(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板側から光を出力する半導体発光素子において、
発光層と、光反射性の金属膜と、前記発光層の非発光部と前記金属膜との間に存在する透光性の絶縁膜とを有し、
前記金属膜は前記絶縁膜により前記発光層の発光部にのみ電流を供給するものであり、
前記発光層と前記金属膜との間隔はその間隔の媒体内発光波長の１／４の奇数倍に設定されており、
前記絶縁膜の厚さが前記媒体内発光波長の１／４の奇数倍に設定されていることを特徴とする半導体発光素子。
【請求項２】
前記絶縁膜は酸化物又は窒化物であることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
【請求項３】
前記絶縁膜はSiO2又はTiO2で、前記窒化物はAlN又はSiNであることを特徴とする請求項２に記載の半導体発光素子。
【請求項４】
前記半導体発光素子はIII族窒化物半導体発光素子であることを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の半導体発光素子。
【請求項５】
前記半導体発光素子はプラスチックファイバーに接続されることを特徴する請求項１乃至請求項４の何れか１項に記載の半導体発光素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、指向性を改善した半導体発光素子に関する。例えば、プラスチックオプテカルファイバー（ＰＯＦ）を用いた通信システムの光送信器に用いることができる。
【０００２】
【従来の技術】
面発光型の発光ダイオードにおいては、基本的には、例えば、基板上に、クラッド層、発光層、クラッド層を形成したダブルヘテロ構造が用いられている。そのうち、フリップチップ型の発光素子では、最も上面には金属電極が形成されており、この電極から電流が発光層の平面において一様に供給されるようになっている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この面発光の発光ダイオードは、光軸方向の指向性が悪く、ファイバーを用いた光通信には、使用が困難であるという問題がある。
そこで、本発明は、上記の課題を解決するために成されたものであり、その目的は、面発光の発光ダイオードにおいて、指向性を向上させることである。そして、指向性を改善することで、光通信にも応用ができるようにすることである。
【０００４】
【課題を解決するための手段、並びに、作用及び発明の効果】
上記の課題を解決するための請求項１に記載の発明の構成は、基板側から光を出力する半導体発光素子において、発光層と、光反射性の金属膜と、発光層の非発光部と金属膜との間に存在する透光性の絶縁膜とを有し、金属膜は絶縁膜により発光層の発光部にのみ電流を供給するものであり、発光層と金属膜との間隔はその間隔の媒体内発光波長の１／４の奇数倍に設定されており、絶縁膜の厚さが媒体内発光波長の１／４の奇数倍に設定されていることを特徴とする半導体発光素子である。
【０００５】
発光層の発光部と光反射性の金属膜との間隔をその間隔の媒体内発光波長の１／４の奇数倍に設定しているので、発光した光で金属膜に向かう光は金属膜と発光層との間での多重反射により位相が揃う。この結果、発光面に垂直な方向により収束した光が出力され、指向性が向上する。
また、絶縁膜の厚さも媒体内発光波長の１／４の奇数倍に設定しているので、光の干渉効果により軸方向の指向性が向上する。よって、光軸方向にファイバーケーブルを設けることで、光通信に用いることが可能となる。特に、本発明の半導体発光素子は、プラスチックオプテカルファイバー（ＰＯＦ）を用いた、比較的、短距離の通信に有効である。
【０００６】
又、請求項２に記載の発明は、絶縁膜は酸化物又は窒化物であることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子である。
透光性を有した酸化物又は窒化物により具体的に絶縁膜を構成することが可能となる。
