JP3787321B2

JP3787321B2 - 半導体発光素子

Info

Publication number: JP3787321B2
Application number: JP2002299010A
Authority: JP
Inventors: 幸男尺田; 幸生松本; 伸顕小黒
Original assignee: Rohm Co Ltd
Current assignee: Rohm Co Ltd
Priority date: 2002-10-11
Filing date: 2002-10-11
Publication date: 2006-06-21
Anticipated expiration: 2022-10-11
Also published as: JP2004134650A; US20040075095A1; US7034342B2

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＡｌＧａＡｓ系またはＩｎＧａＡｌＰ系などの化合物半導体材料が用いられ、ＬＥＤパネルなどに用いられる半導体発光素子に関する。さらに詳しくは、外部への光の取り出し効率を向上させた半導体発光素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のＩｎＧａＡｌＰ系化合物半導体を用いた半導体発光素子は、図２（ａ）に示されるように、たとえばｎ形のＧａＡｓからなる半導体基板１上に、ＩｎＧａＡｌＰ系の半導体材料からなる第１クラッド層２、クラッド層よりバンドギャップが小さくなる組成のノンドープのＩｎＧａＡｌＰ系の半導体材料からなる活性層３、第１クラッド層と同じ組成からなる第２クラッド層４がそれぞれエピタキシャル成長され、ダブルヘテロ接合構造の発光層形成部９が形成されている。そして、その表面側にクラッド層とほぼ同じ屈折率のＡｌＧａＡｓ系の半導体材料からなるウィンドウ層５が設けられ、さらにその表面の一部にｐ形ＧａＡｓからなるコンタクト層６を介してｐ側電極７、半導体基板１の裏面側にｎ側電極８がそれぞれＡｕ-Ｇｅ/Ｎｉ合金などにより設けられ、ウェハからチップ化されている。
【０００３】
【非特許文献１】
ガードナー（N.F.Gardner）、他６名、「透明基板を有するＡｌＧａＩｎＰ薄膜活性層による１.４倍の効率改善」（1.4× efficiency improvement in transparent-substrate AlGaInP light-emitting diodes with thin active region）、アプライドフィジクスレターズ（Applied Physics Letters）、１９９９年４月１２日、第７４巻、第１５号、ｐ．２２３０−２２３２（図１）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来の構造では、ダブルヘテロ構造を採用することで活性層にキャリアを閉じ込めているが、同時に基板に対して垂直方向に屈折率差が生じることになり、屈折率の高い活性層に光は閉じ込められることになる。活性層にキャリアと光を閉じ込め、端面部より光を放出する半導体レーザであれば問題とされることはないが、図２（ａ）で示されるように光を上面側に取り出すＬＥＤチップでは、活性層に光の閉じ込めが強すぎると、有効に上面より取り出すことができない。
【０００５】
一方、このような問題を解決するため、図３（ａ）で示されるような、活性層からの光の浸み出しを増加させ、上面に進む光を増やすため、活性層を薄膜化し、光の浸み出しを増加させ上面取り出し効率（以下、外部量子効率という）を増加させる構造のＬＥＤチップが考えられている。しかし、光の浸み出しを増加させると活性層から基板側へ放出される光も同時に増加することになる。たとえば、活性層のバンドギャップよりも小さいＧａＡｓ基板などを用いている場合には、活性層から取り出した光がＧａＡｓ基板で吸収されることになり、外部量子効率があまり向上しない。また、吸収を生じないＧａＰ基板を用いる場合であっては、貼り合せ工程などが必要となり製造が非常に複雑で、かつ、コスト高になるという問題がある（たとえば非特許文献１参照）。さらに、活性層を薄膜化すると、活性層での電流密度が増加し、活性層での温度上昇を招き、信頼性にも悪影響を与えることとなる。
