(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、該基板上に発光層を形成すべく積層される半導体積層部と、該半導体積層部の表面側の第１導電形の半導体層に接続して設けられる第１の電極と、前記半導体積層部の一部がエッチングにより除去されて露出する第２導電形の半導体層に接続して設けられる第２の電極とからなり、前記第２の電極を形成するため第２導電形の半導体層を露出させる半導体積層部の一部のエッチングが、その中心部に前記半導体積層部が島状に残存するようになされ、該島状に残存する部分の周囲を被覆するように露出する第２導電形の半導体層上に前記第２の電極が形成されることにより、前記第１および第２の電極が、前記基板からほぼ同じ高さになるように形成されてなる半導体発光素子。
【請求項２】
前記基板が電気的絶縁性基板である請求項１記載の半導体発光素子。
【請求項３】
前記半導体積層部がチッ化ガリウム系化合物半導体からなる請求項１または２記載の半導体発光素子。
【請求項４】
前記第１導電形の半導体層がストライプ状に残存するようにメサエッチングがなされて半導体レーザが形成されてなる請求項１、２または３記載の半導体発光素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は基板上に発光層を形成すべく半導体層が積層され、その半導体層が積層された同一面側にｐ側およびｎ側の両電極が設けられる発光ダイオードやレーザダイオードなどの半導体発光素子に関する。さらに詳しくは、その両電極が基板から実質的に同じ高さに形成される半導体発光素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
たとえば青色系（紫外線から黄色）の発光ダイオード（以下、ＬＥＤという）は、図４にそのＬＥＤチップの一例の概略図が示されるように、サファイアからなる電気的絶縁性の基板上にチッ化ガリウム系化合物半導体層が積層されて形成される。すなわち、サファイア基板２１上にたとえばｎ形のＧａＮがエピタキシャル成長されたｎ形層（クラッド層）２３と、バンドギャップエネルギーがクラッド層のそれよりも小さくなる材料、たとえばＩｎＧａＮ系（ＩｎとＧａの比率が種々変わり得ることを意味する、以下同じ）化合物半導体からなる活性層２４と、ｐ形のＧａＮからなるｐ形層（クラッド層）２５とからなり、その表面に図示しないＮｉ-Ａｕの合金層からなる電流拡散層を介してｐ側（上部）電極２８が設けられ、積層された半導体層の一部がエッチングされて露出するｎ形層２３の表面にｎ側（下部）電極２９が設けられることにより形成されている。
【０００３】
この構造のＬＥＤチップがリードの先端などにダイボンディングされ、２本のリードとｐ側およびｎ側の電極が金線などのワイヤボンディングにより接続されたり、２本のリード上にそれぞれｐ側およびｎ側の電極が別々に接続されるようにＬＥＤチップを裏向き（フェースダウン）にしてボンディングされ、その周囲が樹脂でモールドされてそのリードと反対側から発光する発光素子ランプにされたり、両端に端子電極が設けられた基板上にＬＥＤチップがボンディングされて各電極がワイヤボンディングにより端子電極と接続されるチップ型発光素子として用いられる。
【０００４】
一方、電流注入領域をメサ形にしてストライプ状に制限するメサストライプ型半導体レーザで、前述のように基板に電気的絶縁性基板が用いられる半導体レーザでは、図５に示されるようにフェースダウンでダイボンディングされ、両電極３８、３９がクリームハンダ、Ｉｎ、Ａｕ-Ｓｎなどの低融点金属４０により同時にマウント台４１の電極端子（図示せず）に電気的に接続される。なお、図５において、３１はサファイア基板、３３はｎ形クラッド層、３４は活性層、３５はｐ形クラッド層をそれぞれ示す。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
