JP2011091103A - 発光素子 - Google Patents

Abstract

【課題】ＧａＰ厚膜の成長を伴う発光素子において、高電流を印加しても高輝度・長寿命の、高い信頼性を保ちうる発光素子を提供する。
【解決手段】少なくとも、ｎ型ＧａＰ基板上に、（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_ｙＩｎ_１−ｙＰ（０≦ｘ≦１．０，０．４≦ｙ≦０．６）からなる混晶により構成されたｎ型クラッド層、活性層、ｐ型クラッド層及びｐ型緩衝層と、ｐ型ＧａＰ電流拡散層とを有する発光素子であって、少なくとも前記ｐ型クラッド層、前記ｐ型緩衝層、前記ｐ型ＧａＰ電流拡散層からなるｐ型層領域内に、ｐ型ドーパントの１／５０以上８／１０以下の濃度のｎ型ドーパントがドープされたｎドープ領域を有することを特徴とする発光素子。
【選択図】図１

Description

本発明は、照明や表示機の光源となる有色の発光素子に関し、具体的には、高電流印加時であっても、長寿命化及び高信頼性が両立される発光素子に関するものである。

ＡｌＧａＩｎＰを発光層に持つ発光素子は従来の有色の発光素子に比べて１桁以上明るいため、車載照明やＬＣＤバックライトなど従来の発光ダイオードとは異なる用途で需要が拡大している。これは、ＡｌＧａＩｎＰが直接遷移型であるということも寄与しているが、透明かつ厚い窓層を設けることで外部量子効率を高めていることも明るくなっている要因にある。

一方、内部量子効率を高めるため、厚い透明導電層を基板及び窓層に設けるとともに、多重量子井戸（ＭＱＷ）を設けることで発光効率を高めることができることが、例えば非特許文献１等に示されている。

ここで、ＡｌＧａＩｎＰ系発光素子では、ＡｌＧａＡｓ若しくはＧａＰが窓層として用いられる。ＡｌＧａＡｓ層は水分に対して劣化する特性上の問題があり、一般的にはＧａＰが用いられている。しかしながら、厚いＧａＰ層を設けるためにはＡｌＧａＩｎＰ発光層部に直接ＧａＰ基板を接合するか、ＧａＰの厚膜を結晶成長させなければならない。

しかし、ＧａＰ基板を直接接合する方法では、例えば特許文献１に示されているようにＧａＰとの接合界面で障壁層が生じる問題があり、これを回避するために、長時間かつ高温の熱処理が必要となる。

また、窓層は一方の面に設けても発光効率の向上には有効だが、他方の面、すなわち発光層の上下に設けた方がより外部量子効率が高まることが知られている。この場合、他方の窓層は、貼り合わせ、若しくは結晶成長によって形成されるが、ＧａＡｓ基板は光吸収層として機能するため、この他方の窓層形成前にＧａＡｓ基板を除去する必要がある。

しかし、発光素子に必要なＡｌＧａＩｎＰ系材料からなる層構造は、一般にはＧａＡｓ基板上にＭＯＶＰＥ法で形成するが、その総膜厚はせいぜい１０μｍ前後である。
ＡｌＧａＩｎＰ系とＧａＡｓ系は格子整合系ながら、選択エッチング法の利用が可能である。そのため、選択エッチングに要する層を適切にＧａＡｓ基板とＡｌＧａＩｎＰ層との間に挿入することでＧａＡｓ基板を除去することができる。
ただし、発光に必要な機能層を作るために必要なＡｌＧａＩｎＰ系材料の総膜厚はせいぜい１０μｍ程度であり、ＡｌＧａＩｎＰ層のみでＧａＡｓ基板を除去することにすると、残存ウエハの膜厚は１０μｍ前後になってしまう。このような１０μｍ前後の膜厚のウエハは実験的にはハンドリングは可能だが、非常に割れやすく、工業的な工程を通すために必要な機械的強度を有しない。

そのため、ＧａＡｓ基板除去前に機械的強度を保つための強度保持板（あるいはウエハ）を、ＡｌＧａＩｎＰ成長面側に貼り付けてから除去する方法も考えられる。
この場合、除去されたＧａＡｓ基板面側にＧａＰ基板を貼り付け、若しくは結晶成長でＧａＰを設ける訳だが、ＧａＰ基板を貼り付けた後、強度保持板（あるいはウエハ）は剥離（除去）しなければならず、剥離に伴って洗浄が必要であったり、汚染などの懸念があり、工業的にはコストが上がるばかりであまりメリットがない。
従って、省コストで工業的な工程を通すためには、ＧａＡｓ基板除去前に、厚膜ＧａＰ層を結晶成長することでウエハに機械的強度を持たせる方法を選択する方が、ＧａＰ層部で光取出し層と強度保持板を兼ねることができるため合理的である。

ところで、工業的工程を通すために十分な機械的強度を持たせるために必要な厚さは２０μｍ以上である。しかし２０μｍ以上の膜厚のＧａＰ層を結晶成長させるためには数〜十数時間が必要である。そして、ＧａＰ層は厚膜になるほど外部量子効率が増すため、成長時間が長くはなっても短くなる事はない。
ここで、ＧａＰ層の成長に要する温度は、一般にＡｌＧａＩｎＰ層を成長するために必要な温度より同等以上の高温が必要であり、ＡｌＧａＩｎＰ発光層部はＭＯＶＰＥ成長時の温度、若しくはそれより高い温度に長時間さらされることになる。

しかし、ｐ導電型クラッド層には、ＭｇやＺｎ等のｐ型ドーパントがドーピングされており、加熱されることによってこのｐ型ドーパントは熱力学に従って拡散し、活性層中にも拡散することになる。この活性層中に拡散したｐ型ドーパントは欠陥を形成しやすいため、通電などによる素子寿命試験時に欠陥を形成し、その結果、キャリア注入効率の低下、光吸収の増大等を引き起こし、寿命試験時に光出力の低下現象を引き起こす。

