JP2021129119A - 半導体光デバイスの製造方法及び半導体光デバイス - Google Patents

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Abstract

【課題】Ｉｎ並びにＡｓ及びＳｂを少なくとも含む半導体層を備える半導体光デバイスの光デバイス特性を改善することのできる、半導体光デバイスの製造方法を提供する。
【解決手段】本発明の半導体光デバイスの製造方法は、ＩｎＡｓ成長用基板１１０上に、エッチングストップ層１３０を形成する第１工程と、半導体積層体１４０を形成する第２工程と、配電部１６０を形成する第３工程と、金属接合層１７９を介して支持基板１８０と接合する第４工程と、ＩｎＡｓ成長用基板１１０を除去する第５工程と、を有する。
【選択図】図６

Description

本発明は、半導体光デバイスの製造方法及び半導体光デバイスに関する。
従来、波長１７００ｎｍ以上の中赤外領域を発光波長とする中赤外発光の半導体発光素子及び、当該中赤外領域を検出波長とする中赤外領域の半導体受光素子などの、中赤外領域を発光又は受光する半導体受光素子が知られている。例えば、中赤外発光の半導体発光素子は、センサー、ガス分析などの用途で、幅広く用いられている。
このような半導体光デバイスの受発光波長を、１．７μｍ〜１２μｍの中赤外領域とする場合、格子定数の小さいものから順に、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＩｎＡｓ、ＧａＳｂ、ＩｎＳｂなどの化合物基板を成長用基板として用い、それら化合物の混晶の組み合わせを成長用基板上にエピタキシャル成長して構成することが一般的である。これら化合物基板の中でも、ＩｎＡｓ、ＧａＳｂ、ＩｎＳｂ化合物基板は、１．７μｍ〜１２μｍの中赤外領域となる発光層の格子定数と近くなる。そのため、中赤外領域の半導体光デバイス用の成長用基板としては、ＩｎＡｓ、ＧａＳｂ、ＩｎＳｂを用いることが好ましいと考えられてきた。
例えば、特許文献１には、例えばＩｎＡｓ基板上にＩｎＳｂＰ層を形成した後、ＩｎＡｓＳｂＰ活性層を形成している。特許文献１では、２．６〜４．７μｍの波長に対して導電性のＩｎＡｓ基板をそのまま発光素子に使用している。
また、特許文献２には、ＩｎＰ基板上にＧａＳｂ層と、ＩｎＧａＡｓＳｂ系の多重量子井戸層を形成して受光素子とすることが記載されている。そして、ＧａＳｂ層には自由キャリアの影響での光吸収があることと、ＩｎＰ基板は、波長３μｍ〜１２μｍの光に透明であることが記載されている。
また、特許文献３には、成長用の半絶縁性ＧａＡｓ基板上に形成された、動作波長１μｍ以上の直列接続型光デバイスが開示されている。
特表２０１５−５３４２７０号公報 特開２０１２−２５６８２６号公報 特開２０１０−２３８９９９号公報
近年、発光素子の効率及び受光素子の感度などの半導体光デバイスの特性のさらなる向上が求められている。ここで、特許文献１〜３に記載されるいずれの技術においても、成長用基板が半導体光デバイスの支持基板としてそのまま用いられる。しかしこの場合、絶縁材料及び導電材料を含む配電部を支持基板と半導体層との間に設けて半導体光デバイスの特性を改善する手法を適用することは困難である。そこで本発明者らは、成長用基板上にエピタキシャル成長させて形成した半導体積層体上に配電部を設け、当該半導体積層体及び配電部を、成長用基板とは異なる支持基板と貼合せ、その後に成長用基板を除去する手法（以下、「接合法」）の適用を試みた。中赤外領域を動作波長とする半導体光デバイスを作製するためには、Ｉｎ並びにＡｓ及びＳｂを少なくとも含むＩｎＡｓＳｂＰ系III−V族化合物半導体を成長用基板上にエピタキシャル成長することが一般的である。Ｓｂを少なくとも含むＩｎＡｓＳｂＰ系III−V族化合物半導体を用いる場合、特許文献２，３のようにＩｎＰ基板又はＧａＡｓ基板を成長用基板として用いることは選択肢の一つである。しかしながら、成長用基板上に形成する半導体層との格子定数差を鑑みると、これらの成長用基板では半導体層の結晶性の悪化が懸念される。そのため、ＩｎＡｓ基板を成長用基板として用いることを本発明者らは想起した。しかしながら、ＩｎＡｓ基板を成長用基板として用いつつ、配電部を半導体積層体上に形成するために接合法を適用する場合、ＩｎＡｓ基板を除去する必要があるところ、ＩｎＡｓ基板上に成長させた半導体積層体をエッチングすることなく、製造プロセスとして過度に複雑な工程を経ずにＩｎＡｓ基板を除去することは困難であることが本発明者らの実験により確認された。配電部を設けるために接合法を用いて、Ｉｎ並びにＡｓ及びＳｂを少なくとも含む半導体層を備える半導体光デバイスの特性改善を実現するためには、ＩｎＡｓ基板の除去技術の確立が必要であることを、本発明者らは新たな課題として想到した。接合法においてＩｎＡｓ基板を適切に除去することができれば、配電部を配置できるため、ＩｎＡｓＳｂＰ系III−V族化合物半導体を備える半導体光デバイスの特性改善は十分に見込まれる。
そこで本発明は、Ｉｎ並びにＡｓ及びＳｂを少なくとも含む半導体層を備える半導体光デバイスの光デバイス特性を改善することのできる、半導体光デバイスの製造方法を提供することを目的とする。さらに本発明は、この製造方法により製造される半導体光デバイスの提供を目的とする。
本発明者は、上記課題を解決する方途について鋭意検討し、接合法を用いる際にＩｎＡｓ成長用基板上に設けた半導体積層体をエッチングすることなく、製造プロセスとして過度に複雑な工程を経ずにＩｎＡｓ成長用基板を除去することのできるエッチングストップ層を見出し、本発明を完成するに至った。すなわち、本発明の要旨構成は以下のとおりである。
（１）ＩｎＡｓ成長用基板上に、Ｇａ及びＳｂを少なくとも含むＧａＡｓＳｂ系III−V族化合物半導体からなるエッチングストップ層を形成する第１工程と、
前記エッチングストップ層上に、Ｉｎ及びＡｓを少なくとも含むＩｎＡｓＳｂＰ系III−V族化合物半導体からなる層を複数層積層した半導体積層体を形成する第２工程と、
前記半導体積層体上に、貫通孔を具える透明絶縁層及び前記貫通孔に設けられたオーミック電極部を備える配電部を形成する第３工程と、
前記半導体積層体及び前記配電部を、少なくとも金属接合層を介して支持基板と接合する第４工程と、
前記ＩｎＡｓ成長用基板を除去する第５工程と、を有し、
前記半導体積層体における少なくとも一つの前記層のＩｎＡｓＳｂＰ系III−V族化合物半導体は、Ｉｎ並びにＡｓ及びＳｂを少なくとも含むことを特徴とする半導体光デバイスの製造方法。
（２）前記エッチングストップ層を構成するＧａＡｓＳｂ系III−V族化合物半導体がＧａ並びにＡｓ及びＳｂを少なくとも含む、前記（１）に記載の半導体光デバイスの製造方法。
（３）前記エッチングストップ層が超格子積層体を備え、
前記超格子積層体はＧａ並びにＡｓ及びＳｂを含む層を備える、前記（１）に記載の半導体光デバイスの製造方法。
