JP2007096169A - 半導体発光素子 - Google Patents

Abstract

【課題】 高輝度且つ低駆動電圧であることに加え、経時的な発光出力の低下、及び駆動電圧の上昇を抑制することが可能な半導体発光素子を得る。
【解決手段】 基板１上に、少なくともｎ型クラッド層３、活性層４、ｐ型クラッド層５、ｐ型緩衝層６、ｐ型コンタクト層７が結晶成長され、更にそれらの上にＩＴＯ膜８から成る電流分散層が形成された半導体発光素子において、Ｍｇドープの上記ｐ型緩衝層中の一部、又は全てにＭｇ濃度が３．０×１０¹⁷／ ｃｍ³以下である低Ｍｇ濃度緩衝層１１又はアンドープ緩衝層１２を５０ｎｍ以上の厚さで設ける構造とし、これによりコンタクト層７のドーパントＺｎの拡散を効果的に抑制する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、半導体発光素子に関わり、特に、金属酸化物から成る透明導電膜を電流分散層に用いた高輝度半導体発光素子に関するものである。

従来、半導体発光素子である発光ダイオード（以下、ＬＥＤと略す）は、近年、ＧａＮ系やＡｌＧａＩｎＰ系の高品質結晶をＭＯＶＰＥ法で成長できる様になったことから、青色、緑色、橙色、黄色、赤色の高輝度ＬＥＤが製作できる様になった。

しかし、高輝度を得るためには、ＬＥＤのチップ面内に均一に電流が注入される様、電流分散特性を良くする必要があり、例えばＡｌＧａＩｎＰ系のＬＥＤ素子では電流分散層の膜厚を５０００ｎｍ〜１００００ｎｍ程度まで厚くする必要があった。その様な厚膜の電流分散層を用いた場合では、結晶成長時の熱履歴が長くなることによってドーパントの拡散が生じ、結果として活性層の劣化を引き起こす。また、電流分散層では電流を分散させる為に低抵抗にする必要があり、高濃度のドーピングを行う必要がある。しかし、高濃度のドーピングは、電流分散層の透過率を低下させる要因となる。更には、厚膜成長の為、必然的にＬＥＤ素子の製造コストが高くなり、安価に製作する妨げとなるという問題が生じる。

そこで、充分な透光性を有し、且つ良好な電流分散特性を得られる電気特性を有する膜としてＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ）や、ＺｎＯ（Ｚｉｎｃ Ｏｘｉｄｅ）を電流分散層に用いる方法がある（特許文献１参照）。またｐ型クラッド層上に、直接ＩＴＯ膜を形成する方法も提案されている（特許文献２参照）。

このように、ＩＴＯ膜を電流分散層として用いることができれば、従来の５０００ｎｍ〜１００００ｎｍの厚膜電流分散層を必要とせず、その分のエピタキシャル層が不要となる為、上記問題点の多くを解決することができる。
特開平８−８３９２７号公報 米国再発行特許発明第３５６６５号明細書

しかしながら、通常ＩＴＯ膜を電流分散層に用いた場合、半導体層と金属酸化物であるＩＴＯ膜との間に接触抵抗が発生し、順方向動作電圧が高くなるという問題がある。その解決策として、半導体層とＩＴＯ膜の間に１．０×１０¹⁹／ｃｍ³以上の高キャリア濃度のコンタクト層を設け、コンタクト層とＩＴＯ膜間にトンネル接合を形成することで、低電圧でＬＥＤを駆動させる方法がある（例えば特許文献２）。しかし、１．０×１０¹⁹／ｃｍ³以上の高キャリア濃度のコンタクト層を安定して実現できる半導体材料には限りがある。本発明者等の研究結果では、コンタクト層に関して、安定して１．０×１０¹⁹／ｃｍ³以上の高キャリア濃度が実現できる半導体としては、ＺｎドープのＡｌ_xＧａ_1-xＡｓ（０≦Ｘ≦０．４）が最適であるという結論に至った。しかし、ＡｌＧａＡｓは発光波長に対して透明でない為、３０ｎｍ程度以下の薄膜で形成する必要性がある。

また、ＡｌＧａＩｎＰ系化合物半導体のｐ型ドーパントとしてはベリリウム（Ｂｅ）、マグネシウム（Ｍｇ）、亜鉛（Ｚｎ）等が挙げられる。このうち分子線エピタキシー（ＭＢＥ）で用いられているＢｅ原料は高濃度で低拡散のドーピングが可能であるが極めて毒性が強いという欠点を有する。またＺｎはＡｌＧａＩｎＰ系、ＡｌＧａＡｓ系化合物半導体内のｐ型ドーパントとして広く用いられているものの、拡散定数が比較的大きい。その為、ｐ型クラッド層およびｐ型緩衝層にＺｎをドープすると熱履歴によってＺｎが活性層へ拡散し、ＬＥＤの輝度および信頼性が低下することが知られている。そこで、ｐ型ドーパントとしてＺｎよりも比較的拡散定数の小さいＭｇをドーパントとして適用することが好ましい。

しかし、先にも述べたように１．０×１０¹⁹／ｃｍ³以上の高キャリア濃度のコンタクト層を安定して実現できる半導体層は、ＺｎドープのＡｌ_xＧａ_1-xＡｓ（０≦Ｘ≦０．４）のみである為、コンタクト層にはｐ型ドーパントとしてＺｎを用いる必要がある。しかしながら成長熱履歴の最も少ない半導体最上層の上記コンタクト層でも、成長時および冷却時の熱履歴によって上記コンタクト層中のＺｎは容易に拡散してしまう。このコンタクト層のドーパントであるＺｎの拡散は、次の２つの弊害を招く。

第１の弊害は、ＬＥＤ素子の出力低下を招くことである。拡散したドーパントはＬＥＤ素子の深さ方向に濃度拡散し、ＬＥＤ素子の活性層にまで拡散すると活性層内で不純物準位を形成し非発光再結合中心となり、結果的に出力が低下する。

