JP2008066514A - 半導体発光素子用エピタキシャルウェハ及び半導体発光素子 - Google Patents

Abstract

【課題】結晶成長時又はＬＥＤ通電時のｐ型ドーパントの活性層への拡散を抑制することが可能なエピタキシャルウェハ及びそのウェハを用いた半導体発光素子を提供する。
【解決手段】Ｓｉドープｎ型ＧａＡｓ基板１１上に、Ｓｉドープｎ型ＧａＡｓバッファ層１２、Ｓｉドープｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層１３、アンドープＡｌＧａＩｎＰ活性層１４、Ｍｇドープｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層１５、第一のＧａＰ電流分散層１７ａ(膜厚４μｍ、キャリア濃度４．０×１０^１８／ｃｍ^３、炭素濃度１．０×１０^１７ｃｍ^−３)、第二のＧａＰ電流分散層１７ｂ(膜厚８μｍ、キャリア濃度４．０×１０^１８／ｃｍ^３、炭素濃度１．０×１０^１８ｃｍ^−３) を順次積層成長させた。
【選択図】図１

Description

本発明は、結晶成長時又は発光ダイオード（ＬＥＤ）とした場合の通電時においてｐ型ドーパントが活性層へ拡散することを抑制できる半導体発光素子用エピタキシャルウェハ及びそのウェハを用いて作製した半導体発光素子に関するものである。

半導体発光素子である発光ダイオード(ＬＥＤ)については、近年、ＭＯＶＰＥ法によりＧａＮ系やＡｌＧａＩｎＰ系の高品質結晶を成長できるようになったことから、青色、緑色、橙色、黄色、赤色の高輝度ＬＥＤが製作されている。

図４に、発光波長が６３０ｎｍ付近の赤色ＡｌＧａＩｎＰ系半導体発光素子の構造例を示す。
この赤色ＡｌＧａＩｎＰ系半導体発光素子は、Ｓｉドープｎ型ＧａＡｓ基板１１上に、ＭＯＶＰＥ法により、膜厚２００ｎｍのＳｉドープｎ型ＧａＡｓバッファ層１２、膜厚４００ｎｍのＳｉドープｎ型(Ａｌ_０．７Ｇａ_０．３)_０．５Ｉｎ_０．５Ｐクラッド層１３、膜厚９００ｎｍのアンドープ(Ａｌ_０．１Ｇａ_０．９)_０．５Ｉｎ_０．５Ｐ活性層１４、膜厚４００ｎｍのＭｇドープｐ型(Ａｌ_０．７Ｇａ_０．３)_０．５Ｉｎ_０．５Ｐクラッド層１５、膜厚１２μｍのＭｇドープｐ型ＧａＰ電流分散層１６を順次積層成長させ、Ｍｇドープｐ型ＧａＰ電流分散層１６の表面に表面電極２１を、ｎ型ＧａＡｓ基板１１の裏面に裏面電極２２をそれぞれ形成したものである。また、Ｓｉドープｎ型ＧａＡｓバッファ層１２、Ｓｉドープｎ型(Ａｌ_０．７Ｇａ_０．３)_０．５Ｉｎ_０．５Ｐクラッド層１３、Ｍｇドープｐ型(Ａｌ_０．７Ｇａ_０．３)_０．５Ｉｎ_０．５Ｐクラッド層１５、Ｍｇドープｐ型ＧａＰ電流分散層１６のキャリア濃度を、それぞれ１×１０^１８／ｃｍ^３、１×１０^１８／ｃｍ^３、１．５×１０^１７／ｃｍ^３、４．０×１０^１８／ｃｍ^３としている。更に、Ｍｇドープｐ型ＧａＰ電流分散層１６の炭素濃度は、１．０×１０^１８ｃｍ^−３程度とされる。

このような高輝度ＬＥＤにおいては、高輝度を得るために、ＬＥＤのチップ面内に均一に電流が注入されるように電流分散特性を良くする必要がある。例えば、上記のＡｌＧａＩｎＰ系ＬＥＤではＭｇドープｐ型ＧａＰ電流分散層１６の膜厚を１２μｍ程度に厚く形成している。

