JP3546989B2 - 半導体発光素子及びその製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、表示装置の光源等に使用される半導体発光素子及びその製造方法に関し、特に高輝度ＧａＰ発光ダイオード及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、屋内・屋外用表示パネル、車載用表示ランプ、信号機等の表示装置に使用される半導体発光素子は輝度が高いほど消費電力が少なくて済むため、高輝度化された半導体発光素子が望まれる。特に屋外での使用には外乱光の影響を受けやすいため、より高輝度化された半導体発光素子が望まれる。
【０００３】
この種の半導体発光素子の一例として、ＧａＰ発光ダイオードがある。このＧａＰ発光ダイオードには、赤色発光及び緑色発光のものがあるが、高輝度を要求される屋外表示用としてはＮドープＧａＰからなる緑色発光ダイオードが主流である。
【０００４】
図８に従来のＧａＰ発光ダイオードの断面構造を示す（従来例１）。この従来例１のＧａＰ発光ダイオードは、ｎ型ＧａＰ基板８１上に、エピタキシャル成長により、ｎ型ＧａＰ層８２（キャリア濃度５×１０１６〜２０×１０１６ｃｍ−３）、第１のｐ型ＧａＰ層８３（キャリア濃度５×１０１５〜１０×１０１５ｃｍ−３）、及び第２のｐ型ＧａＰ層８４（キャリア濃度１×１０１８〜３×１０１８ｃｍ−３）が順次積層された構造を有し、第２のｐ型ＧａＰ層８４の上面にはｐ型電極８５が形成され、ｎ型ＧａＰ基板８１の下面にはｎ型電極８６が形成されている。
【０００５】
この窒素ドープＧａＰ発光ダイオードの高輝度化の手法としては、窒素ドープ量を増加することにより発光の高効率化を図る方法、ｐｎ接合近傍の発光領域の結晶性を向上させる方法、エピタキシャル層構造の内部に電流阻止層を形成することにより電流広がりを良くし発光領域を拡大する方法等がある。
【０００６】
電流狭窄構造を有する発光ダイオードとして、例えば特開平５−３４３７３６号公報に開示されたものが知られている（従来例２）。この従来例２の発光ダイオードは、図９に示すように、ｎ型ＧａＰ基板９１上に、ＭＯＣＶＤ法により、ｎ型Ｉｎ０．５（Ｇａ１−ｘＡｌｘ）０．５Ｐからなるクラッド層９２、ｎ型Ｉｎ０．５（Ｇａ１−ｙＡｌｙ）０．５Ｐからなる活性層９３、ｐ型Ｉｎ０．５（Ｇａ１−ｚＡｌｚ）０．５Ｐからなるクラッド層９４が順次成長形成され、このｐ型クラッド層９４上に、略中央部が開口されたｎ型ＧａＡｓからなる電流阻止層９５、ｐ型Ｇａ１−ｕＡｌｕＡｓからなる電流拡散層９６が形成された構造を有し、ｐ型電流拡散層９６の上面にはｐ型電極９７が形成され、ｎ型ＧａＰ基板９１の下面にはｎ型電極９８が形成されている。
【０００７】
この従来例２の構造では、上記したようにｐ型クラッド層９４上に電流狭窄のための逆導電型のｎ型電流阻止層９５を形成して、発光層を流れる電流を中央部付近に集中させる方法がとられている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上記した従来例１のＧａＰ発光ダイオードにおいて、窒素ドープ量を増加することにより発光の高効率化を図る方法をとる場合には、発光効率の増加と同時に光吸収量の増加が起こるという問題が生じる。こうした問題に対し、キャリア濃度を減少させたり、吸収層となるエピタキシャル層を削除するなどの対策が取られるが、こうした処置をすることにより、結晶中の発光領域での電流広がりが悪くなり電極下部付近での発光が生じ、電極が光を遮蔽して外部への光取出効率を低下させるといった別の問題が生じる。
【０００９】
上記した従来例２の電流狭窄構造を有する発光ダイオードによる場合には、ｐ型に対してｎ型、ｎ型に対してｐ型というように、下層の導電型と逆の関係となる逆導電型の成長層を電流阻止層として形成する必要がある。このような電流阻止層は、先に電流阻止層となる結晶を成長させた後エッチング処理をして開口部を形成し、再びその上に結晶を成長させる方法を取る。このため、再び結晶成長を行う際の熱的な作用により、電流阻止層のドーパントが拡散して、電流阻止層が電流阻止機能を失う可能性が非常に高くなるといった問題が生じる。
【００１０】
また、発光ダイオード形成後においても、通電中におけるドーパントの拡散やマイグレーションにより、電流阻止層が電流阻止機能を失うおそれがある。
【００１１】
更には、逆導電型の電流阻止層を液相成長によって形成するためには、ｐｎ接合を形成するエピタキシャル成長後、電流阻止層となるエピタキシャル成長を行い、エッチング処理後に電流阻止層を埋め込むためのエピタキシャル成長を行う必要があるため、合計３回のエピタキシャル成長が必要となり、製造工程の工程数が増加して製造時間が長くなるため、発光ダイオードの製造原価が高くなるといった問題が生じる。
【００１２】
本発明は、こうした従来技術の課題を解決するものであり、電流狭窄構造又は電流拡散構造を有する半導体発光素子において、電流狭窄又は電流拡散の機能が結晶成長を行う際の熱やマイグレーション等の影響により、機能低下することが少なく、半導体発光素子を高輝度化することができ、かつ、製造工程が簡素で製造時間の短縮、製造原価の低減を図ることができる半導体発光素子及びその製造方法を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明の半導体発光素子は、凹部が形成された第１のＧａＰ層と、該凹部とはめあい形状をなす凸部が形成されて該第１のＧａＰ層上に積層されており、該第１のＧａＰ層とは電気伝導度の異なる同一の導電型からなる窒素ドープの第２のＧａＰ層と、前記第１のＧａＰ層とは異なる導電型であって、該第１のＧａＰ層が積層された第３のＧａＰ層と、該第３のＧａＰ層が積層された基板と、前記第２のＧａＰ層上において、前記第１のＧａＰ層の前記凹部を避けた領域に対応する位置に設けられた第１電極と、前記基板における第３のＧａＰ層とは反対側に設けられた第２電極とを備え、前記第１のＧａＰ層のキャリア濃度が前記第２のＧａＰ層のキャリア濃度より低くなっており、該凸部が該凹部とはめあわされるように重畳されて電流狭窄構造が形成されていることを特徴とする。
また、本発明の半導体発光素子は、凸部が形成された第１のＧａＰ層と、該凸部とはめあい形状をなす凹部が形成されて該第１のＧａＰ層上に積層されており、該第１のＧａＰ層とは電気伝導度の異なる同一の導電型からなる窒素ドープの第２のＧａＰ層と、前記第１のＧａＰ層とは異なる導電型であって、該第１のＧａＰ層が積層された第３のＧａＰ層と、該第３のＧａＰ層が積層された基板と、前記第２のＧａＰ層上において、前記第１のＧａＰ層の凸部領域に対応する位置に設けられた第１電極と、前記基板における前記第３のＧａＰ層とは反対側に設けられた第２電極とを備え、前記第１のＧａＰ層のキャリア濃度が前記第２のＧａＰ層のキャリア濃度より高くなっており、該凹部が該凸部とはめあわされるように重畳されて電流拡散構造が形成されていることを特徴とする。
