JP2006032837A - 半導体発光素子 - Google Patents

Abstract

【課題】サイリスタ特性を示さない半導体発光素子を得る。
【解決手段】GaP基板１００上に第１の接着層１０１を介して接着される第１のトラップ緩和層１０２と、第１のトラップ緩和層１０２上に積層形成された第１のクラッド層１０３と、第１のクラッド層１０３上に積層形成された発光層１０４と、発光層１０４上に積層形成された第２のクラッド層１０５と、第２のクラッド層１０５上に積層形成された第２のトラップ緩和層１０６と、第２のトラップ緩和層１０６に第２の接着層１０７を介して接着され、発光層１０４の表面側に設けられるGaP窓層１０８と、電極１０９，１１０とを備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、発光素子に関し、特にGaP基板を用いる半導体発光素子に関するものである。

近年、InGaAlP系ＬＥＤ等の高輝度半導体発光素子は、従来の汎用ＬＥＤ等と比べて１０倍以上の明るさを持っていることから、携帯電話や車載用の照光用光源としてその需要が急拡大している。可視光領域に対し透明な材料を基板に使用することが行われ、一般的な透明材料としてはGaP基板がある。

従来、GaP基板を用いた半導体発光素子としては、透明なn型GaP基板に接着形成したn型InAlPクラッド層と、このクラッド層上に形成した多重量子井戸（ＭＱＷ：Ｍｕｌｔｉ‐Ｑｕａｎｔｕｍ−Ｗｅｌｌ）活性層と、ここで、多重量子井戸は、光と電子の相互作用を増大するためのもので、複数層の量子井戸と量子井戸を分離する障壁層からなり、動作電流の低減や温度特性の向上が図られる。このＭＱＷ活性層の上に形成したp型InAlPクラッド層と、このクラッド層上に形成したp型GaP窓層から成り、n型GaP基板にn型電極、p型GaP窓層にｐ型電極をそれぞれ形成し、電圧を印加することでＭＱＷ活性層が発光し透明材料となるGaP基板及び窓層から光を取り出すものが知られている（例えば、非特許文献１参照。）。そこでは、InGaAlP系材料で最大の発光効率73.7lm/W(@615nm)を実現している。

GaP基板を用いた構造では、GaP/InAlPヘテロ接合においてp電極から注入された正孔がトラップされる現象が発生し、サイリスタ特性を示す問題があった。
Applied Physics Letters Vol74,No.15,p.p.-2230-2232

本発明の目的は、サイリスタ特性を改善する半導体発光素子を提供することにある。

本願発明の一態様によれば、GaP基板と、この基板上に第１の接着層を介して接着される第１のトラップ緩和層と、この第１のトラップ緩和層上に形成された第１のクラッド層と、この第１のクラッド層上に形成された発光層と、この発光層上に形成された第２のクラッド層と、この第２のクラッド層上に形成された第２のトラップ緩和層と、この第２のトラップ緩和層に第２の接着層を介して接着され、前記発光層の表面側に設けられるGaP窓層と、電極とを備えたことを特徴とする半導体発光素子が提供される。

また、本願発明の別の一態様によれば、第１の接着層はn型In_xGa_1-xP (0≦x≦1)系半導体材料からなり、第１のトラップ緩和層はn型InGaAlP系半導体材料からなり、第１のクラッド層はn型InAlP系半導体材料からなり、発光層はp型InGaAlP系半導体材料からなり、第２のクラッド層はp型InAlP系半導体材料からなり、第２のトラップ緩和層はp型InGaAlP系半導体材料からなり、第２の接着層はp型In_y Ga_1-yP (0≦y≦1)系半導体材料からなることを特徴とする半導体発光素子が提供される。

