JP2023008413A - Infra-red led element - Google Patents

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和幸 飯塚
Kazuyuki Iizuka
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Ushio Denki KK
Ushio Inc
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Ushio Denki KK
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Abstract

To improve light extraction efficiency than before while realizing an infra-red LED element having a peak emission wavelength of 1000 nm or more with a vertical structure.SOLUTION: An infra-red LED element shows a peak emission wavelength of 1000 nm or more, and includes: a conductive support substrate; a conductive layer formed on an upper layer of the conductive support substrate; an insulation layer formed on an upper layer of the conductive layer; a p-type or n-type first semiconductor layer formed on an upper layer of the insulation layer; an active layer formed on an upper layer of the first semiconductor layer; a second semiconductor layer formed on an upper layer of the active layer and having a conductive type different from the first semiconductor layer; an inner electrode which electrically connects the first semiconductor layer and the support substrate while penetrating the insulation layer at a plurality of positions dispersed in a direction parallel to the main surface of the support substrate; an upper electrode formed on an upper layer of the second semiconductor layer; and an alloy layer which is formed in a boundary of the second semiconductor layer and the upper electrode, composed of an alloy of a constituent material of the upper electrode and a constituent material of the second semiconductor layer, and has an average thickness of 150 nm or less.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、赤外LED素子に関し、特にピーク発光波長が1000nm以上の赤外LED素子に関する。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to an infrared LED element, and more particularly to an infrared LED element having a peak emission wavelength of 1000 nm or more.

近年、波長1000nm以上の赤外領域を発光波長とする半導体発光素子は、防犯・監視カメラ、ガス検知器、医療用のセンサや産業機器等の用途で幅広く用いられている。 In recent years, semiconductor light-emitting devices that emit light in the infrared region with a wavelength of 1000 nm or longer have been widely used in applications such as security/surveillance cameras, gas detectors, medical sensors, and industrial equipment.

発光波長が1000nm以上の半導体発光素子は、これまで以下の手順で製造されるのが一般的であった(下記、特許文献1参照)。すなわち、成長基板としてのInP基板上に、InP基板に格子整合する、第一導電型の半導体層、活性層(「発光層」と称されることもある。)、及び第二導電型の半導体層を順次エピタキシャル成長させる。その後、半導体ウエハ上に電流注入のための電極を形成し、チップ状に切断して製造される。 A semiconductor light-emitting device with an emission wavelength of 1000 nm or more has been generally manufactured by the following procedure (see Patent Document 1 below). That is, on an InP substrate as a growth substrate, a semiconductor layer of a first conductivity type, an active layer (sometimes referred to as a “light-emitting layer”), and a semiconductor of a second conductivity type, which are lattice-matched to the InP substrate, are formed. The layers are epitaxially grown in sequence. After that, an electrode for current injection is formed on the semiconductor wafer, and the wafer is cut into chips.

従来、発光波長が1000nm以上の半導体発光素子としては、半導体レーザ素子の開発が先行して進められてきた経緯がある。一方で、LED素子については、その用途があまりなかったこともあり、レーザ素子よりは開発が進んでいなかった。 Conventionally, as a semiconductor light emitting device having an emission wavelength of 1000 nm or more, there is a background that the development of a semiconductor laser device has been advanced. On the other hand, the development of LED elements has not progressed as much as that of laser elements, partly because there were not many uses for them.

しかしながら、近年、アプリケーションの広がりを受け、赤外LED素子についても光出力の向上が求められるようになってきている。InP基板は、可視光領域で用いられるGaAs基板と同様に、屈折率が3以上と高い値を示す。このため、InP基板を通じて光を取り出そうとすると、空気との界面における屈折率差に起因した全反射が生じ、光取り出し効率が低く制限されてしまう。更に、InP基板は熱抵抗が大きいため、大電流駆動において光出力が飽和状態になりやすい。このような事情から、特許文献1に開示されている構造は、高い光出力を得るLED素子を実現するには不向きであった。 However, in recent years, with the spread of applications, there has been a demand for an improvement in the light output of infrared LED elements as well. An InP substrate exhibits a high refractive index of 3 or more, like a GaAs substrate used in the visible light region. Therefore, when light is to be extracted through the InP substrate, total reflection occurs due to the difference in refractive index at the interface with air, limiting the light extraction efficiency to a low level. Furthermore, since the InP substrate has a high thermal resistance, the optical output tends to be saturated when driven with a large current. Due to these circumstances, the structure disclosed in Patent Document 1 is not suitable for realizing an LED element that obtains a high light output.

特許文献1に開示された構造よりも高い光出力を得る方法として、例えば、特許文献2に開示された構造の採用が考えられる。すなわち、高い放熱性を示す導電性の支持基板に、エピタキシャル層が形成された成長基板を貼り合わせた後、成長基板を除去することで実現した構造が有効であると考えられる。ただし、特許文献2に記載された発光素子は、ターゲットとしている波長が、1000nmよりも低い。 As a method of obtaining a higher light output than the structure disclosed in Patent Document 1, for example, adoption of the structure disclosed in Patent Document 2 is conceivable. That is, it is considered that a structure realized by removing the growth substrate after bonding the growth substrate on which the epitaxial layer is formed to the conductive support substrate exhibiting high heat dissipation is effective. However, the target wavelength of the light-emitting element described in Patent Document 2 is lower than 1000 nm.

特開平4-282875号公報JP-A-4-282875 特開2012-129357号公報JP 2012-129357 A

特許文献2に記載されたようなLED素子、すなわち、活性層よりも上層に一方の電極を、活性層よりも下層に他方の電極をそれぞれ配置して、活性層内において基板の面に直交する方向に電流を流すことで発光させるLED素子は、「縦型構造」と呼ばれることがある。 An LED element as described in Patent Document 2, that is, one electrode is arranged above the active layer and the other electrode is arranged below the active layer, and the active layer is perpendicular to the surface of the substrate. An LED element that emits light when a current is applied in a direction is sometimes called a "vertical structure."

本発明は、ピーク発光波長が1000nm以上の赤外LED素子を縦型構造で実現しつつ、光取り出し効率を従来よりも向上させることを目的とする。 An object of the present invention is to realize an infrared LED element having a peak emission wavelength of 1000 nm or more in a vertical structure and to improve the light extraction efficiency as compared with the conventional one.

本発明に係る赤外LED素子は、ピーク発光波長が1000nm以上を示す赤外LED素子であって、
導電性の支持基板と、
前記支持基板の上層に形成された導電層と、
前記導電層の上層に形成された絶縁層と、
前記絶縁層の上層に形成された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形成された活性層と、
前記活性層の上層に形成され前記第一半導体層とは異なる導電型の第二半導体層と、
前記支持基板の主面に平行な方向に分散した複数の位置で前記絶縁層を貫通して前記第一半導体層と前記支持基板とを電気的に接続する内部電極と、
前記第二半導体層の上層に形成された上部電極と、
前記第二半導体層と前記上部電極との界面に形成され、前記上部電極の構成材料と前記第二半導体層の構成材料との合金からなり、平均膜厚が150nm以下の合金層とを備えたことを特徴とする。
An infrared LED element according to the present invention is an infrared LED element having a peak emission wavelength of 1000 nm or more,
a conductive support substrate;
a conductive layer formed on the support substrate;
an insulating layer formed on the conductive layer;
a p-type or n-type first semiconductor layer formed on the insulating layer;
an active layer formed on the first semiconductor layer;
a second semiconductor layer formed on the active layer and having a conductivity type different from that of the first semiconductor layer;
an internal electrode that penetrates the insulating layer at a plurality of positions dispersed in a direction parallel to the main surface of the supporting substrate and electrically connects the first semiconductor layer and the supporting substrate;
an upper electrode formed on the upper layer of the second semiconductor layer;
an alloy layer formed at the interface between the second semiconductor layer and the upper electrode, made of an alloy of the constituent material of the upper electrode and the constituent material of the second semiconductor layer, and having an average thickness of 150 nm or less. It is characterized by

半導体層との間で良好な電気的な接続(オーミック性)を確保する観点から、半導体層の上層に位置する電極(上部電極)を形成するに際しては、半導体層の上面に電極材料を成膜した後にアニール処理が施される。アニール処理が行われることで、半導体層と上部電極との界面には合金層が形成される。 From the viewpoint of ensuring good electrical connection (ohmic property) with the semiconductor layer, when forming an electrode (upper electrode) positioned above the semiconductor layer, an electrode material is deposited on the upper surface of the semiconductor layer. Annealing treatment is then performed. The annealing process forms an alloy layer at the interface between the semiconductor layer and the upper electrode.

電極材料として使われる金属材料は、半導体層の材料に応じて決定される。なぜならば、半導体層の材料によって、当該半導体層に対する接触抵抗を小さくできる金属が異なるからである。つまり、電極材料の種類は、半導体層の材料、言い換えれば発光波長によって決定される。本発明で対象としているピーク波長が1000nm以上の発光素子を実現できる半導体材料としては、InP基板に格子整合するInP、GaInAsP、AlGaInAs、GaInAs系の半導体しか実用化されていない。 The metal material used as the electrode material is determined according to the material of the semiconductor layer. This is because the metal that can reduce the contact resistance with respect to the semiconductor layer differs depending on the material of the semiconductor layer. That is, the type of electrode material is determined by the material of the semiconductor layer, in other words, the emission wavelength. As a semiconductor material capable of realizing a light-emitting device having a peak wavelength of 1000 nm or more, which is the object of the present invention, only InP, GaInAsP, AlGaInAs, and GaInAs semiconductors lattice-matched to an InP substrate have been put into practical use.

従来、発光波長が1000nm以上を示す半導体発光素子は、光通信用のレーザ用途として開発が進められていた。レーザ素子の場合、半導体層の端面から光が取り出されるため、半導体層の主面(基板の主面に平行な面)から光が取り出されることは想定されていない。 Conventionally, semiconductor light emitting devices exhibiting emission wavelengths of 1000 nm or more have been developed for use as lasers for optical communications. In the case of a laser element, since light is extracted from the end surface of the semiconductor layer, it is not assumed that the light is extracted from the main surface of the semiconductor layer (surface parallel to the main surface of the substrate).