前述の青色系の半導体発光素子のように、絶縁性の基板上に半導体層が積層される半導体発光素子は、ｐ側電極もｎ側電極も同一面側に設けられることが多い。このように、同一面側に両電極が設けられる半導体発光素子では、その両電極とリードもしくはチップ型素子の端子電極などとの電気的接続がワイヤボンディングによりなされる。しかし、前述のように、同一面側に両電極が設けられる半導体発光素子では、一方の電極は積層された半導体層の上層の半導体層上に設けられ、他方の電極が積層された半導体層の一部がエッチングなどにより除去されて露出する下層の半導体層に設けられる。そのため、両電極の高さが基板の面から同じ高さにならない。この両電極の高さが同じでないと、ワイヤボンディングのときにｐ側電極とｎ側電極とで同じ圧力でボンディングをすることができない。そのため、ボンディング不良が出たり、ボンディングの信頼性が低下するという問題がある。一方、両電極によりボンディングの条件を変えると、ボンディング工程が非常に複雑になる。
【０００６】
また、ＬＥＤチップを裏向きにしてフェースダウンで両電極を直接リードの先端にボンディングをする場合や、レーザダイオートチップをマウント台上にフェースダウンでダイボンディングをする場合、ＬＥＤチップやレーザダイオードチップの電極部の高さに段差があるとボンディングをしにくいと共に傾きやすいという問題がある。とくにレーザダイオードチップの場合、傾いてダイボンディングされると、ビームが傾き所望の特性が得られないという問題がある。さらに、メサ形状に残されたストライプ部分はその幅が数μｍ程度と非常に細く、その部分にかかる力が大きくなり、劣化しやすい。とくに、ダイボンディングの際に低融点金属の表面にできる酸化膜を擦って除去するスクラブを行いながらダイボンディングを行うが、幅の狭いストライプ部に大きな力がかかるため、ストライプ部分を劣化させやすい。
【０００７】
本発明は、このような問題を解決するためになされたもので、積層された半導体層の一部をエッチングなどにより除去して、同一面側にｐ側電極およびｎ側電極が設けられる半導体発光素子においても、その電極と他のリードなどとの電気的接続が確実になり、その信頼性が向上する半導体発光素子を提供することを目的とする。
【０００８】
本発明の他の目的は、メサストライプ型の半導体レーザをフェースダウンでダイボンディングをして製造する場合にも、メサストライプ部を劣化させたり、傾きが生じてビーム特性を低下させない半導体レーザを提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明による半導体発光素子は、基板と、該基板上に発光層を形成すべく積層される半導体積層部と、該半導体積層部の表面側の第１導電形の半導体層に接続して設けられる第１の電極と、前記半導体積層部の一部がエッチングにより除去されて露出する第２導電形の半導体層に接続して設けられる第２の電極とからなり、前記第２の電極を形成するため第２導電形の半導体層を露出させる半導体積層部の一部のエッチングが、その中心部に前記半導体積層部が島状に残存するようになされ、該島状に残存する部分の周囲を被覆するように露出する第２導電形の半導体層上に前記第２の電極が形成されることにより、前記第１および第２の電極が、前記基板からほぼ同じ高さになるように形成されている。
【００１０】
ここにほぼ同じ高さとは、ＬＥＤチップやレーザチップをフェースダウンでボンディングする場合に、ｐ側電極とｎ側電極とで極端な段差が生じないで、通常の方法で傾きが生じないようにボンディングすることができたり、ｐ側電極とｎ側電極にワイヤボンディングをする場合に、極端にボンディングの圧力条件に差がでない程度に段差が生じないことを意味する。また、第１導電形および第２導電形とは、半導体の極性のｎ形およびｐ形のいずれか一方を第１導電形としたとき、他方のｐ形またはｎ形が第２導電形であることを意味する。
【００１１】
