JP3547344B2 - 半導体発光素子 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、伝送用及び表示用等に用いられる半導体発光素子に関し、さらに詳しくは、耐湿性に優れ、数10mAまで電流を注入しても光出力飽和がないレゾナントキャビティ型LEDに関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、光通信や半導体発光素子情報表示パネル等に半導体発光素子が広く用いられている。これらの半導体発光素子は発光効率が高いこと、光通信用の半導体発光素子においては、さらに応答速度が高速であることが重要であり近年開発が盛んに行われている。
通常の面発光型のLEDは高速応答性が十分とはいえず、100Mbps〜200Mbps程度が限界である。そこで、レゾナントキャビティ(Resonant Cavity)型LEDと呼ばれる半導体発光素子が開発されている。このレゾナントキャビティ型LEDは、2つのミラーで形成された共振器において発生する定在波の腹の位置が発光層になるようにすることにより自然放出光を制御し、高速応答及び高効率を実現する半導体発光素子であり、先行技術として特開平3−229480号公報、米国特許第5226053号明細書等が知られている。特に最近、比較的短い距離の通信にPMMA等のプラスチック材料を基材とする光ファイバ(POF)が利用されはじめ、このPOFの低損失な波長領域である650nmでの高効率な発光が可能なAlGaInP系の半導体材料を発光層とするレゾナントキャビティ型LEDが開発されている(IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS Vol.10 No.12 December 1998 「HighBrightness Visible Resonant Cavity Light Emitting Diode」)。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、従来のレゾナントキャビティ型LEDは共振器を形成するミラーにAlGaAs系の材料の多層反射膜を用いていたため、LED表面極近傍にAlAsあるいはAl混晶比が1に近いAlGaAsの層があり、耐湿性に問題があった。また、表面から注入された電流は1μm程度の厚さのDBR(Distributed Bragg Reflector)でだけ拡散するので電流拡散が十分でないため、数10mAまで電流を注入すると光出力が飽和するという問題があった。これを補うために表面電極を数μm幅の蜂の巣状あるいはメッシュ状の電極とすることが実施されているが、これでは電極切れの問題があり量産性はあまりよくなかった。
【0004】
そこで、本発明の目的は、上記問題点を解決するために、耐湿性に優れ、数10mAまで電流を注入しても光出力飽和がないレゾナントキャビティ型LEDを量産性よく提供することにある。
【0005】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために請求項1の半導体発光素子は、GaAs基板上に一定の間隔を持つ一組の多層反射膜で共振器が形成され、この共振器内の定在波の腹の位置に発光層を有する半導体発光素子において、前記発光層に対して前記GaAs基板側の多層反射膜が複数層のAlxGa1−xAs(0≦x≦1)によって形成され、前記発光層に対して前記GaAs基板と反対側の多層反射膜が複数層のAlyGazIn1−y−zP(0≦y≦1,0≦z≦1)によって形成されることを特徴としている。
請求項1の半導体発光素子では、発光層に対してGaAs基板側の多層反射膜がAlxGa1−xAs(0≦x≦1)で形成されているので、GaAs基板との熱膨張係数の差が小さいため、結晶成長時と結晶成長後の温度差による転移が発生しにくい。このことにより、反射膜の数を多くすることにより、容易に高反射率を得ることができる。
また、発光層に対してGaAs基板と反対側の多層反射膜がAlyGazIn1−y−zP(0≦y≦1,0≦z≦1)で形成されているので、GaAs基板に格子整合する場合に最も多くAlを含む場合でも25%程度であり、AlxGa1−xAs(0≦x≦1)の場合の50%の1/2である。これにより、耐湿性を大きく向上させることができる。AlyGazIn1−y−zP(0≦y≦1,0≦z≦1)多層反射膜の場合、層数が20〜30ペアを超えるとGaAs基板との熱膨張率差により転移が発生しやすくなるが、レゾナントキャビティ型LEDの場合、GaAs基板と反対側の多層反射膜は、GaAs基板側の多層反射膜ほど高反射率が要求されないので、通常20ペアを超える層数は必要なく、転移発生の問題は考えなくてもよい。
