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発明の名称 半導体発光素子
発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 公開特許公報(A)
公開番号 特開2007−12688(P2007−12688A)
公開日 平成19年1月18日(2007.1.18)
出願番号 特願2005−188392(P2005−188392)
出願日 平成17年6月28日(2005.6.28)
代理人 【識別番号】100108062
【弁理士】
【氏名又は名称】日向寺 雅彦
発明者 岩本 昌伸 / 石田 美和 / 小松原 正
要約 課題
シリコン受光素子の受光感度に広く対応できる発光波長を有する半導体発光素子を提供する。

解決手段
化合物半導体基板と、前記化合物半導体基板上に形成され、障壁層及び歪量子井戸層を含んだ活性層と、前記活性層と前記化合物半導体基板の間に設けられた第1クラッド層と、前記活性層の上部に設けられた第2クラッド層と、前記第2クラッド層上に設けられた電流拡散層と、を備え、前記活性層からの放射光の波長は、前記化合物半導体基板及び前記電流拡散層のバンドギャップ波長より長いことを特徴とした半導体発光素子が提供される。
特許請求の範囲
【請求項1】
化合物半導体基板と、
前記化合物半導体基板の上に設けられた第1クラッド層と、
前記第1クラッド層の上に設けられ、障壁層と歪量子井戸層とを含む活性層と、
前記活性層の上に設けられた第2クラッド層と、
前記第2クラッド層の上に設けられた電流拡散層と、
を備え、
前記活性層からの放射光の波長は、前記化合物半導体基板及び前記電流拡散層のバンドギャップ波長より長いことを特徴とする半導体発光素子。
【請求項2】
前記電流拡散層のバンドギャップ波長は、前記第2クラッド層のバンドギャップ波長よりも短く、
前記第2クラッド層のバンドギャップ波長は、前記障壁層のバンドギャップ波長よりも短く、
前記障壁層のバンドギャップ波長は、前記活性層からの放射光の波長よりも短いことを特徴とする請求項1記載の半導体発光素子。
【請求項3】
前記歪量子井戸層は、In1−tGaAs(0.9≧t>0)からなり、
前記第1クラッド層は、AlGa1−xAs(0≦x≦1)からなり、
前記障壁層は、AlGa1−yAs(0≦y≦1)からなり、
前記第2クラッド層は、AlGa1−zAs(0≦z≦1)からなり、
前記電流拡散層は、AlGa1−wAs(0≦w≦1)からなり、
前記y,z,wは、y≦z≦w なる条件を満たす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】
前記歪量子井戸層は、In1−tGaAs(0.9≧t>0)からなり、
前記障壁層は、AlGa1−xAs(0≦x≦1)からなり、
前記第1及び第2クラッド層の少なくともいずれかは、InGaAl1−m−nP(0≦m≦1,0≦n≦1,m+n≦1)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5】
前記歪量子井戸層は、In1−tGaAs(0.9≧t>0)からなり、
前記障壁層はInGanAl1−m−nP(0≦m≦0.5,0≦n≦1,m+n≦1)からなり、
前記第1及び第2クラッド層の少なくともいずれかは、AlGa1−xAs(0≦x≦1)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。

発明の詳細な説明
【技術分野】
【0001】
本発明は、半導体発光素子に関し、特に歪量子井戸構造を有する半導体発光素子に関する。
【背景技術】
【0002】
家電機器、オフィスオートメーション(OA)用機器、産業用機器などにおいて、電源系が直接結合されていると、動作上および安全上の問題を生じたり、信号ラインからの同相ノイズの影響を受ける。回路間の一部を電気的に絶縁した状態で電気信号を伝達することにより上記問題が解決できる。この場合、発光素子と受光素子とを光学的に結合して一つのパッケージに組み込んだ複合素子は、一般にフォトカプラと呼ばれ広く用いられている。
