(57)【要約】      （修正有）【課題】電流のリークや断線をより防止することの可能な半導体光デバイスを提供する。【解決手段】半導体基板１０と、半導体基板上に、第１導電型の化合物半導体層２１と活性層２２と第２導電型の化合物半導体層２３とがこの順に積層されてなる化合物半導体積層部２０と、を備え、化合物半導体積層部が、ウエットエッチングによって形成される頂面５０及び傾斜側面６０を備える半導体光デバイス１において、頂面が半導体基板の表面に対して平行であって、傾斜側面のうち、頂面との境界辺が半導体基板の結晶方位[０１１]方向に対して±２０度以内の傾きを持つ傾斜側面の面積を、全傾斜側面の面積の和に対して、３０％以下にする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板と、
該半導体基板上に、第１導電型の化合物半導体層と活性層と第２導電型の化合物半導体層とがこの順に積層されてなる化合物半導体積層部と、を備え、
前記化合物半導体積層部が、ウエットエッチングによって形成される頂面及び傾斜側面を備える半導体光デバイスであって、
前記頂面が前記半導体基板の表面に対して平行であって、
前記傾斜側面のうち、前記頂面との境界辺が前記半導体基板の結晶方位[０１１]方向に対して±２０度以内の傾きを持つ傾斜側面の面積が、全傾斜側面の面積の和に対して、３０％以下であることを特徴とする半導体光デバイス。
【請求項２】
前記化合物半導体積層部は、前記第１導電型の化合物半導体層と前記活性層との間、及び前記第２導電型の化合物半導体層と前記活性層との間、のいずれか一方または両方に、バリア層を備えることを特徴とする請求項１に記載の半導体光デバイス。
【請求項３】
前記化合物半導体積層部はＡｌｘＩｎ１−ｘＳｂ（０≦ｘ≦１）からなり、前記バリア層はＡｌｙＩｎ１−ｙＳｂ（０≦ｙ≦１）からなり、さらに、前記バリア層のＡｌ組成比を決めるＡｌ比率ｙは、前記化合物半導体積層部のＡｌ組成比を決めるＡｌ比率ｘよりも大きいことを特徴とする請求項２に記載の半導体光デバイス。
【請求項４】
前記化合物半導体積層部のＡｌｘＩｎ１−ｘＳｂにおける前記Ａｌ比率ｘが０以上０．０８以下であり、前記バリア層のＡｌｙＩｎ１−ｙＳｂにおける前記Ａｌ比率ｙが０．１８以上０．５以下であることを特徴とする請求項３に記載の半導体光デバイス。
【請求項５】
前記頂面の形状が多角形であることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の半導体光デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は半導体光デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に波長が３μｍ以上の長波長帯の赤外線は、その熱的効果やガスによる赤外線吸収の効果から、人体を検知する人感センサや非接触温度センサ、及びガスセンサ等に使用されている。これらの使用例のうち、特にガスセンサは大気環境の監視や保護、さらには火災の早期検知などにも使用可能であり、近年注目されている。
上記赤外線を使用したガスセンサの原理は以下のようなものである。
【０００３】
まず、赤外線の光源と受光素子の間の空間に測定したいガスを注入する。特定のガスは特定の波長の赤外線を吸収するため、ガスの注入前と注入後の波長スペクトルを解析することでガスの種類や濃度を測定することができる。
ここで、赤外線の光源としては白熱球が使用されるが、白熱球から発せられる赤外線は白色光であるため、特定の波長を分光するためには受光素子側にフィルタを設ける必要がある。前記フィルタは高価であり、また赤外線の強度を弱めるため、ガスセンサの感度を低下させる。さらに白熱球の寿命が短いために頻繁に光源を交換する必要がある。
【０００４】
上記の様な問題を解決するためには光源として特定波長の赤外線を発する半導体の発光素子（ＬＥＤ：Ｌｉｇｈｔ  Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｄｉｏｄｅ）を使用することが有効である。ここで、上記発光素子を実現するためには、波長が３μｍ以上の長波長帯の赤外線を発光する素子が必要となるが、この波長領域では素子に対する周辺温度の影響が非常に大きく、室温で使用するには問題がある。上記発光素子は一般に波長が３μｍ以上の赤外線を発光可能なバンドギャップを有する半導体中に、いわゆるｐｎ接合ダイオード構造を形成し、前記ｐｎ接合ダイオードに順方向電流を流して接合部分である空乏層において電子と正孔とを再結合させることにより赤外線の発光を行う。
【０００５】
しかしながら、波長が３μｍ以上の赤外線を発光できる半導体のバンドギャップは０．４１ｅＶ以下と小さい。この様なバンドギャップの小さな半導体では、熱励起キャリアのために室温での真性キャリア密度が大きくなり、素子の抵抗が小さくなるので十分なｐｎダイオードの特性が得られない。これは真性キャリア密度が大きい場合、拡散電流や暗電流の様な素子の漏れ電流が大きくなるためである。
