JP2001223384A - 半導体発光素子 - Google Patents

半導体発光素子

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 均一な発光を高い効率で取り出すことができ
るｌｎＧａＡｌＰ系面発光型の半導体発光素子を提供す
ることにある。 【解決手段】 十分な導電性を有する透明電極を形成す
ることにより、表面電極の開口部において素子の縦方向
に均一に電流を注入することができる。また、透明電極
の下に炭素をドープしたコンタクト層を設けることによ
り、ITOなどの酸化物からなる透明電極に対する接触抵
抗を大幅に低減することができる。さらに、Znなどを用
いた場所定量の炭素をドーピングしたコンタクト層を設
けることにより、ＩＴＯ電極との接触抵抗を低下させる
ことができる。炭素は亜鉛のように拡散して素子特性を
劣化させることもない。さらに、コンタクト層とクラッ
ド層との中間的なバンドギャップを有する中間バンドギ
ャップ層を介在させることにより価電子帯のバンド不連
続を緩和して正孔の流入を促進させ、素子抵抗を低下さ
せることができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体発光素子に
関し、より詳細には、本発明は、InGaAlPを用いた発光
素子構造に関するもので、特に光リンクデバイス用など
に用いて好適な面発光型の半導体発光素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】InGaAlP系材料を用いた面発光型の光半
導体素子は、一般には、ｎ型のGaAs基板上に形成され、
発光層の上下に半導体多層膜からなる光反射層を備え
る。このような面発光型の素子のうちで、レーザ発振を
しないLED（Light Emitting Diode）は、「共鳴キャビ
ティ型（Resonant Cavity）LED」などと称され、共鳴構
造を有しない通常のＬＥＤと比較すると単色性が極めて
優れている。また、レーザ発振するものは、垂直キャビ
ティ型レーザダイオード（VCSEL：Vertical CavitySurf
ace Emitting Laser）などと称され、スポットサイズの
大きいレーザビームを得られるという特徴を有する。
【０００３】図１２は、従来の面発光型半導体発光素子
の断面構造を表す概念図である。すなわち、ｎ型ＧａＡ
ｓ基板１０１の上には、ｎ型ＧａＡｓバッファ層１０
２、ｎ型半導体からなる多層膜光反射層１０３、ｎ型Ｉ
ｎＧａＡｌＰクラッド層１０４、ＩｎＧａＡｌＰ活性層
１０５、ｐ型ＩｎＧａＡｌＰクラッド層１０６、ｐ型半
導体からなる多層膜光反射層１０７、が積層され、クラ
ッド層１０４、１０６の上下には選択酸化により高抵抗
化された電流狭窄層１０８がそれぞれ設けられている。
そして、表面電極１１０と裏面電極１１１との間に供給
する電流は、電流狭窄層１０８の開口部に集中し、発光
を生ずる。得られた発光は、表面電極１１０の開口を介
して上方に取り出される。
【０００４】また、図１３は、従来の面発光型半導体発
光素子のもうひとつの例を表す概念断面図である。同図
については、図１２と同一の部分には同一の符合を付し
て詳細な説明は省略する。図１３の発光素子において
は、選択酸化による代わりにプロトンイオンを注入する
ことにより高抵抗化された電流狭窄層１０９が設けられ
ている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】しかし、図１２および
図１３に例示したような従来の面発光型の半導体発光素
子の動作特性には、多くの問題点があった。
【０００６】第１の問題は、活性層１０５の上に設けら
れたp型半導体からなる半導体多層膜光反射層１０７に
起因する。図１２及び図１３の構造においては共に、電
流は活性層の上の光反射層１０７を積層構造に対して垂
直方向に流れ、且つ電流狭窄層１０８により狭窄され
る。このとき、光反射層１０７は、積層方向に対して垂
直方向にも水平方向にも電気抵抗が高く、電流が流れに
くい。そのために、従来の面発光型の発光素子は、直列
抵抗値が高く、動作電圧が高い。また、抵抗による発熱
が大きく、温度特性も十分なものではなかった。
【０００７】また、第２の問題は、電流狭窄層１０８の
開口と表面電極１１０の開口との位置あわせマージンが
極めて小さいことがある。という問題があった。
【０００８】図１４〜図１６は、従来の面発光型の半導
体発光素子における駆動電流の分布を表す概念図であ
る。すなわち、図１４（ａ）に例示したように、表面電
極１１０の開口径ｄ１に対して電流狭窄層１０８の開口
径ｄ２がかなり小さい場合、すなわち、ｄ１≫ｄ２の場
合には、電極１１０から供給される電流のうちでｐ型の
光反射層１０７を横方向に流れる成分が増え、且つ開口
の中央付近まで到達する電流成分が極めて少なくなる。
このために、図１４（ｂ）に表したように、電流は電流
