JP6088132B2 - 発光ダイオード及びその製造方法 - Google Patents
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Description
図12は、基板131上に、下部ミラー層132と、活性層133と、上部ミラー層134と、コンタクト層135とを順に備えた共振器型発光ダイオードであって、活性層133と、上部ミラー層134と、コンタクト層135とをピラー構造137とし、ピラー構造137及びその周囲を保護膜138で被覆し、その保護膜138上に電極膜139を形成し、ピラー構造137の頂面137a(光取り出し面)において電極膜139に光出射用の開口139aを形成した共振器型発光ダイオードを示す。符号140は裏面電極である。
本発明は、さらに、安定で高輝度の発光が担保されていると共に、側面の劣化が防止され、高信頼性及び長寿命化が図られた発光ダイオード、及び、その製造方法を提供することを目的とする。
(1)基板上に反射層と活性層を順に含む化合物半導体層とを備え、光射出孔から光を外部に射出する発光ダイオードであって、上面及び側面を有する支持構造部と、該支持構造部上に配置し、傾斜側面及び頂面を有するメサ型構造部とからなり、前記メサ型構造部は少なくとも前記活性層の一部を含むものであって、前記傾斜側面はウェットエッチングによって形成されてなると共に前記頂面に向かって水平方向の断面積が連続的に小さく形成されてなり、前記支持構造部及び前記メサ型構造部はそれぞれ、少なくとも一部は保護膜、第1の電極膜によって順に覆われてなり、前記保護膜は、前記上面の少なくとも一部と、前記メサ型構造部の前記傾斜側面と、前記メサ型構造部の前記頂面の周縁領域とを覆うとともに、平面視して前記周縁領域の内側であってかつ前記光射出孔の周囲に配置して、前記化合物半導体層の表面の一部を露出する通電窓を有し、前記第1の電極膜は、前記通電窓から露出された化合物半導体層の表面に直接接触すると共に、前記上面上に形成された保護膜の一部を少なくとも覆い、前記メサ型構造部の頂面上に光射出孔を有するように形成された連続膜であり、前記基板の反射層とは反対側に、平面視して前記光射出孔に重なる範囲内に第2の電極膜を備えた、ことを特徴とする発光ダイオード。
(2)基板上に反射層と活性層を順に含む化合物半導体層とを備え、光射出孔から光を外部に射出する発光ダイオードであって、上面及び側面を有する支持構造部と、該支持構造部上に配置し、傾斜側面及び頂面を有するメサ型構造部とからなり、前記支持構造部は少なくとも前記反射層の一部を含むものであって、その側面は、ウェットエッチングによって形成され、前記上面から前記基板側に少なくとも前記反射層を越える位置まで延在する傾斜部を含み、該傾斜部を含む水平方向の断面積が前記上面に向かって連続的に小さく形成されてなり、前記メサ型構造部は少なくとも前記活性層の一部を含むものであって、前記傾斜側面はウェットエッチングによって形成されてなると共に前記頂面に向かって水平方向の断面積が連続的に小さく形成されてなり、前記支持構造部及び前記メサ型構造部はそれぞれ、少なくとも一部は保護膜、第1の電極膜によって順に覆われてなり、前記保護膜は、前記上面の少なくとも一部と、前記側面のうち少なくとも傾斜部と、前記メサ型構造部の前記傾斜側面と、前記メサ型構造部の前記頂面の周縁領域とを覆うとともに、平面視して前記周縁領域の内側であってかつ前記光射出孔の周囲に配置して、前記化合物半導体層の表面の一部を露出する通電窓を有し、前記第1の電極膜は、前記通電窓から露出された化合物半導体層の表面に直接接触すると共に、前記上面上に形成された保護膜の一部を少なくとも覆い、前記メサ型構造部の頂面上に光射出孔を有するように形成された連続膜であり、前記基板の反射層とは反対側に、平面視して前記光射出孔に重なる範囲内に第2の電極膜を備えた、ことを特徴とする発光ダイオード。
(3)前記反射層がDBR反射層であることを特徴とする(1)又は(2)のいずれかに記載の発光ダイオード。
(4)前記活性層の基板とは反対側に上部DBR反射層を備えることを特徴とする(3)に記載の発光ダイオード。
(5)前記傾斜部が二以上の傾斜部分からなり、各傾斜部分を含む水平方向の断面積はそれぞれ前記上面に向かって連続的に小さく、前記上面に近い傾斜部分を含む水平方向の断面積の方が前記上面に遠い傾斜部分を含む水平方向の断面積よりも小さいことを特徴とする(1)〜(4)のいずれか一項に記載の発光ダイオード。
(6)前記第1の電極膜及び/又は前記保護膜上に光漏れ防止膜を備えたことを特徴とする(1)〜(5)のいずれか一項に記載の発光ダイオード。
(7)前記化合物半導体層が、前記電極膜に接触するコンタクト層を有することを特徴とする(1)〜(6)のいずれか一項に記載の発光ダイオード。
(8)前記メサ型構造部が前記活性層のすべてと、前記反射層の一部または全部を含むことを特徴とする(1)〜(7)のいずれか一項に記載の発光ダイオード。
(9)前記メサ型構造部は平面視して矩形であることを特徴とする(1)〜(8)のいずれか一項に記載の発光ダイオード。
