JP4710764B2 - 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半導体発光素子に関するものである。

ＡｌＧａＩｎＰ系材料は、窒化物を除くIII−Ｖ族化合物半導体の中で最大のバンドギャップを有する直接遷移型半導体であり、５６０ｎｍ〜６５０ｎｍの発光帯域において非常に高い輝度が得られる。このことから、現在でも盛んに研究・開発が行われており、特に更なる高輝度化の研究が盛んである。また最近では、ＡｌＧａＩｎＰ系発光ダイオードは低価格化競争の最中にあり、発光ダイオードの原価低減、スループット向上が求められている。

ＡｌＧａＩｎＰ系発光ダイオードの製造コストは、主に電流拡散層が占めている。この要因として、一つには電流拡散層の膜厚が厚いことが挙げられる。電流拡散層の材料は主に、ＧａＰ、ＡｌＧａＡｓであり、発光ダイオードの高輝度化、低動作電圧化を図るには、この電流拡散層の膜厚を大体８μｍ以上とする必要があった。このため、電流拡散層の成長に掛かる原料費用が高くなり、更には、成長に要する時間が長くなってスループットを悪化させ、総合的にＡｌＧａＩｎＰ系発光ダイオードの製造原価を高くしていた。

これらの問題を解決する方法として、半導体による電流拡散層（窓層）の代わりに、キャリア濃度が非常に高く、薄い膜厚で十分な電流分散効果を得ることができる金属酸化膜の透明導電膜を用いる方法が提案されている。しかし、通常、金属酸化物の透明導電膜を用いた場合、その上に金属電極（上面電極）が形成されるが、半導体層と金属酸化膜である透明導電膜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問題がある。
また、最上の半導体層のキャリア濃度を極めて高くすることで、トンネル電流によりＬＥＤを駆動させるという方法も開示されている（例えば、非特許文献１参照）。これらの方法を用いる事により、低コスト化が可能となる。

しかしながら、更なる高輝度化が求められており、上面電極によって遮蔽されてしまう上面電極直下での発光を少なくして高輝度化を図る方法として、電流ブロック層を備えた電流狭窄型の発光ダイオードが提案されている（例えば、特許文献１参照）。電流ブロック層は、発光層と電流拡散層との間に、電流拡散層とは逆の導電性を有する半導体層をＭＯＶＰＥ（有機金属気相成長）法で成長させ、これを選択的にエッチングして電流ブロック層のパターンニングを行って形成される。その後、電流ブロック層上に電流拡散層を再びＭＯＶＰＥ法によって成長させる事で、電流狭窄型の発光ダイオードを作製している。

ELECTRONICS LETTERS，7Th December 1995，pp.2210〜2212 特開２００２−６４２１９号公報

しかし、電流ブロック層を設ける方法では、ＭＯＶＰＥによる成長工程が二度必要になる為、発光ダイオードの製造原価を低減する事が難しい。特にＭＯＶＰＥは、１回のウェハ処理枚数が少ない為、成長工程が二度必要になると、スループットが悪く、製造コストが高くなってしまう。また逆メサ方向では、電流ブロック層が逆テーパになることから、二度目のＭＯＶＰＥによる成長時に、欠陥が出来てしまうことが多々あり、制御性が悪く、再現性等に問題がある。つまり技術的にも製造が難しく、歩留まりが悪いことから、製造コストが高くなる。従って、現状では、高輝度で低コストの発光ダイオードを、歩留まり良く製作することが難しい。

