半導體發光元件及其制造方法

專利名稱：半導體發光元件及其制造方法
技術領域：
本發明涉及半導體發光元件及其制造方法。
背景技術：
近年來，隨著CPU的驅動頻率的高速化(例如，10GHz以上)，以光傳輸系統裝置內及裝置間的信號的光學互連技術受到注目。在該光學互連技術中使用半導體發光元件及稱為半導體發光元件的光半導體元件。
日本專利公開平2-128481號公報、日本專利公開平10-200200號公報及日本專利公開平11-46038號公報中，公開有具有基板、及層疊在基板一側的主表面上的多個化合物半導體層，且從基板另一側的主表面出射光線的所謂背面出射型半導體發光元件。在這些半導體發光元件中，根據下述目的，使基板中位于發光區域下方的部分局部變薄，另外，以包圍該部分的方式形成維持基板厚度的部分。其中，第1目的在于，防止依基板的光吸收的光信號劣化或消失。第2目的在于，在通過引線接合(wire bonding)或凸塊接合(bump bonding)將半導體發光元件安裝于外部基板上時，防止半導體發光元件受到打擊或破損。

發明內容
但是，在上述半導體發光元件中，因為存在維持基板厚度的部分，因此要使半導體發光元件小型化是有限度的。尤其是在合并設置多個發光部以形成發光元件陣列的情況下，難以使發光部間的間距變小，因此不得不增大發光元件陣列的尺寸。
本發明的目的在于，提供一種具有足夠的機械強度，且可小型化的半導體發光元件及其制造方法。
本發明的半導體發光元件，其具有包括被層疊的多個化合物半導體層，且具有相向的第1及第2主表面，并生成光的多層構造體；配置在多層構造體的第1主表面上的第1電極；配置在多層構造體的第2主表面上的第2電極；以覆蓋第1電極的方式形成在多層構造體的第1主表面上的由氧化硅構成的膜；及對于由多層構造體生成的光呈光學透明，并通過由氧化硅構成的膜固定在多層構造體上的玻璃基板。
即使使包含在多層構造體中的多個化合物半導體層變薄，多層構造體的機械強度仍由玻璃基板所保持。另外，如上述以往技術，不需要形成維持基板厚度的部分，可容易地使元件小型化。
因為氧化硅可熔接于玻璃基板，因此無須使用其它的粘合劑即可將多層構造體與玻璃基板接合。因此，從多層構造體出射的光，不會被粘合劑吸收而到達玻璃基板。
優選由氧化硅構成的膜，具有與玻璃基板相接觸的平坦面。利用由氧化硅構成的膜來解消因第1電極引起的凹凸，因此可利用由氧化硅構成的膜容易且確實地將玻璃基板接合在多層構造體的第1主表面。
另外，多層構造體，作為多個化合物半導體層，可包含順序層疊的第1導電型接觸層、第1導電型的第1分布式布拉格反射器(DBR)層、第1導電型的第1覆蓋層、活性層、第2導電型的第2覆蓋層及第2導電型的第2DBR層。多層構造體也可具有，局部包含接觸層、第1DBR層、第1覆蓋層、活性層及第2覆蓋層的多層區域；及包圍該多層區域，并被絕緣化或半絕緣化的電流狹窄區域。在該情況下，可獲得面發光型的半導體發光元件。
本發明的半導體發光元件還可具有，配置在多層構造體的第2主表面上的第1接墊(pad)電極及貫通多層構造體的貫通配線。第1電極包含與接觸層中包含在多層區域內的部分電連接的配線電極，該配線電極還可通過貫通配線電連接于第1接墊電極。第2電極可包含與第2DBR層電連接的第2接墊電極。第1接墊電極及第2接墊電極配置在光出射面的相反側，因此可容易進行半導體發光元件的安裝。
本發明的半導體發光元件還可具有分別配置在第1接墊電極及第2接墊電極上的凸塊電極。
多層構造體還可具有并列設置的多個多層區域。
本發明的半導體發光元件，還可具有設置在第2DBR層上，并覆蓋多層區域的光反射膜。由光反射膜所反射的光也從玻璃基板出射，因此可提高發光輸出。
玻璃基板可具有表面及背面。玻璃基板的表面可固定在由氧化硅構成的膜上。玻璃基板的背面可具有接收從多層構造體出射的光的透鏡部。透鏡部還可與玻璃基板的背面中最高的部分相比凹陷。
本發明的半導體發光元件的制造方法，其具有準備半導體基板的工序；將生成光的多層構造體設置在半導體基板上的工序，多層構造體包含被層疊的多個化合物半導體層，具有相向的第1及第2主表面，并使第2主表面朝向半導體基板；在多層構造體的第1主表面上形成第1電極的工序；以覆蓋第1電極的方式形成由氧化硅構成的膜的工序；準備具有表面及背面的玻璃基板，并將由氧化硅構成的膜熔接在玻璃基板的表面，而將多層構造體固定在玻璃基板上的工序；其中，玻璃基板，對于由多層構造體生成的光呈光學透明；除去半導體基板的工序；及在多層構造體的第2主表面上形成第2電極的工序。
在該方法中，在多層構造體的第1主表面上，以覆蓋第1電極的方式形成由氧化硅構成的膜，在將氧化硅構成的膜熔接在玻璃基板上之后，除去半導體基板。由此，在多層構造體的第1主表面上利用由氧化硅構成的膜，可容易制造具有固定有玻璃基板的構造的半導體發光元件。
