(57)【要約】【課題】従来構造よりも低コストで高輝度な半導体発光素子を提供する。【解決手段】第一導電型の半導体基板１上に、第一導電型のクラッド層２、アンドープ活性層３、第二導電型のクラッド層４からなる発光部１０１が積層された半導体発光素子１００において、発光部１０１の一部である第一導電型のクラッド層２中に、互いに組成が異なる２層の半導体層５ａ，５ｂを一対とする多層膜からなるクラッド側光反射層５が具備されたものである。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第一導電型の半導体基板上に、第一導電型のクラッド層、アンドープ活性層、第二導電型のクラッド層からなる発光部が積層された半導体発光素子において、
前記発光部の一部である前記第一導電型のクラッド層中に、互いに組成が異なる２層の半導体層を一対とする多層膜からなるクラッド側光反射層が具備されたことを特徴とする半導体発光素子。
【請求項２】
前記アンドープ活性層は、（ＡｌXＧａ1-X）YＩｎ1-YＰ（０≦Ｘ≦１，０≦Ｙ≦１）からなり、
前記第一導電型のクラッド層および前記クラッド側光反射層は、前記発光部より発光した光に対して透明な（ＡｌXＧａ1-X）YＩｎ1-YＰ（０≦Ｘ≦１，０≦Ｙ≦１）からなる請求項１記載の半導体発光素子。
【請求項３】
前記クラッド側光反射層は、その多層膜の各半導体層の層厚が、下記の関係式より求まる設計層厚ｄの±３０％以内の範囲である請求項１又は２記載の半導体発光素子。
ｄ＝λp／（４×ｎ）
（但し、λpは発光部より発光した光のピーク波長であり、ｎは各半導体層の半導体材料の屈折率である）
【請求項４】
前記第一導電型の半導体基板と前記発光部との間に、互いに組成が異なる２層の半導体層を一対とする多層膜からなる基板側光反射層が更に具備された請求項１〜３いずれか記載の半導体発光素子。
【請求項５】
前記基板側光反射層は、前記発光部より発光した光に対して透明なＡｌXＧａ1-XＡｓ（０≦Ｘ≦１）からなる請求項４記載の半導体発光素子。
【請求項６】
前記基板側光反射層は、その多層膜の各半導体層の層厚が、下記の関係式より求まる設計層厚ｄの±３０％の範囲である請求項４又は５記載の半導体発光素子。
ｄ＝λp／（４×ｎ）
（但し、λpは発光部より発光した光のピーク波長であり、ｎは各半導体層の半導体材料の屈折率である）
【請求項７】
前記基板側光反射層は、その多層膜の層数が４０層以下である請求項４〜６いずれか記載の半導体発光素子。
【請求項８】
前記第一導電型の半導体基板と前記基板側光反射層との間に、ＧａＡｓからなる第一導電型のバッファ層が挿入されている請求項４〜７いずれか記載の半導体発光素子。
【請求項９】
前記第一導電型のクラッド層は、その層厚が２００ｎｍ以上４００ｎｍ以下である請求項１〜８いずれか記載の半導体発光素子。
【請求項１０】
前記第一導電型の半導体基板が、ＧａＡｓからなる請求項１〜９いずれか記載の半導体発光素子。
【請求項１１】
前記アンドープ活性層が、多重量子井戸構造である請求項１〜１０いずれか記載の半導体発光素子。
【請求項１２】
前記第一導電型のクラッド層と前記アンドープ活性層との間に、前記第一導電型のクラッド層よりもキャリア濃度が低いか、若しくはアンドープの挿入層が挿入されている請求項１〜１１いずれか記載の半導体発光素子。
【請求項１３】
前記第二導電型のクラッド層と前記アンドープ活性層との間に、前記第二導電型のクラッド層よりもキャリア濃度が低いか、若しくはアンドープの挿入層が挿入されている請求項１〜１２いずれか記載の半導体発光素子。
【請求項１４】
前記発光部上に、第二導電型の電流分散層が更に積層され、
前記第二導電型のクラッド層と前記第二導電型の電流分散層との間に、それらの間のバンドギャップエネルギーを有する介在層が積層された請求項１〜１３いずれか記載の半導体発光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、第一導電型の半導体基板上に、第一導電型のクラッド層、アンドープ活性層、第二導電型のクラッド層からなる発光部を積層した、高輝度の半導体発光素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
