JP2008288248A - 半導体発光素子 - Google Patents

Abstract

【課題】発光出力を維持しながら順方向電圧を低くすることができ、信頼性に優れる半導体発光素子を提供する。
【解決手段】Ｓｉ基板１と、金属密着層２と、光反射性を有する金属材料の多層膜からなる反射金属層３と、ＳｉＯ_２膜４と、ＳｉＯ_２膜４の所定の位置に設けられるオーミックコンタクト接合部５と、ＭｇドープのＧａＰ層６ＡとＺｎドープの６Ｂとを含むＧａＰ層６と、ｐ型ＧａＩｎＰ介在層７と、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層８と、アンドープ多重量子井戸活性層９と、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層１０と、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰウィンドウ層１１と、ｎ型ＧａＡｓコンタクト層１２と、第１電極１３と、Ｓｉ基板１の外部接続側に設けられる第２電極１４とを備え、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層８、アンドープ多重量子井戸活性層９、およびｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層１０からなる発光部とオーミックコンタクト接合部５とを３００ｎｍ以上離れて設けた構成とした。
【選択図】図１

Description

本発明は、高輝度型の半導体発光素子に関するものである。

近年、ＧａＮ系やＡｌＧａＩｎＰ系の高品質な結晶をＭＯＶＰＥ法（有機金属気相成長法）により成長出来るようになったため、高輝度の青色、緑色、橙色、黄色、赤色等の発光ダイオード（ＬＥＤ）の製作が可能になった。高輝度化に伴い、ＬＥＤは、自動車のブレーキランプ、液晶ディスプレイのバックライト等の光源としても利用され、その需要は年々増加している。

ＬＥＤの内部効率は、ＭＯＶＰＥ(Metal-Organic Vapor Phase Epitaxy)法による成長が可能になってから、理論値および限界値に近づきつつあるものの、発光素子からの光取り出し効率は未だ低いため、この光取り出し効率の向上が重要になっている。

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系の材料から成るｎ型ＡｌＧａＩｎＰ層と、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰ層と、それらに挟まれたＡｌＧａＩｎＰ又はＧａＩｎＰから成る発光層（活性層）を有するダブルヘテロ構造になっている。

しかし、ＧａＡｓ基板のバンドギャップは、発光層のバンドギャップよりも狭いため、発光層からの光の多くがＧａＡｓ基板に吸収され、光の取り出し効率が著しく低下する。これを改善するものとして、発光層とＧａＡｓ基板の間に、屈折率の異なる半導体層から成る多層反射膜構造を形成することによりＧａＡｓ基板による光の吸収を低減し、光取り出し効率を向上させる方法がある。ところが、この方法は、多層反射膜構造へ限定された入射角で入射した光しか反射することができない。

そこで、ＡｌＧａＩｎＰ系の材料から成るダブルヘテロ構造を、反射率の高い金属膜を介してＧａＡｓ基板よりも熱伝導率の良いＳｉ支持基板に貼り付け、その後、成長用に用いたＧａＡｓ基板を除去する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。この方法によると、反射膜に金属膜を用いている為、金属膜への光の入射角を選ばずに高い反射が可能となる。

また、反射膜が反射率の高い金属、例えば、金、アルミ、銀等は、ＡｌＧａＩｎＰ系半導体とオーミックコンタクト接合ができない。その為、反射膜金属とは異なる材料から成るオーミックコンタクト接合部を、ＡｌＧａＩｎＰ系化合物半導体層と反射金属膜の界面の一部に配置し、電気的抵抗を低減する必要がある。

このオーミックコンタクト接合部は、接する面がｐ型の半導体層であることから、主にＺｎ系の金属を用いることが一般的である。

しかし、Ｚｎ系の材料を用いた場合には、順方向電圧を十分に低くすることができない。特に発光ダイオードベアチップ中のオーミックコンタクト接合部の面積が小である場合には顕著である。

順方向電圧を低くする方法としては、熱処理温度を高くする方法があるが、この方法によると、半導体層とオーミックコンタクト接合部との間に合金化反応が生じて、オーミックコンタクト接合部と接する半導体層の光吸収率が増加する。また、反射金属膜とその他の金属との反応も促進されてしまうことから、オーミックコンタクト接合部以外の所謂反射金属膜においても光吸収が大になる。つまり、順方向電圧を低くするために熱処理温度を高くすると、発光出力の低下を招くという問題がある。

そこで、オーミックコンタクト接合部には、Ｚｎ系材料よりもコンタクトを取りやすい材料を用いる必要がある。その材料のひとつとしてＢｅ系材料がある。
特開２００２−２１７４５０号公報

しかし、従来の半導体発光素子によると、Ｂｅ系材料を用いた場合には、Ｚｎ系材料を用いたときより順方向電圧を低くできる反面、発光出力が低く、また信頼性が低いという問題がある。

