(57)【要約】【課題】ウインドウ層に適用できる材料の選択の自由度が高く、製造コストを抑制できる半導体発光素子及び半導体発光素子の製造方法を提供する。【解決手段】半導体発光素子１は、ウインドウ層２と、半導体層３とを備えている。半導体層３は、ウインドウ層２側から順に、ｎ型クラッド層４と、第１発光層５と、第２発光層６と、ｐ型クラッド層７と、反射層８とが積層されている。ウインドウ層２は、数μｍ〜数百μｍの厚みを有し、赤外線を透過できる絶縁性のガラスからなる。ウインドウ層２は、熱圧着によりｎ型クラッド層４に貼り付けられている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
赤外線を発光可能な発光層を含む半導体層と、
前記赤外線を透過可能な絶縁性のウインドウ層とを備え、
前記ウインドウ層は、前記半導体層に貼り付けられていることを特徴とする半導体発光素子。
【請求項２】
前記発光層は、波長の異なる赤外線を発光可能な第１発光層及び第２発光層を有することを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
【請求項３】
前記発光層から発光された赤外線を反射可能な反射層を備えたことを特徴とする請求項１又は２のいずれか１項に記載の半導体発光素子。
【請求項４】
成長基板上に赤外線を発光可能な発光層を含む半導体層を形成する半導体層形成工程と、
前記成長基板を除去する基板除去工程と、
前記成長基板が除去された領域の前記半導体層に、前記赤外線を透過可能な絶縁性のウインドウ層を貼り付ける貼付工程とを備えたことを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
【請求項５】
前記貼付工程では、前記ウインドウ層と前記半導体層とが熱圧着又は陽極接合によって貼り付けられていることを特徴とする請求項４に記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項６】
前記貼付工程では、前記ウインドウ層と前記半導体層とがポリマー接合によって貼り付けられていることを特徴とする請求項４に記載の半導体発光素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、赤外線を発光可能な半導体発光素子及び半導体発光素子の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ＩｒＤＡ光通信などに用いられる赤外線を発光可能な半導体発光素子及びその製造方法が知られている。
【０００３】
例えば、赤外線を発光可能な半導体発光素子として、成長基板上に成長させた赤外線を発光可能な発光層と、発光層よりも赤外線の照射側に設けられたウインドウ層と、ウインドウ層の上面の一部に設けられた電極とを備えたものが知られている。このような半導体発光素子においては、ウインドウ層を厚く（例えば、数十μｍ以上）形成することによって、発光層とウインドウ層の表面との距離を大きくしている。
【０００４】
これにより、ウインドウ層の表面と外部との界面における赤外線の入射角を小さくして、赤外線の全反射を抑制することができる。これらの結果、外部へ照射される赤外線の強度を向上させている。
【０００５】
しかしながら、一般に、ウインドウ層は、数十μｍ〜数百μｍの厚みを必要とするが、このようなウインドウ層をＭＯＣＶＤ法などの気相成長法を用いて半導体層により成長させると、非常に長い成長時間を必要とし、製造が困難であるといった問題があった。
【０００６】
そこで、特許文献１には、ＧａＡｓ基板上に成長させたＡｌＧａＡｓ層からなる発光層と、発光層よりも赤外線の照射側に設けられたＡｌＧａＡｓ層からなるウインドウ層（出力結合層）と、ウインドウ層の上面の一部に設けられ電極とを備えた半導体発光素子が開示されている。この特許文献１の半導体発光素子では、発光層までを気相成長法によってエピタキシャル成長させた後、液相成長法によってウインドウ層をエピタキシャル成長させている。これによって、特許文献１の半導体発光素子では、数十μｍ以上の厚みを有するウインドウ層を容易に形成することができた。