本発明によれば、サイリスタ特性を改善した半導体発光素子が提供される。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。図１に示すものは、本実施形態にかかるInGaAlP系化合物半導体発光素子の略示断面図で、成長用基板等の発光素子作製過程で除去されるものは、図示されていない。同図に示す半導体発光素子は、GaP基板１００と、この基板１００上に第１の接着層１０１を介して接着される第１のトラップ緩和層１０２と、この第１のトラップ緩和層１０２上に積層形成された第１のクラッド層１０３と、この第１のクラッド層１０３上に積層形成された発光層１０４と、この発光層１０４上に積層形成された第２のクラッド層１０５と、この第２のクラッド層１０５上に積層形成された第２のトラップ緩和層１０６と、この第２のトラップ緩和層１０６に第２の接着層１０７を介して接着され、前記発光層１０４の表面側に設けられるGaP窓層１０８と、電極１０９，１１０とを備えている。

ここで、第１の接着層１０１は、例えばn型In_xGa_1-xP (0≦x≦1)系半導体材料から成っている。また、第１のトラップ緩和層１０２は、例えばn型InGaAlP系半導体材料から成っている。第１のクラッド層１０３は、例えばn型InAlP系半導体材料から成っている。さらに、発光層１０４は、例えばp型InGaAlP系半導体材料から成っている。この発光層１０４は、GaとAlの組成の異なる多数の膜から形成することができる。

第２のクラッド層１０５は、例えばp型InAlP系半導体材料から成っている。また、第２のトラップ緩和層１０６は、例えばp型InGaAlP系半導体材料から成っている。ここで、第１のトラップ緩和層１０２と第２のトラップ緩和層１０６は、例えばIn組成比とAl組成比を略直線的に変化させ、格子定数を徐々に変化させ積層形成したものでもよい。第２の接着層１０７は、例えばp型In_ｙGa_1-yP (0≦y≦1) 系半導体材料からなる。

n型のGaP基板１００にはAuGeからなるn型電極１０９が形成され、p型のGaP窓層１０８にはAuZnからなるｐ型電極１１０が形成され、各々の電極に電圧を印加することで、発光層１０４で発光が実現できる。

n型In_xGa_1-xP (0≦x≦1) 系半導体材料からなる第１の接着層１０１とp型In_ｙGa_1-yP (0≦y≦1) 系半導体材料からなる第２の接着層１０７は、n型GaP基板１００及びp型GaP窓層１０８との接着及び成長において接着剤として機能するものである。これは、In_xGa_1-xP (0≦x≦1) 層の蒸発温度が低いことによる。

さらにIn_xGa_1-xP (0≦x≦1) 系半導体材料からなる接着層１０１，In_ｙGa_1-yP (0≦y≦1) 系半導体材料からなる接着層１０７とInAlP系半導体材料からなるクラッド層１０３，１０５との密着性が改善され、従来、GaP基板とAlGaP系半導体材料との接着時に形成された酸化膜が形成されることなく接着される。

このように、本実施形態の半導体発光素子はGaP層とInAlP層の間にIn_xGa_1-xP (0≦x≦1) 接着層とInAlGaPトラップ緩和層を設けることで、ヘテロ界面でのキャリアトラップが低減され、サイリスタ特性がなく、動作電圧の低い発光素子を実現できる。
次に、本発明の他の実施形態について説明する。

GaP基板上にn-GaPエピ層と高濃度Si層が形成されている。次いで、高濃度Si層及びn-InGaP層からなる第１接着層が形成されている。さらに、n-InGaAlPからなるトラップ層、n-InAlPからなる第１クラッド層、p−InGaAlPからなる発光層、p-InAlPからなる第２クラッド層、p−InGaAlPからなる第２トラップ層、p−InGaP層と高濃度Zn層からなる第２接着層およびp−GaPからなる窓層が次々に形成されている。

かかる実施形態にあっては、n-GaPエピ層上の高濃度Si層とn-InGaP層上に形成された高濃度Si層は、接着時の接着界面で形成される空乏領域を低減する効果を有している為、サイリスタ特性の改善ならびに動作電圧の低減が実現できる。同様にp−InGaP層上の高濃度Zn層もp-GaP窓層との界面に形成される空乏領域の低減を図り、特性の改善に効果が有る。

