(57)【要約】【課題】光の取り出し効率が改善され、高輝度化可能な半導体発光素子を提供する。【解決手段】半導体発光素子１は、基板１０と、基板上に配置された第１クラッド層１４と、第１クラッド層上に配置された多重量子井戸層１６と、多重量子井戸層上に配置された第２クラッド層１８と、第２クラッド層上の所定の領域に配置されたコンタクト層（２４・２６）と、コンタクト層上に配置された透明電極層２２と、透明電極層上に配置された表面電極層２８と、表面電極層の所定の領域に対応する領域が開口された開口部４０とを備える。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板上に配置された第１クラッド層と、
前記第１クラッド層上に配置された多重量子井戸層と、
前記多重量子井戸層上に配置された第２クラッド層と、
前記第２クラッド層上の所定の領域に配置されたコンタクト層と、
前記コンタクト層上に配置された透明電極層と、
前記透明電極層上に配置された表面電極層と、
前記表面電極層の前記所定の領域に対応する領域が開口された開口部と
を備えることを特徴とする半導体発光素子。
【請求項２】
前記透明電極層は、前記コンタクト層および前記第２クラッド層とは逆の導電型を有することを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
【請求項３】
前記透明電極層はｎ型であり、前記コンタクト層および前記第２クラッド層はp型であることを特徴とする請求項２に記載の半導体発光素子。
【請求項４】
前記透明電極層は、前記コンタクト層と、前記コンタクト層に対して前記透明電極層とは反対側に形成されると共に前記コンタクト層に接する層に直接接触するように形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体発光素子。
【請求項５】
前記コンタクト層の前記透明電極層に接触する部分の不純物濃度は、１．５×１０19ｃｍ-3以上であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の半導体発光素子。
【請求項６】
前記コンタクト層は、
前記透明電極層に接触し、１．５×１０19ｃｍ-3以上の不純物濃度を有する第１コンタクト層と、
前記第１コンタクト層より低い不純物濃度を有し、前記第１コンタクト層に対して前記透明電極層とは反対側に形成される第２コンタクト層と
を備えることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
【請求項７】
前記第１コンタクト層にドーピングされる不純物は、炭素であることを特徴とする請求項６に記載の半導体発光素子。
【請求項８】
前記第１コンタクト層における前記炭素の濃度が１．５×１０19ｃｍ-3以上５．０×１０19ｃｍ-3以下であることを特徴とする請求項７に記載の半導体発光素子。
【請求項９】
前記第１コンタクト層の厚さが、０．３μｍ以上０．８μｍ以下であることを特徴とする請求項６〜８のいずれか１項に記載の半導体発光素子。
【請求項１０】
前記第１コンタクト層の厚さは、前記第２コンタクト層の厚さよりも薄いことを特徴とする請求項６〜９のいずれか１項に記載の半導体発光素子。
【請求項１１】
前記開口部の面積に対する前記コンタクト層の面積比は、１より小さいとともに、前記コンタクト層の周縁の全ては前記開口部の周縁よりも内側に位置することを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載の半導体発光素子。
【請求項１２】
前記コンタクト層は、前記基板と格子整合しない組成を有し、
前記第２クラッド層上に形成されたウィンドウ層をさらに備え、
前記コンタクト層は、前記ウィンドウ層を介して前記第２クラッド層上に形成されていることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか１項に記載の半導体発光素子。
【請求項１３】
前記基板はＧａＡｓで形成され、前記ウィンドウ層は、ＧａＡｓ層またはＡｌＧａＡｓ層で形成され、前記第１コンタクト層および前記第２コンタクト層は、ＧａＰ層で形成されたことを特徴とする請求項１２に記載の半導体発光素子。
【請求項１４】
前記基板はＧａＡｓで形成され、前記第２クラッド層はＡｌＧａＡｓ層で形成され、前記ウィンドウ層は、前記第２クラッド層よりもＧａ濃度の高いＡｌＧａＡｓ層で形成され、前記第１コンタクト層および前記第２コンタクト層は、ＧａＰ層で形成されたことを特徴とする請求項１２に記載の半導体発光素子。
【請求項１５】
前記ウィンドウ層の厚さは、前記第２クラッド層の厚さよりも薄いことを特徴とする請求項１２〜１４のいずれか１項に記載の半導体発光素子。
【請求項１６】
前記透明電極層は、ＴＣＯで形成されたことを特徴とする請求項１〜１５のいずれか１項に記載の半導体発光素子。
【請求項１７】
前記ＴＣＯは、ＩＴＯ、Ｉｎ2Ｏ3、ＳｎＯ2、ＺｎＯ、ＩｎＺＯのいずれかで形成されたことを特徴とする請求項１６に記載の半導体発光素子。
【請求項１８】
前記基板と前記第１クラッド層間には、分布ブラッグ反射層を備えることを特徴とする請求項１〜１７のいずれか１項に記載の半導体発光素子。
【請求項１９】
前記分布ブラッグ反射層は、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓのペアで形成されたことを特徴とする請求項１８に記載の半導体発光素子。
【請求項２０】
前記開口部は、長円形状、円形状、三角形状、正方形形状、菱型形状、長方形形状、五角形状、六角形状、八角形状のいずれかを有することを特徴とする請求項１〜１９のいずれか１項に記載の半導体発光素子。