(10)前記メサ型構造部の各傾斜側面は前記基板のオリエンテーションフラットに対してオフセットして形成されていることを特徴とする(9)に記載の発光ダイオード。
(11)前記メサ型構造部の高さが3〜7μmであって、平面視した前記傾斜側面の幅が0.5〜7μmであることを特徴とする(1)〜(10)のいずれか一項に記載の発光ダイオード。
(12)前記光射出孔は平面視して円形又は楕円であることを特徴とする(1)〜(11)のいずれか一項に記載の発光ダイオード。
(13)前記光射出孔の径が50〜150μmであることを特徴とする(12)に記載の発光ダイオード。
(14)前記第1の電極膜の前記上面上の部分にボンディングワイヤを有することを特徴とする(1)〜(13)のいずれか一項に記載の発光ダイオード。
(15)前記活性層に含まれる発光層が多重量子井戸からなることを特徴とする(1)〜(14)のいずれか一項に記載の発光ダイオード。
(16)前記活性層に含まれる発光層が((AlX1Ga1−X1)Y1In1−Y1P(0≦X1≦1,0<Y1≦1)、(AlX2Ga1−X2)As(0≦X2≦1)、(InX3Ga1−X3)As(0≦X3≦1))のいずれかからなることを特徴とする(1)〜(15)のいずれか一項に記載の発光ダイオード。
(17)基板上に反射層と活性層を順に含む化合物半導体層とを備え、光射出孔から光を外部に射出する発光ダイオードの製造方法であって、基板上に、反射層と活性層を含む化合物半導体層とを形成する工程と、前記基板の反射層とは反対側に、平面視して形成予定の前記光射出孔に重なる範囲内に第2の電極膜を形成する工程と、前記化合物半導体層をウェットエッチングして、頂面に向かって水平方向の断面積が連続的に小さく形成されてなるメサ型構造部と該メサ型構造部の周囲に配置する上面とを形成する工程と、前記上面の少なくとも一部と、前記メサ型構造部の前記傾斜側面と、前記メサ型構造部の前記頂面の周縁領域とを少なくとも覆うとともに、平面視して前記周縁領域の内側であってかつ前記光射出孔の周囲に配置して、前記化合物半導体層の表面の一部を露出する通電窓を有する保護膜を形成する工程と、前記通電窓から露出された化合物半導体層の表面に直接接触すると共に、前記上面上に形成された保護膜の一部を少なくとも覆い、前記メサ型構造部の頂面上に光射出孔を有するように形成された連続膜である第1の電極膜を形成する工程と、を有することを特徴とする発光ダイオードの製造方法。
(18)基板上に反射層と活性層を順に含む化合物半導体層とを備え、光射出孔から光を外部に射出する発光ダイオードの製造方法であって、基板上に、反射層と活性層を含む化合物半導体層とを形成する工程と、前記基板の反射層とは反対側に、平面視して形成予定の前記光射出孔に重なる範囲内に第2の電極膜を形成する工程と、前記化合物半導体層に第1のウェットエッチングを行って、頂面に向かって水平方向の断面積が連続的に小さく形成されてなるメサ型構造部と、該メサ型構造部の周囲に配置する、支持構造部の上面とを形成する工程と、個片化用切断ラインに沿って第2のウェットエッチングを行って、支持構造部の側面の傾斜部を形成する工程と、前記傾斜部と前記上面の少なくとも一部と、前記メサ型構造部の前記傾斜側面と、前記メサ型構造部の前記頂面の周縁領域とを少なくとも覆うとともに、平面視して前記周縁領域の内側であってかつ前記光射出孔の周囲に該光射出孔を囲繞するように配置して、前記化合物半導体層の表面の一部を露出する通電窓を有する保護膜を形成する工程と、前記通電窓から露出された化合物半導体層の表面に直接接触すると共に、前記上面上に形成された保護膜の一部を少なくとも覆い、前記メサ型構造部の頂面上に光射出孔を有するように形成された連続膜である第1の電極膜を形成する工程と、を有することを特徴とする発光ダイオードの製造方法。
(19)前記第1及び第2のウェットエッチングを、リン酸/過酸化水素水混合液、アンモニア/過酸化水素水混合液、ブロムメタノール混合液、ヨウ化カリウム/アンモニアの群から選択される少なくとも1種以上を用いて行うことを特徴とする(17)又は(18)のいずれかに記載の発光ダイオードの製造方法。
本発明の発光ダイオードによれば、上面及び側面を有する支持構造部と、該支持構造部上に配置し、傾斜側面及び頂面を有するメサ型構造部とからなる構成を採用したので、高い光出力が得られると共に射出させた光を光学部品等に効率良く取り込むことが可能である。
本発明の発光ダイオードによれば、メサ型構造部の傾斜側面はウェットエッチングによって形成されてなると共に頂面に向かって水平方向の断面積が連続的に小さく形成されてなる構成を採用したので、垂直側面の場合に比べて側面に保護膜及びその上の電極膜を形成しやすいために均一な膜厚で連続な膜が形成されるため、不連続な膜に起因したリークや通電不良がなく、安定で高輝度の発光が担保されている。かかる効果は、ウェットエッチングによって形成されてなる傾斜側面を有するメサ型構造部を備えていれば奏する効果であり、発光ダイオードの内部の積層構造や基板の構成によらずに得られる効果である。
