半導体発光素子
【課題】半導体発光素子を長時間使用しても、使用環境の影響による劣化を防止できるようにする。半導体発光素子の発光出力を高くする。
【解決手段】活性層７の上方に設けられた半導体層１５の上面に、半導体層１５の上面よりも高い耐湿性を有する保護膜部３０を設けた。保護膜部３０には、半導体層１５に対して接合された半導体層接合面３１ａを有する第一の保護層３１と、上部電極１７に対して接合された電極接合面３２ａ、３２ｂを有する第二の保護層３２とを備えた。また、第一の保護層３１は、半導体層１５に対する接合性が第二の保護層３２よりも高い性質を有し、第二の保護層３２は、上部電極１７に対する接合性が第一の保護層３１よりも高い性質を有するとした。
【解決手段】活性層７の上方に設けられた半導体層１５の上面に、半導体層１５の上面よりも高い耐湿性を有する保護膜部３０を設けた。保護膜部３０には、半導体層１５に対して接合された半導体層接合面３１ａを有する第一の保護層３１と、上部電極１７に対して接合された電極接合面３２ａ、３２ｂを有する第二の保護層３２とを備えた。また、第一の保護層３１は、半導体層１５に対する接合性が第二の保護層３２よりも高い性質を有し、第二の保護層３２は、上部電極１７に対する接合性が第一の保護層３１よりも高い性質を有するとした。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば光通信の光源などに使用される半導体発光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
発光ダイオード（ＬＥＤ：Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）や半導体レーザー（レーザーダイオード）などの発光素子は、光通信などに使用されている。近年では、プラスチック光ファイバー（ＰＯＦ）用の光源として、半導体レーザーよりも安価である発光ダイオードが注目されている。しかしながら、より高い出力、高速応答性、高い信頼性を実現するためには、従来の一般的な発光ダイオードでは不十分であり、様々な改良が試みられている。例えば、発光ダイオードを構成する層が、使用環境の湿度などの影響を受けて変質すると、層の劣化、発光出力の低下等の問題が生じる。そのような不具合を防止するため、発光ダイオードの表面に、耐湿性が高い保護膜を設ける、または半導体層の最上層を耐湿性の高い層とする構造が提案されている（特許文献１、２参照）。
【０００３】
例えば面発光型発光ダイオードに関しては、発光ダイオードの上面（光の出射側）に、Ｓｉ（珪素、シリコン）系の保護膜（パシベーション層）、即ち、酸化珪素（ＳｉＯ２）からなる保護膜、窒化珪素（ＳｉＮｘ）からなる保護膜、又は、窒化酸化珪素（ＳｉＯｘＮ１−ｘ）からなる保護膜を設ける構成が提案されている（特許文献１参照）。
【０００４】
また、垂直共振器型発光ダイオード（ＲＣＬＥＤ：Ｒｅｓｏｎａｎｔ−Ｃａｖｉｔｙ Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）に関しては、ＩｎｘＧａ１−ｘＰからなる耐湿層を設ける構成が提案されている（特許文献２参照）。
【０００５】
【特許文献１】特開平９−２４６５９３号公報
【特許文献２】特開２００２−１１１０５４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、従来のＳｉ系の保護膜は、保護膜が接合される層（半導体層）、あるいは、発光ダイオードの上面側に設けられている電極（金属）との接合性（密着性）が不十分であった。例えば酸化珪素からなる保護膜は、半導体層との接合性は高いが、電極との接合性が低い問題があった。逆に、窒化珪素からなる保護膜は、電極との接合性は高いが、半導体層との接合性が低い問題があった。また、窒化酸化珪素を保護膜に用いた場合でも、半導体層や電極との十分な接合性は得られなかった。従って、いずれのＳｉ系の保護膜を用いた場合も、例えば発光ダイオードを長時間使用した際等には、保護膜と電極との間、または、保護膜と半導体層との間において、剥離が生じるおそれが高かった。即ち、剥離した箇所の隙間を通じて、外部の雰囲気（外気）が侵入し、半導体層の変質、劣化、発光出力の低下等の不具合が発生するおそれがあった。
【０００７】
また、ＩｎｘＧａ１−ｘＰからなる耐湿層を形成した場合、ＩｎｘＧａ１−ｘＰは禁制帯幅（バンドギャップ）が小さく、発光ダイオードの内部（活性層）において発生させられる光が短波長であると、光が耐湿層を透過して出射する際に、光エネルギーの一部が、耐湿層によって多く吸収され、出射光の光エネルギーが大幅に減少させられてしまう。即ち、発光出力が耐湿層によって低下させられる問題があった。
【０００８】
本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであり、長時間使用しても、使用環境の影響による劣化を防止でき、かつ、発光出力が高い半導体発光素子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】
【０００９】
上記課題を解決するため、本発明によれば、光を発生させる活性層と、前記活性層の上方に設けられた半導体層と、前記半導体層の上方に設けられた上部電極とを備える半導体発光素子であって、前記半導体層よりも高い耐湿性を有する保護膜部を備え、前記保護膜部は、前記半導体層に対して接合された半導体層接合面と、前記上部電極に対して接合された電極接合面とを備え、前記半導体層接合面は、前記半導体層に対する接合性が前記電極接合面よりも高い性質を有し、前記電極接合面は、前記上部電極に対する接合性が前記半導体層接合面よりも高い性質を有することを特徴とする、半導体発光素子が提供される。
【００１０】
前記半導体層接合面は、酸化珪素によって形成しても良い。前記電極接合面は、窒化珪素によって形成しても良い。
【００１１】
また、前記活性層の下方に、第一の反射層を備え、前記活性層の上方に、第二の反射層を備え、前記第一の反射層と前記第二の反射層とによって、光を共振させる共振器構造を構成しても良い。前記半導体層は、前記第二の反射層であっても良い。前記第二の反射層と前記上部電極との間には、コンタクト層を備えても良い。
【００１２】
さらに、前記上部電極に、光を出射させる光出射部を備え、前記上部電極の下方に、電流狭窄を行う電流狭窄層を備えても良い。前記光出射部は、前記電流狭窄層の開口部に対して重なる位置に設けても良い。
【００１３】
また、前記電極接合面は、前記保護膜部の側面及び上面に設けても良い。前記保護膜部は、前記半導体層接合面を有する第一の保護膜と、前記電極接合面を有する第二の保護膜とを備える構成としても良い。前記第一の保護膜の厚さと前記第二の保護膜の厚さとを合計した厚さは、（ｍ／４）×（λ／ｎＡ）（ｍ：正の奇数、λ：前記活性層が発生させる光の波長、ｎＡ：第一の保護膜と第二の保護膜の平均屈折率）としても良い。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、保護膜部と半導体層の接合性、保護膜部と上部電極の接合性を高めることができる。発光出力の経時変化を防止でき、信頼性の高い半導体発光素子とすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明にかかる実施形態を、図面を参照しながら説明する。図１は、本実施形態にかかる半導体発光素子の一例としての発光ダイオード１を示した平面図であり、図２は、発光ダイオード１の縦断面図である。かかる発光ダイオード１は、いわゆる垂直共振器型発光ダイオード（ＲＣＬＥＤ）の一種であり、光を共振させる垂直共振器（後述する共振器構造５２）と、活性層への電流密度を向上させる電流狭搾構造（後述する電流狭窄層１３）とを有するものである。なお、以下では説明の便宜のため、光が出射される側（後述する光出射部２５側）を上方とし、その反対側（後述する下部電極３５側）を下方として説明する。
【００１６】
