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JP7636716B2 - Infrared LED element and manufacturing method thereof - Google Patents
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Description

本発明は、赤外LED素子に関し、特に発光波長が1000nm以上の赤外LED素子に関する。また、本発明は、このような赤外LED素子の製造方法に関する。 The present invention relates to an infrared LED element, and in particular to an infrared LED element having an emission wavelength of 1000 nm or more. The present invention also relates to a method for manufacturing such an infrared LED element.

近年、波長1000nm以上の赤外領域を発光波長とする半導体発光素子は、防犯・監視カメラ、ガス検知器、医療用のセンサや産業機器等の用途で幅広く用いられている。 In recent years, semiconductor light-emitting elements that emit light in the infrared region with wavelengths of 1000 nm or more have been widely used in security and surveillance cameras, gas detectors, medical sensors, industrial equipment, and other applications.

発光波長が1000nm以上の半導体発光素子は、これまで以下の手順で製造されるのが一般的であった(下記、特許文献1参照)。すなわち、成長基板としてのInP基板上に、InP基板に格子整合する、第一導電型の半導体層、活性層(「発光層」と称されることもある。)、及び第二導電型の半導体層を順次エピタキシャル成長させる。その後、半導体ウエハ上に電流注入のための電極を形成し、チップ状に切断して製造される。 Semiconductor light-emitting elements with an emission wavelength of 1000 nm or more have generally been manufactured using the following procedure (see Patent Document 1 below). That is, on an InP substrate used as a growth substrate, a first conductivity type semiconductor layer that is lattice-matched to the InP substrate, an active layer (sometimes called an "emitting layer"), and a second conductivity type semiconductor layer are epitaxially grown in that order. After that, electrodes for current injection are formed on the semiconductor wafer, and the wafer is cut into chips for manufacture.

従来、発光波長が1000nm以上の半導体発光素子としては、半導体レーザ素子の開発が先行して進められてきた経緯がある。一方で、LED素子については、その用途があまりなかったこともあり、レーザ素子よりは開発が進んでいなかった。 Traditionally, semiconductor laser elements have been the leading semiconductor light-emitting element with an emission wavelength of 1000 nm or more in terms of development. On the other hand, LED elements have not been developed as much as laser elements, partly because there have not been many applications for them.

しかしながら、近年、アプリケーションの広がりを受け、赤外LED素子についても光出力の向上が求められるようになってきている。InP基板は、可視光領域で用いられるGaAs基板と同様に、屈折率が3以上と高い値を示す。このため、InP基板を通じて光を取り出そうとすると、空気との界面における屈折率差に起因した全反射が生じ、光取り出し効率が低く制限されてしまう。更に、InP基板は熱抵抗が大きいため、大電流駆動において光出力が飽和状態になりやすい。このような事情から、特許文献1に開示されている構造は、高い光出力を得るLED素子を実現するには不向きであった。 However, in recent years, with the expansion of applications, there has been a demand for improved light output for infrared LED elements as well. InP substrates, like GaAs substrates used in the visible light region, have a high refractive index of 3 or more. For this reason, when attempting to extract light through an InP substrate, total reflection occurs due to the difference in refractive index at the interface with air, limiting the light extraction efficiency. Furthermore, since InP substrates have high thermal resistance, the light output is likely to become saturated when driven with a large current. For these reasons, the structure disclosed in Patent Document 1 was not suitable for realizing an LED element that obtains high light output.

特許文献1に開示された構造よりも高い光出力を得る方法として、例えば、特許文献2に開示された構造の採用が考えられる。すなわち、高い放熱性を示す導電性の支持基板に、エピタキシャル層が形成された成長基板を貼り合わせた後、成長基板を除去することで実現した構造が有効であると考えられる。ただし、特許文献2に記載された発光素子は、ターゲットとしている波長が、1000nmよりも低い。 As a method for obtaining a higher optical output than the structure disclosed in Patent Document 1, for example, the structure disclosed in Patent Document 2 can be adopted. That is, a structure realized by bonding a growth substrate on which an epitaxial layer is formed to a conductive support substrate that exhibits high heat dissipation properties and then removing the growth substrate is considered to be effective. However, the light-emitting element described in Patent Document 2 targets a wavelength that is lower than 1000 nm.

特開平4-282875号公報Japanese Patent Application Publication No. 4-282875 特開2012-129357号公報JP 2012-129357 A

LED素子の発光効率を高めるためには、活性層内を流れる電流を、基板の面方向に拡げることが重要である。なぜなら、活性層内の特定の箇所に電流が集中すると、活性層内において、電流が集中する箇所と他の箇所とで輝度にばらつきが生じ、光取り出し面全体から取り出される光量が低下するためである。また、別の問題として、電流が集中する箇所の温度が高くなり過ぎることで、素子の劣化が進みやすくなる。 To increase the light-emitting efficiency of an LED element, it is important to spread the current flowing in the active layer in the surface direction of the substrate. This is because if the current concentrates in a specific location in the active layer, the brightness will vary between the location where the current is concentrated and other locations in the active layer, reducing the amount of light extracted from the entire light extraction surface. Another problem is that if the temperature in the location where the current is concentrated becomes too high, the element will be more susceptible to deterioration.

活性層内を流れる電流を基板の面方向に拡散するためには、製造時において電極の形成位置を精度良く調整することが重要である。本明細書では、活性層よりも上層に一方の電極を、活性層よりも下層に他方の電極をそれぞれ配置して、活性層内において基板の面に直交する方向に電流を流すことで発光させるLED素子のことを、「縦型素子」と呼ぶ。このような縦型素子において、前記一方の電極と前記他方の電極とが基板の面に直交する方向に関して相互に対向する位置関係にある場合、両電極間に電圧が印加されると、活性層内のうち、両電極が対向する領域内に電流が集中して流れやすくなる。このような現象を回避するためには、前記一方の電極と前記他方の電極とは、なるべく基板の面に直交する方向に対向しないように、配置するのが好ましい。 In order to diffuse the current flowing in the active layer in the surface direction of the substrate, it is important to precisely adjust the electrode formation position during manufacturing. In this specification, an LED element that emits light by placing one electrode above the active layer and the other electrode below the active layer and passing a current in the active layer in a direction perpendicular to the surface of the substrate is called a "vertical element." In such a vertical element, when the one electrode and the other electrode are positioned so as to face each other in a direction perpendicular to the surface of the substrate, when a voltage is applied between the two electrodes, the current tends to concentrate and flow in the area of the active layer where the two electrodes face each other. In order to avoid such a phenomenon, it is preferable to place the one electrode and the other electrode so that they do not face each other in the direction perpendicular to the surface of the substrate.

このような縦型素子を製造するに際しては、活性層を含む半導体積層体と前記一方の電極とが既に形成された状態のウェハに対して、位置合わせを行った状態で前記他方の電極を形成する工程が行われる。具体的には、以下の手順で行われる。 When manufacturing such a vertical element, a process of forming the other electrode is performed after aligning a wafer on which a semiconductor laminate including an active layer and one of the electrodes have already been formed. Specifically, the process is performed as follows.

まず、半導体積層体の下層に形成された前記一方の電極(以下、「内部電極」と称する。)の位置を、ウェハの上方から半導体積層体を透過して検出し、この検出された位置に基づいて、前記他方の電極(以下、「上部電極」と称する。)の形成予定位置を画定する。そして、フォトリソグラフィ法を用いて、画定した位置に上部電極を形成する。 First, the position of one of the electrodes (hereinafter referred to as the "internal electrode") formed in the lower layer of the semiconductor laminate is detected by penetrating the semiconductor laminate from above the wafer, and based on this detected position, the planned position for forming the other electrode (hereinafter referred to as the "upper electrode") is defined. Then, the upper electrode is formed at the defined position using photolithography.

しかし、上述した方法によって内部電極の形成位置を検出するに際し、対象となる発光素子の発光波長が1000nm以上である場合には、以下の課題が顕在化する。 However, when detecting the position of the internal electrode using the above-mentioned method, if the emission wavelength of the target light-emitting element is 1000 nm or longer, the following problem becomes apparent.

発光素子は、光を発する活性層を備えている。この活性層は、発光波長よりも高エネルギーの波長、つまり発光波長よりも短波長の光の多くを吸収する。したがって、発光波長が1000nm以上の赤外LED素子を製造するに際し、可視光を用いて人間の目によって内部電極の位置を検出する方法を採用することはできない。また、世の中で多く使われている画像認識デバイスであるSi系材料からなるCCDセンサやCMOSセンサを用いた場合でも、波長1000nm以上の光を認識することは難しい。つまり、1000nm以上の波長域に連続的な発光スペクトルを示す光源(例えばハロゲンランプ)を用いて発光素子に対して光を照射しても、CCDセンサやCMOSセンサでは反射光を認識できず、内部電極の形成位置が検出できない。 The light-emitting element has an active layer that emits light. This active layer absorbs most of the light with a higher energy wavelength than the emission wavelength, that is, the light with a shorter wavelength than the emission wavelength. Therefore, when manufacturing infrared LED elements with an emission wavelength of 1000 nm or more, it is not possible to adopt a method of detecting the position of the internal electrode with the human eye using visible light. In addition, even if a CCD sensor or CMOS sensor made of a Si-based material, which is a widely used image recognition device, is used, it is difficult to recognize light with a wavelength of 1000 nm or more. In other words, even if a light source (e.g., a halogen lamp) that shows a continuous emission spectrum in the wavelength range of 1000 nm or more is used to irradiate the light-emitting element with light, the CCD sensor or CMOS sensor cannot recognize the reflected light and cannot detect the formation position of the internal electrode.

近年では、波長2000nm近辺の長波長の赤外光についても受光が可能なInGaAs系のイメージセンサが開発されている。このため、前記したハロゲンランプからの光を発光素子に対して照射して、反射光をInGaAs系センサで受光し、得られた情報を画像解析することで、原理的には内部電極の形成位置の検出が可能である。しかし、ハロゲンランプからの光はブロードなスペクトルを示すため、発光波長よりも短波長の光が活性層内で吸収される結果、InGaAs系センサで受光される反射光の光量が不十分となり、感度が低くなる。これにより、InGaAs系センサを用いても内部電極の縁部を明確に認識できず、高精度で電極の位置合わせを行うことは難しい。 In recent years, InGaAs-based image sensors have been developed that can also receive infrared light with long wavelengths around 2000 nm. Therefore, in principle, it is possible to detect the formation position of the internal electrode by irradiating the light from the halogen lamp described above onto the light-emitting element, receiving the reflected light with an InGaAs-based sensor, and analyzing the obtained information through image analysis. However, since the light from the halogen lamp shows a broad spectrum, light with a shorter wavelength than the emission wavelength is absorbed in the active layer, resulting in an insufficient amount of reflected light received by the InGaAs-based sensor, and the sensitivity is low. As a result, even if an InGaAs-based sensor is used, the edge of the internal electrode cannot be clearly recognized, and it is difficult to align the electrode with high precision.

位置合わせの精度が低い場合、内部電極と上部電極とを基板の面方向に直交する方向に対向させないようにするには、内部電極の面方向の間隔を拡げることが必要となる。この結果、同一寸法のLED素子内に設けられる電極の数が減少し、注入可能な電流量が低下してしまう。つまり、小型で高輝度な赤外LED素子を実現することは困難となる。 If the alignment accuracy is low, it is necessary to increase the spacing between the internal electrodes in the surface direction in order to prevent the internal electrodes and the upper electrode from facing each other in a direction perpendicular to the surface direction of the substrate. As a result, the number of electrodes provided in an LED element of the same size decreases, and the amount of current that can be injected decreases. In other words, it becomes difficult to realize a small, high-brightness infrared LED element.

本発明は、上記の課題に鑑み、発光波長が1000nm以上の赤外LED素子であって、内部電極と上部電極の位置合わせを精度良く行うことを可能にすることを目的とする。また、本発明は、このような位置合わせが行われることで、活性層内を流れる電流を面方向に拡げ、発光効率を高めた赤外LED素子を実現することを目的とする。 In view of the above problems, the present invention aims to provide an infrared LED element with an emission wavelength of 1000 nm or more that enables precise alignment of the internal electrode and the upper electrode. The present invention also aims to realize an infrared LED element with improved light emission efficiency by spreading the current flowing in the active layer in the planar direction through such alignment.

