JP2009289899A - 半導体発光素子、これを備えたｌｅｄアレイチップ、及び半導体発光素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 半導体発光素子に設けられた二つの電極間の電界特性を所望の特性に設定することが容易な半導体発光素子及びこれを備えたＬＥＤアレイチップを提供する。
【解決手段】 本発明に係る半導体発光素子１は、基板３と、基板３上に形成され、少なくとも一層からなるバッファ層１１と、バッファ層１１上の第一の部分に形成され、発光部分となる活性層１３と、バッファ層１１上において、第一の部分とは異なる第二の部分に形成された第一の電極１９と、活性層１３上に形成された第二の電極２１と、を備え、バッファ層１１の最表面層がＧａＡｓからなり、活性層１３がＡｌＧａＩｎＰからなることを特徴とする。
【選択図】 図２

Description

本発明は、半導体発光素子、これを備えたＬＥＤアレイチップ、及び半導体発光素子の製造方法に関する。

従来、基板上に、発光部分となる活性層を形成するにあたり、基板と活性層との格子整合性を改善する目的で、基板上にバッファ層を介して活性層を形成した半導体発光素子が種々提案されている。例えば、特許文献１の半導体発光素子では、基板上に、バッファ層、第一のコンタクト層、電子注入層、発光層、クラッド層、第二のコンタクト層をこの順に積層し、さらに、第二のコンタクト層上に一方の電極を設けている。そして、第一のコンタクト層は、第二のコンタクト層、クラッド層、発光層、電子注入層の一部をエッチングすることによって露出され、露出した第一のコンタクト層上に他方の電極が設けられている。
特開２００３−３４７５８１号公報

しかしながら、特許文献１の半導体発光素子を構成する上記各層は、同じＡｓ系結晶層で構成されている。そのため、上記のようにエッチングした場合、電子注入層と第一のコンタクト層との界面でエッチングストップさせることができず、第一のコンタクト層が部分的に侵食される。したがって、このように侵食される領域の発生によって、第一のコンタクト層上に設けられた電極と、第二のコンタクト層上に設けられた電極との間の電流の流れが乱され、二つの電極間の電界特性を所望の特性に設定することが難しいという問題があった。

本発明は、上記問題を解決するためになされたものであり、半導体発光素子に設けられた二つの電極間の電界特性を所望の特性に設定することが容易な半導体発光素子、これを備えたＬＥＤアレイチップ、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する。

本発明に係る半導体発光素子は、基板と、前記基板上に形成され、少なくとも一層からなるバッファ層と、前記バッファ層上の第一の部分に形成され、発光部分となる活性層と、前記バッファ層上において、前記第一の部分とは異なる第二の部分に形成された第一の電極と、前記活性層上に形成された第二の電極と、を備え、前記バッファ層の最表面層がＧａＡｓからなり、前記活性層がＡｌＧａＩｎＰからなることを特徴とする。

また、前記バッファ層の前記最表面層において、前記第一の部分と、前記第二の部分とが、面一であることが好ましい。

また、上記構成において、前記基板は、Ｓｉからなることが好ましい。

また、本発明に係るＬＥＤアレイチップは、上記のように構成された半導体発光素子を備えたことを特徴とする。

また、本発明に係る半導体発光素子の製造方法は、基板上にバッファ層を形成するステップと、前記バッファ層上に、発光部分となる活性層を形成するステップと、前記活性層に対するエッチングレートが前記バッファ層に対するエッチングレートより高いエッチャントによって、前記活性層の一部分をエッチングして、前記バッファ層の一部分を露出させるステップと、露出した前記バッファ層上に第一の電極を形成するステップと、前記活性層上に第二の電極を形成するステップと、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、半導体発光素子に設けられた二つの電極間の電界特性を所望の特性に設定することが容易な半導体発光素子、これを備えたＬＥＤアレイチップ、及び半導体発光素子の製造方法を提供することができる。

以下、本発明に係る半導体発光素子の一実施形態について図面を参照しつつ説明する。図１は、本実施形態に係る半導体発光素子を用いたＬＥＤアレイチップの平面図である。図２は、図１の半導体発光素子のＶ−Ｖ’線断面図である。

図１に示すように、本実施形態に係る半導体発光素子１は、基板３上に列状に複数個（図示例では１６個）並べて形成され、ＬＥＤアレイチップ５を構成するものである。このＬＥＤアレイチップ５の基板３上には、各半導体発光素子１に接続された第一電極パッド７及び第二電極パッド９が形成されており、両電極パッド７，９間に電圧を印加することで、半導体発光素子１に電流を供給して、半導体発光素子１が発光するようになっている。

なお、両電極パッド７，９はそれぞれ複数のパッドから構成されており、第一電極パッド７を構成する複数のパッドのうちの一つと、第二電極パッド９を構成する複数のパッドのうちの一つとを選択して電圧を与えることで、半導体発光素子１を選択的に発光させることができる。

