JP6886261B2 - Manufacturing method of semiconductor light emitting device - Google Patents
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Description
本発明は、電流ブロック層を含む半導体発光素子およびその製造方法に関する。 The present invention relates to a semiconductor light emitting device including a current block layer and a method for manufacturing the same.
シリコンを用いたフォトダイオードの受光感度が高い赤外波長領域(波長920nm以下の赤外領域)の光を出力する素子として、ZnドープのGaAs層をAlGaAs層で挟んだダブルへテロ型発光ダイオードが知られている。このダブルへテロ構造は、通常GaAs基板上に形成される。GaAsの発光層で発光した光は、GaAs基板でほとんどが吸収されてしまう。従って、基板側に光を取り出す際、光損失は大きい。 A double hetero type light emitting diode in which a Zn-doped GaAs layer is sandwiched between AlGaAs layers is used as an element for outputting light in the infrared wavelength region (infrared region having a wavelength of 920 nm or less) having high light receiving sensitivity of a photodiode using silicon. Are known. This double heterostructure is usually formed on a GaAs substrate. Most of the light emitted by the GaAs light emitting layer is absorbed by the GaAs substrate. Therefore, when light is taken out to the substrate side, the light loss is large.
特許文献1には、GaAs仮基板上に、AlGaAsを含む支持層を液相エピタキシャル成長法により形成し、その後GaAs仮基板をエッチング等により除去して、支持層を残す技術が開示されている。この支持層(成長基板)上に、AlGaAsクラッド層やInGaAs活性層(発光層)などを形成することにより、支持層側に光を有効に取り出すことができる、とする。
なお、一般に、発光ダイオードは、外部量子効率(=素子外部に取り出される光の強度/発光層内部において放出される光の強度)が高いことが望まれる。外部量子効率を向上させるために、発光層に注入する電流を一部制限する電流ブロック層を設けることがある(たとえば特許文献2〜5)。
In general, it is desired that the light emitting diode has high external quantum efficiency (= intensity of light taken out of the device / intensity of light emitted inside the light emitting layer). In order to improve the external quantum efficiency, a current block layer that partially limits the current injected into the light emitting layer may be provided (for example,
本発明の目的は、新規な構造を有する半導体発光素子、特に、新規な構造の電流ブロック層を含む半導体発光素子、および、その製造方法を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a semiconductor light emitting device having a novel structure, particularly a semiconductor light emitting device including a current block layer having a novel structure, and a method for manufacturing the same.
本発明の主な観点によれば、工程a)Al組成比が30%よりも高いAlGaAsから主になる高Al組成層、および、Al組成比が30%よりも低いAlGaAsから主になる低Al組成層、が積層してなる支持層を準備する工程と、工程b)前記支持層の低Al組成層側の面に、発光性を有する光半導体積層、および、第1の電極、を形成する工程と、工程c)前記支持層の高Al組成層側の面に、第2の電極を形成する工程と、を有し、前記工程c)は、サブ工程c1)前記支持層において、前記高Al組成層をパターニングして、該高Al組成層を除去した領域に前記低Al組成層を露出させるサブ工程と、サブ工程c2)パターニングされた前記高Al組成層の表面を自然酸化させるサブ工程と、サブ工程c3)前記サブ工程c2)のあとに、パターニングされた前記高Al組成層の表面および露出した前記低Al組成層の表面に、少なくとも該低Al組成層の一部を露出して、前記第2の電極を形成するサブ工程と、を含む、半導体発光素子の製造方法、が提供される。
According to the main aspect of the present invention, step a) high Al composition layer Al composition ratio is mainly a high AlGaAs than 30%, and a low Al the Al composition ratio is mainly a lower AlGaAs than 30% A step of preparing a support layer formed by laminating the composition layer, and a step b) forming a light-emitting optical semiconductor laminate and a first electrode on the surface of the support layer on the low Al composition layer side. The step c) includes a step of forming a second electrode on the surface of the support layer on the high Al composition layer side, and the step c) is a sub-step c1) the height of the support layer. A sub-step of patterning the Al composition layer to expose the low Al composition layer to the region from which the high Al composition layer has been removed, and a sub step c2) a sub step of spontaneously oxidizing the surface of the patterned high Al composition layer. After the sub-step c3) and the sub-step c2), at least a part of the low Al composition layer is exposed on the surface of the patterned high Al composition layer and the exposed surface of the low Al composition layer. , A method for manufacturing a semiconductor light emitting element, which includes a sub-step of forming the second electrode.
新規な構造の電流ブロック層を含む半導体発光素子が提供される。 A semiconductor light emitting device including a current block layer having a novel structure is provided.
