JP2021090004A - 赤外ｌｅｄ素子 - Google Patents

Abstract

【課題】光取り出し効率を高めつつ、面方向に電流を拡げることのできる赤外ＬＥＤ素子を実現する【解決手段】赤外ＬＥＤ素子は、導電性の支持基板と、支持基板の上層に配置されたｐ型又はｎ型の第一半導体層と、第一半導体層の上層に配置された活性層と、活性層の上層に配置され、第一半導体層とは導電型の異なるＩｎＰからなると共に支持基板とは反対側の面である（−１００）面に凹凸部が形成された第二半導体層と、支持基板の活性層とは反対側の面に形成された第一電極と、第二半導体層の上層に配置され、［０１１］に実質的に平行な方向及び［０−１１］に実質的に平行な方向に延伸する形状を呈した第二電極とを有し、第二電極は、［０−１１］に実質的に平行な方向に延伸する領域の幅Ａ１が、［０１１］に実質的に平行な方向に延伸する領域の幅Ｂ１よりも大きい。【選択図】 図１

Description

本発明は、赤外ＬＥＤ素子に関する。

従来、１０００ｎｍ以上の赤外領域を発光波長とする発光素子としては、通信・計測用のレーザ素子としての開発が広く進められてきた。一方で、このような波長域のＬＥＤ素子については、これまであまり用途がなく、レーザ素子よりは開発が進んでいなかった。

例えば、下記特許文献１には、ＧａＡｓ系の発光素子であれば０．７〜０．８μｍ（７００〜８００ｎｍ）の波長の光が生成できるが、より長波長の１．３μｍ（１３００ｎｍ）程度の光を生じるためにはＩｎＰ系の発光素子が必要であることが開示されている。特に、特許文献１によれば、ｐ型のＩｎＰ基板を成長基板とし、ＩｎＰ結晶に格子整合するｐ型クラッド層、活性層、ｎ型クラッド層を順次エピタキシャル成長させた後、電極を形成することが開示されている。

なお、発光波長が８５０ｎｍ程度の赤外光素子であって、活性層にＧａＡｓ系を用いている点は異なっているが、活性層に対して、積層方向にｐ側とｎ側の電極が挟み込むように配置されたＬＥＤ素子が、下記特許文献２に開示されている。

特許文献２によれば、導電性の支持基板の裏面側にｐ側の電極が配置され、その反対側の主面（表面）に、ｐ型半導体層、活性層、及びｎ型半導体層の積層体が反射金属層を介して配置されており、ｎ型半導体層の上面にはｎ側の電極が配置されている。そして、光取り出し効率を高めるために、ｎ型半導体層の表面には凹凸加工が施されている。

特開平４−２８２８７５号公報 特開２０１２−１２９３５７号公報 特開２０１２−７４４８９号公報

上述したように、発光波長が１０００ｎｍを超えるＬＥＤ素子については、これまで産業用の用途があまりなかったこともあり、開発が進んでいなかった。これに対し、近年、このような波長帯の光を発するＬＥＤ素子についても、市場からの要求が高まりを示しつつあり、より光強度の高いＬＥＤ素子が求められるようになってきている。

かかる観点から、本発明者らは、ＩｎＰ系の赤外ＬＥＤ素子においても、特許文献２に開示されている構造のように、ウェハの表裏面に電極を設けると共に、光取り出し面側の半導体層の表面に凹凸加工を施すことで光取り出し効率を高めることを検討した。更に、活性層内の広い範囲に電流を流すべく、光取り出し面側の半導体層の面上に、格子状や櫛状といった、複数の線状に延伸する形状を呈した電極を形成することを検討した。

ところで、光取り出し面側の半導体層の表面に凹凸加工を施す場合には、電極材料を表面に形成した後に、エッチングによって行われる。これに対して、半導体層の表面に凹凸加工を施した後に、電極を形成すると、凹凸を有する半導体層の表面に電極が形成される結果、電極の表面も凹凸となる。このように、電極の表面に凹凸が形成されていると、後のＬＥＤ素子の実装工程において電極の表面に対してワイヤボンディングが行われる際に、ボンディングワイヤと電極表面の接触面積が小さくなり、ボンディングワイヤの接合強度が低下してしまうという問題が生じる。かかる観点から、電極材料を半導体層の表面に形成した後に、エッチングが行われる。

しかしながら、本発明者らの鋭意研究によれば、線状の電極を形成した後に、半導体層の表面に凹凸加工を施しても、面方向に電流を拡げる効果が充分に発揮されない場合があることが確認された。

