(57)【要約】【課題】  複数の発光部で発光された光を効率よく取り出すことができるようにする。【解決手段】  本発明に係る光半導体装置は、GaAs基板１上に互いに分離して形成される複数のLED２と、これら複数のLED２のそれぞれに対応して設けられる複数の光取り出し部３とを備えている。基板上に縦横に複数の光セル１０を配置し、個々の光セル１０に対応させて半球状の光取り出し部３を設けるため、基板の全面で発光させる場合と比べて、光セル１０で発光された光を効率よく外部に取り出すことができる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に互いに分離して形成される複数の発光部と、
前記複数の発光部のそれぞれに対応づけて設けられ、対応する発光部から発光された光を透過させる複数の光取り出し部と、を備えることを特徴とする光半導体装置。
【請求項２】
前記複数の発光部は、
前記複数の光取り出し部の下面に形成される第１クラッド層と、
前記第１クラッド層の下面にそれぞれ分離して形成される複数の活性層と、
前記複数の活性層の下面にそれぞれ形成される複数の第２クラッド層と、
前記複数の第２クラッド層の下面にそれぞれ形成される複数の電極と、を有することを特徴とする請求項１に記載の光半導体装置。
【請求項３】
前記複数の発光部は、
前記複数の光取り出し部の上面にそれぞれ形成される複数の第１電極と、
前記複数の光取り出し部の下面に形成される第１クラッド層と、
前記第１クラッド層の下面に形成される活性層と、
前記活性層の下面に形成される第２クラッド層と、
前記複数の第１電極のそれぞれに対応づけて、前記第２クラッド層の下面に互いに分離して形成される複数の第２電極と、を有することを特徴とする請求項１に記載の光半導体装置。
【請求項４】
基板上に発光層を形成した後、該発光層の上面に互いに分離して複数の電極を形成する工程と、
前記複数の電極間に位置する前記発光層の一部を除去する工程と、
前記発光層の一部を除去した後、基板上に絶縁膜を形成する工程と、
前記絶縁膜上に第１レジストを形成する工程と、
発光部およびパッドの形成領域に位置する前記絶縁膜が露出されるように、前記第１レジストを後退させる工程と、
前記発光部およびパッドの形成領域のうち、前記パッドの形成領域に位置する前記絶縁膜上に選択的に第２レジストを形成する工程と、
前記第１および第２レジストをマスクとして、前記発光部の形成領域に位置する前記絶縁膜を除去して複数の電極を露出させる工程と、
前記複数の電極が露出した基板上面をメッキする工程と、を備えることを特徴とする光半導体装置の製造方法。
【請求項５】
基板上に発光層を形成した後、該発光層の上面に互いに分離して複数の電極を形成する工程と、
前記複数の電極間に位置する前記発光層の一部を除去する工程と、
前記発行層の一部を除去した後、基板上に絶縁膜を形成する工程と、
パッド部の形成領域に位置する前記絶縁膜上に選択的にレジストを形成する工程と、
前記レジストをマスクとして、前記発光層の側壁部分の前記絶縁膜を残した状態で前記絶縁膜を除去して発光部の形成領域の複数の電極を露出させる工程と、
前記発光層に隣接する、前記絶縁膜が除去された領域に不純物イオンを注入する工程と、
前記不純物イオンを注入した後、前記複数の電極が露出した基板上面をメッキする工程と、を備えることを特徴とする光半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の発光部を備えた光半導体装置とその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
発光ダイオード（以下LED）において輝度を向上させるためには、活性層で発光した光を効率よくチップ外部に取り出すことが必要である。しかしながら、一般にLEDを構成する半導体材料（例えばInGaAlPやGaP）とチップ外部の封止樹脂とでは、屈折率が前者が３〜３．５に対し、後者は２前後と差が大きいため、半導体／封止樹脂界面での全反射角が２０°前後と小さく、それより大きな入射角を持つ光は界面で反射されて効率よく取り出すことができない。
【０００３】
この問題を解決する一つの方法として、可視光に対し透明なGaPを基板材料として用い、その側面をテーパ加工することで取り出し効率を向上する技術が提案されている。(非特許文献１参照)
