JP4320653B2 - 半導体発光素子 - Google Patents

Description

本発明は半導体発光素子に関わり、特に、透明導電膜を電流分散層に用いた高輝度半導体発光素子に関するものである。

従来、半導体発光素子である発光ダイオード（以下ＬＥＤと略す）は、近年、ＧａＮ系やＡｌＧａＩｎＰ系の高品質結晶をＭＯＶＰＥ法で成長できる様になったことから、青色、緑色、橙色、黄色、赤色の高輝度ＬＥＤが製作できる様になった。

しかし、高輝度を得るためには、ＬＥＤのチップ面内に均一に電流が注入される様、電流分散特性を良くする必要があり、例えばＡｌＧａＩｎＰ系のＬＥＤ素子では電流分散層の膜厚を５μｍ〜１０μｍ程度まで厚くする必要があった。このため、電流分散層の成長にかかる原料費用が多くなり、必然的にＬＥＤ素子の製造コストが高くなって、安価に製作する妨げとなっていた。

そこで、充分な透光性を有し、且つ良好な電流分散特性を得られる電気特性を有する膜としてＩＴＯ（錫添加酸化インジウム：Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ）や、ＺｎＯ（酸化亜鉛：Ｚｉｎｃ Ｏｘｉｄｅ）を電流分散層に用いる方法が提案されている（特許文献１参照）。またｐ型クラッド層上に直接ＩＴＯ膜を形成する方法も提案されている（特許文献２参照）。

このように、ＩＴＯ膜を電流分散層として用いることができれば、従来、電流分散層として半導体層を５μｍ〜１０μｍ程度まで厚くしていた方法を必要とせず、その分のエピタキシャル層が不要となる為、安価に高輝度のＬＥＤ素子、及びＬＥＤ素子用エピタキシャルウェハを製造できる様になる。
特開平８-８３９２７号公報 米国再発行特許発明第３５６６５号明細書

しかしながら、ＩＴＯ膜を窓層に用いた場合、半導体層と金属酸化物であるＩＴＯ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課題がある。すなわち、透明導電膜（透明電極）としてのＩＴＯ膜はｎ型半導体であり、一方、これと接する上側クラッド層はｐ型半導体である。従って、ＬＥＤに対して順方向の動作電圧を印加すると、透明導電膜（透明電極）とｐ型クラッド層との間は逆方向バイアス状態となることから、大電圧を印加しなければ電流が流れない。

この解決策として、薄膜の高キャリア濃度層（コンタクト層）をＩＴＯ膜と接する様に設け、トンネル接合により低電圧でＬＥＤを駆動させる方法がある（例えば特許文献２）。

しかし、このコンタクト層は、トンネル接合を目的とし且つ活性層で発光した光に対し吸収層として作用することから、高キャリア濃度層で且つ薄膜に形成する必要性があり、成長時の熱等により容易にドーパント拡散を起こすため、次の２つの弊害を招く。

第１に、ＬＥＤ素子の深さ方向にドーパントが濃度拡散し、ＬＥＤ素子の活性層にまで拡散すると活性層内の非発光再結合成分となり、出力低下を招く。

第２に、ｐ型ドーパントの拡散により、薄膜の高キャリア濃度層であるコンタクト層の実質的なキャリア濃度が低下してしまうことから、上述したトンネル接合が達成し難くなり、トンネル電圧が上昇し、ＬＥＤ素子の駆動電圧の上昇を招く。

また、ＺｎはＡｌＧａＩｎＰ系化合物半導体内のｐ型ドーパントとして広く用いられているものの、拡散定数が比較的大きく熱工程等による悪影響が生じることが知られている。その為、ドーパントとしてＺｎを用いてｐ型クラッド層のキャリア濃度を高くするとＺｎが活性層へ拡散し発光素子の特性が劣化する。更に、ｐ型不純物として、Ｚｎに比べ拡散定数が小さいＭｇを用いてｐ型クラッド層を高キャリア濃度化し、ｐ型コンタクト層のｐ型不純物に、１×１０¹⁹／ｃｍ³以上のキャリア濃度が比較的容易に得られ、且つ充分小さなコンタクト抵抗を得ることができるＺｎを用いた場合、ｐ型ドーパントであるＺｎとＭｇに相互拡散作用がある為、ドーパントの拡散による弊害が顕著に生じる。

ここでドーパントの添加の仕方には、Ｍｇ単一、Ｚｎ単一、Ｚｎ及びＭｇの組合せの３つがあるが、拡散量はこの順に大きい。つまり拡散量の大小関係は（Ｍｇ単一）＜（Ｚｎ単一）＜（Ｚｎ及びＭｇの組合せ）となっている。そこで、相互拡散の抑制方法としては、単一・単体でのドーパント添加が好ましいが、単一でのドーパント添加の場合、次の様な長所と短所がある。

先ず、Ｍｇ単一での添加では、コンタクト層を高キャリア濃度とすることが困難であり、例えばＩＴＯ膜とのトンネル接合を達成することが極めて難しい。しかしその一方で、ｐ型クラッド層等からの活性層へのＭｇの拡散は極めて少なく、素子ライフの長い、安定したＬＥＤ素子を得られるというメリットがある。

次にＺｎ単一での添加の場合、前述したＭｇ単一での添加の場合と比べ、全く逆な関係にあり、ＩＴＯ膜とのトンネル接合は比較的容易に得ることができる。即ちコンタクト層の高キャリア濃度化が比較的容易なのである。しかし、他方で、ｐ型クラッド層等からの活性層へのＺｎの拡散が比較的多く発生し、Ｍｇ単一での添加の時と比べてＬＥＤ素子の素子ライフが低くなってしまう。また、Ｚｎの場合、ＡｌＧａＩｎＰ系の材料に対し、高キャリア濃度の結晶を得ることがＭｇと比較して困難であることから設定でき得るキャリア濃度の範囲に制限があり、高輝度のＬＥＤ素子を得難いという課題もある。

これに対し、ＺｎとＭｇの組合せによるドーパント添加を行ったＬＥＤ素子では、次の様な構成を採ることにより、ある程度好適なＬＥＤ素子が得られる。先ず、コンタクト層のドーパントにはＺｎを用い、これによりＩＴＯ膜とのトンネル接合を得る。次に緩衝層やｐ型クラッド層といったコンタクト層以外のｐ型半導体層に対してはＭｇを用い、高キャリア濃度のｐ型半導体層を得、高輝度のＬＥＤ素子を得る。

しかし、当該ＺｎとＭｇの組合せで用いるケースにおける唯一の問題として、上述したＺｎとＭｇの相互拡散の問題があり、これによる素子ライフの低下を抑制する必要があった。

一方で、緩衝層を設けずにｐ型クラッド層上に直接コンタクト層を設け、その上にＩＴＯ膜を設ける方法（例えば特許文献２）があるが、この様な構造を採る場合、ｐ型クラッド層の膜厚が薄いためドーパント拡散が活性層まで到達し易く、上記同様に素子ライフが低下し易くなる。更には、ｐ型クラッド層の膜厚が薄いためワイヤボンディング時のダメージにより、素子が壊れ易い。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、高輝度且つ低駆動電圧であることに加え、経時的な発光出力の低下、及び駆動電圧の上昇を抑制することが可能な半導体発光素子を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明は、次のように構成したものである。

請求項１の発明に係る半導体発光素子は、基板上に、少なくともｎ型クラッド層、活性層、ｐ型クラッド層から成る発光部が形成され、前記発光部の上部にｐ型ドーパント濃度が１×１０¹⁹／ｃｍ³以上であり、且つ、前記ｐ型クラッド層に添加されるドーパントとは異なる材料のドーパントが添加されて成る薄膜のＡｓ系ｐ型コンタクト層が形成され、前記ｐ型コンタクト層の上部に金属酸化物材料から成る電流分散層が形成された半導体発光素子において、前記ｐ型クラッド層と前記ｐ型コンタクト層との間に、ｐ型の導電性であると共に故意的若しくは不可避的にＨ（水素）が含まれ、且つ、膜厚がＬ＝６．８６９×１０⁻¹⁵×Ｎ^0.788 の関係式［ただし、ＮはＨ濃度（単位：ｃｍ^−３）、Ｌは前記ｐ型コンタクト層に添加されたドーパントの拡散長（単位：μｍ）である］で求められる前記拡散長Ｌ以上であるIII／Ｖ族半導体で構成された緩衝層を有することを特徴とする。