また、間接遷移型のＧａＰ窓層と直接遷移型のＡｌＧａＩｎＰからなるクラッド層はバンド帯不連続量が大きく、かつ、格子不整合率が大きいため、ＧａＰとＡｌＧａＩｎＰの直接接合界面を形成すると大きな空乏層領域が生じる。
この大きな空乏層の発生による直列抵抗成分の発生を回避するため、例えば特許文献２に示されるような傾斜組成を有するＡｌＧａＩｎＰ緩衝層を設ける方法や、特許文献３に示されるようなクラッド層よりＡｌ組成の低いＡｌＧａＩｎＰ中間層を設ける方法が開示されている。これらのいずれの方法も、バンド帯不連続量を緩和する方法である。
その他の空乏層を小さくする方法としてドーピング量を増やす方法もあり、先に明示した両者の文献でもｐ型クラッド層より相対的に多い量のｐ型ドーパントを中間層にドーピングしている。

しかし、ｐ型ドーパントであるＭｇやＺｎはＡｌＧａＩｎＰ中の拡散速度が速いことが知られており、クラッド層よりドーピング量が多いｐ型緩衝層からの拡散は寿命特性に大きな影響を及ぼす。

このｐ型緩衝層からのＭｇやＺｎの拡散を抑制する方法として、特許文献４、５に開示されている様に、ｎ型ドーパントをｐ型中間層にドーピングする方法が開示されている。例えば、特許文献５によれば、ｐ型ドーパント量の０．１〜１４０％のｎ型ドーパントをドーピングすることで長寿命を達成できることが記載されている。
しかしながら、ｐ型ドーパント量を上回るｎ型ドーパントを緩衝層にドーピングする事は、緩衝層での空乏層を増大させるだけであり、発光素子の長寿命化の問題以前に、直列抵抗成分を増大させるため、発光素子としての使用は困難である。

また、これらの技術はＧａＡｓ基板を用いたままである。前述のようにＧａＡｓ基板は高輝度化のためには除去することが必須であるが、上述の特許文献４，５は、ＧａＡｓ基板を用いる場合の熱履歴に最適化されており、ＧａＡｓ基板の除去に伴う工程（熱履歴）の増加に対応できていない。

そして、ｐ型ドーパントの拡散は（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_ｙＩｎ_１−ｙＰ中のＡｌ組成ｘに大きく依存する。このため、Ａｌ組成ｘが少なければドーパントの拡散が早いため、ドーパントが滞留しにくい。例えば、活性層はＡｌ組成ｘが少ないため、活性層中のドーパント拡散速度は、Ａｌ組成ｘの高いクラッド層より相対的に早く、ドーパントが滞在しにくい。
また、ドーパント濃度は隣接する層のドーパント濃度によって変わるが、活性層に隣接する層にはキャリア閉じ込めのためのクラッド層が必要であり、一般にクラッド層はドーピングされている。従って、クラッド層は活性層よりワイドバンドギャップである必要があるため、Ａｌ組成ｘが大きく、ドーパント拡散は活性層より遅い。

また、活性層への注入効率を落とさないため、クラッド層はある程度以上の濃度のドーパントを保持していなければならないため、ドーパント濃度を低減することが難しい。従って、クラッド層に存在するドーパントが活性層中へ拡散することを回避することが困難である。

また、ドーパントの拡散は熱履歴だけではなく、通電によっても発生する。
例えば、ｐ／ｎ接合型素子では電位差が生じており、ｐ型にイオン化したｐ型ドーパントはｐ型ドーパントが希薄な領域、もしくはｎ型ドーパント領域に通電中に拡散する。ｎ型ドーパントも原理的にｐ型ドーパントと同様の現象が起こるが、ｎ型ドーパントの通電中の拡散はｐ型に比べて影響は小さい。
この通電によるｐ型ドーパントの拡散は、発光素子をエピタキシャル成長や素子形成などの熱履歴を受けた後に起こるため、活性層では通電によってｐ型ドーパントによる汚染領域が広がる。その結果、通電によっても光出力が低下してしまう。電流値（印加電圧値）を大きくすればこの現象はより顕著に発生する。

そしてドーパントの拡散を抑制し、長時間使用しても輝度の劣化が少なく、信頼性の高い発光素子の製造方法として、Ａｌ組成の多い層とＡｌ組成の少ない層を交互に積層することでドーパント拡散を制御する方法がある。
例えば、特許文献６のような構造において、活性層膜厚を５０ｎｍ、障壁層膜厚を５０ｎｍと設定して設計に量子効果を用いず、９層障壁層を設けた多重活性層型ＡｌＧａＩｎＰ系発光素子においては、信頼性は多重量子井戸（ＭＱＷ）型のような薄膜交互積層構造や一様組成の活性層を有する構造と比べて向上している。しかしながら、より高電流を印加するタイプの信頼性試験においてはＭＱＷ型や一様組成活性層構造と比べて良好なものの、一般的な信頼性試験では劣化傾向がみられる。

特開２００６−３２８３７号公報 特開平１０−２５６６６７号公報 特開２００１−７４４５号公報 特開２００８−９１７８９号公報 特開２００８−１６６３９９号公報 特開２００４−１２８４４３号公報

Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ Ｖｏ．７４ Ｎｏ．１５ ｐｐ．２２３０−２２３２

さて近年、発光素子、とくに発光ダイオードは光源としての用途が広がっているが、これらは点発光素子であるため、光出力を稼ぐためには高電流を通電する必要がある。従って、高電流の通電需要が高く、より高電流の通電条件での信頼性向上を図ることができる発光ダイオードを実現する必要がある。

本発明は、上記問題に鑑みなされたものであって、ＧａＰ厚膜の成長を伴う発光素子において、高電流を印加しても高輝度・長寿命の、高い信頼性を保ちうる発光素子を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明では、少なくとも、ｎ型ＧａＰ基板上に、（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_ｙＩｎ_１−ｙＰ（０≦ｘ≦１．０，０．４≦ｙ≦０．６）からなる混晶により構成されたｎ型クラッド層、活性層、ｐ型クラッド層及びｐ型緩衝層と、ｐ型ＧａＰ電流拡散層とを有する発光素子であって、少なくとも前記ｐ型クラッド層、前記ｐ型緩衝層、前記ｐ型ＧａＰ電流拡散層からなるｐ型層領域内に、ｐ型ドーパントの１／５０以上８／１０以下の濃度のｎ型ドーパントがドープされたｎドープ領域を有することを特徴とする発光素子を提供する。

