JP4367393B2 - 透明導電膜を備えた半導体発光素子 - Google Patents

Description

本発明は、透明導電膜を備えた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の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、この目的で電流分散層の膜厚を厚く成長する必要があった。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、ＡｌＧａＩｎＰ系ＬＥＤを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、３参照）。

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 米国特許第６，０５７，５６２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、結果として大電圧を印加しないと電流が流れない。

この解決策として、電流分散層とは別個に、ＩＴＯ膜とｐ型クラッド層の間に、薄膜の高キャリア濃度層とするコンタクト層を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、ｐ型クラッド層の膜厚が薄いため（ｐ型クラッドの役割としては２００ｎｍ以上で良いため、ｐ型クラッド層は薄い）、上記コンタクト層からドーパントであるＺｎが活性層中に拡散してしまう。

このコンタクト層のｐ型ドーパントの拡散という問題は、次の２つの弊害を招いていた。ドーパントの拡散による弊害とは、第１に、ＬＥＤ素子の出力低下を招くことである。拡散したドーパントはＬＥＤ素子の深さ方向に濃度拡散し、ＬＥＤ素子の活性層にまで拡散すると活性層内の欠陥となる。その欠陥は非発光再結合成分となり、経時的に発光出力が低下する。第２の弊害は、ＬＥＤ素子の駆動電圧が上昇することである。ドーパント拡散により薄膜コンタクト層の実質的なキャリア濃度が低下することから、上述したトンネル接合が達成しにくくなり、トンネル電圧が上昇し、これによってＬＥＤ素子の駆動電圧が上昇する。

上記ドーパント拡散の問題に対する解決方法として、活性層と該コンタクト層の距離を遠くして、活性層へのドーパント拡散を抑える、つまりｐ型クラッド層の膜厚を、厚くする方法があるが、この方法ではｐ型クラッド層と同じ材料系は成長速度が遅いこと、原材料費が高いことが問題となる。

一方、他の方法として、例えば米国特許６０５７５６２号明細書（特許文献３）には、電流分散を良くして光出力を向上させる方法として、ｐ型クラッド層とコンタクト層の間に、例えばＡｌＧａＡｓ層から成る緩衝層を設ける方法（電流分散を良くするために設ける）が開示されている。

しかし、本発明者等は、特許文献３の方法で、上記緩衝層を構成する材料に、例えば高Ａｌ混晶比のＡｌＧａＡｓ層などを用いて実施した時に、成長時の熱等により容易にドーパント拡散を起こし易く、その度合いが顕著である問題を見出した。このためコンタクト層のドーパントを活性層中に拡散させなくするためには、緩衝層の膜厚を厚くする必要があった。

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の発明に係る透明導電膜を備えた半導体発光素子は、ＧａＡｓから成る半導体基板上に、少なくともｎ型クラッド層、活性層、ｐ型クラッド層から成る発光部が形成され、前記発光部の上部に主としてＭｇドーパントが添加されたｐ型緩衝層が形成され、さらに前記緩衝層の上部に１×１０¹⁹／ｃｍ³以上のＺｎドーパントが添加されたｐ型コンタクト層が形成され、前記コンタクト層の上部に金属酸化物材料の透明導電膜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型コンタクト層はＡｌ _ｘ Ｇａ _１−ｘ Ａｓ（但し、０≦Ｘ≦０．４）から成り、前記ｐ型緩衝層は前記発光部からの発光波長に対して透明であり、かつ前記半導体基板に格子整合するＡｌ _ｘ Ｇａ _１−ｘ Ａｓ(但し、０．４≦Ｘ≦１)からなり、前記ｐ型緩衝層は２つの緩衝層部と２つの拡散抑止層とから成り、前記２つの拡散抑止層は前記２つの緩衝層部間に形成されると共にＣ濃度が５×１０ ^1６ ／ｃｍ ³ 以下のアンドープ層から成り、かつ前記２つの拡散抑止層の膜厚はそれぞれ１０ｎｍ以上２０ｎｍ以下に形成され、前記ｐ型クラッド層と前記ｐ型緩衝層との膜厚の和が１０００ｎｍ以上３０００ｎｍ以下であり、前記ｐ型クラッド層の膜厚が２００ｎｍ以上６００ｎｍ以下であり、前記ｐ型緩衝層を構成する各層はそれぞれ隣接する層と組成が異なることを特徴とする。

