(57)【要約】【課題】半導体発光素子の結晶性を向上させ、所望の光度を得ること。【解決手段】  AlGaInP系化合物半導体よりなり、発光層としてのダブルヘテロ層１０および中間層９と、InGaP系化合物半導体よりなる窓層８とを備え、窓層の少なくとも一部が、その組成をIn(X)Ga(1-X)P（0.02≦X≦0.04）としてなる半導体発光素子H。【選択図】図１
2008021923.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
AlGaInP系化合物半導体よりなり、発光層としてのダブルヘテロ層および中間層と、InGaP系化合物半導体よりなる窓層とを備え、
窓層の少なくとも一部が、その組成をIn(X)Ga(1-X)P（0.02≦X≦0.04）としてなる半導体発光素子。
【請求項２】
窓層の少なくとも一部が、Inを窓層上部に向かってなめらかに低減する組成比を有する請求項１に記載の半導体発光素子。
【請求項３】
窓層の少なくとも一部が、Inを窓層上部に向かって段階的に低減する組成比を有する請求項１に記載の半導体発光素子。
【請求項４】
窓層が、その最上層部の組成をP型GaPとしてなる請求項１に記載の半導体発光素子。
【請求項５】
窓層が、その層厚を０．７μｍ以上で、かつ２．０μｍ以下としてなる請求項４に記載の半導体発光素子。
【請求項６】
窓層の組成がInGaPからGaPへ変化するに伴って発生したバンド不連続部分が存在し、このバンド不連続部分に高キャリア濃度領域を有する請求項４に記載の半導体発光素子。
【請求項７】
高キャリア濃度領域のキャリア濃度が、３．０×１０18cm-3以上で、かつ４．０×１０18cm-3以下である請求項６に記載の半導体発光素子。
【請求項８】
窓層が、高キャリア濃度領域と、その下部に低キャリア濃度領域とを有する請求項６または７に記載の半導体発光素子。
【請求項９】
AlGaInP系化合物半導体よりなり、発光層としてのダブルヘテロ層および中間層を形成する第１工程と、中間層上にInGaP系化合物半導体よりなる窓層を形成する第２工程とを有し、
この第２工程が、窓層の組成を成長初期にはP型InGaPとし、次いでこのP型InGaPのInを低減して窓層の少なくとも一部の組成をIn(X)Ga(1-X)P（0.02≦X≦0.04）とするIn低減工程を含む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、半導体発光素子およびその製造方法に関し、より詳しくは、赤色から緑色帯の高輝度LED（発光ダイオード）を構成するAlGaInPを材料とする４元LEDの構造とその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
高輝度LEDは、屋内外の表示デバイスとして脚光を浴びている。
そのデバイスの光度の向上を図るために提案されている構成は、半導体基板上に発光層となるダブルへテロ層を形成し、さらにこのダブルへテロ層上にP型中間層、P型窓層、N型電流阻止層をこの順に形成し、上方から見た形状が環状になるようにエッチングにより除去した後、電流拡散層を形成する（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
この技術により、N型電極から注入された電流が、電流拡散層で拡散され、電流阻止層のエッチングされた環状の部分を通過し、発光をN型電極の直下以外の部分に集中させることにより、全体での発光効率を向上させることができる。また、窓層はGaPで構成されており、目的の波長の光が透過するように構成されている。
【特許文献１】特開２００５−１５９２９９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、従来の技術では、窓層がGaPであったために、その直下の中間層との格子不整合のため結晶性が悪く、表面に微小な突起物(ヒロック)が多発していた。
