JP2009021416A - 半導体発光素子 - Google Patents

Abstract

【課題】光取り出し効率を高めつつ信頼性が改善された半導体発光素子を提供する。
【解決手段】活性層と、前記活性層の上に設けられた電極と、前記活性層と前記電極との間に設けられ、ｎ型導電型を有し、前記活性層のバンドギャップエネルギーよりも大きいバンドギャップエネルギーを有し、電極から注入された電子を前記活性層の面内に広げる電流拡散層と、前記電流拡散層の上に設けられ、前記活性層のバンドギャップエネルギーよりも大きいバンドギャップエネルギーを有し、表面に複数の凹凸構造が形成された領域を有する表面加工層と、を備え、前記形成領域の上には前記電極が設けられず、前記表面加工層のフェルミ準位に対する伝導帯端エネルギーは、前記電流拡散層の伝導帯端エネルギーよりも高いことを特徴とする半導体発光素子が提供される。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体発光素子に関する。

赤色〜青色及び白色の光源として半導体発光素子の用途が拡大しており、これとともに高い光取り出し効率及び高信頼性がますます要求されるようになっている。

高に光取り出し効率を得るために、発光素子チップの光取り出し面に凹凸を設け、粗面化する構造が有効である。粗面化により、発光素子内部からの放射光がチップ表面と外部との界面において全反射するのを抑制し、チップ外部への光取り出し効率を改善できる。

表面にナノメートルサイズの凹凸構造を設けた半導体発光装置の技術開示例がある（特許文献１）。この技術開示例では、屈折率勾配構造をなすメサ部、回折格子構造をなす円柱部、屈折率勾配構造をなす円錐部を有するナノメートルサイズの凸構造を設け、発光効率特性改善している。
しかしながら、表面に凹凸を形成するプロセスは加工ダメージを生じやすい。発光素子の内部の横方向に電流を拡散しより広い面積において発光させようとする場合、ダメージを生じた領域まで電流が拡散され、輝度低下を生じる問題がある。
なお、非特許文献１には、ＩｎＧａＡｌＰとＧａＡｓとを比較したバンド不連続について開示されている。また、非特許文献２には、ＧａＡｌＡｓとＧａＡｓとを比較したバンド不連続について説明されている。
特開２００６−１０８６３５号公報 M.O.Watanabe et.al,Appl.Phys.Lett.50(1987)906. J.Batey et.al,J.Appl.Phys.59(1986)200.

光取り出し効率を高めつつ信頼性が改善された半導体発光素子を提供する。

本発明の一態様によれば、活性層と、前記活性層の上に設けられた電極と、前記活性層と前記電極との間に設けられ、ｎ型導電型を有し、前記活性層のバンドギャップエネルギーよりも大きいバンドギャップエネルギーを有し、電極から注入された電子を前記活性層の面内に広げる電流拡散層と、前記電流拡散層の上に設けられ、前記活性層のバンドギャップエネルギーよりも大きいバンドギャップエネルギーを有し、表面に複数の凹凸構造が形成された領域を有する表面加工層と、を備え、前記形成領域の上には前記電極が設けられず、前記表面加工層のフェルミ準位に対する伝導帯端エネルギーは、前記電流拡散層の伝導帯端エネルギーよりも高いことを特徴とする半導体発光素子が提供される。

また、本発明の他の一態様によれば、活性層と、前記活性層の上に設けられた電極と、前記活性層と前記電極との間に設けられ、ｐ型導電型を有し、前記活性層のバンドギャップエネルギーよりも大きいバンドギャップエネルギーを有し、電極から注入された正孔を前記活性層の面内に広げる電流拡散層と、前記電流拡散層の上に設けられ、前記活性層のバンドギャップエネルギーよりも大きいバンドギャップエネルギーを有し、表面に複数の凹凸構造が形成された領域を有する表面加工層と、を備え、前記形成領域の上には前記電極が設けられず、前記表面加工層のフェルミ準位に対する価電子帯端エネルギーは、前記電流拡散層の価電子帯端エネルギーよりも高いことを特徴とする半導体発光素子が提供される。

光取り出し効率を高めつつ信頼性が改善された半導体発光素子が提供される。

以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。
図１は本発明の第1の実施形態にかかる半導体発光素子の模式断面図である。
ｐ型ＧａＡｓなどの基板１０上にｐ型ＩｎＧａＰからなる通電容易層１２、ｐ型Ｉｎ_０．５Ａｌ_０．５Ｐ／ＩｎＧａＡｌＰからなる反射層１４、ｐ型Ｉｎ_０．５Ａｌ_０．５Ｐからなるクラッド層１６、ｐ型ＩｎＧａＡｌＰの量子井戸からなる活性層１８、ｎ型Ｉｎ_０．５Ａｌ_０．５Ｐからなるクラッド層２０、ｎ型Ｉｎ_０．５（Ｇａ_０．７Ａｌ_０．３）_０．５Ｐからなる電流拡散層２２、並びにｎ型Ｉｎ_０．５（Ｇａ_０．３Ａｌ_０．７）_０．５Ｐからなる表面加工層２４がこの順序で積層されている。この結晶成長には、例えばＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法やＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy)法を用いることができる。

