JP2007066940A - 半導体発光素子 - Google Patents

Abstract

【課題】ｐ型ＡｌＧａＡｓ電流拡散層からのＺｎの拡散による活性層の非発光再結合中心の形成を抑制し、高輝度で信頼性の高い半導体発光素子を提供する。
【解決手段】ｎ型ＧａＡｓ基板１の上にｎ型ＧａＡｓバッファ層２、ｎ型Ａｌ_0.35Ｇａ_0.15Ｉｎ_0.5Ｐクラッド層３、アンドープＡｌ_0.05Ｇａ_0.45Ｉｎ_0.5Ｐ活性層４、ｐ型Ａｌ_0.35Ｇａ_0.15Ｉｎ_0.5Ｐクラッド層５、ｐ型Ａｌ_0.7Ｇａ_0.3Ａｓ電流拡散層６が形成されている。電流拡散層６にはｐ型不純物としてＺｎがドープされている。電流拡散層６は活性層４に近い側からＺｎ濃度の異なる第一の電流拡散層７と第二の電流拡散層８との２層構造で構成されており、第一の電流拡散層７のＺｎ濃度が第二の電流拡散層８のＺｎ濃度よりも高い。
【選択図】図１

Description

本発明はＡｌＧａＩｎＰからなる活性層を有する半導体発光素子に係り、特にＡｌＧａＡｓからなる電流拡散層を備える面発光型半導体発光素子に関する。

最近、ＡｌＧａＩｎＰ系の化合物半導体を発光層に用いた赤色、黄色、及び黄緑色の半導体発光素子の需要が大幅に伸びている。主な用途は電気製品の表示インジケータ、携帯電話のテンキー照明、交通用信号機、自動車のブレーキランプや室内照明などである。

ＡｌＧａＩｎＰ系の半導体発光素子は、ｎ型ＧａＡｓ基板上に、ＭＯＣＶＤ法によりｎ型ＧａＡｓバッファ層、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層、ＡｌＧａＩｎＰ活性層、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層を順次成長して形成したダブルへテロ構造を有するものが一般的である。ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層はｐ型不純物をドープしても抵抗率を十分に下げることができず、また、ＭＯＣＶＤ法ではＡｌＧａＩｎＰの厚膜成長が困難なため、電流を活性層全体に注入し、光取り出しを促進するためにｐ型クラッド層の上にＡｌＧａＩｎＰとは異なる材料であるＡｌＧａＡｓやＧａＰ等からなる電流拡散層を形成したものが主流となっている。このような構造によれば、ｐ型の層へ注入された電流は電流拡散層において層全体に電流が拡散することで活性層全体へ供給されることとなり活性層全体での発光が可能となる。さらに、電流拡散層の厚さを厚くすることで電流の十分な拡散が図られると同時に、素子側面からの光の取り出しが促進されることとなる。この電流拡散層は活性層の発する光に対して透明であるよう材料組成を選択されるため窓層またはウィンドウ層と称される場合もある。

電流拡散層の材料としてはＶＰＥ法による厚膜形成が比較的容易であることや短波長側の光に対する吸収が少ないことなどからＧａＰが主流となっている。しかしながら、ＧａＰはＧａＡｓ基板との格子不整が大きく結晶性を十分に高くすることが困難であること、厚膜成長を行うためにリン系の堆積物がＭＯＣＶＤ装置のリアクタや配管の内部に堆積するためメンテナンスが困難であることなどの理由により、ＧａＡｓ基板との格子不整が小さく、装置のメンテナンスも比較的容易となるＡｌＧａＡｓが選択される場合も少なくない。電流拡散層にＡｌＧａＡｓを用いた半導体発光素子は、例えば、特許文献１に開示されている。

ＡｌＧａＡｓ及びＡｌＧａＩｎＰのｐ型ドーパントとしては亜鉛（以下、Ｚｎという）が多く用いられるが、Ｚｎが結晶成長中に受ける熱によりｐ型電流拡散層やｐ型クラッド層から活性層へ拡散して侵入することが多い。活性層に拡散したＺｎは非発光再結合中心を形成し、活性層の発光効率を劣化させることが知られている。このようなＺｎによる非発光再結合中心の影響は、発光素子に連続通電することによってよりいっそう顕著となり、発光素子の信頼性を著しく悪化させる。

