(57)【要約】【課題】側面に向う光を非常に有効にチップ外に取り出し、全体としての発光効率を向上させ、大きな輝度が得られる半導体発光素子をを提供する。【解決手段】半導体基板１上に、発光層を形成するように少なくともｎ形クラッド層２およびｐ形クラッド層４が積層される発光層形成部９とウインドウ層５とが設けられている。そのウインドウ層５上および半導体基板１の裏面に一対のｐ側電極８およびｎ側電極７が設けられている。このウインドウ層５が、エッチングレートを異ならせ得る少なくとも２種類の半導体からなる第１および第２ウインドウ層５１、５２の積層構造で、しかもそれぞれがほぼλ／（２ｎ）となる厚さに設けられ、かつ、そのウインドウ層５の外部に露出する側面がエッチングにより凸凹に形成されている。【選択図】　　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板と、該半導体基板上に積層され、発光層を形成するように少なくともｎ形層およびｐ形層が積層される発光層形成部と、該発光層形成部上に設けられるウインドウ層と、該ウインドウ層上および前記半導体基板の裏面に設けられる一対の電極とからなり、前記ウインドウ層が、エッチングレートを異ならせ得る少なくとも２種類の半導体層の積層構造であると共に、該少なくとも２種類の半導体層のそれぞれは該半導体層の屈折率をｎ、前記発光層で発光する光の波長をλとするとき、ほぼλ／（２ｎ）またはその整数倍となる厚さに設けられ、かつ、該ウインドウ層の外部に露出する側面がエッチングにより凸凹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、ＡｌＧａＡｓ系またはＩｎＧａＡｌＰ系などの化合物半導体材料が用いられ、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３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１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】
【発明が解決しようとする課題】
この種の半導体発光素子では、図３に示されるように、発光層で発光した光は上面に進む光だけでなく、四方に放射され横方向にも進む。ランプタイプの湾曲状のカップ内にＬＥＤチップが設けられる構造はもちろん、チップ型のＬＥＤでも、外部に反射部材があり、一般的には横方向から素子外に出た光でも、輝度に寄与する。しかし、半導体層の積層構造であるＬＥＤチップから外部に光が出る場合、半導体層の屈折率が約３．３〜３．８程度あり、周囲が空気層であるとその屈折率は１であり、周囲を樹脂などで被覆する場合でも、樹脂の屈折率は１．５程度であり、２６°程度以下の入射角でないと全反射して半導体積層部内での反射を繰返してチップ外に光を取り出すことができず、また、外部が空気であれば屈折率は１であり、さらに入射角が小さく、１８°程度以下でないと全反射してしまい、図３に示されるようにチップ内で全反射を繰り返してやがて吸収されてしまい、輝度を向上させることができない。
【０００４】
一方、たとえば特開２０００−１９６１４１号公報には、このような半導体積層部から光を取り出しやすくするため、Ｂｒ２またはＩ２を含むエッチング液によりチップ表面を処理することにより、周囲を粗面にする方法が開示されている。しかし、均一な組成の材料からなる表面をエッチング液のみにより凸凹にしようとしても、そのときのエッチング条件などでバラツキが非常に大きく、常に一定の凸凹を形成することができず、品質が安定しないと共に、輝度を充分に向上させることもできない。
【０００５】
本発明は、このような状況に鑑みてなされたもので、側面に向う光を非常に有効にチップ外に取り出し、全体としての発光効率（外部微分量子効率）を向上させ、大きな輝度が得られる半導体発光素子を提供することを目的とする。
【０００６】
【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、半導体基板と、該半導体基板上に積層され、発光層を形成するように少なくともｎ形層およびｐ形層が積層される発光層形成部と、該発光層形成部上に設けられるウインドウ層と、該ウインドウ層上および前記半導体基板の裏面に設けられる一対の電極とからなり、前記ウインドウ層が、エッチングレートを異ならせ得る少なくとも２種類の半導体層の積層構造であると共に、該少なくとも２種類の半導体層のそれぞれは該半導体層の屈折率をｎ、前記発光層で発光する光の波長をλとするとき、ほぼλ／（２ｎ）またはその整数倍となる厚さに設けられ、かつ、該ウインドウ層の外部に露出する側面がエッチングにより凸凹に形成されている。
