CN1941442A

CN1941442A - 半导体发光元件

Info

Publication number: CN1941442A
Application number: CN 200610159353
Authority: CN
Inventors: 新井优洋; 今野泰一郎; 饭塚和幸; 秋元克弥
Original assignee: Hitachi Cable Ltd
Current assignee: Hitachi Cable Ltd
Priority date: 2005-09-30
Filing date: 2006-09-27
Publication date: 2007-04-04
Also published as: JP4320653B2; JP2007096166A

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，在衬底上形成至少由n型包覆层、活性层、p型包覆层形成的发光部；发光部的上部中的p型掺杂剂浓度为大于等于1×10¹⁹/cm³；形成薄膜的As系p型接触层，其中添加的掺杂剂不同于在所述p型包覆层中添加的掺杂剂；在p型接触层的上部形成由金属氧化物材料构成的电流扩展层；在p型包覆层和p型接触层之间，具有由III/V族半导体构成的缓冲层；缓冲层为p型导电性，同时含有故意的或者不可避免的H(氢)或C(碳)；所述缓冲层的膜厚大于等于p型接触层中添加的掺杂剂的扩散深度L。

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，更具体地说，本发明涉及一种以透明导电膜作为电流扩展层的高亮度半导体发光元件。

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)，近年来由于可以采用MOVPE法生长GaN系、AlGaInP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，需要具有良好的电流扩展特性，以便向LED的芯片面内均匀地提供电流，例如在AlGaInP系LED元件中需要使电流扩展层的膜厚达到5～10μm左右。因此，增加了在电流扩展层生长中所消耗的原料费用，必然也导致LED元件的制造成本的提高，难以以低的成本制造LED元件。

为此，曾有人提出了使用ITO(氧化铟锡)、ZnO(氧化锌)作为电流扩展层的方法，以获得充分的透光性和良好的电流扩展特性(参照特开平8-83927号公报)。另外，还有人提出了在p型包覆层上直接形成ITO膜的方法(美国再颁专利No.35665)。

如果可以将ITO膜用作电流扩展层，那么就不再需要以往将作为电流扩展层的半导体层制成增大到5～10μm左右厚度的方法，由于不再需要形成这样程度的外延生长层，所以可以以较低的成本制造高亮度LED元件以及LED元件用外延晶片。

但是，当ITO膜被用作窗口层时，在半导体层和作为金属氧化物的ITO膜之间产生接触电阻，正向工作电压增大，即，作为透明导电膜(透明电极)的ITO膜是n型半导体，另一方面，与之相连接的上侧包覆层是p型半导体。因而，对LED施加正向工作电压时，在透明导电膜(透明电极)和p型包覆层之间形成反向偏压，如果不施加高电压就无法流动电流。

作为解决该问题的对策，有人提出了这样一种方法：设置薄膜的高载流子浓度层(接触层)来与ITO膜相接，通过隧道结来在低电压下驱动LED(参见美国再颁专利No.35665)。

但是，需要将该接触层形成为高载流子浓度层且为薄膜，这是因为，该接触层必需提供隧道结且对于由活性层发出的光是光吸收层，由于生长时产生的热量，容易引起掺杂剂的扩散，从而导致以下两方面的问题。

第一，掺杂剂由接触层向LED元件的深度方向上扩散，扩散到LED元件的活性层，引起活性层内产生缺陷，这些缺陷作为非发光再结合成分，导致LED元件的光输出下降。

第二，由于p型掺杂剂的扩散，作为薄膜的高载流子浓度层的接触层实际上的载流子浓度下降，因此，很难完成上述隧道结，导致隧道电压上升，LED元件的驱动电压(正向电压)有害地上升。

另外，Zn被广泛用来作为AlGaInP系或AlGaAs系化合物半导体内的p型掺杂剂，已知其扩散系数比较大，在加热工序中会产生负面影响。因此，如果为了增加载流子浓度而将Zn掺杂到p型包覆层中，则Zn会向活性层扩散从而使LED元件的特性变差。

而且，如果使用扩散系数比Zn小的Mg作为p型包覆层的p型掺杂剂以提高其载流子浓度，使用可以比较容易提供大于等于1×10¹⁹/cm³的载流子浓度和足够小的接触电阻的Zn作为p型接触层的p型掺杂剂，由于作为p型掺杂剂的Zn和Mg的相互扩散作用，导致由于掺杂剂的扩散引起的问题更为显著。

这里所述的添加掺杂剂的方法有三种，即，单一添加Mg、单一添加Zn、组合添加Zn和Mg，扩散量也按照这一顺序增大。也就是说，扩散量的大小关系为，单一Mg＜单一Zn＜组合Zn和Mg。因此，作为抑制相互扩散的方法，优选单一添加Zn或Mg，但单一添加Zn或Mg时具有如下的优点和缺点。

首先，单一添加Mg时，难以形成具有高载流子浓度的接触层，例如，很难实现与ITO膜的隧道结。另一方面，由于从p型包覆层扩散到活性层的Mg很少，因而有可以获得具有元件寿命长、稳定的LED元件的优点。

其次，单一添加Zn时，与上述单一添加Mg时相比完全相反，可以比较容易地获得与ITO膜的隧道结。即，易于实现接触层的高载流子浓度化。但是另一方面，由于较多发生从p型包覆层向活性层的Zn的扩散，与单一添加Mg时相比，LED元件的寿命降低。另外，对于AlGaInP系材料，掺杂Zn时比使用Mg时更难以形成高载流子浓度的晶体，因而可以设定的Zn载流子浓度的范围就受到限制，存在难以获得高亮度LED元件的问题。

在组合掺杂Zn和Mg的情况下，通过采用下述组合，在某种程度上可以适当地获得LED元件。第一，使用Zn作为接触层的掺杂剂，以获得与ITO膜的隧道结。然后，使用Mg作为p型半导体层而不是接触层的掺杂剂，例如缓冲层和p型包覆层，以具有高载流子浓度p型包覆层，从而提供高亮度的LED元件。

但是，组合使用Zn和Mg的情况唯一的问题是上述的Zn和Mg间相互扩散的问题，必须抑制因此导致的元件寿命的下降。

另一方面，还有这样的方法，即不设置缓冲层而在p型包覆层上直接设置接触层，再在其上设置ITO膜(例如美国再颁专利No.35665)，如果采用这样的方案，由于p型包覆层的膜厚较薄，掺杂剂的扩散易于到达活性层，因而上述结构的元件寿命易于降低。而且，由于p型包覆层的膜厚较薄，在连接导线时，元件易于损坏。

发明内容

本发明的目的是解决上述课题，提供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。

根据本发明的一个方面，提供了一种半导体发光元件，该半导体发光元件具有：在半导体衬底上形成的发光部，该发光部至少由n型包覆层、活性层和p型包覆层形成；在所述发光部的上部形成的As系p型接触层，该p型接触层的p型掺杂剂浓度大于等于1×10¹⁹/cm³，并且，所述的p型接触层的掺杂剂材料与所述p型包覆层中的掺杂剂不同；在所述p型接触层的上部形成电流扩展层，该电流扩展层由金属氧化物材料构成；其特征在于，在所述p型包覆层和所述p型接触层之间形成由III/V族半导体构成的缓冲层，所述缓冲层是p型导电型，其中有意地或不可避免地含有H(氢)，并且所述缓冲层的膜厚大于等于掺杂到所述p型接触层中的掺杂剂的扩散深度L。

这里所述的“故意地”，是指积极地或者有目的地添加(掺杂)；另外，所述的“不可避免地”，是指不包括上述的积极地、有意图地或者有目的地添加(掺杂)，而是在晶体中自然地混入H(氢)或C(碳)等杂质的不可避免的现象。而且，本说明书中所述的“未掺杂的”、“无添加的”、“不添加的”，是指不进行积极的、有意图或者有目的的添加(掺杂)，但不包括在晶体中不可避免地混入H(氢)、C(碳)等杂质的现象。

根据本发明的一个方面，可以进行如下变更或改变。

1.所述p型包覆层含有Mg作为掺杂剂，所述p型接触层含有Zn作为掺杂剂，而且扩散深度L由下式表示：L＝6.869×10^-15×N_H ^0.788，其中，N_H是缓冲层中的H浓度，单位是cm^-3，L的单位为μm。

2.所述p型接触层由Al_xGa_1-xAs构成(其中，0≤x≤0.4)。

可以稳定地实现的大于等于1.0×10¹⁹/cm³的高载流子浓度的接触层的半导体材料是有限的，其中，作为半导体材料最适合的是Zn掺杂的Al_xGa_1-xAs(其中，0≤x≤0.4)。但是，由于上述AlGaAs对于发光波长是不透明的，所以需要形成厚度小于等于30nm左右的薄膜。

3.所述缓冲层由Al_xGa_1-xAs构成(其中，0.4≤x≤1)。

4.所述电流扩展层由ITO(氧化铟锡)、SnO₂(氧化锡)、ATO(氧化锡锑)、In₂O₃(氧化铟)、ZnO(氧化锌)、GZO(氧化镓锌)、BZO(氧化锌硼)、AZO(氧化锌铝)、CdO(氧化镉)、CTO(氧化镉锡)、IZO(氧化锌铟)中的至少一种金属氧化物材料形成。

5.所述电流扩展层的膜厚在按照d＝A×λp/(4×n)的计算式(其中，A为常数(1或3)，λp为发光元件的发光波长，单位是nm，n是折射率)计算出的d的±30％的范围内。

6.所述发光部由(Al_xGa_1-x)_yIn_1-yP构成(其中，0≤x≤1，0.4≤y≤0.6)，而且，所述p型包覆层以及所述n型包覆层中所含有的Al(铝)的含有率高于所述活性层。

7.所述电流扩展层的载流子浓度大于等于7×10²⁰/cm³。

8.所述p型接触层的膜厚为1～30nm。

9.在所述衬底和所述n型包覆层之间形成光反射层，所述光反射层由10～30对半导体层构成，每一对所述半导体层包含两种折射率不同的半导体层，分别为高折射率材料层和低折射率材料层。

10.构成所述光反射层的主要材料为Al_xGa_1-xAs(其中，0.4≤x≤1)，或者为(Al_xGa_1-x)_yIn_1-yP(其中，0≤x≤1，0.4≤y≤0.6)，或者为二者的组合。

11.所述活性层的结构是，具有窄禁带的发光层和比所述发光层禁带宽的阻挡层，将其多层层叠。

12.所述活性层为量子阱结构，其中所述活性层中含有的所述发光层的厚度为小于等于9nm的薄膜；或者所述活性层为应变量子阱结构，其中所述发光层的晶体晶格常数与所述n型包覆层或者p型包覆层的晶格常数不同。

13.所述p型包覆层中所含有的Mg的浓度为1×10¹⁷/cm³～5×10¹⁸/cm³的范围，并且，设定为上述范围内的p型包覆层占该层的全部或者至少一部分。

如果Mg浓度小于1×10¹⁷/cm³，则该p型包覆层的载流子浓度过低，难以充分发挥载流子供给层的作用。另外，如果进行超过5×10¹⁸/cm³的过度的Mg的添加，则会在p型包覆层中产生大致上依赖于Mg的浓度的晶体缺陷，促进掺杂剂的扩散，同时降低LED的内部量子效率，总之，降低LED元件的发光输出效率。

14.所述衬底是GaAs、Ge或者Si中的任一种半导体材料，或者是导热率高于所述Si的金属材料。

15.在所述活性层和所述p型包覆层之间，设置小于等于300nm的扩散防止层，所述的扩散防止层由下述的任一半导体层或它们的组合构成：不添加掺杂剂的半导体层；所添加的p型掺杂剂的浓度低于所述p型包覆层的半导体层；同时添加n型掺杂剂和p型掺杂剂的伪中性状态的半导体层。

16.在所述活性层和所述n型包覆层之间，设置小于等于200nm的扩散防止层，所述的扩散防止层由下述的任一半导体层或它们的组合构成：不添加掺杂剂的半导体层；所添加的n型掺杂剂的浓度低于所述n型包覆层的半导体层；同时添加n型掺杂剂和p型掺杂剂的伪中性状态的半导体层。

