JP2003133584A

JP2003133584A - 半導体発光素子

Info

Publication number: JP2003133584A
Application number: JP2001331490A
Authority: JP
Inventors: Tomoiku Honjiyou; 智郁本城
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2001-10-29
Filing date: 2001-10-29
Publication date: 2003-05-09

Abstract

(57)【要約】【課題】従来に比べて安定的に逆ピラミッド構造を得る
ことで、製造歩留まりを高め、高品質かつ高信頼性の半
導体発光素子を提供する。【解決手段】基板１上に複数の長尺状凸部ｓを、それぞ
れの側面が逆メサ形状になるように配列し、各長尺状凸
部ｓにおいて、基板１上に一導電型半導体層２と逆導電
型半導体層３とを順次積層して成る。そして、複数の長
尺状凸部ｓの各端と接続した連接部材ｐを設けている。
この連接部材ｐは一導電型半導体層２と逆導電型半導体
層３とを順次積層して成るものであり、長尺状凸部ｓの
各逆導電型半導体層３上および連接部材ｐ上にわたって
一方電極４を形成して成る。また、基板１の裏面に他方
電極５を形成して成る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は半導体発光素子に関
し、赤外通信あるいはリモコンなどに用いられる赤外半
導体発光素子に好適な半導体発光素子に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】従来の赤外半導体発光素子を図７に示
す。同図はこの素子の断面図であって、１１は半導体基
板であり、この半導体基板１１の上に一導電型半導体層
１２と逆導電型半導体層１３とをエピタキシャル成長さ
せ、さらに逆導電型半導体層１３の上にＰ側電極１４を
形成する。また、半導体基板１１の裏面にはＮ側電極１
５を形成する。

【０００３】そして、Ｐ側電極１４とＮ側電極１５との
間に電圧を印加することで、内部にて発光した光はＰ側
電極１４を設けていない部分あるいは側面から外部へ取
り出される。

【０００４】このような赤外半導体発光素子において
は、ホモ接合構造の半導体発光素子や、その他にキャリ
アの注入効率が高く、高出力、高応答速度が得られるシ
ングルヘテロ接合構造の半導体発光素子もしくはダブル
ヘテロ接合構造の半導体発光素子が知られている。

【０００５】また、従来の赤外半導体発光素子は、通
常、ＬＰＥ法でエピタキシャル成長して作製している。

【０００６】そして、かかる半導体発光素子において、
その発光表面に凹凸を付ける技術が提案されている。こ
れは発光素子で発光した光のうちの大部分が素子表面に
おいて反射されることによって、素子内部で吸収され、
外部に取り出されないことを防止するものである。

【０００７】この提案によれば、表面に凹凸を付けるこ
とでもってミクロに見ると光の取り出し面にさまざまな
角度を有する凹凸が形成され、これにより、有効立体角
度が大きくなり、光の取り出し効率が向上する。

【０００８】次に、このように表面に凹凸を付ける技術
を説明する。

【０００９】まず、半導体基板１１の上に一導電型半導
体層１２と逆導電型半導体層１３とを順次エピタキシャ
ル成長させ、その後、裏面にＮ側電極１５を、表面にＰ
側電極１４を設け、しかる後、ダイシング等で各素子間
に溝を作製した後、エッチング液に浸析させることで表
面に凹凸を付ける。

【００１０】これに関し、特開平１０−２００１５６号
公報によれば、硝酸系のエッチング液を使用する技術が
提案されており、硝酸は液の組成によっては、非常に効
果的に半導体表面に凹凸を作製することができ、通常、
ＧａＡｓ系からなる赤外半導体発光素子に対しては、硝
酸を水等で希釈したエッチング液を使用し、表面の凹凸
化を行っている。

【００１１】すなわち、素子表面での反射による光の取
り出しのロスを、素子表面をエッチングすることで表面
に凹凸を付け、これによって有効立体角度を大きくし、
発光効率のアップをはかってきた。

【００１２】上記提案の半導体発光素子によれば、表面
に凹凸を作成することで、有効立体角度が大きくなり、
光の取り出し効率が向上するが、その反面、有効体積角
度が大きくなることによって、光が外部に取り出される
程度が大きくなっただけのことであり、未だに多くの光
が内部で散乱吸収されているのが判明した。

