(57)【要約】【課題】  電流拡散層とその上に設けられる電極との間の接触面積を大きくすることにより電流密度を下げて駆動電圧を低くしながら、電極の投影面積を大きくせず、表面側から取り出す光の遮断が増えない半導体発光素子を提供する。【解決手段】  基板１上にｎ形層３およびｐ形層５が積層され発光層を形成する発光層形成部１１が設けられ、発光層形成部１１の表面側に電流拡散層６が設けられている。その電流拡散層６の表面に電極８が設けられ、その電極８と接触する部分の電流拡散層６の表面に凹凸面が形成されている。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、該基板上にｎ形層およびｐ形層が積層され発光層を形成する発光層形成部と、該発光層形成部の表面側に設けられる電流拡散層と、該電流拡散層の表面に設けられる電極とを備える半導体発光素子であって、
前記電極と接触する部分の前記電流拡散層の表面が凹凸面に形成されており、
前記凹凸面において、凹部の縁が、隣接する他の凹部の縁と接触している半導体発光素子。
【請求項２】
前記凹凸面において、隣接する凹部同士が接触することによって生ずる凸部が、前記発光層に対して垂直な平面による断面において、所定の角度を有する三角形状となっている請求項１の半導体発光素子。
【請求項３】
前記凸部の所定の角度が９０度以内である請求項２の半導体発光素子。
【請求項４】
前記凹凸面は、横方向より深さ方向が大きくなっている請求項１ないし３のいずれか1項の半導体発光素子。
【請求項５】
前記電流拡散層の厚みが１０μｍ〜７０μｍ程度である請求項１ないし４のいずれか1項の半導体発光素子。
【請求項６】
前記電流拡散層が、発光層からの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ている請求項５の半導体発光素子。
【請求項７】
前記電流拡散層が、ＧａＰからなる請求項６の半導体発光素子。
【請求項８】
前記電流拡散層のキャリア濃度が２×１０18〜２×１０19ｃｍ-3程度である請求項７の半導体発光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はＡｌＧａＩｎＰ系の化合物半導体材料を用いる可視光の発光素子に関する。さらに詳しくは、半導体結晶層の成長時間を短くしながら電流を発光素子チップの全面に拡散して発光効率を向上させ得る半導体発光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の可視光の半導体発光素子は、たとえば発光層形成部にＡｌＧａＩｎＰ系の化合物半導体材料を用い、図５に示されるような構造になっている。すなわち、図５において、ｎ形のＧａＡｓからなる半導体基板２１上に、たとえばｎ形のＡｌＧａＩｎＰ系の半導材料からなるｎ形クラッド層２２、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のノンドープのＡｌＧａＩｎＰ系の半導体材料からなる活性層２３、ｐ形のＡｌＧａＩｎＰ系の半導体材料からなるｐ形クラッド層２４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２９が形成されている。
さらにその表面にＧａＰからなるｐ形の電流拡散層２５が順次エピタキシャル成長され、その表面にｐ側電極２７、半導体基板２１の裏面側にｎ側電極２８がそれぞれＡｕ-Ｇｅ-Ｎｉ合金などにより形成されることにより構成されている。
【０００３】
この構造の発光素子では、積層された半導体層の表面側、すなわちｐ側電極２７側からの光が利用され、光を遮断するｐ側電極２７はできるだけ小さい面積で形成される。一方、この電流拡散層２５は、電流を拡散すると共に、活性層２３で発光する光を吸収しないことが望ましく、バンドギャップエネルギーの大きい材料であるＧａＰが用いられている。このＧａＰ層は、バンドギャップが比較的大きいため、その表面に設けられる電極用の金属との間の接触抵抗を充分に下げることができず、比較的接触が良好なＡｕ-Ｇｅ-Ｎｉ合金を用いても、金属と半導体界面での電圧降下が大きい。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
