JP4710764B2 - 半導体発光素子 - Google Patents
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Description
本発明は、半導体発光素子に関わり、特に、透明導電膜を電流分散層に用いた半導体発光素子に関するものである。
AlGaInP系材料は、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、560nm〜650nmの発光帯域において非常に高い輝度が得られる。このことから、現在でも盛んに研究・開発が行われており、特に更なる高輝度化の研究が盛んである。また最近では、AlGaInP系発光ダイオードは低価格化競争の最中にあり、発光ダイオードの原価低減、スループット向上が求められている。
AlGaInP系発光ダイオードの製造コストは、主に電流拡散層が占めている。この要因として、一つには電流拡散層の膜厚が厚いことが挙げられる。電流拡散層の材料は主に、GaP、AlGaAsであり、発光ダイオードの高輝度化、低動作電圧化を図るには、この電流拡散層の膜厚を大体8μm以上とする必要があった。このため、電流拡散層の成長に掛かる原料費用が高くなり、更には、成長に要する時間が長くなってスループットを悪化させ、総合的にAlGaInP系発光ダイオードの製造原価を高くしていた。
これらの問題を解決する方法として、半導体による電流拡散層(窓層)の代わりに、キャリア濃度が非常に高く、薄い膜厚で十分な電流分散効果を得ることができる金属酸化膜の透明導電膜を用いる方法が提案されている。しかし、通常、金属酸化物の透明導電膜を用いた場合、その上に金属電極(上面電極)が形成されるが、半導体層と金属酸化膜である透明導電膜の間に接触抵抗が発生してしまい、順方向動作電圧が高くなるという問題がある。
また、最上の半導体層のキャリア濃度を極めて高くすることで、トンネル電流によりLEDを駆動させるという方法も開示されている(例えば、非特許文献1参照)。これらの方法を用いる事により、低コスト化が可能となる。
また、最上の半導体層のキャリア濃度を極めて高くすることで、トンネル電流によりLEDを駆動させるという方法も開示されている(例えば、非特許文献1参照)。これらの方法を用いる事により、低コスト化が可能となる。
しかしながら、更なる高輝度化が求められており、上面電極によって遮蔽されてしまう上面電極直下での発光を少なくして高輝度化を図る方法として、電流ブロック層を備えた電流狭窄型の発光ダイオードが提案されている(例えば、特許文献1参照)。電流ブロック層は、発光層と電流拡散層との間に、電流拡散層とは逆の導電性を有する半導体層をMOVPE(有機金属気相成長)法で成長させ、これを選択的にエッチングして電流ブロック層のパターンニングを行って形成される。その後、電流ブロック層上に電流拡散層を再びMOVPE法によって成長させる事で、電流狭窄型の発光ダイオードを作製している。
ELECTRONICS LETTERS,7Th December 1995,pp.2210〜2212
特開2002−64219号公報
しかし、電流ブロック層を設ける方法では、MOVPEによる成長工程が二度必要になる為、発光ダイオードの製造原価を低減する事が難しい。特にMOVPEは、1回のウェハ処理枚数が少ない為、成長工程が二度必要になると、スループットが悪く、製造コストが高くなってしまう。また逆メサ方向では、電流ブロック層が逆テーパになることから、二度目のMOVPEによる成長時に、欠陥が出来てしまうことが多々あり、制御性が悪く、再現性等に問題がある。つまり技術的にも製造が難しく、歩留まりが悪いことから、製造コストが高くなる。従って、現状では、高輝度で低コストの発光ダイオードを、歩留まり良く製作することが難しい。
本発明は、上記課題を解決し、低コストで製造可能な高輝度の半導体発光素子を提供することにある。
発光素子の上面(表面)に形成された上面電極(金属電極)の下方で発光し上面電極に達した光は、上面電極が遮光体となってしまい、発光素子の上面から取り出す事が出来ない。このため、上面電極直下での発光を少なくして高輝度化する方法が、従来の電流ブロック層を設ける方法である。しかし、上述したように、電流ブロック層は、製造が難しく歩留まりが悪いことから、製造コストが高くなる。
また、上面電極は、電極形成後にアロイ処理(熱処理)をしている。このアロイ処理によって、上面電極と半導体層が合金化して接触抵抗が低くなる。しかし、合金化することによって光の反射率は低下する。つまり、発光部で発光した光の内、上面電極に達したものの多くは、外に出られずに損失となる。
上面電極に達した光を効率よく反射することが出来れば、その反射した光は発光部側に行き、活性層で再発光する。所謂フォトリサイクリングが行われる。また、反射して外部に光が出て発光出力が増加する確率も高まる。
そこで、上面電極直下で発光し上面電極に向かう光を発光部に効率よく反射して戻すことができれば、電流ブロック層を設けることなく、低コストで高輝度の発光素子を得る事が出来る。かかる考察から本発明は案出されたものであり、次のように構成されている。
