(57)【要約】【課題】発光駆動用の電極としてＩＴＯ透明電極層をコンタクト層を介して接合し、該電極の接触抵抗を低減するとともに、コンタクト層形成に際して発光層部との格子定数差の影響も受けにくい発光素子の製造方法を提供する。【解決手段】発光素子１００は、発光層部２４に発光駆動電圧を印加するためのＩＴＯ透明電極層８，１０を有し、発光層部２４からの光が、該ＩＴＯ透明電極層８，１０を透過させる形で取り出される。また、発光層部２４とＩＴＯ透明電極層８，１０との間に、Ｉｎを含有したＧａＡｓよりなるコンタクト層が、該ＩＴＯ透明電極層と接する形にて形成される。該コンタクト層７，９は、発光層部上にＧａＡｓ層７’，９’を形成し、そのＧａＡｓ層７’，９’と接するようにＩＴＯ透明電極層８，１０を形成した積層体１３を熱処理することにより、ＩＴＯ透明電極層８，１０からＧａＡｓ層７’，９’にＩｎを拡散させて形成する。【選択図】　　図５
2004071896.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ＡｌｘＧａ１−ｘ）ｙＩｎ１−ｙＰ（但し、０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１）により、第一導電型クラッド層、活性層及び第二導電型クラッド層がこの順序にて積層されたダブルへテロ構造を有するものとして発光層部が構成され、前記第一導電型クラッド層及び前記第二導電型クラッド層の少なくともいずれかの側に、前記発光層部に発光駆動電圧を印加するためのＩＴＯ透明電極層を有する発光素子の製造方法において、
前記発光層部上にＧａＡｓ層を形成し、当該ＧａＡｓ層と接するように前記ＩＴＯ透明電極層を形成した後に熱処理することにより、前記ＩＴＯ透明電極層から前記ＧａＡｓ層にＩｎを拡散させて、Ｉｎを含有したＧａＡｓよりなるコンタクト層となすことを特徴とする発光素子の製造方法。
【請求項２】
前記熱処理を６００℃以上７５０℃以下にて行うことを特徴とする請求項１記載の発光素子の製造方法。
【請求項３】
前記コンタクト層の平均的なＩｎ濃度が、ＩｎとＧａとの合計濃度に対するＩｎの原子比にて、０．１以上０．６以下となるように、前記熱処理が行なわれることを特徴とする請求項１又は２に記載の発光素子の製造方法。
【請求項４】
前記熱処理の時間を５秒以上１２０秒以下に設定することを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の発光素子の製造方法。
【請求項５】
前記発光層部は、（ＡｌｘＧａ１−ｘ）ｙＩｎ１−ｙＰ（但し、０≦ｘ≦１，０．４５≦ｙ≦０．５５）にて構成されることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の発光素子の製造方法。
【請求項６】
前記コンタクト層の厚さを０．００１μｍ以上０．０２μｍ以下の範囲に調整することを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の発光素子の製造方法。
【請求項７】
前記コンタクト層の厚さ方向におけるＩｎ濃度分布が、前記ＩＴＯ透明電極層から厚さ方向に遠ざかるにつれ連続的に減少するものとなるように、前記熱処理が行なわれることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１項に記載の発光素子の製造方法。
【請求項８】
前記コンタクト層の、前記ＩＴＯ透明電極層との境界位置におけるＩｎ濃度をＣＡとし、これと反対側の境界位置におけるＩｎ濃度をＣＢとして、ＣＢ／ＣＡが０．８以下となるように、前記熱処理が行なわれることを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１項に記載の発光素子の製造方法。
【請求項９】
前記コンタクト層と、前記第一導電型クラッド層と第二導電型クラッド層とのうち、該コンタクト層の形成側に位置するクラッド層との間に、それらコンタクト層とクラッド層との中間のバンドギャップエネルギーを有する中間層を形成することを特徴とする請求項１ないし８のいずれか１項に記載の発光素子の製造方法。
【請求項１０】
前記中間層を、ＡｌＧａＡｓ層、ＧａＩｎＰ層及びＡｌＧａＩｎＰ層のうち少なくとも一つを含むものとして形成することを特徴とする請求項９記載の発光素子の製造方法。
【請求項１１】
前記発光層部の全面に渡って前記中間層及びコンタクト層をこの順に形成し、該コンタクト層の全面を覆う形で前記ＩＴＯ透明電極層を形成することを特徴とする請求項９又は１０に記載の発光素子の製造方法。
【請求項１２】
（ＡｌｘＧａ１−ｘ）ｙＩｎ１−ｙＰ（但し、０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１）により、第一導電型クラッド層、活性層及び第二導電型クラッド層がこの順序にて積層されたダブルへテロ構造を有するものとして発光層部が構成され、前記第一導電型クラッド層及び前記第二導電型クラッド層の少なくともいずれかの側に、前記発光層部に発光駆動電圧を印加するためのＩＴＯ透明電極層を有し、前記発光層部からの光が、該ＩＴＯ透明電極層を透過させる形で取り出されるとともに、前記発光層部と前記ＩＴＯ透明電極層との間に、Ｉｎを含有したＧａＡｓよりなるコンタクト層が、該ＩＴＯ透明電極層と接する形にて形成され、
前記コンタクト層の厚さ方向におけるＩｎ濃度分布が、前記ＩＴＯ透明電極層から厚さ方向に遠ざかるにつれ連続的に減少するものとされたことを特徴とする発光素子。
