JP5167076B2 - 光半導体装置及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は発光ダイオード（LED）等の光半導体装置及びその製造方法に関する。

従来の光半導体装置として、GaAs成長基板上にGaAsと格子整合するAlGaInP発光層及びその上にGaAsと格子不整合のGaInP電流拡散層をエピタキシャル成長させ、さらにその上に反射層を化学的気相成長（CVD）法、スパッタリング法等によって形成した半導体積層体を得、次いで、この半導体積層体に支持基板を貼り合わせ、最後に、発光波長の可視光を吸収するGaAs成長基板を除去するものがある（参照：特許文献１、２）。このように、可視光吸収のGaAs成長基板の除去と共に、発光層から反射層へ放射された光は反射層で正反射されて光取り出し面に向かい、その光の一部が光取り出し面から取り出されるので、光の取り出し効率が向上する。

上述の従来の光半導体装置を図１３を参照して詳述する。

図１３の光半導体装置は、半導体積層体１、支持体２、半導体積層体１と支持体２とを接合する接合層３、及びｎ側電極４よりなる。

半導体積層体１は、GaAs成長基板（図示せず）上に有機金属化学気相成長（MOCVD）法によりエピタキシャル成長させたｎ型AlGaInPクラッド層１１、AlGaInP活性層１２、ｐ型AlGaInPクラッド層１３及びGaInP電流拡散層１４を有する。この場合、ｎ型AlGaInPクラッド層１１、AlGaInP活性層１２及びｐ型AlGaInPクラッド層１３はダブルヘテロ構造の発光層を形成する。また、ｎ型AlGaInPクラッド層１１、AlGaInP活性層１２及びｐ型AlGaInPクラッド層１３はGaAsと格子整合し、（Al_zGa_1-z）_1-xIn_xP（0≦z≦1、0≦x≦1）で表され、他方、GaInP電流拡散層１４はGaAsと格子整合せず、Ga_1-xIn_xP（0≦x≦1）で表される。

また、半導体積層体１は、GaInP電流拡散層１４下にCVD法等により形成されパターン化された酸化シリコン（SiO₂）層１５及びその下にスパッタリング法等により形成されたAuZn反射電極層（ｐ側電極）１６を有する。この場合、酸化シリコン層１５及び反射電極層１６は一体となって反射層として機能する。尚、通常、ｐ型AlGaInPクラッド層１３の抵抗率はｎ型AlGaInPクラッド層１１の抵抗率より大きいために、ｎ側電極４と反射電極層（ｐ側電極）１６との間の電流密度は周辺部より中心部が大きくなる。このような電流集中を分散してｐ型AlGaInPクラッド層１３の抵抗率を実質的に低下させて発光効率を向上させるためにGaInP電流拡散層１４が設けられている。

支持体２は、たとえばボロンドープドシリコンよりなる導電性支持基板２１、導電性支持基板２１の一方の面に設けられた中間電極層２２、及び導電性支持基板２１の他方の面に設けられた裏面電極層２３を有する。

接合層３は半導体積層体１及び支持体２を接合させるためのものであり、たとえば、Au、AuSnの接着層を有する。接合層３については、特許文献１、２を参照されたし。

図１３の光半導体装置においては、発光層（１１，１２，１３）より上方もしくは下方へ放射され光取り出し面（上面）において臨界角外で放射される光Pは光取り出し面（上面）及び反射層の反射面において光取り出し面（上面）及び反射面で多重反射を繰返して横方向つまり半導体積層体１内部を伝播し続けて最終的に半導体積層体１に吸収されて光取り出し面（上面）より取り出すことができない。

他方、図１３の光半導体装置においては、発光層（１１，１２，１３）から光取り出し面（上面）へ直接放射もしくは反射面（酸化シリコン層１５、反射電極層１６）から正反射される光Qは臨界角より小さい入射角を有すればフレネル反射成分Q1を除き成分Q2が光取り出し面から取り出される。たとえば、光半導体装置の光取り出し面がエポキシ樹脂（n=1.5）で包まれていれば、AlGaInPの屈折率nが3.3であるので、臨界角は27°となり、従って、光Qの光取り出し面での反射率は15%程度となり、この光Qの光取り出し効率は4.5%程度と低い。

