発光素子及びその製造方法
【課題】 素子の光取出面積をより拡大することができ、ひいては光取出効率の更なる向上を図ることができる発光素子を提供する。
【解決手段】 発光素子を構成する積層体の、光取出面をなす一方の主表面に有底孔LPを分散形成し、その有底孔LPの内面に異方性エッチング処理による微細な面粗し突起部を分散形成する。光取出面を平坦に形成する場合と比較して、面粗し対象面の総面積が有底孔LPを形成する分だけ増大し、これにさらに面粗し突起部Fを重畳形成することによって、面粗し突起の総形成量を増加させることができる。その結果、異方性エッチングによる面粗し処理のみを行なう従来の手法と比較して、素子の光取出面積をより拡大することができ、ひいては光取出効率の更なる向上を図ることができる。
【解決手段】 発光素子を構成する積層体の、光取出面をなす一方の主表面に有底孔LPを分散形成し、その有底孔LPの内面に異方性エッチング処理による微細な面粗し突起部を分散形成する。光取出面を平坦に形成する場合と比較して、面粗し対象面の総面積が有底孔LPを形成する分だけ増大し、これにさらに面粗し突起部Fを重畳形成することによって、面粗し突起の総形成量を増加させることができる。その結果、異方性エッチングによる面粗し処理のみを行なう従来の手法と比較して、素子の光取出面積をより拡大することができ、ひいては光取出効率の更なる向上を図ることができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
この発明は発光素子及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【0002】
【特許文献1】特開2003−218383号公報
【特許文献2】特開2003−209283号公報
【0003】
化合物半導体からなる発光素子においては、素子内部から素子の表面(光取出領域)に向かう光のうち、臨界角度よりも大角度で光取出領域に入射する光(入射角は、光束入射方向と領域面法線とのなす角度)が全反射により素子内部に戻るので、その全てを取り出せるわけではない。そこで、特許文献1あるいは特許文献2には、光取出層の第一主表面を適当なエッチング液により面粗し処理(フロスト処理とも称される)して微細な凹凸を形成し、発光光束が大角度入射する確率を減じて光取出し効率を高める技術が開示されている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
しかしながら、上記特許文献1,2に開示された異方性エッチングによる面粗し処理では、面粗し突起の形成密度の増大ひいてはそれによる光取出面積の拡大に限界があり、発光素子の光取出効率をさらに向上させる方法が求められている。
【0005】
本発明の課題は、素子の光取出面積をより拡大することができ、ひいては光取出効率の更なる向上を図ることができる発光素子と、その製造方法とを提供することにある。
【課題を解決するための手段及び発明の効果】
【0006】
上記の課題を解決するために、本発明の発光素子は、
一方の主表面に光取出面が形成される化合物半導体の積層体からなり、該光取出面をなす化合物半導体層である光取出側化合物半導体層の表層部に凹部が分散形成されるとともに、前記凹部の内表面に異方性エッチング処理による面粗し突起部がさらに分散形成されてなることを特徴とする。
【0007】
また、本発明の発光素子の製造方法は、
化合物半導体の積層体の光取出面側となる主表面に凹部を分散形成する凹部形成工程と、該凹部の内表面に異方性エッチング処理を実施することにより面粗し突起部をさらに分散形成する異方性エッチング工程とをこの順で実施することを特徴とする。
【0008】
上記本発明によると、発光素子を構成する積層体の、光取出面をなす一方の主表面に凹部を分散形成し、その凹部の内面に異方性エッチング処理による微細な面粗し突起部を分散形成する。つまり、光取出面を平坦に形成する場合と比較して、面粗し対象面の総面積が凹部を形成する分だけ増大し、これにさらに面粗し突起部を重畳形成することによって、面粗し突起の総形成量を増加させることができる。その結果、異方性エッチングによる面粗し処理のみを行なう従来の手法と比較して、素子の光取出面積をより拡大することができ、ひいては光取出効率の更なる向上を図ることができる。
【0009】
凹部は複数の孔として散点状に分散形成することができる。これにより、凹部を光取出面に一様に形成でき、凹部の形成密度や個々の凹部の寸法の調整も容易である。このような孔は、レーザービームにより穿孔形成することができる。レーザービームの採用により、寸法や深さの揃った多数の孔を迅速に形成でき、また、ビーム出力やビーム径により個々の孔の寸法や深さも容易に調整できる。
【0010】
一方、上記の凹部を乾式エッチング(例えば、イオンエッチング等)により形成することも可能である。この場合、光取出側化合物半導体層の主表面を適当なエッチングレジストで被覆し、露光・現像により凹部の形成領域に対応する窓部をパターニング形成し、その後、乾式エッチングを施すことにより、凹部を一括して形成することができる。
【0011】
上記のレーザービーム穿孔ないし乾式エッチングにより凹部を形成したとき、凹部内面に変質層(化合物の組成変質層や酸化層)が残留することがある。このような変質層が形成されると、面粗しのための異方性エッチング処理が阻害される場合があるので、該変質層を湿式エッチングにより除去し、その後、当該凹部の内面を異方性エッチング処理することが望ましい。
【0012】
面粗し突起部は、光取出面の凹部の開口周縁をなす領域にも分散形成することができる。また、光取出側化合物半導体層の凹部が非形成となる側面部にも、異方性エッチング処理による面粗し突起部を分散形成することができる。これにより、凹部の開口周縁領域ないし光取出側化合物半導体層の側面部における光取出効率をそれぞれ向上でき、素子全体の発光輝度をより高めることができる。
【0013】
光取出面への凹部の形成は、前述の積層体として形成された発光素子ウェーハ(つまり、素子チップへのダイシング前)の状態で、その主表面全面に分散形成することが効率的である。他方、上記のごとく、面粗し突起部を凹部の内面以外(特に、チップ側面部)にも形成したい場合は、発光素子ウェーハを素子チップにダイシング後、個々の素子チップを異方性エッチング液に浸漬して凹部の内面に異方性エッチング処理を行なうようにすると効果的である。
【0014】
発光素子を構成する上記の積層体は、発光層部と、該発光層部に積層されるとともに該発光層部よりも厚みの大きい電流拡散層とを含むものとして構成できる。電流拡散層の形成により、素子面内の電流拡散効果向上と層側面からの光取出効率向上とを図ることができる。この場合、この電流拡散層を光取出側化合物半導体層とすることで、十分な深さの凹部を容易に形成でき、さらに面粗し突起部を形成することで素子全体の発光輝度向上に大きく貢献する。
【0015】
上記の発光層部は、例えは、組成式(AlxGa1−x)yIn1−yP(ただし、0≦x≦1,0≦y≦1)にて表される化合物のうち、GaAsと格子整合する組成を有する化合物にて各々構成された第一導電型クラッド層、活性層及び第二導電型クラッド層がこの順序で積層されたダブルへテロ構造を有するものとして形成できる。また、電流拡散層は、厚さ10μm以上のGaP光取出層として形成することができる。
【0016】
(AlxGa1−x)yIn1−yP混晶(ただし、0≦x≦1,0≦y≦1;以下、AlGaInP混晶、あるいは単にAlGaInPとも記載する)により発光層部が形成された発光素子は、薄いAlGaInP活性層を、それよりもバンドギャップの大きいn型AlGaInPクラッド層とp型AlGaInPクラッド層とによりサンドイッチ状に挟んだダブルへテロ構造を採用することにより、例えば緑色から赤色までの広い波長域にて高輝度の素子を実現できる。そして、電流拡散層を、GaPにより一定以上(すなわち、10μm以上)に厚みを増加した光取出層として形成すれば、素子面内の電流拡散効果が向上するばかりでなく、層側面からの光取出量も増加するので、光取出効率をより高めることができるようになる。光取出層は、発光光束を効率よく透過させ、光取出し効率を高めることができるよう、発光光束の光量子エネルギーよりもバンドギャップエネルギーの大きい化合物半導体で形成する必要がある。特にGaPはバンドギャップエネルギーが大きく発光光束の吸収が小さいので、AlGaInP系発光素子の光取出層として好適である。
【0017】
なお、本発明の適用対象となる発光素子はAlGaInP系に限定されず、例えば、GaAs系、AlGaAs系、GaP系、InAlGaN系あるいはMgZnO系等、他の種々の発光素子についても同様に本発明を適用可能である。
【0018】
本発明においては、面粗し突起部を凹部内に分散形成するので、当然、凹部の凹部内空間体積を面粗し突起部の体積よりも大きく設定する必要がある。GaP光取出層に凹部を複数の孔として散点状に分散形成する場合、該孔の開口径(円形以外の開口を有する場合は、同面積の円の直径に換算した値とする)を1μm以上50μm以下、孔深さを0.5μm以上25μm以下に形成するとよい。また、異方性エッチングにより形成する面粗し突起部は、該孔の内面に平均的な高さが0.1μm以上5μm以下となるように形成するとよい。