【請求項１３】
前記発光層部は、（ＡｌｘＧａ１−ｘ）ｙＩｎ１−ｙＰ（但し、０≦ｘ≦１，０．４５≦ｙ≦０．５５）にて構成されることを特徴とする請求項１２記載の発光素子。
【請求項１４】
前記コンタクト層の厚さが０．００１μｍ以上０．０２μｍ以下の範囲に調整される請求項１２又は１３に記載の発光素子。
【請求項１５】
前記コンタクト層の平均的なＩｎ濃度が、ＩｎとＧａとの合計濃度に対するＩｎの原子比にて、０．１以上０．６以下とされることを特徴とする請求項１２ないし１４のいずれか１項に記載の発光素子。
【請求項１６】
前記コンタクト層の、前記ＩＴＯ透明電極層との境界位置におけるＩｎ濃度をＣＡとし、これと反対側の境界位置におけるＩｎ濃度をＣＢとして、ＣＢ／ＣＡが０．８以下とされる請求項１５記載の発光素子。
【請求項１７】
前記コンタクト層と、前記第一導電型クラッド層と第二導電型クラッド層とのうち、該コンタクト層の形成側に位置するクラッド層との間に、それらコンタクト層とクラッド層との中間のバンドギャップエネルギーを有する中間層が形成されたことを特徴とする請求項１２ないし１６のいずれか１項に記載の発光素子。
【請求項１８】
化合物半導体層からなる発光層部と、該発光層部に発光駆動電圧を印加するためのＩＴＯ透明電極層とを有し、前記発光層部からの光が、前記ＩＴＯ透明電極層を透過させる形で取り出されるとともに、前記発光層部と前記ＩＴＯ透明電極層との間に、Ｉｎを含有したＧａＡｓよりなるコンタクト層が、該ＩＴＯ透明電極層と接する形にて形成され、
前記発光層部は、第一導電型クラッド層、活性層及び第二導電型クラッド層がこの順序にて積層されたダブルへテロ構造を有するものとして構成され、前記第一導電型クラッド層及び前記第二導電型クラッド層の少なくともいずれかと前記ＩＴＯ透明電極層との間に前記コンタクト層が形成されてなり、該コンタクト層と、前記第一導電型クラッド層と第二導電型クラッド層とのうち、該コンタクト層の形成側に位置するクラッド層との間に、それらコンタクト層とクラッド層との中間のバンドギャップエネルギーを有する中間層が形成されたことを特徴とする発光素子。
【請求項１９】
前記中間層を、ＡｌＧａＡｓ層、ＧａＩｎＰ層及びＡｌＧａＩｎＰ層のうち少なくとも一つを含むものとして形成することを特徴とする請求項１７又は１８に記載の発光素子。
【請求項２０】
前記発光層部の全面に渡って前記中間層及びコンタクト層がこの順に形成され、該コンタクト層の全面を覆う形で前記ＩＴＯ透明電極層が形成されたことを特徴とする請求項１７ないし１９のいずれか１項に記載の発光素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は発光素子の製造方法及び発光素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
化合物半導体にて発光層部を形成した半導体発光素子のうち、表示用や照明用などの発光ダイオード光源として用いるものは、発光層部の光取出面側に駆動電圧を印加するための金属電極を形成する。金属電極は遮光体として作用するため、例えば発光層部主表面の中央部のみを覆う形で形成し、その周囲の電極非形成領域から光を取り出すこととなる。しかし、金属電極が遮光体であることに変わりはなく、また、電極面積を極端に小さくしすぎると、素子面内の電流拡散が妨げられて、却って光取出量が制限される問題もある。そこで、発光層部の全面を、高導電率のＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ　Ｔｉｎ　Ｏｘｉｄｅ：酸化インジウム錫）透明電極層にて覆い、透明電極層を介した光取出し効率の向上と、電流拡散効果の改善とを同時に図る提案が、例えば特開平１−２２５１７８号公報や、特開平６−１８８４５５号公報に開示されている。
【０００３】
いずれの公報においても、発光層部に直接ＩＴＯ透明電極層を形成したのではコンタクト抵抗が高くなりすぎ、適正な動作電圧で駆動できなくなる点を問題としてあげている。特開平１−２２５１７８号公報では、発光層部の上に、ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ（以下、ＩｎＧａＡｓとも記する）よりなるコンタクト層を有機金属気相成長法（Ｍｅｔａｌ−Ｏｒｇａｎｉｃ　Ｖａｐｏｒ　Ｐｈａｓｅ　Ｅｐｉｔａｘｙ：　ＭＯＶＰＥ）にて直接エピタキシャル成長させ、その上にＩＴＯ透明電極層を形成する方法が開示されている。他方、特開平６−１８８４５５号公報では、発光層部の上にＧａＡｓ層をＭＯＶＰＥ法にてエピタキシャル成長させ、その上にＩＴＯ透明電極層を形成した後、熱処理を行う方法が開示されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、発光駆動用の電極としてＩＴＯ透明電極層を、コンタクト層を介して接合し、該電極の接触抵抗を低減するとともに、コンタクト層形成に際して発光層部との格子定数差の影響も受けにくい発光素子の製造方法と、該コンタクト層の構造改善により、さらなる高性能化を図ることができる発光素子とを提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段及び作用・効果】
上記の先行技術にて採用されているＭＯＶＰＥ法で形成されるＩｎＧａＡｓコンタクト層は、上記発光層部をなす化合物半導体、例えば、ＧａＡｓやＧａＡｓ基板上にエピタキシャル成長されたＡｌＧａＡｓやＡｌＧａＩｎＰとの格子定数の差が、混晶比により、最大で４％程度にまで大きくなる。そのため、次のような問題を生ずる。