【０００６】
このため、これらの発光素子は熱励起キャリアを抑制するために、一般にペルチェ素子等の冷却機構が従来使用される。しかしながら上記の様な冷却機構は装置を大型かつ高価な物としてしまう問題がある。
上述した問題を解決するために、室温でも長波長帯の赤外線が発光可能である発光素子の研究開発が為されている。例えば非特許文献１に記載の発光素子は、ｐ型のインジウムアンチモン（ＩｎＳｂ）基板上にＩｎＳｂによるｐ−π−ｎ構造のダイオードを作成し、ｐ層とπ層の間に電子の拡散を抑制するためのＡｌＩｎＳｂのバリア層を用いることで、波長５．５μｍ以上の赤外線発光を室温で実現している。
【０００７】
下記非特許文献１のように、従来バンドギャップの小さな半導体材料では、一般的に電子の移動度が正孔の移動度に比べてはるかに大きいため、電子の漏れ電流（拡散電流や暗電流）を抑制することに重点が置かれていた。しかしながら、電子と正孔とを再結合させる発光素子に於いては電子だけでなく、正孔の暗電流や拡散電流も抑えることがさらなる素子特性の向上のために必要となる。
【０００８】
そのため、例えば、特許文献１には、第１のｎ型化合物半導体層１０２及びπ層１０５よりもバンドギャップが大きく、その拡散を抑制するｎ型ワイドバンドギャップ層１０３を第１のｎ型化合物半導体層１０２とπ層１０５との間に設けることで、正孔による暗電流を低減する技術が開示されている。
また、化合物半導体センサにおいて、非冷却、小型でありながら高いＳ／Ｎ比が得られる人感センサを提供することを目的にした発明が特許文献２に記載されている。特許文献２に記載された発明では、多段に直列接続された赤外線検出素子によって、対象物からの赤外線エネルギーを電気信号に変換して出力する技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】国際公開第２００９／１１３６８５号パンフレット
【特許文献２】国際公開第２００７／１２５８７３号パンフレット
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】Ｔ．  Ａｓｈｌｅｙ  ｅｔ  ａｌ．，  “Ｕｎｃｏｏｌｅｄ  ＩｎＳｂ／Ｉｎ１−ＸＡｌＸＳｂ  ｍｉｄ−ｉｎｆｒａｒｅｄ  ｅｍｉｔｔｅｒ，”  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ，  ６４（１８），  ２  Ｍａｙ  １９９４，  ｐｐ．  ２４３３−２４３５
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
ところで、半導体発光素子または受光素子を製造する場合、ウエットエッチングによりメサ構造部を形成する。半導体基板裏面から光が導入または放出される場合、メサ構造部は電流のリークや断線を防ぐために、滑らかな面であることが望ましい。
しかし、ウエットエッチングの際、その条件によってメサ構造部の斜面が不連続な構造になったり、大きいエッチピットが発生したりすることが課題となっている。
【００１２】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、電流のリークや断線をより防止することの可能な半導体光デバイスを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の一態様は、半導体基板（例えば図１に示す、半導体基板１０）と、該半導体基板上に、第１導電型の化合物半導体層（例えば図１に示す、第１導電型の化合物半導体層２１）と活性層（例えば図１に示す、活性層２２）と第２導電型の化合物半導体層（例えば図１に示す、第２導電型の化合物半導体層２３）とがこの順に積層されてなる化合物半導体積層部（例えば図１に示す、化合物半導体積層部２０）と、を備え、前記化合物半導体積層部が、ウエットエッチングによって形成される頂面（例えば図１に示す、頂面５０）及び傾斜側面（例えば図１に示す、傾斜側面６０）を備える半導体光デバイスであって、前記頂面が前記半導体基板の表面に対して平行であって、前記傾斜側面のうち、前記頂面との境界辺が前記半導体基板の結晶方位[０１１]方向に対して±２０度以内の傾きを持つ傾斜側面の面積が、全傾斜側面の面積の和に対して、３０％以下であることを特徴とする半導体光デバイス、である。つまり、頂面との境界辺が半導体基板の結晶方位〔０１１〕方向に対して±２０度以内の傾きを持つ傾斜側面を備えていないか、あるいは、そのような傾斜側面を備えていたとしても、境界辺が半導体基板の結晶方位[０１１]方向に対して±２０度以内の傾きを持つ傾斜側面の面積（このような傾斜側面を複数備える場合には複数の傾斜側面の面積の和）が、全傾斜側面の面積の和に対して、３０％以下である。
【００１４】
