WO2007088841A1 - 発光素子およびその製造方法 - Google Patents

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WO2007088841A1
WO2007088841A1 PCT/JP2007/051464 JP2007051464W WO2007088841A1 WO 2007088841 A1 WO2007088841 A1 WO 2007088841A1 JP 2007051464 W JP2007051464 W JP 2007051464W WO 2007088841 A1 WO2007088841 A1 WO 2007088841A1
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layer
light
light emitting
gap
light extraction
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PCT/JP2007/051464
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Inventor
Akira Uchikawa
Masataka Watanabe
Masanobu Takahashi
Jun Ikeda
Original Assignee
Shin-Etsu Handotai Co., Ltd.
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    • H01L33/387—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the electrodes with a particular shape with a plurality of electrode regions in direct contact with the semiconductor body and being electrically interconnected by another electrode layer

Definitions

  • the present invention relates to a light emitting device and a method for manufacturing the same.
  • Patent Document 1 US Patent No. 5008718
  • Al Ga In P (where 0 ⁇ x ⁇ 1, 0 ⁇ y ⁇ 1; hereinafter also referred to as AlGalnP)
  • AlGalnP Al Ga
  • the light-emitting element in which the light-emitting layer portion is formed of a mixed crystal compound has a thin AlGalnP activity
  • a high-brightness device can be realized.
  • Energization of the light emitting layer is performed through a metal electrode formed on the element surface. Since the metal electrode acts as a light shield, it is formed, for example, so as to cover only the central portion of the main surface of the light emitting layer portion, and light is extracted from the surrounding electrode non-formation region.
  • Patent Document 1 discloses that HVPE (Metal-Oxide Vapor Phase Epitaxy: HVPE (Metal-Oxide Vapor Phase Epitaxy) is formed on the first main surface of the light emitting layer grown on the GaAs substrate.
  • the first GaP light extraction layer (window layer or current spreading layer) is grown thickly by the Hydride Vapor Phase Epitaxy method, and then the second main surface force of the light emitting layer is GaAs.
  • An element structure is disclosed in which a substrate is removed and a first GaP light extraction layer is grown thickly by HVPE on the removed second main surface.
  • the compound semiconductor crystal forming the light-emitting layer portion is required to have a high quality that does not include crystal defects such as dislocations in order to increase the light emission efficiency.
  • the lattice constant difference between the A1 GalnP light emitting layer and the GaP light extraction layer is very large, in the case of the configuration of Patent Document 1, it is prestressed due to the lattice constant difference with the first GaP light extraction layer. Since the second GaP light extraction layer is directly grown on the AlGalnP light emitting layer in the above state, the lattice strain applied to the light emitting layer becomes very large, and misfit dislocations and the like are easily introduced into the light emitting layer. Therefore, there is a problem that the light emission luminance and the element life are likely to be reduced.
  • An object of the present invention is to effectively suppress the introduction of crystal defects into the light emitting layer portion even though the GaP light extraction layer is epitaxially grown on both sides of the light emitting layer portion having AlGalnP force.
  • the present invention provides a light emitting device excellent in light emission luminance and device life and a method for manufacturing the same.
  • the light-emitting device of the present invention comprises:
  • N-type compounds each composed of a compound represented by the composition formula (AlGa) InP (where 0 ⁇ x ⁇ l, 0 ⁇ y ⁇ l) and having a composition lattice-matched with GaAs
  • AlGa composition formula
  • InP composition formula (AlGa) InP (where 0 ⁇ x ⁇ l, 0 ⁇ y ⁇ l) and having a composition lattice-matched with GaAs
  • GaAs P (where X is the GaAs mixed crystal ratio)
  • a method for manufacturing a light emitting device of the present invention is provided in order to manufacture the light emitting device of the present invention.
  • a substrate removing step of removing the GaAs single crystal substrate from the second main surface side of the light emitting layer portion; a connection layer growing step of epitaxially growing a connection layer on the second main surface side of the light emitting layer portion; A second GaP light extraction layer growth step of epitaxially growing a second GaP light extraction layer on the main surface is performed in this order.
  • a compound semiconductor that lattice-matches with GaAs refers to a lattice constant of the compound semiconductor that is expected in a Balta crystal state in which no lattice dislocation due to stress occurs. Similarly, this refers to a compound semiconductor in which the lattice mismatch rate expressed by ⁇
  • the active layer may be configured as a single layer of AlGalnP, or a quantum layer in which barrier layers and well layers made of AlGalnP having different compositions are stacked alternately. It can be configured as a well layer! /, (The whole quantum well layer is regarded as one active layer).
  • AlGalnP-based mixed crystal compound ((Al Ga) In _ P (where 0 ⁇ x ⁇ l, 0 ⁇ y ⁇ l)) is a GaAs single crystal substrate by adjusting the mixed crystal ratio x and y
  • the emission wavelength can be easily adjusted while maintaining a high emission intensity in the range of 570 nm to 652 nm, for example, while maintaining a lattice constant that matches the above.
  • Table 1 shows various setting examples of the mixed crystal ratios x and y and the corresponding relationship between the lattice constant, band gap energy, emission wavelength, and emission color of the AlGalnP mixed crystal obtained thereby.
  • GaAs P constituting the connection layer is a mixed crystal of GaP and GaAs, and the GaAs mixed crystal ratio is
  • the lattice constant is always between GaP and GaAs. Specifically, as shown in Table 2, as X increases, the lattice constant increases and the bandgap energy decreases.
  • connection layer made of GaAs P— is provided between the light emitting layer portion lattice-matched with GaAs and the second GaP light extraction layer, so that the second GaP layer is formed on the light emitting layer portion.
  • the light extraction layer is thickly grown epitaxially, compared with the case where there is no connection layer, a sudden change in the lattice constant from the light emitting layer side to the second GaP light extraction layer side is mitigated, Strong lattice strain is prevented from being applied to the light emitting layer portion.
  • the light emitting layer portion is desirably epitaxially grown by the MOVPE method in order to perform layer growth with a uniform composition and few crystal defects.
  • the first GaP light extraction layer and the second GaP light extraction layer it is desirable to adopt the HVPE method from the viewpoint of efficiently growing a high quality and thick film.
  • the connection layer is also grown by the HVPE method, the subsequent growth process of the second GaP light extraction layer can be carried out in the same HVPE growth vessel, which is efficient.
  • connection layer can be formed between the first GaP light extraction layer and the light emitting layer portion, but the connection layer is omitted on the first GaP light extraction layer side. It is also possible.
  • the first GaP light extraction layer is formed in contact with the light emitting layer portion.
  • the epitaxial growth of the first GaP light extraction layer is performed on the light emitting layer portion on the GaAs single crystal substrate, while the epitaxial growth of the second GaP light extraction layer is performed on the first GaP light extraction layer. This is performed on the light emitting layer on the layer (with the GaAs single crystal substrate removed).
  • the substrate part corresponding to the base is the first GaP light extraction layer where the latter has a large lattice constant difference from the light emitting layer part.
  • the former is GaAs having substantially the same lattice constant as that of the light emitting layer portion.
  • the stress generated in the light emitting layer portion due to the epitaxial growth of the first GaP light extraction layer is reduced to Ga.
  • the second GaP light extraction layer when the second GaP light extraction layer is epitaxially grown, the light emitting layer portion is not lattice-matched with the first GaP light extraction layer that is the base layer, and therefore, the pre-growth due to the mismatch strain is caused. Under stress, the second GaP light extraction layer is epitaxially grown. Therefore In order to protect the light emitting layer part with misfit dislocation isoelectricity, it is essential that the discontinuity of the lattice constant from the light emitting layer part to the second GaP light extraction layer is mitigated by the intervening connection layer.
  • FIG. 1 is a schematic side sectional view showing an example of a light emitting device of the present invention.
  • FIG. 2 is an explanatory diagram of a connection layer.
  • FIG. 3 is a process explanatory view showing a method for manufacturing the light-emitting element of FIG. 1.
  • FIG. 5 is a process explanatory diagram following FIG.
  • FIG. 6 is a graph showing the experimental results of measuring the relationship between the GaAs mixed crystal X in the connection layer, light emission luminance, and device life.