前述のように、ＧａＰが用いられる電流拡散層とその上に設けられる電極金属との電気的接触を充分に得ることができない。しかし、電極材料は光を透過させないため、その面積を大きくすると、その表面側に取り出す光が少なくなり、結局外部に取り出すことができる発光量が低下する。そのため、一定量の発光量を得るためには電流密度を高くして電流を増やすしかない。その結果、動作電圧が上昇するという問題がある。
【０００５】
本発明の目的は、このような問題を解決し、電流拡散層とその上に設けられる電極との間の接触面積を大きくすることにより電流密度を下げて駆動電圧を低くしながら、電極の投影面積が大きくならず表面側から取り出す光の遮断が増えない半導体発光素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明による半導体発光素子は、基板と、該基板上にｎ形層およびｐ形層が積層され発光層を形成する発光層形成部と、該発光層形成部の表面側に設けられる電流拡散層と、該電流拡散層の表面に設けられる電極とを備える半導体発光素子であって、前記電流拡散層の厚みが１０μｍ〜７０μｍ程度であり、前記電極と接触する部分の前記電流拡散層の表面が凹凸面に形成されている。
【０００７】
この構造にすることにより、電極の平面的な面積を大きくすることなく、電流拡散層との接触面積が大きくなり、その間の接触抵抗が小さくなって電圧降下を低くすることができる。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、同じ輝度の発光を得る場合に動作電圧を低くすることができ、低い駆動電圧で輝度の大きい半導体発光素子が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
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。本発明の半導体発光素子は、図１にその一例の断面構造が示されるように、ｎ形のＧａＡｓ基板１上にたとえばＡｌＧａＩｎＰ系化合物半導体からなり発光層を形成する発光層形成部１１が堆積され、その表面にＧａＰからなるｐ形の電流拡散層６が１０〜７０μｍ程度設けられ、その表面および基板１の裏面にＡｕ-Ｇｅ-Ｎｉ合金などからなるｐ側電極８およびｎ側電極９がそれぞれ設けられている。本発明ではＧａＰからなるｐ形の電流拡散層６のｐ側電極８が設けられる部分に凹凸部６ａが形成され、その凹凸面にｐ側電極８が設けられていることに特徴がある。ここにＡｌＧａＩｎＰ系材料とは、（Ａｌx Ｇａ1-x ）0.51Ｉｎ0.49Ｐ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、（Ａｌx Ｇａ1-x ）とＩｎの混晶比率の０.５１および０.４９はＡｌＧａＩｎＰ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する。
【００１０】
電流拡散層６は、ｐ側電極８とのオーミックコンタクトを得るために高いキャリア濃度で光をできるだけ吸収しない層として設けられている。すなわち、キャリア濃度が２×１０18〜２×１０19ｃｍ-3程度で、バンドギャップが大きく光を吸収しにくいＧａＰ層からなっている。この電流拡散層６は、通常は電流をチップ内に広く拡散させるため、１０〜７０μｍ程度の厚さに形成されるが、電流の拡散作用を他の方法で行い、薄くする場合もある。しかし、いずれの場合でも、少なくとも２μｍ以上の厚さで設けられる。
【００１１】
