(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１導電型の化合物半導体基板と、
前記化合物半導体基板上に設けられたＡｌＧａＩｎＰからなる発光層と、
前記発光層上に所定の厚さで設けられた第２導電型のＧａＰ半導体層と、
前記ＧａＰ半導体層上の所定の領域に設けられた第１導電型のＧａＰ電流狭窄層と、
前記ＧａＰ半導体層における所定領域以外の領域および前記ＧａＰ電流狭窄層上に配置された第２導電型のＧａＰ電流拡散層と
を含むことを特徴とする半導体発光素子。
【請求項２】
請求項１記載の半導体発光素子において、前記第２導電型のＧａＰより成る電流拡散層のキャリア濃度が前記第２導電型のＧａＰ半導体層から上部電極に向かって増大することを特徴とする半導体発光素子。
【請求項３】
請求項１記載の半導体発光素子の製造方法において、第１導電型の化合物半導体基板に、ＡｌＧａＩｎＰ発光層及び第２導電型のＧａＰ半導体層を順次形成する工程と、その後に該第２導電型のＧａＰ半導体より成る電流拡散層を形成する工程とを含み、
再成長界面が第２導電型のＧａＰ半導体層の表面またはその内部にあり、
該再成長界面が、前記第２導電型のＧａＰ半導体層を形成する工程の後に、該第２導電型のＧａＰ半導体層の所定領域上に第１導電型のＧａＰ電流狭窄層を形成し、その後に、前記電流拡散層を該第２導電型のＧａＰ半導体層の所定領域以外の領域および該ＧａＰ電流狭窄層上に形成することによって形成されることを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体発光素子、特に赤から緑色帯の高輝度ＬＥＤを構成するＡｌＧａＩｎＰを材料とする４元ＬＥＤの構造とその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年ＡｌＧａＩｎＰを材料とする４元系高輝度ＬＥＤ（発光ダイオード）が屋内外の表示デバイスとして脚光を浴びている。４元系材料は、赤から緑色帯の幅広い可視波長域のＬＥＤを作製できることが大きな特徴である。
【０００３】
従来例の黄色帯の標準的な４元ＬＥＤの構造を図７に示し、図７（ａ）は斜視図であり、図７（ｂ）は略断面図である。この構造では、ｎ−ＧａＡｓ基板５０上にＭＯＣＶＤ法によりｎ−（Ａｌ0.7Ｇａ0.3）0.5Ｉｎ0.5Ｐクラッド層５１（Ｓｉドープ、キャリア濃度５×１０17ｃｍ-3、厚さ１．５μｍ）、ノンドープ（Ａｌ0.3Ｇａ0.7）0.5Ｉｎ0.5Ｐ活性層５２（厚さ０．７μｍ）、ｐ−（Ａｌ0.7Ｇａ0.3）0.5Ｉｎ0.5Ｐクラッド層５３（Ｚｎ−ドープ、キャリア濃度５×１０17ｃｍ-3、厚さ１．５μｍ）、ｐ−Ａｌ0.7Ｇａ0.3Ａｓ電流拡散層５４（Ｚｎ−ドープ、キャリア濃度３×１０18ｃｍ-3、厚さ５μｍ）、ｐ−ＧａＡｓオーミックコンタクト層５５（Ｚｎ−ドープ、キャリア濃度３×１０18ｃｍ-3、厚さ０．５μｍ）が順次形成されている。また基板の裏面と成長層側に電極５６、５７が設けられている。成長層側の上部電極５７は、ｐ−ＧａＡｓオーミックコンタクト層５５と共に素子中央部で円形状にパターン化されており、それ以外の領域ではエッチングにより除去されている。
【０００４】
ＬＥＤの輝度を示す指標の一つにモールドされたＬＥＤ素子の軸上光度（単位：カンデラ）がある。上記従来例の場合、発光の軸上拡がり角度が±４°で、動作電圧２．０Ｖ、駆動電流２０ｍＡの時、輝度は８カンデラであった。軸上光度はＬＥＤの集光特性が良い程（軸上拡がりが小さい程）、見かけ上良くなり、また集光特性の良いＬＥＤは通信用として有利である。
【０００５】
また、従来例の通信用ＬＥＤを図８に示し、図８（ａ）は斜視図であり、図８（ｂ）は図８（ａ）のＡ−Ａ′線による略断面図である。この従来例は黄色帯ＡｌＧａＩｎＰ系ＬＥＤで以下の構成になっている。
【０００６】
図８（ｂ）の略断面図において、ｎ−ＧａＡｓ基板５０上にＭＯＣＶＤ法によりｎ−（Ａｌ0.7Ｇａ0.3）0.5Ｉｎ0.5Ｐクラッド層５１（Ｓｉドープ、キャリア濃度１×１０18ｃｍ-3、厚さ１．０μｍ）、ノンドープ（Ａｌ0.3Ｇａ0.7）0.5Ｉｎ0.5Ｐ活性層５２（厚さ０．６μｍ）、ｐ−（Ａｌ0.7Ｇａ0.3）0.5Ｉｎ0.5Ｐクラッド層５３（Ｚｎ−ドープ、キャリア濃度１×１０18ｃｍ-3、厚さ１．０μｍ）、ｎ−（Ａｌ0.7Ｇａ0.3）0.5Ｉｎ0.5Ｐ電流狭窄層５８（Ｓｉドープ、キャリア濃度２×１０18ｃｍ-3、厚さ０．４μｍ）、ｐ−Ａｌ0.7Ｇａ0.3Ａｓ電流拡散層５４（Ｚｎ−ドープ、キャリア濃度３×１０18ｃｍ-3、厚さ６μｍ）、ｐ−ＧａＡｓオーミックコンタクト層５５（Ｚｎ−ドープ、キャリア濃度３×１０18ｃｍ-3、厚さ０．５μｍ）が順次形成されている。