【請求項２１】
前記基板はＧａＡｓで形成され、前記第１クラッド層および前記第２クラッド層は、ＡｌＧａＡｓ層で形成され、前記多重量子井戸層は、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓのペアで形成されたことを特徴とする請求項１〜２０のいずれか１項に記載の半導体発光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光ダイオード等の半導体発光素子に関し、特に、光センサー用光源に適用可能な電流狭窄型の半導体発光体素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、光センサー用光源に適用可能な電流狭窄型の半導体発光素子が知られている。
【０００３】
電流狭窄型の半導体発光素子では、半導体層の上面の全域に電極が設けられており、その電極に開口部が形成されている。その開口部から光を取り出すことにより、点光源となるように構成されている。開口部以外の領域において発生した光は、電極により遮られてしまうため取り出すことができず、無駄になってしまう。そのため、効率を高めるために、開口部に対応する領域のみに電流が流れるように、電流を狭窄している。
【０００４】
電流狭窄型の半導体発光素子では、例えば、不純物をドーピングすることにより、電流を狭窄している（例えば、特許文献１参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００１−４４５０１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、不純物をドーピングする方法では、不純物の拡散領域を細かく制御することが困難であり、所望の経路に電流を流すことが難しい。このため、その誤差を吸収するためのマージンを大きく取る必要があるので、素子を小さくことが困難であるという問題があった。
【０００７】
本発明の目的は、光の取り出し効率が改善され、高輝度化可能な電流狭窄型の半導体発光素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一態様によれば、基板と、前記基板上に配置された第１クラッド層と、前記第１クラッド層上に配置された多重量子井戸層と、前記多重量子井戸層上に配置された第２クラッド層と、前記第２クラッド層上の所定の領域に配置されたコンタクト層と、前記コンタクト層上に配置された透明電極層と、前記透明電極層上に配置された表面電極層と、前記表面電極層の前記所定の領域に対応する領域が開口された開口部とを備える半導体発光素子が提供される。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、光の取り出し効率が改善され、高輝度化可能な電流狭窄型の半導体発光素子を供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】（ａ）実施の形態に係る半導体発光素子の模式的平面パターン構成図、（ｂ）試作された実施の形態に係る半導体発光素子の表面光学顕微鏡写真例。
【図２】図１（ａ）のＩ−Ｉ線に沿う模式的断面構造図。
【図３】（ａ）実施の形態に係る半導体発光素子の表面側の電極部分の模式的断面構造図、（ｂ）実施の形態に係る半導体発光素子の裏面側の電極部分の模式的断面構造図。
【図４】（ａ）比較例に係る半導体発光素子（サンプル１）の表面光学顕微鏡写真例、（ｂ）実施の形態に係る半導体発光素子（サンプル２）の表面光学顕微鏡写真例、（ｃ）実施の形態に係る半導体発光素子（サンプル３）の表面光学顕微鏡写真例、（ｄ）実施の形態に係る半導体発光素子（サンプル４）の表面光学顕微鏡写真例。
【図５】比較例に係る半導体発光素子（サンプル１）の模式的断面構造図。
【図６】実施の形態に係る半導体発光素子（サンプル２）の模式的断面構造図。
【図７】実施の形態に係る半導体発光素子（サンプル３）の模式的断面構造図。
【図８】実施の形態に係る半導体発光素子（サンプル４）の模式的断面構造図。
【図９】実施の形態に係る半導体発光素子（ＬＥＤ）と検出用フォトダイオード（ＤＥＴ）の送受信配置構成の模式図。
【図１０】実施の形態に係る半導体発光素子（ＬＥＤ）と検出用フォトダイオード（ＤＥＴ）の送受信配置構成の模式的断面構造図。
【図１１】比較例に係る半導体発光素子（サンプル１）と実施の形態に係る半導体発光素子（サンプル２・サンプル３・サンプル４）における相対光出力ＰO（ａ.ｕ.）と順向電流ＩF（Ａ）との関係を示す特性図。
【図１２】比較例に係る半導体発光素子（サンプル１）と実施の形態に係る半導体発光素子（サンプル２・サンプル３・サンプル４）における順方向電流ＩF（Ａ）と順方向電圧ＶF（Ｖ）との関係を示す特性図。
【図１３】実施の形態に係る半導体発光素子において、順方向電圧ＶF（Ｖ）とコンタクト層のキャリア濃度Ｎ（ｃｍ-3）の関係を示す特性図。
【図１４】実施の形態に係る半導体発光素子において、相対光出力ＰO（ａ.ｕ.）と開口部の面積ＳOに対するコンタクト部の面積ＳCの面積比ＳC／ＳOとの関係を示す特性図。
【図１５】（ａ）実施の形態に係る半導体発光素子において、開口部近傍の拡大された模式的平面パターン構成図、（ｂ）図１５（ａ）のＩＩ−ＩＩ線に沿う模式的断面構造図。
【図１６】開口部の異なる実施の形態に係る半導体発光素子の模式的平面構成であって、（ａ）長円形状の開口部を有する例、（ｂ）円形状の開口部を有する例、（ｃ）六角形状の開口部を有する例、（ｄ）三角形状の開口部を有する例、（ｅ）長方形形状の開口部を有する例、（ｆ）正方形形状の開口部を有する例、（ｇ）八角形状の開口部を有する例、（ｈ）菱型形状の開口部を有する例、（ｉ）五角形状の開口部を有する例。
