(57)【要約】【課題】ウインドウ層に適用できる材料の選択の自由度の高い半導体発光素子及び半導体発光素子の製造方法を提供する。【解決手段】半導体発光素子１は、ｎ型ＧａＡｓからなる基板２上に反射層３と、ｎ型クラッド層４と、第１発光層５と、第２発光層６と、ｐ型クラッド層７と、ｐ型ウインドウ層８とが順に積層されている。反射層３〜ｐ型クラッド層７は基板２上にエピタキシャル成長させられている。ｐ型ウインドウ層８は、数μｍ〜数百μｍ、好ましくは約３０μｍ〜約３００μｍの厚みを有する。ｐ型ウインドウ層８は、赤外線を透過でき、ｐ型のドーパントとして亜鉛がドープされた導電性のｐ型ＧａＰからなる。尚、このｐ型ウインドウ層８は、ｐ型クラッド層７上に熱圧着によって貼り付けられている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
赤外線を発光可能な発光層を含む半導体層と、
前記赤外線を透過可能な導電性の半導体からなるウインドウ層とを備え、
前記ウインドウ層は、前記半導体層に貼り付けられていることを特徴とする半導体発光素子。
【請求項２】
前記発光層は、波長の異なる赤外線を発光可能な第１発光層及び第２発光層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】
前記赤外線を反射可能な反射層を備えたことを特徴とする請求項１又は２のいずれか１項に記載の半導体発光素子。
【請求項４】
成長基板上に赤外線を発光可能な発光層を含む半導体層を形成する半導体層形成工程と、
前記赤外線を透過可能な導電性の半導体からなるウインドウ層と前記半導体層とを貼り付ける貼付工程とを備えたことを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
【請求項５】
前記貼付工程では、前記ウインドウ層と前記半導体層とが熱圧着によって貼り付けられていることを特徴とする請求項４に記載の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、赤外線を発光可能な半導体発光素子及び半導体発光素子の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ＩｒＤＡ光通信などに用いられる赤外線を発光でき、ウインドウ層を備えた半導体発光素子及びその製造方法が知られている。
【０００３】
例えば、赤外線を発光可能な半導体発光素子として、成長基板上に成長させた赤外線を発光可能な発光層と、発光層よりも赤外線の照射側に設けられたウインドウ層と、ウインドウ層の上面の一部に設けられた電極とを備えたものが知られている。このような半導体発光素子においては、ウインドウ層を厚く（例えば、数十μｍ以上）形成することによって、発光層と電極との距離を大きくしている。
【０００４】
これにより、ウインドウ層を介して発光層に流れる電流を拡散させることができるので、発光層の多くの領域で赤外線を発光することができる。また、ウインドウ層を設けることによって、発光層から発光された赤外線が電極によって遮られる比率を小さくすることができ、更に、ウインドウ層の上面と外部との界面における赤外線の入射角を小さくして全反射を抑制することができる。これらの結果、外部へ照射される赤外線の強度を向上させることができる。
【０００５】
しかしながら、一般に、ウインドウ層は、数十μｍ〜数百μｍの厚みを必要とするが、このようなウインドウ層をＭＯＣＶＤ法などの気相成長法により成長させると、非常に長い成長時間を必要とし、製造が困難であるといった問題があった。
【０００６】
そこで、特許文献１には、ＧａＡｓ基板上に成長させたＡｌＧａＡｓ層からなる発光層と、発光層よりも赤外線の照射側に設けられたＡｌＧａＡｓ層からなるウインドウ層（出力結合層）と、ウインドウ層の上面の一部に設けられ電極とを備えた半導体発光素子が開示されている。この特許文献１の半導体発光素子では、発光層までを気相成長法によってエピタキシャル成長させた後、液相成長法によってウインドウ層をエピタキシャル成長させている。これにより、特許文献１の半導体発光素子では、数十μｍ以上の厚みを有するウインドウ層を容易に形成することができた。