【００１３】そこで、かかる課題を解消するために、チ
ップ形状を逆ピラミッド型にした半導体発光素子が提案
されている。

【００１４】図８はかかる半導体発光素子の断面概略図
である。同図にて、図７に示す赤外半導体発光素子と同
一機能を有する部分には同一符号を付す。

【００１５】図８の半導体発光素子から明らかなとお
り、半導体基板１１と一導電型半導体層１２と逆導電型
半導体層１３との積層構造に対し、その端面でもって逆
ピラミッド型にし、これにより、チップ側面の反射を利
用して、光を効果的に取り出している。

【００１６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図８に
示すような半導体発光素子においては、光を効率的に取
り出すことができたが、その反面、このようにチップ形
状を逆ピラミッド型にすることは安定的に生産するのは
難しく、コスト高の要因となっていた。

【００１７】すなわち、このような逆ピラミッド構造で
あれば、ダイシング等の機械的に切断する方法あるいは
ウエットエッチング等によるエッチング技術を用いる
が、これらの方法によって、裏面までその形状を安定し
て維持することは非常にむずかしく、製造歩留まりが低
下したり、安定的に生産することがむずかしかった。

【００１８】したがって本発明の目的は、従来に比べて
安定的に逆ピラミッド構造を得ることで、製造歩留まり
を高め、高品質かつ高信頼性の半導体発光素子を提供す
ることにある。

【００１９】

【課題を解決するための手段】本発明の半導体発光素子
は、半導体基板上に一導電型半導体層と逆導電型半導体
層とを順次積層して成る複数の長尺状凸部を、それぞれ
の側面が逆メサ形状になるように配列するとともに、こ
れら長尺状凸部の各逆導電型半導体層上にわたって一方
電極を、半導体基板の裏面に他方電極を形成して成るこ
とを特徴とする。

【００２０】本発明の他の半導体発光素子は、前記一導
電型半導体層と逆導電型半導体層とをアルミニウムガリ
ウム砒素により形成するとともに、一導電型半導体層の
アルミニウム組成比率を逆導電型半導体層のアルミニウ
ム組成比率に比べて大きくしたことを特徴とする。

【００２１】また、本発明の他の半導体発光素子は、複
数の長尺状凸部の各端と接続した連接部材を一導電型半
導体層と逆導電型半導体層とを順次積層して、これら長
尺状凸部の各逆導電型半導体層上および連接部材上にわ
たって一方電極を形成して成ることを特徴とする。

【００２２】さらにまた、本発明の他の半導体発光素子
は、複数の長尺状凸部の各逆導電型半導体層上および各
端面上ならびに半導体基板上にわたって一方電極を形成
して成ることを特徴とする。

【作用】本発明の半導体発光素子によれば、上記構成の
ように一導電型半導体層と逆導電型半導体層とを順次積
層して成る複数の長尺状凸部を、それぞれの側面が逆メ
サ形状になるように配列したことで、複数の分断された
各凸部が逆ピラミッド型となり、これにより、個々が従
来に比べて小さくなることで、安定した形状が得られや
すくなり、製造歩留まりが向上する。そして、長尺状凸
部の側面を逆メサ形状にしたことで、その側面での光の
反射を上面から取り出すことができ、その結果、光の取
り出し効率が向上する。

【００２３】また、本発明においては、一導電型半導体
層と逆導電型半導体層とをアルミニウムガリウム砒素に
より形成するとともに、一導電型半導体層のアルミニウ
ム組成比率を逆導電型半導体層のアルミニウム組成比率
に比べて大きくしたことで、エッチングレートに差が生
じ、これによって、所要とおりの逆メサ形状にできる。

【００２４】さらに本発明の半導体発光素子によれば、
長尺状凸部の各逆導電型半導体層上に一方電極を形成
し、これらの線幅は小さくなるが、さらに複数の長尺状
凸部の各端と接続した連接部材を一導電型半導体層と逆
導電型半導体層とを順次積層して、これら長尺状凸部の
各逆導電型半導体層上および連接部材上にわたって一方
電極を形成したことで、一方電極がほぼ同一面に設けら
れ、これによって断線が生じにくい安定した高信頼性の
電極構造になる。そして、この連接部材の上にボンディ
ングパット部を設けることができる。

