(57)【要約】【課題】従来のＡｌＧａＩｎＰ系の半導体発光素子において、電流分散層の一部として用いられるＡｌＧａＡｓは、活性層へのドーパント（Ｚｎ）の拡散防止効果を果たすものの、ＧａＰに比べて発光した光に対する透過性が悪く一部を吸収してしまうので、十分な発光出力が得られない。【解決手段】本発明の半導体発光素子において、第一導電型の半導体基板上に第一導電型のクラッド層、アンドープ若しくは第二導電型の活性層、第二導電型のクラッド層、第二導電型の電流分散層が順に積層され、前記第二導電型の電流分散層が交互に積層されるＧａＰ層とＡｌＸＧａ１−ＸＡｓ（ｘ≦０．７）層とからなり、且つ、前記ＧａＰ層及びＡｌＸＧａ１−ＸＡｓ層がそれぞれ２層以上からなる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第一導電型の半導体基板上に第一導電型のクラッド層、アンドープ若しくは第二導電型の活性層、第二導電型のクラッド層、第二導電型の電流分散層が順に積層された半導体発光素子において、前記第二導電型の電流分散層が交互に積層されるＧａＰ層とＡｌＸＧａ１−ＸＡｓ（ｘ≦０．７）層とからなり、且つ、前記ＧａＰ層及びＡｌＸＧａ１−ＸＡｓ層がそれぞれ２層以上からなることを特徴とする半導体発光素子。
【請求項２】
前記第二導電型電流分散層の全厚に対するＡｌＸＧａ１−ＸＡｓ層の総膜厚の割合が、０．２５〜０．７５である、請求項１に記載の半導体発光素子。
【請求項３】
前記ＧａＰ層及びＡｌＸＧａ１−ＸＡｓ層の何れかの膜厚が５０ｎｍ以上である、請求項１に記載の半導体発光素子。
【請求項４】
前記ＡｌＸＧａ１−ＸＡｓ層が、前記第二導電型のクラッド層の上に形成される、請求項１に記載の半導体発光素子。
【請求項５】
前記ＧａＰ層及びＡｌＸＧａ１−ＸＡｓ層のキャリア濃度が１×１０１８ｃｍ−３以上である、請求項１に記載の半導体発光素子。
【請求項６】
前記半導体発光素子が、５９０ｎｍ以下の発光ピーク波長を有する請求項１に記載の半導体発光素子。
【請求項７】
前記活性層と前記第二導電型のクラッド層との間に、前記第二導電型のクラッド層と同じ組成か、または前記第二導電型のクラッド層よりもバンドギャップエネルギーの大きい材料からなるアンドープ層が形成される、請求項１記載の半導体発光素子。
【請求項８】
前記第一導電型のクラッド層、アンドープ若しくは第二導電型の活性層、第二導電型のクラッド層が、ＡｌＩｎＰ、ＧａＩｎＰまたはＡｌＧａＩｎＰからなる、請求項１に記載の半導体発光素子。
【請求項９】
前記半導体発光素子の第一の導電型または第二の導電型が、Ｚｎ、Ｍｇ、ＢｅまたはＣからなるｐ型ドーパントにより決定される、請求項１に記載の半導体発光素子。
【請求項１０】
前記活性層が、多重量子井戸構造を有する請求項１に記載の半導体発光素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高輝度で、かつ信頼性が高い半導体発光素子（当該半導体発光素子用エピタキシャルウェハを含む）に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ    Ｅｍｉｔｔｉｎｇ    Ｄｉｏｄｅ：発光ダイオード）は、ＧａＰの緑色、ＡｌＧａＡｓの赤色が殆どであった。しかし、最近ＧａＮ系やＡｌＧａＩｎＰ系の結晶層をＭＯＶＰＥ法（Ｍｅｔａｌ    Ｏｒｇａｎｉｃ  Ｖａｐｏｒ    Ｐｈａｓｅ  Ｅｐｉｔａｘｙ：有機金属化学気相エピタキシー法）で成長できるようになったことから、これまでに無かった短波長の発光や高輝度を示すＬＥＤを製作できるようになり、橙色、黄色、緑色、青色の高輝度ＬＥＤが開発されている。このため、最近、フルカラーディスプレイ、交通用信号、自動車のブレーキランプ、フォグランプなど向けにＬＥＤの需要が大幅に伸びている。