第２の弊害は、ＬＥＤ素子の駆動電圧が上昇することである。コンタクト層のＺｎドーパント拡散によりコンタクト層のキャリア濃度が低下してしまい、コンタクト層とＩＴＯ膜との界面でのトンネル接合形成が困難となり、トンネル電圧が上昇する。これによってＬＥＤ素子の駆動電圧が上昇する。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、高輝度且つ低駆動電圧であることに加え、経時的な発光出力の低下、及び駆動電圧の上昇を抑制することが可能な半導体発光素子を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明は、次のように構成したものである。

請求項１の発明に係る半導体発光素子は、半導体基板上に、少なくともｎ型クラッド層、活性層、ｐ型クラッド層、ｐ型緩衝層、ｐ型コンタクト層が形成され、その上に金属酸化物材料から成る電流分散層が形成された半導体発光素子において、前記活性層の組成が（Ａｌ_xＧａ_1-x）_yＩｎ_1-yＰ（但し、０≦Ｘ≦１、０．４≦Ｙ≦０．６）、前記ｎ型クラッド層および前記ｐ型クラッド層の組成がそれぞれ（Ａｌ_xＧａ_1-x）_yＩｎ_1-yＰ（但し、０．６≦Ｘ≦１、０．４≦Ｙ≦０．６）、前記ｐ型緩衝層の組成がＡｌ_xＧａ_1-xＡｓ（但し、０．４５≦Ｘ≦１）から成り、且つ前記ｐ型クラッド層および前記ｐ型緩衝層の主たるドーパントがＭｇ、前記コンタクト層の主たるドーパントがＺｎであり、且つ前記ｐ型緩衝層の一部、又は全てをＭｇ濃度が３．０×１０¹⁷／ ｃｍ³以下であると共に膜厚が５０ｎｍ以上である低Ｍｇ濃度緩衝層とすることを特徴とする。

上記の活性層、ｎ型クラッド層、ｐ型クラッド層を構成する好適な材料として、上記に挙げた材料を選択する理由は、 半導体基板にほぼ格子整合する材料の内、活性層から放出される光の波長に対し、光学的に透明であることに強く依存する。また、ｐ型緩衝層を構成する材料として、Ａｌ_xＧａ_1-xＡｓ（０．４５≦Ｘ≦１）を選択する理由は、発光波長に対して透明で、半導体基板に格子整合し、且つ単価の高いＩｎ原料を含まない安価な原料であることによる。

ｐ型コンタクト層の主たるドーパントがＺｎであるのは、拡散定数が比較的大きいという短所はあるものの、キャリア濃度を１×１０¹⁹／ｃｍ³以上とするのに最も優れるからである。また、ｐ型クラッド層およびｐ型緩衝層の主たるドーパントがＭｇであるのは、比較的高濃度に添加することができ且つＺｎよりも拡散定数が小さいからである。活性層へのドーパント拡散を防止する上で活性層近傍ではドーパントをＭｇとすることが適正となる。

また、Ｍｇ濃度が３．０×１０¹⁷／ｃｍ³以下の低Ｍｇ濃度緩衝層を５０ｎｍ以上の厚さでｐ型緩衝層の一部に挿入した構成であるので、ｐ型コンタクト層から活性層へ向かうＺｎの拡散をより確実に抑制することができる（図５参照）。

ｐ型コンタクト層のＺｎの活性層への拡散を抑制する観点では、ｐ型緩衝層の一部を低Ｍｇ濃度緩衝層とするだけでも十分であるが、ｐ型緩衝層の全てを３．０×１０¹⁷／ ｃｍ³以下の低Ｍｇ濃度緩衝層としてもよく、これによりＺｎの活性層への拡散は十分に抑制することができる。

請求項２の発明は、請求項１に記載の半導体発光素子において、前記低Ｍｇ濃度緩衝層が前記ｐ型緩衝層と前記ｐ型コンタクト層との界面から１５００ｎｍ以内の範囲にあることを特徴とする。

ｐ型コンタクト層に高濃度のＺｎを閉じ込めて、ｐ型コンタクト層とＩＴＯ膜間のトンネル電圧を低減する観点では、ｐ型緩衝層の中でもｐ型コンタクト層に近い部分に挿入されることがより望ましい。具体的にはｐ型コンタクト層から１５００ｎｍ以内に挿入されることによって、ｐ型コンタクト層のＺｎ濃度の低下を防止しｐ型コンタクト層とＩＴＯ膜とのトンネル電圧をより低減することができる。

請求項３の発明は、請求項１又は２に記載の半導体発光素子において、前記低Ｍｇ濃度緩衝層及び前記ｐ型緩衝層が発光波長に対して透明であり、前記ｐ型緩衝層の膜厚が２００ｎｍ以上５００ｎｍ以下であることを特徴とする。

請求項４記載の発明は、請求項１〜３のいずれかに記載の半導体発光素子において、前記低Ｍｇ濃度緩衝層がアンドープ緩衝層であることを特徴とする。

請求項５記載の発明は、請求項１〜４のいずれかに記載の半導体発光素子において、前記コンタクト層のＺｎ濃度が１．０×１０¹⁹／ｃｍ³以上であることを特徴とする。

請求項６記載の発明は、請求項１〜５のいずれかに記載の半導体発光素子において、前記コンタクト層を構成する材料がＡｌ_xＧａ_1-xＡｓ（但し、０≦Ｘ≦０．４）であり、前記コンタクト層の膜厚が１ｎｍ以上３０ｎｍ以下であることを特徴とする。

請求項７記載の発明は、請求項１〜６のいずれかに記載の半導体発光素子において、前記電流分散層がＩＴＯ（ｉｎｄｉｕｍ ｔｉｎ ｏｘｉｄｅ）であり、且つキャリア濃度が８×１０²⁰／ｃｍ³以上有することを特徴とする。

請求項８記載の発明は、請求項１〜７のいずれかに記載の半導体発光素子において、前記半導体基板と前記ｎ型クラッド層間に、屈折率の異なる半導体層の対から成る半導体反射膜を設けることを特徴とする。