【０００６】
本発明は、このような問題を解決するためになされたもので、発光層で発光する光が半導体基板で吸収される割合を減らすと共に上面側へ光を引っ張ることで、外部量子効率を高くすることができる半導体発光素子を提供することを目的とする。
【０００７】
【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、半導体基板と、該半導体基板上に設けられ、化合物半導体からなる活性層を、該活性層よりバンドギャップの大きい化合物半導体からなり、異なる導電形の第１クラッド層および第２クラッド層により挟持する発光層形成部と、前記活性層に関して前記基板と反対側に設けられる前記第２クラッド層上に少なくとも設けられるウィンドウ層とを有する半導体発光素子であって、前記第２クラッド層は、前記半導体基板側に設けられる前記第１クラッド層よりも屈折率が大きい化合物半導体からなり、かつ、前記ウィンドウ層は、前記第２クラッド層よりも屈折率が大きい化合物半導体からなる。
前記第１クラッド層の前記基板側に、前記第１クラッド層の屈折率より小さい屈折率の材料からなる基板側ウィンドウ層が設けられていることが好ましい。
【０００８】
この構造にすることにより、活性層から出た光は、屈折率の大きい第２クラッド層側へ引っ張られることになり、活性層を薄膜化することなく、外部量子効率を高くすることができる。すなわち、第２クラッド層の屈折率は、第１クラッド層の屈折率よりも大きいため、基板側に本来広がる光が屈折率の高い第２クラッド層側へ引っ張られることになり、半導体基板側へ浸み出す光は従来構造よりも減少することになり、半導体基板側での光吸収を抑制でき、外部量子効率を高くすることができる。また、第１クラッド層として、第２クラッド層よりも小さい屈折率の層を用いれば、半導体基板側へ浸み出す光をさらに抑制でき、結果として第１クラッド層の膜厚を薄膜化することもでき、成長時間の短縮などを図ることもできる。
【０００９】
さらに、ウィンドウ層を第２クラッド層よりも屈折率の大きい層とすることで、第２クラッド層に引っ張られる光がさらにウィンドウ層側へ引っ張られることになり、外部量子効率をさらに高くすることができる。すなわち、活性層に隣接する第２クラッド層の屈折率を活性層よりも小さくし、活性層からある程度離れた位置に設けられたウィンドウ層の屈折率を第２クラッド層よりも大きくすることで、活性層と第２クラッド層の理論上の屈折率差よりも、実際に光が感じる屈折率差（以下、実効屈折率差という）の方が小さくなり、第２クラッド層の屈折率だけを大きくした場合よりも、さらに光引っ張り効果が大きくなる。また、この光引っ張り効果により、光を引っ張るために第２クラッド層の屈折率をそれほど大きくする（すなわち、バンドギャップを小さくする）必要がなくなり、活性層と第２クラッド層間のバンドギャップ差が小さくなることもなく、キャリア閉じ込めを損なうこともない。
【００１０】
【発明の実施の形態】
つぎに、図面を参照しながら本発明の半導体発光素子について説明をする。
【００１１】
本発明の半導体発光素子は、図１（ａ）にその一実施形態のＬＥＤチップの断面構造が示されるように、たとえば半導体基板１上に化合物半導体からなる活性層３を、活性層３よりバンドギャップが大きい化合物半導体からなり、異なる導電形の第１クラッド層２および第２クラッド層４により挟持する発光層形成部９が設けられ、さらに発光層形成部９の第２クラッド層４上にウィンドウ層５が設けられている。本発明では、第２クラッド層４が第１クラッド層２よりも屈折率の大きい半導体層からなり、かつ、ウィンドウ層５が、第２クラッド層４よりも屈折率の大きい半導体層からなっていることに特徴がある。
