JP2013038248A - 半導体発光素子 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】支持基板と半導体膜との間に設けられ半導体膜と接する面で光反射面を形成する光反射層を含み、半導体膜の光取り出し面側の表面に設けられた表面電極は、半導体膜との間でオーミック接触を形成する第1の電極片と、第1の電極片に電気的に接続された第2の電極片と、を含む。光反射層は、反射電極を含み、反射電極は半導体膜との間でオーミック接触を形成する第3の電極片と、第3の電極片に電気的に接続され且つ第2の電極片と対向するように配置された第4の電極片とを含む。第1の電極片と第3の電極片は、半導体膜の主面と平行な面に投影したときに互いに重ならないように配置される。第2の電極片と第4の電極片は、半導体膜との間でショットキー接触を形成して半導体膜の順方向電流を妨げる障壁を形成する。
【選択図】図2
Description
半導体膜10は、有機金属気相成長法(MOCVD法)により形成した。半導体膜10の結晶成長に使用する成長用基板50として(100)面から[011]方向に15°傾斜させた厚さ300μmのn型GaAs基板を使用した。成長用基板50上に厚さ2.5μmのSiドープされた(Al0.6Ga0.4)0.5In0.5Pからなる層と、厚さ0.5μmのSiドープされたAl0.5In0.5Pからなる層が積層されて構成されるn型クラッド層11を形成した。n型クラッド層11上に発光層12を形成した。発光層12は、(Al0.1Ga0.9)0.5In0.5Pからなる厚さ20nmの井戸層と、(Al0.5Ga0.5)0.5In0.5Pからなる厚さ10nmのバリア層からなるペアを15回繰り返して積層した多重量子井戸構造とした。尚、井戸層のAl組成比zは発光波長に合わせて0≦z≦0.4の範囲で調整することができる。発光層12上にMgドープされたAl0.5Ga0.5Pからなる厚さ0.5μmのp型クラッド層13を形成した。尚、n型クラッド層11およびp型クラッド層13のAl組成比zは、0.4≦z≦1.0の範囲で調整することができる。p型クラッド層13上にMgドープされたGaPからなる厚さ1.5μmのp型コンタクト層14を形成した。p型コンタクト層14には、発光層12からの光を吸収しない範囲でInを含めることができる。これらの各層により半導体膜10が構成される(図5(a))。尚、V族原料としてホスフィン(PH3)を使用し、III族原料としてトリメチルガリウム(TMGa)、トリメチルアルミニウム(TMAl)、トリメチルインジウム(TMI)の有機金属を使用した。また、n型不純物であるSiの原料としてシラン(SiH4)を使用し、p型不純物であるMgの原料としてビスシクロペンタジエニルマグネシウム(Cp2Mg)を使用した。成長温度は750〜850℃であり、キャリアガスに水素を使用し、成長圧力は10kPaとした。
p型コンタクト層14上にプラズマCVD法により誘電体層25を構成するSiO2膜を形成した。SiO2膜の膜厚dは、真空中の発光波長をλ0、SiO2膜の屈折率をn、任意の整数をmとすると、d=m・λ0/4nを満たすように設定する。ここで、λ0=625nm、n=1.45、m=1として、誘電体層25の膜厚d=107nmとした。続いて、SiO2膜上にレジストマスクを形成した後、バッファードフッ酸(BHF)を用いてエッチングを行うことにより、SiO2膜にライン電極21L、ドット電極21Dおよび対向電極22のパターンに対応したパターニングを施した。すなわち、SiO2膜は、ライン電極21L、ドット電極21Dおよび対向電極22の形成部において開口部を有し、この開口部においてp型コンタクト層14が露出する(図5(b))。尚、SiO2膜の成膜方法として熱CVD法やスパッタ法を用いることもできる。また、SiO2膜のエッチング方法としてドライエッチング法を用いることも可能である。誘電体層25の材料としては、SiO2以外にもSi3N4やAl2O3等の他の透明な誘電体材料を用いることができる。
半導体膜10を支持するための支持基板30としてp型不純物を添加することにより導電性が付与されたSi基板を用いた。EB蒸着法により、支持基板30の両面にPtからなる厚さ200nmのオーミック金属層31、32を形成した。続いて、スパッタ法によりオーミック金属層32上にTi(厚さ150nm)、Ni(厚さ100nm)、AuSn(厚さ600nm)を順次堆積して接合層33を形成した。AuSn層は、共晶接合材として機能する。Ni層は共晶接合材に対する濡れ性を向上させる機能を有する。Ti層は、Niとオーミック金属層32との密着性を向上させる機能を有する。尚、オーミック金属層31、32は、Ptに限らずSi基板との間でオーミック性接触を形成し得る他の材料、例えばAu、Ni、Tiなどを用いることができる。また、支持基板30は、導電性および高熱伝導性を備えた他の材料、例えばGe、Al、Cuなどで構成されていてもよい。
半導体膜10の結晶成長に使用した成長用基板50をアンモニア水と過酸化水素水との混合液を用いたウェットエッチングにより除去した。尚、成長用基板50を除去する方法として、ドライエッチング法、機械研磨法、化学機械研磨法(CMP)またはこれらの組み合わせを用いてもよい(図6(b))。