本発明は、上記の課題に鑑み、光取り出し効率を高めつつ、面方向に電流を拡げることのできる赤外ＬＥＤ素子を実現することを目的とする。

本発明に係る赤外ＬＥＤ素子は、
導電性の支持基板と、
前記支持基板の上層に配置された、ｐ型又はｎ型の第一半導体層と、
前記第一半導体層の上層に配置された活性層と
前記活性層の上層に配置され、前記第一半導体層とは導電型の異なるＩｎＰからなると共に、前記支持基板とは反対側の面である（−１００）面に凹凸部が形成された第二半導体層と、
前記支持基板の、前記活性層とは反対側の面に形成された第一電極と、
前記第二半導体層の上層に配置され、［０１１］方向に実質的に平行な方向及び［０−１１］方向に実質的に平行な方向に延伸する形状を呈した第二電極とを有し、
前記第二電極は、［０−１１］方向に実質的に平行な方向に延伸する領域の幅Ａ１が、［０１１］方向に延伸する領域の幅Ｂ１よりも大きいことを特徴とする。

本明細書内において、方向Ｄ１と方向Ｄ２とが「実質的に平行である」とは、方向Ｄ１と方向Ｄ２とのなす角度の絶対値が５°未満であることを意味する。

なお、光取り出し面を（−１００）面とし、赤外ＬＥＤ素子を（−１００）面に直交する平面で切断したときに、凹凸部の断面形状が順メサ形状になる方位を［０−１１］方向とし、これに対して直交する方向を［０１１］方向とする。

ＬＥＤ素子の光取り出し面に凹凸部を形成する最も一般的な方法としては、パターニングされたマスクを用いずに酸系のエッチング液にディップ処理する方法が知られている（上記特許文献３参照）。しかし、ＩｎＰからなる第二半導体層の光取り出し面側に対して、このような方法で凹凸部を効率的に形成できるエッチング液について、本発明者らによって、度重なる検討が重ねられたが、安定且つ再現性良く凹凸部を形成できるエッチング液の開発・入手が困難であった。

層の表面に凹凸部を形成する別の方法として、ドライエッチング方法が知られている。本発明者らは、この方法を利用して、ＩｎＰからなる第二半導体層の光取り出し面にフォトリソグラフィ技術によってレジストマスクでパターニングを行いドライエッチングすることで、凹凸部を形成することを検討した。

しかしＩｎＰ膜のドライエッチングはウエハを加熱した状態で行わないとエッチング速度が遅くなるため加工が困難である一方、加熱してドライエッチングを行うとパターニングマスクとなるレジストの形状が熱によって崩れてしまう問題が生じる。そのため、本発明者らは、工業的な量産性を考慮すると本手法を用いることは困難であると考えた。

そこで、本発明者らは、ＩｎＰからなる第二半導体層の光取り出し面にフォトリソグラフィ技術によってレジストマスクでパターニングを行った状態で、塩酸を含むエッチング液でエッチングする手法を検討した。すると、第二半導体層の光取り出し面に対して、安定且つ再現性良く凹凸部を形成することに成功した。

しかし、かかる方法で凹凸部を形成した場合においても、上述したように、線状電極を形成した後に凹凸加工を施すと、面方向に電流を拡げる効果が充分に発揮されない場合が確認された。

ここで、本発明者らの鋭意研究によれば、光取り出し面上に、パターニングされたレジストマスクを設けた状態で、エッチング液でエッチングを行うと、面方向（横方向）に関して、特定の方向にはエッチングの進行速度が速く、別の方向にはエッチングの進行速度が遅いことを発見した。より詳細には、光取り出し面を（−１００）面とした場合において、［０１１］方向へのエッチングの進行速度が、［０−１１］方向へのエッチングの進行速度よりも速いことを見出した。

なお、本明細書及び図面内において、ミラー指数を示すカッコ内の数字の直前に付された負の符号「−」はその指数の反転を示している。また、本明細書において、「［０１１］方向」という記載は、［０１１］方向及び、この［０１１］方向に対して向きが反転する方向である［０−１−１］方向を含む概念である。同様に、「［０−１１］方向」という記載は、［０−１１］方向及び、この［０−１１］方向に対して向きが反転する方向である［０１−１］方向を含む概念である。

エッチングの処理時間を長くしてしまうと、［０１１］方向へのエッチングが速く進行する結果、電極の直下に位置する第二半導体層がエッチングされるおそれがある。この場合、線状電極と第二半導体層の接触面積が減少し、線状電極と半導体界面の抵抗が大きくなり、線状電極からの電流注入量が低下してしまう。この結果、電流を面方向に拡げる効果が充分には発揮されなくなる。

一方で、電極直下の半導体層のエッチングを抑制するためには、［０１１］方向へのエッチングが必要以上に進行する前にエッチング処理を停止させる方法が考えられるが、この場合には、［０−１１］方向にはあまりエッチングが進行しない結果、光取り出し面に対して、高密度で凹凸部を形成することができない。

これに対し、上記の赤外ＬＥＤ素子によれば、線状電極を構成する第二電極の幅に関し、［０−１１］方向に実質的に平行な方向に延伸する領域の幅Ａ１、すなわち［０１１］方向に係る幅Ａ１が、［０１１］方向に実質的に平行な方向に延伸する領域の幅Ｂ１、すなわち［０−１１］方向に係る幅Ｂ１よりも大きくなるように形成されている。この結果、［０−１１］方向と比べて［０１１］方向にエッチングがより進行し、仮に第二電極直下の第二半導体層がエッチングされたとしても、第二電極は、同方向の幅が大きく確保されているため、第二電極と第二半導体層の接触面積は充分に確保される。この結果、接触抵抗が増大することで電流を面方向に拡げる効果が実現しないという事態が抑制される。

