(57)【要約】【課題】輝度を向上させることができ、かつ、製造コストの増大を防ぐことができる半導体発光素子を提供する。【解決手段】電流拡散層１４上には凸部１５が形成されている。凸部１５は、断面凸の上部１６と、断面凹の下部１７とを有する。電流拡散層１４の凸部１５側の表面は、断面凹の下部１７と断面凸の上部１６とに連続的になめらかに連なっている。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
発光層と、
上記発光層上に形成された電流拡散層と、
上記電流拡散層上に形成された凸部と
を備え、
上記凸部は、断面凸の上部と、断面凹の下部とを有し、
上記電流拡散層の上記凸部側の表面は、上記断面凹の下部と上記断面凸の上部とに連続的になめらかに連なっていることを特徴とする半導体発光素子。
【請求項２】
請求項１に記載の半導体発光素子において、
上記凸部の両側方下に形成された電流狭窄層を備えることを特徴とする半導体発光素子。
【請求項３】
請求項２に記載の半導体発光素子において、
上記凸部の側方に形成され、上記電流狭窄層に対向する表面電極を備えることを特徴とする半導体発光素子。
【請求項４】
請求項１に記載の半導体発光素子において、
上記発光層から上記電流拡散層に向かって出射された光の略全部が上記凸部を通過することを特徴とする半導体発光素子。
【請求項５】
請求項１に記載の半導体発光素子において、
上記凸部はＧａＰからなることを特徴とする半導体発光素子。
【請求項６】
請求項５に記載の半導体発光素子において、
上記ＧａＰはアンドープであることを特徴とする半導体発光素子。
【請求項７】
請求項５に記載の半導体発光素子を製造するための半導体発光素子の製造方法であって、
上記凸部は、上記電流拡散層に貼り付けたアンドープＧａＰ基板を成形して得ることを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
【請求項８】
請求項７に記載の半導体発光素子の製造方法において、
上記凸部の成形は、
上記アンドープＧａＰ基板を断面略台形状にエッチングする第１のエッチングと、
上記第１のエッチングの後に、上記断面略台形状にエッチングされたアンドープＧａＰ基板をエッチングして、そのアンドープＧａＰ基板の上部にアールを形成する第２のエッチングと
で行うことを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えばＡｌＧａＩｎＰ系発光素子または発光ダイオード等の半導体発光素子およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、半導体発光素子としては、図１に示すように、活性層１１１と、この活性層１１１上に形成されたｐ型クラッド層１１２と、このｐ型クラッド層１１２上に形成された電流拡散層１１３と、この電流拡散層１１３上に形成されたｐ型電極１１４とを備えたものがある。
【０００３】
上記構成の半導体発光素子では、活性層１１１から出射された光の一部のみが素子外部に放出される。より詳しくは、上記光のうち、光ａ，ｂのみが素子外部に放出され、光ｃは内部に戻ってしまう。この光ａ，ｂのように素子外部に放出される光は、素子と外部との界面に対する入射角が全反射角に対応する全反射立体角以内のものである。
【０００４】
上記全反射立体角内に入らない光を素子外部に取り出す方法として、図２に示すように素子表面（電流拡散層１１３の表面）を粗面化したり、図３に示すように素子表面にメサ構造１１５を設けたり、図４に示すように、ダイシングにて近似的に半球状に仕上げウェットエッチで角を取ったりしていた（例えば特開昭５８−４０８７２号公報参照。）。
【０００５】
このような方法により、素子表面で反射されていた光ｄ，ｅ，ｆが、素子外部へと取り出される結果、輝度が向上する。
【０００６】