【００１２】
半導体基板１は、ＡｌＧａＡｓやＩｎＧａＡｌＰからなる半導体積層部を成長するにはＧａＡｓが一般に用いられる。この場合、光を吸収するので本発明の効果が大きいがＧａＰなどでも効果がある。また、半導体基板１は、ｐ形、ｎ形のいずれでもよく、半導体基板１上に成長される第１クラッド層２、第２クラッド層４との関係で決まる。さらに、半導体基板１上に後述する半導体基板１と同じ材料のバッファー層が設けられる場合もある。
【００１３】
発光層形成部９は、図１（ａ）に示される例では、活性層３をそれよりバンドギャップが大きく屈折率の小さい材料からなる第１クラッド層２および第２クラッド層４により挟持するダブルへテロ構造に形成されており、第１クラッド層２が半導体基板１側に設けられている。半導体材料としては、たとえば、赤色光を得るためにはＩｎＧａＡｌＰ系材料、赤外光を得るためにはＡｌＧａＡｓ系材料、が主として用いられる。この発光層形成部９の成長は、目的とする素子の発光波長などにより必要な組成（Ａｌの組成比を変えたり、ドーパントをドーピングしたりする）にしたり、必要な厚さに成長される。
【００１４】
ここにＩｎＧａＡｌＰ系材料とは、Ｉｎ_0.49（Ｇａ_1-xＡｌ_x）_0.51Ｐの形で表され、ｘの値が０と１との間で種々の値のときの材料を意味する。なお、Ｉｎと（Ａｌ_xＧａ_1-x）の混晶比率の０.４９および０.５１はＩｎＧａＡｌＰ系材料が積層されるＧａＡｓなどの半導体基板と格子整合される比率であることを意味し、ＡｌＧａＡｓ系材料とは、Ａｌ_yＧａ_1-yＡｓの形で表され、ｙの値が０と１との間で種々の値のときの材料を意味する。
【００１５】
第２クラッド層４は、第１クラッド層２よりも屈折率の大きい化合物半導体からなっている。第１クラッド層２に対する第２クラッド層４の屈折率を大きくする割合としては、大きい程よいが、第２クラッド層の屈折率を余り大きくすると、後述するバンドギャップとの関係で内部発光効率が低下するため、６％増程度以下、好ましくは５％増程度にするのがよい。クラッド層の屈折率を変化させるには、一般的には、ＩｎＧａＡｌＰ系材料やＡｌＧａＡｓ系材料では、ＧａとＡｌの混晶比を変えることにより達成される。すなわち、Ａｌ混晶比を大きくすれば、バンドギャップが増加すると共に屈折率は小さくなり、Ａｌ混晶比を小さくすれば、バンドギャップが減少すると共に屈折率が大きくなる。したがって、第２クラッド層４は第１クラッド層２に比べてＡｌ混晶比の小さい化合物半導体層で形成されることになる。一方、Ａｌ混晶比を余り小さくするとバンドギャップが小さくなり、キャリア閉じ込めが弱くなって内部発光効率が低下するため、Ａｌ混晶比の下限には限界がある。
【００１６】
具体例としては、たとえば、ＩｎＧａＡｌＰ系化合物半導体からなる場合には、Ｉｎ_0.49（Ｇａ_1-xＡｌ_x）_0.51Ｐ（０.６≦ｘ≦０.９５、たとえばｘ＝０.９）からなり、Ｓｅがドープされてキャリア濃度が１×１０¹⁷〜１×１０¹⁹ｃｍ^-3程度、厚さが０.１〜２μｍ程度の第１クラッド層２（ｎ形クラッド層）と、Ｉｎ_0.49（Ｇａ_0.8Ａｌ_0.2）_0.51Ｐからなり、ノンドープで０.１〜２μｍ程度の厚さの活性層３と、Ｚｎがドープされてキャリア濃度が１×１０¹⁶〜１×１０¹⁹ｃｍ^-3程度、厚さが０.１〜２μｍ程度で、第１クラッド層２よりも屈折率の大きいＩｎ_0.49（Ｇａ_1-yＡｌ_y）_0.51Ｐ（０.４≦ｙ≦０.７５、たとえばｙ＝０.４５）からなる第２クラッド層４（ｐ形クラッド層）との積層構造により形成される。一方、ＡｌＧａＡｓ系化合物半導体からなる場合には、Ａｌ_zＧａ_1-zＡｓ（０.６≦ｚ≦０.９、たとえばｚ＝０.