(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板と、この半導体基板の一方の主面に形成されたＡｌＧａＩｎＰ系化合物半導体から成る発光機能層と、この発光機能層の一方の主面に形成されたバッファ層と、このバッファ層の一方の主面に形成された電流拡散層とを備え、
前記バッファ層は、ＧａxＩｎ(1-x)Ｐ（ｘ＝０.７〜０.９）から成り、且つ前記発光機能層の発光波長に対して光透過性を有し、
前記発光機能層の一方の主面の一部に電流ブロック層が形成されており、
前記バッファ層は前記発光機能層の一方の主面の前記電流ブロック層で覆われていない部分及び前記電流ブロック層の上面と側面を覆うように形成されていることを特徴とする半導体発光素子。
【請求項２】
前記電流拡散層は、ＡＩxＧａ(1-x)Ａｓ（ｘ＝０.７〜０.９）から成ることを特徴とする請求項１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、発光機能層の上に電流拡散層を形成した半導体発光素子に関し、詳細には、信頼性及び電気的特性の向上が高水準に達成される半導体発光素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＡｌＧａＩｎＰ系化合物半導体から構成される発光層を備えた半導体発光素子は、赤色から緑色の波長域の光を比較的高輝度に発光することが可能である。図１は、従来のＡｌＧａＩｎＰ系化合物半導体から成る発光層を備えた半導体発光素子を示している。図示のように、半導体基体１はｎ型ＧａＡｓから構成された基板２と、ＡｌＧａＩｎＰ系化合物半導体から構成された発光機能層３と、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰから構成されたｎ型電流ブロック層４と、ｐ型ＧａＰ又はＡ１ＧａＡｓ等のＰ型化合物半導体から構成された電流拡散層５とを備えている。発光機能層３は、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰから構成されたｎ型クラッド層８と、ＡｌＧａＩｎＰから構成された発光層（活性層）９と、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰから構成されたｐ型クラッド層１０が順次積層されたものである。半導体基体１の一方及び他方の主面にアノード電極６とカソード電極７とが形成されている。ここで、基体１の上面側に形成されたｐ型ＧａＰから成る電流拡散層５は窓層とも称される層であり、比較的抵抗率が低く、またアノード電極６との低抵抗性接触を容易に形成し易いものから成る。このため、電流拡散層５はアノード電極６からカソード電極７に向かう電流を電流拡散層５内で横方向（素子の平面方向）に広げ、光取り出し効率を向上させる作用を有する。即ち、発光層９の内のアノード電極６の下方領域で発光した光は、素子上面に設けられたアノード電極６に遮られて外部に良好に取り出すことが困難である。従って、光取り出し効率を向上するためには、できるかぎり電流を素子平面方向に広げて、発光層９のうちのアノード電極６よりも外周側の領域において発光が生じるようにすることが望ましい。ｐ型ＧａＰから構成される電流拡散層５は上記要求に応えることができるように電流を素子平面方向に良好に広げる機能を有する。
また、ｐ型発光層９から構成される電流拡散層５は、ＡｌＧａＩｎＰ系化合物半導体から構成される発光層９から発光される波長５５０〜６５０ｎｍの光に対して実質的に透明であり、発光層９が発光した光をあまり吸収することなしに素子上面から外部に放出することができる。高輝度の半導体発光素子を得るためには、発光層９からの光を素子内部で大きく減衰させずに外部に効率よく取り出すことが重要であり、この点からもｐ型ＧａＰから構成される電流拡散層５は望ましい。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ＧａＰ又はＡ１ＧａＡｓで構成される電流拡散層５は、８００℃程度の比較的低温で結晶成長させると表面モホロジーが良好に得られないため、発光機能層のＡ１ＧａＩｎＰの結晶成長温度よりも高い温度で結晶成長させる必要がある。しかし、電流拡散層５をこのように高温で発光機能層３上に結晶成長させると、この電流拡散層５やｐ型クラッド層１０にドーピングされた不純物（ＺｎやＭｇ等）が発光層９に拡散されて素子特性が劣化や、結晶構成原子の脱離による電流拡散層成長界面での結晶性の劣化が生じる。このため、半導体発光素子の信頼性や電気的特性が劣化する。