【0006】
また、請求項2の半導体発光素子は、請求項1に記載の半導体発光素子において、前記発光層が、単層あるいは複数層からなるAlyGazIn1−y−zP(0≦y≦1,0≦z≦1)であることを特徴とする。
請求項2の半導体発光素子では、発光層がAlyGazIn1−y−zP(0≦y≦1,0≦z≦1)であるので、550nm〜680nm程度で発光する半導体発光素子を得ることができる。
【0007】
また、請求項3の半導体発光素子は、請求項1,2に記載の半導体発光素子において、前記発光層よりも上に絶縁層あるいは前記GaAs基板と同一導電型の層による電流狭窄構造を持つことを特徴とする。
請求項3の半導体発光素子では、発光層よりも上に絶縁層あるいはGaAs基板と同一導電型の層により電流狭窄構造を形成しているので、電流密度を高くすることができ、高い内部量子効率を実現することができる。また、発光部上にボンディングパッド用の電極がないため、外部出射効率を高くすることが可能となる。また、発光部を小さくすることができるので、光通信用に用いる場合に光ファイバーとの結合効率も高くすることができる。
【0008】
また、請求項4の半導体発光素子は、請求項3に記載の半導体発光素子において、前記電流狭窄構造を形成する層がAlxGa1−xAs(0≦x≦1)によって形成されることを特徴とする。
請求項4の半導体発光素子では、一連の結晶成長でGaAs基板に格子整合する電流狭窄層を形成することができる。
【0009】
また、請求項5の半導体発光素子は、請求項3に記載の半導体発光素子において、前記電流狭窄構造を形成する層がAlyGazIn1−y−zP(0≦y≦1,0≦z≦1)によって形成されることを特徴とする。
請求項5の半導体発光素子では、一連の結晶成長で電流狭窄層を形成することができ、またAlyGazIn1−y−zP(0≦y≦1,0≦z≦1)は550nm程度までの発光光に対して透明となり得るので、この発光光を有効に取り出すことができる。
【0010】
また、請求項6の半導体発光素子は、請求項3乃至5のいずれかに記載の半導体発光素子において、前記電流狭窄構造を形成する層よりも上に電流を拡散させる層を形成することを特徴とする。
請求項6の半導体発光素子では、電流狭窄構造の上に電流を拡散させる層を形成するので、均一な発光を得ることができ、動作電圧を低減することができる。
【0011】
また、請求項7の半導体発光素子は、請求項6に記載の半導体発光素子において、前記電流を拡散させる層がAlxGa1−xAs(0≦x≦1)によって形成されることを特徴とする。
請求項7の半導体発光素子では、AlxGa1−xAs(0≦x≦1)は耐湿性を考慮して590nm程度までの発光光に対して透明となり得るので、この発光光を有効に取り出すことができる。
【0012】
また、請求項8の半導体発光素子は、請求項6に記載の半導体発光素子において、前記電流を拡散させる層がAlyGazIn1−y−zP(0≦y≦1,0≦z≦1)によって形成されることを特徴とする。
請求項8の半導体発光素子では、AlyGazIn1−y−zP(0≦y≦1,0≦z≦1)は550nm程度までの発光光に対して透明となり得るのでこの発光光を有効に取り出すことができる。
【0013】
また、請求項9の半導体発光素子は、請求項6に記載の半導体発光素子において、前記電流を拡散させる層が発光光に対して50%以上の透過率の透光性電極によって形成されることを特徴とする。
請求項9の半導体発光素子では、電流を拡散させる層を発光光に対して50%以上の透過率の透光性電極によって形成しているので半導体材料で電流を拡散させる層を形成した場合よりもより低い動作電圧を実現することが可能である。
【0014】
また、請求項10の半導体発光素子は、請求項1乃至9のいずれかに記載の半導体発光素子において、前記GaAs基板表面が(100)面から[011]方向あるいは[0−1−1]方向に対して2°以上傾斜していることを特徴とする。
請求項10の半導体発光素子では、GaAs基板が(100)面から[011]方向あるいは[0−1−1]方向に対して2°以上傾斜しているので、発光層に対してGaAs基板と反対側に形成されるAlyGazIn1−y−zP(0≦y≦1,0≦z≦1)多層反射膜が鏡面になりやすいので高い反射率が少ない多層反射膜の層数で得られる。