請求項９記載の発明は、請求項８に記載の半導体発光素子において、
前記半導体反射膜を構成する半導体材料が、（Ａｌ_xＧａ_1-x）_yＩｎ_1-yＰ（但し、０≦Ｘ≦１、０．４≦Ｙ≦０．６）又はＡｌ_xＧａ_1-xＡｓ（但し、０≦Ｘ≦１）から選択されていることを特徴とする。

請求項１０記載の発明は、請求項１〜９のいずれかに記載の半導体発光素子において、前記電流分散層の膜厚が、ｄ＝Ａ×λｐ／（４×ｎ）の関係式〔但し、Ａは定数（１又は３)、λｐは発光波長（単位：ｎｍ）、ｎは屈曲率である〕により求まるｄの±３０％の範囲にあることを特徴とする。

本発明によれば、ｐ型コンタクト層と接しているｐ型緩衝層の一部又は全てに、Ｍｇ濃度が３．０×１０¹⁷／ｃｍ³以下の低Ｍｇ濃度緩衝層を５０ｎｍ以上の厚さで設けることで、ｐ型コンタクト層からのＺｎの拡散が大幅に抑制され、高出力なＬＥＤ素子を作製できると共に、経時的な発光出力の低下、及び駆動電圧の上昇を抑制することが可能なＬＥＤ素子を作製することができる。

以下、本発明を図示の実施の形態に基づいて説明する。

図１に本実施形態に係る発光ダイオードの構成を示す。この発光ダイオードは、半導体基板であるｎ型ＧａＡｓ基板１上に、Ｓｉドープのｎ型ＧａＡｓバッファ層２、Ｓｉドープのｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層（単にｎ型クラッド層ともいう）３、アンドープＡｌＧａＩｎＰ活性層（単に活性層ともいう）４、Ｍｇドープのｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層（単にｐ型クラッド層ともいう）５が順次に結晶成長されて発光部が構成され、更にそれらの最上層つまりｐ型クラッド層５上に、高濃度にｐ型ドーパントとしてＺｎが添加されたＡｓ系のｐ型ＡｌＧａＡｓコンタクト層（単にｐ型コンタクト層ともいう）７が積層されている。更にそのｐ型コンタクト層７上に、金属酸化物材料から成る電流分散層として、透明導電膜であるＩＴＯ膜８が積層され、その表面側に表面電極９が、また裏面側に裏面電極１０が形成されている。

活性層４の組成は（Ａｌ_xＧａ_1-x）_yＩｎ_1-yＰ（但し、０≦Ｘ≦１、０．４≦Ｙ≦０．６）、ｎ型クラッド層３およびｐ型クラッド層５の組成は、それぞれ（Ａｌ_xＧａ_1-x）_yＩｎ_1-yＰ（但し、０．６≦Ｘ≦１、０．４≦Ｙ≦０．６）である。

上記ｐ型コンタクト層７はＡｌ_xＧａ_1-xＡｓ（０≦Ｘ≦０．４）からなり、膜厚は１ｎｍ以上３０ｎｍ以下であり、ｐ型ドーパントとしてのＺｎが、キャリア濃度１×１０¹⁹／ｃｍ³以上という高濃度に添加されている。

電流分散層であるＩＴＯ膜８の膜厚は、ｄ＝Ａ×λｐ／（４×ｎ）の関係式〔但し、Ａは定数（１又は３)、λｐは発光波長（単位：ｎｍ）、ｎは屈曲率である〕により求まるｄの±３０％の範囲にある。この電流分散層であるＩＴＯ膜８は真空蒸着法か又はスパッタ法によって形成され、成膜直後の状態で８×１０²⁰／ｃｍ³以上のキャリア濃度を有する。

そして、この発光ダイオードの特徴として、上記ｐ型コンタクト層７と上記ｐ型クラッド層５との間に、主たるｐ型ドーパントとしてＭｇが添加されたＡｌ_xＧａ_1-xＡｓ（０．４５≦Ｘ≦１）からなるｐ型緩衝層６を設ける。このｐ型緩衝層６は、そのｐ型緩衝層６中に低Ｍｇ濃度緩衝層１１を５０ｎｍ以上有する。換言すれば、ｐ型緩衝層６は、その層中に５０ｎｍ以上の厚さで存在する低Ｍｇ濃度緩衝層１１と、残余のｐ型緩衝層６ａとで構成されている。ここで前記ｐ型緩衝層６の膜厚は、２００ｎｍ以上５００ｎｍ以下であり、低Ｍｇ濃度緩衝層１１のＭｇ濃度は３．０×１０¹⁷／ ｃｍ³以下である。
前記低Ｍｇ濃度緩衝層１１は、前記ｐ型緩衝層６と前記ｐ型コンタクト層７との界面から１５００ｎｍ以内の範囲に設けられており、前記低Ｍｇ濃度緩衝層１１及び前記ｐ型緩衝層６ａが発光波長に対して透明である。

このようにＭｇ濃度が３．０×１０¹⁷／ ｃｍ³以下である低Ｍｇ濃度緩衝層１１を５０ｎｍ以上の厚さでｐ型緩衝層６の一部に挿入することにより、ｐ型コンタクト層７から活性層４へ向かうＺｎの拡散を十分に抑制することができる（図５参照）。この効果は、ｐ型緩衝層６の全てを、Ｍｇ濃度が３．０×１０¹⁷／ ｃｍ³以下の低Ｍｇ濃度緩衝層１１とした場合にも得ることができる。

図２は前記低Ｍｇ濃度緩衝層１１をアンドープにより構成した他の実施形態を示す。同図に示すように、アンドープにより形成されたアンドープ緩衝層１２は、ｐ型緩衝層６に５０ｎｍ以上の厚さで前記ｐ型緩衝層６と前記ｐ型コンタクト層７との界面から１５００ｎｍ以内の範囲に設けられており、ｐ型緩衝層６の一部に挿入されているので、この実施の形態でもｐ型コンタクト層７から活性層４へのＺｎの拡散を十分に抑制することができる。この効果は、ｐ型緩衝層６の全てを、アンドープ緩衝層１２とした場合にも得ることができる。

