JP2019040928A - 半導体発光装置および半導体発光装置の製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
本発明の一実施形態に係る半導体発光装置では、前記貫通孔が、前記絶縁層に加えて前記中間接着層にも形成されており、前記透光導電層が、当該貫通孔を介して前記コンタクト領域に直接接続されていてもよい。
本発明の一実施形態に係る半導体発光装置では、前記コンタクト領域が、不純物としての炭素(C)を1.0×1019cm−3以上の濃度で含有していてもよい。
コンタクト領域が1.0×1019cm−3以上の濃度で炭素(C)を含有することによって、コンタクト領域の低抵抗化を良好に達成することができる。
本発明の一実施形態に係る半導体発光装置では、前記貫通孔が、前記中間接着層の部分において、前記絶縁層の部分における前記貫通孔の縁部で覆われたサイドエッチング部を有し、前記透光導電層が、前記サイドエッチング部に入り込むように横側に広がって形成された凸部を含んでいてもよい。
本発明の一実施形態に係る半導体発光装置では、前記サイドエッチング部の側部と前記凸部との間には、空隙が形成されていてもよい。
この構成によれば、中間接着層の屈折率(n1>1)よりも小さい屈折率(n2=1)を有する空隙(空気)が中間接着層の一部に形成されるので、絶縁層と中間接着層との界面における光の反射率を向上させることができる。したがって、当該界面から中間接着層および透光導電層を通過し、金属層に至るまでの経路で発生する光のロスを低減することができる。
本発明の一実施形態に係る半導体発光装置では、前記絶縁層が、SiO2、SiNまたはSiONからなっていてもよい。
本発明の一実施形態に係る半導体発光装置では、前記発光領域の発光波長が、800nm以上であってもよい。
本発明の一実施形態に係る半導体発光装置の製造方法は、第1基板上に、発光領域を含むと共に、最上面にAlxGa1−xAs(0≦x<1)系半導体からなるコンタクト領域を含む半導体層を形成する工程と、前記半導体層上に、(AlyGa1−y)zIn1−zP(0≦y≦1、0≦z≦1)系半導体からなる中間接着層を形成する工程と、前記中間接着層上に、絶縁層を形成する工程と、前記絶縁層に貫通孔を形成する工程と、前記絶縁層上に、前記貫通孔内のコンタクト部を介して前記コンタクト領域に電気的に接続された第1金属層を形成する工程と、第2基板上に、第2金属層を形成する工程と、前記第1金属層および前記第2金属層を互いに接合することによって、前記第1基板と前記第2基板とを貼り合わせる工程と、前記貼り合わせ後、前記第1基板を除去する工程とを含む。
本発明の一実施形態に係る半導体発光装置の製造方法は、前記絶縁層の形成前に、前記中間接着層をアッシング処理する工程を含み、前記絶縁層が、アッシング処理された前記中間接着層の表面に形成されてもよい。
本発明の一実施形態に係る半導体発光装置の製造方法では、前記アッシング処理が、酸素プラズマを使用して前記中間接着層の表面を処理する工程を含んでいてもよい。
本発明の一実施形態に係る半導体発光装置の製造方法は、前記第1金属層の形成前に、前記貫通孔内に前記コンタクト部として一部が埋め込まれるように、前記絶縁層上に透光導電層を形成する工程をさらに含んでいてもよい。
本発明の一実施形態に係る半導体発光装置の製造方法では、前記貫通孔を形成する工程が、前記絶縁層の部分における前記貫通孔の縁部よりも横側に広がるように、前記中間接着層の部分にサイドエッチング部を形成する工程を含み、前記透光導電層が、前記サイドエッチング部に入り込むように形成された凸部を含むように形成されてもよい。
図1は、本発明の一実施形態に係る半導体発光装置1の模式的な平面図である。図2は、本発明の一実施形態に係る半導体発光装置1の模式的な断面図である。なお、図2は、図1の半導体発光装置1の特定位置の断面を示しているものではなく、半導体発光装置1の断面構造を便宜的に表したものである。したがって、図2において、図1に示した構成要素と同一のものであっても、その大きさの比率が異なっている場合がある。