最近、ＡｌＧａＩｎＰ系エピタキシャルウェハを用いて製造する、赤色から緑色の高輝度発光ダイオード（Light-Emitting Diode、以降ＬＥＤとも書く）の需要が大幅に伸びている。主な需要は、携帯電話の液晶用バックライト、表示灯、交通用信号灯、自動車のブレーキランプなどである。
【０００３】
ＡｌＧａＩｎＰは、窒化物を除くIII／Ｖ族化合物半導体の中で最大のバンドギャップを有する直接遷移型半導体であり、従来のＧａＰや、ＡｌＧａＡｓなどの間接遷移型半導体を用いた発光ダイオードと比較して、赤色から緑色に相当する可視波長域において高輝度の発光が可能である。
【０００４】
一般に製造販売されている高輝度発光ダイオードの内部量子効率は極めて高い値にあり、これまで以上の高輝度化を求めるには、内部量子効率を向上させるよりも、外部量子効率を向上させた方が効果的である（例えば、特許文献１〜３）。
【０００５】
図４に、外部量子効率を高めるための典型的な構造を有する従来の半導体発光素子の断面構造を示す。図４に示す各半導体層は、第一導電型の半導体基板を除き、全ての層が有機金属気相成長法（Metal-Organic Vapor Phase Epitaxy、以降ＭＯＶＰＥ法と書く）によってエピタキシャル成長で形成されている。
【０００６】
図４における半導体発光素子４０では、第一導電型の半導体基板１の上に、第一導電型のバッファ層６と、異なる２層の半導体層７ａ，７ｂを一対とする多層膜からなる基板側光反射層７が積層され、その基板側光反射層７の上に、第一導電型のクラッド層２、アンドープ活性層３、第二導電型のクラッド層４を順次成長してなる発光部４１が積層され、さらに発光部４１の上に、第二導電型の電流分散層８が積層され、第二導電型の電流分散層８と発光部４１との間に、それらの間のバンドギャップエネルギーを有する第二導電型の介在層９が積層されている。また、半導体発光素子４０の表面および裏面には、表面電極１０および裏面電極１１がそれぞれ形成されている。
【０００７】
この半導体発光素子４０が備える基板側光反射層７は、アンドープ活性層３より発光して第一導電型の半導体基板１に向かう光を、反対方向へ反射させる役割を担い、これにより半導体発光素子４０の外部量子効率を高め、第一導電型の半導体基板１に吸収される光を、半導体発光素子４０の外部に効率良く取り出すことができる。
【０００８】
一般的には、基板側光反射層７は、発光部４１からの光を反射して高輝度化することを目的に、第一導電型の半導体基板１と発光部４１との間に設けられる。また、基板側光反射層７は、その多層膜のペア数が多ければ多いほど、光反射効果は大きくなる。因みに、基板側光反射層７は所謂分布ブラッグ反射鏡（Distributed Bragg Reflector；ＤＢＲ）層であり、２層の半導体層７ａ，７ｂの層厚は、各々の屈折率をＣ、Ｄとすると、アンドープ活性層３の発光ピーク波長λpに対して、λp／（４×Ｃ）、λp／（４×Ｄ）と設計される。
【０００９】
ここで、ＡｌＧａＩｎＰ系のアンドープ活性層３に対する基板側光反射層７の構成として、例えば特許文献１〜３では、Ａｌ0.5Ｉｎ0.5Ｐ層とＧａＡｓ層のペアとしたものと、Ａｌ0.5Ｉｎ0.5Ｐ層と（Ａｌ0.4Ｇａ0.6）0.5Ｉｎ0.5Ｐ層のペアとしたものの、何れかが用いられている。基板側光反射層７での光反射率を良くするためには、光反射層を構成する異なる半導体層７ａ，７ｂの屈折率の差が大きければ大きいほど良い。屈折率差を考慮すると、ＡｌＡｓ層とＧａＡｓ層のペアで製作した方が光反射率に優れる（ＡｌＡｓの屈折率は約３．１１、ＧａＡｓの屈折率は約３．８５、Ａｌ0.5Ｉｎ0.5Ｐの屈折率は約３．１８、（Ａｌ0.4Ｇａ0.6）0.5Ｉｎ0.5Ｐの屈折率は約３．３８）。しかし、ＧａＡｓはＡｌＧａＩｎＰ系の活性層から発光した光を吸収して赤外光を放出するため、発光した光に対して透明であり屈折率差の大きいＡｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ層とＡｌＡｓ層のペアが光反射層として好適に用いられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開平３−１１４２７７号公報
【特許文献２】特開平７−８６６３８号公報
【特許文献３】特開平１１−８７７６７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
