(57)【要約】【課題】逆方向耐電圧の信頼性（通電時の経時的安定性）に優れた半導体発光素子の製造方法を提供し、更には、それに伴って生ずる電流分散特性の低下を補う為の対策を有した半導体発光素子の製造方法を提供すること。【解決手段】半導体基板１上に、ＭＯＶＰＥ法によって、少なくとも活性層５をそれぞれ異なる導電性を示すクラッド層４、６で挟んだ発光部と、その上に高濃度に導電型決定不純物が添加されたウインドウ層８を形成する半導体発光素子の製造方法において、前記ウインドウ層８における、少なくとも前記発光部に近い側（１１）を高Ｖ／III比で成長することとし、更にそれ以外の部分１２において少なくとも一部分以上を高Ｖ／III比成長部１１よりも低いＶ／III比で成長し、これによってウインドウ層中にＶ／III比の異なる領域（１１、１２）を設ける。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板上に、有機金属気相成長法によって、少なくとも活性層をそれぞれ異なる導電性を示すクラッド層で挟んだ発光部と、その上に高濃度に導電型決定不純物が添加されたウインドウ層を形成し、前記ウインドウ層の表面側の一部と、前記半導体基板の裏面全面又は一部に電極を形成する半導体発光素子の製造方法において、
前記ウインドウ層における、少なくとも前記発光部に近い側を高Ｖ／III比で成長することとし、更にそれ以外の部分において少なくとも一部分以上を前記高Ｖ／III比成長部よりも低いＶ／III比で成長し、これによってウインドウ層中にＶ／III比の異なる領域を設けることを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
【請求項２】
半導体基板上に、有機金属気相成長法によって、少なくとも活性層をそれぞれ異なる導電性を示すクラッド層で挟んだ発光部と、その上に高濃度に導電型決定不純物が添加されたウインドウ層を形成し、前記ウインドウ層の表面側の一部と、前記半導体基板の裏面全面又は一部に電極を形成する半導体発光素子の製造方法において、
前記ウインドウ層における、少なくとも前記発光部に近い側をオートドーピングによるＣ濃度が１×１０17／cm3以下となるような高Ｖ／III比状態で成長することとし、更にそれ以外の部分において少なくとも一部分以上を前記高Ｖ／III比成長部よりも低いＶ／III比で成長し、これによってウインドウ層中にＶ／III比の異なる領域を設けることを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の半導体発光素子の製造方法において、
前記クラッド層のうち、前記ウインドウ層に近い側のクラッド層と前記ウインドウ層との間に、前記ウインドウ層に近い側のクラッド層よりも狭いバンドギャップを有し、且つ前記ウインドウ層に近い側のクラッド層よりも高濃度に導電型決定不純物が添加された狭バンドギャップ材料層を挿入することを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
【請求項４】
請求項３に記載の半導体発光素子の製造方法において、
前記狭バンドギャップ材料層の成長温度を、前記発光部の成長温度よりも低くすることを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
【請求項５】
請求項４に記載の半導体発光素子において、
少なくとも前記ウインドウ層の成長開始温度を、前記狭バンドギャップ材料層を成長する際の成長温度とほぼ等しい成長温度とし、そこから段階的に、若しくはグレーディッドに成長温度を上昇させていくことによって、ウインドウ層の成長時の温度プロファイルに高低差をつけて成長することを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれかに記載の半導体発光素子の製造方法において、
ｐ型の導電性決定不純物が亜鉛、マグネシウムのどちらか一方であり、更に、ｎ型の導電性決定不純物がシリコン、セレン、テルルの何れか、若しくはこれらの組み合わせであること特徴とする半導体発光素子の製造方法。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれかに記載の半導体発光素子の製造方法において、
前記半導体基板がＧａＡｓであり、また、前記発光部を形成する主たる材料が（ＡｌxＧａ1-x）YＩｎ1-YＰ（０≦Ｘ≦１、０≦Ｙ≦１）であり、更に、前記ウインドウ層を形成する主たる材料がＧａＰ、ＧａＡｓＰ、ＧａＩｎＰであることを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
【請求項８】
請求項１乃至７のいずれかに記載の半導体発光素子の製造方法において、
前記活性層と前記ウインドウ層に近い側の前記クラッド層との間に、真性なアンドープ層、若しくはアンドープに限り無く近く不純物を低濃度に含んだドープ層を備えたことを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
