(57)【要約】【課題】ＡｌＧａＩｎＰ系の構成にあって、発光輝度の低下が少なく、低消費電力化が可能で、かつ高信頼が得られる発光ダイオードを提供する。【解決手段】発光ダイオード１０は、ＧａＡｓ基板１上に形成された発光部４、ＡｌＧａＩｎＰからなる中間層５及び電流拡散層６を備え、発光部４は、ＡｌＧａＩｎＰからなる下部クラッド層４１、ＡｌＧａＩｎＰからなる発光層４２及び上部クラッド層４３をＧａＡｓ基板１上に順次形成して構成されている。発光部４の各層に含まれる水素の濃度を２×１０１７ｃｍ−３以下、炭素の濃度を２×１０１６ｃｍ−３以下、及び酸素の濃度を２×１０１６ｃｍ−３以下とし、更に、電流拡散層６の一部または全ての領域における水素の濃度を５×１０１７ｃｍ−３以下、炭素の濃度を５×１０１７ｃｍ−３以下、及び酸素の濃度を２×１０１６ｃｍ−３以下とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１導電型のＧａＡｓ基板と、
第１導電型のＡｌｘ0Ｇａ１−ｘ0Ａｓ(0≦x0≦１)から選択されたＡｌ組成の異なる少なくとも２種の材料からなるブラッグ反射層と、
第１導電型の（Ａｌｘ1Ｇａ１−ｘ1）ｙ1Ｉｎ１−ｙ1Ｐ(0≦x1≦1、0.4≦y1≦0.6)からなる下部クラッド層と、
（Ａｌｘ2Ｇａ１−ｘ2）ｙ2Ｉｎ１−ｙ2Ｐ(0≦x2≦1、0.4≦y2≦0.6)からなる多重量子井戸構造の発光層と、
第２導電型の（Ａｌｘ3Ｇａ１−ｘ3）ｙ3Ｉｎ１−ｙ3Ｐ(0≦x3≦1、0.4≦y3≦0.6)からなる上部クラッド層と、
第２導電型のＧａＰ層を含む電流拡散層とを備え、
前記下部クラッド層、前記発光層、及び前記上部クラッド層の各層に含まれる水素の濃度が２×１０１７ｃｍ−３以下、炭素の濃度が２×１０１６ｃｍ−３以下、酸素の濃度が２×１０１６ｃｍ−３以下であり、前記電流拡散層の一部または全ての領域における水素の濃度が５×１０１７ｃｍ−３以下、炭素の濃度が５×１０１７ｃｍ−３以下、酸素の濃度が２×１０１６ｃｍ−３以下であることを特徴とする発光ダイオード。
【請求項２】
第１導電型のＧａＡｓ基板と、
第１導電型の（Ａｌｘ4Ｇａ１−ｘ4）ｙ4Ｉｎ１−ｙ4Ｐ(0≦x4≦1、0.4≦y4≦0.6)から選択されたＡｌ組成の異なる少なくとも２種の材料からなるブラッグ反射層と、
第１導電型の（Ａｌｘ1Ｇａ１−ｘ1）ｙ1Ｉｎ１−ｙ1Ｐ(0≦x1≦1、0.4≦y1≦0.6)からなる下部クラッド層と、
（Ａｌｘ2Ｇａ１−ｘ2）ｙ2Ｉｎ１−ｙ2Ｐ(0≦x2≦1、0.4≦y2≦0.6)からなる多重量子井戸構造の発光層と、
第２導電型の（Ａｌｘ3Ｇａ１−ｘ3）ｙ3Ｉｎ１−ｙ3Ｐ(0≦x3≦1、0.4≦y3≦0.6)からなる上部クラッド層と、
第２導電型のＧａＰ層を含む電流拡散層とを備え、
前記下部クラッド層、前記発光層、及び前記上部クラッド層の各層に含まれる水素の濃度が２×１０１７ｃｍ−３以下、炭素の濃度が２×１０１６ｃｍ−３以下、酸素の濃度が２×１０１６ｃｍ−３以下であり、前記電流拡散層の一部または全ての領域における水素の濃度が５×１０１７ｃｍ−３以下、炭素の濃度が５×１０１７ｃｍ−３以下、酸素の濃度が２×１０１６ｃｍ−３以下であることを特徴とする発光ダイオード。
【請求項３】
第１導電型のＧａＡｓ基板と、
第１導電型のＡｌｘ5Ｇａ１−ｘ5Ａｓ(0≦x5≦1)と第１導電型の（Ａｌｘ6Ｇａ１−ｘ6）ｙ6Ｉｎ１−ｙ6Ｐ(0≦x6≦1、0.4≦y6≦0.6)から選択されたブラッグ反射層と、
第１導電型の（Ａｌｘ1Ｇａ１−ｘ1）ｙ1Ｉｎ１−ｙ1Ｐ(0≦x1≦1、0.4≦y1≦0.6)からなる下部クラッド層と、
（Ａｌｘ2Ｇａ１−ｘ2）ｙ2Ｉｎ１−ｙ2Ｐ(0≦x2≦1、0.4≦y2≦0.6)からなる多重量子井戸構造の発光層と、
第２導電型の（Ａｌｘ3Ｇａ１−ｘ3）ｙ3Ｉｎ１−ｙ3Ｐ(0≦x3≦1、0.4≦y3≦0.6)からなる上部クラッド層と、
第２導電型のＧａＰ層を含む電流拡散層とを備え、
前記下部クラッド層、前記発光層、及び前記上部クラッド層の各層に含まれる水素の濃度が２×１０１７ｃｍ−３以下、炭素の濃度が２×１０１６ｃｍ−３以下、酸素の濃度が２×１０１６ｃｍ−３以下であり、前記電流拡散層の一部または全ての領域における水素の濃度が５×１０１７ｃｍ−３以下、炭素の濃度が５×１０１７ｃｍ−３以下、酸素の濃度が２×１０１６ｃｍ−３以下であることを特徴とする発光ダイオード。
【請求項４】
前記上部クラッド層と前記電流拡散層との間に、前記上部クラッド層より第２導電型ドーパントが高濃度の（Ａｌｘ7Ｇａ１−ｘ7）ｙ7Ｉｎ１−ｙ7Ｐ(0≦x7≦1、0≦y7≦1)からなる中間層を有し、前記中間層に含まれる水素の濃度が１×１０１８ｃｍ−３以下、炭素の濃度が１×１０１８ｃｍ−３以下、酸素の濃度が５×１０１６ｃｍ−３以下であることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の発光ダイオード。
【請求項５】
前記中間層は、前記第２導電型ドーパントの濃度が５×１０１７ｃｍ−３以上で、かつ前記第２導電型ドーパントよりも低濃度の第１導電型ドーパントを含むことを特徴とする請求項４に記載の発光ダイオード。
【請求項６】
ｎ型のＧａＡｓ基板と、
ｎ型のＡｌｘ0Ｇａ１−ｘ0Ａｓ(0≦x0≦１)から選択されたＡｌ組成の異なる少なくとも２種の材料からなるブラッグ反射層と、
ｎ型の（Ａｌｘ1Ｇａ１−ｘ1）ｙ1Ｉｎ１−ｙ1Ｐ(0≦x1≦1、0.4≦y1≦0.6)からなる下部クラッド層と、
（Ａｌｘ2Ｇａ１−ｘ2）ｙ2Ｉｎ１−ｙ2Ｐ(0≦x2≦1、0.4≦y2≦0.6)からなる多重量子井戸構造の発光層と、
Ｍｇがドープされたｐ型の（Ａｌｘ3Ｇａ１−ｘ3）ｙ3Ｉｎ１−ｙ3Ｐ(0≦x3≦1、0.4≦y3≦0.6)からなる上部クラッド層と、
Ｍｇがドープされたｐ型のＧａＰ層を含む電流拡散層とを備え、
前記下部クラッド層、前記発光層、及び前記上部クラッド層の各層に含まれる水素の濃度が２×１０１７ｃｍ−３以下、炭素の濃度が２×１０１６ｃｍ−３以下、酸素の濃度が２×１０１６ｃｍ−３以下であり、前記電流拡散層の一部または全ての領域における水素の濃度が５×１０１７ｃｍ−３以下、炭素の濃度が５×１０１７ｃｍ−３以下、酸素の濃度が２×１０１６ｃｍ−３以下であることを特徴とする発光ダイオード。
【請求項７】
ｎ型のＧａＡｓ基板と、
ｎ型の（Ａｌｘ3Ｇａ１−ｘ3）ｙ3Ｉｎ１−ｙ3Ｐ(0≦x3≦1、0.4≦y3≦0.6)から選択されたＡｌ組成の異なる少なくとも２種の材料からなるブラッグ反射層と、
ｎ型の（Ａｌｘ1Ｇａ１−ｘ1）ｙ1Ｉｎ１−ｙ1Ｐ(0≦x1≦1、0.4≦y1≦0.6)からなる下部クラッド層と、
（Ａｌｘ2Ｇａ１−ｘ2）ｙ2Ｉｎ１−ｙ2Ｐ(0≦x2≦1、0.4≦y2≦0.6)からなる多重量子井戸構造の発光層と、
Ｍｇがドープされたｐ型の（Ａｌｘ3Ｇａ１−ｘ3）ｙ3Ｉｎ１−ｙ3Ｐ(0≦x3≦1、0.4≦y3≦0.6)からなる上部クラッド層と、
Ｍｇがドープされたｐ型のＧａＰ層を含む電流拡散層とを備え、
前記下部クラッド層、前記発光層、及び前記上部クラッド層の各層に含まれる水素の濃度が２×１０１７ｃｍ−３以下、炭素の濃度が２×１０１６ｃｍ−３以下、酸素の濃度が２×１０１６ｃｍ−３以下であり、前記電流拡散層の一部または全ての領域における水素の濃度が５×１０１７ｃｍ−３以下、炭素の濃度が５×１０１７ｃｍ−３以下、酸素の濃度が２×１０１６ｃｍ−３以下であることを特徴とする発光ダイオード。
【請求項８】
ｎ型のＧａＡｓ基板と、
ｎ型のＡｌｘ5Ｇａ１−ｘ5Ａｓ(0≦x5≦1)とｎ型の（Ａｌｘ6Ｇａ１−ｘ6）ｙ6Ｉｎ１−ｙ6Ｐ(0≦x6≦1、0.4≦y6≦0.6)から選択されたブラッグ反射層と、
ｎ型の（Ａｌｘ1Ｇａ１−ｘ1）ｙ1Ｉｎ１−ｙ1Ｐ(0≦x1≦1、0.4≦y1≦0.6)からなる下部クラッド層と、
（Ａｌｘ2Ｇａ１−ｘ2）ｙ2Ｉｎ１−ｙ2Ｐ(0≦x2≦1、0.4≦y2≦0.6)からなる多重量子井戸構造の発光層と、
Ｍｇがドープされたｐ型の（Ａｌｘ3Ｇａ１−ｘ3）ｙ3Ｉｎ１−ｙ3Ｐ(0≦x3≦1、0.4≦y3≦0.6)からなる上部クラッド層と、
Ｍｇがドープされたｐ型のＧａＰ層を含む電流拡散層とを備え、
前記下部クラッド層、前記発光層、及び前記上部クラッド層の各層に含まれる水素の濃度が２×１０１７ｃｍ−３以下、炭素の濃度が２×１０１６ｃｍ−３以下、酸素の濃度が２×１０１６ｃｍ−３以下であり、前記電流拡散層の一部または全ての領域における水素の濃度が５×１０１７ｃｍ−３以下、炭素の濃度が５×１０１７ｃｍ−３以下、酸素の濃度が２×１０１６ｃｍ−３以下であることを特徴とする発光ダイオード。
【請求項９】
