JP3817322B2 - 半導体発光素子 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は発光層形成部にＡｌＧａＩｎＰ系の化合物半導体が用いられ、発光面側にキャリア濃度の大きい半導体層とバンドギャップエネルギーが大きい半導体層の積層構造からなるウインドウ層が設けられる可視光の半導体発光素子に関する。さらに詳しくは、ウインドウ層の半導体結晶層の膜質をよくすると共に、光の吸収を抑えて発光効率などの電気特性を向上させる半導体発光素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の可視光の半導体発光素子は、たとえば発光層形成部にＡｌＧａＩｎＰ系の化合物半導体材料を用い、図３に示されるような構造になっている。すなわち、図３において、ｎ形のＧａＡｓからなる半導体基板２１上に、たとえばｎ形のＡｌＧａＩｎＰ系の半導体材料からなるｎ形クラッド層２２、クラッド層よりバンドギャップエネルギーが小さくなる組成のノンドープのＡｌＧａＩｎＰ系の半導体材料からなる活性層２３、ｐ形のＡｌＧａＩｎＰ系の半導体材料からなるｐ形クラッド層２４がそれぞれエピタキシャル成長され、ダブルヘテロ接合構造の発光層形成部２９が形成されている。さらにその表面にＡｌＧａＡｓ系化合物半導体層２５ａおよびＧａＰ層２５ｂからなるｐ形のウィンドウ層（電流拡散層）２５が順次エピタキシャル成長され、その表面にｐ側電極２７、半導体基板２１の裏面側にｎ側電極２８がそれぞれＡｕ-Ｚｎ-Ｎｉ合金やＡｕ-Ｇｅ-Ｎｉ合金などにより形成されることにより構成されている。
【０００３】
この構造の発光素子では、積層された半導体層の表面側、すなわちｐ側電極２７側からの光が利用され、光を遮断するｐ側電極２７はできるだけ小さい面積で形成される。一方、両クラッド層２２、２４により挟まれた活性層２３にキャリアを閉じ込めることにより発光させるため、電流は発光層の全体に分散して均一に流れることが望ましい。そのため、電流がチップの全体に広がるように、ウインドウ層２５が設けられている。このウインドウ層２５は、電流を拡散すると共に、活性層２３で発光する光を吸収しないことが望ましく、バンドギャップエネルギーの大きい材料であるＧａＰが用いられる場合と、図３に示される例のように、電流をできるだけ拡散させることができるように、キャリア濃度が大きいＡｌＧａＡｓ系化合物半導体層２５ａと、キャリア濃度はやや落ちるがバンドギャップエネルギーが大きく光の吸収の小さいＧａＰ層２５ｂとの積層構造により形成される場合とがある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来の図３に示される構造の半導体発光素子では、ＧａＡｓ基板とＡｌＧａＩｎＰ系化合物半導体（格子定数は５.６５３Å）との格子整合は（ＡｌＧａ）とＩｎとの混晶比率により行われ、さらにＡｌＧａＡｓ系化合物半導体とも格子整合はとられているが、ＧａＰ（格子定数は５.４５１Å）との間では格子整合はとれていない。そのため、ＧａＰからなるウインドウ層の膜質が低下し、電気抵抗が増加して動作電圧が高くなったり、電流の拡散が充分に行われなくて、発光効率が低下するなどの電気特性が低下するという問題がある。
【０００５】
さらに、ＧａＰ層はバンドギャップエネルギーが大きいといっても、多少は発光層で発光する光を吸収し、可視光に対して完全な透明体ではない。
【０００６】
本発明は、このような問題を解決するためになされたもので、ＡｌＧａＩｎＰ系化合物半導体により発光層形成部が形成され、ウインドウ層としてキャリア濃度が高い半導体層とバンドギャップエネルギーが大きいＧａＰ層との積層構造からなるウインドウ層が用いられる半導体発光素子において、ウインドウ層の膜質を低下させないで、発光効率が高く電気特性の優れた発光素子を提供することを目的とする。
