专利名称：Ⅲ－v族化合物半导体发光元件及其制造方法
技术领域：
本发明涉及III-V族化合物半导体发光元件及其制造方法，特别涉及发光的外部取出效率高的III-V族化合物半导体发光元件及其制造方法。
背景技术：
以往，III族氮化物半导体发光元件中主要使用蓝宝石衬底，包含蓝宝石衬底的氮化物半导体发光元件已被商品化。在这样的情况下，由于蓝宝石衬底为绝缘性，所以在衬底的一个主面上生长的多个III族氮化物半导体层上配置p侧电极和n侧电极的两个电极(例如，参照特开2003-163373号公报(以下称为专利文献1)以及特开2002-026392号公报(以下称为专利文献2))。
参照图6，专利文献1中公开的III族氮化物半导体发光元件在蓝宝石衬底601上依次层叠缓冲(buffer)层602、第一反射层606、n型半导体层603、发光层604、p型半导体层605、第二反射层607以及p侧电极608。而且，在部分露出的n型半导体层603上形成有n侧电极609。另外，在图6的例子中，第二反射层607兼作p侧电极608。
即，在图6所示的发光元件中，从发光层604辐射的光在第一反射层606和第二反射层607之间谐振之后，高效地通过蓝宝石衬底601向外部射出，由此，提高发光元件的光输出。因此，第一反射层606具有比第二反射层607低的反射率。
此外，在专利文献2中公开的半导体发光元件中，也同样通过在P型半导体侧设置高反射率的电极，使来自发光层的光向蓝宝石衬底侧反射，从而提高光向外部的取出效率。
在上述专利文献1以及专利文献2中公开的发光元件中，在衬底的一个主面上形成的半导体层层叠体上设置n侧电极以及p侧电极。该发光元件和外部通过金属制的导线(wire)连接。此时，通过在该发光元件的p侧电极608以及n侧电极609上制造的焊盘(pad)电极阻挡将发光层的光向外部取出。此外，作为露出n型半导体603的结果，需要除去发光元件的一部分的发光层604来制造n侧电极609，因此在发光元件中设置非发光部分，在衬底面方向上活性层的发光面积比芯片面积小，因此产生芯片面积周围的发光元件的光取出发生损失的问题。
此外，在上述专利文献1以及专利文献2中公开的发光元件中，p型GaN层上设置有高反射率的金属层(反射层)，因此来自活性层的光依赖于元件结构，由上述反射层反射并经由衬底射出。但是，由于对反射层和与其相接的层使用金属，所以各个层内的原子发生相互扩散。因此，产生不同种原子从与反射层相接的金属层流入反射层，反射层的反射率降低的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供对芯片面积周围的外部的光取出效率高的III-V族化合物半导体元件及其制造方法。
为了达成上述目的，本发明是包含III-V族化合物半导体的发光元件，其特征在于，包含第一层叠体和第二层叠体，第一层叠体包含依次层叠了n型半导体层、活性层、以及p型半导体层的III-V族化合物半导体层叠体、在该III-V族化合物半导体的一个主面侧形成的反射层、第一扩散抑制层、第一金属层，第二层叠体包含半导体衬底和第二金属层，第一层叠体和第二层叠体由第一金属层和第二金属层接合，通过第一扩散抑制层抑制反射层和第一金属层之间的原子的扩散。
在本发明的III-V族化合物半导体发光元件中，上述第一扩散抑制层通过与反射层和第一金属层两者相接，可以抑制反射层和第一金属层之间的原子的扩散。此外，上述第一扩散抑制层可以对反射层和第一金属层两者具有导电性。此外，上述第一扩散抑制层可以对反射层和第一金属层的至少一个层含有扩散速度慢的金属。
此外，在本发明的III-V族化合物半导体发光元件中，上述第二层叠体还包含欧姆接触金属层和第二扩散抑制层，可以通过第二扩散抑制层抑制欧姆接触金属层和第二金属层之间的原子扩散。这里，上述第二扩散抑制层通过与欧姆接触金属层和第二金属层两者相接，可以抑制反射层和第二金属层之间的原子的扩散。此外，上述第二扩散抑制层可以对欧姆接触金属层和第二金属层两者具有导电性。此外，上述第二扩散抑制层可以对欧姆接触金属层和第二金属层的至少一层具有扩散速度慢的金属。
此外，在本发明的III-V族化合物半导体发光元件的扩散抑制层中，可以将上述扩散速度慢的金属设为从W、Mo、Nb、Ni以及Ti构成的组中选择的至少一种金属。此外，可以将上述扩散速度慢的金属设为Ni-Ti合金。此外，可以将该扩散抑制层的厚度设为大于等于50nm。
此外，本发明的III-V族化合物半导体发光元件的金属层可以含有从Ag、Au、Sn、Cu、Pd、In、Ge、Bi、Zn以及Pb构成的组中选择的至少一种金属。
此外，本发明的III-V族化合物半导体发光元件的反射层可以含有从Ag、Al、Rh以及Pd构成的组中选择的至少一种高反射率的金属。此外，该反射层还可以包含从Au、Pt、Pd、Rh、Cu、Nd以及Bi构成的组中选择的至少一种金属。进而，该反射层可以包含从Ag-Nd、Ag-Au、Ag-Pt、Ag-Rh、Ag-Cu、Ag-Pd、Ag-Cu-Nd、Ag-Bi-Nd、Ag-Pd、Ag-Cu-Pd、Al-Nd、Al-Au、Al-Pt、Al-Rh、Al-Cu、Al-Pd、Al-Cu-Nd、Al-Bi-Nd、Al-Pd以及Al-Cu-Pd构成的组中选择的一种合金。