上述の全反射及びフレネル反射を抑制して光取り出し効率を向上させるために、半導体層の光取り出し面側を２次元周期構造とすることが既に知られている。たとえば、図１４の（Ａ）に示すごとく、半導体層の光取り出し面側に２次元の凸部１０１を形成し（参照：特許文献３の図２の（ｃ））、また、図１４の（Ｂ）に示すごとく、半導体層の光取り出し面側に２次元の凹部１０２を形成し（参照：特許文献３の図７の（ｃ））、さらに、図１４の（Ｃ）に示すごとく、２次元の短形断面ライン状凸部１０３を形成する（参照：特許文献４の図６）。これにより、全反射成分の光を回折させて臨界角内光に変換して半導体層の光取り出し面の外で取り出すようにし、また、図１５に示すように、２次元周期構造の屈折率分布は半導体層の屈折率n_semi（=3.3）と外部媒体たとえば空気n_amb（=1.0）あるいはエポキシ樹脂n_ave（=1.5）との間をステップ状に変化するのでフレネル反射成分は抑制される。
特開２００６−８６２０８号公報 特開２００８−９８３３６号公報 特開２００５−５６７９号公報 特開２００４−１２８４４５号公報

しかしながら、上述の従来の半導体層の光取り出し面側を２次元周期構造とした場合、図１４の（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）に示すごとく、平坦部１０１ａ，１０２ａ，１０３ａは依然として大きく、この結果、全反射光成分を有効に臨界角内光に変換できず、また、図１５に示すごとく、屈折率差は存在するので、フレネル反射成分を完全に抑制することはできない。従って、全反射成分及びフレネル反射成分の抑制は未だ不充分であり、光取り出し効率は未だ低いという課題があった。

従って、本発明の目的は、全反射成分及びフレネル反射成分の両方を十分に抑制して光取り出し率を向上させた光半導体装置及びその製造方法を提供することにある。

上述の課題を解決するために、本発明に係る光半導体装置は、(Al_zGa_1-z)_xIn_1-xP半導体層（0≦z≦1、0≦x≦1）を具備する光半導体装置において、(Al_zGa_1-z)_xIn_1-xP半導体層の光取り出し面側を、断面形状が三角形を含む台形形状でありかつ側面が曲率を有する波状斜面であるライン状凸部よりなる波状斜面２次元周期凸構造とし、ライン状凸部の周期Lが、
λ/n ≦ L ≦ 3.5μm
但し、λは発光波長、
nは(Al _z Ga _1-z ) _x In _1-x P半導体層の屈折率
で表されるものである。これにより、平坦部は減少して全反射成分を有効に臨界角内光に変換して抑制すると共に、屈折率差を解消してフレネル反射成分を十分に抑制する。

また、本発明に係る光半導体装置の製造方法は、(Al_zGa_1-z)_xIn_1-xP半導体層（0≦z≦1、0≦x≦1）の光取り出し面側に２次元周期の凹部を形成する段階と、凹部が形成された(Al_zGa_1-z)_xIn_1-xP半導体層を異方性ウェットエッチング法によりエッチングすることにより (Al_zGa_1-z)_xIn_1-xP半導体層の光取り出し面側を、側面が波状斜面であるライン状凸部よりなる波状斜面２次元周期凸構造とする段階とを具備するものである。

本発明によれば、全反射成分及びフレネル反射成分の両方は十分に抑制されると共に、側面方向（横方向）に伝播する光も反射毎に角度変換されて臨界角内光となるので、光取り出し効率を向上できる。

図１は本発明に係る光半導体装置の実施の形態を示す断面図である。図１においては、図１３のｎ型AlGaInPクラッド層１１の代りに、側面が波状斜面であるライン状凸部よりなる波状斜面２次元周期凸構造Ｓを有するｎ型AlGaInPクラッド層１１’を設けてある。