【0015】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図1〜12に示す実施例に基づいて説明する。
(実施例1)
図1(A)は、本実施例1で得られる半導体発光素子の表面図であり、図1(B)は図1(A)のX−Yでの断面図である。
図2は、本実施例1の半導体発光素子の製造工程途中の断面図である。
図3(A)は、本実施例の半導体発光素子の製造工程途中の表面図であり、図3(B)は、図3(A)のX−Yでの断面図である。
この半導体発光素子はAlGaInP系のものであり、図2に示すように(100)面から[011]方向あるいは[0−1−1]方向に2°だけ傾斜したn型のGaAs基板1上に、n型のGaAsバッファ層2(厚さ1μm)、n型のAlAsとn型のAl0.5Ga0.5AsのDBR3(層数30ペア)、n型の(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5P第1クラッド層4、井戸層がGaInP、バリア層が(Al0.5Ga0.5)0.5In0.5Pの量子井戸活性層5、p型の(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5P第2クラッド層6、p型の(Al0.2Ga0.8)0.5In0.5Pとp型のAl0.5In0.5PのDBR7(層数12ペア)、p型の(Al0.2Ga0.8)0.5In0.5P中間層8(厚さ0.1μm)、p型のGaAsコンタクト層9(厚さ1μm)をMOCVD法(有機金属気相成長:Metal Organic Chemical Vapor Deposition)により順次積層する。
【0016】
ここで、n型のAlAsとn型のAl0.5Ga0.5Asの層数30ペアのDBR3及びp型の(Al0.2Ga0.8)0.5In0.5Pとp型のAl0.5In0.5Pの層数12ペアのDBR7は反射スペクトルの中心が650nmになるようにし、この2つのDBR3,7で形成される共振器の共振波長も650nmになるように共振器長を調整する。本実施例1では共振器長は1.5波長分とした。さらに発光層となる量子井戸活性層5の位置は共振器中に生じる定在波の腹の位置にくるようにし、発光ピーク波長は650nmになるようにする。
その後、図3(A)(B)に示すようにウエハー表面にCVD法によりSiO2膜10を形成し、フォトリソグラフィー及び希釈HFによるエッチングにより70μmφの円形状の電流経路を形成する。
【0017】
その後、図1(A)(B)に示すようにp型のGaAsコンタクト層9及びSiO2膜10上にAuZn/Mo/Auをスパッタし、フォトリソグラフィーによるパターニングにより表面電極を形成する。通常表面電極11と発光層の間には1〜3μmの厚さの層しかなく、この層中では電流はあまり拡散しないが、電極形状を図1(A)のように幅数μmのリング形状にすることによって発光部にかなり均一に電流を注入することができ、電極に遮られて外部に取り出すことのできない発光光を抑制できる。その後、熱処理することによりp型電極11が得られる。そして、GaAs基板を約280μmまで研磨し、この研磨した面にAuGe/Auを蒸着し、熱処理することによりn型電極12を形成する。
【0018】
このようにして得られた半導体発光素子は、発光層に対してGaAs基板1側の多層反射膜(DBR3)はAlGaAs系の材料で形成されているので全膜厚は約3μmとなっているが、GaAs基板1との熱膨張率差が小さいので、基板のそり,ダークラインの発生が認められない。また、層数を30ペアとすることで99%以上の高反射率を実現している。また、量子井戸活性層5からなる発光層に対してGaAs基板1と反対側の多層反射膜(DBR7)は、AlGaInP系の材料で形成されているので、表面近傍の最も多くAlを含む層がAl0.5In0.5Pであり、耐湿性は問題にならない。この多層反射膜のピーク反射率は約70%であり、レゾナントキャビティ(Resonant Cavity)構造には十分な反射率が得られている。この半導体発光素子を温度80℃、湿度85%中で50mAの通電試験を実施したところ、1000時間経過後で初期光出力の90%の光出力であった。また、SiO2膜10により電流狭窄構造が形成されており、内部量子効率,外部出射効率がともに高く、初期光出力は20mAで1.6mWとPOFを使用して光通信をするのに十分な光出力が得られた。
【0019】
(実施例2)
図4(A)は、本実施例2で得られる半導体発光素子の表面図であり、図4(B)は図4(A)のX−Yでの断面図である。
