(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＧａＡｓ基板上に一定の間隔を持つ一組の多層反射膜で共振器が形成され、この共振器内の定在波の腹の位置に発光層を有する半導体発光素子において、前記発光層に対して前記ＧａＡｓ基板側の多層反射膜が複数層のＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（０≦ｘ≦１）によって形成され、前記発光層に対して前記ＧａＡｓ基板と反対側の多層反射膜が複数層のＡｌｙＧａｚＩｎ１−ｙ−ｚＰ（０≦ｙ≦１，０≦ｚ≦１）によって形成されることを特徴とする半導体発光素子。
【請求項２】
前記発光層が、単層あるいは複数層からなるＡｌｙＧａｚＩｎ１−ｙ−ｚＰ（０≦ｙ≦１，０≦ｚ≦１）によって形成され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】
前記発光層よりも上に絶縁層あるいは前記ＧａＡｓ基板と同一導電型の層による電流狭窄構造を有することを特徴とする請求項１または２に記載の半導体発光素子。
【請求項４】
前記電流狭窄構造を形成する層がＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（０≦ｘ≦１）によって形成されることを特徴とする請求項３に記載の半導体発光素子。
【請求項５】
前記電流狭窄構造を形成する層がＡｌｙＧａｚＩｎ１−ｙ−ｚＰ（０≦ｙ≦１，０≦ｚ≦１）によって形成されることを特徴とする請求項３記載の半導体発光素子。
【請求項６】
前記電流狭窄構造を形成する層よりも上に電流を拡散させる層を形成することを特徴とする請求項３乃至５のいずれかに記載の半導体発光素子。
【請求項７】
前記電流を拡散させる層がＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（０≦ｘ≦１）によって形成され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】
前記電流を拡散させる層がＡｌｙＧａｚＩｎ１−ｙ−ｚＰ（０≦ｙ≦１，０≦ｚ≦１）によって形成され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９】
前記電流を拡散させる層が発光光に対して５０％以上の透過率の透光性電極によって形成され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１０】
前記ＧａＡｓ基板表面が（１００）面から［０１１］方向あるいは［０−１−１］方向に対して２°以上傾斜していることを特徴とする請求項１乃至９のいずれかに記載の半導体発光素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、伝送用及び表示用等に用いられる半導体発光素子に関し、さらに詳しくは、耐湿性に優れ、数１０ｍＡまで電流を注入しても光出力飽和がないレゾナントキャビティ型ＬＥＤに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、光通信や半導体発光素子情報表示パネル等に半導体発光素子が広く用いられている。これらの半導体発光素子は発光効率が高いこと、光通信用の半導体発光素子においては、さらに応答速度が高速であることが重要であり近年開発が盛んに行われている。
通常の面発光型のＬＥＤは高速応答性が十分とはいえず、１００Ｍｂｐｓ〜２００Ｍｂｐｓ程度が限界である。そこで、レゾナントキャビティ（Ｒｅｓｏｎａｎｔ  Ｃａｖｉｔｙ）型ＬＥＤと呼ばれる半導体発光素子が開発されている。このレゾナントキャビティ型ＬＥＤは、２つのミラーで形成された共振器において発生する定在波の腹の位置が発光層になるようにすることにより自然放出光を制御し、高速応答及び高効率を実現する半導体発光素子であり、先行技術として特開平３−２２９４８０号公報、米国特許第５２２６０５３号明細書等が知られている。特に最近、比較的短い距離の通信にＰＭＭＡ等のプラスチック材料を基材とする光ファイバ（ＰＯＦ）が利用されはじめ、このＰＯＦの低損失な波長領域である６５０ｎｍでの高効率な発光が可能なＡｌＧａＩｎＰ系の半導体材料を発光層とするレゾナントキャビティ型ＬＥＤが開発されている（ＩＥＥＥ  ＰＨＯＴＯＮＩＣＳ  ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ  ＬＥＴＴＥＲＳ  Ｖｏｌ．１０  Ｎｏ．１２  Ｄｅｃｅｍｂｅｒ  １９９８  「ＨｉｇｈＢｒｉｇｈｔｎｅｓｓ  Ｖｉｓｉｂｌｅ  Ｒｅｓｏｎａｎｔ  Ｃａｖｉｔｙ  Ｌｉｇｈｔ  Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｄｉｏｄｅ」）。