JP3606545B2 - 半導体発光素子 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体発光素子に関し、特に、赤外帯の集光特性の優れた空間伝送用発光ダイオードに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、光通信や情報表示パネル等に発光ダイオード（ＬＥＤ）が広く用いられている。固体発光素子である発光ダイオードは、長寿命、消費電力の少なさ、応答速度の速さなどの利点を有しているため、様々な応用分野への展開が期待されている。
【０００３】
光通信の分野において、赤外光を放射する赤外帯のＬＥＤが光空間伝送用として用いられている。このような赤外光を発光するために、ＬＥＤの発光層にＧａＡｓまたはＡｌＧａＡｓまたはＧａＩｎＡｓからなる活性層を設けることが知られている。
【０００４】
一方で、光出力の低下を抑制して効率のよい発光を達成するために、ＬＥＤの発光層と電極との間の電流拡散層に、電流拡散層とは逆導電型の電流ブロック層を設ける技術が、例えば、特開平５−３４３７３６号公報に開示されている。この技術においては、電流ブロック層が、発光層を流れる電流を発光層の中央領域付近に集中させるので、素子の側面からの影響による光出力の低下を抑制することができる。このような技術を用いることにより、安定して高輝度が得られるＬＥＤが得られる。
【０００５】
図７（ａ）および図７（ｂ）を参照して、以下に従来のＧａＡｓ層を活性層とする赤外帯のＬＥＤ（従来例１）の構造および製造工程を説明する。
【０００６】
図７に示すＬＥＤ５００においては、ｎ−ＧａＡｓ基板５０上に、液相成長法を用いて、ｎ−Ａｌ_０．３Ｇａ_０．７Ａｓ第１クラッド層５１（Ｔｅ−ドープ、キャリア濃度５×１０^１７ｃｍ^−３、厚さ１．５μｍ）、ｐ−ＧａＡｓ活性層５２（Ｍｇ−ドープ、キャリア濃度２×１０^１８ｃｍ^−３厚さ０．７μｍ）、ｐ−Ａｌ_０．３Ｇａ_０．７Ａｓ第２クラッド層５３（Ｍｇ−ドープ、キャリア濃度２×１０^１８ｃｍ^−３、厚さ１．５μｍ）および電流狭窄層（電流ブロック層）５８を形成するためのｎ−ＧａＡｓ層（Ｔｅ−ドープ、キャリア濃度２×１０^１８ｃｍ^−３、厚さ０．４μｍ）が順次連続して成長されている。
【０００７】
ｎ−ＧａＡｓ層は、図７（ａ）に示されているように１００μｍφの円形状にエッチングされ、素子中央を発光領域とするためのｎ−ＧａＡｓ電流狭窄層５８が完成する。
【０００８】
この上に、有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法を用いて、ｐ−Ａｌ_０．３Ｇａ_０．７Ａｓ第２クラッド層５３の上記エッチングされた円形に対応する領域とｎ−ＧａＡｓ電流狭窄層５８とを覆うようにｐ−Ａｌ_０．３Ｇａ_０．７Ａｓ電流拡散層５４（Ｍｇ−ドープ、キャリア濃度３×１０^１８ｃｍ^−３、厚さ６μｍ）が再成長されており、更に電流拡散層５４上にｐ−ＧａＡｓオーミックコンタクト層５５（Ｍｇ−ドープ、キャリア濃度３×１０^１８ｃｍ^−３、厚さ０．５μｍ）が成長されている。
【０００９】
最後に、第１電極５６および第２電極５７が、基板５０および電流拡散層５４上にそれぞれ形成される。オーミックコンタクト層５５および第２電極５７は、電流狭窄層５８の円形状エッチング領域に対応する形状と大きさの部分がエッチングにより除去されている。
【００１０】
このように形成したＬＥＤ５００においては、第１電極５６と第２電極５７との間に電圧を印加することにより、第１クラッド層５１と第２クラッド層５３と活性層５２とを含むダブルヘテロ構造の発光層において電子と正孔とが再結合されて発光が行われる。ＬＥＤ５００は、電流拡散層５４とは逆導電型の電流狭窄層５８を有しているので、注入された電流（キャリアの流れ）を素子中央の領域に集中して流し得、発光層における発光スポットを小さくすることができる。これにより、樹脂にモールドした後のＬＥＤ素子の集光特性を良好にでき、空間伝送用ＬＥＤとしての性能が向上する。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来例１のＬＥＤ５００においては、ｐ−Ａｌ_０．３Ｇａ_０．７Ａｓ電流拡散層５４を再成長させる前の下地の一部である、ｐ−Ａｌ_０．３Ｇａ_０．７Ａｓ第２クラッド層５３の表面（界面５９）に、酸素が取り込まれる場合がある。この酸素は、エッチング等の工程により電流狭窄層５８を形成した後、電流拡散層５４を再成長させるまでの間に、界面５９が露出した状態で空気中に曝されることによって取り込まれる。この場合、取り込まれた酸素と、第２クラッド層５３に含まれるＡｌとが反応して、高抵抗の酸化アルミニウム膜が形成される。その結果、界面５９が高抵抗となったり、注入されたキャリアがそこで非発光再結合したりすることによって、発光に対するロスが生じていた。このようにして形成された発光素子の典型的な素子特性は、２０ｍＡ通電時に、波長８３０ｎｍ、軸上広がりが±２°で、発光強度１ｍＷ、動作電圧２．２Ｖであった。