前記凹部が前記第１のＧａＰ層の中央部に配置されて、該第１のＧａＰ層の中央部付近に発光部が形成されている。
前記凸部が前記第１のＧａＰ層の中央部に配置されて、前記第１のＧａＰ層の両端部付近に発光部が形成されている。
本発明の半導体発光素子の製造方法は、基板上に第１導電型ＧａＰ層をエピタキシャル成長させる工程と、該第１導電型ＧａＰ層上に第１の第２導電型ＧａＰ層をバックグラウンドキャリア濃度の液相エピタキシャル成長により形成する工程と、該第１の第２導電型ＧａＰ層上にエッチング処理により凹部を形成する工程と、該凹部が形成された第１の第２導電型ＧａＰ層上に電気伝導度の異なる窒素ドープの第２の第２導電型ＧａＰ層を、第２導電型ドーパントをドープして該第２の第２導電型ＧａＰ層のキャリア濃度が該第１の第２導電型ＧａＰ層のキャリア濃度より高くなるように、液相エピタキシャル成長により形成する工程とを包含する。
また、本発明の半導体発光素子の製造方法は、基板上に第１導電型ＧａＰ層をエピタキシャル成長させる工程と、該第１導電型ＧａＰ層上に第１の第２導電型ＧａＰ層をバックグラウンドキャリア濃度の液相エピタキシャル成長により形成する工程と、該第１の第２導電型ＧａＰ層上にエッチング処理により凸部を形成する工程と、該凸部が形成された第１の第２導電型ＧａＰ層上に電気伝導度の異なる窒素ドープの第２の第２導電型ＧａＰ層を、第２導電型ドーパントをドープして該第２の第２導電型ＧａＰ層のキャリア濃度が該第１の第２導電型ＧａＰ層のキャリア濃度より低くなるように、液相エピタキシャル成長により形成する工程とを包含する。
【００２２】
以下に、本発明の作用について説明する。
【００２３】
上記構成によれば、凹部が形成された第１の半導体層と、この凹部とはめあい形状をなす凸部が形成された第２の半導体層とが、電気伝導度の異なる同一の導電型からなる。これらの凹部と凸部とが合わさるように第１の半導体層及び第２の半導体層が重畳されることにより、凹部と凸部の接合部とその接合部以外部分の層とで電気伝導度に差が生じ、電流狭窄又は電流拡散の機能が得られる。
【００２４】
また、電流狭窄構造及び電流拡散構造を構成する第１の半導体層及び第２の半導体層が同一の導電型であるため、各層をエピタキシャル成長する際の熱に起因するドーパントの拡散やマイグレーション等による影響を受けることが少なくなるので、電流狭窄及び電流拡散の機能低下の発生を抑制することが可能となる。
【００２５】
電流狭窄構造を有する場合に、第２の半導体層上部に形成される電極を、第１の半導体層の凹部を避けた領域に対応する位置に設ける構成、例えば図５に示す構成にすると、矢印ＣＦで電流が注入される方向を示しているように、電極５から注入されたホールは第１の半導体層３と第２の半導体層４の電気伝導度の違いから中央部に狭窄され高密度になって注入される。これにより、ドーパントの形成するエネルギーレベルを介して電子との再結合により半導体発光素子の中央部付近が発光する。その結果、図６の発光強度分布図の強度曲線Ｉａで示すように、電極５に遮られることなく光を効率よく外部に取り出し、半導体発光素子を高輝度化することが可能となる。
【００２６】
電流拡散構造を有する場合に、第１の半導体層上部に形成される電極を、第２の半導体層の凸部領域に対応する位置に設ける構成、例えば図７に示す構成にすると、矢印ＣＦ’で電流が注入される方向を示しているように、電極５’から注入されたホールは第１の半導体層４’と第２の半導体層３’の電気伝導度の違いから両端部付近に拡散され高密度になって注入される。これにより、ドーパントの形成するエネルギーレベルを介して電子との再結合により半導体発光素子の両端部付近が発光する。
【００２７】
電流狭窄構造を有する場合に、第１の半導体層のキャリア濃度を第２の半導体層のキャリア濃度より低くし、又電流拡散構造を有する場合に、第１の半導体層のキャリア濃度を第２の半導体層のキャリア濃度より高くすることにより、第１の半導体層及び第２の半導体層の電気伝導度に所望の差が生じるので、それぞれの構造により電流狭窄又は電流拡散の機能が得られる。
【００２８】
上記第１の半導体層及び第２の半導体層をＧａＰとする場合にあっても、キャリア濃度を低くした状態で電流狭窄又は電流拡散の機能が得られるので、結晶品位を向上させ光の透過性を向上させると共に、電流の集中又は拡がりを良くし光の取出効率を向上させて半導体発光素子を高輝度化することが可能となる。
【００２９】
更には、電流狭窄構造及び電流拡散構造が電気伝導度の異なる同一の導電型である第１の半導体層と第２の半導体層の２層で構成されるため、２回のエピタキシャル成長で電流狭窄構造又は電流拡散構造を形成することが可能となるので、製造工程が簡素で製造時間の短縮、製造原価の低減を図ることが可能となる。
【００３０】
例えば、上記第１の半導体層を液相エピタキシャル成長によりバックグラウンドのキャリア濃度で形成し、上記第２の半導体層を液相エピタキシャル成長によりドーパントをドープして形成すると、第１の半導体層のキャリア濃度が、第２の半導体層のキャリア濃度より低くなり、同一の導電型である第１の半導体層及び第２の半導体層の電気伝導度に所望の差が生じるので、それぞれの構造により電流狭窄又は電流拡散の機能が得られる。
【００３１】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態を図面に基づいて具体的に説明する。
【００３２】
図１に示すように、本発明の半導体発光素子は、ｎ型ＧａＰ基板１上に、ｎ型ＧａＰ層２、凹部Ｖが形成された第１のｐ型ＧａＰ層３、及び凸部Ｖが形成された第２のｐ型ＧａＰ層４が順次積層された構造を有し、第２のｐ型ＧａＰ層４の上面にはｐ型電極５が形成され、ｎ型ＧａＰ基板１の下面にはｎ型電極６が形成されている。
【００３３】
より詳しくは、第１のｐ型ＧａＰ層３及び第２のｐ型ＧａＰ層４が、電気伝導度の異なる同一の導電型であるｐ型からなり、しかも第１のｐ型ＧａＰ層３の凹部Ｖと第２のｐ型ＧａＰ層４の凸部Ｖとがはめあい形状をなしている。これらの凹部Ｖと凸部Ｖとが合わさるように、第１のｐ型ＧａＰ層３及び第２のｐ型ＧａＰ層４が重畳されて電流狭窄構造をなしている。
【００３４】
第２のｐ型ＧａＰ層４の上部に形成されるｐ型電極５は、第１のｐ型ＧａＰ層３の凹部Ｖを避けた領域に対応する位置に設けられている。また、第１のｐ型ＧａＰ層３の略中央部に凹部Ｖを配置して発光部を中央部付近としている。
【００３５】
ここで、第１のｐ型ＧａＰ層３及び第２のｐ型ＧａＰ層４の電気伝導度を異ならせるのに、第１のｐ型ＧａＰ層３のキャリア濃度を第２のｐ型ＧａＰ層４のキャリア濃度より低くしており、具体的には、第１のｐ型ＧａＰ層３のキャリア濃度を、５×１０１５〜１０×１０１５ｃｍ−３の範囲とし、第２のｐ型ＧａＰ層４のキャリア濃度を、１×１０１８〜３×１０１８ｃｍ−３の範囲としている。
