JP2004356600A

JP2004356600A - 半導体発光素子

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Publication number: JP2004356600A
Application number: JP2003158886A
Authority: JP
Inventors: Taiichiro Konno; 泰一郎今野; Masahiro Arai; 優洋新井
Original assignee: Hitachi Cable Ltd
Current assignee: Hitachi Cable Ltd
Priority date: 2003-03-31
Filing date: 2003-06-04
Publication date: 2004-12-16
Anticipated expiration: 2023-06-04
Also published as: JP3763303B2

Abstract

【課題】半導体発光素子の急速な劣化を防止し、中間バンドギャップ層を設けなくても順方向動作電圧を低くできるとともに、高輝度、低価格、高信頼性であり、再現性に優れる半導体発光素子を提供する。
【解決手段】この半導体発光素子は、ｎ型ＧａＡｓ基板１と、この基板１上に、ｎ型（Ａｌ_０．７Ｇａ_０．３）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐクラッド層３と、活性層４と、Ｚｎ拡散抑止層であるアンドープ層１０と、ｐ型クラッド層５と、ｐ型コンタクト層６と、金属酸化物窓層７とをそれぞれ積層したものである。アンドープ層１０は、活性層中へのＺｎ拡散を押さえ込めるため、Ｚｎの拡散による発光出力の低下及び信頼性の低下を防止できる。ｐ型コンタクト層を所定の膜厚とすることで高輝度、低動作電圧を確保する。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体発光素子に関し、特に、半導体発光素子の急速な劣化を防止し、中間バンドギャップを設けなくても順方向動作電圧を低くすることができるとともに、高輝度、低価格、高信頼性であり、再現性に優れる半導体発光素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、半導体発光素子である発光ダイオード（以下、ＬＥＤともいう）はＧａＰの緑色、ＡｌＧａＡｓの赤色がほとんどであった。しかし、最近ＧａＮ系やＡｌＧａＩｎＰ系の結晶層をＭＯＶＰＥ（ＭｅｔａｌＯｒｇａｎｉｃＶａｐｏｒＰｈａｓｅＥｐｉｔａｘｙ：有機金属気相成長）法で成長できるようになったことから、橙色、黄色、緑色、青色の高輝度ＬＥＤが製作できるようになってきた。
【０００３】
ＭＯＶＰＥ法で形成したエピタキシャルウエハにより、これまでにできなかった短波長の発光や、高輝度が得られるＬＥＤの製作が可能となった。しかし高輝度を得るためには、電流分散を良くするために窓層の膜厚を厚くする必要があり、そのためにＬＥＤ用エピタキシャルウエハのコストが高くなり、ＬＥＤを安価に製作することが難しかった。
【０００４】
コストを下げるためには、窓層の膜厚が薄く、かつ電流分散性が良好であることが望まれる。つまり、窓層自体の抵抗率をさらに低くすることが好ましい。抵抗の低いエピタキシャル層を得るには、移動度を大幅に変えるか、高キャリア濃度にする方法がある。
【０００５】
これらの問題を解決する方法として、例えば、ＡｌＧａＩｎＰ４元系ＬＥＤの場合には、窓層としてできるだけ抵抗の低い値が得られる材料として、ＧａＰやＡｌＧａＡｓを用いることも行われている。しかし、これらの抵抗率の低い材料を用いてもｐ型で高キャリア濃度のエピタキシャル層を成長させることは難しく、電流分散効果を良くするためには窓層の膜厚を８μｍ以上まで厚くする必要がある。また、他の半導体でそのような特性を有するものがあればそれで代用することができる。しかし、そのような特性を有する半導体は見当たらない。
【０００６】
例えば、ＧａＮ系ＬＥＤでは、その他の方法として金属薄膜を透光性導電膜として用いている。しかし、金属薄膜は光を通すためには非常に薄くする必要がある。一方、十分な電流分散を得ようとすると膜厚が必要となって透光性が悪くなるという不都合がある。また、金属薄膜は、一般的に真空蒸着法で形成され、その真空排気時間が長いことも問題となっている。
【０００７】