前記上部クラッド層と前記電流拡散層との間に、前記上部クラッド層より前記Ｍｇが高濃度の（Ａｌｘ7Ｇａ１−ｘ7）ｙ7Ｉｎ１−ｙ7Ｐ(0≦x7≦1、0≦y7≦1)からなる中間層を有し、前記中間層に含まれる水素の濃度が１×１０１８ｃｍ−３以下、炭素の濃度が１×１０１８ｃｍ−３以下、酸素の濃度が５×１０１６ｃｍ−３以下であることを特徴とする請求項６から８のいずれか１項に記載の発光ダイオード。
【請求項１０】
前記中間層がｎ型ドーパントとなるＳｉ、Ｓｅ、Ｔｅの少なくとも１つの元素を含み、その不純物濃度の合計が５×１０１７ｃｍ−３以上であり、かつ、前記Ｍｇより低濃度であることを特徴とする請求項９に記載の発光ダイオード。
【請求項１１】
導電性基板と、
前記導電性基板と金属層を介して接合された、化合物半導体の複数の結晶層からなる結晶層を含み、前記結晶層が、
前記導電性基板に近い側から順に積層された第１導電型の（Ａｌｘ1Ｇａ１−ｘ1）ｙ1Ｉｎ１−ｙ1Ｐ(0≦x1≦1、0.4≦y1≦0.6)からなる下部クラッド層と、
（Ａｌｘ2Ｇａ１−ｘ2）ｙ2Ｉｎ１−ｙ2Ｐ(0≦x2≦1、0.4≦y2≦0.6)からなる多重量子井戸構造の発光層と、
第２導電型の（Ａｌｘ3Ｇａ１−ｘ3）ｙ3Ｉｎ１−ｙ3Ｐ(0≦x3≦1、0.4≦y3≦0.6)からなる上部クラッド層とを含み、
前記下部クラッド層、前記発光層、及び前記上部クラッド層の各層に含まれる水素の濃度が２×１０１７ｃｍ−３以下、炭素の濃度が２×１０１６ｃｍ−３以下、酸素の濃度が２×１０１６ｃｍ−３以下であることを特徴とする発光ダイオード。
【請求項１２】
前記導電性基板と前記下部クラッド層との間に第１導電型のＧａＰ層を有し、前記ＧａＰ層の少なくとも一部の領域における水素の濃度が５×１０１７ｃｍ−３以下、炭素の濃度が５×１０１７ｃｍ−３以下、及び酸素の濃度が２×１０１６ｃｍ−３以下であることを特徴とする請求項１１に記載の発光ダイオード。
【請求項１３】
前記ＧａＰ層と前記下部クラッド層との間に、前記下部クラッド層より第１導電型ドーパントが高濃度の（Ａｌｘ7Ｇａ１−ｘ7）ｙ7Ｉｎ１−ｙ7Ｐ(0≦x7≦1、0≦y7≦1)からなる中間層を有し、前記中間層に含まれる水素の濃度が１×１０１８ｃｍ−３以下、炭素の濃度が１×１０１８ｃｍ−３以下、酸素の濃度が５×１０１６ｃｍ−３以下であることを特徴とする請求項１２に記載の発光ダイオード。
【請求項１４】
前記中間層は、前記第１導電型ドーパントの濃度が５×１０１７ｃｍ−３以上で、かつ前記第１導電型ドーパントよりも低濃度の第２導電型ドーパントを含むことを特徴とする請求項１３に記載の発光ダイオード。
【請求項１５】
前記導電性基板は、Ｓｉ、ＧａＡｓ、Ｃｕを含む金属のいずれかから選択されることを特徴とする請求項１１に記載の発光ダイオード。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＡｌＧａＩｎＰ系の材料を発光層に用いた発光ダイオードに関する。
【背景技術】
【０００２】
ＡｌＧａＩｎＰ系材料を発光層に用いた発光ダイオードは、発光層の混晶組成制御により、黄緑色から赤色の発光波長帯を得ることが可能であり、例えば、家電装置や産業用装置の表示用光源等に広く使用されている。
【０００３】
図６は、従来の発光ダイオードを示す。この発光ダイオード１００は、ｎ型のＧａＡｓ単結晶基板１０１と、その基板上にＭＯＶＰＥ（Metal Organic Vapor Phase Epitaxy
：有機金属気相成長）法によりエピタキシャル成長させた発光部１０２と、ｐ型の電流拡散層１０３とを主体に構成されている。ＧａＡｓ単結晶基板１０１の裏面（下面）にはカソード電極１０４が形成され、電流拡散層１０３の表面（上面）にはアノード電極１０５が形成されている。
【０００４】
発光部１０２は、ｎ型の下部クラッド層１０２１、発光層１０２２及びｐ型の上部クラッド層１０２３の３層から構成されたダブルヘテロ構造（ＤＨ構造）を有する。
【０００５】
図６の構成において、カソード電極１０４とアノード電極１０５の各電極間に電流を流すと、発光層１０２２で発光が生じ、その光は主に上部クラッド層１０２３、電流拡散層１０３を経て外部へ放射される。
【０００６】
従来より、上記した構造の発光ダイオードを高輝度化する検討が進められてきた。例えば、電流拡散層１０３としてＧａＰやＡｌＧａＡｓ等の発光光に対してほぼ透明な半導体材料を用いて光の取り出し効率を向上させた構造（例えば、特許文献１，２参照）や、発光層１０２２を多重量子井戸構造とし、発光部１０２における内部量子効率を向上させた構造が提案されている（例えば、特許文献３参照）。
【０００７】
更に、ＧａＡｓ単結晶基板１０１と発光部１０２の間に、半導体の多層構造からなるブラッグ反射層を設け、この層で発光層１０２２からＧａＡｓ単結晶基板１０１側に放射された光を電流拡散層１０３側に反射させ、光取出し効率を向上させた構造が知られている（例えば、特許文献４及び非特許文献１参照）。
【０００８】
また、発光ダイオードは、低価格かつ低消費電力であることも重要である。図６に示す構成の発光ダイオード１００の場合、一般に、発光部１０２は、ＡｌＧａＩｎＰ、ＧａＩｎＰ、ＡｌＩｎＰ等で構成され、これらはＧａＡｓと格子定数がほぼ一致した混晶組成でエピタキシャル成長される。例えば、電流拡散層１０３として、ＧａＰ層を上部クラッド層１０２３の上にエピタキシャル成長させた場合、両者の格子定数の不一致や、界面でのバンド不連続の発生により、ＧａＰ層表面の品質低下、及び順方向電圧の増加を招くことがある。
【０００９】
この対策として、上部クラッド層１０２３と電流拡散層１０３の間に、ＧａｌｎＰ等の中間層を形成する構造が知られている（例えば、特許文献５参照）。
【００１０】
さらに、長期の通電による輝度の低下が少なく、高信頼性を有することが要求されるが、図６に示す発光ダイオード１００において、下部クラッド層１０２１、上部クラッド層１０２３及び電流拡散層１０３等から発光層１０２２にドーパントが移動すると、輝度が低下することが知られている。ドーパントの移動は、ＭＯＶＰＥ法により発光ダイオードを構成する各層をエピタキシャル成長させる際の熱履歴や、発光ダイオードへの通電により生じると考えられ、発光層１０２２に移動したドーパントにより、発光層１０２２内に結晶欠陥が生じ、その結晶欠陥がキャリアの非発光再結合中心になって輝度が低下すると考えられる。
【００１１】
上記のようなドーパントの移動を抑えるための対策として、上部クラッド層と発光層の間や下部クラッド層と発光層の間にアンドープのクラッド層を設ける構造が知られている（例えば、特許文献６，７参照）。また、電流拡散層としての窓層のキャリア濃度を発光部４側で低くする構造が知られている（例えば、特許文献８参照）。
【００１２】
以上は、主に、ＧａＡｓ基板とその基板上に形成された発光ダイオード用結晶層で構成される発光ダイオードに関するものであるが、最近、基板と発光ダイオード用結晶層を接合させた構造を有する発光ダイオードが実用化されており、例えば、特許文献９，１０に示すように、ＧａＡｓ基板上にエピタキシャル成長させた結晶層の表面に他の基板を接合させ、その後、成長に用いたＧａＡｓ基板を除去する方法が知られている。
【００１３】
また、基板と結晶層の接合部構造の一例として、金属層を介して両者を接合させ、かつ、その金属層が光反射層を兼ねる構造がある。この場合、光反射率の高い金属層で接合部を構成することにより、上記したＧａＡｓ基板とその基板上にエピタキシャル成長させた結晶層で構成される発光ダイオードに比べ、輝度を大幅に向上させることができる。
【特許文献１】米国特許第５００８７１８号
【特許文献２】特開平３−１７１６７９号公報
【特許文献３】特許第２９０６７２号
【特許文献４】米国特許第５１５３８８９号
【特許文献５】特許第３２３３５６９号
【特許文献６】特許第３１９５１９４号
【特許文献７】米国特許第５８５６６８２号
【特許文献８】特開平０５−３３５６１９号公報
【特許文献９】米国特許第５３７６５８０号
【特許文献１０】米国特許第５５０２３１６号
【非特許文献１】Journal of Crystal Growth 107(1991）832-835
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
しかし、従来の発光ダイオードによると、発光層へのドーパント移動の抑止が不充分なため、長期通電により輝度が低下するという問題がある。また、低消費電力化の観点から、順方向電圧を更に低減させる必要がある。更に、発光ダイオードは、自動車の外装ランプや信号機等へも利用されるようになり、高い信頼性が要求されるとともに環境対応の観点から更なる低消費電力化が強く要求されている。