狭窄層１０８の開口ｄ２の周辺部付近に流れ、発光分布
は開口の周辺部に偏った不均一なものとなる。
【０００９】これに対して、図１６に表したように、表
面電極１１０の開口径ｄ１が電流狭窄層１０８の開口径
ｄ２以下（ｄ１≦ｄ２）になると、開口の端部において
表面電極１１０から直下の最短経路を流れる電流成分が
激増し、同図（ｂ）に点線で表したように、開口の周辺
部において発光が集中する。しかし、この部分の発光
は、表面電極１１０に遮られるために外部に取り出すこ
とができず、同図（ｂ）に実線で表したように外部にお
いて観察される発光強度は、低くて不均一なものとな
る。
【００１０】これらに対して、図１５は、発光強度の分
布を改善した場合を表す。つまり、表面電極１１０の開
口径ｄ１が電流狭窄層１０８の開口径ｄ２よりもやや大
きい（ｄ１＞ｄ２）程度に調節すると、表面電極から供
給される電流は開口の中央付近まである程度拡散し、表
面電極１１０に遮られることなく、外部に取り出すこと
ができる。
【００１１】しかし、このようにある程度均一な発光を
外部に取り出すためには、表面電極１１０の開口径ｄ１
が電流狭窄層１０８の開口径ｄ２よりも所定の寸法だけ
わずかに大きくなるように、両者を精密に形成する必要
がある。
【００１２】図１２に例示したように電流狭窄層１０８
を選択酸化により形成する場合には、酸化反応の進行を
精密に制御することは容易でなく、図１５に例示したよ
うな構造を高い再現性で形成することができないという
問題があった。
【００１３】一方、図１３に例示したように電流狭窄層
１０８をプロトンイオン注入により形成する場合には、
寸法の制御は容易であるが、狭窄層１０８の上において
オーミック接触を形成することが困難になるという問題
が生ずる。つまり、プロトンイオン注入を素子の発光面
側から行うこととすると、狭窄層１０８の上の半導体層
の部分にもイオン注入による変質が生じやすい。その結
果として、この部分において表面電極１１０とのオーミ
ックコンタクトを確保することが困難となり、素子に電
流を流すことができなくなる。この問題を避けるため
に、表面電極１１０を電流狭窄層１０８よりも内側には
み出させると、図１６に表したような問題が生ずる。
【００１４】本発明は、かかる課題の認識に基づいてな
されたものである。すなわち、その目的は、均一な発光
を高い効率で取り出すことができる面発光型の半導体発
光素子を提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の第１の半導体発光素子は、第１導電型の半
導体からなる基板と、前記基板の主面上に設けられた第
１導電型の半導体からなる第１の光反射層と、前記第１
の光反射層の上に設けられたInGaAlP系半導体からなる
活性層と、前記活性層の上に設けられた第２導電型の半
導体からなる第２の光反射層と、前記活性層に流入する
電流を狭窄するための開口を有する電流狭窄層と、前記
第２の光反射層の上に設けられた透光性電極と、前記透
光性電極の上に設けられ前記活性層からの発光を取り出
す開口を有する表面電極と、前記基板の裏面に設けられ
た裏面電極と、を備え、前記表面電極の前記開口におけ
る前記透光性電極から供給され前記電流狭窄層の前記開
口に狭窄された電流によって前記活性層において生じた
発光が前記第１の光反射層と前記第２の光反射層との間
で繰り返し反射されると共に、前記発光を前記表面電極
の前記開口における前記透光性電極を介して外部に取り
出すようにしたことを特徴とする。
【００１６】ここで、前記電流狭窄層は、前記第１の光
反射層と前記第２の光反射層の少なくともいずれかを部
分的に酸化させることにより形成したものとすることが
できる。
【００１７】または、前記電流狭窄層は、前記第２の光
反射層の一部にプロトンをイオン注入することにより形
成したものとすることができる。
【００１８】一方、本発明の第２の半導体発光素子は、
第１導電型の半導体からなる基板と、前記基板の主面上
に設けられた第１導電型の半導体からなる第１の光反射
層と、前記第１の光反射層の上に設けられたInGaAlP系
半導体からなる活性層と、前記活性層の上に設けられ前
記活性層に流入する電流を狭窄するための開口を有する
電流狭窄層と、前記電流狭窄層及び前記電流狭窄層の前
記開口における前記活性層の上に設けられた透光性電極
と、前記透光性電極の上に設けられ前記活性層からの発
光を取り出す開口を有する表面電極と、前記表面電極の
前記開口において前記透光性電極の上に設けられた第２
の光反射層と、前記基板の裏面に設けられた裏面電極
と、を備え、前記表面電極の前記開口における前記透光
性電極から供給され前記電流狭窄層の前記開口に狭窄さ
れた電流によって前記活性層において生じた発光を前記
表面電極の前記開口における前記透光性電極及び前記第
２の光反射層を介して外部に取り出すようにしたことを
特徴とする。
【００１９】また、本発明の第３の半導体発光素子は、
基板と、前記基板の主面上に設けられた第１導電型の半