（４）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備える、前記（１）〜（３）に記載の半導体光デバイスの製造方法。
（５）前記半導体積層体がダブルヘテロ構造を具え、前記活性層を構成するＩｎＡｓＳｂＰ系III−V族化合物半導体がＩｎ並びにＡｓ及びＳｂを少なくとも含む、前記（４）に記載の半導体光デバイスの製造方法。
（６）前記半導体積層体が障壁層及び井戸層を備える量子井戸構造を具え、前記障壁層を構成するＩｎＡｓＳｂＰ系III−V族化合物半導体がＩｎ並びにＡｓ及びＳｂを少なくとも含む、前記（４）に記載の半導体光デバイスの製造方法。
（７）前記半導体光デバイスの動作波長が３．４μｍ以上である、前記（１）〜（６）のいずれかに記載の半導体光デバイスの製造方法。
（８）支持基板と、
前記支持基板の表面に設けられた金属接合層と、
前記金属接合層上の、貫通孔を具える透明絶縁層及び前記貫通孔に設けられたオーミック電極部を備える配電部と、
前記配電部上の、Ｉｎ及びＡｓを少なくとも含むＩｎＡｓＳｂＰ系III−V族化合物半導体を複数層積層してなる半導体積層体と、を備えることを特徴とする半導体光デバイス。
（９）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む、前記（８）に記載の半導体光デバイス。
（１０）前記半導体積層体がダブルヘテロ構造を具え、前記活性層を構成するＩｎＡｓＳｂＰ系III−V族化合物半導体がＩｎ並びにＡｓ及びＳｂを少なくとも含む、前記（９）に記載の半導体光デバイス。
（１１）前記半導体積層体が障壁層及び井戸層を備える量子井戸構造を具え、前記障壁層を構成するＩｎＡｓＳｂＰ系III−V族化合物半導体がＩｎ並びにＡｓ及びＳｂを少なくとも含む、前記（９）に記載の半導体光デバイス。
（１２）前記半導体光デバイスの動作波長が３．４μｍ以上である、前記（８）〜（１１）のいずれかに記載の半導体光デバイス。
本発明によれば、Ｉｎ並びにＡｓ及びＳｂを少なくとも含む半導体層を備える半導体光デバイスの光デバイス特性を改善することのできる、半導体光デバイスの製造方法を提供することができる。さらに本発明は、この製造方法により製造される半導体光デバイスを提供することができる。
本発明による半導体光デバイスの製造方法の一実施形態を説明する断面模式図である。 図１に続く本発明による半導体光デバイスの製造方法の一実施形態を説明する断面模式図である。 図２に続く本発明による半導体光デバイスの製造方法の一実施形態を説明する断面模式図である。 図３に続く本発明による半導体光デバイスの製造方法の一実施形態を説明する断面模式図である。 図４Ａに続く本発明による半導体光デバイスの製造方法の一実施形態を説明する断面模式図である。 図４Ｂに続く本発明による半導体光デバイスの製造方法の一実施形態を説明する断面模式図である。 図４Ｃに続く本発明による半導体光デバイスの製造方法の一実施形態を説明する断面模式図である。 図４Ｄに続く本発明による半導体光デバイスの製造方法の一実施形態を説明する断面模式図である。 図５に続く本発明による半導体光デバイスの製造方法の一実施形態を説明する断面模式図である。 図６に続く本発明による半導体光デバイスの製造方法の一実施形態を説明する断面模式図である。 図７Ａに続く本発明による半導体光デバイスの製造方法の一実施形態による得られた半導体光デバイスの一例を説明する断面模式図である。 本発明による半導体光デバイスの製造方法における配電部の好適態様を説明する断面拡大模式図である。 本発明による半導体光デバイスの別の実施形態を説明する断面模式図である。 実施例１における配電部を作製した後のオーミック電極部の形状及び配置を示す平面模式図である。 実施例１における上部電極の形状及び配置を示す平面模式図である。
本発明に従う実施形態の説明に先立ち、以下の点について予め説明する。
＜組成＞
まず、本明細書において、III-V族化合物の組成比を明示せずに単に「ＡｌＩｎＧａＡｓＳｂＰ」と表記する場合は、III族元素（Ａｌ，Ｉｎ，Ｇａの合計）と、V族元素（Ａｓ，Ｓｂ，Ｐ）との化学組成比が１：１であり、かつ、III族元素であるＡｌ、Ｉｎ及びＧａの比率と、V族元素であるＡｓ、Ｓｂ及びＰの比率とがそれぞれ不定の、任意の化合物を意味するものとする。この場合、III族元素にＡｌ、Ｉｎ及びＧａのいずれか１つ又は２つの元素が含まれない場合を含み、また、V族元素にＡｓ、Ｓｂ及びＰのいずれか１つまたは２つが含まれない場合を含むものとする。ただし、具体的なIII族元素及びV族元素のいずれか一方又は両方を「少なくとも含む」と明示的に記載する場合、記載対象のIII族元素及びV族元素がそれぞれ０％超１００％以下で含まれる。例えば、「Ｉｎ及びＳｂを少なくとも含む」ＡｌＩｎＧａＡｓＳｂＰには、Ｉｎ及びＳｂがそれぞれ０％超１００％以下で含まれる。この場合、Ｉｎ及びＳｂ以外のＡｌ及びＧａ並びにＡｓ及びＰのそれぞれは含まれてもよいし、含まれなくてもよい。また、ＡｌＩｎＧａＡｓＳｂＰ「系」III−V族化合物半導体には、任意のドーパントが含まれてもよい。なお、ＡｌＩｎＧａＡｓＳｂＰの各III−V族元素の成分組成比は、フォトルミネッセンス測定及びＸ線回折測定などによって測定することができる。
一方、「ＡｌＩｎＧａＡｓＳｂＰ」の表記から具体的なIII族元素又はV族元素を除いて記載する場合には、対象のIII族元素又はV族元素は組成に含まれないものとする。例えば、「ＩｎＡｓＳｂＰ」と表記する場合、その組成は一般式：ＩｎＡｓｘＳｂｙＰｚ）により表され、Ａｌ及びＧａは含まれない。なおこの場合、各元素の組成比については以下の関係が成立し、V族元素の組成比の合計が１となる。また、III族元素の組成比の合計も１である。
ｚ＝１−ｘ−ｙ，０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０≦ｚ≦１
＜ｐ型、ｎ型及びｉ型並びにドーパント濃度＞
本明細書において、電気的にｐ型として機能する層をｐ型半導体層（「ｐ型層」と略称する場合がある。）と称し、電気的にｎ型として機能する層をｎ型半導体層（「ｎ型層」と略称する場合がある。）と称する。一方、Ｓｉ、Ｚｎ、Ｓ、Ｓｎ、Ｍｇ等の特定の不純物を意図的には添加しておらず、電気的にｐ型又はｎ型として機能しない場合、「ｉ型」又は「アンドープ」と言う。アンドープのＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層には、製造過程における不可避的な不純物の混入はあってよい。具体的には、ドーパント濃度が低い（例えば７．６×１０15ａｔｏｍｓ／ｃｍ3未満）場合、「アンドープ」であるとして、本明細書では取り扱うものとする。Ｓｉ、Ｓｎ、Ｓ、Ｔｅ、Ｍｇ、Ｚｎ等の不純物濃度の値は、ＳＩＭＳ分析によるものとする。なお、各半導体層の境界付近においてドーパント濃度の値は大きく変移するため、各層の膜厚方向の中央におけるドーパント濃度の値をドーパント濃度の値とする。
