半導体発光素子および半導体発光素子の製造方法
【課題】電流−光出力特性の線形性が改善された半導体発光素子およびその製造方法を提供する。
【解決手段】発光素子は、支持基板１０と、光反射層３０を介して支持基板上に設けられた半導体膜４０と、を含む。半導体膜は、光反射層側から電流拡散層４２、第１のｐクラッド層４４ａ、第２のｐクラッド層４４ｂ、活性層４６、第１のｎクラッド層４８ａ、第２のｎクラッド層４８ｂを積層して構成される。第１のｐクラッド層と第２のｐクラッド層からなるｐクラッド層全体の層厚のうち第１のｐクラッド層の層厚が占める割合は５０％以上８０％以下である。第１のｎクラッド層と第２のｎクラッド層からなるｎクラッド層全体の層厚は２μｍ以上である。ｎクラッド層全体の層厚のうち第１のｎクラッド層の層厚が占める割合は８０％以上であり且つ第２のｎクラッド層の層厚は１００ｎｍ以上である。
【解決手段】発光素子は、支持基板１０と、光反射層３０を介して支持基板上に設けられた半導体膜４０と、を含む。半導体膜は、光反射層側から電流拡散層４２、第１のｐクラッド層４４ａ、第２のｐクラッド層４４ｂ、活性層４６、第１のｎクラッド層４８ａ、第２のｎクラッド層４８ｂを積層して構成される。第１のｐクラッド層と第２のｐクラッド層からなるｐクラッド層全体の層厚のうち第１のｐクラッド層の層厚が占める割合は５０％以上８０％以下である。第１のｎクラッド層と第２のｎクラッド層からなるｎクラッド層全体の層厚は２μｍ以上である。ｎクラッド層全体の層厚のうち第１のｎクラッド層の層厚が占める割合は８０％以上であり且つ第２のｎクラッド層の層厚は１００ｎｍ以上である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光ダイオード（LED：Light Emitting Diode）等の半導体発光素子に関する。
【従来技術】
【０００２】
AlGaInP系ＬＥＤは、例えば、ｎ型のGaAs基板上にAlGaInPからなるｎクラッド層、活性層、ｐクラッド層を積層し、必要に応じてGaPからなるｐ型の電流拡散層をｐクラッド層上に形成し、GaAs基板および電流拡散層の表面にそれぞれ電極を形成した積層構造を有する。ｎクラッド層およびｐクラッド層は、活性層よりもバンドギャップが大きくなるようにAlとGaの組成比が調整され、所謂ダブルヘテロ構造を構成している。
【０００３】
一方、ＬＥＤの高輝度化と大電流駆動を可能とするため、半導体膜の結晶成長に用いられるGaAs基板を除去し、半導体膜に光反射層を挟んでSi基板を貼り合わせた構造が提案されている。Si基板はGaAs基板と比較して熱伝導率が高いため、放熱性が改善され、大電流駆動が可能となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−０５３４２５号公報
【特許文献２】特開２０１０−５０３１８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ＬＥＤの市場が拡大するにつれて、単一のＬＥＤチップで所望の輝度が得られる高出力ＬＥＤの需要が高まりつつある。複数のＬＥＤチップを用いて光源装置を構成する場合、各ＬＥＤチップは、例えば２０ｍＡ程度の低電流で駆動される。一方、単一のＬＥＤチップで同等の輝度を得るためには例えば、１００ｍＡ以上で駆動する必要がある。
【０００６】
図１は、GaAs基板上に上記したような層構成を有する半導体膜を積層した従来のＬＥＤの電流−光出力特性を調査した結果を示す図である。尚、２４０μｍ角のＬＥＤチップを一般的な砲弾型ステム（直径５ｍｍ）に実装したものを評価サンプルとした。
【０００７】
図１において横軸は電流密度、縦軸は発光強度の相対値である。図１に示すように、従来のＬＥＤでは、電流密度が４０Ａ／ｃｍ２（電流に換算すると約２０ｍＡ）を超えると、注入電流の増加に対して光出力がリニアに変化しなくなる。すなわち、大電流領域において電流−光出力特性の線形性が低下している。その理由としては、キャリア密度の増加に伴うキャリアのオーバーフローおよび発熱に伴う効率低下が挙げられる。線形性が低下する大電流領域で使用すると光度劣化を生じるため、このような特性のＬＥＤを１００ｍＡを超える大電流で使用することは困難である。
【０００８】
発熱の問題は、上記の如く半導体膜に熱伝導率が比較的高いSi基板を貼り合わせることにより改善され、大電流駆動が可能となるが、従来のＬＥＤは、GaAs基板を有する構成が一般的であり、大電流駆動を想定しておらず、電流密度が高い領域(例えば１００Ａ/ｃｍ２以上)における電流-光出力特性の線形性についての検討がなされていなかった。また、従来のＬＥＤにおいては、GaAs基板が電流拡散層としての役割も担うため、ｎクラッド層において電流拡散機能は必要とされていなかった。すなわち、基板貼り合わせ構造に対して最適化された半導体膜の構成についての検討がこれまで殆どなされていなかった。高出力ＬＥＤの需要の高まりと基板貼り合わせ技術の確立を背景として、大電流領域における電流−光出力特性の線形性が重要な検討事項となってきた。
【０００９】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、電流−光出力特性の線形性が改善された半導体発光素子およびその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明に係る半導体発光素子は、支持基板と、前記支持基板上に設けられた半導体膜と、を含む半導体発光素子であって、前記半導体膜は、前記支持基板上に設けられたｐ型の導電型を有するGaInPまたはGaPからなる電流拡散層と、前記電流拡散層上に設けられたｐ型の導電型を有するAlInPからなる第１のｐクラッド層と、前記第１のｐクラッド層上に設けられたｐ型の導電型を有するAlGaInPからなる第２のｐクラッド層と、前記第２のｐクラッド層上に設けられた少なくとも一層のGaInPまたはAlGaInPからなる層を含む活性層と、前記活性層上に設けられたキャリア濃度１×１０１８ｃｍ−３以上５×１０１８ｃｍ−３以下であり且つｎ型の導電型を有するAlInPからなる第１のｎクラッド層と、前記第１のｎクラッド層上に設けられたキャリア濃度１×１０１８ｃｍ−３以上５×１０１８ｃｍ−３以下であり且つｎ型の導電型を有するAlGaInPからなる第２のｎクラッド層と、を含み、前記第１のｐクラッド層と前記第２のｐクラッド層からなるｐクラッド層全体の層厚のうち前記第１のｐクラッド層の層厚が占める割合は５０％以上８０％以下であり、前記第１のｎクラッド層と前記第２のｎクラッド層からなるｎクラッド層全体の層厚は２μｍ以上であり、前記ｎクラッド層全体の層厚のうち前記第１のｎクラッド層の層厚が占める割合は８０％以上であり且つ前記第２のｎクラッド層の層厚は１００ｎｍ以上であることを特徴としている。
【００１１】
また、本発明に係る半導体発光素子の製造方法は、GaAs基板上にキャリア濃度１×１０１８ｃｍ−３以上５×１０１８ｃｍ−３以下であり且つｎ型の導電型を有するAlGaInPからなる第２のｎクラッド層を形成する工程と、前記第２のｎクラッド層上にキャリア濃度１×１０１８ｃｍ−３以上５×１０１８ｃｍ−３以下であり且つｎ型の導電型を有するAlInPからなる第１のｎクラッド層を形成する工程と、前記第１のｎクラッド層上に少なくとも一層のGaInPまたはAlGaInPからなる層を含む活性層を形成する工程と、前記活性層上にｐ型の導電型を有するAlGaInPからなる第２のｐクラッド層を形成する工程と、前記第２のｐクラッド層上にｐ型の導電型を有するAlInPからなる第１のｐクラッド層を形成する工程と、前記第１のｐクラッド層上にｐ型の導電型を有するGaInPまたはGaPからなる電流拡散層を形成する工程と、前記電流拡散層上に光反射構造を有する反射電極層を形成する工程と、前記GaAs基板よりも熱伝導率の高い材料からなる支持基板を前記反射電極層に接合する工程と、前記GaAs基板を除去する工程と、前記GaAs基板を除去することにより表出する前記第２のｎクラッド層の表面に上面電極を形成する工程と、を含み、前記第１のｐクラッド層と前記第２のｐクラッド層からなるｐクラッド層全体の層厚のうち前記第１のｐクラッド層の層厚が占める割合は５０％以上８０％以下であり、前記第１のｎクラッド層と前記第２のｎクラッド層からなるｎクラッド層全体の層厚は２μｍ以上であり、前記ｎクラッド層全体の層厚のうち前記第１のｎクラッド層の層厚が占める割合は８０％以上であり且つ前記第２のｎクラッド層の層厚は１００ｎｍ以上であることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、電流−光出力特性の線形性を改善された半導体発光素子を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】従来構造の光半導体素子の電流−光出力特性を示す図である。
【図２】本発明の実施例に係る半導体発光素子の概略構成を示す断面図である。
【図３】本発明の実施例に係る上面電極と反射電極の配置を示す平面図である。
【図４】本発明の実施例に係る半導体発光素子の構成を示す断面図である。
【図５】ｎクラッド層構成が互いに異なる３種類のサンプルの発光分布を示す図である。
【図６】第１のｎクラッド層の層厚の割合と光出力の線形性指標値との関係を示す図である。
【図７】ｐクラッド層構成が互いに異なる２種類のサンプルの電流−光出力特性を示す図である。
【図８】第１のｐクラッド層の層厚の割合と光出力飽和点との関係を示す図である。
【図９】第１のｐクラッド層の層厚の割合と発光強度との関係を示す図である。
【図１０】本発明の実施例に係る半導体発光素子の構造を示す断面図である。
【図１１】図１１（ａ）〜（ｄ）は、本発明の実施例に係る半導体発光素子の製造方法を示す断面図である。
【図１２】図１２（ａ）〜（ｃ）は、本発明の実施例に係る半導体発光素子の製造方法を示す断面図である。
【図１３】本発明の実施例に係る上面電極と反射電極の配置を示す平面図である。
【図１４】本発明の実施例に係る半導体発光素子の構造を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の実施例について図面を参照しつつ説明する。尚、各図において、実質的に同一又は等価な構成要素、部分には同一の参照符を付している。
【００１５】
（半導体発光素子の構成）
図２は、本発明の実施例に係る半導体発光素子１の概略構成を示す断面図である。図３は、上面電極５０と反射電極層３０を構成する反射電極３１とを同一平面に投影した平面図である。図４は、接合層２０、反射電極層３０および上面電極５０のより詳細な構成を示す断面図であり、図３における４−４線に沿った断面図である。
【００１６】
半導体発光素子１において、支持基板１０上に接合層２０および反射電極層３０を介して半導体膜４０が設けられている。半導体膜４０上には上面電極５０が設けられ、支持基板１０の裏面には裏面電極１２が設けられている。
【００１７】
支持基板１０は、ｎ型の導電型を有する厚さ約２００μｍのSi基板である。Si基板の熱導電率は１４８Ｗ／ｍ・Ｋであり、半導体膜４０の結晶成長に用いられるGaAs基板の熱導電率（５４Ｗ／ｍ・Ｋ）よりも高い。このため、半導体膜４０から発せられる熱を効率的に外部に伝えることが可能となり、大電流駆動が可能となる。
【００１８】
接合層２０は、Ptからなり支持基板１０に対してオーミック接触するオーミック層２１と、Tiからなる密着層２２と、AuSnおよびNiを積層して構成される共晶接合層２３と、TaN、TiW、TaNを積層して構成されるバリア層２４と、により構成される。
【００１９】
反射電極層３０は、接合層２０と半導体膜４０との間に設けられ、半導体膜４０との界面において活性層から放射された光を光取り出し面側に向けて反射する光反射面を形成するとともに、半導体膜４０に電流を供給するための電極としても機能する。反射電極層３０は、AuZnからなる反射電極３１とSiO2からなる誘電体層３２とにより構成される。反射電極３１は、誘電体層３２の開口部において半導体膜４０とオーミック接触している。誘電体層３２は、反射電極３１を線状のライン電極３１ａと島状のドット電極３１ｂとに隔てている。ライン電極３１ａとドット電極３１ｂは、誘電体層３２の下部で繋がっており電気的に接続されている。
【００２０】
光取り出し面となる半導体膜４０の表面には、上面電極５０を構成するショットキー電極５１、オーミック電極５２および接続配線５３が形成されている。ショットキー電極５１は、ボンディングパッドを構成しており、半導体膜４０との間でショットキー接触を形成し得る材料、例えばTa、Ti、W又はこれらの合金により構成される。ショットキー電極５１は、半導体膜の略中央位置に形成され、外部からの電流を供給するための導電ワイヤが接続される。オーミック電極５２は、半導体膜４０との間でオーミック性接触を形成し得る材料、例えばAuGeNi、AuSn、AuSnNi等からなる。ショットキー電極５１とオーミック電極５２は、両電極間を繋ぐ接続配線５３により電気的に接続される。接続配線５３は、半導体膜４０との間でショットキー接触を形成し得る材料、例えばTa、Ti、W又はこれらの合金により構成され、ショットキー電極５１と同じ材料を用いることができる。電流は、光取り出し面側のオーミック電極５２と光反射面側のライン電極３１ａおよびドット電極３１ｂとの間を流れることになる。図３において、半導体膜４０を流れる電流の経路が矢印で表示されている。