第一導電型のクラッド層の層厚は、４００ｎｍから１０００ｎｍにするのが一般的であり、半導体発光素子の内部量子効率は極めて高い値にある。このため、従来構造の半導体発光素子を現状より更に高輝度化するには、外部量子効率を高めるために、光反射層の層数を多くする必要がある。しかしながら、光反射層の層数を多くすることは、当然ながら高コストとなる。
【００１２】
つまり半導体発光素子を一般的な構造とすると、現状よりも発光素子の製造コストを低くすることができない。
【００１３】
本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、従来構造よりも低コストで高輝度な半導体発光素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記目的を達成するために創案された本発明は、第一導電型の半導体基板上に、第一導電型のクラッド層、アンドープ活性層、第二導電型のクラッド層からなる発光部が積層された半導体発光素子において、前記発光部の一部である前記第一導電型のクラッド層中に、互いに組成が異なる２層の半導体層を一対とする多層膜からなるクラッド側光反射層が具備されたものである。
【００１５】
前記アンドープ活性層は、（ＡｌXＧａ1-X）YＩｎ1-YＰ（０≦Ｘ≦１，０≦Ｙ≦１）からなり、前記第一導電型のクラッド層および前記クラッド側光反射層は、前記発光部より発光した光に対して透明な（ＡｌXＧａ1-X）YＩｎ1-YＰ（０≦Ｘ≦１，０≦Ｙ≦１）からなると良い。
【００１６】
前記クラッド側光反射層は、その多層膜の各半導体層の層厚が、下記の関係式より求まる設計層厚ｄの±３０％以内の範囲であると良い。
ｄ＝λp／（４×ｎ）
（但し、λpは発光部より発光した光のピーク波長であり、ｎは各半導体層の半導体材料の屈折率である）
【００１７】
前記第一導電型の半導体基板と前記発光部との間に、互いに組成が異なる２層の半導体層を一対とする多層膜からなる基板側光反射層が更に具備されると良い。
【００１８】
前記基板側光反射層は、前記発光部より発光した光に対して透明なＡｌXＧａ1-XＡｓ（０≦Ｘ≦１）からなると良い。
【００１９】
前記基板側光反射層は、その多層膜の各半導体層の層厚が、下記の関係式より求まる設計層厚ｄの±３０％の範囲であると良い。
ｄ＝λp／（４×ｎ）
（但し、λpは発光部より発光した光のピーク波長であり、ｎは各半導体層の半導体材料の屈折率である）
【００２０】
前記基板側光反射層は、その多層膜の層数が４０層以下であると良い。
【００２１】
前記第一導電型の半導体基板と前記基板側光反射層との間に、ＧａＡｓからなる第一導電型のバッファ層が挿入されていると良い。
【００２２】
前記第一導電型のクラッド層は、その層厚が２００ｎｍ以上４００ｎｍ以下であると良い。
【００２３】
前記第一導電型の半導体基板が、ＧａＡｓからなると良い。
【００２４】
前記アンドープ活性層が、多重量子井戸構造であると良い。
【００２５】
前記第一導電型のクラッド層と前記アンドープ活性層との間に、前記第一導電型のクラッド層よりもキャリア濃度が低いか、若しくはアンドープの挿入層が挿入されていると良い。
【００２６】
前記第二導電型のクラッド層と前記アンドープ活性層との間に、前記第二導電型のクラッド層よりもキャリア濃度が低いか、若しくはアンドープの挿入層が挿入されていると良い。
【００２７】
前記発光部上に、第二導電型の電流分散層が更に積層され、前記第二導電型のクラッド層と前記第二導電型の電流分散層との間に、それらの間のバンドギャップエネルギーを有する介在層が積層されると良い。
【発明の効果】
【００２８】
本発明によれば、第一導電型のクラッド層に対し、本来のクラッド層の役割以外に、光反射層の効果も持たせることによって、半導体基板と発光部との間に設けられる従来の光反射層の層厚を厚くすることなく、低コストで高輝度の半導体発光素子を製作できる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の半導体発光素子の断面構造を示す模式図である。
【図２】本発明の半導体発光素子の上面図である。
【図３】本発明の半導体発光素子の断面構造を示す模式図である。
【図４】従来の半導体発光素子の断面構造を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