【０００７】
本発明の他の目的は、ウインドウ層での光の吸収を極力抑えて外部に取り出すことができる光の割合である外部発光効率の高い半導体発光素子を提供することにある。
【０００８】
【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、基板と、該基板上に設けられ、ＡｌＧａＩｎＰ系化合物半導体からなりｎ形層およびｐ形層が積層され発光層を形成する発光層形成部と、該発光層形成部の表面側に設けられるウインドウ層とを備える半導体発光素子であって、前記ウインドウ層が前記発光層形成部の表面に設けられる第１層および該第１層の表面側に設けられる第２層を含む積層構造からなり、該第１層が前記第２層よりキャリア濃度の大きい半導体層からなり、前記第２層が前記第１層よりバンドギャップエネルギーの大きい半導体層からなり、前記バンドギャップエネルギーの大きい半導体層が（Ａｌ_x Ｇａ_1-x ）_1-z Ｉｎ_z Ｐ（０≦ｘ≦１、０≦ｚ＜０.４９）化合物半導体からなり、かつ、ＧａＰよりもバンドギャップエネルギーの大きい材料からなっている。
【０００９】
ここにＡｌＧａＩｎＰ系化合物半導体とは、（Ａｌ_x Ｇａ_1-x ）_0.51Ｉｎ_0.49Ｐの形で表され、ｘの値が０と１との間で種々の値のときの材料を意味する。なお、（Ａｌ_x Ｇａ_1-x ）とＩｎの混晶比率の０.５１および０.４９はＡｌＧａＩｎＰ系化合物半導体が積層されるＧａＡｓなどの半導体基板と格子整合される比率であることを意味する。
【００１２】
前記キャリア濃度が大きい半導体層としては、たとえばＡｌＧａＡｓ系化合物半導体層またはＡｌＧａＩｎＰ系化合物半導体層が用いられ、かつ、キャリア濃度が１×１０ ¹⁸ 〜１×１０ ²⁰ ｃｍ ^-3 に形成されている。
【００１３】
バンドギャップエネルギーの大きい半導体層として上述の材料が用いられることにより、ＧａＰ層よりバンドギャップエネルギーが大きく、光の吸収を抑制することができ、外部発光効率が向上する。
【００１４】
前記バンドギャップエネルギーの大きい半導体層の表面側にＧａＰ層が設けられることにより、ｐ側電極とのコンタクトによる電気特性が従来構造より低下することもない。
前記キャリア濃度の大きい第１層と前記バンドギャップエネルギーの大きい第２層との間に、または前記バンドギャップエネルギーの大きい半導体層と前記ＧａＰ層との間に、該両層の格子歪を緩和するバッファ層が設けられることにより、ウインドウ層の積層構造での格子定数の差による歪の蓄積が生ぜず、格子定数の差による界面の歪が緩和されるため、ウインド層の膜質が向上し、発光素子としての電気的特性が向上する。
【００１５】
【発明の実施の形態】
つぎに、図面を参照しながら本発明の半導体発光素子について説明をする。
【００１６】
本発明の半導体発光素子は、図１にその一例の断面構造が示されるように、ｎ形のＧａＡｓ基板１上にＡｌＧａＩｎＰ系化合物半導体からなり発光層を形成する発光層形成部１１が堆積され、その表面にキャリア濃度の大きい半導体層７ａ、バッファ層７ｂ、バンドギャップエネルギーの大きい半導体層７ｃの積層構造からなるｐ形のウインドウ層７が設けられ、その表面にｐ側電極８が形成され、ＧａＡｓ基板１の裏面にｎ側電極９が設けられることにより発光素子チップが形成されている。すなわち、本発明ではウインドウ層７のキャリア濃度の大きい半導体層７ａと、バンドギャップエネルギーの大きい半導体層７ｃとの間に両者の格子定数の中間の格子定数を有するバッファ層７ｂを介在させることにより、格子定数の差に基づく両層間の歪を緩和させている。
【００１７】
