線剖視圖。
圖3是說明圖1的半導體發(fā)光元件的制造工序的發(fā)光半導體襯底的剖視圖。
圖4是在圖3的發(fā)光半導體襯底上設置過渡金屬層和金(Au)層后的剖視圖。
圖5是表示對圖4所示的發(fā)光半導體襯底實施熱處理后形成了歐姆接觸區(qū)的剖視圖。
圖6是從圖5除去過渡金屬層和金層后的剖視圖。
圖7是在圖6的發(fā)光半導體襯底上設置光反射層和第一接合金屬層后的剖視圖。
圖8是在圖7的結(jié)構(gòu)上粘貼導電性硅支持襯底后的剖視圖。
圖9是形成歐姆接觸區(qū)時的熱處理溫度和本發(fā)明及傳統(tǒng)例的歐姆接觸區(qū)和光反射層的復合層的反射率之間的關(guān)系圖。
圖10與圖1同樣是表示本發(fā)明的實施例2的半導體發(fā)光元件的剖視圖。
圖11是圖10的半導體元件的B-B線剖視圖。
本發(fā)明的最佳實施例實施例1以下，參照圖1～圖9，就本發(fā)明實施例1的半導體發(fā)光元件1即發(fā)光二極管及其制造方法進行說明。
半導體發(fā)光元件1構(gòu)成為發(fā)光二極管，如圖1簡略所示，由以下部分構(gòu)成包含對發(fā)光有貢獻的多個化合物半導體層的發(fā)光半導體襯底2、作為第一電極的陽極3、歐姆接觸區(qū)4、金屬光反射層5、第一和第二接合金屬層6、7、作為導電性支持襯底的硅支持襯底8、作為第二電極的陰極9、電流阻擋層10及本發(fā)明的光透射層20。再有，可將所述發(fā)光半導體襯底2稱為主半導體區(qū)或發(fā)光功能區(qū)。
發(fā)光半導體襯底2依次外延生長如下部分而構(gòu)成作為具有第一導電型的第一化合物半導體層的n型包覆層11、活性層12、作為具有第二導電型的第二化合物半導體層的p型包覆層13以及由p型化合物半導體構(gòu)成的電流擴散層14。再有，可將由n型包覆層11、活性層12及p型包覆層13構(gòu)成的部分稱為發(fā)光半導體區(qū)。并且，可將活性層12稱為發(fā)光層。發(fā)光半導體襯底2具有光取出側(cè)的一主面15和其相反側(cè)的另一主面16。
n型包覆層11最好為Ga系化合物半導體層，例如最好在由化學式AlxGayIn1-x-yP(其中，x和y是滿足0≤x＜1、0＜y≤1、0＜x+y≤1的數(shù)值)組成的III-V族化合物半導體上摻雜n型雜質(zhì)(例如Si)。上述化學式中的Al(鋁)的比例x最好為0.15～0.45，若為0.2～0.4則更理想。并且，Ga(鎵)的比例y最好為0.15～0.35，若為0.4～0.6則更理想。上述化學式的III-V族化合物半導體至少包含Ga(鎵)和P(磷)，需要時可包含In(銦)。n型包覆層11的n型雜質(zhì)的濃度最好為5×1017cm-3以上。該n型包覆層11中包含的Ga對形成歐姆接觸區(qū)4有貢獻。
再有，可在圖1的n型包覆層11的位置上設置可用化學式AlxGayIn1-x-yP表示的III-V族化合物半導體構(gòu)成的n型接觸層，且可在該n型接觸層和活性層12之間設置n型包覆層。當設置n型接觸層和n型包覆層兩層時，該兩層作為第一化合物半導體層起作用。另外，在設置n型接觸層時，n型包覆層的材料與n型接觸層的材料可不同。