これに対して、この窓層を他の組成、例えばInGaP[In(0.5)Ga(0.5)P]などで構成することが考えられるが、この場合、窓層のバンドギャップが小さくなることで透過率が低くなってしまうため、光の取り出し効率が悪くなり、所望の光度を得ることが困難である。
【０００５】
そこで、本発明者らは、上記窓層の組成をInGaPで構成する場合について鋭意研究を重ねて、InGaPの窓層からIn（インジウム）を低減すれば、結晶性を向上させることができ、それによって光の取り出し効率を上昇させ、所望の光度が得られることを見出し、本発明を完成させるに至ったものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明によれば、AlGaInP系化合物半導体よりなり、発光層としてのダブルヘテロ層および中間層と、InGaP系化合物半導体よりなる窓層とを備え、
窓層の少なくとも一部が、その組成をIn(X)Ga(1-X)P（0.02≦X≦0.04）としてなる半導体発光素子が提供される。
ここで、窓層のInとGaの組成比は、In(X)Ga(1-X)において0.02≦X≦0.04に設定され、結晶性の良化を図り、透過率が目的の光度を下回らないようにされる。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、窓層がその組成を、単にInGaP ではなく、それからInを低減して In(X)Ga(1-X)P化合物（0.02≦X≦0.04）とすることによって、半導体発光素子の結晶性を向上させ、それによって光の取り出し効率を上昇させて所望の光度が得られるようにする。Inを加えることにより窓層の格子定数が他層の格子定数に近づき結晶の表面状態を良化させることができ、窓層表面の微小な突起物（ヒロック）の発生を少なくすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
本発明に係る半導体発光素子は、AlGaInP系化合物半導体よりなり、発光層としてのダブルヘテロ層および中間層と、InGaP系化合物半導体よりなる窓層とを備え、窓層の少なくとも一部が、その組成をIn(X)Ga(1-X)P（0.02≦X≦0.04）としてなることを特徴とする。
【０００９】
本発明において、ダブルヘテロ層は、AlGaInP系化合物半導体で構成され、半導体発光素子の発光層となるものである。
さらに具体的には、ダブルヘテロ層は、下クラッド層と、発光部となる活性層と、上クラッド層とからなるダブルヘテロ接合構造よりなり、活性層に用いる化合物半導体の組成は所望の波長の光が得られるように定められ、下クラッド層及び上クラッド層の組成は、そのバンドギャップが活性層のバンドギャップよりも大きくなるように定められる。
【００１０】
中間層は、AlGaInP系化合物半導体で構成され、前記ダブルヘテロ層と、次に詳述する窓層とを接合する層である。
本発明において、窓層は、中間層上に形成されるが、その少なくとも一部の組成をIn(X)Ga(1-X)P（0.02≦X≦0.04）に調整される。
ここで、窓層のInとGaの組成比は、In(X)Ga(1-X)において0.02≦X≦0.04に設定され、結晶性の良化を図り、透過率が目的の光度を下回らないようにされる。なお、InとGaの組成比は、X＜0.02では結晶性の良化がみられず、0.04＜Xでは透過率が目的の光度を下回るので好ましくない。
【００１１】
窓層を形成するに際しては、例えば、窓層の組成を、成長初期にはP型InGaPとし、次いでこのP型InGaPのInを低減して（例えば、Zn、Mgなどを適宜ドープして）In(X)Ga(1-X)P系化合物（0.02≦X≦0.04）に調整される。
窓層は、その少なくとも一部に、Inを窓層上部に向かってなめらかに低減する組成比を有すると、成長を中断することなく、結晶性への影響を少なくすることができるので好ましい。
【００１２】
また、窓層は、その少なくとも一部に、Inを窓層上部に向かって段階的（階段的）に低減する組成比を有するのが好ましい。具体的には、窓層の下部の組成をInGaPで構成し、窓層の途中からGaPに切り替える。そして、成長装置の制御性を高めたい場合には、徐々にInの量を変化させるより、段階的に変化させる方が有効である。