かかる問題を解決するものとして、金属酸化物の透明導電膜であるＩＴＯ（ＩｎｄｉｕｍＴｉｎＯｘｉｄｅ）膜が知られている。このＩＴＯ膜を電流分散膜として用いると、これまで電流分散膜として用いたエピタキシャル層を不要にできることから、安価に高輝度のＬＥＤを生産できる。
【０００８】
このＬＥＤは、上記した構成で積層された電極付ＬＥＤ用エピタキシャルウエハをｐ型電極が中心になるようにチップサイズ３００μｍ角の切断加工することによりＬＥＤベアチップに形成される。このＬＥＤベアチップをＴＯ−１８ステム上にダイボンディングし、ＬＥＤベアチップとＴＯ−１８ステムとをワイヤボンディングして電気的に接続しているが、ＬＥＤベアチップにおいて、半導体層と金属酸化膜である透明導電膜との間に接触抵抗が発生してしまい、順方向動作電圧が高くなるという問題がある。
【０００９】
かかる問題を解決するものとして、最上の半導体層のキャリア濃度を極めて高くすることにより、トンネル電流に基づいてＬＥＤを駆動させるという方法が知られている（例えば、非特許文献１参照。）。
【００１０】
また、最上の半導体層としてＣを添加物としたＧａＡｓ層を用い、Ｃ添加物の原料として四臭化炭素（ＣＢｒ_４）を用いて、高輝度，低動作電圧，高信頼性のＬＥＤを製作するという方法が知られている（例えば、特許文献１参照。）。
【００１１】
【非特許文献１】
ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣＳＬＥＴＴＥＲＳ、７ＴｈＤｅｃｅｍｂｅｒ１９９５（２２１０〜２２１２頁）
【００１２】
【特許文献１】
特開平１１−３０７８１０号公報（第１図）
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来のＬＥＤによると、半導体コンタクト層としてＧａＡｓを使用し、添加物としてＺｎを使用すると、半導体発光素子の寿命が短く急速に劣化してしまい、信頼性が悪くなるという問題がある。
【００１４】
例えば、ＧａＡｓ層とクラッド層のバンド不連続を緩和するために、ＧａＡｓ層とクラッド層との間に中間バンドギャップ層を入れるという方法が知られている。しかし、この方法でも、順方向電圧をある程度低くすることはできるが、透明導電膜と接している層がＧａＡｓ層であることから、当然のことながら、半導体発光素子の寿命が短く急速に劣化することを改善することはできない。また、ＧａＡｓ層とクラッド層との間に中間バンドギャップ層を設ける分コストアップとなる。
【００１５】
また、Ｃ添加物の原料にＣＢｒ_４を用いると、１回目の成長では充分な特性を達成できるが、連続して成長を行うと、２回目以降は発光出力が約５０％と極めて低くなり、再現性に劣るという問題がある。この問題を特定するため、発明者は２回目以降に成長したエピタキシャルウエハのＳＩＭＳ分析を行ったところ、エピタキシャルウエハ中に高濃度のＣおよびＯが存在することが明らかとなった。このことから、原料としてＣＢｒ_４を用いたことで１回目の成長にて高濃度のＣおよびＯが成長炉内に残存し、そのＣおよびＯが２回目以降の成長時にエピタキシャルウエハ中に混入することによって発光出力が低下すると考えられる。
【００１６】
従って、本発明の目的は、半導体発光素子の急速な劣化を防止し、中間バンドギャップ層を設けなくても順方向動作電圧を低くすることができるとともに、高輝度、低価格、高信頼性であり、再現性に優れるＬＥＤを提供することにある。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達するために、第一導電型の基板と、前記基板上に積層された第一導電型クラッド層と第二導電型クラッド層との間に活性層が設けられた発光部と、前記発光部の上に形成され、高添加濃度のＺｎを含む第二導電型コンタクト層と、前記発光部の上に積層された金属酸化物窓層と、前記金属酸化物窓層の表面側に形成された第１の電極と、前記基板の裏面の全面または部分的に形成された第２の電極と、前記活性層と前記第二導電型クラッド層との間に、アンドープ層、または前記第二導電型クラッド層よりもキャリア濃度が低い第二導電型半導体層、または１×１０^１７ｃｍ^−３以下のキャリア濃度を有する第一導電型半導体層からなる拡散抑止層とを備えることを特徴とする半導体発光素子を提供する。
【００１８】