由于在除去半導體基板后仍存在玻璃基板，因此即使使包含在多層構造體中的多個化合物半導體層變薄，多層構造體的機械強度仍由玻璃基板所保持。另外，如上述以往技術，不需要形成維持基板厚度的部分，可容易地使元件小型化。而且，在將玻璃基板固定在多層構造體上之前，可利用半導體基板保持機械強度。
由于由氧化硅構成的膜可熔接在玻璃基板上，因此無須使用其它的粘合劑即可將多層構造體與玻璃基板接合。因此從多層構造體出射的光，不會被粘合劑吸收而到達玻璃基板。
本發明的方法還可具有，在形成由氧化硅構成的膜后，在將多層構造體固定在玻璃基板上之前，使由氧化硅構成的膜平坦化的工序。利用由氧化硅構成的膜來解消因第1電極產生的凹凸，因此可通過由氧化硅構成的膜容易將玻璃基板接合在多層構造體的第1主表面上。
除去半導體基板的工序，還可包含利用濕式蝕刻除去半導體基板的工序。
本發明的方法還可具有，在形成多層構造體的工序之前，在半導體基板上形成使濕式蝕刻停止的蝕刻停止層的工序；及在除去半導體基板的工序之后，利用濕式蝕刻除去蝕刻停止層的工序。形成多層構造體的工序，還包含在蝕刻停止層上形成多層構造體的工序。適宜選擇可蝕刻半導體基板而不可蝕刻該蝕刻停止層的蝕刻液，以及可蝕刻該蝕刻停止層而不可蝕刻化合物半導體層的蝕刻液，可除去半導體基板，并在其后僅除去蝕刻停止層。因此，可殘留多層構造體而確實且容易除去半導體基板。
多層構造體，作為多個化合物半導體層，可包含第1導電型接觸層、第1導電型的第1分布式布拉格反射器(DBR)層、第1導電型的第1覆蓋層、活性層、第2導電型的第2覆蓋層及第2導電型的第2DBR層。形成多層構造體的工序，也可包含在半導體基板上順序層疊第2DBR層、第2覆蓋層、活性層、第1覆蓋層、第1DBR層及接觸層的工序。本發明的方法還可具有，在形成多層構造體的工序之后，將包圍局部包含接觸層、第1DBR層、第1覆蓋層、活性層及第2覆蓋層的多層區域，并被絕緣化或半絕緣化的電流狹窄區域形成在多層構造體中的工序。在該情況下，可獲得面發光型的半導體發光元件。
形成第1電極的工序還可包含，在形成電流狹窄區域的工序后，形成與接觸層中包含于多層區域內的部分電連接的配線電極的工序。形成第2電極的工序，還可包含形成與第2DBR層電連接的第2接墊電極的工序。本發明的方法還可具有，在除去半導體基板的工序之后，在多層構造體的第2主表面上形成第1接墊電極，并使該第1接墊電極與配線電極電連接的工序。第1接墊電極和第2接墊電極，配置在光出射面的相反側，因此可容易進行半導體發光元件的安裝。
使第1接墊電極與配線電極電連接的工序，還可包含形成貫通多層構造體的貫通配線，并通過該貫通配線將第1接墊電極電連接于配線電極的工序。在該情況下，可將第1接墊電極確實電連接于配線電極。
本發明的方法，還可具有在第2DBR層上形成覆蓋多層區域的光反射膜的工序。在該情況下，由光反射膜所反射的光也從玻璃基板出射，因此可提高發光輸出。
玻璃基板的背面可具有接受從多層構造體出射的光的透鏡部。在該情況下，利用透鏡部可改善出射光的方向性，獲得平行光。
透鏡部與玻璃基板的背面中的最高的部分相比凹陷。在該情況下，可容易將具有透鏡部的玻璃基板熔接于由氧化硅構成的膜。另外，若在熔接前加工透鏡部，則可減小對透鏡加工方法上的限制，因此可增加透鏡形狀等透鏡設計的自由度。
本發明通過下述詳細說明及附圖可獲得更為深刻的理解。而且，所附圖僅為例示，其并不限定本發明的范圍。


圖1為顯示第1實施方式的半導體發光元件的概略俯視圖。
圖2為沿著圖1中的II-II線所作的概略剖面圖。
圖3為顯示第1實施方式的半導體發光元件的制造工序的概略剖面圖。
圖4為顯示第1實施方式的半導體發光元件的制造工序的概略剖面圖。
圖5為顯示第1實施方式的半導體發光元件的制造工序的概略剖面圖。
圖6為顯示第1實施方式的半導體發光元件的制造工序的概略剖面圖。
圖7為顯示第1實施方式的半導體發光元件的制造工序的概略剖面圖。
圖8為顯示第1實施方式的半導體發光元件的制造工序的概略剖面圖。
圖9為顯示第1實施方式的半導體發光元件的制造工序的概略剖面圖。
圖10為顯示第1實施方式的半導體發光元件的制造工序的概略剖面圖。
圖11為顯示第1實施方式的半導體發光元件的制造工序的概略剖面圖。
圖12為顯示第2實施方式的半導體發光元件的概略剖面圖。
圖13為顯示第2實施方式的半導體發光元件的制造工序的概略剖面圖。
圖14為顯示本實施方式的半導體發光元件陣列的概略剖面圖。
圖15為顯示本實施方式的半導體發光元件陣列的概略剖面圖。
圖16為顯示本實施方式的半導體發光元件陣列的概略俯視圖。
圖17為顯示本實施方式的半導體發光元件陣列的概略俯視圖。
圖18為顯示本實施方式的光學互連系統的構成的概略圖。
符號說明1 玻璃基板1a 透鏡部3 接觸層4 第1DBR層5 第1覆蓋層6 活性層7 第2覆蓋層8 第2DBR層10 膜11b 發光區域11a 電流狹窄區域12 多層區域21 第1電極23 p側電極25 配線電極27 貫通配線29 p側接墊電極31 第2電極