各波長域毎に見ると、６５０ｎｍより長波長域に対してはＡｌＧａＡｓ系、６５０〜５９０ｎｍの波長域に対してはＡｌＧａＩｎＰ系で、５３０〜３８０ｎｍの波長域に対してはＧａＮ系で、高輝度のＬＥＤが得られている。
しかしながら、５９０〜５５０ｎｍの波長域に対しては、未だ低発光出力のＧａＰ系しか実現していない。従って、当該波長域に対する高輝度のＬＥＤの開発が望まれている。
５９０〜５５０ｎｍの波長域に対して高輝度のＬＥＤを与える可能性がある材料は、ＡｌＧａＩｎＰ系もしくはＧａＮ系である。
【０００３】
ＡｌＧａＩｎＰ系の半導体発光素子としては、例えば、特開平８−２２８０２２号公報に開示されたものがある。
【０００４】
【特許文献１】特開平８−２２８０２２号公報
上記公報記載の発光素子では、電流分散層を異なる材料からなる２層構造にし、上部電極側の層のキャリア濃度を高くするとともに発光部側の層のキャリア濃度を低くする層構成（上部電極側がＧａＰ層、発光部側がＩｎＧａＡｌＰ又はＡｌＧａＡｓ層）を採用する。この発光素子では、キャリア濃度の高い上部電極側のＧａＰ層により電流分散が改善される。また、キャリア濃度の低い発光部側のＩｎＧａＡｌＰ又はＡｌＧａＡｓ層により発光層へのドーパント（Ｚｎ）の拡散が抑制されるので、高い信頼性（長い素子寿命）が得られる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来のＡｌＧａＩｎＰ系の半導体発光素子において、電流分散層の一部として用いられるＡｌＧａＡｓは、活性層へのドーパント（Ｚｎ）の拡散防止効果を果たすものの、ＧａＰに比べて発光した光に対する透過性が悪く一部を吸収してしまうので、十分な発光出力が得られないという問題がある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、改善された発光出力と共に高い信頼性を有するＡｌＧａＩｎＰ系の半導体発光素子（当該半導体発光素子用エピタキシャルウェハを含む）を提供することを目的とする。
本発明に従い、第一導電型の半導体基板上に第一導電型のクラッド層、アンドープ若しくは第二導電型の活性層、第二導電型のクラッド層、第二導電型の電流分散層が順に積層された半導体発光素子において、前記第二導電型の電流分散層が交互に積層されるＧａＰ層とＡｌＸＧａ１−ＸＡｓ（ｘ≦０．７）層とからなり、且つ、前記ＧａＰ層及びＡｌＸＧａ１−ＸＡｓ層がそれぞれ２層以上からなることを特徴とする半導体発光素子が提供される。
電流分散層が交互に積層されるそれぞれ２層以上のＧａＰ層及びＡｌＸＧａ１−ＸＡｓ層からなる多層構造を有することにより、ＧａＰ層とＡｌＧａＡｓ層のヘテロ界面により電流分散効果が増大し、かつ発光した光に対して透光性が改善されるので、発光出力が向上する。更に、活性層へのドーパント（Ｚｎ）の拡散防止効果が得られることから、高信頼性となる。従って、高出力、高信頼性が同時に得られる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本発明の半導体発光素子において、前記第二導電型電流分散層の全厚に対するＡｌＸＧａ１−ＸＡｓ層の総膜厚の割合が、０．２５〜０．７５であることが好ましい。０．２５より少ない場合には発光素子の信頼性が低下し、０．７５より多い場合には発光素子の発光出力が低下する。