本発明に係る赤外LED素子は、
導電性の支持基板と、
前記支持基板の上層に形成された絶縁層と、
前記絶縁層の上層に形成された、p型又はn型の第一半導体層と、前記第一半導体層の上層に形成された活性層と、前記活性層の上層に形成され前記第一半導体層とは異なる導電型の第二半導体層とを含む半導体積層体と、
前記半導体積層体の上層に形成された上部電極と、
前記支持基板の主面に平行な方向に分散した複数の位置で前記絶縁層を貫通して前記第一半導体層と前記支持基板とを電気的に接続する内部電極とを備え、
前記活性層の膜厚T[nm]と、前記赤外LED素子のピーク発光波長λ[nm]とが、下記(1)式の関係を満たすことを特徴とする。
T ≦ -3.5×λ + 6375 …(1)
ただし、(1)式において、λは、1550 ≦ λ ≦1800 である。
The infrared LED element according to the present invention is
A conductive supporting substrate;
an insulating layer formed on the support substrate;
a semiconductor laminate including a first semiconductor layer of p-type or n-type formed on the insulating layer, an active layer formed on the first semiconductor layer, and a second semiconductor layer of a different conductivity type from the first semiconductor layer formed on the active layer;
an upper electrode formed on the upper layer of the semiconductor laminate;
internal electrodes penetrating the insulating layer at a plurality of positions distributed in a direction parallel to a main surface of the support substrate and electrically connecting the first semiconductor layer and the support substrate;
The thickness T [nm] of the active layer and the peak emission wavelength λ [nm] of the infrared LED element satisfy the relationship of the following formula (1).
T ≦ -3.5×λ + 6375…(1)
However, in formula (1), λ satisfies 1550≦λ≦1800.

本明細書において、基板等の部材の「主面」とは、各部材を構成する複数の面のうち、他の面よりも遥かに面積の大きい面を指す。また「矩形状」とは、長方形、正方形の他、全体的な外観が略四角形状であるものを含む。全体的な外観が略四角形状であるとは、例えば、四角形に対して、頂点に少し丸みを帯びさせた形状や、辺に微小な凹凸が形成されたものや、隣接する辺同士を90°±5°の範囲内の角度で傾斜させたもの等を含む概念である。 In this specification, the "principal surface" of a component such as a substrate refers to the surface among the multiple surfaces that make up each component that is much larger in area than the other surfaces. Furthermore, "rectangular" includes shapes that have an approximately quadrangular overall appearance, in addition to rectangles and squares. An approximately quadrangular overall appearance is a concept that includes, for example, a quadrangular shape with slightly rounded vertices, shapes with minute irregularities on the sides, and shapes in which adjacent sides are inclined at an angle within the range of 90°±5°.

また、本明細書において、「ピーク発光波長」とは、発光スペクトル上において光強度が最も高い波長を意味する。 In this specification, the term "peak emission wavelength" refers to the wavelength at which the light intensity is the highest on the emission spectrum.

本発明者の鋭意研究によれば、赤外LED素子が上記(1)式の関係を満たす膜厚Tの活性層を備える場合、波長2000nm近辺までの感度を有するInGaAs系のセンサ等のイメージセンサを用いて撮影すると、5μm以下という高い精度で内部電極と上部電極との位置合わせが可能となることを見出した。詳細は、「発明を実施するための形態」の項で後述される。 The inventors' intensive research has revealed that when an infrared LED element has an active layer with a thickness T that satisfies the relationship of formula (1) above, it is possible to align the internal electrode and the upper electrode with a high accuracy of 5 μm or less when an image sensor such as an InGaAs-based sensor with sensitivity up to wavelengths of around 2000 nm is used to capture the image. Details are given later in the section "Form for carrying out the invention."

なお、活性層の膜厚Tがあまりに薄い場合、電子と正孔とが活性層内で再結合せずにオーバーフローする確率が上がってしまう。かかる現象を抑制する観点から、活性層は20nm以上とするのが好ましく、150nm以上とするのがより好ましい。 If the thickness T of the active layer is too thin, the probability that electrons and holes will overflow without recombining within the active layer increases. To prevent this phenomenon, the active layer is preferably 20 nm or more, and more preferably 150 nm or more.

好適には、前記上部電極は、前記支持基板の前記主面に直交する方向に関して、前記内部電極と対向しない位置に配置されている。 Preferably, the upper electrode is disposed in a position that does not face the internal electrode in a direction perpendicular to the main surface of the support substrate.

これにより、上部電極と内部電極との間に電圧が印加されている間、活性層内を流れる電流を、支持基板の主面に平行な方向に関して拡げることができる。この結果、発光効率の高い赤外LED素子が実現される。 As a result, while a voltage is applied between the upper electrode and the internal electrode, the current flowing through the active layer can be expanded in a direction parallel to the main surface of the support substrate. As a result, an infrared LED element with high light emission efficiency is realized.

前記支持基板の前記主面に直交する方向から見て、前記内部電極に最も近い位置の前記上部電極と前記内部電極との離間距離のばらつきが10μm以下であるのが好ましい。 It is preferable that the variation in the distance between the upper electrode closest to the internal electrode and the internal electrode is 10 μm or less when viewed from a direction perpendicular to the main surface of the support substrate.

この離間距離のばらつきは、以下のように定義される。赤外LED素子が単一の上部電極を備える場合には、発光素子を支持基板の主面に直交する方向から見たときに、各内部電極と上部電極の離間距離を測定し、これらの最大値と最小値の差の絶対値を算定することで、前記ばらつきの値とされる。 This variation in the distance is defined as follows: When an infrared LED element has a single upper electrode, the distance between each internal electrode and the upper electrode is measured when the light-emitting element is viewed in a direction perpendicular to the main surface of the supporting substrate, and the absolute value of the difference between the maximum and minimum values is calculated to determine the value of the variation.

一方、赤外LED素子が複数の上部電極を備える場合には、以下のように前記ばらつきの値が算定される。まず、一つの上部電極を特定する(以下、「上部電極α1」と称する。)。次に、発光素子を支持基板の主面に直交する方向から見たときに、複数の内部電極の中から、最も近接している上部電極が上部電極α1である内部電極を特定する。この内部電極は通常複数存在し、以下では、「内部電極群β(α1)」と称する。 On the other hand, when an infrared LED element has multiple upper electrodes, the value of the variation is calculated as follows. First, one upper electrode is identified (hereinafter referred to as "upper electrode α1"). Next, when the light-emitting element is viewed from a direction perpendicular to the main surface of the support substrate, the internal electrode that is closest to the upper electrode α1 is identified from among the multiple internal electrodes. There are usually multiple such internal electrodes, and hereinafter they are referred to as "internal electrode group β (α1)."

そして、発光素子を支持基板の主面に直交する方向から見たときに、内部電極群β(α1)に属する各内部電極と上部電極α1との離間距離を測定し、これらの最大値と最小値の差の絶対値を算定することで、ばらつきVr(α1)が得られる。 Then, when the light-emitting element is viewed from a direction perpendicular to the main surface of the support substrate, the distance between each internal electrode belonging to the internal electrode group β (α1) and the upper electrode α1 is measured, and the absolute value of the difference between the maximum and minimum values is calculated to obtain the variation Vr (α1).

同様の処理を、他の上部電極(α2,α3,…,αn)(nは2以上の自然数)に対しても行うことで、ばらつきVr(α2),Vr(α3),…,Vr(αn)が得られる。これらの各ばらつきVr(αi)(1≦i≦n)の平均値をもって前記ばらつきの値とされる。 By performing the same process on the other upper electrodes (α2, α3, ..., αn) (n is a natural number of 2 or more), the variations Vr(α2), Vr(α3), ..., Vr(αn) are obtained. The average value of these variations Vr(αi) (1 ≦ i ≦ n) is regarded as the value of the variation.

前記第二半導体層は、InPであり、
前記活性層は、GaInAsP、AlGaInAs、及びInGaAsからなる群に属する一以上の材料を含んでなるものとしても構わない。
the second semiconductor layer is InP;
The active layer may comprise one or more materials from the group consisting of GaInAsP, AlGaInAs, and InGaAs.

InPは、GaInAsP、AlGaInAs、及びInGaAsと比較してバンドギャップエネルギーが高いため、これらの材料よりも短い波長の光を透過する。つまり、上部電極側からイメージセンサを用いて撮影する場合において、活性層の上層に位置する第二半導体層内における光の吸収は、ほとんど問題にならない。また、活性層を前述した材料で形成することで、発光波長1000nm以上の赤外LED素子が実現される。このとき、ピーク発光波長λに応じて上記(1)式を満たす膜厚Tで前記活性層を形成することで、活性層内における光吸収が抑制されるため、内部電極と上部電極とが精度良く位置合わせされた、発光効率の高い赤外LED素子が実現される。 Since InP has a higher band gap energy than GaInAsP, AlGaInAs, and InGaAs, it transmits light with shorter wavelengths than these materials. In other words, when an image is taken from the upper electrode side using an image sensor, light absorption in the second semiconductor layer located above the active layer is almost not a problem. In addition, by forming the active layer with the above-mentioned materials, an infrared LED element with an emission wavelength of 1000 nm or more is realized. In this case, by forming the active layer with a film thickness T that satisfies the above formula (1) according to the peak emission wavelength λ, light absorption in the active layer is suppressed, and an infrared LED element with high light emission efficiency in which the internal electrode and the upper electrode are precisely aligned is realized.

前記赤外LED素子は、前記ピーク発光波長λが、1000 ≦ λ <1550 であり、前記活性層の膜厚Tが、1000nm以下であるものとしても構わない。 The infrared LED element may have a peak emission wavelength λ of 1000≦λ<1550 and a thickness T of the active layer of 1000 nm or less.

また、本発明に係る赤外LED素子の製造方法は、
成長基板を準備する工程(a)と、
前記成長基板の上層に前記第二半導体層を形成する工程(b)と、
前記第二半導体層の上層に、ピーク発光波長がλ[nm]となる材料からなる前記活性層を、前記(1)式を満たす膜厚T[nm]で形成する工程(c)と、
前記活性層の上層に前記第一半導体層及び前記絶縁層を形成する工程(d)と、
前記絶縁層の内部に前記内部電極を形成する工程(e)と、
前記絶縁層の上層に前記支持基板を貼り合わせる工程(f)と、
前記成長基板を剥離して前記第二半導体層を露出させる工程(g)と、
前記第二半導体層の上層にフォトレジストを形成した後、前記上部電極の形状に応じてパターニングされたフォトマスクを、前記内部電極の位置に基づいてイメージセンサを用いて位置合わせをして配置する工程(h)と、
前記フォトマスクを介して露光した後、前記上部電極の材料膜を成膜する工程(i)と、
前記フォトレジストを除去する工程(j)とを有することを特徴とする。
In addition, a method for manufacturing an infrared LED element according to the present invention includes the steps of:
(a) providing a growth substrate;
(b) forming the second semiconductor layer on the growth substrate;
a step (c) of forming the active layer made of a material having a peak emission wavelength λ [nm] on the second semiconductor layer to a thickness T [nm] that satisfies the formula (1);
(d) forming the first semiconductor layer and the insulating layer on the active layer;
(e) forming the internal electrodes inside the insulating layer;
a step (f) of bonding the support substrate to the upper layer of the insulating layer;
(g) peeling off the growth substrate to expose the second semiconductor layer;
(h) forming a photoresist on the second semiconductor layer, and then aligning and positioning a photomask patterned according to the shape of the upper electrode using an image sensor based on the position of the internal electrode;
(i) forming a material film for the upper electrode after exposing the material film through the photomask;
and (j) removing the photoresist.

上記方法によれば、工程(h)の実行時に成膜されている活性層の膜厚T[nm]は、活性層のピーク発光波長λ[nm]との関係が上記(1)式を満たすように設定されている。このため、1000nm以上の波長域に光強度を示すブロードな光を照射しながら、イメージセンサによって撮像する際、活性層内で光の吸収が抑制されているため、イメージセンサで内部電極の形成位置を精度良く検出するのに十分な光量が受光できる。この結果、工程(h)において、フォトマスクの位置合わせを精度良く行えるため、工程(j)の実行後に残存する上部電極は、支持基板の面に直交する方向に関して、内部電極と重なりが少ない位置に形成され得る。したがって、通電時に活性層内を流れる電流を、支持基板の面に平行な方向に拡げることができ、発光効率が高い赤外LED素子が得られる。 According to the above method, the thickness T [nm] of the active layer formed during the execution of step (h) is set so that the relationship with the peak emission wavelength λ [nm] of the active layer satisfies the above formula (1). Therefore, when an image is captured by an image sensor while irradiating broad light that shows a light intensity in a wavelength range of 1000 nm or more, light absorption is suppressed in the active layer, so that the image sensor can receive a sufficient amount of light to accurately detect the formation position of the internal electrode. As a result, since the photomask can be aligned accurately in step (h), the upper electrode remaining after the execution of step (j) can be formed in a position with little overlap with the internal electrode in the direction perpendicular to the surface of the support substrate. Therefore, the current flowing in the active layer during energization can be spread in a direction parallel to the surface of the support substrate, and an infrared LED element with high light emission efficiency can be obtained.