【０００７】
又、請求項３に記載の発明は、絶縁膜はSiO2又はTiO2で、窒化物はAlN又はSiNであることを特徴とする請求項２に記載の半導体発光素子である。
この構成により、透光性を有した酸化物又は窒化物により具体的に構成することが可能となる。
【０００８】
又、請求項４に記載の発明は、半導体発光素子はIII族窒化物半導体発光素子であることを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の半導体発光素子である。
III族窒化物半導体発光素子とすることで、緑、青、紫外線領域の広範囲の発光波長を得ることができる。
【０００９】
又、請求項５に記載の発明は、半導体発光素子はプラスチックファイバーに接続されることを特徴する請求項１乃至請求項４の何れか１項に記載の半導体発光素子である。
本発明の構成により得られた指向性の高い光をプラスチックファイバーに入射させることで、短距離の簡便な通信システムを構築することができる。
【００１０】
尚、上記の半導体発光素子の半導体材料は限定されるものではないが、半導体発光素子をIII族窒化物半導体で構成した場合には、形成する各半導体層は、少なくともAlxGayIn1-x-yN（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０≦ｘ＋ｙ≦１）にて表される２元系、３元系若しくは４元系の半導体から成るIII族窒化物系化合物半導体等で形成することができる。また、これらのIII族元素の一部は、ボロン（B）、タリウム（Tl）で置き換えても良く、また、窒素（N）の一部をリン（P）、砒素（As）、アンチモン（Sb）、ビスマス（Bi）で置き換えても良い。
【００１１】
更に、これらの半導体を用いてｎ型のIII族窒化物系化合物半導体層を形成する場合には、ｎ型不純物として、Si,Ge,Se,Te,C等を添加することができる。また、ｐ型不純物としては、Zn,Mg,Be,Ca,Sr,Ba等を添加することができる。
【００１２】
また、これらの半導体層を結晶成長させる基板としては、サファイヤ、スピネル、Si,SiC,ZnO,MgO或いは、III族窒化物系化合物単結晶等を用いることができる。
【００１３】
また、これらの半導体層を結晶成長させる方法としては、分子線気相成長法（ＭＢＥ）、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）、ハライド気相成長法（ＨＤＶＰＥ）、液相成長法等が有効である。
【００１４】
また、光反射性の金属膜は、光の反射効率を高めるためにAl,In,Cu,Ag,Pt,Ir,Pd,Rh,W,Mo,Ti,Ni又はこれらを１種類以上含んだ合金を用いることができる。
以上の本発明の手段により、前記の課題を効果的、或いは合理的に解決することができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を具体的な実施例に基づいて説明する。ただし、本発明は以下に示す実施例に限定されるものではない。
〔第１実施例〕
図１に、本発明の具体的な実施例に使用するフリップチップ型の半導体素子１００の模式的断面図を示す。半導体素子１００はIII族窒化物半導体を用いた発光ダイオードの例である。サファイヤ基板１０１の上には窒化アルミニウム(AlN)から成る膜厚約20ｎｍのバッファ層１０２が設けられ、その上にシリコン(Si)ドープのGaNから成る膜厚約4.0μmの高キャリア濃度ｎ+層１０３が形成されている。そして、層１０３の上にGaNとGa0.8In0.2Nからなる多重量子井戸構造（ＭＱＷ）の発光層１０４が形成されている。発光層１０４の上にはマグネシウム(Mg)ドープのAl0.15Ga0.85Nから成る膜厚約60ｎｍのｐ型層１０５が形成されている。さらに、ｐ型層１０５の上にはマグネシウム(Mg)ドープのGaNから成る膜厚約15ｎｍのｐ型層１０６が形成されている。
【００１６】