【００３６】
この電流狭窄構造を有する半導体発光素子では、凹部Ｖが形成された第１のｐ型ＧａＰ層３と、この凹部Ｖとはめあい形状をなす凸部Ｖが形成された第２のｐ型ＧａＰ層４とが、電気伝導度の異なる同一の導電型のｐ型からなる。これらの凹部Ｖと凸部Ｖとが合わさるように第１のｐ型ＧａＰ層３及び第２のｐ型ＧａＰ層４が重畳されることにより、凹部Ｖと凸部Ｖの接合部とその接合部以外部分の層とで電気伝導度に差が生じ、電流狭窄の機能が得られる。
【００３７】
また、電流狭窄構造を構成する第１のｐ型ＧａＰ層３及び第２のｐ型ＧａＰ層４が同一の導電型のｐ型であるため、各層をエピタキシャル成長する際の熱に起因するドーパントの拡散やマイグレーション等による影響を受けることが少なくなるので、電流狭窄の機能低下の発生を抑制することができる。
【００３８】
図５に示すように、第２のｐ型ＧａＰ層４の上部に形成されるｐ型電極５を、第１のｐ型ＧａＰ層３の凹部Ｖを避けた領域に対応する位置に設けると、矢印ＣＦで電流が注入される方向を示しているように、ｐ型電極５から注入されたホールは第１のｐ型ＧａＰ層３と第２のｐ型ＧａＰ層４の電気伝導度の違いから中央部に狭窄され高密度になって注入される。これにより、ドーパントの形成するエネルギーレベルを介して電子との再結合により半導体発光素子の中央部付近が発光する。即ち、図６の強度曲線Ｉａで示すような発光強度分布となり、ｐ型電極５に遮られることなく光を効率よく外部に取り出し、半導体発光素子を高輝度化することができる。
【００３９】
次に、本発明の電流狭窄構造を持つ半導体発光素子の製造方法を図２〜図４を用いて以下に具体的に説明する。
【００４０】
図３の第１の液相エピタキシャル成長の温度ダイヤグラムに示すように、まず、１０００℃に加熱したＧａＰ溶液中にｎ型ＧａＰ基板１を浸し（図２（Ａ）、図３のａ工程参照）、時間ｔ２より溶液を０．５℃／ｍｉｎの速度で徐冷を開始しＧａＰ溶液の温度が９００℃となる時間ｔ３まで徐冷を続けることにより、ｎ型ＧａＰ基板１上にｎ型ＧａＰ層２をエピタキシャル成長させる（図２（Ｂ）、図３のｂ工程参照）。この時、キャリアガスとして水素ガス（Ｈ2）を使用し流量４．０Ｌ（リットル）／ｍｉｎで供給し、ｎ型ドーパントとしてシリコン（Ｓｉ）を用いる。このｎ型ＧａＰ層２のキャリア濃度は、５×１０16〜２０×１０16cm-3である。
【００４１】
次に、ＧａＰ溶液の温度が９００℃となる時間ｔ３より水素ガスと共にアンモニアガス（ＮＨ３）を導入し、ｎ型ドーパントであるＳｉをアンモニアガスと反応させることによりエピタキシャル成長層内へのＳｉの取り込みをなくし、エピタキシャル成長のバックグラウンドキャリア濃度となるように溶液の温度を９００℃にて３０ｍｉｎ保持する（図３のｃ工程参照）。
【００４２】
次に、時間ｔ４よりアンモニアガスの供給を止め、キャリアガスを水素ガスのみとし流量４．０Ｌ（リットル）／ｍｉｎで供給し、再びＧａＰ溶液を０．５℃／ｍｉｎの速度で８５０℃まで徐冷し、バックグラウンドキャリア濃度による第１のｐ型ＧａＰ層３をエピタキシャル成長させる（図２（Ｃ）、図３のｄ工程参照）。この第１のｐ型ＧａＰ層３のキャリア濃度は、５×１０１５〜１０×１０１５ｃｍ−３である。
【００４３】
上記の方法により形成されたエピタキシャル層３、３’は、エピタキシャル成長の最終段階でバックグラウンドキャリアの導電型が反転するため、その反転層３’をエッチングにより除去する（図２（Ｃ）参照）。
【００４４】
反転層３’を除去した第１のｐ型ＧａＰ層３の表面にＳｉＯ２膜７を形成し、直径１２０μｍの円形パターンニングを行なった後（図２（Ｄ）参照）、第１のＰ型ＧａＰ層３をエッチングすることにより凹部Ｖを形成し、その後ＳｉＯ２膜を除去する（図２（Ｅ）参照）。
【００４５】
次に、図４の第２の液相エピタキシャル成長の温度ダイヤグラムに示すように、まず、上記のＧａＰ基板を９００℃に加熱したＧａＰ溶液中に浸し（図２（Ｅ）、図４のｅ工程参照）、時間ｔ７よりＧａＰ溶液を０．５℃／ｍｉｎの速度で徐冷を開始しＧａＰ溶液の温度が８５０℃となる時間ｔ８まで徐冷を続けることにより、第１のＰ型ＧａＰ層３上に第２のｐ型ＧａＰ層４をエピタキシャル成長させる（図２（Ｆ）、図４のｆ工程参照）。この時、キャリアガスとして水素ガスを使用し流量４Ｌ（リットル）／ｍｉｎで供給し、同時にアンモニアガスを供給して窒素ドープを行ない、ｐ型ドーパントとして亜鉛（Ｚｎ）を使用する。この第２のｐ型ＧａＰ層４のキャリア濃度は、１×１０18〜３×１０18ｃｍ-3である。以上によりエピタキシャル成長工程を終了する。
次に上記の方法によって作製した第１のｐ型ＧａＰ層３の凹部Ｖを避けた領域に対応する位置における第２のｐ型ＧａＰ層４上にｐ型電極５を形成し、ｎ型ＧａＰ基板１の下面にｎ型電極６を形成した後、ｐ型電極５を形成しない部分が中心となるよう０．２８ｍｍ×０．２８ｍｍ角にチップ分割を行ない半導体発光素子とする（図２（Ｇ）参照）。
【００４６】
その結果、この半導体発光素子では、従来方法によって作製されたＧａＰ発光ダイオードと比較して約１．２倍の光度が得られた。
【００４７】
上述したように、電流狭窄構造が電気伝導度の異なる同一の導電型の第１のｐ型ＧａＰ層３と第２のｐ型ＧａＰ層４の２層で構成されるため、２回のエピタキシャル成長で電流狭窄構造を形成することができ、製造工程が簡素で製造時間の短縮、製造原価の低減を図ることができる。
【００４８】
上記第１のｐ型ＧａＰ層３及び第２のｐ型ＧａＰ層４の電気伝導度を異ならせるのに、例えば第１のｐ型ＧａＰ層３を液相エピタキシャル成長によりバックグラウンドのキャリア濃度で形成し、上記第２のｐ型ＧａＰ層４を液相エピタキシャル成長によりドーパントをドープして形成すると、第１のｐ型ＧａＰ層３のキャリア濃度が、第２のｐ型ＧａＰ層４のキャリア濃度より低くなり、同一の導電型である第１のｐ型ＧａＰ層３及び第２のｐ型ＧａＰ層４の電気伝導度に所望の差が生じるので、この構造により電流狭窄の機能が得られる。
【００４９】
ここまでは、電流狭窄構造を有する半導体発光素子について説明してきたが、次に電流拡散構造を持つ半導体発光素子について以下に説明する。
【００５０】
図７に示すように、この半導体発光素子は、ｎ型ＧａＰ基板１上に、ｎ型ＧａＰ層２、凸部Ｖ’が形成された第１のｐ型ＧａＰ層３’、及び凹部Ｖ’が形成された第２のｐ型ＧａＰ層４’が順次積層された構造を有し、第２のｐ型ＧａＰ層４’の上面にはｐ型電極５’が形成され、ｎ型ＧａＰ基板１の下面にはｎ型電極６が形成されている。
【００５１】