このような問題を解決するために、例えば、特許文献２においては、ｐ型クラッド層の活性層側の一部を実質的にノンドープとして形成する方法（以下、第一の方法という）が提案されている。この方法によれば、ｐ型電流拡散層からのＺｎの拡散が生じてもノンドープのクラッド層に拡散するだけで活性層にまではほとんど拡散せず、Ｚｎ拡散による発光効率の低下を抑制することができるとされている。

しかしながら、このようにクラッド層をノンドープとすると、確かに活性層へのＺｎ拡散は少なくなるものの、クラッド層に拡散したＺｎが発光効率に影響し、発光素子の発光状態にムラが生じるという問題を本発明者らは見出した。この原因の詳細は不明であるが、拡散したＺｎがクラッド層の内部でアクセプタとして働いていないことが関係していると推測される。

一方、特許文献３においては、ＡｌＧａＡｓからなるｐ型電流拡散層を組成の異なる半導体材料の４層以上の多層構造とする方法（以下、第二の方法という）が提案されている。この方法によれば、多層構造内部の界面にトラップし、電流拡散層を高キャリア濃度にしてもドーパントが活性層に拡散せず、効率的な電流拡散と動作電圧の低減、高光出力が実現できるとされている。

しかしながら、本発明者らは、このような方法を用いて電流拡散層を形成した場合に成長ロットにより連続通電により光出力が大きく低下するものが発生するという問題を見出した。この原因は不明であるが、界面にトラップされたドーパントが成長条件の揺らぎにより多層構造内部に留まることができずに活性層に拡散したものと推測している。

他方、特許文献４においては、ｐ型ＡｌＧａＡｓ窓層、すなわち、ｐ型ＡｌＧａＡｓ電流拡散層の活性層に近い部分のｐ型不純物濃度を低くし、活性層から遠い部分のｐ型不純物濃度を高くする方法（以下、第三の方法という）が提案されている。この方法によれば、活性層へのｐ型不純物の拡散を抑えることで、活性層中の非発光再結合中心の発生を防ぎ、また、活性層から遠い部分のｐ型不純物を高くすることで電流拡散層の抵抗率を低くすることができるので、高輝度で信頼性に優れた発光素子を提供できるとされている。

確かにこの方法によれば、従来に比べ高輝度で信頼性に優れた発光素子を得ることができるが、更なる高輝度化を図るために電流拡散層のｐ型不純物濃度を高くすると、通電前の光出力は高くなるものの、連続通電により光出力が大幅に低下するという問題は避けられない。連続通電による光出力低下を抑えるためにｐ型不純物濃度を下げていくと、通電劣化は改善されるが、通電前の光出力を高くすることができない。つまり、電流拡散層のｐ型不純物濃度に関し通電前と通電後の光出力にトレードオフが存在するという問題があることを本発明者らは見出した。
特開平３−１７１６７９号公報 特開平８−２９３６２３号公報 特開２００２−１６４５６９号公報 特開平５−３３５６１９号公報

前掲のいずれの公報に記載の方法によっても、結晶成長中の熱や発光素子に対する連続通電によるｐ型ＡｌＧａＡｓ電流拡散層からのＺｎの拡散を十分に回避することはできず、活性層やｐ型クラッド層におけるＺｎ関与の非発光再結合中心の形成等による発光効率の低下に対する対策は十分にはなされていないというのが現状である。

したがって、本発明はこのような問題を解決するためになされたものであって、ｐ型ＡｌＧａＡｓ電流拡散層からのＺｎの拡散による活性層の非発光再結合中心の形成を抑制し、高輝度で信頼性の高い半導体発光素子を提供するものである。

