JP2008159628A - Semiconductor light-emitting element and manufacturing method of semiconductor light-emitting element - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、赤外線を発光可能な半導体発光素子及び半導体発光素子の製造方法に関する。 The present invention relates to a semiconductor light emitting device capable of emitting infrared light and a method for manufacturing the semiconductor light emitting device.
従来、IrDA光通信などに用いられる赤外線を発光可能な半導体発光素子及びその製造方法が知られている。 Conventionally, a semiconductor light emitting element capable of emitting infrared rays used for IrDA optical communication and the like and a manufacturing method thereof are known.
例えば、赤外線を発光可能な半導体発光素子として、成長基板上に成長させた赤外線を発光可能な発光層と、発光層よりも赤外線の照射側に設けられたウインドウ層と、ウインドウ層の上面の一部に設けられた電極とを備えたものが知られている。このような半導体発光素子においては、ウインドウ層を厚く(例えば、数十μm以上)形成することによって、発光層とウインドウ層の表面との距離を大きくしている。 For example, as a semiconductor light emitting device capable of emitting infrared light, a light emitting layer capable of emitting infrared light grown on a growth substrate, a window layer provided on the infrared irradiation side of the light emitting layer, and an upper surface of the window layer. An electrode provided with an electrode provided on a portion is known. In such a semiconductor light emitting device, the distance between the light emitting layer and the surface of the window layer is increased by forming the window layer thick (for example, several tens of μm or more).
これにより、ウインドウ層の表面と外部との界面における赤外線の入射角を小さくして、赤外線の全反射を抑制することができる。これらの結果、外部へ照射される赤外線の強度を向上させている。 Thereby, the incident angle of infrared rays at the interface between the surface of the window layer and the outside can be reduced, and total reflection of infrared rays can be suppressed. As a result, the intensity of infrared rays irradiated to the outside is improved.
しかしながら、一般に、ウインドウ層は、数十μm〜数百μmの厚みを必要とするが、このようなウインドウ層をMOCVD法などの気相成長法を用いて半導体層により成長させると、非常に長い成長時間を必要とし、製造が困難であるといった問題があった。 However, in general, the window layer requires a thickness of several tens of μm to several hundreds of μm. However, when such a window layer is grown by a semiconductor layer using a vapor phase growth method such as an MOCVD method, it is very long. There is a problem that it requires growth time and is difficult to manufacture.
そこで、特許文献1には、GaAs基板上に成長させたAlGaAs層からなる発光層と、発光層よりも赤外線の照射側に設けられたAlGaAs層からなるウインドウ層(出力結合層)と、ウインドウ層の上面の一部に設けられ電極とを備えた半導体発光素子が開示されている。この特許文献1の半導体発光素子では、発光層までを気相成長法によってエピタキシャル成長させた後、液相成長法によってウインドウ層をエピタキシャル成長させている。これによって、特許文献1の半導体発光素子では、数十μm以上の厚みを有するウインドウ層を容易に形成することができた。
しかしながら、液相成長法によりウインドウ層をエピタキシャル成長させる場合、ウインドウ層と、ウインドウ層の下層に形成されている発光層を含む半導体層との格子整合の点からウインドウ層に適用できる材料が限定されているといった課題がある。このため、安価な材料によりウインドウ層を形成することができず、製造コストが増大するといった課題がある。 However, when the window layer is epitaxially grown by the liquid phase growth method, the materials applicable to the window layer are limited in terms of lattice matching between the window layer and the semiconductor layer including the light emitting layer formed under the window layer. There is a problem of being. For this reason, there is a problem that the window layer cannot be formed from an inexpensive material and the manufacturing cost increases.
本発明は、上述した課題を解決するために創案されたものであり、ウインドウ層に適用できる材料の選択の自由度が高く、製造コストを抑制できる半導体発光素子及び半導体発光素子の製造方法を提供することを目的としている。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and provides a semiconductor light-emitting device and a method for manufacturing the semiconductor light-emitting device that can have a high degree of freedom in selecting a material that can be applied to the window layer and can suppress manufacturing costs. The purpose is to do.
