JP3807638B2 - 半導体発光素子及びその製造方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体発光素子、特に赤から緑色帯の高輝度LEDを構成するAlGaInPを材料とする4元LEDの構造とその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年AlGaInPを材料とする4元系高輝度LED(発光ダイオード)が屋内外の表示デバイスとして脚光を浴びている。4元系材料は、赤から緑色帯の幅広い可視波長域のLEDを作製できることが大きな特徴である。
【0003】
従来例の黄色帯の標準的な4元LEDの構造を図7に示し、図7(a)は斜視図であり、図7(b)は略断面図である。この構造では、n−GaAs基板50上にMOCVD法によりn−(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5Pクラッド層51(Siドープ、キャリア濃度5×1017cm-3、厚さ1.5μm)、ノンドープ(Al0.3Ga0.7)0.5In0.5P活性層52(厚さ0.7μm)、p−(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5Pクラッド層53(Zn−ドープ、キャリア濃度5×1017cm-3、厚さ1.5μm)、p−Al0.7Ga0.3As電流拡散層54(Zn−ドープ、キャリア濃度3×1018cm-3、厚さ5μm)、p−GaAsオーミックコンタクト層55(Zn−ドープ、キャリア濃度3×1018cm-3、厚さ0.5μm)が順次形成されている。また基板の裏面と成長層側に電極56、57が設けられている。成長層側の上部電極57は、p−GaAsオーミックコンタクト層55と共に素子中央部で円形状にパターン化されており、それ以外の領域ではエッチングにより除去されている。
【0004】
LEDの輝度を示す指標の一つにモールドされたLED素子の軸上光度(単位:カンデラ)がある。上記従来例の場合、発光の軸上拡がり角度が±4°で、動作電圧2.0V、駆動電流20mAの時、輝度は8カンデラであった。軸上光度はLEDの集光特性が良い程(軸上拡がりが小さい程)、見かけ上良くなり、また集光特性の良いLEDは通信用として有利である。
【0005】
また、従来例の通信用LEDを図8に示し、図8(a)は斜視図であり、図8(b)は図8(a)のA−A′線による略断面図である。この従来例は黄色帯AlGaInP系LEDで以下の構成になっている。
【0006】
図8(b)の略断面図において、n−GaAs基板50上にMOCVD法によりn−(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5Pクラッド層51(Siドープ、キャリア濃度1×1018cm-3、厚さ1.0μm)、ノンドープ(Al0.3Ga0.7)0.5In0.5P活性層52(厚さ0.6μm)、p−(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5Pクラッド層53(Zn−ドープ、キャリア濃度1×1018cm-3、厚さ1.0μm)、n−(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5P電流狭窄層58(Siドープ、キャリア濃度2×1018cm-3、厚さ0.4μm)、p−Al0.7Ga0.3As電流拡散層54(Zn−ドープ、キャリア濃度3×1018cm-3、厚さ6μm)、p−GaAsオーミックコンタクト層55(Zn−ドープ、キャリア濃度3×1018cm-3、厚さ0.5μm)が順次形成されている。
【0007】
n−(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5P電流狭窄層58は素子中央を発光領域とするようにその中央部を円形状にエッチングされており、p−Al0.7Ga0.3As電流拡散層54はその上に再成長されている。59は再成長界面である。また電極を基板側の電極(下部電極)56と成長層側の電極(上部電極)57にそれぞれ形成し、オーミックコンククト層55と上部電極57は電流狭窄層58のエッチング部に相当する形状と大きさの部分がエッチングで除去されたドーナツ状の形状である。
【0008】