根据本发明的另一方面，提供了一种半导体发光元件，所述的半导体发光元件具有：在半导体衬底上形成的发光部，所述的发光部至少由n型包覆层、活性层和p型包覆层形成；在所述发光部的上部形成的As系p型接触层，所述p型接触层的p型掺杂剂浓度大于等于1×10¹⁹/cm³；并且，其中添加的掺杂剂与在所述p型包覆层中添加的掺杂剂为不同的材料；在所述p型接触层的上部形成的由金属氧化物材料构成的电流扩展层；其特征是，在所述p型包覆层和所述p型接触层之间，具有由III/V族半导体构成的缓冲层，所述缓冲层为p型导电性，同时有意地或者不可避免地含有C(碳)，并且所述缓冲层的膜厚大于等于添加到所述p型接触层中的掺杂剂的扩散深度L。

根据本发明的另一方面，可以进行如下的变更和改变。

17.所述p型包覆层的掺杂剂是Mg，而且所述p型接触层的掺杂剂是Zn，所述扩散深度L由下式表示：L＝6.872×10^-14×N_C ^0.733，其中，N_C为缓冲层中的C浓度，单位是cm^-3，L的单位为μm。

18.构成所述p型接触层的材料是Al_xGa_1-xAs(其中，0≤x≤0.4)。

可以稳定地实现大于等于1.0×10¹⁹/cm³的高载流子浓度的接触层的半导体材料是有限的，其中，作为半导体材料最适合的是Zn掺杂的Al_xGa_1-xAs(其中，0≤x≤0.4)。由于上述AlGaAs对于发光波长是不透明的，所以需要形成小于等于30nm左右厚度的薄膜。

19.所述缓冲层为Al_xGa_1-xAs(其中，0.4≤x≤1)。

20.所述电流扩展层由ITO(氧化铟锡)、SnO₂(氧化锡)、ATO(氧化锡锑)、In₂O₃(氧化铟)、ZnO(氧化锌)、GZO(氧化镓锌)、BZO(氧化锌硼)、AZO(氧化锌铝)、CdO(氧化镉)、CTO(氧化镉锡)、IZO(氧化锌铟)中的至少一种金属氧化物材料形成。

21.所述电流扩展层的膜厚在由d＝A×λp/(4×n)的计算式(其中，A为常数(1或3)，λp为发光元件的发光波长，单位是nm，n是电流扩展层的折射率)计算出的d的±30％的范围内。

22.构成所述发光部的材料为(Al_xGa_1-x)_yIn_1-yP(其中，0≤x≤1，0.4≤y≤0.6)，而且，所述p型包覆层以及所述n型包覆层中所含有的Al(铝)的含有率高于所述活性层。

23.所述电流扩展层的载流子浓度大于等于7×10²⁰/cm³。

24.所述p型接触层的膜厚为1～30nm。

25.在所述衬底和所述n型包覆层之间形成光反射层，所述光反射层由10～30对半导体层构成，每一对所述半导体层由折射率不同的两种半导体层构成，分别为高折射率材料和低折射率材料。

26.构成所述光反射层的主要材料为Al_xGa_1-xAs(其中，0.4≤x≤1)，或者(Al_xGa_1-x)_yIn_1-yP(其中，0≤x≤1，0.4≤y≤0.6)，或者为二者的组合。

27.所述活性层的结构是，具有窄禁带的发光层和比所述发光层禁带宽的阻挡层，将其多层层叠。

28.所述活性层是由薄膜构成的量子阱结构，其中，所述活性层中含有的所述发光层的厚度小于等于9nm；或者，所述活性层是应变量子阱结构，其中，所述发光层的晶格常数与所述n型包覆层或者p型包覆层的晶格常数不同。

29.所述p型包覆层中所含有的Mg的浓度为1×10¹⁷/cm³～5×10¹⁸/cm³的范围，并且，设定为所述范围内的p型包覆层占该层的全部或者至少一部分。

如果Mg浓度小于1×10¹⁷/cm³，则该p型包覆层的载流子浓度过低，难以充分发挥载流子供给层的作用。另外，如果进行超过5×10¹⁸/cm³的过度的Mg的添加，则会在p型包覆层中产生与Mg的浓度大致依存的晶体缺陷，促进掺杂剂的扩散，同时降低LED的内部量子效率，总之，降低LED元件的发光输出。

30.所述衬底使用GaAs、Ge或者Si中的任何一种半导体材料，或者使用导热率高于所述Si的金属材料。

31.在所述活性层和所述p型包覆层之间，设置小于等于300nm的扩散防止层，该扩散防止层由下面所述的半导体层中的任一种或者它们的组合构成：不添加掺杂剂的半导体层；所添加的p型掺杂剂的浓度低于所述p型包覆层的半导体层；同时添加n型掺杂剂和p型掺杂剂的伪中性状态的半导体层。

32.在所述活性层和所述n型包覆层之间，设置小于等于200nm的扩散防止层，该扩散防止层由下面所述的半导体层中的任一种或者它们的组合构成：不添加掺杂剂的半导体层；所添加的n型掺杂剂的浓度低于所述n型包覆层的半导体层；同时添加n型掺杂剂和p型掺杂剂的伪中性状态的半导体层。

在本发明中，由于在缓冲层中有意地或者不可避免地含有H(氢)或C(碳)，且通过该氢浓度值或该碳浓度值可以设定Zn的扩散深度，因此可以将Zn的扩散深度设定在不超过缓冲层的膜厚的范围内。

根据本发明，可以有效抑制来自p型接触层以及其它的p型半导体层的掺杂剂的相互扩散，可以制作高输出、低工作电压的LED元件，同时可以制作能够抑制长时间后发光输出下降、驱动电压上升的LED元件。

附图说明

图1是本发明的第一和第二优选方式中以及实施例1和5中所涉及的AlGaInP系红色LED的横截面示意图。

图2A是本发明的实施例1～4中所涉及的缓冲层中H浓度与Zn扩散距离的关系曲线图。

图2B是本发明的实施例5～8中所涉及的缓冲层中C浓度与Zn扩散距离的关系的曲线图。

图3是本发明的实施例2和6中所涉及的AlGaInP系红色LED的横截面示意图。

图4是本发明的实施例3和7中所涉及的AlGaInP系红色LED的横截面示意图。

图5是本发明的实施例4和8中所涉及的AlGaInP系红色LED的横截面示意图。

图6是表示接触层膜厚与LED发光波长的透光率之间关系的曲线图。

图7是表示在GaAs衬底上形成的ITO膜的反射率谱图。

图8是表示光反射层的对数与垂直反射率之间的关系的曲线图。

图9是比较例1和3中所涉及的AlGaInP系红色LED的横截面示意图。

图10是比较例2和4中所涉及的AlGaInP系红色LED的横截面示意图。

图11是表示比较例1和3中的SIMS分析结果的图。

图12是表示本发明的实施例1和5中的SIMS分析结果的图。

图13A是表示缓冲层生长时的V/III比与缓冲层中氢浓度之间关系的图。

图13B是表示缓冲层生长时的V/III比与缓冲层中碳浓度之间关系的图。

其中，1…n型GaAs衬底，2…n型GaAs缓冲层，3…n型AlGaInP包覆层(n型包覆层)，4…未掺杂AlGaInP活性层(活性层)，5…p型AlGaInP包覆层(p型包覆层)，6…p型缓冲层，7…p型AlGaAs接触层(p型接触层)，8…ITO膜(电流扩展层)，9…表面电极，10…背面电极，11…扩散防止层，12…光反射层，13…MQW活性层，16…p型缓冲层。

具体实施方式

第一实施方式

图1是表示本发明的第一优选实施方式所涉及的AlGaInP系红色LED的横截面图。

该LED包括在作为半导体衬底的n型GaAs衬底1上依次形成的下列各层：n型GaAs缓冲层2，n型AlGaInP包覆层3(简称为n型包覆层)，未掺杂的AlGaInP活性层4(简称为活性层)，以及p型AlGaInP包覆层5(简称为p型包覆层)，其中，3-5层被外延生长以构成发光部。进而，在p型包覆层5上形成高浓度添加了p型掺杂剂的As系的p型AlGaAs接触层7(简称为p型接触层)。再在p型接触层7上，形成作为透明导电膜的ITO膜8(电流扩展层)来作为由金属氧化物构成的电流扩展层，在ITO膜8的表面一侧形成表面电极9，在n型GaAs衬底1的背面一侧形成背面电极10。

上述p型接触层7由Al_xGa_1-xAs(其中，0≤x≤0.4)构成，膜厚为1nm～30nm，作为p型掺杂剂的Zn以大于等于1×10¹⁹/cm³的高载流子浓度添加。

作为电流扩展层的ITO膜8的膜厚，在由关系式d＝A×λp/(4×n)(其中，A为常数(1或3)，λp为LED的发光波长(单位是nm)，n是ITO膜的折射率)计算出的d的±30％的范围内。作为电流扩展层的ITO膜8采用真空蒸镀法或者溅射法来形成，在刚刚成膜后的状态下具有大于等于7×10²⁰/cm³的载流子浓度。

而且，该LED的特征是，在上述p型接触层7和上述p型包覆层5之间，形成p型缓冲层6，它由添加了Mg作为p型掺杂剂的III/V族半导体所构成。

该p型缓冲层6对于发光波长是光学透明的，由与构成发光部的AlGAInP系材料晶格匹配的Al_xGa_1-xAs(其中，0.4≤x≤1)构成。另外，该p型缓冲层6的膜厚t要大于等于p型接触层7中添加的Zn的扩散深度。

上述p型缓冲层6是具有高Al组成的AlGaAS层，对于由AlGaInP系材料构成的LED元件的发光波长是光学透明的，并且，与AlGaInP等的4元系材料相比晶体生长更容易，并且与构成发光部的AlGaInP系材料基本上是晶格匹配的，因此p型缓冲层6是由可以降低LED元件的工作电压的材料形成。

p型接触层7中所添加的Zn的扩散深度，如图2A所示，与p型缓冲层6中所含有的H(氢)浓度有关，Zn的扩散深度由以下关系式表示：

L＝6.869×10^-15×N_H ^0.788

式中，N_H是缓冲层中的H的浓度，单位是cm^-3，L是所述p型接触层7中添加的掺杂剂的扩散深度，单位为μm。

在本实施方式中，设定p型缓冲层6中的H浓度，使得p型缓冲层6的膜厚t大于由上述关系式或者图2A的曲线求出的Zn扩散深度L。该H浓度的设定，可以通过对例如p型缓冲层6生长时的V/III比例或者p型缓冲层6的Al组成等参数来严密控制。

具体而言，当p型缓冲层6的膜厚是5μm时，例如，将p型缓冲层6中的H浓度设定为3×10¹⁸/cm³。这样，由上述关系式或者图2A的曲线求出的p型接触层7中添加的Zn的扩散深度约为2.5μm，小于p型缓冲层6的膜厚。结果，可以防止p型接触层7的Zn的扩散，此外，还可以有效地抑制p型接触层7的Zn和其它的p型半导体层5、6中的掺杂剂Mg的相互扩散。

本发明人进行了认真的研究，结果发现，上述p型接触层7中所含的Zn和上述p型包覆层5和p型缓冲层6中所含的Mg之间的相互扩散反应，与上述p型缓冲层6中所含有的H浓度有密切关系，而且，当p型缓冲层6由由高Al组成的AlGaAs层构成时，这一现象特别有意义。由于可以通过仔细控制p型缓冲层6生长时的V/III比或者p型缓冲层6的Al组成等参数来设定p型缓冲层6中的H浓度，所以，可以适当设定p型缓冲层6的厚度，从而控制Zn和Mg的相互扩散距离，获得长寿命的LED元件。

在上述实施方式中，在n型GaAs衬底1和n型包覆层3之间，例如在n型GaAs缓冲层2和n型包覆层3之间，可以形成由10对～30对半导体层构成的光反射层，其中，每对光反射层由两种折射率不同的半导体材料构成，分别为高折射率材料和低折射率材料。

