(57)【要約】    【課題】  発光強度が高く、表面欠陥の少ない構造を有するＬＥＤ素子およびその製法。    【解決手段】  ＧａＡｓを基板とし、その上にＧａＡｓと格子整合するＡｌＧａＩｎＰ系の材料からなる下部クラッド層、活性層および上部クラッド層が形成され、さらにＧａＡｓとは格子整合しないＡｌＧａＩｎＰ系の中間バンドギャップ層および２層以上の電流拡散層が形成され、ここに、該活性層に最も近い電流拡散層のキャリア濃度が１〜３×１０１８ｃｍ−３であって、該活性層から最も遠い電流拡散層のキャリア濃度が１〜２×１０１９ｃｍ−３である半導体発光素子。【選択図】  図１
2005150772.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＧａＡｓを基板とし、その上にＧａＡｓと格子整合するＡｌＧａＩｎＰ系の材料からなる下部クラッド層、活性層および上部クラッド層が形成され、さらにＧａＡｓとは格子整合しないＡｌＧａＩｎＰ系の中間バンドギャップ層および２層以上の電流拡散層が形成され、
ここに、該活性層に最も近い電流拡散層のキャリア濃度が１〜３×１０１８ｃｍ−３であって、該活性層から最も遠い電流拡散層のキャリア濃度が１〜２×１０１９ｃｍ−３であり、該活性層から最も遠い電流拡散層の厚さが１〜３μｍであり、電流拡散層の表面の表面欠陥密度が３３,０００／ｃｍ２以下であって、発光強度が１．５カンデラ以上である半導体発光素子。
【請求項２】
ＧａＡｓ基板上に、ＧａＡｓと格子整合するＡｌＧａＩｎＰ系材料から構成される下部クラッド層、活性層および上部クラッド層を形成する工程と、さらにＧａＡｓとは格子整合しないＡｌＧａＩｎＰからなる中間バンドギャップ層を形成する工程と、２層以上のＡｌＧａＩｎＰ系の電流拡散層を形成する工程とを含み、
ここに、該中間バンドギャップ層上に接して形成される電流拡散層の成長速度を少なくとも成長初期において０．５〜２μｍ／ｈとし、該活性層から最も遠い電流拡散層のキャリア濃度を１〜２×１０１９ｃｍ−３とし、該活性層から最も遠い電流拡散層の厚さを１〜３μｍとし、電流拡散層の表面の表面欠陥密度を３３,０００／ｃｍ２以下とし、発光強度を１．５カンデラ以上とする半導体発光素子の製造方法。
【請求項３】
該中間バンドギャップ層の成長速度を０．５〜２μｍ／ｈとすることを特徴とする請求項２に記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項４】
該電流拡散層の成長温度を７５０℃以上とし、活性層およびクラッド層の成長温度を７４０℃以下とすることを特徴とする請求項２または３に記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項５】
該中間バンドギャップ層および該電流拡散層の成長温度を７５０℃以上とし、該活性層および該クラッド層の成長温度を７４０℃以下とすることを特徴とする請求項２または３に記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項６】
該活性層から最も遠く、１〜２×１０１９ｃｍ−３のキャリア濃度を有する電流拡散層を形成する際にも、その成長速度を少なくとも成長初期において０．５〜２μｍ／ｈとすることを特徴とする請求項２ないし５いずれか１に記載の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】