【００１２】
また、第２クラッド層がＡｌを含まないＬＥＤとしては、図８に示す構造（従来例２）のＬＥＤ６００が知られている（断面図のみ）。
【００１３】
従来例２のＬＥＤ６００が有する電流狭窄層６８及び電流拡散層５４上の第２電極５７の形状は、図７に示した従来例１のＬＥＤ５００と同じである。
【００１４】
ＬＥＤ６００においては、ｎ−ＧａＡｓ基板５０上に、ＭＯＣＶＤ法により、ｎ−Ｇａ_０．５Ｉｎ_０．５Ｐ第１クラッド層６１（Ｓｉ−ドープ、キャリア濃度５×１０^１７ｃｍ^−３、厚さ１．５μｍ）、ノンドープＧａＩｎＡｓ活性層６２（厚さ０．７μｍ）、ｐ−Ｇａ_０．５Ｉｎ_０．５Ｐ第２クラッド層６３（Ｚｎ−ドープ、キャリア濃度５×１０^１７ｃｍ^−３、厚さ１．５μｍ）、ｎ−Ｇａ_０．５Ｉｎ_０．５Ｐ電流狭窄層６８（Ｓｉ−ドープ、キャリア濃度２×１０^１８ｃｍ^−３、厚さ０．４μｍ）、ｐ−Ａｌ_０．３Ｇａ_０．７Ａｓ電流拡散層５４（Ｍｇ−ドープ、キャリア濃度３×１０^１８ｃｍ^−３、厚さ６μｍ）、ｐ−ＧａＡｓオーミックコンタクト層５５（Ｍｇ−ドープ、キャリア濃度３×１０^１８ｃｍ^−３、厚さ０．５μｍ）が形成されている。
【００１５】
従来例１と同様に、ｎ−ＧａＩｎＰ電流狭窄層６８は素子中央を発光領域とするように、１００μｍφの円形状にエッチングされており、ｐ−Ａｌ_０．３Ｇａ_０．７Ａｓ電流拡散層５４はその上に再成長されている。
【００１６】
本従来例２のＬＥＤ６００は、ｐ−Ａｌ_０．３Ｇａ_０．７Ａｓ電流拡散層５４を再成長させる時の下地層の一部となるｐ型第２クラッド層６３が、Ａｌを含まないＧａＩｎＰ層であるという点で、従来例１のＬＥＤ５００とは大きく異なる。この層が再成長時の下地となるため酸素が取り込まれにくく、界面５９の状態は従来例１と比較して改善される。しかしながら、本従来例２においても、得られたＬＥＤ６００の特性は、２０ｍＡ通電時に波長８５０ｎｍ、軸上拡がり±２°で、発光強度は１．２ｍＷ、動作電圧２．０Ｖと充分なものではなかった。これは再成長下地（第２クラッド層６３）がｐ−ＧａＩｎＰ層である一方、再成長層（電流拡散層５４）がｐ−Ａｌ_０．３Ｇａ_０．７Ａｓ層であり、Ｖ族がＡｓとＰとで異なっているためである。このことにより、第２クラッド層６３と電流拡散層５４との間でストイキオメトリーがずれ、界面５９の状態が依然として良好でないので、やはり高抵抗層となり、注入されたキャリアのロスが生じることになる。
【００１７】
従って、電流狭窄層としての電流ブロック層を有するＬＥＤにおいて、電流拡散層の下地となる層と電流拡散層との界面の特性を良好にするという課題があった。
【００１８】
本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、電流狭窄層としての電流ブロック層を有する半導体発光素子において、発光の軸上拡がりが小さく、低抵抗で発光効率の高い半導体発光素子を提供することを目的とする。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
本発明の半導体発光素子は、第１導電型の半導体基板と、第２導電型の電流拡散層と、該半導体基板と該電流拡散層との間に設けられたＧａＡｓまたはＡｌＧａＡｓまたはＧａＩｎＡｓからなる活性層を含む発光層と、該発光層上に形成された第２導電型の下地層と、該下地層の一部の上に形成された第１導電型の電流ブロック層とを有する半導体発光素子であって、該第２導電型の電流拡散層は、該第２導電型の下地層および該第１導電型の電流ブロック層を覆って形成されており、該下地層および該電流拡散層は、前記活性層からの光に対して透明な第２導電型のＧａＰからなっており、そのことによって上記目的が達成される。
【００２０】
前記電流ブロック層は、素子の周辺領域に形成された第１導電型のＧａＰからなる層であってよい。
【００２１】
前記発光層が、前記活性層を挟持する、前記半導体基板側に設けられた第１クラッド層と前記電流拡散層側に設けられた第２クラッド層とをさらに有しており、該第１クラッド層は、第１導電型のＡｌＧａＡｓまたはＧａＩｎＰまたはＡｌＧａＩｎＰからなり、該第２クラッド層は第２導電型のＡｌＧａＡｓまたはＧａＩｎＰまたはＡｌＧａＩｎＰからなっていてもよい。
