CN1941445A - 半导体发光元件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种除了高亮度和低驱动电压外，还能抑制长时间后发光输出下降以及驱动电压上升的半导体发光元件。所述半导体发光元件为在半导体衬底(1)上由晶体生长来至少形成n型包层(3)、活性层(4)、p型包层(5)、p型缓冲层(6)、p型接触层(7)，再在p型接触层上形成由ITO膜(8)构成的电流分散层的半导体发光元件，通过将Mg浓度为3.0×10¹⁷/cm³以下的低Mg浓度缓冲层(11)或不掺杂的缓冲层(12)做成以50nm以上的厚度设置到Mg掺杂的上述p型缓冲层中的一部分或全部上的结构，由此，可以有效抑制p型接触层(7)的掺杂剂Zn的扩散。

Description

半导体发光元件

技术领域

本发明涉及一种半导体发光元件，尤其涉及一种在电流分散层中使用由金属氧化物构成的透明导电膜的高亮度的半导体发光元件。

背景技术

以往，作为半导体发光元件的发光二极管(以下简称为LED)，由于近年来可以用MOVPE法生长GaN系、AIGaInP系的高品质晶体，因而可以制作出蓝色、绿色、橙色、黄色、红色的高亮度LED。

但是，为了获得高亮度，需要有良好的电流分散特性，以便在LED的芯片面内均匀地注入电流，例如在AlGaInP系LED元件中，需要将电流分散层的膜厚加厚到5000～10000nm左右。在使用这样的厚膜的电流分散层时，由于晶体生长时经历较长的热过程而引起掺杂剂的扩散，其结果是使活性层变差。另外，电流分散层中为了分散电流必需是低电阻，需要进行高浓度的掺杂。但是，高浓度的掺杂成为电流分散层的透过率降低的重要原因。进而，存在的问题是，为了成长厚膜，必然导致LED元件的制造成本的提高，成为廉价制造的障碍。

为此，曾有提案(参照专利文献1-日本特开平8-83927号公报)提出了在电流分散层中使用ITO(氧化铟锡)或ZnO(氧化锌)作为具有充分的透光性且可以得到良好电流分散特性的电气特性的膜的方法。另外也有提案提出了在p型包层上直接形成ITO膜的方法(参照专利文献2-美国再发行专利No.35665号说明书)。

这样，如果可以将ITO用作电流分散层，则不再需要以往的5000～10000nm的厚膜电流分散层，由于不再需要相应的外延生长层，所以上述问题大多可以解决。

但是，通常将ITO膜用作电流分散层时，在半导体层和作为金属氧化物的ITO膜之间产生接触电阻，存在顺向工作电压增高的问题。作为解决该问题的对策，提出了这样一种方法(例如专利文献2)：通过在半导体层和ITO膜之间设置1.0×10¹⁹/cm³以上的高载流子浓度的接触层，在接触层和ITO膜之间形成隧道接合，从而以低电压驱动LED。但是，能够稳定地实现1.0×10¹⁹/cm³以上的高载流子浓度的接触层的半导体材料是有限的。本发明人等的研究成果中得到的结论是，对于接触层，作为可以稳定地实现1.0×10¹⁹/cm³以上的高载流子浓度的半导体，最适合的是Zn掺杂的Al_xGa_1-xAs(其中，0≤x≤0.4)。但是，由于AlGaAs对于发光波长不透明，必须形成30nm左右以下的薄膜。

此外，作为AlGaInP系化合物半导体的p型掺杂剂，可以列举铍(Be)、镁(Mg)、锌(Zn)等。其中，分子束外延生长(MBE)中使用的Be原料虽然是在高浓度下可以低扩散的掺杂，但具有的缺点是有极强的毒性。Zn作为AlGaInP系、AlGaAs系化合物半导体内的p型掺杂剂而广为使用，其扩散常数较大。因此，公知的是，如果p型包层和p型缓冲层掺杂Zn，则经过热过程，Zn向活性层扩散，降低LED的亮度和可靠性。这里，作为p型掺杂剂，优选使用比Zn的扩散常数更小的Mg用作掺杂剂。

但是，如前所述，可以稳定实现1.0×10¹⁹/cm³以上的高载流子浓度的接触层的半导体层，由于只有Zn掺杂的Al_xGa_1-xAs(其中，0≤x≤0.4)，因此，接触层中必需使用Zn作为p型掺杂剂。但是，即使是作为经历生长热过程最少的半导体最上层的接触层，由于生长时和冷却时的热过程，上述接触层中的Zn也易于扩散。作为该接触层中的掺杂剂Zn的扩散导致以下两方面的害处。