ここで「故意的」に含まれとは、積極的又は意図的に添加（ドーピング）をすることであり、また「不可避的」に含まれとは、そのような積極的、意図的、若しくは故意的な添加（ドーピング）をしないにも拘わらず、結晶に自然にＨ（水素）が混入する不可避な現象を指す。更に、本明細書中において使用する「アンドープ」や「無添加」、「添加しない」といった表現は、積極的、意図的、若しくは故意的な添加（ドーピング）をしないことを意味するものであり、結晶に自然にＨ（水素）やＣ（炭素）等の不純物が不可避的に混入する現象までも指し示したものではない。

請求項２の発明は、請求項１に記載の半導体発光素子において、前記ｐ型クラッド層のドーパントがＭｇであり、更に、前記ｐ型コンタクト層のドーパントがＺｎであることを特徴とする。

請求項３の発明は、請求項１又は２に記載の半導体発光素子において、前記ｐ型コンタクト層を構成する材料がＡｌ_xＧａ_1−xＡｓ（但し、０≦Ｘ≦０．４）であることを特徴とする。

１．０×１０¹⁹／ｃｍ³以上の高キャリア濃度のコンタクト層を安定して実現できる半導体材料には限りがあり、半導体材料としては、ＺｎドープのＡｌ_xＧａ_1−xＡｓ（０≦Ｘ≦０．４）が最適である。ただし、上記ＡｌＧａＡｓは発光波長に対して透明でない為、３０ｎｍ程度以下の薄膜で形成する必要性がある。

請求項４の発明は、請求項１〜３のいずれかに記載の半導体発光素子において、 前記緩衝層はＡｌ_xＧａ_1−xＡｓ（但し、０．４≦Ｘ≦１）であることを特徴とする。

請求項５の発明は、請求項１〜４のいずれかに記載の半導体発光素子において、前記電流分散層をＩＴＯ（錫添加酸化インジウム）、ＳｎＯ₂（酸化錫）、ＡＴＯ（アンチモン添加酸化錫）、Ｉｎ₂Ｏ₃（酸化インジウム）、ＺｎＯ（酸化亜鉛）、ＧＺＯ（ガリウム添加酸化亜鉛）、ＢＺＯ（硼素添加酸化亜鉛）、ＡＺＯ（アルミニウム添加酸化亜鉛）、ＣｄＯ（酸化カドミウム）、ＣＴＯ（錫添加酸化カドミウム）、ＩＺＯ（インジウム添加酸化亜鉛）の内、いずれかの金属酸化物材料を少なくとも１種以上用いて形成することを特徴とする。

請求項６の発明は、請求項１〜５のいずれかに記載の半導体発光素子において、前記電流分散層の膜厚が、ｄ＝Ａ×λｐ／（４×ｎ）の計算式［ただし、Ａは定数（１又は３）、λｐは波長（単位：ｎｍ）、ｎは屈折率である］により求まるｄの±３０％の範囲にあることを特徴とする。

請求項７の発明は、請求項１〜６のいずれかに記載の半導体発光素子において、前記発光部を構成する材料が（Ａｌ_xＧａ_1−x）_yＩｎ_1−yＰ（但し、０≦Ｘ≦１、０．４≦Ｙ≦０．６）であり、更に前記ｐ型クラッド層、及び前記ｎ型クラッド層に含まれるＡｌ（アルミニウム）の含有率は前記活性層に含まれるＡｌの含有率よりも高いことを特徴とする。

請求項８の発明は、請求項１〜７のいずれかに記載の半導体発光素子において、前記電流分散層のキャリア濃度が７×１０²⁰／ｃｍ³以上有することを特徴とする。

請求項９の発明は、請求項１〜８のいずれかに記載の半導体発光素子において、前記ｐ型コンタクト層の膜厚が１ｎｍ以上３０ｎｍ以下の範囲にあることを特徴とする。

請求項１０の発明は、請求項１〜９のいずれかに記載の半導体発光素子において、前記基板と前記ｎ型クラッド層の間に高屈折率材料と低屈折率材料から成る屈折率の異なった２種の半導体層を１つのペアとし、そのペア数が１０ペア以上３０ペア以下である光反射層を形成することを特徴とする。

請求項１１の発明は、請求項１〜１０のいずれかに記載の半導体発光素子において、前記光反射層を構成する主たる材料が、Ａｌ_xＧａ_1−xＡｓ（但し、０．４≦Ｘ≦１）、若しくは（Ａｌ_xＧａ_1−x）_yＩｎ_1−yＰ（但し、０≦Ｘ≦１、０．４≦Ｙ≦０．６）、又はこれらを組合せて成ることを特徴とする。

請求項１２の発明は、請求項１〜１１のいずれかに記載の半導体発光素子において、前記活性層を、バンドギャップの狭い発光層と前記発光層よりも広いバンドギャップを有する障壁層によって成る構造とし、これを複数層積層したことを特徴とする。

請求項１３の発明は、請求項１２に記載の半導体発光素子において、前記活性層は、当該活性層に含まれる前記発光層の膜厚が９ｎｍ以下の薄膜から成る量子井戸構造、又は、前記発光層の結晶格子定数が前記ｎ型クラッド層若しくはｐ型クラッド層の格子定数と異なる、歪量子井戸構造であることを特徴とする。

請求項１４の発明は、請求項１〜１３に記載の半導体発光素子において、前記ｐ型クラッド層に含まれるＭｇ濃度が１×１０¹⁷／ｃｍ³以上、５×１０¹⁸／ｃｍ³以下の範囲にあり、且つ前記の範囲に設定されたｐ型クラッド層は当該層の全て若しくは少なくとも一部を占めることを特徴とする。

Ｍｇ濃度が１×１０¹⁷／ｃｍ³を下回ると、当該ｐ型クラッド層のキャリア濃度が低くなり過ぎてキャリア供給層として十分な効果を発揮することが難しくなる。また、５×１０¹⁸／ｃｍ³を越える過剰なＭｇの添加を行うと、ｐ型クラッド層にＭｇの濃度にほぼ依存した結晶欠陥を発生させ、ドーパントの拡散を助長すると共にＬＥＤの内部量子効率の低下につながり、総じて、ＬＥＤ素子の発光出力を低下させる。

請求項１５の発明は、請求項１〜１４のいずれかに記載の半導体発光素子において、前記基板にＧａＡｓ、Ｇｅ又はＳｉのいずれかの半導体材料、若しくは前記Ｓｉの有する熱伝導率よりも熱伝導率の高い金属材料を用いることを特徴とする。

請求項１６の発明は、請求項１〜１５のいずれかに記載の半導体発光素子において、前記活性層と前記ｐ型クラッド層との間に、ドーパントが添加されていない半導体層、前記ｐ型クラッド層よりも添加されたｐ型のドーパント濃度が低い半導体層、若しくはｎ型のドーパントとｐ型のドーパントが同時に添加され擬似的に中性な状態の半導体層の内のいずれか、又はこれらを組合せた半導体層からなる拡散防止層が、３００ｎｍ以下の範囲で設けられていることを特徴とする。

請求項１７の発明は、請求項１〜１６のいずれかに記載の半導体発光素子において、前記活性層と前記ｎ型クラッド層との間に、ドーパントが添加されていない半導体層、前記ｎ型クラッド層よりも添加されたｎ型のドーパント濃度が低い半導体層、若しくはｎ型のドーパントとｐ型のドーパントが同時に添加され擬似的に中性な状態の半導体層の内のいずれか、又はこれらを組合せた半導体層からなる拡散防止層が、２００ｎｍ以下の範囲で設けられていることを特徴とする。

本発明では、緩衝層に故意的若しくは不可避的にＨ（水素）を含ませ、そのＨ濃度値によってＺｎの拡散長を設定可能としたので、Ｚｎの拡散長が緩衝層の膜厚の範囲内に収まるように設定することができる。

発明によれば、ｐ型コンタクト層、及びそれ以外のｐ型半導体層からのドーパントの相互拡散を効果的に抑制し、高出力、低動作電圧なＬＥＤ素子を作製できると共に、経時的な発光出力の低下や、駆動電圧の上昇を抑制することが可能なＬＥＤ素子を作製することができる。