電流拡散層６の凹凸面６ａは、電流拡散層６を成長した後に、たとえばＨＣｌまたはＨＣｌ＋ＨＮＯ3 のエッチング液により、フォトリソグラフィの方法で０.３〜３分程度のエッチングを行うことにより凹凸の山谷の高さが１〜２μｍ程度の深さで形成される。この凹凸は、エッチングなどによる通常の形成法では図２（ａ）に示されるように、平均的には横方向と深さ方向との比はほぼ同程度の寸法（４５゜の傾斜面）で形成され、その場合には表面積の増加は深さには余り影響しない。しかし、凹凸面の形成を顕著にするためには１μｍ以上に設けられるのが好ましい。電流拡散層６は少なくとも２μｍ以上は設けられるため、１μｍは設けることができ、電流拡散層の厚さに応じて変化させることもできる。このような横方向と深さ方向の大きさがほぼ同じになる凹凸面の形成法は、前述のウェットのケミカルエッチングのほかに、イオンビームエッチング、プラズマエッチングなどの方法により形成することができる。
【００１２】
一方、図２（ｂ）に示されるように、横方向に対して深さ方向に大きくなる凹凸が形成されるほど表面積が大きくなり好ましい。この横方向より深さ方向が大きくなるような凹凸面は、フォトリソグラフィの方法でエッチング時間を制御することにより、形成することができる。このような横方向より深さ方向が深くなる凹凸面を形成する方法は、前述の方法以外にイオンビームエッチング、プラズマエッチングなどの方法を用いることができる。
【００１３】
発光層形成部１１は、ＡｌＧａＩｎＰ系化合物半導体からなり、キャリア濃度が１×１０17〜１×１０19ｃｍ-3程度で、厚さが０.１〜２μｍ程度のｎ形クラッド層３と、ノンドープで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のＡｌＧａＩｎＰ系化合物半導体からなり、０.１〜２μｍ程度の厚さの活性層４と、Ｚｎがドープされてキャリア濃度が１×１０16〜１×１０19ｃｍ-3程度で、厚さが０.１〜２μｍ程度のｎ形クラッド層３と同じ組成のＡｌＧａＩｎＰ系化合物半導体からなるｐ形クラッド層５との積層構造からなっている。なお、ＧａＡｓ基板１上に図示しないバッファ層を介してこれらの発光層形成部１１が積層される場合もある。その場合、バッファ層は、ｎ形のＧａＡｓからなり、厚さが０.１〜２μｍ程度でキャリア濃度が１×１０17〜１×１０19ｃｍ-3程度に形成される。
【００１４】
前述の電流拡散層６の表面にＡｕ-Ｔｉ合金、またはＡｕ-Ｇｅ-Ｎｉ合金などからなるｐ側電極８が、またＧａＡｓ基板１の裏面にＡｕ-Ｇｅ-Ｎｉ合金などからなるｎ側電極９がそれぞれ真空蒸着などにより設けられている。
【００１５】
つぎに、図１に示される半導体発光素子の製法を図３の工程説明図を参照しながら説明する。まず、図３（ａ）に示されるように、たとえばｎ形のＧａＡｓ基板１をＭＯＣＶＤ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）またはトリメチルガリウム（以下、ＴＭＧという）およびアルシン（以下、ＡｓＨ3 という）、ＳｅのドーパントガスであるＨ2 Ｓｅをキャリアガスの水素（Ｈ2 ）と共に導入し、５００〜８００℃程度でエピタキシャル成長し、キャリア濃度が１×１０18ｃｍ-3程度になるようにＳｅがドープされたｎ形のＧａＡｓからなるバッファ層（図示せず）を０.１μｍ程度成膜する。ついで、ＡｓＨ3 に代えてホスフィン（以下、ＰＨ3 という）を、さらにＴＭＡおよびトリメチルインジウム（以下、ＴＭＩｎという）を導入し、ｎ形でキャリア濃度が１×１０16〜１×１０19ｃｍ-3程度のたとえば（Ａｌ0.7 Ｇａ0.3 ）0.51Ｉｎ0.49Ｐからなるｎ形クラッド層３を０.５μｍ程度、反応ガスのＴＭＡを減らしてＴＭＧを増やし、たとえばノンドープの（Ａｌ0.25Ｇａ0.75）0.51Ｉｎ0.49Ｐからなる活性層４を０.５μｍ程度、ｎ形クラッド層３と同様の反応ガスで、Ｈ2 Ｓｅの代わりに、Ｚｎのドーパントガスとしてのジメチル亜鉛（ＤＭＺｎ）を導入してキャリア濃度が１×１０16〜１×１０19ｃｍ-3の（Ａｌ0.7 Ｇａ0.3 ）0.51Ｉｎ0.49Ｐからなるｐ形クラッド層５を０.５μｍ程度エピタキシャル成長する。さらに、ドーパントガスのＤＭＺｎを導入しながら、反応ガスをＴＭＧおよびＰＨ3 にして、ＧａＰの成長を続け、キャリア濃度が２×１０18〜２×１０19ｃｍ-3程度の電流拡散層６を５μｍ程度形成する。