此外，可以将本发明的III-V族化合物半导体发光元件的半导体衬底的电阻率设为大于等于1.0×10-6Ω·cm小于等于10Ω·cm。此外，可以将上述半导体衬底的热传导率设为构成III-V族化合物半导体层叠体的III族化合物半导体中的最高的热传导率以上。进而，可以将上述半导体衬底设为从Si衬底、GaAs衬底、ZnO衬底、Cu衬底、W衬底、CuW衬底、Mo衬底、InP衬底、GaN衬底、SiC衬底以及GaP衬底构成的组中选择的一种衬底。
本发明是包含III-V族化合物半导体的发光元件的制造方法，包含在基底衬底上形成包含III-V族化合物半导体层叠体和反射层以及第一金属层的第一层叠体的步骤；形成包含半导体衬底和第二金属层的第二层叠体的步骤；用第一金属层和第二金属层接合第一层叠体和第二层叠体的步骤；从第一层叠体除去基底衬底的步骤。
在本发明的III-V族化合物半导体发光元件的制造方法中，可以通过热以及压力在真空中或惰性气体中接合第一金属层和第二金属层。此外，可以将半导体衬底的线膨胀系数和基底衬底的线膨胀系数的差设为小于等于1.0×10-5K-1。进而，通过从基底衬底侧照射激光，可以从第一层叠体除去基底衬底。这里，可以将上述激光的能量设为基底衬底的禁带宽度以下、以除去为目的层的禁带宽度以上。此外，在上述第一层叠体中，在所述反射层和所述第一金属层之间形成第一扩散抑制层，通过第一扩散抑制层可以抑制反射层和所述第一金属层之间的原子的扩散。进而，在上述第二层叠体中，在欧姆接触金属层和第二金属层之间形成第二扩散抑制层，通过第二扩散抑制层可以抑制所述欧姆接触金属层和第二金属层之间的原子的扩散。
如上所述，根据本发明，可以提供对于光向芯片面积周围的外部的取出效率高的III-V族化合物半导体元件及其制造方法。
通过关联附图的本发明下述详细的说明，本发明的上述以及其它的目的、特征、方面以及优点变得更清楚。
图1是表示本发明的一个III-V族化合物半导体发光元件的示意剖面图。
图2是表示本发明的一个III-V族化合物半导体发光元件的制造步骤中的第一层叠体的示意剖面图。
图3是表示本发明的一个III-V族化合物半导体发光元件的制造步骤中的第二层叠体的示意剖面图。
图4是表示本发明的一个III-V族化合物半导体发光元件的制造步骤中的层叠体的示意剖面图。
图5是表示在III-V族化合物发光元件中发光的反射率对于扩散抑制层的种类和厚度而不同的图。
图6是表示现有的III-V族化合物半导体发光元件的示意剖面图。
具体实施例方式
参照图1，本发明的一个III-V族化合物半导体发光元件是包含III-V族化合物半导体的发光元件，包含第一层叠体10和第二层叠体20，第一层叠体10包含依次层叠了n型半导体层103、活性层104、以及p型半导体层105的III-V族化合物半导体层叠体11、在该III-V族化合物半导体层叠体11的一个主面侧形成的用于反射从欧姆接触金属层107和活性层104辐射的光的反射层108、第一扩散抑制层109、第一金属层110，第二层叠体20包含导电性衬底201、欧姆接触金属层202、第二扩散抑制层204和第二金属层205，第一层叠体10和第二层叠体20通过第一金属层110和第二金属层205互相接合，通过第一扩散抑制层109位于反射层108和第一金属层110之间，第二扩散抑制层204位于欧姆接触金属层202和第二金属层205之间，反射层108和第一金属层110之间的原子扩散以及欧姆接触金属层202和第二金属层205之间的原子扩散被抑制。这里，两个层间的原子的扩散包含一层中包含的原子扩散到其它层、同时其它层中包含的原子扩散到一层的相互扩散的情况，以及仅一层中包含的原子扩散到其它层的单方扩散的情况的任何一种情况。
这样，包含层叠了n型半导体层103、作为发光层的活性层104以及p型半导体层105的III-V族化合物半导体层叠体11，在该III-V族化合物半导体层叠体11的一个主面侧形成的包含反射层108、第一扩散抑制层109以及第一金属层110的第一层叠体10和包含半导体衬底201以及第二金属层205的第二层叠体20通过第一金属层10和第二金属层20接合，从而可以在由第一层叠体10以及第二层叠体20构成的层叠体30的两侧的主面上形成电极，可以制造向芯片面积周围的外部的光取出效率高的发光元件，同时由于扩散抑制层位于反射层和第一金属层之间，从而反射层108和第一金属层110之间的原子的扩散通过扩散抑制层109被抑制，反射层的反射率被维持得高，因此光的外部取出效率进一步提高。
本发明的一个III-V族化合物半导体发光元件具体例如如下制造。
在本III-V族化合物半导体的制造中，首先制造如图2所示的第一层叠体10。该第一层叠体10通过在作为基底衬底101的蓝宝石衬底上形成的GaN缓冲层102上依次层叠以下的层而形成作为n型半导体层103的n型GaN层、作为发光层具有In0.08Ga0.92N层和GaN层交替组合四对的MQW(多重量子井)结构的活性层104、作为p型半导体层105的p型AlxGa1-xN层(0＜x≤1)105a以及p型GaN层105b、透光性的欧姆接触金属层107、反射来自活性层104的光的反射层108、用于接合第一扩散抑制层109以及以下说明的第二层叠体的第一金属层110。