このように、少なくともｐ型クラッド層、ｐ型緩衝層、ｐ型ＧａＰ電流拡散層からなるｐ型層領域内に、ｐ型ドーパントの１／５０以上８／１０以下の濃度のｎ型ドーパントがドープされたｎドープ領域を有する発光素子とする。
このように、ｎ型ドーパントがドープされたｎドープ領域では、イオン化したｎ型ドーパントによってイオン化したｐ型ドーパントが電気的に引き寄せられるため、ｐ型ドーパントの拡散が抑制される。このため、加熱処理を行っても、印加電圧を大きく（高電流を印加）してもｐ型ドーパントの拡散が抑制され、活性層でのｐ型ドーパント濃度を低くすることができる。よって、ＧａＰ厚膜の形成が行われたり、通電を長時間行ったものであっても、活性層中に欠陥が形成されにくく、キャリアの注入効率が低下せず、また光吸収が増加しない高輝度かつ長寿命の発光素子が提供される。

また、ｐ型ドーパントの１／５０以上の濃度のｎ型ドーパントがドープされたものであるため、ｎ型ドーパントがドープされた効果（ｐ型ドーパントを電気的に引き寄せて拡散を抑制する）が十分に発揮され、たとえ高電流が印加されても信頼性が低下することのない発光素子とすることができる。
そして、ｐ型ドーパントの８／１０以下の濃度のｎ型ドーパントがドープされたものとすることによって、ｐ型キャリアの量がｎ型キャリアの量を下回ることを防止でき、ダイオード特性ではなくサイリスタ特性を示す（ｐｎｐｎ接合のサイリスタが形成される）ことが抑制される。また、直列抵抗成分が増加することを避けることができ、通電前後において通電時の電圧が従来に比べて高い発光素子となることを避けることができる。
ここで本発明におけるｎドープ領域のｎ型ドーパントのドープ濃度とは、当該ｎドープ領域が存在する箇所におけるｐ型ドーパントのドープ濃度に対して１／５０以上８／１０以下の濃度とするものである。

ここで、前記ｎドープ領域は、１原子層以上の厚さの領域とすることができる。
このように、ｎドープ領域が１原子層以上の厚さの領域であれば、ｐ型ドーパントの拡散を抑制する領域が十分に厚いものとなり、より信頼性の高い発光素子とすることができる。

そして、前記ｎドープ領域は、デルタドーピングによって形成された１原子層未満の厚さの領域とすることもできる。
このように、ｎドープ領域がデルタドーピングによって形成された１原子層未満の厚さの領域であれば、当該領域で高濃度にｎ型ドーパントが存在したものとなり、ｐ型ドーパントの拡散を強く抑制することができる。また、１原子層未満の厚さであるため、当該領域を境に結晶性が変化することが抑制されたものであり、結晶性の低下が防止されたものとすることもできる。
ここで、１原子層未満の厚さとは、対象の原子層の全てがｎ型ドーパントによって構成されたものではなく、他の種類の元素を含むことを意味するものである。

また、前記ｎドープ領域が、前記ｐ型層領域内に複数存在するようにすることができる。
このように、ｎドープ領域がｐ型層領域内に複数存在することによって、ｐ型ドーパントの拡散抑制源が複数存在するものとなり、活性層中のｐ型ドーパント濃度がより低減されたものとなる。よって、更に高信頼性の発光素子とすることができる。

そして、前記ｎドープ領域が、前記ｐ型層領域の全域に渡る領域であるようにすることもできる。
このように、ｎドープ領域が、ｐ型層領域の全域に渡る領域である発光素子であれば、ｐ型層領域の全面においてｐ型ドーパントの拡散が抑制されるため、高電流が印加されたり、長時間・高温の熱処理が行われたものであってもｐ型ドーパントの拡散が強く抑制されたものとなる。従ってより高い信頼性を有する発光素子を得ることができる。

更に、前記ｎドープ領域が、前記ｐ型クラッド層と前記ｐ型緩衝層の界面には設けられていないようにすることができる。
界面においては、ｐ型ドーパントの濃度プロファイルが拡散によってだれることがあるため、この界面にｎドープ領域を設けないことによって、ｎ型ドーパントのドープ量がｐ型ドーパントの８／１０以下とならない事態となることを確実に防止することができる。特に、ｐ型クラッド層とｐ型緩衝層の界面では大きなバンドギャップ差異が生じるため、この領域にはｎドープ領域を設けないことがより望ましい。

また、前記ｎドープ領域が、前記ｐ型クラッド層と前記ｐ型緩衝層の界面または前記ｐ型緩衝層と前記ｐ型ＧａＰ電流拡散層の界面のうち少なくとも一方に設けられたものとすることができる。
層と層の界面では、元々ｐ型ドーパントの拡散が抑制される。そのため、この界面にｎドープ領域を設けられた発光素子では、ｐ型ドーパントの拡散が更に強く抑制されたものとなり、更に高輝度・長寿命な高信頼性の発光素子が提供される。

そして、前記ｐ型ＧａＰ電流拡散層は、前記ｐ型緩衝層から１０μｍ未満の距離ではＭｇ、Ｚｎの両方がドープされ、また１０μｍ以上の距離ではＺｎのみがドープされたものであることが好ましい。
上述のようにｐ型ドーパントがＧａＰ電流拡散層にドープされた発光素子であれば、ＧａＰ層中やｐ型緩衝層からのドーパント濃度変化が緩くなり、発光素子の結晶性をより良好なものとすることができ、通電時の電圧の上昇の防止・輝度向上を達成することができる。

更に、前記ｐ型層領域中のｐ型ドーパントはＭｇ、Ｚｎのいずれか１つ以上であり、前記ｎドープ領域中のｎ型ドーパントはＳｉ、Ｓｅ、Ｔｅ、Ｃのいずれか１つ以上であることが好ましい。
上述のようなドーパントは、発光素子にドープされるドーパント元素として一般的であり、コスト面でも優れた発光素子とすることができる。