【００２１】
光取り出し面側のオーミック電極５２と、反射面側のライン電極３１ａおよびドット電極３１ｂは、半導体膜４０の積層方向で互いに重ならないように配置されている。かかる電極構成とすることで、半導体膜の厚さが比較的薄い場合（例えば５μｍ程度）でも、電流集中を防止して半導体膜内の電流密度分布を均一にすることができる。これにより、均一な発光分布を得ることができ、また局所的な発熱や電界集中を防止して高い信頼性を確保することができる。また、半導体膜４０の厚さを薄くすることで順方向電圧Ｖｆを小さくすることができる。
【００２２】
半導体膜４０は、ｐ型の導電型を有するGaPからなる電流拡散層４２、ｐ型の導電型を有するｐクラッド層４４、AlGaInPからなる多重量子井戸構造を有する活性層４６、ｎ型の導電型を有するｎクラッド層４８を積層して構成される。半導体発光素子１は、半導体膜４０の成長用の基板を有さないため、ｎクラッド層４８上にｎ側のオーミック電極５２が形成されている。
【００２３】
電流−光出力の線形性を改善するためには、キャリアのオーバーフローの抑制が必要となる。例えば１００ｍＡを超える大電流領域で使用する場合には、ｎクラッド層およびｐクラッド層のそれぞれにおいて電子および正孔の双方をブロックする機能を高める必要がある。本発明者らは、上記した構成を有する半導体発光素子１において、大電流領域での電流−光出力特性の線形性を改善するべく、ｐクラッド層４４およびｎクラッド層４８の構成について検討を行った。
【００２４】
（ｎクラッド層の検討）
本発明者らは、大電流領域での電流−光出力特性の線形性を改善するべくｎクラッド層４８の構成について検討を行った。ｎクラッド層４８以外の構成は、以下のとおりとした。活性層４６は、(Al0.1Ga0.9)0.5In0.5Pからなる厚さ約１０ｎｍの井戸層と(Al0.5Ga0.5)0.5In0.5Pからなる厚さ約１０ｎｍの障壁層とを繰り返し２０周期積層した多重量子井戸構造とした。ｐクラッド層４４は、キャリア濃度２×１０１７ｃｍ−３、厚さ約１μｍの(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5Pで構成した。電流拡散層４２は、キャリア濃度３×１０１８ｃｍ−３、厚さ約１μｍのGaPで構成した。
【００２５】
半導体発光素子１は、電流拡散機能をも担うGaAs基板を有しないため、ｎクラッド層４８は、キャリアをブロックする機能に加え、電流拡散を促進させる機能が必要となる。半導体膜４０内における電流拡散が不十分であると電流集中が生じ、電流−光出力特性の線形性が低下するだけではなく、輝度むら、順方向電圧Ｖｆの上昇を招く。ｎクラッド層４８が電流拡散層としても機能するためには、ｎクラッド層４８の厚さとキャリア濃度の最適化が必要となる。本発明者らは、ｎクラッド層４８の厚さとキャリア濃度の最適値を探るべく、ｎクラッド層４８のキャリア濃度および層厚が異なる３種類のサンプルを作製し、それぞれについて発光分布（発光面内の輝度分布）を調査した。発光分布は、半導体膜内における電流密度分布にほぼ一致することから発光分布を調査することにより半導体膜内における電流拡散の状況を把握することができる。すなわち、発光分布が均一であれば電流拡散が促進されているものと判断することができる。
【００２６】
上記３種類のサンプルのｎクラッド層の構成を以下のとおりとした。サンプルＡは、ｎクラッド層４８の厚さを１μｍ、キャリア濃度を２×１０１７ｃｍ−３としたものである。サンプルＢは、ｎクラッド層４８の厚さを１μｍ、キャリア濃度を１×１０１８ｃｍ−３としたものである。サンプルＣは、ｎクラッド層４８の厚さを２μｍ、キャリア濃度を１×１０１８ｃｍ−３としたものである。半導体膜４０には、Siからなる支持基板１０を接合し、結晶成長に使用したGaAs基板を除去して上面電極５０および裏面電極１２を形成し、３３０μｍ角のチップ状に切り出した。このようして作製されたＬＥＤチップを一般的な直径５ｍｍの砲弾型ＬＥＤステムに実装したものを評価サンプルとした。
【００２７】
図５は、上記各サンプルの発光分布の調査結果を示す図である。図５において、発光強度の大小は発色の濃淡で表現されており、発色の濃い部分は発光強度が高いことを示している。サンプルＡにおいては、チップ角部の輝度および電流密度が低くなっていることが確認された。サンプルＢにおいては、チップ角部の輝度および電流密度がサンプルＡよりも向上しており、キャリア濃度を１×１０１８ｃｍ−３にまで高めることにより電流拡散が促進されることが確認された。しかしながら、オーミック電極周辺に電流が集中して高輝度部分が生じている。サンプルＣにおいては、ｎクラッド層４８の厚さを２μｍとすることにより電流拡散が更に促進され、オーミック電極周辺の電流集中が緩和されていることが確認された。以上の結果から、ｎクラッド層４８の厚さを２μｍ以上、キャリア濃度を１×１０１８ｃｍ−３以上とすることにより、ｎクラッド層４８における電流拡散促進機能を高めることができることが確認された。ただし、キャリア濃度を高くすると電流拡散は促進される一方光の吸収量が増大し、光出力の低下を招くため、キャリア濃度は５×１０１８ｃｍ−３以下であることが好ましい。
【００２８】
次に、本発明者らは電流−光出力特性の線形性を改善するべくｎクラッド層４８の組成の検討を行った。ｎクラッド層４８の活性層４６側（第１のｎクラッド層）をAl0.5In0.5Pとし、光取り出し面側（第２のｎクラッド層）を(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5Pとする２層構成とし、これら各層の層厚の割合を変化させて電流−光出力特性の線形性の評価を行った。第１のｎクラッド層と第２のｎクラッド層との層厚の合計を上記の結果から２μｍとした。電流−光出力特性の線形性を評価するにあたり以下の指標値Ｒｄを用いた。すなわち、比較的良好な線形性を示す低電流密度領域（６０Ａ／ｃｍ２以下）の電流−光出力特性から１００Ａ／ｃｍ２における光出力の理想値を算出し、この理想値に対する１００Ａ／ｃｍ２時の光出力の実測値の割合（実測値／理想値）を上記指標値Ｒｄとした。つまり、この指標値Ｒｄが１に近い程、線形性が良好であると判断することができる。
【００２９】
図６は、２層構成のｎクラッド層４８のうち活性層に隣接する第１のｎクラッド層（Al0.5In0.5P）の層厚が占める割合と指標値Ｒｄとの関係を示す図である。図６に示すように、第１のｎクラッド層（Al0.5In0.5P）の層厚の割合の増加に伴って線形性が改善される傾向が確認された。また、第１のｎクラッド層（Al0.5In0.5P）の層厚の割合が８０％を超えると線形性に変化は見られなかった。以上の結果より、ｎクラッド層４８のうち、第１のｎクラッド層（Al0.5In0.5P）の層厚が占める割合を８０％以上とすることによりｎクラッド層４８のキャリアブロック機能（オーバーフロー抑制機能）が高められ、電流−光出力特性の線形性向上を達成できることが確認された。
【００３０】
本実施例の如く熱伝導率の高い支持基板を貼り合わせる半導体発光素子においては、半導体膜の結晶成長に用いられるGaAs基板は除去される故、ｎクラッド層４８は最表面に露出する。第１のｎクラッド層を構成するAl0.5In0.5P層は酸化されやすいため、半導体膜の最表面にAl0.5In0.5P層が露出することは好ましくない。また、GaAs基板に隣接してAl0.5In0.5P層を形成すると、GaAs基板を除去する際のエッチング工程において、Al0.5In0.5P層までエッチングされ、ＬＥＤ構造が破壊されてしまう。そこで、半導体膜４０の最表面には、酸化されにくく、GaAs基板の除去に用いられるエッチャントに対して耐性を有し、活性層からの光を吸収しにくい材料からなる第２のｎクラッド層が必要となる。第２のクラッド層がそのような特性を備えるためには、第２のｎクラッド層の組成は、(AlyGa1-y)0.5In0.5P(y<1)であり、層厚が１００ｎｍ以上であることが望ましい。光の吸収を考慮すると、0.3≦y≦0.7とするのがより好ましい。
【００３１】
以上の結果より、第１および第２のｎクラッド層の層厚の合計を２μｍ以上、キャリア濃度を１×１０１８ｃｍ−３以上５×１０１８ｃｍ−３以下とし且つ活性層４６に隣接する第１のｎクラッド層（Al0.5In0.5P）の層厚の割合を８０％以上とし、光取り出し面側の第２のｎクラッド層（(AlyGa1-y)0.5In0.5P (y<1)）の層厚を１００ｎｍ以上とすることにより、電流拡散を促進させつつ電流−光出力特性の線形性を改善し得るｎクラッド層を構成することが可能となる。
【００３２】
（ｐクラッド層の検討）
本発明者らは、大電流領域での電流−光出力特性の線形性を改善するべくｐクラッド層４４の層構成について検討を行った。ｐクラッド層４４以外の構成は、以下のとおりとした。活性層４６は、(Al0.1Ga0.9)0.5In0.5Pからなる厚さ約１０ｎｍの井戸層と(Al0.5Ga0.5)0.5In0.5Pからなる厚さ約１０ｎｍの障壁層とを繰り返し２０周期積層した多重量子井戸構造とした。ｎクラッド層４８は、キャリア濃度１×１０１８ｃｍ−３、厚さ約１．６μｍのAl0.5In0.5Pからなる活性層に隣接する第１のｎクラッド層と、キャリア濃度１×１０１８ｃｍ−３、厚さ約０．４μｍの(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5Pからなる光取り出し面側に配置された第２のｎクラッド層からなる２層構成とした。電流拡散層４２は、キャリア濃度３×１０１８ｃｍ−３、厚さ約１μｍのGaPで構成した。
【００３３】
ｐクラッド層４４は、キャリア濃度の高い電流拡散層４２に隣接して設けられていることから、ｐクラッド層４４自体が電流拡散を促進させる機能を備える必要性は低い。このため、ｐクラッド層４４の層厚は１μｍ程度で十分であると考えられる。また、ｐ型の導電型を得るための不純物（例えばMg）は、活性層４６に拡散しやすく、ドープ濃度が高すぎると活性層４６に拡散したｐ型不純物が非発光センターとして働くためドープ濃度（キャリア濃度）は１×１０１８ｃｍ−３以下とすることが好ましい。
【００３４】
本発明者らは、以上の点を踏まえて、ｐクラッド層４４の組成が異なる２種類のサンプル（サンプルＤ、サンプルＥ）を作製してそれぞれについて電流−光出力特性を取得した。上記２種類のサンプルにおいて、ｐクラッド層４４の構成を以下のとおりとした。サンプルＤは、ｐクラッド層４４をキャリア濃度２×１０１７ｃｍ−３、厚さ１μｍのAl0.5In0.5P単層で構成したものである。サンプルＥは、ｐクラッド層４４をキャリア濃度２×１０１７ｃｍ−３、厚さ１μｍの(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5P単層で構成したものである。半導体膜４０には、Ｓｉからなる支持基板１０を接合し、結晶成長に使用したGaAs基板を除去して上面電極５０および裏面電極１２を形成し、３３０μｍ角のチップ状に切り出した。このようして作製されたＬＥＤチップを一般的な直径５ｍｍの砲弾型ＬＥＤステムに実装したものを評価サンプルとした。
【００３５】
図７は、サンプルＤ（実線）およびサンプルＥ（破線）の電流−光出力特性を調査した結果を示す図である。図７において、横軸は電流密度、縦軸は発光強度の相対値である。サンプルＤは、電流密度が低い領域において光出力がサンプルＥよりも１０％程度高くなっているが、電流密度が１００Ａ／ｃｍ２を超えると線形性が低下して、１４０Ａ／ｃｍ２程度で光出力が飽和している。一方、サンプルＥは、電流密度が低い領域における光出力はサンプルＤに劣るものの、電流密度が１００Ａ／ｃｍ２を超えても線形性が維持されており、電流密度が１５０Ａ／ｃｍ２以上の領域における光出力はサンプルＤを上回っている。サンプルＥの光出力の飽和点は２３５Ａ／ｃｍ２に達するものと推測される。
【００３６】
このような結果が得られた理由は以下のように推測される。すなわち、AlInPは、AlGaInPと比較してキャリアの移動度が高いため、サンプルＤにおいてはｐ側での電流分布が改善し、電流密度が低い領域においても比較的高い光出力が得られたものと考えられる。一方、AlInPはAlGaInPよりも電子をブロックする障壁が低いため、電流密度が高い領域において電子のオーバーフローが生じ、発光効率が低下したものと考えられる。つまり、AlInPは電流拡散の促進に有利となり、AlGaInPはキャリアのオーバーフロー抑制に有利となる。尚、キャリアのオーバーフローを効果的に抑制するためには、(AlyGa1-y)0.5In0.5Pにおいてｙの値を（０．６≦ｙ≦０．７）の範囲に設定することが好ましい。
【００３７】
本発明者らは、これらの結果を踏まえて、ｐクラッド層４４が、AlInPによる電流拡散促進機能と、AlGaInPによるキャリアブロック機能（オーバーフロー抑制機能）とを兼ね備えるべく、ｐクラッド層４４の層構成を検討した。ｐクラッド層４４のうち電流拡散層４２に隣接する層（第１のｐクラッド層）をAl0.5In0.5Pとし、活性層４６に隣接する（第２のｐクラッド層）を(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5Pとする２層構成とし、これら各層の層厚の割合を変化させて特性評価を行った。第１のｐクラッド層と第２のｐクラッド層との層厚の合計は１μｍとした。