ＩｎＧａＡｌＰ系材料の格子定数がＧａＡｓと大きく異なるとミスフィット転位などが発生し結晶性の低下を生じるので、ＧａＡｓ基板に対するＩｎＧａＡｌＰの格子定数のずれをプラスマイナス０．２％以内に制御することが好ましく、この場合のＩｎ組成比が略０．５である。そこで、本明細書において、例えばＩｎＧａＡｌＰ（ｘ＝０．３）のようにＡｌ組成比ｘを記載したものは、Ｉｎ組成比が０．５であり、Ｉｎ_０．５（Ｇａ_０．７Ａｌ_０．３）_０．５Ｐの組成を表すものとする。また、括弧内は、例えば０．４４＜ｘ≦１のように組成比ｘの範囲を表す場合も含むものとする。但し、ＩｎＧａＡｌＰ系材料のＩｎ組成比は０．５に限定されない。

ｎ側電極３０の下方以外の表面加工層２４には、微細なメサ凹凸構造２４ａが形成される。表面加工層２４が設けられない部分には、ｎ型ＧａＡｓからなるコンタクト層２８が選択成長され、その上にｎ側電極３０、基板１０の裏面にはｐ側電極３２が形成される。なお、メサ凹凸構造とは、メサ形状や円錐形状などの凹凸を含むものとする。

半導体発光素子のｎ側電極３０側を光取り出し面とすると、光取り出し面の表面は透光性樹脂で覆われ封止されることが多い。例えば、半導体層の屈折率を３．３とし、透光性樹脂の屈折率を１．５とするとスネルの法則により臨界角は約２７度となり、表面加工層が無い場合、これより大きな入射角において全反射を生じる。一方、表面加工層２４の表面にメサ凹凸構造２４ａを形成すると、半導体層から透光性樹脂側に向かって屈折率に勾配を持たせることができ、表面加工層２４と透光性樹脂との界面における全反射を低減でき、光取り出し効率を高めることができる。よって、本実施形態のメサ凹凸構造２４ａにより光取り出し効率を約１．５倍と高めることができる。

ここで、図１の積層構造について説明する。
通電容易層１２は、例えばキャリア濃度が１×１０^１８ｃｍ^−３以上、厚みが０．０１から０．１μｍのＩｎＧａＰであり、ＧａＡｓとＩｎＧａＡｌＰとの価電子帯ヘテロ障壁における電圧降下を抑制する作用を有する。ＧａＡｓとＩｎＧａＡｌＰとの界面では価電子帯ヘテロ障壁が大きく、かつ正孔の有効質量が電子と比べて大きいために、通電容易層１２を設けないと電圧降下による動作電圧の上昇が避けられない。

活性層１８においては、発光波長が略６２０ｎｍ（バンドギャップエネルギーが２．０ｅＶに相当）となるように量子井戸を構成するバリア層及び井戸層のＡｌ組成が調整されている。なお、反射層１４はＩｎ_０．５Ａｌ_０．５ＰとＩｎＧａＡｌＰとの多層構造からなり、活性層１８からの略６２０ｎｍの波長の光を上方に向かって反射する。

電流拡散層２２は抵抗率を十分に低くし、ｎ側電極３０から注入された電子を素子の面内に広げる。このためキャリア濃度を、例えば１×１０^１８ｃｍ^−３とする。さらに、電流拡散層２２のバンドギャップエネルギーを活性層１８のバンドギャップエネルギー（２．０ｅＶ）よりも大きくし、活性層１８からの光の吸収を抑制する。例えば電流拡散層２２をＩｎＧａＡｌＰ（ｘ＝０．３）とするとバンドギャップエネルギーを２．０９ｅＶとできる。

図２はバンド構造図であり、縦軸はエネルギーを、横軸は図１の素子の中心軸であるＺ軸と平行方向の相対位置を表す。図２（ａ）はＺ軸に沿ったエネルギーを表し、図２（ｂ）はＺ軸と平行なＡ−Ａ線に沿ったエネルギーを表す。
図２（ａ）において、表面加工層２４の伝導帯端エネルギーを電流拡散層２２の伝導帯端エネルギーよりも大きくし障壁を形成すると、電流拡散層２２に流れ込んだ電子が表面加工層２４へ拡散することを抑制できる。他方、図２（ｂ）は電流拡散層２２がコンタクト層２８と直接接触している場合であり、ｎ側電極３０から注入された電子は伝導帯においてコンタクト層２８を介して電流拡散層２２に流れ込み、電子に対する障壁が存在しない。

次に、電流拡散層２２と表面加工層２４との間のバンド端エネルギーの関係についてより詳細に説明する。異なる半導体材料の間において、フェルミ準位に対する伝導帯端エネルギーの位置を比較するためには、それぞれの材料のＧａＡｓに対するバンド不連続を参考にすることができる。フェルミ準位はキャリア濃度により変化し、ｎ型半導体ではキャリア濃度が高いほど伝導帯端に近づく。表面加工層２４と電流拡散層２２とのキャリア濃度を略同一とすると、伝導帯端の位置をフェルミ準位から比較した場合とＧａＡｓの伝導帯端から比較した場合とで、表面加工層２４と電流拡散層２２との伝導帯端のエネルギー差は略同一となり、バンド端エネルギーの関係を容易に説明できる。