しかしながら一般に、発光層はチップのほぼ全面で発光しており、チップ側面に対して発光層のさまざまな部分からの光が入射し、入射方向は必ずしも一定ではない。このため、チップ側面をテーパー状に加工しても、発光層の一部からの光は全反射角より小さい角度で入射して効率よく取り出せるものの、発光層のその他の部分からの光については全反射角より大きな角度で入射することになる。結果として、従来のチップ側面にテーパーを形成しないものに比較すれば輝度は向上するものの、十分高い取り出し効率を得るには至っていなかった。
【非特許文献１】High-power truncated-inverted-pyramid (AlxGa1-x)0.5In0.5P light-emitting diodes exhibiting >50% external quantum efficiency" M. R. Krames, et al., APPLIED PHYSICS LETTERS, VOLUME 75, NUMBER 16, 18 OCTOBER 1999, pp2365-2367
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、複数の発光部で発光された光を効率よく取り出すことが可能な光半導体装置およびその製造方法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の一態様によれば、基板上に互いに分離して形成される複数の発光部と、前記複数の発光部のそれぞれに対応づけて設けられ、対応する発光部から発光された光を透過させる複数の光取り出し部と、を備える光半導体装置を提供する。
【０００６】
また、本発明の一態様によれば、基板上に発光層を形成した後、該発光層の上面に互いに分離して複数の電極を形成する工程と、前記複数の電極間に位置する前記発光層の一部を除去する工程と、前記発光層の一部を除去した後、基板上に絶縁膜を形成する工程と、前記絶縁膜上に第１レジストを形成する工程と、発光部およびパッドの形成領域に位置する前記絶縁膜が露出されるように、前記第１レジストを後退させる工程と、前記発光部およびパッドの形成領域のうち、前記パッドの形成領域に位置する前記絶縁膜上に選択的に第２レジストを形成する工程と、前記第１および第２レジストをマスクとして、前記発光部の形成領域に位置する前記絶縁膜を除去して複数の電極を露出させる工程と、前記複数の電極が露出した基板上面をメッキする工程と、を備える光半導体装置の製造方法を提供する。
【０００７】
また、本発明の一態様によれば、基板上に発光層を形成した後、該発光層の上面に互いに分離して複数の電極を形成する工程と、前記複数の電極間に位置する前記発光層の一部を除去する工程と、前記発行層の一部を除去した後、基板上に絶縁膜を形成する工程と、パッド部の形成領域に位置する前記絶縁膜上に選択的にレジストを形成する工程と、前記レジストをマスクとして、前記発光層の側壁部分の前記絶縁膜を残した状態で前記絶縁膜を除去して発光部の形成領域の複数の電極を露出させる工程と、前記発光層に隣接する、前記絶縁膜が除去された領域に不純物イオンを注入する工程と、前記不純物イオンを注入した後、前記複数の電極が露出した基板上面をメッキする工程と、を備えることを特徴とする光半導体装置の製造方法を提供する。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、複数の発光部で発光された光を効率よく取り出すことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、図面を参照しながら、本発明の一実施形態について説明する。
【００１０】
（第１の実施形態）
図１は本発明の第１の実施形態に係る光半導体装置の断面図、図２はその上面図である。図１は、図２のＡ−Ａ線断面図の断面構造を示している。図１の光半導体装置は、GaAs基板１上に互いに分離して形成される複数の発光ダイオード（LED：Light Emission Diode）２と、これら複数のLED２のそれぞれに対応して設けられる複数の光取り出し部３とを備えている。以下では、個々のLED２と対応する光取り出し部３とを合わせてそれぞれ光セル１０と呼ぶ。