前記工程(b)は、InPからなる膜を成膜する工程であり、
前記工程(c)は、GaInAsP、AlGaInAs、及びInGaAsからなる群に属する一以上の材料を含んでなる膜を成膜する工程であるものとしても構わない。
The step (b) is a step of forming a film made of InP,
The step (c) may be a step of depositing a film containing one or more materials belonging to the group consisting of GaInAsP, AlGaInAs, and InGaAs.

本発明によれば、発光波長が1000nm以上であっても内部電極と上部電極の位置合わせを精度良く行うことが可能となり、この結果、活性層内を流れる電流を面方向に拡げて高い発光効率を示す赤外LED素子が提供される。 According to the present invention, it is possible to precisely align the internal electrode and the upper electrode even when the emission wavelength is 1000 nm or more, and as a result, an infrared LED element is provided that spreads the current flowing in the active layer in the planar direction and exhibits high emission efficiency.

本発明の赤外LED素子の一実施形態の構成を模式的に示す断面図である。1 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of an embodiment of an infrared LED element of the present invention. 図1に示す赤外LED素子を-Y方向に見たときの模式的な平面図である。2 is a schematic plan view of the infrared LED element shown in FIG. 1 when viewed in the −Y direction. 図1に示すLED素子の製造方法を説明するための、一工程における模式的な断面図である。2A to 2C are schematic cross-sectional views for explaining a manufacturing method of the LED element shown in FIG. 1 in one step. 図1に示すLED素子の製造方法を説明するための、別の一工程における模式的な断面図である。1. FIG. 4 is a schematic cross-sectional view for illustrating another step of the method for manufacturing the LED element shown in FIG. 図4の描画範囲を拡げた図面である。5 is an enlarged view of the drawing range of FIG. 4. 位置合わせ用マークが形成されたエピタキシャルウェハの模式的な平面図である。FIG. 2 is a schematic plan view of an epitaxial wafer on which alignment marks are formed. 図1に示すLED素子の製造方法を説明するための、別の一工程における模式的な断面図である。1. FIG. 4 is a schematic cross-sectional view for illustrating another step of the method for manufacturing the LED element shown in FIG. 図1に示すLED素子の製造方法を説明するための、別の一工程における模式的な断面図である。1. FIG. 4 is a schematic cross-sectional view for illustrating another step of the method for manufacturing the LED element shown in FIG. 図1に示すLED素子の製造方法を説明するための、別の一工程における模式的な断面図である。1. FIG. 4 is a schematic cross-sectional view for illustrating another step of the method for manufacturing the LED element shown in FIG. 図1に示すLED素子の製造方法を説明するための、別の一工程における模式的な断面図である。1. FIG. 4 is a schematic cross-sectional view for illustrating another step of the method for manufacturing the LED element shown in FIG. 図1に示すLED素子の製造方法のステップS7を説明するための一工程における模式的な断面図である。2 is a schematic cross-sectional view illustrating a step S7 of the manufacturing method of the LED element shown in FIG. 1. FIG. 図1に示すLED素子の製造方法のステップS7を説明するための別の一工程における模式的な断面図である。1. FIG. 4 is a schematic cross-sectional view illustrating another process for explaining step S7 of the manufacturing method of the LED element shown in FIG. 図1に示すLED素子の製造方法のステップS7を説明するための別の一工程における模式的な断面図である。1. FIG. 4 is a schematic cross-sectional view illustrating another process for explaining step S7 of the manufacturing method of the LED element shown in FIG. 図1に示すLED素子の製造方法のステップS7を説明するための別の一工程における模式的な断面図である。1. FIG. 4 is a schematic cross-sectional view illustrating another process for explaining step S7 of the manufacturing method of the LED element shown in FIG. 図1に示すLED素子の製造方法のステップS7を説明するための別の一工程における模式的な断面図である。1. FIG. 4 is a schematic cross-sectional view illustrating another process for explaining step S7 of the manufacturing method of the LED element shown in FIG. 検証1の結果を示すグラフであり、ピーク発光波長と内部電極が高精度に検知できた活性層の最大厚みとの関係を示すグラフである。1 is a graph showing the results of verification 1, and is a graph showing the relationship between the peak emission wavelength and the maximum thickness of the active layer in which the internal electrode could be detected with high accuracy. 上部電極と内部電極との離間距離Wsを説明するための図面である。11 is a diagram for explaining a separation distance Ws between an upper electrode and an internal electrode. サンプル#1とサンプル#2のそれぞれの赤外LED素子の、電流-光出力特性を示すグラフである。1 is a graph showing the current-light output characteristics of the infrared LED elements of Sample #1 and Sample #2. サンプル#1とサンプル#2のそれぞれの赤外LED素子の、電流-順方向電圧特性を示すグラフである。1 is a graph showing the current-forward voltage characteristics of the infrared LED elements of Sample #1 and Sample #2.

本発明に係る赤外LED素子及びその製造方法の実施形態につき、図面を参照して説明する。以下の各図面は模式的に示されたものであり、図面上の寸法比と実際の寸法比とは必ずしも一致しない。また、図面間においても寸法比が一致していない場合がある。 Embodiments of an infrared LED element and a manufacturing method thereof according to the present invention will be described with reference to the drawings. The following drawings are schematic illustrations, and the dimensional ratios in the drawings do not necessarily match the actual dimensional ratios. Furthermore, the dimensional ratios may not match between the drawings.

本明細書において、「層Q1の上層に層Q2が形成されている」という表現は、層Q1の面上に直接層Q2が形成されている場合はもちろん、層Q1の面上に薄膜を介して層Q2が形成されている場合も含む意図である。なお、ここでいう「薄膜」とは、膜厚20nm以下の層を指し、好ましくは10nm以下の層を指すものとして構わない。 In this specification, the expression "layer Q2 is formed on layer Q1" is intended to include the case where layer Q2 is formed directly on the surface of layer Q1, as well as the case where layer Q2 is formed on the surface of layer Q1 via a thin film. Note that "thin film" here refers to a layer with a thickness of 20 nm or less, and preferably refers to a layer with a thickness of 10 nm or less.

本明細書において、「GaInAsP」という記述は、GaとInとAsとPの混晶であることを意味し、組成比の記述を単に省略して記載したものである。「AlGaInAs」等の他の記載も同様である。 In this specification, the term "GaInAsP" means a mixed crystal of Ga, In, As, and P, and is a description that simply omits the description of the composition ratio. The same applies to other descriptions such as "AlGaInAs."

図1は、本実施形態の赤外LED素子の構造を模式的に示す断面図である。図1に示す赤外LED素子1は、支持基板11の上層に形成された半導体積層体20を備える。図1に示す赤外LED素子1は、所定の位置においてXY平面に沿って切断したときの模式的な断面図に対応する。以下の説明では、適宜、図1に付されたXYZ座標系が参照される。 Figure 1 is a cross-sectional view showing a schematic structure of an infrared LED element of this embodiment. The infrared LED element 1 shown in Figure 1 has a semiconductor laminate 20 formed on the upper layer of a support substrate 11. The infrared LED element 1 shown in Figure 1 corresponds to a schematic cross-sectional view when cut along the XY plane at a specified position. In the following description, the XYZ coordinate system shown in Figure 1 will be referred to as appropriate.

以下の説明では、方向を表現する際に正負の向きを区別する場合には、「+X方向」、「-X方向」のように、正負の符号を付して記載される。また、正負の向きを区別せずに方向を表現する場合には、単に「X方向」と記載される。すなわち、本明細書において、単に「X方向」と記載されている場合には、「+X方向」と「-X方向」の双方が含まれる。Y方向及びZ方向についても同様である。以下の例では、支持基板11の主面がXZ平面に平行であり、その法線方向(Y方向)に光が取り出されるものとして説明する。 In the following description, when a positive or negative direction needs to be distinguished, the direction is described with a positive or negative sign, such as "+X direction" and "-X direction". When a direction is described without distinguishing between positive and negative directions, it is simply described as "X direction". In other words, in this specification, when simply describing the "X direction", both the "+X direction" and the "-X direction" are included. The same applies to the Y direction and the Z direction. In the following example, it is described that the main surface of the support substrate 11 is parallel to the XZ plane, and light is extracted in the normal direction (Y direction).

本実施形態の赤外LED素子1は、半導体積層体20内(より詳細には後述される活性層25内)で、赤外光Lが生成される。より詳細には、図1に示すように、赤外光L(L1,L2)は、活性層25を基準としたときに+Y方向に取り出される。赤外光Lは、ピーク波長が1000nm以上である。 In the infrared LED element 1 of this embodiment, infrared light L is generated in the semiconductor laminate 20 (more specifically, in the active layer 25 described below). More specifically, as shown in FIG. 1, infrared light L (L1, L2) is extracted in the +Y direction when the active layer 25 is used as a reference. The infrared light L has a peak wavelength of 1000 nm or more.

[素子構造]
以下、赤外LED素子1の構造について詳細に説明する。
[Element structure]
The structure of the infrared LED element 1 will now be described in detail.

(支持基板11)
支持基板11は、例えばSiやGe等の半導体や、Cu、CuW等の金属材料で構成されている。支持基板11が半導体からなる場合には、導電性を示すように高濃度にドーパントがドープされているものとして構わない。一例として、支持基板11は、ホウ素(B)が1×1019/cm3以上のドーパント濃度でドープされた、抵抗率が10mΩcm以下のSi基板である。ドーパントとしては、ホウ素(B)以外には、例えば、リン(P)、砒素(As)、アンチモン(Sb)等が利用できる。高い放熱性と低い製造コストとを両立する観点からは、支持基板11はSi基板が好適に用いられる。
(Support substrate 11)
The support substrate 11 is made of, for example, a semiconductor such as Si or Ge, or a metal material such as Cu or CuW. When the support substrate 11 is made of a semiconductor, it may be doped with a high concentration of a dopant so as to exhibit electrical conductivity. As an example, the support substrate 11 is a Si substrate doped with boron (B) at a dopant concentration of 1×10 19 /cm 3 or more and having a resistivity of 10 mΩcm or less. As the dopant, for example, phosphorus (P), arsenic (As), antimony (Sb), etc. can be used other than boron (B). From the viewpoint of achieving both high heat dissipation and low manufacturing cost, a Si substrate is preferably used for the support substrate 11.

支持基板11の厚み(Y方向に係る長さ)は、特に限定されないが、例えば50μm~500μmであり、好ましくは100μm~300μmである。 The thickness of the support substrate 11 (length in the Y direction) is not particularly limited, but is, for example, 50 μm to 500 μm, and preferably 100 μm to 300 μm.

(接合層13)
図1に示す赤外LED素子1は、支持基板11の上層に形成された接合層13を備える。接合層13は低融点のハンダ材料からなり、例えばAu、Au-Zn、Au-Sn、Au-In、Au-Cu-Sn、Cu-Sn、Pd-Sn、Sn等で構成される。図9を参照して後述されるように、この接合層13は、半導体積層体20が上面に形成された成長基板3と、支持基板11とを貼り合わせるために利用される。接合層13の厚みは、特に限定されないが、例えば0.5μm~5.0μmであり、好ましくは1.0μm~3.0μmである。
(Bonding layer 13)
The infrared LED element 1 shown in Fig. 1 includes a bonding layer 13 formed on the upper layer of a support substrate 11. The bonding layer 13 is made of a low melting point solder material, such as Au, Au-Zn, Au-Sn, Au-In, Au-Cu-Sn, Cu-Sn, Pd-Sn, Sn, or the like. As will be described later with reference to Fig. 9, this bonding layer 13 is used to bond the growth substrate 3 having the semiconductor laminate 20 formed on the upper surface thereof to the support substrate 11. The thickness of the bonding layer 13 is not particularly limited, but is, for example, 0.5 µm to 5.0 µm, and preferably 1.0 µm to 3.0 µm.