つまり、発光出力を維持したまま、順方向電圧を低くすることが困難である。特に、発光ダイオードベアチップ中のオーミックコンタクト接合部の面積が小さい場合には顕著であり、半導体発光素子の今後の高出力化にとって大きな間題となっている。

従って、本発明の目的は、発光出力を維持しながら順方向電圧を低くすることができ、信頼性に優れる半導体発光素子を提供することにある。

本発明は上記目的を達成するため、発光部を含み、表面に第１電極を有するエピタキシャル層と、前記エピタキシャル層と接するように設けられるオーミックコンタクト接合部と、前記オーミックコンタクト接合部と接するように設けられて前記発光部から発せられる光に対して不透明であり、かつ前記光を反射する反射金属層と、前記反射金属層と金属密着層を介して一方の面が接合され、他方の面に第２電極を有する支持基板と、を備え、前記オーミックコンタクト接合部は、Ｂｅを含むとともに前記発光部と３００ｎｍ以上離れて形成されている半導体発光素子を提供する。

本発明の半導体発光素子によれば、発光出力を維持しながら順方向電圧を低くすることができ、優れた信頼性を付与することができる。

（半導体発光素子の構成）
図１は、本発明の実施の形態に係る半導体発光素子を示し、（ａ）は半導体発光素子の平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ部において切断した断面図である。この半導体発光素子１００は、例えば、発光波長が約６３０ｎｍの赤色ＬＥＤである。

半導体発光素子１００は、Ｓｉ基板１と、金属材料の多層膜からなる金属密着層２と、光反射性を有する金属材料の多層膜からなる反射金属層３と、ＳｉＯ_２膜４と、ＳｉＯ_２膜４の所定の位置に設けられるオーミックコンタクト接合部５と、ＭｇドープのＧａＰ層６ＡとＺｎドープの６Ｂとを含むＧａＰ層６と、ｐ型ＧａＩｎＰ介在層７と、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層８と、アンドープ多重量子井戸活性層９と、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層１０と、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰウィンドウ層１１と、ｎ型ＧａＡｓコンタクト層１２と、第１電極１３と、Ｓｉ基板１の外部接続側に設けられる第２電極１４とを有し、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層８、アンドープ多重量子井戸活性層９、およびｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層１０からなる発光部を備えている。

金属密着層２は、Ｓｉ基板１の底面の全面に、厚さが１００ｎｍのＡｕＧｅ（金・ゲルマニウム合金）、２００ｎｍのＴｉ（チタン）、５００ｎｍのＡｕ（金）の順に蒸着することによって形成されている。

反射金属層３は、厚さが２００ｎｍのＡｌ（アルミニウム）、２００ｎｍのＴｉ、５００ｎｍのＡｕを積層して形成されている。

ＳｉＯ_２膜４は、厚さ１００ｎｍで形成されている。

オーミックコンタクト接合部５は、フォトリソグラフィによるパターニングおよびエッチングによってＳｉＯ_２膜４を貫通する直径１２μｍの孔を形成し、この孔に導電性材料を真空蒸着法によって設け、導電性材料を合金化するために窒素ガス雰囲気中で３５０℃・５分の加熱処理によるアロイ工程を経て形成されている。このオーミックコンタクト接合部５は、直径約１０μｍ、厚さ１００μｍのドット状電極であり、３０μｍピッチで第１電極１３直下以外の領域の枝状部分の近傍に設けられる。オーミックコンタクト接合部５を形成する導電性材料として、例えば、ＡｕＺｎ（金・亜鉛）合金を用いることができる。

ＧａＰ層６は、第１の層として厚さ２００ｎｍでキャリア濃度１×１０^１８／ｃｍ^３のＭｇドープｐ型ＧａＰ層６Ａと、第２の層として厚さ５０ｎｍでキャリア濃度１×１０^１９／ｃｍ^３のＺｎドープｐ型ＧａＰ層６Ｂとを有する。

ｐ型ＧａＩｎＰ介在層７は、Ｍｇドープｐ型Ｇａ_ｘＩｎ_１‐ｘＰ（０．６≦ｘ）で形成されている。

ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層８は、厚さ４００ｎｍでキャリア濃度１．２×１０^１８／ｃｍ^３のＭｇドープｐ型（Ａｌ_０．７Ｇａ_０．３）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐで形成されている。

アンドープ多重量子井戸活性層９は、ＧａＩｎＰ層とＡｌＧａＩｎ層とからなる対を１ペアとして、２０ペア設けることにより形成されている。

ｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層１０は、厚さ５００ｎｍでキャリア濃度５×１０^１７／ｃｍ^３のＳｅドープｎ型（Ａｌ_０．７Ｇａ_０．３）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐで形成されている。

ｎ型ＡｌＧａＩｎＰウィンドウ層１１は、厚さ３０００ｎｍでキャリア濃度１×１０^１８／ｃｍ^３のＳｅドープｎ型（Ａｌ_０．４Ｇａ_０．６）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐで形成されている。