しかし、このような厚膜の電流分散層を用いた場合、電流分散層成長時の熱履歴によって主にｐ型ドーパントがＡｌＧａＩｎＰ活性層１４へ拡散し、輝度を低下させる。更に、ＬＥＤ素子通電時においてもドーパント拡散が進行し、ＬＥＤ素子の信頼性を低下させる要因となる。

このため、活性層へのドーパント拡散を抑制すべく、（１）ＧａＰ層を低温で結晶成長させる、（２）活性層とｐ型クラッド層との間にアンドーピング層を設ける（例えば、特許文献１参照)、（３）活性層近傍のＰ型クラッド層中に組成もしくは構成元素が異なる層を導入する（例えば、特許文献２参照）等の手法が行われてきた。
特許第３１９５１９４号公報 特開平４−３０６８８６号公報

しかしながら、（１）のＧａＰ層を低温で結晶成長させる手法では、結晶成長中のドーパント拡散を抑制できても、ＬＥＤ素子通電時におけるドーパント拡散を抑制できない。

また、（２）の活性層とｐ型クラッド層との間にアンドーピング層を設ける手法では、活性層とホール供給層となるｐクラッド層が離れることとなるため、ｐクラッド層からのホールの注入効率が低下し、輝度が低下する。また、アンドープ層を設けることによって、結晶成長後の活性層へのドーパント拡散を抑制しても、（１）と同様に、ＬＥＤ通電時にドーパント拡散が生じて活性層へのドーパント拡散が起こり、輝度が低下してしまう。また、ＬＥＤ通電時のドーパント拡散によって活性層を含むアンドープ領域が変化する為に、ＬＥＤ素子の逆耐圧特性が変化するなどの問題点が生じる。

更に、（３）の活性層近傍のＰ型クラッド層中に組成もしくは構成元素が異なる層を導入する手法においても、（２）と同様の問題が生じてしまう。

従って、本発明の目的は、上記の問題を解決し、結晶成長時又はＬＥＤ通電時のｐ型ドーパントの活性層への拡散を抑制することにより、高輝度かつ高信頼性の半導体発光素子を作製可能なエピタキシャルウェハ及びそのウェハを用いて作製した半導体発光素子を提供することにある。

本発明者らは、上記課題を解決すべく、鋭意研究を重ねた結果、（１）ＡｌＧａＩｎＰ系半導体発光素子において、電流分散層としてのＧａＰ層にドーパントを高濃度にドーピングしてＧａＰ層の抵抗率を下げた場合、結晶成長時およびＬＥＤ素子とした際の通電時に生じる活性層へのｐ型ドーパントの拡散は、主にＧａＰ電流分散層からの拡散であること、（２）このＧａＰ電流分散層に高濃度ドーピングされたドーパントの拡散を抑制するには、ＧａＰ層の炭素濃度を特定の濃度以下に低減することによって実現できること、（３）また、ＧａＰ電流分散層成長初期段階のドーパント濃度を意図的に低く抑えることによって、ＧａＰ層の活性層へのドーパント拡散を大幅に抑制できること、との知見を得た。

本発明は上記知見に基づいてなされたものであって、即ち、本発明の半導体発光素子用エピタキシャルウェハは、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、第一のｐ型電流分散層、及び第二のｐ型電流分散層が順次積層されてなり、前記第一のｐ型電流分散層の少なくとも一部の炭素濃度が５．０×１０^１７ｃｍ^−３以下であることを特徴とする。

前記第一のｐ型電流分散層のｐ型ドーパント濃度を前記第二のｐ型電流分散層のｐ型ドーパント濃度よりも低くすることが好ましい。

また、本発明の半導体発光素子用エピタキシャルウェハは、半導体基板上に、少なくともｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層、ＡｌＧａＩｎＰ活性層、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層、第一のｐ型ＧａＰ電流分散層、及び第二のｐ型ＧａＰ電流分散層が順次積層されてなり、前記第一のｐ型ＧａＰ電流分散層のｐ型ドーパント濃度が前記第二のｐ型ＧａＰ電流分散層のｐ型ドーパント濃度よりも低く、かつ前記第一のｐ型ＧａＰ電流分散層の少なくとも一部の炭素濃度が５．０×１０^１７ｃｍ^−３以下であることを特徴とする。