以下、前述の構成や数値についての根拠について説明する。
第１に、本発明における様な表面取り出し型ＬＥＤの場合、ｐ型緩衝層６は発光波長に対して透明である必要がある。それ以外にも、ｎ型ＧａＡｓ基板１に格子整合すること、安価な原料で作製できることが重要な要素となる。以上の観点から６３０ｎｍ付近の赤色を透過し、ｎ型ＧａＡｓ基板１に格子整合し、且つ単価の高いＩｎ原料を含まないｐ型緩衝層６としてＡｌ_xＧａ_1-xＡｓ（但し、０．４５≦Ｘ≦１）を用いることが好ましい。

第２に、金属酸化物から成る電流分散層、例えばＩＴＯ膜８と接するｐ型コンタクト層(オーミックコンタクト層)７は、極めて高濃度に導電型決定不純物が添加されている必要がある。具体的には、Ｚｎ（亜鉛）が添加されたｐ型コンタクト層７の場合、その結晶材料はＡｌ混晶比が０から０．４までのＧａＡｓ、又はＡｌＧａＡｓであることが望ましく、そのキャリア濃度は１×１０¹⁹／ｃｍ³以上が好適であり、これは高ければ高い程好ましい。
ＩＴＯ膜８は基本的にｎ型の半導体材料に属し、また、ＬＥＤは一般的にｐサイドアップで作製される。この為、ＩＴＯ膜８を電流分散層に応用したＬＥＤは導電型が基板の側からｎ／ｐ／ｎ接合となってしまう。この為にＬＥＤではＩＴＯ膜８とｐ型半導体層との界面に大きな電位障壁が生じ、通常は非常に動作電圧の高いＬＥＤとなってしまう。この問題を解消する為、ｐ型半導体層には非常に高いキャリア濃度を有するｐ型コンタクト層７が必要となるのである。また、上記したｐ型コンタクト層７のバンドギャップが狭い理由は、高キャリア化が容易であることに強く依存する。

更に、前記ｐ型コンタクト層７の高キャリア化と連動して、このｐ型コンタクト層７と接するＩＴＯ膜８のキャリア濃度も、トンネル電圧を低減するには重要である。またそれは、上述したｐ型コンタクト層７と同様の理由で、高ければ高いほど好ましく、具体的には８×１０²⁰／ｃｍ³以上のキャリア濃度を有していることが好ましい。

第３に、前記ｐ型コンタクト層７の膜厚は１ｎｍから３０ｎｍの範囲にあることが好ましい。何故ならば、前記コンタクト層７は、何れも活性層４で発光した光に対し吸収層となるバンドギャップを有している為、膜厚が厚くなるに連れ、発光出力が低下してしまう。図６に前記コンタクト層７の膜厚とＬＥＤ発光波長に対する透過率の関係を示した。図６に示すように、前記コンタクト層７の膜厚の上限をおよそ３０ｎｍとすることが好ましく、より好ましくは２５ｎｍまでである。また、前記コンタクト層７の膜厚が１ｎｍ未満になってくると、今度はＩＴＯ膜８とｐ型コンタクト層７との間でのトンネル接合が難しくなってくる為、低動作電圧化、動作電圧の安定化が困難になる。従って、ＩＴＯ膜８と接するｐ型コンタクト層７の膜厚には最適値があり、それは１ｎｍから３０ｎｍなのである。

第４に、ＩＴＯ膜８の膜厚は、ｄ＝Ａ×λｐ／（４×ｎ）の関係式〔但し、Ａは定数（１又は３)、λｐは発光波長（単位：ｎｍ）、ｎは屈曲率である〕により求まる。ＬＥＤエピタキシャルウェハ上に形成されるＩＴＯ膜８は、半導体層と空気層とのおよそ中間の屈折率を有し、光学的に反射防止膜としての機能を有する。その為、ＬＥＤの光取り出し効率を向上させ、より出力の高いＬＥＤ素子を得るには、上記の関係式に則した膜厚設計とするのが好ましいのである。また、上記の関係式により求められるＩＴＯ膜８の膜厚ｄは、±３０%の範囲にあればよい。これは反射防止膜として光学的に反射率の低い波長帯域は、ある程度の幅を有するからである。反射防止膜として、反射率が１５％以下となる膜厚の許容値は、上記関係式より求まるｄの±３０％の範囲にある。膜厚がｄの±３０％の範囲よりも大きくなったり小さくなったりすると、反射防止膜としての効果は小さくなり、ＬＥＤの出力が低下してしまうのである。図７に、これらについて、ＧａＡｓ基板上にＩＴＯ膜８を適宜形成し、その試料に対し垂直に光を入射して、この時の反射光のスペクトルを測定した結果を示す。

第５に、ｐ型コンタクト層７とｐ型クラッド層５との間に介入するｐ型緩衝層６の膜厚は２００ｎｍ以上、５０００ｎｍ以下であることが好ましい。２００ｎｍ以上となる理由は、活性層４から表面電極９までの距離が近すぎると、ＬＥＤ素子作製時のワイヤーボンディング工程において、場合によってはＬＥＤ素子を超音波振動などで破壊させるおそれがあるからである。逆に、上限を５０００ｎｍ以下と定める理由は、ＬＥＤ素子の電流分散特性はｐ型コンタクト層７上に設けられたＩＴＯ膜８によって、十分な効果が期待できる。その為、前記緩衝層６には、電流分散特性は求めるものではない。仮に、１００００ｎｍ程度の厚膜なｐ型緩衝層６を設けたとしても、前述したＩＴＯ膜８による電流分散効果が支配的なので、ＬＥＤ素子としての飛躍的な出力向上は望めない。むしろ、ＬＥＤ素子の製造にかかるコストが高くなり、ＬＥＤ素子の原価を上げてしまうというデメリットが生ずる。遵って、前記緩衝層６の膜厚はおよそ２００ｎｍから５００ｎｍ程度の範囲にあることが好ましいのである。また、本発明に記載する内容では、場合により、ｐ型緩衝層６とｐ型クラッド層５との組成が同一となり得る場合がある。この場合、好適な膜厚設定としては、活性層４の上端からｐ型コンタクト層７までの距離が１０００ｎｍ以上、５０００ｎｍ以下となる設計にすることが好ましい。