窓層は、その上に形成される電流阻止層（後述する）が通常P型GaPで構成されるため、電流阻止層により近い窓層の最上層部の組成をP型GaPとし、窓層と電流阻止層との間で電気抵抗が発生するのを避けるのが好ましい。
【００１３】
窓層は、その層厚を０．７μｍ以上で、かつ２．０μｍ以下とするのが好ましい。すなわち、具体的には、電流阻止層を1回成長させた後、電流阻止層の上層から１．０μmの深さまでをエッチングにより除去すると、電流阻止層の層厚が０．３μmであるとして、窓層の層厚は０．７μm以上である必要がある。また、２．０μm以下に通常設定される。
窓層には、その組成がInGaPからGaPへ変化するに伴って発生したバンド不連続部分が存在し、このバンド不連続部分に高キャリア濃度領域を有すると、格子定数が異なることによりバンド不連続になっている部分には、キャリアをより多く含ませることになり、抵抗値が高くならないようにできるので好ましい。
【００１４】
ここで、高キャリア濃度領域のキャリア濃度は、３．０×１０18cm-3以上で、かつ４．０×１０18cm-3以下に調整するのが好ましい。具体的には、キャリア濃度を３．０×１０18cm-3以上になるようにZnをドープさせることにより、素子の抵抗値を低下させることができる。また、キャリア濃度が高過ぎることで、結晶の劣化や、ドープされた不純物の他層への拡散を招くおそれがあるので、キャリア濃度は４．０×１０18cm-3以下になるようにZnをドープする。ここでキャリアはMgおよびBeについても同様の結果が得られる。
【００１５】
窓層は、高キャリア濃度領域と、その下部に低キャリア濃度領域とを有すると好ましい。具体的には、P型窓層の下部を従来のGaPからGaInPへ変えることにより、移動度が低減されるので、従来技術より低キャリア濃度にすることができる。これによって、結晶性を向上させることができる。
【００１６】
本発明に係る半導体発光素子は、全体としては、半導体基板上にAlGaInP系化合物半導体で発光層となるダブルヘテロ層と、中間層と、窓層とをこの順に備え、さらにこの窓層の一部分上に電流阻止層と、この電流阻止層上および窓層の他部分上に電流拡散層と、この電流拡散層上に半導体基板の表面側電極と、半導体基板の裏面側電極とで構成される。
ここで、電流阻止層は、窓層の一部分上に発光を制限するために形成され、電流拡散層は、電流阻止層上および窓層の他部分上に形成される。
【００１７】
まず、電流阻止層は、電流拡散層から窓層へ電流が流れなくするもの、又は、流れにくくするものであればよい。電流阻止層は、例えば、窓層の最上層と導電型の異なる不純物をドープした、又は、キャリア濃度が小さい半導体、例えば、ＧａＰ、ＡｌＧａＰ、ＡｌＧａＡｓ、ＡｌＧａＩｎＰなどを用いて形成することができる。
【００１８】
次に、電流拡散層は、半導体基板の表面側電極からの電流を拡散できるものであればよい。また、発光層で発生する光の吸収が少なくなるように、発光層で発生する光のエネルギーよりもバンドギャップが大きい材料で形成されることが好ましい。また、電流が拡散しやすいように、抵抗率が小さい材料で形成されることが好ましい。
【００１９】
電流拡散層は、例えば、ＧａＰなどの二元化合物半導体、ＧａＡｌＡｓ、ＩｎＧａＮなどの三元化合物半導体、ＡｌＧａＩｎＰ、ＡｌＧａＩｎＮなどの四元化合物半導体などの化合物半導体を用いて形成することができる。電流拡散層は、発光層の最上層の導電型と同じ導電型とすることが好ましい。
【００２０】
本発明においては、電流阻止層は、中央領域部分と、この中央領域部分を電流拡散層の一部分を介して外側から取り囲む外側領域部分とで構成することにより、半導体基板の表面側から取り出せる発光部分を環状とするのが好ましい。
通常、発光層の上には、電流拡散層を形成する前に電流阻止層を形成する。この電流阻止層を形成するに際しては、中央領域部分と外側領域部分との間に環状開口を有する電流阻止層を形成することになるが、その環状開口は、発光層上の全面に形成した電流阻止層をフォトリソグラフィー及びエッチング技術により部分的に取り除いて形成することができる。