【００２５】さらにまた、本発明の他の半導体発光素子
においては、複数の長尺状凸部の各逆導電型半導体層上
および各端面上ならびに半導体基板上にわたって一方電
極を形成して成ることで、上述した如くの構成の連接部
材がなくなり、これによって、その連接部材の内部での
発光がなくなり、これによって発光効率が増大する。

【００２６】

【発明の実施の形態】以下、本発明を添付図面に基づき
詳細に説明する。

【００２７】〔例１〕図１は本発明に係る半導体発光素
子の一実施形態を示す平面図であり、図２は図１に示す
切断面線Ｂ−Ｂ’による断面図、図３は図１に示す切断
面線Ａ−Ａ’による断面図である。

【００２８】これらの図において、１は基板であり、こ
の基板１上に複数の長尺状凸部ｓを、それぞれの側面が
逆メサ形状になるように配列している。

【００２９】各長尺状凸部ｓにおいて、基板１上に一導
電型半導体層２と逆導電型半導体層３とを順次積層して
成る。

【００３０】そして、長尺状凸部ｓの各逆導電型半導体
層３上にわたって一方電極４を形成している。

【００３１】具体的には複数の長尺状凸部ｓの各端と接
続した連接部材ｐを設けている。この連接部材ｐは一導
電型半導体層２と逆導電型半導体層３とを順次積層して
成るものであり、長尺状凸部ｓの各逆導電型半導体層３
上および連接部材ｐ上にわたって一方電極４を形成して
成る。また、基板１の裏面に他方電極５を形成して成
る。

【００３２】以下、各部材の構成をさらに詳述する。前
記基板１はガリウム砒素（ＧａＡｓ）、シリコン（Ｓ
ｉ）などの単結晶半導体基板から成る。

【００３３】一導電型半導体層２はバッファ層２ａ、電
子注入層２ｂで構成される。

【００３４】バッファ層２ａは０．５〜３μｍ程度の厚
みに形成され、電子注入層２ｂは０．２〜５μｍ程度の
厚みに形成される。

【００３５】バッファ層２ａはガリウム砒素などで形成
され、電子注入層２ｂはアルミニウムガリウム砒素（Ｇ
ａＡｌＡｓ）などで形成される。

【００３６】電子注入層２ｂはシリコンなどの一導電型
半導体不純物を１×１０¹⁶〜１０¹⁹ａｔｏｍｓ（原子）
／ｃｍ³ 程度含有する。また、この時、電子注入層２ｂ
のＡｌの組成は（ＧａＡｓ）_1-xＡｌ_xにて表示するとｘ
＝０．２〜０．５程度で形成する。

【００３７】逆導電型半導体層３は発光層３ａ、クラッ
ド層３ｂおよびオーミックコンタクト層３ｃで構成され
る。

【００３８】発光層３ａは０．１〜１μｍ程度の厚みに
形成され、クラッド層３ｂは１〜５μｍの厚みに形成さ
れ、オーミックコンタクト層３ｃは０．０１〜１μｍ程
度の厚みに形成される。

【００３９】発光層３ａはアルミニウムガリウム砒素、
ガリウム砒素、インジウムガリウム砒素等からなる。

【００４０】クラッド層３ｂは、電子の閉じ込め効果と
光の取り出し効果を考慮し、アルミニウム砒素（ＡｌＡ
ｓ）とガリウム砒素（ＧａＡｓ）との混晶比を双方の間
にて異ならしめる。

【００４１】クラッド層３ｂは亜鉛（Ｚｎ）などの逆導
電型半導体不純物を１×１０¹⁶〜１０¹⁹ａｔｏｍｓ／ｃ
ｍ³ 程度含有する。

【００４２】クラッド層３ｂのＡｌ組成は（ＧａＡｓ）
１−ｘＡｌｘにて表示するとｘ＝０．２〜０．５程度で
形成する。ここで、クラッド層３ｂのＡｌ組成は電子注
入層２ｂのＡｌ組成より小さくなるようにする。