図２に示すように、発光ダイオード１は、基板２の一面（上面）側に、バッファ層３、第一の反射層５、第一のクラッド層６、光を発生させる活性層７、第二のクラッド層８、エッチングストップ層１２、電流狭窄層１３、半導体層（保護膜接合層）としての第二の反射層１５、及び、コンタクト層１６と上部電極１７からなる電極層部１８が、所定方向（下方から上方に向かう方向）においてこの順に、また、互いに略平行に積層された構造を備えている。なお、電流狭窄層１３は、第二の反射層１５内に埋め込まれており、電流狭窄層１３に設けられている通過部用孔１３ａ（開口部）には、第二の反射層１５の一部である通過部１５ａが形成されている。また、上部電極１７には、光を発光ダイオード１の外部に出射させる光出射部２５（窓部）が設けられている。光出射部２５の下方には、第二の反射層１５の上面を保護する保護膜部３０が設けられている。この保護膜部３０は、二層構造になっており、下層である第一の保護膜３１と、上層である第二の保護膜３２とを備えている。一方、基板２の他面（図２においては下面）側には、下部電極３５が層状に設けられている。
【００１７】
基板２は、例えばｎ型ＧａＡｓ（ガリウム砒素）の基板である。バッファ層３は、例えばｎ型ＧａＡｓからなる層であり、第一の反射層５の結晶性を高めるために設けられている。
【００１８】
活性層７は、光を発生させる発光部として機能する層であり、例えば量子井戸（ＱＷ：Ｑｕａｎｔｕｍ Ｗｅｌｌ）構造からなる層としても良く、単一量子井戸構造や多重量子井戸構造とすることができる。また、活性層７とその上下に設けられている２つのクラッド層（即ち、活性層７の下方に備えられている第一のクラッド層６と、活性層７の上方に備えられている第二のクラッド層８）によって、ダブルへテロ接合構造５１が構成されている。なお、活性層７、第一のクラッド層６、第二のクラッド層８は、ＩＩＩ−Ｖ族半導体層とすることができ、例えばＡｌＸＧａＹＩｎ１−Ｘ−ＹＰ（Ｘ：Ａｌの組成、Ｙ：Ｇａの組成、０＜Ｘ＋Ｙ＜１）からなる層であっても良い。
【００１９】
また、活性層７の上下に設けられている２つの反射層（即ち、活性層７の下方に備えられている第一の反射層５と、活性層７の上方に備えられている第二の反射層１５）によって、活性層７で発生した光を上下方向に繰り返し反射させて共振させる共振器構造５２（垂直共振器構造）が構成されている。なお、第一の反射層５、第二の反射層１５としては、例えばＡｌＧａＡｓ系のブラッグ反射層を用いても良い。
【００２０】
コンタクト層１６は、第二の反射層１５の上面（保護膜部３０によって覆われている上面中央部を除いた部分）を覆うように設けられている。なお、コンタクト層１６を第二の反射層１５と上部電極１７との間に設けると、第二の反射層１５と上部電極１７との間に生じる接触抵抗を低減できる。そのようなコンタクト層１６の材質としては、例えばＧａＡｓ等の半導体を用いても良い。
【００２１】
上部電極１７は、コンタクト層１６の上面を覆うように形成されており、コンタクト層１６を介して、第二の反射層１５の上面に接合されている。また、上部電極１７は、保護膜部３０の側部（第一の保護膜３１の上部側面と第二の保護膜３２の側面全体）にも接合され、さらに、保護膜部３０の上面（第二の保護膜３２の上面）の一部にも接合されている。即ち、上部電極１７は、保護膜部３０の上面にオーバーラップさせたオーバーラップ部１７ａを備えている。このようなオーバーラップ部１７ａが設けられていると、オーバーラップ部１７ａを形成しない場合よりも、上部電極１７と保護膜部３０との接合面積を広くすることができ、上部電極１７と保護膜部３０をより強固に接合させることができる。図示の例では、オーバーラップ部１７ａは、保護膜部３０の上面周縁部全体に沿って、略円環状に形成されている。なお、上部電極１７の材質は、金属、例えばＡｕ（金）を含有する合金（例えばＡｕ、ＡｕＺｎ合金、ＡｕＢｅ合金等）などであっても良い。因みに、下部電極３５も、上部電極１７と同様に、例えばＡｕを含有する合金などからなる層であっても良い。
【００２２】
光出射部２５は、オーバーラップ部１７ａの内側かつ保護膜部３０の上方に形成されている略円形の開口部であり、図示の例では上部電極１７の中央部に開口されている。つまり、上方から見た平面視において（発光ダイオード１の中心軸方向からみて）、光出射部２５は、保護膜部３０及び通過部用孔１３ａ（通過部１５ａ）に対して重なる位置に設けられている。即ち、前述した上部電極１７と下部電極３５に電圧が与えられ、電流狭窄層１３によって電流が狭窄され、通過部１５ａの直下における活性層７の電流密度が高められ、活性層７で光が発光すると、発生した光は、共振器構造５２において共振した後、保護膜部３０を透過し、光出射部２５を通じて上方（発光ダイオード１の外部）に向かって出射させられるようになっている。
【００２３】
保護膜部３０は、光出射部２５の下方において、第二の反射層１５の上面中央部（電極層部１８によって覆われていない部分）を覆うように設けられている。即ち、第二の反射層１５の上面中央部に外気を接触させないように設けられており、第二の反射層１５が外気に接触して変質すること（大気中の水分に接触して酸化すること）を防止している。
【００２４】
また、保護膜部３０は、上下に積層された２つの層、即ち、第一の保護膜３１と、第一の保護膜３１よりも上方に設けられた第二の保護膜３２とを備えている。第一の保護膜３１は、図示の例では、上方から見た平面視において、略円形に形成されており、第二の反射層１５の上面、コンタクト層１６、上部電極１７、及び、第二の保護膜３２に対して接合されている。第二の保護膜３２は、第一の保護膜３１と同様に、上方から見て略円形に形成されており、第一の保護膜３１の上面、及び、上部電極１７に対して接合されている。
【００２５】
即ち、本実施形態において、第二の反射層１５に対して接合された半導体層接合面（反射層接合面）とは、第一の保護膜３１の下面３１ａのことである。上部電極１７に対して接合された電極接合面とは、第二の保護膜３２の側面３２ａ、及び、第二の保護膜３２の上面周縁部３２ｂ（オーバーラップ部１７ａに接合された面）のことである。換言すれば、半導体層接合面は、保護膜部３０の下面に設けられ、電極接合面は、保護膜部３０の側面及び上面に設けられている。
【００２６】
第一の保護膜３１と第二の保護膜３２は、いずれも耐湿性に優れた材質によって形成することが好ましく、特に、第二の反射層１５の上面よりも高い耐湿性を有する材質によって形成することが好ましい。そうすれば、第一の保護膜３１、第二の保護膜３２が外気中の水分によって変質することを防止でき、第二の反射層１５を長期間、確実に保護できる。
【００２７】
また、第一の保護膜３１と第二の保護膜３２は、いずれも絶縁性を有し、禁制帯幅が大きいものを使用することが好ましい。そうすれば、活性層７において発生する光が第一の保護膜３１や第二の保護膜３２によって吸収されることを防止でき、光を効率的に出射させることができる。さらに、第一の保護膜３１と第二の保護膜３２は、活性層７において発生する光の透過率が高い性質によって形成することが好ましい。この場合も、光を効率的に出射させることができる。
【００２８】
さらに、第一の保護膜３１としては、第二の反射層１５の上面に対する接合性が第二の保護膜３２よりも高い性質を有する膜を用いることが望ましく、第二の保護膜３２としては、上部電極１７に対する接合性が第一の保護膜３１よりも高い性質を有する膜を用いることが望ましい。このような材質を組み合わせて使用することで、保護膜部３０と第二の反射層１５との間の接合力を確保しながらも、保護膜部３０と上部電極１７との間の接合力も高めることができる。つまり、第二の反射層１５の上面に対しては、第一の保護膜３１を強固に接合させることができ、第二の反射層１５と保護膜部３０との間で剥離が生じることを防止できる。一方、上部電極１７に対しては、第二の保護膜３２を強固に接合させることができる。例えば上部電極１７と第一の保護膜３１との間の接合力が低い場合でも、上部電極１７と第二の保護膜３２との間の接合力によって、上部電極１７と保護膜部３０との間の接合力を補強し、上部電極１７と保護膜部３０との間で剥離が生じることを防止できる。以上のように、保護膜部３０を第二の反射層１５にも上部電極１７にも強固に接合させることで、第二の反射層１５を確実に保護することができる。
【００２９】
なお、上記のような性質（耐湿性、絶縁性、透光性、接合性等）を満たす材質としては、例えばＳｉ系の材料を用いることができる。第一の保護膜３１は、例えば酸化珪素（ＳｉＯｘ、例えばＳｉＯ２等）によって形成しても良く、第二の保護膜３２は、例えば窒化珪素（ＳｉＮｙ、例えばＳｉＮ等）によって形成しても良い。
【００３０】