以下に、本発明の好適な実施の形態について添付図面に基づいて説明する。
【００３１】
本発明者は、上述の課題を達成すべく鋭意検討を行った結果、発光部の一部である第一導電型のクラッド層に対して、本来のクラッド層としての役割以外に、光反射層としての効果も持たせることによって、第一導電型の半導体基板と第一導電型のクラッド層との間に設けられる従来の光反射層の層厚を厚くすることなく、低コストで高輝度の半導体発光素子を製作できるとの知見に至った。
【００３２】
図１は、本実施の形態に係る半導体発光素子の断面構造を示す模式図である。なお、図１に示す半導体発光素子１００の基本構造は、図４に示した従来の半導体発光素子４０と同一であるので、共通の部分には同一の符号を付してその説明を省略する。
【００３３】
半導体発光素子１００は、第一導電型の半導体基板１上に、第一導電型のクラッド層２、アンドープ活性層３、第二導電型のクラッド層４からなる発光部１０１が主に積層され、発光部１０１の一部である第一導電型のクラッド層２中に、互いに組成が異なる２層の半導体層５ａ，５ｂを一対とする多層膜からなるクラッド側光反射層５が具備されたものである。具体的には、発光部１０１より発光した光に対して透明で、第一導電型のクラッド層２と同種の半導体材料からなり、互いに組成が異なる２層の半導体層５ａ，５ｂを一対とした多層膜からなるクラッド側光反射層５が、第一導電型のクラッド層２中に具備されている。例えば、第一導電型のクラッド層２が第一導電型の（ＡｌXＧａ1-X）YＩｎ1-YＰ（０≦Ｘ≦１，０≦Ｙ≦１）からなる場合、同じく第一導電型の（ＡｌXＧａ1-X）YＩｎ1-YＰで形成される２層の半導体層５ａ，５ｂを一対とする多層膜からなるクラッド側光反射層５が具備される。
【００３４】
２層の半導体層５ａ，５ｂを構成する半導体材料の組成は、クラッド側光反射層５の半導体特性（バンドギャップエネルギー、価電子帯の準位など）が、第一導電型のクラッド層２と同等になるような組成の組み合わせから選択される。例えば、第一導電型のクラッド層２がＡｌＧａＩｎＰ系のｎ型（Ａｌ0.7Ｇａ0.3）0.5Ｉｎ0.5Ｐからなるとき、クラッド側光反射層５は、ＡｌＧａＩｎＰ系のｎ型Ａｌ0.5Ｉｎ0.5Ｐからなる半導体層５ａと、ｎ型（Ａｌ0.4Ｇａ0.6）0.5Ｉｎ0.5Ｐからなる半導体層５ｂを一対とする多層膜からなる。これにより、クラッド側光反射層５は、クラッド層としての効果を有することができる。
【００３５】
なお、クラッド側光反射層５のキャリア濃度（すなわち、添加するドーパントの濃度）は、基板側光反射層７よりも低くすることが好ましい。これは、クラッド側光反射層５からアンドープ活性層３へのドーパントの拡散を抑止するためである。
【００３６】
また、クラッド側光反射層５は、その多層膜の各半導体層５ａ，５ｂの層厚を、下記の関係式より求まる設計層厚ｄとされる。
ｄ＝λp／（４×ｎ）
（但し、λpは発光部１０１より発光した光のピーク波長であり、ｎは各半導体層５ａ，５ｂの半導体材料の屈折率である）
【００３７】
これにより、クラッド側光反射層５はＤＢＲ層となり、光反射層としての効果を有することができる。
【００３８】
なお本発明は、多層膜の各半導体層５ａ，５ｂの層厚を上記の関係式より求まる設計層厚ｄに限定するものではなく、一対で構成されている各半導体層５ａ，５ｂの層厚のバランスを崩して、ピーク波長λpとは異なる所望の波長の光を反射するようにしても良い。各半導体層５ａ，５ｂの層厚を、設計層厚ｄの±３０％以内の範囲で調節することにより、所望の波長の光をクラッド側光反射層５で反射して、半導体発光素子１００から取り出す光の波長を調節することができる。また、各半導体層５ａ，５ｂに行う層厚のバランス調節は、第一導電型の半導体基板１側に積層されている基板側光反射層７の各半導体層７ａ，７ｂについても、同様に行うことができる。
【００３９】
本発明では、クラッド側光反射層５の多層膜の層数（すなわち、２層の半導体層５ａ，５ｂの合計層数）は、特に限定されない。第一導電型のクラッド層２の層厚を超えない範囲で、任意の層数の多層膜からなるクラッド側光反射層５とすることができる。
【００４０】
次に、半導体発光素子１００の各部の詳細について説明する。
【００４１】
第一導電型の半導体基板１としては、安価な第一導電型のＧａＡｓ基板を用いることができる。ＧａＡｓの他にも、ＧａＰ、ＳｉＣ、サファイアなどの公知の半導体材料から選択可能である。