以上説明したように、本発明によれば、ＧａＰ厚膜の成長を伴う発光素子において、高電流を印加しても高輝度・長寿命な、高い信頼性を保ちうる発光素子を提供することができる。

本発明の発光素子の概略の一例（ａ）と、ｐ型層領域におけるｐ型ドーパントとｎ型ドーパントの濃度プロファイルの一例（ｂ）を示した図である。 本発明の発光素子のｐ型層領域におけるｐ型ドーパントとｎ型ドーパントの濃度プロファイルのその他の例を複数示した図である。

以下、本発明について図を参照して詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
本発明の発光素子は、少なくとも、ｎ型ＧａＰ基板上に、（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_ｙＩｎ_１−ｙＰ（０≦ｘ≦１．０，０．４≦ｙ≦０．６）からなる混晶により構成されたｎ型クラッド層、活性層、ｐ型クラッド層及びｐ型緩衝層と、ｐ型ＧａＰ電流拡散層とを有するものである。
そして、少なくともｐ型クラッド層、ｐ型緩衝層、ｐ型ＧａＰ電流拡散層からなるｐ型層領域内に、ｐ型ドーパントの１／５０以上８／１０以下の濃度のｎ型ドーパントがドープされたｎドープ領域を有するものである。

ここで、ｐ型層領域内のｎ型ドーパント量がｐ型ドーパント量の８／１０、すなわち８０％を超えた場合、ｐ型キャリアの量がｎ型キャリアの量を下回り、ダイオード特性ではなくサイリスタ特性を示すため、発光素子として機能することが困難になる。従って、ｎ型ドーパント量をｐ型ドーパント量の８０％以下に保つことが必要である。ｐ型ドーパントを複数種類ドープした場合は、ｎ型ドーパントはｐ型ドーパントの総和の８／１０以下とする。
また、ｎ型ドーパントドープ量がｐ型ドーパント量の１／５０未満、すなわち２％未満の場合、ｎ型ドーパント量が少なくなり、ｐ型ドーパントの拡散を抑制するのに必要十分な量のｎ型ドーパントを確保できず、ドープする意義がない。このため、ｎ型ドーパント量はｐ型ドーパントの１／５０以上とする。

ｎ型ドーパントがドープされたｎドープ領域では、イオン化したｎ型ドーパントによってイオン化したｐ型ドーパントが電気的に引き寄せられるため、ｐ型ドーパントの拡散が抑制される。このため、高電流を印加したり、加熱処理を行った場合でも、ｐ型ドーパントの拡散が抑制され、活性層中のｐ型ドーパント濃度が従来に比べて低くなる。すなわち、従来に比べて高輝度かつ長寿命な発光素子となる。よって、ＧａＰ厚膜の形成が行われたり、通電を長時間行ったものであっても活性層中に欠陥が形成されにくく、キャリアの注入効率が低下せず、光吸収が増加しない高い信頼性を有する発光素子となる。

ここで、ｐ型ＧａＰ電流拡散層は、ｐ型緩衝層から１０μｍ未満の距離ではＭｇ、Ｚｎの両方がドープされ、また１０μｍ以上の距離ではＺｎのみがドープされたものとすることができる。
上述のようなプロファイルでｐ型ドーパントがｐ型ＧａＰ電流拡散層にドープされた発光素子とすることによって、ｐ型ＧａＰ電流拡散層中やｐ型緩衝層からｐ型ＧａＰ電流拡散層にかけてのドーパント濃度変化を緩くすることができる。よって、発光素子の結晶性をより良好なものとすることができ、通電時の電圧の更なる低下・輝度の更なる上昇を達成することができる。

また、ｐ型層領域中のｐ型ドーパントはＭｇ、Ｚｎのいずれか１つ以上であり、ｎドープ領域中のｎ型ドーパントはＳｉ、Ｓｅ、Ｔｅ、Ｃのいずれか１つ以上とすることができる。
上述のようなドーパントは、ドーパント元素として一般的に用いられるものであり、コスト面でも優れた発光素子となる。

以下、本発明について具体的な実施形態を示して説明するが、もちろんこれに限定されない。
まず、第１の実施形態について図を参照して説明する。
図１は本発明の発光素子の概略の一例と、ｐ型層領域におけるｐ型ドーパントとｎ型ドーパントの濃度プロファイルの一例を示した図である。

この発光素子１０は、第一層として、厚さ３０〜１５０μｍ、ドーパント濃度５×１０^１７〜５×１０^１８／ｃｍ^３のｎ型ＧａＰ基板１０１と、第二層として、厚さ１０〜１００ｎｍ、ドーパント濃度１×１０^１８〜１×１０^１９／ｃｍ^３、Ｇａ_ｘＩｎ_１−ｘＰ（０．５＜ｘ＜０．９）からなるｎ型ＩｎＧａＰ緩衝層１０２と、第三層として、厚さ０．１〜１．５μｍ、ドーパント濃度１×１０^１７〜１×１０^１８／ｃｍ^３、（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_ｙＩｎ_１−ｙＰ（０．５＜ｘ＜０．７，０．４５＜ｙ＜０．５５）からなるｎ型ＡｌＧａＩｎＰ層（ｎ型層）１０３と、第四層として、厚さ０．５〜１．５μｍ、ドーパント濃度１×１０^１７〜１×１０^１８／ｃｍ^３、ドーパントがＳｉもしくはＳｅ、（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_ｙＩｎ_１−ｙＰ（０．７＜ｘ＜１，０．４５＜ｙ＜０．５５）からなるｎ型ＡｌＧａＩｎＰ層（ｎ型クラッド層）１０４と、第五層として、厚さ０．３〜１．０μｍ、（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_ｙＩｎ_１−ｙＰ（０．５＜ｘ＜０．７，０．４５＜ｙ＜０．５５）からなるＡｌＧａＩｎＰ活性層１０５と、第六層として、厚さ０．１〜１．５μｍ、ドーパント濃度５×１０^１５〜１×１０^１８／ｃｍ^３、（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_ｙＩｎ_１−ｙＰ（０．５＜ｘ＜０．７，０．４５＜ｙ＜０．５５）からなるｐ型ＡｌＧａＩｎＰ層（セットバック層）１０６と、第七層として、厚さ０．１〜１．５μｍ、ドーパント濃度５×１０^１６〜３×１０^１８／ｃｍ^３、（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_ｙＩｎ_１−ｙＰ（０．７＜ｘ＜１．０，０．４５＜ｙ＜０．５５）からなるｐ型ＡｌＧａＩｎＰ層（ｐ型クラッド層）１０７と、第八層として、厚さ０．００１〜０．５μｍ、ドーパント濃度３×１０^１７〜３×１０^１９／ｃｍ^３、Ｇａ_ｙＩｎ_１−ｙＰ（０．４５＜ｙ＜１）からなるｐ型ＩｎＧａＰ緩衝層１０８と、第九層として、厚さ３０〜１５０μｍ、ドーパント濃度５×１０^１７〜５×１０^１８／ｃｍ^３のｐ型ＧａＰ窓層（ｐ型ＧａＰ電流拡散層）１０９とからなるものである。
なお、図１のように、ＡｌＧａＩｎＰ活性層１０５とｐ型クラッド層１０７との間にｐ型のセットバック層１０６を設けることができるが、設けないこともできる。

