JP2002203987A

JP2002203987A - 半導体発光素子及びその製造方法

Info

Publication number: JP2002203987A
Application number: JP2001065426A
Authority: JP
Inventors: Akira Saeki; 亮佐伯; Hideto Sugawara; 秀人菅原; Yukio Watanabe; 幸雄渡辺; Tamotsu Jitosho; 保地頭所
Original assignee: Toshiba Corp; Toshiba Electronic Engineering Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp; Toshiba Development and Engineering Corp
Priority date: 2000-10-31
Filing date: 2001-03-08
Publication date: 2002-07-19
Anticipated expiration: 2021-03-08
Also published as: US6846686B2; EP2237329A2; TW507386B; US20030201449A1; US20020050601A1; EP1202355A2; US6586773B2; EP1202355A3; EP2237329A3; JP4091261B2; CN1237628C; CN1351384A

Abstract

(57)【要約】【課題】ＧａＰ基板を用いた半導体発光素子におい
て、基板と発光層を接着する際、熱処理により発光層が
ダメージを受け、発光効率の低下、動作電圧の上昇の原
因となっていた。【解決手段】ＧａＰ基板１と発光層７とを、ｐ−Ｉｎ
ＧａＰによる第１接着層２、ｐ−ＧａＰによる第２接着
層３を介して接着する。こうすることによって、熱処理
によりＧａＰ基板１と発光層７とを接着する際、５００
〜７００℃の温度で熱処理できるため、発光層７へのダ
メージを低減し、また、動作電圧の上昇を回避できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えばＩｎＧａＡ
ｌＰ材料を用いた半導体発光素子及びその製造方法に関
する。

【０００２】

【従来の技術】ＬＥＤ（発光ダイオード）等の半導体発
光素子は、素子両端の電極より印加された電圧に応じ
て、発光層において光が発生される。発光素子の発光効
率を上げるためには、発光層において発生された光が素
子内で反射及び吸収されることを防ぐ必要がある。

【０００３】従来から、ＩｎＧａＡｌＰ系材料を用いた
ＬＥＤの基板として、ｎ型のＧａＡｓが一般的に用いら
れている。

【０００４】図１５は、上記材料を使用した半導体発光
素子の第１の従来例を示している。この素子は、ＧａＡ
ｓ基板２１上に、バッファ層２２を介して、光反射層２
３が形成されている。この光反射層２３上に、ｎ−クラ
ッド層２４、活性層２５、ｐ−クラッド層２６により構
成された発光層２７、ｐ−ＧａＡｌＡｓ電流拡散層２９
が形成されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記ＧａＡ
ｓ基板２１は可視光に対して透明ではない。このため、
発光層２７から発せられた光のうち、下方に向かうもの
は全てＧａＡｓ基板２１に吸収されてしまう。これは、
ＬＥＤの高輝度化の大きな障害となっている。

【０００６】そこで、基板としてＧａＰ基板を使用する
方法が考えられている。図１６は、半導体発光素子の第
２の従来例を示している。図１６において、図１５と同
一部分には同一符号を付す。

【０００７】第２の従来例は、図１６に示すように、図
示せぬＧａＡｓ基板上にＭＯＣＶＤ（Metal Organic Ch
emical Vapor Deposition）により発光層２７が形成さ
れた後に、厚い（５０μｍ）ｐ型ＧａＰ層３０がＨＶＰ
Ｅ（Hydride Vapor Phase Epitaxy）により形成され、
ＧａＡｓ基板が除去され、代わりに可視光に対して透明
なｎ型のＧａＰ基板２８が接着される。こうすることに
よって、発光層２７から発せられた光は、下方、上方、
及び前後左右、すなわち全ての方向から取り出される。
このため、第１の従来例に比べ、２〜３倍の発光輝度が
得られる。

【０００８】しかし、この構成の発光素子によると、発
光層２７にＧａＰ基板２８を接着する際、ＭＯＣＶＤの
熱処理温度（約７００℃）よりも高温での熱処理が必要
となる。このため、この接着のプロセスにおいて、発光
層２７が熱によるダメージを受ける。特に、ｐ−クラッ
ド層２６のｐ型不純物に亜鉛を用いた場合、高温の熱処
理により亜鉛が活性層２５に大量に拡散し、活性層２５
の結晶性を悪化させてしまう。この結果、第２の従来例
の発光層２７から発生する光のパワーは第１の従来例よ
り著しく劣ることになる。したがって、第２の従来例の
輝度は第１の従来例のそれに比べて２倍にも達しなくな
る。

【０００９】そこで、熱による発光層へのダメージを避
けるために、接着時の熱処理温度を低くする方法が考え
られる。しかしながら、この方法によると、ｎ−クラッ
ド層２５とＧａＰ基板２８の接着界面に良好なオーミッ
ク接触を形成することができなくなり、素子の動作電圧
が上昇してしまう。

【００１０】図１７は第２の従来例における、接着時の
熱処理温度と、素子の相対光出力及び動作電圧の関係を
示している。図１７において、実線は接着温度と相対光
出力との関係を示し、破線は接着温度と動作電圧との関
係を示している。図１７の破線で示すように、接着時の
熱処理温度が高くなると動作電圧は低くなり、８００℃
程度で良好なオーミック接触が得られる。しかし、その
一方、実線で示すように熱処理温度が高くなるに従って
素子の光出力は低下してしまう。このため、ある程度の
素子の出力を得て、かつ素子の動作電圧を低くするため
には、接着時の熱処理温度を、適正温度範囲で示す非常
に狭い幅（８００℃前後）で選択する必要がある。した
がって、透明なＧａＰ基板２８を接着したことによる光
出力向上の効果が十分に得られないばかりか、高い歩留
りで安定して生産することが難しいという問題点があ
る。

