JP2006054295A - 光半導体装置及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】 光取出し効率の向上を図ることの可能な光半導体装置及びその製造方法を提供する。
【解決手段】 光取出し面側に球状曲面を有する基板3と、活性層1b及びこれを挟むクラッド層1a、1bを備え、その表面側において基板3と接する半導体層1と、半導体層1の中心及び/又は放射状に配置されたトレンチ内に充填形成される第1の電極4と、半導体層の裏面側に形成される第2の電極6を備える。
【選択図】 図1
【解決手段】 光取出し面側に球状曲面を有する基板3と、活性層1b及びこれを挟むクラッド層1a、1bを備え、その表面側において基板3と接する半導体層1と、半導体層1の中心及び/又は放射状に配置されたトレンチ内に充填形成される第1の電極4と、半導体層の裏面側に形成される第2の電極6を備える。
【選択図】 図1
Description
本発明は、光半導体装置及びその製造方法に係り、特に光取出し効率の改善を図った光半導体装置及びその製造方法に関する。
LED等の光半導体装置において、近年、特に表示装置などに用いられる可視光の光源としての用途が注目されており、さらなる高輝度・高効率化が要求されている。
例えばInGaAlP系の光半導体装置において、従来、格子整合するGaAs基板が用いられていたが、可視領域の発光が基板において吸収され、光取出し効率が低下するため、近年では、発光波長に対して透明なGaP基板を接着した後、GaAs基板を除去する手法が採られている(例えば特許文献1参照)。
一方、通信用等に用いられる赤外域発光のLEDにおいて、光取出し面側のGaAs基板を半球面加工することにより、光取出し効率の改善を図ったものが開示されている(例えば特許文献2参照)。
特開2001−57441号公報
特開平11−68153号公報
しかしながら、InGaAlP系の光半導体装置のGaP接着基板103に、単に半球面加工施しても、図16に示すように、活性層101の周辺部には、電極104、106から電流が注入されず、電流注入されていない活性層は、光吸収層として機能してしまう。また、電極によって遮蔽されているため、側面からの光取出しを行うことができず、十分な光取出し効率が得られないという問題があった。
そこで、本発明は、従来の問題を取り除き、光取出し効率の向上を図ることの可能な光半導体装置及びその製造方法を提供することを目的とするものである。
本発明の一態様によれば、光取出し面側に球状曲面を有する基板と、活性層及びこれを挟むクラッド層を備え、その表面側において前記基板と接する半導体層と、前記半導体層の中心及び/又は放射状に配置されたトレンチ内に充填形成される第1の電極と、前記半導体層の裏面側に形成される第2の電極を備えることを特徴とする光半導体装置が提供される。
また、本発明の一態様によれば、第1の基板上に活性層及びこれを挟むクラッド層を備える半導体層を形成する工程と、前記半導体層上に前記活性層からの発光波長に対し実質的に透明な第2の基板を接着する工程と、前記第1の基板を除去する工程と、前記半導体層中にトレンチを形成し、その内部に第1の電極を充填形成する工程と、前記半導体層表面に第2の電極を形成する工程と、前記第2の基板を球状曲面に加工する工程と、素子分離を行う工程を備えることを特徴とする光半導体装置の製造方法が提供される。
本発明の一実施態様によれば、光取出し効率の向上を図ることの可能な光半導体装置及びその製造方法を提供することができる。
以下本発明の実施形態について、図を参照して説明する。
(実施形態1)
図1に本実施形態の光半導体装置を示す。図に示すように、n−クラッド層1a/AlInGaP系活性層1b/p−クラッド層1cからなる半導体層1、InGaP系接着層2、p−GaP基板3が順次積層されている。ここでp−GaP基板3は、AlInGaP系活性層1bからの発光に対し実質的に透明であり、その光取出し面はドーム状となっている。そして、中心には、半導体層1の裏面側からp−GaP基板3に到達するトレンチが形成されており、その内部にAuZn層4a/Mo層4b/Au層4cからなる厚いp側電極4が形成されている。半導体層1の裏面側には、コンタクト層5を介してn側電極6が形成されており、各電極は絶縁膜7により分離されている。