前記赤外ＬＥＤ素子は、（−１００）面に直交する方向から見たときに、前記第二半導体層は、［０−１１］方向に実質的に平行な辺と、［０１１］方向に実質的に平行な辺とを有する矩形状を呈しているものとしても構わない。

ＬＥＤ素子は、ウエハから素子形状に切り出すプロセス上の理由から、チップ形状は正方形又は長方形の形状となる。上記の構成によれば、チップを構成する辺と、線状電極を構成する第二電極の延伸方向とが平行となるため、面方向に関して電流を拡げて、電流密度を均一化しやすくなる。

また、前記凹凸部は、前記第二半導体層の（−１００）面上に、周囲よりも（−１００）面に直交する深さ方向に深い複数の凹部が形成されてなり、
前記凹部は、［０１１］方向に係る長さＡ２が、［０−１１］方向に係る長さＢ２よりも大きく、
Ａ１／Ａ２の値、及びＢ１／Ｂ２の値が、共に１以上、６以下であるものとしても構わない。

Ａ１／Ａ２の値、及びＢ１／Ｂ２の値が１未満の小さい値の場合、エッチングによって第二電極直下の第二半導体層がエッチングされて、第二電極が剥がれたり、接触抵抗が極めて高くなる可能性がある。一方、凹凸部を構成する凹部の幅（Ａ２，Ｂ２）は、フォトリソグラフィ法によるパターニング能力の限界から、数μｍ以上となる。このため、Ａ１／Ａ２の値、及びＢ１／Ｂ２の値が６を超える値の場合には、第二電極の面積が大きくなりすぎる結果、光取り出し面を覆う第二電極の領域が広くなりすぎて、光取り出し効率の低下を招く。

前記活性層は、Ｉｎ及びＰを含み、
主たる発光波長が１０００ｎｍ以上、２０００ｎｍ未満であるものとしても構わない。

前記赤外ＬＥＤ素子は、前記支持基板と前記第一半導体層との間に、前記活性層から出射される光に対する反射性を示す導電性材料からなる反射層を有するものとしても構わない。

かかる構成によれば、活性層から支持基板側に出射された光を、光取り出し面側に戻すことができ、光取り出し効率が高められる。

本発明によれば、光取り出し効率を高めつつ、光取り出し効率を高めつつ、面方向に電流を拡げることのできる赤外ＬＥＤ素子が実現される。

本発明の赤外ＬＥＤ素子の一実施形態の構造を模式的に示す断面図である。 本発明の赤外ＬＥＤ素子の一実施形態の構造を模式的に示す平面図である。 図２Ａ内の領域Ｃ１の拡大図である。 第二半導体層の（−１００）面を、走査型電子顕微鏡によって撮影した写真である。 第二半導体層を、図３Ａ内のＸ１−Ｘ１線で切断した断面を、走査型電子顕微鏡によって撮影した写真である。 図１に示す赤外ＬＥＤ素子の製造方法を説明するための、一工程における断面図である。 図１に示す赤外ＬＥＤ素子の製造方法を説明するための、一工程における断面図である。 図１に示す赤外ＬＥＤ素子の製造方法を説明するための、一工程における断面図である。 図１に示す赤外ＬＥＤ素子の製造方法を説明するための、一工程における断面図である。 図１に示す赤外ＬＥＤ素子の製造方法を説明するための、一工程における断面図である。 図１に示す赤外ＬＥＤ素子の製造方法を説明するための、一工程における断面図である。 図１に示す赤外ＬＥＤ素子の製造方法を説明するための、一工程における断面図である。

本発明に係る赤外ＬＥＤ素子の実施形態につき、図面を参照して説明する。なお、以下の図面は模式的に示されたものであり、図面上の寸法比と実際の寸法比とは必ずしも一致しない。また、図面間においても寸法比が一致していない場合がある。

本明細書において、「ＧａＩｎＡｓＰ」という記述は、ＧａとＩｎとＡｓとＰの混晶であることを意味し、組成比の記述を単に省略して記載したものである。

本明細書内において、「層Ａの上層に層Ｂが形成されている」という表現は、層Ａの面上に直接層Ｂが形成されている場合はもちろん、層Ａの面上に薄膜を介して層Ｂが形成されている場合も含む意図である。なお、ここでいう「薄膜」とは、膜厚１０ｎｍ以下の層を指し、好ましくは５ｎｍ以下の層を指すものとして構わない。

