JP2006054295A - 光半導体装置及びその製造方法 - Google Patents

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

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。

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ＳｉＯ_２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。

本発明の一実施態様の光半導体装置を示す図。 本発明の一実施態様の光半導体装置の製造工程を示す図。 本発明の一実施態様の光半導体装置の製造工程を示す図。 本発明の一実施態様の光半導体装置の製造工程を示す図。 本発明の一実施態様の光半導体装置の製造工程を示す図。 本発明の一実施態様の光半導体装置の製造工程を示す図。 本発明の一実施態様の光半導体装置の製造工程を示す図。 本発明の一実施態様の光半導体装置の製造工程を示す図。 本発明の一実施態様の光半導体装置の製造工程を示す図。 本発明の一実施態様の光半導体装置の製造工程を示す図。 本発明の一実施態様の光半導体装置の製造工程を示す図。 本発明の一実施態様の光半導体装置を示す図。 図１２−ａのＡ−Ａ’断面を示す図。 本発明の一実施態様の光半導体装置の電極構造を示す図。 本発明の一実施態様の光半導体装置の電極構造を示す図。 本発明の一実施態様の光半導体装置の電極構造を示す図。 図１５−ａのＡ−Ａ’断面を示す図。 従来の光半導体装置の問題を示す図。

符号の説明

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

Claims (5)

1. 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。
2. 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。
3. 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。
4. 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。
5. 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。

Images