より詳しくは、第１のｐ型ＧａＰ層３’及び第２のｐ型ＧａＰ層４’が、電気伝導度の異なる同一の導電型であるｐ型からなり、しかも、第１のｐ型ＧａＰ層３’の凸部Ｖ’と第２のｐ型ＧａＰ層４’の凹部Ｖ’とがはめあい形状をなしている。これらの凸部Ｖ’と凹部Ｖ’とが合わさるように、第１のｐ型ＧａＰ層３’及び第２のｐ型ＧａＰ層４’が重畳されて電流拡散構造をなしている。
【００５２】
第２のｐ型ＧａＰ層４’の上部に形成されるｐ型電極５’は、第１のｐ型ＧａＰ層３’の凸部Ｖ’領域に対応する位置に設けられている。また、第１のｐ型ＧａＰ層３’の略中央部に凸部Ｖ’を配置して発光部を両端部付近としている。
【００５３】
ここで、第１のｐ型ＧａＰ層３’及び第２のｐ型ＧａＰ層４’の電気伝導度を異ならせるのに、第１のｐ型ＧａＰ層３’のキャリア濃度を第２のｐ型ＧａＰ層４’のキャリア濃度より低くしており、具体的には、第１のｐ型ＧａＰ層３’のキャリア濃度を、５×１０１５〜１０×１０１５ｃｍ−３の範囲とし、第２のｐ型ＧａＰ層４’のキャリア濃度を、１×１０１８〜３×１０１８ｃｍ−３の範囲としている。
【００５４】
この電流拡散構造をとる場合には、例えば図７に矢印ＣＦ’で電流が注入される方向を示しているように、ｐ型電極５’から注入されたホールは第１のｐ型ＧａＰ層３’と第２のｐ型ＧａＰ層４’の電気伝導度の違いから両端部付近に拡散して高密度になって注入される。
【００５５】
この図７に示す電流拡散構造を持つ半導体発光素子は、図１に示す電流狭窄構造を持つ半導体発光素子に対し、凸部Ｖ’が形成された第１のｐ型ＧａＰ層３’、凹部Ｖ’が形成された第２のｐ型ＧａＰ層４’、及びｐ型電極５’の形状が異なる関係にある。
【００５６】
従って、この電流拡散構造を持つ半導体発光素子は、図２〜図４を用いて先に説明した電流狭窄構造を持つ半導体発光素子と同様の方法により製造することができる。
【００５７】
尚、上記の各実施形態において説明した半導体発光素子を構成する各半導体層及び電極の導電型をｐ型とｎ型とで逆の関係としてもよい。
【００５８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の半導体発光素子によれば、凹部が形成された第１の半導体層と、この凹部とはめあい形状をなす凸部が形成された第２の半導体層とが、電気伝導度の異なる同一の導電型からなり、これらの凹部と凸部とが合わさるように第１の半導体層及び第２の半導体層を重畳することにより、凹部と凸部の接合部とその接合部以外部分の層とで電気伝導度に差が生じ、電流狭窄又は電流拡散の機能が得られるので、半導体発光素子を高輝度化することができる。このため、特にＧａＰ発光ダイオードにあっても、窒素のドープ量を増加させることなくキャリア濃度を低くした状態で電流狭窄又は電流拡散の機能が得られるので、結晶品位を向上させ光の透過性を向上させると共に、電流の集中又は拡がりを良くし光の取出効率を向上させることができ、これにより発光量を増加させ、更に発光領域と電極の位置をずらすことにより効率よく外部に光を取り出すことができる。
【００５９】
また、電流狭窄構造及び電流拡散構造が電気伝導度の異なる同一の導電型である第１の半導体層と第２の半導体層の２層で構成されるため、２回のエピタキシャル成長で電流狭窄構造又は電流拡散構造を形成することができるので、製造工程が簡素で製造時間の短縮、製造原価の低減を図ることができる。
【００６０】
特に、上記第１の半導体層を液相エピタキシャル成長によりバックグラウンドのキャリア濃度で形成し、上記第２の半導体層を液相エピタキシャル成長によりドーパントをドープして形成すると、第１の半導体層のキャリア濃度が、第２の半導体層のキャリア濃度より低くなり、同一の導電型である第１の半導体層及び第２の半導体層の電気伝導度に所望の差が生じるので、それぞれの構造により電流狭窄又は電流拡散の機能を得ることができる。
【００６１】
更には、電流狭窄構造及び電流拡散構造を構成する第１の半導体層及び第２の半導体層が同一の導電型であるため、各層をエピタキシャル成長する際の熱に起因するドーパントの拡散やマイグレーション等による影響を受けることが少なくなるので、電流狭窄及び電流拡散の機能低下の発生を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の電流狭窄構造を持つ半導体発光素子の断面構造を示す図である。
【図２】本発明の電流狭窄構造を持つ半導体発光素子の製造工程を示す図である。
【図３】
本発明の電流狭窄構造を持つ半導体発光素子の製造工程における第１の液相エピタキシャル成長の温度ダイヤグラムである。
【図４】
本発明の電流狭窄構造を持つ半導体発光素子の製造工程における第２の液相エピタキシャル成長の温度ダイヤグラムである。
【図５】本発明の電流狭窄構造を持つ半導体発光素子における電流狭窄の様子を表す図である。
【図６】本発明の電流狭窄構造を持つ半導体発光素子におけるｐｎ接合付近の発光強度分布を表すグラフである。
【図７】本発明の電流拡散構造を持つ半導体発光素子の断面構造、及び電流拡散の様子を表す図である。
【図８】従来例１のＧａＰ発光ダイオードの断面構造を示す図である。
【図９】従来例２の電流狭窄構造を持つ発光ダイオードの断面構造を示す図である。
【符号の説明】
１ ｎ型ＧａＰ基板
２ ｎ型ＧａＰ層
３ 第１のｐ型ＧａＰ層
４ 第２のｐ型ＧａＰ層
５ ｐ型電極
６ ｎ型電極
【発明の属する技術分野】
本発明は、表示装置の光源等に使用される半導体発光素子及びその製造方法に関し、特に高輝度ＧａＰ発光ダイオード及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、屋内・屋外用表示パネル、車載用表示ランプ、信号機等の表示装置に使用される半導体発光素子は輝度が高いほど消費電力が少なくて済むため、高輝度化された半導体発光素子が望まれる。特に屋外での使用には外乱光の影響を受けやすいため、より高輝度化された半導体発光素子が望まれる。
【０００３】
この種の半導体発光素子の一例として、ＧａＰ発光ダイオードがある。このＧａＰ発光ダイオードには、赤色発光及び緑色発光のものがあるが、高輝度を要求される屋外表示用としてはＮドープＧａＰからなる緑色発光ダイオードが主流である。
【０００４】
図８に従来のＧａＰ発光ダイオードの断面構造を示す（従来例１）。この従来例１のＧａＰ発光ダイオードは、ｎ型ＧａＰ基板８１上に、エピタキシャル成長により、ｎ型ＧａＰ層８２（キャリア濃度５×１０１６〜２０×１０１６ｃｍ−３）、第１のｐ型ＧａＰ層８３（キャリア濃度５×１０１５〜１０×１０１５ｃｍ−３）、及び第２のｐ型ＧａＰ層８４（キャリア濃度１×１０１８〜３×１０１８ｃｍ−３）が順次積層された構造を有し、第２のｐ型ＧａＰ層８４の上面にはｐ型電極８５が形成され、ｎ型ＧａＰ基板８１の下面にはｎ型電極８６が形成されている。
【０００５】
この窒素ドープＧａＰ発光ダイオードの高輝度化の手法としては、窒素ドープ量を増加することにより発光の高効率化を図る方法、ｐｎ接合近傍の発光領域の結晶性を向上させる方法、エピタキシャル層構造の内部に電流阻止層を形成することにより電流広がりを良くし発光領域を拡大する方法等がある。