［構造］
図１は、本発明の赤外ＬＥＤ素子の一実施形態の構造を模式的に示す断面図である。赤外ＬＥＤ素子１は、導電性の支持基板３０と、支持基板３０の上層に配置された反射層５と、反射層５の上層に配置された第一半導体層７と、第一半導体層７の上層に配置された活性層８と、活性層８の上層に配置された第二半導体層９とを備える。

更に、図１に示す赤外ＬＥＤ素子１は、支持基板３０の活性層８とは反対側の面に配置された第一電極１３と、第二半導体層９の上面に形成された第二電極１１とを備える。

更に、図１に示す赤外ＬＥＤ素子１は、接合層２５と、絶縁層２１と、コンタクト電極２３とを備える。

赤外ＬＥＤ素子１は、第二半導体層９を光取り出し面とする。より詳細には、第二半導体層９の（−１００）面が光取り出し面を構成する。以下、各要素の詳細について説明する。

（支持基板３０）
支持基板３０は、導電性を有する材料からなり、例えばＳｉ、ＩｎＰ、Ｇｅ、ＧａＡｓ、ＳｉＣ、又はＣｕＷからなる。排熱性及び製造コストの観点からは、Ｓｉが好ましい。なお、支持基板３０の厚み、すなわち、（−１００）面に直交する方向である［−１００］方向に係る長さは、５０μｍ以上、５００μｍ以下であり、好ましくは、１００μｍ以上、３００μｍ以下である。一例として支持基板３０の厚みは２５０μｍである。

（接合層２５）
接合層２５は、例えばＡｕ、Ａｕ−Ｚｎ、Ａｕ−Ｓｎ、Ａｕ−Ｉｎ、Ａｕ−Ｃｕ−Ｓｎ、Ｃｕ−Ｓｎ、Ｐｄ−Ｓｎ、Ｓｎなどで構成される。後述するように、この接合層２５は、後述される成長基板２０上に形成されたエピタキシャル層を含むウェハと、支持基板３０とを貼り合わせるために利用される。

（反射層５）
反射層５は、活性層８から出射される赤外光に対して高い反射特性を有し、且つ、導電性を有する材料で構成される。一例として、反射層５は、Ａｌ、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕなどの金属又は合金で構成される。

反射層５は、活性層８から出射されて支持基板３０側に進行する光を、光取り出し面である第二半導体層９側に向かわせる目的で設けられる。すなわち、赤外ＬＥＤ素子１が、反射層５を備えることで、高い光取り出し効率が実現される。ただし、本発明において、赤外ＬＥＤ素子１が、反射層５を備えるか否かは任意である。

（絶縁層２１、コンタクト電極２３）
図１に示す赤外ＬＥＤ素子１は、第一半導体層７と反射層５との間に、絶縁層２１が形成されている。この絶縁層２１は、赤外光に対する透過性が高い材料からなり、例えばＳｉＯ₂、ＳｉＮ、Ａｌ₂Ｏ₃などからなる。

コンタクト電極２３は、絶縁層２１を貫通して、第一半導体層７と反射層５とを電気的に接続するように形成されている。コンタクト電極２３は、例えば、ＡｕＺｎ、ＡｕＢｅ、又は、少なくともＡｕとＺｎを含む積層構造（例えばＡｕ／Ｚｎ／Ａｕなど）で構成される。なお、コンタクト電極２３は、［−１００］方向に関して、後述する第二電極１１と対向しない位置に配置されるのが好ましい。これにより、活性層８を流れる電流が面方向に拡げられて、発光効率を高める効果が得られる。

ただし、赤外ＬＥＤ素子１が、絶縁層２１及びコンタクト電極２３を備えるかどうかは任意である。

（第一半導体層７）
本実施形態において、赤外ＬＥＤ素子１が備える第一半導体層７は、ｐ型の半導体層である。なお、図１に示す赤外ＬＥＤ素子１は、コンタクト層７ｂと、クラッド層７ａとを備える。

コンタクト層７ｂは、例えば、膜厚が０．２μｍの、ＺｎがドープされたＧａＩｎＡｓＰからなる。コンタクト層７ｂの膜厚は、好ましくは、０．０５μｍ以上、０．５μｍ以下で構成される。コンタクト層７ｂのｐ型ドーパント濃度は、好ましくは５×１０¹⁷／ｃｍ³以上、５×１０¹⁸／ｃｍ³以下であり、より好ましくは、１×１０¹⁸／ｃｍ³以上、３×１０¹⁸／ｃｍ³以下である。

クラッド層７ａは、例えば、膜厚が３．５５μｍの、ＺｎがドープされたＩｎＰからなる。クラッド層７ａの膜厚は、好ましくは０．５μｍ以上、７μｍ以下であり、より好ましくは、１μｍ以上、５μｍ以下である。クラッド層７ａのｐ型ドーパント濃度は、活性層８から離れた位置において、好ましくは１×１０¹⁷／ｃｍ³以上、３×１０¹⁸／ｃｍ³以下であり、より好ましくは、５×１０¹⁷／ｃｍ³以上、３×１０¹⁸／ｃｍ³以下である。