【0003】
フォトカプラの小型軽量化、高性能化のために、受光素子と信号処理回路はシリコン基板上に集積化されているのが一般的である。受光素子であるシリコンフォトダイオードは、800〜1000ナノメータの間に高い受光感度を有する。このために、半導体発光素子の発光波長もこの範囲を含む波長帯であることが望ましい。
【0004】
しかしながら、GaAs基板上に形成される短波長半導体発光素子の波長は、通常550から870ナノメータの範囲であることが多く、波長が870ナノメータを超える波長帯における半導体発光素子(LED:Light Emitting Diode)の信頼性および特性は不十分であった。この理由は、870ナノメータより長いバンドギャップ波長を有する結晶層は、GaAs基板との間で格子不整合が大きいことにある。

【0005】
GaAs仮基板上に、歪補償量子井戸構造を有する半導体発光素子を形成した技術開示例があるが(特許文献1)、上記フォトカプラの特性改善を解決するには不十分であった。
【特許文献1】特開2004−146498号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
本発明は、活性層からの発光が基板において吸収されることなく、高い効率で外部に取り出すことができる半導体発光素子を提供する。
【課題を解決するための手段】
【0007】
本発明の一態様によれば、
化合物半導体基板と、
前記化合物半導体基板の上に設けられた第1クラッド層と、
前記第1クラッド層の上に設けられ、障壁層と歪量子井戸層とを含む活性層と、
前記活性層の上に設けられた第2クラッド層と、
前記第2クラッド層の上に設けられた電流拡散層と、
を備え、
前記活性層からの放射光の波長は、前記化合物半導体基板及び前記電流拡散層のバンドギャップ波長より長いことを特徴とする半導体発光素子が提供される。
【発明の効果】
【0008】
本発明により、活性層からの発光が基板において吸収されることなく、高い効率で外部に取り出すことができる半導体発光素子が提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【0009】
以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態につき説明する。
図1は、本発明の具体例にかかる半導体発光素子の模式断面図である。
GaAs基板10の上に、GaAsバッファ層12、第1クラッド層14、量子井戸活性層16、第2クラッド層18、電流拡散層20、およびコンタクト層22が、設けられている。ここで、GaAsバッファ層12は、GaAs基板10と、第1クラッド層14およびその上部に成長される層との間に結晶性の改善を目的として設けられている。
【0010】
量子井戸活性層16を両側から挟んでいる第1クラッド層14及び第2クラッド層18は、適正にキャリアを閉じ込める作用を有する。電流拡散層20は、電流を水平面内において均一に拡散させて、量子井戸活性層16のより広い面積にわたって電流注入を可能とするために設けられる。電流拡散層20と上部電極24との間には、接触抵抗を低減するためにコンタクト層22が設けられる。GaAs基板の裏面には、下部電極28が形成されている。
【0011】
量子井戸活性層16からは、そのバンドギャップEg1に相当するバンドギャップ波長λ(μm)=1.24/Eg1(eV)を有する光が放射される。
本具体例においては、活性層からの放射光波長が、少なくともGaAs基板10及び電流拡散層20におけるバンドギャップ波長よりも長いことを特徴とする。これに関しては、後に詳述する。なお、コンタクト層22の表面を原点として、深さ方向への距離をX軸で表す。これは、図2以降のバンド図におけるX軸に対応する。
【0012】
図2は、第1の具体例にかかる半導体発光素子のバンド構造を表す模式図である。
第1の具体例においては、GaAs基板10、GaAsバッファ層12、第1クラッド層の導電型をn型とする。また、第2クラッド層18、電流拡散層20、コンタクト層22は、p型とされる。ただし、本発明はこれには限定されず、各要素の導電型はこの逆であってもよい。なお、図2の破線は擬フェルミ準位を表す。