また、上面電極は、電極形成後にアロイ処理(熱処理)をしている。このアロイ処理によって、上面電極と半導体層が合金化して接触抵抗が低くなる。しかし、合金化することによって光の反射率は低下する。つまり、発光部で発光した光の内、上面電極に達したものの多くは、外に出られずに損失となる。
上面電極に達した光を効率よく反射することが出来れば、その反射した光は発光部側に行き、活性層で再発光する。所謂フォトリサイクリングが行われる。また、反射して外部に光が出て発光出力が増加する確率も高まる。
そこで、上面電極直下で発光し上面電極に向かう光を発光部に効率よく反射して戻すことができれば、電流ブロック層を設けることなく、低コストで高輝度の発光素子を得る事が出来る。かかる考察から本発明は案出されたものであり、次のように構成されている。
本発明の第1の態様は、半導体基板上に、III−V族化合物半導体からなる、n型クラッド層、活性層及びp型クラッド層の発光部と、p型コンタクト層とを有し、前記p型コンタクト層上に金属酸化物の透明導電膜からなる電流分散層が形成されると共に、前記電流分散層上の一部に上面電極が、前記半導体基板裏側に下面電極がそれぞれ形成された半導体発光素子において、前記p型コンタクト層と前記電流分散層との間の、前記上面電極下方にほぼ対応した部位に、前記発光部からの光を反射するIII−V族化合物半導体からなる光反射層を備えたことを特徴とする半導体発光素子である。
本発明の第2の態様は、第1の態様の半導体発光素子において、前記光反射層が、AlxGa1−xAs層(0≦x≦1)と(AlyGa1−y)zIn1−zP層(0≦y≦1、0≦z≦1)との組み合わせからなることを特徴とする半導体発光素子である。
本発明の第3の態様は、第1又は第2の態様の半導体発光素子において、前記光反射層が、p型層であることを特徴とする半導体発光素子である。
本発明の第4の態様は、第1〜第3の態様のいずれかの半導体発光素子において、前記p型クラッド層と前記p型コンタクト層との間に、前記活性層で発光した光に対して透明な材料であり、且つAs系若しくはP系、またはAs系とP系が混在したIII−V族化合物半導体の緩衝層が設けられていることを特徴とする半導体発光素子である。
本発明の第5の態様は、第1〜第4の態様のいずれかの半導体発光素子において、前記電流分散層が、ITOで形成されていることを特徴とする半導体発光素子である。
本発明の第6の態様は、第1〜第5の態様のいずれかの半導体発光素子において、前記電流分散層が、真空蒸着法又はスパッタ法によって形成され、且つキャリア濃度が形成直後の状態で8×1020/cm3以上であることを特徴とする半導体発光素子である。
本発明の第7の態様は、第1〜第6の態様のいずれかの半導体発光素子において、前記p型コンタクト層はAlxGa1−xAs(但し、0≦x≦0.4)からなり、当該p型コンタクト層に含まれる主たるドーパントはZnで、且つキャリア濃度が1×1019/cm3以上であることを特徴とする半導体発光素子である。
本発明の第8の態様は、第1〜第7の態様のいずれかの半導体発光素子において、前記p型コンタクト層の膜厚が、1nm以上30nm以下であることを特徴とする半導体発光素子である。
本発明の第9の態様は、第1〜第8の態様のいずれかの半導体発光素子において、前記半導体基板と前記n型クラッド層の間に、屈折率の異なる2つの半導体層が交互に積層された半導体多層膜からなる光反射層が設けられていることを特徴とする半導体発光素子である。
本発明の第10の態様は、第1〜第9の態様のいずれかの半導体発光素子において、前記活性層が、多重量子井戸構造、又は歪多重量子井戸構造であることを特徴とする半導体発光素子である。
本発明によれば、大幅なコストアップを招くことなく、歩留まり良く、高輝度の半導体発光素子が得られる。
以下に、本発明に係る半導体発光素子の実施形態を図面を用いて説明する。図1は、実施形態の発光ダイオードの層構造を示す断面図である。
この実施形態の発光ダイオードは、図1に示すように、n型半導体基板1上には、III−V族化合物半導体からなる、n型バッファ層2と、n型光反射層3と、n型クラッド層4、アンドープの活性層5およびp型クラッド層6からなる発光部と、p型緩衝層7と、p型コンタクト層8とが形成されている。p型コンタクト層8上には金属酸化物の透明導電膜からなる電流分散層9が形成され、更に、電流分散層9上の一部には上面電極10が形成され、n型半導体基板1の裏面には下部電極11が形成されている。また、p型コンタクト層8と電流分散層9との間の、上面電極10下方にほぼ対応した部位に、上記発光部からの光を反射するIII−V族化合物半導体からなる光反射層12が形成されている。
n型光反射層3は、上記発光部から基板1側への光を反射する層であり、高屈折率層と低屈折率層との屈折率の異なる2つの半導体層が交互に積層された半導体多層膜が好ましい。
活性層5は、高出力化が図れる、多重量子井戸構造、又は歪多重量子井戸構造であるのが好ましい。
p型緩衝層7は、p型コンタクト層8のp型ドーパントであるZnやMgが活性層5に拡散するのを防止したり、上面電極10にワイヤボンディングする際のの衝撃を緩和したりするための層である。p型緩衝層7は、活性層5で発光した光に対して透明な材料であって、As系若しくはP系、またはAs系とP系が混在した層であるのが好ましい。