前記第一のｐ型ＧａＰ電流分散層において、炭素濃度が５．０×１０^１７ｃｍ^−３以下の範囲の膜厚を５０ｎｍ以上とすることが好ましい。

前記半導体基板と前記ｎ型クラッド層との間に、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もできる。この半導体反射膜を構成する半導体材料は、(Ａｌ_ＸＧａ_１−Ｘ)_ＹＩｎ_１−ＹＰ(但し、０≦Ｘ≦１、０．４≦Ｙ≦０．６)及びＡｌ_ＺＧａ_１−ＺＡｓ(但し、０≦Ｚ≦１)から選択することができる。

また、前記半導体発光素子用エピタキシャルウェハを用いて半導体発光素子を作製することができる。

本発明によれば、結晶成長時又はＬＥＤ素子の通電時の活性層へのドーパント拡散を効果的に抑制し、高輝度かつ高信頼性の発光特性を実現することができる。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。

［第１の実施の形態］
図１に、第１の実施の形態に係る、発光波長が６３０ｎｍ付近の赤色ＡｌＧａＩｎＰ系半導体発光素子の断面構造を示す。

この赤色ＡｌＧａＩｎＰ系半導体発光素子は、Ｓｉドープｎ型ＧａＡｓ基板１１上に、ＭＯＶＰＥ法により、膜厚が２００ｎｍのＳｉドープｎ型ＧａＡｓバッファ層１２、膜厚が４００ｎｍのＳｉドープｎ型(Ａｌ_０．７Ｇａ_０．３)_０．５Ｉｎ_０．５Ｐクラッド層１３、膜厚が９００ｎｍのアンドープ(Ａｌ_０．１Ｇａ_０．９)_０．５Ｉｎ_０．５Ｐ活性層１４、膜厚が４００ｎｍのＭｇドープｐ型(Ａｌ_０．７Ｇａ_０．３)_０．５Ｉｎ_０．５Ｐクラッド層１５、膜厚が１２μｍのＭｇドープＧａＰ電流分散層１７を順次積層成長させ、Ｍｇドープｐ型ＧａＰ電流分散層１７の表面に表面電極２１を、ｎ型ＧａＡｓ基板１１の裏面に裏面電極２２をそれぞれ形成したものである。また、Ｓｉドープｎ型ＧａＡｓバッファ層１２、Ｓｉドープｎ型(Ａｌ_０．７Ｇａ_０．３)_０．５Ｉｎ_０．５Ｐクラッド層１３、Ｍｇドープｐ型(Ａｌ_０．７Ｇａ_０．３)_０．５Ｉｎ_０．５Ｐクラッド層１５、Ｍｇドープｐ型ＧａＰ電流分散層１７のキャリア濃度を、それぞれ１×１０^１８／ｃｍ^３、１×１０^１８／ｃｍ^３、１．５×１０^１７／ｃｍ^３、４．０×１０^１８／ｃｍ^３としている。更に、Ｍｇドープｐ型ＧａＰ電流分散層１７は、膜厚４μｍでキャリア濃度が５．０×１０^１７／ｃｍ^３の第一のＧａＰ電流分散層１７ａと膜厚８μｍでキャリア濃度が４．０×１０^１８／ｃｍ^３の第二のＧａＰ電流分散層１７ｂとからなっている。また、第一のＧａＰ電流分散層１７ａの炭素濃度を１．０×１０^１７ｃｍ^−３とし、第二のＧａＰ電流分散層１７ｂの炭素濃度を１．０×１０^１８ｃｍ^−３としている。