導体からなる第１の光反射層と、前記第１の光反射層の
上に設けられた第１導電型の半導体からなる第１導電型
半導体層と、前記第１導電型半導体層の第１の部分の上
に設けられたInGaAlP系半導体からなる活性層と、前記
活性層の上に設けられ前記活性層に流入する電流を狭窄
するための開口を有する電流狭窄層と、前記電流狭窄層
及び前記電流狭窄層の前記開口における前記活性層の上
に設けられた透光性電極と、前記透光性電極の上に設け
られ前記活性層からの発光を取り出す開口を有する第１
の表面電極と、前記第１の表面電極の前記開口において
前記透光性電極の上に設けられた第２の光反射層と、前
記第１導電型半導体層の前記第１の部分とは異なる第２
の部分の上に設けられた第２の表面電極と、を備え、前
記第１の表面電極の前記開口における前記透光性電極か
ら供給され前記電流狭窄層の前記開口に狭窄された電流
によって前記活性層において生じた発光が前記第１の光
反射層と前記第２の光反射層との間で繰り返し反射され
るようにしたことを特徴とする。
【００２０】前記第３の半導体発光素子においては、前
記繰り返し反射された前記発光が前記第２の光反射層を
介して外部に取り出されるものとすることができる。
【００２１】または、前記繰り返し反射された前記発光
が前記基板を介して外部に取り出されるようにしても良
い。
【００２２】また、前記第２乃至第３の半導体発光素子
において、前記電流狭窄層は、酸化シリコンまたは窒化
シリコンのいずれかを主成分とすることができる。
【００２３】また、前記第２乃至第３の半導体発光素子
において、前記第２の光反射層は、２種類以上の異なる
誘電体層を交互に積層させたものとすることができる。
【００２４】また、前記第１乃至第３の半導体発光素子
において、前記活性層と前記透光性電極との間において
前記透光性電極に接触して設けられた、炭素を含有する
半導体からなるコンタクト層をさらに備えたものとする
ことができる。
【００２５】さらに、前記コンタクト層は、前記炭素を
１×１０19ｃｍ-3以上含有するものとすることが望まし
い。
【００２６】一方、前記第１乃至第３の半導体発光素子
において、前記コンタクト層と前記活性層との間に、前
記コンタクト層よりもバンドギャップが大きく、前記活
性層の側に隣接した半導体層よりもバンドギャップが小
さい中間バンドギャップ層が設けられたものとすること
ができる。
【００２７】ここで、本願において「InGaAlP系半導
体」とは、InｘGayAlxP（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０
≦ｚ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）なる組成式により表される
すべての組成範囲のIII-Ｖ族化合物半導体を含み、さら
に、これらの化合物半導体にｎ型ドーパントやｐ型ドー
パントなどの添加元素を含有したすべての化合物半導体
を含むものとする。
【００２８】
【発明の実施の形態】以下、図面を参照しつつ本発明の
実施の形態について詳細に説明する。
【００２９】（第１の実施の形態）図１は、本発明の第
１の実施の形態にかかる面発光型半導体発光素子の断面
構造を表す概念図である。すなわち、ｎ型GaAs基板１１
の上には、ｎ型GaAsバッファ層１２、ｎ型半導体からな
る多層膜光反射層１３、ｎ型InGaAlPクラッド層１４、I
nGaAlP活性層１５、ｐ型InGaAlPクラッド層１６、ｐ型
半導体からなる多層膜光反射層１７、が積層され、クラ
ッド層１４、１６の上下には選択酸化により高抵抗化さ
れた電流狭窄層１８がそれぞれ設けられている。
【００３０】ここで、多層膜光反射層１３、１７は、そ
れぞれ、互いに屈折率が異なる２種類以上の半導体層を
交互に積層させたブラッグ反射鏡としての構成を有す
る。具体的には、例えば、InAlP層とInGaP層を交互に積
層させたものや、InAlP層とInGaAlP層を交互に積層させ
たもの、あるいは、GaAs層とGaAlAs層を交互に積層させ
たものなどを挙げることができる。
【００３１】さらに、多層膜光反射層１７の上には、ｐ
型GaAlAs中間バンドギャップ層２２、ｐ型GaAs：C（炭
素ドープ）コンタクト層２３、透明電極２４が積層され
ている。そして、素子の光取り出し側の表面には所定の
開口を有する表面電極３０が形成され、素子の裏面側に
は裏面電極３１が形成されている。表面電極３０と裏面
電極３１は、金（Ａｕ）などの金属からなる。
【００３２】以上の構成のうちで、基板１１と透明電極
２４を除く部分は、例えば、MOCVD法（Metal Organic C
hemical Vapor Deposition：有機金属化学気相成長法）
によりエピタキシャル成長させることができる。MOCVD
法による場合には、原料として、TMG（トリメチルガリ
ウム）、TMA（トリメチルアルミニウム）、TMI（トリメ
チルインジウム）などの有機金属と、アルシン（As