【００４３】オーミックコンタクト層３ｃはガリウム砒
素などから成り、亜鉛などの逆導電型半導体不純物を１
×１０¹⁹〜１０²⁰ａｔｏｍｓ／ｃｍ³ 程度含有する。

【００４４】そして、本発明の半導体発光素子によれ
ば、図１に示すように長尺状凸部をｓを複数の島状に形
成され、それぞれの島の断面は図２に示すように逆テー
パー形状に、すなわち各長尺状凸部ｓを、それぞれの側
面が逆メサ形状になるように配列する。

【００４５】かくして本発明の半導体発光素子によれ
ば、上記構成のように複数の長尺状凸部ｓを、それぞれ
の側面が逆メサ形状になるように配列したことで、複数
の分断された各凸部が逆ピラミッド型となり、これによ
り、個々が従来に比べて小さくなることで、安定した形
状が得られやすくなり、製造歩留まりが向上する。そし
て、長尺状凸部の側面を逆メサ形状にしたことで、その
側面での光の反射を上面から取り出すことができ、その
結果、光の取り出し効率が向上し、半導体発光素子の高
出力化を実現できた。

【００４６】また、各長尺状凸部ｓの各逆導電型半導体
層３上および連接部材ｐ上にわたって一方電極４を形成
したことで、一方電極４がほぼ同一面に設けられ、これ
によって断線が生じにくい安定した高信頼性の電極構造
になる。そして、この連接部材ｐの上にボンディングパ
ット部を設けることができる。

【００４７】（半導体発光素子の製造方法）次に、上述
のような半導体発光素子の製造方法を説明する。

【００４８】まず、単結晶基板１上に一導電型半導体層
２および逆導電型半導体層３をＭＯＣＶＤなどで順次積
層して形成する。

【００４９】これらの半導体層２、３を形成する場合、
基板温度を７００〜９００℃に上げて所望厚みの半導体
層２、３を形成する。

【００５０】この場合、原料ガスとしてはＴＭＧ（（Ｃ
Ｈ3 ）3 Ｇａ）、ＴＥＧ（（Ｃ2 Ｈ5 ）3 Ｇａ）、アル
シン（ＡｓＨ3 ）、ＴＭＡ（（ＣＨ3 ）3 Ａｌ）、ＴＥ
Ａ（（Ｃ2 Ｈ5 ）3 Ａｌ）などが用いられ、導電型を制
御するためのガスとしては、シラン（ＳｉＨ4 ）、セレ
ン化水素（Ｈ2 Ｓｅ）、ＤＭＺ（（ＣＨ3 ）2 Ｚｎ）な
どが用いられ、キャリアガスとしては、Ｈ2などが用い
られる。

【００５１】このエッチングには、硫酸過酸化水素系の
エッチング液を用いたウエットエッチングで行う。クラ
ッド層３ｂのＡｌ組成は電子注入層２ｂのＡｌ組成より
小さくなっているので、硫酸と過酸化水素の比によっ
て、電子注入層２ｂのエッチングレートが大きくなり、
目的とする逆テーパー形状を作成することができる。

【００５２】そして、表面をＡｕなどを蒸着法やスパッ
タリング法で形成して電極４をパターニングする。この
とき、電極は島状の発光素子の中央に位置するようにパ
ターニングを行う。また、裏面をＡｕＧｅなどを同じく
蒸着法やスパッタリング法で形成して電極５とする。ま
た、電極を形成する前に全体を合成樹脂や無機絶縁材
（シリコンナイトライドなど）からなる絶縁膜で覆うよ
うにしてもよい。

【００５３】また、さらにチップ上面を凹凸化すること
により、光の取り出し効率が向上させてもよい。ミクロ
に見ると光の取り出し面にさまざまな角度を有する凹凸
が形成されることで、有効立体角度が大きくなり、さら
に光の取り出し効率が向上する。