図5は、本実施例2の半導体発光素子の製造工程途中の断面図である。
図6は(A)は、本実施例の半導体発光素子の製造工程途中の表面図であり、図6(B)は図6(A)のX−Yでの断面図である。
この半導体発光素子はAlGaInP系のものであり、図5に示すように(100)面から[011]方向あるいは[0−1−1]方向に15°傾斜したn型のGaAs基板21上にn型のGaAsバッファ層22(厚さ1μm)、n型のAlAsとn型のAl0.5Ga0.5AsのDBR23(層数30ペア)、n型の(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5P第1クラッド層24、井戸層がGaInP、バリア層が(Al0.5Ga0.5)0.5In0.5Pの量子井戸活性層25、p型の(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5P第2クラッド層26、p型の(Al0.2Ga0.8)0.5In0.5Pとp型のAl0.5In0.5Pの12ペアのDBR27、p型の(Al0.2Ga0.8)0.5In0.5Pエッチングストップ層28(厚さ0.5μm)、n型のGaAs電流狭窄層29(厚さ0.3μm)、n型の(Al0.3Ga0.7)0.5In0.5P保護層30(厚さ0.1μm)、n型のGaAs キャップ層31(厚さ0.01μm)をMOCVD法により順次積層する。
【0020】
ここで、n型のAlAsとn型のAl0.5Ga0.5Asの層数30ペアのDBR23及びp型の(Al0.2Ga0.8)0.5In0.5Pとp型のAl0.5In0.5Pの層数12ペアのDBR27は反射スペクトルの中心が650nmになるようにする。また、この2つのDBR23,27で形成される共振器の共振波長も650nmになるように共振器長を調整する。本実施例2では共振器長は1.5波長分とした。さらに発光層となる量子井戸活性層25の位置は共振器中に生じる定在波の腹の位置にくるようにし、発光ピーク波長は650nmになるようにする。
【0021】
その後、図6(A)(B)に示すようにn型のGaAs キャップ層31を硫酸/過酸化水素系エッチャントにより除去した後、フォトリソグラフィー及び、熱燐酸,硫酸/過酸化水素系エッチャントによりn型の(Al0.3Ga0.7)0.5In0.5P保護層30、n型のGaAs電流狭窄層29をp型の(Al0.2Ga0.8)0.5In0.5Pエッチングストップ層28に達するまでエッチングする。このときのエッチングによって70μmφの円形状の電流経路を形成する。
【0022】
その後、図4(A)(B)に示すように、p型のAl0.5Ga0.5As電流拡散層32(厚さ7μm)をn型の(Al0.3Ga0.7)0.5In0.5P保護層30及びp型の(Al0.2Ga0.8)0.5In0.5Pエッチングストップ層28上に再成長した後、p型のAl0.5Ga0.5As電流拡散層32上にAuZn/Mo/Auをスパッタし、フォトリソグラフィー及びAuエッチャント、アンモニア/過酸化水素系エッチャントによるエッチングにより表面電極を形成する。その後、熱処理することによりp型電極33が得られる。そして、GaAs基板を約280μmまで研磨し、この研磨した面にAuGe/Auを蒸着し、熱処理することによりn型電極34を形成する。
【0023】
このようにして得られた半導体発光素子は、多層反射膜の構造は実施例1と同様であるが、実施例1が(100)面から[011]方向に2°だけ傾斜したGaAs基板を使用したのに対して、本実施例2では(100)面から[011]方向に15°傾斜したGaAs基板を使用しているので、より良質の鏡面が得られ、その結果発光層に対してGaAs基板21と反対側のAlGaInP系の材料の多層反射膜(DBR23)の反射率が約70%から約75%に向上している。耐湿性に関しても全く問題なく、温度80℃、湿度85%中で50mAの通電試験を実施したところ1000時間経過後で初期光出力の90%の光出力であった。また、初期光出力は20mAで2.2mWと十分な光出力が得られた。また表面にAl0.5Ga0.5As電流拡散層32を備えているので、40mAまで電流を大きくした場合に実施例1の半導体発光素子の光出力が2mWと飽和傾向を示しているのに対し、本実施例2の半導体発光素子の光出力は4.2mWと電流に比例して増加している。動作電圧に関しても、20mA通電時に実施例1の半導体発光素子が2.2Vであったのに対し、本実施例2の半導体発光素子は2.1Vであり、0.1Vの動作電圧低減が実現できた。これらはAl0.5Ga0.5As電流拡散層32により発光層に均一に電流を注入したことの効果である。