第一半導体層７（７ａ，７ｂ）にドープされるｐ型不純物材料としては、Ｚｎ、Ｍｇ、Ｂｅなどを利用することができ、Ｚｎ又はＭｇが好ましく、Ｚｎが特に好ましい。なお、クラッド層７ａのｐ型ドーパントと、コンタクト層７ｂのｐ型ドーパントの材料は、同一であっても異なっていても構わない。

（活性層８）
活性層８は、主たる発光波長が１０００ｎｍ以上、２０００ｎｍ未満の赤外光を生成する材料で構成される。より好ましくは、活性層８は、最大ピーク波長が１０００ｎｍ以上、２０００ｎｍ未満の赤外光を生成する材料で構成される。

活性層８は、狙いとする波長の光を生成可能であり、且つ、後述する成長基板２０（より具体的にはＩｎＰ基板）と格子整合してエピタキシャル成長が可能な材料から適宜選択される。例えば、活性層１２は、ＧａＩｎＡｓＰ、ＡｌＧａＩｎＡｓ、又はＩｎＧａＡｓの単層構造としても構わないし、ＧａＩｎＡｓＰ、ＡｌＧａＩｎＡｓ、又はＩｎＧａＡｓからなる井戸層と、井戸層よりもバンドギャップエネルギーの大きいＧａＩｎＡｓＰ、ＡｌＧａＩｎＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、又はＩｎＰからなる障壁層とを含むＭＱＷ（Multiple Quantum Well：多重量子井戸）構造としても構わない。

活性層８は、ｎ型又はｐ型にドープされていても構わないし、アンドープでも構わない。ｎ型にドープされる場合には、ドーパントとしては、例えばＳｉを利用することができる。

活性層８の膜厚は、活性層８が単層構造の場合は、１００ｎｍ以上、２０００ｎｍ以下であり、好ましくは、５００ｎｍ以上、１５００ｎｍ以下である。また、活性層８がＭＱＷ構造の場合は、膜厚５ｎｍ以上２０ｎｍ以下の井戸層及び障壁層が、２周期以上５０周期以下の範囲で積層されて構成される。

一例として、活性層８は、膜厚が９００ｎｍのｎ型のＧａＩｎＡｓＰで構成される。

（第二半導体層９）
本実施形態において、赤外ＬＥＤ素子１が備える第二半導体層９は、ｎ型のＩｎＰ層であり、ｎ型クラッド層を構成する。第二半導体層９のｎ型ドーパント濃度は、好ましくは１×１０¹⁷／ｃｍ³以上、５×１０¹⁸／ｃｍ³以下であり、より好ましくは、５×１０¹⁷／ｃｍ³以上、４×１０¹⁸／ｃｍ³以下である。第二半導体層９にドープされるｎ型不純物材料としては、Ｓｎ、Ｓｉ、Ｓ、Ｇｅ、Ｓｅなどを利用することができ、Ｓｉが特に好ましい。

第二半導体層９の膜厚は、１μｍ以上、３０μｍ以下であり、好ましくは、５μｍ以上、１０μｍ以下である。

なお、後述されるように、成長基板２０としてｎ型のＩｎＰを利用する場合には、成長基板２０の一部も第二半導体層９として利用することができる。この場合には、残存している成長基板２０を第二半導体層９の一部としてみなすことができる。すなわち、上述した第二半導体層９の膜厚には、残存している成長基板２０の厚みが含まれる。

（第一電極１３）
本実施形態では、第一電極１３がｐ側電極に対応する。第一電極１３は、支持基板３０の活性層８とは反対側、すなわち裏面側に形成されている。

第一電極１３は、支持基板３０に対してオーミック接触が実現されている。第一電極１３は、一例として、Ｔｉ／Ａｕなどの材料で構成され、これらの材料を複数備えるものとしても構わない。なお、本明細書内において、材料を記載する際に用いられる「Ｘ１／Ｘ２」という表記は、Ｘ１からなる層とＸ２からなる層が積層されていることを意味する。

（第二電極１１）
本実施形態では、第二電極１１がｎ側電極に対応する。第二電極１１は、第二半導体層９の上面に形成され、第二半導体層９の面に対してオーミック接触が実現されている。第二電極１１は、一例として、ＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕ、Ｐｔ／Ｔｉ、又はＧｅ／Ｐｔなどの材料で構成され、これらの材料を複数備えるものとしても構わない。

図２Ａは、赤外ＬＥＤ素子１を、光取り出し方向から見たときの模式的な平面図である。また、図２Ｂは、図２Ａ内の領域Ｃ１の拡大図である。

図２Ａ及び図２Ｂに示すように、第二電極１１は、赤外ＬＥＤ素子１を構成する矩形状の辺に平行な方向に沿って、線状に延伸する形状を呈する。より詳細には、第二電極１１は、［０−１１］方向に実質的に平行な方向に延伸する領域１１ａと、［０１１］方向に実質的に平行な方向に延伸する領域１１ｂとを有する。