次に、以下の実施例１、２及び比較例に基づき本発明を詳述する。

以下、Ｍｇ濃度が３．０×１０¹⁸／ｃｍ³以下、膜厚が５０ｎｍ以上の低Ｍｇ濃度緩衝層１１をｐ型緩衝層６に設けたＬＥＤ素子(半導体発光素子)について説明する。
まず、図１に示した構造の発光波長６３０ｎｍ付近の赤色ＬＥＤ用エピタキシャルウェハを作製した。エピタキシャル成長方法、エピタキシャル層膜厚、エピタキシャル層構造や電極形成方法及びＬＥＤ素子製作方法は、以下の通りである。

ｎ型ＧａＡｓ基板１上に、ＭＯＶＰＥ法で、ｎ型（Ｓｉドープ）ＧａＡｓバッファ層（膜厚２００ｎｍ、キャリア濃度１×１０¹⁸／ｃｍ³）２、ｎ型（Ｓｉドープ）（Ａｌ_0.7Ｇａ_0.3）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐクラッド層（膜厚４００ｎｍ、キャリア濃度１×１０¹⁸／ｃｍ³）３、アンドープ（Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ活性層（膜厚９００ｎｍ）４、ｐ型（Ｍｇドープ）（Ａｌ_0.7Ｇａ_0.3）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐクラッド層（膜厚４００ｎｍ、キャリア濃度１．２×１０¹⁸／ｃｍ³）５、ｐ型（Ｍｇドープ）Ａｌ_0.8Ｇａ_0.2Ａｓ緩衝層（膜厚３０００ｎｍ、キャリア濃度１×１０¹⁸／ｃｍ³）６ａ、低Ｍｇ濃度ｐ型（Ｍｇドープ）Ａｌ_0.8Ｇａ_0.2Ａｓ緩衝層（膜厚５０ｎｍ、キャリア濃度３．０×１０¹⁷／ ｃｍ³）１１、ｐ型（Ｚｎドープ）Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ａｓコンタクト層（膜厚３ｎｍ、キャリア濃度２．０×１０¹⁹／ｃｍ³）７を順次積層成長させた。

ＭＯＶＰＥ成長での成長温度は、前記ｎ型バッファ層２から前記ｐ型緩衝層６までを６５０℃とし、前記ｐ型コンタクト層７は５５０℃で成長した。その他の成長条件は、成長圧力約６６６６Ｐａ（５０Ｔｏｒｒ）、各層の成長速度は０．０．３〜１．０ｎｍ／ｓｅｃ、Ｖ／III比は約２００前後で行った。但し、ｐ型緩衝層６のＶ／III比は５０、ｐ型コンタクト層７のＶ／III比は３０とした。因みにここで言うＶ／III比とは、分母をＴＭＧａやＴＭＡｌなどのIII族原料のモル数とし、分子をＡｓＨ₃、ＰＨ₃などのＶ族原料のモル数とした場合の比率（商）を指す。

ＭＯＶＰＥ成長において用いる原料としては、例えばトリメチルガリウム（ＴＭＧａ）、又はトリエチルガリウム（ＴＥＧａ）、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）、等の有機金属や、アルシン（ＡｓＨ₃）、ホスフィン（ＰＨ₃）等の、水素化物ガスを用いた。

例えば前記ｎ型バッファ層２の様なｎ型層の添加物原料としては、ジシラン（Ｓｉ₂Ｈ₆）を用いた。前記ｐ型クラッド層５の様なｐ型層の導電型決定不純物の添加物原料としては、ビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ₂Ｍｇ）を用いた。但し、ｐ型コンタクト層７のみはジエチルジンク（ＤＥＺｎ）を用いた。

その他に、ｎ型層の導電型決定不純物の添加物原料として、セレン化水素（Ｈ₂Ｓｅ）、モノシラン（ＳｉＨ₄）、ジエチルテルル（ＤＥＴｅ）、ジメチルテルル（ＤＭＴｅ）を用いることもできる。

更に、このＬＥＤ用エピタキシャルウェハをＭＯＣＶＤ装置から搬出した後、当該ウェハの表面、つまりｐ型コンタクト層７の表面側へ、真空蒸着法によって膜厚２７０ｎｍのＩＴＯ膜８を形成した。本構造では、このＩＴＯ膜８が電流分散層となる。

この時、ＩＴＯ膜蒸着の同一バッチ内にセットした評価用ガラス基板を取り出し、Ｈａｌｌ測定が可能なサイズに切断し、ＩＴＯ膜８単体の電気特性を評価した所、キャリア濃度１．０９×１０²¹／ｃｍ³、移動度１８．４ｃｍ²／Ｖｓ、抵抗率２．８８×１０^-4Ω・ｃｍであった。

そして、このエピタキシャルウェハの上面に、レジストやマスクアライナなどの一般的なフォトリソグラフィプロセスに用いられる器材と周知の方法を駆使して円形電極である直径１１０μｍの表面電極９を、マトリックス状に真空蒸着法で形成した。蒸着後の電極形成はリフトオフ法を用いた。前記表面電極９は、Ｎｉ（ニッケル）、Ａｕ（金）を、それぞれ２０ｎｍ、５００ｎｍの順に蒸着した。更に、エピタキシャルウェハの底面には、全面に裏面電極１０を同じく真空蒸着法によって形成した。前記裏面電極１０は、ＡｕＧｅ（金・ゲルマニウム合金）、Ｎｉ（ニッケル）、Ａｕ（金）を、それぞれ６０ｎｍ、１０ｎｍ、５００ｎｍの順に蒸着し、その後、電極の合金化であるアロイ工程を、窒素ガス雰囲気中にて４００℃に加熱し、５分間熱処理することで行った。