これに対し、上記のように、接触抵抗を低下させる観点でアニール処理が施されると、縦型構造の赤外LED素子の場合、光取り出し面を構成する半導体層の主面の下層位置に合金層が形成される。 On the other hand, as described above, when the annealing treatment is performed from the viewpoint of lowering the contact resistance, in the case of the vertical structure infrared LED element, the lower layer position of the main surface of the semiconductor layer constituting the light extraction surface An alloy layer is formed.

仮に、合金層が存在しない場合、活性層から出射した赤外光の一部は、上部電極に入射される。上部電極は金属材料で構成されているため、上部電極に入射された赤外光の一部は電極表面で反射する。このため、反射光は基板側に向かって戻され、再度赤外LED素子内の層で反射されることで、光取り出し面から取り出される。 If the alloy layer were not present, part of the infrared light emitted from the active layer would enter the upper electrode. Since the upper electrode is made of a metal material, part of the infrared light incident on the upper electrode is reflected on the surface of the electrode. For this reason, the reflected light is returned toward the substrate side, reflected again by the layers in the infrared LED element, and extracted from the light extraction surface.

つまり、合金層の存在は、活性層から出射された赤外光を吸収してしまい、光取り出し効率を低下させる原因となる。 In other words, the presence of the alloy layer absorbs the infrared light emitted from the active layer, causing a decrease in light extraction efficiency.

一方で、合金層を完全になくした場合、半導体層と上部電極との間の接触抵抗が高まることで、順方向電圧の上昇を招く。更に、半導体層と上部電極との密着性が低下するため、ワイヤボンディング時に電極が剥がれる現象を招く場合がある。かかる観点から、合金層を完全になくすことは難しい。 On the other hand, when the alloy layer is completely eliminated, the contact resistance between the semiconductor layer and the upper electrode increases, leading to an increase in forward voltage. Furthermore, since the adhesion between the semiconductor layer and the upper electrode is lowered, the electrode may be peeled off during wire bonding. From this point of view, it is difficult to completely eliminate the alloy layer.

本発明者の鋭意研究の結果、合金層の平均膜厚が150nmを超えると、光取り出し効率の低下傾向が促進されることを見出した。また、合金層の平均膜厚が150nm以内であれば、合金層が存在しない場合と遜色ない光出力が得られることを見出した。 As a result of intensive research by the present inventors, it was found that when the average film thickness of the alloy layer exceeds 150 nm, the decrease in light extraction efficiency tends to be accelerated. Further, it was found that if the average film thickness of the alloy layer is within 150 nm, a light output comparable to that obtained without the alloy layer can be obtained.

つまり、上記赤外LED素子によれば、順方向電圧の上昇及び電極の剥がれという2つの課題の発現を抑制しながらも、光取り出し効率を高めることが可能となる。 In other words, according to the infrared LED element described above, it is possible to improve the light extraction efficiency while suppressing the two problems of an increase in forward voltage and peeling of the electrode.

なお、合金層の平均膜厚は、支持基板の主面に直交する方向から見て10μm四方以上の範囲内から、均等に1μm毎の計測点を設定し、各計測点における合金層の膜厚を平均することで得られた値を採用することができる。 The average film thickness of the alloy layer is obtained by setting measurement points evenly every 1 μm from within a range of 10 μm square or more when viewed from the direction perpendicular to the main surface of the support substrate, and measuring the thickness of the alloy layer at each measurement point. The value obtained by averaging can be adopted.

前記第二半導体層はInPを含むものとして構わない。前記第二半導体層の全体がInPからなるものとしても構わない。 The second semiconductor layer may contain InP. The entire second semiconductor layer may be made of InP.

前記第二半導体層は、前記活性層側に位置するクラッド層と、前記クラッド層の上層に位置し前記クラッド層に対して組成及びドーパント濃度の少なくとも一方が異なるコンタクト層とを含み、
前記コンタクト層の構成材料は、前記ピーク発光波長の光エネルギーよりも高いバンドギャップエネルギーを有するものとしても構わない。
The second semiconductor layer includes a cladding layer located on the active layer side, and a contact layer located above the cladding layer and having at least one of a composition and a dopant concentration different from that of the cladding layer,
The constituent material of the contact layer may have a bandgap energy higher than the light energy of the peak emission wavelength.

InP系材料の場合、InP層よりもGaInAsPやGaInAs等の比較的バンドギャップエネルギーが小さい材料の方が、オーミック接合を形成しやすい。これは、表面のIn組成が高い方が、自然酸化膜が形成されやすいためと考えられる。しかしながら、合金層の膜厚を薄くした場合であっても、コンタクト層が活性層から出射した光を吸収してしまうと、光取り出し効率が低下してしまう。上記のように、コンタクト層を、ピーク発光波長の光エネルギーよりも高いバンドギャップエネルギーを有する材料で形成することで、コンタクト層内での光吸収が抑制されるため、高い光取り出し効率が確保される。 In the case of an InP-based material, a material such as GaInAsP or GaInAs, which has a relatively small bandgap energy, is easier to form an ohmic junction than an InP layer. This is probably because the higher the In composition on the surface, the easier the natural oxide film is formed. However, even if the thickness of the alloy layer is reduced, the light extraction efficiency will decrease if the contact layer absorbs the light emitted from the active layer. As described above, by forming the contact layer with a material having a bandgap energy higher than the light energy of the peak emission wavelength, light absorption in the contact layer is suppressed, thereby ensuring high light extraction efficiency. be.

かかる観点から、コンタクト層としては、クラッド層よりもドーパント濃度の高いInPで形成するのが好適である。InPによれば、III族元素とV族元素がそれぞれ1種類で構成されるため、組成ズレが発生しにくい。これにより、製造時に素子間のばらつきが抑制され、均質な特性を示す赤外LED素子を安定的に製造できるというメリットもある。 From this point of view, the contact layer is preferably made of InP having a higher dopant concentration than the clad layer. InP is composed of one type of group III element and one type of group V element, so composition deviation is less likely to occur. This also has the advantage of suppressing variations between devices during manufacturing and stably manufacturing infrared LED devices exhibiting uniform characteristics.

前記合金層は、Geを含む材料からなるものとしても構わない。 The alloy layer may be made of a material containing Ge.

前記第二半導体層は、前記合金層に隣接する箇所のドーパント濃度が5×1017/cm3~5×1018/cm3であるものとしても構わない。 The second semiconductor layer may have a dopant concentration of 5×10 17 /cm 3 to 5×10 18 /cm 3 at a portion adjacent to the alloy layer.

上部電極と第二半導体層との間で低抵抗のオーミック接触を実現するためには、第二半導体層に対して適切なドーピングを行う必要がある。ドーパント濃度が5×1017/cm3未満である場合には、第二半導体層と上部電極間の接触抵抗が大きくなる可能性がある。また、過度にドーピングを行うと結晶性の劣化を招く。特に、上記赤外LED素子を製造するに際しては、第二半導体層を形成した後に、活性層が形成されるため、第二半導体層は活性層を形成する下地となる。したがって、活性層における高い発光効率を確保する観点からは、第二半導体層の結晶性が劣化する事態は避ける必要がある。かかる観点から、第二半導体層のドーパント濃度は5×1018/cm3以下とするのが好適である。 In order to achieve a low-resistance ohmic contact between the upper electrode and the second semiconductor layer, it is necessary to dope the second semiconductor layer appropriately. If the dopant concentration is less than 5×10 17 /cm 3 , contact resistance between the second semiconductor layer and the upper electrode may increase. Also, excessive doping causes deterioration of crystallinity. In particular, when manufacturing the infrared LED element, the active layer is formed after forming the second semiconductor layer, so the second semiconductor layer serves as a base for forming the active layer. Therefore, from the viewpoint of ensuring high luminous efficiency in the active layer, it is necessary to avoid deterioration of the crystallinity of the second semiconductor layer. From this point of view, the dopant concentration of the second semiconductor layer is preferably 5×10 18 /cm 3 or less.

前記支持基板の主面に直交する方向に見たときに、前記上部電極の占有面積は、前記第二半導体層の占有面積の20%以下であるものとしても構わない。 The area occupied by the upper electrode may be 20% or less of the area occupied by the second semiconductor layer when viewed in a direction perpendicular to the main surface of the support substrate.

第二半導体層の露出面によって光取り出し面が形成される。つまり、上部電極の占有面積が大きくなると、それだけ光取り出し面の面積が低下し、光取り出し量が低下する。上記の構成によれば、光取り出し面の面積を確保しつつ、合金層内における光吸収が抑制されるため、高い光取り出し効率が実現される。 A light extraction surface is formed by the exposed surface of the second semiconductor layer. In other words, the larger the area occupied by the upper electrode, the smaller the area of the light extraction surface, and the lower the amount of light extraction. According to the above configuration, light absorption in the alloy layer is suppressed while ensuring the area of the light extraction surface, so high light extraction efficiency is realized.

本発明によれば、光取り出し効率を従来よりも向上した、ピーク発光波長が1000nm以上の縦型構造の赤外LED素子が実現される。 According to the present invention, an infrared LED element having a vertical structure and having a peak emission wavelength of 1000 nm or more, which has an improved light extraction efficiency as compared with conventional ones, is realized.