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、従来のレゾナントキャビティ型ＬＥＤは共振器を形成するミラーにＡｌＧａＡｓ系の材料の多層反射膜を用いていたため、ＬＥＤ表面極近傍にＡｌＡｓあるいはＡｌ混晶比が１に近いＡｌＧａＡｓの層があり、耐湿性に問題があった。また、表面から注入された電流は１μｍ程度の厚さのＤＢＲ（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ  Ｂｒａｇｇ  Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ）でだけ拡散するので電流拡散が十分でないため、数１０ｍＡまで電流を注入すると光出力が飽和するという問題があった。これを補うために表面電極を数μｍ幅の蜂の巣状あるいはメッシュ状の電極とすることが実施されているが、これでは電極切れの問題があり量産性はあまりよくなかった。
【０００４】
そこで、本発明の目的は、上記問題点を解決するために、耐湿性に優れ、数１０ｍＡまで電流を注入しても光出力飽和がないレゾナントキャビティ型ＬＥＤを量産性よく提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために請求項１の半導体発光素子は、ＧａＡｓ基板上に一定の間隔を持つ一組の多層反射膜で共振器が形成され、この共振器内の定在波の腹の位置に発光層を有する半導体発光素子において、前記発光層に対して前記ＧａＡｓ基板側の多層反射膜が複数層のＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（０≦ｘ≦１）によって形成され、前記発光層に対して前記ＧａＡｓ基板と反対側の多層反射膜が複数層のＡｌｙＧａｚＩｎ１−ｙ−ｚＰ（０≦ｙ≦１，０≦ｚ≦１）によって形成されることを特徴としている。
請求項１の半導体発光素子では、発光層に対してＧａＡｓ基板側の多層反射膜がＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（０≦ｘ≦１）で形成されているので、ＧａＡｓ基板との熱膨張係数の差が小さいため、結晶成長時と結晶成長後の温度差による転移が発生しにくい。このことにより、反射膜の数を多くすることにより、容易に高反射率を得ることができる。
また、発光層に対してＧａＡｓ基板と反対側の多層反射膜がＡｌｙＧａｚＩｎ１−ｙ−ｚＰ（０≦ｙ≦１，０≦ｚ≦１）で形成されているので、ＧａＡｓ基板に格子整合する場合に最も多くＡｌを含む場合でも２５％程度であり、ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（０≦ｘ≦１）の場合の５０％の１／２である。これにより、耐湿性を大きく向上させることができる。ＡｌｙＧａｚＩｎ１−ｙ−ｚＰ（０≦ｙ≦１，０≦ｚ≦１）多層反射膜の場合、層数が２０〜３０ペアを超えるとＧａＡｓ基板との熱膨張率差により転移が発生しやすくなるが、レゾナントキャビティ型ＬＥＤの場合、ＧａＡｓ基板と反対側の多層反射膜は、ＧａＡｓ基板側の多層反射膜ほど高反射率が要求されないので、通常２０ペアを超える層数は必要なく、転移発生の問題は考えなくてもよい。
【０００６】
また、請求項２の半導体発光素子は、請求項１に記載の半導体発光素子において、前記発光層が、単層あるいは複数層からなるＡｌｙＧａｚＩｎ１−ｙ−ｚＰ（０≦ｙ≦１，０≦ｚ≦１）であることを特徴とする。
請求項２の半導体発光素子では、発光層がＡｌｙＧａｚＩｎ１−ｙ−ｚＰ（０≦ｙ≦１，０≦ｚ≦１）であるので、５５０ｎｍ〜６８０ｎｍ程度で発光する半導体発光素子を得ることができる。
【０００７】
また、請求項３の半導体発光素子は、請求項１，２に記載の半導体発光素子において、前記発光層よりも上に絶縁層あるいは前記ＧａＡｓ基板と同一導電型の層による電流狭窄構造を持つことを特徴とする。
請求項３の半導体発光素子では、発光層よりも上に絶縁層あるいはＧａＡｓ基板と同一導電型の層により電流狭窄構造を形成しているので、電流密度を高くすることができ、高い内部量子効率を実現することができる。また、発光部上にボンディングパッド用の電極がないため、外部出射効率を高くすることが可能となる。また、発光部を小さくすることができるので、光通信用に用いる場合に光ファイバーとの結合効率も高くすることができる。
【０００８】
また、請求項４の半導体発光素子は、請求項３に記載の半導体発光素子において、前記電流狭窄構造を形成する層がＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（０≦ｘ≦１）によって形成されることを特徴とする。
請求項４の半導体発光素子では、一連の結晶成長でＧａＡｓ基板に格子整合する電流狭窄層を形成することができる。