p型コンタクト層8は、AlxGa1−xAs(但し、0≦x≦0.4)からなり、p型コンタクト層8に含まれる主たるドーパントはZnで、且つキャリア濃度が1×1019/cm3以上であるのが好ましい。また、p型コンタクト層8の膜厚は、1nm以上30nm以下であるのが好ましい。
電流分散層9は、ITO(酸化インジウム錫:Indium Tin Oxide)で形成されているのが好ましい。その他、金属酸化物の透明導電膜からなる電流分散層9の材料としては、ZnO(酸化亜鉛)、CTO(酸化カドミウム錫)などが挙げられる。また、電流分散層9は、真空蒸着法又はスパッタ法によって形成され、且つキャリア濃度が形成直後の状態で8×1020/cm3以上であるのが好ましい。また、電流分散層9の膜厚d(nm)は、膜厚d=定数A×波長λp(nm)/(4×電流分散層9の屈折率n)の関係式をほぼ満足し、更にその定数Aは奇数である事が好ましい。尚、前記関係式の波長λpは、上記発光部の発光ピーク波長である。
活性層5は、高出力化が図れる、多重量子井戸構造、又は歪多重量子井戸構造であるのが好ましい。
p型緩衝層7は、p型コンタクト層8のp型ドーパントであるZnやMgが活性層5に拡散するのを防止したり、上面電極10にワイヤボンディングする際のの衝撃を緩和したりするための層である。p型緩衝層7は、活性層5で発光した光に対して透明な材料であって、As系若しくはP系、またはAs系とP系が混在した層であるのが好ましい。
p型コンタクト層8は、AlxGa1−xAs(但し、0≦x≦0.4)からなり、p型コンタクト層8に含まれる主たるドーパントはZnで、且つキャリア濃度が1×1019/cm3以上であるのが好ましい。また、p型コンタクト層8の膜厚は、1nm以上30nm以下であるのが好ましい。
電流分散層9は、ITO(酸化インジウム錫:Indium Tin Oxide)で形成されているのが好ましい。その他、金属酸化物の透明導電膜からなる電流分散層9の材料としては、ZnO(酸化亜鉛)、CTO(酸化カドミウム錫)などが挙げられる。また、電流分散層9は、真空蒸着法又はスパッタ法によって形成され、且つキャリア濃度が形成直後の状態で8×1020/cm3以上であるのが好ましい。また、電流分散層9の膜厚d(nm)は、膜厚d=定数A×波長λp(nm)/(4×電流分散層9の屈折率n)の関係式をほぼ満足し、更にその定数Aは奇数である事が好ましい。尚、前記関係式の波長λpは、上記発光部の発光ピーク波長である。
光反射層12は、上記発光部から上面電極10に向かう光を反射して発光部側に戻すための、単層又は多層の半導体層である。光反射層12としては、AlxGa1−xAs層(0≦x≦1)と(AlyGa1−y)zIn1−zP層(0≦y≦1、0≦z≦1)との屈折率の異なる2つの半導体層が交互に積層された半導体多層膜(分布ブラッグ反射膜)が好ましい。光反射層12の各層の膜厚は、λp/(4×光反射層12の各層の屈折率)に設定する。また、光反射層12は、p型層であるのが好ましい。
光反射層12をp型層にすると、上面電極10から活性層5に対して、電流分散層9だけではなく光反射層12からも電流が供給される。従って、光反射層12直下、即ち上面電極10直下の活性層5からも発光するが、この発光のうち上面電極10に向かう光は上面電極10の前方に設けた光反射層12によって反射され、発光部側に戻されて活性層5での再発光に利用されたり、LED素子の側面などから外部に光が取り出されたりして、発光出力が増加する。
光反射層12をp型層にすると、上面電極10から活性層5に対して、電流分散層9だけではなく光反射層12からも電流が供給される。従って、光反射層12直下、即ち上面電極10直下の活性層5からも発光するが、この発光のうち上面電極10に向かう光は上面電極10の前方に設けた光反射層12によって反射され、発光部側に戻されて活性層5での再発光に利用されたり、LED素子の側面などから外部に光が取り出されたりして、発光出力が増加する。
次に、上述した実施形態の発光ダイオード構造を採用した理由、好ましい設定などを詳述する。
第1に、p型コンタクト層8は、例えばITO膜などから成る電流分散層9とオーミック接合するために、極めて高濃度に導電型決定不鈍物が添加されている必要がある。具体的には、Zn(亜鉛)が添加されたp型コンタクト層8の場合、その結晶材料はAlxGa1−xAsのAl混晶比xが0から0.4までの、GaAs又はAlGaAsである事が望ましく、そのキャリア濃度は1×1019/cm3以上が好適であり、キャリア濃度は高ければ高い程好ましい。
ITO膜は基本的にn型の半導体材料に属し、また、LEDは一般的にpサイドアップで作製される事が多い。この為、ITO膜を電流分散層に応用したLEDは導電型が半導体基板の側からn/p/n接合となってしまう。この為にLEDではITO膜とp型半導体層との界面に大きな電位障壁が生じ、通常は非常に動作電圧の高いLEDとなってしまう。この問題を解消する為、p型半導体層には非常に高いキャリア濃度を有するp型コンタクト層8が必要となる。また、p型コンタクト層8のバンドギャップを狭くするのは、その方が高キャリア化が容易である事による。