第一，导致LED元件的输出下降。扩散的掺杂剂的浓度向LED的深度方向上扩散，当扩散到LED元件的活性层时，在活性层内形成杂质能级而成为非发光再结合中心，结果导致输出下降。

第二，导致LED元件驱动电压的上升。由于接触层的Zn掺杂剂的扩散，接触层的载流子浓度下降，因此，很难在接触层和ITO膜的界面形成隧道结，导致隧道电压上升。从而导致LED元件的驱动电压上升。

发明内容

本发明的目的就是要解决上述课题，提供一种除了高亮度和低驱动电压外，还能抑制长时间后发光输出下降以及驱动电压上升的半导体发光元件。

为了实现上述目的，本发明包括如下的内容。

本发明第一方案的半导体发光元件，其为在半导体衬底上至少形成n型包层、活性层、p型包层、p型缓冲层、p型接触层，在p型接触层上形成由金属氧化物材料构成的电流分散层的半导体发光元件，其特征是，所述活性层的组成是(Al_xGa_1-x)_yIn_1-yP(其中，0≤x≤1，0.4≤y≤0.6)，所述n型包层和所述p型包层的组成分别是(Al_xGa_1-x)_yIn_1-yP(其中，0.6≤x≤1，0.4≤y≤0.6)、所述p型缓冲层的组成是Al_xGa_1-xAs(其中，0.45≤x≤1)，且所述p型包层和所述p型缓冲层的主要掺杂剂是Mg，所述接触层的主要掺杂剂是Zn，并且，将所述p型缓冲层的一部分或全部做成Mg浓度为3.0×10¹⁷/cm³以下且膜厚为50nm以上的低Mg浓度缓冲层。

选择上述列举的材料作为构成上述活性层、n型包层、p型包层的适合材料的理由是，在与半导体衬底基本晶格匹配的材料中，对于由活性层发出的光的波长，与光学上是透明的存在强烈依存。此外，选择Al_xGa_1-xAs(其中，0.45≤x≤1)作为构成p型缓冲层的材料的原因是，对于发光波长是透明的，与半导体衬底晶格匹配，且是不含有单价高的In原料的廉价原料。

p型接触层的主要掺杂剂是Zn的原因是，即使有扩散常数比较大的缺点，但为使载流子浓度为1.0×10¹⁹/cm³以上它是最好的。此外，p型包层和p型缓冲层的主要掺杂剂是Mg的原因是，能以较高浓度的添加，且比Zn的扩散常数小。在防止掺杂剂向活性层的扩散方面，在活性层附近以Mg作掺杂剂是合适的。

此外，由于是将Mg浓度为3.0×10¹⁷/cm³以下的低Mg浓度缓冲层以50nm以上的厚度插入部分p型缓冲层的结构，因而能更可靠地抑制Zn从p型缓冲层向活性层的扩散(参照图5)。

从抑制p型接触层的Zn向活性层的扩散的角度，虽然仅有部分p型缓冲层为低Mg浓度缓冲层就足够了，但p型缓冲层也可以全部是3.0×10¹⁷/cm³以下的低Mg浓度缓冲层，由此，可以更加充分地抑制Zn向活性层的扩散。

本发明第二方案的半导体发光元件是在第一方案的基础上，其特征是，所述低Mg浓度缓冲层距所述p型缓冲层和所述p型接触层的界面在1500nm以内的范围内。

将高浓度的Zn封闭在p型接触层中，从降低p型接触层与ITO膜之间的隧道电压的观点出发，即使是p型缓冲层中也更希望插入到靠近p型接触层的部分。具体的是，通过插入到距p型接触层1500nm以内，可以防止p型接触层的Zn的浓度的降低，可进一步降低p型接触层与ITO膜的隧道电压。

本发明第三方案的半导体发光元件是在第一或第二方案的基础上，其特征是，所述低Mg浓度缓冲层和所述p型缓冲层对于发光波长是透明的，所述p型缓冲层的膜厚为200～5000nm。

本发明第四方案的半导体发光元件是在第一至第三方案中的任一方案的基础上，其特征是，所述低Mg浓度缓冲层是不掺杂的缓冲层。

本发明第五方案的半导体发光元件是在第一至第四方案中的任一方案的基础上，其特征是，所述接触层的Zn浓度为1.0×10¹⁹/cm³以上。

本发明第六方案的半导体发光元件是在第一至第五方案中的任一方案的基础上，其特征是，构成所述接触层的材料是Al_xGa_1-xAs(其中，0≤x≤0.4)，所述接触层的膜厚为1～30nm。