(反射層15)
図1に示す赤外LED素子1は、接合層13の上層に形成された反射層15を備える。反射層15は、活性層25内で生成された赤外光Lのうち、支持基板11側(-Y方向)に進行する赤外光L2を反射させて、+Y方向に導く機能を奏する。反射層15は、導電性材料であって、且つ、赤外光Lに対して高い反射率を示す材料で構成される。反射層15の赤外光Lに対する反射率は、70%以上であるのが好ましく、80%以上であるのがより好ましく、90%以上であるのが特に好ましい。
(Reflective layer 15)
The infrared LED element 1 shown in Fig. 1 includes a reflective layer 15 formed on the bonding layer 13. The reflective layer 15 has a function of reflecting infrared light L2, which is generated in the active layer 25 and travels toward the support substrate 11 (-Y direction), and guiding it in the +Y direction. The reflective layer 15 is made of a conductive material that exhibits high reflectance to the infrared light L. The reflectance of the reflective layer 15 to the infrared light L is preferably 70% or more, more preferably 80% or more, and particularly preferably 90% or more.

赤外光Lのピーク波長が1000nm~2000nmである場合、反射層15はAg、Ag合金、Au、Al、Cu等の金属材料を用いることができる。反射層15を構成する材料は、活性層25で生成される光の波長に応じて適宜選択される。 When the peak wavelength of the infrared light L is 1000 nm to 2000 nm, the reflective layer 15 can be made of a metal material such as Ag, an Ag alloy, Au, Al, or Cu. The material constituting the reflective layer 15 is appropriately selected according to the wavelength of the light generated in the active layer 25.

反射層15の厚みは、特に限定されないが、例えば0.1μm~2.0μm以下であり、好ましくは0.3μm~1.0μm以下である。 The thickness of the reflective layer 15 is not particularly limited, but is, for example, 0.1 μm to 2.0 μm or less, and preferably 0.3 μm to 1.0 μm or less.

図1では図示しないが、反射層15と接合層13との間に、接合層13を構成するハンダ材料の拡散を抑制するためのバリア層が設けられるものとしても構わない。バリア層の材料としては、例えば、Ti、Pt、W、Mo、Ni等を含む材料で実現できる。一例として、Ti/Pt/Auの積層体で構成される。バリア層の厚みは、特に限定されないが、例えば0.05μm~3μm以下であり、好ましくは0.2μm~1μm以下である。このバリア層が介在することで、接合層13を構成する材料が反射層15側に拡散して反射層15の反射率が低下するのを防止できる。バリア層は、接合層13と支持基板11との間にも設けられていても構わない。 Although not shown in FIG. 1, a barrier layer for suppressing diffusion of the solder material constituting the bonding layer 13 may be provided between the reflective layer 15 and the bonding layer 13. The material of the barrier layer may be, for example, a material containing Ti, Pt, W, Mo, Ni, etc. As an example, it is composed of a Ti/Pt/Au laminate. The thickness of the barrier layer is not particularly limited, but is, for example, 0.05 μm to 3 μm or less, and preferably 0.2 μm to 1 μm or less. The presence of this barrier layer can prevent the material constituting the bonding layer 13 from diffusing to the reflective layer 15 side, which would cause a decrease in the reflectance of the reflective layer 15. The barrier layer may also be provided between the bonding layer 13 and the support substrate 11.

光取り出し効率を向上させる観点からは、図1に示すように、赤外LED素子1が反射層15を備えるのが好適であるが、本発明において、赤外LED素子1が反射層15を備えるか否かは任意である。 From the viewpoint of improving the light extraction efficiency, it is preferable that the infrared LED element 1 has a reflective layer 15 as shown in FIG. 1, but in the present invention, it is optional whether or not the infrared LED element 1 has a reflective layer 15.

(絶縁層17)
図1に示す赤外LED素子1は、反射層15の上層に形成された絶縁層17を備える。絶縁層17は、電気的絶縁性を示し、且つ赤外光Lに対する透過性の高い材料で構成される。絶縁層17の赤外光Lに対する透過率は、70%以上であるのが好ましく、80%以上であるのがより好ましく、90%以上であるのが特に好ましい。
(Insulating layer 17)
The infrared LED element 1 shown in Fig. 1 includes an insulating layer 17 formed on the reflective layer 15. The insulating layer 17 is made of a material that exhibits electrical insulation and has high transparency to infrared light L. The transmittance of the insulating layer 17 to infrared light L is preferably 70% or more, more preferably 80% or more, and particularly preferably 90% or more.

赤外光Lのピーク波長が1000nm~2000nmである場合においては、絶縁層17はSiO2、SiN、Al23等の材料を用いることができる。絶縁層17を構成する材料は、活性層25で生成される光の波長に応じて適宜選択される。 When the peak wavelength of the infrared light L is 1000 nm to 2000 nm, materials such as SiO 2 , SiN, and Al 2 O 3 can be used for the insulating layer 17. The material constituting the insulating layer 17 is appropriately selected depending on the wavelength of the light generated in the active layer 25.

(半導体積層体20)
図1に示す赤外LED素子1は、絶縁層17の上層に形成された半導体積層体20を有する。半導体積層体20は、複数の半導体層の積層体であり、例えば、コンタクト層21と、第一クラッド層23と、活性層25と、第二クラッド層27とを含む。半導体積層体20を構成する各半導体層(21,23,25,27)は、後述される成長基板3と格子整合してエピタキシャル成長が可能な材料で構成される。
(Semiconductor laminate 20)
The infrared LED element 1 shown in Fig. 1 has a semiconductor laminate 20 formed on an insulating layer 17. The semiconductor laminate 20 is a laminate of multiple semiconductor layers, and includes, for example, a contact layer 21, a first cladding layer 23, an active layer 25, and a second cladding layer 27. Each of the semiconductor layers (21, 23, 25, 27) constituting the semiconductor laminate 20 is made of a material that is lattice-matched with a growth substrate 3 described below and can be epitaxially grown.

《コンタクト層21,第一クラッド層23》
本実施形態において、コンタクト層21は例えばp型のGaInAsPで構成される。コンタクト層21の厚みは限定されないが、例えば、10nm~1000nmであり、好ましくは50nm~500nmである。また、コンタクト層21のp型ドーパント濃度は、好ましくは5×1017/cm3~3×1019/cm3であり、より好ましくは、1×1018/cm3~2×1019/cm3である。
<<Contact layer 21, first cladding layer 23>>
In this embodiment, the contact layer 21 is made of, for example, p-type GaInAsP. The thickness of the contact layer 21 is not limited, but is, for example, 10 nm to 1000 nm, and preferably 50 nm to 500 nm. The p-type dopant concentration of the contact layer 21 is preferably 5×10 17 /cm 3 to 3×10 19 /cm 3 , and more preferably 1×10 18 /cm 3 to 2×10 19 /cm 3 .

本実施形態において、第一クラッド層23はコンタクト層21の上層に形成されており、例えばp型のInPで構成される。第一クラッド層23の厚みは限定されないが、例えば、1000nm~10000nmであり、好ましくは2000nm~5000nmである。第一クラッド層23のp型ドーパント濃度は、活性層25から離れた位置において、好ましくは1×1017/cm3~3×1018/cm3以下であり、より好ましくは、5×1017/cm3~3×1018/cm3以下である。 In this embodiment, the first cladding layer 23 is formed on the contact layer 21 and is made of, for example, p-type InP. The thickness of the first cladding layer 23 is not limited, but is, for example, 1000 nm to 10000 nm, and preferably 2000 nm to 5000 nm. The p-type dopant concentration of the first cladding layer 23 at a position away from the active layer 25 is preferably 1×10 17 /cm 3 to 3×10 18 /cm 3 or less, and more preferably 5×10 17 /cm 3 to 3×10 18 /cm 3 or less.

コンタクト層21及び第一クラッド層23に含まれるp型ドーパントとしては、Zn、Mg、Be等を利用することができ、Zn又はMgが好ましく、Znが特に好ましい。本実施形態では、コンタクト層21及び第一クラッド層23が「第一半導体層」に対応する。 As the p-type dopant contained in the contact layer 21 and the first cladding layer 23, Zn, Mg, Be, etc. can be used, with Zn or Mg being preferred, and Zn being particularly preferred. In this embodiment, the contact layer 21 and the first cladding layer 23 correspond to the "first semiconductor layer."

《活性層25》
本実施形態において、活性層25は、第一クラッド層23の上層に形成された半導体層で構成される。活性層25は、狙いとする波長の光を生成可能であり、且つ図3を参照して後述される成長基板3と格子整合してエピタキシャル成長が可能な材料から適宜選択される。
<<Active Layer 25>>
In this embodiment, the active layer 25 is composed of a semiconductor layer formed on the first cladding layer 23. The active layer 25 is appropriately selected from materials capable of generating light of a target wavelength and capable of epitaxial growth in lattice matching with a growth substrate 3 described later with reference to FIG.

ピーク波長が1000nm~2000nmの赤外光Lを出射する赤外LED素子1を実現したい場合に、活性層25は、GaInAsP、AlGaInAs、又はInGaAsの単層構造としても構わないし、GaInAsP、AlGaInAs、又はInGaAsからなる井戸層と、井戸層よりもバンドギャップエネルギーの大きいGaInAsP、AlGaInAs、InGaAs、又はInPからなる障壁層とを含むMQW(Multiple Quantum Well:多重量子井戸)構造としても構わない。 When it is desired to realize an infrared LED element 1 that emits infrared light L with a peak wavelength of 1000 nm to 2000 nm, the active layer 25 may be a single layer structure of GaInAsP, AlGaInAs, or InGaAs, or may be an MQW (Multiple Quantum Well) structure including a well layer made of GaInAsP, AlGaInAs, or InGaAs, and a barrier layer made of GaInAsP, AlGaInAs, InGaAs, or InP that has a larger band gap energy than the well layer.

活性層25の膜厚T[nm]は、ピーク発光波長λ[nm]が1550 ≦ λ ≦1800の場合、ピーク発光波長λとの関係が下記(1)式を満たすように設定される。
T ≦ -3.5×λ + 6375 …(1)
The film thickness T [nm] of the active layer 25 is set so that the relationship with the peak emission wavelength λ satisfies the following formula (1) when the peak emission wavelength λ [nm] is 1550≦λ≦1800.
T ≦ -3.5×λ + 6375…(1)

また、ピーク発光波長λが1000 ≦ λ <1550 の場合、活性層25の膜厚Tは1000nm以下である。なお、電子や正孔が活性層25内で再結合することなく隣接層に流れ出る現象(オーバーフロー現象)の発生確率を低下させる観点から、ピーク発光波長λによらず、活性層25の膜厚Tは20nm以上とするのが好ましく、150nm以上とするのがより好ましい。 When the peak emission wavelength λ is 1000≦λ<1550, the thickness T of the active layer 25 is 1000 nm or less. In order to reduce the probability of the occurrence of a phenomenon (overflow phenomenon) in which electrons and holes flow into adjacent layers without recombining in the active layer 25, it is preferable that the thickness T of the active layer 25 is 20 nm or more, and more preferably 150 nm or more, regardless of the peak emission wavelength λ.

図11Cを参照して後述するように、赤外LED素子1の製造の際には、第二クラッド層27の上方からイメージセンサを用いて撮像することで、XZ平面上における内部電極31の形成位置を検出する工程が行われる。ピーク発光波長λに応じて活性層25の膜厚を上記のように設定することで、撮像用の光が活性層25内で吸収される量が抑制され、内部電極31の形成位置を精度良く認識可能となる。 As will be described later with reference to FIG. 11C, when manufacturing the infrared LED element 1, a process is performed in which an image is taken from above the second cladding layer 27 using an image sensor to detect the formation position of the internal electrode 31 on the XZ plane. By setting the film thickness of the active layer 25 according to the peak emission wavelength λ as described above, the amount of light used for imaging that is absorbed in the active layer 25 is reduced, making it possible to accurately recognize the formation position of the internal electrode 31.

活性層25は、n型又はp型にドープされていても構わないし、アンドープでも構わない。n型にドープされる場合には、ドーパントとしては、例えばSiを利用することができる。 The active layer 25 may be doped to n-type or p-type, or may be undoped. If it is doped to n-type, the dopant may be, for example, Si.

