JP2018006494A - 半導体発光素子の製造方法および半導体発光素子 - Google Patents
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Abstract
Description
(1)InP成長用基板上に、InおよびPを少なくとも含むInGaAsP系III−V族化合物半導体層を複数層積層した半導体積層体を形成する第1工程と、
前記半導体積層体上にIII−V族化合物半導体からなるコンタクト層を形成する第2工程と、
前記コンタクト層上の一部にオーミック金属部を形成すると共に、前記コンタクト層の表面に露出領域を残す第3工程と、
前記露出領域における前記コンタクト層を前記半導体積層体の表面が露出するまで除去して、前記オーミック金属部および前記コンタクト層からなるコンタクト部を形成すると共に、前記半導体積層体の露出面を形成する第4工程と、
前記半導体積層体の前記露出面上の一部に誘電体層を形成すると共に、前記コンタクト部の周囲を露出部とする第5工程と、
前記誘電体層、前記露出部および前記コンタクト部上に、Auを主成分とする金属反射層を形成する第6工程と、
金属接合層が表面に設けられた導電性支持基板を、該金属接合層を介して前記金属反射層に接合する第7工程と、
前記InP成長用基板を除去する第8工程と、を有し、
前記第5工程において、前記誘電体層の厚みを、前記コンタクト部の厚みよりも大きく形成し、
前記第7工程における接合により、前記金属接合層と前記金属反射層との間に空隙が形成され、該空隙は、前記コンタクト部および前記露出部が前記導電性支持基板と対向する方向に位置することを特徴とする、半導体発光素子の製造方法。
該導電性支持基板の表面に設けられた金属接合層と、
前記金属接合層の上に設けられ、該金属接合層に一部接触し、かつ、該金属接合層の主表面を覆う金属反射層と、
前記金属接合層および前記金属反射層の間に設けられた空隙と、
前記金属反射層の上に設けられた、InおよびPを少なくとも含むInGaAsP系III−V族化合物半導体層を複数層積層してなる半導体積層体と、
前記金属反射層および前記半導体積層体の間に、離隔かつ並列して設けられた誘電体層およびコンタクト部と、を有し、
前記金属反射層の主成分はAuであり、
前記誘電体層および前記コンタクト部が離隔する間隙において、前記金属反射層および前記半導体積層体が接触し、
前記空隙は、前記コンタクト部および前記間隙が前記導電性支持基板と対向する方向に位置することを特徴とする半導体発光素子。
本発明の一実施形態に従う半導体発光素子100の製造方法は、以下に詳細を後述する第1工程、第2工程、第3工程、第4工程、第5工程、第6工程、第7工程および第8工程を有する。第1工程では、InP成長用基板10上に、InおよびPを少なくとも含むInGaAsP系III−V族化合物半導体層を複数層積層した半導体積層体30を形成する(図1(A),(B))。第2工程では、半導体積層体30上にIII−V族化合物半導体からなるコンタクト層41を形成する(図1(C))。第3工程では、コンタクト層41上の一部にオーミック金属部43を形成すると共に、コンタクト層41の表面に露出領域E1を残す(図2(A))。第4工程では、露出領域E1におけるコンタクト層41を、半導体積層体30の表面が露出するまで除去して、オーミック金属部43およびコンタクト層41aからなるコンタクト部40を形成すると共に、半導体積層体30の露出面E2を形成する(図2(B))。第5工程では、半導体積層体30の露出面E2上の一部に誘電体層50を形成すると共に、コンタクト部40の周囲を露出部E3とする(図2(C))。第6工程では、誘電体層50、露出部E3およびコンタクト部40上に、Auを主成分とする金属反射層60を形成する(図3(A))。第7工程では、金属接合層70が表面に設けられた導電性支持基板80を、金属接合層70を介して金属反射層60に接合する(図3(B))。そして、第8工程では、InP成長用基板10を除去する(図4(A))。ここで、第5工程(図2(C))において、誘電体層50の厚みを、コンタクト部40の厚みよりも大きく形成する。そして、第7工程(図3(B))における接合により、金属接合層70と金属反射層60との間に空隙Vが形成され、該空隙Vは、コンタクト部40および露出部E3が導電性支持基板80と対向する方向に位置する。こうして、本発明の一実施形態に従う半導体発光素子100が製造される。以下、各工程の詳細を順次説明する。