図1〜図3を参照して、実施例による半導体発光素子(LEDチップ)の製造方法について説明する。実施例によるLEDチップは、支持層を準備し(図1)、支持層の一方の面に光半導体積層および第1の電極を形成し(図2)、支持層の他方の面に第2の電極を形成する(図3)ことにより、作製される。 A method of manufacturing a semiconductor light emitting device (LED chip) according to an embodiment will be described with reference to FIGS. 1 to 3. In the LED chip according to the embodiment, a support layer is prepared (FIG. 1), an optical semiconductor laminate and a first electrode are formed on one surface of the support layer (FIG. 2), and a second electrode is formed on the other surface of the support layer. It is produced by forming an electrode (Fig. 3).
図1Aおよび図1Bは、支持層を作製する様子を示す断面図である。 1A and 1B are cross-sectional views showing how a support layer is produced.
図1Aに示すように、GaAsからなる仮の基板1を準備する。仮の基板1の主面は、GaAsの(100)面である。また、仮の基板1にはSiがドープされてn型導電性が付与されており、その濃度は約1×1018cm−3である。
As shown in FIG. 1A, a
仮の基板1の主面上に、液相エピタキシャル成長(LPE)により、厚さ10μmのAl0.6Ga0.4As層2、および、厚さ250μmのAl0.3Ga0.7As層3を順番に成長させる。この2層を支持層(支持基板)4と呼ぶこととする。
Al 0.6 Ga 0.4 As layer 2 having a thickness of 10 μm and Al 0.3 Ga 0.7 As layer having a thickness of 250 μm are formed on the main surface of the
AlGaAs層2の、III族元素におけるAlの組成比は、AlGaAs層3のそれよりも高い。Al組成比が相対的に高いAlGaAs層2を、高Al組成層と呼ぶことがある。また、Al組成比が相対的に低いAlGaAs層3を、低Al組成層と呼ぶことがある。高Al組成層2のAl組成比は30%よりも高く、低Al組成層3のAl組成比は30%以下であることが望ましい。
The composition ratio of Al in the group III element of the
LPEには、主として温度差法と徐冷法がある。ここでは、後に説明するように、温度差法を採用する。成長装置として、例えばスライドボート型のものを用いることができる。AlGaAs層2,3には、それぞれTe濃度が1017cm−3および1018cm−3になるように、成長中にTeがドープされる。
LPE mainly includes a temperature difference method and a slow cooling method. Here, as will be described later, the temperature difference method is adopted. As the growth device, for example, a slide boat type device can be used. The
用いた成長用溶液は、Ga溶媒中にGaAs、Al及びTeを溶解させたものである。メルト槽内に満たされた成長用溶液の上下方向の温度勾配は、約5℃/cmであり、種結晶が接触する成長用溶液下部の温度が850〜950℃である。なお、成長用溶液下部の温度及び温度勾配は、成長中ほぼ一定に保持される。 The growth solution used was a solution of GaAs, Al and Te in a Ga solvent. The vertical temperature gradient of the growth solution filled in the melt tank is about 5 ° C./cm, and the temperature of the lower part of the growth solution in contact with the seed crystal is 850 to 950 ° C. The temperature and temperature gradient of the lower part of the growth solution are kept substantially constant during the growth.
図1Bに示すように、GaAsからなる仮の基板1をエッチングして除去する。これにより支持層4のみが残る。
As shown in FIG. 1B, a
GaAsからなる仮の基板1は、アンモニア水と過酸化水素水とを体積比で1:20に混合したエッチング液を用いてエッチングすることができる。なお、このとき、Al組成比が高いAlGaAs層2が、エッチストッパとして機能する。
The
次に、AlGaAs層3の表面を研削し、凹凸を少なくする。さらに、研削された表面を研磨して加工ダメージを除去した後、化学機械研磨(CMP)による最終仕上げを行う。一般に、温度差法で成長させた半導体層は、徐冷法で成長させた半導体に比べて、表面の平坦性が悪い。CMPによる最終仕上げを行うことにより、表面の平坦性を高めることができる。
Next, the surface of the AlGaAs
以上により、支持層(支持基板,成長基板)4が完成する。なお、Al組成比が高い(30%よりも高い)AlGaAs層2は、酸素雰囲気下において、容易に酸化される。AlGaAs層2が大気に曝されると、その表面は瞬時に酸化(自然酸化)される。
As described above, the support layer (support substrate, growth substrate) 4 is completed. The AlGaAs
図2は、支持層の、Al組成比が相対的に低いAlGaAs層側の面に、光半導体積層および第1の電極(p側電極)を形成する様子を示す断面図である。 FIG. 2 is a cross-sectional view showing a state in which an optical semiconductor laminate and a first electrode (p-side electrode) are formed on a surface of the support layer on the AlGaAs layer side having a relatively low Al composition ratio.
