(57)【要約】【課題】活性層が、その上層に起因して導電型がその上層と一致することなく、本来の導電型を維持して、活性層とその上層に形成される層との界面にのみＰＮ接合を形成することにより、信頼性が高く、安価な半導体発光素子を得ることを目的とする。【解決手段】第１導電型半導体基板１０上に、活性層１１、第２導電型クラッド層１２および電流拡散層１３がこの順に形成されてなるモノリシック構造の半導体発光素子であって、活性層１２が第１導電型を示すことを特徴とする半導体発光素子。この構成により、第２導電型クラッド層１２からの第２導電型不純物が拡散された場合においても、活性層１１が第２導電型化せずに、第１導電型を維持することができるため、セグメント分離を確実に行って電流の広がりを抑制し、部外発光を起こさせず、所定の部分からのみ発光を起こさせることができる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１導電型半導体基板上に、活性層、第２導電型クラッド層および電流拡散層がこの順に形成されてなるモノリシック構造の半導体発光素子であって、前記活性層が第１導電型を示すことを特徴とする半導体発光素子。
【請求項２】
半導体基板がＧａＡｓ基板であり、活性層がＡｌ、Ｇａ、Ａｓ、Ｉｎ及び／又はＰを構成元素として含有する半導体層である請求項１に記載の半導体発光素子。
【請求項３】
活性層が、不純物としてＳｉ又はＳｅを含有して第１導電型を示す請求項１又は２に記載の半導体発光素子。
【請求項４】
活性層が、不純物としてＺｎ又はＭｇを含有して第１導電型を示す請求項１又は２に記載の半導体発光素子。
【請求項５】
活性層が、３〜１０×１０１６ｃｍ−３に含有される第１導電型の不純物濃度を示す請求項１〜４のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
【請求項６】
活性層と第２導電型クラッド層との間に、さらにスペーサ層が形成されてなる請求項１〜５のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
【請求項７】
スペーサ層が、ノンドープ又は第２導電型クラッド層と同じ導電型である請求項６に記載の半導体発光素子。
【請求項８】
スペーサ層が、０．１〜０．２μｍの膜厚を有する請求項６又は７に記載の半導体発光素子。
【請求項９】
スペーサ層が、第２導電型クラッド層と同じ構成元素によって同じ組成で形成されてなる請求項６〜８のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
【請求項１０】
活性層がＧａＡｌＩｎＰにより形成され、第２導電型クラッド層がＧａＡｌＩｎＰにより形成され、かつ前記活性層のＡｌ混晶比が第２導電型クラッド層のＡｌ混晶比よりも小さい請求項１〜９のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
【請求項１１】
第２導電型クラッド層、スペーサ層のＡｌ混晶比がおよそ０．７、活性層のＡｌ混晶比がおよそ０．３である請求項１〜１０のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、半導体発光素子に関し、より詳細には、モノリシック構造の半導体発光素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のモノリシック構造の半導体発光素子（以下「モノリシックアレイ」と記す）は、例えば、図５（ｅ）に示すように、ｎ型ＧａＡｓ基板３０上に、ｎ型ＧａＡｓバッファ層（図示せず）、ｎ型ＡｌＩｎＰクラッド層３１、ノンドープ活性層３２、ｐ型ＡｌＩｎＰクラッド層３３、ＡｌＧａＡｓ電流拡散層３４がこの順に積層され、その上に、絶縁膜（図示せず）、ｐ型電極（図示せず）が形成され、ｎ型ＧａＡｓ基板の裏面にＮ型電極（図示せず）が形成されて構成される（例えば、特許文献１）。このような構成により、ノンドープ活性層３２とＰ型クラッド層３３との界面で発光（図５（ｅ）の３５参照）する。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上述したモノリシックアレイでは、図５（ａ）に示すように、ｎ型ＧａＡｓ基板３０上に、ｎ型ＧａＡｓバッファ層（図示せず）、ｎ型ＡｌＩｎＰクラッド層３１、ノンドープ活性層３２を形成し、図５（ｂ）に示すように、その上にｐ型クラッド層３３を形成するために、ｐ型クラッド層３３を形成する際に、ｐ型キャリヤが、活性層３２の内部まで拡散する（図５（ｂ）の矢印参照）。これにより、ノンドープ活性層３２のｐ型クラッド層３３側の一部がＰ型化される（図５（ｂ）〜（ｅ）の破線参照）。したがって、接合部が分離していない活性層においても電流が広がり、図５（ｄ）に示すように、発光部Ａが、設計に対して大幅に広がったり、意図しない部分が発光するなどの部外発光部Ｂが生じることがあった（図５（ｄ）参照）。