33 n側接墊電極41 凸塊電極51 半導體基板53 蝕刻停止層61 第1主表面62 第2主表面71 玻璃基板表面72 玻璃基板背面72a 透鏡部LE1、LE2 半導體發光元件LE3～LE6 半導體發光元件陣列LS 多層構造體TH 貫通孔具體實施方式
以下，參照

本發明的實施方式的半導體發光元件。而且，在以下的說明中，對相同要素或具有相同功能的要素，使用相同元件符號，并省略重復說明。
第1實施方式圖1為顯示第1實施方式的半導體發光元件的概略俯視圖。圖2為沿著圖1中的II-II線所作的概略剖面圖。
半導體發光元件LE1具有多層構造體LS和玻璃基板1。該半導體發光元件LE1是，從玻璃基板1側發出光的背面出射型的垂直空腔表面發射激光器(VCSELVertical Cavity Surface Emitting Laser)。半導體發光元件LE1是，例如波長范圍為0.85μm的近距離光通信用發光元件。
多層構造體LS包含順序層疊的p型(第1導電型)接觸層3、p型的第1分布式布拉格反射器(Distributed Bragg ReflectorDBR)層4、p型的第1覆蓋層5、活性層6、n型(第2導電型)的第2覆蓋層7及n型的第2DBR層8。在該多層構造體LS上形成有被絕緣化或半絕緣化的電流狹窄區域11a。電流狹窄區域11a配置為包圍局部包含接觸層3、第1DBR層4、第1覆蓋層5、活性層6及第2覆蓋層7的多層區域12。電流狹窄區域11a涉及從接觸層3至第2覆蓋層7與第2DBR層8的交界附近的范圍。
多層構造體LS具有相向的第1主表面61和第2主表面62。多層構造體LS通過施加電壓而生成光，并從背面(光出射面)62出射該光線。在多層構造體LS的第1及第2主表面61及62上分別形成有絕緣膜19、20。絕緣膜19、20由如SiNx所構成，且厚度為0.2μm左右。
多層構造體LS中，利用夾持活性層6的第1DBR層4及第2DBR層8構成垂直共振器。另外，多層構造體LS中，利用電流狹窄區域11a，減窄供給活性層6的電流，用以限制發光區域。也就是，在多層構造體LS中，位于電流狹窄區域11a內側的多層區域12中，主要由第1DBR層4及第2DBR層8所夾持的第1覆蓋層5、活性層6及第2覆蓋層7，發揮發光區域11b的功能。
在多層構造體LS的第1主表面61上配置有第1電極21。第1電極21包含p側電極(正極)23及配線電極25。p側電極23通過形成于絕緣膜19的接觸孔19a，電連接于接觸層3中位于電流狹窄區域11a內側的區域。p側電極23由Cr/Au的層疊體所構成，其厚度為1.0μm左右。而且，p側電極23配置為不會遮蔽來自發光區域11b的光線。配線電極25以電連接于p側電極23的方式配置在絕緣膜19上。配線電極25由Ti/Pt/Au的層疊體所構成，其厚度為1.5μm左右。
在多層構造體LS上形成有從第1主表面61貫通第2主表面62的孔TH。在劃分貫通孔TH的多層構造體LS的壁面上也形成有絕緣膜20。在貫通孔TH內，在絕緣膜20的內側設有貫通配線27。貫通配線27的一端部27a通過形成在絕緣膜20上的接觸孔20a，電連接于配線電極25。
在多層構造體LS的第2主表面62上配置有p側接墊電極29(第1接墊電極)及第2電極31。p側接墊電極29由Ti/Pt/Au的層疊體所構成，其厚度為2μm左右。p側接墊電極29形成為覆蓋貫通配線27，且電連接于貫通配線27中位于端部27a的相反側的端部27b。在p側接墊電極29上配置有凸塊電極41。正極側的電極的引出，由接觸層3、p側電極23、配線電極25、貫通配線27、p側接墊電極29及凸塊電極41來實現。
第2電極31包含n側接墊電極33(第2接墊電極)。該n側接墊電極33通過形成在絕緣膜20上的接觸孔20b電連接于第2DBR層8。因此，負極側的電極的引出，由n側接墊電極33及凸塊電極41來實現。n側接墊電極33由Ti/Pt/Au的層疊體所構成，其厚度為2μm左右。在n側接墊電極33上，與p側接墊電極29相同，配置有凸塊電極41。
n側接墊電極33的一部分覆蓋位于電流狹窄區域11a內側的多層區域12及包含在該多層區域12內的發光區域11b，該部分可用作為光反射膜。而且，還可與n側接墊電極33分開設置光反射膜。
在多層構造體LS的第1主表面61上，以覆蓋第1電極21(p側電極23及配線電極25)的方式形成有膜10。膜10由氧化硅(SiO2)所構成，且對由發光區域11b所生成的光呈光學透明。膜10中多層構造體LS的相反側的面10a被平坦化處理。膜10的厚度為3～10μm左右。
玻璃基板1接觸并貼合在膜10的面10a上。玻璃基板1的厚度為0.3mm左右，且對出射光呈光學透明。
接觸層3為化合物半導體層，例如由載體濃度為1×1019/cm3的GaAs構成。接觸層3的厚度為0.2μm左右。而且，接觸層3還發揮緩沖層的功能。