＜各層の膜厚及び組成＞
また、形成される各層の厚み全体は、走査型電子顕微鏡または透過型電子顕微鏡による断面観察により算出できる。さらに、各層の厚みのそれぞれは、透過型電子顕微鏡による成長層の断面観察から算出できる。また、超格子構造のように各層の厚みが小さい場合にはＴＥＭ−ＥＤＳを用いて厚みを測定することができる。なお、断面図において、所定の層が傾斜面を有する場合、その層の厚みは、当該層の直下層の平坦面からの最大高さを用いるものとする。
＜実施形態における図面の対応関係＞
本発明に従う半導体光デバイスの説明に先立ち、図１〜図７Ｂの関係について予め説明する。図１〜図７Ｂは、本発明による半導体光デバイス１００の製造方法の一実施形態における各工程を説明する一連の模式断面図である。なお、図１〜５と図６〜図７Ｂとでは天地逆転している。また、図８は、配電部１６０を形成する工程（図４Ｃに対応）における配電部１６０の好適態様の拡大図である。なお、同一の、又は対応する構成要素には原則として同一の参照番号を付して、重複する説明を省略する。また、本発明に従う半導体光デバイスは、発光型と受光型の２つの実施形態に大きく区分される。発光型の半導体光デバイスはさらに、単一素子構造の半導体発光素子と、半導体発光素子が基板上に直列接続された半導体光アレイとを含み、図７Ｂの半導体光デバイス１００は半導体発光素子の一態様であり、図９の半導体光デバイス２００は半導体光アレイの一態様である。なお、各図において、説明の便宜上、基板及び各層の縦横の比率を実際の比率から誇張して示している。
続いて、本発明による半導体光デバイスの製造方法を説明する。本発明による半導体光デバイスの製造方法は、後記の第１工程と、第２工程と、第３工程と、第４工程と、第５工程と、少なくとも有する。
上記第１工程において、ＩｎＡｓ成長用基板上に、Ｇａ及びＳｂを少なくとも含むＧａＡｓＳｂ系III−V族化合物半導体からなるエッチングストップ層を形成する。上記第２工程において、前記エッチングストップ層上に、Ｉｎ及びＡｓを少なくとも含むＩｎＡｓＳｂＰ系III−V族化合物半導体からなる層を複数層積層した半導体積層体を形成する。上記第３工程において、前記半導体積層体上に、貫通孔を具える透明絶縁層及び前記貫通孔に設けられたオーミック電極部を備える配電部を形成する。上記第４工程において、前記半導体積層体及び前記配電部を、少なくとも金属接合層を介して支持基板と接合する。上記第５工程において、前記ＩｎＡｓ成長用基板を除去する。ここで、前記半導体積層体における少なくとも一つの前記層のＩｎＡｓＳｂＰ系III−V族化合物半導体は、Ｉｎ並びにＡｓ及びＳｂを少なくとも含む。
本発明では、先に述べたように、ＩｎＡｓ成長用基板上にＩｎ並びにＡｓ及びＳｂを少なくとも含むＩｎＡｓＳｂＰ系III−V族化合物半導体からなる層をエピタキシャル成長させ（第２工程）、さらに配電部を形成する（第３工程）。さらに、本発明ではＩｎＡｓ成長用基板とは異なる支持基板との接合を行った後（第４工程）に、ＩｎＡｓ成長用基板を除去する（第５工程）。そのため、Ｇａ及びＳｂを少なくとも含むＧａＡｓＳｂ系III−V族化合物半導体からなるエッチングストップ層を成長用基板上に形成する（第１工程）。
以下では、まず、半導体発光素子としての半導体光デバイス１００を製造する方法の実施形態の説明を通じて、本発明による製造方法を具体的に説明する。
（第１実施形態：半導体発光素子）
本発明の第１実施形態に従う半導体光デバイス１００の製造方法は、ＩｎＡｓ成長用基板１１０（図１）上に、エッチングストップ層１３０を形成する第１工程（図２）と、エッチングストップ層１３０上に半導体積層体１４０を形成する第２工程（図３）と、半導体積層体１４０上に配電部１６０を形成する第３工程（図４Ｃ）と、支持基板１８０を接合する第４工程（図５）と、成長用基板１１０を除去する除去工程（図６）と、少なくとも有する。図１〜図７Ｂを参照するように、本製造方法はさらに初期バッファ層形成工程（図２参照）、金属反射層形成工程（図４Ｄ参照）、金属接合層形成工程（図５参照）、初期バッファ層除去工程（図７Ａ参照）、エッチングストップ層除去工程（図７Ａ参照）及び電極形成工程（図７Ｂ参照）を任意に有してもよい。以下、上記任意工程を含めて、各工程を順次説明する。
＜第１工程＞
図１，図２を参照する。まず、第１工程では、ＩｎＡｓ成長用基板１１０上に、少なくともＧａ及びＳｂを含むＧａＡｓＳｂ系III−V族化合物半導体からなるエッチングストップ層１３０を形成する。そして、エッチングストップ層１３０は、Ｇａ及びＳｂを少なくとも含むＧａＡｓＳｂ系III−V族化合物半導体からなる。なお、第１工程に先立ち、ＩｎＡｓ成長用基板１１０の表面に初期バッファ層１２０を形成する初期バッファ層形成工程を本製造方法はさらに有してもよい。この場合、エッチングストップ層１３０を初期バッファ層１２０上に形成する。
＜＜ＩｎＡｓ成長用基板＞＞
ＩｎＡｓ成長用基板１１０には、一般的に入手可能なｎ型ＩｎＡｓ基板、アンドープのＩｎＡｓ基板、ｐ型ＩｎＡｓ基板のいずれを用いることもできる。
＜＜エッチングストップ層＞＞
エッチングストップ層１３０は、ＩｎＡｓ成長用基板１１０をエッチングする際のエッチング液（濃度８Ｍ（mol/L）以上の濃塩酸などであり、第５工程において詳細を後述する）に対してエッチング速度が十分に小さく、ＩｎＡｓ成長用基板を完全に除去するまでは不溶な半導体層である。さらに、エッチングストップ層１３０は、ＩｎＡｓ成長用基板１１０上に成長可能な格子定数を具える。
−エッチングストップ層の組成範囲−
エッチングストップ層１３０ＧａＡｓＳｂ系III−V族化合物半導体の組成範囲は、Ａｓ組成比をｘＥＳＬとすると、ＧａＡｓｘＥＳｂ１−ｘＥと表される。そして、Ａｓ組成ｘＥは、０≦ｘＥ≦０．４であることが好ましい。Ａｓ組成ｘＥが０．４を超えると上記エッチング液でもエッチングされる恐れがあり、Ａｓ組成比ｘＥがこの範囲であれば、エッチングストップ層１３０は上述したエッチング液への不溶性を具えつつ、ＩｎＡｓ成長用基板１１０上にエピタキシャル成長可能である。また、ＧａＡｓＳｂ系III−V族化合物半導体がＧａ並びにＡｓ及びＳｂを少なくとも含むことも好ましい。すなわち、Ａｓ組成比ｘＥが０＜ｘＥであることもより好ましく、さらに好ましくは０．０２≦ｘＥ≦０．１３である。Ａｓ組成比ｘＥがこの範囲であると、ＩｎＡｓ成長用基板との格子定数差を低減できる。
−エッチングストップ層の層構造−
