JP2020194924A - 半導体発光素子およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
(1)本発明に係る半導体発光素子は、支持基板、中間電極を含む接合層、並びに、III−V族化合物半導体からなる第1導電型半導体層、半導体発光層および第2導電型半導体層をこの順に有する半導体発光素子であって、
パッド部および配線部からなる上面電極を前記第2導電型半導体層の主面に有し、
前記配線部は、5〜12μmの短軸長を備えた長尺体を有し、
前記上面電極が形成された上面電極形成領域以外の前記主面における領域が、前記配線部により複数の光取り出し領域に区画され、
前記中間電極は、それぞれ複数の島状に形成された第1中間電極および第2中間電極を有し、前記中間電極を前記主面に対して垂直投影した投影面において、
(a)前記中間電極は、前記光取り出し領域の区画内において最も近接する前記第1中間電極の投影体同士が等距離の間隔Xになるよう配置された前記第1中間電極を含み、
(b)前記中間電極は、前記第2中間電極の投影体と前記配線部とが重なるよう配置された前記第2中間電極を含み、
(c)前記第1中間電極のうち最も前記第2中間電極に近接する第1中間電極と、前記第2中間電極との近接距離Y1はX/2以上3X/2未満である、
ことを特徴とする。
これにより、大電流を印加した場合においても、電流−光出力特性の直線性を維持したまま発光出力の低下を抑制する半導体発光素子を提供することができる。
これにより、発光出力の低下をより抑制する半導体発光素子を提供することができる。
これにより、発光出力の低下をより抑制する半導体発光素子を提供することができる。
これにより、発光出力の低下をより抑制する半導体発光素子を提供することができる。
これにより、発光出力の低下をより抑制する半導体発光素子を提供することができる。
これにより、発光出力の低下をより抑制する半導体発光素子を提供することができる。
成長用基板上に、前記第2導電型半導体層、前記発光層および前記第1導電型半導体層を含む半導体積層体を形成する半導体層形成工程と、
前記第1中間電極および前記第2中間電極を含む接合層を介して、前記支持基板と前記半導体積層体とを接合する接合層形成工程と、
前記成長用基板を除去する成長用基板除去工程と、
前記成長用基板を除去した前記半導体積層体の主面上に、パッド部および配線部からなる上部電極を形成し、前記上面電極が形成された上面電極形成領域以外の前記主面における領域が、前記配線部により複数の光取り出し領域に区画される上面電極形成工程と、を有し、
前記主面に対して前記第1中間電極および前記第2中間電極を垂直投影した投影面において、
(a)前記光取り出し領域の区画内において最も近接する前記第1中間電極の投影体同士が等距離の間隔Xになるよう、前記第1中間電極が配置され、
(b)前記第2中間電極の投影体と前記配線部とが重なるよう、前記第2中間電極が配置され、
(c)前記第1中間電極のうち最も前記第2中間電極に近接する第1中間電極と、前記第2中間電極との近接距離Y1はX/2以上3X/2未満である、
ことを特徴とする。
これにより、大電流を印加した場合においても、電流−光出力特性の直線性を維持したまま発光出力の低下を抑制する半導体発光素子を製造することができる。
これにより、発光出力の低下をより抑制する半導体発光素子を製造することができる。
これにより、発光出力の低下をより抑制する半導体発光素子を製造することができる。
これにより、発光出力の低下をより抑制する半導体発光素子を製造することができる。
(定義)
まず、本明細書において単に「III−V族化合物半導体」と称する場合、その組成は一般式:(InaGabAlc)(PxAsySbz)により表される。ここで、各元素の組成比については以下の関係が成立する。III族元素について、c=1−a−b,0≦a≦1,0≦b≦1,0≦c≦1の関係が成立する。一方、V族元素について、z=1−x−y,0≦x≦1,0≦y≦1,0≦z≦1の関係が成立する。そして後述のとおり、半導体発光層におけるIII−V族化合物半導体層は、Al,Ga,Inからなる群より選択されるIII族元素が一種以上、およびAs,Sb,Pからなる群より選択されるV族元素が一種以上選択されることにより、構成される。