【特許文献１】特表２０００−５１６７６８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、液相成長法によりウインドウ層をエピタキシャル成長させる場合、ウインドウ層と、ウインドウ層の下層に形成されている発光層を含む半導体層との格子整合の点からウインドウ層に適用できる材料が限定されるといった課題がある。
【０００８】
本発明は、上述した課題を解決するために創案されたものであり、ウインドウ層に適用できる材料の選択の自由度の高い半導体発光素子及び半導体発光素子の製造方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、赤外線を発光可能な発光層を含む半導体層と、前記赤外線を透過可能な導電性の半導体からなるウインドウ層とを備え、前記ウインドウ層は、前記半導体層に貼り付けられていることを特徴とする半導体発光素子である。
【００１０】
また、請求項２に記載の発明は、前記発光層は、波長の異なる赤外線を発光可能な第１発光層及び第２発光層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である。
【００１１】
また、請求項３に記載の発明は、前記赤外線を反射可能な反射層を備えたことを特徴とする請求項１又は２のいずれか１項に記載の半導体発光素子である。
【００１２】
また、請求項４に記載の発明は、成長基板上に赤外線を発光可能な発光層を含む半導体層を形成する半導体層形成工程と、前記赤外線を透過可能な導電性の半導体からなるウインドウ層と前記半導体層とを貼り付ける貼付工程とを備えたことを特徴とする半導体発光素子の製造方法である。
【００１３】
また、請求項５に記載の発明は、前記貼付工程では、前記ウインドウ層と前記半導体層とが熱圧着によって貼り付けられていることを特徴とする請求項４に記載の半導体発光素子の製造方法である。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の半導体発光素子によれば、半導体層とウインドウ層とを貼り付けているので、半導体層とウインドウ層とを構成する材料の格子整合を考慮することなくウインドウ層の材料を選択することができる。これによってウインドウ層を構成する材料の選択の自由度を高めることができるので、安価な材料や赤外線を透過し易い材料などを選択することができる。更に、厚くすることが簡単な材料を選択することにより、ウインドウ層を容易に厚くすることができる。
【００１５】
また、異なる波長の赤外線を発光可能な第１発光層及び第２発光層を設けることによって、１つの半導体発光素子で２つの用途に使用することができる。
【００１６】
また、反射層を設けることによって、所望の方向とは異なる方向に進行する赤外線を所望の方向へと反射させることができるので、発光強度を向上させることができる。
【００１７】
また、半導体層とウインドウ層とを熱圧着により貼り付けることによって、半導体層とウインドウ層との間に赤外線が透過する際に障害となるものが介在することを抑制できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、図面を参照して本発明を２波長の赤外線を発光可能な光通信用の半導体発光素子に適用した実施形態について説明する。図１は、本発明による半導体発光素子の断面図である。
【００１９】
図１に示すように、半導体発光素子１は、ｎ型ＧａＡｓからなる基板２上に反射層３と、ｎ型クラッド層４と、第１発光層５と、第２発光層６と、ｐ型クラッド層７と、ｐ型ウインドウ層８とが順に積層されている。また、基板２〜ｐ型ウインドウ層８を挟むように、一対のｐ側電極９及びｎ側電極１０が設けられている。尚、反射層３〜ｐ型クラッド層７までが、請求項に記載の半導体層に相当する。
【００２０】
