(57)【要約】【課題】簡便な方法で成長時の炉内酸素残存量を局所的に低減し、引いては半導体発光素子の活性層に混入する酸素濃度を更に一段低いレベルとすることで、高輝度な半導体発光素子を製造する。【解決手段】気相成長法を用いて、導電性の半導体基板１上に、低屈折率膜と高屈折率膜を複数ペア積層して光反射層３を形成し、該光反射層３の上に第一クラッド層４、活性層５及び第二クラッド層６で構成される発光部を形成し、その上に電流分散層７又はＩＴＯ膜１０を形成するIII−Ｖ族半導体発光素子の製造方法において、前記光反射層３を成長する際に成長炉内に供給する原料ガスのＶ／III比を、前記第一クラッド層４を成長する際に成長炉内に供給する原料ガスのＶ／III比よりも低くする。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
気相成長法を用いて、導電性の半導体基板上に、低屈折率膜と高屈折率膜を複数ペア積層して光反射層を形成し、該光反射層の上に第一クラッド層、活性層及び第二クラッド層で構成される発光部を形成し、その上に電流分散層を形成するIII−Ｖ族半導体発光素子の製造方法において、
前記光反射層を成長する際に成長炉内に供給する原料ガスのＶ／III比を、前記第一クラッド層を成長する際に成長炉内に供給する原料ガスのＶ／III比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、
前記光反射層を成長する際に成長炉内に供給する原料ガスのＶ／III比を５以上、５０以下に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、
前記光反射層を構成する半導体材料がＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＡｌＡｓ、ＡｌＧａＩｎＰ、ＧａＩｎＰ、ＡｌＩｎＰの内から選択されたものであり、光反射層を構成する低屈折率膜と高屈折率膜の２つの材料の内、少なくとも一方の膜にＡｌを含んだ半導体材料を用い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、
前記光反射層を構成する低屈折率膜の材料が、ＡｌXＧａ1-XＡｓ（但し、０．６≦Ｘ≦１．０）、（ＡｌYＧａ1-Y）0.5Ｉｎ0.5Ｐ（但し、０．６≦Ｙ≦１．０）のどちらかであり、また、高屈折率膜の材料がＡｌXＧａ1-XＡｓ（但し、０≦Ｘ≦０．６）、（ＡｌYＧａ1-Y）0.5Ｉｎ0.5Ｐ（但し、０≦Ｙ≦０．６）のどちら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５】
請求項１乃至４に記載の半導体発光素子の製造方法において、
前記光反射層の低屈折率膜と高屈折率膜のペア数が８ペア以上３０ペア以下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、
前記導電性の半導体基板がＧａＡｓ若しくはＧｅ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、
前記発光部上に少なくとも１層以上の半導体層を形成し、その上に前記電流分散層として金属酸化物層を形成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８】
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、
前記発光部上に少なくとも１層以上の半導体層を形成し、その上に前記電流分散層として多層の金属酸化物層を形成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９】
請求項７又は８に記載の半導体発光素子の製造方法において、
前記電流分散層の金属酸化物層の材料として、錫添加酸化インジウム、酸化インジウム、酸化亜鉛、ガリウム添加酸化亜鉛、アルミニウム添加酸化亜鉛、ホウ素添加酸化亜鉛の何れかにおける金属酸化物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、半導体発光素子の製造方法に関わり、特に活性層に含まれる不純物濃度を低減し、極めて簡便な方法により輝度を高めるIII−Ｖ族高輝度半導体発光素子の製造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、電光掲示板であったり、民生用家電製品の表示ランプなどであったが、最近での主な用途は、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。特に、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、特に５６０nm〜６６０nm帯の発光領域おいて非常に高い輝度が得られることから、現在でも盛んに研究・開発が行われている。