【００１５】
従って、本発明の目的は、ＡｌＧａＩｎＰ系の構成にあって、発光輝度の低下が少なく、低消費電力化が可能で、かつ高信頼が得られる発光ダイオードを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明は、上記目的を達成するため、第１導電型のＧａＡｓ基板と、第１導電型のＡｌｘ0Ｇａ１−ｘ0Ａｓ(0≦x0≦１)から選択されたＡｌ組成の異なる少なくとも２種の材料からなるブラッグ反射層と、第１導電型の（Ａｌｘ1Ｇａ１−ｘ1）ｙ1Ｉｎ１−ｙ1Ｐ(0≦x1≦1、0.4≦y1≦0.6)からなる下部クラッド層と、（Ａｌｘ2Ｇａ１−ｘ2）ｙ2Ｉｎ１−ｙ2Ｐ(0≦x2≦1、0.4≦y2≦0.6)からなる多重量子井戸構造の発光層と、第２導電型の（Ａｌｘ3Ｇａ１−ｘ3）ｙ3Ｉｎ１−ｙ3Ｐ(0≦x3≦1、0.4≦y3≦0.6)からなる上部クラッド層と、第２導電型のＧａＰ層を含む電流拡散層とを備え、前記下部クラッド層、前記発光層、及び前記上部クラッド層の各層に含まれる水素の濃度が２×１０１７ｃｍ−３以下、炭素の濃度が２×１０１６ｃｍ−３以下、酸素の濃度が２×１０１６ｃｍ−３以下であり、前記電流拡散層の一部または全ての領域における水素の濃度が５×１０１７ｃｍ−３以下、炭素の濃度が５×１０１７ｃｍ−３以下、酸素の濃度が２×１０１６ｃｍ−３以下であることを特徴とする発光ダイオードを提供する。
【００１７】
また、本発明は、上記目的を達成するため、第１導電型のＧａＡｓ基板と、第１導電型の（Ａｌｘ4Ｇａ１−ｘ4）ｙ4Ｉｎ１−ｙ4Ｐ(0≦x4≦1、0.4≦y4≦0.6)から選択されたＡｌ組成の異なる少なくとも２種の材料からなるブラッグ反射層と、第１導電型の（Ａｌｘ1Ｇａ１−ｘ1）ｙ1Ｉｎ１−ｙ1Ｐ(0≦x1≦1、0.4≦y1≦0.6)からなる下部クラッド層と、（Ａｌｘ2Ｇａ１−ｘ2）ｙ2Ｉｎ１−ｙ2Ｐ(0≦x2≦1、0.4≦y2≦0.6)からなる多重量子井戸構造の発光層と、第２導電型の（Ａｌｘ3Ｇａ１−ｘ3）ｙ3Ｉｎ１−ｙ3Ｐ(0≦x3≦1、0.4≦y3≦0.6)からなる上部クラッド層と、第２導電型のＧａＰ層を含む電流拡散層とを備え、前記下部クラッド層、前記発光層、及び前記上部クラッド層の各層に含まれる水素の濃度が２×１０１７ｃｍ−３以下、炭素の濃度が２×１０１６ｃｍ−３以下、酸素の濃度が２×１０１６ｃｍ−３以下であり、前記電流拡散層の一部または全ての領域における水素の濃度が５×１０１７ｃｍ−３以下、炭素の濃度が５×１０１７ｃｍ−３以下、酸素の濃度が２×１０１６ｃｍ−３以下であることを特徴とする発光ダイオードを提供する。
【００１８】
また、本発明は、上記目的を達成するため、第１導電型のＧａＡｓ基板と、第１導電型のＡｌｘ5Ｇａ１−ｘ5Ａｓ(0≦x5≦1)と第１導電型の（Ａｌｘ6Ｇａ１−ｘ6）ｙ6Ｉｎ１−ｙ6Ｐ(0≦x6≦1、0.4≦y6≦0.6)から選択されたブラッグ反射層と、第１導電型の（Ａｌｘ1Ｇａ１−ｘ1）ｙ1Ｉｎ１−ｙ1Ｐ(0≦x1≦1、0.4≦y1≦0.6)からなる下部クラッド層と、（Ａｌｘ2Ｇａ１−ｘ2）ｙ2Ｉｎ１−ｙ2Ｐ(0≦x2≦1、0.4≦y2≦0.6)からなる多重量子井戸構造の発光層と、第２導電型の（Ａｌｘ3Ｇａ１−ｘ3）ｙ3Ｉｎ１−ｙ3Ｐ(0≦x3≦1、0.4≦y3≦0.6)からなる上部クラッド層と、第２導電型のＧａＰ層を含む電流拡散層とを備え、前記下部クラッド層、前記発光層、及び前記上部クラッド層の各層に含まれる水素の濃度が２×１０１７ｃｍ−３以下、炭素の濃度が２×１０１６ｃｍ−３以下、酸素の濃度が２×１０１６ｃｍ−３以下であり、前記電流拡散層の一部または全ての領域における水素の濃度が５×１０１７ｃｍ−３以下、炭素の濃度が５×１０１７ｃｍ−３以下、酸素の濃度が２×１０１６ｃｍ−３以下であることを特徴とする発光ダイオードを提供する。
【００１９】
また、本発明は、上記目的を達成するため、ｎ型のＧａＡｓ基板と、ｎ型のＡｌｘ0Ｇａ１−ｘ0Ａｓ(0≦x0≦１)から選択されたＡｌ組成の異なる少なくとも２種の材料からなるブラッグ反射層と、ｎ型の（Ａｌｘ1Ｇａ１−ｘ1）ｙ1Ｉｎ１−ｙ1Ｐ(0≦x1≦1、0.4≦y1≦0.6)からなる下部クラッド層と、（Ａｌｘ2Ｇａ１−ｘ2）ｙ2Ｉｎ１−ｙ2Ｐ(0≦x2≦1、0.4≦y2≦0.6)からなる多重量子井戸構造の発光層と、Ｍｇがドープされたｐ型の（Ａｌｘ3Ｇａ１−ｘ3）ｙ3Ｉｎ１−ｙ3Ｐ(0≦x3≦1、0.4≦y3≦0.6)からなる上部クラッド層と、Ｍｇがドープされたｐ型のＧａＰ層を含む電流拡散層とを備え、前記下部クラッド層、前記発光層、及び前記上部クラッド層の各層に含まれる水素の濃度が２×１０１７ｃｍ−３以下、炭素の濃度が２×１０１６ｃｍ−３以下、酸素の濃度が２×１０１６ｃｍ−３以下であり、前記電流拡散層の一部または全ての領域における水素の濃度が５×１０１７ｃｍ−３以下、炭素の濃度が５×１０１７ｃｍ−３以下、酸素の濃度が２×１０１６ｃｍ−３以下であることを特徴とする発光ダイオードを提供する。
【００２０】
また、本発明は、上記目的を達成するため、ｎ型のＧａＡｓ基板と、ｎ型の（Ａｌｘ3Ｇａ１−ｘ3）ｙ3Ｉｎ１−ｙ3Ｐ(0≦x3≦1、0.4≦y3≦0.6)から選択されたＡｌ組成の異なる少なくとも２種の材料からなるブラッグ反射層と、ｎ型の（Ａｌｘ1Ｇａ１−ｘ1）ｙ1Ｉｎ１−ｙ1Ｐ(0≦x1≦1、0.4≦y1≦0.6)からなる下部クラッド層と、（Ａｌｘ2Ｇａ１−ｘ2）ｙ2Ｉｎ１−ｙ2Ｐ(0≦x2≦1、0.4≦y2≦0.6)からなる多重量子井戸構造の発光層と、Ｍｇがドープされたｐ型の（Ａｌｘ3Ｇａ１−ｘ3）ｙ3Ｉｎ１−ｙ3Ｐ(0≦x3≦1、0.4≦y3≦0.6)からなる上部クラッド層と、Ｍｇがドープされたｐ型のＧａＰ層を含む電流拡散層とを備え、前記下部クラッド層、前記発光層、及び前記上部クラッド層の各層に含まれる水素の濃度が２×１０１７ｃｍ−３以下、炭素の濃度が２×１０１６ｃｍ−３以下、酸素の濃度が２×１０１６ｃｍ−３以下であり、前記電流拡散層の一部または全ての領域における水素の濃度が５×１０１７ｃｍ−３以下、炭素の濃度が５×１０１７ｃｍ−３以下、酸素の濃度が２×１０１６ｃｍ−３以下であることを特徴とする発光ダイオードを提供する。
【００２１】
また、本発明は、上記目的を達成するため、ｎ型のＧａＡｓ基板と、ｎ型のＡｌｘ5Ｇａ１−ｘ5Ａｓ(0≦x5≦1)とｎ型の（Ａｌｘ6Ｇａ１−ｘ6）ｙ6Ｉｎ１−ｙ6Ｐ(0≦x6≦1、0.4≦y6≦0.6)から選択されたブラッグ反射層と、ｎ型の（Ａｌｘ1Ｇａ１−ｘ1）ｙ1Ｉｎ１−ｙ1Ｐ(0≦x1≦1、0.4≦y1≦0.6)からなる下部クラッド層と、（Ａｌｘ2Ｇａ１−ｘ2）ｙ2Ｉｎ１−ｙ2Ｐ(0≦x2≦1、0.4≦y2≦0.6)からなる多重量子井戸構造の発光層と、Ｍｇがドープされたｐ型の（Ａｌｘ3Ｇａ１−ｘ3）ｙ3Ｉｎ１−ｙ3Ｐ(0≦x3≦1、0.4≦y3≦0.6)からなる上部クラッド層と、Ｍｇがドープされたｐ型のＧａＰ層を含む電流拡散層とを備え、前記下部クラッド層、前記発光層、及び前記上部クラッド層の各層に含まれる水素の濃度が２×１０１７ｃｍ−３以下、炭素の濃度が２×１０１６ｃｍ−３以下、酸素の濃度が２×１０１６ｃｍ−３以下であり、前記電流拡散層の一部または全ての領域における水素の濃度が５×１０１７ｃｍ−３以下、炭素の濃度が５×１０１７ｃｍ−３以下、酸素の濃度が２×１０１６ｃｍ−３以下であることを特徴とする発光ダイオードを提供する。
【００２２】
また、本発明は、上記目的を達成するため、導電性基板と、前記導電性基板と金属層を介して接合された、化合物半導体の複数の結晶層からなる結晶層を含み、前記結晶層が、前記導電性基板に近い側から順に積層された第１導電型の（Ａｌｘ1Ｇａ１−ｘ1）ｙ1Ｉｎ１−ｙ1Ｐ(0≦x1≦1、0.4≦y1≦0.6)からなる下部クラッド層と、（Ａｌｘ2Ｇａ１−ｘ2）ｙ2Ｉｎ１−ｙ2Ｐ(0≦x2≦1、0.4≦y2≦0.6)からなる多重量子井戸構造の発光層と、第２導電型の（Ａｌｘ3Ｇａ１−ｘ3）ｙ3Ｉｎ１−ｙ3Ｐ(0≦x3≦1、0.4≦y3≦0.6)からなる上部クラッド層とを含み、前記下部クラッド層、前記発光層、及び前記上部クラッド層の各層に含まれる水素の濃度が２×１０１７ｃｍ−３以下、炭素の濃度が２×１０１６ｃｍ−３以下、酸素の濃度が２×１０１６ｃｍ−３以下であることを特徴とする発光ダイオードを提供する。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、ＡｌＧａＩｎＰ系の構成にあって、発光輝度の低下が少なく、低消費電力化が可能で、かつ高信頼が得られる発光ダイオードを得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