この構成によれば、第二導電型コンタクト層のキャリア濃度を高くすれば、第二導電型コンタクト層と第二導電型クラッド層間に電気が流れるようになるため、抵抗が小さくなり、また、トンネル効果が大きくなるため、金属酸化物窓層と第二導電型コンタクト層および第二導電型コンタクト層と第二導電型クラッド層との間の抵抗が小さくなり、順方向動作電圧が低下する。また、活性層と第二導電型クラッド層との間にＺｎ拡散を抑止するＺｎトラップ層の役目を果たすアンドープ層若しくは低キャリア濃度の第一導電型及び低キャリア濃度の第二導電型層を挿入することにより、活性層中へのＺｎ拡散が抑え込めるため、Ｚｎの拡散による発光出力の低下及び特性の劣化、すなわち信頼性の低下を防止でき、第二導電型コンタクト層を所定の膜厚とすることで高輝度、低動作電圧を確保する。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態に係るＡｌＧａＩｎＰ系赤色ＬＥＤの断面を示す。このＬＥＤは、発光波長６３０ｎｍ付近の赤色を発光する。このＬＥＤは、第一導電型としてのｎ型ＧａＡｓ基板１と、この基板１上にｎ型（Ｓｅドープ）ＧａＡｓバッファ層（膜厚４００ｎｍ、キャリア濃度１×１０^１８ｃｍ^−３）２と、ｎ型（Ｓｅドープ）（Ａｌ_０．７Ｇａ_０．３）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐクラッド層（膜厚３００ｎｍ、キャリア濃度１×１０^１８ｃｍ^−３）３と、アンドープ（Ａｌ_０．１Ｇａ_０．９）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐ活性層（膜厚６００ｎｍ）４と、Ｚｎ拡散抑止層である（Ａｌ_０．７Ｇａ_０．３）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐアンドープ層（膜厚３００ｎｍ）１０と、第二導電型としてのｐ型（Ｚｎドープ）（Ａｌ_０．７Ｇａ_０．３）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐクラッド層（膜厚３００ｎｍ，キャリア濃度５×１０^１７ｃｍ^−３）５と、ｐ型（Ｚｎドープ）ＧａＡｓコンタクト層（膜厚５０ｎｍ，キャリア濃度１×１０^１９ｃｍ^−３）６と、金属酸化物窓層７と、ｐ型である上面円形電極８と、ｎ型である裏面電極９とをそれぞれ積層したものである。なお、活性層４は、多重量子井戸を用いたものでもよい。
【００２０】
ｐ型コンタクト層６のキャリア濃度は、１×１０^１９ｃｍ^−３以上のものを使用する。キャリア濃度が低いとトンネル電流が流れにくくなることや、ｐ型クラッド層５とのバンド不連続による順方向動作電圧の上昇が起こるためである。
【００２１】
図２は、本発明の実施形態におけるｐ型コンタクト層６の膜厚と発光出力との関係を示す。ｐ型コンタクト層６の膜厚は、１〜１００ｎｍ程度、より好ましくは、２〜３０ｎｍの膜厚とする。ＧａＡｓは、活性層４のバンドギャップよりも小さいバンドギャップを有するため、発光した光に対して吸収層となってしまい、ＬＥＤとしての発光出力を低下させてしまうため、薄い方が望ましい。しかし、ｐ型コンタクト層６の膜厚をあまり薄くし過ぎると、トンネル電流が流れなくなり、順方向電圧が高くなる。このため、ｐ型コンタクト層６には、最適値がある。
【００２２】
ｐ型コンタクト層６のＶ／ＩＩＩ比は、５０以下にするのが好ましく、より好ましくは、Ｖ／ＩＩＩ比は１０以下とする。これは、順方向動作電圧を低くするためである。ｐ型コンタクト層６のＶ／ＩＩＩ比を高くして成長させると、結晶性がよくなり、同じキャリア濃度でもトンネル電流が流れにくくなる。また、ｐ型クラッド層５とのバンド不連続による順方向動作電圧の上昇が起こりやすくなる。このため、ｐ型コンタクト層６の結晶性は、あまりよくない方が良い。またｐ型コンタクト層６のＶ／ＩＩＩ比を低くすると、Ｃが自動的に添加される量（オートドーピング）が増加する。このためｐ型コンタクト層６のＶ／ＩＩＩ比は、高キャリア濃度化し、さらに結晶の質が低下する。
【００２３】
金属酸化物窓層７の膜厚は、５０ｎｍ以上が好ましく、より好ましくは２００ｎｍ以上である。金属酸化物窓層７の膜厚が薄いと電流分散効果が薄れ、発光出力が低くなるためである。また、金属酸化物窓層７の比抵抗は、１×１０⁻ ^５Ωｍが好ましく、より好ましくは７×１０^−６Ωｍ以下である。金属酸化物窓層７の比抵抗が高いとトンネル電流が流れなくなったり、流れにくくなるため、順方向動作電圧が高くなり、電流分散効果も薄れ、発光出力が低くなるからである。
【００２４】
