JP2018006495A - 半導体光デバイスの製造方法および半導体光デバイス - 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工程と、
前記半導体積層体を、少なくとも金属接合層を介してSi基板からなる導電性支持基板と接合する工程と、
前記InP成長用基板を除去する工程と、を有することを特徴とする半導体光デバイスの製造方法。
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少なくとも一部に誘電体層を形成する第5工程と、
前記誘電体層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、
前記支持基板が導電性のSi基板であることを特徴とする半導体光デバイスの製造方法。
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、を有することを特徴とする半導体光デバイス。
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た金属反射層と、
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、
前記支持基板は導電性のSi基板からなることを特徴とする半導体光デバイス。
本発明の第1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上の少なくとも一部に誘電体層50を形成する(図2(C))。第6工程では、誘電体層50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、本実施形態において、支持基板80を、導電性のSi基板とする。こうして、本発明の第1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、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上の少なくとも一部に誘電体層50を形成する工程である(図2(C))。このような誘電体層50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))。第5工程において、露出部E3を形成している場合は、金属反射層60は露出部E3上にも形成される。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。
本発明の第1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。半導体発光素子100は、縦方向に電流が流れることで機能する縦型の半導体発光素子100である。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の上に設けられた金属反射層60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、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、導電性支持基板80は導電性のSi基板からなる。
また、本発明に従う半導体光デバイスの製造方法および半導体光デバイスは、半導体受光素子の実施形態にも適用可能である。例えば、半導体発光素子100における半導体積層体30に替えて、例えばInGaAs光吸収層およびInP窓層を含む半導体積層体を設ければ、半導体光デバイスを半導体受光素子として利用することができる。そして、本発明に従う半導体受光素子は導電性支持基板としてSi基板を用いているため、半導体発光素子100と同様に、導電性支持基板の厚みを小さくすることができ、ひいては半導体受光素子の全厚を小さくすることができるため、半導体受光素子を小型化することができる。
また、本発明における、InP基板上に形成したInおよびPを含むIII-V族化合物半導体系の半導体光デバイスにおいて、Si基板からなる導電性支持基板を用いることは、以下の半導体光デバイスの第3実施形態にも勿論適用可能である。
また、上述の製造方法の実施形態により、本発明の従う半導体光デバイス1を作製することができる。すなわち、本発明の従う半導体光デバイス1は、図6(D)に示すように、Si基板からなる導電性支持基板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、を有する。
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。
Si基板に裏面電極を形成する直前に、Si基板の厚みを約87μmまで研削して、半導体発光素子全体の厚みを120μmとした以外は、発明例1と同様にして発明例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。
従来例1において、InP基板に裏面電極を形成する直前にInP基板を研削した以外は、従来例1と同様にして、半導体発光素子の作製を試みた。しかしながら、InP基板の厚みが150μmとなる前に破損が生じ、素子化することができなかった。
発明例1および発明例2から分かるように、導電性支持基板としてSi基板を用いた場合、Si基板を研削することにより、半導体発光素子の全厚を120μmとすることができ、発光中心波長を1300nmとする小型の半導体発光素子を作製することができた。一方、従来例1および比較例1から分かるように、InP基板では研削中に破損が生じてしまうため、小型の半導体発光素子を得ることはできなかった。
発明例1および従来例1から得られた半導体発光素子に、20mAの電流を流し、分光光度計を用いて配光パターンを測定した。なお、半導体発光素子と分光光度計との距離を20cmとし、立体角は6×10−3ステラジアンとし、半導体発光素子を180度回転させながら測定を行った。発明例1および従来例1の配光パターンを図8(A),(B)にそれぞれ示す。図8(A),(B)から、従来例1に比べて、発明例1では狭指向性を実現できることが確認された。
発明例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。結果を表1に示す。なお、光ファイバ分光器によって発明例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。
10 InP成長用基板
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 支持基板(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
(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工程と、
前記半導体積層体を、少なくとも金属接合層を介してSi基板からなる導電性支持基板と接合する工程と、
前記InP成長用基板を除去する工程と、を有し、
波長1000nm〜2200nmの近赤外領域を受発光波長とすることを特徴とする半導体光デバイスの製造方法。
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少なくとも一部に誘電体層を形成する第5工程と、
前記誘電体層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、
前記支持基板が導電性のSi基板であり、
波長1000nm〜2200nmの近赤外領域を受発光波長とすることを特徴とする半導体光デバイスの製造方法。
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、を有し、
波長1000nm〜2200nmの近赤外領域を受発光波長とすることを特徴とする半導体光デバイス。
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た金属反射層と、
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、
前記支持基板は導電性のSi基板からなり、
波長1000nm〜2200nmの近赤外領域を受発光波長とすることを特徴とする半導体光デバイス。
Claims (14)
- 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工程と、
前記半導体積層体を、少なくとも金属接合層を介してSi基板からなる導電性支持基板と接合する工程と、
前記InP成長用基板を除去する工程と、を有することを特徴とする半導体光デバイスの製造方法。 - 前記導電性支持基板の厚みを80μm以上200μm未満の範囲内に研削する研削工程を更に有する、請求項1に記載の半導体光デバイスの製造方法。
- 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少なくとも一部に誘電体層を形成する第5工程と、
前記誘電体層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、
前記支持基板が導電性のSi基板であることを特徴とする半導体光デバイスの製造方法。 - 前記導電性支持基板の厚みを80μm以上200μm未満の範囲内に研削する研削工程を更に有する、請求項2に記載の半導体光デバイスの製造方法。
- 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3または4に記載の半導体光デバイスの製造方法。
- 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5に記載の半導体光デバイスの製造方法。
- 前記誘電体層はSiO2からなる、請求項3〜6のいずれか1項に記載の半導体光デバイスの製造方法。
- Si基板からなる導電性支持基板と、
該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、を有することを特徴とする半導体光デバイス。 - 前記導電性支持基板の厚みが80μm以上200μm未満の範囲内である、請求項8に記載の半導体光デバイス。
- 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た金属反射層と、
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、
前記導電性支持基板は導電性のSi基板からなることを特徴とする半導体光デバイス。 - 前記導電性支持基板の厚みは80μm以上200μm未満である、請求項10に記載の半導体光デバイス。
- 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10または11に記載の半導体光デバイス。
- 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12に記載の半導体光デバイス。
- 前記誘電体層はSiO2からなる、請求項10〜13のいずれか1項に記載の半導体光デバイス。
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