この特徴により、緩衝層が、拡散抑止層として機能する緩衝層部を多段に積層した構成となるため、材料、又は組成が均一な単層で緩衝層が構成されている場合に較べ、同程度のドーパント拡散抑止作用を得るのに必要な緩衝層全体の厚さを薄くすることができる。また、高濃度にｐ型ドーパントを含んだコンタクト層を発光部の上部に設け、更にその上に金属酸化物材料から成る電流分散層を設けた半導体発光素子において、上記コンタクト層からのドーパント拡散をより効果的に抑制し、高輝度、且つ低駆動電圧であることに加え、半導体発光素子を駆動させる上で、経時的な発光出力の低下、及び駆動電圧の上昇を抑制できる。また、緩衝層のドーパントが主としてＭｇであるのは、比較的高濃度に添加することができ、且つＺｎよりも拡散定数が小さいため、Ｍｇを用いることがコンタクト層のＺｎ拡散を抑制する上で、より適切と考えられるからである。

緩衝層を構成する各層の好適な材料として、Ａｌ_ｘＧａ_1-ｘＡｓ（０．４≦Ｘ≦１）を選択する理由は、発光波長に対して透明で、ＧａＡｓ基板に格子整合し、且つ単価の高いＩｎ原料を含まない安価な原料であることによる。

活性層からコンタクト層までの膜厚の下限を１０００ｎｍ以上とする理由は、活性層から表面電極までの距離が近すぎると、ＬＥＤ素子作製時のワイヤーボンディング工程において、ＬＥＤ素子を超音波振動などで破壊させるからである。逆に、上限を３０００ｎｍ以下と定める理由は、ＬＥＤ素子の電流分散特性はコンタクト層上に設けられたＩＴＯ膜によって十分な効果が期待できる為、緩衝層は厚膜とする必要がなく、むしろ薄くすることでＬＥＤ素子の製造コストを下げることができるからである。なお、通常ｐ型クラッド層の膜厚は２００ｎｍから６００ｎｍとなることから、緩衝層の膜厚は、およそ４００ｎｍから２８００ｎｍ程度の範囲にあることが好ましい。

コンタクト層からのＺｎの拡散は、緩衝層を構成しているアンドープに形成される拡散抑止層のＣ濃度によっても変化し、Ｃ濃度が高いとＺｎの拡散が多くなるため、発光出力の低下が起こる。この観点から、Ｃ（炭素）濃度の具体的数値としては、５×１０ ^１６ ａｔｏｍｓ／ｃｍ ³ 以下であることが好ましい。

請求項２の発明は、請求項１に記載の透明導電膜を備えた半導体発光素子において、前記コンタクト層の膜厚が１ｎｍ以上、３０ｎｍ以下であり、かつ前記コンタクト層のキャリア濃度が１×１０ ^１９ ／ｃｍ ^３ 以上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に記載の透明導電膜を備えた半導体発光素子において、前記電流分散層が、ＩＴＯ（錫添加酸化インジウム）、ＺｎＯ（酸化亜鉛）、ＣＴＯ（錫添加酸化カドミウム）、ＡＺＯ（アルミニウム添加酸化亜鉛）のいずれかからなり、かつ前記電流分散層のキャリア濃度が８×１０ ^２０ ｃｍ ^−３ 以上であることを特徴とする。

本発明は、半導体基板上に、少なくともｎ型クラッド層、活性層、ｐ型クラッド層を形成し、それらの上部に１×１０¹⁹／ｃｍ³以上の高濃度にｐ型ドーパントが添加された薄膜のＡｓ系コンタクト層を形成し、更にその上に金属酸化物材料の透明導電膜から成る電流分散層を形成した半導体発光素子を前提とする。又、ｐ型クラッド層のドーパントは例えばＭｇであり、高キャリア濃度の薄膜のコンタクト層のドーパントは例えばＺｎである。