【図１７】実施の形態に係る半導体発光素子において、ＧａＰコンタクト層のキャリア濃度Ｎ（ｃｍ-3）とドーピングガスの流量（ｃｃｍ）との関係を示す模式図。
【図１８】実施の形態の変形例に係る半導体発光素子の模式的断面構造図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
次に、図面を参照して、本発明の第１の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。又、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることはもちろんである。
【００１２】
又、以下に示す実施の形態は、この発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、この発明の実施の形態は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記のものに特定するものでない。この発明の実施の形態は、特許請求の範囲において、種々の変更を加えることができる。
【００１３】
なお、以下の説明において、「ＧａＡｓ系の半導体」とは、ＡｌxＧａ1-xＡs（０≦x≦１）からなる半導体をいう。したがって、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＡｌＡｓも、「ＧａＡｓ系の半導体」に含まれる。
【００１４】
実施の形態に係る半導体発光素子１の模式的平面パターン構成は、図１（ａ）に示すように表され、試作例の表面光学顕微鏡写真は、図１（ｂ）に示すように表される。
【００１５】
また、図１（ａ）のＩ−Ｉ線に沿う模式的断面構造は、図２に示すように表される。
【００１６】
実施の形態に係る半導体発光素子１は、図１〜図２に示すように、基板１０と、基板１０上に配置された第１クラッド層１４と、第１クラッド層１４上に配置された多重量子井戸層１６と、多重量子井戸層１６上に配置された第２クラッド層１８と、第２クラッド層１８上の所定の領域に配置されたコンタクト層２４・２６と、コンタクト層２４・２６上に配置された透明電極層２２と、透明電極層２２上に配置された表面電極層２８と、表面電極層２８の所定の領域に対応する領域が開口された開口部４０とを備える。
【００１７】
透明電極層２２は、コンタクト層２４・２６および第２クラッド層１８とは逆の導電型を有し、例えば、透明電極層２２はｎ型であり、コンタクト層２４・２６および第２クラッド層１８はp型で構成されていても良い。
【００１８】
また、透明電極層２２は、コンタクト層２４・２６と、コンタクト層２４・２６に対して透明電極層２２とは反対側に形成されると共にコンタクト層２４に接する層（ウィンドウ層２０若しくは第２クラッド層１８）に直接接触するように形成される。すなわち、ウィンドウ層２０がない場合には、透明電極層２２は、第２クラッド層１８に直接接触する。
【００１９】
また、コンタクト層２６の透明電極層２２に接触する部分の不純物濃度は、１．５×１０19ｃｍ-3以上であることが望ましい。
【００２０】
また、コンタクト層２４・２６は、透明電極層２２に接触し、１．５×１０19ｃｍ-3以上の不純物濃度を有する第１コンタクト層２６と、第１コンタクト層２６より低い不純物濃度を有し、第１コンタクト層２６に対して透明電極層２２とは反対側に形成される第２コンタクト層２４とを備えていても良い。
【００２１】
また、第１コンタクト層２６の厚さは、第２コンタクト層２４の厚さよりも薄く形成されていても良い。
【００２２】
また、実施の形態に係る半導体発光素子１において、コンタクト層２４・２６は、基板１０と格子整合しない組成を有し、第２クラッド層１８上に形成されたウィンドウ層２０をさらに備え、コンタクト層２４・２６は、ウィンドウ層２０を介して第２クラッド層１８上に形成されていても良い。
【００２３】
ここで、ウィンドウ層２０の厚さは、第２クラッド層１８の厚さよりも薄く形成されていても良い。
【００２４】
さらに詳細に、実施の形態に係る半導体発光素子１は、図１〜図２に示すように、基板１０と、基板１０上に配置された第１クラッド層１４と、第１クラッド層１４上に配置された多重量子井戸（ＭＱＷ：Multi-Quantum Well）層１６と、ＭＱＷ層１６上に配置された第２クラッド層１８と、第２クラッド層１８上に配置されたウィンドウ層２０と、ウィンドウ層２０上に配置された第２コンタクト層２４と、第２コンタクト層２４上に配置された第１コンタクト層２６と、第１コンタクト層２６上に配置された透明電極層２２と、透明電極層２２上に配置された表面電極層２８と、表面電極層２８に開口された開口部４０とを備える。ここで、開口部４０は、第１コンタクト層２６上に配置されている。
【００２５】
さらに、基板１０の表面電極層２８と反対側の基板１０の裏面側には、裏面電極層３０を備える。
【００２６】
実施の形態に係る半導体発光素子１の表面電極層２８・裏面電極層３０間の端面には、図１〜図２に示すように、メサエッチング領域ＭＥＳＡが形成され、アノード・カソード間に耐圧が確保されている。
【００２７】
図１（ａ）および図１（ｂ）に示すように、メサエッチング領域ＭＥＳＡの外形寸法Ｘ１・Ｙ１は、例えば、約Ｘ１＝５８２μｍ・Ｙ１＝３６６μｍであり、ＭＥＳＡ台形部分の表面電極層２８の外形寸法Ｘ２・Ｙ２は、例えば、約Ｘ２＝４４０μｍ・Ｙ１＝２３５μｍであり、長円形状を有する開口部４０の外形寸法Ｘ３・Ｙ３は、例えば、約Ｘ３＝１９１μｍ・Ｙ３＝７２μｍであり、開口部４０の端部とＭＥＳＡとの最短寸法Ｘ４は、例えば、約２３μｍである。
【００２８】