【００４２】
アンドープ活性層３は、赤色から緑色の範囲で高輝度に発光する（ＡｌXＧａ1-X）YＩｎ1-YＰ（０≦Ｘ≦１，０≦Ｙ≦１）からなり、第一導電型のクラッド層２，第二導電型のクラッド層４は、発光部１０１より発光する光に対して透明な、第一導電型の（ＡｌXＧａ1-X）YＩｎ1-YＰと、第二導電型の（ＡｌXＧａ1-X）YＩｎ1-YＰからなる。なお、各クラッド層２，４を構成する（ＡｌXＧａ1-X）YＩｎ1-YＰの組成は、アンドープ活性層３からキャリアが漏れ出さないように、アンドープ活性層３よりもバンドギャップエネルギーが大きくなるような組成とされる。
【００４３】
クラッド側光反射層５の多層膜を構成する２層の半導体層５ａ，５ｂは、第一導電型のクラッド層２と同じく、第一導電型の（ＡｌXＧａ1-X）YＩｎ1-YＰ（０≦Ｘ≦１，０≦Ｙ≦１）からなる。この２層の半導体層５ａ，５ｂを構成する半導体材料の組成は、発光部１０１より発光する光に対して透明で、２層の屈折率差を大きくでき、かつ、クラッド側光反射層５としての半導体特性が第一導電型のクラッド層２と同等となる組み合わせから選択される。
【００４４】
また、基板側光反射層７の多層膜を構成する２層の半導体層７ａ，７ｂは、発光部１０１より発光した光に対して透明な第一導電型のＡｌXＧａ1-XＡｓ（０≦Ｘ≦１）からなる。この２層の半導体層７ａ，７ｂを構成する半導体材料の組成は、発光部１０１より発光する光に対して透明で、２層の屈折率差を大きくできる組み合わせから選択される。
【００４５】
第一導電型のバッファ層６，第二導電型の介在層９，第二導電型の電流分散層８には、それぞれ公知の半導体材料を使用することができ、ここでは詳細な説明は省略する。一例では、第一導電型のバッファ層６として第一導電型のＧａＡｓを、第二導電型の介在層９として第二導電型のＧａ0.7Ｉｎ0.3Ｐを、第二導電型の電流分散層８として第二導電型のＧａＰを、それぞれ使用することができる。
【００４６】
表面電極１０および裏面電極１１は、従来と同じ構成とすることができ、例えば金・ベリリウム合金（ＡｕＢｅ合金）、ニッケル（Ｎｉ）、金（Ａｕ）を順次積層し、これを加熱してアロイ化処理したものを用いることができる。なお、表面電極１０の形状は、発光部１０１での電流分布を均一にでき、かつ、発光した光を遮る部分を少なくできる形状とされ、例えば図２に示すように、半導体発光素子１００の中央に円形の基部１０ａを有し、その基部１０ａから四方に延びる直線状の腕部１０ｂを有する形状とされる。
【００４７】
これら半導体発光素子１００を構成する半導体層１〜９のうち、第一導電型の半導体基板１を除く各層２〜９は、ＭＯＶＰＥ法により形成される。
【００４８】
ＭＯＶＰＥ法において用いる原料ガスは、Ｇａの原料としてトリメチルガリウム（ＴＭＧａ）またはトリエチルガリウム（ＴＥＧａ）、Ａｌの原料としてトリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）、Ｉｎの原料としてトリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）、などの有機金属ガスを用いる。その他、Ａｓ源としてアルシン（ＡｓＨ3）、Ｐ源としてホスフィン（ＰＨ3）、などの水素化物ガスを用いる。
【００４９】
各層２〜９の導電型を決定するための不純物原料として、ｎ型の半導体層には、セレン化水素（Ｈ2Ｓｅ）、ジシラン（Ｓｉ2Ｈ6）、モノシラン（ＳｉＨ4）、ジエチルテルル（ＤＥＴｅ）、ジメチルテルル（ＤＭＴｅ）などの不純物原料ガスを用いる。また、ｐ型の半導体層には、ビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ2Ｍｇ）、ジメチルジンク（ＤＭＺｎ）やジエチルジンク（ＤＥＺｎ）を用いる。
【００５０】
これら原料ガスを、ＭＯＶＰＥ炉内で加熱した第一導電型の半導体基板１上に所定の流量比で供給し、各層２〜９を順次成長させることで、半導体発光素子１００を製造するための発光素子用エピタキシャルウェハが得られる。
【００５１】
このエピタキシャルウェハの表面および裏面に、真空蒸着法などにより表面電極１０および裏面電極１１を形成し、これを切断して得たベアチップをステム上にマウントした後、ベアチップにワイヤボンディングを行うことで、半導体発光素子１００が製造される。