H3）、フォスフィン（PH 3）などの水素化物ガスを用い
ることができる。また、ｎ型の半導体層を形成する際に
は、例えばシラン（SiH4）を添加することによりシリコ
ンなどの不純物をドーピングする。ｐ型の半導体層を形
成する際には、例えばDMZ（ジメチル亜鉛）を添加する
ことにより亜鉛などの不純物をドーピングする。また、
中間バンドギャップ層２２とコンタクト層２３を成長す
る際には、四臭化炭素（CBr4）などのガスを添加するこ
とにより炭素をドーピングする。また、活性層１５の組
成は、所定の発光波長が得られるように調節する。
【００３３】MOCVD法による場合の成長温度は、例えば
７００℃とすることができる。MOCVD法による成長の後
に、水蒸気酸化法などの手法により光反射層の一部を選
択的に酸化させて電流狭窄層１８を形成する。
【００３４】その後、透明電極２４を形成する。透明電
極２４は、例えば、ITO（Indium Tin Oxide：酸化イン
ジウム錫）や、酸化インジウム、酸化錫、酸化亜鉛など
の材料により形成することができ、その堆積方法として
は、例えば、スパッタリング法を用いることができる。
【００３５】図２（ａ）は本実施形態の発光素子におけ
る電流の流れを表す概念図であり、図２（ｂ）はその発
光強度分布を表すグラフ図である。
【００３６】本発明によれば、十分な導電性を有する透
明電極２４を形成することにより、図２（ａ）に表した
ように、表面電極３０の開口部において素子の縦方向に
均一に電流を注入することができる。その結果として、
同図（ｂ）に表したようにほぼ均一な分布を有する発光
を高い効率で外部に取り出すことができる。
【００３７】また、本発明によれば、表面電極３０の開
口径ｄ１と電流狭窄層１８の開口径ｄ２との間のサイズ
や位置関係に関わらずに均一な発光を取り出すことがで
きる。つまり、図１４乃至図１６に例示したような従来
の問題を解消することができる。
【００３８】より具体的には、本発明の発光素子におい
ては、表面電極２４の開口径ｄ１が狭窄層１８のｄ２よ
りも大きくなるように形成すれば、図１４に例示したよ
うな問題を生ずることなく、また、電流の注入により生
ずる発光を表面電極３０により遮ることもなく、発光を
高い効率で外部に取り出すことができる。
【００３９】また、本発明においては、透明電極２４の
下に炭素をドープしたコンタクト層２３を設けることに
より、ITOなどの酸化物からなる透明電極２４に対する
接触抵抗を大幅に低減することができる。すなわち、IT
Oなどの透光性電極に対して十分に低い接触抵抗を得る
ためには、コンタクト層のキャリア濃度を高くする必要
がある。しかし、本発明者の実験の結果、ｐ型のドーパ
ントして亜鉛（Zn）などのII族元素を高濃度にドーピン
グすると、活性層１５に拡散して発光特性を劣化させる
という問題が生ずる場合があった。
【００４０】これに対して、本発明によれば、ｐ型のド
ーパントとして炭素（C）を用いることにより、活性層
への拡散を抑制することができる。
【００４１】本発明者は、コンタクト層２３に対する炭
素のドーピングの効果について詳細に調べた。
【００４２】図３は、試作した評価用素子の構造を表す
概略構成図である。
【００４３】また、図４は、これら評価用素子の電流電
圧特性を表すグラフ図である。
【００４４】評価用素子は、図３に表したように、ｐ型
ＧａＡｓ基板２１１の上にコンタクト層２３とＩＴＯ電
極２４とを積層させた構造を有する。ここでは、コンタ
クト層２３に対する炭素のドーピング量をそれぞれ、５
×１０１８ｃｍ−３、７×１０１８ｃｍ−３、３×１０
１９ｃｍ−３とした３種類の素子を試作した。また、ｐ
型ＧａＡｓ基板２１１の層厚は約２５０μｍとした。そ
して、この評価用素子に、図４に示したようにＩＴＯ電
極２４とコンタクト層２３との接合について逆方向とな
るように電圧を印加した。この電圧極性は、発光素子に
おいては順方向電圧に対応する。
【００４５】その結果、図４に示したように、炭素のド
ープ量が増えるほど素子抵抗が低下し、特に、ドープ量
を約１×１０１９ｃｍ−３よりも高くすると急激に素子
抵抗が低下する傾向が見られた。すなわち、炭素のドー
プ量を１×１０１９ｃｍ−３以上とすることにより、素
子抵抗を顕著に低下できることが分かった。
【００４６】一方、本発明においては、光反射層１７と
コンタクト層２３との間に両者の中間的なバンドギャッ
プを有する中間バンドギャップ層２２を設けることによ
り、価電子帯でのバンド不連続に起因するキャリアのパ
イルアップを防止し、素子抵抗を低減することができ
る。
【００４７】図５は、本発明の発光素子の透明電極の近
傍のバンド構造を表す概略図である。同図に表したよう
に、炭素を多量にドーピングしたコンタクト層２３とｐ
型光反射層１７の一部であるInAlP層の価電子帯エネル
ギＥｖは、約０．６ｅＶのずれを有する。このまま両者
を接合させるとその界面において価電子帯の不連続によ
る高い障壁が形成され、順方向電圧を印加した時に、正