［第１の実施の形態］
（発光ダイオードの構成）
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る発光ダイオードを示す。この発光ダイオード１０は、ｎ型ＧａＡｓ基板１上に、ｎ型ＧａＡｓバッファ層２、ｎ型のブラッグ反射層３、発光部４、ｐ型の中間層５、及びｐ型の電流拡散層６の各結晶層をＭＯＶＰＥ法により順次形成し、更に、ｎ型ＧａＡｓ基板１に対し発光部４とは反対側の面（裏面）にカソード電極７、電流拡散層６に対し発光部４とは反対側の面（表面）にアノード電極８を形成して構成されている。
【００２５】
発光部４は、ブラッグ反射層３上に、下部クラッド層４１、発光層４２及び上部クラッド層４３を順次形成して構成されている。
【００２６】
下部クラッド層４１は、例えば、ｎ型（ＡｌｘＧａ１−ｘ）ｙＩｎ１−ｙＰ（０≦ｘ≦１、０．４≦ｙ≦０．６）層からなる。
【００２７】
発光層４２は、例えば、多重量子井戸構造の（ＡｌｘＧａ１−ｘ）ｙＩｎ１−ｙＰ（０≦ｘ≦１、０．４≦ｙ≦０．６）層からなる。
【００２８】
上部クラッド層４３は、例えば、Ｍｇがドープされたｐ型（ＡｌｘＧａ１−ｘ）ｙＩｎ１−ｙＰ（０≦ｘ≦１、０．４≦ｙ≦０．６）を含む層からなる。
【００２９】
上記のように水素、炭素及び酸素を規定したのは、以下の理由による。本発明者らは、中間層５、電流拡散層６、下部クラッド層４１等から発光層４２及び上部クラッド層４３に移動するドーパントの量は、ＭＯＶＰＥ法により各結晶層をエピタキシャル成長させる際の熱履歴や発光ダイオード１０への通電によって、ドーピングを行った各結晶層（エピタキシャル層）の品質の影響を受けると考え、不純物濃度と、発光層４２に移動するドーパントの量について、子細かつ継続的な検討を行った。その結果、発光層４２に移動するドーパントの量は、中間層５、電流拡散層６、下部クラッド層４１及び上部クラッド層４３等のドーパント濃度よりも、むしろ、各結晶層中の水素、炭素及び酸素の濃度に強く依存することがわかった。
【００３０】
水素、炭素及び酸素は、意図的にドーピングするものではなく、各結晶層をＭＯＶＰＥ法によりエピタキシャル成長させる際の原料ガスや雰囲気ガスから取り込まれると考えられる。そこで、ＭＯＶＰＥ法によるエピタキシャル成長条件の詳細な検討を行ない、各結晶層に取込まれる水素、炭素及び酸素の濃度を制御するための成長条件を見いだした。
【００３１】
下部クラッド層４１、発光層４２及び上部クラッド層４３は、各層に含まれる水素（Ｈ）の濃度を２×１０１７ｃｍ−３以下、炭素（Ｃ）の濃度を２×１０１６ｃｍ−３以下、酸素（Ｏ）の濃度を２×１０１６ｃｍ−３以下にし、また、電流拡散層６の水素の濃度を５×１０１７ｃｍ−３以下、炭素の濃度を５×１０１７ｃｍ−３以下、酸素の濃度を２×１０１６ｃｍ−３以下にし、更に、中間層５の水素の濃度を１×１０１８ｃｍ−３以下、炭素の濃度を１×１０１８ｃｍ−３以下、酸素の濃度を５×１０１６ｃｍ−３以下にして構成されている。これにより、各結晶層から発光層４２へ移動するドーパントを極めて少ない量に抑えることに成功し、初期の発光輝度が高く、また、通電による発光輝度の低下が極めて少ないＡｌＧａＩｎＰ系発光ダイオードを実現することができた。
【００３２】
通電時における発光ダイオード１０の順方向電圧を下げるためには、中間層５における電圧損失を低減させる必要がある。この電圧損失は、電流拡散層６と中間層５の界面、及び中間層５と上部クラッド層４３の界面におけるバンド端の不連続に起因すると考えられる。この問題を回避するための一手段として、中間層５の導電型制御のためにドーピングするドーパントの濃度を、例えば、３×１０１８ｃｍ−３以上に増加させ、各バンド端の不連続におけるトンネル電流を高くする手段が効果的であった。トンネル電流は、ドーピング量の増加に伴い、高くなる傾向がある。しかし、中間層５のドーピング量を、例えば、１×１０１９ｃｍ−３まで増やすと、結晶層の表面品質の低下が起こり、発光ダイオード１０の歩留まりが低下する。
【００３３】
そこで、本発明らは、導電型制御のためのドーパントに加えて、他の不純物を中間層５にドーピングし、中間層５における電圧損失を更に低減させるための検討を行った。その結果、上記した様に、第二導電型のドーパントを５×１０１７ｃｍ−３以上の濃度にドーピングすることにより、中間層５における電圧損失を大幅に低減させることができた。
【００３４】
電流拡散層６は、Ｍｇがドープされたｐ型ＧａＰ層を含む構成からなる。
【００３５】
（発光ダイオードの製造方法）
まず、ＭＯＶＰＥ法により、ＡｌＧａＩｎＰ、ＧａＩｎＰ、ＡｌＩｎＰ、ＧａＰ等のＡｌＧａＩｎＰ系結晶層をＧａＡｓ基板１上にエピタキシャル成長させる。この場合、成長材料としてトリメチルガリウム（ＴＭＧ）、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）等の有機金属材料からなるIII族元素原料を用いる。また、Ｖ族元素原料として、金属水素化物ガスであるフォスフィン（ＰＨ３）がある。
【００３６】
ＡｌＧａＩｎＰ系の発光ダイオード１０では、ブラッグ反射層３や電流拡散層６等に、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ等のＡｌＧａＡｓ系の結晶層も用いられる。この場合、III族元素原料はＡｌＧａＩｎＰ系結晶層と同じであり、Ｖ族元素原料としては、金属水素化物ガスであるアルシン（ＡｓＨ３）が主に用いられる。
【００３７】
上記した有機金属材料の蒸気や金属水素化物ガスは、水素ガスをキャリアガスとしてＭＯＶＰＥ装置の反応室に送られる。反応室は、サセプタ及び加熱機構を装備しており、ＧａＡｓ基板１はサセプタの所定の位置に装着して加熱される。ＡｌＧａＩｎＰ系発光ダイオードの結晶層の成長では、一般に、ＧａＡｓ基板１の温度は６００℃〜７５０℃の間で実施される。反応室に送られた原料ガスは熱分解し、それらの反応生成物がＡｌＧａＩｎＰ系化合物やＡｌＧａＡｓ系化合物としてＧａＡｓ基板１上にエピタキシャル成長される。
【００３８】
結晶層をｐ型の導電型に制御するためのドーパント元素としては、Ｍｇ、Ｚｎが主に用いられ、それらの原料として、ビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ２Ｍｇ）、ジメチルジンク（ＤＭＺｎ）、及びジエチルジンク（ＤＥＺｎ）等が主に用いられる。また、結晶層をｎ型の導電型に制御するためのドーパント元素としては、Ｔｅ、Ｓｅ、Ｓｉが主に用いられ、それらの原料としては、ジメチルテルル（ＤＭＴｅ）、ジエチルテルル（ＤＥＴｅ）、セレン化水素（Ｈ２Ｓｅ）、ジシラン（Ｓｉ２Ｈ６）、及びモノシラン（ＳｉＨ４）等が主に用いられる。ドーパント原料は、III族元素原料及びＶ族元素原料とほぼ同時に反応室へ供給される。
【００３９】
発光ダイオード１０は、図１に示すように、複数の結晶層で構成されており、それぞれの結晶層は、ＧａＡｓ基板１側のバッファ層２から順に連続的にエピタキシャル成長される。各結晶層の成長においては、必要なIII族元素原料、Ｖ族元素原料及びドーパント原料が選択され、予め設定した流量で反応室に供給される。
【００４０】
（水素、炭素、酸素及びドーパントの濃度の検討）
ＭＯＶＰＥ法によりエピタキシャル成長させた電流拡散層、中間層、上部クラッド層、および下部クラッド層等に存在する水素や炭素は、未分解のIII族元素原料やＶ族元素原料から各結晶層に取り込まれると考えられる。また、酸素については、反応室の内壁やサセプタ表面に残存する水分や酸素が、結晶層に取込まれると考えられる。
【００４１】
電流拡散層、中間層、上部クラッド層および下部クラッド層等に存在する水素、炭素、および酸素は、各結晶層において、ある種の結晶欠陥を発生させ、各結晶層に熱エネルギーが加えられたり、電子・正孔が注入されたりすることにより、結晶欠陥を介してドーパントが移動すると推察される。ドーパントの移動を防ぐためには、各結晶層中の水素、炭素、および酸素を適切な濃度以下とする必要がある。
【００４２】
エピタキシャル成長時に、各結晶層に取込まれる水素、炭素及び酸素の濃度は、結晶層の成長条件に依存する。例えば、水素の濃度は、主にＧａＡｓ基板１の温度に強く依存し、温度が高いほど、水素の濃度が低下する傾向を示す。また、結晶層の成長後、ＧａＡｓ基板１の温度を３００℃以上に保持する時間が長いほど、水素の濃度が低下する傾向を示す。一方、炭素及び酸素の濃度は、温度の影響も受けるが、それよりも反応室へ供給するＶ族元素原料のモル濃度と皿族元素原料のモル濃度の比（以下、「Ｖ／III比」という）に強く依存し、Ｖ／III比が高いほど、炭素及び酸素の濃度が低下する傾向を示す。
