(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、該基板上に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ＧａＰからなるウインドウ層と、該ウインドウ層に電気的に接続して設けられる電極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０.３〜５μｍの厚さに形成され、前記電極と前記ウインドウ層との間に該ウインドウ層の全面に亘って金属薄膜からなる電流拡散層が１〜１００ｎｍの厚さに設けられ、該電流拡散層がＺｎ、Ｂｅ、Ｓｉ、Ｓｎ、Ａｕ-Ｚｎ合金、Ａｕ-Ｂｅ合金、およびＡｕ-Ｓｎ合金からなる群より選ばれた少なくとも１種の金属からなる半導体発光素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はＡｌＧａＩｎＰ系の化合物半導体材料を用いる可視光の発光素子に関する。さらに詳しくは、半導体結晶層の成長時間を短くしながら電流を発光素子チップの全面に拡散して発光効率を向上させ得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２に示されるような構造になっている。すなわち、図２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ＧａＰ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。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が用いられている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
従来の図２に示される構造の半導体発光素子では、ウインドウ層により電流拡散させるため、ウインドウ層はキャリア濃度が高く、できるだけ厚く形成される必要がある。しかし、キャリア濃度は不純物のドーピングの限界があり、金属のようにキャリア濃度を上げることはできない。そのため、上部の小さい電極からクラッド層に至るまでに発光素子チップの全面に広げるためには、ウインドウ層をできるだけ厚くする必要があり、従来は１０〜６０μｍ程度の厚さに形成されている。
【０００４】
前述のように、ウインドウ層でできるだけ電流を拡散するために、従来はウインドウ層が厚く形成されているが、半導体層をエピタキシャル成長により数十μｍ程度と厚く成長するには、１２〜２０時間程度の非常に長時間を要する。しかも、膜厚を厚くしても電流を充分に拡散させることができず、電流分布が不均一になって発光ムラが発生し、発光効率が低下する。さらに、ウインドウ層の膜厚が厚くなるとその直列抵抗は増大して動作電圧が高くなるという問題がある。
【０００５】
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が形成され、ウインドウ層としてＧａＰが用いられる半導体発光素子において、ウインドウ層の膜厚を薄くして半導体層の成長時間を短くすることができると共に、電流を充分に拡散させて発光効率を向上させることができる半導体発光素子を提供することを目的とする。
【０００６】
【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ＧａＰからなるウインドウ層と、該ウインドウ層に電気的に接続して設けられる電極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０.３〜５μｍの厚さに形成され、前記電極と前記ウインドウ層との間に該ウインドウ層の全面に亘って金属薄膜からなる電流拡散層が１〜１００ｎｍの厚さに設けられ、該電流拡散層がＺｎ、Ｂｅ、Ｓｉ、Ｓｎ、Ａｕ-Ｚｎ合金、Ａｕ-Ｂｅ合金、およびＡｕ-Ｓｎ合金からなる群より選ばれた少なくとも１種の金属により形成されている。
【０００７】
ここにＡｌＧａＩｎＰ系化合物半導体とは、（Ａｌx Ｇａ1-x ）0.51Ｉｎ0.49Ｐ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、（Ａｌx Ｇａ1-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。
【０００８】
前記電流拡散層として、たとえば１または２以上の金属層からなり、全体の厚さが１００ｎｍ以下に形成されることにより、電流を充分に拡散させることができると共に、発光層で発光する光を吸収することもなく、発光効率を向上させることができる。
【０００９】
前記発光層形成部が、たとえばＡｌＧａＩｎＰ系化合物半導体からなる第１導電形クラッド層と、該クラッド層よりバンドギャップエネルギーが小さい組成のＡｌＧａＩｎＰ系化合物半導体からなる活性層と、前記第１導電形クラッド層と同じ組成の第２導電形クラッド層とから形成されることにより、発光効率の高い発光素子が得られる。
【００１０】
【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。
【００１１】
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ＧａＰからなるｐ形のウインドウ層６が０.３〜５μｍ程度設けられ、その表面にＡｕまたはＡｕ-Ｎｉ合金などからなる電流拡散層７がウインドウ層６の全面に１〜１００ｎｍ程度の厚さに設けられ、その電流拡散層７を介してｐ側電極８が形成されていることに特徴がある。なお、ＧａＡｓ基板１の裏面にはｎ側電極９が設けられている。すなわち、本発明ではＧａＰからなるｐ形のウインドウ層６が薄く形成されると共に、その表面に金属層の薄膜からなる電流拡散層７が非常に薄く設けられている。
【００１２】
