JP2008103626A - 半導体発光素子 - Google Patents

Abstract

【課題】光取り出し層の層厚が薄くならないように粗面化された半導体発光素子を提供する。
【解決手段】活性層６と光取り出し層４とを含む複数の半導体層を有し、反射金属膜層１１を有する半導体発光素子において、上記光取り出し層４が組成比の異なる複数の層２３，２４からなり、これら複数の層の最も外側の層２３のみに主面Ｓを粗面とするための凹凸２２が形成された。
【選択図】図１

Description

本発明は、光取り出し層の層厚が薄くならないように粗面化された半導体発光素子に関する。

半導体発光素子である発光ダイオード（ＬＥＤ）は、近年、ＧａＮ系やＡｌＧａＩｎＰ系の高品質結晶をＭＯＶＰＥ法で成長させることができるようになったことから、青色、緑色、橙色、黄色、赤色等の高輝度ＬＥＤが製造できるようになった。ＬＥＤの高輝度化に伴い、自動車のブレーキランプや液晶ディスプレイのバックライト等に用途が広がり、需要が年々増加している。

ＭＯＶＰＥ法によって高品質結晶が成長可能となって以来、発光素子の内部における発光効率は理論値の限界値に近付きつつある。しかし、発光素子から外部への光取り出し効率は未だ低く、光取り出し効率の向上が望まれている。

例えば、高輝度赤色ＬＥＤは、ＡｌＧａＩｎＰ系の材料で形成され、導電性のＧａＡｓ基板上に格子整合する組成のＡｌＧａＩｎＰ系の材料からなるｎ型ＡｌＧａＩｎＰ層と、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰ層と、これらに挟まれたＡｌＧａＩｎＰ又はＧａＩｎＰからなる発光部の一部である活性層を有するダブルへテロ構造となっている。ここで、ＡｌＧａＩｎＰ系の材料とは、ＡｌＧａＩｎＰを主成分とし組成比又は添加物が異なる種々の材料の総称である。ＡｌＧａＩｎＰ系の材料を用いた半導体発光素子には、ＧａＩｎＰ、ＧａＰなどの材料も併用される。

この種の半導体発光素子は、ＧａＡｓ基板のバンドギャップが活性層のバンドギャップよりも狭いために、活性層からの光の多くがＧａＡｓ基板に吸収され、光取り出し効率が低下する。

この対策として、活性層とＧａＡｓ基板との間に屈折率の異なる半導体からなる多層反射膜構造の層を形成することによってＧａＡｓ基板に向かう光を反射させることでＧａＡｓ基板での光の吸収を減少させ、光取り出し効率を向上させる方法がある。しかし、この方法では、多層反射膜構造層に対して限定された入射角を持つ光しか反射しない。つまり、ＧａＡｓ基板に向かった光の一部しか反射させることができず、取り出し効率を十分に向上させることが難しい。

そこで、ＡｌＧａＩｎＰ系の材料からなるダブルへテロ構造の部分が成長により形成された半導体発光素子を作製後に、反射率の高い金属の層を介して、上記ダブルへテロ構造の部分をＳｉやＧａＡｓ等の支持基板に貼り付け、その後、成長に用いたＧａＡｓ基板を除去する方法が特許文献２に開示されている。この方法を用いれば、反射層として金属を用いているので、反射層に対する入射角を選ばずに高い反射率の反射が可能となる。このために、前述した多層反射膜構造の層を形成するよりも高輝度化ができる。つまり、活性層で発生した光をより有効に取り出すことで高輝度化ができる。

図９に従来の半導体発光素子の構造を示す。図示のように、従来の半導体発光素子１０１は、図示上から順に、光取り出し層を部分的に覆う第一電極１０２、第一電極１０２の直下のみに形成されて第一電極１０２と同じ部分を覆い、活性層よりもバンドギャップエネルギが小さく、かつ、活性層からの光に対して不透明な第一電極側コンタクト層１０３、第一クラッド層側の主面を形成し、活性層から第一クラッド層側に進む光を外部に出射する光取り出し層１０４、活性層を挟む２つのクラッド層の一方である第一クラッド層１０５、第一、第二のクラッド層に挟まれ光を発生する活性層１０６、もう一方のクラッド層である第二クラッド層１０７、第二クラッド層と反射金属膜層側コンタクト層との間に介在する介在層１０８、反射金属膜層側コンタクト層１０９、酸化物層１１０、第二クラッド層１０７と第二電極との間で活性層１０６から第二電極側に向かう光を反射する反射金属膜層１１１、金属密着層１１２、ダブルへテロ構造部分を貼り付けるための支持基板１１３、主面の反対面を覆う第二電極１１４からなる。

光取り出し層１０４は、ウインドウ層とも呼ばれる。

酸化物層１１０は、反射金属膜層１１１に接する面内に適宜に分散して形成されたオーミックコンタクト接合部１１５を有し、オーミックコンタクト接合部１１５でない部分を非オーミックコンタクト接合部１１６と呼ぶことにする。

反射金属膜層側コンタクト層１０９は、材料に対する添加物の異なる３つの層１１７，１１８，１１９を有し、これら３つの層のうち介在層１０８に接する介在層側コンタクト層１１７の材料は添加物がＭｇであり、酸化物層１１０に接する酸化物層側コンタクト層１１９の材料は添加物がＺｎであり、これら２つの層の中間の中間コンタクト層１１８の材料は積極的な添加物がない。

第一電極側コンタクト層１０３から反射金属膜層側コンタクト層１０９までをダブルへテロ構造部分１２０と呼ぶことにする。また、第一クラッド層１０５、活性層１０６、第二クラッド層１０７を合わせて発光層１２１と呼ぶこともある。

図９の半導体発光素子１０１は、反射金属膜層１１１を設けたことにより、支持基板１１２がある方の主面（反対面）からは光を取り出さず、光取り出し層１０４に形成される一方の主面のみから光を取り出すものである。