前記化合物半導体積層部は、前記第１導電型の化合物半導体層と前記活性層との間、及び前記第２導電型の化合物半導体層と前記活性層との間、のいずれか一方または両方に、バリア層（例えば図１に示す、バリア層２４）を備えていてよい。
前記化合物半導体積層部はＡｌｘＩｎ１−ｘＳｂ（０≦ｘ≦１）からなり、前記バリア層はＡｌｙＩｎ１−ｙＳｂ（０≦ｙ≦１）からなり、さらに、前記バリア層のＡｌ組成比を決めるＡｌ比率ｙは、前記化合物半導体積層部のＡｌ組成比を決めるＡｌ比率ｘよりも大きくてもよい。
【００１５】
前記化合物半導体積層部のＡｌｘＩｎ１−ｘＳｂにおける前記Ａｌ比率ｘが０以上０．０８以下であり、前記バリア層のＡｌｙＩｎ１−ｙＳｂにおける前記Ａｌ比率ｙが０．１８以上０．５以下であってもよい。
前記頂面の形状が多角形であってもよい。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の一態様によれば、エッチピットや不連続構造を低減することにより、電流のリークや断線を防ぐことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】第１実施形態における半導体光デバイスの断面模式図である。
【図２】第１実施形態及び第２実施形態の半導体光デバイスの平面視での表面模式図である。
【図３】第２実施形態における半導体光デバイスの断面模式図である。
【図４】実施例１における半導体光デバイスの、ウエットエッチング後の平面視での表面模式図の一例である。
【図５】実施例１における半導体光デバイスの、エッチピットの分布の一例である。
【図６】実施例２における半導体光デバイスの、ウエットエッチング後の平面視での表面模式図の一例である。
【図７】実施例３における半導体光デバイスの、ウエットエッチング後の平面視での表面模式図の一例である。
【図８】実施例４における半導体光デバイスの、ウエットエッチング後の平面視での表面模式図の一例である。
【図９】比較例１における半導体光デバイスの、ウエットエッチング後の平面視での表面模式図の一例である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明を実施するための形態（以下、本実施形態と称する）について、図面を参照しながら説明する。
なお、以下の説明において例示される材料、寸法、形状等は一例であって、本発明はそれらに限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲で適宜変更して実施することが可能である。また、本発明の効果を損ねない範囲で以下に記載していない層を備えていてもよい。
【００１９】
＜半導体光デバイス＞
本実施形態の半導体光デバイス１は、図１に示すように、半導体基板１０と、該半導体基板１０上に形成される化合物半導体積層部２０と、を備える。
そして、化合物半導体積層部２０に含まれる第１導電型の化合物半導体層２１と接して第１電極部３１が形成され、第２導電型の化合物半導体層２３と接して第２電極部３２が形成される。
次に、本実施形態に係る半導体光デバイス１の各構成要素について以下に記載する。
【００２０】
＜半導体基板＞
本実施形態の半導体光デバイス１において、半導体基板１０は、その上に所望の半導体積層部を形成することが可能なものであれば特に制限されない。
一例としては、Ｓｉ、ＧａＡｓ、ＧａＰ、ＩｎＰ基板への結晶成長が挙げられるがこの限りではない。半導体積層部の材料としてＩｎＳｂを用いる場合、半導体基板１０としてはＧａＡｓが好ましい。
【００２１】
＜化合物半導体積層部＞
本実施形態の半導体光デバイス１において、化合物半導体積層部２０は、第１導電型の化合物半導体層２１と、活性層２２と、バリア層２４と、第２導電型の化合物半導体層２３と、が積層されてなり、第１導電型の化合物半導体層２１から順に半導体基板１０上に積層される。
【００２２】
化合物半導体積層部２０は、半導体基板１０上に、第１導電型の化合物半導体層２１と、活性層２２と、第２導電型の化合物半導体層２３とがこの順で積層されたものであれば特に制限されない。
また、第１導電型の化合物半導体層２１と、活性層２２と、第２導電型の化合物半導体層２３以外の層を各層の間や上層、下層に設けてもよく、図１に示すように、活性層２２と第２導電型の化合物半導体層２３との間にバリア層２４を設けてもよい。
【００２３】
化合物半導体積層部２０の材料は、半導体光デバイス１に適したものであれば特に制限されない。一例として、ＩｎＳｂ、ＡｌＳｂ、ＩｎＡｓ、ＡｌＡｓや、これらの混晶などが挙げられるが、この限りではない。
結晶性を高め、高い発光効率を得るという観点から、第１導電型の化合物半導体層２１、活性層２２、及び第２導電型の化合物半導体層２３は同じ材料であることが望ましい。
また、バリア層２４は同様の観点から、臨界膜厚以下であることが望ましい。
【００２４】
＜第１導電型の化合物半導体層＞