本発明の発光ダイオードの製造方法によれば、化合物半導体層をウェットエッチングして、頂面に向かって水平方向の断面積が連続的に小さく形成されてなるメサ型構造部と該メサ型構造部の周囲に配置する上面とを形成する工程と、メサ型構造部の周縁領域の内側であってかつ光射出孔の周囲に配置して、化合物半導体層の表面の一部を露出する通電窓を有するように保護膜を形成する工程と、通電窓から露出された化合物半導体層の表面に直接接触すると共に、上面上に形成された保護膜の一部を少なくとも覆い、メサ型構造部の頂面上に光射出孔を有するように形成された連続膜である第1の電極膜を形成する工程と、を有する構成を採用したので、高い光出力を有すると共に射出させた光を光学部品等に効率良く取り込むことが可能であると共に、垂直側面の場合に比べて傾斜斜面に保護膜及びその上の電極膜を形成しやすいために均一な膜厚で連続な膜が形成されるため、不連続な膜に起因したリークや通電不良がなく、安定で高輝度の発光が担保された発光ダイオードを製造することができる。従来の異方性のドライエッチングによりピラー構造を形成すると側面が垂直に形成されるが、ウェットエッチングによりメサ型構造部を形成することにより、側面を緩やかな傾斜の側面を形成することができる。また、ウェットエッチングによりメサ型構造部を形成することにより、従来のドライエッチングによってピラー構造を形成する場合に比べて形成時間が短縮することができる。
なお、本発明の効果を損ねない範囲で以下に記載していない層を備えてもよい。
図1に、本発明を適用した第1の実施形態の発光ダイオードの一例である共振器型発光ダイオードの断面模式図である。図2は、図1で示した発光ダイオードを含むウェハ上に形成された発光ダイオードの斜視図である。
また、本実施形態では、反射層2はDBR反射層(下部DBR反射層)であり、活性層3の基板1と反対側に上部DBR反射層4に備え、化合物半導体層は第1の電極膜9に接触するコンタクト層5を有するものである。
また、メサ型構造部7は、平面視して矩形であり、第1の電極膜9の光射出孔9bは平面視して円形である。メサ型構造部7の平面視は矩形に限定されず、また、光射出孔9bの平面視も円形に限定されない。
メサ型構造部7の第1の電極膜上に、側面からの光の漏れを防止するための光漏れ防止膜16を備えている。
図1で示した例の場合、メサ型構造部7の内部は、コンタクト層5と、上部DBR反射層4と、活性層3の全層とを含む。メサ型構造部7の内部には、活性層3の一部だけを含んでもよいが、活性層3の全層がメサ型構造部7の内部に含まれるのが好ましい。活性層3で発光した光を全てメサ型構造部内で生ずることになり、光取り出し効率が向上するからである。また、メサ型構造部7の内部に下部DBR反射層2の一部を含んでもよい。
また、高さが7μmを超えるまでウェットエッチングを行うと、傾斜側面がオーバーハング形状(逆テーパ状)になりやすくなるので好ましくない。オーバーハング形状(逆テーパ状)では保護膜や電極膜を均一な膜厚で不連続箇所なく形成することが垂直側面の場合よりもさらに困難になる。
なお、本明細書において、高さhとは、上面6a上の保護膜を介して形成された電極膜9(符号9cの部分)の表面から、保護膜8の符号8baの部分を覆う電極膜9(符号9baの部分)の表面までの垂直方向の距離(図1参照)をいう。また、幅wとは、保護膜8の符号8baの部分を覆う電極膜9(符号9baの部分)のエッジからそのエッジにつながった傾斜側面の電極膜9(符号9aの部分)の最下のエッジの水平方向の距離(図1参照)をいう。
図3で示した例の層構成は、コンタクト層がAl0.3Ga0.7Asからなり、層厚が3μmである点以外は、後述する実施例と同様な構成である。
図3で示した例では、高さhは7μmであり、幅wは3.5〜4.5μmであった。
第1の電極膜のうち通電窓を埋めた部分(「コンタクト部分9bb」)と、平面視して、通電窓8bの内側に配置する光射出孔9bに重なる範囲内に形成された第2の電極膜10との間に電流が集中することにより、活性層3のうち光射出孔9bの直下の部分で発光する光の量がその直下以外の部分で発光する光の量に比べて多くなり、その結果、光射出孔に向かう光の割合が高くなり、光取り出し効率が向上する。
本実施形態の通電窓8bは、メサ型構造部7の頂面7bにおいてコンタクト層5の表面のうち、周縁領域7baの下に位置する部分8baと中央部分を覆う部分8dの下に位置する部分との間の径の異なる2つの同心円間の領域を露出する。
通電窓8bの形状に制限はない。環状でなくてもよく、連続するものでなく離散する複数の領域からなってもよい。
従って、第1の機能を持たせるように、メサ型構造部7の頂面7bの一部に通電窓8bを形成する構成であれば、通電窓8bの形状や位置は図1のような形状や位置に限定されない。
なお、後述する第2の実施形態では、光射出孔の下に保護膜を有さず、保護膜を介さずに光射出孔9bから直接、光を取り出す構成であり、第2の機能を有さない。
なお、本実施形態では、この保護膜8(8d)越しに光を取り出すので、保護膜8は透光性を有する必要がある。
第2の機能については非透光性の保護膜を用いることにより、その保護膜に担わせる構成でもよい。
また、第1の電極膜9の膜厚は、0.5〜2.0μmが好ましい。0.5μm未満では均一かつ良好なオーミックコンタクトを得ることが困難な上、ボンディング時の強度、厚みが不十分だからであり、2.0μmを超えるとコストがかかり過ぎるからである。
