(57)【要約】【課題】ＩｎＧａＡｌＰ系化合物半導体からなる発光層形成部がＧａＰ基板に設けられる半導体発光素子の輝度を向上させることができる構造の半導体発光素子をを提供する。【解決手段】ＧａＰ基板１上に、ＩｎＧａＡｌＰ系化合物半導体からなる活性層３を、活性層３よりバンドギャップが大きいＩｎＧａＡｌＰ系化合物半導体からなり、異なる導電形のクラッド層２、４により挟持する発光層形成部９とを有しており、その発光層形成部９におけるＧａＰ基板１側のクラッド層（図１に示される例ではｎ形クラッド層２）の厚さが３０μｍ以上に形成されている。【選択図】　　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＧａＰ基板と、該ＧａＰ基板上に設けられ、ＩｎＧａＡｌＰ系化合物半導体からなる活性層を、該活性層よりバンドギャップが大きいＩｎＧａＡｌＰ系化合物半導体からなり、異なる導電形のクラッド層により挟持する発光層形成部とを有し、前記発光層形成部における前記ＧａＰ基板側のクラッド層の厚さが３０μｍ以上に形成されてなる半導体発光素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＧａＰ基板上にＩｎＧａＡｌＰ系化合物半導体からなる発光層形成部を有し、表示パネルやＬＥＤパネルなどに用いられる半導体発光素子に関する。さらに詳しくは、外部への光の取り出し効率を向上させた半導体発光素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のＩｎＧａＡｌＰ系化合物半導体を用いた半導体発光素子は、図２に示されるように、たとえばｎ形のＧａＡｓからなる半導体基板１１上に、ＩｎＧａＡｌＰ系の半導体材料からなるｎ形クラッド層２、クラッド層よりバンドギャップエネルギーが小さくなる組成でノンドープのＩｎＧａＡｌＰ系半導体材料からなる活性層３、ｐ形のＩｎＧａＡｌＰ系半導体材料からなるｐ形クラッド層４がそれぞれエピタキシャル成長され、ダブルヘテロ接合構造の発光層形成部９が形成されている。そして、その表面側にＡｌＧａＡｓ系半導体材料からなるウィンドウ層５が設けられ、さらにその表面の一部にｐ形ＧａＡｓからなるコンタクト層６を介してｐ側電極８、半導体基板１の裏面側にｎ側電極７がそれぞれＡｕ−Ｇｅ／Ｎｉ合金などにより設けられ、ウェハからチップ化されている。
【０００３】
このような構造では、基板のＧａＡｓが活性層３で発光する波長の光に対して、吸収する材料であるため、活性層で発光した光で基板側に進んだ光の殆どが吸収されてしまい無駄になるという問題がある。そのため、ＧａＡｓ基板上に前述のような構造の半導体層を積層した後、ＧａＡｓ基板を研磨により除去してＧａＰ基板など光を吸収しないバンドギャップを有する材料からなる半導体基板を貼着したり、直接ＧａＰ基板などに前述の構造の半導体層を積層する半導体発光素子が製造されている。なお、ＧａＰ基板に直接ＩｎＧａＡｌＰ系化合物を成長する場合、バッファ層をその間に介在させる場合もある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
前述のように、基板としてＧａＰ基板を用いることにより、ＧａＰはＩｎＧａＡｌＰ系化合物半導体で発光する波長の光を吸収しないバンドギャップを有するため、活性層から基板側に向った光も比較的有効に取り出せるとして重用されている。
【０００５】
しかしながら、本発明者らはＧａＰ基板とＩｎＧａＡｌＰ系化合物半導体からなる発光層形成部とを用いた発光素子の輝度を調べた結果、ＧａＡｓ基板を用いた場合よりも向上してはいるものの、充分に輝度が向上していないことを見出した。すなわち、従来は、基板としてＧａＰ基板を用いれば外へ取り出す外部発光効率は充分に高いと考えられるが、ＩｎＧａＡｌＰ系化合物半導体との格子不整合の問題で内部発光効率は若干低下する可能性があるため、格子不整合に伴う内部発光効率の向上に心血が注がれ、たとえばＧａＡｓ基板にＩｎＧａＡｌＰ系化合物半導体層を積層し、積層後にＧａＡｓ基板を除去してＧａＰ基板を貼着するなどの方法が考えられていた。しかし、ＧａＰ基板を用いても、発光層形成部とＧａＰ基板との境界面で反射したり、ＧａＰ基板自身も結晶性がよくなく、基板内で吸収したり、反射が起こり、前述のように、外部への光の取出し効率を充分に向上させることができないことを見出した。