【請求項９】
請求項１乃至８のいずれかに記載の半導体発光素子の製造方法において、
前記活性層に量子井戸構造を用いることを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、優れた電流分散特性を有するウインドウ層を備え、更に、逆方向耐電圧の安定性に優れた半導体発光素子を製造する方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、ＡｌＧａＩｎＰ系エピタキシャルウェハを用いて製造する高輝度の半導体発光素子、特に、発光ダイオード（ＬＥＤ）の需要が大幅に伸びている。従来の用途としては、電光掲示板、民生用家電製品の表示ランプなどであったが、最近の主な用途は、交通用信号、自動車の車載用ランプなどであり、このように、ＬＥＤの応用範囲は急激に拡大してきたが、これらは近年のＬＥＤの著しい高輝度化に伴うものである。
【０００３】
ＬＥＤに求められる主な特性は、輝度（出力）、動作電圧、発光波長、逆方向耐電圧、及びそれらの信頼性（経時的な変化に対する安定性）である。このうち、輝度、動作電圧、発光波長、逆方向耐電圧といった初期特性に関することは、これまでに公知となっている技術を参考にそれらを応用すれば、比較的容易にある程度のレベルにまで達することができる。
【０００４】
しかし、これに対し、信頼性に関することは、前述の初期特性に関することと比較して、そのメカニズムや信頼性安定の為のキー技術など、公知となっていない部分が多々ある。特に、軽視されがちである逆方向耐電圧に関する報告などは、著しくその他の報告に比べて少数である。逆方向耐電圧は、ＬＥＤの発光特性には特に影響を及ぼすものでは無いが、ＬＥＤを使用する応用製品等に対しては重要な役割を果たす。
【０００５】
ＬＥＤは、周知の通りｐｎ接合を有するダイオード構造である。ＬＥＤの他にもダイオードは多々あるがＬＥＤは比較的、逆方向耐電圧に優れたデバイスである。それ故、車載用など、複雑に電子回路が組み込まれるユニットに対しては、ＬＥＤが逆方向電圧に対する障壁として働くため、そういった特性を活用して回路を組むケースもある。よって、ＬＥＤにおける逆方向耐電圧特性は軽視できないと言える。しかも近年では、交通信号灯用や、車載用など、万が一の不慮のトラブルがあった際に、人命に関わる恐れがある機器に組み込まれることが増えた為、より一層、その重要度は高まっていると言える。
【０００６】
なお、低温通電による信頼性に言及したものとして、例えば、特開平１０−３２１９０１号公報（特許文献１）がある。特許文献１では、ｐ形不純物のドープによる結晶性の悪化を防止し、発光効率が高く高輝度で、素子の劣化や破損が生じにくい半導体発光素子とするため、ウインドウ層をカーボンのオートドープによりｐ形に形成し、そのＡｌy Ｇａ1-yＡｓ（０.６≦ｙ≦０.８）からなるウインドウ層の表面側に、該ウインドウ層よりＡｌの混晶比率を小さくしたＡｌzＧａ1-z Ａｓ（０.４５≦ｚ≦０.６、ｚ＜ｙ）からなる保護層を設けることにより、表面側の半導体層のＡｌの量を減らして、水分による腐食や酸化が生じ難くすることを開示している。
【特許文献１】特開平１０−３２１９０１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１には逆方向耐電圧に関する記載はない。
【０００８】
上記したように、これまでの研究の結果、前述した初期特性の他、輝度、動作電圧、発光波長の信頼性では、優れた特性を達成することができた。しかし、逆方向耐電圧の信頼性だけは良好な特性を得ることは困難であった。具体的には、ＬＥＤ素子の連続通電試験によって逆方向耐電圧の値が経時変化（特性的には劣化）を起こしてしまうのである。これが極端に激しい場合には、当初−６０Ｖまであった逆方向耐電圧が、１週間程度の連続通電試験によって−０Ｖ、つまり逆方向に耐性の無いＬＥＤ素子が発生してしまっていた。
【０００９】
従って本発明の目的は、上記課題を解決し、逆方向耐電圧の信頼性（通電時の経時的安定性）に優れた半導体発光素子の製造方法を提供し、更に、それに伴って生ずる電流分散特性の低下を補う為の対策を有した半導体発光素子の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
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。
【００１１】
請求項１の発明に係る半導体発光素子の製造方法は、半導体基板上に、有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ法）によって、少なくとも活性層をそれぞれ異なる導電性を示すクラッド層で挟んだ発光部と、その上に高濃度に導電型決定不純物が添加されたウインドウ層を形成し、前記ウインドウ層の表面側の一部と、前記半導体基板の裏面全面又は一部に電極を形成する半導体発光素子の製造方法において、前記ウインドウ層における、少なくとも前記発光部に近い側を高Ｖ／III比で成長することとし、更にそれ以外の部分において少なくとも一部分以上を前記高Ｖ／III比成長部よりも低いＶ／III比で成長し、これによってウインドウ層中にＶ／III比の異なる領域を設けることを特徴とする。