【０００４】
そのために、従来においては、部外発光部Ｂの発生を防止するために、図５（ｅ）に示すように、ｐ型化された活性層３２の一部をエッチングして、発光部Ａでのみ発光光３５が得られるように、部外発光部Ｂの発光面をエッチング除去していた（例えば、特許文献１）。
しかし、このようなエッチングは、エッチング量の制御が困難であるという課題があった。
本発明は上記課題を鑑みなされたものであり、活性層が、その上層に起因して導電型がその上層と一致することなく、本来の導電型を維持して、活性層とその上層に形成される層との界面にのみｐｎ接合を形成することにより、信頼性が高く、安価な半導体発光素子を得ることを目的とする。
【０００５】
【特許文献１】特開昭５８−２２３３８０号
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、第１導電型半導体基板上に、活性層、第２導電型クラッド層および電流拡散層がこの順に形成されてなるモノリシック構造の半導体発光素子であって、前記活性層が第１導電型を示す半導体発光素子が提供される。
このような構成により、第２導電型クラッド層からの第２導電型不純物が拡散された場合においても、活性層が第２導電型化せずに、第１導電型を維持することができるため、セグメント分離を確実に行って電流の広がりを抑制し、部外発光を起こさせず、所定の部分からのみ発光を起こさせることができる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本発明の半導体発光素子は、主として、第１導電型半導体基板上に、活性層、第２導電型クラッド層及び電流拡散層がこの順に形成されてなるモノリシック構造を有する。また、通常、半導体発光素子の上面、つまり電流拡散層の上及び下面、つまり、半導体基板の裏面には、電極が形成されている。電極は、通常、チタン、アルミニウム、金等の金属又は合金等によって形成することができ、形状は、特に限定されるものではなく、発光部の大きさ、配置等により、適宜調整することができる。
【０００８】
本発明においては、第１導電型とは、ｐ型又はｎ型を示し、第２導電型は、第１導電型とは逆の導電型、つまりｎ型又はｐ型を意味する。
半導体基板としては、ＧａＡｓ基板に限定されるものではない。なお、半導体基板の第１導電型の不純物濃度は、例えば、１〜５×１０１９ｃｍ−３程度が適当である。
【０００９】
活性層は、実質的に第１導電型を示す。このために第１導電型不純物を含有している。第１導電型不純物としては、ｎ型の場合にはＳｉ又はＳｅ等が挙げられる。ｐ型の場合には、Ｚｎ又はＭｇ等が挙げられる。活性層の不純物濃度は、発光光度に大きく影響する。例えば、図４に示すように、２５時間通電後において、活性層の不純物濃度が１×１０１７ｃｍ−３程度よりも高くなると、（１−劣化率（％））／１００で表される相対光度が７０％程度以下となり、発光素子の通電に対する変動が大きくなる。一方、不純物濃度が３×１０１６以下になると、後述するように、第２導電型からの不純物の拡散により第１導電型の不純物濃度が相殺されて低くなり、第１導電型を維持することが困難になる。
このようなことから、活性層の第１導電型を確保するためには、不純物濃度は、例えば、３〜３０×１０１６ｃｍ−３程度、さらには３〜１０×１０１６ｃｍ−３程度が好ましい。
【００１０】
活性層は、例えば、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｐを構成元素として含有する半導体層であることが適当である。具体的には、（Ｇａ１−ｘＡｌＸ）ＺＩｎ１−ｚＰ  （例えば、ｘ＝０．３、ｚ＝０．５、なお、０．１≦ｘ≦０．９、０．２≦ｚ≦０．８でもよい）が好ましい。活性層の膜厚は、例えば、０．４〜０．８μｍ程度が適当である。この場合のアルミニウムの組成比は、例えば、後述する第２導電型クラッド層の組成及びその比を考慮して、０．２〜０．５程度、０．３程度が好ましい。
【００１１】
