JP4974043B2 - 発光素子およびその製造方法 - Google Patents

Description

この発明は、発光素子およびその製造方法に関する。

米国特許第５００８７１８号公報

（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_ｙＩｎ_１−ｙＰ（ただし、０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１；以下、ＡｌＧａＩｎＰとも記載する）系混晶化合物により発光層部が形成された発光素子は、薄いＡｌＧａＩｎＰ活性層を、それよりもバンドギャップの大きいｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層とｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層とによりサンドイッチ状に挟んだダブルへテロ構造を採用することにより、高輝度の素子を実現できる。発光層部への通電は、素子表面に形成された金属電極を介して行なわれる。金属電極は遮光体として作用するため、例えば発光層部主表面の中央部のみを覆う形で形成され、その周囲の電極非形成領域から光を取り出すようにする。

この場合、金属電極の面積をなるべく小さくしたほうが、電極の周囲に形成される光漏出領域の面積を大きくできるので、光取出し効率を向上させる観点において有利である。従来、電極形状の工夫により、素子内に効果的に電流を拡げて光取出量を増加させる試みがなされているが、この場合も電極面積の増大はいずれにしろ避けがたく、光漏出面積の減少により却って光取出量が制限されるジレンマに陥っている。

そこで、光取出し効率を向上させるために、発光層部の両面あるいは基板側面から光を取り出すことができるような素子構造が種々提案されている。ＡｌＧａＩｎＰ系発光素子の場合、発光層部の成長基板としてＡｌＧａＩｎＰと格子整合しやすいＧａＡｓ基板が使用されるが、ＧａＡｓはＡｌＧａＩｎＰ系発光層部の発光波長域において光吸収が大きい。これを解決するために、特許文献１には、ＭＯＶＰＥ（Metal-Oxide Vapor Phase Epitaxy：有機金属気相成長）法にてＧａＡｓ基板上に成長した発光層部の第一主表面に、ＨＶＰＥ（hydrideVapor Phase Epitaxy）法により第一のＧａＰ光取出層（窓層、あるいは電流拡散層ともいう）を厚く成長し、次いで発光層部の第二主表面からＧａＡｓ基板を除去し、その除去された第二主表面に第一のＧａＰ光取出層をＨＶＰＥ法により厚く成長した素子構造が開示されている。

発光素子においては、発光効率を高めるために発光層部をなす化合物半導体結晶は、転位等の結晶欠陥をなるべく含まない高品質のものが要求される。しかし、ＡｌＧａＩｎＰ発光層部とＧａＰ光取出層とは格子定数差が非常に大きいので、特許文献１の構成の場合、第一のＧａＰ光取出層との格子定数差によりプレストレスを受けた状態のＡｌＧａＩｎＰ発光層部上に、さらに第二のＧａＰ光取出層が直接成長されるので、発光層部に加わる格子歪が非常に大きくなり、ミスフィット転位等が発光層に導入されやすくなって、発光輝度や素子ライフの低下を招きやすい問題がある。

本発明の課題は、ＡｌＧａＩｎＰからなる発光層部の両面にＧａＰ光取出層がエピタキシャル成長されているにも拘わらず、発光層部への結晶欠陥の導入が効果的に抑制され、ひいては発光輝度や素子ライフに優れた発光素子と、その製造方法とを提供することにある。

課題を解決するための手段及び発明の効果

上記の課題を解決するために、本発明の発光素子は、
組成式（ＡｌｘＧａ１−ｘ）ｙＩｎ１−ｙＰ（ただし、０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１）にて表される化合物のうち、ＧａＡｓと格子整合する組成を有する化合物にて各々構成されたｎ型クラッド層、活性層及びｐ型クラッド層がこの順序で積層されたダブルへテロ構造を有する発光層部と、
発光層部の一方の主表面側にエピタキシャル成長された発光層部よりも厚い第一のＧａＰ光取出層と、
発光層部の他方の主表面側にエピタキシャル成長された発光層部よりも厚い第二のＧａＰ光取出層とを備え、
第二のＧａＰ光取出層と発光層部との間に、ＧａＡｓＸＰ１−Ｘ（ただし、ＸはＧａＡｓ混晶比：０＜Ｘ＜１）からなる接続層を設けてなり、
接続層は第一のＧａＰ光取出層を下地として成長させた層であることを特徴とする。

また、本発明の発光素子の製造方法は上記本発明の発光素子を製造するために、
ＧａＡｓ単結晶基板の第一主表面に発光層部をエピタキシャル成長する発光層部成長工程と、
発光層部の第一主表面側に第一のＧａＰ光取出層をエピタキシャル成長する第一のＧａＰ光取出層成長工程と、
発光層部の第二主表面側からＧａＡｓ単結晶基板を除去する基板除去工程と、
発光層部の第二主表面側に接続層をエピタキシャル成長する接続層成長工程と、
接続層の第二主表面に第二のＧａＰ光取出層をエピタキシャル成長する第二のＧａＰ光取出層成長工程と、をこの順で実施することを特徴とする。