図1に本実施形態の光半導体装置を示す。図に示すように、n−クラッド層1a/AlInGaP系活性層1b/p−クラッド層1cからなる半導体層1、InGaP系接着層2、p−GaP基板3が順次積層されている。ここでp−GaP基板3は、AlInGaP系活性層1bからの発光に対し実質的に透明であり、その光取出し面はドーム状となっている。そして、中心には、半導体層1の裏面側からp−GaP基板3に到達するトレンチが形成されており、その内部にAuZn層4a/Mo層4b/Au層4cからなる厚いp側電極4が形成されている。半導体層1の裏面側には、コンタクト層5を介してn側電極6が形成されており、各電極は絶縁膜7により分離されている。
このような光半導体装置は、以下のようにして形成される。先ず、図2に示すように、n−GaAs基板3’上に、コンタクト層5、n−クラッド層1a、AlInGaP系活性層1b、p−クラッド層1c、接着層2を順次結晶成長させる。そして図3に示すように、接着層2上にGaP基板3を熱圧着等により接着する。
次いで、図4に示すように、結晶成長に用いたGaAs基板3’を、研磨、エッチングなどにより除去する。そして、図5に示すように、通常のフォトリソグラフィ及びRIE(Reactive Ion Etching)により、半導体層1の個別分離される各素子における中央部に、約50μmΦの略円形のトレンチを形成する。
次いで、図6に示すように、トレンチ内部を含む全面にSiO2等の絶縁膜7を形成し、フォトリソグラフィ及びRIEにより、トレンチ底面の絶縁膜を除去した後、蒸着等により、トレンチ底面のGaP基板上に、蒸着などによりAuZn層4aを形成する。さらに、同じマスクを用いてメッキ法によりMo層4bをトレンチ内部に均一に形成した後、Au層からなるパッドを形成してp側電極4とする。そして、図7に示すように、所定領域の半導体層1の裏面側の絶縁膜7を除去し、p側電極4の周囲に、例えばAuGe層(数10nm)/Ni層(数10nm)/Au層(〜1μm)からなるn側電極6を形成する。
そして今度は、GaP基板3側にフォトレジスト等を塗布し、フォトリソグラフィにより素子毎に略円形のパターンを形成した後、加熱等により変形させることにより、図8に示すように、ドーム状のマスク8を形成する。このとき、マスク8の曲率は、加熱等の条件、パターンの直径、塗布厚を適宜制御することにより所定の値とすることができる。
こうして得られたマスク8を用いて、GaP基板3をドライエッチングによりドーム状に加工する。ここで、マスク8とGaP基板3のエッチング選択比を適宜設定することにより、GaP基板3の曲率を所定の値とすることができる。例えば、厚さ方向200μmに曲面を形成する場合、選択比を1とした場合、中心と周辺の厚さの差が200μmのドーム状のマスクを形成すれば良い。
先ず、図9に示すように、所定パターンの形成されたドーム状マスク8を用いて、サンドブラスター法により、レジストでマスクされていない領域を選択的にエッチング除去する。そして、図10に示すように、マスク8に対するGaP基板3のエッチング選択比が10程度で、マスク8が全て除去されるまでRIEを行い、GaP基板3をドーム状に加工する。
さらに、図11に示すように、電極側をエキスパンドシート9上に貼り付け、劈開により素子分離を行った後、引き伸ばして各素子に分離することにより、図1に示すような光半導体装置が形成される。
このようにして、得られた光半導体装置において、素子中央から周りの活性層に効率良く電流が注入されるため、発光効率を向上することが可能となる。また、裏面側の電極を広く取れるため、反射による光取出し効率の向上が可能となる。さらに、光取出し面がドーム状に形成されているため、これら活性層から直接或いは電極により反射した光の散乱を抑制でき、光取出し効率を向上させることができる。また、素子中央に厚い電極を配置することにより、放熱性に優れ、安定動作が可能となる。
さらに、ドライエッチングによりGaP基板をドーム状に加工しているので、加工精度が高く、良好な素子外観が得られる。また、サンドブラスター法を用いることで、光取出し面に微細な凹凸が形成され、より光取出し効率を向上させることができる。
(実施形態2)
本実施形態においては、さらに半導体層とGaP基板の界面に平面電極を形成している点で実施形態1と異なっている。
本実施形態においては、さらに半導体層とGaP基板の界面に平面電極を形成している点で実施形態1と異なっている。