【０００８】
本発明の半導体発光素子において、前記ＧａＰ層及びＡｌＸＧａ１−ＸＡｓ層の何れかの膜厚が５０ｎｍ以上であることが好ましい。５０ｎｍよりも薄くなると、ＧａＰ系とＧａＡｓ系との間でＶ族元素が異なることに起因して、両層の界面が不安定になり製品特性にバラツキが生じる傾向があるからである。また、ＡｌＸＧａ１−ＸＡｓ層の厚さは２００〜２０００ｎｍであることが好ましく、さらに３００〜８００ｎｍであることが好ましい。
本発明の半導体発光素子において、前記ＡｌＸＧａ１−ＸＡｓ層が、前記第二導電型のクラッド層の上に形成されることが好ましい。ＡｌＸＧａ１−ＸＡｓ層の方がＧａＰ層よりも第二導電型クラッド層（ＡｌＧａＩｎＰ系）とのバンドギャップ不連続が小さいので、ヘテロ障壁が小さくでき、Ｖｆを低下させることができるからである。
【０００９】
本発明の半導体発光素子において、前記ＧａＰ層及びＡｌＸＧａ１−ＸＡｓ層のキャリア濃度が１×１０１８ｃｍ−３以上であることが好ましい。キャリア濃度が１×１０１８ｃｍ−３よりも低くなると、電流分散層の膜抵抗が高くなり、電流が分散しにくくなるからである。また、キャリア濃度が１×１０１８ｃｍ−３よりも低い場合に電流分散を改善するためには、電流分散層の膜厚を厚くすることが必要となるので、コスト高となる。
本発明の半導体発光素子において、前記半導体発光素子が、５９０ｎｍ以下の発光ピーク波長を有する。
本発明の半導体発光素子において、前記活性層と前記第二導電型のクラッド層との間に、前記第二導電型のクラッド層と同じ組成か、または前記第二導電型のクラッド層よりもバンドギャップエネルギーの大きい材料からなるアンドープ層が形成されることが好ましい。アンドープ層が挿入されることにより、活性層に拡散するドーパント（Ｚｎ）を該アンドープ層で抑止して、活性層に拡散するドーパントの量を少なくすることができるからである。
【００１０】
本発明の半導体発光素子において、前記第一導電型のクラッド層、アンドープ若しくは第二導電型の活性層、第二導電型のクラッド層が、ＡｌＩｎＰ、ＧａＩｎＰまたはＡｌＧａＩｎＰからなる。
本発明の半導体発光素子において、前記半導体発光素子の第一の導電型または第二の導電型が、Ｚｎ、Ｍｇ、ＢｅまたはＣからなるｐ型ドーパントにより決定される。
本発明の半導体発光素子において、前記活性層が、多重量子井戸構造を有することが好ましい。
【００１１】
【実施例】
以下、本発明に従う半導体発光素子の実施例を、比較例とともに説明する。
実施例１
本発明に従う実施例１の半導体発光素子（発光波長５６０ｎｍ付近の緑色発光ダイオード）を図１に示す。図１に示されるように、実施例１の半導体発光素子は、ｎ−ＧａＡｓ基板１、ｎ−ＧａＡｓバッファー層２、ｎ−ＡｌＩｎＰクラッド層３、ｐ−（Ａｌ０．４６Ｇａ０．５４）０．５Ｉｎ０．５Ｐ活性層４、ｐ−ＡｌＩｎＰクラッド層５、電流分散層６（交互に１０ペア形成したｐ−Ａｌ０．８５Ｇａ０．１５Ａｓ電流分散層６ｂおよびｐ−ＧａＰ電流分散層６ａからなる）、ｐ型電極８、ｎ型電極７から構成される。