【００１６】
つぎに、図３（ｂ）に示されるように、ＭＯＣＶＤ装置からウェハを取り出して電流拡散層６の表面にフォトレジストなどのマスク（図示せず）を設ける。そして、電極の形成部のみを露出させ、ＨＣｌ系またはＨＣｌ＋ＨＮＯ3 系のエッチング液により、０.３〜３分程度エッチングをして電極の形成部の表面を凹凸にし、凹凸面６ａを形成してマスクを除去する。
【００１７】
ついで、図３（ｃ）に示されるように、真空蒸着装置にウェハを入れ、ＮｉおよびＴｉ、またはＡｕ、ＧｅおよびＮｉをそれぞれ成膜し、シンターし、パターニングすることによりＡｕ-Ｔｉ合金、またはＡｕ-Ｇｅ-Ｎｉ合金などからなるｐ側電極８を形成する。さらに、基板１の裏面にＡｕ-Ｇｅ-Ｎｉ合金などからなるｎ側電極９を形成し、ダイシングしてチップ化することにより、図１に示されるような半導体発光素子が得られる。
【００１８】
本発明によれば、電極が設けられる電流拡散層の表面に凹凸が形成されているため、電流拡散層と電極金属との接触面積が増加する。すなわち、図２（ａ）に示されるように、凹凸の傾斜面が４５゜で形成されているとすると、その表面積は２1/2 倍となり、約１.４倍となる。そのため電流密度を下げることができ、図４に電圧−電流密度特性が示されるように、同じ電流を得るためには電流密度を１／１.４にすることができ、電圧を下げることができる。図４でＡはオーミック接触タイプで、Ｂはショットキー接触タイプであるが、いずれの構造においても接触面積が大きくなることにより、動作電圧をそれぞれＶ10からＶ11、Ｖ20からＶ21に低下することができる。一方、平面的な面積（投影面積）は増加しないため、その面積により光を遮断する量が増えることはない。その結果、同じ電流を得るのに電極と半導体層との間の電圧降下を少なくして動作電圧を下げることができる。図２（ｂ）に示されるように深い凹凸が形成されることにより、さらに接触面積を大きくすることができる。
【００１９】
なお、前述の例では、電流拡散層と電極との間の接触がオーミック接触構造のＬＥＤであったが、電流拡散層がＡｌＧａＰ系化合物半導体からなるＬＥＤのようなショットキー接触型構造のＬＥＤでも同様である。また、活性層４を両クラッド層３、５により挟持し、活性層４と両クラッド層３、５の材料を変えた構造、たとえばＡｌの混晶比を異ならせ、活性層にキャリアや光を閉じ込めやすくして活性層４を発光層とするダブルヘテロ接合構造であるが、活性層４を介さないでｐｎ接合が形成され、ｐｎ接合部に発光層を形成する構造のもでもよい。
【００２０】
さらに、前述の例では、半導体発光素子を構成する各半導体層として、ＡｌＧａＩｎＰ系化合物半導体の具体的な半導体材料を用い、その厚さやキャリア濃度に特定の例が示されているが、これらの例には限定されず、ＡｌＧａＡｓ系化合物半導体などの他の化合物半導体を用いる場合も同様である。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の半導体発光素子の一実施形態の断面構造を示す図である。
【図２】図１の電流拡散層と電極との境界面に形成される凹凸面の説明図である。
【図３】図１の半導体発光素子の製造工程を示す説明図である。
【図４】凹凸面が設けられることにより動作電圧が低下する例の説明図である
【図５】従来の半導体発光素子の断面構造を示す図である。
【符号の説明】
【００２２】
１    基板
３    ｎ形クラッド層
４    活性層
５    ｐ形クラッド層
６    電流拡散層
１１    発光層形成部
【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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