ダブルへテロ構造部分１２０と支持基板１１２との間に配置される反射金属膜層１１１は、活性層１０６からの光に対して高い反射率を有することは当然ながら、主としてＡｌＧａＩｎＰ系の材料からなるダブルへテロ構造部分１２０とオーミックコンタクトが取れなければならない。しかし、ＡｌＧａＩｎＰ系の材料からなる活性層１０６からの光の発光波長において高い反射率を有するＡｇ，Ａｌ，Ａｕ等の金属ではＡｌＧａＩｎＰ系の材料と直接オーミックコンタクトを取ることが困難である。そのため、反射金属膜層１１１とダブルへテロ構造部分１２０との間に、部分的にオーミックコンタクト接合部１１５を配置する必要がある。部分的に配置するとは、反射金属膜層１１１を全面的に覆うのではなく、その面内に適宜に分散して配置することである。

オーミックコンタクト接合部１１５は、オーミックコンタクトを取るために反射金属膜層１１１とダブルへテロ構造部分１２０との間に配置されており、反射金属膜層１１１と比べると反射率が低い。また、ダブルへテロ構造部分１２０に接してオーミックコンタクト接合部１１５の材料を設けた後に、オーミックコンタクトを取るために、熱処理を行う必要がある。その熱処理の際にダブルへテロ構造部分１２０とオーミックコンタクト接合部１１５の材料との間に合金化反応が生じ、オーミックコンタクト接合部１１５に接するダブルへテロ構造部分１２０において光吸収率が増加する。このために、活性層１０６からの光が酸化物層１１０を通ると、非オーミックコンタクト接合部１１６に比べてオーミックコンタクト接合部１１５で光吸収が大きくなる。その結果として、発光素子全体の光取り出し効率が低下する。

特開２００４−３５６２７９号公報 特開２００２−２１７４５０号公報

ところで、反射金属膜層１１１が活性層１０６からの光に対して高い反射率を有しても、主面である光取り出し層１０４の表面から多くの光を取り出すことができなければ、光取り出し効率が低下し、発光出力の向上は少ない。そこで、光を効率よく取り出す方法として、特許文献１のように主面を粗面化することが知られている。粗面化とは凹凸１２２を形成することである。

すなわち、物質中から光が外へ出るためには、臨界角という制約がある。光の角度が表面に対して垂直であれば光は取り出せるが、傾斜があると取り出せない。その臨界角は、光の波長と物質の屈折率で決まる。例えば、発光層１２１より出た光のうち、光取り出し層１０４に対して垂直な方向の光は半導体発光素子１０１より外に出るが、光取り出し層１０４に対してある一定の角度を持った光は主面に対する角度のため半導体発光素子１０１より外に出られない。しかし、主面を粗面化すると、光取り出し層１０４に対してある一定の角度を持った光の主面に対する角度が変わるため、半導体発光素子１０１より外に出る。よって、主面を粗面化することで光取り出し効率が向上する。

粗面化の効果をより高めるために、周知の技術であるフォトリソグラフィーを用いて凹凸のパターンを形成する方法があるが、この方法は微細なパターン形成が必要になるため、高価な装置が必要になり、結果として半導体発光素子の製造コストが高くなる。また、フォトリソグラフィーの工程があることによっても、製造コストが高くなる。これに対して製造コストを下げる方法として、パターンを形成しないで粗面化を行う方法がある。しかし、この方法には、以下の問題がある。

パターンを形成しないで主面である光取り出し層の表面をエッチングにより粗面化すると、凹凸の形成と同時に全面的にエッチングが進行し、光取り出し層の層厚が全面的に薄くなる。層厚が全面的に薄くなると、電流の広がりが悪くなり、順方向電圧が高くなると同時に発光出力も低下する。その結果、発光効率が低下する。

発光効率が低下するのは、順方向電圧が上昇することによって半導体発光素子中の発熱量が大きくなり、その熱の影響により発光出力が低下するためである。要するに、光取り出し層の層厚が薄くなると、直列抵抗が大きくなると共に、電流の広がりが悪くなることで順方向電圧が高くなり、発光出力が低下する。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、光取り出し層の層厚が薄くならないように粗面化された半導体発光素子を提供することにある。

上記目的を達成するために本発明は、第一、第二のクラッド層に挟まれ光を発生する活性層と、第一クラッド層側の主面を形成する光取り出し層とを含む複数の半導体層を有し、上記光取り出し層を部分的に覆う第一電極と、上記主面の反対面を覆う第二電極と、第二クラッド層と第二電極との間で光を反射する反射金属膜層と、該反射金属膜層の活性層側に接する酸化物層と、該酸化物層中に部分的に形成されたオーミックコンタクト接合部とを有する半導体発光素子において、上記光取り出し層が組成比の異なる複数の層からなり、これら複数の層の最も外側の層のみに上記主面を粗面とするための凹凸が形成されたものである。

上記光取り出し層をなす複数の層のうち最も外側の層の材料がその次に外側の層の材料よりＡｌ組成比が大きくてもよい。

上記光取り出し層をなす複数の層のうち最も外側の層がその次に外側の層よりバンドギャップエネルギが大きくてもよい。

上記光取り出し層をなす複数の層の材料がそれぞれ（Ａｌ_XＧａ_1-X）_YＩｎ_1-YＰ、ただし、０．３≦Ｘ≦１，０．４≦Ｙ≦０．６で表されてもよい。

上記光取り出し層と第一クラッド層の層厚の和が１０００〜３０００ｎｍであってもよい。

上記光取り出し層をなす複数の層のうち最も外側の層は、その次に外側の層よりも屈折率が小さくてもよい。

上記光取り出し層と第一電極との間に、第一電極と同じ部分を覆い、上記活性層よりもバンドギャップエネルギが小さく、かつ、上記活性層からの光に対して不透明な第一電極側コンタクト層を有してもよい。

