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TW202539467A - 紅外ｌｅｄ元件 - Google Patents

紅外ｌｅｄ元件

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TW202539467A
TW202539467A TW114101836A TW114101836A TW202539467A TW 202539467 A TW202539467 A TW 202539467A TW 114101836 A TW114101836 A TW 114101836A TW 114101836 A TW114101836 A TW 114101836A TW 202539467 A TW202539467 A TW 202539467A
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TW
Taiwan
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layer
infrared led
aforementioned
led element
active layer
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TW114101836A
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English (en)
Inventor
飯和幸
Original Assignee
日商牛尾電機股份有限公司
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Application filed by 日商牛尾電機股份有限公司 filed Critical 日商牛尾電機股份有限公司
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Abstract

提供可藉由比以往更低的驅動電壓來點亮的紅外LED元件。解決手段的紅外LED元件是能夠出射峰值波長為1350nm〜2000nm的紅外光的紅外LED元件，其具備：第一層積體，係具有顯示出第一導電型的第一半導體層、與厚度為15nm以上的中間層；活性層，係配置於第一層積體的中間層的上層；及第二層積體，係具有顯示出至少與前述第一導電型不同的第二導電型的第二半導體層，且配置於前述活性層的上層，將活性層的帶間隙能設為Ea、將中間層的帶間隙能設為Em、將第一半導體層的帶間隙能設為Ep時，Ea＜Em＜Ep。

Description

紅外ＬＥＤ元件
本發明涉及紅外LED元件，特別是涉及發光波長為1350nm以上的紅外LED元件。
近年來，將波長1000nm以上的紅外區域設為發光波長的半導體發光元件被廣泛使用在預防犯罪、監視相機、瓦斯偵測器、醫療用的感測器及產業機器等的用途。
發光波長為1000nm以上的半導體發光元件一般而言透過以下程序製造。於作為成長基板的InP基板上，使第一導電型的半導體層、活性層(有時稱為「發光層」)、及第二導電型的半導體層依次磊晶成長之後，於半導體晶圓上形成用於注入電流的電極。之後，切斷成晶片狀。
例如，於後述專利文獻1中公開的那樣，公知具備活性層與由InP所成之覆蓋層的紅外LED元件。此種構造為了實現1000nm以上的發光，是比較簡單的結構。[先前技術文獻][專利文獻]
[專利文獻1]日本專利第6617218號公報
[發明所欲解決之課題]本案發明人在針對發光波長為1000nm以上的LED元件之發光效率的提升專心檢討的時候，發現存在有以下所述的課題。
本案發明人針對發光波長為1000nm以上的LED元件，確認為了點亮LED元件所需的驅動電壓(以下，有時稱為「順向電壓」)。而且，本案發明人們發現為了點亮LED元件所需的驅動電壓有發光波長越長波長，越會比理論上的驅動電壓還高的傾向。在此，所謂理論上的順向電壓是指基於能量E、波長λ的關係(E(eV)=hc/λ=1240/λ)所導出的驅動電壓。詳細內容在「實施方式」的項目中於後敘述。
驅動電壓的上升也可能成為LED元件的發熱的要因。而且，LED元件有因應點亮時的溫度而發光效率降低的特性。因此，抑制驅動電壓的上升是很重要的。
因此，本案發明人發現上述課題之後，針對為了點亮LED元件所需的驅動電壓與理論上的驅動電壓不同的要因進行專心檢討。進而，本案發明人透過對該要因進行對策，針對實現透過相較於以往更接近理論上的驅動電壓，亦即更低的驅動電壓進行點亮的LED元件進行專心檢討。
本發明鑒於上述課題，目的為提供可藉由比以往更低的驅動電壓來點亮的紅外LED元件。[用以解決課題之手段]
本發明的紅外LED元件是能夠出射峰值波長為1350nm〜2000nm的紅外光的紅外LED元件，其特徵為具備：第一層積體，係於層積方向，具有顯示出n型或p型的第一導電型的第一半導體層、與厚度為15nm以上的中間層；活性層，係配置於前述第一層積體的前述中間層的上層；及第二層積體，係具有顯示出與前述第一導電型不同的第二導電型的第二半導體層，且配置於前述活性層的上層，將前述活性層的帶間隙能設為Ea、將前述中間層的帶間隙能設為Em、將前述第一半導體層的帶間隙能設為Ep時，Ea＜Em＜Ep。
