JP5205098B2 - 半導体発光素子およびその製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、半導体発光素子およびその製造方法に関するものであって、特に高光出力性能を有する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の光出力の向上が求められている。一般に、発光ダイオードの製造には、主にＬＰＥ（Liquid Phase Epitaxy：液相エピタキシャル）法やＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition：有機金属化学気相成長）法が利用されているが、高光出力性能を得るために、活性層を超格子構造に形成し、活性層における内部量子効率を高めることが可能なＭＯＣＶＤ法を用いるのが有利であることが知られている。
また、ＬＥＤの光出力を向上させる方法として、ＬＥＤ中に、屈折率ｎの異なる複数の半導体層を発光波長λの１／４ｎの厚みで交互に積層して形成したＤＢＲ（分布ブラッグ反射器：Distributed Bragg Reflector）層を設ける技術が知られている。このようなＤＢＲ層を設けることにより、光の干渉効果を用いた高い反射率を得ることができる。
さらに、特許文献１には、ＬＥＤの側面を塩酸からなるエッチング液および硫酸と過酸化水素と水との混合物からなるエッチング液を用いてエッチングすることにより、ダイシングの際に発生するダイシング歪層を除去することで、発光輝度を向上させ、かつ、劣化の生じにくくすることができるＧａＰ発光素子チップの表面処理方法が開示されている。
また、特許文献２には、硫酸と過酸化水素と水との混合物からなるエッチング液を用いてＬＥＤの側面のダイシング歪みを除去した後、フッ化水素酸からなるエッチング液を用いて、この側面を微細な凹凸を有する面となす処理を行うことにより、発光領域から発光した光の外部取り出し効率を大きくし、発光素子の発光出力を高くする方法が開示されている。
これら特許文献１および２に記載された技術は、いずれもＬＰＥ法を用いて厚く形成されたＡｌＧａＡｓ系またはＧａＰ系等のＬＥＤに対しては、光出力向上に関して効果を奏するものである。しかしながら、ＭＯＣＶＤ法を用いて、例えばＧａＡｓ基板上にＡｌＧａＩｎＰ系の薄膜を形成したようなＬＥＤに関しては、上記エッチング液に対する基板と薄膜とのエッチング速度の違いから、薄く形成されたＬＥＤの形状を維持できないという問題があった。
また、ＭＯＣＶＤ法を用いて形成したＬＥＤは、ＬＰＥ法を用いて形成したＬＥＤよりも薄く形成されるものであり、側面の表面積が小さいため、特許文献２に記載されたような凹凸を形成することによる効果は小さく、高光出力を得ることは難しいという問題があった。
本発明の目的は、ＤＢＲ積層体を構成する２種類の層のうちの少なくとも一方の層の面積の適正化を図ることにより、高光出力性能を有することができる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通りである。
（１）基板の上面の側に、ＤＢＲ積層体、下側クラッド層、活性層、上側クラッド層および第１電極層を有し、前記基板の下面の側に第２電極層を有する半導体発光素子において、前記ＤＢＲ積層体は、第１層と、該第１層と屈折率の異なる第２層とを交互に複数層積層してなり、これら第１層および第２層のうち少なくとも一方の層が前記活性層の面積よりも小さい面積を有し、前記第１層の外径寸法と前記第２層の外径寸法とが異なることを特徴とする半導体発光素子。
（１）基板の上面の側に、ＤＢＲ積層体、下側クラッド層、活性層、上側クラッド層および第１電極層を有し、前記基板の下面の側に第２電極層を有する半導体発光素子において、前記ＤＢＲ積層体は、第１層と、該第１層と屈折率の異なる第２層とを交互に複数層積層してなり、これら第１層および第２層のうち少なくとも一方の層が前記活性層の面積よりも小さい面積を有し、前記第１層の外径寸法と前記第２層の外径寸法とが異なることを特徴とする半導体発光素子。
（２）前記活性層の面積よりも小さい面積を有する前記層の外形寸法は、前記活性層の外形寸法の０．８以上１．０未満である上記（１）に記載の半導体発光素子。