更具体来说，参照图2，通过在作为基底衬底101的蓝宝石基底上使用MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition有机金属气相生长)法层叠多个III族氮化物半导体层，从而进行第一层叠体10的制造。首先，在反应室内的基座(suscepter)上安装上述蓝宝石衬底，以1200℃在H2环境中进行烘烤(baking)。然后，将衬底温度降低到450℃，使用N2和H2的混合气体作为运载气体，同时使用三甲基镓(以下为TMG)和氨(以下为NH3)作为原料，形成作为半导体缓冲层102的厚度30nm的GaN缓冲层，接着迅速将衬底温度升高到1080℃，在上述半导体缓冲层102上使用TMG、NH3以及掺杂物用硅烷(以下为SiH4)，使作为n型半导体层103的厚度10μm的n型GaN层生长。
然后，将衬底温度降低到750℃，在上述n型半导体层103上使用三甲基铟(以下为TMI)、TMG、以及NH3形成具有交替层叠四对厚度3nm的In0.08Ga0.92N井层和厚度9nm的GaN势垒层的MQW结构的活性层104。
接着，将衬底温度升高到1100℃，在上述活性层104上，作为p型半导体层105使厚度30nm的Mg掺杂的p型Al0.08Ga0.92N层105a以及厚度120nm的Mg掺杂的p型GaN层105b生长。这里，使用三甲基铝(以下为TMA)、TMG、NH3以及掺杂用茂基镁(cycolopentadienyl magnesium)(以下为Cp2Mg)进行p型Al0.08Ga0.92N层105a的生长，使用TMG、NH3以及Cp2Mg进行p型GaN层105b的生长。
然后，在将衬底温度下降到常温(25℃)之后，将该层叠体取出到空气中。然后，为了进行Mg掺杂的p型半导体层105的p型导电性活性化，使用热处理炉在N2环境中以800℃进行5分钟热处理。
接着，在进行了被热处理的层叠体的有机洗净之后，在p型GaN层105b上，作为透光性的欧姆接触金属层107，以衬底温度100℃，通过真空蒸镀法形成厚度1nm～20nm的Pd(钯)层。如果通过该Pd层得到与p型GaN层105b的欧姆接触，通过后面在其上形成的反射层108，电流可以横向扩展，因此可以进一步减薄Pd层，优选设为厚度1nm～7nm。形成到Pd层的层叠体在真空中以500℃进行5分钟退火。
通过溅射法在作为欧姆接触金属层107的Pd层上形成厚度为150nm的Ag-Nd层作为反射层108。此时，反射层的厚度只要是不透过活性层的光的程度的厚度就可以，大于等于30nm就可以。
继续通过溅射法形成第一扩散抑制层109，该第一扩散抑制层109起到抑制反射层108和以下说明的第一金属层110之间的原子的扩散的作用，厚度为0.5μm、并含有以Ni为50％以上质量的主要成分的Ni-Ti合金。
进而，在上述第一扩散抑制层109上形成含有Au的厚度3.5μm的第一金属层110。可以通过真空蒸镀法、溅射法、电镀法的任何一种方法形成该第一金属层110，或者也可以通过它们中两个以上的方法进行。这样，得到第一层叠体10。
接着，制造如图3所示的第二层叠体20。该第二层叠体20通过在作为具有导电性的半导体衬底201的n型Si衬底，和在其(100)面上依次层叠的作为欧姆接触金属层202的Ti层202a以及Al层202b、第二扩散抑制层204、作为第二金属层205的Au层205a以及Au-Sn(Au80％质量)层205b形成。
更具体地说，参照图3，第二层叠体20的制造为，将作为导电性的半导体衬底201的Si衬底进行有机洗净，然后使用5％质量的HF水溶液进行蚀刻，之后使衬底温度为100℃，通过真空蒸镀法依次形成对作为导电性的半导体衬底201的n型Si衬底进行欧姆接触而得到的厚度15nm～100nm的Ti层202a、厚度300nm的Al层202b、以及用于抑制Al层和以下说明的第二金属层205之间的原子的扩散的含有Ni-Ti合金的厚度0.5μm的第二扩散抑制层204。
进而，在第二扩散抑制层204上，作为用于使与图2的第一层叠体10的接合变得容易的第二金属层205，依次形成厚度1μm的Au膜205a和厚度4.5μm的Au-Sn(Au80％质量)层205b。这样，得到图3所示的第二层叠体20。
接着，如图4所示，将第一层叠体10和第二层叠体20粘合，以便第一层叠体中的第一金属层110和第二层叠体中的第二金属层205接合。作为该粘合的条件没有特别限制，但优选压力为2.0MPa(200N/cm2)左右，温度为280℃左右、保持时间为10分钟左右。这里，粘合的压力以及保持时间是指将衬底加热而达到了粘合温度之后的压力和保持时间。即，在衬底温度到达要求的粘合温度之前，重合的衬底的压力不是2.0MPa(200N/cm2)也可以。