【００１２】
上記発光素子の作製方法は次の通りである。ｎ−ＧａＡｓ基板１上に、ＭＯＶＰＥ法により、厚さ５００ｎｍ、Ｓｅドープ：１×１０１８ｃｍ−３のｎ−ＧａＡｓバッファー層２、厚さ５００ｎｍ、Ｓｅドープ：１×１０１８ｃｍ−３のｎ−ＡｌＩｎＰクラッド層３、厚さ６００ｎｍ、Ｚｎドープ：２．５×１０１７ｃｍ−３のｐ−（Ａｌ０．４６Ｇａ０．５４）０．５Ｉｎ０．５Ｐ活性層４、厚さ１０００ｎｍ、Ｚｎドープ：５×１０１７ｃｍ−３のｐ−ＡｌＩｎＰクラッド層５、および、電流分散層６として、厚さ７００ｎｍ、Ｚｎドープ：２×１０１８ｃｍ−３のｐ−Ａｌ０．８５Ｇａ０．１５Ａｓ電流分散層６ｂおよび厚さ７００ｎｍ、Ｚｎドープ：３×１０１８ｃｍ−３のｐ−ＧａＰ電流分散層６ａを交互に１０ペア形成したものを成長した。ここで、ｐ−Ａｌ０．８５Ｇａ０．１５Ａｓ電流分散層６ｂ、ｐ−ＧａＰ電流分散層６ａの各膜厚の総和は７０００ｎｍ、電流分散層６の全膜厚は１４０００ｎｍ、ｐ−Ａｌ０．８５Ｇａ０．１５Ａｓ電流分散層６ｂとｐ−ＧａＰ電流分散層６ａの膜厚比は１：１である。ＭＯＶＰＥ成長は、成長温度７００℃、成長圧力５０Ｔｏｒｒ、各層の成長速度は０．３〜１．０ｎｍ／ｓ、Ｖ／ＩＩＩ比は３００〜６００で行った。
【００１３】
その後、上記ｐ−ＧａＰ電流分散層６ａの表面、つまりチップ上面に、直径０．１３ｍｍの円形のｐ型電極８を蒸着により形成した。さらに、ｎ−ＧａＡｓ基板１の裏面（上記各層２〜６の成長面と反対の面）全面にｎ型電極７を蒸着により形成した。ｐ型電極は、金・亜鉛、ニッケル、金をそれぞれ６０ｎｍ、１０ｎｍ、１０００ｎｍの順に蒸着し、ｎ型電極は、金・ゲルマニウム、ニッケル、金をそれぞれ６０ｎｍ、１０ｎｍ、５００ｎｍの順に蒸着した。
その後、上記のように作製したｐ型円形電極８およびｎ型電極７付きのエピタキシャルウェハを、円形電極８が中心に位置するように０．３ｍｍ角に切断した後、ＴＯ−１８ステム上にマウント（ダイボンディング）して、各ＬＥＤベアチップにワイヤボンディングを行った。
【００１４】
このようにして作製されたＬＥＤ素子の２０ｍＡ通電時の特性は、発光出力：０．１７ｍＷ、順方向駆動電圧（Ｖｆ）：２．０７１Ｖ、発光ピーク波長：５６１．５ｎｍであった。
図２は、このＬＥＤ素子（樹脂でモールドされていない状態）の信頼性試験結果を示し、試験条件：５５℃、５０ｍＡ通電で行った所、２４時間通電後に発光出力が約９３％であった。
以上のように第二導電型電流分散層６をＧａＰ電流分散層６ａとＡｌ０．８５Ｇａ０．１５Ａｓ電流分散層６ｂの多層構造とすることにより、高い発光出力と高い信頼性を有する半導体発光素子が製作できる。
【００１５】
（第二導電型電流分散層６におけるＡｌ０．８５Ｇａ０．１５Ａｓ電流分散層６ｂの膜厚割合の検討）
第二導電型電流分散層６の全厚におけるｐ−Ａｌ０．８５Ｇａ０．１５Ａｓ電流分散層６ｂの膜厚（総膜厚）の割合を変えたときの特性変化を評価した。
ｐ−Ａｌ０．８５Ｇａ０．１５Ａｓ電流分散層６ｂ（Ｚｎドープ：２×１０１８ｃｍ−３）と、ｐ−ＧａＰ電流分散層６ａ（Ｚｎドープ：３×１０１８ｃｍ−３）とからなる第二導電型電流分散層６の全厚を一定に１４０００ｎｍとし、ｐ−Ａｌ０．８５Ｇａ０．１５Ａｓ電流分散層６ｂの膜厚を変えたＬＥＤを製作し、特性を評価した。ＭＯＶＰＥ成長条件、電極形成条件、ＬＥＤ素子製作条件及び方法は、上記と同様に行った。また、評価方法も上記と同様に行った。
