JP2018006535A - 半導体発光素子 - Google Patents
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基板と、
前記基板の上層に形成された、n型又はp側の第一半導体層、活性層、及び前記第一半導体層とは導電型の異なる第二半導体層を含む半導体層と、
前記第一半導体層と電気的に接続された、前記活性層から射出される光と同波長の光を吸収する材料からなる光吸収電極と、
前記基板の面のうちの前記半導体層とは反対側に位置する面、又は前記半導体層の面のうちの前記基板とは反対側に位置する面のいずれかの面で構成されている光取り出し面の上層であって、前記光吸収電極に対して前記基板の面に直交する方向に対向する位置に形成された、前記活性層から射出される光と同波長の光を反射する材料からなる反射層と、を備えたことを特徴とする。
前記光吸収電極は、前記第一半導体層の上層に形成されるものとしても構わない。この場合において、前記半導体発光素子は、前記第二半導体層の面のうち、前記活性層とは反対側の面に接触して形成された反射電極を備える構成としても構わない。
前記半導体層は、前記基板の面に平行な方向に関し、前記第一半導体層、前記活性層、及び前記第二半導体層が積層されてなる第一領域と、前記活性層及び前記第二半導体層を有さずに前記第一半導体層が形成されてなる第二領域とを有し、
前記光吸収電極は、前記第二領域内において、前記第一半導体層と電気的に接続された第一電極で構成されているものとしても構わない。
前記第二半導体層の面のうち、前記活性層とは反対側の面に接触して形成された反射電極と、
少なくとも前記第一半導体層及び前記活性層を貫通し、前記第二半導体層に達する凹部とを有し、
前記光吸収電極は、前記活性層、前記第一半導体層、及び前記反射電極との間の絶縁状態を保持した状態で前記凹部内に挿入されて前記第一半導体層に接触するように形成されているものとしても構わない。
前記半導体発光素子は、
前記第二半導体層の面のうち、前記活性層とは反対側の面に接触して形成された反射電極と、
少なくとも前記第一半導体層及び前記活性層を貫通し、前記第二半導体層に達する凹部とを有し、
前記光吸収電極は、前記活性層、前記第一半導体層、及び前記反射電極との間の絶縁状態を保持した状態で前記凹部内に挿入されて前記第一半導体層に接触するように形成されているものとしても構わない。
半導体発光素子の第一実施形態につき、説明する。
図1Aは、本発明の半導体発光素子の第一実施形態の構成を模式的に示す断面図である。半導体発光素子1は、基板3、基板3の上層に形成された半導体層5と、第一電極15と、第二電極13と、反射層31とを備える。以下では、半導体発光素子1を単に「発光素子1」と適宜略記することがある。
基板3は、例えばCuW、W、Moなどの導電性基板、又はSiなどの半導体基板で構成される。
本実施形態では、半導体層5は、基板3に近い側からp型半導体層11、活性層9、及びn型半導体層7が順に積層されて形成されている。本実施形態では、n型半導体層7が「第一半導体層」に対応し、p型半導体層11が「第二半導体層」に対応する。
第一電極15は、半導体層5の面のうち、基板3に対して遠い側の面に接触して形成されている。より詳細には、第一電極15は、n型半導体層7の面に接触して形成されている。
第二電極13は、p型半導体層11に接触して形成されており、p型半導体層11との間でオーミック接触が形成されている。本実施形態では、第二電極13はp側電極を構成する。第一電極15と第二電極13との間に電圧が印加されることで、活性層9内を電流が流れ、活性層9が発光する。
導電層20は、基板3の上層に形成されている。本実施形態では、導電層20は、保護層23、接合層21、接合層19、及び保護層17の多層構造で構成されている。
本実施形態の発光素子1は、Z方向に関して第一電極15と対向する位置であって、第二電極13に接触するように形成された、電流遮断層24を備える。電流遮断層24は、例えばSiO2、SiN、Zr2O3、AlN、Al2O3などで構成される。電流遮断層24は、活性層9を流れる電流を、XY平面に平行な方向に拡げる役割を果たしている。ただし、発光素子1が電流遮断層24を備えるか否かは任意である。
本実施形態の発光素子1は、第一電極15の上層に反射層31を備える。この反射層31は、活性層9から射出される光と同波長の光に対して高い反射率を示す材料で構成される。一例として、活性層9から例えば410nm以下の波長の光が射出される場合、反射層31は、Al、Ag、Cu,Ni,Pt,Rh,Cr,Coのうちの少なくともいずれか一つを含む材料で構成でき、特にAl又はAgを含む材料で構成するのが好ましい。
以下、半導体発光素子1の製造方法の一例につき、図3A〜図3H及び図1Aを参照して説明する。