DBR反射層の材料は発光波長に対して透明であることが好ましく、又、DBR反射層を構成する2種類の材料の屈折率の差が大きくなる組み合わせとなるよう選択されるのが好ましい。
下部DBR反射層2を構成する屈折率の異なる2種類の層は、組成の異なる2種類の(AlXhGa1−Xh)Y3In1−Y3P(0<Xh≦1、Y3=0.5)、(AlXlGa1−Xl)Y3In1−Y3P;0≦Xl<1、Y3=0.5)の対であり、両者のAlの組成差ΔX=xh−xlが0.5より大きいか又は等しくなる組み合わせか、又は、GaInPとAlInPの組み合わせか、又は、組成の異なる2種類のAlxlGa1−xlAs(0.1≦xl≦1)、AlxhGa1−xhAs(0.1≦xh≦1)の対であり、両者の組成差ΔX=xh−xlが0.5より大きいか等しくなる組み合わせかのいずれかから選択されるのが効率よく高い反射率が得られることから望ましい。
組成の異なるAlGaInPの組み合わせは、結晶欠陥を生じやすいAsを含まないので好ましく、GaInPとAlInPはその中で屈折率差を最も大きくとれるので、反射層の数を少なくすることができ、組成の切り替えも単純であるので好ましい。また、AlGaAsは、大きな屈折率差をとりやすいという利点がある。
井戸層17の材料として(AlX1Ga1−X1)Y1In1−Y1P(0≦X1≦1,0<Y1≦1)を用いた場合、バリア層18の材料としてよりAl組成の高い(AlX4Ga1−X4)Y1In1−Y1P(0≦X4≦1,0<Y1≦1,X1<X4)または井戸層(AlX1Ga1−X1)Y1In1−Y1P(0≦X1≦1,0<Y1≦1)よりバンドギャップエネルギーが大きくなるAlGaAsを用いることができる。
井戸層17の材料として(AlX1Ga1−X1)Y1In1−Y1P(0≦X1≦1,0<Y1≦1)を用いた場合、ガイド層14の材料としてよりAl組成の高い(AlX4Ga1−X4)Y1In1−Y1P(0≦X4≦1,0<Y1≦1,X1<X4)または井戸層(AlX1Ga1−X1)Y1In1−Y1P(0≦X1≦1,0<Y1≦1)よりバンドギャップエネルギーが大きくなるAlGaAsを用いることができる。
井戸層17の材料として(AlX1Ga1−X1)Y1In1−Y1P(0≦X1≦1,0<Y1≦1)を用いた場合、クラッド層15の材料としてよりAl組成の高い(AlX4Ga1−X4)Y1In1−Y1P(0≦X4≦1,0<Y1≦1,X1<X4)または井戸層(AlX1Ga1−X1)Y1In1−Y1P(0≦X1≦1,0<Y1≦1)よりバンドギャップエネルギーが大きくなるAlGaAsを用いることができる。
また、下部クラッド層11及び上部クラッド層15のキャリア濃度及び厚さは、公知の好適な範囲を用いることができ、活性層11の発光効率が高まるように条件を最適化することが好ましい。なお、下部および上部クラッド層は設けなくてもよい。
また、下部クラッド層11及び上部クラッド層15の組成を制御することによって、化合物半導体層20の反りを低減させることができる。
図5に、本発明を適用した第2の実施形態の発光ダイオードの一例である共振器型発光ダイオードの例を示した断面模式図を示す。
第1の実施形態では、支持構造部の側面は垂直であったが、第2の実施形態は、その側面がウェットエッチングによって形成され、支持構造部の上面から基板側に少なくとも反射層を越える位置まで延在する傾斜部を含む構成である。
以下では、主に第1の実施形態と異なる構成について説明する。
本実施形態では、支持構造部6の側面6bは、傾斜部6ba(本実施形態では、反射層2の側面と基板1の側面とからなる)と、基板の側面の一部6bbとからなる。
本実施形態では、支持構造部6の側面6bの傾斜部6ba上に保護膜を介して光漏れ防止膜24を備えている。
また、ウェットエッチングによって傾斜部を深く(高く)形成すると、横方向にもエッチングが進むのでメサ型構造部が小さくなり発光面積が小さくなるという問題や、傾斜部において傾斜の角度が垂直に近い範囲が長くなるという問題や、エッチングの異方性の影響で平面視して縦と横のエッチング速度が異なるため一方向だけより深く形成されてしまうという問題もあるので、傾斜部を深く(高く)形成する場合には複数段の傾斜部分からなるのが好ましい。
本実施形態の通電窓8bは、メサ型構造部7の頂面7bにおいてコンタクト層5の表面のうち、周縁領域7baの下に位置する部分8baと中央部分を覆う部分8dの下に位置する部分との間の径の異なる2つの同心円間の領域を露出する。
保護膜8が側面6bのうち少なくとも傾斜部6baを覆う部分8fを備え、支持構造部の反射層の側面を被覆しているので、反射層の側面が大気や水分と接触して劣化することが防止され、高信頼性及び長寿命化が図られている。
図5で示す光漏れ防止膜24は、傾斜部6ba上(保護膜8fを介して)及び上面6aの電極膜9c上の一部にのみ備えられているが、さらに、支持構造部6の上面6aの他の部分やメサ型構造部7上に形成されてもよい。