另外，在上述实施方式中，在活性层4和p型包覆层5之间或者在活性层4和n型包覆层3之间，还可以设置扩散防止层，该扩散防止层可以下列半导体层中的任意一种或者它们的组合构成：没有掺杂的半导体层；所添加的掺杂剂浓度比p型包覆层5低的半导体层；同时添加n型掺杂剂和p型掺杂剂的伪中性状态的半导体层。扩散防止层的膜厚，如果是在活性层4和p型包覆层5之间插入的话，优选为小于等于300nm，另外，在活性层4和n型包覆层3之间设置扩散防止层时，其膜厚优选为小于等于200nm。

接下来，对采用上述实施方式的发光二极管结构的根据进行详细说明。

第一，关于本发明中所公开的AlGaAs系缓冲层6的膜厚的设定，由于有接触层7中添加的Zn和其它的p型半导体层5、6中添加的Mg间产生相互扩散这样的大前提，因而所设定的膜厚要能够防止上述的杂质混入活性层4中，这对于获得高寿命、高可靠型的LED元件来说是至关重要的。

本发明人等发现，此时的Zn和Mg的相互扩散作用，与上述缓冲层6中所含有的H的浓度密切相关，上述杂质等的扩散深度(扩散距离)可以通过缓冲层6中含有的H浓度来控制。这可以由例如图2A所示的缓冲层6中的H浓度和Zn的扩散深度的关系的试验结果中得知。而且，基于该结果，接触层7中所添加的Zn的扩散深度L，可以由关系式L＝6.869×10^-15×N_H ^0.788(其中，N_H为缓冲层的H的浓度，单位是cm^-3，L是所述p型接触层7中添加的掺杂剂的扩散深度，单位为μm)来求出，本实施方式中，通过将AlGaAs缓冲层6的膜厚t设置为大于等于由上述关系式所求出的Zn的扩散深度L，可以获得在初期特性和可靠性这两方面均有良好特性的LED元件。

另外，对于该缓冲层6的膜厚值t，没有必要特别设定上限，但如果膜厚比基于上述理由求出的适度的膜厚更厚的话，将会发生如下情况。

通过在接触层7上设置了由金属氧化物构成的电流扩展层8，例如ITO、ZnO系透明导电膜，可以期待LED元件的电流扩展特性表现出充分的效果。为此，缓冲层6自身并不要求特别的电流扩展特性。即使设置的缓冲层6具有10μm或超过的适宜厚度以上的膜厚，由于上述电流扩展层8得到的电流扩展效果仍是决定性的，不能期望LED元件能飞跃性地提高输出。与之相反，产生的缺点是，LED元件的制造成本增高，LED元件的价格也升高。因此，在生产中优选将上述缓冲层6的膜厚设定在上述适当的程度附近。

第二，与由金属氧化物(例如ITO膜8)构成的电流扩展层相接的欧姆接触层7，需要添加极高浓度的掺杂剂，即必需具有极高载流子浓度。

具体而言，对于添加Zn的接触层7，希望其晶体材料优选Al混晶比为0～0.4，即GaAs～Al_0.4GaAs，其载流子浓度在大于等于1×10¹⁹/cm³时为合适，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型一侧向上。因此，用ITO膜8作为电流扩展层的LED元件，从衬底一侧开始导电型是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位障，一般形成工作电压非常高的LED。

为了解决这一问题，要求p型半导体层具有非常高的载流子浓度。另外，上述接触层7的禁带(禁带宽度)窄的原因是，一般窄禁带的材料存在易于高载流子化这样的依存关系。而且，重要的是，与上述接触层7的高载流子化相关联，与接触层7相接的电流扩展层(例如ITO膜8)也具有高载流子浓度，从而降低隧道电压。与上述接触层7的理由相同，优选其具有大于等于7×10²⁰/cm³的载流子浓度。

此外，具有大于等于7×10²⁰/cm³的载流子浓度的透明导电膜(本实施方式中的电流扩展层8)的形成方法，可以例举出真空蒸镀法或者溅射法。特别是溅射法，通过DC溅射法中叠加RF的方法的制作，可以获得极高载流子浓度的透明导电膜。至于其他的形成方法，还可例举出使用MOD(金属有机物分解)溶液的涂布法、喷射热分解法等，但这些方法难于获得高载流子浓度的透明导电膜，另外，还可能因为施加给预定形成的外延生长晶片的热而产生的负面影响，因而是不优选的。

第三，上述接触层7的膜厚优选为1～30nm的范围。这是因为，上述接触层7对于活性层4所发出的光或多或少都会产生吸收，因此随着膜厚的增加，发光输出下降。

图6显示了接触层7的膜厚与LED元件的发光波长的透光率之间的关系。根据该图，随着接触层7的膜厚增大，发光波长的可见光线的透光率下降，即从获得高输出的LED元件这一点上，优选接触层7的厚度的上限值为30nm。另外，如果接触层7的膜厚小于1nm，也即数埃()的程度的膜厚，ITO膜8与接触层7之间的隧道接合难以形成，因此低工作电压化和工作电压稳定化就变得困难。因此，与ITO膜8相接的接触层7的膜厚优选1～30nm。

第四，由金属氧化物构成的电流扩展层8的膜厚在由d＝A×λp/(4×n)的计算式(其中，A为常数(1或3)，λp为波长，单位是nm，n是折射率)所求出的d的±30％的范围内。另外，上述计算式中的λp是指LED元件的发光峰值波长。

在LED用外延生长晶片上形成的电流扩展层，例如ITO膜8，具有介于半导体层和空气层中间的折射率，具有光学的反射防止膜的功能。因此，为了提高LED的发光输出效率，获得更高输出的LED元件，优选具有由上述计算式算出的膜厚。

但是，随着ITO膜8的厚度增大，透光率降低，如果ITO膜8的透光率降低，由活性层4发射出的光被ITO膜8所吸收的比例就会增加。而且，随着上述电流扩展层8的膜厚的增加，在该层8中的光的干涉也增加，光输出效率高的波长区域变窄。关于这一点，在GaAs衬底1上适度形成ITO膜8，对着该试样入射垂直光，测定的此刻反射光的光谱的结果如图7所示。

即，由于这些理由，更优选电流扩展层8的膜厚d由上述计算式确定，且常数A优选为1或3。作为最合适的例子，常数A为1。另外，在LED用外延生长晶片上形成的电流扩展层(例如ITO膜8)的膜厚，也可以是在由上述计算式求出的d值的±30％范围内。这是因为，作为反射防止膜的光学反射率低的波长区域，即光输出效率高的波长区域具有一定程度的宽度。例如，作为反射防止膜，对于形成ITO膜8的LED用外延生长晶片入射垂直光时的反射率如果小于等于15％，则膜厚的容许值就是根据上述计算式求出的d的±30％的范围。如果膜厚超出d的±30％的范围，则作为反射防止膜的效果减小，LED元件的发光输出相对降低。

第五，与活性层4相邻接而形成的扩散防止层的膜厚，在其插入到活性层4和p型包覆层5之间时，其厚度优选为小于等于300nm，在其插入到活性层4和n型包覆层3之间时，优选为小于等于200nm，以下为采用这些膜厚值上限的根据。

首先，根据本发明的目的，通过适度设定上述缓冲层6中所含的H(氢)浓度和该层6的膜厚，适宜地抑制了作为p型掺杂剂的Zn和Mg的相互扩散作用，掺杂剂不会扩散到活性层而大量混入。但是，在缓冲层6的膜厚值没有设定成具有安全边界的情况下，或者由于外延生长过程中的掺杂剂浓度的误差或膜厚值的误差，还是存在向活性层4中混入掺杂剂的可能性。在这样的情况下，除了适当设定缓冲层6中所含有的H浓度和缓冲层厚度之外，在上述活性层4和上述p型包覆层5之间设置如前所述的扩散防止层，可以提高LED元件的寿命和稳定性。但是，该扩散防止层并不是越厚越好，其膜厚值存在上述的上限。即，如果扩散防止层的膜厚过于厚，来自上述p型包覆层5的载流子(此时为空穴)的注入无法有效进行，成为LED元件正向电压升高等LED所要求的特性的变差的原因。因此，作为合适的例子，在上述活性层4和上述p型包覆层5之间设置的扩散防止层的膜厚为小于等于300nm，更适合的情况下为小于等于200nm。

其次，由于与上述p型包覆等5一侧设置扩散防止层的情况相同的理由，上述n型包覆层3中添加的n型掺杂剂可能有不少会扩散到活性层4中。另外，由于扩散距离短，在n型包覆层3和活性层4的生长过程中，上述n型包覆层3中添加的n型掺杂剂由于所谓的“记忆效应”而向活性层4混入。由于这些n型掺杂剂的扩散，与p型包覆层扩散的情况相同，LED元件的发光输出下降。作为这样的问题的合适的解决方法，希望在上述活性层4和上述n型包覆层3之间设置扩散防止层。这种情况下的扩散防止层的厚度上限适合为小于等于200nm，其理由与上述p型包覆层5侧设置扩散防止层的情况时相同。更优选膜厚小于等于100nm。

第六，光反射层的总的对数，优选为10～30对左右的范围。设置下限依据是，为了使作为光反射层具有充分的反射率，需要10对或以上。光反射层的叠层对数与垂直反射率的关系如图8所示。

对于上述对数设定上限的依据是，尽管光反射层可以是很厚，但反射率上升，LED元件的发光输出并不同样上升。如图8所示，光反射层的反射率在超过20对时几乎饱和，超过30对就完全饱和了。因此可以获得有效反射率的对数达到一定程度即可，特别从廉价且有效制造LED元件及LED用外延生长晶片的观点出发，光反射层的对数存在上限。即如上所述为10～30对，根据上述理由可以选择的更合适的范围是15～25对。

构成上述光反射层的合适的材料，可以例举Al_xGa_1-xAs(其中，0.4≤x≤1)，或者(Al_xGa_1-x)_yIn_1-yP(其中，0≤x≤1，0.4≤y≤0.6)。选择这些材料的理由是，它们与GaAs衬底1基本上晶格匹配，并且对于从LED发出的光的波长是光学上透明的。如所周知，构成作为光反射层的DBR的两种材料的折射率差别越大，则光的反射波长区域越宽且反射率越高。因此适合选择的材料优先从上述材料中选定。

第七，构成缓冲层6的AlGaAs，优选为Al_xGa_1-xAs(其中，0.4≤x≤1)。确定上述范围的原因是，缓冲层6位于LED元件中的射出光的一面，即LED元件的表面，因此对于从LED发出的光为光学透明，在发光输出方面是有利的。另外，形成上述组成式之外的AlGaAs层时，虽然对本发明的效果没有损害，但从获得高输出的LED的角度看并不是优选的。

第八，上述p型包覆层5中所含有的Mg的浓度，优选为的1×10¹⁷/cm³～5×10¹⁸/cm³范围。确定下限的理由是，如果Mg浓度低于上述下限，该层5的载流子浓度过低，难以充分发挥载流子供给层的作用，同时LED元件的发光输出下降。另外，对于上限，如果添加过量Mg，在p型包覆层5中会产生与Mg的浓度基本依存的晶体缺陷，在促进掺杂剂扩散的同时也降低了LED的内部量子效率，从而导致LED元件发光输出降低。

第一实施方式的实施例

下面，基于实施例1～4和比较例1～2对本发明的第一实施方式进行进一步说明。

实施例1

在实施例1中，制作如图1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、外延层结构、电极的形成方法以及LED元件的制造方法如下所述。

采用MOVPE法，在以Si为掺杂剂的n型GaAs衬底1上依次叠层生长：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包覆层3(膜厚400nm、载流子浓度1×10¹⁸/cm³)，未掺杂的(Al_0.1Ga_0.9)_0.5In_0.5P活性层4(膜厚600nm)，p型(Mg掺杂)(Al_0.7Ga_0.3)_0.5In_0.5P包覆层5(膜厚400nm、载流子浓度1.2×10¹⁸/cm³)，p型(Mg掺杂)(Al_0.85Ga_0.15)As缓冲层6(膜厚5μm、载流子浓度2×10¹⁸/cm³)，p型(Zn掺杂)Al_0.1Ga_0.9As接触层7(膜厚3nm、载流子浓度7.7×10¹⁹/cm³)。