そして、ｐ型クラッド層１０７、ｐ型緩衝層１０８、ｐ型ＧａＰ電流拡散層１０９からなるｐ型層領域１１３内に、ｐ型ドーパントの１／５０以上８／１０以下の濃度のｎ型ドーパントがドープされたｎドープ領域１１４を有するものである。
なお、図１のようにセットバック層１０６を設けた場合、このセットバック層１０６もｐ型層領域に含まれるものとなる。

ｐ型層領域１１３のｐ型ドーパントは、ｐ型ＧａＰ電流拡散層１０９を積層させる際や、ｎ型ＧａＰ基板を形成する際の熱履歴、発光ダイオード形成時の熱拡散等によって、エピタキシャル成長時より漸次変化したプロファイルを有することになる。
この濃度プロファイルの変化の様子を図１（ｂ）に示すが、エピタキシャル成長時のシーケンスではプロファイル１１０のような形状となる。しかし、その後の熱履歴によってプロファイル１１１のような形状に変化する。

これは本質的に高濃度層から低濃度層への拡散現象であり、濃度境界層付近の変化分が大きい。しかし、このプロファイル１１１への変化は、総プロセスの熱履歴が一定であれば予測可能である。
ここで、上述のようにｐ型層領域にｎ型ドーパントがドーピングされたものであれば、ｐ型ドーパントの拡散が抑制されるため、プロファイル１１１はプロファイル１１０に近づく傾向にある。

従って図１（ｂ）に示すように、熱履歴後のｐ型ドーパントプロファイルの各点において、ＭｇやＺｎからなるｐ型ドーパントの和の８０％を超えないｎ型ドーパントプロファイルになるように、ｐ型緩衝層１０８の界面からセットバック層１０６への界面にかけて漸次減少させたプロファイルでｎ型ドーパント（Ｓｉ）をプロファイル１１２の様にドーピングされたものとすることが望ましい。
このプロファイル１１２を実現するための方法は、エピタキシャル成長時のシーケンスにおけるＳｉＨ_４流量を変えるだけでよく、実現は容易である。また、ＳｉのＡｌＧａＩｎＰ中の拡散速度はｐ型ドーパントに比べて２桁以上小さく、エピタキシャル成長時のプロファイルは、熱処理後でも概ね保たれる。

このように、ｎドープ領域が、ｐ型層領域の全域に渡る領域とすることができ、これによって、ｐ型層領域の全面においてｐ型ドーパントの拡散が抑制される。従って、より高い信頼性を有する発光素子となる。

この際、プロファイル１１２のままでｎ型ドーパントのドーピングが行われたものであれば、ｐ型クラッド層１０７においてはセットバック層１０６との境界付近、ｐ型緩衝層１０８においてはｐ型クラッド層１０７とｐ型ＧａＰ電流拡散層１０９の境界付近において、ｎ型ドーパントがｐ型ドーパントの８０％量を上回る可能性がある。
ｐ型ドーパントによる拡散抑止効果は概ね、ｎ型ドーパント１に対してｐ型ドーパント１の関係にある。従ってｐ型ドーパント量の１／２以下にｎ型ドーパントのドーピングが行われたものであることがより望ましい。

また、ｐ型緩衝層１０８は、Ｇａ_ｘＩｎ_１−ｘＰ（０．５＜ｘ＜０．９）とすることが望ましい。
Ｇａ_ｘＩｎ_１−ｘＰ（０．５＜ｘ＜０．９）からなる層が緩衝層として設けられた発光素子であれば、ＡｌＧａＩｎＰとＧａＰとの間の格子不整合がより小さなものとなり、発光素子の素子特性の向上により好適である。

次に第２の実施形態について図を参照して説明する。図２は、本発明の発光素子のｐ型層領域におけるｐ型ドーパントとｎ型ドーパントの濃度プロファイルのその他の例を複数示した図である。
第２の実施形態は、第１の実施形態（図１（ａ））と同様の発光素子の構造であるが、ｐ型クラッド層の内部に、矩形関数的に１つ以上ｎ型ドーパントがドーピングされた領域（ｎドープ領域）を有するものである。
複数のｎドープ領域を設ける場合、ｎ型ドーパントのドーピング量は熱履歴後のｐ型ドーパントの拡散プロファイルに従うように、ｐ型ドーパントの各点の総和の８０％を超えない範囲で、ｐ型緩衝層１０８からセットバック層１０６に近づくにつれて漸次減少して実施されたものとすることがより望ましい。

このように、ｎドープ領域が１原子層以上の厚さの領域であれば、ｐ型ドーパントの拡散を抑制する領域が十分に厚いものとなり、より信頼性の高い発光素子とすることができる。

