JP2010186798A - 半導体発光素子およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】光取出し側の電極部である上側電極部と、この電極部と対になる電極部である中間電極部とを適切な位置関係で配設することにより、低順方向電圧を維持したままで、発光出力を向上させた半導体発光素子およびその製造方法を提供する。
【解決手段】支持基板２の上面側に、中間電極部３ａを含む中間層３、第２導電型半導体層４、活性層５、第１導電型半導体層６および上側電極部７を順次具え、支持基板の下面側に下側電極層８を具える半導体発光素子であって、中間層は、線状または島状に延在する少なくとも１つの中間電極部３ａを有し、上側電極部と中間電極部とを支持基板の上面と平行な仮想面上に投影したとき、上側電極部と中間電極部とは、相互にずれた位置関係にあり、かつ上側電極部および中間電極部の少なくとも一方の輪郭線を、所定の振れ幅で延在させて、上側電極部と上側電極部に対向する中間電極部との間の輪郭線間距離ｄを部分的に短くする。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体発光素子およびその製造方法に関し、特に、発光出力を向上させた半導体発光素子およびその製造方法に関する。

近年、ＬＥＤ(半導体発光素子)の用途の多様化と共に、ＬＥＤの高出力化が望まれている。

一般に、ＬＥＤは、例えばｎ型半導体層、活性層およびｐ型半導体層を含む半導体積層体を一対の電極で挟んで構成される。このようなＬＥＤに電圧を印加すると、活性層において光が発生し、この光は全方位に等方的に向かうこととなる。このような光のうち、光取出し側の電極部に向かった光は、この電極部に吸収および／または反射され、ＬＥＤの外部に放出されず、光取出し効率に影響を与えることが知られている。

特に、MOCVD法等により積層された薄膜の半導体層においては、光取出し側の電極部の直下位置の活性層において発生した光の大部分が、この電極部に吸収および／または反射されてしまい、光取出し効率が大幅に低下するという問題があった。

このような問題を解決するため、特許文献１には、光取出し側の電極部に対して、InGaP材料からなる中間エネルギーギャップ層を適正に配置することにより、この電極部の直下位置以外の活性層にも発光領域を広げ、これにより、光取出し効率を向上させる技術が開示されている。

また、特許文献２には、光取出し側の電極部の直下以外の一部分にのみコンタクト部を形成し、電流狭窄による内部量子効率の向上と、発生した光の光取出し効率の向上とを図る技術が開示されている。

加えて、従来は、活性層の発光領域が、光取出し側の電極部の直下位置から離れた位置にあるほど、光取出し側の電極部による光の遮蔽の影響は少ないとされ、光取出し側の電極部の直下位置と、この電極部と対になる電極部との間の距離を大きくすることにより、ＬＥＤの光取出し効率を向上させるのが一般的であった。

しかしながら、単に上記距離を大きくした場合、光取出し側の電極部とこの電極部と対になる電極部との間の距離も大きくなり、これらの間を電流が流れる際の抵抗が増加するという問題があるにも関わらず、従来技術においては、この抵抗による順方向電圧の増加については考慮されていなかった。また、光取出し側の電極部の直下位置およびこの電極部と対になる電極部の間の距離と発光出力との関係についても、何ら考慮されてはいなかった。

特開平３−３３７３号公報 特開２００７−２２１０２９号公報

本発明の目的は、光取出し側の電極部である上側電極部と、この電極部と対になる電極部である中間電極部とを適切な位置関係で配設することにより、低順方向電圧を維持したままで、発光出力を向上させた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。

上記目的を達成するため、本発明の要旨構成は以下のとおりである。
（１）支持基板の上面側に、中間電極部を含む中間層、第２導電型半導体層、活性層、第１導電型半導体層および上側電極部を順次具え、前記支持基板の下面側に下側電極層を具える半導体発光素子であって、前記中間層は、線状または島状に延在する少なくとも１つの中間電極部を有し、前記上側電極部と前記中間電極部とを前記支持基板の上面と平行な仮想面上に投影したとき、前記上側電極部と前記中間電極部とは、相互にずれた位置関係にあり、かつ前記上側電極部および前記中間電極部の少なくとも一方の輪郭線を、所定の振れ幅で延在させて、前記上側電極部と該上側電極部に対向する前記中間電極部との間の輪郭線間距離を部分的に短くすることを特徴とする半導体発光素子。