  • FIG. 7 is a graph showing the experimental results of measuring the relationship between the thickness difference between the first and second GaP light extraction layers and the warpage generated in the substrate.
  • FIG. 8 is a first graph showing the experimental results of measuring the relationship between the carrier concentration of the first and second GaP light extraction layers, the forward voltage, and the light emission luminance.
  • FIG. 9 is a second graph showing the experimental results of measuring the relationship between the carrier concentration of the first and second GaP light extraction layers, the forward voltage, and the light emission luminance.
  • FIG. 1 is a conceptual diagram showing a light emitting device 100 according to an embodiment of the present invention.
  • the light-emitting element 100 is composed of a compound having a composition lattice-matched with GaAs among compounds represented by the composition formula (AlGa) InP (where 0 ⁇ x ⁇ l, 0 ⁇ y ⁇ l).
  • the n-type cladding layer 4, the active layer 5, and the p-type cladding layer 6 that are formed are stacked in this order on the light emitting layer portion 24 having a double hetero structure, and on one main surface side of the light emitting layer portion 24.
  • GaAs P (where X is Ga
  • the light-emitting layer portion 24 includes an active layer 5 made of a non-doped (AlGa_) In_P (where 0 ⁇ x ⁇ 0.55, 0.45 ⁇ y ⁇ 0.55) mixed crystal, p-type (Al Ga) In P (where x ⁇ z ⁇ 1) force z 1— z 1—
  • the p-type AlGalnP cladding layer 6 is disposed on the first main surface side (upper side of the drawing), and the n-type AlGalnP cladding layer 4 is disposed on the second main surface side (lower side of the drawing).
  • “non-dope” means “no active addition of dopant”, and contains an inevitable dopant component in the normal manufacturing process (for example, 1 X 10 13 to 1 X 10 16 / cm 3 is the upper limit).
  • the light emitting layer portion 24 is grown by the MOVPE method.
  • the thickness of the n-type cladding layer 4 and the p-type cladding layer 6 is, for example, not less than 0.8 ⁇ m and not more than 4 ⁇ m (preferably not less than 0.8 ⁇ m and not more than 2 ⁇ m), and the thickness of the active layer 5 Is, for example, 0.4 m or more and 2 m or less (preferably 0.4 m or more and 1 m or less).
  • the total thickness of the light emitting layer 24 is, for example, 2 ⁇ m or more and 10 ⁇ m or less (desirably 2 ⁇ m or more and 5 ⁇ m or less).
  • the light extraction region side metal electrode 9 is formed so as to cover a part of the first main surface (here, the central portion). One end of an electrode wire 17 is joined to the light extraction region side metal electrode 9.
  • the first GaP light extraction layer 20 is a light extraction layer that diffuses the light emission drive current caused by energization through the light extraction region side metal electrode 9 in the element surface and uniformly emits the light emitting layer portion 24 in the surface. In addition to increasing the brightness of the entire light-emitting element (integrated sphere brightness), it also increases the extracted luminous flux of the layer side surface force. GaP suppresses the absorption of the luminous flux having a larger band gap energy than that of AlGalnP which forms the active layer 5.
  • the first GaP light extraction layer 20 is grown on the first main surface of the light emitting layer portion 24 by the HVPE method.
  • a connection layer 20J also having GaP layer force is formed between the first GaP light extraction layer 20 and the light emitting layer portion 24 by the MOVPE method in a form following the light emitting layer portion 24. 20J may be omitted.
  • the V and the connection layer 91 are epitaxially grown by the HVPE method on the second main surface of the light emitting layer portion 24, and the second GaP light extraction layer 90 is continuously formed on the second main surface of the connection layer 91. Epitaxial growth by HVPE method It is.
  • the second main surface of the second GaP light extraction layer 90 is covered with a back electrode 15 whose entire surface is also made of an Au electrode.
  • the back electrode 15 also serves as a reflection layer for the luminous flux that arrives from the light emitting layer portion 24 through the second GaP light extraction layer 90, and contributes to the improvement of the light extraction efficiency.
  • a bonding alloying layer 15c having an AuGeNi alloy isotropic force is dispersedly formed in a dot shape to reduce the contact resistance between them. ing.
  • the bonding alloyed layer 15c has a slightly lower reflectivity due to the alloying with the compound semiconductor layer forming the second GaP light extraction layer 90.
  • the region is a direct reflection surface by the back electrode 15 with high reflectivity.
  • a bonding alloying layer 9a made of AuBe alloy or the like is formed between the light extraction region side metal electrode 9 and the first GaP light extraction layer 20 .
  • the first GaP light extraction layer 20 has a carrier concentration adjusted to 6 ⁇ 10 17 Zcm 3 or more and 1.2 ⁇ 10 18 Zcm 3 or less. Further, in the second GaP light extraction layer 90, the carrier concentration is adjusted to 2 ⁇ 10 17 Zcm 3 or more and 8 ⁇ 10 17 Zcm 3 or less.
  • connection layer 91 having a GaAs P force is provided between the light emitting layer portion 24 lattice-matched with GaAs and the second GaP light extraction layer 90.
  • the lattice constant from the light emitting layer portion 24 side to the second GaP light extraction layer 90 side is abrupt compared with the case where the connection layer 91 is not formed.
  • the change in lattice constant is alleviated and strong lattice strain is prevented from being applied to the light emitting layer portion 24.
  • the thickness of the second Ga P light extraction layer 90 is 50 ⁇ m or more and 200 ⁇ m or less, preferably 100 ⁇ m or more. It should be set to 150 ⁇ m or less (the same applies to the first GaP light extraction layer 20). In this case, it is desirable to set the thickness of the connection layer 91 to 1 ⁇ m to 10 ⁇ m (preferably 2 ⁇ m to 6 ⁇ m). If the thickness of the connection layer 91 is less than 1 ⁇ m, the effect of suppressing the lattice strain applied to the light emitting layer portion 24 will be poor, and if the thickness of the connection layer 91 exceeds 10 m, the effect will be saturated.
  • the production efficiency of the layer 91 is significantly reduced by having a long time in the growth process of the layer 91.
  • the thickness of the second GaP light extraction layer 90 is desirably 0.8 times or more and 1.2 times or less that of the first GaP light extraction layer 20.
  • the light emitting layer portion 24, the first GaP light extraction layer 20, and the second GaP light extraction layer 90 are manufactured as an epitaxial wafer, and are diced to a desired size to obtain a light emitting element chip.
  • the thickness of the second GaP light extraction layer 90 and the thickness of the first GaP light extraction layer 20 are extremely different, the stress due to the difference in the thermal expansion coefficient between AlGalnP and GaP The balance between the second GaP light extraction layer 90 side and the first GaP light extraction layer 20 side is disrupted, causing large warpage of the epitaxial wafer and cracking of the wafer during dicing. May occur.
  • the warpage problem can be effectively suppressed by adjusting the ratio of the thicknesses of the two light extraction layers to be in the above range.
  • the GaAs single crystal substrate 1 (see FIG. 3) for growing the light emitting layer portion 24 and the first GaP light extraction layer 20 may adopt an n-type that facilitates the bulk growth of a GaAs single crystal. This is advantageous from the viewpoint of reducing the substrate cost.
  • the obtained light-emitting device 100 has a second GaP light extraction layer 90 formed as an n-type layer on the n-type cladding layer 4 side of the light-emitting layer portion 24 as shown in FIG.
  • the first GaP light extraction layer 20 is formed as a p-type layer on the mold cladding layer 6 side.
  • connection layer 91 can be configured as a compound semiconductor layer having a uniform composition. However, as shown in FIG. 2, the connection layer 91 is formed on the light emitting layer portion 24 side (the n-type cladding layer 4 side in FIG. 2). It is desirable that the second GaP light extraction layer is formed as a composition gradient layer in which the GaAs mixed crystal ratio X is higher than that of the 90 side. As a result, the lattice constant discontinuity from the light emitting layer portion 24 to the second GaP light extraction layer 90 can be more effectively eliminated, and as a result, crystal defects such as misfit dislocations are generated in the light emitting layer portion 24. Can be effectively prevented.