まず、図3Aに示すように、成長基板25を準備する。成長基板25としては、一例としてC面を有するサファイア基板を用いることができる。
図3Bに示すように、成長基板25の上層に、下地層27、n型半導体層7、活性層9、及びp型半導体層11を順に形成する。このステップS2は、例えば以下の手順で行われる。
ステップS2で得られたウェハに対して活性化処理を行う。具体的な一例としては、RTA(Rapid Thermal Anneal:急速加熱)装置を用いて、窒素雰囲気下中650℃で15分間の活性化処理を行う。
図3Cに示すように、p型半導体層11の所定の領域の上面に電流遮断層24を形成する。電流遮断層24は、例えば、SiO2、SiN、Zr2O3、AlN、又はAl2O3等をスパッタリング法等によって成膜することで形成される。なお、本ステップS4において、電流遮断層24は、後のステップS12で第一電極15を形成する予定の領域に対して、Z方向に対向する位置に形成される。
次に、図3Cに示すように、p型半導体層11の所定の領域の上面に第二電極13を形成する。ここでは、第二電極13を電流遮断層24の上面にも形成しているが、第二電極13の形状は任意に選択される。第二電極13は、例えば、スパッタリング装置にてNi/Agを成膜した後、RTA装置を用いてドライエア雰囲気中でコンタクトアニールを行うことで形成される。ここでは、一例として、第二電極13の材料としてNiとAgの合金を挙げたが、Al、Rh、AgとPdとCuの合金等を用いることもできる。上述したように、第二電極13の材料としては、活性層9から放射される光に対する反射率の高い材料を用いるのが好ましい。
次に、図3Cに示すように、第二電極13の上面に保護層17を形成し、保護層17の上面に接合層19を形成する。
図3Dに示すように、成長基板25とは別に準備された基板3の上面に、保護層23及び接合層21を形成する。基板3としては、上述したようにCuW、W、Mo等の導電性基板、又はSi等の半導体基板を利用することができる。保護層23は、保護層17と同様に形成することができ、接合層21は、接合層19と同様に形成することができる。保護層23を設けるか否かは任意である。
図3Eに示すように、成長基板25の上層に形成された接合層19と、基板3の上層に形成された接合層21を貼り合わせることで、成長基板25と基板3の貼り合わせを行う。具体的な一例としては、280℃の温度、0.2MPaの圧力下で、貼り合わせ処理が行われる。
図3Fに示すように、成長基板25を剥離する。より具体的には、成長基板25側からレーザ光を照射する。ここで、照射するレーザ光を、成長基板25の構成材料(本実施形態ではサファイア)を透過し、下地層27の構成材料(本実施形態ではGaN)によって吸収されるような波長の光とする。これにより、下地層27でレーザ光が吸収されるため、成長基板25と下地層27の界面が高温化してGaNが分解され、成長基板25が剥離される。
ウェハ上に残存している金属Gaを塩酸等を用いて除去した後、GaN(下地層27)をICP装置を用いたドライエッチングによって除去し、n型半導体層7を露出させる(図3G参照)。
図3Hに示すように、隣接する素子同士を分離する。具体的には、隣接素子との境界領域に対し、ICP装置を用いて、素子分離領域に形成された電流遮断層24の上面が露出するまで半導体層5をエッチングする。このとき、電流遮断層24がエッチングストッパー層として機能する。なお、図3Hでは、半導体層5の側面が鉛直方向に対して傾斜を有するように図示しているが、これは一例であって、このような形状に限定する趣旨ではない。
図1Aに示すように、n型半導体層7の上面のうち、電流遮断層24に対してZ方向に対向する位置に第一電極15を形成する。具体的には、n型半導体層7の面のうち、第一電極15を形成する対象外の領域をレジストなどでマスクした状態で、例えば、電子線蒸着装置によって例えばNi/Al/Ni/Ti/Auからなる導電性材料を膜厚3μm程度蒸着させる。その後、マスクを剥離する。
図1Aに示すように、第一電極15の上面に反射層31を形成する。具体的には、レジスト等で電流供給部15a及び光取り出し面28aを構成するn型半導体層7の上面をマスクした状態で、第一電極15の上面に、例えばAlを膜厚10nm〜1μm程度蒸着させる。その後、マスクを剥離する。
ウェハをチップ単位に分割する。具体的な一例としては、各素子同士を例えばレーザダイシング装置によって分離する。
以下、本実施形態の発光素子1の別構成例について説明する。
半導体発光素子の第二実施形態につき、説明する。なお、第一実施形態と同じ構成要素については、同一の符号を付して説明を適宜省略する。