【0024】
(実施例3)
図7(A)(B)は本実施例3で得られる半導体発光素子の表面図であり、図7(B)は図7(A)のX−Yでの断面図である。
図8は本実施例の半導体発光素子の製造工程途中の断面図である。
図9(A)は本実施例の半導体発光素子の製造工程途中の表面図であり、図9(B)は図9(A)のX−Yでの断面図である。
この半導体発光素子はAlGaInP系のものであり、図8に示すように(100)面から[011]方向あるいは[0−1−1]方向に15°傾斜したn型のGaAs基板41上にn型のGaAsバッファ層42(厚さ1μm)、n型のAlAsとn型のAl0.7Ga0.3AsのDBR43(層数70ペア)、n型の(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5P第1クラッド層44、井戸層が(Al0.3Ga0.7)0.5In0.5P、バリア層が(Al0.5Ga0.5)0.5In0.5Pの量子井戸活性層45、p型の(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5P第2クラッド層46、p型の(Al0.4Ga0.6)0.5In0.5Pとp型のAl0.5In0.5PのDBR47(層数18ペア)、p型のAlGaInP中間層48(厚さ0.15μm)、p型のAlGaInP第1電流拡散層49(厚さ1μm)、n型のAlGaInP電流狭窄層50(厚さ0.3μm)、n型のGaAsキャップ層51(厚さ0.01μm)をMOCVD法により順次積層する。
【0025】
ここで、n型のAlAsとn型のAl0.7Ga0.3Asの層数70ペアのDBR43及びp型の(Al0.4Ga0.6)0.5In0.5Pとp型のAl0.5In0.5Pの層数18ペアのDBR47は、反射スペクトルの中心が570nmになるようにする。また、この2つのDBR43,47で形成される共振器の共振波長も570nmになるように共振器長を調整する。本実施例3では共振器長を1.5波長分とした。さらに量子井戸活性層45の位置は共振器中に生じる定在波の腹の位置にくるようにし、発光ピーク波長は570nmになるようにする。
その後、図9(A)(B)に示すように、n型のGaAs キャップ層51を硫酸/過酸化水素系エッチャントで除去した後、フォトリソグラフィー及び、硫酸/過酸化水素系エッチャントによりn型AlGaInP電流狭窄層50をp型のAlGaInP第1電流拡散層49に達するまでエッチングする。このときのエッチングで70μmφの円形状の電流経路を形成する。
【0026】
その後、図7(A)(B)に示すようにp型のAlGaInP第2電流拡散層52(厚さ7μm)をn型のAlGaInP電流狭窄層50及びp型のAlGaInP第1電流拡散層49上に再成長する。
その後、p型のAlGaInP第2電流拡散層上にAuBe/Auを蒸着し、フォトリソグラフィー及びAuエッチャントによるエッチングにより表面電極を形成する。その後、熱処理することによりp型電極53が得られる。そして、GaAs基板を約280μmまで研磨し、この研磨した面にAuGe/Auを蒸着し、熱処理することによりn型電極54を形成する。
このようにして得られた半導体発光素子は、発光層に対してGaAs基板側の多層反射膜は(DBR43)AlGaAs系の材料で形成されているので全層厚は約7μmと実施例1,実施例2の場合よりもさらに厚くなっているが、GaAs基板41との熱膨張率の差が小さいため基板のそり、ダークラインの発生は認められない。また、層数を70ペアとしていることから、99%以上の反射率を実現している。また、発光層に対してGaAs基板41と反射側の多層反射膜(DBR47)はAlGaInP系の材料で形成されているので、実施例1,実施例2の場合同様耐湿性の問題はなく、温度80℃、湿度85%中で50mAの通電試験を実施したところ、1000時間経過後で初期光出力の105%の光出力であった。初期光出力は0.4mWであった。
【0027】
(実施例4)
図10(A)は、本実施例4で得られる半導体発光素子の表面図であり、図10(B)は図10(A)のX−Yでの断面図である。
図11は本実施例の半導体発光素子の製造工程途中の断面図である。
図12(A)は本実施例の半導体発光素子の製造工程途中の表面図であり、図12(B)は図12(A)のX−Yでの断面図である。