低Al組成層3の上に、有機金属化学気相成長(MOCVD)により、n型電流拡散層5,n型クラッド層6,第1のキャリア閉込層7,多重量子井戸構造を有する活性層8,第2のキャリア閉込層9,p型クラッド層10,p型電流拡散層11,p型コンタクト層12、を順番に成長させる。n型電流拡散層5からp型コンタクト層12までの積層構造を光半導体積層13と呼ぶこととする。光半導体積層は、少なくとも、n型導電性が付与された半導体層、発光性を有する活性層(発光層)、および、p型導電性が付与された半導体層、が積層した構造を有する。
An active layer having an n-type
n型電流拡散層5は、Teがドープされたn型のAl0.2Ga0.8Asで形成され、その厚さは約2μm、そのTe濃度は約2×1018cm−3である。n型クラッド層6は、Teがドープされたn型のAl0.4Ga0.6Asで形成され、その厚さは約0.5μm、そのTe濃度は約2×1018cm−3である。
The n-type
第1のキャリア閉込層7は、不純物を意図的にドープしていないAl0.2Ga0.8Asで形成され、その厚さは500nmである。なお、第1のキャリア閉込層7のTeのバックグラウンド濃度は2×1016cm−3以下である。
The first carrier confinement layer 7 is formed of Al 0.2 Ga 0.8 As which is not intentionally doped with impurities, and has a thickness of 500 nm. The background concentration of Te in the first
活性層8は、InGaAsをウェル(井戸)層とし、AlGaAsをバリア(障壁)層とする多重量子井戸構造を有する。バリア層がウェル層を挟み込む構造を1周期としたとき、たとえば2周期分積み重ねて構成される。ウェル層の厚みは11nm程度であり、バリア層の厚みは11nm程度である。
The
第2のキャリア閉込層9は、不純物を意図的にドープしていないAl0.2Ga0.8Asで形成され、その厚さは500nmである。第2のキャリア閉込層9のCのバックグラウンド濃度は2×1016cm−3以下である。
The second carrier confinement layer 9 is formed of Al 0.2 Ga 0.8 As which is not intentionally doped with impurities, and has a thickness of 500 nm. The background concentration of C in the second
p型クラッド層10は、Cがドープされたp型のAl0.4Ga0.6Asで形成され、その厚さは約1μm、そのC濃度は約2×1018cm−3である。p型電流拡散層11は、Cがドープされたp型のAl0.2Ga0.8Asで形成され、その厚さは約1μm、そのC濃度は約2×1018cm−3である。p型コンタクト層12は、Cがドープされたp型のGaAsで形成され、その厚さは約0.1μm、そのC濃度は約4×1018cm−3である。
The p-type clad
コンタクト層12の上に、下から順番に、インジウム錫酸化物(ITO)層/Ag層/TiW層/Ti層/Au層、が積層されたp側電極15を形成する。p側電極15は、ウェットエッチングおよびリフトオフ法により、たとえば、コンタクト層12のほぼ全面に形成される。
An indium tin oxide (ITO) layer / Ag layer / TiW layer / Ti layer / Au layer is laminated on the
以上により、Al組成比が相対的に低いAlGaAs層(低Al組成層)の表面に、光半導体積層および第1の電極が形成される。 As described above, the optical semiconductor laminate and the first electrode are formed on the surface of the AlGaAs layer (low Al composition layer) having a relatively low Al composition ratio.