８５）からなり、Ｓｅがドープされてキャリア濃度が１×１０¹⁷〜１×１０¹⁹ｃｍ^-3程度、厚さが０.１〜２μｍ程度のｎ形第１クラッド層２と、Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ａｓからなり、ノンドープで０.１〜２μｍ程度の厚さの活性層３と、Ｚｎがドープされてキャリア濃度が１×１０¹⁶〜１×１０¹⁹ｃｍ^-3程度、厚さが０.１〜２μｍ程度で、第１クラッド層２（ｎ形クラッド層）よりも屈折率の大きいＡｌ_uＧａ_1-uＡｓ（０.４≦ｕ≦０.７、たとえばｕ＝０.４５）からなる第２クラッド層４（ｐ形クラッド層）との積層構造により形成される。
【００１７】
ウィンドウ層５は、第２クラッド層４よりも屈折率が大きい化合物半導体層からなり、第２クラッド層４に注入される電流を広げるための層であり、第２クラッド層４上のいずれかの位置に形成されていればよく、第２クラッド層４に接するようにように配置されてもよいし、ｐ形電極７と接しオーミックコンタクト層としての働きを兼ねていてもよい。本実施例では、発光層形成部９の第２クラッド層４上に、第２クラッド層４と同じ導電形で、第２クラッド層４よりも屈折率の大きい化合物半導体層で形成されている。ウィンドウ層５の屈折率を変化させるには、上述のクラッド層の屈折率を変化させる場合と同じく、ＩｎＧａＡｌＰ系材料やＡｌＧａＡｓ系材料では、ＧａとＡｌの混晶比を変えることにより達成される。
【００１８】
具体例としてウィンドウ層５は、図１に示される例では、Ｚｎがドープされてキャリア濃度が１×１０¹⁸〜１×１０²⁰ｃｍ^-3程度、厚さが０.１〜１０μｍ程度ｐ形Ａｌ_vＧａ_1-vＡｓ（０.６≦ｖ≦０.８５、たとえばｖ＝０.７）からなるが、その他、ＩｎＧａＡｌＰ系化合物半導体であってもよい。すなわち、第２クラッド層４よりも屈折率が大きければよく、また、上述のように電極と接しオーミックコンタクト層としての働きを兼ねる層であってもよいが、活性層３のバンドギャップよりも大きくしておくことが、光を吸収しない点から望ましい。
【００１９】
さらにその上でｐ側電極７の下側のみに、たとえばｐ形ＧａＡｓからなるコンタクト層６が積層される。上述のようにウィンドウ層５がコンタクト層を兼ねる場合には、コンタクト層６は必要ない。
【００２０】
なお、図１の例では示されていないが、第１クラッド層２と半導体基板１との間に、屈折率の異なる半導体層をλ／（４ｎ）（λは発光波長、ｎは半導体層の屈折率）の厚さで交互に５層〜４０層程度積層する反射層（ＤＢＲ）が挿入されていたり、バッファー層が挿入されていてもよい。反射層（ＤＢＲ）は、活性層や基板よりもバンドギャップが大きい層、たとえばＡｌＧａＡｓのＡｌの組成を変更した膜を交互に積層することにより得られる。バッファー層は、半導体基板１と同じ材料であったり、半導体基板１と半導体基板１上の層の格子不整合を緩和することができる層、たとえば、積層部がＩｎＧａＡｌＰ系材料で半導体基板１がＧａＡｓの場合には、ＧａＡｓやＩｎＧａＰやＩｎＧａＡｌＰ、積層部がＡｌＧａＡｓ系材料で半導体基板１がＧａＡｓの場合には、ＧａＡｓやＡｌＧａＡｓなどが考えられる。
【００２１】
コンタクト層６上に、Ａｕ-Ｂｅ/Ｎｉ/Ｔｉ/Ａｕなどからなるｐ側電極７、半導体基板１の裏面側に、Ａｕ-Ｇｅ/Ｎｉ/Ａｕなどからなるｎ側電極８がそれぞれ設けられた状態でチップ化されている。
【００２２】
つぎに、本発明のそれぞれの層の屈折率およびバンドギャップの関係を図１、図２および図３を参照しながら説明する。なお、各図の（ｂ）は、活性層を中心とした屈折率分布Ａ、ならびに光密度分布Ｂを模式的に表した図であり、図１の（ｃ）は、活性層を中心としたバンドギャップを模式的に表した図である。
【００２３】