電流拡散層７は、前述のＡｕまたはＡｕ-Ｎｉ合金の代りに、Ｎｉ、Ｇｅ、Ｚｎ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｂｅ、Ｓｉ、Ｓｂ、Ｓｎまたは、Ａｕ-Ｚｎ、Ａｕ-Ｓｂ、Ａｕ-Ｂｅ、Ａｕ-Ｓｎ、Ａｕ-Ｇｅなどの合金でもよい。これらの金属はＧａＰ層とオーミックコンタクトを取りやすく、光を透過しやすい材料だからである。また、これらの金属の２層以上の複層で形成されてもよい。そして、その厚さは１〜１００ｎｍ程度、さらに好ましくは、２〜１０ｎｍ程度に設けられる。この金属層は、真空蒸着などにより成膜することにより、０.１〜５分程度の短時間で設けられ、その後１００〜７００℃程度で０.１〜１０分程度のシンター処理をすることにより、金属層または合金層を形成することができる。金属層を合金で形成する場合にはその２種類以上の金属を連続して蒸着して熱処理をすることにより得られ、金属層の複層で形成する場合には、その２種類以上の金属を連続して真空蒸着などにより付着することにより得られる。
【００１３】
ウインドウ層６は、電流拡散層７とのオーミックコンタクトを得るために高いキャリア濃度で光をできるだけ吸収しない層として設けられている。電流の拡散機能は、前述の電流拡散層７により行われるため、ウインドウ層６は従来の１０〜６０μｍ程度と厚くする必要がなく、１μｍ程度設けられればよい。そのため、ウインドウ層６を成長する時間は、従来の１２〜２０時間から２〜３時間に短縮することができる。一方、電流拡散層７は、真空蒸着装置で沢山のウェハを一度にバッチ処理で行うことができるため、１個のチップ当たりの製造時間は一層短くなる。
【００１４】
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。
【００１５】
前述の電流拡散層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。
【００１６】
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ＴＭＡ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（Ａｌ0.7 Ｇａ0.3 ）0.51Ｉｎ0.49Ｐ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（Ａｌ0.25Ｇａ0.75）0.51Ｉｎ0.49Ｐ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、Ｈ2Ｓｅ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（Ａｌ0.7 Ｇａ0.3 ）0.51Ｉｎ0.49Ｐ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。
【００１７】
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およびＰＨ3 にして、ＧａＰの成長を続け、キャリア濃度が１×１０16〜１×１０19ｃｍ-3程度のウインドウ層７を０.１〜５μｍ程度形成する。
【００１８】
ついで、真空蒸着装置にウェハを入れ、ＮｉおよびＡｕをそれぞれ１〜２０ｎｍ程度づつ成膜し、１００〜４００℃程度で０.１〜１０分程度のシンター処理をすることにより、Ａｕ-Ｎｉ合金からなる０.２〜４０ｎｍ程度の電流拡散層が形成される。この表面に同様に真空蒸着などとパターニングにより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。
【００１９】
本発明によれば、ＡｌＧａＩｎＰ系化合物半導体からなる発光層形成部上にＧａＰからなるウインドウ層が薄く設けられ、その表面に光を透過させる非常に薄い金属層が電流拡散層として設けられている。この金属層の電気抵抗は小さいため、薄くても充分に電流を拡散する。一方、この電流拡散層は１００ｎｍ以下と非常に薄いため、光を吸収したり、反射させることが殆どない。そのため、発光素子チップの全面に容易に電流を拡散させると共に、発光層形成部で発光し表面側に放射する光を殆ど透過させる。その結果、発光素子チップの全面で効率よく発光し発光効率が向上する。
【００２０】
また、電流拡散層で充分に電流の拡散をすることができるため、ウインドウ層をあまり厚く形成する必要がなく、半導体層の成長工程の時間を短縮することができる。さらに、ウインドウ層が薄くなることにより、直列抵抗が下がり、動作電圧を低くすることができると共に、薄型の発光素子が得られる。
【００２１】
なお、前述の例では、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。
【００２２】
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が特定の例で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。
【００２３】
【発明の効果】
本発明によれば、ＡｌＧａＩｎＰ系化合物半導体からなる発光層形成部の表面にバンドギャップエネルギーの大きいＧａＰからなるウインドウ層が設けられる半導体発光素子においても、電流を充分に拡散させることができ、高い発光効率で高輝度の半導体発光素子が得られる。さらにウインドウ層を薄くすることができるため、コストダウンを図れると共に、動作電圧が低下して高特性で、薄型の半導体発光素子が得られる。
【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】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
６    ウィンドウ層
７    電流拡散層
１１    発光層形成部
【図１】
0003723314.tif 000002
【図２】
0003723314.tif 000003