図３は、本発明の実施形態におけるアンドープ層１０の膜厚と発光出力との関係、図４は、本発明の実施形態におけるアンドープ層１０の膜厚と順方向動作電圧との関係、図５は、本発明の実施形態におけるアンドープ層１０の膜厚と相対出力との関係をそれぞれ示す。アンドープ層１０の厚さは、１００ｎｍ以上が好ましく、より好ましくは、３００〜３０００ｎｍとする。図３および図５に示すように、アンドープ層１０の厚さは厚ければ厚いほど、発光出力及び相対出力（信頼性）は向上する。但し、ある一定の厚さ以上になれば、アンドープ層１０の効果は小さくなり、発光出力及び信頼性の向上は、飽和状態になる。また、図４に示すように、アンドープ層１０の厚さが厚くなっていくことにより、順方向動作電圧が高くなる。さらに、コストも高くなるためである。
【００２５】
次に、このＡｌＧａＩｎＰ系赤色ＬＥＤの製造方法の一例について説明する。ｎ型バッファ層２、ｎ型およびｐ型クラッド層３，５、活性層４、ｐ型コンタクト層６、アンドープ層１０は、ＭＯＶＰＥ法によりエピタキシャル成長させる。
【００２６】
ＭＯＶＰＥ法による成長は、成長温度７００℃、成長圧力５０Ｔｏｒｒ、各層の成長速度は０．３〜１．０ｎｍ／ｓ、Ｖ／ＩＩＩ比は３００〜６００で行う。ＭＯＶＰＥ法による成長において用いる原料として、例えばトリメチルガリウム（ＴＭＧ）またはトリエチルガリウム（ＴＥＧ）、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）等の有機金属や、アルシン（ＡｓＨ_３）、ホスフィン（ＰＨ_３）等の水素化物ガスを用いる。
【００２７】
ｎ型ＧａＡｓバッファ層２のようなｎ型層の添加物原料としては、例えば、セレン化水素（Ｈ_２Ｓｅ）を用いる。
【００２８】
ｐ型コンタクト層６のようなｐ型層の添加物原料としては、例えば、ジメチル亜鉛（ＤＭＺ）、またはジエチル亜鉛（ＤＥＺ）を用いる。その他ｎ型層添加物原料としては、シラン（ＳｉＨ_４）を用いることもできる。
【００２９】
ｐ型コンタクト層６の成長温度は、６００℃以下が好ましく、より好ましくは、６００〜４５０℃である。ｐ型コンタクト層６を高温で成長させると、結晶性がよくなり、同じキャリア濃度でもトンネル電流が流れにくくなる。また、ｐ型クラッド層５とのバンド不連続による順方向動作電圧の上昇が起こりやすくなるため、ｐ型コンタクト層６の結晶性は、あまりよくない方が良い。
【００３０】
このエピタキシャルウエハに、金属酸化物窓層７を真空蒸着法により、約２３０ｎｍの厚さに形成する。この時の成膜温度（基板表面温度）は、３００℃である。
【００３１】
エピタキシャルウエハ上面は、直径１２５μｍの円形の上面円形電極８を、マトリックス状に蒸着して形成する。上面円形電極は、ニッケル、金を、それぞれ２０ｎｍ，１０００ｎｍの順に蒸着する。
【００３２】
エピタキシャルウエハ底面には、全面にｎ型である裏面電極９を形成する。裏面電極９は、金・ゲルマニウム、ニッケル、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を、窒素ガス雰囲気中４００℃で５分行う。
【００３３】
その後、上記のようにして構成された電極付きＬＥＤ用エピタキシャルウエハを上面円形電極８が中心になるように切断し、チップサイズ３００μｍ角の発光ダイオードベアチップを製作する。さらに発光ダイオードベアチップをＴＯ−１８ステム上にマウント（ダイボンディング）し、その後マウントされた発光ダイオードベアチップに、ワイヤボンディングを行い、ＬＥＤを製作する。
【００３４】
次に、上記の第１の実施形態の効果を説明する。上記のように製作されたＬＥＤの特性を評価した。ｐ型コンタクト層６を用い、さらに活性層４とｐ型クラッド層５との間にアンドープ層１０を挿入したＬＥＤの発光出力は、２０ｍＡ通電時で２．１２ｍＷであった。また順方向動作電圧は、１．９３Ｖであった。さらにＬＥＤ（樹脂でモールドされていない）の信頼性試験を、５５℃、５０ｍＡ通電で行ったところ、２４時間通電後の発光出力（以下「相対出力」という。）は９８％であった（出力評価時の電流値は２０ｍＡ）。このときの金属酸化物窓層の比抵抗は、６．２×１０^−６Ωｍであった。
【００３５】
次に、本発明の第２の実施形態に係るＡｌＧａＩｎＰ系赤色ＬＥＤについて説明する。このＡｌＧａＩｎＰ系赤色ＬＥＤは、第１の実施形態に係るＬＥＤにおいて、（Ａｌ_０．７Ｇａ_０．３）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐアンドープ層（膜厚３００ｎｍ）１０にＺｎを少量添加し、キャリア濃度１×１０^１７ｃｍ^−３のｐ型（Ｚｎドープ）（Ａｌ_０．７Ｇａ_０．３）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐ層（膜厚３００ｎｍ）とする以外、エピタキシャル成長方法、エピタキシャル層膜厚、エピタキシャル構造、ＩＴＯ成膜方法、金属酸化物窓層膜厚、電極形成方法およびＬＥＤ製作方法については、第１の実施の形態と同様である。