【０００６】
電流狭窄構造を有する発光ダイオードとして、例えば特開平５−３４３７３６号公報に開示されたものが知られている（従来例２）。この従来例２の発光ダイオードは、図９に示すように、ｎ型ＧａＰ基板９１上に、ＭＯＣＶＤ法により、ｎ型Ｉｎ０．５（Ｇａ１−ｘＡｌｘ）０．５Ｐからなるクラッド層９２、ｎ型Ｉｎ０．５（Ｇａ１−ｙＡｌｙ）０．５Ｐからなる活性層９３、ｐ型Ｉｎ０．５（Ｇａ１−ｚＡｌｚ）０．５Ｐからなるクラッド層９４が順次成長形成され、このｐ型クラッド層９４上に、略中央部が開口されたｎ型ＧａＡｓからなる電流阻止層９５、ｐ型Ｇａ１−ｕＡｌｕＡｓからなる電流拡散層９６が形成された構造を有し、ｐ型電流拡散層９６の上面にはｐ型電極９７が形成され、ｎ型ＧａＰ基板９１の下面にはｎ型電極９８が形成されている。
【０００７】
この従来例２の構造では、上記したようにｐ型クラッド層９４上に電流狭窄のための逆導電型のｎ型電流阻止層９５を形成して、発光層を流れる電流を中央部付近に集中させる方法がとられている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上記した従来例１のＧａＰ発光ダイオードにおいて、窒素ドープ量を増加することにより発光の高効率化を図る方法をとる場合には、発光効率の増加と同時に光吸収量の増加が起こるという問題が生じる。こうした問題に対し、キャリア濃度を減少させたり、吸収層となるエピタキシャル層を削除するなどの対策が取られるが、こうした処置をすることにより、結晶中の発光領域での電流広がりが悪くなり電極下部付近での発光が生じ、電極が光を遮蔽して外部への光取出効率を低下させるといった別の問題が生じる。
【０００９】
上記した従来例２の電流狭窄構造を有する発光ダイオードによる場合には、ｐ型に対してｎ型、ｎ型に対してｐ型というように、下層の導電型と逆の関係となる逆導電型の成長層を電流阻止層として形成する必要がある。このような電流阻止層は、先に電流阻止層となる結晶を成長させた後エッチング処理をして開口部を形成し、再びその上に結晶を成長させる方法を取る。このため、再び結晶成長を行う際の熱的な作用により、電流阻止層のドーパントが拡散して、電流阻止層が電流阻止機能を失う可能性が非常に高くなるといった問題が生じる。
【００１０】
また、発光ダイオード形成後においても、通電中におけるドーパントの拡散やマイグレーションにより、電流阻止層が電流阻止機能を失うおそれがある。
【００１１】
更には、逆導電型の電流阻止層を液相成長によって形成するためには、ｐｎ接合を形成するエピタキシャル成長後、電流阻止層となるエピタキシャル成長を行い、エッチング処理後に電流阻止層を埋め込むためのエピタキシャル成長を行う必要があるため、合計３回のエピタキシャル成長が必要となり、製造工程の工程数が増加して製造時間が長くなるため、発光ダイオードの製造原価が高くなるといった問題が生じる。
【００１２】
本発明は、こうした従来技術の課題を解決するものであり、電流狭窄構造又は電流拡散構造を有する半導体発光素子において、電流狭窄又は電流拡散の機能が結晶成長を行う際の熱やマイグレーション等の影響により、機能低下することが少なく、半導体発光素子を高輝度化することができ、かつ、製造工程が簡素で製造時間の短縮、製造原価の低減を図ることができる半導体発光素子及びその製造方法を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明の半導体発光素子は、凹部が形成された第１のＧａＰ層と、該凹部とはめあい形状をなす凸部が形成されて該第１のＧａＰ層上に積層されており、該第１のＧａＰ層とは電気伝導度の異なる同一の導電型からなる窒素ドープの第２のＧａＰ層と、前記第１のＧａＰ層とは異なる導電型であって、該第１のＧａＰ層が積層された第３のＧａＰ層と、該第３のＧａＰ層が積層された基板と、前記第２のＧａＰ層上において、前記第１のＧａＰ層の前記凹部を避けた領域に対応する位置に設けられた第１電極と、前記基板における第３のＧａＰ層とは反対側に設けられた第２電極とを備え、前記第１のＧａＰ層のキャリア濃度が前記第２のＧａＰ層のキャリア濃度より低くなっており、該凸部が該凹部とはめあわされるように重畳されて電流狭窄構造が形成されていることを特徴とする。
また、本発明の半導体発光素子は、凸部が形成された第１のＧａＰ層と、該凸部とはめあい形状をなす凹部が形成されて該第１のＧａＰ層上に積層されており、該第１のＧａＰ層とは電気伝導度の異なる同一の導電型からなる窒素ドープの第２のＧａＰ層と、前記第１のＧａＰ層とは異なる導電型であって、該第１のＧａＰ層が積層された第３のＧａＰ層と、該第３のＧａＰ層が積層された基板と、前記第２のＧａＰ層上において、前記第１のＧａＰ層の凸部領域に対応する位置に設けられた第１電極と、前記基板における前記第３のＧａＰ層とは反対側に設けられた第２電極とを備え、前記第１のＧａＰ層のキャリア濃度が前記第２のＧａＰ層のキャリア濃度より高くなっており、該凹部が該凸部とはめあわされるように重畳されて電流拡散構造が形成されていることを特徴とする。
前記凹部が前記第１のＧａＰ層の中央部に配置されて、該第１のＧａＰ層の中央部付近に発光部が形成されている。
前記凸部が前記第１のＧａＰ層の中央部に配置されて、前記第１のＧａＰ層の両端部付近に発光部が形成されている。
本発明の半導体発光素子の製造方法は、基板上に第１導電型ＧａＰ層をエピタキシャル成長させる工程と、該第１導電型ＧａＰ層上に第１の第２導電型ＧａＰ層をバックグラウンドキャリア濃度の液相エピタキシャル成長により形成する工程と、該第１の第２導電型ＧａＰ層上にエッチング処理により凹部を形成する工程と、該凹部が形成された第１の第２導電型ＧａＰ層上に電気伝導度の異なる窒素ドープの第２の第２導電型ＧａＰ層を、第２導電型ドーパントをドープして該第２の第２導電型ＧａＰ層のキャリア濃度が該第１の第２導電型ＧａＰ層のキャリア濃度より高くなるように、液相エピタキシャル成長により形成する工程とを包含する。
また、本発明の半導体発光素子の製造方法は、基板上に第１導電型ＧａＰ層をエピタキシャル成長させる工程と、該第１導電型ＧａＰ層上に第１の第２導電型ＧａＰ層をバックグラウンドキャリア濃度の液相エピタキシャル成長により形成する工程と、該第１の第２導電型ＧａＰ層上にエッチング処理により凸部を形成する工程と、該凸部が形成された第１の第２導電型ＧａＰ層上に電気伝導度の異なる窒素ドープの第２の第２導電型ＧａＰ層を、第２導電型ドーパントをドープして該第２の第２導電型ＧａＰ層のキャリア濃度が該第１の第２導電型ＧａＰ層のキャリア濃度より低くなるように、液相エピタキシャル成長により形成する工程とを包含する。
【００２２】
以下に、本発明の作用について説明する。