【０００６】
本発明は、このような状況に鑑みてなされたもので、ＩｎＧａＡｌＰ系化合物半導体からなる発光層形成部がＧａＰ基板に設けられる半導体発光素子の輝度を向上させることができる構造の半導体発光素子を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明による半導体発光素子は、ＧａＰ基板と、該ＧａＰ基板上に設けられ、ＩｎＧａＡｌＰ系化合物半導体からなる活性層を、該活性層よりバンドギャップが大きいＩｎＧａＡｌＰ系化合物半導体からなり、異なる導電形のクラッド層により挟持する発光層形成部とを有し、前記発光層形成部における前記ＧａＰ基板側のクラッド層の厚さが３０μｍ以上に形成されている。
【０００８】
ここにＩｎＧａＡｌＰ系化合物半導体とは、Ｉｎｕ（Ｇａ１−ｘＡｌｘ）１−ｕＰの形で表され、ｕおよびｘの値が０と１との間で種々の値のときの材料を意味する。
【０００９】
この構造にすることにより、ＧａＰ基板側のクラッド層が３０μｍ以上と非常に厚く形成されているため、活性層で発光して基板側に進む光がＧａＰ基板に到達する前にその側壁から外部へ出る光が非常に多くなり、ＧａＰ基板との境界面で反射して再度発光層形成部内に戻って反射を繰返したり、ＧａＰ基板内で吸収や乱反射をして消滅する光をＧａＰ基板に達する前に側壁から外部に取出して利用することができる。外部に出た光は外部に設けられるカップ状反射壁などにより必要な方向に反射して有効に利用することができるため、全体として発光する光の輝度を向上させることができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
つぎに、図面を参照しながら本発明の半導体発光素子について説明をする。本発明による半導体発光素子は、図１にその一実施形態であるＬＥＤチップの断面構造が示されるように、ＧａＰ基板１上に、ＩｎＧａＡｌＰ系化合物半導体からなる活性層３を、活性層３よりバンドギャップが大きいＩｎＧａＡｌＰ系化合物半導体からなり、異なる導電形のクラッド層２、４により挟持する発光層形成部９とを有しており、その発光層形成部９におけるＧａＰ基板１側のクラッド層（図１に示される例ではｎ形クラッド層２）の厚さが３０μｍ以上に形成されていることに特徴がある。
【００１１】
すなわち、通常はダブルヘテロ構造の発光層形成部を有する半導体発光素子は、基板と反対側の表面側に光を取り出す場合が多く、基板側に向う光には余り関心が持たれないか、その光も利用しようとする場合には、基板との間に多層反射膜を介在させて表面側に反射させて利用するか、基板にＧａＰのような光を透過させる材料の基板を用い基板裏面で反射させるという考え方が一般的であり、発光層形成部における半導体基板側のクラッド層は、０．５〜１．５μｍ程度に形成されている。また、発光層形成部の基板と反対側の表面側には、電流をチップ全体に拡散させる機能ももたせたウインドウ層が一般的には設けられるため、反対側のクラッド層も通常は１〜２μｍ程度に形成されている。
【００１２】
しかし、前述のように、本発明者らが鋭意検討を重ねた結果、基板としてＧａＰ基板を用いても、充分に外部に光を取り出すことができず、外部発光効率を充分に向上させることができないことを見出した。すなわち、基板にＧａＰ基板を用いても、発光層形成部とＧａＰとの間の屈折率の違いに基づく全反射により発光層形成部内での光が反射を繰り返して消滅する、ＧａＰ基板といえども通常の半導体エピタキシャル成長層と比べるとその結晶性が非常に劣り、ＧａＰ内で吸収や乱反射を起こし消滅する、などの現象が生じ、充分に外部に光を取り出すことができない。一方、半導体チップの側面から外部に出た光でも、外部に反射板を置くことにより表面側への照射を大きくすることができ、また、携帯電話のダイヤルボタンなどでは、むしろチップのサイドで光らせた方が見やすいという用途もあり、チップのサイドから光を取り出すことが非常に効果的である。
【００１３】
そして、基板としてＧａＰ基板を用い、基板側のクラッド層を３０μｍ以上の厚さにすることにより、ＧａＰ基板との界面での反射やＧａＰ基板内での吸収を引き起こす前にチップサイドから光が出やすく、利用し得る光としてトータル的に外部に光を取り出す効率を向上させることができることを見出した。