【０００３】
図４に赤色帯のＡｌＧａＩｎＰ系ＬＥＤの典型的な構造を示す。全てのエピタキシャル層は有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ法）によって成長されている。
【０００４】
図４におけるＬＥＤでは、ｎ型ＧａＡｓからなる半導体基板１の上にｎ型ＧａＡｓからなるバッファ層２が成長され、その上にｎ型の光反射層３が積層されている。この光反射層３は、活性層５から前記半導体基板１に向かう光を反対方向へ反射する役割を担い、これにより、光が半導体基板１に吸収されること無くＬＥＤの外部量子効率を高めることができる。例えば、前記光反射層３の構成は、ｎ型Ａｌ0.4Ｇａ0.6Ａｓ層及びｎ型Ａｌ0.5Ｉｎ0.5Ｐ層を１つのペアとしてこれを多数層積層したものである。ここでｎ型Ａｌ0.4Ｇａ0.6Ａｓ層及びｎ型Ａｌ0.5Ｉｎ0.5Ｐ層の各々の膜厚は、各々の屈折率をｎ１、ｎ２とすると、発光波長λに対して、λ／（４×ｎ１）、λ／（４×ｎ２）と設計される。
【０００５】
ここで、特許文献１（特開平１０−２９００２６号公報）には、半導体発光素子において、光反射層の一部にＧａＡｓを用いるＬＥＤにおける赤外発光問題を解決する方策が開示されている。また同時に、光反射層を構成する一対の材料の内、一方を、活性層における発光層側と同一の組成にすることで、活性層から放射される光に励起され発光する光反射層からの放射光の波長を活性層で発光した波長と同一のものとし、総じて発光出力を高めるという方策が開示されている。
【０００６】
ところで、ＡｌＧａＩｎＰ系ＬＥＤにおいては、その盛んに行われた研究開発の結果、活性層へ混入する不純物、特に酸素（Ｏ）の混入濃度が非常に輝度に影響することが周知の事実として存在する。この酸素の影響は、酸素を意図的に添加するレベルでは無く、成長装置における反応炉内に含まれるバックグランドレベルの濃度が含まれようともＬＥＤの輝度に大きく影響する、極めて肝要なパラメータである。その為に各社ともにそれぞれの方策を駆使して、反応炉内の酸素濃度を低減すべく勤しんでいる。
【０００７】
例えば、この反応炉内の酸素濃度を低減する為の従来の方法としては、反応炉内の治具のアニーリングや、ダミー成長などを繰り返し行うといったことがあった。
【特許文献１】特開平１０−２９００２６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、従来の方策のみでは、反応炉内の酸素濃度低減に限界があった。
【０００９】
通常、成長装置の反応炉では、サンプルである基板材をセットするサセプタが存在する。サセプタ、及び基板は５００℃〜１０００℃といった非常に高温な成長温度に加熱される必要があるが、成長装置を構成するその他の箇所の耐熱性や安全性といった観点から、通常は加熱される部位は前述したサセプタとその僅かな周囲のみとなる。従って、前述した従来の方策によるアニーリング等では、反応炉内全体の内、重要な部位ではあるが、ほんの一部のみの脱酸をしているに過ぎない。その為に、加熱されず、脱酸が不十分である部位、例えば、成長炉内のサセプタよりも排気側であったり、その排気ポートでは未だ酸素が残存していることとなってしまう。そして、アニーリングやダミー成長と同時に、酸素の残存箇所から成長炉内に酸素が濃度拡散し、ある程度のレベルにまた達してしまう。従って、ある程度の酸素濃度低減を図ることは可能であるが、必ずしも十分ではなかったと言える。
【００１０】
よって本発明の目的は、簡便な方法で成長時の炉内酸素残存量を局所的に低減し、引いては半導体発光素子の活性層に混入する酸素濃度を更に一段低いレベルとすることによって、高輝度な半導体発光素子を製造する方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
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。
【００１２】
請求項１の発明に係る半導体発光素子の製造方法は、気相成長法を用いて、導電性の半導体基板上に、低屈折率膜と高屈折率膜を複数ペア積層して光反射層を形成し、該光反射層の上に第一クラッド層、活性層及び第二クラッド層で構成される発光部を形成し、その上に電流分散層を形成するIII−Ｖ族半導体発光素子の製造方法において、前記光反射層を成長する際に成長炉内に供給する原料ガスのＶ／III比を、前記第一クラッド層を成長する際に成長炉内に供給する原料ガスのＶ／III比よりも低くすることを特徴とする。
