JP2016076583A - 半導体発光素子 - Google Patents

Abstract

【課題】 量子井戸構造の活性層を用いながらも、短波長領域(黄色発光)での高い発光効率を得ることができる半導体発光素子を提供することを目的とする。【解決手段】 井戸層と障壁層とで構成される量子井戸活性層を有する半導体発光素子において、前記半導体発光素子の発光波長が５８５ｎｍ以上、６０５ｎｍ以下であり、前記井戸層が、組成式（ＡｌｘＧａ１−ｘ）ｙＩｎ１−ｙＰ（０＜ｘ≦０．０６、０＜ｙ＜１）の化合物半導体からなり、前記障壁層が、組成式（ＡｌｍＧａ１−ｍ）ｎＩｎ１−ｎＰ（０≦ｍ≦１、０＜ｎ＜１）の化合物半導体からなることを特徴とする半導体発光素子。【選択図】 図１

Description

本発明は、化合物半導体材料を用いた半導体発光素子に関する。

ＡｌＧａＩｎＰ系材料は、窒化物を除くＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体混晶中で最大の直接遷移型バンドギャップを有し、５００〜６００ｎｍ帯の発光素子材料として用いられている。特に、ＧａＡｓ基板と格子整合するＡｌＧａＩｎＰからなる発光部を持つ発光素子は、従来のＧａＰやＧａＡｓＰ等の間接遷移型の材料を用いたものに比べ、高輝度な発光が可能である。

しかしながら、このようなＡｌＧａＩｎＰからなる発光部を持つ発光素子であっても、短波長領域(黄色発光)での発光効率は必ずしも十分とは言えなかった。

短波長領域における発光効率が低下する要因としては、（１）活性層とクラッド層とのエネルギーギャップ差が小さくなるため、キャリアの閉じ込めが不十分になる、（２）活性層のＡｌ組成が高くなるために、活性層中の非発光中心が増加する、（３）エネルギーバンド構造が直接遷移型から間接遷移型に近くなる、等が考えられる。

これらの問題点を解決するために、特許文献１では、活性層を８０〜２００層の量子井戸構造とし、障壁層におけるＡｌ組成を０．５より大きくする（すなわち、組成式が（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_１−ｙＩｎ_ｙＰ（０．５＜ｘ≦１）の化合物半導体を用いる）ことでキャリアのオーバーフローを抑制し、高い発光効率を得る方法が開示されている。
また、特許文献２では、活性層に格子歪を導入した量子井戸構造（すなわち、引張り歪又は圧縮歪を持つ井戸層と、井戸層と反対の歪を持つ歪緩和障壁層とからなる量子井戸構造）とすることで、活性層中のＡｌ組成を減らし高い発光効率を得る方法が開示されている。

特開２００８−１９２７９０号公報 特開平８−０８８４０４号公報

上述のように短波長領域における発光効率の低下を抑制するために、特許文献１や特許文献２に開示された方法が提案されている。
しかしながら、特許文献１に開示された方法では、キャリアのオーバーフローは抑制できるが、活性層中のＡｌ組成が高くなるために、発光効率が低下してしまうという問題点があった。
また、特許文献２に開示された方法では、歪緩和層を用いたとしても歪に起因する結晶中の格子欠陥の増加を招くため、必ずしも高い発光効率を得ることができないという問題点があった。

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであって、量子井戸構造の活性層を用いながらも、短波長領域(黄色発光)での高い発光効率を得ることができる半導体発光素子を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、井戸層と障壁層とで構成される量子井戸活性層を有する半導体発光素子において、前記半導体発光素子の発光波長が５８５ｎｍ以上、６０５ｎｍ以下であり、前記井戸層が、組成式（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_ｙＩｎ_１−ｙＰ（０＜ｘ≦０．０６、０＜ｙ＜１）の化合物半導体からなり、前記障壁層が、組成式（Ａｌ_ｍＧａ_１−ｍ）_ｎＩｎ_１−ｎＰ（０≦ｍ≦１、０＜ｎ＜１）の化合物半導体からなることを特徴とする半導体発光素子を提供する。

このように、量子井戸活性層を構成するＡｌＧａＩｎＰ系化合物半導体からなる井戸層のＡｌ組成が０．０６以下である構成とすることによって、量子井戸活性層の平均Ａｌ組成を小さくすることができ、それによって、量子井戸活性層中の非発光中心を減少させることができ、短波長領域（黄色発光）での高い発光効率を得ることができる。