本発明において、「ＧａＡｓと格子整合する化合物半導体」とは、応力による格子変位を生じていないバルク結晶状態にて見込まれる、当該の化合物半導体の格子定数をａ１、同じくＧａＡｓの格子定数をａ０として、｛｜ａ１−ａ０｜／ａ０｝×１００（％）にて表される格子不整合率が、１％以内に収まっている化合物半導体のことをいう。また、「組成式（Ａｌ_ｘ’Ｇａ_１−ｘ’）_ｙ’Ｉｎ_１−ｙ’Ｐ（ただし、０≦ｘ’≦１，０≦ｙ’≦１）にて表される化合物のうち、ＧａＡｓと格子整合する化合物」のことを、「ＧａＡｓと格子整合するＡｌＧａＩｎＰ」などと記載する。また、活性層は、ＡｌＧａＩｎＰの単一層として構成してもよいし、互いに組成の異なるＡｌＧａＩｎＰからなる障壁層と井戸層とを交互に積層した量子井戸層として構成してもよい（量子井戸層全体を、一層の活性層とみなす）。

ＡｌＧａＩｎＰ系混晶化合物（（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_ｙＩｎ_１−ｙＰ（ただし、０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１））は、混晶比ｘ及びｙを調整することにより、ＧａＡｓ単結晶基板と整合する格子定数を維持したまま、例えば５７０ｎｍ以上６５２ｎｍ以下の範囲で、高発光強度を維持しつつ発光波長を容易に調整することができる。表１は混晶比ｘ、ｙの種々の設定例と、それによって得られるＡｌＧａＩｎＰ混晶の格子定数、バンドギャップエネルギー、発光波長及び発光色の対応関係を示したものである。

他方、接続層を構成するＧａＡｓ_ＸＰ_１−ＸはＧａＰとＧａＡｓとの混晶であり、ＧａＡｓ混晶比Ｘが０＜Ｘ＜１に調整される限り、その格子定数は必ずＧａＰとＧａＡｓとの中間の値となる。具体的には、表２に示すように、Ｘが大きくなるほど格子定数は大きくなり、バンドギャップエネルギーは小さくなる。

上記の構成によると、ＧａＡｓと格子整合する発光層部と第二のＧａＰ光取出層との間に、上記ＧａＡｓ_ＸＰ_１−Ｘからなる接続層を設けたことにより、発光層部上に第二のＧａＰ光取出層を厚くエピタキシャル成長したときに、接続層がない場合と比較して、発光層部側から第二のＧａＰ光取出層側への格子定数の急激な格子定数変化が緩和され、発光層部に強い格子歪が加わることが防止される。その結果、該格子歪による発光層部へのミスフィット転位等の導入、ひいてはそれによる発光輝度や素子ライフの低下を効果的に抑制することができる。

発光層部は、組成が均一で結晶欠陥の少ない層成長を行なうために、そのエピタキシャル成長をＭＯＶＰＥ法にて行なうことが望ましい。他方、第一のＧａＰ光取出層及び第二のＧａＰ光取出層は、高品質で厚膜のものを効率良く成長できる観点から、ＨＶＰＥ法を採用することが望ましい。この場合、接続層部もＨＶＰＥ法で成長するようにすれば、これに引き続く第二のＧａＰ光取出層の成長工程を同じＨＶＰＥ成長容器内で実施でき、効率がよい。

次に、接続層は、第一のＧａＰ光取出層と発光層部との間に形成することも可能であるが、該第一のＧａＰ光取出層側については接続層を省略することも可能である。この場合、第一のＧａＰ光取出層は発光層部に接して形成されることとなる。第一のＧａＰ光取出層のエピタキシャル成長は、ＧａＡｓ単結晶基板上のＡｌＧａＩｎＰ活性層に対して行なわれる一方、第二のＧａＰ光取出層のエピタキシャル成長は、第一のＧａＰ光取出層上（ＧａＡｓ単結晶基板が除去された）の発光層部に対して行なわれる。いずれも、発光層部上へのエピタキシャル成長となる点で変わりはないが、その下地に相当する基板部分が、後者では発光層部との格子定数差が大きい第一のＧａＰ光取出層であるのに対し、前者では発光層部とほぼ同じ格子定数を有したＧａＡｓであり、この場合、第一のＧａＰ光取出層のエピタキシャル成長に伴い発光層部に発生する応力をＧａＡｓ単結晶基板と協働して支持できる。従って、第一のＧａＰ光取出層の際には、中間の格子定数を有する接続層を介在させずとも、発光層部へミスフィット転位等の導入される不具合が生じにくく、結果として接続層の省略により素子構造及び素子製造工程を簡略化することが可能となる。