【００１１】本発明は、上記課題を解決するためになさ
れたものであり、その目的とするところは、ＧａＰ基板
を使用した際においても、光出力が高く、低電圧で動作
が可能な半導体発光素子を提供しようとするものであ
る。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明の半導体発光素子
は、上記課題を解決するため、第１導電型の第１のクラ
ッド層と、第２導電型の第２のクラッド層と、前記第
１、第２のクラッド層相互間に設けられた活性層とから
なる発光層と、前記第２のクラッド層上に設けられた第
２導電型の第１の接着層と、第２導電型の基板上に設け
られた前記第１の接着層と接合される第２導電型の第２
の接着層とを具備することを特徴とする。

【００１３】また、前記第１の接着層はＩｎＧａＰとす
ることができ、前記第２の接着層はＧａＰとすることが
できる。

【００１４】また、前記半導体発光素子は前記第１のク
ラッド層上に設けられた第１導電型の電流拡散層と、前
記電流拡散層上に形成された電流ブロック層とをさらに
具備することができる。

【００１５】また、前記電流拡散層はＧａＡｌＡｓとす
ることができる。

【００１６】また、前記半導体発光素子は前記電流拡散
層上全面に形成された電極上に形成された電極層を更に
具備し、前記電極層が配置される面上に形成されたマウ
ント層と前記電極層とは共晶化することができる。

【００１７】また、前記活性層は多重量子井戸構造とす
ることができる。

【００１８】本発明の半導体発光素子の製造方法は、第
１導電型の第１の基板上に第１導電型のバッファ層を形
成し、このバッファ層上に第１導電型の電流拡散層を形
成し、この電流拡散層上に第１導電型の第１のクラッド
層を形成し、前記第１のクラッド層上に活性層を形成
し、前記活性層上に第２導電型の第２のクラッド層を形
成し、前記第２のクラッド層上に第２導電型の第１の接
着層を形成して第１の半導体層を形成する工程と、第２
導電型の第２の基板上に第２導電型の第２の接着層を形
成して第２の半導体層を形成する工程と、前記第１の接
着層と第２の接着層とを接合界面として、前記第１の半
導体層と第２の半導体層とを接合する工程と、前記第１
の基板、バッファ層を除去する工程とを具備することを
特徴とする。

【００１９】また、前記第１の基板、第２の基板の面方
位はそれぞれ（１００）面から[０１１]方向と、（−１
００）面から[０−１−１]方向に、７乃至１６°の範囲
で同一角度傾斜して設けることができる。

【００２０】また、前記第１の接着層はＩｎＧａＰとす
ることができ、前記第２の接着層はＧａＰとすることが
できる。

【００２１】本発明の半導体発光素子の製造方法は、ｎ
型のＧａＡｓ基板上にｐ型のエッチングストップ層を形
成する工程と、前記エッチングストップ層上にｐ型のコ
ンタクト層を形成する工程と、前記コンタクト層上にｐ
型の電流拡散層を形成する工程と、前記電流拡散層上に
ｐ型の第１のクラッド層を形成する工程と、前記第１の
クラッド層上に活性層を形成する工程と、前記活性層上
にｎ型の第２のクラッド層を形成する工程と、前記第２
のクラッド層上にｎ型の接着層を形成する工程と、前記
接着層上にｎ型のＧａＰの半導体層を形成する工程と、
前記基板と前記エッチングストップ層を除去する工程と
を具備することを特徴とする。

【００２２】また、前記半導体層は前記接着層と接着す
ることにより形成することができる。

【００２３】また、前記半導体層は前記接着層上に結晶
成長することにより形成することができる。

【００２４】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図面を参照して説明する。

【００２５】（第１の実施例）図１は、本発明に係る半
導体発光素子を概略的に示す断面図である。図1におい
て、１は面方位が（−１００）面から[０−１−１]方向
（[０−１−１]方向は、[０１１]方向とは１８０°逆の
方向を示し、以下同様に記載する。）に７〜１６°傾斜
し、２５０μｍの厚さを有するｐ型のＧａＰ基板である
（以下、ｐ型をｐ−、ｎ型をｎ−と略記する）。このＧ
ａＰ基板１上に、厚さが例えば０．５μｍのｐ−ＧａＰ
による第２接着層２、厚さが例えば０．０３μｍ〜０．
１μｍのｐ−ＩｎＧａＰによる第１接着層３が形成され
ている。この第２接着層２、第１接着層３は、前記Ｇａ
Ｐ基板１と、後述する各層を接着するために設けられ
る。

【００２６】上記第１接着層３上には、ｐ−ＩｎＡｌＰ
によるｐ−クラッド層４、ＩｎＧａＡｌＰによる活性層
５、ｎ−ＩｎＡｌＰによるｎ−クラッド層６が順次形成
されている。各層の厚さは、例えばｐ−クラッド層４が
１．０μｍ、活性層５が０．６μｍ、ｎ−クラッド層６
が０．６μｍである。ｐ−クラッド層４、活性層５、ｎ
−クラッド層６によりダブルへテロ構造の発光層７を形
成している。