以下、本発明を図示の実施の形態に基づいて説明する。

図１に本実施形態に係る発光ダイオードの構成を示す。この発光ダイオードは、半導体基板であるｎ型ＧａＡｓ基板１上に、ｎ型ＧａＡｓバッファ層２が形成され、更にｎ型ＧａＡｓバッファ層２上にｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層（単にｎ型クラッド層ともいう）３、アンドープＡｌＧａＩｎＰ活性層（単に活性層ともいう）４及びｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層（単にｐ型クラッド層ともいう）５が順次に結晶成長されて発光部が構成されている。更にｐ型クラッド層５上に、高濃度にｐ型ドーパントが添加されたＡｓ系のｐ型ＡｌＧａＡｓコンタクト層（単にｐ型コンタクト層ともいう）７が積層されている。更にｐ型コンタクト層７上に、金属酸化物材料から成る電流分散層として、透明導電膜であるＩＴＯ膜（電流分散層）８が積層され、ＩＴＯ膜８の表面側に表面電極９が、またｎ型ＧａＡｓ基板１の裏面側に裏面電極１０が形成されている。

上記ｐ型コンタクト層７はＡｌ_xＧａ_1−xＡｓ（但し、０≦Ｘ≦０．４）からなり、膜厚は１ｎｍ以上３０ｎｍ以下であり、ｐ型ドーパントとしてのＺｎが、キャリア濃度１×１０¹⁹／ｃｍ³以上という高濃度に添加されている。

電流分散層であるＩＴＯ膜８の膜厚は、ｄ＝Ａ×λｐ／（４×ｎ）の計算式［ただし、Ａは定数（１又は３）、λｐは波長（単位：ｎｍ）、ｎは屈折率である］により求まるｄの±３０％の範囲にある。この電流分散層であるＩＴＯ膜８は真空蒸着法か又はスパッタ法によって形成され、成膜直後の状態で７×１０²⁰／ｃｍ³以上のキャリア濃度を有する。

そして、この発光ダイオードの特徴として、上記ｐ型コンタクト層７と上記ｐ型クラッド層５との間に、ｐ型ドーパントとしてＭｇが添加されたIII／Ｖ族半導体で構成したｐ型の緩衝層６を形成する。

このｐ型緩衝層６は、具体的には発光波長に対し光学的に透明で、発光部を構成するＡｌＧａＩｎＰ系材料に対して格子整合するＡｌ_xＧａ_1−xＡｓ（０．４≦Ｘ≦１）から成る。また、当該ｐ型緩衝層６は、その膜厚ｔが、コンタクト層７に添加されたＺｎの拡散長以上となっている。

上記緩衝層６は、高Ａｌ組成のＡｌＧａＡｓ層であり、ＡｌＧａＩｎＰ系材料によって構成されるＬＥＤ素子の発光波長に対し、光学的に透明であって、尚且つＡｌＧａＩｎＰなどの４元系材料と比べて結晶成長が容易で、更には発光部を構成するＡｌＧａＩｎＰ系材料との格子整合性がほぼ一致することから、ＬＥＤ素子の動作電圧を低くすることが可能な材料である。

コンタクト層７に添加されたＺｎの拡散長は、図２に示すように、ｐ型緩衝層６中に含まれるＨ（水素）の濃度と相関があり、
Ｌ＝６．８６９×１０⁻¹⁵×Ｎ^0.788
の関係式［ただし、ＮはＨ濃度（単位：ｃｍ⁻³）、Ｌは前記ｐ型コンタクト層に添加されたドーパントの拡散長（単位：μｍ）である］で表される。

そこで、本発明の実施形態では、ｐ型緩衝層６の膜厚ｔが、上記の関係式又は図２の曲線から求められるＺｎ拡散長Ｌに対し、それ以上の膜厚となるように、ｐ型緩衝層６中のＨ濃度を設定している。このＨ濃度の設定は、例えば緩衝層６成長時のＶ／III比或いはＡｌ組成といったパラメータにて綿密に制御する。

具体例として、膜厚が５μｍのｐ型緩衝層６の場合、例えば、ｐ型緩衝層６中のＨ濃度を３×１０¹⁸／ｃｍ³に設定する。こうすることで、上記の式又は図２の曲線から求められるところの、コンタクト層７に添加されたＺｎの拡散長は約２．５μｍ程度となり、ｐ型緩衝層６の膜厚以内に収まる。この結果、ｐ型コンタクト層７のＺｎの拡散を抑制し、また、これに伴いｐ型コンタクト層７のＺｎとそれ以外のｐ型半導体層５，６からのドーパントＭｇの相互拡散を効果的に抑制することができる。

本発明者等は鋭意研究を行った結果、上記コンタクト層７に含まれるＺｎと、上記ｐ型クラッド層５及びｐ型緩衝層６に含まれるＭｇとの相互拡散反応は、上記緩衝層６に含まれるＨ濃度と極めて密接な関係にあることを見出し、また、その現象は特にその材料が高Ａｌ組成のＡｌＧａＡｓ層である場合に顕著であることも見出した。従って、かかる材料からなる緩衝層６のＨ濃度を緩衝層６成長時のＶ／III比、或いはＡｌ組成といったパラメータを綿密に制御することで、Ｚｎ及びＭｇの相互拡散距離を御し、長寿命なＬＥＤ素子を得る為に必要な緩衝層６の膜厚を、好適に適宜設定できる。

なお、上記実施形態において、ｎ型ＧａＡｓ基板１とｎ型クラッド層３との間、例えば、ｎ型ＧａＡｓバッファ層２とｎ型クラッド層３の間に、高屈折率材料と低屈折率材料から成る屈折率の異なった２種の半導体層を１つのペアとし、そのペア数が１０ペア以上３０ペア以下である光反射層を形成するようにしてもよい。
また、上記実施形態において、活性層４とｐ型クラッド層５との間や、活性層４とｎ型クラッド層３との間に、ドーパントが添加されていない半導体層、ｐ型クラッド層５よりも添加されたドーパント濃度が低い半導体層、若しくはｎ型のドーパントとｐ型のドーパントが同時に添加され擬似的に中性な状態の半導体層の内のいずれか、又はそれらの組合せによって構成される拡散防止層を設けるようにしてもよい。拡散防止層の膜厚は、活性層４とｐ型クラッド層５との間に介入させる場合、３００ｎｍ以下とすることが望ましい。また、活性層４とｎ型クラッド層３との間に拡散防止層を設ける場合には、その膜厚は２００ｎｍ以下とすることが望ましい。

次に、上述した実施形態の発光ダイオード構造を採用した根拠について、詳述する。

第１に、本発明で示されたＡｌＧａＡｓ系緩衝層６の膜厚の設定に関しては、大前提としてコンタクト層７に添加されたＺｎとそれ以外のｐ型半導体層５，６に添加されたＭｇにより生ずる相互拡散によって、上記の不純物が活性層４に混入することを未然に防止でき得る膜厚設定とすることが、高寿命、高信頼性のＬＥＤ素子を得る為に肝要である。

その時のＺｎ及びＭｇの相互拡散作用は、上記緩衝層６に含まれるＨの濃度と密接な関係にあり、本発明者等は、上記不純物らの拡散長（拡散距離）が緩衝層６に含まれるＨ濃度によって制御し得ることを見出している。それは例えば図２に示した、ＡｌＧａＡｓ緩衝層６中のＨ濃度とＺｎの拡散長の関係を示した実験結果から知ることができる。そして、これらの結果を基として、コンタクト層７に添加されたＺｎの拡散長は、Ｌ＝６．８６９×１０⁻¹⁵×Ｎ^0.788 の関係式［ただし、ＮはＨ濃度（単位：ｃｍ^−３）、Ｌは前記ｐ型コンタクト層７に添加されたドーパントの拡散長（単位：μｍ）である］で求めることができ、本発明では、上記関係式によって求められるＺｎの拡散長Ｌ以上の膜厚ｔを有するＡｌＧａＡｓ緩衝層６を設けることによって、初期特性及び信頼性の両面において良好な特性を有するＬＥＤ素子を得ることができるのである。

因みに、当該緩衝層６の膜厚値ｔに対して、特に上限を定める必要性は無いのであるが、例えば、上記の理由によって求められた好適な膜厚よりも更に膜厚を厚くした場合、次の様なことが言える。