上記第一電極側コンタクト層の層厚が５〜２００ｎｍであってもよい。

上記光取り出し層をなす複数の層の材料は上記活性層の材料よりＡｌ組成比が大きくてもよい。

上記活性層の材料が（Ａｌ_XＧａ_1-X）_YＩｎ_1-YＰ、ただし、０≦Ｘ＜１，０．４≦Ｙ≦０．６で表されてもよい。

上記活性層が１０〜１６０層の井戸層からなる多重量子井戸構造を有してもよい。

上記活性層と第二クラッド層の間に第二クラッド層側アンドープ層を有してもよい。

上記第二クラッド層側アンドープ層の材料が上記活性層の材料よりＡｌ組成比が大きくてもよい。

上記第二クラッド層側アンドープ層の材料が上記活性層の材料よりバンドギャップエネルギが大きくてもよい。

上記第二クラッド層側アンドープ層の材料が（Ａｌ_XＧａ_1-X）_YＩｎ_1-YＰ、ただし、０．３≦Ｘ≦１，０．４≦Ｙ≦０．６で表されてもよい。

上記光取り出し層をなす複数の層のうち最も外側の層の層厚が１０００ｎｍ以下であってもよい。

上記複数の半導体層と第二電極との間に支持基板を有し、該支持基板の材料がＳｉ、ＧａＡｓ、Ｇｅ、Ｃｕ、Ｍｏ、Ｗ、ＣｕＷのいずれかであってもよい。

上記酸化物層の全面積に対するオーミックコンタクト接合部の面積の割合が２０％以下であってもよい。

上記酸化物層と第二クラッド層との間に反射金属膜層側コンタクト層を有し、該反射金属膜層側コンタクト層の材料がＧａＰを主としてもよい。

上記反射金属膜層側コンタクト層と第二クラッド層との間に介在層を有し、該介在層の材料がＧａ_XＩｎ_1-XＰ、ただし、０．６≦Ｘ＜１で表されてもよい。

上記反射金属膜層側コンタクト層が材料の添加物が異なる３つの層を有し、これら３つの層のうち上記介在層に接する層の材料は添加物がＭｇであり、上記酸化物層に接する層の材料は添加物がＺｎであり、これら２つの層の中間の層の材料は積極的な添加物がなくてもよい。

上記酸化物層の非オーミックコンタクト接合部における層厚ｄは、
基準層厚ｄｓｔ＝奇数の定数α×上記活性層からの光の波長λｐ
／（４×非オーミックコンタクト接合部における上記光の屈折率ｎ）
の関係式で表される基準層厚ｄｓｔに対し±３０％の範囲内であり、かつ、上記酸化物層のオーミックコンタクト接合部における層厚が非オーミックコンタクト接合部における層厚と等しくてもよい。

上記第一クラッド層の層厚が３００ｎｍ以上であって、該第一クラッド層が上記光取り出し層に兼用されると共に、この第一クラッド層中に該第一クラッド層の材料よりＡｌ組成比が小さく、かつ、屈折率が大きい材料からなる第一クラッド層挿入層が挿入されていてもよい。

上記第一クラッド層挿入層の材料が（Ａｌ_XＧａ_1-X）_YＩｎ_1-YＰ、ただし０＜Ｘ≦０．３，０．４≦Ｙ≦０．６で表されてもよい。

上記第一クラッド層挿入層の層厚が５〜５００ｎｍであってもよい。

本発明は次の如き優れた効果を発揮する。

（１）光取り出し層の層厚が薄くならない。

以下、本発明の一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。

図１に示されるように、本発明に係る半導体発光素子１は、光取り出し層を部分的に覆う第一電極２、第一電極２の直下のみに形成されて第一電極２と同じ部分を覆い、活性層よりもバンドギャップエネルギが小さく、かつ、活性層からの光に対して不透明な第一電極側コンタクト層３、第一クラッド層側の主面を形成し、活性層から第一クラッド層側に進む光を外部に出射する光取り出し層４、活性層を挟む２つのクラッド層の一方である第一クラッド層５、第一、第二のクラッド層に挟まれ光を発生する活性層６、もう一方のクラッド層である第二クラッド層７、第二クラッド層７と反射金属膜層側コンタクト層との間に介在する介在層８、反射金属膜層側コンタクト層９、酸化物層１０、第二クラッド層７と第二電極との間で活性層６から第二電極側に向かう光を反射する反射金属膜層１１、ダブルへテロ構造部分を貼り付けるための支持基板１３、金属密着層１２、主面の反対面を覆う第二電極１４からなる。

光取り出し層４は、ウインドウ層とも呼ばれる。

酸化物層１０は、反射金属膜層１１に接する面内に適宜に分散して形成されたオーミックコンタクト接合部１５を有し、オーミックコンタクト接合部１５でない部分を非オーミックコンタクト接合部１６と呼ぶことにする。

反射金属膜層側コンタクト層９は、材料に対する添加物の異なる３つの層１７，１８，１９を有し、これら３つの層のうち介在層８に接する介在層側コンタクト層１７の材料は添加物がＭｇであり、酸化物層１０に接する酸化物層側コンタクト層１９の材料は添加物がＺｎであり、これら２つの層の中間の中間コンタクト層１８の材料は積極的な添加物がない。

第一電極側コンタクト層３から反射金属膜層側コンタクト層９までをダブルへテロ構造部分２０と呼ぶことにする。また、第一クラッド層５、活性層６、第二クラッド層７を合わせて発光層２１と呼ぶこともある。

本発明に係る半導体発光素子１の特徴は光取り出し層４にある。すなわち、光取り出し層４が組成比の異なる複数の層からなり、これら複数の層の最も外側の層のみに主面Ｓを粗面とするための凹凸２２が形成されたものである。この実施形態では、光取り出し層４は２層からなり、最も外側の層が第一光取り出し層２３、その次に外側の層が第二光取り出し層２４である。

図示のように、凹凸２２は、第一光取り出し層２３のみに形成され、第二光取り出し層２４には形成されていない。従来技術では、光取り出し層１０４が１種類であるため、エッチングをすると全体的に層厚が薄くなってしまう。本発明では、Ａｌ組成が大きい第一光取り出し層２３の下にＡｌ組成が小さい第二光取り出し層２４があるので、第一光取り出し層２３と第二光取り出し層２４のエッチング速度に差が生じる。よって、光取り出し層４が全体的にエッチングされることを妨げることができる。結晶性によってエッチング速度が部分的に異なるので、エッチング速度が速くて最表面層の下にある第二光取り出し層２４に到達してしまった部分は、第二光取り出し層２４がＡｌ組成が小さいためエッチング速度が遅くなる。よって、均一にエッチングでき全体的に層厚が薄くなることを妨げる。