【０００７】
ｎ−（Ａｌ0.7Ｇａ0.3）0.5Ｉｎ0.5Ｐ電流狭窄層５８は素子中央を発光領域とするようにその中央部を円形状にエッチングされており、ｐ−Ａｌ0.7Ｇａ0.3Ａｓ電流拡散層５４はその上に再成長されている。５９は再成長界面である。また電極を基板側の電極（下部電極）５６と成長層側の電極（上部電極）５７にそれぞれ形成し、オーミックコンククト層５５と上部電極５７は電流狭窄層５８のエッチング部に相当する形状と大きさの部分がエッチングで除去されたドーナツ状の形状である。
【０００８】
この従来例のＬＥＤ素子では注入された電流は中央の領域に集中して流れ、発光スポットを小さくすることができる。そのことで樹脂にモールドした後の素子の集光特性を良好にでき、軸上光度を上げることができる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来例では、ｐ−Ａｌ0.7Ｇａ0.3Ａｓ電流拡散層５４を再成長する前の下地層がＡｌを含む（Ａｌ0.7Ｇａ0.3）0.5Ｉｎ0.5Ｐクラッド層５３であるため、界面５９（図８（ｂ）参照）に酸素が取り込まれ、高抵抗となったり、注入されたキャリアがそこで非発光再結合するなどの損失を生じていた。そのため典型的な素子特性として、２０ｍＡ通電時に軸上の広がり角度が±２°で、輝度は１６カンデラ、動作電圧３．０Ｖであった。これは同じ材料で構成された図７で説明した従来例のＬＥＤのそれらの値が２０ｍＡ通電時に軸上の広がり角度が±４°で、輝度は８カンデラ、動作電圧２．０Ｖであったのに比べて軸上光度はわずか２倍の向上にすぎず、大きな動作電圧の上昇を伴っている。当初この素子では、図７の従来例の素子に比べ軸上の広がり角度が１／２になっていることから、輝度は４倍の向上、即ち輝度３２カンデラが予想されていた。
【００１０】
この課題を解決するために、図９に示した構造の従来例の素子が提案されている。この素子の電流狭窄層及び成長層側の電極形状は、図８（ａ）に示した従来例と同じである。
【００１１】
図９の略断面図において、ｎ−ＧａＡｓ基板５０上にＭＯＣＶＤ法によりｎ−（Ａｌ0.7Ｇａ0.3）0.5Ｉｎ0.5Ｐクラッド層５１（Ｓｉドープ、キャリア濃度１×１０18ｃｍ-3、厚さ１．０μｍ）、ノンドープ（Ａｌ0.3Ｇａ0.7）0.5Ｉｎ0.5Ｐ活性層５２（厚さ０．６μｍ）、ｐ−（Ａｌ0.7Ｇａ0.3）0.5Ｉｎ0.5Ｐクラッド層５３（Ｚｎ−ドープ、キャリア濃度１×１０18ｃｍ-3、厚さ１．０μｍ）、が順次形成されている。次に、この素子では、図８の従来例とは異なり、（Ａｌ0.7Ｇａ0.3）0.5Ｉｎ0.5Ｐクラッド層５３の上に、Ａｌを含まないｐ−ＧａＩｎＰ層６０（Ｚｎ−ドープ、キャリア濃度１×１０18ｃｍ-3、厚さ１００Å（オングストローム））を有しているところが違っており、この層が再成長時の下地となるため酸素が取り込まれ難く、界面５９の状態は図８の従来例と比較して改善される。以下、図８（ｂ）と同様に、ｎ−（Ａｌ0.7Ｇａ0.3）0.5Ｉｎ0.5Ｐ電流狭窄層５８（Ｓｉドープ、キャリア濃度２×１０18ｃｍ-3、厚さ０．４μｍ）、ｐ−Ａｌ0.7Ｇａ0.3Ａｓ電流拡散層５４（Ｚｎ−ドープ、キャリア濃度３×１０18ｃｍ-3、厚さ６μｍ）、ｐ−ＧａＡｓオーミックコンタクト層５５（Ｚｎ−ドープ、キャリア濃度３×１０18ｃｍ-3、厚さ０．５μｍ）が順次形成されている。
【００１２】
しかしながら、図９の従来例のＬＥＤの特性は、軸上の広がり角度±２°で輝度は２４カンデラ、動作電圧２．４Ｖと不十分なものであった。これは再成長時の下地がｐ−ＧａＩｎＰ層６０であり、再成長層５４がｐ−Ａｌ0.7Ｇａ0.3Ａｓ層とＶ族元素がＡｓとＰで異なっているため、ストイキオメトリーがずれ易く、界面５９の状態が依然として悪く、やはり高抵抗層となり、注入されたキャリアの損失が生じているためであると考えられる。
【００１３】