【０００９】
また、請求項５の半導体発光素子は、請求項３に記載の半導体発光素子において、前記電流狭窄構造を形成する層がＡｌｙＧａｚＩｎ１−ｙ−ｚＰ（０≦ｙ≦１，０≦ｚ≦１）によって形成されることを特徴とする。
請求項５の半導体発光素子では、一連の結晶成長で電流狭窄層を形成することができ、またＡｌｙＧａｚＩｎ１−ｙ−ｚＰ（０≦ｙ≦１，０≦ｚ≦１）は５５０ｎｍ程度までの発光光に対して透明となり得るので、この発光光を有効に取り出すことができる。
【００１０】
また、請求項６の半導体発光素子は、請求項３乃至５のいずれかに記載の半導体発光素子において、前記電流狭窄構造を形成する層よりも上に電流を拡散させる層を形成することを特徴とする。
請求項６の半導体発光素子では、電流狭窄構造の上に電流を拡散させる層を形成するので、均一な発光を得ることができ、動作電圧を低減することができる。
【００１１】
また、請求項７の半導体発光素子は、請求項６に記載の半導体発光素子において、前記電流を拡散させる層がＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（０≦ｘ≦１）によって形成されることを特徴とする。
請求項７の半導体発光素子では、ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（０≦ｘ≦１）は耐湿性を考慮して５９０ｎｍ程度までの発光光に対して透明となり得るので、この発光光を有効に取り出すことができる。
【００１２】
また、請求項８の半導体発光素子は、請求項６に記載の半導体発光素子において、前記電流を拡散させる層がＡｌｙＧａｚＩｎ１−ｙ−ｚＰ（０≦ｙ≦１，０≦ｚ≦１）によって形成されることを特徴とする。
請求項８の半導体発光素子では、ＡｌｙＧａｚＩｎ１−ｙ−ｚＰ（０≦ｙ≦１，０≦ｚ≦１）は５５０ｎｍ程度までの発光光に対して透明となり得るのでこの発光光を有効に取り出すことができる。
【００１３】
また、請求項９の半導体発光素子は、請求項６に記載の半導体発光素子において、前記電流を拡散させる層が発光光に対して５０％以上の透過率の透光性電極によって形成されることを特徴とする。
請求項９の半導体発光素子では、電流を拡散させる層を発光光に対して５０％以上の透過率の透光性電極によって形成しているので半導体材料で電流を拡散させる層を形成した場合よりもより低い動作電圧を実現することが可能である。
【００１４】
また、請求項１０の半導体発光素子は、請求項１乃至９のいずれかに記載の半導体発光素子において、前記ＧａＡｓ基板表面が（１００）面から［０１１］方向あるいは［０−１−１］方向に対して２°以上傾斜していることを特徴とする。
請求項１０の半導体発光素子では、ＧａＡｓ基板が（１００）面から［０１１］方向あるいは［０−１−１］方向に対して２°以上傾斜しているので、発光層に対してＧａＡｓ基板と反対側に形成されるＡｌｙＧａｚＩｎ１−ｙ−ｚＰ（０≦ｙ≦１，０≦ｚ≦１）多層反射膜が鏡面になりやすいので高い反射率が少ない多層反射膜の層数で得られる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図１〜１２に示す実施例に基づいて説明する。
（実施例１）
図１（Ａ）は、本実施例１で得られる半導体発光素子の表面図であり、図１（Ｂ）は図１（Ａ）のＸ−Ｙでの断面図である。
図２は、本実施例１の半導体発光素子の製造工程途中の断面図である。
図３（Ａ）は、本実施例の半導体発光素子の製造工程途中の表面図であり、図３（Ｂ）は、図３（Ａ）のＸ−Ｙでの断面図である。
この半導体発光素子はＡｌＧａＩｎＰ系のものであり、図２に示すように（１００）面から［０１１］方向あるいは［０−１−１］方向に２°だけ傾斜したｎ型のＧａＡｓ基板１上に、ｎ型のＧａＡｓバッファ層２（厚さ１μｍ）、ｎ型のＡｌＡｓとｎ型のＡｌ０．５Ｇａ０．５ＡｓのＤＢＲ３（層数３０ペア）、ｎ型の（Ａｌ０．７Ｇａ０．３）０．５Ｉｎ０．５Ｐ第１クラッド層４、井戸層がＧａＩｎＰ、バリア層が（Ａｌ０．５Ｇａ０．５）０．５Ｉｎ０．５Ｐの量子井戸活性層５、ｐ型の（Ａｌ０．７Ｇａ０．３）０．５Ｉｎ０．５Ｐ第２クラッド層６、ｐ型の（Ａｌ０．２Ｇａ０．８）０．５Ｉｎ０．５Ｐとｐ型のＡｌ０．５Ｉｎ０．５ＰのＤＢＲ７（層数１２ペア）、ｐ型の（Ａｌ０．２Ｇａ０．８）０．５Ｉｎ０．５Ｐ中間層８（厚さ０．１μｍ）、ｐ型のＧａＡｓコンタクト層９（厚さ１μｍ）をＭＯＣＶＤ法（有機金属気相成長：Ｍｅｔａｌ  Ｏｒｇａｎｉｃ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）により順次積層する。
【００１６】