その後、上記の様にして構成された電極付きＬＥＤ用エピタキシャルウェハをこの円形の表面電極９が中心になる様にダイシング装置を用いて切断し、チップサイズ３００μｍ角のＬＥＤベアチップを作製した。更に前記ＬＥＤベアチップをＴＯ−１８ステム上にマウント（ダイボンディング）し、その後、更にマウントされた該ＬＥＤベアチップに、ワイヤボンディングを行い、ＬＥＤ素子を作製した。

図４に本実施例１のＬＥＤ構造において、ＬＥＤ発光出力の通電試験後の発光出力の相対値の関係を示す。図４の横軸は低Ｍｇ濃度緩衝層１１のＭｇ濃度を示す。図４に示すように、低Ｍｇ濃度緩衝層１１のＭｇ濃度を３．０×１０¹⁷／ｃｍ³以下とした場合に発光出力の相対値が良好となることが分かる。

また、Ｍｇ濃度が３．０×１０¹⁷／ｃｍ^3の低Ｍｇ濃度緩衝層１１の膜厚とＬＥＤ発光出力の通電試験後の発光出力の相対値の関係を図５に示す。図５より、低Ｍｇ濃度緩衝層１１が５０ｎｍ以上ある場合に発光出力の相対値が良好となることが分かる。この結果、少なくともＭｇ濃度が３．０×１０¹⁷／ｃｍ³以下の低Ｍｇ濃度緩衝層１１を５０ｎｍ以上の厚さでｐ型緩衝層６の一部に挿入することによってｐ型コンタクト層７から活性層４へのＺｎの拡散は十分に抑制できることを確認した。

この実施例２は、前記低Ｍｇ濃度緩衝層１１をアンドープ緩衝層で構成したものである。

この実施例２では、図２に示した構造の発光波長６３０ｎｍ付近の赤色ＬＥＤ用エピタキシャルウェハを作製した。エピタキシャル成長の方法、エピタキシャル層膜厚、エピタキシャル層構造やＬＥＤ素子製作方法は、基本的に実施例1と同じである。以下に実施例1とは異なる点について列挙し、それに伴い詳細な説明をする。

図２に示すように、本実施例２では、ｐ型緩衝層６を、膜厚が１５００ｎｍのアンドープ緩衝層１２と、膜厚が１５００ｎｍのＭｇドープのp緩衝型層６ａとの上下二層に分け、上記アンドープ緩衝層１２を、成長表面側つまりコンタクト層７と接する様な構造とした。アンドープ緩衝層１２およびＭｇドープのｐ型緩衝層６ａの組成やＭｇドープ緩衝層６ａのキャリア濃度は、実施例１におけるｐ型緩衝層６と同じである。

また、アンドープ緩衝層といっても成長中にオートドーピングされる炭素等により、完全な絶縁膜とはならず電気的にｐ型半導体の性質を有する。この場合の、アンドープとはドーパントを積極的に供給しないということ、つまりはＭｇの原料となるＣｐ₂Ｍｇの供給を行わないことを意味する。

次に、上記の様に作製したＬＥＤ用エピタキシャルウェハを素子化するが、そのプロセスは上記実施例１と同じである。

この様に作製されたＬＥＤ素子の初期特性を評価した結果、２０ｍＡ通電時（評価時）の発光出力１．１２ｍＷ、動作電圧１．８４Ｖの優れた初期特性を有するＬＥＤ素子を得ることができた。

更に、当該ＬＥＤ素子を常温の環境下にて５０ｍＡで駆動させ、そのまま１６８時間(１週間)の連続通電試験を行った。その結果、試験前の状態との相対比較値は１０３％、動作電圧＋０．００５Ｖであり、良好な結果が得られた。

本実施例２での通電試験を行った後の状態のＬＥＤ素子のＳＩＭＳ分析結果を図３に示す。ＳＩＭＳ分析結果は、活性層４近傍を詳しく調べる為に、エピタキシャルウェハを１５００ｎｍ程研磨した状態で測定している。
後述する比較例（図９）では、Ｚｎが活性層４まで拡散していたが、本実施例２（図３）では、明らかにｐ型コンタクト層７のドーパントであるＺｎの拡散がアンドープ緩衝層１２で抑制されており、Ｚｎが活性層４への拡散が抑制されている。従って、実施例１と同様、Ｚｎの活性層４への拡散を防止すると、通電試験後のＬＥＤ出力の相対値も良好になるものと考えられる。

更には、本実施例２でのＬＥＤ初期特性における発光出力および動作電圧特性は、比較例と比較して良くなった。発光出力の向上に関しては、ｐ型緩衝層６の半分をアンドープ緩衝層１２としたことによってｐ型緩衝層６ａでの自由キャリアによる吸収の影響が比較例に対して小さくなり、外部量子効率が向上した為と考えられる。動作電圧の減少に関しては、ｐ型コンタクト層７からのＺｎの拡散が抑制されたことによって、比較例と比較してｐ型コンタクト層７に高濃度のＺｎを閉じ込められる様になり、ＩＴＯ膜８とのトンネル電圧が減少した為と考えられる。

更に、ｐ型緩衝層６を全てアンドープ緩衝層１２とした場合に、最も発光出力が高くなり、通電試験後の結果も良好だった。従って、発光出力を向上すること、およびｐ型コンタクト層７のＺｎを完全に活性層への拡散を抑制するには、ｐ型緩衝層６を全てアンドープ緩衝層１２とすることが好ましい。

ｐ型コンタクト層７のＺｎの活性層４への拡散を抑制する観点では、ｐ型緩衝層６の一部をアンドープ緩衝層１２とするだけでもＺｎの活性層４への拡散は十分に抑制できる。

以上、説明したように、実施例１又は２において、ｐ型コンタクト層７に高濃度のＺｎを閉じ込めて、ｐ型コンタクト層７とＩＴＯ膜８間のトンネル電圧を低減する観点では、上記アンドープ緩衝層１２および上記低Ｍｇ濃度緩衝層１１は、ｐ型緩衝層６の中でもｐ型コンタクト層７に近い部分に挿入されることが望ましく、具体的にはｐ型コンタクト層７から１５００ｎｍ以内に挿入されることによって、コンタクト層７のＺｎ濃度の低下を防止し、ｐ型コンタクト層７とＩＴＯ膜８とのトンネル電圧をより低減することができる。