（３）前記第１層および第２層がいずれもＡｌ、Ｇａ、Ｉｎ、Ａｓ、Ｐのうちいずれかの組み合わせで構成される化合物半導体材料からなる上記（１）または（２）に記載の半導体発光素子。
（４）ＭＯＣＶＤ法を用いて、基板の上面の側に、ＤＢＲ積層体、下側クラッド層、活性層、上側クラッド層および第１電極層を順次形成する工程と、前記基板の下面の側に第２電極層を形成する工程とを有し、前記ＤＢＲ積層体は、第１層と、該第１層と屈折率の異なる第２層とを交互に複数層積層して形成される半導体発光素子の製造方法において、前記ＤＢＲ積層体を形成し、ダイシングした後に、前記ＤＢＲ積層体を構成する第１層および第２層のうち少なくとも一方の層の周縁部に対して選択エッチングを施す工程を有することを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
（５）前記選択エッチングは、前記第１層および第２層のうち少なくとも一方の層の外形寸法が、前記活性層の外形寸法の０．８以上１．０未満になるまで行う上記（４）に記載の半導体発光素子の製造方法。
（６）前記第１層および第２層がいずれもＡｌ、Ｇａ、Ｉｎ、Ａｓ、Ｐのうちいずれかの組み合わせで構成される化合物半導体材料からなる請求項または上記（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、第１層と、該第１層と屈折率の異なる第２層とを交互に複数層積層してなるＤＢＲ積層体を有し、これら第１層および第２層のうち少なくとも一方の層が活性層よりも小さい面積を有し、前記第１層の外径寸法と前記第２層の外径寸法とが異なることにより、光出力性能を向上させることができる。
また、本発明の半導体発光素子の製造方法は、高屈折材料からなる第１層と低屈折材料からなる第２層とを交互に複数層積層してＤＢＲ積層体を形成する工程を有し、ダイシングした後に、前記ＤＢＲ積層体を形成する第１層および第２層のうち少なくとも一方の層の周縁部に対して選択エッチングを施す工程を有することによって、半導体発光素子の光出力性能を向上させることができる。
すなわち、本発明者らは、鋭意研究の結果、ＤＢＲ積層体を形成する第１層および第２層のうち少なくとも一方の層が活性層よりも小さい面積を有することにより、（ａ）選択エッチングされたＤＢＲ積層体の周縁部に向かって放射された光が、多方向へ反射されるようになり、外部へ効果的に取り出されるようになり、（ｂ）エッチングさせた周縁部（半導体層と空気層）のＤＢＲ構造の反射特性が高くなるということを見出したのである。
次に、本発明の半導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は、この発明に従う半導体発光素子の断面構造を模式的に示したものである。
図１に示す発光素子１は、基板２の上面２ａの側に、ＤＢＲ積層体３、下側クラッド層４、活性層５、上側クラッド層６および第１電極層７を有し、前記基板２の下面２ｂの側に第２電極層８を有し、前記ＤＢＲ積層体３は、第１層３ａと、この第１層３ａと屈折率の異なる第２層３ｂとを交互に複数層積層して構成されたものであり、このような構成を採用することにより、光取り出し効率を向上させ、活性層５における電流密度を増大させ、半導体発光素子１の光出力性能を向上させることを可能にしたものである。
前記基板２を構成する好適な材料としては、例えばGaAsが挙げられ、また、前記ＤＢＲ積層体３を構成する前記第１層３ａおよび第２層３ｂとしては、例えばAlP、InP、GaP、AlAs、GaAs、InAsが挙げられる他、これらの３元または４元の混晶組成により更に屈折率を変えることができる。具体的には、前記第１層が第２層に比べて高屈折率を持つ場合を例にすると、前記第１層３ａとしては、例えば屈折率が３．２〜３．４５である(AlxGa1-x)yIn1-yPが挙げられ、前記第２層３ｂとしては、例えば屈折率が３．０〜３．２５である(AlxGa1-x)yIn1-yPが挙げられ、前記各層４〜６を構成する好適な材料としては、例えば下側クラッド層４をSe deped-Al0.48In0.52P、活性層５を(Al0.05Ga0.95)0.56In0.44P/Ga0.43In0.57Pからなる多重量子井戸、上側クラッド層６をMg deped-Al0.48In0.52Pとする場合が挙げられる。
