(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を上部クラッド層６及び下部クラッド層４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の部分（高温成長部）１１を高い成長温度で成長し、更にそれ以外の部分における少なくとも一部分以上を低温成長部１２として前記高温成長部１１よりも低い成長温度で成長し、これによってウインドウ層８中に成長温度の異なる領域を設ける。【選択図】      図１
2006032668.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
気相成長法によって、少なくとも、半導体基板の上に、活性層を第一導電型の上部クラッド層と第二導電型の下部クラッド層により挟んだ発光部と、その上に第一導電型のウインドウ層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前記発光部に近い側の部分を高い成長温度で成長した高温成長部とし、前記ウインドウ層における高温成長部以外の部分における一部又は全部を前記高温成長部よりも低い成長温度で成長した低温成長部とし、これにより前記ウインドウ層の中に成長温度の異なる領域をそれぞれ形成したことを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
【請求項２】
請求項１に記載の半導体発光素子の製造方法において、
前記高温成長部の成長温度を６８０℃〜７３０℃とした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２に記載の半導体発光素子の製造方法において、
前記低温成長部の成長温度を６２０℃〜６７０℃とした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１乃至３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、
前記上部クラッド層と前記ウインドウ層との間に、前記上部クラッド層よりも狭いバンドギャップを有し、且つ、前記上部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５】
請求項４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い温度と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４又は５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終了時点から前記ウインドウ層を成長開始時点までのインターバルの間に、前記狭バンドギャップ材料層に添加した導電型決定不純物と同じ不純物を成長炉内に供給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、
第一導電型がｐ型であり、第一導電型にするための導電型決定不純物が亜鉛、マグネシウムのどちらかであり、更に、第二導電型がｎ型であり、第二導電型にするための導電型決定不純物がシリコン、セレン、テルルのいずれか、若しくはこれらの組み合わせ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、
前記半導体基板を形成する材料が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のいずれか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、
前記活性層と前記上部クラッド層との間に、アンドープ層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１０】
請求項１乃至９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との交互積層によって形成す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、これらは近年のＬＥＤランプの著しい高輝度化に伴い、その応用範囲が急激に拡大してきた。
【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、車載用などの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るものでは無いと言える。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Ａｌz Ｇａ1-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、気相成長法によって、少なくとも、半導体基板の上に、活性層を第一導電型の上部クラッド層（ウインドウ層から近い側のクラッド層）と第二導電型の下部クラッド層（ウインドウ層から遠い側のクラッド層）により挟んだ発光部と、その上に第一導電型のウインドウ層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前記発光部に近い側の部分を高い成長温度で成長した高温成長部とし、前記ウインドウ層における高温成長部以外の部分における一部又は全部を前記高温成長部よりも低い成長温度で成長した低温成長部とし、これにより前記ウインドウ層の中に成長温度の異なる領域をそれぞれ形成したことを特徴とする。
【００１２】
請求項２の発明は、請求項１に記載の半導体発光素子の製造方法において、前記高温成長部の成長温度を６８０℃〜７３０℃としたことを特徴とする。
【００１３】
請求項３の発明は、請求項２に記載の半導体発光素子の製造方法において、前記低温成長部の成長温度を６２０℃〜６７０℃としたことを特徴とする。
【００１４】
請求項４の発明は、請求項１乃至３のいずれかにに記載の半導体発光素子の製造方法において、前記上部クラッド層と前記ウインドウ層との間に、前記上部クラッド層よりも狭いバンドギャップを有し、且つ前記上部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。
【００１５】
請求項５の発明は、請求項４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い温度とすることを特徴とする。
【００１６】
請求項６の発明は、請求項４又は５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終了時点から前記ウインドウ層を成長開始時点までのインターバルの間に、前記狭バンドギャップ材料層に添加した導電型決定不純物と同じ不純物を成長炉内に供給することを特徴とする。
【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、第一導電型がｐ型であり、第一導電型にするための導電型決定不純物が亜鉛（Ｚｎ）、マグネシウム（Ｍｇ）のどちらかであり、更に、第二導電型がｎ型であり、第二導電型にするための導電型決定不純物がシリコン（Ｓｉ）、セレン（Ｓｅ）、テルル（Ｔｅ）のいずれか、若しくはこれらの組み合わせ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、前記半導体基板を形成する材料が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のいずれかであることを特徴とする。
【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、前記活性層と前記上部クラッド層との間に、アンドープ層を設けることを特徴とする。ここでいうアンドープ層としては、不純物を全く含まない真性なアンドープ層は勿論のこと、含有する不純物濃度が極めて低いために、実際上アンドープ層であると見なし得るものも含まれる。
【００２０】
請求項１０の発明は、請求項１乃至９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との交互積層によって形成することを特徴とする。
【００２１】
＜発明の要点＞
本発明者等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。
【００２２】
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成長温度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。
【００２３】