【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、第１導電型の化合物半導体基板と、前記化合物半導体基板上に設けられたＡｌＧａＩｎＰからなる発光層と、前記発光層上に所定の厚さで設けられた第２導電型のＧａＰ半導体層と、前記ＧａＰ半導体層上の所定の領域に設けられた第１導電型のＧａＰ電流狭窄層と、前記ＧａＰ半導体層における所定領域以外の領域および前記ＧａＰ電流狭窄層上に配置された第２導電型のＧａＰ電流拡散層とを含むことを特徴とするものである。
【００１５】
また、本発明による半導体発光素子は、前記第２導電型のＧａＰより成る電流拡散層のキャリア濃度が前記第２導電型のＧａＰ半導体層から上部電極に向かって増大することを特徴とするものである。
【００２４】
さらに、本発明による半導体発光素子の製造方法は、第１導電型の化合物半導体基板に、ＡｌＧａＩｎＰ発光層及び第２導電型のＧａＰ半導体層を順次形成する工程と、その後に該第２導電型のＧａＰ半導体より成る電流拡散層を形成する工程とを含み、再成長界面が第２導電型のＧａＰ半導体層の表面またはその内部にあり、該再成長界面が、前記第２導電型のＧａＰ半導体層を形成する工程の後に、該第２導電型のＧａＰ半導体層の所定領域上に第１導電型のＧａＰ電流狭窄層を形成し、その後に、前記電流拡散層を該第２導電型のＧａＰ半導体層の所定領域以外の領域および該ＧａＰ電流狭窄層上に形成することによって形成されることを特徴とするものである。
【００２５】
［作用］
ＡｌＧａＩｎＰを材料とする４元ＬＥＤを例にとって説明すると、第１導電型の化合物半導体基板（ｎ−ＧａＡｓ）／バッハァー層（ｎ−ＧａＡｓ）／発光層（クラッド層／活性層／クラッド層）／第２導電型のＡｌを含まない化合物半導体層（ｐ−ＧａＰ）／第１導電型のＡｌを含まない化合物半導体より成る電流狭窄層（ｎ−Ｇａｐ）／第２導電型のＡｌを含まない化合物半導体より成る電流拡散層（ｐ−Ｇａｐ）の各層より構成される半導体発光素子であり、再成長界面が第２導電型のＡｌを含まない化合物半導体層（ｐ−ＧａＰ）または電流拡散層（ｐ−ＧａＰ）の表面またはその内部となるため、酸素の取り込みがなく、その上に同−材料のＧａＰ層が形成されるために、ストイキオメトリーのずれによる界面準位の発生もなく、低抵抗で高輝度の半導体発光素子を得ることができる素子構造及びその製造方法である。
【００２６】
【発明の実施の形態】
図１乃至図６は本発明の一実施の形態に関する図である。以下本発明の一実施の形態よりなる各例を図面を用いて説明する。
【００２７】
［第１実施の形態］
図１は本発明の一実施の形態よりなる半導体発光素子であり、図１（ａ）は概略斜視図であり、図１（ｂ）は略断面図である。
【００２８】
図１（ａ）において、ｎ−ＧａＡｓ基板１０上にＭＯＣＶＤ法によりｎ−ＧａＡｓバッファ層１１（Ｓｉ−ドープ、キャリア濃度５×１０17ｃｍ-3、厚さ０．５μｍ）、ｎ−（Ａｌ0.7Ｇａ0.3）0.5Ｉｎ0.5Ｐクラッド層１２（Ｓｉドープ、キャリア濃度５×１０17ｃｍ-3、厚さ１．５μｍ）、ノンドープ（Ａｌ0.3Ｇａ0.7）0.5Ｉｎ0.5Ｐ活性層１３（厚さ０．７μｍ）、ｐ−（Ａｌ0.7Ｇａ0.3）0.5Ｉｎ0.5Ｐクラッド層１４（Ｚｎ−ドープ、キャリア濃度５×１０17ｃｍ-3、厚さ１．５μｍ）を形成する。次に、Ａｌを含まないｐ−ＧａＰ層１５（Ｚｎ−ドープ、キャリア濃度２×１０18ｃｍ-3、厚さ１．５μｍ）、ｎ−ＧａＰ電流狭窄層１６（Ｓｉドープ、キャリア濃度１×１０18ｃｍ-3、厚さ０．５μｍ）を形成し、続いて、ｐ−ＧａＰ電流拡散層１７（Ｚｎドープ、キャリア濃度２×１０18ｃｍ-3、厚さ５μｍ）、を形成する。また素子の裏面にｎ側電極１８、成長層側にｐ側電極１９を形成する。電流拡散層１７が高濃度のｐ−ＧａＰ層であるため、オーミックコンタクト層を設ける必要はなく、設けられていない。ｎ−ＧａＰ層１６は、図１（ａ）に見られるように素子中央部が円形状になるようにエッチングで除去され、ドーナツ状の形状をしている。また基板の裏面と成長層側に電極１８、１９が設けられているが、成長層側の電極１９も素子中央部が円形状に除去され、発光した光を取り出す窓状の形に形成されている。
【００２９】