この半導体発光素子はAlGaInP系のものであり、図11に示すように(100)から[011]方向あるいは[0−1−1]方向に15°傾斜したn型のGaAs基板61上にn型のGaAsバッファ層62(厚さ1μm)、n型のAlAsとn型のAl0.5Ga0.5AsのDBR63(層数30ペア)、n型の(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5P第1クラッド層64、井戸層がGaInP、バリア層が(Al0.5Ga0.5)0.5In0.5Pの量子井戸活性層65、p型の(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5P第2クラッド層66、p型の(Al0.2Ga0.8)0.5In0.5Pとp型のAl0.5In0.5PのDBR67(層数12ペア)、p型の(Al0.2Ga0.8)0.5In0.5P中間層68(厚さ0.1μm)、p型のGaAsコンタクト層69(厚さ0.005μm)をMOCVD法により順次積層する。
ここで、n型のAlAsとn型のAl0.5Ga0.5Asの層数30ペアのDBR63及びp型の(Al0.2Ga0.8)0.5In0.5Pとp型のAl0.5Ga0.5Pの層数12ペアのDBR67は、反射スペクトルの中心が650nmになるようにし、この2つのDBR63,67で形成される共振器の共振波長も650nmになるようにする。さらに量子井戸活性層65の位置は、共振器中に生じる定在波の腹の位置にくるようにする。
【0028】
その後、図12(A)(B)に示すようにウエハー表面にCVD法によりSiO2膜70を形成し、フォトリソグラフィー及び希釈HFによるエッチングにより70μmφの円形状の電流経路を形成する。すなわち、SiO2膜70が電流狭窄構造を形成する層となっている。
その後、図10(A)(B)に示すようにGaAs基板61を約280μmまで研磨し、この研磨した面にAuGe/Auによりn型電極71を形成する。その後、p型のGaAsコンタクト層69及びSiO2膜70上にITO膜72により表面電極を形成する。すなわち、ITO膜72が電流を拡散させる層となっている。さらにその上にTi/Au73によりボンディングパッドを形成する。
【0029】
このようにして得られた半導体発光素子は、多層反射膜の構造は実施例2と同様であるが、20mAでの動作電圧が実施例2の半導体発光素子が2.1Vであったのに対し、本実施例4の半導体発光素子の20mAでの動作電圧は1.9Vと0.2Vの低減ができた。またp型のGaAsコンタクト層69、ITO膜72での650nmの光に対する透過率が約70%であるので光出力は20mA通電時に1.5mWであった。温度80℃、湿度85%中での50mAの通電試験では1000時間経過後で初期光出力の90%の光出力であり耐湿性に問題はなかった。
【0030】
【発明の効果】
以上明らかなように、請求項1の発明の半導体発光素子は、GaAs基板上に一定の間隔を持つ一組の多層反射膜で共振器が形成され、この共振器内の定在波の腹の位置に発光層を有し、半導体基板に垂直に発光する半導体発光素子において、発光層に対してGaAs基板側の多層反射膜が複数層のAlxGa1−xAs(0≦x≦1)で形成され、発光層に対してGaAs基板と反対側の多層反射膜が複数層のAlyGazIn1−y−zP(0≦y≦1,0≦z≦1)で形成される。
発光層に対してGaAs基板側の多層反射膜がAlxGa1−xAs(0≦x≦1)で形成されているので、GaAs基板との熱膨張係数の差が小さいため、結晶成長時と結晶成長後の温度差による転移が発生しにくい。このことにより、反射膜の数を多くすることことにより、容易に高反射率を得ることができる。
また、発光層に対してGaAs基板と反対側の多層反射膜がAlyGazIn1−y−zP(0≦y≦1,0≦z≦1)で形成されているので、GaAs基板に格子整合する場合に最も多くAlを含む場合でも25%程度であり、AlxGa1−xAs(0≦x≦1)の場合の50%の1/2である。これにより、耐湿性に関して大きく向上させることができる。AlyGazIn1−y−zP(0≦y≦1,0≦z≦1)多層反射膜の場合、その層数が20〜30ペアを越えるとGaAs基板との熱膨張率差により転移が発生しやすくなるが、レゾナントキャビティ型LEDの場合GaAs基板と反対側の多層反射膜はGaAs基板側の多層反射膜ほど高反射率が要求されないので、通常20ペアを超える層数は必要なく、転移は発生しない。
【0031】
