JP2003209283A - 半導体発光素子及びその製造方法 - Google Patents
半導体発光素子及びその製造方法Info
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Abstract
おける全反射の影響で光取り出し効率が低下するのを防
止して、光取り出し効率の向上をはかる。 【解決手段】 面方位(100)面のn型GaAs基板
10上にInGaAlP活性層13をn型InAlPク
ラッド層12及びp型InAlPクラッド層14で挟ん
だダブルへテロ構造部を形成し、その上にp型GaAl
As電流拡散層15,17を形成し、基板10と反対側
の面から光を取り出すLEDにおいて、ダブルへテロ構
造部の光取り出し面側の電流拡散層17の表面(10
0)面を加工して(111)面を露出させ、露出させた
(111)面にHCl処理を施して微小な凹凸を形成し
た。
Description
(LED)や半導体レーザ(LD)等の半導体発光素子
に係わり、特に光取り出し面の粗面化をはかった半導体
発光素子及びその製造方法に関する。
半導体基板上にダブルへテロ構造等からなる発光部を形
成し、その上に電流拡散層を形成して構成される。この
発光ダイオードを樹脂にてパッケージする場合、電流拡
散層の上部は、素子保護のための透明樹脂で覆われた構
造となっている。
1〜3.5)と透明樹脂(屈折率:1.5程度)との間
の臨界角は25〜29度となり、これより入射角が大き
くなる光は全反射し、発光素子外部に放出される確率が
著しく低下する。このため、実際に発生した光の取り出
し効率は20%程度になっているのが現状である。
もあるが、一般に半導体基板の主面は(100)面又は
(100)±数度OFFした面であり、この上に成長さ
れた各半導体層の表面も(100)面又は(100)±
数度OFFした面であり、(100)面又は(100)
±数度OFFした面を粗面化するのは難しい。
にてパッケージする発光ダイオードにおいては、発光層
を含む半導体多層膜の最上層と透明樹脂との境界で、界
面に斜め方向から入射する光が全反射し、光取り出し効
率が低下するという問題があった。また、この問題は発
光ダイオードに限るものではなく、面発光型の半導体レ
ーザに関しても同様に言えることである。
ので、その目的とするところは、発光層を含む半導体多
層膜の最上層と透明樹脂との境界における光の全反射の
影響で光取り出し効率が低下するのを防止することがで
き、光取り出し効率の向上をはかり得る半導体発光素子
及びその製造方法を提供することにある。
するために本発明は、次のような構成を採用している。
体多層膜を積層し、基板と反対側の面から光を取り出す
半導体発光素子において、前記半導体多層膜の光取り出
し部に(111)面若しくはその近傍の面からなる光取
り出し面を有するパターンが形成され、該光取り出し面
が凹凸加工されていることを特徴とする。
を製造する方法であって、(100)面に形成された前
記半導体多層膜の光取り出し面をブレード加工して(1
11)面若しくはその近傍の面を露出させる工程と、前
記露出した(111)面若しくはその近傍の面に粗面化
処理を施して微小凹凸を形成する工程とを含むことを特
徴とする。
を製造する方法であって、(100)面に形成された前
記半導体多層膜の光取り出し面にラインアンドスペース
のマスクを形成する工程と、前記マスクを用いて前記光
取り出し面を反応性イオンエッチング法によりテーパ状
にエッチングすることにより(111)面を露出させる
工程と、前記露出した(111)面に粗面化処理を施し
て微小凹凸を形成する工程とを含むことを特徴とする。
(111)面に形成されているので、これをHCl等で
処理することにより容易に粗面化することができる。こ
れにより、発光層を含む半導体多層膜の最上層と透明樹
脂との境界における光の全反射の影響で光取り出し効率
が低下するのを防止することができ、光取り出し効率の
向上をはかることが可能となる。
形態によって説明する。
の実施形態に係わる緑色LEDの素子構造を示す断面図
である。
0の上に、n型GaAsバッファ層11、n型In0.5
Al0.5 Pクラッド層12、ノンドープInGaAlP
活性層13、p型In0.5 Al0.5 Pクラッド層14、
p型Ga0.5 Al0.5 As層(第1電流拡散層)15、