p型コンタクト層15、p型ウィンドウ層16およびp型クラッド層17は、AlxGa1−xAs(0≦x<1)系半導体から構成されている。当該式中のAl組成は、発光層12の発光波長の範囲に合わせて適宜設定される。たとえば、800nm以上の赤外波長域の場合には、図5に示すように、AlxGa1−xAs(0≦x<1)系半導体のAl組成が0.1未満(10%未満)であると、吸収端波長が800nm以上であるため、発光層12からの赤外光が各層で吸収され易くなる。そのため、AlxGa1−xAs(0≦x<1)系半導体のAl組成は、たとえば、10%〜70%(x=0.1〜0.7)に設定され、好ましくは、15%〜60%(x=0.15〜0.6)に設定される。Al組成が大きいほど吸収端波長が低くなるので、吸収端波長のみを考慮するのであれば、Al組成は60%を超えてもよい。しかしながら、Al組成が高くなると、AlGaAs層の表面が酸化し易く、Alの酸化によって表面に形成されるAl2O3(酸化アルミニウム)膜が原因で、AlGaAs層に対するオーミックコンタクトをとることが難しくなる。したがって、電極とのコンタクトが形成されるp型コンタクト層15に関しては、吸収端波長が若干高くなるが、Al組成が15%〜30%(x=0.15〜0.3)のAlxGa1−xAs(0≦x<1)系半導体から構成されることが好ましい。一方、p型ウィンドウ層16およびp型クラッド層17のAl組成については、30%〜60%(x=0.3〜0.6)程度であってもよい。p型ウィンドウ層16およびp型クラッド層17のAl組成をこの範囲にすることによって、これらの層16,17において赤外光が吸収されることを確実に防止することができる。
なお、p型コンタクト層15、p型ウィンドウ層16およびp型クラッド層17は、それぞれ、単層で形成されていてもよいし、たとえば、Al組成が互いに異なる複数の層で形成されていてもよい。
また、n型コンタクト層20は、透光導電層4とのオーミックコンタクトをとるために低抵抗層となっていることが好ましく、n型ドーパントとしてのシリコン(Si)を高濃度で含有している。この実施形態では、n型コンタクト層20は、シリコン(Si)を1.0×1018cm−3以上の濃度で含有している。なお、n型ウィンドウ層19およびn型クラッド層18についても、上記n型ドーパントが、適切な濃度で含有されている。
なお、n型コンタクト層20、n型ウィンドウ層19およびn型クラッド層18は、それぞれ、単層で形成されていてもよいし、たとえば、Al組成が互いに異なる複数の層で形成されていてもよい。
発光層12は、この実施形態では、図4に示すように、InGaAs層からなる量子井戸層21(たとえば90Å厚程度)とAlGaAs層からなる障壁層22(たとえば110Å厚程度)とを交互に複数周期繰り返し積層して構成された多重量子井戸(MQW:Multiple-Quantum Well)構造23と、この多重量子井戸構造23を上下両側から挟む、p型ガイド層24およびn型ガイド層25とを有している。p型ガイド層24およびn型ガイド層25は、たとえば、Al組成が15%〜60%(x=0.15〜0.6)程度のAlxGa1−xAs(0<x<1)系半導体から構成されている。
この実施形態では、平面視において、パッド電極部93がメサ部26の略中央に配置されており、当該パッド電極部93とメサ部26の4つの隅のそれぞれとの間に包囲領域29A,29B,29C,29Dを区画するように枝状電極部94が形成されている。各包囲領域29A〜29Dは、パッド電極部93からメサ部26の各周縁(もしくは端面)に向かって十字状に延びる枝状電極部94の中間部94Aと、当該十字型の中間部94Aに交差してメサ部26の互いに対向する一対の周縁(もしくは外周面26B)に沿って延びる枝状電極部の外周部94Bと、パッド電極部93によって取り囲まれている。
図6Aは、図2の絶縁層5と中間接着層7との界面近傍の構造を具体的に示す拡大図である。図6Bは、図6Aの貫通孔10の拡大平面図である。
前述のように、この実施形態では、金属層3上に、透光導電層4、絶縁層5、中間接着層7およびIII−V族半導体構造6が、この順に積層されている。