【００２２】
前記下地層の厚さが２．５μｍ以下であることが望ましい。
【００２３】
前記下地層のキャリア濃度が２×１０^１８ｃｍ^−３以下であり、前記電流拡散層のキャリア濃度が２×１０^１８ｃｍ^−３以上であることが望ましい。
【００２４】
以下に本発明の作用について説明する。
【００２５】
第２導電型下地層と第２導電型電流拡散層との間に部分的に形成された、第１導電型電流ブロック層は、第２導電型電流拡散層からのキャリアの移動（すなわち電流の流れ）を制限するように作用する。これにより、所望の領域において集中的にキャリアの再結合を行うことが可能になる。
【００２６】
同時に、第２導電型ＧａＰからなる下地層はＡｌを含まないので、製造工程中、下地層の一部が酸素に触れた場合にも、この部分において酸素を取り込んで、高抵抗の酸化アルミニウム膜を形成することがない。さらに、これらを覆って形成される電流拡散層は、下地層と同一材料のＧａＰから形成されているため、下地層と界面においてストイオキメトリーのずれによる界面準位の発生もない。従って、電流拡散層と下地層との界面は、低抵抗となり得、かつ、キャリアが非発光再結合することを低減できる。
【００２７】
また、電流ブロック層を、第１導電型のＧａＰから形成し、且つ、素子の周辺領域において形成することにより、電流を素子中央領域に集中して流すという電流狭窄効果をより確実にできる。従って、発光スポットを小さくすることができ、モールド後の発光素子の集光特性を良好にすることができる。
【００２８】
また、発光層を、第１クラッド層と第２クラッド層とが活性層を挟持する、いわゆるダブルヘテロ構造にすることにより、活性層においてキャリアの再結合が効率よく行われうる。
【００２９】
下地層の厚さを２．５μｍ以下にすれば、下地層に於いて、その上に電流ブロック層が設けられていない領域へ電流が拡散することを低減することができる。従って、電流ブロック層の電流成分制御効果をより確実にできる。
【００３０】
下地層のキャリア濃度を２×１０^１８ｃｍ^−３以下にし、電流拡散層のキャリア濃度を２×１０^１８ｃｍ^−３以上にすれば、これらの層の第２導電型を作る不純物が活性層へと拡散することを抑制することができる。これにより半導体発光素子の発光強度が大きくなる。
【００３１】
【発明の実施の形態】
（実施形態１）
図１（ａ）および図１（ｂ）を参照して、本実施形態１のＬＥＤ１００の構造および製造方法を説明する。
【００３２】
実施形態１のＬＥＤ１００において、ｎ−ＧａＡｓ基板１０上に、ｎ−ＧａＡｓバッファ層１１（Ｓｉ−ドープ、キャリア濃度５×１０^１７ｃｍ^−３、厚さ１．０μｍ）と、ｎ−Ａｌ_０．３Ｇａ_０．７Ａｓ第１クラッド層１２（Ｓｉ−ドープ、キャリア濃度５×１０^１７ｃｍ^−８、厚さ１．５μｍ）と、ｐ−ＧａＡｓ活性層１３（Ｚｎ−ドープ、キャリア濃度２×１０^１８ｃｍ^−３厚さ０．７μｍ）と、ｐ−Ａｌ_０．３Ｇａ_０．７Ａｓ第２クラッド層１４（Ｚｎ−ドープ、キャリア濃度２×１０^１８ｃｍ^−３、厚さ１．５μｍ）とが順次形成されている。ここで、ｐ−ＧａＡｓ活性層１３と、これを挟持するｎ−Ａｌ_０．３Ｇａ_０．７Ａｓ第１クラッド層１２およびｐ−Ａｌ_０．３Ｇａ_０．７Ａｓ第２クラッド層１４とによって発光層１３Ａが構成されており、すなわち、本実施形態において発光層１３Ａはダブルヘテロ構造をなしている。
【００３３】
発光層１３Ａ上（具体的にはｐ−Ａｌ_０．３Ｇａ_０．７Ａｓ第２クラッド層１４上）には、ｐ−ＧａＰ下地層１５（Ｚｎ−ドープ、キャリア濃度１×１０^１８ｃｍ、厚さ１．５μｍ）が設けられている。また、ｐ−ＧａＰ下地層１５上の一部の上にｎ−ＧａＰ電流ブロック層１６（Ｓｉ−ドープ、キャリア濃度１×１０^１８ｃｍ^−３、厚さ０．５μｍ）が形成されている。このｎ−ＧａＰ電流ブロック層１６は、図１（ａ）に示すように素子の中央領域の、例えば１００μｍφの円形状の領域（開口部１６ａ）が除去されており、素子の周辺領域において形成されている。なお、本明細書において素子の中央領域とは、ＬＥＤの基板１０と実質的に垂直に形成された素子側壁に対する基板と平行な面上での中央の領域を指し、素子の周辺領域とはこの側壁に近い領域を指す。
【００３４】
さらにｐ−ＧａＰ電流拡散層１７（Ｚｎ−ドープ、キャリア濃度３×１０^１８ｃｍ^−３、厚さ５μｍ）が、開口部１６ａ内のｐ−ＧａＰ下地層１５およびｎ−ＧａＰ電流ブロック層１６を覆うように形成されている。
【００３５】