【００３８】
図８は、電流拡散層４２に隣接する第１のｐクラッド層（Al0.5In0.5P）の層厚の割合と光出力の飽和点との関係を調査した結果を示す図である。光出力の飽和点は、光出力が飽和する電流密度の値であり、電流−光出力の線形性の指標値として用いた。つまり、光出力の飽和点が高いほど線形性が良好であると判断できる。光出力の飽和点は、第１のｐクラッド層（Al0.5In0.5P）の層厚の割合が８０％までは一定であり、８０％を超えると急激に低下することが確認された。換言すれば、活性層４６に隣接する第２のｐクラッド層（(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5P）の層厚の割合が２０％を下回ると、電流−光出力特性の線形性が低下する。このことから、第２のｐクラッド層（(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5P）の層厚の割合を２０％以上とすることによりｐクラッド層４４においてキャリアブロック機能が効果的に発揮されることが理解できる。
【００３９】
図９は、電流拡散層４２に隣接する第１のｐクラッド層（Al0.5In0.5P）の層厚の割合と低電流密度（５０Ａ／ｃｍ２）時における発光強度との関係を調査した結果を示す図である。第１のｐクラッド層（Al0.5In0.5P）の層厚の割合の増加に伴って発光強度は増加し、層厚の割合が５０％を超えると光出力がほぼ一定となることが確認された。このことから、第１のｐクラッド層（Al0.5In0.5P）の層厚の割合を５０％以上とすることにより、ｐクラッド層４４において電流拡散促進機能が効果的に発揮されることが理解できる。
【００４０】
以上の結果から、ｐクラッド層４４において、第１のｐクラッド層（Al0.5In0.5P）の層厚の割合を５０％以上８０％以下の範囲に設定し、第２のｐクラッド層（(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5P）の層厚の割合を２０％以上５０％以下の範囲に設定することにより、電流密度の低い領域における発光強度と、電流密度の高い領域における光出力の線形性を両立することが可能となる。
【００４１】
以上のｎクラッド層４８およびｐクラッド層４４の層構成についての検討結果から導かれた本発明の実施例に係る半導体発光素子１の典型的な構成を図１０に示す。
【００４２】
半導体膜４０は導電性を有するSiからなる支持基板１０によって支持される。支持基板１０の裏面（半導体膜４０との接合面と対向する面）には、裏面電極１２が設けられる。半導体膜４０と支持基板１０との間には、接合層２０および反射電極層３０が設けられる。接合層２０および反射電極層３０のより詳細な構成は図３および図４に示したとおりである。
【００４３】
反射電極層３０上に設けられる電流拡散層４２は、キャリア濃度３×１０１８ｃｍ−３、厚さ約１μｍのｐ型の導電型を有するGaPにより構成される。
【００４４】
電流拡散層４２上に設けられる第１のｐクラッド層４４ａは、キャリア濃度２×１０１７ｃｍ−３、厚さ約０．８μｍのｐ型の導電型を有するAl0.5In0.5Pにより構成される。
【００４５】
第１のｐクラッド層４４ａ上に設けられる第２のｐクラッド層４４ｂは、キャリア濃度２×１０１７ｃｍ−３、厚さ約０．２μｍのｐ型の導電型を有する(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5Pにより構成される。
【００４６】
第１のｐクラッド層４４ａと第２のｐクラッド層４４ｂからなるｐクラッド層４４において、第１のｐクラッド層４４ａの層厚が占める割合を５０％以上８０以下、第２のｐクラッド層４４ｂの層厚が占める割合を２０％以上５０％以下とすることにより、電流密度の低い領域での発光強度と、電流密度の高い領域での電流−光出力特性の線形性を両立することが可能となる。ｐクラッド層４４のキャリア濃度は、２×１０１７ｃｍ−３以上１×１０１８ｃｍ−３以下であることが好ましい。
【００４７】
第２のｐクラッド層４４ｂ上に設けられる活性層４６は、アンドープの(Al0.1Ga0.9)0.5In0.5Pからなる厚さ約１０ｎｍの井戸層とアンドープの(Al0.5Ga0.5)0.5In0.5Pからなる厚さ約１０ｎｍの障壁層とを繰り返し２０周期積層した多重量子井戸構造を有する。
【００４８】
活性層４６上に設けられる第１のｎクラッド層４８ａは、キャリア濃度１×１０１８ｃｍ−３、厚さ約１．６μｍのｎ型の導電型を有するAl0.5In0.5Pにより構成される。
【００４９】
第１のｎクラッド層４８ａ上に設けられる第２のｎクラッド層４８ｂは、キャリア濃度１×１０１８ｃｍ−３、厚さ約０．４μｍのｎ型の導電型を有する(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5Pにより構成される。
【００５０】
第１のｎクラッド層４８ａと第２のｎクラッド層４８ｂからなるｎクラッド層４８全体の層厚を２μｍ以上、キャリア濃度を１×１０１８ｃｍ−３以上５×１０１８ｃｍ−３以下とすることにより、ｎクラッド層４８は電流拡散層としても有効に機能して発光効率の改善に寄与することができる。また、ｎクラッド層４８において第１のｎクラッド層４８ａの層厚が占める割合を８０％以上とすることにより電流−光出力特性の線形性を改善することが可能となる。また、第２のｎクラッド層４８ｂの層厚を１００ｎｍ以上とすることにより、酸化に対する耐性と、GaAs基板を除去する際のエッチングに対する耐性を備えることができる。
【００５１】
光取り出し面となる第２のｎクラッド層４８ｂ上には、上面電極５０が設けられる。上面電極５０のより詳細な構成は、図３および図４に示したとおりである。
以下に、上記した構成を有する光半導体素子１の製造方法を図１１および図１２を参照しつつ説明する。
【００５２】
（半導体膜の形成）
半導体膜４０は、有機金属気相成長法（MOCVD法：Metal Organic Chemical Vapor Deposition）により形成した。半導体膜４０の結晶成長に使用する成長用基板１００として（１００）面から[０１１]方向に１５°傾斜させたGaAs基板を使用した。成長用基板１００上にSiドープ濃度（キャリア濃度）１×１０１８ｃｍ−３、厚さ約０．４μｍのｎ型の導電型を有する(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5Pからなる第２のｎクラッド層４８ｂを形成した。続いて、第２のｎクラッド層４８ｂ上にSiドープ濃度（キャリア濃度）１×１０１８ｃｍ−３、厚さ約１．６μｍのｎ型の導電型を有するAl0.5In0.5Pからなる第１のｎクラッド層４８ａを形成した。続いて、第１のｎクラッド層４８ａ上にアンドープの(Al0.1Ga0.9)0.5In0.5Pからなる厚さ約１０ｎｍの井戸層とアンドープの(Al0.5Ga0.5)0.5In0.5Pからなる厚さ約１０ｎｍの障壁層とを繰り返し２０周期積層した多重量子井戸構造を有する活性層４６を形成した。続いて、活性層４６上にMgドープ濃度（キャリア濃度）２×１０１７ｃｍ−３、厚さ約０．２μｍのｐ型の導電型を有する(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5Pからなる第２のｐクラッド層４４ｂを形成した。続いて、第２のｐクラッド層４４ｂ上にMgドープ濃度（キャリア濃度）２×１０１７ｃｍ−３、厚さ約０．８μｍのｐ型の導電型を有するAl0.5In0.5Pからなる第１のｐクラッド層４４ａを形成した。続いて、Mgドープ濃度（キャリア濃度）３×１０１８ｃｍ−３、厚さ約１μｍのｐ型の導電型を有するGaPからなる電流拡散層４２を形成した（図１１（ａ））。
【００５３】
尚、Ｖ族原料としてホスフィン（PH3）を使用し、III族原料としてトリメチルガリウム（TMG）、トリメチルアルミニウム（TMA）、トリメチルインジウム（TMI）の有機金属を使用した。また、ｎ型のドーパントとしてシラン（SiH4）を使用し、ｐ型のドーパントとしてビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Cp2Mg）を使用した。キャリアガスとして水素を用い、V/III比を３０〜２００とした。AlGaInP層の成長温度を６７０℃とし、GaP層の成長温度を７７０℃とした。成長圧力は１０ｋＰａとした。
【００５４】
（反射電極層および接合層の形成）
プラズマＣＶＤ法により電流拡散層４２上に誘電体層３２を構成するSiO2膜を形成した。続いて、SiO2膜上にレジストマスクを形成した後、バッファードフッ酸（BHF）を用いてSiO2膜の部分的なエッチングを行うことにより、SiO２膜にライン電極３１ａおよびドット電極３１ｂのパターンに対応したパターニングを施した。SiO2膜を除去した部分において開口部が形成され、この開口部において電流拡散層４２が露出する（図１１（ｂ））。尚、SiO2膜の成膜方法として熱ＣＶＤ法やスパッタ法を用いることもできる。また、SiO2膜のエッチング方法としてドライエッチング法を用いることも可能である。誘電体層３２の材料としては、SiO２以外にもSi3N4やAl2O3等の他の誘電体材料を用いることができる。
【００５５】
次に、ＥＢ蒸着法により誘電体層３２上にAuZnからなる厚さ３００ｎｍ程度の反射電極３１を形成した。反射電極３１は、先のエッチング処理によって誘電体層３２に形成された開口部において電流拡散層４２と接触する。反射電極３１は、誘電体層３２によってライン電極３１ａとドット電極３１ｂに隔てられる。誘電体層３２および反射電極３１により反射電極層３０が構成される（図１１（ｃ））。
【００５６】
次に、スパッタ法により反射電極層３０上にTaN（厚さ１００ｎｍ）、TiW（厚さ１００ｎｍ）、TaN（厚さ１００ｎｍ）を順次堆積させ、バリア層２４を形成した。その後、約５００℃の窒素雰囲気下で熱処理を行った。これにより、反射電極３１と電流拡散層４２との間で良好なオーミック性接触が形成される。次に、ＥＢ蒸着法によりバリア層２４上にNi（３００ｎｍ）、Au（３０ｎｍ）を順次形成し、接合層（図示せず）を形成した（図１１（ｄ））。尚、バリア層２４は、Ta、Ti、W等の他の高融点金属もしくはこれらの窒化物を含む単層又は２以上の層により構成されていてもよい。また、バリア層２４の形成には、スパッタ法以外にＥＢ蒸着法を用いることが可能である。
【００５７】
（支持基板の接合）
半導体膜４０を支持するための支持基板として導電性を有するSi基板を用いた。ＥＢ蒸着法により、支持基板１０の両面にPtを堆積させて厚さ約２００ｎｍのオーミック層２１および裏面電極１２を形成した。続いて、スパッタ法によりオーミック層２１上にTi（厚さ１５０ｎｍ）を堆積させて密着層２２を形成した。続いて、スパッタ法により密着層２２上にNi（厚さ１００ｎｍ）、AuSn（厚さ６００ｎｍ）を順次堆積させて共晶接合層２３を形成した。
【００５８】
その後、半導体膜４０と支持基板１０とを熱圧着により接合した。半導体膜４０側の接合層と支持基板５０側の共晶接合層２３とを密着させ、１ＭＰａ、３３０℃の窒素雰囲気下で１０分間保持した。支持基板１０側の共晶接合層２３に含まれる共晶接合材（ＡｕＳｎ）が溶融して、半導体膜４０側の接合層（Ni/Au）との間でAuSnNiを形成することにより支持基板１０と半導体膜４０とが接合される（図１２（ａ））。
【００５９】
（成長用基板の除去）
半導体膜４０の結晶成長に使用した成長用基板１００をアンモニア水と過酸化水素水との混合液を用いたウェットエッチングにより除去した。尚、成長用基板１００を除去する方法として、ドライエッチング法、機械研磨法、化学機械研磨法（ＣＭＰ）を用いてもよい（図１２（ｂ））。
【００６０】
（ｎ電極の形成）
成長用基板１００を除去することにより表出した第２のｎクラッド層４８ｂ上にショットキー電極５１、オーミック電極５２および接続配線５３を形成した。第２のｎクラッド層４８ｂとの間でオーミック性接触を形成するAuGeNiをＥＢ蒸着法により第２のｎクラッド層４８ｂ上に堆積させた後、リフトオフ法によりパターニングを行ってオーミック電極５２を形成した。続いて、ＥＢ蒸着法により第２のｎクラッド層４８ｂとの間でショットキー接触を形成するTi（厚さ１００ｎｍ）を第２のｎクラッド層４８ｂ上に堆積させ、更にTi上にAu（厚さ１．５μｍ）を堆積した。その後、リフトオフ法によりパターニングを行ってショットキー電極５１および接続配線５３を形成した。次に、第２のｎクラッド層４８ｂとオーミック電極５２との間でオーミック性接触の形成を促進させるために４００℃の窒素雰囲気下で熱処理を行った。尚、オーミック電極５２の材料としてAuGe、AuSn、AuSnNi等を使用することも可能である。また、ショットキー電極５１の材料としてTa、Wもしくはこれらの合金またはこれらの窒化物を使用することも可能である（図１２（ｃ））。以上の各工程を経て半導体発光素子１が完成する。
【００６１】