反射層３は、第１発光層５及び第２発光層６から発光されて矢印Ｃ方向へと進行する赤外線を反射して矢印Ａ方向（赤外線の照射方向）に進行させるためのものである。反射層３は、約７０ｎｍの厚みを有するｎ型Ａｌ０．８Ｇａ０．２Ａｓ層と約６０ｎｍの厚みを有するｎ型ＧａＡｓ層とが交互に１０ペア積層されたＤＢＲ（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｂｒａｇｇ Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ）構造を有する。尚、Ａｌ０．８Ｇａ０．２Ａｓ層及びＧａＡｓ層には、ｎ型のドーパントとしてシリコンがドープされている。
【００２１】
ｎ型クラッド層４は、約５００ｎｍの厚みを有し、ｎ型のドーパントとしてシリコンがドープされたｎ型Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓ層からなる。
【００２２】
第１発光層５は、約８５０ｎｍの波長を有するＩｒＤＡ光通信用の赤外線を発光するためのものである。第１発光層５は、約６ｎｍの厚みを有するＧａＡｓ層からなる井戸層（図示略）と、約８ｎｍの厚みを有するＡｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ層からなるバリア層（図示略）とが交互に７０ペア積層されたＭＱＷ（Ｍｕｌｔｉ ｑｕａｎｔｕｍ ｗｅｌｌ）構造を有する。
【００２３】
第２発光層６は、約９５０ｎｍの波長を有するセンサ用の赤外線を発光するためのものである。第２発光層６は、約１０ｎｍの厚みを有するＩｎ０．２Ｇａ０．８Ａｓ層からなる。
【００２４】
ｐ型クラッド層７は、約５００ｎｍの厚みを有し、ｐ型のドーパントとして亜鉛がドープされたｐ型Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓ層からなる。
【００２５】
尚、反射層３〜ｐ型クラッド層７は、ＭＯＣＶＤ装置を用いて基板２上にエピタキシャル成長により形成されている。
【００２６】
ｐ型ウインドウ層８は、ｐ側電極９から注入されたホールを矢印Ｂ及びＤ方向に分散させるためのものである。また、ｐ型ウインドウ層８は、ｐ側電極９によって遮られる赤外線の比率を小さくするとともに、ｐ型ウインドウ層８の上面で反射される赤外線の比率を小さくするためのものである。ｐ型ウインドウ層８は、数μｍ〜数百μｍ、好ましくは約３０μｍ〜約３００μｍの厚みを有する。ｐ型ウインドウ層８は、赤外線を透過でき、ｐ型のドーパントとして亜鉛がドープされた導電性のｐ型ＧａＰからなる。尚、このｐ型ウインドウ層８は、ｐ型クラッド層７上に熱圧着によって貼り付けられている。
【００２７】
ｐ側電極９は、複数の金属層が積層された構造を有し、ｐ型ウインドウ層８の上面の一部にオーミック接続された状態で形成されている。ｎ側電極１０は、複数の金属が積層された構造を有し、基板２の裏面とオーミック接続されている。
【００２８】
次に、上述した半導体発光素子の動作説明をする。
【００２９】
まず、半導体発光素子１にｐ側電極９及びｎ側電極１０を介して電流が供給されると、ｐ側電極９からホールが供給され、ｎ側電極１０から電子が供給される。そして、ホールはｐ型ウインドウ層８、ｐ型クラッド層７を介して発光層６、５に注入される。ここでｐ型ウインドウ層８は、数μｍ〜数百μｍの厚みを有するので、ｐ型ウインドウ層８の上面の一部に形成されたｐ側電極９からホールが注入されても矢印Ｂ及びＤ方向にホールが分散されて、発光層６、５の全域にホールが注入される。また、電子は、基板２、反射層３、ｎ型クラッド層４を介して発光層５、６に注入される。
【００３０】
そして、第１発光層５に注入されたホール及び電子は結合して、約８５０ｎｍの波長を有する赤外線を発光し、第２発光層６に注入されたホール及び電子は結合して、約９５０ｎｍの波長を有する赤外線を発光する。
【００３１】