また、前記基板２は、好適には１００〜４５０μｍの厚さを有し、前記ＤＢＲ積層体３は、ブラッグ反射の条件となるｄ＝λ/４ｎ（λ：発光波長、ｎ：自然数）にて厚さを構成することが好ましい。
前記活性層５よりも小さい面積を有する前記層の外形寸法Ｗ１は、前記活性層５の外形寸法Ｗ３の０．８以上１．０未満であるのが好ましい。ここで、「外形寸法」とは、半導体発光素子１の横断面における幅方向の長さのことをいう。前記活性層５よりも小さい面積を有する前記層の外形寸法Ｗ１が、前記活性層５の外形寸法Ｗ３以上となる場合（Ｗ１≧Ｗ３）には、活性層５における電流密度を十分に増大させることができず、また、光取り出し効率を十分に向上させることができない可能性がある。
一方、前記活性層５よりも小さい面積を有する前記層の外形寸法Ｗ１が、前記活性層５の外形寸法Ｗ３の０．８倍未満の場合には、ＬＥＤ外周部の機械的強度が低下し、薄く形成されたＤＢＲ積層体３および発光部の形状を維持できなくなる可能性がある。なお、図１は前記第１層３ａと前記第２層３ｂのうち、前記第１層３ａのみが前記活性層５よりも小さい面積を有する場合のみを示したものであるが、前記第２層３ｂのみが前記活性層５よりも小さい面積を有してもよいし、前記第１層３ａおよび前記第２層３ｂがいずれも前記活性層５よりも小さい面積を有してもよいが、好適には、前記第１層３ａと前記第２層３ｂのいずれか一方のみが前記活性層５よりも小さい面積を有するのが好ましい。ＤＢＲ積層体３の側面の表面積が大きくなり、取り出し効率の向上効果が見込めるためである。
一方、前記活性層５よりも小さい面積を有する前記層の外形寸法Ｗ１が、前記活性層５の外形寸法Ｗ３の０．８倍未満の場合には、ＬＥＤ外周部の機械的強度が低下し、薄く形成されたＤＢＲ積層体３および発光部の形状を維持できなくなる可能性がある。なお、図１は前記第１層３ａと前記第２層３ｂのうち、前記第１層３ａのみが前記活性層５よりも小さい面積を有する場合のみを示したものであるが、前記第２層３ｂのみが前記活性層５よりも小さい面積を有してもよいし、前記第１層３ａおよび前記第２層３ｂがいずれも前記活性層５よりも小さい面積を有してもよいが、好適には、前記第１層３ａと前記第２層３ｂのいずれか一方のみが前記活性層５よりも小さい面積を有するのが好ましい。ＤＢＲ積層体３の側面の表面積が大きくなり、取り出し効率の向上効果が見込めるためである。
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２〜５は、この発明に従う半導体発光素子の製造工程における一段階をそれぞれ示したものである。
図２に示すように、ＭＯＣＶＤ法を用いて、基板２の上面２ａの側に、ＤＢＲ積層体３、下側クラッド層４、活性層５、上側クラッド層６を順次形成する。その後、図３に示すように、前記上側クラッド層６上に第１電極層７を、前記基板２の下面２ｂの側に第２電極層８を形成する。なお、前記上側クラッド層６の形成後、前記電極層の形成前に、研削・研磨工程により前記構造体の厚みを調整するのが好ましい。
前記第１電極層７は、前記上側クラッド層６の上に、例えばＡｕＺｎ／Ａｕなどの材料を蒸着法により蒸着した後、所定の熱処理により合金化して形成されるのが好ましい。前記第２電極層８は、前記基板２の下面２ｂの側に、例えばＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕなどの材料を蒸着法により蒸着した後、所定の熱処理により合金化して形成されるのが好ましい。さらには、前記第１電極層７の上に、パッド電極層を、例えばＴｉ／Ａｕなどの材料を蒸着法により蒸着する方が好ましい。なお電極の形状・サイズの形成に付いては、図４に示すように、フォトリソグラフィー法を用いて、第１電極層７の直径が例えば８０〜１５０μｍとなるようパターニングを行うのが好ましい。
前記構造体のダイシング・エキスパンド後に、前記ＤＢＲ積層体３を構成する第１層３ａおよび第２層３ｂのうち少なくとも一方の層の周縁部に対して所定の選択エッチングを施す。
図５に示すように、前記選択エッチングは、前記第１層３ａおよび第２層３ｂのうち少なくとも一方の層の外形寸法Ｗ１が、前記活性層５の外形寸法Ｗ３の０．８以上１．０未満になるまで行うのが好ましい。前記選択エッチングが施された前記層の外形寸法Ｗ１が前記活性層５の外形寸法Ｗ３以上となる場合（Ｗ１≧Ｗ３）は、活性層５における電流密度を十分に増大させることができず、また、光取り出し効率も十分に向上させることができない可能性がある。一方、前記選択エッチングが施された前記層の外形寸法Ｗ１が前記活性層５の外形寸法Ｗ３の０．８倍未満の場合には、薄く形成されたＬＥＤの形状を維持できなくなる可能性がある。