この従来例のLED素子では注入された電流は中央の領域に集中して流れ、発光スポットを小さくすることができる。そのことで樹脂にモールドした後の素子の集光特性を良好にでき、軸上光度を上げることができる。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来例では、p−Al0.7Ga0.3As電流拡散層54を再成長する前の下地層がAlを含む(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5Pクラッド層53であるため、界面59(図8(b)参照)に酸素が取り込まれ、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するなどの損失を生じていた。そのため典型的な素子特性として、20mA通電時に軸上の広がり角度が±2°で、輝度は16カンデラ、動作電圧3.0Vであった。これは同じ材料で構成された図7で説明した従来例のLEDのそれらの値が20mA通電時に軸上の広がり角度が±4°で、輝度は8カンデラ、動作電圧2.0Vであったのに比べて軸上光度はわずか2倍の向上にすぎず、大きな動作電圧の上昇を伴っている。当初この素子では、図7の従来例の素子に比べ軸上の広がり角度が1/2になっていることから、輝度は4倍の向上、即ち輝度32カンデラが予想されていた。
【0010】
この課題を解決するために、図9に示した構造の従来例の素子が提案されている。この素子の電流狭窄層及び成長層側の電極形状は、図8(a)に示した従来例と同じである。
【0011】
図9の略断面図において、n−GaAs基板50上にMOCVD法によりn−(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5Pクラッド層51(Siドープ、キャリア濃度1×1018cm-3、厚さ1.0μm)、ノンドープ(Al0.3Ga0.7)0.5In0.5P活性層52(厚さ0.6μm)、p−(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5Pクラッド層53(Zn−ドープ、キャリア濃度1×1018cm-3、厚さ1.0μm)、が順次形成されている。次に、この素子では、図8の従来例とは異なり、(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5Pクラッド層53の上に、Alを含まないp−GaInP層60(Zn−ドープ、キャリア濃度1×1018cm-3、厚さ100Å(オングストローム))を有しているところが違っており、この層が再成長時の下地となるため酸素が取り込まれ難く、界面59の状態は図8の従来例と比較して改善される。以下、図8(b)と同様に、n−(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5P電流狭窄層58(Siドープ、キャリア濃度2×1018cm-3、厚さ0.4μm)、p−Al0.7Ga0.3As電流拡散層54(Zn−ドープ、キャリア濃度3×1018cm-3、厚さ6μm)、p−GaAsオーミックコンタクト層55(Zn−ドープ、キャリア濃度3×1018cm-3、厚さ0.5μm)が順次形成されている。
【0012】
しかしながら、図9の従来例のLEDの特性は、軸上の広がり角度±2°で輝度は24カンデラ、動作電圧2.4Vと不十分なものであった。これは再成長時の下地がp−GaInP層60であり、再成長層54がp−Al0.7Ga0.3As層とV族元素がAsとPで異なっているため、ストイキオメトリーがずれ易く、界面59の状態が依然として悪く、やはり高抵抗層となり、注入されたキャリアの損失が生じているためであると考えられる。
【0013】
【課題を解決するための手段】
本発明による半導体発光素子は、第1導電型の化合物半導体基板と、前記化合物半導体基板上に設けられたAlGaInPからなる発光層と、前記発光層上に所定の厚さで設けられた第2導電型のGaP半導体層と、前記GaP半導体層上の所定の領域に設けられた第1導電型のGaP電流狭窄層と、前記GaP半導体層における所定領域以外の領域および前記GaP電流狭窄層上に配置された第2導電型のGaP電流拡散層とを含むことを特徴とするものである。
【0015】
また、本発明による半導体発光素子は、前記第2導電型のGaPより成る電流拡散層のキャリア濃度が前記第2導電型のGaP半導体層から上部電極に向かって増大することを特徴とするものである。
【0024】
さらに、本発明による半導体発光素子の製造方法は、第1導電型の化合物半導体基板に、AlGaInP発光層及び第2導電型のGaP半導体層を順次形成する工程と、その後に該第2導電型のGaP半導体より成る電流拡散層を形成する工程とを含み、再成長界面が第2導電型のGaP半導体層の表面またはその内部にあり、該再成長界面が、前記第2導電型のGaP半導体層を形成する工程の後に、該第2導電型のGaP半導体層の所定領域上に第1導電型のGaP電流狭窄層を形成し、その後に、前記電流拡散層を該第2導電型のGaP半導体層の所定領域以外の領域および該GaP電流狭窄層上に形成することによって形成されることを特徴とするものである。