又、ｐ型層１０６の上にはSiO2から成る絶縁膜１５０が形成されており、その絶縁膜１５０の上及び絶縁膜１５０のぼぼ中央部に窓の開けられ露出したｐ型層１０６の上に、金属蒸着による金属膜である多重厚膜正電極１２０が形成さている。絶縁膜１５０の厚さは、その絶縁膜１５０内の媒体内発光波長の１／４に設定されている。例えば、４３０ｎｍの発光波長であれば、絶縁膜１５０の厚さは１０７．５ｎｍの厚さに設定されている。絶縁膜１５０の厚さは、発光波長との関係で設定すれば良い。一般的には、媒体内発光波長の１／４の奇数倍である。この時に干渉作用により光軸方向の放射光の指向性が向上する。又、ｎ+層１０３上には負電極１４０が形成されている。光反射性の金属膜である多重厚膜正電極１２０は、ｐ型層１０６に接合する膜厚約0.3μmのロジウム(Rh)又は白金(Pt)より成る第１金属層１１１、第１金属層１１１の上部に形成される膜厚約1.2μmの金(Au)より成る第２金属層１１２、更に第２金属層１１２の上部に形成される膜厚約30Åのチタン(Ti)より成る第３金属層１１３の３層構造である。一方、２層構造の負電極１４０は、膜厚約175Åのバナジウム(V)層１４１と、膜厚約1.8μmのアルミニウム(Al)層１４２とを高キャリア濃度ｎ+層１０３の一部露出された部分の上から順次積層させることにより構成されている。
【００１７】
このように形成された多重厚膜正電極１２０と負電極１４０との間にはSiO2膜より成る保護膜１３０が形成されている。保護層１３０は、負電極１４０を形成するために露出したｎ+層１０３から、エッチングされて露出した、発光層１０４の側面、ｐ型層１０５の側面、及びｐ型層１０６の側面及び上面の一部、第１金属層１１１、第２金属層１１２の側面、第３金属層１１３の上面の一部を覆っている。SiO2膜より成る保護膜１３０の第３金属層１１３を覆う部分の厚さは0.5μmである。
【００１８】
尚、絶縁膜１５０の窓Ａは、絶縁膜１５０を一様に形成した後、フォトレジストの塗布、感光、パターンニングして、マスクを形成した後、絶縁膜１５０をエッチングすることでｐ型層１０６の一部を露出させれば良い。
また、金属膜１２０は多重層で形成したが単層でも良い。金属層は発光層１０４への給電を兼ねる電極としているが、発光層１０４への給電のための電極と、反射機能を持たせて金属膜とを別体で形成しても良い。さらに、これらの金属膜の金属材料は発光波長に応じて反射率が高い物質が選択され、材料は任意である。
【００１９】
窓Ａに多重厚膜正電極１２０が形成され、多重厚膜正電極１２０はｐ型層１０６に接触しているので、電流はこの窓Ａの領域にのみ下方向に流れる。このため、発光層１０４において、電流が流れる部分のみが発光領域１０８となり、他の部分は非発光領域１０９となる。そして、非発光領域１０９の上部にのみ絶縁膜１５０が存在する。
【００２０】
このような構成により、発光領域１０８から発光された光はサファイ基板１０１側に出力されると共に、多重厚膜正電極（金属膜）１２０に向かう光はその金属膜で反射されることになる。一方、発光領域１０８から斜め方向に放射した光は、多重厚膜正電極（金属膜）１２０に向かい、その金属膜１２０で反射される。さらに、発光領域１０８から斜め方向に放射された光は、各層の界面、サファイア基板１０１と空間との界面等で反射され、多重厚膜正電極（金属膜）１２０に向かい、その金属膜１２０で反射される。これにより、絶縁膜１５０の厚さは媒体内波長の１／４の奇数倍に設定されているので、図２に示すように、光の干渉効果により軸方向の指向性が向上する。よって、光軸方向にファイバーケーブルを設けることで、光通信に用いることが可能となる。特に、本発明の半導体発光素子は、プラスチックオプテカルファイバー（ＰＯＦ）を用いた、比較的、短距離の通信に有効である。
【００２１】
（変形例）