キャリア濃度の大きい半導体層７ａとしては、ＡｌＧａＡｓ系化合物半導体またはＡｌＧａＩｎＰ系化合物半導体が用いられ、キャリア濃度が１×１０¹⁸〜１×１０²⁰ｃｍ^-3程度で、１〜５μｍ程度の厚さに形成される。これらの半導体は、不純物を充分にドープしてキャリア濃度を高くすることができる。ＡｌＧａＩｎＰ系化合物半導体は、発光層形成部１１の半導体層と同種の半導体であるが、発光層形成部１１では発光効率の関係から余りキャリア濃度を高くすることができず、発光層形成部１１とは別に設けられる。この場合、発光層形成部１１のクラッド層よりＡｌの比率を大きくしてバンドギャップエネルギーを大きくした組成のものが用いられることもあり、同じ比率の場合もある。
【００１８】
バンドギャップエネルギーの大きい半導体層７ｃとしては、従来と同様のＧａＰ層または後述する（Ａｌ_x Ｇａ_1-x ）_1-z Ｉｎ_z Ｐ（０≦ｘ≦１、０≦ｚ＜０.４９）化合物半導体が用いられ、キャリア濃度が１×１０¹⁶〜１×１０¹⁹ ｃｍ^-3程度で、０.１〜２０μｍ程度の厚さに形成される。バッファ層７ｂは、ＧａＡｓ基板１と格子定数が合されたＡｌＧａＡｓ系またはＡｌＧａＩｎＰ系の化合物半導体の格子定数５.６５３Åとバンドギャップエネルギーの大きい半導体層７ｃであるＧａＰ層の格子定数５.４５１Åとの中間の格子定数を有するものが用いられ、たとえばＧａＩｎＰ層（格子定数５.４９１Å）が用いられ、キャリア濃度が１×１０¹⁶〜１×１０¹⁹ｃｍ^-3程度で、０.１〜２０μｍ程度の厚さに設けられる。
【００１９】
発光層形成部１１は、ＡｌＧａＩｎＰ系化合物半導体からなり、キャリア濃度が１×１０¹⁷〜１×１０¹⁹ｃｍ^-3程度で、厚さが０.１〜２μｍ程度のｎ形クラッド層３と、ノンドープでクラッド層よりバンドギャップエネルギーが小さくなる組成のＡｌＧａＩｎＰ系化合物半導体からなり、０.１〜２μｍ程度の厚さの活性層４と、Ｚｎがドープされてキャリア濃度が１×１０¹⁶〜１×１０¹⁹ｃｍ^-3程度、厚さが０.１〜２μｍ程度で、ｎ形クラッド層３と同じ組成のＡｌＧａＩｎＰ系化合物半導体からなるｐ形クラッド層５との積層構造からなっている。なお、ＧａＡｓ基板１上に図示しないバッファ層を介してこれらの発光層形成部１１が積層される場合もある。その場合、バッファ層は、ｎ形のＧａＡｓからなり、厚さが０.１〜２μｍ程度でキャリア濃度が１×１０¹⁷〜１×１０¹⁹ｃｍ^-3程度に形成される。
【００２０】
前述のウインドウ層７の表面にＡｕ-Ｔｉ合金、またはＡｕ-Ｚｎ-Ｎｉ合金などからなるｐ側電極８が、またＧａＡｓ基板１の裏面にＡｕ-Ｇｅ-Ｎｉ合金などからなるｎ側電極９が設けられている。なお、ウインドウ層７とｐ側電極８との間にＺｎが２×１０¹⁹ｃｍ^-3程度のキャリア濃度になるようにドーピングされたＧａＡｓからなるコンタクト層（図示せず）が０.０５〜０.２μｍ程度設けられる場合もある。
【００２１】
このような半導体発光素子を製造するには、たとえばｎ形のＧａＡｓ基板１をＭＯＣＶＤ装置内に入れ、反応ガスのトリエチルガリウム（以下、ＴＥＧという）またはトリメチルガリウム（以下、ＴＭＧという）およびアルシン（以下、ＡｓＨ₃ という）、ＳｅのドーパントガスであるＨ₂ Ｓｅをキャリアガスの水素（Ｈ₂ ）と共に導入し、５００〜８００℃程度でエピタキシャル成長し、キャリア濃度が１×１０¹⁸ｃｍ^-3程度になるようにＳｅがドープされたｎ形のＧａＡｓからなるバッファ層（図示せず）を０.１μｍ程度成膜する。ついで、ＡｓＨ₃ に代えてホスフィン（以下、ＰＨ₃ という）を、さらにトリメチルアルミニウム（以下、ＴＭＡという）およびトリメチルインジウム（以下、ＴＭＩｎという）を導入し、ｎ形でキャリア濃度が１×１０¹⁷〜１×１０¹⁹ｃｍ^-3程度のたとえば（Ａｌ_0.7 Ｇａ_0.3 ）_0.51Ｉｎ_0.49Ｐからなるｎ形クラッド層３を０.５μｍ程度、反応ガスのＴＭＡを減らしてＴＥＧまたはＴＭＧを増やし、たとえばノンドープの（Ａｌ_0.25Ｇａ_0.75）_0.51Ｉｎ_0.49Ｐからなる活性層４を０.５μｍ程度、ｎ形クラッド層３と同様の反応ガスで、Ｈ₂ Ｓｅの代わりに、Ｚｎのドーパントガスとしてのジメチル亜鉛（ＤＭＺｎ）を導入してキャリア濃度が１×１０¹⁶〜１×１０¹⁹ｃｍ^-3の（Ａｌ_0.7 Ｇａ_0.3 ）_0.51Ｉｎ_0.49Ｐからなるｐ形クラッド層５を０.５μｍ程度エピタキシャル成長する。