ここで、矢印Ｃ方向に進行する赤外線は、反射層３に反射されて矢印Ａ方向へと進行する。そして、矢印Ａ方向に進行する赤外線は、ｐ型クラッド層７及びｐ型ウインドウ層８を介して外部へと照射される。ここでｐ型ウインドウ層８は、数μｍ〜数百μｍの厚みを有するので、ｐ側電極９により遮られる赤外線の比率が小さく、また、ｐ型ウインドウ層８の上面への入射角が小さくなるので全反射される赤外線の比率も小さくなり、外部へと照射される赤外線の強度を高めることができる。
【００３２】
次に、上述した半導体発光素子の製造方法について説明する。尚、図２及び図３は、半導体発光素子の製造工程を説明するための図である。
【００３３】
まず、ＧａＡｓからなる基板（請求項に記載の成長基板に相当）２をＭＯＣＶＤ装置に搬入する。次に、図２に示すように、キャリアガス（Ｈ２ガス）によりトリメチルアルミニウム（以下、ＴＭＡ）、トリメチルガリウム（以下、ＴＭＧ）、アルシン及びモノシランを供給して、シリコンがドープされた約７０ｎｍの厚みを有するｎ型Ａｌ０．８Ｇａ０．２Ａｓ層を形成する。その後、キャリアガスによりＴＭＧ、アルシン及びモノシランを供給して、シリコンがドープされた約６０ｎｍの厚みを有するｎ型ＧａＡｓ層を形成する。そして、これらｎ型Ａｌ０．８Ｇａ０．２Ａｓ層及びｎ型ＧａＡｓ層を交互に１０ペア積層させて反射層３を形成する。
【００３４】
次に、キャリアガスによりＴＭＡ、ＴＭＧ、アルシン及びモノシランを供給して、シリコンがドープされた約５００ｎｍの厚みを有するｎ型Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓ層からなるｎ型クラッド層４を形成する。
【００３５】
次に、キャリアガスによりＴＭＧ及びアルシンを供給して、約６ｎｍの厚みを有するＧａＡｓ層からなる井戸層を形成する。その後、キャリアガスによりＴＭＡ、ＴＭＧ及びアルシンを供給して、約８ｎｍの厚みを有するＡｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ層からなるバリア層を形成する。そして、これら井戸層及びバリア層を交互に７０ペア積層させて第１発光層５を形成する。
【００３６】
次に、キャリアガスによりトリメチルインジウム（以下、ＴＭＩ）、ＴＭＧ及びアルシンを供給して、約１０ｎｍの厚みを有するＩｎ０．２Ｇａ０．８Ａｓ層からなる第２発光層６を形成する。
【００３７】
次に、キャリアガスによりＴＭＡ、ＴＭＧ、アルシン及びジメチル亜鉛を供給して、亜鉛がドープされた約５００ｎｍの厚みを有するｐ型Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓ層からなるｐ型クラッド層７を形成する。
【００３８】
次に、導電性のｐ型ＧａＰによって構成され、赤外線を透過可能な透明基板からなるｐ型ウインドウ層８を用意する。
【００３９】
次に、ＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｐｏｌｉｓｈ）法によりｐ型クラッド層７の表面及びｐ型ウインドウ層８の表面を平滑化する。その後、ｐ型クラッド層７の表面及びｐ型ウインドウ層８の表面を、アンモニア処理することにより、酸化膜除去及び親水化処理を行う。
【００４０】
次に、図３に示すように、ｐ型クラッド層７の表面とｐ型ウインドウ層８の表面とを純水Ｗを介した状態で接触させる。この状態で、室温から約８００℃の間でｐ型ウインドウ層８と各半導体層３〜７を加熱しつつ、ｐ型クラッド層７とｐ型ウインドウ層８とが離脱しないように数ＭＰａ〜約１０ＭＰａの圧力で加圧して熱圧着を行う。これによって、ｐ型クラッド層７とｐ型ウインドウ層８の接合界面における初期の接合を担う水分及び水素結合されたＯＨ基（水酸基）を水蒸気として蒸散させて、ｐ型クラッド層７とｐ型ウインドウ層８とを結合させて貼り付ける。
【００４１】
次に、ｐ型ウインドウ層８の上面の一部にｐ側電極９を形成し、基板２の裏面にｎ側電極１０を形成する。最後に、素子単位に分割して半導体発光素子１が完成する。
【００４２】