以下、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に例示説明する。なお、同一の構成要素には原則として同一の参照番号を付して、重複する説明を省略する。各図において、説明の便宜上、基板および各層の縦横の比率を実際の比率から誇張して示している。図1A〜図1Cに記載の構成のうち、上面電極93および中間電極(第1中間電極53aおよび第2中間電極53bの総称)の対応関係について予め説明する。上面電極93は、パッド部93d(オーミック金属層パッド部93b及びパッド電極層93cの総称)及び配線部93a(オーミック金属層93eの配線部93aとも称する)からなる。また、説明の便宜上、上面電極93のパッド部93d(単にパッド部と称する)である、オーミック金属層パッド部93bおよびパッド電極層93cについてはハッチング表示している。そして、図1Aは、本発明に係る半導体発光素子の一態様を膜厚方向において上面電極側からみた上面図である。また、当該図1Aは、説明の便宜上、第2導電型半導体層31の主面に対して、第1中間電極53aおよび第2中間電極53bを垂直投影した投影面を示しており、第1中間電極53aの投影体は白抜きの丸、第2中間電極53bの投影体は黒丸で表示している。図1Bは、図1AのI−I線で切断した際の半導体発光素子の断面図である。図1Cは、図1AのII−II線で切断した際の半導体発光素子の断面図である。そのため、図1Bは、中間電極として第1中間電極53aが2つ接合層50内に形成されている状態を一例として示している。一方図1Cでは、中間電極として第2中間電極53bが4つ、接合層50内に形成されている状態を一例として示している。
(a)中間電極は、光取り出し領域S1,S2,S3,S4の区画内において、最も近接する第1中間電極53aの投影体同士が等距離の間隔Xになるよう配置された、第1中間電極53aを含む。
(b)中間電極は、第2中間電極53bの投影体と配線部93aとが重なるよう配置された、第2中間電極53bを含む。
(c)第1中間電極53aのうち最も第2中間電極53bに近接する第1中間電極53aと、当該第2中間電極53bとの近接距離Y1はX/2以上3X/2未満である。
ここで、図1Aに示すように、少なくとも同一の光取り出し領域S1〜S4の各領域内において、第1中間電極53aのうち最も第2中間電極53bに近接する、第1中間電極53aと第2中間電極との近接距離を、近接距離Y1と表記する。さらに、第1中間電極53aのうち2番目に第2中間電極53bに近接する、第1中間電極53aと第2中間電極53bとの近接距離を、近接距離Y2と表記する。そして、配線部93aの短軸長をWと表記する。なお、本明細書における「複数の光取り出し領域に区画されている」とは、配線部93aを当該配線部93aの長手方向に沿って第2導電型半導体層31の主面の縁まで延伸した際に生じる領域に区切ることをいう。
図1A〜図1Cに示す通り、本発明において、中間電極とは半導体発光素子100の内部、より具体的には接合層50内に配置された電極である。中間電極は支持基板80とIII−V族化合物半導体からなる半導体発光層35を含む半導体積層体30との間の接合層50内に配置され、半導体積層体30と支持基板80とを電気的に接続する。また、中間電極は、第1中間電極53aおよび第2中間電極53bから構成されており、本明細書における中間電極は、第1中間電極53aおよび第2中間電極53bの総称をいう。
図1A〜図1Cに示す通り、本発明において、上面電極93とは、III−V族化合物半導体からなる半導体発光層35を含む半導体積層体30の上に配置され、外部と電気的に接続可能な電極である。上述した中間電極と上面電極93との極性は異なっており、中間電極と上面電極93との間で電流が流れることにより、半導体発光層35において発光が行われる。上面電極93はパッド部93dおよび配線部93aから構成されている。より詳細には、上面電極93は、パッド部93dおよび当該パッド部93dから外方向に延伸され、かつ当該パッド部と電気的接続された配線部93aから構成されている。パッド部93dとは、円形状または多角形状の電極部であって外部から通電するためのバンプ接合またはワイヤーボンディングを行う部分をいう。一方、配線部93aとは、パッド部93dから(配線)電極の細線が延伸する部分のことをいう。このような上面電極93を形成するためには、オーミック金属層パッド部93bと、該オーミック金属層パッド部93bに連結した配線部93aとからなるオーミック金属層93eを形成し、次いでオーミック金属層93eのオーミック金属層パッド部93b上にパッド電極層93cを形成する。
本発明の半導体発光素子100において、第2導電型半導体層(例えば、n型半導体層)31の主面に対して第1中間電極53aおよび第2中間電極53bを垂直投影した投影面を想定した図の一例が、図1Aである。そして、第2導電型半導体層31の主面は、図1Aに示すように、上面電極93が形成されている上面電極形成領域(実線部)以外の前記主面における領域が、配線部93aにより複数の光取り出し領域S1,S2,S3,S4に区画されている。また、上述したように、中間電極として、第1中間電極53aの投影体および第2中間電極53bの投影体がそれぞれ複数の島状に形成されている。なお、本実施形態において、第2導電型半導体層31の主面上における第1中間電極の投影体および第2中間電極の投影体は、金属反射層60上に実際に形成されている第1中間電極53aおよび第2中間電極53bとそれぞれ対応している。そのため、投影面上における第1中間電極53aおよび第2中間電極53bの投影体の平面上のそれぞれの位置と、金属反射層60上における第1中間電極53aおよび第2中間電極53bのそれぞれの平面上の位置とは一致している。そして、第1中間電極53aは第1中間電極53aの投影面と一致し、第2中間電極53bは第2中間電極53bの投影面と一致するとみなして本明細書では説明する。図において、第1中間電極53aの投影体は、白抜き丸で示しており、第2中間電極53bの投影体は、黒丸で示している。