従来構造は、図２（ｂ）および図３（ｂ）に示されるように、第１クラッド層２と第２クラッド層４とウィンドウ層５は、屈折率がほぼ同じ値であり、活性層３を中心に上下（図では左右）対称に光密度分布Ｂを示している。なお、図３（ｂ）に示される活性層を薄膜化した従来構造では、活性層３からの光浸み出しが増えるため、半導体基板側および上面側へ光密度分布Ｂは広がっている。
【００２４】
一方、本発明は、図１（ｂ）に示されるように、第２クラッド層４は第１クラッド層２よりも屈折率が大きく、ウィンドウ層５は第２クラッド層４よりも屈折率が大きい関係となっており、活性層３を中心に上下（図１（ｂ）では左右）非対称で、第２クラッド層４側へ光が引っ張られた光密度分布Ｂを示している。また、バンドギャップの関係については、図１（ｃ）に示されるように、第２クラッド層４は屈折率が大きいため、活性層３と第２クラッド層４との間のバンドギャップ差（ΔＥｇ）が従来構造のもの（図示せず）に比べて小さくなっている。したがって、光引っ張り効果を大きくするために第２クラッド層４の屈折率を大きくし過ぎると、その弊害として活性層３と第２クラッド層４間のバンドギャップ差（ΔＥｇ）がなくなり、キャリア閉じ込め効果が弱くなってしまうという問題が発生する。
【００２５】
しかしながら、活性層３からある程度離れた位置にあるウィンドウ層５の屈折率を第２クラッド層４よりも大きくすることで、第２クラッド層４の屈折率を余り大きくしないでキャリア閉じ込め効果を維持しながら、光引っ張り効果をさらに大きくすることができる。すなわち、ウィンドウ層５に屈折率の大きい層を用いることによって、活性層３と第２クラッド層４の理論上の屈折率差（Δｎ₂）よりも実際に光が感じる屈折率差（Δｎ₁、以下実効屈折率差という）は小さくなり、第２クラッド層４の屈折率だけを大きくした場合よりも、光引っ張り効果がさらに大きくなる。このことは同時に、第２クラッド層４の屈折率をキャリア閉じ込め効果が弱くなるほどにまでは大きくする（バンドギャップを小さくする）ことなく、光を充分に引っ張ることができることを意味し、その結果、キャリア閉じ込め効果と光引っ張り効果の両方を充分に発揮することができる第２クラッド層４とすることが可能となる。
【００２６】
なお、第１クラッド層２の半導体基板１側にもウィンドウ層５と同様の組成でｎ形ウィンドウ層を形成することもできる。この場合には、ｎ形ウィンドウ層は第１クラッド層２よりも屈折率の小さい層からなることが望ましい。すなわち、ｎ形ウィンドウ層の方が屈折率が大きいと上述と同様に第１クラッド層２と活性層３との間の実効屈折率差が小さくなり、基板１側へ光が引っ張られることになり、基板で吸収される光が増えることになるのに対して、ｎ形ウィンドウ層に第１クラッド層２の屈折率より小さい層を用いれば、第１クラッド層２とｎ形ウィンドウ層の界面での反射を起こすことが可能となり、基板側に向かう光を反射させ、外部量子効率を高めることが可能となる点からも望ましい。
【００２７】
このようなＬＥＤチップを製造するには、たとえば、ｎ形のＧａＡｓ基板１をＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相成長）装置内に入れ、反応ガスのトリエチルガリウム（以下、ＴＥＧという）、トリメチルアルミニウム（以下、ＴＭＡという）、トリメチルインジウム（以下、ＴＭＩｎという）、ホスフィン（以下、ＰＨ₃という）およびｎ形ドーパントガスとしてのＨ₂Ｓｅをキャリアガスの水素（Ｈ₂）と共に導入し、５００〜７００℃程度でエピタキシャル成長し、キャリア濃度が１×１０¹⁶〜１×１０¹⁹ｃｍ^-3程度のＩｎ_0.49（Ｇａ_0.1Ａｌ_0.9）_0.51Ｐからなるｎ形クラッド層２を０.５μｍ程度エピタキシャル成長する。ついで、反応ガスのＴＭＡを減らしてＴＥＧを増やし、たとえばノンドープのＩｎ_0.49（Ｇａ_0.8Ａｌ_0.2）_0.51Ｐからなる活性層３を０.