更に、p型コンタクト層8の高キャリア化と連動して、p型コンタクト層8と接するITO膜(電流分散層9)のキャリア濃度も、トンネル電圧を低減するには重要である。またITO膜のキャリア濃度は、上述したp型コンタクト層8と同様の理由で、高ければ高いほど好ましく、具体的には8×1020/cm3以上のキャリア濃度を有している事が好ましい。
第1に、p型コンタクト層8は、例えばITO膜などから成る電流分散層9とオーミック接合するために、極めて高濃度に導電型決定不鈍物が添加されている必要がある。具体的には、Zn(亜鉛)が添加されたp型コンタクト層8の場合、その結晶材料はAlxGa1−xAsのAl混晶比xが0から0.4までの、GaAs又はAlGaAsである事が望ましく、そのキャリア濃度は1×1019/cm3以上が好適であり、キャリア濃度は高ければ高い程好ましい。
ITO膜は基本的にn型の半導体材料に属し、また、LEDは一般的にpサイドアップで作製される事が多い。この為、ITO膜を電流分散層に応用したLEDは導電型が半導体基板の側からn/p/n接合となってしまう。この為にLEDではITO膜とp型半導体層との界面に大きな電位障壁が生じ、通常は非常に動作電圧の高いLEDとなってしまう。この問題を解消する為、p型半導体層には非常に高いキャリア濃度を有するp型コンタクト層8が必要となる。また、p型コンタクト層8のバンドギャップを狭くするのは、その方が高キャリア化が容易である事による。
更に、p型コンタクト層8の高キャリア化と連動して、p型コンタクト層8と接するITO膜(電流分散層9)のキャリア濃度も、トンネル電圧を低減するには重要である。またITO膜のキャリア濃度は、上述したp型コンタクト層8と同様の理由で、高ければ高いほど好ましく、具体的には8×1020/cm3以上のキャリア濃度を有している事が好ましい。
第2に、p型コンタクト層8の膜厚は、1nmから30nmの範囲にある事が好ましい。何故ならば、p型コンタクト層8は、活性層5で発光した光に対し吸収層となるバンドギャップを有している為、膜厚が厚くなるに連れて、発光出力が低下してしまう。図3には、コンタクト層の膜厚と発光出力の減衰率との関係を示す。図3に示すように、コンタクト層の膜厚の上限をおよそ30nmとする事が好ましく、より好ましくは25nmまでである。
一方、p型コンタクト層8の膜厚が1nm未満になってくると、今度はITO膜(電流分散層9)とp型コンタクト層8との間でのトンネル接合が難しくなってくる為、低動作電圧化、動作電圧の安定化が困難になる。従って、ITO膜と接するp型コンタクト層8の膜厚の最適値は、1nmから30nmである。
一方、p型コンタクト層8の膜厚が1nm未満になってくると、今度はITO膜(電流分散層9)とp型コンタクト層8との間でのトンネル接合が難しくなってくる為、低動作電圧化、動作電圧の安定化が困難になる。従って、ITO膜と接するp型コンタクト層8の膜厚の最適値は、1nmから30nmである。
第3に、上述したように、透明導電膜からなる電流分散層9の膜厚は、膜厚d=定数A×波長λp/(4×電流分散層9の屈折率n)の関係式を満たすように設定され、更にその定数Aは奇数である事が好ましい。LED用エピタキシャルウェハ上に形成される電流分散層9として用いられるITO膜は、半導体層と空気層とのおよそ中間の屈折率を有し、光学的に反射防止膜としての機能を有する。その為、LEDの光取り出し効率を向上させ、より出力の高いLED素子を得るには、上記の関係式に則った膜厚設計とする事が好ましい。しかし、勿論、ITO膜は厚くすればする程、吸収によって透過率が悪くなる傾向にある。
ITO膜の透過率が低下すると、活性層5より放射される光がITO膜によって吸収される割合が増加する為、結果として発光出力が低下する。更に、電流分散層9の膜厚が増加するに連れ、当該層9の中での光の干渉が増え、光取出し効率の高い波長領域が狭くなってしまう。これらについて、GaAs基板上に上記関係式を満足する所定膜厚のITO膜を形成した試料を作製し、その試料に対し垂直に光を入射した時の反射光のスペクトルを測定した結果を図4に示す。
即ち、これらの理由によって、より好ましい電流分散層9の膜厚dは、上記の関係式にあり、なお且つ定数Aは1又は3である方が良く、最も好ましくは、定数Aは1である。また更に、LED用エピタキシャルウェハ上に形成される電流分散層9、例えばITO膜の膜厚dは、上記の関係式により求まる値の±30%以内の範囲にあれば良い。これは、反射防止膜として光学的に反射率の低い波長帯域、つまり、光取出し効率の高い波長帯域は、ある程度の幅を有するからである。例えば、反射防止膜として、ITO膜の形成されたLED用エピタキシャルウェハに対して垂直に光を入射した時の反射率が、15%以下となる膜厚の許容値は、上記関係式より求まる膜厚dの±30%の範囲にある。ITO膜の膜厚が、上記関係式より求まる膜厚dの±30%の範囲よりも大きくなったり小さくなったりすると、反射防止膜としての効果は小さくなり、LEDの出力が低下してしまうのである。