【特許文献１】特表２０００−５１６７６８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、液相成長法によりウインドウ層をエピタキシャル成長させる場合、ウインドウ層と、ウインドウ層の下層に形成されている発光層を含む半導体層との格子整合の点からウインドウ層に適用できる材料が限定されているといった課題がある。このため、安価な材料によりウインドウ層を形成することができず、製造コストが増大するといった課題がある。
【０００８】
本発明は、上述した課題を解決するために創案されたものであり、ウインドウ層に適用できる材料の選択の自由度が高く、製造コストを抑制できる半導体発光素子及び半導体発光素子の製造方法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】
【０００９】
上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、赤外線を発光可能な発光層を含む半導体層と、前記赤外線を透過可能な絶縁性のウインドウ層とを備え、前記ウインドウ層は、前記半導体層に貼り付けられていることを特徴とする半導体発光素子である。
【００１０】
また、請求項２に記載の発明は、前記発光層は、波長の異なる赤外線を発光可能な第１発光層及び第２発光層を有することを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子である。
【００１１】
また、請求項３に記載の発明は、前記発光層から発光された赤外線を反射可能な反射層を備えたことを特徴とする請求項１又は２のいずれか１項に記載の半導体発光素子である。
【００１２】
また、請求項４に記載の発明は、成長基板上に赤外線を発光可能な発光層を含む半導体層を形成する半導体層形成工程と、前記成長基板を除去する基板除去工程と、前記成長基板が除去された領域の前記半導体層に、前記赤外線を透過可能な絶縁性のウインドウ層を貼り付ける貼付工程とを備えたことを特徴とする半導体発光素子の製造方法である。
【００１３】
また、請求項５に記載の発明は、前記貼付工程では、前記ウインドウ層と前記半導体層とが熱圧着又は陽極接合によって貼り付けられていることを特徴とする請求項４に記載の半導体発光素子の製造方法である。
【００１４】
また、請求項６に記載の発明は、前記貼付工程では、前記ウインドウ層と前記半導体層とがポリマー接合によって貼り付けられていることを特徴とする請求項４に記載の半導体発光素子の製造方法である。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の半導体発光素子によれば、半導体層とウインドウ層とを貼り付けているので、半導体層とウインドウ層とを構成する材料の格子整合を考慮することなくウインドウ層の材料を選択することができる。これによってウインドウ層を構成する材料の選択の自由度を高めることができるので、ガラスなどの安価な材料や赤外線を透過し易い材料などを選択することができる。更に、厚くすることが簡単な材料を選択することにより、ウインドウ層を容易に厚くすることができる。
【００１６】
また、異なる波長の赤外線を発光可能な第１発光層及び第２発光層を設けることによって、１つの半導体発光素子で２つの用途に使用することができる。
【００１７】
また、反射層を設けることによって、所望の方向と異なる方向に進行する赤外線を所望の方向へと反射させることができるので、発光強度を向上させることができる。
【００１８】
また、成長基板を除去することにより、成長基板により赤外線が吸収されることを抑制できるので、外部へ照射される赤外線の強度をより向上させることができる。
【００１９】
また、半導体層とウインドウ層とを熱圧着又は陽極酸化により貼り付けることによって、半導体層とウインドウ層との間に赤外線が透過する際に障害となるものが介在することを抑制できる。
【００２０】
また、半導体層とウインドウ層とをポリマー接合により貼り付けることによって、半導体層の表面及びウインドウ層の表面にある程度の凹凸が形成されていても貼り付けることができるので、両表面の平坦化工程を簡略化することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、図面を参照して本発明を２波長の赤外線を発光可能な光通信用の半導体発光素子に適用した実施形態を説明する。図１は、本発明の実施形態による半導体発光素子の断面図である。
【００２２】