ｎ型ＧａＡｓコンタクト層１２は、厚さ５０ｎｍでキャリア濃度１×１０^１８／ｃｍ^３のＳｅドープｎ型ＧａＡｓで形成されている。

第１電極１３は、ｎ型ＧａＡｓコンタクト層１２上にフォトリソグラフィによるパターニングおよびエッチングによって素子上面の中央に直径１００μｍで設けられる円形状部分と、この円形状部分から放射状に幅１０μｍで十字形に形成された分配電極からなる。この第１電極１３は、厚さが１００ｎｍのＡｕＧｅ、１００ｎｍのＮｉ、５００ｎｍのＡｕの順に蒸着することによって形成されている。

第１電極１４は、Ｓｉ基板１の金属密着層２が形成される面とは反対側の面全体に設けられており、導電性材料としてＡｌ、Ｔｉ、およびＡｕを順に積層し、導電性材料を合金化するために窒素ガス雰囲気中で４００℃・５分の加熱処理によるアロイ工程を経て形成されている。

（半導体発光素子の製造方法）
図２Ａ〜図２Ｆは、本発明の実施の形態に係る半導体発光素子の製造方法を示す工程図である。同図を参照して以下に製造工程を説明する。

まず、図２Ａ（ａ）に示すように、ｎ型ＧａＡｓ基板２０上に、ＭＯＶＰＥ法により、
厚さ２００ｎｍでキャリア濃度１×１０^１８／ｃｍ^３のアンドープ（Ａｌ_０．７Ｇａ_０．３）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐエッチングストップ層２１、ｎ型ＧａＡｓコンタクト層１２、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰウィンドウ層１１、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層１０、アンドープ多重量子井戸活性層９、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層８、ｐ型ＧａＩｎＰ介在層７、ｐ型ＧａＰ層６Ａ、ｐ型ＧａＰ層６Ｂを順次積層成長させることによってＬＥＤエピタキシャルウエハ３０を製造した。

ＭＯＶＰＥ法による成長条件は、成長温度を６５０℃、成長圧力を５０Ｔｏｒｒ、各層の成長速度を０．３〜２．０ｎｍ／ｓｅｃ、Ｖ／III比を約１００前後にして実施した。ここで、Ｖ／III比とは、分母をトリメチルガリウム（ＴＭＧ）やトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）などのIII族原料のモル数とし、分子をアルシン（ＡｓＨ_３）、ホスフィン（ＰＨ_３）などのＶ族原料のモル数とした場合の比率（商）である。

また、ＭＯＶＰＥ成長に用いる原料として、例えば、ＴＭＧ、トリエチルガリウム（ＴＥＧ）、ＴＭＡ、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）等の有機金属や、ＡｓＨ_３、ＰＨ_３等の水素化物ガスを用いた。

更に、ｎ型半導体層の添加物原料として、セレン化水素（Ｈ_２Ｓｅ）を用いた。また、ｐ型半導体層の導電型決定不純物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（Ｃｐ_２Ｍｇ），ジメチルジンク（ＤＭＺｎ）を用いた。

その他、ｎ型層の導電型決定不純物の添加物原料として、ジシラン（Ｓｉ_２Ｈ_６）、モノシラン（ＳｉＨ_４）、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る。また、ｐ型層のｐ型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。

次に、図２Ａ（ｂ）に示すように、プラズマＣＶＤ装置により、ＬＥＤエピタキシャルウエハ３０のｐ型ＧａＰ層６を構成するｐ型ＧａＰ層６Ｂ上に、厚さ１００ｎｍでＳｉＯ_２膜４を成膜する。このＳｉＯ_２膜４については、発光部から発せられる光の波長と、ＳｉＯ_２の屈折率から定まる厚さｄに対して±３０％の範囲で設けられ、厚さｄ＝定数Ａ×発光波長λ／（４×ＳｉＯ_２の屈折率ｎ）の関係式に基づくものとなる。ここで、定数Ａは奇数である。

次に、図２Ｂ（ｃ）に示すように、レジスト、マスクアライナ等のフォトリソグラフィ技術を用い、フッ酸系エッチング液により、ＳｉＯ_２膜４に直径１２μｍの複数の開口部４Ａを形成する。

次に、図２Ｂ（ｄ）に示すように、真空蒸着法により、各開口部４Ａ内にオーミックコンタクト接合部５を形成する。この複数のオーミックコンタクト接合部５は、後の工程で設けられる第１電極１３のパッド部および枝状部分（十字形部分）の直下には設けずに、図１（ａ）に示すように第１電極１３の外側を取り巻くように設けた。

更に、図２Ｃ（ｅ）に示すように、ＳｉＯ_２膜４およびオーミックコンタクト接合部５の表面にＡｌ、Ｔｉ、Ａｕを順番に蒸着して反射金属層３を形成した。

次に、図２Ｃ（ｆ）に示すように、導電性基板としてのＳｉ基板１を用意し、このＳｉ基板１の表面にＡｕＧｅ、Ｔｉ、Ａｕを順に蒸着して金属密着層２を形成した。

次に、図２Ｄ（ｇ）に示すように、Ｓｉ基板１の金属密着層２を貼り合わせ面にして、ＬＥＤエピタキシャルウエハ３０の反射金属層３を貼り合わせる。この貼り合わせは、圧力０．０１Ｔｏｒｒの雰囲気において、３０ｋｇｆ／ｃｍ^２の荷重を加えたまま、３５０℃の温度で３０分間保持して行った。