本発明は電流拡散層を有するＡｌＧａＩｎＰ系発光ダイオードの構造と製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、ＬＥＤ（発光ダイオード）が屋内外の表示デバイスとして脚光を浴びている。特に、その高輝度化に伴い屋外ディスプレイ市場が急伸し、ＬＥＤはネオンサインに代る媒体として成長している。
【０００３】
可視域の高輝度ＬＥＤは、ＡｌＧａＩｎＰ系のＤＨ型ＬＥＤで実現できている。従来例として、例えば、特開平８−２２８０２２号公報および特開平９−２６０７２４号公報に記載された技術を組合せて実現することができる黄色帯ＡｌＧａＩｎＰ系ＬＥＤ素子の断面図および電流の流れを図１３（ａ）および（ｂ）に示した。この素子は、ＭＯＣＶＤ法を用いて、ｎ−ＧａＡｓ基板１上にｎ−ＧａＡｓバッファ層１０（厚さ０．５μｍ、Ｓｉドープ：５×１０１７ｃｍ−３）、ｎ―ＡｌＧａＩｎＰクラッド層２（厚さ１．０μｍ、Ｓｉドープ：５×１０１７ｃｍ−３）、アンドープ（Ａｌ０．３Ｇａ０．７）０．５Ｉｎ０．５Ｐ活性層３（０．６μｍ）、ｐ−ＡｌＧａＩｎＰクラッド層４（厚さ０．７μｍ、Ｚｎドープ：５×１０１７ｃｍ−３）、ｐ−ＡｌＧａＩｎＰ中間バンドギャップ層７（厚さ０．１５μｍ、Ｚｎドープ：２×１０１８ｃｍ−３）、ｐ−ＧａＰ第１電流拡散層５ａ（厚さ１．５μｍ、Ｚｎドープ：1×１０１８ｃｍ−３）、ｐ−ＧａＰ第２電流拡散層５ｂ（厚さ６μｍ，Ｚｎドープ：３×１０１８ｃｍ−３）を順に成長させ、積層することによって形成されている。これらの層のうち、中間バンドギャップ層７以降はＧａＡｓに格子整合しない層である。
【０００４】
図１４に示したように、成長温度は常時７４０℃である。成長速度は、ｎ−ＧａＡｓバッファ層１０からｐ−中間バンドギャップ層７までは２．５μｍ／ｈ、ｐ−ＧａＰ電流拡散層５ａ以降は7μｍ／ｈである。ｐ−ＧａＰ電流拡散層を高い速度で成長させるのは、層厚が厚いので成長時間を短縮するためである。その後、電極１１を基板側全面に、電極１２を基板と反対側にある層５ｂ表面の中央にそれぞれ形成している。この素子では活性層３内にｐｎ接合が形成されており、活性層３における電子−正孔の再結合により発光が生じる。
【０００５】
【特許文献１】特開平８−２２８０２２号公報
【特許文献２】特開平９−２６０７２４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記従来例において、第２電流拡散層５ｂの結晶表面にはヒロックと呼ばれる結晶欠陥が４０，０００／ｃｍ２程度の密度で存在し、実用レベルぎりぎりであった。
また、図１３(ｂ)に示されるように、成長層側の電極１２から注入された電流は電流拡散層５内で広がり活性層に注入されるものの、その大半は電極１２直下の領域に流れ、そこでの発光は電極１２に遮られ外部に放出されないため、無効電流１０１となってしまい光度が上がらないという問題があった。電流が充分に拡がらないのは、ｐ−ＧａＰ第２電流拡散層５ｂのキャリア濃度が小さく、比抵抗が大きいからである。
【０００７】
比抵抗を小さくするためにｐ−ＧａＰ第２電流拡散層のキャリア濃度を高くしようとしても、Ｚｎが概ね４×１０１８ｃｍ−３以上は入らず、３．５×１０１８ｃｍ−３以上になると結晶欠陥が６０，０００／ｃｍ２と実用レベルの４０，０００／ｃｍ２に対して著しく増加し、電極１２が光学的に認識できず、自動でワイヤーボンディングできないなどのアセンブリ上の問題が生じていた。なお、低いキャリア濃度のｐ−ＧａＰ電流拡散層５ａは、この結晶欠陥を少なくするために設けられている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は上記従来例における課題を解決するためのものであり、その目的は、発光光度が高く、表面欠陥の少ない構造を有するＬＥＤ素子およびその製造方法を提供することにある。