本発明は、上記実施例に限定されるものではなく他に様々な変形が考えられる。例えば、III族窒化物系化合物半導体素子として、GaN系の半導体層を用いたが、勿論GaxIn1-xN（例：Ga0.92In0.08N）等から成る層、その他、任意の混晶比の３元乃至４元系のAlGaInNとしても良い。より具体的には、「AlxGayIn1-x-yN（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０≦ｘ＋ｙ≦１）」成る一般式で表される３元（GaInN，AlInN，AlGaN）或いは４元（AlGaInN）のIII族窒化物系化合物半導体等を用いることもできる。また、そられの化合物のNの一部をP、As等のV族元素で置換しても良い。
【００２２】
例えば、サファイア基板上にIII族窒化物系化合物半導体積層する際、結晶性良く形成させるため、サファイア基板との格子不整合を是正すべくバッファ層を形成することが好ましい。他の基板を使用する場合もバッファ層を設けることが望ましい。バッファ層としては、低温で形成させたIII族窒化物系化合物半導体AlxGayIn1-x-yN（0≦x≦1，0≦y≦1，0≦x+y≦1）、より好ましくはAlxGa1-xN（0≦x≦1）が用いられる。このバッファ層は単層でも良く、組成等の異なる多重層としても良い。バッファ層の形成方法は、380〜420℃の低温で形成するものでも良く、逆に1000〜1180℃の範囲で、ＭＯＣＶＤ法で形成しても良い。また、ＤＣマグネトロンスパッタ装置を用いて、高純度金属アルミニウムと窒素ガスを原材料として、リアクティブスパッタ法によりAlNから成るバッファ層を形成することもできる。同様に一般式AlxGayIn1-x-yN（0≦x≦1，0≦y≦1，0≦x+y≦1、組成比は任意）のバッファ層を形成することができる。更には蒸着法、イオンプレーティング法、レーザアブレーション法、ＥＣＲ法を用いることができる。スパッタリング法等の物理蒸着法によるバッファ層は、200〜600℃で行うのが望ましい。さらに望ましくは300〜600℃であり、さらに望ましくは350〜450℃である。これらの物理蒸着法を用いた場合には、バッファ層の厚さは、100〜3000Åが望ましい。さらに望ましくは、100〜400Åが望ましく、最も望ましくは、100〜300Åである。多重層としては、例えばAlxGa1-xN（0≦x≦1）から成る層とGaN層とを交互に形成する、組成の同じ層を形成温度を例えば600℃以下と1000℃以上として交互に形成するなどの方法がある。勿論、これらを組み合わせても良く、多重層は３種以上のIII族窒化物系化合物半導体AlxGayIn1-x-yN（0≦x≦1，0≦y≦1，0≦x+y≦1）を積層しても良い。一般的には緩衝層は非晶質であり、中間層は単結晶である。緩衝層と中間層を１周期として複数周期形成しても良く、繰り返しは任意周期で良い。繰り返しは多いほど結晶性が良くなる。
又、低温バッファ層の上に高温成長バッファ層を形成して、その上に本体のＩＩＩ族窒化物半導体を形成しても良い。
【００２３】
バッファ層及び上層のIII族窒化物系化合物半導体は、III族元素の組成の一部は、ボロン(B)、タリウム(Tl)で置き換えても、また、窒素(N)の組成一部をリン(P)、ヒ素(As)、アンチモン(Sb)、ビスマス(Bi)で置き換えても本発明を実質的に適用できる。また、これら元素を組成に表示できない程度のドープをしたものでも良い。例えば組成にインジウム(In)、ヒ素(As)を有しないIII族窒化物系化合物半導体であるAlxGa1-xN（0≦x≦1）に、アルミニウム(Al)、ガリウム(Ga)よりも原子半径の大きなインジウム(In)、又は窒素(N)よりも原子半径の大きなヒ素(As)をドープすることで、窒素原子の抜けによる結晶の拡張歪みを圧縮歪みで補償し結晶性を良くしても良い。この場合はアクセプタ不純物がIII族原子の位置に容易に入るため、ｐ型結晶をアズグローンで得ることもできる。
【００２４】
バッファ層とIII族窒化物系化合物半導体層とが２周期以上で形成されている基底層の場合、各III族窒化物系化合物半導体層に主たる構成元素よりも原子半径の大きな元素をドープすると更に良い。なお、発光素子として構成する場合は、本来III族窒化物系化合物半導体の２元系、若しくは３元系を用いることが望ましい。
【００２５】