上記素子外部へ光を取り出す効率を向上させるための手段を上述したが、素子表面材料がＡｌＧａＡｓの場合、ＨＦにて素子表面を粗面化またはＨ２ＳＯ４系にて表面にメサ構造を設けることができるが、素子表面材料がＧａＰや（ＡｌｘＧａｘ−１）ｙＩｎ１−ｙＰ(０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１)の場合、ＨＦまたは塩酸ボイル等による粗面化やエッチングが困難である。このため、上記素子表面上にＧａＡｌＡｓ層を新たに積層した後、上記ＧａＡｌＡｓ層をＨＦにて粗面化したり、上記ＧａＡｌＡｓ層にＨ２ＳＯ４系よる表面メサ構造を作ったりする必要がある。
【０００７】
したがって、上記方法では、光取り出し効率を向上させるための工程が多くなって、製造コストが増大する場合があるという問題がある。
【０００８】
また、図３に示すように、素子表面にメサ構造１１５を設けても、活性層１１１とメサ構造１１５との位置関係がずれると逆に光取り出し効率を低下させてしまう。
【０００９】
また、図４に示すように、ダイシングにて近似的に半球状に仕上げウェットエッチで角を取る方法などでは、ダイシングによるダメージが素子に残る可能性がある。
【特許文献１】特開昭５８−４０８７２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
そこで、本発明の課題は、輝度を向上させることができ、かつ、製造コストの増大を防ぐことができる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】
【００１１】
上記課題を解決するため、本発明の半導体発光素子は、
発光層と、
上記発光層上に形成された電流拡散層と、
上記電流拡散層上に形成された凸部と
を備え、
上記凸部は、断面凸の上部と、断面凹の下部とを有し、
上記電流拡散層の上記凸部側の表面は、上記断面凹の下部と上記断面凸の上部とに連続的になめらかに連なっていることを特徴としている。
【００１２】
上記構成の半導体発光素子によれば、上記電流拡散層の凸部側の表面は、断面凹の下部と断面凸の上部とに連続的になめらかに連なっているので、素子表面にいて全反射されて内部に戻る光が低減して、輝度を向上させることができる。
【００１３】
また、上記凸部はＧａＰや（ＡｌｘＧａｘ−１）ｙＩｎ１−ｙＰ(０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１)を用いても形成できるので、上記従来の方法のように、ＧａＡｌＡｓ層を新たに積層しなくてもよく、製造コストの増大を防ぐことができる。
【００１４】
一実施形態の半導体発光素子では、
上記凸部の両側方下に形成された電流狭窄層を備える。
【００１５】
上記実施形態の半導体発光素子によれば、上記凸部の両側方下に電流狭窄層を形成しているので、発光層へ向かう電流の密度を高まる。
【００１６】
したがって、上記凸部の両側方下に電流狭窄層を形成しない場合に比べて、輝度を向上させることができる。
【００１７】
一実施形態の半導体発光素子では、
上記凸部の側方に形成され、上記電流狭窄層に対向する表面電極を備える。
【００１８】
上記実施形態の半導体発光素子によれば、上記表面電極が、凸部の側方に位置し、電流狭窄層に対向するので、発光層から凸部を通って素子外部へ出る光を遮らず、その結果、輝度の低下を防ぐことができる。
【００１９】
一実施形態の半導体発光素子では、
上記発光層から上記電流拡散層に向かって出射された光の略全部が上記凸部を通過する。
【００２０】
上記実施形態の半導体発光素子によれば、上記発光層から電流拡散層に向かって出射された光の略全部が凸部を通過するので、その光を外部に高効率で取り出すことができる。
【００２１】
一実施形態の半導体発光素子では、
上記凸部はＧａＰからなる。
【００２２】
上記実施形態の半導体発光素子によれば、上記凸部はＧａＰからなるので、ＡｌＧａＡｓ等の材料と比較して、透過する光の波長帯が広い。
