JP2004288988A

JP2004288988A - 発光素子

Info

Publication number: JP2004288988A
Application number: JP2003080935A
Authority: JP
Inventors: Shinji Nozaki; 眞次野崎; Kazuo Uchida; 和男内田; Hiroshi Morizaki; 弘森崎; Masahito Yamada; 雅人山田; Nobuhiko Noto; 宣彦能登; Masanori Takahashi; 雅宣高橋
Original assignee: Shin Etsu Handotai Co Ltd; Nanoteco Corp
Current assignee: Shin Etsu Handotai Co Ltd; Nanoteco Corp
Priority date: 2003-03-24
Filing date: 2003-03-24
Publication date: 2004-10-14

Abstract

【課題】酸化物透明電極層が発光層部のｐ型層側に設けられているにもかかわらず、発光層駆動のための順方向電圧を十分に低減でき、ひいては低い駆動電圧により高輝度を実現できる発光素子を提供する。
【解決手段】発光素子１００は、主化合物半導体層５０の第一主表面ＭＰ１に、ｐ型第一主表面側層２０よりも有効キャリア濃度が高くなるようにｐ型ドーパントが添加されたｐ型高濃度ドーピング層３２と、ｐ型第一主表面側層２０よりも有効キャリア濃度が高くなるようにｎ型ドーパントが添加されたｎ型高濃度ドーピング層３１とがこの順序で形成された反転ダイオード部３３を有し、発光層部２４のｐ型層側に正極性電圧を印加するための酸化物透明電極層３０が、反転ダイオード部３３のｎ型高濃度ドーピング層３１と接して形成される。酸化物透明電極層３０が正極性となるように発光層部２４に順方向駆動電圧を印加することにより、逆バイアス状態となる反転ダイオード部３３のｐ−ｎ接合をトンネル効果により通過させつつ発光層部２４に駆動電流を供給する。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は発光素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
【特許文献１】
特開平１−２２５１７８号公報
【特許文献２】
特開平６−１８８４５５号公報
【０００３】
化合物半導体にて発光層部を形成した半導体発光素子のうち、表示用や照明用などの発光ダイオード光源として用いるものは、発光層部の光取出面側に駆動電圧を印加するための金属電極を形成する。金属電極は遮光体として作用するため、例えば発光層部主表面の中央部のみを覆う形で形成し、その周囲の電極非形成領域から光を取り出すこととなる。しかし、金属電極が遮光体であることに変わりはなく、また、電極面積を極端に小さくしすぎると、素子面内の電流拡散が妨げられて、却って光取出量が制限される問題もある。そこで、発光層部の全面を、透明で高導電率のＩＴＯ（ＩｎｄｉｕｍＴｉｎＯｘｉｄｅ：酸化インジウム錫）電極層にて覆い、透明電極層を介した光取出し効率の向上と、電流拡散効果の改善とを同時に図る提案が、例えば特許文献１や特許文献２に開示されている。
【０００４】
いずれの公報においても、発光層部に直接ＩＴＯ透明電極層を形成したのではコンタクト抵抗が高くなりすぎ、適正な動作電圧で駆動できなくなる点を問題として挙げている。特許文献１では、発光層部の上に、ＩｎＧａＡｓよりなるコンタクト層を有機金属気相成長法（Ｍｅｔａｌ−ＯｒｇａｎｉｃＶａｐｏｒＰｈａｓｅＥｐｉｔａｘｙ：ＭＯＶＰＥ）にて直接エピタキシャル成長させ、その上にＩＴＯ電極層を形成する方法が開示されている。他方、特許文献２では、発光層部の上にＧａＡｓ層をＭＯＶＰＥ法にてエピタキシャル成長させ、その上にＩＴＯ透明電極層を形成した後、熱処理を行う方法が開示されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、発光素子はｐ型層側を光取出面として使用することが多い。しかしながら、ＩＴＯなどの酸化物導電体は、ｐ型半導体との間で良好なオーミックコンタクトを取ることが非常に難しい。例えは、特許文献１や特許文献２では、ｐ型のＧａＡｓ系あるいはＩｎＧａＡｓ系のコンタクト層を用いているが、これらの化合物半導体は、ｐ型ドーパントを相当大量に添加しても、ＩＴＯとの接触抵抗は、実際には十分に低減できない問題がある。
【０００６】
本発明は、酸化物透明電極層が発光層部のｐ型層側に設けられているにもかかわらず、発光層駆動のための順方向電圧を十分に低減でき、ひいては低い駆動電圧により高輝度を実現できる発光素子を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段及び作用・効果】
上記の課題を解決するために、本発明の発光素子は、ｐ−ｎ接合部をなす発光層部を有するとともに、第一主表面側がｐ型層面となり、第二主表面側がｎ型層面となる主化合物半導体層を備え、該主化合物半導体層のｐ型層面をなす化合物半導体層をｐ型第一主表面側層として、