ここで、ｎ型のＡｌＡｓとｎ型のＡｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓの層数３０ペアのＤＢＲ３及びｐ型の（Ａｌ０．２Ｇａ０．８）０．５Ｉｎ０．５Ｐとｐ型のＡｌ０．５Ｉｎ０．５Ｐの層数１２ペアのＤＢＲ７は反射スペクトルの中心が６５０ｎｍになるようにし、この２つのＤＢＲ３，７で形成される共振器の共振波長も６５０ｎｍになるように共振器長を調整する。本実施例１では共振器長は１．５波長分とした。さらに発光層となる量子井戸活性層５の位置は共振器中に生じる定在波の腹の位置にくるようにし、発光ピーク波長は６５０ｎｍになるようにする。
その後、図３（Ａ）（Ｂ）に示すようにウエハー表面にＣＶＤ法によりＳｉＯ２膜１０を形成し、フォトリソグラフィー及び希釈ＨＦによるエッチングにより７０μｍφの円形状の電流経路を形成する。
【００１７】
その後、図１（Ａ）（Ｂ）に示すようにｐ型のＧａＡｓコンタクト層９及びＳｉＯ２膜１０上にＡｕＺｎ／Ｍｏ／Ａｕをスパッタし、フォトリソグラフィーによるパターニングにより表面電極を形成する。通常表面電極１１と発光層の間には１〜３μｍの厚さの層しかなく、この層中では電流はあまり拡散しないが、電極形状を図１（Ａ）のように幅数μｍのリング形状にすることによって発光部にかなり均一に電流を注入することができ、電極に遮られて外部に取り出すことのできない発光光を抑制できる。その後、熱処理することによりｐ型電極１１が得られる。そして、ＧａＡｓ基板を約２８０μｍまで研磨し、この研磨した面にＡｕＧｅ／Ａｕを蒸着し、熱処理することによりｎ型電極１２を形成する。
【００１８】
このようにして得られた半導体発光素子は、発光層に対してＧａＡｓ基板１側の多層反射膜（ＤＢＲ３）はＡｌＧａＡｓ系の材料で形成されているので全膜厚は約３μｍとなっているが、ＧａＡｓ基板１との熱膨張率差が小さいので、基板のそり，ダークラインの発生が認められない。また、層数を３０ペアとすることで９９％以上の高反射率を実現している。また、量子井戸活性層５からなる発光層に対してＧａＡｓ基板１と反対側の多層反射膜（ＤＢＲ７）は、ＡｌＧａＩｎＰ系の材料で形成されているので、表面近傍の最も多くＡｌを含む層がＡｌ０．５Ｉｎ０．５Ｐであり、耐湿性は問題にならない。この多層反射膜のピーク反射率は約７０％であり、レゾナントキャビティ（Ｒｅｓｏｎａｎｔ  Ｃａｖｉｔｙ）構造には十分な反射率が得られている。この半導体発光素子を温度８０℃、湿度８５％中で５０ｍＡの通電試験を実施したところ、１０００時間経過後で初期光出力の９０％の光出力であった。また、ＳｉＯ２膜１０により電流狭窄構造が形成されており、内部量子効率，外部出射効率がともに高く、初期光出力は２０ｍＡで１．６ｍＷとＰＯＦを使用して光通信をするのに十分な光出力が得られた。
【００１９】
（実施例２）
図４（Ａ）は、本実施例２で得られる半導体発光素子の表面図であり、図４（Ｂ）は図４（Ａ）のＸ−Ｙでの断面図である。
図５は、本実施例２の半導体発光素子の製造工程途中の断面図である。
図６は（Ａ）は、本実施例の半導体発光素子の製造工程途中の表面図であり、図６（Ｂ）は図６（Ａ）のＸ−Ｙでの断面図である。
この半導体発光素子はＡｌＧａＩｎＰ系のものであり、図５に示すように（１００）面から［０１１］方向あるいは［０−１−１］方向に１５°傾斜したｎ型のＧａＡｓ基板２１上にｎ型のＧａＡｓバッファ層２２（厚さ１μｍ）、ｎ型のＡｌＡｓとｎ型のＡｌ０．５Ｇａ０．５ＡｓのＤＢＲ２３（層数３０ペア）、ｎ型の（Ａｌ０．７Ｇａ０．３）０．５Ｉｎ０．５Ｐ第１クラッド層２４、井戸層がＧａＩｎＰ、バリア層が（Ａｌ０．５Ｇａ０．５）０．５Ｉｎ０．５Ｐの量子井戸活性層２５、ｐ型の（Ａｌ０．７Ｇａ０．３）０．５Ｉｎ０．５Ｐ第２クラッド層２６、ｐ型の（Ａｌ０．２Ｇａ０．８）０．５Ｉｎ０．５Ｐとｐ型のＡｌ０．５Ｉｎ０．５Ｐの１２ペアのＤＢＲ２７、ｐ型の（Ａｌ０．２Ｇａ０．８）０．５Ｉｎ０．５Ｐエッチングストップ層２８（厚さ０．５μｍ）、ｎ型のＧａＡｓ電流狭窄層２９（厚さ０．３μｍ）、ｎ型の（Ａｌ０．３Ｇａ０．７）０．５Ｉｎ０．５Ｐ保護層３０（厚さ０．１μｍ）、ｎ型のＧａＡｓ  キャップ層３１（厚さ０．０１μｍ）をＭＯＣＶＤ法により順次積層する。
【００２０】
ここで、ｎ型のＡｌＡｓとｎ型のＡｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓの層数３０ペアのＤＢＲ２３及びｐ型の（Ａｌ０．２Ｇａ０．８）０．５Ｉｎ０．５Ｐとｐ型のＡｌ０．５Ｉｎ０．５Ｐの層数１２ペアのＤＢＲ２７は反射スペクトルの中心が６５０ｎｍになるようにする。また、この２つのＤＢＲ２３，２７で形成される共振器の共振波長も６５０ｎｍになるように共振器長を調整する。本実施例２では共振器長は１．５波長分とした。さらに発光層となる量子井戸活性層２５の位置は共振器中に生じる定在波の腹の位置にくるようにし、発光ピーク波長は６５０ｎｍになるようにする。
【００２１】
