JP7201574B2 - 赤外led素子 - Google Patents
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赤外LED素子であって、
InPを含んでなり、第一導電型のドーパント濃度が1×1017/cm3以上、3×1018/cm3未満を示す基板と、
前記基板の上層に形成され、前記第一導電型を示す第一半導体層と、
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、前記第一導電型とは異なる第二導電型を示す第二半導体層と、
前記基板の面のうち、前記第一半導体層が形成されている側とは反対側の第一面の一部領域に形成された、第一電極と、
前記第二半導体層の上層に形成された、第二電極と、
前記基板の前記第一面のうち、前記第一電極が形成されていない領域内、又は前記領域から前記基板に対して離れる方向に離間した位置に形成され、前記活性層で生成される光に対する反射率が前記第一電極よりも高い材料からなる反射層とを有し、
主たる発光波長が1000nm以上、1800nm未満を示すことを特徴とする。
本発明に係る赤外LED素子の第一実施形態の構成につき、説明する。
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、基板3と、基板3の上層に形成された半導体層10を含む。また、赤外LED素子1は、電流を注入するための電極(21,22,23)を備える。
本実施形態において、基板3は、n型不純物がドープされたInPからなる。この場合、n型が「第一導電型」に対応する。基板3にドープされるn型不純物材料としては、Sn、Si、S、Ge、Seなどを利用することができ、Snが特に好ましい。
本実施形態において、半導体層10は基板3の面3b上に形成されている。面3bは、「第二面」に対応する。
赤外LED素子1は、電極(21,22,23)を有する。
本実施形態において、基板3の側面には凹凸部41が形成されている。ここで、基板3の側面とは、図1に示すように、基板3の面のうち、XY平面に平行な2面(3a,3b)以外の面を指す。基板3がほぼ直方体形状を呈している場合、基板3は4つの側面を有しており、これらの側面にいずれも凹凸部41が形成される。
上述した赤外LED素子1の製造方法の一例について、図3A~図3Iの各図を参照して説明する。図3A~図3I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。
図3Aに示すように、1×1017/cm3以上、3×1018/cm3未満のドーパント濃度でn型不純物がドープされたInPからなる基板3を準備する。
図3Aに示すように、基板3をMOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)装置内に搬送し、基板3の第二面3b側に、第一半導体層11、活性層12、第二半導体層(13,14)を含む半導体層10を順次エピタキシャル成長させる。本ステップS2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、環境温度などが適宜調整される。
エピタキシャルウェハをMOCVD装置から取り出し、第二半導体層14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第二電極21の形成材料(例えばAu/Zn/Au)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、図3Bに示すように、第二半導体層14の上面に第二電極21が形成される。
基板3の面のうち、半導体層10が形成されている側の面にレジストを塗布して保護した後、その面とは逆の面、すなわち第一面3aに対して、研削研磨処理、及び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、基板3の厚みが調整される(図3C参照)。基板3の厚みは、上述したように50μm以上、700μm以下に設定され、一例として250μmに設定される。その後、保護膜としてのレジストが有機溶剤によって除去される。
図3Dに示すように、基板3の第一面3a側に、真空蒸着装置を用いて第一電極22の形成材料(例えばAuGe/Ni/Au)を成膜した後、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、第一電極22が形成される。
図3Eに示すように、第二電極21の上面に、フォトリソグラフィ法、真空蒸着法、及びリフトオフ法を用いて、例えばTi/Auからなるパッド電極23が形成される。