図1Aでは、第2導電型半導体層31の主面の中央部に円形状のパッド部93dが設けられており、パッド部93dから放射方向外方に向かって、4つの長尺体の配線部93aが延伸されている。そして、長尺体の配線部93aにより、上面電極形成領域以外の主面の領域(二点鎖線部内)が、S1〜S4の4つの光取り出し領域に区画されている。
配置条件(a)については、先に述べた通りである。ここで、当該配置条件(a)について換言すると、同一の光取り出し領域内に存在する、最も近接する第1中間電極53aの投影体(白抜き丸)同士は、等距離の間隔Xになるように第1中間電極53aが配置される。しかし、光取り出し領域を2以上またぐ場合、例えば、光取り出し領域S1内に存在する第1中間電極53aの投影体(白抜き丸)と、当該第1中間電極53aの投影体(白抜き丸)に近接する光取り出し領域S2内に存在する第1中間電極53aの投影体(白抜き丸)と、の距離は等距離である必要はない。
配置条件(b)については、先に述べた通りである。ここで、当該配置条件(b)について換言すると、第2中間電極53bの投影体(黒丸)と配線部93aとが重なるよう、第2中間電極53bが接合層50内に配置される。図1Aでは、1本の長尺体の配線部93aにつき、2つの第2中間電極53bが重なって配置される。また、ここでいう「第2中間電極53bの投影体と配線部93aとが重なる」とは、上述した第1中間電極と第2中間電極との相違点と同様に、第2中間電極53bの投影体(黒丸)の中心が、配線部93aの長手方向の中心線から、配線部93aの短軸方向における短軸長(5〜12μm)の4分の1以内に位置することをいい、第2中間電極53bの投影体(黒丸)の中心が当該中心線と一致することがさらに好ましい。なお、図1Aでは、1本の長尺体の配線部93aにつき、2つの第2中間電極53bがある例を示しているが、配線部93aと重なる第2中間電極53bの投影体(黒丸)の数は特に制限されることはない。
配置条件(c)については、先に述べた通りである。ここで、当該配置条件(c)について換言すると、第2中間電極53bの投影体(黒丸)と、当該第2中間電極53bの投影体と最も近接する第1中間電極53aの投影体(白抜き丸)との近接距離Y1は、X/2以上3X/2未満になるよう、第1中間電極53aおよび第2中間電極53bが接合層50内に配置される。また、当該近接距離Y1は、X以上3X/2未満であることが好ましい。さらには、第2中間電極53bが複数存在する場合は、近接する第2中間電極53bの投影体(黒丸)同士の近接距離Zは、最も近接する第1中間電極53aの投影体(白抜き丸)同士の間隔Xと同一であることが好ましい。
本発明に係る半導体発光素子100の好適な形態として、上記配置条件(a)〜(c)に加えてさらに、下記の配置条件(d)を満たすよう、第1中間電極53a、第2中間電極53b、配線部93aおよびパッド部93dを配置してもよい。すなわち、本発明に係る半導体発光素子100は、第2導電型半導体層31の主面に対して第1中間電極53aおよび第2中間電極53bを垂直投影した投影面において、4つの配置条件(a)〜(d)を満たすように配置された、第1中間電極53a、第2中間電極53b、配線部93aおよびパッド部93dを備えることが好ましい。
中間電極は、第1中間電極53aおよび第2中間電極53bのそれぞれの投影体(白抜き丸、黒丸)がパッド部93dから外れるよう配置された第1中間電極53aおよび第2中間電極53bをさらに含むことが好ましい(配置条件(d))。換言すると、図1Aに示すように、第1中間電極53aおよび第2中間電極53bのそれぞれの投影体(白抜き丸、黒丸)が、パッド部93dと重ならないよう、第1中間電極53aおよび第2中間電極53bが接合層50内に配置されることが好ましい。パッド部93dは面積が大きいために、配線部93aとは異なり、パッド部93dの下での発光が遮光されて光取り出しされない影響の度合いが大きいためである。
本発明の好ましい形態において、少なくとも同一の光取り出し領域(例えばS1〜S4のいずれか1つ)内で、複数の第1中間電極53aのうち最も第2中間電極53bに近接する第1中間電極53aと、第2中間電極53bとの近接距離Y1が最も大きくなる位置に第1中間電極53aおよび第2中間電極53bを配置することが好ましい。また、本発明のより好ましい形態において、全ての光取り出し領域(S1〜S4)内で、前記近接距離Y1が最も大きくなる位置に第1中間電極53aおよび第2中間電極53bを配置することが好ましい。