本発明の赤外LED素子の一実施形態の構成を模式的に示す断面図である。1 is a cross-sectional view schematically showing the configuration of an embodiment of an infrared LED element of the present invention; FIG. 図1に示す赤外LED素子を-Y方向に見たときの模式的な平面図である。2 is a schematic plan view when the infrared LED element shown in FIG. 1 is viewed in the -Y direction; FIG. 図1における上部電極の近傍位置の拡大断面図である。2 is an enlarged sectional view of a position near an upper electrode in FIG. 1; FIG. 上部電極の近傍位置における赤外LED素子の断面SEM写真である。It is a cross-sectional SEM photograph of the infrared LED element in the vicinity of the upper electrode. 図1に示す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。1. It is sectional drawing in 1 process for demonstrating the manufacturing method of the LED element shown in FIG. 図1に示すLED素子の製造方法を説明するための、別の一工程における断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view in another step for explaining the manufacturing method of the LED element shown in FIG. 1; 図1に示すLED素子の製造方法を説明するための、別の一工程における断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view in another step for explaining the manufacturing method of the LED element shown in FIG. 1; 図1に示すLED素子の製造方法を説明するための、別の一工程における断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view in another step for explaining the manufacturing method of the LED element shown in FIG. 1; 図1に示すLED素子の製造方法を説明するための、別の一工程における断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view in another step for explaining the manufacturing method of the LED element shown in FIG. 1; 図1に示すLED素子の製造方法を説明するための、別の一工程における断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view in another step for explaining the manufacturing method of the LED element shown in FIG. 1; 光出力と合金層の平均膜厚との関係を示すグラフである。4 is a graph showing the relationship between the light output and the average film thickness of the alloy layer; 順方向電圧と合金層の平均膜厚との関係を示すグラフである。4 is a graph showing the relationship between the forward voltage and the average film thickness of the alloy layer; 本発明の赤外LED素子の別実施形態の構成を模式的に示す断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view schematically showing the configuration of another embodiment of the infrared LED element of the present invention;

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。以下の各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。 An embodiment of an infrared LED element according to the present invention will be described with reference to the drawings. Each drawing below is shown schematically, and the dimensional ratio on the drawing does not necessarily match the actual dimensional ratio. Moreover, there are cases where the dimensional ratios do not match between the drawings.

本明細書において、「層Q1の上層に層Q2が形成されている」という表現は、層Q1の面上に直接層Q2が形成されている場合はもちろん、層Q1の面上に薄膜を介して層Q2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20nm以下の層を指し、好ましくは10nm以下の層を指すものとして構わない。 In this specification, the expression "the layer Q2 is formed on the layer Q1" includes not only the case where the layer Q2 is formed directly on the surface of the layer Q1, but also the case where the layer Q2 is formed on the surface of the layer Q1 via a thin film. It is intended to include the case where the layer Q2 is formed over the layer. The term "thin film" as used herein refers to a layer having a thickness of 20 nm or less, preferably a layer having a thickness of 10 nm or less.

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。「AlGaInAs」等の他の記載も同様である。 In this specification, the description "GaInAsP" means a mixed crystal of Ga, In, As, and P, and the description of the composition ratio is simply omitted. The same applies to other descriptions such as "AlGaInAs".

図1は、本実施形態の赤外LED素子の構造を模式的に示す断面図である。図1に示す赤外LED素子1は、支持基板11の上層に形成された半導体積層体20を備える。図1は、所定の位置においてXY平面に沿って赤外LED素子1を切断したときの模式的な断面図に対応する。以下の説明では、適宜、図1に付されたX-Y-Z座標系が参照される。 FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing the structure of the infrared LED element of this embodiment. The infrared LED element 1 shown in FIG. 1 includes a semiconductor laminate 20 formed on the upper layer of the support substrate 11 . FIG. 1 corresponds to a schematic cross-sectional view when the infrared LED element 1 is cut along the XY plane at a predetermined position. In the following description, the XYZ coordinate system attached to FIG. 1 will be referred to as appropriate.

以下の説明では、方向を表現する際に正負の向きを区別する場合には、「+X方向」、「-X方向」のように、正負の符号を付して記載される。また、正負の向きを区別せずに方向を表現する場合には、単に「X方向」と記載される。すなわち、本明細書において、単に「X方向」と記載されている場合には、「+X方向」と「-X方向」の双方が含まれる。Y方向及びZ方向についても同様である。以下の例では、支持基板11の主面がXZ平面に平行であり、その法線方向(Y方向)に光が取り出されるものとして説明される。 In the following description, when distinguishing between positive and negative directions when expressing directions, positive and negative signs are added, such as “+X direction” and “−X direction”. Moreover, when expressing a direction without distinguishing between positive and negative directions, it is simply described as “X direction”. That is, in the present specification, the term “X direction” includes both “+X direction” and “−X direction”. The same applies to the Y direction and Z direction. In the following example, it is assumed that the main surface of the support substrate 11 is parallel to the XZ plane and light is extracted in the normal direction (Y direction).

本実施形態の赤外LED素子1は、半導体積層体20内(特に後述される活性層25内)で、赤外光Lが生成される。より詳細には、図1に示すように、赤外光L(L1,L2)は、活性層25を基準としたときに+Y方向に取り出される。赤外光Lは、ピーク波長が1000nm以上である。なお、ここでいうピーク波長とは、光スペクトルにおいて光出力が最も高い波長に対応する。 In the infrared LED element 1 of the present embodiment, infrared light L is generated inside the semiconductor laminate 20 (particularly inside an active layer 25 described later). More specifically, as shown in FIG. 1, the infrared light L (L1, L2) is extracted in the +Y direction with the active layer 25 as a reference. The infrared light L has a peak wavelength of 1000 nm or more. The peak wavelength here corresponds to the wavelength with the highest optical output in the optical spectrum.

[素子構造]
以下、赤外LED素子1の構造について詳細に説明する。
[Device structure]
The structure of the infrared LED element 1 will be described in detail below.

(支持基板11)
支持基板11は、例えばSiやGe等の半導体や、Cu、CuW等の金属材料で構成されている。支持基板11が半導体からなる場合には、導電性を示すように高濃度にドーパントがドープされているものとして構わない。一例として、支持基板11は、ホウ素(B)が1×1019/cm3以上のドーパント濃度でドープされた、抵抗率が10mΩcm以下のSi基板である。ドーパントとしては、ホウ素(B)以外には、例えば、リン(P)、砒素(As)、アンチモン(Sb)等が利用できる。高い放熱性と低い製造コストとを両立する観点からは、支持基板11はSi基板が好適に用いられる。
(Support substrate 11)
The support substrate 11 is made of, for example, a semiconductor such as Si or Ge, or a metal material such as Cu or CuW. When the support substrate 11 is made of a semiconductor, it may be doped with a dopant at a high concentration so as to exhibit conductivity. As an example, the support substrate 11 is a Si substrate doped with boron (B) at a dopant concentration of 1×10 19 /cm 3 or more and having a resistivity of 10 mΩcm or less. As a dopant, phosphorus (P), arsenic (As), antimony (Sb), etc. can be used in addition to boron (B). From the viewpoint of achieving both high heat dissipation and low manufacturing cost, a Si substrate is preferably used as the support substrate 11 .

支持基板11の厚み(Y方向に係る長さ)は、特に限定されないが、例えば50μm~500μmであり、好ましくは100μm~300μmである。 The thickness (length in the Y direction) of the support substrate 11 is not particularly limited, but is, for example, 50 μm to 500 μm, preferably 100 μm to 300 μm.

(導電層16)
図1に示す赤外LED素子1は、支持基板11の上層に形成された導電層16を備える。本実施形態において、導電層16は、より詳細には接合層13と反射層15を含む。
(Conductive layer 16)
The infrared LED element 1 shown in FIG. 1 has a conductive layer 16 formed on the support substrate 11 . In this embodiment, the conductive layer 16 more specifically includes the bonding layer 13 and the reflective layer 15 .

接合層13は低融点のハンダ材料からなり、例えばAu、Au-Zn、Au-Sn、Au-In、Au-Cu-Sn、Cu-Sn、Pd-Sn、Sn等で構成される。図4Eを参照して後述されるように、この接合層13は、半導体積層体20が上面に形成された成長基板3と、支持基板11とを貼り合わせるために利用される。接合層13の厚みは、特に限定されないが、例えば0.5μm~5.0μmであり、好ましくは1.0μm~3.0μmである。 The bonding layer 13 is made of a solder material with a low melting point, such as Au, Au--Zn, Au--Sn, Au--In, Au--Cu--Sn, Cu--Sn, Pd--Sn, and Sn. As will be described later with reference to FIG. 4E, this bonding layer 13 is used to bond the growth substrate 3 having the semiconductor laminate 20 formed thereon and the support substrate 11 together. Although the thickness of the bonding layer 13 is not particularly limited, it is, for example, 0.5 μm to 5.0 μm, preferably 1.0 μm to 3.0 μm.

反射層15は、活性層25内で生成された赤外光Lのうち、支持基板11側(-Y方向)に進行する赤外光L2を反射させて、+Y方向に導く機能を奏する。反射層15は、導電性材料であって、且つ、赤外光Lに対して高い反射率を示す材料で構成される。反射層15の赤外光Lに対する反射率は、70%以上であるのが好ましく、80%以上であるのがより好ましく、90%以上であるのが特に好ましい。 The reflective layer 15 has a function of reflecting infrared light L2 traveling toward the support substrate 11 (-Y direction) out of the infrared light L generated in the active layer 25 and guiding it in the +Y direction. The reflective layer 15 is made of a material that is a conductive material and exhibits a high reflectance with respect to the infrared light L. As shown in FIG. The reflectance of the reflective layer 15 to the infrared light L is preferably 70% or higher, more preferably 80% or higher, and particularly preferably 90% or higher.

赤外光Lのピーク波長が1000nm~2000nmである場合、反射層15はAg、Ag合金、Au、Al、Cu等の金属材料を用いることができる。反射層15を構成する材料は、活性層25で生成される光の波長に応じて適宜選択される。 When the peak wavelength of the infrared light L is 1000 nm to 2000 nm, the reflective layer 15 can be made of metal materials such as Ag, Ag alloys, Au, Al, and Cu. The material forming the reflective layer 15 is appropriately selected according to the wavelength of light generated by the active layer 25 .

反射層15の厚みは、特に限定されないが、例えば0.1μm~2.0μmであり、好ましくは0.3μm~1.0μmである。 The thickness of the reflective layer 15 is not particularly limited, but is, for example, 0.1 μm to 2.0 μm, preferably 0.3 μm to 1.0 μm.