さらに、図には現れないが、第一光取り出し層２３の材料が第二光取り出し層２４の材料よりＡｌ組成比が大きく、かつ、第一光取り出し層２３が第二光取り出し層２４よりバンドギャップエネルギが大きい。

本発明にあっては、パターンを形成せずにエッチングによって光取り出し層４を粗面化するが、その際、光取り出し層４の構造を組成比の異なる複数層構造とすることで、光取り出し層４の層厚が全体的に薄くなることを抑制できた。

すなわち、エッチングは結晶性が悪い部分において速度が速いため、結晶性が悪い部分は結晶性がよい部分よりエッチングが進む。本発明では、第一光取り出し層２３の結晶性が悪くても、第一光取り出し層２３の下に位置する第二光取り出し層２４のエッチング速度が遅いため、エッチングが止まる（遅くなる）。この結果、光取り出し層４の層厚が全体的に薄くなることを抑制できる。

本発明に係る半導体発光素子１は、光取り出し層４が薄くならないことにより、順方向電圧の上昇が抑制される。また、順方向電圧の上昇が抑制されることにより、半導体発光素子１の発熱を抑制でき、結果的に発光出力が向上する。また、光取り出し層４が薄くならないことにより、活性層６に流れる電流を均一化できる。この電流を均一化によっても半導体発光素子１の発熱を抑制できる。さらにまた、電流分散特性が良好になることで、第一電極２の影による光取り出し損失を抑制でき、発光出力が向上する。また、電流集中を抑制できることにより、キャリアのオーバーフローがなくなり、内部量子効率も向上する。これらのように、いくつかの要因が重なり合って、半導体発光素子１の発光出力が向上する。

本発明に係る半導体発光素子１は、第一光取り出し層２３が第二光取り出し層２４よりＡｌ組成比が大きい。Ａｌ組成比が大きいほうがエッチング速度が速いので、第一光取り出し層２３の下に第二光取り出し層２４があることで、エッチングの一部が第二光取り出し層２４に達したときに、エッチング速度が遅くなる。

本発明に係る半導体発光素子１は、第一光取り出し層２３が第二光取り出し層２４よりバンドギャップエネルギが大きい。これは、前述のように、第一光取り出し層２３が第二光取り出し層２４よりＡｌ組成比が大きいからである。

次に、他の実施形態を説明する。

図２に示した半導体発光素子１ａは、発光層２１の構造が異なる他は図１の半導体発光素子１と同じである。すなわち、この半導体発光素子１ａは、活性層６と第二クラッド層７との間に、第二クラッド層側アンドープ層２５を設けたものである。この場合でも、光取り出し層４の構造は半導体発光素子１と同じであるから、光取り出し層４の層厚が薄くならない効果が得られる。

図３に示した半導体発光素子１ｂは、発光層２１の構造が異なる他は図１の半導体発光素子１と同じである。すなわち、この半導体発光素子１ｂは、活性層６と第一クラッド層５との間に、第一クラッド層側アンドープ層２６を設けたものである。この場合でも、光取り出し層４の層厚が薄くならない効果が得られる。

図４に示した半導体発光素子１ｃは、発光層２１の構造が異なる他は図１の半導体発光素子１と同じである。すなわち、この半導体発光素子１ｃは、活性層６と第二クラッド層７との間に、第二クラッド層側アンドープ層２５を設け、さらに活性層６と第一クラッド層５との間に、第一クラッド層側アンドープ層２６を設けたものである。この場合でも、光取り出し層４の層厚が薄くならない効果が得られる。

図５に示した半導体発光素子１ｄは、ダブルへテロ構造部分２０と反射金属膜層１１との電気的接合構造が異なる他は図１の半導体発光素子１と同じである。すなわち、この半導体発光素子１ｄは、酸化物層１０を有せず、オーミックコンタクト接合部１５が酸化物層側コンタクト層１９内に形成される。この場合でも、光取り出し層４の層厚が薄くならない効果が得られる。

図６に示した半導体発光素子１ｅは、光取り出し層４の構造が異なる他は図１の半導体発光素子１と同じである。すなわち、この半導体発光素子１ｅは、光取り出し層４を第一光取り出し層２７、第二光取り出し層２８、第三光取り出し層２９の３層とし、第一光取り出し層２７と第三光取り出し層２９の材料は組成を同じにしたものである。単一層にした光取り出し層４の中に第二光取り出し層２８を挿入したとも言える。この場合でも、光取り出し層４の層厚が薄くならない効果が得られる。

図７に示した半導体発光素子１ｆは、光取り出し層４及び発光層２１の構造が異なる他は図１の半導体発光素子１と同じである。すなわち、この半導体発光素子１ｆは、光取り出し層４を特別に設けず、発光層２１の第一クラッド層５を層厚が１０００ｎｍ以上となるよう厚くして、第一クラッド層５に光取り出し層を兼用させ、その第一クラッド層５中に第一クラッド層挿入層３１を挿入したたものである。第一クラッド層挿入層３１よりも外側の第一クラッド層５が第一光取り出し層３０に相当し、粗面化される。第一クラッド層挿入層３１は第二光取り出し層３１に相当し、第一クラッド層挿入層３１よりも内側の第一クラッド層５は第三光取り出し層３２を兼ねる。

第一クラッド層挿入層３１の材料は、（Ａｌ_XＧａ_1-X）_YＩｎ_1-YＰ、ただし０＜Ｘ≦０．３，０．４≦Ｙ≦０．６であるのが好ましい。第一クラッド層挿入層の層厚は５〜５００ｎｍであるのが好ましい。

以上の実施形態に関する好適な数値範囲及びその他の実施形態について説明する。

半導体発光素子１の第一光取り出し層２３の層厚は、１０００ｎｍ以下とする。これは、第一光取り出し層２３の層厚が厚くなるとコストが高くなるからである。また、層厚をあまり薄くし過ぎると、粗面化した効果があまり出ずに、発光出力が高くならない。よって、第一光取り出し層２３の層厚は３０〜１０００ｎｍが好ましく、より好ましくは５０〜８００ｎｍである。層厚に好ましい厚さがあるのは、半導体の屈折率や樹脂の屈折率、さらに空気の屈折率の関係で、光を有効に取り出すことのできる膜厚があるからである。