【００４３】
そこで、下部クラッド層４１、発光層４２及び上部クラッド層４３に含まれる水素の濃度を２×１０１７ｃｍ−３以下、炭素の濃度を２×１０１６ｃｍ−３以下、酸素の濃度を２×ｌ０１６ｃｍ−３以下、電流拡散層６の水素の濃度を５×１０１７ｃｍ−３以下、炭素の濃度を５×１０１７ｃｍ−３以下、酸素の濃度を２×１０１６ｃｍ−３以下、中間層５の水素の濃度を１×１０１８ｃｍ−３以下、炭素の濃度を１×１０１８ｃｍ−３以下、酸素の濃度を５×１０１６ｃｍ−３以下に制御することにより、それぞれの層から発光層４２へ移動するドーパント濃度を極めて低いレベルに抑えることができる。なお、発光層４２に移動したドーパントの濃度については、エピタキシャル成長させた後、及び発光ダイオード素子を形成して通電試験を実施した後に計測したものである。
【００４４】
エピタキシャル成長後及び通電試験後に計測した発光層へのドーパント移動濃度は、いずれも１×１０１６ｃｍ−３以下の場合、初期の発光輝度が高く、また、通電試験後の発光輝度も殆ど低下しない。エピタキシャル成長後において、発光層４２に移動したドーパントの濃度が２×１０１６ｃｍ−３以上の場合、初期の発光輝度に顕著な低下がみられた。初期の発光輝度の低下は、エピタキシャル成長後に計測した発光層４２へのドーパント移動濃度が高いほど顕著になる。一方、エピタキシャル成長後に発光層に移動したドーパント濃度が２×１０１６ｃｍ−３よりも低く、初期の発光輝度が良好な場合でも、通電試験により顕著な発光輝度の低下が見られた発光ダイオードでは、通電試験後に計測した発光層への移動ドーパント濃度が２×１０１６ｃｍ−３以上であった。なお、通電試験後に計測した発光層４２への移動ドーパント濃度が高いほど、発光輝度の低下が顕著であった。
【００４５】
エピタキシャル成長時の熱履歴や通電によるドーパントの移動は、Ｓｉ、Ｓｅ、Ｔｅ等のｎ型ドーパントに比べて、Ｚｎ、Ｍｇ等のｐ型ドーパントの方がより顕著になる。例えば、上部クラッド層４３、中間層５、電流拡散層６がｐ型の場合、発光層４２とそれに隣接する上部クラッド層４３、更に中間層５及び電流拡散層６の水素、炭素及び酸素濃度を上記した濃度以下とすることにより、発光層４２へのｐ型ドーパントの移動をほぼ抑止することができる。いずれかの結晶層において、水素、炭素及び酸素のいずれかの不純物元素の濃度が、上記した濃度を超えた場合、エピタキシャル成長後、または通電試験後に発光層へ移動したｐ型ドーパントの濃度が、２×１０１６ｃｍ−３以上になる。
【００４６】
中間層５は、他の結晶層に比べてｐ型ドーパントの濃度は高いが、水素、炭素及び酸素濃度を他の結晶層よりも高くしても、発光層４２へ移動するｐ型ドーパント量への影響は小さい。これは、中間層５の厚さが他の結晶層の１／１０以下と薄いためと考えられる。
【００４７】
ｎ型ドーパントについては、ｐ型ドーパントの場合と同じく、発光層４２へ移動したドーパントの濃度が２×１０１６ｃｍ−３以上になると、発光輝度が低下する。しかし、下部クラッド層４１の水素、炭素及び酸素の濃度を前述した濃度以下にすることにより、エピタキシャル成長直後または通電試験後に計測された発光層４２への移動ドーパントの濃度を２×１０１６ｃｍ−３よりも低く抑えることができる。
【００４８】
上部クラッド層４３、中間層５、電流拡散層６がｎ型で下部クラッド層４１がｐ型の場合も、これらの層と発光層における水素、炭素及び酸素の濃度を前述した濃度以下にすることが、発光ダイオード１０の長期通電における発光輝度低下を防ぐ上で望ましい。
【００４９】
（中間層における電圧損失）
次に、発光ダイオードへの通電時における中間層での電圧損失の低減について説明する。図２は、クラッド層と電流拡散層の接合部付近接合部付近のバンド構造を示す説明図、図３は、クラッド層、電流拡散層、中間層の接合部付近のバンド構造を示す説明図である。
【００５０】
中間層５は、元来、上部クラッド層４３と電流拡散層６の界面に生じるバンド端不連続における電子やホールに対する障壁を低減させることを主な目的として設けられるものである。図２は、ｐ型（ＡｌｘＧａ１−ｘ）ｙＩｎ１−ｙＰ（ｘ≒０．７、ｙ≒０．５１）上部クラッド層４３と、ｐ型ＧａＰ電流拡散層６の接合部付近のバンド構造の１例を模式的に示したものである。ＡｌＧａＩｎＰとＧａＰでは、電子親和力が異なるため、接合界面において、伝導帯端（Ｅｃ）と価電子帯端（Ｅｖ）の双方にバンド端不連続が発生する。発光ダイオード１０への通電時において、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰ上部クラッド層４３とｐ型ＧａＰ電流拡散層６を流れる電流の担い手は、主にホールであると考えられる。そのため、価電子帯端（Ｅｖ）の不連続がホールの障壁となり、大きな電圧損失が生じると考えられる。
【００５１】
因みに、図６に示される発光ダイオード１００を電流密度約２２．２Ａ／ｃｍ２で発光させたところ、順方向電圧として２．５Ｖ以上の高い値が測定された。また、ＡｌＧａＩｎＰ上部クラッド層１０２３は、ＧａＡｓとほぼ格子整合するように組成を制御しているため、ＧａＰ電流拡散層１０３との間には、約４％の格子不整合が生じる。そのため、ＧａＰ電流拡散層１０３の表面に大きな凹凸が生じ、電極形成工程の歩留が低下するという問題も生じた。
【００５２】
図３は、上部クラッド層４３と電流拡散層６の間に、中間層５を形成した場合の接合部付近のバンド構造の１例を模式的に示したものである。ここでは、中間層５として、Ｐ型ドーパントを３×１０１８ｃｍ−３以上と高濃度にドープしたｐ型（ＡｌｘＧａ１−ｘ）ｙＩｎ１−ｙＰ（ｘ＝０、ｙ≒０．７）層、すなわち高キャリア濃度のｐ型で、ＧａＰ混晶比が約０．７のＧａＩｎＰ層を用いた例を示すものである。ＧａＩｎＰ層は、高濃度にｐ型ドーパントがドーピングされているため縮退した状態で示した。ＧａＩｎＰ中間層５を形成したことにより、価電子帯端（Ｅｖ）の不連続が緩和され、ホールに対する障壁が低くなっている。因みに、図６に示す発光ダイオードに、前述したＧａＩｎＰ中間層を付加したところ、電流密度約２２．２Ａ／ｃｍ２における順方向電圧は約２．２Ｖとなった。また、ＧａＰ電流拡散層表面に顕著な凹凸はみられず、表面品質も良好であった。
【００５３】
このように、中間層５を設けたことにより発光ダイオード１０の順方向電圧が低減された第１の要因は、価電子帯端（Ｅｖ）の不連続によるホールの障壁が低減されたためと考えられるが、その他にも２つの要因が挙げられる。
【００５４】
第１には、中間層５のドーパント濃度を高くした効果である。中間層５のｐ型ドーパントの濃度を高くしたため、中間層５と電流拡散層６の界面のホールに対する障壁は、極めて低くなっている。また、上部クラッド層４３と中間層５の界面には、比較的高い障壁が存在するが、中間層５のホール濃度が非常に高いため、障壁を通過するトンネル電流が増加したと考えられる。トンネル電流の増加による順方向電圧低減の効果は、中間層５のｐ型ドーパント濃度を３×１０１８ｃｍ−３まで高くすると顕著になり、順方向電圧は、前述したように約２．２Ｖとなった。更にドーパント濃度を高くすると、順方向電圧が若干ではあるが、低下する傾向が見られた。しかし、１×１０１９ｃｍ−３までドーパント濃度を高くすると、電流拡散層６の表面品質が低下し、発光ダイオード１０の歩留が低下した。
【００５５】
第２には、界面準位の影響である。中間層５は、上部クラッド層４３と電流拡散層６の格子不整合を緩和する効果も有し、前述したように、中間層５を形成することにより電流拡散層６の表面品質の大幅な改善がみられた。その改善効果は、ＧａＩｎＰ中間層５のＧａＰ混晶比が０．６〜０．９の範囲、すなわち、ＧａＩｎＰの格子定数が、ＡｌＧａＩｎＰ上部クラッド層４３とＧａＰ電流拡散層６の間の値となる時に得られた。ＧａＰ混晶比が０．６〜０．９の範囲のＧａＩｎＰ中間層５は、上部クラッド層４３及び電流拡散層６に対して格子不整合の関係にある。そのため、界面には、格子不整合に起因する結晶欠陥が比較的高密度に存在すると考えられる。また、中間層５を高ドーパント濃度としたことによる界面の結晶欠陥の増加も考えられる。それら界面の結晶欠陥は、バンドギャップ内に界面準位を形成すると考えられる。それらの界面準位を介してホールが移動することによる電流（以下、「界面リーク電流」という）が増加したことが、順方向電圧の低減に寄与したことも考えられる。
【００５６】