以上の説明から明らかなように、本実施例に係る半導体発光素子１は、結晶成長に使用するGaAｓ基板よりも高い熱伝導率を有するＳｉ基板を支持基板１０として備えることにより、放熱性が向上する故、大電流駆動が可能となる。また、半導体膜４０を挟む上面電極５０および反射電極３１を半導体膜４０の積層方向で互いに重ならない位置に配置することによって半導体膜４０内における電流密度分布の均一化が図られ、電流集中を防止している。これにより半導体膜４０の薄型化を可能としている。
【００６２】
本実施例に係る半導体発光素子１において、ｎクラッド層４８は、活性層４６に隣接するｎ型のAl0.5In0.5Pからなる第１のｎクラッド層４８ａと第１のｎクラッド層４８ａ上に設けられたｎ型の(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5Pからなる第２のｎクラッド層４８ｂとにより構成される。第１のｎクラッド層４８ａと第２のクラッド層４８ｂの層厚の合計は２μｍ以上に設定され、それぞれのキャリア濃度は１×１０１８ｃｍ−３以上５×１０１８ｃｍ−３以下に設定される。これにより、ｎクラッド層４８は、電流拡散層としても有効に機能することができる。従って、GaAs基板を除去する場合においても、半導体膜４０内における電流密度分布の均一性は損なわれず発光効率の改善に寄与することができる。また、ｎクラッド層４８において第１のｎクラッド層４８ａの層厚の割合が８０％以上とされる故、電流−光出力特性の線形性が改善される。また、第２のｎクラッド層４８ｂの厚さが１００ｎｍ以上とされる故、ｎクラッド層４８に酸化に対する耐性とGaAs基板を除去する際のエッチングに対する耐性を与えることができる。
【００６３】
本実施例に係る半導体発光素子１において、ｐクラッド層４４は、電流拡散層４２に隣接するｐ型のAl0.5In0.5Pからなる第１のｐクラッド層４４ａと、第１のｐクラッド層４４ａ上に設けられたｐ型の(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5Pからなる第２のｎクラッド層４８ｂとにより構成される。ｐクラッド層４４において、第１のｐクラッド層４４ａの層厚の割合を５０％以上８０％以下、第２のｐクラッド層４４ｂの層厚の割合が２０％以上５０％以下とされる故、電流密度の低い領域での発光強度と、電流密度の高い領域での電流−光出力特性の線形性を両立することが可能となる。
【００６４】
このようなｎクラッド４８およびｐクラッド層４４の構成によれば、電流密度の高い領域における電流−光出力特性の線形性を向上させることができるので、GaAs基板よりも熱伝導率の高い支持基板や電流拡散を促進し得る電極構造と組み合わせることにより、その性能が十分に発揮され、１００ｍＡ以上の大電流領域において良好な出力特性を得ることが可能となる。
【００６５】
ｎクラッド層４８、ｐクラッド層４４および活性層４６は、成長用基板であるGaAs基板に整合する条件で作製されることを要する。GaAs基板に整合する条件は成長温度によって異なる。上記各層をGaAs基板に整合させるためには、AlxIn1-xP 、(AlyGa1-y)xIn1-xPにおいてxの値を調整すれば良い。例えば、半導体膜４０を500℃〜700℃で成長させる場合、ｘの範囲を0.45≦x≦0.55とすることによりGaAs基板に整合させることができる。このようなｘの範囲でも、上述した実施例の場合と同様、光出力の線形性の改善効果を得ることができる。
【００６６】
活性層については、臨界膜厚以下にすれば、GaAs基板に整合する必要はなく、ｘの範囲を0.45≦x≦0.55としなくてもよい。活性層において好ましい組成の範囲は、臨界膜厚を考慮すると(AlyGa1-y)xIn1-xP (0.4≦x≦0.6、0≦y≦0.7)である。
【００６７】
また、上記した実施例では、ｎ型の導電型を得るために、ドーパントとしてSiH4（シラン）を用いたが、DeTe（ジエチルテルル）又はH2Se（セレン化水素）を用いてもよい。また、上記した実施例では、ｐ型の導電型を得るためにCp2Mg（ビスシクロペンタジエニルマグネシウム）を用いたがDMZn（ジメチルジンク）を用いてもよい。上記した実施例の効果は、ドーパントの種類に依存することなく得ることができる。
【００６８】
また、上記した実施例では、活性層４６を赤色発光する量子井戸構造(Al組成１０％)としたが、井戸層および障壁層の厚さや周期数を変更しても同様の効果を得ることができる。活性層は(AlyGa1-y)xIn1-xP(0.4≦x≦0.6、0≦y≦0.7)単層からなるバルク活性層としてもよい。また、井戸層のAl組成を変更して、黄色発光(波長５９０ｎｍ)や真紅発光 (波長６６０ｎｍ)としても、上記した実施例の場合と同様の効果を得ることができる。基板のオフ角に関しても同様であり、オフ角、オフ方向の異なるGaAs基板を用いて半導体膜の結晶成長を行っても上記した実施例の効果を得ることができる。尚、本発明者らは、（１００）面から[０１１]方向に４°傾斜させたGaAs基板を用いた場合においても上記の実施例の場合と同様の効果が得られることを確認している。
【００６９】
また、上記した実施例では電流拡散層をGaPで構成したが、電流拡散層が発光波長に対して透明であればよく、Inを添加してGa1-zInzP（0≦ｚ≦0.1）としてもよい。この場合においても、上記した実施例の場合と同様の効果を得ることができる。
【００７０】
また、上記した実施例では支持基板として導電性を有するSi基板を用いることとしたが、これに限定されるものではない。支持基板は、結晶成長に用いられるGaAs基板よりも高い熱伝導率を備えている材料により構成されていればよく、Cu、Ge，CuW合金、SiCなどにより構成されていてもよい。また、発光波長に対して透明であってもよく、例えばGaP基板、GaN基板を用いることも可能である。
【００７１】
また、上記した実施例では、支持基板と半導体膜との間に、誘電体層および反射電極を設けることとしているが、支持基板として透明な基板を用いる場合には、これらを設けないものとすることができる。また、上記した実施例の反射電極の代わりに、半導体膜をｎクラッド層側から部分的にエッチングして第一のｐクラッド層の一部を露出させて、この第一のｐクラッド層の露出面上にオーミック電極を形成することとしてもよい。また、支持基板が導電性を有している場合には、支持基板の下面に電極を形成することができる。
【００７２】
図１３は、パターン構成が改変された上面電極５０および反射電極３１を同一平面に投影した平面図である。図４に示す電極構成と同様、光反射面側には、ライン電極３１ａおよびドット電極３１ｂからなる反射電極３１が設けられ、光取り出し面側には、ショットキー電極５１、オーミック電極５２および接続配線５３からなる上面電極５０が設けられる。上面電極５０および反射電極３１は、半導体膜４０の積層方向において互いに重ならないに位置に配置されている。このような改変された電極パターンによっても上記した実施例の場合と同様の効果を得ることができる。
【００７３】
図４および図１２に示すように、半導体膜４０を挟む上部電極５０および下部電極１２を互い違いに配置することにより、半導体膜４０内における電流密度分布が均一化される故、本実施例に係るクラッド層構成による光出力特性の線形性改善効果はより顕著となる。しかしながら、このような電極構造でなくとも、本実施例に係るクラッド層構成による光出力特性の線形性の改善効果を得ることはできる。その理由は、本実施例に係るクラッド層構成は、キャリアを効果的にブロックしてオーバーフローを抑制するためのものであり、その効果は、電極構造による電流拡散促進効果とは独立して得られるものだからである。例えば、図１４に示すような半導体膜４０の同一面側にｎ電極７１およびｐ電極７２が設けられる所謂フリップチップ構造を有するものに本実施例のクラッド層構成を適用することも可能である。フリップチップ構造とする場合、支持基板１０と半導体膜４０との間には、反射電極層に代えてSiO2等からなる反射絶縁層８０が設けられる。
【００７４】
また、上記した実施例では、反射電極層３０を構成する誘電体層３２のとしてSiO2を用いたが、誘電体層３２をITOからなる導電層に置換することも可能である。この場合、ITOは導電性を有する故、反射電極３１と半導体膜４０とのコンタクトをとるためのコンタクト窓を形成する必要はない。
【符号の説明】
【００７５】
１ 半導体発光素子
１０ 支持基板
１２ 裏面電極
２０ 接合層
３０ 反射電極層
３１ 反射電極
４０ 半導体膜
４２ 電流拡散層
４４ ｐクラッド層
４４ａ 第１のｐクラッド層
４４ｂ 第２のｐクラッド層
４６ 活性層
４８ ｎクラッド層
４８ａ 第１のｎクラッド層
４８ｂ 第２のｎクラッド層
５０ 上面電極
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光ダイオード（LED：Light Emitting Diode）等の半導体発光素子に関する。
【従来技術】
【０００２】
AlGaInP系ＬＥＤは、例えば、ｎ型のGaAs基板上にAlGaInPからなるｎクラッド層、活性層、ｐクラッド層を積層し、必要に応じてGaPからなるｐ型の電流拡散層をｐクラッド層上に形成し、GaAs基板および電流拡散層の表面にそれぞれ電極を形成した積層構造を有する。ｎクラッド層およびｐクラッド層は、活性層よりもバンドギャップが大きくなるようにAlとGaの組成比が調整され、所謂ダブルヘテロ構造を構成している。
【０００３】
一方、ＬＥＤの高輝度化と大電流駆動を可能とするため、半導体膜の結晶成長に用いられるGaAs基板を除去し、半導体膜に光反射層を挟んでSi基板を貼り合わせた構造が提案されている。Si基板はGaAs基板と比較して熱伝導率が高いため、放熱性が改善され、大電流駆動が可能となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−０５３４２５号公報
【特許文献２】特開２０１０−５０３１８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ＬＥＤの市場が拡大するにつれて、単一のＬＥＤチップで所望の輝度が得られる高出力ＬＥＤの需要が高まりつつある。複数のＬＥＤチップを用いて光源装置を構成する場合、各ＬＥＤチップは、例えば２０ｍＡ程度の低電流で駆動される。一方、単一のＬＥＤチップで同等の輝度を得るためには例えば、１００ｍＡ以上で駆動する必要がある。
【０００６】
図１は、GaAs基板上に上記したような層構成を有する半導体膜を積層した従来のＬＥＤの電流−光出力特性を調査した結果を示す図である。尚、２４０μｍ角のＬＥＤチップを一般的な砲弾型ステム（直径５ｍｍ）に実装したものを評価サンプルとした。
【０００７】
図１において横軸は電流密度、縦軸は発光強度の相対値である。図１に示すように、従来のＬＥＤでは、電流密度が４０Ａ／ｃｍ２（電流に換算すると約２０ｍＡ）を超えると、注入電流の増加に対して光出力がリニアに変化しなくなる。すなわち、大電流領域において電流−光出力特性の線形性が低下している。その理由としては、キャリア密度の増加に伴うキャリアのオーバーフローおよび発熱に伴う効率低下が挙げられる。線形性が低下する大電流領域で使用すると光度劣化を生じるため、このような特性のＬＥＤを１００ｍＡを超える大電流で使用することは困難である。
【０００８】
発熱の問題は、上記の如く半導体膜に熱伝導率が比較的高いSi基板を貼り合わせることにより改善され、大電流駆動が可能となるが、従来のＬＥＤは、GaAs基板を有する構成が一般的であり、大電流駆動を想定しておらず、電流密度が高い領域(例えば１００Ａ/ｃｍ２以上)における電流-光出力特性の線形性についての検討がなされていなかった。また、従来のＬＥＤにおいては、GaAs基板が電流拡散層としての役割も担うため、ｎクラッド層において電流拡散機能は必要とされていなかった。すなわち、基板貼り合わせ構造に対して最適化された半導体膜の構成についての検討がこれまで殆どなされていなかった。高出力ＬＥＤの需要の高まりと基板貼り合わせ技術の確立を背景として、大電流領域における電流−光出力特性の線形性が重要な検討事項となってきた。
【０００９】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、電流−光出力特性の線形性が改善された半導体発光素子およびその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明に係る半導体発光素子は、支持基板と、前記支持基板上に設けられた半導体膜と、を含む半導体発光素子であって、前記半導体膜は、前記支持基板上に設けられたｐ型の導電型を有するGaInPまたはGaPからなる電流拡散層と、前記電流拡散層上に設けられたｐ型の導電型を有するAlInPからなる第１のｐクラッド層と、前記第１のｐクラッド層上に設けられたｐ型の導電型を有するAlGaInPからなる第２のｐクラッド層と、前記第２のｐクラッド層上に設けられた少なくとも一層のGaInPまたはAlGaInPからなる層を含む活性層と、前記活性層上に設けられたキャリア濃度１×１０１８ｃｍ−３以上５×１０１８ｃｍ−３以下であり且つｎ型の導電型を有するAlInPからなる第１のｎクラッド層と、前記第１のｎクラッド層上に設けられたキャリア濃度１×１０１８ｃｍ−３以上５×１０１８ｃｍ−３以下であり且つｎ型の導電型を有するAlGaInPからなる第２のｎクラッド層と、を含み、前記第１のｐクラッド層と前記第２のｐクラッド層からなるｐクラッド層全体の層厚のうち前記第１のｐクラッド層の層厚が占める割合は５０％以上８０％以下であり、前記第１のｎクラッド層と前記第２のｎクラッド層からなるｎクラッド層全体の層厚は２μｍ以上であり、前記ｎクラッド層全体の層厚のうち前記第１のｎクラッド層の層厚が占める割合は８０％以上であり且つ前記第２のｎクラッド層の層厚は１００ｎｍ以上であることを特徴としている。