在n型包覆層11上配置的活性層12由化學式AlxGayIn1-x-yP(其中，x和y是滿足0≤x≤1、0≤y≤1、0≤x+y≤1的數(shù)值)組成的p型的III-V族化合物半導體構(gòu)成。本實施例中，對活性層12以低于p型包覆層13的濃度摻雜p型雜質(zhì)。但是，可對活性層12摻雜n型雜質(zhì)，或不摻雜導電型確定雜質(zhì)。圖1中示出由n型包覆層11、活性層12和p型包覆層13構(gòu)成的雙異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的發(fā)光區(qū)域。因而，活性層12可用單一層表示，但取代該單一的活性層12可設置公知的多重量子阱(MQWMulti-Quantum-Well)結(jié)構(gòu)或單一量子阱(SQWSingle-Quantum-Well)結(jié)構(gòu)的活性層。
活性層12上形成的p型包覆層13最好由化學式AlxGayIn1-x-yP(其中，x和y是滿足0≤x≤1、0≤y≤1、0≤x+y≤1的數(shù)值)組成的p型的III-V族化合物半導體構(gòu)成。上述化學式中的Al的比例x最好設定在0.15～0.5的范圍。p型包覆層13的p型雜質(zhì)(例如Zn)的濃度確定為例如5×1017cm-3以上。
在p型包覆層13上配置的電流擴散層14具有提高流過發(fā)光半導體襯底2的正向電流的分布均一性的作用；可與陽極3歐姆接觸的作用；以及將活性層12中發(fā)出的光向發(fā)光元件的外部導出的作用，例如由GaP或GaxIn1-xP或AlxGa1-xAs等的p型的III-V族化合物半導體構(gòu)成。該電流擴散層14的p型雜質(zhì)濃度設定得比p型包覆層13高。另外，在電流擴散層14上還可設置由p型化合物半導體構(gòu)成的p型接觸層。
在電流擴散層14中央的上部配置的電流阻擋層10由絕緣層構(gòu)成。該電流阻擋層10防止正向電流在發(fā)光半導體襯底2的中央部集中流過的情況。
陽極3例如由Cr(鉻)層和Au(金)層的復合層構(gòu)成，配置在電流擴散層14和電流阻擋層10上，并與電流擴散層14歐姆接觸。并且，陽極3形成從襯底2的一主面15垂直的方向看時為網(wǎng)狀或格子狀，以使正向電流均勻流過。另外，可將陽極3設為光透射性電極。
歐姆接觸區(qū)4在發(fā)光半導體襯底2的另一主面16上分散配置。即，形成從發(fā)光半導體襯底2的另一主面16看時在n型包覆層11上島狀埋入的狀態(tài)的各歐姆接觸區(qū)4。因而，發(fā)光半導體襯底2的另一主面16上露出各歐姆接觸區(qū)4和它們之間的n型包覆層11。
各歐姆接觸區(qū)4基本上由只由Ga和Au組成的合金層即混合層構(gòu)成，與n型包覆層11及光反射層5歐姆接觸。由GaAu合金層構(gòu)成的各歐姆接觸區(qū)4最好以20～1000埃的厚度形成。當歐姆接觸區(qū)4的厚度薄于20埃時，不能取得良好的歐姆接觸，若該厚度超過1000埃，則歐姆接觸區(qū)4的光透射性變差。
由AuGa合金層構(gòu)成的歐姆接觸區(qū)4的光吸收率小于上述文獻1的AuGeGa合金層的光吸收率，由AuGa合金層構(gòu)成的歐姆接觸區(qū)4的光透射率大于上述文獻1的AuGeGa合金層的光透射率。即，上述文獻1的AuGeGa合金層包含阻礙光透射的Ge(鍺)且具有2000埃以上的厚度，因此在上述文獻1的歐姆接觸區(qū)中，由歐姆接觸區(qū)吸收大部分的光，幾乎沒有透過歐姆接觸區(qū)的光。然而，本實施例的歐姆接觸區(qū)4由不含Ge的AuGa合金層構(gòu)成且具有20～1000埃的較薄的厚度，因此光透射率大于傳統(tǒng)的AuGeGa。再有，本發(fā)明中的光透射率、光吸收率及光反射率均針對活性層12放射的光而言。
