JP2019197868A - 半導体発光素子及び半導体発光素子の製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
本発明者らは、上記の課題を解決すべく鋭意検討を重ねた結果、活性層にn型ドーパントを特定の濃度範囲で注入することにより、上記の課題を有利に解決することができるという知見を得て、本発明を完成するに至った。
本発明の半導体発光素子は、In及びPを少なくとも含むInGaAsP系III−V族化合物半導体層を複数層積層してなる半導体積層体を備えた、半導体発光素子であって、
前記半導体積層体は、n型クラッド層、活性層、及びp型クラッド層をこの順に有し、
前記活性層は、井戸層及び障壁層を交互に繰り返して積層した多重量子井戸構造であり、かつ、n型ドーパントを、前記井戸層のみ、又は、前記井戸層及び前記障壁層の両方に含んでおり、
前記活性層のn型ドーパントのドーパント濃度が、7.6×1015〜1.7×1017atoms/cm3であることを特徴とする、半導体発光素子。
前記アンドープ層の厚さは、5〜500nmであることが好ましい。
前記半導体積層体は、n型クラッド層、活性層、及びp型クラッド層をこの順に有し、
前記活性層は、井戸層及び障壁層を交互に繰り返して積層した多重量子井戸構造であり、
前記活性層を形成する工程において、前記井戸層のみ、又は、前記井戸層及び前記障壁層の両方に、n型ドーパントを含むドーピングガスを流入させ、
前記活性層のn型ドーパントのドーパント濃度が、7.6×1015〜1.7×1017atoms/cm3であることを特徴とする。
前記アンドープ層の厚さは、5〜500nmであることが好ましい。
(第1工程)
本発明の一実施形態にかかる半導体発光素子の製造方法においては、まず、図1Aに示すように、まずInP成長用基板10を用意する。InP成長用基板10には、一般的に入手可能なn型InP基板、アンドープのInP基板、及びp型InP基板のいずれを用いることもできる。本実施形態では、InP成長用基板10は、n型InP基板である。
特に、活性層35のn型ドーパント濃度のドーパント濃度を上記の範囲(7.6×1015〜1.7×1017atoms/cm3、好ましくは、1.1×1016〜1.4×1017atoms/cm3)とするに当たっては、活性層35を形成する際のn型ドーパントのドーピングガスのガス流量等を調整して行うことができる。上記のように活性層35内でドーパント濃度を変更する場合にも、ドーピングガスのガス流量を調整しながら活性層35を形成することにより、活性層35内でのn型ドーパントのドーパント濃度のプロファイルを調整することができる。具体的には、ドーパント濃度を高める際に、ガス流量を大きくすることができる。
次いで、図1Cに示すように、第2工程では、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。例えば、図1C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、後述のオーミック金属部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の厚さは制限されないが、例えば50nm〜200nmとすることができる。
次いで、図2Aに示すように、第3工程では、コンタクト層41上の一部にオーミック金属部43を形成すると共に、コンタクト層41の表面に露出領域E1を残す。オーミック金属部43は、所定のパターンで島状に分散させて形成することができる。p型のコンタクト層41としてp型のInGaAs層を用いる場合、オーミック金属部43として例えばAu、AuZn、AuBe、AuTiなどを用いることができ、これらの積層構造を用いることも好ましい。例えば、Au/AuZn/Auをオーミック金属部43とすることができる。オーミック金属部43の厚さ(又は合計厚さ)は制限されないが、例えば300〜1300nm、より好ましくは350nm〜800nmとすることができる。
次いで、図2Bに示すように、第4工程では、露出領域E1におけるコンタクト層41を、半導体積層体30の表面が露出するまで除去して、オーミック金属部43及びコンタクト層41aからなるコンタクト部40を形成すると共に、半導体積層体30の露出面E2を形成する。すなわち、先の第3工程において形成したオーミック金属部43以外の場所におけるコンタクト層41を、半導体積層体30の最表層であるp型キャップ層39の表面が露出するまでエッチングし、コンタクト層41aとする。例えば、オーミック金属部43及びその近傍(2〜5μm程度)にレジストマスクを形成し、酒石酸−過酸化水素系などによりコンタクト層41の露出領域E1をウェットエッチングすればよい。他にも、無機酸−過酸化水素系及び有機酸−過酸化水素系などによってもウェットエッチングは可能である。また、第3工程において金属層上にマスクを形成し、エッチングによりオーミック金属部43を形成した場合は、第4工程のエッチングを連続して行ってもよい。
次いで、図2Cに示すように、第5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。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。