【００１１】
また、本発明に係る半導体発光素子の製造方法は、GaAs基板上にキャリア濃度１×１０１８ｃｍ−３以上５×１０１８ｃｍ−３以下であり且つｎ型の導電型を有するAlGaInPからなる第２のｎクラッド層を形成する工程と、前記第２のｎクラッド層上にキャリア濃度１×１０１８ｃｍ−３以上５×１０１８ｃｍ−３以下であり且つｎ型の導電型を有するAlInPからなる第１のｎクラッド層を形成する工程と、前記第１のｎクラッド層上に少なくとも一層のGaInPまたはAlGaInPからなる層を含む活性層を形成する工程と、前記活性層上にｐ型の導電型を有するAlGaInPからなる第２のｐクラッド層を形成する工程と、前記第２のｐクラッド層上にｐ型の導電型を有するAlInPからなる第１のｐクラッド層を形成する工程と、前記第１のｐクラッド層上にｐ型の導電型を有するGaInPまたはGaPからなる電流拡散層を形成する工程と、前記電流拡散層上に光反射構造を有する反射電極層を形成する工程と、前記GaAs基板よりも熱伝導率の高い材料からなる支持基板を前記反射電極層に接合する工程と、前記GaAs基板を除去する工程と、前記GaAs基板を除去することにより表出する前記第２のｎクラッド層の表面に上面電極を形成する工程と、を含み、前記第１のｐクラッド層と前記第２のｐクラッド層からなるｐクラッド層全体の層厚のうち前記第１のｐクラッド層の層厚が占める割合は５０％以上８０％以下であり、前記第１のｎクラッド層と前記第２のｎクラッド層からなるｎクラッド層全体の層厚は２μｍ以上であり、前記ｎクラッド層全体の層厚のうち前記第１のｎクラッド層の層厚が占める割合は８０％以上であり且つ前記第２のｎクラッド層の層厚は１００ｎｍ以上であることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、電流−光出力特性の線形性を改善された半導体発光素子を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】従来構造の光半導体素子の電流−光出力特性を示す図である。
【図２】本発明の実施例に係る半導体発光素子の概略構成を示す断面図である。
【図３】本発明の実施例に係る上面電極と反射電極の配置を示す平面図である。
【図４】本発明の実施例に係る半導体発光素子の構成を示す断面図である。
【図５】ｎクラッド層構成が互いに異なる３種類のサンプルの発光分布を示す図である。
【図６】第１のｎクラッド層の層厚の割合と光出力の線形性指標値との関係を示す図である。
【図７】ｐクラッド層構成が互いに異なる２種類のサンプルの電流−光出力特性を示す図である。
【図８】第１のｐクラッド層の層厚の割合と光出力飽和点との関係を示す図である。
【図９】第１のｐクラッド層の層厚の割合と発光強度との関係を示す図である。
【図１０】本発明の実施例に係る半導体発光素子の構造を示す断面図である。
【図１１】図１１（ａ）〜（ｄ）は、本発明の実施例に係る半導体発光素子の製造方法を示す断面図である。
【図１２】図１２（ａ）〜（ｃ）は、本発明の実施例に係る半導体発光素子の製造方法を示す断面図である。
【図１３】本発明の実施例に係る上面電極と反射電極の配置を示す平面図である。
【図１４】本発明の実施例に係る半導体発光素子の構造を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の実施例について図面を参照しつつ説明する。尚、各図において、実質的に同一又は等価な構成要素、部分には同一の参照符を付している。
【００１５】
（半導体発光素子の構成）
図２は、本発明の実施例に係る半導体発光素子１の概略構成を示す断面図である。図３は、上面電極５０と反射電極層３０を構成する反射電極３１とを同一平面に投影した平面図である。図４は、接合層２０、反射電極層３０および上面電極５０のより詳細な構成を示す断面図であり、図３における４−４線に沿った断面図である。
【００１６】
半導体発光素子１において、支持基板１０上に接合層２０および反射電極層３０を介して半導体膜４０が設けられている。半導体膜４０上には上面電極５０が設けられ、支持基板１０の裏面には裏面電極１２が設けられている。
【００１７】
支持基板１０は、ｎ型の導電型を有する厚さ約２００μｍのSi基板である。Si基板の熱導電率は１４８Ｗ／ｍ・Ｋであり、半導体膜４０の結晶成長に用いられるGaAs基板の熱導電率（５４Ｗ／ｍ・Ｋ）よりも高い。このため、半導体膜４０から発せられる熱を効率的に外部に伝えることが可能となり、大電流駆動が可能となる。
【００１８】
接合層２０は、Ptからなり支持基板１０に対してオーミック接触するオーミック層２１と、Tiからなる密着層２２と、AuSnおよびNiを積層して構成される共晶接合層２３と、TaN、TiW、TaNを積層して構成されるバリア層２４と、により構成される。
【００１９】
反射電極層３０は、接合層２０と半導体膜４０との間に設けられ、半導体膜４０との界面において活性層から放射された光を光取り出し面側に向けて反射する光反射面を形成するとともに、半導体膜４０に電流を供給するための電極としても機能する。反射電極層３０は、AuZnからなる反射電極３１とSiO2からなる誘電体層３２とにより構成される。反射電極３１は、誘電体層３２の開口部において半導体膜４０とオーミック接触している。誘電体層３２は、反射電極３１を線状のライン電極３１ａと島状のドット電極３１ｂとに隔てている。ライン電極３１ａとドット電極３１ｂは、誘電体層３２の下部で繋がっており電気的に接続されている。
【００２０】
光取り出し面となる半導体膜４０の表面には、上面電極５０を構成するショットキー電極５１、オーミック電極５２および接続配線５３が形成されている。ショットキー電極５１は、ボンディングパッドを構成しており、半導体膜４０との間でショットキー接触を形成し得る材料、例えばTa、Ti、W又はこれらの合金により構成される。ショットキー電極５１は、半導体膜の略中央位置に形成され、外部からの電流を供給するための導電ワイヤが接続される。オーミック電極５２は、半導体膜４０との間でオーミック性接触を形成し得る材料、例えばAuGeNi、AuSn、AuSnNi等からなる。ショットキー電極５１とオーミック電極５２は、両電極間を繋ぐ接続配線５３により電気的に接続される。接続配線５３は、半導体膜４０との間でショットキー接触を形成し得る材料、例えばTa、Ti、W又はこれらの合金により構成され、ショットキー電極５１と同じ材料を用いることができる。電流は、光取り出し面側のオーミック電極５２と光反射面側のライン電極３１ａおよびドット電極３１ｂとの間を流れることになる。図３において、半導体膜４０を流れる電流の経路が矢印で表示されている。
【００２１】
光取り出し面側のオーミック電極５２と、反射面側のライン電極３１ａおよびドット電極３１ｂは、半導体膜４０の積層方向で互いに重ならないように配置されている。かかる電極構成とすることで、半導体膜の厚さが比較的薄い場合（例えば５μｍ程度）でも、電流集中を防止して半導体膜内の電流密度分布を均一にすることができる。これにより、均一な発光分布を得ることができ、また局所的な発熱や電界集中を防止して高い信頼性を確保することができる。また、半導体膜４０の厚さを薄くすることで順方向電圧Ｖｆを小さくすることができる。
【００２２】
半導体膜４０は、ｐ型の導電型を有するGaPからなる電流拡散層４２、ｐ型の導電型を有するｐクラッド層４４、AlGaInPからなる多重量子井戸構造を有する活性層４６、ｎ型の導電型を有するｎクラッド層４８を積層して構成される。半導体発光素子１は、半導体膜４０の成長用の基板を有さないため、ｎクラッド層４８上にｎ側のオーミック電極５２が形成されている。
【００２３】
電流−光出力の線形性を改善するためには、キャリアのオーバーフローの抑制が必要となる。例えば１００ｍＡを超える大電流領域で使用する場合には、ｎクラッド層およびｐクラッド層のそれぞれにおいて電子および正孔の双方をブロックする機能を高める必要がある。本発明者らは、上記した構成を有する半導体発光素子１において、大電流領域での電流−光出力特性の線形性を改善するべく、ｐクラッド層４４およびｎクラッド層４８の構成について検討を行った。
【００２４】
（ｎクラッド層の検討）
本発明者らは、大電流領域での電流−光出力特性の線形性を改善するべくｎクラッド層４８の構成について検討を行った。ｎクラッド層４８以外の構成は、以下のとおりとした。活性層４６は、(Al0.1Ga0.9)0.5In0.5Pからなる厚さ約１０ｎｍの井戸層と(Al0.5Ga0.5)0.5In0.5Pからなる厚さ約１０ｎｍの障壁層とを繰り返し２０周期積層した多重量子井戸構造とした。ｐクラッド層４４は、キャリア濃度２×１０１７ｃｍ−３、厚さ約１μｍの(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5Pで構成した。電流拡散層４２は、キャリア濃度３×１０１８ｃｍ−３、厚さ約１μｍのGaPで構成した。
【００２５】
半導体発光素子１は、電流拡散機能をも担うGaAs基板を有しないため、ｎクラッド層４８は、キャリアをブロックする機能に加え、電流拡散を促進させる機能が必要となる。半導体膜４０内における電流拡散が不十分であると電流集中が生じ、電流−光出力特性の線形性が低下するだけではなく、輝度むら、順方向電圧Ｖｆの上昇を招く。ｎクラッド層４８が電流拡散層としても機能するためには、ｎクラッド層４８の厚さとキャリア濃度の最適化が必要となる。本発明者らは、ｎクラッド層４８の厚さとキャリア濃度の最適値を探るべく、ｎクラッド層４８のキャリア濃度および層厚が異なる３種類のサンプルを作製し、それぞれについて発光分布（発光面内の輝度分布）を調査した。発光分布は、半導体膜内における電流密度分布にほぼ一致することから発光分布を調査することにより半導体膜内における電流拡散の状況を把握することができる。すなわち、発光分布が均一であれば電流拡散が促進されているものと判断することができる。
【００２６】
上記３種類のサンプルのｎクラッド層の構成を以下のとおりとした。サンプルＡは、ｎクラッド層４８の厚さを１μｍ、キャリア濃度を２×１０１７ｃｍ−３としたものである。サンプルＢは、ｎクラッド層４８の厚さを１μｍ、キャリア濃度を１×１０１８ｃｍ−３としたものである。サンプルＣは、ｎクラッド層４８の厚さを２μｍ、キャリア濃度を１×１０１８ｃｍ−３としたものである。半導体膜４０には、Siからなる支持基板１０を接合し、結晶成長に使用したGaAs基板を除去して上面電極５０および裏面電極１２を形成し、３３０μｍ角のチップ状に切り出した。このようして作製されたＬＥＤチップを一般的な直径５ｍｍの砲弾型ＬＥＤステムに実装したものを評価サンプルとした。
【００２７】
図５は、上記各サンプルの発光分布の調査結果を示す図である。図５において、発光強度の大小は発色の濃淡で表現されており、発色の濃い部分は発光強度が高いことを示している。サンプルＡにおいては、チップ角部の輝度および電流密度が低くなっていることが確認された。サンプルＢにおいては、チップ角部の輝度および電流密度がサンプルＡよりも向上しており、キャリア濃度を１×１０１８ｃｍ−３にまで高めることにより電流拡散が促進されることが確認された。しかしながら、オーミック電極周辺に電流が集中して高輝度部分が生じている。サンプルＣにおいては、ｎクラッド層４８の厚さを２μｍとすることにより電流拡散が更に促進され、オーミック電極周辺の電流集中が緩和されていることが確認された。以上の結果から、ｎクラッド層４８の厚さを２μｍ以上、キャリア濃度を１×１０１８ｃｍ−３以上とすることにより、ｎクラッド層４８における電流拡散促進機能を高めることができることが確認された。ただし、キャリア濃度を高くすると電流拡散は促進される一方光の吸収量が増大し、光出力の低下を招くため、キャリア濃度は５×１０１８ｃｍ−３以下であることが好ましい。
【００２８】
次に、本発明者らは電流−光出力特性の線形性を改善するべくｎクラッド層４８の組成の検討を行った。ｎクラッド層４８の活性層４６側（第１のｎクラッド層）をAl0.5In0.5Pとし、光取り出し面側（第２のｎクラッド層）を(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5Pとする２層構成とし、これら各層の層厚の割合を変化させて電流−光出力特性の線形性の評価を行った。第１のｎクラッド層と第２のｎクラッド層との層厚の合計を上記の結果から２μｍとした。電流−光出力特性の線形性を評価するにあたり以下の指標値Ｒｄを用いた。すなわち、比較的良好な線形性を示す低電流密度領域（６０Ａ／ｃｍ２以下）の電流−光出力特性から１００Ａ／ｃｍ２における光出力の理想値を算出し、この理想値に対する１００Ａ／ｃｍ２時の光出力の実測値の割合（実測値／理想値）を上記指標値Ｒｄとした。つまり、この指標値Ｒｄが１に近い程、線形性が良好であると判断することができる。