进而，为了抑制第一金属层110和第二金属层205的接合部分空隙形成的目的，而在真空环境中进行上述第一层叠体10和第二层叠体20的粘合。该粘合当然也可以在空气中进行，但为了进一步抑制金属层中的空隙而在真空环境下、优选高于10Pa(1.0×10-1mbar)的真空度下进行。此外，除了真空环境之外，也可以在Ar、N2等惰性气体环境中，在Au-Sn(Au80％质量)合金的共晶温度以上到比其高40℃左右的温度为止的273℃～320℃左右，在1.0MPa～10MPa(100N/cm2～1000N/cm2)的压力下、优选1.5MPa～5.0MPa(150N/cm2～500N/cm2)的压力下进行。此外，粘合所需的时间优选在到达粘合温度后30分钟以下。粘合温度越接近共晶温度，或者粘合时间越短，则越能够抑制金属之间的扩散。对于粘合压力，为了防止衬底的损害，而优选在上述范围进行。
然后，为了除去作为使III族氮化物半导体层生长的基底衬底101的蓝宝石衬底，使用具有基底衬底101的禁带宽度以下、并且作为以除去为目的层的缓冲层102的禁带宽度以上的能量的激光，即被变换为不被基底衬底101吸收而被缓冲层102吸收的波长的固体激光，从作为基底衬底101的蓝宝石衬底101侧入射地进行照射。由此，透过基底衬底101的激光使作为缓冲层102的GaN缓冲层和作为n型半导体层103的n型GaN层中的缓冲层102侧的一部分熔解。作为这样的激光，可以使用能量密度10μJ/cm2～100mJ/cm2的脉冲状激光，通过从作为基底衬底101的蓝宝石衬底侧照射该脉冲状激光，作为基底衬底101的蓝宝石衬底、作为缓冲层102的GaN缓冲层、作为n型半导体层103的n型GaN层的一部分被除去。然后，由于激光照射而在露出的n型GaN层的表面上产生缺陷以及激光痕迹，所以使用电子蜡(electronwax)将作为接合了第一层叠体10和第二层叠体20的层叠体30的半导体衬底201的n型Si衬底贴到磨削机或研磨机的试料固定台(未图示)上，从表面将层叠体30的n型GaN层磨削和/或研磨1μm～2μm左右。通过该磨削和/或研磨的除去厚度最好为作为n型半导体层103的n型GaN层剩余、并且磨削和/或研磨引起的损害达不到活性层104的程度。然后，从试料固定台移走层叠体30，用有机溶剂洗净残存的电子蜡。
下面，再参照图1，在洗净的层叠体30的n型半导体层103上通过溅射法堆积厚度100nm的氧化铟锡(以下为ITO)层。在该ITO层上涂敷光致抗蚀剂(未图示)，通过利用了光刻法和FeCl3的蚀刻，除去ITO层的一部分而形成成为第一电极310的透光性电极。此外，在层叠体30的半导体衬底201上，作为第二电极320，通过蒸镀法形成由厚度150nm的Au-Sb合金以及Au形成的层。然后，用划线装置或刻模装置对层叠体30进行分割，使芯片的大小为200μm见方。这样制造的图1的III-V族化合物半导体发光元件的发光波长为470nm。
这样制作的发光元件的发光面积与第二电极320的主面的面积相同。与此相对，在图6所示的现有的发光元件中，为了制作n侧电极609而需要在发光元件上制作非发光的部分。从而，如将两发光元件制作为它们的芯片面积相同，则本发明的发光元件的发光面积比现有的发光元件大，具有更高的外部光取出效率，因此可以实现高输出化。
参照表示在III-V族化合物半导体发光元件中，发光的反射率对于扩散抑制层的种类和厚度的不同的图5说明扩散抑制层109的效果。制作了除了第一扩散抑制层109的种类以及厚度不同以外，与上述实施方式同样的结构的发光元件。另外，第一层叠体和第二层叠体的粘合条件也设为与上述实施方式同样(粘合压力2MPa，粘合温度280℃，粘合保持时间10分钟)。
作为III族氮化物半导体元件的层叠体30的第一扩散抑制层109，在对作为第一反射层108的Ag-Nd层和作为第一金属层110的Au层使用了由作为扩散速度慢的金属的Ni-Ti合金形成的层的情况，和使用由作为扩散速度快的金属的Pt形成的层的情况下，比较并研究波长470nm的发光反射率。参照图5，在第一扩散抑制层109为Ni-Ti层的情况下，厚度为0.5μm以及1.0μm时的反射率高达90％，相反在第一扩散抑制层109为Pt层的情况下，厚度为0.5μm时的反射率为60％，厚度为1μm时的反射率低至70％，很低。进而，在本实施方式中，在第一扩散抑制层109为Ni-Ti层的情况下，从n型GaN层103侧观察反射层108的颜色时，可以确认作为反射层108的Ag-Nd层的银色。相反，在第一扩散抑制层109为Pt层的情况下，在作为第一反射层108的Ag-Nd层的银色中确认了被认为是作为第一接合用金属层110的Au层内的Au原子的扩散引起的金色的斑点。由此，可知Pt层起不到作为扩散抑制层的作用，另一方面，Ni-Ti层起到作为扩散抑制层的作用。
这里，在进一步将作为第一扩散抑制层109的Ni-Ti层的厚度减薄的情况下，参照图5，厚度为0.01μm(10nm)时的反射率为67％，厚度为0.05μm(50nm)时的反射率为75％，0.1μm时的反射率为80％，0.2μm时的反射率为85％。由此，可知Ni-Ti层的厚度为10nm以上时，发挥作为扩散抑制层的功能。此外，扩散抑制层的厚度优选50nm以上。进而，对于第一层叠体和第二层叠体的粘合温度为273～320℃，粘合压为1.0MPa～10MPa(100N/cm2～1000N/cm2)，粘合时间为1秒～30分钟制作的发光元件进行与上述同样的研究时，得到与上述同样的结果。