このとき、前記量子井戸活性層のトータル膜厚が２００ｎｍ以上、３００ｎｍ以下であることが好ましい。
量子井戸活性層のトータル膜厚が２００ｎｍ以上であれば、キャリアのオーバーフローによる発光効率の低下を抑制することができる。また、量子井戸活性層のトータル膜厚が３００ｎｍ以下であれば、製造時間や材料費が増加して製造コストが高くなることを防止できる。

以上のように、本発明の半導体発光素子によれば、量子井戸構造の活性層を用いながらも、短波長領域(黄色発光)での高い発光効率を得ることができる。

本発明の半導体発光素子の実施態様の一例を示す概略断面図である。 本発明の半導体発光素子を製造するのに用いられる製造フローを示す工程断面図である。 量子井戸活性層のトータル膜厚と発光効率との関係を示すグラフである。 実施例及び比較例における発光波長と発光効率との関係を示すグラフである。

以下、本発明について、実施態様の一例として、図を参照しながら詳細に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
前述のように半導体発光素子の短波長領域における発光効率の低下を抑制するために、量子井戸構造の活性層を用いる方法が複数提案されているが、いずれの方法においても、短波長領域（黄色発光）において高い発光効率を得るという点で改善の余地があった。

そこで、本発明者らは、量子井戸構造の活性層を用いながらも、短波長領域(黄色発光)での高い発光効率を得ることができる半導体発光素子について鋭意検討を重ねた。
その結果、量子井戸活性層を構成するＡｌＧａＩｎＰ系の化合物半導体からなる井戸層のＡｌ組成が０．０６以下である構成とすることによって、量子井戸活性層の平均Ａｌ組成を小さくすることができ、それによって、量子井戸活性層中の非発光中心を減少させることができ、短波長領域（黄色発光）での高い発光効率を得ることができることを見出し、本発明をなすに至った。

まず、図１を参照しながら、本発明の半導体発光素子の実施態様の一例を説明する。
図１に示す本発明の半導体発光素子１０は、量子井戸活性層１４を有する発光部１９を有している。量子井戸活性層１４は、井戸層１６と、障壁層１５とが交互に積層されたものである。井戸層１６は組成式（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_ｙＩｎ_１−ｙＰ（０＜ｘ≦０．０６、０＜ｙ＜１）のｉ−ＡｌＧａＩｎＰからなり、障壁層１５は組成式（Ａｌ_ｍＧａ_１−ｍ）_ｎＩｎ_１−ｎＰ（０≦ｍ≦１、０＜ｎ＜１）のｉ−ＡｌＧａＩｎＰからなる。半導体発光素子１０の発光波長は５８５ｎｍ以上、６０５ｎｍ以下であり、例えば、量子井戸活性層１４の井戸層１６の膜厚を変更することによって、上記の範囲内の所望の波長とすることができる。

発光部１９は、例えば、第１導電型電流拡散層１２、第１導電型クラッド層１３、量子井戸活性層１４、第２導電型クラッド層１７、第２導電型電流拡散層１８からなる半導体層である。第１導電型電流拡散層１２、第１導電型クラッド層１３、第２導電型クラッド層１７、第２導電型電流拡散層１８はそれぞれ、例えば、組成式（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_ｙＩｎ_１−ｙＰ（０≦ｘ≦１、０＜ｙ＜１）のｐ−ＡｌＧａＩｎＰ層、組成式（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_ｙＩｎ_１−ｙＰ（０≦ｘ≦１、０＜ｙ＜１）のｐ−ＡｌＧａＩｎＰ層、組成式（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_ｙＩｎ_１−ｙＰ（０≦ｘ≦１、０＜ｙ＜１）のｎ−ＡｌＧａＩｎＰ層、ｎ−ＧａＰ層である。

発光部１９上には、例えば、ｐ型側の第１オーミック細線電極１１及びパッド電極（不図示）が設けられている。
半導体発光素子１０は、例えば、さらに、導電性支持基板２４、導電性支持基板２４上に設けられた接合金属層２３、接合金属層２３上に設けられた反射金属層２２、反射金属層２２上に設けられた透明酸化膜層２１、透明酸化膜層２１内に設けられたｎ型側の第２オーミック細線電極２０を有し、導電性支持基板２４の下面には導電性オーミック電極２５が設けられ、透明酸化膜層２１上には上述の発光部１９が設けられている。また、第１オーミック細線電極１１と第２オーミック細線電極２０は、例えば、上面から見て互いに重ならない位置に配置されている。