【００２７】ｎ−クラッド層６上には、例えば１．５μ
ｍの厚さを有する、ｎ−ＩｎＧａＡｌＰによる電流拡散
層８が形成されている。この電流拡散層８は後述する電
極より印加された電流を拡散させることにより、前記発
光層７において効率よく発光させる機能を有する。

【００２８】上記電流拡散層８上には、例えば０．１μ
ｍの厚さを有する、ｎ−ＧａＡｓによるコンタクト層９
を介して例えばＡｕＧｅ系の表面電極１０が設けられて
いる。また、前記ＧａＰ基板１の、第２接着層２の界面
と反対面には、例えばＡｕＺｎ系の裏面電極１１が設け
られている。

【００２９】上記構成において、表面電極１０と裏面電
極１１に所定の電圧が印加されると前記発光層７から光
が発生される。

【００３０】図２（ａ）、（ｂ）は、上記構成の半導体
発光素子の製造方法を示しており、図２（ａ）、（ｂ）
において、図1と同一部分は同一符号を付す。以下、図
２（ａ）、（ｂ）を用いて製造方法について説明する。

【００３１】図２（ａ）において、ｎ型のＧａＡｓ基板
１２は、面方位が（１００）面から[０１１]方向に７〜
１６°、すなわち前記ＧａＰ基板１の面方位とは反対の
方向に同じ角度傾斜し、厚さが２５０μｍである。図２
（ａ）に示すように、このＧａＡｓ基板１２上に、０．
５μｍの厚さを有した、ｎ−ＧａＡｓによるバッファ層
１３が、ＭＯＣＶＤにより、エピタキシャル成長し、堆
積される。

【００３２】上記ＭＯＣＶＤの際、材料として、例えば
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
有機金属及びアルシン、ホスフィンなどの水素化物ガス
が用いられる。また、ＭＯＣＶＤの際、実施温度は約７
００℃である。以下、各工程のＭＯＣＶＤも同様の条
件、材料により行われる。

【００３３】次に、上記ＧａＡｓバッファ層１３上に、
コンタクト層９、電流拡散層８、ｎ−クラッド層６がＭ
ＯＣＶＤにより、順次エピタキシャル成長して堆積され
る。続いて、これらコンタクト層９、電流拡散層８、ｎ
−クラッド層６に不純物として例えばシリコンがドープ
される。シリコンの材料としては、例えばシランが使用
される。なお、電流拡散層８のＡｌ含有率は２〜１０％
であることが好ましい。

【００３４】続いて、ｎ−クラッド層６上に活性層５
が、ＭＯＣＶＤにより形成される。この活性層５の組成
は、発光波長に応じて決定される。すなわち、ＩｎＧａ
ＡｌＰ中のＧａとＡｌとのバランスを変えることによ
り、赤色、橙色、黄色、黄緑色、緑色の光が得られる。

【００３５】次に、上記活性層５上にｐ−クラッド層
４、第１接着層３が、ＭＯＣＶＤにより順次堆積され
る。この後、ｐ−クラッド層４、第１接着層３に例えば
ＤＭＺ（ジメチル亜鉛）を材料として不純物としての亜
鉛がドープされる。このようにして、第1の半導体層
（第1のウェハ）１４が形成される。第１接着層３の不
純物濃度は、１×１８ｃｍ^−３〜１×１９ｃｍ^−３に設
定される必要があり、最適値は例えば３〜４×１８ｃｍ
^−３である。

【００３６】続いて、図２（ｂ）に示すように、ＧａＰ
基板１上に、例えばＴＭＧ及びホスフィンを使用して、
ＭＯＣＶＤにより、第２接着層２が形成される。この
後、第２接着層２にＤＭＺを用い、不純物としての亜鉛
がドープされる。第２接着層２の不純物濃度は１×１８
ｃｍ^−３〜１×１９ｃｍ^−３に設定される必要があり、
最適値は例えば３〜４×１８ｃｍ^−３である。このよう
にして、第２の半導体層（第２のウェハ）１５が形成さ
れる。

【００３７】尚、第２接着層２は、ｐ−ＧａＰにより形
成したが、ＡｌＰとＧａＰとの混晶であるＡｌＧａＰを
用いることもできる。また、ＧａＰとＡｌＧａＰとが複
数層積層された構造であってもよい。

【００３８】次に、第２接着層２及び第１接着層３を界
面として、前記第1の半導体層１４と第２の半導体層１
５とを室温で貼り合わせる。この後、不活性ガス雰囲気
中で、約５００〜７００℃で１時間の熱処理することに
より、第１の半導体層１４、第２の半導体層１５が強く
接着される。

【００３９】続いて、前記ＧａＡｓ基板１２、バッファ
層１３が機械的研磨及びエッチングにより除去される。
この後、コンタクト層９上にＡｕＧｅ系の金属が堆積さ
れ、リソグラフィ工程により加工されることにより、表
面電極１０が形成される。また、ＧａＰ基板１上にＡｕ
Ｚｎ系の金属が堆積され、リソグラフィ工程により加工
され、裏面電極１１が形成される。

【００４０】図３は上記第１の実施例における半導体発
光素子の、接着時の熱処理温度と、素子の相対光出力及
び動作電圧の関係を示している。図３において、実線は
接着温度と相対光出力との関係を示し、破線は接着温度
と動作電圧との関係を示している。図３の破線で示すよ
うに、比較的低い接着温度により熱処理をした際も、動
作電圧は低くなっている。このため、光出力を低下させ
ることなく低い動作電圧を実現できる。よって、適正温
度範囲は、図３に示すように、約６００〜７２０℃程度
となる。