条件(I):同一の光取り出し領域内S1〜S4に存在するn個の第1中間電極(53a1、53a2、53a3・・・53ai、53aj・・・53am、53an・・・)のうちの、第1中間電極53aiと第1中間電極53ajとを結ぶ線分の中心を通り、かつ当該線分に対して垂直な直線と、配線部93aの長手方向に沿った直線との交点に第2中間電極53bxが配置されている。
条件(II):第1中間電極53ai及び第1中間電極53ajの組み合わせ以外の2つの第1中間電極を、第1中間電極53amと第1中間電極53anとし、当該第1中間電極53amと当該第1中間電極53anとを結ぶ線分の中心を通り、かつ当該線分に対して垂直な直線と、配線部93aの長手方向に沿った直線との交点に第2中間電極53byが配置されている場合であって、
以下の3つの式:
また、Y1myは、第1中間電極53amと前記交点に配置された第2中間電極53byとの近接距離を表わし、Y2nyは、第1中間電極53anと前記交点に配置された第2中間電極53byとの近接距離を表わす。)を満たすように、第2中間電極53bx、第1中間電極53ai及び第1中間電極53ajを配置する。
接合層50は、上述した第1中間電極53aおよび第2中間電極53bを含み、かつ必要により金属接合層70と、金属反射層60と、誘電体層55とを含む。具体例を図1B、図1Cに示す。これらの図では、同様の構成として接合層50を示している。より具体的には、接合層50は、電気的に接続可能なコンタクト部(第1コンタクト部40aおよび第2コンタクト部40bの総称)の両端部が表面から露出するよう複数内部に設けられた誘電体層55に対して、当該コンタクト部40a,40bにおける中間電極(第1中間電極53a、第2中間電極53b)と接触するように、金属反射層60および金属接合層70が積層された構成であることが好ましい。以下、接合層50の好ましい構成要素である、誘電体層55、金属反射層60および金属接合層70について説明する。
金属反射層60は、光を反射する反射面を形成し、中間電極(第1中間電極53aおよび第2中間電極53b)を介して半導体積層体30と電気的に接続でき、かつ後述の金属接合層70と接合可能な層である。
金属接合層70は、金属反射層60と接合する層であり、金属接合層70と金属反射層60とが接合により一体化されてもよい。金属反射層60と金属接合層70との接合を容易にするため、金属接合層70側の最表層の金属と、金属反射層60の、金属接合層70側の最表層の金属が同一であることが好ましい。
支持基板80は、後述する接合法(特開2018−006495号公報を参照する)を用いるため、その上に形成する半導体積層体30の格子定数との関係での特段の制限はない。支持基板80を構成する好適な材料としては、例えばSi材料などの半導体材料、Mo、Wまたはコバール等の金属材料、焼成AlNなどの放熱性絶縁基板を用いた公知のサブマウント基板に使用される材料が挙げられる。また、支持基板80は、導電性を示すことが好ましい。
第1導電型半導体層37、および第2導電型半導体層31は、InおよびPを少なくとも含むInGaAsPであることが好ましく、最も好ましくはInPである。半導体発光層35は発光中心波長が1000〜2200nmの光を放出する半導体発光層であることが好ましく、InおよびPを少なくとも含むInGaAsPからなる層であることがさらに好ましい。さらに、半導体発光素子100において、第2導電型半導体層31の主面を光取り出し面にする場合は、凹凸パターンがランダムな粗面であることが好ましい。
本発明に係る半導体発光素子の製造方法は、成長用基板10上に、第2導電型半導体層31、半導体発光層35および第1導電型半導体層37を含む半導体積層体30を形成する半導体層形成工程と、第1中間電極53aおよび第2中間電極53bを含む接合層50を介して、支持基板80と半導体積層体30とを接合する接合層形成工程と、成長用基板10を除去する成長用基板除去工程と、成長用基板10を除去した半導体積層体30の主面上に、パッド部93dおよび配線部93aからなる上面電極93を形成し、上面電極93が形成された上面電極形成領域以外の前記主面における領域が、配線部93aにより複数の光取り出し領域(S1〜S4)に区画される上面電極形成工程と、を有し、前記主面に対して中間電極(第1中間電極および第2中間電極)を垂直投影した投影面において、以下の配置条件(a)〜(c)を満たすように、中間電極(第1中間電極53aおよび第2中間電極53b)および上面電極93が配置される。
(a)光取り出し領域(S1〜S4)の区画内において最も近接する第1中間電極53aの投影体(黒丸)同士が等距離の間隔Xになるよう、第1中間電極53aが配置される。
(b)第2中間電極53bの投影体と配線部93aとが重なるよう、第2中間電極53bが配置される。
(c)第1中間電極53aのうち最も第2中間電極53bに近接する第1中間電極53aと、第2中間電極53bとの近接距離Y1はX/2以上3X/2未満である。