【００２３】
したがって、上記凸部を備える半導体発光素子は多くの機種に使用することができる。
【００２４】
一実施形態の半導体発光素子では、
上記ＧａＰはアンドープである。
【００２５】
上記実施形態の半導体発光素子によれば、上記ＧａＰはアンドープであるので、凸部の透過効率を高め、外部量子効率を向上させることができる。
【００２６】
本発明の半導体発光素子の製造方法は、
上記半導体発光素子を製造するための半導体発光素子の製造方法であって、
上記凸部は、上記電流拡散層に貼り付けたアンドープＧａＰ基板を成形して得ることを特徴としている。
【００２７】
上記構成の半導体発光素子の製造方法によれば、上記電流拡散層に貼り付けたアンドープＧａＰ基板を成形して凸部を得るので、ＭＯＣＶＤ（有機金属気相成長）法等の気相成長方法や、エピタキシャル成長法に比べて、製造時間を短縮でき、材料費を低減することができる。
【００２８】
上記ＭＯＣＶＤ法等の気相成長方法や、エピタキシャル成長法で凸部を形成しようとすると、凸部を形成するための層の成長時間が長くかかる上に、使用材料が高価になってしまう。
【００２９】
一実施形態の半導体発光素子の製造方法では、
上記凸部の成形は、
上記アンドープＧａＰ基板を断面略台形状にエッチングする第１のエッチングと、
上記第１のエッチングの後に、上記断面略台形状にエッチングされたアンドープＧａＰ基板をエッチングして、そのアンドープＧａＰ基板の上部にアールを形成する第２のエッチングと
で行う。
【００３０】
上記実施形態の半導体発光素子の製造方法によれば、上記断面略台形状にエッチングされたアンドープＧａＰ基板をエッチングして、そのアンドープＧａＰ基板の上部にアールを形成するので、光取り出し効率を向上させることができる凸部を容易に得ることができる。
【発明の効果】
【００３１】
本発明の半導体発光素子によれば、電流拡散層の凸部側の表面は、断面凹の下部と断面凸の上部とに連続的になめらかに連なっているので、素子表面にいて全反射されて内部に戻る光が低減して、輝度を向上させることができる。
【００３２】
また、上記凸部はＧａＰや（ＡｌｘＧａｘ−１）ｙＩｎ１−ｙＰ(０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１)を用いても形成できるので、上記従来の方法のように、ＧａＡｌＡｓ層を新たに積層しなくてもよく、製造コストの増大を防ぐことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３３】
以下、本発明の半導体発光素子を図示の実施の形態により詳細に説明する。
【００３４】
図６に、本発明の一実施の形態の半導体発光素子の要部の概略断面図を示す。
【００３５】
上記半導体発光素子は、ｎ型クラッド層１０と、このｎ型クラッド層１０上に形成された活性層１１と、この活性層１１上に形成されたｐ型クラッド層１２と、このｐ型クラッド層１２上に形成された電流狭窄層１３Ａ，１３Ｂと、ｐ型クラッド層１２および電流狭窄層１３Ａ，１３Ｂ上に形成された電流拡散層１４と、この電流拡散層１４上に形成された凸部１５とを備えている。なお、上記活性層１１は発光層の一例である。また、図示しないが、ｎ型クラッド層１０下にはｎ側電極が形成されている。
【００３６】
上記凸部１５は、断面凸の上部１６と、断面凹の下部１７とで構成されている。また、上記凸部１５は、活性層１１から電流拡散層１４に向かって出射された光の略全部が凸部１５を通過するように形成されている。また、上記凸部１５はアンドープのＧａＰから成っている。
【００３７】
上記電流拡散層１４の凸部１５側の表面は、断面凹の下部１７と断面凸の上部１６とに連続的になめらかに連なっている。また、上記電流拡散層１４の層厚は、活性層１１から電流拡散層１４に向かって出射された光の略全部が凸部１５を通過するように設計されている。そして、上記電流拡散層１４の下部は円柱形状となっている。この下部の径も、活性層１１から電流拡散層１４に向かって出射された光の略全部が凸部１５を通過するように設計されている。