光取り出し層４，４ａと第一クラッド層５の層厚の和は、１０００〜３０００ｍｍが好ましい。その理由は、第一クラッド層５がキャリア供給層であって、ホールを止める障壁層でもあることの他に、光取り出し層（ウインドウ層）の機能も有するからである。これらの層厚の和を厚くすることでＬＥＤの特性は向上するが、層厚の和が３０００ｍｍを超えるとコストが高くなる。

第一電極側コンタクト層３の層厚は５〜２００ｎｍが好ましい。なぜならば、この層厚が薄すぎると、コンタクト層としての機能が不十分になり、逆に厚すぎると、電流が流れにくくなって直流抵抗が高くなり、順方向電圧が高くなるからである。よって、好ましい層厚は５〜２００ｎｍであり、より好ましくは１０〜１００ｎｍである。

介在層８の材料の組成はＧａ_XＩｎ_1-XＰ、ただし、０．６≦Ｘ＜１がよい。これは、Ｘが０．６よりも小さくなると、発光した光を吸収してしまうからである。

反射金属膜層側コンタクト層９のうち酸化物層１０に接する酸化物層側コンタクト層１９の材料に添加する添加物はＺｎが好ましい。これはＭｇよりもＺｎが添加しやすいために、高キャリア濃度化（低抵抗化）できるからである。高キャリア濃度にすることで接触抵抗を低くでき、ひいては順方向電圧を低くできるからである。

反射金属膜層側コンタクト層９のうち介在層８に接する介在層側コンタクト層１７の材料に添加する添加物はＭｇが好ましい。これはＺｎよりもＭｇが拡散しにくいため、拡散による初期発光出力の低下を抑止できると共に、拡散しにくいことで信頼性（相対出力）が向上するからである。信頼性（相対出力）とは、通電後の光出力／初期光出力のことである。

反射金属膜層側コンタクト層９の介在層側コンタクト層１７と酸化物層側コンタクト層１９との中間に設ける中間コンタクト層１８は、材料に積極的な添加物がないアンドープ層とするのが良い。これは、Ｍｇをドープした層とＺｎをドープした層とが隣り合わせに存在すると相互拡散を起こすからである。中間コンタクト層１８を挟むことで、相互拡散が防止できる。

活性層６は多重量子井戸構造を１０〜１６０層、つまり５〜８０ペアで構成するのが好ましい。これは、ペア数が少なすぎると電子及び正孔のオーバーフローが起こってしまい、内部量子効率が低下し、ペア数が多すぎると活性層６での光吸収による発光出力の低下が起きるからである。好ましいペア数は５〜８０ペアであり、より好ましくは２０〜６０ペアである。また、活性層６が単一層である場合にも、同様の理由により層厚を２０〜２００ｎｍとするのが好ましい。

半導体発光素子１の発光波長は６３０ｎｍ（赤色）に限らず、ＡｌＧａＩｎＰ系の材料を用い発光波長を５６０〜６６０ｎｍとした半導体発光素子においても、各層の材料、キャリア濃度等の変更はなく、光取り出し層４に関しても変更はなく、本発明は効果がある。

第一電極２の表面視形状は、円形、四角形、菱形、多角形、その他の異形状とすることができる。

支持基板１３の材料は、Ｓｉ、ＧａＡｓ、Ｇｅ、Ｃｕ、Ｍｏ、Ｗ、ＣｕＷなどがある。

活性層６は、多重量子井戸構造に限らず、歪み多重量子井戸構造を有してもよく、あるいはアンドープのバルク層（単一層）であってもよい。

実施例）
図１に示した構造を有し、発光波長が６３０ｎｍ付近となる赤色ＬＥＤのためのＬＥＤ用エピタキシャルウェハを作製し、ＬＥＤ素子を作製した。エピタキシャル成長方法、各エピタキシャル層の層厚、各エピタキシャル層の構造及び材料、反射金属膜層の構成、オーミックコンタクト接合部の構成及びサイズ、支持基板への貼り替え方法、電極形成方法、エッチング方法など作製の詳細は、以下の通りである。

図８に示されるように、ｎ型ＧａＡｓ基板（成長用基板）４１上に、ＭＯＶＰＥ法で、ｎ型（Ｓｅドープ）（Ａｌ_0.7Ｇａ_0.3）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐエッチングストップ層（層厚２００ｎｍ、キャリア濃度１×１０¹⁸／ｃｍ³）（エッチングストップ層）４２、ｎ型（Ｓｅドープ）ＧａＡｓコンタクト層（層厚５０ｎｍ、キャリア濃度１×１０¹⁸／ｃｍ³）（第一電極側コンタクト層）３、ｎ型（Ｓｅドープ）（Ａｌ_0.7Ｇａ_0.3）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐウインドウ層（層厚５００ｎｍ、キャリア濃度１×１０¹⁸／ｃｍ³）（第一光取り出し層）２３、ｎ型（Ｓｅドープ）（Ａｌ_0.4Ｇａ_0.6）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐウインドウ層（層厚１０００ｎｍ、キャリア濃度１×１０¹⁸／ｃｍ³）（第二光取り出し層）２４、ｎ型（Ｓｅドープ）（Ａｌ_0.7Ｇａ_0.3）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐクラッド層（層厚５００ｎｍ、キャリア濃度５×１０¹⁷／ｃｍ³）（第一クラッド層）５、アンドープ多重量子井戸活性層（井戸層アンドープＧａ_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ（層厚５ｎｍ）／障壁層アンドープ（Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5）_0.5ＩｎＰ（層厚１０ｎｍ）の２０ペア）６、ｐ型（Ｍｇドープ）（Ａｌ_0.7Ｇａ_0.3）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐクラッド層（層厚４００ｎｍ、キャリア濃度１．２×１０¹⁸／ｃｍ³）（第二クラッド層）７、ｐ型（Ｍｇドープ）Ｇａ_XＩｎ_1-XＰ（０．６≦Ｘ＜１）介在層（層厚１０ｎｍ、キャリア濃度５×１０¹⁸／ｃｍ³）８、ｐ型（Ｍｇドープ）ＧａＰ層（層厚２００ｎｍ、キャリア濃度１×１０¹⁸／ｃｍ³）（介在層側コンタクト層）１７、アンドープＧａＰ層（層厚１００ｎｍ）（中間コンタクト層）１８、ｐ型（Ｚｎドープ）ＧａＰ層（層厚５０ｎｍ、キャリア濃度１×１０¹⁹／ｃｍ³）（酸化物層側コンタクト層）１９を順次積層させ、ＬＥＤ用エピタキシャルウェハを得た。活性層３は、ＧａＩｎＰ層とＡｌＧａＩｎＰ層を１ペアとしている。