また、ｐ型緩衝層６中に挿入される上記アンドープ緩衝層１２および低Ｍｇ濃度緩衝層１１はｐ型緩衝層６と異なる組成であっても構わないが、５０ｎｍ以上の厚さを有する為に、発光波長に対して透明な半導体に構成されることが好ましい。

本発明における実施例１又は２においては、どの構造においても活性層４とｎ型又はｐ型クラッド層５との間に何も介在させない構造とした。しかし、ここに例えば真性なアンドープ層を設けたり、多少導電型不純物を含んでいようとも擬似的にアンドープ層となる様な擬似アンドープ層を設けたり、比較的キャリア濃度が低い低キャリア濃度クラッド層を設ける構造を採っても、ＬＥＤ素子の出力の信頼性を向上させる効果が得られる。

また、本発明における実施例１又は２では、ｐ型緩衝層６内に低Ｍｇ濃度緩衝層１１またはアンドープ緩衝層１２を設けたが、ｐ型クラッド層５内に同様のアンドープ緩衝層１２または低Ｍｇ濃度緩衝層１１を設けることもでき、これによってもｐ型コンタクト層７からの活性層４へのＺｎの拡散を抑制する効果を得ることができる。

また、本発明における実施例１又は２では、活性層４をアンドープのバルク層としたが、多重量子井戸または歪み多重量子井戸とした場合においても、本発明の意図する効果を得ることができる。

また、本発明における実施例１又は２においては、発光波長６３０ｎｍの赤色ＬＥＤ素子としたが、同じＡｌＧａＩｎＰ系の材料を用いて製作されるそれ以外のＬＥＤ素子、例えば発光波長５６０ｎｍ〜６６０ｎｍのＬＥＤ素子においても、この時に用いられる各層の材料、キャリア濃度、特にウインドウ層においては一切の変更点を持たない。従って、仮にＬＥＤ素子の発光波長を上記実施例１又は２と異なる波長帯域としても、本発明の意図する効果を得ることができる。

また、本発明における実施例１又は２においては、ｎ型バッファ層２上に直接ｎ型クラッド層３を積層する構造としたが、例えば前記ｎ型バッファ層２とｎ型クラッド層３との間に、屈曲率の異なる半導体層の対からなる半導体反射膜としてＤＢＲ（分布ブラッグ反射層）を設けたＬＥＤ素子構造とすることもでき、これによっても同様に本発明の意図する効果を得ることができる。

また、本発明における実施例１又は２においては、表面電極９の形状は常に円形のものとした構造を採ったが、その他にも異形状、例えば四角、菱形、多角形等の電極を有する形態を採ることができ、それらの形態の電極であっても、本発明の意図する効果を得ることができる。

また、本発明における実施例１又は２においては、半導体基板にＧａＡｓを用いたが、この他にもＧｅおよびＳｉを出発基板とするＬＥＤ用エピタキシャルウェハや、出発基板をＧａＡｓ又はＧｅとし、これを後に除去し、代替の自立基板としてＳｉやＳｉ以上の熱伝導率を有する半導体基板を用いたＬＥＤ用エピタキシャルウェハにおいても本発明の意図する効果を得ることができる。
〔比較例〕
［比較例：Ｍｇ濃度：１．２×１０¹⁸／ｃｍ³のＭｇ−ＡｌＧａＡｓ緩衝層を用いる］

比較例として、図８に示した構造の発光波長６３０ｎｍ付近の赤色ＬＥＤ用エピタキシャルウェハを作製した。エピタキシャル成長方法、エピタキシャル層膜厚、エピタキシャル層構造やＬＥＤ素子製作方法は、基本的に、実施例１と同じにした。以下に、実施例１とは異なる点を列挙し、それに伴い詳細な説明をする。
この比較例では、緩衝層を、ｐ型（Ｍｇドープ）Ａｌ_0.8Ｇａ_0.2Ａｓ緩衝層（膜厚３０００ｎｍ、キャリア濃度１×１０¹⁸／ｃｍ³）１６としている。そして、作製されたＬＥＤ素子の初期特性を実施例１と同様の方法で評価した結果、２０ｍＡ通電時（評価時）の発光出力０．９５ｍＷ、動作電圧１．８７Ｖという初期特性を有するＬＥＤ素子を得ることができた。

更に、当該ＬＥＤ素子を常湿の環境下にて５０ｍＡで駆動させ、そのまま１６８時間（１週間）の連続通電試験を行った。その結果、試験前の状態との相対比較値は、出力５２％、動作電圧＋０．０６Ｖ（約３％増）となっていた。また、ＬＥＤ素子作製後、上記の条件で通電試験を行った後の状態のＬＥＤ素子のＳＩＭＳ分析を図９に示す。図９に示すＳＩＭＳ分析結果は、活性層４近傍を詳しく調べる為に、エピタキシャルウェハを１．５μｍ程研磨した状態で測定している。その結果、通電試験後の本比較例のＬＥＤ素子では活性層４内にまでｐ型コンタクト層７のドーパントであるＺｎが拡散し、混入している様子が確認された。本比較例に示したＬＥＤ素子の素子ライフ、つまり信頼性が低下する原因はこのドーパント拡散によるものである。
これは、Ｚｎドープのｐ型コンタクト層７とＭｇドープのｐ型緩衝層１６とが互いに接しており、ＺｎとＭｇの相互拡散によってＺｎの拡散が促進されて、活性層４までＺｎが拡散していたものと考えられる。
この点、実施例１及び実施例２では、Ｚｎドープ層とＭｇドープ層の間、すなわち、Ｚｎドープのｐ型コンタクト層７とＭｇドープのｐ型緩衝層６にアンドープ緩衝層１２又はＭｇ濃度が３．０×１０¹⁸／ｃｍ^3、膜厚が５０ｎｍ以上のＭｇ緩衝層１１を挿入することによって、このような問題点を解決している。