【００２３】
上記構成によれば、凹部が形成された第１の半導体層と、この凹部とはめあい形状をなす凸部が形成された第２の半導体層とが、電気伝導度の異なる同一の導電型からなる。これらの凹部と凸部とが合わさるように第１の半導体層及び第２の半導体層が重畳されることにより、凹部と凸部の接合部とその接合部以外部分の層とで電気伝導度に差が生じ、電流狭窄又は電流拡散の機能が得られる。
【００２４】
また、電流狭窄構造及び電流拡散構造を構成する第１の半導体層及び第２の半導体層が同一の導電型であるため、各層をエピタキシャル成長する際の熱に起因するドーパントの拡散やマイグレーション等による影響を受けることが少なくなるので、電流狭窄及び電流拡散の機能低下の発生を抑制することが可能となる。
【００２５】
電流狭窄構造を有する場合に、第２の半導体層上部に形成される電極を、第１の半導体層の凹部を避けた領域に対応する位置に設ける構成、例えば図５に示す構成にすると、矢印ＣＦで電流が注入される方向を示しているように、電極５から注入されたホールは第１の半導体層３と第２の半導体層４の電気伝導度の違いから中央部に狭窄され高密度になって注入される。これにより、ドーパントの形成するエネルギーレベルを介して電子との再結合により半導体発光素子の中央部付近が発光する。その結果、図６の発光強度分布図の強度曲線Ｉａで示すように、電極５に遮られることなく光を効率よく外部に取り出し、半導体発光素子を高輝度化することが可能となる。
【００２６】
電流拡散構造を有する場合に、第１の半導体層上部に形成される電極を、第２の半導体層の凸部領域に対応する位置に設ける構成、例えば図７に示す構成にすると、矢印ＣＦ’で電流が注入される方向を示しているように、電極５’から注入されたホールは第１の半導体層４’と第２の半導体層３’の電気伝導度の違いから両端部付近に拡散され高密度になって注入される。これにより、ドーパントの形成するエネルギーレベルを介して電子との再結合により半導体発光素子の両端部付近が発光する。
【００２７】
電流狭窄構造を有する場合に、第１の半導体層のキャリア濃度を第２の半導体層のキャリア濃度より低くし、又電流拡散構造を有する場合に、第１の半導体層のキャリア濃度を第２の半導体層のキャリア濃度より高くすることにより、第１の半導体層及び第２の半導体層の電気伝導度に所望の差が生じるので、それぞれの構造により電流狭窄又は電流拡散の機能が得られる。
【００２８】
上記第１の半導体層及び第２の半導体層をＧａＰとする場合にあっても、キャリア濃度を低くした状態で電流狭窄又は電流拡散の機能が得られるので、結晶品位を向上させ光の透過性を向上させると共に、電流の集中又は拡がりを良くし光の取出効率を向上させて半導体発光素子を高輝度化することが可能となる。
【００２９】
更には、電流狭窄構造及び電流拡散構造が電気伝導度の異なる同一の導電型である第１の半導体層と第２の半導体層の２層で構成されるため、２回のエピタキシャル成長で電流狭窄構造又は電流拡散構造を形成することが可能となるので、製造工程が簡素で製造時間の短縮、製造原価の低減を図ることが可能となる。
【００３０】
例えば、上記第１の半導体層を液相エピタキシャル成長によりバックグラウンドのキャリア濃度で形成し、上記第２の半導体層を液相エピタキシャル成長によりドーパントをドープして形成すると、第１の半導体層のキャリア濃度が、第２の半導体層のキャリア濃度より低くなり、同一の導電型である第１の半導体層及び第２の半導体層の電気伝導度に所望の差が生じるので、それぞれの構造により電流狭窄又は電流拡散の機能が得られる。
【００３１】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態を図面に基づいて具体的に説明する。
【００３２】
図１に示すように、本発明の半導体発光素子は、ｎ型ＧａＰ基板１上に、ｎ型ＧａＰ層２、凹部Ｖが形成された第１のｐ型ＧａＰ層３、及び凸部Ｖが形成された第２のｐ型ＧａＰ層４が順次積層された構造を有し、第２のｐ型ＧａＰ層４の上面にはｐ型電極５が形成され、ｎ型ＧａＰ基板１の下面にはｎ型電極６が形成されている。
【００３３】
より詳しくは、第１のｐ型ＧａＰ層３及び第２のｐ型ＧａＰ層４が、電気伝導度の異なる同一の導電型であるｐ型からなり、しかも第１のｐ型ＧａＰ層３の凹部Ｖと第２のｐ型ＧａＰ層４の凸部Ｖとがはめあい形状をなしている。これらの凹部Ｖと凸部Ｖとが合わさるように、第１のｐ型ＧａＰ層３及び第２のｐ型ＧａＰ層４が重畳されて電流狭窄構造をなしている。
【００３４】
第２のｐ型ＧａＰ層４の上部に形成されるｐ型電極５は、第１のｐ型ＧａＰ層３の凹部Ｖを避けた領域に対応する位置に設けられている。また、第１のｐ型ＧａＰ層３の略中央部に凹部Ｖを配置して発光部を中央部付近としている。
【００３５】
ここで、第１のｐ型ＧａＰ層３及び第２のｐ型ＧａＰ層４の電気伝導度を異ならせるのに、第１のｐ型ＧａＰ層３のキャリア濃度を第２のｐ型ＧａＰ層４のキャリア濃度より低くしており、具体的には、第１のｐ型ＧａＰ層３のキャリア濃度を、５×１０１５〜１０×１０１５ｃｍ−３の範囲とし、第２のｐ型ＧａＰ層４のキャリア濃度を、１×１０１８〜３×１０１８ｃｍ−３の範囲としている。
【００３６】
この電流狭窄構造を有する半導体発光素子では、凹部Ｖが形成された第１のｐ型ＧａＰ層３と、この凹部Ｖとはめあい形状をなす凸部Ｖが形成された第２のｐ型ＧａＰ層４とが、電気伝導度の異なる同一の導電型のｐ型からなる。これらの凹部Ｖと凸部Ｖとが合わさるように第１のｐ型ＧａＰ層３及び第２のｐ型ＧａＰ層４が重畳されることにより、凹部Ｖと凸部Ｖの接合部とその接合部以外部分の層とで電気伝導度に差が生じ、電流狭窄の機能が得られる。
【００３７】
また、電流狭窄構造を構成する第１のｐ型ＧａＰ層３及び第２のｐ型ＧａＰ層４が同一の導電型のｐ型であるため、各層をエピタキシャル成長する際の熱に起因するドーパントの拡散やマイグレーション等による影響を受けることが少なくなるので、電流狭窄の機能低下の発生を抑制することができる。
【００３８】
図５に示すように、第２のｐ型ＧａＰ層４の上部に形成されるｐ型電極５を、第１のｐ型ＧａＰ層３の凹部Ｖを避けた領域に対応する位置に設けると、矢印ＣＦで電流が注入される方向を示しているように、ｐ型電極５から注入されたホールは第１のｐ型ＧａＰ層３と第２のｐ型ＧａＰ層４の電気伝導度の違いから中央部に狭窄され高密度になって注入される。これにより、ドーパントの形成するエネルギーレベルを介して電子との再結合により半導体発光素子の中央部付近が発光する。即ち、図６の強度曲線Ｉａで示すような発光強度分布となり、ｐ型電極５に遮られることなく光を効率よく外部に取り出し、半導体発光素子を高輝度化することができる。
【００３９】
次に、本発明の電流狭窄構造を持つ半導体発光素子の製造方法を図２〜図４を用いて以下に具体的に説明する。