本発明は、かかる半導体発光素子において、上記コンタクト層と該ｐ型クラッド層の間に、複数の層からなる緩衝層が設けられ、隣接する層同士の材料、又は組成が異なることにある。具体的には、発光波長に対して透明なＡｌ_xＧａ_1-xＡｓ（但し、０．４≦Ｘ≦１）若しくは（Ａｌ_xＧａ_1-x）_yＩｎ_1-yＰ（但し、０．３≦Ｘ≦１、０．４≦Ｙ≦０．６）のいずれかの材料で緩衝層を構成するか、又は発光波長に対して透明なＡｌ_xＧａ_1-xＡｓ（但し、０．４≦Ｘ≦１）及び（Ａｌ_xＧａ_1-x）_yＩｎ_1-yＰ（但し、０．３≦Ｘ≦１、０．４≦Ｙ≦０．６）の組み合わせとなるように緩衝層を構成する。つまり緩衝層を２層以上の層のヘテロ接合で構成している点にある。

上記の緩衝層は拡散抑止効果を持たせるため、これを２層以上多段に積層して構成しているので、従来の材料、又は組成が均一な単層で緩衝層を構成した場合と較べ、より効果的にコンタクト層からのドーパント拡散を抑制することができる。従って、従来と同程度のドーパント拡散抑止作用を得る場合にも、緩衝層全体の厚さを従来より薄くすることができる。

本発明によれば、緩衝層部／拡散抑止層を多段に積層して緩衝層を構成しているため、コンタクト層からのドーパント拡散をより効果的に抑制し、高輝度且つ低駆動電圧であることに加え、半導体発光素子を駆動させる上で、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得ることができる。又、本発明によれば、緩衝層全体の厚さを従来より薄くすることが可能となり、素子特性に優れたＬＥＤ素子を低コストに製作することができる。

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、ＤＢＲミラー（分布ブラッグ反射層）から成るｎ型光反射層３、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層（単にｎ型クラッド層ともいう）４、アンドープＡｌＧａＩｎＰ活性層５、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層（単にｐ型クラッド層ともいう）６が順次に結晶成長されて発光部が構成され、更にそれらの最上層つまりｐ型クラッド層６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。更にその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８が積層され、その表面側に表面電極９が、また裏面側に裏面電極１０が形成されている。

活性層５の組成は（Ａｌ_xＧａ_1-x）_yＩｎ_1-yＰ（但し、０≦Ｘ≦１、０．４≦Ｙ≦０．６）、ｎ型クラッド層４およびｐ型クラッド層６の組成は、それぞれ（Ａｌ_xＧａ_1-x）_yＩｎ_1-yＰ（但し、０．６≦Ｘ≦１、０．４≦Ｙ≦０．６）である。ｎ型クラッド層４のドーパントはＳｉであり、ｐ型クラッド層のドーパントはＭｇである。

上記ｐ型コンタクト層７はＡｌ_xＧａ_1-xＡｓ（但し、０≦Ｘ≦０．４）から成り、膜厚は１ｎｍ以上３０ｎｍ以下であり、ｐ型ドーパントとして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×λ_P／（４×ｎ）の関係式［但し、Ａは定数（１又は３）、λ_Pは発光波長（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、又はスパッタ法によって形成され、成膜直後の状態で８×１０²⁰／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６との間に、主たるｐ型ドーパントとしてＭｇが添加されたＡｌ_xＧａ_1-xＡｓ（０．４≦Ｘ≦１）から成るｐ型緩衝層１１を具備する。

このｐ型緩衝層１１は、材料、又は組成の異なる少なくとも２層以上、この実施形態ではＮ層の緩衝層部１１−１、…１１−Ｎ（Ｎは２以上の自然数）を積層した構成となっている。図１では、第１緩衝層部１１−１、第２緩衝層部１１−２、…第Ｎ緩衝層部１１−Ｎから成るものとして示してある。これらの緩衝層部１１−１、…１１−Ｎは総て膜厚が１０ｎｍ以上のＡｌ_xＧａ_1-xＡｓ（０．４≦Ｘ≦１）から成るが、そのＡｌ組成ｘの値は互いに異なっている。また各緩衝層部１１−１、…１１−Ｎにはｐ型ドーパントとしてＭｇが添加されている。

この緩衝層１１の膜厚は、ｐ型クラッド層の膜厚（通常２００ｎｍ〜６００ｎｍ）との和が１０００ｎｍ〜３０００ｎｍとなるように設定される。これはワイヤボンディング工程での素子の破壊を防止できる構造とするためである。具体的な厚さとしては、ｐ型クラッド層の膜厚が通常２００ｎｍ以上６００ｎｍ以下であることから、緩衝層１１の膜厚はおよそ４００ｎｍから２８００ｎｍ程度の範囲とする。従来では緩衝層１１の膜厚が３０００ｎｍ以上必要であったことからすると、より薄い層として構成されていることが分かる。