図１に示すように、半導体発光素子１は、ウインドウ層２と、ウインドウ層２上に貼り付けられた半導体層３とを備えている。また、半導体発光素子１は、ｐ側電極９と、ｎ側電極１０とを備えている。
【００２３】
ウインドウ層２は、外部との界面で反射される赤外線の比率を小さくするためのものである。ウインドウ層２は、数μｍ〜数百μｍ、好ましくは約３０μｍ〜約３００μｍの厚みを有し、赤外線を透過可能で且つ屈折率の高い絶縁性のガラス（ＳｉＯ２）からなる。尚、ここでいう屈折率が高いとは、半導体層（例えば、屈折率３．４５のＧａＰ）と同程度又はそれ以上の屈折率を有するという意味である。
【００２４】
半導体層３は、ウインドウ層２側から順に、ｎ型クラッド層４と、第１発光層５と、第２発光層６と、ｐ型クラッド層７と、反射層８とが積層されている。
【００２５】
ｎ型クラッド層４は、約５００ｎｍの厚みを有し、ｎ型のドーパントとしてシリコンがドープされたｎ型Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓ層からなる。ｎ型クラッド層４の上面の一部に形成された第１発光層５〜反射層８は、ｎ型クラッド層４が露出されるように除去されている。
【００２６】
第１発光層５は、約８５０ｎｍの波長を有するＩｒＤＡ光通信用の赤外線を発光するためのものである。第１発光層５は、約６ｎｍの厚みを有するＧａＡｓ層からなる井戸層（図示略）と、約８ｎｍの厚みを有するＡｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ層からなるバリア層（図示略）とが交互に７０ペア積層されたＭＱＷ（Ｍｕｌｔｉ ｑｕａｎｔｕｍ ｗｅｌｌ）構造を有する。
【００２７】
第２発光層６は、約９５０ｎｍの波長を有するセンサ用の赤外線を発光するためのものである。第２発光層６は、約１０ｎｍの厚みを有するＩｎ０．２Ｇａ０．８Ａｓ層からなる。
【００２８】
ｐ型クラッド層７は、約５００ｎｍの厚みを有し、ｐ型のドーパントとして亜鉛がドープされたｐ型Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓ層からなる。
【００２９】
反射層８は、第１発光層５及び第２発光層６から反射されて矢印Ａ方向に進行する赤外線を反射して矢印Ｂ方向（赤外線の照射方向）に進行させるためのものである。反射層８は、約７０ｎｍの厚みを有するｐ型Ａｌ０．８Ｇａ０．２Ａｓ層と約６０ｎｍの厚みを有するｐ型ＧａＡｓ層が交互に１０ペア積層されたＤＢＲ（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｂｒａｇｇ Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ）構造を有する。尚、Ａｌ０．８Ｇａ０．２Ａｓ層及びＧａＡｓ層には、ｐ型のドーパントとして亜鉛がドープされている。
【００３０】
尚、ｎ型クラッド層４〜反射層８は、後述する成長基板２１にエピタキシャル成長により形成されている。
【００３１】
ｐ側電極９は、複数の金属層が積層された構造を有し、反射層８の上面の一部にオーミック接続された状態で形成されている。ｎ側電極１０は、複数の金属が積層された構造を有し、ｎ型クラッド層４の上面の一部にオーミック接続された状態で形成されている。
【００３２】
次に、上述した半導体発光素子の動作説明をする。
【００３３】
まず、半導体発光素子１にｐ側電極９及びｎ側電極１０を介して電流が供給されると、ｐ側電極９からホールが供給され、ｎ側電極１０から電子が供給される。そして、ホールは、反射層８及びｐ型クラッド層７を介して発光層６、５に注入される。また、電子は、ｎ型クラッド層４を介して発光層５、６に注入される。
【００３４】
そして、第１発光層５に注入されたホール及び電子は結合して、約８５０ｎｍの波長を有する赤外線を発光し、第２発光層６に注入されたホール及び電子は結合して、約９５０ｎｍの波長を有する赤外線を発光する。
【００３５】
ここで、矢印Ａ方向に進行する赤外線は、反射層８に反射されて矢印Ｂ方向へと進行する。そして、矢印Ｂ方向に進行する赤外線は、ｎ型クラッド層４及びウインドウ層２を介して外部へと照射される。ここでウインドウ層２は、数μｍ〜数百μｍの厚みを有するので、ウインドウ層２と外部との界面における赤外線の入射角が小さくなる。これにより、全反射される赤外線の比率も小さくなり、外部へと照射される赤外線の強度を高めることができる。