図6は、本発明の半導体発光素子の第二実施形態の構成を模式的に示す断面図である。発光素子1は、基板25、基板25の上層に形成された半導体層5と、第一電極15と、第二電極13と、反射層31とを備える。図5に示す発光素子1は、いわゆる「フリップチップ」型の構造を有しており、基板25の面のうちの半導体層5とは反対側に位置する面に光取り出し面28aが形成されている。
以下、本実施形態の発光素子1の製造方法の一例につき、図7A〜図7B及び図6を参照して説明する。
図7Aに示すように、一部の領域内に形成されているp型半導体層11及び活性層9を、ICP装置を用いたドライエッチングによって除去し、n型半導体層7を露出させる。
図7Bに示すように、露出されたn型半導体層7の上面に第一電極15を形成し、p型半導体層11の上面に第二電極13を形成する。第一電極15は、例えばステップS12と同様の方法で形成することができる。第二電極13は、例えばステップS5と同様の方法で形成することができる。
基板25の、半導体層5とは反対側に位置する面のうち、上述した所定の領域28bに反射層31を形成する。反射層31は、例えばステップS13と同様の方法で形成することができる。
第一電極15の上面にパッド電極52を、第二電極13の上面にパッド電極51をそれぞれ形成する。その後、ボンディング電極54によってパッド電極52と実装基板55を接続し、ボンディング電極53によってパッド電極51と実装基板55を接続する。これにより、図6に示す発光素子1が形成される。
上記構成において、半導体層5を構成する層のうち、基板25に近い側をn型半導体層7とし、基板25から遠い側をp型半導体層11として説明したが、これらの導電型を反転させても構わない。また、本実施形態においても、図4A〜図4Dを参照して説明したように、反射層31の表面を覆うように保護層32(第一保護層)を有する構成としても構わない。
半導体発光素子の第三実施形態につき、説明する。なお、第一実施形態と同じ構成要素については、同一の符号を付して説明を適宜省略する。
図8は、本発明の半導体発光素子の第三実施形態の構成を模式的に示す図面である。図8において、(a)が平面図に対応し、(b)が断面図に対応する。発光素子1は、基板25、基板25の上層に形成された半導体層5と、第一電極15と、第二電極13と、反射層31とを備える。図8に示す発光素子1は、いわゆる「ビア」型の構造を有しており、基板25の面のうちの半導体層5とは反対側に位置する面に光取り出し面28aが形成されている。
以下、本実施形態の発光素子1の製造方法の一例につき、図9A〜図9B及び図8を参照して説明する。
図9Aに示すように、p型半導体層11の上面の所定の箇所に第二電極13を形成する。具体的には、p型半導体層11の上面のうち、一以上の島状領域以外の領域に対して選択的に第二電極13を形成する。このステップS31を経たウェハは、p型半導体層11が島状に露出した領域と、第二電極13が露出した領域を上面に有する。第二電極13は、例えばステップS5と同様の方法で形成することができる。
図9Bに示すように、ステップS31を経て露出しているp型半導体層11の面に対してエッチングを行ってn型半導体層7の上面を露出させる。これにより、p型半導体層11及び活性層9を貫通し、n型半導体層7に達する凹部が形成される。その後、この凹部の内側面を覆うように絶縁層58を形成する。絶縁層58としてはSiO2、SiN、Zr2O3、AlN、Al2O3等を用いることができる。
凹部内を充填するように、導電性材料を成膜して第一電極15を形成する。第一電極15は、例えばステップS12と同様の方法で形成することができる。
基板25の、半導体層5とは反対側に位置する面のうち、第一電極15に対して基板25に直交する方向に対向する領域に反射層31を形成する。反射層31は、例えばステップS13と同様の方法で形成することができる。
露出している第一電極15,第二電極13の上面に保護層56、接合層57を形成し、接合層57を介して実装基板55を接合する(図8参照)。具体的な一例としては、電子線蒸着装置(EB装置)にて、TiとPtを3周期成膜することで保護層56を形成し、その後、保護層56の上面(Pt表面)に、Ti及びAu−Snハンダを蒸着させることで接合層57を形成する。そして、この接合層57を介して、各電極(13,15)に対して電圧を印加するための実装基板55を貼り合わせる。実装基板55としては、CuW、W、Mo等の導電性基板、Si等の半導体基板、又はAlN等の絶縁性基板に配線パターンを設けたものを利用することができる。
以下、本実施形態の発光素子1の別構成例について説明する。
3 : 基板
5 : 半導体層
7 : n型半導体層
9 : 活性層
11 : p型半導体層
13 : 第二電極
14 : 電流供給線
15 : 第一電極
15a : 電流供給部
17 : 保護層
19 : 接合層
20 : 導電層
21 : 接合層
23 : 保護層
24 : 電流遮断層
25 : 成長基板
27 : 下地層