n型包覆層11的表面隔著歐姆接觸區(qū)4和本發(fā)明的光透射層20被金屬光反射層5覆蓋。在n型包覆層11和金屬光反射層5之間配置的本發(fā)明的絕緣性的光透射層20抑制金屬光反射層5和n型包覆層11之間的反應即合金化。因此，在經(jīng)過制造工序中的各種熱處理工序后，金屬光反射層5維持高反射率。金屬光反射層5表面的反射率大于歐姆接觸區(qū)4和n型包覆層11的界面的反射率。從活性層12向發(fā)光半導體襯底2的另一主面16側(cè)放射的光的一部分通過本發(fā)明的光透射層20后達到金屬光反射層5的表面，并在該光反射層5的表面反射后返回發(fā)光半導體襯底2的一主面15側(cè)。若與上述文獻1同樣地將金屬光反射層5與n型包覆層11直接接觸，則因制造工序中的加熱處理而在金屬光反射層5和n型包覆層11的界面生成光吸收層。因而降低金屬光反射層5中的光反射率。然而本發(fā)明的絕緣性的光透射層20防止因制造工序中的加熱處理而在金屬光反射層5和n型包覆層11的界面上生成光吸收層的情況。因此，帶有本發(fā)明的絕緣性的光透射層20的金屬光反射層5的光反射率比帶有上述文獻1的光吸收層的金屬光反射層的光反射率高20％左右。即，從圖1的發(fā)光半導體襯底2側(cè)向光透射層20入射的大部分光經(jīng)由光透射層20達到金屬光反射層5，并在金屬光反射層5反射后返回發(fā)光半導體襯底2的一方的主面?zhèn)?。從而，提高發(fā)光元件的光取出效率。
另外，本實施例的歐姆接觸區(qū)4不合Ge而基本上僅由AuGa成，且20～1000埃左右極薄地形成。因而，從發(fā)光半導體襯底2側(cè)向歐姆接觸區(qū)4入射的光的一部分通過歐姆接觸區(qū)4后到達金屬光反射層5，并在金屬光反射層5反射后返回發(fā)光半導體襯底2的一主面?zhèn)取Ｒ虼?，圖1的歐姆接觸區(qū)4和金屬光反射層5的復合層的光反射率大于上述文獻1的歐姆接觸區(qū)和金屬光反射層的復合層的光反射率。
由以上可知，帶有金屬光反射層5的光透射層20的部分和帶有歐姆接觸區(qū)4的部分均改善了光反射率。從而，與上述文獻1相比提高了發(fā)光元件的光取出效率。
絕緣性的光透射層20在n型包覆層11的表面以格子狀或網(wǎng)狀形成。但是，光透射層20的平面圖案并不限于格子狀或網(wǎng)狀，例如也可為將多個島狀部分分散配置的圖案或條狀圖案。光透射層20從具有阻止或抑制半導體襯底2和金屬光反射層5的合金化反應的功能且具有使從活性層12向金屬光反射層5側(cè)放射的光通過的功能的材料中選擇。本實施例中光透射層20由硅氧化物(SiO2)構(gòu)成。但是，光透射層20可由從SiO2(二氧化硅)、SiO(一氧化硅)、MgO(氧化鎂)、In2O3(氧化銦)、ZrO2(氧化鋯)、SnO2(氧化錫)、Al2O3(氧化鋁)、TiO2(氧化鈦)、ZnO(氧化鋅)及TaO(氧化鉭)中選擇的一種以上的無機氧化物或透光性聚酰亞胺樹脂形成。對于從活性層12放射的光，光透射層20的光透射率大于歐姆接觸區(qū)4的光透射率。光透射層20具有可阻止或抑制合金化反應的厚度例如3nm(30)～1μm范圍的厚度。若該光透射層20的厚度為可得到量子力學隧道效應的厚度例如3～10nm范圍的厚度則更理想。