（２）前記輪郭線間距離の最大値と最小値との差は、5〜50μmの範囲である上記（１）に記載の半導体発光素子。

（３）前記支持基板と前記中間層との間に、反射層としての金属層をさらに設ける上記（１）または（２）に記載の半導体発光素子。

（４）成長基板の上方に、第１導電型半導体層、活性層および第２導電型半導体層を順次形成する工程と、該第２導電型半導体層上に中間電極部を含む中間層を形成する工程と、該中間層の上方に、支持基板を接合する工程と、前記成長基板を除去して前記第１導電型半導体層を露出する工程と、該露出した第１導電型半導体層上に、上側電極部を形成する工程とを具え、前記上側電極部と前記中間電極部とを前記支持基板の上面と平行な仮想面上に投影したとき、前記上側電極部と前記中間電極部とは、相互にずれた位置関係にあり、かつ前記上側電極部および前記中間電極部の少なくとも一方の輪郭線を、所定の振れ幅で延在させて、前記上側電極部と該上側電極部に対向する前記中間電極部との間の輪郭線間距離を部分的に短くすることを特徴とする半導体発光素子の製造方法。

（５）前記輪郭線間距離の最大値と最小値との差は、5〜50μmの範囲である上記（４）に記載の半導体発光素子の製造方法。

（６）前記中間層上に、反射層としての金属層を形成する工程をさらに具える上記（４）または（５）に記載の半導体発光素子の製造方法。

本発明の半導体発光素子は、上側電極部と中間電極部とを適切な位置関係で配設することにより、低順方向電圧を維持したままで、発光出力を向上させることができる。

本発明の半導体発光素子の製造方法は、上側電極部と中間電極部とを適切な位置関係で配設することにより、低順方向電圧を維持したままで、発光出力を向上させることができる半導体発光素子を製造することができる。

本発明に従う半導体発光素子を示す模式図である。 半導体発光素子の上側電極部の例を示す平面図である。 本発明に従う半導体発光素子の製造工程を示す模式図である。 半導体発光素子の上側電極部の例を示す平面図である。

次に、本発明の半導体発光素子の実施形態について図面を参照しながら説明する。
図１(a)および図１(b)は、本発明に従う半導体発光素子のダイシング前の断面構造およびダイシング後の所定のチップの平面図をそれぞれ模式的に示したものである。

図１(a)に示すように、本発明の半導体発光素子１は、支持基板２の上面側に、中間電極部３ａを含む中間層３、第２導電型半導体層４、活性層５、第１導電型半導体層６および上側電極部７を順次具え、支持基板２の下面側に下側電極層８を具え、中間層３は、線状または島状に延在する少なくとも１つの中間電極部３ａを有する。

また、これら上側電極部７と前記中間電極部３ａとを支持基板２の上面と平行な仮想面上に投影したとき、上側電極部７と中間電極部３ａとは、相互にずれた位置関係にあり、かつ上側電極部７および中間電極部３ａの少なくとも一方の輪郭線（図１(b)においては、上側電極部７の輪郭線）を、所定の振れ幅で延在させて、上側電極部７と上側電極部７に対向する中間電極部３ａとの間の輪郭線間距離dを部分的に短くする。ここで、「所定の振れ幅で延在する」とは、例えば図１(b)および図２(a)に示すように、上側電極部７および中間電極部３ａの少なくとも一方の輪郭線（図１(b)および図２(a)においては、上側電極部７の輪郭線）が波線となるように延在している状態のことをいい、例えば図２(b)および図２(c)に示すような状態は含まないことを意味する。