【００１１】
発光部であるLED２は、図１に示されるように、GaAs基板１上に互いに分離して形成される複数のオーミック電極４と、これら電極４上に形成される複数のｐ型クラッド層５と、これらｐ型クラッド層５の上面に形成される複数の活性層６と、これら活性層６の上面に形成されるInAlPからなるｎ型クラッド層７とを有する。
【００１２】
光取り出し部３は、ｎ型クラッド層７の上面に、互いに分離して複数個配置されている。各光取り出し部３は、例えば半球状のｎ型InGaAlPで形成され、その上面はITO膜９で覆われている。
【００１３】
図２に示すように、基板上の縦横に互いに分離して複数の光セル１０が形成されている。基板の中央には、光セル１０の電極に電圧を印加するためのパッド８が形成されている。このパッド８に印加された電圧は、基板上のすべての光セル１０の電極に供給される。したがって、基板上の光セル１０はすべて同時に発光する。
【００１４】
図１に示すように、各LED２は、対応する光取り出し部３の中心軸上に配置されている。また、光取り出し部３とLED２は、複数のLED２について共通に形成されたｎ型クラッド層７に対して対称的な位置に配置されている。このため、LED２から発光された光は、効率よく光取り出し部３に導かれる。より具体的には、LED２からの光は、種々の方向に放射されるが、近接した位置に光取り出し部３が配置され、しかも光取り出し部３が半球状であるために、光取り出し部３で反射されることなく、光取り出し部３の外部に効率よく取り出される。
【００１５】
図３は図１の光半導体装置の製造工程の一例を示す工程図である。以下、図３を用いて第１の実施形態に係る光半導体装置の製造工程を順に説明する。まず、GaAs基板１２上に、ｎ型InGaAlP層１１、InAlPからなるｎ型クラッド層７、InGaAlPからなる活性層６、InAlPからなるｐ型クラッド層５を、有機金属を原料とするCVD法（MOCVD）により順次形成する（図３（ａ））。
【００１６】
次に、光セル１０が形成される領域のｐ型クラッド層５と活性層６を残し、その他の領域のｐ型クラッド層５と活性層６を通常のリソグラフィと加工技術によりエッチング除去する（図３（ｂ））。加工技術としては、塩酸（HCl）やリン酸（H3PO4）を用いたウェットエッチング法の他に、塩酸ガス（Cl2）や塩化ホウ素（BCl3）を用いたドライエッチング法なども適用可能である。
【００１７】
次に、表面を保護するために全面にSiO2膜などを形成（不図示）した後、ｐ型クラッド層５の表面にオーミック電極４（ｐ型電極）をパターニングにより形成する（図３（ｃ））。
【００１８】
次に、ｐ型電極４を下にして、SiやGaAs等からなる支持基板１上に、既知の接着技術を用いてｐ型電極４を接合する。その後、GaAs基板１２を選択エッチングにより除去する（図３（ｄ））。この結果、ｎ型InGaAlP層１１が表面に露出する。
【００１９】
次に、不図示のレジストをリソグラフィにより加工してレンズパターンを形成した後、高温でベーキング処理を行って、ｎ型InGaAlP層１１の上に半球状のレンズパターンを形成する。次に、レジストとInGaAlP層１１のエッチング速度がほぼ等しくなるようなドライエッチング条件で基板全面をエッチングする。これにより、半球状のレンズパターンをｎ型InGaAlP層１１に転写し、半球状のレンズ形状を持つｎ型InGaAlP層（光取り出し部）３を形成する（図３（ｅ））。
【００２０】
ドライエッチング条件としては、例えば塩素（Cl2）と酸素（O2)の混合ガスや、塩化ホウ素（BCl3）と酸素（O2）の混合ガスが適当である。この場合、Ｐ型電極４、Ｐ型クラッド層５および活性層６の積層構造をｎ型InGaAlPからなる光取り出し部３の中心軸上に配置することが重要である。
【００２１】
その後、基板全面に、ｎ型電極としてITO膜９を形成し、所望の箇所にボンディングパッドを例えばAuのような電極で形成することにより、光半導体装置が完成する。
【００２２】
このように、第１の実施形態では、基板上に縦横に複数の光セル１０を配置し、個々のLED２に対応させて半球状の光取り出し部３を設けるため、基板の全面で発光させる場合と比べて、LED２で発光された光を効率よく外部に取り出すことができる。また、基板上に複数の光セル１０が形成され、これら光セル１０を同時に発光させるため、チップ当たりの光出力を増大できる。特に、本実施形態によれば、各光セル１０の幅を狭くして微細化することができ、各LED２から発光される光の大半を光取り出し部３で外部に取り出すことができ、効率に優れた光半導体装置が得られる。