【0019】
この場合、GaP光取出層の主表面(光取出面となる)を(100)面とし、該(100)面からなるGaP光取出層の主表面に前述の凹部を分散形成した後、さらに、酢酸と弗酸と硝酸とヨウ素と水とを、その合計が90質量%以上となるように含有し、酢酸と弗酸と硝酸とヨウ素との合計質量含有率が水の質量含有率よりも高い異方性エッチング液にてエッチングすることにより面粗し突起部を形成するとよい。このような異方性エッチング液を用いることで、異方性エッチング的な原理による凹凸形成が顕著に進行し、ひいてはGaP光取出層に面粗し突起部を効率よく安価に形成することができる。酢酸と弗酸と硝酸とヨウ素と水の合計は90質量%以上であり、これ以下の含有率では面粗し突起部を効率良く形成できない。また、酢酸と弗酸と硝酸とヨウ素との合計質量含有率が水の質量含有率より低くなっても、同様に面粗し突起部を効率良く形成できない。なお、酢酸と弗酸と硝酸とヨウ素と水との合計を100質量%から差し引いた残部は、(100)面上でのGaPに対する異方性エッチング効果が損なわれない範囲内で、他の成分(例えば酢酸以外のカルボン酸等)で占められていてもよい。
【0020】
異方性エッチング液は、
酢酸(CH3COOH換算):37.4質量%以上94.8質量%以下、
弗酸(HF換算):0.4質量%以上14.8質量%以下、
硝酸(HNO3換算):1.3質量%以上14.7質量%以下、
ヨウ素(I2換算):0.12質量%以上0.84質量%以下
の範囲で含有し、かつ、水の含有量が2.4質量%以上45質量%以下のものを採用するのがよい。いずれの成分も上記組成の範囲外になると、GaP単結晶の(100)面に対する異方性エッチング効果が十分でなくなり、GaP光取出層の第一主表面へ面粗らし突起部を十分に形成できなくなる。異方性エッチング液は、より望ましくは、
酢酸(CH3COOH換算):45.8質量%以上94.8質量%以下、
弗酸(HF換算):0.5質量%以上14.8質量%以下、
硝酸(HNO3換算):1.6質量%以上14.7質量%以下、
ヨウ素(I2換算):0.15質量%以上0.84質量%以下
の範囲で含有し、かつ、水の含有量が2.4質量%以上32.7質量%以下のものを採用するのがよい。すなわち、GaP単結晶の(100)面に対する異方性エッチング効果を高めるには、特に水の含有量を上記のように少なく留め、かつ、酸主溶媒の機能を水ではなく酢酸に担わせることが重要であるともいえる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0021】
以下、本発明の実施の形態を添付の図面を参照して説明する。
図1は、本発明の一実施形態である発光素子100を示す概念図である。発光素子100は、発光層部24と、該発光層部24の第一主表面側に形成されたGaP光取出層(ここではp型)20とを有する。また、発光層部24の第二主表面側にはGaP透明基板90が配置されている。発光層部24は、ノンドープ(AlxGa1−x)yIn1−yP(ただし、0≦x≦0.55,0.45≦y≦0.55)混晶からなる活性層5を、p型(AlzGa1−z)yIn1−yP(ただしx<z≦1)からなるp型クラッド層(第一導電型クラッド層)6とn型(AlzGa1−z)yIn1−yP(ただしx<z≦1)からなるn型クラッド層(第二導電型クラッド層)4とにより挟んだ構造を有する。図1の発光素子100では、第一主表面側(図面上側)にp型AlGaInPクラッド層6が配置されており、第二主表面側(図面下側)にn型AlGaInPクラッド層4が配置されている。なお、ここでいう「ノンドープ」とは、「ドーパントの積極添加を行なわない」との意味であり、通常の製造工程上、不可避的に混入するドーパント成分の含有(例えば1×1013〜1×1016/cm3程度を上限とする)をも排除するものではない。この発光層部24はMOVPE法により成長されたものである。n型クラッド層4及びpクラッド層6の厚さは、例えばそれぞれ0.8μm以上4μm以下(望ましくは0.8μm以上2μm以下)であり、活性層5の厚さは例えば0.4μm以上2μm以下(望ましくは0.4μm以上1μm以下)である。発光層部24全体の厚さは、例えば2μm以上10μm以下(望ましくは2μm以上5μm以下)である。
【0022】
次に、GaP光取出層20(光取出側化合物半導体層)は、10μm以上200μm以下(望ましくは40μm以上200μm以下:本実施形態では例えば100μm)の厚膜に形成され、図1に示すように、その第一主表面の一部(ここでは中央部)を覆う形で光取出側金属電極9が形成され、その周囲の主表面領域が光取出面20pとされている。そして、その光取出面20pには、光取出面20pに開口する凹部として孔LPが散点状に分散形成されている。図1の実施形態では、GaP光取出層20の第一主表面の光取出側金属電極9の被覆領域にも孔LPが分散形成され、該孔LPの内面に倣う形状にて光取出側金属電極9が形成されている。
【0023】
図2、図3及び図4に、図1にて各破線で囲んだA部、B部及びC部の拡大模式図を示す。図2及び図3に示すように、光取出面20pに開口する孔LPの内表面には、異方性エッチング処理による面粗し突起部Fが一様に分散形成されている。また、該面粗し突起部Fは、光取出面20pの孔LPの開口周縁をなす領域PAにも分散形成されている。さらに、図2及び図4に示すように、GaP光取出層20及びGaP透明基板90の孔LPが非形成となる側面部SSにも面粗し突起部Fが分散形成されている。
【0024】
図1に示すように、光取出側金属電極9には、ワイヤーボンド部16を介して電極ワイヤ17の一端が接合されている。また、光取出側金属電極9とGaP光取出層20との間には、AuBe合金等からなる接合合金化層9aが孔LPの内面に倣う形状に形成されている。GaP光取出層20は上記のように厚く形成されることで、光取出側金属電極9を介した通電による発光駆動電流を素子面内に拡散させ、発光層部24を面内にて均一に発光させる電流拡散層としての機能を果たす。また、層側面部SSからの取出光束も増加させ、発光素子全体の輝度(積分球輝度)を高める役割を担う。GaPは活性層5をなすAlGaInPよりもバンドギャップエネルギーが大きく、発光光束の吸収が抑制されている。
【0025】
そして、図2及び図3に示すように、光取出面20pには多数の孔LPが分散形成され、それら孔LPの内面が各開口周縁領域PAとともに異方性エッチング処理されて微細な面粗し突起部Fが一様に分散形成されている。つまり、面粗し対象面となる光取出面20pの総表面積が孔LPを形成する分だけ増大し、これにさらに面粗し突起部Fを重畳形成することによって、孔LPを形成しない場合と比較して面粗し突起部Fの総形成量が増加する。その結果、素子の光取出面積をより拡大することができ、ひいては光取出効率の更なる向上を図ることができる。また、図2及び図4に示すように、側面部SSにも同様の面粗し突起部Fが形成され、該側面からの光取出効率も向上している。なお、図3に示すように、光取出側金属電極9に被覆されている領域では、孔LPの内面に面粗し突起部Fは形成されていない。
【0026】
本実施形態にてGaP光取出層20はHVPE法により成長されたものである(MOVPE法でもよい)。なお、GaP光取出層20と発光層部24との間には、GaP層からなる接続層20Jが、発光層部24に続く形でMOVPE法により形成されてなる。なお、接続層20Jは、AlGaInPからなる発光層部24と、GaP光取出層20との間で、格子定数差(ひいては混晶比)を漸次変化させるAlGaInP層としてもよい。なお、GaP光取出層20はHVPE法によるエピタキシャル成長層とする代わりに、GaP単結晶基板の貼り合わせにより形成することも可能である。
【0027】
また、GaP透明基板90はGaP単結晶基板の貼り合わせにより形成されたものであり(HVPE法によるエピタキシャル成長層としてもよい:符号91は、AlGaInPからなる接続層である)、第二主表面の全面がAu電極等からなる裏面電極15にて覆われている。GaP透明基板90の結晶方位は、発光層部24と一致させてある(つまり、オフアングル角度を合わせてある)。GaP透明基板90の厚さは例えば10μm以上200μm以下である。裏面電極15は、発光層部24からGaP透明基板90を透過して到来する発光光束に対する反射層を兼ねており、光取出し効率の向上に寄与している。また、裏面電極15とGaP透明基板90との間には、両者の接触抵抗を低減するためのAuGeNi合金等からなる接合合金化層15cが散点状に分散形成されている。GaP光取出層20及びGaP透明基板90は、いずれも、ドーパント濃度が5×1016/cm3以上2×1018/cm3以下に調整されている(なお、接合合金化層9aの直下に、接触抵抗を高めるための高濃度ドーピング領域が形成される場合は、これを除いた領域のドーパント濃度を意味する)。
【0028】