このように、上側電極部７と中間電極部３ａとを相互にずれた位置関係に配設することにより、活性層５の発光領域が上側電極部７に対してずれ、光取出し効率および発光出力を向上させることができ、また、輪郭線間距離dを部分的に短くすることにより、この領域での電流密度が高くなり、キャリアが集中するために再結合確率が上がり、発光出力を向上させることができるものである。また、輪郭線間距離ｄの最小値ｄ₁は、順方向電圧に影響を与えるものであるが、例えば図１(b)と図２(c)、図２(a)と図２(b)をそれぞれ比較してわかるように、輪郭線間距離ｄの最小値ｄ₁を同じにした場合、図１(b)および図２(a)に示す例の方が、輪郭線間距離dが短い部分でキャリアが集中するために再結合確率が高くなっているのに加え、上側電極部の面積が小さくなることにより、半導体発光素子の発光出力は大きくなる。

輪郭線間距離ｄの最大値ｄ₂と最小値d₁との差d₂-d₁は、5〜50μmの範囲とするのが好ましい。差d₂-d₁を5μm未満とすると、図２(b)あるいは図２(c)に示す例に近い形状となり、上述した延在配置の効果が得られず、輪郭線間距離dを部分的に短くすることにより、このｄが短い部分付近での電流密度が高くなり、キャリアが集中するために再結合確率が上がるという本願の効果が十分得られないおそれがある。一方、差d₂-d₁を50μm超えとすると、輪郭線間距離ｄの離れた領域ではほとんど電流が流れない場合があり、実質的な発光面積が減少するため、発光出力の向上効果が得られないおそれがある。

第２導電型半導体層４、活性層５、第１導電型半導体層６を構成する材料としては、例えばAlGaAs系材料およびAlGaInP系材料が挙げられ、支持基板２の材料はこれらの材料に応じて適宜選択することができる。これらの層４，５，６および支持基板２の厚さは、それぞれ1〜10μm，10〜500nm(総厚)，1〜10μmおよび100〜400μmとすることができる。なお、第１導電型半導体層６をｐ型層とした場合には第２導電型半導体層４をｎ型層とし、その逆も同様である。

上側電極部７は、例えばAuGe系合金材料からなるオーミックコンタクト層（50〜500nm）およびTi材料上にAu材料を積層したワイヤボンディング用のパッド層（1〜3μm）を有する構造とすることができ、下側電極層８の材料は、支持基板２の材料に応じて適宜選択することができる。

中間電極部３ａの材料は、例えばAuZn系合金材料とすることができ、中間層３の中間電極部３ａ以外の部分は、例えばSiO₂またはSi₃N₄材料からなる絶縁材料で形成することができる。ウエハ接合時に表面の凹凸が少ないことが望ましいため、中間電極部３ａと絶縁材料層とは同等の厚さであることが好ましく、中間層３の厚さは50〜500nmとするのが好ましい。これは、厚さが50nm未満では、絶縁不十分になるおそれがあり、また、500nmを超えても本願の効果は得られるが、500nmを超えて厚くすると絶縁材料による光の影響が無視できなくなることがあり、また、厚くすることによる効果も期待できず不経済となることが考えられるためである。

また、支持基板２と中間層３との間に、反射層としての金属層９をさらに設けるのが好ましい。活性層５で発生した光のうち、支持基板２側に向かった光を上側電極部７側から効率的に取り出すためである。金属層９は、例えばAu，Al，Cuまたははんだ材料等の接合用金属材料とすることができ、赤〜赤外の波長の光を発光層で発生させる場合には、同波長範囲において高い光の反射率を有するAu材料が好ましく、その厚さは100〜1000nmの厚さとするのが好ましい。100nm未満の場合には、光の反射率が劣る場合があり、1000nmを超える厚さとしても本願の効果は得られるが、光の反射率を高くする効果が期待できず不経済となることによる。

次に、本発明の半導体発光素子の製造方法の実施形態について図面を参照しながら説明する。
図３(a)〜図３(h)は、本発明に従う半導体発光素子の製造工程を模式的に示したものである。