他方、第二のＧａＰ光取出層をエピタキシャル成長する際には、発光層部は、下地をなす第一のＧａＰ光取出層とも格子整合していないので、その不整合歪によるプレストレスを受けた状態で、第二のＧａＰ光取出層がエピタキシャル成長される。従って、発光層部をミスフィット転位等から保護するためには、発光層部から第二のＧａＰ光取出層にかけての格子定数の不連続を、接続層の介在により緩和することが必須である。

以下、本発明の実施の形態を添付の図面を参照して説明する。
図１は、本発明の一実施形態である発光素子１００を示す概念図である。発光素子１００は、組成式（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_ｙＩｎ_１−ｙＰ（ただし、０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１）にて表される化合物のうち、ＧａＡｓと格子整合する組成を有する化合物にて各々構成されたｎ型クラッド層４、活性層５及びｐ型クラッド層６がこの順序で積層されたダブルへテロ構造を有する発光層部２４と、発光層部２４の一方の主表面側にエピタキシャル成長された発光層部２４よりも厚い第一のＧａＰ光取出層２０と、発光層部２４の他方の主表面側にエピタキシャル成長された発光層部２４よりも厚い第二のＧａＰ光取出層９０とを備える。また、第二のＧａＰ光取出層９０と発光層部２４との間には、ＧａＡｓ_ＸＰ_１−Ｘ（ただし、ＸはＧａＡｓ混晶比：０＜Ｘ＜１）からなる接続層９１が設けられている。

発光層部２４は、ノンドープ（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_ｙＩｎ_１−ｙＰ（ただし、０≦ｘ≦０．５５，０．４５≦ｙ≦０．５５）混晶からなる活性層５を、ｐ型（Ａｌ_ｚＧａ_１−ｚ）_ｙＩｎ_１−ｙＰ（ただしｘ＜ｚ≦１）からなるｐ型クラッド層６とｎ型（Ａｌ_ｚＧａ_１−ｚ）_ｙＩｎ_１−ｙＰ（ただしｘ＜ｚ≦１）からなるｎ型クラッド層（第二導電型クラッド層）４とにより挟んだ構造を有する。図１の発光素子１００では、第一主表面側（図面上側）にｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層６が配置されており、第二主表面側（図面下側）にｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層４が配置されている。なお、ここでいう「ノンドープ」とは、「ドーパントの積極添加を行なわない」との意味であり、通常の製造工程上、不可避的に混入するドーパント成分の含有（例えば１×１０^１３〜１×１０^１６／ｃｍ^３程度を上限とする）をも排除するものではない。この発光層部２４はＭＯＶＰＥ法により成長されたものである。ｎ型クラッド層４及びｐクラッド層６の厚さは、例えばそれぞれ０．８μｍ以上４μｍ以下（望ましくは０．８μｍ以上２μｍ以下）であり、活性層５の厚さは例えば０．４μｍ以上２μｍ以下（望ましくは０．４μｍ以上１μｍ以下）である。発光層部２４全体の厚さは、例えば２μｍ以上１０μｍ以下（望ましくは２μｍ以上５μｍ以下）である。

第一のＧａＰ光取出層２０は、第一主表面の一部（ここでは中央部）を覆う形で光取出領域側金属電極９が形成されている。光取出領域側金属電極９には、電極ワイヤ１７の一端が接合されている。第一のＧａＰ光取出層２０は、光取出領域側金属電極９を介した通電による発光駆動電流を素子面内に拡散させ、発光層部２４を面内にて均一に発光させる光取出層としての機能を果たすとともに、層側面部からの取出光束も増加させ、発光素子全体の輝度（積分球輝度）を高める役割を担う。ＧａＰは活性層５をなすＡｌＧａＩｎＰよりもバンドギャップエネルギーが大きく、発光光束の吸収が抑制されている。

本実施形態にて第一のＧａＰ光取出層２０は、発光層部２４の第一主表面にＨＶＰＥ法により成長されたものである。なお、第一のＧａＰ光取出層２０と発光層部２４との間には、ＧａＰ層からなる接続層２０Ｊが発光層部２４に続く形でＭＯＶＰＥ法により形成されているが、該接続層２０Ｊは省略してもよい。また、発光層部２４の第二主表面において接続層９１がＨＶＰＥ法によりエピタキシャル成長され、さらに該接続層９１の第二主表面に第二のＧａＰ光取出層９０が、引き続きＨＶＰＥ法によりエピタキシャル成長されている。第二のＧａＰ光取出層９０の第二主表面は、その全面がＡｕ電極等からなる裏面電極１５にて覆われている。裏面電極１５は、発光層部２４から第二のＧａＰ光取出層９０を透過して到来する発光光束に対する反射層を兼ねており、光取出し効率の向上に寄与している。