第1DBR層4是，具有交錯層疊不同組成的多個化合物半導體層的構造的鏡層。在本實施方式中，第1DBR層4在未摻雜的AlAs層上通過交錯層疊各20層的載體濃度為1×1018/cm3的AlGaAs(Al組成為0.9)層及載體濃度為1×1018/cm3的AlGaAs(Al組成為0.2)層所構成。AlAs層的厚度為0.1μm左右。各AlGaAs(Al組成為0.9)層的厚度為0.04μm左右，各AlGaAs(Al組成為0.2)層的厚度為0.02μm左右。
第1覆蓋層5為化合物半導體層，例如由載體濃度為1×1018/cm3的AlGaAs構成。第1覆蓋層5的厚度為0.1μm左右。
活性層6具有交錯層疊不同化合物半導體層的構造的多重量子井(MQWMultiple Quantum Well)活性層。在本實施方式中，活性層6通過交錯層疊各3層的AlGaAs層及GaAs層所構成。各AlGaAs層的厚度為0.1μm左右，各GaAs層的厚度為0.05μm左右。
第2覆蓋層7是化合物半導體層，例如由載體濃度為1×1018/cm3的AlGaAs構成。第2覆蓋層7的厚度為0.1μm左右。
第2DBR層8與第1DBR層4相同，具有交錯層疊不同組成的多個化合物半導體層的構造的鏡層。在本實施方式中，第2DBR層8通過交錯層疊各30層的載體濃度為1×1018/cm3的AlGaAs(Al組成為0.9)層及載體濃度為1×1018/cm3的AlGaAs(Al組成為0.2)層，且在其上沉積未摻雜的GaAs層所構成。各AlGaAs(Al組成為0.9)層的厚度為0.04μm左右，各AlGaAs(Al組成為0.2)層的厚度為0.02μm左右。GaAs層發揮緩沖層的功能，其厚度為0.01μm左右。
當利用二個凸塊電極41在n側接墊電極33與p側接墊電極29之間施加充分的電壓，使電流流過發光元件LE1時，則可在發光區域11b生成光。
以下，參照圖3～圖11說明半導體發光元件LE1的制造方法。圖3～圖11是用于說明該制造方法的圖，顯示半導體發光元件LE1的縱剖面。在本制造方法中按照以下的工序(1)～(9)依次執行。
工序(1)首先，準備半導體基板51。半導體基板51例如其厚度為300～500μm，且由載體濃度為1×1018/cm3的n型GaAs構成。在半導體基板51的一側主表面81上，利用有機金屬化學氣相沉積(MOCVD)法或分子束外延(MBE)法等，依次生長并沉積蝕刻停止層53、n型第2DBR層8、n型第2覆蓋層7、活性層6、p型第1覆蓋層5、p型第1DBR層4及p型接觸層3(參照圖3)。
蝕刻停止層53由未摻雜的AlGaAs(Al組成為0.5)層所構成，其厚度為1.0μm左右。蝕刻停止層53形成為位于半導體基板51與第2DBR層8之間。蝕刻停止層53的Al組成比優選為0.4以上。這是因為Al組成比為0.4以上的AlGaAs，不易被蝕刻后述的GaAs時所使用的蝕刻液所蝕刻的緣故。
通過工序(1)，在半導體基板51的表面81上形成多層構造體LS及蝕刻停止層53。
工序(2)其次，在接觸層3(多層構造體LS)上形成光刻膠膜(resist film)55。光刻膠膜55以在對應電流狹窄區域11a的二維位置具有開口的方式進行圖案加工。光刻膠膜55可使用光刻法(photolithography)來形成。其后使用進行圖案加工后的光刻膠膜55作為掩膜，利用離子植入裝置將質子(H+)打入多層構造體LS。質子被打入第2覆蓋層7與第2DBR層8的交界附近。使打入質子的區域半絕緣化，其結果形成有電流狹窄區域11a(參照圖4)。而且，也可取代質子而使用氧離子(O2-)或鐵離子(Fe3+)。其后除去光刻膠膜55。
工序(3)其次，利用等離子化學氣相沉積(Plasma Chemical VaporDepositionPCVD)法，在接觸層3(多層構造體LS)表面上形成由SiNx構成的絕緣膜19。接著，在絕緣膜19上形成在對應p側電極23的位置具有開口的光刻膠膜(未圖示)。使用該光刻膠膜作為掩膜，通過使用緩沖氫氟酸(BHF)除去一部分絕緣膜19，形成接觸孔19a(參照圖5)。然后除去光刻膠膜。
接著，在絕緣膜19上再度形成在與接觸孔19a對應的二維位置上具有開口的光刻膠膜(未圖示)。在因形成接觸孔19a而曝露的接觸層3上，利用將該光刻膠膜用作掩膜的沉積與分離法，形成由Cr/Au層疊體所構成的p側電極23(參照圖5)。接著除去光刻膠膜。
工序(4)其次，形成在與配線電極25對應的二維位置上具有開口的光刻膠膜(未圖示)。使用該光刻膠膜作為掩膜，利用分離法形成由Ti/Pt/Au所構成的配線電極25(參照圖6)。接著除去光刻膠膜。其后在氫氣環境中進行燒結。
工序(5)其次，以覆蓋第1電極21(p側電極23及配線電極25)的方式在多層構造體LS上的第1主表面61上形成膜10并進行平坦化(參照圖7)。在此，膜10中位于多層構造體LS的相反側的面10a，作為包含多層構造體LS及半導體基板51的構造體表面而被進行平坦化處理。膜10可使用PCVD法或涂敷法來形成。而且，在此所稱「平坦」并不一定意味完全不存在凹凸。若在后述的工序(6)中利用膜10使玻璃基板1與半導體基板51重疊，通過對兩者進行加壓及加熱，在玻璃基板1表面與膜10的面10a相互接處的狀態下使玻璃基板1與膜10熔接，也可略微存在凹凸。