本発明の半導体発光素子１の製造方法は、図３(a)に示すように、成長基板１０の上方に、第１導電型半導体層６、活性層５および第２導電型半導体層４を順次形成する。これら層６，５，４は例えばMOCVD法を用いてエピタキシャル成長により形成することができる。成長基板１０は、例えばGaAs基板とすることができ、その厚さは、特に限定されないが、200〜400μmとすることができる。

次に、図３(b)および図３(c)に示すように、第２導電型半導体層４上に中間電極部３ａを含む中間層３を形成する。中間電極部３ａは、例えばスパッタリング法、電子ビーム蒸着法または抵抗加熱蒸着法により第２導電型半導体層４上に蒸着した後、図３(b)に示すように、所定の形状にエッチングする。その後、所定の熱処理を施すことにより第２導電型半導体層４との間のコンタクト抵抗を下げることができる。次いで、中間電極部３ａおよび第２導電型半導体層４上に、例えばスパッタリング法またはプラズマＣＶＤ法により絶縁膜を成膜し、例えばウェットエッチングまたはドライエッチングにより中間電極部３ａよりも上方の絶縁膜を除去して図３(c)に示すような中間層３を形成する。

次に、図３(d)および図３(e)に示すように、中間層３の上方に支持基板２を接合する。このとき、予め中間層３上に反射層としての金属層９を形成しておくのが好ましい。金属層９は、例えばAu，Al，Cuまたははんだ材料等の接合用金属材料を蒸着することにより形成することができ、特に、低温での接合が可能であり、また酸化や腐食が少ないため、Au材料で形成するのがより好ましい。また、この金属層９上に、例えばPt材料からなる拡散防止層（50〜200nm）および例えばAu材料からなる接合層（1〜2μm）を形成してもよい。これに対し、支持基板２上には、予め例えばAuGe系合金材料からなるオーミックコンタクト層（50〜500nm）、例えばTi材料からなる密着層（50〜200nm）および例えばAu材料からなる接合層（1〜2μm）を形成しておくのが好ましい。また、支持基板２の接合は、例えば250〜400℃の範囲の温度で15〜120分間加熱圧着することによるのが好ましい。金属層を介して接合することで、低温での基板接合が可能になり、半導体層の特性や構造を劣化させることなく接合することができる。

その後、図３(f)に示すように、成長基板１０を除去して第１導電型半導体層６を露出する。成長基板１０の除去は、例えば研磨またはウェットエッチングにより行うことができ、エッチング液は、成長基板１０の材料に応じて適宜選択することができる。

露出した第１導電型半導体層６上には、図３(g)に示すように、上側電極部７を形成する。この上側電極部７は、例えばオーミックコンタクト層上にパッド層を蒸着し、フォトリソグラフィ後にウェットエッチングを施すことにより、上側電極部７の上方側から支持基板２の上面に透影して見たとき、上側電極部７と中間電極部３ａとが、相互にずれた位置関係にあるように形成される。また、上側電極部７および中間電極部３ａの少なくとも一方の輪郭線が、所定の振れ幅で延在し、上側電極部７と上側電極部７に対向する中間電極部３ａとの間の輪郭線間距離ｄが部分的に短くなるよう、例えば図１(b)または図２(a)に示すような形状にエッチングする。このように、上側電極部７と中間電極部３ａとを相互にずれた位置関係に配設することにより、活性層５の発光領域が上側電極部７に対してずれ、光取出し効率および発光出力を向上させることができ、また、輪郭線間距離dを部分的に短くすることにより、この領域での電流密度が高くなり、キャリアが集中するために再結合確率が上がり、発光出力を増加させることができるものである。