図２は図１のｎ型AlGaInPクラッド層１１’の部分拡大斜視図である。図２において、ｎ型AlGaInPクラッド層１１’の波状斜面２次元周期凸構造Ｓは［１１０］方向に沿うライン状凸部１１１よりなり、ライン状凸部１１１の側面は波状斜面となっている。すなわち、ライン状凸部の周期Lは、
λ/n ≦ L ≦ 3.5μm
但し、λは真空中の発光波長、
nはｎ型AlGaInPクラッド層１１’の屈折率（=3.3）
で表される。ここで、周期Lが光学波長λ/n以上でないと、幾何学的反射の効果がなくなり、全反射成分を有効に臨界角内光に変換できない。また、MOCVD法で成長できるｎ型AlGaInPクラッド層１１’の最大厚さは3μm程度であるので、周期Lの最大厚さは3.5μm程度となる。好ましくは、上述の周期Lは、
λ/n ≦ L ≦ 1.2μm
で表される。

また、ライン状凸部１１１の高さHは、周期Lとの関係から、
0.8λ/n ≦ H ≦ 3.0μm
好ましくは、
0.8λ/n ≦ H ≦ 1.0μm
で表される。

ライン状凸部１１１の側面は、後述の製造工程により、波状の（１１１）Ａ面であり、また、平坦部は（１００）Ａ面であるので、ライン状凸部１１１の断面形状は三角形を含む台形となる。図３の（Ａ）に示すごとく、この台形の側面がなす角は54.7°である。尚、ｎ型AlGaInPクラッド層１１’を（１００）Ａ面から角（0〜20°）でオフしたGaAs成長基板（図示せず）上に形成した場合、図３の（Ｂ）に示すごとく、この波状斜面２次元周期凸構造も、±オフ角だけ傾く（θ=54.7°±オフ角）。

ライン状凸部１１１の台形断面形状の上辺Aは、
0 ≦ A ≦ L/2
で表され、底辺Bは、
0 ≦ B ≦ L
で表される。ここで、A=0の場合、台形断面形状は三角断面形状となる。また、上辺Aが小さい程、ライン状凸部１１１の平坦部が減少して全反射成分を抑制できる。しかし、上辺Aを小さくするために、ライン状凸部１１１の高さHを大きくする必要があるが、上述のごとく、ライン状凸部１１１の高さHは制限されている。他方、底辺Bを小さくすれば、ライン状凸部１１１の高さHを小さくして上辺Aを小さくできるが、この場合、より微細加工精度が必要である。このように、台形断面形状の上辺A及び底辺Bはｎ型AlGaInPクラッド層１１’の厚さ及び微細加工精度によって上述のごとく制限される。

波状斜面２次元周期凸構造においては、側面は波状斜面であり、その曲率ρは、製造工程の制限により、
L/2 ≦ ρ ≦ 10L
で表される。

上述のごとく、本発明による波状斜面２次元周期凸構造の幾何学的効果によれば、断面が台形（三角形も含む）であるので、臨界角外光は台形（三角形も含む）内で反射を繰返す。これにより、1回の反射では臨界角内光として取り出せなかった光成分の一部が光取り出し面側が取り出され、この結果、光取り出し効率を向上できる。

また、図４に示すように、波状斜面２次元周期凸構造の屈折率分布は半導体層の屈折率n_semi（=3.3）と外部媒体たとえば空気の屈折率n_amb（=1.0）あるいはエポキシ樹脂の屈折率n_ave（=1.5）との間を連続的に変化するので、屈折率差は存在せず、この結果、フレネル反射成分を大幅に抑制できる。

さらに、図５に示すごとく、波状斜面２次元周期凸構造の側面は上述の曲率ρを有する波状なので、点線矢印で示すごとく、側面方向（横方向）に伝播する光は反射毎に角度変換され、これにより、臨界角内光に変換されて光取り出し面から取り出され、光取り出し効率を向上できる。本発明の比較例として、図６に示すごとく、波状斜面の代りに、平面斜面を用いると、点線矢印で示すごとく、側面方向（横方向）に伝播する光は角度変換されず、従って、臨界角内光に変換されずに反射を繰返し、最終的にはｎ型AlGaInPクラッド層に吸収されてしまう。尚、図６の平面斜面２次元周期凸構造でも、上述の幾何学的効果及び連続的屈折率分布によるフレネル反射効果は本発明による波状斜面２次元周期凸構造と同様に得られる。