図1では図示しないが、導電層16は、反射層15と接合層13との間に、接合層13を構成するハンダ材料の拡散を抑制するためのバリア層を更に含むものとしても構わない。バリア層の材料としては、例えば、Ti、Pt、W、Mo、Ni等を含む材料で実現できる。一例として、Ti/Pt/Auの積層体で構成される。バリア層の厚みは、特に限定されないが、例えば0.05μm~3μmであり、好ましくは0.2μm~1μmである。このバリア層が介在することで、接合層13の材料が反射層15側に拡散して反射層15の反射率が低下するのを防止できる。バリア層は、接合層13と支持基板11との間にも設けられていても構わない。 Although not shown in FIG. 1, the conductive layer 16 may further include a barrier layer between the reflective layer 15 and the bonding layer 13 to suppress diffusion of the solder material forming the bonding layer 13 . The material of the barrier layer can be material containing, for example, Ti, Pt, W, Mo, Ni, or the like. As an example, it is composed of a laminate of Ti/Pt/Au. Although the thickness of the barrier layer is not particularly limited, it is, for example, 0.05 μm to 3 μm, preferably 0.2 μm to 1 μm. Interposition of this barrier layer can prevent the material of the bonding layer 13 from diffusing toward the reflective layer 15 and lowering the reflectance of the reflective layer 15 . A barrier layer may also be provided between the bonding layer 13 and the support substrate 11 .

光取り出し効率を向上させる観点からは、図1に示すように、赤外LED素子1が反射層15を備えるのが好適であるが、本発明において、赤外LED素子1が反射層15を備えるか否かは任意である。 From the viewpoint of improving light extraction efficiency, it is preferable for the infrared LED element 1 to have a reflective layer 15 as shown in FIG. or not is arbitrary.

(絶縁層17)
図1に示す赤外LED素子1は、反射層15の上層に形成された絶縁層17を備える。絶縁層17は、電気的絶縁性を示し、且つ赤外光Lに対する透過性の高い材料で構成される。絶縁層17の赤外光Lに対する透過率は、70%以上であるのが好ましく、80%以上であるのがより好ましく、90%以上であるのが特に好ましい。
(insulating layer 17)
The infrared LED element 1 shown in FIG. 1 has an insulating layer 17 formed on the reflective layer 15 . The insulating layer 17 is made of a material that is electrically insulating and highly transparent to the infrared light L. As shown in FIG. The transmittance of the insulating layer 17 to the infrared light L is preferably 70% or more, more preferably 80% or more, and particularly preferably 90% or more.

赤外光Lのピーク波長が1000nm~2000nmである場合においては、絶縁層17はSiO2、SiN、Al23等の材料を用いることができる。絶縁層17の材料は、活性層25で生成される光の波長に応じて適宜選択される。 When the peak wavelength of the infrared light L is 1000 nm to 2000 nm, the insulating layer 17 can be made of SiO 2 , SiN, Al 2 O 3 or the like. A material for the insulating layer 17 is appropriately selected according to the wavelength of light generated in the active layer 25 .

(半導体積層体20)
図1に示す赤外LED素子1は、絶縁層17の上層に形成された半導体積層体20を有する。半導体積層体20は、複数の半導体層の積層体であり、例えば、コンタクト層21と、第一クラッド層23と、活性層25と、第二クラッド層27とを含む。なお、図7を参照して後述されるように、半導体積層体20は、第二クラッド層27の上層にコンタクト層28を更に含むものとしても構わない。半導体積層体20を構成する各半導体層は、後述される成長基板3と格子整合してエピタキシャル成長が可能な材料で構成される。
(Semiconductor laminate 20)
The infrared LED element 1 shown in FIG. 1 has a semiconductor laminate 20 formed on an insulating layer 17 . The semiconductor laminate 20 is a laminate of multiple semiconductor layers, and includes, for example, a contact layer 21 , a first clad layer 23 , an active layer 25 and a second clad layer 27 . As will be described later with reference to FIG. 7, the semiconductor laminate 20 may further include a contact layer 28 above the second clad layer 27 . Each semiconductor layer constituting the semiconductor laminate 20 is made of a material that is lattice-matched with the growth substrate 3 described later and capable of epitaxial growth.

《コンタクト層21,第一クラッド層23》
本実施形態において、コンタクト層21は例えばp型のGaInAsPで構成される。コンタクト層21の厚みは限定されないが、例えば、10nm~1000nmであり、好ましくは50nm~500nmである。また、コンタクト層21のp型ドーパント濃度は、好ましくは5×1017/cm3~3×1019/cm3であり、より好ましくは、1×1018/cm3~2×1019/cm3である。
<<Contact layer 21, first clad layer 23>>
In this embodiment, the contact layer 21 is made of, for example, p-type GaInAsP. Although the thickness of the contact layer 21 is not limited, it is, for example, 10 nm to 1000 nm, preferably 50 nm to 500 nm. The p-type dopant concentration of the contact layer 21 is preferably 5×10 17 /cm 3 to 3×10 19 /cm 3 , more preferably 1×10 18 /cm 3 to 2×10 19 /cm 3 . is 3 .

本実施形態において、第一クラッド層23はコンタクト層21の上層に形成されており、例えばp型のInPで構成される。第一クラッド層23の厚みは限定されないが、例えば、1000nm~10000nmであり、好ましくは2000nm~5000nmである。第一クラッド層23のp型ドーパント濃度は、活性層25から離れた位置において、好ましくは1×1017/cm3~3×1018/cm3であり、より好ましくは、5×1017/cm3~3×1018/cm3である。 In this embodiment, the first cladding layer 23 is formed above the contact layer 21 and is made of, for example, p-type InP. Although the thickness of the first clad layer 23 is not limited, it is, for example, 1000 nm to 10000 nm, preferably 2000 nm to 5000 nm. The p-type dopant concentration of the first clad layer 23 is preferably 1×10 17 /cm 3 to 3×10 18 /cm 3 , more preferably 5×10 17 /cm 3 at a position away from the active layer 25 . cm 3 to 3×10 18 /cm 3 .

コンタクト層21及び第一クラッド層23に含まれるp型ドーパントとしては、Zn、Mg、Be等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。本実施形態では、コンタクト層21及び第一クラッド層23が「第一半導体層」に対応する。 As the p-type dopant contained in the contact layer 21 and the first clad layer 23, Zn, Mg, Be or the like can be used, with Zn or Mg being preferred, and Zn being particularly preferred. In this embodiment, the contact layer 21 and the first clad layer 23 correspond to the "first semiconductor layer".

《活性層25》
本実施形態において、活性層25は、第一クラッド層23の上層に形成された半導体層である。活性層25の材料は、狙いとする波長の光を生成可能であり、且つ図4Aを参照して後述される成長基板3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。
<<Active layer 25>>
In this embodiment, the active layer 25 is a semiconductor layer formed above the first clad layer 23 . The material of the active layer 25 is appropriately selected from materials that can generate light of a target wavelength and can be epitaxially grown by lattice matching with the growth substrate 3 described later with reference to FIG. 4A.

ピーク波長が1000nm~2000nmの赤外光Lを出射する赤外LED素子1を実現したい場合に、活性層25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。 When it is desired to realize the infrared LED element 1 that emits infrared light L having a peak wavelength of 1000 nm to 2000 nm, the active layer 25 may have a single-layer structure of GaInAsP, AlGaInAs, or InGaAs. An MQW (Multiple Quantum Well) structure including well layers made of InGaAs and barrier layers made of GaInAsP, AlGaInAs, InGaAs, or InP having a bandgap energy larger than that of the well layers may be used.

活性層25の膜厚は、活性層25が単層構造の場合は、50nm~2000nmであり、好ましくは、100nm~300nmである。また、活性層25がMQW構造の場合は、膜厚5nm~20nm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。 The thickness of the active layer 25 is 50 nm to 2000 nm, preferably 100 nm to 300 nm, when the active layer 25 has a single layer structure. When the active layer 25 has the MQW structure, well layers and barrier layers with a film thickness of 5 nm to 20 nm are stacked in a range of 2 to 50 cycles.

活性層25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を利用できる。 The active layer 25 may be doped n-type or p-type, or may be undoped. For n-type doping, Si, for example, can be used as the dopant.

《第二クラッド層27》
本実施形態において、第二クラッド層27は、活性層25の上層に形成されており、例えばn型のInPである。第二クラッド層27の厚みは限定されないが、例えば100nm~10000nmであり、好ましくは、500nm~5000nmである。第二クラッド層27のn型ドーパント濃度は、好ましくは1×1017/cm3~5×1018/cm3であり、より好ましくは、5×1017/cm3~4×1018/cm3である。第二クラッド層27にドープされるn型不純物材料としては、Sn、Si、S、Ge、Se等を利用することができ、Siが特に好ましい。本実施形態の赤外LED素子1においては、第二クラッド層27が「第二半導体層」に対応する。
<<Second clad layer 27>>
In this embodiment, the second cladding layer 27 is formed above the active layer 25 and is, for example, n-type InP. Although the thickness of the second clad layer 27 is not limited, it is, for example, 100 nm to 10000 nm, preferably 500 nm to 5000 nm. The n-type dopant concentration of the second clad layer 27 is preferably 1×10 17 /cm 3 to 5×10 18 /cm 3 , more preferably 5×10 17 /cm 3 to 4×10 18 /cm 3 . is 3 . Sn, Si, S, Ge, Se, etc. can be used as the n-type impurity material with which the second clad layer 27 is doped, and Si is particularly preferable. In the infrared LED element 1 of this embodiment, the second clad layer 27 corresponds to the "second semiconductor layer".

図1に示す例では、第二クラッド層27の+Y側の表面に凹凸部27aが形成されている。凹凸部27aが形成されることで、活性層25から+Y方向に進行した赤外光L(L1,L2)が第二クラッド層27の表面で活性層25側に反射される光量が低下され、光取り出し効率が高められる。ただし、本発明において、第二クラッド層27の表面に凹凸部27aを設けるか否かは任意である。 In the example shown in FIG. 1, an uneven portion 27a is formed on the surface of the second cladding layer 27 on the +Y side. By forming the uneven portion 27a, the amount of infrared light L (L1, L2) traveling in the +Y direction from the active layer 25 and reflected by the surface of the second cladding layer 27 toward the active layer 25 is reduced. Light extraction efficiency is enhanced. However, in the present invention, it is optional whether or not the surface of the second cladding layer 27 is provided with the uneven portion 27a.