【0025】
[作用]
AlGaInPを材料とする4元LEDを例にとって説明すると、第1導電型の化合物半導体基板(n−GaAs)/バッハァー層(n−GaAs)/発光層(クラッド層/活性層/クラッド層)/第2導電型のAlを含まない化合物半導体層(p−GaP)/第1導電型のAlを含まない化合物半導体より成る電流狭窄層(n−Gap)/第2導電型のAlを含まない化合物半導体より成る電流拡散層(p−Gap)の各層より構成される半導体発光素子であり、再成長界面が第2導電型のAlを含まない化合物半導体層(p−GaP)または電流拡散層(p−GaP)の表面またはその内部となるため、酸素の取り込みがなく、その上に同−材料のGaP層が形成されるために、ストイキオメトリーのずれによる界面準位の発生もなく、低抵抗で高輝度の半導体発光素子を得ることができる素子構造及びその製造方法である。
【0026】
【発明の実施の形態】
図1乃至図6は本発明の一実施の形態に関する図である。以下本発明の一実施の形態よりなる各例を図面を用いて説明する。
【0027】
[第1実施の形態]
図1は本発明の一実施の形態よりなる半導体発光素子であり、図1(a)は概略斜視図であり、図1(b)は略断面図である。
【0028】
図1(a)において、n−GaAs基板10上にMOCVD法によりn−GaAsバッファ層11(Si−ドープ、キャリア濃度5×1017cm-3、厚さ0.5μm)、n−(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5Pクラッド層12(Siドープ、キャリア濃度5×1017cm-3、厚さ1.5μm)、ノンドープ(Al0.3Ga0.7)0.5In0.5P活性層13(厚さ0.7μm)、p−(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5Pクラッド層14(Zn−ドープ、キャリア濃度5×1017cm-3、厚さ1.5μm)を形成する。次に、Alを含まないp−GaP層15(Zn−ドープ、キャリア濃度2×1018cm-3、厚さ1.5μm)、n−GaP電流狭窄層16(Siドープ、キャリア濃度1×1018cm-3、厚さ0.5μm)を形成し、続いて、p−GaP電流拡散層17(Znドープ、キャリア濃度2×1018cm-3、厚さ5μm)、を形成する。また素子の裏面にn側電極18、成長層側にp側電極19を形成する。電流拡散層17が高濃度のp−GaP層であるため、オーミックコンタクト層を設ける必要はなく、設けられていない。n−GaP層16は、図1(a)に見られるように素子中央部が円形状になるようにエッチングで除去され、ドーナツ状の形状をしている。また基板の裏面と成長層側に電極18、19が設けられているが、成長層側の電極19も素子中央部が円形状に除去され、発光した光を取り出す窓状の形に形成されている。
【0029】
本発明の一実施の形態よりなる半導体発光素子は以下のようにして製造される。MOCVD法により、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5×1017cm-3、厚さ0.5μm)、n−(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5Pクラッド層12(Siドープ、キャリア濃度5×1017cm-3、厚さ1.5μm)、ノンドープ(Al0.3Ga0.7)0.5In0.5P活性層13(厚さ0.7μm)、p−(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5Pクラッド層14(Zn−ドープ、キャリア濃度5×1017cm-3、厚さ1.5μm)、p−GaP層15(Zn−ドープ、キャリア濃度2×1018cm-3、厚さ1.5μm)、n−GaP電流狭窄層16(Siドープ、キャリア濃度1×1018cm-3、厚さ0.5μm)を連続して成長する。次に、一度成長を停止し、MOCVD装置外へウエハを取り出し、所望のパターニングを行った後、熱硫酸を用いて素子中央部のn−GaP層16を円形状にエッチングして除去する。その後、再度MOCVD法でp−GaP電流拡散層17(Znドープ、キャリア濃度2×1018cm-3、厚さ5μm)を成長した。次に、素子の裏面にn側電極18、成長層側にp側電極19を形成した。
【0030】
本実施例は上述の図8の従来例と異なり、再成長前の下地はp−AlGaInPクラッド層ではなく、A1を含まないp−GaP層15であるので、再成長界面20の酸化がなく、且つ同一組成比の半導体材料を積層するため、ストイキオメトリーもずれないため、高抵抗化せず、従ってキャリアのロスもない。本素子をモールドし、特性を測ったところ、軸上光度で輝度は32カンデラ、動作電圧2.0Vと良好であった。