第1工程は、前述のとおり、InP成長用基板10上に、InおよびPを少なくとも含むInGaAsP系III−V族化合物半導体層を複数層積層した半導体積層体30を形成する工程である(図1(A),(B))。
第2工程では、前述のとおり、半導体積層体30上にIII−V族化合物半導体からなるコンタクト層41を形成する工程である(図1(C))。例えば、図1(C)に示すように、p型キャップ層39上にp型のコンタクト層41を形成することができる。p型のコンタクト層41は、オーミック金属部43に接し、オーミック金属部43と半導体積層体30との間に介在する層であって、半導体積層体30に比べてオーミック金属部43との間のコンタクト抵抗が小さくなる組成であればよく、p型のコンタクト層41として、例えばp型のInGaAs層を用いることができる。コンタクト層41の厚みは制限されないが、例えば50nm〜200nmとすることができる。
第3工程では、前述のとおり、コンタクト層41上の一部にオーミック金属部43を形成すると共に、コンタクト層41の表面に露出領域E1を残す工程である(図2(A))。オーミック金属部43は、所定のパターンで島状に分散させて形成することができる。p型のコンタクト層41としてp型のInGaAs層を用いる場合、オーミック金属部43として例えばAu、AuZn、AuBe、AuTiなどを用いることができ、これらの積層構造を用いることも好ましい。例えば、Au/AuZn/Auをオーミック金属部43とすることができる。オーミック金属部43の厚み(または合計厚み)は制限されないが、例えば300〜1300nm、より好ましくは350nm〜800nmとすることができる。
第4工程は、前述のとおり、露出領域E1におけるコンタクト層41を、半導体積層体30の表面が露出するまで除去して、オーミック金属部43およびコンタクト層41aからなるコンタクト部40を形成すると共に、半導体積層体30の露出面E2を形成する工程である(図2(B))。すなわち、先の第3工程において形成したオーミック金属部43以外の場所におけるコンタクト層41を、半導体積層体30の最表層であるp型キャップ層39の表面が露出するまでエッチングし、コンタクト層41aとする。例えば、オーミック金属部43およびその近傍(2〜5μm程度)にレジストマスクを形成し、酒石酸−過酸化水素系などによりコンタクト層41の露出領域E1をウェットエッチングすればよい。他にも、無機酸−過酸化水素系および有機酸−過酸化水素系などによってもウェットエッチングは可能である。また、第3工程において金属層上にマスクを形成し、エッチングによりオーミック金属部43を形成した場合は、第4工程のエッチングを連続して行ってもよい。
第5工程は、前述のとおり、半導体積層体30の露出面E2上の一部に誘電体層50を形成すると共に、コンタクト部40の周囲を露出部E3とする工程である(図2(C))。このような誘電体層50および露出部E3は、例えば以下のようにして形成することができる。