第１導電型の化合物半導体層２１をｐ型半導体層とする場合、所望の半導体層にドープしたときにｐ型半導体となるようなドーパントを注入して、第１導電型の化合物半導体層２１を形成すればよい。また、第１導電型の化合物半導体層２１をｎ型半導体層とする場合、所望の半導体層にドープしたときにｎ型半導体となるようなドーパントを注入して第１導電型の化合物半導体層２１を形成すればよい。半導体層としてＩｎＳｂを用いる場合、ｐ型ドーパントとしてはＺｎが挙げられ、ｎ型ドーパントとしてはＳｎが挙げられる。
また、第１導電型の化合物半導体層２１の厚みは特に制限されないが、第１電極部３１を接続するための頂面を作製することと、成膜の所要時間との観点から０．５μｍ以上５μｍ以下が好ましい。
【００２５】
＜バリア層＞
第１導電型の化合物半導体層２１と活性層２２との間、及び第２導電型の化合物半導体層２３と活性層２２との間のどちらか一方、または両方にバリア層２４を設ける場合、バリア層２４は、第１導電型の化合物半導体層２１と、活性層２２と、第２導電型の化合物半導体層２３とのうちのいずれよりもバンドギャップの広い材料であるならば特に制限されない。
【００２６】
また、半導体基板１０上で、結晶品質を保つという観点から、半導体基板１０がＧａＡｓである場合、第１導電型の化合物半導体層２１、活性層２２、及び第２導電型の化合物半導体層２３がＡｌｘＩｎ１−ｘＳｂ（０≦ｘ≦１）からなり、バリア層２４がＡｌｙＩｎ１−ｙＳｂ（０≦ｙ≦１）からなり、バリア層のＡｌ組成比を決めるＡｌ比率ｙは、第１導電型の化合物半導体層２１、活性層２２、及び第２導電型の化合物半導体層２３のＡｌ組成比を決めるＡｌ比率ｘよりも大きいことが好ましい。十分な拡散電流の防止障壁を得るという観点から、Ａｌ比率ｘが０以上０．０８以下であり、Ａｌ比率ｙが０．１８以上０．５以下であることが好ましい。
【００２７】
バリア層２４は、第１導電型の化合物半導体層２１、活性層２２及び第２導電型の化合物半導体層２３が、波長３μｍ以上の長波長帯の赤外線を吸収及び発生させるようなナローバンドの半導体材料であり、半導体光デバイス１が室温において利用されることを想定した時、熱励起の影響を受ける場合に必要となるが、構造上必要なければ含まれていなくても良い。このような材料の場合、バリア層２４が存在することで、熱励起されたキャリアによる暗電流や拡散電流を抑制することができる。
【００２８】
＜活性層＞
活性層２２は、電流が流れ、電圧降下が起きると発光するという観点から、フェルミ準位がバンドギャップの中央付近に来るようドープされていることが望ましい。
また、発光再結合が容易に行われるような設計にするという観点から、活性層２２は、第１導電型の化合物半導体層２１及び第２導電型の化合物半導体層２３の、いずれよりもバンドギャップが小さいことが望ましい。
【００２９】
＜第２導電型の化合物半導体層＞
本実施形態の半導体光デバイス１に用いられる第２導電型の化合物半導体層２３は、第１導電型の化合物半導体層２１と異なる導電型の半導体からなるものである。第１導電型の化合物半導体層２１がｎ型半導体層である場合、第２導電型の化合物半導体層２３はｐ型半導体層となり、第１導電型の化合物半導体層２１がｐ型半導体層である場合、第２導電型の化合物半導体層２３はｎ型半導体層となる。
【００３０】
＜電極部＞
本実施形態の半導体光デバイス１は、化合物半導体積層部２０にキャリアを注入するため、または、化合物半導体積層部２０で発生したキャリアを外部に取り出すために、電極部３０を備えていてもよい。電極部３０の形状は特に制限がなく、材料は公知の電極材料を用いることができ、例えば、Ａｕやその合金が挙げられる。
【００３１】
第１電極部３１は第１導電型の化合物半導体層２１と接触し、第２電極部３２は第２導電型の化合物半導体層２３と接触する。図１に示すように、第１電極部３１及び第２電極部３２がそれぞれ保護膜４０の上に作製されることで、絶縁された別の化合物半導体積層部と直列に繋いだり、ワイヤーボンディング用の電極パッドに繋いだりすることができる。
各電極部３１、３２と、第１導電型、第２導電型の化合物半導体層２１、２３との界面は、無駄な抵抗をなくし、接合温度が上がらないように、オーミック接触であることが望ましい。
【００３２】
＜保護膜＞
本実施形態の半導体光デバイス１は、電極部３０と化合物半導体積層部２０との絶縁を保つため、または、傾斜側面への付着物などによるリークパスを抑制するために、保護膜４０を備えていてもよい。
保護膜４０の材料は絶縁物質が用いられ、一例としてＳｉ酸化膜が挙げられる。保護膜４０は化合物半導体積層部２０の表面全体を覆うように形成され、電極部３０（第１電極部３１及び第２電極部３２）との接合部分に通電窓４０ａ、４０ｂが存在する。図１の通電窓４０ａ、４０ｂは一例であり、位置や形状は限定されない。
【００３３】
＜頂面＞
