半導(dǎo)體發(fā)光元件及光耦合裝置的制造方法
【專利說明】半導(dǎo)體發(fā)光元件及光閒合裝置
[0001 ]相夫申請案
[0002] 本申請案享有W日本專利申請案2014-178207號（申請日：2014年9月2日）作 為基礎(chǔ)申請案的優(yōu)先權(quán)。本申請案通過參照該基礎(chǔ)申請案而包含基礎(chǔ)申請案的所有內(nèi)容。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003] 本發(fā)明的實(shí)施方式設(shè)及一種半導(dǎo)體發(fā)光元件及光禪合裝置。
【背景技術(shù)】
[0004] 光禪合裝置從半導(dǎo)體發(fā)光元件發(fā)出紅色光~紅外光的波長的光信號，并利用娃 (Si)光電二極管等受光元件轉(zhuǎn)換為電信號而輸出。因此，能夠在將輸入端子與輸出端子電 絕緣的狀態(tài)下傳送信號。
[0005] 光禪合裝置在產(chǎn)業(yè)設(shè)備或通信設(shè)備等中的用途日益擴(kuò)大。
[0006] 紅色光~紅外光是從包含AlGaAs或InGaAlP等的發(fā)光層發(fā)出。在含有包含Al的 運(yùn)些材料的發(fā)光層中，機(jī)械性地導(dǎo)入的微小結(jié)晶缺陷或外延生長時(shí)所導(dǎo)入的異質(zhì)界面上的 微小點(diǎn)缺陷等因器件動(dòng)作時(shí)的應(yīng)力而成為非發(fā)光中屯、。有如下情況：非發(fā)光中屯、產(chǎn)生光吸 收等而成為再禪合中屯、，產(chǎn)生結(jié)晶缺陷的增長或傳播，導(dǎo)致光輸出降低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明的實(shí)施方式提供一種發(fā)出紅色光~紅外光的AlGaAs系發(fā)光層中的結(jié)晶缺 陷的增長或傳播受到抑制的半導(dǎo)體發(fā)光元件及光禪合裝置。
[0008] 實(shí)施方式的半導(dǎo)體發(fā)光元件具備具有發(fā)光層的半導(dǎo)體積層體，該發(fā)光層包含應(yīng)變 量子阱構(gòu)造，該應(yīng)變量子阱構(gòu)造包含：n層（n:l W上10 W下的整數(shù)）阱層，包含向AlGaAs 系添加微量 In 而成的 Inx(Gai-yAly)i_xAs(其中，0 < X 蘭 0. 2、0 <y < 1) 及（n+1)層 勢壘層，與所述阱層交替地積層且包含Gai_,Al,As(其中，0 < Z < 1);且所述發(fā)光層發(fā)出 具有700nm W上且870nm W下的峰值波長的光。
【附圖說明】
[0009] 圖1 (a)是第一實(shí)施方式的半導(dǎo)體發(fā)光元件的示意俯視圖，圖1化）是沿著A-A線 的示意剖視圖。
[0010] 圖2 (a)是將半導(dǎo)體積層體的E部放大所得的示意剖視圖，圖2化）是量子阱構(gòu)造 的帶圖。
[0011] 圖3是表示相對于In組成比的臨界膜厚依存性的曲線圖。
[0012] 圖4(a)是本實(shí)施方式的光禪合裝置的應(yīng)用例的構(gòu)成圖，圖4(b)是光禪合裝置的 負(fù)載中流通的電流波形圖，圖4(c)是發(fā)光元件的驅(qū)動(dòng)脈沖的電流波形圖。
[0013] 圖5(a)~（f)是表示光禪合裝置的高溫高濕動(dòng)作試驗(yàn)的結(jié)果的曲線圖。
[0014] 圖6是表示能夠發(fā)出770nm的波長的光的阱層的In組成比與Al組成比的關(guān)系的 曲線圖。
【具體實(shí)施方式】
[0015] W下，一邊參照附圖一邊對本發(fā)明的實(shí)施方式進(jìn)行說明。
[001引圖1(a)是第一實(shí)施方式的半導(dǎo)體發(fā)光元件的示意俯視圖，圖Ub)是沿著A-A線 的示意剖視圖。
[0017] 半導(dǎo)體發(fā)光元件50具有半導(dǎo)體襯底37、設(shè)置在半導(dǎo)體襯底37上且包含發(fā)光層25 的半導(dǎo)體積層體40、第一電極20、W及第二電極42。
[0018] 第一電極20包含圓形狀的焊墊部20a。而且，第一電極20能在忍片的對角線方向 進(jìn)而包含線狀的突起部20b。如此一來，在俯視下，能在發(fā)光層25的寬廣區(qū)域發(fā)光而提高光 輸出。