第一クラッド層23及び第二クラッド層27の材料は、活性層25で生成された赤外光Lを吸収しない材料であって、且つ、成長基板3(後述する図4参照)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。成長基板3としてInP基板を採用する場合には、第一クラッド層23及び第二クラッド層27の材料は、InPの他、GaInAsP、AlGaInAs等を利用することが可能である。 The material of the first clad layer 23 and the second clad layer 27 is a material that does not absorb the infrared light L generated in the active layer 25, and is lattice-matched with the growth substrate 3 (see FIG. 4 described later). It is appropriately selected from materials capable of epitaxial growth. When an InP substrate is used as the growth substrate 3, the material of the first clad layer 23 and the second clad layer 27 can be InP, GaInAsP, AlGaInAs, or the like.

本実施形態では、第一半導体層(21,23)がp型半導体であり、第二半導体層(第二クラッド層27)がn型半導体であるものとして説明されるが、両者の導電型が逆転しても構わない。 In this embodiment, the first semiconductor layers (21, 23) are p-type semiconductors, and the second semiconductor layer (second cladding layer 27) is an n-type semiconductor. It doesn't matter if it's reversed.

(内部電極31)
図1に示す赤外LED素子1は、絶縁層17内の複数の箇所においてY方向に貫通して形成された、内部電極31を有する。内部電極31は、第一半導体層(21,23)と、導電層16とを電気的に接続する。内部電極31は、XZ平面に平行な方向(すなわち、支持基板11の主面に平行な方向)に分散した複数の位置に設けられている。
(Internal electrode 31)
The infrared LED element 1 shown in FIG. 1 has internal electrodes 31 that penetrate through the insulating layer 17 in the Y direction at a plurality of locations. The internal electrode 31 electrically connects the first semiconductor layers ( 21 , 23 ) and the conductive layer 16 . The internal electrodes 31 are provided at a plurality of positions distributed in a direction parallel to the XZ plane (that is, a direction parallel to the main surface of the support substrate 11).

内部電極31は、コンタクト層21に対してオーミック接続の形成が可能な材料で構成されている。一例として、内部電極31は、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等)で構成される。これらの材料は、反射層15を構成する材料と比較して、赤外光Lに対する反射率が低い。 The internal electrode 31 is made of a material capable of forming an ohmic connection with the contact layer 21 . As an example, the internal electrode 31 is composed of AuZn, AuBe, or a laminated structure containing at least Au and Zn (for example, Au/Zn/Au, etc.). These materials have a lower reflectance with respect to the infrared light L than the material forming the reflective layer 15 .

Y方向に見た場合の、内部電極31の配置パターンの形状は任意である。ただし、支持基板11の主面に平行な方向に関して活性層25内の広い範囲にわたって均質に電流を流す観点からは、内部電極31はXZ平面に沿った面方向に規則的な形状を有して分散した状態で配置されるのが好ましい。 The shape of the arrangement pattern of the internal electrodes 31 when viewed in the Y direction is arbitrary. However, from the viewpoint of uniform current flow over a wide range in the active layer 25 in the direction parallel to the main surface of the support substrate 11, the internal electrodes 31 have a regular shape in the plane direction along the XZ plane. It is preferably arranged in a distributed manner.

図2は、赤外LED素子1を第二クラッド層27の上方からY方向に見たときの模式的な平面図の一例である。ただし、図2は、内部電極31の形状パターンの理解を容易化する観点で、内部電極31についても図示されている。図2については、上部電極40の説明の箇所で詳細に後述される。なお、図2では、半導体積層体20が上面視で矩形状を呈している場合が図示されている。 FIG. 2 is an example of a schematic plan view when the infrared LED element 1 is viewed from above the second clad layer 27 in the Y direction. However, FIG. 2 also shows the internal electrodes 31 from the viewpoint of facilitating understanding of the shape pattern of the internal electrodes 31 . FIG. 2 will be described in detail later in the description of the upper electrode 40. FIG. Note that FIG. 2 illustrates a case where the semiconductor stacked body 20 has a rectangular shape when viewed from above.

赤外LED素子1をY方向に見たときの、全ての内部電極31の総面積は、半導体積層体20(例えば第二クラッド層27)の面方向に係る面積に対して、30%以下であるのが好ましく、20%以下であるのがより好ましく、15%以下であるのが特に好ましい。内部電極31の総面積が比較的大きくなると、活性層25から支持基板11側(-Y方向)に進行する赤外光L2が内部電極31に吸収されてしまい、取り出し効率が低下してしまう。一方で、内部電極31の総面積が小さすぎると、抵抗値が高くなって順方向電圧が上昇してしまう。 When the infrared LED element 1 is viewed in the Y direction, the total area of all the internal electrodes 31 is 30% or less of the area of the semiconductor laminate 20 (for example, the second clad layer 27) in the planar direction. preferably 20% or less, particularly preferably 15% or less. If the total area of the internal electrodes 31 is relatively large, the infrared light L2 traveling from the active layer 25 toward the support substrate 11 (-Y direction) is absorbed by the internal electrodes 31, resulting in a decrease in extraction efficiency. On the other hand, if the total area of the internal electrodes 31 is too small, the resistance value increases and the forward voltage increases.

(裏面電極33)
図1に示す赤外LED素子1は、支持基板11の半導体積層体20とは反対側(-Y側)の面上に形成された、裏面電極33を備える。裏面電極33は支持基板11に対してオーミック接触が実現されている。裏面電極33は、一例として、Ti/Au、Ti/Pt/Au等の材料で構成され、これらの材料を複数備えるものとしても構わない。
(Back electrode 33)
The infrared LED element 1 shown in FIG. 1 includes a back electrode 33 formed on the surface of the support substrate 11 opposite to the semiconductor laminate 20 (−Y side). Ohmic contact is realized between the back electrode 33 and the support substrate 11 . As an example, the back electrode 33 is made of materials such as Ti/Au and Ti/Pt/Au, and a plurality of these materials may be provided.

(上部電極40)
図1に示す赤外LED素子1は、半導体積層体20の上層に形成された上部電極40を有する。上部電極40は、典型的には複数本が所定の方向に延在するように形成されている。
(Upper electrode 40)
The infrared LED element 1 shown in FIG. 1 has an upper electrode 40 formed on the upper layer of the semiconductor laminate 20 . A plurality of upper electrodes 40 are typically formed to extend in a predetermined direction.

図2には、上部電極40が、半導体積層体20の辺に沿うように、X方向及びZ方向に複数延在する第一上部電極41と、特定の箇所の第一上部電極41の上面に形成された、第一上部電極41よりも上面視の内径が大きい第二上部電極42を含む構成が示されている。第二上部電極42は、給電のためのボンディングワイヤを接触させる領域を確保する目的で設けられており、パッド電極と呼ばれることがある。 In FIG. 2, the upper electrode 40 includes a plurality of first upper electrodes 41 extending in the X direction and the Z direction along the sides of the semiconductor laminate 20, and the upper surface of the first upper electrode 41 at a specific location. A configuration including a formed second upper electrode 42 having a larger inner diameter in top view than the first upper electrode 41 is shown. The second upper electrode 42 is provided for the purpose of securing an area for contacting a bonding wire for power supply, and is sometimes called a pad electrode.

第一上部電極41の配置パターン形状は任意であり、例えば格子状であっても構わないし、渦巻状であっても構わない。上部電極40のうちの第一上部電極41は、下層に位置する半導体層(ここでは第二クラッド層27)の面を露出させつつ、XZ平面上の広い範囲にわたって形成される。これにより、活性層25内を流れる電流をXZ平面に平行な方向に広げることができ、活性層25内の広い範囲で発光させることができる。 The arrangement pattern shape of the first upper electrode 41 is arbitrary, and may be, for example, a lattice shape or a spiral shape. The first upper electrode 41 of the upper electrodes 40 is formed over a wide range on the XZ plane while exposing the surface of the underlying semiconductor layer (here, the second cladding layer 27). As a result, the current flowing through the active layer 25 can be expanded in the direction parallel to the XZ plane, and light can be emitted over a wide range within the active layer 25 .

第一上部電極41は、一例として、AuGe/Ni/Au、Au/Ge/Au、Au/Zn/Au、AuZn、AuBe等の材料で構成され、これらの材料を複数備えるものとしても構わない。第二上部電極42は、例えばTi/Au、Ti/Pt/Au等で構成される。 As an example, the first upper electrode 41 is made of materials such as AuGe/Ni/Au, Au/Ge/Au, Au/Zn/Au, AuZn, and AuBe, and may be provided with a plurality of these materials. The second upper electrode 42 is composed of, for example, Ti/Au, Ti/Pt/Au, or the like.

パッド電極を構成する第二上部電極42は、例えば半導体積層体20の各辺(チップサイズ)が800μm~2500μm程度である場合に、内径90μm~120μm程度の円形状を呈する。なお、第一上部電極41の線幅は10μm~30μm程度である。チップサイズが800μmを超える高出力型の赤外LED素子1においては、高い電流を注入する観点から、図2に示すように第二上部電極42を複数箇所に設けるのが好適である。 The second upper electrode 42 constituting the pad electrode has a circular shape with an inner diameter of about 90 μm to 120 μm when each side (chip size) of the semiconductor laminate 20 is about 800 μm to 2500 μm, for example. The line width of the first upper electrode 41 is approximately 10 μm to 30 μm. In the high-power infrared LED element 1 with a chip size exceeding 800 μm, it is preferable to provide the second upper electrodes 42 at a plurality of locations as shown in FIG. 2 from the viewpoint of injecting a high current.

Y方向に見たときに、上部電極40(第一上部電極41,第二上部電極42)の専有面積は、好ましくは第二クラッド層27の占有面積の20%以下であり、より好ましくは15%以下である。上部電極40の専有面積が高くなりすぎると、光取り出し面の面積が低下してしまうため、光取り出し効率が低下する可能性がある。なお、前記上部電極40の占有面積は、好ましくは5%以上であり、より好ましくは8%以上である。 When viewed in the Y direction, the area occupied by the upper electrode 40 (the first upper electrode 41 and the second upper electrode 42) is preferably 20% or less of the area occupied by the second clad layer 27, more preferably 15%. % or less. If the area occupied by the upper electrode 40 becomes too large, the area of the light extraction surface is reduced, which may reduce the light extraction efficiency. The area occupied by the upper electrode 40 is preferably 5% or more, more preferably 8% or more.