また、裏面電極１５と第二のＧａＰ光取出層９０との間には、両者の接触抵抗を低減するための、ＡｕＧｅＮｉ合金等からなる接合合金化層１５ｃがドット状に分散形成されている。接合合金化層１５ｃは、第二のＧａＰ光取出層９０をなす化合物半導体層との合金化に伴い、反射率が多少低くなるため、これをドット状に分散形成し、その背景領域を高反射率の裏面電極１５による直接反射面としてある。また、光取出領域側金属電極９と第一のＧａＰ光取出層２０との間には、ＡｕＢｅ合金等からなる接合合金化層９ａが形成されている。また、第一のＧａＰ光取出層２０は、キャリア濃度が６×１０^１７／ｃｍ^３以上１．２×１０^１８／ｃｍ^３以下に調整されている。さらに、第二のＧａＰ光取出層９０は、キャリア濃度が２×１０^１７／ｃｍ^３以上８×１０^１７／ｃｍ^３以下に調整されている。

上記の構成によると、ＧａＡｓと格子整合する発光層部２４と第二のＧａＰ光取出層９０との間に、ＧａＡｓ_ＸＰ_１−Ｘからなる接続層９１を設けたことにより、発光層部２４上に第二のＧａＰ光取出層９０を厚くエピタキシャル成長したときに、接続層９１がない場合と比較して、発光層部２４側から第二のＧａＰ光取出層９０側への格子定数の急激な格子定数変化が緩和され、発光層部２４に強い格子歪が加わることが防止される。その結果、該格子歪による発光層部２４へのミスフィット転位等の導入、ひいてはそれによる発光輝度や素子ライフの低下を効果的に抑制することができる。

十分な電流拡散効果と光取り出し効率向上効果とを達成するためには、第二のＧａＰ光取出層９０の厚さを５０μｍ以上２００μｍ以下、望ましくは１００μｍ以上１５０μｍ以下に設定するのがよい（第一のＧａＰ光取出層２０についても同様）。この場合、接続層９１の厚さは１μｍ以上１０μｍ以下（望ましくは２μｍ以上６μｍ以下）に設定することが望ましい。接続層９１の厚さが１μｍ未満では、発光層部２４に加わる格子歪を抑制する効果が乏しくなり、接続層９１の厚さが１０μｍを超えると効果が飽和し、また、接続層９１の成長工程に長時間を有するようになって製造能率が著しく低下する。

また、第二のＧａＰ光取出層９０の厚さは、第一のＧａＰ光取出層２０の０．８倍以上１．２倍以下とすることが望ましい。発光層部２４、第一のＧａＰ光取出層２０及び第二のＧａＰ光取出層９０はエピタキシャルウェーハとして製造され、これを所期のサイズにダイシングして発光素子チップを得る。しかし、第二のＧａＰ光取出層９０の厚さと第一のＧａＰ光取出層２０の厚さとが極度に異なっている場合、ＡｌＧａＩｎＰとＧａＰとの熱膨張率の差に由来した応力の、第二のＧａＰ光取出層９０側と第一のＧａＰ光取出層２０側との間でのバランスが崩れ、エピタキシャルウェーハに大きな反りが生じて、ダイシング時にウェーハに割れが生ずるなどの問題が生ずることがある。しかし、両光取出層の厚さの比を上記範囲となるように調整することで、該反りの問題を効果的に抑制することができる。

発光層部２４及び第一のＧａＰ光取出層２０を成長するためのＧａＡｓ単結晶基板１（図３参照）は、ＧａＡｓ単結晶のバルク成長が容易なｎ型を採用することが、基板コストを低減する観点から有利である。この場合、得られる発光素子１００は、図１のごとく、発光層部２４のｎ型クラッド層４側に接続層９１を介して第二のＧａＰ光取出層９０がｎ型層として形成され、ｐ型クラッド層６側に第一のＧａＰ光取出層２０がｐ型層として形成されたものとなる。

接続層９１は、一様な組成の化合物半導体層として構成することもできるが、図２に示すように、発光層部２４側（図２ではｎ型クラッド層４側）にて第二のＧａＰ光取出層９０側よりもＧａＡｓ混晶比Ｘが高くなる組成傾斜層として形成しておくことが望ましい。これにより、発光層部２４から第二のＧａＰ光取出層９０にかけての格子定数の不連続を一層効果的に解消することができ、ひいては発光層部２４にミスフィット転位等の結晶欠陥が生ずることを効果的に防止できる。また、発光層部２４から離れるにつれて光吸収の大きいＧａＡｓの混晶比Ｘが小さくなるので、接続層９１における発光光束の吸収が抑制され、素子の光取り出し効率を高めることができる。なお、ＧａＡｓ混晶比Ｘは、接続層９１の層厚方向において連続的に変化していても、段階的に変化していてもいずれでもよい。格子定数不連続を解消する観点からは前者の方がより望ましいが、後者は層成長時の組成制御をより行ないやすく、製造が容易である利点がある。