GaP光取出層20の主光取出領域(第一主表面)20pは、凹凸をならした基準平面が、GaP単結晶の(100)面とほぼ一致しており(ただし、1゜以上25゜以下(例えば15°)のオフアングルが付与されていてもよい)、面粗し突起部Fは、図5に示すように、平坦な(100)結晶主表面を後述の異方性エッチング液と接触させることにより異方性エッチングして形成したものである。また、側面部SS(図1)も同様に{100}面とほぼ一致する面となっている。
【0029】
図6Aに示すように、面粗し突起部Fの外面は、GaP単結晶の化学的な異方性エッチング特性により、{111}面を主体に(突起部表面の50%以上)形成される。異方性エッチングが理想的に進行すれば、{100}面上の面粗し突起部Fは、図6Bに示すごとく面方位の異なる4つの{111}面に囲まれたピラミッド状の外観形態をなすが、実際には種々の要因により、半球状(図6B)、楕円体状(図6C)、円錐状(図6D)、キノコ状(図6E)、三角錐状(図6F)など、さまざまな突起形態が生じうる。なお、突起部の平均的な高さは例えば0.1μm以上5μm以下であり、突起部の平均間隔は0.1μm以上10μm以下である。そして、これを形成する孔LPは、例えば開口径が1μm以上50μm以下、開口深さが0.5μm以上25μm以下であり、配列間隔が0.1μm以上20μm以下である。
【0030】
以下、図1の発光素子100の製造方法について説明する。
まず、図7の工程1に示すように、成長用基板として、主表面が(100)面のGaAs単結晶基板1を用意する。次に、工程2に示すように、その基板1の主表面に、n型GaAsバッファ層2を例えば0.5μmエピタキシャル成長し、さらにAlGaInP接続層91(4μm)を成長し、次いで、発光層部24として、各々(AlxGa1−x)yIn1−yPよりなる、厚さ1μmのn型クラッド層4(n型ドーパントはSi)、厚さ0.6μmの活性層(ノンドープ)5及び厚さ1μmのp型クラッド層6(p型ドーパントはMg:有機金属分子からのCもp型ドーパントとして寄与しうる)を、この順序にてエピタキシャル成長させる。p型クラッド層6とn型クラッド層4との各ドーパント濃度は、例えば1×1017/cm3以上2×1018/cm3以下である。さらに、図8の工程3に示すように、p型クラッド層6上に接続層20Jをエピタキシャル成長する。
【0031】
上記各層のエピタキシャル成長は、公知のMOVPE法により行なわれる。Al、Ga、In(インジウム)、P(リン)の各成分源となる原料ガスとしては以下のようなものを使用できる;
・Al源ガス;トリメチルアルミニウム(TMAl)、トリエチルアルミニウム(TEAl)など;
・Ga源ガス;トリメチルガリウム(TMGa)、トリエチルガリウム(TEGa)など;
・In源ガス;トリメチルインジウム(TMIn)、トリエチルインジウム(TEIn)など。
・P源ガス:トリメチルリン(TMP)、トリエチルリン(TEP)、ホスフィン(PH3)など。
【0032】
工程4に進み、p型GaPよりなるGaP光取出層20を、HVPE法により成長させる。HVPE法は、具体的には、容器内にてIII族元素であるGaを所定の温度に加熱保持しながら、そのGa上に塩化水素を導入することにより、下記(1)式の反応によりGaClを生成させ、キャリアガスであるH2ガスとともに基板上に供給する。
Ga(液体)+HCl(気体) → GaCl(気体)+1/2H2‥‥(1)
成長温度は例えば640℃以上860℃以下に設定する。また、V族元素であるPは、PH3をキャリアガスであるH2とともに基板上に供給する。さらに、p型ドーパントであるZnは、DMZn(ジメチルZn)の形で供給する。GaClはPH3との反応性に優れ、下記(2)式の反応により、効率よくGaP光取出層20を成長させることができる:
GaCl(気体)+PH3(気体)
→GaP(固体)+HCl(気体)+H2(気体)‥‥(2)
【0033】
GaP光取出層20の成長が終了したら、図9の工程5に進み、GaAs基板1をアンモニア/過酸化水素混合液などのエッチング液を用いて湿式エッチングすることにより除去する。そして、工程6に進み、GaAs基板1が除去された発光層部24の第二主表面側(接続層91の第二主表面である)に、別途用意されたn型GaP単結晶基板を貼り合わせてGaP透明基板90とし、発光素子ウェーハWを得る。
【0034】
以上の工程が終了すれば、図10の工程7に示すように、発光素子ウェーハWに対し、GaP光取出層20の第一主表面にレーザービームLBを、位置を変えつつ順次照射することにより複数の孔LPを分散形成する。孔LPの配列形態は特に限定されず、格子状、千鳥状、同心円状あるいは渦巻状など各種採用でき、形成すべき孔LPの配列方向におけるレーザービームLBと発光素子ウェーハWとの相対的な移動・停止を繰り返しつつ、レーザービームLB断続的に照射することにより、所期のパターンに孔LPを配列形成できる。例えば、発光素子ウェーハWを固定し、レーザービームLBを走査移動する形で孔LPを形成する方法を例示できるが、レーザービームLBを固定し、発光素子ウェーハWを移動させてもよい。
【0035】
なお、図11に示すように、レーザービームLBにより穿孔形成した孔LPの内面には、化合物組成が化学量論比からシフトした組成変質層(例えば、GaP光取出層20の場合は、P組成が学量論比よりも少なくなるP欠乏層)や酸化膜が変質層DLとして残留する場合がある。そこで、図13に示すように、該組成変質層を湿式エッチングにより除去する。エッチング液SEAとしては硫酸−過酸化水素水溶液を使用できる。具体的には、例えば濃硫酸(硫酸濃度98%):過酸化水素水(過酸化水素濃度30%):水の体積配合比率が3:1:1のものを使用でき、液温は30℃以上70℃以下に調整するのがよい。なお、酸化膜を除去するだけであれば、フッ化水素酸を用いてもよい。
【0036】
図10に戻り、GaP光取出層20の第一主表面及びGaP透明基板90の第二主表面に電極パターニング用のフォトレジスト層を形成し、露光・現像により電極用の窓部をパターニングする。そして、その上から接合合金化層形成用の金属層をスパッタリングや真空蒸着法により形成し、フォトレジスト層とともに不要な蒸着金属をリフトオフし、さらに合金化の熱処理(いわゆるシンター処理)を行なうことにより、接合合金化層9a,15c(図1参照;図10では表示を省略)とする。そして、これら接合合金化層9a,15cをそれぞれ覆うように、光取出側金属電極9及び裏面電極15を形成する(工程8)。GaP光取出層20の第一主表面側では、スパッタリングないし蒸着により孔LPの内面にも一様に金属が付着し(特に、スパッタリングを用いた場合は、孔LPの内側面にも比較的均一な厚みにて金属を堆積させることができる)、孔LPの内面に倣う形状に接合合金化層9a及び光取出側金属電極9が形成される。
【0037】
続いて工程9に進み、発光素子ウェーハWを2つの<100>方向に沿ってダイシングすることにより、個々の素子チップ100’にダイシングする。本実施形態では、発光素子ウェーハWの第二主表面(裏面)に柔軟性を有した樹脂製の粘着シートASを貼り付け、第一主表面側からウェーハ厚さの途中位置までハーフダイシングを行い、その後、粘着シートASを展張して素子チップ100’に分離するエキスパンド処理を行なうようにしているが、フルダイシングを行なうようにしてもよい。なお、該ダイシング時には、各素子チップの側面部に、結晶欠陥密度の比較的高い加工ダメージ層が形成され、これが後述の面粗し処理を阻害する場合がある。そこで、ダイシング後の素子チップを、前述の硫酸−過酸化水素水溶液からなるエッチング液に浸漬して上記加工ダメージ層を除去することが望ましい。
【0038】
続いて、工程10に示すように、個々の素子チップ100’を異方性エッチング液EAに浸漬して異方性エッチング処理を行なう。異方性エッチング液EAは、素子チップ100’の金属電極9,15に覆われていない表面領域、具体的には、光取出面10pと側面部SSとの双方に接触する。その結果、各孔LPの内面及びその開口周囲領域と側面部SSの全体とに面粗し突起部Fが形成される。
【0039】
異方性エッチング液は、酢酸と弗酸と硝酸とヨウ素とを含有する水溶液であり、具体的には、
酢酸(CH3COOH換算):37.4質量%以上94.8質量%以下、
弗酸(HF換算):0.4質量%以上14.8質量%以下、
硝酸(HNO3換算):1.3質量%以上14.7質量%以下、
ヨウ素(I2換算):0.12質量%以上0.84質量%以下
の範囲で含有し、かつ、水の含有量が2.4質量%以上45質量%以下のもの、より望ましくは、
酢酸(CH3COOH換算):45.8質量%以上94.8質量%以下、
弗酸(HF換算):0.5質量%以上14.8質量%以下、
硝酸(HNO3換算):1.6質量%以上14.7質量%以下、
ヨウ素(I2換算):0.15質量%以上0.84質量%以下
の範囲で含有し、かつ、水の含有量が2.4質量%以上32.7質量%以下のものを採用する。液温は40℃以上60℃以下が適当である。
【0040】
面粗し突起部Fの形成が終了すれば素子チップを水洗・乾燥し、さらに、ワイヤボンディングを経て図1の発光素子が完成する。
【0041】
以下、本発明の発光素子の、種々の変形例について説明する。