この構造にすることにより、ｐ側電極とｎ側電極とがそれぞれリードの先端やサブマウントに直接ボンディングされるようにＬＥＤチップやレーザチップをフェースダウンでボンディングする場合でも段差がないため、傾きが生ぜず簡単にダイボンディングをすることができる。また、ワイヤボンディングをする場合にも、ｐ側電極とｎ側電極とに同じ条件でボンディングをすることができるため、容易で、しかも確実にボンディングをすることができる。
【００１２】
また、半導体積層部の一部のエッチングが、半導体積層部が島状に残存するようになされ、その島状に残存する部分の周囲を被覆するように露出する第２導電形の半導体層上に前記第２の電極が形成されることにより、残存領域の周囲全体で第２導電形半導体層と接続できるため、確実に電気的に接続することができると共に、ワイヤボンディングなどがされる電極のパッド部分は積層された半導体積層部上に形成され、第１の電極と同じ高さにすることができる。
【００１３】
前記基板が電気的絶縁性基板であったり、前記半導体積層部がチッ化ガリウム系化合物半導体である場合にとくに効果が大きい。
【００１４】
ここにチッ化ガリウム系化合物半導体とは、III 族元素のＧａとＶ族元素のＮとの化合物またはIII 族元素のＧａの一部がＡｌ、Ｉｎなどの他のIII 族元素と置換したものおよび／またはＶ族元素のＮの一部がＰ、Ａｓなどの他のＶ族元素と置換した化合物からなる半導体をいう。
【００１５】
前記第１導電形の半導体層がストライプ状に残存するようにメサエッチングがなされて半導体レーザが形成されている場合に、ボンディング時のストライプ部の劣化がなく、またビームの傾きがなく高性能の半導体レーザが得られる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
つぎに、図面を参照しながら本発明の半導体発光素子について説明をする。図１には、たとえば青色系の発光に適するチッ化ガリウム系化合物半導体が積層された本発明の半導体発光素子のチップの断面および平面の説明図が示されている。
【００１７】
本発明の半導体発光素子は、たとえば図１に示されるように、サファイア（Ａｌ2 Ｏ3 単結晶）などからなる基板１の表面に発光層を形成する半導体層３〜５が積層されて半導体積層部１０が形成され、その表面側の第１導電形の半導体層（ｐ形層５）に電気的に接続してｐ側電極（第１の電極）８が形成されている。また、半導体積層部１０の一部が除去されて露出する第２導電形の半導体層（ｎ形層３）に電気的に接続してｎ側電極（第２の電極）９が形成されている。本発明では、ｎ側電極９が、エッチングにより露出するｎ形層３だけに設けられるのではなくて、ｎ側電極９の形成場所に半導体積層部の一部１０ａをエッチングしないで残存させ、その残存した半導体積層部の一部１０ａとその周囲の露出するｎ形層３に連続してｎ側電極９が形成されていることに特徴がある。その結果、残存した半導体積層部の一部１０ａ上のｎ側電極の部分９ａがワイヤボンディングなどの接続部とされることにより、ｐ側電極８とほぼ同じ高さで形成される。
【００１８】
すなわち、ｎ側電極９が形成される部分は、図１に示されるように、半導体積層部１０の一部がエッチングされてｎ形層３が露出する。しかし、本発明では、図１（ｂ）に示されるように、そのｎ側電極９の形成場所に半導体積層部の一部１０ａを残存させておき、その残存した半導体積層部の一部１０ａおよびその周囲のｎ形層３にｎ側電極９が形成されている。この際、ｎ形層３と残存する半導体積層部の一部１０ａの上面とでは段差があるが、その間で電極切れが生じても周囲全体に亘って切れない限り問題はなく、ステップカバレジが問題になることはない。また、このｎ側電極９は、従来のように、ｎ形層３とオーミックコンタクト特性の良好な、たとえばＴｉとＡｌの合金から形成される。残存する半導体積層部の一部１０ａの表面は、ｐ形層５のままの場合もあるが、ｐ形層５とのオーミックコンタクト特性を考慮する必要がなく、ｎ形層３とのオーミックコンタクトのみを考えればよい。