【００４１】上記第１の実施例によれば、第１接着層３
と第２接着層２を介して発光層７とＧａＰ基板１とを接
着している。このため、両者を熱処理する際、約５００
〜７００℃と、従来例に比べて低い温度で行うことがで
きる。したがって、熱処理によりｐ−クラッド層４中の
亜鉛が活性層５に拡散されることを低減することがで
き、結晶性が悪化することを防止することができる。よ
って、十分な光量を得ることができ、高出力な半導体発
光素子を実現できる。さらに、従来は、熱処理の温度を
８００℃前後と狭い範囲に制御する必要があったが、約
５００〜７００℃の範囲を用いることができるため、温
度制御が容易であり、歩留りの低下を防ぐことができ
る。

【００４２】続いて、図４、図５を参照して、第１接着
層３と第２接着層２の界面における格子整合の効果につ
いて説明する。図４（ａ）は、図１に示す第１、第２接
着層２、３のバンド構造図である。

【００４３】一般に異なる材料の接合（ヘテロ接合）を
行う際、両材料の接合部の構造は重要である。まず、両
者の表面は平坦である必要がある。つまり、欠陥の少な
い良好な結晶成長ができることが重要である。このため
には、両層は各々の基板に格子整合していなければなら
ない。

【００４４】しかし、両層がそれぞれの基板に格子整合
した結果、両層は格子定数の違う、異なる材料になる。
一般に、ヘテロ接合の界面には、伝導体と価電子帯のバ
ンド不連続が生じ、その不連続量が大きいとキャリアの
拡散、すなわち電気の伝導が妨げられてしまう。これ
が、電流に対する抵抗となり、素子の動作電圧を上昇さ
せてしまうことになる。したがって、両層はそれぞれの
基板に格子整合して、かつバンド不連続が小さくなる組
み合わせでなければならない。

【００４５】第１の実施例によれば、ｐ−ＩｎＧａＰに
よる第１接着層３とｐ−ＧａＰによる第２接着層２によ
ってヘテロ接合を形成している。こうすることによっ
て、図４（ａ）に示すように、伝導体と価電子帯のバン
ド不連続量はそれぞれ０．３ｅｖ、０ｅｖとなる。本発
明の場合、第１接着層３、第２接着層２の電気伝導を支
配する多数キャリアはホールなので、価電子帯中のホー
ルはバンド不連続に邪魔されず両者間を移動できる。す
なわち、低抵抗のオーミック接合が形成される。

【００４６】しかし、上記した材料による組み合わせに
おいても、常に低抵抗のオーミック接合が形成できると
は限らない。図４（ｂ）は図４（ａ）において、接合界
面の結晶性が悪い場合のバンド構造図である。図４
（ｂ）に示すように、接合界面の結晶性が悪いと、界面
準位が多くできてしまう。このため、接合界面付近で
は、キャリア（主にホール）は界面準位に捕獲されてし
まい、接合部付近が空乏層化し、障壁が形成されてしま
う。この空乏層と障壁によりキャリアの拡散が妨げられ
る。したがって、低抵抗のオーミック接合を形成するに
は、接合界面の界面準位を少なくし、かつ両接着層のキ
ャリア濃度を高くして、界面準位に一部のキャリアがト
ラップされても接合界面が空乏層化しないようにする必
要がある。

【００４７】また、界面準位の発生を少なくするには、
接合部での結晶欠陥を減らすことが重要である。第１接
着層３、第２接着層２は格子整合していないので、欠陥
を完全に無くすことは不可能であるが、接着する表面の
結晶面方位を揃えるようにすれば、接合界面のダングリ
ングボンド等による界面準位を低減できる。

【００４８】そこで、第１の実施例によれば、（１０
０）面から[０１１]方向に７〜１６°傾斜したＧａＡｓ
基板１２上に第１接着層３を形成し、（−１００）面か
ら[０−１−１]方向に７〜１６°傾斜したＧａＰ基板１
上に第２接着層２を形成している。このようにして形成
された第１接着層３、第２接着層２を張り合わせて接合
界面を形成している。こうすることによって、両接着層
の結晶の面方位が一致する。したがって、接合界面にお
ける界面準位によりキャリアのトラップを低減でき、発
光効率を向上することができる。

【００４９】また、第１接着層３、第２の接着層２の各
キャリア濃度を１×１８ｃｍ^−３以上としている。こう
することによって、接合界面が空乏層化することを防ぐ
ことができる。このため、第１、第２接着層のキャリア
濃度と動作電圧の関係を表す図５に示すように、動作電
圧を低減することができる。さらに、面方位を一致させ
ることにより、一致させないときに比べ、動作電圧をよ
り低下させることができ、２．１Ｖ以下まで、低減化す
ることができる。

【００５０】続いて、第１接着層２の厚さによる、高光
出力及び低動作電圧効果について説明する。図６は第１
接着層２の厚さと光出力及び動作電圧の関係を示してい
る。図６において、実線は第１接着層２の厚さと相対光
出力との関係を示し、破線は層の厚さと動作電圧との関
係を示している。図６の実線で示すように、第１接着層
２の厚さが、０．１μｍ〜１μｍのように厚すぎると、
活性層５からの光を吸収してしまい、光出力が低下す
る。したがって、第１接着層２は薄いほうがよい。しか
し、０．０３μｍ以下のようにあまり薄すぎると、図６
に破線で示すように動作電圧が上昇してしまう。したが
って、層の厚さは０．０３μｍ〜０．１μｍ程度が最適
である。こうすることによって、半導体発光素子の光出
力を高くし、かつ動作電圧を低くすることができる。