本案發明人推測在以往的LED元件中，為了點亮LED元件所需的驅動電壓在發光波長越長波長，導致點亮所需的驅動電壓越會比預估的還高的原因是因為活性層與覆蓋層(相當於上述紅外LED元件中的「第一半導體層」、「第二半導體層」)之間的帶間隙能的差異。
以往的紅外LED元件所具備的覆蓋層為了將電子封閉在活性層內，一般認為帶間隙越高越好。再者，作為能夠進行峰值波長為1000nm～2000nm的發光之InP單晶基板的紅外LED元件中的覆蓋層的材料，一般使用InP。
在此，活性層的帶間隙能是峰值波長越長波長則越小。因此，活性層與覆蓋層之間的帶間隙能的差是峰值波長越長波長則越大。而且，本案發明人推估在該活性層與覆蓋層之間的帶間隙能不連續地變化的部分中，帶間隙能的差成為某種程度的大小以上的話，該部分的電壓降低會變得明顯，推測該電壓降低是驅動電壓的增大的原因。
再者，在「實施方式」的項目中參照圖式並且詳細敘述，但是，本案發明人確認到為了點亮紅外LED元件所需的驅動電壓在出射峰值波長為1350nm以上的光的紅外LED中，理論值與實際值的差變得較大(參照圖3A)。
進行上述那樣的推測的本案發明人藉由專心檢討，考慮在活性層與覆蓋層之間，為了抑制該等帶間隙能的差所導致之電壓降，形成滿足上述的關係性的中間層。而且，本案發明人確認到依據上述結構的紅外LED元件，點亮所需的驅動電壓相較於以往的LED元件，更具體而言更接近理論上的驅動電壓(參照圖3A)。
進而，本案發明人藉由反覆進行實驗探討等，還發現如果中間層的厚度為15nm以上的話，驅動電壓明顯降低(參照圖3B)。
亦即，依據上述結構，能夠實現可藉由比以往更接近理論上的的驅動電壓之電壓的施加來進行點亮，亦即比以往更低的驅動電壓來進行點亮的紅外LED元件。
在上述紅外LED元件中，前述活性層是層積量子井層、及障壁層所成，將前述障壁層的帶間隙能設為Eb時，Ea＜Eb＜Em亦可。
透過設為上述結構，紅外LED元件中電子及電洞封閉在被障壁層夾持的量子井層內，在活性層內電子與電洞變得容易再次結合，讓發光效率提升。
在上述紅外LED元件中，前述中間層是摻雜濃度為2×1018/cm3以下的半導體層亦可。
作為用以減低帶間隙能不連續變化的部分之電壓降的一般方法，例如考慮提高帶間隙能不連續變化的界面附近的摻雜濃度，從而降低電阻值的方法。但是，該界面由於也是活性層的附近，提高摻雜濃度的話，摻雜之高濃度的雜質原子擴散至活性層而變成非發光再結合中心，有發光效率降低之虞。
本案發明人藉由反覆進行實驗探討等，也考量中間層相對於第一半導體層配置於更靠活性層的附近，發現摻雜濃度是2×1018/cm3以下為佳，5×1017/cm3以下更佳。
又，在上述紅外LED元件中，前述活性層的厚度為30nm以上亦可。
根據開發者們的研究開發，已知在發光二極體(LED)中活性層的總厚度比30nm薄的話，導入至活性層的電子無法充分地轉換成光，導致發光效率降低，尤其電流密度變高時會大幅降低效率。因此，在本發明的對象的紅外LED元件中，活性層的厚度為30nm以上為佳，40nm以上更佳。再者，活性層是由層積量子井層、及障壁層所成的量子井構造的狀況下，量子井層的厚度的總和相當於「活性層的厚度」。
又，在上述紅外LED元件中，前述第一半導體層是由InP所成的層亦可。
又，在上述紅外LED元件中，前述活性層是由GaInAsP所成的層亦可。
又，在上述紅外LED元件中，前述第一層積體具有配置於前述第一半導體層的上層之由AlInAs所成的電子塊層亦可。
又，在上述紅外LED元件中，將前述活性層的帶間隙能的Ea、與前述第一半導體層的帶間隙能Ep之間的差界定為100%時，前述活性層的帶間隙能Ea、與前述中間層的帶間隙能Em的差在30%～60%的範圍內亦可。[發明的效果]
依據本發明，能夠實現可藉由比以往更低的驅動電壓來點亮的紅外LED元件。
以下，針對本發明的紅外LED元件，參照圖式來進行說明。再者，關於紅外LED元件的以下的各圖式任一都是示意性地圖示者，圖式上的尺寸比及個數與實際的尺寸比及個數不一定一致。
在本說明書中，「於層A的上層配置層B」這樣的表現方式，當然包含於層A的面上直接形成層B之狀況，也有包含於層A的面上隔著薄膜配置層B之狀況的意圖。再者，在此所謂「薄膜」是指膜厚50nm以下的層，理想是指10nm以下的層亦可。
又，在本說明書中，「於某層A的上層配置層B」這樣的表現方式是作為包含使紅外LED元件的配置位置旋轉的話，層B位於層A的上方之狀況的概念來使用。亦即，上述表現方式並不是限定紅外LED元件以某方向配置之狀態的上方的表現方式，而是暗示在層積方向即第一方向中依序配置層A與層B的表現方式。
圖1是示意性地揭示本實施形態之紅外LED元件的構造的剖面圖。在以下的說明中，適當參照附加於圖1的XYZ座標系。
又，在以下的說明中，在表現方向時區別正負的朝向時，如「+X方向」、「-X方向」那樣，附加正負的符號記載。又，在不區別正負的朝向來表現方向時，僅記載為「X方向」。亦即，在本說明書中，在僅記載為「X方向」的狀況下，包含「+X方向」與「-X方向」雙方。關於Y方向及Z方向也相同。再者，在本實施形態中，關於「於層A的上層配置層B」是意圖說明層B配置於層A的+Y側。
紅外LED元件1在後述的活性層25內，生成紅外光L。更詳細而言，如圖1所示，紅外光L(L1，L2)以活性層25為基準時沿+Y方向被取出。紅外光L的峰值波長為1350nm～2000nm。
[元件構造]以下，針對紅外LED元件1的構造，進行詳細說明。