第1部分36および第2部分37は、共に、透光導電層4からIII−V族半導体構造6へ向かう方向に径が小さくなるテーパ状に形成されている。第1部分36のテーパ面(側面)と第2部分37のテーパ面(側面)とは、この実施形態では、互いに連続した面として形成されておらず、図6Bに示すように、第2部分37のテーパ面の始端37A(透光導電層4側の端)が、第1部分36のテーパ面の終端37B(III−V族半導体構造6側の端)に対して径方向外側に一定間隔を配置される段差面となっている。このような段差面は、後述するように、貫通孔10の第2部分37を形成する際に中間接着層7がサイドエッチングされることに起因する。
透光導電層4は、貫通孔10に埋め込まれ、貫通孔10内に露出するp型コンタクト層15に直接接続されている。また、透光導電層4(コンタクト部11)は、貫通孔10の第2部分37においては、サイドエッチング部39に入り込むように横側に広がって形成された凸部40(図6Bのハッチング部分)を有している。凸部40は、図6Bに示すように、貫通孔10の周方向の全周にわたって環状に形成されていてもよいし、周方向の一部のみに曲線状に形成されていてもよい。また、この凸部40は、この実施形態では、サイドエッチング部39を完全に満たすように形成されておらず、サイドエッチング部39の側部と凸部40との間には、空隙41が形成されている。空隙41は、この実施形態では、図6Bに示すように、貫通孔10の全周にわたって環状に形成されている。
そして、図2を参照して、この半導体発光装置1では、p側電極8とn側電極9との間に順方向電圧が印加されると、発光層12に、n型半導体層14から電子が注入され、p型半導体層13から正孔が注入される。これらが発光層12で再結合することによって、光が発生する。この光は、n型半導体層14を透過して光取出し面としてのメサ部26の表面26Aから、微細な凹凸構造28を介して取り出される。一方、発光層12からp型半導体層13側に向かった光は、p型半導体層13および透光導電層4をこの順で透過して、金属層3で反射される。反射した光は、透光導電層4、p型半導体層13、発光層12、n型半導体層14をこの順で透過して、メサ部26の表面26Aから、微細な凹凸構造28を介して取り出される。
一方、AlxGa1−xAs(0≦x<1)系半導体と絶縁層5との密着性が高くないため、上記の低抵抗化の達成には、III−V族半導体構造6から絶縁層5が剥離しやすいという背反事象が発生する。しかしながら、この半導体発光装置1では、III−V族半導体構造6と絶縁層5との間に、(AlyGa1−y)zIn1−zP(0≦y≦1、0≦z≦1)系半導体からなる中間接着層7が介在するので、III−V族半導体構造6と絶縁層5との間に高い密着性を確保することができる。さらに、上記の構成によれば、透光導電層4の凸部40が、貫通孔10の縁部38に引っ掛かるので、透光導電層4を剥がれにくくすることもできる。
半導体発光装置1を製造するには、たとえば図7Aに示すように、GaAs等からなる第1基板の一例としての成長基板44(ウエハ)上に、エピタキシャル成長によってIII−V族半導体構造6および中間接着層7が形成される。III−V族半導体構造6の成長方法は、たとえば、分子線エピタキシャル成長法、有機金属気相成長法等、公知の成長方法を適用できる。この際、必要により、各層に対してドーパント(たとえば、前述したn型ドーパントまたはp型ドーパント)がドーピングされる。この段階では、III−V族半導体構造6は、成長基板44の側から順に、n型半導体層14、発光層12、p型半導体層13を含んでいる。
次に、図7Bおよび図8Bに示すように、アッシング処理された中間接着層7の表面7Aに、たとえばCVD法によって、絶縁層5が形成される。絶縁層5の形成後、絶縁層5の成膜温度(たとえば、240℃〜300℃)よりも高い温度(たとえば、350℃〜500℃)で熱処理される。これにより、絶縁層5の応力が確定され、その後に熱処理工程が行われても、絶縁層5に余計な応力が発生することを抑制する。