工序(6)其次，將玻璃基板1接合在形成有多層構造體LS、蝕刻停止層53及膜10的半導體基板51上(參照圖8)。首先，準備玻璃基板1，并清潔該玻璃基板1的一側的主表面71。其次，以玻璃基板1的被清潔的表面71與膜10的面10a接觸的方式，使玻璃基板1與半導體基板51重疊。接著，對重疊的玻璃基板1與半導體基板51進行加壓和加熱，以使玻璃基板1與膜10相互熔接并貼合。
具體而言，優選為，施加在重疊的玻璃基板1與半導體基板51的壓力約為98kPa，且加熱溫度為500～700℃。半導體基板51上的最上膜10由氧化硅所成，因此在這種條件下通過進行加壓及加熱，將膜10的面10a熔接于玻璃基板1的表面71，將多層構造體LS及半導體基板51固定在玻璃基板1上。
而且，在實施該貼合工序時，不僅僅是玻璃基板1的表面71，也優選膜10的面10a是清潔的。因此，例如，可對在從形成膜10的PCVD裝置取出半導體基板51后立即進行熔接作業等下功夫。
另外，使用的玻璃基板優選具有接近GaAs的熱膨脹系數的熱膨脹系數。由此，在加熱后的冷卻工序中，可盡量降低因熱膨脹系數的差而在半導體基板51與玻璃基板1之間產生的應力，可將因應力引起的接合強度的降低及結晶缺陷的產生，限制在最小限度。
工序(7)然后，除去半導體基板51。在將多層構造體LS及半導體基板51固定在玻璃基板1上后，位于半導體基板51中玻璃基板1的相反側的主表面、即背面82曝露在外。在該工序中，從半導體基板51的背面82側進行蝕刻，除去半導體基板51及蝕刻停止層53(參照圖9)。
具體而言，首先，對蝕刻停止層53使用蝕刻速度慢的蝕刻液，除去半導體基板51。接著，可蝕刻處理該蝕刻停止層53，使用對第2DBR層8的GaAs層蝕刻速度慢的蝕刻液，除去蝕刻停止層53。由此，可獲得搭載有多層構造體LS的玻璃基板1。
作為使用的蝕刻液，優選為氨水(NH4OH)與過氧化氫水(H2O2)的混合溶液(NH4OH水∶H2O2水＝1∶5)及鹽酸(HCl)。首先，將被貼合的玻璃基板1與半導體基板51浸泡在NH4OH水與H2O2水的混合溶液中。由此，半導體基板51從背面側開始不斷被蝕刻。隨著該蝕刻的進行，當半導體基板51被除去后，則在蝕刻液中曝露出蝕刻停止層53。因為蝕刻停止層53(Al0.5Ga0.5As)對該蝕刻液的耐蝕刻性高，因此其蝕刻速度非常緩慢。因此在曝露出蝕刻停止層53時，蝕刻自動停止。如此，首先除去半導體基板51。
接著，從NH4OH水與H2O2水的混合溶液中取出殘留有蝕刻停止層53及多層構造體LS等的玻璃基板1，在進行水洗及干燥后，浸泡于鹽酸(HCl)液中。為加速蝕刻速度，優選預先將HCl液加熱為50℃。GaAs幾乎未被HCl蝕刻，因此本次僅僅對該蝕刻停止層53進行了蝕刻，在曝露出第2DBR層8的GaAs層時，蝕刻自動停止。如此，除去蝕刻停止層53。而且，也可取代蝕刻，而通過化學機械研磨(CMP)除去半導體基板51及蝕刻停止層53。
工序(8)其次，在第2DBR層8(多層構造體LS)上形成光刻膠膜(未圖示)。該光刻膠膜在形成貫通孔TH的預定的二維位置上具有開口。使用該光刻膠膜作為掩膜，蝕刻(濕式蝕刻)多層構造體LS及絕緣膜19，直到曝露配線電極25為止。由此，形成貫通孔TH(參照圖10)。所使用的蝕刻液優選為過氧化氫水及鹽酸(HCl)。接著，除去光刻膠膜。
其次，利用PCVD法在第2DBR層8(多層構造體LS)的表面上形成由SiNx構成的絕緣膜20(同樣參照圖10)。由此，在劃分貫通孔TH的多層構造體LS的壁面上也形成絕緣膜20。
工序(9)其次，在絕緣膜20上形成在對應貫通配線27及n側接墊電極33的二維位置分別具有開口的光刻膠膜(未圖示)。使用該光刻膠膜作為掩膜，通過BHF除去絕緣膜20，在絕緣膜20形成接觸孔20a及20b(參照圖11)。接著除去光刻膠膜。
其次，形成在對應p側接墊電極29(貫通配線27)及n側接墊電極33的二維位置上具有開口的光刻膠膜(未圖示)。使用該光刻膠膜作為掩膜，利用分離法形成由Ti/Pt/Au構成的p側接墊電極29、貫通配線27及n側接墊電極33(同樣參照圖11)。此時，n側接墊電極33形成為覆蓋發光區域11b。在此，將p側接墊電極29及貫通配線27形成為一體。接著除去光刻膠膜。其后在氫氣環境中進行燒結。而且，雖然將p側接墊電極29和貫通配線27形成為一體，但不限于此，也可分開形成。
通過這些工序(1)～(9)，完成圖1及圖2所示構造的半導體發光元件LE1。
而且，可利用電鍍法、焊錫球搭載法或印刷法錫焊將凸塊電極41形成在p側接墊電極29及n側接墊電極33上，并進行反流(reflow)處理(平坦化處理)而獲得。另外，凸塊電極41不限于焊錫，也可為金凸塊、鎳凸塊、銅凸塊，也可為包含導電性填料等的金屬的導電性樹脂凸塊。