【0013】
第1クラッド層14は、n型AlGa1−xAs(0<x≦1)からなり、第2クラッド層18は、p型AlGa1−yAs(0<y≦1)からなる。また電流拡散層20は、p型AlGa1−zAs(0<z≦1)からなり、コンタクト層22は、p型GaAsからなる。
【0014】
図3は、量子井戸活性層16のバンド構造を表す模式図である。
量子井戸活性層16は、井戸層26及び障壁層25から構成されている。量子井戸活性層16における井戸数は1〜3個が望ましく、図3においては井戸数が2の場合を例示した。井戸層26の厚みL1は,10ナノメータ以下とすることが望ましい。また、障壁層25の厚みL2、L3、L4は,20ナノメータ以下であり、キャリアの波動関数の侵入深さである数ナノメータ以上であることが望ましい。
【0015】
井戸層26はIn1−tGaAs(0.9≧t)から構成され、ガリウム組成比tは、0.5≦t≦0.9がより好ましい。また、障壁層25は、AlGa1−sAs(0<s≦1)で構成されることが好ましい。井戸層の厚みL1及びインジウム組成比(1−t)は、量子井戸活性層16のバンドギャップEg1が、GaAs基板10のバンドギャップEg0より狭くなるように量子効果も考慮して決定する。
【0016】
一般に、A1−xCなる化合物半導体のバンドギャップは、E=a+bx+cxなる近似式で表される。ここで、a、b、cは材料で定まる定数である。In1−tGaAsの場合は、例えば、E=0.36+1.064tと表される。いま、t=0.7とすると、Eg1は約1.10eVとなり、Eg1<Eg0=1.424(eV)を満たす。実際の設計においては、量子効果を考慮した補正を行うことが望ましい。このようにして、GaAsのバンド端波長である870ナノメータ以上の発光波長に対応して、InGaAs層の組成を決定できる。
【0017】
InGaAsからなる井戸層26は、GaAsに対して圧縮(プラス)の歪を有する。この結果、20ナノメータ以下の幅の薄い井戸層26及び薄い障壁層25の積層である量子井戸構造においては、GaAsとの格子不整合の影響が低減でき、半導体発光素子が可能な結晶性を確保できる。
【0018】
また、量子井戸活性層26におけるバンドギャップEg1を、GaAs基板10におけるバンドギャップEg0より狭く、すなわちEg0>Eg1とすることにより、光はGaAs基板10内における光吸収を低減できる。すなわち、量子井戸活性層16内における電子はホールと再結合し(R)、バンドギャップEg1に対応したバンドギャップ波長λg1で発光する。
【0019】
また、電流拡散層20におけるバンドギャップEgs>Eg1、すなわち電流拡散層20におけるバンドギャップ波長λgを、量子井戸活性層16からの放射光以下とすることにより、電流拡散層20における光吸収を低減できる。
【0020】
さらに、電流拡散層20のバンドギャップEgsを第2クラッド層のバンドギャップEgc以上とし、第2クラッド層18のバンドギャップEgcを障壁層25のバンドギャップEgb以上とするのがより望ましい。この理由は、光の屈折率がバンドギャップと逆相関にあることによる。すなわち、障壁層25、第2クラッド層18、電流拡散層20、という順序で屈折率nrを次第に小さくしていくと、光の閉じ込めを抑制して、光を外部に効率よく取り出せる。なお、バンドギャップ波長λgで表現すると、大きさの順序は逆になる。
【0021】
これを、結晶組成で表現すると、AlGa1−zAsからなる電流拡散層20におけるアルミニウム組成比zと、AlGa1−yAsからなる第2クラッド層18におけるアルミニウム組成比yと、AlGa1−sAsからなる障壁層25におけるアルミニウム組成比sとの間に、z≧y≧sなる関係が成立するということになる。
アルミニウム組成比がzである場合、バンドギャップは、E=1.424+1.247z(0≦z≦0.45)と表すことができ、屈折率は、nr=(13.1−3z)1/2と近似することができる。言い方を変えると、各層のバンドギャップE(すなわち、バンドギャップ波長λg)及び屈折率nrが、上記大小関係を満足するように、各層のアルミニウム組成比z、y、sが決定できるということである。