ｎ型のIII族窒化物系化合物半導体層を形成する場合には、ｎ型不純物として、Si、Ge、Se、Te、C等IV族元素又はVI族元素を添加することができる。また、ｐ型不純物としては、Zn、Mg、Be、Ca、Sr、Ba等II族元素又はIV族元素を添加することができる。これらを複数或いはｎ型不純物とｐ型不純物を同一層にドープしても良い。ＢｅをインプラントしたＭｇドープのＧａＮ系半導体は、１１００℃で６０秒のアニリーニングにより、５．５×１０16から、８．１×１０19／cm3のホール濃度に変化する。BeをインプラントによりMgの活性化エネルギーは１７０ｍＶに低下する。これは、BeがMgと水素の結合を解き、水素と結合するためと考えられる。よって、ｐ型層を得るためには、Ｍｇなどのアクセプタ不純物の他にBeが同様にインプラントされているのが望ましい。
【００２６】
各層の構成は、横方向エピタキシャル成長を用いてIII族窒化物系化合物半導体層の転位を減じることも任意である。この際、マスクを用いるもの、段差を形成して、凹部の上に横方向成長層を形成するマスクを用いない方法が採用できる。段差を用いる方法は、基板にスポットやストライプ状の凹部を形成し、この上に窒化ガリウム系化合物半導体を成長させて、凹部の上に横方向成長させる方法を採用することができる。又、横方向成長層とその下の層や基板との間に空隙があっても良い。空隙がある場合には、応力歪みが入ることが防止されるので、より結晶性を向上させることができる。横方向成長させる条件は、温度を高くする方法、III族元素ガスの供給量を増加させること、Mgを添加する方法がある。
【００２７】
多重厚膜正電極１２０が接合されるｐ型層１０６は、InGaNを用いると高い正孔濃度が得られるので望ましい。ｐ型層１０６にはBeを添加してMgを添加することで、より正孔濃度を高くすることができる。アクセプタ不純物は、Mgが望ましい。例えば、組成比は、In0.14Ga0.86Nが望ましい。又、超格子をｐ型層１０６に用いることが可能である。例えば、多重厚膜正電極１２０が形成される層の正孔濃度を向上させて良好なオーミック性を得る目的で、ｐ型AlGaN／ｐ型GaNからなる超格子を採用することも可能である。
【００２８】
基板上にIII族窒化物系化合物半導体を順次積層を形成する場合は、基板としてはサファイア、シリコン(Si)、炭化ケイ素(SiC)、スピネル(MgAl2O4)、ZnO、MgOその他の無機結晶基板、リン化ガリウム又は砒化ガリウムのようなIII-V族化合物半導体あるいは窒化ガリウム(GaN)その他のIII族窒化物系化合物半導体等を用いることができる。III族窒化物系化合物半導体層を形成する方法としては有機金属気相成長法（MOCVD又はMOVPE）が好ましいが、分子線気相成長法（MBE）、ハライド気相成長法（Halide VPE）、液相成長法（LPE）等を用いても良く、各層を各々異なる成長方法で形成しても良い。
【００２９】
又、実施例では、基板にサファイア基板１０１を用いたが、上述した材料の基板を用いたものでもよい。尚、例えば、炭化ケイ素（SiC）を基板として用いても良い。実施例では、ｐｎ接合型GaN系発光素子について説明したが、層状の発光領域を有する固体発光素子であれば、AlGaAs系やGaAlInP系等他の材料であっても良い。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の実施例に係わる半導体発光素子１００の断面図。
【図２】  同実施例の半導体発光素子による発光の指向特性を説明した説明図。
【符号の説明】
１００…III族窒化物系化合物半導体素子（半導体発光素子）
１０１…サファイヤ基板
１０２…AlNバッファ層
１０３…ｎ型のGaN層
１０４…発光層
１０５…ｐ型のAlGaN層
１０６…ｐ型のGaN層
１１１…第１薄膜金属層
１１２…第２薄膜金属層
１２０…多重厚膜正電極（金属膜）
１３０…保護膜
１４０…多層構造の負電極
１５０…絶縁膜
【図１】
0004123828.tif 000002
【図２】
0004123828.tif 000003