また、ｎ−ＧａＡｓ基板１０の下面およびｐ−ＧａＰ電流拡散層１７の上面には、第１電極１８および第２電極１９がそれぞれ設けられている。本実施形態においては、第１電極１８は、ＡｕＧｅ／Ａｕから形成され、第２電極１９は、ＡｕＢｅ／Ａｕから形成される。ただし、電極の材料はこれらの材料に限られない。例えば、第１電極１８はＡｕＧｅから、第２電極１９はＡｕＢｅ／Ｍｏ／Ａｕから形成されていてもよい。なお、電流拡散層１７上の第２電極１９は、ｎ−ＧａＰ電流ブロック層１６と同様に、素子中央領域に円形状の開口部１９ａを有する形状に形成されている。
【００３６】
本実施形態１のＬＥＤ１００においても、従来のＬＥＤと同様の動作により発光が行われる。まず、第１電極１８と第２電極１９との間に所定の順方向バイアス電圧を印加する。これにより、第２電極１９からｐ−ＧａＰ電流拡散層１７に注入された正孔は、ｐ−ＧａＰ電流拡散層１７とは逆導電型であるｎ−ＧａＰ電流ブロック層１６を回避して、開口部１６ａを通り、ｐ−ＧａＰ下地層１５を介して発光層１３Ａのｐ−ＧａＡｓ活性層１３へと移動し、第１電極１８からｎ−ＧａＡｓ基板１０に注入された電子とｐ−ＧａＡｓ活性層１３において再結合する。このようにして、ｐ−ＧａＡｓ活性層１３における正孔と電子との再結合により、赤外光（波長約８３０ｎｍ）が発光される。発生した赤外光は、第２電極１９の開口部１９ａから外部に照射される。なお、ｎ−ＧａＡｓバッファ層１１は、ｎ−ＧａＡｓ基板１０の結晶欠陥を緩和し、その上に形成される層の結晶性を良好にするために設けられている。
【００３７】
本実施形態においては、ｐ−ＧａＰ下地層１５とｐ−ＧａＰ電流拡散層１７との間に形成されたｎ−ＧａＰ電流ブロック層１６が、電流狭窄効果を付与する。ｎ−ＧａＰ電流ブロック層１６は、第２電極１９から注入されたキャリアである正孔の移動をブロックし、素子中央領域に設けられた開口部１６ａを通るように作用する（すなわち電流成分を開口部１６ａに集束させる）。従って、発光層の素子中央領域において集中的に再結合（発光）させることができる。このようにすることで、素子側壁近傍において結晶欠陥等によって光出力が低下するといった影響を受けることなく発光が行われるので、高効率の発光が可能である。また、発光スポットを小さくできるので、出力光の軸対称拡がり（ＬＥＤから出力される光が拡がる程度）を小さくでき、モールド後の素子の集光特性を良好にすることができる。
【００３８】
また、拡散層および下地層はｐ−ＧａＰ層から形成されているので、ｐ−ＧａＡｓ活性層１３から出力される赤外光の波長に対して十分透明（すなわち、発光波長に対して光吸収がない）である。従って、これらの層において出力光の輝度が低下することを防ぐことができる。さらに、ｐ−ＧａＰ拡散層は、Ａｌを含んでいないので、耐湿性も高い。
【００３９】
このように、本実施形態のＬＥＤ１００では、発光層上にｐ−ＧａＰ下地層を設け、その上にｎ−ＧａＰ電流ブロック層およびｐ−ＧａＰ電流拡散層を設ける構造にしているので、従来のように、電流拡散層とその下地の一部となる発光層との界面において生じる、光出力の低下等を引き起こす問題を解決することができる。
【００４０】
以下に、本実施形態１のＬＥＤ１００の製造工程について説明する。
【００４１】
まず、例えば有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法により、ｎ−ＧａＡｓ基板１０上にｎ−ＧａＡｓバッファ層１１、ｎ−Ａｌ_０．３Ｇａ_０．７Ａｓ第１クラッド層１２、ｐ−ＧａＡｓ活性層１３、ｐ−Ａｌ_０．３Ｇａ_０．７Ａｓ第２クラッド層１４、ｐ−ＧａＰ下地層１５およびｎ−ＧａＰ電流ブロック層１６を形成するためのｎ−ＧａＰ層を連続して成長させる。この成長工程は、ＭＯＣＶＤ装置内において、例えば、温度７３０℃、圧力０．１気圧の条件で行われてよい。また、ＩＩＩ族材料として、トリメチルガリウム、トリメチルアルミニウムが、Ｖ族材料として、アルシン、ホスフィンが、ドーピング用材料として、ジエチルジンク、モノシランが用いられ得る。
【００４２】
ここで、一度、膜成長を停止し、ＭＯＣＶＤ装置の外ヘ上記の各層が形成されたウェハを取り出し、所望のパターニングを行った後、熱硫酸等を用いて素子中央領域のｎ−ＧａＰ層を例えば１００μｍφの円形状にエッチングして除去することにより、ｎ−ＧａＰ電流ブロック層１６を形成した。その後、ウェハをＭＯＣＶＤ装置内に戻し、再度ＭＯＣＶＤ法を用いてｐ−ＧａＰ電流拡散層１７を、ｐ−ＧａＰ下地層１５およびｎ−ＧａＰ電流ブロック層１６の上に再成長させた。
【００４３】