【0022】
以上のような量子井戸構造を、液相エピタキシャル成長(LPE:Liquid Phase Epitaxial Growth)法で形成することは、極めて困難である。すなわち液相エピタキシャル成長法は、材料の融点を利用した固相−液相反応からなる成長方法であるために、成長界面を均一な温度分布に保つことが難しく、特に接合形成におけるバラツキが大きく特性が安定しにくい。

【0023】
一方、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)などの有機金属ガスを熱分解することにより結晶膜を成長するMOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法においては、ガス流量、成長温度の制御性にすぐれている。この結果、ウェーハ内及びウェーハ間において、膜厚、結晶組成、キャリア濃度が精度よく、均一に保たれた半導体発光素子が実現できる。

【0024】
次に、比較例につき説明する。
図4は、比較例にかかる半導体発光素子の模式断面図である。
n型GaAs基板10の上に、n型AlGaAsからなる第1クラッド層14、GaAs活性層17、p型AlGaAsからなる第2クラッド層18、p型電流拡散層20、p型コンタクト層22が、液相エピタキシャル成長法により形成されている。p型コンタクト層22の上には上部電極24が、n型GaAs基板10の裏面には下部電極28が形成されている。
【0025】
図5は、本比較例にかかる半導体発光素子のバンド図である。
GaAs活性層17からのλ=870nmに相当した発光が、n型GaAs基板10に入射する。バンドギャップは共にEg0=1.424eVであるために、n型GaAs基板10中において光吸収が生じて、発光効率が低下する。通常n型GaAs基板10の厚みは、60〜200マイクロメータあるので、光がこの厚いGaAs基板10中で吸収され、光取り出し効率が低下する。
【0026】
また、GaAs活性層17は歪量子井戸ではなくバルクGaAs層なので、格子不整合のためにシリコン受光素子の感度が良好な範囲である800〜1000ナノメータには対応できない。
【0027】
なお、半導体レーザ素子においても、基板における光吸収が少ないほうが好ましい。しかし、半導体レーザ素子においては、光共振器の光軸に対する直交する平面内において、光は垂直及び水平方向に閉じ込められる。この結果、光の基板内における吸収は少ないので、基板における光吸収を設計上において考慮する必要性は少なかった。
【0028】
一方、半導体発光素子(LED)においては、光は活性層から、ほぼ四方に放射される。当然、活性層の下方である基板へ向かっても放射される。半導体発光素子(LED)において、光取り出し効率を改善するには、この基板における光吸収の低減が特に重要である。このために、GaAs基板を仮の基板として、最終的にGaAs基板を除去したり、透明なガリウム燐基板と接着するなどの方法もあるが、製造プロセスが複雑となる欠点を有している。
【0029】
第1の具体例においては、GaAs基板10との格子不整合を、歪量子井戸構造を用いることに改善することにより、シリコン受光素子の高感度範囲である800〜1000ナノメータのバンドギャップ波長λgを実現できる。同時に、このバンドギャップ波長λgを、GaAsのバンドギャップ波長である870ナノメータより大とすることにより、GaAs基板10における光吸収を低減できる。
【0030】
以上説明したように、シリコン受光素子の高感度範囲にバンドギャップ波長を有し、GaAs基板における光吸収を低減することにより光取り出し効率が改善された半導体発光素子と、信号処理回路とシリコン受光素子との集積回路とを組み合わせることにより、例えば、高効率フォトカプラや高効率センサなどを実現できる。これは、パソコン、エアコンなどの家電機器のみならず、プログラマブルコントローラなどの産業用機器にも広く用いられて、システム高機能化、システム高信頼化などに寄与できる。