【００４０】
図３の第１の液相エピタキシャル成長の温度ダイヤグラムに示すように、まず、１０００℃に加熱したＧａＰ溶液中にｎ型ＧａＰ基板１を浸し（図２（Ａ）、図３のａ工程参照）、時間ｔ２より溶液を０．５℃／ｍｉｎの速度で徐冷を開始しＧａＰ溶液の温度が９００℃となる時間ｔ３まで徐冷を続けることにより、ｎ型ＧａＰ基板１上にｎ型ＧａＰ層２をエピタキシャル成長させる（図２（Ｂ）、図３のｂ工程参照）。この時、キャリアガスとして水素ガス（Ｈ2）を使用し流量４．０Ｌ（リットル）／ｍｉｎで供給し、ｎ型ドーパントとしてシリコン（Ｓｉ）を用いる。このｎ型ＧａＰ層２のキャリア濃度は、５×１０16〜２０×１０16cm-3である。
【００４１】
次に、ＧａＰ溶液の温度が９００℃となる時間ｔ３より水素ガスと共にアンモニアガス（ＮＨ３）を導入し、ｎ型ドーパントであるＳｉをアンモニアガスと反応させることによりエピタキシャル成長層内へのＳｉの取り込みをなくし、エピタキシャル成長のバックグラウンドキャリア濃度となるように溶液の温度を９００℃にて３０ｍｉｎ保持する（図３のｃ工程参照）。
【００４２】
次に、時間ｔ４よりアンモニアガスの供給を止め、キャリアガスを水素ガスのみとし流量４．０Ｌ（リットル）／ｍｉｎで供給し、再びＧａＰ溶液を０．５℃／ｍｉｎの速度で８５０℃まで徐冷し、バックグラウンドキャリア濃度による第１のｐ型ＧａＰ層３をエピタキシャル成長させる（図２（Ｃ）、図３のｄ工程参照）。この第１のｐ型ＧａＰ層３のキャリア濃度は、５×１０１５〜１０×１０１５ｃｍ−３である。
【００４３】
上記の方法により形成されたエピタキシャル層３、３’は、エピタキシャル成長の最終段階でバックグラウンドキャリアの導電型が反転するため、その反転層３’をエッチングにより除去する（図２（Ｃ）参照）。
【００４４】
反転層３’を除去した第１のｐ型ＧａＰ層３の表面にＳｉＯ２膜７を形成し、直径１２０μｍの円形パターンニングを行なった後（図２（Ｄ）参照）、第１のＰ型ＧａＰ層３をエッチングすることにより凹部Ｖを形成し、その後ＳｉＯ２膜を除去する（図２（Ｅ）参照）。
【００４５】
次に、図４の第２の液相エピタキシャル成長の温度ダイヤグラムに示すように、まず、上記のＧａＰ基板を９００℃に加熱したＧａＰ溶液中に浸し（図２（Ｅ）、図４のｅ工程参照）、時間ｔ７よりＧａＰ溶液を０．５℃／ｍｉｎの速度で徐冷を開始しＧａＰ溶液の温度が８５０℃となる時間ｔ８まで徐冷を続けることにより、第１のＰ型ＧａＰ層３上に第２のｐ型ＧａＰ層４をエピタキシャル成長させる（図２（Ｆ）、図４のｆ工程参照）。この時、キャリアガスとして水素ガスを使用し流量４Ｌ（リットル）／ｍｉｎで供給し、同時にアンモニアガスを供給して窒素ドープを行ない、ｐ型ドーパントとして亜鉛（Ｚｎ）を使用する。この第２のｐ型ＧａＰ層４のキャリア濃度は、１×１０18〜３×１０18ｃｍ-3である。以上によりエピタキシャル成長工程を終了する。
次に上記の方法によって作製した第１のｐ型ＧａＰ層３の凹部Ｖを避けた領域に対応する位置における第２のｐ型ＧａＰ層４上にｐ型電極５を形成し、ｎ型ＧａＰ基板１の下面にｎ型電極６を形成した後、ｐ型電極５を形成しない部分が中心となるよう０．２８ｍｍ×０．２８ｍｍ角にチップ分割を行ない半導体発光素子とする（図２（Ｇ）参照）。
【００４６】
その結果、この半導体発光素子では、従来方法によって作製されたＧａＰ発光ダイオードと比較して約１．２倍の光度が得られた。
【００４７】
上述したように、電流狭窄構造が電気伝導度の異なる同一の導電型の第１のｐ型ＧａＰ層３と第２のｐ型ＧａＰ層４の２層で構成されるため、２回のエピタキシャル成長で電流狭窄構造を形成することができ、製造工程が簡素で製造時間の短縮、製造原価の低減を図ることができる。
【００４８】
上記第１のｐ型ＧａＰ層３及び第２のｐ型ＧａＰ層４の電気伝導度を異ならせるのに、例えば第１のｐ型ＧａＰ層３を液相エピタキシャル成長によりバックグラウンドのキャリア濃度で形成し、上記第２のｐ型ＧａＰ層４を液相エピタキシャル成長によりドーパントをドープして形成すると、第１のｐ型ＧａＰ層３のキャリア濃度が、第２のｐ型ＧａＰ層４のキャリア濃度より低くなり、同一の導電型である第１のｐ型ＧａＰ層３及び第２のｐ型ＧａＰ層４の電気伝導度に所望の差が生じるので、この構造により電流狭窄の機能が得られる。
【００４９】
ここまでは、電流狭窄構造を有する半導体発光素子について説明してきたが、次に電流拡散構造を持つ半導体発光素子について以下に説明する。
【００５０】
図７に示すように、この半導体発光素子は、ｎ型ＧａＰ基板１上に、ｎ型ＧａＰ層２、凸部Ｖ’が形成された第１のｐ型ＧａＰ層３’、及び凹部Ｖ’が形成された第２のｐ型ＧａＰ層４’が順次積層された構造を有し、第２のｐ型ＧａＰ層４’の上面にはｐ型電極５’が形成され、ｎ型ＧａＰ基板１の下面にはｎ型電極６が形成されている。
【００５１】
より詳しくは、第１のｐ型ＧａＰ層３’及び第２のｐ型ＧａＰ層４’が、電気伝導度の異なる同一の導電型であるｐ型からなり、しかも、第１のｐ型ＧａＰ層３’の凸部Ｖ’と第２のｐ型ＧａＰ層４’の凹部Ｖ’とがはめあい形状をなしている。これらの凸部Ｖ’と凹部Ｖ’とが合わさるように、第１のｐ型ＧａＰ層３’及び第２のｐ型ＧａＰ層４’が重畳されて電流拡散構造をなしている。
【００５２】
第２のｐ型ＧａＰ層４’の上部に形成されるｐ型電極５’は、第１のｐ型ＧａＰ層３’の凸部Ｖ’領域に対応する位置に設けられている。また、第１のｐ型ＧａＰ層３’の略中央部に凸部Ｖ’を配置して発光部を両端部付近としている。
【００５３】
ここで、第１のｐ型ＧａＰ層３’及び第２のｐ型ＧａＰ層４’の電気伝導度を異ならせるのに、第１のｐ型ＧａＰ層３’のキャリア濃度を第２のｐ型ＧａＰ層４’のキャリア濃度より低くしており、具体的には、第１のｐ型ＧａＰ層３’のキャリア濃度を、５×１０１５〜１０×１０１５ｃｍ−３の範囲とし、第２のｐ型ＧａＰ層４’のキャリア濃度を、１×１０１８〜３×１０１８ｃｍ−３の範囲としている。
【００５４】
この電流拡散構造をとる場合には、例えば図７に矢印ＣＦ’で電流が注入される方向を示しているように、ｐ型電極５’から注入されたホールは第１のｐ型ＧａＰ層３’と第２のｐ型ＧａＰ層４’の電気伝導度の違いから両端部付近に拡散して高密度になって注入される。
【００５５】
この図７に示す電流拡散構造を持つ半導体発光素子は、図１に示す電流狭窄構造を持つ半導体発光素子に対し、凸部Ｖ’が形成された第１のｐ型ＧａＰ層３’、凹部Ｖ’が形成された第２のｐ型ＧａＰ層４’、及びｐ型電極５’の形状が異なる関係にある。
【００５６】
従って、この電流拡散構造を持つ半導体発光素子は、図２〜図４を用いて先に説明した電流狭窄構造を持つ半導体発光素子と同様の方法により製造することができる。
【００５７】
尚、上記の各実施形態において説明した半導体発光素子を構成する各半導体層及び電極の導電型をｐ型とｎ型とで逆の関係としてもよい。