本発明は、上記課題を解決し、低コストで製造可能な高輝度の半導体発光素子を提供することにある。

発光素子の上面（表面）に形成された上面電極（金属電極）の下方で発光し上面電極に達した光は、上面電極が遮光体となってしまい、発光素子の上面から取り出す事が出来ない。このため、上面電極直下での発光を少なくして高輝度化する方法が、従来の電流ブロック層を設ける方法である。しかし、上述したように、電流ブロック層は、製造が難しく歩留まりが悪いことから、製造コストが高くなる。
また、上面電極は、電極形成後にアロイ処理（熱処理）をしている。このアロイ処理によって、上面電極と半導体層が合金化して接触抵抗が低くなる。しかし、合金化することによって光の反射率は低下する。つまり、発光部で発光した光の内、上面電極に達したものの多くは、外に出られずに損失となる。
上面電極に達した光を効率よく反射することが出来れば、その反射した光は発光部側に行き、活性層で再発光する。所謂フォトリサイクリングが行われる。また、反射して外部に光が出て発光出力が増加する確率も高まる。
そこで、上面電極直下で発光し上面電極に向かう光を発光部に効率よく反射して戻すことができれば、電流ブロック層を設けることなく、低コストで高輝度の発光素子を得る事が出来る。かかる考察から本発明は案出されたものであり、次のように構成されている。

本発明の第１の態様は、半導体基板上に、III−Ｖ族化合物半導体からなる、ｎ型クラッド層、活性層及びｐ型クラッド層の発光部と、ｐ型コンタクト層とを有し、前記ｐ型コンタクト層上に金属酸化物の透明導電膜からなる電流分散層が形成されると共に、前記電流分散層上の一部に上面電極が、前記半導体基板裏側に下面電極がそれぞれ形成された半導体発光素子において、前記ｐ型コンタクト層と前記電流分散層との間の、前記上面電極下方にほぼ対応した部位に、前記発光部からの光を反射するIII−Ｖ族化合物半導体からなる光反射層を備えたことを特徴とする半導体発光素子である。

本発明の第２の態様は、第１の態様の半導体発光素子において、前記光反射層が、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ層（０≦ｘ≦１）と（Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙ）_ｚＩｎ_１−ｚＰ層（０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１）との組み合わせからなることを特徴とする半導体発光素子である。

本発明の第３の態様は、第１又は第２の態様の半導体発光素子において、前記光反射層が、ｐ型層であることを特徴とする半導体発光素子である。

本発明の第４の態様は、第１〜第３の態様のいずれかの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、前記活性層で発光した光に対して透明な材料であり、且つＡｓ系若しくはＰ系、またはＡｓ系とＰ系が混在したIII−Ｖ族化合物半導体の緩衝層が設けられていることを特徴とする半導体発光素子である。

本発明の第５の態様は、第１〜第４の態様のいずれかの半導体発光素子において、前記電流分散層が、ＩＴＯで形成されていることを特徴とする半導体発光素子である。

本発明の第６の態様は、第１〜第５の態様のいずれかの半導体発光素子において、前記電流分散層が、真空蒸着法又はスパッタ法によって形成され、且つキャリア濃度が形成直後の状態で８×１０^２０／ｃｍ^３以上であることを特徴とする半導体発光素子である。

本発明の第７の態様は、第１〜第６の態様のいずれかの半導体発光素子において、前記ｐ型コンタクト層はＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ（但し、０≦ｘ≦０.４）からなり、当該ｐ型コンタクト層に含まれる主たるドーパントはＺｎで、且つキャリア濃度が１×１０^１９／ｃｍ^３以上であることを特徴とする半導体発光素子である。

本発明の第８の態様は、第１〜第７の態様のいずれか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以下であることを特徴とする半導体発光素子である。

本発明の第９の態様は、第１〜第８の態様のいずれかの半導体発光素子において、前記半導体基板と前記ｎ型クラッド層の間に、屈折率の異なる２つの半導体層が交互に積層された半導体多層膜からなる光反射層が設けられていることを特徴とする半導体発光素子である。

本発明の第１０の態様は、第１〜第９の態様のいずれかの半導体発光素子において、前記活性層が、多重量子井戸構造、又は歪多重量子井戸構造であることを特徴とする半導体発光素子である。

本発明によれば、大幅なコストアップを招くことなく、歩留まり良く、高輝度の半導体発光素子が得られる。

以下に、本発明に係る半導体発光素子の実施形態を図面を用いて説明する。図１は、実施形態の発光ダイオードの層構造を示す断面図である。

この実施形態の発光ダイオードは、図１に示すように、ｎ型半導体基板１上には、III−Ｖ族化合物半導体からなる、ｎ型バッファ層２と、ｎ型光反射層３と、ｎ型クラッド層４、アンドープの活性層５およびｐ型クラッド層６からなる発光部と、ｐ型緩衝層７と、ｐ型コンタクト層８とが形成されている。ｐ型コンタクト層８上には金属酸化物の透明導電膜からなる電流分散層９が形成され、更に、電流分散層９上の一部には上面電極１０が形成され、ｎ型半導体基板１の裏面には下部電極１１が形成されている。また、ｐ型コンタクト層８と電流分散層９との間の、上面電極１０下方にほぼ対応した部位に、上記発光部からの光を反射するIII−Ｖ族化合物半導体からなる光反射層１２が形成されている。