また、本実施形態のように、発光ダイオード１を共振型の発光素子とする場合、保護層部３０の上下方向（発光ダイオード１の中心軸方向）における厚さＴＡ（即ち、第一の保護膜３１の上下方向における厚さＴ１と、第二の保護膜３２の上下方向における厚さＴ２とを合計した寸法）は、（ｍ／４）×（λ／ｎＡ）（ｍ：正の奇数、λ：活性層７が発生させる光の波長、ｎＡ：第一の保護膜３１と第二の保護膜３２の平均屈折率）であることが望ましい。ここで、平均屈折率ｎＡは、第一の保護膜３１の屈折率をｎ３１、第二の保護膜３２の屈折率をｎ３２とした場合、ｎＡ＝（ｎ３１×Ｔ１＋ｎ３２×Ｔ２）／（Ｔ１＋Ｔ２）で決まる値である。このように保護膜部３０の厚さＴを調節することで、発光ダイオード１の発光出力をさらに向上させることができる。
【００３１】
次に、発光ダイオード１の製造方法の一例を説明する。先ず、図３に示すように、基板２上に、例えば化学気相成長法（ＣＶＤ法）や有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ法：Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）等を用いて、バッファ層３、第一の反射層５、第一のクラッド層６、活性層７、第二のクラッド層８、エッチングストップ層１２、電流狭窄層１３を、下方からこの順に形成（エピタキシャル成長）させる。
【００３２】
電流狭窄層１３を形成したら、図４に示すように、電流狭窄層１３のエッチングを行い、通過部用孔１３ａを形成する。このエッチングは、電流狭窄層１３の選択エッチングであり、エッチングストップ層１２に対しては行われない。即ち、エッチングの進行は、エッチングストップ層１２の上面によって停止させられ、通過部用孔１３ａの底部においては、エッチングストップ層１２の上面中央部が露出させられる。
【００３３】
こうして通過部用孔１３ａを形成したら、図５に示すように、電流狭窄層１３上に、第二の反射層１５を例えばＣＶＤ法あるいはＭＯＣＶＤ法を用いて形成する。このとき、通過部用孔１３ａ内（エッチングストップ層１２上）には、通過部１５ａが形成される。その後、第二の反射層１５上に、コンタクト層１６を例えばＣＶＤ法あるいはＭＯＣＶＤ法を用いて形成する。
【００３４】
次に、図６に示すように、コンタクト層１６上に、保護膜部３０を形成するために用いられる第一のマスク７１を、例えばフォトリソグラフィー法により形成する。第一のマスク７１（保護膜部３０を設ける部分）には、開口７１ａを形成する。さらに、開口７１ａの底部に露出させたコンタクト層１６の一部（保護膜部３０を設ける部分）をエッチングし、第二の反射層１５の上面中央部を露出させる。
【００３５】
次に、図７に示すように、エッチングによって形成されたコンタクト層１６の開口内（第二の反射層１５上）に、例えばスパッタリング法などを用いて、第一の保護膜３１を形成する。さらに、第一のマスク７１の開口７１ａ内（第一の保護膜３１上）に、例えばスパッタリング法などを用いて、第二の保護膜３２を形成する。
【００３６】
その後、第一のマスク７１を除去し、コンタクト層１６の上面、及び、保護膜部３０の側部（第一の保護膜３１の側面上縁部と第二の保護膜３２の側面）を露出させる。次に、図８に示すように、第二の保護膜３２の上面、即ち光出射部２５を形成する位置に、第二のマスク７２を形成する。
【００３７】
次に、図９に示すように、第二の保護膜３２上に第二のマスク７２を形成した状態のまま、例えばスパッタリング法などを用いて、上部電極１７を形成する。その後、第二のマスク７２のみを除去すると、光出射部２５が開口され、第二の保護膜３２の上面が露出される。また、基板２の下面には、下部電極３５を形成する。
【００３８】
以上のようにして、各層を総て形成した後、ダイシング等を行う。即ち、以上の工程においては、図１０に示すように、１枚の基板に対して複数のチップ（回路）が形成されるので、これら複数のチップを、例えば格子状の切断線に沿って（図１０においては点線）分割する。これにより、複数の図１に示すような発光ダイオード１が得られる。
【００３９】
かかる発光ダイオード１の構造によれば、保護膜部３０を二層構造とし、下層である第一の保護膜３１を第二の反射層１５に対する接合力が強い膜とし、上層である第二の保護膜３２を上部電極１７に対する接合力が強い膜とすることにより、保護膜部３０を第二の反射層１５と上部電極１７に対して強固に接合させ、第二の反射層１５を確実に保護できる。即ち、保護膜部３０と第二の反射層１５の間で剥離が生じること、保護膜部３０と上部電極１７の間で剥離が生じることを防止できる。つまり、外気が保護膜部３０と上部電極１７の間、保護膜部３０と第二の反射層１５の間に侵入することを防止できる。従って、第二の反射層１５が外気に晒されて変質すること（水分に接触して酸化すること）を防止できる。
【００４０】
例えば発光ダイオード１を高湿度環境において長時間使用する場合等であっても、第二の反射層１５を第一の保護膜３１と第二の保護膜３２によって確実に保護できる。これにより、第二の反射層１５の変質、劣化、発光ダイオード１の発光出力の低下等の不具合が生じることを防止できる。つまり、発光ダイオード１の発光出力の経時変化を防止して、信頼性の高い発光ダイオード１とすることができる。
【００４１】
また、第一の保護膜３１や第二の保護膜３２の材料として、禁制帯幅が大きいものを使用することで、活性層７において発生する光が第一の保護膜３１や第二の保護膜３２によって吸収されることを防止でき、光を効率的に出射させることができる。即ち、発光ダイオード１の発光出力を高めることができる。
【００４２】
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到しうることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【００４３】
例えば半導体発光素子を構成する各層の材質などは、以上の実施形態には限定されない。例えば保護膜部３０が接合される半導体層は、第二の反射層１５であるとしたが、かかるものには限定されない。コンタクト層１６は、必ずしも設けなくても良い。また、半導体発光素子は、電流狭搾層１３を有するものとしたが、かかるものには限定されない。即ち、電流狭窄構造は、電流狭窄層１３を挿入することで形成されるものには限定されず、例えばプロトンのイオン注入によって、高抵抗半導体領域を第一の反射層５、第一のクラッド層６、活性層７、第二のクラッド層８、第二の反射層１５等に設けることで形成されるものであっても良い。
【００４４】
また、半導体発光素子は、実施の形態に示したような共振器構造５２を有する垂直共振器型には限定されず、例えば面発光型の発光素子であっても良い。
【００４５】
通過部１５ａ、保護膜部３０、光出射部２５の形状は、略円形には限定されず、任意の形状であっても良い。半導体層接合面や電極接合面の形状も、以上の実施形態には限定されない。
【００４６】
さらに、以上の実施形態では、保護膜部３０は、半導体層接合面を有する第一の保護膜３１と電極接合面を有する第二の保護膜３２からなる二層構造をなすとしたが、かかる構成には限定されない。例えば第一の保護膜３１と第二の保護膜３２との間に、１又は２以上の中間層を設け、二層以上の複数層構造にしても良い。例えば第一の保護膜３１が酸化珪素からなり、第二の保護膜３２が窒化珪素からなる膜である場合、中間層は、例えば窒化酸化珪素（ＳｉＯＸＮ１−Ｘ）からなる層にしても良い。また、保護膜部３０は、明確に分割された複数層構造になっていなくても良い。例えば保護膜部３０をＳｉＯＸＮ１−Ｘ（Ｘ：Ｏの組成比）によって形成し、保護膜部３０の下面（半導体層接合面）においてはＸ＝１（ＳｉＯ）になるようにし、下方から上方に向かうに従い、Ｘが次第に減少し、保護膜部３０の上部（上部側面、上面周縁部などの電極接合面）において、Ｘ＝０（ＳｉＮ）になるように構成しても良い。要するに、保護膜部３０は、半導体層よりも高い耐湿性を有しているものであれば良く、さらに、少なくとも半導体層接合面は、半導体層に対する接合性が優れたもの（電極接合面よりも高いもの）になっていればよく、少なくとも電極接合面は、上部電極に対する接合性が優れたもの（半導体層接合面よりも高いもの）になっていれば良い。そうすれば、保護膜部３０を半導体層と上部電極に対して強固に接合させ、半導体層を確実に保護できる。
【実施例】
【００４７】
（実施例）
本発明者らは、本実施形態にかかる発光ダイオード１を試験体として作製し、その耐湿性試験を行った。なお、活性層７はＩｎＧａＰ層とし、発光波長λは６５０ｎｍとした。第二の反射層１５は、ＡｌＧａＡｓ層とした。また、第一の保護膜３１はＳｉＯ２層、第二の保護膜３２はＳｉＮ層とした。また、保護膜部３０全体の光学膜厚は、（３／４）・λ／ｎＡ（ｎＡ：第一の保護膜３１と第二の保護膜３２の平均屈折率）にした。