かかる構成によれば、各緩衝層部１１−１、…１１−Ｎが拡散抑止層として機能するため、緩衝層１１の膜厚が４００ｎｍから２８００ｎｍ程度と薄いのにも拘わらず、ｐ型コンタクト層７から発光部へのｐ型ドーパントＺｎの拡散に関し、同一材料、又は同一組成の材料で構成した場合と同じドーパント拡散抑止作用を得ることができる。

上述した実施形態では、緩衝層部１１−１、…１１−Ｎの材料としてＡｌ_xＧａ_1-xＡｓ（０．４≦Ｘ≦１）を用いた形態としたが、これに替えて、（Ａｌ_xＧａ_1-x）_yＩｎ_1-yＰ（０．３≦Ｘ≦１、０．４≦Ｙ≦０．６）を用いることもできる。ただし、Ａｌ組成ｘは各緩衝層部の相互間で異なったものとする。

また、材料の異なる緩衝層部を少なくとも２層以上交互に形成した緩衝層１１は、Ａｌ_xＧａ_1-xＡｓ（０．４≦Ｘ≦１）からなる緩衝層部と、（Ａｌ_xＧａ_1-x）_yＩｎ_1-yＰ（０．３≦Ｘ≦１、０．４≦Ｙ≦０．６）からなる緩衝層部との組み合わせにより、構成することもできる。

更に、緩衝層１１は、Ａｌ _x Ｇａ _1-x Ａｓ（０．４≦Ｘ≦１）からなる緩衝層部の少なくとも１層以上を、アンドープ層として構成することもできる。また、このアンドープ層には故意的若しくは不可避的にＣ（炭素）が挿入され、そのＣ濃度はＶ／III比の設定によって５×１０¹⁶ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以下に抑えられている。ここで「故意的」とは、積極的若しくは意図的にドーピングをすることであり、また「不可避的」とは、そのような積極的、意図的、若しくは故意的にドーピングをしないにも拘わらず、結晶に自然にＣ（炭素）が混入する不可避な現象を指す。

本発明の透明導電膜を備えた半導体発光素子を得るための最適な条件はつぎの通りである。
第１に、ＩＴＯ膜８と接するコンタクト層７は、極めて高濃度に導電型決定不純物が添加されている必要がある。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までのＧａＡｓ、又はＡｌＧａＡｓであることが好ましく、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は一般的にｐサイドアップで作製される。この為、ＩＴＯ膜８を電流分散層に応用したＬＥＤは導電型が基板の側からｎ／ｐ／ｎ接合となり、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、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、ｐ型半導体層には非常に高いキャリア濃度を有するコンタクト層７が必要となる。また、コンタクト層７のバンドギャップが狭い理由は、そ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、コンタクト層７の高キャリア化と連動して、コンタクト層７と接する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。またそれは、コンタクト層７と同様の理由で、高ければ高いほど好ましく、具体的には８×１０²⁰／ｃｍ³以上のキャリア濃度を有していることが好ましい。

第２に、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。上記コンタクト層７は、何れも活性層５で発光した光に対し吸収層となるバンドギャップを有している為、膜厚が厚くなるに連れ、発光出力が低下してしまう。従って、コンタクト層７の膜厚の上限をおよそ３０ｎｍとすることが好ましく、より好ましくは２５ｎｍまでである。また、コンタクト層７の膜厚が１ｎｍ未満とすると、今度は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、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。

第３にＩＴＯ膜８の膜厚は、ｄ＝Ａ×λ_P／（４×ｎ）の関係式［但し、Ａは定数（１又は３）、λ_Pは発光波長（単位：ｎｍ）、ｎは屈折率である］にあることが好ましい。ＬＥＤエピタキシャルウェハ上に形成される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、上記の式に則った膜厚とすることが好ましい。更にＩＴＯ膜８は形成方法やＩＴＯ膜質によっては、厚くすると透過率が悪くなり、発光出力が低下する。このため、λ_P／（４×ｎ）であることがより好ましい。また上記の式より求められるＩＴＯ膜８の膜厚ｄは、±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が、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、反射率が１５％以下となる膜厚の許容値は、上記の式より求まる膜厚ｄの±３０％の範囲にある。膜厚ｄは±３０％の範囲を越えると、反射防止膜としての効果が小さくなり、ＬＥＤの出力が低下してしまう。

