JP2013004631A - 半導体発光素子およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】本発明の半導体発光素子は、支持基板102の上面側に、中間電極104、下側第1導電型半導体層106、第1発光層108、第2導電型半導体層110、第1発光層108と同一の発光波長を有する第2発光層112、上側第1導電型半導体層114および上側電極116を順次具え、支持基板102の下面側に設けられる下側電極118と、上側第1導電型半導体層114および第2発光層112を貫通する凹部120に設けられ、第2導電型半導体層110と電気的に接続する基準電極122と、を有し、第1発光層108の電流が流れる有効領域108aを規制する絶縁部126を有することを特徴とする。
【選択図】図1
Description
(1)支持基板の上面側に、中間電極、下側第1導電型半導体層、第1発光層、第2導電型半導体層、前記第1発光層と同一の発光波長を有する第2発光層、上側第1導電型半導体層および上側電極を順次具え、
前記上側第1導電型半導体層および第2発光層を貫通する凹部に設けられ、前記第2導電型半導体層と電気的に接続する基準電極を有し、
前記第1発光層の電流が流れる有効領域を規制する絶縁部を有することを特徴とする半導体発光素子。
前記上側第1導電型半導体層および第2発光層を貫通する凹部に設けられ、前記第2導電型半導体層と電気的に接続する基準電極を有し、
前記第1発光層を、電流が流れる有効領域と電流が流れない無効領域とに分離する絶縁部を有することを特徴とする半導体発光素子。
前記基準電極が前記コンタクト層上に配置される上記(1)〜(7)のいずれか1項に記載の半導体発光素子。
前記下側第1導電型半導体層の表面に前記第1発光層まで貫通する溝を形成し、前記第1発光層の電流が流れる有効領域を規制する絶縁部を形成する工程と、
前記下側第1導電型半導体層の表面に中間電極および支持基板を順次設ける工程と、
前記仮基板を除去または分離する工程と、
前記上側第1導電型半導体層上に上側電極を形成する工程と、
前記上側第1導電型半導体層および第2発光層を貫通する凹部を設ける工程と、
該凹部内に、前記第2導電型半導体層と電気的に接続する基準電極を形成する工程と、を有することを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
前記下側第1導電型半導体層の表面に前記第1発光層まで貫通する溝を形成し、前記第1発光層を、電流が流れる有効領域と電流が流れない無効領域とに分離する絶縁部を形成する工程と、
前記下側第1導電型半導体層の表面に中間電極および支持基板を順次設ける工程と、
前記仮基板を除去または分離する工程と、
前記上側第1導電型半導体層上に上側電極を形成する工程と、
前記上側第1導電型半導体層および第2発光層を貫通する凹部を設ける工程と、
該凹部内に、前記第2導電型半導体層と電気的に接続する基準電極を形成する工程と、を有することを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
前記基準電極を前記コンタクト層上に配置する上記(11)〜(17)のいずれか1項に記載の半導体発光素子の製造方法。
本発明の一実施形態である半導体発光素子100は、図1(A)に示すとおり、支持基板102の上面側に、中間電極(発光層側コンタクト金属層)104、下側第1導電型半導体層としてのn型半導体層106、第1発光層108、第2導電型半導体層としてのp型半導体層110、第1発光層108と同一の発光波長を有する第2発光層112、上側第1導電型半導体層としてのn型半導体層114および上側電極116を順次具え、支持基板102の下面側に設けられる下側電極118と、上側第1導電型半導体層114および第2発光層112を貫通する凹部120に設けられ、第2導電型半導体層110と電気的に接続する基準電極122と、を有する。この素子100は、第1および第2発光層108,112を含むエピタキシャル膜を成長させた仮基板と支持基板102とを接合して形成したウェーハ貼り合わせ型の素子であり、支持基板側コンタクト金属層130を介して形成された支持基板側接合金属層132と、発光層側接合金属層128との間で接合され、仮基板は接合後に除去または分離される。