基板１０はＧａＡｓで形成され、第１クラッド層１４および第２クラッド層１８は、ＡｌＧａＡｓ層で形成され、ＭＱＷ層１６は、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓのペアで形成されている。
【００２９】
また、ウィンドウ層２０は、ＡｌＧａＡｓ層で形成され、前記第２コンタクト層２４および第１コンタクト層２６は、ＧａＰ層で形成されている。
【００３０】
ここで、第１コンタクト層２６の不純物濃度は、第２コンタクト層２４の不純物濃度よりも相対的に高く形成されている。
【００３１】
第１コンタクト層２６にドーピングされる不純物は、例えば、炭素（Ｃ）であり、第２コンタクト層２４にドーピングされる不純物は、例えば、亜鉛（Ｚｎ）若しくはマグネシウム（Ｍｇ）である。第２コンタクト層２４にドーピングされる不純物は、炭素（Ｃ）であってもよい。さらに詳細に各部を説明する。
【００３２】
基板１０は、ＧａＡｓ単結晶基板（たとえば１７０μｍ厚）で構成されている。半導体積層構造を形成する各層は、基板１０に対してエピタキシャル成長されている。
【００３３】
第１クラッド層１４は、例えば、シリコン（Ｓｉ）ドープされたｎ型Ａｌ0.6Ｇａ0.4Ａｓ層で形成される。第１クラッド層１４の厚さは、例えば、約０．８μｍ〜約１．２μｍである。
【００３４】
ＭＱＷ層１６は、例えば、Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓ層をバリア層、ＧａＡｓ層をウエル層とするＧａＡｓ／Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓのペアで形成される。ペア数は、例えば、１００ペアである。ＭＱＷ層１６全体の厚さは、例えば、約１．３μｍ〜約１．６μｍである。
【００３５】
第２クラッド層１８は、例えば、亜鉛（Ｚｎ）ドープされたｐ型Ａｌ0.6Ｇａ0.4Ａｓ層で形成される。第２クラッド層１８の厚さは、例えば、約０．８μｍ〜約１．２μｍである。
【００３６】
ウィンドウ層２０は、例えば、亜鉛（Ｚｎ）ドープされたｐ型Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓ層で形成される。ウィンドウ層２０の厚さは、例えば、約０．１μｍ〜約１．０μｍである。このウィンドウ層２０は、第２クラッド層１８よりも厚みが薄く形成される。また、ウィンドウ層２０のＧａの組成比は第２クラッド層１８よりも大きくなっている。これにより、ＧａＰ（ＧａＡｓ基板と格子整合しない）からなる第２コンタクト層２４の結晶成長の結晶品質をより高くできる。
【００３７】
第２コンタクト層２４は、例えば、亜鉛（Ｚｎ）ドープされたｐ型ＧａＰ層で形成される。第２コンタクト層２４の厚さは、例えば、約０．４μｍ〜約０．８μｍである。第２コンタクト層２４におけるＺｎの濃度は、例えば、約２．０×１０18ｃｍ-3以上６．０×１０18ｃｍ-3以下である。
【００３８】
第１コンタクト層２６は、例えば、炭素（Ｃ）ドープされたｐ型ＧａＰ層で形成される。第１コンタクト層２６の厚さは、例えば、約０．３μｍ〜約０．８μｍである。
【００３９】
第１コンタクト層２６におけるＣの濃度は、例えば、約１．５×１０19ｃｍ-3以上であり、さらに、約１．５×１０19ｃｍ-3以上、約５．０×１０19ｃｍ-3以下である。
【００４０】
尚、ＧａＰ層へのＣドーピングにおいては、例えば、四臭化炭素（ＣＢｒ4）をドーピング原材料として用いることができる。
【００４１】
また、実施の形態に係る半導体発光素子１において、開口部４０の面積ＳOに対する第１コンタクト層２６の面積ＳCの面積比ＳC／ＳOは、１より小さいことが望ましい。また、コンタクト層２６・２４が表面電極２８と重なると光が遮られてしまうため、コンタクト層２６・２４は開口部４０の内側に収まるように形成される。開口部４０からの相対光出力ＰOを極大化可能であるためである。
【００４２】
また、透明電極層２２は、インジウム錫酸化物（ＩＴＯ：Indium Tin Oxide）、Ｉｎ2Ｏ3、ＳｎＯ2、ＺｎＯ、ＩｎＺＯなどのＴＣＯ（Transparent Conducting Oxide）であればよい。透明電極層２２の膜厚は、たとえば３００ｎｍである。尚、透明電極層２２の形成では、真空蒸着法が望ましい。スパッタリング法では、ウィンドウ層２０や、コンタクト層（２６・２４）にダメージを与える可能性があるからである。
【００４３】
また、基板１０と第１クラッド層１４間には、分布ブラッグ反射（ＤＢＲ：Distributed Bragg Reflector）層を備えていても良い。ここで、ＤＢＲ層は、例えば、ＧａＡｓ／Ａｌ0.8Ｇａ0.2Ａｓの１０ペアで形成されていても良い。
【００４４】
実施の形態に係る半導体発光素子１においては、アノード電極（表面電極層２８）とカソード電極（裏面電極層３０）間を導通する電流を絞るために、例えば、透明電極層２２として、第１コンタクト層２６とのコンタクト性能の良好なＩＴＯを使用している。
【００４５】
ＩＴＯは、Ｚｎドープされた相対的に低濃度のＧａＰ層に比べ、Ｃドープされた高濃度のＧａＰ層と相対的にコンタクトが取り易くなる。電流は、活性層（ＭＱＷ）へ流れる際に拡がるが、ウィンドウ層２０の厚さを相対的に薄く設定することで、電流の拡がりを抑制することができる。
【００４６】
電流の絞込みにより、コンタクト部（第２コンタクト層２４）との直下において相対的に強く発光するため、光の取り出し効率を増大することができる。
【００４７】