次に、図２Ｅ（ｈ）に示すように、Ｓｉ基板１と貼り合わせられたＬＥＤエピタキシャルウエハのｎ型ＧａＡｓ基板を、アンモニア水と過酸化水素水の混合液によりエッチング除去し、アンドープ（Ａｌ_０．７Ｇａ_０．３）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐエッチングストップ層２１を露出させる。更に、アンドープ（Ａｌ_０．７Ｇａ_０．３）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐエッチングストップ層２１を塩酸により除去し、ｎ型ＧａＡｓコンタクト層１２を露出させる。

次に、図２Ｅ（ｉ）に示すように、レジストやマスクアライナ等のフォトリソグラフィ技術および真空蒸着法を用いて、ｎ型ＧａＡｓコンタクト層１２の表面に第１電極１３を形成する。第１電極１３は、図１（ａ）に示すように、例えば、直径１００μｍの円形部分から十字形に延伸した幅１０μｍの枝状部分からなるようにした。

次に、図２Ｆ（ｊ）に示すように、第１電極１３を形成後、第１電極１３をマスクにして、硫酸と過酸化水素水と水との混合液からなるエッチング液を用いて、第１電極１３の直下以外のｎ型ＧａＡｓコンタクト層１２をエッチング除去することにより、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰウィンドウ層１１を露出させる。

次に、図２Ｆ（ｋ）に示すように、真空蒸着法により、第２電極１４をＳｉ基板１の底面全体に形成した。この場合、第２電極１４の形成は、Ａｌ、Ｔｉ、Ａｕを順に蒸着し、その後、窒素ガス雰囲気中で４００℃に加熱し、更に５分間の熱処理によるアロイ工程を実施した。

次に、図２Ｆ（ｋ）に示すＬＥＤエピタキシャルウエハ３０に対し、ダイシング装置を用いて第１電極１３が素子の中心になるように切断し、３００μｍ角サイズのＬＥＤベアチップとした。このＬＥＤベアチップが図１に示す半導体発光素子１００である。

更に、切断された半導体発光素子１００を、ＴＯ-１８ステム上にマウント（ダイボンディング）した。その後、マウントされた半導体発光素子１００にワイヤボンディングを行い、ＬＥＤを作製した。

このようにして作製したＬＥＤの通電電流２０ｍＡにおける初期特性は、発光出力４．７ｍＷ、順方向電圧２．２Ｖであった。また、他のＬＥＤとして、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰウィンドウ層１１の表面を塩酸系エッチングによって粗面化し、微細な凹凸を形成した半導体発光素子１００を作製し、ＴＯ-１８ステム上にマウントしてＬＥＤを作製した。このＬＥＤについて通電電流２０ｍＡにおける初期特性を測定したところ、発光出力５．６ｍＷ、順方向電圧２．３５Ｖであった。

また、本発明者らは、図１に示す半導体発光素子１００について、ＬＥＤの更なる特性向上を図るものとして構成を一部変更したＬＥＤエピタキシャルウエハを作製し、これをＳｉ基板と貼り合わせたウエハを切断して形成した半導体発光素子１００を比較例として作製し、この半導体発光素子１００を用いてＬＥＤを作製した。

[比較例]
比較例として、上記したＬＥＤエピタキシャルウエハ３０のオーミックコンタクト接合部５を形成する導電性材料について、ＡｕＺｎ合金に代えてＡｕＢｅ合金を用いたＡｕＢｅオーミックコンタクト接合部とした。

上記の通りに作製されたＬＥＤエピタキシャルウエハをＳｉ基板と貼り合わせて作製したウエハを、上記した方法と同様に切断して半導体発光素子とし、ＴＯ-１８ステム上にマウントしてＬＥＤを作製した。

このようにして製作されたＬＥＤの初期特性を評価した結果、２０ｍＡ通電時（評価時）の順方向電圧は２．０Ｖよりも低い１．９２Ｖを達成することができた。しかし発光出力は３．９ｍＷとなり、発光出力を維持することができなかった。

また、室温（約２５℃）の環境下で、信頼性試験として電流値５０ｍＡで１６８ＨＲ（一週間）の通電試験を実施したところ、発光出力が初期値の約８０％にまで低下した。つまり相対出力（相対出力＝通電後発光出力／初期発光出力×１００）が、約８０％になってしまった。ちなみに、オーミックコンタクト接合部５をＡｕＺｎ合金で形成したＬＥＤの同条件での信頼性試験結果では、約９２％であった。