(支持基板11)支持基板11由例如Si、Ge等的半導體、或Cu、CuW等的金屬材料構成。支持基板11由半導體所成時，以顯示導電性之方式高濃度地摻雜摻雜物(或稱摻雜劑(dopant))。作為一例，支持基板11是將硼(B)以1×1019/cm3以上的摻雜濃度摻雜的電阻率為10mΩ・cm以下的Si基板。作為摻雜物，除了硼(B)以外，例如可利用磷(P)、砷(As)、銻(Sb)等。根據兼顧高放熱性與低製造成本的觀點，支持基板11為Si基板比較理想。
支持基板11的厚度(Y方向的長度)並未特別限定，但例如為50μm～500μm，理想是100μm～300μm。
(金屬接合層13)紅外LED元件1具備配置於支持基板11的+Y側的金屬接合層13。金屬接合層13由低熔點的焊接材料所成，例如由Au、Au-Zn、Au-Sn、Au-In、Au-Cu-Sn、Cu-Sn、Pd-Sn、或Sn等構成。參照圖2H如後述般，該金屬接合層13在步驟S8中，利用於貼合第一層積體20a形成於上表面的成長基板3與支持基板11。金屬接合層13的厚度並未特別限定，但例如為0.5μm～5.0μm，理想是1.0μm～3.0μm。
再者，在金屬接合層13的+Y側形成有阻擋層亦可。有時以抑制構成金屬接合層13的焊接材料的擴散為目的而設置阻擋層。只要能實現相關功能，材料就不被限定，但阻擋層例如可以由包含Ti、Pt、W、Mo、或者Ni等的材料實現。作為更具體的一例，是Ti/Pt的層積體，如Ti/Pt/Ti/Pt/Ti/Pt…那樣，作為多重地層積該層積體的結構亦可。
(反射層15)本實施形態的紅外LED元件1具備配置於金屬接合層13的+Y側的反射層15。
在活性層25內生成的紅外光L包含朝向光出射面側(+Y側)行進的紅外光L1和朝向光出射面相反一側(-Y側)行進的紅外光L2。反射層15發揮使活性層25內生成的紅外光L中，行進於支持基板11側(-Y側)的紅外光L2反射，並往+Y側導引的功能。反射層15由導電性材料，且對於紅外光L顯示出高反射率的材料構成。反射層15對於紅外光L的反射率為50%以上，70%以上為佳，80%以上更佳，90%以上特別理想。
在紅外光L的峰值波長為1350nm～2000nm的狀況下，作為反射層15的材料，可利用Ag、Ag合金、Au、Al、或Cu等。該材料能夠因應紅外光L的波長而適當選擇。
反射層15的厚度並未特別限定，但例如為0.1μm～2.0μm以下，理想是0.3μm～1.0μm以下。
再者，在反射層15與金屬接合層13之間，形成上述般的阻擋層的狀況下，能夠抑制構成金屬接合層13的材料向反射層15側擴散而導致反射層15的反射率降低。
(絕緣層17)圖1所示的紅外LED元件1具備配置於反射層15的+Y側的絕緣層17。絕緣層17由顯示出電氣絕緣性，且對於紅外光L的透射性高的材料構成。絕緣層17對於紅外光L的透射率是70%以上為佳，80%以上更佳，90%以上特別理想。
紅外光L的峰值波長為1350nm～2000nm的狀況下，作為絕緣層17的材料，可使用SiO2、SiN、Al2O3、ZrO、HfO、或MgO等。該材料可因應活性層25中生成之光的波長而適當選擇。
(第一層積體20a，第二層積體20b，活性層25)圖1所示的紅外LED元件1具備配置於絕緣層17的+Y側的第一層積體20a、配置於第一層積體20a的上層的活性層25、配置於活性層25的上層的第二層積體20b。第一層積體20a例如第一接觸層21、第一覆蓋層23、第一中間層23a層積於Y方向所成。第二層積體20b例如第二覆蓋層27、第二中間層27a層積於Y方向所成。構成各層(21、23、24、25、27、28)由能夠與後述的成長基板3晶格匹配從而磊晶成長的材料所成。
具有第一層積體20a、活性層25、第二層積體20b的多層構造體整體的厚度為30μm(30000nm)以下，理想是5μm～20μm。
《第一接觸層21、第一覆蓋層23》在本實施形態中，第一接觸層21由任意的半導體材料構成，但是，由包含As的III-V族半導體構成為佳，例如由p型InGaAs、p型GaInAsP、p型的GaAs構成。第一接觸層21的厚度並未被限定，但例如為10nm～1000nm，理想是50nm～500nm。另外，第一接觸層21的p型摻雜濃度理想是5×1017/cm3〜3×1019/cm3，更理想是1×1018/cm3〜2×1019/cm3。再者，關於第一接觸層21，根據獲得良好的歐姆接觸的觀點，至少和後述的Au/Zn/Au層接觸之區域的摻雜濃度為5×1018/cm3以上為佳。
在本實施形態中，第一覆蓋層23配置於第一接觸層21的+Y側，例如由p型的InP構成。第一被覆層23的厚度並未限定，但例如為1000nm～10000nm，理想是2000nm～5000nm。第一覆蓋層23的p型摻雜濃度在從活性層25相隔開的位置中，理想是1×1017/cm3〜3×1018/cm3以下，更理想是5×1017/cm3〜3×1018/cm3以下。
作為第一接觸層21以及第一覆蓋層23所包含的p型摻雜物，可以利用Zn、Mg、或者Be等，Zn或者Mg為佳，Zn特別理想。在本實施形態中，第一接觸層21、第一中間層23a及第一覆蓋層23對應「第一半導體層」，p型對應「第一導電型」。
《第一中間層23a》在本實施形態中，第一中間層23a配置於第一覆蓋層23的+Y側，是摻雜p型的層，但是，作為無摻雜亦可。而且，第一中間層23a構成為將活性層25的帶間隙能設為Ea、將第一覆蓋層23的帶間隙能設為Ep、將第一中間層23a的帶間隙能設為Em1時，滿足Ea＜Em1＜Ep的層。