即ち、本実施の形態の赤色ＡｌＧａＩｎＰ系半導体発光素子は、図４に示す従来例の赤色ＡｌＧａＩｎＰ系半導体発光素子のＭｇドープｐ型ＧａＰ電流分散層１６を第一のＧａＰ電流分散層１７ａと第二のＧａＰ電流分散層１７ｂとからなるＭｇドープＧａＰ電流分散層１７に代え、第一のＧａＰ電流分散層１７ａの炭素濃度を１．０×１０^１７ｃｍ^−３に低減し、第一のＧａＰ電流分散層１７ａのキャリア濃度を第二のＧａＰ電流分散層１７ｂのキャリア濃度よりも低くしたことを特徴としている。

第一のＧａＰ電流分散層１７ａのうちその少なくとも一部の炭素濃度は５．０×１０^１７ｃｍ^−３以下とすることが好ましい。炭素濃度が５．０×１０^１７ｃｍ^−３を超えると、後述の実施例からも明らかな通り、ドーパント拡散の抑制効果が低減してしまうからである。

このように、ＧａＰ電流分散層１７を第一のＧａＰ電流分散層１７ａと第二のＧａＰ電流分散層１７ｂに分割し、第一のＧａＰ電流分散層１７ａの内少なくとも一部の炭素濃度を５．０×１０^１７ｃｍ^−３以下としてＧａＰ層の炭素濃度を低減し、かつＧａＰ電流分散層成長初期段階のドーパント濃度を意図的に低く抑えることによって、第一のｐ型ＧａＰ電流分散層１７ａのｐ型ドーパント濃度を第二のｐ型ＧａＰ電流分散層１７ｂのｐ型ドーパント濃度よりも低くすることにより、ＧａＰ電流分散層１７に高濃度ドーピングされたドーパントの拡散を抑制することができる。その結果として、高輝度かつ高信頼性ＬＥＤチップが実現される。

［第２の実施の形態］
図２に、第２の実施の形態に係るＡｌＧａＩｎＰ系半導体発光素子の断面構造を示す。
このＡｌＧａＩｎＰ系半導体発光素子は、図１に示す第１の実施形態に係るＡｌＧａＩｎＰ系半導体発光素子のＡｌＧａＩｎＰ活性層１４のアンドープバルク層を多重量子井戸２４とした以外は、第１の実施形態に係るＡｌＧａＩｎＰ系半導体発光素子と同様に形成されている。多重量子井戸２４は、歪み多重量子井戸としてもよい。

この実施の形態においても、第１の実施の形態と同様に、ＧａＰ電流分散層１７に高濃度ドーピングされたドーパントの拡散を抑制することができ、その結果として高輝度かつ高信頼性ＬＥＤチップが実現される。

［第３の実施の形態］
図３に、第３の実施の形態に係るＡｌＧａＩｎＰ系半導体発光素子の断面構造を示す。
このＡｌＧａＩｎＰ系半導体発光素子は、図１に示す構造の第１の実施形態に係るＡｌＧａＩｎＰ系半導体発光素子のＳｉドープｎ型ＧａＡｓバッファ層１２とＳｉドープｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層１３との間に、屈折率の異なる半導体層の対から成る半導体反射膜３１を設けた以外は、第１の実施形態に係るＡｌＧａＩｎＰ系半導体発光素子と同様に形成されている。この半導体反射膜３１を構成する半導体材料は、(Ａｌ_ＸＧａ_１−Ｘ)_ＹＩｎ_１−ＹＰ(但し、０≦Ｘ≦１、０．４≦Ｙ≦０．６)及びＡｌ_ＺＧａ_１−ＺＡｓ(但し、０≦Ｚ≦１)等から選択することができる。

この実施の形態においても、第１の実施の形態と同様に、ＧａＰ電流分散層１７に高濃度ドーピングされたドーパントの拡散を抑制することができ、その結果として高輝度かつ高信頼性ＬＥＤチップが実現される。

［その他の実施形態］
第１〜第３の実施形態に係るＡｌＧａＩｎＰ系半導体発光素子では、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素子としても、同様な効果を得ることができる。