その後、図６（Ａ）（Ｂ）に示すようにｎ型のＧａＡｓ  キャップ層３１を硫酸／過酸化水素系エッチャントにより除去した後、フォトリソグラフィー及び、熱燐酸，硫酸／過酸化水素系エッチャントによりｎ型の（Ａｌ０．３Ｇａ０．７）０．５Ｉｎ０．５Ｐ保護層３０、ｎ型のＧａＡｓ電流狭窄層２９をｐ型の（Ａｌ０．２Ｇａ０．８）０．５Ｉｎ０．５Ｐエッチングストップ層２８に達するまでエッチングする。このときのエッチングによって７０μｍφの円形状の電流経路を形成する。
【００２２】
その後、図４（Ａ）（Ｂ）に示すように、ｐ型のＡｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓ電流拡散層３２（厚さ７μｍ）をｎ型の（Ａｌ０．３Ｇａ０．７）０．５Ｉｎ０．５Ｐ保護層３０及びｐ型の（Ａｌ０．２Ｇａ０．８）０．５Ｉｎ０．５Ｐエッチングストップ層２８上に再成長した後、ｐ型のＡｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓ電流拡散層３２上にＡｕＺｎ／Ｍｏ／Ａｕをスパッタし、フォトリソグラフィー及びＡｕエッチャント、アンモニア／過酸化水素系エッチャントによるエッチングにより表面電極を形成する。その後、熱処理することによりｐ型電極３３が得られる。そして、ＧａＡｓ基板を約２８０μｍまで研磨し、この研磨した面にＡｕＧｅ／Ａｕを蒸着し、熱処理することによりｎ型電極３４を形成する。
【００２３】
このようにして得られた半導体発光素子は、多層反射膜の構造は実施例１と同様であるが、実施例１が（１００）面から［０１１］方向に２°だけ傾斜したＧａＡｓ基板を使用したのに対して、本実施例２では（１００）面から［０１１］方向に１５°傾斜したＧａＡｓ基板を使用しているので、より良質の鏡面が得られ、その結果発光層に対してＧａＡｓ基板２１と反対側のＡｌＧａＩｎＰ系の材料の多層反射膜（ＤＢＲ２３）の反射率が約７０％から約７５％に向上している。耐湿性に関しても全く問題なく、温度８０℃、湿度８５％中で５０ｍＡの通電試験を実施したところ１０００時間経過後で初期光出力の９０％の光出力であった。また、初期光出力は２０ｍＡで２．２ｍＷと十分な光出力が得られた。また表面にＡｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓ電流拡散層３２を備えているので、４０ｍＡまで電流を大きくした場合に実施例１の半導体発光素子の光出力が２ｍＷと飽和傾向を示しているのに対し、本実施例２の半導体発光素子の光出力は４．２ｍＷと電流に比例して増加している。動作電圧に関しても、２０ｍＡ通電時に実施例１の半導体発光素子が２．２Ｖであったのに対し、本実施例２の半導体発光素子は２．１Ｖであり、０．１Ｖの動作電圧低減が実現できた。これらはＡｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓ電流拡散層３２により発光層に均一に電流を注入したことの効果である。
【００２４】
（実施例３）
図７（Ａ）（Ｂ）は本実施例３で得られる半導体発光素子の表面図であり、図７（Ｂ）は図７（Ａ）のＸ−Ｙでの断面図である。
図８は本実施例の半導体発光素子の製造工程途中の断面図である。
図９（Ａ）は本実施例の半導体発光素子の製造工程途中の表面図であり、図９（Ｂ）は図９（Ａ）のＸ−Ｙでの断面図である。
この半導体発光素子はＡｌＧａＩｎＰ系のものであり、図８に示すように（１００）面から［０１１］方向あるいは［０−１−１］方向に１５°傾斜したｎ型のＧａＡｓ基板４１上にｎ型のＧａＡｓバッファ層４２（厚さ１μｍ）、ｎ型のＡｌＡｓとｎ型のＡｌ０．７Ｇａ０．３ＡｓのＤＢＲ４３（層数７０ペア）、ｎ型の（Ａｌ０．７Ｇａ０．３）０．５Ｉｎ０．５Ｐ第１クラッド層４４、井戸層が（Ａｌ０．３Ｇａ０．７）０．５Ｉｎ０．５Ｐ、バリア層が（Ａｌ０．５Ｇａ０．５）０．５Ｉｎ０．５Ｐの量子井戸活性層４５、ｐ型の（Ａｌ０．７Ｇａ０．３）０．５Ｉｎ０．５Ｐ第２クラッド層４６、ｐ型の（Ａｌ０．４Ｇａ０．６）０．５Ｉｎ０．５Ｐとｐ型のＡｌ０．５Ｉｎ０．５ＰのＤＢＲ４７（層数１８ペア）、ｐ型のＡｌＧａＩｎＰ中間層４８（厚さ０．１５μｍ）、ｐ型のＡｌＧａＩｎＰ第１電流拡散層４９（厚さ１μｍ）、ｎ型のＡｌＧａＩｎＰ電流狭窄層５０（厚さ０．３μｍ）、ｎ型のＧａＡｓキャップ層５１（厚さ０．０１μｍ）をＭＯＣＶＤ法により順次積層する。
【００２５】
ここで、ｎ型のＡｌＡｓとｎ型のＡｌ０．７Ｇａ０．３Ａｓの層数７０ペアのＤＢＲ４３及びｐ型の（Ａｌ０．４Ｇａ０．６）０．５Ｉｎ０．５Ｐとｐ型のＡｌ０．５Ｉｎ０．５Ｐの層数１８ペアのＤＢＲ４７は、反射スペクトルの中心が５７０ｎｍになるようにする。また、この２つのＤＢＲ４３，４７で形成される共振器の共振波長も５７０ｎｍになるように共振器長を調整する。本実施例３では共振器長を１．５波長分とした。さらに量子井戸活性層４５の位置は共振器中に生じる定在波の腹の位置にくるようにし、発光ピーク波長は５７０ｎｍになるようにする。