  • the mixed crystal ratio X of GaAs which has a large light absorption, decreases as the distance from the light emitting layer portion 24 increases, the absorption of the emitted light flux in the connection layer 91 is suppressed, and the light extraction efficiency of the device can be increased.
  • the GaAs mixed crystal ratio X may vary continuously or stepwise in the layer thickness direction of the connection layer 91, whether it is V or deviation. The former is more desirable for the viewpoint power to eliminate the lattice constant discontinuity, but the latter has the advantage that the composition is controlled more easily during the layer growth and the production is easy.
  • connection layer 91 has a second GaP light.
  • Setting the lattice constant difference to be reduced to a certain level or less (eg, 3.0% or less) on both the extraction layer 90 side and the light emitting layer portion 24 side reduces the lattice distortion applied to the light emitting layer portion 24. It is important from a viewpoint.
  • connection layer 91 has a GaAs mixed crystal ratio X set to 0.1 or less at the end face on the second GaP light extraction layer 90 side, so that the second GaP light extraction layer 90 In particular, it is desirable from the viewpoint of reducing the difference in lattice constant between the connection layer 91 and the connection layer 91, and it is most desirable to adjust to zero at the end face position on the second GaP light extraction layer 90 side.
  • the GaAs mixed crystal ratio X of the connection layer 91 is preferably set to 1 from the viewpoint of reducing the lattice constant difference.
  • the band gap energy of the connection layer 91 is as small as 1.43 eV as shown in Table 2, and the peak wavelength for the luminous flux from the AlGalnP active layer 5 is as shown in Table 1. As long as it stays within the range, strong absorption occurs, leading to a decrease in light extraction efficiency.
  • the connection layer 91 has a GaAs mixed crystal ratio Xmax of 0.2 at the end face on the light emitting layer portion 24 side. It is desirable to set it to 0.45 or less. If the GaAs mixed crystal ratio Xmax at the end face is less than 0.2, the lattice constant difference between the connection layer 91 and the light emitting layer portion 24 becomes too large, and the effect of reducing the lattice strain applied to the light emitting layer portion 24 becomes insufficient. .
  • the band gap energy of the connection layer 91 is increased even when the emission wavelength of the light emitting layer 24 is somewhat large (for example, orange in Table 1: 600 nm). The smaller region becomes considerably thicker and the effect of light absorption becomes significant.
  • the value of the GaAs mixed crystal ratio Xmax at the end face position on the light emitting layer portion 24 side is It is desirable to set a small value.
  • the value of the GaAs mixed crystal ratio Xmax at the end face position on the light emitting layer portion 24 side should be considered so that light absorption becomes as small as possible according to the band gap energy of the active layer 5.
  • the solid line A shows the change profile of the lattice constant in the thickness direction
  • the alternate long and short dash line B shows the change profile of the band gap energy.
  • a and E indicate the lattice constant and the band gap energy of the second GaP light extraction layer 90, respectively.
  • the lattice constant and the band gap energy at the end face position on the light emitting layer portion 24 side of the connection layer 91 are a and E
  • the lattice constant and the band gap energy at the end face position on the second GaP light extraction layer 90 side are also a and E.
  • G is E
  • the GaAs mixed crystal ratio Xmax of the connection layer 91 at the end face on the light emitting layer 24 side is
  • Ec is the band gap energy of the cladding layer 4
  • the upper limit of the peak wavelength generally used using the AlGalnP active layer 5 is 652 nm (red light emission) from Table 1, and the GaAs mixed crystal ratio for satisfying the above E ⁇ E
  • the maximum value that can be set as Xmax is about 0.45 from Table 2.
  • the value of the GaAs mixed crystal ratio Xmax is preferably set to 0.2 or more as described above so that the difference in lattice constant between the connection layer 91 and the light emitting layer portion 24 does not become too large.
  • the lower limit of the emission wavelength of the AlGalnP active layer 5 that can stand is about 577 nm.
  • the emission wavelength of the active layer 5 (that is, the band gap energy E) is a short wavelength.
  • the value of Xmax is set to be equal to the band gap energy of the active layer 5 in consideration of the fact that the lattice constant difference between the connection layer 91 and the light emitting layer 24 is not excessively widened. In some cases, it may be necessary to make the value larger than the value corresponding to E. in this case,
  • connection layer 91 the thickness of the part where the band gap energy value is smaller than E
  • the force connection layer 91 not exceed 30% of the total thickness.
  • an n-type GaAs single crystal substrate 1 is prepared as a growth substrate.
  • an n-type GaAs buffer layer 2 is epitaxially grown on the main surface of the substrate 1 by 0.5 ⁇ m, for example, and then the light emitting layer portion 24 is made of AlGalnP.
  • 1-m thick n-type cladding layer 4 n-type dopant is Si
  • 1-m thick p-type cladding layer 6 p-type dopant is Mg : C from organometallic molecules can also contribute as p-type dopants) in this order.
  • Each dopant concentration of the p-type cladding layer 6 and the n-type cladding layer 4 is, for example, 1 ⁇ 10 17 Zcm 3 or more 2 X 10 18 Zcm 3 or less.
  • the connection layer 20J is epitaxially grown on the p-type cladding layer 6 (as described above, this connection layer 20J can be omitted).
  • each of the above layers is performed by a known MOVPE method.
  • the following materials can be used as source gases for Al, Ga, In (indium), P (phosphorus), As (arsenic: described later);
  • A1 source gas trimethylaluminum (TMA1), triethylaluminum (TEA1), etc .
  • Ga source gas trimethylgallium (TMGa), triethylgallium (TEGa), etc .;
  • P source gas trimethyl phosphor (TMP), triethyl phosphor (TEP), phosphine (PH), etc.
  • TMAs trimethylarsenide
  • AsH arsine
  • the first GaP light extraction layer 20 made of p-type GaP is grown by the HVPE method. Specifically, in the HVPE method, a group III element Ga is heated and held in a container at a predetermined temperature, and salt and hydrogen are introduced onto the Ga to obtain the following formula (1). GaCl is generated by the reaction and supplied to the substrate together with the carrier gas, H gas.
  • the growth temperature is set to 640 ° C or higher and 860 ° C or lower.
  • the group V element P supplies P H together with the carrier gas H onto the substrate.
  • the p-type dopant Z is set to 640 ° C or higher and 860 ° C or lower.
  • n is supplied in the form of DMZn (dimethyl Zn).
  • GaCl has excellent reactivity with PH, and the following (
  • the first GaP light extraction layer 20 can be efficiently grown by the reaction of formula 2): GaCl (gas) + PH (gas)
  • the process proceeds to step 5 in FIG. 5, and the GaAs substrate 1 is chemically etched using an etching solution such as ammonia Z-peroxide-hydrogen mixture. Remove. Then, as shown in Step 6, the above-described GaAs P force is also applied to the second main surface side of the light emitting layer portion 24 from which the GaAs substrate 1 has been removed (which is the second main surface of the connection layer 91).
  • an etching solution such as ammonia Z-peroxide-hydrogen mixture.
  • the X 1 -X junction layer 91 is epitaxially grown by the HVPE method.
  • P and As that are Group V elements are PH and AsH and H that is a carrier gas.
  • the GaAs mixed crystal ratio X can be adjusted by the supply ratio of the As source gas and the P source gas, and by changing the supply ratio continuously or intermittently, as shown in FIG.
  • the connection layer 91 to which the gradient of the mixed crystal ratio X is given can be obtained.
  • a second GaP light extraction layer 90 made of p-type GaP is continuously grown on the second main surface of the connection layer 91 as shown in step 7 by the HVPE method. To do.
  • the first main surface of the first GaP light extraction layer 20 and the second GaP light extraction layer 90 are formed by sputtering or vacuum evaporation.
  • a metal layer for forming a bonded alloying layer is formed on the second main surface of each, and further heat treatment for alloying (so-called sintering process) is performed, so that the bonded alloyed layers 9a and 15c (see FIG. 1; FIG. 1) 5 is omitted).
  • the light extraction region side electrode 9 and the back surface electrode 15 are formed so as to cover the bonding alloyed layers 9a and 15c, respectively, to form an epitaxial wafer for manufacturing a light emitting element.