第２導電型クラッド層は、例えば、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｐを構成元素として含有する半導体層であることが適当である。具体的には、（Ｇａ１−ｙＡｌｙ）ｍＩｎ１−ｍＰ  （例えば、ｙ＝０．７、ｍ＝０．５、なお、０．１≦ｙ≦０．９、０．２≦ｍ≦０．８でもよい）が好ましい。なお、活性層がＧａＩｎＡｌＰにより形成され、第２導電型クラッド層もＧａＩｎＡｌＰにより形成される場合には、第２導電型クラッド層のＡｌ混晶比が、活性層のＡｌ混晶比よりも大きいことが好ましい。具体的には、第２導電型クラッド層のＡｌ混晶比は、０．５〜０．９程度が挙げられ、０．７程度が好ましい。第２導電型クラッド層の不純物濃度は、例えば、１〜４×１０１７ｃｍ−３程度が適当である。膜厚は、例えば、０．７〜１．０μｍ程度が適当である。
【００１２】
電流拡散層は、発光素子、つまりＰＮ接合に効率的に電流を拡散させるために利用される層であり、例えば、Ａｌ、Ｇａ、Ａｓ、Ｉｎ及びＰを構成元素として含有する半導体層であることが適当である。具体的には、ＧａＡｌＡｓ、ＧａＡｌＩｎＰ等が挙げられる。なかでも、Ｇａ１−ｎＡｌｎＡｓ（ｎ＝０．７）が好ましい。電流拡散層の不純物濃度は、例えば、０．５〜２×１０１８ｃｍ−３程度が適当である。膜厚は、例えば、２〜４μｍ程度が適当である。
【００１３】
本発明の発光素子においては、活性層と第２導電型クラッド層との間に、さらにスペーサ層が形成されていることが好ましい。このスペーサ層により、第２導電型クラッド層から活性層への不純物拡散を緩和させることができ、活性層を第１導電型に維持するのに効果的となる。スペーサ層は、半導体層により形成されていることが好ましく、例えば、活性層、第２導電型クラッド層、電流拡散層を構成する層と同様の材料が挙げられる。なかでも、スペーサ層は、第２導電型クラッド層と同じ構成元素によって同じ組成で形成されていることが好ましい。また、スペーサ層は、形成時においては、実質的にノンドープ層として形成される。膜厚は、例えば、０．１〜０．２μｍ程度が適当である。
【００１４】
また、本発明の発光素子においては、第１導電型半導体基板と活性層との間、第２導電型クラッド層と電流拡散層との間、電流拡散層の上等の所望の位置に、さらに、第１又は第２導電型あるいはノンコープのバッファ層、クラッド層、絶縁層等が所定の形状で形成されていてもよい。これらの層は、当該分野で公知の材料、膜厚、形状等で形成することができる。
以下に、本発明の半導体発光素子の実施の形態を、図面に基づいて詳細に説明する。
【００１５】
実施の形態１
図１（ａ）に示すように、ｎ型ＧａＡｓ基板１０上に、ｎ型ＧａＡｓバッファ層（図示せず）、ｎ型Ａｌ０．５Ｉｎ０．５Ｐクラッド層１１、ｎ型（Ｇａ０．７Ａｌ０．３）０．５Ｉｎ０．５Ｐ活性層１２をこの順にＭＯＣＶＤ法により形成した。この際、活性層１２には、Ｓｉが８×１０１６ｃｍ−３で含有されるように不純物をドープした。また、ｎ型ＧａＡｓバッファ層、ｎ型Ａｌ０．５Ｉｎ０．５Ｐクラッド層１１、ｎ型（Ｇａ０．７Ａｌ０．３）０．５Ｉｎ０．５Ｐ活性層１２の膜厚は、それぞれ０．１μｍ、０．７５μｍ、０．６μｍとした。
【００１６】
続いて、図１（ｂ）に示すように、活性層１２の上に、ｐ型（Ｇａ０．３Ａｌ０．７）０．５Ｉｎ０．５Ｐクラッド層１３、ｐ型ＧａＡｌＡｓ電流拡散層１４をこの順にＭＯＣＶＤ法により形成し、ウェハを完成した。ｐ型（Ｇａ０．３Ａｌ０．７）０．５Ｉｎ０．５Ｐクラッド層１３、ｐ型ＧａＡｌＡｓ電流拡散層１４の膜厚は、それぞれ０．８５μｍ、３．０μｍとした。活性層１２上に形成するｐ型のクラッド層１３、Ｐ型の電流拡散層１４には、ドーパントとしてＺｎが２．５×１０１７ｃｍ−３で含有されるように不純物をドープした。なお、ｐ型のクラッド層を形成する際に、ｐ型の不純物が活性層１２内に拡散するが、予め活性層にはｎ型の不純物がドープされているため、活性層１２はＰ型化されず、Ｎ型のままである。
【００１７】
このようにして得られたウェハの上全面に、スパッタ法によりＡｕ合金膜を形成し、フォトリソグラフィ工程により形成したレジストパターンをマスクとして用いて、エッチングによりパターンニングし、所定形状の電極（図示せず）とした。
得られたウェハの上全面に、レジストを塗布し、フォトリソグラフィ工程により形成したレジストパターンをマスクとし、エッチャントとして硫酸系エッチング液とリン酸を用いて、図１（ｃ）に示すように、ｐ型の電流拡散層１４、ｐ型のクラッド層１３をエッチングによりパターンニングした。この際、活性層１２のＡｌ混晶比が、ｐ型のクラッド層１３のＡｌ混晶比よりも小さいため、このエッチャントにより、活性層１２表面でエッチングがストップする。
【００１８】
このようにして、図１（ｄ）及び図２（ａ）、（ｂ）に示すように、１チップ内において、ｐ型クラッド層１３下の活性層１２との界面で、ｐｎ接合部である発光部Ａを部分的に複数個形成し、モノリシックアレイ構造とした。なお、各発光部Ａには、電極１６がそれぞれ接続されており、基板１０裏面には電極２０が形成されている（図２参照）。これにより、図１（ｄ）に示すように、ｐ型クラッド層１３下の活性層１２との界面の発光部Ａでのみ発光光１５が生じ、部外発光は起こらない。このため、活性層１２をさらにエッチングする必要がなく、容易に素子を形成することができる。