孔LPは、図11に示すように、レーザービームLBを用いるとほぼ円状の開口形状を有するものが形成可能である。他方、図12に示すように、GaP光取出層20(光取出側化合物半導体層)をエッチングレジストERで被覆し、露光・現像により孔LPの形成領域に対応する窓部をパターニング形成し、その後、乾式エッチングを施すことにより、孔LPを一括して形成することも可能である。乾式エッチングを用いる場合も、孔LP内面には変質層DLを生ずることがあり、図13と同様に、該組成変質層を湿式エッチングにより除去することが望ましい。
【0042】
この場合、窓部のパターニング形状に応じて所望の開口形態の孔LPを形成できる。図14は、方形の開口形状を有する孔LPを格子状に配列形成した例である。このとき、孔LPの内壁面が互いに直交する{100}面(すなわち、ウェーハの主表面が(100)面であれば、(010)面と(001)面)となるように、発光素子ウェーハに対する孔LPの形成方位を定めておくと、孔LPの底面及び側面がいずれも異方性エッチングに有利な{100}面となり、面粗し突起部をより顕著に形成することができる。
【0043】
また、孔に代え、図15に示すように、所定間隔で配列する溝LGを凹部として形成することも可能である。図16ではこのような溝LGの組を互いに交差する2方向に格子状に形成した例を示す。溝LGも乾式エッチングによりパターニング形成できるほか、レーザービームを溝形成方向に移動させながら連続照射することにより形成してもよい。ここでも、内壁面が{100}面となるように溝LGを形成することができる。
【0044】
図17は、光取出側電極9の被覆領域を、孔LPを形成しない平坦面として形成した発光素子の例を示す。また、図18は、不透明基板であるGaAs基板1を敢えて除去せず、そのまま素子基板として流用した発光素子の例を示す。いずれも、その余の点については、図1の発光素子と全く同一であり、共通部に同一の符号を付与して詳細な説明は略する。
【0045】
次に、図19は、発光素子ウェーハの第一主表面をなす、HVPE法により成長したGaP光取出層の主表面に、レーザービーム穿孔(レーザー出力:約100mW)により孔を同心円状の形成した例を示す光学顕微鏡撮影画像である(倍率:約100倍)。ウェーハの直径は50mmであり、左はウェーハ中心付近を、右は同じく外周付近を示す。図20は孔の一つを拡大して示すものであり、孔の開口径は約11μm、深さは約4.0μmである。
【0046】
図21は、右下がGaP光取出層への孔形成(レーザー穿孔)と異方性エッチング(フロスト)とをいずれも行なわない発光素子チップ(番号4)、右上がレーザー穿孔のみを行なった発光素子チップ(番号3)、左下が異方性エッチング(フロスト)のみを行なった発光素子チップ(番号2)、左上がレーザー穿孔後、さらに異方性エッチング(フロスト)を行なった発光素子チップ(番号1)をそれぞれ示す光学顕微鏡観察画像である。レーザー穿孔により形成した孔の深さは約6.0μmであり、それぞれ、JIS−B0601(1994)に規定された方法により測定した主表面の算術平均粗さRaの値も合わせて図示している。レーザー穿孔のみを行なった発光素子チップと比較して、さらに異方性エッチング処理を追加することで、算術平均粗さRaの値が若干低くなっていることがわかる。また、異方性エッチング処理は、酢酸81.7質量%、弗酸5質量%、硝酸5質量%、ヨウ素0.3質量%、水8質量%の組成からなるエッチング液を用い、液温は例えば25℃にて150秒行なっている。
【0047】
図22は、上記の各発光素子チップを、種々の駆動電流値にて発光させたときの、発光出力PO、積分球輝度PV及び直上輝度IVの各測定結果を示す(測定値は、それぞれチップ10個の平均値にて示している)。孔形成(レーザー穿孔)と異方性エッチング(フロスト)とをいずれも行なった発光素子チップ(番号1)は、異方性エッチング(フロスト)のみを行なった発光素子チップ(番号2)と比較して、POで7.49%、PVで10.7%、IVで6.37%、それぞれ確実に改善されていることがわかった。
【図面の簡単な説明】
【0048】
【図1】本発明の発光素子の第一例を示す側面断面模式図及び光取出側電極周辺の拡大平面図。
【図2】図1のA部拡大図。
【図3】同じくB部拡大図。
【図4】同じくC部拡大図。
【図5】GaP{100}面上への異方性エッチングによる面粗し突起部の形成形態を概念的に示す図。
【図6A】GaP{100}面上の面粗し突起部の外形の第一例を示す斜視図。
【図6B】同じく第二例を示す斜視図。
【図6C】同じく第三例を示す斜視図。
【図6D】同じく第四例を示す斜視図。
【図6E】同じく第五例を示す斜視図。
【図6F】同じく第六例を示す斜視図。
【図7】図1の発光素子の製造方法を示す工程説明図。
【図8】図7に続く工程説明図。
【図9】図8に続く工程説明図。
【図10】図9に続く工程説明図。
【図11】レーザービームにより凹部を穿孔形成する様子を示す模式図。
【図12】乾式エッチングにより凹部を穿孔形成する様子を示す模式図。
【図13】湿式エッチングにより凹部内面の変質層を除去する様子を示す模式図。
【図14】光取出面への凹部形成形態の第一変形例を示す平面図。
【図15】同じく第二変形例を示す平面図。
【図16】同じく第三変形例を示す平面図。
【図17】本発明の発光素子の第二例を示す側面断面模式図及び光取出側電極周辺の拡大平面図。
【図18】本発明の発光素子の第三例を示す側面断面模式図。
【図19】レーザービームによる凹部穿孔パターンの実例を示す画像。
【図20】図19の拡大画像。
【図21】本発明の効果確認評価に用いた試験素子を光取出面側にて撮影した光学顕微鏡画像。
【図22】図21の試験素子を用いて行なった効果確認評価の結果を示す図。
【符号の説明】
【0049】
4 第一導電型クラッド層
5 活性層
6 第二導電型クラッド層
9 光取出側金属電極
16 ワイヤーボンド部
20 GaP光取出層
20p 光取出面
SS 側面部
24 発光層部
W 発光素子ウェーハ
F 面粗し突起部
LP 孔(凹部)
LG 溝
100 発光素子
【技術分野】
【0001】
この発明は発光素子及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【0002】
【特許文献1】特開2003−218383号公報
【特許文献2】特開2003−209283号公報
【0003】
化合物半導体からなる発光素子においては、素子内部から素子の表面(光取出領域)に向かう光のうち、臨界角度よりも大角度で光取出領域に入射する光(入射角は、光束入射方向と領域面法線とのなす角度)が全反射により素子内部に戻るので、その全てを取り出せるわけではない。そこで、特許文献1あるいは特許文献2には、光取出層の第一主表面を適当なエッチング液により面粗し処理(フロスト処理とも称される)して微細な凹凸を形成し、発光光束が大角度入射する確率を減じて光取出し効率を高める技術が開示されている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
しかしながら、上記特許文献1,2に開示された異方性エッチングによる面粗し処理では、面粗し突起の形成密度の増大ひいてはそれによる光取出面積の拡大に限界があり、発光素子の光取出効率をさらに向上させる方法が求められている。
【0005】
本発明の課題は、素子の光取出面積をより拡大することができ、ひいては光取出効率の更なる向上を図ることができる発光素子と、その製造方法とを提供することにある。
【課題を解決するための手段及び発明の効果】
【0006】
上記の課題を解決するために、本発明の発光素子は、
一方の主表面に光取出面が形成される化合物半導体の積層体からなり、該光取出面をなす化合物半導体層である光取出側化合物半導体層の表層部に凹部が分散形成されるとともに、前記凹部の内表面に異方性エッチング処理による面粗し突起部がさらに分散形成されてなることを特徴とする。
【0007】
また、本発明の発光素子の製造方法は、
化合物半導体の積層体の光取出面側となる主表面に凹部を分散形成する凹部形成工程と、該凹部の内表面に異方性エッチング処理を実施することにより面粗し突起部をさらに分散形成する異方性エッチング工程とをこの順で実施することを特徴とする。
【0008】
上記本発明によると、発光素子を構成する積層体の、光取出面をなす一方の主表面に凹部を分散形成し、その凹部の内面に異方性エッチング処理による微細な面粗し突起部を分散形成する。つまり、光取出面を平坦に形成する場合と比較して、面粗し対象面の総面積が凹部を形成する分だけ増大し、これにさらに面粗し突起部を重畳形成することによって、面粗し突起の総形成量を増加させることができる。その結果、異方性エッチングによる面粗し処理のみを行なう従来の手法と比較して、素子の光取出面積をより拡大することができ、ひいては光取出効率の更なる向上を図ることができる。
【0009】
凹部は複数の孔として散点状に分散形成することができる。これにより、凹部を光取出面に一様に形成でき、凹部の形成密度や個々の凹部の寸法の調整も容易である。このような孔は、レーザービームにより穿孔形成することができる。レーザービームの採用により、寸法や深さの揃った多数の孔を迅速に形成でき、また、ビーム出力やビーム径により個々の孔の寸法や深さも容易に調整できる。