  • the epitaxial wafer is diced into individual light emitting element chips, the second main surface side of the light emitting element chips are bonded to a metal stage via an Ag paste layer, and as shown in FIG. If a bonding wire 17 is connected to the electrode 9 and a mold part (not shown) made of epoxy resin is formed, a final light emitting element is completed.
  • each layer was formed with the following thickness.
  • the element shape was a square shape, and the element size was 290 m square.
  • n-type GaAs single crystal substrate 280 m thick.
  • n-type cladding layer 4 1 m
  • GaAs mixed crystal ratio X is at the end face position on the second GaP extraction layer 90 side. Adjustment is made so that the value (Xmax) at the boundary position with the light emitting layer portion 24 becomes various values of 0 or more and 0.6 or less and linearly increases toward the boundary position;
  • the second GaP light extraction layer 90 is set to be thicker than the first GaP light extraction layer 20 by various values from 0 to 90 ⁇ m.
  • Set carrier concentration to various values from l X 10 17 / cm 3 to l. 2 X 10 18 / cm 3 ;
  • Element life Measured by the ratio of the initial emission luminance and the luminance after 1000 hours of energization, with the energization current density fixed at 23.8 AZcm 2 and continuous energization;
  • FIG. 6 shows the measurement results of the light emission luminance and the element life when X is changed variously. It can be seen that the device life is good in the range of X ⁇ 0.2. On the other hand, at X 0.2, not only the device life but also the light emission brightness is poor. It can also be seen that in the range of ⁇ 0.4 where the band gap energy of the connection layer is smaller than the band gap energy of the active layer, the light emission luminance decreases sharply due to light absorption by the connection layer. .
  • FIG. 7 shows a value obtained by subtracting the thickness of the first GaP light extraction layer 20 (p-type) from the thickness of the second GaP light extraction layer 90 (n-type) (that is, the thickness of both layers). This is a plot of the measurement results of warpage occurring in wafers when the difference is varied. The greater the difference in thickness, the greater the amount of warpage.
  • FIG. 8 shows that the carrier concentration of the second GaP light extraction layer 90 (n-type) is fixed at 5 ⁇ 10 17 / cm 3 , and the carrier concentration of the first GaP light extraction layer 20 (p-type) is The measurement results of forward voltage and light emission luminance when variously changed are shown.
  • Fig. 9 shows that the carrier concentration of the first GaP light extraction layer 20 (p-type) is fixed at 8 X 10 17 / cm 3 , and the carrier concentration of the second GaP light extraction layer 90 (n-type) varies in various ways. The measurement results of the forward voltage and the luminance of the emitted light are shown. According to this result, the carrier concentration of the first GaP light extraction layer 20 was adjusted to 6 X 10 17 Zcm 3 than on 1.
  • the carrier concentration of the second GaP light extraction layer 90 2 X 1 It can be seen that when the voltage is adjusted to 0 17 Zcm 3 or more and 8 X 10 17 Zcm 3 or less, the forward voltage and the light emission luminance are both improved.

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Abstract

発光素子１００は、ＡｌＧａＩｎＰからなるダブルへテロ構造を有する発光層部２４と、発光層部２４の一方の主表面側にエピタキシャル成長された発光層部２４よりも厚い第一のＧａＰ光取出層２０と、発光層部２４の他方の主表面側にエピタキシャル成長された発光層部２４よりも厚い第二のＧａＰ光取出層９０とを備える。そして、第二のＧａＰ光取出層９０と発光層部２４との間に、ＧａＡｓＸＰ１－Ｘ（ただし、ＸはＧａＡｓ混晶比：０＜Ｘ＜１）からなる接続層９１を設ける。これにより、ＡｌＧａＩｎＰからなる発光層部の両面にＧａＰ光取出層がエピタキシャル成長されているにも拘わらず、発光層部への結晶欠陥の導入が効果的に抑制され、ひいては発光輝度や素子ライフに優れた発光素子を提供する。

Description

明 細 書
発光素子およびその製造方法
技術分野
[0001] この発明は、発光素子およびその製造方法に関する。
背景技術
[0002] 特許文献 1 :米国特許第 5008718号公報