上記した高濃度Si層ならびに高濃度Zn層は、InGaP層を成長後、例えばn型ドーパントガスならびにp型ドーパントガスとＶ族ガスを数分流すことにより形成できる。

次に、上述した半導体発光素子の製造方法について概略を説明する。

成長用基板として結晶欠陥の少ない安定な結晶基板であるn-ＧａＡｓ基板を用意し、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）により、例えば、成長温度７５０℃で積層構造を成長させていく。n -ＧａＡｓ基板上に、例えばＳｉをドーピングしたＳｉ−ＧａＡｓバッファ層をエピタキシャル成長し、堆積させる。

次に、上記Ｓｉ−ＧａＡｓバッファ層上に、例えばｉ−ＩｎＧａＰストップ層やｉ−ＧａＡｓカバー層を、順次エピタキシャル成長し、堆積させる。ストップ層は、エッチング工程におけるエッチング停止層の働きをさせるもので、カバー層は、エッチング工程における保護層の働きをさせるものである。

尚、後述する熱処理中に、クラッド層（後述する）が露出しないようにするため、さらに、ｉ−ＩｎＧａＰストップ層II、ｉ−ＧａＡｓストップ層III順次エピタキシャル成長し、堆積させてもよい。これは、ＩｎＧａＡｌＰ系材料を高温で加熱すると蒸気圧が高いＰ（リン）が蒸発し、いわゆるリン抜けを起こす可能性があるため、これを防止するのが目的である。

このように、発光層やクラッド層などの発光に直接関与するエピタキシャル成長層は、熱処理中に露出させないことが望ましい。

続いて、Ｓｉ−ＩｎＧａＡｌＰによるトラップ緩和層１０２、Ｓｉ−ＩｎＡｌＰによるクラッド層１０３をエピタキシャル成長し、堆積させる。

続いて、上記クラッド層１０３の上に、例えばＩｎＧａＡｌＰからなる障壁層とＩｎＧａＡｌＰからなる井戸層を交互に積層した多重量子井戸（ＭＱＷ：Ｍｕｌｔｉ‐Ｑｕａｎｔｕｍ−Ｗｅｌｌ）発光層１０４を成長させる。障壁層の厚さは、例えば膜厚５０Åとし、井戸層の厚さは、例えば８０Åとし、これらを８０組積層すると好適である。多重量子井戸は、光と電子の相互作用を増大するためのもので、複数層の量子井戸と量子井戸を分離する障壁層からなり、動作電流の低減や温度特性の向上が図られる。

尚、発光層１０４の組成は、発光波長に応じて決定される。すなわち、ＩｎＧａＡｌＰ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。

次いで、発光層１０４の上に、例えばＺｎ−ＩｎＡｌＰからなるクラッド層１０５をエピタキシャル成長させる。このように、クラッド層１０３、１０５と発光層１０４とによってダブルヘテロ構造を構成させている。発光層１０４の屈折率はクラッド層１０３、１０５の屈折率に比べて高くなっているので、発光した光は発光層１０４内に閉じ込められることになる。

次いで、クラッド層１０６の上に、Ｚｎ−ＩｎＧａＡｌＰトラップ緩和層１０６をエピタキシャル成長させる。

上記のようにエピタキシャル成長を重ねた積層体を、そのままＰＨ３雰囲気中に保持し、上述した成長温度に＋３０℃加算して成長温度を７８０℃まで昇温させる。次いで、トラップ緩和層１０６の表面を極薄く、例えば１０Åエッチングし、エピ基板Ｉが作製される。

一方、Ｚｎ−ＧａＰ基板に成長温度７５０℃にて、Ｚｎ−ＧａＰ層を成長させる。この基板をエピ基板IIとする。

その後、直接接着の前処理として、エピ基板IIを界面活性剤で洗浄し、希弗酸に浸漬して表面の自然酸化膜を除去し、水洗をした後にスピナで乾燥させる。また、エピ基板Ｉはトラップ緩和層１０６をエピ基板IIと同様にして酸化膜除去のため希弗酸処理を行い、水洗とスピナ乾燥を行う。これらの前処理は、すべてクリーンルーム内の清浄な雰囲気下で行う必要がある。

次に、前処理を終えたエピ基板Ｉをエピタキシャル成長層が上方になるように載置し、その上にエピ基板IIを、鏡面が下向きになるように載置し、例えば２００℃以上雰囲気下で密着させ、これを、接着基板IIIとする。エピ基板IIは透明であるため密着状態を目視にて観察できる。