本発明者らは、ｐ型ＡｌＧａＡｓ電流拡散層の層構成とＺｎ濃度について鋭意検討を重ねた結果、２層構造の電流拡散層のＺｎ濃度に関し、通電前の光出力を高くするとともに連続通電による光出力の低下を抑制する条件を見出し、本発明をなすに至った。

本発明の半導体発光素子は、ＧａＡｓ基板上にＡｌＧａＩｎＰからなるｎ型クラッド層と活性層とｐ型クラッド層とＡｌＧａＡｓからなる電流拡散層を有し、前記電流拡散層にはｐ型不純物としてＺｎがドープされてなる半導体発光素子であって、前記電流拡散層は活性層に近い側からＺｎの濃度が異なる第一の電流拡散層と第二の電流拡散層の少なくとも２層を含み、第一の電流拡散層のＺｎ濃度が第二の電流拡散層のＺｎ濃度よりも高いことを特徴とする。

従来、ｐ型ドーパントとしてＺｎを用いた半導体発光素子においては、前掲の方法が提案されているにもかかわらずＡｌＧａＡｓ電流拡散層から活性層へのＺｎの拡散を十分に防ぐことができないため、例えば、拡散係数の小さいマグネシウムや炭素などのドーパントを用いるなどの対策が取られることが多かった。しかしながら、マグネシウムはメモリー効果やドーピング遅れなど結晶成長での制御性が悪く、また、炭素はドーピングレベルの制御が困難であるなどの問題があり、結果的に製造歩留まりが悪くなるという悪影響をもたらしていた。

本発明によれば、結晶成長において制御性のよいＺｎを電流拡散層のｐ型ドーパントとして用いることができるので、活性層へのＺｎの拡散を防ぎ高輝度で信頼性の高い半導体素子を、歩留まりを下げることなく製造することができるという効果がある。

本願の第１の発明は、ＧａＡｓ基板上にＡｌＧａＩｎＰからなるｎ型クラッド層と活性層とｐ型クラッド層とＡｌＧａＡｓからなる電流拡散層を有し、前記電流拡散層にはｐ型不純物としてＺｎがドープされてなる半導体発光素子であって、前記電流拡散層は活性層に近い側からＺｎの濃度が異なる第一の電流拡散層と第二の電流拡散層の少なくとも２層を含み、第一の電流拡散層のＺｎ濃度が第二の電流拡散層のＺｎ濃度よりも高いことを特徴とする半導体発光素子である。この構成により、通電前の光出力を高くすることができると同時に連続通電による光出力の低下を抑制することができるという作用を有する。

本願の第２の発明は、請求項１記載の発明において、前記第一の電流拡散層のＺｎ濃度は４×１０¹⁸／ｃｍ³以上２×１０¹⁹／ｃｍ³以下の範囲に設定されてなり、かつ、前記第一の電流拡散層の厚みは０．５μｍから３μｍの範囲に設定されてなることを特徴とする半導体発光素子である。この構成により、通電前の光出力を高くすることができるという作用を有する。

本願の第３の発明は、請求項１又は２記載の発明において、前記第二の電流拡散層のＺｎ濃度は５×１０¹⁷／ｃｍ³以上３×１０¹⁸／ｃｍ³未満の範囲に設定されてなることを特徴とする半導体発光素子である。この構成により、電流拡散層における電流広がりを損なわず活性層へのＺｎの拡散を抑制することができるという作用を有する。

以下、本発明の実施の形態について、図を用いて説明する。

図１に本発明の一実施の形態に係る半導体発光素子の断面概略図を示す。図１においてｎ型ＧａＡｓ基板１の上にｎ型ＧａＡｓバッファ層２、ｎ型Ａｌ_0.35Ｇａ_0.15Ｉｎ_0.5Ｐクラッド層３、アンドープＡｌ_0.05Ｇａ_0.45Ｉｎ_0.5Ｐ活性層４、ｐ型Ａｌ_0.35Ｇａ_0.15Ｉｎ_0.5Ｐクラッド層５、ｐ型Ａｌ_0.7Ｇａ_0.3Ａｓ電流拡散層６が形成されている。これらの層構造は、ＭＯＣＶＤ法により成長され、電流拡散層６にはｐ型不純物としてＺｎがドープされている。電流拡散層６は活性層４に近い側からＺｎ濃度の異なる第一の電流拡散層７と第二の電流拡散層８との２層構造で構成されている。第二の電流拡散層８の上の一部にはボンディング用のｐ側電極９が形成されている。第二の電流拡散層８の上のｐ側電極９が形成されていない領域及び電流拡散層６の側面部がほぼ発光面となる。ｎ型ＧａＡｓ基板１のｎ型ＧａＡｓバッファ層２と反対の面にはｎ側電極１０が形成されている。