即，在本实施方式中，也包含上述第一扩散抑制层109的研究，通过作为第一扩散抑制层109使用最佳的厚度0.5μm的Ni-Ti层，反射层108可以维持高反射率，发光的外部取出的效率也比以往高。
此外，在本实施方式中，作为反射层108使用了在360～600nm的区域中具有高的反射率的Ag-Nd层，但也可以根据发光元件的发光波长，使用含有Al、Rh以及Pd的至少一种金属的层代替含有Ag的层。进而，优选使用含有从Ag、Bi、Pd、Au、Nd、Cu、Pt、Rh以及Ni构成的组选择的至少两种的合金层，特别是Ag-Pd层、Ag-Bi层、Ag-Nd层或Ag-Nd-Cu层。
反射率高的金属以单体用于反射层时，例如，Al具有容易引起表面氧化的性质，Ag具有容易引起迁移的性质，因此如长期使用以单体将这些金属用于反射层的发光元件，则由于上述氧化或迁移，不能维持反射层的高反射率，发光特性可能从初始值改变。因此，与以单体使用高反射率的金属相比，优选使用在上述高反射率的金属中添加了可以抑制上述氧化或迁移的Au、Pt、Pd、Rh、Cu、Bi等贵金属、Nd等稀土类元素的金属、或者具有抗酸性和/或抗氯性效果的金属的合金。这里，抑制上述氧化或迁移的金属的添加比例优选不损害高反射率的金属的高的反射特性的程度，例如合金中的5％质量程度以下。
此外，在本实施方式中，作为用于接合第一层叠体10和第二层叠体20的金属层110、205，使用了Au层和Au-Sn层(Au80质量％)，但Au-Sn合金的组成可变更，例如可以使用Au-Sn合金(Au70质量％)。此外，作为金属层110、205，也可以使用Au层和Sn层、Ag-Cu-Sn层和Ag-Cu-Sn层或Au层和Au-Si层。作为第二金属层，使用Ag-Cu-Sn层的情况下粘合温度为260℃～320℃，而使用Au层和Au-Si层的情况下粘合温度为270℃～380℃，粘合压力都为1.0MPa～10.0MPa(100N/cm2～1000N/cm2)就可以。这是因为粘合条件极大地依赖于金属材料固有的熔点、共晶温度、以及金属间的反应性。特别是在Si层和Au-Si层的粘合的情况下，由于两者间的反应性强，所以即使在共晶点以下也引起反应。
进而，金属层110、205除了上述说明了的Ag、Au、Au-Sn以外，还含有Sn、Pd、In、Ge、Bi、Zn以及Pb中的至少一种金属，也可以选择如焊锡材料使用的共晶点温度低的材料。
此外，在本实施方式中，使用n型Si衬底(线膨胀系数5.3×10-6K-1，热传导率1.4W·cm-1·K-1，电阻率0.01Ω·cm)作为用于制造导电性的第二层叠体20的半导体衬底，但也可以代替使用为具有导电性而被进行了掺杂的p型Si衬底(线膨胀系数2.4×10-6K-1，热传导率1.4W·cm-1·K-1，电阻率0.02Ω·cm)、进行掺杂而具有导电性的GaAs(砷化镓)衬底(Zn掺杂p型衬底的情况下，线膨胀系数6.0×10-6K-1，热传导率0.54W·cm-1·K-1，电阻率小于等于0.03Ω·cm，在Si掺杂n型衬底的情况下，线膨胀系数6.0×10-6K-1，热传导率0.54W·cm-1·K-1，电阻率小于等于0.003Ω·cm)、ZnO(氧化锌)衬底(线膨胀系数3.18×10-6K-1，热传导率0.59W·cm-1·K-1，电阻率小于1×10-4Ω·cm)、Cu(铜)衬底(线膨胀系数16.8×10-6K-1，热传导率390W·cm-1·K-1，电阻率1.0×10-6Ω·cm)、W(钨)衬底(线膨胀系数4.3×10-6K-1，热传导率200W·cm-1·K-1，电阻率5.5×10-6Ω·cm)、CuW(钨铜)衬底(根据组成比，线膨胀系数4.3～10.2×10-6K-1，热传导率6.4～10.2W·cm-1·K-1，电阻率1×10-6Ω·cm)、包含两种以上的金属化合物并以W为90％质量的主要成分的衬底(例如，97W-2Ni-1Cu或者97W-2Ni-1Fe的情况下，线膨胀系数5.0×10-6K-1，热传导率0.9～1.25W·cm-1·K-1，电阻率1.0×10-6Ω·cm)、Mo(钼)衬底(线膨胀系数5.1×10-6K-1，热传导率1.42W·cm-1·K-1，电阻率1.0×10-6Ω·cm)、进行掺杂而具有导电性的InP(磷化铟)衬底(线膨胀系数4.5×10-6K-1，热传导率0.7W·cm-1·K-1，电阻率小于等于1.0×10-2Ω·cm)、GaN(氮化镓)衬底(线膨胀系数5.59×10-6K-1，热传导率1.3W·cm-1·K-1，电阻率7×10-3Ω·cm)、进行掺杂而具有导电性的SiC(6H)(碳化硅)衬底(线膨胀系数4.2×10-6K-1，热传导率4.9W·cm-1·K-1，电阻率小于等于1×10-2Ω·cm)、GaP(磷化镓)衬底(线膨胀系数5.3～5.81