主化合物半導体層の第一主表面に、ｐ型第一主表面側層よりも有効キャリア濃度が高くなるようにｐ型ドーパントが添加されたｐ型高濃度ドーピング層と、ｐ型第一主表面側層よりも有効キャリア濃度が高くなるようにｎ型ドーパントが添加されたｎ型高濃度ドーピング層とがこの順序で形成された反転ダイオード部と、
発光層部のｐ型層側に正極性電圧を印加するために、反転ダイオード部のｎ型高濃度ドーピング層と接して形成された酸化物透明電極層と、
発光層部のｎ型層側に負極性電圧を印加するための負極側電極とを備え、
酸化物透明電極層が正極性、負極側電極が負極性となる極性で発光層部に順方向駆動電圧を印加することにより、逆バイアス状態となる反転ダイオード部のｐ−ｎ接合をトンネル効果により通過させつつ発光層部に駆動電流を供給することを特徴とする。
【０００８】
上記の構造では、発光層部を有した主化合物半導体層のｐ型層側に酸化物透明電極層を形成する。特許文献１あるいは特許文献２においては、該主化合物半導体層のｐ型第一主表面側層上に、ｐ型化合物半導体層のみからなるコンタクト層を配置し、その上に酸化物透明電極層を形成していたが、この構造ではｐ型層側における酸化物透明電極層の良好なオーミックコンタクトの形成は期待できない。
【０００９】
しかし、本発明では、ｐ型高濃度ドーピング層の上に、さらにｎ型高濃度ドーピング層を積層して反転ダイオード部を形成し、その反転ダイオード部のｎ型高濃度ドーピング層上に酸化物透明電極層を形成する。これにより、酸化物透明電極層は、オーミックコンタクトが非常にとりやすいｎ型高濃度ドーピング層上に形成されるので、ｐ型層上に酸化物透明電極層を形成する特許文献１あるいは特許文献２の素子構造と比較して、コンタクト抵抗自体を大幅に低減することができる。ここで、発光層部に順方向駆動電圧を印加するために、酸化物透明電極層が正極性、負極側電極が負極性となる極性で電圧印加すると、上記の反転ダイオード部には逆バイアスにて電圧が印加されることになる。しかし、該反転ダイオード部は、高濃度ドーピング層同士のｐ−ｎ接合であるから、接合界面に作りつけられる電界（ｂｕｉｌｄ−ｉｎ電界）に基づいたバンドの曲がりが非常に大きくなる。このため、小さな逆バイアスでも、ｐ―ｎ接合界面部では、高濃度層同士の接合により狭幅化したバンドギャップをトンネル効果によって通過させることができ、ｐ型高濃度ドーピング層の価電子帯からｎ型高濃度ドーピング層の伝導帯に電子を容易に供給できる。その結果、逆バイアスの反転ダイオード部が介挿されているにもかかわらず、低い順方向電圧（この場合の「順方向」は、発光層部のｐ−ｎ接合から見た場合の順方向である）で発光層部を問題なく通電駆動できる。すなわち、本発明の発光素子は、酸化物透明電極層が発光層部のｐ型層側に設けられているにもかかわらず、発光層駆動のための順方向電圧を十分に低減でき、ひいては低い駆動電圧により高輝度を実現できる。
【００１０】
本発明の発光素子において順方向電圧低減を効果的に図るには、反転ダイオード部の逆バイアス域での電気抵抗を十分に低くする必要があり、具体的には接合界面付近でのバンドギャップのトンネル長を１０ｎｍ以下にすることが望ましい。この場合、反転ダイオード部のｎ型高濃度ドーピング層とｐ型高濃度ドーピング層とが、いずれも縮退半導体となっていることが、上記トンネル長を短くする上で好都合である。なお、「縮退半導体」は、高濃度ドーピングにより半導体のフェルミエネルギーレベルが、ｎ型半導体の場合には伝導帯底よりも高くなっている半導体を、ｐ型半導体の場合には価電子帯頂よりも低くなっている半導体のことをいうが、本明細書では、ｎ型半導体においてフェルミエネルギーレベルが伝導帯底のレベルと一致しているもの、及びｐ型半導体においてフェルミエネルギーレベルが価電子帯頂のレベルと一致しているものも「縮退半導体」の概念に含めるものとする。
【００１１】
反転ダイオード部においては、ｐ型高濃度ドーピング層がｎ型高濃度ドーピング層よりもハイドープとなっていることが望ましい。ドーピングによって縮退半導体を得ようとする場合、必要なドーピングの濃度は、ｎ型半導体の場合は伝導帯の有効状態密度Ｎｃに、また、ｐ型半導体の場合は価電子帯の有効状態密度Ｎｖに依存して定まることが知られている。フェルミ−ディラック分布を用いた固体電子理論によると、ハイドープ域でのｎ型半導体の電子濃度Ｃｎと、ｐ型半導体の正孔濃度Ｃｈとは、それぞれ下記式（１）及び（２）にて表すことができる：
Ｃｎ＝Ｎｃ・（２／√π）Ｆ_１／２（（Ｅ_Ｆ−Ｅ_ｃ）／ｋＴ） ‥（１）
Ｃｈ＝Ｎｖ・（２／√π）Ｆ_１／２（−（Ｅ_Ｆ−Ｅ_ｖ）／ｋＴ） ‥（２）