【００５２】
以上を要するに、本実施の形態に係る半導体発光素子１００は、発光部１０１の一部である第一導電型のクラッド層２中に、互いに組成の異なる２層の半導体層５ａ，５ｂを一対とする多層膜からなるクラッド側光反射層５を具備したものである。
【００５３】
これにより、発光部１０１から裏面側に向けて発光した光をクラッド側光反射層５で反射し、より高輝度の半導体発光素子１００とすることができる。
【００５４】
また、クラッド側光反射層５が、本来のクラッド層としての効果に加え、光反射層としての効果を有することにより、第一導電型の半導体基板１と発光部１０１との間に積層する基板側光反射層７の層数及び層厚を厚くすることなく、低コストで高輝度の半導体発光素子１００を製作できる。具体的には、基板側光反射層７の多層膜の層数を４０層（２０対）以下として低コスト化しても、高輝度半導体発光素子として十分な発光出力（輝度）の光を取り出すことができる。
【００５５】
さらに、クラッド側光反射層５を具備して外部量子効率を高めたことにより、内部量子効率を高めるための第一導電型のクラッド層２の層厚を２００〜４００ｎｍとして低コスト化しても、高輝度半導体発光素子として十分な輝度の光を取り出すことができる。
【００５６】
なお、本発明は上記実施の形態に限られず、種々の変形が可能である。
【００５７】
例えば図３に示すように、第一導電型のクラッド層２とアンドープ活性層３との間に、第一導電型のクラッド層２よりもキャリア濃度が低いか、若しくはアンドープの挿入層１２ａが挿入され、第二導電型のクラッド層４とアンドープ活性層３との間に、第二導電型のクラッド層４よりもキャリア濃度が低いか、若しくはアンドープの挿入層１２ｂが挿入されていても良い。これら挿入層１２ａ，１２ｂをアンドープ活性層３の上下に挿入した発光部３０１を有する半導体発光素子３００では、さらに高輝度の光を取り出すことができる。アンドープ活性層３の上下に挿入層１２ａ，１２ｂの双方を挿入するほかにも、アンドープ活性層３の上下のうち一方のみに挿入層１２ａ若しくは挿入層１２ｂを挿入する構造としても、本発明の意図する効果が得られることは容易推考である。
【００５８】
なお、これら挿入層１２ａ，１２ｂの層厚は、２００ｎｍ以下であることが好ましい。これは、挿入層１２ａ，１２ｂにより半導体発光素子３００を高出力化（高輝度化）できる一方で、順方向電圧が高くなるためである。より好ましい層厚は、５０〜１００ｎｍである。つまり、アンドープ活性層３の上下に挿入層１２ａ，１２ｂの双方を挿入する場合、その合計層厚は４００ｎｍ以下が望ましく、１００〜２００ｎｍがより望ましい。
【００５９】
また、上記実施の形態では、第一導電型の半導体基板１と基板側光反射層７との間に、第一導電型のバッファ層６を積層する構造としたが、積層しなくても本発明の意図する効果が得られることは容易推考である。
【００６０】
また、上記実施の形態では、アンドープ活性層３を単層構造としたが、多重量子井戸構造としても、本発明の意図する効果が得られることは容易推考である。
【００６１】
また、上記実施の形態では、表面電極１０の形状を、円形の基部１０ａとその基部１０ａから四方に延びる直線状の腕部１０ｂとを有する形状としたが、この形状以外の異形状、例えば四角、菱形、多角形、櫛形などの形状を有した表面電極であっても、本発明の意図する効果が得られることは容易推考である。
【００６２】
また、上記実施の形態では、第一導電型のクラッド層２の一部として設けたクラッド側光反射層５の材料を、第一導電型のクラッド層２と同種のＡｌＧａＩｎＰ系材料として形成したが、Ａｓ系材料とＰ系材料を一つのペアとして形成しても、本発明の意図する同等の効果が得られることは容易推考である。但し、この場合は、内部量子効率が若干低下するため、キャリア濃度を高くする必要がある。
【実施例】
【００６３】
以下に、本発明の実施例および比較例について説明する。
【００６４】
［実施例１］
図１に示した構造の半導体発光素子１として、発光ピーク波長６３１ｎｍ付近の赤色ＬＥＤ素子を作製した。ＬＥＤ素子の作製に用いたＬＥＤ用エピタキシャルウェハのエピタキシャル成長法、エピタキシャル層層厚、エピタキシャル構造や電極形成方法、及びＬＥＤ素子製作方法は、以下の通りである。なお、ｎ型の半導体層のドーパントにはＳｅ元素を、ｐ型の半導体層のドーパントにはＭｇ元素を用いた。