【0010】
一方、上記の凹部を乾式エッチング(例えば、イオンエッチング等)により形成することも可能である。この場合、光取出側化合物半導体層の主表面を適当なエッチングレジストで被覆し、露光・現像により凹部の形成領域に対応する窓部をパターニング形成し、その後、乾式エッチングを施すことにより、凹部を一括して形成することができる。
【0011】
上記のレーザービーム穿孔ないし乾式エッチングにより凹部を形成したとき、凹部内面に変質層(化合物の組成変質層や酸化層)が残留することがある。このような変質層が形成されると、面粗しのための異方性エッチング処理が阻害される場合があるので、該変質層を湿式エッチングにより除去し、その後、当該凹部の内面を異方性エッチング処理することが望ましい。
【0012】
面粗し突起部は、光取出面の凹部の開口周縁をなす領域にも分散形成することができる。また、光取出側化合物半導体層の凹部が非形成となる側面部にも、異方性エッチング処理による面粗し突起部を分散形成することができる。これにより、凹部の開口周縁領域ないし光取出側化合物半導体層の側面部における光取出効率をそれぞれ向上でき、素子全体の発光輝度をより高めることができる。
【0013】
光取出面への凹部の形成は、前述の積層体として形成された発光素子ウェーハ(つまり、素子チップへのダイシング前)の状態で、その主表面全面に分散形成することが効率的である。他方、上記のごとく、面粗し突起部を凹部の内面以外(特に、チップ側面部)にも形成したい場合は、発光素子ウェーハを素子チップにダイシング後、個々の素子チップを異方性エッチング液に浸漬して凹部の内面に異方性エッチング処理を行なうようにすると効果的である。
【0014】
発光素子を構成する上記の積層体は、発光層部と、該発光層部に積層されるとともに該発光層部よりも厚みの大きい電流拡散層とを含むものとして構成できる。電流拡散層の形成により、素子面内の電流拡散効果向上と層側面からの光取出効率向上とを図ることができる。この場合、この電流拡散層を光取出側化合物半導体層とすることで、十分な深さの凹部を容易に形成でき、さらに面粗し突起部を形成することで素子全体の発光輝度向上に大きく貢献する。
【0015】
上記の発光層部は、例えは、組成式(AlxGa1−x)yIn1−yP(ただし、0≦x≦1,0≦y≦1)にて表される化合物のうち、GaAsと格子整合する組成を有する化合物にて各々構成された第一導電型クラッド層、活性層及び第二導電型クラッド層がこの順序で積層されたダブルへテロ構造を有するものとして形成できる。また、電流拡散層は、厚さ10μm以上のGaP光取出層として形成することができる。
【0016】
(AlxGa1−x)yIn1−yP混晶(ただし、0≦x≦1,0≦y≦1;以下、AlGaInP混晶、あるいは単にAlGaInPとも記載する)により発光層部が形成された発光素子は、薄いAlGaInP活性層を、それよりもバンドギャップの大きいn型AlGaInPクラッド層とp型AlGaInPクラッド層とによりサンドイッチ状に挟んだダブルへテロ構造を採用することにより、例えば緑色から赤色までの広い波長域にて高輝度の素子を実現できる。そして、電流拡散層を、GaPにより一定以上(すなわち、10μm以上)に厚みを増加した光取出層として形成すれば、素子面内の電流拡散効果が向上するばかりでなく、層側面からの光取出量も増加するので、光取出効率をより高めることができるようになる。光取出層は、発光光束を効率よく透過させ、光取出し効率を高めることができるよう、発光光束の光量子エネルギーよりもバンドギャップエネルギーの大きい化合物半導体で形成する必要がある。特にGaPはバンドギャップエネルギーが大きく発光光束の吸収が小さいので、AlGaInP系発光素子の光取出層として好適である。
【0017】
なお、本発明の適用対象となる発光素子はAlGaInP系に限定されず、例えば、GaAs系、AlGaAs系、GaP系、InAlGaN系あるいはMgZnO系等、他の種々の発光素子についても同様に本発明を適用可能である。
【0018】
本発明においては、面粗し突起部を凹部内に分散形成するので、当然、凹部の凹部内空間体積を面粗し突起部の体積よりも大きく設定する必要がある。GaP光取出層に凹部を複数の孔として散点状に分散形成する場合、該孔の開口径(円形以外の開口を有する場合は、同面積の円の直径に換算した値とする)を1μm以上50μm以下、孔深さを0.5μm以上25μm以下に形成するとよい。また、異方性エッチングにより形成する面粗し突起部は、該孔の内面に平均的な高さが0.1μm以上5μm以下となるように形成するとよい。
【0019】
この場合、GaP光取出層の主表面(光取出面となる)を(100)面とし、該(100)面からなるGaP光取出層の主表面に前述の凹部を分散形成した後、さらに、酢酸と弗酸と硝酸とヨウ素と水とを、その合計が90質量%以上となるように含有し、酢酸と弗酸と硝酸とヨウ素との合計質量含有率が水の質量含有率よりも高い異方性エッチング液にてエッチングすることにより面粗し突起部を形成するとよい。このような異方性エッチング液を用いることで、異方性エッチング的な原理による凹凸形成が顕著に進行し、ひいてはGaP光取出層に面粗し突起部を効率よく安価に形成することができる。酢酸と弗酸と硝酸とヨウ素と水の合計は90質量%以上であり、これ以下の含有率では面粗し突起部を効率良く形成できない。また、酢酸と弗酸と硝酸とヨウ素との合計質量含有率が水の質量含有率より低くなっても、同様に面粗し突起部を効率良く形成できない。なお、酢酸と弗酸と硝酸とヨウ素と水との合計を100質量%から差し引いた残部は、(100)面上でのGaPに対する異方性エッチング効果が損なわれない範囲内で、他の成分(例えば酢酸以外のカルボン酸等)で占められていてもよい。
【0020】
異方性エッチング液は、
酢酸(CH3COOH換算):37.4質量%以上94.8質量%以下、
弗酸(HF換算):0.4質量%以上14.8質量%以下、
硝酸(HNO3換算):1.3質量%以上14.7質量%以下、
ヨウ素(I2換算):0.12質量%以上0.84質量%以下
の範囲で含有し、かつ、水の含有量が2.4質量%以上45質量%以下のものを採用するのがよい。いずれの成分も上記組成の範囲外になると、GaP単結晶の(100)面に対する異方性エッチング効果が十分でなくなり、GaP光取出層の第一主表面へ面粗らし突起部を十分に形成できなくなる。異方性エッチング液は、より望ましくは、
酢酸(CH3COOH換算):45.8質量%以上94.8質量%以下、
弗酸(HF換算):0.5質量%以上14.8質量%以下、
硝酸(HNO3換算):1.6質量%以上14.7質量%以下、
ヨウ素(I2換算):0.15質量%以上0.84質量%以下
の範囲で含有し、かつ、水の含有量が2.4質量%以上32.7質量%以下のものを採用するのがよい。すなわち、GaP単結晶の(100)面に対する異方性エッチング効果を高めるには、特に水の含有量を上記のように少なく留め、かつ、酸主溶媒の機能を水ではなく酢酸に担わせることが重要であるともいえる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0021】
以下、本発明の実施の形態を添付の図面を参照して説明する。
図1は、本発明の一実施形態である発光素子100を示す概念図である。発光素子100は、発光層部24と、該発光層部24の第一主表面側に形成されたGaP光取出層(ここではp型)20とを有する。また、発光層部24の第二主表面側にはGaP透明基板90が配置されている。発光層部24は、ノンドープ(AlxGa1−x)yIn1−yP(ただし、0≦x≦0.55,0.45≦y≦0.55)混晶からなる活性層5を、p型(AlzGa1−z)yIn1−yP(ただしx<z≦1)からなるp型クラッド層(第一導電型クラッド層)6とn型(AlzGa1−z)yIn1−yP(ただしx<z≦1)からなるn型クラッド層(第二導電型クラッド層)4とにより挟んだ構造を有する。図1の発光素子100では、第一主表面側(図面上側)にp型AlGaInPクラッド層6が配置されており、第二主表面側(図面下側)にn型AlGaInPクラッド層4が配置されている。なお、ここでいう「ノンドープ」とは、「ドーパントの積極添加を行なわない」との意味であり、通常の製造工程上、不可避的に混入するドーパント成分の含有(例えば1×1013〜1×1016/cm3程度を上限とする)をも排除するものではない。この発光層部24はMOVPE法により成長されたものである。n型クラッド層4及びpクラッド層6の厚さは、例えばそれぞれ0.8μm以上4μm以下(望ましくは0.8μm以上2μm以下)であり、活性層5の厚さは例えば0.4μm以上2μm以下(望ましくは0.4μm以上1μm以下)である。発光層部24全体の厚さは、例えば2μm以上10μm以下(望ましくは2μm以上5μm以下)である。
【0022】