本発明の第一の特徴は、第一の電流拡散層７のＺｎ濃度が第二の電流拡散層８のＺｎ濃度よりも高いことである。このような構成にすることによって通電前の光出力を高くすることができると同時に連続通電による光出力の低下を抑制することができる理由の詳細は不明であるが、以下のように推測することができる。

本発明と従来の技術とを比較すると、前掲の第一の方法、第二の方法、第三の方法はいずれも、それぞれＺｎを比較的高い濃度でドーピングした電流拡散層に隣接して比較的Ｚｎ濃度の低いｐ型クラッド層又は低Ｚｎ濃度の電流拡散層を形成する構成となっている。このように活性層に近い側の層のＺｎ濃度を低くし活性層から遠い側の電流拡散層のＺｎ濃度を高くする構成においては２層間に大きな濃度の差が存在することとなり、このＺｎの濃度差が拡散のドライビングフォースとなり、かえって活性層側へ拡散を促進する効果を生む傾向があるものと考えられる。

これに対し、本発明においては、活性層に近い側の電流拡散層のＺｎ濃度を高くし、遠い側の電流拡散層のＺｎ濃度を低くしているので、従来とは異なり活性層から遠い側の電流拡散層のほうへ拡散が生じることとなる。このため、活性層側へのＺｎ拡散が低減され、活性層やｐ型クラッド層における非発光再結合中心の形成が抑制されるものと考えられる。さらに、活性層に近い側の電流拡散層のＺｎ濃度を高くすることができるので、光出力を高くすることができる。

本発明の第二の特徴は、第一の電流拡散層のＺｎ濃度は４×１０¹⁸／ｃｍ³以上２×１０¹⁹／ｃｍ³以下の範囲に設定されてなり、かつ、第一の電流拡散層の厚みは０．５μｍから３μｍの範囲に設定されてなることである。第一の電流拡散層のＺｎ濃度が４×１０¹⁸／ｃｍ³よりも小さくなると、連続通電による光出力の低下は小さいものの通電前の光出力を高くすることができない。一方、２×１０¹⁹／ｃｍ³よりも高くなると、通電前の光出力を高くすることができるが、連続通電により光出力の低下が生じる。また、第一の電流拡散層の厚みが０．５μｍよりも薄くなると、連続通電による光出力の低下は小さいものの通電前の光出力を高くすることができない。一方、３μｍよりも厚くなると、電流拡散層を高Ｚｎ濃度でかつ一層で構成した場合に近くなるため、連続通電による光出力の低下が生じる。

本発明の第三の特徴は、第一の電流拡散層のＺｎ濃度と厚みの範囲を上記のように設定した場合、第二の電流拡散層のＺｎ濃度は５×１０¹⁷／ｃｍ³以上３×１０¹⁸／ｃｍ³未満の範囲に設定されてなることである。第二の電流拡散層のＺｎ濃度が５×１０¹⁷／ｃｍ³よりも低くなると、電流広がりが悪くなりｐ側電極の真下付近しか光らないため、光出力を高くすることができない。一方、３×１０¹⁸／ｃｍ³以上に高くなると、連続通電による光出力の低下が顕著となる傾向がある。