その後、ｎ−ＧａＡｓ基板１０の下面に、例えばＡｕ−Ｇｅ膜を蒸着して第１電極１８を形成する一方で、ｐ−ＧａＰ電流拡散層１７の上面に、例えばＡｕ−Ｂｅ／Ａｕ膜を蒸着し、これをフォトリソグラフィおよび例えばヨウ素系エッチャントでのエッチングを用いて、例えば１００μｍφの円形状の開口部を形成するようにパターニングすることによって第２電極１９を形成した。さらに、第２電極１９と電流拡散層１７との接触面において、ｐ−ＧａＡｓ層からなるオーミックコンタクト層が設けられてもよい。
【００４４】
上述の製造工程においては、各層の形成方法としてＭＯＣＶＤ法を用いているが、これに限られるものではない。例えば、ＭＢＥ法（分子線エピタキシー法）を用いて各層を形成してもよい。
【００４５】
本実施形態においては、ｐ−ＧａＰ電流拡散層１７を再成長させる前の開口部１６ａ内での下地は、従来例１に示すＬＥＤ５００のようにｐ−ＡｌＧａＡｓ第２クラッド層ではなく、Ａｌを含まないｐ−ＧａＰ下地層１５で形成されているので、ＭＯＣＶＤ装置の外で下地層表面が露出する場合にも、ｐ−ＧａＰ電流拡散層１７を再成長させる前に界面２０に酸素が取り込まれて、界面２０に高抵抗の酸化アルミニウム膜が形成されるということがない。これにより、界面２０が高抵抗となることや、この界面２０においてキャリアが非発光再結合することを防ぐことができる。
【００４６】
さらに、電流拡散層１７と下地層１５とが同一材料であるｐ−ＧａＰから形成されているため、従来例２に示すＬＥＤ６００のように、これらの界面２０でストイキオメトリーがずれるということがなく、従って、界面準位の発生を防ぐことができる。この場合、界面準位を通じて正孔と電子とが再結合することを防ぐことができるので、発光のために有効に再結合するキャリアのロスが抑制される。また、従来のように、異種材料（例えば従来例２においては、ｐ−ＧａＩｎＰとｐ−ＡｌＧａＡｓ）が接触して形成された場合に生じる、バンドギャップの不連続性に起因する接触面の高抵抗化を生じることもない。
【００４７】
本実施形態のＬＥＤ１００を樹脂にモールドして（直径５ｍｍφの樹脂モールド）、素子特性を測ったところ、発光波長８３０ｎｍで、２０ｍＡ駆動時に発光強度２．１ｍＷ、動作電圧１．８Ｖと良好であった。
【００４８】
図２は、ｐ−ＧａＰ電流拡散層１７の再成長前の下地層である、ｐ−ＧａＰ下地層１５の層厚を変化させた時の、ＬＥＤ１００の発光強度を示すグラフである。ここでは、ｐ−ＧａＰ電流拡散層１７の層厚は５μｍと一定にした。図２からわかるように、ｐ−ＧａＰ下地層１５の層厚が２．５μｍを越えると、素子の発光強度は急激に低下する。これは、ｐ−ＧａＰ下地層１５の層厚を厚くすると、ｐ−ＧａＰ下地層１５において、電流ブロック層の直下に位置する素子周辺領域へ逃げる電流成分が増えるためであると考えられる。したがってｐ−ＧａＰ下地層１５の厚さは２．５μｍ以下にすることが望ましい。
【００４９】
なお、上記実施形態においては、より発光効率を高める目的で、発光層１３Ａがｎ−ＡｌＧａＡｓ第１クラッド層１２およびｐ−ＡｌＧａＡｓ第２クラッド層１４を有するダブルへテロ型構造の場合について説明したが、ｎ−ＡｌＧａＡｓ第１クラッド層１２を有さないシングルヘテロ型構造の場合にも、本実施形態のｎ−ＧａＰ下地層およびｎ−ＧａＰ電流拡散層が好適に適応されることはいうまでもない。
【００５０】
また、ｐ−ＧａＰ下地層１５およびｐ−ＧａＰ電流拡散層１７を除く上記各層に用いた材料は例示的なものであり、他の材料を用いて各層が形成されていてもよい。例えば、活性層はｎ型、ｐ型またはノンドープのＧａＡｓまたはＡｌＧａＡｓまたはＧａＩｎＡｓからなっていてもよく、第１クラッド層はｎ型のＡｌＧａＡｓまたはＧａＩｎＰまたはＡｌＧａＩｎＰからなっていてもよく、第２クラッド層はｐ型のＡｌＧａＡｓまたはＧａＩｎＰまたはＡｌＧａＩｎＰからなっていてもよい。さらに、これらの組成比についても任意の値をとりうる。
【００５１】
（実施形態２）
図３（ａ）および図３（ｂ）を参照して、実施形態２のＬＥＤ２００について説明する。これらの図において、図１に示す部材と同じ機能を有する部材は、同じ参照符号によって示している。
【００５２】
図３に示すように、実施形態２では実施形態１と異なり、電流ブロック層２６の開口部２６ａおよび第２電極２９の開口部２９ａを、素子中央領域において矩形状に設けることにより、発光領域を矩形状に形成している。この形状は、例えば縦８０μｍ横１２０μｍの長方形であり得る。また、縦横１００μｍの正方形または縦１２０μｍ横８０μｍの長方形であってもよい。このように発光領域を素子中央部で矩形状にすることによっても、高効率の発光が可能である。また、出力光の軸対称拡がりを小さくでき、モールド後の素子の集光特性を良好にすることができる。
【００５３】