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比較的高い成長温度で成長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、前記ウインドウ層における前記高温成長部以外の部分において、少なくとも一部分を低温成長部として前記高温成長部よりも低温で成長することで当該部分の実質的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。
【００２４】
高温成長部の成長温度は後述するように、６８０℃以上７３０℃以下が好ましく、６９０℃以上がより好ましい。また、低温成長部の成長温度は、６２０℃〜６７０℃の範囲を採ることができ、およそ６６０℃が好ましく、より好ましくは６５０℃である。
【発明の効果】
【００２５】
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温成長し、更に、ウインドウ層におけるそれ以外の部分の少なくとも一部分以上を前記高温成長領域よりも低い成長温度で成長することで、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】
【００２６】
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。
【００２７】
本発明の典型的な実施形態は、図１において、半導体基板１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５をｎ型の下部クラッド層４とｐ型の上部クラッド層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を前提とし、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の部分（高温成長部）１１を高い成長温度、例えば６８０℃以上、好ましくは６９０℃以上で成長し、更に、ウインドウ層のそれ以外の部分における少なくとも一部分以上を、低温成長部１２として、前記高温成長部１１よりも低い成長温度、例えばほぼ６６０℃、好ましくは６５０℃で成長し、これによってウインドウ層８中に成長温度の異なる領域１１、１２を設けるものである。
【００２８】
〔従来例：ウインドウ層を低温成長〕
従来例として、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。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。
【００２９】
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からなる下部クラッド層（膜厚３００nm、キャリア濃度１×１０18／cm3）４、アンドープ（Ａｌ0.1Ｇａ0.9）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からなる上部クラッド層（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。
【００３０】
ＭＯＶＰＥ法による成長での成長温度は、前記バッファ層２から前記上部クラッド層６までを６５０℃とし、前記狭バンドギャップ材料層７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５０とした。
【００３１】
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。
【００３２】
ＭＯＶＰＥ法による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。
【００３３】
例えば、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からなる上部クラッド層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。
【００３４】
そして、このエピタキシャルウェハの上面には、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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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２．０４ｍＷ、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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
〔実施例１：ＧａＰ層の最下部を高温（ここでは、６９０℃）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。
【００４２】
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。
【００４３】
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までの部分（高温成長領域１１）については成長温度６９０℃で成長し、それ以後の９μｍの部分（低温成長領域１２）については、従来例と同じ６５０℃で成長した。
【００４４】
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。
【００４５】
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。つまり、本実施例１で講じた施策によって、逆方向耐電圧の信頼性が良化した。
【００４６】
〔実施例２：ウインドウ層の最下部を高温成長し、且つインターバルの間に導電型決定不純物と同じ不純物（亜鉛）を供給〕
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。
【００４７】
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。
【００４８】
更に本実施例２では、ｐ型（Ａｌ0.3Ｇａ0.7）0.5Ｉｎ0.5Ｐからなる狭バンドギャップ材料層７の成長終了時から上記ｐ型ＧａＰからなるウインドウ層８を成長開始するまでの昇温過程（つまりインターバル間）において、前記ｐ型狭バンドギャップ材料層７の成長時に供給した導電型決定不純物と同じ不純物（Ｚｎ）を、同じ供給方法にて供給した。尚、この時の供給量は、前記狭バンドギャップ材料層７を成長した時の供給量とほぼ等しい量に設定した。
【００４９】
以上の方法で作製された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１．９０Ｖ、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。つまり、本実施例２で講じた施策によっても逆方向耐電圧の信頼性が良化したことが確認された。
【００５２】
更に、本実施例２では、前記狭バンドギャップ材料層の成長終了時点から前記ｐ型ＧａＰからなるウインドウ層成長開始までの昇温過程、つまりインターバル中に核バンドギャップ材料層に添加したものと同じ導電型決定不純物を供給することで、当該層における導電型決定不純物濃度の減少を防ぎ、通常よりも更なる低動作電圧化を達したものである。
【００５３】
〔実施例３：ウインドウ層の高温成長領域を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。
【００５４】
但し、ウインドウ層８を高温（ここでは、６９０℃）で成長する領域（高温成長領域１１）の膜厚を、それぞれ２μｍ、４μｍ、６μｍとした。これに応じて、それ以後の残りウインドウ層の部分であるところの１２μｍ、１０μｍ、８μｍの部分は６５０℃で成長する低温成長領域１２とした。
【００５５】
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、高温成長領域１１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２．０３ｍＷ〜２．０７ｍＷであり、動作電圧も何れも１．９４Ｖ〜１．９９Ｖ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。
【００５６】
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、高温成長領域を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温成長領域を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。つまり、本実施例３で講じた施策によって、逆方向耐電圧の信頼性が良化したことが確認された。更に、ウインドウ層中の高温成長すべき成長初期の領域（高温成長領域１１）は少なくとも２μｍ以上あれば良いことが確認された。
【００５７】