▲１▼ＩｎＧａＡｓコンタクト層と発光層部との格子不整合により、発光効率の低下などの品質低下を招きやすい。
▲２▼ＩｎＧａＡｓコンタクト層を直接エピタキシャル成長する特開平１−２２５１７８号公報の方法では、発光層部との上記の格子定数差により均一なコンタクト層の成長が困難であり、例えば島状の成膜状態となって、ＩＴＯ透明電極層とのコンタクトを十分に確保できなくなる。一方、ＩＴＯ透明電極層を形成した後に熱処理する特開平６−１８８４５５号公報に開示された実施例は、熱処理温度が８００℃と高く、また、熱処理時間が５分と長い。
【０００６】
そこで上記の課題を解決するために、本発明の発光素子の製造方法は、
（ＡｌｘＧａ１−ｘ）ｙＩｎ１−ｙＰ（但し、０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１）により、第一導電型クラッド層、活性層及び第二導電型クラッド層がこの順序にて積層されたダブルへテロ構造を有するものとして発光層部が構成され、第一導電型クラッド層及び第二導電型クラッド層の少なくともいずれかの側に、発光層部に発光駆動電圧を印加するためのＩＴＯ透明電極層を有する発光素子の製造方法において、
発光層部上にＧａＡｓ層を形成し、当該ＧａＡｓ層と接するようにＩＴＯ透明電極層を形成した後に熱処理することにより、ＩＴＯ透明電極層からＧａＡｓ層にＩｎを拡散させて、Ｉｎを含有したＧａＡｓよりなるコンタクト層となすことを特徴とする。
【０００７】
上記の発光層部は、活性層の両側に形成されるクラッド層とのバンドギャップ差に起因したエネルギー障壁により、注入されたホールと電子とが狭い活性層中に閉じ込められて効率よく再結合するので、非常に高い発光効率を実現できる。さらに、ＡｌＧａＩｎＰよりなる活性層の組成調整により、緑色から赤色領域（ピーク発光波長が５２０ｎｍ以上６７０ｎｍ以下）にかけて、広範囲の発光波長を実現することができる。そして、本発明の発光素子の製造方法においては、ＡｌＧａＩｎＰからなる発光層部上に、ＧａＡｓ層を形成し、そのＧａＡｓ層と接するようにＩＴＯ透明電極層を形成する。発光層部は例えばＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体にて構成されるものであり、その上（ただし、格子整合する別の層が介在していてもよい）に形成されるＧａＡｓ層とともに、例えば周知のＭＯＶＰＥ法にて形成できる。ＧａＡｓ層はＡｌＧａＩｎＰ発光層部と格子整合が極めて容易であり、ＩｎＧａＡｓを直接エピタキシャル成長する特開平１−２２５１７８号公報の場合と比較して、均質で連続性のよい膜を形成できる。
【０００８】
そして、そのＧａＡｓ層上にＩＴＯ透明電極層を形成した後、熱処理することにより、ＩＴＯ透明電極層からＧａＡｓ層にＩｎを拡散させてコンタクト層とする。このように熱処理して得られるＩｎを含有したＧａＡｓよりなるコンタクト層は、Ｉｎ含有量が過剰とならず、発光層部との格子不整合による、発光強度低下などの品質劣化を効果的に防止することができる。ＧａＡｓ層と発光層部との格子整合は、発光層部が（ＡｌｘＧａ１−ｘ）ｙＩｎ１−ｙＰ（ただし、０≦ｘ≦１，０．４５≦ｙ≦０．５５）にて構成される場合に特に良好となるので、混晶比ｙを上記の範囲に設定して、発光層部（クラッド層あるいは活性層）を形成することが望ましいといえる。
【０００９】
上記の熱処理は、コンタクト層の厚さ方向におけるＩｎ濃度分布は、図６の▲１▼に示すように、ＩＴＯ透明電極層から厚さ方向に遠ざかるにつれ連続的に減少するものとなるようにする（つまり、Ｉｎ濃度分布に傾斜をつける）ことが望ましい。こうした構造は、熱処理により、ＩＴＯ側からコンタクト層側へＩｎを一方向的に拡散させることにより形成される。また、本発明の発光素子の第一は、（ＡｌｘＧａ１−ｘ）ｙＩｎ１−ｙＰ（ただし、０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１）により、第一導電型クラッド層、活性層及び第二導電型クラッド層がこの順序にて積層されたダブルへテロ構造を有するものとして発光層部が構成され、第一導電型クラッド層及び第二導電型クラッド層の少なくともいずれかの側に、発光層部に発光駆動電圧を印加するためのＩＴＯ透明電極層を有し、発光層部からの光が、該ＩＴＯ透明電極層を透過させる形で取り出されるとともに、発光層部とＩＴＯ透明電極層との間に、Ｉｎを含有したＧａＡｓよりなるコンタクト層が、該ＩＴＯ透明電極層と接する形にて形成され、コンタクト層の厚さ方向におけるＩｎ濃度分布が、ＩＴＯ透明電極層から厚さ方向に遠ざかるにつれ連続的に減少するものとされたことを特徴とする。これは、ＡｌＧａＩｎＰよりなる発光層部側にて、コンタクト層のＩｎ濃度分布が小さくなること、つまり、発光層部との格子定数差が縮まることを意味する。このようなＩｎ濃度分布のコンタクト層を形成することにより、発光層部との格子整合性をより高めることができる利点を生ずる。熱処理温度が過度に高くなったり、あるいは熱処理時間が長大化すると、ＩＴＯ透明電極層からのＩｎ拡散が過度に進行して、図６の▲３▼に示すように、コンタクト層内のＩｎ濃度分布が厚さ方向に略一定の高い値を示すようになり、上記の効果は得られなくなる（なお、熱処理温度が過度に低くなったり、あるいは熱処理時間が過度に短時間化すると、図６の▲２▼に示すように、コンタクト層内のＩｎ濃度が不足することにつながる）。
【００１０】