その後、所定の熱処理を施すことにより、第１導電型半導体層６との間のコンタクト抵抗を下げることができる。

また、支持基板２の下面側に下側電極層８を蒸着して形成し、図３(h)に示されるようにダイシングが行われる。

本発明に従う半導体発光素子は、上述したような方法を用いて製造することができる。

上述したところは、この発明の実施形態の一例を示したにすぎず、請求の範囲において種々の変更を加えることができる。

次に、本発明の半導体型発光素子を試作し、性能を評価したので、以下で説明する。
実施例は、図１(a)に示す断面構造を有し、GaAs材料からなる成長基板(厚さ:280μm)上に、MOCVD法を用いてAl_0.4Ga_0.6As材料からなるｎ型半導体層(厚さ:5μm，ドーパント:Te，濃度:5×10¹⁷/cm³)、InGaAs/AlGaAs多重量子井戸構造の活性層(厚さ:8/5nm，3組，総厚:約50nm)およびAlGaAs材料からなるｐ型半導体層(厚さ:2μm，ドーパント:C，濃度:1×10¹⁸/cm³)を１回のエピタキシャル成長で順次形成し、抵抗加熱蒸着法によりAuZn合金(Zn含有率:5質量%)からなる中間電極部材料を蒸着して、所定のフォトリソグラフィ後のエッチングにより中間電極部(厚さ:100nm)を形成した後、オーミックコンタクトをとるために、400℃の熱処理を施した。
次に、プラズマCVD法により、中間電極部およびｐ型半導体層上にSi₃N₄材料を成膜し、BHFエッチング液を用いたウェットエッチングにより、中間電極部よりも上方のSi₃N₄材料を除去して中間層を形成した。
中間層上には、反射層として、電子ビーム蒸着法により、Au材料からなる金属層(厚さ:500nm)を形成し、この金属層上に、Pt材料からなる拡散防止層(厚さ:100nm)およびAu材料からなる接合層（厚さ:1μm）を形成した。また、接合用にGaAs材料からなる支持基板(厚さ:280μm，ドーパント:Si，濃度:2×10¹⁸/cm³)を用意し、この上には、予めAuGe系合金(Ge含有率:12質量%)材料からなるオーミックコンタクト層（厚さ:200nm）、Ti材料からなる密着層（厚さ:100nm）およびAu材料からなる接合層(厚さ1μm)を形成しておいた。これら中間層の接合層と支持基板の接合層とを、350℃で30分間加熱圧着し、支持基板の接合を行った。このようにして得られた構造物に対し、室温のアンモニア水:過酸化水素水:水=1:12:18(体積比)の液中において２時間揺動させることによりウェットエッチングを行い、成長基板の除去を行った。
次に、露出したｎ型半導体層上に、低温加熱蒸着法により、AuGe系合金(Ge含有率:12質量%)材料からなるオーミックコンタクト層(厚さ:200nm)およびTi材料上にAu材料を積層してパッド層(Ti厚さ:100nm，Au厚さ:2μm)を蒸着し、フォトリソグラフィ後にウェットエッチングを施すことにより、上側電極部の上方側から支持基板の上面に透影して見たとき、上側電極部と中間電極部とが、図１(b)，図４または図２(c)に示す位置関係（表１において、これらは上側波線、下側波線または上下直線と呼ぶ。）となるよう形成した後、380℃の熱処理を施した。なお、図１(b)，図４または図２(c)において、チップの隅に形成された部分はワイヤボンディング用のパッド部(100μm角)であり、この部分から幅20μmの上側電極が延びた構造となっている。
最後に、リン酸および過酸化水素水の混合液を用いてエッチングによりメサを形成し、ダイサーを用いてダイシングすることにより、500μm角の正方形チップを作製した。

このようにして作製したチップを積分球に設置し、電流20mAとなるように通電したときの順方向電圧Vf(V)および発光出力Po(mW)を測定した。これらの結果を表１に示す。なお、光出力は全光束分光測定システム（Labshere社製SLMS-1021-S）を用いて測定した。