在本實施方式中，即使使接觸層3、第1DBR層4、第1覆蓋層5、活性層6、第2覆蓋層7及第2DBR層8變薄，多層構造體LS(被層疊的接觸層3、第1DBR層4、第1覆蓋層5、活性層6、第2覆蓋層7及第2DBR層8)的機械強度仍由玻璃基板1所保持。另外，如上述以往技術，不需要形成維持基板厚度的部分，可容易使半導體發光元件LE1小型化。
多層構造體LS通過膜10固定在玻璃基板1上，因此無須使用其它的粘合劑即可將玻璃基板1接合在多層構造體LS上。構成膜10的氧化硅與玻璃基板1相同，對由多層構造體LS生成的光呈光學透明。因此，從多層構造體LS出射的光，不會被粘合劑吸收而可到達玻璃基板1。其結果可防止發光輸出的降低。
膜10在多層構造體LS的第1主表面61上形成為覆蓋第1電極部21(p側電極23及配線電極25)，位于多層構造體LS的相反側的面10a，被平坦化處理。因此，配置在多層構造體LS的第1主表面61上的第1電極21所形成的凹凸，由膜10進行消除。其結果可通過膜10容易且確實地將玻璃基板1接合在多層構造體LS的第1主表面61上。
第1電極21包含配線電極25，第2電極31包含n側接墊電極33，配線電極25通過貫通多層構造體LS的貫通配線27，電連接于配置在多層構造體LS的第2主表面62上的p側接墊電極29。由此，使得p側接墊電極29及n側接墊電極33配置于光出射面的相反側，而使得半導體發光元件LE1的安裝變得容易。
n側接墊電極33(光反射膜)形成為覆蓋發光區域11b，因此使得由n側接墊電極33反射的光，也從玻璃基板1出射。由此可提高發光輸出。
另外，在本實施方式的制造方法中，在多層構造體LS的第1主表面61上，以覆蓋第1電極21的方式形成膜10，在將玻璃基板1貼合于膜10后，除去半導體基板51。由此，可容易制造通過膜10將玻璃基板1固定在多層構造體LS上的半導體發光元件LE1。
在除去半導體基板51后仍殘留玻璃基板1，因此在其后的制造工序中，多層構造體LS的機械強度仍由玻璃基板1所保持。而且，在接合玻璃基板1之前，可通過半導體基板51保持多層構造體LS的機械強度。
本實施方式的制造方法，具有在形成多層構造體LS(被層疊的接觸層3、第1DBR層4、第1覆蓋層5、活性層6、第2覆蓋層7及第2DBR層8)前，以位于半導體基板51與多層構造體LS之間的方式形成蝕刻停止層53的工序；及在除去半導體基板51后，利用濕式蝕刻除去蝕刻停止層53的工序。因此，通過適宜地選擇可蝕刻半導體基板51而不可蝕刻該蝕刻停止層53的蝕刻液，以及可蝕刻該蝕刻停止層53而不可蝕刻多層構造體LS的蝕刻液，可除去半導體基板51，而在其后僅除去蝕刻停止層53。因此可殘留多層構造體LS而確實且容易除去半導體基板51。
第2實施方式圖12為顯示第2實施方式的半導體發光元件的構成的概略剖面圖。該半導體發光元件LE2，在玻璃基板1上形成透鏡部72a這一點上，與第1實施方式的半導體發光元件LE1不同。
半導體發光元件LE2具有多層構造體LS和玻璃基板1。該半導體發光元件LE2是從玻璃基板1側發出光的背面出射型的VCSEL。半導體發光元件LE2為，例如波長范圍為0.85μm的近距離光通信用發光元件。
在玻璃基板1的背面72形成有接收從多層構造體LS出射的光線的透鏡部72a。背面72中的其它部分72b，與透鏡部72a相比較高。即，該透鏡部72a較背面72中最高的部分72b凹陷。
下面，參照圖13說明半導體發光元件LE2的制造方法。圖13是說明該制造方法用的圖，顯示半導體發光元件的縱剖面。
在本制造方法中依次執行以下的工序(1)～(9)。工序(1)～(5)與第1實施方式的工序(1)～(5)相同，故而省略說明。
工序(6)然后，將玻璃基板1接合在形成有多層構造體LS、蝕刻停止層53及膜10的半導體基板51上(參照圖13)。接合方法與第1實施方式的工序(6)相同。具體而言，準備在背面72上形成有透鏡部72a的玻璃基板1，并清潔該玻璃基板1的表面71。其次，以使清潔后的表面71與半導體基板51上的膜10中距多層構造體LS較遠側的面10a接觸的方式，使玻璃基板1與半導體基板51重疊。接著，對重疊的玻璃基板1與半導體基板51進行加壓及加熱，以使玻璃基板1與膜10相互熔接并貼合。該接合方法的詳細內容與第1實施方式的工序(6)相同。
半導體基板51上的發光區域11b與玻璃基板1上的透鏡部72a的定位，是在玻璃基板1的背面側添加標記，使用兩面曝光機，以添加的標記為基準即可容易進行。而且，也可取代添加標記，而改為以透鏡部72a的外形作為標記。
工序(7)～(9)與第1實施方式的工序(7)～(9)相同，故而省略說明。利用這些工序(1)～(9)即可完成圖12所示構造的半導體發光元件LE2。
在本實施方式中，與上述第1實施方式相同，多層構造體LS(被層疊的接觸層3、第1DBR層4、第1覆蓋層5、活性層6、第2覆蓋層7及第2DBR層8)的機械強度由玻璃基板1保持，同時，可容易地使半導體發光元件LE2小型化。