すなわち、ＩＴＯは、ｎ型半導体であり、相対的に低濃度に不純物ドープされたＧａＰ層（第２コンタクト層２４）に比べ、相対的に高濃度に不純物ドープされたＧａＰ層（第１コンタクト層２６）とのコンタクト抵抗が低い。また、ＩＴＯと第１コンタクト層２６とのコンタクト抵抗も、ＩＴＯとウィンドウ層２０とのコンタクト抵抗よりも低い。このため、アノード電極（表面電極層２８）とカソード電極（裏面電極層３０）間を導通する電流は、平面視で表面電極層２８の下方部分よりも相対的に、ＩＴＯ（２２）／第１コンタクト層２６の界面により多く導通可能である。結果として、開口部４０を介して、より多くの光を効率良く取り出すことができる。
【００４８】
第２コンタクト層２４は、第１コンタクト層２６の結晶性を向上させるための層である。すなわち、ＣをドープされたＧａＰ層（第１コンタクト層２６）は、形成層が厚くなるにつれて結晶欠陥が生じ、結晶性が悪くなるが、図２に示すように、ウィンドウ層２０上に、第２コンタクト層２４を介して第１コンタクト層２６を形成することで、ＣをドープされたＧａＰ層（第１コンタクト層２６）の結晶性を良好にすることができる。
【００４９】
実施の形態に係る半導体発光素子１においては、このようにキャリア濃度を変化させたコンタクト層が２層必要である。しかしながら、ＩＴＯとの界面のキャリア濃度を高くしつつ結晶性を高くすればよいため、たとえば、ウィンドウ層との界面からＩＴＯ側に向かって炭素濃度を徐々に高くする構成でもよい。
【００５０】
実施の形態に係る半導体発光素子１においては、第２クラッド層（ｐクラッド層）１８とＺｎドープされた相対的に低濃度のＧａＰ層（第１コンタクト層）２４は、格子定数が異なるため、第２クラッド層（ｐクラッド層）１８とＺｎドープされた相対的に低濃度のＧａＰ層（第１コンタクト層）２４との間に、Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓ層をバッファ層（ウィンドウ層２０）として挿入している。第２クラッド層１８と第２コンタクト層２４との間にウィンドウ層２０を設けることで、第２コンタクト層２４の結晶性が向上するからである。また、第２コンタクト層２４を設けることで第１コンタクト層２６の結晶性が向上する。
【００５１】
実施の形態に係る半導体発光素子１において、第１コンタクト層２６における炭素の濃度が１．５×１０19ｃｍ-3以上であることが好ましい。炭素濃度が１．５×１０19ｃｍ-3より少ないと第１コンタクト層２６の抵抗が大きくなり、透明電極層２２とｐ型ウィンドウ層２０との間の接触抵抗を十分に低減させることができないからである。
【００５２】
また、実施の形態に係る半導体発光素子１において、具体的には、第１コンタクト層２６における炭素の濃度が１．５×１０19ｃｍ-3以上５．０×１０19ｃｍ-3以下であることが好ましい。炭素濃度が５．０×１０19ｃｍ-3より多いと、第１コンタクト層２６におけるＧａＰ結晶が劣化するからである。
【００５３】
（電極層構造）
実施の形態に係る半導体発光素子１の表面側の表面電極層２８部分の模式的断面構造は、図３（ａ）に示すように表され、裏面電極層３０部分の模式的断面構造は、図３（ｂ）に示すように表される。
【００５４】
実施の形態に係る半導体発光素子１の表面電極層２８は、図３（ａ）に示すように、透明電極層２２上に配置されたＣｒ層とＣｒ層上に配置された第１Ａｕ層を備える。ここで、Ｃｒ層の厚さは、例えば、約０・０３μｍ〜約０．０５μｍであり、第１Ａｕ層の厚さは、例えば、約２．０μｍ〜約３．０μｍである。
【００５５】
実施の形態に係る半導体発光素子１の裏面電極層３０は、図３（ｂ）に示すように、基板３０上に配置された第２Ａｕ層と、第２Ａｕ層上に配置されたＡｕＧｅＮｉ層と、ＡｕＧｅＮｉ層上に配置された第３Ａｕ層とを備える。ここで、第２Ａｕ層の厚さは、例えば、約０・０３μｍ〜約０．０８μｍであり、ＡｕＧｅＮｉ層の厚さは、例えば、約０．１５μｍ〜約０．１７μｍであり、第３Ａｕ層の厚さは、例えば、約０・１５μｍ〜約０．１７μｍである。
【００５６】
（表面光学顕微鏡写真例）
比較例に係る半導体発光素子（サンプル１）の表面光学顕微鏡写真例は、図４（ａ）に示すように表され、実施の形態に係る半導体発光素子（サンプル２・サンプル３・サンプル４）の表面光学顕微鏡写真例は、図４（ｂ）〜図４（ｃ）に示すように表される。
【００５７】
また、比較例に係る半導体発光素子（サンプル１）の開口部近傍の模式的断面構造は、図５に示すように表され、実施の形態に係る半導体発光素子（サンプル２・サンプル３・サンプル４）の開口部近傍の模式的断面構造は、図６〜図８に示すように表される。尚、図５〜図８において、図示は省略されているが、第１クラッド層１４・第２クラッド層１８は、図２と同様に配置されている。
【００５８】
比較例に係る半導体発光素子（サンプル１）は、図５に示すように、ウィンドウ層２０上に１層のみの第１コンタクト層（ＧａＰ層）２４を備え、さらに、第２コンタクト層２４上に、ＳｉＯ2などの絶縁層３２・表面電極層２８および開口部４０が形成されている。
【００５９】
実施の形態に係る半導体発光素子（サンプル２）は、図６に示すように、ウィンドウ層２０上に全面に形成された第２コンタクト層２４と、第２コンタクト層２４上に全面に形成され、かつ開口部４０において相対的に厚く形成された第１コンタクト層２６とを備える。その他の構成は、図２と同様である。図６の構造では、相対的に薄く形成された第１コンタクト層２６部分に比べ、相対的に厚く形成された第１コンタクト層２６部分を介して、多くの電流が導通し易い構造となっている。
【００６０】
実施の形態に係る半導体発光素子（サンプル３）は、図７に示すように、ウィンドウ層２０上に全面に形成された第２コンタクト層２４と、第２コンタクト層２４上の開口部４０を覗く部分に形成された第１コンタクト層２６とを備える。その他の構成は、図２と同様である。図６の構造では、第２コンタクト層２４部分に比べ、第１コンタクト層２６部分を介して、多くの電流が導通し易い構造となっている。