《第二クラッド層27》
本実施形態において、第二クラッド層27は、活性層25の上層に形成されており、例えばn型のInPで構成される。第二クラッド層27の厚みは限定されないが、例えば100nm~10000nmであり、好ましくは、500nm~5000nmである。第二クラッド層27のn型ドーパント濃度は、好ましくは1×1017/cm3~5×1018/cm3であり、より好ましくは、5×1017/cm3~4×1018/cm3である。第二クラッド層27にドープされるn型不純物材料としては、Sn、Si、S、Ge、Se等を利用することができ、Siが特に好ましい。第二クラッド層27が「第二半導体層」に対応する。
Second Cladding Layer 27
In this embodiment, the second cladding layer 27 is formed on the active layer 25 and is made of, for example, n-type InP. The thickness of the second cladding layer 27 is not limited, but is, for example, 100 nm to 10,000 nm, and preferably 500 nm to 5,000 nm. The n-type dopant concentration of the second cladding layer 27 is preferably 1×10 17 /cm 3 to 5×10 18 /cm 3 , and more preferably 5×10 17 /cm 3 to 4×10 18 /cm 3. As the n-type impurity material doped in the second cladding layer 27, Sn, Si, S, Ge, Se, etc. can be used, and Si is particularly preferable. The second cladding layer 27 corresponds to the "second semiconductor layer".

図1に示す例では、第二クラッド層27の+Y側の表面に凹凸部27aが形成されている。凹凸部27aが形成されることで、活性層25から+Y方向に進行した赤外光L(L1,L2)が第二クラッド層27の表面で活性層25側に反射される光量が低下され、光取り出し効率が高められる。ただし、本発明において、第二クラッド層27の表面に凹凸部27aを設けるか否かは任意である。 In the example shown in FIG. 1, an uneven portion 27a is formed on the surface on the +Y side of the second cladding layer 27. By forming the uneven portion 27a, the amount of infrared light L (L1, L2) traveling in the +Y direction from the active layer 25 that is reflected toward the active layer 25 by the surface of the second cladding layer 27 is reduced, and the light extraction efficiency is improved. However, in the present invention, it is optional whether or not to provide the uneven portion 27a on the surface of the second cladding layer 27.

第一クラッド層23及び第二クラッド層27は、活性層25で生成された赤外光Lを吸収しない材料であって、且つ、成長基板3(後述する図3参照)と格子整合してエピタキシャル成長が可能な材料から適宜選択される。成長基板3としてInP基板を採用する場合には、第一クラッド層23及び第二クラッド層27としては、InPの他、GaInAsP、AlGaInAs等の材料を利用することが可能である。 The first cladding layer 23 and the second cladding layer 27 are appropriately selected from materials that do not absorb the infrared light L generated in the active layer 25 and that can be epitaxially grown by lattice matching with the growth substrate 3 (see FIG. 3 described later). When an InP substrate is used as the growth substrate 3, the first cladding layer 23 and the second cladding layer 27 can be made of materials other than InP, such as GaInAsP and AlGaInAs.

ただし、上述したように、赤外LED素子1の製造の際には、第二クラッド層27の上方からイメージセンサを用いて撮像することで、XZ平面上における内部電極31の形成位置を検出する工程が行われる。かかる観点から、第一クラッド層23及び第二クラッド層27内における撮像用光の吸収を抑制するため、これらの層は、活性層25よりもバンドギャップエネルギーが十分高い材料で形成するのが好ましく、InPで形成するのがより好ましい。 However, as described above, when manufacturing the infrared LED element 1, a process is carried out in which an image sensor is used to capture an image from above the second cladding layer 27 to detect the formation position of the internal electrode 31 on the XZ plane. From this perspective, in order to suppress absorption of imaging light in the first cladding layer 23 and the second cladding layer 27, these layers are preferably formed from a material whose band gap energy is sufficiently higher than that of the active layer 25, and more preferably from InP.

なお、上記の説明では、第一半導体層(21,23)がp型半導体であり、第二半導体層27がn型半導体であるものとして説明するが、両者の導電型が逆転しても構わない。 In the above description, the first semiconductor layer (21, 23) is a p-type semiconductor and the second semiconductor layer 27 is an n-type semiconductor, but the conductivity types of the two may be reversed.

(内部電極31)
図1に示す赤外LED素子1は、絶縁層17内の複数の箇所においてY方向に貫通して形成された、内部電極31を有する。内部電極31は、第一半導体層(21,23)と、支持基板11とを電気的に接続する。内部電極31は、XZ平面に平行な方向(すなわち、支持基板11の主面に平行な方向)に分散した複数の位置に設けられている。
(Internal electrode 31)
1 has internal electrodes 31 formed in a plurality of locations within the insulating layer 17, penetrating the insulating layer 17 in the Y direction. The internal electrodes 31 electrically connect the first semiconductor layers (21, 23) to the supporting substrate 11. The internal electrodes 31 are provided at a plurality of locations dispersed in a direction parallel to the XZ plane (i.e., a direction parallel to the main surface of the supporting substrate 11).

内部電極31は、コンタクト層21に対してオーミック接続の形成が可能な材料で構成されている。一例として、内部電極31は、AuZn、AuBe、又は少なくともAuとZnを含む積層構造(例えばAu/Zn/Au等)で構成される。これらの材料は、反射層15を構成する材料と比較して、赤外光Lに対する反射率が低い。 The internal electrode 31 is made of a material capable of forming an ohmic connection with the contact layer 21. As an example, the internal electrode 31 is made of AuZn, AuBe, or a laminated structure containing at least Au and Zn (e.g., Au/Zn/Au, etc.). These materials have a lower reflectance for infrared light L than the material that constitutes the reflective layer 15.

後述する図2によれば、本実施形態では内部電極31が規則的に整列した構成例が示されるが、Y方向に見た場合の、内部電極31の配置パターンは、任意の形状を採用することができる。ただし、支持基板11の主面に平行な方向に関して活性層25内の広い範囲にわたって均質的に電流を流す観点からは、内部電極31は面方向に規則的な形状を有して分散した状態で配置されるのが好ましい。 In this embodiment, as shown in FIG. 2 described later, an example of a configuration in which the internal electrodes 31 are regularly aligned is shown, but the arrangement pattern of the internal electrodes 31 when viewed in the Y direction can adopt any shape. However, from the viewpoint of flowing a current uniformly over a wide range in the active layer 25 in the direction parallel to the main surface of the support substrate 11, it is preferable that the internal electrodes 31 are arranged in a dispersed state having a regular shape in the planar direction.

図2は、赤外LED素子1を第二クラッド層27の上方からY方向に見たときの模式的な平面図の一例である。ただし、内部電極31の形状パターンの理解のため、図2では、内部電極31についても図示されている。図2については、上部電極32の説明の箇所で後述される。図2では、半導体積層体20が上面視で矩形状を呈している場合が図示されている。 Figure 2 is an example of a schematic plan view of the infrared LED element 1 when viewed in the Y direction from above the second cladding layer 27. However, in order to understand the shape pattern of the internal electrode 31, Figure 2 also illustrates the internal electrode 31. Figure 2 will be described later in the explanation of the upper electrode 32. Figure 2 illustrates a case in which the semiconductor laminate 20 has a rectangular shape when viewed from above.

赤外LED素子1をY方向に見たときの、全ての内部電極31の総面積は、半導体積層体20(例えば第二クラッド層27)の面方向に係る面積に対して、30%以下であるのが好ましく、20%以下であるのがより好ましく、15%以下であるのが特に好ましい。内部電極31の総面積が比較的大きくなると、活性層25から支持基板11側(-Y方向)に進行する赤外光L2が内部電極31に吸収されてしまい、取り出し効率が低下してしまう。一方で、内部電極31の総面積が小さすぎると、抵抗値が高くなって順方向電圧が上昇してしまう。 When the infrared LED element 1 is viewed in the Y direction, the total area of all the internal electrodes 31 is preferably 30% or less, more preferably 20% or less, and particularly preferably 15% or less, of the area in the planar direction of the semiconductor laminate 20 (e.g., the second cladding layer 27). If the total area of the internal electrodes 31 is relatively large, the infrared light L2 traveling from the active layer 25 toward the support substrate 11 (-Y direction) is absorbed by the internal electrodes 31, reducing the extraction efficiency. On the other hand, if the total area of the internal electrodes 31 is too small, the resistance value increases and the forward voltage rises.

(上部電極32)
図1に示す赤外LED素子1は、半導体積層体20の上層に形成された上部電極32を有する。上部電極32は、典型的には複数本が所定の方向に延在するように形成されている。図2に示す例では、上部電極32が、半導体積層体20の辺に沿うように、X方向及びZ方向に複数延在して、櫛形の形状を呈している。なお、上部電極32の配置パターン形状は任意であり、例えば格子状であっても構わないし、渦巻状であっても構わない。上部電極32は、下層に位置する第二クラッド層27の面を露出させつつ、XZ平面上の広い範囲にわたって形成される。これにより、活性層25内を流れる電流をXZ平面に平行な方向に広げることができ、活性層25内の広い範囲で発光させることができる。
(Upper electrode 32)
The infrared LED element 1 shown in FIG. 1 has an upper electrode 32 formed on the upper layer of the semiconductor laminate 20. The upper electrode 32 is typically formed so that multiple electrodes extend in a predetermined direction. In the example shown in FIG. 2, the upper electrodes 32 extend in the X and Z directions along the sides of the semiconductor laminate 20 to form a comb shape. The arrangement pattern shape of the upper electrodes 32 is arbitrary, and may be, for example, a lattice shape or a spiral shape. The upper electrode 32 is formed over a wide range on the XZ plane while exposing the surface of the second cladding layer 27 located in the lower layer. This allows the current flowing in the active layer 25 to be spread in a direction parallel to the XZ plane, and allows light to be emitted over a wide range in the active layer 25.

上部電極32は、一例として、AuGe/Ni/Au、AuGe等の材料で構成され、これらの材料を複数備えるものとしても構わない。 The upper electrode 32 is, for example, made of materials such as AuGe/Ni/Au or AuGe, and may be made of multiple of these materials.

図2に示すように、Y方向に見たときに、上部電極32と内部電極31とは、Y方向に重なりを有しないように配置されている。より好ましくは、Y方向に見たときに、各内部電極31と最も近い上部電極32との離間距離Ws(図13参照)は、ほぼ全ての内部電極31に関して実質的に均一となるように設計されている。典型的には、Y方向に見たときに、80%以上の内部電極31について、それぞれの内部電極31に最も近い位置の上部電極32と内部電極31との離間距離のばらつきが10μm以下である。なお、90%以上の内部電極31に関して、同様に前記離間距離のばらつきが10μm以下であるのがより好ましく、95%以上の内部電極31に関して、同様に前記離間距離のばらつきが10μm以下であるのがより好ましい。 As shown in FIG. 2, the upper electrodes 32 and the internal electrodes 31 are arranged so as not to overlap in the Y direction when viewed in the Y direction. More preferably, the distance Ws (see FIG. 13) between each internal electrode 31 and the nearest upper electrode 32 when viewed in the Y direction is designed to be substantially uniform for almost all internal electrodes 31. Typically, when viewed in the Y direction, for 80% or more of the internal electrodes 31, the variation in the distance between the nearest upper electrode 32 and the internal electrode 31 is 10 μm or less. It is more preferable that the variation in the distance is 10 μm or less for 90% or more of the internal electrodes 31, and more preferably that the variation in the distance is 10 μm or less for 95% or more of the internal electrodes 31.

赤外LED素子1をY方向に見たときに、上部電極32と内部電極31とが重なりを有していると、当該領域においてY方向に電流が流れやすくなり、局所的に電流が集中してしまう。この結果、XZ平面に平行な方向に関して活性層25内の広い範囲に電流を流しにくくなり、第二クラッド層27の面上における輝度ばらつきが生じたり、発光効率が低下してしまう。また、赤外LED素子1をY方向に見たときに、上部電極32と内部電極31とが重なりを有していない場合であっても、内部電極31と上部電極32との離間距離のばらつきが大きい場合には、XZ平面の方向に関して流れる電流量に大きな差が生じてしまう。この結果、局所的に電流が集中する箇所が生まれてしまい、上記と同様の現象が生じるおそれがある。かかる観点から、赤外LED素子1をY方向に見たときの、内部電極31と上部電極32との離間距離のばらつきはなるべく小さくするのが好ましい。 When the upper electrode 32 and the internal electrode 31 overlap when the infrared LED element 1 is viewed in the Y direction, the current flows easily in the Y direction in that region, and the current is concentrated locally. As a result, it becomes difficult to pass the current over a wide area in the active layer 25 in the direction parallel to the XZ plane, and the brightness on the surface of the second cladding layer 27 varies, and the light emission efficiency decreases. Even if the upper electrode 32 and the internal electrode 31 do not overlap when the infrared LED element 1 is viewed in the Y direction, if the variation in the distance between the internal electrode 31 and the upper electrode 32 is large, a large difference in the amount of current flowing in the direction of the XZ plane occurs. As a result, a place where the current is concentrated locally is created, and the same phenomenon as above may occur. From this perspective, it is preferable to make the variation in the distance between the internal electrode 31 and the upper electrode 32 as small as possible when the infrared LED element 1 is viewed in the Y direction.