この場合、図６において、コンタクト層の、ＩＴＯ透明電極層との境界位置におけるＩｎ濃度をＣＡとし、これと反対側の境界位置におけるＩｎ濃度をＣＢとしたとき、ＣＢ／ＣＡが０．８以下となるように調整することが望ましく、該形態のＩｎ濃度分布が得られるように、前述の熱処理を行なうことが望ましい。ＣＢ／ＣＡが０．８を超えると、Ｉｎ濃度分布傾斜による発光層部との格子整合性改善効果が十分に得られなくなる。なお、コンタクト層の平均的なＩｎ濃度ＣＭが、ＩｎとＧａとの合計濃度に対するＩｎの原子比にて、例えば前述の望ましい値（０．１以上０．６以下）を確保できるのであれば、コンタクト層の、ＩＴＯ透明電極層に面しているのと反対側の境界位置でのＩｎ濃度ＣＢがゼロとなっていること、つまり、図７に示すように、コンタクト層のＩＴＯ透明電極層側にＩｎＧａＡｓ層が形成され、反対側の部分がＧａＡｓ層となる構造となっていても差し支えない。なお、コンタクト層の厚さ方向の組成分布（ＩｎあるいはＧａ濃度分布）は、層を厚さ方向に徐々にエッチングしながら、二次イオン質量分析（Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ　Ｉｏｎ　Ｍａｓｓ　Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ：ＳＩＭＳ）、オージェ電子分光分析（ＡｕｇｅｒＥｌｅｃｔｒｏｎ　Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）、Ｘ線光電子分光（Ｘ−ｒａｙ　Ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎ　Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ：ＸＰＳ）などの周知の表面分析方法により測定することができる。また、その厚さ方向濃度分布を積分平均することにより、コンタクト層の平均組成を測定できる。
【００１１】
コンタクト層の平均的なＩｎ濃度は、ＩｎとＧａとの合計濃度に対するＩｎの原子比にて、０．１以上０．６以下とされることが望ましく、上記の熱処理もこのような平均的なＩｎ濃度が得られるように行うことが望ましい。コンタクト層の平均的なＩｎ濃度が、ＩｎとＧａとの合計濃度に対するＩｎの原子比にて、０．１以上０．６以下となるように行なうことが望ましい。上記定義によるＩｎ濃度が０．１未満になると、コンタクト層の接触抵抗低減効果が不十分となり、０．６を超えるとコンタクト層と発光層部との格子不整合による、発光強度低下などの品質劣化が甚だしくなる。
【００１２】
ＩＴＯは、酸化スズをドープした酸化インジウム膜であり、酸化スズの含有量を１質量％以上９質量％以下（酸化インジウムの含有量を９１質量％以上９９質量％以下）とすることで、電極層の抵抗率を５×１０−４Ω・ｃｍ以下の十分低い値とすることができる。このようなＩＴＯ透明電極層をＧａＡｓ層上に形成し、さらにこれを適正な温度範囲にて熱処理することにより、上記望ましいＩｎ濃度を有したコンタクト層を容易に形成できる。また、この熱処理により、ＩＴＯ透明電極層の電気抵抗率をさらに低減できる。熱処理は、具体的には特開平１−２２５１７８号公報に記載されている温度よりも低温の、６００℃以上７５０℃以下にて行なうことが望ましい。熱処理温度が７５０℃を超えるとＧａＡｓ層へのＩｎの拡散速度が大きくなりすぎ、コンタクト層中のＩｎ濃度が過剰となりやすくなる。また、Ｉｎ濃度が飽和して、コンタクト層の厚さ方向に傾斜したＩｎ濃度分布も得にくくなる。いずれも、コンタクト層と発光層部との格子整合が悪化することにつながる。また、ＧａＡｓ層へのＩｎの拡散が過度に進みすぎると、コンタクト層との接触部付近にてＩＴＯ透明電極層のＩｎが枯渇し、電極の電気抵抗値の上昇が避けがたくなる。さらに、熱処理温度が上記のように高温になりすぎると、ＩＴＯの酸素がＧａＡｓ層へ拡散して酸化が促進され、素子の直列抵抗が上昇しやすくなる。いずれも適正な電圧で発光素子を駆動できなくなる不具合につながる。また、熱処理温度が極端に高くなると、ＩＴＯ透明電極層の電気抵抗率が帰って悪化する場合がある。他方、熱処理温度が６５０℃未満になると、ＧａＡｓ層へのＩｎの拡散速度が小さくなりすぎ、接触抵抗を十分に低下させたコンタクト層を得るのに非常な長時間を要するようになるので、製造能率の低下が甚だしくなる。
【００１３】
また、熱処理時間は、５秒以上１２０秒以下に設定することが望ましい。熱処理時間が１２０秒以上になると、特に、熱処理温度が上限値に近い場合、ＧａＡｓ層へのＩｎの拡散量が過剰となりやすくなる（ただし、熱処理温度を低めに留める場合は、これよりも長い熱処理時間（例えば３００秒程度まで）を採用することも可能である。他方、熱処理時間が５秒未満になると、ＧａＡｓ層へのＩｎの拡散量が不足し、接触抵抗を十分に低下させたコンタクト層が得にくくなる。
【００１４】
ＩＴＯ透明電極層は、発光層部の全面を被覆する形にて形成することができる。このように構成すると、ＩＴＯ透明電極層に電流拡散層の機能を担わせることができ、従来のような化合物半導体からなる厚い電流拡散層の形成が不要となったり、仮に形成する場合でも、その厚みを大幅に減ずることができるから、工程の簡略化によるコスト削減に寄与し、産業利用上非常に有効である。他方、電極接合層の形成厚さは、オーミック接触を形成するために必要十分な程度であれば、それほど厚くする必要がなく、また、具体的には、電極接合層を構成する化合物半導体が、薄層化によりバルク結晶とは異なるバンドギャップエネルギーを示すようにならない程度の厚さを確保すればよく、例えばＩｎｘＧａ１−ｘＡｓを用いる場合であれば、０．００１μｍ程度もあれば十分である。他方、ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓからなる電極接合層の厚さを過剰に大きくすることは、該電極接合層における光吸収が増大する結果、光取出効率の低下を招くので、０．０２μｍ以下とすることが望ましい。また、コンタクト層を０．００１μｍ以上０．０２μｍ以下の薄層とすることは、格子不整合の影響を軽減する上でも効果がある。