ITO膜の透過率が低下すると、活性層5より放射される光がITO膜によって吸収される割合が増加する為、結果として発光出力が低下する。更に、電流分散層9の膜厚が増加するに連れ、当該層9の中での光の干渉が増え、光取出し効率の高い波長領域が狭くなってしまう。これらについて、GaAs基板上に上記関係式を満足する所定膜厚のITO膜を形成した試料を作製し、その試料に対し垂直に光を入射した時の反射光のスペクトルを測定した結果を図4に示す。
即ち、これらの理由によって、より好ましい電流分散層9の膜厚dは、上記の関係式にあり、なお且つ定数Aは1又は3である方が良く、最も好ましくは、定数Aは1である。また更に、LED用エピタキシャルウェハ上に形成される電流分散層9、例えばITO膜の膜厚dは、上記の関係式により求まる値の±30%以内の範囲にあれば良い。これは、反射防止膜として光学的に反射率の低い波長帯域、つまり、光取出し効率の高い波長帯域は、ある程度の幅を有するからである。例えば、反射防止膜として、ITO膜の形成されたLED用エピタキシャルウェハに対して垂直に光を入射した時の反射率が、15%以下となる膜厚の許容値は、上記関係式より求まる膜厚dの±30%の範囲にある。ITO膜の膜厚が、上記関係式より求まる膜厚dの±30%の範囲よりも大きくなったり小さくなったりすると、反射防止膜としての効果は小さくなり、LEDの出力が低下してしまうのである。
第4に、上記実施形態では、光反射層12をp型層としたが、n型でもアンドープ層でも良い。それは、上面電極10から活性層5に流れる電流は、電流分散層9であるITO膜を通じて供給されるためである。なお、p型、アンドープあるいはn型であっても、III−V族化合物半導体からなる光反射層12は、ITO膜より導電性が低く、多かれ少なかれITO膜に対して電流低減層ないし電流ブロック層としても機能することになる。
第5に、上面電極10の下に設けられている光反射層12の総積層数、所謂ペア数は多ければ多いほど良い。しかし光反射層12の総膜厚は、電流分散層9であるITO膜よりも薄くなければならない。その理由は上記第4で述べたように、ITO膜を介して電流が流れるようにするためである。もしも、電流分散層9であるITO膜よりも厚くなると、電流が流れない事があるためである。但し、光反射層12がp型である場合には、電流分散層9であるITO膜と同等か、若干であればITO膜9よりも厚くなっても良い。それは、光反射層12からも電流が流れるためである。
次に、本発明の実施例を説明する。
[実施例1]
上記実施形態と同一構造を有する、図1に示す発光波長630nm付近の赤色LED素子を作製した。LED用エピタキシャル成長方法、エピタキシャル層膜厚、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。
[実施例1]
上記実施形態と同一構造を有する、図1に示す発光波長630nm付近の赤色LED素子を作製した。LED用エピタキシャル成長方法、エピタキシャル層膜厚、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。
n型GaAs基板1上に、MOVPE法で、Siドープのn型GaAsバッファ層(膜厚200nm、キャリア濃度1×1018/cm3)2と、Siドープのn型光反射層3(A11nP層とAl0.5Ga0.5As層を各々20層ずつ交互に設けた20ペアの光反射層)と、Siドープのn型(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5Pクラッド層(膜厚400nm、キャリア濃度5×1017/cm3)4と、アンドープの(Al0.1Ga0.9)0.5In0.5P活性層(膜厚600nm)5と、Mgドープのp型(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5Pクラッド層(膜厚400nm、キャリア濃度5×1017/cm3)6と、Mgドープのp型Al0.8Ga0.2As緩衝層(膜厚600nm、キャリア濃度1×1018/cm3)7と、Znドープのp型Al0.1GaAsコンタクト層(膜厚3nm、キャリア濃度7×1019/cm3)8と、Mgドープのp型光反射層(AlInP層(膜厚40nm)とAl0.5Ga0.5As層(膜厚30nm)を各々1層ずつ設けた1ペアの光反射層、キャリア濃度1×1018/cm3以上)12とを、順次エピタキシャル成長させて、LED用エピタキシャルウェハを作製した。
n型光反射層3の膜厚は、発光ピーク波長λp/(4×屈折率)とした。ここで、屈折率は、光反射層3を構成する各半導体材料の屈折率が適用される。また光反射層3のキャリア濃度は約1×1018/cm3とした。
n型光反射層3の膜厚は、発光ピーク波長λp/(4×屈折率)とした。ここで、屈折率は、光反射層3を構成する各半導体材料の屈折率が適用される。また光反射層3のキャリア濃度は約1×1018/cm3とした。