【０００７】
ここにほぼλ／（２ｎ）とは、正確にこの寸法になっていなくても、たとえば±１５％程度、その厚さに増減があっても差し支えないことを意味する。
【０００８】
この構造にすることにより、チップ化した半導体積層部の側壁を両者のエッチングレートが異なるようなエッチング液を用いてエッチングすることにより、エッチングレートの大きい半導体材料の層は、内部までエッチングされ、エッチングレートの小さい半導体材料の層は余りエッチングされないため、ウインドウ層の側面が凸凹になる。しかも、この凸凹部は、半導体材料の違いに基づくエッチングレートの差により形成されるため、一定のエッチング液を用いれば、必ず一定の凸凹を形成することができ、非常に安定した凸凹を形成することができる。そのため、その凸凹部に光が到達するとその入射角が不規則になり、たとえ全反射しても、再度別の凸凹部に到達すると、外部に出やすくなる。その結果、内部で全反射を繰り返すことなく、外部に取り出しやすいため、外部への光の取出し効率が向上する。一方、上方に進む光は、各半導体層がほぼλ／（２ｎ）またはその整数倍の厚さに形成されているため、従来通り上方に進み、サイドから出る光が増加する分だけ輝度を向上させることができる。
【０００９】
【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、たとえば半導体基板１上に、発光層を形成するように少なくともｎ形層（ｎ形クラッド層）２およびｐ形層（ｐ形クラッド層）４が積層される発光層形成部９とウインドウ層５とが設けられている。そして、そのウインドウ層５上および半導体基板１の裏面に一対の電極（ｐ側電極８およびｎ側電極７が設けられている。本発明では、このウインドウ層５が、エッチングレートを異ならせ得る少なくとも２種類の半導体層５１、５２の積層構造であると共に、その少なくとも２種類の半導体層５１、５２のそれぞれは、それぞれの半導体層の屈折率をｎ、発光層形成部９で発光する光の波長をλとするとき、ほぼλ／（２ｎ）またはその整数倍となる厚さに設けられ、かつ、そのウインドウ層５の外部に露出する側面がエッチングにより凸凹に形成されていることに特徴がある。
【００１０】
すなわち、ウインドウ層５は電流をチップ全体に広げると共に、発光する光が直接上部電極８で吸収されにくくし、その側面から光を取り出せるように形成されているが、本発明では、このウインドウ層５を、たとえばＡｌｚ１Ｇａ１−ｚ１Ａｓ（０．６５≦ｚ１≦０．８５、たとえばｚ１＝０．８）からなる第１のウインドウ層５１と、Ａｌｚ２Ｇａ１−ｚ２Ａｓ（０．４≦ｚ２≦０．６、たとえばｚ２＝０．５）からなる第２のウインドウ層５２の積層構造からなっている。この第１および第２のウインドウ層５１、５２は、それぞれλ／（２ｎ）の厚さに形成されている。たとえば発光波長λ＝６３０ｎｍで、Ａｌ０．８Ｇａ０．２Ａｓの屈折率ｎ＝３．２７であれば、第１ウインドウ層５１は９６．３ｎｍの厚さであり、第２ウインドウ層５２は、Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓ（ｎ＝３．６５）であるので、８６．３ｎｍの厚さに形成される。これが、５０〜６００層づつ程度積層され、ウインドウ層５の全体として、１〜１０μｍ程度の厚さに形成されている。
【００１１】
ウインドウ層５の厚さが厚いときは、λ／（２ｎ）の２倍または３倍などの整数倍の厚さで交互に繰り返すことにより、積層数を減らすことができる。このような整数倍にしても、凸凹のアールは依然として小さく、この側面にきた光の入射角を小さくすることができ、外部に出やすくすることができながら、製造時（ウインドウ層５成長時）の積層数を増やす煩わしさを解消することができる。
【００１２】
さらに、このウインドウ層５は、その側面がたとえばＨＣｌとＨ２Ｏがそれぞれ１：１から２：１で混合された（ＨＣｌが４７ｗｔ％）エッチング液によりエッチングされており、エッチング液の温度によっても変化するが、室温でエッチングレートは５：３程度となり、エッチングされ難い組成の半導体層である第２ウインドウ層５２でも、角部はエッチングされやすいため、図１に示されるように、その側面には波形の凸凹が形成されている。
【００１３】
第１ウインドウ層５１と第２ウインドウ層５２との組合せは、この例に限らず、エッチングレートを異ならせ得る層の組合せにすればよく、たとえばＡｌｚ３Ｇａ１−ｚ３Ａｓ（０．５≦ｚ３≦０．９、たとえばｚ３＝０．７）と、Ｉｎ０．４９（Ｇａ１−ｘ４Ａｌｘ４）０．５１Ｐ（０．４≦ｘ４≦１、たとえばｚ４＝０．５）の組合せにすることもできる。また、２種類の半導体層による積層構造に限定されるものではなく、３種類以上の半導体層の積層構造にすることもできる。