このためには、赤外LED素子1の製造時において、上部電極32と内部電極31の位置合わせを精度良く行うことが重要となる。より詳細には、赤外LED素子1の製造方法の説明の箇所で後述されるが、上部電極32の形成工程は、内部電極31の形成工程よりも後である。つまり、上部電極32を形成する際に、内部電極31が形成されている位置を認識した後、上部電極32の形成予定位置を調整する工程が必要となる。本発明の赤外LED素子1の場合、活性層25の膜厚Tが波長λに応じて設計されているため、内部電極31の形成位置を精度良く検出することが可能となる。 For this reason, it is important to precisely align the upper electrode 32 and the internal electrode 31 when manufacturing the infrared LED element 1. As will be described in more detail later in the explanation of the manufacturing method of the infrared LED element 1, the process of forming the upper electrode 32 is performed after the process of forming the internal electrode 31. In other words, when forming the upper electrode 32, a process of adjusting the planned formation position of the upper electrode 32 is required after recognizing the position where the internal electrode 31 is formed. In the case of the infrared LED element 1 of the present invention, the thickness T of the active layer 25 is designed according to the wavelength λ, so that it is possible to precisely detect the formation position of the internal electrode 31.

(パッド電極34)
図2に示すように、赤外LED素子1は、上部電極32の一部の上面に形成されたパッド電極34を有する。パッド電極34は、例えばTi/Au、Ti/Pt/Au等で構成される。このパッド電極34は、給電のためのボンディングワイヤを接触させる領域を確保する目的で設けられているが、本発明においてパッド電極34を備えるか否かは任意である。
(Pad electrode 34)
2, the infrared LED element 1 has a pad electrode 34 formed on the upper surface of part of the upper electrode 32. The pad electrode 34 is made of, for example, Ti/Au or Ti/Pt/Au. This pad electrode 34 is provided for the purpose of securing an area for contacting a bonding wire for power supply, but in the present invention, it is optional whether or not to provide the pad electrode 34.

なお、パッド電極34は、例えば半導体積層体20の各辺(チップサイズ)が800μm~2500μm程度である場合に、内径90μm~120μm程度の円形状を呈する。なお、上部電極32の線幅は10μm~30μm程度である。チップサイズが800μmを超える高出力型の赤外LED素子1においては、高い電流を注入する観点から、図2に示すように、パッド電極34を複数箇所に設けるのが好適である。 When each side (chip size) of the semiconductor laminate 20 is about 800 μm to 2500 μm, for example, the pad electrode 34 has a circular shape with an inner diameter of about 90 μm to 120 μm. The line width of the upper electrode 32 is about 10 μm to 30 μm. In a high-output infrared LED element 1 with a chip size exceeding 800 μm, it is preferable to provide the pad electrodes 34 in multiple locations, as shown in FIG. 2, in order to inject a high current.

(裏面電極33)
図1に示す赤外LED素子1は、支持基板11の半導体積層体20とは反対側(-Y側)の面上に形成された、裏面電極33を備える。裏面電極33は支持基板11に対してオーミック接触が実現されている。裏面電極33は、一例として、Ti/Au、Ti/Pt/Au等の材料で構成され、これらの材料を複数備えるものとしても構わない。
(Rear electrode 33)
1 includes a back electrode 33 formed on the surface of the support substrate 11 opposite to the semiconductor laminate 20 (−Y side). The back electrode 33 is in ohmic contact with the support substrate 11. As an example, the back electrode 33 is made of a material such as Ti/Au or Ti/Pt/Au, and may include a plurality of these materials.

[製造方法]
上述した赤外LED素子1の製造方法の一例について、図3~図11Eの各図を参照して説明する。図3~図5、図7~図11Eは、いずれも製造プロセス内における一工程における断面図である。図6については後述される。以下の各手順は、赤外LED素子1の製造に影響のない範囲内であれば、その順序は適宜前後しても構わない。
[Production method]
An example of a method for manufacturing the above-mentioned infrared LED element 1 will be described with reference to Figures 3 to 11E. Figures 3 to 5 and 7 to 11E are all cross-sectional views of a step in the manufacturing process. Figure 6 will be described later. The order of the following steps may be changed as appropriate as long as it does not affect the manufacture of the infrared LED element 1.

(ステップS1)
図3に示すように、例えばInPからなる成長基板3をMOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)装置内に搬送し、成長基板3上に、第二クラッド層27、活性層25、第一クラッド層23及びコンタクト層21を順次エピタキシャル成長させて、半導体積層体20を形成する。本ステップS1において、成長させる層の材料や膜厚に応じて、原料ガスの種類及び流量、処理時間、環境温度等が適宜調整される。各半導体層(21,23,25,27)の材料例は上述した通りである。
(Step S1)
3, a growth substrate 3 made of, for example, InP is transferred into a MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition) apparatus, and a second cladding layer 27, an active layer 25, a first cladding layer 23, and a contact layer 21 are epitaxially grown in sequence on the growth substrate 3 to form a semiconductor laminate 20. In this step S1, the type and flow rate of source gas, processing time, environmental temperature, etc. are appropriately adjusted according to the material and film thickness of the layer to be grown. Examples of materials for each semiconductor layer (21, 23, 25, 27) are as described above.

成長基板3としては、InPが好適に利用される。ただし、ピーク発光波長が1070nm以下の赤外LED素子1を製造するに際しては、成長基板3としてGaAsを利用しても構わない。 InP is preferably used as the growth substrate 3. However, when manufacturing an infrared LED element 1 with a peak emission wavelength of 1070 nm or less, GaAs may be used as the growth substrate 3.

なお、このステップS1において、活性層25は、形成材料から算定されるピーク発光波長をλ[nm]としたときに、1550 ≦ λ ≦1800の場合、上記(1)式を満たす膜厚T[nm]で成膜される。念の為、(1)式を再掲する。
T ≦ -3.5×λ + 6375 …(1)
In step S1, when the peak emission wavelength calculated from the material of the active layer 25 is λ [nm], and 1550≦λ ≦1800, the active layer 25 is formed to a thickness T [nm] that satisfies the above formula (1).
T ≦ -3.5×λ + 6375…(1)

また、ピーク発光波長λが1000 ≦ λ <1550 の場合、膜厚Tは1000nm以下となるように活性層25は成膜される。なお、ピーク発光波長λによらず、活性層25は、好ましくは100nm以上の厚みで成膜される。 When the peak emission wavelength λ is 1000 ≦ λ < 1550, the active layer 25 is deposited so that the film thickness T is 1000 nm or less. Regardless of the peak emission wavelength λ, the active layer 25 is preferably deposited to a thickness of 100 nm or more.

このステップS1が、工程(a)~(c)に対応する。 This step S1 corresponds to steps (a) to (c).

(ステップS2)
エピタキシャルウェハをMOCVD装置から取り出し、コンタクト層21の表面にフォトリソグラフィ法によってパターニングされたレジストマスクを形成する。その後、真空蒸着装置を用いて内部電極31の形成材料(例えばAuZn)を成膜した後、リフトオフ法によってレジストマスクが剥離される。その後、例えば、450℃、10分間の加熱処理によってアロイ処理(アニール処理)が施されることで、コンタクト層21と内部電極31との間のオーミック接触が実現される。
(Step S2)
The epitaxial wafer is removed from the MOCVD apparatus, and a resist mask patterned by photolithography is formed on the surface of the contact layer 21. Then, a material (e.g., AuZn) for forming the internal electrode 31 is deposited using a vacuum deposition apparatus, and the resist mask is peeled off by a lift-off method. Then, an alloying process (annealing process) is performed by heating at 450° C. for 10 minutes, for example, to realize ohmic contact between the contact layer 21 and the internal electrode 31.

次に、プラズマCVD法によって例えばSiO2からなる絶縁層17が成膜される。その後、フォトリソグラフィ法及びエッチング法により、内部電極31の上層に位置する絶縁層17が取り除かれて、内部電極31が露出される(図4参照)。 Next, the insulating layer 17 made of, for example, SiO2 is formed by plasma CVD. After that, the insulating layer 17 located above the internal electrodes 31 is removed by photolithography and etching to expose the internal electrodes 31 (see FIG. 4).

なお、図5に示すように、このステップS2において、エピタキシャルウェハの端部位置には、内部電極31と同一材料からなる、位置合わせ用マーク41が形成される。図6は、位置合わせ用マーク41が形成されたエピタキシャルウェハの模式的な平面図である。なお、図6では、位置合わせ用マーク41の理解の容易化の観点で、ウェハの上面に形成された絶縁層17と、絶縁層17内に貫通して形成された位置合わせ用マーク41のみが図示されているが、実際には、パターニング形成された内部電極31についてもこの時点において形成されている。 As shown in FIG. 5, in step S2, alignment marks 41 made of the same material as the internal electrodes 31 are formed at the edge positions of the epitaxial wafer. FIG. 6 is a schematic plan view of the epitaxial wafer on which the alignment marks 41 are formed. In FIG. 6, in order to facilitate understanding of the alignment marks 41, only the insulating layer 17 formed on the top surface of the wafer and the alignment marks 41 formed penetrating the insulating layer 17 are shown, but in reality, the patterned internal electrodes 31 are also formed at this point.

図6では、位置合わせ用マーク41が十字形の形状を呈しているが、位置合わせ用マーク41の形状は任意である。 In FIG. 6, the alignment mark 41 has a cross shape, but the shape of the alignment mark 41 is arbitrary.

このステップS2が、工程(d)~(e)に対応する。 This step S2 corresponds to steps (d) to (e).

(ステップS3)
図7に示すように、絶縁層17及び内部電極31を覆うように、反射層15が形成され、その後接合層13aが形成される。例えば、真空蒸着装置によって、例えばAl/Auが所定の膜厚で成膜されることで反射層15が形成され、引き続き、例えばAu-Snが所定の膜厚で成膜されることで接合層13aが形成される。なお、上述したように、反射層15と接合層13aとの間に、例えばTi/Pt/Auが所定の膜厚で成膜されることでバリア層を形成してもよい。
(Step S3)
7, the reflective layer 15 is formed so as to cover the insulating layer 17 and the internal electrode 31, and then the bonding layer 13a is formed. For example, the reflective layer 15 is formed by depositing, for example, Al/Au to a predetermined thickness using a vacuum deposition device, and then the bonding layer 13a is formed by depositing, for example, Au-Sn to a predetermined thickness. Note that, as described above, a barrier layer may be formed between the reflective layer 15 and the bonding layer 13a by depositing, for example, Ti/Pt/Au to a predetermined thickness.

(ステップS4)
図8に示すように、成長基板3とは別の支持基板11を準備し、その上面に例えばAu-Snからなる接合層13bが形成される。なお、図示されていないが、支持基板11の面上に、コンタクト用の金属層(例えばTi)を形成し、その上層に接合層13bを形成するものとして構わない。また、接合層13bを形成する前に、上述したバリア層を形成しても構わない。
(Step S4)
8, a support substrate 11 separate from the growth substrate 3 is prepared, and a bonding layer 13b made of, for example, Au-Sn is formed on the upper surface of the support substrate 11. Although not shown, a metal layer (for example, Ti) for contact may be formed on the surface of the support substrate 11, and the bonding layer 13b may be formed on the metal layer. Furthermore, the above-mentioned barrier layer may be formed before forming the bonding layer 13b.

(ステップS5)
図9に示すように、接合層13(13a,13b)を介して、成長基板3と支持基板11とが、例えば280℃の温度、1MPaの圧力下で、貼り合わせられる。この処理により、成長基板3上の接合層13aと支持基板11上の接合層13bとが、溶融されて一体化される(接合層13)。
(Step S5)
9, the growth substrate 3 and the support substrate 11 are bonded together via the bonding layers 13 (13a, 13b) at a temperature of, for example, 280° C. and a pressure of 1 MPa. Through this process, the bonding layer 13a on the growth substrate 3 and the bonding layer 13b on the support substrate 11 are melted and integrated (bonding layer 13).