【００１５】
コンタクト層と、第一導電型クラッド層と第二導電型クラッド層とのうち、該コンタクト層の形成側に位置するクラッド層との間には、それらコンタクト層とクラッド層との中間のバンドギャップエネルギーを有する中間層を形成することができる。また、本発明の発光素子の第二は、化合物半導体層からなる発光層部と、該発光層部に発光駆動電圧を印加するためのＩＴＯ透明電極層とを有し、発光層部からの光が、ＩＴＯ透明電極層を透過させる形で取り出されるとともに、発光層部とＩＴＯ透明電極層との間に、Ｉｎを含有したＧａＡｓよりなるコンタクト層が、該ＩＴＯ透明電極層と接する形にて形成され、発光層部が、第一導電型クラッド層、活性層及び第二導電型クラッド層がこの順序にて積層されたダブルへテロ構造を有するものとして構成され、第一導電型クラッド層及び第二導電型クラッド層の少なくともいずれかとＩＴＯ透明電極層との間にコンタクト層が形成されてなり、該コンタクト層と、第一導電型クラッド層と第二導電型クラッド層とのうち、該コンタクト層の形成側に位置するクラッド層との間に、それらコンタクト層とクラッド層との中間のバンドギャップエネルギーを有する中間層が形成されたことを特徴とする。
【００１６】
ダブルへテロ構造の発光層部は、活性層へのキャリア閉じ込め効果を高めて内部量子効率を向上させるために、クラッド層と活性層との間の障壁高さを一定以上に高める必要がある。図１０の模式バンド図（Ｅｃは伝導帯底、Ｅｖは価電子帯頂の核エネルギーレベルを示す）に示すように、このようなクラッド層にコンタクト層を直接接合すると、クラッド層とコンタクト層との間に、接合によるバンドの曲がりにより、比較的高いヘテロ障壁が形成される場合がある。この障壁高さΔＥは、クラッド層とコンタクト層との間のバンド端不連続値が大きくなるほど高くなり、キャリアの移動、特に有効質量のより大きいホールの移動を妨げやすくなる。例えば金属電極を使用する場合は、クラッド層の全面を金属電極で覆う光取出しができなくなるので、部分的な被覆となるように電極形成せざるを得ない。この場合、光取出し効率向上のため、電極の面内方向外側への電流拡散を何らかの形で促進しなければならない。例えば、金属電極の場合も、発光層部との間にＧａＡｓ等のコンタクト層が形成されることが多いが、金属電極の場合は、コンタクト層と発光層部との間に、ある程度高い障壁が形成された方が、障壁によるキャリアのせき止め効果により面内方向の電流拡散を促進できる利点がある。しかし、高い障壁形成のため、直列抵抗の増加は避け難い。
【００１７】
これに対し、ＩＴＯ透明電極層を用いる場合は、ＩＴＯ透明電極層自体が非常に高い電流拡散能を有しているため、障壁によるキャリアのせき止め効果はほとんど考慮する必要がない。しかも、ＩＴＯ透明電極層の採用により、光取出領域の面積は金属電極使用時と比較して大幅に増加している。そこで、図１１に示すように、コンタクト層とクラッド層との間に、それらコンタクト層とクラッド層との中間のバンドギャップエネルギーを有する中間層を挿入すると、コンタクト層と中間層、及び中間層とクラッド層とのそれぞれはバンド端不連続値が小さくなるので、各々形成される障壁高さΔＥも小さくなる。その結果、直列抵抗が軽減されて、低い駆動電圧にて十分に高い発光強度を達成することが可能となる。
【００１８】
上記本発明の発光素子の第二に係る構造を採用することによる効果は、ダブルへテロ構造の発光層部の中でも、特にコンタクト層をなすＩｎを含有したＧａＡｓとの格子整合性が比較的良好なＡｌＧａＩｎＰにて発光層部を形成する場合に顕著である。この場合、発光層部と、Ｉｎを含有したＧａＡｓよりなるコンタクト層との中間のバンドギャップエネルギーを有する中間層として、具体的には、ＡｌＧａＡｓ層、ＧａＩｎＰ層及びＡｌＧａＩｎＰ層（バンドギャップエネルギーがクラッド層より小さくなるように組成調整されたもの）の少なくとも一つを含むものを好適に採用することができ、例えばＡｌＧａＡｓ層を含むものとして形成することができる。また、これ以外の発光層部、例えば、ＩｎｘＧａｙＡｌ１−ｘ−ｙＮからなるダブルへテロ構造の発光層部にも適用可能である。該発光層部は、活性層の組成調整により、紫外領域から赤色（ピーク発光波長が３００ｎｍ以上７００ｎｍ以下）にかけての範囲の発光波長を実現することができる。この場合、中間層は、例えばＩｎＧａＡｌＮ層（バンドギャップエネルギーがクラッド層より小さくなるように組成調整されたもの）を含むものが採用可能である。また、駆動電圧低下の効果と、光取出し効率向上の効果とを最大限に引き出すには、光層部の全面に渡って中間層及びコンタクト層を形成し、該コンタクト層の全面を覆う形でＩＴＯ透明電極層を形成する構成を採用することが望ましい。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を添付の図面を参照して説明する。