【００３６】
次に、上記の第２の実施形態の効果を説明する。このＬＥＤの発光出力は、２０ｍＡ通電時で２．０２ｍＷであった。また順方向動作電圧は、１．９１Ｖであった。さらにＬＥＤ（樹脂でモールドされていない）の信頼性試験を、５５℃、５０ｍＡ通電で行ったところ、２４時間通電後の相対出力は９５％であった（出力評価時の電流値は２０ｍＡ）。
【００３７】
次に、本発明の第３の実施形態に係るＡｌＧａＩｎＰ系赤色ＬＥＤについて説明する。このＡｌＧａＩｎＰ系赤色ＬＥＤは、第１の実施形態に係るＬＥＤにおいて、（Ａｌ_０．７Ｇａ_０．３）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐアンドープ層（膜厚３００ｎｍ）１０にＳｅを少量添加し、キャリア濃度１×１０^１７ｃｍ^−３のｎ型（Ｓｅドープ）（Ａｌ_０．７Ｇａ_０．３）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐ層（膜厚３００ｎｍ）とする以外、エピタキシャル成長方法、エピタキシャル層膜厚、エピタキシャル構造、ＩＴＯ成膜方法、金属酸化物窓層膜厚、電極形成方法およびＬＥＤ製作方法については、第１の実施形態と同様である。
【００３８】
次に、上記の第３の実施形態の効果を説明する。このＬＥＤの発光出力は、２０ｍＡ通電時で２．０２ｍＷであった。また順方向動作電圧は、１．９２Ｖであった。さらにＬＥＤ（樹脂でモールドされていない）の信頼性試験を、５５℃、５０ｍＡ通電で行ったところ、２４時間通電後の相対出力は９６％であった（出力評価時の電流値は２０ｍＡ）。
【００３９】
次に、図６は、本発明の第４の実施形態に係るＡｌＧａＩｎＰ系赤色ＬＥＤの断面を示す。このＬＥＤは、発光波長６３０ｎｍ付近の赤色を発光する。このＬＥＤは、図１に示す第１の実施形態のＬＥＤにおいて、ｐ型（Ｚｎドープ）（Ａｌ_０．７Ｇａ_０．３）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐクラッド層（膜厚３００ｎｍ，キャリア濃度５×１０^１７ｃｍ^−３）５とｐ型（Ｚｎドープ）ＧａＡｓコンタクト層（膜厚５０ｎｍ，キャリア濃度１×１０^１９ｃｍ^−３）６との間に、ｐ型（Ｚｎドープ）ＧａＰ電流分散層（膜厚５００ｎｍ，キャリア濃度１×１０^１８ｃｍ^−３）１１を形成する以外、エピタキシャル成長方法、エピタキシャル層膜厚、エピタキシャル構造、ＩＴＯ成膜方法、金属酸化物窓層膜厚、電極形成方法およびＬＥＤ製作方法については、第１の実施形態と同様である。ｐ型（Ｚｎドープ）ＧａＰ電流分散層１１は、（Ａｌ_ＸＧａ_１−Ｘ）_ＹＩｎ_１−ＹＰ（０≦Ｘ≦１，０≦Ｙ≦１）またはＡｌ_ＸＧａ_１−ＸＡｓ（０≦Ｘ≦１）で作られても良い。
【００４０】
なお、ｐ型（Ｚｎドープ）ＧａＰ電流分散層（膜厚５００ｎｍ，キャリア濃度１×１０^１８ｃｍ^−３）１１を、ｐ型（Ａｌ_０．７Ｇａ_０．３）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐ層およびｐ型Ａｌ_０．８５Ｇａ_０．１５Ａｓ層に変えたものを同時に製作し、ＬＥＤ特性を評価する。
【００４１】
次に、上記の第４の実施形態の効果を説明する。このＬＥＤの特性を表１に示す。このときの金属酸化物窓層の比抵抗は、６．３×１０^−６Ωｍであった。発光特性および信頼性特性評価は、第１の実施形態と同じであった。
【表１】

次に、図７は、本発明の第５の実施形態に係るＡｌＧａＩｎＰ系赤色ＬＥＤの断面を示す。このＬＥＤは、発光波長６３０ｎｍ付近の赤色を発光する。このＬＥＤは、図６に示す第４の実施形態のＬＥＤにおいて、ｐ型（Ｚｎドープ）ＧａＡｓコンタクト層（膜厚５０ｎｍ，キャリア濃度１×１０^１９ｃｍ^−３）６とｐ型（Ｚｎドープ）（Ａｌ_０．７Ｇａ_０．３）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐクラッド層（膜厚３００ｎｍ，キャリア濃度５×１０^１７ｃｍ^−３）５との間にｐ型（Ｚｎドープ）ＧａＰ電流分散層（膜厚１５０ｎｍ，キャリア濃度５×１０^１８ｃｍ^−３）１１Ａ、抵抗層としてのアンドープＧａＰ層（膜厚２００ｎｍ）１２、ｐ型（Ｚｎドープ）ＧａＰ電流分散層（膜厚１５０ｎｍ，キャリア濃度５×１０^１８ｃｍ^−３）１１Ｂ、を形成する以外、エピタキシャル成長方法、エピタキシャル層膜厚、エピタキシャル構造、ＩＴＯ成膜方法、金属酸化物窓層膜厚、電極形成方法およびＬＥＤ製作方法については、第１の実施の形態と同様である。