なお、エッチングストップ層１３０は単層構造を備えてもよいし、複数層構造を備えてもよい。さらに、エッチングストップ層１３０が超格子積層体を備え、この超格子積層体はＧａ並びにＡｓ及びＳｂを含む層を備えることも好ましい。図２において、エッチングストップ層１３０は、第１の層１３０ａ及び第２の層１３０ｂを順次繰り返し積層してなる超格子積層体を備える。例えば単層で成長基板と格子整合の組成を成長することが困難な場合でも、臨界膜厚以下の厚みで成長基板に対して格子定数の大きな組成と格子定数の小さな組成の超格子構造とすることで歪みを補償することができる。超格子構造のエッチングストップ層全体の平均組成の格子定数を成長基板の格子定数に近づけることで、結晶性が良好で十分な膜厚のエッチングストップ層を得ることができる。また、第１の層１３０ａの成分組成をＧａＡｓｘＥ１Ｓｂ１−ｘＥ１と表す場合、０．０８≦ｘＥ１≦０．８０とすることができ、０．１０≦ｘＥ１≦０．４０とすることが好ましい。また、第２の層１３０ｂの成分組成をＧａＡｓｘＥ２Ｓｂ１−ｘＥ２と表す場合、０≦ｘＥ２≦０．０８とすることができ、０≦ｘＥ２≦０．０５とすることが好ましい。このとき、第１の層１３０ａの膜厚をｔ１、第２の層１３０ｂの膜厚をｔ２とあらわす場合、その平均組成ｘＥ３は（ｘＥ１×ｔ１+ｘＥ２×ｔ２）／（ｔ１＋ｔ２）とあらわすことができる。この平均組成ｘＥ３は０≦ｘＥ３≦０．４とすることができ、より好ましくは０．０２≦ｘＥ３≦０．１３である。
−エッチングストップ層の膜厚−
エッチングストップ層１３０の全体の膜厚は制限されないが、例えば１０ｎｍ〜２００ｎｍとすることができる。エッチングストップ層１３０が超格子積層体を備える場合、各層の膜厚を０．０５ｎｍ〜１０．０ｎｍとすることができ、両者の組数を１０〜２００組とすることができる。
−初期バッファ層−
前述のとおり、ＩｎＡｓ成長用基板１１０の表面に初期バッファ層１２０を形成してもよい。ＩｎＡｓ成長用基板１１０上に直接エッチングストップ層１３０を形成する場合、ＩｎＡｓ成長用基板１１０の基板表面の酸化膜及び汚染などの影響を防止することができるためである。ＩｎＡｓからなる初期バッファ層を成長することで、エッチングストップ層１３０と初期バッファ層１２０との界面の清浄化が期待できる。これにより、エピタキシャル成長させる半導体層の結晶性の向上や成長基板を除去した後の表面が安定する効果も期待できる。
−成長法−
各半導体層は、エピタキシャル成長により形成することができ、例えば、有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ：Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法や分子線エピタキシ（ＭＢＥ：Molecular Beam Epitaxy）法、スパッタ法などの公知の薄膜成長方法により形成することができる。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）やトリエチルガリウム（ＴＥＧａ）、Ａｓ源としてアルシン（ＡｓＨ３）やターシャルブチルアルシン（ＴＢＡｓ）、Ｓｂ源としてトリメチルアンチモン（ＴＭＳｂ）、トリエチルアンチモン（ＴＥＳｂ）、トリスジメチルアミノアンチモン（ＴＤＭＡＳｂ）、Ｐ源としてホスフィン（ＰＨ３）やターシャルブチルホスフィン（ＴＢＰ）を所定の混合比で用い、これらの原料ガスを、キャリアガスを用いつつ気相成長させることにより、成長時間に応じてＩｎＧａＡｓＳｂＰ層を所望の厚みで形成することができる。なお、エピタキシャル成長させる他のＩｎＧａＡｓＰ、ＧａＡｓＳｂについても、同様の方法により形成することができる。各層をｐ型又はｎ型にドーパントする場合は、所望に応じたドーパント源のガスをさらに用いればよい。第２工程においても同様である。
＜第２工程＞
図３を参照する。第２工程において、エッチングストップ層１３０上に、Ｉｎ及びＡｓを少なくとも含むＩｎＡｓＳｂＰ系III−V族化合物半導体からなる層を複数層積層した半導体積層体１４０を形成する。本実施形態における半導体積層体１４０は、ｎ型クラッド層１４１と、活性層１４５と、ｐ型クラッド層１４７とをこの順に含む。なお、活性層がｐ型クラッド層及びｎ型クラッド層の間に形成されていれば、ｐ型クラッド層及びｎ型クラッド層のいずれから形成しても構わない。以下では、図３に即してｎ型クラッド層１４１上に活性層１４５及びｐ型クラッド層１４７が順次形成される態様を説明する。
＜＜半導体積層体＞＞
半導体積層体１４０は、活性層１４５を、ｎ型クラッド層１４１及びｐ型クラッド層１４７で挟持したダブルヘテロ（ＤＨ）構造とすることができる。この場合、活性層１４５を構成するＩｎＡｓＳｂＰ系III−V族化合物半導体がＩｎ並びにＡｓ及びＳｂを含むことが好ましい。また、活性層１４５は、結晶欠陥抑制による光出力向上のため、多重量子井戸（ＭＱＷ）構造を具えることも好ましい。この多重量子井戸構造を具える活性層１４５は、井戸層１４５ｗ及び障壁層１４５ｂを交互に繰り返した構造により形成することができる。そして、井戸層１４５ｗをＩｎ並びにＡｓ及びＳｂを少なくとも含むＩｎＡｓＳｂとすることができる。また、障壁層１４５ｂを、井戸層１４５ｗよりもバンドギャップの大きなＩｎＡｓＳｂＰとすることができる。このような半導体積層体１４０により、半導体光デバイス１００の発光波長を、所望の中赤外領域の波長とすることができる。
−動作波長（発光波長）−
例えば、活性層１４５の組成変更により、半導体光デバイス１００の発光ピーク波長を１７００〜１２０００ｎｍ（１．７〜１２μｍ）とすることができる。半導体光デバイス１００の動作波長（発光波長）を３．１μｍ以上としてもよく、３．４μｍ以上とすることも好ましい。前掲した特許文献１では、成長用基板であるＩｎＡｓ基板がそのまま支持基板として用いられるところ、ＩｎＡｓは波長３．４μｍ未満の中赤外光を一部吸収するし、波長３．４μｍ以上であっても光吸収はゼロではない。本実施形態ではＩｎＡｓ成長用基板１１０を除去するため、こうした活性層からの発光をＩｎＡｓ基板が吸収する懸念は生じず、半導体光デバイスの光デバイス特性が特に有利となる。
−活性層の組成−
また、井戸層１４５ｗの成分組成をＩｎＡｓｘｗＳｂ１−ｘｗと表す場合、０．７≦ｘｗ≦１．０とすることができ、０．８≦ｘｗ≦１．０とすることが好ましい。また、障壁層１４５ｂの成分組成をＩｎＡｓｘｂＰ１−ｘｂと表す場合、０．５≦ｘｂ≦１とすることができ、０．８≦ｘｂ≦１とすることが好ましい。なお、量子井戸構造の場合であればＩｎＡｓＰ系III−V族化合物の組成変更に加えて井戸層１４５ｗと障壁層１４５ｂの組成差を調整して、井戸層にひずみを加えることも好ましい。
−クラッド層の組成−
ｎ型クラッド層１４１及びｐ型クラッド層１４７は、Ｉｎ及びＡｓを少なくとも含むＩｎＡｓＰ系III−V族化合物半導体からなる層であることが好ましい。ｎ型クラッド層１４１及びｐ型クラッド層１４７がＧａを含めないことにより、エッチングストップ層１３０を除去する場合に各クラッド層のエッチングを確実に阻止することができるためである。また、ｎ型クラッド層１４１としてはｎ型のＩｎＡｓを用いることが特に好ましく、ｐ型クラッド層１４７としてはｐ型のＩｎＡｓを用いることが特に好ましい。
−半導体積層体の膜厚−