その後、図９（Ａ）（Ｂ）に示すように、ｎ型のＧａＡｓ  キャップ層５１を硫酸／過酸化水素系エッチャントで除去した後、フォトリソグラフィー及び、硫酸／過酸化水素系エッチャントによりｎ型ＡｌＧａＩｎＰ電流狭窄層５０をｐ型のＡｌＧａＩｎＰ第１電流拡散層４９に達するまでエッチングする。このときのエッチングで７０μｍφの円形状の電流経路を形成する。
【００２６】
その後、図７（Ａ）（Ｂ）に示すようにｐ型のＡｌＧａＩｎＰ第２電流拡散層５２（厚さ７μｍ）をｎ型のＡｌＧａＩｎＰ電流狭窄層５０及びｐ型のＡｌＧａＩｎＰ第１電流拡散層４９上に再成長する。
その後、ｐ型のＡｌＧａＩｎＰ第２電流拡散層上にＡｕＢｅ／Ａｕを蒸着し、フォトリソグラフィー及びＡｕエッチャントによるエッチングにより表面電極を形成する。その後、熱処理することによりｐ型電極５３が得られる。そして、ＧａＡｓ基板を約２８０μｍまで研磨し、この研磨した面にＡｕＧｅ／Ａｕを蒸着し、熱処理することによりｎ型電極５４を形成する。
このようにして得られた半導体発光素子は、発光層に対してＧａＡｓ基板側の多層反射膜は（ＤＢＲ４３）ＡｌＧａＡｓ系の材料で形成されているので全層厚は約７μｍと実施例１，実施例２の場合よりもさらに厚くなっているが、ＧａＡｓ基板４１との熱膨張率の差が小さいため基板のそり、ダークラインの発生は認められない。また、層数を７０ペアとしていることから、９９％以上の反射率を実現している。また、発光層に対してＧａＡｓ基板４１と反射側の多層反射膜（ＤＢＲ４７）はＡｌＧａＩｎＰ系の材料で形成されているので、実施例１，実施例２の場合同様耐湿性の問題はなく、温度８０℃、湿度８５％中で５０ｍＡの通電試験を実施したところ、１０００時間経過後で初期光出力の１０５％の光出力であった。初期光出力は０．４ｍＷであった。
【００２７】
（実施例４）
図１０（Ａ）は、本実施例４で得られる半導体発光素子の表面図であり、図１０（Ｂ）は図１０（Ａ）のＸ−Ｙでの断面図である。
図１１は本実施例の半導体発光素子の製造工程途中の断面図である。
図１２（Ａ）は本実施例の半導体発光素子の製造工程途中の表面図であり、図１２（Ｂ）は図１２（Ａ）のＸ−Ｙでの断面図である。
この半導体発光素子はＡｌＧａＩｎＰ系のものであり、図１１に示すように（１００）から［０１１］方向あるいは［０−１−１］方向に１５°傾斜したｎ型のＧａＡｓ基板６１上にｎ型のＧａＡｓバッファ層６２（厚さ１μｍ）、ｎ型のＡｌＡｓとｎ型のＡｌ０．５Ｇａ０．５ＡｓのＤＢＲ６３（層数３０ペア）、ｎ型の（Ａｌ０．７Ｇａ０．３）０．５Ｉｎ０．５Ｐ第１クラッド層６４、井戸層がＧａＩｎＰ、バリア層が（Ａｌ０．５Ｇａ０．５）０．５Ｉｎ０．５Ｐの量子井戸活性層６５、ｐ型の（Ａｌ０．７Ｇａ０．３）０．５Ｉｎ０．５Ｐ第２クラッド層６６、ｐ型の（Ａｌ０．２Ｇａ０．８）０．５Ｉｎ０．５Ｐとｐ型のＡｌ０．５Ｉｎ０．５ＰのＤＢＲ６７（層数１２ペア）、ｐ型の（Ａｌ０．２Ｇａ０．８）０．５Ｉｎ０．５Ｐ中間層６８（厚さ０．１μｍ）、ｐ型のＧａＡｓコンタクト層６９（厚さ０．００５μｍ）をＭＯＣＶＤ法により順次積層する。
ここで、ｎ型のＡｌＡｓとｎ型のＡｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓの層数３０ペアのＤＢＲ６３及びｐ型の（Ａｌ０．２Ｇａ０．８）０．５Ｉｎ０．５Ｐとｐ型のＡｌ０．５Ｇａ０．５Ｐの層数１２ペアのＤＢＲ６７は、反射スペクトルの中心が６５０ｎｍになるようにし、この２つのＤＢＲ６３，６７で形成される共振器の共振波長も６５０ｎｍになるようにする。さらに量子井戸活性層６５の位置は、共振器中に生じる定在波の腹の位置にくるようにする。
【００２８】
その後、図１２（Ａ）（Ｂ）に示すようにウエハー表面にＣＶＤ法によりＳｉＯ２膜７０を形成し、フォトリソグラフィー及び希釈ＨＦによるエッチングにより７０μｍφの円形状の電流経路を形成する。すなわち、ＳｉＯ２膜７０が電流狭窄構造を形成する層となっている。
その後、図１０（Ａ）（Ｂ）に示すようにＧａＡｓ基板６１を約２８０μｍまで研磨し、この研磨した面にＡｕＧｅ／Ａｕによりｎ型電極７１を形成する。その後、ｐ型のＧａＡｓコンタクト層６９及びＳｉＯ２膜７０上にＩＴＯ膜７２により表面電極を形成する。すなわち、ＩＴＯ膜７２が電流を拡散させる層となっている。さらにその上にＴｉ／Ａｕ７３によりボンディングパッドを形成する。
【００２９】
このようにして得られた半導体発光素子は、多層反射膜の構造は実施例２と同様であるが、２０ｍＡでの動作電圧が実施例２の半導体発光素子が２．１Ｖであったのに対し、本実施例４の半導体発光素子の２０ｍＡでの動作電圧は１．９Ｖと０．２Ｖの低減ができた。またｐ型のＧａＡｓコンタクト層６９、ＩＴＯ膜７２での６５０ｎｍの光に対する透過率が約７０％であるので光出力は２０ｍＡ通電時に１．５ｍＷであった。温度８０℃、湿度８５％中での５０ｍＡの通電試験では１０００時間経過後で初期光出力の９０％の光出力であり耐湿性に問題はなかった。