【０００９】
そのために、本発明の半導体発光素子は、ＧａＡｓを基板とし、その上にＧａＡｓと格子整合するＡｌＧａＩｎＰ系の材料からなる下部クラッド層、活性層および上部クラッド層が形成され、さらにＧａＡｓとは格子整合しないＡｌＧａＩｎＰ系の中間バンドギャップ層および２層以上の電流拡散層が形成されたものである。この半導体発光素子は、該発光層に最も近い電流拡散層のキャリア濃度が３×１０１８ｃｍ−３以下であり、該発光層から最も遠い電流拡散層のキャリア濃度が１〜２×１０１９ｃｍ−３であることを特徴とする。
すなわち、本発明の半導体発光素子によれば、２層以上の電流拡散層のうち、活性層から最も遠い電流拡散層のキャリア濃度が従来例よりも高い１〜２×１０１９ｃｍ−３であるため、電流を充分に拡散させることができる。これにより、無効電流を減少させ、発光光度を高くすることが可能となる。
【００１０】
また、本発明の半導体発光素子の製造方法は、ＧａＡｓ基板上に、ＧａＡｓと格子整合するＡｌＧａＩｎＰ系材料からなる下部クラッド層、活性層および上部クラッド層を形成する工程と、さらにＧａＡｓとは格子整合しないＡｌＧａＩｎＰからなる中間バンドギャップ層を形成する工程と、２層以上のＡｌＧａＩｎＰ系の電流拡散層を形成する工程とを含み、ここに、該中間バンドギャップ層上に接して形成される電流拡散層の成長速度を少なくとも成長初期において０．５〜２μｍ／ｈ、好ましくは１．０〜１．５μｍ／ｈとし、該活性層から最も遠い電流拡散層のキャリア濃度を１〜２×１０１９ｃｍ−３とすることを特徴とする。
すなわち、本発明の半導体発光素子の製造方法によれば、中間バンドギャップ層上に接して形成される電流拡散層の成長速度が、少なくとも成長初期において０．５〜２μｍ／ｈ、好ましくは１．０〜１．５μｍ／ｈであるため、成長初期に発生する欠陥密度が少なく、電流拡散層を最上層まで表面状態良く形成できる。
【００１１】
また、本発明の半導体発光素子の製造方法は、さらに中間バンドギャップ層の成長速度を０．５〜２μｍ／ｈ、好ましくは１．０〜１．５μｍ／ｈとすることを特徴とする。
すなわち、本発明の半導体発光素子の製造方法によれば、中間バンドギャップ層の成長速度も０．５〜２μｍ／ｈ、好ましくは１．０〜１．５μｍ／ｈであるため、電流拡散層の成長初期に発生する欠陥密度がさらに少なくなり、電流拡散層を最上層まで表面状態良く形成できる。
【００１２】
本発明の半導体発光素子の製造方法は、さらに電流拡散層の成長温度を７５０℃以上、好ましくは７６０℃以上、より好ましくは７７０℃以上とし、活性層およびクラッド層の成長温度を７４０℃以下とすることを特徴とする。
すなわち、本発明の半導体発光素子の製造方法によれば、電流拡散層の成長温度を活性層やクラッド層の成長温度より高くするため、電流拡散層の成長初期に発生する欠陥密度がさらに少なくなり、電流拡散層を最上層まで表面状態良く形成できる。
【００１３】
また、本発明の半導体発光素子の製造方法は、さらに中間バンドギャップ層の成長温度を７５０℃以上、好ましくは７６０℃以上、より好ましくは７７０℃以上とし、活性層およびクラッド層の成長温度を７４０℃以下にすることを特徴とする。
すなわち、本発明の半導体発光素子の製造方法によれば、中間バンドギャップ層と電流拡散層との成長温度を活性層やクラッド層の成長温度より高くするため、電流拡散層の成長初期に発生する欠陥密度がさらに少なくなり、電流拡散層を最上層まで表面状態良く形成できる。
【００１４】