【００１２】
請求項２の発明に係る半導体発光素子の製造方法は、半導体基板上に、有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ法）によって、少なくとも活性層をそれぞれ異なる導電性を示すクラッド層で挟んだ発光部と、その上に高濃度に導電型決定不純物が添加されたウインドウ層を形成し、前記ウインドウ層の表面側の一部と、前記半導体基板の裏面全面又は一部に電極を形成する半導体発光素子の製造方法において、前記ウインドウ層における、少なくとも前記発光部に近い側をオートドーピングによるＣ濃度が１×１０17／cm3以下となるような高Ｖ／III比状態で成長することとし、更にそれ以外の部分において少なくとも一部分以上を前記高Ｖ／III比成長部よりも低いＶ／III比で成長し、これによってウインドウ層中にＶ／III比の異なる領域を設けることを特徴とする。
【００１３】
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の製造方法において、前記クラッド層のうち、前記ウインドウ層に近い側のクラッド層と前記ウインドウ層との間に、前記ウインドウ層に近い側のクラッド層よりも狭いバンドギャップを有し、且つ前記ウインドウ層に近い側のクラッド層よりも高濃度に導電型決定不純物が添加された狭バンドギャップ材料層を挿入することを特徴とする。
【００１４】
請求項４の発明は、請求項３に記載の半導体発光素子の製造方法において、前記狭バンドギャップ材料層の成長温度を、前記発光部の成長温度よりも低くすることを特徴とする。
【００１５】
請求項５の発明は、請求項４に記載の半導体発光素子において、少なくとも前記ウインドウ層の成長開始温度を、前記狭バンドギャップ材料層を成長する際の成長温度とほぼ等しい成長温度とし、そこから段階的に、若しくはグレーディッドに成長温度を上昇させていくことによって、ウインドウ層の成長時の温度プロファイルに高低差をつけて成長することを特徴とする。
【００１６】
請求項６の発明は、請求項１乃至５のいずれかに記載の半導体発光素子の製造方法において、ｐ型の導電性決定不純物が亜鉛（Ｚｎ）、マグネシウム（Ｍｇ）のどちらか一方であり、更に、ｎ型の導電性決定不純物がシリコン（Ｓｉ）、セレン（Ｓｅ）、テルル（Ｔｅ）の何れか、若しくはこれらの組み合わせであること特徴とする。
【００１７】
請求項７の発明は、請求項１乃至６のいずれかに記載の半導体発光素子の製造方法において、前記半導体基板がＧａＡｓであり、また、前記発光部を形成する主たる材料が（ＡｌxＧａ1-x）YＩｎ1-YＰ（０≦Ｘ≦１、０≦Ｙ≦１）であり、更に、前記ウインドウ層を形成する主たる材料がＧａＰ、ＧａＡｓＰ、ＧａＩｎＰであることを特徴とする。
【００１８】
請求項８の発明は、請求項１乃至７のいずれかに記載の半導体発光素子の製造方法において、前記活性層と前記ウインドウ層に近い側の前記クラッド層との間に、真性なアンドープ層、若しくはアンドープに限り無く近く不純物を低濃度に含んだドープ層を備えたことを特徴とする。
【００１９】
請求項９の発明は、請求項１乃至８のいずれかに記載の半導体発光素子の製造方法において、前記活性層に量子井戸構造を用いることを特徴とする。
【００２０】
＜発明の要点＞
上記目的を達するために、発明者は上記課題を解決するべく鋭意努力し研究を行った結果、本発明に到達した。
【００２１】
本発明は、半導体発光素子、特に発光ダイオード（ＬＥＤ）素子の逆方向耐電圧特性の信頼性の不良の問題が、基板に対して格子不整合となる材料によってウインドウ層を形成する場合のＶ／III比に依存することを見出し、これを改善すべくその方策を提供するものである。
【００２２】
具体的には、ウインドウ層を成長する際、少なくとも発光部に近い側の一部分を高Ｖ／III比とすることによって逆方向耐電圧の信頼性を安定化させ、更に、前記方策によって発生する電流分散特性の低下を補うべく、前記高Ｖ／III比成長部以外の部分において、少なくとも一部分を前記高Ｖ／III比成長部よりも低Ｖ／III比で成長することで当該部分の実質的なキャリア濃度を高め、電流分散特性を向上させるものである
【発明の効果】
【００２３】
本発明に示した製造方法により、少なくともウインドウ層の発光部側の成長初期段階の一部分を高Ｖ／III比で成長し、更に、それ以外の部位の少なくとも一部分以上を前記高Ｖ／III比成長領域よりも低いＶ／III比で成長することで、優れた初期特性を有すると共に、極めて安定した信頼性、特に逆方向耐電圧の信頼性が著しく安定した半導体発光素子を得ることが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下、本発明の実施の形態を実施例を中心にして説明する。
【００２５】
〔従来例：ウインドウ層を低Ｖ／III比で成長〕