【００５１】さらに、電流拡散層８のＡｌ含有率を例え
ば２〜７％としている。電流拡散層８の材料はＩｎＧａ
ＡｌＰとしたが、Ｇａの含有率は小さければ小さいほど
よい。しかし、そうすることによってＡｌの含有率が増
加し、抵抗率が増加してしまう。すると、十分な電流拡
散効果が得られない。このため、Ａｌ含有率を例えば２
〜７％とすることによって、十分な拡散効果を得ること
ができる。

【００５２】（第２の実施例）図７は本発明に係る半導
体発光素子の第２の実施例を示している。図７におい
て、図１と同一部分は同一符号を付し、説明は省略す
る。

【００５３】図７において、１６はＩｎＧａＡｌＰによ
る電流ブロック層である。この電流ブロック層１６は、
図２（ａ）に示すバッファ層１３の堆積後に形成され
る。すなわち、バッファ層１３上にＩｎＧａＡｌＰ層が
堆積され、この上にコンタクト層９以降が順次堆積され
る。この後、第１の半導体層１４ａと第２の半導体層１
５が接着され、ＧａＡｓ基板１２及びバッファ層１３が
除去される。続いて、前記ＩｎＧａＡｌＰからなる電流
ブロック層１６がフォトリソグラフィ工程により加工さ
れ、ＡｕＧａ系の金属が堆積され、表面電極１０が形成
される。

【００５４】上記構成とすることにより、第１の実施例
を同様の効果が得られる。さらに、第２の実施例では、
表面電極１０内に電流ブロック層１６を設けている。こ
うすることによって、電流が表面電極１０直下に流れる
ことを防ぎ、表面電極１０直下で発光することを低減す
ることができる。したがって、光が表面電極１０に吸収
されることを回避し、光出力を上げることができる。

【００５５】（第３の実施例）第３の実施例は、第２の
実施例の変形例である。第３の実施例では、図７中の活
性層５を多重量子井戸構造としている。この多重量子井
戸構造による活性層５ａは、図８に示すように、例え
ば、層の厚さが５ｎｍ、Ａｌ含有率が１５％のＩｎＧａ
Ａｌ層５ｂと、層の厚さが８ｎｍ、Ａｌ含有率が２．５
％のＩｎＧａＡｌＰ層５ｃを交互に堆積することにより
形成される。堆積される層数は、例えばＩｎＧａＡｌＰ
層５ｂが４１層、ＩｎＧａＡｌＰ層５ｃが４０層であ
る。

【００５６】上記第３の実施例によれば、活性層５を多
重量子井戸構造とすることにより、第１、第２の実施例
よりさらに高出力の半導体発光素子を実現できる。

【００５７】図９は代表的な色として、例えば赤色及び
黄色のＬＥＤについて、従来例及び第３の実施例による
半導体発光素子の発光効率を示している。図９に示すよ
うに、第３の実施例によれば、各色において、従来に比
べて発光効率の高い半導体発光素子を提供できる。

【００５８】（第４の実施例）上記第１乃至第３の実施
例では、ｎ−ＧａＡｓ基板上に、下から順にｎ−クラッ
ド層、活性層、ｐ−クラッド層により構成される発光層
を形成し、ｐクラッド層上にｐ−ＧａＰ基板を接合する
構成である。しかしながら、基板に使用するｐ−ＧａＰ
は一般に入手が容易でなく、また、ｐ−ＧａＰ基板を接
着する際にｐ型不純物が活性層に拡散することを回避す
るのは難しい。そこで第４の実施例では、ｎ−ＧａＡｓ
基板上に発光層としてのｐクラッド層が形成される所謂
ｐｎ反転構造をとり、この発光層上にｎ−ＧａＰ基板を
接合している。

【００５９】図１０は、本発明に係る半導体発光素子の
第４の実施例を示している。図１０中の４０は例えば２
５０μｍの厚さを有するｎ型のＧａＰ基板であり、この
ｎ−ＧａＰ基板４０上に厚さが例えば０．０５μｍのｎ
−ＩｎＧａＡｌＰによる接着層４１が形成されている。
接着層４１上にはｎ−クラッド層６、活性層５、ｐ−ク
ラッド層４が順次形成されている。各層の厚さは、例え
ばｎ−クラッド層６及びｐ−クラッド層４が１．０μ
ｍ、活性層５が０．５μｍである。

【００６０】前記ｐ−クラッド層４上には、例えば厚さ
が３．０μｍのｐ−ＩｎＧａＡｌＰによる電流拡散層４
２が形成され、この電流拡散層４２上には厚さが例えば
０．０１μｍのｐ−ＧａＡｓによるコンタクト層４３が
形成されている。１０、１１はそれぞれ表面電極、裏面
電極である。尚、図１０に示す符号４２ａについては第
５の実施例において説明する。

【００６１】図１１（ａ）、（ｂ）は、上記構成の半導
体発光素子の製造方法を示しており、図１１（ａ）、
（ｂ）において、図２及び図１０と同一部分には同一符
号を付す。以下、図１１（ａ）、（ｂ）を参照して第４
の実施例の半導体発光素子の製造方法を説明する。