【００１３】
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、前記光反射層を成長する際に成長炉内に供給する原料ガスのＶ／III比を５以上、５０以下にすることを特徴とする。
【００１４】
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、前記光反射層を構成する半導体材料がＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＡｌＡｓ、ＡｌＧａＩｎＰ、ＧａＩｎＰ、ＡｌＩｎＰの内から選択されたものであり、光反射層を構成する低屈折率膜と高屈折率膜の２つの材料の内、少なくとも一方の膜にＡｌを含んだ半導体材料を用いることを特徴とする。
【００１５】
請求項４の発明は、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、前記光反射層を構成する低屈折率膜の材料が、ＡｌXＧａ1-XＡｓ（但し、０．６≦Ｘ≦１．０）、（ＡｌYＧａ1-Y）0.5Ｉｎ0.5Ｐ（但し、０．６≦Ｙ≦１．０）のどちらかであり、また、高屈折率膜の材料がＡｌXＧａ1-XＡｓ（但し、０≦Ｘ≦０．６）、（ＡｌYＧａ1-Y）0.5Ｉｎ0.5Ｐ（但し、０≦Ｙ≦０．６）のどちらかであることを特徴とする。
【００１６】
請求項５の発明は、請求項１乃至４に記載の半導体発光素子の製造方法において、前記光反射層の低屈折率膜と高屈折率膜のペア数が８ペア以上３０ペア以下であることを特徴とする。
【００１７】
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、前記導電性の半導体基板がＧａＡｓ若しくはＧｅであることを特徴とする。
【００１８】
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、前記発光部上に少なくとも１層以上の半導体層を形成し、その上に前記電流分散層として金属酸化物層を形成することを特徴とする。
【００１９】
請求項８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、前記発光部上に少なくとも１層以上の半導体層を形成し、その上に前記電流分散層として多層の金属酸化物層を形成することを特徴とする。
【００２０】
請求項９の発明は、請求項７又は８に記載の半導体発光素子の製造方法において、前記電流分散層の金属酸化物層の材料として、錫添加酸化インジウム、酸化インジウム、酸化亜鉛、ガリウム添加酸化亜鉛、アルミニウム添加酸化亜鉛、ホウ素添加酸化亜鉛の何れかにおける金属酸化物を用いることを特徴とする。
【００２１】
本発明には、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によって成る構造とし、これを複数層積層する形態も含まれる。
【００２２】
また本発明には、第二クラッド層、若しくは前記電流分散層上に少なくとも１層以上の半導体層を介して、錫添加酸化インジウム、酸化インジウム、酸化亜鉛、ガリウム添加酸化亜鉛、アルミニウム添加酸化亜鉛、ホウ素添加酸化亜鉛の何れかにおける金属酸化物によって電流分散層を形成する形態も含まれる。
【００２３】
＜発明の要点＞
本発明の要点は、III−Ｖ族半導体発光素子、例えば発光ダイオード構造をエピタキシャル成長する際、半導体基板上に成長する光反射層の成長Ｖ／III比を、その上に形成する第一クラッド層の成長Ｖ／III比よりも低い値、例えば著しく低い５０以下に設定し、更には光反射層を構成する半導体材料にアルミニウムを含有する材料を選択することによって、反応炉内における基板及びサセプタ、更にはその周囲の酸素濃度を、局所的に一段低いレベルまで低減することができ、引いては従来よりも高輝度な半導体発光素子を簡便に得ることができることを見出した点にある。
【００２４】
この理由としては、次のように考えられる。光反射層の成長Ｖ／III比を下げることにより、光反射層を構成するＡｌＡｓ及びＡｌＧａＡｓといった半導体材料の結晶中に取り込まれる炉内からの酸素量が増大する。つまり、ＬＥＤ構造の活性層を成長する前段階である光反射層の成長時において、強制的な酸素ゲッタリング効果を起こし、その上に成長される活性層への酸素混入量が従来例よりも更に一段低いレベルとなる。また、光反射層を構成する半導体材料として、Ａｌを多く含む材料を選択すると、酸素をその自身のエピタキシャル層中に取り込む量が多くなり、上記の効果が向上する。