従来例として、図４に示した構造の発光波長６３０nm付近の赤色発光ダイオード（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。
【００２６】
ｎ型ＧａＡｓからなる半導体基板１上に、ＭＯＶＰＥ法で、ｎ型（Ｓｅドープ）ＧａＡｓからなるバッファ層（膜厚４００nm、キャリア濃度１×１０18／cm3）２、ＤＢＲ層（分布ブラッグ反射層）３、ｎ型（Ｓｅドープ）（Ａｌ0.7Ｇａ0.3）0.5Ｉｎ0.5Ｐからなるｎ型クラッド層（膜厚３００nm、キャリア濃度１×１０18／cm3）４、アンドープ（Ａｌ0.1、Ｇａ0.9）0.5Ｉｎ0.5Ｐからなる活性層（膜厚６００nm）５、ｐ型（Ｚｎドープ）（Ａｌ0.7Ｇａ0.3）0.5Ｉｎ0.5Ｐからなるｐ型クラッド層（膜厚３００nm、キャリア濃度５×１０17／cm3）６、ｐ型（Ｚｎドープ）（Ａｌ0.3Ｇａ0.7）0.5Ｉｎ0.5Ｐからなる狭バンドギャップ材料層（膜厚７５nm、キャリア濃度４×１０18／cm3）７、ｐ型（Ｚｎドープ）ＧａＰからなるウインドウ層（厚さ１４μｍ、キャリア濃度５×１０18／cm3）８を、順次積層成長させた。
【００２７】
ＭＯＶＰＥ成長での成長温度は、前記バッファ層２から前記ｐ型クラッド層６までを６５０℃とし、狭バンドギャップ材料層は５８０℃の低温とし、前記ウインドウ層８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０．３〜１．０nm／ｓｅｃ、Ｖ／III比は約２００前後で行った。但し、ウインドウ層８のＶ／III比のみ９とした。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
例えば、前記ｎ型ＧａＡｓからなるバッファ層２のようなｎ型層の導電型決定不純物の添加物原料としては、セレン化水素（Ｈ2Ｓｅ）を用いた。前記ｐ型（Ａｌ0.7Ｇａ0.3）0.5Ｉｎ0.5Ｐからなるｐ型クラッド層６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、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、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型層の導電型決定不純物の添加物原料として、ジメチルジンク（ＤＭＺｎ）を用いることもできる。
【００３１】
そして、このエピタキシャルウェハの上面（基板の逆側）には、直径１１０μｍの円形である表面電極９を、マトリックス状に蒸着で形成した。前記表面電極９は、金・ベリリウム（ＡｕＢｅ）合金、ニッケル（Ｎｉ）、金（Ａｕ）を、それぞれ５０nm、１０nm、８００nmの順に蒸着した。
【００３２】
更に、エピタキシャルウェハの底面（基板側）には、全面に裏面電極１０を形成した。前記裏面電極１０は、金・ゲルマニウム（ＡｕＧｅ）合金、ニッケル（Ｎｉ）、金（Ａｕ）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を、窒素ガス雰囲気中４００℃で５分間行った。
【００３３】
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、表面電極９が中心になるよう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。
【００３４】
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。
【００３５】
そして、上記の通りに作製されたＬＥＤ素子の初期特性（信頼性試験前の特性）を評価した結果、２０ｍＡ通電時（評価時）の発光出力２．０３ｍＷ、動作電圧１．９５Ｖ、そして−１０μＡ通電時の逆方向耐電圧約−５０Ｖ（ほぼ全てのｍ素子において）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。
【００３６】
次に、当該ＬＥＤ素子の信頼性試験を行った。信頼性試験の試験条件は、環境温度：常温（約２３℃）、環境湿度：常湿（約４０％）、試験通電電流：５０ｍＡ、試験通電時間：１６８時間（１週間）である。
【００３７】
信頼性試験の結果、２０ｍＡ通電時（評価時）の相対出力１０１％、動作電圧変化率＋０．３％、そして−１０μＡ通電時の逆方向耐電圧は約−２０Ｖ〜−０Ｖであった。つまり、発光出力と動作電圧に関しては、良好な信頼性を有するＬＥＤ素子を得ることができたが、逆方向耐電圧においては大幅な劣化が確認され、更に、その中には突発的に−０Ｖまで劣化してしまう異常な素子まで発生した。
【００３８】
また、本従来例で作製したＬＥＤ用エピタキシャルウェハのＳＩＭＳ分析を行い、ＧａＰからなるウインドウ層中の炭素（Ｃ）濃度を調査したところ、深さ方向に対して一様に４×１０18／cm3の濃度のＣが検出された。
【００３９】
〔実施例１：ウインドウ層の最下部を高Ｖ／III比で成長〕
図１に示した構造の発光波長６３０nm付近の赤色発光ダイオード（ＬＥＤ）用エピタキシャルウェハを作製した。