続いて、半導体発光素子１について、図２を参照して詳細に説明する。半導体発光素子１は、基板３上に形成されたバッファ層１１と、このバッファ層１１の上面の一部分（第一の部分）に形成された発光部分となる活性層１３とを備えている。また、活性層１３の上面には、ウインドウ層１５を介してコンタクト層１７が設けられている。そして、これらの各半導体層は、後述する共通電極１９とバッファ層１１との接点部分、及び個別電極２１とコンタクト層１７との接点部分を除いて、絶縁膜２３によって全体的に被覆されている。また、共通電極１９、個別電極２１及び絶縁膜２３上には、これらの各部材を部分的に被覆する保護膜２５が設けられている。

基板３は、高抵抗性のＳｉ基板であり、２０００〜６０００Ω・ｃｍ程度の電気抵抗率を有している。

バッファ層１１は、基板３側から、第一バッファ層１１ａ、第二バッファ層１１ｂ、及び第三バッファ層１１ｃをこの順に積層して構成されている。これらの各層の組成としては、第一バッファ層１１ａをＧａＡｓに、第二バッファ層１１ｂをＩｎＧａＡｓに、第三バッファ層１１ｃをＧａＡｓにしている。また、第一バッファ層１１ａの厚さは２〜３μｍ程度、第二バッファ層１１ｂの厚さは０．１〜０．１５μｍ程度、第三バッファ層１１ｃの厚さは、０．３〜１μｍ程度に形成されている。なお、特に、第三バッファ層１１ｃの厚さを０．５μｍ以上にすることで、後述する格子整合性の改善効果が高くなる。

なお、第三バッファ層１１ｃは、オーミックコンタクト層としても機能し、Ｓｉなどの一導電型半導体不純物を１×１０^１６〜１０^１９ａｔｏｍｓ（原子）／ｃｍ^３程度含有している。また、本実施形態では、第一バッファ層１１ａ及び第二バッファ層１１ｂについては、半導体不純物を含有させなくてもよい。

上記のように、バッファ層１１の上面、つまり、第三バッファ層１１ｃの上面の一部分（第一の部分）には、活性層１３が形成されており、第三バッファ層１１ｃの上面において活性層１３が形成されていない部分（第二の部分）には、共通電極１９（第一の電極）が接続されている。より具体的には、活性層１３と共通電極１９とは、バッファ層１１の最表面層である第三バッファ層１１ｃ上の同一面に設けられている。

共通電極１９は、例えばＣｒとＡｕとを交互に２層ずつ積層して、１μｍ程度の厚さで形成されている。また、共通電極１９は、図１に示す第一電極パッド７に接続されている。そして、後述する個別電極２１が第二電極パッド９に接続され、第一電極パッド７と第二電極パッド９との間に電圧が印加されることによって、半導体発光素子１に電流が流れ、半導体発光素子１が発光する。

活性層１３は、第三バッファ層１１ｃ上の共通電極１９が設けられていない部分に、電子注入層１３ａ、発光層１３ｂ及びクラッド層１３ｃをこの順に積層して構成されている。これらの各層１３ａ，１３ｂ，１３ｃは、ＡｌＧａＩｎＰで形成されている。また、電子注入層１３ａは、Ｓｉなどの一導電型半導体不純物を１×１０^１６〜１０^１９ａｔｏｍｓ（原子）／ｃｍ^３程度含有している。発光層１３ｂ及びクラッド層１３ｃは、Ｚｎなどの逆導電型半導体不純物を１×１０^１６〜１０^２１ａｔｏｍｓ（原子）／ｃｍ^３程度含有している。また、電子注入層１３ａの厚さは０．５〜１μｍ程度、発光層１３ｂの厚さは０．３〜１μｍ程度、クラッド層１３ｃの厚さは、０．５〜１μｍ程度に形成されている。

活性層１３の上面、つまり、クラッド層１３ｃの上面には、ウインドウ層１５及びオーミックコンタクト層１７がこの順に積層されて形成されている。各層の組成としては、例えば、ウインドウ層１５をＧａＰに、オーミックコンタクト層１７をＧａＡｓにしている。なお、ウインドウ層１５及びオーミックコンタクト層１７は、Ｚｎなどの逆導電型半導体不純物を１×１０^１６〜１０^２１ａｔｏｍｓ（原子）／ｃｍ^３程度含有している。また、ウインドウ層１５の厚さは１〜５μｍ程度、オーミックコンタクト層１７の厚さは０．０３〜０．１μｍ程度に形成されている。

オーミックコンタクト層１７上には、個別電極２１（第二の電極）が形成されている。この個別電極２１は、例えばＣｒとＡｕとを交互に積層して、１μｍ程度の厚さで形成するとともに、図１に示す第二電極パッド９に接続されている。