【００２５】
上記した光反射層成長時のＶ／III比は、５以上、５０以下にするのが好ましい。光反射層成長時のＶ／III比が５０より高いと光反射層での酸素ゲッタリング効果が薄くなり、発光出力が増大しない。逆に光反射層成長時のＶ／III比が５より低いと、光反射層の結晶性が悪くなり、活性層の成長に悪影響を及ぼしてしまう結果、発光出力は増大せず、むしろ低下する傾向にある。よって、光反射層成長時のＶ／III比は５〜５０の範囲内にするのが良い。
【００２６】
また電流分散層として多層の金属酸化物層を形成する形態の長所は、その最表面の電流分散層の成長時にのみ、原料ガスのＶ／III比を２以下にすることにより、結晶性を悪化させ表面に凹凸を形成することができ、この凹凸により電流分散効果を損なうことなく光の取り出し効率を向上させることができる点にある。
【発明の効果】
【００２７】
本発明によれば、III−Ｖ族半導体発光素子の光反射層を成長する際の原料ガスのＶ／III比を、その上に第一クラッド層を成長する際の原料ガスのＶ／III比よりも低い値、好ましくは５以上、５０以下に設定し、更には光反射層を構成する半導体材料にアルミニウムを含有する材料を選択するので、反応炉内における基板及びサセプタ、更にはその周囲の酸素濃度を、局所的に一段低いレベルまで低減することができる。
【００２８】
従って、本発明の製造方法によれば、従来の半導体発光素子の活性層部に含まれる酸素の混入量よりも低く抑えた半導体発光素子を得ることができ、引いては、従来よりも高輝度な半導体発光素子を簡便に得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
以下、本発明を図示の実施の形態に基づいて説明する。
【００３０】
図１は、本発明の第一の実施形態に係る半導体発光素子を示すもので、導電性の半導体基板１と、該基板の主面上にバッファ層２を介して設けられた光反射層３と、該光反射層の上に成長されたｐｎ接合を有する活性層５を含む発光部（４、５、６）とを少なくとも具備する。
【００３１】
上記光反射層３は、具体的には、低屈折率部と高屈折率部の膜を組み合わせたＤＢＲ（分布ブラッグ反射層）として構成され、発光部から放射される光の発光スペクトルの中心波長にほぼ一致する光を反射する。その光反射層３を構成する半導体材料としては、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＡｌＡｓ、ＡｌＧａＩｎＰ、ＧａＩｎＰ、ＡｌＩｎＰの内から選択され、その低屈折率膜と高屈折率膜の２つの材料の内、少なくとも一方の膜にはＡｌを含んだ半導体材料が用いられる。この実施形態の場合、光反射層３は、ｎ型ＡｌＡｓ（膜厚：５１nm）とｎ型Ａｌ0.4Ｇａ0.6Ａｓ（膜厚：４５nm）を順次積層した構造とし、そのペア数は２０ペアとなっている。
【００３２】
上記光反射層３の上に形成される発光部は、第一クラッド層としてのｎ型クラッド層４、アンドープの活性層５及び第二クラッド層としてのｐ型クラッド層６で構成される。
【００３３】
この光反射層での酸素ゲッタリング効果を得るため、ＬＥＤ構造の活性層５を成長する前段階である光反射層の成長時において、光反射層３の成長Ｖ／III比を、その上に形成するｎ型クラッド層４の成長Ｖ／III比よりも著しく低い５０以下に設定する。これにより光反射層の構成材料にアルミニウムを含有する材料を選択していることと相まって、光反射層３で強制的な酸素ゲッタリング効果を起こし、その上に成長される活性層５への酸素混入量が従来例よりも更に一段低いレベルとなる。よって従来よりも高輝度な半導体発光素子を簡便に得ることができる。
【００３４】
図２は、本発明の半導体発光素子の第二の実施形態を示すもので、図１とは、ｐ型クラッド層６上に、コンタクト層１１及びＩＴＯ膜からなる電流分散層１０を備えている点で相違する。光反射層３の成長Ｖ／III比を、その上に形成するｎ型クラッド層４の成長Ｖ／III比よりも低い５０以下に設定する点、及びそれにより高輝度な半導体発光素子が得られるという作用効果の点は同じである。
【実施例】
【００３５】
本発明の効果を確認するため、従来例及び実施例１、２の半導体発光素子を試作した。
【００３６】
［従来例］
従来例として、図４に示した構造（製造方法が異なる点を除き図１と同じ）の発光波長６３０nm付近の赤色帯ＬＥＤを製作した。
【００３７】
製作の過程は、ｎ型ＧａＡｓからなる半導体基板１上に、ＭＯＶＰＥ法でｎ型ＧａＡｓからなるバッファ層２、ｎ型の光反射層３、ｎ型（Ａｌ0.7Ｇａ0.3）0.5Ｉｎ0.5Ｐからなるｎ型クラッド層４、アンドープの活性層５、ｐ型（Ａｌ0.7Ｇａ0.3）0.5Ｉｎ0.5Ｐからなるｐ型クラッド層６、ｐ型ＧａＰからなる電流分散層７を順次成長させた。