ＬＥＤ素子の電流分散特性はコンタクト層７上に設けられた金属酸化物から成る電流分散層８、例えばＩＴＯやＺｎＯ系透明導電膜によって、十分な効果が期待できる。その為、緩衝層６自体には、電流分散特性は特に求めるものではない。仮に、１０μｍ程度の好適形態以上の膜厚を有する緩衝層６を設けたとしても、前述した電流分散層８によって得られる電流分散効果が支配的であり、ＬＥＤ素子としての飛躍的な出力向上は望めない。むしろ、ＬＥＤ素子の製造にかかるコストが高くなり、ＬＥＤ素子の原価を上げてしまうというデメリットが生ずるものである。従って、上記緩衝層６の膜厚は、上述した好適形態を満たす程度に留めることが生産上好ましいと言える。

第２に、金属酸化物から成る電流分散層、例えばＩＴＯ膜８と接するオーミックコンタクト７層は、極めて高濃度にドーパントが添加されている必要性があり、つまりは極めて高いキャリア濃度を有している必要があるのである。

具体的には、Ｚｎ（亜鉛）が添加されたコンタクト層７の場合、その結晶材料はＡｌ混晶比が０から０．４まで、即ちＧａＡｓ〜Ａｌ_０．４ＧａＡｓであることが望ましく、そのキャリア濃度は１×１０¹⁹／ｃｍ³以上が好適であり、これは高ければ高い程好ましい。

ＩＴＯ膜８は基本的にｎ型の半導体材料に属し、また、ＬＥＤ素子は一般的にｐサイドアップで作製されることが多い。この為、ＩＴＯ膜８を電流分散層に応用したＬＥＤ素子は当然の如く、導電型が基板の側からｎ／ｐ／ｎ接合となってしまう。この為にＬＥＤ素子ではＩＴＯ膜８とｐ型半導体層との界面に大きな電位障壁が生じ、通常は非常に動作電圧の高いＬＥＤとなってしまう。

この問題を解消する為に、ｐ型半導体層には非常に高いキャリア濃度が求められるのである。また、前述したコンタクト層７のバンドギャップ（禁制帯幅）が狭い理由は、一般的に狭バンドギャップ材料の方が高キャリア化が容易であることに強く依存する。更に、上記コンタクト層７の高キャリア化と関係して、コンタクト層７と接する電流分散層、例えばＩＴＯ膜８のキャリア濃度も、トンネル電圧を低減するには重要である。それは、上記コンタクト層７と同様の理由から、７×１０²⁰／ｃｍ³以上のキャリア濃度を有していることが好ましい。

また、７×１０²⁰／ｃｍ³以上のキャリア濃度を有する透明導電膜（本発明では電流分散層８）の形成方法としては、真空蒸着法か、若しくはスパッタ法が挙げられる。特にスパッタ法では、ＤＣスパッタ法にＲＦを重畳した手法によって作製すると、極めて高キャリア濃度な透明導電膜が得られることが知られている。その他の形成手法としては、ＭＯＤ（Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｄｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ）溶液を用いた塗布法やスプレー熱分解法などが挙げられるが、これらの方法では高キャリア濃度の透明導電膜が得難く、また、形成の仮定でエピタキシャルウェハに与える熱によって悪影響が生ずる場合があり、この面からも好ましくない。

第３に、上記コンタクト層７の膜厚は１ｎｍから３０ｎｍの範囲にあることが好ましい。何故ならば上記コンタクト層７は、何れも活性層４で発光した光に対し、少なからずとも吸収を起こしてしまう為、膜厚が厚くなるに連れ、発光出力が低下してしまうということになる。これらのコンタクト層７の膜厚とＬＥＤ素子の発光波長における透過率との関係を図６に示す。

同図に依ればコンタクト層７の膜厚に依存して発光波長における可視光線の透過率が低下している。即ち、高出力のＬＥＤ素子を得るといった面からコンタクト層７の膜厚の上限値は３０ｎｍとすることが好ましい。また、コンタクト層７の膜厚が１ｎｍ未満、つまり数オングストローム（Å）程度の膜厚になってくると、ＩＴＯ膜８とコンタクト層７との間でのトンネル接合が難しくなってくる為、低動作電圧化、動作電圧の安定化が困難になる。従って、ＩＴＯ膜８と接するコンタクト層７の膜厚は１ｎｍから３０ｎｍが好ましい。

第４に、金属酸化物から成る電流分散層８の膜厚は、ｄ＝Ａ×λｐ／（４×ｎ）の計算式［ただし、Ａは定数（１又は３）、λｐは波長（単位：ｎｍ）、ｎは屈折率である］から求まるｄの±３０％の範囲にある。尚、上記計算式の波長λｐとは、ＬＥＤ素子の発光ピーク波長のことを指す。

ＬＥＤ用エピタキシャルウェハ上に形成される電流分散層として例えばＩＴＯ膜８は、半導体層と空気層とのおよそ中間の屈折率を有し、光学的に反射防止膜としての機能を有する。その為、ＬＥＤの光取り出し効率を向上させ、より出力の高いＬＥＤ素子を得るには、上記の計算式に則った膜厚とすることが好ましい。しかし、ＩＴＯ膜８は当然のことながら厚くすればする程、透過率が悪くなる傾向にある。ＩＴＯ膜８の透過率が低下すると活性層４より放射される光がＩＴＯ膜８によって吸収される割合が増加する為、結果として発光出力が低下する。更に、上記電流分散層８の膜厚が増加するに連れ、当該層８の中での光の干渉が増え、光取出し効率の高い波長領域が狭くなってしまう。これらについて、ＧａＡｓ基板１上にＩＴＯ膜８を適宜形成し、その試料に対し垂直に光を入射して、この時の反射光のスペクトルを測定した結果を図７に示す。

即ち、これらの理由によって、より好ましい電流分散層８の膜厚ｄは、上記の計算式にあり、尚且つ定数Ａは１、又は３である方が良い。最も好適な例としては、定数Ａは１である。また、ＬＥＤ用エピタキシャルウェハ上に形成される電流分散層、例えばＩＴＯ膜８の膜厚は、上記の計算式により求まる値ｄの±３０％以内の範囲にあれば良い。これは、反射防止膜として光学的に反射率の低い波長帯域、つまり、光取出し効率の高い波長帯域は、ある程度の幅を有するからである。例えば反射防止膜として、ＩＴＯ膜８の形成されたＬＥＤ用エピタキシャルウェハに対して垂直に光を入射した時の反射率が、１５％以下となる膜厚の許容値は、上記計算式より求まるｄの±３０％の範囲にある。膜厚がｄの±３０％の範囲を超えると、反射防止膜としての効果は小さくなり、ＬＥＤ素子の発光出力が相対的に低下してしまう。

第５に、活性層４に隣接する様に設けられる拡散防止層の膜厚は、活性層４とｐ型クラッド層５との間に介入させる場合、３００ｎｍ以下とし、また、活性層４とｎ型クラッド層３との間に介入させる場合、２００ｎｍ以下とすることが望ましいが、これら膜厚値の上限に対する根拠は次の通りである。

先ず、本発明の意図する所に依れば、上記緩衝層６に含まれるＨ（水素）濃度と当該層６の膜厚を適宜設定することによって、ｐ型ドーパントであるＺｎ及びＭｇの相互拡散作用は好適に抑止され、活性層４に拡散し多量に混入する様なことは無い。しかしながら、緩衝層６の膜厚値の設定が殆ど安全マージンを持たぬよう設定された場合、又はエピタキシャル成長の過程におけるドーパント濃度の誤差や膜厚値の誤差によっては、活性層４へのドーパントの混入が起こり得る可能性がある。こういった場合において、緩衝層６に含まれるＨ濃度と緩衝層６の膜厚を適宜設定する他に、上記活性層４と上記ｐ型クラッド層５との間に前述した様な拡散防止層を設ける施策を講じることでＬＥＤ素子の寿命、及び安定性を向上させることができる。しかしながら、その拡散防止層は単純に厚ければ良いわけでは無く、その膜厚値には上記した値の上限を有する。即ち、拡散防止層の膜厚が厚すぎると、上記ｐ型クラッド層５からのキャリア（この場合は正孔）の注入が効率良く行われず、ＬＥＤ素子の順方向電圧が上昇するなど、ＬＥＤ素子に求められる特性を悪化させる原因に成り得るのである。よって好適な例としては、上記活性層４と上記ｐ型クラッド層５との間に設けられる拡散防止層の膜厚は３００ｎｍ以下の範囲にあり、より好適な場合は２００ｎｍ以下であると言える。

