JP6608352B2 - 半導体発光素子およびその製造方法 - Google Patents
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Description
(1)導電性支持基板上に、p型InPクラッド層、半導体発光層、およびn型InPクラッド層が順次設けられ、前記n型InPクラッド層を光取出し側とする半導体発光素子であって、
前記導電性支持基板と、前記p型InPクラッド層との間に、前記半導体発光層から放射される光を反射する金属反射層をさらに有し、
前記n型InPクラッド層の表面に、複数の凹部が設けられ、
波長1000nm〜2200nmの近赤外領域を発光波長とし、
前記凹部の底部が<011>方位に沿うことを特徴とする半導体発光素子。
前記p型InPクラッド層上に、前記半導体発光層から放射される光を反射する金属反射層を形成する金属反射層形成工程と、
金属接合層が表面に設けられた導電性支持基板を、該金属接合層を介して前記金属反射層に接合する接合工程と、
前記InP基板を除去する基板除去工程と、
該基板除去工程の後、前記n型InPクラッド層の表面に複数の凹部を形成する粗面化処理工程と、を含み、
波長1000nm〜2200nmの近赤外領域を発光波長とし、
前記粗面化処理工程において、前記凹部の底部を<011>方位に沿わせることを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
前記パターン形成された前記III-V族化合物半導体エッチングストップ層をマスクとして用い、前記n型InPクラッド層の表面をエッチングする第2工程と、を含む、前記(6)に記載の半導体発光素子の製造方法。
本発明の一実施形態に従う半導体発光素子1は、導電性支持基板8上に、第1導電型のInPクラッド層3a、半導体発光層3c、および第2導電型のInPクラッド層3bが順次設けられ、第2導電型のInPクラッド層3bを光取出し側とする半導体発光素子である。そして、半導体発光素子1は、導電性支持基板8と、第1導電型のInPクラッド層3aとの間に、半導体発光層3cから放射される光を反射する金属反射層6をさらに有する。本実施形態に従う半導体発光素子1には、エピタキシャル成長では形成することのできない金属反射層6が設けられているため、いわゆる接合型の半導体発光素子である。
ここで、半導体発光素子1では、第2導電型のInPクラッド層3bの表面に、複数の凹部が設けられる。なお、半導体発光素子1において、第2導電型のInPクラッド層3bには、パッド部9aおよび配線部9bを含む上面電極を形成してもよく、さらに導電性支持基板の裏面に裏面電極を形成してもよい(図示せず)。
本発明の好適実施形態に従う半導体発光素子100の製造方法は、以下に詳細を後述する半導体層形成工程、コンタクト層工程、誘電体層形成工程、金属反射層形成工程、接合工程、基板除去工程および粗面化処理工程を含むことが好ましい。
半導体層形成工程では、成長用基板10上に、III-V族化合物半導体エッチングストップ層20を形成し、次いで、p型InPクラッド層37、半導体発光層35、およびn型InPクラッド層31を順次形成した半導体積層体30を形成する(図2(A),(B))。
コンタクト部形成工程では、まず、半導体積層体30上にIII−V族化合物半導体からなるコンタクト層41を形成する(図2(C))。例えば、図2(C)に示すように、p型キャップ層39上にp型のコンタクト層41を形成することができる。p型のコンタクト層41は、オーミック金属部43に接し、オーミック金属部43と半導体積層体30との間に介在する層であって、半導体積層体30に比べてオーミック金属部43との間のコンタクト抵抗が小さくなる組成であればよく、例えばp型のInGaAs層を用いることができる。コンタクト層41の厚みは制限されないが、例えば50nm〜200nmとすることができる。
誘電体層形成工程では、半導体積層体30の露出面E2上の少なくとも一部に誘電体層50を形成する(図3(C))。このような誘電体層50は、例えば以下のようにして形成することができる。