【００５４】〔例２〕例１の発光素子においては、各長
尺状凸部ｓの各逆導電型半導体層３上および連接部材ｐ
上にわたって一方電極４を形成したが、これに代えて連
接部材ｐを形成しないで、複数の長尺状凸部ｓの各逆導
電型半導体層３上および各端面上ならびに基板１上にわ
たって一方電極４を形成して成る。その他の構成は例１
の半導体発光素子と同じ構成である。

【００５５】本例を図４〜図６により説明する。図４は
本発明に係る半導体発光素子の一実施形態を示す平面図
であり、図５は図４に示す切断面線Ｂ−Ｂ’による断面
図、図５は図４に示す切断面線Ａ−Ａ’による断面図で
ある。

【００５６】これらの図において、１は基板であり、こ
の基板１上に複数の長尺状凸部ｓを、それぞれの側面が
逆メサ形状になるように配列している。

【００５７】各長尺状凸部ｓにおいて、基板１上に一導
電型半導体層２と逆導電型半導体層３とを順次積層して
成る。

【００５８】そして、長尺状凸部ｓの各逆導電型半導体
層３上にわたって一方電極４を形成している。

【００５９】具体的には複数の長尺状凸部ｓの各逆導電
型半導体層３上および各端面ｔ上ならびに基板１上にわ
たって一方電極を形成して成る。

【００６０】かくして本発明の半導体発光素子によれ
ば、上記構成のように複数の長尺状凸部ｓを、それぞれ
の側面が逆メサ形状になるように配列したことで、複数
の分断された各凸部が逆ピラミッド型となり、これによ
り、個々が従来に比べて小さくなることで、安定した形
状が得られやすくなり、製造歩留まりが向上する。そし
て、長尺状凸部の側面を逆メサ形状にしたことで、その
側面での光の反射を上面から取り出すことができ、その
結果、光の取り出し効率が向上し、半導体発光素子の高
出力化を実現できた。

【００６１】また、複数の長尺状凸部ｓの各逆導電型半
導体層３上および各端面ｔ上ならびに基板１上にわたっ
て一方電極を形成したことで、連接部材がなくなり、こ
れによって、その連接部材の内部での発光がなくなり、
これによって発光効率が増大する。

【００６２】（半導体発光素子の製造方法）次に例２の
半導体発光素子の製造方法を説明する。まず、単結晶基
板１上に一導電型半導体層２および逆導電型半導体層３
をＭＯＣＶＤなどで順次積層して形成する。

【００６３】これらの半導体層２、３を形成する場合、
基板温度を７００〜９００℃に上げて所望厚みの半導体
層２、３を形成する。

【００６４】この場合、原料ガスとしてはＴＭＧ（（Ｃ
Ｈ₃ ）₃ Ｇａ）、ＴＥＧ（（Ｃ₂ Ｈ ₅ ）₃ Ｇａ）、アル
シン（ＡｓＨ₃ ）、ＴＭＡ（（ＣＨ₃ ）₃ Ａｌ）、ＴＥ
Ａ（（Ｃ₂ Ｈ₅ ）₃ Ａｌ）などが用いられ、導電型を制
御するためのガスとしては、シラン（ＳｉＨ₄ ）、セレ
ン化水素（Ｈ₂ Ｓｅ）、ＤＭＺ（（ＣＨ₃ ）₂ Ｚｎ）な
どが用いられ、キャリアガスとしては、Ｈ₂などが用い
られる。

【００６５】このエッチングには、硫酸過酸化水素系の
エッチング液を用いたウエットエッチングで行う。クラ
ッド層３ｂのＡｌ組成は電子注入層２ｂのＡｌ組成より
小さくなっているので、硫酸と過酸化水素の比によっ
て、電子注入層２ｂのエッチングレートが大きくなり、
目的とする逆テーパー形状を作成することができる。こ
のときに例１に示すような連接部材ｐである電極パット
下の部分の一導電型半導体層２および逆導電型半導体層
３をエッチングする。また、このときに適当な結晶方位
を選べば、Ａ-Ａ´方向に関してはエッチング面との段
差を順テ-パにすることが可能である。