ただし、Ｆ_１／２（Ｘ）は、引数をＸとするフェルミディラック積分関数であり、Ｅ_Ｆはフェルミエネルギー、Ｅ_ｃは伝導帯底エネルギー、Ｅ_ｖは価電子帯頂エネルギー、ｋはボルツマン定数である。縮退半導体を得るには、（１）ではＥ_ＦがＥ_ｃに、（２）ではＥ_ＦがＥ_ｖにそれぞれ等しくなることを意味し、温度一定の場合は、フェルミディラック積分Ｆ_１／２（Ｘ）は定数化できる。その結果、ＣｎとＣｈは、伝導帯の有効状態密度Ｎｃないし価電子帯の有効状態密度Ｎｖにほぼ比例して増減すると考えることができる。また、伝導帯の有効状態密度Ｎｃ及び価電子帯の有効状態密度Ｎｖは、温度が一定であれば、前者は電子の有効質量ｍｅ^＊の３／２乗に、後者は正孔の有効質量ｍｈ^＊の３／２乗に、それぞれほぼ比例して変化することが知られている（ただし、波数空間においてエネルギー面の形状に異方性がある場合は、各主軸方向の有効質量の相乗平均値である状態密度有効質量（ｄｅｎｓｉｔｙｏｆｓｔａｔｅｅｆｆｅｃｔｉｖｅｍａｓｓ）を用いることがより正確である）。
【００１２】
従って、縮退半導体を得るのに必要なドーピングの濃度は、ｎ型半導体の場合は電子の有効質量ｍｅ^＊の３／２乗に比例して、ｐ型半導体の場合は正孔の有効質量ｍｈ^＊の３／２乗に比例して定まると考えることができる。周知のごとく、正孔の有効質量ｍｈ^＊は電子の有効質量ｍｅ^＊よりも一般には大きいので、上記の理由から、ｐ型高濃度ドーピング層をｎ型高濃度ドーピング層よりもハイドープとすることが、ｐ型高濃度ドーピング層を縮退半導体とする上で好都合である。
【００１３】
酸化物透明電極層は、ＩＴＯ電極層とすることができる。ＩＴＯは、酸化スズをドープした酸化インジウム膜であり、酸化スズの含有量を１〜９質量％とすることで、電極層の抵抗率を５×１０^−４Ω・ｃｍ以下の十分低い値とすることができる。しかし、金属伝導に近い電子伝導性を示すので、ｐ型半導体とのオーミックコンタクトが特にとりにくい材質でもある。しかし、本発明のように反転ダイオード部を用いてｎ型高濃度ドーピング層と接触させるようにすれば、発光層部のｐ型層側でオーミックコンタクトを極めて簡単に取ることができる。例えば、反転ダイオード部をなすハイドープのｎ型ＧａＡｓとＩＴＯとの接触抵抗率は、５００℃以上６００℃以下（例えば５５０℃）での熱処理を施すことにより、５×１０^−５Ω・ｃｍ程度にまで低減することができる。また、ＩＴＯ電極層以外には、ＺｎＯ電極層が導電性と透明性に優れるので、本発明に好適に採用できる。ＺｎＯも、酸素欠損により本質的にｎ型導電性となりやすく、ｐ型のドーピング自体が非常に困難なので、高導電率の得られるものは電子伝導性のものに事実上限られる。従って、ｐ型半導体とのオーミックコンタクトがＩＴＯと同様に非常に取りにくい材質であるが、本発明の採用により発光層部のｐ型層側でオーミックコンタクトを簡単に取ることができる。なお、上記以外の酸化物透明電極層の構成材料としては、酸化アンチモンをドープした酸化スズ（いわゆるネサ）、Ｃｄ_２ＳｎＯ_４、Ｚｎ_２ＳｎＯ_４、ＺｎＳｎＯ_３、ＭｇＩｎ_２Ｏ_４、酸化イットリウム（Ｙ）をドープしたＣｄＳｂ_２Ｏ_６、酸化スズをドープしたＧａＩｎＯ_３なども使用することができる。
【００１４】
これらの酸化物透明電極は可視光に対して良好な透過性を有し（つまり、透明であり）、発光層部への電圧印加用電極として用いる場合、光の取出しを妨げない利点がある。また、該酸化物透明電極層上に形成されるボンディングパッドを介して素子駆動用の電圧を印加したとき、電流を面内に広げて発光を均一化し高効率化する役割も担う。いずれも、公知の気相成膜法、例えば化学蒸着法（ｃｈｅｍｉｃａｌｖａｐｏｒｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＣＶＤ）あるいはスパッタリングや真空蒸着などの物理蒸着法（ｐｈｙｓｉｃａｌｖａｐｏｒｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＰＶＤ）、あるいは分子線エピタキシャル成長法（ｍｏｌｅｃｕｌａｒｂｅａｍｅｐｉｔａｘｙ：ＭＢＥ）にて形成することができる。例えば、ＩＴＯ層やＺｎＯ電極層は高周波スパッタリング又は真空蒸着により製造でき、また、ネサ膜はＣＶＤ法により製造できる。また、気相成長法に代えて、ゾル−ゲル法など他の方法を用いて形成してもよい。
【００１５】
なお、酸化物透明電極層上に金属製のボンディングパッドが配置される場合は、反転ダイオード部を酸化物透明電極層の全面を被覆するように形成すると、ボンディングパッドの直下領域でも酸化物透明電極層の接触抵抗が改善される結果、駆動電流ひいては発光が該領域に集中しやすくなり、発生した光の多くがボンディングパッドにより遮蔽されて光取出効率の低下を招く場合がある。そこで、当該ボンディングパッドの直下領域の少なくとも一部を、反転ダイオード部の非形成領域とすることが望ましい。このように構成すると、ボンディングパッド直下領域における酸化物透明電極層の接触抵抗が増大する。その結果、発光素子の駆動電流は、ボンディングパッド直下領域を迂回してパッド外領域に流れる成分が大きくなり、光取出効率を大幅に高めることができる。なお、光取り出し量が少ないボンディングパッド直下領域にはなるべく発光駆動電流が流れないことが光取出効率向上の観点においては望ましい。従って、ボンディングパッド直下領域には反転ダイオード部が可及的に形成されていないことが望ましい。
【００１６】
反転ダイオード部を構成する化合物半導体として、ｐ型第一主表面側層を構成する化合物半導体よりもバンドギャップの狭いものを使用することができる。これにより、次のような利点が得られる。
