半导体发光元件及光耦合装置的制造方法
【专利说明】半导体发光元件及光閒合装置
[0001 ]相夫申请案
[0002] 本申请案享有W日本专利申请案2014-178207号（申请日：2014年9月2日）作 为基础申请案的优先权。本申请案通过参照该基础申请案而包含基础申请案的所有内容。
技术领域
[0003] 本发明的实施方式设及一种半导体发光元件及光禪合装置。
【背景技术】
[0004] 光禪合装置从半导体发光元件发出红色光~红外光的波长的光信号，并利用娃 (Si)光电二极管等受光元件转换为电信号而输出。因此，能够在将输入端子与输出端子电 绝缘的状态下传送信号。
[0005] 光禪合装置在产业设备或通信设备等中的用途日益扩大。
[0006] 红色光~红外光是从包含AlGaAs或InGaAlP等的发光层发出。在含有包含Al的 运些材料的发光层中，机械性地导入的微小结晶缺陷或外延生长时所导入的异质界面上的 微小点缺陷等因器件动作时的应力而成为非发光中屯、。有如下情况：非发光中屯、产生光吸 收等而成为再禪合中屯、，产生结晶缺陷的增长或传播，导致光输出降低。
【发明内容】
[0007] 本发明的实施方式提供一种发出红色光~红外光的AlGaAs系发光层中的结晶缺 陷的增长或传播受到抑制的半导体发光元件及光禪合装置。
[0008] 实施方式的半导体发光元件具备具有发光层的半导体积层体，该发光层包含应变 量子阱构造，该应变量子阱构造包含：n层（n:l W上10 W下的整数）阱层，包含向AlGaAs 系添加微量 In 而成的 Inx(Gai-yAly)i_xAs(其中，0 < X 兰 0. 2、0 <y < 1) 及（n+1)层 势垒层，与所述阱层交替地积层且包含Gai_,Al,As(其中，0 < Z < 1);且所述发光层发出 具有700nm W上且870nm W下的峰值波长的光。
【附图说明】
[0009] 图1 (a)是第一实施方式的半导体发光元件的示意俯视图，图1化）是沿着A-A线 的示意剖视图。
[0010] 图2 (a)是将半导体积层体的E部放大所得的示意剖视图，图2化）是量子阱构造 的带图。
[0011] 图3是表示相对于In组成比的临界膜厚依存性的曲线图。
[0012] 图4(a)是本实施方式的光禪合装置的应用例的构成图，图4(b)是光禪合装置的 负载中流通的电流波形图，图4(c)是发光元件的驱动脉冲的电流波形图。
[0013] 图5(a)~（f)是表示光禪合装置的高溫高湿动作试验的结果的曲线图。
[0014] 图6是表示能够发出770nm的波长的光的阱层的In组成比与Al组成比的关系的 曲线图。
【具体实施方式】
[0015] W下，一边参照附图一边对本发明的实施方式进行说明。
[001引图1(a)是第一实施方式的半导体发光元件的示意俯视图，图Ub)是沿着A-A线 的示意剖视图。
[0017] 半导体发光元件50具有半导体衬底37、设置在半导体衬底37上且包含发光层25 的半导体积层体40、第一电极20、W及第二电极42。
[0018] 第一电极20包含圆形状的焊垫部20a。而且，第一电极20能在忍片的对角线方向 进而包含线状的突起部20b。如此一来，在俯视下，能在发光层25的宽广区域发光而提高光 输出。
[0019] 在半导体衬底37的背面设置有第二电极42。
[0020] 另外，半导体衬底37的结晶生长面能设为从低阶的结晶面倾斜例如3~20度的 面。如果使用倾斜衬底，则容易提高对半导体积层体40的杂质渗杂效率，能提高光学特性 等。
[0021] 忍片尺寸的横向的边的长度Ll及纵向的边的长度L2能分别设为150~250 ym 等。而且，忍片的高度H能设为100~170ym等。该纵横比（H/L)适用于利用刻划法进 行元件分离的情况，在使用切割法的情况下，在保证忍片的机械强度的范围内，能进而设为 50 Ji m 等。
[0022] 图2 (a)是将半导体积层体的E部放大所得的示意剖视图，图2化）是应变量子阱 构造的带图。
[0023] 半导体积层体40具有发光层25。而且，发光层25包含量子阱构造，该量子阱构造 包含n(n:l W上的整数）层阱层26 W及与阱层26交替地积层的（n+1)层势垒层27。从 发光层25所发出的发出光具有700~870nm的范围的峰值波长。
[0024] 而且，半导体衬底37例如包含n型GaAs,且供体浓度是设为1 X l〇i8cm 3。半导体积 层体40从半导体衬底37侧起具有缓冲层36、反射层35、n型包覆层33、发光层25、P型包 覆层23、p型电流扩散层22、及P型接触层21。半导体积层体40例如可使用MOCVD (Metal Organic Qiemical Vapor Deposition,金属有机化学气相沉积）法或MBE(Mole州Iar Beam 化itaxy，分子束外延）法形成。
[00巧]缓冲层36包含GaAs等，能将厚度设为0. 5 y m，将供体浓度设为5 X 10"畑13。反射 层35能设为积层有二十对Inn.5AlD.5P与Aln.zGan.sAs的布拉格反射器等。如果设置反射层 35,则能通过将朝向下方的发出光反射到上方的光出射面侧而提高光提取效率。