(合金層35)
図1に示す赤外LED素子1は、上部電極40と第二クラッド層27との界面に、合金層35を有する。合金層35は、上部電極40を構成する金属材料と第二クラッド層27を構成する半導体材料との合金である。
(alloy layer 35)
The infrared LED element 1 shown in FIG. 1 has an alloy layer 35 at the interface between the upper electrode 40 and the second clad layer 27 . The alloy layer 35 is an alloy of the metal material forming the upper electrode 40 and the semiconductor material forming the second clad layer 27 .

合金層35は、主として上部電極40の形成箇所に対向する位置(すなわち上部電極40の直下の位置)に存在する。合金層35は、XZ平面上の位置に応じて膜厚が微妙に変化しており、その平均膜厚は150nm以下であり、より好ましくは平均膜厚が50nm~150nmである。合金層35の平均膜厚は、支持基板11の主面に直交する方向、すなわちY方向から見て10μm四方以上の範囲内から、均等に1μm毎の計測点を設定し、各計測点における合金層の膜厚の平均値を採用することができる。 The alloy layer 35 is mainly present at a position facing the formation location of the upper electrode 40 (that is, a position immediately below the upper electrode 40). The thickness of the alloy layer 35 subtly changes depending on the position on the XZ plane, and the average thickness is 150 nm or less, more preferably 50 nm to 150 nm. The average film thickness of the alloy layer 35 is obtained by setting measurement points evenly every 1 μm from within a range of 10 μm square or more when viewed from the direction orthogonal to the main surface of the support substrate 11, that is, the Y direction, and measuring the alloy thickness at each measurement point. An average value of layer thicknesses can be employed.

図3Aは、上部電極40の近傍位置の拡大図である。図3Bは、上部電極40の近傍位置における赤外LED素子1の断面SEM写真である。なお、図3A及び図3Bでは、上部電極40のうち、特に第二上部電極42が形成されている箇所の近傍が示されている。 FIG. 3A is an enlarged view of a position near the upper electrode 40. FIG. 3B is a cross-sectional SEM photograph of the infrared LED element 1 at a position near the upper electrode 40. FIG. Note that FIGS. 3A and 3B show the vicinity of a portion of the upper electrode 40 where the second upper electrode 42 is particularly formed.

図3A~図3Bに示す例では、上部電極40は、第一上部電極41と第二上部電極42と有しており、第二上部電極42の第一上部電極41に最も近い位置には例えばTiからなる密着層45を含む。密着層45は、パッド電極を構成する第二上部電極42を半導体積層体20側に密着させる目的で設けられている。 In the example shown in FIGS. 3A-3B, the top electrode 40 has a first top electrode 41 and a second top electrode 42, and the position of the second top electrode 42 closest to the first top electrode 41 is, for example, An adhesion layer 45 made of Ti is included. The adhesion layer 45 is provided for the purpose of adhering the second upper electrode 42 constituting the pad electrode to the semiconductor laminate 20 side.

図3Bに示すSEM写真にも現れているように、合金層35は、上部電極40と第二クラッド層27との界面に形成されており、その膜厚は場所に応じて微妙に変化している。合金層35は、後述されるように、上部電極40(より詳細には第一上部電極41)を形成する過程で、電極材料を蒸着した後に行われる加熱工程(アニール工程)によって、電極材料と半導体材料とが合金化されることで形成される。加熱工程による合金化の進行の速度が場所に応じて微妙に異なることで、図3BのSEM写真に示されるように、合金層35の膜厚が場所に応じて微妙に変化しているものと推定される。なお、図3BのSEM写真において、第二上部電極42と第一上部電極41との境界箇所に、色が異なる層が存在するが、この層は、上記のように第二上部電極42の一部を構成する密着層45に対応する。 As shown in the SEM photograph shown in FIG. 3B, the alloy layer 35 is formed at the interface between the upper electrode 40 and the second clad layer 27, and its film thickness slightly changes depending on the location. there is As will be described later, the alloy layer 35 is separated from the electrode material by a heating process (annealing process) performed after the electrode material is deposited in the process of forming the upper electrode 40 (more specifically, the first upper electrode 41). It is formed by being alloyed with a semiconductor material. As shown in the SEM photograph of FIG. 3B, it is believed that the film thickness of the alloy layer 35 slightly changes depending on the location because the rate of progress of alloying due to the heating process slightly differs depending on the location. Presumed. In addition, in the SEM photograph of FIG. 3B, a layer with a different color is present at the boundary between the second upper electrode 42 and the first upper electrode 41, but this layer is one part of the second upper electrode 42 as described above. corresponds to the adhesion layer 45 forming the part.

本実施形態の赤外LED素子1によれば、合金層35の平均膜厚が150nm以下とされていることで、光取り出し効率が高められる。この点は、実施例を参照して後述される。 According to the infrared LED element 1 of this embodiment, the average film thickness of the alloy layer 35 is 150 nm or less, so that the light extraction efficiency is enhanced. This point will be described later with reference to examples.

[製造方法]
上述した赤外LED素子1の製造方法の一例について、図4A~図4Fの各図を参照して説明する。図4A~図4Fは、いずれも製造プロセス内における一工程における断面図である。以下の各手順は、赤外LED素子1の製造に影響のない範囲内であれば、その順序は適宜前後しても構わない。
[Production method]
An example of a method for manufacturing the infrared LED element 1 described above will be described with reference to FIGS. 4A to 4F. 4A to 4F are cross-sectional views in one step in the manufacturing process. The order of the following procedures may be changed appropriately as long as it does not affect the manufacture of the infrared LED element 1 .

(ステップS1)
図4Aに示すように、例えばInPからなる成長基板3をMOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)装置内に搬送し、成長基板3上に、第二クラッド層27、活性層25、第一クラッド層23及びコンタクト層21を順次エピタキシャル成長させて、半導体積層体20を形成する。本ステップS1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、環境温度等が適宜調整される。各半導体層(21,23,25,27)の材料例は上述した通りである。
(Step S1)
As shown in FIG. 4A, a growth substrate 3 made of, for example, InP is transported into a MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition) apparatus, and a second clad layer 27, an active layer 25, and a first clad layer 23 are formed on the growth substrate 3. And the contact layer 21 is epitaxially grown in sequence to form the semiconductor laminate 20 . In this step S1, the type and flow rate of the raw material gas, the processing time, the environmental temperature, etc. are appropriately adjusted according to the material and film thickness of the layer to be grown. Examples of materials for the semiconductor layers (21, 23, 25, 27) are as described above.

成長基板3としては、InPが好適に利用される。ただし、ピーク波長が1070nm以下の赤外LED素子1を製造するに際しては、成長基板3としてGaAsを利用しても構わない。 InP is preferably used as the growth substrate 3 . However, GaAs may be used as the growth substrate 3 when manufacturing the infrared LED element 1 with a peak wavelength of 1070 nm or less.

(ステップS2)
エピタキシャルウェハをMOCVD装置から取り出し、コンタクト層21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形成する。その後、真空蒸着装置を用いて内部電極31の形成材料(例えばAuZn)を成膜した後、リフトオフ法によってレジストマスクが剥離される。その後、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、コンタクト層21と内部電極31との間のオーミック接触が実現される。
(Step S2)
The epitaxial wafer is taken out from the MOCVD apparatus, and a resist mask patterned by photolithography is formed on the surface of the contact layer 21 . After that, after forming a film of a material (for example, AuZn) for forming the internal electrodes 31 using a vacuum deposition device, the resist mask is removed by a lift-off method. After that, for example, alloy treatment (annealing treatment) is performed by heat treatment at 450° C. for 10 minutes, thereby realizing ohmic contact between the contact layer 21 and the internal electrode 31 .

次に、プラズマCVD法によって例えばSiO2からなる絶縁層17が成膜される。その後、フォトリソグラフィ法及びエッチング法により、内部電極31の上層に位置する絶縁層17が取り除かれて、内部電極31が露出される(図4B参照)。 Next, an insulating layer 17 made of, for example, SiO 2 is deposited by plasma CVD. After that, the insulating layer 17 positioned above the internal electrodes 31 is removed by photolithography and etching to expose the internal electrodes 31 (see FIG. 4B).

(ステップS3)
図4Cに示すように、絶縁層17及び内部電極31を覆うように、反射層15が形成され、その後接合層13aが形成される。例えば、真空蒸着装置によって、例えばAl/Auが所定の膜厚で成膜されることで反射層15が形成され、引き続き、Au-Snが所定の膜厚で成膜されることで接合層13aが形成される。なお、上述したように、反射層15と接合層13aとの間に、例えばTi/Pt/Auが所定の膜厚で成膜されることでバリア層を形成してもよい。
(Step S3)
As shown in FIG. 4C, the reflective layer 15 is formed to cover the insulating layer 17 and the internal electrodes 31, and then the bonding layer 13a is formed. For example, a film of Al/Au with a predetermined thickness is formed by a vacuum deposition apparatus to form the reflective layer 15, and subsequently an Au—Sn film is formed with a predetermined thickness to form the bonding layer 13a. is formed. As described above, a barrier layer may be formed between the reflective layer 15 and the bonding layer 13a by depositing, for example, Ti/Pt/Au with a predetermined film thickness.

(ステップS4)
図4Dに示すように、成長基板3とは別の支持基板11を準備し、その上面に例えばAu-Snからなる接合層13bが形成される。なお、図示されていないが、支持基板11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13bを形成するものとして構わない。また、接合層13bを形成する前に、上述したバリア層を形成しても構わない。
(Step S4)
As shown in FIG. 4D, a support substrate 11 is prepared separately from the growth substrate 3, and a bonding layer 13b made of, for example, Au—Sn is formed on its upper surface. Although not shown, a contact metal layer (for example, Ti) may be formed on the surface of the support substrate 11, and the bonding layer 13b may be formed thereon. Also, the above-described barrier layer may be formed before forming the bonding layer 13b.

(ステップS5)
図4Eに示すように、接合層13(13a,13b)を介して、成長基板3と支持基板11とが、例えば280℃の温度、1MPaの圧力下で貼り合わせられる。この処理により、成長基板3上の接合層13aと支持基板11上の接合層13bとが溶融されて、接合層13として一体化される。
(Step S5)
As shown in FIG. 4E, the growth substrate 3 and the support substrate 11 are bonded together via the bonding layers 13 (13a, 13b) at a temperature of 280° C. and a pressure of 1 MPa, for example. By this treatment, the bonding layer 13 a on the growth substrate 3 and the bonding layer 13 b on the support substrate 11 are melted and integrated as the bonding layer 13 .