図１は、本発明の一実施形態である発光素子１００を示す概念図である。発光素子１００は、発光層部２４の第一主表面１７側に、コンタクト層７とＩＴＯ透明電極層８とがこの順序にて形成されている。また、発光層部２４の第二主表面１８側に、コンタクト層９とＩＴＯ透明電極層１０とがこの順序にて形成されている。ＩＴＯ透明電極層８，１０は、コンタクト層７及びコンタクト層９とともに、発光層部２４の両主表面１７側，１８側のそれぞれ全面を覆う形にて形成されている。
【００２０】
発光層部２４は、各々（ＡｌｘＧａ１−ｘ）ｙＩｎ１−ｙＰ（ただし、０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１）にて構成されるとともに、第一導電型クラッド層６、第二導電型クラッド層４、及び第一導電型クラッド層６と第二導電型クラッド層４との間に位置する活性層５からなるダブルへテロ構造とされている。具体的には、ノンドープ（ＡｌｘＧａ１−ｘ）ｙＩｎ１−ｙＰ（ただし、０≦ｘ≦０．５５，０．４５≦ｙ≦０．５５）混晶からなる活性層５を、各々該活性層５よりもバンドギャップエネルギーの大きいｐ型（ＡｌｘＧａ１−ｘ）ｙＩｎ１−ｙＰクラッド層６とｎ型（ＡｌｘＧａ１−ｘ）ｙＩｎ１−ｙＰクラッド層４とにより挟んだ構造となっている。図１の発光素子１００では、ＩＴＯ透明電極層８側にｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層６が配置されており、ＩＴＯ透明電極層１０側にｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層４が配置されている。従って、通電極性はＩＴＯ透明電極層８側が正である。なお、当業者には自明のことであるが、ここでいう「ノンドープ」とは、「ドーパントの積極添加を行なわない」との意味であり、通常の製造工程上、不可避的に混入するドーパント成分の含有（例えば１０１３〜１０１６／ｃｍ３程度を上限とする）をも排除するものではない。
【００２１】
また、コンタクト層７，９は、いずれもＩｎを含有したＧａＡｓよりなり、図６▲１▼において、その平均的なＩｎ濃度ＣＭが、ＩｎとＧａとの合計濃度に対するＩｎの原子比にて、０．１以上０．６以下とされる。また、Ｉｎ濃度は、ＩＴＯ透明電極層から厚さ方向に遠ざかるにつれ連続的に減少するものとなっており、ＩＴＯ透明電極層８，１０（図１）との各境界位置におけるＩｎ濃度をＣＡとし、これと反対側の境界位置（つまり、クラッド層６，４（図１）との各境界位置）におけるＩｎ濃度をＣＢとしたとき、ＣＢ／ＣＡが０．８以下となるように調整されている。コンタクト層７，９の厚さは、０．００１μｍ以上０．０２μｍ以下（望ましくは０．００５μｍ以上０．０１μｍ以下）である。
【００２２】
なお、図１の発光素子１００において、各層の厚さの実例として以下のような数値を例示できる：
・コンタクト層７＝厚さ：約０．００５μｍ
・ＩＴＯ透明電極層８＝厚さ：０．４μｍ、酸化スズ含有率：７質量％（残部酸化インジウム）；
・ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層６＝１μｍ；
・ＡｌＧａＩｎＰ活性層５＝０．６μｍ；
・ｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層４＝１μｍ；
・コンタクト層９＝厚さ：約０．００５μｍ
・ＩＴＯ透明電極層１０＝ＩＴＯ透明電極層８と同一構成。
【００２３】
以下、図１の発光素子１００の製造方法について説明する。
まず、図３に示すように、ＡｌＧａＩｎＰ混晶と格子整合する化合物半導体単結晶基板であるＧａＡｓ単結晶基板１の第一主表面１ａに、ｎ型ＧａＡｓバッファ層２を例えば０．５μｍ、次いで、発光層部２４として、１μｍのｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層４、０．６μｍのＡｌＧａＩｎＰ活性層（ノンドープ）５、及び１μｍのｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層６、さらにＧａＡｓ層７’をｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層６上に厚さ０．００５μｍにてエピタキシャル成長させる。これら各層のエピタキシャル成長は、公知のＭＯＶＰＥ法により行なうことができる。
【００２４】
上記の成長後、例えば硫酸系水溶液（濃硫酸：３０％過酸化水素水：水＝３：１：１容量比）からなるエッチング液に浸漬することにより、ＧａＡｓ基板１およびＧａＡｓバッファ層２をエッチング除去することができる（図４（ａ））。そして、同図（ｂ）に示すように、そのエッチング剥離された側において、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層４の主表面１８に、ＧａＡｓ層９’を、ＭＯＶＰＥ法により厚さ０．００５μｍにてエピタキシャル成長させる。
【００２５】
そして、それぞれのＧａＡｓ層７’及びＧａＡｓ層９’の両主表面に、公知の高周波スパッタリング法（ターゲット組成（Ｉｎ２Ｏ３＝９０．２重量％，ＳｎＯ２＝９．８重量％）、ｒｆ周波数１３．５６ＭＨｚ、Ａｒ圧力０．６Ｐａ、スパッタ電力３０Ｗ）により、ＩＴＯ透明電極層８，１０をそれぞれ厚さ０．４μｍにて形成し、積層体ウェーハ１３を得る。
【００２６】