また本発明の半導体発光素子の製造方法は、活性層から最も遠く、１〜２×１０１９ｃｍ−３のキャリア濃度を有する電流拡散層を形成する際にも、その成長速度を少なくとも成長初期において０．５〜２μｍ／ｈ、好ましくは１．０〜１．５μｍ／ｈとしている。
すなわち、本発明の半導体発光素子の製造方法によれば、活性層から最も遠く、１〜２×１０１９ｃｍ−３のキャリア濃度を有する電流拡散層を形成する際にも、その成長速度を少なくとも成長初期において０．５〜２μｍ／ｈ、好ましくは１．０〜１．５μｍ／ｈとするので、キャリア濃度の高い電流拡散層の成長初期に発生する欠陥密度が少なくなり、電流拡散層を最上層まで表面状態良く形成できる。
【００１５】
また、本発明の半導体発光素子は、活性層から最も遠い電流拡散層の厚さが１〜３μｍであることを特徴とする。
すなわち、本発明の半導体発光素子によれば、最上層の電流拡散層の厚さが１〜３μｍに形成されているので、電流拡がりが良好であり、かつ、表面状態が良好な素子が得られる。
【発明の効果】
【００１６】
以上に説明したように、本発明による半導体発光素子は、電流拡散層の構成が適正化されているため表面状態が良好で発光光度が高くなる。
また、本発明による半導体発光素子の製造方法によれば、電流拡散層上の表面状態を良くすることができ発光光度に優れた素子を製造できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
比較例１
図１３に記載した従来例の素子を５ｍｍφの樹脂にモールドし、２０ｍＡ通電したところ発光光度は１．５カンデラであった。
【００１８】
実施例１
図１は、本発明の第１の態様の半導体発光素子の断面図である。従来例と同一の機能を果たす層については同じ番号を付けて示した。
【００１９】
この素子は、ＭＯＣＶＤ法を用いて、ｎ−ＧａＡｓ基板１上にｎ−ＧａＡｓバッファ層１０（厚さ０．５μｍ、Ｓｉドープ：５×１０１７ｃｍ−３）、ｎ−（Ａｌ０．７Ｇａ０．３）０．５Ｉｎ０．５Ｐクラッド層２（厚さ１．０μｍ、Ｓｉドープ：５×１０１７ｃｍ−３）、アンドープ（Ａｌ０．３Ｇａ０．７）０．５Ｉｎ０．５Ｐ活性層３（０．６μｍ）、ｐ−（Ａｌ０．７Ｇａ０．３）０．５Ｉｎ０．５Ｐクラッド層４（厚さ０．７μｍ、Ｚｎドープ：５×１０１７ｃｍ−３）、ｐ−（Ａｌ０．４Ｇａ０．６）０．９Ｉｎ０．１Ｐ中間バンドギャップ層７（厚さ０．１５μｍ、Ｚｎドープ：２×１０１８ｃｍ−３）、ｐ−ＡｌＧａＩｎＰ電流拡散層５ａ（厚さ６μｍ、Ｚｎドープ：２×１０１８ｃｍ−３）、ｐ−ＡｌＧａＩｎＰ電流拡散層５ｂ（厚さ１．２μｍ、Ｚｎドープ：２×１０１９ｃｍ−３）を順に成長させ、積層することにより形成した。電流拡散層のＡｌおよびＩｎの組成比は、共に、ＩＩＩ族原子全体に対して１０％とした。
さらに、電極１１および１２を基板側と成長層側とにそれぞれ形成し、成長層側はボンディングパッド領域約１００μｍφを残して除去した。
【００２０】
この素子を５ｍφの樹脂にモールドし、２０ｍＡ通電したところ発光光度は２．５カンデラと従来例に比べ６割強の向上が見られた。
【００２１】
なお、活性層から最も遠い電流拡散層５ｂのキャリア濃度を２．５×１０１９ｃｍ−３以上にすると、下記のいかなる製造方法を用いても表面欠陥密度は５０，０００／ｃｍ２以上となり、不具合が生じた。一方、キャリア濃度を０．８×１０１９ｃｍ−３以下にすると、発光光度が１．８カンデラより小さくなり素子特性が悪くなった。従って、活性層から最も遠い電流拡散層５ｂのキャリア濃度は１〜２×１０１９ｃｍ−３の範囲が望ましい。
また低キャリア濃度（３×１０１８ｃｍ−３以下）の電流拡散層５ａを設けない場合、表面欠陥密度は５０，０００／ｃｍ２以上となり、不都合が生じた。