【００２３】
（第２の実施形態）
第２の実施形態は、LED２の構造と光取り出し部３の形状が第１の実施形態とは異なっている。
【００２４】
図４は本発明の第２の実施形態に係る光半導体装置の断面図、図５は上面図である。図４は、図５のＢ−Ｂ線断面図を示している。図示のように、第２の実施形態に係る光半導体装置は、GaAs基板１上に互いに分離して形成される複数のオーミック電極４（ｐ型電極）と、これらｐ型電極４の上面に形成されるInAlPからなるｐ型クラッド層５と、このｐ型クラッド層５の上面に形成されるInGaAlPからなる活性層６と、この活性層６の上面に形成されるInAlPからなるｎ型クラッド層７と、このｎ型クラッド層７の上面に互いに分離して形成されるｎ型InGaAlPからなる複数の光取り出し部３ａと、これら光取り出し部３の上面にそれぞれ形成される複数のｎ型電極１３とを備えている。
【００２５】
このように、第１の実施形態と異なり、図４の光半導体装置は、ｐ型クラッド層５と活性層６が層状に形成されている。
【００２６】
複数のｐ型電極４と複数のｎ型電極１３はそれぞれ対向配置されており、対向配置されたｐ型電極４とｎ型電極１３で挟まれた領域がそれぞれ光セル１０に対応する。
【００２７】
光取り出し部３ａは、テーパ状に加工されている。光取り出し部３ａの中心軸に沿って、対応するLED２ａが配置されている。このため、LED２ａで発光された種々の方向の光は、テーパ状に加工された光取り出し部３ａで反射されずに外部に効率よく取り出される。
【００２８】
図６は図４の光半導体装置の製造工程の一例を示す工程図である。以下、図６を用いて第２の実施形態に係る光半導体装置の製造工程を順に説明する。まず、図３（ａ）と同様に、GaAs基板１２上に、ｎ型InGaAlP層１１、InAlPからなるｎ型クラッド層７、InGaAlPからなる活性層６、InAlPからなるｐ型クラッド層５を、有機金属を原料とするCVD法（MOCVD）により順次形成する（図６（ａ））。
【００２９】
次に、パターニングにより、ｐ型クラッド層５上の光セル１０の形成箇所のみにｐ型電極４を形成する（図６（ｂ））。このとき、ｐ型電極４を形成しない領域には、例えばSiO2とAuの積層膜からなる反射膜を形成してもよい。
【００３０】
次に、ｐ型電極４を下にして、例えばSiやGaAs等からなる支持基板１上に、既知の接着技術を用いてｐ型電極４を接合する。その後、GaAs基板１２を選択エッチングにより除去する（図６（ｃ））。この結果、ｎ型InGaAlP層１１が表面に露出する。
【００３１】
次に、ｎ型InGaAlP層１１のうち、ｐ型電極４のそれぞれに対応する箇所をテーパ状に加工して光取り出し部３ａを形成する（図６（ｄ））。テーパ状の加工は、例えばリン酸を主成分とするウェットエッチングの結晶方位依存性を利用する方法や、レジストをテーパ状に加工しておき、レジストとInGaAlPの選択比が低い条件（例えば、Cl2とO2の混合ガス）によるドライエッチングなどにより形成してもよい。
【００３２】
その後、テーパ状に加工された光取り出し部３ａ上に、例えばAuGe合金からなるｎ型電極１３を形成して光半導体装置が完成する（図６（ｅ））。
【００３３】
このように、第２の実施形態では、ｐ型電極４とｎ型電極１３の組を基板上に複数個配置して複数のLED２ａを形成し、これらLED２ａに対応づけてテーパ状の光取り出し部３ａを設けるため、LED２ａで発光した種々の方向の光を光取り出し部３ａで反射させることなく、効率よく外部に取り出すことができる。
【００３４】
なお、第２の実施形態の光取り出し部３ａは、テーパ状に加工されているが、テーパ部分を曲線にして半球に近づけてもよい。また、第１の実施形態で説明した光取り出し部３ａを、半球状ではなく、テーパ状に変えてもよい。
【００３５】
（第３の実施形態）
第３の実施形態は、第１の実施形態に適用されるものであり、活性層６を微細加工する製造工程に特徴があるものである。
【００３６】