【０００４】
そこで、本発明の目的は、電気的特性及び信頼性の向上を図ることができる半導体発光素子を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決し、上記目的を達成するための本発明は半導体基板と、この半導体基板の一方の主面に形成されたＡｌＧａＩｎＰ系化合物半導体から成る発光機能層と、この発光機能層の一方の主面に形成されたバッファ層と、このバッファ層の一方の主面に形成された電流拡散層とを備え、
前記バッファ層は、ＧａxＩｎ(1-x)Ｐ（ｘ＝０.７〜０.９）から成り、且つ前記発光機能層の発光波長に対して光透過性を有し、
前記発光機能層の一方の主面の一部に電流ブロック層が形成されており、
前記バッファ層は前記発光機能層の一方の主面の前記電流ブロック層で覆われていない部分及び前記電流ブロック層の上面と側面を覆うように形成されていることを特徴とする半導体発光素子に係わるものである。
また、前記電流拡散層は、ＡＩxＧａ(1-x)Ａｓ（ｘ＝０.７〜０.９）から成ることが望ましい。
【０００６】
【発明の効果】
本願の各請求項の発明は次の効果を有する。
（１）  発光機能層と電流拡散層との間にＧａxＩｎ(1-x)Ｐ（ｘ＝０.７〜０.９）から成るバッファ層を形成すると、比較的低温で結晶成長させても、表面モホロジー（morphology）が良好になる。この結果、電流拡散層も良好に形成することができ、発光素子の信頼性の向上と電気的特性の向上を図ることができる。
（２）  ＧａxＩｎ(1-x)Ｐ（ｘ＝０.７〜０.９）は下地層に対してのカバレージが良好であり、良好な表面モホロジ−を得ることができる。
（３）  ＧａxＩｎ(1-x)Ｐ（ｘ＝０.７〜０.９）から成るバッファ層は電流ブロック層に対してのカバレ−ジが良好であり且つ電流ブロック層の上面と側面を覆うように形成されているので、エッチング工程等において電流ブロック層の端部でエッチング異常が発生することも防止できる。
【０００７】
【実施形態】
次に、図２を参照して本発明の実施形態を説明する。
【０００８】
本発明の１実施形態に従う化合物半導体発光素子（発光ダイオード素子）の半導体基体１ａは、図２に示すようにｎ型ＧａＡｓから成る基板２と、ＡｌＧａＩｎＰ系化合物半導体から成る発光機能層３と、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰから成るｎ型電流ブロック層４と、ｐ型ＧａＩｎＰから成るバッファ層１１と、ＡＩＧａＡｓから成る電流拡散層５ａとを備えている。また、基体１ａの一方及び他方の主面にアノード電極６と、カソード電極７とが形成されている。基板２の上に配置された発光機能層３は、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰから成るｎ型クラッド層８と、ＡｌＧａＩｎＰから成る発光層（活性層）９と、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰから成るｐ型クラッド層１０とを順次積層したものである。電流ブロック層４はｐ型クラッド層１０の上面の中央領域に配置されている。ｐ型電極即ちアノード電極６は、電流拡散層５ａの上面中央に配置されている。ｎ型電極即ちカソード電極７は基板２の下面全体に形成されている。
【０００９】
図２の本発明の実施形態に従う発光素子は、ｐ型クラッド層１０と電流拡散層５との間にバッファ層１１が介在している点で図１の従来の発光素子と相違し、この他は図１と同一に形成されている。図２のバッファ層１１は、ＧａｘＩｎ（１−ｘ）Ｐから成る。ここで、ＧａとＩｎとのモル比を示すｘは０．７〜０．９の範囲の任意の値である。本実施形態ではｘが０．８であるので、バッファ層１１はＧａ０．８Ｉｎ０．２Ｐ化合物半導体から成り、電流ブロック層４よりも厚く形成されている。このバッファ層１１は、発光層９の発光波長に対して光透過性を有し、且つ電流ブロック層４で覆われていないｐ型クラット層１０の一方の主面及び電流ブロック層４の上面と側面とを覆うように形成されている。なお、バッファ層１１の厚さは約３μｍ以下であることが望ましい。