次に、前述したｐ型クラッド層５側に設ける拡散防止層の場合と同じ理由で、上記ｎ型クラッド層３に添加されるｎ型のドーパントも少なからず活性層４へ拡散することがある。また、拡散距離は短くとも、ｎ型クラッド層３の成長、活性層４の成長過程において、上記ｎ型クラッド層３に添加したｎ型ドーパントが所謂メモリー効果によって活性層４に混入する場合もある。これらの不純物混入により、ｐ型ドーパントの拡散の場合と同様にＬＥＤ素子の発光出力は低下してしまう。こういった問題を好適に解決する手段として、上記活性層４と上記ｎ型クラッド層３との間に拡散防止層を設けることが望ましいのである。その場合の拡散防止層の上限は２００ｎｍ以下の範囲にあることが好適であり、その根拠は上記ｐ型クラッド層５側に設けた拡散防止層の場合と同じである。よって、より好ましい膜厚は１００ｎｍ以下であると言える。

第６に、光反射層の総積層数、所謂ペア数は１０ペアから３０ペア程度の範囲にあることが好ましい。その下限に対する根拠は、光反射層として十分な反射率を有する為に必要なペア数に依存しており、それは凡そ１０ペア以上である。これらの光反射層の積層ペア数と垂直反射率との関係を図８に示す。

次に上記したペア数の上限に対する根拠は次の通りである。光反射層は無限に厚く積む程反射率が上昇したり、ＬＥＤ素子の発光出力が上昇するものでは無い。図８に示した通り、光反射層の反射率は凡そ２０数ペアを越える辺りからほぼ完全に飽和傾向を示し、３０ペアを越える辺りでは完全に飽和する。従って、有効な反射率を得ることのできるペア数にはある程度以上のものが必要であり、更にＬＥＤ素子、及びＬＥＤ用エピタキシャルウェハを安価に、且つ効率良く製造する観点では、光反射層のペア数に上限があるのである。即ちそれは、前述した１０ペア以上、３０ペア以下であり、より好適な範囲としては、１５ペア以上、２５ペア以下にあることが上記の理由によって選択されるものである。尚、上記の光反射層を構成する好適な材料としては、Ａｌ_xＧａ_1-xＡｓ（但し、０．４≦Ｘ≦１）、又は（Ａｌ_xＧａ_1-x）_yＩｎ_1-yＰ（但し、０≦Ｘ≦１、０．４≦Ｙ≦０．６）が挙げられる。これらの材料を選択する理由は、ＧａＡｓ基板１にほぼ格子整合する材料の内、ＬＥＤ素子から発光し、放出される光の波長に対し、光学的に透明であることに強く依存する。既知の通り、光反射層であるＤＢＲは構成される２種の材料の屈折率差が大きい方が光の反射波長帯域が広く、且つ反射率が高い。よって、選択される材料として好適なのは、上記の材料の中から選定されるべきなのである。

第７に、緩衝層６を構成するＡｌＧａＡｓは、Ａｌ_xＧａ_1-xＡｓ（但し、０．４≦Ｘ≦１）であることが好ましい。左記の範囲に定める理由は、緩衝層６はＬＥＤ素子において光が射出される面、つまりＬＥＤ素子表面側に位置する為、光学的にＬＥＤから放出される光に対して透明であることが発光出力の面で有利となるからである。仮に、上記の組成式から外れたＡｌＧａＡｓ層で形成した場合においても本発明の効果に支障は無いが、高出力のＬＥＤ素子を得るという観点から好ましくない。

第８に、上記ｐ型クラッド層５に含まれるＭｇの濃度は１×１０¹⁷／ｃｍ³から５×１０¹⁸／ｃｍ³の範囲にあることが好ましい。下限を定める理由は、上記の下限よりもＭｇ濃度が下回ると当該層５のキャリア濃度が低くなり過ぎ、キャリア供給層として十分な効果を発揮することが難しくなり、ひいてはＬＥＤ素子の発光出力低下につながることがある。また、上限に対しては、過剰なＭｇの添加を行うとｐ型クラッド層５にＭｇの濃度にほぼ依存した結晶欠陥を発生させ、ドーパントの拡散を助長すると共にＬＥＤの内部量子効率の低下につながり、総じて、ＬＥＤ素子の発光出力を低下させる原因となるからである。

実施例１として、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エハを作製した。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。

ドーパントがＳｉであるｎ型のＧａＡｓ基板１上に、ＭＯＶＰＥ法で、ｎ型（Ｓｉドープ）ＧａＡｓバッファ層２（膜厚２００ｎｍ、キャリア濃度１×１０¹⁸／ｃｍ³）、ｎ型（Ｓｉドープ）（Ａｌ_0.7Ｇａ_0.3）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐクラッド層３（膜厚４００ｎｍ、キャリア濃度１×１０¹⁸／ｃｍ³）、アンドープ（Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ活性層４（膜厚６００ｎｍ）、ｐ型（Ｍｇドープ）（Ａｌ_0.7Ｇａ_0.3）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐクラッド層５（膜厚４００ｎｍ、キャリア濃度１．２×１０¹⁸／ｃｍ³）、ｐ型（Ｍｇドープ）Ａｌ_0.85Ｇａ_0.15Ａｓ緩衝層６（膜厚５μｍ、キャリア濃度２×１０¹⁸／ｃｍ³）、ｐ型（Ｚｎドープ）Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ａｓコンタクト層７（膜厚３ｎｍ、キャリア濃度７．７×１０¹⁹／ｃｍ³）を、順次積層成長させた。

ＭＯＶＰＥ成長での成長温度は、上記ｎ型ＧａＡｓバッファ層２から上記ｐ型緩衝層６までを６５０℃とし、上記ｐ型コンタクト層７は５５０℃で成長した。その他の成長条件は、成長圧力約６６６６Ｐａ（５０Ｔｏｒｒ）、各層の成長速度は０．３〜１．１ｎｍ／ｓｅｃ、Ｖ／III比は約１５０で行った。但し、ｐ型コンタクト層７のＶ／III比は１１とした。また、緩衝層６は、Ａｌ組成が約０．８〜０．９前後のＡｌＧａＡｓであり、尚且つ、緩衝層６に含まれるＨ（水素）の濃度が凡そ３×１０¹⁸／ｃｍ³となる様に成長時のＶ／III比を設定した（この時のＶ／III比は凡そ５０となる）。因みに、ここで言う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ＡｓＨ₃ 、ＰＨ₃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は、例えばＧａの場合、トリメチルガリウム（ＴＭＧａ）、又はトリエチルガリウム（ＴＥＧａ）、Ａｌの場合、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）、Ｉｎの場合はトリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）等の有機金属を用い、その他Ａｓ源としてはアルシン（ＡｓＨ₃）、Ｐ源としてはホスフィン（ＰＨ₃）等の、水素化物ガスを用いた。例えば、上記ｎ型ＧａＡｓバッファ層２の様なｎ型層の添加物原料としては、ジシラン（Ｓｉ₂Ｈ₆）を用いた。また、上記ｐ型クラッド層５、上記ｐ型緩衝層６の様な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（Ｃｐ₂Ｍｇ）を用いた。しかし、ｐ型コンタクト層７のみはジエチルジンク（ＤＥＺｎ）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（Ｈ₂Ｓｅ）、モノシラン（ＳｉＨ₄）、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。その他に、Ｚｎの供給源としてはジメチルジンク（ＤＭＺｎ）を用いることもできる。

次に、このＬＥＤ用エピタキシャルウェハをＭＯＣＶＤ装置から搬出した後、当該ウェハの表面、つまりｐ型コンタクト層７の表面側へ、真空蒸着法によって膜厚約８０ｎｍのＩＴＯ膜８を形成した。本構造では、このＩＴＯ膜８が電流分散層となる。

この時、ＩＴＯ蒸着作業の同一バッチ内にセットした評価用のガラス基板を取出し、Ｈａｌｌ測定が可能なサイズに切断した後、ＩＴＯ膜単体の電気特性を評価した。その結果、キャリア濃度１．１５×１０²¹／ｃｍ³、移動度１６．３ｃｍ²／Ｖｓ、抵抗率３．３２×１０⁻⁴Ω・ｃｍであった。

そして、このエピタキシャルウエハの上面に、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機材と周知の方法を用いて、直径約１２０μｍの円形の表面電極９を、ドットマトリックス状に真空蒸着法で形成した。この時、蒸着後の電極形成にはリフトオフ法を用いた。上記表面電極９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１０を同じく真空蒸着法によって形成した。上記裏面電極１０は、ＡｕＧｅ（金・ゲルマニウム合金、ゲルマニウム含有率７．４％）、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４４０℃に加熱し、５分間熱処理することで行った。