前記選択エッチングに用いられるエッチング液は、前記ＤＢＲ積層体３を構成する前記第１層３ａおよび前記第２層３ｂの材料に応じて好適な組成のエッチング液を用いることができ、前記ＤＢＲ積層体３の材料が例えばＡｌＧａＩｎＰ系の場合には、ＮａＯＨａｑ（１ｍｏｌ／Ｌ）：Ｈ２Ｏ２（３０％）＝１：１の液組成を有するエッチング液を用いるのが好ましく、ＡｌＧａＡｓ系の場合には、例えば、公知のＮＨ４ＯＨおよびＨ２Ｏ２を含むエッチング液を用いるのが好ましい。いずれの条件においても第１層３ａと第２層３ｂとのエッチング量に相違が現れるため、結果として、図５に示すようなチップ形状になる。
なお、図１〜５に示した実施形態は一例であって、本発明はこの実施形態に限定されるものではない。
（実施例１）
ＧａＡｓ基板（厚さ：３５０μｍ）の上面の側に、ｎ−ＤＢＲ積層体（総厚：１．０〜４．０μｍ）、ｎ−下側クラッド層、ｉ−活性層、ｐ−上側クラッド層（３層の総厚：５〜１０μｍ）をＭＯＣＶＤ法によりエピタキシャル成長させた後、研削・研磨工程において約２００μｍに厚みを調整した。なお、前記ｎ−ＤＢＲ積層体は、高屈折率を有する(Ａｌ0.05Ｇａ0.95)0.515Ｉｎ0.485Ｐからなる第１層（膜厚：４６．５ｎｍ）と低屈折率を有する(Ａｌ0.95Ｇａ0.05)0.513Ｉｎ0.487Ｐからなる第２層（膜厚：４９．４ｎｍ）とを交互に２０．５層（合計１９６７．４ｎｍ）積層して形成した。
ＧａＡｓ基板（厚さ：３５０μｍ）の上面の側に、ｎ−ＤＢＲ積層体（総厚：１．０〜４．０μｍ）、ｎ−下側クラッド層、ｉ−活性層、ｐ−上側クラッド層（３層の総厚：５〜１０μｍ）をＭＯＣＶＤ法によりエピタキシャル成長させた後、研削・研磨工程において約２００μｍに厚みを調整した。なお、前記ｎ−ＤＢＲ積層体は、高屈折率を有する(Ａｌ0.05Ｇａ0.95)0.515Ｉｎ0.485Ｐからなる第１層（膜厚：４６．５ｎｍ）と低屈折率を有する(Ａｌ0.95Ｇａ0.05)0.513Ｉｎ0.487Ｐからなる第２層（膜厚：４９．４ｎｍ）とを交互に２０．５層（合計１９６７．４ｎｍ）積層して形成した。
その後、ＧａＡｓ基板の下面の側に、ｎ−第２電極層（ＡｕＧｅ／Ｎｉ）を蒸着法により形成し、加熱炉において熱処理を施した。また、ｐ−上側クラッド層上にｐ−電極層（ＡｕＺｎ／Ａｕ）を蒸着法により形成し、フォトリソグラフィー法を用いてパターニング（p面電極径Φ１１０μｍ）を行い、熱処理を施した。
次に、ｐ−電極層上にｐ−パッド電極層（Ｔｉ／Ａｕ）を蒸着法により形成し、フォトリソグラフィー法を用いてパターニング（ｐ面電極径Φ１１０μｍ）を行った。その後、ダイシング工程において一辺が２５０μｍの正方形状のチップに切断し、エキスパンドを行った。
ダイシングした後、前記ＤＢＲ積層体を構成する第１層および第２層のうちの高屈折率の第１層の周縁部に対して、室温条件で、ＮａＯＨａｑ（１ｍｏｌ／Ｌ）：Ｈ２Ｏ２（３０％）＝１：１（体積比）のエッチング液を用いて選択エッチングを１分間施した。
その後、銀ペーストを用いて、ステム上にマウントし、金ワイヤーで接続して半導体発光素子を作製した。
（実施例２）
選択エッチングを３分間施すこと以外は実施例１と同様の半導体発光素子を作製した。
選択エッチングを３分間施すこと以外は実施例１と同様の半導体発光素子を作製した。
（実施例３）
選択エッチングを５分間施すこと以外は実施例１と同様の半導体発光素子を作製した。
選択エッチングを５分間施すこと以外は実施例１と同様の半導体発光素子を作製した。
（実施例４）
選択エッチングを８分間施すこと以外は実施例１と同様の半導体発光素子を作製した。
選択エッチングを８分間施すこと以外は実施例１と同様の半導体発光素子を作製した。
（実施例５）
選択エッチングを１５分間施すこと以外は実施例１と同様の半導体発光素子を作製した。
選択エッチングを１５分間施すこと以外は実施例１と同様の半導体発光素子を作製した。
（比較例１）
選択エッチングを行わないこと以外は実施例１と同様の半導体発光素子を作製した。
選択エッチングを行わないこと以外は実施例１と同様の半導体発光素子を作製した。