第４に光反射層３のペア数は、１０ペアから３０ペアが好ましい。十分な反射率を有するためには１０ペア以上必要であり、３０ペア以上になると発光出力が飽和傾向になるからである。より好ましくは１５ペア以上２５ペアである。

また、本発明に記載の内容では、場合により、緩衝層１１とｐ型クラッド層６との組成が同一となり得る場合がある。この場合、活性層５の上端からコンタクト層７までの距離を１０００ｎｍ以上、３０００ｎｍ以下とすることが好ましい。

第５に緩衝層１１中に挿入する材料としてＧａＰを用いることは望ましくない。ＧａＰを用いると、ＡｌＧａＩｎＰ（ＡｌＩｎＰ及びＧａＩｎＰを含む）やＡｌＧａＡｓとのバンド不連続によりＬＥＤ特性のうちの順方向電圧が高くなるからである。

次に、以下の実施例及び比較例により本発明を詳述する。

実施例１として、図２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電極形成方法、及びＬＥＤ素子製作方法は、以下の通りである。

ｎ型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型光反射層（所謂ＤＢＲ層）３（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４（膜厚４００ｎｍ、キャリア濃度７×１０¹⁷／ｃｍ³）、アンドープ（Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ活性層５（膜厚６００ｎｍ）、ｐ型（Ｍｇドープ）（Ａｌ_0.7Ｇａ_0.3）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐクラッド層６（膜厚３００ｎｍ、キャリア濃度４×１０¹⁷／ｃｍ³）、緩衝層１１（膜厚９６０ｎｍ）、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７×１０¹⁹／ｃｍ³）を、順次積層成長させた。

上記光反射層３は、ＡｌＩｎＰ層とＡｌ_0.4Ｇａ_0.6Ａｓ層を、交互に４０層、つまり２０ペアとしたＤＢＲ（分布ブラッグ反射鏡）から構成した。また、ｐ型クラッド層６の膜厚は、３００ｎｍとした。ｐ型クラッド層６の膜厚を３００ｎｍにした理由は、３００ｎｍ程度の膜厚があればキャリアの閉じ込め効果及びキャリア供給層として十分な膜厚であるためである。つまりｐ型クラッド層６は３００ｎｍ程度の膜厚で、クラッド層としての役割を十分に果たす。

上記緩衝層１１は、少なくとも２層以上の緩衝層部から成り、隣接する緩衝層部同士の材料、又は組成が異なる。本実施例１では、上記ｐ型クラッド層６上に、第１緩衝層部としてｐ型（Ｍｇドープ）Ａｌ_0.80Ｇａ_0.20Ａｓ緩衝層部１１ａ（キャリア濃度１×１０¹⁸／ｃｍ³）を４６０ｎｍ設け、更に第２緩衝層部としてｐ型（Ｍｇドープ）Ａｌ_0.70Ｇａ_0.30Ａｓ拡散抑止層１２を２０ｎｍ、また更にその上に第３緩衝層部としてｐ型（Ｍｇドープ）Ａｌ_0.60Ｇａ_0.40Ａｓ拡散抑止層１３を２０ｎｍ設け、第４緩衝層部として再度ｐ型（Ｍｇドープ）Ａｌ_0.80Ｇａ_0.20Ａｓ緩衝層部１１ｂ（キャリア濃度１×１０¹⁸／ｃｍ³）を４６０ｎｍ設けた。つまり上記コンタクト層７とｐ型クラッド層６の間に、Ａｌ_0.80Ｇａ_0.20Ａｓ緩衝層部１１ｂ（４６０ｎｍ）／Ａｌ_0.60Ｇａ_0.40Ａｓ拡散抑止層１３（２０ｎｍ）／Ａｌ_0.70Ｇａ_0.30Ａｓ拡散抑止層１２（２０ｎｍ）／Ａｌ_0.80Ｇａ_0.20Ａｓ緩衝層部１１ａ（４６０ｎｍ）から成る緩衝層１１が設けられている。