本発明の一実施の形態よりなる半導体発光素子は以下のようにして製造される。ＭＯＣＶＤ法により、ｎ−ＧａＡｓ基板１０上にｎ−ＧａＡｓバッファ層１１（Ｓｉ−ドープ、キャリア濃度５×１０17ｃｍ-3、厚さ０．５μｍ）、ｎ−（Ａｌ0.7Ｇａ0.3）0.5Ｉｎ0.5Ｐクラッド層１２（Ｓｉドープ、キャリア濃度５×１０17ｃｍ-3、厚さ１．５μｍ）、ノンドープ（Ａｌ0.3Ｇａ0.7）0.5Ｉｎ0.5Ｐ活性層１３（厚さ０．７μｍ）、ｐ−（Ａｌ0.7Ｇａ0.3）0.5Ｉｎ0.5Ｐクラッド層１４（Ｚｎ−ドープ、キャリア濃度５×１０17ｃｍ-3、厚さ１．５μｍ）、ｐ−ＧａＰ層１５（Ｚｎ−ドープ、キャリア濃度２×１０18ｃｍ-3、厚さ１．５μｍ）、ｎ−ＧａＰ電流狭窄層１６（Ｓｉドープ、キャリア濃度１×１０18ｃｍ-3、厚さ０．５μｍ）を連続して成長する。次に、一度成長を停止し、ＭＯＣＶＤ装置外へウエハを取り出し、所望のパターニングを行った後、熱硫酸を用いて素子中央部のｎ−ＧａＰ層１６を円形状にエッチングして除去する。その後、再度ＭＯＣＶＤ法でｐ−ＧａＰ電流拡散層１７（Ｚｎドープ、キャリア濃度２×１０18ｃｍ-3、厚さ５μｍ）を成長した。次に、素子の裏面にｎ側電極１８、成長層側にｐ側電極１９を形成した。
【００３０】
本実施例は上述の図８の従来例と異なり、再成長前の下地はｐ−ＡｌＧａＩｎＰクラッド層ではなく、Ａ１を含まないｐ−ＧａＰ層１５であるので、再成長界面２０の酸化がなく、且つ同一組成比の半導体材料を積層するため、ストイキオメトリーもずれないため、高抵抗化せず、従ってキャリアのロスもない。本素子をモールドし、特性を測ったところ、軸上光度で輝度は３２カンデラ、動作電圧２．０Ｖと良好であった。
【００３１】
請求項の関係で説明すると、ｎ−ＧａＡｓ基板１０は第１導電型の化合物半導体基板に相当し、ｎ−ＧａＡｓバッファ層１１は第１導電型の化合物半導体基板と発光層との間に介在させるバッファー層に相当し、ｎ−（Ａｌ0.7Ｇａ0.3）0.5Ｉｎ0.5Ｐクラッド層１２とノンドープ（Ａｌ0.3Ｇａ0.7）0.5Ｉｎ0.5Ｐ活性層１３とｐ−（Ａｌ0.7Ｇａ0.3）0.5Ｉｎ0.5Ｐクラッド層１４により構成される層は発光層に相当し、Ａｌを含まないｐ−ＧａＰ層１５は第２導電型のＡｌを含まない化合物半導体層に相当し、ｎ−ＧａＰ電流狭窄層１６は第１導電型のＡｌを含まない化合物半導体より成る電流狭窄層に相当し、ｐ−ＧａＰ電流拡散層１７は第２導電型のＡｌを含まない化合物半導体より成る電流拡散層に相当する。
【００３２】
また、前記発光層として、第１導電型のＡｌＧａＩｎＰクラッド層またはＡｌＩｎＰクラッド層、第１導電型または第２導電型またはアンドープのＡｌＧａＩｎＰ活性層またはＧａＩｎＰ活性層、第２導電型のＡｌＧａＩｎＰクラッド層またはＡｌＩｎＰクラッド層のダブルへテロ構造層より成る発光層を用いても本発明を実施することができる。
【００３３】
また、本発明の半導体発光素子は上述の黄色帯発光に限られるものではなく、ＧａＩｎＰや（Ａｌ0.05Ｇａ0.95）0.5Ｉｎ0.5Ｐを活性層とする赤色帯発光（前者６５５ｎｍ、後者６４４ｎｍ）や、（Ａｌ0.2Ｇａ0.8）0.5Ｉｎ0.5Ｐを活性層とする橙色帯発光（６１０ｎｍ）や、（Ａｌ0.38Ｇａ0.62）0.5Ｉｎ0.5Ｐを活性層とする黄色帯発光（５７０ｎｍ）や、（Ａｌ0.45Ｇａ0.55）0.5Ｉｎ0.5Ｐを活性層とする緑色帯発光（５６０ｎｍ）であっても良いことは当然である。
【００３４】
またクラッド層は（Ａｌ0.7Ｇａ0.3）0.5Ｉｎ0.5Ｐに限られるものではなく、Ａｌ0.5Ｉｎ0.5Ｐであっても良い。さらに、ｐ型の半導体基板を用い、各層の導電型はｎとｐが逆の構成の半導体発光素子であっても良い。
【００３５】
図２は再成長前の下地層であるＰ−ＧａＰ層１５の層厚を変化させた時の素子の軸上光度を示すものである。ここでは電流拡散層Ｐ−ＧａＰ層１７の層厚は５μｍと一定にした。横軸のＰ−ＧａＰ層１５の層厚が０の近くに表示されている点は層厚が１００Å（０．０１μｍ）程度であり、０．５μｍ、１．０μｍ、１．５μｍ、２．０μｍのＧａＰ層１５の層厚に対して、軸上光度は３１カンデラ（ｃｄ）〜３３カンデラ（ｃｄ）の高い値が得られている。しかし、Ｐ−ＧａＰ層１５の層厚が２．５μｍを越え、３．０μｍ以上となると、軸上光度は急激に低下する。これは、ｐ−ＧａＰ層１５内で電極下となる周囲領域へ逃げる電流成分が増えるためと考えられる。したがってｐ−ＧａＰ層１５の厚さは、０．０１μｍ〜３．０μｍ程度が望ましい。
【００３６】
［第２実施の形態］
図３は本発明の他の一実施の形態よりなる半導体発光素子であり、図３（ａ）は概略斜視図であり、図３（ｂ）は略断面図である。
【００３７】