【００１９】
また、このような半導体積層部の一部１０ａを残存させる場合は、その部分だけレジスト膜が残存するようにマスクのパターニングをして半導体積層部１０をエッチングすることにより形成され、従来のｎ側電極９を設けるために半導体積層部１０をエッチングするのと同じ工数で同様に形成することができる。また、この残存させる半導体積層部の一部１０ａは、図１（ｂ）に示されるように、露出するｎ形層３の中心部に設けられる必要はなく、ｐ側電極が接続されるｐ形層５とショートしない範囲であればどこに設けられてもよい。
【００２０】
半導体積層部１０は、たとえばＧａＮからなる低温バッファ層、クラッド層となるｎ形のＧａＮおよび／またはＡｌＧａＮ系（ＡｌとＧａの比率が種々変わり得ることを意味する、以下同じ）化合物半導体の積層構造からなるｎ形層３、バンドギャップエネルギーがクラッド層のそれよりも小さくなる材料、たとえばＩｎＧａＮ系化合物半導体からなる活性層４、およびｐ形のＡｌＧａＮ系化合物半導体層および／またはＧａＮ層からなるｐ形層（クラッド層）５が、それぞれ順次積層されることにより構成されている。
【００２１】
ｐ側電極８は、図示しないＡｕとＮｉの合金層からなる電流拡散層を介してＴｉとＡｕの積層構造により形成される。この電流拡散層が形成された後にｎ側電極形成のためのエッチングが行われる場合、残存する半導体積層部の一部１０ａの表面に電流拡散層が形成されていてもよい。残存する半導体積層部の一部１０ａはｎ側電極９の高さ調整のためのものだからである。
【００２２】
この半導体発光素子を製造するには、たとえば有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）により、反応ガスおよび必要なドーパントガスを導入してｎ形層３を１〜５μｍ程度、活性層４を０.０５〜０.３μｍ程度、およびｐ形層５を０.２〜１μｍ程度、それぞれエピタキシャル成長する。その後、ＮｉおよびＡｕをそれぞれ真空蒸着などにより積層してシンターすることにより合金化して、活性層４で発光する光を透過させると共に、電流を拡散させる電流拡散層（図示せず）を２〜１００ｎｍ程度形成する。ついで、表面にレジスト膜を設け、パターニングをして塩素ガスなどによる反応性イオンエッチングにより、積層された半導体積層部１０を図１（ｂ）に示されるように部分的に除去する。このパターニングの際に半導体積層部の一部１０ａが残存するようにレジスト膜を残す。その後、前述の電極金属を蒸着してパターニングをすることにより、またはリフトオフ法によりｐ側電極８およびｎ側電極９を形成する。
【００２３】
本発明によれば、ＬＥＤチップのｐ側電極８とｎ側電極９とがほぼ同一面に形成されているため、たとえば図２（ａ）に示されるように、ＬＥＤチップ１３を第１のリード１１にダイボンディングをして、そのｐ側電極８およびｎ側電極９をそれぞれ第２のリード１２および第１のリード１１と金線１４などによりワイヤボンディングをする場合、両電極８、９がほぼ同一面にあるため、自動のワイヤボンディング機を用いて行っても均一なボンディングをすることができる。
【００２４】
また、図２（ｂ）に示されるように、ＬＥＤチップ１３を裏向きにしてそれぞれの電極９、８が第１および第２のリード１１、１２に電気的に接続されるようにボンディングをする場合にも、ＬＥＤチップ１３のｐ側電極８とｎ側電極９とがほぼ同一面にあるため、同じ高さのリード１１、１２の上に載置してボンディングをすることができ、容易に、かつ、確実にダイボンディングをすることができる。なお、これらのＬＥＤチップ１３部分がＬＥＤチップ１３で発光する光を透過する樹脂により被覆されて樹脂パッケージ１５が形成されることにより、ランプ型の発光素子とされる。
【００２５】