第6工程は、前述のとおり、誘電体層50、露出部E3およびコンタクト部40上に、Auを主成分とする金属反射層60を形成する工程である(図3(A))。Auを主成分とする金属反射層60とは、金属反射層60の組成においてAuが50質量%超を占めることをいい、より好ましくはAuが80質量%以上であることをいう。金属反射層60は、複数層の金属層を含むことができるが、Auからなる金属層(以下、「Au金属層」)を含む場合には、金属反射層60の合計厚みのうち、Au金属層の厚みを50%超とすることが好ましい。金属反射層60を構成する金属には、Auの他、Al,Pt,Ti、Agなどを用いることができる。例えば、金属反射層60はAuのみからなる単一層であってもよいし、金属反射層60にAu金属層が2層以上含まれていてもよい。後続の第7工程における接合を確実に行うため、金属反射層60の最表層(半導体積層体30と反対側の面)を、Au金属層とすることが好ましい。例えば、誘電体層50、露出部E3およびコンタクト部40上に、Al、Au、Pt、Auの順に金属層を成膜し、金属反射層60とすることができる。金属反射層60におけるAu金属層の1層の厚みを、例えば400nm〜2000nmとすることができ、Au以外の金属からなる金属層の厚みを、例えば5nm〜200nmとすることができる。金属反射層60は、蒸着法などの一般的な手法により、誘電体層50、露出部E3およびコンタクト部40上に成膜して形成することができる。
第7工程は、前述のとおり、金属接合層70が表面に設けられた導電性支持基板80を、金属接合層70を介して金属反射層60に接合する工程である(図3(B))。導電性支持基板80の表面には、予め金属接合層70を、スパッタ法や蒸着法などにより形成しておけばよい。この金属接合層70と、金属反射層60を対向配置して貼り合せ、250℃〜500℃程度の温度で加熱圧縮接合を行うことで、両者の接合を行うことができる。
第8工程は、前述のとおり、InP成長用基板10を除去する工程である(図4(A))。InP成長用基板10は、例えば塩酸希釈液を用いてウェットエッチングにより除去することができ、エッチングストップ層20を形成している場合は、当該層でエッチングを終了させることができる。なお、エッチングストップ層がn型InGaAs層である場合、例えば硫酸−過酸化水素系でウェットエッチングにより除去すればよい。
本発明の一実施形態に従う半導体発光素子100は、上述の製造方法の実施形態により作製することができる。すなわち、図4(A)に示すように、この半導体発光素子100は、導電性支持基板80と、導電性支持基板80の表面に設けられた金属接合層70と、金属接合層70の上に設けられ、金属接合層70に一部接触し、かつ、金属接合層70の主表面を覆う金属反射層60と、金属接合層70および金属反射層60の間に設けられた空隙Vと、金属反射層60の上に設けられた、InおよびPを少なくとも含むInGaAsP系III−V族化合物半導体層を複数層積層してなる半導体積層体30と、金属反射層60および半導体積層体30の間に、離隔かつ並列して設けられた誘電体層50およびコンタクト部40と、を有する。そして、金属反射層60の主成分はAuであり、誘電体層50およびコンタクト部40が離隔する間隙において、金属反射層60および半導体積層体30が接触し、空隙Vは、コンタクト部40および上記間隙が導電性支持基板80と対向する方向に位置する。
以下、実施例を用いて本発明をさらに詳細に説明するが、本発明は以下の実施例に何ら限定されるものではない。図1〜図4に示したフローチャートに従って、発明例1に係る半導体発光素子を作製した。具体的には以下のとおりである。
発明例1において、誘電体層の高さH1を660nmとしてコンタクト部の高さと揃えた以外は、発明例1と同様にして比較例1に係る半導体発光素子を作製した。
発明例1において、誘電体層の高さH1を620nmとしてコンタクト部の高さとの高低関係を逆転させた以外は、発明例1と同様にして比較例2に係る半導体発光素子を作製した。
以下のとおりにして、比較例1に係る半導体発光素子を作製した。まず、n型InP基板の(100)面上に、n型InPクラッド層(厚み:2μm)、i型InPスペーサ層(厚み:300nm)、発光波長1300nmの量子井戸構造の活性層(合計130nm)、i型InPスペーサ層(厚み:300nm)、p型InPクラッド層(厚み:1.2μm)、p型In0.80Ga0.20As0.50P0.50キャップ層(厚み:50nm)、p型In0.57Ga0.43Asコンタクト層(厚み:130nm)をMOCVD法により順次形成した。そして、n型InP基板の裏面に裏面電極(Ti(厚み:10nm)/Pt(厚み:50nm)/Au(厚み200nm))を形成し、p型In0.57Ga0.43Asコンタクト層の中央部上には上面電極(AuGe/Ni/Au電極)を形成し、発明例1と同様に個片化した。なお、量子井戸構造の活性層の形成にあたり、In0.73Ga0.27As0.50P0.50井戸層(厚み:5nm)およびInP障壁層(厚み:8nm)を10層ずつ交互に積層した。