このステップS5が、工程(f)に対応する。 This step S5 corresponds to process (f).

(ステップS6)
半導体積層体20側の面にレジストを塗布して保護した後、露出した成長基板3に対して、研削研磨処理又は塩酸系エッチャントによるウェットエッチング処理を行う。これにより、成長基板3が剥離されて、第二クラッド層27が露出する(図10参照)。
(Step S6)
After a resist is applied to the surface on the semiconductor laminate 20 side for protection, the exposed growth substrate 3 is subjected to a grinding/polishing process or a wet etching process using a hydrochloric acid-based etchant, whereby the growth substrate 3 is peeled off to expose the second cladding layer 27 (see FIG. 10 ).

このステップS6が、工程(g)に対応する。 This step S6 corresponds to process (g).

(ステップS7)
第二クラッド層27の上面の所定の位置に、上部電極32を形成する。このステップS7の詳細な手順について、図11A~図11Eを参照しながら説明する。
(Step S7)
An upper electrode 32 is formed at a predetermined position on the upper surface of the second cladding layer 27. The detailed procedure of this step S7 will be described with reference to Figures 11A to 11E.

まず、図11Aに示すように、第二クラッド層27の上面にフォトレジスト43を塗布する。ここでは、フォトレジスト43がネガ型である場合を例に挙げて説明するが、ポジ型のフォトレジスト43を用いても構わない。 First, as shown in FIG. 11A, photoresist 43 is applied to the upper surface of the second cladding layer 27. Here, a negative type photoresist 43 is used as an example, but a positive type photoresist 43 may also be used.

次に、図11Bに示すように、上部電極32の形状に応じてパターニングされたフォトマスク45を所定の位置に設置した状態で、フォトマスク45を介して露光用の光L40を照射する。 Next, as shown in FIG. 11B, a photomask 45 patterned according to the shape of the upper electrode 32 is placed in a predetermined position, and exposure light L40 is irradiated through the photomask 45.

フォトマスク45は、好適には端部位置に、位置合わせ用のマスク領域45aが設けられている。すなわち、図11Cに模式的に示すように、フォトマスク45は、上部電極32の形状に応じてパターニングされたマスク領域45bと、位置合わせ用のマスク領域45aとを有している。 The photomask 45 preferably has an alignment mask region 45a at the end position. That is, as shown in FIG. 11C, the photomask 45 has a mask region 45b patterned according to the shape of the upper electrode 32, and an alignment mask region 45a.

図5~図6を参照して上述したように、ステップS2において、ウェハには内部電極31と同じ材料からなる位置合わせ用マーク41が形成されている。フォトマスク45の位置調整に際しては、フォトマスク45の上方から例えばハロゲンランプからの光を照射しながらInGaAs系センサ等のイメージセンサによって撮像する。そして、得られた画像を確認しながら、位置合わせ用マーク41と位置合わせ用のマスク領域45aとが重なるように、フォトマスク45の位置を調整する。図11Cは、位置合わせ用マーク41と位置合わせ用のマスク領域45aとが、Y方向に重なるように調整された後の状態が図示されている。 As described above with reference to Figures 5 and 6, in step S2, alignment marks 41 made of the same material as the internal electrodes 31 are formed on the wafer. When adjusting the position of the photomask 45, light from, for example, a halogen lamp is irradiated from above the photomask 45, and an image is captured by an image sensor such as an InGaAs-based sensor. Then, while checking the obtained image, the position of the photomask 45 is adjusted so that the alignment marks 41 and the alignment mask region 45a overlap. Figure 11C shows the state after the alignment marks 41 and the alignment mask region 45a have been adjusted so that they overlap in the Y direction.

ハロゲンランプからの光は、半導体積層体20内を通過して絶縁層17の形成箇所に達すると、内部電極31や位置合わせ用マーク41において反射されて、イメージセンサによって受光される。この撮像画像に基づいて、位置合わせ用マーク41の形成箇所が検知できる。上述したように、活性層25は、ピーク発光波長λに応じて膜厚Tが調整されており、イメージセンサからの光が活性層25内で吸収される量が抑制されている。また、第一クラッド層23や第二クラッド層27は、活性層25よりもバンドギャップエネルギーの高い材料であって、好ましくはInPで形成されている。このため、1000nm以上の光がこれらの層内で吸収される量は少なく、内部電極31の形成位置の検出の際には問題とならない。また、コンタクト層21内では、一部の光が吸収される可能性があるが、そもそも厚みが薄いため、内部電極31の形成位置の検出の際には問題とならない。 When the light from the halogen lamp passes through the semiconductor laminate 20 and reaches the location where the insulating layer 17 is formed, it is reflected by the internal electrode 31 and the alignment mark 41 and is received by the image sensor. Based on this captured image, the location where the alignment mark 41 is formed can be detected. As described above, the active layer 25 has a film thickness T adjusted according to the peak emission wavelength λ, and the amount of light from the image sensor absorbed in the active layer 25 is suppressed. In addition, the first cladding layer 23 and the second cladding layer 27 are made of a material with a higher band gap energy than the active layer 25, and are preferably made of InP. For this reason, the amount of light of 1000 nm or more absorbed in these layers is small, and does not pose a problem when detecting the formation position of the internal electrode 31. In addition, although some light may be absorbed in the contact layer 21, it does not pose a problem when detecting the formation position of the internal electrode 31 because the contact layer 21 is thin to begin with.

つまり、活性層25のピーク発光波長が1000nm以上である場合であっても、フォトマスク45に設けられた位置合わせ用のマスク領域45aを、位置合わせ用マーク41に重なるように調整できる。この結果、フォトマスク45に設けられた上部電極32用のマスク領域45bを、内部電極31の形成位置に応じた適切な位置に調整できる。 In other words, even if the peak emission wavelength of the active layer 25 is 1000 nm or more, the alignment mask region 45a provided on the photomask 45 can be adjusted to overlap the alignment mark 41. As a result, the mask region 45b for the upper electrode 32 provided on the photomask 45 can be adjusted to an appropriate position according to the formation position of the internal electrode 31.

なお、位置合わせ用のマスク領域45aは、位置合わせ用マーク41の形状に応じた形状として構わない。つまり、図6に示したように、位置合わせ用マーク41が十字形状である場合には、位置合わせ用のマスク領域45aも十字形状であるものとして構わない。 The alignment mask region 45a may have a shape corresponding to the shape of the alignment mark 41. That is, as shown in FIG. 6, if the alignment mark 41 is cross-shaped, the alignment mask region 45a may also be cross-shaped.

所定の位置にセットされた状態のフォトマスク45を介して、露光用の光L40がウェハに対して照射されることで、マスク領域(45a,45b)の下方に存在するフォトレジスト43が残存し、フォトマスク45の開口箇所の下方に存在するフォトレジスト43は除去される(図11D参照)。 When the exposure light L40 is irradiated onto the wafer through the photomask 45 set in a predetermined position, the photoresist 43 present below the mask areas (45a, 45b) remains, and the photoresist 43 present below the openings of the photomask 45 is removed (see FIG. 11D).

次に、図11Eに示すように、上部電極32の材料膜を例えば真空蒸着装置を用いて成膜する。これにより、残存したフォトレジスト43の上面と、露出した第二クラッド層27の上面とに、材料膜が成膜される(32a,32)。その後、フォトレジスト43が剥離され、必要に応じてアニール処理が施されることで、第二クラッド層27の上面の所定の位置に上部電極32が形成される(図1,図2参照)。 Next, as shown in FIG. 11E, a material film for the upper electrode 32 is formed using, for example, a vacuum deposition apparatus. As a result, a material film is formed on the upper surface of the remaining photoresist 43 and the upper surface of the exposed second cladding layer 27 (32a, 32). The photoresist 43 is then peeled off, and an annealing process is performed as necessary, to form the upper electrode 32 at a predetermined position on the upper surface of the second cladding layer 27 (see FIGS. 1 and 2).

このステップS7が、工程(h)~(j)に対応する。 This step S7 corresponds to steps (h) to (j).

(後の工程)
ステップS7以後は、例えば以下の工程が実行される。なお、以下の手順は適宜入れ替えることができる。
(Later process)
After step S7, for example, the following steps are executed. Note that the following steps can be appropriately interchanged.

上部電極32の上面の所定位置にパッド電極34が形成される。この場合も、上部電極32と同様に、真空蒸着装置による成膜、及びリフトオフ工程によって実現できる。 A pad electrode 34 is formed at a predetermined position on the upper surface of the upper electrode 32. In this case, as with the upper electrode 32, this can be achieved by film formation using a vacuum deposition device and a lift-off process.

上部電極32(及びパッド電極34)が形成されていない第二クラッド層27の表面に対してウェットエッチングが施され、凹凸部27aが形成される。その後、素子毎に分離するためのメサエッチングが施される。具体的には、第二クラッド層27の面のうちの非エッチング領域を、フォトリソグラフィ法によってパターニングされたレジストによってマスクした状態で、臭素とメタノールの混合液によってウェットエッチング処理が行われる。これにより、マスクされていない領域内に位置する半導体積層体20の一部が除去される(図1参照)。 Wet etching is performed on the surface of the second cladding layer 27 on which the upper electrode 32 (and pad electrode 34) is not formed, forming uneven portions 27a. Then, mesa etching is performed to separate each element. Specifically, wet etching is performed with a mixture of bromine and methanol while the non-etched areas of the surface of the second cladding layer 27 are masked with resist patterned by photolithography. This removes a portion of the semiconductor laminate 20 located in the unmasked areas (see FIG. 1).

支持基板11の裏面側の厚みが調整された後、支持基板11の裏面側に裏面電極33が形成される。裏面電極33の具体的な形成方法としては、上部電極32と同様に、真空蒸着装置によって裏面電極33の形成材料(例えばTi/Pt/Au)を成膜することで形成できる。 After the thickness of the back side of the support substrate 11 is adjusted, a back electrode 33 is formed on the back side of the support substrate 11. As with the upper electrode 32, the back electrode 33 can be formed by depositing a film of the material for the back electrode 33 (e.g., Ti/Pt/Au) using a vacuum deposition device.

なお、支持基板11の裏面側の厚みの調整は、必要に応じて行えばよく、必ずしも必須な工程ではない。また、厚みの程度も用途等に応じて適宜設定される。 The adjustment of the thickness of the back side of the support substrate 11 can be performed as necessary and is not necessarily a required step. The thickness is also appropriately set depending on the application, etc.

その後、支持基板11ごとダイシングされることで、チップ化される。 Then, the support substrate 11 is diced together to create chips.

[検証1]
活性層25の材料及び膜厚を異ならせた点を除き、他は同一の条件でステップS1~S6を実行した。その後、ステップS7と同様に、フォトマスク45の位置合わせを行って、上部電極32を形成した。このときの結果を表1に示す。表1内において、評価「C」は、内部電極31が認識できずにフォトマスク45の位置合わせが不可能であったもの、又は、得られた上部電極32と内部電極31との位置合わせの精度が10μmを超えているものに対応する。また、表1内において、評価「A」は、得られた上部電極32と内部電極31との位置合わせの精度が5μm以下であるものに対応する。
[Verification 1]
Steps S1 to S6 were performed under the same conditions, except that the material and film thickness of the active layer 25 were changed. Thereafter, the photomask 45 was aligned as in step S7, and the upper electrode 32 was formed. The results are shown in Table 1. In Table 1, the evaluation "C" corresponds to a case where the internal electrode 31 could not be recognized and the photomask 45 could not be aligned, or the alignment accuracy between the obtained upper electrode 32 and the internal electrode 31 exceeded 10 μm. Also, in Table 1, the evaluation "A" corresponds to a case where the alignment accuracy between the obtained upper electrode 32 and the internal electrode 31 was 5 μm or less.

Figure 0007636716000001
Figure 0007636716000001

表1によれば、ピーク発光波長λが長波長になるほど、上部電極32と内部電極31との位置合わせの精度を高めるためには活性層25の厚みを薄くする必要があることが分かる。活性層25の厚みが薄くなったことで、活性層25内で吸収される光量が低下し、イメージセンサでの認識精度が向上したことが示唆される。一方、ピーク発光波長が1550nm以下の範囲内においては、活性層25の厚みが1000nm以下であれば、上部電極32と内部電極31との位置合わせを高精度に行えることが分かる。 According to Table 1, it can be seen that the longer the peak emission wavelength λ, the thinner the active layer 25 needs to be in order to improve the accuracy of the alignment between the upper electrode 32 and the internal electrode 31. This suggests that the thinner active layer 25 reduces the amount of light absorbed within the active layer 25, improving the recognition accuracy of the image sensor. On the other hand, it can be seen that within the range of peak emission wavelengths of 1550 nm or less, if the thickness of the active layer 25 is 1000 nm or less, the alignment between the upper electrode 32 and the internal electrode 31 can be achieved with high accuracy.