図７は本発明の第３の実施形態に係る光半導体装置の製造工程を示す工程図である。図７は、図２のＢ−Ｂ線の一部における断面構造を示している。まず、基板２１上に発光層２２を形成し、この発光層２２の上面にパターニングにより電極メタル層４を形成する（図７（ａ））。基板２１は、例えばGaAs基板１２上にｎ型InGaAlP層１１を形成したものである。発光層２２は、ｎ型クラッド層７、活性層６、ｐ型クラッド層５、およびｐ型GaAsコンタクト層２３を順に形成したものである。
【００３７】
電極メタル層４は、ｐ型GaAsコンタクト層２３の上で、光セル１０の領域とパッド８の領域に形成される。電極メタル層４は、Tr、Pt、Auなどの金属からなる。
【００３８】
次に、電極メタル層４をマスクとして、セルフアラインにより、発光層２２を除去する（図７（ｂ））。次に、基板全面にCVDにより絶縁膜２４（例えば、SiO2）を形成し、その後、パッド８上にレジスト２５を被覆する（図７（ｃ））。
【００３９】
次に、基板上のレジスト２５で覆われていない絶縁膜２４を異方性のエッチングにより除去する（図７（ｄ））。これにより、光セル１０上の絶縁膜２４が除去されて、電極メタル層４が露出する。
【００４０】
このとき、図７（ｄ）に示すように、光セル１０に隣接した領域３０の絶縁膜２４も除去される。ここに絶縁膜２４がないと、光セル１０の電極間に電圧を印加したときに、領域３０付近にリーク電流が流れてしまう。そこで、図７（ｅ）に示すように、光セル１０に隣接した領域３０に自己整合的に不純物イオン（例えばＢ）を注入して、高抵抗化または絶縁化された素子分離領域２６を形成する。
【００４１】
次に、基板全面に、反射膜を兼ねるメッキの下地となる金属層２７を形成し（図７（ｆ））、その後、基板全面に補強の金属層２８（例えばAu）をメッキ形成する（図７（ｇ））。
【００４２】
その後、第１および第２の実施形態と同様に、メッキされた面を下にして、支持基板に接合し、その後に、光取り出し部を形成する。
【００４３】
図８は第３の実施形態における図２のＢ−Ｂ線の一部における詳細な断面構造の一例を示す図である。
【００４４】
メッキ層２８の下面に、Ｖ／Ni／Auなどからなる金属層２９が形成され、その下面にSi等からなる支持基板１が形成される。
【００４５】
このように、第３の実施形態では、まず、光セル１０の形成領域に合わせて電極メタル層４をパターニングにより形成し、その後、電極メタル層４をマスクとしてセルフアラインにより発光層２２を除去するため、光セル１０を容易に微細化できる。光セル１０を微細化するほど、光取り出し部３に入射されない無駄な光量を減らすことができ、光を効率よく外部に取り出すことができる。
【００４６】
（第４の実施形態）
第４の実施形態は、第３の実施形態よりも製造工程を簡略化したものである。
【００４７】
図９は本発明の第４の実施形態に係る光半導体装置の製造工程を示す工程図である。セルフアラインにより発光層２２を除去する工程までは第３の実施形態と共通する（図９（ａ）、図９（ｂ））。
【００４８】
次に、基板全面に絶縁膜２４を形成し、その後、基板全面にレジスト２５ａを塗布して表面を平坦化し、引き続きレジスト２５ａの全面を絶縁膜２４に対して選択的にＲＩＥなどで異方性エッチングして、分離された発光層２２間のみにレジスト２５ａを残存させる。これにより、光セル１０とパッド８の上面に絶縁膜２４が露出される。
【００４９】
次に、基板全面に例えば感光性のレジスト２５ｂを塗布し、通常のフォトリソグラフィ法によりパッド８の上面のみにレジスト２５ｂを残存させる。これにより、光セル１０の上面のみ絶縁膜２４が露出される（図９（ｃ））。
【００５０】
このように、レジスト２５ａ，２５ｂの塗布を２回に分けて行う理由は、レジストのエッチングに当たり領域によってマスクしながら均一にエッチバックさせることは容易でないためであり、凹部になった光セル１０間と光セル１０およびパッド８間に先にレジスト２５ａを形成した後に、フォトリソグラフィ法でパッド８上のみにレジスト２５ｂを形成する。
【００５１】
次に、エッチバックにより、光セル１０上面の絶縁膜２４を除去して、光セル１０の電極メタル層４を露出させる（図９（ｄ））。
【００５２】
次に、基板全面に、反射膜を兼ねるメッキの下地となる金属層２７を形成し（図９（ｅ））、その後、基板全面に補強の金属層２８（例えばAu）をメッキ形成する（図９（ｆ））。