MOVPE成長での成長温度は、n型GaAsバッファ層2からp型緩衝層7までは650℃とし、p型コンタクト層8及びp型光反射層12は550℃で成長した。その他の成長条件は、成長圧力は約6666Pa(50Torr)、各層の成長速度は0.3〜1.0nm/sec、V/III比は約150で行った。但し、p型緩衝層7及びp型コンタクト層8のV/III比は、それぞれ30と10とした。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場合の比率(商)をいう。
MOVPE成長において用いる原料としては、例えばトリメチルガリウム(TMGa)、又はトリエチルガリウム(TEGa)、トリメチルアルミニウム(TMAl)、トリメチルインジウム(TMIn)等の有機金属や、アルシン(AsH3)、ホスフィン(PH3)等の水素化物ガスを用いた。n型バッファ層2のようなn型層の添加物原料としては、ジシラン(Si2H6)を用いた。p型クラッド層5のようなp型層の導電性決定不純物の添加物原料としては、ビスシクロペンタジエニルマグネシウム(Cp2Mg)を用いた。但し、p型コンタクト層8のみはジエチルジンク(DEZn)を用いた。
その他に、n型層の導電性決定不純物の添加物原料として、セレン化水素(H2Se)、モノシラン(SiH4)、ジエチルテルル(DETe)、ジメチルテルル(DMTe)を用いることもできる。また、p型クラッド層及びp型緩衝層のp型添加物原料として、ジメチルジンク(DMZn)、ジエチルジンク(DEZn)を用いる事も出来る。
その他に、n型層の導電性決定不純物の添加物原料として、セレン化水素(H2Se)、モノシラン(SiH4)、ジエチルテルル(DETe)、ジメチルテルル(DMTe)を用いることもできる。また、p型クラッド層及びp型緩衝層のp型添加物原料として、ジメチルジンク(DMZn)、ジエチルジンク(DEZn)を用いる事も出来る。
更に、このLED用エピタキシャルウェハをMOCVD装置から搬出した後、当該ウェハの表面、つまりp型光反射層12の表面側に、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利用して直径110μmのマトリックス状にパターンを形成する。つまりφ110μmのレジストをマトリックス状に形成する。
次に、硫酸系のエッチング液を用いてp型光反射層12の上部層であるAlGaAs層の一部を取り除く。この時、p型光反射層12の下部層であるAlInP層は、除去されない(選択的にエッチングされるからである)。その後更に、塩酸系のエッチング液により、p型光反射層12の下部層であるAlInP層の一部を除去する。これもまた、p型Al0.1GaAsコンタクト層8がAs系材料である事から、塩酸系のエッチング液では除去されず、エッチングがとまる。つまり選択エッチング方法を用いてp型光反射層12をφ110μmでマトリックス状に残す。その後、レジストを有機溶剤で除去する。
次に、硫酸系のエッチング液を用いてp型光反射層12の上部層であるAlGaAs層の一部を取り除く。この時、p型光反射層12の下部層であるAlInP層は、除去されない(選択的にエッチングされるからである)。その後更に、塩酸系のエッチング液により、p型光反射層12の下部層であるAlInP層の一部を除去する。これもまた、p型Al0.1GaAsコンタクト層8がAs系材料である事から、塩酸系のエッチング液では除去されず、エッチングがとまる。つまり選択エッチング方法を用いてp型光反射層12をφ110μmでマトリックス状に残す。その後、レジストを有機溶剤で除去する。
その後、LED用エピタキシャルウェハ表面全体に真空蒸着法によって膜厚80nmのITO膜9を形成した。本実施例1では、このITO膜9が電流分散層となる。
この時、ITO膜9の蒸着と同一バッチ内にセットした評価用ガラス基板を取り出し、Hall測定が可能なサイズに切断し、ITO膜単体の電気特性を評価した所、キャリア濃度1.1×1021/cm3、移動度16.7cm2/Vs、抵抗率3.3×10−4Ω・cmであった。
この時、ITO膜9の蒸着と同一バッチ内にセットした評価用ガラス基板を取り出し、Hall測定が可能なサイズに切断し、ITO膜単体の電気特性を評価した所、キャリア濃度1.1×1021/cm3、移動度16.7cm2/Vs、抵抗率3.3×10−4Ω・cmであった。
更に、ITO膜9を形成したエピタキシャルウェハの上面に、再度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利用して上面電極10である直径110μmの円形電極用のレジストパターンを、光反射層12が残っている部分と略一致するように形成する。その後、真空蒸着法で、上面電極材料を蒸着した。蒸着後の電極形成はリフトオフ法を用いた。上面電極10は、Ni(ニッケル)、Au(金)を、それぞれ20nm、500nmの順に蒸着した。更に、エピタキシャルウェハの底面には、全面に下面電極11を同じく真空蒸着法によって形成した。下面電極11は、AuGe(金・ゲルマニウム合金)、Ni(ニッケル)、Au(金)を、それぞれ150nm、l0nm、500nmの順に蒸着し、その後、電極の合金化であるアロイエ程を、窒素ガス雰囲気中にて400℃に加熱し、5分間熱処理する事で行った。