また、請求項2の発明の半導体発光素子は、請求項1に記載の半導体発光素子において、GaAs基板上に一定の間隔を持つ一組の多層反射膜で形成される共振器内の定在波の腹の位置に形成する発光層が、単層あるいは複数層からなるAlyGazIn1−y−zP(0≦y≦1,0≦z≦1)であることによって、550nm〜680nm程度で発光する半導体発光素子を得ることができる。
【0032】
また、請求項3の発明の半導体発光素子は、請求項1,2に記載の半導体発光素子において、発光層よりも上に絶縁層あるいはGaAs基板と同一導電型の層による電流狭窄構造を持つことによって、電流密度を高くすることができ、高い内部量子効率を実現することができる。また発光部上にボンディングパッド用の電極がないため、外部出射効率を高くすることが可能となる。また、発光部を小さくすることができるので、光通信用に用いる場合に光ファイバーとの結合効率も高くすることができる。
【0033】
また、請求項4の発明の半導体発光素子は、請求項3に記載の半導体発光素子において、発光層よりも上に電流狭窄構造を形成するGaAs基板と同一導電型の層がAlxGa1−xAs(0≦x≦1)であることによって、一連の結晶成長でGaAs基板に格子整合する電流狭窄層を形成することができる。
【0034】
また、請求項5の発明の半導体発光素子は、請求項3に記載の半導体発光素子において、発光層よりも上に電流狭窄構造を形成するGaAs基板と同一導電型の層がAlyGazIn1−y−zP(0≦y≦1,0≦z≦1)であることによって、一連の結晶成長で電流狭窄層を形成することができ、またAlyGazIn1−y−zP(0≦y≦1,0≦z≦1)は550nm程度までの発光光に対して透明となり得るのでこの発光光を有効に取り出すことができる。
【0035】
また、請求項6の発明の半導体発光素子は、請求項3に記載の半導体発光素子において、発光層よりも上に絶縁層あるいはGaAs基板と同一導電型の層による電流狭窄構造を形成し、この層よりも上に電流を拡散させる層を形成することによって、均一な発光を得ることができ、動作電圧を低減することができる。
【0036】
また、請求項7の発明の半導体発光素子は、請求項6に記載の半導体発光素子において、発光層よりも上に絶縁層あるいはGaAs基板と同一導電型の層による電流狭窄構造を形成し、この層よりも上に形成する電流を拡散させる層がAlxGa1−xAs(0≦x≦1)によって形成されることによって、AlxGa1−xAs(0≦x≦1)は耐湿性を考慮して590nm程度までの発光光に対して透明となり得るので、この発光光を有効に取り出すことができる。
【0037】
また、請求項8の発明の半導体発光素子は、請求項6に記載の半導体発光素子において、発光層よりも上に絶縁層あるいはGaAs基板と同一導電型の層による電流狭窄構造を形成し、この層よりも上に形成する電流を拡散させる層がAlyGazIn1−y−zP(0≦y≦1,0≦z≦1)によって形成されることによって、AlyGazIn1−y−zP(0≦y≦1,0≦z≦1)は550nm程度までの発光光に対して透明となり得るので、この発光光を有効に取り出すことができる。
【0038】
また、請求項9の発明の半導体発光素子は、請求項6に記載の半導体発光素子において、発光層よりも上に絶縁層あるいはGaAs基板と同一導電型の層による電流狭窄構造を形成し、この層よりも上に形成する電流を拡散させる層が発光光に対して50%以上の透過率の透光性電極によって形成されることによって、電流を拡散させる層を透光性電極によって形成しているので、半導体材料で電流を拡散させる層を形成した場合よりも均一に発光させることができ、低い動作電圧を実現することが可能である。
【0039】
また、請求項10の発明の半導体発光素子は、請求項1乃至9に記載の半導体発光素子において、GaAs基板表面が(100)面から[011]方向あるいは[0−1−1]方向に対して2°以上傾斜していることによって、発光層に対してGaAs基板と反対側に形成されるAlyGazIn1−y−zP(0≦y≦1,0≦z≦1)多層反射膜が鏡面になりやすいので高い反射率が、少ない多層反射膜の層数で得られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1(A)及び図1(B)はそれぞれ、本発明の第1実施例による半導体発光素子の表面図及びそのX−Y断面図である。
【図2】図1の半導体発光素子の製造工程途中の断面図である。
【図3】図3(A)及び図3(B)はそれぞれ、図1の半導体発光素子の製造工程途中の表面図及びそのX−Y断面図である。