量子井戸活性層１４のトータル膜厚は、２００ｎｍ以上、３００ｎｍ以下であることが好ましい。これは、図３に示すように、発光波長が５８５ｎｍのときの半導体発光素子１０の発光効率は、量子井戸活性層１４のトータル膜厚が２００ｎｍ以上、３００ｎｍ以下の範囲でピークとなるからである。ここで、図３の発光効率は、量子井戸活性層１４のトータル膜厚が２５０ｎｍのときの発光効率を“１”としたときの比率で表わされている。
なお、図３に示すような特性になるのは、量子井戸活性層１４のトータル膜厚が２００ｎｍより薄い場合はキャリアのオーバーフローにより発光効率が低下し、量子井戸活性層１４のトータル膜厚が３００ｎｍより厚い場合はキャリアのオーバーフローを抑制できるが井戸層１６による自己吸収が大きくなり発光効率の向上が見られなくなるためである。
量子井戸活性層１４のトータル膜厚が２００ｎｍ以上であれば、キャリアのオーバーフローによる発光効率の低下を抑制することができ、量子井戸活性層１４のトータル膜厚が３００ｎｍ以下であれば、製造時間や材料費が増加して製造コストが高くなることを防止できる。
量子井戸活性層１４は、例えば、半導体発光素子１０の発光波長が所望の値になるように井戸層１６の膜厚を設定するとともに、トータル膜厚が上記の範囲内の所望の値となるようにペア数（井戸層ｎ（ｎは正の整数）層、障壁層ｎ＋１層のときのペア数をｎとする）の調整を行うことができる。
量子井戸活性層１４のトータル膜厚は、例えば、２５０ｎｍ程度とすることができる。

図１を用いて上記で説明した本発明の半導体発光素子は、量子井戸活性層１４を構成するＡｌＧａＩｎＰ系の化合物半導体からなる井戸層１６のＡｌ組成が０．０６以下となっているので、量子井戸活性層１４の平均Ａｌ組成を小さくすることができ、それによって、量子井戸活性層１４中の非発光中心を減少させることができ、短波長領域（黄色発光）での高い発光効率を得ることができる。

次に、図２を参照しながら、本発明の半導体発光素子を製造する製造方法の一例を説明する。以下、発光波長５８５ｎｍの半導体発光素子を製造する場合を例にして説明する。
まず、図２（ａ）に示すように、ＧａＡｓ基板２６上に複数のＡｌＧａＩｎＰ系材料の半導体積層構造を形成する。具体的には、ｎ−ＧａＡｓ基板２６上に、例えばｐ−Ｇａ_０．５Ｉｎ_０．５Ｐのエッチングストップ層２７とｐ−ＧａＡｓのコンタクト層２８、ｐ−（Ａｌ_０．４Ｇａ_０．６）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐのｐ型電流拡散層１２、ｐ−Ａｌ_０．５Ｉｎ_０．５Ｐのｐ型クラッド層１３、アンドープの（Ａｌ_０．０６Ｇａ_０．９４）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐの井戸層１６（膜厚２．７ｎｍ）とアンドープの（Ａｌ_０．６Ｇａ_０．４）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐの障壁層１５（膜厚７．７ｎｍ）からなる量子井戸活性層１４、ｎ−Ａｌ_０．５Ｉｎ_０．５Ｐのｎ型クラッド層１７、ｎ−ＧａＰのｎ型電流拡散層１８をＭＯＶＰＥ法（有機金属気相成長法）により順次堆積させる。ＭＯＶＰＥ法において用いる原料は、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）等の有機金属化合物、及びアルシン（ＡｓＨ_３）、フォスフィン（ＰＨ_３）等の水素化物ガスを用いることができる。更に、ｎ型ドーパントの原料は、モノシラン（ＳｉＨ_４）、ｐ型ドーパントの原料はビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ_２Ｍｇ）を用いることができる。また、ｎ型ドーパントの原料として、セレン化水素（Ｈ_２Ｓｅ）、ジシラン（Ｓｉ_２Ｈ_６）、ジエチルテルル（ＤＥＴｅ）、又はジメチルテルル（ＤＭＴｅ）を用いることもできる。そして、ｐ型ドーパントの原料としてジメチルジンク（ＤＭＺｎ）又は、ジエチルジンク（ＤＥＺｎ）を用いることもできる。