次に、GaP光取出層20(光取出側化合物半導体層)は、10μm以上200μm以下(望ましくは40μm以上200μm以下:本実施形態では例えば100μm)の厚膜に形成され、図1に示すように、その第一主表面の一部(ここでは中央部)を覆う形で光取出側金属電極9が形成され、その周囲の主表面領域が光取出面20pとされている。そして、その光取出面20pには、光取出面20pに開口する凹部として孔LPが散点状に分散形成されている。図1の実施形態では、GaP光取出層20の第一主表面の光取出側金属電極9の被覆領域にも孔LPが分散形成され、該孔LPの内面に倣う形状にて光取出側金属電極9が形成されている。
【0023】
図2、図3及び図4に、図1にて各破線で囲んだA部、B部及びC部の拡大模式図を示す。図2及び図3に示すように、光取出面20pに開口する孔LPの内表面には、異方性エッチング処理による面粗し突起部Fが一様に分散形成されている。また、該面粗し突起部Fは、光取出面20pの孔LPの開口周縁をなす領域PAにも分散形成されている。さらに、図2及び図4に示すように、GaP光取出層20及びGaP透明基板90の孔LPが非形成となる側面部SSにも面粗し突起部Fが分散形成されている。
【0024】
図1に示すように、光取出側金属電極9には、ワイヤーボンド部16を介して電極ワイヤ17の一端が接合されている。また、光取出側金属電極9とGaP光取出層20との間には、AuBe合金等からなる接合合金化層9aが孔LPの内面に倣う形状に形成されている。GaP光取出層20は上記のように厚く形成されることで、光取出側金属電極9を介した通電による発光駆動電流を素子面内に拡散させ、発光層部24を面内にて均一に発光させる電流拡散層としての機能を果たす。また、層側面部SSからの取出光束も増加させ、発光素子全体の輝度(積分球輝度)を高める役割を担う。GaPは活性層5をなすAlGaInPよりもバンドギャップエネルギーが大きく、発光光束の吸収が抑制されている。
【0025】
そして、図2及び図3に示すように、光取出面20pには多数の孔LPが分散形成され、それら孔LPの内面が各開口周縁領域PAとともに異方性エッチング処理されて微細な面粗し突起部Fが一様に分散形成されている。つまり、面粗し対象面となる光取出面20pの総表面積が孔LPを形成する分だけ増大し、これにさらに面粗し突起部Fを重畳形成することによって、孔LPを形成しない場合と比較して面粗し突起部Fの総形成量が増加する。その結果、素子の光取出面積をより拡大することができ、ひいては光取出効率の更なる向上を図ることができる。また、図2及び図4に示すように、側面部SSにも同様の面粗し突起部Fが形成され、該側面からの光取出効率も向上している。なお、図3に示すように、光取出側金属電極9に被覆されている領域では、孔LPの内面に面粗し突起部Fは形成されていない。
【0026】
本実施形態にてGaP光取出層20はHVPE法により成長されたものである(MOVPE法でもよい)。なお、GaP光取出層20と発光層部24との間には、GaP層からなる接続層20Jが、発光層部24に続く形でMOVPE法により形成されてなる。なお、接続層20Jは、AlGaInPからなる発光層部24と、GaP光取出層20との間で、格子定数差(ひいては混晶比)を漸次変化させるAlGaInP層としてもよい。なお、GaP光取出層20はHVPE法によるエピタキシャル成長層とする代わりに、GaP単結晶基板の貼り合わせにより形成することも可能である。
【0027】
また、GaP透明基板90はGaP単結晶基板の貼り合わせにより形成されたものであり(HVPE法によるエピタキシャル成長層としてもよい:符号91は、AlGaInPからなる接続層である)、第二主表面の全面がAu電極等からなる裏面電極15にて覆われている。GaP透明基板90の結晶方位は、発光層部24と一致させてある(つまり、オフアングル角度を合わせてある)。GaP透明基板90の厚さは例えば10μm以上200μm以下である。裏面電極15は、発光層部24からGaP透明基板90を透過して到来する発光光束に対する反射層を兼ねており、光取出し効率の向上に寄与している。また、裏面電極15とGaP透明基板90との間には、両者の接触抵抗を低減するためのAuGeNi合金等からなる接合合金化層15cが散点状に分散形成されている。GaP光取出層20及びGaP透明基板90は、いずれも、ドーパント濃度が5×1016/cm3以上2×1018/cm3以下に調整されている(なお、接合合金化層9aの直下に、接触抵抗を高めるための高濃度ドーピング領域が形成される場合は、これを除いた領域のドーパント濃度を意味する)。
【0028】
GaP光取出層20の主光取出領域(第一主表面)20pは、凹凸をならした基準平面が、GaP単結晶の(100)面とほぼ一致しており(ただし、1゜以上25゜以下(例えば15°)のオフアングルが付与されていてもよい)、面粗し突起部Fは、図5に示すように、平坦な(100)結晶主表面を後述の異方性エッチング液と接触させることにより異方性エッチングして形成したものである。また、側面部SS(図1)も同様に{100}面とほぼ一致する面となっている。
【0029】
図6Aに示すように、面粗し突起部Fの外面は、GaP単結晶の化学的な異方性エッチング特性により、{111}面を主体に(突起部表面の50%以上)形成される。異方性エッチングが理想的に進行すれば、{100}面上の面粗し突起部Fは、図6Bに示すごとく面方位の異なる4つの{111}面に囲まれたピラミッド状の外観形態をなすが、実際には種々の要因により、半球状(図6B)、楕円体状(図6C)、円錐状(図6D)、キノコ状(図6E)、三角錐状(図6F)など、さまざまな突起形態が生じうる。なお、突起部の平均的な高さは例えば0.1μm以上5μm以下であり、突起部の平均間隔は0.1μm以上10μm以下である。そして、これを形成する孔LPは、例えば開口径が1μm以上50μm以下、開口深さが0.5μm以上25μm以下であり、配列間隔が0.1μm以上20μm以下である。
【0030】
以下、図1の発光素子100の製造方法について説明する。
まず、図7の工程1に示すように、成長用基板として、主表面が(100)面のGaAs単結晶基板1を用意する。次に、工程2に示すように、その基板1の主表面に、n型GaAsバッファ層2を例えば0.5μmエピタキシャル成長し、さらにAlGaInP接続層91(4μm)を成長し、次いで、発光層部24として、各々(AlxGa1−x)yIn1−yPよりなる、厚さ1μmのn型クラッド層4(n型ドーパントはSi)、厚さ0.6μmの活性層(ノンドープ)5及び厚さ1μmのp型クラッド層6(p型ドーパントはMg:有機金属分子からのCもp型ドーパントとして寄与しうる)を、この順序にてエピタキシャル成長させる。p型クラッド層6とn型クラッド層4との各ドーパント濃度は、例えば1×1017/cm3以上2×1018/cm3以下である。さらに、図8の工程3に示すように、p型クラッド層6上に接続層20Jをエピタキシャル成長する。
【0031】
上記各層のエピタキシャル成長は、公知のMOVPE法により行なわれる。Al、Ga、In(インジウム)、P(リン)の各成分源となる原料ガスとしては以下のようなものを使用できる;
・Al源ガス;トリメチルアルミニウム(TMAl)、トリエチルアルミニウム(TEAl)など;
・Ga源ガス;トリメチルガリウム(TMGa)、トリエチルガリウム(TEGa)など;
・In源ガス;トリメチルインジウム(TMIn)、トリエチルインジウム(TEIn)など。
・P源ガス:トリメチルリン(TMP)、トリエチルリン(TEP)、ホスフィン(PH3)など。
【0032】
工程4に進み、p型GaPよりなるGaP光取出層20を、HVPE法により成長させる。HVPE法は、具体的には、容器内にてIII族元素であるGaを所定の温度に加熱保持しながら、そのGa上に塩化水素を導入することにより、下記(1)式の反応によりGaClを生成させ、キャリアガスであるH2ガスとともに基板上に供給する。
Ga(液体)+HCl(気体) → GaCl(気体)+1/2H2‥‥(1)
成長温度は例えば640℃以上860℃以下に設定する。また、V族元素であるPは、PH3をキャリアガスであるH2とともに基板上に供給する。さらに、p型ドーパントであるZnは、DMZn(ジメチルZn)の形で供給する。GaClはPH3との反応性に優れ、下記(2)式の反応により、効率よくGaP光取出層20を成長させることができる:
GaCl(気体)+PH3(気体)
→GaP(固体)+HCl(気体)+H2(気体)‥‥(2)
【0033】
GaP光取出層20の成長が終了したら、図9の工程5に進み、GaAs基板1をアンモニア/過酸化水素混合液などのエッチング液を用いて湿式エッチングすることにより除去する。そして、工程6に進み、GaAs基板1が除去された発光層部24の第二主表面側(接続層91の第二主表面である)に、別途用意されたn型GaP単結晶基板を貼り合わせてGaP透明基板90とし、発光素子ウェーハWを得る。
【0034】
以上の工程が終了すれば、図10の工程7に示すように、発光素子ウェーハWに対し、GaP光取出層20の第一主表面にレーザービームLBを、位置を変えつつ順次照射することにより複数の孔LPを分散形成する。孔LPの配列形態は特に限定されず、格子状、千鳥状、同心円状あるいは渦巻状など各種採用でき、形成すべき孔LPの配列方向におけるレーザービームLBと発光素子ウェーハWとの相対的な移動・停止を繰り返しつつ、レーザービームLB断続的に照射することにより、所期のパターンに孔LPを配列形成できる。例えば、発光素子ウェーハWを固定し、レーザービームLBを走査移動する形で孔LPを形成する方法を例示できるが、レーザービームLBを固定し、発光素子ウェーハWを移動させてもよい。