〔実施例４：ウインドウ層の高温成長領域の成長温度を６８０℃、６９０℃、７００℃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。
【００５８】
但し、ウインドウ層の高温で成長する領域（高温成長領域）１１の成長温度を、それぞれ６８０℃、６９０℃、７００℃とした。
【００５９】
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、高温成長領域１１の成長温度がそれぞれ６８０℃、６９０℃、７００℃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。
【００６０】
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。
【００６１】
信頼性試験の結果、高温成長領域の成長温度を６８０℃、６９０℃、７００℃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。
【００６２】
しかし、−１０μＡ通電時の逆方向耐電圧においては、成長温度６９０℃、７００℃は約−５０Ｖで変化しなかったが、成長温度６８０℃のＬＥＤ素子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温成長領域１１の成長温度を６８０℃、６９０℃、７００℃と変化させたが、高温成長領域１１の成長温度を６９０℃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逆方向耐電圧の信頼性が良化したことが確認されたのである。
【００６３】
更に、ウインドウ層中の高温で成長すべき領域（高温成長領域）１１の成長温度は、少なくとも６９０℃以上あれば良いことが確認された。
【００６４】
＜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分の成長温度とに密接な関係があることを見出した。
【００６５】
まず第一に、比較的高い成長温度で成長すべきウインドウ層の成長温度は、ＡｌＧａＩｎＰからなる活性層などの発光部を形成する一般的な成長温度よりも高い方が良い。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、発明者らの検討した結果によると、高温成長領域を６８０℃以上で成長することが好ましく、より好ましくは６９０℃以上であると言える。
【００６６】
また、成長温度の上限に関して述べると、成長温度は高くすれば高くする程、ＧａＰからなるウインドウ層の結晶性などが向上するが、それに応じて際限なく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、あるレベル以上に成長温度を高くすることはＧａＰからなるウインドウ層以外の部分、例えば発光部などへ熱の負荷を大きく掛けることになる。よって、高温で成長すべき領域の成長温度の上限は高くとも大体７３０℃程度に留めておく方が良い。
【００６７】
第二に、比較的低温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。
【００６８】
ウインドウ層成長時の成長温度を低くすると、実質的なＶ／III比の低下を招き、オートドーピングによる炭素（Ｃ）の含有量が高くなる。更に、ＺｎやＭｇなどの導電型決定不純物においては、成長温度の低下に伴い、そのドーピング効率が向上する。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。
【００６９】
しかし、成長温度の低下は、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、過剰な不純物添加による不純物拡散による出力信頼性の低下であったり、ウインドウ層の結晶性の低下によるウインドウ層の光透過率の低下であったりする。従って、ウインドウ層の低温領域の過剰な低温化というものはあまり好ましくはないのである。
【００７０】
よって、上記のような理由により、低温成長領域の成長温度は６２０℃〜６７０℃の範囲を採ることができ、およそ６６０℃が好ましく、より好ましくは６５０℃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温成長領域とし、それ以外の部分で電流分散効果を向上させる為にウインドウ層を低温で成長し、形成するものである。
【００７１】
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。
【００７２】
この理由として、通常、本発明の実施例に示した上部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。
【００７３】
狭バンドギャップ層は、上部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、上部クラッド層よりも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。
【００７４】
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不純物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が向上し、キャリア濃度が高くなる。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。
【００７５】
［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型の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。
【００７６】
［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上部クラッド層と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、前記上部クラッド層と前記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。
【００７７】
［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。
【００７８】
［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。
【００７９】
［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Ｚｎ（亜鉛）、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にマグネシウム（Ｍｇ）を用いたり、ｎ型層に添加する導電型決定不純物にシリコン（Ｓｉ）やテルル（Ｔｅ）を用いることもできる。
【００８０】
［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。
【００８１】
［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により形成した層、前記ＧａＡｓＰにより形成し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。
【００８２】
［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温成長領域と低温成長領域という両方の層を形成する構造としたが、仮に低温成長領域が無く、ウインドウ層の成長初期段階から最後まで高温成長領域を積層した構造、つまりウインドウ層全体を高い成長温度で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真は当業者においては容易に類推できる。これは、低温成長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若干劣ることを犠牲とするならば、逆方向低電圧の安定化の効果には何ら問題は無い。
【図面の簡単な説明】
【００８３】
【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】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】
【００８４】
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  下部クラッド層
５  活性層
６  上部クラッド層
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  高温成長部
１２  低温成長部
【図１】
2006032668.tif 000003
【図２】
2006032668.tif 000004