図3Aおよび図3Bは、支持層の、Al組成比が相対的に高いAlGaAs層側の面に、第2の電極(n側電極)を形成する様子を示す断面図である。以降では、高Al組成層2からp側電極15の配置(積層)関係を上下反転して示す。
3A and 3B are cross-sectional views showing how a second electrode (n-side electrode) is formed on the surface of the support layer on the AlGaAs layer side having a relatively high Al composition ratio. Hereinafter, the arrangement (lamination) relationship of the high
図3Aに示すように、Al0.6Ga0.4Asからなる高Al組成層2の一部をエッチングして除去する。これにより、低Al組成層3の一部が露出し、所望の形状にパターニングされた高Al組成層の一部2aが残る。
As shown in FIG. 3A, a part of the high
高Al組成層2は、レジストパターンをマスクとして用いたウェットエッチングにより、後述する形状(図4)とされる。Al0.6Ga0.4Asからなる高Al組成層2は、リン酸:過酸化水素水が1:1のエッチング液を用いてエッチングすることができる。
The high
高Al組成層2は、酸素雰囲気下において、容易に酸化される。パターンニングされた高Al組成層2aが大気に曝されると、その表面(特にパターニングにより露わとなった側面)は瞬時に酸化(自然酸化)される。表面(上面および側面)が酸化された高Al組成層2aは、電気的に絶縁体として機能する。
The high
ここで、便宜のため、光半導体積層13において、パターンニングされた高Al組成層2aに対応する領域を第1領域13aと呼ぶこととする。また、第1領域13aを除く周囲の領域を第2領域13bと呼ぶこととする。
Here, for convenience, in the
図3Bに示すように、高Al組成層2a上および低Al組成層3上に、下から順番にNi層、Ge層、およびAu層が積層されたn側電極16を形成する。n側電極16は、リフトオフ法により、後述する形状(図4)とされる。
As shown in FIG. 3B, an n-
以上により、Al組成比が相対的に高いAlGaAs層(高Al組成層)の表面に、第2の電極が形成される。そして、実施例によるLEDチップが完成する。 As described above, the second electrode is formed on the surface of the AlGaAs layer (high Al composition layer) having a relatively high Al composition ratio. Then, the LED chip according to the embodiment is completed.
図4は、高Al組成層2aおよびn側電極16の形状を示す平面図である。なお、実施例によるLEDチップ(ないし低Al組成層3)の平面形状は、たとえば一辺1mmの正方形である。
FIG. 4 is a plan view showing the shapes of the high
パターニングされた高Al組成層2aは、たとえば、低Al組成層3上のほぼ中央に設けられる。また、高Al組成層2aの平面形状は、たとえば円形である。なお、パターニングされた高Al組成層は、矩形であってもかまわないし、相互に離隔する複数のパターンにより構成されてもよい。
The patterned high
n側電極16は、高Al組成層2a上および低Al組成層3上に跨って形成されており、たとえば、高Al組成層2上に配置される主部16aと、主部16aと連続し、放射状に延在する枝部16bと、を含む。n側電極16は、少なくとも低Al組成層3の一部を露出して、形成される。
The n-
図5は、実施例によるLEDチップを実装・パッケージ化する様子を示す断面図である。 FIG. 5 is a cross-sectional view showing how the LED chip according to the embodiment is mounted and packaged.
固定電極(実装基板)18に、LEDチップのp側電極15をダイボンドする。このダイボンディングにより、固定電極18とp側電極15とが、電気的かつ機械的に接合される。
The p-
また、図示しない電極とLEDチップのn側電極16とを、ボンディングワイヤ19でワイヤボンディングして、相互を電気的に接続する。ボンディングワイヤ19は、n側電極16の、高Al組成層2aに対応する位置(図4でいうところのn側電極の主部16a)に、接合される。
Further, an electrode (not shown) and an
固定電極18とボンディングワイヤ19(それに接続する図示しない電極)とを介して、p側電極15とn側電極16との間に順方向バイアスを印加し、活性層8にキャリアを注入する(電流を流す)ことにより、赤外領域(波長950nm)の発光を生じさせる。活性層(発光層)8から放出される光は、主に、低Al組成層3の、n側電極16が形成されていない領域(低Al組成層3が露出している領域)から出射される(図4参照)。
A forward bias is applied between the p-
高Al組成層2aは、表面が酸化されており、電気的に絶縁体として機能する。ここで、高Al組成層2aは、電流ブロック層として機能する。つまり、高Al組成層2aは、ボンディングワイヤ19の下方に位置する光半導体積層13(図3Aでいうところの第1領域13a)に電流が集中して流れることを抑制し、その周囲に位置する光半導体積層13(図3Aでいうところの第2領域13b)に電流がより流れるように誘引する。
The surface of the high
一般に、ボンディングワイヤは遮光性(吸光性)を有する。ボンディングワイヤの下方に位置する発光層(図3Aでいうところの第1領域13aに含まれる活性層8)での発光を抑制し、その周囲に位置する発光層(図3Aでいうところの第2領域13bに含まれる活性層8)の発光を促進することで、発光層で生じたより多くの光を、ボンディングワイに吸収されることなく、素子外部に出射させることができる。すなわち、LEDチップの外部量子効率(光取り出し効率)を向上させることができる。
Generally, the bonding wire has a light-shielding property (absorbency). Light emission is suppressed in the light emitting layer (
高Al組成層は、GaAlからなる仮の基板をエッチング除去する際に、エッチストッパとして機能する(図1B参照)。また、所望の形状にパターニングした後に、その表面を自然酸化させることで、電流ブロック層としても機能する。実施例によるLEDチップは、電流ブロック層を設けるために、別途に、絶縁層や導電層(ショットキーバリア層)等を形成する必要がない。 The high Al composition layer functions as an etch stopper when the temporary substrate made of GaAl is etched and removed (see FIG. 1B). Further, after patterning into a desired shape, the surface is naturally oxidized to function as a current block layer. In the LED chip according to the embodiment, it is not necessary to separately form an insulating layer, a conductive layer (Schottky barrier layer), or the like in order to provide the current block layer.