[0003] (Al Ga ) In P (ただし、 0≤x≤ 1, 0≤y≤ 1；以下、 AlGalnPとも記載する） 系混晶化合物により発光層部が形成された発光素子は、薄い AlGalnP活性層を、 それよりもバンドギャップの大きい n型 AlGalnPクラッド層と p型 AlGalnPクラッド層と によりサンドイッチ状に挟んだダブルへテロ構造を採用することにより、高輝度の素子 を実現できる。発光層部への通電は、素子表面に形成された金属電極を介して行な われる。金属電極は遮光体として作用するため、例えば発光層部主表面の中央部の みを覆う形で形成され、その周囲の電極非形成領域から光を取り出すようにする。
[0004] この場合、金属電極の面積をなるベく小さくしたほうが、電極の周囲に形成される光 漏出領域の面積を大きくできるので、光取出し効率を向上させる観点にお!/、て有利 である。従来、電極形状の工夫により、素子内に効果的に電流を拡げて光取出量を 増加させる試みがなされて 、るが、この場合も電極面積の増大は 、ずれにしろ避け がたぐ光漏出面積の減少により却って光取出量が制限されるジレンマに陥っている
[0005] そこで、光取出し効率を向上させるために、発光層部の両面あるいは基板側面から 光を取り出すことができるような素子構造が種々提案されて 、る。 AlGalnP系発光素 子の場合、発光層部の成長基板として AlGalnPと格子整合しやす ヽ GaAs基板が 使用されるが、 GaAsは AlGalnP系発光層部の発光波長域において光吸収が大き い。これを解決するために、特許文献 1には、 MOVPE (Metal-Oxide Vapor Phase E pitaxy：有機金属気相成長）法にて GaAs基板上に成長した発光層部の第一主表面 に、 HVPE (Hydride Vapor Phase Epitaxy)法により第一の GaP光取出層（窓層、あ るいは電流拡散層とも 、う）を厚く成長し、次 、で発光層部の第二主表面力 GaAs 基板を除去し、その除去された第二主表面に第一の GaP光取出層を HVPE法によ り厚く成長した素子構造が開示されている。
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0006] 発光素子においては、発光効率を高めるために発光層部をなすィ匕合物半導体結 晶は、転位等の結晶欠陥をなるベく含まない高品質のものが要求される。しかし、 A1 GalnP発光層部と GaP光取出層とは格子定数差が非常に大きいので、特許文献 1 の構成の場合、第一の GaP光取出層との格子定数差によりプレストレスを受けた状 態の AlGalnP発光層部上に、さらに第二の GaP光取出層が直接成長されるので、 発光層部に加わる格子歪が非常に大きくなり、ミスフィット転位等が発光層に導入さ れやすくなつて、発光輝度や素子ライフの低下を招きやすい問題がある。
[0007] 本発明の課題は、 AlGalnP力もなる発光層部の両面に GaP光取出層がェピタキシ ャル成長されているにも拘わらず、発光層部への結晶欠陥の導入が効果的に抑制さ れ、ひいては発光輝度や素子ライフに優れた発光素子と、その製造方法とを提供す ることにめる。
課題を解決するための手段及び発明の効果
[0008] 上記の課題を解決するために、本発明の発光素子は、
組成式 (Al Ga ) In P (ただし、 0≤x≤l, 0≤y≤l)にて表される化合物のう ち、 GaAsと格子整合する組成を有する化合物にて各々構成された n型クラッド層、 活性層及び P型クラッド層がこの順序で積層されたダブルへテロ構造を有する発光層 部と、
発光層部の一方の主表面側にェピタキシャル成長された発光層部よりも厚い第一 の GaP光取出層と、
発光層部の他方の主表面側にェピタキシャル成長された発光層部よりも厚い第二 の GaP光取出層とを備え、
第二の GaP光取出層と発光層部との間に、 GaAs P (ただし、 Xは GaAs混晶比
X 1 -X
: 0<X< 1)力 なる接続層を設けてなることを特徴とする。
[0009] また、本発明の発光素子の製造方法は上記本発明の発光素子を製造するために GaAs単結晶基板の第一主表面に発光層部をェピタキシャル成長する発光層部成 長工程と、
発光層部の第一主表面側に第一の GaP光取出層をェピタキシャル成長する第一 の GaP光取出層成長工程と、
発光層部の第二主表面側から GaAs単結晶基板を除去する基板除去工程と、 発光層部の第二主表面側に接続層をェピタキシャル成長する接続層成長工程と、 接続層の第二主表面に第二の GaP光取出層をェピタキシャル成長する第二の Ga P光取出層成長工程と、をこの順で実施することを特徴とする。
[0010] 本発明にお 、て、「GaAsと格子整合する化合物半導体」とは、応力による格子変 位を生じていないバルタ結晶状態にて見込まれる、当該の化合物半導体の格子定 数を al、同じく GaAsの格子定数を aOとして、 { | al -aO | ZaO} X 100 (%)にて表 される格子不整合率が、 1%以内に収まっている化合物半導体のことをいう。また、「 組成式 (Al Ga ,) In P (ただし、 0≤χ'≤ 1, 0≤y'≤ 1)にて表される化合物 のうち、 GaAsと格子整合する化合物」のことを、「GaAsと格子整合する AlGalnPjな どと記載する。また、活性層は、 AlGalnPの単一層として構成してもよいし、互いに組 成の異なる AlGalnPからなる障壁層と井戸層とを交互に積層した量子井戸層として 構成してもよ!/、 (量子井戸層全体を、一層の活性層とみなす)。
[0011] AlGalnP系混晶化合物（（Al Ga ) In _ P (ただし、 0≤x≤l, 0≤y≤l) )は、 混晶比 x及び yを調整することにより、 GaAs単結晶基板と整合する格子定数を維持 したまま、例えば 570nm以上 652nm以下の範囲で、高発光強度を維持しつつ発光 波長を容易に調整することができる。表 1は混晶比 x、 yの種々の設定例と、それによ つて得られる AlGalnP混晶の格子定数、バンドギャップエネルギー、発光波長及び 発光色の対応関係を示したものである。
[0012] [表 1] (Al x Ga, 1-χ ) y In, 1-y P
Figure imgf000006_0001
[0013] 他方、接続層を構成する GaAs P は GaPと GaAsとの混晶であり、 GaAs混晶比
X 1 -X
X力 O<X< 1に調整される限り、その格子定数は必ず GaPと GaAsとの中間の値とな る。具体的には、表 2に示すように、 Xが大きくなるほど格子定数は大きくなり、バンド ギャップエネルギーは小さくなる。
[0014] [表 2]
GaAsxPi-x
Figure imgf000006_0002
上記の構成によると、 GaAsと格子整合する発光層部と第二の GaP光取出層との間 に、上記 GaAs P —からなる接続層を設けたことにより、発光層部上に第二の GaP 光取出層を厚くェピタキシャル成長したときに、接続層がない場合と比較して、発光 層部側から第二の GaP光取出層側への格子定数の急激な格子定数変化が緩和さ れ、発光層部に強い格子歪が加わることが防止される。その結果、該格子歪による発 光層部へのミスフィット転位等の導入、ひ 、てはそれによる発光輝度や素子ライフの 低下を効果的に抑制することができる。
[0016] 発光層部は、組成が均一で結晶欠陥の少な 、層成長を行なうために、そのェピタ キシャル成長を MOVPE法にて行なうことが望ましい。他方、第一の GaP光取出層 及び第二の GaP光取出層は、高品質で厚膜のものを効率良く成長できる観点から、 HVPE法を採用することが望ましい。この場合、接続層部も HVPE法で成長するよう にすれば、これに引き続く第二の GaP光取出層の成長工程を同じ HVPE成長容器 内で実施でき、効率がよい。
[0017] 次に、接続層は、第一の GaP光取出層と発光層部との間に形成することも可能で あるが、該第一の GaP光取出層側については接続層を省略することも可能である。こ の場合、第一の GaP光取出層は発光層部に接して形成されることとなる。第一の Ga P光取出層のェピタキシャル成長は、 GaAs単結晶基板上の発光層部に対して行な われる一方、第二の GaP光取出層のェピタキシャル成長は、第一の GaP光取出層 上 (GaAs単結晶基板が除去された)の発光層部に対して行なわれる。いずれも、発 光層部上へのェピタキシャル成長となる点で変わりはないが、その下地に相当する 基板部分が、後者では発光層部との格子定数差が大きい第一の GaP光取出層であ るのに対し、前者では発光層部とほぼ同じ格子定数を有した GaAsであり、この場合 、第一の GaP光取出層のェピタキシャル成長に伴 、発光層部に発生する応力を Ga As単結晶基板と協働して支持できる。従って、第一の GaP光取出層の際には、中間 の格子定数を有する接続層を介在させずとも、発光層部へミスフィット転位等の導入 される不具合が生じにくぐ結果として接続層の省略により素子構造及び素子製造ェ 程を簡略ィ匕することが可能となる。