なお、ｐ型クラッド層５の厚みは０．５μｍから３．０μｍの範囲に設定されてなることが本発明の効果を十分に奏するのに好ましい。０．５μｍよりも薄くなると、成長条件の揺らぎによるＺｎ拡散の増加に対するマージンが小さくなるとともに光出力が低下する傾向がある。一方、３．０μｍよりも厚くなると、ｐ型クラッド層自体の成長時間が長くなることによりｐ型クラッド層にドープしたｐ型不純物が活性層へ拡散することによる光出力の低下が顕著となる傾向がある。

以上のように、第一の電流拡散層、第二の電流拡散層、およびｐ型クラッド層の要件を特定することにより、本発明の効果をより一層顕著に奏することが可能となる。

なお、本実施の形態においては電流拡散層が第一の電流拡散層と第二の電流拡散層の２層からなるものとして説明したが、例えば第二の電流拡散層の上にさらに第三の電流拡散層としてＺｎ濃度の異なる層を設けた場合も、第三の電流拡散層について第一の電流拡散層やｐ型クラッド層にまで拡散する程度のＺｎ濃度や厚みに設定されていなければ、本発明の思想の範囲に含まれるものである。

また、活性層は井戸層と障壁層を交互に積層した多重量子井戸構造のものとしても良く、基板とｎ型クラッド層の間に屈折率の異なる層を交互に積層した分布型ブラッグ反射層を形成しても良い。

本発明の実施例として、図１に示す半導体発光素子の作製方法を説明する。

（実施例）
まず、ｎ型シリコン（Ｓｉ）ドープＧａＡｓ基板１の上に、ＭＯＣＶＤ法によりｎ型ＧａＡｓバッファ層２、ｎ型Ａｌ_0.35Ｇａ_0.15Ｉｎ_0.5Ｐクラッド層３、アンドープＡｌ_0.05Ｇａ_0.45Ｉｎ_0.5Ｐ活性層４、ｐ型Ａｌ_0.35Ｇａ_0.15Ｉｎ_0.5Ｐクラッド層５を順次成長させる。ｎ型不純物原料として水素希釈モノシラン（ＳｉＨ₄）を用いるが、セレン化水素を用いることもできる。Ａｌ、Ｇａ、ＩｎおよびＰの原料にはそれぞれトリメチルアルミニウム、トリメチルガリウム、トリメチルインジウムおよびホスフィンを用いる。その後、ｐ型クラッド層５上に連続してｐ型Ａｌ_0.7Ｇａ_0.3Ａｓ電流拡散層６を成長させる。電流拡散層は活性層に近い側からＺｎ濃度の高い第一の電流拡散層７とＺｎ濃度の低い第二の電流拡散層８とを連続して成長した２層構造としている。ｐ型クラッド層、第一の電流拡散層および第二の電流拡散層の厚みはそれぞれ１．０μｍ、２．０μｍおよび５．０μｍとした。

ｎ型バッファ層からｐ型クラッド層までのＭＯＣＶＤ成長は、成長温度約６６０℃、成長圧力７６Ｔｏｒｒ、各層の成長速度は１５ｎｍ／分〜２０ｎｍ／分、３族元素原料の供給量に対する５族元素原料の供給量の比、すなわちＶ／III比は１５０〜２００で実施した。

電流拡散層の成長は、成長温度約６６０℃、成長圧力７６Ｔｏｒｒ、成長速度は約８０ｎｍ／分、Ｖ／III比は約５０で実施した。Ｚｎ濃度の調整は、Ｚｎの原料であるジメチル亜鉛のバブリング水素の流量を適宜変更することにより行っている。

電流拡散層の成長が終わったのち、ウエハのｎ型ＧａＡｓ基板側の表面の全面にＡｕＧｅＮｉを、電流拡散層側の表面の全面にＡｕＺｎを、それぞれ蒸着法により形成し、電流拡散層側のＡｕＺｎ膜に対してはフォトリソグラフィによりパターンニングを行い、ｎ型ＧａＡｓ基板側にｎ側電極を、電流拡散層側にｐ側電極を形成した。しかる後、ダイシングによりウエハを個別のチップに分離することで本発明にかかる半導体発光素子が得られる。