接続層９１におけるＧａＡｓ混晶比Ｘの傾斜状態は、該接続層９１が、第二のＧａＰ光取出層９０側及び発光層部２４側の双方において、格子定数差が一定レベル以下（例えば３．０％以下）に縮小するように設定することが、発光層部２４に加わる格子歪を軽減する観点において重要である。具体的には、接続層９１は、第二のＧａＰ光取出層９０側の端面にてＧａＡｓ混晶比Ｘを０．１以下に設定しておくことが、第二のＧａＰ光取出層９０と接続層９１との格子定数差を縮小する観点において望ましく、特に、第二のＧａＰ光取出層９０側の端面位置にてゼロとなるように調整することが最も望ましい。

一方、発光層部２４側については、格子定数差を縮小する観点のみで考えれば、接続層９１のＧａＡｓ混晶比Ｘは１に設定するのがよい。しかし、この場合、表２に示すごとく、接続層９１のバンドギャップエネルギーは１．４３ｅＶと小さくなり、ＡｌＧａＩｎＰ活性層５からの発光光束に対しては、そのピーク波長が表１に示す一般的な範囲に留まる限り強い吸収を生じ、光取り出し効率の低下を招くことにつながる。この点を考慮して、活性層５のピーク発光波長が上記のごとく５７０ｎｍ以上６５２ｎｍ以下に設定される場合、接続層９１は、発光層部２４側の端面におけるＧａＡｓ混晶比Ｘmaxを０．２以上０．４５以下に設定することが望ましい。端面におけるＧａＡｓ混晶比Ｘmaxが０．２未満では、接続層９１と発光層部２４との間の格子定数差が大きくなりすぎ、発光層部２４に加わる格子歪を軽減する効果が十分でなくなる。一方、端面におけるＧａＡｓ混晶比Ｘmaxが０．４５を超えると、発光層部２４の発光波長がある程度大きい場合（例えば表１のオレンジ：６００ｎｍ）でも、接続層９１のバンドギャップエネルギーが活性層５よりも小さくなる領域が相当厚くなり、光吸収の影響が著しくなる。

光吸収の抑制を図るためには、活性層５の設定波長が小さくなるほど（つまり、バンドギャップエネルギーが大きくなるほど）、発光層部２４側の端面位置におけるＧａＡｓ混晶比Ｘmaxの値は小さく設定することが望ましい。換言すれば、発光層部２４側の端面位置におけるＧａＡｓ混晶比Ｘmaxの値は、活性層５のバンドギャップエネルギーに応じて、光吸収がなるべく小さくなるように考慮されるべきである。

図２において、実線Ａは厚さ方向の格子定数の変化プロファイルを、一点鎖線Ｂは同じくバンドギャップエネルギーの変化プロファイルを示している。ａ_ｔ及びＥ_ｔは第二のＧａＰ光取出層９０の格子定数及びバンドギャップエネルギーをそれぞれ示す。また、接続層９１の発光層部２４側の端面位置における格子定数及びバンドギャップエネルギーをａ_１及びＥ_１、同じく第二のＧａＰ光取出層９０側の端面位置における格子定数及びバンドギャップエネルギーをａ_２及びＥ_２としている。活性層５のバンドギャップエネルギーをＥ_０とした場合、発光層部２４側の端面にて接続層９１のＧａＡｓ混晶比Ｘmaxを、当該ＧａＡｓ混晶比ＸmaxにおけるＧａＡｓ_ＸＰ_１−ＸのバンドギャップエネルギーＥ_１が、活性層５のバンドギャップエネルギーＥ_０と等しくなるか又は大きくなるように（すなわち、Ｅ_１≧Ｅ_０）調整することが望ましい。なお、Ｅｃは、クラッド層４のバンドギャップエネルギーである。

この場合、ＡｌＧａＩｎＰ活性層５を用いて一般的に使用されるピーク波長の上限値は、表１から６５２ｎｍ（赤色発光）であり、上記Ｅ_１≧Ｅ_０を充足させるためのＧａＡｓ混晶比Ｘmaxとして設定しうる最大の値は、表２から０．４５程度である。他方、接続層９１と発光層部２４との間の格子定数差が大きくなりすぎないよう、ＧａＡｓ混晶比Ｘmaxの値は前述のごとく０．２以上に設定することが望ましい。これと、上記Ｅ_１≧Ｅ_０の条件とを両立できるＡｌＧａＩｎＰ活性層５の発光波長の下限値は、表２から約５７７ｎｍである。

なお、活性層５の発光波長（すなわち、バンドギャップエネルギーＥ_０）の値が短波長域（例えば黄色）に設定される場合、接続層９１と発光層部２４との間の格子定数差が過度に拡大しないことを考慮して、Ｘmaxの値を、活性層５のバンドギャップエネルギーＥ_０に対応する値よりもやむを得ず大きくする必要が生じることもある。この場合は、接続層９１において、バンドギャップエネルギーの値がＥ_０よりも小さくなる部分の厚さが、接続層９１の全厚の３０％を超えないようにすることが望ましい。