【００４８】
耐湿性試験においては、先ず、新品の発光ダイオード１に、室内環境（温度２５℃、相対湿度６０％）において２０ｍＡの電流を通電し、積分球を用いて、初期発光出力Ｐ０を測定した。
【００４９】
さらに、発光ダイオード１を高温かつ高湿環境下（８５℃、相対湿度８５％）において、１０ｍＡの電流を累積発光時間が１６８時間、５００時間、１０００時間（ｔ＝１６８、５００、１０００）となるようにそれぞれ通電した。
【００５０】
その後、発光ダイオード１に、室内環境（温度２５℃、相対湿度６０％）において２０ｍＡの電流を通電し、積分球を用いて、発光出力Ｐｔ（累積発光時間がｔ時間の状態で発光させたときの発光出力）を測定した。さらに、上記の各発光出力Ｐ０、Ｐｔより、Ｐｔ／Ｐ０（発光出力低下率）を求めた。その結果を図１１、図１２に示す。
【００５１】
図１１に示したように、発光ダイオード１の初期発光出力Ｐ０は、１．８ｍＷであった。ｔ＝１０００でのＰｔ／Ｐ０は１．００であり、殆ど低下していなかった。即ち、発光ダイオード１の構成によれば、高温、高湿の使用環境においても、発光出力の低下を好適に防止できることがわかった。
【００５２】
（比較試験１）
比較試験１の試験体（比較試験体Ｔ１、図１３参照）として、実施例の発光ダイオード１において、第一の保護膜３１及び第二の保護膜３２に換えて、ＳｉＮの単層を保護膜として設けたものを作製した。そして、上記の耐湿性試験と同様の条件で試験を行い、初期発光出力Ｐ０、Ｐｔ／Ｐ０を求めた。その結果、図１１及び図１２に示すように、Ｐ０の値は、発光ダイオード１と殆ど同じ１．８ｍＷであったが、Ｐｔ／Ｐ０の値は、累積発光時間が長くなるに従い低くなり、ｔ＝１０００では、０．８３まで低下した。即ち、発光出力の低下を防止する効果が、発光ダイオード１と比較して少ないことがわかった。
【００５３】
（比較試験２）
比較試験２の試験体（比較試験体Ｔ２、図１４参照）として、実施例の発光ダイオード１において、第一の保護膜３１及び第二の保護膜３２に換えて、ＳｉＯ２の単層を保護膜として設けたものを作製した。そして、上記の耐湿性試験と同様の条件で試験を行い、初期発光出力Ｐ０、Ｐｔ／Ｐ０を求めた。その結果、図１１及び図１２に示すように、Ｐ０の値は、発光ダイオード１と殆ど同じ１．８ｍＷであったが、Ｐｔ／Ｐ０の値は、比較試験体Ｔ１と同様に、累積発光時間が長くなるに従い低くなり、ｔ＝１０００では、０．８４まで低下した。即ち、発光出力の低下を防止する効果が、発光ダイオード１と比較して少ないことがわかった。
【００５４】
（比較試験３）
比較試験３の試験体（比較試験体Ｔ３、図１５参照）として、コンタクト層１６（ＧａＡｓ層）をエッチングせずに残し、コンタクト層１６の上方に光出射部２５を形成したものを作製した。光出射部２５の底部には保護膜を形成せず、コンタクト層１６の上面を露出させた状態とした。かかる試験体について、上記の耐湿性試験と同様の条件で試験を行い、初期発光出力Ｐ０、Ｐｔ／Ｐ０を求めた。その結果、Ｐｔ／Ｐ０の値は殆ど低下せず、ｔ＝１０００では、１．０２であった。しかし、初期発光出力Ｐ０（２０ｍＡ）は、発光ダイオード１より低く、１．０ｍＷであった。これは、光がコンタクト層１６を通過する際に、コンタクト層１６によって吸収される光エネルギーが多いためと考えられる。このことより、発光ダイオード１のほうが、発光を効率的に行えることがわかる。
【００５５】
以上の結果より、発光ダイオード１は、比較試験体Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３と比較して、発光効率の点でも、発光出力の低下を防止する効果の点でも、優れていることがわかった。
【００５６】
本発明は、例えば光通信に用いられる発光ダイオード等に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】本実施形態にかかる発光ダイオードの平面図である。
【図２】発光ダイオードの縦断面図である。
【図３】発光ダイオードの製造工程において、基板上に電流狭窄層までの層を積層させた状態を示した縦断面図である。
【図４】発光ダイオードの製造工程において、電流狭窄層に通過部用孔を形成した状態を示した縦断面図である。
【図５】発光ダイオードの製造工程において、第二の反射層とコンタクト層を形成した状態を示した縦断面図である。
【図６】発光ダイオードの製造工程において、第一のマスク層と開口を形成し、コンタクト層をエッチングした状態を示した縦断面図である。
【図７】発光ダイオードの製造工程において、第一の保護膜と第二の保護膜を形成した状態を示した縦断面図である。
【図８】発光ダイオードの製造工程において、第二のマスク層を形成した状態を示した縦断面図である。
【図９】発光ダイオードの製造工程において、上部電極を形成した状態を示した縦断面図である。
【図１０】発光ダイオードの製造工程において、各チップを分割する前の状態を示した平面図である。
【図１１】実施例にかかる耐湿性試験、比較試験１、比較試験２、比較試験３の試験結果を示した表である。
【図１２】実施例にかかる耐湿性試験、比較試験１、比較試験２、比較試験３の試験結果において、発光出力低下率の時間変化を示したグラフである。
【図１３】比較試験１において用いた比較試験体の上面側の構造を示した縦断面図である。
【図１４】比較試験２において用いた比較試験体の上面側の構造を示した縦断面図である。
【図１５】比較試験３において用いた比較試験体の上面側の構造を示した縦断面図である。
【符号の説明】
【００５８】
１ 発光ダイオード
２ 基板
３ バッファ層
５ 第一の反射層
６ 第一のクラッド層
７ 活性層
８ 第二のクラッド層
１２ エッチングストップ層
１３ 電流狭窄層
１３ａ 通過部用孔
１５ 第二の反射層
１５ａ 通過部
１６ コンタクト層
１７ 上部電極
２５ 光出射部
３０ 保護膜部
３１ 第一の保護膜
３１ａ 下面（半導体層接合面）
３２ 第二の保護膜
３２ａ 側面（電極接合面）
３２ｂ 上面周縁部（電極接合面）
３５ 下部電極
５２ 共振器構造
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば光通信の光源などに使用される半導体発光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
発光ダイオード（ＬＥＤ：Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）や半導体レーザー（レーザーダイオード）などの発光素子は、光通信などに使用されている。近年では、プラスチック光ファイバー（ＰＯＦ）用の光源として、半導体レーザーよりも安価である発光ダイオードが注目されている。しかしながら、より高い出力、高速応答性、高い信頼性を実現するためには、従来の一般的な発光ダイオードでは不十分であり、様々な改良が試みられている。例えば、発光ダイオードを構成する層が、使用環境の湿度などの影響を受けて変質すると、層の劣化、発光出力の低下等の問題が生じる。そのような不具合を防止するため、発光ダイオードの表面に、耐湿性が高い保護膜を設ける、または半導体層の最上層を耐湿性の高い層とする構造が提案されている（特許文献１、２参照）。
【０００３】
例えば面発光型発光ダイオードに関しては、発光ダイオードの上面（光の出射側）に、Ｓｉ（珪素、シリコン）系の保護膜（パシベーション層）、即ち、酸化珪素（ＳｉＯ２）からなる保護膜、窒化珪素（ＳｉＮｘ）からなる保護膜、又は、窒化酸化珪素（ＳｉＯｘＮ１−ｘ）からなる保護膜を設ける構成が提案されている（特許文献１参照）。
【０００４】
また、垂直共振器型発光ダイオード（ＲＣＬＥＤ：Ｒｅｓｏｎａｎｔ−Ｃａｖｉｔｙ Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）に関しては、ＩｎｘＧａ１−ｘＰからなる耐湿層を設ける構成が提案されている（特許文献２参照）。
【０００５】
【特許文献１】特開平９−２４６５９３号公報
【特許文献２】特開２００２−１１１０５４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、従来のＳｉ系の保護膜は、保護膜が接合される層（半導体層）、あるいは、発光ダイオードの上面側に設けられている電極（金属）との接合性（密着性）が不十分であった。例えば酸化珪素からなる保護膜は、半導体層との接合性は高いが、電極との接合性が低い問題があった。逆に、窒化珪素からなる保護膜は、電極との接合性は高いが、半導体層との接合性が低い問題があった。また、窒化酸化珪素を保護膜に用いた場合でも、半導体層や電極との十分な接合性は得られなかった。従って、いずれのＳｉ系の保護膜を用いた場合も、例えば発光ダイオードを長時間使用した際等には、保護膜と電極との間、または、保護膜と半導体層との間において、剥離が生じるおそれが高かった。即ち、剥離した箇所の隙間を通じて、外部の雰囲気（外気）が侵入し、半導体層の変質、劣化、発光出力の低下等の不具合が発生するおそれがあった。