本実施形態に従う発光素子はバッファ層を有するので、ＡＩＧａＡｓからから成る電流拡散層５がｐ型クラッド層１０に直接隣接して形成されておらず、電流拡散層５がｐ型ＧａＩｎＰから成るバッファ層１１を介してｐ型クラッド層１０上に形成されている。
バッファ層１１を介在させたことにより、ｐ型クラッド層１０の上面には電流拡散層５ａが直接に接触しておらず、ｐ型クラッド層１０の上面にはバッファ層１１と電流ブロック層４が接している。ＧａｘＩｎ（１−ｘ）Ｐ（ｘ＝０．７〜０．９）から成るバッファ層１１は、発光層９で発光する光に対して透明な層即ち光透過性層であり且つこの上面に形成される電流拡散層５ａと同様に低抵抗な半導体層であるので、バッファ層１１は上方のＡＩＧａＡｓ層から成る電流拡散層５と共に電流拡散層の一部を構成しているとも言える。バッファ層１１が薄く形成されるとそれ自体単独では電流拡散層として良好に機能しないので、バッファ層１１と称することとした。なお、バッファ層１１のＧａ及びＩｎの組成比は上記に限られず、ｘ＝０．７〜０．９の範囲で任意に設定することができる。
【００１０】
電流拡散層５ａは、ＡＩｘＧａ（１−ｘ）Ａｓ（ｘ＝０．７〜０．９）であることが望ましく、この具体例ではＡＩ０．８Ｇａ０．２Ａｓで形成されている。電流拡散層５ａは、発光層で発光する光に対して透過性な層であり、且つ低抵抗な半導体層である。従って、電流拡散層５ａはアノード電極から電流を素子の平面方向に良好に広げることができる。電流拡散層５ａは、発光層９で発光する光に対して透過性を有し且つ低抵抗な層であれば良いから、そのＡＩの組成比ｘとＧａの組成比（１−ｘ）は、上記に限られずｘ＝０．７〜０．９の範囲内の任意の値に設定することができる。
【００１１】
図２の発光素子を形成する時には、ｎ型ＧａＡｓ半導体層から成る基板２の上に、周知のＭＯＣＶＤ（有機金属気相成長法）によって発光機能層３を構成するためのｎ型ＡｌＧａＩｎＰから成るｎ型クラッド層８と、ＡｌＧａＩｎＰから成る発光層（活性層）９と、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰから成るｐ型クラッド層１０とを形成し、更に電流ブロック層４を構成するｎ型ＡｌＧａＩｎＰ層を形成する。
次に、このｎ型ＡｌＧａＩｎＰ層に対してエッチングを施し、その中央側を残して基板外周側のｎ型ＡｌＧａＩｎＰ層を選択的にエッチング除去し、電流ブロック層４を形成する。なお、電流ブロック層４は平面的に見てアノード電極６にほぼ一致するように形成する。
次に、電流ブロック層４と、電流ブロック層４の外側に露出した発光機能層３即ちｐ型クラッド層１０の上面にＭＯＣＶＤ方法によってｐ型Ｇａ０．８Ｉｎ０．２Ｐ層から成るバッファ層１１を形成する。このバッファ層１１は、Ｈ２  （水素）キャリアガスを４０００ｃｃｍ即ち毎分当り４０００ｃｍ３及びＰＨ３  （フォスフィン）ガスを１８０ｃｃｍ即ち毎分当り１８０ｃｍ３流して成長温度（８００℃）まで加熱させた後、ＴＭＧ（トリメチルガリウム）ガスを８ｃｃｍ即ち毎分当り８ｃｍ３、ＴＭＩ（トリメチルインジウム）ガスを５３ｃｃｍ即ち毎分当り５３ｃｍ３、ＤＭＺ（ジメチルジンク）ガスを１２ｃｃｍ即ち毎分当り１２ｃｍ３流し、８００℃で約２０分結晶成長させることによって形成する。これにより、約１μｍの厚さのバッファ層１１が得られる。
次に、ｖ族のガスをＡｓＨ３（アルシン）ガスに切り替えて、これを約９５ｃｃｍ即ち毎分当り９５ｃｍ３、ＴＭＧガス２ｃｃｍ即ち毎分当り２ｃｍ３、ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）ガスを１３ｃｃｍ即ち毎分当り１３ｃｍ３、ＤＭＺガスを１３ｃｃｍ即ち毎分当り１３ｃｍ３流して約２時間の結晶成長を行うことにより、約６μｍの厚さでＡＩ０．８Ｇａ０．２Ａｓから成る電流拡散層５ａを形成する。
最後に、上述のように形成された半導体基体１ａの上面と下面に、周知の真空蒸着等によってアノード電極６とカソード電極７を形成し、図２の半導体発光素子を完成させる。
【００１２】
本実施形態の半導体発光素子によれば、次の（１）（２）（３）の理由によって信頼性が高く且つ電気的特性が良好な半導体発光素子を得ることができる。