更に、ｎドープ領域が、ｐ型クラッド層とｐ型緩衝層の界面には設けられていないものとすることができる。
界面においては、ｐ型ドーパントの濃度プロファイルが拡散によってだれることがある。その場合ｐ型ドーパント濃度の８／１０以下とならない領域が発生することが完全に防ぐことができないことがあるが、界面にｎドープ領域を設けられていないものとすることによって、ｐ型ドーパント濃度の８／１０以下とならない領域が発生することを確実に防止することができる。
特に、ｐ型クラッド層１０７とｐ型緩衝層１０８の界面には大きなバンドギャップ差異が生じるため、界面から数十〜数百ｎｍの領域はｎドープ領域を設けないものとすることが望ましい。

また、ｎドープ領域が、ｐ型クラッド層とｐ型緩衝層の界面またはｐ型緩衝層とｐ型ＧａＰ電流拡散層の界面のうち少なくとも一方に設けられたものとすることができる。
一般的に、層と層の界面においては、組成が異なるため格子定数が異なっており、エネルギー障壁が存在する。これによって、界面ではドーパントの拡散が抑制される。
その界面にｎドープ領域が設けられた発光素子は、ｐ型ドーパントの拡散が界面とｎドープ領域が重なった箇所において更に強く抑制されたものである。従って、更に高輝度・長寿命な高信頼性の発光素子となる。

ここで、図２（ａ）は、ｐ型クラッド層１０７に１つの矩形関数のｎドープ領域を設けた場合のｎ型ドーパントの濃度プロファイル２０１の一例である。

また図２（ｂ）は、ｐ型クラッド層１０７に複数の矩形関数のｎドープ領域を設けた場合のｎ型ドーパントの濃度プロファイル２０２の一例である。図２（ｂ）では、ｐ型クラッド層１０７に対しての例示だが、ｐ型緩衝層１０８、ｐ型ＧａＰ電流拡散層１０９に対して矩形関数のｎドープ領域を設けても同様の効果がある事はいうまでもない。
このように、ｎドープ領域がｐ型層領域内に複数存在する場合、ｐ型ドーパントの拡散抑制源が複数存在することになり、活性層中のｐ型ドーパント濃度は更に低減されたものとなる。従って、更に高信頼性の発光素子となる。

図２（ｃ）は、ｐ型緩衝層１０８にｎドープ領域を設けた時のｎ型ドーパントの濃度プロファイル２０３の一例である。
また図２（ｄ）は、ｐ型緩衝層１０８に矩形ではなく、肩が落ちたプロファイルを有するｎドープ領域を設けた時のｎ型ドーパントの濃度プロファイル２０４の一例である。片方の肩が落ちた形状でも効果は同じであり、階段状のプロファイルをとっても、矩形プロファイルの中央部のドーピング濃度を減じた凹状のプロファイルをとっても、矩形プロファイルではなく連続的にドーピング濃度が増加し、連続的に減少するプロファイル形状であっても効果は同様である。

上記２つの例は、ｐ型緩衝層１０８にｎドープ領域を設けた時の例だが、ｐ型クラッド層１０７、ｐ型ＧａＰ電流拡散層１０９に、プロファイル２０４と同型のｎドープ領域を設けても同様の効果が得られる。
そして、図２（ｂ）の様に、複数個のｎドープ領域を設ける場合にも、プロファイル２０４と同型のｎドープ領域を設けても同様の効果が得られる。

そして、第３の実施形態について説明する。
第３の実施形態は、第１の実施形態（図１（ａ））と同様の構造の発光素子において、ｐ型クラッド層１０７とｐ型緩衝層１０８の界面に、ｎドープ領域として、デルタ（Δ）関数的にｎ型ドーパントがドーピングされたものである。あるいは、ｐ型緩衝層１０８とｐ型ＧａＰ電流拡散層１０９の界面にデルタ関数的にｎ型ドーパントがドーピングされたものとすることもできる。

デルタ関数的にドーピングされたｎドープ領域は、１原子層に満たない厚さで行われたものである必要がある。
これは、デルタドーピングで１原子層を超えた場合、ｎ型ドーパント元素の単原子層が存在することとなるため、格子不整が大きくなる。そして、この層以後はエピタキシャル成長が行われず、ポリ結晶となって、発光素子が得られないためである。
例えばｎ型ドーパントとしてＳｉを用いた場合、閃亜鉛鉱のＡｌＧａＩｎＰ材料上にダイヤモンド構造のＳｉ結晶が積層されることになり、格子定数や結晶構造が異なるため、エピタキシャル成長は困難である。

このように、ｎドープ領域がデルタドーピングによって形成された１原子層未満の厚さの領域であれば、当該領域で高濃度にｎ型ドーパントが存在するものであり、ｐ型ドーパントの拡散が強く抑制されたものとなる。また、１原子層未満の厚さであるため、当該領域を境に結晶性が変化することが抑制されたものであり、結晶性の低下が防止されたものとなる。

ここで、ｐ型クラッド層１０７とｐ型緩衝層１０８の界面にデルタドープされたｎドープ領域のｎ型ドーパント量は、バルク層換算でドーパント量の少ない側のｐ型クラッド層１０７のｐ型ドーパントの１／５０以上８／１０以下の関係を満たしたものとすることが望ましい。
また、ｐ型緩衝層１０８とｐ型ＧａＰ電流拡散層１０９の界面にデルタドープされたｎドープ領域のｎ型ドーパント量も、バルク層換算でドーパント量の少ないｐ型ＧａＰ電流拡散層１０９のｐ型ドーパントの１／５０以上８／１０以下の関係を満たすものとすることが望ましい。

上記例示では、個別にデルタドーピングによって行われたｎドープ領域を有する発光素子について説明したが、ｐ型クラッド層１０７とｐ型緩衝層１０８の界面及びｐ型緩衝層１０８とｐ型ＧａＰ電流拡散層１０９の界面に同時にｎ型ドーパントがデルタドーピングされた発光素子であっても、ｐ型ドーパントの拡散が抑制されるとの効果が発揮された発光素子となることはもちろんである。