第一中間層23a的厚度未被限定，但理想是15nm以上，更理想是30nm以上。再者，根據將電子封閉於活性層25內的觀點，需要某種程度之活性層25與覆蓋層(23、27)的帶間隙差與膜厚。在發出的光的波長為1350nm～2000nm的範圍中，由於活性層25與覆蓋層的帶間隙能較大，作為覆蓋層(23、27)一般採用InP。因此，將活性層25的帶間隙能設為Ea、將覆蓋層(23、27)的帶間隙能設為Ep、將該等的差設為100%時，上述帶間隙差為80%以上且膜厚為200nm以上的層被認定為覆蓋層。
第一中間層23a的p型摻雜物濃度在滿足上述的帶間隙能的關係性(Ea＜Em1＜Ep)的條件下，理想是2×1018/cm3以下，更理想是5×1017/cm3以下。
又，將活性層25的帶間隙能的Ea、與第一覆蓋層23的帶間隙能Ep之間的差界定為100%時，活性層25的帶間隙能Ea、與第一中間層23a的帶間隙能Em的差在40%～60%的範圍內，更理想是45%～55%的範圍內。
第一中間層23a的材料可從不會吸收在活性層25生成的紅外光L的材料，且是能夠與成長基板3晶格匹配從而磊晶成長的材料中適當選擇。在作為成長基板3採用InP基板的狀況下，作為第一中間層23a的材料，能夠利用InP、GaInAsP、或者AlGaInAs等，但InP為佳。
《活性層25》在本實施形態中，活性層25配置於第一覆蓋層23的+Y側。活性層25的材料可從能夠生成屬於目標峰值波長的波長範圍內的光，且能夠與成長基板3晶格匹配從而磊晶成長的材料中適當選擇。
例如，在製造出射峰值波長為1350nm～2000nm的紅外光L的紅外LED元件1時，活性層25作為GaInAsP、AlGaInAs、或InGaAs的單層構造亦可，作為包含由GaInAsP、AlGaInAs、或InGaAs所成的量子井層、與帶間隙能比量子井層大之由GaInAsP、AlGaInAs、InGaAs、或InP所成的障壁層的MQW(Multiple Quantum Well：多重量子井)構造亦可。又，在活性層25中採用MQW構造的狀況下，以將活性層25的帶間隙能設為Ea、將第一中間層23a的帶間隙能設為Em1、將障壁層的帶間隙能設為Eb時，滿足Ea＜Eb＜Em1之方式構成。
活性層25的厚度為30nm以上為佳，40nm以上更佳。更具體而言，活性層25是單層構造的狀況下，理想是30nm～2000nm，更理想是50nm～1000nm。又，活性層25是MQW構造的狀況下，膜厚5nm～20nm的量子井層及障壁層以在2週期～50週期的範圍中層積，所有量子井層的厚度的總和為30nm以上為佳，40nm以上更佳。
活性層25作為摻雜p型或n型亦可，作為無摻雜亦可。進行n型摻雜的情況下，作為摻雜物例如可利用Si。
《第二覆蓋層27》在本實施形態中，第二覆蓋層27配置於活性層25的+Y側，例如由n型的InP構成。第二覆蓋層27以電流分散為目的，因此需要某種程度的膜厚與雜質濃度。第二覆蓋層27的厚度並未被限定，但例如為2000nm～15000nm，理想是5000nm～10000nm。第二覆蓋層27的n型摻雜濃度理想是5×1017/cm3以上，更理想是1×1018/cm3以上。再者，在也考慮了電流分散等的情況下，第二覆蓋層27的n型摻雜濃度的範圍例如理想是5×1017/cm3〜1×1019/cm3，更理想的是1×1018/cm3〜5×1018/cm3。
第二覆蓋層27的材料可從不吸收在活性層25生成的紅外光L的材料，且是能夠與成長基板3(參照圖2B)晶格匹配從而磊晶成長的材料中適當選擇。在作為成長基板3採用InP基板的狀況下，作為第二覆蓋層27的材料，能夠利用InP、GaInAsP、或者AlGaInAs等，但InP為佳。
作為摻雜於第二覆蓋層27的n型不純物材料，可利用Sn、Si、S、Ge、或Se等，Si特別理想。在本實施形態中，第二中間層27a及第二覆蓋層27對應「第二半導體層」，n型對應「第二導電型」。
如圖1所示，在本實施形態的紅外LED元件1中，於第二覆蓋層27的+Y側之面(以下稱為「第一面27p」)形成凹凸部40。該凹凸部40在圖1中示意性地圖示為週期性的形狀，但實際上為藉由使用了蝕刻液的浸漬處理所形成之隨機的凹凸形狀。
《第二中間層27a》在本實施形態中，第二中間層27a配置於第二覆蓋層27的-Y側，是摻雜n型的層，但是，作為無摻雜亦可。而且，第二中間層27a構成為將活性層25的帶間隙能設為Ea、將第二覆蓋層27的帶間隙能設為Eq、將第二中間層27a的帶間隙能設為Em2時，滿足Eq＞Em2＞Ep的層。
第二中間層27a的厚度未被限定，但與第一中間層23a同樣地，理想是15nm以上，更理想是30nm以上。第二中間層27a的n型摻雜物濃度在滿足上述的帶間隙能的關係性(Ea＜Em＜Ep)的條件下，理想是2×1018/cm3以下，更理想是5×1017/cm3以下。
第二中間層27a的材料可從不會吸收在活性層25生成的紅外光L的材料，且是能夠與成長基板3晶格匹配從而磊晶成長的材料中適當選擇。在作為成長基板3採用InP基板的狀況下，作為第二中間層27a的材料，能夠利用InP、GaInAsP、或者AlGaInAs等，但InP為佳。