孔の流入が阻止されて抵抗が増大するという問題が生ず
る。これに対して、本発明においては、図示したよう
に、コンタクト層２３と光反射層１７との間に両者の中
間程度のバンドギャップを有する中間バンドギャップ層
２２を設ける。こうすることにより、価電子帯バンドの
不連続が緩和され、正孔の流入を促進して順方向バイア
スに対する素子抵抗を低減することができる。
【００４８】例えば、光反射層１７の最上層がInAlPに
より構成され、コンタクト層２３がＧａＡｓにより構成
される場合には、中間バンドギャップ層２２は、Ｇａ
１−ｘＡｌｘＡｓにおいてアルミニウムの組成比ｘが
０．５〜０．７の範囲にあることが望ましい。この組成
範囲においては、InAlP層１７と中間バンドギャップ層
２２とコンタクト層２３との接合面にそれぞれ形成され
る価電子帯のバンド不連続量を約０．３ｅＶ程度に抑制
することが可能となり、正孔のパイルアップを防いで素
子抵抗を低減することができる。
【００４９】一方、中間バンドギャップ層２２に対する
ドーパントとしては、炭素を用いることが望ましい。炭
素は、前述したように拡散しにくく、亜鉛のような特性
の劣化を引き起こさないからである。さらに、そのドー
プ量は、素子抵抗を増大させないために、４×１０１７
ｃｍ−３以上とすることが望ましい。
【００５０】次に、本実施形態の変型例について説明す
る。
【００５１】図６は、本実施形態の変型例を表す断面概
念図である。同図については、図１に関して前述した部
分と同一の部分には同一の符号を付して詳細な説明は省
略する。
【００５２】本変型例の半導体発光素子は、プロトンイ
オン注入により形成した電流狭窄層１９を有する。すな
わち、基板１１の上に、バッファ層１２〜コンタクト層
２３までをエピタキシャル成長させ、しかる後に表面側
からプロトンを選択的にイオン注入することにより高抵
抗化させた電流狭窄層１９を形成する。
【００５３】図７（ａ）は本発明の発光素子における電
流の流れを表す概念図であり、図７（ｂ）はその発光強
度分布を表すグラフ図である。
【００５４】本変型例においても、透明電極２４を設け
ることにより、電流狭窄層１９の開口部に均一に縦方向
の電流を流すことができ、均一な発光を高い効率で外部
に取り出すことができる。
【００５５】また、本変型例においては、炭素をドーピ
ングしたコンタクト層２３を設けることより、プロトン
をイオン注入した部分においても透明電極２４との接触
抵抗を十分に低減することが可能となる。
【００５６】さらに、本変型例によれば、電流狭窄層１
９をプロトンイオン注入により形成するので、電流狭窄
層１９の開口形状すなわち素子の発光パターンを精密に
制御することができるという効果も得られる。
【００５７】（第２の実施の形態）次に、本発明の第２
の実施の形態について説明する。
【００５８】図８は、本実施形態にかかる面発光型半導
体発光素子の断面構造を表す概念図である。同図につい
ては、図１乃至図７に関して前述した部分と同一の部分
には同一の符合を付して詳細な説明は省略する。
【００５９】本実施形態の発光素子においては、ｐ型半
導体からなる多層膜光反射層の代わりに、誘電体からな
る多層膜光反射層２５が素子の表面に設けられている。
すなわち、素子の活性層１５の上には、ｐ型クラッド層
１６、中間バンドギャップ層２２、炭素ドープコンタク
ト層２３がこの順に積層され、その上には、開口を有す
る電流狭窄層２９が設けられている。そして、この上
に、透明電極２４が形成され、さらにその上に、開口を
有する表面電極３０が形成され、開口部には光反射層２
５が設けられている。光反射層２５は、屈折率が互いに
異なる２種類あるいはそれ以上の誘電体層を交互に積層
させたブラッグ反射鏡の構成を有する。
【００６０】図９（ａ）は本発明の発光素子における電
流の流れを表す概念図であり、図９（ｂ）はその発光強
度分布を表すグラフ図である。
【００６１】本実施形態においても、透明電極２４を設
けることにより、電流狭窄層２９の開口部に均一に縦方
向の電流を流すことができ、均一な発光を高い効率で外
部に取り出すことができる。
【００６２】また、本実施形態においては、光反射層２
５を透明電極２４の上に形成するので、ｐ型半導体から
なる光反射層が不要となる。このために、素子抵抗を大
幅に低減し、動作電圧を低下させることができる。
【００６３】また、本実施形態においては、光反射層２
５を透明電極２４の上に形成するので、半導体をエピタ
キシャル成長させる必要がない。従って、各種の誘電体
材料を適宜組み合わせることにより、高い反射率を有す
る反射層を容易且つ確実に形成することができる。具体
的には、例えば、TiO2層とSiO2層とを交互に積層させた
構造を採用することができる。
【００６４】また、本実施形態においては、電流狭窄層
２９も炭素ドープコンタクト層２３の上に形成するの
で、半導体をエピタキシャル成長させる必要がなく、さ
らに、選択酸化やプロトンイオン注入も不要となる。こ