【００４０】
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、基本的に上記従来例と同じにした。
【００４１】
但し、前記ｐ型ＧａＰからなるウインドウ層８の成長初期から５μｍの部分（高Ｖ／III比成長部１１）については、そのＰＨ3流量を増大させて、Ｖ／III比約１００という高Ｖ／III比下で成長した。また、それ以後の９μｍの部分（低Ｖ／III比成長部１２）については、従来例と同じＶ／III比９で成長した。
【００４２】
このように作製されたＬＥＤ素子の初期特性（信頼性試験前の特性）を評価した結果、２０ｍＡ通電時（評価時）の発光出力２．０５ｍＷ、動作電圧１．９６Ｖ、そして−１０μＡ通電時の逆方向耐電圧約−５０Ｖ（ほぼ全てのＬＥＤ素子において）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。
【００４３】
次に、当該ＬＥＤ素子の信頼性試験を行った。信頼性試験の試験条件は従来例に記載した条件と同じである。信頼性試験の結果、２０ｍＡ通電時（評価時）の相対出力１０２％、動作電圧変化率＋０．２５％、そして−１０μＡ通電時の逆方向耐電圧は約−５０Ｖであった。つまり、発光出力と動作電圧に加え、逆方向動作電圧においても良好な信頼性を有するＬＥＤ素子を得ることができた。
【００４４】
また、本実施例１で作製したＬＥＤ用エピタキシャルウェハのＳＩＭＳ分析を行い、ＧａＰからなるウインドウ層中の炭素（Ｃ）濃度を調査した所、深さ方向に対して低Ｖ／III比で成長した部位のＣ濃度は４×１０18／cm3であるのに対し、高Ｖ／III比で成長した部位のＣ濃度は約４×１０16／cm3しか検出されなかった。つまり、本実施例１で講じた施策によって、発光層側に近い方のウインドウ層中のＣ濃度が減少し、これによって逆方向耐電圧の信頼性が良化したのである。
【００４５】
〔実施例２：ウインドウ層の最下部を高Ｖ／III比でグレーディッド成長〕
図２に示した構造の発光波長６３０nm付近の赤色発光ダイオード（ＬＥＤ）用エピタキシャルウェハを作製した。
【００４６】
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、基本的に上記従来例と同じにした。
【００４７】
また、ｐ型ＧａＰからなるウインドウ層成長時のＶ／III比は上記実施例１と同じとした。すなわち、ｐ型ＧａＰからなるウインドウ層８の成長初期から５μｍの部分（高Ｖ／III比成長部１３）については、そのＰＨ3流量を増大させて、Ｖ／III比約１００という高Ｖ／III比下で成長した。また、それ以後の９μｍの部分（低Ｖ／III比成長部１２）については、従来例と同じＶ／III比９で成長した。
【００４８】
ただし、本実施例２における前記ｐ型ＧａＰからなるウインドウ層８の高Ｖ／III比成長部１３は、図３の成長温度プロファイルに示すように、上記ｐ型（Ａｌ0.3Ｇａ0.7）0.5Ｉｎ0.5Ｐからなる狭バンドギャップ材料層７の成長終了時の成長温度である５８０℃から上記ｐ型ＧａＰからなるウインドウ層８の成長温度である６６０℃に温度が上がるまでの昇温過程において、当該ｐ型ＧａＰからなるウインドウ層８の成長を連続して行うようにした。つまり、発光部に近い方の成長初期のｐ型ＧａＰからなるウインドウ層（高Ｖ／III比成長部１３）は、成長温度が５８０℃から６６０℃にかけてグレーディッドに変化した成長層１３（グレーディッド成長部）となっているのである。
【００４９】
このように作製されたＬＥＤ素子の初期特性（信頼性試験前の特性）を評価した結果、２０ｍＡ通電時（評価時）の発光出力２．０４ｍＷ、動作電圧１．９１Ｖ、そして−１０μＡ通電時の逆方向耐電圧−５０Ｖ（ほぼ全てのＬＥＤ素子において）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。
【００５０】
次に、当該ＬＥＤ素子の信頼性試験を行った。信頼性試験の試験条件は従来例に記載した条件と同じである。
【００５１】
信頼性試験の結果、２０ｍＡ通電時（評価時）の相対出力１０１％、動作電圧変化率＋０．１１％、そして−１０μＡ通電時の逆方向耐電圧は約−５０Ｖであった。つまり、発光出力と動作電圧に加え、逆方向動作電圧においても良好な信頼性を有するＬＥＤ素子を得ることができた。
【００５２】
また、本実施例２で作製したＬＥＤ用エピタキシャルウェハのＳＩＭＳ分析を行い、ＧａＰからなるウインドウ層中の炭素（Ｃ）濃度を調査した所、深さ方向に対して低Ｖ／III比で成長した部位のＣ濃度は４×ｌ０18／cm3であるのに対し、高Ｖ／III比で成長した部位のＣ濃度は約４×１０16／cm3しか検出されなかった。つまり、本実施例２で講じた施策によっても、発光層側に近い方のウインドウ層中のＣ濃度が減少し、これによって逆方向耐電圧の信頼性が良化したことが確認された。
【００５３】
更に、本実施例２では、前記ｐ型ＧａＰからなるウインドウ層を低温領域からグレーディッドに成長した為、当該ｐ型ＧａＰからなるウインドウ層成長初期領域のｐ型不純物が多く添加され、更なる低動作電圧化を達したものである。