ｎ型光反射層３は、上記発光部から基板１側への光を反射する層であり、高屈折率層と低屈折率層との屈折率の異なる２つの半導体層が交互に積層された半導体多層膜が好ましい。
活性層５は、高出力化が図れる、多重量子井戸構造、又は歪多重量子井戸構造であるのが好ましい。
ｐ型緩衝層７は、ｐ型コンタクト層８のｐ型ドーパントであるＺｎやＭｇが活性層５に拡散するのを防止したり、上面電極１０にワイヤボンディングする際のの衝撃を緩和したりするための層である。ｐ型緩衝層７は、活性層５で発光した光に対して透明な材料であって、Ａｓ系若しくはＰ系、またはＡｓ系とＰ系が混在した層であるのが好ましい。
ｐ型コンタクト層８は、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ（但し、０≦ｘ≦０.４）からなり、ｐ型コンタクト層８に含まれる主たるドーパントはＺｎで、且つキャリア濃度が１×１０^１９／ｃｍ^３以上であるのが好ましい。また、ｐ型コンタクト層８の膜厚は、１ｎｍ以上３０ｎｍ以下であるのが好ましい。
電流分散層９は、ＩＴＯ（酸化インジウム錫：Indium Tin Oxide）で形成されているのが好ましい。その他、金属酸化物の透明導電膜からなる電流分散層９の材料としては、ＺｎＯ（酸化亜鉛）、ＣＴＯ（酸化カドミウム錫）などが挙げられる。また、電流分散層９は、真空蒸着法又はスパッタ法によって形成され、且つキャリア濃度が形成直後の状態で８×１０^２０／ｃｍ^３以上であるのが好ましい。また、電流分散層９の膜厚ｄ（ｎｍ）は、膜厚ｄ＝定数Ａ×波長λｐ（ｎｍ）／（４×電流分散層９の屈折率ｎ）の関係式をほぼ満足し、更にその定数Ａは奇数である事が好ましい。尚、前記関係式の波長λｐは、上記発光部の発光ピーク波長である。

光反射層１２は、上記発光部から上面電極１０に向かう光を反射して発光部側に戻すための、単層又は多層の半導体層である。光反射層１２としては、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ層（０≦ｘ≦１）と（Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙ）_ｚＩｎ_１−ｚＰ層（０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１）との屈折率の異なる２つの半導体層が交互に積層された半導体多層膜（分布ブラッグ反射膜）が好ましい。光反射層１２の各層の膜厚は、λｐ／（４×光反射層１２の各層の屈折率）に設定する。また、光反射層１２は、ｐ型層であるのが好ましい。
光反射層１２をｐ型層にすると、上面電極１０から活性層５に対して、電流分散層９だけではなく光反射層１２からも電流が供給される。従って、光反射層１２直下、即ち上面電極１０直下の活性層５からも発光するが、この発光のうち上面電極１０に向かう光は上面電極１０の前方に設けた光反射層１２によって反射され、発光部側に戻されて活性層５での再発光に利用されたり、ＬＥＤ素子の側面などから外部に光が取り出されたりして、発光出力が増加する。