以下、図１の発光素子１００の製造方法について説明する。
まず、図３の工程１に示すように、成長用基板としてｎ型のＧａＡｓ単結晶基板１を用意する。次に、工程２に示すように、その基板１の主表面に、ｎ型ＧａＡｓバッファ層２を例えば０．５μｍエピタキシャル成長し、次いで、発光層部２４として、各々（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_ｙＩｎ_１−ｙＰよりなる、厚さ１μｍのｎ型クラッド層４（ｎ型ドーパントはＳｉ）、厚さ０．６μｍの活性層（ノンドープ）５及び厚さ１μｍのｐ型クラッド層６（ｐ型ドーパントはＭｇ：有機金属分子からのＣもｐ型ドーパントとして寄与しうる）を、この順序にてエピタキシャル成長させる。ｐ型クラッド層６とｎ型クラッド層４との各ドーパント濃度は、例えば１×１０^１７／ｃｍ^３以上２×１０^１８／ｃｍ^３以下である。さらに、図４の工程３に示すように、ｐ型クラッド層６上に接続層２０Ｊをエピタキシャル成長する（前述のごとく、この接続層２０Ｊは省略することも可能である）。

上記各層のエピタキシャル成長は、公知のＭＯＶＰＥ法により行なわれる。Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ（インジウム）、Ｐ（リン）、Ａｓ（砒素：後述）の各成分源となる原料ガスとしては以下のようなものを使用できる；
・Ａｌ源ガス；トリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）、トリエチルアルミニウム（ＴＥＡｌ）など；
・Ｇａ源ガス；トリメチルガリウム（ＴＭＧａ）、トリエチルガリウム（ＴＥＧａ）など；
・Ｉｎ源ガス；トリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）、トリエチルインジウム（ＴＥＩｎ）など。
・Ｐ源ガス：トリメチルリン（ＴＭＰ）、トリエチルリン（ＴＥＰ）、ホスフィン（ＰＨ_３）など。
・Ａｓ源ガス；トリメチル砒素（ＴＭＡｓ）、アルシン（ＡｓＨ_３）など。

図４の工程４に進み、ｐ型ＧａＰよりなる第一のＧａＰ光取出層２０を、ＨＶＰＥ法により成長させる。ＨＶＰＥ法は、具体的には、容器内にてＩＩＩ族元素であるＧａを所定の温度に加熱保持しながら、そのＧａ上に塩化水素を導入することにより、下記（１）式の反応によりＧａＣｌを生成させ、キャリアガスであるＨ₂ガスとともに基板上に供給する。
Ｇａ（液体）＋ＨＣｌ（気体） → ＧａＣｌ（気体）＋１／２Ｈ_２‥‥（１）
成長温度は例えば６４０℃以上８６０℃以下に設定する。また、Ｖ族元素であるＰは、ＰＨ_３をキャリアガスであるＨ₂とともに基板上に供給する。さらに、ｐ型ドーパントであるＺｎは、ＤＭＺｎ（ジメチルＺｎ）の形で供給する。ＧａＣｌはＰＨ_３との反応性に優れ、下記（２）式の反応により、効率よく第一のＧａＰ光取出層２０を成長させることができる：
ＧａＣｌ（気体）＋ＰＨ_３（気体）
→ＧａＰ（固体）＋ＨＣｌ（気体）＋Ｈ₂（気体）‥‥（２）

第一のＧａＰ光取出層２０の成長が終了したら、図５の工程５に進み、ＧａＡｓ基板１をアンモニア／過酸化水素混合液などのエッチング液を用いて化学エッチングすることにより除去する。そして、工程６に示すように、ＧａＡｓ基板１が除去された発光層部２４の第二主表面側（接続層９１の第二主表面である）に、前述のＧａＡｓ_ＸＰ_１−Ｘからなる接続層９１を、第一のＧａＰ光取出層２０と同様に、ＨＶＰＥ法によりエピタキシャル成長する。この場合、Ｖ族元素であるＰとＡｓとは、ＰＨ_３及びＡｓＨ_３をキャリアガスであるＨ₂とともに基板上に供給する。ＧａＡｓ混晶比Ｘは、Ａｓ源ガスとＰ源ガスとの供給比により調整可能であり、該供給比を連続的あるいは断続的に変化させることで、図２のごとく、層厚方向にＧａＡｓ混晶比Ｘの傾斜が付与された接続層９１を得ることができる。接続層９１の成長が終了すれば、工程７に示すごとく、該接続層９１の第二主表面上に、ｐ型ＧａＰからなる第二のＧａＰ光取出層９０を引き続きＨＶＰＥ法によりエピタキシャル成長する。