▲１▼ナローギャップのため、接合界面付近でのバンドギャップのトンネル長をより小さくすることができ、導通抵抗を軽減できる。
▲２▼バンドギャップの小さい半導体は、例えばＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体同士の場合、電子ないし正孔の有効質量が小さいので、縮退半導体を得るためのドーパント濃度が少なくて済む。
▲３▼ナローギャップの半導体は、一般には発光層部からの発光光束を吸収しやすいが、上記のような反転ダイオード部においては、ｐ−ｎ接合部に作りつけられる電界が非常に大きいため、光の吸収端エネルギーが高エネルギー側にシフトし、バンドギャップが狭いにも拘らず光吸収が生じにくくなる。
【００１７】
なお、酸化物透明電極層の光取出面をなす領域の一部を反転ダイオード部の非形成領域とし、残余の領域のみ反転ダイオード部の形成領域としておけば、反転ダイオード部での光吸収が問題になる場合、反転ダイオード部の形成領域直下にて発生した光は、これと隣接する非形成領域から漏出することにより、電極接合層による光吸収を抑制することができる。しかし、上記のように、作りつけ電界の大きい反転ダイオード部の光吸収は、特に、特許文献１や特許文献２のようなコンタクト層と比較すれば本来的に小さいので、反転ダイオード部を光取出面の全面に形成しても全く差し支えない（むしろ、分散形成等のパターニングが必要でないため、工程を簡略化できる利点がある）。
【００１８】
なお、反転ダイオード部の厚さ（ｎ型高濃度ドーピング層とｐ型高濃度ドーピング層との合計厚さ）は、５０ｎｍ以下の範囲で調整することが望ましい。厚さが５０ｎｍを超えると、吸収による損失のため光透過性が悪化する可能性がある。また、反転ダイオード部の厚さが１０ｎｍ未満では、ＩＴＯ層が反転ダイオード部の空乏層と接触してしまい、酸化物透明電極層との接触抵抗の改善効果が十分達成できない場合があるので、反転ダイオード部の厚さは１０ｎｍ以上に確保することが望ましい。
【００１９】
上記のようなバンドギャップの狭い半導体としては、ＧａＡｓ又はＩｎＧａＡｓを例示できる（すなわち、反転ダイオード部をＧａＡｓ又はＩｎＧａＡｓにより構成する）。ＩｎＧａＡｓはＧａＡｓよりもさらにバンドギャップが狭いので、上記の効果を一層高めることができる。また、酸化物透明電極層がＩＴＯ電極層からなる場合は、反転ダイオード部のｎ型高濃度ドーピング層を、ＩＴＯ電極層からＩｎを拡散させたＧａＡｓ層として、より簡単に形成できる利点もある。
【００２０】
反転ダイオード部のｎ型高濃度ドーピング層のｎ型ドーパント濃度、及びｐ型高濃度ドーピング層のｐ型ドーパント濃度は、前述の通り、使用する化合物半導体の電子ないし正孔の有効質量により、縮退半導体とするための臨界的なドーピング量は相違するが、発光素子に一般的に採用されているＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の場合は、ｎ型高濃度ドーピング層のｎ型ドーパント濃度においては、３×１０^１７／ｃｍ^３以上５×１０^２０／ｃｍ^３以下とすることが、また、ｐ型高濃度ドーピング層のｐ型ドーパント濃度においては、２×１０^１８／ｃｍ^３以上５×１０^２０／ｃｍ^３以下とすることが望ましい。いずれもドーパント濃度が下限値未満では、反転ダイオード部の接合界面部におけるバンドギャップのトンネル長が大きくなりすぎ、発光素子の順方向電圧の上昇につながる。他方、ドーパント濃度が上限値を超えても効果が飽和するばかりでなく、反転ダイオード部の結晶性の悪化などにより、発光素子の寿命低下等を招くおそれもある。
【００２１】
例えば、反転ダイオード部をＧａＡｓにより構成する場合には、ｎ型高濃度ドーピング層の場合、ｎ型ドーパント（Ｓｉなど）を６×１０^１７／ｃｍ^３以上添加することが、またｐ型高濃度ドーピング層の場合、ｐ型ドーパント（Ｚｎ、Ｍｇなど）を６×１０^１８／ｃｍ^３以上添加することが望ましい。他方、反転ダイオード部をＩｎＧａＡｓにより構成する場合には、ｎ型高濃度ドーピング層の場合、ｎ型ドーパントを３×１０^１７／ｃｍ^３以上添加することが、またｐ型高濃度ドーピング層の場合、ｐ型ドーパント（Ｚｎ、Ｍｇなど）を２×１０^１８／ｃｍ^３以上添加することが望ましい。
【００２２】
ＧａＡｓやＩｎＧａＡｓからなる反転ダイオード部は、発光層部がＧａＡｓと格子整合するＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体よりなる場合に、該発光層部を含んだ主化合物半導体層の第一主表面上へのエピタキシャル成長により高品質のものを容易に形成でき、本発明の効果を高めることができる（成長基板として、製造の容易なＧａＡｓ基板を使用できる利点もある）。このような発光層部としては、ＡｌＧａＩｎＰからなる活性層を、各々ＡｌＧａＩｎＰからなるｐ型クラッド層とｎ型クラッド層とにより挟んだダブルへテロ構造を有するものが、特に高輝度を実現しやすく、本発明に好適に採用できる。この場合、ｐ型第一主表面側層は、ＧａＡｓ（ひいては発光層部をなすＡｌＧａＩｎＰ）と格子整合し（格子定数差にて１％以内）、かつ、活性層をなすＡｌＧａＩｎＰよりもバンドギャップの広い化合物半導体、例えばＡｌＧａＡｓを採用できる。該ｐ型第一主表面側層は、例えば酸化物透明電極層による電流拡散効果を補う補助電流拡散層として形成したり、あるいはボンディングパッドにワイヤボンディングする際の熱的あるいは機械的な衝撃から発光層部を保護するためのクッション層として形成したりすることができる。