次に、上記のように構成された半導体発光素子１の製造方法を説明する。

まず、基板３上に、バッファ層１１、活性層１３、ウインドウ層１５及びオーミックコンタクト層１７をＭＯＣＶＤ法などで順次積層する。

この成膜において、原料ガスとしてはＴＭＧ（（ＣＨ_３）_３Ｇａ）、ＴＥＧ（（Ｃ_２Ｈ_５）_３Ｇａ）、アルシン（ＡｓＨ_３）、ＴＭＡ（（ＣＨ_３）_３Ａｌ）、ＴＥＡ（（Ｃ_２Ｈ_５）_３Ａｌ）、TMI（（CH₃）₃In）、TEI（（C₂H₅）₃In）、ホスフィン（PH₃）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（ＳｉＨ_４）、セレン化水素（Ｈ_２Ｓｅ）、ＤＭＺ（（ＣＨ_３）_２Ｚｎ）、Ｃｐ_２Ｍｇ（（Ｃ_５Ｈ_５）_２Ｍｇ）などが用いられ、キャリアガスとしては、Ｈ_２などが用いられる。

次に、図３に示すように、オーミックコンタクト層１７上にマスク２７を施し、オーミックコンタクト層１７（マスクされていない部分）、ウインドウ層１５及び活性層１３をウェットエッチングする。このとき、上記のように活性層１３がＡｌＧａＩｎＰで、第三バッファ層１１ｃがＧａＡｓで構成されており、これらの層がＰ系とＡｓ系といった異系の組成であるため、エッチャントに選択性を持たせることができる。つまり、エッチャントとして、活性層１３に対するエッチングレートがバッファ層１１に対するエッチングレートより高いものを用いることができ、これによって、活性層１３をエッチングして第三バッファ層１１ｃの成長表面を露出させることができる。本実施形態の活性層１３と第三バッファ層１１ｃとに対して、このような特性を示すエッチャントとしては、硫酸過酸化水素系のエッチャントが挙げられる。なお、このようにウェットエッチングを行うことによって、活性層１３がいわゆるメサ形状になる。そして、エッチングが終了した後は、マスク２７を除去する。

次いで、図４に示すように、活性層１３を覆うとともに第三バッファ層１１ｃの上面を覆うようにマスク２９を施し、エッチングする。これによって、基板３上の積層体を島状にパターニングし、複数個の半導体発光素子１に分離する。エッチングが終了した後は、マスク２９を除去する。

次に、プラズマＣＶＤ法で、シランガス（ＳｉＨ_４）とアンモニアガス（ＮＨ_３）を用いて窒化シリコンからなる絶縁膜２３を形成する。この絶縁膜２３としては、感光性樹脂、ポリイミドなどを用いてもよい。この場合は、スピンコート法等の方法で塗布し、ベーキングでの硬化により形成した後、パターニングする。

さらに、バッファ層１１及び活性層１３上に、共通電極１９及び個別電極２１をそれぞれ接続する。本実施形態では、Ｃｒ及びＡｕを蒸着法やスパッタリング法で形成してパターニングする。なお、このとき、共通電極１９は、上記のように露出した第三バッファ層１１ｃの成長表面上に設けられるため、活性層１３と共通電極１９とが第三バッファ層１１ｃの同一面上に形成される。

そして、窒化シリコンやポリイミドからなる保護膜２５を形成してパターニングする。

以上のように、本実施形態の半導体発光素子によれば、活性層１３がＡｌＧａＩｎＰで、第三バッファ層１１ｃがＧａＡｓで構成されており、これらの層がＰ系とＡｓ系といった異系の組成となっている。そのため、エッチャントに選択性を持たせることができ、例えば上記のように、エッチャントとして、活性層１３に対するエッチングレートがバッファ層１１に対するエッチングレートより高いものを用いてエッチングを行うことによって、第三バッファ層１１ｃの成長表面を露出させることができる。したがって、オーミックコンタクト層として機能する第三バッファ層１１ｃにおいて、活性層１３が積層された領域（第一の部分）と、共通電極１９（第一の電極）が設けられた領域（第二の部分）とが、面一に形成される。そのため、共通電極１９と活性層１３との間の第三バッファ層１１ｃを介する電流の流れが乱されず、ひいては、共通電極１９（第一の電極）と個別電極２１（第二の電極）との間の電界特性を所望の特性に容易に設定することができる。

また、ＬＥＤアレイチップ５においては、各半導体発光素子１の共通電極１９が、基板３上に同一工程で成長させた第三バッファ層１１ｃの成長表面上に形成されている。そのため、各半導体発光素子１間において、共通電極１９の形成位置にばらつきがなくなる。したがって、同一の基板３上に形成された各半導体発光素子１の電解特性のばらつきを抑制することができ、ひいては、各半導体発光素子１の発光特性を均一化することができる。