以上の工程が終了すれば、図５の工程７に示すように、スパッタリングや真空蒸着法により、第一のＧａＰ光取出層２０の第一主表面及び第二のＧａＰ光取出層９０の第二主表面に、接合合金化層形成用の金属層をそれぞれ形成し、さらに合金化の熱処理（いわゆるシンター処理）を行なうことにより、接合合金化層９ａ，１５ｃ（図１参照；図５では表示を省略）とする。そして、これら接合合金化層９ａ，１５ｃをそれぞれ覆うように、光取出領域側電極９及び裏面電極１５を形成し、発光素子製造用のエピタキシャルウェーハとする。該エピタキシャルウェーハは個々の発光素子チップにダイシングされ、その発光素子チップの第二主表面側をＡｇペースト層を介して金属ステージに接着し、さらに図１に示すように、光取出側電極９にボンディングワイヤ１７を接続し、さらにエポキシ樹脂からなる図示しないモールド部を形成すれば、最終的な発光素子が完成する。

以下、本発明の効果を確認するために行なった実験結果について説明する。
まず、図１の発光素子１００において、各層を以下の厚さにて形成した。素子形状は正方形状であり、素子寸法は、２９０μｍ角とした。
・ｎ型ＧａＡｓ単結晶基板：厚さ２８０μｍ。
・ｐ型クラッド層６＝１μｍ；
・活性層５＝０．６μｍ（発光波長６２３ｎｍ）；
・ｎ型クラッド層４＝１μｍ；
・第一のＧａＰ光取出層２０＝１５０μｍ：キャリア濃度を２×１０^１７／ｃｍ^３〜１．６×１０^１８／ｃｍ^３にて種々の値に設定；
・接続層９１＝４μｍ：ＧａＡｓ混晶比Ｘは、第二のＧａＰ光取出層９０側の端面位置にてゼロとなり、発光層部２４との境界位置での値（Ｘmax）が０以上０．６以下の種々の値となるよう、当該境界位置に向けて直線的に増加するように調整；
・第二のＧａＰ光取出層９０＝第一のＧａＰ光取出層２０よりも厚さが０〜９０μｍの種々の値だけ厚くなるように設定。キャリア濃度を１×１０^１７／ｃｍ^３〜１．２×１０^１８／ｃｍ^３にて種々の値に設定；

得られた各素子は、以下の各特性を周知の方法にて測定した：
・発光強度：通電電流値を４０〜２００ｍＡ／パルス（Ｄｕｔｙ １０％)の種々の値とした；
・順方向電圧：通電電流値を２０ｍＡとして測定；
・素子ライフ：通電電流密度を２３．８Ａ／ｃｍ^２に固定して連続通電し、初期発光輝度と１０００時間通電後の輝度の比により測定；
・反りの測定：ダイシング前のエピタキシャルウェーハの直径を４９ｍｍとして測定。

図６は、Ｘを種々に変化させたときの発光輝度と素子ライフとの測定結果を示すものである。素子ライフはＸ≧０．２の範囲で良好となっていることがわかる。他方、Ｘ＜０．２では素子ライフだけでなく発光輝度も悪化していることがわかる。また、接続層のバンドギャップエネルギーが活性層のバンドギャップエネルギーよりも小さくなるＸ≧０．４の範囲では、接続層による光吸収のため発光輝度が急激に低下していることがわかる。

図７は、第二のＧａＰ光取出層９０（ｎ型）の厚さから第一のＧａＰ光取出層２０（ｐ型）の厚さを減じた値（つまり、両層の厚みの差）を種々に変化させたときの、ウェーハに生ずる反りの測定結果をプロットしたものである。厚みの差が大きくなるほど反り量が大きくなっていることがわかる。

図８は、第二のＧａＰ光取出層９０（ｎ型）のキャリア濃度を５×１０^１７／ｃｍ^３に固定し、第一のＧａＰ光取出層２０（ｐ型）のキャリア濃度を種々に変化させたときの順方向電圧及び発光輝度の測定結果を示すものである。図９は、第一のＧａＰ光取出層２０（ｐ型）のキャリア濃度を８×１０^１７／ｃｍ^３に固定し、第二のＧａＰ光取出層９０（ｎ型）のキャリア濃度を種々に変化させたときの順方向電圧及び発光輝度の測定結果を示すものである。この結果によると、第一のＧａＰ光取出層２０のキャリア濃度を６×１０^１７／ｃｍ^３以上１．２×１０^１８／ｃｍ^３以下に調整し、第二のＧａＰ光取出層９０のキャリア濃度を２×１０^１７／ｃｍ^３以上８×１０^１７／ｃｍ^３以下に調整したとき、順方向電圧及び発光輝度がともに良好となっていることがわかる。