次に、図１の光半導体装置の製造方法を説明する。

始めに、たとえば4°オフ角の厚さ300μmのｎ型GaAs成長基板（図示せず）の（１００）面上に、3.0μm厚さのｎ型（Al_zGa_1-z）_0.5In_0.5Pクラッド層１１’（0.6≦z≦1.0）、0.5μm厚さの活性層１２及び1.0μm厚さのｐ型（Al_zGa_1-z）_0.505In_0.495Pクラッド層１３（0≦z≦1.0）をMOCVD法により順次エピタキシャル成長させる。活性層１２は多重量子井戸構造（MQW）でも単層でもよい。この場合、ｎ型クラッド層１１’、活性層１２及びｐ型クラッド層１３はGaAs成長基板と格子整合する。多重量子井戸構造としては、（Al_zGa_1-z）_0.5In_0.5Pの組成をz=0.10、厚さ20nmの井戸層、z=0.56、厚さ10nmのバリア層とし、15ペアの井戸層、バリア層で構成する。尚、Al組成zは発光波長に合せて0≦z≦0.7の範囲で調整される。次いで、10μm厚さのGa_1-xIn_xP電流拡散層１４（x=0.1）をMOCVD法によりエピタキシャル成長させる。この場合、Ga_1-xIn_xP電流拡散層１４の組成比xは発光層の光を吸収しないことを条件に定められる。

GaAs成長基板のオフ角は、GaAs成長基板の（１００）面がどの程度傾いているかを示す角度であり、AlGaInPを成長する場合、製造容易性や安定性の観点から一般的に0〜15°のオフ角の基板が用いられている。本発明は、上記オフ角に限定されることなく、0〜25°のオフ角のGaAs成長基板を好適に用いることができる。

次に、Ga_1-xIn_xP電流拡散層１４上に電子ビーム（EB）法、スパッタリング法、あるいはCVD法により酸化シリコン（SiO₂）層１５を形成し、フォトリソグラフィ／エッチング法により酸化シリコン（SiO₂）層１５の一部を除去し、さらに、Ga_1-xIn_xP電流拡散層１４及び 酸化シリコン層１５上にスパッタリング法によりAuZnよりなる反射電極層１６を形成する。この場合、酸化シリコン層１５がパターン化されるのはGa_1-xIn_xP電流拡散層１４とAuZn反射電極層１６との電気的接続をとるためである。酸化シリコン層１５及び反射電極層１６が一体となって反射層として機能する。尚、酸化シリコン層１５は他の透明な誘電体材料でもよく、また、反射電極層１６は他の高反射性金属でもよい。

次に、反射電極層１６の保護及び密着性を確保するために、Ta、TiW等のバリア層（図示せず）及びNi、Au等の接着層（図示せず）をスパッタリング法、電子ビーム蒸着法等によって形成する。

他方、ボロンドープドシリコンの支持基板２１の両面にPtよりなる中間電極層２２及び裏面電極層２３を形成し、中間電極層２２上にスパッタリング法、電子ビーム蒸着法等によりAuSnよりなる接着層及びAuSn共晶接合層（図示せず）を形成する。

次に、半導体積層体１側に形成された接着層と支持体２側に形成された接着層及び共晶接合層とを加熱圧着して接合する。これにより、図１の半導体積層体１と支持体２との間には、接着層及び共晶接合層等によりAuSnNiよりなる接合層３が新たに形成されることになる。

次に、GaAs成長基板（図示せず）をアンモニア、過酸化水素よりなるエッチャントを用いて除去する。

次に、ｎ型AlGaInPクラッド層１１’の波状斜面２次元周期凸構造Ｓを形成する。まず、ｎ型AlGaInPクラッド層１１’の異方性エッチング特性について図７を参照して説明する。