低キャリア濃度の電流拡散層５ａについては、キャリア濃度を１〜３×１０１８ｃｍ−３にするのが望ましい。何故ならば、キャリア濃度を０．８×１０１８ｃｍ−３以下にすると、１〜３×１０１８ｃｍ−３の場合に比べて、素子の駆動電圧が増大し、キャリア濃度を３．５×１０１８ｃｍ−３以上にすると電流拡散層５ｂ上の表面欠陥密度が５０，０００／ｃｍ２以上となり不都合が生じたためである。具体的には、駆動電圧は、キャリア濃度が１〜３×１０１８ｃｍ−３の場合、２０ｍＡ駆動時に２．０Ｖであるのが、０．８×１０１８ｃｍ−３では２．２Ｖに上昇し、０．８×１０１８ｃｍ−３以下ではさらに上昇した。
【００２２】
（製造方法１）
本発明の半導体素子の第１の製造方法において、図２に示したように、従来例とは異なり、電流拡散層の成長初期の厚さ約０．１μｍの部分を、１．０μｍ／ｈと低い成長速度で成長させた。これにより、表面の欠陥密度を３０，０００／ｃｍ２に低減させることができた。
このように、欠陥密度が減少したのは、欠陥の原因が電流拡散層の成長初期に生じる歪みにあり、成長速度を落とすことで歪みが緩和されたためと考えられる。
図３は、電流拡散層の成長初期の速度を０．２５〜２．５μｍ／ｈの範囲で変えた場合の表面欠陥密度の変化を示す。成長速度が０．５〜２μｍ／ｈの範囲にあるとき、表面欠陥密度が実用レベルの４０，０００／ｃｍ２以下であることが分った。
【００２３】
（製造方法２）
本発明の半導体発光素子の第２の製造方法において、図４に示したように、図２に示した第１の製造方法に加えて、中間バンドギャップ層の成長速度も従来２．５μｍ／ｈであったものを１μｍ／ｈと小さくするものである。これにより、結晶欠陥密度を２７，０００／ｃｍ２まで減少させることができた。
図５は第２の製造方法において、中間バンドギャップ層の成長速度を０．２５〜２．５μｍ／ｈの範囲で変えた場合の表面欠陥密度の変化を示す。成長速度が０．５〜２μｍ／ｈの範囲にあるとき、表面欠陥密度が実用レベルの４０，０００／ｃｍ２以下であることが分った。
【００２４】
（製造方法３）
本発明の半導体発光素子の第３の製造方法において、図６に示したように、図４に示した第２の製造方法に加えて、電流拡散層の成長温度を７８０℃と、活性層やクラッド層の成長温度７４０℃より高くした。これにより、結晶欠陥密度は、１２，０００／ｃｍ２と大幅に減少した。これは、電流拡散層の成長材料の表面マイグレーションが上がり、結晶欠陥の種となる歪みがさらに緩和されたためと考えられる。
図７の(Ａ)は第３の製造方法において、電流拡散層の成長温度に関し、活性層やクラッド層の成長温度に対して上昇させた値と表面欠陥密度との関係を示す。１０℃以上高くすることで欠陥密度は顕著に減少する。
【００２５】
（製造方法４）
本発明の半導体発光素子の第４の製造方法において、図８に示したように、図６に示した第３の製造方法に加えて、中間バンドギャップ層の成長温度も７８０℃と、活性層やクラッド層の成長温度７４０℃より高くした。これにより、結晶欠陥密度は、９，０００／ｃｍ２とさらに減少した。
図７の(Ｂ)は第４の製造方法において、中間バンドギャップ層と電流拡散層の成長温度に関し、活性層やクラッド層の成長温度に対して上昇させた値と表面欠陥密度との関係を示す。１０℃以上高くすることで、欠陥密度は顕著に減少する。
【００２６】
（製造方法５）
本発明による半導体発光素子の第５の製造方法において、図９に示したように、第２図に示した第１の製造方法に加えて、高いキャリア濃度（本実施例において、１．２×１０１９ｃｍ−３）を有する活性層から最も遠い電流拡散層の成長初期の速度も１μｍ／ｈと低くした。これにより、欠陥密度は、２６，０００／ｃｍ２と第１の製造方法だけの場合の３０，０００／ｃｍ２より減少している。これは、結晶欠陥の発生する原因が高いキャリア濃度の電流拡散層の成長初期に生じる歪みにもあり、成長速度を落とすことでその歪みが緩和されたためと考えられる。