本发明第七方案的半导体发光元件是在第一至第六方案中的任一方案的基础上，其特征是，所述电流分散层是ITO(氧化铟锡)，且载流子浓度为8×10²⁰/cm³以上。

本发明第八方案的半导体发光元件是在第一至第七方案中的任一方案的基础上，其特征是，在所述半导体衬底和所述n型包层之间，设置由折射率不同的成对的半导体层构成的半导体反射膜。

本发明第九方案的半导体发光元件是在第八方案的基础上，其特征是，构成所述半导体反射膜的半导体材料从(Al_xGa_1-x)_yIn_1-yP(其中，0≤x≤1，0.4≤y≤0.6)或者Al_xGa_1-xAs(其中，0≤x≤1)中选择。

本发明第十方案的半导体发光元件是在第一至第九方案中的任一方案的基础上，其特征是，所述电流分散层的膜厚为在由d＝A×λp/(4×n)的计算式(其中，A为常数(1或3)，λp为发光波长(单位是nm)，n是折射率)所求出的d的±30％的范围内。

根据本发明，在与p型接触层相接的部分或全部p型缓冲层中，通过以50nm以上的厚度设置Mg浓度为3.0×10¹⁷/cm³以下的低Mg浓度缓冲层，从而可以制作大幅度地抑制了p型接触层的Zn的扩散、高输出的LED元件的同时，可以制作能够抑制长时间后发光输出下降和驱动电压上升的LED元件。

附图说明

图1是本发明的一个实施方式及实施例1的AlGaInP系红色LED的截面结构图。

图2是本发明的的另一实施方式及实施例2的AlGaInP系红色LED的截面结构图。

图3是本发明的实施例2的AlGaInP系红色LED的SIMS分析图。

图4表示低Mg浓度缓冲层的Mg浓度与LED通电试验后的发光输出对初期发光输出的相对值。

图5表示低Mg浓度缓冲层的膜厚与LED通电试验后的发光输出对初期发光输出的相对值。

图6表示接触层的膜厚与LED的发光波长的透过率。

图7是表示在GaAs衬底上形成的ITO膜的反射率谱图。

图8是本发明的比较例的AlGaInP系红色LED的截面结构图。

图9是本发明的比较例的AlGaInP系红色LED的SIMS分析图。

其中：

1…n型GaAs衬底，2…n型GaAs缓冲层，

3…n型AlGaInP包层(n型包层)，4…不掺杂AlGaInP活性层(活性层)，

5…p型AlGaInP包层(p型包层)，6…p型缓冲层，6a…p型缓冲层，

7…p型AlGaAs接触层(p型接触层)，8…ITO膜，9…表面电极，

10…背面电极，11…低Mg浓度缓冲层，12…不掺杂缓冲层，

16…p型缓冲层。

具体实施方式

以下，基于图示的实施方式说明本发明。

图1表示本实施方式的发光二极管的结构。该发光二极管的结构是，在作为半导体衬底的n型GaAs衬底1上，依次晶体生长形成Si掺杂的n型GaAs缓冲层2、Si掺杂的n型AlGaInP包层(简称为n型包层)3、不掺杂的AlGaInP活性层(简称为活性层)4、Mg掺杂的p型AlGaInP包层(简称为p型型包层)5来构成发光部；进而在它们的最上层即p型包层5上层叠高浓度添加了作为p型掺杂剂的Zn的As系的p型AlGaAs接触层(简称为p型接触层)7。再在该p型接触层7上，层叠作为由金属氧化物构成的电流分散层的透明导电膜即ITO膜8，在ITO膜8的表面一侧形成表面电极9，而在n型GaAs衬底1的背面一侧形成背面电极10。

活性层4的组成为(Al_xGa_l-x)_yIn_l-yP(其中，0≤x≤1，0.4≤y≤0.6)，n型包层3和p型包层5的组成分别是(Al_xGa_l-x)_yIn_l-yP(其中，0.6≤x≤1，0.4≤y≤0.6)。

上述p型接触层7由Al_xGa_l-xAs(其中，0≤x≤0.4)构成，膜厚为lnm～30nm，作为p型掺杂剂的Zn以载流子浓度1×10¹⁹/cm³以上的高浓度添加。

作为电流分散层的ITO膜8的膜厚为在由d＝A×λp/(4×n)的计算式(其中，A为常数(1或3)，λp为发光波长(单位是nm)，n是折射率)所求出的d的±30％的范围内。作为该电流分散层的ITO膜8通过真空蒸镀法或者溅射法形成，在刚刚成膜后的状态下具有8×10²⁰/cm³以上的载流子浓度。