本実施形態の半導体光デバイス１における頂面５０とは、ウエットエッチングにより形成される、第２導電型の化合物半導体層２３の表面、すなわち平面視における第２導電型の化合物半導体層２３の上面であって、半導体基板１０の表面に対して平行となる面である。第２電極部との接触のため頂面５０を持つように、ベーキングやウエットエッチング条件の調整を行う。頂面５０の平面形状は多角形であり、図１では矩形状である。本実施形態では、後述の傾斜側面６０のうち、頂面５０との境界辺が半導体基板１０の結晶方位[０１１]方向に対して±２０度以内の傾きを持つ傾斜側面６０の面積（複数ある場合には複数の傾斜側面６０の和）が、全傾斜側面の面積の和に対して、３０％以下となるように作製される。つまり、頂面との境界辺が半導体基板の結晶方位〔０１１〕方向に対して±２０度以内の傾きを持つ傾斜側面６０を備えていないか、あるいはそのような傾斜側面６０を備えていたとしても、境界辺が半導体基板１０の結晶方位[０１１]方向に対して±２０度以内の傾きを持つ傾斜側面６０の面積（このような傾斜側面を複数備える場合には複数の傾斜側面の面積の和）が、全傾斜側面の面積の和に対して、３０％以下となるように作製される。
頂面５０の平面形状は、ウエットエッチング時にエッチングされる面方位を揃えるという観点から多角形であることが好ましい。
【００３４】
＜傾斜側面＞
本実施形態の半導体光デバイス１における傾斜側面６０とは、ウエットエッチングにより形成される、化合物半導体積層部２０のメサ構造部２０ａの、頂面５０から第１導電型の化合物半導体層２１までの斜面部分を指す。化合物半導体積層部２０の各層の材料やウエットエッチング条件により、不連続な形状となったり、くぼみが存在したりする場合がある。本実施形態における半導体光デバイス１では、傾斜側面６０のうち、頂面５０との境界辺が半導体基板１０の結晶方位[０１１]方向に対して±２０度以内の傾きを持つ傾斜側面６０の面積が、全傾斜側面の面積の和に対して、３０％以下となるように作製されることにより、不連続な形状やくぼみ（エッチピットとも称する）の発生を抑制することができるとともに、抵抗値の面内ばらつきも抑制することができる。
以下、図面を参酌しながら本発明を実施するためのより具体的な形態を説明する。なお、各実施形態における構成要件については上述の説明が参酌される。
【００３５】
＜第１実施形態＞
まず、第１実施形態について説明する。
第１実施形態に係る半導体光デバイスは、受光センサとしての半導体光デバイス１であって、その断面模式図は図１と同様である。
図１に示すように、半導体光デバイス１は半絶縁性の半導体基板１０と、化合物半導体積層部２０と、前記化合物半導体積層部２０に接触している電極部３０と、保護膜４０とを備える。
【００３６】
化合物半導体積層部２０は、第１導電型の化合物半導体層２１と、活性層２２と、バリア層２４と、第２導電型の化合物半導体層２３とからなる。また、化合物半導体積層部２０は、ウエットエッチングによって形成されるメサ構造部２０ａに含まれる、頂面５０と傾斜側面６０とを有し、第１電極部３１は第１導電型の化合物半導体層２１と接触し、第２電極部３２は頂面５０で第２導電型の化合物半導体層２３と接触する。
【００３７】
図２は第１実施形態に係る半導体光デバイス１を平面視したときの模式図である。なお、図２では、電極部３０や保護膜４０等は図示していない。また、図２において、縦軸は、半導体基板１０の結晶方位[０１１]方向を表し、横軸は、半導体基板１０の結晶方位[０１−１]方向を表す。
図２に示すように、化合物半導体積層部２０は、平面形状が矩形の頂面５０と、この頂面５０とその４辺で接する４面の傾斜側面６０（６０ａ〜６０ｄ）とを有する。また、平面視でメサ構造部２０ａの周囲は、第１導電型の化合物半導体層２１が露出するまでエッチングされている。
【００３８】
ここで、図２では頂面５０は平面形状が矩形であるが、本発明では、頂面の平面形状は限定されない。
図２に示すように、半導体光デバイス１は、４面の傾斜側面６０のうち、頂面５０と傾斜側面６０との境界辺Ｌ１〜Ｌ４が、半導体基板１０の結晶方位[０１１]方向に対して±２０度以内の傾きを持つ傾斜側面の面積が、全傾斜側面の面積の和に対して、３０％以下である。図２においては、半導体光デバイス１の頂面５０と傾斜側面６０との境界辺Ｌ１〜Ｌ４のうち、長辺であるＬ１及びＬ３が半導体基板１０の結晶方位［０１１］に対して＋３０度傾いており、短辺であるＬ２及びＬ４が、−６０度傾いている。したがって、±２０度以内の傾きを持つ傾斜側面の面積は０％である。
第１実施形態に記載の半導体光デバイス１は、被検出光が平面視で半導体基板１０の裏面から入射して活性層２２まで侵入した場合、光は活性層２２で吸収されて電子とホールが生成され、光センサの出力電圧が発生する。つまり、受光センサとして動作することになる。
【００３９】
＜第２実施形態＞
次に、第２実施形態について説明する。
第２実施形態に係る半導体光デバイスは、発光ダイオードとしての半導体光デバイス２である。