【００６２】図１１（ａ）に示すように、ｎ−ＧａＡｓ
基板１２を有機溶剤、硫酸系エッチャントによりクリー
ニングする。この後、ｎ−ＧａＡｓ基板１２を第１の実
施例と同様に例えば７００℃に加熱し、ＭＯＣＶＤによ
りｎ−ＧａＡｓ基板１２上にｐ−ＩｎＧａＰによるエッ
チングストップ層４４が形成される。このエッチングス
トップ層４４は後の工程でｎ−ＧａＡｓ基板１２を選択
的にエッチングするために設けられる。

【００６３】ＭＯＣＶＤの材料として、第１の実施例の
際と同様に例えばＧａ源にはトリメチルガリウム、Ａｌ
源にはトリメチルアルミニウム、Ｉｎ源にはトリメチル
インジウム、Ｐ源にはホスフィンなどが用いられる。ま
た、ｎ型不純物及びｐ型不純物としてはそれぞれモノシ
ラン、ジメチル亜鉛などが用いられ、以下の工程におい
ても同様である。

【００６４】次にＭＯＣＶＤにより、エッチングストッ
プ層４４上にコンタクト層４３、電流拡散層４２、ｐ−
クラッド層４、活性層５、ｎ−クラッド層６、接着層４
１が順次形成される。尚、上記エッチングストップ層４
４〜接着層４１は全てｎ−ＧａＡｓ基板１２に格子整合
して形成されている。

【００６５】続いて接着層４１上に、厚さ２５０μｍの
ｎ−ＧａＰ基板４０としての半導体層が接着される。次
に、エッチングストップ層４４を利用してｎ−ＧａＡｓ
基板１２がエッチングにより除去され、エッチングスト
ップ層４４も続いて除去される。

【００６６】この後、図１１（ｂ）に示すように、コン
タクト層４３が電極の形状に合わせてエッチングされ、
このコンタクト層４３の上に図１０に示すように表面電
極１０が形成される。一方、ｎ−ＧａＰ基板４０上には
裏面電極が形成される。尚、コンタクト層４３上にＡｕ
Ｇｅ系の金属層を堆積し、コンタクト層４３及びこの金
属層を同時にエッチングすることにより表面電極を形成
してもよい。

【００６７】上記第４の実施例では、ｎ−ＧａＡｓ基板
１２の上に下から順にｐ−クラッド層、活性層５、４ｎ
−クラッド層６により構成された発光層７を形成するｐ
ｎ反転構造とし、この発光層７の上にｎ−ＧａＰ半導体
層４０を接着している。従来ｐｎ反転構造の発光層を形
成する場合、基板と発光層との間に形成されるｐｎ接合
部において通電しにくくなる。これを避けるためｐ−Ｇ
ａＡｓ基板が用いられる。しかし、ｐ−ＧａＡｓ基板を
使用すると、基板中に多く含まれるアクセプタ不純物
（この場合は亜鉛）が発光層まで拡散してしまう。この
ため、発光特性が低下することが知られている。また、
ｐ−ＧａＡｓ基板を用いた場合、ｎ−ＧａＰ基板を接着
する際の熱工程において不純物が拡散されてしまうた
め、問題はさらに大きくなる。

【００６８】そこで、第４の実施例で示すようにｐ−Ｇ
ａＡｓ基板ではなくｎ−ＧａＡｓ基板１２を使用するこ
とにより、上記問題が解決される。さらに、製造過程に
おいてｎ−ＧａＡｓ基板１２は除去されるためｐｎ接合
部は形成されず、素子に対する電流が流れにくくなる問
題も回避することができる。

【００６９】また、第４の実施例ではｎ−ＧａＰ半導体
層４０を使用している。一般にｐ−ＧａＰは他のｐ型層
に比べ不純物濃度が高い。このｐ−ＧａＰを使用しない
ため、ｎ−ＧａＰ半導体層４０を接着する際の熱工程に
おいて、不純物が発光層７に拡散し、発光特性が低下す
るのを抑制することができる。

【００７０】尚、第４の実施例において、活性層５とし
てＡｌ含有率が２．５％のＩｎＧａＡｌＰを用い、表面
電極１０、裏面電極１１にバイアスを印加することによ
り、６２５ｎｍにピークを持つ赤色発光が観察された。
動作電流２０ｍＡにおける光出力は、放射角１０°のパ
ッケージにおいて７．５ｃｄである。これは、第１の実
施例による半導体発光素子の光出力より高い。

【００７１】（第５の実施例）第４の実施例では、電流
拡散層４２としてｐ−ＩｎＧａＡｌＰを使用した。一
方、第５の実施例では電流拡散層４２ａとしてのｐ−Ｇ
ａＡｌＡｓを使用しており、この点が第４の実施例と異
なる。このため、図１０を用いて説明し、その他の構
造、動作、製造方法等、同一部分についての説明は省略
する。図１０に示すｐ−ＧａＡｌＡｓ電流拡散層４２ａ
は厚さが例えば３．０μｍである。

【００７２】一般に電流拡散層は、上記したように電極
より注入された電流を素子内の広域に広げるために設け
られるため、抵抗率は低いほうが望ましい。第５の実施
例において、Ａｌ含有率が３５％のｐ−ＧａＡｌＡｓを
使用している。このため、抵抗率をｐ−ＩｎＧａＡｌＰ
より低くすることができる。