このＬＥＤ用エピタキシャルウェハの特徴は、光取り出し層４として、第一光取り出し層２３と第二光取り出し層２４の２層が設けられていることであり、半導体発光素子を形成したとき最も外側の層となる第一光取り出し層２３がその次の層となる第二光取り出し層２４よりもＡｌ組成比が大きいことである。すなわち、光取り出し層４をなす第一第二光取り出し層２３，２４の材料がそれぞれ（Ａｌ_XＧａ_1-X）_YＩｎ_1-YＰ、ただし、０．３≦Ｘ≦１，０．４≦Ｙ≦０．６で表され、第一光取り出し層２３の材料におけるＸの値が０．７、第二光取り出し層２４の材料におけるＸの値が０．４である。

なお、第一光取り出し層２３の層厚を５００ｎｍとし、第二光取り出し層２４の層厚を１０００ｎｍとすることで、光取り出し層４の層厚１５００ｎｍは後述する従来例の光取り出し層１０４の層厚と同じである。

ＭＯＶＰＥ法での成長温度は６５０℃とし、成長圧力は６６６６Ｐａ（５０Ｔｏｒｒ）とし、各層の成長速度は０．３〜１．０ｎｍ／ｓｅｃとし、Ｖ／III比は約２００とした。Ｖ／III比は、分母をＴＭＧａやＴＭＡｌなどのIII族原料のモル数とし、分子をＡｓＨ₃、ＰＨ₃などのＶ族原料のモル数とした比率（商）である。

ＭＯＶＰＥ法の原料として、トリメチルガリウム（ＴＭＧａ）、トリエチルガリウム（ＴＥＧａ）、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）等の有機金属や、アルシン（ＡｓＨ₃）、ホスフィン（ＰＨ₃）等の水素化物ガスを用いた。ｎ型半導体層の導電型決定不純物のための添加物原料として、セレン化水素（Ｈ₂Ｓｅ）を用い、ｐ型半導体層の導電型決定不純物のための添加物原料として、ビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ₂Ｍｇ）、ジメチルジンク（ＤＭＺｎ）を用いた。

この他に、ｎ型半導体層の導電型決定不純物のための添加物原料として、セレン化水素（Ｈ₂Ｓｅ）、モノシラン（ＳｉＨ₄）、ジエチルテルル（ＤＥＴｅ）、ジメチルテルル（ＤＭＴｅ）を用いることができ、ｐ型半導体層の導電型決定不純物のための添加物原料として、ジエチルジンク（ＤＥＺｎ）を用いることができる。

このＬＥＤ用エピタキシャルウェハをＭＯＶＰＥ装置から取り出した後、酸化物層側コンタクト層１９の表面にＳｉＯ₂層（酸化物層）１０を層厚約１００ｎｍ形成し、レジストとマスクアライナを組み合わせて使用し、一般的なフォトリソグラフィー技術を駆使し、さらにエッチングをすることによって、酸化物層１０に表面視約１２μｍ径の酸化物除去穴を３０μｍピッチで形成し、その酸化物除去穴に真空蒸着法によってオーミックコンタクト接合部１５を層厚が酸化物層１０とほぼ等しくなるように形成した。オーミックコンタクト接合部１５の原料として金・亜鉛（ＡｕＺｎ）合金を用いた。オーミックコンタクト接合部１５は、表面視約１２μｍ径とした。これをドット状電極と言う。このオーミックコンタクト接合部１５を表面視３０μｍピッチで、厚さ１００ｎｍに形成した。つまり、酸化物除去穴に真空蒸着法によってオーミックコンタクト接合部１５を層厚が酸化物層１０とほぼ等しくなるように形成した。

その後、このＬＥＤ用エピタキシャルウェハを窒素ガス雰囲気中ににて３５０℃に加熱し、５分間熱処理するアロイ工程により、反射金属膜層側コンタクト層９とオーミックコンタクト接合部１５の合金化を行った。

オーミックコンタクト接合部１５が設けられたＬＥＤ用エピタキシャルウェハの酸化物層１０上（オーミックコンタクト接合部１５上も含む）に反射金属膜層１１として、アルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）、金（Ａｕ）をこの順でそれぞれ２００ｎｍ、２００ｎｍ、５００ｎｍ、合計９００ｎｍの層厚となるよう蒸着した。

支持基板１３として用意したＳｉ基板に、金属密着層１２として、金・ゲルマニウム（ＡｕＧｅ）合金、チタン（Ｔｉ）、金（Ａｕ）をこの順でそれぞれ１００ｎｍ、２００ｎｍ、５００ｎｍ、合計８００ｎｍの層厚となるよう蒸着した。

反射金属膜層１１が設けられたＬＥＤ用エピタキシャルウェハと金属密着層１２が設けられた支持基板１３とを、反射金属膜層１１と金属密着層１２とが合わさるように貼り合わせた。貼り合わせは、圧力１．３Ｐａ（０．０１Ｔｏｒｒ）雰囲気で３ＭＰａ（３０ｋｇｆ／ｃｍ²）の荷重を負荷させた状態で、温度３５０℃で、３０分間保持することによって行った。

支持基板１３に貼り合わせたＬＥＤ用エピタキシャルウェハをアンモニア水と過酸化水素水系混合液に浸すことにより、成長用基板４１をエッチングで除去し、エッチングストップ層４２を露出させた。続いて、塩酸系のエッチング液を用いてエッチングストップ層４２を除去し、第一電極側コンタクト層３を露出させた。