図３は、第２実施形態に係る半導体光デバイス２の断面模式図である。半導体光デバイス２は半絶縁性の半導体基板１０と、化合物半導体積層部２０と、化合物半導体積層部２０の第１導電型の化合物半導体層２１、第２導電型の化合物半導体層２３と接触している電極部３０（第１電極部３１、第２電極部３２）と、保護膜４０とを備える。化合物半導体積層部２０は第１導電型の化合物半導体層２１と、バリア層２５と、活性層２２と、バリア層２４と、第２導電型の化合物半導体層２３とが、第１導電型の化合物半導体層２１から順に、半導体基板１０上に積層されてなる。
【００４０】
なお、第１実施形態と同様に、半導体基板１０上で、結晶品質を保つという観点から、半導体基板１０がＧａＡｓである場合、第１導電型の化合物半導体層２１、活性層２２、及び第２導電型の化合物半導体層２３がＡｌｘＩｎ１−ｘＳｂ（０≦ｘ≦１）からなり、バリア層２４、２５がＡｌｙＩｎ１−ｙＳｂ（０≦ｙ≦１）からなり、バリア層２４、２５のＡｌ組成比を決めるＡｌ比率ｙは、第１導電型の化合物半導体層２１、活性層２２、及び第２導電型の化合物半導体層２３のＡｌ組成比を決めるＡｌ比率ｘよりも大きいことが好ましく、十分な拡散電流の防止障壁を得るという観点から、Ａｌ比率ｘが０以上０．０８以下であり、Ａｌ比率ｙが０．１８以上０．５以下であることが好ましい。
【００４１】
また、化合物半導体積層部２０は、ウエットエッチングによって形成されるメサ構造部２０ａに含まれる、頂面５０と傾斜側面６０とを有し、第１電極部３１はウエットエッチングによって露出された第１導電型の化合物半導体層２１と接触し、第２電極部３２は頂面５０で第２導電型の化合物半導体層２３と接触する。
そして、この第２実施形態に係る発光ダイオードとしての半導体光デバイス２の表面模式図は、前述の図２と同様に表される。
【００４２】
すなわち、上記第１実施形態と同様に、化合物半導体積層部２０のメサ構造部２０ａは、平面形状が矩形の頂面５０と、この頂面５０とその４辺で接する４面の傾斜側面６０（６０ａ〜６０ｄ）を有する。また、平面視でメサ構造部２０ａの周囲は第１導電型の化合物半導体層２１が露出するまでエッチングされる。ここで、図２中では頂面５０の平面形状は矩形であるが、本発明では、頂面の平面形状は限定されない。
【００４３】
第２実施形態においても第１実施形態と同様に、傾斜側面６０のうち、頂面５０との境界辺が半導体基板１０の結晶方位[０１１]方向に対して±２０度以内の傾きを持つ傾斜側面６０の面積は、全傾斜側面の面積の和に対して、３０％以下である。
第２実施形態に記載の半導体光デバイス２に順方向電流を流すと、活性層２２でキャリアを再結合させることで発光する。
【００４４】
この発光ダイオードとしての半導体光デバイス２は、第１実施形態における受光センサとしての半導体光デバイス１において、第１導電型の化合物半導体層２１と活性層２２との間にさらにバリア層２５を備える点で異なっている。このバリア層２５を備える理由は、第２導電型の化合物半導体層２１で生成したキャリアの、活性層２２への拡散電流を抑制し、暗電流を低減するとともに、活性層２２で熱励起によって発生したキャリアの拡散を抑止するためである。
【００４５】
そして、上記第１実施形態及び第２実施形態では、電流のリークを防ぐ等の目的で、傾斜側面６０に保護膜４０を備えている。
ここで、傾斜側面６０が半導体基板１０の結晶方位[０１１]方向に対して傾きを持たない従来の半導体光デバイスでは、傾斜側面６０が、ウエットエッチングの条件や材料の特性によって不連続な構造となったり、エッチピットが多くなったりすると、保護膜４０の被覆性が悪くなり、電流のリークが起こったり、電極の断線が起こる可能性が大きくなる。
【００４６】
傾斜側面６０に生じる不連続な構造は化合物半導体積層部２０内の各層を構成する材料が異なることで、エッチングレートが変化した時に生じる。また、エッチピットは結晶方位によってエッチングのされやすさが違うことによって生じる。具体例については後述の実施例で記載する。
このように保護膜４０の被覆性が悪くなると、高温高湿など、環境条件によっては水分が入り込むことでデバイスとして機能しなくなる可能性がある。また、電流のリークが起こると、活性層２２に注入されるキャリアが少なくなってしまうので発光効率が小さくなってしまう。このような理由から、滑らかな傾斜側面６０を得ることは重要であるといえる。
【００４７】
本実施形態のように、傾斜側面６０のうち、頂面５０との境界辺が、半導体基板１０の結晶方位[０１１]方向に対して±２０度以内の傾きを持つ傾斜側面６０の面積が、全傾斜側面の面積の和に対して、３０％以下となる構造にすることによって、エッチピット及び不連続性の少ない面を得ることができる。これに関しては後述の実施例で記載する。
【実施例】
【００４８】
頂面５０と傾斜側面６０との境界辺に沿う結晶方位を半導体基板１０の結晶方位[０１１]方向から傾けた時に得られる効果について検討した。
＜実施例１＞