発明例1および比較例1では、良好に接合が行うことができた。一方、比較例2では、剥がれ落ちが発生する場合があった。
発明例1、比較例1および従来例1から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、それぞれ3個の試料の測定結果の平均値を求めた。発明例1および従来例1の結果を表1に示す。比較例1については、初期特性(発光出力および順方電圧)は発明例1と同程度であったが、発明例1と異なり、1000時間(室温、印加電流:100mA)の寿命測定において順方向電圧の上昇が見られるチップが10%ほど多く生じたため、発明例1に対して比較例1は信頼性が劣っていた。また、接合不良が発生した比較例2については、本評価を行っていない。なお、光ファイバ分光器によって発明例1、比較例1および従来例1の発光ピーク波長を測定したところ、いずれも1290nm〜1310nmの範囲内であった。
発明例1について、空隙の形成を確認するためにTEM断面図を取得した。図7(A)に、そのTEM断面図を示す。ここでは、構成の明確化のため、図1〜5で用いた符号の一部を、図7(A)中に付した。本参考評価では、実施形態で用いた符号を用いて説明する。図7(B)の模式中の波線部内が、図7(A)のTEM断面図に相当する。ただし、図7(A)に示すTEM断面図において、金属材料間の境界は観察できないため、オーミック金属部43、金属反射層60および金属接合層70は連続しているように見える。図7(A)における空隙Vは、図7(B)に図示するとおり、外輪山形状の片方の凸部と、カルデラ形状の凹部の半分程度が観察されたものである。また、幅Wに示す位置は第5工程において形成した、露出部E3に相当し、誘電体層50およびコンタクト部40が離隔する間の間隙である。空隙Vの形成と、金属反射層60と、金属接合層70とが、空隙V以外の領域で良好に接合していることとが確認できる。また、空隙Vは、コンタクト部40および上記間隙が導電性支持基板80と対向する方向に位置することも確認される。また、誘電体層50および空隙Vの凸部は台形であり、いずれも傾斜した裾部を有していることが確認される。
20 エッチングストップ層
30 半導体積層体
31 n型クラッド層
35 活性層
35W 井戸層
35B 障壁層
37 p型クラッド層
39 p型キャップ層
40 コンタクト部
41(41a) p型コンタクト層
43 オーミック金属部
50 誘電体層
60 金属反射層
70 金属接合層
80 導電性支持基板
100,100’ 半導体発光素子
91 裏面電極
93 上面電極
E1 露出領域
E2 露出面
E3 露出部
V 空隙
Claims (17)
- InP成長用基板上に、InおよびPを少なくとも含むInGaAsP系III−V族化合物半導体層を複数層積層した半導体積層体を形成する第1工程と、
前記半導体積層体上にIII−V族化合物半導体からなるコンタクト層を形成する第2工程と、
前記コンタクト層上の一部にオーミック金属部を形成すると共に、前記コンタクト層の表面に露出領域を残す第3工程と、
前記露出領域における前記コンタクト層を前記半導体積層体の表面が露出するまで除去して、前記オーミック金属部および前記コンタクト層からなるコンタクト部を形成すると共に、前記半導体積層体の露出面を形成する第4工程と、
前記半導体積層体の前記露出面上の一部に誘電体層を形成すると共に、前記コンタクト部の周囲を露出部とする第5工程と、