次に、図8Dに示すように、エッチング液を変え、具体的には、Cl系のエッチング液を使用したウエットエッチングによって、中間接着層7が第1部分36から連続してパターニングされる。これにより、中間接着層7が等方的にエッチングされ、テーパ状の貫通孔(第2部分37)が形成される。中間接着層7が等方的にエッチングされるため、当該エッチングが絶縁層5と中間接着層7との界面に沿う横方向にも進行し、サイドエッチング部39が形成される。こうして、図7Cに示すように、p型コンタクト層15を露出させる貫通孔10が形成される。
次の工程は、成長基板44と基板2との貼合わせ工程である。貼合わせ工程では、成長基板44上の第1金属層31と基板2上の第2金属層32とが接合される。第2金属層32は、AuまたはAuを含む合金で構成されており、少なくとも最表面がAu層で構成されている。この第2金属層32は、貼合わせ前に、たとえば蒸着法によって、第2基板の一例としての基板2の表面(前述のp側電極8が形成される面の反対面)に形成されたものである。
次に、図7Iに示すように、III−V族半導体構造6の周縁部が選択的に除去されることによって、メサ部26および引き出し部27が形成される。メサ部26および引き出し部27の形成は、たとえば、ウエットエッチングによって行ってもよい。ウエットエッチングによって、メサ部26の外周面26Bは、基板2側へ向かう方向に径が大きくなるテーパ状に形成される。
次に、図示しないが、基板2(ウエハ)が各チップサイズに分割されることによって、図1〜図3に示した半導体発光装置1が得られる。
たとえば、前述の実施形態では、貫通孔10は、絶縁層5および中間接着層7を連続して貫通するように形成されていたが、たとえば図9に示すように、絶縁層5のみに形成されていてもよい。この場合、透光導電層4は、(AlyGa1−y)zIn1−zP(0≦y≦1、0≦z≦1)系半導体からなる中間接着層7を介して、p型コンタクト層15に接続されていてもよい。
さらに、図示はしないが、透光導電層4が設けられず、金属層3が、直接または貫通孔10に埋め込まれたコンタクト部(金属コンタクト等)を介して、p型コンタクト層15に接続されていてもよい。
(1)絶縁層の密着性評価
実施例としてのInGaP層および参考例としてのAlGaAs層のそれぞれに対する絶縁層の密着性を評価した。
以上から、AlGaAs層に比べて、InGaP層の方が、絶縁層に対する密着性が高いことが分かった。
(2)p型コンタクト層の抵抗評価
p型コンタクト層の実施例としてのp−AlGaAs層(炭素ドープ、厚さ=2000Å)および参考例としてのp−GaP層(炭素ドープ、厚さ=3000Å)のそれぞれに対する透光導電層(ITO)のコンタクト抵抗を測定し、比較した。
(3)p型コンタクト層の違いによるVF比較
前述の実施形態に従って、AlGaAsからなるp型コンタクト層を備える半導体発光装置と、GaPからなるp型コンタクト層を備える半導体発光装置をそれぞれ作製した。p型コンタクト層以外の構成については、互いに同一とした。また、各半導体発光装置において、チップサイズ(基板2のサイズ)=200μm×200μm、発光面積(メサ部26の表面サイズ)=175μm×175μm、電極径(パッド電極部93の径)=φ90μmとした。
図14から、p型コンタクト層としてGaP層を用いる場合に比べて、AlGaAs層を用いた方が、順方向電圧(VF)を低減できることが分かった。たとえば、順方向電流(IF)=20mAでは、AlGaAs層の場合がGaP層の場合に比べて、0.1V程度、VFが低くなっていた。
2 基板
3 金属層
4 透光導電層
5 絶縁層
6 III−V族半導体構造
7 中間接着層
10 貫通孔
11 コンタクト部
12 発光層
15 p型コンタクト層
31 第1金属層
32 第2金属層
36 第1部分(貫通孔)
37 第2部分(貫通孔)
38 縁部
39 サイドエッチング部
40 凸部
41 空隙
44 成長基板
Claims (16)