【0035】
なお、図11に示すように、レーザービームLBにより穿孔形成した孔LPの内面には、化合物組成が化学量論比からシフトした組成変質層(例えば、GaP光取出層20の場合は、P組成が学量論比よりも少なくなるP欠乏層)や酸化膜が変質層DLとして残留する場合がある。そこで、図13に示すように、該組成変質層を湿式エッチングにより除去する。エッチング液SEAとしては硫酸−過酸化水素水溶液を使用できる。具体的には、例えば濃硫酸(硫酸濃度98%):過酸化水素水(過酸化水素濃度30%):水の体積配合比率が3:1:1のものを使用でき、液温は30℃以上70℃以下に調整するのがよい。なお、酸化膜を除去するだけであれば、フッ化水素酸を用いてもよい。
【0036】
図10に戻り、GaP光取出層20の第一主表面及びGaP透明基板90の第二主表面に電極パターニング用のフォトレジスト層を形成し、露光・現像により電極用の窓部をパターニングする。そして、その上から接合合金化層形成用の金属層をスパッタリングや真空蒸着法により形成し、フォトレジスト層とともに不要な蒸着金属をリフトオフし、さらに合金化の熱処理(いわゆるシンター処理)を行なうことにより、接合合金化層9a,15c(図1参照;図10では表示を省略)とする。そして、これら接合合金化層9a,15cをそれぞれ覆うように、光取出側金属電極9及び裏面電極15を形成する(工程8)。GaP光取出層20の第一主表面側では、スパッタリングないし蒸着により孔LPの内面にも一様に金属が付着し(特に、スパッタリングを用いた場合は、孔LPの内側面にも比較的均一な厚みにて金属を堆積させることができる)、孔LPの内面に倣う形状に接合合金化層9a及び光取出側金属電極9が形成される。
【0037】
続いて工程9に進み、発光素子ウェーハWを2つの<100>方向に沿ってダイシングすることにより、個々の素子チップ100’にダイシングする。本実施形態では、発光素子ウェーハWの第二主表面(裏面)に柔軟性を有した樹脂製の粘着シートASを貼り付け、第一主表面側からウェーハ厚さの途中位置までハーフダイシングを行い、その後、粘着シートASを展張して素子チップ100’に分離するエキスパンド処理を行なうようにしているが、フルダイシングを行なうようにしてもよい。なお、該ダイシング時には、各素子チップの側面部に、結晶欠陥密度の比較的高い加工ダメージ層が形成され、これが後述の面粗し処理を阻害する場合がある。そこで、ダイシング後の素子チップを、前述の硫酸−過酸化水素水溶液からなるエッチング液に浸漬して上記加工ダメージ層を除去することが望ましい。
【0038】
続いて、工程10に示すように、個々の素子チップ100’を異方性エッチング液EAに浸漬して異方性エッチング処理を行なう。異方性エッチング液EAは、素子チップ100’の金属電極9,15に覆われていない表面領域、具体的には、光取出面10pと側面部SSとの双方に接触する。その結果、各孔LPの内面及びその開口周囲領域と側面部SSの全体とに面粗し突起部Fが形成される。
【0039】
異方性エッチング液は、酢酸と弗酸と硝酸とヨウ素とを含有する水溶液であり、具体的には、
酢酸(CH3COOH換算):37.4質量%以上94.8質量%以下、
弗酸(HF換算):0.4質量%以上14.8質量%以下、
硝酸(HNO3換算):1.3質量%以上14.7質量%以下、
ヨウ素(I2換算):0.12質量%以上0.84質量%以下
の範囲で含有し、かつ、水の含有量が2.4質量%以上45質量%以下のもの、より望ましくは、
酢酸(CH3COOH換算):45.8質量%以上94.8質量%以下、
弗酸(HF換算):0.5質量%以上14.8質量%以下、
硝酸(HNO3換算):1.6質量%以上14.7質量%以下、
ヨウ素(I2換算):0.15質量%以上0.84質量%以下
の範囲で含有し、かつ、水の含有量が2.4質量%以上32.7質量%以下のものを採用する。液温は40℃以上60℃以下が適当である。
【0040】
面粗し突起部Fの形成が終了すれば素子チップを水洗・乾燥し、さらに、ワイヤボンディングを経て図1の発光素子が完成する。
【0041】
以下、本発明の発光素子の、種々の変形例について説明する。
孔LPは、図11に示すように、レーザービームLBを用いるとほぼ円状の開口形状を有するものが形成可能である。他方、図12に示すように、GaP光取出層20(光取出側化合物半導体層)をエッチングレジストERで被覆し、露光・現像により孔LPの形成領域に対応する窓部をパターニング形成し、その後、乾式エッチングを施すことにより、孔LPを一括して形成することも可能である。乾式エッチングを用いる場合も、孔LP内面には変質層DLを生ずることがあり、図13と同様に、該組成変質層を湿式エッチングにより除去することが望ましい。
【0042】
この場合、窓部のパターニング形状に応じて所望の開口形態の孔LPを形成できる。図14は、方形の開口形状を有する孔LPを格子状に配列形成した例である。このとき、孔LPの内壁面が互いに直交する{100}面(すなわち、ウェーハの主表面が(100)面であれば、(010)面と(001)面)となるように、発光素子ウェーハに対する孔LPの形成方位を定めておくと、孔LPの底面及び側面がいずれも異方性エッチングに有利な{100}面となり、面粗し突起部をより顕著に形成することができる。
【0043】
また、孔に代え、図15に示すように、所定間隔で配列する溝LGを凹部として形成することも可能である。図16ではこのような溝LGの組を互いに交差する2方向に格子状に形成した例を示す。溝LGも乾式エッチングによりパターニング形成できるほか、レーザービームを溝形成方向に移動させながら連続照射することにより形成してもよい。ここでも、内壁面が{100}面となるように溝LGを形成することができる。
【0044】
図17は、光取出側電極9の被覆領域を、孔LPを形成しない平坦面として形成した発光素子の例を示す。また、図18は、不透明基板であるGaAs基板1を敢えて除去せず、そのまま素子基板として流用した発光素子の例を示す。いずれも、その余の点については、図1の発光素子と全く同一であり、共通部に同一の符号を付与して詳細な説明は略する。
【0045】
次に、図19は、発光素子ウェーハの第一主表面をなす、HVPE法により成長したGaP光取出層の主表面に、レーザービーム穿孔(レーザー出力:約100mW)により孔を同心円状の形成した例を示す光学顕微鏡撮影画像である(倍率:約100倍)。ウェーハの直径は50mmであり、左はウェーハ中心付近を、右は同じく外周付近を示す。図20は孔の一つを拡大して示すものであり、孔の開口径は約11μm、深さは約4.0μmである。
【0046】
図21は、右下がGaP光取出層への孔形成(レーザー穿孔)と異方性エッチング(フロスト)とをいずれも行なわない発光素子チップ(番号4)、右上がレーザー穿孔のみを行なった発光素子チップ(番号3)、左下が異方性エッチング(フロスト)のみを行なった発光素子チップ(番号2)、左上がレーザー穿孔後、さらに異方性エッチング(フロスト)を行なった発光素子チップ(番号1)をそれぞれ示す光学顕微鏡観察画像である。レーザー穿孔により形成した孔の深さは約6.0μmであり、それぞれ、JIS−B0601(1994)に規定された方法により測定した主表面の算術平均粗さRaの値も合わせて図示している。レーザー穿孔のみを行なった発光素子チップと比較して、さらに異方性エッチング処理を追加することで、算術平均粗さRaの値が若干低くなっていることがわかる。また、異方性エッチング処理は、酢酸81.7質量%、弗酸5質量%、硝酸5質量%、ヨウ素0.3質量%、水8質量%の組成からなるエッチング液を用い、液温は例えば25℃にて150秒行なっている。
【0047】
図22は、上記の各発光素子チップを、種々の駆動電流値にて発光させたときの、発光出力PO、積分球輝度PV及び直上輝度IVの各測定結果を示す(測定値は、それぞれチップ10個の平均値にて示している)。孔形成(レーザー穿孔)と異方性エッチング(フロスト)とをいずれも行なった発光素子チップ(番号1)は、異方性エッチング(フロスト)のみを行なった発光素子チップ(番号2)と比較して、POで7.49%、PVで10.7%、IVで6.37%、それぞれ確実に改善されていることがわかった。
【図面の簡単な説明】
【0048】
【図1】本発明の発光素子の第一例を示す側面断面模式図及び光取出側電極周辺の拡大平面図。
【図2】図1のA部拡大図。
【図3】同じくB部拡大図。
【図4】同じくC部拡大図。
【図5】GaP{100}面上への異方性エッチングによる面粗し突起部の形成形態を概念的に示す図。
【図6A】GaP{100}面上の面粗し突起部の外形の第一例を示す斜視図。
【図6B】同じく第二例を示す斜視図。
【図6C】同じく第三例を示す斜視図。
【図6D】同じく第四例を示す斜視図。
【図6E】同じく第五例を示す斜視図。
【図6F】同じく第六例を示す斜視図。