[0018] 他方、第二の GaP光取出層をェピタキシャル成長する際には、発光層部は、下地 をなす第一の GaP光取出層とも格子整合していないので、その不整合歪によるプレ ストレスを受けた状態で、第二の GaP光取出層がェピタキシャル成長される。従って 、発光層部をミスフィット転位等力 保護するためには、発光層部から第二の GaP光 取出層にかけての格子定数の不連続を、接続層の介在により緩和することが必須で ある。
図面の簡単な説明
[0019] [図 1]本発明の発光素子の一例を示す側面断面模式図。
[図 2]接続層の説明図。
[図 3]図 1の発光素子の製造方法を示す工程説明図。
圆 4]図 3に続く工程説明図。
[図 5]図 4に続く工程説明図。
[図 6]接続層の GaAs混晶 Xと発光輝度及び素子ライフの関係を測定した実験結果を 示すグラフ。
[図 7]第一および第二の GaP光取出層の層厚差と基板に生ずる反りの関係を測定し た実験結果を示すグラフ。
[図 8]第一および第二の GaP光取出層のキャリア濃度と順方向電圧及び発光輝度の 関係を測定した実験結果を示す第一のグラフ。
[図 9]第一および第二の GaP光取出層のキャリア濃度と順方向電圧及び発光輝度の 関係を測定した実験結果を示す第二のグラフ。
発明を実施するための最良の形態
[0020] 以下、本発明の実施の形態を添付の図面を参照して説明する。
図 1は、本発明の一実施形態である発光素子 100を示す概念図である。発光素子 100は、組成式 (Al Ga ) In P (ただし、 0≤x≤l, 0≤y≤l)にて表される化合 物のうち、 GaAsと格子整合する組成を有する化合物にて各々構成された n型クラッド 層 4、活性層 5及び p型クラッド層 6がこの順序で積層されたダブルへテロ構造を有す る発光層部 24と、発光層部 24の一方の主表面側にェピタキシャル成長された発光 層部 24よりも厚い第一の GaP光取出層 20と、発光層部 24の他方の主表面側にェピ タキシャル成長された発光層部 24よりも厚い第二の GaP光取出層 90とを備える。ま た、第二の GaP光取出層 90と発光層部 24との間には、 GaAs P (ただし、 Xは Ga
X 1 -X
As混晶比： 0く Xく 1)からなる接続層 91が設けられて 、る。 [0021] 発光層部 24は、ノンドープ (Al Ga _ ) In _ P (ただし、 0≤x≤0. 55, 0. 45≤y ≤0. 55)混晶からなる活性層 5を、 p型 (Al Ga ) In P (ただし x< z≤ 1)力もな z 1— z 1—
る p型クラッド層 6と n型 (Al Ga ) In P (ただし x< z≤ 1)力もなる n型クラッド層（ z 1— z 1—
第二導電型クラッド層） 4とにより挟んだ構造を有する。図 1の発光素子 100では、第 一主表面側（図面上側）に p型 AlGalnPクラッド層 6が配置されており、第二主表面 側（図面下側）に n型 AlGalnPクラッド層 4が配置されている。なお、ここでいう「ノンド ープ」とは、「ドーパントの積極添加を行なわない」との意味であり、通常の製造工程 上、不可避的に混入するドーパント成分の含有 (例えば 1 X 1013〜1 X 1016/cm3程 度を上限とする）をも排除するものではない。この発光層部 24は MOVPE法により成 長されたものである。 n型クラッド層 4及び pクラッド層 6の厚さは、例えばそれぞれ 0. 8 μ m以上 4 μ m以下（望ましくは 0. 8 μ m以上 2 μ m以下）であり、活性層 5の厚さは 例えば 0. 4 m以上 2 m以下（望ましくは 0. 4 m以上 1 m以下）である。発光層 部 24全体の厚さは、例えば 2 μ m以上 10 μ m以下（望ましくは 2 μ m以上 5 μ m以下 )である。
[0022] 第一の GaP光取出層 20は、第一主表面の一部 (ここでは中央部）を覆う形で光取 出領域側金属電極 9が形成されている。光取出領域側金属電極 9には、電極ワイヤ 1 7の一端が接合されている。第一の GaP光取出層 20は、光取出領域側金属電極 9を 介した通電による発光駆動電流を素子面内に拡散させ、発光層部 24を面内にて均 一に発光させる光取出層としての機能を果たすとともに、層側面部力 の取出光束も 増加させ、発光素子全体の輝度 (積分球輝度)を高める役割を担う。 GaPは活性層 5 をなす AlGalnPよりもバンドギャップエネルギーが大きぐ発光光束の吸収が抑制さ れている。
[0023] 本実施形態にて第一の GaP光取出層 20は、発光層部 24の第一主表面に HVPE 法により成長されたものである。なお、第一の GaP光取出層 20と発光層部 24との間 には、 GaP層力もなる接続層 20Jが発光層部 24に続く形で MOVPE法により形成さ れているが、該接続層 20Jは省略してもよい。また、発光層部 24の第二主表面にお V、て接続層 91が HVPE法によりェピタキシャル成長され、さらに該接続層 91の第二 主表面に第二の GaP光取出層 90が、引き続き HVPE法によりェピタキシャル成長さ れている。第二の GaP光取出層 90の第二主表面は、その全面が Au電極等力もなる 裏面電極 15にて覆われている。裏面電極 15は、発光層部 24から第二の GaP光取 出層 90を透過して到来する発光光束に対する反射層を兼ねており、光取出し効率 の向上に寄与している。
[0024] また、裏面電極 15と第二の GaP光取出層 90との間には、両者の接触抵抗を低減 するための、 AuGeNi合金等力もなる接合合金化層 15cがドット状に分散形成されて いる。接合合金化層 15cは、第二の GaP光取出層 90をなすィ匕合物半導体層との合 金化に伴い、反射率が多少低くなるため、これをドット状に分散形成し、その背景領 域を高反射率の裏面電極 15による直接反射面としてある。また、光取出領域側金属 電極 9と第一の GaP光取出層 20との間には、 AuBe合金等カゝらなる接合合金化層 9 aが形成されている。また、第一の GaP光取出層 20は、キャリア濃度が 6 X 1017Zcm 3以上 1. 2 X 1018Zcm3以下に調整されている。さらに、第二の GaP光取出層 90は 、キャリア濃度が 2 X 1017Zcm3以上 8 X 1017Zcm3以下に調整されている。
[0025] 上記の構成によると、 GaAsと格子整合する発光層部 24と第二の GaP光取出層 90 との間に、 GaAs P 力もなる接続層 91を設けたことにより、発光層部 24上に第二
X 1 -X
の GaP光取出層 90を厚くェピタキシャル成長したときに、接続層 91がな ヽ場合と比 較して、発光層部 24側から第二の GaP光取出層 90側への格子定数の急激な格子 定数変化が緩和され、発光層部 24に強い格子歪が加わることが防止される。その結 果、該格子歪による発光層部 24へのミスフィット転位等の導入、ひいてはそれによる 発光輝度や素子ライフの低下を効果的に抑制することができる。
[0026] 十分な電流拡散効果と光取り出し効率向上効果とを達成するためには、第二の Ga P光取出層 90の厚さを 50 μ m以上 200 μ m以下、望ましくは 100 μ m以上 150 μ m 以下に設定するのがよい (第一の GaP光取出層 20についても同様)。この場合、接 続層 91の厚さは 1 μ m以上 10 μ m以下（望ましくは 2 μ m以上 6 μ m以下）に設定す ることが望ましい。接続層 91の厚さが 1 μ m未満では、発光層部 24に加わる格子歪 を抑制する効果が乏しくなり、接続層 91の厚さが 10 mを超えると効果が飽和し、ま た、接続層 91の成長工程に長時間を有するようになって製造能率が著しく低下する [0027] また、第二の GaP光取出層 90の厚さは、第一の GaP光取出層 20の 0. 8倍以上 1. 2倍以下とすることが望ましい。発光層部 24、第一の GaP光取出層 20及び第二の G aP光取出層 90はェピタキシャルゥエーハとして製造され、これを所期のサイズにダイ シングして発光素子チップを得る。しかし、第二の GaP光取出層 90の厚さと第一の G aP光取出層 20の厚さとが極度に異なっている場合、 AlGalnPと GaPとの熱膨張率 の差に由来した応力の、第二の GaP光取出層 90側と第一の GaP光取出層 20側との 間でのバランスが崩れ、ェピタキシャルゥエーハに大きな反りが生じて、ダイシング時 にゥエーハに割れが生ずるなどの問題が生ずることがある。しかし、両光取出層の厚 さの比を上記範囲となるように調整することで、該反りの問題を効果的に抑制すること ができる。
[0028] 発光層部 24及び第一の GaP光取出層 20を成長するための GaAs単結晶基板 1 ( 図 3参照）は、 GaAs単結晶のバルタ成長が容易な n型を採用することが、基板コスト を低減する観点カゝら有利である。この場合、得られる発光素子 100は、図 1のごとぐ 発光層部 24の n型クラッド層 4側に接続層 91を介して第二の GaP光取出層 90が n型 層として形成され、 p型クラッド層 6側に第一の GaP光取出層 20が p型層として形成さ れたものとなる。