また、上記実施形態では、基板３をＳｉ基板とし、バッファ層１１として、基板３側から、ＧａＡｓ結晶層、ＩｎＧａＡｓ結晶層、ＧａＡｓ結晶層をこの順に積層し、活性層１３をＡｌＧａＩｎＰ結晶層としている。こうすることで、Ｓｉ基板とＡｌＧａＩｎＰ結晶層との格子整合性を改善することができる。また、このようにＡｌＧａＩｎＰ結晶層を用いることによって、６３０ｎｍ付近の波長を有する発光素子とすることができる。

また、格子整合性の観点から見ると、ＡｌＧａＩｎＰ結晶層は、ＧａＡｓなどの化合物半導体基板に成長させる方が有利であるが、このようなバッファ層１１を介することでＳｉ基板上に形成することができ、基板にかかるコストを下げることができる。

また、上記実施形態のＬＥＤアレイチップでは、基板３として高抵抗性のＳｉ基板を用いているので、基板３の一方面に形成された複数の半導体発光素子１を互いに電気的に絶縁した状態で形成することができる。そのため、各半導体発光素子１に個別に電流を与えることができ、基板３上に複数並べて配置された半導体発光素子１を上述のように選択的に発光させることができる。

また、ウェットエッチングを用いることで、複数のＬＥＤアレイチップのエッチング工程を一括して行うことができ、生産性の向上や製造コストの低減を図ることができる。しかも、図２に示すように活性層１３がいわゆるメサ形状となるため、活性層１３の側端面が上側を向き、半導体発光素子１から発せられる光の上方への指向性を向上させることができる。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない限りにおいて種々の変更が可能である。

上記実施形態では、基板３として、高抵抗性のＳｉ基板を用いているが、例えば、ＧａＡｓなどの単結晶半導体基板や、サファイアなどの単結晶絶縁基板を用いてもよい。なお、単結晶半導体基板を用いる場合は、（１００）面を＜０１１＞方向に２〜７°傾斜させたものが好ましい。また、サファイアの場合、Ｃ面基板が好ましい。

また、上記実施形態では、バッファ層１１及び活性層１３をそれぞれ３層で構成しているが、層数がこれに限定されるものではない。また、活性層１３と個別電極２１との間に、ウインドウ層１５及びオーミックコンタクト層１７を介在させているが、活性層１３と個別電極２１とが電気的に導通可能であればよく、例えば、活性層１３上に直接、個別電極２１を形成してもよい。

また、上記実施形態では、ウェットエッチングを行っているが、エッチャントに選択性を持たせることができる限り、ドライエッチングなど他のエッチング手段を用いてもよい。

本発明に係るＬＥＤアレイチップの一実施形態を示す平面図である。 図１に示す半導体発光素子１のＶ−Ｖ’線断面図である。 図１に示す半導体発光素子１のエッチング工程を説明するための図である。 図１に示す半導体発光素子１のエッチング工程を説明するための図である。

符号の説明

１ 半導体発光素子
３ 基板
１１ バッファ層
１３ 活性層
１５ ウインドウ層
１７ コンタクト層
１９ 共通電極（第一の電極）
２１ 個別電極（第二の電極）
２３ 絶縁膜
２５ 保護膜

Claims (5)

1. 基板と、
   前記基板上に形成され、少なくとも一層からなるバッファ層と、
   前記バッファ層上の第一の部分に形成され、発光部分となる活性層と、
   前記バッファ層上において、前記第一の部分とは異なる第二の部分に形成された第一の電極と、
   前記活性層上に形成された第二の電極と、
   を備え、
   前記バッファ層の最表面層がＧａＡｓからなり、前記活性層がＡｌＧａＩｎＰからなることを特徴とする、半導体発光素子。
2. 前記バッファ層の前記最表面層において、前記第一の部分と、前記第二の部分とが、面一であることを特徴とする、請求項１に記載の半導体発光素子。
3. 前記基板は、Ｓｉからなることを特徴とする、請求項１又は２に記載の半導体発光素子。
4. 請求項１から３のいずれかに記載の半導体発光素子を備えたことを特徴とする、ＬＥＤアレイチップ。
5. 半導体発光素子の製造方法であって、
   基板上にバッファ層を形成するステップと、
   前記バッファ層上に、発光部分となる活性層を形成するステップと、
   前記活性層に対するエッチングレートが前記バッファ層に対するエッチングレートより高いエッチャントによって、前記活性層の一部分をエッチングして、前記バッファ層の一部分を露出させるステップと、
   露出した前記バッファ層上に第一の電極を形成するステップと、
   前記活性層上に第二の電極を形成するステップと、
   を備えることを特徴とする、半導体発光素子の製造方法。
   

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