【００３８】
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、前記電流分散層７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、各層のＶ／III比は１５０で行った。但し、電流分散層７のＶ／III比のみ９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。
【００３９】
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。例えば前記バッファ層２のようなｎ型層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。
【００４０】
また、光反射層３は、ｎ型ＡｌＡｓ（膜厚：５１nm）とｎ型Ａｌ0.4Ｇａ0.6Ａｓ（膜厚：４５nm）を順次積層した構造とし、そのペア数は２０ペアとした。光反射層３を成長する際に成長炉内に供給する原料ガスのＶ／III比は、上記のように１５０とした。
【００４１】
そして、このエピタキシャルウェハ上面には直径１２５μｍの円形の表面電極８を、マトリックス状に真空蒸着法で形成した。この表面電極８は、金・亜鉛（ＡｕＺｎ）合金、ニッケル（Ｎｉ）、金（Ａｕ）を、それぞれ６０nm、１０nm、１０００nmの膜厚で順に蒸着した。更に、当該エピタキシャルウェハの底面には、全面に裏面電極９を形成した。裏面電極９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の膜厚で順に蒸着し、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。
【００４２】
その後、このエピタキシャルウェハをダイシング装置等でチップサイズ３００μｍ角のチップ形状に加工し、更にダイボンディング、ワイヤボンディングを行ってＬＥＤ素子を製作した。
【００４３】
以上のようにして作製されたＬＥＤの諸特性を評価した結果、発光出力は１．６３ｍＷ、順方向動作電圧は、１．９４Ｖであった（全て２０ｍＡ通電時の評価結果）。
【００４４】
［実施例１］
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、基本的に上記従来例と同じにした。以下に上記従来例とは異なる点を列挙し、それに伴い詳細な説明をする。
【００４５】
光反射層３は、上記の従来例と同じく、ｎ型ＡｌＡｓ（膜厚：５１nm）とｎ型Ａｌ0.4Ｇａ0.6Ａｓ（膜厚：４５nm）を順次積層した構造とし、そのペア数は２０ペアとした。ただし、光反射層３を成長する原料ガスのＶ／III比は、従来例の１５０より低い値にした。すなわち、本実施例１では、光反射層３を成長する際に成長炉内に供給する原料ガスのＶ／III比を１００、５０、２５、１０と低くした。また、それぞれのＶ／III比の変更に伴い光反射層のキャリア濃度が変動したので、その都度、ｎ型の導電型決定不純物であるセレン化水素の添加量を適宜調整し、同じキャリア濃度となるように設定した。
【００４６】
以上の内容で作製されたＬＥＤの諸特性を評価した結果を下記表１に示した。また、この時作製した各ウェハでＳＩＭＳ分析行い、光反射層中の酸素濃度を測定した。この結果を併せて表１に示す。
【００４７】
【表１】
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【００４８】
この結果から、光反射層成長時のＶ／III比が１００であるサンプルは、従来例とほぼ同じ特性を示しており、改善は見られない。しかし、光反射層成長時のＶ／III比を５０、２５、１０と５０以下に設定したサンプルでは、相対比比較で従来例よりも１０％〜１５％程度発光出力が増大するという結果が得られた。また、この時の光反射層中の酸素濃度をＳＩＭＳ分析によって調査した結果、やはり光反射層成長時のＶ／III比を５０以下と設定することによって、光反射層中の酸素濃度が増加している。
【００４９】
これはおそらく、Ｖ／III比を下げること、つまり本実施例で言う所のＡｓ分圧を下げることにより、光反射層を構成するＡｌＡｓ、及びＡｌ0.4Ｇａ0.6Ａｓの結晶中に取り込まれる炉内からの酸素量が増大したものと思われる。これは推測であるが、ＧａＡｓやＧａＰなどのＡｌを含まない、若しくはＡｌ0.1Ｇａ0.9ＡｓやＡｌ0.2Ｇａ0.8ＡｓといったＡｌ含有量の少ない半導体材料では酸素濃度が高く成り難いというＳＩＭＳ分析結果も有り、このことを踏まえると、Ａｌを多く含む材料では酸素をその自身のエピタキシャル層中に取り込む量が多くなるものと考える。