本発明の他の実施形態である半導体発光素子200は、図2(A)に示すとおり、支持基板202の上面側に、中間電極(発光層側コンタクト金属層)204、下側第1導電型半導体層としてのn型半導体層206、第1発光層208、第2導電型半導体層としてのp型半導体層210、第1発光層208と同一の発光波長を有する第2発光層212、上側第1導電型半導体層としてのn型半導体層214および上側電極216を順次具え、支持基板202の下面側に設けられる下側電極218と、上側第1導電型半導体層214および第2発光層212を貫通する凹部220に設けられ、第2導電型半導体層210と電気的に接続する基準電極222と、を有する。この素子200は、第1および第2発光層208,212を含むエピタキシャル膜を成長させた仮基板と支持基板202とを接合して形成したウェーハ貼り合わせ型の素子であり、支持基板側コンタクト金属層230を介して形成された支持基板側接合金属層232と、発光層側接合金属層228との間で接合され、仮基板は接合後に除去または分離される。
実施形態1で説明した方法で本発明に従う半導体発光素子100を作製した。まず、n型GaAs基板(厚さ:350μm)上に、抵抗加熱蒸着法により支持基板側コンタクト金属層としてAuGe/Ni/Au(厚さ:800nm)を形成し、窒素雰囲気下400〜450℃で加熱して合金化処理を行った。その後、この金属層上に、抵抗加熱蒸着法により支持基板側接合金属層としてTi/Au(厚さ:100nm/1μm)を形成した。
図1(B)のチップサイズ:320μm四方
上側電極サイズr(n):90μm
基準電極サイズr(p):80μm
凹部の開口直径:100μm
凹部により第2発光層が除去された部分の直径:90μm
絶縁層による溝形成外周の直径:90μm
よって、実施例1では絶縁部により第1発光層が有効領域と無効領域とに分離されており、第1発光層および第2発光層の有効面積は等しい。
実施例1において、溝形成工程およびその後の絶縁部形成工程を行わなかった以外は同様の工程によって、図4に示す半導体発光素子400を作製した。この素子400は、図4(A)に示すとおり、支持基板402の上面側に、中間電極(発光層側コンタクト金属層)404、下側第1導電型半導体層としてのn型半導体層406、第1発光層408、第2導電型半導体層としてのp型半導体層410、第1発光層408と同一の発光波長を有する第2発光412、上側第1導電型半導体層としてのn型半導体層414および上側電極416を順次具え、支持基板402の下面側に設けられる下側電極418と、上側第1導電型半導体層414および第2発光層412を貫通する凹部420に設けられ、第2導電型半導体層410と電気的に接続する基準電極422と、を有する。支持基板側コンタクト金属層430を介して形成された支持基板側接合金属層432と、発光層側接合金属層428との間で接合される。p型半導体層410の中間にコンタクト層424を具え、p型半導体層410がコンタクト層424を基準に上側層410aと下側層410bとに分割され、基準電極422がコンタクト層424上に配置されている。
図4(B)のチップサイズ:320μm四方
上側電極サイズr(n):90μm
基準電極サイズr(p):80μm
凹部の開口直径:100μm
凹部により第2発光層が除去された部分の直径:90μm
よって、第1発光層の有効面積は、第2発光層の有効面積よりも、第2発光層が除去された面積分大きい。また、中間電極の面積は(320μm)2であり、上側電極よりも大きい。
発光層を1層とした以外は比較例1と同様の半導体発光素子を作製した。すなわち、半導体層としては、MOCVD法により、n型半導体層(Al0.3Ga0.7As、厚さ:5μm、ドーパント:Te)、発光層(GaAs井戸構造/Al0.2Ga0.8Asバリア、厚さ:8nm/6nm)、p型半導体層(Al0.2Ga0.8As、厚さ:3μm、ドーパント:C)を順次エピタキシャル成長させた。発光層からの発光ピーク波長は850nmであった。また、発光層が1層であるため、凹部形成工程、基準電極形成工程は不要であった。p型半導体層上の中央部分に上側電極(直径80μm)を形成した。上側電極はp層と接触するため、AuZn(厚さ:500nm)とした。
得られた半導体発光素子に定電流電圧電源を用いて20mAの電流を流したときの順方向電圧Vfおよび積分球による発光出力Poを測定した。光出力は全光束分光測定システム(Labshere社製SLMS-1021-S)を用いて測定した。また、それぞれの半導体発光素子に徐々に大きな電流を流し、光出力が最大(最大発光出力)となったときの電流値(最大電流値)を求めた。これらの結果を表1および図3に示す。