半導体積層体１４０の全体の膜厚は制限されないが、例えば２μｍ〜８μｍとすることができる。また、ｎ型クラッド層１４１の膜厚も制限されないが、例えば０．５μｍ〜５μｍとすることができる。さらに、活性層１４５の膜厚も制限されないが、例えば３ｎｍ〜１０００ｎｍとすることができる。また、ｐ型クラッド層１４７の膜厚も制限されないが、例えば０．１μｍ〜３μｍとすることができる。活性層１４５が量子井戸構造を具える場合、井戸層１４５ｗの膜厚を３ｎｍ〜２０ｎｍとすることができ、障壁層１４５ｂの厚みを５〜５０ｎｍとすることができ、両者の組数を１〜５０．５組とすることができる。なお、まず障壁層１４５ｂを形成し、次いで、井戸層１４５ｗ及び障壁層１４５ｂ（膜厚：８ｎｍ）を交互にＮ組（Ｎは整数）積層し、合計Ｎ．５組形成することも好ましい。この場合、量子井戸構造の両端が障壁層１４５ｂとなる。
−半導体積層体における他の半導体層−
また、図示しないものの、半導体積層体１４０はｎ型クラッド層１４１及びｐ型クラッド層１４７の、活性層１４５と反対側（すなわち後述する電極を形成する側）に、各クラッド層よりもドーパント濃度が高いコンタクト層をさらに備えることも好ましい。また、半導体積層体１４０は、ｎ型クラッド層１４１及び活性層１４５の間と、活性層１４５及びｐ型クラッド層１４７の間とに、それぞれｉ型のスペーサ層を備えてもよい。また、活性層１４５とｐクラッド層１４７の間に、ｐ型の電子ブロック層を備えても良い。
＜第３工程＞
第３工程では、ｐ型クラッド層１４７上（コンタクト層をさらに設ける場合はコンタクト層上）に、貫通孔１６１Ａを具える透明絶縁層１６１及び貫通孔１６１Ａに設けられたオーミック電極部１６５を備える配電部１６０を形成する。配電部１６０を形成する具体的手法は任意である。工程の順番は種々に選択できる。図４Ａ、図４Ｂ及び図４Ｃを用いて、配電部１６０を形成するための具体的な態様を説明する。
まず透明絶縁層１６１を半導体積層体１４０上に成膜する（図４Ａ）。成膜法としては、プラズマＣＶＤ法及びスパッタ法などの、公知の手法が適用可能である。その後、透明絶縁層１６１上にフォトマスクを用いてレジストパターンを形成する。次いで、レジストパターンを利用してエッチングにより透明絶縁層１６１の一部を除去し、貫通孔１６１Ａを形成する（図４Ｂ）。貫通孔１６１Ａが設けられることにより、半導体積層体１４０の最表面の一部領域は露出する。その後、オーミック電極部１６５を成膜し、次いでレジストパターンを利用してリフトオフすれば、配電部１６０を形成することができる。配電部１６０には、透明絶縁層１６１及びオーミック電極部１６５が並列して配設されることになる。なお、ここで透明絶縁層１６１をエッチングする際のレジストパターンと、オーミック電極部１６５をリフトオフする際のレジストパターンは同一のものを用いてもよいし、改めてパターニングしなおしてもよい。なお、図面では簡略化のためオーミック電極部は貫通孔１６１Ａを充填するよう図示しているものの、これに限定されない。図示しないが、レジストパターンの組合せやレジストパターンを利用して、エッチングする際のレジストパターン被覆部へのエッチングが広がることにより、透明絶縁層１６１とオーミック電極部との間に間隙が生じてもよい。
オーミック電極部１６５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。オーミック電極部１６５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、Ｔｉ／Ａｕをオーミック電極部１６５とすることができる。オーミック電極部１６５の膜厚（又は合計膜厚）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。
なお、透明絶縁層１６１の膜厚Ｈ１と、オーミック電極部の１６５膜厚Ｈ２の関係をＨ１≧Ｈ２とすることができ、Ｈ１＞Ｈ２とすることも好ましい。この条件の下、透明絶縁層１６１の膜厚を、例えば３６０ｎｍ〜１６００ｎｍ、より好ましくは４１０ｎｍ〜１１００ｎｍとすることができる。また、透明絶縁層１６１の膜厚Ｈ１と、オーミック電極部１６５の膜厚Ｈ２との差Ｈ１−Ｈ２を１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下とすることも好ましい。また、上記のようにコンタクト層をさらに設ける場合には、コンタクト層が貫通孔１６１Ａにのみ残存するように形成してもよく、その場合にはコンタクト層とオーミック電極部の合計厚さを膜厚Ｈ２としてもよい。
また、透明絶縁層１６１としては、ＳｉＯ２、ＳｉＮ、ＩＴＯ、Ａｌ２Ｏ３及びＡｌＮなどを用いることができ、特に、透明絶縁層１６１がＳｉＯ２からなることが好ましい。ＳｉＯ２は、ＢＨＦ等によるエッチング加工が容易だからである。
−金属反射層形成工程−
図４Ｄに示すように、配電部１６０上に金属反射層１７１を形成することも好ましい。金属反射層１７１は、金属反射層１７１の組成においてＡｕを５０質量％以上有することが好ましい。より好ましくはＡｕが８０質量％以上である。金属反射層１７１は、複数層の金属層を含むことができるが、金属反射層１７１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１７１はＡｕのみからなる単一層であってもよいし、金属反射層１７１にＡｕ金属層が２層以上含まれていてもよい。後続の第５工程における接合を確実に行うため、金属反射層１７１の最表層（半導体積層体１４０と反対側の面）を、Ａｕ金属層とすることが好ましい。
例えば、配電部１６０（上記間隙が設けられている場合は間隙を含む）上に、Ａｌ、Ａｕ、Ｐｔ、Ａｕの順に各金属層を成膜し、金属反射層１７１を形成することができる。金属反射層１７１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。蒸着法などの一般的な手法を用いることにより、金属反射層１７１を成膜して形成することができる。
＜第４工程＞
図５を参照する。第４工程では、半導体積層体１４０及び配電部１６０を、少なくとも金属接合層１７９を介して支持基板１８０と接合する。金属反射層１７１を設ける場合は、金属反射層１７１と金属接合層１７９とを接合してもよい。
−金属接合層形成工程−
第４工程に先立ち、支持基板１８０の表面には、予め金属接合層１７９を、スパッタ法や蒸着法などにより形成しておけばよい。例えば、この金属接合層１７９と、金属反射層１７１と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。
＜＜金属接合層＞＞
Ｔｉ、Ｐｔ、Ａｕなどの金属や、金と共晶合金を形成する金属（Ｓｎなど）を用いて金属接合層１７９を形成することができ、これらを積層して金属接合層１７９を形成することが好ましい。例えば、支持基板１８０の表面から順に、厚み４００ｎｍ〜８００ｎｍのＴｉ、厚み５ｎｍ〜２０ｎｍのＰｔ、厚み７００〜１２００ｎｍのＡｕを積層して金属接合層１７９を形成することができる。なお、金属反射層１７１と金属接合層１７９とで接合する場合、確実な接合を行うため、金属接合層１７９の最表層をＡｕ金属層とし、金属反射層１７１最表層もＡｕとして、Ａｕ−Ａｕ拡散によるＡｕ同士での接合を行うことが好ましい。