図３は、本発明の実施例１にかかるＬＥＤエピタキシャルウエハの断面図である。このＬＥＤエピタキシャルウエハ３０は、ダイシング装置を用いて３００μｍ角サイズのＬＥＤベアチップに切断することにより、例えば、発光波長が約６３０ｎｍの赤色半導体発光素子となる。図３に示すＬＥＤエピタキシャルウエハ３０は、上記した比較例で説明したＬＥＤエピタキシャルウエハ３０の構成を一部変更したものである。

実施例１では、オーミックコンタクト接合部を形成する導電性材料について、ＡｕＺｎ合金に代えてＡｕＢｅ合金を用いたＡｕＢｅオーミックコンタクト接合部５Ａとした。また、ＧａＰ層６Ａの厚さを２５０ｎｍと厚くして、ＧａＰ層６Ｂの厚さは５０ｎｍと同じにした。

つまり、ＧａＰ層６ＡとＧａＰ層６Ｂをあわせて厚さを厚くして、発光部（ｐ型クラッド層，活性層，ｎ型クラッド層）とＡｕＢｅオーミックコンタクト接合部５Ａの距離を大にしたことが比較例と相違している。

上記の通りに作製されたＬＥＤエピタキシャルウエハ３０を、先に説明した方法と同じ方法で切断して半導体発光素子とし、この半導体発光素子を用いてＬＥＤを作製した。このようにして製作されたＬＥＤの初期特性を評価した結果、２０ｍＡ通電時（評価時）の順方向電圧は２．０Ｖよりも非常に低い１．９３Ｖを達成することができた。また、発光出力も５．３ｍＷと、発光出力も向上した。また、信頼性も相対出力９１％を達成した。つまり、低順方向電圧化に成功し、高輝度化を果たし、さらに信頼性が良いものが得られた。

図４は、本発明の実施例２にかかるＬＥＤエピタキシャルウエハの断面図である。このＬＥＤエピタキシャルウエハ３０は、ダイシング装置を用いて３００μｍ角サイズのＬＥＤベアチップに切断することにより、例えば、発光波長が約６３０ｎｍの赤色半導体発光素子となる。図４に示すＬＥＤエピタキシャルウエハ３０は、上記した実施例１で説明したＬＥＤエピタキシャルウエハ３０の構成を一部変更したものである。

実施例２では、オーミックコンタクト接合部５の材料をＡｕＢｅとし、かつＧａＰ層６Ａの厚さを１００ｎｍと薄くして、逆にＧａＰ層６Ｂの厚さを１００ｎｍと厚くして、更にＧａＰ層６ＡとＧａＰ層６Ｂとの間に、積極的に添加物を含まない第３の層として、厚さ１００ｎｍのアンドープ層６Ｃを設けており、ＧａＰ層６Ａ、アンドープＧａＰ層６Ｃ、およびＧａＰ層６Ｂを合わせた厚さが３００ｎｍになるようにした構成を有している。

上記の通りに作製されたＬＥＤエピタキシャルウエハ３０を、先に説明した方法と同じ方法で切断して半導体発光素子とし、この半導体発光素子を用いてＬＥＤを作製した。このようにして製作されたＬＥＤの初期特性を評価した結果、２０ｍＡ通電時（評価時）の順方向電圧は２．０Ｖよりも非常に低い１．９４Ｖを達成することができた。また、発光出力も５．６４ｍＷと、発光出力が大幅に向上し、更に、信頼性である相対出力に関しても９６．８％と更に向上させることに成功した。発光出力の向上は、順方向電圧が低くなったことで熱の発生が抑えられた効果によるものと考えられる。

図５は、実施例２にかかる他のＬＥＤエピタキシャルウエハの断面図である。このＬＥＤエピタキシャルウエハ３０は、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰウィンドウ層１１の表面に光取り出し性を高めるための凹凸部１１Ａを設けたものである。このＬＥＤエピタキシャルウエハ３０を先に説明した方法と同じ方法で切断して半導体発光素子１００を作製し、この半導体発光素子１００を用いたＬＥＤについて初期特性を評価した。その結果、順方向電圧は１．９８Ｖであり、発光出力も８．２７ｍＷと非常に高い発光出力が得られた。

実施例３では、ＬＥＤエピタキシャルウエハ３０のオーミックコンククト接合部５をＡｕＢｅ系材料からなる構成とした。実施例３においては、ＡｕＢｅ系材料として遷移金属であるＴｉやＮｉを加えたＴｉ／ＡｕＢｅ、ＡｕＢｅ／Ｔｉ／ＡｕＢｅ、ＡｕＢｅ／Ｔｉ、Ｎｉ／ＡｕＢｅを用いた。これらのＡｕＢｅ系材料オーミックコンククト接合部５を有する４種類のウエハを製作した。

上記の通りに作製されたＬＥＤエピタキシャルウエハ３０を、先に説明した方法と同じ方法で切断して半導体発光素子とし、この半導体発光素子を用いてＬＥＤを作製した。このようにして製作されたＬＥＤの初期特性および信頼性を評価したところ、４種類ともに実施例２と同等の特性が得られた。