図３は、ＧａＡｓと比較したバンド不連続の組成依存性を表すグラフ図である。図３（ａ）において縦軸はＩｎＧａＡｌＰとＧａＡｓとを比較した伝導帯のバンド不連続ΔＥｃ（ｅＶ）、価電子帯のバンド不連続ΔＥｖ（ｅＶ）であり、横軸はＡｌ組成ｘである（非特許文献１）。例えばＩｎＧａＡｌＰ（ｘ＝０．７）とＧａＡｓとの伝導帯不連続ΔＥｃは０．３８ｅＶであり、ＩｎＧａＡｌＰ（ｘ＝０．３）とＧａＡｓとのΔＥｃは０．２７ｅＶであり、ＩｎＧａＡｌＰ（ｘ＝０．７）の伝導帯端エネルギーがＩｎＧａＡｌＰ（ｘ＝０．３）よりも０．１１ｅＶ大きい。本実施形態における表面加工層２４及び電流拡散層２２の組成は、例えば上記のように設定され、キャリア濃度は共に１×１０^１８ｃｍ^−３と設定されており、ＧａＡｓの伝導帯端からのエネルギー差は、フェルミ準位からのエネルギー差と略同一となる。

また、電流拡散層２２としてＩｎＧａＡｌＰ（ｘ＝０．３）を用いた場合、表面加工層２４としてＩｎＧａＡｌＰ（０．３＜ｘ≦１）とすると、表面加工層２４の伝導帯端エネルギーを電流拡散層２２よりも高くできることが図３（ａ）より明らかである。本発明者らは、伝導帯端エネルギー差を０．０４ｅＶ以上とすると電流拡散層２２に流れ込んだ電子が表面加工層２４へ拡散するのを抑制できることを見出した。これにより、０．４４≦ｘ≦１がより好ましい範囲であることがわかる。また、表面加工層２４としてＩｎ_０．５Ａｌ_０．５Ｐとすると、表面加工層２４の伝導帯端エネルギーは、電流加工層２２よりも０．０４ｅＶ高くできる。

さらに、表面加工層２４として、ＩｎＧａＡｌＰの他にＧａＡｌＡｓ系材料を用いることができる。図３（ｂ）において縦軸はＧａ_１−ｘＡｌ_ｘＡｓとＧａＡｓとを比較したバンド不連続ΔＥｃ（ｅＶ）、ΔＥｖ（ｅＶ）であり、横軸はＡｌ組成比ｘである（非特許文献２）。電流拡散層２２としてＩｎＧａＡｌＰ（ｘ＝０．３）を用いた場合、ＧａＡｓに対する伝導帯バンド不連続が０．２７ｅＶよりも大きく、活性層１８のバンドギャップよりも大きいバンドギャップエネルギーを持つ材料として、Ｇａ_１−ｘＡｌ_ｘＡｓ（０．５≦ｘ≦０．６５）を用いることができる。電流拡散層２２へ流れ込んだ電子の表面加工層２４への拡散を抑制するには、伝導帯端のエネルギー差が少なくとも０．０４ｅＶ以上であることが好ましいので、ｘが０．５近傍であることがより好ましい。このように、電流拡散層２２の組成に応じて、図３を用いて表面加工層２４の適正な組成を決めることができる。

本実施形態では、Ｉｎ_０．５（Ｇａ_０．３Ａｌ_０．７）_０．５Ｐからなる表面加工層２４がｎ型の場合を示したが、表面加工層２４が電極３０と電流拡散層２２との間に形成されていない場合にはｐ型であっても良い。ｐ型の Ｉｎ_０．５（Ｇａ_０．３Ａｌ_０．７）_０．５Ｐを用いた場合には、フェルミ準位が価電子帯側に近づくので、表面加工層２４と電流拡散層２２の間の伝導帯バンド不連続は相対的に大きくなり、表面加工層２４への電流の拡散をより効果的に抑えることが可能となる。しかし、ｐ型のドーパントが表面加工層２４から電流拡散層２２へ拡散すると特性の劣化を引き起こすことと、ｎ/ｐ界面において形成される空乏層の厚さを電流拡散層２２においてなるべく小さくするため、ドーピング濃度は低めに設定する必要がある。例えば、５×１０^１６ｃｍ^−３ 程度とすることが好ましい。