MOVPE生长中的生长温度，从上述n型GaAs缓冲层2到上述p型缓冲层6是650℃，上述p型接触层7在550℃下生长。其他成长条件为：生长压力约6666Pa(50Torr)，各层的生长速度为0.3～1.1nm/sec，V/III比约为150。但是p型接触层7的V/III比为11。另外，p型缓冲层6是Al的组成为0.8～0.9左右的AlGaAs，且设定生长时的V/III比(此时的V/III比为大约50)使得p型缓冲层6所含的H(氢)的浓度约为3×10¹⁸/cm³。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例(商)。

MOVPE生长中所使用的原料可以是有机金属，对于Ga源来说，例如是三甲基镓(TMGa)或者三乙基镓(TEGa)，对于Al源来说，例如是三甲基铝(TMAl)，对于In源来说，是三甲基铟(TMIn)等；或者是氢化物气体，例如，对于As源来说是胂(AsH₃)，对于P源来说是膦(PH₃)。例如，上述n型GaAs缓冲层2那样的n型层的掺杂剂的原料使用乙硅烷(Si₂H₆)。另外，上述p型包覆层5、上述p型缓冲层6这样的p型层的决定导电型的杂质的添加物原料，使用双环戊二烯基镁(Cp₂Mg)，但仅在p型接触层7时使用二乙基锌(DEZn)。

另外，作为n型层的决定导电型的杂质的添加物原料，可以使用硒化氢(H₂Se)、甲硅烷(SiH₄)、二乙基碲(DETe)和二甲基碲(DMTe)。也可以使用二甲基锌(DMZn)作为Zn源。

然后，将该LED用外延生长用晶片从MOVPE装置中取出后，在该晶片表面，即p型接触层7的上表面一侧，采用真空镀膜法形成膜厚约80nm的ITO膜8。在该结构中，ITO膜8构成电流扩展层。

这时，将在与ITO镀膜作业的同一批次内设置的用于评价的玻璃衬底取出，切断成可以进行Hall测定的尺寸后，评价ITO膜8单体的电气特性。结果，载流子浓度是1.15×10²¹/cm³，迁移率是16.3cm³/Vs，电阻率是3.32×10^-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平版印刷过程中使用的公知的器具和材料，采用真空镀膜法形成矩阵状的直径约120μm的圆形表面电极9。这时，在形成镀膜后采用Liftoff法形成电极。上述表面电极9是按以下所述形成的：依次沉积厚度分别20nm、500nm的Ni(镍)和Au(金)。然后，在外延生长晶片的整个底面上，采用相同的真空镀膜法形成背面电极10。上述背面电极10是按以下所述形成的：依次沉积厚度分别为60nm、10nm、500nm的AuGe(金-锗合金，含锗7.4％)、Ni(镍)和Au(金)。然后，在氮气气氛中加热至440℃，进行5分钟的热处理，进行电极合金化的合金化工序。

之后，如此结构的具有电极的LED用外延生长晶片由切块机(dicer)切断，使得圆形的表面电极9位于中心，形成芯片尺寸300μm见方的LED空白芯片。然后，将该LED空白芯片通过银糊安装(晶片结合)到TO-18基座上，随后在该封装的LED空白芯片上连接上导线形成LED元件。

对如此制作的LED元件的初期特性进行评价，结果，获得了具有在20mA通电时(评价时)的发光输出1.01mW、工作电压1.842V的初期特性的LED元件。

而且，当在常温(约23℃)、常湿(约40％)的环境下、在50mA下驱动该LED元件，以此条件进行连续通电168小时(一星期)的试验。结果，与试验前的相对比较值为：光输出102.2％(以通电前发光输出为100％，以后简称为相对输出)、工作电压1.843V(增加约0.1％)。

另外，对刚制作后状态的LED元件和制作LED后进行了上述条件下连续通电试验后状态的LED元件进行SIMS分析。连续通电试验后的SIMS分析结果如图12所示，其中，图12所示的LED元件样品，通过机械研磨将表面去除数μm，以提高SIMS分析的测定分辨率)。

SIMS分析的结果，确认了在连续通电试验前后AlGaAs缓冲层6都含有大约3×10¹⁸/cm³浓度的H(氢)，而且，连续通电试验后，在本实施例的LED元件中Zn没有扩散到活性层4中。

结合上述结果，变更在形成AlGaAs缓冲层6时的V/III比，采用SIMS分析测定那一时刻的该缓冲层6中的H浓度，结果如图13A所示。根据该图可知，缓冲层6中所含H浓度与形成AlGaAs缓冲层6时的V/III比存在密切的相关性。但是，该缓冲层6的H浓度并非仅由V/III比来确定，还随制作时的成长温度或者该缓冲层6中的Al组成等改变，控制H浓度并非仅限定于控制V/III比。

另外，图13A所示，使用改变V/III比而制作的样品，测定在本实施例1中记载的LED结构中的接触层7中掺杂的Zn的扩散深度。AlGaAs缓冲层6中的H浓度和Zn的扩散深度的关系如图2A所示。根据该图可知，Zn的扩散深度与AlGaAs缓冲层中的H浓度存在强烈依存关系，将该结果转化为数学式，可以由下列关系式来表示：

L＝6.869×10^-15×N_H ^0.788

式中，N_H为缓冲层6的H的浓度，单位是cm^-3，L是所述p型接触层7中添加的掺杂剂的扩散深度，单位为μm。如果是具有大于或等于根据上述式计算出的扩散深度L的膜厚的AlGaAs缓冲层6，则在接触层7中添加的Zn不能扩散到达活性层4，可以获得初期特性和可靠性这两方面均极为良好的LED元件。即，由于上述理由，本实施例1所记载的LED元件的特性良好。而且，本实施例1中的所有LED元件在制造中都没有产生元件的损坏。

实施例2

在实施例2中，制作如图3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、外延层结构、电极形成方法以及LED元件的制造方法，基本上与上述实施例1(图1)相同。以下列举与实施例1的不同点，并详细说明。

在本实施例2中，在上述活性层4和上述p型包覆层5之间设置了扩散防止层11，该层为未进行积极添加的半导体层，即所谓未掺杂层。该扩散防止层11是为了防止来自包括上述p型包覆层5以及其上层的p型半导体层中扩散的p型掺杂剂混入到活性层4中。该层11的组成与上述p型包覆层5相同，其膜厚为100nm。

此外，作为本实施例2的参考例，对后述的比较例1(图9)所记载的LED元件，制作以相同条件插入上述扩散防止层11的LED用外延生长晶片。

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

对这样制作的LED元件的初期特性进行评价，结果，对于本实施例2的参考例，在20mA通电时(评价时)的LED特性为，发光输出是0.96mW，工作电压是1.854V，可以得到具有优异初期特性的LED元件。

而且，在与上述实施例1相同条件下进行连续通电试验，结果，本实施例2的参考例的LED元件的相对输出为75.3％，工作电压1.903V(增加约2.3％)，与后述的比较例1相比，其相对输出有所上升。

然后，对本实施例2的LED，即在上述实施例1中所记载的LED结构中加入上述扩散防止层11的LED元件(如图3所示)进行评价。其结果是，本实施例2的LED元件，在20mA通电时具有良好的初期特性，即发光输出为0.98mW、工作电压为1.843V。

另外，对实施例2的LED元件进行与实施例1相同的连续通电试验，结果，LED元件的相对输出为102.1％，工作电压为1.844V(约增加0.1％)。

如上所述，尽管本实施例2中使用的扩散防止层11没有完全抑制Zn的扩散，但当该扩散发生时，通过设置该层11可以减少扩散到活性层4中的Zn的量。其结果是，可以获得与后述的比较例1中显示的LED元件相比在相对输出方面更优异的LED元件。而且，该层11不仅仅是产生Zn扩散的结构，在不发生Zn扩散的场合实施本发明的情况下，也不会产生特别的负面影响，可以同样发挥扩散防止层11的效果。

实施例3

在实施例3中，制作如图4所示结构的、发光波长在630nm附近的红色LED用外延生长晶片。外延生长方法、外延生长层膜厚、外延层结构、电极制造方法以及LED元件的制造方法，基本与上述实施例1(图1)相同。

但是，在上述n型GaAs缓冲层2和上述n型包覆层3之间形成了光反射层12，该光反射层12由20对DBR(分布布拉格反射镜)构成，其中，交替地形成n型的AlInP层和n型的Al_0.4Ga_0.6As层各20层。

构成该反射层12的膜厚，由λp/(4×n)的关系式(其中，λp是LED元件发光峰值波长，单位为nm，n是构成光反射层12的半导体材料的折射率)求出。另外，光反射层12的载流子浓度同样大约为1×10¹⁸/cm³。

对如此制作的LED元件的初期特性进行评价，结果，在20mA通电时(评价时)的LED元件特性是，发光输出是1.57mW，工作电压为1.853V，可以获得具有优秀初期特性的LED元件。此外，进行与上述实施例1同样的连续通电试验，相对输出为102.0％，工作电压为1.855(增加约0.1％)。

如上所述，通过采用实施例3中所记载的LED元件的结构，即通过在上述n型缓冲层2和上述n型包覆层3之间设置由半导体多层膜构成的光反射层12，除了实现上述实施例1所显示的本发明的设计效果之外，还可以得到比实施例1所展示的LED元件更高光输出的LED。这是由于通过光反射层12提高了有效光输出效率所致。

实施例4

在实施例4中，制作如图5所示结构的、发光波长在630nm附近的红色LED用外延生长晶片。外延生长方法、外延生长层膜厚、外延层结构、电极制造方法以及LED元件的制造方法，基本上与上述实施例1(图1)相同。

但是，不同的是，实施例4使用了多重量子阱(MQW，Multiple QuantumWell)结构的MQW活性层13代替上述活性层4。多重量子阱由40.5对的(Al_0.5Ga_0.5)_0.5In_0.5P(膜厚大约是7.5nm)阻挡层和Ga_0.5In_0.5P(约5.5nm厚)的阱层构成，

另外，作为实施例4的变形例，改变上述MQW活性层的上述阱层的Ga和In的组成比，对于初始衬底的GaAs施加压缩或拉伸应力，制作活性层使用应变多重量子阱结构的LED元件。

从而，本实施例4中所制作的采用了应变多重量子阱结构的该LED元件的阱层，其特征是，采用了减少Ga的组成并相应量地增加In的组成的结构，该阱层的晶格常数不同于作为活性层基底的例如n型包覆层3，由于该晶格不匹配而引起压缩应变。

对如此制作的2种(实施例4和实施例4的变形例)的LED元件的初期特性进行评价，结果，在20mA通电时(评价时)的LED特性分别依次为发光输出1.16mW、工作电压1.843V，发光输出1.27mW、工作电压1.844V，可以同时得到具有优异的初期特性的LED元件。

而且，在与上述实施例1相同的条件下进行通电试验，2种LED元件的相对输出分别为101.9％和100.9％。

如上所述，本实施例4和变形例中采用多重量子阱结构或者应变量子阱结构代替了实施例1中的活性层4中使用的结构，与上述实施例1相比较，增加了发光输出。即，通过采用上述的量子阱结构，提高了LED元件的内部量子效率，总之，提高了LED元件的特性，而且在实现上述实施例1中所示的本发明目标的场合，也可以充分适用。

在上述本发明的实施例中，仅制作了发光波长为630nm的红色LED元件，对于使用相同的AlGaInP系材料制作该波长以外的LED元件，例如发光波长560～660nm的LED元件，通过本发明所设计的方法，适当设置缓冲层中的H(氢)浓度和该层的膜厚，即使是具有与本实施例波长范围不同的LED也可以获得本发明所期望的效果。

此外，在上述实施例中，采用了在GaAs衬底1和n型包覆层3之间设置缓冲层2的LED元件结构。实际上，采用在GaAs衬底1上直接叠层n型包覆层3的结构也可以实现本发明的目标效果。

上述实施例中，在LED元件的最表面上形成的表面电极9的形状采用了通常的圆形形状，但也可以采用其他的不同形状，例如四边形、菱形、多边形等，甚至这些形状中具有翼状或枝状的分支的电极形态，无论何种电极形态，均可以获得本发明的目标效果。