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理由、好ましい設定などを詳述する。
第１に、ｐ型コンタクト層８は、例えばＩＴＯ膜などから成る電流分散層９とオーミック接合するために、極めて高濃度に導電型決定不鈍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ｐ型コンタクト層８の場合、その結晶材料はＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓのＡｌ混晶比ｘが０から０.４までの、ＧａＡｓ又はＡｌＧａＡｓである事が望ましく、そのキャリア濃度は１×１０^１９／ｃｍ^３以上が好適であり、キャリア濃度は高ければ高い程好ましい。
ＩＴＯ膜は基本的に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事が多い。この為、ＩＴＯ膜を電流分散層に応用したＬＥＤは導電型が半導体基板の側からｎ／ｐ／ｎ接合となってしまう。この為にＬＥＤではＩＴＯ膜と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、ｐ型半導体層には非常に高いキャリア濃度を有するｐ型コンタクト層８が必要となる。また、ｐ型コンタクト層８のバンドギャップを狭くするのは、その方が高キャリア化が容易である事による。
更に、ｐ型コンタクト層８の高キャリア化と連動して、ｐ型コンタクト層８と接するＩＴＯ膜（電流分散層９）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ＩＴＯ膜のキャリア濃度は、上述したｐ型コンタクト層８と同様の理由で、高ければ高いほど好ましく、具体的には８×１０^２０／ｃｍ^３以上のキャリア濃度を有している事が好ましい。

第２に、ｐ型コンタクト層８の膜厚は、１ｎｍから３０ｎｍの範囲にある事が好ましい。何故ならば、ｐ型コンタクト層８は、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て、発光出力が低下してしまう。図３には、コンタクト層の膜厚と発光出力の減衰率との関係を示す。図３に示すように、コンタクト層の膜厚の上限をおよそ３０ｎｍとする事が好ましく、より好ましくは２５ｎｍまでである。
一方、ｐ型コンタクト層８の膜厚が１ｎｍ未満になってくると、今度はＩＴＯ膜（電流分散層９）とｐ型コンタクト層８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膜と接するｐ型コンタクト層８の膜厚の最適値は、１ｎｍから３０ｎｍである。

第３に、上述したように、透明導電膜からなる電流分散層９の膜厚は、膜厚ｄ＝定数Ａ×波長λｐ／（４×電流分散層９の屈折率ｎ）の関係式を満たすように設定され、更にその定数Ａは奇数である事が好ましい。ＬＥＤ用エピタキシャルウェハ上に形成される電流分散層９として用いられるＩＴＯ膜は、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、上記の関係式に則った膜厚設計とする事が好ましい。しかし、勿論、ＩＴＯ膜は厚くすればする程、吸収によって透過率が悪くなる傾向にある。
ＩＴＯ膜の透過率が低下すると、活性層５より放射される光がＩＴＯ膜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、電流分散層９の膜厚が増加するに連れ、当該層９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基板上に上記関係式を満足する所定膜厚のＩＴＯ膜を形成した試料を作製し、その試料に対し垂直に光を入射した時の反射光のスペクトルを測定した結果を図４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９の膜厚ｄは、上記の関係式にあり、なお且つ定数Ａは１又は３である方が良く、最も好ましくは、定数Ａは１である。また更に、ＬＥＤ用エピタキシャルウェハ上に形成される電流分散層９、例えばＩＴＯ膜の膜厚ｄは、上記の関係式により求まる値の±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、上記関係式より求まる膜厚ｄの±３０％の範囲にある。ＩＴＯ膜の膜厚が、上記関係式より求まる膜厚ｄの±３０％の範囲よりも大きくなったり小さくなったりすると、反射防止膜としての効果は小さくなり、ＬＥＤの出力が低下してしまうのである。

第４に、上記実施形態では、光反射層１２をｐ型層としたが、ｎ型でもアンドープ層でも良い。それは、上面電極１０から活性層５に流れる電流は、電流分散層９であるＩＴＯ膜を通じて供給されるためである。なお、ｐ型、アンドープあるいはｎ型であっても、III−Ｖ族化合物半導体からなる光反射層１２は、ＩＴＯ膜より導電性が低く、多かれ少なかれＩＴＯ膜に対して電流低減層ないし電流ブロック層としても機能することになる。

第５に、上面電極１０の下に設けられている光反射層１２の総積層数、所謂ペア数は多ければ多いほど良い。しかし光反射層１２の総膜厚は、電流分散層９であるＩＴＯ膜よりも薄くなければならない。その理由は上記第４で述べたように、ＩＴＯ膜を介して電流が流れるようにするためである。もしも、電流分散層９であるＩＴＯ膜よりも厚くなると、電流が流れない事があるためである。但し、光反射層１２がｐ型である場合には、電流分散層９であるＩＴＯ膜と同等か、若干であればＩＴＯ膜９よりも厚くなっても良い。それは、光反射層１２からも電流が流れるためである。