実施形態2で説明した本発明に従う半導体発光素子200を作製した。上側電極416およびパッド電極は、以下のように形成した。まずフォトレジストで電極416形成部分以外を保護するパターンを形成し、抵抗加熱法によりAuGe/Ni/Au(厚さ:800nm)形成し、アセトン・ジメチルスルホキシド中に浸漬し、レジストを膨潤させてレジスト上の金属をレジストとともに除去して後に400〜450℃での熱処理により合金化を行い、電極416を形成した。次に、フォトレジストで電極417形成部分以外を保護するパターンを形成し、さらにTi/Au(厚さ:100nm/1μm)を形成し、アセトン・ジメチルスルホキシド中に浸漬し、レジストを膨潤させてレジスト上の金属をレジストとともに除去し、電極417を形成した。その他の個別の製造工程は、パターニングの態様が多少異なること以外は実施例1と同様なので省略する。このように作成されたLED素子の寸法は以下のとおりである。
図2(B)のチップサイズ:320μm四方
上側パッド電極サイズr(n1):90μm
基準電極サイズr(p):80μm
凹部の開口直径:100μm
凹部により第2発光層が除去された部分の直径:90μm
絶縁層による溝形成外周の直径:90μm
よって、実施例2では絶縁部により第1発光層が有効領域と無効領域とに分離されており、第1発光層および第2発光層の有効面積は等しい。
矩形の上側電極の面積=複数の中間電極の面積の総和=4800μm2
よって、上側電極および中間電極の面積は等しい。
比較例3にかかる半導体発光素子500は、図5(A)に示すとおり、支持基板502の上面側に、中間電極(発光層側コンタクト金属層)504、下側第1導電型半導体層としてのn型半導体層506、第1発光層508、第2導電型半導体層としてのp型半導体層510、第1発光層508と同一の発光波長を有する第2発光層512、上側第1導電型半導体層としてのn型半導体層514および上側電極516を順次具え、支持基板502の下面側に設けられる下側電極518と、上側第1導電型半導体層514および第2発光層512を貫通する凹部520に設けられ、第2導電型半導体層510と電気的に接続する基準電極522と、を有する。支持基板側コンタクト金属層530を介して形成された支持基板側接合金属層532と、発光層側接合金属層528との間で接合される。
図5(B)のチップサイズ:320μm四方
上側パッド電極サイズr(n1):90μm
基準電極サイズr(p):80μm
凹部の開口直径:100μm
矩形の上側電極の面積=複数の中間電極の面積の総和=4800μm2
よって、上側電極および中間電極の面積は等しいが、第1発光層および第2発光層の有効面積は異なる。
得られた半導体発光素子に定電流電圧電源を用いて20mAの電流を流したときの順方向電圧Vfおよび積分球による発光出力Poを測定した。光出力は全光束分光測定システム(Labshere社製SLMS-1021-S)を用いて測定した。また、それぞれの半導体発光素子に徐々に大きな電流を流し、光出力が最大(最大発光出力)となったときの電流値(最大電流値)を求めた。これらの結果を表2および図3に示す。
表1に示すとおり、比較例2と比較例1とを比べると、発光層を1層から2層にしたことにより、最大電流値および順方向電圧は多少の向上するもの、発光出力はほぼ変わらず、発光層を2層にしたことにより得られると予想したほどの特性の向上を得ることができなかった。そして、表1、表2および図3に示すとおり、比較例1と実施例1との比較、および比較例3と実施例2との比較から、第1発光層の有効領域を規制する絶縁部を設けることによって、第1発光層および第2発光層の有効面積を近づけ、第1発光層を含む電流回路と第2発光層を含む電流回路との抵抗成分をより近づけるように素子構造を工夫することができ、順方向電圧はほぼ維持したまま、最大電流値および発光出力を顕著に向上させることができた。
102 支持基板
104 中間電極
106 n型半導体層(下側第1導電型半導体層)
108 第1発光層
108a 有効領域
108b 無効領域
110 p型半導体層(第2導電型半導体層)
110a 上側層
110b 下側層
112 第2発光層
114 n型半導体層(上側第1導電型半導体層)
116 上側電極
118 下側電極
120 凹部
122 基準電極
124 コンタクト層
126 絶縁部
Claims (20)
- 支持基板の上面側に、中間電極、下側第1導電型半導体層、第1発光層、第2導電型半導体層、前記第1発光層と同一の発光波長を有する第2発光層、上側第1導電型半導体層および上側電極を順次具え、
前記上側第1導電型半導体層および第2発光層を貫通する凹部に設けられ、前記第2導電型半導体層と電気的に接続する基準電極を有し、
前記第1発光層の電流が流れる有効領域を規制する絶縁部を有することを特徴とする半導体発光素子。 - 支持基板の上面側に、中間電極、下側第1導電型半導体層、第1発光層、第2導電型半導体層、前記第1発光層と同一の発光波長を有する第2発光層、上側第1導電型半導体層および上側電極を順次具え、