p型GaAsエッチング停止層16、p型Ga0.5 Al
0.5 As層(第2電流拡散層)17、n型GaAsキャ
ップ層(図示せず)が成長形成され、第2電流拡散層1
7の表面にはストライプ状にV溝が形成され、これによ
り表面が(111)面となっている。
円形に除去され、この部分にp側電極21が形成されて
いる。さらに、基板10の裏面側にはn側電極22が形
成されている。
参照して説明する。
(100)面で厚さ250μmのn型GaAs基板10
の上に、V属元素の原料ガスとしてAsH3 を用いたM
OCVD法により0.5μm厚のn型GaAsバッファ
層11を成長する。続いて、V属元素の原料ガスとして
PH3 を用いたMOCVD法により、0.6μm厚のn
型In0.5 Al0.5 Pクラッド層12、1.0μm厚の
ノンドープInGaAlP活性層13、1.0μm厚の
p型In0.5 Al0.5 Pクラッド層14を成長する。
3 を用いたMOCVD法により、1.0μm厚のp型G
a0.5 Al0.5 As層(第1電流拡散層)15、0.0
1μm厚のp型GaAsエッチング停止層16、5.0
μm厚のp型Ga0.5 Al0. 5 As層(第2電流拡散
層)17、0.1μm厚のn型GaAsキャップ層18
を成長する。
8までの各エピタキシャル層は同一バッチで成長する。
そして、基板10の表面が(100)面であることか
ら、その上に成長した各層11〜18の表面は全て(1
00)面となっている。
装置を用い、図2(b)に示すように、表面に(11
1)面が出るように深さ5μm、間隔5.8μmでブレ
ード加工を行う。これにより、第2電流拡散層17が断
面三角形状のラインアンドスペースパターンとなり、試
料表面には第2電流拡散層17の(111)面が露出す
ることになる。この露出した(111)面が光取り出し
面となる。
図2(c)に示すように、第2電流拡散層17の(11
1)面にサブミクロンの凹凸を形成する。この微小凹凸
の高さやピッチは発振波長以下の極めて短いものであっ
た。
部のキャップ層18と第2電流拡散層17をエッチング
した後、上部電極としてp側電極21(Znを含むA
u)を蒸着により形成する。そして、GaAs基板10
を研磨し100μm厚にした後に、n側電極22(Ge
を含むAu)を形成することによって、前記図1に示す
構造が得られる。
50℃,15分の処理を行う。続いて、ウェハにスクラ
イブを行いチップ化する。そして、組立ワイヤボンディ
ング処理を行った後に、樹脂封止する。
ード加工を施して(111)面を露出させ、この(11
1)面に凹凸加工を施すことにより、表面の粗面化を有
効に行うことができる。そして、この凹凸における高さ
やピッチは発光波長よりも短いものであった。
部構造を採用することにより、図3に示すように、光取
り出し効率が従来の約20%から約50%に向上した。
このように、基本的なデバイス構造を変えることなく光
取り出し効率をこれだけ上昇させることができるのは、
LEDにとって極めて大きな効果である。
成する方法としては、ブレード加工に限らずRIEでも
可能である。例えば、図4(a)に示すように、面方位
が(100)面の第2電流拡散層17の表面にレジスト
マスク41をストライプ状に複数本形成した後、Cl2
を含むガスを用いたテーパRIEを行うことにより、図
4(b)に示すように、側面に(111)面を有するパ
ターンが形成される。この後、HCl処理を施すことに
より、図4(c)に示すように、(111)面に微小凹
凸を形成することができる。
1)面丁度に限るものではなく、(111)面から多少
傾いていても同様の効果が得られる。本発明者らの実験
によれば、(111)±20度でも同様の効果が確認さ
れた。
の処理としては、HCl処理に限らず、(111)面を
粗面化できるものであればよく、ハロゲン系のガスを用
いたドライエッチング、更にはウェットエッチングを利
用することもできる。さらに、凹凸の形状は、図5
(a)〜(f)に示す何れの形状であってもよい。ここ
で、(a)はEBマスクでRIEした例、(b)はEB
マスクでウェットエッチングした例、(c)〜(f)は
マスク無しでウェットエッチングした例である。
層構造の実質的な最上層である第2電流拡散層17に
(111)面を形成し、これをHClで処理して祖面化
することにより、光取り出し面に微小凹凸を形成するこ
とができる。これにより、第2電流拡散層17と封止用