【００６５】
まず、第一導電型の半導体基板１としてのｎ型ＧａＡｓ基板（１５°オフ）上に、ＭＯＶＰＥ法で、第一導電型のバッファ層６としてｎ型ＧａＡｓ層（層厚２００ｎｍ、キャリア濃度１×１０18／ｃｍ3）を成長させた。その上に、ｎ型ＡｌＡｓ層（層厚５０．７ｎｍ）からなる半導体層７ａとｎ型Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ層（層厚４５．０ｎｍ）からなる半導体層７ｂの２層を１ペアとして、各々１５層ずつ交互に積層した１５ペア（３０層）の多層膜からなる基板側光反射層７を成長させた。基板側光反射層７のキャリア濃度は、約１×１０18／ｃｍ3とした。
【００６６】
次に、基板側光反射層７の上に、ｎ型Ａｌ0.5Ｉｎ0.5Ｐ層（層厚４９．６ｎｍ）からなる半導体層５ａとｎ型（Ａｌ0.4Ｇａ0.6）0.5Ｉｎ0.5Ｐ層（層厚４７．９ｎｍ）からなる半導体層５ｂの２層を１ペアとして、各々２層ずつ交互に積層した２ペア（４層）の多層膜からなるクラッド側光反射層５を成長させた。クラッド側光反射層５のキャリア濃度は、双方共に５×１０17／ｃｍ3とした。キャリア濃度を基板側光反射層７よりも低くしたのは、アンドープ活性層３へのドーパントの拡散を抑止するためである。
【００６７】
さらにその上に、第一導電型のクラッド層２としてｎ型（Ａｌ0.7Ｇａ0.3）0.5Ｉｎ0.5Ｐ層（層厚２００ｎｍ、キャリア濃度４×１０17／ｃｍ3）、アンドープ活性層３としてｉ型（Ａｌ0.1Ｇａ0.9）0.5Ｉｎ0.5Ｐ層（層厚６００ｎｍ）、第二導電型のクラッド層４としてｐ型（Ａｌ0.7Ｇａ0.3）0.5Ｉｎ0.5Ｐ層（層厚５００ｎｍ、キャリア濃度２×１０17／ｃｍ3）、第二導電型の介在層９としてｐ型Ｇａ0.7Ｉｎ0.3Ｐ層（層厚２０ｎｍ、キャリア濃度６×１０18／ｃｍ3）、第二導電型の電流分散層８としてｐ型ＧａＰ層（層厚８０００ｎｍ、キャリア濃度４×１０18／ｃｍ3）を、ＭＯＶＰＥ法で順次積層成長させた。
【００６８】
ここで、ＭＯＶＰＥ成長での成長温度は、第一導電型のバッファ層２から第二導電型の介在層９までを６５０℃とし、その上の第二導電型の電流分散層８は６７５℃として成長した。その他の成長条件は、成長圧力は５０Ｔｏｒｒ（６．６６ｋＰａ）、成長速度は０．３〜１．５ｎｍ／ｓｅｃ、Ｖ／III比は約１５０で行った。但しＶ／III比については、第二導電型の電流分散層９のみ２５とした。因みにここで言うＶ／III比とは、分母をＴＭＧａやＴＭＡｌなどのIII族原料のモル数とし、分子をＡｓＨ3、ＰＨ3などのＶ族原料のモル数とした比率（商）を指す。
【００６９】
上述のようにして作製されたＬＥＤ用エピタキシャルウェハをＭＯＶＰＥ装置から搬出した後、当該ＬＥＤ用エピタキシャルウェハの表面（上面）に、レジストやマスクアライナなどの一般的なフォトリソグラフィプロセスに用いられる器材と周知の方法を駆使して、ワイヤボンディング部分（基部１０ａ）が直径１００μｍの表面電極１０（図２参照）を、マトリックス状に真空蒸着法で形成した。蒸着後の電極形成にはリフトオフ法を用いた。この表面電極１０は、ＡｕＢｅ合金、Ｎｉ、Ａｕを、それぞれ４００ｎｍ、１０ｎｍ、１０００ｎｍの順に蒸着して形成した。更に、ＬＥＤ用エピタキシャルウェハの底面の全面に、同じく真空蒸着法によって裏面電極１１を形成した。裏面電極１１は、ＡｕＧｅ合金（金・ゲルマニウム合金）、Ｎｉ、Ａｕを、それぞれ６０ｎｍ、１０ｎｍ、５００ｎｍの順に蒸着して形成した。その後、電極の合金化であるアロイ工程を、窒素ガス雰囲気中にて４００℃に加熱し、５分間熱処理することで行い、電極付きＬＥＤ用エピタキシャルウェハとした。
【００７０】
構成された電極付きＬＥＤ用エピタキシャルウェハを、マトリックス状に形成された表面電極１０のそれぞれが中心になるようにダイシング装置を用いて切断・分割し、チップサイズ２７５μｍ角のＬＥＤベアチップを作製した。さらにＬＥＤベアチップをＴＯ−１８ステム上にマウント（ダイボンディング）し、その後、マウントされたベアチップにさらにワイヤボンディングを行い、実施例１のＬＥＤ素子を作製した。
【００７１】
［実施例２］
実施例２のＬＥＤ素子では、図３に示したように、挿入層１２ａ，１２ｂとして層厚１００ｎｍのｉ型（Ａｌ0.7Ｇａ0.3）0.5Ｉｎ0.5Ｐをアンドープ活性層３の上下に挿入した。また、アンドープ活性層３としてｉ型Ｇａ0.5Ｉｎ0.5Ｐを用い、その他の構造は実施例１と同じとした。