更に、第４の実施形態について説明する。
第１の実施形態（図１（ａ））と同様の構造の発光素子において、ｐ型緩衝層１０８に設けられたｎドープ領域は、ｐ型クラッド層１０７側の領域若しくはｐ型ＧａＰ電流拡散層１０９側の領域、あるいはその両者の領域に数〜数十ｎｍの幅にわたってｎ型ドーパントがドーピングされていない領域が存在するものである。
ｎ型ドーパントがドープされたことによってｐ型緩衝層１０８のキャリア濃度が減ることになるため、ｐ型緩衝層１０８の界面における空乏層の増大に伴う直列抵抗成分の増大という現象が発生することになるが、上述のような構造のｎドープ領域を設けることによって、先の問題の発生を確実に回避することができる。

以下、実施例及び比較例を示して本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
（実施例１−６、比較例１−３）
上述の第１の実施形態において、ｎ型ドーパントをＳｉとし、セットバック層からｐ型ＧａＰ電流拡散層に掛けての全領域において、ｐ型ドーパントに対するｎ型ドーパントの割合が、１００／１００（比較例１）、８０／１００（実施例１）、５０／１００（実施例２）、２０／１００（実施例３）、１０／１００（実施例４）、５／１００（実施例５）、２／１００（実施例６）、１／１００（比較例２）、０／１００（比較例３）となるようにｎ型ドーパントが全領域に渡ってドープされた発光素子を準備した。

なお、ｐ型／ｎ型ドーパントの濃度比は各層の中央付近での比率で表しており、層の中央付近のｐ型ドーパント量は、エピタキシャルシーケンスの概ね９０％前後の濃度とした。これによって、発光素子としたときに上記割合を満たすものとなる。
また、ｐ型ドーパントの拡散による異なる層境界付近でのｐ型ドーパント量の減少を考慮して、各層の中央付近から活性層側に向けて漸次ｎ型ドーパントを減少させた。そして漸次ｎ型ドーパントを減少させる幅は各層厚の１０％の幅とし、減少幅は中央付近の濃度の１／５とした。

そして、２０ｍＡ通電時の電圧値Ｖｆと、信頼性試験として８５℃雰囲気で５０ｍＡの電流で加速通電し、１００時間経過後の光出力残光率と２０ｍＡ通電時の電圧値Ｖｆのデータを測定した。その結果を表１にまとめて示す。

ｎ型ドーパント量とｐ型ドーパント量が同量の比較例１の発光素子の場合、試験前の段階においてＶｆが極めて高く、信頼性試験後にも大きくＶｆが上昇していたことが判った。また、発光素子自体がサイリスタ特性を示していることが確認された。
これに対し、８０／１００の実施例１の場合、Ｖｆ上昇は抑制され、信頼性試験後の残光率はｎ型ドーピングを行わなかった比較例３の発光素子に比べて大きく改善されたものとなった。
５０／１００の実施例２、２０／１００の実施例３、１０／１００の実施例４、５／１００の実施例５、２／１００の実施例６ではＶｆに大きな変化は見られず、残光率も良好な結果であったが、１／１００の比較例２ではｎドープ領域無しの比較例３とほぼ同程度の残光率、Ｖｆとなることが判った。
ｎドープ領域のない比較例３は、残光率が低く、長寿命の発光素子とはならなかったことも確認された。

（実施例７−１２、比較例４−６）
上述の第２の実施形態において、ｎ型ドーパントとしてＳｉ、ｐ型クラッド層の中央に１層の矩形関数型のｎドープ領域を設け、矩形関数のトップの位置での濃度比でｐ型ドーパントに対するｎ型ドーパントの割合が、１００／１００（比較例４）、８０／１００（実施例７）、５０／１００（実施例８）、２０／１００（実施例９）、１０／１００（実施例１０）、５／１００（実施例１１）、２／１００（実施例１２）、１／１００（比較例５）、０／１００（比較例６）とした発光素子を準備した。矩形関数の幅（厚さ）は５０ｎｍ一定とした。
そして、２０ｍＡ通電時の電圧値Ｖｆと、信頼性試験として８５℃雰囲気で５０ｍＡの電流で加速通電し、１００時間経過後の光出力残光率と２０ｍＡ通電時の電圧値Ｖｆのデータを測定した。その結果を表２にまとめて示す。

ｎ型ドーパント量とｐ型ドーパント量が同量の比較例４の発光素子では、比較例１と同様にＶｆは上昇し、信頼性試験後にもＶｆが上昇したことが判った。Ｖｆ上昇は比較例１ほどではなかったが、比較例１と同様にサイリスタになっていることが確認された。
８０／１００の実施例７の発光素子はＶｆ上昇が抑制され、信頼性試験後の残光率もｎドープ領域無しの比較例６と比べて大きく改善されていたことが判った。同様に５０／１００の実施例８、２０／１００の実施例９、１０／１００の実施例１０、５／１００の実施例１１、２／１００の実施例１２ではＶｆに大きな変化は見られず、良好な結果であった。
１／１００の比較例５では、ｎドープ領域無しの比較例６と試験後のＶｆ、残光率ともに同水準であり、信頼性の低い発光素子であることが判った。

（実施例１３−１８、比較例７−９）
上述の第３の実施形態において、ｐ型クラッド層１０７とｐ型緩衝層１０８の界面に、ｎ型ドーパントとしてＳｉを、ｐ型ドーパントに対する割合が、１００／１００（比較例７）、８０／１００（実施例１３）、５０／１００（実施例１４）、２０／１００（実施例１５）、１０／１００（実施例１６）、５／１００（実施例１７）、２／１００（実施例１８）、１／１００（比較例８）、０／１００（比較例９）となるようにデルタドーピングされた発光素子を準備した。
ここで、デルタ関数的なドーピング（デルタドーピング）を実施したため、ドーパント濃度は２次元値となる。従って、ｎ型ドーパント濃度を３次元値に換算し、３次元換算値のｎ型ドーパント濃度とｐ型ドーパント濃度の比でｎ／ｐドーパント比とした。