図１０は、第５の製造方法で、活性層から最も遠い電流拡散層の成長初期の成長速度を０．２５〜２．５μｍ／ｈの間で変化させて表面欠陥密度を調べた結果である。０．５〜２μｍ／ｈの間で実用レベルの４０，０００／ｃｍ２以下である。
第２〜４の製造方法に第５の製造方法を適用させた場合も、結晶欠陥密度は、概ね１〜１．５割減少した。
【００２７】
実施例２
図１１は本発明の第２の態様の半導体発光素子の断面を示す。第１の態様の半導体発光素子の構造上の違いは、最上層の電流拡散層厚が３μｍと厚いことである。第１の製造方法を用いて第２の態様の半導体素子を作製したところ、その表面欠陥密度は３３，０００／ｃｍ２であり、第１の態様の半導体素子の表面欠陥密度（３０，０００／ｃｍ２)に比べて若干高かった。
図１２に活性層から最も遠い電流拡散層の厚さと欠陥密度との関係を示す。厚さが３．５μｍを超えると欠陥密度は急に増え始める。一方、１μｍ以下の場合は、結晶欠陥密度は小さいものの、素子の光度が１．５カンデラ以下と小さくなった。これは明らかに電流拡がりが悪くなったためと考えられる。従って、活性層から最も遠い電流拡散層の厚さは１〜３μｍが適当である。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の第１の態様の素子断面図である。
【図２】本発明の第１の製造方法を示す図である。
【図３】本発明の第１の製造方法における設定範囲を示す図である
【図４】本発明の第２の製造方法を示す図である。
【図５】本発明の第２の製造方法における設定範囲を示す図である。
【図６】本発明の第３の製造方法を示す図である。
【図７】本発明の第３、第４の製造方法における設定範囲を示す図である。
【図８】本発明の第４の製造方法を示す図である。
【図９】本発明の第５の製造方法を示す図である。
【図１０】本発明の第５の製造方法における設定範囲を示す図である。
【図１１】本発明の第２の態様の素子断面図である。
【図１２】本発明の第２の態様の素子において、高キャリア濃度を有する電流拡散層厚の設定範囲を示す図である。
【図１３】従来例の素子の断面図(ａ)および電流を示す機能図(ｂ)である。
【図１４】従来例の素子の製造方法を示す図である。
【符号の説明】
【００２９】
１  ｎ−ＧａＡｓ基板、
２  ｎ−ＡｌＧａＩｎＰクラッド層、
３  活性層、
４  ｐ−ＡｌＧａＩｎＰクラッド層、
５ａ  第１電流拡散層、
５ｂ  第２電流拡散層、
７  ｐ−中間バンドギャップ層、
１１、１２  電極、
１０１  無効電流。
【図１】
2005150772.tif 000003
【図２】
2005150772.tif 000004
【図３】
2005150772.tif 000005
【図４】
2005150772.tif 000006
【図５】
2005150772.tif 000007
【図６】
2005150772.tif 000008
【図７】
2005150772.tif 000009
【図８】
2005150772.tif 000010
【図９】
2005150772.tif 000011
【図１０】
2005150772.tif 000012
【図１１】
2005150772.tif 000013
【図１２】
2005150772.tif 000014
【図１３】
2005150772.tif 000015
【図１４】
2005150772.tif 000016