第一接合金屬層6由Au(金)構(gòu)成，形成在金屬光反射層5的整個下面。第二接合金屬層7由Au(金)構(gòu)成，形成在具有導電性的硅支持襯底8的一個表面。第一和第二接合金屬層6、7通過熱擠壓法互相接合。
作為導電性支持襯底的硅支持襯底8在硅中加入了雜質(zhì)，具有發(fā)光半導體襯底2的機械支持功能和作為散熱體的功能以及作為電流通路的功能。
陰極9在硅支持襯底8的整個下面形成。若取代硅支持襯底8而設置金屬支持襯底，則由于它本身成為陰極，可省去圖1的陰極9。
制造圖1的半導體發(fā)光元件1時，首先準備圖3(A)所示的例如由GaAs構(gòu)成的化合物半導體襯底30。接著，在化合物半導體襯底30上，通過公知的MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法依次外延生長n型包覆層11、活性層12、p型包覆層13及電流擴散層14。本實施例中，n型包覆層11、活性層12、p型包覆層13及電流擴散層14被稱為發(fā)光半導體襯底2。由于發(fā)光半導體襯底2由化合物半導體構(gòu)成，能夠形成化合物半導體襯底30上錯位和缺陷少的發(fā)光半導體襯底2。
接著，除去化合物半導體襯底30，留下圖3(B)所示的發(fā)光半導體襯底2。圖3(A)中，在發(fā)光半導體襯底2的另一主面16側(cè)配置了化合物半導體襯底30，但可以在發(fā)光半導體襯底2的一主面15側(cè)配置化合物半導體襯底30。這種情況下，可在圖3后的工序中將化合物半導體襯底30去除。
接著，在發(fā)光半導體襯底2的另一主面16即n型包覆層11的表面上，通過用公知的濺鍍或等離子CVD等方法被覆硅氧化物來形成硅氧化膜。接著，用光蝕刻技術(shù)除去該硅氧化膜的一部分，在發(fā)光半導體襯底2的另一主面16上形成圖3(B)所示的網(wǎng)狀的硅氧化膜構(gòu)成的絕緣性的光透射層20。從而，發(fā)光半導體襯底2的另一主面16的一部分被絕緣性的光透射層20覆蓋，其余部分露出。
接著，在發(fā)光半導體襯底2的另一主面16上，光透射層20之間島狀露出的n型包覆層11的表面上用真空蒸鍍法依次形成例如由Cr(鉻)構(gòu)成的過渡金屬層17和Au(金)層18。圖4的過渡金屬層17的厚度確定為10～500埃，金層18的厚度確定為200～10000埃左右。
接著，對帶有圖4所示的過渡金屬層17和金層18的發(fā)光半導體襯底2進行低于n型包覆層11中的Ga(鎵)和金層18的Au(金)的共晶點即共融點(345℃)的溫度(例如300℃)的加熱處理(退火)。從而，金屬18的Au經(jīng)由過渡金屬層17向n型包覆層11擴散，生成由Ga和Au的合金層構(gòu)成的歐姆接觸區(qū)4。
上述加熱處理的溫度和時間確定歐姆接觸區(qū)4的厚度限制在20～1000埃的范圍。并且，上述加熱處理的溫度被確定為可得到具有薄且均勻的厚度且具有較低電阻的歐姆接觸區(qū)4的低于Ga(鎵)和Au(金)的共晶點即共融點的任意溫度。