＜化合物半導体積層部の形成＞
Ｒｉｂｅｒ社製の分子線エピタキシャル成長装置「ＭＢＥ４９」を用いて、ＧａＡｓ基板（半導体基板１０）上に、第１導電型の化合物半導体層２１としてＳｎを１×１０１９ｃｍ−３ドープしたｎ型Ａｌ０．０３Ｉｎ０．９７Ｓｂと、バリア層２５としてＳｎを１×１０１９ｃｍ−３ドープしたｎ型Ａｌ０．１８Ｉｎ０．８２Ｓｂと、活性層２２としてノンドープのＡｌ０．０３Ｉｎ０．９７Ｓｂと、バリア層２４としてＺｎを１×１０１８ｃｍ−３ドープしたｐ型Ａｌ０．１８Ｉｎ０．８２Ｓｂと、第２導電型の化合物半導体層２３としてＺｎを１×１０１８ｃｍ−３ドープしたｐ型Ａｌ０．０３Ｉｎ０．９７Ｓｂと、をこの順に積層し、化合物半導体積層部２０を形成した。
【００４９】
＜ウエットエッチング＞
次に、得られた化合物半導体積層部２０の一部をウエットエッチングし、化合物半導体積層部２０に頂面５０及び傾斜側面６０を形成した。
具体的には、化合物半導体積層部２０上にレジストを塗布し、長辺１８０μｍ、短辺６０μｍの矩形状のマスクパターンを、その長辺をＧａＡｓ基板の結晶方位[０１１]方向に合わせたところから６０度傾け、その状態でレジストを露光し、現像して矩形状のレジストパターンを形成した。そして、塩酸と過酸化水素の混合液をエッチャントとしてウエットエッチングを行い、第１導電型の化合物半導体層２１を露出させることで、化合物半導体積層部２０に頂面５０及び傾斜側面６０を形成した。
【００５０】
すなわち、実施例１では、傾斜側面６０のうち、頂面５０との境界辺がＧａＡｓ基板の結晶方位[０１１]方向に対して±２０度以内の傾きを持つ傾斜側面６０の面積を、全傾斜側面の面積の和に対して０％とした。以下、全傾斜側面の面積の和に対する、頂面５０との境界辺がＧａＡｓ基板の結晶方位[０１１]方向に対して±２０度以内の傾きを持つ傾斜側面６０の面積を、傾き傾斜側面率ともいう。
【００５１】
＜エッチピットのカウント＞
実施例１における半導体デバイスを、キーエンス社製のレーザー顕微鏡「ＶＫ９５１０」を用いて、倍率１０００倍で撮影した。図４は、その撮像図を模式的に示したものであり、実施例１における半導体デバイスの、表面模式図を表す。
撮像図において、全傾斜側面（図４の場合には４面）に存在するエッチピットの数をカウントした。エッチピットとしては長径が１μｍ以上の大きさのエッチピットをカウントした。実施例１における半導体光デバイスの傾斜側面６０では、図５に「○印」で示す位置にエッチピットが確認され、その数は、１８個であった。
【００５２】
＜実施例２＞
次に、実施例２における半導体デバイスを説明する。
実施例２における化合物半導体積層部２０は、マスクパターンを、その長辺をＧａＡｓ基板（半導体基板１０）の結晶方位[０１１]方向に合わせたところから４５度傾け、その状態でレジストを露光した以外は、実施例１と同様の方法で化合物半導体積層部２０に頂面５０と傾斜側面６０とを形成した。
【００５３】
すなわち、実施例２では、傾斜側面６０のうち、頂面５０との境界辺がＧａＡｓ基板の結晶方位[０１１]方向に対して±２０度以内の傾きを持つ傾斜側面６０の面積が、全傾斜側面の面積に対して０％とした。
図６に、実施例１と同様の手順で撮影した実施例２における半導体デバイスの撮像図を模式的に示した表面模式図を示す。図６における全傾斜側面に存在するエッチピットの数をカウントしたところ、実施例２における半導体光デバイスの全傾斜側面に存在するエッチピットは２２個であった。
【００５４】
＜実施例３＞
次に、実施例３における半導体デバイスを説明する。
実施例３における化合物半導体積層部２０は、マスクパターンを、その長辺をＧａＡｓ基板（半導体基板１０）の結晶方位[０１１]方向に合わせたところから３０度傾け、その状態でレジストを露光した以外は、実施例１と同様の方法で化合物半導体積層部２０に頂面５０と傾斜側面６０とを形成した。
【００５５】
すなわち、実施例３では、傾斜側面６０のうち、頂面５０との境界辺がＧａＡｓ基板の結晶方位[０１１]方向に対して±２０度以内の傾きを持つ傾斜側面６０の面積を、全傾斜側面の面積の和に対して、０％とした。
図７に、実施例１と同様の手順で撮影した実施例３における半導体デバイスの撮像図を模式的に示した表面模式図を示す。図７における全傾斜側面に存在するエッチピットの数をカウントしたところ、実施例３における半導体光デバイスの全傾斜側面に存在するエッチピットは３４個であった。
【００５６】
＜実施例４＞
次に、実施例４における半導体デバイスを説明する。
実施例４における化合物半導体積層部２０は、マスクパターンを、その長辺をＧａＡｓ基板（半導体基板１０）の結晶方位[０１１]方向に合わせたところから９０度傾け、その状態でレジストを露光した以外は、実施例１と同様の方法で化合物半導体積層部２０に頂面５０と傾斜側面６０とを形成した。
【００５７】