上記実施例１〜５および比較例１の半導体発光素子に２０ｍＡの順方向電流を流した場合の光出力Ｐｏ（ｍＷ）を測定した結果を表１に示す。また、図６に、表１に示すＤＢＲ積層体の第１層の外形寸法Ｗ１および活性層の外形寸法Ｗ３の差の半分と、電流２０ｍＡ通電時の積分球による光出力Ｐｏとの関係を示すグラフを示す。エッチング量はＳＥＭを用いて観察した。
表１に示すように、実施例１〜５は比較例１に比べて光出力が向上していることが分かる。また図６に示すように、外形寸法差の半分が大きくなるほど光出力は向上し、外形寸法差の半分が１０μｍの実施例４では、比較例１に比べて２５％の光出力向上が認められ、外形寸法差の半分が２１．０ｕｍの実施例５では、比較例１に比べて３２％の光出力向上が認められた。本実施例ではいずれも比較例と順方向電圧の値は変わらず、極めて大きな光取り出し効率の向上効果が認められた。
本発明は、第１層と、該第１層と屈折率の異なる第２層とを交互に複数層積層してなるＤＢＲ積層体を有し、これら第１層および第２層のうち少なくとも一方の層が活性層よりも小さい面積を有することにより、高光出力性能有する半導体発光素子を提供することができる。
また、本発明は、第１層と、該第１層と屈折率の異なる第２層とを交互に複数層積層してＤＢＲ積層体を形成する工程を有し、ダイシングした後に、前記ＤＢＲ積層体を形成する第１層および第２層のうち少なくとも一方の層の周縁部に対して選択エッチングを施す工程を有することによって、高光出力性能を有する半導体発光素子の製造方法を提供することができる。
１ 半導体発光素子
２ 基板
２ａ 上面
２ｂ 下面
３ ＤＢＲ積層体
３ａ 第１層
３ｂ 第２層
４ 下側クラッド層
５ 活性層
６ 上側クラッド層
７ 上側電極
８ 下側電極
Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３ 外形寸法
２ 基板
２ａ 上面
２ｂ 下面
３ ＤＢＲ積層体
３ａ 第１層
３ｂ 第２層
４ 下側クラッド層
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Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３ 外形寸法
Claims (6)
- 基板の上面の側に、ＤＢＲ積層体、下側クラッド層、活性層、上側クラッド層および第１電極層を有し、前記基板の下面の側に第２電極層を有する半導体発光素子において、
前記ＤＢＲ積層体は、第１層と、該第１層と屈折率の異なる第２層とを交互に複数層積層してなり、これら第１層および第２層のうち少なくとも一方の層が前記活性層の面積よりも小さい面積を有し、前記第１層の外径寸法と前記第２層の外径寸法とが異なることを特徴とする半導体発光素子。 - 前記活性層の面積よりも小さい面積を有する前記層の外形寸法は、前記活性層の外形寸法の０．８以上１．０未満である請求項１に記載の半導体発光素子。
- 前記第１層および第２層がいずれもＡｌ、Ｇａ、Ｉｎ、Ａｓ、Ｐのうちいずれかの組み合わせで構成される化合物半導体材料からなる請求項１または２に記載の半導体発光素子。
- ＭＯＣＶＤ法を用いて、基板の上面の側に、ＤＢＲ積層体、下側クラッド層、活性層、上側クラッド層および第１電極層を順次形成する工程と、前記基板の下面の側に第２電極層を形成する工程とを有し、前記ＤＢＲ積層体は、第１層と、該第１層と屈折率の異なる第２層とを交互に複数層積層して形成される半導体発光素子の製造方法において、
前記ＤＢＲ積層体を形成し、ダイシングした後に、前記ＤＢＲ積層体を構成する第１層および第２層のうち少なくとも一方の層の周縁部に対して選択エッチングを施す工程を有することを特徴とする半導体発光素子の製造方法。 - 前記選択エッチングは、前記第１層および第２層のうち少なくとも一方の層の外形寸法が、前記活性層の外形寸法の０．８以上１．０未満になるまで行う請求項４に記載の半導体発光素子の製造方法。
- 前記第１層および第２層がいずれもＡｌ、Ｇａ、Ｉｎ、Ａｓ、Ｐのうちいずれかの組み合わせで構成される化合物半導体材料からなる請求項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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