金属反射層形成工程では、誘電体層50およびコンタクト部40上に、半導体発光層35から放射される光を反射する金属反射層60を形成する(図4(A))。なお、誘電体層形成工程において露出部E3を形成している場合は、金属反射層60は露出部E3上にも形成される。放射光に対して適切な反射率とするため、金属反射層60は、Auを主成分とすることが好ましい。この場合、金属反射層60の組成においてAuが50質量%超を占めることが好ましく、より好ましくはAuが80質量%以上である。金属反射層60は、複数層の金属層を含むことができるが、Auからなる金属層(以下、「Au金属層」)を含む場合には、金属反射層60の合計厚みのうち、Au金属層の厚みを50%超とすることが好ましい。金属反射層60を構成する金属には、Auの他、Al,Pt,Ti、Agなどを用いることができる。例えば、金属反射層60はAuのみからなる単一層であってもよいし、金属反射層60にAu金属層が2層以上含まれていてもよい。後続の接合工程における接合を確実に行うため、金属反射層60の最表層(半導体積層体30と反対側の面)を、Au金属層とすることが好ましい。例えば、誘電体層50、露出部E3およびコンタクト部40上に、Al、Au、Pt、Auの順に金属層を成膜し、金属反射層60とすることができる。金属反射層60におけるAu金属層の1層の厚みを、例えば400nm〜2000nmとすることができ、Au以外の金属からなる金属層の厚みを、例えば5nm〜200nmとすることができる。金属反射層60は、蒸着法などの一般的な手法により、誘電体層50、露出部E3およびコンタクト部40上に成膜して形成することができる。
接合工程では、金属接合層70が表面に設けられた導電性支持基板80を、金属接合層70を介して金属反射層60に接合する(図4(B))。導電性支持基板80の表面には、予め金属接合層70を、スパッタ法や蒸着法などにより形成しておけばよい。この金属接合層70と、金属反射層60を対向配置して貼り合せ、250℃〜500℃程度の温度で加熱圧縮接合を行うことで、両者の接合を行うことができる。
基板除去工程では、成長用基板10を除去する(図5(A))。成長用基板10は、例えば塩酸希釈液を用いてウェットエッチングにより除去することができ、III-V族化合物半導体エッチングストップ層20を当該ウェットエッチングの終点とすることができる。なお、III-V族化合物半導体エッチングストップ層20を除去する際には、例えば硫酸−過酸化水素系のエッチング液でウェットエッチングすればよい。
粗面化処理工程では、n型InPクラッド層31の表面に複数の凹部31Cを形成する(図5(B))。この粗面化処理工程において、図10(B),図11(A)等に示すように、凹部31Cの底部を<011>方位に沿わせることが好ましい。この粗面化処理工程の好適態様について、図8〜図10を用いて説明する。
図8(A)は、図5(A)に示した成長用基板10を除去した後の状態に相当する。第1工程では、成長用基板10を除去した後(図8(A))、所望のパターンのフォトレジストPR1をIII-V族化合物半導体エッチングストップ層20上に形成することが好ましい(図8(B))。パターン形成にあたっては、フォトレジストを塗布して露光すればよい。図10(A)は、パターン形成した後の模式平面図の一例である。そして、フォトレジストPR1をマスクとして、III-V族化合物半導体エッチングストップ層20をウェットエッチングすることにより、III-V族化合物半導体エッチングストップ層20にフォトレジストPR1のパターン形状を転写することができる。その後、所望に応じて、フォトレジストPR1を洗浄除去する(図8(D))。図10(B)は、この状態の模式平面図である。なお、フォトレジストPR1により形成するパターンは任意であり、図10(A)では、パターンの各凹部の中心点を正方格子状に2次元配列したものを示している。図10(A)に示すパターンに替えて、図10(C)に示すように、パターンの各凹部の中心点を三角格子状に2次元配列したものとすることも好ましい。この場合、この第1工程および後続の第2工程により形成される凹部31Cの2次元配列パターンをより密にすることができ、マルチピーク解消により有効となる。さらに、2次元配列パターンは、<011>方向に対して対照であることが好ましい。また、後述の実施例では、図13(A),(B)に示すように、パターンの各凹部の中心点を二等辺三角形や正四角形の格子形状に配列しているが、他の縦と横の比率を変えた配列にすることも好ましい。