その後、ウェハをダイシング等によりチップに分割した。
【００１９】
得られた半導体発光素子に通電したところ、ｐｎ接合Ａが活性層１２内の中央部付近に形成されないため、部外発光は生じない。また、セグメント分離を確実に行うことができ、電流の広がりを抑え、良好な発光状態が得られた。
なお、この実施の形態において、すべての層のｐ型とｎ型とを変更してもよい。その場合には、不純物は、Ｓｉに変えて、Ｚｎ又はＭｇを用いることができる。
【００２０】
実施の形態２
この実施の形態では、図３に示すように、活性層とｐ型のクラッド層との間にスペーサ層１７を配置させる以外は、実質的に実施の形態１と同様の半導体発光素子である。
スペーサ層１７は、実質的にノンドープの層として、ｐ型のクラッド層１３と同様に、（Ｇａ０．３Ａｌ０．７）０．５Ｉｎ０．５Ｐにより、膜厚０．１〜０．２μｍ程度で形成される。
このようなスペーサ層１７により、ｐ型のクラッド層１３からのＰ型の不純物の拡散が緩和し、活性層１２のｎ型をさらに効果的に維持することができる。
【００２１】
【発明の効果】
本発明によれば、モノリシック構造の半導体発光素子において、活性層が第１導電型不純物を含有するため、活性層が形成された後に、その上層に起因する第２導電型の不純物が活性層に拡散しても、活性層の伝導型を第１導電型に維持することができ、部外発光を抑制することができる。しかも、このように、部外発光を抑制するために再度の活性層のエッチング加工等を回避することができ、結果的に高性能の半導体発光素子を簡便に、歩留まりよく形成することができるため、安価な半導体発光素子を提供することが可能になる。
【００２２】
半導体基板がＧａＡｓ基板であり、活性層がＡｌ、Ｇａ、Ｉｎ及びＰを構成元素として含有する半導体層である場合、さらに、活性層に含有される第１導電型不純物がＳｉ又はＳｅである場合には、第１導電型不純物（例えば、Ｓｉ）が活性層における元素（例えば、Ｚｎ）と、活性層内で化合物を形成しないため、発光する領域間の電気的分離を確実に行うことができる。
また、活性層に含有される第１導電型不純物濃度が３〜１０×１０１６ｃｍ−３である場合には、特に、活性層における不純物濃度を最適化して、発光素子形成後における活性層の第１導電型を確実にすることができ、信頼性を向上させることができる。
【００２３】
活性層と第２導電型クラッド層との間に、さらにスペーサ層が形成されてなる場合には、第２導電型クラッド層から活性層への第２導電型不純物の拡散を緩和することができる。また、スペーサ層に第２導電型不純物が拡散して実質的に第２導電型となるため、スペーサ層が第２導電型クラッド層とともに、活性層との界面においてＰＮ接合を形成させることが可能となる。
スペーサ層が、第２導電型クラッド層と同じ構成元素によって同じ組成で形成されてなる場合には、発光する領域を形成する際に、第２導電型クラッド層のエッチング時に同時にスペーサ層もエッチングすることができるため、より製造工程が簡略化され、ひいては、より安価な半導体発光素子を得ることができる。
活性層のＡｌ混晶比が第２導電型クラッド層のＡｌ混晶比よりも小さい場合には、第２導電型クラッド層、任意にスペーサ層を除去する際に、活性層の表面でエッチングがストップするため、発光する領域のエッチング及び終点の制御を容易に行うことができ、より、簡便で安価な半導体発光素子を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の半導体発光素子の製造方法の実施の形態を説明するための概略断面工程図である。
【図２】本発明の半導体発光素子の概略断面図及び平面図である。
【図３】本発明の半導体発光素子の製造方法の別の実施の形態を説明するための概略断面工程図である。
【図４】本発明の半導体発光素子における活性層の不純物濃度と光度残存率を示すグラフである。
【図５】従来の半導体発光素子の製造方法を示す概略断面工程図である。
【符号の説明】
１０  基板
１１  クラッド層
１２  活性層
１３  クラッド層
１４  電流拡散層
１５  発光光
１６、２０    電極
１７  スペーサ層
２０  電極
Ａ      発光部
Ｂ      部外発光部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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