【0031】
請求項の関係で説明すると、n−GaAs基板10は第1導電型の化合物半導体基板に相当し、n−GaAsバッファ層11は第1導電型の化合物半導体基板と発光層との間に介在させるバッファー層に相当し、n−(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5Pクラッド層12とノンドープ(Al0.3Ga0.7)0.5In0.5P活性層13とp−(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5Pクラッド層14により構成される層は発光層に相当し、Alを含まないp−GaP層15は第2導電型のAlを含まない化合物半導体層に相当し、n−GaP電流狭窄層16は第1導電型のAlを含まない化合物半導体より成る電流狭窄層に相当し、p−GaP電流拡散層17は第2導電型のAlを含まない化合物半導体より成る電流拡散層に相当する。
【0032】
また、前記発光層として、第1導電型のAlGaInPクラッド層またはAlInPクラッド層、第1導電型または第2導電型またはアンドープのAlGaInP活性層またはGaInP活性層、第2導電型のAlGaInPクラッド層またはAlInPクラッド層のダブルへテロ構造層より成る発光層を用いても本発明を実施することができる。
【0033】
また、本発明の半導体発光素子は上述の黄色帯発光に限られるものではなく、GaInPや(Al0.05Ga0.95)0.5In0.5Pを活性層とする赤色帯発光(前者655nm、後者644nm)や、(Al0.2Ga0.8)0.5In0.5Pを活性層とする橙色帯発光(610nm)や、(Al0.38Ga0.62)0.5In0.5Pを活性層とする黄色帯発光(570nm)や、(Al0.45Ga0.55)0.5In0.5Pを活性層とする緑色帯発光(560nm)であっても良いことは当然である。
【0034】
またクラッド層は(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5Pに限られるものではなく、Al0.5In0.5Pであっても良い。さらに、p型の半導体基板を用い、各層の導電型はnとpが逆の構成の半導体発光素子であっても良い。
【0035】
図2は再成長前の下地層であるP−GaP層15の層厚を変化させた時の素子の軸上光度を示すものである。ここでは電流拡散層P−GaP層17の層厚は5μmと一定にした。横軸のP−GaP層15の層厚が0の近くに表示されている点は層厚が100Å(0.01μm)程度であり、0.5μm、1.0μm、1.5μm、2.0μmのGaP層15の層厚に対して、軸上光度は31カンデラ(cd)〜33カンデラ(cd)の高い値が得られている。しかし、P−GaP層15の層厚が2.5μmを越え、3.0μm以上となると、軸上光度は急激に低下する。これは、p−GaP層15内で電極下となる周囲領域へ逃げる電流成分が増えるためと考えられる。したがってp−GaP層15の厚さは、0.01μm〜3.0μm程度が望ましい。
【0036】
[第2実施の形態]
図3は本発明の他の一実施の形態よりなる半導体発光素子であり、図3(a)は概略斜視図であり、図3(b)は略断面図である。
【0037】
この図3の本発明の他の一実施の形態よりなる半導体発光素子が図1に示した本発明の一実施の形態よりなる半導体発光素子と異なる点は、p−(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5Pクラッド層14とp−GaP層15との間に、p−(Al0.2Ga0.8)0.75In0.25Pバンドギャップ調整層21を介在させたことと、電流狭窄層n−GaP16の発光領域の窓の形状を矩形とし、それに応じて、電極の形も矩形とした点である。
【0038】
図3(b)において、n−GaAs基板10上にMOCVD法によりn−GaAsバッファ層11(Si−ドープ、キャリア濃度5×1017cm-3、厚さ0.5μm)、n−(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5Pクラッド層12(Siドープ、キャリア濃度5×1017cm-3、厚さ1.5μm)、ノンドープ(Al0.3Ga0.7)0.5In0.5P活性層13(厚さ0.7μm)、p−(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5Pクラッド層14(Zn−ドープ、キャリア濃度5×1017cm-3、厚さ1.5μm)を形成する。