そして、２０ｍＡ通電時の電圧値Ｖｆと、信頼性試験として８５℃雰囲気で５０ｍＡの電流で加速通電し、１００時間経過後の光出力残光率と２０ｍＡ通電時の電圧値Ｖｆのデータを測定した。その結果を表３にまとめて示す。

ｎ型ドーパント量とｐ型ドーパント量が同量の比較例７の発光素子では、比較例１，４と同様にＶｆは上昇し、信頼性試験後にもＶｆが上昇したことが判った。また、比較例１，４と同様にサイリスタになっていることが確認された。
８０／１００の実施例１３の発光素子は実施例１，７と同様にＶｆ上昇が抑制され、信頼性試験後の残光率も大きく改善されたことが判った。同様に５０／１００の実施例１４、２０／１００の実施例１５、１０／１００の実施例１６、５／１００の実施例１７、２／１００の実施例１８ではＶｆに大きな変化は見られず、残光率も良好な結果であった。
１／１００の比較例８は、ｎドープ領域無しの比較例９と同様に、試験後のＶｆ、残光率ともに同水準で信頼性の低い発光素子であることが判った。

（実施例１９−２４、比較例１０−１２）
上述の第２の実施形態において、図２（ｃ）に示すようなｐ型緩衝層にｎドープ領域を１矩形分設けた以外は同様の条件の発光素子を製造（各々実施例１９−２４、比較例１０−１２）し、信頼性試験の条件を８５℃雰囲気５０ｍＡ通電から、８５℃雰囲気７０ｍＡ通電と、更に加速させた条件に変更した以外は同様の条件で発光素子の信頼性試験を行い、試験前後のＶｆ、試験後の残光率を評価した。その結果を表４に示す。

通電電流が実施例１−１８、比較例１−９の条件より過酷であったため、残光率の落ち込みが全体的に大きくなっているが、ｎ型ドーパントがｐ型ドーパントの８０／１００以下の実施例１９の発光素子では残光率の低下量が他の条件に比べて少ないことが判った。
また、Ｖｆ上昇の点から、ｎ型ドーパント量がｐ型ドーパントの８０／１００以下との条件を満たす必要があり、残光率改善の点でｎ型ドーパント量がｐ型ドーパントの２／１００以上との関係を満たす必要がある（上記表４においては実施例１９−実施例２４）ことが判った。
ｎ型ドーパントがｐ型ドーパントの２／１００未満の比較例１１の発光素子でも従来品（比較例１２）より改善傾向は確認できるが、改善傾向は顕著とはいえず、効果がほとんど見られないことが判った。

例示はしなかったが、試験条件を変更（環境温度の上昇もしくは通電電流の増加）しても、第１の実施形態、第３の実施形態のいずれの条件でも同様の傾向にあったことも確認できた。
従って、ｎ型ドーパントのドーピング量は、ｐ型ドーパントの２％以上８０％以下とする必要があることが判った。

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。

１０…発光素子、
１０１…ｎ型ＧａＰ基板、
１０２…ｎ型ＩｎＧａＰ緩衝層、
１０３…ｎ型ＡｌＧａＩｎＰ層（ｎ型層）、
１０４…ｎ型ＡｌＧａＩｎＰ層（ｎ型クラッド層）、
１０５…ＡｌＧａＩｎＰ活性層、
１０６…ｐ型ＡｌＧａＩｎＰ層（セットバック層）、
１０７…ｐ型ＡｌＧａＩｎＰ層（ｐ型クラッド層）、
１０８…ｐ型ＩｎＧａＰ緩衝層、
１０９…ｐ型ＧａＰ窓層（ｐ型ＧａＰ電流拡散層）、
１１０…ｐ型ドーパントの熱履歴前のプロファイル、
１１１…ｐ型ドーパントの熱履歴後のプロファイル、
１１２，２０１，２０２，２０３，２０４…ｎ型ドーパントのプロファイル、
１１３…ｐ型層領域、
１１４…ｎドープ領域。

Claims (9)

1. 少なくとも、ｎ型ＧａＰ基板上に、（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_ｙＩｎ_１−ｙＰ（０≦ｘ≦１．０，０．４≦ｙ≦０．６）からなる混晶により構成されたｎ型クラッド層、活性層、ｐ型クラッド層及びｐ型緩衝層と、ｐ型ＧａＰ電流拡散層とを有する発光素子であって、
   少なくとも前記ｐ型クラッド層、前記ｐ型緩衝層、前記ｐ型ＧａＰ電流拡散層からなるｐ型層領域内に、ｐ型ドーパントの１／５０以上８／１０以下の濃度のｎ型ドーパントがドープされたｎドープ領域を有することを特徴とする発光素子。
2. 前記ｎドープ領域は、１原子層以上の厚さの領域であることを特徴とする請求項１に記載の発光素子。
3. 前記ｎドープ領域は、デルタドーピングによって形成された１原子層未満の厚さの領域であることを特徴とする請求項１に記載の発光素子。
4. 前記ｎドープ領域が、前記ｐ型層領域内に複数存在す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。
5. 前記ｎドープ領域が、前記ｐ型層領域の全域に渡る領域であることを特徴とする請求項１に記載の発光素子。
6. 前記ｎドープ領域が、前記ｐ型クラッド層と前記ｐ型緩衝層の界面には設けられていない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。
7. 前記ｎドープ領域が、前記ｐ型クラッド層と前記ｐ型緩衝層の界面または前記ｐ型緩衝層と前記ｐ型ＧａＰ電流拡散層の界面のうち少なくとも一方に設けられたものであ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。
8. 前記ｐ型ＧａＰ電流拡散層は、前記ｐ型緩衝層から１０μｍ未満の距離ではＭｇ、Ｚｎの両方がドープされ、また１０μｍ以上の距離ではＺｎのみがドープされたものであることを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載の発光素子。
9. 前記ｐ型層領域中のｐ型ドーパントはＭｇ、Ｚｎのいずれか１つ以上であり、前記ｎドープ領域中のｎ型ドーパントはＳｉ、Ｓｅ、Ｔｅ、Ｃのいずれか１つ以上であることを特徴とする請求項１ないし請求項８のいずれか１項に記載の発光素子。

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