れらの代わりに、例えばSiO2やSiNなどの高抵抗の材料
を用いることにより、容易且つ確実に電流狭窄効果を得
ることができる。
【００６５】（第３の実施の形態）次に、本発明の第３
の実施の形態について説明する。
【００６６】図１０は、本実施形態にかかる面発光型半
導体発光素子の断面構造を表す概念図である。同図につ
いては、図１乃至図９に関して前述した部分と同一の部
分には同一の符合を付して詳細な説明は省略する。
【００６７】本実施形態の発光素子においては、ｎ型ク
ラッド層１４が素子の表面側において部分的に露出さ
れ、その表面にｎ側電極３２が設けられている。
【００６８】本実施形態においても、第２実施形態に関
して前述したものと同様の効果を得ることができる。
【００６９】さらに、本実施形態においては、半導体素
子のｎ側電極３２から供給される電流は、ｎ型クラッド
層１４を面内方向に拡散し、しかる後に電流狭窄層２９
の開口部を介して縦方向に透明電極２４に流れる。つま
り、活性層１５のｎ側においても、電流経路に光反射層
１３が介在せず、素子抵抗をさらに低下させ、動作電圧
を低減することができる。
【００７０】また、図示した例とは別に、ｎ型クラッド
層１４の下に低抵抗のｎ型コンタクト層を設け、このコ
ンタクト層を素子の表面側に部分的に露出させてその表
面にｎ側電極３２を形成しても良い。このようにすれ
ば、ｎ側の接触抵抗及び素子抵抗をさらに低減すること
が可能となる。
【００７１】（第４の実施の形態）次に、本発明の第４
の実施の形態について説明する。
【００７２】図１１は、本実施形態にかかる面発光型半
導体発光素子の断面構造を表す概念図である。同図につ
いては、図１乃至図１０に関して前述した部分と同一の
部分には同一の符合を付して詳細な説明は省略する。
【００７３】本実施形態においては、GaPからなる基板
２７の上にInGaAlP接着層２８が設けられ、さらにその
上に、第３実施形態と同様の構造の素子部が形成されて
いる。この構成においては、活性層１５から放出された
光は、GaP基板２７を介して裏面側に取り出される。
【００７４】本実施形態の発光素子の製造の手順を簡潔
に説明すると以下の如くである。
【００７５】まず、図示しないGaAs基板上にGaAsバッフ
ァ層、ｎ型半導体多層膜光反射層１３、InGaAlP接着層
１８をこの順に成長させる。
【００７６】次に、接着層１８の表面にGaP基板２７を
接着する。接着の方法としては、例えば、水素雰囲気中
でこれらの層を接触、加圧し、加熱することにより、結
合させる方法を挙げることができる。しかる後に、GaAs
基板とGaAsバッファ層をエッチングにより除去する。
【００７７】そして、光反射層１３の上に、ｎ型クラッ
ド層１４〜炭素ドープコンタクト層２３までを成長さ
せ、この一部を表面側から選択的にエッチングしてｎ型
クラッド層１４を部分的に露出させる。
【００７８】さらに、電流狭窄層２９、透明電極２４、
表面電極３０、光反射層２５、ｎ側電極３２を形成して
素子が完成する。
【００７９】本実施形態においても、第１乃至第３実施
形態に関して前述したものと同様の効果を同様に得るこ
とができる。
【００８０】さらに、本実施形態においては、活性層１
５からの発光波長において透明なGaP基板２７を用いる
ことにより、基板２７を介して発光を外部に取り出すこ
とができる。
【００８１】その結果として、素子の表面側を図示しな
い実装部材にマウントする、いわゆる「フリップチップ
実装」が可能となり、半導体発光素子を用いた各種装置
の小型化、軽量化、高性能化、高信頼性化などが可能と
なる。
【００８２】
【発明の効果】本発明は、以上に説明した形態で実施さ
れ、以下に説明する効果を奏する。
【００８３】まず、本発明によれば、十分な導電性を有
する透明電極を形成することにより、表面電極の開口部
において素子の縦方向に均一に電流を注入することがで
きる。その結果として、ほぼ均一な分布を有する発光を
高い効率で外部に取り出すことができる。
【００８４】また、本発明によれば、表面電極の開口径
と電流狭窄層の開口径との間のサイズや位置関係に関わ
らずに均一な発光を取り出すことができる。つまり、本
発明の発光素子においては、表面電極の開口径が狭窄層
の開口径よりも大きくなるように形成すれば、図１４に
例示したような問題を生ずることなく、また、電流の注
入により生ずる発光を表面電極２４により遮ることもな
く、発光を高い効率で外部に取り出すことができる。
【００８５】また、本発明においては、透明電極の下に
炭素をドープしたコンタクト層を設けることにより、IT
Oなどの酸化物からなる透明電極に対する接触抵抗を大
幅に低減することができる。さらに、Znなどを用いた場
合のように発光特性の劣化が生ずることもない。
【００８６】さらに、本発明によれば、光反射層とコン
タクト層との間に両者の中間的なバンドギャップを有す
る中間バンドギャップ層２２を設けることにより、価電
子帯でのバンド不連続に起因するキャリアのパイルアッ