(保護膜29)保護膜29主要目的是保護活性層25露出之表面所形成的膜。保護膜29的材料例如可採用Si3N4、SiO2、Si3N4與SiO2的中間材料等。Si3N4膜對於水分的阻擋效果優於SiO2膜，因此作為保護膜29使用Si3N4膜為佳。保護膜29在製造的方便上，如圖1所示，有時以覆蓋第二層積體的第一面27p之方式構成。在為了讓活性層25中產生的光能夠有效率地向外側取出，保護膜29對活性層25中產生之紅外光L的波長λ的折射率為n的狀況下，保護膜29的膜厚T根據防止反射效果的觀點，滿足T=λ/(4n)的關係性為佳。
(內部電極31)圖1所示的紅外LED元件1具有形成於絕緣層17內的複數部位中貫通於Y方向的貫通孔內的內部電極31，透過反射層15及金屬接合層13電性連接第一半導體層(21、23)與支持基板11。
本實施形態的內部電極31由能夠對於第一接觸層21形成歐姆接觸的材料構成。內部電極31的材料例如可舉出Au、Zn、Be或該等合金。
(上表面電極32)圖1所示的紅外LED元件1具有配置於第二層積體20b的上表面的上表面電極32。上表面電極32典型上以複數個延伸於XZ平面上的所定方向之方式形成。作為一例，上表面電極32以沿第二層積體20b的邊之方式沿X方向及Z方向延伸複數個，呈梳子形的形狀。但是，上表面電極32的配置圖案形狀是任意的，例如格子狀亦可，旋渦狀亦可。
上表面電極32使位於-Y側的第二覆蓋層27之面露出(除了直接或形成於同面上的介電質層之一部分)，同時涵蓋XZ平面上的廣範圍而形成。藉此，能夠使在活性層25內流過的電流在與XZ平面平行的方向上擴散開，能夠在活性層25內的較大範圍進行發光。
作為一例，上表面電極32由AuGe/Ni/Au、或者AuGe等材料構成，作為具備該等材料中的複數種亦可。
(焊墊電極34)如圖1所示，紅外LED元件1具有配置於上表面電極32之一部分的上面的焊墊電極34。再者，在圖1中，以於上表面電極32的整面形成焊墊電極34之方式圖示，但是，此是為了圖示方便。實際上在沿面方向延伸的上表面電極32之一部分的面上形成焊墊電極34亦可。
焊墊電極34例如由Ti/Au或者Ti/Pt/Au等構成。該焊墊電極34是根據確保使供電所用之接合線接觸的區域的目的而設置的，但在本發明中，是否具備焊墊電極34是任意的。
(背面電極33)圖1所示的紅外LED元件1具備配置於支持基板11之與第一層積體20a相反一側(-Y側)的面上的背面電極33。背面電極33對於支持基板11實現歐姆接觸。作為一例，背面電極33由Ti/Au或者Ti/Pt/Au等材料構成，具備該等材料中的複數種亦可。
[製造方法]針對上述之紅外LED元件1的製造方法之一例，參照圖2A～圖2M的各圖來進行說明。圖2A～圖2M都是製程內的一工程的剖面圖。再者，以下的各步驟只要是在對製造紅外LED元件1沒有影響的範圍內，其順序適當地前後調整亦可。
(步驟S1)如圖2A所示，準備成長基板3。在本實施形態中，作為成長基板3，使用以(001)面為一方的主面的InP基板。厚度的一例為370μm，主面的直徑為2英吋。但是，成長基板3的厚度及大小可適當設定。
(步驟S2)將成長基板3搬送至例如MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)裝置內，於成長基板3上，使緩衝層22、蝕刻終止層(ES層)24、第二覆蓋層27、第二中間層27a、活性層25、第一中間層23a、第一覆蓋層23及第一接觸層21依序磊晶成長，形成第一層積體20a、活性層25、及第二層積體20b(參照圖2B)。在本步驟S2中，因應所成長的層的材料、或者膜厚，適當調整原料氣體的種類及流量、處理時間、環境溫度等。
第一層積體20a、活性層25、及第二層積體20b的形成例如以下所述。首先，於成長基板3上層積所定膜厚(例如500nm程度)之摻雜有Si的n型的InP，從而獲得緩衝層22。接下來，層積所定膜厚(例如200nm程度)之與緩衝層22不同的材料的層(在此是InGaAs層)，從而獲得ES層24。之後，在以成為上述之膜厚及組成之方式設定成長條件之狀態下，依序形成第二覆蓋層27、第二中間層27a、活性層25、第一中間層23a、第一覆蓋層23及第一接觸層21。
作為詳細的一例，摻雜了Si之n型的InP層積膜厚7000nm，從而獲得第二覆蓋層27。接下來，將摻雜有Si之n型的InP層積成膜厚30nm，從而獲得第二中間層27a。
進而，InGaAsP層積成膜厚900nm，從而獲得活性層25。在此，設為從紅外LED元件1出射之紅外光L的峰值波長成為1450nm那樣的條件。但是，如上述般，藉由調整構成活性層25的材料的組成比或採用MQW構造，使得紅外光L的峰值波長能夠在1350nm〜2000nm的範圍內進行調整。
之後，將摻雜有Zn的p型的InP層積成膜厚30nm而獲得第一中間層23a，將摻雜有Zn的p型的InP層積成膜厚3000nm而獲得第一覆蓋層23，接著將摻雜有Zn的p型的GaInAsP層積成膜厚200nm而形成第一接觸層21。
(步驟S3)於成長基板3上形成第二層積體20b、活性層25、第一層積體20a的晶圓從MOCVD裝置取出之後，藉由電漿CVD法形成例如由SiO2所成的絕緣層17(參照圖2C)。膜厚的一例是200nm。接著，於絕緣層17的表面，形成藉由光微影法形成圖案化(Patterning)的光阻遮罩。藉由使用了緩衝氫氟酸等之所定的藥劑的蝕刻法，去除對應光阻開口部的絕緣層17的一部分之後，形成貫通孔31c(參照圖2D)。
(步驟S4)接著，於貫通孔31c內形成內部電極31(參照圖2E)。具體而言，於貫通孔31c內作為內部電極31形成了Au/Zn/Au層之後，去除光阻遮罩後藉由例如420℃、10分鐘的加熱處理實施退火處理，形成第一接觸層21與Au/Zn/Au層之間的歐姆接觸。