以上のような電流拡散層２２よりも高い伝導帯端エネルギーを有し、かつメサ凹凸構造２４ａを有する表面加工層２４の作用及び効果について比較例を用いて説明する。
図４は、電流拡散層の表面に凹凸が形成された比較例にかかる半導体発光素子の模式断面図である。ｐ型ＧａＡｓからなる基板１１０、ｐ型Ｉｎ_０．５Ａｌ_０．５Ｐ／ＩｎＧａＡｌＰからなる反射層１１４、ｐ型Ｉｎ_０．５Ａｌ_０．５Ｐからなるクラッド層１１６、ｐ型ＩｎＧａＡｌＰ量子井戸構造からなる活性層１１８、ｎ型Ｉｎ_０．５Ａｌ_０．５Ｐからなるクラッド層１２０、ｎ型ＩｎＧａＡｌＰ（ｘ＝０．３）からなる電流拡散層１２２、ｎ型ＧａＡｓからなるコンタクト層１２８がこの順序で積層されている。また、コンタクト層１２８上にはｎ側電極１３０、基板１１０の裏面にはｐ側電極１３２、がそれぞれ設けられている。

比較例の半導体発光素子を１６８時間程度の高温通電を行うと輝度低下を生じ、例えば初期の８０％以下の輝度となることもある。本発明者らは、この劣化が表面のメサ凹凸構造１２２ａの加工ダメージによることを見出した。すなわち、電流拡散層１２２の表面は加工ダメージを受けバンドギャップ中に深い準位が形成される。電流拡散層を流れる電流により深い準位の密度が大幅に増大し、活性層から発光した光を吸収し輝度低下を生じる。また、ＩｎＧａＡｌＮなどに比べてＩｎＧａＡｌＰは加工ダメージを受けやすく、通電による輝度低下が著しいことも明らかとなった。

これに対して第１の実施形態では、加工ダメージを受けやすい表面加工層２４の伝導帯端エネルギーは電流拡散層２２の伝導帯端エネルギーよりも高いので電子が注入されにくく、深い準位の密度の増大が抑制される。このために、光取り出し効率を高めつつ通電に伴う輝度低下が抑制され、例えば１０００時間以上に亘り輝度が安定に保てる。

図５は、第２の実施形態にかかる半導体発光素子の模式断面図である。
基板１０、通電容易層１２、反射層１４、クラッド層１６、活性層１８、クラッド層２０までは第１の実施形態と略同一の組成とする。電流拡散層２２はｎ型Ｇａ_０．２Ａｌ_０．８Ａｓとからなり、中間層２３はｎ型Ｇａ_０．５Ａｌ_０．５Ａｓからなり、表面加工層２４はｎ型ＩｎＧａＡｌＰ（ｘ＝０．７）からなるものとする。表面加工層２４の上にＧａＡｓからなるコンタクト層２８及びｎ側電極３０が設けられている。
電流拡散層２２のバンドギャップを発光波長に対応するバンドギャップ（２．０ｅＶ）よりも大きくし、かつキャリア濃度を１×１０^１８ｃｍ^−３とする。この電流拡散層２２のＡｌ組成比ｘは０．８と高く、非常に酸化されやすく、表面近くに存在すると劣化を生じやすい。電流拡散層２２のＡｌ組成比（０．８）よりもＡｌ組成比が低い（例えば０．５）中間層２３を表面加工層２４と電流拡散層２２との間に設けると、酸化を抑制でき好ましい。

本実施形態の場合、表面加工層２４の材料は、中間層２３を基準として選定する。図３（ｂ）より中間層２３のｎ型Ｇａ_０．５Ａｌ_０．５ＡｓのＧａＡｓに対する伝導帯端エネルギー不連続は約０．３１ｅＶである。このため、表面加工層２４をＩｎＧａＡｌＰで構成する場合、図３（ａ）を用いてＡｌ組成比ｘを、０．４４＜ｘ≦１とすることが好ましい。また、伝導帯端エネルギー差を０．０４ｅＶ以上とできる０．５９≦ｘ≦０．８の範囲は、表面加工層２４へ流れ込む電流を抑制できるのでよりこの好ましい。

この様にして、表面加工層２４の材料としてｎ型ＩｎＧａＡｌＰ（ｘ＝０．７）とすると、フェルミ準位に対する伝導帯端エネルギーを、中間層２３のｎ型Ｇａ_０．５Ａｌ_０．５Ａｓの伝導帯端エネルギーよりも大きくできる。また、この組成の表面加工層２４のバンドギャップエネルギーは２．３２ｅＶであり、活性層１８のバンドギャップエネルギーである２．０ｅＶよりも大きいので、表面加工層２４における光吸収により輝度低下を生じることはない。なお、電流拡散層２２、中間層２３、並びに表面加工層２４のキャリア濃度は、例えばいずれも１×１０^１８ｃｍ^−３とする。

さらに、膜厚に関しては、例えば電流拡散層２２を２．５μｍ、中間層２３を５００ｎｍ、表面加工層２４を４００ｎｍとする。なお、表面加工層２４に凹凸構造を設けるには、３００ｎｍ以上の膜厚であることが好ましい。他方、膜厚の増加は発光素子の直列抵抗を高くし、動作電圧の増加を生じる。このために、直列抵抗の増加を抑制しつつ光取り出し効率を高めるには、表面加工層２４の膜厚を３００ｎｍ以上、６００ｎｍ以下の範囲とすることが好ましい。