×10-6K-1，热传导率1.1W·cm-1·K-1，电阻率小于等于0.03Ω·cm)、进行掺杂而具有导电性的Ge(锗)衬底(线膨胀系数7.7×10-6K-1，热传导率59.9W·cm-1·K-1，电阻率小于等于0.05Ω·cm)、碳钢衬底(例如，在S45C的情况下，线膨胀系数10.7×10-6K-1，热传导率0.44W·cm-1·K-1，电阻率2.3×10-6Ω·cm)、Ti-Ni构成的金属衬底(线膨胀系数10×10-6K-1，热传导率0.21W·cm-1·K-1，电阻率7.0×10-6Ω·cm)、或包含ZrO2和C的电阻率低的陶瓷衬底(例如，在ZrO2-WC衬底的情况下，线膨胀系数8.1×10-6K-1，热传导率0.15W·cm-1·K-1，电阻率1.7×10-4Ω·cm)等。
作为半导体衬底201，优选上述衬底的理由如下。首先，半导体衬底201最好对于基底衬底101线膨胀系数的差小。由于通过热处理进行第一层叠体和第二层叠体的粘合，如形成第一层叠体的基底衬底和第二层叠体中包含的半导体衬底之间线膨胀系数的差大，则在规定的粘合温度中粘合之后，在返回室温(例如25℃)时，产生线膨胀系数的差引起的弯曲，或者由于该弯曲而产生剥离。从该观点出发，优选半导体衬底的线膨胀系数和基底衬底的线膨胀系数的差小于等于1.0×10-5K-1。这里，在本实施方式中，由于作为基底衬底101使用线膨胀系数为7.4×10-6K-1的蓝宝石衬底，作为半导体衬底201使用线膨胀系数为5.3×10-6K-1的n型Si衬底，因此两基板间的线膨胀系数的差小到2.1×10-6K-1，因此，在本实施方式中的第一层叠体10和第二层叠体20的粘合中，在层叠体30上没有看到弯曲以及剥离。
此外，半导体衬底201优选热传导率高。通过使用热传导率高的衬底，可以将对发光元件注入电流而使其发光时产生的热高效地向外部散热。如果高效地进行散热，则在对发光元件注入大电流时，可以抑制发光元件的发光量子效率的降低。从该观点出发，半导体衬底201的热传导率优选大于等于0.5W·cm-1·K-1。这里，在本实施方式中，半导体衬底201所使用的n型Si衬底的热传导率为1.4W·cm-1·K-1，由于这在0.5W·cm-1·K-1以上，因此高效地进行发光元件的发光时的散热。
此外，半导体衬底201优选电阻率大于等于1.0×10-6Ω·cm、小于等于10Ω·cm。通过将半导体衬底201的电阻率设为上述范围，可以有效地抑制半导体衬底中发生的电压下降。这里，在本实施方式中，作为半导体衬底201，使用掺杂物(例如Sb)浓度为1×1017cm-3、电阻率为0.01Ω·cm的n型Si衬底。此外，III-V族化合物半导体层叠体的各III-V族化合物半导体层的电阻率由于掺杂而被调整到大于等于10Ω·cm，金属层以及欧姆接触金属层的电阻率被调整为小于等于1.0×10-6Ω·cm。这样，通过使用具有III-V族化合物半导体的电阻率和金属层以及欧姆接触金属层的电阻率间的电阻率的半导体衬底201，可以抑制半导体衬底引起的电压下降。
以上，根据线膨胀系数、热传导率以及电阻率的三个特性，优选半导体衬底201。半导体衬底201优选满足上述所有三个特性，但只要满足任何一个特性也足够。
进而，在本实施方式中，作为欧姆接触金属层107，使用含有Pd的Pd层，但使用含有从由Ni、In、Ag以及Pt构成的组中选择的一种以上的金属的层代替Pd，也得到同样的效果。进而，也可以使用尖晶石衬底或SiC衬底等代替绝缘性的蓝宝石衬底。
此外，也可以使用Au层、Au-Sb层代替作为对本实施方式中的半导体衬底201的欧姆接触金属层202的Ti层202a。此外，在使用p型Si衬底代替作为半导体衬底201的n型Si衬底的情况下，可以使用由Al层或Al层以及Ti层的多个构成的金属层作为欧姆接触金属层202。此外，只要n型Si衬底的杂质浓度大于等于1.0×1018cm-3，也可以使用导电性Ag膏作为欧姆接触金属层。
此外，活性层104可以由单一或多重的量子井层的任何一个构成，即使是非掺杂(non-dope)，也可以掺杂Si、As或P等。MQW活性层中的井层和势垒层可以仅由InxGa1-xN层(0≤x＜1)构成，也可以由InxGa1-xN层(0≤x＜1)和GaN层构成。此外，p侧电极和n侧电极的形成顺序任意，先形成哪一个都可以。进而，通过控制交替组合四对In0.08Ga0.92N层和GaN层的MQW活性层104中的AlxGayIn1-x-yN(0≤x，0≤y、x+y≤1)的组成比，可以制造具有199nm～652nm的范围内的发光波长的发光元件。
此外，作为芯片分割方法，不限于划线装置或刻模，也可以在划痕线(クライブライン)上聚光照射激光来进行分割。芯片的大小不限于200μm见方，也可以是100μm见方或1mm见方等。