配置条件(d)は、上記した通り、第1中間電極53aおよび第2中間電極53bのそれぞれの投影体(白抜き丸、黒丸)がパッド部93dから外れるよう、配置された第1中間電極53aおよび第2中間電極53bを中間電極が含むことである。
図2のステップAに示すように、半導体層形成工程では、まず成長用基板10を用意する。本実施形態ではp型クラッド層37およびn型クラッド層31を形成するため、成長用基板10として各半導体層と格子整合可能な基板(InGaAsP系であればInP基板)を用いることが好ましい。なお、InP基板としては、一般的に入手可能なn型InP基板、高抵抗(半絶縁性とも呼ばれる)のInP基板(例えばFeドープ、比抵抗1×106Ω・cm以上)、p型InP基板のいずれを用いることもできる。以下、説明の便宜のため、成長用基板10としてn型InP基板を用いる好適な実施形態を説明する。
接合層形成工程は、コンタクト部形成工程、誘電体層形成工程、金属反射層形成工程接合工程および支持基板形成工程を含む。以下、接合層形成工程に含まれる各工程について、図2〜図4を参照しながら説明する。
上記コンタクト部形成工程では、図2のステップCに示す通り、まず、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51を形成する。p型キャップ層39上にp型のコンタクト層51を形成することができる。p型のコンタクト層51は、中間電極(第1中間電極53aおよび第2中間電極53b)に接し、当該中間電極と半導体積層体30との間に介在する中間電極と接触する層であって、半導体積層体30に比べて中間電極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。コンタクト層部51aの膜厚は制限されないが、例えば50nm〜200nmとすることができる。
上記誘電体層形成工程では、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55を形成する(図3のステップF)。このような誘電体層55は、例えば以下のようにして形成することができる。
上記金属反射層形成工程では、誘電体層55および第2コンタクト部40b上に、半導体発光層35から放射される光を反射する金属反射層60を形成する(図5のステップG)。なお、誘電体層形成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。金属反射層60には、DBR、金属反射層、フォトニック結晶、部分的な空隙等による屈折率差などがいずれも利用可能であるものの、製造が容易であり放射光に対して適切な反射率とするため、金属反射層60を用いることが好ましい。金属反射層60には、Au,Al,Pt,Ti、Agなどを用いることができるが、Auを主成分とすることが特に好ましい。この場合、金属反射層60の組成においてAuが50質量%超を占めることが好ましく、より好ましくはAuが80質量%以上である。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の合計厚みのうち、Au金属層の厚みを50%超とすることが好ましい。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。後続の接合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55、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層の厚みを、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みを、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55、露出部E3およびコンタクト部40上に成膜して形成することができる。
上記接合工程では、金属接合層70が表面に設けられた支持基板80を、金属接合層70を介して金属反射層60に接合する(図5のステップH)。支持基板80の表面には、予め金属接合層70を、スパッタ法または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。
上記基板除去工程では、図6のステップIに示すように、成長用基板10を除去する。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、III−V族化合物半導体のエッチングストップ層20を当該ウェットエッチングの終点とすることができる。なお、III−V族化合物半導体のエッチングストップ層20を除去する際には、例えば硫酸−過酸化水素系のエッチング液でウェットエッチングすればよい。
本発明における上面電極形成工程は、図6のステップJのように、オーミック金属層93e(93a,93b)を第2導電型半導体層31の主面部31C上に形成した後、当該オーミック金属層93e上にパッド電極層93cを形成する。そして、当該オーミック金属層93eの一部である配線部93aによって、第2導電型半導体層31の主面が、複数の光取り出し領域に区画される。