この図３の本発明の他の一実施の形態よりなる半導体発光素子が図１に示した本発明の一実施の形態よりなる半導体発光素子と異なる点は、ｐ−（Ａｌ0.7Ｇａ0.3）0.5Ｉｎ0.5Ｐクラッド層１４とｐ−ＧａＰ層１５との間に、ｐ−（Ａｌ0.2Ｇａ0.8）0.75Ｉｎ0.25Ｐバンドギャップ調整層２１を介在させたことと、電流狭窄層ｎ−ＧａＰ１６の発光領域の窓の形状を矩形とし、それに応じて、電極の形も矩形とした点である。
【００３８】
図３（ｂ）において、ｎ−ＧａＡｓ基板１０上にＭＯＣＶＤ法によりｎ−ＧａＡｓバッファ層１１（Ｓｉ−ドープ、キャリア濃度５×１０17ｃｍ-3、厚さ０．５μｍ）、ｎ−（Ａｌ0.7Ｇａ0.3）0.5Ｉｎ0.5Ｐクラッド層１２（Ｓｉドープ、キャリア濃度５×１０17ｃｍ-3、厚さ１．５μｍ）、ノンドープ（Ａｌ0.3Ｇａ0.7）0.5Ｉｎ0.5Ｐ活性層１３（厚さ０．７μｍ）、ｐ−（Ａｌ0.7Ｇａ0.3）0.5Ｉｎ0.5Ｐクラッド層１４（Ｚｎ−ドープ、キャリア濃度５×１０17ｃｍ-3、厚さ１．５μｍ）を形成する。次に、ｐ−（Ａｌ0.2Ｇａ0.8）0.75Ｉｎ0.25Ｐバンドギャップ調整層２１（Ｚｎ−ドープ、キャリア濃度１×１０18ｃｍ-3、厚さ０．２μｍ）を形成し、Ａｌを含まないｐ−ＧａＰ層１５（Ｚｎ−ドープ、キャリア濃度２×１０18ｃｍ-3、厚さ５μｍ）、ｎ−ＧａＰ電流狭窄層１６（Ｓｉドープ、キャリア濃度１×１０18ｃｍ-3、厚さ０．５μｍ）を形成し、続いて、ｐ−ＧａＰ電流拡散層１７（Ｚｎドープ、厚さ１．５μｍ？）、を形成する。また素子の裏面にｎ側電極１８、成長層側にｐ側電極１９を形成する。このｎ−ＧａＰ層１６は、図３（ａ）に見られるように素子中央部が矩形状の窓となるようにエッチングで除去されている。また基板の裏面と成長層側に電極１８、１９が設けられているが、成長層側の電極１９も素子中央部が矩形状に除去され、発光した光を取り出す窓状の形に形成されている。
【００３９】
ここに新たに設けたバンドギャップ調整層であるｐ−（Ａｌ0.2Ｇａ0.8）0.75Ｉｎ0.25Ｐバンドギャップ調整層２１は、その下部のクラッド層であるｐ−（Ａｌ0.7Ｇａ0.3）0.5Ｉｎ0.5Ｐクラッド層１４と酸化防止層であるｐ−ＧａＰ層１５との中間のバンドギャップの値を持ち、層１４と層１５との界面による抵抗値の値を小さくする作用をなしている。即ち、各層のバンドギャップの大きさは、クラッド層１４は２．３３ｅＶ程度であり、バンドギャップ調整層２１は２．５５ｅＶ程度であり、ＧａＰ層１５は２．７８ｅＶ程度、である。図３の本発明の半導体発光素子を樹脂モールドし、特性を測ったところ、軸上光度で輝度は３４カンデラ、動作電圧１．９Ｖであった。
【００４０】
また、バンドギャップ調整層２１の設計指針については、次のように考えることができる。接合前のその半導体材料の伝電帯下端のエネルギー位置が、接合前のクラッド層１４の伝電帯下端のエネルギー位置と接合前のＧａＰ層１５の
伝電帯下端のエネルギー位置と間に位置し、且つ、または、接合前のその半導体材料の伝電帯上端のエネルギー位置が、接合前のクラッド層１４の伝電帯上端のエネルギー位置と接合前のＧａＰ層１５の伝電帯上端のエネルギー位置と間に位置することである。
【００４１】
図４は、図３に示した構造の半導体発光素子において、ｐ−ＧａＰ層１５、とｐ−ＧａＰ層１７のキャリア濃度を変化させた時の素子の軸上光度をプロットしたものである。図４において、ｐ−ＧａＰ電流拡散層１７のキャリア濃度が５×１０17ｃｍ-3の場合を■印で表示すると、界面層ｐ−ＧａＰ層１５のキャリア濃度を変化させると、２×１０17ｃｍ-3、５×１０17ｃｍ-3、１×１０18ｃｍ-3、２×１０18ｃｍ-3、３×１０18ｃｍ-3、５×１０18ｃｍ-3の場合の軸上光度（単位はカンデラ）はそれぞれ、軸上光度は１０、１０、７、５、３、２、と変化し、同様に、ｐ−ＧａＰ電流拡散層１７のキャリア濃度が１×１０18ｃｍ-3の場合を△印で表示すると、それぞれ軸上光度は２５、２５、２０、１３、８、２、と変化し、同様に、ｐ−ＧａＰ電流拡散層１７のキャリア濃度が２×１０18ｃｍ-3の場合を○印で表示すると、それぞれ軸上光度は３３、３４、３２、３０、２０、５、と変化し、同様に、ｐ−ＧａＰ電流拡散層１７のキャリア濃度が５×１０18ｃｍ-3の場合を□印で表示すると、それぞれ軸上光度は３３、３５、３３、３０、２１、１５、と変化する。
【００４２】