また、第１〜第３の実施形態に係るＡｌＧａＩｎＰ系半導体発光素子では、第一のＧａＰ電流分散層１７ａの炭素濃度を１．０×１０^１７ｃｍ^−３と従来のレベルよりも低減し、かつ第一のＧａＰ電流分散層１７ａのキャリア濃度を第二のＧａＰ電流分散層１７ｂのキャリア濃度よりも低くしたが、第一のＧａＰ電流分散層１７ａの炭素濃度を１．０×１０^１７ｃｍ^−３とし、かつ第一のＧａＰ電流分散層１７ａのキャリア濃度と第二のＧａＰ電流分散層１７ｂのキャリア濃度を４．０×１０^１８ｃｍ^−３程度と等しくした場合においても、後述する実施例の結果により、同程度の効果を奏することが可能である。

また、第１〜第３の実施形態に係るＡｌＧａＩｎＰ系半導体発光素子では、第一のＧａＰ電流分散層１７ａの膜厚を４μｍとし、第二のＧａＰ電流分散層１７ｂの膜厚を８μｍとして、第二のＧａＰ電流分散層１７ｂの膜厚の方を厚く形成したが、ドーパント濃度との関係を考慮しつつ、双方を同じ厚さとしたり、第二のＧａＰ電流分散層１７ｂの膜厚の方を薄くしたりすることも可能である。

更に、第１〜第３の実施形態に係るＡｌＧａＩｎＰ系半導体発光素子では、半導体基板にＧａＡｓを用いたが、これ以外にも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ＧａＡｓやＳｉ、またはそれ以上の熱伝導率を有する金属基板を用いたＬＥＤ用エピタキシャルウェハにおいても同様の効果を奏することができる。

また、第１〜第３の実施形態に係るＡｌＧａＩｎＰ系半導体発光素子では、表面電極の形状を円形の構造としたが、その他にも異形状、例えは四角、菱形、多角形等としても良い。

本発明の効果を以下の実施例によりさらに詳細に説明するが、まず従来例に係るＡｌＧａＩｎＰ系半導体発光素子の製造例を説明した後、本発明の実施例に係るＡｌＧａＩｎＰ系半導体発光素子の製造例について説明する。

[従来例]
（ＧａＰ電流分散層の炭素濃度が１．０×１０^１８ｃｍ^−３である場合）
図４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後、半導体発光素子（ＬＥＤ素子）とした。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。

ＭＯＶＰＥ法により、Ｓｉドープｎ型ＧａＡｓ基板１１上に、Ｓｉドープｎ型ＧａＡｓバッファ層（膜厚２００ｎｍ、キャリア濃度１×１０^１８／ｃｍ^３)１２、Ｓｉドープｎ型(Ａｌ_０．７Ｇａ_０．３)_０．５Ｉｎ_０．５Ｐクラッド層(膜厚４００ｎｍ、キャリア濃度１×１０^１８／ｃｍ^３)１３、アンドープ(Ａｌ_０．１Ｇａ_０．９)_０．５Ｉｎ_０．５Ｐ活性層（膜厚９００ｎｍ)１４、Ｍｇドープｐ型(Ａｌ_０．７Ｇａ_０．３)_０．５Ｉｎ_０．５Ｐクラッド層(膜厚４００ｎｍ、キャリア濃度１．５×１０^１７／ｃｍ^３)１５、Ｍｇドープｐ型ＧａＰ電流分散層(膜厚１２μｍ、キャリア濃度４．０×１０^１８／ｃｍ^３)１６を順次積層成長させた。