この第一電極側コンタクト層３の表面に一般的なフォトリソグラフィー技術を駆使してパターンを形成し、真空蒸着法によって、表面視直径１００μｍの円形部分と、その円形部分から放射状に幅１０μｍの枝状に伸びることによって分配された分配電極とを有する第一電極２を形成した。第一電極２は、金・ゲルマニウム（ＡｕＧｅ）合金、ニッケル（Ｎｉ）、金（Ａｕ）をこの順でそれぞれ１００ｎｍ、１００ｎｍ、５００ｎｍ、合計７００ｎｍの層厚となるよう蒸着した。

この第一電極２をマスクに利用し、硫酸と過酸化水素水と水の混合液からなるエッチング液を用いて第一電極２の直下以外の第一電極側コンタクト層３を選択性エッチングにより除去し、光取り出し層４の第一光取り出し層２３を露出させた。

この光取り出し層４の表面を塩酸系エッチングにより粗面化した。本実施例では、エッチングの組成と、エッチング時間を駆使することで、第一光取り出し層２３のみが粗面化され第二光取り出し層２４が粗面化されないようにした。

次いで、支持基板１３の外側面全面に第二電極１４を真空蒸着法によって形成した。具体的には、アルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）、金（Ａｕ）をこの順で蒸着し、その後、窒素ガス雰囲気中で４００℃に加熱して５分間熱処理するアロイ工程により、第二電極１４を合金化した。

この電極形成済みのＬＥＤ用エピタキシャルウェハを第一電極２の円形部分が中心になるようにダイシング装置を用いて切断し、チップサイズ３００μｍ角のＬＥＤベアチップを作製した。このＬＥＤベアチップをＴＯ−１８ステム上にマウント（ダイボンディング）し、このマウントされたＬＥＤベアチップにワイヤボンディングを行い、ＬＥＤ素子を作製した。

この実施例によるＬＥＤ素子の初期特性を評価した。初期特性は、２０ｍＡ通電時（評価時）の発光出力が６．６８ｍＷ、順方向電圧が１．９９Ｖであった。

実施例では、後述する従来例と同じ方法で主面Ｓを粗面化したが、光取り出し層４が２層構造であることにより、光取り出し層４の層厚が全面的に薄くなることを抑制できた。なぜならば、光取り出し層４中の第二光取り出し層２４のほうが第一光取り出し層２３よりもエッチング速度が遅く、その第二光取り出し層２４でエッチングが止まる（非常に遅くなる）。この結果、光取り出し層４の層厚が薄くなるのを抑制できた。

このように光取り出し層４の層厚が薄くなるのを防止したことで、順方向電圧の上昇を抑制でき、順方向電圧１．９９Ｖを達成できた。また、順方向電圧の上昇を抑制したことで、ＬＥＤの発熱を抑制でき、結果的に発光出力が向上した。さらに、光取り出し層４の層厚が薄くならなかったことにより、電流の広がりが得られ、活性層６に流れる電流を均一化できた。これによってもＬＥＤの発熱を抑制できた。さらにまた、電流分散特性が良好になったことで、第一電極１５が影になることによる光取り出し効率の低下を抑制でき、これによっても発光出力を高くできた。また、電流集中を抑制できたことでキャリアのオーバーフローが無くなり、内部量子効率も向上したと考えられる。これら実施例によって改善された複数の要因が重なり合って、発光出力が向上した。
従来例）
図９に示した構造を有し、発光波長が６３０ｎｍ付近となる赤色ＬＥＤのためのＬＥＤ用エピタキシャルウェハを粗面化しないものと粗面化したものの２通り作製し、ＬＥＤ素子を作製した。エピタキシャル成長方法、各エピタキシャル層の層厚、各エピタキシャル層の構造及び材料、反射金属膜層の構成、オーミックコンタクト接合部の構成及びサイズ、支持基板への貼り替え方法、電極形成方法、エッチング方法など作製の詳細は、基本的に実施例と同じである。以下、実施例と異なる点のみ詳細に説明する。

光取り出し層１０４は、ｎ型（Ｓｅドープ）（Ａｌ_0.4Ｇａ_0.6）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐウインドウ層（層厚１５００ｎｍ、キャリア濃度１×１０¹⁸／ｃｍ³）の１層のみである。

粗面化を行った従来例によるＬＥＤ素子の初期特性は、２０ｍＡ通電時（評価時）の発光出力が５．１ｍＷ、順方向電圧が２．３Ｖであった。粗面化を行わなかった従来例によるＬＥＤ素子の初期特性は、２０ｍＡ通電時（評価時）の発光出力が４．４ｍＷ、順方向電圧が１．９６Ｖであった。

以上のように、実施例、従来例による各ＬＥＤ素子を初期特性で比較すると、本発明を適用することで発光出力の向上と順方向電圧の低下が達成されることが確認された。

本発明の一実施形態を示す半導体発光素子の断面構造図である。 本発明の一実施形態を示す半導体発光素子の断面構造図である。 本発明の一実施形態を示す半導体発光素子の断面構造図である。 本発明の一実施形態を示す半導体発光素子の断面構造図である。 本発明の一実施形態を示す半導体発光素子の断面構造図である。 本発明の一実施形態を示す半導体発光素子の断面構造図である。 本発明の一実施形態を示す半導体発光素子の断面構造図である。 半導体発光素子の製造途中に作製されるエピタキシャルウェハの断面構造図である。 従来の半導体発光素子の断面構造図である。

符号の説明

１ 半導体発光素子
２ 第一電極
３ 第一電極側コンタクト層
４ 光取り出し層
５ 第一クラッド層
６ 活性層
７ 第二クラッド層
８ 介在層
９ 反射金属膜層側コンタクト層
１０ 酸化物層
１１ 反射金属膜層
１２ 金属密着層
１３ 支持基板
１４ 第二電極
１５ オーミックコンタクト接合部
２３ 第一光取り出し層
２４ 第二光取り出し層

Claims (25)