【0031】
図6は、本発明の第2の具体例にかかる半導体発光素子のバンド構造を例示する模式図である。その基本構造は、図1と同様であるので同様の構成要素には同一番号を付して詳細な説明は省略する。
本具体例においては、GaAs基板10をp型としたので、第1の具体例とは導電型が反対となり、バンド図もそれに対応している。また、電流拡散層20をAlGaAsではなく、InGaAlPとした点が異なる。この理由は、InGaAlP(アルミニウム組成比は0以上、1以下)は、GaAs基板10と格子整合するために、バルク抵抗を低減できることにある。
【0032】
図7は、本発明の第3の具体例にかかる半導体発光素子のバンド構造を表した模式図である。その基本構造は、図1と同様であるので、同様の構成要素には同一の番号を付して詳細な説明は省略する。
第1クラッド層14及び第2クラッド層18は、それぞれInGaAl1−m−nP(0≦m≦1,0≦n≦1,m+n≦1)により構成されている点が第1の具体例と異なる。この場合にも、障壁層25のバンドギャップEgbと、電流拡散層20におけるバンドギャップEgsと、クラッド層18におけるバンドギャップとの間には、以下の関係が成り立つようにする。すなわち、Egb≦Egc≦Egsとする。InGaAl−m−nP(0≦m≦1、0≦n≦1、m+n≦1)をクラッド層に使用することで、キャリアの閉じ込め効果を向上させると共に特にn型層のバルク抵抗をより低減することができる。
【0033】
電流拡散層20および障壁層25は、AlGa1−sAs(0≦s≦1)で構成されている。これらのバンドギャップは、例えばE=1.424+1.247s(直接遷移領域内:0≦s≦0.45)で近似されるので、電流拡散層20のバンドギャップEgsと、障壁層25のバンドギャップEgbとが、上の相対関係を満たすように組成比を決めることができる。このような構造により、屈折率を次第に小さくし光の閉じ込めを抑制することにより、量子井戸活性層16からの放射光を効率よく外部に取り出すことができる。
【0034】
図8は、本発明の第4の具体例にかかる半導体発光素子のバンド構造を例示する模式図である。同図についても、図1と同様な構成要素には同一番号を付して詳細な説明を省略する。
本具体例においては、障壁層25をAlGaAsではなく、InGaAl1−m−P(0≦m≦0.5,0≦n≦1、m+n≦1)で構成し、井戸層26圧縮歪の補償のための引っ張り歪(マイナス)を入れる。このような歪補償型の多重量子井戸の積層は、転移が発生しない範囲で行うことができる。障壁層に井戸層とは逆の歪補償を入れることで、転位などの結晶欠陥が発生する範囲を狭め、より広範囲な井戸歪量が選択できると共に、通電による発光層特性劣化を防ぐことができる。
【0035】
図9は、第1〜第4の具体例における半導体発光素子50において、上部電極24以外の半導体発光素子50の上面、及び側面を粗面化した半導体発光素子50の模式断面図である。
この粗面化工程は、「フロスト処理」により行うことができる。すなわち、上部電極24をフォトレジストなどで覆った後、硝酸と過酸化水素を混合したエッチャントを用いることにより、上面および側面に高低差が2マイクロメータ以下の凹凸を設けた粗面40を形成することができる。この結果、半導体発光素子50内部における発光が全反射される割合を低減できて、光取り出し効率を改善できる。
【0036】
図10は、本発明の半導体発光素子50を表面実装型パッケージに組み込んだ半導体発光装置である。
これは、SMD(Surface Mounting Device)型半導体発光装置とも呼ばれる。半導体発光素子50が、第1リード60の上に、導電性接着剤51などで接着されている。半導体発光素子50の上部電極24と第2リード58とは、ボンディングワイヤ55により接続されている。半導体発光素子50及びボンディングワイヤ55とは、封止樹脂52により封止されている。

【0037】