而且，作为该发光二极管的特征，是在上述p型接触层7和上述p型包层5之间，设有主要添加作为p型掺杂剂的Mg的由Al_xGa_l-xAs(其中，0.45≤x≤1)构成的缓冲层6。该p型缓冲层6具有在该p型缓冲层中的50nm以上的低Mg浓度缓冲层11，换句话说，该p型缓冲层6的结构是，其具有在该p型缓冲层中以50nm以上的厚度存在的低Mg浓度缓冲层11以及残余的p型缓冲层6a。这里所述的p型缓冲层6的膜厚为200～5000nm，低Mg浓度缓冲层11的Mg浓度为3.0×10¹⁷/cm³以下。

所述低Mg浓度缓冲层11被设置在距离所述p型缓冲层6和所述p型接触层7的界面1500nm以内的范围内，所述低Mg浓度缓冲层11和所述p型缓冲层6a对于发光波长是透明的。

这样，通过将Mg浓度为3.0×10¹⁷/cm³以下的低Mg缓冲层11以50nm以上的厚度插入到部分p型缓冲层6中，可以充分地抑制Zn从p型接触层7向活性层4的扩散(参照图5)。在将全部p型缓冲层6做成Mg浓度为3.0×10¹⁷/cm³以下的低Mg缓冲层11的情况下，也能获得同样的效果。

图2表示通过不掺杂来构成低Mg浓度缓冲层11的另一实施方式。如图2所示，由不掺杂而形成的不掺杂缓冲层12，以50nm以上的厚度设置在p型缓冲层6中，并使其在距上述p型缓冲层6和p型接触层7的界面1500nm以内的范围内，由于插入到部分p型缓冲层6中，因此即使是这种实施方式，也可以充分地抑制Zn从p型接触层7向活性层扩散。在将全部p型缓冲层6做成不掺杂缓冲层12的情况下，也能获得同样的效果。

下面，对上述结构、数值的根据进行说明。

第一，如本发明这样的表面发射型LED的场合，p型缓冲层6对于发光波长必须是透明的。除此之外，与n型GaAs衬底1进行晶格匹配、可以由廉价的原料制作也是重要的因素。根据上述的观点，作为透过630nm附近的红色、与n型GaAs衬底1晶格匹配且不含有单价高的In原料的p型缓冲层6，优选使用Al_xGa_1-xAs(其中，0.45≤x≤1)。

第二，与由金属氧化物构成的电流分散层，例如ITO膜8相接的p型接触层(欧姆接触层)7，需要添加极高浓度的决定导电类型的杂质。具体而言，添加了Zn(锌)的p型接触层7的场合，希望其晶体材料为Al混晶比为0～0.4的GaAs或者AlGaAs，其载流子浓度以1×10¹⁹/cm³以上为宜，且越高越好。

ITO膜8基本属于n型半导体材料，而LED元件一般多制成p型。因此，将ITO膜8用作电流分散层的LED元件，导电类型从衬底一侧开始做成n/p/n结。因此，在LED元件中，在ITO膜8和p型半导体层的界面上产生大的势垒，一般形成工作电压非常高的LED。为了解决这一问题，在p型半导体层中需要具有非常高的载流子浓度的p型接触层7。另外，上述p型接触层7的带隙窄的原因是，其与易于高载流子化存在强的依存关系。

而且，为了降低隧道电压，与上述p型接触层7的高载流子化相关联，与该p型接触层7相接的ITO膜8的载流子浓度也是重要的。另外，这与上述p型接触层7的理由相同，优选越高越好，具体而言，优选其具有8×10²⁰/cm³以上的载流子浓度。

第三，上述p型接触层7的膜厚优选为1～30nm的范围。其原因是，上述接触层7对任何活性层4所发出的光都具有作为吸收层的带隙，因此随着膜厚的增厚，发光输出下降。图6表示了所述接触层7的膜厚与LED元件的发光波长的透过率的关系。

如图6所示，优选上述接触层7的厚度的上限值为30nm，更优选到25nm。另外，如果上述接触层7的膜厚小于1nm，这时由于ITO膜8与p型接触层7之间的隧道结难以形成，因此，难于实现低工作电压和工作电压的稳定。因此，与ITO膜8相接的p型接触层7的膜厚具有最佳值，其为1～30nm。

第四，ITO膜8的膜厚由d＝A×λp/(4×n)的计算式(其中，A为常数(1或3)，λp为发光波长(单位是nm)，n是折射率)求出。在LED用外延生长晶片上形成的ITO膜8，具有介于半导体层和空气层的大致中间的折射率，具有光学上的防反射膜的功能。因此，为了提高LED的发光输出效率，获得更高输出的LED元件，优选采用按上述关系式求出的膜厚。另外，由上述关系式求出的ITO膜8的膜厚d，可以在±30％范围内。如果膜厚大于或小于d的±30％的范围，则作为防反射膜的效果减小，LED元件的输出降低。为此，图7表示在GaAs衬底上适当形成ITO膜8后，对该试样垂直入射光，测定此时的反射光的光谱的结果。