ＭＯＶＰＥ成長での成長温度は、Ｓｉドープｎ型ＧａＡｓバッファ層１２からＭｇドープｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層１５までを６５０℃とし、Ｍｇドープｐ型ＧａＰ電流分散層１６は６６０℃で成長した。その他の成長条件は、成長圧力５０Ｔｏｒｒ、各層の成長速度は０．３〜１．５ｎｍ／ｓｅｃ、Ｖ／III比は約２００前後で行った。但し、Ｍｇドープｐ型ＧａＰ電流分散層１６のＶ／III比は３０とした。因みにここでいう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ＡｓＨ_３、ＰＨ_３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(ＡｓＨ_３)、ホスフィン(ＰＨ_３)等の水素化物ガスを用いた。例えば、ｎ型バッファ層１２のようなｎ型層の添加物原料としては、ジシラン(Ｓｉ_２Ｈ_６)を用いた。ｐ型クラッド層１５のような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(Ｃｐ_２Ｍｇ)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(Ｈ_２Ｓｅ)、モノシラン(ＳｉＨ_４)、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表面電極２１の直径１１０μｍの円形電極を、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。表面電極２１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２２を同じく真空蒸着法によって形成した。裏面電極２２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分間熱処理する事で行った。

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ェハを該円形の表面電極２１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。更にこの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。

そして、上記の通りに作製された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０．４８ｍＷ、動作電圧１．８７Ｖという初期特性を有するＬＥＤ素子が得られた。

更に、このＬＥＤ素子を常温、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、出力６８％、動作電圧＋０．０１Ｖ(約０．５％増)と信頼性の低いものであった。

成長後のＬＥＤエピタキシャルウェハを二次イオン分析(ＳＩＭＳ)によって分析を行なったところ、活性層へｐ型ドーパントであるＭｇが拡散している事が確認された。また同様にして、１６８時間の連続通電試験を行なったＬＥＤ素子を二次イオン分析したところ、Ｍｇが通電前よりもより拡散していることが確認された。つまり、素子通電時にドーパント拡散が生じ、その結果として発光出力の信頼性が低くなったと考えられる。
［実施例１］

（第一のＧａＰ電流分散層の炭素濃度を１．０×１０^１７ｃｍ^−３とした場合）
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。図４に示すＭｇドープｐ型ＧａＰ電流分散層１６(膜厚１２μｍ、キャリア濃度４．０×１０^１８／ｃｍ^３)を、第一のＧａＰ電流分散層１７ａ(膜厚４μｍ、キャリア濃度４．０×１０^１８／ｃｍ^３)と第二のＧａＰ電流分散層１７ｂ(膜厚８μｍ、キャリア濃度４．０×１０^１８／ｃｍ^３)に分割し、第一のＧａＰ電流分散層成長中のＶ／III比を高くすることによって、炭素濃度を１．０×１０^１７ｃｍ^−３とした以外は、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素子製作方法を、基本的に従来例と同じとした。

そして、上記の通りに作製された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０．７８ｍＷ、動作電圧１．８６Ｖという従来例よりも高い発光出力を有するＬＥＤ素子が得られた。

更に、当該ＬＥＤ素子を常温、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９２％、動作電圧＋０．０１Ｖ(約０．５％増)と従来例と比較して良い信頼性を有していた。

本実施例のＬＥＤ素子では、活性層側のＧａＰ電流分散層の炭素濃度を低く抑えることにより、エピタキシャルウェハ成長時および素子通電時ＧａＰ電流分散層からのドーパント拡散を抑制する事に成功した。Ｖ／III比は２０以上が好ましく、２０〜２５０の範囲に設けることがより好ましい。このドーパント拡散の抑制効果は、炭素濃度が５．０×１０^１７ｃｍ^−３以下の場合に大きな効果を示すことを確かめた。
［実施例２］

（実施例１の第一のＧａＰ電流分散層のキャリア濃度を５．０×１０^１７／ｃｍ^３として第二のＧａＰ電流分散層のキャリア濃度よりも低くした場合）
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。図４に示すＭｇドープｐ型ＧａＰ電流分散層１６(膜厚１２μｍ、キャリア濃度４．０×１０^１８／ｃｍ^３)を、第一のＧａＰ電流分散層１７ａ(膜厚４μｍ、キャリア濃度５．０×１０^１７／ｃｍ^３)と第二のＧａＰ電流分散層１７ｂ(膜厚８μｍ、キャリア濃度４．０×１０^１８／ｃｍ^３)に分割し、第一のＧａＰ電流分散層成長中のＶ／III比を高くすることによって、炭素濃度を１．０×１０^１７ｃｍ^−３とした以外は、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素子製作方法を、基本的に従来例と同じとした。