上述实施例中仅例举了半导体衬底使用了n型GaAs的例子，但其他例如以Ge(锗)为初始衬底的LED用外延生长晶片、以GaAs或者Ge为初始衬底，然后将其除去，作为代替的自支撑衬底使用Si(硅)或比硅具有更高导热率的金属为永久衬底的LED外延生长晶片，也可以获得本发明的目标效果。

在上述实施例中，使用Al组成为0.8～0.9左右的范围的AlGaAs作为缓冲层6的材料。但是，本发明中并不限定于该特殊范围，只要是实现了本发明的目标方法，即适当设置缓冲层中的H(氢)浓度和该层的膜厚，例如AlGaAs层的Al的组成在上述以外的范围或者V/III比为上述实施例中显示的值以外的数值，均无问题。

例如，发光波长为650nm程度的LED元件，缓冲层使用的AlGaAs层的Al组成即使是0.6～0.7左右的范围，也基本不吸收由活性层发射出的光，从而获得高输出的LED元件。同时，由于缓冲层中的H(氢)浓度的降低与降低Al组成直接相关，因此与采用上述实施例的Al组成为0.8～0.9的缓冲层6的情况相比，可以将设定的V/III比设定为较低。

与此相反，对于发光波长为例如570nm左右的LED元件，为了不使缓冲层对光吸收有影响，可以将缓冲层的Al组成设定在0.9左右，此刻的V/III比设定在以往从来没有的高值。即，如上所述，即使改变制作中的相关的参数，例如构成缓冲层的组成、外延生长时的V/III比以及其他的生长温度等，只要采取本发明所记载的方法就可以有效实现本发明的目标。

另外，上述实施例中，仅使用ITO作为电流扩展层8的材料。但是，代替上述ITO，只要是例如ZnO、CTO等一般公知的可见光透光率高且电阻低的膜，即一般的透明导电膜，都可以适用于上述电流扩展层8的代替材料。但是，作为电流扩展层使用的材料，其要素并非仅上述两点，更重要的是载流子浓度。载流子浓度的重要性已如上文所述，从降低LED元件的工作电压的角度考虑，要对可以适用电流扩展层的材料加以一定程度的限定，可以从这些材料群中正确选择。

比较例1

作为比较例1，制作如图9所示结构的发光波长在630nm附近的红色LED用外延生长晶片。外延生长方法、外延生长层膜厚、外延层结构和LED元件的制造方法，基本上与上述实施例1相同。以下列举与实施例1的不同点，并详细说明。

在比较例1中，p型缓冲层16的生长时的V/III比为11，p型缓冲层16所含的H浓度为2.3×10¹⁹/cm³。

然后，将按照上述的方法制作成的LED用外延生长晶片制成元件，其工艺步骤与上述实施例1相同。

对这样制作的LED元件的初期特性进行评价，结果，得到具有在20mA通电时(评价时)发光输出是0.90mW、工作电压是1.856V的初期特性的LED元件。而且，在与上述实施例1相同条件下进行通电试验，相对输出为54％，工作电压1.916V(增加约3％)。

另外，对刚制作后状态的LED元件和制作LED后在上述条件下进行了通电试验后状态的LED元件进行SIMS分析。此时通电试验后的SIMS分析结果如图11所示(其中，图11所示的LED元件样品，采用机械研磨将表面去除数μm，以提高SIMS分析的测定分辨率)。

SIMS分析的结果，确认了在通电试验前、后缓冲层16都含有大约2.3×10¹⁹/cm³浓度的H(氢)，而且，确认了通电试验后本比较例1的LED元件中，作为p型接触层7的掺杂剂的Zn扩散、混入到活性层4中。即，本比较例1所示的LED元件的元件寿命及可靠性降低是由于该掺杂剂的扩散所致。

比较例2

作为比较例2，制作如图10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、外延层结构和LED元件的制造方法，基本上与上述比较例1相同。以下列举与上述比较例1的不同点，并详细说明。

在比较例2中，未设置p型缓冲层16。400nm左右的p型包覆层5的厚度，就可以充分实现封闭载流子的效果以及作为载流子(空穴)提供层的作用。即，p型包覆层5在大约400nm的膜厚下，可以充分体现包覆层的作用。即，本比较例2所记载的LED元件，除了没有设置AlGas缓冲层16之外，其他与上述比较例1完全相同。

然后，将按照上述的方法制成的LED用外延生长晶片制成元件，其工艺步骤与上述比较例1相同。

对这样制作的LED元件的初期特性进行评价，结果，得到具有在20mA通电时(评价时)发光输出是0.88mW、工作电压是1.843V的初期特性的LED元件。

但是，在进行初期评价阶段，完全不发光即已经损坏的元件大约为20～30％。因此，未损坏的元件获得了上述特性，其他的20～30％的元件没有进行评价。损坏的原因推想是，在评价元件之前的连接导线工序中由于连接导线操作而引起元件破坏。对于未破坏的元件，在与上述比较例1相同条件下进行通电试验，相对输出为71％，工作电压1.853V(增加约0.5％)。

如上所述，在没有设置缓冲层的结构中，存在LED元件制作时成品率低问题，发光输出和可靠性不能说很好。即，只获得与比较例1稍好的相对输出，但反而导致成品率的下降(比较例1中，LED元件的损坏几乎不是问题)。

第二实施方式

图1是表示本发明的第二实施方式中的AlGaInP系红色LED的横截面图。

该LED包括，在作为半导体衬底的n型GaAs衬底1上形成n型GaAs缓冲层2，进而在该n型GaAs缓冲层2上依次晶体生长n型AlGaInP包覆层3(简称为n型包覆层)、未掺杂的AlGaInP活性层4(简称为活性层)和p型AlGaInP包覆层5(简称为n型包覆层)来构成发光部。进而在p型包覆层5上层叠高浓度添加了p型掺杂剂的As系的p型AlGaAs接触层7(简称为p型接触层)。再在p型接触层7上，形成作为透明导电膜的ITO膜(电流扩展层)8来作为由金属氧化物构成的电流扩展层，在ITO膜8的表面一侧形成表面电极9，在n型GaAs衬底1的背面一侧形成背面电极10。

作为电流扩展层的ITO膜8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。作为电流扩展层的ITO膜8采用真空蒸镀法或者溅射法形成，在刚成膜后的状态下具有大于等于7×10²⁰/cm³的载流子浓度。

而且，该发光二极管的特征是，在上述p型接触层7和上述p型包覆层5之间，形成由添加Mg作为p型掺杂剂的III/V族半导体所构成的p型缓冲层6。

该p型缓冲层6具体而言对于发光波长是光学透明的，由与构成发光部的AlGAInP系材料晶格匹配的Al_xGa_1-xAs(其中，0.4≤x≤1)构成。另外，该p型缓冲层6的膜厚t大于等于p型接触层7中添加的Zn的扩散深度。

上述p型缓冲层6是高Al组成的AlGaAS层，对于由AlGaInP系材料构成的LED元件的发光波长是光学透明的，并且，与AlGaInP等的4元系材料相比晶体生长更容易，由于与构成发光部的AlGaInP系材料的晶格匹配性基本一致，因此是可以降低LED元件的工作电压的材料。

p型接触层7中中添加的Zn的扩散深度，如图2B所示，与p型缓冲层6中中含有的C(碳)浓度有关，Zn的扩散深度由以下关系式表示：

L＝6.872×10^-14×N_C ^0.733

式中，N_C为C的浓度，单位是cm^-3，L是所述p型接触层7中添加的掺杂剂的扩散深度，单位为μm。

在本实施方式中，设定p型缓冲层6中的C浓度，使得p型缓冲层6的膜厚t大于等于由上述关系式或者由图2B的曲线求出的Zn扩散深度L。该C浓度的设定，可以通过对例如p型缓冲层6生长时的V/III比例或者p型缓冲层的Al组成等参数来严密地控制。

具体而言，在p型缓冲层6的膜厚是5μm的情况下，例如，将p型缓冲层6中的C浓度设定为1×10¹⁸/cm³。这样，由上述关系式或者图2B的曲线求出来的p型接触层7中添加的Zn的扩散深度约为1.1μm左右，小于p型缓冲层6的膜厚。结果，可以防止p型接触层7的Zn的扩散，此外，还有效地抑制p型接触层7的Zn和其它的p型半导体层5、6中的掺杂剂Mg的相互扩散。

本发明人进行认真研究，结果发现，上述p型接触层7中所含的Zn与上述p型包覆层5和p型缓冲层6中所含有的Mg之间的相互扩散反应，与上述缓冲层6中所含有的C浓度密切相关，而且，这一现象对于p型缓冲层6为高Al组成的AlGaAs层来说特别显著。因此，由于可以通过仔细控制p型缓冲层6生长时的V/III比或者缓冲层6的Al组成等参数来设定由该种材料形成的p型缓冲层6中的C浓度，可以适当设定p型缓冲层6的厚度，从而可以控制Zn和Mg的相互扩散距离，得到长寿命的LED元件。

在这一实施方式中，在n型GaAs衬底1和n型包覆层3之间，例如在n型GaAs缓冲层2和n型包覆层3之间，可以形成10对～30对的光反射层，其中，每对光反射层由2种折射率不同的半导体构成，分别为高折射率材料和低折射率材料。

另外，在这一实施方式中，在活性层4和p型包覆层5之间或者在活性层4和n型包覆层3之间，还可以设置扩散防止层，该扩散防止层可以由下述半导体层中的任一种或者它们的组合构成：没有添加掺杂剂的半导体层；所添加的掺杂剂浓度比p型包覆层5低的半导体层；以及，同时添加了n型掺杂剂和p型掺杂剂的伪中性状态的半导体层。扩散防止层的膜厚，如果是在活性层4和p型包覆层5之间插入的话，优选为小于等于300nm；如果在活性层4和n型包覆层3之间设置插入层时，其膜厚优选为小于等于200nm。

第一，本实施方式中的AlGaAs系缓冲层6的膜厚的设定是基于，由于接触层7中添加的Zn和其它的p型半导体层5、6中添加的Mg之间产生相互扩散，因而要防止上述p型半导体层中的杂质混入活性层4中，这对于获得长寿命、高可靠性的LED元件来说是至关重要的。

本发明人等发现，此时的Zn和Mg的相互扩散作用，与上述p型缓冲层6中所含有的C的浓度密切相关，上述杂质等的扩散深度(扩散距离)可以通过p型缓冲层6中含有的C浓度来控制。这可以由例如图2B所示的显示p型缓冲层6中的C浓度和Zn的扩散深度的关系的试验结果中得知。而且，基于该结果，p型接触层7中所添加的Zn的扩散深度L，可以由L＝6.872×10^-14×N_C ^0.733的关系式(其中，N_C为缓冲层6的C的浓度，单位是cm^-3，L是所述p型接触层7中添加的掺杂剂的扩散深度，单位为μm)求出，在本实施方式中，通过将AlGaAs缓冲层6的膜厚t设置为大于等于由上述关系式所求出的Zn的扩散深度L，可以获得在初期特性和可靠性这两方面均有良好特性的LED元件。

由于接触层7上设置了由金属氧化物构成的电流扩展层8，例如ITO、ZnO系透明导电膜，因而可以期待LED元件的电流扩展特性表现出充分的效果。为此，缓冲层6自身并不要求特别的电流扩展特性。即使设置的缓冲层6具有10μm左右的适宜厚度以上的膜厚，由上述电流扩展层8得到的电流扩展效果仍是决定性的，不能期望LED元件能飞跃性地提高输出。与之相反，产生的缺点是，LED元件的制造成本增高，LED元件的价格也升高。因此，在生产中优选上述缓冲层6的膜厚在满足上述适宜厚度的程度附近。

第二，与由金属氧化物构成的电流扩展层(例如ITO膜8)相接的欧姆接触层7，需要添加极高浓度的掺杂剂，即必需具有极高载流子浓度。

例如，对于添加Zn的接触层7，希望其晶体材料优选Al混晶比为0～0.4，即GaAs～Al_0.4GaAs，其载流子浓度在大于等于1×10¹⁹/cm³时为合适，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侧向上。因此，用ITO膜8作为电流扩展层的LED元件，从衬底一侧看其导电型是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位障，一般形成工作电压非常高的LED元件。