【００２１】
本発明においては、電流阻止層の中央領域部分と半導体基板の表面側電極（光取出側電極と称することもできる）とを対向させるのが好ましい。
半導体基板の表面側電極は、導電性材料で形成することができ、電流拡散層とオーミック接触が得られるものが好ましい。表面側電極は、例えば、Ａｕ，Ｐｔ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｔｉなどの金属、ＡｌＧｅ，ＡｌＺｎなどの合金を用いて形成することができる。例えば、P型半導体基板には、ＡｌＺｎ電極が好適に用いられる。
表面側電極は、例えば、蒸着法、スパッタ法などにより金属又は合金膜を形成し、フォトリソグラフィー及びエッチング技術により所望の形状に加工した後、熱処理をすることにより形成できる。
【００２２】
半導体基板は、その上に発光層を形成できるものであればよく、発光層と格子整合するものが好ましい。半導体基板には、例えば、ＧａＡｓ、ＧａＮ、ＧａＰ、ＩｎＰ、ＺｎＯ、ＺｎＳｅなどの化合物半導体基板、Ｓｉ、Ｇｅなどの元素半導体基板を用いることができる。また、その導電型は、N型であっても、P型であってもよい。
【００２３】
半導体基板の裏面側電極は、導電性材料で形成することができ、基板とオーミック接触が得られるものが好ましい。裏面側電極は、例えば、Ａｕ，Ｐｔ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｔｉなどの金属、ＡｌＧｅ，ＡｌＺｎなどの合金を用いて形成することができる。例えば、N型半導体基板には、ＡｌＧｅ電極が好適に用いられる。
【００２４】
本発明は、別の観点からすれば、AlGaInP系化合物半導体よりなり、発光層としてのダブルヘテロ層および中間層を形成する第１工程と、中間層上にInGaP系化合物半導体よりなる窓層を形成する第２工程とを有し、
この第２工程が、窓層の組成を成長初期にはP型InGaPとし、次いでこのP型InGaPのInを低減して窓層の少なくとも一部の組成をIn(X)Ga(1-X)P（0.02≦X≦0.04）とするIn低減工程を含む半導体発光素子の製造方法を提供できる。
ここで、窓層の組成を成長初期にはP型InGaPとし、次いでこのP型InGaPのInを低減して、窓層の格子定数を中間層のそれに近づけることにより、結晶性を高めることができ、半導体素子の抵抗値を低減させることができる。
【００２５】
以下、図に示す実施の形態に基づいて本発明を説明する。
図１は本発明に係る半導体発光素子の実施の形態１を示す概略断面構成説明図、図２は実施の形態１の概略平面構成説明図である。
【００２６】
図１および２において、半導体発光素子Ｈ（高輝度ＬＥＤ）は、Ｎ型GaAs半導体基板１１と、この半導体基板１１上に形成されAlGaInP系化合物半導体よりなり発光層となるダブルヘテロ層１０と、このダブルヘテロ層１０上に形成されAlGaInP系化合物半導体よりなるＰ型中間層９と、この中間層９上に形成されたＰ型窓層８と、この窓層８の一部分上に発光を制限するために形成されたＮ型電流阻止層３と、この電流阻止層３上および窓層８の他部分上に形成された電流拡散層５と、この電流拡散層５上に形成された半導体基板１１の表面側Ｐ型電極２と、半導体基板１１の裏面側Ｎ型電極４とを備えている。
【００２７】
ここで、ダブルヘテロ層１０は、発光部としてのＰ型活性層１と、この活性層１上に形成されたＰ型クラッド層６と、活性層１の下に形成されたＮ型クラッド層７とからなる。
電流阻止層３は、中央領域部分３ａと、この中央領域部分から電流拡散層５の領域部分を介して取り囲む外側領域部分３ｂとからなり、光取出側面で得られる発光部分１２を環状としている。
【００２８】
なお、半導体基板１１と、この半導体基板１１上に形成されAlGaInP系化合物半導体よりなり発光層となるダブルヘテロ層１０と、このダブルヘテロ層１０上に形成されAlGaInP系化合物半導体よりなるＰ型中間層９と、この中間層９上に形成されたＰ型窓層８と、電流阻止層３と、電流拡散層５について、各層の厚さ、組成、及び、キャリア濃度は、以下に示されるように設定された。