為了查找上述加熱處理的溫度理想范圍，而將形成歐姆接觸區(qū)4時的熱處理溫度經(jīng)多個階段變化來形成多個發(fā)光元件，測定將各發(fā)光元件的歐姆接觸區(qū)4和金屬光反射層5看作一個反射部分時的該反射部分的反射率。該測定結(jié)果在圖9的特性線A上示出。另外，這里的反射率的測定是用波長650nm的紅光進行。為了進行比較，將形成上述文獻1的AuGeGa構(gòu)成的歐姆接觸區(qū)時的熱處理溫度經(jīng)多個階段變化而形成多個發(fā)光元件，測定將各發(fā)光元件中的歐姆接觸區(qū)和金屬光反射層看作一個反射部分時的該反射部分的反射率。該測定結(jié)果在圖9的特性線B上示出。
在特性線B所示的傳統(tǒng)的含有Ge(鍺)的歐姆接觸區(qū)的情況下，300℃的熱處理后的反射率約為30％，在特性線A的本發(fā)明實施例的不含Ge的情況下，300℃的熱處理后的反射率約為60％。因而，依據(jù)本發(fā)明實施例，由歐姆接觸區(qū)4和金屬地反射層5構(gòu)成的復合的反射部分的反射率約提高了30％。依據(jù)圖9的特性線A，熱處理溫度越低反射率就越高。但是，熱處理溫度過低時，歐姆接觸區(qū)4和n型包覆層11之間的接觸電阻增大。為了將該接觸電阻抑制為2×10-4Ωcm2以下，熱處理溫度最好為250～340℃，若為290～330℃則更好。
過渡金屬層17在熱處理時，使構(gòu)成n型包覆層11的AlGaInP分解為各元素，并具有容易移動各元素的作用及凈化n型包覆層11的表面的作用。根據(jù)過渡金屬層17的上述作用，通過低于Ga和Au的共晶點的溫度的熱處理，使Au擴散到n型包覆層11中，極薄地形成由Ga和Au的合金層或混合層構(gòu)成的歐姆接觸區(qū)4。
接著，用蝕刻法除去圖5的熱處理后的過渡金屬層17及金層18，得到帶有圖6的歐姆接觸區(qū)4和光透射層20的發(fā)光半導體襯底2。通過低于Au和Ga的共晶點的溫度的熱處理得到的Au和Ga的合金層構(gòu)成的歐姆接觸區(qū)11的表面形態(tài)比上述文獻1的共晶點以上的熱處理的AuGeGa構(gòu)成的歐姆接觸區(qū)的表面形態(tài)(morphology)得到大幅改善。因而，包含圖6的歐姆接觸區(qū)4的發(fā)光半導體襯底2的另一主面16的平坦性良好。
接著，如圖7所示，用真空蒸鍍法形成由厚度1～10μm左右的Al層構(gòu)成的金屬光反射層5，覆蓋發(fā)光半導體襯底2的另一主面16即n型包覆層11的露出表面和歐姆接觸區(qū)4的表面，用紅外線燈等進行短時間的熱處理。從而，具有導電性的金屬光反射層5與歐姆接觸區(qū)4歐姆接合且也同與n型包覆層ll相鄰的光透射層20接合。由Al構(gòu)成的金屬光反射層5隔著緣性的光透射層20與n型包覆層11接合，因此半導體發(fā)光元件1的正向電流不從n型包覆層11向金屬光反射層5流過。由于與金屬光反射層5相鄰的歐姆接觸區(qū)4的表面形態(tài)良好，金屬光反射層5的平坦性良好。
接著，光反射層5上通過Au的真空蒸鍍而形成第一接合金屬層6。
接著，準備在包含圖8所示的雜質(zhì)的Si襯底構(gòu)成的導電性襯底8的一主面上真空蒸鍍由Au構(gòu)成的第二接合金屬層7的襯底，將第一和第二金屬接合層6、7加壓接觸，然后進行300℃以下溫度的熱處理，并通過互相擴散Au來粘貼第一和第二金屬接合層6、7，將發(fā)光半導體襯底2和具有導電性的硅支持襯底8一體化。
接著，如圖1所示，在發(fā)光半導體襯底2的一表面15上形成用以阻止電流的電流阻擋層10和陽極3，并在導電性支持襯底8的下面形成陰極9而完成半導體發(fā)光元件1。