另外，在本实施方式中，激光照射后的n型半导体层103的磨削和/或研磨是为了除去在该n型GaN层上发生激光照射缺陷和缓冲层102的一部分残留在n型半导体层103上而引起的损害而进行的。这里，在作为缓冲层102，使用AlN缓冲层代替GaN缓冲层的情况下，作为n型半导体层103形成AlxGayIn1-x-yN(0≤x，0≤y、x+y≤1)层来代替n型GaN层的情况下，进而在层叠了任意的附加层的情况下，当然都可以通过磨削和/或研磨除去不需要的层。进而，n型GaN层的研磨可以通过RIE(Reactive Ion Etching)法除去。
如上所述，在本实施方式中，参照图1，由于第一层叠体10和第二层叠体20通过第一层叠体中的第一金属层110和第二层叠体中的第二金属层205接合，因此可以在层叠体30的两个主面上形成电极(作为第一电极310的透光性电极、第二电极320)，可以得到向芯片面积周围的外部的光取出效率高的发光元件。此外，关于来自发光层104的波长360～600nm的光，使用反射层108向活性层104方向反射，从而可以防止作为半导体衬底201的n型Si衬底吸收光，并且通过使用采用了光透过率高的ITO的透光性的第一电极310，可以得到向外部的光的取出效率提高了的发光元件。
在本实施方式中，通过第一扩散抑制层109与反射层108和第一金属层110的两者相接，抑制反射层和第一金属层之间的原子的扩散，而且，通过第二扩散抑制层204与欧姆接触金属层202和第二金属层205的两者相接，抑制欧姆接触金属层202和金属层205之间的原子扩散，但也可以为了抑制这样的原子扩散，只要第一扩散抑制层位于反射层和接合用金属层之间，或者，第二扩散抑制层204位于欧姆接触金属层202和第二金属层205之间就可以，也可以在扩散抑制层和反射层之间、扩散抑制层和金属层之间或者和欧姆接触金属层之间插入其它的层。
此外，只要第一扩散抑制层109对反射层108以及第一金属层110这两层具有导电性，第二扩散抑制层204对欧姆接触金属层202以及第二金属层205这两层具有导电性，则扩散抑制层109、204不特别限制。这里，导电性只要是可以使足够发光的电流流过发光元件的程度的导电性就足够。
此外，在本实施方式中，使用包含Ni-Ti合金的Ni-Ti层作为扩散抑制层109、204，但对反射层108和第一金属层110的至少一层以及欧姆接触金属层202和第二金属层205的至少一层使用含有扩散速度慢的金属的层可以得到同等的效果。扩散抑制层只要是含有该扩散速度慢的金属的层，则不特别限制，但从扩散抑制效果大的观点出发，优选含有从由W、Mo、Nb、Ni以及Ti构成的组中选择的至少一种金属的层。此外，也可以含有这些金属以外的原子。例如，含有W-Co、W-C等的层也可以用作扩散抑制层。
此外，在以上的实施方式中，说明了III族氮化物半导体发光元件，但众所周知，也可以使用III族氮化物半导体中的N的至少一部分由As、P和/或Sb置换了的III-V族化合物半导体。
尽管本发明已经被详细地描述和例证，但应该清楚地理解的是这仅是通过例证的方法和例子，而不是通过限制，本发明的精神和范围仅受附加的权利要求所限制。
权利要求
1.一种III-V族化合物半导体发光元件，是包含III-V族化合物半导体的发光元件，其特征在于，包含第一层叠体和第二层叠体，所述第一层叠体包含依次层叠了n型半导体层、活性层、以及p型半导体层的III-V族化合物半导体层叠体、在所述III-V族化合物半导体的一个主面侧形成的反射层、第一扩散抑制层、第一金属层，所述第二层叠体包含半导体衬底和第二金属层，所述第一层叠体和第二层叠体由所述第一金属层和所述第二金属层接合，通过所述第一扩散抑制层抑制所述反射层和所述第一金属层之间的原子的扩散。
2.如权利要求1所述的III-V族化合物半导体发光元件，其特征在于，所述第一扩散抑制层通过与所述反射层和所述第一金属层两者相接来抑制所述反射层和所述第一金属层之间的原子的扩散。
3.如权利要求1所述的III-V族化合物半导体发光元件，其特征在于，所述第一扩散抑制层对所述反射层和所述第一金属层两者具有导电性。
4.如权利要求1所述的III-V族化合物半导体发光元件，其特征在于，所述第一扩散抑制层对所述反射层和所述第一金属层的至少一层含有扩散速度慢的金属。
5.如权利要求4所述的III-V族化合物半导体发光元件，其特征在于，所述扩散速度慢的金属是从由W、Mo、Nb、Ni以及Ti构成的组中选择的至少一种金属。
6.如权利要求4所述的III-V族化合物半导体发光元件，其特征在于，所述扩散速度慢的金属是Ni-Ti合金。
7.如权利要求1所述的III-V族化合物半导体发光元件，其特征在于，所述第二层叠体还包含欧姆接触金属层和第二扩散抑制层，通过所述第二扩散抑制层抑制所述欧姆接触金属层和所述第二金属层之间的原子的扩散。
8.如权利要求7所述的III-V族化合物半导体发光元件，其特征在于，所述第二扩散抑制层通过与所述欧姆接触金属层和所述第二金属层两者相接来抑制所述反射层和所述第二金属层之间的原子的扩散。
9.如权利要求7所述的III-V族化合物半导体发光元件，其特征在于，所述第二扩散抑制层对所述欧姆接触金属层和所述第二金属层两者具有导电性。
10.如权利要求7所述的III-V族化合物半导体发光元件，其特征在于，所述第二扩散抑制层对所述欧姆接触金属层和所述第二金属层的至少一层含有扩散速度慢的金属。