第２の実施形態では、ｎ側電極３０と電流拡散層２２との間に、表面加工層２４が残りかつ中間層２３が設けられている点で、第１の実施形態と異なる。この場合には、表面加工層２４は、ｎ型とすることが必要である。表面加工層２４の抵抗率は中間層２３及び電流拡散層２２の抵抗率よりも高く、かつ厚みが４００ｎｍと薄く、ｎ側電極３０から注入された電子が横方向へ広がるのを抑制している。電子は、厚い電流拡散層２２などで横方向へ広げられ、加工ダメージを受けたメサ凹凸構造２４ａへ電流が流れることを抑制できる。

また、加工ダメージを受けやすい表面加工層２４の伝導帯端エネルギーは電流拡散層２２の伝導帯端エネルギーよりも高く、表面加工層２４の横方向への電流広がりが抑制され、深い準位の密度の増大が抑制される。このために、通電に伴う輝度低下が抑制され、例えば１０００時間以上に亘り輝度が安定に保てる。またＡｌ組成比の低い中間層２３により、Ａｌ組成比が高い電流拡散層２２の酸化が抑制される。

図６は第３の実施形態にかかる半導体発光素子の模式断面図である。
本実施形態は、Ｓｉからなる基板５２の上に形成されたＡｕ電極５０、５０ｂと、ＩｎＧａＡｌＰ材料に形成されたＡｕ電極４８、４８ｂとが接着された構造である。図６（ａ）はｎ側電極３０を含むチップの中央部近傍を表し、図６（ｂ）は中央部近傍を取り囲む外周部である。図６（ａ）の中央部近傍は、Ａｕ電極４８に隣接する部分にＳｉＯ_２層４６、ｐ型ＩｎＧａＡｌＰ（ｘ＝０．３）からなる電流拡散層４０、ｐ型Ｉｎ_０．５Ａｌ_０．５Ｐからなるクラッド層１６、ｐ型ＩｎＧａＡｌＰ量子井戸からなる活性層１８、ｎ型Ｉｎ_０．５Ａｌ_０．５Ｐクラッド層２０、ｎ型ＩｎＧａＡｌＰ（ｘ＝０．３）からなる電流拡散層２２、ｎ型ＩｎＧａＡｌＰ（ｘ＝０．７）からなる表面加工層２５、ｎ型ＧａＡｓからなるコンタクト層２８、ｎ側電極３０が設けられている。

また、図６（ｂ）の外周部は、ＳｉＯ_２層が除去され、電流拡散層４０ｂに隣接してｐ型Ｉｎ_０．５Ｇａ_０．５Ｐからなる通電容易層４２ｂ、ｐ型ＧａＡｓからなるコンタクト層４４ｂが設けられる。中央部のＳｉＯ_２層４６と、外周部のコンタクト層４４ｂにはＡｕ電極４８、４８ｂが被着され、外周部のＡｕ電極４８ｂはｐ側電極として作用する。ｐ側電極は外周部の離散した位置に多数配置され、素子面内においてより電流を広げることが容易になる。ｎ側電極３０の直下を含む下方にはＳｉＯ_２層４６が設けられるので、電流は外周部のｐ側電極を介してｎ側電極３０に流れる。なお、電流拡散層４０と４０ｂ、Ａｕ電極４８と４８ｂ、Ａｕ電極５０と５０ｂ、基板５２と５２ｂ、裏面電極５４と５４ｂ、はそれぞれ連続しており、「ｂ」は外周部を表す。

ｎ側電極３０の直下近傍にＳｉＯ_２層４６があるため、電流が下方へ流れない。これは、ｎ側電極３０の直下近傍の活性層１８で発光しても、光がｎ側電極３０に遮られて素子の外部に十分には取り出せず無効となるので、これを抑制するためである。さらに、ＳｉＯ_２層４６は活性層１８からの光を全反射し、ｎ側電極３０の下方に回り込んだ光を外部に取り出すことに寄与する。

ＳｉＯ_２層４６の面積を大きくすると、活性層１８からの光を裏面側で全反射させて光取り出し効率を高めることができる。しかし、外周部のｐ側電極の面積が小さくなりすぎるとコンタクト抵抗が増加し、動作電圧が増加する。このため、面積比を適正に設定し動作電圧の増加を抑制しつつ光取り出し効率を高める。基板５２を挟んでＡｕ電極５０、５０ｂと対向する側には、例えばＴｉ／Ｐｔ／Ａｕの積層構造からなる裏面電極５４、５４ｂが形成される。第１及び第２の実施形態においてはＧａＡｓからなる基板１０における光吸収によるロスを生じるのに対して、本実施形態ではＳｉＯ_２層４６による全反射により光吸収が低減され、ロスが低減され、高輝度を得ることが容易になる。