【００２３】
なお、通常の範囲にて発光層部に駆動用の順方向駆動電圧を印加したとき、逆バイアス状態となる反転ダイオード部のｐ−ｎ接合をトンネル効果により通過させることができるのであれば、反転ダイオード部のｎ型高濃度ドーピング層とｐ型高濃度ドーピング層とは、組成の異なる化合物半導体により形成することも可能である。
【００２４】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の一実施形態である発光素子１００を示す概念図である。発光素子１００は、ｎ型ＧａＡｓ単結晶基板（以下、単に「基板」ともいう）７の第一主表面上に、発光層部２４を含む主化合物半導体層５０が形成されている。発光層部２４はＡｌＧａＩｎＰよりなるダブルへテロ構造を有し、主化合物半導体５０は、発光層部２４の各層の積層順を反映させる形で、第一主表面ＭＰ１側がｐ型層面となり、第二主表面ＭＰ２側がｎ型層面とされている。本実施形態において主化合物半導体５０には、第二主表面ＭＰ２側から、ＧａＡｓバッファ層２、発光層部２４及びＡｌＧａＡｓよりなるｐ型第一主表面側層としてのｐ型電流拡散層２０がこの順序で形成されている。
【００２５】
次に、主化合物半導体層５０の第一主表面ＭＰ１には、ｐ型第一主表面側層をなすｐ型電流拡散層２０よりも有効キャリア濃度が高くなるようにｐ型ドーパントが添加されたｐ型高濃度ドーピング層３２と、ｐ型電流拡散層２０よりも有効キャリア濃度が高くなるようにｎ型ドーパントが添加されたｎ型高濃度ドーピング層３１とがこの順序で形成された反転ダイオード部３３が形成されている。本実施形態において、反転ダイオード部３３はＧａＡｓにより構成されている。このうち、ｎ型高濃度ドーピング層３１は、Ｓｉなどのｎ型ドーパントが３×１０^１７／ｃｍ^３以上５×１０^２０／ｃｍ^３以下の範囲で添加され、またｐ型高濃度ドーピング層３２は、Ｚｎ、Ｍｇなどのｐ型ドーパントが２×１０^１８／ｃｍ^３以上５×１０^２０／ｃｍ^３以下の範囲で添加されて、いずれも縮退半導体となっている。ｎ型高濃度ドーピング層３１及びｐ型高濃度ドーピング層３２の厚さは、いずれも５ｎｍ以上２５ｎｍ以下であり、反転ダイオード部３３全体の厚さは１０ｎｍ以上５０ｎｍ以下である。
【００２６】
そして、反転ダイオード部３３のｎ型高濃度ドーピング層３１の全面がＩＴＯ電極層３０により覆われている。さらに、ＩＴＯ電極層３０のほぼ中央部には、Ａｕ等にて構成されたボンディングパッド９が配置され、ここにＡｕ等で構成された電極ワイヤ４７が接合されている。そして、図２に示すように、ボンディングパッド９の直下領域は、反転ダイオード部３３の非形成領域とされている。また、光取出面となるボンディングパッド９の周囲領域は、反転ダイオード部３３が全面に形成されている。他方、基板７の第二主表面側（負極側）には、Ａｕ−Ｇｅ−Ｎｉ合金等の金属からなる負極側電極層１５が全面に形成されている。
【００２７】
発光層部２４は、各々（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_ｙＩｎ_１−ｙＰ混晶とされるとともに、第一導電型クラッド層４、第二導電型クラッド層６、及び第一導電型クラッド層４と第二導電型クラッド層６との間に位置する活性層５からなるダブルへテロ構造とされている。具体的には、ノンドープ（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_ｙＩｎ_１−ｙＰ（ただし、０≦ｘ≦０．５５，０．４５≦ｙ≦０．５５）混晶からなる活性層５を、ｐ型（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_ｙＩｎ_１−ｙＰクラッド層６とｎ型（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_ｙＩｎ_１−ｙＰクラッド層４とにより挟んだ構造となっている。図１の発光素子１００では、クッション層２０側にｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層６（ｐ型ドーパントはＺｎ：有機金属分子からのＣもｐ型ドーパントとして寄与しうる）が配置されており、負極側電極層１５側にｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層４（ｎ型ドーパントはＳｉ）が配置されている。なお、当業者には自明のことであるが、ここでいう「ノンドープ」とは、「ドーパントの積極添加を行なわない」との意味であり、通常の製造工程上、不可避的に混入するドーパント成分の含有（例えば１０^１３〜１０^１６／ｃｍ^３程度を上限とする）をも排除するものではない。