【００６１】
実施の形態に係る半導体発光素子（サンプル４）は、図８に示すように、ウィンドウ層２０の厚さを、図７に示された実施の形態に係る半導体発光素子（サンプル３）に比べ、相対的に薄く形成している。その他の構成は、図７と同様である。図８の構造では、電流拡散層として機能するウィンドウ層２０の厚さを、相対的に薄く形成することによって、開口部４０直下のＭＱＷ層１４により多くの電流を集中させることが可能である。
【００６２】
（半導体発光素子と検出用フォトダイオード）
実施の形態に係る半導体発光素子（ＬＥＤ）１と検出用フォトダイオード（ＤＥＴ）の送受信配置構成の模式図は、図９に示すように表される。半導体発光素子（ＬＥＤ）１と検出用フォトダイオード（ＤＥＴ）の間の距離Ｌ内の破線で示された位置に遮蔽物を配置したり取り除くことによって、半導体発光素子（ＬＥＤ）１から発光されたＬＥＤ光を検出用フォトダイオード（ＤＥＴ）において、オフ／オン検出可能となり、例えば、モータ回転位置検出用のエンコーダとして適用可能である。
【００６３】
実施の形態に係る半導体発光素子（ＬＥＤ）と検出用フォトダイオード（ＤＥＴ）の送受信配置構成の模式的断面構造は、図１０に示すように表される。
【００６４】
実施の形態に係る半導体発光素子（ＬＥＤ）から出射された光ｈνの内、反射層４４を介して検出部（ＤＥＴ）４２に入射される反射光ｈνrの外乱ノイズを削減する必要がある。このために、開口部４０の透明電極層２２表面と検出部（ＤＥＴ）４２との距離Ｌは、近接させる必要がある。
【００６５】
実施の形態に係る半導体発光素子は、ウィンドウ層２０、第１コンタクト層２６、第２コンタクト層２４をｐ型とし、透明電極層（ＩＴＯ）２２はｎ型のため、基本的には電流は遮断されるが、第１コンタクト層２６の不純物濃度をある程度以上高くすることにより、ｐｎ接合であるにも関わらず、第１コンタクト層２６と透明電極層（ＩＴＯ）２２の界面から電流が流れるようにしたものである。一方、第２コンタクト層２４およびウィンドウ層２０の不純物濃度は高くないため、上記の導通効果は得られず、ｐｎ接合の逆バイアスにより、第２コンタクト層２４およびウィンドウ層２０と透明電極層（ＩＴＯ）２２との界面では電流は流れない。
【００６６】
（順方向特性）
比較例に係る半導体発光素子（サンプル１）と実施の形態に係る半導体発光素子（サンプル２・サンプル３・サンプル４）における相対光出力ＰO（ａ.ｕ.）と順方向電流ＩF（Ａ）との関係は、図１１に示すように表される。比較例に係る半導体発光素子（サンプル１）に比べて、実施の形態に係る半導体発光素子（サンプル２・サンプル３・サンプル４）においては、相対光出力ＰO（ａ.ｕ.）の順方向電流ＩF（Ａ）特性は、向上している。特に、実施の形態に係る半導体発光素子（サンプル４）においては、比較例に係る半導体発光素子（サンプル１）に比べて、順方向電流ＩF（Ａ）＝０．１（Ａ）において、約５倍の相対光出力ＰO（ａ.ｕ.）が得られている。
【００６７】
特に、実施の形態に係る半導体発光素子（サンプル４）においては、電流拡散層として機能するウィンドウ層２０の厚さを、相対的に薄く形成することによって、開口部４０直下のＭＱＷ層１４により多くの電流を集中させることが可能であり、光出力特性を向上可能である。
【００６８】
また、比較例に係る半導体発光素子（サンプル１）と実施の形態に係る半導体発光素子（サンプル２・サンプル３・サンプル４）における順方向電流ＩF（Ａ）と順方向電圧ＶF（Ｖ）との関係は、図１２に示すように表される。例えば、順方向電流ＩF＝５０（ｍＡ）において、比較例に係る半導体発光素子（サンプル１）では、順方向電圧ＶF＝２．９２（Ｖ）であるのに対して、実施の形態に係る半導体発光素子（サンプル２・サンプル３・サンプル４）では、順方向電圧ＶF＝１．７５（Ｖ）・１．７１（Ｖ）・１．９１（Ｖ）であり、順方向電流ＩF＝１００（ｍＡ）において、比較例に係る半導体発光素子（サンプル１）では、順方向電圧ＶF＝２．２３（Ｖ）であるのに対して、実施の形態に係る半導体発光素子（サンプル２・サンプル３・サンプル４）では、順方向電圧ＶF＝２．００（Ｖ）・２．０４（Ｖ）・２．２８（Ｖ）である。
【００６９】
特に、実施の形態に係る半導体発光素子（サンプル４）においては、電流拡散層として機能するウィンドウ層２０の厚さを、相対的に薄く形成することによって、開口部４０直下のＭＱＷ層１４により多くの電流を集中させることが可能であり、光出力特性および順方向特性を向上可能である。
【００７０】
また、実施の形態に係る半導体発光素子において、順方向電流ＩF＝２０（ｍＡ）における順方向電圧ＶF（Ｖ）とコンタクト層のキャリア濃度Ｎ（ｃｍ-3）の関係は、図１３に示すように表される。図１３において、丸印Ａのサンプルは、第２コンタクト層２４のキャリア濃度Ｎ＝６．７８×１０18ｃｍ-3の例であり、順方向電圧ＶF＝５．２３１（Ｖ）と相対的に高い値が得られている。一方、丸印Ｂのサンプルは、第１コンタクト層２６のキャリア濃度Ｎ＝１．９４×１０19ｃｍ-3および２．１１×１０19ｃｍ-3の例であり、順方向電圧ＶF＝２．０３４（Ｖ）および２．００２(Ｖ)と相対的に低い値が得られている。
【００７１】
図１３に示すように、コンタクト層のキャリア濃度Ｎが高くなるにしたがって順方向電圧ＶFが低下し、コンタクト層のキャリア濃度Ｎが１．５０×１０19ｃｍ-3以上となると順方向電圧ＶFがほぼ一定となることがわかる。つまり、コンタクト層のキャリア濃度Ｎを１．５０×１０19ｃｍ-3以上にすると、順方向電圧ＶFを低く抑えることができる。
【００７２】
（相対光出力ＰOと面積比ＳC／ＳOの関係）