【０００７】
また、ＩｎｘＧａ１−ｘＰからなる耐湿層を形成した場合、ＩｎｘＧａ１−ｘＰは禁制帯幅（バンドギャップ）が小さく、発光ダイオードの内部（活性層）において発生させられる光が短波長であると、光が耐湿層を透過して出射する際に、光エネルギーの一部が、耐湿層によって多く吸収され、出射光の光エネルギーが大幅に減少させられてしまう。即ち、発光出力が耐湿層によって低下させられる問題があった。
【０００８】
本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであり、長時間使用しても、使用環境の影響による劣化を防止でき、かつ、発光出力が高い半導体発光素子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】
【０００９】
上記課題を解決するため、本発明によれば、光を発生させる活性層と、前記活性層の上方に設けられた半導体層と、前記半導体層の上方に設けられた上部電極とを備える半導体発光素子であって、前記半導体層よりも高い耐湿性を有する保護膜部を備え、前記保護膜部は、前記半導体層に対して接合された半導体層接合面と、前記上部電極に対して接合された電極接合面とを備え、前記半導体層接合面は、前記半導体層に対する接合性が前記電極接合面よりも高い性質を有し、前記電極接合面は、前記上部電極に対する接合性が前記半導体層接合面よりも高い性質を有することを特徴とする、半導体発光素子が提供される。
【００１０】
前記半導体層接合面は、酸化珪素によって形成しても良い。前記電極接合面は、窒化珪素によって形成しても良い。
【００１１】
また、前記活性層の下方に、第一の反射層を備え、前記活性層の上方に、第二の反射層を備え、前記第一の反射層と前記第二の反射層とによって、光を共振させる共振器構造を構成しても良い。前記半導体層は、前記第二の反射層であっても良い。前記第二の反射層と前記上部電極との間には、コンタクト層を備えても良い。
【００１２】
さらに、前記上部電極に、光を出射させる光出射部を備え、前記上部電極の下方に、電流狭窄を行う電流狭窄層を備えても良い。前記光出射部は、前記電流狭窄層の開口部に対して重なる位置に設けても良い。
【００１３】
また、前記電極接合面は、前記保護膜部の側面及び上面に設けても良い。前記保護膜部は、前記半導体層接合面を有する第一の保護膜と、前記電極接合面を有する第二の保護膜とを備える構成としても良い。前記第一の保護膜の厚さと前記第二の保護膜の厚さとを合計した厚さは、（ｍ／４）×（λ／ｎＡ）（ｍ：正の奇数、λ：前記活性層が発生させる光の波長、ｎＡ：第一の保護膜と第二の保護膜の平均屈折率）としても良い。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、保護膜部と半導体層の接合性、保護膜部と上部電極の接合性を高めることができる。発光出力の経時変化を防止でき、信頼性の高い半導体発光素子とすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明にかかる実施形態を、図面を参照しながら説明する。図１は、本実施形態にかかる半導体発光素子の一例としての発光ダイオード１を示した平面図であり、図２は、発光ダイオード１の縦断面図である。かかる発光ダイオード１は、いわゆる垂直共振器型発光ダイオード（ＲＣＬＥＤ）の一種であり、光を共振させる垂直共振器（後述する共振器構造５２）と、活性層への電流密度を向上させる電流狭搾構造（後述する電流狭窄層１３）とを有するものである。なお、以下では説明の便宜のため、光が出射される側（後述する光出射部２５側）を上方とし、その反対側（後述する下部電極３５側）を下方として説明する。
【００１６】
図２に示すように、発光ダイオード１は、基板２の一面（上面）側に、バッファ層３、第一の反射層５、第一のクラッド層６、光を発生させる活性層７、第二のクラッド層８、エッチングストップ層１２、電流狭窄層１３、半導体層（保護膜接合層）としての第二の反射層１５、及び、コンタクト層１６と上部電極１７からなる電極層部１８が、所定方向（下方から上方に向かう方向）においてこの順に、また、互いに略平行に積層された構造を備えている。なお、電流狭窄層１３は、第二の反射層１５内に埋め込まれており、電流狭窄層１３に設けられている通過部用孔１３ａ（開口部）には、第二の反射層１５の一部である通過部１５ａが形成されている。また、上部電極１７には、光を発光ダイオード１の外部に出射させる光出射部２５（窓部）が設けられている。光出射部２５の下方には、第二の反射層１５の上面を保護する保護膜部３０が設けられている。この保護膜部３０は、二層構造になっており、下層である第一の保護膜３１と、上層である第二の保護膜３２とを備えている。一方、基板２の他面（図２においては下面）側には、下部電極３５が層状に設けられている。
【００１７】
基板２は、例えばｎ型ＧａＡｓ（ガリウム砒素）の基板である。バッファ層３は、例えばｎ型ＧａＡｓからなる層であり、第一の反射層５の結晶性を高めるために設けられている。
【００１８】
活性層７は、光を発生させる発光部として機能する層であり、例えば量子井戸（ＱＷ：Ｑｕａｎｔｕｍ Ｗｅｌｌ）構造からなる層としても良く、単一量子井戸構造や多重量子井戸構造とすることができる。また、活性層７とその上下に設けられている２つのクラッド層（即ち、活性層７の下方に備えられている第一のクラッド層６と、活性層７の上方に備えられている第二のクラッド層８）によって、ダブルへテロ接合構造５１が構成されている。なお、活性層７、第一のクラッド層６、第二のクラッド層８は、ＩＩＩ−Ｖ族半導体層とすることができ、例えばＡｌＸＧａＹＩｎ１−Ｘ−ＹＰ（Ｘ：Ａｌの組成、Ｙ：Ｇａの組成、０＜Ｘ＋Ｙ＜１）からなる層であっても良い。
【００１９】
また、活性層７の上下に設けられている２つの反射層（即ち、活性層７の下方に備えられている第一の反射層５と、活性層７の上方に備えられている第二の反射層１５）によって、活性層７で発生した光を上下方向に繰り返し反射させて共振させる共振器構造５２（垂直共振器構造）が構成されている。なお、第一の反射層５、第二の反射層１５としては、例えばＡｌＧａＡｓ系のブラッグ反射層を用いても良い。
【００２０】
コンタクト層１６は、第二の反射層１５の上面（保護膜部３０によって覆われている上面中央部を除いた部分）を覆うように設けられている。なお、コンタクト層１６を第二の反射層１５と上部電極１７との間に設けると、第二の反射層１５と上部電極１７との間に生じる接触抵抗を低減できる。そのようなコンタクト層１６の材質としては、例えばＧａＡｓ等の半導体を用いても良い。
【００２１】
上部電極１７は、コンタクト層１６の上面を覆うように形成されており、コンタクト層１６を介して、第二の反射層１５の上面に接合されている。また、上部電極１７は、保護膜部３０の側部（第一の保護膜３１の上部側面と第二の保護膜３２の側面全体）にも接合され、さらに、保護膜部３０の上面（第二の保護膜３２の上面）の一部にも接合されている。即ち、上部電極１７は、保護膜部３０の上面にオーバーラップさせたオーバーラップ部１７ａを備えている。このようなオーバーラップ部１７ａが設けられていると、オーバーラップ部１７ａを形成しない場合よりも、上部電極１７と保護膜部３０との接合面積を広くすることができ、上部電極１７と保護膜部３０をより強固に接合させることができる。図示の例では、オーバーラップ部１７ａは、保護膜部３０の上面周縁部全体に沿って、略円環状に形成されている。なお、上部電極１７の材質は、金属、例えばＡｕ（金）を含有する合金（例えばＡｕ、ＡｕＺｎ合金、ＡｕＢｅ合金等）などであっても良い。因みに、下部電極３５も、上部電極１７と同様に、例えばＡｕを含有する合金などからなる層であっても良い。
【００２２】