(ステップS6)
半導体積層体20側の面にレジストを塗布して保護した後、露出した成長基板3に対して、研削研磨処理又は塩酸系エッチャントによるウェットエッチング処理を行う。これにより、成長基板3が剥離されて、第二クラッド層27が露出する(図4F参照)。
(Step S6)
After the surface on the semiconductor laminate 20 side is coated with a resist to protect it, the exposed growth substrate 3 is subjected to a grinding and polishing process or a wet etching process using a hydrochloric acid-based etchant. As a result, the growth substrate 3 is peeled off to expose the second clad layer 27 (see FIG. 4F).

(ステップS7)
第二クラッド層27の上面の所定の位置に、上部電極40を形成する。詳細には以下の手順で行われる。
(Step S7)
An upper electrode 40 is formed at a predetermined position on the upper surface of the second clad layer 27 . The details are as follows.

まず、第二クラッド層27の上面にフォトレジストを塗布する。次に、上部電極40の形状に応じてパターニングされたフォトマスクを所定の位置に設置した状態で、フォトマスクを介して露光用の光を照射する。これにより、フォトレジストが上部電極40の形状にパターニングされ、レジストマスクが形成される。 First, a photoresist is applied to the upper surface of the second clad layer 27 . Next, while a photomask patterned according to the shape of the upper electrode 40 is placed at a predetermined position, light for exposure is applied through the photomask. Thereby, the photoresist is patterned into the shape of the upper electrode 40 to form a resist mask.

次に、上部電極40を構成する材料の膜を例えば真空蒸着装置を用いて成膜する。より詳細には、第一上部電極41を構成する膜の材料である、AuGe/Ni/Au又はAu/Ge/Au等を成膜する。次に、フォトレジストが剥離された後、例えば450℃、10分間の加熱処理(アニール処理)が施される。これにより、第一上部電極41が形成される。 Next, a film of a material forming the upper electrode 40 is formed using, for example, a vacuum deposition apparatus. More specifically, AuGe/Ni/Au, Au/Ge/Au, or the like, which is the material of the film forming the first upper electrode 41, is deposited. Next, after the photoresist is removed, heat treatment (annealing treatment) is performed at 450° C. for 10 minutes, for example. Thereby, the first upper electrode 41 is formed.

なお、この加熱処理によって、第一上部電極41を構成する金属材料と、第二クラッド層27を構成する半導体材料とが合金化されてなる合金層35が、第一上部電極41と第二クラッド層27との界面に形成される(図3A参照)。第二クラッド層27を構成する半導体材料として想定され得る、Al、Ga、In、As、P等は第一上部電極41を構成する金属材料としては用いられないため、第一上部電極41の直下を含む領域を例えばXRF等を用いて組成分析することで、合金層35の存在を検知できる。 It should be noted that the alloy layer 35 obtained by alloying the metal material forming the first upper electrode 41 and the semiconductor material forming the second clad layer 27 by this heat treatment forms the first upper electrode 41 and the second clad layer 27 . It forms at the interface with layer 27 (see FIG. 3A). Since Al, Ga, In, As, P, etc., which can be assumed as the semiconductor material forming the second clad layer 27, are not used as the metal material forming the first upper electrode 41, The presence of the alloy layer 35 can be detected by analyzing the composition of the region containing the by using, for example, XRF.

次に、第一上部電極41の上面の所定位置に第二上部電極42が形成される。より詳細には、密着層45を構成する膜の材料であるTi、第二上部電極42を構成する膜の材料であるTi/Au、Ti/Pt/Au等を、真空蒸着装置を用いて成膜した後、リフトオフ工程が行われる(図1,図2参照)。 Next, a second upper electrode 42 is formed at a predetermined position on the top surface of the first upper electrode 41 . More specifically, Ti, which is the material of the film forming the adhesion layer 45, and Ti/Au, Ti/Pt/Au, etc., which are the materials of the film forming the second upper electrode 42, are deposited using a vacuum deposition apparatus. After filming, a lift-off process is performed (see FIGS. 1 and 2).

(後の工程)
ステップS7以後は、例えば以下の工程が実行される。なお、以下の手順は適宜入れ替えることができる。
(Later process)
After step S7, for example, the following steps are executed. Note that the following procedures can be interchanged as appropriate.

上部電極40が形成されていない第二クラッド層27の表面に対してウェットエッチングが施され、凹凸部27aが形成される。その後、素子毎に分離するためのメサエッチングが施される。具体的には、第二クラッド層27の面のうちの非エッチング領域を、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によってマスクした状態で、臭素とメタノールの混合液によってウェットエッチング処理が行われる。これにより、マスクされていない領域内に位置する半導体積層体20の一部が除去される(図1参照)。 Wet etching is applied to the surface of the second cladding layer 27 on which the upper electrode 40 is not formed to form an uneven portion 27a. After that, mesa etching is performed for separating each device. Specifically, wet etching is performed with a mixture of bromine and methanol while the non-etching region of the surface of the second cladding layer 27 is masked with a resist patterned by photolithography. This removes a portion of the semiconductor stack 20 located within the unmasked region (see FIG. 1).

支持基板11の裏面側の厚みが調整された後、支持基板11の裏面側に裏面電極33が形成される。裏面電極33の具体的な形成方法としては、上部電極40と同様に、真空蒸着装置によって裏面電極33の形成材料(例えばTi/Pt/Au)を成膜後、リフトオフすることで形成できる。 After the thickness of the back side of the support substrate 11 is adjusted, the back electrode 33 is formed on the back side of the support substrate 11 . As a specific method of forming the back electrode 33, similarly to the upper electrode 40, the back electrode 33 can be formed by forming a film of the material (for example, Ti/Pt/Au) of the back electrode 33 with a vacuum deposition device and then lifting off the film.

なお、支持基板11の裏面側の厚みの調整は、必要に応じて行えばよく、必ずしも必須な工程ではない。また、厚みの程度も用途等に応じて適宜設定される。 Note that the adjustment of the thickness of the back side of the support substrate 11 may be performed as required, and is not necessarily an essential step. Also, the degree of thickness is appropriately set according to the application.

その後、支持基板11ごとダイシングされることで、チップ化される。 Thereafter, the support substrate 11 is diced into chips.

その後、各チップの第二上部電極42に対して、ボンディングワイヤが取り付けられる。 A bonding wire is then attached to the second top electrode 42 of each chip.

[検証1]
ステップS7において、第一上部電極41の形成の際に行われる加熱工程の加熱条件を異ならせた点を除き、他は同一の条件で各ステップを実行することで、複数種の赤外LED素子のサンプル#A1~#A4,#B1を製造した。なお、サンプル#B1は、ステップS7において加熱処理を行わずに製造されたサンプルであり、合金層35を備えていない点において、他のサンプル(#A1~#A4)とは異なっている。なお、各サンプル#A1~#A4,#B1のそれぞれは、同一の製造条件で複数個(約1000個)が製造された。
[Verification 1]
In step S7, the steps are performed under the same conditions except that the heating conditions of the heating process performed when forming the first upper electrode 41 are different. Samples #A1 to #A4 and #B1 were manufactured. Note that the sample #B1 is a sample manufactured without heat treatment in step S7, and is different from the other samples (#A1 to #A4) in that the alloy layer 35 is not provided. A plurality of samples (approximately 1000 pieces) of each of the samples #A1 to #A4 and #B1 were manufactured under the same manufacturing conditions.

各サンプル#A1~#A4について、SEM像に基づき合金層35の平均膜厚を計測した。平均膜厚は、各SEM像の15μm四方の範囲内から、均等に1μmごとに抽出された複数の計測点における合金層35の膜厚の平均値が採用された。それぞれの平均膜厚は、下記表1の通りである。なお、サンプル#B1については、合金層35が存在していないため、平均膜厚は0nmである。サンプル#B1が合金層35を有していない点は、念の為SEM像によっても確認された。 For each sample #A1 to #A4, the average film thickness of the alloy layer 35 was measured based on the SEM image. As the average film thickness, the average value of the film thickness of the alloy layer 35 at a plurality of measurement points uniformly extracted every 1 μm from within the 15 μm square range of each SEM image was adopted. Each average film thickness is as shown in Table 1 below. Note that sample #B1 does not have the alloy layer 35, so the average film thickness is 0 nm. The point that the sample #B1 does not have the alloy layer 35 was also confirmed by the SEM image just in case.

ワイヤボンディング工程の実行時に、上部電極40がワイヤに引っ張られて剥がれを生じたサンプルの比率(剥がれ率)を測定した。結果を表1に示す。 The ratio (peeling rate) of samples in which the upper electrode 40 was pulled by the wire and peeled off during the wire bonding process was measured. Table 1 shows the results.

Figure 2023008413000002
Figure 2023008413000002

表1によれば、合金層35が形成されていないサンプル#B1については、1000個の素子のうちの8個の素子に、上部電極4の剥がれが生じていた。これに対し、合金層35が形成されたサンプル#A1~#A4に属する素子は、いずれも上部電極40の剥がれが確認されなかった。この結果より、第一上部電極41の形成時に加熱工程を行って、第二クラッド層27と上部電極40との密着性を高めることで、ワイヤボンディング工程時における上部電極40の剥がれが抑制されることが分かる。 According to Table 1, in sample #B1 in which the alloy layer 35 was not formed, peeling of the upper electrode 4 occurred in 8 devices out of 1000 devices. On the other hand, peeling of the upper electrode 40 was not confirmed in any of the elements belonging to samples #A1 to #A4 in which the alloy layer 35 was formed. From this result, by performing the heating process when forming the first upper electrode 41 to increase the adhesion between the second cladding layer 27 and the upper electrode 40, peeling of the upper electrode 40 is suppressed during the wire bonding process. I understand.