以上、実施例に基づいて本発明を説明したが、本発明はこれらに限定されるものではない。種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者には自明であろう。 Although the present invention has been described above based on Examples, the present invention is not limited thereto. It will be obvious to those skilled in the art that various changes, improvements, combinations, etc. are possible.
1…仮基板、2…高Al組成層、3…低Al組成層、4…支持層(支持基板)、5…n型電流拡散層、6…n型クラッド層、7…第1のキャリア閉込層、8…活性層(量子井戸構造層)、9…第2のキャリア閉込層、10…p型クラッド層、11…p型電流拡散層、12…p型コンタクト層、13…光半導体積層、15…p側電極、16…n側電極、18…固定電極(実装基板)、19…ボンディングワイヤ。 1 ... Temporary substrate, 2 ... High Al composition layer, 3 ... Low Al composition layer, 4 ... Support layer (support substrate), 5 ... n-type current diffusion layer, 6 ... n-type clad layer, 7 ... First carrier closure Embedded layer, 8 ... active layer (quantum well structure layer), 9 ... second carrier confining layer, 10 ... p-type clad layer, 11 ... p-type current diffusion layer, 12 ... p-type contact layer, 13 ... optical semiconductor Lamination, 15 ... p side electrode, 16 ... n side electrode, 18 ... fixed electrode (mounting substrate), 19 ... bonding wire.
Claims (4)
工程b)前記支持層の低Al組成層側の面に、発光性を有する光半導体積層、および、第1の電極、を形成する工程と、
工程c)前記支持層の高Al組成層側の面に、第2の電極を形成する工程と、
を有し、
前記工程c)は、
サブ工程c1)前記支持層において、前記高Al組成層をパターニングして、該高Al組成層を除去した領域に前記低Al組成層を露出させるサブ工程と、
サブ工程c2)パターニングされた前記高Al組成層の表面を自然酸化させるサブ工程と、
サブ工程c3)前記サブ工程c2)のあとに、パターニングされた前記高Al組成層の表面および露出した前記低Al組成層の表面に、少なくとも該低Al組成層の一部を露出して、前記第2の電極を形成するサブ工程と、
を含む、
半導体発光素子の製造方法。 High Al composition layer step a) the Al composition ratio is mainly a high AlGaAs than 30%, and a support layer low Al composition layer Al composition ratio is mainly a lower AlGaAs than 30%, it is formed by stacking And the process of preparing
Step b) A step of forming a light-emitting optical semiconductor laminate and a first electrode on the surface of the support layer on the low Al composition layer side.
Step c) A step of forming a second electrode on the surface of the support layer on the high Al composition layer side, and
Have,
In step c),
Sub-step c1) In the support layer, a sub-step of patterning the high Al composition layer to expose the low Al composition layer to a region from which the high Al composition layer has been removed.
Sub-step c2) A sub-step that naturally oxidizes the surface of the patterned high Al composition layer,
Sub-step c3) After the sub-step c2), at least a part of the low Al composition layer is exposed on the surface of the patterned high Al composition layer and the exposed surface of the low Al composition layer. The sub-process of forming the second electrode and
including,
A method for manufacturing a semiconductor light emitting device.
サブ工程a1)GaAsから主になる仮基板の表面に、前記高Al組成層および前記低Al組成層を順番に積層するサブ工程と、
サブ工程a2)前記高Al組成層をエッチストッパとして、前記仮基板をエッチング除去するサブ工程と、
を含む請求項1記載の半導体発光素子の製造方法。 In step a),
Sub-step a1) A sub-step in which the high Al composition layer and the low Al composition layer are sequentially laminated on the surface of a temporary substrate mainly composed of GaAs.
Sub-step a2) A sub-step of etching and removing the temporary substrate using the high Al composition layer as an etch stopper.
The method for manufacturing a semiconductor light emitting device according to claim 1.
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