而且，在本實施方式中，在玻璃基板1上設置有透鏡部72a。由此可改善出射光的方向性、或可形成平行光。
透鏡部72a形成為，與玻璃基板1的背面72中的最高部分72b相比凹陷。因此可容易地將形成有透鏡部72a的玻璃基板1接合在多層構造體LS上。另外，由于可在接合前加工透鏡部72a，因此在加工方法上不會受到限制，且透鏡形狀等透鏡設計的自由度高。
而且，也可在將玻璃基板1接合在搭載有多層構造體LS、蝕刻停止層53及膜10的半導體基板51上之后，形成透鏡部72a。但是若考慮到透鏡設計的自由度，優選將預先形成有透鏡部72a的玻璃基板1接合在半導體基板51上。
下面，參照圖14～圖17說明本實施方式的變化例。這些變化例是并列設置多個含有發光區域11b的多層區域12的半導體發光元件陣列LE3～LE6。這些發光元件陣列LE3～LE6是所謂背面出射型。
發光元件陣列LE3～LE6，分別如圖14～圖17所示，以一維或二維對多個多層區域12進行排列。在發光元件陣列LE3～LE6中，n側接墊電極33彼此相互電連接。
在發光元件陣列LE3～LE6中，與上述第1及第2實施方式相同，多層構造體LS(被層疊的接觸層3、第1DBR層4、第1覆蓋層5、活性層6、第2覆蓋層7及第2DBR層8)的機械強度由玻璃基板1所保持。另外，可使發光區域11b間的間距變小，因此可容易使發光元件陣列LE3～LE6小型化。
下面，參照第18圖，說明使用上述半導體發光元件(或半導體發光元件陣列)的光學互連(optical interconnection system)系統。圖18為顯示光學互連系統的構成的概略圖。
光學互連系統101是在多個模塊(例如，CPU、集成電路芯片及內存)M1及M2間傳輸光信號用的系統，包含半導體發光元件LE1、驅動電路103、光導波路基板105、半導體受光元件107及放大電路109等。可在半導體受光元件107中使用背面入射型的受光元件。模塊M1通過凸塊電極電連接于驅動電路103。驅動電路103通過凸塊電極41電連接于半導體發光元件LE1。半導體受光元件107通過凸塊電極電連接于放大電路109。放大電路109通過凸塊電極電連接于模塊M2。
從模塊M1輸出的電信號傳輸給驅動電路103，并利用半導體發光元件LE1轉換為光信號。來自半導體發光元件LE1的光信號，通過光導波路基板105上的光導波路105a入射至半導體受光元件107。光信號利用半導體受光元件107轉換為電信號，傳輸給放大電路109并被放大。將放大后的電信號傳輸給模塊M2。如此，從模塊M1輸出的電信號被傳輸給模塊M2。
而且，也可取代半導體發光元件LE1，而使用半導體發光元件LE2或半導體發光元件陣列LE3～LE6。在使用半導體發光元件陣列LE3～LE6的情況下，驅動電路103、光導波路基板105、半導體受光元件107及放大電路109也被排列成為陣列狀。
本發明不限于上述實施方式。例如，接觸層3、第1DBR層4、第1覆蓋層5、活性層6、第2覆蓋層7及第2DBR層8等的厚度、材料等，不限于上述構成。另外，多層構造體LS的構成也不限于上述實施方式，只要是包含被層疊的多個化合物半導體層的都可以。
從上述發明可知，可以各種方法對本發明的實施方式加以變化。這些變化不超出本發明的范圍，且對本技術領域工作人員而言，是顯而易見的，因此，這些變化應全部包含在權利要求書的范圍之內。
產業上的可利用性本發明提供一種具有足夠的機械強度，且可小型化的半導體發光元件及其制造方法。
權利要求
1.一種半導體發光元件，其特征在于，具有包括被層疊的多個化合物半導體層，具有相向的第1及第2主表面，并生成光的多層構造體；配置在所述多層構造體的所述第1主表面上的第1電極；配置在所述多層構造體的所述第2主表面上的第2電極；以覆蓋所述第1電極的方式形成在所述多層構造體的所述第1主表面上的、由氧化硅構成的膜；及對于由所述多層構造體生成的所述光呈光學透明，并通過所述由氧化硅構成的膜固定在所述多層構造體上的玻璃基板。
2.如權利要求1所述的半導體發光元件，其特征在于所述由氧化硅構成的膜具有與所述玻璃基板接觸的平坦面。
3.如權利要求1或2所述的半導體發光元件，其特征在于所述多層構造體，作為所述多個化合物半導體層，包含順序層疊的第1導電型接觸層、所述第1導電型的第1分布式布拉格反射器(DBR)層、所述第1導電型的第1覆蓋層、活性層、第2導電型的第2覆蓋層及所述第2導電型的第2DBR層；所述多層構造體具有，局部包含所述接觸層、所述第1DBR層、所述第1覆蓋層、所述活性層及所述第2覆蓋層的多層區域，和包圍該多層區域，并被絕緣化或半絕緣化的電流狹窄區域。
4.如權利要求3所述的半導體發光元件，其特征在于，還具有配置在所述多層構造體的所述第2主表面上的第1接墊電極；及貫通所述多層構造體的貫通配線；所述第1電極，包含與所述接觸層中包含在所述多層區域內的部分電連接的配線電極，該配線電極通過所述貫通配線電連接于所述第1接墊電極；所述第2電極包含與所述第2DBR層電連接的第2接墊電極。