- 発光領域を含むと共に光取り出し面としての表面およびその反対側の裏面を有し、前記裏面を形成するAlxGa1−xAs(0≦x<1)系半導体からなるコンタクト領域を含む半導体層と、
前記半導体層の前記裏面側に配置され、貫通孔を有する絶縁層と、
前記半導体層と前記絶縁層との間に配置され、(AlyGa1−y)zIn1−zP(0≦y≦1、0≦z≦1)系半導体からなる中間接着層と、
前記絶縁層の前記半導体層の反対側に配置され、前記貫通孔内のコンタクト部を介して前記コンタクト領域に電気的に接続された金属層とを含む、半導体発光装置。 - 前記絶縁層と前記金属層との間に配置され、前記コンタクト部を含む透光導電層をさらに含む、請求項1に記載の半導体発光装置。
- 前記貫通孔が、前記絶縁層に加えて前記中間接着層にも形成されており、前記透光導電層が、当該貫通孔を介して前記コンタクト領域に直接接続されている、請求項2に記載の半導体発光装置。
- 前記コンタクト領域が、不純物としての炭素(C)を1.0×1019cm−3以上の濃度で含有している、請求項3に記載の半導体発光装置。
- 前記コンタクト領域が、500Å〜5000Åの厚さを有する層からなる、請求項4に記載の半導体発光装置。
- 前記貫通孔が、前記中間接着層の部分において、前記絶縁層の部分における前記貫通孔の縁部で覆われたサイドエッチング部を有し、
前記透光導電層が、前記サイドエッチング部に入り込むように横側に広がって形成された凸部を含む、請求項3〜5のいずれか一項に記載の半導体発光装置。 - 前記サイドエッチング部の側部と前記凸部との間には、空隙が形成されている、請求項6に記載の半導体発光装置。
- 前記中間接着層が、InGaP層からなる、請求項1〜7のいずれか一項に記載の半導体発光装置。
- 前記絶縁層が、SiO2、SiNまたはSiONからなる、請求項1〜8のいずれか一項に記載の半導体発光装置。
- 前記発光領域の発光波長が、800nm以上である、請求項1〜9のいずれか一項に記載の半導体発光装置。
- 第1基板上に、発光領域を含むと共に、最上面にAlxGa1−xAs(0≦x<1)系半導体からなるコンタクト領域を含む半導体層を形成する工程と、
前記半導体層上に、(AlyGa1−y)zIn1−zP(0≦y≦1、0≦z≦1)系半導体からなる中間接着層を形成する工程と、
前記中間接着層上に、絶縁層を形成する工程と、
前記絶縁層に貫通孔を形成する工程と、
前記絶縁層上に、前記貫通孔内のコンタクト部を介して前記コンタクト領域に電気的に接続された第1金属層を形成する工程と、
第2基板上に、第2金属層を形成する工程と、
前記第1金属層および前記第2金属層を互いに接合することによって、前記第1基板と前記第2基板とを貼り合わせる工程と、
前記貼り合わせ後、前記第1基板を除去する工程とを含む、半導体発光装置の製造方法。 - 前記絶縁層の形成前に、前記中間接着層をアッシング処理する工程を含み、
前記絶縁層が、アッシング処理された前記中間接着層の表面に形成される、請求項11に記載の半導体発光装置の製造方法。 - 前記アッシング処理が、酸素プラズマを使用して前記中間接着層の表面を処理する工程を含む、請求項12に記載の半導体発光装置の製造方法。
- 前記第1金属層の形成前に、前記貫通孔内に前記コンタクト部として一部が埋め込まれるように、前記絶縁層上に透光導電層を形成する工程をさらに含む、請求項11〜13のいずれか一項に記載の半導体発光装置の製造方法。
- 前記貫通孔を形成する工程が、前記絶縁層に加えて前記中間接着層にも前記貫通孔を形成する工程を含み、
前記透光導電層が、当該貫通孔を介して前記コンタクト領域に直接接続されるように形成される、請求項14に記載の半導体発光装置の製造方法。 - 前記貫通孔を形成する工程が、前記絶縁層の部分における前記貫通孔の縁部よりも横側に広がるように、前記中間接着層の部分にサイドエッチング部を形成する工程を含み、
前記透光導電層が、前記サイドエッチング部に入り込むように形成された凸部を含むように形成される、請求項15に記載の半導体発光装置の製造方法。
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