図７はｎ型AlGaInPクラッド層１１’の結晶格子を示す。図７において、（１１１）Ａ面は最表面がIII族元素Al、Ga、Inで構成された面、（１１１）Ｂ面は最表面がV族元素Pで構成された面を示す。この場合、エッチャントを硝酸系たとえば硝酸（HNO₃）を酢酸（CH₃COOH）もしくは水（H₂O）で希釈したものあるいは塩酸系たとえば塩酸（HCl）を酢酸（CH₃COOH）もしくは水（H₂O）で希釈したものを用いて異方性ウェットエッチングを行うと、（１１１）Ｂ面のエッチングレート＞（１１１）Ａ面のエッチングレートとなる。従って、（１００）面、（０１０）面あるいは（００１）面を上記エッチャントを用いてウェットエッチングを行うと、図７に示すように、（１１１）Ｂ面が早くエッチングされ、結果として、（１１１）Ａ面が表面に現れる。尚、（１１１）面は（１−１１）面、（１１−１）面、…等の集合を示す。

次に、図８の（Ａ）を参照すると、２次元周期の凹部の形成のために、レジスト層１１２によるマスクパターンをフォトリソグラフィ、電子線リソグラフィ、電子線（EB）描画装置、ナノインプリント、レーザ露光法等を用いて形成する。図８の（Ａ）においては、0.6μm周期の正方格子配列のマスクパターンであり、上述の周期L=0.6μmに相当する。

次に、図８の（Ｂ）を参照すると、図８の（Ａ）のレジスト層１１２のマスクパターンを用いてドライエッチング法によりエッチングし、これにより、深さ0.5μmの２次元周期の凹部１１３をｎ型AlGaInPクラッド層１１’に形成する。このとき、実際に得られた凹部１１３の走査型電子顕微鏡（SEM）写真を図９に示す。

次に、図８の（Ｃ）を参照すると、上述の硝酸系もしくは塩酸系のエッチャントを用いて異方性エッチングを行う。中途段階においても、エッチングレートが小さい（１１１）Ａ面が波状斜面となっている。

次に、図８の（Ｄ）を参照すると、上述の異方性エッチングが進むと、（１１１）Ａ面のエッチングレートが大きいので、［１１０］方向の凹部１１３がつながる。他方、（１１１）Ｂ面のエッチングレートは小さいので、［１１−０］方向の凹部１１３はつながらない。これにより、側面が波状斜面の曲率ρを有する波状斜面２次元周期凸構造Ｓが得られる。このとき、実際に得られた波状斜面２次元周期凸構造Ｓの走査型電子顕微鏡（SEM）写真を図１０に示す。

最後に、ｎ型クラッド層１１’上にAuGeNiよりなるｎ側電極４及びAuよりなるパッド（図示せず）を形成する。

図１１は本発明に係る光半導体装置の光取り出し効率を説明するためのグラフである。図１３の平面状のｎ型AlGaInPクラッド層１１を用いた場合の光取り出し効率を１とすれば、図８の（Ｂ）に示す２次元周期凸構造のみの場合には、光取り出し効率は約25％向上し、さらに、図８の（Ｄ）に示す波状斜面２次元周期凸構造の場合には、光取り出し効率は約40％向上することが分かった。

上述の実施の形態においては、図８の（Ａ）のマスクパターンを、図１２の（Ａ）に示すごとく、［１１０］方向の正方格子状に配列し、ライン状凸部１１１の周期Lを
L = a
但し、aは凹部１１３の周期
としたが、図１２の（Ｂ）に示すごとく、［１１０］方向に対して45°の正方格子状に配列し、
L = (1/√2)a
としてもよく、また、図１２の（Ｃ）に示すごとく、三角格子状に配列し、
L = (√3/2)a
としてもよい。図１２の（Ｂ）、（Ｃ）の場合、マスクの周期より小さな光取出し構造を高密度に製造できる点で有利である。

上述の実施の形態においては、ｎ型AlGaInPクラッド層１１’に波状斜面２次元周期凸構造Ｓを形成した後に、その上にｎ側電極４を形成しているが、ｎ側電極４を形成した後に、ｎ型AlGaInPクラッド層１１’に波状斜面２次元周期凸構造Ｓを形成してよい。この場合には、ｎ側電極４はｎ型AlGaInPクラッド層１１’の平坦部上に形成される。