光出射部２５は、オーバーラップ部１７ａの内側かつ保護膜部３０の上方に形成されている略円形の開口部であり、図示の例では上部電極１７の中央部に開口されている。つまり、上方から見た平面視において（発光ダイオード１の中心軸方向からみて）、光出射部２５は、保護膜部３０及び通過部用孔１３ａ（通過部１５ａ）に対して重なる位置に設けられている。即ち、前述した上部電極１７と下部電極３５に電圧が与えられ、電流狭窄層１３によって電流が狭窄され、通過部１５ａの直下における活性層７の電流密度が高められ、活性層７で光が発光すると、発生した光は、共振器構造５２において共振した後、保護膜部３０を透過し、光出射部２５を通じて上方（発光ダイオード１の外部）に向かって出射させられるようになっている。
【００２３】
保護膜部３０は、光出射部２５の下方において、第二の反射層１５の上面中央部（電極層部１８によって覆われていない部分）を覆うように設けられている。即ち、第二の反射層１５の上面中央部に外気を接触させないように設けられており、第二の反射層１５が外気に接触して変質すること（大気中の水分に接触して酸化すること）を防止している。
【００２４】
また、保護膜部３０は、上下に積層された２つの層、即ち、第一の保護膜３１と、第一の保護膜３１よりも上方に設けられた第二の保護膜３２とを備えている。第一の保護膜３１は、図示の例では、上方から見た平面視において、略円形に形成されており、第二の反射層１５の上面、コンタクト層１６、上部電極１７、及び、第二の保護膜３２に対して接合されている。第二の保護膜３２は、第一の保護膜３１と同様に、上方から見て略円形に形成されており、第一の保護膜３１の上面、及び、上部電極１７に対して接合されている。
【００２５】
即ち、本実施形態において、第二の反射層１５に対して接合された半導体層接合面（反射層接合面）とは、第一の保護膜３１の下面３１ａのことである。上部電極１７に対して接合された電極接合面とは、第二の保護膜３２の側面３２ａ、及び、第二の保護膜３２の上面周縁部３２ｂ（オーバーラップ部１７ａに接合された面）のことである。換言すれば、半導体層接合面は、保護膜部３０の下面に設けられ、電極接合面は、保護膜部３０の側面及び上面に設けられている。
【００２６】
第一の保護膜３１と第二の保護膜３２は、いずれも耐湿性に優れた材質によって形成することが好ましく、特に、第二の反射層１５の上面よりも高い耐湿性を有する材質によって形成することが好ましい。そうすれば、第一の保護膜３１、第二の保護膜３２が外気中の水分によって変質することを防止でき、第二の反射層１５を長期間、確実に保護できる。
【００２７】
また、第一の保護膜３１と第二の保護膜３２は、いずれも絶縁性を有し、禁制帯幅が大きいものを使用することが好ましい。そうすれば、活性層７において発生する光が第一の保護膜３１や第二の保護膜３２によって吸収されることを防止でき、光を効率的に出射させることができる。さらに、第一の保護膜３１と第二の保護膜３２は、活性層７において発生する光の透過率が高い性質によって形成することが好ましい。この場合も、光を効率的に出射させることができる。
【００２８】
さらに、第一の保護膜３１としては、第二の反射層１５の上面に対する接合性が第二の保護膜３２よりも高い性質を有する膜を用いることが望ましく、第二の保護膜３２としては、上部電極１７に対する接合性が第一の保護膜３１よりも高い性質を有する膜を用いることが望ましい。このような材質を組み合わせて使用することで、保護膜部３０と第二の反射層１５との間の接合力を確保しながらも、保護膜部３０と上部電極１７との間の接合力も高めることができる。つまり、第二の反射層１５の上面に対しては、第一の保護膜３１を強固に接合させることができ、第二の反射層１５と保護膜部３０との間で剥離が生じることを防止できる。一方、上部電極１７に対しては、第二の保護膜３２を強固に接合させることができる。例えば上部電極１７と第一の保護膜３１との間の接合力が低い場合でも、上部電極１７と第二の保護膜３２との間の接合力によって、上部電極１７と保護膜部３０との間の接合力を補強し、上部電極１７と保護膜部３０との間で剥離が生じることを防止できる。以上のように、保護膜部３０を第二の反射層１５にも上部電極１７にも強固に接合させることで、第二の反射層１５を確実に保護することができる。
【００２９】
なお、上記のような性質（耐湿性、絶縁性、透光性、接合性等）を満たす材質としては、例えばＳｉ系の材料を用いることができる。第一の保護膜３１は、例えば酸化珪素（ＳｉＯｘ、例えばＳｉＯ２等）によって形成しても良く、第二の保護膜３２は、例えば窒化珪素（ＳｉＮｙ、例えばＳｉＮ等）によって形成しても良い。
【００３０】
また、本実施形態のように、発光ダイオード１を共振型の発光素子とする場合、保護層部３０の上下方向（発光ダイオード１の中心軸方向）における厚さＴＡ（即ち、第一の保護膜３１の上下方向における厚さＴ１と、第二の保護膜３２の上下方向における厚さＴ２とを合計した寸法）は、（ｍ／４）×（λ／ｎＡ）（ｍ：正の奇数、λ：活性層７が発生させる光の波長、ｎＡ：第一の保護膜３１と第二の保護膜３２の平均屈折率）であることが望ましい。ここで、平均屈折率ｎＡは、第一の保護膜３１の屈折率をｎ３１、第二の保護膜３２の屈折率をｎ３２とした場合、ｎＡ＝（ｎ３１×Ｔ１＋ｎ３２×Ｔ２）／（Ｔ１＋Ｔ２）で決まる値である。このように保護膜部３０の厚さＴを調節することで、発光ダイオード１の発光出力をさらに向上させることができる。
【００３１】
次に、発光ダイオード１の製造方法の一例を説明する。先ず、図３に示すように、基板２上に、例えば化学気相成長法（ＣＶＤ法）や有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ法：Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）等を用いて、バッファ層３、第一の反射層５、第一のクラッド層６、活性層７、第二のクラッド層８、エッチングストップ層１２、電流狭窄層１３を、下方からこの順に形成（エピタキシャル成長）させる。
【００３２】
電流狭窄層１３を形成したら、図４に示すように、電流狭窄層１３のエッチングを行い、通過部用孔１３ａを形成する。このエッチングは、電流狭窄層１３の選択エッチングであり、エッチングストップ層１２に対しては行われない。即ち、エッチングの進行は、エッチングストップ層１２の上面によって停止させられ、通過部用孔１３ａの底部においては、エッチングストップ層１２の上面中央部が露出させられる。
【００３３】
こうして通過部用孔１３ａを形成したら、図５に示すように、電流狭窄層１３上に、第二の反射層１５を例えばＣＶＤ法あるいはＭＯＣＶＤ法を用いて形成する。このとき、通過部用孔１３ａ内（エッチングストップ層１２上）には、通過部１５ａが形成される。その後、第二の反射層１５上に、コンタクト層１６を例えばＣＶＤ法あるいはＭＯＣＶＤ法を用いて形成する。
【００３４】
次に、図６に示すように、コンタクト層１６上に、保護膜部３０を形成するために用いられる第一のマスク７１を、例えばフォトリソグラフィー法により形成する。第一のマスク７１（保護膜部３０を設ける部分）には、開口７１ａを形成する。さらに、開口７１ａの底部に露出させたコンタクト層１６の一部（保護膜部３０を設ける部分）をエッチングし、第二の反射層１５の上面中央部を露出させる。
【００３５】
次に、図７に示すように、エッチングによって形成されたコンタクト層１６の開口内（第二の反射層１５上）に、例えばスパッタリング法などを用いて、第一の保護膜３１を形成する。さらに、第一のマスク７１の開口７１ａ内（第一の保護膜３１上）に、例えばスパッタリング法などを用いて、第二の保護膜３２を形成する。
【００３６】
その後、第一のマスク７１を除去し、コンタクト層１６の上面、及び、保護膜部３０の側部（第一の保護膜３１の側面上縁部と第二の保護膜３２の側面）を露出させる。次に、図８に示すように、第二の保護膜３２の上面、即ち光出射部２５を形成する位置に、第二のマスク７２を形成する。
【００３７】
次に、図９に示すように、第二の保護膜３２上に第二のマスク７２を形成した状態のまま、例えばスパッタリング法などを用いて、上部電極１７を形成する。その後、第二のマスク７２のみを除去すると、光出射部２５が開口され、第二の保護膜３２の上面が露出される。また、基板２の下面には、下部電極３５を形成する。
【００３８】
以上のようにして、各層を総て形成した後、ダイシング等を行う。即ち、以上の工程においては、図１０に示すように、１枚の基板に対して複数のチップ（回路）が形成されるので、これら複数のチップを、例えば格子状の切断線に沿って（図１０においては点線）分割する。これにより、複数の図１に示すような発光ダイオード１が得られる。
【００３９】