成長用基板を除去することによって表出したn型クラッド層11の表面に光取り出し効率を向上させる為の光取り出し構造としてフォトニック結晶を形成した。フォトリソグラフィ法によってn型クラッド層11上に人工的周期構造のレジストマスク(図示せず)を形成し、このレジストマスクを介してn型クラッド層の表面をドライエッチングすることによりn型クラッド層11の表面に複数の円錐状の突起からなるフォトニック結晶を形成した。円錐状の突起は、三角格子配列、周期500nm、高さ600nm、アスペクト比1.2にて形成された。尚、レジストマスクのパターンニングには、EBリソグラフィ、EB描画装置、ナノインプリント、レーザ露光などの方法を用いることが可能である。また、フォトニック結晶を構成する複数の突起の形状は、円柱形状、角錐形状、角柱形状などであってもよく、周期300nm〜1000nm、アスペクト比0.7〜1.5の範囲であれば良い。また、フォトニック結晶に代えて、n型クラッド層11の表面をウェットエッチング処理などによって粗面化することにより光取り出し構造を形成してもよい。
n型クラッド層11の表面にオーミック電極43、給電用パッド41および配線電極42を形成した。n型クラッド層11との間でオーミック性接触を形成するAuGeNiをEB蒸着法によりn型クラッド層11上に堆積させた後、リフトオフ法によりパターニングを行ってオーミック電極43を形成した。続いて、EB蒸着法によりn型クラッド層11との間でショットキー接触を形成するTi(厚さ100nm)をn型クラッド層11上に堆積させ、更にTi上にAu(厚さ1.5μm)を堆積した。その後、リフトオフ法によりパターニングを行って給電用パッド41および配線電極42を形成した。尚、オーミック電極43の材料としてAuGe、AuSn、AuSnNi等を使用することも可能である。また、給電用パッド41および配線電極42の材料としてTa、W、WSi、Pt、Cuもしくはこれらの合金またはこれらの窒化物を使用することも可能である。次に、n型クラッド層11とオーミック電極43との間でオーミック性接触の形成を促進させるために400℃の窒素雰囲気下で熱処理を行った(図6(c))。以上の各工程を経て半導体発光装置1が完成する。
11、11a、11b、11c、11d n型クラッド層
12、12a、12b、12c、12d 発光層
13、13a、13b、13c 13d p型クラッド層
14 14a、14b、14d p型コンタクト層
20、20b、20c、20d、光反射層
21、21b、21c、21d 反射面側オーミック電極
21L ライン電極
21D ドット電極
22、22b、22c、22d 対向電極
30 支持基板
41、41b、41c、41d 給電用パッド
43、43b、43c、43d 光取り出し面側オーミック電極
Claims (7)
- 支持基板と、前記支持基板上に設けられた発光層を含む半導体膜と、前記半導体膜の光取り出し面側の表面に設けられた表面電極と、前記支持基板と前記半導体膜との間に設けられて前記半導体膜と接する面において光反射面を形成する光反射層と、を含む半導体発光素子であって、
前記表面電極は、前記半導体膜との間でオーミック接触を形成する第1の電極片と、前記第1の電極片に電気的に接続された第2の電極片と、を含み、
前記光反射層は、反射電極を含み、前記反射電極は前記半導体膜との間でオーミック接触を形成する第3の電極片と、前記第3の電極片に電気的に接続され且つ前記第2の電極片と対向するように配置された第4の電極片とを含み、
前記第1の電極片と前記第3の電極片は、前記半導体膜の主面と平行な面に投影したときに互いに重ならないように配置され、
前記第2の電極片と前記第4の電極片の双方は、前記半導体膜との間でショットキー接触を形成して前記半導体膜の順方向電流を妨げる障壁を形成することを特徴とする半導体発光素子。 - 前記半導体膜は、前記第2および第4の電極片の少なくとも一方と接する部分のキャリア濃度が、前記第1および第3の電極片と接する部分のキャリア濃度よりも低いことを特徴とする請求項1に記載の半導体発光素子。
- 前記半導体膜は、前記発光層を挟んで前記光取り出し面側および前記光反射面側にそれぞれキャリア濃度が互いに異なる高キャリア濃度層および低キャリア濃度層を含み、
前記第1の電極片は前記光取り出し面側の高キャリア濃度層上に設けられ、
前記第2の電極片は前記光取り出し面側の低キャリア濃度層上に設けられ、
前記第3の電極片は前記光反射面側の高キャリア濃度層上に設けられ、
前記第4の電極片は前記光反射面側の低キャリア濃度層上に設けられていることを特徴とする請求項2に記載の半導体発光素子。 - 前記半導体膜は、前記第2および第4の電極片の少なくとも一方と接する部分において前記半導体膜への機械的衝撃によって形成され且つ他の領域よりも高抵抗のダメージ層を有することを特徴とする請求項1に記載の半導体発光素子。
- 前記ダメージ層は結晶欠陥密度が他の層よりも高いことを特徴とする請求項4に記載に半導体発光素子。
- 前記第1の電極片と前記第2の電極片は同一の材料からなり、
前記第3の電極片と前記第4の電極片は同一の材料からなることを特徴とする請求項2乃至5のいずれか1つに記載の半導体発光素子。 - 前記第2の電極片は給電用パッドであることを特徴とする請求項1乃至6のいずれか1つに記載の半導体発光素子。
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