【００５０】
よってつまり、光反射層の内少なくとも一方にでもＡｌを含む、好ましくは多く含む半導体材料を用い、且つその光反射層を成長する際のＶ／III比を５０以下と設定することにより、ＬＥＤ構造を試作するその成長ロットにおいて活性層を成長する前段階に光反射層にて強制的な酸素ゲッタリング効果を起こし、その上に成長される活性層への酸素混入量を従来例よりも更に一段低いレベルとすることができ、結果、発光出力が増大したものである。
【００５１】
［実施例２］
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、基本的に上記従来例と同じにした。以下に上記従来例とは異なる点を列挙し、それに伴い詳細な説明をする。
【００５２】
本実施例２では、ｐ型クラッド層６成長後にｐ型ＧａＰからなる電流分散層７を成長せず、代わりにｐ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ａｓからなるコンタクト層１１を成長した。
【００５３】
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、つまり前記コンタクト層１１の表面側へ、真空蒸着法によって膜厚２９０nmのＩＴＯ膜１０を形成した。本構造では、このＩＴＯ膜１０が電流分散層となる。この時、ＩＴＯ膜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膜単体の電気特性を評価した所、キャリア濃度１．２１×１０21／cm3、移動度１９．６cm2／Ｖｓ、抵抗率２．３５×１０-4Ω・cmであった。
【００５４】
また、本実施例の光反射層３を成長する際に成長炉内に供給する原料ガスのＶ／III比は２５とした。また、Ｖ／III比の変更に伴い光反射層のキャリア濃度が変動したので、その都度、ｎ型の導電型決定不純物であるセレン化水素の添加量を適宜調整し、同じキャリア濃度となるように設定した。
【００５５】
以上の内容で作製されたＬＥＤの諸特性を評価した結果、発光出力は１．８１ｍＷ、順方向動作電圧は、１．９１Ｖであった（全て２０ｍＡ通電時の評価結果）。つまり、本実施例２では、電流分散層に一般的な透明導電膜であるＩＴＯ膜から成る電流分散層を用いた例について示したが、本発明の論点である光反射層中のＶ／III比を２５にしたことで、上記実施例１と同様の理由からＬＥＤの高輝度化が図れたものである。
【００５６】
＜最適条件に付いて＞
第１に、上記実施例でも示したように、光反射層成長時のＶ／III比には最適値があると言える。光反射層成長時のＶ／III比が例えば１００のように高すぎれば光反射層での酸素ゲッタリング効果が薄く、発光出力が増大しない。そして、逆に当該光反射層成長時のＶ／III比を例えば２などのように低くし過ぎれば、今度は光反射層の結晶性が悪くなるという問題が生じ、それは活性層成長にも影響を及ぼしてしまう。この結果、発光出力は増大せず、むしろ低下する傾向にある。以上のことから、光反射層成長時のＶ／III比には上述の５〜５０という最適値がある。
【００５７】
第２に、光反射層のペア数は、少なすぎても悪く、多すぎても悪い。その理由は、ペア数が少な過ぎると、十分な光反射率が確保できない故に高い発光出力が得られないからである。次にペア数が多すぎる場合について述べる。光反射率は基本的にペア数の増加に伴い増加するものである。しかし、決して際限なく増加するものでは無くあるペア数から飽和傾向を示す。よって厚くし過ぎた場合には単調に成長に掛かる原料コストだけが増えてしまう為、無駄となる。以上のことから、光反射層のペア数には最適値があると言える。
【００５８】
図３は、本発明の実施例における光反射層のペア数と光反射率との関係を示した図である。図から分かるように、光反射層の光反射率は、ペア数がおよそ８ペアで７０％を超え、１３ペアでは８０％を超える。そして、２５ペアでほぼ１００％となり、３０ペア以降で最大の１００％に飽和する。よって、光反射層のペア数は、好ましくはおよそ８ペア〜３０ペアの範囲、より好ましくは１３ペア〜２５ペア程度の範囲にあると言える。
【００５９】