プを防止し、素子抵抗を低減することができる。
【００８７】また、本発明によれば、光反射層を透明電
極の上に形成することにより、半導体をエピタキシャル
成長させる必要がなくなり、各種の誘電体材料を適宜組
み合わせることにより、高い反射率を有する反射層を容
易且つ確実に形成することができる。具体的には、例え
ば、TiO2層とSiO2層とを交互に積層させた構造を採用す
ることができる。
【００８８】また、本発明によれば、電流狭窄層もコン
タクト層の上に形成することにより、半導体をエピタキ
シャル成長させる必要がなく、さらに、選択酸化やプロ
トンイオン注入も不要となる。これらの代わりに、例え
ばSiO2やSiNなどの高抵抗の材料を用いることにより、
容易且つ確実に電流狭窄効果を得ることができる。
【００８９】以上説明したように、本発明によれば、均
一な発光を高い効率で外部に取り出すことが可能とな
り、素子抵抗が低減され、発光特性や寿命特性が優れた
ｌｎＧａＡｌＰ系発光素子を提供することができるよう
になり、産業上のメリットは多大である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態にかかる面発光型半
導体発光素子の断面構造を表す概念図である。
【図２】（ａ）は本発明の第１実施形態の発光素子にお
ける電流の流れを表す概念図であり、（ｂ）はその発光
強度分布を表すグラフ図である。
【図３】本発明者が試作した評価用素子の構造を表す概
略構成図である。
【図４】評価用素子の電流電圧特性を表すグラフ図であ
る。
【図５】本発明の発光素子の透明電極の近傍のバンド構
造を表す概略図である。
【図６】本発明の第１実施形態の変型例を表す断面概念
図である。
【図７】（ａ）は本発明の発光素子における電流の流れ
を表す概念図であり、（ｂ）はその発光強度分布を表す
グラフ図である。
【図８】本発明の第２実施形態にかかる面発光型半導体
発光素子の断面構造を表す概念図である。
【図９】（ａ）は本発明の発光素子における電流の流れ
を表す概念図であり、図９（ｂ）はその発光強度分布を
表すグラフ図である。
【図１０】本発明の第３実施形態にかかる面発光型半導
体発光素子の断面構造を表す概念図である。
【図１１】本発明の第４実施形態にかかる面発光型半導
体発光素子の断面構造を表す概念図である。
【図１２】従来の面発光型半導体発光素子の断面構造を
表す概念図である。
【図１３】従来の面発光型半導体発光素子のもうひとつ
の例を表す概念断面図である。
【図１４】従来の面発光型の半導体発光素子における駆
動電流の分布を表す概念図であり、表面電極１１０の開
口径ｄ１に対して電流狭窄層１０８の開口径ｄ２がかな
り小さい場合を表す。
【図１５】発光強度の分布を改善した場合を表し、表面
電極１１０の開口径ｄ１が電流狭窄層１０８の開口径ｄ
２よりもやや大きい（ｄ１＞ｄ２）程度に調節された場
合を表す。
【図１６】表面電極１１０の開口径ｄ１が電流狭窄層１
０８の開口径ｄ２以下である場合の駆動電流の分布を表
す概念図である。
【符号の説明】
１１、１０１ ｎ型ＧａＡｓ基板 １２、１０２ ｎ型ＧａＡｓバッファ層 １３、１０３ 多層膜光反射層 １４、１０４ ｎ型ＩｎＧａＡｌＰクラッド層 １５、１０５ ＩｎＧａＡｌＰ活性層 １６、１０６ ｐ型ＩｎＧａＡｌＰクラッド層 １７、１０７ 多層膜光反射層 １８、１９、２９、１０８ 電流狭窄層 ２２ ｐ型ＧａＡｌＡｓ中間バンドギャップ層 ２３ ｐ型ＧａＡｓ：Ｃコンタクト層 ２４ 透明電極 ３０ 表面電極 ３１ 裏面電極
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 5F041 AA03 AA21 AA44 CA12 CA34 CA35 CA36 CA53 CA57 CA65 CA71 CA82 CA83 CA88 CB03 CB04 CB15 FF16 5F073 AA08 AB17 BA09 CA14 CB02 CB22 CB23 DA05 DA21 EA28

Claims (12)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】第１導電型の半導体からなる基板と、 前記基板の主面上に設けられた第１導電型の半導体から
    なる第１の光反射層と、 前記第１の光反射層の上に設けられたInGaAlP系半導体
    からなる活性層と、 前記活性層の上に設けられた第２導電型の半導体からな
    る第２の光反射層と、 前記活性層に流入する電流を狭窄するための開口を有す
    る電流狭窄層と、 前記第２の光反射層の上に設けられた透光性電極と、 前記透光性電極の上に設けられ前記活性層からの発光を
    取り出す開口を有する表面電極と、 前記基板の裏面に設けられた裏面電極と、 を備え、 前記表面電極の前記開口における前記透光性電極から供
    給され前記電流狭窄層の前記開口に狭窄された電流によ
    って前記活性層において生じた発光が前記第１の光反射