【００１４】
半導体基板１は、ＡｌＧａＡｓやＩｎＧａＡｌＰからなる半導体積層部を成長するにはＧａＡｓが一般に用いられるが、ＧａＰなどの光を透過する材料からなる基板でもよい。また、半導体基板１は、ｐ形、ｎ形のいずれでもよく、半導体基板１上に成長させる半導体積層部１０との関係で決まる。
【００１５】
発光層形成部９は、図１に示される例では、活性層３をそれよりバンドギャップの大きい材料からなる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、たとえば、赤色光を得るためにはＩｎＧａＡｌＰ系材料、赤外光を得るためにはＡｌＧａＡｓ系材料、が主として用いられる。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】
ここにＩｎＧａＡｌＰ系材料とは、Ｉｎ０．４９（Ｇａ１−ｘＡｌｘ）０．５１Ｐの形で表され、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。なお、Ｉｎと（ＡｌｘＧａ１−ｘ）の混晶比率の０．４９および０．５１はＩｎＧａＡｌＰ系材料が積層されるＧａＡｓなどの半導体基板と格子整合される比率であることを意味し、ＡｌＧａＡｓ系材料とは、ＡｌｙＧａ１−ｙＡｓの形で表され、ｙ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。
【００１７】
具体例としては、たとえば、ＩｎＧａＡｌＰ系化合物半導体からなる場合には、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。一方、ＡｌＧａＡｓ系化合物半導体からなる場合には、Ａｌ０．７Ｇａ０．３Ａｓ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、Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓ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ＡｌＧａＡｓ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。
【００１８】
この発光層形成部９のｐ形クラッド層４上に前述のウィンドウ層５が積層構造で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。
【００１９】
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、バッファー層が挿入されていてもよい。またｎ形クラッド層２の半導体基板１側にも前述と同様の積層構造からなるウィンドウ層５と同様の組成でｎ形ウィンドウ層を形成することもできる。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。バッファー層は、半導体基板１と同じ材料であったり、半導体基板１と半導体基板１上の半導体層との格子不整合を緩和することができる層、たとえば、半導体積層部１０がＩｎＧａＡｌＰ系化合物で半導体基板１がＧａＡｓの場合には、ＧａＡｓやＩｎＧａＰやＩｎＧａＡｌＰ系化合物、半導体積層部１０がＡｌＧａＡｓ系材料で半導体基板１がＧａＡｓの場合には、ＧａＡｓやＡｌＧａＡｓ系化合物などが考えられる。
【００２０】
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。
【００２１】
このようなＬＥＤチップを製造するには、たとえば図２（ａ）に示されるように、ｎ形のＧａＡｓ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。
【００２２】
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０．５μｍ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からなる第１ウインドウ層５１およびＡｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓからなる第２ウインドウ層５２をそれぞれλ／（２ｎ）の厚さで、交互に５０〜６００層程度づつ積層し、ｐ形ウィンドウ層５を成長する。
【００２３】