【００１６】
表１は、第二導電型電流分散層６の全厚に対するｐ−Ａｌ０．８５Ｇａ０．１５Ａｓ電流分散層６ｂの膜厚（総膜厚）の割合を変えた場合のＬＥＤの特性（発光出力、相対出力）変化を示す。図３は、表１に示す特性のうち、発光出力の変化を示す。図４は、表１に示す特性のうち、各ＬＥＤにおける２４時間経過後の発光出力と０時間での発光出力との比（相対出力［％］）の変化を示す。
【表１】
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表１および図３、図４に示すように、第二導電型電流分散層６の全厚に対するｐ−Ａｌ０．８５Ｇａ０．１５Ａｓ電流分散層６ｂの膜厚（総膜厚）の割合を変えた場合、当該割合が０．２５〜０．７５の範囲では、発光出力が高く、且つ信頼性（相対出力）が高い半導体発光素子が製作できる（図３、図４参照）。
【００１７】
（比較例１）
上記ｐ−Ａｌ０．８５Ｇａ０．１５Ａｓ電流分散層６ｂが１４０００ｎｍ（ｐ−ＧａＰ電流分散層６ａが無い）である場合、即ち、上記割合が１のときには、発光出力が０．０９と著しく低下する（図３参照）。
（比較例２）
上記ｐ−ＧａＰ電流分散層６ａが１４０００ｎｍ（ｐ−Ａｌ０．８５Ｇａ０．１５Ａｓ電流分散層６ｂが無い）である場合、即ち、上記割合が０のときには相対出力が４０％と著しく低下する（図４参照）。
上記実施例では、ｐ型電極が円形であるが、他の形状、例えば、四角、菱形等の多角形としても良い。
【００１８】
【発明の効果】
本発明によれば、第一導電型の半導体基板上に第一導電型のクラッド層、アンドープ若しくは第二導電型の活性層、第二導電型のクラッド層、第二導電型の電流分散層が順に積層された半導体発光素子において、前記第二導電型の電流分散層が交互に積層されるＧａＰ層とＡｌＸＧａ１−ＸＡｓ（ｘ≦０．７）層とからなり、且つ、前記ＧａＰ層及びＡｌＸＧａ１−ＸＡｓ層がそれぞれ２層以上からなるようにしたため、改善された発光出力と共に高い信頼性を有する半導体発光素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に従う半導体発光素子の実施例を示す断面図である。
【図２】本発明に従う半導体発光素子の実施例における信頼性評価結果を示すグラフである。
【図３】本発明に従う半導体発光素子の実施例における、第二導電型電流分散層６の全厚におけるｐ−Ａｌ０．８５Ｇａ０．１５Ａｓ電流分散層６ｂの膜厚（総膜厚）の割合を変えたときの特性変化（発光出力）を示すグラフである。
【図４】本発明に従う半導体発光素子の実施例における、第二導電型電流分散層６の全厚におけるｐ−Ａｌ０．８５Ｇａ０．１５Ａｓ電流分散層６ｂの膜厚（総膜厚）の割合を変えたときの特性変化（相対出力）を示すグラフである。
【符号の説明】
１：第一導電型基板
２：第一導電型バッファ層
３：第一導電型クラッド層
４：活性層
５：第二導電型クラッド層
６：第二導電型電流分散層
６ａ：第二導電型ＧａＰ電流分散層
６ｂ：第二導電型ＡｌＧａＡｓ電流分散層
７：第一導電型電極
８：上面円形電極
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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