次に、図２（ｂ）に示すように、形成した半導体積層構造体のｎ型電流拡散層１８の表面に、透明酸化膜層２１、及び、ｎ型側の第２オーミック細線電極２０を形成する。具体的には、プラズマＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）装置を用いて、透明酸化膜層２１としてＳｉＯ_２膜を形成後、フォトリソグラフィー法、及びエッチング法を用いて開口部を設ける。更に詳しくは、エッチング液としてフッ酸系のエッチャントを用いて、レジストパターンが形成されていない領域の透明酸化膜層２１を除去することにより開口部を設ける。続いて真空蒸着法を用いて、開口部にｎ型側の第２オーミック細線電極２０を構成する材料であるＡｕＳｉ合金を形成する。

次に、図２（ｃ）に示すように、透明酸化膜層２１及び第２オーミック細線電極２０上に、真空蒸着法又はスパッタ法を用いて、反射層としてのＡｌ層と、バリア層としてのＴｉ層と、接合層としてのＡｕ層とを順次形成する。これにより、反射金属層２２が形成される。なお、反射金属層２２は、量子井戸活性層１４が発する光の波長に応じて、当該光の波長に対する反射率が高い材料を選択する。
以上のようにして、積層体２９が作製される。

次に、図２（ｄ）に示すように、導電性支持基板（例えば、Ｓｉ基板）２４上に、導電性オーミックの接合金属層２３として、コンタクト電極としてのＴｉと、バリア層としてのＮｉと、接合層としてのＡｕとを真空蒸着法を用いて形成した支持基板３０を準備し、この支持基板３０を積層体２９と貼り合せることで、支持基板３０と積層体２９とが機械的、電気的に接続した接合構造体３１が作製される。ウェーハの貼り合せは、貼り合せ装置内を所定圧力にした後、重なりあった積層体２９と支持基板３０とを冶具を介して圧力を加えると共に、所定の温度まで加熱する。具体的な貼り合せ条件は、圧力７０００Ｎ／ｍ^２及び温度３５０℃で３０分間である。

次に、図２（ｅ）に示すように、ＧａＡｓエッチング用のエッチャントを用いて、接合構造体３１よりｎ−ＧａＡｓ基板２６を選択的に完全に除去して、ｐ−Ｇａ_０．５Ｉｎ_０．５Ｐからなるエッチングストップ層２７を露出させる。ＧａＡｓエッチング用のエッチャントとしては、例えば、アンモニア水と過酸化水素水との混合液が挙げられる。次にｎ−ＧａＡｓ基板２６を除去した接合構造体３１より、エッチングストップ層２７を所定のエッチャントを用いてエッチングにより除去する（コンタクト層２８が露出する。）。エッチングストップ層２７がＡｌＧａＩｎＰ系材料の化合物半導体から形成される場合、所定のエッチャントとしては、塩酸を含むエッチャントを用いることができる。

次に、図２（ｆ）に示すように、フォトリソグラフィー法及び真空蒸着法を用いて、所定の位置にｐ型側のオーミック電極を形成する。ｐ型側のオーミック電極は円電極（不図示）と第１オーミック細線電極１１で形成され、例えば、Ｔｉ、ＡｕＢｅ、Ａｕをこの順に蒸着することにより形成される。この場合、例えば、第１オーミック細線電極１１は、第２オーミック細線電極２０と重なり合わない位置に形成される。次にｐ型側のオーミック電極をマスクとして、ｐ−ＧａＡｓからなるコンタクト層２８をエッチングして除去する。また、コンタクト層２８をマスクとしてｐ型電流拡散層１２を粗面化処理することもできる。また、コンタクト層２８を除去した後、所定のエッチャントを用いてｐ型電流拡散層１２を粗面化処理することもできる。

次に、図２（ｇ）に示すように、導電性支持基板２４の裏面の略全面に導電性オーミック電極２５を真空蒸着法により形成する。裏面の導電性オーミック電極２５は、例えば、ＴｉとＡｕとをこの順に支持基板２４の底面に蒸着することにより形成することができる。その後、各オーミック電極に、電気的接合を形成する合金化工程であるアロイ工程を施す。アロイ工程の一例として、不活性雰囲気としての窒素雰囲気下で４００℃、５分間の熱処理を施すことができる。これにより接合構造体３２が作製される。