上記目的を達成するために、請求項1に記載の発明は、赤外線を発光可能な発光層を含む半導体層と、前記赤外線を透過可能な絶縁性のウインドウ層とを備え、前記ウインドウ層は、前記半導体層に貼り付けられていることを特徴とする半導体発光素子である。 In order to achieve the above object, the invention described in claim 1 includes a semiconductor layer including a light emitting layer capable of emitting infrared rays, and an insulating window layer capable of transmitting the infrared rays, wherein the window layer includes: A semiconductor light-emitting element is attached to the semiconductor layer.
また、請求項2に記載の発明は、前記発光層は、波長の異なる赤外線を発光可能な第1発光層及び第2発光層を有することを特徴とする請求項1に記載の半導体発光素子である。
The invention according to
また、請求項3に記載の発明は、前記発光層から発光された赤外線を反射可能な反射層を備えたことを特徴とする請求項1又は2のいずれか1項に記載の半導体発光素子である。
The invention according to
また、請求項4に記載の発明は、成長基板上に赤外線を発光可能な発光層を含む半導体層を形成する半導体層形成工程と、前記成長基板を除去する基板除去工程と、前記成長基板が除去された領域の前記半導体層に、前記赤外線を透過可能な絶縁性のウインドウ層を貼り付ける貼付工程とを備えたことを特徴とする半導体発光素子の製造方法である。 According to a fourth aspect of the present invention, there is provided a semiconductor layer forming step of forming a semiconductor layer including a light emitting layer capable of emitting infrared light on a growth substrate, a substrate removing step of removing the growth substrate, and the growth substrate comprising: A method of manufacturing a semiconductor light emitting device, comprising: an attaching step of attaching an insulating window layer capable of transmitting infrared rays to the semiconductor layer in the removed region.
また、請求項5に記載の発明は、前記貼付工程では、前記ウインドウ層と前記半導体層とが熱圧着又は陽極接合によって貼り付けられていることを特徴とする請求項4に記載の半導体発光素子の製造方法である。
The invention according to
また、請求項6に記載の発明は、前記貼付工程では、前記ウインドウ層と前記半導体層とがポリマー接合によって貼り付けられていることを特徴とする請求項4に記載の半導体発光素子の製造方法である。
The invention according to
本発明の半導体発光素子によれば、半導体層とウインドウ層とを貼り付けているので、半導体層とウインドウ層とを構成する材料の格子整合を考慮することなくウインドウ層の材料を選択することができる。これによってウインドウ層を構成する材料の選択の自由度を高めることができるので、ガラスなどの安価な材料や赤外線を透過し易い材料などを選択することができる。更に、厚くすることが簡単な材料を選択することにより、ウインドウ層を容易に厚くすることができる。 According to the semiconductor light emitting device of the present invention, since the semiconductor layer and the window layer are pasted, the material of the window layer can be selected without considering the lattice matching of the materials constituting the semiconductor layer and the window layer. it can. As a result, the degree of freedom in selecting the material constituting the window layer can be increased, so that it is possible to select an inexpensive material such as glass or a material that easily transmits infrared rays. Furthermore, the window layer can be easily thickened by selecting a material that can be easily thickened.
また、異なる波長の赤外線を発光可能な第1発光層及び第2発光層を設けることによって、1つの半導体発光素子で2つの用途に使用することができる。 Further, by providing the first light emitting layer and the second light emitting layer capable of emitting infrared rays having different wavelengths, one semiconductor light emitting element can be used for two purposes.
また、反射層を設けることによって、所望の方向と異なる方向に進行する赤外線を所望の方向へと反射させることができるので、発光強度を向上させることができる。 Further, by providing the reflective layer, infrared light traveling in a direction different from the desired direction can be reflected in the desired direction, so that the emission intensity can be improved.
また、成長基板を除去することにより、成長基板により赤外線が吸収されることを抑制できるので、外部へ照射される赤外線の強度をより向上させることができる。 Further, by removing the growth substrate, it is possible to suppress absorption of infrared rays by the growth substrate, so that the intensity of infrared rays irradiated to the outside can be further improved.