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型クラッド層６、及び上記緩衝層１１までを６５０℃とし、上記ｐ型コンタクト層７は５５０℃とした。その他の成長条件は、成長圧力約６６６６Ｐａ（５０Ｔｏｒｒ）、各層の成長速度は０．３〜１．０ｎｍ／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１０とした。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（ＡｓＨ₃）、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。上記ｐ型クラッド層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。但し、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、ｐ型クラッド層６及びｐ型コンタクト層７のｐ型添加物原料として、ジメチルジンク（ＤＭＺｎ）、ジエチルジンク（ＤＥＺｎ）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をＭＯＶＰＥ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２７０ｎｍ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膜８蒸着の同一バッチ内にセットした評価用ガラス基板を取り出し、Ｈａｌｌ測定が可能なサイズに切断し、ＩＴＯ膜８単体の電気特性を評価した所、キャリア濃度１．１×１０²¹／ｃｍ³、移動度１８ｃｍ²／Ｖｓ、抵抗率２．９×１０^-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器材と周知の方法を駆使して、円形電極である直径１１０μｍの表面電極９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。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）、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該円形の表面電極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。

またこの実施例１の第１変形例として、上記拡散抑止層１２及び１３を、アンドープ層から構成したＬＥＤ用エピタキシャルウェハも製作し、ＬＥＤ用エピタキシャルウェハを素子化した。

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）の発光出力１．８５ｍＷ、動作電圧１．８４Ｖの優れた初期特性を有するＬＥＤ素子を得ることができた。またアンドープ層としたものに関しても、発光出力１．８７ｍＷ、動作電圧１．８６Ｖの優れた初期特性を有するＬＥＤ素子を得ることができた。

また、この実施例１と第１変形例について、それぞれ当該ＬＥＤ素子を常湿の環境下にて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所、試験前の状態との相対比較値は、出力９０％（通電前発光出力が１００％である。以後相対出力と略す）、動作電圧＋０．００４Ｖ（約０．２％増）と、相対出力は９３％、動作電圧＋０．００４Ｖ（約０．２％増）であった。

また、ＬＥＤ素子作製直後の状態と、ＬＥＤ素子作製後、上記の条件で通電試験を行った後の状態とのＬＥＤ素子について、そのＳＩＭＳ分析を行った結果、通電試験後の本実施例１のＬＥＤ素子では活性層内にｐ型コンタクト層のドーパントであるＺｎが混入せずに殆ど拡散していないことが確認された。つまり、ＬＥＤ素子のドーパント拡散を抑止することができた。

更に本実施例１の第２変形例として、上記緩衝層１１中に、Ａｌ_0.70Ｇａ_0.30Ａｓ拡散抑止層１２とＡｌ_0.60Ｇａ_0.40Ａｓ拡散抑止層１３を挿入する代わりに、（Ａｌ_0.6Ｇａ_0.4）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ拡散抑止層と（Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ拡散抑止層を挿入した構造のＬＥＤを製作したところ、この構成でも初期特性の優れたＬＥＤを製作することができた。またＬＥＤの信頼性は、代替前の材料で構成したＬＥＤの結果よりも更に良くなった。

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２）と同じである。上記実施例１とは異なる点は次の点である。

本実施例２では、上記活性層５と上記ｐ型クラッド層６との間にアンドープ層を拡散防止層１４として設ける構造とした。当該拡散防止層１４は、上記ｐ型クラッド層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５へ混入することを防止する為の層である。当該拡散防止層１４の組成は上記ｐ型クラッド層６と同じとし、その膜厚を１００ｎｍとした。厚くしすぎると活性層５へのキャリアの供給が悪くなり発光出力が低下し、またコストが、高くなるからである。

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実施例１と同じである。

この様に作製された実施例２のＬＥＤ素子の初期特性を評価した結果、発光出力は１．９７ｍＷ、動作電圧１．８４３Ｖという初期特性を得た。

また、実施例２のＬＥＤ素子について、実施例１の通電試験と同条件の信頼性試験を実施した所、ＬＥＤ素子の相対出力は１０１．３％であり、動作電圧には一切の変化が無かった。

上記緩衝層１１中に設けたヘテロ層は、ＡｌＧａＩｎＰとＡｌＧａＩｎＰ、ＡｌＧａＡｓとＡｌＧａＡｓとしたが、活性層５で発光した光に対して透明な材料であれば、その組み合わせによって形成してもよい。例えばＡｌＧａＩｎＰとＡｌＧａＡｓでも同様な結果が得られることは、言うまでもない。