(步驟S5)如圖2E所示，於絕緣層17的上表面依序形成反射層15及金屬接合層13a。例如藉由EB蒸鍍裝置，透過以所定膜厚對Al/Au進行成膜而形成反射層15，接著，透過以所定膜厚對Ti/Au進行成膜而形成金屬接合層13a。再者，反射層15設為與上述之內部電極31相同的材料亦可。
反射層15的材料膜的一例是Al/Au=5nm/ 200nm。金屬接合層13a的膜厚的一例是Ti/Au=150nm/ 1500nm。再者，如上述般，在反射層15與金屬接合層13a之間形成有阻擋層亦可。阻擋層的材料膜的一例是Ti/Pt=150nm/300nm。
(步驟S6)如圖2F所示，準備與成長基板3不同的支持基板11。在本實施形態中，利用將(001)面設為一方的主面，高濃度地摻雜硼(B)之顯示出導電性的Si基板。支持基板11的電阻率設為未滿10mΩ・cm(=0.1mΩ・m)為佳。
(步驟S7)如圖2G所示，於支持基板11的主面上形成金屬接合層13b。金屬接合層13b可以透過與在步驟S4中上述的金屬接合層13a相同的方法形成。再者，如上述般，在支持基板11與金屬接合層13b之間形成有阻擋層亦可。
(步驟S8)如圖2H所示，經由金屬接合層13(13a、13b)，例如使用晶圓接合裝置將成長基板3與支持基板11一邊加壓一邊貼合。理想是在清洗了各個金屬接合層13(13a、13b)的表面的狀態下進行重疊對合。該貼合處理例如在300℃、1MPa下進行。藉由該處理，使得成長基板3上的金屬接合層13a與支持基板11上的金屬接合層13b熔融而一體化(金屬接合層13)。
(步驟S9)如圖2I所示，去除成長基板3。作為一例，透過將接合後的晶圓浸漬於鹽酸系的蝕刻劑，去除成長基板3。此時，由與成長基板3、緩衝層22不同的材料形成的ES層24不溶於鹽酸系的蝕刻劑，因此在ES層24露出的時間點中，蝕刻處理停止。
(步驟S10)如圖2J所示，去除ES層24，讓第二覆蓋層27露出。例如因應需要以純水洗淨後，浸漬於對於ES層24為可溶，對於第二覆蓋層27為不溶的所定藥液，去除ES層24。作為一例，可利用硫酸與過氧化氫水的混合溶液(SPM)。
(步驟S11)如圖2K所示，對於露出的第二覆蓋層27的表面，形成上表面電極32。具體而言，利用以下的步驟進行。
於第二覆蓋層27的表面，形成藉由光微影法被圖案化的光阻遮罩。接著，藉由EB蒸鍍裝置，對上表面電極32的形成材料(例如Au/Ge/Au)進行成膜之後，利用剝離，形成上表面電極32。上表面電極32的膜厚的一例是Au/Ge/Au=10nm/30nm/150nm。
接著，於上表面電極32的所定位置的上面形成焊墊電極34。此時，與上表面電極32相同，可藉由EB蒸鍍裝置所致之成膜工程、及剝離工程來實現。作為焊墊電極34，例如對Ti/Pt/Au進行成膜，其厚度的一例是Ti/Pt/Au=150nm/300nm/1500nm。
(步驟S12)如圖2L所示，對於第二覆蓋層27的第一面27p形成凹凸部40。
作為具體方法的一例，首先，對於第二覆蓋層27的第一面27p，形成基於光微影法被圖案化的光阻。於該光阻，對於除了形成上表面電極32的區域之外的區域，形成複數個直徑3μm的孔部以週期長度6μm排列成三角格子形狀的圖案。再者，在形成上表面電極32的區域，覆蓋未形成孔部的光阻。
隔著該被圖案化的光阻，使用鹽酸-磷酸混合液等的蝕刻劑，對於第二覆蓋層27的第一面27p進行蝕刻。藉此，透過設置於光阻的孔部，對於第一面27p形成例如深度1μm的蝕刻圖案。之後，利用丙酮等的洗淨液去除光阻。再者，步驟S11與步驟S12將其順序前後調整亦可。
(步驟S13)如圖2M所示，實施用以分離為單個元件的台面蝕刻。具體而言，在將第二覆蓋層27之面中的非蝕刻區域，藉由利用光微影法圖案化的光阻進行遮蔽之狀態下，使用所定蝕刻劑進行濕式蝕刻處理。藉此，將位於未被遮蔽的區域內的第一層積體20a、活性層25、第二層積體20b的一部分去除。
作為具體方法的一例，首先藉由使用鹽酸-磷酸混合液的蝕刻，去除第二覆蓋層27。該反應在活性層25露出時停止。接著，藉由使用硫酸與過氧化氫水的混合溶液(SPM)的蝕刻，去除活性層25。該反應在第一覆蓋層23停止。接著，藉由使用鹽酸-磷酸混合液的蝕刻，去除第一覆蓋層23及第一接觸層21，露出絕緣層17。之後，利用丙酮等的洗淨液去除光阻。
(步驟S14)如圖2N所示，於第一層積體20a、活性層25、及第二層積體20b露出的表面，藉由電漿CVD法，形成也具有反射防止膜之功能的保護膜29。成膜後藉由光微影法，焊墊電極部形成開口圖案，藉由使用緩衝氫氟酸等之規定藥液的蝕刻法，使焊墊電極34露出。之後，利用丙酮等的有機溶劑去除光阻。
(步驟S15)調整支持基板11的背面側的厚度之後，於支持基板11的背面側形成背面電極33(參照圖1)。作為背面電極33的具體形成方法，與上表面電極32同樣地，透過藉由真空蒸鍍裝置，形成背面電極33的形成材料(例如Ti/Pt/Au)來形成。背面電極33的膜厚的一例是Ti/Pt/Au=150nm/ 300nm/1500nm。背面電極形成後為了上表面電極與焊墊電極的密接性提升、背面電極與支持基板間之歐姆特性的穩定化，實施250℃、10分鐘之間的熱處理。