【００１４】
半導体基板は、ＧａＰ基板１が用いられるが、このＧａＰ基板１は、直接その上に発光層形成部などの半導体層をエピタキシャル成長するものでもよいし、たとえばＧａＡｓ基板上に発光層形成部９などをエピタキシャル成長した後に、ＧａＡｓ基板を取り除いて、貼着したものでもよい。このＧａＰ基板１は、発光層形成部９の基板側クラッド層が３０μｍ以上と厚いため、その分薄く形成されて、全体としては、従来と同様の２００〜４００μｍ程度の厚さになる。また、このＧａＰ基板１は、ｐ形、ｎ形のいずれでもよく、ｎ形ＧａＰ基板であれば、前述の厚くするクラッド層はｎ形クラッド層であり、ｐ形ＧａＰ基板であれば、発光層形成部９のｐ形クラッド層が基板側になり、ｐ形クラッド層が３０μｍ以上の厚さに形成される。なお、ＧａＰ基板１に直接半導体層をエピタキシャル成長する場合には、ＧａＰとＩｎＧａＡｌＰ系化合物半導体との格子定数の違いによる歪みを吸収するため、ＩｎｙＧａ１−ｙＰのｙ＝０．２程度の単層またはｙを０から０．５に徐々に変化させる勾配層をバッファ層（図示せず）として０．１〜１μｍ程度の厚さに形成する場合がある。しかし、バッファ層がなくても成長することはできるし、ＧａＰ基板を貼着する場合にはなくても構わない。
【００１５】
発光層形成部９は、ＩｎＧａＡｌＰ系化合物半導体からなる活性層３をそれよりバンドギャップの大きいＩｎＧａＡｌＰ系化合物半導体材料からなるｎ形クラッド層２およびｐ形クラッド層４により挟持するダブルへテロ構造に形成されており、図１に示される例では、基板にｎ形ＧａＰ基板１が用いられているため、基板側にｎ形クラッド層２が３０μｍ以上の厚さで設けられ、活性層３は、たとえば赤色光を得る組成になるように定められている。この発光層形成部９の成長は、目的とする素子の発光波長などにより必要な組成にしたり（Ａｌの組成比を変えたり、ドーパントをドーピングしたりする）、必要な厚さに成長される。
【００１６】
具体例としては、たとえば、Ｉｎ０．４９（Ｇａ０．２５Ａｌ０．７５）０．５１Ｐからなり、Ｓｅがドープされてキャリア濃度が１×１０１７〜１×１０１９ｃｍ−３程度、厚さが０．１〜２μｍ程度のｎ形クラッド層２と、Ｉｎ０．４９（Ｇａ０．８Ａｌ０．２）０．５１Ｐからなり、ノンドープで０．１〜２μｍ程度の厚さの活性層３と、Ｚｎがドープされてキャリア濃度が１×１０１６〜１×１０１９ｃｍ−３程度、厚さが０．１〜２μｍ程度で、ｎ形クラッド層２と同じ組成のＩｎＧａＡｌＰ系化合物半導体からなるｐ形クラッド層４との積層構造により形成される。
【００１７】
この発光層形成部９のｐ形クラッド層４上に、たとえばｐ形ＡｌｚＧａ１−ｚＡｓ（０．５≦ｚ≦０．８）からなるウィンドウ層５が１〜１０μｍ程度形成され、さらにその上でｐ側電極８の下側のみに、たとえばｐ形ＧａＡｓからなるコンタクト層６が積層されることにより、半導体積層部１０が形成されている。ウインドウ層５は、電流をチップ全体に広げると共に、光を吸収しないようなバンドギャップの材料からなり、また、できるだけ厚くしてサイドから光を取り出せるようにすることが好ましい。
【００１８】
なお、図１の例では示されていないが、ｎ形クラッド層２と半導体基板１との間に、屈折率の異なる半導体層をλ／（４ｎ）（λは発光波長、ｎは半導体層の屈折率）の厚さで交互に５〜４０層づつ程度積層する反射層（ＤＢＲ）が挿入されていたり、前述のように、バッファー層が挿入されていてもよい。反射層（ＤＢＲ）は、活性層や基板よりもバンドギャップが大きい層、たとえばＡｌＧａＡｓのＡｌの組成を変更した積層構造により得られる。
【００１９】
半導体積層部１０の表面側のコンタクト層６上に、Ａｕ−Ｂｅ／Ｎｉ／Ｔｉ／Ａｕなどからなるｐ側電極８、半導体基板１の裏面側に、Ａｕ−Ｇｅ／Ｎｉ／Ａｕなどからなるｎ側電極７がそれぞれ設けられた状態でチップ化されている。
【００２０】
このようなＬＥＤチップを製造するには、たとえばｎ形のＧａＰ基板１をＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相成長）装置内に入れ、反応ガスのトリエチルガリウム（以下、ＴＥＧという）、トリメチルアルミニウム（以下、ＴＭＡという）、トリメチルインジウム（以下、ＴＭＩｎという）、ホスフィン（以下、ＰＨ３という）およびｎ形ドーパントガスとしてのＨ２　Ｓｅの内の必要なガスをキャリアガスの水素（Ｈ２）と共に導入して成長する。