表１の結果から、実施例１〜５は、比較例１および２と比較して、低順方向電圧を維持したままで、発光出力を向上させることができていることがわかる。
特に、順方向電圧に関しては、輪郭線間距離の最小値ｄ₁との明確な相関が見られたが、逆にｄ₁が同じであれば、電極形状による差異はほとんど見られなかった。
また、発光出力に関しては、順方向電圧を低く維持するために輪郭線間距離の最小値d₁を上記実施例および比較例のように30〜50μmとした場合、輪郭線間距離の最大値−最小値(d₂-d₁)の値が15μmのときに最大の出力が得られ、逆にそれ以上延在の振れ幅を広げていった際には出力が低下する傾向が見られた。これに関しては以下の理由が考えられる。
延在の振れ幅を広げた場合、輪郭線間距離の最大値d₂が増加する。電極間距離が大きくなるにつれ、電流密度が減少すると考えられるため、ほとんど電流が流れない領域ができることになる。発光領域内において電流密度の低い領域(発光出力がかなり低い領域)が増加したことが出力低下の要因と考えられる。輪郭線間距離の最大値−最小値(d₂-d₁)の値が大きすぎる場合には、輪郭線間距離dが短い部分でキャリアが集中し、再結合確率向上による出力が向上する効果もあるものの、前記の出力低下効果も大きくなり、結果として、輪郭線間距離の最大値−最小値(d₂-d₁)の値が適切な場合と比較して、発光素子の光出力が小さくなる場合がある。
さらに上側を波線にしたものと下側を波線にしたものを比較すると、同一の延在振れ幅のものでは上側波線のほうが、出力が高くなる結果となった。電極間距離が離れるほど電流密度が低くなるとすると、延在電極の振れ幅方向の中央（ｄが最大となる箇所）に最も電流密度の低い領域ができることになる。上側波線のほうでは、上記低電流密度領域が、光の取り出しに不利な上面電極下にくるため、下側波線のものと比較して出力が高くなったと考えられる。

本発明によれば、上側電極部と中間電極部とを適切な位置関係で配設することにより、低順方向電圧を維持したままで、発光出力を向上させることができる半導体発光素子を提供することができる。

１ 半導体発光素子
２ 支持基板
３ 中間層
３ａ 中間電極部
４ 第２導電型半導体
５ 活性層
６ 第１導電型半導体
７ 上側電極部
８ 下側電極層
９ 金属層
１０ 成長基板

Claims (6)

1. 支持基板の上面側に、中間電極部を含む中間層、第２導電型半導体層、活性層、第１導電型半導体層および上側電極部を順次具え、前記支持基板の下面側に下側電極層を具える半導体発光素子であって、
   前記中間層は、線状または島状に延在する少なくとも１つの中間電極部を有し、
   前記上側電極部と前記中間電極部とを前記支持基板の上面と平行な仮想面上に投影したとき、
   前記上側電極部と前記中間電極部とは、相互にずれた位置関係にあり、かつ
   前記上側電極部および前記中間電極部の少なくとも一方の輪郭線を、所定の振れ幅で延在させて、前記上側電極部と該上側電極部に対向する前記中間電極部との間の輪郭線間距離を部分的に短くすることを特徴とする半導体発光素子。
2. 前記輪郭線間距離の最大値と最小値との差は、5〜50μmの範囲である請求項１に記載の半導体発光素子。
3. 前記支持基板と前記中間層との間に、反射層としての金属層をさらに設ける請求項１または２に記載の半導体発光素子。
4. 成長基板の上方に、第１導電型半導体層、活性層および第２導電型半導体層を順次形成する工程と、
   該第２導電型半導体層上に中間電極部を含む中間層を形成する工程と、
   該中間層の上方に、支持基板を接合する工程と、
   前記成長基板を除去して前記第１導電型半導体層を露出する工程と、
   該露出した第１導電型半導体層上に、上側電極部を形成する工程と
   を具え、
   前記上側電極部と前記中間電極部とを前記支持基板の上面と平行な仮想面上に投影したとき、
   前記上側電極部と前記中間電極部とは、相互にずれた位置関係にあり、かつ
   前記上側電極部および前記中間電極部の少なくとも一方の輪郭線を、所定の振れ幅で延在させて、前記上側電極部と該上側電極部に対向する前記中間電極部との間の輪郭線間距離を部分的に短くすることを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
5. 前記輪郭線間距離の最大値と最小値との差は、5〜50μmの範囲である請求項４に記載の半導体発光素子の製造方法。
6. 前記中間層上に、反射層としての金属層を形成する工程をさらに具える請求項４または５に記載の半導体発光素子の製造方法。

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