次いで、図3Aに示すように、第6工程では、誘電体層50及びコンタクト部40上に、Auを主成分とする金属反射層60を形成する。第5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。Auを主成分とする金属反射層60とは、金属反射層60の組成においてAuが50質量%超を占めることをいい、より好ましくはAuが80質量%以上であることをいう。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の合計厚さのうち、Au金属層の厚さを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。後続の第7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、及びコンタクト部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層の厚さを、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さを、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、及びコンタクト部40上に成膜して形成することができる。
次いで、図3Bに示すように、第7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。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。
次いで、図4Aに示すように、第8工程では、InP成長用基板10を除去する。InP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、本実施形態においては、エッチングストップ層20を形成しているため、当該エッチングストップ層でエッチングを終了させることができる。なお、エッチングストップ層がn型InGaAs層である場合、例えば硫酸−過酸化水素系でウェットエッチングにより除去すればよい。
次いで、図4Bに示すように、導電性支持基板80の裏面に裏面電極91を形成し、半導体積層体30の表面に上面電極93を形成する工程を有する。上面電極93は、配線部93a及びパッド部93bを含んでも良い。裏面電極91及び上面電極93の形成は公知の手法を用いることができ、例えばスパッタ法、電子ビーム蒸着法、又は抵抗加熱法などを用いることができる。
次に、本発明の半導体発光素子の一実施形態について説明する。
本発明の一実施形態にかかる半導体発光素子は、縦方向に電流が流れることで機能する縦型の半導体発光素子100である。すなわち、図4Bに示すように、この半導体発光素子100は、導電性支持基板80と、導電性支持基板80の表面に設けられた金属接合層70と、金属接合層70の上に設けられた金属反射層60と、金属反射層60の上に設けられた、In及びPを少なくとも含むInGaAsP系III−V族化合物半導体層を複数層積層してなる半導体積層体30と、金属反射層60及び半導体積層体30の間に、並列して設けられた誘電体層50及びコンタクト部40と、を有する。そして、金属反射層60の主成分はAuであり、導電性支持基板80は導電性のSi基板からなる。図4Bに示すように、本実施形態の半導体発光素子100は、裏面電極91及び上面電極93を有している。
上記の実施形態では、Si基板を貼り合わせて支持基板として用い、InP成長用基板10を除去する実施形態であるが、本発明は、このような貼り合わせ型の半導体発光素子に限定されない。すなわち、上記の半導体発光素子の製造方法の実施形態において、図3Bに示した支持基板を貼り合わせる工程及び図4Aに示したInP成長用基板10を除去する工程を行わずに、上面電極及び裏面電極を形成すれば、InP成長用基板10をそのまま用いた、半導体発光素子を形成することができる。もちろん、InP成長用基板10の除去を行わないため、図1Bに示した第1工程において、エッチングストップ層20を形成する必要もない。この場合も、活性層35は、井戸層35W及び障壁層35Bを交互に繰り返して積層した多重量子井戸構造であり、井戸層35Wのみ、又は、井戸層35W及び障壁層35Bの両方が、n型ドーパントのドーパント濃度が、7.6×1015〜1.7×1017atoms/cm3であることにより、上記のように、発光出力を向上させることができる。同様の理由により、この場合も、井戸層35Wのみ、又は、井戸層35W及び障壁層35Bの両方が、n型ドーパントのドーパント濃度が、1.1×1016〜1.4×1017atoms/cm3であることが好ましい。さらに、この場合も、活性層35とp型クラッド層37との間に、アンドープ層をさらに有し、アンドープ層の厚さは、5〜500nmであることが好ましい。
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1〜図4に示したフローチャートに従って、発明例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。
活性層を形成するにあたり、n型ドーパントとしてSiを含むドーピングガスを流入する際、井戸層と障壁層との両方において、流量を7ccとした以外は、発明例1と同様とした。SIMSによりドーパント濃度を計測した結果、活性層のSiドーパント濃度は、1.4×1016atoms/cm3となっていることがわかった。
活性層を形成するにあたり、n型ドーパントとしてSiを含むドーピングガスを流入する際、井戸層と障壁層との両方において、流量を80ccとしたことと、n型クラッド層側のn型スペーサ層及びp型クラッド層側のi型InPスペーサ層を形成しなかったこと以外は、発明例1と同様とした。SIMSによりドーパント濃度を計測した結果、活性層のSiドーパント濃度は、1.1×1017atoms/cm3のドーパント濃度となっていることがわかった。
活性層を形成するにあたり、n型ドーパントとしてSiを含むドーピングガスを流入する際、井戸層と障壁層との両方において、流量を8ccとしたことと、n型クラッド層側のn型スペーサ層及びp型クラッド層側のi型InPスペーサ層を形成しなかったこと以外は、発明例1と同様とした。SIMSによりドーパント濃度を計測した結果、活性層のSiドーパント濃度は、1.5×1017atoms/cm3となっていることがわかった。