【図4】図4(A)及び図4(B)はそれぞれ、本発明の第2実施例による半導体発光素子の表面図及びそのX−Y断面図である。
【図5】図4の半導体発光素子の製造工程途中の断面図である。
【図6】図6(A)及び図6(B)はそれぞれ、図4の半導体発光素子の製造工程途中の表面図及びそのX−Y断面図である。
【図7】図7(A)及び図7(B)はそれぞれ、本発明の第3実施例による半導体発光素子の表面図及びそのX−Y断面図である。
【図8】図7の半導体発光素子の製造工程を示す断面図である。
【図9】図9(A)及び図9(B)はそれぞれ、図7の半導体発光素子の製造工程を示す表面図及びそのX−Y断面図である。
【図10】図10(A)及び図10(B)はそれぞれ、本発明の第4実施例による半導体発光素子の表面図及びそのX−Y断面図である。
【図11】図10の半導体発光素子の製造工程を示す断面図である。
【図12】図12(A)及び図12(B)はそれぞれ、図10の半導体発光素子の製造工程を示す表面図及びそのX−Y断面図である。
【符号の説明】
1,21,41,61…n−GaAs基板、2,22,42,62…n−GaAsバッファ層、3,23,43,63…n−AlGaAs系DBR、4,24,44,64…n−(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5Pクラッド層、5,25,45,65…量子井戸活性層、6,26,46,66…p−(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5Pクラッド層、7,27,47,67…p−AlGaInP系DBR、8,68…p−(Al0.2Ga0.8)0.5In0.5P中間層、9,69…p−GaAsコンタクト層、10,70…SiO2膜、11,33,53…p型電極、12,34,54,71…n型電極、28…p−(Al0.2Ga0.8)0.5In0.5Pエッチングストップ層、29…n−GaAs電流狭窄層、30…n−(Al0.3Ga0.7)0.5In0.5P保護層、31…n−GaAsキャップ層、32…p−Al0.5Ga0.5As電流拡散層、48…p−AlGaInP中間層、49…p−AlGaInP第1電流拡散層、50…n−AlGaInP電流狭窄層、51…n−GaAsキャップ層、52…p−AlGaInP第2電流拡散層、72…ITO膜。
Claims (10)
- GaAs基板上に一定の間隔を持つ一組の多層反射膜で共振器が形成され、この共振器内の定在波の腹の位置に発光層を有する半導体発光素子において、前記発光層に対して前記GaAs基板側の多層反射膜が複数層のAlxGa1−xAs(0≦x≦1)によって形成され、前記発光層に対して前記GaAs基板と反対側の多層反射膜が複数層のAlyGazIn1−y−zP(0≦y≦1,0≦z≦1)によって形成されることを特徴とする半導体発光素子。
- 前記発光層が、単層あるいは複数層からなるAlyGazIn1−y−zP(0≦y≦1,0≦z≦1)によって形成されることを特徴とする請求項1に記載の半導体発光素子。
- 前記発光層よりも上に絶縁層あるいは前記GaAs基板と同一導電型の層による電流狭窄構造を有することを特徴とする請求項1または2に記載の半導体発光素子。
- 前記電流狭窄構造を形成する層がAlxGa1−xAs(0≦x≦1)によって形成されることを特徴とする請求項3に記載の半導体発光素子。
- 前記電流狭窄構造を形成する層がAlyGazIn1−y−zP(0≦y≦1,0≦z≦1)によって形成されることを特徴とする請求項3記載の半導体発光素子。
- 前記電流狭窄構造を形成する層よりも上に電流を拡散させる層を形成することを特徴とする請求項3乃至5のいずれかに記載の半導体発光素子。
- 前記電流を拡散させる層がAlxGa1−xAs(0≦x≦1)によって形成されることを特徴とする請求項6に記載の半導体発光素子。
- 前記電流を拡散させる層がAlyGazIn1−y−zP(0≦y≦1,0≦z≦1)によって形成されることを特徴とする請求項6に記載の半導体発光素子。
- 前記電流を拡散させる層が発光光に対して50%以上の透過率の透光性電極によって形成されることを特徴とする請求項6に記載の半導体発光素子。
- 前記GaAs基板表面が(100)面から[011]方向あるいは[0−1−1]方向に対して2°以上傾斜していることを特徴とする請求項1乃至9のいずれかに記載の半導体発光素子。
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