第３に、光反射層に用いる材料には適したものがある。光反射層に用いる材料は、できる限りバンドギャップが広い方が好ましい。しかし、実質的にはバンドギャップの広い材料同士では屈折率差を大きく取るということと両立させることが難しい。一般に光反射層に用いられるＡｌＧａＡｓ系材料、ＡｌＧａＩｎＰ系材料などでは、これらはまさに二律背反の関係にある。よって、好ましい範囲に設定されるべき光反射層の材料、及び組成には最適値があり、それは、光反射層を構成する低屈折率膜の材料が、ＡｌXＧａ1-XＡｓ（但し、０．６≦Ｘ≦１．０）、（ＡｌYＧａ1-Y）0.5Ｉｎ0.5Ｐ（但し、０．６≦Ｙ≦１．０）のどちらかであり、また、高屈折率膜の材料がＡｌXＧａ1-XＡｓ（但し、０≦Ｘ≦０．６）、（ＡｌYＧａ1-Y）0.5Ｉｎ0.5Ｐ（但し、０≦Ｙ≦０．６）のどちらかであることが好ましいのである。ただし、光反射層での酸素ゲッタリング効果を考慮した場合、低屈折率膜と高屈折率膜の２つの材料にはＡｌを含んだ半導体材料とすること、可能ならばＡｌの組成比Ｙの値はできるだけ大きくすることが好ましい。
【００６０】
第４に、金属酸化物からなる電流分散層、例えばＩＴＯ膜と接するオーミックコンタクト層は、極めて高濃度に導電型決定不純物濃度が添加されている必要がある。具体的には、亜鉛（Ｚｎ）が添加されたコンタクト層の場合、その結晶材料はＡｌ混晶比が０から０．２までのＧａＡｓ、又はＡｌＧａＡｓ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。また、導電型決定不純物にマグネシウム（Ｍｇ）を用いた時のコンタクト層の場合は、その結晶材料はＧａＰ組成が０から０．２までのＩｎＰ、又はＧａＩｎＰ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発光ダイオードとなってしまう。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が必要となるのである。また、上記したコンタクト層のバンドギャップが狭い由縁は、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。
【００６１】
第５に、上述したコンタクト層の膜厚は１nmから５０nmの範囲にあることが好ましい。何故ならば、前記コンタクト層は、いずれも活性層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、発光輝度（出力）が低下してしまう。従って、コンタクト層の膜厚の上限をおよそ５０nmとすることが好ましく、より好ましくは３０nmまでである。また、コンタクト層の膜厚が１nm未満になってくると、今度はＩＴＯ膜とコンタクト層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膜と接するコンタクト層の膜厚には最適値があり、それは１nmから５０nmなのである。
【００６２】
第６に、金属酸化膜からなる電流分散層を形成する方法は、真空蒸着法であることが望ましい。理由は、以下製造方法ごとに述べる。まずスパッタ法においては、スパッタ装置自体の設備額が高額で、更に、１バッチあたりのチャージ枚数が少ないことから、スループットも問題となる。よって、電流分散層製造に掛かるコストを大幅に低減するに至るのは難しい。次に、ＭＯＤ溶液を用いたスプレー法においては、第一に基板の表面温度を５００℃以上に加熱しないとＩＴＯ膜の抵抗率を下げることができない為、発光ダイオード用エピタキシャルウェハに対する熱の影響が大きく、コンタクト層の表面を酸化してしまい、トンネル接合が達成されなくなってしまうという問題が発生する。また、ＩＴＯ膜の高温での成膜になるので、ＩＴＯ膜のキャリア濃度で低下してしまい、トンネル接合しづらい状況を作ってしまうことも問題である。更には、多数枚チャージ、つまりスループットの高い製造設備の作製が難しく、安定した量産を行うには難しい。次に、塗布法においてはスプレー法、スパッタ法、真空蒸着法と比較して、抵抗率を下げることが非常に難しいことが挙げられる。このことからコンタクト層とのトンネル接合が非常に難しい。更には、ＩＴＯ膜を１００nmから４００nm程度の膜厚まで形成するのに、塗布、乾燥、焼成といった工程を幾度となく行う必要があることから、スループットが非常に悪い。以上の理由から、製造装置価格が安価であり、且つ安定性に優れ、スループットの高い方法として真空蒸着法であることが好ましいのである。
【００６３】
第７にＩＴＯ膜の膜厚は１００nmから５００nmの範囲にあることが好ましい。下限が１００nmである由縁は、少なくとも充分な電流分散効果を得る為にはおよそ１００nm程度以上の膜厚が必要だからである。次に上限が４５０nmである由縁は、真空蒸着法で形成する場合、ＩＴＯ膜の膜厚が５００nm程度になってくると、ＩＴＯ膜の透明性、つまり透過率が徐々に悪化してしまうという現象がある為である。また、膜厚がおよそ１５０nmから３５０nm程度のＩＴＯ膜によって充分な電流分散効果が得られることから、あまり厚くし過ぎても製造コストを増加させてしまうだけになる。従って、ＩＴＯ膜の膜厚は１００nmから５００nmの範囲にあることが好ましく、より好ましくは２００nmから３５０nm程度であると言える。