この図４の結果から、下層のｐ−ＧａＰ層（第２導電型のＡｌを含まない化合物半導体層）１５のキャリア濃度が小さく、上層のｐ−ＧａＰ層（第２導電型のＡｌを含まない化合物半導体層よりなる電流拡散層）１７のキャリア濃度が大きい時に発光光度が高く、その適性範囲は下層のｐ−ＧａＰ層１５で２×１０18ｃｍ-3以下であり、上層のＰ−ＧａＰ層１７で２×１０18ｃｍ-3以上であることがわかる。また、下層のｐ−ＧａＰ層１５のキャリア濃度が２×１０16ｃｍ-3より小さくなると、動作電圧の上昇が見られることから、最適な下層のｐ−ＧａＰ層１５のキャリア濃度の下限は２×１０16ｃｍ-3程度であると推察される。
【００４３】
［第３実施の形態］
図５は本発明の他の一実施の形態よりなる半導体発光素子の略断面図である。この図５の本発明の他の一実施の形態よりなる半導体発光素子が図１に示した本発明の一実施の形態よりなる半導体発光素子と異なる点は、上部のｐ−ＧａＰ電流拡散層（第２導電型のＡｌを含まない化合物半導体層よりなる電流拡散層）１７が２層構造となっている点で、１７ａは（Ｚｎドープ、キャリア濃度１×１０18ｃｍ-3、厚さ２μｍ）であり、１７ｂは（Ｚｎドープ、キャリア濃度３×１０18ｃｍ-3、厚さ３μｍ）である点である。
【００４４】
図５において、ｎ−ＧａＡｓ基板１０上にＭＯＣＶＤ法によりｎ−ＧａＡｓバッファ層１１（Ｓｉ−ドープ、キャリア濃度５×１０17ｃｍ-3、厚さ０．５μｍ）、ｎ−（Ａｌ0.7Ｇａ0.3）0.5Ｉｎ0.5Ｐクラッド層１２（Ｓｉドープ、キャリア濃度５×１０17ｃｍ-3、厚さ１．５μｍ）、ノンドープ（Ａｌ0.3Ｇａ0.7）0.5Ｉｎ0.5Ｐ活性層１３（厚さ０．７μｍ）、ｐ−（Ａｌ0.7Ｇａ0.3）0.5Ｉｎ0.5Ｐクラッド層１４（Ｚｎ−ドープ、キャリア濃度５×１０17ｃｍ-3、厚さ１．５μｍ）を形成する。次に、Ａｌを含まないｐ−ＧａＰ層１５（Ｚｎ−ドープ、キャリア濃度１×１０18ｃｍ-3、厚さ２μｍ）、ｎ−ＧａＰ電流狭窄層１６（Ｓｉドープ、キャリア濃度１×１０18ｃｍ-3、厚さ０．５μｍ）を形成し、続いて、２層構造のｐ−ＧａＰ電流拡散層１７として、第１電流拡散層ｐ−ＧａＰ電流拡散層１７ａ（Ｚｎドープ、キャリア濃度１×１０18ｃｍ-3、厚さ２μｍ）、第２電流拡散層ｐ−ＧａＰ電流拡散層１７ｂ（Ｚｎドープ、キャリア濃度３×１０18ｃｍ-3、厚さ３μｍ）、を形成する。また素子の裏面にｎ側電極１８、成長層側にｐ側電極１９を形成する。このｎ−ＧａＰ層１６は、図５に示されるように素子中央部が円形状になるようにエッチングで除去され、ドーナツ状の形状をしている。また基板の裏面と成長層側に電極１８、１９が設けられているが、成長層側の電極１９も素子中央部が円形状に除去され、発光した光を取り出す窓状の形に形成されている。
【００４５】
この素子構造の場合、キャリア濃度の点から見ると、下部ＧａＰ層１５と上部ＧａＰ層１７の境界は第１電流拡散層ＧａＰ層１７ａと第２電流拡散層ＧａＰ層１７ｂとの境界となる。言い換えれば、この半導体発光素子は、第２導電型のＡｌを含まない化合物半導体より成る電流拡散層（１７）のキャリア濃度が第２導電型のＡｌを含まない化合物半導体層（１５）側から上部電極（１９）側に向かって増大する構造となっている。本発明による半導体発光素子をモールドし、特性を測ったところ、軸上光度で輝度は３５カンデラ、動作電圧１．９ｖとやはり良好な特性が得られた。
【００４６】
［第４実施例］
図６は本発明の他の一実施の形態よりなる半導体発光素子の略断面図である。この図６の本発明の他の一実施の形態よりなる半導体発光素子が図１に示した本発明の一実施の形態よりなる半導体発光素子と異なる点は、ｎ−ＧａＡｓバッファ層１１（Ｓｉ−ドープ、キャリア濃度５×１０17ｃｍ-3、厚さ０．５μｍ）とｎ−（Ａｌ0.7Ｇａ0.3）0.5Ｉｎ0.5Ｐクラッド層１２（Ｓｉドープ、キャリア濃度５×１０17ｃｍ-3、厚さ１．５μｍ）との間に、ｎ−Ａｌ0.5Ｉｎ0.5Ｐ（Ｓｉ−ドープ、キャリア濃度５×１０17ｃｍ-3、厚さ０．５μｍ）と（Ａｌ0.4Ｇａ0.6）0.5Ｉｎ0.5Ｐ（Ｓｉ−ドープ、キャリア濃度５×１０17ｃｍ-3、厚さ０．５μｍ）の対の層を１０層重ねた光反射層２２が形成されている所が第１の実施の形態と異なっている。
【００４７】
本発明による半導体発光素子を樹脂モールドし、特性を測ったところ、軸上光度で輝度は４８カンデラ、動作電圧１．９Ｖと良好な特性が得られた。
【００４８】