そして、ダイシングブレードを有するダイシング装置を用いて、接合構造体３２を各素子に個片化する。これにより、図１に示すような半導体発光素子１０が複数作製される。

以下、実施例及び比較例を示して本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。

（実施例）
図１の半導体発光素子１０を、図２で説明した製造方法を用いて作製した。
ここで、半導体発光素子１０の各層は、以下のとおりである。
ｐ型電流拡散層１２…ｐ−（Ａｌ_０．４Ｇａ_０．６）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐ
ｐ型クラッド層１３…ｐ−Ａｌ_０．５Ｉｎ_０．５Ｐ
障壁層１５…ｉ−（Ａｌ_０．６Ｇａ_０．４）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐ
井戸層１６…ｉ−（Ａｌ_０．０６Ｇａ_０．９４）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐ
ｎ型クラッド層１７…ｎ−Ａｌ_０．５Ｉｎ_０．５Ｐ、
ｎ電流拡散層１８…ｎ−ＧａＰ、
ＧａＡｓ基板２６…ｎ−ＧａＡｓ
エッチングストップ層２７…ｐ−Ｇａ_０．５Ｉｎ_０．５Ｐ、
コンタクト層２８…ｐ−ＧａＡｓ
ただし、表１に示すように、井戸層１６のＡｌ組成は０．０６に固定して、井戸層１６の膜厚を変化させ、さらに、量子井戸活性層１４のトータル膜厚が２５０ｎｍ程度となるように井戸層１６と障壁層１５のペア数を調整することで、半導体発光素子１０の発光波長を５８５〜６０５ｎｍの範囲で変化させた。

上記のようにして作製した半導体発光素子について、発光効率を測定した。
各発光波長における量子井戸活性層構造と発光効率を表１に示す。なお、表１には、発光波長が６１５ｎｍのときの発光効率も参考のために示されている。ここで発光効率は、発光効率(％)=出力(ｍＷ)/投入電力(ｍＷ)で算出され、発光波長６１５ｎｍの発光効率を“１”としたときの比率で表している。
また、発光波長と発光効率との関係を図４に示す。

（比較例）
実施例と同様にして半導体発光素子を作製した。ただし、井戸層１６のＡｌ組成及び膜厚を表２のように変化させて、発光波長を５８５〜６０５ｎｍの範囲で変化させた。
上記のようにして作製した半導体発光素子について、実施例と同様にして発光効率を測定した。
各発光波長における量子井戸活性層構造と発光効率を表２に示す。なお、表２にも、発光波長が６１５ｎｍのときの発光効率が参考のために示されている。
また、発光波長と発光効率との関係を図４に示す。

図４からわかるように、発光波長が５８５ｎｍ以上、６０５ｎｍ以下の範囲において、実施例では、比較例と比べて発光効率が高くなっている。

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は、例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。

１０…半導体発光素子、 １１…第１オーミック細線電極、
１２…第１導電型電流拡散層（ｐ型電流拡散層）、
１３…第１導電型クラッド層（ｐ型クラッド層）、
１４…量子井戸活性層、 １５…障壁層、 １６…井戸層、
１７…第２導電型クラッド層（ｎ型クラッド層）、
１８…第２導電型電流拡散層（ｎ型電流拡散層）、 １９…発光部、
２０…第２オーミック細線電極、 ２１…透明酸化膜層、 ２２…反射金属層、
２３…接合金属層、 ２４…導電性支持基板、 ２５…導電性オーミック電極、
２６…ＧａＡｓ基板（ｎ−ＧａＡｓ基板）、 ２７…エッチングストップ層、
２８…コンタクト層、 ２９…積層体、 ３０…支持基板、 ３１…接合構造体、
３２…接合構造体。

Claims (2)

1. 井戸層と障壁層とで構成される量子井戸活性層を有する半導体発光素子において、
   前記半導体発光素子の発光波長が５８５ｎｍ以上、６０５ｎｍ以下であり、
   前記井戸層が、組成式（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_ｙＩｎ_１−ｙＰ（０＜ｘ≦０．０６、０＜ｙ＜１）の化合物半導体からなり、
   前記障壁層が、組成式（Ａｌ_ｍＧａ_１−ｍ）_ｎＩｎ_１−ｎＰ（０≦ｍ≦１、０＜ｎ＜１）の化合物半導体からなることを特徴とする半導体発光素子。
2. 前記量子井戸活性層のトータル膜厚が２００ｎｍ以上、３００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。

Images