本實施例具有如下效果。
(1)在金屬光反射層5和發(fā)光半導體襯底2之間形成絕緣性的光透射層20，因此能夠阻止或抑制經(jīng)過制造工序中的各種熱處理工序的過程中在金屬反射層5和發(fā)光半導體襯底2之間產(chǎn)生的合金化反應。若產(chǎn)生合金化部分，則降低金屬反射層5的反射率，但本實施例中不發(fā)生這種問題。因此，能夠容易且高成品率地生產(chǎn)具有根據(jù)金屬光反射層5的理論反射率算出的高發(fā)光效率的發(fā)光元件。
(2)歐姆接觸區(qū)4不含光吸收性大的Ge且極薄地形成，因此具有由歐姆接觸區(qū)4和金屬光反射層5構(gòu)成的反射部分的光反射率高的值(例如60％)。因此，從活性層12射向金屬光反射層5側(cè)的光大部分返回到發(fā)光半導體襯底2的一個表面15側(cè)，發(fā)光效率變高。
(3)由于歐姆接觸區(qū)4和光反射層5構(gòu)成的反射部分的光反射率增大，在獲得預定光輸出時可比傳統(tǒng)的增大在發(fā)光半導體襯底2的另一主面16的面積中歐姆接觸區(qū)4所占面積的比例。若增大歐姆接觸區(qū)4的面積，則半導體發(fā)光元件1的正向電阻減少，正向電壓降及耗電減小，而發(fā)光效率提高。本實施例的紅色發(fā)光二極管的最大發(fā)光效率在電流容度40A/cm2時為47lm/W(流明/瓦)。
(4)隔著過渡金屬層17，從Au層18向n型包覆層11擴散Au，從而能夠在低于共晶點的溫度下容易地形成由AuGa構(gòu)成的歐姆接觸區(qū)4。
(5)由于歐姆接觸區(qū)4的表面形態(tài)良好，能夠良好地實現(xiàn)導電性硅支持襯底8的粘貼。
實施例2接著，參照圖10和圖11，就實施例2的半導體發(fā)光元件1a進行說明。另外，圖10和圖11中與圖1和圖2共同的部分上采用同一參考標記，并省略其說明。
圖10和圖11的半導體發(fā)光元件1a中，將絕緣性的光透射層20的配置形態(tài)變形，其它與圖1和圖2相同形成。本實施例2中，在n型包覆層11設有網(wǎng)狀或格子狀的凹部，光透射層20厚度方向的一部分在上述凹部中配置，剩余部分從n型包覆層11凸出。根據(jù)圖10和圖11的半導體發(fā)光元件1a也能得到與圖半導體發(fā)光元件1同樣的效果。
變形例本發(fā)明并不受限于上述的實施例，例如可進行如下變更。
(1)發(fā)光半導體襯底2的機械強度充分時，可省去圖1和圖10的硅支持襯底8。這時金屬光反射層5起到陰極的作用。
(2)圖2中歐姆接觸區(qū)4的俯視分布圖案為四邊形的島狀，但可以變更圓形島狀或格子狀或條狀等。將歐姆接觸區(qū)4變更為格子狀時，取代圖2的n型包覆層11而格子狀配置歐姆接觸區(qū)4，并取代圖2的歐姆接觸區(qū)4而島狀配置n型包覆層11。
(3)在歐姆接觸區(qū)4和n型包覆層11之間及光透射層20和n型包覆層11之間，可設置由AlGaInP構(gòu)成的n型接觸層或n型緩沖層或者設置該兩層。
(4)歐姆接觸區(qū)4可用AuGa以外的AuGeGa等其它材料形成。若該其它材料具有光透射性，可通過限制該厚度為20～1000埃，使歐姆接觸區(qū)4和金屬光反射層5構(gòu)成的反射部分的光反射率比較高并提高發(fā)光效率。
(5)金層18可為其它金屬的層。該其它金屬可從能夠與Ga合金化的材料中選擇。