このように、ＡｕＢｅに更に遷移金属を加えることで、相対出力、信頼性が向上する傾向が見られ、順方向電圧は上昇する傾向が見られるが、全て半導体発光素子としては十分な特性を有している。また、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰウィンドウ層１１の表面に凹凸部１１Ａを設けて凹凸化した場合でも、上記実施例と同様の特性が得られることを確認した。

上記した半導体発光素子の最適化条件についての根拠について、以下に説明する。

ＧａＰ層６をＭｇドープのＧａＰ層６ＡとＺｎドープＧａＰ層６Ｂとに分けたのは、Ｚｎドープの方がキャリア濃度を高くできることによる。したがって、オーミックコンタクト接合部５との接触抵抗を低くでき、順方向電圧を低くできる。

ＧａＰ層６について、ＧａＰ層６ＡとＧａＰ層６Ｂの厚さを合わせて３００ｎｍ以上にしたのは、発光層にオーミックコンタクト接合部５の材料が拡散しないようにするためである。よってＧａＰ層９の厚さは厚いほど良くなる。しかしあまり厚くしすぎるとコスト面でデメリットとなる。

また、ＧａＰ層６は、格子不整合層であるので、ＧａＰ層６が厚くなると、活性層に応力を加える力が増す。これによって逆に信頼性が悪化する。よってＧａＰ層６には望ましい厚さがある。具体的には３００〜３０００ｎｍであり、より好ましくは３００〜２０００ｎｍである。

ＧａＰ層６の厚さを厚くする際に、ＭｇドープのＧａＰ層６Ａを厚くしてＺｎドープのＧａＰ層６Ｂの厚さは変えなかった。これはＭｇよりもＺｎの方が拡散しやすいためである。しかしＺｎドープＧａＰ層６Ｂの厚さは薄すぎてもＺｎドープの効果が薄れてしまう。よってＺｎドープＧａＰ層６Ｂの厚さには最適値があり、３０〜１００ｎｍ程度が良く、より望ましいのは５０〜１００ｎｍである。

ＭｇドープＧａＰ層６ＡとＺｎドープＧａＰ層６Ｂが隣り合っていると、相互拡散が起こってしまう。よってＭｇドープＧａＰ層６ＡとＺｎドープＧａＰ層６Ｂの間にアンドープＧａＰ層６Ｃを設けることが望ましい。またアンドープＧａＰ層６Ｃを設けることで、Ｚｎの拡散抑制効果を得ることができる。よって一番望ましい層構成は、オーミックコンタクト接合部５／ＺｎドープＧａＰ層６Ｂ／アンドープＧａＰ層６Ｃ／ＭｇドープＧａＰ層６Ａであり、ＭｇドープＧａＰ層６Ａ＋アンドープＧａＰ層６Ｃ＋ＺｎドープＧａＰ層６Ｂの厚さが３００ｎｍ以上である。

また、ＧａＰ層の代わりに発光波長に対して透明なＡｌＧａＡｓ層やＡｌＧａＩｎＰ層を用いることもできる。この場合にはｐ型ＧａＩｎＰ層介在層７を設けない構成としてもよい。ＡｌＧａＡｓとＡｌＧａＩｎＰは格子整合層であるので、応力による劣化は少なくなるが、Ａｌ組成が高くなるのでドーパントの拡散性が大になる。よってＧａＰ層と同じ構成とすることが望ましい。

図６は、オーミックコンタクト接合部を構成する導電性材料のＬＥＤエピタキシャルウエハにおける拡散性を示す図である。ここでは、比較例に用いたＡｕＺｎのＺｎと、実施例に用いたＡｕＢｅのＢｅの拡散性について、二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）による分析を行ったところ、発光部とオーミックコンタクト接合部とが３００ｎｍ以上離れて設けられることで、導電性材料の拡散が及ばない構成が得られることを確認した。

ｐ型クラッド層の厚さを厚くすることで、ある程度信頼性を向上させることができる。しかし、ｐ型クラッド層はＡｌＧａＩｎＰ層であることから、ＧａＰ層６と比べて成長速度を大にできず成長時間を要する。そのためにコストが高くなる。またＩｎ原料が高価であることからもコストアップ要因となる。よってｐ型クラッド層を厚くして信頼性の向上を図ることは得策ではなく、ｐ型クラッド層の厚さを厚くするとしても２０００ｎｍまでが望ましい。

ＧａＡｓコンタクト層１２は、あまり薄すぎるとコンタクト層としての本来の機能が不十分になる。また逆に厚すぎると、電流が流れにくくなって直列抵抗が高くなり、順方向電圧が高くなる。よって好ましい厚さは５〜２００ｎｍであり、より好ましくは１０〜１００ｎｍである。