[検証2]
上部電極40の剥がれが生じなかった各サンプル(#A1~#A4,#B1)に属する素子に対して、同一の順方向電流(20mA)を供給して点灯させて、光出力と合金層35の平均膜厚との関係、並びに順方向電圧と合金層35の平均膜厚との関係をそれぞれ計測した。この結果を図5及び図6に示す。なお、図5に示す光出力は、積分球によって測定された。
[Verification 2]
The same forward current (20 mA) was supplied to the elements belonging to the respective samples (#A1 to #A4, #B1) in which no peeling of the upper electrode 40 occurred to turn them on, and the light output and the alloy layer 35 were measured. and the average film thickness of the alloy layer 35 and the relationship between the forward voltage and the average film thickness of the alloy layer 35 were measured. The results are shown in FIGS. 5 and 6. FIG. The light output shown in FIG. 5 was measured with an integrating sphere.

図5によれば、合金層35の平均膜厚が270nm以上であるサンプル#A3及びサンプルA4は、平均膜厚が150nm以下であるサンプル#A1及びサンプル#A2と比べて、光出力が大きく低下していることが分かる。また、サンプル#A1及びサンプル#A2は、合金層35が形成されていないサンプル#B1とほぼ同等の光出力であることが分かる。 According to FIG. 5, sample #A3 and sample A4, in which the average film thickness of the alloy layer 35 is 270 nm or more, have significantly lower light output than sample #A1 and sample #A2, in which the average film thickness is 150 nm or less. I know you are. Also, it can be seen that sample #A1 and sample #A2 have substantially the same light output as sample #B1 in which the alloy layer 35 is not formed.

この結果から、サンプル#A3及びサンプルA4の場合、内部に存在する合金層35の膜厚が厚いため、合金層35内で吸収された赤外光Lの光量が比較的大きくなり、相対的に光出力が低下したものと推察される。 From this result, in the case of sample #A3 and sample A4, since the film thickness of the alloy layer 35 existing inside is large, the light amount of the infrared light L absorbed in the alloy layer 35 is relatively large. It is presumed that the optical output decreased.

一方、図6によれば、合金層35の平均膜厚が150nm以下であるサンプル#A1及びサンプル#A2は、合金層35の平均膜厚が270nm以上であるサンプル#A3及びサンプルA4と同等の順方向電圧が示されている。そして、合金層35を設けていないサンプル#B1は、サンプル#A1及びサンプル#A2と比べて、順方向電圧が大幅に上昇している。この結果から、合金層35の膜厚をある程度薄くした場合であっても、合金層35を全く設けない構成と比べると、順方向電圧を低下させる効果が得られることが分かる。また、合金層35の膜厚を厚膜化しても、順方向電圧を低下させる作用が大幅に高められるわけではないことが分かる。 On the other hand, according to FIG. 6, sample #A1 and sample #A2 in which the average thickness of the alloy layer 35 is 150 nm or less are equivalent to sample #A3 and sample A4 in which the average thickness of the alloy layer 35 is 270 nm or more. Forward voltage is shown. The forward voltage of the sample #B1 in which the alloy layer 35 is not provided is significantly higher than those of the samples #A1 and #A2. From this result, it can be seen that even when the film thickness of the alloy layer 35 is reduced to some extent, the effect of lowering the forward voltage can be obtained as compared with the structure in which the alloy layer 35 is not provided at all. Also, it can be seen that even if the film thickness of the alloy layer 35 is increased, the effect of lowering the forward voltage is not significantly enhanced.

以上の結果に鑑みれば、平均膜厚が150nm以下の合金層35を備えた赤外LED素子1によれば、上部電極40の膜剥がれの抑制と、順方向電圧の上昇の抑制を両立しながらも、光出力を高められることが分かる。なお、上記の検証からは、合金層35の平均膜厚が50nm~150nmであるのがより好ましいことが分かる。 In view of the above results, according to the infrared LED element 1 including the alloy layer 35 having an average film thickness of 150 nm or less, it is possible to suppress film peeling of the upper electrode 40 and suppress an increase in the forward voltage while simultaneously It can be seen that the light output can also be increased. From the above verification, it can be seen that the average film thickness of the alloy layer 35 is more preferably 50 nm to 150 nm.

[別実施形態]
図7に示すように、赤外LED素子1は、第二クラッド層27の上層に、第二クラッド層27よりもドーパントが高濃度にドープされたコンタクト層28を備えるものとしても構わない。上記実施形態のように、第二クラッド層27がn型半導体層である場合、コンタクト層28もn型半導体層で構成される。この場合、第二クラッド層27及びコンタクト層28が「第二半導体層」に対応する。
[Another embodiment]
As shown in FIG. 7 , the infrared LED element 1 may include a contact layer 28 doped with a dopant at a higher concentration than the second clad layer 27 above the second clad layer 27 . When the second cladding layer 27 is an n-type semiconductor layer as in the above embodiment, the contact layer 28 is also composed of an n-type semiconductor layer. In this case, the second cladding layer 27 and contact layer 28 correspond to the "second semiconductor layer".

一例として、コンタクト層28は、n型のInPで構成される。コンタクト層28の厚みは限定されないが、例えば10nm~1000nmであり、好ましくは、50nm~500nmである。コンタクト層28のn型ドーパント濃度は、好ましくは5×1017/cm3~1×1019/cm3であり、より好ましくは、1×1018/cm3~5×1018/cm3である。 As an example, the contact layer 28 is composed of n-type InP. Although the thickness of the contact layer 28 is not limited, it is, for example, 10 nm to 1000 nm, preferably 50 nm to 500 nm. The n-type dopant concentration of the contact layer 28 is preferably 5×10 17 /cm 3 to 1×10 19 /cm 3 , more preferably 1×10 18 /cm 3 to 5×10 18 /cm 3 . be.

図7に示す赤外LED素子1は、ステップS1で上述したエピタキシャル工程において、第二クラッド層27の形成前にコンタクト層28を形成する以外は、上記と同様の方法で製造される。 The infrared LED element 1 shown in FIG. 7 is manufactured in the same manner as described above, except that the contact layer 28 is formed before the second clad layer 27 is formed in the epitaxial process described above in step S1.

1 :赤外LED素子
3 :成長基板
11 :支持基板
13(13a,13b) :接合層
15 :反射層
16 :導電層
17 :絶縁層
20 :半導体積層体
21 :コンタクト層
23 :第一クラッド層
25 :活性層
27 :第二クラッド層
27a :凹凸部
28 :コンタクト層
31 :内部電極
33 :裏面電極
35 :合金層
40 :上部電極
41 :第一上部電極
42 :第二上部電極
45 :密着層
L :赤外光
Reference Signs List 1: Infrared LED element 3: Growth substrate 11: Support substrate 13 (13a, 13b): Bonding layer 15: Reflective layer 16: Conductive layer 17: Insulating layer 20: Semiconductor laminate 21: Contact layer 23: First clad layer 25: Active layer 27: Second clad layer 27a: Concavo-convex portion 28: Contact layer 31: Internal electrode 33: Back electrode 35: Alloy layer 40: Upper electrode 41: First upper electrode 42: Second upper electrode 45: Adhesion layer L: Infrared light

Claims (6)

ピーク発光波長が1000nm以上を示す赤外LED素子であって、
導電性の支持基板と、
前記支持基板の上層に形成された導電層と、
前記導電層の上層に形成された絶縁層と、
前記絶縁層の上層に形成された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形成された活性層と、
前記活性層の上層に形成され前記第一半導体層とは異なる導電型の第二半導体層と、
前記支持基板の主面に平行な方向に分散した複数の位置で前記絶縁層を貫通して前記第一半導体層と前記支持基板とを電気的に接続する内部電極と、
前記第二半導体層の上層に形成された上部電極と、
前記第二半導体層と前記上部電極との界面に形成され、前記上部電極の構成材料と前記第二半導体層の構成材料との合金からなり、平均膜厚が150nm以下の合金層とを備えたことを特徴とする、赤外LED素子。
An infrared LED element having a peak emission wavelength of 1000 nm or more,
a conductive support substrate;
a conductive layer formed on the support substrate;
an insulating layer formed on the conductive layer;
a p-type or n-type first semiconductor layer formed on the insulating layer;
an active layer formed on the first semiconductor layer;
a second semiconductor layer formed on the active layer and having a conductivity type different from that of the first semiconductor layer;
an internal electrode that penetrates the insulating layer at a plurality of positions dispersed in a direction parallel to the main surface of the supporting substrate and electrically connects the first semiconductor layer and the supporting substrate;
an upper electrode formed on the upper layer of the second semiconductor layer;
an alloy layer formed at the interface between the second semiconductor layer and the upper electrode, made of an alloy of the constituent material of the upper electrode and the constituent material of the second semiconductor layer, and having an average thickness of 150 nm or less. An infrared LED element characterized by:
前記第二半導体層はInPを含むことを特徴とする、請求項1に記載の赤外LED素子。 2. The infrared LED device according to claim 1, wherein said second semiconductor layer contains InP. 前記第二半導体層は、前記活性層側に位置するクラッド層と、前記クラッド層の上層に位置し前記クラッド層に対して組成及びドーパント濃度の少なくとも一方が異なるコンタクト層とを含み、
前記コンタクト層の構成材料は、前記ピーク発光波長の光エネルギーよりも高いバンドギャップエネルギーを有す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。
The second semiconductor layer includes a cladding layer located on the active layer side, and a contact layer located above the cladding layer and having at least one of a composition and a dopant concentration different from that of the cladding layer,
3. The infrared LED element according to claim 1, wherein a constituent material of said contact layer has a bandgap energy higher than the light energy of said peak emission wavelength.
前記合金層は、Geを含む材料からな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。 3. The infrared LED element according to claim 1, wherein said alloy layer is made of a material containing Ge. 前記第二半導体層は、前記合金層に隣接する箇所のドーパント濃度が5×1017/cm3~5×1018/cm3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。 3. The red semiconductor according to claim 1, wherein the second semiconductor layer has a dopant concentration of 5×10 17 /cm 3 to 5×10 18 /cm 3 in a portion adjacent to the alloy layer. Outer LED element. 前記支持基板の主面に直交する方向に見たときに、前記上部電極の占有面積は、前記第二半導体層の占有面積の20%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。 3. The method according to claim 1, wherein an area occupied by the upper electrode is 20% or less of an area occupied by the second semiconductor layer when viewed in a direction perpendicular to the main surface of the support substrate. An infrared LED device as described.
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