【００３６】
次に、上述した半導体発光素子の製造方法について説明する。尚、図２〜図４は、半導体発光素子の製造工程を説明するための図である。
【００３７】
まず、ｎ型ＧａＡｓからなる成長基板２１をＭＯＣＶＤ装置に搬入する。
【００３８】
次に、図２に示すように、キャリアガス（Ｈ２ガス）によりトリメチルアルミニウム（以下、ＴＭＡ）、トリメチルガリウム（以下、ＴＭＧ）、アルシン及びモノシランを供給して、シリコンがドープされた約５００ｎｍの厚みを有するｎ型Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓ層からなるｎ型クラッド層４を形成する。
【００３９】
次に、キャリアガスによりＴＭＧ及びアルシンを供給して、約６ｎｍの厚みを有するＧａＡｓ層からなる井戸層を形成する。その後、キャリアガスによりＴＭＡ、ＴＭＧ及びアルシンを供給して、約８ｎｍの厚みを有するＡｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ層からなるバリア層を形成する。そして、これら井戸層及びバリア層を交互に７０ｐペア積層させて第１発光層５を形成する。
【００４０】
次に、キャリアガスによりトリメチルインジウム（以下、ＴＭＩ）、ＴＭＧ及びアルシンを供給して、約１０ｎｍの厚みを有するＩｎ０．２Ｇａ０．８Ａｓ層からなる第２発光層６を形成する。
【００４１】
次に、キャリアガスによりＴＭＡ、ＴＭＧ、アルシン及びジメチル亜鉛を供給して、亜鉛がドープされた約５００ｎｍの厚みを有するｐ型Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓ層からなるｐ型クラッド層７を形成する。
【００４２】
次に、キャリアガスによりＴＭＡ、ＴＭＧ、アルシン及びジメチル亜鉛を供給して、亜鉛がドープされた約７０ｎｍの厚みを有するｐ型Ａｌ０．８Ｇａ０．２Ａｓ層を形成する。その後、キャリアガスによりＴＭＧ、アルシン及びジメチル亜鉛を供給して、亜鉛がドープされた約６０ｎｍの厚みを有するｐ型ＧａＡｓ層を形成する。そして、これらｐ型Ａｌ０．８Ｇａ０．２Ａｓ層及びｐ型ＧａＡｓ層を交互に１０ペア積層させて反射層８を形成する。
【００４３】
次に、図３に示すように、成長基板２１を研磨及びウェットエッチングによって除去する。
【００４４】
次に、ＳｉＯ２によって構成された絶縁性の透明基板からなるウインドウ層２を用意する。その後、ＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｐｏｌｉｓｈ）法によりｎ型クラッド層４の表面及びウインドウ層２の表面を平滑化する。その後、ｎ型クラッド層４の表面及びウインドウ層２の表面を、ＫＯＨ水溶液などのアルカリ溶液にて親水化処理を行う。
【００４５】
次に、図４に示すように、ｎ型クラッド層４の表面とウインドウ層２の表面を純水を介した状態で接触させる。この状態で、室温から約８００℃の間でウインドウ層２と半導体層３を加熱しつつ、ウインドウ層２とｎ型クラッド層４とが離脱しないように数ＭＰａ〜約１０ＭＰａの圧力で加圧して熱圧着を行う。これによって、ウインドウ層２とｎ型クラッド層４の接合界面における初期の接合を担う水分及び水素結合されたＯＨ基（水酸基）を水蒸気として蒸散させて、ウインドウ層２とｎ型クラッド層４を接合させる。
【００４６】
次に、ｐ型クラッド層７〜第１発光層５をエッチングしてｎ型クラッド層４の上面の一部を露出させる。その後、ｐ型クラッド層７の上面にｐ側電極９を形成し、ｎ型クラッド層４の上面にｎ側電極１０を形成する。最後に、素子単位に分割して半導体発光素子１が完成する。
【００４７】
上述したように半導体発光素子１では、ウインドウ層２とｎ型クラッド層４とが貼り付けられているので、ｎ型クラッド層４とウインドウ層２とを構成する材料の格子整合などを考慮する必要がないので、ウインドウ層２を構成する材料の選択の自由度を高めることができる。このため、ウインドウ層２にガラス基板などの安価で赤外線を透過し易く、屈折率の高い材料を選択することができる。更に、ガラス基板を用いることにより、ウインドウ層２を容易に厚くすることができる。
【００４８】
また、赤外線を吸収するｎ型ＧａＡｓからなる成長基板２１を除去することにより、吸収される赤外線を削減することができるので、外部に照射される赤外線の強度をより向上させることができる。