本発明における実施例２においては、活性層とｐ型クラッド層との間に真性なアンドープ層を設けた構造とした。しかし、多少導電型不純物を含んでいようとも擬似的にアンドープ層となる様な擬似アンドープ層を設けたり、比較的キャリア濃度が低い低キャリア濃度クラッド層（ｐ型低濃度層）を設ける構造を採ることもできる。

本発明における実施例のどの構造においても活性層５とｎ型クラッド層４との間に何も介在させない構造とした。しかし、例えば図４に示すように、この活性層５とｎ型クラッド層４との間に、真性なアンドープ層、例えばＡｌＧａＩｎＰアンドープ層からなる拡散抑止層１５を設けたり、多少導電型不純物を含んでいようとも擬似的にアンドープ層となる様な擬似アンドープ層を設けたり、比較的キャリア濃度が低い低キャリア濃度クラッド層（ｎ型低濃度層）を設ける構造を採ることもできる。

本発明における各実施例において、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、この時に用いられる各層の材料、キャリア濃度、特にウインドウ層においては一切の変更点を持たない。従って、仮にＬＥＤ素子の発光波長を上記と異なる波長帯域としても、同様に本発明の所期の効果を得ることができる。

本発明における各実施例において、ＧａＡｓ基板１上にバッファ層２を設ける構造としたが、ＧａＡｓ基板１上に直接ｎ型クラッド層４を積層する構造やＤＢＲ層３を積層する構造を採っても、同様に本発明の所期の効果を得ることができる。

本発明における各実施例において、表面電極９の形状は常に円形のものとした構造を採ったが、その他にも異形状、例えば四角、菱形、多角形等としても、同様に本発明の意図する効果を得ることができる。

本発明における各実施例において、半導体基板１にＧａＡｓを用いた例のみを挙げたが、この他方にもＧｅ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やＳｉ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、同様に本発明の意図する効果を得ることができる。

本発明における各実施例において、ｐ型クラッド層６をＡｌＧａＩｎＰとしたがＡｌＩｎＰや発光波長に対して透明な材料であれば良く、各実施例以外の組み合わせでも本発明の意図する効果を得ることができる。
［比較例１］

比較例１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、基本的に上記実施例１と同じにした。またＩＴＯ膜厚や成膜方法も、上記実施例１と同じである。上記実施例１とは異なる点は次の点である。

比較例１では、ｐ型クラッド層６上に緩衝層を設けることなく、ｐ型コンタクト層７を直接設ける構造とした。なお、ｐ型クラッド層６の膜厚は、実施例１と同様に３００ｎｍとした。

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１．７５ｍＷ、動作電圧１．９１Ｖという特性が得られた。

しかし、当該ＬＥＤ素子について、上記実施例１と同じ条件で信頼性試験を実施したところ、相対出力は６５％であり、動作電圧には約３％増加がみられた。

また、ＬＥＤ素子作製直後の状態と、ＬＥＤ素子作製後、上記の条件で通電試験を行った後の状態のＬＥＤ素子のＳＩＭＳ分析を実施例１と同じく行った。その結果、通電試験後の本比較例１のＬＥＤ素子では活性層内にまで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。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６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。エピタキシャル層膜厚、エピタキシャル構造は下記に示す通りである。エピタキシャル成長方法、電極形成方法及びＬＥＤ素子製作方法は、上記実施例１と同じである。またＩＴＯ膜厚や成膜方法も、上記実施例１と同じである。上記実施例１とは異なる点は次の点である。

比較例２では、ｐ型クラッド層６とコンタクト層７との間に、層内の材料、又は組成が同じである１層の緩衝層１１を設ける構造とした。上記緩衝層１１は、実施例１の緩衝層部１１ａ又は緩衝層部１１ｂの部分と同じ構成である。なお、ｐ型クラッド層６の膜厚は、実施例１と同様に３００ｎｍ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）の発光出力１．８０ｍＷ、動作電圧１．９０Ｖという特性が得られた。

しかし、当該ＬＥＤ素子を常湿の環境下にて５０ｍＡで駆動させ、そのまま実施例１と同じ連続通電試験による信頼性試験を行った結果、相対出力は５１％であり、動作電圧には約３％の増加がみられた。