N型GaAs半導体基板１１（450±20μｍ、0.3〜3.0×1018ｃｍ-3）；ダブルヘテロ層１０としてのN型AlInP下クラッド層７（1.1μｍ、5.0×1017ｃｍ-3）、AlGaInP活性層１（2.35μｍ、1.4×1017、アンドープ）およびP型AlInP上クラッド層６（1.0μｍ、5.0×1017ｃｍ-3）；P型中間層９（0.11μｍ、Al0.205Ga0.795In0.820P）、P型InGaP窓層８（1.5μｍ、3.0×1018ｃｍ-3）、N型GaP電流阻止層３（0.33μｍ、1.0×1018ｃｍ-3）、P型AlGaInP電流拡散層５（13μｍ、1〜3.0×1018ｃｍ-3）とした。
また、N型GaAs基板３の外形は２８０μｍ×２８０μｍに設定された。
【００２９】
次に、以上の構成の半導体発光素子Ｈの製造方法を説明する。
まず、図１において、Ｎ型GaAs基板１１上に、ＭＯＣＶＤ装置を用いて、気相エピタキシャル成長法により、Ｎ型AlInP-クラッド層７及びP型AlGaInP-活性層（発光層）１０、Ｐ型AlInP-クラッド層６、P型中間層９を成長させた後、P型InGaP-窓層８を形成する。次いで、N型GaP-電流阻止層３を形成する。
この時、P型窓層８とP型中間層９の格子定数のミスマッチ量はそれぞれ、約４％と約３％程度とする。
【００３０】
次に、上方から見た形状が円環状になるように電流阻止層３をエッチングによって除去し、電流阻止層３の中央円形部分３ａと、周囲部分３ｂとを残す。このとき、エッチングすべき部分に電流阻止層３が残ってしまうと、素子全体にわたって電流が流れないことになるので、電流阻止層３の層厚0.33μmに対して充分な深さの１μmを除去し、電流阻止層３を完全に貫通することとする。
次に、再びMOCVD装置を用いて、P型窓層８の一部分上に形成した電流阻止層３の中央円形部分３ａおよび周囲部分３ｂ上と、P型窓層８の他部分（電流阻止層３を円環状に除去した部分）上にP型GaP-電流拡散層５を形成する。
ここで、電流阻止層３がGaPであるために、窓層８の、より電流阻止層３に近い部分にはGaPを用い、窓層８と電流阻止層３の間で電気抵抗を発生することを避ける。
【００３１】
図３は実施の形態１のヒロック数の低減効果を示すグラフである。
図３において、先の実施の形態１で得られた半導体発光素子Ｈは、結晶表面に現れるヒロック数（微小な突起物の数）が従来の構造と比較して低減された。すなわち、窓層をGaPで構成したものはヒロック数が９９９個であったのに対し、窓層をInGaPで構成し、In組成比を２％［In(X)Ga(1-X)PにおいてX＝0.02］にしたものは、ヒロック数１６３個という実験結果を得た。
【００３２】
この結果は、本発明によって、素子の結晶性が向上していることを示している。この効果により、外観が良好になり、品質向上につながると考えられる。また、格子不整合を緩和させることが素子の抵抗成分を減少させることになるので、素子の動作電圧を低減することができ、発光効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明に係る半導体発光素子の実施の形態１を示す概略断面構成説明図である。
【図２】実施の形態１の概略平面構成説明図である。
【図３】実施の形態１のヒロック数の低減効果を示すグラフである。
【符号の説明】
【００３４】
Ｈ      半導体発光素子
１．    発光部（P型活性層）
２．    P型電極
３．    N型電流阻止層
４．    N型電極
５．    電流拡散層
６．    P型クラッド層
７．    N型クラッド層
８．    P型窓層
９．    P型中間層
１０．  ダブルヘテロ層
１１．  半導体基板
１２    発光部分
【図１】
2008021923.tif 000003
【図２】
2008021923.tif 000004
【図３】
2008021923.tif 000005