本実施形態２のＬＥＤ２００は、ｐ−ＡｌＧａＡｓ第２クラッド層１４とｐ−ＧａＰ下地層１５との間にｐ−（Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８）_０．７５Ｉｎ_０．２５Ｐ中間層２１（Ｚｎ−ドープ、キャリア濃度１×１０^１８ｃｍ^−３、厚さ０．２μｍ）を更に有している点において実施形態１のＬＥＤ１００と異なっている。ここでｐ−ＧａＰ下地層１５の厚さは０．５μｍとした。また、電流ブロック層１７は、実施形態１のＬＥＤ１００の電流ブロック層１７と同一材料であるｎ−ＧａＰ（厚さ０．５μｍ）で形成されている。ｐ−（Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８）_０．７５Ｉｎ_０．２５Ｐ中間層２１は、ｐ−ＡｌＧａＡｓ第２クラッド層１４とｐ−ＧａＰ下地層１５との中間のバンドギャップを有する層であり、この界面の抵抗を低下させるように作用する。従って、本実施形態２のＬＥＤ２００は、さらに低抵抗で、光出力効率が高いＬＥＤでありうる。
【００５４】
本実施形態のＬＥＤ２００は以下のようにして製造される。まず、例えば有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法により、ｎ−ＧａＡｓ基板１０上にｎ−ＧａＡｓバッファ層１１、ｎ−Ａｌ_０．３Ｇａ_０．７Ａｓ第１クラッド層１２、ｐ−ＧａＡｓ活性層１３、ｐ−Ａｌ_０．３Ｇａ_０．７Ａｓ第２クラッド層１４、ｐ−（Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８）_０．７５Ｉｎ_０．２５Ｐ中間層２１、ｐ−ＧａＰ下地層１５およびｎ−ＧａＰ電流ブロック層２６を形成するためのｎ−ＧａＰ層を連続して成長させる。この成長工程は、ＭＯＣＶＤ装置内において、例えば、温度７５０℃、圧力０．０５気圧の条件で行われてよい。また、ＩＩＩ族材料として、トリメチルガリウム、トリメチルアルミニウム、トリメチルインジウムが、Ｖ族材料として、ターシャリーブチルアルシン、ターシャリーブチルホスフィンが、ドーピング用材料として、ジメチルジンク、ジシランが用いられ得る。
【００５５】
その後、矩形状の開口部２６ａが形成されるようにｎ−ＧａＰ層をパターニングしてｎ−ＧａＰ電流ブロック層２６を形成し、再度ＭＯＣＶＤ装置内でｐ−ＧａＰ電流拡散層１７を、ｐ−ＧａＰ下地層１５およびｎ−ＧａＰ電流ブロック層２６の上に再成長させる工程は、上述の実施形態１と同様にして行ってよい。本実施形態２においても、開口部２６ａ内でのｐ−ＧａＰ電流拡散層１７の下地層はｐ−ＧａＰ下地層１５であるので、界面２０は実施形態１と同様に良好な状態である。
【００５６】
その後、ｎ−ＧａＡｓ基板１０の下面に第１電極１８を形成し、ｐ−ＧａＰ電流拡散層１７の上面に第２電極２９を形成する工程も、実施形態１の工程と同様に行われてよい。ただし、第２電極は、ｎ−ＧａＰ電流ブロック層２６と同様に素子中央部に矩形状開口部２９ａを有するようにパターニングされる。
【００５７】
本実施形態のＬＥＤ２００を樹脂にモールドし、素子特性を測ったところ、発光波長８３０ｎｍで、２０ｍＡ駆動時に、発光強度２．２ｍＷ、動作電圧１．７Ｖと良好であった。
【００５８】
図４は、ｐ−ＧａＰ下地層１５およびｐ−ＧａＰ電流拡散層１７のキャリア濃度を変化させた時の、ＬＥＤ２００の発光強度をプロットしたグラフである。グラフからわかるように、下層のｐ−ＧａＰ層１５のキャリア濃度が小さく、上層のｐ−ＧａＰ層１７のキャリア濃度が大きい場合に、素子の発光強度を高くすることができる。この効果は、ｐ−ＧａＰ下地層１５およびｐ−ＧａＰ電流拡散層１７に含まれる不純物（本実施形態においてはＺｎ）の活性層１３への拡散が低減されることに起因する。より具体的には、下層のｐ−ＧａＰ下地層１５のキャリア濃度が２×１０^１８ｃｍ^−３以下であることが好ましい。また、上層のｐ−ＧａＰ電流拡散層１７のキャリア濃度が２×１０^１８ｃｍ^−３以上であることが好ましい。キャリア濃度がこのような適正範囲にある場合、ＬＥＤ２００の発光強度はさらに高められる。
【００５９】
（実施形態３）
図５を参照して、実施形態３のＬＥＤ３００を説明する。図５において、図１に示す部材と同じ機能を有する部材は、同じ参照符号によって示している。ｎ−ＧａＰ電流ブロック層１６は、実施形態１と同様に素子中央領域が円形状にエッチングされている。
【００６０】