（１）  ＧａｘＩｎ（１−ｘ）Ｐ（ｘ＝０．７〜０．９）から構成されるバッファ層１１は、ＡＩＧａＡｓ等に比較して、発光機能層３の成長温度と同じ温度で結晶成長させても良好な表面モホロジーを得ることができる。バッファ層１１の表面モホロジーが良好であれば、このバッファ層１１の上面に比較的低温でＡＩｘＧａ（１−ｘ）Ａｓ（ｘ＝０．７〜０．９）から成る電流拡散層５ａを良好に結晶成長させることができるので、従来技術のように電流拡散層を発光機能層３よりも高い温度で結晶成長させる必要がなく、信頼性や電流拡散層５ａの成長界面での電気特性を向上することができる。なお、ＧａｘＩｎ（１−ｘ）Ｐ（ｘ＝０．７〜０．９）から成るバッファ層１１を厚く形成して、この上面に形成される電流拡散層５ａを省略してバッファ層１１が電流拡散層５ａを兼ねる構造とすることも考えられる。しかし、このような構造にすると信頼性が低下する。この理由は必ずしも明らかではないが、ＧａｘＩｎ（１−ｘ）Ｐ（ｘ＝０．７〜０．９）から成るバッファ層１１を厚く形成すると、基本的に格子不整合の成長ではあるが、格子緩和の過程で基板２のＧａＡｓとの格子定数の違いがバッファ層１１に引っ張り応力として働くため結晶性を劣化させ易いこと等によるものと考えられる。本実施形態の発光素子では、このような問題も生じない。
（２）  ＧａＡｓ基板２に対して格子不整合系であるＧａＩｎＰ層であるバッファ層１１を介して電流拡散層５ａを積層形成するので、ＡＩＧａＡｓから成る電流拡散層５ａをＧａＡｓ基板２上に格子不整合系として結晶成長させることができる。このため、電流拡散層をエピタキシャル成長させる時に同層に加わる応力を低減できる。
（３）  ＧａｘＩｎ（１−ｘ）Ｐ（ｘ＝０．７〜０．９）から構成されるバッファ層１１は、ＡＩｘＧａ（１−ｘ）Ａｓ（ｘ＝０．７〜０．９）等から構成される電流拡散層５ａに比べて下地層に対するカバレージが良好である。したがって、ｐ型クラッド層１０の上面にＧａｘＩｎ（１−ｘ）Ｐ（ｘ＝０．７〜０．９）から成るバッファ層１１を介してＡＩｘＧａ（１−ｘ）Ａｓ（ｘ＝０．７〜０．９）から成る電流拡散層５ａを形成することにより、電流拡散層５ａでのピットの発生などを良好に抑制でき、同層の表面モホロジーが良好に得られる。特に、電流ブロック層４が形成された場合には、電流ブロック層４の端部側の成長領域で結晶性が悪くなり易いが、バッファ層１１を介在させることによりこの領域での結晶性も改善できる。このように、カバレージを良好にできれば、エッチング工程等において電流ブロック層４の端部でエッチング異常が発生することも防止でき、工程歩留まりの向上が図れる。
【００１３】
【変形例】
本発明は上述の実施形態に限定されるものでなく、例えば次の変形が可能なものである。
（１）  ｎ型ＧａＡｓ基板２と発光機能層３との間に例えばＡｌＧａＩｎＰ層とＧａＡｓとを交互に配置した周知のＤＢＲ層を形成することができる。なお、ＤＢＲ層は、低屈折率の超格子層と高屈折率の超格子層から成る異なる実効屈折率を持つ各超格子層を一組として、これ等の複数組を設けたものから成る分布ブラッグ反射膜（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ  Ｂｒａｇｇ  Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒｓ）であり、発光層９から基板２の裏面に向かった光を表面側に反射させるためのものである。
（２）  発光機能層３を周知の多重量子井戸構造にすることができる。
（３）  ｎ型クラッド層８及びｐ型クラッド層１０を複数の層で形成することができる。
（４）  電流ブロック層４を省いた構造にすることができる。また、半導体基板１ａに更に別の半導体層を形成することができる。
（５）  カソード電極７を基板１の延長上面に形成することができる。
（６）  電流拡散層５ａをＧａＰ等で構成することができる。
（７）  バッファ層１１と電流拡散層５ａとを交互に複数回積層することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の半導体発光素子を示す断面図である。
【図２】本発明の実施形態に従う半導体発光素子を示す断面図である。
【符号の説明】
１ａ  半導体基体
２  基板
３  発光機能層
４  電流ブロック層
５ａ  電流拡散層
６  アノード電極
７  カソード電極
【図１】
0003582587.tif 000002
【図２】
0003582587.tif 000003