【００５３】
その後、第１および第２の実施形態と同様に、メッキされた面を下にして、支持基板に接合し、その後に、光取り出し部を形成する。
【００５４】
第４の実施形態は、エッチバックを行った際に、光セル１０の上面だけ絶縁膜２４を除去でき、光セル１０に隣接した絶縁膜２４は除去されない。したがって、エッチバックの後に素子分離のための不純物イオン注入を行う工程が不要となる。
【００５５】
このように、第４の実施形態によれば、第３の実施形態よりも簡易な製造工程で光半導体装置を製造できる。
【００５６】
（その他の実施形態）
上述した第１および第２の実施形態では、図２に示すように、複数の光セル１０を縦横に配置する例を説明したが、ライン状の光セルを複数配置してもよい。図１０はライン状の光セル１０ａを複数平行に配置した光半導体装置の一例を示す上面図、図１１は図１０のＣ−Ｃ線断面図である。図示のように、各LED２に対応づけてかまぼこ状の光取り出し部３が設けられる。図１０および図１１の光半導体装置においても、LED２で発光された光を効率よく光取り出し部３を介して外部に取り出すことができる。
【００５７】
本発明は、上記各実施形態に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。例えば、電極４，１３の配置・形状に関しては、クラッド層５，７の抵抗率と厚さから決まる電流広がりにより、どの部分まで活性層６が発光するかが決まるため、それらの値により適宜変更が可能である。また、チップのどの部分を光らせるかは、単に設計思想の範疇であり、本発明の各実施形態により限定されるものではない。
【００５８】
光取出し効率を向上させる手段としても、上記実施形態では、半球状の形状やテーパ形状を一例として挙げたが、本発明の趣旨である限定された発光領域に対応した箇所に個々に形成するという趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。
【００５９】
また、発光層２２を形成する半導体材料に関しても、上記実施形態ではInGaAlPを例として説明したが、他の材料に対しても適用が可能である。例えばGaAs、GaAlAs、GaP、GaAsP、GaN、InGaN、InGaAlN、GaNAsなどである。また、透明導電膜に関してもITOのみならずZrO、TiNなども使用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る光半導体装置の断面図。
【図２】本発明の第１の実施形態に係る光半導体装置の上面図。
【図３】図１の光半導体装置の製造工程の一例を示す工程図。
【図４】本発明の第２の実施形態に係る光半導体装置の断面図。
【図５】本発明の第２の実施形態に係る光半導体装置の上面図。
【図６】図４の光半導体装置の製造工程の一例を示す工程図。
【図７】本発明の第３の実施形態に係る光半導体装置の製造工程を示す工程図。
【図８】第３の実施形態における図２のＢ−Ｂ線の一部における詳細な断面構造の一例を示す図。
【図９】本発明の第４の実施形態に係る光半導体装置の製造工程を示す工程図。
【図１０】ライン状の光セルを複数平行に配置した光半導体装置の一例を示す上面図。
【図１１】図１０のＣ−Ｃ線断面図。
【符号の説明】
【００６１】
２  LED
３  光取り出し部
４  ｐ型電極
５  ｐ型クラッド層
６  活性層
７  ｎ型クラッド層
８  パッド
９  ITO膜
１０  光セル
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
2006165041.tif 000006
【図５】
2006165041.tif 000007
【図６】
2006165041.tif 000008
【図７】
2006165041.tif 000009
【図８】
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【図９】
2006165041.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
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