＜＜支持基板＞＞
支持基板１８０は、成長用基板１１０とは異種の基板であればよく、ＳｉやＧｅなどの半導体基板やＭｏやＣｕ−Ｗなど金属基板のほか、ＡｌＮなどのセラミックス基板がベースとなったサブマウント基板を用いることもできる。上述した接合法を用いるため、支持基板１８０は、本実施形態において形成する各半導体層と格子不整合してもよい。また、支持基板１８０は、用途によっては絶縁性でもよいものの、導電性基板であることが好ましい。加工性や価格の面からＳｉ基板を支持基板１８０に用いることが好ましい。Ｓｉ基板を用いることで、導電性支持基板１８０の厚みを、従来よりも大幅に小さくすることもでき、種々の半導体デバイスとの組み合わせた実装にも適している。また、Ｓｉ基板はＩｎＡｓ基板に比べて放熱性の点でも有利である。
＜第５工程＞
図６を参照する。第５工程において、ＩｎＡｓ成長用基板１１０を除去する。なお、ここで言う「除去」とは、ＩｎＡｓ成長用基板１１０の「完全除去」に限られない。本工程の「除去」後にエッチングストップ層１３０が露出し、エッチングストップ層１３０とともにＩｎＡｓ成長用基板１１０を容易に除去できる程度であれば、ＩｎＡｓ成長用基板１１０の一部残存は許容される。エッチングストップ層１３０を利用してＩｎＡｓ成長用基板１１０を除去する方法としては、ＩｎＡｓ成長用基板１１０を濃塩酸のみでエッチングしてもよいし、エッチングストップ層１３０が露出する前の段階では、濃塩酸以外のエッチング液を使用することもできる。例えば硫酸−過酸化水素混合液及び塩酸−過酸化水素混合液などを用いても、ＩｎＡｓをエッチングすることは可能である。しかしながら、これらの混合液からなるエッチング液はエッチングストップ層１３０もエッチングする。そのため、上記混合液のみではエッチングを所定の位置で止めることが困難である。したがって、ＩｎＡｓ成長用基板１１０を除去する工程において、エッチングストップ層１３０を露出させる最終段階では濃塩酸のみでエッチングすることが好ましい。また、同様にウェットエッチング以外の方法、例えばドライエッチングや研削などの機械加工でＩｎＡｓの一部を除去してもよい。ＩｎＡｓ成長用基板１１０は、８Ｍ以上の濃塩酸（例えば１２Ｍの濃塩酸）を用いてウェットエッチングにより最終的に除去することができ、少なくともエッチングストップ層１３０によって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１３０はＧａＡｓＳｂ系III−V族化合物半導体であるため、濃塩酸では除去されない。例えばアンモニア−過酸化水素混合液を用いてウェットエッチングによりエッチングストップ層１３０を除去することができる。
＜＜エッチング条件＞＞
上記のとおり、ＩｎＡｓ成長用基板１１０は、８Ｍ以上の濃塩酸（例えば１２Ｍの濃塩酸）を用いてウェットエッチングできる。しかし、そのエッチング速度は遅く、生産性を考慮すると、以下のエッチング条件を採用することが好ましい。例えば、１２Ｍの濃塩酸からなるエッチング液の液温を３５℃以上に保持することでエッチングレートを上げ、短時間でＩｎＡｓ成長用基板１１０を除去することは、生産性の点から好ましい。また、エッチングレートが速く、かつ異方性が無く平坦にエッチングできるエッチング液（例えば硫酸−過酸化水素混合液）を使用してＩｎＡｓ成長用基板１１０を途中まで除去した後、エッチングストップ層１３０を露出させる最終段階でエッチング選択性のある濃塩酸によってＩｎＡｓ基板を完全に除去することも好ましい。
−初期バッファ層除去工程及びエッチングストップ層除去工程−
なお、初期バッファ層１２０を設ける場合は、その半導体組成に応じたエッチング条件を用いて初期バッファ層１２０を除去することができる。初期バッファ層１２０がＩｎＡｓの場合は、ＩｎＡｓ成長用基板１１０とともに除去される。次いで、エッチングストップ層１３０を除去してもよい（図７Ａ）
−電極形成工程−
さらに、図７Ｂに示すように、半導体積層体１４０上（図７Ｂではｎ型クラッド層１４１上）に上部電極１９１を形成し、支持基板１８０の裏面に裏面電極１９５を形成する工程をさらに有してもよい。上部電極１９１は、配線部及びパッド部を含んでもよい。上部電極１９１及び裏面電極１９５の形成は公知の手法を用いることができ、例えばスパッタ法、電子ビーム蒸着法、又は抵抗加熱法などを用いることができる。
本実施形態では、以上の工程を経ることにより半導体光デバイス１００を作製することができる。
この半導体光デバイスには配電部１６０が設けられるため、上部電極１９１とオーミック電極部１６５とにより電流を拡散することができる。そのため、上部電極１９１に遮られない位置での発光が多くなることが発光効率の上昇に一部寄与することができる。このように、本発明により光デバイス特性を改善することができる。なお、ＩｎＡｓ成長用基板をそのまま支持基板として用いる従来技術では、このような構成をとることができない。
さらに、支持基板１８０と反対側の面を主な光取り出し口とすることができる。一方、従来のＩｎＡｓ基板を成長用基板兼、支持基板とする半導体発光素子では、反射層はなく、半導体積層体から成長用基板側に出射される光の取り出し効率は低い。したがって、本実施形態に従う半導体発光素子１００の場合、従来型の半導体発光素子に比べて放出光が狭指向性とできる点でも有利である。
なお、図示しないが、本実施形態に従う製造方法は、裏面電極１９５の形成に先立ち、支持基板１８０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してもよい。また、支持基板１８０の厚みが８０μｍ以上であれば、半導体発光デバイス１００を小型化でき、かつ、十分にハンドリング可能である。
以上の製造方法により得ることのできる半導体光デバイス１００は、図７Ｂに図示されるように、支持基板１８０と、支持基板１８０の表面に設けられた金属接合層１７９と、金属接合層１７９上の、貫通孔を具える透明絶縁層１６１及び貫通孔に設けられたオーミック電極部１６５を備える配電部１６０と、配電部１６０上の、Ｉｎ及びＡｓを少なくとも含むＩｎＡｓＳｂＰ系III−V族化合物半導体を複数層積層してなる半導体積層体１４０と、を備える。
この半導体光デバイス１００において、半導体積層体１４０は、ｎ型クラッド層１４１と、活性層１４５と、ｐ型クラッド層１４７とをこの順に含むことが好ましい。図７Ｂでは、支持基板１８０の側から順に、ｐ型クラッド層１４７、活性層１４５、ｎ型クラッド層１４１が設けられている。また、半導体積層体１４０がダブルヘテロ構造を具え、活性層１４５を構成するＩｎＡｓＳｂＰ系III−V族化合物半導体がＩｎ並びにＡｓ及びＳｂを少なくとも含むことも好ましい。さらにまた、半導体積層体１４０が障壁層１４５ｂ及び井戸層１４５ｗを備える量子井戸構造を具え、障壁層１４５ｂを構成するＩｎＡｓＳｂＰ系III−V族化合物半導体がＩｎ並びにＡｓ及びＳｂを少なくとも含むことも好ましい。そして、半導体光デバイスの動作波長が３．４μｍ以上であることが好ましい。