【００４２】
なお、ｐ型ＧａＰ電流分散層１１Ａ、１１ＢおよびアンドープＧａＰ層（膜厚２００ｎｍ）１２を、ｐ型（Ａｌ_０．７Ｇａ_０．３）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐ層およびｐ型Ａｌ_０．８５Ｇａ_０．１５Ａｓ層に変えたものを同時に製作し、ＬＥＤ特性を評価する。
【００４３】
次に、第５の実施形態の効果を説明する。このＬＥＤの特性を表２示す。このときの金属酸化物窓層の比抵抗は、６．１×１０^−６Ωｍであった。発光特性および信頼性特性評価は、第１の実施の形態と同じであった。
【表２】

次に、本発明の第６の実施形態に係るＡｌＧａＩｎＰ系赤色ＬＥＤについて説明する。このＬＥＤは、第１の実施形態に係るＬＥＤにおいて、ｐ型コンタクト層６が、添加物としてＺｎとＭｇ（２種類同時添加）、ＺｎとＢｅ（２種類同時添加）を用いる以外、エピタキシャル成長方法、エピタキシャル層膜厚、エピタキシャル構造、ＩＴＯ成膜方法、金属酸化物窓層膜厚、電極形成方法およびＬＥＤ製作方法については、第１の実施形態と同様である。
【００４４】
次に、上記の第６の実施形態の効果を説明する。このＬＥＤの特性を表３に示す。このときの金属酸化物窓層の比抵抗は、６．２×１０^−６Ωｍであった。発光特性および信頼性特性評価は、第１の実施形態と同じであった。なお、添加物として、ＺｎとＣのオートドーピングまたは上記のものとの組合わせでもよい。このとき、Ｚｎのキャリア濃度は、１×１０^１９ｃｍ^−３以上であることが望ましい。
【表３】

以上のように、金属酸化物窓層７とｐ型クラッド層５との間にＺｎとＭｇ、またはＺｎとＢｅを添加したｐ型コンタクト層６を設け、活性層４とｐ型クラッド層５との間にアンドープ層１０を挿入することにより、低動作電圧であり、かつ良好な発光出力を併せ持つＬＥＤを製作することができる。またアンドープ層１０以外に、アンドープＧａＰ層１２（抵抗層）を挿入することで、駆動電圧の変動に対しても、強いＬＥＤを製作することができる。
【００４５】
図８は、従来例に対応した比較例１のＡｌＧａＩｎＰ系赤色ＬＥＤの断面を示す。このＬＥＤは、発光波長６３０ｎｍ付近の赤色を発光する。このＬＥＤは、図１に示す第１の実施形態のＬＥＤと比較して、アンドープ（Ａｌ_０．１Ｇａ_０．９）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐ活性層（膜厚６００ｎｍ）４とｐ型（Ｚｎドープ）（Ａｌ_０．７Ｇａ_０．３）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐクラッド層（膜厚３００ｎｍ、キャリア濃度５×１０^１７ｃｍ^−３）５の間にあるＺｎ拡散抑止層である（Ａｌ_０．７Ｇａ_０．３）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐアンドープ層１０がない点以外、エピタキシャル成長方法、エピタキシャル層膜厚、エピタキシャル構造、ＩＴＯ成膜方法、金属酸化物窓層膜厚、電極形成方法およびＬＥＤ製作方法については、第１の実施形態と同様である。但し、ｐ型（Ｚｎドープ）ＧａＡｓコンタクト層６の成長温度は７００℃、Ｖ／ＩＩＩ比は３００で行った。
【００４６】
次に、上記のように製造された比較例１のＬＥＤの効果について説明する。ｐ型コンタクト層６を用いたＬＥＤの発光出力は、２０ｍＡ通電時で１．４ｍＷであった。また順方向動作電圧は、２．６３Ｖであった。さらにＬＥＤ（樹脂でモールドされていない）の信頼性試験を、５５℃、５０ｍＡ通電で行ったところ、２４時間通電後の相対出力は５９％であった（出力評価時の電流値は２０ｍＡ）。
【００４７】
順方向動作電圧は、第１から第６の実施の形態と比較すると、比較例１の方が高い。その原因は、ｐ型（Ｚｎドープ）ＧａＡｓコンタクト層６の成長温度が高いこと、Ｖ／ＩＩＩ比が高いことにより、比較例１のｐ型コンタクト層６の結晶性がよく、欠陥が少ないために、電流が流れにくくなったものである。つまり、ｐ型コンタクト層６と金属酸化物窓層７の界面での抵抗が高く、トンネル電流が流れにくくなったことによるものである。