実施の形態に係る半導体発光素子１において、順方向電流ＩF＝２０（ｍＡ）における相対光出力ＰO（ａ.ｕ．）と開口部の面積ＳOに対するコンタクト部の面積ＳCの面積比ＳC／ＳOとの関係は、図１４に示すように表される。図１４において、サンプルＳ１・サンプルＳ２・サンプルＳ３・サンプルＳ４・サンプルＳ５は、コンタクト部の面積ＳCが異なり、それぞれＳC＝１６０μｍ×４０μｍ・１７０μｍ×５０μｍ・１８０μｍ×６０μｍ・１９０μｍ×７０μｍ・２１０μｍ×９０μｍであり、面積比ＳC／ＳO＝０．４９・０．６５・０．８２・１．００・１．４０に対応する。
【００７３】
実施の形態に係る半導体発光素子１において、相対光出力ＰO（ａ.ｕ．）と面積比ＳC／ＳOとの関係は、図１４に示すように、ＳC／ＳO＜１において最適値を有する。したがって、実施の形態に係る半導体発光素子１においては、開口部に対するコンタクト部の面積比ＳC／ＳOを１よりも小さく設定している。但し、面積比ＳC／ＳOを１よりも小さくすることが必須であるわけではなく、用途に応じて面積比ＳC／ＳOは選定可能である。
【００７４】
０．５５＜ＳC／ＳO＜１．０範囲内では、ＳC／ＳO＝１のときの相対光出力ＰOを上回る値が得られている。一方、１．００＜ＳC／ＳO＜１．４の範囲内では、ＳC／ＳO＝１のときの相対光出力ＰOよりも小さくなっている。すなわち、１．００＜ＳC／ＳO＜１．４の範囲内では、コンタクトの面積が大きいため電流が広がることにより発光領域が広がり、電極に遮られることにより取り出せない光の量が増加していると考えられる。
【００７５】
実施の形態に係る半導体発光素子において、開口部４０近傍の拡大された模式的平面パターン構成は、図１５（ａ）に示すように表され、図１５（ａ）のＩＩ−ＩＩ線に沿う模式的断面構造は、図１５（ｂ）に示すように表される。
【００７６】
コンタクト部の面積ＳCを開口部の面積ＳOよりも小さく設定することにより、図１５（ｂ）の矢印で示されるように電流Ｊは、表面電極層２８／透明電極層２２／第１コンタクト層２６／第２コンタクト層２４／ウィンドウ層２０へと導通する。
【００７７】
実施の形態に係る半導体発光素子においては、コンタクト部の面積ＳCを開口部の面積ＳOよりも小さく設定することにより、電流拡がりによる発光ロスを低減化可能であり、発光強度が向上する。
【００７８】
（開口部形状）
実施の形態に係る半導体発光素子において、開口部４０は、楕円形状に限らず、長円形状、円形状、三角形状、正方形形状、菱型形状、長方形形状、五角形状、六角形状、八角形状など様々な形状に形成可能である。
【００７９】
実施の形態に係る半導体発光素子１の開口部４０において、長円形状の開口部４０を有する例は図１６（ａ）に示すように表され、円形状の開口部４０を有する例は図１６（ｂ）に示すように表され、六角形状の開口部４０を有する例は図１６（ｃ）に示すように表され、三角形状の開口部４０を有する例は図１６（ｄ）に示すように表され、長方形形状の開口部４０を有する例は図１６（ｅ）に示すように表され、正方形形状の開口部を有する例は図１６（ｆ）に示すように表され、八角形状の開口部４０を有する例は図１６（ｇ）に示すように表され、菱型形状の開口部４０を有する例は図１６（ｈ）に示すように表され、五角形状の開口部４０を有する例は図１６（ｉ）に示すように表される。
【００８０】
いずれの形状においても、開口部４０の面積ＳOに対して、開口部４０の面直方向に開口部４０を覗く位置に配置された第１コンタクト層２６の面積ＳCの面積比ＳC／ＳOは、相対光出力ＰOが極大化可能なように、例えば、１より小さく設定される。さらに面積比だけでなく、平面的に見て、開口領域とコンタクトが重ならないように形成される。
【００８１】
（キャリア濃度と流量）
実施の形態に係る半導体発光素子において、ＧａＰコンタクト層（２６・２４）のキャリア濃度Ｎ（ｃｍ-3）とドーピングガスの流量（ｃｃｍ）との関係は、模式的に図１７に示すように表される。ここで、ドーピングガスの流量（ｃｃｍ）は、ドーピング不純物の原子量（個）の相当する量である。図１７は実験的に得られた傾向を示している。例えば、ドーピング不純物がマグネシウム（Ｍｇ）や亜鉛（Ｚｎ）の場合には、ドーピングガスの流量（ｃｃｍ）の増加と共に、キャリア濃度Ｎ（ｃｍ-3）は増加傾向を示すが、特定の流量ＣMZにおいて、キャリア濃度Ｎ（ｃｍ-3）は、キャリア濃度Ｎ1においてピーク値をとり、その後は減少する傾向となる。一方、ドーピング不純物が炭素（Ｃ）の場合には、ドーピングガスの流量（ｃｃｍ）の増加と共に、キャリア濃度Ｎ（ｃｍ-3）は増加傾向を示し、特定の流量ＣCにおいて、キャリア濃度Ｎ（ｃｍ-3）は、キャリア濃度Ｎ2において飽和値をとり、その後は略一定となる傾向となる。得られた実験結果では、例えば、キャリア濃度Ｎ1の値は、約６×１０18（ｃｍ-3）であり、一方、キャリア濃度Ｎ2の値は、約５×１０19（ｃｍ-3）である。ドーピング不純物がマグネシウム（Ｍｇ）や亜鉛（Ｚｎ）の場合には、キャリア濃度Ｎ1においてピーク値をとった後の減少傾向とともに、結晶性が悪くなることが確認されている。一方、ドーピング不純物が炭素（Ｃ）の場合には、キャリア濃度Ｎ（ｃｍ-3）がＮ2において飽和値をとった後も略一定となり、結晶性が悪くなることは無い。ただし、ドーピング不純物が炭素（Ｃ）の場合にはＧａＰコンタクト層（２６）の厚さを厚くすると共に、結晶欠陥が増大する傾向があるため、ウィンドウ層２０上には、第２コンタクト層２４を下地バッファ層として形成した後、第２コンタクト層２４上に、第１コンタクト層２６を形成した２層構造が良い。
【００８２】
結果として、実施の形態に係る半導体発光素子においては、コンタクト層の結晶性の改善と共にコンタクト抵抗の低減化をはかることができ、順方向電圧ＶFの低減化、相対光出力ＰOの増大化を図ることができる。