第五，优选介于p型接触层7和p型包层5之间的p型缓冲层的膜厚为200～5000nm。200nm以上的理由是，如果从活性层4到表面电极9的距离过近，在制作LED元件的导线连接工序中，根据情况有喀能因超声波振动等使LED元件发生破坏。相反，将上限定在5000nm以下的理由是，可以通过在p型接触层7上设置的ITO膜8充分发挥LED元件的电流分散特性。因此，对上述缓冲层6，不要求电流分散特性。相反，即使设置10000nm左右厚膜的p型缓冲层6，由于上述的ITO膜8对电流分散效果起决定性作用，因而也不能期待作为LED元件在输出上有飞跃性的提高。当然，LED元件在制造上所花的成本增高，产生LED元件的原始价格提高的缺点。所述缓冲层6的膜厚优选为200～5000nm的范围。另外，本发明记载的内容中，根据情况，p型缓冲层6和p型包层5的组成有时可以做相同。这种情况下，作为优选的膜厚设计，从活性层4的上端到p型接触层7的距离优选设计成为1000nm～5000nm。

下面，基于以下的实施例1、2和比较例对本发明进行详细说明。

实施例1

以下，对在p型缓冲层6中设置了Mg浓度为3.0×10¹⁷/cm³以下、膜厚为50nm以上的低Mg浓度缓冲层11的LED元件(半导体发光元件)进行说明。

首先，制作了图1所示的结构的发光波长在630nm附近的红色LED用外延生长晶片。外延生长的生长方法、外延生长层膜厚、外延生长层的结构、电极的形成方法以及LED元件的制造方法如下所述。

在n型GaAs衬底1上，用MOVPE法依次叠层生长n型(Si掺杂)GaAs缓冲层2(膜厚200nm、载流子浓度1×10¹⁸/cm³)、n型(Si掺杂)(Al_0.7Ga_0.3)_0.5In_0.5P包层3(膜厚400nm、载流子浓度1×10¹⁸/cm³)、不掺杂的(Al_0.1Ga_0.9)_0.5In_0.5P活性层4(膜厚900nm)、p型(Mg掺杂)(Al_0.7Ga_0.3)_0.5In_0.5P包层5(膜厚400nm、载流子浓度1.2×10¹⁸/cm³)、p型(Mg掺杂)Al_0.8Ga_0.2As缓冲层6a(膜厚3000nm、载流子浓度1×10¹⁸/cm³)、低Mg浓度p型(Mg掺杂)Al_0.8Ga_0.2As缓冲层11(膜厚50nm、载流子浓度3.0×10¹⁷/cm³)、p型(Zn掺杂)Al_0.1Ga_0.9As接触层7(膜厚3nm、载流子浓度2.0×10¹⁹/cm³)。

MOVPE生长中的生长温度，从上述n型缓冲层2到上述p型缓冲层6为650℃，上述p型接触层7在550℃下生长。其它成长条件为，生长压力约6666Pa(50Torr)，各层的生长速度为0.3～1.0nm/sec，V/III比约为200左右。但是，p型缓冲层6的V/III比为50，p型接触层7的V/III比为30。这里所说的V/III比是指以TMGa或TMAl等III族原料的摩尔数为分母，以AsH₃、PH₃等V族原料的摩尔数为分子的比率(商)。

MOVPE生长中所使用的原料，使用了例如三甲基镓(TMGa)或者三乙基镓(TEGa)、三甲基铝(TMAl)、三甲基铟(TMIn)等有机金属，和三氢化砷(AsH₃)、三氢化磷等的氢化物气体。

例如，作为如上述n型缓冲层2那样的n型层的添加物的原料，使用了乙硅烷(Si₂H₆)。作为如上述p型包层5那样的p型层的决定导电类型的杂质的添加物原料，使用了双环戊二烯镁(Cp2Mg)，但是，只有p型接触层7使用二乙基锌(DEZn)。

另外，作为n型层的决定导电类型的杂质的添加物原料，也可以使用硒化氢(H₂Se)、甲硅烷(SiH₄)、二乙基碲(DETe)和二甲基碲(DMTe)。

然后，将该LED用外延生长用晶片从MOCVD装置中取出后，在该晶片的表面，即p型接触层7的表面一侧，通过真空镀膜法形成了膜厚为270nm的ITO膜8。在本结构中，该ITO膜8成为电流分散层。