図５に示すように、この積層体ウェーハ１３を炉Ｆの中に配置し、例えば窒素雰囲気中あるいはＡｒ等の不活性ガス雰囲気中にて、６００℃以上７５０℃以下（例えば７００℃）の低温で、５秒以上１２０秒以下（例えば３０秒）の短時間の熱処理を施す。これにより、ＩＴＯ透明電極層８，１０からＧａＡｓ層７’，９’にＩｎが拡散し、図６（あるいは図７）に示すごときＩｎ濃度分布のコンタクト層７，９が得られる。熱処理後の積層体ウェーハ１３はダイシングにより半導体チップとされ、支持体に固着した後、図１に示すようにリード線１４ｂ，１５ｂを取り付け、さらに図示しない樹脂封止部を形成することにより発光素子１００が得られる。
【００２７】
上記発光素子１００によると、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層６及びｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層４の全面が、それぞれコンタクト層７及びコンタクト層９を介してＩＴＯ透明電極層８及びＩＴＯ透明電極層１０により覆われてなり、これらＩＴＯ透明電極層８，１０を介して駆動電圧が印加される。駆動電圧による駆動電流は導電性の良好なＩＴＯ透明電極層８，１０の全面に均一に拡散するので、光取出面（両主表面１７，１８）の全体にわたって均一な発光が得られるとともに、電極層８，１０が透明なので光取出効率が向上する。さらに、ＩＴＯ透明電極層８，１０は、バンドギャップが比較的狭いコンタクト層７，９に対しオーミック状接触状態を形成するため、接触部の直列抵抗が小さく抑えられ、発光効率が大幅に高められている。さらに、厚い電流拡散層が不要となるため、ＩＴＯ透明電極層と発光面までの距離を大幅に短くできる。その結果、直列抵抗の低減を図ることができる。
【００２８】
また、コンタクト層７，９は、ＡｌＧａＩｎＰよりなる発光層部２４に対し、格子整合性の良好なＧａＡｓ層７’，９’をまず形成し、その後、比較的低温で短時間の熱処理を施すことにより、Ｉｎ含有量が過剰でなく、しかも均質で連続性の良好なものとなる。その結果、発光層部２４との格子不整合による、発光強度低下などの品質劣化を効果的に防止することができる。
【００２９】
コンタクト層７，９は、適当なドーパントの添加により、これと接する各クラッド層６，４とそれぞれ同じ導電型を有するものとして形成してもよいが、これらコンタクト層７，９を上記のような薄層として形成する場合は、これらをドーパント濃度の低い低ドープ層（例えば１０１７個／ｃｍ３以下；あるいはノンドープ層（１０１３個／ｃｍ３〜１０１６個／ｃｍ３）として形成しても直列抵抗の過度の増加を招かないので、問題なく採用可能である。他方、低ドープ層とした場合、発光素子の駆動電圧によっては、以下のような効果が達成できる。すなわち、電極接合層を低ドープ層とすることで、層の電気抵抗率自体は高くなるので、これを挟む電気抵抗率の小さいクラッド層あるいはＩＴＯ透明電極層８，１０に対して、電極接合層の層厚方向に印加される電界（すなわち、単位距離当たりの電圧）が相対的に高くなる。このとき、電極接合層を、バンドギャップの比較的小さいＩｎを含有したＧａＡｓにより形成しておくと、上記電界の印加により電極接合層のバンド構造に適度な曲がりが生じ、より良好なオーミック状接合を形成することができる。そして、図６あるいは図７に示すように、コンタクト層７，９のＩｎ濃度が、ＩＴＯ透明電極層８，１０との接触側にて高められていることで、該効果が一層顕著なものとなっている。
【００３０】
なお、ＩｎＧａＡｓ層とＡｌＧａＩｎＰ層とを直接接合した場合、接合界面にやや高いヘテロ障壁が形成され、これに起因して直列抵抗成分が増大する場合がありうる。そこで、これを低減する目的で、図１に一点鎖線で示すようにＩＴＯ透明電極層８，１０と接するコンタクト層７，９と、ＡｌＧａＩｎＰクラッド層６，５との間に、両者の中間のバンドギャップエネルギーを有する中間層１１，１２を挿入することができる。中間層１１，１２は、例えばＡｌＧａＡｓ、ＧａＩｎＰ及びＡｌＧａＩｎＰの少なくとも１つを含むものとして構成でき、例えば中間層の全体を単一のＡｌＧａＡｓ層として構成できる。この構造を採用する場合でも、それら中間層の厚さはそれぞれ０．１μｍ程度以下（０．０１μｍ以上：これ以上薄くなると、バルクのバンド構造が失われ、所期の接合構造が得られなくなる）とすることが可能なため、薄層化によるエピタキシャル成長時間の短縮、ひいては生産性の向上を図ることができ、中間層形成による直列抵抗の増分も少なくできるため、発光効率も損なわれにくい。
【００３１】
このような中間層１１，１２を形成した発光素子としては、図２に示すように、ダブルへテロ構造をなす発光層部１２４の各層（ｐ型クラッド層１０６、活性層１０５及びｎ型クラッド層１０４）をＡｌＧａＩｎＮ混晶により形成した、青色あるいは紫外発光用のワイドギャップ型発光素子２００であってもよい。発光層部１２４は、図１の発光素子１００と同様にＭＯＶＰＥ法により形成される。該図２の発光素子２００は、発光層部１２４を除き、残りの部分は図１の発光素子１００と同一構成であるので、詳細な説明は省略する。
【００３２】
なお、図８に示す発光素子５０のように、ダブルへテロ構造層からなる発光層部２４に、その片側にのみコンタクト層及びＩＴＯ透明電極層を接合してもよい。この場合は、ｎ型ＧａＡｓ基板１は素子基板に流用され、その第一主表面側にコンタクト層７及びＩＴＯ透明電極層８が形成される。
【００３３】