図6に、本発明を適用した第3の実施形態の発光ダイオード一例である共振器型発光ダイオードの例を示した断面模式図を示す。
第1の実施形態では、光射出孔の下に保護膜が形成されており、メサ型構造部の頂面において保護膜を介して光射出孔から光を取り出す構成であったが、第3の実施形態は、光射出孔の下に保護膜を有さず、保護膜を介さずに光射出孔9bから直接、光を取り出す構成である。かかる構成を第2の実施形態に適用してもよい。
すなわち、第3の実施形態に係る共振器型発光ダイオード300では、保護膜28は、上面6aの少なくとも一部28cと、メサ型構造部7の傾斜側面7aと、メサ型構造部7の頂面7bの周縁領域7baとを覆うとともに、平面視して周縁領域7baの内側にコンタクト層5の表面を露出する通電窓28bを有し、電極膜29は、保護膜28を介して上面6aの少なくとも一部と、保護膜28を介してメサ型構造部7の傾斜側面7aと、保護膜28を介してメサ型構造部7の頂面7bの周縁領域7baとを覆い、さらに、メサ型構造部7の頂面において通電窓28bから露出するコンタクト層5の表面の一部だけを覆ってコンタクト層5の表面の他の部分5aを露出する光射出孔29bを有し、基板1の反射層2とは反対側に、平面視して光射出孔9bに重なる範囲内に第2の電極膜10を備えている。
第3の実施形態の第1の電極膜(おもて面電極層)29では、部分29bbが上記の第1の機能及び第2の機能の両方を担っている。
図7に、本発明を適用した第4の実施形態の発光ダイオード一例である発光ダイオードの例を示した断面模式図を示す。
第4の実施形態の発光ダイオード400は、第1の実施形態の発光ダイオードと比較すると、上部DBR反射層がなく、その替わりに電流拡散層40を備えた点が異なる。
本実施形態は上部DBR反射層を備えないので共振器型の発光ダイオードではない。
電流拡散層40の厚さとしては、0.1μm以上10μm以下であることが好ましい。
0.1μm未満では電流拡散効果が不十分だからであり、10μmを超えると効果に対しエピタキシャル成長に係わるコストが大きすぎるからである。
次に、本発明の発光ダイオードの製造方法の一実施形態として、第1の実施形態の発光ダイオードの製造方法を説明する。
図8は、発光ダイオードの製造方法の一工程を示す断面摸式図である。また、図9は、図8の後の一工程を示す断面摸式図である。
まず、図8に示す化合物半導体層20を作製する。
化合物半導体層20は、基板1上に、下部DBR反射層2と、活性層3と、上部DBR反射層4と、コンタクト層5とを順次積層して作製する。
緩衝層には、欠陥の伝搬を低減するために基板と異なる材質からなる多層膜を用いることもできる。緩衝層の厚さは、0.1μm以上とすることが好ましく、0.2μm以上とすることがより好ましい。
さらに、各層のキャリア濃度及び層厚、温度条件は、適宜選択することができる。
次に、図8に示すように、基板1の裏面に、平面視して形成予定の光射出孔9bに重なる範囲内に第2の電極膜(裏面電極)10を形成する。第2の電極膜(裏面電極)10は公知の方法によって形成することができる。
具体的には、例えば、基板1がn型基板である場合には、基板1の裏面1A全面に例えば蒸着法によって、Au膜、AuGe膜を順に成膜する。次に、フォトリソグラフィの手法を用いて、その膜をパターニングして、所定の位置に、n型オーミック電極の第2の電極膜10を形成する。
次に、メサ型構造部(保護膜及び電極膜を除く)を形成するために、メサ型構造部以外の部分の化合物半導体層すなわち、コンタクト層5と活性層4の少なくとも一部と、又は、コンタクト層5と活性層4と接合(コンタクト)層3の少なくとも一部とをウェットエッチングする。
具体的には、まず、図9に示すように、化合物半導体層の最上層であるコンタクト層上にフォトレジストを堆積し、フォトリソグラフィによりメサ型構造部以外に開口23aを有するレジストパターン23を形成する。
メサ型構造部の平面視形状はレジストパターン23の開口23aの形状によって決まる。レジストパターン23に所望の平面視形状に対応する形状の開口23aを形成する。
レジストパターンにおいてメサ型構造部形成予定箇所の大きさを、「メサ型構造部」の頂面より各辺上下左右10μm程度大きめに形成するのが好ましい。
また、エッチングの深さすなわち、化合物半導体層のうち、どの層までエッチング除去するかは、エッチャントの種類及びエッチング時間によって決まる。
ウェットエッチングを行った後に、レジストを除去する。
ウェットエッチングに用いるエッチャントとしては限定的ではないが、AlGaAs等のAs系の化合物半導体材料に対してはアンモニア系エッチャント(例えば、アンモニア/過酸化水素水混合液)が適しており、AlGaInP等のP系の化合物半導体材料に対してはヨウ素系エッチャント(例えば、ヨウ化カリウム/アンモニア)が適しており、リン酸/過酸化水素水混合液はAlGaAs系に、ブロムメタノール混合液はP系に適している。
また、As系のみで形成されている構造では燐酸混合液、As/P系が混在している構造ではAs系構造部にアンモニア混合液、P系構造部にヨウ素混合液を使用してもよい。
例えば、P系の層のエッチングにはヨウ素系エッチャントを用い、As系のコンタクト層及び発光層のエッチングにはアンモニア系エッチャントを用いることが好ましい。