一方、ｎ側電極９をｐ側電極８と実質的に同じ高さにするため、残存する半導体積層部の一部１０ａを設けることは、従来のｎ側電極を形成するために半導体積層部１０を部分的にエッチングする場合のマスクのパターニングを変えるだけで、製造工程は何等変わることがない。そのため、ＬＥＤチップの製造時には工数増になることもなく、むしろ後のボンディング時には作業が容易で全体としては工数減になると共に、ボンディングの信頼性が向上する。
【００２６】
図３（ａ）〜（ｃ）は、本発明の半導体発光素子の他の実施形態であるチッ化ガリウム系化合物半導体を用いた半導体レーザの製造工程を示す図、図３（ｄ）はそのチップの平面説明図である。まず、ＬＥＤチップの場合と同様に、サファイア基板３１上に、ｎ形クラッド層３３、活性層３４、およびｐ形層３５を同様の組成および同程度の厚さで積層する。その後、アニールをしてｐ形クラッド層３５の活性化処理を行う。そしてＮｉおよびＡｕを蒸着してシンターすることにより、Ａｕ-Ｎｉ合金からなるｐ側電極３８をリフトオフ法などによりストライプ状に形成する。その後、ｐ側電極３８部および半導体積層部の一部３０ａが残存する（図３（ｂ）参照）ようにマスクを形成し、塩素ガスなどによる反応性イオンエッチングにより、積層された半導体積層部を部分的に除去する。ついで、Ａｌ-Ｔｉ合金およびＡｕの積層構造からなるｎ側電極３９をリフトオフ法などにより形成し、ダイシングすることにより、レーザチップが形成される。
【００２７】
このチップをサブマウントなどのマウント台にフェースダウンでダイボンディングをすることにより、傾きが生じたり、ストライプ状メサ部にダメージを与えることなく、精度のよいダイボンディングをすることができる。なお、半導体レーザにする場合、図３（ｄ）に平面図が示されるように、活性層３４のチップ側面からビーム状に光を照射するため、積層された半導体層の表面側からの光の取出しの必要がなく、電流拡散層を設けることなく、ｐ側電極３８は電気的接触が充分に行われるように、ｐ形クラッド層の全面に設けられる。
【００２８】
なお、図１〜３に示される例では、チッ化ガリウム系化合物半導体を用いた青色系の半導体発光素子であったが、ＧａＡｓ系やＧａＰ系の化合物半導体を用いた赤色系や緑色系の半導体発光素子であっても、ｐ側およびｎ側の電極が積層された半導体層側である同一面側に設けられる場合は同様に本発明を適用することにより、ワイヤボンディングなどが容易になる。さらに、前述のＬＥＤの例では、ｎ形層３とｐ形層５とで活性層４が挟持されたダブルヘテロ接合構造であるが、ｎ形層とｐ形層とが直接接合するｐｎ接合構造の半導体発光素子でも同様である。
【００２９】
【発明の効果】
本発明によれば、ｐ側電極およびｎ側電極が実質的に（ほぼ）同じ高さに形成されているため、ワイヤボンディングなどの作業が容易になると共に、確実にボンディングをすることができる。その結果、ボンディング時の工数減および歩留りの向上によりコストダウンが図られると共に、ボンディングの信頼性が向上する。
【００３０】
また、メサストライプ型の半導体レーザがフェースダウンでダイボンディングされる場合でも、ストライプ部にダメージを与えることなく、しかも傾きなどが生じることなく高特性の半導体レーザが得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の半導体発光素子の一実施形態のＬＥＤチップの説明図である。
【図２】図１のＬＥＤチップをリードなどにマウントする場合の断面説明図である。
【図３】本発明の半導体発光素子の他の実施形態である半導体レーザの一例の製造工程を示す図である。
【図４】従来の半導体発光素子のＬＥＤチップの一例の斜視説明図である。
【図５】従来の半導体レーザをフェースダウンでダイボンディングする説明図である。
【符号の説明】
１    基板
３    ｎ形層
５    ｐ形層
８    ｐ側電極
９    ｎ側電極
１０    半導体積層部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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