【００２２】
さらに、ドーパントガスのＤＭＺｎを導入しながら、反応ガスをＴＥＧまたはＴＭＧとＴＭＡとＡｓＨ₃ にして、キャリア濃度が１×１０¹⁷〜１×１０¹⁹ｃｍ^-3程度のｐ形のＡｌＧａＡｓ層７ａを１〜１０μｍ程度成長する。さらに、反応ガスをＴＭＩｎとＴＥＧまたはＴＭＧとＰＨ₃ に変えてｐ形のＧａＩｎＰ層７ｂを０.００１〜０.１μｍ程度、反応ガスをＴＥＧまたはＴＭＧとＰＨ₃ に切り変えてｐ形のＧａＰ層７ｃを０.００１〜０.１μｍ程度の厚さで積層する。そして全体で０.１〜２０μｍ程度の厚さのウインドウ層７を形成する。さらに、必要に応じて、ウインドウ層７の表面にＴＥＧまたはＴＭＧとＡｓＨ₃ およびＤＭＺｎを導入することにより、キャリア濃度が２×１０¹⁹ｃｍ^-3程度のＧａＡｓからなるコンタクト層（図示せず）を０.０５〜０.２μｍ程度成膜する。
【００２３】
このようにエピタキシャル成長された基板の上面および裏面側に、Ａｕ-Ｔｉ合金、またはＡｕ-Ｚｎ-Ｎｉ合金などからなる上部電極（ｐ側電極）８およびＡｕ-Ｇｅ-Ｎｉ合金などからなる下部電極（ｎ側電極）９を形成し、ダイシングしてチップ化する。
【００２４】
本発明によれば、ＡｌＧａＡｓ系もしくはＡｌＧａＩｎＰ系化合物半導体からなるキャリア濃度が大きい半導体層とＧａＰからなるバンドギャップエネルギーの大きい半導体層との間に、ＧａＩｎＰ層からなるバッファ層が介在されることによりウインドウ層が形成されている。ＧａＩｎＰ層の格子定数は、両側に隣接する両層の中間に位置し、両者間の格子定数の差に基づく歪を緩和する。その結果、ウインドウ層をキャリア濃度の大きい半導体層とバンドギャップエネルギーの大きい半導体層との積層構造で構成する半導体発光素子においても、半導体層の界面における歪を緩和してウインドウ層の膜質の低下が生じないで、発光効率の高い半導体発光素子となる。一方、このバッファ層は、キャリア濃度やバンドギャップエネルギーがその両側の層の中間的な性質を有し、発光に支障を来すことはない。
【００２５】
図２は、本発明の半導体発光素子の他の実施形態を説明するウインドウ層７部の断面説明図である。この例は、ＧａＰよりさらにバンドギャップエネルギーの大きい材料を用いることにより、ウインドウ層における光の吸収をさらに少なくして外部へ取り出すことができる光の割合である外部発光効率を向上させるものである。すなわち、図２（ａ）に示されるように、バンドギャップエネルギーの大きい半導体材料として、ＡｌＧａＰ系化合物半導体など、Ｉｎの組成をＧａＡｓと格子整合をとる値（０.４９）より小さくしてバンドギャップエネルギーを大きくした（Ａｌ_x Ｇａ_1-x ）_1-z Ｉｎ_z Ｐ（０≦ｘ≦１、０≦ｚ＜０.４９）化合物半導体が用いられている。これらの半導体層は、ＧａＰよりバンドギャップエネルギーが大きく、光の吸収を一層抑制することができる。このようなバンドギャップエネルギーの大きい半導体は、一般的にもキャリア濃度をあまり大きくすることができないため、前述のようにキャリア濃度の大きい半導体層７ａを発光層形成部１１側に介在させることが好ましい。このキャリア濃度の大きい半導体層７ａは、前述と同様のＡｌＧａＡｓ系化合物半導体またはキャリア濃度を大きくしたＡｌＧａＩｎＰ系化合物半導体が使用される。なお、図２では省略されているが、図１に示されるように、この両層間に格子歪を緩和させるバッファ層が介在されることが好ましい。
【００２６】
図２（ｂ）は、バンドギャップエネルギーの大きい半導体層７ｃの表面にさらにその層よりはバンドギャップエネルギーは小さいが、抵抗が小さいＧａＰ層７ｄが設けられている。これは、ｐ側電極８と半導体層との接触抵抗を下げるためのもので、電気特性改善の利点がある。