ヨウ素系エッチャントとしては例えば、ヨウ素(I)、ヨウ化カリウム(KI)、純水(H2O)、アンモニア水(NH4OH)を混合したエッチャントを用いることができる。
また、アンモニア系エッチャントとしては例えば、アンモニア/過酸化水素水混合液(NH4OH:H2O2:H2O)を用いることができる。
まず、メサ型構造部以外の部分のAlGaAsからなるコンタクト層5及びAlGaAsからなる上部DBR反射層4をアンモニア系エッチャントを用いてエッチング除去する。
このエッチングの際、次の層であるAlGaInPからなる上部クラッド層がエッチングストップ層として機能するので、エッチング時間を厳密に管理することは要しないが、例えば、コンタクト層及びAlGaAsからなる上部DBR反射層4を合わせた厚さを1.0μm程度とすると、100秒程度エッチングを行えばよい。
エッチング速度は、ヨウ素(I)500cc、ヨウ化カリウム(KI)100g、純水(H2O)2000cc、水酸化アンモニア水(NH4OH)90ccの比率で混合されたエッチャントを用いた場合、0.72μm/minだった。
このエッチングの際も、次の層であるAlGaAsからなる発光層がエッチングストップ層として機能するので、エッチング時間を厳密に管理することは要しないが、このエッチャントの場合、クラッド層63aの厚さが4μm程度とすると、6分間程度エッチングを行えばよい。
このエッチングの際も、次の層であるAlGaInPからなる下部クラッド層がエッチングストップ層として機能するので、エッチング時間を厳密に管理することは要しないが、発光層の厚さを0.25μm程度とすると、40秒程度エッチングを行えばよい。
この下部クラッド層の下にはAlGaAsからなる下部DBR反射層2がエッチングストップ層として機能するので、エッチング時間を厳密に管理することは要しないが、下部クラッド層の厚さを0.5μmとすると、上記のヨウ素系エッチャントを用いた場合には、4分間以下でエッチングを行えばよい。
次に、全面に保護膜8の材料を成膜する。具体的には、例えば、SiO2を全面にスパッタリング法により成膜する。
次に、全面にフォトレジストを堆積し、フォトリソグラフィによりコンタクト層上の通電窓8bに対応する部分とストリートに対応する部分と、を開口とするレジストパターンを形成する。
次いで、例えば、バッファードフッ酸を用いてウェットエッチングにより、メサ型構造部の頂面の通電窓8bに対応する部分とストリートに対応する部分の保護膜8の材料を除去して保護膜8を形成する。
図11に、保護膜8の通電窓8b近傍の平面図を示す。
その後、レジストを除去する。
次に、おもて面電極層9を形成する。すなわち、保護膜8上、及び、保護膜8の通電窓8bから露出しているコンタクト層5上に、光射出孔9bを有するおもて面電極層9を形成する。
具体的には、全面にフォトレジストを堆積し、フォトリソグラフィにより光射出孔9bに対応する部分と、ウェハ基板上の多数の発光ダイオード間の切断部分(ストリート)とを含む、電極膜が不要な部分以外を開口とするレジストパターンを形成する。次いで、電極層材料を蒸着する。この蒸着だけではメサ型構造部の傾斜側面には電極層材料が十分には蒸着されない場合は、さらに、メサ型構造部の傾斜側面に電極層材料を蒸着するために蒸着金属が回りこみやすいプラネタリタイプの蒸着装置を用いて蒸着を行う。
その後、レジストを除去する。
次に、ウェハ基板上の発光ダイオードを個片化する。
具体的には、例えば、ダイシングソーもしくはレーザーにより、ストリート部分を切断してウェハ基板上の発光ダイオード毎に切断して個片化する。
個片化された発光ダイオードの切断された金属基板の側面にについて、上面及び下面の金属保護膜の形成条件と同様な条件で金属保護膜を形成してもよい。
本発明の発光ダイオード(第2の実施形態)の製造方法は、化合物半導体層の形成工程、第2の電極膜の形成工程、及び、メサ型構造部の形成工程については本発明の発光ダイオード(第1の実施形態)の製造方法の工程と同様に行うことができる。メサ型構造部の形成工程のウェットエッチングについては、本実施形態の「第1のウェットエッチング」と読み替えて、以下、説明する。
メサ型構造部の形成工程の第1のウェットエッチングにより、ウェハ基板のメサ型構造部を除いた部分(ストリート及び支持構造部)は同程度の高さとなっている。
本工程では、個片化用切断ライン(図2の点線22)に沿って第2のウェットエッチングを行って、支持構造部6の側面6aの傾斜部6baを形成する。
具体的には、まず、ウェハ基板の全面にフォトレジストを堆積し、フォトリソグラフィにより、ストリート21と支持構造部6の上面6aの外周から所定距離d(図2参照)の範囲とに開口を有するレジストパターンを形成する。
第1のウェットエッチング及び第2のウェットエッチングは、同じエッチャントを用いて行うことができる。
例えば、H3PO4:H2O2:H2O=1〜3:4〜6:8〜10のリン酸/過酸化水素水混合液を用いて、ウェットエッチング時間を30〜60秒間として、支持構造部6の側面6aの傾斜部6baを形成することができる。