の透明樹脂との境界における光の全反射の影響で光取り
出し効率が低下するのを防止することができ、光取り出
し効率の向上をはかることができる。また、電流拡散層
17の(111)面はブレード加工やRIEにより露出
させるために、電流拡散層17の成長時の表面の面方位
は何ら制約されるものではない。従って、成長基板10
の面方位に左右されることなく、通常用いられる(10
0)基板に対して適用することができる。
の実施形態に係わる緑色LEDの素子構造を示す断面図
である。
施形態と逆にしたものであり、基本的な構成は図1の実
施形態と同様である。
厚のp型GaAsバッファ層51,0.6μm厚のp型
In0.5 Al0.5 Pクラッド層52,1.0μm厚のノ
ンドープInGaAlP活性層53,1.0μm厚のn
型In0.5 Al0.5 Pクラッド層54、1.0μm厚の
n型Ga0.5 Al0.5 P層(第1電流拡散層)55、
0.01μmのn型GaAsエッチング停止層56、
5.0μmのn型Ga0.5Al0.5 As層(第2電流拡
散層)57、0.1μmのp型GaAsキャップ層(図
示せず)がMOCVD法で成長形成される。
形態と同様にして、ブレード装置又はテーパRIEによ
り加工され、(111)面が露出した状態となってい
る。この(111)面に、HCl処理により凹凸加工が
施されている。そして、電流拡散層57の一部を除去し
た部分にn側の電極61が形成され、基板50の裏面側
にp側の電極62が形成されている。
層57の表面に設けた(111)面及び凹凸部分によ
り、パッケージのための透明樹脂に対する光の入射確率
を高めることができ、第1の実施形態と同様の効果が得
られる。
の実施形態に係わる面発光レーザの素子構造を示す断面
図である。
0の上に、0.5μm厚のn型GaAsバッファ層71
を成長し、その上にn−In0.5 Al0.5 P/n−Ga
Asの積層構造からなる第1のDBR反射層78を成長
する。続いて、0.6μm厚のn型In0.5 Al0.5 P
クラッド層72、ノンドープのIn0.5 (Ga0.55Al
0.45)0.5 P/In0.5 Ga0.5 PのMQW活性層7
3、更に0.6μm厚のp型In0.5 Al0.5 Pクラッ
ド層74を成長してダブルへテロ構造部を形成する。続
いて、p−In0.5 Al0.5 P/p−GaAsの積層構
造からなる第2のDBR反射層79を成長した後に、
1.0μm厚のp型In0.5 Al0.5 P層(第1電流拡
散層)75、0.01μmのp型GaAs層76、5.
0μmのp型In0.5 Al0.5 P層(第2電流拡散層)
77、0.1μmのn型GaAsキャップ層(図示せ
ず)を成長する。
でのエピタキシャル膜は、MOCVD法を用いて同一バ
ッチで成長し、用いるガスの種類や圧力は各層が良好に
成長される条件にする。
角70度を有するブレード装置にて表面に(111)面
が出るように深さ5μm、間隔5.8μmでブレード加
工を行う。これにより、第2電流拡散層57の表面は
(111)面が露出した状態となる。続いて、第1の実
施形態と同様に、HCl処理で(111)面にサブミク
ロンの凹凸を形成する。
ラッド層72までエッチングしてレーザーリッジ形成を
行う。続いて、0.5μm厚の絶縁膜(SiO2 )81
を堆積する。次いで、レジストマスクで電極部の絶縁膜
81とキャップ層と第2電流拡散層77をエッチングす
る。次いで、p側電極83(Znを含むAu)を蒸着
し、レジストマスクで上部電極を形成する。次いで、基
板70を研磨し100μm厚にした後に、n側電極85
(Geを含むAu)を形成する。次いで、Ar雰囲気中
で450℃,15分の熱処理を行う。続いて、ウェハに
スクライブを行いチップ化する。その後、樹脂パッケー
ジに組立を行う。
ては、光取り出し面に(111)面が形成され、この
(111)面にHCl処理を施すことにより、微小な凹
凸を容易に形成することができる。従って、第1の実施
形態と同様に、光取り出し効率の向上をはかることがで
きる。本実施形態のレーザは赤色発光であるが、赤以外
の半導体レーザにおいても上記効果を確認している。
形態に限定されるものではない。第1及び第2の実施形
態では、緑色LEDについて説明したが、本発明は緑以
外のLEDに適用しても同様の効果が得られる。そし
て、素子形成材料としては、InGaAlP以外にも、