[0019] 在半導(dǎo)體襯底37的背面設(shè)置有第二電極42。
[0020] 另外，半導(dǎo)體襯底37的結(jié)晶生長面能設(shè)為從低階的結(jié)晶面傾斜例如3~20度的 面。如果使用傾斜襯底，則容易提高對半導(dǎo)體積層體40的雜質(zhì)滲雜效率，能提高光學(xué)特性 等。
[0021] 忍片尺寸的橫向的邊的長度Ll及縱向的邊的長度L2能分別設(shè)為150~250 ym 等。而且，忍片的高度H能設(shè)為100~170ym等。該縱橫比（H/L)適用于利用刻劃法進(jìn) 行元件分離的情況，在使用切割法的情況下，在保證忍片的機(jī)械強(qiáng)度的范圍內(nèi)，能進(jìn)而設(shè)為 50 Ji m 等。
[0022] 圖2 (a)是將半導(dǎo)體積層體的E部放大所得的示意剖視圖，圖2化）是應(yīng)變量子阱 構(gòu)造的帶圖。
[0023] 半導(dǎo)體積層體40具有發(fā)光層25。而且，發(fā)光層25包含量子阱構(gòu)造，該量子阱構(gòu)造 包含n(n:l W上的整數(shù)）層阱層26 W及與阱層26交替地積層的（n+1)層勢壘層27。從 發(fā)光層25所發(fā)出的發(fā)出光具有700~870nm的范圍的峰值波長。
[0024] 而且，半導(dǎo)體襯底37例如包含n型GaAs,且供體濃度是設(shè)為1 X l〇i8cm 3。半導(dǎo)體積 層體40從半導(dǎo)體襯底37側(cè)起具有緩沖層36、反射層35、n型包覆層33、發(fā)光層25、P型包 覆層23、p型電流擴(kuò)散層22、及P型接觸層21。半導(dǎo)體積層體40例如可使用MOCVD (Metal Organic Qiemical Vapor Deposition,金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積）法或MBE(Mole州Iar Beam 化itaxy，分子束外延）法形成。
[00巧]緩沖層36包含GaAs等，能將厚度設(shè)為0. 5 y m，將供體濃度設(shè)為5 X 10"畑13。反射 層35能設(shè)為積層有二十對Inn.5AlD.5P與Aln.zGan.sAs的布拉格反射器等。如果設(shè)置反射層 35,則能通過將朝向下方的發(fā)出光反射到上方的光出射面?zhèn)榷岣吖馓崛⌒省?br>[002引n型包覆層33包含In0.5(Ga0.4Al0.6)0.5P等，能設(shè)為厚度0. 6 ym、供體濃度 IX 1018畑13等。P型包覆層23包含In 0.5(Ga0.4Al0.6)0.sP等，會(huì)長設(shè)為厚度0. 6 ym、受體濃度 8X10口畑13 等。
[0027] 而且，P型電流擴(kuò)散層22包含Al〇.eGa〇.4As，能設(shè)為厚度2. 5 y m、受體濃度 2 X IQi8Cm 3等。P型接觸層21包含GaAs,能將厚度設(shè)為0.0 l y m，將受體濃度設(shè)為2 X 1018Cm 3 等。另外，各層的導(dǎo)電型也可分別為相反導(dǎo)電型，材料、雜質(zhì)濃度、厚度并不限定于所述情 況。
[0028] 而且，發(fā)光層25具有阱層26及勢壘層27。阱層26包含lnx(Gai-yAly)i_xAs(0 < X蘭0.2、0 < y < 1)且未滲雜，一層的厚度設(shè)為11皿W下等。而且，勢壘層27包含 AlzGai _zAs(0蘭Z蘭1)且未滲雜，一層的厚度設(shè)為大于10皿且為50皿W下等。
[0029] 圖2化）表示阱層26的層數(shù)n為兩層且夾著阱層26的勢壘層27的層數(shù)（n+1)為 3層的應(yīng)變量子阱構(gòu)造的帶圖。傳導(dǎo)帶92及價(jià)帶93是W對照準(zhǔn)費(fèi)米能階90的方式表示。 在兩層阱層26a、2化分別儲(chǔ)存電子及電桐。如果勢壘層27a、27b、27c的厚度化1、化2、化3 小，則量子效率提高，載子儲(chǔ)存在P型包覆層23與n型包覆層33之間的薄區(qū)域，因此結(jié)電 容變大。
[0030] 另一方面，如果勢壘層27a、27b、27c的厚度化1、化2、Tb3大，則載子儲(chǔ)存在P型包 覆層23與n型包覆層33之間的厚區(qū)域，因此結(jié)電容變小。