【００２９】
図６は、２層構成のｎクラッド層４８のうち活性層に隣接する第１のｎクラッド層（Al0.5In0.5P）の層厚が占める割合と指標値Ｒｄとの関係を示す図である。図６に示すように、第１のｎクラッド層（Al0.5In0.5P）の層厚の割合の増加に伴って線形性が改善される傾向が確認された。また、第１のｎクラッド層（Al0.5In0.5P）の層厚の割合が８０％を超えると線形性に変化は見られなかった。以上の結果より、ｎクラッド層４８のうち、第１のｎクラッド層（Al0.5In0.5P）の層厚が占める割合を８０％以上とすることによりｎクラッド層４８のキャリアブロック機能（オーバーフロー抑制機能）が高められ、電流−光出力特性の線形性向上を達成できることが確認された。
【００３０】
本実施例の如く熱伝導率の高い支持基板を貼り合わせる半導体発光素子においては、半導体膜の結晶成長に用いられるGaAs基板は除去される故、ｎクラッド層４８は最表面に露出する。第１のｎクラッド層を構成するAl0.5In0.5P層は酸化されやすいため、半導体膜の最表面にAl0.5In0.5P層が露出することは好ましくない。また、GaAs基板に隣接してAl0.5In0.5P層を形成すると、GaAs基板を除去する際のエッチング工程において、Al0.5In0.5P層までエッチングされ、ＬＥＤ構造が破壊されてしまう。そこで、半導体膜４０の最表面には、酸化されにくく、GaAs基板の除去に用いられるエッチャントに対して耐性を有し、活性層からの光を吸収しにくい材料からなる第２のｎクラッド層が必要となる。第２のクラッド層がそのような特性を備えるためには、第２のｎクラッド層の組成は、(AlyGa1-y)0.5In0.5P(y<1)であり、層厚が１００ｎｍ以上であることが望ましい。光の吸収を考慮すると、0.3≦y≦0.7とするのがより好ましい。
【００３１】
以上の結果より、第１および第２のｎクラッド層の層厚の合計を２μｍ以上、キャリア濃度を１×１０１８ｃｍ−３以上５×１０１８ｃｍ−３以下とし且つ活性層４６に隣接する第１のｎクラッド層（Al0.5In0.5P）の層厚の割合を８０％以上とし、光取り出し面側の第２のｎクラッド層（(AlyGa1-y)0.5In0.5P (y<1)）の層厚を１００ｎｍ以上とすることにより、電流拡散を促進させつつ電流−光出力特性の線形性を改善し得るｎクラッド層を構成することが可能となる。
【００３２】
（ｐクラッド層の検討）
本発明者らは、大電流領域での電流−光出力特性の線形性を改善するべくｐクラッド層４４の層構成について検討を行った。ｐクラッド層４４以外の構成は、以下のとおりとした。活性層４６は、(Al0.1Ga0.9)0.5In0.5Pからなる厚さ約１０ｎｍの井戸層と(Al0.5Ga0.5)0.5In0.5Pからなる厚さ約１０ｎｍの障壁層とを繰り返し２０周期積層した多重量子井戸構造とした。ｎクラッド層４８は、キャリア濃度１×１０１８ｃｍ−３、厚さ約１．６μｍのAl0.5In0.5Pからなる活性層に隣接する第１のｎクラッド層と、キャリア濃度１×１０１８ｃｍ−３、厚さ約０．４μｍの(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5Pからなる光取り出し面側に配置された第２のｎクラッド層からなる２層構成とした。電流拡散層４２は、キャリア濃度３×１０１８ｃｍ−３、厚さ約１μｍのGaPで構成した。
【００３３】
ｐクラッド層４４は、キャリア濃度の高い電流拡散層４２に隣接して設けられていることから、ｐクラッド層４４自体が電流拡散を促進させる機能を備える必要性は低い。このため、ｐクラッド層４４の層厚は１μｍ程度で十分であると考えられる。また、ｐ型の導電型を得るための不純物（例えばMg）は、活性層４６に拡散しやすく、ドープ濃度が高すぎると活性層４６に拡散したｐ型不純物が非発光センターとして働くためドープ濃度（キャリア濃度）は１×１０１８ｃｍ−３以下とすることが好ましい。
【００３４】
本発明者らは、以上の点を踏まえて、ｐクラッド層４４の組成が異なる２種類のサンプル（サンプルＤ、サンプルＥ）を作製してそれぞれについて電流−光出力特性を取得した。上記２種類のサンプルにおいて、ｐクラッド層４４の構成を以下のとおりとした。サンプルＤは、ｐクラッド層４４をキャリア濃度２×１０１７ｃｍ−３、厚さ１μｍのAl0.5In0.5P単層で構成したものである。サンプルＥは、ｐクラッド層４４をキャリア濃度２×１０１７ｃｍ−３、厚さ１μｍの(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5P単層で構成したものである。半導体膜４０には、Ｓｉからなる支持基板１０を接合し、結晶成長に使用したGaAs基板を除去して上面電極５０および裏面電極１２を形成し、３３０μｍ角のチップ状に切り出した。このようして作製されたＬＥＤチップを一般的な直径５ｍｍの砲弾型ＬＥＤステムに実装したものを評価サンプルとした。
【００３５】
図７は、サンプルＤ（実線）およびサンプルＥ（破線）の電流−光出力特性を調査した結果を示す図である。図７において、横軸は電流密度、縦軸は発光強度の相対値である。サンプルＤは、電流密度が低い領域において光出力がサンプルＥよりも１０％程度高くなっているが、電流密度が１００Ａ／ｃｍ２を超えると線形性が低下して、１４０Ａ／ｃｍ２程度で光出力が飽和している。一方、サンプルＥは、電流密度が低い領域における光出力はサンプルＤに劣るものの、電流密度が１００Ａ／ｃｍ２を超えても線形性が維持されており、電流密度が１５０Ａ／ｃｍ２以上の領域における光出力はサンプルＤを上回っている。サンプルＥの光出力の飽和点は２３５Ａ／ｃｍ２に達するものと推測される。
【００３６】
このような結果が得られた理由は以下のように推測される。すなわち、AlInPは、AlGaInPと比較してキャリアの移動度が高いため、サンプルＤにおいてはｐ側での電流分布が改善し、電流密度が低い領域においても比較的高い光出力が得られたものと考えられる。一方、AlInPはAlGaInPよりも電子をブロックする障壁が低いため、電流密度が高い領域において電子のオーバーフローが生じ、発光効率が低下したものと考えられる。つまり、AlInPは電流拡散の促進に有利となり、AlGaInPはキャリアのオーバーフロー抑制に有利となる。尚、キャリアのオーバーフローを効果的に抑制するためには、(AlyGa1-y)0.5In0.5Pにおいてｙの値を（０．６≦ｙ≦０．７）の範囲に設定することが好ましい。
【００３７】
本発明者らは、これらの結果を踏まえて、ｐクラッド層４４が、AlInPによる電流拡散促進機能と、AlGaInPによるキャリアブロック機能（オーバーフロー抑制機能）とを兼ね備えるべく、ｐクラッド層４４の層構成を検討した。ｐクラッド層４４のうち電流拡散層４２に隣接する層（第１のｐクラッド層）をAl0.5In0.5Pとし、活性層４６に隣接する（第２のｐクラッド層）を(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5Pとする２層構成とし、これら各層の層厚の割合を変化させて特性評価を行った。第１のｐクラッド層と第２のｐクラッド層との層厚の合計は１μｍとした。
【００３８】
図８は、電流拡散層４２に隣接する第１のｐクラッド層（Al0.5In0.5P）の層厚の割合と光出力の飽和点との関係を調査した結果を示す図である。光出力の飽和点は、光出力が飽和する電流密度の値であり、電流−光出力の線形性の指標値として用いた。つまり、光出力の飽和点が高いほど線形性が良好であると判断できる。光出力の飽和点は、第１のｐクラッド層（Al0.5In0.5P）の層厚の割合が８０％までは一定であり、８０％を超えると急激に低下することが確認された。換言すれば、活性層４６に隣接する第２のｐクラッド層（(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5P）の層厚の割合が２０％を下回ると、電流−光出力特性の線形性が低下する。このことから、第２のｐクラッド層（(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5P）の層厚の割合を２０％以上とすることによりｐクラッド層４４においてキャリアブロック機能が効果的に発揮されることが理解できる。
【００３９】
図９は、電流拡散層４２に隣接する第１のｐクラッド層（Al0.5In0.5P）の層厚の割合と低電流密度（５０Ａ／ｃｍ２）時における発光強度との関係を調査した結果を示す図である。第１のｐクラッド層（Al0.5In0.5P）の層厚の割合の増加に伴って発光強度は増加し、層厚の割合が５０％を超えると光出力がほぼ一定となることが確認された。このことから、第１のｐクラッド層（Al0.5In0.5P）の層厚の割合を５０％以上とすることにより、ｐクラッド層４４において電流拡散促進機能が効果的に発揮されることが理解できる。
【００４０】
以上の結果から、ｐクラッド層４４において、第１のｐクラッド層（Al0.5In0.5P）の層厚の割合を５０％以上８０％以下の範囲に設定し、第２のｐクラッド層（(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5P）の層厚の割合を２０％以上５０％以下の範囲に設定することにより、電流密度の低い領域における発光強度と、電流密度の高い領域における光出力の線形性を両立することが可能となる。
【００４１】
以上のｎクラッド層４８およびｐクラッド層４４の層構成についての検討結果から導かれた本発明の実施例に係る半導体発光素子１の典型的な構成を図１０に示す。
【００４２】
半導体膜４０は導電性を有するSiからなる支持基板１０によって支持される。支持基板１０の裏面（半導体膜４０との接合面と対向する面）には、裏面電極１２が設けられる。半導体膜４０と支持基板１０との間には、接合層２０および反射電極層３０が設けられる。接合層２０および反射電極層３０のより詳細な構成は図３および図４に示したとおりである。
【００４３】
反射電極層３０上に設けられる電流拡散層４２は、キャリア濃度３×１０１８ｃｍ−３、厚さ約１μｍのｐ型の導電型を有するGaPにより構成される。
【００４４】
電流拡散層４２上に設けられる第１のｐクラッド層４４ａは、キャリア濃度２×１０１７ｃｍ−３、厚さ約０．８μｍのｐ型の導電型を有するAl0.5In0.5Pにより構成される。
【００４５】
第１のｐクラッド層４４ａ上に設けられる第２のｐクラッド層４４ｂは、キャリア濃度２×１０１７ｃｍ−３、厚さ約０．２μｍのｐ型の導電型を有する(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5Pにより構成される。
【００４６】
第１のｐクラッド層４４ａと第２のｐクラッド層４４ｂからなるｐクラッド層４４において、第１のｐクラッド層４４ａの層厚が占める割合を５０％以上８０以下、第２のｐクラッド層４４ｂの層厚が占める割合を２０％以上５０％以下とすることにより、電流密度の低い領域での発光強度と、電流密度の高い領域での電流−光出力特性の線形性を両立することが可能となる。ｐクラッド層４４のキャリア濃度は、２×１０１７ｃｍ−３以上１×１０１８ｃｍ−３以下であることが好ましい。
【００４７】
第２のｐクラッド層４４ｂ上に設けられる活性層４６は、アンドープの(Al0.1Ga0.9)0.5In0.5Pからなる厚さ約１０ｎｍの井戸層とアンドープの(Al0.5Ga0.5)0.5In0.5Pからなる厚さ約１０ｎｍの障壁層とを繰り返し２０周期積層した多重量子井戸構造を有する。
【００４８】
活性層４６上に設けられる第１のｎクラッド層４８ａは、キャリア濃度１×１０１８ｃｍ−３、厚さ約１．６μｍのｎ型の導電型を有するAl0.5In0.5Pにより構成される。
【００４９】
第１のｎクラッド層４８ａ上に設けられる第２のｎクラッド層４８ｂは、キャリア濃度１×１０１８ｃｍ−３、厚さ約０．４μｍのｎ型の導電型を有する(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5Pにより構成される。
【００５０】
第１のｎクラッド層４８ａと第２のｎクラッド層４８ｂからなるｎクラッド層４８全体の層厚を２μｍ以上、キャリア濃度を１×１０１８ｃｍ−３以上５×１０１８ｃｍ−３以下とすることにより、ｎクラッド層４８は電流拡散層としても有効に機能して発光効率の改善に寄与することができる。また、ｎクラッド層４８において第１のｎクラッド層４８ａの層厚が占める割合を８０％以上とすることにより電流−光出力特性の線形性を改善することが可能となる。また、第２のｎクラッド層４８ｂの層厚を１００ｎｍ以上とすることにより、酸化に対する耐性と、GaAs基板を除去する際のエッチングに対する耐性を備えることができる。
【００５１】
光取り出し面となる第２のｎクラッド層４８ｂ上には、上面電極５０が設けられる。上面電極５０のより詳細な構成は、図３および図４に示したとおりである。
以下に、上記した構成を有する光半導体素子１の製造方法を図１１および図１２を参照しつつ説明する。