次に、本発明の実施例を説明する。
［実施例１］
上記実施形態と同一構造を有する、図１に示す発光波長６３０ｎｍ付近の赤色ＬＥＤ素子を作製した。ＬＥＤ用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。

ｎ型ＧａＡｓ基板１上に、ＭＯＶＰＥ法で、Ｓｉドープのｎ型ＧａＡｓバッファ層（膜厚２００ｎｍ、キャリア濃度１×１０^１８／ｃｍ^３）２と、Ｓｉドープのｎ型光反射層３（Ａ１１ｎＰ層とＡｌ_０.５Ｇａ_０.５Ａｓ層を各々２０層ずつ交互に設けた２０ペアの光反射層）と、Ｓｉドープの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５×１０^１７／ｃｍ^３）４と、アンドープの（Ａｌ_０.１Ｇａ_０.９）_０．５Ｉｎ_０.５Ｐ活性層（膜厚６００ｎｍ）５と、Ｍｇドープの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５×１０^１７／ｃｍ^３）６と、Ｍｇドープのｐ型Ａｌ_０.８Ｇａ_０.２Ａｓ緩衝層（膜厚６００ｎｍ、キャリア濃度１×１０^１８／ｃｍ^３）７と、Ｚｎドープのｐ型Ａｌ_０.１ＧａＡｓコンタクト層（膜厚３ｎｍ、キャリア濃度７×１０^１９／ｃｍ^３）８と、Ｍｇドープのｐ型光反射層（ＡｌＩｎＰ層（膜厚４０ｎｍ）とＡｌ_０．５Ｇａ_０．５Ａｓ層（膜厚３０ｎｍ）を各々１層ずつ設けた１ペアの光反射層、キャリア濃度１×１０^１８／ｃｍ^３以上）１２とを、順次エピタキシャル成長させて、ＬＥＤ用エピタキシャルウェハを作製した。
ｎ型光反射層３の膜厚は、発光ピーク波長λｐ／（４×屈折率）とした。ここで、屈折率は、光反射層３を構成する各半導体材料の屈折率が適用される。また光反射層３のキャリア濃度は約１×１０^１８／ｃｍ^３とした。

ＭＯＶＰＥ成長での成長温度は、ｎ型ＧａＡｓバッファ層２からｐ型緩衝層７までは６５０℃とし、ｐ型コンタクト層８及びｐ型光反射層１２は５５０℃で成長した。その他の成長条件は、成長圧力は約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型緩衝層７及びｐ型コンタクト層８のＶ／III比は、それぞれ３０と１０とした。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）をいう。

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。ｎ型バッファ層２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５のようなｐ型層の導電性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。但し、ｐ型コンタクト層８のみはジエチルジンク（ＤＥＺｎ）を用いた。
その他に、ｎ型層の導電性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。また、ｐ型クラッド層及びｐ型緩衝層の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）を用いる事も出来る。

更に、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型光反射層１２の表面側に、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利用して直径１１０μｍのマトリックス状にパターンを形成する。つまりφ１１０μｍのレジストをマトリックス状に形成する。
次に、硫酸系のエッチング液を用いてｐ型光反射層１２の上部層であるＡｌＧａＡｓ層の一部を取り除く。この時、ｐ型光反射層１２の下部層であるＡｌＩｎＰ層は、除去されない（選択的にエッチングされるからである）。その後更に、塩酸系のエッチング液により、ｐ型光反射層１２の下部層であるＡｌＩｎＰ層の一部を除去する。これもまた、ｐ型Ａｌ_０.１ＧａＡｓコンタクト層８がＡｓ系材料である事から、塩酸系のエッチング液では除去されず、エッチングがとまる。つまり選択エッチング方法を用いてｐ型光反射層１２をφ１１０μｍでマトリックス状に残す。その後、レジストを有機溶剤で除去する。