その後、上記のようにして構成された電極付きLED用エピタキシャルウェハを円形の上面電極10が略中心に位置する様にダイシング装置を用いて切断し、チップサイズ300μm角のLEDベアチップを作製した。更に、前記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、更にマウントされた該LEDベアチップに、ワイヤボンディングを行い、LED素子を作製した。
また、実施例1との効果を比較するために、図5に示す構造の発光波長630nm付近の赤色LED素子を比較例として作製した。この比較例は、上記実施例1におけるp型光反射層12を設けずに、p型Al0.1GaAsコンタクト層8上にITO膜9を形成している。この相違点を除き、エピタキシャル成長方法、エピタキシャル層構造、電極形成方法及びLED素子製作方法についは、上記実施例1と比較例とは基本的に同じである。
上記の通りに作製された実施例1及び比較例のLED素子の初期特性を評価した。その結果、実施例1のLED素子では、20mA通電時(評価時)の発光出力2.07mW、動作電圧1.88Vという初期特性を得る事が出来た。一方、比較例のLED素子では、20mA通電時(評価時)の発光出力1.81mW、動作電圧1.86Vという初期特性であった。
つまり、実施例1では、比較例よりも約15%発光出力を向上することが出来た。また、実施例1では、歩留まりも良好であった。
また、実施例1におけるp型緩衝層7をAl0.8Ga0.2As層ではなく、GaP層に変更した例でも、上記比較例よりも約15〜20%の高出力化が実現できた。
つまり、実施例1では、比較例よりも約15%発光出力を向上することが出来た。また、実施例1では、歩留まりも良好であった。
また、実施例1におけるp型緩衝層7をAl0.8Ga0.2As層ではなく、GaP層に変更した例でも、上記比較例よりも約15〜20%の高出力化が実現できた。
[実施例2]
図1に示した構造の発光波長630nm付近の赤色LED用エピタキシャルウェハを作製した。エピタキシャル成長の方法、エピタキシャル層膜厚、エピタキシャル層構造やLED素子製作方法は、基本的に上記実施例1と同じにした。但し、本実施例2では、p型光反射層12をAlInP層(40nm)とAl0.5Ga0.5As層(30nm)とが各々3層ずつ交互に3ペア設けられている。また、p型光反射層12の膜厚の増加に対応して、電流分散層であるITO膜9の膜厚を240nmとした。
実施例2のLEDの初期特性は、実施例1と同様、上記比較例よりも約15〜20%発光出力が向上した。
実施例2では、電流分散層であるITO膜9の膜厚を、実施例1の80nmから240nmにしてp型光反射層12のペア数を増加させたが、出力の向上が実施例1と同程度であったのは、ITO膜9での光吸収が若干あるため、及びITO膜9の膜厚が増加するに連れてITO膜9中での光の干渉が増え、光取出し効率の高い波長領域が狭くなってしまう(図4参照)ためである。よりクオリティの良いITO膜が製作できれば、光吸収が低減し、p型光反射層12のペア数が多い方がより出力向上が望めるものと考える。
図1に示した構造の発光波長630nm付近の赤色LED用エピタキシャルウェハを作製した。エピタキシャル成長の方法、エピタキシャル層膜厚、エピタキシャル層構造やLED素子製作方法は、基本的に上記実施例1と同じにした。但し、本実施例2では、p型光反射層12をAlInP層(40nm)とAl0.5Ga0.5As層(30nm)とが各々3層ずつ交互に3ペア設けられている。また、p型光反射層12の膜厚の増加に対応して、電流分散層であるITO膜9の膜厚を240nmとした。
実施例2のLEDの初期特性は、実施例1と同様、上記比較例よりも約15〜20%発光出力が向上した。
実施例2では、電流分散層であるITO膜9の膜厚を、実施例1の80nmから240nmにしてp型光反射層12のペア数を増加させたが、出力の向上が実施例1と同程度であったのは、ITO膜9での光吸収が若干あるため、及びITO膜9の膜厚が増加するに連れてITO膜9中での光の干渉が増え、光取出し効率の高い波長領域が狭くなってしまう(図4参照)ためである。よりクオリティの良いITO膜が製作できれば、光吸収が低減し、p型光反射層12のペア数が多い方がより出力向上が望めるものと考える。
[実施例3]
図2に示した構造の発光波長630nm付近の赤色LED用エピタキシャルウェハを作製した。エピタキシャル成長の方法、エピタキシャル層膜厚、エピタキシャル層構造やLED素子製作方法は、基本的に上記実施例1と同じにした。但し、この実施例3では、上記実施例1における緩衝層7を設けない構造とした。 この実施例3でも、実施例1と同様に、上記比較例よりもLEDの発光出力を約15〜20%向上できた。
図2に示した構造の発光波長630nm付近の赤色LED用エピタキシャルウェハを作製した。エピタキシャル成長の方法、エピタキシャル層膜厚、エピタキシャル層構造やLED素子製作方法は、基本的に上記実施例1と同じにした。但し、この実施例3では、上記実施例1における緩衝層7を設けない構造とした。 この実施例3でも、実施例1と同様に、上記比較例よりもLEDの発光出力を約15〜20%向上できた。