28a : 光取り出し面
28b : 領域
31 : 反射層
32 : 保護層(第一保護層)
34 : 保護層(第二保護層)
40 : 光源部
41 : ミラー部
42 : 光射出面
51,52 : パッド電極
53,54 : ボンディング電極
55 : 実装基板
56 : 保護層
57 : 接合層
58 : 絶縁層
Claims (11)
- 基板と、
前記基板の上層に形成された、n型又はp側の第一半導体層、活性層、及び前記第一半導体層とは導電型の異なる第二半導体層を含む半導体層と、
前記第一半導体層と電気的に接続された、前記活性層から射出される光と同波長の光を吸収する材料からなる光吸収電極と、
前記基板の面のうちの前記半導体層とは反対側に位置する面、又は前記半導体層の面のうちの前記基板とは反対側に位置する面のいずれかの面で構成されている光取り出し面の上層であって、前記光吸収電極に対して前記基板の面に直交する方向に対向する位置に形成された、前記活性層から射出される光と同波長の光を反射する材料からなる反射層と、を備えたことを特徴とする半導体発光素子。 - 前記反射層は、前記活性層から射出される光と同波長の光に対して40%以上の反射率を有する材料で構成されていることを特徴とする請求項1に記載の半導体発光素子。
- 前記反射層の上層に形成され、前記活性層から射出される光を透過する材料からなる第一保護層を備えた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。
- 前記光取り出し面の上層に形成されている前記反射層は、前記光取り出し面に平行な方向に関して回転非対称の形状を有して配置されていることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の半導体発光素子。
- 前記光取り出し面は、前記第一半導体層の面のうちの前記基板とは反対側に位置する面で構成され、
前記光吸収電極は、前記第一半導体層の上層に形成され、
前記第二半導体層の面のうち、前記活性層とは反対側の面に接触して形成された反射電極を備えたことを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の半導体発光素子。 - 前記光吸収電極は、前記第一半導体層の上層において、前記基板の面に平行な方向に複数延伸して形成されていることを特徴とする請求項5に記載の半導体発光素子。
- 前記第一半導体層と前記光吸収電極との間に、前記活性層から射出される光を透過する材料からなる第二保護層を備えたことを特徴とする請求項5又は6に記載の半導体発光素子。
- 前記光取り出し面は、前記基板の面のうちの前記半導体層とは反対側に位置する面で構成され、
前記半導体層は、前記基板の面に平行な方向に関し、前記第一半導体層、前記活性層、及び前記第二半導体層が積層されてなる第一領域と、前記活性層及び前記第二半導体層を有さずに前記第一半導体層が形成されてなる第二領域とを有し、
前記光吸収電極は、前記第二領域内において、前記第一半導体層と電気的に接続された第一電極で構成されていることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の半導体発光素子。 - 前記光取り出し面は、前記基板の面のうちの前記半導体層とは反対側に位置する面で構成され、
前記第二半導体層の面のうち、前記活性層とは反対側の面に接触して形成された反射電極と、
少なくとも前記第一半導体層及び前記活性層を貫通し、前記第二半導体層に達する凹部とを有し、
前記光吸収電極は、前記活性層、前記第一半導体層、及び前記反射電極との間の絶縁状態を保持した状態で前記凹部内に挿入されて前記第一半導体層に接触するように形成されていることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の半導体発光素子。 - 前記光取り出し面は、前記第一半導体層の面のうちの前記基板とは反対側に位置する面で構成され、
前記第二半導体層の面のうち、前記活性層とは反対側の面に接触して形成された反射電極と、
少なくとも前記第一半導体層及び前記活性層を貫通し、前記第二半導体層に達する凹部とを有し、
前記光吸収電極は、前記活性層、前記第一半導体層、及び前記反射電極との間の絶縁状態を保持した状態で前記凹部内に挿入されて前記第一半導体層に接触するように形成されていることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の半導体発光素子。 - 前記活性層は、主たる発光波長が410nm以下である窒化物半導体材料で構成されていることを特徴とする請求項1〜10のいずれか1項に記載の半導体発光素子。
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