【００５８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の半導体発光素子によれば、凹部が形成された第１の半導体層と、この凹部とはめあい形状をなす凸部が形成された第２の半導体層とが、電気伝導度の異なる同一の導電型からなり、これらの凹部と凸部とが合わさるように第１の半導体層及び第２の半導体層を重畳することにより、凹部と凸部の接合部とその接合部以外部分の層とで電気伝導度に差が生じ、電流狭窄又は電流拡散の機能が得られるので、半導体発光素子を高輝度化することができる。このため、特にＧａＰ発光ダイオードにあっても、窒素のドープ量を増加させることなくキャリア濃度を低くした状態で電流狭窄又は電流拡散の機能が得られるので、結晶品位を向上させ光の透過性を向上させると共に、電流の集中又は拡がりを良くし光の取出効率を向上させることができ、これにより発光量を増加させ、更に発光領域と電極の位置をずらすことにより効率よく外部に光を取り出すことができる。
【００５９】
また、電流狭窄構造及び電流拡散構造が電気伝導度の異なる同一の導電型である第１の半導体層と第２の半導体層の２層で構成されるため、２回のエピタキシャル成長で電流狭窄構造又は電流拡散構造を形成することができるので、製造工程が簡素で製造時間の短縮、製造原価の低減を図ることができる。
【００６０】
特に、上記第１の半導体層を液相エピタキシャル成長によりバックグラウンドのキャリア濃度で形成し、上記第２の半導体層を液相エピタキシャル成長によりドーパントをドープして形成すると、第１の半導体層のキャリア濃度が、第２の半導体層のキャリア濃度より低くなり、同一の導電型である第１の半導体層及び第２の半導体層の電気伝導度に所望の差が生じるので、それぞれの構造により電流狭窄又は電流拡散の機能を得ることができる。
【００６１】
更には、電流狭窄構造及び電流拡散構造を構成する第１の半導体層及び第２の半導体層が同一の導電型であるため、各層をエピタキシャル成長する際の熱に起因するドーパントの拡散やマイグレーション等による影響を受けることが少なくなるので、電流狭窄及び電流拡散の機能低下の発生を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の電流狭窄構造を持つ半導体発光素子の断面構造を示す図である。
【図２】本発明の電流狭窄構造を持つ半導体発光素子の製造工程を示す図である。
【図３】
本発明の電流狭窄構造を持つ半導体発光素子の製造工程における第１の液相エピタキシャル成長の温度ダイヤグラムである。
【図４】
本発明の電流狭窄構造を持つ半導体発光素子の製造工程における第２の液相エピタキシャル成長の温度ダイヤグラムである。
【図５】本発明の電流狭窄構造を持つ半導体発光素子における電流狭窄の様子を表す図である。
【図６】本発明の電流狭窄構造を持つ半導体発光素子におけるｐｎ接合付近の発光強度分布を表すグラフである。
【図７】本発明の電流拡散構造を持つ半導体発光素子の断面構造、及び電流拡散の様子を表す図である。
【図８】従来例１のＧａＰ発光ダイオードの断面構造を示す図である。
【図９】従来例２の電流狭窄構造を持つ発光ダイオードの断面構造を示す図である。
【符号の説明】
１ ｎ型ＧａＰ基板
２ ｎ型ＧａＰ層
３ 第１のｐ型ＧａＰ層
４ 第２のｐ型ＧａＰ層
５ ｐ型電極
６ ｎ型電極
Claims (6)
- 凹部が形成された第１のＧａＰ層と、
該凹部とはめあい形状をなす凸部が形成されて該第１のＧａＰ層上に積層されており、該第１のＧａＰ層とは電気伝導度の異なる同一の導電型からなる窒素ドープの第２のＧａＰ層と、
前記第１のＧａＰ層とは異なる導電型であって、該第１のＧａＰ層が積層された第３のＧａＰ層と、
該第３のＧａＰ層が積層された基板と、
前記第２のＧａＰ層上において、前記第１のＧａＰ層の前記凹部を避けた領域に対応する位置に設けられた第１電極と、
前記基板における第３のＧａＰ層とは反対側に設けられた第２電極とを備え、
前記第１のＧａＰ層のキャリア濃度が前記第２のＧａＰ層のキャリア濃度より低くなっており、該凸部が該凹部とはめあわされるように重畳されて電流狭窄構造が形成されていることを特徴とする半導体発光素子。 - 凸部が形成された第１のＧａＰ層と、
該凸部とはめあい形状をなす凹部が形成されて該第１のＧａＰ層上に積層されており、該第１のＧａＰ層とは電気伝導度の異なる同一の導電型からなる窒素ドープの第２のＧａＰ層と、
前記第１のＧａＰ層とは異なる導電型であって、該第１のＧａＰ層が積層された第３のＧａＰ層と、
該第３のＧａＰ層が積層された基板と、
前記第２のＧａＰ層上において、前記第１のＧａＰ層の凸部領域に対応する位置に設けられた第１電極と、
前記基板における前記第３のＧａＰ層とは反対側に設けられた第２電極とを備え、
前記第１のＧａＰ層のキャリア濃度が前記第２のＧａＰ層のキャリア濃度より高くなっており、該凹部が該凸部とはめあわされるように重畳されて電流拡散構造が形成されていることを特徴とする半導体発光素子。 - 前記凹部が前記第１のＧａＰ層の中央部に配置されて、該第１のＧａＰ層の中央部付近に発光部が形成されている請求項１に記載の半導体発光素子。
- 前記凸部が前記第１のＧａＰ層の中央部に配置されて、前記第１のＧａＰ層の両端部付近に発光部が形成されている請求項２に記載の半導体発光素子。
- 基板上に第１導電型ＧａＰ層をエピタキシャル成長させる工程と、
該第１導電型ＧａＰ層上に第１の第２導電型ＧａＰ層をバックグラウンドキャリア濃度の液相エピタキシャル成長により形成する工程と、
該第１の第２導電型ＧａＰ層上にエッチング処理により凹部を形成する工程と、
該凹部が形成された第１の第２導電型ＧａＰ層上に電気伝導度の異なる窒素ドープの第２の第２導電型ＧａＰ層を、第２導電型ドーパントをドープして該第２の第２導電型ＧａＰ層のキャリア濃度が該第１の第２導電型ＧａＰ層のキャリア濃度より高くなるように、液相エピタキシャル成長により形成する工程と
を包含する半導体発光素子の製造方法。 - 基板上に第１導電型ＧａＰ層をエピタキシャル成長させる工程と、
該第１導電型ＧａＰ層上に第１の第２導電型ＧａＰ層をバックグラウンドキャリア濃度の液相エピタキシャル成長により形成する工程と、
該第１の第２導電型ＧａＰ層上にエッチング処理により凸部を形成する工程と、
該凸部が形成された第１の第２導電型ＧａＰ層上に電気伝導度の異なる窒素ドープの第２の第２導電型ＧａＰ層を、第２導電型ドーパントをドープして該第２の第２導電型ＧａＰ層のキャリア濃度が該第１の第２導電型ＧａＰ層のキャリア濃度より低くなるように、液相エピタキシャル成長により形成する工程と
を包含する半導体発光素子の製造方法。
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