【００４８】
また発光出力は、第１から第６の実施形態と比較すると、比較例１の方が低く、特性劣化、つまり信頼性が低下する。これは、ｐ型コンタクト層６のＺｎが活性層に拡散して欠陥を作り、非発光再結合が多くなるためである。Ｃドープｐ型コンタクト層６（Ｃ添加物原料：ＣＢｒ_４）を用いたＬＥＤの発光出力は、２０ｍＡ通電時で１．９２ｍＷであった。また順方向動作電圧は、２．２１Ｖであった。さらにＬＥＤ（樹脂でモールドされていない）の信頼性試験を、５５℃、５０ｍＡ通電で行ったところ、２４時間通電後の相対出力は９８％であった（出力評価時の電流値は２０ｍＡ）。しかしｐ型コンタクト層６として、Ｃドープのｐ型コンタクト層（Ｃ添加物原料：ＣＢｒ_４）を用いたＬＥＤを再度製作して評価したところ、発光出力は、２０ｍＡ通電時で１．０２ｍＷであった。また順方向動作電圧は、２．１８Ｖであった。
【００４９】
その後、ＬＥＤ（樹脂でモールドされていない）を、何度製作しても、発光出力は０．７〜１．２ｍＷ程度であり、良好な発光特性を有するＬＥＤを製作できなかった。発光出力が高くならない原因をＳＩＭＳ分析により調べたところ、発光層を含むエピタキシャル層中に、Ｃ（炭素）とＯ（酸素）が、多量に混入していることが明らかとなった。つまり、Ｃの添加物原料としてＣＢｒ_４を用いることにより、成長後に成長炉内にＣとＯが多量に残存してしまうことが解った。このため、２回目以降の成長で製作したＬＥＤの発光出力の低い原因がＣＢｒ_４によるものであることが確認された。
【００５０】
次に従来例に対応した比較例２に係る従来のＡｌＧａＩｎＰ系赤色ＬＥＤについて図８を用いて説明する。このＬＥＤは、発光波長６３０ｎｍ付近の赤色を発光する。このＬＥＤは、図１に示す第１の実施形態のＬＥＤにおいて、Ｚｎ拡散抑止層である（Ａｌ_０．７Ｇａ_０．３）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐアンドープ層（膜厚３００ｎｍ）１０を取り去った以外、エピタキシャル成長方法、エピタキシャル層膜厚、エピタキシャル構造、ＩＴＯ成膜方法、金属酸化物窓層の膜厚、電極形成方法およびＬＥＤ製作方法については、第１の実施形態と同様である。ただし、ｐ型コンタクト層６の成長のみ、成長温度６００℃、Ｖ／ＩＩＩ比を５０で行った。
【００５１】
次に、上記のように製造された比較例２の効果について説明する。ｐ型コンタクト層６を用いたＬＥＤの発光出力は、２０ｍＡ通電時で１．４ｍＷであった。また順方向動作電圧は、１．９１Ｖであった。さらにＬＥＤ（樹脂でモールドされていない）の信頼性試験を、５５℃、５０ｍＡ通電で行ったところ、２４時間通電後の相対出力は４１％であった（出力評価時の電流値は２０ｍＡ）。このときの金属酸化物窓層７の比抵抗は、６．４×１０^−６Ωｍであった。比較例１よりも順方向動作電圧が約０．５Ｖ低下したのは、ｐ型コンタクト層６のキャリア濃度は同じであっても成長温度を低くして、かつＶ／ＩＩＩ比を５０にしたことで、ｐ型コンタクト層６の結晶性が悪化し、電気が流れやすくなったことと、Ｃがオートドーピングされたためである。また、発光出力が低く、特性劣化、つまり信頼性が低下してしまうのは、ｐ型コンタクト層６のＺｎが活性層に拡散して欠陥を作り、非発光再結合が多くなったためである。
【００５２】
以上から、比較例１において、ｐ型コンタクト層６の結晶性がよく、欠陥が少なくなり、電流が流れ難くなるため、順方向動作電圧が高くなる。ｐ型コンタクト層６と金属酸化物窓層７の界面での抵抗が高く、トンネル電流が流れにくくなったことによるものである。
この点、第１から第６の実施形態において、ｐ型コンタクト層６の結晶性が悪く、欠陥が多くなり、電流が流れやすくなるため、順方向動作電圧が低くなる。
【００５３】
また、比較例２において、発光出力が低く、特性劣化、つまり信頼性が低下してしまうのは、ｐ型コンタクト層６のＺｎが活性層に拡散して欠陥を作り、非発光再結合が多くなったためである。
この点、第１から第６の実施形態において、ｐ型コンタクト層６のＺｎが活性層に拡散するのを抑止する半導体層を備えることとするため、発光出力が低下することなく、また、特性劣化、つまり信頼性を低下させることがない。
【００５４】
なお、第１〜第６の実施形態では、ｐ型電極の形状は、円形であるが、異形状、例えば四角、菱形、多角形等に変更してもよい。この変更によっても、各電極は円形の電極と同様の効果を奏することができる。