半導体発光素子50のGaAs基板10は光吸収が低減されているので、量子井戸活性層からの光はGaAs基板10を通過する。その後、下部電極28やマウント面により反射され(G1)、あるいは樹脂56に設けられた反射面54に反射されて(G2)、外部に取り出される。下方に向かう光が、GaAs基板10で吸収されずに取り出されるので、効率が改善されている。
【0038】
以上、主にバンドギャップ波長が870ナノメータであるGaAs基板を用いた場合について説明した。しかし、本発明はこれらに限定されるものではない。例えば、AlGa1−sAs(0<s≦1)基板を用いることができる。
図11は、AlGaAs基板10を用いた半導体発光素子の模式断面図である。
すなわち、AlGaAs基板10の上に、AlGaAsバッファ層12、第1クラッド層14、量子井戸活性層16、第2クラッド層18、電流拡散層20、コンタクト層22がこの順に積層されている。この構造の場合、基板10のバンドギャップは、1.424〜1.986eV(直接遷移領域内0<s≦0.45)である。そして、活性層の井戸層としては、この基板のバンドギャップ波長よりも長い発光を放射する組成のAlGaAsとすることができる。
【0039】
また、バンドギャップが2.26eVで、バンドギャップ波長λgが550ナノメータであるGaP基板を用いることもできる。
図12は、GaP基板10を用いた半導体発光素子の模式断面図である。
すなわち、GaP基板10の上に接着層13、第1クラッド層14、量子井戸活性層16、第2クラッド層18、電流拡散層20、コンタクト層22がこの順に積層されている。この場合の井戸層としては、このGaP基板10のバンドギャップ波長よりも長い発光を放射する組成のAlGaAsまたはInGaAlPとすることができる。また、接着層13は、GaP基板10と、第1クラッド層14より上部の積層と、をウェーハ接着するための役割を有する。
【0040】
以上、具体例を参照しつつ本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明はこれら具体例に限定されるものではない。
半導体発光素子を構成する半導体積層膜、電極、半導体基板など各要素の形状、サイズ、材質、配置関係などに関して当業者が各種の設計変更を加えたものであっても、本発明の要旨を有する限りにおいて本発明の範囲に包含される。
【図面の簡単な説明】
【0041】
【図1】本発明の具体例にかかる半導体発光素子の模式断面図である。
【図2】本発明の第1の具体例にかかる半導体発光素子のバンド構造を表す模式図である。
【図3】本発明の第1の具体例にかかる半導体発光素子の量子井戸活性層を表すバンド構造を表す模式図である。
【図4】比較例にかかる半導体発光素子の模式断面図である。
【図5】比較例にかかる半導体発光素子のバンド構造を表す模式図である。
【図6】本発明の第2の具体例にかかる半導体発光素子のバンド構造を表す模式図である。
【図7】本発明の第3の具体例にかかる半導体発光素子のバンド構造を表す模式図である。
【図8】本発明の第4の具体例にかかる半導体発光素子のバンド構造を表す模式図である。
【図9】本発明の具体例にかかる半導体発光素子の上面および側面に選択的に粗面を設けた模式断面図である。
【図10】本発明の具体例にかかる半導体発光素子を組み込んだ半導体発光装置の模式断面図である。
【図11】本発明の具体例にかかる半導体発光装子(AlGaAs基板)の模式断面図である。
【図12】本発明の具体例にかかる半導体発光素子(GaP基板)の模式断面図である。
【符号の説明】
【0042】
10 基板
12 バッファ層
13 接着層
14 第1クラッド層
16 量子井戸活性層
17 GaAs活性層
18 第2クラッド層
20 電流拡散層
22 コンタクト層
24 上部電極
25 障壁層
26 井戸層
28 下部電極
40 粗面
50 半導体発光素子
51 導電性接着剤
52 封止樹脂
54 反射面
55 ボンディングワイヤ
56 樹脂
58 第2リード
60 第1リード




 

 


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