次に、p−(Al0.2Ga0.8)0.75In0.25Pバンドギャップ調整層21(Zn−ドープ、キャリア濃度1×1018cm-3、厚さ0.2μm)を形成し、Alを含まないp−GaP層15(Zn−ドープ、キャリア濃度2×1018cm-3、厚さ5μm)、n−GaP電流狭窄層16(Siドープ、キャリア濃度1×1018cm-3、厚さ0.5μm)を形成し、続いて、p−GaP電流拡散層17(Znドープ、厚さ1.5μm?)、を形成する。また素子の裏面にn側電極18、成長層側にp側電極19を形成する。このn−GaP層16は、図3(a)に見られるように素子中央部が矩形状の窓となるようにエッチングで除去されている。また基板の裏面と成長層側に電極18、19が設けられているが、成長層側の電極19も素子中央部が矩形状に除去され、発光した光を取り出す窓状の形に形成されている。
【0039】
ここに新たに設けたバンドギャップ調整層であるp−(Al0.2Ga0.8)0.75In0.25Pバンドギャップ調整層21は、その下部のクラッド層であるp−(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5Pクラッド層14と酸化防止層であるp−GaP層15との中間のバンドギャップの値を持ち、層14と層15との界面による抵抗値の値を小さくする作用をなしている。即ち、各層のバンドギャップの大きさは、クラッド層14は2.33eV程度であり、バンドギャップ調整層21は2.55eV程度であり、GaP層15は2.78eV程度、である。図3の本発明の半導体発光素子を樹脂モールドし、特性を測ったところ、軸上光度で輝度は34カンデラ、動作電圧1.9Vであった。
【0040】
また、バンドギャップ調整層21の設計指針については、次のように考えることができる。接合前のその半導体材料の伝電帯下端のエネルギー位置が、接合前のクラッド層14の伝電帯下端のエネルギー位置と接合前のGaP層15の
伝電帯下端のエネルギー位置と間に位置し、且つ、または、接合前のその半導体材料の伝電帯上端のエネルギー位置が、接合前のクラッド層14の伝電帯上端のエネルギー位置と接合前のGaP層15の伝電帯上端のエネルギー位置と間に位置することである。
【0041】
図4は、図3に示した構造の半導体発光素子において、p−GaP層15、とp−GaP層17のキャリア濃度を変化させた時の素子の軸上光度をプロットしたものである。図4において、p−GaP電流拡散層17のキャリア濃度が5×1017cm-3の場合を■印で表示すると、界面層p−GaP層15のキャリア濃度を変化させると、2×1017cm-3、5×1017cm-3、1×1018cm-3、2×1018cm-3、3×1018cm-3、5×1018cm-3の場合の軸上光度(単位はカンデラ)はそれぞれ、軸上光度は10、10、7、5、3、2、と変化し、同様に、p−GaP電流拡散層17のキャリア濃度が1×1018cm-3の場合を△印で表示すると、それぞれ軸上光度は25、25、20、13、8、2、と変化し、同様に、p−GaP電流拡散層17のキャリア濃度が2×1018cm-3の場合を○印で表示すると、それぞれ軸上光度は33、34、32、30、20、5、と変化し、同様に、p−GaP電流拡散層17のキャリア濃度が5×1018cm-3の場合を□印で表示すると、それぞれ軸上光度は33、35、33、30、21、15、と変化する。
【0042】
この図4の結果から、下層のp−GaP層(第2導電型のAlを含まない化合物半導体層)15のキャリア濃度が小さく、上層のp−GaP層(第2導電型のAlを含まない化合物半導体層よりなる電流拡散層)17のキャリア濃度が大きい時に発光光度が高く、その適性範囲は下層のp−GaP層15で2×1018cm-3以下であり、上層のP−GaP層17で2×1018cm-3以上であることがわかる。また、下層のp−GaP層15のキャリア濃度が2×1016cm-3より小さくなると、動作電圧の上昇が見られることから、最適な下層のp−GaP層15のキャリア濃度の下限は2×1016cm-3程度であると推察される。
【0043】
[第3実施の形態]
図5は本発明の他の一実施の形態よりなる半導体発光素子の略断面図である。この図5の本発明の他の一実施の形態よりなる半導体発光素子が図1に示した本発明の一実施の形態よりなる半導体発光素子と異なる点は、上部のp−GaP電流拡散層(第2導電型のAlを含まない化合物半導体層よりなる電流拡散層)17が2層構造となっている点で、17aは(Znドープ、キャリア濃度1×1018cm-3、厚さ2μm)であり、17bは(Znドープ、キャリア濃度3×1018cm-3、厚さ3μm)である点である。
【0044】