その後、上記の様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円形の表面電極９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。更に上記ＬＥＤベアチップをＴＯ-１８ステム上にＡｇペーストを介してマウント（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。

この様にして作製された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１．０１ｍＷ、動作電圧１．８４２Ｖという初期特性を有するＬＥＤ素子を得ることができた。

更に、当該ＬＥＤ素子を常温（約２３℃）、常湿（約４０％）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、試験前との相対比較値は、出力１０２．２％（通電前発光出力を１００％とする。以後、相対出力と略す）、動作電圧１．８４３Ｖ（約０．１％増）となっていた。

また、ＬＥＤ素子作製直後の状態と、ＬＥＤ素子作製後に上記の条件で通電試験を行った後の状態のＬＥＤ素子のＳＩＭＳ分析を行った。この時の通電試験後のＳＩＭＳ分析結果を図１２に示す（尚、図１２に示したＬＥＤ素子の試料はＳＩＭＳ分析の測定分解能を向上させる為、表面より数μｍ分を機械的研磨によって除去している）。

ＳＩＭＳ分析の結果、通電試験前後とも緩衝層６に含まれるＨ（水素）濃度は凡そ３×１０¹⁸／ｃｍ³であり、また、通電試験後の本実施例のＬＥＤ素子では活性層内までのＺｎの拡散は確認されなかった。

ここで、以上の結果を踏まえ、ＡｌＧａＡｓ緩衝層６を作製する際のＶ／III比を随時変更し、その時の当該層６中のＨ濃度をＳＩＭＳ分析によって測定した結果を図１３に示す。同図によれば緩衝層６中に含まれるＨ濃度はＡｌＧａＡｓ緩衝層６を作製する際のＶ／III比と良好な相関があることが判る。但し、当該層６のＨ濃度は単にＶ／III比によって決まるものでは無く、作製時の成長温度、又は当該層６のＡｌ組成などによっても随時変化し、Ｈ濃度を制御する場合にはＶ／III比のみに限ることでは無い。

また、図１３に示された、Ｖ／III比を変更して作製した試料を用いて、本実施例１に記載のＬＥＤ構造におけるコンタクト層７に添加されたＺｎの拡散長について測定した。ＡｌＧａＡｓ緩衝層中のＨ濃度とＺｎの拡散長の関係を図２に示す。同図に依れば、Ｚｎの拡散長はＡｌＧａＡｓ緩衝層中のＨ濃度に強く依存することが判る。これらの結果を式にすると、
Ｌ＝６．８９６×１０⁻¹⁵×Ｎ^0.788
の関係式［ただし、ＮはＨ（水素）濃度（単位：ｃｍ⁻³）、Ｌは前記ｐ型コンタクト層に添加されたドーパントの拡散長（単位：μｍ）］と表すことができ、上記式によって求められる拡散長Ｌ以上の膜厚を有するＡｌＧａＡｓ緩衝層であれば、コンタクト層７に添加されたＺｎが活性層４にまで拡散し到達することは無く、初期特性、及び信頼性の両面において極めて良好なＬＥＤ素子を得ることができる。即ち、本実施例１に記載のＬＥＤ素子の特性が良好であったのは、上記の理由による。尚、本実施例１で示したＬＥＤ素子には、ほぼ全数の素子において素子破壊が生じることは無かった。

本実施例２として、図３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エハを作製した。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素子製作方法は、基本的に上記実施例１（図１）と同じである。以下に上記実施例１とは異なる点を列挙し、それに伴い詳細な説明をする。

本実施例２では、上記活性層４と上記ｐ型クラッド層５との間に積極的な添加を行わない半導体層、所謂アンドープ層を、拡散防止層１１として設ける構造とした。当該拡散防止層１１は、上記ｐ型クラッド層５を含むそれよりも上層のｐ型半導体層から拡散するｐ型ドーパントが活性層４へ混入することを防止する為の層である。当該層１１の組成は上記ｐ型クラッド層５と同じとし、その膜厚は１００ｎｍとした。

また、本実施例２の参考例として、後述の比較例１（図９）に記載のＬＥＤ素子に、上記の拡散防止層１１を同じ様な条件で挿入したＬＥＤ用エピタキシャルウェハも作製した。

次に、上記の様に作製したＬＥＤ用エピタキシャルウェハを素子化するが、そのプロセスは上記実施例１と同じである。

この様に作製されたＬＥＤ素子の初期特性を評価した結果、本実施例２の参考例の場合でも、２０ｍＡ通電時（評価時）のＬＥＤ特性は発光出力０．９６ｍＷ、動作電圧１．８５４Ｖであり、優れた初期特性を有するＬＥＤ素子を得ることができた。

更に、上記実施例１と同じ条件で通電試験を行った所、本実施例２の参考例におけるＬＥＤ素子の相対出力は７５．３％、動作電圧１．９０３Ｖ（約２．６％増）と、下記比較例１よりも相対出力の面で上昇した。

次に本実施例２のＬＥＤ素子、つまり上記実施例１に記載したＬＥＤ構造に図３の如く上記拡散防止層１１を付加したＬＥＤ素子の評価を行った。その結果、本実施例２の場合、発光出力は０．９８ｍＷ、動作電圧１．８４３Ｖという初期特性を得た。

また、本実施例２のＬＥＤ素子について、実施例１と同様に通電試験を実施した所、ＬＥＤ素子の相対出力は１０２．１％であり、動作電圧は１．８４４Ｖ（約０．１％増）であった。

以上の様に、本実施例２に示した拡散防止層１１は、根本的なｐ型ドーパントの拡散を抑止するものでは無いが、その拡散が生じる際に当該層１１を設けることによって活性層４に拡散し、混入するｐ型ドーパントの拡散量を抑制することができる。その結果、下記の様に比較例１に示したＬＥＤ素子よりも相対出力の面で優れたＬＥＤ素子を得ることが可能となる。更に当該層１１はｐ型ドーパントの拡散が生ずる構造のみでは無く、本発明が実施された場合においても特に悪影響を及ぼすものでは無く、拡散防止層１１の効果は同様に扱うことが可能である。

実施例３として、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エハを作製した。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素子製作方法は、基本的に上記実施例１と同様である。

但し、上記ｎ型ＧａＡｓバッファ層２と上記ｎ型クラッド層３の間に、ｎ型のＡｌＩｎＰ層とｎ型のＡｌ_0.4Ｇａ_0.6Ａｓ層を各々２０層ずつ交互に設け、累計２０ペアのＤＢＲ（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｂｒａｇｇ Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ：分布ブラッグ反射鏡）からなる光反射層１２を設けた。

当該光反射層１２を構成する膜厚は、「λｐ／４×ｎ」の式［ただし、λｐはＬＥＤ素子の発光ピーク波長（単位：ｎｍ）、ｎは光反射層１２を構成する半導体材料の屈折率］から求めた。また光反射層１２のキャリア濃度は一様に凡そ１×１０¹⁸／ｃｍ³とした。

この様に作製されたＬＥＤ素子の初期特性を評価した結果、２０ｍＡ通電時（評価時）のＬＥＤ特性は発光出力１．５７ｍＷ、動作電圧１．８５３Ｖと、優れた初期特性を有するＬＥＤ素子を得ることができた。更に、上記実施例１と同じ条件で通電試験を行った所、相対出力は１０２．０％、動作電圧１．８５５Ｖ（約０．１％増）であった。

以上の様に、本実施例３に記載したＬＥＤ素子の構造を採ることによって、つまり、上記ｎ型バッファ層２と上記ｎ型クラッド層３との間に半導体多層膜から成る光反射層１２を設けたことによって、上記実施例１にて示した本発明の意図する効果の他、実施例１に示したＬＥＤ素子よりも高出力なＬＥＤ素子を得ることができたものである。これは、光反射層１２による有効的な光取出し効率の向上に依るものである。

実施例４として、図５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エハを作製した。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素子製作方法は、基本的に上記実施例１と同じとした。