本発明に係る光半導体装置の実施の形態を示す断面図である。 図１のｎ型AlGaInPクラッド層を示す斜視図である。 図１のGaAs成長基板のオフ角を説明する図である。 図２の屈折率分布を示すグラフである。 図２の側面方向の伝播光を説明する図である。 図５の比較例を示す図である。 図１のｎ型AlGaInPクラッド層の結晶格子を示す図である。 図１の光半導体装置の製造方法を説明するための平面図及び断面図である。 図８の（Ｂ）のドライエッチング後のｎ型AlGaInPクラッド層を示す走査型電子顕微鏡（SEM）写真を示す図である。 図８の（Ｄ）の異方性ウェットエッチング後のｎ型AlGaInPクラッド層を示す走査型電子顕微鏡（SEM）写真を示す図である。 本発明の光半導体装置の光取り出し効率を説明するグラフである。 図８の（Ｄ）の変更例を示す平面図である。 従来の光半導体装置を示す断面図である。 従来の２次元周期構造を示す断面図である。 図１４の屈折率分布を示すグラフである。

符号の説明

１：半導体積層体
２：支持体
３：接合層
４：ｎ側電極
１１，１１’：ｎ型クラッド層
１２：活性層
１３：ｐ型クラッド層
１４：電流拡散層
１５：SiO₂層
１６：反射電極層（ｐ側電極）
２１：導電性支持基板
２２：中間電極層
２３：裏面電極層
１０１：凸部
１０１ａ：平坦部
１０２：凹部
１０２ａ：平坦部
１０３：短形断面ライン状部
１０３ａ：平坦部
１１１：ライン状凸部
１１２：レジスト層
１１３：凹部
Ｓ：波状斜面２次元周期凸構造

Claims (9)

1. (Al_zGa_1-z)_xIn_1-xP半導体層（0≦z≦1、0≦x≦1）を具備する光半導体装置において、
   該(Al_zGa_1-z)_xIn_1-xP半導体層の光取り出し面側を、断面形状が三角形を含む台形形状でありかつ側面が曲率を有する波状斜面であるライン状凸部よりなる波状斜面２次元周期凸構造とし、
   前記ライン状凸部の周期Lが、
   λ/n ≦ L ≦ 3.5μm
   但し、λは発光波長、
   nは前記(Al _z Ga _1-z ) _x In _1-x P半導体層の屈折率
   で表されることを特徴とする光半導体装置。
2. 前記ライン状凸部が前記(Al_zGa_1-z)_xIn_1-xP半導体層の［１１０］方向に沿っている請求項１に記載の光半導体装置。
3. 前記ライン状凸部の波状斜面が前記(Al_zGa_1-z)_xIn_1-xP半導体層の（１１１）Ａ（III族）面である請求項１に記載の光半導体装置。
4. 前記ライン状凸部の高さHが、
   0.8λ/n ≦ H ≦ 3.0μm
   但し、λは発光波長、
   nは前記(Al_zGa_1-z)_xIn_1-xP半導体層の屈折率
   で表される請求項１に記載の光半導体装置。
5. 前記台形形状の上辺の長さAが、
   0 ≦ A ≦ L/2
   で表され、
   前記台形形状の底辺の長さBが、
   L/2 ≦ B ≦ L
   で表される請求項１に記載の光半導体装置。
6. 前記ライン状凸部の波状斜面の前記曲率ρが、
   L/2 ≦ ρ ≦ 10L
   で表される請求項１に記載の光半導体装置。
7. (Al_zGa_1-z)_xIn_1-xP半導体層（0≦z≦1、0≦x≦1）の光取り出し面側に２次元周期の凹部を形成する段階と、
   該凹部が形成された(Al_zGa_1-z)_xIn_1-xP半導体層を異方性ウェットエッチング法によりエッチングすることにより前記(Al_zGa_1-z)_xIn_1-xP半導体層の光取り出し面側を、側面が波状斜面であるライン状凸部よりなる波状斜面２次元周期凸構造とする段階と
   を具備する光半導体装置の製造方法。
8. 前記２次元周期の凹部は正方格子状に配列された請求項７に記載の光半導体装置の製造方法。
9. 前記２次元周期の凹部は三角格子状に配列された請求項７に記載の光半導体装置の製造方法。

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