また、半導体層とウインドウ層とを熱圧着又は陽極酸化により貼り付けることによって、半導体層とウインドウ層との間に赤外線が透過する際に障害となるものが介在することを抑制できる。 In addition, by attaching the semiconductor layer and the window layer by thermocompression bonding or anodization, it is possible to suppress the presence of an obstacle between the semiconductor layer and the window layer when infrared rays are transmitted.
また、半導体層とウインドウ層とをポリマー接合により貼り付けることによって、半導体層の表面及びウインドウ層の表面にある程度の凹凸が形成されていても貼り付けることができるので、両表面の平坦化工程を簡略化することができる。 In addition, by pasting the semiconductor layer and the window layer by polymer bonding, even if a certain degree of irregularities are formed on the surface of the semiconductor layer and the surface of the window layer, the planarization process of both surfaces can be performed. It can be simplified.
以下、図面を参照して本発明を2波長の赤外線を発光可能な光通信用の半導体発光素子に適用した実施形態を説明する。図1は、本発明の実施形態による半導体発光素子の断面図である。 Embodiments in which the present invention is applied to a semiconductor light emitting element for optical communication capable of emitting infrared rays of two wavelengths will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is a cross-sectional view of a semiconductor light emitting device according to an embodiment of the present invention.
図1に示すように、半導体発光素子1は、ウインドウ層2と、ウインドウ層2上に貼り付けられた半導体層3とを備えている。また、半導体発光素子1は、p側電極9と、n側電極10とを備えている。
As shown in FIG. 1, the semiconductor light emitting element 1 includes a
ウインドウ層2は、外部との界面で反射される赤外線の比率を小さくするためのものである。ウインドウ層2は、数μm〜数百μm、好ましくは約30μm〜約300μmの厚みを有し、赤外線を透過可能で且つ屈折率の高い絶縁性のガラス(SiO2)からなる。尚、ここでいう屈折率が高いとは、半導体層(例えば、屈折率3.45のGaP)と同程度又はそれ以上の屈折率を有するという意味である。
The
半導体層3は、ウインドウ層2側から順に、n型クラッド層4と、第1発光層5と、第2発光層6と、p型クラッド層7と、反射層8とが積層されている。
In the
n型クラッド層4は、約500nmの厚みを有し、n型のドーパントとしてシリコンがドープされたn型Al0.5Ga0.5As層からなる。n型クラッド層4の上面の一部に形成された第1発光層5〜反射層8は、n型クラッド層4が露出されるように除去されている。
The n-
第1発光層5は、約850nmの波長を有するIrDA光通信用の赤外線を発光するためのものである。第1発光層5は、約6nmの厚みを有するGaAs層からなる井戸層(図示略)と、約8nmの厚みを有するAl0.3Ga0.7As層からなるバリア層(図示略)とが交互に70ペア積層されたMQW(Multi quantum well)構造を有する。
The first
第2発光層6は、約950nmの波長を有するセンサ用の赤外線を発光するためのものである。第2発光層6は、約10nmの厚みを有するIn0.2Ga0.8As層からなる。
The second
p型クラッド層7は、約500nmの厚みを有し、p型のドーパントとして亜鉛がドープされたp型Al0.5Ga0.5As層からなる。
The p-
反射層8は、第1発光層5及び第2発光層6から反射されて矢印A方向に進行する赤外線を反射して矢印B方向(赤外線の照射方向)に進行させるためのものである。反射層8は、約70nmの厚みを有するp型Al0.8Ga0.2As層と約60nmの厚みを有するp型GaAs層が交互に10ペア積層されたDBR(Distributed Bragg Reflector)構造を有する。尚、Al0.8Ga0.2As層及びGaAs層には、p型のドーパントとして亜鉛がドープされている。
The
尚、n型クラッド層4〜反射層8は、後述する成長基板21にエピタキシャル成長により形成されている。
The n-
p側電極9は、複数の金属層が積層された構造を有し、反射層8の上面の一部にオーミック接続された状態で形成されている。n側電極10は、複数の金属が積層された構造を有し、n型クラッド層4の上面の一部にオーミック接続された状態で形成されている。
The p-side electrode 9 has a structure in which a plurality of metal layers are stacked, and is formed in an ohmic connection with a part of the upper surface of the
次に、上述した半導体発光素子の動作説明をする。 Next, the operation of the semiconductor light emitting element described above will be described.