その後、ＬＥＤ用エピタキシャルウェハ表面全体に真空蒸着法によって膜厚８０ｎｍのＩＴＯ膜９を形成した。本実施例１では、このＩＴＯ膜９が電流分散層となる。
この時、ＩＴＯ膜９の蒸着と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膜単体の電気特性を評価した所、キャリア濃度１.１×１０^２１／ｃｍ^３、移動度１６.７ｃｍ^２／Ｖｓ、抵抗率３.３×１０^−４Ω・ｃｍであった。

更に、ＩＴＯ膜９を形成したエピタキシャルウェハの上面に、再度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利用して上面電極１０である直径１１０μｍの円形電極用のレジストパターンを、光反射層１２が残っている部分と略一致するように形成する。その後、真空蒸着法で、上面電極材料を蒸着した。蒸着後の電極形成はリフトオフ法を用いた。上面電極１０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、全面に下面電極１１を同じく真空蒸着法によって形成した。下面電極１１は、ＡｕＧｅ（金・ゲルマニウム合金）、Ｎｉ（ニッケル）、Ａｕ（金）を、それぞれ１５０ｎｍ、ｌ０ｎｍ、５００ｎｍの順に蒸着し、その後、電極の合金化であるアロイエ程を、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円形の上面電極１０が略中心に位置す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、前記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、実施例１との効果を比較するために、図５に示す構造の発光波長６３０ｎｍ付近の赤色ＬＥＤ素子を比較例として作製した。この比較例は、上記実施例１におけるｐ型光反射層１２を設けずに、ｐ型Ａｌ_０.１ＧａＡｓコンタクト層８上にＩＴＯ膜９を形成している。この相違点を除き、エピタキシャル成長方法、エピタキシャル層構造、電極形成方法及びＬＥＤ素子製作方法についは、上記実施例１と比較例とは基本的に同じである。

上記の通りに作製された実施例１及び比較例のＬＥＤ素子の初期特性を評価した。その結果、実施例１のＬＥＤ素子では、２０ｍＡ通電時（評価時）の発光出力２.０７ｍＷ、動作電圧１.８８Ｖという初期特性を得る事が出来た。一方、比較例のＬＥＤ素子では、２０ｍＡ通電時（評価時）の発光出力１.８１ｍＷ、動作電圧１.８６Ｖという初期特性であった。
つまり、実施例１では、比較例よりも約１５％発光出力を向上することが出来た。また、実施例１では、歩留まりも良好であった。
また、実施例１におけるｐ型緩衝層７をＡｌ_０.８Ｇａ_０.２Ａｓ層ではなく、ＧａＰ層に変更した例でも、上記比較例よりも約１５〜２０％の高出力化が実現できた。

［実施例２］
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。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。但し、本実施例２では、ｐ型光反射層１２をＡｌＩｎＰ層（４０ｎｍ）とＡｌ_０．５Ｇａ_０．５Ａｓ層（３０ｎｍ）とが各々３層ずつ交互に３ペア設けられている。また、ｐ型光反射層１２の膜厚の増加に対応して、電流分散層であるＩＴＯ膜９の膜厚を２４０ｎｍとした。
実施例２のＬＥＤの初期特性は、実施例１と同様、上記比較例よりも約１５〜２０％発光出力が向上した。
実施例２では、電流分散層であるＩＴＯ膜９の膜厚を、実施例１の８０ｎｍから２４０ｎｍにしてｐ型光反射層１２のペア数を増加させたが、出力の向上が実施例１と同程度であったのは、ＩＴＯ膜９での光吸収が若干あるため、及びＩＴＯ膜９の膜厚が増加するに連れてＩＴＯ膜９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（図４参照）ためである。よりクオリティの良いＩＴＯ膜が製作できれば、光吸収が低減し、ｐ型光反射層１２のペア数が多い方がより出力向上が望めるものと考える。

［実施例３］
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ェハを作製した。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。但し、この実施例３では、上記実施例１における緩衝層７を設けない構造とした。 この実施例３でも、実施例１と同様に、上記比較例よりもＬＥＤの発光出力を約１５〜２０％向上できた。