为了解决这一问题，要求p型半导体层具有非常高的载流子浓度。另外，上述接触层7的禁带(禁带宽度)窄的原因是，一般窄禁带的材料存在易于高载流子化这样的依存关系。而且，重要的是，与上述接触层7的高载流子化相关联，与接触层7相接的电流扩展层(例如ITO膜8)具有高载流子浓度，从而降低隧道电压。与上述接触层7的理由相同，优选其具有大于等于7×10²⁰/cm³的载流子浓度。

此外，具有大于等于7×10²⁰/cm³的载流子浓度的透明导电膜(本实施方式中的电流扩展层8)的形成方法，可以例举出真空蒸镀法或者溅射法。特别是溅射法，采用在DC溅射法中叠加RF的方法制作，可以获得具有极高载流子浓度的透明导电膜。至于其他的形成方法，还可例举出使用MOD(金属有机物分解)溶液的涂布法、喷射热分解法等，但这些方法难于获得高载流子浓度的透明导电膜，另外，还可能因为施加给预定形成的外延生长晶片的热量而产生有害的影响，因而不是优选的。

第三，上述接触层7的膜厚优选为1～30nm的范围。这是因为，上述接触层7对于由活性层4所发出的光或多或少都会产生吸收，因此随着膜厚的增加，发光输出下降。图6表示接触层7的膜厚与LED元件的发光波长的透光率之间的关系。

根据该图，随着接触层7的膜厚增大，发光波长的可见光线的透光率下降，即从获得高输出的LED元件这一点考虑，优选接触层7的厚度的上限值为30nm。另外，如果接触层7的膜厚小于1nm，即数埃()程度的膜厚，ITO膜8与接触层7之间难以形成隧道结，因此低工作电压化和工作电压稳定化就变得困难。因此，与ITO膜8相接的接触层7的膜厚在1～30nm为宜。

第四，由金属氧化物构成的电流扩展层8的膜厚在由d＝A×λp/(4×n)的计算式(其中，A为常数(1或3)，λp为波长，单位是nm，n是折射率)求出的d的±30％的范围内。另外，上述计算式中的λp是指LED元件的发光峰值波长。

在LED用外延生长晶片上形成的电流扩展层，例如ITO膜8，具有介于半导体层和空气层中间的折射率，具有光学的反射防止膜的功能。因此，为了提高LED元件的发光输出效率，获得更高输出的LED元件，优选具有由上述计算式算出的膜厚。

但是，ITO膜8越厚，其透光率就越差。如果ITO膜8的透光率降低，则由活性层4发射出的光被ITO膜8所吸收的比例就会增加，从而导致发光输出下降。而且，随着上述电流扩展层8的膜厚的增加，在该电流扩展层8中的光的干涉也增加，光输出效率高的波长区域变窄。关于这一点，在GaAs衬底1上适度形成ITO膜8，相对于该试样垂直照射光，测定的此时反射光的光谱的结果如图7所示。

即，由于这些理由，更优选电流扩展层8的膜厚d由上述计算式确定，且常数A优选为1或3，作为最合适的例子，常数A为1。另外，在LED用外延生长晶片上形成的电流扩展层(例如ITO膜8)的膜厚，也可以是在由上述计算式求出的d值的±30％范围内。这是因为，作为反射防止膜的光学反射率低的波长区域，即光输出效率高的波长区域具有一定程度的宽度。例如，作为反射防止膜，对于形成ITO膜8的LED用外延生长晶片垂直入射光时的反射率小于等于15％的膜厚的容许值，就是根据上述计算式求出的d的±30％的范围。如果膜厚超出d的±30％的范围，则作为反射防止膜的效果减小，LED元件的发光输出相对降低。

第五，与活性层4相邻接而设定的扩散防止层的膜厚，在其插入到活性层4和p型包覆层5之间的场合，优选为小于等于300nm，在其插入到活性层4和n型包覆层3之间的场合，优选为小于等于200nm，以下为采用这些膜厚值上限的根据。

首先，根据本发明的目的，通过适当设定上述缓冲层6中所含的C(碳)浓度和该层6的膜厚，有效抑制了作为p型掺杂剂的Zn和Mg的相互扩散作用，因而掺杂剂不会扩散到活性层4而大量混入。但是，在缓冲层6的膜厚值没有设定成具有安全边界的情况下，或者由于外延生长过程中的掺杂剂浓度的误差或膜厚值的误差，还是存在向活性层4中混入掺杂剂的可能性。在这样的情况下，除了适当设定缓冲层6中所含有的C浓度和缓冲层厚度之外，在上述活性层4和上述p型包覆层5之间设置如前所述的扩散防止层，可以提高LED元件的寿命和稳定性。但是，该扩散防止层并不是越厚越好，其膜厚值存在上述的上限。即，如果扩散防止层的膜厚过于厚，来自上述p型包覆层5的载流子(此时为空穴)的注入无法有效进行，导致LED元件正向电压升高，因而LED元件所要求的特性的变差。因此，作为合适的例子，在上述活性层4和上述p型包覆层5之间设置的扩散防止层的膜厚为小于等于300nm，更适合的情况下为小于等于200nm。

其次，由于与上述p型包覆等5一侧设置扩散防止层的情况相同的理由，上述n型包覆层3中添加的n型掺杂剂扩散到活性层4中的并不少。另外，尽管扩散距离短，在n型包覆层3和活性层4的生长过程中，上述n型包覆层3中添加的n型掺杂剂由于所谓的“记忆效应”而向活性层4扩散。由于这些杂质的扩散，与p型掺杂剂扩散的情况相同，LED元件的发光输出下降。作为这样的问题的合适的解决方法，希望在上述活性层4和上述n型包覆层3之间设置扩散防止层。这种情况下的扩散防止层的厚度上限适合为小于等于200nm，其理由与上述p型包覆层5侧设置扩散防止层的情况时相同。更优选膜厚小于等于100nm。

第六，光反射层的总的叠层数，优选为10～30对。设置下限依据是，为了使作为光反射层具有充分的反射率所必需的对数为10对或以上。光反射层的叠层对数与垂直反射率的关系如图8所示。

对于上述对数设定上限的依据是，尽管光反射层可以是无限厚，但反射率上升，LED元件的发光输出并不是同样上升。如图8所示，光反射层的反射率在超过20对时几乎达到饱和，超过30对就完全饱和了。因此，具有可以获得有效反射率的对数即可，特别从廉价且有效制造LED元件及LED用外延生长晶片的观点出发，光反射层的对数存在上限。即如上所述为10～30对，根据上述理由可以选择的更合适的范围是15～25对。

构成上述光反射层的合适的材料，可以例举Al_xGa_1-xAs(其中，0.4≤x≤1)或者(Al_xGa_1-x)_yIn_1-yP(其中，0≤x≤1，0.4≤y≤0.6)。选择这些材料的理由是，它们与GaAs衬底1基本上是晶格匹配的，并且对于从LED元件发出的光的波长是光学上透明的。如所周知，构成作为光反射层的DBR的两种材料的折射率差别越大，则光的反射波长区域越宽，且反射率高。因此适合选择的材料优先从上述材料中选定。

第七，构成缓冲层6的AlGaAs，优选为Al_xGa_1-xAs(其中，0.4≤x≤1)。确定上述范围的原因是，缓冲层6位于LED元件中的射出光的一面，即LED元件的表面一侧，因此对于从LED发出的光为光学透明在发光输出方面是有利的。另外，在由上述组成式之外的AlGaAs层形成的场合，虽然对本发明的效果没有损害，但从获得高输出的LED的角度考虑并不可取。

第八，上述p型包覆层5中所含有的Mg的浓度，优选为1×10¹⁷/cm³～5×10¹⁸/cm³范围。规定上述下限的理由是，如果Mg浓度低于上述下限，该层5的载流子浓度过低，难以充分发挥载流子供给层的作用，有时还会引起LED元件的发光输出下降。另外，规定上限(5×10¹⁸/cm³)的原因是，如果添加过量Mg，在p型包覆层5中会产生与Mg的浓度相关联的晶体缺陷，促进掺杂剂的扩散，同时也降低了LED的内部量子效率，从而导致LED元件发光输出降低。

第二实施方式的实施例

基于实施例5～8和比较例3～4对本发明的第二实施方式进一步说明。

实施例5

在实施例5中，制作如图1所示结构的、发光波长在630nm附近的红色LED用外延生长晶片。外延生长方法、外延生长层膜厚、外延层结构、电极的形成方法以及LED元件的制造方法如下面所述。

采用MOVPE法，在以Si为掺杂剂的n型GaAs衬底1上依次叠层生长下列各层；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包覆层3(膜厚400nm、载流子浓度1×10¹⁸/cm³)；未掺杂的(Al_0.1Ga_0.9)_0.5In_0.5P活性层4(膜厚600nm)；p型(Mg掺杂)(Al_0.7Ga_0.3)_0.5In_0.5P包覆层5(膜厚400nm、载流子浓度1.2×10¹⁸/cm³)；p型(Mg掺杂)(Al_0.85Ga_0.15)As缓冲层6(膜厚5μm、载流子浓度2×10¹⁸/cm³)；p型(Zn掺杂)Al_0.1Ga_0.9As接触层7(膜厚3nm、载流子浓度7.7×10¹⁹/cm³)。

MOVPE生长中的生长温度，从上述n型GaAs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。其他成长条件为：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150。但是p型接触层7的V/III比为10。另外，缓冲层6是Al的组成为0.8～0.9左右的AlGaAs，且设定生长时的V/III比(此时的V/III比为大约50)使得缓冲层6所含的C(碳)的浓度基本为1×10¹⁸/cm³。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例(商)。

MOVPE生长中所使用的原料，可以是有机金属，对于Ga源来说，例如使用三甲基镓(TMGa)或者三乙基镓(TEGa)，对于Al源来说，例如使用三甲基铝(TMAl)，对于In来说，例如使用三甲基铟(TMIn)；或者也可以是氢化物，对于As源来说，例如使用胂(AsH₃)，对于P源来说，例如使用膦(PH₃)。例如，上述n型GaAs缓冲层2那样的n型层的添加物的原料使用乙硅烷(Si₂H₆)。另外，上述p型包覆层5、上述p型缓冲层6这样的p型层的决定导电型的杂质的添加物原料，使用双环戊二烯基镁(Cp2Mg)，但仅在p型接触层7时使用二乙基锌(DEZn)。

然后，将该LED用外延生长用晶片从MOVPE装置中取出后，采用真空镀膜法在该晶片的表面即p型接触层7的上表面一侧形成膜厚约290nm的ITO膜8。在这种结构中，该ITO膜8构成电流扩展层。

这时，将设置在与ITO镀膜作业的同一批次内的用于评价的玻璃衬底取出，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。结果，载流子浓度是1.05×10²¹/cm³，迁移率是20.3cm³/Vs，电阻率是2.94×10^-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平版印刷过程中使用的公知的器具和材料，采用真空镀膜法形成点矩阵状的直径约110μm的圆形表面电极9。这时，在形成镀膜后采用Liftoff法形成电极。上述表面电极9是通过依次沉积厚度分别为20nm和500nm的Ni(镍)和Au(金)而形成的。然后，在外延生长晶片的整个底面上，采用相同的真空镀膜法形成背面电极10。上述背面电极10按照顺序分别形成60nm、10nm、500nm的AuGe(金-锗合金，含锗7.4％)、Ni(镍)和Au(金)，然后，在氮气气氛中加热至440℃，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，用切块机将如此结构的具有电极的LED用外延生长晶片切断，使得圆形的表面电极9位于中心，形成芯片尺寸300μm见方的LED空白芯片。然后，将该空白芯片通过银糊固定(晶片结合)到TO-18基座上，随后在该封装的LED空白芯片上连接上导线形成LED元件。

对如此制作的LED元件的初期特性进行评价，结果，获得了具有在20mA通电时(评价时)的发光输出0.99mW、工作电压1.842V的良好初期特性的LED元件。

而且，当在常温(约23℃)、常湿(约40％)的环境下在50mA下驱动该LED元件，以此条件进行连续通电试验168小时(一星期)。与试验前的相对比较值为：光输出102.1％(以通电前发光输出为100％，以后简称为相对输出)、工作电压1.843V(增加约0.1％)。