本実施形態３のＬＥＤ３００は、ｐ−ＧａＰ電流拡散層１７が、ｐ−ＧａＰ第１拡散層１７ａ（Ｚｎ−ドープ、キャリア濃度１×１０^１８ｃｍ^−３、厚さ２μｍ）と、ｐ−ＧａＰ第２拡散層１７ｂ（Ｚｎ−ドープ、キャリア濃度３×１０^１８ｃｍ^−３、厚さ３μｍ）との２層で構成されている点において実施形態１のＬＥＤ１００と異なっている。なお、本実施形態３において、ｐ−ＧａＰ下地層１５は、Ｚｎ−ドープ、キャリア濃度１×１０^１８ｃｍ^−３、厚さ１．５μｍで形成されている。
【００６１】
ｐ−ＧａＰ電流拡散層１７を２層構造とし、下層のｐ−ＧａＰ第１拡散層１７ａのキャリア濃度を小さく、上層のｐ−ＧａＰ第２拡散層１７ｂのキャリア濃度を大きくすることによって、発光素子の発光強度を高くすることができる。この効果は、ｐ−ＧａＰ電流拡散層１７に含まれる不純物（本実施形態においてはＺｎ）の活性層１３への拡散が低減されることに起因する。より具体的には、下層のｐ−ＧａＰ第１拡散層１７ａのキャリア濃度が２×１０^１８ｃｍ^−３以下であることが好ましい。また、上層のｐ−ＧａＰ第２拡散層１７ｂのキャリア濃度が２×１０^１８ｃｍ^−３以上であることが好ましい。キャリア濃度がこのような適正範囲にある場合、ＬＥＤ３００の発光強度はさらに高められる。
【００６２】
ＬＥＤ３００の製造において、電流ブロック層１６を形成するまでの工程については実施形態１と同様にして行うことができる。ただし、ｐ−ＧａＰ下地層１５は、Ｚｎ−ドープ、キャリア濃度１×１０^１８ｃｍ^−３、厚さ１．５μｍで形成される。その後、２層構造のｐ−ＧａＰ電流拡散層１７を再成長させるために、再度ＭＯＣＶＤ装置内において、Ｚｎ−ドープ、キャリア濃度１×１０^１８ｃｍ^−３のｐ−ＧａＰ第１拡散層１７ａを厚さ２μｍに成長させたあと、キャリア濃度を変化させたＺｎ−ドープ、キャリア濃度３×１０^１８ｃｍ^−３のｐ−ＧａＰ第２拡散層１７ｂを厚さ３μｍに、連続的に成長させる。この工程は、公知の膜成長方法を用いて容易に行われうる。
【００６３】
本実施形態においても、開口部１６ａ内において、ｐ−ＧａＰ電流拡散層１７（具体的にはｐ−ＧａＰ第１拡散層１７ａ）を再成長させる下地の層がｐ−ＧａＰ下地層１５であるため、界面２０は、実施形態１と同様に良好な状態である。
【００６４】
ＬＥＤ３００を樹脂にモールドし、素子特性を測ったところ、発光波長８３０ｎｍで、２０ｍＡ駆動時に、発光強度で２．３ｍＷ、動作電圧１．９Ｖとやはり良好な素子特性が得られた。
【００６５】
（実施形態４）
図６を参照して、実施形態４のＬＥＤ４００を説明する。図６において、図１に示す部材と同じ機能を有する部材は、同じ参照符号によって示している。ｎ−ＧａＰ電流ブロック層１６は、実施形態１と同様に素子中央領域が円形状にエッチングされている。
【００６６】
本実施形態４のＬＥＤ４００は、発光層１３Ａ（具体的にはｎ−ＡｌＧａＡｓ第１クラッド層１２）とｎ−ＧａＡｓ基板１０との間に、ｎ−Ａｌ_０．３Ｇａ_０．７Ａｓとｎ−ＧａＡｓと（共にＳｉ−ドープ、キャリア濃度５×１０^１７ｃｍ^−３、厚さ０．０５μｍ）の１０対からなる光反射層２２が形成されている点において、実施形態１のＬＥＤ１００と異なっている。このように光反射層２２を設けることにより、素子の発光強度をさらに高めることができる。
【００６７】
また、ＬＥＤ４００は、実施形態１のＬＥＤ１００の製造方法において、ｎ−ＧａＡｓ基板１０上にｎ−ＧａＡｓバッファ層１１を形成した後、ｎ−Ａｌ_０．３Ｇａ_０．７Ａｓ第１クラッド層１２を形成する前に、ｎ−Ａｌ_０．３Ｇａ_０．７Ａｓとｎ−ＧａＡｓと（共にＳｉ−ドープ、キャリア濃度５×１０^１７ｃｍ^−３、厚さ０．０５μｍ）の１０対からなる光反射層２２を形成することによって製造される。これらの膜は、連続して形成することができる。その他の工程については、実施形態１のＬＥＤ１００の製造工程と同様の工程を適用することができる。
【００６８】
従って、本実施形態においても、開口部１６ａ内において、ｐ−ＧａＰ電流拡散層１７（具体的にはｐ−ＧａＰ第１拡散層１７ａ）を再成長させる下地の層がｐ−ＧａＰ下地層１５であるため、界面２０は実施形態１と同様に良好な状態である。
【００６９】
ＬＥＤ４００を樹脂にモールドし、素子特性を測ったところ、発光波長８３０ｎｍで、２０ｍＡ駆動時に、発光強度で４ｍＷ、動作電圧１．９Ｖと良好な特性が得られた。
【００７０】
なお、上記実施形態１〜４においては発光ダイオード（ＬＥＤ）について例示的に説明したが、例えば半導体レーザなどの半導体発光素子についても、本発明は好適に適用され得る。
【００７１】
【発明の効果】