図６において、１０はｎ−ＧａＡｓ基板、１１はｎ−ＧａＡｓバッファ層、１２はｎ−（Ａｌ0.7Ｇａ0.3）0.5Ｉｎ0.5Ｐクラッド層、１３はノンドープ（Ａｌ0.3Ｇａ0.7）0.5Ｉｎ0.5Ｐ活性層、１４はｐ−（Ａｌ0.7Ｇａ0.3）0.5Ｉｎ0.5Ｐクラッド層、１５はＡｌを含まないｐ−ＧａＰ層、１６はｎ−ＧａＰ電流狭窄層、１７はｐ−ＧａＰ電流拡散層、１８は素子裏面のｎ側電極、１９は成長層側のｐ側電極、２０は再成長界面であり、各層のキャリア濃度や層厚は図１で説明した通りであり、２２は光反射層である。
【００４９】
また、請求項の関係で説明すると、第１導電型の化合物半導体基板（ｎ−ＧａＡｓ基板１０）と発光層との間に、光学的な反射作用をなす半導体層２２を介在させたこと構造の半導体発光素子であり、発光層はｎ−（Ａｌ0.7Ｇａ0.3）0.5Ｉｎ0.5Ｐクラッド層１２、ノンドープ（Ａｌ0.3Ｇａ0.7）0.5Ｉｎ0.5Ｐ活性層１３、ｐ−（Ａｌ0.7Ｇａ0.3）0.5Ｉｎ0.5Ｐクラッド層１４である。
【００５０】
【発明の効果】
以上のように、本発明の半導体発光素子によれば、第１導電型の化合物半導体基板、発光層、第２導電型のＡｌを含まない化合物半導体層、第２導電型のＡｌを含まない化合物半導体より成る電流拡散層、を含む各層より構成されることを特徴とするものであり、第２導電型のＡｌを含まない化合物半導体層と第２導電型のＡｌを含まない化合物半導体より成る電流拡散層との界面（再成長界面）に酸素が取り込まれることがなく、低抵抗で、発光輝度の大きい半導体発光素子を得ることができる。
【００５１】
また、本発明の半導体発光素子によれば、前記第２導電型のＡｌを含まない化合物半導体層と、前記第２導電型のＡｌを含まない化合物半導体より成る電流拡散層との間に、第１導電型のＡｌを含まない化合物半導体より成る電流狭窄層を配設させたことを特徴とするものであり、電流を狭い領域に集中することができるため、発光スポットを小さくすることができ、発光輝度の大きい半導体発光素子を得ることができ、従って、樹脂モールド後の集光特性が向上し、軸上光度を増大することができる。
【００５２】
また、本発明の半導体発光素子によれば、前記第２導電型のＡｌを含まない化合物半導体より成る電流拡散層のキャリア濃度が前記第２導電型のＡｌを含まない化合物半導体層から上部電極に向かって増大することを特徴とするものであり、前記第２導電型のＡｌを含まない化合物半導体より成る電流拡散層と第２導電型のクラッド層を通しての第２導電型を作る不純物が活性層へ拡散して結晶性を劣化させるが無いため、発光輝度が低下することは無い。
【００５３】
また、本発明の半導体発光素子によれば、前記発光層として、第１導電型のＡｌＧａＩｎＰクラッド層またはＡｌＩｎＰクラッド層、第１導電型または第２導電型またはアンドープのＡｌＧａＩｎＰ活性層またはＧａＩｎＰ活性層、第２導電型のＡｌＧａＩｎＰクラッド層またはＡｌＩｎＰクラッド層が順次形成されたダブルへテロ構造であることを特徴とするものであり、クラッド層がバンドギャップの大きく、且つ酸化されやすく、非発光準位が発生しやすい材料であるＡｌＧａＩｎＰ層またはＡｌＩｎＰ層で形成されてはいるが、本発明ではその上に前記第２導電型のＡｌを含まない化合物半導体を形成しているため、酸化防止の効果は顕著である。
【００５４】
また、本発明の半導体発光素子によれば、前記第１導電型の化合物半導体基板と前記発光層との間に、光学的な反射作用をなす半導体層を介在させたことを特徴とするものであり、基板側へ出射した光を反射して、外部に取り出すことができるため、発光輝度を増大することができる。
【００５５】
また、本発明の半導体発光素子によれば、前記発光層と前記第２導電型のＡｌを含まない化合物半導体層との間に、中間的なバンドギャップを有するバンドギャップ調整層を介在させたことを特徴とするものであり、前記発光層と前記第２導電型のＡｌを含まない化合物半導体層間の抵抗を減少させることができるため、動作電圧を低くすることができる。
【００５６】
また、本発明の半導体発光素子によれば、前記第１導電型の化合物半導体基板と前記発光層との間に、バッファー層を介在させたことを特徴とするものであり、バッファー層の上に成長する前記発光層の結晶性を向上させることができるため、発光輝度を増大することができる。
【００５７】