図3Fに示すように、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、第二半導体層14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、第二半導体層(13,14)、活性層12、及び第一半導体層11の一部が除去される。
図3Gに示すように、メサエッチング処理が施されたウエハをダイシングシート31に貼り付けた後、ブレードダイシング装置を用いてダイシングラインに沿って素子分割が行われる。更に、拡張装置を用いて、赤外LED素子1が貼り付けられたダイシングシート31が拡張され、隣接する赤外LED素子1間に隙間が設けられる。
図3Hに示すように、赤外LED素子1が貼り付けられたダイシングシート31ごと、塩酸を含む酸性のエッチング液にディップ処理され、赤外LED素子1の側面に凹凸形状を形成する。このステップS9により、基板3の側面に凹凸部41が形成され、半導体層10の側面に凹凸部42が形成される。
ダイシングシート31から赤外LED素子1が取り外される。これにより、図1に示す状態となる。
図3Iに示すように、例えばTO-18型のステム35上に、赤外LED素子1の第一電極22側を銀ペースト34を介してダイボンディングし、熱硬化後に、パッド電極23とワイヤ36とをボンディングして電気的に接続する。
ステップS1~S11の工程を経て製造された赤外LED素子1が有する第一電極22と第二電極21との間に電圧が印加されると、活性層12内に電流が流れて発光する。この光のうち、+Z方向に進行した光は、第二半導体層14の面から外部に取り出される。また、-Z方向に進行した光は、基板3を通過して側面から外部に取り出される。
以下、本実施形態の赤外LED素子1の別構造について説明する。
本発明に係る赤外LED素子の第二実施形態の構成につき、第一実施形態と異なる箇所を主として説明する。本実施形態において、第一実施形態と共通する要素については、同一の符号を付して説明を簡略化又は割愛する。
図10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10に示す赤外LED素子1は、第一実施形態と比較して、基板3の第一面3a側が光取り出し面の一部を構成している点が異なる。第一実施形態の赤外LED素子1の場合には、基板3の側面と、基板3の第二面3b側に位置する第二半導体層14の面とが、光取り出し面を構成していた。これに対し、本実施形態の赤外LED素子1は、基板3の側面と、基板3の第一面3aとが、光取り出し面を構成する。
以下、本実施形態の赤外LED素子1の製造方法の一例につき、図11A~図11Jの各図を参照しながら、第一実施形態と異なる箇所を中心に説明する。図11A~図11Jは、いずれも本実施形態の赤外LED素子1の製造プロセス内における一工程における断面図である。
第一実施形態と同様に、ステップS1及びS2を実行し、基板3の面上に半導体層10が形成されてなる、エピタキシャルウェハを得る。
図11Aに示すように、エピタキシャルウェハをMOCVD装置から取り出し、第二半導体層14の表面にプラズマCVD法によって、SiO2からなる誘電体層26を形成する。その後、フォトリソグラフィ法によりパターニングされたレジストマスクを用いて、BHF溶液によるウェットエッチング処理を行って、パターン開口部に位置する誘電体層26が除去される。
真空蒸着装置を用いて、第二電極21の形成材料(例えばAu/Zn/Au)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。これにより、図11Aに示すように、第二半導体層14の面上には、パターニングされた誘電体層26と第二電極21とが形成される。その後、例えば、450℃、10分間の加熱処理によって第二電極21に対してアロイ処理(アニール処理)が施される
図11Bに示すように、第一実施形態のステップS4と同様の方法で、基板3の厚みが調整される。
図11Cに示すように、基板3の第一面3a側に、フォトリソグラフィ法、真空蒸着法、及びリフトオフ法を用いて、例えばAuGe/Ni/Auからなるパターニングされた第一電極22が形成される。その後、例えば、450℃、10分間の加熱処理によって第一電極22に対してアロイ処理(アニール処理)が施される。
図11Dに示すように、第二電極21及び誘電体層26からなる面上に、フォトリソグラフィ法、真空蒸着法、及びリフトオフ法を用いて、例えばAl/Auからなる反射層25が形成される。
図11Eに示すように、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、基板3の第二面3b側の、反射層25を含む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、マスクがない領域に形成された、誘電体層26、第二電極21、半導体層10、及び基板3の一部をウェットエッチング処理によって除去する。誘電体層26及び第二電極21に対しては、例えばBHF溶液によってウェットエッチング処理が行われ、半導体層10及び基板3の一部に対しては、例えば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。