ｐ型ＧａＩｎＰ介在層７は、その組成がＧａ_ｘＩｎ_１‐ｘＰ（但し、０．６≦ｘ）であることについて、０．６より小であると６３０ｎｍの波長で発光した光を吸収してしまう。このため、発光波長が変わった場合は変化する。つまり所望の発光ピーク波長が５９５ｎｍ等、短波長側になった場合には、ｐ型ＧａＩｎＰ介在層７のＧａ_ｘＩｎ_１‐ｘＰ（但し、０．６≦ｘ）のｘは０．６より大きくすることが望ましい。

発光部の一部を構成するアンドープ多重量子井戸活性層９は、その多重量子井戸層が２０層〜１６０層、つまり１０〜８０ペアにするのが好ましい。ペア数が少な過ぎると電子およ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する。また、ペア数が多過ぎるとアンドープ多重量子井戸活性層９での光吸収による発光出力の低下が多くなる。よって好ましいペア数は１０〜８０ペアであり、より好ましくは２０〜６０ペアである。また、アンドープ多重量子井戸活性層９が単一層である場合も、上記したような理由により、２０〜２００ｎｍの厚さにすることが好ましい。

なお、上記した実施例においては、アンドープ多重量子井戸活性層９とｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層１０およびｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層８の間に、積極的に添加物を入れない、いわゆるアンドープ層、若しくは低濃度層を設けていないが、ドーパントが活性層へ拡散することを防ぐものとしてアンドープ多重量子井戸活性層９よりもバンドギャップエネルギーが大でＡｌ組成が高いアンドープ層、若しくは低濃度層を設けてもよい。

また、このアンドープ層若しくは低濃度層は多層構造を有していてもよい。この場合、多層構造のアンドープ層は、（Ａｌ_ＸＧａ_１−Ｘ）Ｉｎ_ＹＰ_１−Ｙ（０．３≦Ｘ≦１，０．４≦Ｙ≦０．６）からなることが望ましい。

また、上記した実施例では、酸化物層としてＳｉＯ_２膜を形成した構成を説明したが、ＳｉＯ_２膜が無い構成としてもよい。あるいは、酸化物層に代えてＳｉＮ膜を設けてもよい。

また、上記した実施例では、発光波長６３０ｎｍの赤色ＬＥＤ素子について説明したが、同じＡｌＧａＩｎＰ系の材料を用いて製作される他の半導体発光素子、例えば、発光波長５６０ｎｍ〜６６０ｎｍの半導体発光素子に適用することもできる。従って、実施例と異なる波長帯域の他の半導体発光素子で同様な効果が得られる。

また、上記した実施例における半導体発光素子の第１電極１３の形状についても、他の異形状であってもよい。例えば、四角形、菱形、多角形等の電極形状でも同様な効果が得られる。

また、上記した実施例においては、支持基板にＳｉを用いた構成を説明したが、他の支持基板としてＧｅやＧａＡｓを用いたものであってもよく、Ｃｕ，ＭＯ，Ｗ，ＣｕＷ等の金属基板を支持基板に用いたものであってもよい。

また、上記した実施例においては、活性層を多重量子井戸構造（ＭＱＷ）としたが、アンドープのバルク層（単層）や歪み多重量子井戸としたものであってもよい。

また、上記した実施例においては、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰウィンドウ層１１を凹凸化した構造に対しては、詳しく述べていない。しかし光取り出し主面を凹凸化しても光取り出し性を向上させることができる。

また、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰウィンドウ層１１については、単一の層構成を有するものについて説明したが、例えば、ＡｌＧａＩｎＰ層とＡｌＧａＡｓ層といった異なる材料かたなる複数の層、又はＡｌＧａＩｎＰでもキャリア濃度の異なる複数の層で構成されてもよく、ＡｌＧａＩｎＰ系材料は（Ａｌ_ＸＧａ_１−Ｘ）Ｉｎ_ＹＰ_１−Ｙ（０．３≦Ｘ≦１，０．４≦Ｙ≦０．６）からなることが望ましい。

図１は、本発明の実施の形態に係る半導体発光素子を示し、（ａ）は半導体発光素子の平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ部において切断した断面図である。 図２Ａ（ａ）および（ｂ）は、本発明の実施の形態に係る半導体発光素子の製造方法を示す工程図である。 図２Ｂ（ｃ）および（ｄ）は、本発明の実施の形態に係る半導体発光素子の製造方法を示す工程図である。 図２Ｃ（ｅ）および（ｆ）は、本発明の実施の形態に係る半導体発光素子の製造方法を示す工程図である。 図２Ｄ（ｇ）は、本発明の実施の形態に係る半導体発光素子の製造方法を示す工程図である。 図２Ｅ（ｈ）および（ｉ）は、本発明の実施の形態に係る半導体発光素子の製造方法を示す工程図である。 図２Ｆ（ｊ）および（ｋ）は、本発明の実施の形態に係る半導体発光素子の製造方法を示す工程図である。 図３は、本発明の実施例１にかかるＬＥＤエピタキシャルウエハの断面図である。 図４は、本発明の実施例２にかかるＬＥＤエピタキシャルウエハの断面図である。 図５は、本発明の実施例２にかかる他のＬＥＤエピタキシャルウエハの断面図である。 図６は、オーミックコンタクト接合部を構成する導電性材料のＬＥＤエピタキシャルウエハにおける拡散性を示す図である。