【００２８】
ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層６は、ｐ型キャリア濃度（多数キャリア濃度）は、５×１０^１６／ｃｍ^３以上１×１０^１８／ｃｍ^３未満、望ましくは、１×１０^１７／ｃｍ^３以上７×１０^１７／ｃｍ^３以下である。また、電流拡散層２０は、本実施形態ではＺｎをｐ型ドーパントとして添加したＡｌＧａＡｓ層（例えばＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓにおいて、ｘ＝０．７程度）よりなり、ｐ型ドーパント濃度は、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層６よりも高く、かつ、反転ダイオード部３３のｐ型高濃度ドーピング層３２よりも低い。
【００２９】
以下、図１の発光素子１００の製造方法について説明する。
図１を援用して説明すれば、ＧａＡｓ単結晶基板７の第一主表面に、ｎ型ＧａＡｓバッファ層２、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層４、ＡｌＧａＩｎＰ活性層５、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層６、ＡｌＧａＡｓよりなる電流拡散層２０、及び反転ダイオード部３３をなすＧａＡｓよりなるｐ型高濃度ドーピング層３２及びｎ型高濃度ドーピング層３１を、この順序でエピタキシャル成長させる。これら各層のエピタキシャル成長は、公知の有機金属気相エピタキシャル成長（Ｍｅｔａｌ−ＯｒｇａｎｉｃＶａｐｏｒＰｈａｓｅＥｐｉｔａｘｙ：ＭＯＶＰＥ）法により行なうことができる。Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｐ及びＡｓの各成分源となる原料ガスとしては以下のようなものを使用できる；
・Ａｌ源ガス；トリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）、トリエチルアルミニウム（ＴＥＡｌ）など；
・Ｇａ源ガス；トリメチルガリウム（ＴＭＧａ）、トリエチルガリウム（ＴＥＧａ）など；
・Ｉｎ源ガス；トリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）、トリエチルインジウム（ＴＥＩｎ）など。
・Ｐ源ガス；ターシャルブチルホスフィン（ＴＢＰ）、ホスフィン（ＰＨ_３）など。
・Ａｓ源ガス；ターシャルブチルアルシン（ＴＢＡ）、アルシン（ＡｓＨ_３）など。
【００３０】
また、ドーパントガスとしては、以下のようなものを使用できる；
（ｐ型ドーパント）
・Ｍｇ源：ビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ_２Ｍｇ）など。
・Ｚｎ源：ジメチル亜鉛（ＤＭＺｎ）、ジエチル亜鉛（ＤＥＺｎ）など。
（ｎ型ドーパント）
・Ｓｉ源：モノシランなどのシリコン水素化物など。
【００３１】
上記各層の成長は、原料ガスの切り替えにより、同一の気相成長装置内で連続的に行なうことができる。また、各層のドーパント濃度は、原料ガスに対するドーパントガスの供給比率により、所望の値に調整することができる。
【００３２】
次に、反転ダイオード部３３のｎ型高濃度ドーピング層３１を覆うように、公知の高周波スパッタリング法によりＩＴＯ電極層３０を形成する。また、基板７の第二主表面に真空蒸着法により負極側電極層１５を形成する。そして、該ＩＴＯ電極層３０上に、各発光素子チップに対応する領域毎にボンディングパッド９を配置し、適当な温度で電極定着用のベーキングを施すことにより、発光素子ウェーハが得られる。該発光素子ウェーハ５０は、各発光素子チップ領域を分離するためにハーフダイシングされ、さらにダイシング面の加工歪をメサエッチングにより除去した後、スクライビングにより発光素子チップに分離される。その後は、負極側電極層１５をＡｇペースト等の導電性ペーストを用いて支持体を兼ねた端子電極に固着する一方、ボンディングパッド９に電極ワイヤ４７を接合（ボンディング）し、樹脂モールドすることにより最終的な発光素子が得られる。
【００３３】
図１の発光素子１００によると、ｐ型高濃度ドーピング層３２の上に、さらにｎ型高濃度ドーピング層３１を積層して反転ダイオード部３３を形成し、その反転ダイオード部３３のｎ型高濃度ドーピング層３１上にＩＴＯ電極層３０を形成している。ＩＴＯ電極層３０は、ＧａＡｓからなるｎ型高濃度ドーピング層３１に対しオーミックコンタクトを形成する。他方、発光層部２４を発光駆動する際には、ＩＴＯ電極層３０が正極性、負極側電極１５が負極性となるように電圧印加される。従って、上記の反転ダイオード部３３には逆バイアスにて電圧が印加されることになる。
【００３４】