図11Fに示すように、メサエッチングが行われた層の表面全体に、プラズマCVD法によって例えばSiO2からなるパッシベーション膜28が形成される。
パッシベーション膜28の一部領域を、フォトリソグラフィ法及びウェットエッチング法によって開口させて反射層25を露出させる。その後、図11Gに示すように、反射層25の上層に、真空蒸着法及びリフトオフ法を用いて、Ti/Pt/AuSnからなるパッド電極23が形成される。
図11Hに示すように、第一電極22の上面に、フォトリソグラフィ法、真空蒸着法、及びリフトオフ法を用いて、例えばTi/Auからなるパッド電極24が形成される。
図11Iに示すように、第一実施形態のステップS8と同様、ウエハをダイシングシート31に貼り付けた後、ブレードダイシング装置を用いてダイシングラインに沿って素子分割が行われる。更に拡張装置を用いて、赤外LED素子1が貼り付けられたダイシングシート31が拡張されることで、隣接する赤外LED素子1間に隙間が設けられる。
図11Jに示すように、第一実施形態のステップS9と同様、赤外LED素子1が貼り付けられたダイシングシート31ごと、塩酸を含む酸性のエッチング液にディップ処理され、赤外LED素子1の側面に凹凸形状を形成する。このステップS31により、基板3の側面に凹凸部41が形成される。
その後、ダイシングシート31から赤外LED素子1が取り外される。これにより、図10に示す状態となる。
第二電極21側のパッド電極23が、パッケージ基板に対して、例えばAuSnなどの共晶ハンダを用いてハンダ接続される。また、第一電極22側のパッド電極24が、パッケージ基板とワイヤボンディングによって接続される。
以下、別実施形態につき説明する。
3 : 基板
3a : 基板の第一面
3b : 基板の第二面
10 : 半導体層
11 : 第一半導体層
12 : 活性層
13,14 : 第二半導体層
21 : 第二電極
22 : 第一電極
23 : パッド電極
24 : パッド電極
25 : 反射層
26 : 誘電体層
28 : パッシベーション膜
31 : ダイシングシート
34 : 銀ペースト
35 : ステム
41 : 凹凸部
42 : 凹凸部
Claims (8)
- 赤外LED素子であって、
InPを含んでなり、n型のドーパント濃度が1×1017/cm3以上、3×1018/cm3未満を示す基板と、
前記基板の上層に形成され、n型を示す第一半導体層と、
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、p型を示す第二半導体層と、
前記基板の面のうち、前記第一半導体層が形成されている側とは反対側の第一面の一部領域に形成された、第一電極と、
前記第二半導体層の上層に形成された、第二電極と、
前記基板の前記第一面のうち、前記第一電極が形成されていない領域内、又は前記領域から前記基板に対して離れる方向に離間した位置に形成され、前記活性層で生成される光に対する反射率が前記第一電極よりも高い材料からなる反射層とを有し、
主たる発光波長が1000nm以上、1800nm未満を示すことを特徴とする、赤外LED素子。 - 前記第一半導体層は、前記基板と比較してドーパントの材料又はドーパント濃度の少なくとも一方が異なることを特徴とする、請求項1に記載の赤外LED素子。
- 前記基板のドーパントがSnを含むことを特徴とする、請求項1又は2に記載の赤外LED素子。
- 前記第一半導体層のドーパントがSiを含むことを特徴とする、請求項1~3のいずれか1項に記載の赤外LED素子。
- 前記反射層は、前記基板の前記第一面のうち、前記第一電極が形成されていない領域内に形成されていることを特徴とする、請求項1~4のいずれか1項に記載の赤外LED素子。
- 前記反射層は、前記基板の前記第一面のうち、前記第一電極が形成されていない領域から前記基板に対して離れる方向に離間した位置に形成されており、
前記基板の前記第一面のうち、前記第一電極が形成されていない領域内には、前記基板よりも屈折率が0.2以上小さい材料からなる誘電体層を有することを特徴とする、請求項1~4のいずれか1項に記載の赤外LED素子。 - 前記誘電体層は、SiO2、SiN、Al2O3、ZnO、及びITOからなる群に含まれる1種以上の材料を含むことを特徴とする、請求項6に記載の赤外LED素子。
- 前記反射層は、Ag、Ag合金、Au、及びAlからなる群に含まれる1種以上の材料を含むことを特徴とする、請求項1~7のいずれか1項に記載の赤外LED素子。
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