[002引n型包覆层33包含In0.5(Ga0.4Al0.6)0.5P等，能设为厚度0. 6 ym、供体浓度 IX 1018畑13等。P型包覆层23包含In 0.5(Ga0.4Al0.6)0.sP等，會長设为厚度0. 6 ym、受体浓度 8X10口畑13 等。
[0027] 而且，P型电流扩散层22包含Al〇.eGa〇.4As，能设为厚度2. 5 y m、受体浓度 2 X IQi8Cm 3等。P型接触层21包含GaAs,能将厚度设为0.0 l y m，将受体浓度设为2 X 1018Cm 3 等。另外，各层的导电型也可分别为相反导电型，材料、杂质浓度、厚度并不限定于所述情 况。
[0028] 而且，发光层25具有阱层26及势垒层27。阱层26包含lnx(Gai-yAly)i_xAs(0 < X兰0.2、0 < y < 1)且未渗杂，一层的厚度设为11皿W下等。而且，势垒层27包含 AlzGai _zAs(0兰Z兰1)且未渗杂，一层的厚度设为大于10皿且为50皿W下等。
[0029] 图2化）表示阱层26的层数n为两层且夹着阱层26的势垒层27的层数（n+1)为 3层的应变量子阱构造的带图。传导带92及价带93是W对照准费米能阶90的方式表示。 在两层阱层26a、2化分别储存电子及电桐。如果势垒层27a、27b、27c的厚度化1、化2、化3 小，则量子效率提高，载子储存在P型包覆层23与n型包覆层33之间的薄区域，因此结电 容变大。
[0030] 另一方面，如果势垒层27a、27b、27c的厚度化1、化2、Tb3大，则载子储存在P型包 覆层23与n型包覆层33之间的厚区域，因此结电容变小。
[0031] 图3是表示在图2化）所示的构造中将势垒层的Al组成比设为0. 5而得的相对于 阱层的In组成比的临界膜厚依存性的计算结果的一例的曲线图。
[0032] 纵轴为临界膜厚he (皿)，横轴为In组成比（％)。即使阱层26的晶格常数与势垒 层27的晶格常数不匹配，由于各层薄，故而只要在其弹性极限范围内通过应变而为临界膜 厚W下，则也不受制于晶格匹配条件而保持结晶性良好。然而，如果成为X > 0. 2,则在图 2(b)所示的构造中，导致外延生长溫度与室溫的溫度差的各种材料的线膨胀系数差所引起 的压缩或拉伸应力、W及各个层厚超过弹性极限。因此，判明如下情况：在将阱层26的In 组成比X设为0. 2,将膜厚设为5nm的情况下，出现交叉线，结晶性降低，计算结果与实际的 多种异质外延生长下的结晶性降低大致一致，超过临界膜厚之类的构造明显，结晶性降低， 因此欠佳。
[0033] 旨P，随着In组成比X的增加，临界膜厚he减少，阱层26的厚度上限值受到限制。 另外，在将势垒层27设为ALGai _/S (0 < Z < 1)的情况下，阱层26的晶格常数比势垒层 27大。因此，阱层26沿着其生长面受到压缩应力，势垒层27沿着其生长面受到拉伸应力。 临界膜厚he (标记?)是根据式（1)的马修斯（Mathews)式算出。
[003引其中，b :位错的伯格斯矢量 [003引 V :泊松比
[0037] f:晶格不匹配度
[0038] a :位错线与伯格斯矢量所成的角
[0039] A :滑动面与界面所成的角
[0040] 例如，In组成比X为0. 2时，临界膜厚he大致成为5nm，能使阱层26的厚度TwU Tw2为加m W下。而且，如果将In组成比X设为0. 1，则临界膜厚he大致成为11皿，能使阱 层26的厚度TwU Tw2为11皿W下。对应于In组成比X的增大，晶格常数变大，因此认为 会与其相应地发生晶格弛豫的临界膜厚he减少。然而，实际上，在多层异质外延生长膜的 情况下，计算值与实际的器件构造下的良好的结晶条件存在误差，如果并非临界膜厚he的 1/2左右的膜厚，则无法获得良好的结晶性。旨P，In组成比X为0.1时，临界膜厚必须设为 大致5皿左右。而且，进而在In组成为0的情况下，临界膜厚被计算为200皿，即使为比现 实中能够实现的IOOnm更薄的5nm的阱层厚度，也因通电而发现结晶缺陷的增长、传播所致 的器件的劣化、即可靠性降低的问题。
[0041] 其次，对半导体发光元件的长期可靠性与量子阱构造的应变的关系进行说明。
[0042] 图4(a)是本实施方式的光禪合装置的应用例的构成图，图4(b)是光禪合装置的 负载中流通的电流波形图，图4(c)是发光元件的驱动脉冲的电流波形图。
[0043] 图4 (a)所示的光禪合装置5具有发光部5曰、W及受光部化。发光部5a包含第一 实施方式的发光元件50。受光部化具有受光元件60、控制电路62、W及经共用源极连接的 N信道MOS阳T70。
[0044] 光禪合装置5例如连接在交流电源80、W及负载82。交流电源80的频率n例如 设为100曲Z等。发光元件50接通，通过该发出光，受光元件60产生光电动势。输出端子 31为正的期间，电流从光禪合装置5的输出端子31经由M0SFET70,从输出端子32向负载 82、交流电源的朝向流动。输出端子31为负的期间，电流朝相反方向流动。因此，如图4(b) 所示，在负载82中流通频率为n的交流电流。目P，光禪合装置5作为根据