なお、以下では、煩雑さを回避する目的で、「実質的に平行な方向」という記載を単に「平行な方向」と略記する。

第二電極１１は、［０−１１］方向に平行な方向に延伸する領域１１ａに係る幅（すなわち［０１１］方向に係る幅）Ａ１は、［０１１］方向に平行な方向に延伸する領域１１ｂに係る幅（すなわち［０−１１］方向に係る幅）Ｂ１よりも大きい（図２Ｂ参照）。かかる構成により、後述するように、凹凸部９ａを形成するためのエッチング工程を経ても、第二電極１１と第二半導体層９との接触面積が確保され、接触抵抗の上昇が抑制される。

なお、図２Ａに示すように、第二電極１１の一部箇所に、平面領域の面積が周囲よりも大きいパッド電極１１ｐが形成されているものとしても構わない。このパッド電極は、ボンディングワイヤを接続するための領域を形成し、例えばＴｉ／Ａｕ、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕなどで構成される。

図２Ａでは、第二電極１１が、［０−１１］方向に平行な方向に延伸する１本の領域１１ａと、［０１１］方向に平行な方向に延伸する４本の領域１１ｂとを有する場合が図示されているが、各領域の本数は任意である。

（凹凸部９ａ）
図１に示すように、第二半導体層９の光取り出し面側、すなわち（−１００）面には、凹凸部９ａが形成されている。この凹凸部９ａの形状につき、図３Ａ及び図３Ｂを参照して説明する。

図３Ａは、第二半導体層９の（−１００）面を、走査型電子顕微鏡によって撮影した写真である。また、図３Ｂは、第二半導体層９の断面写真であり、図３Ａ内のＸ１−Ｘ１線断面の写真に対応する。

本実施形態において、凹凸部９ａは、第二半導体層９の（−１００）面上において周期的に配列されている。より詳細には、凹凸部９ａは、第二半導体層９の（−１００）面上に設けられた凹部４１と、凹部４１が設けられていない領域（凸部４２）とを有してなり、これらの凹部４１と凸部４２とが、［０１１］方向及び［−１００］方向に整列して形成されている。ただし、本発明において、凹凸部９ａが周期的に配置されるか否かは任意である。

図３Ａに示すように、凹部４１は、［０１１］方向に係る長さＡ２が、［０−１１］方向に係る長さＢ２よりも大きい。製造方法の項で後述されるように、この凹凸部９ａは、ＩｎＰからなる第二半導体層９に対してパターニングされたレジストマスクを設けた状態で、エッチング液を用いたウェットエッチングにより形成される。このとき、（−１００）面に平行な方向へのエッチングについては、［０１１］方向が最もエッチングが速く進行し、これに対して直交する［０−１１］方向はエッチングの進行が遅い。このため、後述するウェットエッチングによって凹凸部９ａを形成すると、［０１１］方向に係る長さＡ２が、［０−１１］方向に係る長さＢ２よりも大きい凹部４１が、第二半導体層９の（−１００）面に形成される。

なお、図２Ｂに示した第二電極１１の［０１１］方向に係る幅Ａ１と、図３Ａに示した凹部４１の［０１１］方向に係る長さＡ２の比率Ａ１／Ａ２は、１以上６以下であるのが好ましい。同様に、図２Ｂに示した第二電極１１の［０−１１］方向に係る幅Ｂ１と、図３Ａに示した凹部４１の［０−１１］方向に係る長さＢ２の比率Ｂ１／Ｂ２も、１以上６以下であるのが好ましい。

図３Ｂに示す写真では、凹凸部９ａの断面形状が順メサ形状を呈している。このように、順メサ形状を示す方位を［０−１１］方向とし、これに対して直交する方向を［０１１］方向とする。

［製造方法］
赤外ＬＥＤ素子１の製造方法の一例について、図４Ａ〜図４Ｇの各図を参照して説明する。

（ステップＳ１）
図４Ａに示すように、成長基板２０を準備する。成長基板２０としては、例えば１×１０¹⁷／ｃｍ³以上、３×１０¹⁸／ｃｍ³未満のドーパント濃度でｎ型不純物がドープされたＩｎＰ基板を利用することができる。

（ステップＳ２）
図４Ａに示すように、成長基板２０をＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）装置内に搬送し、成長基板２０の（１００）面上に、第二半導体層９、活性層８、第一半導体層７を順次エピタキシャル成長させる。本ステップＳ２において、成長させる層の材料や膜厚に応じて、原料ガスの種類及び流量、処理時間、環境温度などが適宜調整される。例えばＩｎ源としてトリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）、Ｇａ源としてトリメチルガリウム（ＴＭＧａ）、Ａｓ源としてアルシン（ＡｓＨ₃）、Ｐ源としてホスフィン（ＰＨ₃）の各原料ガスを利用し、適宜水素や窒素などのキャリアガスと共に供給することで、各層が成長される。