【００３０】
【発明の効果】
以上明らかなように、請求項１の発明の半導体発光素子は、ＧａＡｓ基板上に一定の間隔を持つ一組の多層反射膜で共振器が形成され、この共振器内の定在波の腹の位置に発光層を有し、半導体基板に垂直に発光する半導体発光素子において、発光層に対してＧａＡｓ基板側の多層反射膜が複数層のＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（０≦ｘ≦１）で形成され、発光層に対してＧａＡｓ基板と反対側の多層反射膜が複数層のＡｌｙＧａｚＩｎ１−ｙ−ｚＰ（０≦ｙ≦１，０≦ｚ≦１）で形成される。
発光層に対してＧａＡｓ基板側の多層反射膜がＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（０≦ｘ≦１）で形成されているので、ＧａＡｓ基板との熱膨張係数の差が小さいため、結晶成長時と結晶成長後の温度差による転移が発生しにくい。このことにより、反射膜の数を多くすることことにより、容易に高反射率を得ることができる。
また、発光層に対してＧａＡｓ基板と反対側の多層反射膜がＡｌｙＧａｚＩｎ１−ｙ−ｚＰ（０≦ｙ≦１，０≦ｚ≦１）で形成されているので、ＧａＡｓ基板に格子整合する場合に最も多くＡｌを含む場合でも２５％程度であり、ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（０≦ｘ≦１）の場合の５０％の１／２である。これにより、耐湿性に関して大きく向上させることができる。ＡｌｙＧａｚＩｎ１−ｙ−ｚＰ（０≦ｙ≦１，０≦ｚ≦１）多層反射膜の場合、その層数が２０〜３０ペアを越えるとＧａＡｓ基板との熱膨張率差により転移が発生しやすくなるが、レゾナントキャビティ型ＬＥＤの場合ＧａＡｓ基板と反対側の多層反射膜はＧａＡｓ基板側の多層反射膜ほど高反射率が要求されないので、通常２０ペアを超える層数は必要なく、転移は発生しない。
【００３１】
また、請求項２の発明の半導体発光素子は、請求項１に記載の半導体発光素子において、ＧａＡｓ基板上に一定の間隔を持つ一組の多層反射膜で形成される共振器内の定在波の腹の位置に形成する発光層が、単層あるいは複数層からなるＡｌｙＧａｚＩｎ１−ｙ−ｚＰ（０≦ｙ≦１，０≦ｚ≦１）であることによって、５５０ｎｍ〜６８０ｎｍ程度で発光する半導体発光素子を得ることができる。
【００３２】
また、請求項３の発明の半導体発光素子は、請求項１，２に記載の半導体発光素子において、発光層よりも上に絶縁層あるいはＧａＡｓ基板と同一導電型の層による電流狭窄構造を持つことによって、電流密度を高くすることができ、高い内部量子効率を実現することができる。また発光部上にボンディングパッド用の電極がないため、外部出射効率を高くすることが可能となる。また、発光部を小さくすることができるので、光通信用に用いる場合に光ファイバーとの結合効率も高くすることができる。
【００３３】
また、請求項４の発明の半導体発光素子は、請求項３に記載の半導体発光素子において、発光層よりも上に電流狭窄構造を形成するＧａＡｓ基板と同一導電型の層がＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（０≦ｘ≦１）であることによって、一連の結晶成長でＧａＡｓ基板に格子整合する電流狭窄層を形成することができる。
【００３４】
また、請求項５の発明の半導体発光素子は、請求項３に記載の半導体発光素子において、発光層よりも上に電流狭窄構造を形成するＧａＡｓ基板と同一導電型の層がＡｌｙＧａｚＩｎ１−ｙ−ｚＰ（０≦ｙ≦１，０≦ｚ≦１）であることによって、一連の結晶成長で電流狭窄層を形成することができ、またＡｌｙＧａｚＩｎ１−ｙ−ｚＰ（０≦ｙ≦１，０≦ｚ≦１）は５５０ｎｍ程度までの発光光に対して透明となり得るのでこの発光光を有効に取り出すことができる。
【００３５】
また、請求項６の発明の半導体発光素子は、請求項３に記載の半導体発光素子において、発光層よりも上に絶縁層あるいはＧａＡｓ基板と同一導電型の層による電流狭窄構造を形成し、この層よりも上に電流を拡散させる層を形成することによって、均一な発光を得ることができ、動作電圧を低減することができる。
【００３６】
また、請求項７の発明の半導体発光素子は、請求項６に記載の半導体発光素子において、発光層よりも上に絶縁層あるいはＧａＡｓ基板と同一導電型の層による電流狭窄構造を形成し、この層よりも上に形成する電流を拡散させる層がＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（０≦ｘ≦１）によって形成されることによって、ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（０≦ｘ≦１）は耐湿性を考慮して５９０ｎｍ程度までの発光光に対して透明となり得るので、この発光光を有効に取り出すことができる。