図９は、その光取出面側のＩＴＯ透明電極層８について、コンタクト層７とクラッド層６との間に、中間層２０，２１を形成した例である。該コンタクト層７は、図７に示すようなＩｎＧａＡｓ層とＧａＡｓ層とからなるものであり、バンド端不連続値の縮小に寄与している。また、中間層２０，２１は、バンドギャップエネルギーがクラッド層側に向けて段階的に減少する複数層（連続的に減少する単一層であってもよい）、この実施形態では、ＡｌＧａＡｓ層２０とＡｌＧａＩｎＰ層２１との２層により構成され、同様にバンド端不連続値の縮小に寄与している。特に、発光層部２４における活性層のバンドギャップエネルギーが大きい、つまり、発光波長が短い場合は、キャリア閉じ込め効果確保に必要十分な活性層側のバンド端不連続値を確保するために、クラッド層側のバンドギャップエネルギーも高めざるを得ない（例えばＡｌＧａＩｎＰの場合は、Ａｌ含有量の高いクラッド層とする）。この場合は、コンタクト層との間に形成される障壁高さも大きくなるので、このように複数の中間層２０，２１を設けることが有効となる。
【００３４】
また、図１２に示す発光素子５１のように、ＧａＡｓ基板１と発光層部２４との間に、例えば特開平７−６６４５５号公報に開示されている半導体多層膜や、あるいはＡｕないしＡｕ合金にて構成された金属層を反射層１６として挿入することができる。これにより、発光層部２４から直接光取出層側に漏出する光Ｌに加え、反射層１６での反射光Ｌ’が加わるので、光取出効率を高めることができる。また、全反射損失をさらに低減するために、特開平５−１９０８９３号公報に開示されているように、発光層部と光取出層との界面を光取出方向に向けて凸状に湾曲させることもできる。
【００３５】
また、活性層５あるいは１０５は上記実施形態では単一層として形成していたが、これを、バンドギャップエネルギーの異なる複数の化合物半導体層が積層されたもの、具体的には、図１３（ａ）に示すような量子井戸構造を有するものとして構成することもできる。量子井戸構造を有する活性層は、図１３（ｂ）及び（ｃ）に示すように、混晶比の調整によりバンドギャップが互いに相違する２層、すなわちバンドギャップエネルギーの小さい井戸層Ｂと大きい障壁層Ａとを、各々電子の平均自由工程もしくはそれ以下の厚さ（一般に、１原子層〜数１０Å）となるように格子整合させる形で積層したものである。上記構造では、井戸層Ｂの電子（あるいはホール）のエネルギーが量子化されるため、例えば半導体レーザー等に適用した場合に、発振波長をエネルギー井戸層の幅や深さにより自由に調整でき、また、発振波長の安定化、発光効率の向上、さらには発振しきい電流密度の低減などに効果がある。さらに、井戸層Ｂと障壁層Ａとは厚さが非常に小さいため、２〜３％程度までであれば格子定数のずれが許容され、発振波長領域の拡大も容易である。なお、量子井戸構造は、（ｂ）に示すように、井戸層Ｂを複数有する多重量子井戸構造としてもよいし、（ｃ）に示すように、井戸層Ｂを１層のみ有する単一量子井戸構造としてもいずれでもよい。図では、ｐ型及びｎ型の各クラッド層を（Ａｌ０．７Ｇａ０．３）０．５Ｉｎ０．５Ｐ混晶により、障壁層Ａを（Ａｌ０．５Ｇａ０．５）０．５Ｉｎ０．５Ｐ混晶により、井戸層Ｂを（Ａｌ０．２Ｇａ０．８）０．５Ｉｎ０．５Ｐ混晶によりそれぞれ構成している。なお、障壁層Ａの厚さは、例えばクラッド層と接するもののみ５０ｎｍ程度とし、他は６ｎｍ程度とすることができる。また、井戸層Ｂは５ｎｍ程度とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の発光素子の一例を積層構造にて示す模式図。
【図２】本発明の発光素子の別例を積層構造にて示す模式図。
【図３】図１の発光素子の製造工程を示す模式図。
【図４】図３に続く模式図。
【図５】図４に続く模式図。
【図６】コンタクト層のＩｎ濃度分布の一例を、比較例と共に示す模式図。
【図７】コンタクト層のＩｎ濃度分布の別例を示す模式図。
【図８】発光層部の第一主表面にのみ電極接合層及びＩＴＯ透明電極層を形成した素子構造の例を示す模式図。
【図９】図８の光取出面側において、コンタクト層とクラッド層との間に中間層を挿入した素子構造の例を示す模式図。
【図１０】コンタクト層のバンド構造の第一例を示す模式図。
【図１１】コンタクト層のバンド構造の第二例を示す模式図。
【図１２】図５において、光取出層の第二主表面側に反射層を挿入した素子構造の例を示す模式図。
【図１３】量子井戸構造を有する活性層の模式図。
【符号の説明】
４　ｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層（第二導電型クラッド層）
５　ＡｌＧａＩｎＰ活性層
６　ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層（第一導電型クラッド層）
７　コンタクト層
８　ＩＴＯ透明電極層
９　コンタクト層
１０　ＩＴＯ透明電極層
２４　発光層部
１０４　ｎ型ＡｌＧａＩｎＮクラッド層（第二導電型クラッド層）
１０５　ＡｌＧａＩｎＮ活性層
１０６　ｐ型ＡｌＧａＩｎＮクラッド層（第一導電型クラッド層）
５０，５１，１００，２００　発光素子
【図１】
2004071896.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2004071896.tif 000009
【図８】
2004071896.tif 000010
【図９】
2004071896.tif 000011
【図１０】
2004071896.tif 000012
【図１１】
2004071896.tif 000013
【図１２】
2004071896.tif 000014
【図１３】
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