【００３８】
上記電流狭窄層１３Ａ，１３Ｂは電流拡散層１４の下部を取り囲むように形成されている。また、上記電流狭窄層１３Ｂの上方には、凸部１５の側方に位置するｐ側電極１８が形成されている。つまり、上記ｐ側電極１８は電流狭窄層１３Ｂに対向する位置にある。なお、上記ｐ側電極１８は表面電極の一例である。
【００３９】
上記構成の半導体発光素子によれば、電流拡散層１４の凸部１５側の表面は、断面凹の下部１７と断面凸の上部１６とに連続的になめらかに連なっているので、素子表面にいて全反射されて内部に戻る光が低減して、輝度を向上させることができる。
【００４０】
また、上記凸部１５は、上記従来の方法のように、ＧａＡｌＡｓ層を新たに積層しなくても形成できるので、製造コストの増大を防ぐことができる。
【００４１】
また、上記電流拡散層１４の下部を電流狭窄層１３Ａ，１３Ｂで取り囲んでいるので、電流が矢印１９で示すように活性層１１へ向かって流れ、電流密度を高くすることができる。
【００４２】
したがって、上記電流狭窄層１３Ａ，１３Ｂがない場合と比較して、輝度を向上させることができる。
【００４３】
また、上記ｐ側電極１８が、凸部１５の側方に位置し、電流狭窄層１３Ａ，１３Ｂに対向するので、活性層１１から凸部１５を通って素子外部へ出る光を遮らず、その結果、輝度の低下を防ぐことができる。
【００４４】
また、上記活性層１１から電流拡散層１４に向かって出射された光の略全部が凸部１５を通過するので、その光を外部に高効率で取り出すことができる。
【００４５】
また、上記凸部１５はＧａＰからなるので、ＡｌＧａＡｓ等の材料と比較して、透過する光の波長帯が広い。
【００４６】
したがって、上記凸部１５を備える半導体発光素子は多くの機種に使用することができる。
【００４７】
また、上記ＧａＰはアンドープであるので、凸部１５の透過効率を高め、外部量子効率を向上させることができる。
【００４８】
上記半導体発光素子の上部にはドーム構造を設けるが、このドーム構造を設ける際、図５に示すような完全な半球状のドームではなく、図６に示すように、図６中上向きに凸と図６中下向きに凸とが連続した形状を形成することが重要である。
【００４９】
なお、図５において、２１１は活性層、２１２はｐ型クラッド層、２１３Ａ，２１３Ｂは電流狭窄層、２１４は電流拡散層、２１５は凸部、２１８はｐ側電極である。
【００５０】
図７に示すモデルにて、ドーム構造による光取り出し効率と、各発光点位置に対する変化との関係をシミュレーションで求めた。なお、このモデルは、凸部３１５の下部の形状のみが図６の半導体発光素子と異なるものである。例えば、上記凸部３１５は凸部１５と同一材料で形成されている。
【００５１】
上記シミュレーションでは、活性層上の点（ｘ、０）から発せられる光に関して、θが０〜πまで１°毎に結晶表面で全反射されるかを判定した。そして、上記結晶表面で全反射されない光の割合を取り出し効率として、ドーム構造の効果を見積もった。但し、上記結晶内での多重反射及び電流拡散層／空気界面の透過率の角度依存性は考慮していない。
【００５２】
上記シミュレーションの結果、図１２に示すように、発光位置ずれが１０μｍ付近、つまりｘが１０および−１０付近で、凸部１５のドーム構造に比べて光取り出し効率が低くなってしまう。そして、ｘが約１２以上および−１２以下では、ドーム構造がないモデルと同レベルとなっている。
【００５３】
このシミュレーションの結果により、素子表面にむやみにドーム構造を設けても輝度向上はないことが判る。
【００５４】
したがって、発光した光が表面に達した際、全ての光が図６に示すドーム形状の変曲点１２内になるようにするには、電流狭窄層径にて発光領域ｊを限定し、発光点から表面までの距離ｋも電流狭窄層径に合わせなければならない。