順方向電圧の更なる低減を目指して、ｐ型ＧａＩｎＰからなる中間層５に、ｎ型ドーパントを意図的にドーピングすることにより、順方向電圧の更なる低減が見られた。中間層５のＧａＰ混晶比が０．６〜０．９の範囲で、ｐ型ドーパント濃度が３×１０１８ｃｍ−３以上の場合、ｎ型ドーパントの濃度が１×１０１７ｃｍ−３を超えると順方向電圧低減の効果が見え始めた。その効果は、ｎ型ドーパントの濃度が５×１０１７ｃｍ−３以上になると顕著になった。例えば、ｐ型ドーパント濃度が３×１０１８ｃｍ−３、ｎ型ドーパント濃度が５×１０１７ｃｍ−３、ＧａＰ混晶比が約０．７のＧａＩｎＰ中間層５を適用した場合、電流密度約２２．２Ａ／ｃｍ２における発光ダイオードの順方向電圧は２．０Ｖ以下となった。これは、ｐ型ドーパントに加えて、ｎ型ドーパントをドーピングしたことにより、界面準位密度が顕著に増加し、界面リーク電流が大きくなったためと考えられる。ｎ型ドーパントの濃度を５×１０１７ｃｍ−３から更に増加させた場合、順方向電圧は、僅かではあるが低くなる傾向が見られた。しかし、ｎ型ドーパントの濃度が、ｐ型ドーパント濃度の５０％以上になると、順方向電圧は逆に高くなる傾向を示した。これは、ドナーによるアクセプタの補償が進み、界面のトンネル電流が低下したためと推察される。
【００５７】
ＧａＩｎＰ中間層５のＧａＰ混晶比が０．６〜０．９の範囲で、かつ、ｐ型ドーパント濃度が３×１０１８ｃｍ−３〜９×１０１８ｃｍ−３の範囲においては、ｎ型ドーパントをｐ型ドーパントの約５０％の濃度でドーピングしても、中間層５の上に形成したＧａＰ中間層の表面品質は良好であった。また、下部クラッド層４１、発光層４２、上部クラッド層４３、中間層５及び電流拡散層６の水素、炭素及び酸素の濃度が前述した濃度以下の場合、エピタキシャル成長後及び通電試験後に発光層４２に移動したドーパントの濃度は、２×１０１６ｃｍ−３よりも低い値であった。
【００５８】
（第１の実施の形態の効果）
第１の実施の形態によれば、下部クラッド層４１、発光層４２、上部クラッド層４３、中間層５及び電流拡散層６の水素、炭素及び酸素の濃度を規定することにより、信頼度試験による発光出力の低下が極めて少ない高信頼の発光ダイオードを得ることができる。因みに、従来の一般的なＡｌＧａＩｎＰ系発光ダイオードでは、発光出力が初期値に対して３０％程度低下し、高信頼を得ることができない。
【００５９】
上記実施の形態においては、ｐ型ドーパントとしてＭｇを用いたが、他のｐ型ドーパントとしてＺｎを用いることも可能である。また、ｎ型ドーパントとしてＴｅを用いたが、他のｎ型ドーパントとして、Ｓｅ、Ｓｉを使用することも可能である。
【００６０】
また、中間層５は、Ｓｉ、Ｓｅ、Ｔｅの内の１または２つ以上の元素を含み、その不純物濃度の合計が５×１０１７ｃｍ−３以上であり、かつＭｇ濃度より低い構成によっても可能である。
【００６１】
また、上記実施の形態では、ＧａＡｓ基板１、バッファ層２、ブラッグ反射層３及び下部クラッド層４１の導電型をｎ型とし、上部クラッド層４３、中間層５及び電流拡散層６の導電型をｐ型としたが、各導電型を入れ替えることも可能である。その場合、ブラッグ反射層３を構成するｐ型ＡｌＧａＩｎＰ層についても、発光部４と同じく、水素の濃度を２×１０１７ｃｍ−３以下、炭素の濃度を２×１０１６ｃｍ−３以下、酸素の濃度を２×１０１６ｃｍ−３以下にすることが望ましい。
【実施例１】
【００６２】
次に、本発明の実施例について説明する。
実施例１は、図１の発光ダイオード１０において、各層を以下のように構成した。
ブラッグ反射層３は、一層のｎ型（ＡｌｘＧａ１−ｘ）ｙＩｎ１−ｙＰ（本実施例では、ｘ≒１、ｙ≒０．５１でＴｅドープ）と、一層のｎ型ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（本実施例では、ｘ≒０．５でＴｅドープ）とを積層させた２層の結晶層を１ペアとし、それを２０ペア形成した。
【００６３】
発光部４は、ｎ型の下部クラッド層４１、発光層４２、及びｐ型の上部クラッド層４３からなる。
【００６４】
下部クラッド層４１は、ｎ型（Ａ１ｘＧａ１−ｘ）ｙＩｎ１−ｙＰ（本実施例では、ｘ≒０．７、ｙ≒０．５１でＴｅドープ）で構成され、ドーパント濃度を約４×１０１７ｃｍ−３、厚さを約０．５μｍとした。
【００６５】
発光層４２は、（Ａ１ｘＧａ１−ｘ）ｙＩｎ１−ｙＰで構成される多重量子井戸構造であり、本実施例では、発光層４２として（ＡｌｘＧａ１−ｘ）ｙＩｎ１−ｙＰ（本実施例では、ｘ≒０．５、ｙ≒０．５１）、及び（ＡｌｘＧａ１−ｘ）ｙＩｎ１−ｙＰ（本実施例では、ｘ≒０、ｙ≒０．５１）を用い、発光ダイオード１０の発光エネルギースペクトルのピーク波長がほぼ６３５ｎｍになる構造にした。この発光層４２は、アンドープで成長させた。
【００６６】
上部クラッド層４３は、ｐ型（ＡｌｘＧａ１−ｘ）ｙＩｎ１−ｙＰ（本実施例では、ｘ≒０．７、ｙ≒０．５１でＭｇドープ）で構成され、ドーパント濃度を約１×１０１７ｃｍ−３、厚さを約１μｍとした。
【００６７】
中間層５は、ｐ型（ＡｌｘＧａ１−ｘ）ｙＩｎ１−ｙＰ（本実施例では、ｘ≒０、ｙ≒０．７で、ＭｇとＴｅドープ）で構成し、ｐ型ドーパントのＭｇの濃度を約５×１０１８ｃｍ−３、Ｔｅの濃度を約５×１０１７ｃｍ−３、厚さを約２０ｎｍとした。
【００６８】
電流拡散層６は、本実施例では、Ｍｇをドープしたｐ型のＧａＰで構成され、厚さを約１２μｍとした。ｐ型ドーパント濃度は、約４．５×１０１８ｃｍ−３とした。
【００６９】
カソード電極７は、ＡｕＧｅ合金、Ｎｉ、Ａｕからなり、ＡｕＧｅ合金→Ｎｉ→Ａｕの順に真空蒸着法により蒸着して構成した。
【００７０】
アノード電極８は、ＡｕＺｎ合金、Ｎｉ、Ａｕからなり、ＡｕＺｎ合金→Ｎｉ→Ａｕの順に積層すると共に、フォトレジストパターンを用いたリフトオフ法により、予め設計した形状・サイズの電極に形成した。
【００７１】
カソード電極７及びアノード電極８を形成後、熱処理を施し、各電極と結晶層の接触がオーム性を示すようにした。電極を形成したエピタキシャルウェハをダイシングし、表面サイズが３００μｍ角及び１ｍｍ角の発光ダイオードチップを作製し、金属ステム上に実装後、発光出力、順方向電圧の測定、及び信頼度試験を実施した。
【００７２】
以上の構成による実施例において、発光ダイオード１０を構成する各結晶層（エピタキシャル層）については、エピタキシャル成長温度及びＶ／III比等の条件を検討し、各結晶層中の水素、炭素及び酸素の濃度を制御するための条件を確立した。その制御条件に基づいて成長させた発光ダイオード用エピタキシャルウェハについて、下部クラッド層４１、発光層４２、上部クラッド層４３、中間層５、及び電流拡散層６の水素、炭素及び酸素の濃度を測定した結果が表１である。ここで、下部クラッド層４１、発光層４２、上部クラッド層４３については、成長温度、Ｖ／III比等が同一条件であれば、水素、炭素、および酸素の濃度がほぼ同じ値になることが確認できたことより、これら結晶層をまとめて発光部としている。
【００７３】
【表１】
2008091789.tif 000003
【００７４】
表１に示した測定値は、標準サンプルで校正した値であり、水素、炭素及び酸素濃度は、ＳＩＭＳ（Secondary Ion Mass Spectrometry：２次イオン分析）法により計測した。各元素の検出限界濃度は、水素が１×１０１７ｃｍ−３、炭素が１×１０１６ｃｍ−３、酸素が１×１０１６ｃｍ−３である。
【００７５】
発光出力及び順方向電圧の測定は、電流密度約２２．２Ａ／ｃｍ２、周囲温度２５℃の条件で実施した。本実施例による発光ダイオードでは、発光出力として約２．５ｍＷ、順方向電圧として約１．９０Ｖという良好な値が得られた。
【００７６】
信頼度試験としては、周囲温度８５℃、湿度８５％の環境で、電流密度約４４．４Ａ／ｃｍ２で２０００時間の通電を実施した。本実施例による発光ダイオード１０は、信頼度試験後に発光出力及び順方向電圧に変化は見られなかった。
【００７７】
発光ダイオード用エピタキシャルウェハ、及び信頼度試験が終了した発光ダイオードについて、発光層４２のドーパント濃度をＳＩＭＳ法により計測したところ、発光層４２のドーパント濃度は、いずれも１×１０１６ｃｍ以下であった。ＳＩＭＳ法によるドーパントの検出限界濃度は、Ｍｇが８×１０１５ｃｍ−３、Ｔｅが１×１０１５ｃｍ−３である。
【００７８】
上記実施例によれば、発光部４（下部クラッド層２１、発光層２２、上部クラッド層２３）、中間層５及び電流拡散層６の水素、炭素及び酸素の濃度を表１の値に制御することにより、発光出力が高く、信頼度試験後も発光出力の低下がほとんどない発光ダイオード１０を得ることができた。
【００７９】
結晶層中の水素、炭素、酸素の濃度が、発光ダイオードの特性に及ぼす影響を調べるため、表２〜表４に示す発光ダイオードの実験用サンプルを作製した。実験用サンプルの構造は、図１に示す構造を基本とした。この実験用サンプルにおける発光部４、中間層５及び電流拡散層６の水素、炭素及び酸素の濃度を変化させたものである。