図12は、表1内において、評価「A」が得られたサンプルのうち、活性層25の厚みが最も厚いサンプルの、活性層25の厚みを波長ごとにプロットしたグラフである。このグラフによっても、ピーク発光波長λが長波長であるほど、活性層25の厚みを薄くしないと、内部電極31の形成位置を認識しにくいことが分かる。 Figure 12 is a graph in which the thickness of the active layer 25 of the sample with the thickest active layer 25 among the samples that received an "A" rating in Table 1 is plotted for each wavelength. This graph also shows that the longer the peak emission wavelength λ, the more difficult it is to identify the position where the internal electrode 31 is formed unless the active layer 25 is made thinner.

図12の結果によれば、ピーク発光波長λが1550nm~1800nmの範囲内、より詳細には、1550nm~1750nmの範囲内においては、活性層の膜厚T[nm]とピーク発光波長λ[nm]とが、下記(1)式、
T ≦ -3.5×λ + 6375 …(1)
を満たすことで、イメージセンサによって内部電極31の形成位置を高精度に検知できることが分かる。また、ピーク発光波長λが1000nm~1550nmの範囲内、より詳細には、1050nm~1550nmの範囲内においては、活性層の膜厚T[nm]を1000nm以下とすることで、イメージセンサによって内部電極31の形成位置を高精度に検知できることが分かる。
According to the results of FIG. 12, when the peak emission wavelength λ is in the range of 1550 nm to 1800 nm, more specifically, in the range of 1550 nm to 1750 nm, the film thickness T [nm] of the active layer and the peak emission wavelength λ [nm] satisfy the following formula (1):
T ≦ -3.5×λ + 6375…(1)
It can be seen that by satisfying the above condition, the formation position of the internal electrode 31 can be detected with high accuracy by the image sensor. Also, it can be seen that when the peak emission wavelength λ is in the range of 1000 nm to 1550 nm, more specifically, in the range of 1050 nm to 1550 nm, the formation position of the internal electrode 31 can be detected with high accuracy by the image sensor by setting the film thickness T [nm] of the active layer to 1000 nm or less.

つまり、上記のように活性層の膜厚Tが設定されることで、ステップS7において、内部電極31の位置に応じた適切な位置にフォトマスク45をセットできる。この結果、このフォトマスク45を通じて露光して上部電極32を形成することで、上部電極32は、内部電極31とY方向に重なり合わず、各内部電極31との離間距離をほぼ均等にすることができる。 In other words, by setting the film thickness T of the active layer as described above, in step S7, the photomask 45 can be set at an appropriate position according to the position of the internal electrode 31. As a result, by forming the upper electrode 32 by exposure through this photomask 45, the upper electrode 32 does not overlap with the internal electrodes 31 in the Y direction, and the distance between each internal electrode 31 can be made approximately equal.

[検証2]
上述したステップS1~S7を経て、サンプル#1を得た。このサンプル#1は、Y方向に見たときの上部電極32と内部電極31との離間距離Wsのバラツキの平均値が2.0μmであり、全てのバラツキが5μm以内に抑制されていた。なお、図13は、上部電極32と内部電極31との離間距離Wsを説明するための図面であり、図2の一部拡大図に対応する。
[Verification 2]
Sample #1 was obtained through steps S1 to S7 described above. In sample #1, the average variation in the separation distance Ws between the upper electrode 32 and the internal electrode 31 when viewed in the Y direction was 2.0 μm, and all variations were suppressed to within 5 μm. Note that FIG. 13 is a diagram for explaining the separation distance Ws between the upper electrode 32 and the internal electrode 31, and corresponds to the partially enlarged view of FIG. 2.

別のサンプルとして、ステップS7においてフォトマスク45の位置を意図的にずらした点を除いては、サンプル#1と同様の方法により、サンプル#2を得た。このサンプル#2は、Y方向に見たときの上部電極32と内部電極31との離間距離Wsのバラツキの平均値が11μmであり、5μmを大きく超えていた。 As another sample, sample #2 was obtained by the same method as sample #1, except that the position of the photomask 45 was intentionally shifted in step S7. In sample #2, the average variation in the separation distance Ws between the upper electrode 32 and the internal electrode 31 when viewed in the Y direction was 11 μm, which greatly exceeded 5 μm.

なお、サンプル#1及びサンプル#2の双方共、ピーク発光波長は1300nmであり、活性層25の厚みは200nmであった。 In addition, for both sample #1 and sample #2, the peak emission wavelength was 1300 nm, and the thickness of the active layer 25 was 200 nm.

図14は、サンプル#1とサンプル#2のそれぞれの赤外LED素子の、電流-光出力特性を示すグラフである。また、図15は、サンプル#1とサンプル#2のそれぞれの赤外LED素子の、電流-順方向電圧特性を示すグラフである。 Figure 14 is a graph showing the current-light output characteristics of the infrared LED elements of samples #1 and #2. Also, Figure 15 is a graph showing the current-forward voltage characteristics of the infrared LED elements of samples #1 and #2.

図14及び図15によれば、上部電極32と内部電極31との離間距離Wsが5μm以下に抑制されていたサンプル#1の方が、前記離間距離Wsが5μmを大きく超えるサンプル#2と比べて、同一電流が供給されている状態における光出力が高く、順方向電圧が低いことが分かる。この結果からも、赤外LED素子1の発光効率を向上させるためには、上部電極32と内部電極31との位置調整が重要な要素であることが分かる。 14 and 15 show that sample #1, in which the separation distance Ws between the upper electrode 32 and the internal electrode 31 was kept to 5 μm or less, has a higher light output and a lower forward voltage when the same current is supplied, compared to sample #2, in which the separation distance Ws significantly exceeds 5 μm. This result also shows that adjusting the positions of the upper electrode 32 and the internal electrode 31 is an important factor in improving the light emission efficiency of the infrared LED element 1.

1 :赤外LED素子
3 :成長基板
11 :支持基板
13(13a,13b) :接合層
15 :反射層
17 :絶縁層
20 :半導体積層体
21 :コンタクト層
23 :第一クラッド層
25 :活性層
27 :第二クラッド層
27a :凹凸部
31 :内部電極
32 :上部電極
33 :裏面電極
34 :パッド電極
41 :位置合わせ用マーク
43 :フォトレジスト
45 :フォトマスク
45a,45b :マスク領域
1: infrared LED element 3: growth substrate 11: support substrate 13 (13a, 13b): bonding layer 15: reflective layer 17: insulating layer 20: semiconductor laminate 21: contact layer 23: first cladding layer 25: active layer 27: second cladding layer 27a: uneven portion 31: internal electrode 32: upper electrode 33: back electrode 34: pad electrode 41: alignment mark 43: photoresist 45: photomask 45a, 45b: mask area

Claims (6)

赤外LED素子であって、
導電性の支持基板と、
前記支持基板の上層に形成された絶縁層と、
前記絶縁層の上層に形成された、p型又はn型の第一半導体層と、前記第一半導体層の上層に形成された活性層と、前記活性層の上層に形成され前記第一半導体層とは異なる導電型の第二半導体層とを含む半導体積層体と、
前記半導体積層体の上層に形成された上部電極と、
前記支持基板の主面に平行な方向に分散した複数の位置で前記絶縁層を貫通して前記第一半導体層と前記支持基板とを電気的に接続する内部電極とを備え、
前記活性層の膜厚T[nm]と、前記赤外LED素子のピーク発光波長λ[nm]とが、下記(1)式の関係を満たすことを特徴とする、赤外LED素子。
T ≦ -3.5×λ + 6375 …(1)
(ただし、λは、1550 ≦ λ ≦1800 である。)
An infrared LED element,
A conductive supporting substrate;
an insulating layer formed on the support substrate;
a semiconductor laminate including a first semiconductor layer of p-type or n-type formed on the insulating layer, an active layer formed on the first semiconductor layer, and a second semiconductor layer of a different conductivity type from the first semiconductor layer formed on the active layer;
an upper electrode formed on the upper layer of the semiconductor laminate;
internal electrodes penetrating the insulating layer at a plurality of positions distributed in a direction parallel to a main surface of the support substrate and electrically connecting the first semiconductor layer and the support substrate;
An infrared LED element, wherein a film thickness T [nm] of the active layer and a peak emission wavelength λ [nm] of the infrared LED element satisfy the relationship of the following formula (1):
T ≦ -3.5×λ + 6375…(1)
(However, λ is in the range of 1550≦λ≦1800.)
前記上部電極は、前記支持基板の前記主面に直交する方向に関して、前記内部電極と対向しない位置に配置されていることを特徴とする、請求項1に記載の赤外LED素子。 The infrared LED element according to claim 1, characterized in that the upper electrode is disposed at a position not facing the internal electrode in a direction perpendicular to the main surface of the support substrate. 前記支持基板の前記主面に直交する方向から見て、前記内部電極に最も近い位置の前記上部電極と、前記内部電極との離間距離のばらつきが10μm以下であることを特徴とする、請求項1又は2に記載の赤外LED素子。 The infrared LED element according to claim 1 or 2, characterized in that the variation in the distance between the upper electrode closest to the internal electrode and the internal electrode when viewed from a direction perpendicular to the main surface of the support substrate is 10 μm or less. 前記第二半導体層は、InPであり、
前記活性層は、GaInAsP、AlGaInAs、及びInGaAsからなる群に属する一以上の材料を含んでなることを特徴とする、請求項1又は2に記載の赤外LED素子。
the second semiconductor layer is InP;
3. The infrared LED element according to claim 1, wherein the active layer comprises one or more materials belonging to the group consisting of GaInAsP, AlGaInAs, and InGaAs.
請求項1又は2に記載の赤外LED素子の製造方法であって、
成長基板を準備する工程(a)と、
前記成長基板の上層に前記第二半導体層を形成する工程(b)と、
前記第二半導体層の上層に、ピーク発光波長がλ[nm]となる材料からなる前記活性層を、前記(1)式を満たす膜厚T[nm]で形成する工程(c)と、
前記活性層の上層に前記第一半導体層及び前記絶縁層を形成する工程(d)と、
前記絶縁層の内部に前記内部電極を形成する工程(e)と、
前記絶縁層の上層に前記支持基板を貼り合わせる工程(f)と、
前記成長基板を剥離して前記第二半導体層を露出させる工程(g)と、
前記第二半導体層の上層にフォトレジストを形成した後、前記上部電極の形状に応じてパターニングされたフォトマスクを、前記内部電極の位置に基づいてイメージセンサを用いて位置合わせをして配置する工程(h)と、
前記フォトマスクを介して露光した後、前記上部電極の材料膜を成膜する工程(i)と、
前記フォトレジストを除去する工程(j)とを有することを特徴とする、赤外LED素子の製造方法。
A method for manufacturing an infrared LED element according to claim 1 or 2, comprising the steps of:
(a) providing a growth substrate;
(b) forming the second semiconductor layer on the growth substrate;
a step (c) of forming the active layer made of a material having a peak emission wavelength λ [nm] on the second semiconductor layer to a thickness T [nm] that satisfies the formula (1);
(d) forming the first semiconductor layer and the insulating layer on the active layer;
(e) forming the internal electrodes inside the insulating layer;
a step (f) of bonding the support substrate to the upper layer of the insulating layer;
(g) peeling off the growth substrate to expose the second semiconductor layer;
(h) forming a photoresist on the second semiconductor layer, and then aligning and positioning a photomask patterned according to the shape of the upper electrode using an image sensor based on the position of the internal electrode;
(i) forming a material film for the upper electrode after exposing the material film through the photomask;
and (j) removing the photoresist.
前記工程(b)は、InPからなる膜を成膜する工程であり、
前記工程(c)は、GaInAsP、AlGaInAs、及びInGaAsからなる群に属する一以上の材料を含んでなる膜を成膜する工程であることを特徴とする、請求項に記載の赤外LED素子の製造方法。
The step (b) is a step of forming a film made of InP,
6. The method for producing an infrared LED element according to claim 5 , wherein the step (c) is a step of depositing a film containing one or more materials belonging to the group consisting of GaInAsP, AlGaInAs, and InGaAs.
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