【００５４】
〔実施例３：ウインドウ層の高Ｖ／III比領域を２μｍ、４μｍ、６μｍとした〕
図１に示した構造の発光波長６３０nm付近の赤色発光ダイオード（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。
【００５５】
但し、ウインドウ層の高Ｖ／III比で成長する領域（高Ｖ／III比成長部１１）の膜厚を、それぞれ２μｍ、４μｍ、６μｍとした。これによって、それ以後の残りのウインドウ層（低Ｖ／III比成長部１２）であるところの、それぞれ１２μｍ、１０μｍ、８μｍの部分は、従来例と同じＶ／III比９での成長である。
【００５６】
この通りに作製されたＬＥＤ素子の初期特性（信頼性試験前の特性）を評価した結果、高Ｖ／III比領域の膜厚がそれぞれ２μｍ、４μｍ、６μｍと変化したときの２０ｍＡ通電時（評価時）の発光出力は、何れもおよそ２．０２ｍＷ〜２．０７ｍＷであり、動作電圧も何れも１．９４Ｖ〜１．９８Ｖであり、そして−１０μＡ通電時の逆方向耐電圧も何れも約−５０Ｖ（ほぼ全てのＬＥＤ素子において）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。
【００５７】
次に、当該ＬＥＤ素子の信頼性試験を行った。信頼性試験の試験条件は従来例に記載した条件と同じである。信頼性試験の結果、高Ｖ／III比領域を２μｍ、４μｍ、６μｍと変化させたが、２０ｍＡ通電時（評価時）の相対出力は何れも１００％〜１０２％であり、動作電圧変化率もいずれも±０．３％以内にあり、そして−１０μＡ通電時の逆方向耐電圧も何れも約−５０Ｖで変化しなかった。つまり、ウインドウ層中の高Ｖ／III比領域を２μｍ、４μｍ、６μｍと変化させたが、何れも発光出力、動作電圧、逆方向動作電圧において良好な信頼性を有するＬＥＤ素子を得ることができた。
【００５８】
また、本実施例３で作製したＬＥＤ用エピタキシャルウェハも実施例１と同様にＳＩＭＳ分析を行い、ＧａＰからなるウインドウ層中の炭素（Ｃ）濃度を調査した。その結果、深さ方向に対して低Ｖ／III比で成長した部位のＣ濃度は４×１０18／cm3であるのに対し、高Ｖ／III比で成長した部位のＣ濃度は約４×１０16／cm3しか検出されなかった。つまり、本実施例３で講じた施策によって、発光層側に近い方のウインドウ層中のＣ濃度が減少し、これによって逆方向耐電圧の信頼性が良化したのである。更に、ウインドウ層中の高Ｖ／III比で成長すべき成長初期の領域は少なくとも２μｍ以上あれば良いことが確認された。
【００５９】
〔実施例４：ウインドウ層の高Ｖ／III比領域のＶ／III比を３０、６０、１００とした〕
図１に示した構造の発光波長６３０nm付近の赤色発光ダイオード（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。
【００６０】
但し、ウインドウ層の高Ｖ／III比で成長する領域（高Ｖ／III比成長部１１）のＶ／III比を、それぞれ３０、６０、１００とした。そして、これらのＬＥＤ用エピタキシャルウェハのＳＩＭＳ分析を行い、当該高Ｖ／III比領域（高Ｖ／III比成長部１１）のＣ濃度を調査した。すると、Ｖ／III比をそれぞれ３０、６０、１００とした時、Ｃ濃度はそれぞれ４×１０17／cm3、１×１０17／cm3、８×１０16／cm3、４×１０16／cm3であった。
【００６１】
以上の通りに作製されたＬＥＤ素子の初期特性（信頼性試験前の特性）を評価した結果、高Ｖ／III比領域（高Ｖ／III比成長部１１）のＶ／III比がそれぞれ３０、６０、１００と変化したときの２０ｍＡ通電時（評価時）の発光出力は、何れもおよそ２．０３ｍＷ〜２．０６ｍＷであり、動作電圧も何れも１．９４Ｖ〜１．９６Ｖであり、そして−１０μＡ通電時の逆方向耐電圧も何れも約−５０Ｖ（ほぼ全てのＬＥＤ素子において）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。
【００６２】
次に、当該ＬＥＤ素子の信頼性試験を行った。信頼性試験の試験条件は従来例に記載した条件と同じである。
【００６３】
信頼性試験の結果、高Ｖ／III比領域のＶ／III比を３０、６０、１００と変化させたが、２０ｍＡ通電時（評価時）の相対出力は何れも１００％〜１０２％であり、動作電圧変化率もいずれも±０．３％以内にあった。
【００６４】
しかし、−１０μＡ通電時の逆方向耐電圧においては、Ｖ／III比６０、１００のものは約−５０Ｖで変化しなかったが、Ｖ／III比３０のＬＥＤ素子については逆方向耐電圧が一様に約−３５Ｖ程度まで低下してしまった。つまり、ウインドウ層中の高Ｖ／III比領域のＶ／III比を３０、６０、１００と変化させたＬＥＤ素子のうち、高Ｖ／III比領域のＶ／III比を６０以上としたＬＥＤ素子では、発光出力、動作電圧、逆方向動作電圧において良好な信頼性を有するＬＥＤ素子を得ることができた。つまり、本実施例４で講じた施策によって、発光層側に近い方のウインドウ層中のＣ濃度が減少し、これによって逆方向耐電圧の信頼性が良化したのである。