(6)可取代硅支持襯底8而設置金屬支持襯底。
(7)上述過渡金屬層(17)可為從以下層中選擇的一層包含從Cr以外的Ti、Ni、Sc、V、Mn、Fe、Co、Cu、Zn、Be中選擇的至少一種的層；Au層、Cr層及Au層的復合層；Cr層、Ni層及Au層的復合層；以及Cr層、AuSi層及Au層的復合層。
工業(yè)上的利用可能性由以上可知，本發(fā)明可用于發(fā)光二極管等的半導體發(fā)光元件。
權(quán)利要求
1.一種半導體發(fā)光元件，其特征在于設有半導體襯底(2)，其中設有對發(fā)光有貢獻的多個化合物半導體層(11、12、13)，且設有用以取出光的一主面(15)和該主面(15)相反側(cè)的另一主面(16)；電極(3)，與所述半導體襯底(2)的一主面(15)連接；歐姆接觸區(qū)(4)，設于所述半導體襯底(2)的另一主面(16)的一部分上，且與所述半導體襯底(2)歐姆接觸；光透射層(20)，配置在所述半導體襯底(2)的另一主面(16)上未配置所述歐姆接觸區(qū)(4)的部分的至少一部分上，具有使所述半導體襯底(2)上發(fā)出的光透射的功能且具有阻止或抑制所述半導體襯底(2)和金屬的反應的功能；以及金屬光反射層(5)，配置成覆蓋所述歐姆接觸區(qū)(4)和所述光透射層(20)且具有反射從所述半導體襯底(2)發(fā)生的光的功能。
2.如權(quán)利要求1所述的半導體發(fā)光元件，其特征在于所述光透射層(20)是具有電絕緣性的膜。
3.如權(quán)利要求1所述的半導體發(fā)光元件，其特征在于所述光透射層(20)由SiO2、SiO、MgO、In2O3、ZrO2、SnO2、Al2O3、TiO2、ZnO及TaO中選擇的一種以上的無機氧化物或者透光性聚酰亞胺樹脂構(gòu)成。
4.如權(quán)利要求1所述的半導體發(fā)光元件，其特征在于所述光透射層(20)具有3nm～1μm范圍的厚度。
5.如權(quán)利要求1所述的半導體發(fā)光元件，其特征在于光透射層(20)具有可獲得量子力學隧道效應的厚度。
6.如權(quán)利要求1所述的半導體發(fā)光元件，其特征在于所述歐姆接觸區(qū)(4)由在所述半導體襯底(2)的另一主面(16)上分散配置的多個島狀部分或格子狀區(qū)域構(gòu)成。
7.如權(quán)利要求1所述的半導體發(fā)光元件，其特征在于所述半導體襯底(2)含有在該另一主面(16)露出的Ga系化合物半導體層(11)，且所述歐姆接觸區(qū)(4)由金屬材料和Ga的合金層構(gòu)成。
8.如權(quán)利要求4所述的半導體發(fā)光元件，其特征在于所述Ga系化合物半導體層(11)是在由化學式AlxGayIn1-x-yP組成的III-V族化合物半導體上摻雜了導電型確定雜質(zhì)的層，其中，x和y是滿足0≤x＜1、0＜y≤1、0＜x+y≤1的數(shù)值。
9.如權(quán)利要求1所述的半導體發(fā)光元件，其特征在于所述金屬光反射層(5)是反射率大于所述歐姆接觸區(qū)(4)的金屬層。
10.如權(quán)利要求6所述的半導體發(fā)光元件，其特征在于所述金屬光反射層(5)為鋁層。
11.如權(quán)利要求1所述的半導體發(fā)光元件，其特征在于還設有與所述金屬光反射層(5)接合的導電性支持襯底(8)。