さらに、半導体発光素子の第１実施形態においては、半導体光デバイス１００は、必要により金属反射層１７１、上部電極１９１及び裏面電極１９５を備えてもよい。
（第２実施形態：アレイ型素子）
上述した第１実施形態と同様にエッチングストップ層を用いて、ＩｎＡｓ成長基板を除去した後、半導体積層体の一部をエッチングにより除去することで、複数の電気的に分離した素子を支持基板上に形成することができる。その後、誘電体膜による保護膜を介して、電極を接続することで直列接続型の素子を形成することも可能である。
このようなアレイ型素子の半導体光デバイス２００を、図９を参照して説明する。なお、第１実施形態と対応する構成については、共通する下２桁の符号を付し、重複する説明を省略する。半導体光デバイス２００は、支持基板２８０と、支持基板２８０の表面に設けられた金属接合層２７９と、金属接合層２７９上の、貫通孔を具える透明絶縁層２６１及び貫通孔に設けられたオーミック電極部２６５を備える配電部２６０と、配電部２６０上の、Ｉｎ及びＡｓを少なくとも含むＩｎＡｓＳｂＰ系III−V族化合物半導体を複数層積層してなる半導体積層体２４０と、を備える。
金属接合層２７９は金属反射層２７１と接合されることが好ましい。金属反射層２７１上には、絶縁性を確保するため別の絶縁層２６２が配電部２６０に設けられることが好ましい。そして、保護膜２９７により絶縁性が確保されつつ、上部電極２９１及びオーミック電極部２６５との間での通電により、半導体積層体２４０が直列接続することができる。本実施形態においては、支持基板２８０を絶縁性とすることができる。成長用基板を支持基板としてそのまま用いる場合、成長用基板の種類によって入手可能な導電性及び（半）絶縁性、並びに格子定数の制約が生じる。しかし、半導体光デバイス２００はＩｎＡｓ成長用基板を用いて、これを除去する接合法により得られるため、こうした制約がない点でも本発明は従来技術に対して有利である。
（第３実施形態：半導体受光素子）
また、上述した第１実施形態と同様にエッチングストップ層を用いて、半導体受光素子を得ることも可能である。半導体積層体が、例えばＩｎＡｓＳｂ光吸収層及びＩｎＡｓ窓層を備えることで、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。この場合の動作波長（受光波長）としては、例えば、１７００〜１２０００ｎｍ（１．７〜１２μｍ）とすることができ、３．１μｍ以上としてもよく、３．４μｍ以上とすることも好ましい。
（実施例１）
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７Ｂを参照する順序により、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。
まず、アンドープのＩｎＡｓ基板（基板厚：４７５μｍ）の（１００）面上に、アンドープのＩｎＡｓ層（初期バッファ層）を１００ｎｍ形成した。次に、アンドープのＧａＳｂ層（膜厚０．９ｎｍ）とＧａＡｓ０．３４Ｓｂ０．６６層（膜厚０．１ｎｍ）を１１３ペア積層した超格子積層体（エッチングストップ層）を形成した。次いで、超格子積層体上に、Ｔｅドープのｎ型ＩｎＡｓクラッド層（膜厚１μｍ）、主発光波長３８００ｎｍの量子井戸構造の活性層（合計膜厚８３０ｎｍ）、Ｚｎドープのｐ型ＩｎＡｓクラッド層（膜厚：１μｍ）をＭＯＣＶＤ法により順次形成した。なお、量子井戸構造の活性層の形成にあたり、ＩｎＡｓ０．１５Ｐ０．８５障壁層（膜厚：３０ｎｍ）形成後に、ＩｎＡｓ０．７Ｓｂ０．３井戸層（膜厚：１０ｎｍ）及びＩｎＡｓ０．１５Ｐ０．８５障壁層（膜厚：３０ｎｍ）の順に２０層ずつ交互に積層し、最初の障壁層を含めて２０．５組とした。
次に、プラズマＣＶＤ法によりｐ型ＩｎＡｓクラッド層上の全面にＳｉＯ２からなる透明絶縁層（膜厚：５５０ｎｍ）を形成した。その上に図１０Ａに示すパターンをレジストにより形成し、ＢＨＦによるウェットエッチングでＳｉＯ２を一部除去して貫通孔を形成し、ｐ型ＩｎＡｓクラッド層を露出させた。次いで、この貫通孔内にｐ型オーミック電極部（Ｔｉ／Ａｕ、合計厚み：５４０ｎｍ）を蒸着し、レジストパターンをリフトオフすることで透明絶縁層とｐ型オーミック電極部を並列に形成して、電流拡散層（配電部）を形成した。なお、図１０Ａには、後に形成する上部電極を破線により図示している。
次に、電流拡散層上の全面に、金属反射層（Ａｌ／Ａｕ／Ｐｔ／Ａｕ）を蒸着法により形成した。金属反射層の各金属層の厚みは、順に１０ｎｍ、６５０ｎｍ、１００ｎｍ、９００ｎｍである。
一方、支持基板となる導電性Ｓｉ基板（基板厚：２００μｍ）上に、金属接合層（Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ）を形成した。金属接合層の各金属層の厚みは、順に６５０ｎｍ、２０ｎｍ、９００ｎｍである。
これら金属反射層及び金属接合層を対向配置して、３００℃で加熱圧縮接合を行った。そして、２５℃に維持した温浴内においてビーカーに入れた濃度１２Ｍの濃塩酸（関東化学株式会社製）の中に少なくともＩｎＡｓ基板、初期バッファ層及びエッチングストップ層の部分が浸かるようにして１０．５時間浸漬することにより、ＩｎＡｓ基板及び初期バッファ層を除去してＧａＳｂ層とＧａＡｓ０．３４Ｓｂ０．６６層からなる超格子積層体（エッチングストップ層）を露出させた。次いで、純水により洗浄し乾燥させた後、この超格子積層体（エッチングストップ層）をアンモニア−過酸化水素混合液を用いてウェットエッチングして除去し、ｎ型ＩｎＡｓクラッド層を露出させた。
次に、ｎ型ＩｎＡｓクラッド層上に、ｎ型電極（Ｔｉ（膜厚：１５０ｎｍ）／Ａｕ（膜厚：１２５０ｎｍ））を、レジストパターン形成、ｎ型電極の蒸着、レジストパターンのリフトオフにより、図１０Ｂに示すパターンで形成した。なお、図１０Ｂには、先に形成したｐ型オーミック電極部のパターンを破線で図示している。
最後に、メサエッチングにより各素子間（幅３０μｍ）の半導体層を除去してダイシングラインを形成した。そして、Ｓｉ基板の裏面側に裏面電極（Ｔｉ（厚み：１０ｎｍ）／Ｐｔ（厚み：５０ｎｍ）／Ａｕ（厚み：２００ｎｍ））を形成し、３００℃で１分間熱処理することで合金化を行った。その後、ダイシングによるチップ個片化を行って、実施例１に係る半導体発光素子を作製した。なお、チップサイズは５００μｍ×５００μｍである。
（比較例１）