另外，对刚制作后状态的LED元件和制作LED后进行了上述条件下通电试验后状态的LED元件进行SIMS分析。

通电试验后的SIMS分析结果如图12所示。其中，图12中使用的LED元件样品，通过机械研磨将表面去除数μm，以提高SIMS分析的测定分辨率)。

SIMS分析的结果，确认了在通电试验前、后缓冲层6都含有大约1×10¹⁸/cm³浓度的C(碳)，而且，通电试验后，本实施例5的LED元件中Zn没有扩散到活性层4中。

结合上述结果，改变在形成AlGaAs缓冲层6时的V/III比，并通过SIMS分析测定该缓冲层6中的C浓度，结果如图13B所示。如图13B所示，缓冲层6中所含C浓度与形成AlGaAs缓冲层6时的V/III比存在密切的相关性。但是，该缓冲层6的C浓度并非仅由V/III比决定，还随制作时的成长温度或者该层6中的Al组成等改变，因此，控制C浓度并非仅限定于控制V/III比。

另外，图13B所示，使用改变V/III比而制作的样品，测定在本实施例5中记载的LED结构中的接触层7中添加的Zn的扩散深度。AlGaAs缓冲层中的C浓度和Zn的扩散深度的关系如图2B所示。由该图可知，Zn的扩散深度与AlGaAs缓冲参中的C浓度存在强烈依存关系，这一结果可由下面的数学式来表示：

L＝6.872×10^-14×N_C ^0.733

式中，N_C为缓冲层6的C的浓度，单位是cm^-3，L是所述p型接触层7中添加的掺杂剂的扩散深度，单位为μm。如果AlGaAs缓冲层6具有大于或等于根据上述式计算出的扩散深度L的厚度，则在接触层7中添加的Zn不能扩散到活性层4，可以获得初期特性和可靠性俱佳的LED元件。即，由于上述理由，本实施例5所记载的LED元件的特性良好。而且，本实施例5中几乎所有的LED元件在制造过程中都没有产生元件的损坏。

实施例6

在实施例6中，制作如图3所示结构的、发光波长在630nm附近的红色LED用外延生长晶片。外延生长方法、外延生长层膜厚、外延层结构、电极制造方法以及LED元件的制造方法，基本上与上述实施例5(图1)相同。以下列举与实施例5的不同点，并详细说明。

本实施例6中，在上述活性层4和上述p型包覆层5之间形成了扩散防止层11，其为未进行积极添加的半导体层，即所谓未掺杂层。该扩散防止层11是用来防止由包括上述p型包覆层5以及其上层的p型半导体层扩散的p型掺杂混入到活性层4中。该层11的组成与上述p型包覆层5相同，其膜厚为100nm。

此外，作为本实施例6的参考例，在后述的比较例3(图9)所示的LED元件中，插入上述扩散防止层11，制作LED用外延生长晶片。

然后，将按照上述方法制成的LED用外延生长晶片制成元件，其工艺步骤与上述实施例5相同。

对这样制作的LED元件的初期特性进行评价，结果，对于本实施例6的参考例，在20mA通电时(评价时)的LED元件的特性为，发光输出0.96mW，工作电压1.854V，可以得到具有优异初期特性的LED元件。

而且，在与上述实施例5相同条件下进行通电试验，本参考例的LED元件的相对输出为76.1％，工作电压1.904V(增加约2.6％)，与后述的比较例3相比，相对输出方面有所上升。

然后，对本实施例6的LED，即在上述实施例5中所记载的LED结构中加入如图3所示的上述扩散防止层11的LED元件进行评价。其结果是，本实施例6的LED元件得到发光输出0.97mW、工作电压为1.843V的优异初期特性。

另外，对实施例6的LED元件进行与实施例5相同的通电试验，结果，LED元件的相对输出为101.3％，工作电压为1.843V(无变化)。

如上所述，虽然本实施例6中所使用的扩散防止层11不能完全抑制Zn的扩散，但通过设置该扩散防止层11可以减少扩散到活性层4中的Zn量。结果，可以获得与后述的比较例3相比在相对输出方面更优异的LED元件。而且，即使该本发明被用于不产生Zn扩散的结构，扩散防止层11也不会产生特别的负面影响，可以同样发挥类似的效果。

实施例7

在实施例7中，制作如图4所示结构的、发光波长在630nm附近的红色LED用外延生长晶片。外延生长方法、外延生长层膜厚、外延层结构、电极形成方法以及LED元件的制造方法，基本上与上述实施例5(图1)相同。

但是，在上述n型GaAs缓冲层2和上述n型包覆层3之间形成光反射层12，它由20对的DBR(分布布拉格反射镜)构成，其中，交替地形成n型AlInP层和n型Al_0.4Ga_0.6As层各20层，

该光反射层12的膜厚，由关系式λp/(4×n)(其中，λp是LED元件发光峰值波长，单位为nm，n是构成光反射层12的半导体材料的折射率)求出。另外，光反射层12的载流子浓度同样大约为1×10¹⁸/cm³。

对如此制作的LED元件的初期特性进行评价，结果，在20mA通电时(评价时)的LED特性是，发光输出1.53mW，工作电压1.855V，可以获得具有优异初期特性的LED元件。而且进行与上述实施例5同样的通电试验，相对输出为101.6％，工作电压为1.856V(增加约0.1％)。

如上所述，通过采用实施例7中所记载的LED元件的结构，即通过在上述n型缓冲层2和上述n型包覆层3之间设置由半导体多层膜构成的光反射层12，除了实现上述实施例5所显示的本发明的设计效果之外，还可以得到比实施例5所展示的LED元件更高输出的LED。这是由于通过光反射层12提高了有效光输出效率。

实施例8

在实施例8中，制作如图5所示结构的、发光波长在630nm附近的红色LED用外延生长晶片。外延生长方法、外延生长层膜厚、外延层结构、电极形成方法以及LED元件的制造方法，基本上与上述实施例5(图1)相同。

不同的是，使用多重量子阱(MQW，Multiple Quantum Well)结构的活性层13代替上述活性层4。多重量子阱的阻挡(barrier)层由(Al_0.5Ga_0.5)_0.5In_0.5P构成，其膜厚大约是7.5nm。另外，作为发光层的阱层由Ga_0.5In_0.5P构成，其膜厚设定在大约5.0nm。由这些阻挡层和阱层的组合构成一对，合计形成40.5对。

另外，作为实施例8的变形例，改变构成上述阱层的Ga和In的组成比，对于作为初始衬底的GaAs施加压缩或拉伸方向的应力，制作活性层使用了应变多重量子阱结构的LED元件。

从而，本实施例8中所制作的采用了应变多重量子阱结构的该LED元件的阱层，其特征是，采用了减少Ga的组成并相应量地增加In的组成的结构，该阱层的晶格常数不同于作为活性层基底的例如n型包覆层3，受到因该晶格不匹配所引起的压缩应变。

对如此制作的两种(实施例8和实施例8的变形例)的LED元件的初期特性进行评价，结果，在20mA通电时(评价时)的LED特性分别依次为发光输出1.14mW、工作电压1.844V，发光输出1.23mW、工作电压1.843V，可以同时得到具有优异初期特性的LED元件。

而且，在与上述实施例5相同的条件下进行通电试验，两种LED元件的相对输出分别为102.5％和102.3％。

如上所述，本实施例8和变形例中分别采用多重量子阱结构或者应变量子阱结构代替实施例5中的活性层4，与上述实施例5相比较，增加了发光输出。即，通过采用上述的量子阱结构，提高了LED元件的内部量子效率，总之，提高了LED元件的特性，而且在实现上述实施例5中显示的本发明目标的情况下，也可以充分适合。

在上述本发明的实施例5-8中，仅制作了发光波长为630nm的红色LED元件，不过，对于使用相同的AlGaInP系材料制作该波长以外的LED元件，例如发光波长560～660nm的LED元件，通过本发明所设计的方法，即适当设定缓冲层中的C(碳)浓度和该层的膜厚，即使对于具有与上述实施例波长范围不同的LED也可以获得本发明所期望的效果。

此外，上述实施例5-8中，采用了在GaAs衬底1和n型包覆层3之间形成缓冲层2的LED元件结构。实际上，即使在GaAs衬底1上直接叠层形成n型包覆层3也可以实现本发明的目标效果。

上述实施例5-8中，在LED元件的最表面上形成的表面电极9的形状采用了通常的圆形形状，不过也可以采用其他的不同形状，例如四边形、菱形、多边形等，甚至这些形状中具有翼状或枝状的分支的电极形态，即使这些形态电极形态也可以获得本发明的目标效果。

在上述实施例5-8中仅例举了半导体衬底使用n型GaAs的例子，除此之外，例如以Ge(锗)为初始衬底的LED用外延生长晶片、以GaAs或者Ge为起始衬底，然后将其除去，使用Si(硅)或具有比硅更高导热率的金属自支撑衬底来代替的LED外延生长晶片，也可以获得本发明的目标效果。

在实施例5-8中，使用Al组成为0.8～0.9左右的范围的AlGaAs作为缓冲层6的材料。但是，本发明中并不限定于该特定范围，只要实现了本发明的目标方法，即适当设定缓冲层中的C(碳)浓度和该层的膜厚，即使例如AlGaAs层的Al的组成在上述范围以外或者V/III比为上述实施例中所示的值以外的数值，也没有任何问题。

例如，发光波长为650nm程度的LED元件，缓冲层所使用的AlGaAs层的Al组成即使是0.6～0.7左右的范围，也基本不吸收由活性层发射出的光，从而获得高输出的LED元件。同时，由于缓冲层中的C(碳)浓度的降低与降低Al组成直接相关，因此与采用上述实施例的Al组成为0.8～0.9的缓冲层6的情况相比，可以将设定的V/III比设定为较低。

与此相反，对于发光波长为例如570nm左右的LED元件，为了不使缓冲层6对光吸收有影响，可以将缓冲层6的Al组成设定在0.9左右，此刻的V/III比设定在以往从来没有的高值。即，如上所述，即使改变制作中所相关的参数，例如构成缓冲层的材料组成、外延生长时的V/III比以及其他的生长温度等，也可以通过本发明所记载的方法有效实现本发明的目标。

另外，上述实施例5-8中，仅使用ITO作为电流扩展层8的材料。但是，代替上述ITO，例如ZnO、CTO等一般公知的可见光透光率高且电阻低的膜，即一般的透明导电膜，都可以适用于上述电流扩展层8。但是，作为电流扩展层中使用的材料，其要素并非仅上述两点，更重要的是载流子浓度。载流子浓度的重要性已如上文所述，从降低LED元件的工作电压的角度考虑，对于电流扩展层中可以适用的材料要加以一定程度的限定，可以从这些材料组中选择适当的材料。

比较例3

在比较例3中，制作如图9所示结构的、发光波长在630nm附近的红色LED用外延生长晶片。外延生长方法、外延生长层膜厚、外延层结构、电极形成方法以及LED元件的制造方法，基本上与上述实施例5(图1)相同。以下列举与实施例5的不同点并详细说明。

在比较例3中，p型缓冲层16的生长时的V/III比为10，p型缓冲层16所含的C浓度为1.8×10¹⁹/cm³。

然后，将按照上述的方法制成的LED用外延生长晶片制成元件，工艺步骤与上述实施例5相同。

对这样制作的LED元件的初期特性进行评价，结果，得到具有在20mA通电时(评价时)发光输出是0.92mW、工作电压是1.855V的初期特性的LED元件。

此外，在与上述实施例5相同条件下进行通电试验，结果，相对输出为52％，工作电压1.915V(增加约3％)。

另外，对刚制作后状态的LED元件和制作LED后在上述条件下进行了通电试验后状态的LED元件进行SIMS分析。通电试验后的SIMS分析结果如图11所示，图11所使用的LED元件样品，通过机械研磨将表面去除数μm，以提高SIMS分析的测定分辨率。