図5において、n−GaAs基板10上にMOCVD法によりn−GaAsバッファ層11(Si−ドープ、キャリア濃度5×1017cm-3、厚さ0.5μm)、n−(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5Pクラッド層12(Siドープ、キャリア濃度5×1017cm-3、厚さ1.5μm)、ノンドープ(Al0.3Ga0.7)0.5In0.5P活性層13(厚さ0.7μm)、p−(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5Pクラッド層14(Zn−ドープ、キャリア濃度5×1017cm-3、厚さ1.5μm)を形成する。次に、Alを含まないp−GaP層15(Zn−ドープ、キャリア濃度1×1018cm-3、厚さ2μm)、n−GaP電流狭窄層16(Siドープ、キャリア濃度1×1018cm-3、厚さ0.5μm)を形成し、続いて、2層構造のp−GaP電流拡散層17として、第1電流拡散層p−GaP電流拡散層17a(Znドープ、キャリア濃度1×1018cm-3、厚さ2μm)、第2電流拡散層p−GaP電流拡散層17b(Znドープ、キャリア濃度3×1018cm-3、厚さ3μm)、を形成する。また素子の裏面にn側電極18、成長層側にp側電極19を形成する。このn−GaP層16は、図5に示されるように素子中央部が円形状になるようにエッチングで除去され、ドーナツ状の形状をしている。また基板の裏面と成長層側に電極18、19が設けられているが、成長層側の電極19も素子中央部が円形状に除去され、発光した光を取り出す窓状の形に形成されている。
【0045】
この素子構造の場合、キャリア濃度の点から見ると、下部GaP層15と上部GaP層17の境界は第1電流拡散層GaP層17aと第2電流拡散層GaP層17bとの境界となる。言い換えれば、この半導体発光素子は、第2導電型のAlを含まない化合物半導体より成る電流拡散層(17)のキャリア濃度が第2導電型のAlを含まない化合物半導体層(15)側から上部電極(19)側に向かって増大する構造となっている。本発明による半導体発光素子をモールドし、特性を測ったところ、軸上光度で輝度は35カンデラ、動作電圧1.9vとやはり良好な特性が得られた。
【0046】
[第4実施例]
図6は本発明の他の一実施の形態よりなる半導体発光素子の略断面図である。この図6の本発明の他の一実施の形態よりなる半導体発光素子が図1に示した本発明の一実施の形態よりなる半導体発光素子と異なる点は、n−GaAsバッファ層11(Si−ドープ、キャリア濃度5×1017cm-3、厚さ0.5μm)とn−(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5Pクラッド層12(Siドープ、キャリア濃度5×1017cm-3、厚さ1.5μm)との間に、n−Al0.5In0.5P(Si−ドープ、キャリア濃度5×1017cm-3、厚さ0.5μm)と(Al0.4Ga0.6)0.5In0.5P(Si−ドープ、キャリア濃度5×1017cm-3、厚さ0.5μm)の対の層を10層重ねた光反射層22が形成されている所が第1の実施の形態と異なっている。
【0047】
本発明による半導体発光素子を樹脂モールドし、特性を測ったところ、軸上光度で輝度は48カンデラ、動作電圧1.9Vと良好な特性が得られた。
【0048】
図6において、10はn−GaAs基板、11はn−GaAsバッファ層、12はn−(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5Pクラッド層、13はノンドープ(Al0.3Ga0.7)0.5In0.5P活性層、14はp−(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5Pクラッド層、15はAlを含まないp−GaP層、16はn−GaP電流狭窄層、17はp−GaP電流拡散層、18は素子裏面のn側電極、19は成長層側のp側電極、20は再成長界面であり、各層のキャリア濃度や層厚は図1で説明した通りであり、22は光反射層である。
【0049】
また、請求項の関係で説明すると、第1導電型の化合物半導体基板(n−GaAs基板10)と発光層との間に、光学的な反射作用をなす半導体層22を介在させたこと構造の半導体発光素子であり、発光層はn−(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5Pクラッド層12、ノンドープ(Al0.3Ga0.7)0.5In0.5P活性層13、p−(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5Pクラッド層14である。