5.如權利要求4所述的半導體發光元件，其特征在于還具有分別配置在所述第1接墊電極和所述第2接墊電極上的凸塊電極。
6.如權利要求3所述的半導體發光元件，其特征在于所述多層構造體具有并列設置的多個所述多層區域。
7.如權利要求3～6中任何一項所述的半導體發光元件，其特征在于還具有設置在第2DBR層上，并覆蓋所述多層區域的光反射膜。
8.如權利要求1～7中任何一項所述的半導體發光元件，其特征在于所述玻璃基板，具有表面及背面，所述玻璃基板的所述表面固定在所述由氧化硅構成的膜上；所述玻璃基板的所述背面具有接受從所述多層構造體出射的光的透鏡部。
9.如權利要求8所述的半導體發光元件，其特征在于所述透鏡部與所述玻璃基板的所述背面中的最高的部分相比凹陷。
10.一種半導體發光元件的制造方法，其特征在于，具有準備半導體基板的工序；將生成光的多層構造體設置在所述半導體基板上的工序；其中，所述多層構造體，包括被層疊的多個化合物半導體層，具有相向的第1及第2主表面，并使所述第2主表面朝向半導體基板；在所述多層構造體的所述第1主表面上形成第1電極的工序；以覆蓋所述第1電極的方式形成由氧化硅構成的膜的工序；準備具有表面及背面的玻璃基板，并將所述由氧化硅構成的膜熔接在所述玻璃基板的所述表面，而將所述多層構造體固定在所述玻璃基板上的工序；其中，所述玻璃基板，對于由所述多層構造體生成的所述光呈光學透明；除去所述半導體基板的工序；及在所述多層構造體的所述第2主表面上形成第2電極的工序。
11.如權利要求10所述的半導體發光元件的制造方法，其特征在于還具有在形成所述由氧化硅構成的膜后，在將所述多層構造體固定于所述玻璃基板之前，使所述由氧化硅構成的膜平坦化的工序。
12.如權利要求10或11所述的半導體發光元件的制造方法，其特征在于除去所述半導體基板的所述工序，包括利用濕式蝕刻除去所述半導體基板的工序。
13.如權利要求12所述的半導體發光元件的制造方法，其特征在于，還具有在形成所述多層構造體的所述工序之前，在所述半導體基板上形成使上述濕式蝕刻停止的蝕刻停止層的工序；及在除去所述半導體基板的所述工序之后，利用濕式蝕刻除去所述蝕刻停止層的工序；形成所述多層構造體的所述工序，包含在所述蝕刻停止層上形成所述多層構造體的工序。
14.如權利要求10～13中任何一項所述的半導體發光元件的制造方法，其特征在于所述多層構造體，作為所述多個化合物半導體層，包含第1導電型接觸層、所述第1導電型的第1分布式布拉格反射器(DBR)層、所述第1導電型的第1覆蓋層、活性層、第2導電型的第2覆蓋層及所述第2導電型的第2DBR層；形成所述多層構造體的所述工序，包含在所述半導體基板上順序層疊所述第2DBR層、所述第2覆蓋層、所述活性層、所述第1覆蓋層、所述第1DBR層及所述接觸層的工序；在形成所述多層構造體的工序之后，還包括，將包圍局部包含所述接觸層、所述第1DBR層、所述第1覆蓋層、所述活性層及所述第2覆蓋層的多層區域，并將被絕緣化或半絕緣化的電流狹窄區域形成在所述多層構造體中的工序。
15.如權利要求14所述的半導體發光元件的制造方法，其特征在于形成所述第1電極的工序包含，在形成所述電流狹窄區域的所述工序之后，形成與所述接觸層中包含在所述多層區域內的部分電連接的配線電極的工序；形成所述第2電極的所述工序包含，形成與所述第2DBR層電連接的第2接墊電極的工序；在除去所述半導體基板的工序之后，還包括，在所述多層構造體的所述第2主表面上形成第1接墊電極，并使該第1接墊電極與所述配線電極電連接的工序。
16.如權利要求15所述的半導體發光元件的制造方法，其特征在于使所述第1接墊電極與所述配線電極電連接的所述工序包含，形成貫通所述多層構造體的貫通配線，并通過該貫通配線將所述第1接墊電極電連接于所述配線電極的工序。
17.如權利要求14～17中任何一項所述的半導體發光元件的制造方法，其特征在于還具有，在所述第2DBR層上形成覆蓋所述多層區域的光反射膜的工序。
18.如權利要求10～17中任何一項所述的半導體發光元件的制造方法，其特征在于所述玻璃基板的所述背面具有接受從所述多層構造體出射的光的透鏡部。
19.如權利要求18所述的半導體發光元件的制造方法，其特征在于所述透鏡部與所述玻璃基板的所述背面中的最高的部分相比凹陷。
全文摘要
半導體發光元件(LE1)，具有生成光的多層構造體LS。該多層構造體包含層疊的多個化合物半導體層(3－8)，并具有相向的第1及第2主表面(61、62)。在第1主表面上配置第1電極(21)，在第2主表面上配置第2電極(31)。在第1主表面上還以覆蓋第1電極的方式形成由氧化硅構成的膜(10)。對由多層構造體生成的光呈現光學透明的玻璃板(1)，利用由氧化硅構成的膜固定在多層構造體上。
文檔編號H01S5/026GK1943086SQ200580011309
公開日2007年4月4日 申請日期2005年4月12日 優先權日2004年4月13日
發明者田中章雅 申請人:浜松光子學株式會社