本発明の一実施形態及び実施例１にかかるＡｌＧａＩｎＰ系赤色ＬＥＤの断面構造図である。 本発明の他の実施の形態及び実施例２にかかるＡｌＧａＩｎＰ系赤色ＬＥＤの断面構造図である。 本発明の実施例２にかかるＡｌＧａＩｎＰ系赤色ＬＥＤのＳＩＭＳ分析図である。 低Ｍｇ濃度緩衝層のＭｇ濃度と初期発光出力に対するＬＥＤ通電試験後の発光出力相対値を示したものである。 低Ｍｇ濃度緩衝層の膜厚と初期発光出力に対するＬＥＤ通電試験後の発光出力相対値を示したものである。 コンタクト層の膜厚とＬＥＤの発光波長における透過率を示したものである。 ＧａＡｓ基板上に形成されたＩＴＯ膜の反射率スペクトルを示した図である。 本発明の比較例にかかるＡｌＧａＩｎＰ系赤色ＬＥＤの断面構造図である。 本発明の比較例にかかるＡｌＧａＩｎＰ系赤色ＬＥＤのＳＩＭＳ分析図である。

符号の説明

１ ｎ型ＧａＡｓ基板
２ ｎ型ＧａＡｓバッファ層
３ ｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層（ｎ型クラッド層）
４ アンドープＡｌＧａＩｎＰ活性層（活性層）
５ ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層（ｐ型クラッド層）
６ ｐ型緩衝層
６ａ ｐ型緩衝層
７ ｐ型ＡｌＧａＡｓコンタクト層（ｐ型コンタクト層）
８ ＩＴＯ膜
９ 表面電極
１０ 裏面電極
１１ 低Ｍｇ濃度緩衝層
１２ アンドープ緩衝層
１６ ｐ型緩衝層

Claims (10)

1. 半導体基板上に、少なくともｎ型クラッド層、活性層、ｐ型クラッド層、ｐ型緩衝層、ｐ型コンタクト層が形成され、その上に金属酸化物材料から成る電流分散層が形成された半導体発光素子において、
   前記活性層の組成が（Ａｌ_xＧａ_1-x）_yＩｎ_1-yＰ（但し、０≦Ｘ≦１、０．４≦Ｙ≦０．６）、前記ｎ型クラッド層および前記ｐ型クラッド層の組成がそれぞれ（Ａｌ_xＧａ_1-x）_yＩｎ_1-yＰ（但し、０．６≦Ｘ≦１、０．４≦Ｙ≦０．６）、前記ｐ型緩衝層の組成がＡｌ_xＧａ_1-xＡｓ（但し、０．４５≦Ｘ≦１）から成り、且つ前記ｐ型クラッド層および前記ｐ型緩衝層の主たるドーパントがＭｇ、前記コンタクト層の主たるドーパントがＺｎであり、且つ前記ｐ型緩衝層の一部、又は全てをＭｇ濃度が３．０×１０¹⁷／ ｃｍ³以下であると共に膜厚が５０ｎｍ以上である低Ｍｇ濃度緩衝層とすることを特徴とする半導体発光素子。
2. 請求項１に記載の半導体発光素子において、
   前記低Ｍｇ濃度緩衝層が前記ｐ型緩衝層と前記ｐ型コンタクト層との界面から１５００ｎｍ以内の範囲にあることを特徴とする半導体発光素子。
3. 請求項１又は２に記載の半導体発光素子において、
   前記低Ｍｇ濃度緩衝層及び前記ｐ型緩衝層が発光波長に対して透明であり、前記ｐ型緩衝層の膜厚が２００ｎｍ以上５００ｎｍ以下であることを特徴とする半導体発光素子。
4. 請求項１〜３のいずれかに記載の半導体発光素子において、
   前記低Ｍｇ濃度緩衝層がアンドープ緩衝層であることを特徴とする半導体発光素子。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載の半導体発光素子において、
   前記コンタクト層のＺｎ濃度が１．０×１０¹⁹／ｃｍ³以上であることを特徴とする半導体発光素子。
6. 請求項１〜５のいずれかに記載の半導体発光素子において、
   前記コンタクト層を構成する材料がＡｌ_xＧａ_1-xＡｓ（但し、０≦Ｘ≦０．４）であり、前記コンタクト層の膜厚が１ｎｍ以上３０ｎｍ以下であることを特徴とする半導体発光素子。
7. 請求項１〜６のいずれかに記載の半導体発光素子において、
   前記電流分散層がＩＴＯ（ｉｎｄｉｕｍ ｔｉｎ ｏｘｉｄｅ）であり、且つキャリア濃度が８×１０²⁰／ｃｍ³以上有することを特徴とする半導体発光素子。
8. 請求項１〜７のいずれかに記載の半導体発光素子において、
   前記半導体基板と前記ｎ型クラッド層間に、屈折率の異なる半導体層の対から成る半導体反射膜を設けることを特徴とする半導体発光素子。
9. 請求項８に記載の半導体発光素子において、
   前記半導体反射膜を構成する半導体材料が、（Ａｌ_xＧａ_1-x）_yＩｎ_1-yＰ（但し、０≦Ｘ≦１、０．４≦Ｙ≦０．６）又はＡｌ_xＧａ_1-xＡｓ（但し、０≦Ｘ≦１）から選択されていることを特徴とする半導体発光素子。
10. 請求項１〜９のいずれかに記載の半導体発光素子において、
    前記電流分散層の膜厚が、ｄ＝Ａ×λｐ／（４×ｎ）の関係式〔但し、Ａは定数（１又は３)、λｐは発光波長（単位：ｎｍ）、ｎは屈曲率である〕により求まるｄの±３０％の範囲にあることを特徴とする半導体発光素子。
    

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