【００７２】
次に、比較例として作製した従来形態のＬＥＤ素子の構造について説明する。
【００７３】
［比較例１］
比較例１のＬＥＤ素子では、図４に示したように、クラッド側光反射層５を具備せず、本来のクラッド層としての効果のみを有する第一導電型のクラッド層２を積層し、その他の構造は実施例１と同じとした。この比較例１のＬＥＤ素子では、クラッド層による内部量子効率を実施例１と同等にするために、第一導電型のクラッド層２の層厚を４００ｎｍ（キャリア濃度４×１０17／ｃｍ3）とした。
【００７４】
［比較例２］
比較例２のＬＥＤ素子では、クラッド側光反射層５を具備せず、本来のクラッド層としての効果のみを有する第一導電型のクラッド層２（層厚４００ｎｍ、キャリア濃度４×１０17／ｃｍ3）を積層し、その他の構造は実施例２と同じとした。
【００７５】
作製したＬＥＤ素子の初期特性を評価した結果、実施例１のＬＥＤ素子の発光出力は２．０６ｍＷであり、比較例１（従来構造）の発光出力は１．７９ｍＷであった。また、実施例２のＬＥＤ素子の発光出力は２．１０ｍＷであり、比較例２の発光出力は１．８１ｍＷであった。このように、第一導電型のクラッド層２中にクラッド側光反射層５を具備したことにより、実施例１のＬＥＤ素子では比較例１の約１．１５倍の発光出力が得られ、実施例２のＬＥＤ素子では比較例２の約１．１６倍の発光出力が得られた。
【００７６】
次に、各ＬＥＤ素子の発光出力以外の特性について評価した。２０ｍＡ通電時の順方向動作電圧を評価した結果、実施例１および比較例１では１．９０Ｖであり、実施例２および比較例２では１．９４Ｖであった。また、発光波長を評価した結果、実施例１のＬＥＤ素子では６３０ｎｍのピーク波長が得られ、その他のＬＥＤ素子においても、ほぼ設計通りのピーク波長が得られた。さらに信頼性試験として、室温・通電５０ｍＡの条件で、１６８時間通電後の発光出力の変化を評価した結果、全てのＬＥＤ素子において、試験前後での発光出力は同じであり、相対出力（１６８時間通電後の発光出力／初期の発光出力×１００（％））は１００％であった。
【００７７】
以上のことから、実施例１，２では、比較例１，２と同コストでありながら、ほぼ同程度の発光波長、順方向動作電圧、信頼性で、発光出力（輝度）を向上できることが分かる。
【００７８】
本発明によれば、第一導電型の半導体基板１と第一導電型のクラッド層２との間に従来から設けられてきた基板側光反射層７の層厚を厚くすることなく、高輝度の半導体発光素子１００，３００を製作できる。このため、従来と同じコストで、高輝度の半導体発光素子の製作が可能になる。言い換えれば、同コストで従来よりも高輝度の半導体発光素子の製造ができる。さらには、従来よりも低コストで、従来と同程度の輝度の半導体発光素子の製造ができる。
【００７９】
なお、上記実施例においては、発光波長６３０ｎｍの赤色ＬＥＤ素子のみを作製例としたが、その他の波長帯域の発光素子であっても本発明の意図する効果が得られることは容易推考である。
【符号の説明】
【００８０】
１  第一導電型の半導体基板（ｎ型ＧａＡｓ）
２  第一導電型のクラッド層（ｎ型（Ａｌ0.7Ｇａ0.3）0.5Ｉｎ0.5Ｐ）
３  アンドープ活性層（ｉ型（Ａｌ0.1Ｇａ0.9）0.5Ｉｎ0.5Ｐ
４  第二導電型のクラッド層（ｐ型（Ａｌ0.7Ｇａ0.3）0.5Ｉｎ0.5Ｐ）
５  クラッド側光反射層
５ａ  半導体層（ｎ型Ａｌ0.5Ｉｎ0.5Ｐ）
５ｂ  半導体層（ｎ型（Ａｌ0.4Ｇａ0.6）0.5Ｉｎ0.5Ｐ）
６  第一導電型のバッファ層（ｎ型ＧａＡｓ）
７  基板側光反射層
７ａ  半導体層（ｎ型ＡｌＡｓ）
７ｂ  半導体層（ｎ型Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ｐ）
８  第二導電型の電流分散層（ｐ型ＧａＰ）
９  第二導電型の介在層（ｐ型Ｇａ0.7Ｉｎ0.3Ｐ）
１０  表面電極
１１  裏面電極
１００  半導体発光素子
１０１  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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