活性層及びn型クラッド層側のn型スペーサ層をアンドープとしたこと以外は、発明例1と同様とした。
活性層にp型ドーパントとしてMgを含むドーピングガス(Cp2Mg)を流入し、流量を95ccとしたこと以外は、発明例1と同様とした。
活性層にp型ドーパントとしてMgを含むドーピングガス(Cp2Mg)を流入し、流量を500ccとしたこと以外は、発明例1と同様とした。
活性層にp型ドーパントとしてZnを含むドーピングガス(DEZn)を流入し、流量を15ccとしたこと以外は、発明例1と同様とした。
活性層をアンドープとした以外は、発明例3、4と同様とした。
発明例1〜4及び比較例1〜5にかかる半導体発光素子に定電流電圧電源を用いて20mAの電流を流したときの順方向電圧Vf、積分球による発光出力Po、及び発光ピーク波長λpを測定し、それぞれ3個の試料の測定結果の平均値を求めた。
結果を表1、2に示す。なお、発光出力Po(20mA時)は、表1、2において規格化して示しており(ただし、表1では「mW」を単位とした実測値も併記して示している)、表1においては比較例1の結果を1.00として発明例1、2及び比較例2〜4の結果を相対的に示し、また、表2においては比較例5の結果を1.00として発明例3、4の結果を相対的に示している。
半導体発光素子作製直後の積分球による初期の発光出力を測定し(3個の試料の平均)、その後、半導体発光素子に室温で20mAを456時間連続して通電した後に積分球による発光出力を測定した(3個の試料の平均)。
結果を表1に示す。
また、表1に示すように、活性層が所定のドーパント濃度のn型ドーパントを有し、且つ、所定の厚さのp型クラッド層側のi型InPスペーサ層を有する、発明例1、2は、比較例1〜4と比較して発光出力の維持率も向上したことがわかる。
20 エッチングストップ層
30 半導体積層体
31 n型クラッド層
35 活性層
35W 井戸層
35B 障壁層
37 p型クラッド層
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 支持基板(導電性支持基板)
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
本発明の半導体発光素子は、In及びPを少なくとも含むInGaAsP系III−V族化合物半導体層を複数層積層してなる半導体積層体を備えた、半導体発光素子であって、
前記半導体積層体は、n型クラッド層、活性層、及びp型クラッド層をこの順に有し、
前記活性層は、井戸層及び障壁層を交互に繰り返して積層した多重量子井戸構造であり、かつ、n型ドーパントを、前記井戸層のみ、又は、前記井戸層及び前記障壁層の両方に含んでおり、
前記活性層のn型ドーパントのドーパント濃度が、7.6×1015〜1.7×1017atoms/cm3であり、
前記活性層と前記p型クラッド層との間に、アンドープ層をさらに有し、
前記アンドープ層の厚さは、5〜500nmであることを特徴とする、半導体発光素子。
前記半導体積層体は、n型クラッド層、活性層、及びp型クラッド層をこの順に有し、
前記活性層は、井戸層及び障壁層を交互に繰り返して積層した多重量子井戸構造であり、
前記活性層を形成する工程において、前記井戸層のみ、又は、前記井戸層及び前記障壁層の両方に、n型ドーパントを含むドーピングガスを流入させ、
前記活性層のn型ドーパントのドーパント濃度が、7.6×1015〜1.7×1017atoms/cm3であり、
前記半導体積層体を形成する工程は、前記活性層と前記p型クラッド層との間に、アンドープ層を形成する工程を含み、
前記アンドープ層の厚さは、5〜500nmであることを特徴とする。
Claims (6)
- In及びPを少なくとも含むInGaAsP系III−V族化合物半導体層を複数層積層してなる半導体積層体を備えた、半導体発光素子であって、
前記半導体積層体は、n型クラッド層、活性層、及びp型クラッド層をこの順に有し、
前記活性層は、井戸層及び障壁層を交互に繰り返して積層した多重量子井戸構造であり、かつ、n型ドーパントを、前記井戸層のみ、又は、前記井戸層及び前記障壁層の両方に含んでおり、
前記活性層のn型ドーパントのドーパント濃度が、7.6×1015〜1.7×1017atoms/cm3であることを特徴とする、半導体発光素子。 - 前記活性層のn型ドーパントのドーパント濃度が、1.1×1016〜1.4×1017atoms/cm3である、請求項1に記載の半導体発光素子。
- 前記活性層と前記p型クラッド層との間に、アンドープ層をさらに有し、
前記アンドープ層の厚さは、5〜500nmである、請求項1又は2に記載の半導体発光素子。 - In及びPを少なくとも含むInGaAsP系III−V族化合物半導体層を複数層積層してなる半導体積層体を形成する工程を含む、半導体発光素子の製造方法であって、
前記半導体積層体は、n型クラッド層、活性層、及びp型クラッド層をこの順に有し、
前記活性層は、井戸層及び障壁層を交互に繰り返して積層した多重量子井戸構造であり、
前記活性層を形成する工程において、前記井戸層のみ、又は、前記井戸層及び前記障壁層の両方に、n型ドーパントを含むドーピングガスを流入させ、
前記活性層のn型ドーパントのドーパント濃度が、7.6×1015〜1.7×1017atoms/cm3であることを特徴とする、半導体発光素子の製造方法。 - 前記活性層のn型ドーパントのドーパント濃度が、1.1×1016〜1.4×1017atoms/cm3である、請求項4に記載の半導体発光素子の製造方法。
- 前記半導体積層体を形成する工程は、前記活性層と前記p型クラッド層との間に、アンドープ層を形成する工程を含み、
前記アンドープ層の厚さは、5〜500nmである、請求項4又は5に記載の半導体発光素子の製造方法。
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