[0029] 接続層 91は、一様な組成の化合物半導体層として構成することもできるが、図 2に 示すように、発光層部 24側（図 2では n型クラッド層 4側）にて第二の GaP光取出層 9 0側よりも GaAs混晶比 Xが高くなる組成傾斜層として形成しておくことが望ま 、。こ れにより、発光層部 24から第二の GaP光取出層 90にかけての格子定数の不連続を 一層効果的に解消することができ、ひいては発光層部 24にミスフィット転位等の結晶 欠陥が生ずることを効果的に防止できる。また、発光層部 24から離れるにつれて光 吸収の大きい GaAsの混晶比 Xが小さくなるので、接続層 91における発光光束の吸 収が抑制され、素子の光取り出し効率を高めることができる。なお、 GaAs混晶比 Xは 、接続層 91の層厚方向において連続的に変化していても、段階的に変化していても V、ずれでもよ 、。格子定数不連続を解消する観点力もは前者の方がより望ま 、が、 後者は層成長時の組成制御をより行ないやすぐ製造が容易である利点がある。
[0030] 接続層 91における GaAs混晶比 Xの傾斜状態は、該接続層 91が、第二の GaP光 取出層 90側及び発光層部 24側の双方において、格子定数差が一定レベル以下（ 例えば 3. 0%以下）に縮小するように設定することが、発光層部 24に加わる格子歪 を軽減する観点において重要である。具体的には、接続層 91は、第二の GaP光取 出層 90側の端面にて GaAs混晶比 Xを 0. 1以下に設定しておくことが、第二の GaP 光取出層 90と接続層 91との格子定数差を縮小する観点において望ましぐ特に、第 二の GaP光取出層 90側の端面位置にてゼロとなるように調整することが最も望まし い。
[0031] 一方、発光層部 24側については、格子定数差を縮小する観点のみで考えれば、 接続層 91の GaAs混晶比 Xは 1に設定するのがよい。しかし、この場合、表 2に示す ごとぐ接続層 91のバンドギャップエネルギーは 1. 43eVと小さくなり、 AlGalnP活性 層 5からの発光光束に対しては、そのピーク波長が表 1に示す一般的な範囲に留ま る限り強い吸収を生じ、光取り出し効率の低下を招くことにつながる。この点を考慮し て、活性層 5のピーク発光波長が上記のごとく 570nm以上 652nm以下に設定され る場合、接続層 91は、発光層部 24側の端面における GaAs混晶比 Xmaxを 0. 2以上 0. 45以下に設定することが望ましい。端面における GaAs混晶比 Xmaxが 0. 2未満 では、接続層 91と発光層部 24との間の格子定数差が大きくなりすぎ、発光層部 24 に加わる格子歪を軽減する効果が十分でなくなる。一方、端面における GaAs混晶 比 Xmaxが 0. 45を超えると、発光層部 24の発光波長がある程度大きい場合 (例えば 表 1のオレンジ： 600nm)でも、接続層 91のバンドギャップエネルギーが活性層 5より も小さくなる領域が相当厚くなり、光吸収の影響が著しくなる。
[0032] 光吸収の抑制を図るためには、活性層 5の設定波長が小さくなるほど（つまり、バン ドギャップエネルギーが大きくなるほど）、発光層部 24側の端面位置における GaAs 混晶比 Xmaxの値は小さく設定することが望ましい。換言すれば、発光層部 24側の端 面位置における GaAs混晶比 Xmaxの値は、活性層 5のバンドギャップエネルギーに 応じて、光吸収がなるべく小さくなるように考慮されるべきである。
[0033] 図 2において、実線 Aは厚さ方向の格子定数の変化プロファイルを、一点鎖線 Bは 同じくバンドギャップエネルギーの変化プロファイルを示している。 a及び Eは第二の GaP光取出層 90の格子定数及びバンドギャップエネルギーをそれぞれ示す。また、 接続層 91の発光層部 24側の端面位置における格子定数及びバンドギャップェネル ギーを a及び E、同じく第二の GaP光取出層 90側の端面位置における格子定数及 びバンドギャップエネルギーを a及び Eとしている。活性層 5のバンドギャップェネル
2 2
ギーを Eとした場合、発光層部 24側の端面にて接続層 91の GaAs混晶比 Xmaxを、
0
当該 GaAs混晶比 Xmaxにおける GaAs P のバンドギャップエネルギー E力 活
X 1 -X 1
'性層 5のバンドギャップエネルギー Eと等しくなるか又は大きくなるように（すなわち、
0
E≥E )調整することが望ましい。なお、 Ecは、クラッド層 4のバンドギャップエネルギ
1 0
一である。
[0034] この場合、 AlGalnP活性層 5を用いて一般的に使用されるピーク波長の上限値は 、表 1から 652nm (赤色発光）であり、上記 E≥Eを充足させるための GaAs混晶比
1 0
Xmaxとして設定しうる最大の値は、表 2から 0. 45程度である。他方、接続層 91と発 光層部 24との間の格子定数差が大きくなりすぎないよう、 GaAs混晶比 Xmaxの値は 前述のごとく 0. 2以上に設定することが望ましい。これと、上記 E≥Eの条件とを両
1 0
立できる AlGalnP活性層 5の発光波長の下限値は、表 2から約 577nmである。
[0035] なお、活性層 5の発光波長（すなわち、バンドギャップエネルギー E )の値が短波長
0
域 (例えば黄色）に設定される場合、接続層 91と発光層部 24との間の格子定数差が 過度に拡大しないことを考慮して、 Xmaxの値を、活性層 5のバンドギャップエネルギ 一 Eに対応する値よりもやむを得ず大きくする必要が生じることもある。この場合は、
0
接続層 91において、バンドギャップエネルギーの値が Eよりも小さくなる部分の厚さ
0
力 接続層 91の全厚の 30%を超えな 、ようにすることが望ま 、。
[0036] 以下、図 1の発光素子 100の製造方法について説明する。
まず、図 3の工程 1に示すように、成長用基板として n型の GaAs単結晶基板 1を用 意する。次に、工程 2に示すように、その基板 1の主表面に、 n型 GaAsバッファ層 2を 例えば 0. 5 μ mェピタキシャル成長し、次いで、発光層部 24として、各々 AlGalnPよ りなる、厚さ 1 mの n型クラッド層 4 (n型ドーパントは Si)、厚さ 0. 6 μ mの活性層（ノ ンドープ） 5及び厚さ 1 mの p型クラッド層 6 (p型ドーパントは Mg :有機金属分子から の Cも p型ドーパントとして寄与しうる）を、この順序にてェピタキシャル成長させる。 p 型クラッド層 6と n型クラッド層 4との各ドーパント濃度は、例えば 1 X 1017Zcm3以上 2 X 1018Zcm3以下である。さらに、図 4の工程 3に示すように、 p型クラッド層 6上に接 続層 20Jをェピタキシャル成長する（前述のごとぐこの接続層 20Jは省略することも 可能である)。
[0037] 上記各層のェピタキシャル成長は、公知の MOVPE法により行なわれる。 Al、 Ga、 In (インジウム）、 P (リン）、 As (砒素：後述）の各成分源となる原料ガスとしては以下の ようなものを使用できる；
• A1源ガス；トリメチルアルミニウム（TMA1)、トリェチルアルミニウム (TEA1)など； . Ga源ガス；トリメチルガリウム（TMGa)、トリェチルガリウム（TEGa)など；
• In源ガス；トリメチルインジウム（TMIn)、トリェチルインジウム（TEIn)など。
•P源ガス：トリメチルリン（TMP)、トリェチルリン（TEP)、ホスフィン（PH )など。
3
•As源ガス；トリメチル砒素（TMAs)、アルシン (AsH )など。
3
[0038] 図 4の工程 4に進み、 p型 GaPよりなる第一の GaP光取出層 20を、 HVPE法により 成長させる。 HVPE法は、具体的には、容器内にて III族元素である Gaを所定の温 度に加熱保持しながら、その Ga上に塩ィ匕水素を導入することにより、下記（1)式の反 応により GaClを生成させ、キャリアガスである Hガスとともに基板上に供給する。
2
Ga (液体） +HC1 (気体） → GaCl (気体） + 1Z2H 2 · ' · · (1)
成長温度は例えば 640°C以上 860°C以下に設定する。また、 V族元素である Pは、 P Hをキャリアガスである Hとともに基板上に供給する。さらに、 p型ドーパントである Z
3 2
nは、 DMZn (ジメチル Zn)の形で供給する。 GaClは PHとの反応性に優れ、下記（
3
2)式の反応により、効率よく第一の GaP光取出層 20を成長させることができる： GaCl (気体） +PH (気体）
3
→GaP (固体） +HC1 (気体） +H (気体） · · · ·（2)
2
[0039] 第一の GaP光取出層 20の成長が終了したら、図 5の工程 5に進み、 GaAs基板 1を アンモニア Z過酸ィ匕水素混合液などのエッチング液を用いて化学エッチングすること により除去する。そして、工程 6に示すように、 GaAs基板 1が除去された発光層部 24 の第二主表面側 (接続層 91の第二主表面である）に、前述の GaAs P 力もなる接