    層と前記第２の光反射層との間で繰り返し反射されると
    共に、前記発光を前記表面電極の前記開口における前記
    透光性電極を介して外部に取り出すようにしたことを特
    徴とする半導体発光素子。
  2. 【請求項２】前記電流狭窄層は、前記第１の光反射層と
    前記第２の光反射層の少なくともいずれかを部分的に酸
    化させることにより形成したものであることを特徴とす
    る請求項１記載の半導体発光素子。
  3. 【請求項３】前記電流狭窄層は、前記第２の光反射層の
    一部にプロトンをイオン注入することにより形成したも
    のであることを特徴とする請求項１記載の半導体発光素
    子。
  4. 【請求項４】第１導電型の半導体からなる基板と、 前記基板の主面上に設けられた第１導電型の半導体から
    なる第１の光反射層と、 前記第１の光反射層の上に設けられたInGaAlP系半導体
    からなる活性層と、 前記活性層の上に設けられ前記活性層に流入する電流を
    狭窄するための開口を有する電流狭窄層と、 前記電流狭窄層及び前記電流狭窄層の前記開口における
    前記活性層の上に設けられた透光性電極と、 前記透光性電極の上に設けられ前記活性層からの発光を
    取り出す開口を有する表面電極と、 前記表面電極の前記開口において前記透光性電極の上に
    設けられた第２の光反射層と、 前記基板の裏面に設けられた裏面電極と、 を備え、 前記表面電極の前記開口における前記透光性電極から供
    給され前記電流狭窄層の前記開口に狭窄された電流によ
    って前記活性層において生じた発光を前記表面電極の前
    記開口における前記透光性電極及び前記第２の光反射層
    を介して外部に取り出すようにしたことを特徴とする半
    導体発光素子。
  5. 【請求項５】基板と、 前記基板の主面上に設けられた第１導電型の半導体から
    なる第１の光反射層と、 前記第１の光反射層の上に設けられた第１導電型の半導
    体からなる第１導電型半導体層と、 前記第１導電型半導体層の第１の部分の上に設けられた
    InGaAlP系半導体からなる活性層と、 前記活性層の上に設けられ前記活性層に流入する電流を
    狭窄するための開口を有する電流狭窄層と、 前記電流狭窄層及び前記電流狭窄層の前記開口における
    前記活性層の上に設けられた透光性電極と、 前記透光性電極の上に設けられ前記活性層からの発光を
    取り出す開口を有する第１の表面電極と、 前記第１の表面電極の前記開口において前記透光性電極
    の上に設けられた第２の光反射層と、 前記第１導電型半導体層の前記第１の部分とは異なる第
    ２の部分の上に設けられた第２の表面電極と、 を備え、 前記第１の表面電極の前記開口における前記透光性電極
    から供給され前記電流狭窄層の前記開口に狭窄された電
    流によって前記活性層において生じた発光が前記第１の
    光反射層と前記第２の光反射層との間で繰り返し反射さ
    れるようにしたことを特徴とする半導体発光素子。
  6. 【請求項６】前記繰り返し反射された前記発光が前記第
    ２の光反射層を介して外部に取り出されることを特徴と
    する請求項５記載の半導体発光素子。
  7. 【請求項７】前記繰り返し反射された前記発光が前記基
    板を介して外部に取り出されることを特徴とする請求項
    ５記載の半導体発光素子。
  8. 【請求項８】前記電流狭窄層は、酸化シリコンまたは窒
    化シリコンのいずれかを主成分とすることを特徴とする
    請求項４〜７のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
  9. 【請求項９】前記第２の光反射層は、２種類以上の異な
    る誘電体層を交互に積層させたものであることを特徴と
    する請求項４または５に記載の半導体発光素子。
  10. 【請求項１０】前記活性層と前記透光性電極との間にお
    いて前記透光性電極に接触して設けられた、炭素を含有
    する半導体からなるコンタクト層をさらに備えたことを
    特徴とする請求項１、４及び５のいずれか１つに記載の
    半導体発光素子。
  11. 【請求項１１】前記コンタクト層は、前記炭素を１×１
    ０19ｃｍ-3以上含有することを特徴とする請求項１０記
    載の半導体発光素子。
  12. 【請求項１２】前記コンタクト層と前記活性層との間
    に、前記コンタクト層よりもバンドギャップが大きく、
    前記活性層の側に隣接した半導体層よりもバンドギャッ
    プが小さい中間バンドギャップ層が設けられたことを特
    徴とする請求項１、４及び５のいずれか１つに記載の半
    導体発光素子。
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