11.如权利要求10所述的III-V族化合物半导体发光元件，其特征在于，所述扩散速度慢的金属是从由W、Mo、Nb、Ni以及Ti构成的组中选择的至少一种金属。
12.如权利要求10所述的III-V族化合物半导体发光元件，其特征在于，所述扩散速度慢的金属是Ni-Ti合金。
13.如权利要求1所述的III-V族化合物半导体发光元件，其特征在于，所述扩散抑制层的厚度大于等于50nm。
14.如权利要求1所述的III-V族化合物半导体发光元件，其特征在于，所述金属层含有从由Ag、Au、Sn、Cu、Pd、In、Ge、Bi、Zn以及Pb组成的组中选择的至少一种金属。
15.如权利要求1所述的III-V族化合物半导体发光元件，其特征在于，所述反射层含有从由Ag、Al、Rh以及Pd组成的组中选择的至少一种高反射率的金属。
16.如权利要求1所述的III-V族化合物半导体发光元件，其特征在于，所述反射层含有从由Ag、Al、Rh以及Pd组成的组中选择的至少一种高反射率的金属和从由Au、Pt、Pd、Rh、Cu、Nd以及Bi组成的组中选择的至少一种金属。
17.如权利要求1所述的III-V族化合物半导体发光元件，其特征在于，所述反射层包含从由Ag-Nd、Ag-Au、Ag-Pt、Ag-Rh、Ag-Cu、Ag-Pd、Ag-Cu-Nd、Ag-Bi-Nd、Ag-Pd、Ag-Cu-Pd、Al-Nd、Al-Au、Al-Pt、Al-Rh、Al-Cu、Al-Pd、Al-Cu-Nd、Al-Bi-Nd、Al-Pd以及Al-Cu-Pd构成的组中选择的一种合金。
18.如权利要求1所述的III-V族化合物半导体发光元件，其特征在于，所述半导体衬底的电阻率大于等于1.0×10-6Ω·cm、小于等于10Ω·cm。
19.如权利要求1所述的III-V族化合物半导体发光元件，其特征在于，所述半导体衬底的热传导率大于等于0.5W·cm-1·K-1。
20.如权利要求1所述的III-V族化合物半导体发光元件，其特征在于，所述半导体衬底是从由Si衬底、GaAs衬底、ZnO衬底、Cu衬底、W衬底、CuW衬底、Mo衬底、InP衬底、GaN衬底、SiC衬底以及GaP衬底构成的组中选择的一种衬底。
21.一种III-V族化合物半导体发光元件的制造方法，是包含III-V族化合物半导体的发光元件的制造方法，包含在基底衬底上形成包含III-V族化合物半导体层叠体、反射层和第一金属层的第一层叠体的步骤；形成包含半导体衬底和第二金属层的第二层叠体的步骤；用所述第一金属层和所述第二金属层接合所述第一层叠体和所述第二层叠体的步骤；以及从所述第一层叠体除去基底衬底的步骤。
22.如权利要求21所述的III-V族化合物半导体发光元件的制造方法，其特征在于，通过热以及压力在真空或惰性气体中接合所述第一金属层和所述第二金属层。
23.如权利要求21所述的III-V族化合物半导体发光元件的制造方法，其特征在于，所述半导体衬底的线膨胀系数和所述基底衬底的线膨胀系数的差小于等于1.0×10-5K-1。
24.如权利要求21所述的III-V族化合物半导体发光元件的制造方法，其特征在于，通过从所述基底衬底侧照射激光，从所述第一层叠体除去所述基底衬底。
25.如权利要求24所述的III-V族化合物半导体发光元件的制造方法，其特征在于，所述激光的能量小于等于所述基底衬底的禁带宽度，大于等于以除去为目的层的禁带宽度。
26.如权利要求21所述的III-V族化合物半导体发光元件的制造方法，其特征在于，在所述第一层叠体中，在所述反射层和所述第一金属层之间形成第一扩散抑制层，通过所述第一扩散抑制层抑制所述反射层和所述第一金属层之间的原子的扩散。
27.如权利要求21所述的III-V族化合物半导体发光元件的制造方法，其特征在于，在所述第一层叠体中，在所述反射层和所述第一金属层之间形成第一扩散抑制层，通过所述第一扩散抑制层抑制所述反射层和所述第一金属层之间的原子的扩散，在所述第二层叠体中，在所述欧姆接触金属层和所述第二金属层之间形成第二扩散抑制层，通过所述第二扩散抑制层抑制所述欧姆接触金属层和所述第二金属层之间的原子的扩散。
全文摘要
一种III－V族化合物半导体发光元件是包含III－V族化合物半导体的发光元件，其特征在于，包含第一层叠体(10)和第二层叠体(20)，第一层叠体(10)包含III－V族化合物半导体层叠体(11)、在III－V族化合物半导体层叠体(11)的一个主面侧形成的反射层(108)、第一扩散抑制层(109)、第一金属层(110)，第二层叠体(20)包含半导体衬底(201)和第二金属层(205)，第一层叠体(10)和第二层叠体(20)由第一金属层(110)和第二金属层(205)接合，通过第一扩散抑制层(109)抑制反射层(108)和第一金属层(110)之间的原子的扩散。由此，可提供一种对芯片面积周围的外部的光取出效率高的III－V族化合物半导体元件及莫制造方法。
文档编号H01S5/00GK1770492SQ20051012011
公开日2006年5月10日 申请日期2005年11月4日 优先权日2004年11月4日
发明者山本健作 申请人:夏普株式会社