各半導体層（９，８，７）の材料例は上述した通りである。一例として、このエピタキシャル成長工程によって、ＳｉがドープされたＩｎＰからなる第二半導体層９、ＳｉがドープされたＧａＩｎＡｓＰからなる活性層８、並びに、ＺｎがドープされたＩｎＰからなるクラッド層７ａ、及びＺｎがドープされたＧａＩｎＡｓＰからなるコンタクト層７ｂを含む第一半導体層７が、成長基板２０上に形成されたエピタキシャルウェハを得る。

（ステップＳ３）
エピタキシャルウェハをＭＯＣＶＤ装置から取り出し、第二半導体層１４の表面に、フォトリソグラフィ法によってパターニングされたレジストマスクを利用して、開口部を含む絶縁層２１を形成する。その後、当該開口部内にコンタクト電極２３を形成する材料を成膜した後、例えば、４５０℃、１０分間の加熱処理によってアロイ処理（アニール処理）が施されることで、コンタクト電極２３とコンタクト層７ｂとのオーミック接触が形成される。

その後、絶縁層２１の上層に反射層５を形成する。反射層５は、蒸着法などの一般的な方法によって、上述した金属又は合金材料を成膜することで形成される。

（ステップＳ４）
次に、図４Ｃに示すように、反射層５の上層に、接合層２５を形成した後、導電性の支持基板３０を接合層２５を介してウェハに貼り合わせる。例えば、２８０℃の温度、１ＭＰａの圧力下で、貼り合わせ処理が行われる。

なお、接合層２５を形成する前に、反射層５の上層に例えば、Ｔｉ／Ｐｔからなるバリアメタル層を形成するものとしても構わない。このバリアメタル層は、接合層２５の構成材料が反射層５側に拡散することで、反射層５の反射特性の低下を抑制する目的で設けられる。

また、貼り合わせられる支持基板３０の面にも、接合層２５を予め形成しておくものとしても構わない。この場合、支持基板３０の面上に、コンタクト用の金属層（例えばＴｉ）を形成し、その上層に接合層２５を形成するものとして構わない。貼り合わせ時には、支持基板３０上の接合層２５と、成長基板２０上の接合層２５とが、溶融されて一体化される。

（ステップＳ５）
図４Ｄに示すように、成長基板２０の厚みを減らす処理が行われる。この工程は、例えば、塩酸を含むエッチング液によってウェットエッチング処理を行うことで実行される。

上記実施形態では、成長基板２０が第二半導体層９と同様に、ｎ型のＩｎＰからなるので、このステップＳ５の完了後に露出される成長基板２０の（−１００）面が、光取り出し面を構成する。一方、成長基板２０は完全に剥離してもよく、その場合には、このステップＳ５の完了後に露出される第二半導体層９の（−１００）面が、光取り出し面を構成する。

成長基板２０が第二半導体層９と同様に、ｎ型ＩｎＰからなる場合には、この工程以後、第二半導体層９と成長基板２０とを区別して記載することに技術的な意味がないため、成長基板２０も第二半導体層９の一部であるとして説明する。

（ステップＳ６）
図４Ｅに示すように、第二半導体層９の（−１００）面上の所定の領域に、第二電極１１を形成する。第二電極１１は、真空蒸着装置を用いて第二電極１１の形成材料（例えばＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕ）を成膜し、第二電極１１が形成される。

本ステップＳ６では、上述したように、第二電極１１を、［０−１１］方向に平行な方向、及び［０１１］方向に平行な方向に延伸させるように形成する。更にこのとき、［０−１１］方向に平行な方向に延伸する領域１１ａに係る幅（すなわち［０１１］方向に係る幅）Ａ１が、［０１１］方向に平行な方向に延伸する領域１１ｂに係る幅（すなわち［０−１１］方向に係る幅）Ｂ１よりも大きくなるように、第二電極１１を形成する。

（ステップＳ７）
図４Ｆに示すように、第二半導体層９の上面に、パターニング処理されたレジストマスク４０を形成する。その後、図４Ｇに示すように、レジストマスク４０を形成した状態のウェハに対して、塩酸を含むエッチング溶液を用いてウェットエッチング処理を行う。これにより、レジストマスク４０が形成されていない領域、すなわち、開口部から露出されている第二半導体層９から、エッチング液が浸透し、エッチングが進行する。この結果、第二半導体層９の（−１００）面側に、凹部４１が形成される。

上述したように、ステップＳ６において形成された第二電極１１は、［０１１］方向に係る幅Ａ１が、［０−１１］方向に係る幅Ｂ１よりも大きい。この結果、本ステップＳ７におけるウェットエッチング工程により、第二半導体層９に対して、［０−１１］方向よりも［０１１］方向へのエッチングが進行し、第二電極１１の直下の第二半導体層９がエッチングされたとしても、同方向については第二電極１１の幅が厚く形成されているため、依然として第二電極１１と第二半導体層９との接触面積を充分に確保できる。