図３左に示すように、該反転ダイオード部３３は、ｐ型高濃度ドーピング層３２とｎ型高濃度ドーピング層３１との接合により形成される。いずれも縮退半導体となるように、ｐ型ドーパント又はｎ型ドーパントが前述の通り高濃度にドーピングされ、フェルミエネルギーレベルＥ_Ｆが、Ｐ型高濃度ドーピング層３２においては価電子帯頂よりも低くなり、ｎ型高濃度ドーピング層３１においては伝導帯底よりも高くなっている。これらの縮退半導体をｐ−ｎ接合すると、図３中央に示すように、フェルミエネルギーレベルＥ_Ｆを一致させるための空間電荷移動に伴い、大きな電界が接合界面に作りつけられて、界面付近のバンドの曲がりが非常に大きくなる。その結果、ｐ型高濃度ドーピング層３２の価電子帯頂部付近が、バンドの曲がりにより細くなったバンドギャップを挟んで、ｎ型高濃度ドーピング層３１の伝導帯底部付近に対向した接合バンド構造となる。
【００３５】
この状態で逆バイアス電圧を印加すると、図３右に示すように、ｐ型高濃度ドーピング層３２のフェルミエネルギーレベルＥ_Ｆが引き上げられる一方、ｎ型高濃度ドーピング層３１のフェルミエネルギーレベルＥ_Ｆは逆に引き下げられ、接合界面付近のバンドギャップは一層狭くなる（このとき、接合界面付近でのバンドギャップのトンネル長は１０ｎｍ以下となっていることが望ましい）。すると、ｐ型高濃度ドーピング層３２における価電子帯のＥ_Ｆ付近の電子は、狭くなったバンドギャップをトンネル効果によって通過し、伝導電子としてｎ型高濃度ドーピング層３１の伝導帯に容易に供給できる。その結果、逆バイアスの反転ダイオード部３３が介挿されているにもかかわらず、発光層部２４に低い順方向電圧で問題なく通電できるようになる。
【００３６】
反転ダイオード部３３は、上記の場合はトンネルダイオード（あるいはエサキダイオード）構造とされており、Ｉ−Ｖ特性は、図４に示すように、順バイアス領域では特有の負性抵抗域を示すが、逆バイアス領域では略リニアなオーミック特性を示すのが特徴である。トンネルダイオードは通常、この負性抵抗域の動作を利用するものである。また、反転ダイオード部３３は、後述するバックワードダイオード構造になっていてもよい。バックワードダイオードの場合、順バイアス領域には、顕著な負性抵抗領域は現われないものの、ある電圧以上でブレークダウン的な電流増加を示す非線形Ｉ−Ｖ特性を示す。そして、トンネルダイオードもバックワードダイオードも、いずれも逆バイアス領域では略オーミックに近い線形なＩ−Ｖ特性を示すのが特徴である。本実施形態においては、発光素子のｐ型層側においてＩＴＯ電極層３０を適用しようとした場合に、従来、コンタクト抵抗の低減が非常に困難になる問題が生じていたのを、通常用いられないトンネルダイオードやバックワードダイオードの逆バイアス領域を敢えて用いて解決したところに大きな特徴があるといえる。
【００３７】
なお、図１の発光素子１００においては、ボンディングパッド９が発光層部２４からの発光光束の大部分を遮蔽するため、発光層部２４においてボンディングパッド９の直下領域に通電電流が集中しないように、反転ダイオード部３３は、ボンディングパッド９の直下領域には形成されず、その周囲の光取出領域にのみ選択的に形成されている。ボンディングパッド９の直下領域において反転ダイオード部３３を作為的に非形成とすることで、この領域ではＩＴＯ電極層３０の接触抵抗が高くなり電流が流れにくくなる。その結果、ＩＴＯ電極層３０を介して発光層部２４に通電される電流は、光取り出し量が少ないボンディングパッド９の直下領域を迂回して光取出領域に優先的に分配され、光取出効率を高めることができる。
【００３８】
なお、図５〜図７に示すように、光取出領域において反転ダイオード部３３の形成領域と非形成領域とを混在させることもできる。図５は反転ダイオード部３３の形成領域を散点状とした例であり、図６は細長い帯状の反転ダイオード部３３の形成領域と非形成領域とを交互に形成した例である。さらに、図７は、図５とは逆に、反転ダイオード部３３の形成領域を背景として、散点状の非形成領域をこれに分散形成した例である。ここでは反転ダイオード部３３の形成領域を格子状に形成している。
【００３９】
反転ダイオード部３３は、ＧａＡｓに代えて、よりバンドギャップの狭いＩｎＧａＡｓにて形成することもできる。この場合、ＩｎＧａＡｓからなる反転ダイオード部３３を始めからエピタキシャル成長してもよいし、ＧａＡｓにて反転ダイオード部３３を形成しておき、さらにこれをＩＴＯ電極層３０で覆い、その状態で熱処理することにより、ＩＴＯ電極層３０のＩｎ成分を、反転ダイオード部３３をなすＧａＡｓに拡散させてＩｎＧａＡｓとする方法を採用してもよい。
【００４０】
他方、反転ダイオード部３３を、透明性を高めるために電流拡散層２０と同じＡｌＧａＡｓにて構成することもできる。また、電流拡散層２０を省略し、反転ダイオード部３３のｐ型高濃度ドーピング層３２の厚みを増して電流拡散層に兼用することもできる。この場合、この厚みを増したｐ型高濃度ドーピング層３２は反転ダイオード部３３の一部として機能するから、主化合物半導体層には属さないものとみなす（この場合、発光層部２４のｐ型クラッド層をｐ型第一主表面側層と見ればよい）。
【００４１】