【００５５】
また、上記シミュレーションの結果より、図１０に示すような半導体発光素子では、光ｑはドーム構造のエッジで反射されて素子外部に放出されないことが判る。なお、図１０において、図５に示した従来例の構成部と同一構成部は、図５における構成部と同一参照番号を付している。
【００５６】
これに対して、本実施の形態の半導体発光素子では、図１１に示すように、光ｒは素子外部に放出される。つまり、本実施の形態の半導体発光素子は、図１０の半導体発光素子では放出できなかった光を素子外部に放出することができる。
【００５７】
上記凸部１５はエピタキシャル成長法ではなく、所謂貼り付け法によって形成する。より詳しくは、図８Ａ，図８Ｂに示すように、本体５０の電流拡散層１４側の表面にアンドープのＧａＰ基板５１を直接接合により貼り付けた後、ＧａＰ基板５１の余分な部分をラップ等にて除去することにより、ＧａＰ基板５１から図８Ｂに示すようなＧａＰ基板５２を得る。そして、上記ＧａＰ基板５２に対して後述する２段階エッチングを行って、ＧａＰ基板５２から凸部１３を得る。なお、上記本体５０は、ｎ型クラッド層１０、活性層１１、ｐ型クラッド層１２、電流狭窄層１３Ａ，１３Ｂおよび電流拡散層１４から成っている。
【００５８】
このように、上記エピタキシャル成長法を用いずに、アンドープＧａＰ基板５１の直接貼り付けを用いることによって、凸部１５の高さを十分に高くすることができる。その上、上記エピタキシャル成長法を用いるよりも、製造時間を短縮でき、製造コストを低減するこができる。
【００５９】
以下、図９Ａ〜図９Ｅを用いて凸部１５の２段階エッチングについて説明する。
【００６０】
図９Ａに示すように、上記ＧａＰ基板５２を形成した後、図９Ｂに示すように、ＧａＰ基板５２上に保護レジスト２１を形成する。
【００６１】
次に、上記ＧａＰ基板５２をエッチングして、図９Ｃに示すように、断面略台形状の凸部２２を形成する。この凸部２２は、活性層１１から離れるにしたがって径が小さくなる円柱形状となっている。
【００６２】
上記ＧａＰ基板５２を例えば硫酸系エッチャントで６０℃，１０分エッチングしても約１μｍ前後しかエッチングできないので、上記ＧａＰ基板５２のエッチングには塩酸：酢酸：過水をエッチャントして使用する。
【００６３】
また、上記ＧａＰ基板５２のエッチングは、エッチャント作成後約１５分ほどたってから開始する。つまり、作成してから約１５分ほどたったエッチャントでＧａＰ基板５２をエッチングする。これは、図１３に示すように、エッチャント作成直後から作製１時間後のエッチングレートを見ると、エッチャント作成直後のエッチングレートと、エッチャント作成してから１時間後のエッチングレートとでは大きく異なるからである。
【００６４】
上記塩酸：酢酸：過水のエッチャントは、作製直後がもっともレートが速いが、エッチングばらつきが多くなり、逆に作成後１時間経つとエッチングレートが遅くなり、エッチングするのが困難になる。
【００６５】
最後に、保護レジスト２１を取り除いた後上記凸部２２に追加エッチングを行って凸部２２の上部にアールを形成すると、図９に示すように、凸部１５が得られる。この際メサ部分のエッチングをなだらかにする為にレジストは使用しない。エッチャントは先のエッチングで使用した塩酸：酢酸：過水をエッチャントして使用する。また、上記ＧａＰ基板５２のエッチングは、先のエッチングと同じくエッチャント作成後約１５分ほどたってから開始する。エッチング時間は任意に設定されるが、例えば先のエッチング深さが８μｍとしたときに、室温にて２０ｍｉｎとする。
【００６６】
上記実施の形態では、アンドープのＧａＰからなる凸部１５を用いていたが、不純物がドープされたＧａＰからなる凸部を用いてもよい。
【００６７】