【００７３】図１２は上記各材料におけるキャリア濃
度、抵抗率を示している。図１２に示すように、ＧａＡ
ｌＡｓを使用することにより、ＩｎＧａＡｌＰを使用す
る場合より抵抗率を大きく減少させることができる。
尚、キャリア濃度を高めることにより、抵抗率をさらに
低下させることも可能であるが、亜鉛が拡散することを
考慮すると望ましくない。また、電流拡散層４２ａの他
の候補として、例えばＧａＰなどの材料も考えられる。
しかし、ＧａＡｌＡｓは基板に使用されるＧａＡｓに略
格子整合するため、活性層７へ格子欠陥が伝播すること
による影響が無い。このため、ＧａＡｌＡｓを使用する
ことが非常に有効である。

【００７４】第５の実施例において、動作電流２０ｍＡ
をバイアスした際の光出力は、放射角１０°のパッケー
ジにおいて８ｃｄある。

【００７５】上記第５の実施例によれば、電流拡散層４
２ａとしてＧａＡｌＡｓを使用することにより、電流拡
散層４２ａの抵抗率を低下させることができる。このた
め、素子内部での電流の広がりが増し、素子外部への光
の取り出し効率を向上することができる。

【００７６】（第６の実施例）第１乃至第５の実施例で
は素子のｎ側が下側に来る構造であった。これに対し
て、第６の実施例では、ｐ側を下側にしている点が異な
る。その他の部分については第１乃至第５の実施例と同
様である。

【００７７】図１３は第１、第４の実施例における各電
流拡散層のキャリア濃度、抵抗率を示している。図１３
に示すように、第４の実施例の電流拡散層は第１の実施
例のそれより抵抗率の点で劣っている。すなわち、同一
の材料においてｐ型とｎ型では抵抗率が大きく異なり、
ｐ型による材料は電流拡散の働きに関して不利になる。

【００７８】図１４は本発明の第６の実施例を示してい
る。図１４に示すように、ｐ側電極としての裏面電極１
１を電流拡散層４２の全面に形成し、ｎ側電極側から主
に光を取り出すマウントとしている。こうすることによ
って、裏面電極１１より注入された電流が素子内部全域
に広がる。

【００７９】また、通常マウント材として用いられるＡ
ｇペーストでは、マウントの際、素子側面へＡｇペース
トが這い上がり、ショートを起こしてしまう。そこでマ
ウント面上に設けられたＡｕＳｎによるマウント層４５
と裏面電極１１上に形成された例えばＡｕ系金属による
電極層４６とを共晶化させた共晶電極によりマウントし
ている。

【００８０】上記構成の半導体発光素子にバイアスを印
加することにより、素子表面の全領域からの発光が確認
できる。また、これまでＡｇペーストの這い上がりによ
り閉ざされていた側面領域からも有効に光を取り出すこ
とができる。動作電流２０ｍＡにおける光出力は、放射
角１０°のパッケージにおいて１０ｃｄである。

【００８１】第６の実施例によれば、電流拡散層４２が
光の取り出し側と反対側に形成されているため、裏面電
極１１を全面に形成できる。このため、電流を素子内部
全域に広げることができる。また、マウント層４５にＡ
ｕＳｎを使用した共晶電極により素子をマウントしてい
るため、素子の側面領域からも有効に光を取り出すこと
ができ、素子の光出力を上げることができる。

【００８２】尚、上記第４乃至第６の実施例において、
活性層５を単結晶構造としたが、例えば第３の実施例で
示したような多重量子井戸構造とすることもできる。こ
うすることによって、さらに光出力を高めることがで
き、さらに多数の界面が存在するため不純物拡散に強い
構造となる利点も有する。

【００８３】また、上記各実施例において裏面電極はオ
ーミック電極による構造に限らず、例えば部分的に反射
特性を高めた金属膜を形成することが可能である。さら
に、反射特性を持たせたオーミック電極を形成すること
により、活性層７から裏面電極方向へ放射された光を有
効に素子外部へ取り出すこともできる。

【００８４】また、ｎ−ＧａＰ半導体層４０は接着層４
１上に接着することにより形成したが、ＭＯＣＶＤによ
り結晶成長させて形成してもよい。

【００８５】さらに、電極として例えばＩＴＯ（インジ
ウムティンオキサイド）や薄膜金属等による透光性で且
つ電流を透過させ易い材料を用いることにより、電流拡
散層において電流の広がりに問題のある実施例において
も、光の取り出し効率を上げることもできる。

【００８６】その他、本発明の要旨を変えない範囲にお
いて種々変形実施可能なことは勿論である。

【００８７】

【発明の効果】以上、詳述したように本発明によれば、
ＧａＰ基板を使用した際においても、光出力が高く、低
電圧で動作が可能な半導体発光素子を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る半導体発光素子の第１の実施例を
示す断面図。