但し、上記活性層４の構造を多重量子井戸（ＭＱＷ：Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｗｅｌｌ）構造としたＭＱＷ活性層１３を用いた点が異なる。多重量子井戸は、障壁（バリア）層を（Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐで構成し、その膜厚を凡そ７．５ｎｍとした。また、発光層としての井戸（ウェル）層の方はＧａ_0.5Ｉｎ_0.5Ｐで構成し、その膜厚を凡そ５．０ｎｍに設定した。そしてそれらの障壁層と井戸層の組合せを１つのペアとして、合計で４０．５ペア形成した。

また実施例４の変形例として、上記井戸層を構成するＧａとＩｎの組成比を変え、出発基板であるＧａＡｓに対して圧縮、若しくは引っ張り方向の応力を掛ける、歪多重量子井戸構造を活性層に用いたＬＥＤ素子も製作した。

因みに、本実施例４にて作製した歪多重量子井戸構造を採用した当該ＬＥＤ素子の井戸層は、Ｇａ組成を減少させ、その差分のＩｎ組成を増加させた構成とし、当該井戸層の格子定数が、当該活性層の下地に当る、例えばｎ型クラッド層３と異なり、この格子不整合度に起因した圧縮歪を受けていることを特徴としている。

この様に作製された２種類（実施例４と実施例４の変形例）のＬＥＤ素子の初期特性を評価した結果、２０ｍＡ通電時（評価時）のＬＥＤ特性はそれぞれ順に発光出力１．１６ｍＷ、動作電圧１．８４３Ｖと、発光出力１．２７ｍＷ、動作電圧１．８４４Ｖとであり、共に優れた初期特性を有するＬＥＤ素子を得ることができた。

更に、上記実施１と同条件にて通電試験を行った所、２種類のＬＥＤ素子の相対出力はそれぞれ１０１．９％と１００．９％であった。

以上の様に、実施例１の活性層４に用いる構造を、多重量子井戸構造、或いは歪量子井戸構造とした本実施例４とその変形例では、上記実施例１と比較した場合に、その発光出力が増加している。つまり、前述の量子井戸構造を採用することによって、ＬＥＤ素子の内部量子効率が向上し、総じてＬＥＤ素子の特性が向上したものであり、更には上記実施例１に示した本発明の意図する方策が講じられた場合においても十分に適用可能であることを表している。

なお、上述した本発明における実施例においては、発光波長６３０ｎｍの赤色ＬＥＤ素子のみを作製例としたが、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素子においても、本発明の意図する施策、即ち緩衝層中におけるＨ（水素）濃度と当該層の膜厚を適宜設定することによって、本実施例とは異なる波長帯域を有するＬＥＤ素子であっても本発明所期の効果を得ることができる。

また、上記実施例においては、ＧａＡｓ基板１とｎ型クラッド層３との間に、バッファ層２を設けたＬＥＤ素子構造とした。しかし、ＧａＡｓ基板１上に直接ｎ型クラッド層３を積層する構造を採っても本発明の意図する効果を得ることができる。

また、上記実施例においては、ＬＥＤ素子の最表面上に形成される表面電極９の形状を常に円形の形状とした形態を採ったが、その他にも異形状、例えば四角、菱形、多角形等、更にはそれらに羽状、又は枝状に分岐された電極を有する形態を採ることができ、それらの形態の電極であっても、本発明の意図する効果を得ることができる。

また、上記実施例においては、半導体基板にｎ型のＧａＡｓを用いた例のみを挙げたが、この他方にも例えばＧｅ（ゲルマニウム）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Ｓｉ（シリコン）やＳｉ以上の熱伝導率を有する金属を永久基板に用いたＬＥＤ用エピタキシャルウェハにおいても、本発明の意図する効果を得ることができる。

また、上記実施例では、緩衝層６の材料としてＡｌ組成が０．８〜０．９程度の範囲にあるＡｌＧａＡｓを用いた。しかしながら本発明では特にこの範囲に限定するものでは無く、本願の意図する施策、即ち緩衝層中におけるＨ（水素）濃度と当該層の膜厚を適宜設定する形態にすれば、例えＡｌＧａＡｓ層のＡｌ組成を上記以外の範囲としたり、Ｖ／III比を上記実施例に示した値以外の値としても何ら問題は無い。

例えば、発光波長が６５０ｎｍ程度のＬＥＤ素子の場合、緩衝層に用いるＡｌＧａＡｓ層のＡｌ組成は０．６〜０．７程度の範囲にあっても活性層から放射される光を吸収することは殆ど無く、高出力なＬＥＤ素子が得られる。同時に、Ａｌ組成を下げることに直接的に関係して、緩衝層中のＨ（水素）濃度は減少することから、設定されるＶ／III比は、上記実施例のＡｌ組成０．８〜０．９の緩衝層６を用いた場合と比較して、低く設定することが可能となる。

逆に、発光波長が例えば５７０ｎｍ程度のＬＥＤ素子の場合は、緩衝層による光吸収の影響を無くす為に、緩衝層のＡｌ組成を０．９前後に設定したりし、その時のＶ／III比を今度は従来よりも高く設定する様に対策を講じれば良い。つまり上述した様に、緩衝層を構成する材料の組成やエピタキシャル成長時のＶ／III比、その他にも成長温度などといった製作に関わるパラメータが変化しても、本発明に記載の施策さえ講じられていれば本発明の意図する効果を得ることが可能である。

また、上記実施例では、電流分散層８の材料としてＩＴＯのみを用いた。しかしながら、上記のＩＴＯに代わり、例えばＺｎＯやＣＴＯ等といった一般的に知られる可視光透過率が高く、且つ、電気抵抗が低い膜、つまり一般的な透明導電膜であれば、上記電流分散層８の代替材料として適用可能である。しかし、電流分散層に用いる材料として更に重要なファクターは上記の２点のみならず、キャリア濃度も肝要である。キャリア濃度の重要性は上述した通りであり、ＬＥＤ素子の動作電圧低減を考慮するならば、電流分散層に適用可能な材料にはある程度の制限が掛かり、その材料群の中から正しく選定されるべきである。

［比較例１］
比較例１として、図９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エハを作製した。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素子製作方法は、基本的に上記実施例１と同じにした。以下に上記実施例１とは異なる点を列挙し、それに伴い詳細な説明をする。

本比較例１では、ｐ型緩衝層１６の成長時のＶ／III比は１１とし、ｐ型緩衝層１６に含まれるＨの濃度は２．３×１０¹⁹／ｃｍ³ であった。

次に、上記の様に作製したＬＥＤ用エピタキシャルウェハを素子化するが、そのプロセスは上記実施例１と同じである。

この様に作製された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０．９０ｍＷ、動作電圧１．８５６Ｖという初期特性を有するＬＥＤ素子を得ることができた。更に、上記実施例１と同じ条件で通電試験を行った所、相対出力は５４％、動作電圧１．９１６Ｖ（約３％増）であった。

また、ＬＥＤ素子作製直後の状態と、ＬＥＤ素子作製後に上記の条件で通電試験を行った後の状態のＬＥＤ素子のＳＩＭＳ分析を行った。この時の通電試験後のＳＩＭＳ分析結果を図１１に示す（尚、図１１に示したＬＥＤ素子の試料はＳＩＭＳ分析の測定分解能を向上させる為、表面より数μｍ分を機械的研磨によって除去している）。

ＳＩＭＳ分析の結果、通電試験前後とも緩衝層１６に含まれるＨ（水素）濃度は２．３×１０¹⁹／ｃｍ³であり、また、通電試験後の本比較例１のＬＥＤ素子では活性層４内にまでｐ型コンタクト層７のドーパントであるＺｎが拡散し、混入している様子が確認された。つまり、本比較例１に示したＬＥＤ素子の素子ライフ、つまり信頼性が低下する原因はこのドーパント拡散によるものである。

［比較例２］
比較例２として、図１０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エハを作製した。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素子製作方法は、基本的に上記比較例１と同じにした。以下に上記比較例１とは異なる点を列挙し、それに伴い詳細な説明をする。

本比較例２では、ｐ型緩衝層１６を設けなかった。ｐ型クラッド層５の膜厚は、４００ｎｍ程度あればキャリアの閉じ込め効果及びキャリア（正孔）供給層として十分な膜厚である。即ちｐ型クラッド層５は４００ｎｍ程度の膜厚で、クラッド層としての役割を十分に果たす。つまり本比較例２に記載のＬＥＤ素子は、ＡｌＧａＡｓ緩衝層１６が無いだけで、その他は全て上記した比較例１と同じである。