【００６５】
更に、ウインドウ層中の高Ｖ／III比で成長すべき成長初期の領域は少なくとも２μｍ以上あれば良いことが確認された。
【００６６】
＜最適条件についての根拠＞
先ず、本発明の示す改善要項である逆方向耐電圧の信頼性不良の原因は、原理原則から言うと定かなことは確認されていない。しかしながら、本発明者らは、ＧａＡｓにほぼ格子整合するＡｌＧａＩｎＰ系発光ダイオード構造上に、格子不整合系であり、且つ発光波長に対しほぼ透明なワイドバンドギャップ材料をウインドウ層として備えた発光ダイオードにおいて、逆方向耐電圧の信頼性不良とウインドウ層の成長初期に当たる部位のＶ／III比とに密接な関係があることを見出した。
【００６７】
まず第一に、高Ｖ／III比で成長すべきウインドウ層のＶ／III比は、その部位に含まれる炭素（Ｃ）の含有量が１×１０17／cm3以下になるように設定した方が良い。これは、多種多様な成長装置によって成長条件やその結果がそれぞれ微妙に異なる為、一概に規定することは難しいが、本発明者らの検討した結果によると、Ｖ／III比をそれぞれ９、３０、６０、１００と変化させた際のウインドウ層中のＣ濃度は、それぞれ４×１０18／cm3、４×１０17／cm3、１×１０17／cm3、８×１０16／cm3、４×１０16／cm3であった。つまり、この結果から、大体の目安として、高Ｖ／III比で成長すべき部位のＶ／III比は３０以上が好ましく、より好ましくは６０以上であると言える。因みに、これらのＣ濃度を調査する方法としては、既に周知の分析手法であるＳＩＭＳ分析を行えば良い。
【００６８】
また、Ｖ／III比の上限に関して述べると、Ｖ／III比は高くすれば高くする程、逆方向耐電圧が安定するというものではなく、ある一定のレベルに達すればほぼ同様に安定するものである。つまり、あるレベル以上にＶ／III比を高くすることは原料コストの増加に繋がることになる。よって、高Ｖ／III比で成長すべき部位のＶ／III比の上限は高くとも大体２００程度に留めておく方が良い。
【００６９】
第二に、低Ｖ／III比で成長すべき層の存在意義は、ＬＥＤ素子の電流分散効果を高める為である。
【００７０】
これまでに述べたように、ウインドウ層成長時のＶ／III比を低くすると、オートドーピングによるＣの含有量が高くなる。これは例えばＧａＰをウインドウ層に用いた場合、このＣはアクセプタとしてホール（正孔）を発生する。つまりこれによってウインドウ層の実質的なキャリア濃度が増加し、ウインドウ層の抵抗が低下するので電流分散効果が向上するのである。
【００７１】
通常、ウインドウ層にはｐ型の導電型決定不純物、例えば亜鉛（Ｚｎ）やマグネシウム（Ｍｇ）が添加される。当然、これらの添加によってウインドウ層のキャリア濃度は上昇し、結果、電流分散効果は向上する。しかし、導電型決定不純物の過剰な添加は、高キャリア濃度化による電流分散効果の向上というメリットを生ずる一方で、その他、様々なデメリットも生む。それは例えば、不純物拡散による出力信頼性の低下であったり、装置内に不純物が残存するメモリー効果であったりする。従って、導電型決定不純物の過剰な添加というものはあまり好ましくはないのである。
【００７２】
そこで、上述した低Ｖ／III比成長によるＣのオートドーピングによって効率良くプラスαの高キャリア濃度化を達成し、優れた電流分散効果を得ると良い。この時の低Ｖ／III比成長すべき部位のＶ／III比は、前述した実験結果を元に、およそ２９以下のＶ／III比が好ましく、より好ましくは１５以下であり、更に好ましくは１０以下である。つまり、逆方向耐電圧の安定化の為にウインドウ層と発光部側との界面からある程度までの一部領域を高Ｖ／III比とし、それ以外の部分では電流分散効果を向上させる為にウインドウ層を低Ｖ／III比で成長し、形成するものである。
【００７３】
第三に、前記狭バンドギャップ材料層の成長温度は、前記発光部、ウインドウ層の成長温度よりも低いことが好ましい。
【００７４】
この理由として、通常、本発明の実施例に示したｐ型クラッド層（ウインドウ層に近い側のクラッド層）とウインドウ層との間にはバンド不連続が生じている。通常はこれによって電位障壁が生じ、動作電圧が上昇する。これを抑制すべく本発明の実施例では狭バンドギャップ材料層を設けてある。
【００７５】
狭バンドギャップ層は、クラッド層（ウインドウ層に近い側のクラッド層）のバンドギャップよりも狭いバンドギャップを有する層であり、具体的には、クラッド層よりもＡｌ組成の低い層で形成されている。これにより変化することは低Ａｌ組成化によってｐ型導電型決定不純物の添加効率が向上し、キャリア濃度が高まることである。
【００７６】
バンド不連続に起因する電位障壁を通過するには擬似トンネル効果的に当該狭バンドギャップ材料層のキャリア濃度をできるだけ高めると良い。よって、更に狭バンドギャップ材料層に含まれる導電型決定不純物の濃度を高めることができれば、動作電圧の低減が図れるものである。そして、その方策として狭バンドギャップ材料層の成長温度を低くすることが挙げられるのである。前述した低Ａｌ組成化と同様にｐ型の導電型決定不純物はより低温であった方がその添加効率は向上し、キャリア濃度は高くなる。従って、前記狭バンドギャップ材料層の成長温度は低く設定されることが望ましいのである。