また、ＬＥＤ素子作製直後の状態と、ＬＥＤ素子作製後、上記の条件で通電試験を行った後の状態のＬＥＤ素子のＳＩＭＳ分析を実施例１と同じく行った。このＳＩＭＳ分析の結果を図７に示す。その結果、通電試験後の本比較例２のＬＥＤ素子では、活性層内にまで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。

本発明の実施形態にかかる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２にかかるＡｌＧａＩｎＰ系赤色ＬＥＤの断面構造図である。 本発明のＡｌＧａＩｎＰ系赤色ＬＥＤの変形例を示す断面構造図である。 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２にかかるＡｌＧａＩｎＰ系赤色ＬＥＤのＳＩＭＳ分析結果を示した図である。

符号の説明

１ ｎ型ＧａＡｓ基板
２ ｎ型ＧａＡｓバッファ層
３ 光反射層
４ ｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層（ｎ型クラッド層）
５ アンドープＡｌＧａＩｎＰ活性層（活性層）
６ ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層（ｐ型クラッド層）
７ ｐ型ＡＩＧａＡｓコンタクト層（ｐ型コンタクト層）
８ ＩＴＯ膜
９ 表面電極
１０ 裏面電極
１１ 緩衝層
１１−１…１１−Ｎ 緩衝層部
１１ａ 緩衝層部（第１緩衝層部）
１１ｂ 緩衝層部（第４緩衝層部）
１２ 拡散抑止層（第２緩衝層部）
１３ 拡散抑止層（第３緩衝層部）
１４、１５ 拡散防止層

Claims (3)

1. ＧａＡｓから成る半導体基板上に、少なくともｎ型クラッド層、活性層、ｐ型クラッド層から成る発光部が形成され、前記発光部の上部にＭｇドーパントが添加されたｐ型緩衝層が形成され、さらに前記ｐ型緩衝層の上部に１×１０¹⁹／ｃｍ³以上のＺｎドーパントが添加されたｐ型コンタクト層が形成され、前記コンタクト層の上部に金属酸化物材料の透明導電膜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型コンタクト層はＡｌ _ｘ Ｇａ _１−ｘ Ａｓ（但し、０≦Ｘ≦０．４）から成り、前記ｐ型緩衝層は前記発光部からの発光波長に対して透明であり、かつ前記半導体基板に格子整合するＡｌ _ｘ Ｇａ _１−ｘ Ａｓ（但し、０．４≦Ｘ≦１）から成り、前記ｐ型緩衝層は２つの緩衝層部と２つの拡散抑止層とからなり、前記２つの拡散抑止層は前記２つの緩衝層部間に形成されると共にＣ濃度が５×１０ ^1６ ／ｃｍ ³ 以下のアンドープ層から成り、かつ前記２つの拡散抑止層の膜厚はそれぞれ１０ｎｍ以上２０ｎｍ以下に形成され、
   前記ｐ型クラッド層と前記ｐ型緩衝層との膜厚の和が１０００ｎｍ以上３０００ｎｍ以下であり、前記ｐ型クラッド層の膜厚が２００ｎｍ以上６００ｎｍ以下であり、
   前記ｐ型緩衝層を構成する各層はそれぞれ隣接する層と組成が異なることを特徴とする透明導電膜を備えた半導体発光素子。
2. 請求項１に記載の透明導電膜を備えた半導体発光素子において、
   前記コンタクト層の膜厚が１ｎｍ以上、３０ｎｍ以下であり、かつ前記コンタクト層のキャリア濃度が１×１０ ^１９ ／ｃｍ ^３ 以上であることを特徴とする透明導電膜を備えた半導体発光素子。
3. 請求項１又は２に記載の透明導電膜を備えた半導体発光素子において、
   前記電流分散層が、ＩＴＯ（錫添加酸化インジウム）、ＺｎＯ（酸化亜鉛）、ＣＴＯ（錫添加酸化カドミウム）、ＡＺＯ（アルミニウム添加酸化亜鉛）のいずれかからなり、かつ前記電流分散層のキャリア濃度が８×１０ ^２０ ｃｍ ^−３ 以上であることを特徴とする透明導電膜を備えた半導体発光素子。

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