【0050】
【発明の効果】
以上のように、本発明の半導体発光素子によれば、第1導電型の化合物半導体基板、発光層、第2導電型のAlを含まない化合物半導体層、第2導電型のAlを含まない化合物半導体より成る電流拡散層、を含む各層より構成されることを特徴とするものであり、第2導電型のAlを含まない化合物半導体層と第2導電型のAlを含まない化合物半導体より成る電流拡散層との界面(再成長界面)に酸素が取り込まれることがなく、低抵抗で、発光輝度の大きい半導体発光素子を得ることができる。
【0051】
また、本発明の半導体発光素子によれば、前記第2導電型のAlを含まない化合物半導体層と、前記第2導電型のAlを含まない化合物半導体より成る電流拡散層との間に、第1導電型のAlを含まない化合物半導体より成る電流狭窄層を配設させたことを特徴とするものであり、電流を狭い領域に集中することができるため、発光スポットを小さくすることができ、発光輝度の大きい半導体発光素子を得ることができ、従って、樹脂モールド後の集光特性が向上し、軸上光度を増大することができる。
【0052】
また、本発明の半導体発光素子によれば、前記第2導電型のAlを含まない化合物半導体より成る電流拡散層のキャリア濃度が前記第2導電型のAlを含まない化合物半導体層から上部電極に向かって増大することを特徴とするものであり、前記第2導電型のAlを含まない化合物半導体より成る電流拡散層と第2導電型のクラッド層を通しての第2導電型を作る不純物が活性層へ拡散して結晶性を劣化させるが無いため、発光輝度が低下することは無い。
【0053】
また、本発明の半導体発光素子によれば、前記発光層として、第1導電型のAlGaInPクラッド層またはAlInPクラッド層、第1導電型または第2導電型またはアンドープのAlGaInP活性層またはGaInP活性層、第2導電型のAlGaInPクラッド層またはAlInPクラッド層が順次形成されたダブルへテロ構造であることを特徴とするものであり、クラッド層がバンドギャップの大きく、且つ酸化されやすく、非発光準位が発生しやすい材料であるAlGaInP層またはAlInP層で形成されてはいるが、本発明ではその上に前記第2導電型のAlを含まない化合物半導体を形成しているため、酸化防止の効果は顕著である。
【0054】
また、本発明の半導体発光素子によれば、前記第1導電型の化合物半導体基板と前記発光層との間に、光学的な反射作用をなす半導体層を介在させたことを特徴とするものであり、基板側へ出射した光を反射して、外部に取り出すことができるため、発光輝度を増大することができる。
【0055】
また、本発明の半導体発光素子によれば、前記発光層と前記第2導電型のAlを含まない化合物半導体層との間に、中間的なバンドギャップを有するバンドギャップ調整層を介在させたことを特徴とするものであり、前記発光層と前記第2導電型のAlを含まない化合物半導体層間の抵抗を減少させることができるため、動作電圧を低くすることができる。
【0056】
また、本発明の半導体発光素子によれば、前記第1導電型の化合物半導体基板と前記発光層との間に、バッファー層を介在させたことを特徴とするものであり、バッファー層の上に成長する前記発光層の結晶性を向上させることができるため、発光輝度を増大することができる。
【0057】
また、本発明の半導体発光素子によれば、前記第2導電型のAlを含まない化合物半導体層としてGaP材料、前記第1導電型のAlを含まない化合物半導体より成る電流狭窄層としてGaP材料、前記第2導電型のAlを含まない化合物半導体より成る電流拡散層としてGaP材料、を用いることを特徴とするものであり、すべて同一材料で形成されることから、ストイキオメトリーのずれによる界面準位の発生が無く、再成長界面でのキャリアのロスが無く、発光輝度を増大することができる。
【0058】
また、本発明の半導体発光素子によれば、前記第1導電型のAlを含まない化合物半導体より成る電流狭窄層が前記化合物半導体発光素子の中央部において欠損領域を有することを特徴とするものであり、電流を中央部に集中することができるため、発光スポットを素子中央部に小さく形成することができ、発光輝度の大きい半導体発光素子を得ることができる。従って、樹脂モールド後の集光特性が非常に高まり、軸上光度をより一層増大することができる。
【0059】
また、本発明の半導体発光素子によれば、前記第2導電型のAlを含まない化合物半導体層の層厚が3.0μm以下であることを特徴とするものであり、前記第2導電型のAlを含まない化合物半導体層内で、素子中央部から周辺部へ拡散する電流成分を減少することができるため、素子中央部での発光効率を一層増大することができる。
【0060】