【００６６】そして、表面をＡｕなどを蒸着法やスパッ
タリング法で形成して電極をパターニングする。このと
き、電極は島状の発光素子の中央に位置するようにパタ
ーニングを行う。また、裏面をＡｕＧｅなどを同じく蒸
着法やスパッタリング法で形成する。

【００６７】また、さらにチップ上面を凹凸化すること
により、光の取り出し効率が向上させてもよい。ミクロ
に見ると光の取り出し面にさまざまな角度を有する凹凸
が形成されることで、有効立体角度が大きくなり、さら
に光の取り出し効率が向上する。

【００６８】

【発明の効果】以上のとおり、本発明によれば、一導電
型半導体層と逆導電型半導体層とを順次積層して成る複
数の長尺状凸部を、それぞれの側面が逆メサ形状になる
ように配列したことで、複数の分断された各凸部が逆ピ
ラミッド型となり、これにより、個々が従来に比べて小
さくなることで、安定した形状が得られやすくなり、製
造歩留まりが向上した。そして、長尺状凸部の側面を逆
メサ形状にしたことで、その側面での光の反射を上面か
ら取り出すことができ、その結果、光の取り出し効率が
向上した。

【００６９】また、本発明においては、長尺状凸部の各
逆導電型半導体層上に一方電極を形成し、これらの線幅
は小さくなるが、さらに複数の長尺状凸部の各端と接続
した連接部材を一導電型半導体層と逆導電型半導体層と
を順次積層して、これら長尺状凸部の各逆導電型半導体
層上および連接部材上にわたって一方電極を形成したこ
とで、一方電極がほぼ同一面に設けられ、これによって
断線が生じにくい安定した高信頼性の電極構造になっ
た。そして、この連接部材の上にボンディングパット部
を設けることができた。

【００７０】さらにまた、本発明の半導体発光素子にお
いては、複数の長尺状凸部の各逆導電型半導体層上およ
び各端面上ならびに半導体基板上にわたって一方電極を
形成して成ることで、連接部材がなくなり、これによっ
て、その連接部材の内部での発光がなくなり、これによ
って発光効率が増大した。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の半導体発光素子を示す平面図である。

【図２】図１に示す切断面線Ａ−Ａ’による断面図であ
る。

【図３】図１に示す切断面線Ｂ−Ｂ’による断面図であ
る。

【図４】本発明の他の半導体発光素子を示す平面図であ
る。

【図５】図４に示す切断面線Ａ−Ａ’による断面図であ
る。

【図６】図４に示す切断面線Ｂ−Ｂ’による断面図であ
る。

【図７】従来の半導体発光素子を示す断面図である。

【図８】従来の他の半導体発光素子を示す断面図であ
る。

【符号の説明】

１、１１・・・半導体基板２、１２・・・一導電型半導体層３、１３・・・逆導電型半導体層４、１４・・・Ｐ側電極５、１５・・・Ｎ側電極６・・・パッシベーション膜７・・・ワイヤーボンディングパット部２ａ・・・バッファ層２ｂ・・・電子注入層３ａ・・・発光層３ｂ・・・クラッド層３ｃ・・・オーミックコンタクト層

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】半導体基板上に一導電型半導体層と逆導電
型半導体層とを順次積層して成る複数の長尺状凸部を、
それぞれの側面が逆メサ形状になるように配列するとと
もに、これら長尺状凸部の各逆導電型半導体層上にわた
って一方電極を、半導体基板の裏面に他方電極を形成し
て成る半導体発光素子。
【請求項２】前記一導電型半導体層と逆導電型半導体層
とをアルミニウムガリウム砒素により形成するととも
に、一導電型半導体層のアルミニウム組成比率を逆導電
型半導体層のアルミニウム組成比率に比べて大きくした
請求項１の半導体発光素子。
【請求項３】複数の長尺状凸部の各端と接続した連接部
材を一導電型半導体層と逆導電型半導体層とを順次積層
して、これら長尺状凸部の各逆導電型半導体層上および
連接部材上にわたって一方電極を形成して成る請求項１
または２の半導体発光素子。
【請求項４】複数の長尺状凸部の各逆導電型半導体層上
および各端面上ならびに半導体基板上にわたって一方電
極を形成して成る請求項１または２の半導体発光素子。