【００５２】
（半導体膜の形成）
半導体膜４０は、有機金属気相成長法（MOCVD法：Metal Organic Chemical Vapor Deposition）により形成した。半導体膜４０の結晶成長に使用する成長用基板１００として（１００）面から[０１１]方向に１５°傾斜させたGaAs基板を使用した。成長用基板１００上にSiドープ濃度（キャリア濃度）１×１０１８ｃｍ−３、厚さ約０．４μｍのｎ型の導電型を有する(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5Pからなる第２のｎクラッド層４８ｂを形成した。続いて、第２のｎクラッド層４８ｂ上にSiドープ濃度（キャリア濃度）１×１０１８ｃｍ−３、厚さ約１．６μｍのｎ型の導電型を有するAl0.5In0.5Pからなる第１のｎクラッド層４８ａを形成した。続いて、第１のｎクラッド層４８ａ上にアンドープの(Al0.1Ga0.9)0.5In0.5Pからなる厚さ約１０ｎｍの井戸層とアンドープの(Al0.5Ga0.5)0.5In0.5Pからなる厚さ約１０ｎｍの障壁層とを繰り返し２０周期積層した多重量子井戸構造を有する活性層４６を形成した。続いて、活性層４６上にMgドープ濃度（キャリア濃度）２×１０１７ｃｍ−３、厚さ約０．２μｍのｐ型の導電型を有する(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5Pからなる第２のｐクラッド層４４ｂを形成した。続いて、第２のｐクラッド層４４ｂ上にMgドープ濃度（キャリア濃度）２×１０１７ｃｍ−３、厚さ約０．８μｍのｐ型の導電型を有するAl0.5In0.5Pからなる第１のｐクラッド層４４ａを形成した。続いて、Mgドープ濃度（キャリア濃度）３×１０１８ｃｍ−３、厚さ約１μｍのｐ型の導電型を有するGaPからなる電流拡散層４２を形成した（図１１（ａ））。
【００５３】
尚、Ｖ族原料としてホスフィン（PH3）を使用し、III族原料としてトリメチルガリウム（TMG）、トリメチルアルミニウム（TMA）、トリメチルインジウム（TMI）の有機金属を使用した。また、ｎ型のドーパントとしてシラン（SiH4）を使用し、ｐ型のドーパントとしてビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Cp2Mg）を使用した。キャリアガスとして水素を用い、V/III比を３０〜２００とした。AlGaInP層の成長温度を６７０℃とし、GaP層の成長温度を７７０℃とした。成長圧力は１０ｋＰａとした。
【００５４】
（反射電極層および接合層の形成）
プラズマＣＶＤ法により電流拡散層４２上に誘電体層３２を構成するSiO2膜を形成した。続いて、SiO2膜上にレジストマスクを形成した後、バッファードフッ酸（BHF）を用いてSiO2膜の部分的なエッチングを行うことにより、SiO２膜にライン電極３１ａおよびドット電極３１ｂのパターンに対応したパターニングを施した。SiO2膜を除去した部分において開口部が形成され、この開口部において電流拡散層４２が露出する（図１１（ｂ））。尚、SiO2膜の成膜方法として熱ＣＶＤ法やスパッタ法を用いることもできる。また、SiO2膜のエッチング方法としてドライエッチング法を用いることも可能である。誘電体層３２の材料としては、SiO２以外にもSi3N4やAl2O3等の他の誘電体材料を用いることができる。
【００５５】
次に、ＥＢ蒸着法により誘電体層３２上にAuZnからなる厚さ３００ｎｍ程度の反射電極３１を形成した。反射電極３１は、先のエッチング処理によって誘電体層３２に形成された開口部において電流拡散層４２と接触する。反射電極３１は、誘電体層３２によってライン電極３１ａとドット電極３１ｂに隔てられる。誘電体層３２および反射電極３１により反射電極層３０が構成される（図１１（ｃ））。
【００５６】
次に、スパッタ法により反射電極層３０上にTaN（厚さ１００ｎｍ）、TiW（厚さ１００ｎｍ）、TaN（厚さ１００ｎｍ）を順次堆積させ、バリア層２４を形成した。その後、約５００℃の窒素雰囲気下で熱処理を行った。これにより、反射電極３１と電流拡散層４２との間で良好なオーミック性接触が形成される。次に、ＥＢ蒸着法によりバリア層２４上にNi（３００ｎｍ）、Au（３０ｎｍ）を順次形成し、接合層（図示せず）を形成した（図１１（ｄ））。尚、バリア層２４は、Ta、Ti、W等の他の高融点金属もしくはこれらの窒化物を含む単層又は２以上の層により構成されていてもよい。また、バリア層２４の形成には、スパッタ法以外にＥＢ蒸着法を用いることが可能である。
【００５７】
（支持基板の接合）
半導体膜４０を支持するための支持基板として導電性を有するSi基板を用いた。ＥＢ蒸着法により、支持基板１０の両面にPtを堆積させて厚さ約２００ｎｍのオーミック層２１および裏面電極１２を形成した。続いて、スパッタ法によりオーミック層２１上にTi（厚さ１５０ｎｍ）を堆積させて密着層２２を形成した。続いて、スパッタ法により密着層２２上にNi（厚さ１００ｎｍ）、AuSn（厚さ６００ｎｍ）を順次堆積させて共晶接合層２３を形成した。
【００５８】
その後、半導体膜４０と支持基板１０とを熱圧着により接合した。半導体膜４０側の接合層と支持基板５０側の共晶接合層２３とを密着させ、１ＭＰａ、３３０℃の窒素雰囲気下で１０分間保持した。支持基板１０側の共晶接合層２３に含まれる共晶接合材（ＡｕＳｎ）が溶融して、半導体膜４０側の接合層（Ni/Au）との間でAuSnNiを形成することにより支持基板１０と半導体膜４０とが接合される（図１２（ａ））。
【００５９】
（成長用基板の除去）
半導体膜４０の結晶成長に使用した成長用基板１００をアンモニア水と過酸化水素水との混合液を用いたウェットエッチングにより除去した。尚、成長用基板１００を除去する方法として、ドライエッチング法、機械研磨法、化学機械研磨法（ＣＭＰ）を用いてもよい（図１２（ｂ））。
【００６０】
（ｎ電極の形成）
成長用基板１００を除去することにより表出した第２のｎクラッド層４８ｂ上にショットキー電極５１、オーミック電極５２および接続配線５３を形成した。第２のｎクラッド層４８ｂとの間でオーミック性接触を形成するAuGeNiをＥＢ蒸着法により第２のｎクラッド層４８ｂ上に堆積させた後、リフトオフ法によりパターニングを行ってオーミック電極５２を形成した。続いて、ＥＢ蒸着法により第２のｎクラッド層４８ｂとの間でショットキー接触を形成するTi（厚さ１００ｎｍ）を第２のｎクラッド層４８ｂ上に堆積させ、更にTi上にAu（厚さ１．５μｍ）を堆積した。その後、リフトオフ法によりパターニングを行ってショットキー電極５１および接続配線５３を形成した。次に、第２のｎクラッド層４８ｂとオーミック電極５２との間でオーミック性接触の形成を促進させるために４００℃の窒素雰囲気下で熱処理を行った。尚、オーミック電極５２の材料としてAuGe、AuSn、AuSnNi等を使用することも可能である。また、ショットキー電極５１の材料としてTa、Wもしくはこれらの合金またはこれらの窒化物を使用することも可能である（図１２（ｃ））。以上の各工程を経て半導体発光素子１が完成する。
【００６１】
以上の説明から明らかなように、本実施例に係る半導体発光素子１は、結晶成長に使用するGaAｓ基板よりも高い熱伝導率を有するＳｉ基板を支持基板１０として備えることにより、放熱性が向上する故、大電流駆動が可能となる。また、半導体膜４０を挟む上面電極５０および反射電極３１を半導体膜４０の積層方向で互いに重ならない位置に配置することによって半導体膜４０内における電流密度分布の均一化が図られ、電流集中を防止している。これにより半導体膜４０の薄型化を可能としている。
【００６２】
本実施例に係る半導体発光素子１において、ｎクラッド層４８は、活性層４６に隣接するｎ型のAl0.5In0.5Pからなる第１のｎクラッド層４８ａと第１のｎクラッド層４８ａ上に設けられたｎ型の(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5Pからなる第２のｎクラッド層４８ｂとにより構成される。第１のｎクラッド層４８ａと第２のクラッド層４８ｂの層厚の合計は２μｍ以上に設定され、それぞれのキャリア濃度は１×１０１８ｃｍ−３以上５×１０１８ｃｍ−３以下に設定される。これにより、ｎクラッド層４８は、電流拡散層としても有効に機能することができる。従って、GaAs基板を除去する場合においても、半導体膜４０内における電流密度分布の均一性は損なわれず発光効率の改善に寄与することができる。また、ｎクラッド層４８において第１のｎクラッド層４８ａの層厚の割合が８０％以上とされる故、電流−光出力特性の線形性が改善される。また、第２のｎクラッド層４８ｂの厚さが１００ｎｍ以上とされる故、ｎクラッド層４８に酸化に対する耐性とGaAs基板を除去する際のエッチングに対する耐性を与えることができる。
【００６３】
本実施例に係る半導体発光素子１において、ｐクラッド層４４は、電流拡散層４２に隣接するｐ型のAl0.5In0.5Pからなる第１のｐクラッド層４４ａと、第１のｐクラッド層４４ａ上に設けられたｐ型の(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5Pからなる第２のｎクラッド層４８ｂとにより構成される。ｐクラッド層４４において、第１のｐクラッド層４４ａの層厚の割合を５０％以上８０％以下、第２のｐクラッド層４４ｂの層厚の割合が２０％以上５０％以下とされる故、電流密度の低い領域での発光強度と、電流密度の高い領域での電流−光出力特性の線形性を両立することが可能となる。
【００６４】
このようなｎクラッド４８およびｐクラッド層４４の構成によれば、電流密度の高い領域における電流−光出力特性の線形性を向上させることができるので、GaAs基板よりも熱伝導率の高い支持基板や電流拡散を促進し得る電極構造と組み合わせることにより、その性能が十分に発揮され、１００ｍＡ以上の大電流領域において良好な出力特性を得ることが可能となる。
【００６５】
ｎクラッド層４８、ｐクラッド層４４および活性層４６は、成長用基板であるGaAs基板に整合する条件で作製されることを要する。GaAs基板に整合する条件は成長温度によって異なる。上記各層をGaAs基板に整合させるためには、AlxIn1-xP 、(AlyGa1-y)xIn1-xPにおいてxの値を調整すれば良い。例えば、半導体膜４０を500℃〜700℃で成長させる場合、ｘの範囲を0.45≦x≦0.55とすることによりGaAs基板に整合させることができる。このようなｘの範囲でも、上述した実施例の場合と同様、光出力の線形性の改善効果を得ることができる。
【００６６】
活性層については、臨界膜厚以下にすれば、GaAs基板に整合する必要はなく、ｘの範囲を0.45≦x≦0.55としなくてもよい。活性層において好ましい組成の範囲は、臨界膜厚を考慮すると(AlyGa1-y)xIn1-xP (0.4≦x≦0.6、0≦y≦0.7)である。
【００６７】
また、上記した実施例では、ｎ型の導電型を得るために、ドーパントとしてSiH4（シラン）を用いたが、DeTe（ジエチルテルル）又はH2Se（セレン化水素）を用いてもよい。また、上記した実施例では、ｐ型の導電型を得るためにCp2Mg（ビスシクロペンタジエニルマグネシウム）を用いたがDMZn（ジメチルジンク）を用いてもよい。上記した実施例の効果は、ドーパントの種類に依存することなく得ることができる。
【００６８】
また、上記した実施例では、活性層４６を赤色発光する量子井戸構造(Al組成１０％)としたが、井戸層および障壁層の厚さや周期数を変更しても同様の効果を得ることができる。活性層は(AlyGa1-y)xIn1-xP(0.4≦x≦0.6、0≦y≦0.7)単層からなるバルク活性層としてもよい。また、井戸層のAl組成を変更して、黄色発光(波長５９０ｎｍ)や真紅発光 (波長６６０ｎｍ)としても、上記した実施例の場合と同様の効果を得ることができる。基板のオフ角に関しても同様であり、オフ角、オフ方向の異なるGaAs基板を用いて半導体膜の結晶成長を行っても上記した実施例の効果を得ることができる。尚、本発明者らは、（１００）面から[０１１]方向に４°傾斜させたGaAs基板を用いた場合においても上記の実施例の場合と同様の効果が得られることを確認している。
【００６９】
また、上記した実施例では電流拡散層をGaPで構成したが、電流拡散層が発光波長に対して透明であればよく、Inを添加してGa1-zInzP（0≦ｚ≦0.1）としてもよい。この場合においても、上記した実施例の場合と同様の効果を得ることができる。
【００７０】
また、上記した実施例では支持基板として導電性を有するSi基板を用いることとしたが、これに限定されるものではない。支持基板は、結晶成長に用いられるGaAs基板よりも高い熱伝導率を備えている材料により構成されていればよく、Cu、Ge，CuW合金、SiCなどにより構成されていてもよい。また、発光波長に対して透明であってもよく、例えばGaP基板、GaN基板を用いることも可能である。
【００７１】