上記実施の形態では、アンドープのＧａＰからなる凸部１５を用いていたが、（ＡｌｘＧａｘ−１）ｙＩｎ１−ｙＰ(０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１)からなる凸部を用いてもよい。この（ＡｌｘＧａｘ−１）ｙＩｎ１−ｙＰは、アンドープであってもよいし、不純物がドープされたものであってもよいが、アンドープである方が好ましい。
【００６８】
上記実施の形態では、２段エッチングによりＧａＰ基板５１を成形して凸部１５を形成したが、電流拡散層１４の上部を成形して凸部を形成してもよい。つまり、本発明の凸部は電流拡散層の一部であってもよい。
【００６９】
本発明は、ＧａＡｓ基板上のＡｌＧａＩｎＰ系発光素子にも適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００７０】
【図１】図１は従来の半導体発光素子の要部の概略断面図である。
【図２】図２は他の従来の半導体発光素子の要部の概略断面図である。
【図３】図３は他の従来の半導体発光素子の要部の概略断面図である。
【図４】図４は他の従来の半導体発光素子の要部の概略断面図である。
【図５】図５は比較例の半導体発光素子の要部の概略断面図である。
【図６】図６は本発明の一実施の形態の半導体発光素子の要部の概略断面図である。
【図７】図７はシミュレーションで用いるモデルの図である。
【図８Ａ】図８Ａは上記実施の形態の半導体発光素子の製造工程図である。
【図８Ｂ】図８Ｂは上記実施の形態の半導体発光素子の製造工程図である。
【図８Ｃ】図８Ｃは上記実施の形態の半導体発光素子の製造工程図である。
【図９Ａ】図９Ａは上記実施の形態の半導体発光素子の製造工程図である。
【図９Ｂ】図９Ｂは上記実施の形態の半導体発光素子の製造工程図である。
【図９Ｃ】図９Ｃは上記実施の形態の半導体発光素子の製造工程図である。
【図９Ｄ】図９Ｄは上記実施の形態の半導体発光素子の製造工程図である。
【図９Ｅ】図９Ｅは上記実施の形態の半導体発光素子の製造工程図である。
【図１０】図１０は上記比較例の半導体発光素子の光放出を説明するための概略図である。
【図１１】図１１は上記実施の形態の半導体発光素子の光放出を説明するための概略図である。
【図１２】図１２は光取り出し効率と各発光点位置に対する変化との関係を示すグラフである。
【図１３】図１３はエッチャント放置時間によるエッチングレートの変化を示すグラフである。
【符号の説明】
【００７１】
１０  ｎ型クラッド層
１１  活性層
１２  ｐ型クラッド層
１３Ａ，１３Ｂ  電流狭窄層
１４  電流拡散層
１５，２２  凸部
１６  上部
１７  下部
１８  p側電極
５１，５２  アンドープのＧａＰ基板
【図１】
2008078391.tif 000003
【図２】
2008078391.tif 000004
【図３】
2008078391.tif 000005
【図４】
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【図５】
2008078391.tif 000007
【図６】
2008078391.tif 000008
【図７】
2008078391.tif 000009
【図８Ａ】
2008078391.tif 000010
【図８Ｂ】
2008078391.tif 000011
【図８Ｃ】
2008078391.tif 000012
【図９Ａ】
2008078391.tif 000013
【図９Ｂ】
2008078391.tif 000014
【図９Ｃ】
2008078391.tif 000015
【図９Ｄ】
2008078391.tif 000016
【図９Ｅ】
2008078391.tif 000017
【図１０】
2008078391.tif 000018
【図１１】
2008078391.tif 000019
【図１２】
2008078391.tif 000020
【図１３】
2008078391.tif 000021