その後、レジストを除去する。
本発明の発光ダイオード(第2の実施形態)は、発光ダイオード(第1の実施形態)と保護膜及び電極の配置構成が異なるだけであり、その製造方法は発光ダイオード(第1の実施形態)の製造方法と同様に行うことができる。
本発明の発光ダイオード(第4の実施形態)の製造方法において、発光ダイオード(第1の実施形態)の製造方法と異なる点は、化合物半導体層の形成工程で、基板1上に、下部DBR反射層2と、活性層3とを積層した後、活性層3上に電流拡散層40を積層する点であり、その他は発光ダイオード(第1の実施形態)の製造方法と同様に行うことができる。
本実施例では、図1及び図4を参照して、通電窓8bの外径を166μm、その内径を154μm、光射出孔の径を150μm、第2の電極膜を平面視円形としその外径を100μmとした。
実施例の発光ダイオードは、まず、Siをドープしたn型のGaAs単結晶からなるGaAs基板上に、化合物半導体層を順次積層してエピタキシャルウェハを作製した。GaAs基板は、(100)面を成長面とし、キャリア濃度を2×1018cm−3とした。また、GaAs基板の層厚は、約250μmとした。化合物半導体層とは、SiをドープしたGaAsからなるn型の緩衝層、SiをドープしたAl0.9Ga0.1AsとAl0.1Ga0.9Asの40対の繰り返し構造であるn型の下部DBR反射層、SiをドープしたAl0.4Ga0.6Asからなるn型の下部クラッド層、Al0.25Ga0.75Asからなる下部ガイド層、GaAs/Al0.15Ga0.85Asの3対からなる井戸層/バリア層、Al0.25Ga0.75Asからなる上部ガイド層、CをドープしたAl0.4Ga0.6Asからなるp型の上部クラッド層、CをドープしたAl0.9Ga0.1AsとAl0.1Ga0.9Asの5対の繰り返し構造であるp型の上部DBR反射層、Cドープしたp型Al0.1Ga0.9Asからなるコンタクト層である。
Al0.1Ga0.9Asからなるコンタクト層は、キャリア濃度を約3×1018cm−3、層厚を約250nmとした。
その後、レジスト(AZ5200NJ(クラリアント社製))によるパターニング後、バッファードフッ酸を用いて、平面視同心円形(外径dout:166μm、内径din:154μm)の開口(図11参照)、および、ストリート部の開口を形成した。
その後、450℃で10分間熱処理を行って合金化し、低抵抗のp型およびn型オーミック電極を形成した。
比較例の発光ダイオードは、従来技術である液相エピタキシャル法で形成した。GaAs基板にAl0.2Ga0.8As発光層とするダブルヘテロ構造の発光部を有する発光ダイオードに変更したものである。
2 下部DBR層(反射層)
3 活性層
4 上部DBR層
5 コンタクト層
6 支持構造部
6a 上面
6b 側面
6ba 傾斜部
7 メサ型構造部
7a 傾斜側面
7b 頂面
7ba 周縁領域
8、28 保護膜
8b、28b 通電窓
9、29 電極膜
9b、29b 光射出孔
10 第2の電極膜
11 下部クラッド層
12 下部ガイド層
13 発光層
14 上部ガイド層
15 上部クラッド層
16 光漏れ防止膜
20 化合物半導体層
21 ストリート
23 レジストパターン
24 光漏れ防止膜
40 電流拡散層
100、200、300、400 発光ダイオード
Claims (21)
- 基板上に反射層と活性層を順に含む化合物半導体層とを備え、光射出孔から光を外部に射出する発光ダイオードであって、
上面及び側面を有する支持構造部と、該支持構造部上に配置し、傾斜側面及び頂面を有するメサ型構造部とからなり、
前記活性層は、下部クラッド層、下部ガイド層、発光層、上部ガイド層、上部クラッド層が順次積層された構造であり、
前記支持構造部は少なくとも前記反射層の一部を含むものであって、その側面は、前記上面から前記基板側に少なくとも前記反射層を越える位置まで延在する傾斜部を含み、該傾斜部を含む水平方向の断面積が前記上面に向かって連続的に小さく形成されてなり、
前記メサ型構造部は少なくとも前記活性層の一部を含むものであって、前記傾斜側面は前記頂面に向かって水平方向の断面積が連続的に小さく形成されてなり、
前記支持構造部及び前記メサ型構造部はそれぞれ、少なくとも一部は保護膜、第1の電極膜によって順に覆われてなり、
前記保護膜は、前記上面の少なくとも一部と、前記側面のうち少なくとも傾斜部と、前記メサ型構造部の前記傾斜側面と、前記メサ型構造部の前記頂面の周縁領域とを覆うとともに、平面視して前記周縁領域の内側であってかつ前記光射出孔の周囲に配置して、前記化合物半導体層の表面の一部を露出する通電窓を有し、
前記第1の電極膜は、前記通電窓から露出された化合物半導体層の表面に直接接触すると共に、前記上面上に形成された保護膜の一部を少なくとも覆い、前記メサ型構造部の頂面上に光射出孔を有するように形成された連続膜であり、
前記傾斜部を覆う保護膜上に光漏れ防止膜を備え、
前記基板の反射層とは反対側に、平面視して前記光射出孔に重なる範囲内に第2の電極膜を備えた、ことを特徴とする発光ダイオード。 - 前記反射層がDBR反射層であることを特徴とする請求項1に記載の発光ダイオード。