【００８０】
【表２】
2008091789.tif 000004
【００８１】
【表３】
2008091789.tif 000005
【００８２】
【表４】
2008091789.tif 000006
【００８３】
表２に示したサンプルは、発光部４の水素、炭素及び酸素の濃度を変化させたものである。サンプル＃１１は、水素の濃度を表１に示した実施例１の約２倍に高くしたものである。炭素濃度及び酸素濃度は、実施例１とほぼ同じになるようにした。また、発光部４以外の結晶層のエピタキシャル成長条件も実施例１と同じにした。同様に、サンプル＃１２は、炭素濃度を実施例１の約２倍に高くした。サンプル＃１３は、酸素濃度を２．３×１０１６ｃｍ−３まで高くした。結晶層の水素濃度は、主に成長温度を制御することにより変化させた。炭素濃度は、主にＶ／III比を制御することにより変化させた。Ｖ／III比は、酸素濃度にも影響するが、その影響は、炭素濃度への影響と比較して少なかった。酸素濃度ついては、エピタキシャル成長時に酸素を意図的にドープすることにより変化させた。酸素を意図的にドープしたことによる水素濃度及び炭素濃度への影響は見られなかった。
【００８４】
表２に示したサンプルと同様の方法で、電流拡散層６と中間層５の水素、炭素及び酸素の濃度を変化させた。表３は、電流拡散層６の水素、炭素及び酸素の濃度を変化させたサンプル、表４は、中間層５の水素、炭素及び酸素の濃度を変化させたサンプルを示すものである。
【００８５】
表２〜４に示した発光ダイオード１０の実験用サンプルについて、発光出力の測定、及び信頼度試験を実施した。発光出力の初期値と、信頼度試験実施後の発光出力の相対値を表５に示す。表５の相対値は、発光出力の初期値を１とした場合の値である。
【００８６】
【表５】
2008091789.tif 000007
【００８７】
まず、発光部４の水素、炭素、酸素（０）の濃度を変化させたサンプル＃１１〜１３について述べる。発光部４の水素濃度を２．２×１０１７ｃｍ−３まで高くしたサンプル＃１１と、炭素濃度を２．２×１０１６ｃｍ−３まで高くしたサンプル＃１２は、発光出力の初期値は比較的良好であった。しかし、信頼度試験実施後の発光出力には大幅な低下がみられ、初期値と比べて２０％以上低かった。酸素濃度を２．３×１０１６ｃｍ−３まで高くしたサンプル＃１３については、初期値が実施例１の発光ダイオード１０と比較して２０％以上低かった。また、信頼度試験後の発光出力も、初期値に対して２０％以上低下した。
【００８８】
実験用サンプル＃１１〜１３について、発光層４２のＭｇドーパント濃度をＳＩＭＳ法により測定し信頼度試験実施前後におけるドーパント濃度は、サンプル＃１１が１．２×１０１６ｃｍ−３及び２．１×１０１６ｃｍ−３、サンプル＃１２が１．４×１０１６ｃｍ−３及び２．２×１０１６ｃｍ−３、サンプル＃１３が２．０×１０１６ｃｍ−３及び３．２×１０１６ｃｍ−３であった。実施例１の発光ダイオード１０の測定結果は１×１０１６ｃｍ−３以下であったことから、実験用サンプル＃１１〜１３の発光層４２で計測されたドーパントは、エピタキシャル成長時、あるいは、信頼度試験実施時に発光層４２以外の結晶層から移動してきたと考えられる。また、そのドーパントの移動には発光部４の水素、炭素、酸素の濃度が強く影響すること、発光層４２に移動したドーパントが発光出力低下の要因であることが考えられる。
【００８９】
実験用サンプル＃１１〜１３の結果から、発光出力の初期値、及び信頼度試験後の発光出力の大幅な低下（２０％以上の低下）を抑えるためには、発光部４（下部クラッド層２１、発光層２２、上部クラッド層２３）の水素の濃度を２×１０１７ｃｍ−３以下、炭素の濃度を２×１０１６ｃｍ−３以下、酸素の濃度を２×１０１６ｃｍ−３以下にすることが望ましい。
【００９０】
次に、電流拡散層６の水素、炭素及び酸素の濃度を変化させたサンプル＃２１〜２６について述べる。初期値については、いずれのサンプルも良好な値を示した。しかし、電流拡散層６の水素濃度を６．０×１０１７ｃｍ−３まで高くしたサンプル＃２２、炭素濃度を７．１×１０１７ｃｍ−３まで高くしたサンプル＃２４、及び酸素濃度を３．２×１０１６ｃｍ−３まで高くしたサンプル＃２６については、信頼度試験後の発光出力に大幅な低下がみられ、初期値と比べて２０％以上低くなった。それらサンプルの信頼度試験後の発光層のドーパント濃度は、２．２×１０１６ｃｍ−３〜２．４×１０１６ｃｍ−３の範囲であり、いずれも２．０×１０１６ｃｍ−３以上の高い値を示した。
【００９１】
一方、水素濃度が３．１×１０１７ｃｍ−３のサンプル＃２１、炭素濃度が２．５×１０１７ｃｍ−３のサンプル＃２３、及び酸素濃度が１．８×１０１６ｃｍ−３のサンプル＃２５については、信頼度試験後の発光出力の低下が１１％〜１４％と比較的小さかった。それらサンプルの信頼度試験後の発光層のドーパント濃度も１．７×１０１６ｃｍ−３〜１．９×１０１６ｃｍ−３であり、２．０×１０１６ｃｍ−３以下であった。
【００９２】
実験用サンプル＃２１〜２６の結果から、発光出力低下の要因として、発光層４２に移動したドーパントの影響が挙げられること、そのドーパントの移動には、電流拡散層６の水素、炭素及び酸素の濃度が強く影響することが確認できた。信頼度試験による発光出力の大幅な低下を防ぐためには、電流拡散層６の水素の濃度を５×１０１７ｃｍ−３以下、炭素の濃度を５×１０１７ｃｍ−３以下、酸素濃度を２×１０１６ｃｍ−３以下にすることが望ましい。
【００９３】
中間層５の水素、炭素及び酸素の濃度を変化させたサンプル＃３１〜３６については、電流拡散層６の場合と同様に、初期値は、いずれのサンプルも良好な値を示した。しかし、中間層５の水素濃度が１．１×１０１８ｃｍ−３のサンプル＃３２、炭素濃度が１．２×１０１８ｃｍ−３のサンプル＃３４、及び酸素濃度が６．２×１０１６ｃｍ−３のサンプル＃３６については、信頼度試験後の発光出力に大幅な低下が見られ、初期値と比べて２０％以上低くなった。それらサンプルの信頼度試験後の発光層４２のドーパント濃度は、２．１×１０１６ｃｍ−３〜２．２×１０１６ｃｍ−３と高い値を示した。
【００９４】
一方、水素濃度が８．２×１０１７ｃｍ−３のサンプル＃３１、炭素濃度が７．０×１０１７ｃｍ−３のサンプル＃３３、及び酸素濃度が３．２×１０１６ｃｍ−３のサンプル＃３５については、信頼度試験後の発光出力の低下が８％〜１０％と小さかった。それらのサンプルの信頼度試験後の発光層４２のドーパント濃度は、１．６×１０１６ｃｍ−３〜１．８×１０１６ｃｍ−３であった。
【００９５】
実験用サンプル＃３１〜３６の結果からも、発光出力低下の要因として、発光層４２に移動したドーパントの影響が挙げられること、そのドーパントの移動には、中間層５の水素、炭素及び酸素の濃度が強く影響することが確認できた。信頼度試験による発光出力の大幅な低下を防ぐためには、中間層５の水素の濃度を１×１０１８ｃｍ−３以下、炭素の濃度を１×１０１８ｃｍ−３以下、酸素の濃度を５×１０１６ｃｍ−３以下にすることが望ましい。
【００９６】
実施例１の発光ダイオード１０では、順方向電圧として約１．９０Ｖの良好な値が得られた。これは、中間層５に、ｎ型ドーパント（本実施例ではＴｅ）を意図的にドープした効果と考えられる。中間層５に、ｐ型ドーパント（本実施例ではＭｇ）のみをドープした発光ダイオードの順方向電圧は、約２．１１Ｖと高い値であった。中間層５のｐ型ドーパント濃度が３×１０１８ｃｍ−３〜９×１０１８ｃｍ−３の範囲で、ｎ型ドーパントの濃度が５×１０１７ｃｍ−３の場合は、発光ダイオード１０の順方向電圧がほぼ１．９０Ｖになった。また、ｎ型ドーパントをｐ型ドーパントの５０％程度まで増加させても、順方向電圧に顕著な変化は見られなかった。ｎ型ドーパントの濃度をｐ型ドーパント濃度の５０％以上に高くした場合、またはｎ型ドーパント濃度を４×１０１７ｃｍ−３以下に低くした場合には、いずれも発光ダイオードの順方向電圧が顕著に増加する傾向が見られた。
【実施例２】
【００９７】
次に、実施例２について説明する。上記実施例１において、電流拡散層６の一部の領域についてのみ水素、炭素、および酸素の濃度をほぼ表１の値に制御することにより、実施例１と同等の効果が得られた。その領域は、中間層５との界面から所定の厚さとし、電流拡散層６の厚さの２０％以上にすることが望ましいが、電流拡散層６を薄くした場合は、それにほぼ比例して、前記の領域を薄くすることが可能であった。
【００９８】