前記上側第1導電型半導体層および第2発光層を貫通する凹部に設けられ、前記第2導電型半導体層と電気的に接続する基準電極を有し、
前記第1発光層を、電流が流れる有効領域と電流が流れない無効領域とに分離する絶縁部を有することを特徴とする半導体発光素子。 - 前記第1発光層および前記第2発光層の有効領域の面積が等しい請求項1または2に記載の半導体発光素子。
- 前記第1発光層の無効領域と前記第2発光層を貫通する凹部とは、素子上面から見て中心位置が一致する請求項2に記載の半導体発光素子。
- 前記上側電極および前記中間電極の面積が等しい請求項1〜4のいずれか1項に記載の半導体発光素子。
- 前記第1発光層および前記第2発光層の厚さが等しく、前記下側第1導電型半導体層および前記上側第1導電型半導体層の厚さが等しい請求項1〜5のいずれか1項に記載の半導体発光素子。
- 前記下側第1導電型半導体層および前記上側第1導電型半導体層の組成が等しい請求項1〜6のいずれか1項に記載の半導体発光素子。
- 前記第2導電型半導体層の中間にコンタクト層を具え、前記第2導電型半導体層が前記コンタクト層の上側層と下側層とに分割され、
前記基準電極が前記コンタクト層上に配置される請求項1〜7のいずれか1項に記載の半導体発光素子。 - 前記上側層および前記下側層の厚さが等しい請求項8に記載の半導体発光素子。
- 前記中間電極の外部との電気的接続を仲介する下側電極を有する請求項1〜9のいずれか1項に記載の半導体発光素子。
- 仮基板上に、上側第1導電型半導体層、第2発光層、第2導電型半導体層、前記第2発光層と同一の発光波長を有する第1発光層、下側第1導電型半導体層を順次形成する工程と、
前記下側第1導電型半導体層の表面に前記第1発光層まで貫通する溝を形成し、前記第1発光層の電流が流れる有効領域を規制する絶縁部を形成する工程と、
前記下側第1導電型半導体層の表面に中間電極および支持基板を順次設ける工程と、
前記仮基板を除去または分離する工程と、
前記上側第1導電型半導体層上に上側電極を形成する工程と、
前記上側第1導電型半導体層および第2発光層を貫通する凹部を設ける工程と、
該凹部内に、前記第2導電型半導体層と電気的に接続する基準電極を形成する工程と、を有することを特徴とする半導体発光素子の製造方法。 - 仮基板上に、上側第1導電型半導体層、第2発光層、第2導電型半導体層、前記第2発光層と同一の発光波長を有する第1発光層、下側第1導電型半導体層を順次形成する工程と、
前記下側第1導電型半導体層の表面に前記第1発光層まで貫通する溝を形成し、前記第1発光層を、電流が流れる有効領域と電流が流れない無効領域とに分離する絶縁部を形成する工程と、
前記下側第1導電型半導体層の表面に中間電極および支持基板を順次設ける工程と、
前記仮基板を除去または分離する工程と、
前記上側第1導電型半導体層上に上側電極を形成する工程と、
前記上側第1導電型半導体層および第2発光層を貫通する凹部を設ける工程と、
該凹部内に、前記第2導電型半導体層と電気的に接続する基準電極を形成する工程と、を有することを特徴とする半導体発光素子の製造方法。 - 前記第1発光層および前記第2発光層の有効領域の面積を等しくする請求項11または12に記載の半導体発光素子の製造方法。
- 前記第1発光層の無効領域と前記第2発光層を貫通する凹部とは、素子上面から見て中心位置を一致させる請求項12に記載の半導体発光素子の製造方法。
- 前記上側電極および前記中間電極の面積を等しくする請求項11〜14のいずれか1項に記載の半導体発光素子の製造方法。
- 前記第1発光層および前記第2発光層の厚さを等しく、前記下側第1導電型半導体層および前記上側第1導電型半導体層の厚さを等しくする請求項11〜15のいずれか1項に記載の半導体発光素子の製造方法。
- 前記下側第1導電型半導体層および前記上側第1導電型半導体層の組成を等しくする請求項11〜16のいずれか1項に記載の半導体発光素子の製造方法。
- 前記第2導電型半導体層の中間にコンタクト層を設け、前記第2導電型半導体層を前記コンタクト層の上側層と下側層とに分割し、
前記基準電極を前記コンタクト層上に配置する請求項11〜17のいずれか1項に記載の半導体発光素子の製造方法。 - 前記上側層および前記下側層の厚さを等しくする請求項18に記載の半導体発光素子の製造方法。
- 前記支持基板の前記中間電極とは反対側に、前記中間電極の外部との電気的接続を仲介する下側電極を形成する工程を有する請求項11〜19のいずれか1項に記載の半導体発光素子の製造方法。
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