【００２７】
なお、前述の各例では、発光層形成部１１が、活性層４を両クラッド層３、５により挟持し、活性層４と両クラッド層３、５の材料、たとえばＡｌの混晶比を異ならせ、活性層にキャリアや光を閉じ込めやすくして活性層４を発光層とするダブルヘテロ接合構造であるが、活性層４を介さないでｐｎ接合が形成され、ｐｎ接合部に発光層を形成する構造のもでもよい。
【００２８】
さらに、前述の例では、半導体発光素子を構成する各半導体層として、具体的な半導体材料を用い、その厚さやキャリア濃度の特定の例が示されているところがあるが、これらの例には限定されない。
【００２９】
【発明の効果】
本発明によれば、ウインドウ層にキャリア濃度の大きい半導体層とバンドギャップエネルギーの大きい半導体層の積層構造が用いられる場合にも、その間での格子定数の不整合に基づく内部歪が発生しない。そのため、キャリア濃度の大きい特性と、バンドギャップエネルギーの大きい特性の両方の特性を満たしながら、半導体層の界面における歪が生じることなく良質の半導体積層構造が得られ、発光効率の高い半導体発光素子が得られる。
【００３０】
また、バンドギャップエネルギーの大きい半導体層として、ＡｌＧａＰ系化合物半導体のような（Ａｌ_x Ｇａ_1-x ）_1-z Ｉｎ_z Ｐ（０≦ｘ≦１、０≦ｚ＜０.４９）化合物半導体が用いられることにより、ＧａＰよりも光の吸収が少なくなり、一層発光効率が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の半導体発光素子の一実施形態の断面構造を示す図である。
【図２】本発明の半導体発光素子の他の実施形態の一部の断面構造を示す図である。
【図３】従来の半導体発光素子の断面構造を示す図である。
【符号の説明】
１ 基板
３ ｎ形クラッド層
４ 活性層
５ ｐ形クラッド層
７ ウィンドウ層
７ａ キャリア濃度の大きい半導体層
７ｂ バッファ層
７ｃ バンドギャップエネルギーの大きい半導体層
７ｄ ＧａＰ層
１１ 発光層形成部

Claims (5)

1. 基板と、該基板上に設けられ、ＡｌＧａＩｎＰ系化合物半導体からなりｎ形層およびｐ形層が積層され発光層を形成する発光層形成部と、該発光層形成部の表面側に設けられるウインドウ層とを備える半導体発光素子であって、前記ウインドウ層が前記発光層形成部の表面に設けられる第１層および該第１層の表面側に設けられる第２層を含む積層構造からなり、該第１層が前記第２層よりキャリア濃度の大きい半導体層からなり、前記第２層が前記第１層よりバンドギャップエネルギーの大きい半導体層からなり、前記バンドギャップエネルギーの大きい半導体層が（Ａｌ_x Ｇａ_1-x ）_1-z Ｉｎ_z Ｐ（０≦ｘ≦１、０≦ｚ＜０.４９）化合物半導体からなり、かつ、ＧａＰよりもバンドギャップエネルギーの大きい材料からなる半導体発光素子。
2. 前記キャリア濃度の大きい半導体層が、ＡｌＧａＡｓ系化合物半導体層またはＡｌＧａＩｎＰ系化合物半導体層からなり、かつ、キャリア濃度が１×１０¹⁸〜１×１０²⁰ｃｍ^-3である請求項１記載の半導体発光素子。
3. 前記バンドギャップエネルギーの大きい半導体層の表面側にＧａＰ層が設けられてなる請求項１または２記載の半導体発光素子。
4. 前記キャリア濃度の大きい第１層と前記バンドギャップエネルギーの大きい第２層との間に、該両層の格子歪を緩和するバッファ層が設けられてなる請求項１、２または３記載の半導体発光素子。
5. 前記バンドギャップエネルギーの大きい半導体層と前記ＧａＰ層との間に、該両層の格子歪を緩和するバッファ層が設けられてなる請求項３または４記載の半導体発光素子。

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