【図7】図1の発光素子の製造方法を示す工程説明図。
【図8】図7に続く工程説明図。
【図9】図8に続く工程説明図。
【図10】図9に続く工程説明図。
【図11】レーザービームにより凹部を穿孔形成する様子を示す模式図。
【図12】乾式エッチングにより凹部を穿孔形成する様子を示す模式図。
【図13】湿式エッチングにより凹部内面の変質層を除去する様子を示す模式図。
【図14】光取出面への凹部形成形態の第一変形例を示す平面図。
【図15】同じく第二変形例を示す平面図。
【図16】同じく第三変形例を示す平面図。
【図17】本発明の発光素子の第二例を示す側面断面模式図及び光取出側電極周辺の拡大平面図。
【図18】本発明の発光素子の第三例を示す側面断面模式図。
【図19】レーザービームによる凹部穿孔パターンの実例を示す画像。
【図20】図19の拡大画像。
【図21】本発明の効果確認評価に用いた試験素子を光取出面側にて撮影した光学顕微鏡画像。
【図22】図21の試験素子を用いて行なった効果確認評価の結果を示す図。
【符号の説明】
【0049】
4 第一導電型クラッド層
5 活性層
6 第二導電型クラッド層
9 光取出側金属電極
16 ワイヤーボンド部
20 GaP光取出層
20p 光取出面
SS 側面部
24 発光層部
W 発光素子ウェーハ
F 面粗し突起部
LP 孔(凹部)
LG 溝
100 発光素子
【特許請求の範囲】
【請求項1】
一方の主表面に光取出面が形成される化合物半導体の積層体からなり、該光取出面をなす化合物半導体層である光取出側化合物半導体層の表層部に凹部が分散形成されるとともに、前記凹部の内表面に異方性エッチング処理による面粗し突起部がさらに分散形成されてなることを特徴とする発光素子。
【請求項2】
前記凹部は複数の孔として散点状に分散形成されてなる請求項1記載の発光素子。
【請求項3】
前記孔はレーザービームにより穿孔形成されたものである請求項2記載の発光素子。
【請求項4】
前記面粗し突起部が、前記光取出面の前記凹部の開口周縁をなす領域にも分散形成されてなる請求項1ないし請求項3のいずれか1項に記載の発光素子。
【請求項5】
前記光取出側化合物半導体層の、前記凹部が非形成となる側面部にも、異方性エッチング処理による前記面粗し突起部が分散形成されてなる請求項1ないし請求項4のいずれか1項に記載の発光素子。
【請求項6】
前記化合物半導体の積層体は発光層部と、該発光層部に積層されるとともに該発光層部よりも厚みの大きい電流拡散層とを含むものであり、該電流拡散層が前記光取出側化合物半導体層を構成するものである請求項1ないし請求項5のいずれか1項に記載の発光素子。
【請求項7】
前記発光層部が、組成式(AlxGa1−x)yIn1−yP(ただし、0≦x≦1,0≦y≦1)にて表される化合物のうち、GaAsと格子整合する組成を有する化合物にて各々構成された第一導電型クラッド層、活性層及び第二導電型クラッド層がこの順序で積層されたダブルへテロ構造を有するものとして形成され、
前記電流拡散層が、厚さ10μm以上のGaP光取出層として形成されてなる請求項6記載の発光素子。
【請求項8】
前記凹部は複数の孔として散点状に分散形成されてなり、
該孔は開口径が1μm以上50μm以下、孔深さが0.5μm以上25μm以下であり、前記面粗し突起部は該孔の内面に平均的な高さが0.1μm以上5μm以下となるように形成されてなる請求項7記載の発光素子。
【請求項9】
化合物半導体の積層体の光取出面側となる主表面に凹部を分散形成する凹部形成工程と、該凹部の内表面に異方性エッチング処理を実施することにより面粗し突起部をさらに分散形成する異方性エッチング工程とをこの順で実施することを特徴とする発光素子の製造方法。
【請求項10】
前記凹部をレーザービーム穿孔により形成する請求項9記載の発光素子の製造方法。
【請求項11】
前記凹部を乾式エッチングにより形成する請求項9記載の発光素子の製造方法。
【請求項12】
前記凹部を形成後、凹部内面に残留する変質層を湿式エッチングにより除去し、その後、当該凹部の内面を異方性エッチング処理する請求項10又は請求項11に記載の発光素子の製造方法。
【請求項13】
前記積層体として形成された発光素子ウェーハの前記主表面の全面に前記凹部を分散形成し、該凹部を形成後の発光素子ウェーハを素子チップにダイシング後、個々の素子チップを異方性エッチング液に浸漬して前記凹部の内面に前記異方性エッチング処理を行なう請求項9ないし請求項12のいずれか1項に記載の発光素子の製造方法。
【請求項1】
一方の主表面に光取出面が形成される化合物半導体の積層体からなり、該光取出面をなす化合物半導体層である光取出側化合物半導体層の表層部に凹部が分散形成されるとともに、前記凹部の内表面に異方性エッチング処理による面粗し突起部がさらに分散形成されてなることを特徴とする発光素子。
【請求項2】
前記凹部は複数の孔として散点状に分散形成されてなる請求項1記載の発光素子。
【請求項3】
前記孔はレーザービームにより穿孔形成されたものである請求項2記載の発光素子。
【請求項4】
前記面粗し突起部が、前記光取出面の前記凹部の開口周縁をなす領域にも分散形成されてなる請求項1ないし請求項3のいずれか1項に記載の発光素子。
【請求項5】
前記光取出側化合物半導体層の、前記凹部が非形成となる側面部にも、異方性エッチング処理による前記面粗し突起部が分散形成されてなる請求項1ないし請求項4のいずれか1項に記載の発光素子。
【請求項6】
前記化合物半導体の積層体は発光層部と、該発光層部に積層されるとともに該発光層部よりも厚みの大きい電流拡散層とを含むものであり、該電流拡散層が前記光取出側化合物半導体層を構成するものである請求項1ないし請求項5のいずれか1項に記載の発光素子。
【請求項7】
前記発光層部が、組成式(AlxGa1−x)yIn1−yP(ただし、0≦x≦1,0≦y≦1)にて表される化合物のうち、GaAsと格子整合する組成を有する化合物にて各々構成された第一導電型クラッド層、活性層及び第二導電型クラッド層がこの順序で積層されたダブルへテロ構造を有するものとして形成され、
前記電流拡散層が、厚さ10μm以上のGaP光取出層として形成されてなる請求項6記載の発光素子。
【請求項8】
前記凹部は複数の孔として散点状に分散形成されてなり、
該孔は開口径が1μm以上50μm以下、孔深さが0.5μm以上25μm以下であり、前記面粗し突起部は該孔の内面に平均的な高さが0.1μm以上5μm以下となるように形成されてなる請求項7記載の発光素子。
【請求項9】
化合物半導体の積層体の光取出面側となる主表面に凹部を分散形成する凹部形成工程と、該凹部の内表面に異方性エッチング処理を実施することにより面粗し突起部をさらに分散形成する異方性エッチング工程とをこの順で実施することを特徴とする発光素子の製造方法。
【請求項10】
前記凹部をレーザービーム穿孔により形成する請求項9記載の発光素子の製造方法。
【請求項11】
前記凹部を乾式エッチングにより形成する請求項9記載の発光素子の製造方法。
【請求項12】
前記凹部を形成後、凹部内面に残留する変質層を湿式エッチングにより除去し、その後、当該凹部の内面を異方性エッチング処理する請求項10又は請求項11に記載の発光素子の製造方法。
【請求項13】
前記積層体として形成された発光素子ウェーハの前記主表面の全面に前記凹部を分散形成し、該凹部を形成後の発光素子ウェーハを素子チップにダイシング後、個々の素子チップを異方性エッチング液に浸漬して前記凹部の内面に前記異方性エッチング処理を行なう請求項9ないし請求項12のいずれか1項に記載の発光素子の製造方法。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6A】
【図6B】
【図6C】
【図6D】
【図6E】
【図6F】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】
【図19】
【図20】
【図21】
【図22】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6A】
【図6B】
【図6C】
【図6D】
【図6E】
【図6F】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】
【図19】
【図20】
【図21】
【図22】
【公開番号】特開2010−45288(P2010−45288A)
【公開日】平成22年2月25日(2010.2.25)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2008−209735(P2008−209735)
【出願日】平成20年8月18日(2008.8.18)
【出願人】(000190149)信越半導体株式会社 (867)
【Fターム(参考)】
【公開日】平成22年2月25日(2010.2.25)
【国際特許分類】
【出願日】平成20年8月18日(2008.8.18)
【出願人】(000190149)信越半導体株式会社 (867)
【Fターム(参考)】
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