かかる発光ダイオード１の構造によれば、保護膜部３０を二層構造とし、下層である第一の保護膜３１を第二の反射層１５に対する接合力が強い膜とし、上層である第二の保護膜３２を上部電極１７に対する接合力が強い膜とすることにより、保護膜部３０を第二の反射層１５と上部電極１７に対して強固に接合させ、第二の反射層１５を確実に保護できる。即ち、保護膜部３０と第二の反射層１５の間で剥離が生じること、保護膜部３０と上部電極１７の間で剥離が生じることを防止できる。つまり、外気が保護膜部３０と上部電極１７の間、保護膜部３０と第二の反射層１５の間に侵入することを防止できる。従って、第二の反射層１５が外気に晒されて変質すること（水分に接触して酸化すること）を防止できる。
【００４０】
例えば発光ダイオード１を高湿度環境において長時間使用する場合等であっても、第二の反射層１５を第一の保護膜３１と第二の保護膜３２によって確実に保護できる。これにより、第二の反射層１５の変質、劣化、発光ダイオード１の発光出力の低下等の不具合が生じることを防止できる。つまり、発光ダイオード１の発光出力の経時変化を防止して、信頼性の高い発光ダイオード１とすることができる。
【００４１】
また、第一の保護膜３１や第二の保護膜３２の材料として、禁制帯幅が大きいものを使用することで、活性層７において発生する光が第一の保護膜３１や第二の保護膜３２によって吸収されることを防止でき、光を効率的に出射させることができる。即ち、発光ダイオード１の発光出力を高めることができる。
【００４２】
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到しうることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【００４３】
例えば半導体発光素子を構成する各層の材質などは、以上の実施形態には限定されない。例えば保護膜部３０が接合される半導体層は、第二の反射層１５であるとしたが、かかるものには限定されない。コンタクト層１６は、必ずしも設けなくても良い。また、半導体発光素子は、電流狭搾層１３を有するものとしたが、かかるものには限定されない。即ち、電流狭窄構造は、電流狭窄層１３を挿入することで形成されるものには限定されず、例えばプロトンのイオン注入によって、高抵抗半導体領域を第一の反射層５、第一のクラッド層６、活性層７、第二のクラッド層８、第二の反射層１５等に設けることで形成されるものであっても良い。
【００４４】
また、半導体発光素子は、実施の形態に示したような共振器構造５２を有する垂直共振器型には限定されず、例えば面発光型の発光素子であっても良い。
【００４５】
通過部１５ａ、保護膜部３０、光出射部２５の形状は、略円形には限定されず、任意の形状であっても良い。半導体層接合面や電極接合面の形状も、以上の実施形態には限定されない。
【００４６】
さらに、以上の実施形態では、保護膜部３０は、半導体層接合面を有する第一の保護膜３１と電極接合面を有する第二の保護膜３２からなる二層構造をなすとしたが、かかる構成には限定されない。例えば第一の保護膜３１と第二の保護膜３２との間に、１又は２以上の中間層を設け、二層以上の複数層構造にしても良い。例えば第一の保護膜３１が酸化珪素からなり、第二の保護膜３２が窒化珪素からなる膜である場合、中間層は、例えば窒化酸化珪素（ＳｉＯＸＮ１−Ｘ）からなる層にしても良い。また、保護膜部３０は、明確に分割された複数層構造になっていなくても良い。例えば保護膜部３０をＳｉＯＸＮ１−Ｘ（Ｘ：Ｏの組成比）によって形成し、保護膜部３０の下面（半導体層接合面）においてはＸ＝１（ＳｉＯ）になるようにし、下方から上方に向かうに従い、Ｘが次第に減少し、保護膜部３０の上部（上部側面、上面周縁部などの電極接合面）において、Ｘ＝０（ＳｉＮ）になるように構成しても良い。要するに、保護膜部３０は、半導体層よりも高い耐湿性を有しているものであれば良く、さらに、少なくとも半導体層接合面は、半導体層に対する接合性が優れたもの（電極接合面よりも高いもの）になっていればよく、少なくとも電極接合面は、上部電極に対する接合性が優れたもの（半導体層接合面よりも高いもの）になっていれば良い。そうすれば、保護膜部３０を半導体層と上部電極に対して強固に接合させ、半導体層を確実に保護できる。
【実施例】
【００４７】
（実施例）
本発明者らは、本実施形態にかかる発光ダイオード１を試験体として作製し、その耐湿性試験を行った。なお、活性層７はＩｎＧａＰ層とし、発光波長λは６５０ｎｍとした。第二の反射層１５は、ＡｌＧａＡｓ層とした。また、第一の保護膜３１はＳｉＯ２層、第二の保護膜３２はＳｉＮ層とした。また、保護膜部３０全体の光学膜厚は、（３／４）・λ／ｎＡ（ｎＡ：第一の保護膜３１と第二の保護膜３２の平均屈折率）にした。
【００４８】
耐湿性試験においては、先ず、新品の発光ダイオード１に、室内環境（温度２５℃、相対湿度６０％）において２０ｍＡの電流を通電し、積分球を用いて、初期発光出力Ｐ０を測定した。
【００４９】
さらに、発光ダイオード１を高温かつ高湿環境下（８５℃、相対湿度８５％）において、１０ｍＡの電流を累積発光時間が１６８時間、５００時間、１０００時間（ｔ＝１６８、５００、１０００）となるようにそれぞれ通電した。
【００５０】
その後、発光ダイオード１に、室内環境（温度２５℃、相対湿度６０％）において２０ｍＡの電流を通電し、積分球を用いて、発光出力Ｐｔ（累積発光時間がｔ時間の状態で発光させたときの発光出力）を測定した。さらに、上記の各発光出力Ｐ０、Ｐｔより、Ｐｔ／Ｐ０（発光出力低下率）を求めた。その結果を図１１、図１２に示す。
【００５１】
図１１に示したように、発光ダイオード１の初期発光出力Ｐ０は、１．８ｍＷであった。ｔ＝１０００でのＰｔ／Ｐ０は１．００であり、殆ど低下していなかった。即ち、発光ダイオード１の構成によれば、高温、高湿の使用環境においても、発光出力の低下を好適に防止できることがわかった。
【００５２】
（比較試験１）
比較試験１の試験体（比較試験体Ｔ１、図１３参照）として、実施例の発光ダイオード１において、第一の保護膜３１及び第二の保護膜３２に換えて、ＳｉＮの単層を保護膜として設けたものを作製した。そして、上記の耐湿性試験と同様の条件で試験を行い、初期発光出力Ｐ０、Ｐｔ／Ｐ０を求めた。その結果、図１１及び図１２に示すように、Ｐ０の値は、発光ダイオード１と殆ど同じ１．８ｍＷであったが、Ｐｔ／Ｐ０の値は、累積発光時間が長くなるに従い低くなり、ｔ＝１０００では、０．８３まで低下した。即ち、発光出力の低下を防止する効果が、発光ダイオード１と比較して少ないことがわかった。
【００５３】
（比較試験２）
比較試験２の試験体（比較試験体Ｔ２、図１４参照）として、実施例の発光ダイオード１において、第一の保護膜３１及び第二の保護膜３２に換えて、ＳｉＯ２の単層を保護膜として設けたものを作製した。そして、上記の耐湿性試験と同様の条件で試験を行い、初期発光出力Ｐ０、Ｐｔ／Ｐ０を求めた。その結果、図１１及び図１２に示すように、Ｐ０の値は、発光ダイオード１と殆ど同じ１．８ｍＷであったが、Ｐｔ／Ｐ０の値は、比較試験体Ｔ１と同様に、累積発光時間が長くなるに従い低くなり、ｔ＝１０００では、０．８４まで低下した。即ち、発光出力の低下を防止する効果が、発光ダイオード１と比較して少ないことがわかった。
【００５４】
（比較試験３）
比較試験３の試験体（比較試験体Ｔ３、図１５参照）として、コンタクト層１６（ＧａＡｓ層）をエッチングせずに残し、コンタクト層１６の上方に光出射部２５を形成したものを作製した。光出射部２５の底部には保護膜を形成せず、コンタクト層１６の上面を露出させた状態とした。かかる試験体について、上記の耐湿性試験と同様の条件で試験を行い、初期発光出力Ｐ０、Ｐｔ／Ｐ０を求めた。その結果、Ｐｔ／Ｐ０の値は殆ど低下せず、ｔ＝１０００では、１．０２であった。しかし、初期発光出力Ｐ０（２０ｍＡ）は、発光ダイオード１より低く、１．０ｍＷであった。これは、光がコンタクト層１６を通過する際に、コンタクト層１６によって吸収される光エネルギーが多いためと考えられる。このことより、発光ダイオード１のほうが、発光を効率的に行えることがわかる。
【００５５】
以上の結果より、発光ダイオード１は、比較試験体Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３と比較して、発光効率の点でも、発光出力の低下を防止する効果の点でも、優れていることがわかった。
【００５６】