符号の説明

１…Ｓｉ基板、２…金属密着層、３…反射金属層、４…ＳｉＯ_２膜、４Ａ…開口部、５…オーミックコンタクト接合部、５Ａ…ＡｕＢｅオーミックコンタクト接合部、６，６Ａ，６Ｂ…ＧａＰ層、６Ｃ…アンドープＧａＰ層、７…ｐ型ＧａＩｎＰ介在層、８…ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層、９…アンドープ多重量子井戸活性層、１０…ｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層、１１…ｎ型ＡｌＧａＩｎＰウィンドウ層、１１Ａ…凹凸部、１２…ｎ型ＧａＡｓコンタクト層、１３…第１電極、１４…第２電極、２０…ｎ型ＧａＡｓ基板、２１…アンドープＡｌＧａＩｎＰエッチングストップ層、３０…ＬＥＤエピタキシャルウエハ、１００…半導体発光素子

Claims (16)

1. 発光部を含み、表面に第１電極を有するエピタキシャル層と、
   前記エピタキシャル層と接するように設けられるオーミックコンタクト接合部と、
   前記オーミックコンタクト接合部と接するように設けられて前記発光部から発せられる光に対して不透明であり、かつ前記光を反射する反射金属層と、
   前記反射金属層と金属密着層を介して一方の面が接合され、他方の面に第２電極を有する支持基板と、
   を備え、
   前記オーミックコンタクト接合部は、Ｂｅを含むとともに前記発光部と３００ｎｍ以上離れて形成されていることを特徴とする半導体発光素子。
2. 前記エピタキシャル層は、前記オーミックコンタクト接合部と接するように設けられる第２導電型半導体層としてのＧａＰ層を含むことを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
3. 前記発光部は、活性層と、Ｓｅ，Ｓｉ，およびＴｅのいずれかを含む第１導電型半導体層と、ＭｇまたはＺｎを含む第２導電型半導体層とを含むことを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
4. 前記第２導電型半導体層は、Ｍｇを添加された第１の層と、Ｚｎを添加された第２の層とを積層して形成されることを特徴とする請求項２に記載の半導体発光素子。
5. 前記第２導電型半導体層は、Ｍｇを添加された第１の層と、Ｚｎを添加された第２の層と、前記第１の層および前記第２の層との間に設けられてドーパントを積極的に含まない第３の層とを含み、前記第２の層が前記オーミックコンタクト接合部と接して設けられることを特徴とする請求項２に記載の半導体発光素子。
6. 前記第２導電型半導体層は、前記ドーパントを積極的に含まない第３の層の厚さが５０〜１００ｎｍであることを特徴とする請求項５に記載の半導体発光素子。
7. 前記第１電極は、前記エピタキシャル層との間に前記発光部を構成する活性層よりバンドギャップエネルギーが小なる層を介して設けられる請求項１に記載の半導体発光素子。
8. 前記バンドギャップエネルギーが小なる層は、その厚さが５〜２００ｎｍである請求項７に記載の半導体発光素子。
9. 前記オーミックコンタクト接合部は、前記発光部を構成する第２導電型半導体層との間にＧａ_ｘＩｎ_１‐ｘＰ（０．６≦ｘ）からなる介在層を介して設けられることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
10. 前記発光部は、前記活性層と前記第１導電型半導体層あるいは前記第２導電型半導体層との間、又は前記活性層と前記第１導電型半導体層および前記第２導電型半導体層との間にアンドープ層を含むことを特徴とする請求項３に記載の半導体発光素子。
11. 前記活性層は、多重量子井戸構造で構成されて層数が１０〜８０ペアで形成されていることを特徴とする請求項３に記載の半導体発光素子。
12. 前記エピタキシャル層は、前記発光部より上部に設けられる層が前記発光部から発せられる光に対して透明な複数の層によって構成されている特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
13. 前記オーミックコンタクト接合部は、前記第２導電型半導体層と前記反射金属層との間に設けられる酸化物層に埋設され、前記酸化物層は、前記発光部から発せられる光の波長と前記酸化物層の屈折率から定まる厚さに対して±３０％の範囲の厚さを有して設けられることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
14. 前記支持基板は、Ｓｉ，ＧａＡｓ，あるいはＧｅのいずれかからなることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
15. 前記支持基板は、Ｃｕ，ＭＯ，Ｗ，あるいはＧｅ等の金属、またはＣｕＷ等の合金からなることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
16. 前記オーミックコンタクト接合部は、ＢｅおよびＴｉ，Ｎｉ等の遷移金属からなり、前記発光部と３００ｎｍ以上離れて形成されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。

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