図２には本発明の一実施の形態に係る半導体発光素子の第一の電流拡散層と第二の電流拡散層のＺｎ濃度の範囲を示すグラフを示す。Ｚｎ濃度は二次イオン質量分析法により測定したものである。濃度の表記は、例えば「１Ｅ＋１８」が１×１０¹⁸を示す。

本実施例の作製方法を用いて、図２の斜線部に示す範囲のＺｎ濃度となるように第一の電流拡散層と第二の電流拡散層のＺｎ濃度を調整し、３００μｍ角の半導体発光素子を作製し、ステムに搭載して特性を評価したところ、通電前の光出力が２．２〜２．８ｍＷと非常に高かった。さらにこの半導体発光素子に対し順方向電流５０ｍＡにて連続通電を行ったところ、通電前の光出力に対する通電５００時間後の光出力の比、すなわち、輝度残存率は約９６〜１０４％と非常に良好であった。なお、ｐ型クラッド層の厚みを０．５μｍから３．０μｍの範囲に設定した場合もほぼ同様の結果が得られた。

（比較例）
比較のために、図２のＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄに示す範囲のＺｎ濃度の条件を用いる以外は実施例と同様にて半導体発光素子を作製し、通電前の光出力と通電５００時間後の輝度残存率を評価した。ＡおよびＢの条件は前掲第三の方法を用いたものに相当する。Ａの条件を用いた半導体発光素子は通電前の光出力が１．２ｍＷ、輝度残存率が８５％であった。Ｂの条件は光出力が０．８ｍＷ、輝度残存率が９０％であった。一方、Ｃの条件は光出力が１．５ｍＷ、輝度残存率が６０％、Ｄの条件は光出力が１．７ｍＷ、輝度残存率７０％であった。

本発明は、Ｚｎ濃度が異なる２層の電流拡散層を含み、活性層に近い側のＺｎ濃度を高くすることによって、光出力を高くすることができると同時に連続通電による光出力の低下の抑制が必要な用途にも適用できる。

本発明の一実施の形態に係る半導体発光素子の断面概略図 本発明の一実施の形態に係る半導体発光素子の第一の電流拡散層と第二の電流拡散層のＺｎ濃度の範囲を示すグラフ

符号の説明

１ ｎ型ＧａＡｓ基板
２ ｎ型ＧａＡｓバッファ層
３ ｎ型Ａｌ_0.35Ｇａ_0.15Ｉｎ_0.5Ｐクラッド層
４ アンドープＡｌ_0.05Ｇａ_0.45Ｉｎ_0.5Ｐ活性層
５ ｐ型Ａｌ_0.35Ｇａ_0.15Ｉｎ_0.5Ｐクラッド層
６ ｐ型Ａｌ_0.7Ｇａ_0.3Ａｓ電流拡散層
７ 第一の電流拡散層
８ 第二の電流拡散層
９ ｐ側電極
１０ ｎ側電極

Claims (3)

1. ＧａＡｓ基板上にＡｌＧａＩｎＰからなるｎ型クラッド層と活性層とｐ型クラッド層とＡｌＧａＡｓからなる電流拡散層を有し、前記電流拡散層にはｐ型不純物としてＺｎがドープされてなる半導体発光素子であって、前記電流拡散層は活性層に近い側からＺｎの濃度が異なる第一の電流拡散層と第二の電流拡散層の少なくとも２層を含み、第一の電流拡散層のＺｎ濃度が第二の電流拡散層のＺｎ濃度よりも高いことを特徴とする半導体発光素子。
2. 前記第一の電流拡散層のＺｎ濃度は４×１０¹⁸／ｃｍ³以上２×１０¹⁹／ｃｍ³以下の範囲に設定されてなり、かつ、前記第一の電流拡散層の厚みは０．５μｍから３μｍの範囲に設定されてなることを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子。
3. 前記第二の電流拡散層のＺｎ濃度は５×１０¹⁷／ｃｍ³以上３×１０¹⁸／ｃｍ³未満の範囲に設定されてなることを特徴とする請求項１又は２記載の半導体発光素子。

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