【図２】本発明に係る半導体発光素子の第１の実施例に
おける、製造方法を示す図。

【図３】図1に示す例の例接着温度と、動作電圧及び相
対光出力との関係を示す図。

【図４】本発明に係る半導体発光素子のバンド構造を示
す断面図。

【図５】第１、第２接着層のキャリア濃度と動作電圧と
の関係を示す図。

【図６】第１接着層の厚さと、相対光出力及び動作電圧
との関係を示す図。

【図７】本発明に係る半導体発光素子の第２の実施例を
示す断面図。

【図８】本発明の第３の実施例を示すものであり、多重
量子井戸構造の活性層を示す図。

【図９】従来例と本発明の実施例による発光効率を示す
図。

【図１０】本発明に係る半導体発光素子の第４の実施例
を示す断面図。

【図１１】本発明に係る半導体発光素子の第４の実施例
における製造方法を示す図。

【図１２】各材料の電流拡散層におけるキャリア濃度、
抵抗率を示す図。

【図１３】各材料の電流拡散層におけるキャリア濃度、
抵抗率を示す図。

【図１４】本発明に係る半導体発光素子の第６の実施例
を示す図。

【図１５】第１の従来例を示す図。

【図１６】第２の従来例を示す図。

【図１７】図１１に示す例の接着温度と、動作電圧及び
相対光出力との関係を示す図。

【符号の説明】

１…ｐ型ＧａＰ基板、２…第２接着層、３…第１接着層、４…ｐ−クラッド層、５…活性層、６…ｎ−クラッド層、７…発光層、８…電流拡散層、９…コンタクト層、１０…表面電極、１１…裏面電極、１２…ｎ型ＧａＡｓ基板、１３…バッファ層、１４…第１の半導体層、１５…第２の半導体層。

フロントページの続き (72)発明者菅原秀人神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地株式会社東芝マイクロエレクトロニクスセンター内 (72)発明者渡辺幸雄神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地株式会社東芝マイクロエレクトロニクスセンター内 (72)発明者地頭所保神奈川県横浜市磯子区新杉田町８番地東芝電子エンジニアリング株式会社内Ｆターム(参考） 5F041 AA03 AA21 CA04 CA05 CA23 CA34 CA35 CA36 CA37 CA53 CA65 CA74 CA82 CA85 CA88 5F045 AA04 AB17 AC08 AD11 AF04 BB16 CA10 HA12

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】第１導電型の第１のクラッド層と、第２
導電型の第２のクラッド層と、前記第１、第２のクラッ
ド層相互間に設けられた活性層とからなる発光層と、前記第２のクラッド層上に設けられた第２導電型の第１
の接着層と、第２導電型の基板上に設けられた前記第１の接着層と接
合される第２導電型の第２の接着層とを具備することを
特徴とする半導体発光素子。
【請求項２】前記第１の接着層はＩｎＧａＰであり、
前記第２の接着層はＧａＰ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。
【請求項３】前記第１のクラッド層上に設けられた第
１導電型の電流拡散層と、前記電流拡散層上に形成された電流ブロック層とをさら
に具備することを特徴とする請求項１、２のいずれかに
記載の半導体発光素子。
【請求項４】ｎ型のＧａＰの基板と、前記基板上に形成されたｎ型の接着層と、前記接着層上に形成されたｎ型の第１のクラッド層と、前記第１のクラッド層上に形成された活性層と、前記活性層上に形成されたｐ型の第２のクラッド層と、前記第２のクラッド層上に形成されたＩｎＧａＡｌＰ、
ＧａＡｌＡｓのいずれか一方による電流拡散層とを具備
することを特徴とする半導体発光素子。
【請求項５】前記電流拡散層上全面に形成された電極
上に形成された電極層を更に具備し、前記電極層が配置
される面上に形成されたマウント層と前記電極層とは共
晶化されたことを特徴とする請求項４記載の半導体発光
素子。
【請求項６】前記活性層は多重量子井戸構造であるこ
とを特徴とする請求項１乃至５記載の半導体発光素子。
【請求項７】第１導電型の第１の基板上に第１導電型
のバッファ層を形成し、このバッファ層上に第１導電型
の電流拡散層を形成し、この電流拡散層上に第１導電型
の第１のクラッド層を形成し、前記第１のクラッド層上
に活性層を形成し、前記活性層上に第２導電型の第２の
クラッド層を形成し、前記第２のクラッド層上に第２導
電型の第１の接着層を形成して第１の半導体層を形成す
る工程と、第２導電型の第２の基板上に第２導電型の第２の接着層
を形成して第２の半導体層を形成する工程と、前記第１の接着層と第２の接着層とを接合界面として、
前記第１の半導体層と第２の半導体層とを接合する工程
と、前記第１の基板、バッファ層を除去する工程とを具備す
ることを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
【請求項８】前記第１の基板、第２の基板の面方位は
それぞれ（１００）面から[０１１]方向と、（−１０
０）面から[０−１−１]方向に、７乃至１６°の範囲で
同一角度傾斜して設けられたことを特徴とする請求項７
記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項９】前記第１の接着層はＩｎＧａＰであり、
前記第２の接着層はＧａＰであることを特徴とする請求
項７記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項１０】ｎ型のＧａＡｓ基板上にｐ型のエッチ
ングストップ層を形成する工程と、前記エッチングストップ層上にｐ型のコンタクト層を形
成する工程と、前記コンタクト層上にｐ型の電流拡散層を形成する工程
と、前記電流拡散層上にｐ型の第１のクラッド層を形成する
工程と、前記第１のクラッド層上に活性層を形成する工程と、前記活性層上にｎ型の第２のクラッド層を形成する工程
と、前記第２のクラッド層上にｎ型の接着層を形成する工程
と、前記接着層上にｎ型のＧａＰの半導体層を形成する工程
と、前記基板と前記エッチングストップ層を除去する工程と
を具備することを特徴とする半導体発光素子の製造方
法。
【請求項１１】前記半導体層は前記接着層と接着する
ことにより形成されたことを特徴とする請求項１０記載
の半導体発光素子の製造方法。
【請求項１２】前記半導体層は前記接着層上に結晶成
長することにより形成されたことを特徴とする請求項１
０記載の半導体発光素子の製造方法。