支持基板11的厚度的調整方法是任意的，作為一例，可採用在將第二層積體20b側貼附於耐高溫研磨膠帶(back grind tape)的狀態下，藉由背面研磨機(back grinder)進行磨削的方法。磨削後的厚度可在例如50μm～250μm的範圍內適當調整，根據紅外LED元件1的用途及之後的製程而適當選擇。作為具體例，磨削後的支持基板11的厚度是150μm。磨削處理結束之後，從膠帶剝離、洗淨。
再者，支持基板11的背面側之厚度的調整因應需要而進行即可，不一定是必須的工程。
(步驟S16)接著，透過切割整個支持基板11進行晶片化。例如在藉由切割膠帶貼附背面電極33側的狀態下，沿著藉由步驟S13中的台面蝕刻形成的切割線，從上表面電極32側起，使用鑽石刀等與支持基板11一起進行切割。
之後，使用Ag膏等導電性接著劑將晶片化後的紅外LED元件1安裝於封座等。焊墊電極34藉由引線接合連接於封座的柱部。
[驗證實驗1]在此，針對紅外LED元件1，進行了用以確認出射之光的峰值波長與紅外LED元件的驅動電壓(順向電壓)之關係性的驗證實驗，因此以下針對其詳細內容進行說明。
(樣本)各實施例、各比較例、各參考例如後述表1所載。再者，在表1中揭示比較例1～4、參考例3～7的各元件並未具備中間層(23a、27a)。
(測定方法)測定以供給至樣本的電流(供給電流If)成為100mA之方式，施加於樣本的陽極端子與陰極端子之間的驅動電壓(順向電壓Vf)之值。
(結果)圖3A是繪製驗證實驗1之結果的圖表。再者，在圖3A中，四邊形狀的繪製揭示具備中間層(23a、27a)的樣本(實施例1～5、參考例1～2)的繪製，圓形狀的繪製揭示未具備中間層(23a、27a)的樣本(比較例1～4、參考例3～7)的繪製。再者，圖3A的圖表中，基於活性層的帶間隙能Ea所計算出之理論上的順向電壓的曲線藉由虛線表示。
在此，所謂理論上的順向電壓如上所述，以峰值波長1050nm的紅外LED元件的順向電壓Vf1050為基準，基於能量E、波長λ的關係(E(eV)=hc/λ=1240/λ)所導出的。再者，h是普朗克常數，c是光速。更詳細而言，將峰值波長設為λx，並將峰值波長為1050nm的紅外LED元件的順向電壓Vf1050相對於電壓降的大小界定為ΔVf，藉由Vf=Vf1050-ΔVf(λx)=Vf1050-(1240/1050-1240/λx)導出。
如圖3A所示，可確認在峰值波長未滿1350nm的樣本中，順向電壓Vf無關於中間層的有無，成為足夠接近理論曲線之值。相對於此，在峰值波長為1350nm以上的樣本中，順向電壓Vf因為中間層的有無而顯現出差異，無中間層的比較例1～4確認越是峰值波長為長波長側的樣本，變成越從理論曲線大幅偏離的順向電壓Vf，有中間層的實施例1～5則不會依據峰值波長，成為接近理論曲線的順向電壓Vf。
[驗證實驗2]接著，針對紅外LED元件1，進行了用以確認第一中間層23a的厚度與紅外LED元件的驅動電壓(順向電壓)之關係性的驗證實驗，因此以下針對其詳細內容進行說明。
(樣本)作為實驗用的樣本，準備第一中間層23a的厚度為0nm(4個)、10nm(1個)、15nm(1個)、20nm(1個)、50nm(2個)的樣本。再者，任一樣本都是出射之光的峰值波長為1550nm的紅外LED元件。
(測定方法)測定以供給至樣本的電流(供給電流If)成為100mA之方式，施加於樣本的陽極端子與陰極端子之間的驅動電壓(順向電壓Vf)之值。
(結果)圖3B是繪製驗證實驗2之結果的圖表。如圖3B所示，可確認中間層(23a、27a)的厚度為15nm以上的話，順向電壓Vf急遽地降低。
根據以上內容，上述結構的紅外LED元件1在即使活性層25是發出峰值波長1350nm以上的光之層的狀況中，藉由具備第一中間層23a，驅動電壓(順向電壓)也會足夠接近理論性地導出之值。亦即，上述結構的紅外LED元件1相較於以往的紅外LED元件，減低了順向電壓，因此其結果是提升了發光效率。
[其他實施形態]以下，針對其他實施形態進行說明。
＜1＞圖4是示意性地揭示其他實施形態之紅外LED元件1的構造的剖面圖。如圖4所示，本實施形態的紅外LED元件1具備InP基板50、第一層積體20a、活性層25、第二層積體20b、絕緣層17、相當於反射層的反射電極(51、52)、第一電極53、第二電極54、內部電極55、高度調整用電極56。
InP基板50是成長基板，表面構成用以取出紅外光L的光出射面50a。光出射面50a如圖4所示，與上述的實施形態同樣地形成凹凸部。
第一層積體20a、活性層25、第二層積體20b與上述的實施形態同樣地，形成層積了第一覆蓋層23、第一中間層23a、活性層25、第二中間層27a、第二覆蓋層27的構造。本實施形態的第一層積體20a在沿Y方向觀察時，第一覆蓋層23涵蓋整個InP基板50形成，但是，第一中間層23a、活性層25、第二中間層27a及第二覆蓋層27僅形成於InP基板50的一部分。在此，在其他實施形態中，第一覆蓋層23對應「第一半導體層」，第二覆蓋層27對應「第二半導體層」，第一中間層23a對應「中間層」。
反射電極(51、52)都相當於將從活性層25發出，直接或透過重複在元件內的反射而向絕緣層17側(-Y側)行進的紅外光L，以向InP基板50側(+Y側)行進之方式反射的反射層。本實施形態這樣的覆晶型的紅外LED元件1如上所述般，對於次底座58進行覆晶安裝。
而且，第一電極53以電性連接於第一覆蓋層23中第一中間層23a未配置於上層的區域之方式設置，第二電極54設置成接觸反射電極52的形成絕緣層17之側的相反一側(-Y側)之面。