まず、半導体発光素子1にp側電極9及びn側電極10を介して電流が供給されると、p側電極9からホールが供給され、n側電極10から電子が供給される。そして、ホールは、反射層8及びp型クラッド層7を介して発光層6、5に注入される。また、電子は、n型クラッド層4を介して発光層5、6に注入される。
First, when a current is supplied to the semiconductor light emitting element 1 via the p-side electrode 9 and the n-side electrode 10, holes are supplied from the p-side electrode 9 and electrons are supplied from the n-side electrode 10. Then, holes are injected into the
そして、第1発光層5に注入されたホール及び電子は結合して、約850nmの波長を有する赤外線を発光し、第2発光層6に注入されたホール及び電子は結合して、約950nmの波長を有する赤外線を発光する。
Then, the holes and electrons injected into the first
ここで、矢印A方向に進行する赤外線は、反射層8に反射されて矢印B方向へと進行する。そして、矢印B方向に進行する赤外線は、n型クラッド層4及びウインドウ層2を介して外部へと照射される。ここでウインドウ層2は、数μm〜数百μmの厚みを有するので、ウインドウ層2と外部との界面における赤外線の入射角が小さくなる。これにより、全反射される赤外線の比率も小さくなり、外部へと照射される赤外線の強度を高めることができる。
Here, the infrared rays traveling in the arrow A direction are reflected by the
次に、上述した半導体発光素子の製造方法について説明する。尚、図2〜図4は、半導体発光素子の製造工程を説明するための図である。 Next, a method for manufacturing the semiconductor light emitting element described above will be described. 2 to 4 are diagrams for explaining a manufacturing process of the semiconductor light emitting element.
まず、n型GaAsからなる成長基板21をMOCVD装置に搬入する。 First, the growth substrate 21 made of n-type GaAs is carried into the MOCVD apparatus.
次に、図2に示すように、キャリアガス(H2ガス)によりトリメチルアルミニウム(以下、TMA)、トリメチルガリウム(以下、TMG)、アルシン及びモノシランを供給して、シリコンがドープされた約500nmの厚みを有するn型Al0.5Ga0.5As層からなるn型クラッド層4を形成する。
Next, as shown in FIG. 2, trimethylaluminum (hereinafter referred to as TMA), trimethylgallium (hereinafter referred to as TMG), arsine and monosilane are supplied by a carrier gas (H 2 gas), and about 500 nm of silicon doped. An n-
次に、キャリアガスによりTMG及びアルシンを供給して、約6nmの厚みを有するGaAs層からなる井戸層を形成する。その後、キャリアガスによりTMA、TMG及びアルシンを供給して、約8nmの厚みを有するAl0.3Ga0.7As層からなるバリア層を形成する。そして、これら井戸層及びバリア層を交互に70pペア積層させて第1発光層5を形成する。
Next, TMG and arsine are supplied by a carrier gas to form a well layer made of a GaAs layer having a thickness of about 6 nm. Thereafter, TMA, TMG, and arsine are supplied by a carrier gas to form a barrier layer made of an Al 0.3 Ga 0.7 As layer having a thickness of about 8 nm. Then, the first
次に、キャリアガスによりトリメチルインジウム(以下、TMI)、TMG及びアルシンを供給して、約10nmの厚みを有するIn0.2Ga0.8As層からなる第2発光層6を形成する。
Next, trimethylindium (hereinafter referred to as TMI), TMG and arsine are supplied by a carrier gas to form the second
次に、キャリアガスによりTMA、TMG、アルシン及びジメチル亜鉛を供給して、亜鉛がドープされた約500nmの厚みを有するp型Al0.5Ga0.5As層からなるp型クラッド層7を形成する。
Next, TMA, TMG, arsine and dimethylzinc are supplied by a carrier gas, and a p-
次に、キャリアガスによりTMA、TMG、アルシン及びジメチル亜鉛を供給して、亜鉛がドープされた約70nmの厚みを有するp型Al0.8Ga0.2As層を形成する。その後、キャリアガスによりTMG、アルシン及びジメチル亜鉛を供給して、亜鉛がドープされた約60nmの厚みを有するp型GaAs層を形成する。そして、これらp型Al0.8Ga0.2As層及びp型GaAs層を交互に10ペア積層させて反射層8を形成する。
Next, TMA, TMG, arsine, and dimethylzinc are supplied with a carrier gas to form a p-type Al 0.8 Ga 0.2 As layer having a thickness of about 70 nm doped with zinc. Thereafter, TMG, arsine, and dimethylzinc are supplied by a carrier gas to form a p-type GaAs layer having a thickness of about 60 nm doped with zinc. Then, 10 pairs of these p-type Al 0.8 Ga 0.2 As layers and p-type GaAs layers are alternately stacked to form the
次に、図3に示すように、成長基板21を研磨及びウェットエッチングによって除去する。 Next, as shown in FIG. 3, the growth substrate 21 is removed by polishing and wet etching.