本発明に係る製造方法において、粗面化処理工程は必要により行われる工程であり、機械加工による粗面化、ウェットエッチング、ドライエッチング、を単独または組み合わせて行うことができる。n型クラッド層31の凹凸パターンの表面粗さRaが0.03μm以上であり、かつ、ランダムな粗面となるよう粗化とすることが好ましい。
本発明に係る製造方法において、保護膜形成工程は必要により行われる工程であり、上面電極93の中央部をレジストによりマスクした後に、保護膜をp型クラッド層37の凹凸面上を含む全面に成膜する。その後、レジストをリフトオフして上面電極を露出させる。
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。
まず、成長用基板としてn型InP基板の(100)面上に、第2導電型半導体層としてn型In0.57Ga0.43Asエッチングストップ層(膜厚:20nm)およびn型InPクラッド層(膜厚:2000nm)と、i型InPスペーサ層(膜厚:100nm)と、半導体発光層として発光波長1300nmの量子井戸構造の半導体発光層(合計膜厚:138nm)と、i型InPスペーサ層(膜厚:320nm)と、第1導電型半導体層としてp型InPクラッド層(膜厚:4.8μm)およびp型In0.8Ga0.20As0.5P0.5キャップ層(膜厚:50nm)と、接合層の一部としてp型In0.57Ga0.43Asコンタクト層(膜厚:101nm)と、をMOCVD法により順次形成した。なお、上記量子井戸構造の半導体発光層の形成にあたり、まず膜厚8nmのInP障壁層を形成し、次いで、In0.74Ga0.26As0.5P0.5井戸層(膜厚:5nm)およびInP障壁層(膜厚:8nm)を交互に10組積層し、合計10.5組とした。なお、「10.5組」とは、InP障壁層から積層を開始し最後にInP障壁層を設けることを指し、i型InPスペーサ層に隣接する層はInP障壁層である。
上記作製した半導体積層体におけるp型In0.57Ga0.43Asコンタクト層上に、図7Aに示す、島状に分散した円錐台状の中間電極(第1中間電極および第2中間電極)パターンとして、p型オーミック電極部(Au/AuZn/Au、合計膜厚:530nm、中間電極)を形成した。このパターン形成にあたっては、レジストパターンを形成し、次いでp型オーミック電極を蒸着し、レジストパターンのリフトオフにより形成した。なお、図7Aの外形サイズは、380μm角であった。また、図7Aでは、後工程により形成される上部電極のパッド部93d、配線部93a、当該配線部93aにより区画される光取り出し領域S1〜S4を、形成予定箇所に2点鎖線で示している。さらに、図7Aでは、第1中間電極53aを白抜きの丸で示し、第2中間電極53bを黒丸で示している。
そして、成長基板であるInP基板を塩酸希釈液によりウェットエッチングして除去した。
n型InPクラッド層上に、上面電極のオーミック金属層として、Au(膜厚:10nm)/Ge(膜厚:33nm)/Au(膜厚:57nm)/Ni(膜厚:34nm)/Au(膜厚:800nm)/Ti(膜厚:100nm)/Au(膜厚:1000nm)を、レジストパターン形成、n型電極の蒸着、およびレジストパターンのリフトオフにより形成した。さらに、オーミック金属層パッド部の上にパッド電極層として(Ti(膜厚:150nm)/Pt(膜厚:100nm)/Au(膜厚:2500nm))を形成し、上面電極のパターンを図7Bに示すとおりとした。この際、パッド電極層の直径は、105μmであった。形成された中間電極は図7B(平面図)および図7C(投影面)に示すとおりである。この際、上面電極の一部であるオーミック金属層は、オーミック金属層パッド部と、当該オーミック金属層パッド部から外方向に延伸され、かつ当該オーミック金属層パッド部と電気的に接続された長尺状の配線部とから構成されている。そして、オーミック金属層パッド部の直径dpは115μmであり、配線部の短軸長Wは8μmであった。なお、実施例の配線部の短軸長Wおよび本体部の直径dpの測定は、デジタルマイクロスコープ(VHX-2000,キーエンス社製)を用いて測定した。
(a)光取り出し領域の区画内において最も近接する第1中間電極の投影体同士が等距離の間隔Xになるよう、第1中間電極が配置された。
(b)第2中間電極の投影体と配線部とが重なるよう、第2中間電極が配置された。
(c)第1中間電極のうち最も第2中間電極に近接する第1中間電極と、第2中間電極との近接距離Y1はX/2以上3X/2未満であった。
(d)第1中間電極および第2中間電極のそれぞれの投影体がパッド部から外れるよう、第1中間電極および第2中間電極が配置された。