なお、上記実施例では、発光波長６３０ｎｍの赤色ＬＥＤ素子を作製した例を説明したが、同じＡｌＧａＩｎＰ系の材料を用いて製作される、６３０ｎｍ以外の、発光波長５６０ｎｍ〜６６０ｎｍのＬＥＤ素子においても、同様な効果が得られるのは勿論である。
また、上記実施例では、ｎ型ＧａＡｓ基板１上にｎ型ＧａＡｓバッファ層２を積層する構造としたが、ｎ型ＧａＡｓ基板１に直接ｎ型クラッド層４を設けたＬＥＤ素子構造を採ってもよい。
更に、上記実施例においては、上面電極１０の形状は円形のものとしたが、その他にも異形状、例えば四角、菱形、多角形等でもよい。
また、上記実施例では、ｐ型クラッド層６とｐ型緩衝層７を、ＡｌＧａＩｎＰとＡｌＧａＡｓ若しくはＧａＰの組み合わせとしたが、発光波長に対して透明な材料であれば上記実施例以外の組み合わせでも、同様な効果が得られるのは勿論である。

本発明の実施形態、実施例１及び実施例２にかかる発光ダイオードの断面構造図である。 本発明の実施例３にかかる発光ダイオードの断面構造図である。 コンタクト層の膜厚と発光出力の減衰率との関係を示す図である。 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。 比較例にかかる発光ダイオードの断面構造図である。

符号の説明

１ ｎ型半導体基板（ｎ型ＧａＡｓ基板）
２ ｎ型バッファ層（ｎ型ＧａＡｓバッファ層）
３ ｎ型光反射層
４ ｎ型クラッド層（ｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層）
５ アンドープの活性層（アンドープのＡｌＧａＩｎＰ活性層）
６ ｐ型クラッド層（ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層）
７ ｐ型緩衝層（ｐ型ＡｌＧａＡｓ緩衝層）
８ ｐ型コンタクト層（ｐ型ＡｌＧａＡｓコンタクト層）
９ 電流分散層（ＩＴＯ膜）
１０ 上面電極
１１ 下面電極
１２ 光反射層（ｐ型光反射層）

Claims (10)

1. 半導体基板上に、III−Ｖ族化合物半導体からなる、ｎ型クラッド層、活性層及びｐ型クラッド層の発光部と、ｐ型コンタクト層とを有し、前記ｐ型コンタクト層上に金属酸化物の透明導電膜からなる電流分散層が形成されると共に、前記電流分散層上の一部に上面電極が、前記半導体基板裏側に下面電極がそれぞれ形成された半導体発光素子において、
   前記ｐ型コンタクト層と前記電流分散層との間の、前記上面電極下方にほぼ対応した部位に、前記発光部からの光を反射するIII−Ｖ族化合物半導体からなる光反射層を備えた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、前記光反射層が、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ層（０≦ｘ≦１）と（Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙ）_ｚＩｎ_１−ｚＰ層（０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１）との組み合わせからな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、前記光反射層が、ｐ型層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ｐ型クラッド層と前記ｐ型コンタクト層との間に、前記活性層で発光した光に対して透明な材料であり、且つＡｓ系若しくはＰ系、またはＡｓ系とＰ系が混在したIII−Ｖ族化合物半導体の緩衝層が設けられてい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、前記電流分散層が、ＩＴＯで形成されている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、前記電流分散層が、真空蒸着法又はスパッタ法によって形成され、且つキャリア濃度が形成直後の状態で８×１０^２０／ｃｍ^３以上であることを特徴とする半導体発光素子。
7. 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ｐ型コンタクト層はＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ（但し、０≦ｘ≦０.４）からなり、当該ｐ型コンタクト層に含まれる主たるドーパントはＺｎで、且つキャリア濃度が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ｐ型コンタクト層の膜厚が、１ｎｍ以上３０ｎｍ以下であることを特徴とする半導体発光素子。
9. 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、前記半導体基板と前記ｎ型クラッド層の間に、屈折率の異なる２つの半導体層が交互に積層された半導体多層膜からなる光反射層が設けられていることを特徴とする半導体発光素子。
10. 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、前記活性層が、多重量子井戸構造、又は歪多重量子井戸構造であることを特徴とする半導体発光素子。

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