また、活性層４とｐ型クラッド層５との間にアンドープ層１０が設けられているが、他のアンドープ層を設けてもよい。
また、ｐ型コンタクト層６とｐ型クラッド層５との間に電流分散層１１を設ける場合、電流分散層の一部にアンドープ層を形成するものでもよい。このとき、アンドープ層は、（Ａｌ_ＸＧａ_１−Ｘ）_ＹＩｎ_１−ＹＰ（０≦Ｘ≦１，０≦Ｙ≦１）またはＡｌ_ＸＧａ_１−ＸＡｓ（０≦Ｘ≦１）である材料で作ってもよい。
また、ｎ型ＧａＡｓ基板１とｎ型クラッド層３との間に光反射層であるＤＢＲ層を形成してもよい。
また、ｎ型バッファ層２を形成しなくても良い。
【００５５】
【発明の効果】
以上説明したとおり、本発明によれば、活性層と第二導電型クラッド層との間に拡散抑止層を形成するとともに、高添加濃度のＺｎを含む第二導電型コンタクト層を備えることとしたため、半導体発光素子の急速な劣化を防止し、中間バンドギャップ層を設けなくても順方向動作電圧を低くできるとともに、高輝度、低価格、高信頼性であり、再現性に優れる半導体発光素子を容易に製作することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係るＡｌＧａＩｎＰ系赤色ＬＥＤの断面図である。
【図２】本発明の実施形態におけるＧａＡｓコンタクト層の膜厚とＬＥＤの発光出力との関係を示す図である。
【図３】本発明の実施形態におけるアンドープ層の膜厚と発光出力との関係を示す図である。
【図４】本発明の実施形態におけるアンドープ層の膜厚と順方向動作電圧との関係を示す図である。
【図５】本発明の実施形態におけるアンドープ層の膜厚と相対出力との関係を示す図である。
【図６】本発明の第４の実施形態に係るＡｌＧａＩｎＰ系赤色ＬＥＤの断面図である。
【図７】本発明の第５の実施形態に係るＡｌＧａＩｎＰ系赤色ＬＥＤの断面図である。
【図８】従来例に対応したＡｌＧａＩｎＰ系赤色ＬＥＤの断面図である。
【符号の説明】
１ｎ型ＧａＡｓ基板
２ｎ型バッファ層
３ｎ型クラッド層
４活性層
５ｐ型クラッド層
６ｐ型コンタクト層
７金属酸化物窓層
８上面円形電極
９裏面電極
１０アンドープ層
１１電流分散層
１２アンドープＧａＰ層（抵抗層）

Claims

第一導電型の基板と、
前記基板上に積層された第一導電型クラッド層と第二導電型クラッド層との間に活性層が設けられた発光部と、
前記発光部の上に形成され、高添加濃度のＺｎを含む第二導電型コンタクト層と、
前記発光部の上に積層された金属酸化物窓層と、
前記金属酸化物窓層の表面側に形成された第１の電極と、
前記基板の裏面の全面または部分的に形成された第２の電極と、
前記活性層と前記第二導電型クラッド層との間に、アンドープ層、または前記第二導電型クラッド層よりもキャリア濃度が低い第二導電型半導体層、または１×１０^１７ｃｍ^−３以下のキャリア濃度を有する第一導電型半導体層からなる拡散抑止層とを備えることを特徴とする半導体発光素子。
前記拡散抑止層は、（Ａｌ_ＸＧａ_１−Ｘ）_ＹＩｎ_１−ＹＰ（０≦Ｘ≦１，０≦Ｙ≦１）で構成されることを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子。
前記拡散抑止層は、厚さが１００ｎｍ以上であることを特徴とする請求項１記載の半導体素子。
前記第二導電型コンタクト層は、キャリア濃度が１×１０^１９ｃｍ^−３以上であることを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子。
前記第二導電型コンタクト層は、ドーパント材料が、ＺｎとＢｅ、ＺｎとＭｇ、ＺｎとＣのオートドーピング、またはそれらの組み合わせであり、少なくともＺｎのキャリア濃度が１×１０^１９ｃｍ^−３以上であることを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子。
前記第二導電型コンタクト層は、６００℃以下の成長温度条件下で形成されることを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子。
前記第二導電型コンタクト層は、Ｖ／ＩＩＩ比が５０以下であることを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子。
前記第二導電型コンタクト層は、厚さが１〜１００ｎｍであることを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子。