なお、上記実施例では、発光波長630nmの赤色LED素子を作製した例を説明したが、同じAlGaInP系の材料を用いて製作される、630nm以外の、発光波長560nm〜660nmのLED素子においても、同様な効果が得られるのは勿論である。
また、上記実施例では、n型GaAs基板1上にn型GaAsバッファ層2を積層する構造としたが、n型GaAs基板1に直接n型クラッド層4を設けたLED素子構造を採ってもよい。
更に、上記実施例においては、上面電極10の形状は円形のものとしたが、その他にも異形状、例えば四角、菱形、多角形等でもよい。
また、上記実施例では、p型クラッド層6とp型緩衝層7を、AlGaInPとAlGaAs若しくはGaPの組み合わせとしたが、発光波長に対して透明な材料であれば上記実施例以外の組み合わせでも、同様な効果が得られるのは勿論である。
また、上記実施例では、n型GaAs基板1上にn型GaAsバッファ層2を積層する構造としたが、n型GaAs基板1に直接n型クラッド層4を設けたLED素子構造を採ってもよい。
更に、上記実施例においては、上面電極10の形状は円形のものとしたが、その他にも異形状、例えば四角、菱形、多角形等でもよい。
また、上記実施例では、p型クラッド層6とp型緩衝層7を、AlGaInPとAlGaAs若しくはGaPの組み合わせとしたが、発光波長に対して透明な材料であれば上記実施例以外の組み合わせでも、同様な効果が得られるのは勿論である。
1 n型半導体基板(n型GaAs基板)
2 n型バッファ層(n型GaAsバッファ層)
3 n型光反射層
4 n型クラッド層(n型AlGaInPクラッド層)
5 アンドープの活性層(アンドープのAlGaInP活性層)
6 p型クラッド層(p型AlGaInPクラッド層)
7 p型緩衝層(p型AlGaAs緩衝層)
8 p型コンタクト層(p型AlGaAsコンタクト層)
9 電流分散層(ITO膜)
10 上面電極
11 下面電極
12 光反射層(p型光反射層)
2 n型バッファ層(n型GaAsバッファ層)
3 n型光反射層
4 n型クラッド層(n型AlGaInPクラッド層)
5 アンドープの活性層(アンドープのAlGaInP活性層)
6 p型クラッド層(p型AlGaInPクラッド層)
7 p型緩衝層(p型AlGaAs緩衝層)
8 p型コンタクト層(p型AlGaAsコンタクト層)
9 電流分散層(ITO膜)
10 上面電極
11 下面電極
12 光反射層(p型光反射層)
Claims (10)
- 半導体基板上に、III−V族化合物半導体からなる、n型クラッド層、活性層及びp型クラッド層の発光部と、p型コンタクト層とを有し、前記p型コンタクト層上に金属酸化物の透明導電膜からなる電流分散層が形成されると共に、前記電流分散層上の一部に上面電極が、前記半導体基板裏側に下面電極がそれぞれ形成された半導体発光素子において、
前記p型コンタクト層と前記電流分散層との間の、前記上面電極下方にほぼ対応した部位に、前記発光部からの光を反射するIII−V族化合物半導体からなる光反射層を備えたことを特徴とする半導体発光素子。 - 請求項1に記載の半導体発光素子において、前記光反射層が、AlxGa1−xAs層(0≦x≦1)と(AlyGa1−y)zIn1−zP層(0≦y≦1、0≦z≦1)との組み合わせからなることを特徴とする半導体発光素子。
- 請求項1又は2に記載の半導体発光素子において、前記光反射層が、p型層であることを特徴とする半導体発光素子。
- 請求項1〜3のいずれかに記載の半導体発光素子において、前記p型クラッド層と前記p型コンタクト層との間に、前記活性層で発光した光に対して透明な材料であり、且つAs系若しくはP系、またはAs系とP系が混在したIII−V族化合物半導体の緩衝層が設けられていることを特徴とする半導体発光素子。
- 請求項1〜4のいずれかに記載の半導体発光素子において、前記電流分散層が、ITOで形成されていることを特徴とする半導体発光素子。
- 請求項1〜5のいずれかに記載の半導体発光素子において、前記電流分散層が、真空蒸着法又はスパッタ法によって形成され、且つキャリア濃度が形成直後の状態で8×1020/cm3以上であることを特徴とする半導体発光素子。
- 請求項1〜6のいずれかに記載の半導体発光素子において、前記p型コンタクト層はAlxGa1−xAs(但し、0≦x≦0.4)からなり、当該p型コンタクト層に含まれる主たるドーパントはZnで、且つキャリア濃度が1×1019/cm3以上であることを特徴とする半導体発光素子。
- 請求項1〜7のいずれかに記載の半導体発光素子において、前記p型コンタクト層の膜厚が、1nm以上30nm以下であることを特徴とする半導体発光素子。
- 請求項1〜8のいずれかに記載の半導体発光素子において、前記半導体基板と前記n型クラッド層の間に、屈折率の異なる2つの半導体層が交互に積層された半導体多層膜からなる光反射層が設けられていることを特徴とする半導体発光素子。
- 請求項1〜9のいずれかに記載の半導体発光素子において、前記活性層が、多重量子井戸構造、又は歪多重量子井戸構造であることを特徴とする半導体発光素子。
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