- 前記活性層の基板とは反対側に上部DBR反射層を備えることを特徴とする請求項2に記載の発光ダイオード。
- 前記傾斜部が二以上の傾斜部分からなり、各傾斜部分を含む水平方向の断面積はそれぞれ前記上面に向かって連続的に小さく、前記上面に近い傾斜部分を含む水平方向の断面積の方が前記上面に遠い傾斜部分を含む水平方向の断面積よりも小さいことを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載の発光ダイオード。
- 前記第1の電極膜及び/又は前記保護膜上に光漏れ防止膜を備えたことを特徴とする請求項1〜4のいずれか一項に記載の発光ダイオード。
- 前記化合物半導体層が、前記第1の電極膜に接触するコンタクト層を有することを特徴とする請求項1〜5のいずれか一項に記載の発光ダイオード。
- 前記メサ型構造部が前記活性層のすべてと、前記反射層の一部を含むことを特徴とする請求項1〜6のいずれか一項に記載の発光ダイオード。
- 前記メサ型構造部は平面視して矩形であることを特徴とする請求項1〜7のいずれか一項に記載の発光ダイオード。
- 前記メサ型構造部の各傾斜側面は前記基板のオリエンテーションフラットに対してオフセットして形成されていることを特徴とする請求項8に記載の発光ダイオード。
- 前記メサ型構造部の高さが3〜7μmであって、平面視した前記傾斜側面の幅が0.5〜7μmであることを特徴とする請求項1〜9のいずれか一項に記載の発光ダイオード。
- 前記光射出孔は平面視して円形又は楕円であることを特徴とする請求項1〜10のいずれか一項に記載の発光ダイオード。
- 前記光射出孔の径が50〜150μmであることを特徴とする請求項11に記載の発光ダイオード。
- 前記第1の電極膜の前記上面上の部分にボンディングワイヤを有することを特徴とする請求項1〜12のいずれか一項に記載の発光ダイオード。
- 前記活性層に含まれる発光層が多重量子井戸からなることを特徴とする請求項1〜13のいずれか一項に記載の発光ダイオード。
- 前記活性層に含まれる発光層が((AlX1Ga1−X1)Y1In1−Y1P(0≦X1≦1,0<Y1≦1)、(AlX2Ga1−X2)As(0≦X2≦1)、(InX3Ga1−X3)As(0≦X3≦1))のいずれかからなることを特徴とする請求項1〜14のいずれか一項に記載の発光ダイオード。
- 前記発光層は井戸層とバリア層とが交互に積層された多層構造であることを特徴とする請求項1〜15のいずれか一項に記載の発光ダイオード。
- 前記発光層は前記バリア層を両端に有することを特徴とする請求項16に記載の発光ダイオード。
- 前記バリア層、前記ガイド層、前記クラッド層のバンドギャップの大きさが、この順に大きくなることを特徴とする請求項16又は17のいずれかに記載の発光ダイオード。
- 前記バリア層の組成がAlX1Ga1−X1As(0<X1<1)、前記ガイド層の組成がAlX2Ga1−X2As(0<X2<1)、前記クラッド層の組成がAlX3Ga1−X3As(0<X3<1)であって、X1<X2<X3であることを特徴とする請求項16〜18のいずれか一項に記載の発光ダイオード。
- 基板上に反射層と活性層を順に含む化合物半導体層とを備え、前記活性層は、下部クラッド層、下部ガイド層、発光層、上部ガイド層、上部クラッド層が順次積層された構造をしており、光射出孔から光を外部に射出する発光ダイオードの製造方法であって、
基板上に、反射層と活性層を含む化合物半導体層とを形成する工程と、
前記基板の反射層とは反対側に、平面視して形成予定の前記光射出孔に重なる範囲内に第2の電極膜を形成する工程と、
前記化合物半導体層に第1のウェットエッチングを行って、頂面に向かって水平方向の断面積が連続的に小さく形成されてなるメサ型構造部と、該メサ型構造部の周囲に配置する、支持構造部の上面とを形成する工程と、
個片化用切断ラインに沿って第2のウェットエッチングを行って、支持構造部の側面の傾斜部を形成する工程と、
前記傾斜部と前記上面の少なくとも一部と、前記メサ型構造部の前記傾斜側面と、前記メサ型構造部の前記頂面の周縁領域とを少なくとも覆うとともに、平面視して前記周縁領域の内側であってかつ前記光射出孔の周囲に該光射出孔を囲繞するように配置して、前記化合物半導体層の表面の一部を露出する通電窓を有する保護膜を形成する工程と、
前記通電窓から露出された化合物半導体層の表面に直接接触すると共に、前記上面上に形成された保護膜の一部を少なくとも覆い、前記メサ型構造部の頂面上に光射出孔を有するように形成された連続膜である第1の電極膜を形成する工程と、
前記傾斜部を覆う保護膜上に光漏れ防止膜を形成する工程と、
を有することを特徴とする発光ダイオードの製造方法。 - 前記第1及び第2のウェットエッチングを、リン酸/過酸化水素水混合液、アンモニア/過酸化水素水混合液、ブロムメタノール混合液、ヨウ化カリウム/アンモニアの群から選択される少なくとも1種以上を用いて行うことを特徴とする請求項20に記載の発光ダイオードの製造方法。
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