（ステップＳ８）
レジストマスク４０が剥離された後、支持基板３０の裏面側に第一電極１３が形成される。具体的には、真空蒸着装置を用いて第一電極１３の形成材料（例えばＴｉ／Ａｕ）を成膜し、第一電極１３が形成される。

その後、素子ごとに分離するためのメサエッチング処理が施され、図１に示す赤外ＬＥＤ素子１が形成される。

［別実施形態］
以下、別実施形態につき説明する。

〈１〉上記実施形態では、第二半導体層９の（−１００）面に形成される凹凸部９ａが周期的である場合について説明したが、必ずしも凹部４１や凸部４２の配置態様は必ずしも周期性を有していなくても構わない。

〈２〉上記実施形態では、成長基板２０が、第二半導体層９と同種材料からなる場合について説明したが、第二半導体層９と異なる材料からなる基板でも構わないし、不純物がドープされていない基板でも構わない。これらの場合には、ステップＳ５において成長基板が完全に剥離される。

この場合、ステップＳ２において、第二半導体層９の成長の前に、成長基板２０の上面にエッチングストッパ層を形成しても構わない。この場合、ステップＳ５においてエッチングストッパ層が露出した時点でエッチングを停止させることができる。エッチングストッパ層は、成長基板２０に対してエッチング選択性があればよい。

〈３〉ステップＳ８において、レジストマスク４０が剥離された後、凹凸部９ａが形成された第二半導体層９の（−１００）面に対して、赤外光に対して透過性を有する材料からなる誘電体層を形成するものとしても構わない。この誘電体層としては、例えばＳｉＯ₂、ＳｉＮ、Ａｌ₂Ｏ₃などを利用することができる。これらの材料は、いずれも屈折率の値が、ＩｎＰと空気の間の値であるため、第二半導体層９の（−１００）面で活性層８側に全反射される光量を低下させる効果が得られる。

〈４〉上記実施形態では、第二電極１１の延伸方向と、赤外ＬＥＤ素子１のウェハを構成する辺とが実質的に平行であるものとして説明したが、本発明はこれに限定されない。

〈５〉上記実施形態において、第一半導体層７と第二半導体層９の導電型を反転させても構わない。すなわち、図１に示す赤外ＬＥＤ素子１において、第一半導体層７をｎ型半導体層とし、第二半導体層９をｐ型半導体層としても構わない。

１ ：赤外ＬＥＤ素子
５ ：反射層
７ ：第一半導体層
７ａ ：クラッド層
７ｂ ：コンタクト層
８ ：活性層
９ ：第二半導体層
９ａ ：凹凸部
１１ ：第二電極
１１ａ ：領域
１１ｂ ：領域
１１ｐ ：パッド電極
１２ ：活性層
１３ ：第一電極
１４ ：第二半導体層
２０ ：成長基板
２１ ：絶縁層
２３ ：コンタクト電極
２５ ：接合層
３０ ：支持基板
４０ ：レジストマスク
４１ ：凹部
４２ ：凸部

Claims (5)

1. 導電性の支持基板と、
   前記支持基板の上層に配置された、ｐ型又はｎ型の第一半導体層と、
   前記第一半導体層の上層に配置された活性層と
   前記活性層の上層に配置され、前記第一半導体層とは導電型の異なるＩｎＰからなると共に、前記支持基板とは反対側の面である（−１００）面に凹凸部が形成された第二半導体層と、
   前記支持基板の、前記活性層とは反対側の面に形成された第一電極と、
   前記第二半導体層の上層に配置され、［０１１］方向に実質的に平行な方向及び［０−１１］方向に実質的に平行な方向延伸する形状を呈した第二電極とを有し、
   前記第二電極は、［０−１１］方向に実質的に平行な方向に延伸する領域の幅Ａ１が、［０１１］方向に実質的に平行な方向に延伸する領域の幅Ｂ１よりも大きいことを特徴とする、赤外ＬＥＤ素子。
2. （−１００）面に直交する方向から見たときに、前記第二半導体層は、［０−１１］方向に実質的に平行な辺と、［０１１］方向に実質的に平行な辺とを有する矩形状を呈していることを特徴とする、請求項１に記載の赤外ＬＥＤ素子。
3. 前記凹凸部は、前記第二半導体層の（−１００）面上に、周囲よりも（−１００）面に直交する深さ方向に深い複数の凹部が形成されてなり、
   前記凹部は、［０１１］方向に係る長さＡ２が、［０−１１］方向に係る長さＢ２よりも大きく、
   Ａ１／Ａ２の値、及びＢ１／Ｂ２の値が、共に１以上、６以下であることを特徴とする、請求項１又は２に記載の赤外ＬＥＤ素子。
4. 前記活性層は、Ｉｎ及びＰを含み、
   主たる発光波長が１０００ｎｍ以上、２０００ｎｍ未満であることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の赤外ＬＥＤ素子。
5. 前記支持基板と前記第一半導体層との間に、前記活性層から出射される光に対する反射性を示す導電性材料からなる反射層を有することを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の赤外ＬＥＤ素子。
   

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