【００８３】
（変形例）
実施の形態においては、基板１０および第１クラッド層１４の導電型をｎ型とし、第２クラッド層１８の導電型をｐ型とする例が開示されているが、これらの導電型を反対にしても良い。
【００８４】
実施の形態の変形例に係る半導体発光素子１Ｂの模式的断面構造は、図１８に示すように表される。実施の形態の変形例に係る半導体発光素子１Ｂにおいては、実施の形態に係る半導体発光素子１に比べて、導電型を反対にした構成を有する。すなわち、第１クラッド層１４は、例えば、亜鉛（Ｚｎ）ドープされたｐ型Ａｌ0.6Ｇａ0.4Ａｓ層で形成され、第２クラッド層１８は、例えば、シリコン（Ｓｉ）ドープされたｎ型Ａｌ0.6Ｇａ0.4Ａｓ層で形成され、ウィンドウ層２０は、例えば、シリコン（Ｓｉ）ドープされたｎ型Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓ層で形成されている。
【００８５】
ウィンドウ層２０上には、ｐ型半導体となるＴＣＯで形成された透明電極層３４を配置し、透明電極層３４上には、開口部４０をパターン形成した表面電極層２８を配置している。尚、表面電極層２８の下方のウィンドウ層２０上には、電流狭窄のためのｎ型半導層３６を配置しても良い。ｎ型半導層３６によって囲まれた透明電極層３４とウィンドウ層２０の接触領域が、実施の形態の変形例に係る半導体発光素子１Ｂのコンタクト部となる。
【００８６】
すなわち、実施の形態の変形例に係る半導体発光素子１は、図１８に示すように、基板１０と、基板１０上に配置された第１クラッド層１４と、第１クラッド層１４上に配置された多重量子井戸層１６と、多重量子井戸層１６上に配置された第２クラッド層１８と、第２クラッド層１８上の所定の領域に配置されたコンタクト部（透明電極層３４とウィンドウ層２０の接触領域）と、コンタクト層部上に配置された透明電極層２２と、透明電極層２２上に配置された表面電極層２８と、表面電極層２８の所定の領域に対応する領域が開口された開口部４０とを備える。
【００８７】
開口部の面積ＳOに対するコンタクト部の面積ＳCの面積比ＳC／ＳOと相対光出力ＰOの関係は、実施の形態に係る半導体発光素子１と同様である。ｐ型半導体となるＴＣＯで形成された透明電極層３４としては、例えば、ＺｎＯなどを適用可能である。実施の形態の変形例に係る半導体発光素子１Ｂにおいては、表面電極層２８は、カソード、裏面電極層３０は、アノードとなる。その他の構成は、実施の形態と同様である。
【００８８】
実施の形態に係る半導体発光素子１と同様に、実施の形態の変形例に係る半導体発光素子１Ｂにおいても、開口部４０の下方のＭＱＷ層１６に電流が集中し易い構成を有するため、光の取り出し効率が改善され、高輝度化可能な電流狭窄型の半導体発光素子を供することができる。
【００８９】
以上説明したように、本発明によれば、光の取り出し効率が改善され、高輝度化可能な電流狭窄型の半導体発光素子を供することができる。また、透明電極と、透明電極とは逆の導電型のコンタクト層およびウィンドウ層との接触により電流を狭窄するので、各層のパターニングを容易に行なうことができる。これにより、不純物を拡散する場合と異なり精度良く電流狭窄部分を形成することができるので、容易に発光素子を小型化できる。
【００９０】
（その他の実施の形態）
上記のように、本発明は実施の形態およびその変形例によって記載したが、この開示の一部をなす論述および図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例および運用技術が明らかとなろう。
【００９１】
実施の形態においては、基板１０として、主として、ＧａＡｓ基板を適用する例が開示されているが、シリコン基板、ＳｉＣ基板、ＧａＰ基板、ＩｎＰ基板、サファイア基板などを適用することも可能である。サファイア基板やＳｉＣ基板では、ＧａＮ系半導体発光素子、ＩｎＰ基板では、ＩｎＰ系半導体発光素子に適用可能である。
【００９２】
また、第１クラッド層および第２クラッド層を、Ｉｎ０．５Ａｌ０．５Ｐ層によって形成し、ＭＱＷ層を、Ｉｎ０．５Ｇａ０．５Ｐ層からなる量子井戸層と、アンドープのＩｎ０．５（Ｇａ０．１５Ａｌ０．８５）０．５Ｐ層からなる障壁層とを交互に複数周期繰り返し積層して形成しても良い。この場合には、可視光半導体発光素子が得られる。
【００９３】
このように、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。
【産業上の利用可能性】
【００９４】
本発明の半導体発光素子は、ＬＥＤ素子、ＬＤ素子等の半導体発光素子に利用可能であり、光センサー全般に適用可能である。特に、光センサー用点光源の赤外発光素子に適用され、モータ回転位置検出用のエンコーダなどに適用可能である。
【符号の説明】
【００９５】
１、１Ａ、１Ｂ…半導体発光素子
１０…基板
１２…分布ブラッグ反射（ＤＢＲ）層
１４、１８…クラッド層
２０…ウィンドウ層（バッファ層）
２２…透明電極層（ＩＴＯ）
２４…第２コンタクト層
２６…第１コンタクト層
２８…表面電極層(アノード電極層）
３０…裏面電極層（カソード電極層）
３２…絶縁層
３４…ｐ型透明電極層（ＴＣＯ）
３６…ｎ型半導体層
４０…開口部
４２…検出部
４４…反射層
ＭＥＳＡ…メサエッチング領域
ＩF…順方向電流
ＶF…順方向電圧
ＰO…光出力
ＳC…コンタクト部の面積
ＳO…開口部の面積
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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