这时，取出置于与蒸镀ITO膜的同一批次内的用于评价的玻璃衬底，切断成可以进行Hall测定的尺寸后，评价ITO膜单体的电气特性时，其结果为，载流子浓度是1.09×10²¹/cm³，迁移率是18.4cm²/Vs，电阻率是2.88×10^-4Ω·cm。

然后，在该外延生长用晶片的上面，使用抗蚀剂和掩模校准等的一般的光刻法中所使用的器材和公知的方法，用真空蒸镀法形成矩阵状的作为圆形电极的直径110μm的表面电极9。蒸镀膜后使用飞升(Lift off)法形成电极。上述表面电极9依次蒸镀了Ni(镍)和Au(金)各20nm、500nm。然后，在外延生长晶片的底面上，用相同的真空镀膜法在整个面上形成背面电极10。上述背面电极10依次蒸镀了AuGe(金-锗合金)、Ni(镍)和Au(金)各60nm、10nm、500nm，然后，通过在氮气气氛中加热至400℃，进行5分钟的热处理来进行电极合金化的合金化工序。

之后，使用切割(dicing)装置切断如上所述构成的带电极的LED用外延生长晶片，使得该圆形的表面电极9位于中心，制成了芯片尺寸为300μm见方的LED裸芯片。然后，将上述LED裸芯片装到To-18基座上(晶片结合)，随后，再在所装的该LED裸芯片上连接上导线制成LED元件。

图4表示在本实施例1的LED结构中，LED的发光输出的通电试验后的发光输出的相对值的关系。图4的横轴表示低Mg浓度缓冲层11的Mg浓度。如图4所示可知，当低Mg浓度缓冲层11的Mg浓度为3.0×10¹⁷/cm³以下时，发光输出的相对值良好。

此外，图5表示Mg浓度为3.0×10¹⁷/cm³的低Mg浓度缓冲层11的膜厚与LED发光输出的通电试验后发光输出相对值的关系。由图5可知，当低Mg浓度缓冲层11为50nm以上时，发光输出的相对值良好。由这样的结果可以确认，通过将至少Mg浓度为3.0×10¹⁷/cm³以下的低Mg浓度缓冲层11以50nm以下的厚度插入到部分p型缓冲层6中，便可以充分地抑制Zn从p型接触层7向活性层4的扩散。

实施例2

本实施例2是用不掺杂缓冲层构成所述低Mg浓度缓冲层11的例子。

本实施例2制作了图2所示结构的发光波长在630nm附近的红色LED用外延生长晶片。外延生长的生长方法、外延生长层的膜厚、外延生长层结构、LED元件的制造方法，基本与上述实施例1相同。以下列举与实施例1的不同点，并对其进行详细说明。

如图2所示，本实施例2中，将p型缓冲层6分为膜厚为1500nm的不掺杂层12和膜厚为1500nm的Mg掺杂的p型缓冲层6a的上下两层，将上述不掺杂缓冲层12做成与成长表面侧即接触层7相接的结构。不掺杂缓冲层12和Mg掺杂的p型缓冲层6a的组成和Mg掺杂缓冲层6a的载流子浓度，与实施例1的p型缓冲层6相同。

另外，即使称为不掺杂缓冲层，由于在生长中自然掺杂的碳等也不是完全的绝缘膜，具有电学上的p型半导体的性质。这种情况的不掺杂是指不积极地供给掺杂剂，即不供给作为Mg的原料的Cp₂Mg。

接着，将按上述方法制作成的LED用外延生长晶片制成元件，其步骤与上述实施例1相同。

对如此制作的LED元件的初期特性的评价结果，可以得到在20mA通电时(评价时)的发光输出为1.12mW，工作电压为1.84V的具有优灵初期特性的LED元件。

而且，对该LED元件在常温的环境下以50mA进行驱动，并在该状态下进行连续通电试验168小时(一周)。试验结果是与试验前的状态的相对比较值为103％，工作电压+0.005V，得到良好的结果。

图3表示进行了本实施例2中的通电试验后的状态的LED元件的SIMS分析的结果。SIMS分析的结果，为了对活性层4附近进行详细分析，对外延生长晶片在研磨到1500nm后的状态下进行测定。

在后述的比较例(图9)中，Zn虽然扩散到活性层4，但在本实施例2(图3)中，明显地，作为p型接触层7的掺杂剂的Zn的扩散受到不掺杂缓冲层12的抑制，Zn向活性层4的扩散受到抑制。因此，可以认为，与实施例1相同，防止了Zn向活性层4的扩散以及通电试验后的LED输出的相对值良好。