本発明は、例えば光通信に用いられる発光ダイオード等に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】本実施形態にかかる発光ダイオードの平面図である。
【図２】発光ダイオードの縦断面図である。
【図３】発光ダイオードの製造工程において、基板上に電流狭窄層までの層を積層させた状態を示した縦断面図である。
【図４】発光ダイオードの製造工程において、電流狭窄層に通過部用孔を形成した状態を示した縦断面図である。
【図５】発光ダイオードの製造工程において、第二の反射層とコンタクト層を形成した状態を示した縦断面図である。
【図６】発光ダイオードの製造工程において、第一のマスク層と開口を形成し、コンタクト層をエッチングした状態を示した縦断面図である。
【図７】発光ダイオードの製造工程において、第一の保護膜と第二の保護膜を形成した状態を示した縦断面図である。
【図８】発光ダイオードの製造工程において、第二のマスク層を形成した状態を示した縦断面図である。
【図９】発光ダイオードの製造工程において、上部電極を形成した状態を示した縦断面図である。
【図１０】発光ダイオードの製造工程において、各チップを分割する前の状態を示した平面図である。
【図１１】実施例にかかる耐湿性試験、比較試験１、比較試験２、比較試験３の試験結果を示した表である。
【図１２】実施例にかかる耐湿性試験、比較試験１、比較試験２、比較試験３の試験結果において、発光出力低下率の時間変化を示したグラフである。
【図１３】比較試験１において用いた比較試験体の上面側の構造を示した縦断面図である。
【図１４】比較試験２において用いた比較試験体の上面側の構造を示した縦断面図である。
【図１５】比較試験３において用いた比較試験体の上面側の構造を示した縦断面図である。
【符号の説明】
【００５８】
１ 発光ダイオード
２ 基板
３ バッファ層
５ 第一の反射層
６ 第一のクラッド層
７ 活性層
８ 第二のクラッド層
１２ エッチングストップ層
１３ 電流狭窄層
１３ａ 通過部用孔
１５ 第二の反射層
１５ａ 通過部
１６ コンタクト層
１７ 上部電極
２５ 光出射部
３０ 保護膜部
３１ 第一の保護膜
３１ａ 下面（半導体層接合面）
３２ 第二の保護膜
３２ａ 側面（電極接合面）
３２ｂ 上面周縁部（電極接合面）
３５ 下部電極
５２ 共振器構造
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光を発生させる活性層と、前記活性層の上方に設けられた半導体層と、前記半導体層の上方に設けられた上部電極とを備える半導体発光素子であって、
前記半導体層よりも高い耐湿性を有する保護膜部を備え、
前記保護膜部は、前記半導体層に対して接合された半導体層接合面と、前記上部電極に対して接合された電極接合面とを備え、
前記半導体層接合面は、前記半導体層に対する接合性が前記電極接合面よりも高い性質を有し、
前記電極接合面は、前記上部電極に対する接合性が前記半導体層接合面よりも高い性質を有することを特徴とする、半導体発光素子。
【請求項２】
前記半導体層接合面は、酸化珪素によって形成されてい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】
前記電極接合面は、窒化珪素によって形成されていることを特徴とする、請求項１又は２に記載の半導体発光素子。
【請求項４】
前記活性層の下方に、第一の反射層を備え、
前記活性層の上方に、第二の反射層を備え、
前記第一の反射層と前記第二の反射層とによって、光を共振させる共振器構造が構成され、
前記半導体層は、前記第二の反射層であることを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の半導体発光素子。
【請求項５】
前記第二の反射層と前記上部電極との間に、コンタクト層を備え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】
前記上部電極に、光を出射させる光出射部を備え、
前記上部電極の下方に、電流狭窄を行う電流狭窄層を備え、
前記光出射部は、前記電流狭窄層の開口部に対して重なる位置に設けられていることを特徴とする、請求項１〜５のいずれかに記載の半導体発光素子。
【請求項７】
前記電極接合面は、前記保護膜部の側面及び上面に設けられていることを特徴とする、請求項１〜６のいずれかに記載の半導体発光素子。
【請求項８】
前記保護膜部は、前記半導体層接合面を有する第一の保護膜と、前記電極接合面を有する第二の保護膜とを備えることを特徴とする、請求項１〜７のいずれかに記載の半導体発光素子。
【請求項９】
前記保護膜部の厚さは、（ｍ／４）×（λ／ｎＡ）（ｍ：正の奇数、λ：前記活性層が発生させる光の波長、ｎＡ：前記第一の保護膜と前記第二の保護膜の平均屈折率）であることを特徴とする、請求項８に記載の半導体発光素子。
【請求項１】
光を発生させる活性層と、前記活性層の上方に設けられた半導体層と、前記半導体層の上方に設けられた上部電極とを備える半導体発光素子であって、
前記半導体層よりも高い耐湿性を有する保護膜部を備え、
前記保護膜部は、前記半導体層に対して接合された半導体層接合面と、前記上部電極に対して接合された電極接合面とを備え、
前記半導体層接合面は、前記半導体層に対する接合性が前記電極接合面よりも高い性質を有し、
前記電極接合面は、前記上部電極に対する接合性が前記半導体層接合面よりも高い性質を有することを特徴とする、半導体発光素子。
【請求項２】
前記半導体層接合面は、酸化珪素によって形成されてい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】
前記電極接合面は、窒化珪素によって形成されていることを特徴とする、請求項１又は２に記載の半導体発光素子。
【請求項４】
前記活性層の下方に、第一の反射層を備え、
前記活性層の上方に、第二の反射層を備え、
前記第一の反射層と前記第二の反射層とによって、光を共振させる共振器構造が構成され、
前記半導体層は、前記第二の反射層であることを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の半導体発光素子。
【請求項５】
前記第二の反射層と前記上部電極との間に、コンタクト層を備え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】
前記上部電極に、光を出射させる光出射部を備え、
前記上部電極の下方に、電流狭窄を行う電流狭窄層を備え、
前記光出射部は、前記電流狭窄層の開口部に対して重なる位置に設けられていることを特徴とする、請求項１〜５のいずれかに記載の半導体発光素子。
【請求項７】
前記電極接合面は、前記保護膜部の側面及び上面に設けられていることを特徴とする、請求項１〜６のいずれかに記載の半導体発光素子。
【請求項８】
前記保護膜部は、前記半導体層接合面を有する第一の保護膜と、前記電極接合面を有する第二の保護膜とを備えることを特徴とする、請求項１〜７のいずれかに記載の半導体発光素子。
【請求項９】
前記保護膜部の厚さは、（ｍ／４）×（λ／ｎＡ）（ｍ：正の奇数、λ：前記活性層が発生させる光の波長、ｎＡ：前記第一の保護膜と前記第二の保護膜の平均屈折率）であることを特徴とする、請求項８に記載の半導体発光素子。
【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１５】
【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１５】
【公開番号】特開２００９−２１３２３（Ｐ２００９−２１３２３Ａ）
【公開日】平成２１年１月２９日（２００９．１．２９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−１８１８４４（Ｐ２００７−１８１８４４）
【出願日】平成１９年７月１１日（２００７．７．１１）
【出願人】（５０６３３４１８２）ＤＯＷＡエレクトロニクス株式会社 (336)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年１月２９日（２００９．１．２９）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年７月１１日（２００７．７．１１）
【出願人】（５０６３３４１８２）ＤＯＷＡエレクトロニクス株式会社 (336)
【Ｆターム（参考）】
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