本実施形態の光半導体装置の断面図を図12−aに、図12−bに図12−aのA−A’断面図を示す。図に示すように、実施形態1と同様にn−クラッド層11a/AlInGaP系活性層11b/p−クラッド層11cからなる半導体層11、発光に対し影を出さない直線的な放射状の層間電極20の形成されたInGaP系接着層12、光取出し面はドーム状のp−GaP基板13が順次積層されている。そして、同様に半導体層11の中心に、裏面側からInGaP系接着層12中の電極20に到達するトレンチが形成されており、その内部にp側電極14が形成されている。半導体層11の裏面側には、コンタクト層15を介してn側電極16が形成されており、各電極は絶縁膜17により分離されている。
このような光半導体装置は実施形態1と同様にして形成されるが、GaAs基板上に接着層12を形成する際、通常のリソグラフィにより層間電極20をパターニング形成している点のみ異なっている。
このようにして得られた光半導体装置において、実施形態1と同様の効果が得られるとともに、発光に影響することなく活性層の端部に低抵抗で電流を注入することができるため、特に1mm□程度の比較的チップ面積の大きいものや、オーミックコンタクトの得られにくいp型基板にトレンチ電極を接触させる際における光取出し効率の向上を図ることができる。
本実施形態において、接着層12中にリソグラフィにより層間電極20を形成したが、層間電極20の形成方法は特に限定されるものではなく、貼り合せるGaP基板側に層間電極を形成しておいても良い。
また、層間電極の形状は発光に対し影を出さない直線的な放射状であれば良く、図13のような構造であっても良い。また、同様に図14のような略円形の層間電極を設けることも可能である。その場合、電流の注入効率の向上に寄与するためには、トレンチ径より例えば10〜20μm程度大きい径とすることが必要である。さらに放射状と円形の複合形状であっても良い。このように、種々の形状のものを用いることができるが、電極からの電流の注入効率と、電極の存在の発光効率への影響を考慮して設計することが必要である。そして、これら層間電極の厚さは、素子サイズにもよるが、あまり厚いと発光に対し影が生じ、薄いと抵抗が上昇し、共に発光効率が低下するため、0.05〜2μm、より好ましくは0.1〜0.5μmであることが適当である。
このような層間電極としては、Be、AuZn、Ni、Ti、Zr、Hf、Ge、AuGe等を用いることができる。また、透明電極であるITO(Indium Titanium Oxide)或いはこれと超薄膜のTi膜との積層膜等を、トレンチ電極(p側電極)以外の領域である透過領域に形成し、トレンチ電極上にのみITO/Ti/Au等を形成することも可能である。
これら実施形態において、成長基板としてGaAs基板、半導体層にAlInGaP系を用い、GaP基板を貼り合せたが、これに限定されるものではなく、InP基板上にGaInNAs系半導体層を形成し、SiC基板を貼り合せても良い。この系においては、ウエットエッチングによる加工が困難であるため、特にドライエッチングによる加工が適している。また、成長基板としてn型基板を用い、貼り合せ基板にp型基板を用いているが、夫々p型、n型でも良く、その場合、各層の導電性を逆にすれば良い。活性層は、高輝度を得る点からMQW(多重量子井戸構造)であることが好ましい。
また、p側電極を、素子中央に形成される略円形のトレンチ構造としたが、トレンチ径は、チップサイズ0.1〜1mm□程度の場合、チップ面積に対してトレンチ面積が7〜20%となる20〜100μmΦ程度であることが好ましい。これより径が小さいと、形成が困難であるとともに活性層に十分な電流を供給することができず、また、これより径が大きいと、発光する活性層の面積が小さくなり、かえって発光効率が低下してしまう。より好ましくは、30〜50μmΦである。
そして、必ずしも中央部に電極が形成されていなくても良く、図15−aに断面図を、図15−bに図15−aのA−A’断面図を示すように、p側電極4’を放射状のトレンチ構造とし、中央に半導体層1’ 等を設けても良い。尚、図15−aは、図16−bのB−B’断面であり、符号は実施形態1と同じものを用いている。トレンチは、GaP基板或いは層間電極に到達していることが好ましいが、接着層の抵抗が十分に低い場合は、接着層を貫通していなくても良い。また、各電極はオーミックコンタクトしていることが好ましく、実施形態1で述べた他、例えば、p側電極には、半導体層側からAuZn層/W層/Au層や、Ti層/Pt層/Au層等も用いることができる。