再有，本实施例2中的LED初期特性中的发光输出和工作电压特性，与比较例相比较为优良。关于发光输出的上升，可以认为是由于将p型缓冲层6的一半做成不掺杂的缓冲层12，由p型缓冲层6a中的自由载流子引起的吸收的影响与比较例相比较小，外部量子效率提高。关于工作电压的下降，可以认为是由于通过抑制p型接触层7的Zn的扩散，与比较例相比，将高浓度的Zn封闭在p型接触层7中，降低了与ITO膜的隧道电压。

而且，在p型缓冲层6全部为不掺杂缓冲层12时，发光输出最高，通电试验后的结果也良好。因此，为了提高发光输出和完全抑制p型接触层7的Zn向活性层的扩散，优选将p型缓冲层的全部做成不掺杂缓冲层12。

从抑制p型接触层7的Zn向活性层4的扩散的角度来看，只要将部分p型缓冲层6做成不掺杂的缓冲层12，即可充分抑制Zn向活性层4的扩散。

根据以上的说明，实施例1或2中，从将高浓度的Zn封闭在p型接触层7中、并降低p型接触层7和ITO膜8的隧道电压的角度来看，上述不掺杂缓冲层12和上述低Mg浓度缓冲层11，即使在p型缓冲层6中，也最好插入到靠近p型接触层7的部分中，具体而言，通过插入到距p型接触层7的1500nm以内，可以防止接触层7的Zn的浓度的下降，可以进一步降低p型接触层7和ITO膜8之间的隧道电压。

此外，插入到p型缓冲层6中的上述不掺杂缓冲层12和低Mg浓度缓冲层11，虽然也可以是与p型缓冲层6不同的组成，但由于要具有50nm以上的厚度，因此优选由对于发光波长是透明的半导体构成。

本发明的实施例1或2中，无论何种结构，都做成在活性层4和n型或p型包层5之间不能插入任何层的结构。但是，这里，无论是设置真正的不掺杂层、还是设置多少含有导电型杂质的模拟为不掺杂层的假似不掺杂层、即使采用设置载流子浓度比较低的低载流子浓度包层，均可获得提高LED元件的输出的可靠性的效果。

另外，本发明的实施例1或2中，在p型缓冲层6中虽设有低Mg浓度缓冲层11或者不掺杂缓冲层12，但也可以在p型包层5内设置同样的不掺杂缓冲层12或者低Mg浓度缓冲层11，由此也可以获得抑制p型接触层7的Zn扩散到活性层4的效果。

还有，本发明的实施例1或2中，虽以不掺杂的基体层作为活性层4，但即使在做成多量子阱或形变多量子阱的情况下，也能获得本发明的所要达到的效果。

另外，在本发明的实施例1或2中，虽制作了发光波长为630nm的红色LED元件，但即使在用相同的AlGaInP系材料制作的该波长以外的LED元件，例如发光波长560～660nm的LED元件中，可以不改变这时所使用的各层材料、载流子浓度、特别是窗口层的情况下制作。所以，即使将LED元件的发光波长做成与上述实施例1或2不同的波段，也可以获得本发明所期望的效果。

另外，本发明的实施例1或实施例2中，虽然做成在n型缓冲层2上直接层叠n型包层3的结构，但也可以做成在例如所述n型缓冲层2和n型包层3之间，设置由折射率不同的成对的半导体构成的半导体反射膜作为DBR(分布布拉格反射层)的LED元件的结构，这样也可以同样获得本发明要达到的效果。

另外，本发明的实施例1或实施例2中，表面电极9的形状采用了通常的圆形形状，但也可以采用其它不同的形状，例如具有四边形、菱形、多边形等的电极的形式，无论何种电极形态，均可以获得本发明要达到的效果。

另外，本发明的实施例1或实施例2中，虽然在半导体衬底上使用了GaAs，除此而外在使用以Ge(锗)和Si(硅)为初始衬底的LED用外延生长晶片、或以GaAs或者Ge为初始衬底，然后将其除去，使用Si(硅)或比Si具有更高导热率的半导体衬底作为代替的自支撑衬底的LED外延生长晶片中，也可以获得本发明要达到的效果。

比较例

比较例中使用Mg浓度为1.2×10¹⁸/cm³的Mg-AlGaAs缓冲层。

作为比较例，制作了图8所示结构的发光波长在630nm附近的红色LED用外延生长晶片。外延生长的生长方法、外延生长层膜厚、外延生长层的结构、LED元件的制造方法，基本与上述实施例1相同。以下，列举与实施例1的不同点，并对其进行详细说明。