そして、上記の通りに作製された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０．９８ｍＷ、動作電圧１．８６Ｖという従来例よりも高い発光出力を有するＬＥＤ素子が得られた。

更に、当該ＬＥＤ素子を常温、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９９％、動作電圧＋０．０１Ｖ(約０．５％増)と高い信頼性を有していた。

このように活性層側のＧａＰ電流分散層のドーパント濃度を低減することによって、成長中および素子通電時のドーパント拡散を抑制することに成功した。その結果として、初期特性において高い発光出力および高い信頼性を得ることが可能となった。キャリア濃度の低い第一のＧａＰ電流分散層１７ａの膜厚は、薄すぎると第二のＧａＰ電流分散層１７ｂからのドーパントが活性層側への拡散してしまう。そこで、種々の検討の結果、第一のＧａＰ電流分散層１７ａの膜厚として５０ｎｍ以上の場合に十分に高い信頼性を有し、かつ高い発光出力を得られることが分かった。この実施例２においてもＶ／III比は２０以上が好ましく、２０〜２５０の範囲に設けることがより好ましい。

第１の実施の形態に係るＡｌＧａＩｎＰ系半導体発光素子の構造を示す断面図である。 第２の実施の形態に係るＡｌＧａＩｎＰ系半導体発光素子の構造を示す断面図である。 第３の実施の形態に係るＡｌＧａＩｎＰ系半導体発光素子の構造を示す断面図である。 従来例に係る窒化物半導体発光素子の構造を示す断面図である。

符号の説明

１１ Ｓｉドープｎ型ＧａＡｓ基板
１２ Ｓｉドープｎ型ＧａＡｓバッファ層
１３ Ｓｉドープｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層
１４ ＡｌＧａＩｎＰ活性層
１５ Ｍｇドープｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層
１６ Ｍｇドープｐ型ＧａＰ電流分散層
１７ ＧａＰ電流分散層
１７ａ 第一のＧａＰ電流分散層
１７ｂ 第二のＧａＰ電流分散層
２１ 表面電極
２２ 裏面電極

Claims (7)

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、第一のｐ型電流分散層、及び第二のｐ型電流分散層が順次積層されてなり、
   前記第一のｐ型電流分散層の少なくとも一部の炭素濃度が５．０×１０^１７ｃｍ^−３以下であることを特徴とする半導体発光素子用エピタキシャルウェハ。
2. 前記第一のｐ型電流分散層のｐ型ドーパント濃度を前記第二のｐ型電流分散層のｐ型ドーパント濃度よりも低くしたことを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子用エピタキシャルウェハ。
3. 半導体基板上に、少なくともｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層、ＡｌＧａＩｎＰ活性層、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層、第一のｐ型ＧａＰ電流分散層、及び第二のｐ型ＧａＰ電流分散層が順次積層されてなり、
   前記第一のｐ型ＧａＰ電流分散層のｐ型ドーパント濃度が前記第二のｐ型ＧａＰ電流分散層のｐ型ドーパント濃度よりも低く、かつ前記第一のｐ型ＧａＰ電流分散層の少なくとも一部の炭素濃度が５．０×１０^１７ｃｍ^−３以下であることを特徴とする半導体発光素子用エピタキシャルウェハ。
4. 前記第一のｐ型ＧａＰ電流分散層において、炭素濃度が５．０×１０^１７ｃｍ^−３以下の範囲の膜厚が５０ｎｍ以上であることを特徴とする請求項３記載の半導体発光素子用エピタキシャルウェハ。
5. 前記半導体基板と前記ｎ型クラッド層との間に、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たことを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子用エピタキシャルウェハ。
6. 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)及びＡｌ_ＺＧａ_１−ＺＡｓ(但し、０≦Ｚ≦１)から選択されることを特徴とする請求項５記載の半導体発光素子用エピタキシャルウェハ。
7. 請求項１〜６のいずれか１項記載の半導体発光素子用エピタキシャルウェハを用いて作製したことを特徴とする半導体発光素子。