[0031] 圖3是表示在圖2化）所示的構(gòu)造中將勢壘層的Al組成比設(shè)為0. 5而得的相對于 阱層的In組成比的臨界膜厚依存性的計(jì)算結(jié)果的一例的曲線圖。
[0032] 縱軸為臨界膜厚he (皿)，橫軸為In組成比（％)。即使阱層26的晶格常數(shù)與勢壘 層27的晶格常數(shù)不匹配，由于各層薄，故而只要在其彈性極限范圍內(nèi)通過應(yīng)變而為臨界膜 厚W下，則也不受制于晶格匹配條件而保持結(jié)晶性良好。然而，如果成為X > 0. 2,則在圖 2(b)所示的構(gòu)造中，導(dǎo)致外延生長溫度與室溫的溫度差的各種材料的線膨脹系數(shù)差所引起 的壓縮或拉伸應(yīng)力、W及各個(gè)層厚超過彈性極限。因此，判明如下情況：在將阱層26的In 組成比X設(shè)為0. 2,將膜厚設(shè)為5nm的情況下，出現(xiàn)交叉線，結(jié)晶性降低，計(jì)算結(jié)果與實(shí)際的 多種異質(zhì)外延生長下的結(jié)晶性降低大致一致，超過臨界膜厚之類的構(gòu)造明顯，結(jié)晶性降低， 因此欠佳。
[0033] 旨P，隨著In組成比X的增加，臨界膜厚he減少，阱層26的厚度上限值受到限制。 另外，在將勢壘層27設(shè)為ALGai _/S (0 < Z < 1)的情況下，阱層26的晶格常數(shù)比勢壘層 27大。因此，阱層26沿著其生長面受到壓縮應(yīng)力，勢壘層27沿著其生長面受到拉伸應(yīng)力。 臨界膜厚he (標(biāo)記?)是根據(jù)式（1)的馬修斯（Mathews)式算出。
[003引其中，b :位錯(cuò)的伯格斯矢量 [003引 V :泊松比
[0037] f:晶格不匹配度
[0038] a :位錯(cuò)線與伯格斯矢量所成的角
[0039] A :滑動(dòng)面與界面所成的角
[0040] 例如，In組成比X為0. 2時(shí)，臨界膜厚he大致成為5nm，能使阱層26的厚度TwU Tw2為加m W下。而且，如果將In組成比X設(shè)為0. 1，則臨界膜厚he大致成為11皿，能使阱 層26的厚度TwU Tw2為11皿W下。對應(yīng)于In組成比X的增大，晶格常數(shù)變大，因此認(rèn)為 會(huì)與其相應(yīng)地發(fā)生晶格弛豫的臨界膜厚he減少。然而，實(shí)際上，在多層異質(zhì)外延生長膜的 情況下，計(jì)算值與實(shí)際的器件構(gòu)造下的良好的結(jié)晶條件存在誤差，如果并非臨界膜厚he的 1/2左右的膜厚，則無法獲得良好的結(jié)晶性。旨P，In組成比X為0.1時(shí)，臨界膜厚必須設(shè)為 大致5皿左右。而且，進(jìn)而在In組成為0的情況下，臨界膜厚被計(jì)算為200皿，即使為比現(xiàn) 實(shí)中能夠?qū)崿F(xiàn)的IOOnm更薄的5nm的阱層厚度，也因通電而發(fā)現(xiàn)結(jié)晶缺陷的增長、傳播所致 的器件的劣化、即可靠性降低的問題。
[0041] 其次，對半導(dǎo)體發(fā)光元件的長期可靠性與量子阱構(gòu)造的應(yīng)變的關(guān)系進(jìn)行說明。
[0042] 圖4(a)是本實(shí)施方式的光禪合裝置的應(yīng)用例的構(gòu)成圖，圖4(b)是光禪合裝置的 負(fù)載中流通的電流波形圖，圖4(c)是發(fā)光元件的驅(qū)動(dòng)脈沖的電流波形圖。
[0043] 圖4 (a)所示的光禪合裝置5具有發(fā)光部5曰、W及受光部化。發(fā)光部5a包含第一 實(shí)施方式的發(fā)光元件50。受光部化具有受光元件60、控制電路62、W及經(jīng)共用源極連接的 N信道MOS陽T70。
[0044] 光禪合裝置5例如連接在交流電源80、W及負(fù)載82。交流電源80的頻率n例如 設(shè)為100曲Z等。發(fā)光元件50接通，通過該發(fā)出光，受光元件60產(chǎn)生光電動(dòng)勢。輸出端子 31為正的期間，電流從光禪合裝置5的輸出端子31經(jīng)由M0SFET70,從輸出端子32向負(fù)載 82、交流電源的朝向流動(dòng)。輸出端子31為負(fù)的期間，電流朝相反方向流動(dòng)。因此，如圖4(b) 所示，在負(fù)載82中流通頻率為n的交流電流。目P，光禪合裝置5作為根據(jù)