12.如權(quán)利要求11所述的半導體發(fā)光元件，其特征在于所述導電性支持襯底(8)為包含雜質(zhì)的硅支持襯底，而且，還設有與所述硅支持襯底連接的另一電極(9)。
13.一種半導體發(fā)光元件的制造方法，其特征在于包括如下工序第一工序，準備設有對發(fā)光有貢獻的多個化合物半導體層(11、12、13)且具有用以取出光的一主面(15)和該主面相反側(cè)的另一主面(16)的半導體襯底(2)；第二工序，在所述半導體襯底(2)的另一主面(16)的一部分上形成歐姆接觸區(qū)(4)，且在所述半導體襯底(2)的另一主面(16)的剩余部分的至少一部分上形成具有光透射性且具有阻止或抑制所述半導體襯底(2)和金屬的反應的功能的光透射層(20)；以及第三工序，形成具有光反射性的金屬光反射層(5)，覆蓋所述歐姆接觸區(qū)(4)及所述光透射層(20)。
14.如權(quán)利要求13所述的半導體發(fā)光元件的制造方法，其特征在于準備所述半導體襯底(2)的第一工序包括準備化合物半導體襯底(30)的工序；在所述化合物半導體襯底(30)上外延生長對發(fā)光有貢獻的多個化合物半導體層(11、12、13)的工序；以及除去所述化合物半導體襯底(30)的工序。
15.如權(quán)利要求13所述的半導體發(fā)光元件的制造方法，其特征在于所述半導體襯底(2)含有在其另一主面(16)露出的Ga系化合物半導體層(11)；所述第二工序中包括在所述半導體襯底(2)的所述另一主面(16)的一部分上形成過渡金屬層(17)的工序；在所述過渡金屬層(17)上形成包含可在所述半導體襯底(2)的所述Ga系化合物半導體層(11)上隔著所述過渡金屬層(17)擴散的金屬材料的層(18)的工序；在帶有所述過渡金屬層(17)和包含所述金屬材料的層(18)的所述半導體襯底(2)上，通過低于構(gòu)成所述Ga系化合物半導體層(11)的元素和所述金屬材料的共晶點的溫度的加熱處理，隔著所述過渡金屬層(17)將所述金屬材料注入所述Ga系化合物半導體層(11)，形成由構(gòu)成所述Ga系化合物半導體層(11)的元素和所述金屬材料的合金層構(gòu)成的、具有可讓光透過的厚度的歐姆接觸區(qū)(4)的工序；以及除去所述過渡金屬層(17)和包含所述金屬材料的層(18)的工序。
16.如權(quán)利要求13所述的半導體發(fā)光元件的制造方法，其特征在于還包括將所述金屬光反射層與導電性支持襯底接合的工序。
全文摘要
半導體發(fā)光元件中設有具有發(fā)光功能的半導體襯底(2)、陽極(3)、歐姆接觸區(qū)(4)、合金化阻止用的光透射層(20)、金屬光反射層(5)以及導電性支持襯底(8)。所述光透射層(20)由絕緣性材料構(gòu)成，并具有阻止所述半導體襯底(2)和金屬光反射層(5)的合金化的作用。所述歐姆接觸區(qū)(4)以可透射光的厚度形成。從所述半導體襯底(2)發(fā)出的光通過所述光透射層(20)后在所述金屬光反射層(5)上反射，并通過所述歐姆接觸區(qū)(4)后在所述金屬光反射層(5)反射。結(jié)果提高了半導體發(fā)光元件的發(fā)光效率。
文檔編號H01L33/38GK1759491SQ200480006269
公開日2006年4月12日 申請日期2004年3月5日 優(yōu)先權(quán)日2003年3月10日
發(fā)明者室伏仁, 青柳秀和, 武田四郎, 內(nèi)田良彥 申請人:三墾電氣株式會社