また、本実施形態における表面加工層２５の表面の凹凸構造はナノメートルサイズである。すなわち、ナノ凹凸構造２６は、ＲＩＥ（Reactive Ion Etching)加工によるナノメートルサイズのメサ部２６ｃ、円柱部２６ｂ、円錐部２６ａを有する。この構造によると屈折率勾配による光取り出し効率の改善に加え、回折による光取り出し効率の改善が可能となる。すなわち、図６（ｃ）のように、高さｈ、円柱の直径ｄ、間隔ｌは、発光波長に応じて適正に設定される。例えば波長が６１０〜６４０ｎｍの赤色光では、ｄとｌとを１００〜２００ｎｍの間でそれぞれ設定し、ｈを３００〜６００ｎｍとすると、高い光取り出し効率を得ることができる。表面加工層２５としてＩｎＧａＡｌＰを用いる場合、特に高さｈが４００〜５００ｎｍの範囲にあると、凹凸構造がない場合と比較して２倍以上とすることができる。

活性層１８は、発光波長が６２０ｎｍ（バンドギャップエネルギーが２．０ｅＶに相当）となるようにバリア層及び井戸層のＡｌ組成比が調整されている。ｐ型の電流拡散層４０と、ｎ型の電流拡散層２２とは電極から注入された電流を素子の面内に広げる作用を有しており、ともに１×１０^１８ｃｍ^−３のキャリア濃度に設定され、十分に低い抵抗率となっている。さらに、さらに電流拡散層４０、２２のバンドギャップエネルギーを発光波長のバンドギャップエネルギーである２．０ｅＶよりも大きくし、活性層１８からの光の吸収を抑制する。

電流拡散層２２として、ＩｎＧａＡｌＰ（ｘ＝０．３）を用いた場合、表面加工層２５をＩｎＧａＡｌＰ（０．３＜ｘ≦１）とすると、表面加工層２５の伝導帯端エネルギーを電流拡散層２２よりも高くでき、表面加工層２５への電流拡散を抑制できる。さらに０．４４≦ｘ≦１とし、伝導帯端エネルギー差を０．０４ｅＶ以上とすると表面加工層２５への電流拡散をより抑制できる。 また、表面加工層２５のバンドギャップエネルギーは活性層１８のバンドギャップエネルギーである２．０ｅＶよりも大きく、活性層１８からの光が表面加工層２５で吸収されるのを抑制し、輝度低下が抑制される。

上記ナノ凹凸構造２６は、複数回のＲＩＥ工程が必要であり、第１の実施形態で用いたメサ凹凸構造と比べて、ＲＩＥダメージが大きくなりやすい。本発明者らは、図４に表したメサ凹凸構造の比較例の発光素子をナノ凹凸構造とし１６８時間通電による輝度低下を比較した。ナノ凹凸構造の発光素子の輝度は初期の輝度の７０％以下に低下し、メサ凹凸構造の発光素子の輝度の低下（８０％以下）よりも大きいことを見出した。

しかしながら、本実施の形態では、例えばＲＩＥの加工ダメージを受けている表面加工層２５には電子が注入されないバンド構造であり、ＲＩＥ加工により形成された深い準位の密度の増大が抑制され、通電による輝度低下を抑制することができる。すなわち、ナノ凹凸構造２６を用いた本実施形態において、より高い光取り出し効率を得つつ信頼性が改善された半導体発光素子が得られる。なお、ナノ凹凸構造とせずメサ凹凸構造とすると、光取り出し効率の改善度が低下するが凹凸構造の形成工程を簡素にできるので、用途に応じていずれかの構造を選択すればよい。

図７は第４の実施形態にかかる半導体発光素子の模式断面図である。 ｎ型ＧａＡｓからなる基板６０、ｎ型Ｉｎ_０．５Ａｌ_０．５Ｐ／ＩｎＧａＡｌＰからなる反射層６４、ｎ型Ｉｎ_０．５Ａｌ_０．５Ｐからなるクラッド層６６、ｐ型ＩｎＧａＡｌＰ量子井戸からなる活性層６８、ｐ型Ｉｎ_０．５Ａｌ_０．５Ｐからなるクラッド層７０、ｐ型Ｇａ_０．２Ａｌ_０．８Ａｓからなる電流拡散層７２、ｐ型ＩｎＧａＡｌＰ（ｘ＝０．７）からなる表面加工層７４、ｐ型Ｉｎ_０．５Ｇａ_０．５Ｐからなる通電容易層７７、ｐ型ＧａＡｓからなるコンタクト層７８がこの順序で積層されている。コンタクト層７８の上にはｐ側電極８０、基板６０の裏面にはｎ側電極６２，がそれぞれ設けられる。

活性層６８は、発光波長が６２０ｎｍとなるようにバリア層と井戸層とのＡｌ組成比が調整されている。反射層６４は、Ｉｎ_０．５Ａｌ_０．５ＰとＩｎＧａＡｌＰとの多層構造からなり、活性層６８からの光を反射する。電流拡散層７２はキャリア濃度を１×１０^１８ｃｍ^−３とし、十分に低い抵抗率で電極から注入された素子の面内に広げる作用をする。さらに、電流拡散層７２のバンドギャップエネルギーを、発光波長に対応するバンドギャップエネルギーである２．０ｅＶよりも大きくし、活性層６８からの光の吸収を抑制する。