上述のように、本発明の半導体発光素子は、第２導電型ＧａＰ下地層において酸素の取り込みがなく、第２導電型ＧａＰ下地層と第２導電型ＧａＰ電流拡散層との間でストイキオメトリーのずれによる界面準位の発生もない。従って、低抵抗かつキャリアロスの少ない半導体発光素子を得ることができる。また、第１導電型の電流ブロック層が、第２導電型ＧａＰ下地層の一部の上に形成されているために、電流拡散層からの電流成分の流れを制限することができる。電流ブロック層を素子中央部以外の素子周辺部に設けた場合、電流が素子中央領域に集中して流れるため、発光層での発光スポットを小さくすることができる。従って、モールド後の集光特性が良好な半導体発光素子を得ることができる。活性層はＧａＡｓまたはＡｌＧａＡｓまたはＧａＩｎＡｓからなり、かつ下地層および電流拡散層を形成するＧａＰは、赤外光に対して光吸収を起こさないので、低抵抗で発光効率が良好な、赤外帯の半導体発光素子が得られる。
【００７２】
また、下地層を２．５μｍ以下とすることで電流狭窄効果がさらに高められる。
【００７３】
また、第２導電型のＧａＰ下地層のキャリア濃度を２×１０^１８ｃｍ^−３以下、かつ、第２導電型のＧａＰ電流拡散層のキャリア濃度を２×１０^１８ｃｍ^−３以上に適性化することで、第２導電型を作る不純物の活性層への拡散がなく、発光輝度が大きくできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態１による発光ダイオードを示す図である。（ａ）は斜視図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ’線に対応する断面図である。
【図２】実施形態１による発光ダイオードにおいて、下地層となるｐ−ＧａＰ層厚を変化させた時の発光強度を示すグラフである。
【図３】本発明の実施形態２による発光ダイオードを示す図である。（ａ）は斜視図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ’線に対応する断面図である。
【図４】実施形態２による発光ダイオードにおいて、下層のｐ−ＧａＰ下地層と、再成長した上層のｐ−ＧａＰ電流拡散層とのキャリア濃度を変化させた場合の発光強度を示すグラフである。
【図５】本発明の実施形態３による発光ダイオードを示す断面図である。
【図６】本発明の実施形態４による発光ダイオードを示す断面図である。
【図７】従来の発光ダイオード（従来例１）を示す図である。（ａ）は斜視図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ’線に対応する断面図である。
【図８】従来の発光ダイオード（従来例２）を示す断面図である。
【符号の説明】
１０ ｎ−ＧａＡｓ基板
１１ ｎ−ＧａＡｓバッファ層
１３Ａ 発光層
１２ ｎ−ＡｌＧａＡｓ第１クラッド層
１３ ｐ−ＧａＡｓ活性層
１４ ｐ−ＡｌＧａＡｓ第２クラッド層
１５ ｐ−ＧａＰ下地層
１６ ｎ−ＧａＰ電流ブロック層
１６ａ 開口部
１７ ｐ−ＧａＰ電流拡散層
１８ 第１電極
１９ 第２電極
１９ａ 開口部
２０ 界面

Claims (5)

1. 第１導電型の半導体基板と、第２導電型の電流拡散層と、該半導体基板と該電流拡散層との間に設けられたＧａＡｓまたはＡｌＧａＡｓまたはＧａＩｎＡｓからなる活性層を含む発光層と、該発光層上に形成された第２導電型の下地層と、該下地層の一部の上に形成された第１導電型の電流ブロック層とを有する半導体発光素子であって、
   該第２導電型の電流拡散層は、該第２導電型の下地層および該第１導電型の電流ブロック層を覆って形成されており、
   該下地層および該電流拡散層は、前記活性層からの光に対して透明な第２導電型のＧａＰからなる、半導体発光素子。
2. 前記電流ブロック層は、素子の周辺領域に部分的に形成された第１導電型のＧａＰからなる層である、請求項１に記載の半導体発光素子。
3. 前記発光層は、前記活性層を挟持する、前記半導体基板側に設けられた第１クラッド層と前記電流拡散層側に設けられた第２クラッド層とをさらに有し、
   該第１クラッド層は、第１導電型のＡｌＧａＡｓまたはＧａＩｎＰまたはＡｌＧａＩｎＰからなり、該第２クラッド層は第２導電型のＡｌＧａＡｓまたはＧａＩｎＰまたはＡｌＧａＩｎＰからなる、請求項１または２に記載の半導体発光素子。
4. 前記下地層の厚さが２．５μｍ以下である、請求項１から３のいずれかに記載の半導体発光素子。
5. 前記下地層のキャリア濃度が２×１０¹⁸ｃｍ^-3以下であり、前記電流拡散層のキャリア濃度が２×１０¹⁸ｃｍ^-3以上である、請求項１から４のいずれかに記載の半導体発光素子。

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