1. 第一、第二のクラッド層に挟まれ光を発生する活性層と、第一クラッド層側の主面を形成する光取り出し層とを含む複数の半導体層を有し、上記光取り出し層を部分的に覆う第一電極と、上記主面の反対面を覆う第二電極と、第二クラッド層と第二電極との間で光を反射する反射金属膜層と、該反射金属膜層の活性層側に接する酸化物層と、該酸化物層中に部分的に形成されたオーミックコンタクト接合部とを有する半導体発光素子において、上記光取り出し層が組成比の異なる複数の層からなり、これら複数の層の最も外側の層のみに上記主面を粗面とするための凹凸が形成されたことを特徴とする半導体発光素子。
2. 上記光取り出し層をなす複数の層のうち最も外側の層の材料がその次に外側の層の材料よりＡｌ組成比が大きいことを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子。
3. 上記光取り出し層をなす複数の層のうち最も外側の層がその次に外側の層よりバンドギャップエネルギが大きいことを特徴とする請求項１又は２記載の半導体発光素子。
4. 上記光取り出し層をなす複数の層の材料がそれぞれ（Ａｌ_XＧａ_1-X）_YＩｎ_1-YＰ、ただし、０．３≦Ｘ≦１，０．４≦Ｙ≦０．６で表されることを特徴とする請求項１〜３いずれか記載の半導体発光素子。
5. 上記光取り出し層と第一クラッド層の層厚の和が１０００〜３０００ｎｍであることを特徴とする請求項１〜４いずれか記載の半導体発光素子。
6. 上記光取り出し層をなす複数の層のうち最も外側の層は、その次に外側の層よりも屈折率が小さいことを特徴とする請求項１〜５いずれか記載の半導体発光素子。
7. 上記光取り出し層と第一電極との間に、第一電極と同じ部分を覆い、上記活性層よりもバンドギャップエネルギが小さく、かつ、上記活性層からの光に対して不透明な第一電極側コンタクト層を有することを特徴とする請求項１〜６いずれか記載の半導体発光素子。
8. 上記第一電極側コンタクト層の層厚が５〜２００ｎｍ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。
9. 上記光取り出し層をなす複数の層の材料は上記活性層の材料よりＡｌ組成比が大きいことを特徴とする請求項１〜８いずれか記載の半導体発光素子。
10. 上記活性層の材料が（Ａｌ_XＧａ_1-X）_YＩｎ_1-YＰ、ただし、０≦Ｘ＜１，０．４≦Ｙ≦０．６で表されることを特徴とする請求項１〜９いずれか記載の半導体発光素子。
11. 上記活性層が１０〜１６０層の井戸層からなる多重量子井戸構造を有することを特徴とする請求項１〜１０いずれか記載の半導体発光素子。
12. 上記活性層と第二クラッド層の間に第二クラッド層側アンドープ層を有することを特徴とする請求項１〜１１いずれか記載の半導体発光素子。
13. 上記第二クラッド層側アンドープ層の材料が上記活性層の材料よりＡｌ組成比が大きいことを特徴とする請求項１２記載の半導体発光素子。
14. 上記第二クラッド層側アンドープ層の材料が上記活性層の材料よりバンドギャップエネルギが大きいことを特徴とする請求項１２又は１３記載の半導体発光素子。
15. 上記第二クラッド層側アンドープ層の材料が（Ａｌ_XＧａ_1-X）_YＩｎ_1-YＰ、ただし、０．３≦Ｘ≦１，０．４≦Ｙ≦０．６で表されることを特徴とする請求項１２〜１４いずれか記載の半導体発光素子。
16. 上記光取り出し層をなす複数の層のうち最も外側の層の層厚が１０００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１〜１５いずれか記載の半導体発光素子。
17. 上記複数の半導体層と第二電極との間に支持基板を有し、該支持基板の材料がＳｉ、ＧａＡｓ、Ｇｅ、Ｃｕ、Ｍｏ、Ｗ、ＣｕＷのいずれかであることを特徴とする請求項１〜１６いずれか記載の半導体発光素子。
18. 上記酸化物層の全面積に対するオーミックコンタクト接合部の面積の割合が２０％以下であることを特徴とする請求項１〜１７いずれか記載の半導体発光素子。
19. 上記酸化物層と第二クラッド層との間に反射金属膜層側コンタクト層を有し、該反射金属膜層側コンタクト層の材料がＧａＰを主とすることを特徴とする請求項１〜１８いずれか記載の半導体発光素子。
20. 上記反射金属膜層側コンタクト層と第二クラッド層との間に介在層を有し、該介在層の材料がＧａ_XＩｎ_1-XＰ、ただし、０．６≦Ｘ＜１で表されることを特徴とする請求項１９記載の半導体発光素子。
21. 上記反射金属膜層側コンタクト層が材料の添加物が異なる３つの層を有し、これら３つの層のうち上記介在層に接する層の材料は添加物がＭｇであり、上記酸化物層に接する層の材料は添加物がＺｎであり、これら２つの層の中間の層の材料は積極的な添加物がないことを特徴とする請求項１９又は２０記載の半導体発光素子。
22. 上記酸化物層の非オーミックコンタクト接合部における層厚ｄは、
    基準層厚ｄｓｔ＝奇数の定数α×上記活性層からの光の波長λｐ
    ／（４×非オーミックコンタクト接合部における上記光の屈折率ｎ）
    の関係式で表される基準層厚ｄｓｔに対し±３０％の範囲内であり、かつ、上記酸化物層のオーミックコンタクト接合部における層厚が非オーミックコンタクト接合部における層厚と等しいことを特徴とする請求項１〜２１いずれか記載の半導体発光素子。
23. 上記第一クラッド層の層厚が３００ｎｍ以上であって、該第一クラッド層が上記光取り出し層に兼用されると共に、この第一クラッド層中に該第一クラッド層の材料よりＡｌ組成比が小さく、かつ、屈折率が大きい材料からなる第一クラッド層挿入層が挿入されていることを特徴とする請求項１〜２２いずれか記載の半導体発光素子。
24. 上記第一クラッド層挿入層の材料が（Ａｌ_XＧａ_1-X）_YＩｎ_1-YＰ、ただし０＜Ｘ≦０．３，０．４≦Ｙ≦０．６で表されることを特徴とする請求項２３記載の半導体発光素子。
25. 上記第一クラッド層挿入層の層厚が５〜５００ｎｍであることを特徴とする請求項２３又は２４いずれか記載の半導体発光素子。

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