表面加工層７４のフェルミ準位に対する価電子帯端エネルギーは、電流拡散層７２の価電子帯端エネルギーよりも大きい。また、表面加工層７４のバンドギャップエネルギーは、活性層６８のバンドギャップエネルギーよりも大きく、活性層６８からの光の吸収が抑制され、輝度低下が抑制される。表面加工層７４のキャリア濃度を電流拡散層７２のキャリア増度と略同一の１×１０^１８ｃｍ^−３とする。

また、光取り出し面となるチップ上面において、ｐ側電極８０以外の領域には、第３実施形態と略同様のナノ凹凸構造７５が形成される。凹凸構造がない場合と比較して、光取り出し効率を約２倍とすることができる。また、ナノ凹凸構造ではなく、メサ凹凸構造とすると、凹凸構造がない場合と比較して約１．５倍となる。

図８は表面加工層７４の作用を説明するバンド構造の模式図である。縦軸はエネルギーを、横軸は図１のＺ方向の相対位置を表す。本図は価電子帯のエネルギーを説明するので、縦軸に表すエネルギーの向きが図２の逆としている。図８（ａ）はｐ側電極８０が形成されている領域であるＺ軸に沿ったバンド図である。ｐ側電極８０から注入された正孔は、価電子帯でコンタクト層７８、通電容易層７７、表面加工層７４を介して電流拡散層７２に流れ込む。表面加工層７４を構成するｐ型ＩｎＧａＡｌＰ（ｘ＝０．７）は、抵抗率が高く、正孔は横方向へは殆ど広がらない。

他方、図８（ｂ）は、ナノ凹凸構造７５が形成されている領域であるＢ−Ｂ線に沿ったバンド図である。表面加工層７４におけるフェルミ準位における価電子帯端エネルギーは、電流拡散層７２の価電子帯端エネルギーよりも大きく、表面加工層７４と電流拡散層７２との界面には価電子帯側に障壁が形成される。このために、電流拡散層７２に流れ込んだ正孔が表面加工層７４に拡散することが抑制される。

本実施形態の場合にも、図３を用いてバンド端エネルギーを用いて説明することができる。この場合、異なる半導体材料の間において、フェルミ準位に対する価電子帯端エネルギーの位置を比較するためには、それぞれの材料のＧａＡｓに対するバンド不連続を参考にする。フェルミ準位はキャリア濃度により変化し、ｐ型半導体ではキャリア濃度が高いほど価電子帯端に近づく。表面加工層７４と電流拡散層７２とのキャリア濃度を略同一とすると、価電子帯端の位置をフェルミ準位から比較した場合とＧａＡｓの価電子帯端から比較した場合とで、表面加工層７４と電流拡散層７２との価電子帯端のエネルギー差は略同一となる。

例えば、表面加工層７４としてｐ型ＩｎＧａＡｌＰ（ｘ＝０．７）、電流拡散層７２としてｐ型Ｇａ_０．２Ａｌ_０．８Ａｓとする。表面加工層７４とＧａＡｓとの価電子帯バンド不連続は図３（ａ）より０．５２ｅＶであり、電流拡散層７２とＧａＡｓとの価電子帯バンド不連続は図３（ｂ）より０．４４ｅＶである。すなわち、表面加工層７４の価電子帯端エネルギーが、電流拡散層７２の価電子帯端エネルギーよりも０．０８ｅＶ大きい。表面加工層７４と電流拡散層７２とは１×１０^１８ｃｍ^−３と略同一の濃度であり、ＧａＡｓの価電子帯端からのこのエネルギー差は、フェルミ準位からのエネルギー差と比較した場合と略同一となる。すなわち、フェルミ準位に対する価電子帯端エネルギーが大きい表面加工層７４の材料を選択する基準として、ＧａＡｓに対する価電子帯端エネルギーを用いることができる。

これにより、電流拡散層７２をＧａ_０．２Ａｌ_０．８Ａｓとした場合、表面加工層７４のＡｌ組成比ｘの好ましい範囲を求めることができる。図３（ａ）より、ＧａＡｓに対する価電子帯端エネルギーが０．４４ｅＶよりも大きい材料として、ＩｎＧａ_１−ｘＡｌ_ｚＰ（０．４４≦ｘ）を表面加工層７４を用いればよいことがわかる。本発明者らによれば、電流拡散層７２に流れ込んだ正孔が表面加工層７４へ拡散することを抑制するには価電子帯端エネルギー差が０．０２ｅＶ以上であることが好ましいことが見出されている。この場合、正孔は電子よりも有効質量が大きいので拡散しにくく、価電子帯端のエネルギー差は伝導帯端エネルギー差よりも小さくてよい。すなわち、ＩｎＧａＡｌＰ（０．５０≦ｘ）とするとより好ましいことがわかる。

表面加工層７４の材料としては、ＩｎＧａＡｌＰの他にＧａＡｌＡｓ系材料を用いることもできる。電流拡散層７２としてＧａ_０．２Ａｌ_０．８Ａｓを用いた場合、表面加工層７４としては０．８＜ｘとなるＧａ_１−ｘＡｌ_ｘＡｓが必要となる。しかし、Ａｌ組成比ｘが０．８を越えるＧａ_１−ｘＡｌ_ｘＡｓは酸化に対して弱い性質を持つため、表面加工層７４として、ＩｎＧａＡｌＰがより好ましいことになる。