前記誘電体層、前記露出部および前記コンタクト部上に、Auを主成分とする金属反射層を形成する第6工程と、
金属接合層が表面に設けられた導電性支持基板を、該金属接合層を介して前記金属反射層に接合する第7工程と、
前記InP成長用基板を除去する第8工程と、を有し、
前記第5工程において、前記誘電体層の厚みを、前記コンタクト部の厚みよりも大きく形成し、
前記第7工程における接合により、前記金属接合層と前記金属反射層との間に空隙が形成され、該空隙は、前記コンタクト部および前記露出部が前記導電性支持基板と対向する方向に位置することを特徴とする、半導体発光素子の製造方法。 - 前記導電性支持基板は導電性のSi基板である、請求項1に記載の半導体発光素子の製造方法。
- 前記空隙の外形は、中央部が凹部であると共に周縁部が凸部である、請求項1または2に記載の半導体発光素子の製造方法。
- 前記第5工程において形成される前記誘電体層の厚みと、前記コンタクト部の厚みとの差を10nm以上100nm以下とする、請求項1〜3のいずれか1項に記載の半導体発光素子の製造方法。
- 前記誘電体層が前記半導体積層体と接触する接触面積率が、80%以上95%以下である、請求項1〜4のいずれか1項に記載の半導体発光素子の製造方法。
- 前記半導体積層体は、n型クラッド層と、活性層と、p型クラッド層とをこの順に含み、前記n型クラッド層、前記活性層および前記p型クラッド層は、InおよびPを少なくとも含むInGaAsP系III−V族化合物半導体からなる層である、請求項1〜5のいずれか1項に記載の半導体発光素子の製造方法。
- 前記半導体積層体がダブルヘテロ構造または多重量子井戸構造を有する、請求項6に記載の半導体発光素子の製造方法。
- 前記誘電体層はSiO2からなる、請求項1〜7のいずれか1項に記載の半導体発光素子の製造方法。
- 導電性支持基板と、
該導電性支持基板の表面に設けられた金属接合層と、
前記金属接合層の上に設けられ、該金属接合層に一部接触し、かつ、該金属接合層の主表面を覆う金属反射層と、
前記金属接合層および前記金属反射層の間に設けられた空隙と、
前記金属反射層の上に設けられた、InおよびPを少なくとも含むInGaAsP系III−V族化合物半導体層を複数層積層してなる半導体積層体と、
前記金属反射層および前記半導体積層体の間に、離隔かつ並列して設けられた誘電体層およびコンタクト部と、を有し、
前記金属反射層の主成分はAuであり、
前記誘電体層および前記コンタクト部が離隔する間隙において、前記金属反射層および前記半導体積層体が接触し、
前記空隙は、前記コンタクト部および前記間隙が前記導電性支持基板と対向する方向に位置することを特徴とする半導体発光素子。 - 前記導電性支持基板は導電性のSi基板である、請求項9に記載の半導体発光素子。
- 前記誘電体層の厚みは、前記コンタクト部の厚みよりも大きい、請求項9または10に記載の半導体発光素子。
- 前記空隙の外形は、中央部が凹部であると共に周縁部が凸部である、請求項9〜11のいずれか1項に記載の半導体発光素子。
- 前記誘電体層の厚みと、前記コンタクト部の厚みとの差は10nm以上100nm以下である、請求項9〜12のいずれか1項に記載の半導体発光素子。
- 前記誘電体層が前記半導体積層体と接触する接触面積率が、80%以上95%以下である、請求項9〜13のいずれか1項に記載の半導体発光素子。
- 前記半導体積層体は、n型クラッド層と、活性層と、p型クラッド層とをこの順に含み、前記n型クラッド層、前記活性層および前記p型クラッド層は、InおよびPを少なくとも含むInGaAsP系III−V族化合物半導体からなる層である、請求項9〜14のいずれか1項に記載の半導体発光素子。
- 前記半導体積層体がダブルヘテロ構造または多重量子井戸構造を有する、請求項15に記載の半導体発光素子。
- 前記誘電体層はSiO2からなる、請求項9〜16のいずれか1項に記載の半導体発光素子。
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