【００２１】
まず、半導体基板１表面に５００〜７００℃程度でエピタキシャル成長し、キャリア濃度が１×１０１６〜１×１０１９ｃｍ−３程度のＩｎ０．４９（Ｇａ０．２５Ａｌ０．７５）０．５１Ｐからなるｎ形クラッド層２を３０μｍ以上、たとえば５０μｍ程度エピタキシャル成長する。ついで、反応ガスのＴＭＡを減らしてＴＥＧを増やし、たとえばノンドープのＩｎ０．４９（Ｇａ０．８Ａｌ０．２）０．５１Ｐからなる活性層３を０．５μｍ程度、さらにｎ形クラッド層１２と同様の反応ガスで、ドーパントガスをジメチル亜鉛（ＤＭＺｎ）にして、ｐ形でキャリア濃度が１×１０１７〜１×１０１９ｃｍ−３程度のたとえばＩｎ０．４９（Ｇａ０．２５Ａｌ０．７５）０．５１Ｐからなるｐ形クラッド層４を１μｍ程度、ｐ形でキャリア濃度が１×１０１７〜１×１０２０ｃｍ−３程度のたとえばＡｌ０．７Ｇａ０．３Ａｓからなるｐ形ウィンドウ層５、ｐ形でキャリア濃度が１×１０１７〜１×１０２０ｃｍ−３程度のたとえばＧａＡｓからなるｐ形コンタクト層６それぞれ成長し、半導体積層部１０を形成する。そして、半導体積層部１０上に電極用の金属Ａｕ−Ｔｉ合金、Ａｕ−Ｚｎ／Ｎｉ合金またはＡｕ−Ｂｅ／Ｎｉ合金などを成膜し、電極用金属膜をパターニングしてｐ側電極８を形成し、ｐ側電極８をマスクとして、ｐ形コンタクト層６のｐ側電極８で覆われていない部分をエッチングにより除去し、ｐ形コンタクト層６をパターニングする。また、ＧａＰ基板１の裏面の全面にＡｕ−Ｇｅ／Ｎｉ合金などを成膜してｎ側電極７を形成し、半導体基板１のダイシングしてチップ化することにより、図１に示されるＬＥＤチップが得られる。
【００２２】
この例では、ＧａＰ基板に直接ｎ形クラッド層２を成長したが、まず、キャリア濃度が１×１０１６〜１×１０１９ｃｍ−３程度で、ＩｎｙＧａ１−ｙＰのｙを０から０．５まで順次変更した勾配層またはＩｎ０．２Ｇａ０．８Ｐの単層をバッファ層として０．１〜１μｍ程度成長し、ついで前述のｎ形クラッド層２を成長することもできる。また、ＧａＰ基板１を貼り付ける場合には、ＧａＡｓ基板上に前述のｎ形クラッド層２、活性層３、ｐ形クラッド層４、ウインドウ層５、コンタクト層６を順次成長し、ｐ側電極８の金属膜を成膜した後、ｐ側電極用金属膜表面にテープなどの補強材を貼付し、ＧａＡｓ基板を研磨により除去し、その除去した部分にＧａＰ基板を合せて、８００〜１０００℃程度の温度で、１０４〜１０６Ｐａ程度の圧力をかけることにより、ＧａＰ基板１を貼り付けることができる。また、導電形は半導体基板がｐ形で、前述の各半導体層の導電形が逆になってもよい。
【００２３】
本発明による半導体発光素子によれば、基板側のクラッド層の厚さを３０μｍ以上にしているため、ダブルヘテロ構造の活性層で発光した光で、基板側に進む光でも、基板に達するまでに厚いクラッド層の側壁から外部に出る機会が非常に大きくなり、外部への光の取出し効率が非常に向上する。すなわち、従来は、基板としてＧａＰ基板を用いる場合には、ＧａＰ基板は活性層で発光する波長の光を吸収しないと考えられているため、外部への光の取出しには余り問題はないと考えられていたが、前述のように、本発明者らの鋭意検討の結果、ＧａＰを基板として用いても、充分に光を外に取り出せないことを見出し、基板側のクラッド層を３０μｍ以上の厚さに形成することにより、従来のＧａＰ基板を用いたものと比べて、２０％程度の輝度の向上に寄与した。
【００２４】
【発明の効果】
本発明によれば、ＧａＰ基板上にＩｎＧａＡｌＰ系化合物半導体からなる発光層形成部が設けられた半導体発光素子の外部への光の取出し効率が向上し、高輝度の半導体発光素子が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による半導体発光素子の一実施形態の断面構造の説明図である。
【図２】従来のＬＥＤチップの断面構造の説明図である。
【符号の説明】
１　　ＧａＰ基板
２　　ｎ形クラッド層
３　　活性層
４　　ｐ形クラッド層
５　　ウインドウ層
９　　発光層形成部
【図１】
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【図２】
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