次に、SiO2によって構成された絶縁性の透明基板からなるウインドウ層2を用意する。その後、CMP(Chemical Mechanical Polish)法によりn型クラッド層4の表面及びウインドウ層2の表面を平滑化する。その後、n型クラッド層4の表面及びウインドウ層2の表面を、KOH水溶液などのアルカリ溶液にて親水化処理を行う。
Next, a
次に、図4に示すように、n型クラッド層4の表面とウインドウ層2の表面を純水を介した状態で接触させる。この状態で、室温から約800℃の間でウインドウ層2と半導体層3を加熱しつつ、ウインドウ層2とn型クラッド層4とが離脱しないように数MPa〜約10MPaの圧力で加圧して熱圧着を行う。これによって、ウインドウ層2とn型クラッド層4の接合界面における初期の接合を担う水分及び水素結合されたOH基(水酸基)を水蒸気として蒸散させて、ウインドウ層2とn型クラッド層4を接合させる。
Next, as shown in FIG. 4, the surface of the n-
次に、p型クラッド層7〜第1発光層5をエッチングしてn型クラッド層4の上面の一部を露出させる。その後、p型クラッド層7の上面にp側電極9を形成し、n型クラッド層4の上面にn側電極10を形成する。最後に、素子単位に分割して半導体発光素子1が完成する。
Next, the p-
上述したように半導体発光素子1では、ウインドウ層2とn型クラッド層4とが貼り付けられているので、n型クラッド層4とウインドウ層2とを構成する材料の格子整合などを考慮する必要がないので、ウインドウ層2を構成する材料の選択の自由度を高めることができる。このため、ウインドウ層2にガラス基板などの安価で赤外線を透過し易く、屈折率の高い材料を選択することができる。更に、ガラス基板を用いることにより、ウインドウ層2を容易に厚くすることができる。
As described above, in the semiconductor light emitting device 1, since the
また、赤外線を吸収するn型GaAsからなる成長基板21を除去することにより、吸収される赤外線を削減することができるので、外部に照射される赤外線の強度をより向上させることができる。 Further, by removing the growth substrate 21 made of n-type GaAs that absorbs infrared rays, the absorbed infrared rays can be reduced, so that the intensity of infrared rays irradiated to the outside can be further improved.
また、半導体発光素子1は、異なる波長の赤外線を発光可能な第1発光層5と第2発光層6とを備えているので1つの半導体発光素子1で2つの用途に使用することができる。
Moreover, since the semiconductor light emitting device 1 includes the first
また、半導体発光素子1は、反射層8を設けているので、矢印A方向に進行する赤外線をも反射させて矢印B方向へと取り出すことができる。これにより、発光強度を向上させることができる。
Moreover, since the semiconductor light emitting element 1 is provided with the
また、ウインドウ層2とn型クラッド層4とを熱圧着により貼り付けることによって、ウインドウ層2とn型クラッド層4との間に赤外線が透過する際に障害となるものが介在することを抑制できる。更に、アルカリ溶液を用いてウインドウ層2とn型クラッド層4の表面の親水化処理を行うので、安価な設備及び材料により実施できる。
In addition, by attaching the
以上、実施形態を用いて本発明を詳細に説明したが、本発明は本明細書中に説明した実施形態に限定されるものではない。本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載及び特許請求の範囲の記載と均等の範囲により決定されるものである。以下、上記実施形態を一部変更した変更形態について説明する。 As mentioned above, although this invention was demonstrated in detail using embodiment, this invention is not limited to embodiment described in this specification. The scope of the present invention is determined by the description of the claims and the scope equivalent to the description of the claims. Hereinafter, modified embodiments in which the above-described embodiment is partially modified will be described.