InGaAlAs系,GaAlAs系,GaP系などを
用いることが可能である。さらに、各半導体層の組成,
厚さ等の条件は、仕様に応じて適宜変更可能である。
ずしも(111)面丁度に限るものではなく、(11
1)面から少し傾いた面であってもよい。具体的には、
(111)から±20度程度の傾きの範囲内であればよ
い。さらに、(111)面に形成する凹凸は、高さ及び
周期が発光波長以下であるのが最も望ましいが、必ずし
もこの範囲に規定されるものではない。また、(11
1)面を有するパターンは必ずしもライン状である必要
はなく、格子状であってもよい。格子状パターンを形成
するには、ブレード装置を用いる場合は互いに交差する
方向に加工すればよく、選択エッチングを利用する場合
は、マスクの形状を格子状にすればよい。
で、種々変形して実施することができる。
板上に発光層を含む半導体多層膜を積層し、基板と反対
側の面から光を取り出す半導体発光素子において、半導
体多層膜の光取り出し部に(111)面を有するパター
ン形成し、該(111)面に凹凸加工を施すことによ
り、半導体多層膜の最上層と透明樹脂との境界における
全反射の影響で光取り出し効率が低下するのを防止する
ことができ、光取り出し効率の向上をはかることができ
る。
を示す断面図。
を示す断面図。
上する様子を示す図。
図。
図。
を示す断面図。
の素子構造を示す断面図。
Claims (10)
- 【請求項1】基板上に発光層を含む半導体多層膜を積層
し、基板と反対側の面から光を取り出す半導体発光素子
において、 前記半導体多層膜の光取り出し部に(111)面若しく
はその近傍の面からなる光取り出し面を有するパターン
が形成され、該光取り出し面が凹凸加工されていること
を特徴とする半導体発光素子。 - 【請求項2】前記光取り出し部に形成するパターンは、
(100)面に対して所定の加工を施すことにより(1
11)面若しくはその近傍の面からなる光取り出し面を
有するものであることを特徴とする請求項1記載の半導
体発光素子。 - 【請求項3】前記光取り出し面は、(111)面から±
20度傾いた面までを含むことを特徴とする請求項1又
は2記載の半導体発光素子。 - 【請求項4】前記光取り出し部に形成するパターンは、
ライン状に配列されていることを特徴とする請求項1記
載の半導体発光素子。 - 【請求項5】前記光取り出し部に形成するパターンは、
格子状に配列されていることを特徴とする請求項1記載
の半導体発光素子。 - 【請求項6】前記光取り出し面に形成する凹凸は、高さ
及び周期が前記発光層における発光波長以下であること
を特徴とする請求項1記載の半導体発光素子。 - 【請求項7】前記半導体多層膜は活性層をクラッド層で
挟んだダブルへテロ構造部を有し、このダブルへテロ構
造部の基板と反対側のクラッド層上に電流拡散層を形成
したものであり、 前記光取り出し面及び凹凸は、電流拡散層の表面に形成
されていることを特徴とする請求項1記載の半導体発光
素子。 - 【請求項8】請求項1記載の半導体発光素子を製造する
方法であって、 (100)面に形成された前記半導体多層膜の光取り出
し面をブレード加工して(111)面若しくはその近傍
の面を露出させる工程と、前記露出した(111)面若
しくはその近傍の面に粗面化処理を施して微小凹凸を形
成する工程とを含むことを特徴とする半導体発光素子の
製造方法。 - 【請求項9】請求項1記載の半導体発光素子を製造する
方法であって、 (100)面に形成された前記半導体多層膜の光取り出
し面にラインアンドスペースのマスクを形成する工程
と、前記マスクを用いて前記光取り出し面を反応性イオ
ンエッチング法によりテーパ状にエッチングすることに
より(111)面を露出させる工程と、前記露出した
(111)面に粗面化処理を施して微小凹凸を形成する
工程とを含むことを特徴とする半導体発光素子の製造方
法。 - 【請求項10】前記粗面化処理として、前記光取り出し
面をHCl雰囲気に晒すと共に加熱処理することを特徴
とする請求項8又は9記載の半導体発光素子の製造方
法。
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CN (1) | CN1433087A (ja) |
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