すなわち、実施例４では、傾斜側面６０のうち、頂面５０との境界辺がＧａＡｓ基板の結晶方位[０１１]方向に対して±２０度以内の傾きを持つ傾斜側面６０の面積を、全傾斜側面の面積の和に対して約２５％とした。つまり、平面形状が矩形（長方形）の頂面５０の短辺における、頂面５０と傾斜側面６０との境界辺が、ＧａＡｓ基板（半導体基板１０）の結晶方位[０１１]方向に対して０度であり、該短辺を境界辺とする２つの傾斜側面６０の面積の和が、全傾斜側面（つまり、４面）の面積の和に対して約２５％となるようにした。
【００５８】
図８に、実施例１と同様の手順で撮影した実施例４における半導体デバイスの撮像図を模式的に示した表面模式図を示す。図８における全傾斜側面に存在するエッチピットの数をカウントしたところ、実施例４における半導体光デバイスの全傾斜側面に存在するエッチピットは４３個であった。
【００５９】
＜比較例１＞
比較例１における化合物半導体積層部２０は、マスクパターンを、その長辺をＧａＡｓ基板（半導体基板１０）の結晶方位[０１１]方向に合わせたところから傾けない状態で、レジストを露光した以外は、実施例１と同様の方法で化合物半導体積層部２０に頂面５０と傾斜側面６０とを形成した。
【００６０】
すなわち、比較例１では、傾斜側面６０のうち、頂面５０との境界辺がＧａＡｓ基板の結晶方位[０１１]方向に対して±２０度以内の傾きを持つ傾斜側面６０の面積を、全傾斜側面の面積の和に対して約７５％とした。つまり、平面形状が矩形（長方形）の頂面５０の長辺における、頂面５０と傾斜側面６０との境界辺が、ＧａＡｓ基板（半導体基板１０）の結晶方位[０１１]方向に対して０度であり、該長辺を境界辺とする２つの傾斜側面６０の面積の和が、全傾斜側面の面積の和に対して約７５％となるようにした。
【００６１】
図９に、実施例１と同様の手順で撮影した比較例１における半導体デバイスの撮像図を模式的に示した表面模式図を示す。図９における傾斜側面６０に存在するエッチピットの数をカウントしたところ、比較例１における半導体光デバイスの全傾斜側面に存在するエッチピットは１００個であった。
上述の実施例１〜４及び比較例１における半導体光デバイスの全傾斜側面に存在するエッチピットの数を表１に示す。
【００６２】
【表１】
2015088602.tif 000003
表１に示すエッチピット数の測定結果より、本発明を適用した実施例１〜４はいずれも、比較例１よりもエッチピットの数が少ないことが分かる。特に、実施例１と比較例１との比較では、エッチピット数を２割程度にまで抑えることができた。
【００６３】
なお、表１に示す実施例１〜４を除く条件で、同様の手順で化合物半導体積層部２０に頂面５０及び傾斜側面６０を形成し、全傾斜側面に存在するエッチピットをカウントして評価を行なったところ、傾斜側面６０のうち、頂面５０との境界辺がＧａＡｓ基板の結晶方位[０１１]方向に対して±２０度以内の傾きを持つ傾斜側面６０が存在しないか、あるいは、存在する場合であっても、境界辺がＧａＡｓ基板の結晶方位[０１１]方向に対して±２０度以内の傾きを持つ傾斜側面の面積を、全傾斜側面の面積に対して３０％以下とした場合に良好な結果を得られることが確認された。
【００６４】
以上から、本発明を適用した実施例のほうが、従来の半導体光デバイス、すなわち、半導体基板１０の結晶方位[０１１]方向と、頂面５０と傾斜側面６０との境界辺との関係を考慮せずにメサ構造を形成する場合に比較して、保護膜４０や電極部３０の密着性が高くなり、保護膜４０の被覆性は上がり、電極部３０の断線リスクや電流リークを低減することができることがわかる。
【００６５】
なお、本発明の範囲は、図示され記載された例示的な実施形態に限定されるものではなく、本発明が目的とするものと均等な効果をもたらすすべての実施形態をも含む。さらに、本発明の範囲は、すべての開示されたそれぞれの特徴のうち特定の特徴のあらゆる所望する組み合わせによって画されうる。
【産業上の利用可能性】
【００６６】
本発明の半導体光デバイスは、受光センサあるいは発光ダイオードとして好適である。
【符号の説明】
【００６７】
１、２  半導体光デバイス
１０  半導体基板
２０  化合物半導体積層部
２１  第１導電型の化合物半導体層
２２  活性層
２３  第２導電型の化合物半導体層
２４、２５  バリア層
３０  電極部
３１  第１電極部
３２  第２電極部
４０  保護膜
４０ａ、４０ｂ  通電窓
５０  頂面
６０  傾斜側面
【図１】
2015088602.tif 000004
【図２】
2015088602.tif 000005
【図３】
2015088602.tif 000006
【図４】
2015088602.tif 000007
【図５】
2015088602.tif 000008
【図６】
2015088602.tif 000009
【図７】
2015088602.tif 000010
【図８】
2015088602.tif 000011
【図９】
2015088602.tif 000012