【００７７】
［変形例１］
本発明における実施例においては、どの構造においても活性層とｐ型クラッド層との間に何も介在させない構造とした。しかし、ここに例えば真性なアンドープ層を設けたり、多少の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ような擬似アンドープ層を設けたりする構造を採っても、単にＬＥＤ素子の出力の信頼性を向上させるなどの効果が生ずるのみであり、本発明の意図する効果が得られる。
【００７８】
［変形例２］
本発明における実施例においては、どの構造においても、ｐ型クラッド層と、ＧａＰからなるウインドウ層との間に狭バンドギャップ材料層を介在させたが、特に当該層が無い構造においても、前記ｐ型クラッド層と前記ＧａＰからなるウインドウ層間に生ずるバンド不連続に起因した多少の動作電圧上昇を招くのみであり、本発明の意図する効果が得られる。
【００７９】
［変形例３］
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、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素子の発光波長を本発明の実施例と異なる波長帯域としても同様な効果が得られる。
【００８０】
［変形例４］
本発明における実施例においては、バッファ層及びＤＢＲ層（分布ブラッグ反射層）を常に設けたＬＥＤ構造を作製例としたが、これらが省略されたＬＥＤ素子構造を採ることもできる。
【００８１】
［変形例５］
本発明における実施例においては、ｐ型層に添加する導電型決定不純物を亜鉛（Ｚｎ）、ｎ型層に添加する導電型決定不純物をセレン（Ｓｅ）としたが、このｐ型層に添加する導電型決定不純物としてマグネシウム（Ｍｇ）を用いたり、ｎ型層に添加する導電型決定不純物としてシリコン（Ｓｉ）やテルル（Ｔｅ）を用いることもできる。
【００８２】
［変形例６］
本発明における実施例においては、表面電極の形状が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、多角形等とすることもでき、これによっても本発明に意図する効果を得ることができる。
【００８３】
［変形例７］
本発明における実施例においては、どの構造においてもウインドウ層にＧａＰを用いた構造を採ったが、発光波長に対し殆ど透明である材料の内、例えばＧａＡｓＰやＧａＩｎＰをウインドウ層に用いた場合においても、前記ＧａＩｎＰによって形成された層、前記ＧａＡｓＰによって形成された層は活性層で発光した光に対し吸収層とならない為にＧａＰ組成を非常に高くする必要があり、殆どそのウインドウ層はＧａＰをウインドウ層に用いた場合とほぼ同じ特性を有するＬＥＤ素子が得られる。従って、ウインドウ層にＧａＰ組成の高いＧａＡｓＰ、ＧａＩｎＰを用いた場合においても本発明を適用し、本発明の意図する効果を得ることができる。
【００８４】
［変形例８］
本発明における実施例においては、どの構造においても高Ｖ／III比領域と低Ｖ／III比領域と、両方の層を形成する構造としたが、仮に低Ｖ／III比領域が無く、ウインドウ層の成長初期段階から高Ｖ／III比領域を最後まで積層した構造、つまりウインドウ層全体を高Ｖ／III比として形成した場合においても、本発明の意図する効果が得られることは当業者においては容易に類推できる。これは、低Ｖ／III比領域の形成による効果がウインドウ層の低抵抗化に大きく影響を及ぼすものであり、ＬＥＤ素子の電流分散効果、引いてはＬＥＤの発光出力、動作電圧といった特性が低下することを犠牲とするならば、本発明の効果に何ら問題は無い。
【図面の簡単な説明】
【００８５】
【図１】本発明の実施例にかかるＡｌＧａＩｎＰ系赤色ＬＥＤ素子用エピタキシャルウェハの断面構造図である。
【図２】本発明の他の実施例にかかるＡｌＧａＩｎＰ系赤色ＬＥＤ素子用エピタキシャルウェハの断面構造図である。
【図３】本発明の他の実施例にかかるウインドウ層を含めたその周辺の成長温度プロファイルを示す図である。
【図４】従来例にかかるＡｌＧａＩｎＰ系赤色ＬＥＤ素子用エピタキシャルウェハの断面構造図である。
【符号の説明】
【００８６】
１  半導体基板
２  バッファ層
３  ＤＢＲ層（分布ブラッグ反射層）
４  ｎ型クラッド層
５  活性層
６  ｐ型クラッド層
７  狭バンドギャップ材料層
８  ウインドウ層
９  表面電極
１０  裏面電極
１１  高Ｖ／III比成長部
１２  低Ｖ／III比成長部
１３  高Ｖ／III比成長部（グレーディッド成長部）
【図１】
2006032667.tif 000003
【図２】
2006032667.tif 000004
【図３】
2006032667.tif 000005
【図４】
2006032667.tif 000006