【００６４】
［変形例１］
本発明における実施例１及び２においては、どの構造においても活性層とｐ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ることもでき、これによる影響は、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ことには変わりがない。
【００６５】
［変形例２］
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、キャリア濃度などは活性層以外には大きな変更点を持たない。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、上記と同様な効果を得ることができる。
【００６６】
［変形例３］
本発明における実施例においては、バッファ層を常に設けたＬＥＤ構造を作製例としたが、当該層が省略されたＬＥＤ素子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。
【００６７】
［実施例４］
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、仮にこのｐ型導電型決定不純物にマグネシウム（Ｍｇ）を用いたり、ｎ型導電型決定不純物にＳｉやＴｅを用いた場合の構造としても、同様に本発明所期の効果を得ることができる。
【００６８】
［変形例５］
本発明における実施例においては、表面電極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、多角形等でも本発明の意図する効果を得ることができる。
【００６９】
［変形例６］
本発明における実施例においては、電流分散層にＩＴＯ膜のみを用いた例を挙げたが、この他にも酸化インジウム（Ｉｎ2Ｏ3）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、ガリウム添加酸化亜鉛（ＧＺＯ）、アルミニウム添加酸化亜鉛（ＡＺＯ）、ホウ素添加酸化亜鉛（ＢＺＯ）などの一般的に低抵抗で知られる金属酸化物を電流分散層に適用することができ、かかる構造とした場合においても、本発明の意図する所の効果を得ることができる。
【００７０】
［変形例７］
本発明における実施例においては、半導体基板にＧａＡｓを用いた例のみを挙げたが、この他にも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、本発明の意図する効果を得ることができる。
【００７１】
［変形例８］
本発明における実施例においては、光反射層にＡｌＡｓとＡｌＧａＡｓを用いた例を示した。しかし、仮にこれがＡｌＩｎＰとＡｌＧａＡｓであったり、ＡｌＡｓとＡｌＧａＡｓであっても、若干の屈折率差から生ずる光反射率に少々の変化をもたらすだけであり、高Ａｌ組成の材料を用い、且つその光反射層を成長する際のＶ／III比を５０以下に設定した場合であれば、多少の装置依存性は有するものの、本発明の意図する所の効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００７２】
【図１】本発明の一実施例に係るＡｌＧａＩｎＰ系赤色ＬＥＤ素子の断面図である。
【図２】本発明の他の実施例に係るＡｌＧａＩｎＰ系赤色ＬＥＤ素子の断面図である。
【図３】本発明の実施例における光反射層のペア数と光反射率との関係を示した図である。
【図４】従来のＡｌＧａＩｎＰ系赤色ＬＥＤ素子の断面図である。
【符号の説明】
【００７３】
１  半導体基板
２  バッファ層
３  光反射層
４  ｎ型クラッド層
５  活性層
６  ｐ型クラッド層
７  電流分散層
８  表面電極
９  裏面電極
１０  ＩＴＯ膜（電流分散層）
１１  コンタクト層
【図１】
2006135215.tif 000004
【図２】
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【図３】
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【図４】
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