SIMS分析的结果，确认了在通电试验前、后缓冲层16都含有大约1.8×10¹⁹/cm³浓度的C(碳)，而且，确认了通电试验后本比较例3的LED元件中，作为p型接触层7的掺杂剂的Zn扩散、混入到活性层4中。即，本比较例3所示的LED元件的元件寿命及可靠性降低是由于该掺杂剂的扩散所致。

比较例4

在比较例4中，制作如图10所示结构的、发光波长在630nm附近的红色LED用外延生长晶片。外延生长方法、外延生长层膜厚、外延层结构、电极形成方法以及LED元件的制造方法，基本上与上述比较例3(图9)相同。以下列举与比较例3的不同点并详细说明。

在比较例4中，未设置p型缓冲层16。p型包覆层5的厚度约为400nm，足以充分实现封闭载流子的效果以及作为载流子(空穴)提供层。即，大约400nm膜厚的p型包覆层5可以充分体现包覆层的作用。即，本比较例4所记载的LED元件，除了没有设置AlGaAs缓冲层16之外，其他于上述比较例3完全相同。

然后，将按照上述的方法制成的LED用外延生长晶片制成元件，其工艺步骤与上述比较例3相同。

对这样制作的LED元件的初期特性进行评价，结果，得到具有在20mA通电时(评价时)发光输出是0.89mW、工作电压是1.840V的初期特性的LED元件。

但是，在进行初期评价时，并非全部元件都发光，损坏的元件大约为20～30％。因此，在未损坏的元件上获得了上述特性，其他的20～30％的元件没有进行全面评价。损坏的原因推想是，在评价元件之前的连接导线工序中元件受到损伤。对于未损伤的元件，在与上述比较例3相同条件下进行通电试验，相对输出为79％，工作电压1.850(增加约0.5％)。

如上所述，在没有设置缓冲层的结构中，存在LED元件制作时成品率低问题，发光输出和可靠性不足。即，尽管获得与比较例3相比稍好的相对输出，但反而导致成品率的下降(比较例3中，LED元件的损坏几乎不是问题)。

尽管为了完全、充分地公开本发明，以上通过具体的实施方式对本发明进行了说明，但所附的权利要求并不受这些实施方式的限制。本发明包括在本说明书中的基本教导范围内对于本领域技术人员来说可能进行的所有变形和替代的方案。

Claims

1.一种半导体发光元件，该半导体发光元件具有：

在半导体衬底上形成的发光部，该发光部至少由n型包覆层、活性层和p型包覆层构成；

在所述发光部的上部形成的As系p型接触层，该p型接触层的p型掺杂剂浓度大于等于1×10¹⁹/cm³，并且，所述的p型接触层的掺杂剂材料与所述p型包覆层中的掺杂剂不同；

在所述p型接触层的上部形成的电流扩展层，该电流扩展层由金属氧化物材料构成；

其特征在于：在所述p型包覆层和所述p型接触层之间形成由III/V族半导体构成的缓冲层，所述缓冲层是p型导电型，其中有意地或不可避免地含有H(氢)，并且所述缓冲层的膜厚大于等于掺杂到所述p型接触层中的掺杂剂的扩散深度L。

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p型包覆层的掺杂剂是Mg，所述p型接触层的掺杂剂是Zn，并且所述扩散深度L由如下所示：L＝6.869×10^-15×N_H ^0.788，其中，N_H为H的浓度，单位是cm^-3，L的单位为μm。

3.根据权利要求1所述的半导体发光元件，其特征在于：构成所述p型接触层的材料是Al_xGa_1-xAs，其中，0≤x≤0.4。

4.根据权利要求1所述的半导体发光元件，其特征在于：所述缓冲层为Al_xGa_1-xAs，其中，0.4≤x≤1。

5.根据权利要求1所述的半导体发光元件，其特征在于：所述电流扩展层由ITO(氧化铟锡)、SnO₂(氧化锡)、ATO(氧化锡锑)、In₂O₃(氧化铟)、ZnO(氧化锌)、GZO(氧化镓锌)、BZO(氧化锌硼)、AZO(氧化锌铝)、CdO(氧化镉)、CTO(氧化镉锡)、IZO(氧化锌铟)中的至少一种金属氧化物材料形成。

6.根据权利要求1所述的半导体发光元件，其特征在于：所述电流扩展层的膜厚为在由d＝A×λp/(4×n)的计算式(其中，A为常数(1或3)，λp为波长，单位是nm，n是折射率)所求出的d的±30％的范围内。

7.根据权利要求1所述的半导体发光元件，其特征在于：构成所述发光部的材料为(Al_xGa_1-x)_yIn_1-yP(其中，0≤x≤1，0.4≤y≤0.6)，而且，所述p型包覆层以及所述n型包覆层中所含有的Al(铝)的含有率高于所述活性层中所含有Al的含有率。

8.根据权利要求1所述的半导体发光元件，其特征在于：所述电流扩展层的载流子浓度为大于等于7×10²⁰/cm³。

9.根据权利要求1所述的半导体发光元件，其特征在于：所述p型接触层的膜厚为1～30nm。

10.根据权利要求1所述的半导体发光元件，其特征在于：在所述衬底和所述n型包覆层之间形成光反射层，所述光反射层由10～30对半导体层构成，每对所述半导体层由两种折射率不同的半导体构成，分别为高折射率材料和低折射率材料。

11.根据权利要求10所述的半导体发光元件，其特征在于：构成所述光反射层的主要材料为Al_xGa_1-xAs(其中，0.4≤x≤1)，或者为(Al_xGa_1-x)_yIn_1-yP(其中，0≤x≤1，0.4≤y≤0.6)，或者为其二者的组合。

12.根据权利要求1所述的半导体发光元件，其特征在于：所述活性层的结构是，具有窄禁带的发光层和比所述发光层禁带更宽的阻挡层，且将其多层层叠。

13.根据权利要求12所述的半导体发光元件，其特征在于：所述活性层为量子阱结构，其中所述活性层中含有的所述发光层的厚度为小于等于9nm的薄膜；或者所述活性层为应变量子阱结构，其中所述发光层的晶格常数与所述n型包覆层或者p型包覆层的晶格常数不同。

14.根据权利要求1所述的半导体发光元件，其特征在于：所述p型包覆层中所含有的Mg的浓度为1×10¹⁷/cm³～5×10¹⁸/cm³的范围，并且设定为所述范围内的p型包覆层占该层的全部或者至少一部分。

15.根据权利要求1所述的半导体发光元件，其特征在于：所述衬底是GaAs、Ge或者Si中的任何一种半导体材料，或者是金属材料，其中所述金属材料所具有的导热率要高于所述Si具有的导热率。

16.根据权利要求1所述的半导体发光元件，其特征在于：在所述活性层和所述p型包覆层之间，设置小于等于300nm的扩散防止层，所述的扩散防止层由下述的任一半导体层或它们的组合构成：不添加掺杂剂的半导体层，所添加的p型掺杂剂的浓度低于所述p型包覆层的半导体层，或者同时添加n型掺杂剂和p型掺杂剂的伪中性状态的半导体层。

17.根据权利要求1所述的半导体发光元件，其特征在于：在所述活性层和所述n型包覆层之间，设置小于等于200nm的扩散防止层，所述的扩散防止层由下述的任一半导体层或它们的组合构成：不添加掺杂剂的半导体层，所添加的n型掺杂剂的浓度低于所述n型包覆层的半导体层，或者同时添加n型掺杂剂和p型掺杂剂的伪中性状态的半导体层。

18.一种半导体发光元件，该半导体发光元件具有：

其特征在于：在所述p型包覆层和所述p型接触层之间，具有由III/V族半导体所构成的缓冲层；所述缓冲层为p型导电性，同时有意地或者不可避免地含有C(碳)；并且所述缓冲层的膜厚大于等于所述p型接触层中添加的掺杂剂的扩散深度L。

19.根据权利要求18所述的半导体发光元件，其特征在于：所述p型包覆层的掺杂剂是Mg，所述p型接触层的掺杂剂是Zn，而且所述扩散深度L由如下所示：L＝6.872×10^-14×NC^0.733，其中，N_C为C的浓度，单位是cm^-3，L的单位为μm。

20.根据权利要求18所述的半导体发光元件，其特征在于：构成所述p型接触层的材料是Al_xGa_1-xAs，其中，0≤x≤0.4。

21.根据权利要求18所述的半导体发光元件，其特征在于：所述缓冲层为Al_xGa_1-xAs，其中，0.4≤x≤1。

22.根据权利要求18所述的半导体发光元件，其特征在于：所述电流扩展层由ITO(氧化铟锡)、SnO₂(氧化锡)、ATO(氧化锡锑)、In₂O₃(氧化铟)、ZnO(氧化锌)、GZO(氧化镓锌)、BZO(氧化锌硼)、AZO(氧化锌铝)、CdO(氧化镉)、CTO(氧化镉锡)、IZO(氧化锌铟)中的至少一种金属氧化物材料构成。

23.根据权利要求18所述的半导体发光元件，其特征在于：所述电流扩展层的膜厚为在由d＝A×λp/(4×n)的计算式(其中，A为常数(1或3)，λp为波长，单位是nm，n是折射率)所求出的d的±30％的范围内。

24.根据权利要求18所述的半导体发光元件，其特征在于：构成所述发光部的材料为(Al_xGa_1-x)_yIn_1-yP(其中，0≤x≤1，0.4≤y≤0.6)，而且，所述p型包覆层以及所述n型包覆层中所含有的Al(铝)的含有率高于所述活性层中所含有Al的含有率。

25.根据权利要求18所述的半导体发光元件，其特征在于：所述电流扩展层的载流子浓度为大于等于7×10²⁰/cm³。

26.根据权利要求18所述的半导体发光元件，其特征在于：所述p型接触层的膜厚为1～30nm。

27.根据权利要求18所述的半导体发光元件，其特征在于：在所述衬底和所述n型包覆层之间形成光反射层，所述光反射层由10～30对半导体层构成，每对所述半导体层由两种折射率不同的半导体构成，分别为高折射率材料和低折射率材料。

28.根据权利要求27所述的半导体发光元件，其特征在于：构成所述光反射层的主要材料为Al_xGa_1-xAs(其中，0.4≤x≤1)，或者为(Al_xGa_1-x)_yIn_1-yP(其中，0≤x≤1，0.4≤y≤0.6)，或者为其二者的组合。

29.根据权利要求18所述的半导体发光元件，其特征在于：所述活性层的结构是，具有窄禁带的发光层和比所述发光层禁带更宽的阻挡层，且将其多层层叠。

30.根据权利要求29所述的半导体发光元件，其特征在于：所述活性层为量子阱结构，其中所述活性层中含有的所述发光层的厚度为小于等于9nm的薄膜；或者所述活性层为应变量子阱结构，其中所述发光层的晶格常数与所述n型包覆层或者p型包覆层的晶格常数不同。

31.根据权利要求18所述的半导体发光元件，其特征在于：所述p型包覆层中所含有的Mg的浓度为1×10¹⁷/cm³～5×10¹⁸/cm³的范围，并且设定为所述范围内的p型包覆层占该层的全部或者至少一部分。

32.根据权利要求18所述的半导体发光元件，其特征在于：所述衬底是GaAs、Ge或者Si中的任何一种半导体材料，或者是金属材料，其中所述金属材料所具有的导热率要高于所述Si具有的导热率。

33.根据权利要求18所述的半导体发光元件，其特征在于：在所述活性层和所述p型包覆层之间，设置小于等于300nm的扩散防止层，该扩散防止层由下述的任一半导体层或它们的组合构成：不添加掺杂剂的半导体层，所添加的p型掺杂剂的浓度低于所述p型包覆层的半导体层，或者同时添加n型掺杂剂和p型掺杂剂的伪中性状态的半导体层。

34.根据权利要求18所述的半导体发光元件，其特征在于：在所述活性层和所述n型包覆层之间，设置小于等于200nm的扩散防止层，该扩散防止层由下述的任一半导体层或它们的组合构成：不添加掺杂剂的半导体层，所添加的n型掺杂剂的浓度低于所述n型包覆层的半导体层，或者同时添加n型掺杂剂和p型掺杂剂的伪中性状态的半导体层。