絕緣層17以連接第一層積體20a、活性層25、第二層積體20b的側面、第二覆蓋層27的上表面、及第一中間層23a並未配置於上層的區域的第一覆蓋層23的上表面之方式配置。
＜2＞圖5是示意性地揭示其他實施形態之紅外LED元件1的構造的剖面圖。如圖5所示，第一層積體20a在第一覆蓋層23的+Y側且第一中間層23a的-Y側，具備電子塊層23b亦可。電子塊層23b例如由AlInAs所構成。
＜3＞在上述的各實施形態中，都以具備第一中間層23a、第二中間層27a的樣態進行說明，但是，只要具備至少任一方即可。
＜4＞在上述實施形態中，設為第一層積體20a(第一接觸層21、第一中間層23a、第一覆蓋層23)是p型半導體，第二層積體20b(第二中間層27a、第二覆蓋層27)是n型半導體，但兩者的導電型也可以反轉。又，中間層(第一中間層23a、及第二中間層27a)作為無摻雜亦可。
＜5＞上述的紅外LED元件1所具備的結構僅為一例，本發明並不限定於圖示的各結構。
1:紅外LED元件3:成長基板11:支持基板13:金屬接合層13a:金屬接合層13b:金屬接合層15:反射層17:絕緣層20a:第一層積體20b:第二層積體21:第一接觸層22:緩衝層23:第一覆蓋層23a:第一中間層23b:電子塊層24:蝕刻終止層(ES層)25:活性層27:第二覆蓋層27a:第二中間層27p:第一面29:保護膜31:內部電極31c:貫通孔32:上表面電極33:背面電極34:焊墊電極40:凹凸部50:InP基板50a:光出射面51:反射電極52:反射電極53:第一電極54:第二電極55:內部電極55a:導電性氧化膜層55b:填充層56:高度調整用電極57a:圖案電極57b:圖案電極58:次底座L:紅外光L1:紅外光L2:紅外光
[圖1]示意性地揭示一實施形態之紅外LED元件的構造的剖面圖。[圖2A]用以說明圖1所示之紅外LED元件的製造方法的一工程的剖面圖。[圖2B]用以說明圖1所示之紅外LED元件的製造方法的一工程的剖面圖。[圖2C]用以說明圖1所示之紅外LED元件的製造方法的一工程的剖面圖。[圖2D]用以說明圖1所示之紅外LED元件的製造方法的一工程的剖面圖。[圖2E]用以說明圖1所示之紅外LED元件的製造方法的一工程的剖面圖。[圖2F]用以說明圖1所示之紅外LED元件的製造方法的一工程的剖面圖。[圖2G]用以說明圖1所示之紅外LED元件的製造方法的一工程的剖面圖。[圖2H]用以說明圖1所示之紅外LED元件的製造方法的一工程的剖面圖。[圖2I]用以說明圖1所示之紅外LED元件的製造方法的一工程的剖面圖。[圖2J]用以說明圖1所示之紅外LED元件的製造方法的一工程的剖面圖。[圖2K]用以說明圖1所示之紅外LED元件的製造方法的一工程的剖面圖。[圖2L]用以說明圖1所示之紅外LED元件的製造方法的一工程的剖面圖。[圖2M]用以說明圖1所示之紅外LED元件的製造方法的一工程的剖面圖。[圖2N]用以說明圖1所示之紅外LED元件的製造方法的一工程的剖面圖。[圖3A]繪製驗證實驗1之結果的圖表。[圖3B]繪製驗證實驗2之結果的圖表。[圖4]示意性地揭示其他實施形態之紅外LED元件的構造的剖面圖。[圖5]示意性地揭示其他實施形態之紅外LED元件的構造的剖面圖。
1:紅外LED元件
11:支持基板
13:金屬接合層
15:反射層
17:絕緣層
20a:第一層積體
20b:第二層積體
21:第一接觸層
23:第一覆蓋層
23a:第一中間層
25:活性層
27:第二覆蓋層
27a:第二中間層
27p:第一面
29:保護膜
31:內部電極
32:上表面電極
33:背面電極
34:焊墊電極
40:凹凸部
L:紅外光
L1:紅外光
L2:紅外光

Claims (8)

  1. 一種紅外LED元件，係能夠出射峰值波長為1350nm〜2000nm的紅外光的紅外LED元件，其特徵為具備：第一層積體，係於層積方向，具有顯示出n型或p型的第一導電型的第一半導體層、與厚度為15nm以上的中間層；活性層，係配置於前述第一層積體的前述中間層的上層；及第二層積體，係具有顯示出與前述第一導電型不同的第二導電型的第二半導體層，且配置於前述活性層的上層，將前述活性層的帶間隙能設為Ea、將前述中間層的帶間隙能設為Em、將前述第一半導體層的帶間隙能設為Ep時，Ea＜Em＜Ep。
  2. 如請求項1所記載之紅外LED元件，其中，前述活性層是層積量子井層、及障壁層所成，將前述障壁層的帶間隙能設為Eb時，Ea＜Eb＜Em。
  3. 如請求項1或2所記載之紅外LED元件，其中，前述中間層是摻雜濃度為2×1018/cm3以下的半導體層。
  4. 如請求項1或2所記載之紅外LED元件，其中，前述活性層的厚度為30nm以上。
  5. 如請求項1或2所記載之紅外LED元件，其中，前述第一半導體層由InP所成。
  6. 如請求項1或2所記載之紅外LED元件，其中，前述活性層由GaInAsP所成。
  7. 如請求項1或2所記載之紅外LED元件，其中，前述第一層積體具有配置於前述第一半導體層的上層之由AlInAs所成的電子塊層。
  8. 如請求項1或2所記載之紅外LED元件，其中，將前述活性層的帶間隙能的Ea、與前述第一半導體層的帶間隙能Ep之間的差界定為100%時，前述活性層的帶間隙能Ea、與前述中間層的帶間隙能Em的差在30%～60%的範圍內。
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