５μｍ程度、さらにｎ形クラッド層１２と同様の反応ガスで、ドーパントガスをジメチル亜鉛（ＤＭＺｎ）にして、ｐ形でキャリア濃度が１×１０¹⁷〜１×１０¹⁹ｃｍ^-3程度のたとえばＩｎ_0.49（Ｇａ_0.55Ａｌ_0.45）_0.51Ｐからなるｐ形クラッド層４を１μｍ程度、そして、ＰＨ₃およびＴＭＩｎの供給を停止しアルシン（以下、ＡｓＨ₃という）を導入し、ｐ形でキャリア濃度が１×１０¹⁷〜１×１０²⁰ｃｍ^-3程度のたとえばＡｌ_0.7Ｇａ_0.3Ａｓからなるｐ形ウィンドウ層５、さらにＴＭＡの供給を停止しｐ形でキャリア濃度が１×１０¹⁷〜１×１０²⁰ｃｍ^-3程度のたとえばＧａＡｓからなるｐ形コンタクト層６それぞれ成長する。そして、基板１上に電極用の金属Ａｕ-Ｔｉ合金、Ａｕ-Ｚｎ/Ｎｉ合金またはＡｕ-Ｂｅ/Ｎｉ合金などを成膜し、電極用金属膜を図１（ａ）に示されるようにパターニングをしてｐ側電極７を形成し、ｐ側電極７をマスクとして、ｐ形コンタクト層６のｐ側電極７で覆われていない部分をエッチングにより除去し、ｐ形コンタクト層６をパターニングする。
【００２８】
つぎに、素子ごとに分割を行うため、ホトリソグラフィー技術を用いて、レジストで素子分離領域以外を覆い、分離領域を塩酸と水を２：１の割合で混合した液により室温で約３分（レート０.６μｍ／ｍｉｎ）エッチングすることにより半導体基板１に到達するまで行う。その後、素子を覆っていたレジストを剥離した後、半導体基板１の裏面の全面にＡｕ-Ｇｅ/Ｎｉ合金などを成膜してｎ側電極８を形成し、ダイシングしてチップ化する。また、チップ化は、ホトリソグラフィー技術を用いずにダイシングのみによって行うこともできる。
【００２９】
【発明の効果】
本発明によれば、発光層で発光する光が半導体基板で吸収される割合を減らすと共に上面側へ光を引っ張ることで、外部量子効率を高くすることができる。すなわち、従来ならば活性層を薄膜化することで対応していたため、活性層から基板側へ放出される光が増加することになり、基板で吸収されて、光の取り出し効率があまり向上しなかったり、基板で吸収されない場合でも製造工程の複雑化を招いたり、さらには、活性層での電流密度が増加し、活性層での温度上昇を招いて、信頼性にも悪影響を与えることになっていた。しかし、本発明では、第２クラッド層の屈折率を第１クラッド層の屈折率よりも大きくしているので上面側に光が引っ張られる。さらに、ウィンドウ層の屈折率を第２クラッド層よりも大きくしているので、活性層と第２クラッド層の間の理論屈折率差よりも実効屈折率差が小さくなり、第２クラッド層の屈折率だけを大きくした場合よりも、さらに光引っ張り効果が大きくなり、外部量子効率を高めることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の半導体発光素子の一実施形態の断面構造を示す説明図、屈折率分布と光密度分布を示す説明図、およびバンドギャップを示す説明図である。
【図２】従来のＬＥＤチップの断面構造および屈折率分布と光密度分布を示す説明図である。
【図３】従来のＬＥＤチップの断面構造および屈折率分布と光密度分布を示す説明図である。
【符号の説明】
１半導体基板
２第１クラッド層
３活性層
４第２クラッド層
５ウィンドウ層
９発光層形成部

Claims

半導体基板と、該半導体基板上に設けられ、化合物半導体からなる活性層を、該活性層よりバンドギャップの大きい化合物半導体からなり、異なる導電形の第１クラッド層および第２クラッド層により挟持する発光層形成部と、前記活性層に関して前記基板と反対側に設けられる前記第２クラッド層上に少なくとも設けられるウィンドウ層とを有する半導体発光素子であって、
前記第２クラッド層は、前記半導体基板側に設けられる前記第１クラッド層よりも屈折率が大きい化合物半導体からなり、かつ、前記ウィンドウ層は、前記第２クラッド層よりも屈折率が大きい化合物半導体からなる半導体発光素子。
前記第１クラッド層の前記基板側に、前記第１クラッド層の屈折率より小さい屈折率の材料からなる基板側ウィンドウ層が設けられてなる請求項１記載の半導体発光素子。