結晶層の炭素及び酸素濃度を低く抑えるためには、Ｖ族原料の供給を増やし、Ｖ／III比を高くしてエピタキシャル成長する必要がある。電流拡散層６のような比較的厚い層を成長させる場合、高Ｖ／III比で成長させる領域を薄くすることにより、発光ダイオード１０の製造コストの低減が可能になる。
【００９９】
なお、上記実施例２において、前記した領域のドーパント濃度を低くし、或いは、ドーパントの濃度変化を設けることによって、前記領域の厚さを更に薄くすることができた。
【０１００】
［第２の実施の形態］
図４は、本発明の第２の実施の形態に係る発光ダイオードを示す。この発光ダイオード２０は、第１の実施の形態において、電流拡散層６内に、ドーパント（Ｍｇ）の濃度変化領域９を設けたものであり、その他の構成は第１の実施の形態と同様である。
【０１０１】
濃度変化領域９のドーパント濃度は、中間層５との界面近傍で６×１０１７ｃｍ−３以下とし、厚さ方向にドーパント濃度が４．５×１０１８ｃｍ−３まで徐々に増加するようにした。濃度変化領域９の水素、炭素、酸素濃度は、表１に示した電流拡散層の値になるように制御した。
【０１０２】
濃度変化領域９以外の電流拡散層６については、水素濃度が約６．０×１０１７ｃｍ−３、炭素濃度が約２．５×１０１７ｃｍ−３、酸素濃度が約１．１×１０１６ｃｍ−３になる条件で成長させた。濃度変化領域９の厚さについては、１．５μｍまで薄くしても、信頼度試験前後において第１の実施の形態とほぼ同じ発光出力が得られる。膜厚を前記膜厚よりも薄くした場合、及び中間層５との界面近傍のドーパント濃度を前記濃度よりも高くした場合には、信頼度試験後の発光出力が低下する。
【０１０３】
濃度変化領域９のドーパント濃度をほぼ均一に低くした場合は、ドーパント濃度が１×１０１７ｃｍ−３以下であれば、濃度変化領域９の厚さを１．５μｍまで薄くしても、信頼度試験前後において第１の実施の形態とほぼ同じ発光出力が得られる。
【０１０４】
［第３の実施の形態］
図５は、本発明の第３の実施例に係る発光ダイオードを示す。この発光ダイオード３０は、発光部４を含むエピタキシャル層と導電性基板３１とを金属層（基板側金属層３２、エピタキシャル層側金属層３３）を介して接合させ、エピタキシャル層の上面と、導電性基板３１の下面に発光ダイオード３０に通電を行うためのカソード電極７及びアノード電極８を形成したものである。
【０１０５】
上記エピタキシャル層は、ＧａＰ層３６、中間層５、発光部４及び電極コンタクト層３７から構成されている。ＧａＰ層３６の下部には、発光光に対して透明な光透過性膜３４と、部分電極３５が形成されている。光透過性膜３４として、酸化シリコン膜を用いた。部分電極３５は、ｐ型のＧａＰ層３６とオーミック接続されており、更に、下段のエピタキシャル層側金属層３３にも接続されている。
【０１０６】
導電性基板３１は、Ｓｉ、ＧａＡｓ、銅を含む金属のいずれかから選択することができ、本実施の形態では、ｐ型シリコン基板を用いている。更に、導電性基板３１の裏面（下面）には、アノード電極８が形成されている。
【０１０７】
ＧａＰ層３６の導電型はＰ型とし、厚さを約１μｍ、Ｐ型ドーパント濃度を約４．５×１０１８ｃｍ−３とした。この層の水素、炭素及び酸素の濃度については、表１に示した電流拡散層の値になるように成長条件を制御した。
【０１０８】
電極コンタクト層３７は、ｎ型（ＡｌｘＧａ１−ｘ）ｙＩｎ１−ｙＰ（本実施の形態では、ｘ≒０、ｙ≒０．５１でＴｅドープ）で構成され、ドーパント濃度は２×１０１８ｃｍ−３である。電極コンタクト層３７の上面にはカソード電極７が形成され、そのカソード電極７の直下以外の電極コンタクト層３７は除去されている。これは、光吸収性を有する電極コンタクト層３７による光の取出し効率の低下を防ぐためである。
【０１０９】
エピタキシャル層側金属層３３は、金（Ａｕ）層を含む複数の金属層で構成される。エピタキシャル層側金属層３３は、発光層４２から下方向に放射された光を上方向に反射させる機能を有するとともに、基板側金属層３２と接合させるための接着層としての機能を有する。
【０１１０】
基板側金属層３２は、エピタキシャル層側金属層３３と同じく金層を含む多層の金属層で構成される。基板側金属層３２は、上面がエピタキシャル層側金属層３３と金属接合されるとともに、下面が導電性基板３１とオーミック接続されている。
【０１１１】
発光部４は、第１の実施の形態と同様に、ｐ型の下部クラッド層４１、発光層４２、及びｎ型の上部クラッド層４３から構成される。下部クラッド層４１は、ｐ型（ＡｌｘＧａ１−ｘ）ｙＩｎ１−ｙＰ（本例ではｘ≒０．７、ｙ≒０．５１でＭｇドープ）で構成され、ドーパント濃度を約４×１０１７ｃｍ−３、厚さを約０．５μｍとした。発光層４２は、（ＡｌｘＧａ１−ｘ）ｙＩｎ１−ｙＰで構成される多重量子井戸構造とした。発光部４の水素、炭素及び酸素の濃度は、表１に示した発光部の値になるように成長条件を制御した。
【０１１２】
本実施の形態では、多重量子井戸構造の発光層４２として、（ＡｌｘＧａ１−ｘ）ｙＩｎ１−ｙＰ（ｘ≒０．５、ｙ≒０．５１）、及び（ＡｌｘＧａ１−ｘ）ｙＩｎ１−ｙＰ（ｘ≒０、ｙ≒０．５１）を用い、発光ダイオード３０の発光エネルギースペクトルのピーク波長が、ほぼ６３５ｎｍになる構造にした。この発光層４２は、アンドープで成長させた。
【０１１３】
上部クラッド層４３は、ｎ型（ＡｌｘＧａ１−ｘ）ｙＩｎ１−ｙＰ（本実施の形態では、ｘ≒０．７、ｙ≒０．５１でＴｅドープ）で構成され、ドーパント濃度を約１×１０１７ｃｍ−３、厚さを約２μｍとした。
【０１１４】
中間層５は、ｐ型（ＡｌｘＧａ１−ｘ）ｙＩｎ１−ｙＰ（本実施の形態では、ｘ≒０、ｙ≒０．７で、ＭｇとＴｅドープ）で構成され、ｐ型ドーパントのＭｇの濃度を約５×１０１８ｃｍ−３、Ｔｅの濃度を約５×１０１７ｃｍ−３、厚さを約２０ｎｍとした。中間層５の水素、炭素及び酸素の濃度については、表１に示した中間層の値になるように成長条件を制御した。
【０１１５】
第３の実施の形態において、表面サイズが約３００μｍ角、及び１ｍｍ角の発光ダイオードチップを作製した。それらの発光ダイオードチップを金属ステム上に実装後、発光出力、順方向電圧の測定及び信頼度試験を実施した。その結果、発光出力は、約６ｍＷと非常に高い値が得られた。順方向電圧も約１．９２Ｖと良好であった。また、信頼度試験後においても、発光出力及び順方向電圧の値に変化は見られず、初期値に対して３０％程度低下する従来のＡｌＧａＩｎＰ系発光ダイオードに比べて優れた特性を有する。
【０１１６】
［他の実施の形態］
なお、本発明は、上記各実施の形態に限定されず、本発明の技術思想を逸脱あるいは変更しない範囲内で種々な変形が可能である。
【０１１７】
本発明による発光ダイオードは、発光出力が高く、低消費電力で信頼性も高いことから、例えば、信号機、自動車の外装ランプ、液晶テレビ等のバックライトモジュール等への応用が可能である。
【図面の簡単な説明】
【０１１８】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る発光ダイオードを示す断面図である。
【図２】クラッド層と電流拡散層の接合部付近接合部付近のバンド構造を示す説明図である。
【図３】クラッド層、電流拡散層、中間層の接合部付近のバンド構造を示す説明図である。
【図４】本発明の第２の実施の形態に係る発光ダイオードを示す断面図である。
【図５】本発明の第３の実施例に係る発光ダイオードを示す断面図である。
【図６】従来の発光ダイオードを示す断面図である。
【符号の説明】
【０１１９】
１  ＧａＡｓ基板
２  バッファ層
３  ブラッグ反射層
４  発光部
５  中間層
６  電流拡散層
７  カソード電極
８  アノード電極
９  濃度変化領域
１０，２０，３０  発光ダイオード
２１  下部クラッド層
２２  発光層
２３  上部クラッド層
３１  導電性基板
３２  基板側金属層
３３  エピタキシャル層側金属層
３４  光透過性膜
３５  部分電極
３６  ＧａＰ層
３７  電極コンタクト層
４１  下部クラッド層
４２  発光層
４３  上部クラッド層
１００  発光ダイオード
１０１  ＧａＡｓ単結晶基板
１０２  発光部
１０３  電流拡散層
１０４  カソード電極
１０５  アノード電極
１０２１  下部クラッド層
１０２２  発光層
１０２３  上部クラッド層
【図１】
2008091789.tif 000008
【図２】
2008091789.tif 000009
【図３】
2008091789.tif 000010
【図４】
2008091789.tif 000011
【図５】
2008091789.tif 000012
【図６】
2008091789.tif 000013