本実施形態では、Ｉｎ_０．５（Ｇａ_０．３Ａｌ_０．７）_０．５Ｐからなる表面加工層７４がｐ型の場合を示したが、第１の実施形態に示したように、表面加工層７４がｐ側電極８０と電流拡散層７２との間に形成されていない場合にはｎ型であってもよい。ｎ型のＩｎ_０．５（Ｇａ_０．３Ａｌ_０．７）_０．５Ｐを用いた場合には、フェルミ準位が伝導帯側に近づくので、表面加工層７４と電流拡散層７２との間の価電子帯バンド不連続は相対的に大きくなり、表面加工層７４への正孔の拡散をより効果的に抑えることが可能となる。しかし、ｎ型のドーパントが表面加工層７４から電流拡散層７２へ拡散すると特性の劣化を引き起こすことと、ｎ／ｐ界面において形成される空乏層の厚さを電流拡散層７２においてなるべく小さくするため、ドーピング濃度を低めに設定する必要がある。例えば、５×１０^１６ｃｍ^−３程度とすることが好ましい。

第１〜第４の実施形態によれば、電流拡散層とは別に表面加工層を設け、表面加工層として活性層よりもバンドギャップが大きく、かつ、電流拡散層よりも伝導帯端エネルギーまたは価電子帯端エネルギーが大きい材料を選択する。このようにすると、表面加工層の表面に設けられた凹凸構造領域へのキャリアの拡散が抑制され、光取り出し効率を高めつつ信頼性が改善された半導体発光素子が可能になる。

以上、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明した。しかしながら本発明はこれら実施形態に限定されない。半導体発光素子を構成する活性層、電流拡散層、表面加工層、凹凸構造などの材質、形状、サイズ、配置などに関して当業者が設計変更を行ったものであっても、本発明の主旨を逸脱しない限り本発明の範囲に包含される。

第1の実施形態にかかる半導体発光素子の模式断面図 表面加工層及び電流拡散層のバンド構造の模式図 バンド不連続の組成依存性を表すグラフ図 比較例にかかる半導体素子の模式断面図 第２の実施形態にかかる半導体発光素子の模式断面図 第３の実施形態にかかる半導体発光素子の模式断面図 第４の実施形態にかかる半導体発光素子の模式断面図 表面加工層及び電流拡散層のバンド構造の模式図

符号の説明

１８ 活性層、２２ 電流拡散層、２４ 表面加工層、２４ａ メサ凹凸構造、２６、７５ ナノ凹凸構造、３０ ｎ側電極、８０ ｐ側電極

Claims (5)

1. 活性層と、
   前記活性層の上に設けられた電極と、
   前記活性層と前記電極との間に設けられ、ｎ型導電型を有し、前記活性層のバンドギャップエネルギーよりも大きいバンドギャップエネルギーを有し、電極から注入された電子を前記活性層の面内に広げる電流拡散層と、
   前記電流拡散層の上に設けられ、前記活性層のバンドギャップエネルギーよりも大きいバンドギャップエネルギーを有し、表面に複数の凹凸構造が形成された領域を有する表面加工層と、
   を備え、
   前記形成領域の上には前記電極が設けられず、
   前記表面加工層のフェルミ準位に対する伝導帯端エネルギーは、前記電流拡散層の伝導帯端エネルギーよりも高いことを特徴とする半導体発光素子。
2. 活性層と、
   前記活性層の上に設けられた電極と、
   前記活性層と前記電極との間に設けられ、ｐ型導電型を有し、前記活性層のバンドギャップエネルギーよりも大きいバンドギャップエネルギーを有し、電極から注入された正孔を前記活性層の面内に広げる電流拡散層と、
   前記電流拡散層の上に設けられ、前記活性層のバンドギャップエネルギーよりも大きいバンドギャップエネルギーを有し、表面に複数の凹凸構造が形成された領域を有する表面加工層と、
   を備え、
   前記形成領域の上には前記電極が設けられず、
   前記表面加工層のフェルミ準位に対する価電子帯端エネルギーは、前記電流拡散層の価電子帯端エネルギーよりも高いことを特徴とする半導体発光素子。
3. 前記表面加工層は、前記電極と前記電流拡散層との間を除く前記電流拡散層の上に選択的に設けられたことを特徴とする請求項１または２に記載の半導体発光素子。
4. 前記表面加工層は、前記電極と前記電流拡散層との間に設けられ、前記電流拡散層と同一の導電型を有し、前記凹凸構造が形成されていない領域をさらに有することを特徴とする請求項１または２に記載の半導体発光素子。
5. 前記活性層は、ＩｎＧａＡｌＰ系材料からなり、
   前記電流拡散層及び前記表面加工層のうちの少なくともいずれかは、ＩｎＧａＡｌＰ系材料からなることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
   
   
   
   
   

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