本比较例中，缓冲层是p型(Mg掺杂)Al_0.8Ga_0.2As缓冲层16(膜厚3000nm，载流子浓度1×10¹⁸/cm³)。而且，在以与实施例1同样的方法评价所制作的LED元件的初期特性的结果是，可以获得在20mA通电时(评价时)的发光输出是0.95mW、工作电压是1.87V的初期特性的LED元件。

再有，对该LED元件在常温的环境下以50mA进行驱动，在这种状态下进行连续通电试验168小时(一周)。其结果，与试验前的状态的相对比较值为52％，工作电压+0.06V(约增加3％)。此外，图9表示在制作LED元件后，对在上述条件下进行通电试验后的状态的LED元件的SIMS分析。图9所示的SIMS分析结果，为了对活性层4附近进行详细分析，对外延生长晶片在研磨成1500nm后的状态进行了测定。其结果确认了，通电试验后的本比较例的LED元件中，p型接触层7的掺杂剂Zn扩散、混入到了活性层4内。本比较例所示的LED元件的元件寿命即可靠性下降的原因是掺杂剂的扩散。

这可以认为是，因为Zn掺杂的p型接触层7和Mg掺杂的p型缓冲层16相互接触，由于Zn和Mg的相互扩散而促进了Zn的扩散，Zn便扩散到了活性层4。

对此，在实施例1和实施例2中，通过在Zn掺杂层和Mg掺杂层之间，即Zn掺杂的p型接触层7和Mg掺杂的p型缓冲层6中插入不掺杂缓冲层12或者Mg浓度为3.0×10¹⁷/cm³、膜厚为50nm以上的Mg缓冲层11，从而解决了上述问题。

Claims (10)

1.一种半导体发光元件，其为在半导体衬底上至少形成n型包层、活性层、p型包层、p型缓冲层、p型接触层，在p型接触层上形成由金属氧化物材料构成的电流分散层的半导体发光元件，其特征是，所述活性层的组成是(Al_xGa_1-x)_yIn1_-yP(其中，0≤x≤1，0.4≤y≤0.6)，所述n型包层和所述p型包层的组成分别是(Al_xGa_1-x)_yIn_1-yP(其中，0.6≤x≤1，0.4≤y≤0.6)、所述p型缓冲层的组成是Al_xGa_1-xAs(其中，0.45≤x≤1)，且所述p型包层和所述p型缓冲层的主要掺杂剂是Mg，所述接触层的主要掺杂剂是Zn，并且，将所述p型缓冲层的一部分或全部做成Mg浓度为3.0×10¹⁷/cm³以下且膜厚为50nm以上的低Mg浓度缓冲层。

2.根据权利要求1所述的半导体发光元件，其特征在于：所述低Mg浓度缓冲层距所述p型缓冲层和所述p型接触层的界面在1500nm以内的范围内。

3.根据权利要求1或2所述的半导体发光元件，其特征在于：所述低Mg浓度缓冲层和所述p型缓冲层对于发光波长是透明的，所述p型缓冲层的膜厚为200～5000nm。

4.根据权利要求1～3任何一项所述的半导体发光元件，其特征在于：所述低Mg浓度缓冲层是不掺杂的缓冲层。

5.根据权利要求1～4任何一项所述的半导体发光元件，其特征在于：所述接触层的Zn浓度为1.0×10¹⁹/cm³以上。

6.根据权利要求1～5任何一项所述的半导体发光元件，其特征在于：构成所述接触层的材料是Al_xGa_1-xAs(其中，0≤x≤0.4)，所述接触层的膜厚为1～30nm。

7.根据权利要求1～6任何一项所述的半导体发光元件，其特征在于：所述电流分散层是ITO(氧化铟锡)，且载流子浓度为8×10²⁰/cm³以上。

8.根据权利要求1～7任何一项所述的半导体发光元件，其特征在于：在所述半导体衬底和所述n型包层之间，设置由折射率不同的成对的半导体层构成的半导体反射膜。

9.根据权利要求8所述的半导体发光元件，其特征在于：构成所述半导体反射膜的半导体材料从(Al_xGa_1-x)_yIn_1-yP(其中，0≤x≤1，0.4≤y≤0.6)或者Al_xGa_1-xAs(其中，0≤x≤1)中选择。

10.根据权利要求1～9任何一项所述的半导体发光元件，其特征在于：所述电流分散层的膜厚在由d＝A×λp/(4×n)的计算式(其中，A为常数(1或3)，λp为发光波长(单位是nm)，n是折射率)所求出的d的±30％的范围内。

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