【００３７】
また、請求項８の発明の半導体発光素子は、請求項６に記載の半導体発光素子において、発光層よりも上に絶縁層あるいはＧａＡｓ基板と同一導電型の層による電流狭窄構造を形成し、この層よりも上に形成する電流を拡散させる層がＡｌｙＧａｚＩｎ１−ｙ−ｚＰ（０≦ｙ≦１，０≦ｚ≦１）によって形成されることによって、ＡｌｙＧａｚＩｎ１−ｙ−ｚＰ（０≦ｙ≦１，０≦ｚ≦１）は５５０ｎｍ程度までの発光光に対して透明となり得るので、この発光光を有効に取り出すことができる。
【００３８】
また、請求項９の発明の半導体発光素子は、請求項６に記載の半導体発光素子において、発光層よりも上に絶縁層あるいはＧａＡｓ基板と同一導電型の層による電流狭窄構造を形成し、この層よりも上に形成する電流を拡散させる層が発光光に対して５０％以上の透過率の透光性電極によって形成されることによって、電流を拡散させる層を透光性電極によって形成しているので、半導体材料で電流を拡散させる層を形成した場合よりも均一に発光させることができ、低い動作電圧を実現することが可能である。
【００３９】
また、請求項１０の発明の半導体発光素子は、請求項１乃至９に記載の半導体発光素子において、ＧａＡｓ基板表面が（１００）面から［０１１］方向あるいは［０−１−１］方向に対して２°以上傾斜していることによって、発光層に対してＧａＡｓ基板と反対側に形成されるＡｌｙＧａｚＩｎ１−ｙ−ｚＰ（０≦ｙ≦１，０≦ｚ≦１）多層反射膜が鏡面になりやすいので高い反射率が、少ない多層反射膜の層数で得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１（Ａ）及び図１（Ｂ）はそれぞれ、本発明の第１実施例による半導体発光素子の表面図及びそのＸ−Ｙ断面図である。
【図２】図１の半導体発光素子の製造工程途中の断面図である。
【図３】図３（Ａ）及び図３（Ｂ）はそれぞれ、図１の半導体発光素子の製造工程途中の表面図及びそのＸ−Ｙ断面図である。
【図４】図４（Ａ）及び図４（Ｂ）はそれぞれ、本発明の第２実施例による半導体発光素子の表面図及びそのＸ−Ｙ断面図である。
【図５】図４の半導体発光素子の製造工程途中の断面図である。
【図６】図６（Ａ）及び図６（Ｂ）はそれぞれ、図４の半導体発光素子の製造工程途中の表面図及びそのＸ−Ｙ断面図である。
【図７】図７（Ａ）及び図７（Ｂ）はそれぞれ、本発明の第３実施例による半導体発光素子の表面図及びそのＸ−Ｙ断面図である。
【図８】図７の半導体発光素子の製造工程を示す断面図である。
【図９】図９（Ａ）及び図９（Ｂ）はそれぞれ、図７の半導体発光素子の製造工程を示す表面図及びそのＸ−Ｙ断面図である。
【図１０】図１０（Ａ）及び図１０（Ｂ）はそれぞれ、本発明の第４実施例による半導体発光素子の表面図及びそのＸ−Ｙ断面図である。
【図１１】図１０の半導体発光素子の製造工程を示す断面図である。
【図１２】図１２（Ａ）及び図１２（Ｂ）はそれぞれ、図１０の半導体発光素子の製造工程を示す表面図及びそのＸ−Ｙ断面図である。
【符号の説明】
１，２１，４１，６１…ｎ−ＧａＡｓ基板、２，２２，４２，６２…ｎ−ＧａＡｓバッファ層、３，２３，４３，６３…ｎ−ＡｌＧａＡｓ系ＤＢＲ、４，２４，４４，６４…ｎ−（Ａｌ０．７Ｇａ０．３）０．５Ｉｎ０．５Ｐクラッド層、５，２５，４５，６５…量子井戸活性層、６，２６，４６，６６…ｐ−（Ａｌ０．７Ｇａ０．３）０．５Ｉｎ０．５Ｐクラッド層、７，２７，４７，６７…ｐ−ＡｌＧａＩｎＰ系ＤＢＲ、８，６８…ｐ−（Ａｌ０．２Ｇａ０．８）０．５Ｉｎ０．５Ｐ中間層、９，６９…ｐ−ＧａＡｓコンタクト層、１０，７０…ＳｉＯ２膜、１１，３３，５３…ｐ型電極、１２，３４，５４，７１…ｎ型電極、２８…ｐ−（Ａｌ０．２Ｇａ０．８）０．５Ｉｎ０．５Ｐエッチングストップ層、２９…ｎ−ＧａＡｓ電流狭窄層、３０…ｎ−（Ａｌ０．３Ｇａ０．７）０．５Ｉｎ０．５Ｐ保護層、３１…ｎ−ＧａＡｓキャップ層、３２…ｐ−Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓ電流拡散層、４８…ｐ−ＡｌＧａＩｎＰ中間層、４９…ｐ−ＡｌＧａＩｎＰ第１電流拡散層、５０…ｎ−ＡｌＧａＩｎＰ電流狭窄層、５１…ｎ−ＧａＡｓキャップ層、５２…ｐ−ＡｌＧａＩｎＰ第２電流拡散層、７２…ＩＴＯ膜。
【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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