第1工程に続き、第2工程ではパターン形成されたIII-V族化合物半導体エッチングストップ層20をマスクとして用い、n型InPクラッド層31の表面をエッチングする(図9(B))。上面電極形成領域を平坦とする場合には、図9(A)に示すように、当該領域上にフォトレジストPR2を予め形成することも好ましい。n型InPクラッド層31のエッチングにあたっては、塩酸−酢酸系のエッチング液などを用いることが好ましい。最後に、フォトレジストPR2を洗浄除去し、硫酸−過酸化水素系のエッチング液でウェットエッチングして、マスクに用いたIII-V族化合物半導体エッチングストップ層20を除去することができる(図9(C))。なお、図6の半導体発光素子100’に示すように、上面電極を必ずしもn型InPクラッド層31の平坦面上に形成する必要はなく、フォトレジストPR2の形成(図9(A))を省略して、n型InPクラッド層31のウェットエッチングを開始してもよい。
上述した粗面化処理工程の好適態様に従い、種々の形状の凹部31Cをn型InPクラッド層31の表面に形成することができる。なお、こうして形成した凹部31Cの底部は<011>方位に沿うこととなる。なお、凹部31Cの底部が<011>方位であることは、製造過程おいては成長用基板においてX線回折等で測定できる面方位(OF(オリフラ)面方位)から判断することができ、また、半導体発光素子においても、照射ビーム径を絞ったX線回折測定により判断することができる。他にも、EBSP等の微小部の結晶方位測定方法を使用してもよい。また、凹部31Cの傾斜面31Tは、例えば{100}面と{111}面(たとえば(100)面に対して(11−1)面または(1−11)面))との間の面であり、{111}面に近い面と予想される。{111}面に近づくにつれて、エッチングレートがゼロに近づいていくために、エッチング深さの制御が容易であり、オーバーエッチングを防止することができる。
以下、実施例を用いて本発明をさらに詳細に説明するが、本発明は以下の実施例に何ら限定されるものではない。図2〜図5,図8,図9に示したフローチャートに従って、実施例1に係る半導体発光素子を作製した。具体的には以下のとおりである。
実施例1における発光波長1300nmの量子井戸構造の半導体発光層を発光波長1460nmとした以外は、実施例1と同様にして実施例2に係る半導体発光素子を作製した。なお、実施例2では量子井戸構造の半導体発光層として、In0.65Ga0.35As0.19P0.81井戸層(厚み:5nm)およびInP障壁層(厚み:8nm)を10層ずつ交互に積層した。
実施例1におけるn型InPクラッド層表面へ粗面化処理を行わなかった以外は、実施例1と同様にして比較例1に係る半導体発光素子を作製した。
実施例2におけるn型InPクラッド層表面へ粗面化処理を行わなかった以外は、実施例2と同様にして比較例2に係る半導体発光素子を作製した。
実施例1について、走査型電子顕微鏡(SEM)により、n型InPクラッド層表面を観察した。観察したSEM像を図14(A)に示す。さらに、図14(A)の拡大像を図14(B)に、図14(A)の断面SEM像を図14(C)に示す。なお、図14(B)における上下方向が<011>方位であり、図14(C)は当該<011>方位に対して垂直な方向での断面像である。また、図示しないが、実施例2についても同様のSEM像が観察された、一方、比較例1,2のSEM像では、n型InPクラッド層表面が平坦面であることが確認された。
実施例1,2および比較例1,2の発光スペクトルをそれぞれ測定した。実施例1の測定結果を図15(A)に、比較例1の測定結果を図15(B)に、実施例2の測定結果を図16(A)に、比較例2の測定結果を図16(B)にそれぞれ示す。なお、図15(A),(B)および図16(A),(B)のそれぞれに、発光スペクトルの極小値となる位置を矢印により示す。