また、上記した実施例では、支持基板と半導体膜との間に、誘電体層および反射電極を設けることとしているが、支持基板として透明な基板を用いる場合には、これらを設けないものとすることができる。また、上記した実施例の反射電極の代わりに、半導体膜をｎクラッド層側から部分的にエッチングして第一のｐクラッド層の一部を露出させて、この第一のｐクラッド層の露出面上にオーミック電極を形成することとしてもよい。また、支持基板が導電性を有している場合には、支持基板の下面に電極を形成することができる。
【００７２】
図１３は、パターン構成が改変された上面電極５０および反射電極３１を同一平面に投影した平面図である。図４に示す電極構成と同様、光反射面側には、ライン電極３１ａおよびドット電極３１ｂからなる反射電極３１が設けられ、光取り出し面側には、ショットキー電極５１、オーミック電極５２および接続配線５３からなる上面電極５０が設けられる。上面電極５０および反射電極３１は、半導体膜４０の積層方向において互いに重ならないに位置に配置されている。このような改変された電極パターンによっても上記した実施例の場合と同様の効果を得ることができる。
【００７３】
図４および図１２に示すように、半導体膜４０を挟む上部電極５０および下部電極１２を互い違いに配置することにより、半導体膜４０内における電流密度分布が均一化される故、本実施例に係るクラッド層構成による光出力特性の線形性改善効果はより顕著となる。しかしながら、このような電極構造でなくとも、本実施例に係るクラッド層構成による光出力特性の線形性の改善効果を得ることはできる。その理由は、本実施例に係るクラッド層構成は、キャリアを効果的にブロックしてオーバーフローを抑制するためのものであり、その効果は、電極構造による電流拡散促進効果とは独立して得られるものだからである。例えば、図１４に示すような半導体膜４０の同一面側にｎ電極７１およびｐ電極７２が設けられる所謂フリップチップ構造を有するものに本実施例のクラッド層構成を適用することも可能である。フリップチップ構造とする場合、支持基板１０と半導体膜４０との間には、反射電極層に代えてSiO2等からなる反射絶縁層８０が設けられる。
【００７４】
また、上記した実施例では、反射電極層３０を構成する誘電体層３２のとしてSiO2を用いたが、誘電体層３２をITOからなる導電層に置換することも可能である。この場合、ITOは導電性を有する故、反射電極３１と半導体膜４０とのコンタクトをとるためのコンタクト窓を形成する必要はない。
【符号の説明】
【００７５】
１ 半導体発光素子
１０ 支持基板
１２ 裏面電極
２０ 接合層
３０ 反射電極層
３１ 反射電極
４０ 半導体膜
４２ 電流拡散層
４４ ｐクラッド層
４４ａ 第１のｐクラッド層
４４ｂ 第２のｐクラッド層
４６ 活性層
４８ ｎクラッド層
４８ａ 第１のｎクラッド層
４８ｂ 第２のｎクラッド層
５０ 上面電極
【特許請求の範囲】
【請求項１】
支持基板と、前記支持基板上に設けられた半導体膜と、を含む半導体発光素子であって、
前記半導体膜は、
前記支持基板上に設けられたｐ型の導電型を有するGaInPまたはGaPからなる電流拡散層と、
前記電流拡散層上に設けられたｐ型の導電型を有するAlInPからなる第１のｐクラッド層と、
前記第１のｐクラッド層上に設けられたｐ型の導電型を有するAlGaInPからなる第２のｐクラッド層と、
前記第２のｐクラッド層上に設けられた少なくとも一層のGaInPまたはAlGaInPからなる層を含む活性層と、
前記活性層上に設けられたキャリア濃度１×１０１８ｃｍ−３以上５×１０１８ｃｍ−３以下であり且つｎ型の導電型を有するAlInPからなる第１のｎクラッド層と、
前記第１のｎクラッド層上に設けられたキャリア濃度１×１０１８ｃｍ−３以上５×１０１８ｃｍ−３以下であり且つｎ型の導電型を有するAlGaInPからなる第２のｎクラッド層と、を含み、
前記第１のｐクラッド層と前記第２のｐクラッド層からなるｐクラッド層全体の層厚のうち前記第１のｐクラッド層の層厚が占める割合は５０％以上８０％以下であり、
前記第１のｎクラッド層と前記第２のｎクラッド層からなるｎクラッド層全体の層厚は２μｍ以上であり、前記ｎクラッド層全体の層厚のうち前記第１のｎクラッド層の層厚が占める割合は８０％以上であり且つ前記第２のｎクラッド層の層厚は１００ｎｍ以上であることを特徴とする半導体発光素子。
【請求項２】
前記電流拡散層は、Ga1-zInzP（0≦ｚ≦0.1）からなり、
前記第１のｐクラッド層は、AlxIn1-xP（0.45≦x≦0.55）からなり、
前記第２のｐクラッド層は、(AlyGa1-y)xIn1-xP(0.45≦x≦0.55、0.6≦y≦0.7)からなり、
前記活性層は、少なくとも一層の(AlyGa1-y)xIn1-xP(0.4≦x≦0.6、0≦y≦0.7)からなる層を含み、
前記第１のｎクラッド層は、AlxIn1-xP（0.45≦x≦0.55）からなり、
前記第２のｎクラッド層は、 (AlyGa1-y)xIn1-xP(0.45≦x≦0.55、0.3≦y≦0.7)からなることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
【請求項３】
前記支持基板は、GaAsよりも熱伝導率の高い材料からな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。
【請求項４】
前記支持基板と前記半導体膜との間には、前記半導体膜にオーミック接触する反射電極が形成されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
【請求項５】
前記第２のｎクラッド層の表面に設けられて前記第２のｎクラッド層にオーミック接触するオーミック電極を更に有し、
前記オーミック電極と前記反射電極は、前記半導体膜の積層方向において互いに重ならないように設けられていることを特徴とする請求項４に記載の半導体発光素子。
【請求項６】
GaAs基板上にキャリア濃度１×１０１８ｃｍ−３以上５×１０１８ｃｍ−３以下であり且つｎ型の導電型を有するAlGaInPからなる第２のｎクラッド層を形成する工程と、
前記第２のｎクラッド層上にキャリア濃度１×１０１８ｃｍ−３以上５×１０１８ｃｍ−３以下であり且つｎ型の導電型を有するAlInPからなる第１のｎクラッド層を形成する工程と、
前記第１のｎクラッド層上に少なくとも一層のGaInPまたはAlGaInPからなる層を含む活性層を形成する工程と、
前記活性層上にｐ型の導電型を有するAlGaInPからなる第２のｐクラッド層を形成する工程と、
前記第２のｐクラッド層上にｐ型の導電型を有するAlInPからなる第１のｐクラッド層を形成する工程と、
前記第１のｐクラッド層上にｐ型の導電型を有するGaInPまたはGaPからなる電流拡散層を形成する工程と、
前記電流拡散層上に光反射構造を有する反射電極層を形成する工程と、
前記GaAs基板よりも熱伝導率の高い材料からなる支持基板を前記反射電極層に接合する工程と、
前記GaAs基板を除去する工程と、
前記GaAs基板を除去することにより表出する前記第２のｎクラッド層の表面に上面電極を形成する工程と、を含み、
前記第１のｐクラッド層と前記第２のｐクラッド層からなるｐクラッド層全体の層厚のうち前記第１のｐクラッド層の層厚が占める割合は５０％以上８０％以下であり、
前記第１のｎクラッド層と前記第２のｎクラッド層からなるｎクラッド層全体の層厚は２μｍ以上であり、前記ｎクラッド層全体の層厚のうち前記第１のｎクラッド層の層厚が占める割合は８０％以上であり且つ前記第２のｎクラッド層の層厚は１００ｎｍ以上であることを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
【請求項１】
支持基板と、前記支持基板上に設けられた半導体膜と、を含む半導体発光素子であって、
前記半導体膜は、
前記支持基板上に設けられたｐ型の導電型を有するGaInPまたはGaPからなる電流拡散層と、
前記電流拡散層上に設けられたｐ型の導電型を有するAlInPからなる第１のｐクラッド層と、
前記第１のｐクラッド層上に設けられたｐ型の導電型を有するAlGaInPからなる第２のｐクラッド層と、
前記第２のｐクラッド層上に設けられた少なくとも一層のGaInPまたはAlGaInPからなる層を含む活性層と、
前記活性層上に設けられたキャリア濃度１×１０１８ｃｍ−３以上５×１０１８ｃｍ−３以下であり且つｎ型の導電型を有するAlInPからなる第１のｎクラッド層と、
前記第１のｎクラッド層上に設けられたキャリア濃度１×１０１８ｃｍ−３以上５×１０１８ｃｍ−３以下であり且つｎ型の導電型を有するAlGaInPからなる第２のｎクラッド層と、を含み、
前記第１のｐクラッド層と前記第２のｐクラッド層からなるｐクラッド層全体の層厚のうち前記第１のｐクラッド層の層厚が占める割合は５０％以上８０％以下であり、
前記第１のｎクラッド層と前記第２のｎクラッド層からなるｎクラッド層全体の層厚は２μｍ以上であり、前記ｎクラッド層全体の層厚のうち前記第１のｎクラッド層の層厚が占める割合は８０％以上であり且つ前記第２のｎクラッド層の層厚は１００ｎｍ以上であることを特徴とする半導体発光素子。
【請求項２】
前記電流拡散層は、Ga1-zInzP（0≦ｚ≦0.1）からなり、
前記第１のｐクラッド層は、AlxIn1-xP（0.45≦x≦0.55）からなり、
前記第２のｐクラッド層は、(AlyGa1-y)xIn1-xP(0.45≦x≦0.55、0.6≦y≦0.7)からなり、
前記活性層は、少なくとも一層の(AlyGa1-y)xIn1-xP(0.4≦x≦0.6、0≦y≦0.7)からなる層を含み、
前記第１のｎクラッド層は、AlxIn1-xP（0.45≦x≦0.55）からなり、
前記第２のｎクラッド層は、 (AlyGa1-y)xIn1-xP(0.45≦x≦0.55、0.3≦y≦0.7)からなることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
【請求項３】
前記支持基板は、GaAsよりも熱伝導率の高い材料からな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。
【請求項４】
前記支持基板と前記半導体膜との間には、前記半導体膜にオーミック接触する反射電極が形成されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
【請求項５】
前記第２のｎクラッド層の表面に設けられて前記第２のｎクラッド層にオーミック接触するオーミック電極を更に有し、
前記オーミック電極と前記反射電極は、前記半導体膜の積層方向において互いに重ならないように設けられていることを特徴とする請求項４に記載の半導体発光素子。
【請求項６】
GaAs基板上にキャリア濃度１×１０１８ｃｍ−３以上５×１０１８ｃｍ−３以下であり且つｎ型の導電型を有するAlGaInPからなる第２のｎクラッド層を形成する工程と、
前記第２のｎクラッド層上にキャリア濃度１×１０１８ｃｍ−３以上５×１０１８ｃｍ−３以下であり且つｎ型の導電型を有するAlInPからなる第１のｎクラッド層を形成する工程と、
前記第１のｎクラッド層上に少なくとも一層のGaInPまたはAlGaInPからなる層を含む活性層を形成する工程と、
前記活性層上にｐ型の導電型を有するAlGaInPからなる第２のｐクラッド層を形成する工程と、
前記第２のｐクラッド層上にｐ型の導電型を有するAlInPからなる第１のｐクラッド層を形成する工程と、
前記第１のｐクラッド層上にｐ型の導電型を有するGaInPまたはGaPからなる電流拡散層を形成する工程と、
前記電流拡散層上に光反射構造を有する反射電極層を形成する工程と、
前記GaAs基板よりも熱伝導率の高い材料からなる支持基板を前記反射電極層に接合する工程と、
前記GaAs基板を除去する工程と、
前記GaAs基板を除去することにより表出する前記第２のｎクラッド層の表面に上面電極を形成する工程と、を含み、
前記第１のｐクラッド層と前記第２のｐクラッド層からなるｐクラッド層全体の層厚のうち前記第１のｐクラッド層の層厚が占める割合は５０％以上８０％以下であり、
前記第１のｎクラッド層と前記第２のｎクラッド層からなるｎクラッド層全体の層厚は２μｍ以上であり、前記ｎクラッド層全体の層厚のうち前記第１のｎクラッド層の層厚が占める割合は８０％以上であり且つ前記第２のｎクラッド層の層厚は１００ｎｍ以上であることを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【公開番号】特開２０１２−１９０９８５（Ｐ２０１２−１９０９８５Ａ）
【公開日】平成２４年１０月４日（２０１２．１０．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−５２８４４（Ｐ２０１１−５２８４４）
【出願日】平成２３年３月１０日（２０１１．３．１０）
【出願人】（０００００２３０３）スタンレー電気株式会社 (2,684)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１０月４日（２０１２．１０．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年３月１０日（２０１１．３．１０）
【出願人】（０００００２３０３）スタンレー電気株式会社 (2,684)
【Ｆターム（参考）】
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