上述したように半導体発光素子１では、ｐ型クラッド層７上にｐ型ウインドウ層８を貼り付けることによって設けているので、ｐ型クラッド層７とｐ型ウインドウ層８とを構成する材料の格子整合を考慮することなく、ｐ型ウインドウ層８の材料を選択することができる。これによって、ｐ型ウインドウ層８を構成する材料の選択の自由度を高めることができるので、安価な材料や赤外線を透過し易い材料などを選択することができる。更に、厚いｐ型ＧａＰ基板は容易に作製することができるので、ｐ型ウインドウ層８を容易に厚くすることができる。
【００４３】
また、半導体発光素子１は、異なる波長の赤外線を発光可能な第１発光層５と第２発光層６とを備えているので１つの半導体発光素子１で、ＩｒＤＡ光通信及びセンサの２つの用途に使用することができる。
【００４４】
また、半導体発光素子１は、反射層３を設けているので、矢印Ｃ方向に進行する赤外線をも反射させて矢印Ａ方向へと取り出すことができる。これにより、発光強度を向上させることができる。
【００４５】
また、ｐ型クラッド層７とｐ型ウインドウ層８とを熱圧着により貼り付けることによって、ｐ型クラッド層７とｐ型ウインドウ層８との間に赤外線が透過する際に障害となるものが介在することを抑制できる。更に、アンモニアを用いてｐ型クラッド層７とｐ型ウインドウ層８の表面の酸化膜除去及び親水化処理を行うので、安価な設備及び材料により実施できる。
【００４６】
以上、実施形態を用いて本発明を詳細に説明したが、本発明は本明細書中に説明した実施形態に限定されるものではない。本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載及び特許請求の範囲の記載と均等の範囲により決定されるものである。以下、上記実施形態を一部変更した変更形態について説明する。
【００４７】
例えば、上述の実施形態では、ｐ型ウインドウ層８を構成する材料として、ｐ型ＧａＰからなる基板を適用したが、他の導電性を有し、赤外線を透過可能なＧａＡｓＰ、ＡｌｘＧａ１−ＸＡｓ（０≦Ｘ≦１）及びＳｉＣなどの材料からなる基板を適用してもよい。
【００４８】
また、ｐ型クラッド層７とｐ型ウインドウ層８とを貼り付ける工程は、適宜変更可能である。一例として、ｐ型クラッド層７とｐ型ウインドウ層８の表面をＣＭＰ法により平滑化した後、Ａｒを用いてスパッタを行うことによりｐ型クラッド層７とｐ型ウインドウ層８の表面の酸化膜を除去する。次に、スパッタによって酸化膜が除去された表面の汚染を防ぐために、ｐ型クラッド層７とｐ型ウインドウ層８とを真空中で接触させる。更に、真空から取り出した後、加熱することによりｐ型クラッド層７とｐ型ウインドウ層８との接合を強化する。このようにｐ型クラッド層７とｐ型ウインドウ層８とを接合することにより、表面の物質に関わらず、高温化プロセスを省略することができる。
【００４９】
また、上述の実施形態では、２つの発光層５、６を備えた半導体発光素子１を一例として上げたが、発光層を１つだけ又は３つ以上設けてもよい。
【００５０】
また、上述の実施形態では、ｐ型クラッド層７上にｐ型ウインドウ層８を直接貼り付けたが、ｐ型クラッド層７上にｐ型ウインドウ層８を構成する材料と同じ材料からなる接合層を形成した後、貼り付けてもよい。
【００５１】
また、半導体発光素子１の各層の厚みや材料は適宜変更可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】本発明による半導体発光素子の断面図である。
【図２】半導体発光素子の製造工程を説明するための図である。
【図３】半導体発光素子の製造工程を説明するための図である。
【符号の説明】
【００５３】
１    半導体発光素子
２    基板
３    反射層
４    ｎ型クラッド層
５    第１発光層
６    第２発光層
７    ｐ型クラッド層
８    型ウインドウ層
９    ｐ側電極
１０  ｎ側電極
【図１】
2008159630.tif 000003
【図２】
2008159630.tif 000004
【図３】
2008159630.tif 000005