次いで、接着基板IIIから、成長用基板であるＧａＡｓ基板と、Ｓｉ−ＧａＡｓバッファ層、及びｉ−ＩｎＧａＰストップ層Ｉをウエットエッチングで除去する。例えば、ＧａＡｓ基板１００とＳｉ−ＧａＡｓバッファ層の除去は、被接着体をアンモニアと過酸化水素水と水の混合液に浸漬し、選択的にエッチング処理でき、ｉ−ＩｎＧａＰストップ層Ｉの除去は、塩酸と過酸化水素水と水の混合液でエッチング処理できる。

直接接着の最終工程として、エッチング処理後の接着基板IIIを石英ボートに立てて並べ、拡散炉内に入れてエピタキシャル成長温度より低い例えば６００℃の温度で熱処理を行う。処理時間は１時間で、水素を１０％含むアルゴン雰囲気下が好適である。

接着の最終工程後、ｉ-ＧａＡｓカバー層、ｉ−ＩｎＧａＰストップ層II及びｉ-ＧａＡｓストップ層IIIをエッチング処理で除去する。

続いて、フォトリソグラフィ−技術により、n側電極１０９としてＡｕＧｅを、p側電極１１０として、ＡｕＺｎを形成する。

その後、フォトリソグラフィ−技術及びリフトオフ技術により光取り出しを考慮した電極パタ−ンをp電極、n側電極にそれぞれ形成する。

本発明は上記した実施の形態に限定されることなく、特許請求の範囲に記載した発明の範囲内で、種々の変形が可能であり、それらも本発明の範囲内に含まれるものであることはいうまでもない。

本発明の実施の形態に係る半導体発光素子の素子断面図である。

符号の説明

１００：n型GaP基板、 １０１：n型In_xGa_1-xP (0≦x≦1) 接着層、 １０２：n型InAlGaPトラップ緩和層、 １０３：n型InAlPクラッド層、 １０４：p型InAlGaP発光層、 １０５：p型InAlPクラッド層、 １０６：p型InGaAlPトラップ緩和層、 １０７：p型In_yGa_1-yP (0≦y≦1) 接着層、 １０８：p型GaP窓層、 １０９：n型電極、 １１０：p型電極。

Claims (5)

1. GaP基板と、この基板上に第１の接着層を介して接着される第１のトラップ緩和層と、この第１のトラップ緩和層上に形成された第１のクラッド層と、この第１のクラッド層上に形成された発光層と、この発光層上に形成された第２のクラッド層と、この第２のクラッド層上に形成された第２のトラップ緩和層と、この第２のトラップ緩和層に第２の接着層を介して接着され、前記発光層の表面側に設けられるGaP窓層と、電極とを備えたことを特徴とする半導体発光素子。
2. 前記第１の接着層はn型In_x Ga_1-xP (0≦x≦1) 系半導体材料からなり、前記第１のトラップ緩和層はn型InGaAlP系半導体材料からなり、前記第１のクラッド層はn型InAlP系半導体材料からなり、前記発光層はp型InGaAlP系半導体材料からなり、前記第２のクラッド層はp型InAlP系半導体材料からなり、前記第２のトラップ緩和層はp型InGaAlP系半導体材料からなり、前記第２の接着層はp型In_yGa_1-yP (0≦y≦1) 系半導体材料からなることを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子。
3. 前記p型InGaAlP系半導体材料からなる発光層が、GaとAlの組成の異なる多数の膜から形成されていることを特徴とする請求項２記載の半導体発光素子。
4. 前記GaP基板側に形成される電極は、n型AuGe系半導体材料からなり、前記GaP窓層側に形成される電極は、p型AuZn系半導体材料からなることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の半導体発光素子。
5. 前記第１のトラップ緩和層と前記第２のトラップ緩和層は、In組成比とAl組成比を略直線的に変化させ、格子定数を徐々に変化させ積層形成されていることを特徴とする請求項２乃至４のいずれか１項に記載の半導体発光素子。

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