また、本実施形態において、フォトリソグラフィによりパターン形成を行ったが、露光方法等特に限定されるものではなく、密着露光のみならず、微細パターンを形成する際には、ステッパを用いて露光してもよい。また、その線源も光、電子ビーム等、特に限定されるものではない。そして、レジストも通常の塗布膜を用いることができるが、素子のパターンが曲面の形成される厚さに対して比較的大きい場合は、シート状厚膜レジストを用いることもできる。また、フォトリソグラフィを用いることなく、インクジェットプリンタと同様の手法で、マスク塗布液の表面張力を利用して曲面を形成することも可能である。
また、ドライエッチングにより形成される基板の形状は、特に規定されるものではなく、ドーム状、レンズ状、半球状等、用途・特性に合わせて設計することが可能である。そして、曲率の大きい曲面を形成する場合は、エッチング選択比が20倍程度以上あることが好ましい。これは、エッチング条件或いはマスク材を適宜選択することにより設定することが可能である。その他、金属膜や絶縁膜等、選択比を高くすることの可能な膜を組み合わせた二層/三層マスク法を用いることも有効である。
尚、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではない。その他要旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。
1、11、101 半導体層
2、12 接着層
3、13、103 GaP基板
4、14、104 p側電極
5、15 コンタクト層
6、16、106 n側電極
7、17 絶縁膜
8 マスク
9 エキスパンドシート
20 層間電極
2、12 接着層
3、13、103 GaP基板
4、14、104 p側電極
5、15 コンタクト層
6、16、106 n側電極
7、17 絶縁膜
8 マスク
9 エキスパンドシート
20 層間電極
Claims (5)
- 光取出し面側に球状曲面を有する基板と、
活性層及びこれを挟むクラッド層を備え、その表面側において前記基板と接する半導体層と、
前記半導体層の中心及び/又は放射状に配置されたトレンチ内に充填形成される第1の電極と、
前記半導体層の裏面側に形成される第2の電極を備えることを特徴とする光半導体装置。 - 前記基板は、前記活性層からの発光波長に対し実質的に透明であることを特徴とする請求項1に記載の光半導体装置。
- 前記基板は、前記半導体層と格子定数の異なる接着基板であることを特徴とする請求項1又は2に記載の光半導体装置。
- 前記半導体層と、前記基板との界面に、前記第1の電極と接続する円形及び/又は放射状の電極を有することを特徴とする請求項1乃至3に記載の光半導体装置。
- 第1の基板上に活性層及びこれを挟むクラッド層を備える半導体層を形成する工程と、
前記半導体層上に前記活性層からの発光波長に対し実質的に透明な第2の基板を接着する工程と、
前記第1の基板を除去する工程と、
前記半導体層中にトレンチを形成し、その内部に第1の電極を充填形成する工程と、
前記半導体層表面に第2の電極を形成する工程と、
前記第2の基板を球状曲面に加工する工程と、
素子分離を行う工程を備えることを特徴とする光半導体装置の製造方法。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2004234434A JP2006054295A (ja) | 2004-08-11 | 2004-08-11 | 光半導体装置及びその製造方法 |
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Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2010150809A1 (ja) * | 2009-06-24 | 2010-12-29 | 日亜化学工業株式会社 | 窒化物半導体発光ダイオード |
JP2018078279A (ja) * | 2016-09-15 | 2018-05-17 | イーラックス・インコーポレイテッドeLux Inc. | 表面実装型発光素子を有するディスプレイ |
-
2004
- 2004-08-11 JP JP2004234434A patent/JP2006054295A/ja active Pending
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