また、本発明の半導体発光素子によれば、前記第2導電型のAlを含まない化合物半導体層のキャリア濃度が2×1016cm-3〜2×1018cm-3であり、前記第2導電型のAlを含まない化合物半導体より成る電流拡散層のキャリア濃度が2×1018cm-3以上であることを特徴とするものであり、第2導電型を作る不純物の発光層への拡散を確実に抑制し、且つ電流拡散を良好にすることができるので、より一層発光輝度を増大することができる。
【0061】
さらに、本発明の半導体発光素子の製造方法によれば、第1導電型の化合物半導体基板に、発光層及び第2導電型のAlを含まない化合物半導体層を形成する工程と、第2導電型のAlを含まない化合物半導体より成る電流拡散層する工程とを含み、再成長界面が第2導電型のAlを含まない化合物半導体層の表面にあることを特徴とするものであり、再成長界面への酸素の取り込みを少なくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の一実施の形態よりなる半導体発光素子及びその製造方法を説明するための図であり、(a)は概略斜視図であり、(b)は略断面図である。
【図2】本発明の一実施の形態よりなる半導体発光素子の再成長前の下地層であるp−GaP層15の層厚を変化させた時の素子の軸上光度を示す図である。
【図3】本発明の第2の一実施の形態よりなる半導体発光素子及びその製造方法を説明するための図であり、(a)は概略斜視図であり、(b)は略断面図である。
【図4】本発明の第2の一実施の形態よりなる半導体発光素子において、p−GaP層15、とp−GaP層17のキャリア濃度を変化させた時の素子の軸上光度をプロットした図である。
【図5】本発明の第3の一実施の形態よりなる半導体発光素子及びその製造方法を説明するための略断面図である。
【図6】本発明の第4の一実施の形態よりなる半導体発光素子及びその製造方法を説明するための略断面図である。
【図7】従来例の黄色帯の標準的な4元LEDの構造をを説明するための図であり、(a)は概略斜視図であり、(b)は略断面図である。
【図8】従来例の通信用LEDの構造を説明するための図であり、(a)は概略斜視図であり、(b)は略断面図である。
【図9】従来例の他のLEDの略断面図であり、再成長界面造を説明するための図である。
【符号の説明】
10 n−GaAs基板
11 n−GaAsバッファ層
12 n−(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5Pクラッド層
13 ノンドープ(Al0.3Ga0.7)0.5In0.5P活性層
14 p−(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5Pクラッド層
15 Alを含まないp−GaP層
16 n−GaP電流狭窄層
17 p−GaP電流拡散層
17a 低濃度のp−GaP電流拡散層
17b 高濃度のp−GaP電流拡散層
18 素子裏面のn側電極
19 成長層側のp側電極
20 再成長界面
21 バンドギャップ調整層
22 光反射層
Claims (3)
- 第1導電型の化合物半導体基板と、
前記化合物半導体基板上に設けられたAlGaInPからなる発光層と、
前記発光層上に所定の厚さで設けられた第2導電型のGaP半導体層と、
前記GaP半導体層上の所定の領域に設けられた第1導電型のGaP電流狭窄層と、
前記GaP半導体層における所定領域以外の領域および前記GaP電流狭窄層上に配置された第2導電型のGaP電流拡散層と
を含むことを特徴とする半導体発光素子。 - 請求項1記載の半導体発光素子において、前記第2導電型のGaPより成る電流拡散層のキャリア濃度が前記第2導電型のGaP半導体層から上部電極に向かって増大することを特徴とする半導体発光素子。
- 請求項1記載の半導体発光素子の製造方法において、第1導電型の化合物半導体基板に、AlGaInP発光層及び第2導電型のGaP半導体層を順次形成する工程と、その後に該第2導電型のGaP半導体より成る電流拡散層を形成する工程とを含み、
再成長界面が第2導電型のGaP半導体層の表面またはその内部にあり、
該再成長界面が、前記第2導電型のGaP半導体層を形成する工程の後に、該第2導電型のGaP半導体層の所定領域上に第1導電型のGaP電流狭窄層を形成し、その後に、前記電流拡散層を該第2導電型のGaP半導体層の所定領域以外の領域および該GaP電流狭窄層上に形成することによって形成されることを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
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