本発明の発光素子の一例を示す側面断面模式図。 接続層の説明図。 図１の発光素子の製造方法を示す工程説明図。 図３に続く工程説明図。 図４に続く工程説明図。 接続層のＧａＡｓ混晶Ｘと発光輝度及び素子ライフの関係を測定した実験結果を示すグラフ。 第一および第二のＧａＰ光取出層の層厚差と基板に生ずる反りの関係を測定した実験結果を示すグラフ。 第一および第二のＧａＰ光取出層のキャリア濃度と順方向電圧及び発光輝度の関係を測定した実験結果を示す第一のグラフ。 第一および第二のＧａＰ光取出層のキャリア濃度と順方向電圧及び発光輝度の関係を測定した実験結果を示す第二のグラフ。

符号の説明

４ ｎ型クラッド層
５ 活性層
６ ｐ型クラッド層
２０ 第一のＧａＰ光取出層
２４ 発光層部
９０ 第二のＧａＰ光取出層
９１ 接続層
１００ 発光素子

Claims (11)

1. 組成式（ＡｌｘＧａ１−ｘ）ｙＩｎ１−ｙＰ（ただし、０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１）にて表される化合物のうち、ＧａＡｓと格子整合する組成を有する化合物にて各々構成されたｎ型クラッド層、活性層及びｐ型クラッド層がこの順序で積層されたダブルへテロ構造を有する発光層部と、
   前記発光層部の一方の主表面側にエピタキシャル成長された前記発光層部よりも厚い第一のＧａＰ光取出層と、
   前記発光層部の他方の主表面側にエピタキシャル成長された前記発光層部よりも厚い第二のＧａＰ光取出層とを備え、
   前記第二のＧａＰ光取出層と前記発光層部との間に、ＧａＡｓＸＰ１−Ｘ（ただし、ＸはＧａＡｓ混晶比：０＜Ｘ＜１）からなる接続層を設けてなり、
   前記接続層は前記第一のＧａＰ光取出層を下地として成長させた層であることを特徴とする発光素子。
2. 前記接続層は、前記発光層部側にて前記第二のＧａＰ光取出層側よりも前記ＧａＡｓ混晶比Ｘが高くなる組成傾斜層として形成されてなる請求項１に記載の発光素子。
3. 前記第一のＧａＰ光取出層が前記発光層部に接して形成されてなる請求項１又は請求項２に記載の発光素子。
4. 前記第二のＧａＰ光取出層の厚さが５０μｍ以上２００μｍ以下であり、前記接続層の厚さが１μｍ以上１０μｍ以下に設定されてなる請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の発光素子。
5. 前記発光層部の前記ｎ型クラッド層側に前記接続層を介して前記第二のＧａＰ光取出層がｎ型層として形成され、前記ｐ型クラッド層側に前記第一のＧａＰ光取出層がｐ型層として形成されてなる請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の発光素子。
6. 前記接続層は、前記第二のＧａＰ光取出層側の端面にて前記ＧａＡｓ混晶比が０．１以下に設定されてなる請求項２ないし請求項５のいずれか１項に記載の発光素子。
7. 前記活性層のピーク発光波長が５７０ｎｍ以上６５２ｎｍ以下であり、前記接続層は、前記発光層部側の端面にて前記ＧａＡｓ混晶比が０．２以上０．４５以下に設定されている請求項６記載の発光素子。
8. 前記接続層の前記ＧａＡｓ混晶比Ｘは、前記発光層部側の端面にて、当該ＧａＡｓ混晶比ＸにおけるＧａＡｓ_ＸＰ_１−Ｘのバンドギャップエネルギーが、前記活性層のバンドギャップエネルギーと等しくなるか又は大きくなるように調整されている請求項２ないし請求項７のいずれか１項に記載の発光素子。
9. 前記第二のＧａＰ光取出層の厚さが前記第一のＧａＰ光取出層の０．８倍以上１．２倍以下である請求項１ないし請求項８のいずれか１項に記載の発光素子。
10. 請求項１ないし請求項９のいずれか１項に記載の発光素子の製造方法であって、
    ＧａＡｓ単結晶基板の第一主表面に前記発光層部をエピタキシャル成長する発光層部成長工程と、
    前記発光層部の第一主表面側に前記第一のＧａＰ光取出層をエピタキシャル成長する第一のＧａＰ光取出層成長工程と、
    前記発光層部の第二主表面側から前記ＧａＡｓ単結晶基板を除去する基板除去工程と、
    前記発光層部の第二主表面側に前記接続層をエピタキシャル成長する接続層成長工程と、
    前記接続層の第二主表面に前記第二のＧａＰ光取出層をエピタキシャル成長する第二のＧａＰ光取出層成長工程と、をこの順で実施することを特徴とする発光素子の製造方法。
11. 前記接続層、前記第一のＧａＰ光取出層及び前記第二のＧａＰ光取出層のエピタキシャル成長をＨＶＰＥ法にて行なう請求項１０記載の発光素子の製造方法。

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