実施例1において、フォトレジストPR1のパターンを、図12(A)に示すように各凹部の中心点を正三角格子状に2次元配列していたところ、図12(B)に示す正方格子状の2次元配列とし、凹部の<011>方位および<011>方位と垂直方向での中心点の間隔を8μmに変えた以外は、実施例1と同様にして、実施例3に係る半導体発光素子を作製した。なお、フォトレジストPR1の各凹部の形状は、実施例1と同じ1辺の長さ2μmの正六角形である。
実施例3について、走査型電子顕微鏡(SEM)により、n型InPクラッド層表面を観察した。観察したSEM像を図17(A)に示す。さらに、図17(A)の拡大像を図17(B)に、図17(B)の断面SEM像を図17(C)に示す。なお、図17(B)における上下方向が<011>方位であり、図17(C)は当該<011>方位に対して垂直な方向での断面像である。
さらに、実施例1,2と同様にして実施例3の発光スペクトルを測定した。結果を図18に示す。実施例3,では、極小値が2つとなっており、マルチピークが緩和できたことを確認した。なお、実施例1と実施例3の発光スペクトルを比較すると、実施例1の方が、マルチピークが緩和効果が大きいことが分かる。
10 成長用基板
20 III-V族化合物半導体エッチングストップ層
30 半導体積層体
31 n型InPクラッド層
35 半導体発光層
35W 井戸層
35B 障壁層
37 p型InPクラッド層
39 p型キャップ層
40 コンタクト部
41(41a) p型コンタクト層
43 オーミック金属部
50 誘電体層
60 金属反射層
70 金属接合層
80 導電性支持基板
100,100’ 半導体発光素子
91 裏面電極
93 上面電極
E1 露出領域
E2 露出面
E3 露出部
Claims (7)
- 導電性支持基板上に、p型InPクラッド層、半導体発光層、およびn型InPクラッド層が順次設けられ、前記n型InPクラッド層を光取出し側とする半導体発光素子であって、
前記導電性支持基板と、前記p型InPクラッド層との間に、前記半導体発光層から放射される光を反射する金属反射層をさらに有し、
前記n型InPクラッド層の表面に、複数の凹部が設けられ、
波長1000nm〜2200nmの近赤外領域を発光波長とし、
前記凹部の底部が<011>方位に沿うことを特徴とする半導体発光素子。 - 前記凹部の形状が、前記光取出し側から平面視して楕円状であり、前記楕円状の長軸が前記凹部の前記底部に沿う、請求項1に記載の半導体発光素子。
- 前記光取出し側から平面視して、前記凹部の幅が前記凹部の中心軸方向に沿って周期的に変化し、前記中心軸方向は前記凹部の前記底部に沿う、請求項1に記載の半導体発光素子。
- 前記複数の凹部が規則的に配列される、請求項1〜3のいずれか1項に記載の半導体発光素子。
- 前記n型InPクラッド層の表面において、隣り合う前記凹部の間が平坦面である、請求項1〜4のいずれか1項に記載の半導体発光素子。
- InP基板上に、In、GaおよびAsを含むIII-V族化合物半導体エッチングストップ層、n型InPクラッド層、半導体発光層、ならびに、p型InPクラッド層を順次形成する半導体層形成工程と、
前記p型InPクラッド層上に、前記半導体発光層から放射される光を反射する金属反射層を形成する金属反射層形成工程と、
金属接合層が表面に設けられた導電性支持基板を、該金属接合層を介して前記金属反射層に接合する接合工程と、
前記InP基板を除去する基板除去工程と、
該基板除去工程の後、前記n型InPクラッド層の表面に複数の凹部を形成する粗面化処理工程と、を含み、
波長1000nm〜2200nmの近赤外領域を発光波長とし、
前記粗面化処理工程において、前記凹部の底部を<011>方位に沿わせることを特徴とする半導体発光素子の製造方法。 - 前記粗面化処理工程が、前記III-V族化合物半導体エッチングストップ層をエッチングしてパターン形成する第1工程と、
前記パターン形成された前記III-V族化合物半導体エッチングストップ層をマスクとして用い、前記n型InPクラッド層の表面をエッチングする第2工程と、を含む、請求項6に記載の半導体発光素子の製造方法。
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