また、本発明の半導体発光素子によれば、前記第２導電型のＡｌを含まない化合物半導体層としてＧａＰ材料、前記第１導電型のＡｌを含まない化合物半導体より成る電流狭窄層としてＧａＰ材料、前記第２導電型のＡｌを含まない化合物半導体より成る電流拡散層としてＧａＰ材料、を用いることを特徴とするものであり、すべて同一材料で形成されることから、ストイキオメトリーのずれによる界面準位の発生が無く、再成長界面でのキャリアのロスが無く、発光輝度を増大することができる。
【００５８】
また、本発明の半導体発光素子によれば、前記第１導電型のＡｌを含まない化合物半導体より成る電流狭窄層が前記化合物半導体発光素子の中央部において欠損領域を有することを特徴とするものであり、電流を中央部に集中することができるため、発光スポットを素子中央部に小さく形成することができ、発光輝度の大きい半導体発光素子を得ることができる。従って、樹脂モールド後の集光特性が非常に高まり、軸上光度をより一層増大することができる。
【００５９】
また、本発明の半導体発光素子によれば、前記第２導電型のＡｌを含まない化合物半導体層の層厚が３．０μｍ以下であることを特徴とするものであり、前記第２導電型のＡｌを含まない化合物半導体層内で、素子中央部から周辺部へ拡散する電流成分を減少することができるため、素子中央部での発光効率を一層増大することができる。
【００６０】
また、本発明の半導体発光素子によれば、前記第２導電型のＡｌを含まない化合物半導体層のキャリア濃度が２×１０16ｃｍ-3〜２×１０18ｃｍ-3であり、前記第２導電型のＡｌを含まない化合物半導体より成る電流拡散層のキャリア濃度が２×１０18ｃｍ-3以上であることを特徴とするものであり、第２導電型を作る不純物の発光層への拡散を確実に抑制し、且つ電流拡散を良好にすることができるので、より一層発光輝度を増大することができる。
【００６１】
さらに、本発明の半導体発光素子の製造方法によれば、第１導電型の化合物半導体基板に、発光層及び第２導電型のＡｌを含まない化合物半導体層を形成する工程と、第２導電型のＡｌを含まない化合物半導体より成る電流拡散層する工程とを含み、再成長界面が第２導電型のＡｌを含まない化合物半導体層の表面にあることを特徴とするものであり、再成長界面への酸素の取り込みを少なくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の一実施の形態よりなる半導体発光素子及びその製造方法を説明するための図であり、（ａ）は概略斜視図であり、（ｂ）は略断面図である。
【図２】本発明の一実施の形態よりなる半導体発光素子の再成長前の下地層であるｐ−ＧａＰ層１５の層厚を変化させた時の素子の軸上光度を示す図である。
【図３】本発明の第２の一実施の形態よりなる半導体発光素子及びその製造方法を説明するための図であり、（ａ）は概略斜視図であり、（ｂ）は略断面図である。
【図４】本発明の第２の一実施の形態よりなる半導体発光素子において、ｐ−ＧａＰ層１５、とｐ−ＧａＰ層１７のキャリア濃度を変化させた時の素子の軸上光度をプロットした図である。
【図５】本発明の第３の一実施の形態よりなる半導体発光素子及びその製造方法を説明するための略断面図である。
【図６】本発明の第４の一実施の形態よりなる半導体発光素子及びその製造方法を説明するための略断面図である。
【図７】従来例の黄色帯の標準的な４元ＬＥＤの構造をを説明するための図であり、（ａ）は概略斜視図であり、（ｂ）は略断面図である。
【図８】従来例の通信用ＬＥＤの構造を説明するための図であり、（ａ）は概略斜視図であり、（ｂ）は略断面図である。
【図９】従来例の他のＬＥＤの略断面図であり、再成長界面造を説明するための図である。
【符号の説明】
１０  ｎ−ＧａＡｓ基板
１１  ｎ−ＧａＡｓバッファ層
１２  ｎ−（Ａｌ0.7Ｇａ0.3）0.5Ｉｎ0.5Ｐクラッド層
１３  ノンドープ（Ａｌ0.3Ｇａ0.7）0.5Ｉｎ0.5Ｐ活性層
１４  ｐ−（Ａｌ0.7Ｇａ0.3）0.5Ｉｎ0.5Ｐクラッド層
１５  Ａｌを含まないｐ−ＧａＰ層
１６  ｎ−ＧａＰ電流狭窄層
１７  ｐ−ＧａＰ電流拡散層
１７ａ  低濃度のｐ−ＧａＰ電流拡散層
１７ｂ  高濃度のｐ−ＧａＰ電流拡散層
１８  素子裏面のｎ側電極
１９  成長層側のｐ側電極
２０  再成長界面
２１  バンドギャップ調整層
２２  光反射層
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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