【００４９】
また、半導体発光素子１は、異なる波長の赤外線を発光可能な第１発光層５と第２発光層６とを備えているので１つの半導体発光素子１で２つの用途に使用することができる。
【００５０】
また、半導体発光素子１は、反射層８を設けているので、矢印Ａ方向に進行する赤外線をも反射させて矢印Ｂ方向へと取り出すことができる。これにより、発光強度を向上させることができる。
【００５１】
また、ウインドウ層２とｎ型クラッド層４とを熱圧着により貼り付けることによって、ウインドウ層２とｎ型クラッド層４との間に赤外線が透過する際に障害となるものが介在することを抑制できる。更に、アルカリ溶液を用いてウインドウ層２とｎ型クラッド層４の表面の親水化処理を行うので、安価な設備及び材料により実施できる。
【００５２】
以上、実施形態を用いて本発明を詳細に説明したが、本発明は本明細書中に説明した実施形態に限定されるものではない。本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載及び特許請求の範囲の記載と均等の範囲により決定されるものである。以下、上記実施形態を一部変更した変更形態について説明する。
【００５３】
上述した実施形態の変更形態として、貼付工程の一部を変更した変更形態について説明する。
【００５４】
（第１変更形態）
第１変更形態では、半導体層３から成長基板２１を除去した後、ウインドウ層２及びｎ型クラッド層４の少なくとも何れか一方の表面に接合剤をスピンコート法により約１μｍ〜約１０μｍ程度の厚みで塗布する。尚、接合剤としては、例えば、ポリイミド系やサイクロブラン系などのポリマーを適用することができる。次に、ベークすることにより接合剤から溶媒を蒸散させ、ウインドウ層２の表面とｎ型クラッド層４の表面を接触させる。その後、ウインドウ層２とｎ型クラッド層４の接触を維持するように加圧しつつ、接合剤のガラス転移点近傍までウインドウ層２及び半導体層３を加熱して、ウインドウ層２とｎ型クラッド層４とをポリマー接合する。この第１変更形態では、ウインドウ層２及びｎ型クラッド層４の表面に数μｍの凹凸があっても接合することができるので、両表面の平滑化するための工程を簡略化することができる。
【００５５】
（第２変更形態）
第２変更形態では、上述した実施形態における加熱及び加圧による接合の代わりに、陽極接合によってウインドウ層２とｎ型クラッド層４とを接合する。
【００５６】
（第３変更形態）
第３変更形態では、上述した実施形態におけるアルカリ溶液による親水化処理の代わりに、約１０００Ｗ及び約１０ＭＨｚの条件の酸素プラズマアッシングによりウインドウ層２及びｎ型クラッド層４の表面を活性化して親水化処理を行う。この第４変更形態では、アルカリ水溶液により親水化処理が難しい材料でも、ウインドウ層２及びｎ型クラッド層４の表面の親水化を実現することができる。
【００５７】
また、上述の実施形態では、ガラスをウインドウ層２として適用したが、石英など他の赤外線を透過可能な絶縁性の材料によりウインドウ層２を構成してもよい。
【００５８】
また、上述の実施形態では、２つの発光層５、６を備えた半導体発光素子１を一例として上げたが、発光層を１つだけ又は３つ以上設けてもよい。
【００５９】
また、半導体発光素子１の各層の厚みや材料は適宜変更可能である。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】本発明の実施形態による半導体発光素子の断面図である。
【図２】半導体発光素子の製造工程を説明するための図である。
【図３】半導体発光素子の製造工程を説明するための図である。
【図４】半導体発光素子の製造工程を説明するための図である。
【符号の説明】
【００６１】
１    半導体発光素子
２    ウインドウ層
３    半導体層
４    ｎ型クラッド層
５    第１発光層
６    第２発光層
７    ｐ型クラッド層
８    反射層
９    ｐ側電極
１０  ｎ側電極
２１  成長基板
【図１】
2008159628.tif 000003
【図２】
2008159628.tif 000004
【図３】
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【図４】
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