また、反転ダイオード部３３は、前述の通り、図８に示すように、フェルミエネルギーレベルＥ_Ｆが伝導帯底のレベルと略同等になっているｎ型高濃度ドーピング層３１と、フェルミエネルギーレベルＥ_Ｆが価電子帯頂のレベルと略同等になっているｐ型高濃度ドーピング層３２とを接合する形で形成しても、ＩＴＯ電極層３０とのコンタクト抵抗を十分に低減することができる。このようなダイオード構造は、バックワードダイオードとも称されるが、逆バイアス域でリニアな（つまりオーミックな）Ｉ−Ｖ特性を示す点においては、トンネルダイオードと何ら変わりはない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の発光素子の一実施形態を積層構造にて示す模式図。
【図２】反転ダイオード部の形成形態の第一例を示す平面図。
【図３】反転ダイオード部の接合バンド構造の第一例を示す模式図。
【図４】反転ダイオード部のＩ−Ｖ特性の一例を示すグラフ。
【図５】反転ダイオード部の形成形態の第二例を示す平面図。
【図６】反転ダイオード部の形成形態の第三例を示す平面図。
【図７】反転ダイオード部の形成形態の第四例を示す平面図。
【図８】反転ダイオード部の接合バンド構造の第二例を示す模式図。
【符号の説明】
４ｎ型クラッド層（第一導電型クラッド層）
５活性層
６ｐ型クラッド層（第二導電型クラッド層）
９ボンディングパッド
２４発光層部
２０電流拡散層（ｐ型第一主表面側層）
３０ＩＴＯ電極層（酸化物透明電極層）
３１ｎ型高濃度ドーピング層
３２ｐ型高濃度ドーピング層
３３反転ダイオード部
１００発光素子

Claims

ｐ−ｎ接合部をなす発光層部を有するとともに、第一主表面側がｐ型層面となり、第二主表面側がｎ型層面となる主化合物半導体層を備え、該主化合物半導体層の前記ｐ型層面をなす化合物半導体層をｐ型第一主表面側層として、
前記主化合物半導体層の前記第一主表面に、前記ｐ型第一主表面側層よりも有効キャリア濃度が高くなるようにｐ型ドーパントが添加されたｐ型高濃度ドーピング層と、前記ｐ型第一主表面側層よりも有効キャリア濃度が高くなるようにｎ型ドーパントが添加されたｎ型高濃度ドーピング層とがこの順序で形成された反転ダイオード部と、
前記発光層部のｐ型層側に正極性電圧を印加するために、前記反転ダイオード部の前記ｎ型高濃度ドーピング層と接して形成された酸化物透明電極層と、
前記発光層部のｎ型層側に負極性電圧を印加するための負極側電極とを備え、
前記酸化物透明電極層が正極性、前記負極側電極が負極性となる極性で前記発光層部に順方向駆動電圧を印加することにより、逆バイアス状態となる前記反転ダイオード部のｐ−ｎ接合をトンネル効果により通過させつつ前記発光層部に駆動電流を供給することを特徴とする発光素子。
前記反転ダイオード部の前記ｎ型高濃度ドーピング層と前記ｐ型高濃度ドーピング層とがいずれも縮退半導体となっていることを特徴とする請求項１記載の発光素子。
前記反転ダイオード部において、前記ｐ型高濃度ドーピング層が、前記ｎ型高濃度ドーピング層よりもハイドープとなっていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の発光素子。
前記酸化物透明電極層がＩＴＯ電極層であることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の発光素子。
前記酸化物透明電極層上に金属製のボンディングパッドが配置され、当該ボンディングパッドの直下領域の少なくとも一部が前記反転ダイオード部の非形成領域となっていることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の発光素子。
前記反転ダイオード部を構成する化合物半導体として、前記ｐ型第一主表面側層を構成する化合物半導体よりもバンドギャップの狭いものが使用されることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の発光素子。
前記反転ダイオード部がＧａＡｓ又はＩｎＧａＡｓからなることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の発光素子。
前記酸化物透明電極層がＩＴＯ電極層からなり、前記反転ダイオード部の前記ｎ型高濃度ドーピング層が、前記ＩＴＯ電極層からＩｎが拡散したＧａＡｓ層であることを特徴とする請求項７記載の発光素子。
前記反転ダイオード部の前記ｎ型高濃度ドーピング層のｎ型ドーパント濃度が３×１０^１７／ｃｍ^３以上５×１０^２０／ｃｍ^３以下であり、前記ｐ型高濃度ドーピング層のｐ型ドーパント濃度が２×１０^１８／ｃｍ以上５×１０^２０／ｃｍ^３以下であることを特徴とする請求項７又は請求８に記載の発光素子。
前記発光層部がＧａＡｓと格子整合するＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体よりなることを特徴とする請求項７ないし請求項９のいずれか１項に記載の発光素子。
前記発光層部がＡｌＧａＩｎＰからなる活性層を、各々ＡｌＧａＩｎＰからなるｐ型クラッド層とｎ型クラッド層とにより挟んだダブルへテロ構造を有することを特徴とする請求項１０記載の発光素子。