次に、メサエッチングにより各素子間(幅:60μm)の半導体層を除去してダイシングラインを形成した。その後、Si基板の裏面側への裏面電極(Ti(膜厚:10nm)/Pt(膜厚:50nm)/Au(膜厚:200nm))を形成した。その後、上面電極の上部に保護膜を形成し、第2導電型半導体層の上面に相当するn型InPクラッド層の光取出し面の表面に対して粗面化処理(1300nm微細パターン粗化)を行った。最後に、ダイシングによるチップ個片化を行って、実施例1に係る半導体発光素子を作製した。当該実施例1で作製した半導体発光素子の発光時の金属顕微鏡写真を図8に示す。なお、ダイシング後のチップサイズは350μm×350μmであった。
実施例1において、第1中間電極同士の間隔Xを維持したまま、光取り出し領域における第1中間電極を全体に平行移動して、チップ外周と第1中間電極との距離deeを49μmから40μmに短くして、Y1およびY2を表2に示す値に変えた以外は、実施例1と同様にして、実施例2に係る半導体発光素子を作製した。
中間電極を、配線部との重なりとは無関係にパッド部を除く全面に1辺の間隔Xの正三角形の頂点の位置に配置し、かつパッド部を中心として対称となるパターンとしなかった以外は、実施例1と同様にして、図9に示すような第1中間電極、配線部及びパッド部の配置にして比較例1に係る半導体発光素子を作製した。図9では、配線部と一部重なるも、前述した「中間電極の投影体と配線部とが重なる」を満足しない第3中間電極が形成されており、これを太線白抜き丸で図示している。比較例1の半導体発光素子には配置条件(b)および(c)を満たす第2中間電極は形成されていない。
配線部と中間電極の投影体とが重複しないようにするため、図9における第3中間電極を間引いて、図10に示す第1中間電極、配線部及びパッド部の配置になるよう、比較例1と同様の方法により比較例2に係る半導体発光素子を作製した。比較例2の半導体発光素子も、配置条件(b)および(c)を満たしていない。
実施例1〜2および比較例1〜2で作製したそれぞれの半導体発光素子を、トランジスタアウトラインヘッダー(TO−18)上に銀ペーストを用いてマウントし、金ワイヤを用いて上面電極をボンディングした。そして、実施例1〜2および比較例1〜2の発光出力(Po)および順方向電圧(Vf)を、それぞれ電流20mAおよび100mAを流すことで測定した。なお、発光出力(Po)の測定には積分球を用いた。また、順方向電圧(Vf)は、20mAを流すときの定電流電圧装置(エーディーシー社製:型番6243))の電圧値とした。上記測定はいずれも10サンプル行い、その平均値を表2に示す。
(Po維持率)=(Po[100mA通電における発光出力])/(Po[20mA通電における発光出力])×5
(実施例3〜5)
実施例3〜5において、配線部の短軸長Wを表3に記載の値に変更する以外は、実施例1と同様にし、図7Dに示すような第1中間電極および第2中間電極、配線部並びにパッド部の配置にして、実施例3〜5に係る半導体発光素子を作製した。その後、実施例1と同様の評価を行い、配線部の短軸長Wの影響を確認した。その結果を以下の表3に示す。また、実施例3〜5の半導体発光素子の寸法は、図7Dに示す通り、外形サイズ(L1=L2)=380μm、X=35μm、Y1=28μm、Y2=28μm、Z=35μm、第1中間電極の直径d1=5μm、第2中間電極の直径d2=5μm、d3=13.5μm、チップ外周と第1中間電極との距離dee=49μmであった。(図7D参照)。
比較例3において、配線部の短軸長Wを表3に記載の値に変更する以外は、実施例1と同様にし、図7Dに示すような第1中間電極および第2中間電極、配線部並びにパッド部の配置にして、比較例3に係る半導体発光素子を作製した。したがって、比較例3の半導体発光素子は、短軸長Wが5〜12μmの条件を満たしていなかった。その後、実施例1と同様の評価を行い、配線部の短軸長Wの影響を確認した。その結果を以下の表3に示す。比較例3は短軸長の条件を満たさないため、Po維持率が十分でないことが確認された。
第1中間電極同士の間隔(電極間距離)Xを、35μmから25μmに変えることにより、各光取り出し領域における第1中間電極の個数が変動することに伴い、Y1、およびY2等が以下に示す寸法になったこと以外は、実施例2と同様にして実施例6に係る半導体発光素子を作製した。その後、実施例2と同様の評価を行い、間隔(電極間距離)Xの影響を確認した。その結果を以下の表4に示す。
10 成長用基板
20 エッチングストップ層
30 半導体積層体
31 第1導電型半導体層
35 半導体発光層
35W 井戸層
35B 障壁層
37 第2導電型半導体層
39 キャップ層
40a 第1コンタクト部
40b 第2コンタクト部
53a 第1中間電極
53b 第2中間電極
50 接合層
51 コンタクト層
51a コンタクト層部
55 誘電体層
60 金属反射層
70 金属接合層
80 支持基板
91 裏面電極
93 上面電極
93a 配線部
93d パッド部
E1 露出領域
E2 露出面
E3 露出部
Claims (10)