次に、上記の様に作製したＬＥＤ用エピタキシャルウェハを素子化するが、そのプロセスは上記比較例１と同じである。

この様に作製された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０．８８ｍＷ、動作電圧１．８４３Ｖの初期特性を有するＬＥＤ素子を得ることができた。

しかしながら初期特性を評価している段階で、全く発光しない等、既に破壊されている素子が約２０〜３０％存在した。この為、破壊されていない素子では上記した特性を得られたが、それ以外の２０〜３０％の素子では全く評価が行えていない。これは、素子評価前のワイヤボンディング工程によるワイヤボンディングダメージに起因した素子破壊であると予想される。破壊されていない素子で、上記比較例１と同条件の通電試験を行った所、相対出力は７１％、動作電圧１．８５３Ｖ（約０．５％増）であった。

以上の様に、緩衝層を設けない構造では、ＬＥＤ素子作製の歩留まりに問題があり、発光出力及び信頼性が最良であるとは言い難い。つまり比較例１よりも相対出力がやや良くなる程度の効果しか得られず、逆に歩留まりは低下してしまった（比較例１ではＬＥＤ素子の破壊はほぼ全数問題が無かった）。

本発明の一実施形態及び実施例１にかかるＡｌＧａＩｎＰ系赤色ＬＥＤの断面構造図である。 本発明の実施例１乃至４にかかる緩衝層のＨ濃度とＺｎの拡散距離との関係を示した図である。 本発明の実施例２にかかるＡｌＧａＩｎＰ系赤色ＬＥＤの断面構造図である。 本発明の実施例３にかかるＡｌＧａＩｎＰ系赤色ＬＥＤの断面構造図である。 本発明の実施例４にかかるＡｌＧａＩｎＰ系赤色ＬＥＤの断面構造図である。 コンタクト層の膜厚とＬＥＤの発光波長における透過率を示したものである。 ＧａＡｓ基板上に形成されたＩＴＯ膜の反射率スペクトルを示した図である。 光反射層の積層ペア数と垂直反射率との関係を示した図である。 比較例１にかかるＡｌＧａＩｎＰ系赤色ＬＥＤの断面構造図である。 比較例２にかかるＡｌＧａＩｎＰ系赤色ＬＥＤの断面構造図である。 比較例１におけるＳＩＭＳ分析結果を示した図である。 実施例１におけるＳＩＭＳ分析結果を示した図である。 緩衝層成長時のＶ／III比と緩衝層中のＨ濃度を示した図である。

符号の説明

１ ｎ型ＧａＡｓ基板
２ ｎ型ＧａＡｓバッファ層
３ ｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層（ｎ型クラッド層）
４ アンドープＡｌＧａＩｎＰ活性層（活性層）
５ ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層（ｐ型クラッド層）
６ ｐ型緩衝層
７ ｐ型ＡｌＧａＡｓコンタクト層（ｐ型コンタクト層）
８ ＩＴＯ膜（電流分散層）
９ 表面電極
１０ 裏面電極
１１ 拡散防止層
１２ 光反射層
１３ ＭＱＷ活性層
１６ ｐ型緩衝層

Claims (9)

1. 基板上に気相成長法によりエピタキシャル成長された層であって、少なくともｎ型クラッド層、活性層、ｐ型クラッド層から成る発光部が形成され、前記発光部の上部にｐ型ドーパント濃度が１×１０¹⁹／ｃｍ³以上であり、且つ、前記ｐ型クラッド層に添加される
   ドーパントとは異なる材料のドーパントが添加されて成るＶ属元素の主要成分がＡｓである薄膜のｐ型コンタクト層が形成され、前記ｐ型コンタクト層の上部に金属酸化物材料から成る電流分散層が形成された半導体発光素子において、
   前記ｐ型クラッド層と前記ｐ型コンタクト層との間に、ｐ型の導電性であると共に成長時に不可避的に混入するＨ（水素）とＣ（炭素）が含まれるIII／Ｖ族半導体で構成され
   た緩衝層を有し、
   前記ｐ型コンタクト層は、そのドーパントがＺｎであり、且つ膜厚が１ｎｍ以上３０ｎｍ以下の範囲にあり、
   前記ｐ型クラッド層は、そのＶ族元素の主要成分がＰ（リン）であり、
   前記緩衝層は、そのドーパントがＭｇであり、構成材料がＡｌ _x Ｇａ _1−x Ａｓ（但し、
   ０．４≦Ｘ≦１）であり、Ａｌ組成比がｐ型クラッド層よりも高く、
   且つ前記Ｈ（水素）と前記Ｃ（炭素）のうちＨ濃度を少なくとも成長時のＶ／III比を
   設定することにより規定して、Ｌ＝６．８６９×１０ ⁻¹⁵ ×Ｎ ^0.788 の関係式［ただし、
   ＮはＨ濃度（単位：ｃｍ ⁻³ ）、Ｌは前記ｐ型コンタクト層に添加されたドーパントの拡
   散長（単位：μｍ）である］から前記拡散長を求めたとき、前記緩衝層の膜厚が前記拡散長Ｌ以上である
   ことを特徴とする半導体発光素子。
2. 請求項１に記載の半導体発光素子において、
   前記ｐ型クラッド層のドーパントがＭｇであることを特徴とする半導体発光素子。
3. 請求項１又は２に記載の半導体発光素子において、
   前記ｐ型コンタクト層を構成する材料がＡｌ_xＧａ_1−xＡｓ（但し、０≦Ｘ≦０．４）
   であることを特徴とする半導体発光素子。
4. 請求項１〜３のいずれかに記載の半導体発光素子において、
   前記電流分散層をＩＴＯ（錫添加酸化インジウム）、ＳｎＯ₂（酸化錫）、ＡＴＯ（ア
   ンチモン添加酸化錫）、Ｉｎ₂Ｏ₃（酸化インジウム）、ＺｎＯ（酸化亜鉛）、ＧＺＯ（ガ
   リウム添加酸化亜鉛）、ＢＺＯ（硼素添加酸化亜鉛）、ＡＺＯ（アルミニウム添加酸化亜鉛）、ＣｄＯ（酸化カドミウム）、ＣＴＯ（錫添加酸化カドミウム）、ＩＺＯ（インジウム添加酸化亜鉛）の内、いずれかの金属酸化物材料を少なくとも１種以上用いて形成することを特徴とする半導体発光素子。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載の半導体発光素子において、
   前記発光部を構成する材料が（Ａｌ_xＧａ_1−x）_yＩｎ_1−yＰ（但し、０≦Ｘ≦１、０．４≦Ｙ≦０．６）であり、更に前記ｐ型クラッド層、及び前記ｎ型クラッド層に含まれるＡｌ（アルミニウム）の含有率は前記活性層に含まれるＡｌの含有率よりも高いことを特徴とする半導体発光素子。
6. 請求項１〜５のいずれかに記載の半導体発光素子において、
   前記電流分散層のキャリア濃度が７×１０²⁰／ｃｍ³以上有することを特徴とする半導
   体発光素子。
7. 請求項２〜６のいずれかに記載の半導体発光素子において、
   前記ｐ型クラッド層に含まれるＭｇ濃度が１×１０¹⁷／ｃｍ³以上、５×１０¹⁸／ｃｍ³以下の範囲にあり、且つ前記の範囲に設定されたｐ型クラッド層は当該層の全て若しくは少なくとも一部を占めることを特徴とする半導体発光素子。
8. 請求項１〜７のいずれかに記載の半導体発光素子において、
   前記活性層と前記ｐ型クラッド層との間に、ドーパントが添加されていない半導体層、前記ｐ型クラッド層よりも添加されたｐ型のドーパント濃度が低い半導体層、若しくはｎ型のドーパントとｐ型のドーパントが同時に添加され擬似的に中性な状態の半導体層の内のいずれか、又はこれらを組合せた半導体層からなる拡散防止層が、３００ｎｍ以下の範囲で設けられていることを特徴とする半導体発光素子。
9. 請求項１〜７のいずれかに記載の半導体発光素子において、
   前記活性層と前記ｎ型クラッド層との間に、ドーパントが添加されていない半導体層、前記ｎ型クラッド層よりも添加されたｎ型のドーパント濃度が低い半導体層、若しくはｎ型のドーパントとｐ型のドーパントが同時に添加され擬似的に中性な状態の半導体層の内のいずれか、又はこれらを組合せた半導体層からなる拡散防止層が、２００ｎｍ以下の範囲で設けられていることを特徴とする半導体発光素子。