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、ｉ型ＩｎＡｓ基板の（１００）面上に、初期バッファ層としてｉ型ＩｎＡｓクラッド層（膜厚：１００ｎｍ）を形成した。次いで、実施例１と同様に、主発光波長３８００ｎｍの量子井戸構造の活性層（合計８３０ｎｍ）、Ｚｎドープのｐ型ＩｎＡｓクラッド層（厚み：１μｍ）をＭＯＣＶＤ法により順次形成した。そして、ｐ型ＩｎＡｓ層の中央部上には上部電極（Ｔｉ（厚み：１５０ｎｍ）／Ａｕ（厚み：１２５０ｎｍ））を形成し、ｉ型アンドープＩｎＡｓ基板の裏面に裏面電極（Ｔｉ（厚み：１０ｎｍ）／Ａｕ（厚み２００ｎｍ））を形成し、発明例１と同条件で合金化し、個片化した。
＜評価：発光出力評価＞
発明例１及び比較例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３００ｍＡの電流を流した。このときの順方向電圧Ｖｆ及び積分球による発光出力Ｐｏをそれぞれ１点測定した。結果を表１に示す。なお、表１にはＷＰＥ（＝Ｐｏ／（Ｉｆ・Ｖｆ）；発光効率）も併せて示す。
Figure 2021129119
本発明条件を満足する実施例１では、島状に分散したｐ型オーミック電極部及び反射電極を介して他の支持基板に接合し、ＩｎＡｓ成長用基板を除去する。そのため、ＩｎＡｓ成長用基板をそのまま使用した半導体発光素子に比べて、順方向電圧を低下させつつ、発光出力を増大させることができることが確認された。また、実施例１では、金属反射層を用いているため、比較例１に比べて狭指向性を実現できる点でも有利である。
（参考実験例）
ＩｎＡｓ基板上にエッチングストップ層を実施例１と同条件にて形成した。この状態で、表２に示すエッチング条件に従いエッチング試験を行った。なお、条件３では硫酸と過酸化水素水との混合液（硫酸過水）を用いてＩｎＡｓ基板を一部エッチングした後、次いで塩酸（濃塩酸）を用いてＩｎＡｓ基板をエッチングした。使用したエッチング液の濃度は塩酸１２Ｍ（濃塩酸）、硫酸１８Ｍ、過酸化水素水（過水）１０Ｍ、硝酸１３Ｍである。また、表中の比はエッチング液を作液した際の体積比を表している。結果を表２に示す。
なお、基板除去結果は目視で観察し、以下の基準で評価した。
◎：エッチングストップ層が露出しており、ＩｎＡｓ基板の除去が確認された。
○：基板外周部にサイドエッチングが観察されたものの、エッチングストップ層が露出しており、ＩｎＡｓ基板の除去が確認された。
×：エッチングストップ層でエッチングを止められず、半導体積層体のエッチングが確認された。
エッチングストップ層を露出させる最終段階では濃塩酸を用いることで、エッチングストップ層によるエッチング選択性を利用でき、ＩｎＡｓ基板を除去できることが確認された。
Figure 2021129119
本発明によれば、Ｉｎ並びにＡｓ及びＳｂを少なくとも含む半導体層を備える半導体光デバイスの光デバイス特性を改善することのできる、半導体光デバイスの製造方法を提供することができる。さらに本発明は、この製造方法により製造される半導体光デバイスを提供することができる。
１００，２００ 半導体光デバイス
１１０ ＩｎＡｓ成長用基板
１２０ 初期バッファ層
１３０ エッチングストップ層
１３０ａ 第１の層
１３０ｂ 第２の層
１４０ 半導体積層体
１４１ ｎ型クラッド層
１４５ 活性層
１４５ｗ 井戸層
１４５ｂ 障壁層
１４７ ｐ型クラッド層
１６０ 配電部
１６１ 透明絶縁層
１６１Ａ 貫通孔
１６５ オーミック金属部
１７１ 金属反射層
１７５ 金属接合層
１８０ 支持基板
１９１ 上面電極
１９５ 裏面電極

Claims (12)

  1. ＩｎＡｓ成長用基板上に、Ｇａ及びＳｂを少なくとも含むＧａＡｓＳｂ系III−V族化合物半導体からなるエッチングストップ層を形成する第１工程と、
    前記エッチングストップ層上に、Ｉｎ及びＡｓを少なくとも含むＩｎＡｓＳｂＰ系III−V族化合物半導体からなる層を複数層積層した半導体積層体を形成する第２工程と、
    前記半導体積層体上に、貫通孔を具える透明絶縁層及び前記貫通孔に設けられたオーミック電極部を備える配電部を形成する第３工程と、
    前記半導体積層体及び前記配電部を、少なくとも金属接合層を介して支持基板と接合する第４工程と、
    前記ＩｎＡｓ成長用基板を除去する第５工程と、を有し、
    前記半導体積層体における少なくとも一つの前記層のＩｎＡｓＳｂＰ系III−V族化合物半導体は、Ｉｎ並びにＡｓ及びＳｂを少なくとも含むことを特徴とする半導体光デバイスの製造方法。
  2. 前記エッチングストップ層を構成するＧａＡｓＳｂ系III−V族化合物半導体がＧａ並びにＡｓ及びＳｂを少なくとも含む、請求項１に記載の半導体光デバイスの製造方法。
  3. 前記エッチングストップ層が超格子積層体を備え、
    前記超格子積層体はＧａ並びにＡｓ及びＳｂを含む層を備える、請求項１に記載の半導体光デバイスの製造方法。
  4. 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備える、請求項１〜３に記載の半導体光デバイスの製造方法。
  5. 前記半導体積層体がダブルヘテロ構造を具え、前記活性層を構成するＩｎＡｓＳｂＰ系III−V族化合物半導体がＩｎ並びにＡｓ及びＳｂを少なくとも含む、請求項４に記載の半導体光デバイスの製造方法。
  6. 前記半導体積層体が障壁層及び井戸層を備える量子井戸構造を具え、前記障壁層を構成するＩｎＡｓＳｂＰ系III−V族化合物半導体がＩｎ並びにＡｓ及びＳｂを少なくとも含む、請求項４に記載の半導体光デバイスの製造方法。
  7. 前記半導体光デバイスの動作波長が３．４μｍ以上である、請求項１〜６のいずれか１項に記載の半導体光デバイスの製造方法。
  8. 支持基板と、
    前記支持基板の表面に設けられた金属接合層と、
    前記金属接合層上の、貫通孔を具える透明絶縁層及び前記貫通孔に設けられたオーミック電極部を備える配電部と、
    前記配電部上の、Ｉｎ及びＡｓを少なくとも含むＩｎＡｓＳｂＰ系III−V族化合物半導体を複数層積層してなる半導体積層体と、を備えることを特徴とする半導体光デバイス。
  9. 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む、請求項８に記載の半導体光デバイス。
  10. 前記半導体積層体がダブルヘテロ構造を具え、前記活性層を構成するＩｎＡｓＳｂＰ系III−V族化合物半導体がＩｎ並びにＡｓ及びＳｂを少なくとも含む、請求項９に記載の半導体光デバイス。
  11. 前記半導体積層体が障壁層及び井戸層を備える量子井戸構造を具え、前記障壁層を構成するＩｎＡｓＳｂＰ系III−V族化合物半導体がＩｎ並びにＡｓ及びＳｂを少なくとも含む、請求項９に記載の半導体光デバイス。
  12. 前記半導体光デバイスの動作波長が３．４μｍ以上である、請求項８〜１１のいずれか１項に記載の半導体光デバイス。
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