- 支持基板、中間電極を含む接合層、並びに、III−V族化合物半導体からなる第1導電型半導体層、半導体発光層および第2導電型半導体層をこの順に有する半導体発光素子であって、
パッド部および配線部からなる上面電極を前記第2導電型半導体層の主面に有し、
前記配線部は、5〜12μmの短軸長を備えた長尺体を有し、
前記上面電極が形成された上面電極形成領域以外の前記主面における領域が、前記配線部により複数の光取り出し領域に区画され、
前記中間電極は、それぞれ複数の島状に形成された第1中間電極および第2中間電極を有し、前記中間電極を前記主面に対して垂直投影した投影面において、
(a)前記中間電極は、前記光取り出し領域の区画内において最も近接する前記第1中間電極の投影体同士が等距離の間隔Xになるよう配置された前記第1中間電極を含み、
(b)前記中間電極は、前記第2中間電極の投影体と前記配線部とが重なるよう配置された前記第2中間電極を含み、
(c)前記第1中間電極のうち最も前記第2中間電極に近接する第1中間電極と、前記第2中間電極との近接距離Y1はX/2以上3X/2未満である、
ことを特徴とする半導体発光素子。 - 前記中間電極は、前記第1中間電極および前記第2中間電極のそれぞれの投影体が前記パッド部から外れるよう配置された前記第1中間電極および前記第2中間電極をさらに含む、請求項1に記載の半導体発光素子。
- 前記主面の中央部に前記パッド部が設けられる、請求項1または2に記載の半導体発光素子。
- 少なくとも1つの前記光取り出し領域の前記第1中間電極と前記第2中間電極との関係において、前記第1中間電極のうち2番目に前記第2中間電極に近接する第1中間電極と前記第2中間電極との近接距離Y2と、前記近接距離Y1とが同一になるよう前記第1中間電極および前記第2中間電極を配置する、請求項1〜3のいずれか1項に記載の半導体発光素子。
- 全ての前記光取り出し領域と前記配線部との境界での前記第1中間電極と前記第2中間電極との関係において、前記第1中間電極のうち2番目に前記第2中間電極に近接する第1中間電極と前記第2中間電極との近接距離Y2と、前記近接距離Y1とが同一になるよう前記第1中間電極および前記第2中間電極を配置する、請求項1〜4のいずれか1項に記載の半導体発光素子。
- 前記III−V族化合物半導体は、InおよびPを少なくとも含むInGaAsPであり、前記半導体発光層の発光中心波長が1000〜2200nmである、請求項1〜5のいずれか1項に記載の半導体発光素子。
- 支持基板、複数の島状の第1中間電極および第2中間電極を含む接合層、並びに、III−V族化合物半導体からなる第1導電型半導体層、半導体発光層および第2導電型半導体層をこの順に有する半導体発光素子の製造方法であって、
成長用基板上に、前記第2導電型半導体層、前記発光層および前記第1導電型半導体層を含む半導体積層体を形成する半導体層形成工程と、
前記第1中間電極および前記第2中間電極を含む接合層を介して、前記支持基板と前記半導体積層体とを接合する接合層形成工程と、
前記成長用基板を除去する成長用基板除去工程と、
前記成長用基板を除去した前記半導体積層体の主面上に、パッド部および配線部からなる上部電極を形成し、前記上面電極が形成された上面電極形成領域以外の前記主面における領域が、前記配線部により複数の光取り出し領域に区画される上面電極形成工程と、を有し、
前記主面に対して前記第1中間電極および前記第2中間電極を垂直投影した投影面において、
(a)前記光取り出し領域の区画内において最も近接する前記第1中間電極の投影体同士が等距離の間隔Xになるよう、前記第1中間電極が配置され、
(b)前記第2中間電極の投影体と前記配線部とが重なるよう、前記第2中間電極が配置され、
(c)前記第1中間電極のうち最も前記第2中間電極に近接する第1中間電極と、前記第2中間電極との近接距離Y1はX/2以上3X/2未満である、
ことを特徴とする半導体発光素子の製造方法。 - 前記第1中間電極および前記第2中間電極のそれぞれの投影体が、前記パッド部から外れるよう、前記第1中間電極および前記第2中間電極が配置される、請求項7に記載の半導体発光素子の製造方法。
- 少なくとも1つの前記光取り出し領域内の前記第1中間電極と前記第2中間電極との関係において、前記第1中間電極のうち2番目に前記第2中間電極に近接する第1中間電極と前記第2中間電極との近接距離Y2と、前記近接距離Y1とが同一になるよう前記第1中間電極および前記第2中間電極を配置する、請求項7または8に記載の半導体発光素子の製造方法。
- 全ての前記光取り出し領域と前記配線部との境界での前記第1中間電極と前記第2中間電極との関係において、前記第1中間電極のうち2番目に前記第2中間電極に近接する第1中間電極と前記第2中間電極との近接距離Y2と、前記近接距離Y1とが同一になるよう前記第1中間電極および前記第2中間電極を配置する、請求項7〜9のいずれか1項に記載の半導体発光素子の製造方法。
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