この場合、第１ウインドウ層５１から第２ウインドウ層５２に組成を変える場合、ＴＭＡとＴＥＧの流量比を変えることにより得られる。また、厚さを制御するには、成長温度および反応ガスの流量を一定にしておけば、時間により制御することができる。さらに、引き続きウインドウ層５上に、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を成長し、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、電極用金属膜を図２（ｂ）に示されるようにパターニングして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。
【００２４】
つぎに、素子ごとに分割を行うため、図２（ｃ）に示されるようにホトリソグラフィー技術を用いて、レジスト１１で素子分離領域以外を覆い、分離領域を塩酸と水を１：１から２：１の割合で混合した液（ＨＣｌが４７ｗｔ％）により室温で約３分（レート６μｍ／ｍｉｎ）エッチングすることにより半導体基板１に到達するまで行う。この分離領域のエッチングは、チップの大きさが、たとえば３３０μｍ×３３０μｍ程度の大きさになるように形成される。また、分離領域の幅は、後のダイシングの際にブレードが当らないように、３０μｍ程度の幅に形成することが好ましい。ダイシングのブレードが当ると、凹凸は形成されるが、ダメージを受け、発光効率が低下するため好ましくない。
【００２５】
さらに連続して、たとえばＨＣｌとＨ２Ｏがそれぞれ１：１で混合された（ＨＣｌが４７ｗｔ％）エッチング液により室温で、５分程度エッチングする。その結果、Ａｌ組成の大きい第１ウインドウ層５１は内部までエッチングされ、Ａｌ組成の小さい第２ウインドウ層５２は内部へのエッチング量が小さく、図２（ｄ）に示されるように、チップ側面に凸凹が形成される。
【００２６】
その後、素子表面を覆っていたレジストを剥離した後、半導体基板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をダイシングしてチップ化する。
【００２７】
本発明による半導体発光素子によれば、ウインドウ層がエッチングレートの異なる半導体層の積層構造を利用してチップ側面に凸凹を形成されているため、発光層で発光した光は四方に放射され、チップ側面にも向うが、側面に向った光はその大部分であるウインドウ層の凸凹の側面に入射する。そのため、側面への入射角が小さくなりやすく、全反射しないで外部に放射されたり、全反射してもその反射方向が従来と変り、チップ内で全反射を繰り返すことなく、いずれかの面から外部に放射されやすい。一方、上方に真っ直ぐ進む光は、積層構造の半導体層がほぼλ／（２ｎ）またはその整数倍の厚さに形成されているため、上方にはそのまま透過の状態となり、従来と同様の量が透過し、殆ど影響を受けることがない。その結果、従来は側面で反射してチップ内で全反射を繰り返して消滅していた光を側面および上面から効率よく取り出すことができ、全体的な外部へ取り出す光量を向上させることができる。
【００２８】
前述の例では、発光層形成部を、ノンドープの活性層をそれよりバンドギャップの大きいｎ形とｐ形のクラッド層により挟持するダブルヘテロ構造の例であったが、ｐ形層とｎ形層とを直接接合するｐｎ接合構造にしてもよい。また、導電形は半導体基板側がｐ形で、前述の各半導体層の導電形が逆になってもよい。
【００２９】
【発明の効果】
本発明によれば、上方への光の取出しを低下させることなく、側面に向った光を側面から出やすくすると共に上面にも反射させて取り出しやすくしているため、上面および側面の全体から取り出す光量を大きくすることができる。しかも側面の凸凹を常に同じ構造で一定に形成することができるため、、安定的に外部取出し発光効率を向上させた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および側面にきた光の反射を説明する図である。
【図２】図１に示される半導体発光素子の製法の工程を示す説明図である。
【図３】従来のＬＥＤチップの断面構造による光の内部反射を説明する図である。
【符号の説明】
１　　半導体基板
２　　ｎ形層（ｎ形クラッド層）
３　　活性層
４　　ｐ形層（ｐ形クラッド層）
５　　ウインドウ層
９　　発光層形成部
１０　　半導体積層部
５１　　第１ウインドウ層
５２　　第２ウインドウ層
【図１】
2004047530.tif 000003
【図２】
2004047530.tif 000004
【図３】
2004047530.tif 000005