X 1 -X 続層 91を、第一の GaP光取出層 20と同様に、 HVPE法によりェピタキシャル成長す る。この場合、 V族元素である Pと Asとは、 PH及び AsHをキャリアガスである Hとと もに基板上に供給する。 GaAs混晶比 Xは、 As源ガスと P源ガスとの供給比により調 整可能であり、該供給比を連続的あるいは断続的に変化させることで、図 2のごとく、 層厚方向に GaAs混晶比 Xの傾斜が付与された接続層 91を得ることができる。接続 層 91の成長が終了すれば、工程 7に示すごとぐ該接続層 91の第二主表面上に、 p 型 GaPからなる第二の GaP光取出層 90を引き続き HVPE法によりェピタキシャル成 長する。
[0040] 以上の工程が終了すれば、図 5の工程 7に示すように、スパッタリングや真空蒸着 法により、第一の GaP光取出層 20の第一主表面及び第二の GaP光取出層 90の第 二主表面に、接合合金化層形成用の金属層をそれぞれ形成し、さらに合金化の熱 処理 (いわゆるシンター処理)を行なうことにより、接合合金化層 9a, 15c (図 1参照； 図 5では表示を省略）とする。そして、これら接合合金化層 9a, 15cをそれぞれ覆うよ うに、光取出領域側電極 9及び裏面電極 15を形成し、発光素子製造用のェピタキシ ャルゥエーハとする。該ェピタキシャルゥエーハは個々の発光素子チップにダイシン グされ、その発光素子チップの第二主表面側を Agペースト層を介して金属ステージ に接着し、さらに図 1に示すように、光取出側電極 9にボンディングワイヤ 17を接続し 、さらにエポキシ榭脂からなる図示しないモールド部を形成すれば、最終的な発光素 子が完成する。
実施例
[0041] 以下、本発明の効果を確認するために行なった実験結果について説明する。
まず、図 1の発光素子 100において、各層を以下の厚さにて形成した。素子形状は 正方形状であり、素子寸法は、 290 m角とした。
• n型 GaAs単結晶基板:厚さ 280 m。
• p型クラッド層 6 = 1 m;
'活性層 5 = 0. 6 m (発光波長 623nm) ;
• n型クラッド層 4 = 1 m；
'第一の GaP光取出層 20= 150 1!1 :キャリァ濃度を2 1017/«113〜1. 6 X 1018 Zcm3にて種々の値に設定；
'接続層 91 =4 m: GaAs混晶比 Xは、第二の GaP光取出層 90側の端面位置にて ゼロとなり、発光層部 24との境界位置での値 (Xmax)が 0以上 0. 6以下の種々の値と なるよう、当該境界位置に向けて直線的に増加するように調整；
•第二の GaP光取出層 90 =第一の GaP光取出層 20よりも厚さが 0〜90 μ mの種々 の値だけ厚くなるように設定。キャリア濃度を l X 1017/cm3〜l. 2 X 1018/cm3に て種々の値に設定；
[0042] 得られた各素子は、以下の各特性を周知の方法にて測定した：
'発光強度：通電電流値を 40〜200mAZパルス (Duty 10%)の種々の値とした； •順方向電圧：通電電流値を 20mAとして測定；
•素子ライフ：通電電流密度を 23. 8AZcm2に固定して連続通電し、初期発光輝度 と 1000時間通電後の輝度の比により測定；
'反りの測定：ダイシング前のェピタキシャルゥエーハの直径を 49mmとして測定。
[0043] 図 6は、 Xを種々に変化させたときの発光輝度と素子ライフとの測定結果を示すもの である。素子ライフは X≥0. 2の範囲で良好となっていることがわかる。他方、 Xく 0. 2では素子ライフだけでなく発光輝度も悪ィ匕していることがわかる。また、接続層のバ ンドギャップエネルギーが活性層のバンドギャップエネルギーよりも小さくなる χ≥0. 4の範囲では、接続層による光吸収のため発光輝度が急激に低下して ヽることがわ かる。
[0044] 図 7は、第二の GaP光取出層 90 (n型）の厚さから第一の GaP光取出層 20 (p型）の 厚さを減じた値 (つまり、両層の厚みの差)を種々に変化させたときの、ゥエーハに生 ずる反りの測定結果をプロットしたものである。厚みの差が大きくなるほど反り量が大 きくなつていることがわ力る。
[0045] 図 8は、第二の GaP光取出層 90 (n型）のキャリア濃度を 5 X 1017/cm3に固定し、 第一の GaP光取出層 20 (p型）のキャリア濃度を種々に変化させたときの順方向電圧 及び発光輝度の測定結果を示すものである。図 9は、第一の GaP光取出層 20 (p型） のキャリア濃度を 8 X 1017/cm3に固定し、第二の GaP光取出層 90 (n型）のキャリア 濃度を種々に変化させたときの順方向電圧及び発光輝度の測定結果を示すもので ある。この結果によると、第一の GaP光取出層 20のキャリア濃度を 6 X 1017Zcm3以 上 1. 2 X 1018Zcm3以下に調整し、第二の GaP光取出層 90のキャリア濃度を 2 X 1 017Zcm3以上 8 X 1017Zcm3以下に調整したとき、順方向電圧及び発光輝度がとも に良好となって ヽることがわかる。

Claims

請求の範囲
[1] 組成式 (AlxGa ) Ini yP (ただし、 0≤x≤l, 0≤y≤l)にて表される化合物のうち 、 GaAsと格子整合する組成を有する化合物にて各々構成された n型クラッド層、活 性層及び P型クラッド層がこの順序で積層されたダブルへテロ構造を有する発光層部 と、
前記発光層部の一方の主表面側にェピタキシャル成長された前記発光層部よりも 厚い第一の GaP光取出層と、
前記発光層部の他方の主表面側にェピタキシャル成長された前記発光層部よりも 厚い第二の GaP光取出層とを備え、
前記第二の GaP光取出層と前記発光層部との間に、 GaAs P (ただし、 Xは Ga
X 1 -X
As混晶比： 0く Xく 1)力もなる接続層を設けてなることを特徴とする発光素子。
[2] 前記接続層は、前記発光層部側にて前記第二の GaP光取出層側よりも前記 GaAs 混晶比 Xが高くなる組成傾斜層として形成されてなる請求の範囲第 1項に記載の発 光素子。
[3] 前記第一の GaP光取出層が前記発光層部に接して形成されてなる請求の範囲第 1 項又は第 2項に記載の発光素子。
[4] 前記第二の GaP光取出層の厚さが 50 m以上 200 m以下であり、前記接続層の 厚さが 1 m以上 10 m以下に設定されてなる請求の範囲第 1項ないし第 3項のい ずれか 1項に記載の発光素子。
[5] 前記発光層部の前記 n型クラッド層側に前記接続層を介して前記第二の GaP光取出 層が n型層として形成され、前記 p型クラッド層側に前記第一の GaP光取出層が p型 層として形成されてなる請求の範囲第 1項ないし第 4項のいずれか 1項に記載の発光 素子。
[6] 前記接続層は、前記第二の GaP光取出層側の端面にて前記 GaAs混晶比が 0. 1以 下に設定されてなる請求の範囲第 2項ないし第 5項のいずれか 1項に記載の発光素 子。
[7] 前記活性層のピーク発光波長が 570nm以上 652nm以下であり、前記接続層は、前 記発光層部側の端面にて前記 GaAs混晶比が 0. 2以上 0. 45以下に設定されてい る請求の範囲第 6項に記載の発光素子。
[8] 前記接続層の前記 GaAs混晶比 Xは、前記発光層部側の端面にて、当該 GaAs混 晶比 Xにおける GaAs P のバンドギャップエネルギー力 前記活性層のバンドギヤ
X 1 -X
ップエネルギーと等しくなるか又は大きくなるように調整されて 、る請求の範囲第 2項 な 、し第 7項の 、ずれか 1項に記載の発光素子。
[9] 前記第二の GaP光取出層の厚さが前記第一の GaP光取出層の 0. 8倍以上 1. 2倍 以下である請求の範囲第 1項ないし第 8項のいずれか 1項に記載の発光素子。
[10] 請求の範囲第 1項ないし第 9項のいずれか 1項に記載の発光素子の製造方法であつ て、
GaAs単結晶基板の第一主表面に前記発光層部をェピタキシャル成長する発光層 部成長工程と、
前記発光層部の第一主表面側に前記第一の GaP光取出層をェピタキシャル成長 する第一の GaP光取出層成長工程と、
前記発光層部の第二主表面側から前記 GaAs単結晶基板を除去する基板除去ェ 程と、
前記発光層部の第二主表面側に前記接続層をェピタキシャル成長する接続層成 長工程と、
前記接続層の第二主表面に前記第二の GaP光取出層をェピタキシャル成長する 第二の GaP光取出層成長工程と、をこの順で実施することを特徴とする発光素子の 製造方法。
[11] 前記接続層、前記第一の GaP光取出層及び前記第二の GaP光取出層のェピタキシ ャル成長を HVPE法にて行なう請求の範囲第 10項に記載の発光素子の製造方法。
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