上述した実施形態の変更形態として、貼付工程の一部を変更した変更形態について説明する。 As a modified form of the embodiment described above, a modified form in which a part of the pasting process is changed will be described.
(第1変更形態)
第1変更形態では、半導体層3から成長基板21を除去した後、ウインドウ層2及びn型クラッド層4の少なくとも何れか一方の表面に接合剤をスピンコート法により約1μm〜約10μm程度の厚みで塗布する。尚、接合剤としては、例えば、ポリイミド系やサイクロブラン系などのポリマーを適用することができる。次に、ベークすることにより接合剤から溶媒を蒸散させ、ウインドウ層2の表面とn型クラッド層4の表面を接触させる。その後、ウインドウ層2とn型クラッド層4の接触を維持するように加圧しつつ、接合剤のガラス転移点近傍までウインドウ層2及び半導体層3を加熱して、ウインドウ層2とn型クラッド層4とをポリマー接合する。この第1変更形態では、ウインドウ層2及びn型クラッド層4の表面に数μmの凹凸があっても接合することができるので、両表面の平滑化するための工程を簡略化することができる。
(First modification)
In the first modification, after removing the growth substrate 21 from the
(第2変更形態)
第2変更形態では、上述した実施形態における加熱及び加圧による接合の代わりに、陽極接合によってウインドウ層2とn型クラッド層4とを接合する。
(Second modification)
In the second modification, the
(第3変更形態)
第3変更形態では、上述した実施形態におけるアルカリ溶液による親水化処理の代わりに、約1000W及び約10MHzの条件の酸素プラズマアッシングによりウインドウ層2及びn型クラッド層4の表面を活性化して親水化処理を行う。この第4変更形態では、アルカリ水溶液により親水化処理が難しい材料でも、ウインドウ層2及びn型クラッド層4の表面の親水化を実現することができる。
(Third modification)
In the third modified embodiment, the surface of the
また、上述の実施形態では、ガラスをウインドウ層2として適用したが、石英など他の赤外線を透過可能な絶縁性の材料によりウインドウ層2を構成してもよい。
Moreover, in the above-mentioned embodiment, although glass was applied as the
また、上述の実施形態では、2つの発光層5、6を備えた半導体発光素子1を一例として上げたが、発光層を1つだけ又は3つ以上設けてもよい。
In the above-described embodiment, the semiconductor light emitting device 1 including the two light emitting
また、半導体発光素子1の各層の厚みや材料は適宜変更可能である。 Moreover, the thickness and material of each layer of the semiconductor light emitting element 1 can be changed as appropriate.
1 半導体発光素子
2 ウインドウ層
3 半導体層
4 n型クラッド層
5 第1発光層
6 第2発光層
7 p型クラッド層
8 反射層
9 p側電極
10 n側電極
21 成長基板
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Semiconductor light-emitting
Claims (6)
前記赤外線を透過可能な絶縁性のウインドウ層とを備え、
前記ウインドウ層は、前記半導体層に貼り付けられていることを特徴とする半導体発光素子。 A semiconductor layer including a light emitting layer capable of emitting infrared rays;
An insulating window layer capable of transmitting the infrared rays,
The semiconductor light emitting element, wherein the window layer is attached to the semiconductor layer.
前記成長基板を除去する基板除去工程と、
前記成長基板が除去された領域の前記半導体層に、前記赤外線を透過可能な絶縁性のウインドウ層を貼り付ける貼付工程とを備えたことを特徴とする半導体発光素子の製造方法。 Forming a semiconductor layer including a light emitting layer capable of emitting infrared light on a growth substrate; and
A substrate removal step of removing the growth substrate;
A method of manufacturing a semiconductor light emitting device, comprising: an attaching step of attaching an insulating window layer capable of transmitting infrared light to the semiconductor layer in a region where the growth substrate is removed.
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