(57)【要約】【課題】ＡｌＧａＩｎＰを発光層に用いた発光ダイオードの初期の輝度劣化を改善した半導体発光素子の製造方法を提供する。【解決手段】Ａｌ0.1Ｇａ0.4Ｉｎ0.5Ｐからなる活性層１０４の上にアンドープのＡｌ0.35Ｇａ0.15Ｉｎ0.5Ｐからなるクラッド層の一部１１５とＺｎドープのＡｌ0.35Ｇａ0.15Ｉｎ0.5Ｐからなるクラッド層１０５を成長させる。引き続きアンドープのＡｌ0.7Ｇａ0.3Ａｓからなる電流拡散層の一部１１６とＺｎドープのＡｌ0.7Ｇａ0.3Ａｓからなる電流拡散層１０６を成長させる。【選択図】図１
2005136313.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
有機金属気相成長法により、基板上にアンドープのＡｌＧａＩｎＰからなる活性層と、ｐ型不純物を含むＡｌＧａＩｎＰからなるクラッド層と、ｐ型不純物を含む電流拡散層とを順に成長する半導体発光素子の製造方法であって、前記活性層に連続してｐ型不純物を流さずにアンドープのクラッド層を成長した後、ｐ型不純物をドープしたクラッド層を成長し、その後アンドープの電流拡散層を成長した後、ｐ型不純物をドープした電流拡散層を成長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】
前記アンドープの電流拡散層の一部に拡散によりＺｎをドープすることを特徴とする請求項１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】
本発明は化合物半導体からなる半導体発光素子に係り、特にＡｌＧａＩｎＰ系化合物半導体を発光層に用いた赤色から黄緑色の波長の光を発する半導体発光素子の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
赤色の光を発するレーザダイオードや赤色から黄緑色までの可視領域の波長の光を発する発光ダイオードの作製に、ＡｌＧａＡｓ、ＡｌＧａＩｎＰ等の３−５族化合物半導体が広く用いられている。特に、ＡｌＧａＩｎＰ系化合物半導体を活性層に用いたダブルヘテロ構造からなる発光層を備える発光ダイオードは、高効率発光が可能であることから、屋外での表示用の用途を中心に応用範囲を広げている。最近では、発光ダイオードの消費電力が小さいことを踏まえ車載用や照明用の用途が期待され、ＡｌＧａＩｎＰ系発光ダイオードの応用が広く研究されている。
【０００３】
ＡｌＧａＩｎＰを発光層に用いた発光ダイオードは、図２に示すようにｎ型ＧａＡｓ基板１１上にｎ型ＧａＡｓからなるバッファ層１２、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰからなる下部クラッド層１３、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰからなる活性層１４、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰからなる上部クラッド層１５、ｐ型ＡｌＧａＡｓ又はｐ型ＧａＰからなる電流拡散層１６を連続して有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法により成長させた層構成を有するのが一般的である。ｎ型ＧａＡｓ基板１１にはｎ側電極１７、電流拡散層１６にはｐ側電極１８が形成されている。ｐ型ＡｌＧａＡｓ層を電流拡散層１６として用いた例は、特許文献１に開示されている。
【０００４】
ｐ型ＡｌＧａＩｎＰやｐ型ＡｌＧａＡｓを成長させるにはｐ型不純物として亜鉛（Ｚｎ）やマグネシウム（Ｍｇ）をドープする方法が一般的である。Ｚｎを用いた例としては上記特許文献１に開示されている。ＺｎはＡｌＧａＩｎＰ等の化合物半導体の中で拡散しやすく、活性層にまで拡散すると活性層の結晶性が悪くなり発光効率が低下するため、高効率発光が得られなくなったり寿命が短いなどの問題がある。そこで、ＺｎやＭｇよりも拡散しにくい炭素（Ｃ）をｐ型不純物として用いる技術が、例えば、特許文献２に開示されている。この技術によれば、ＡｌＧａＩｎＰ系レーザダイオードの特性劣化が改善されるとされている。
【特許文献１】特開平０３−１７１６７９号公報（第２−３頁、第１図）
【特許文献２】特開平１１−１８６６６５号公報（第４−５頁）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
前記公報に開示されているようにＣをｐ型不純物として用いて拡散による劣化を防ぐには、クラッド層にＡｌＧａＡｓを用いる必要がある。したがってＡｌＧａＩｎＰ系のダブルヘテロ構造の中に材料系の異なる層を挿入する構成となるために構造が複雑になり作製が困難になるという問題がある。Ｚｎよりも拡散しにくいｐ型不純物としてＭｇを用いる技術も一般に知られているが、Ｍｇの有機金属原料の特性が不安定なために特性が安定した発光ダイオードを成長するのが困難であるため、依然として原料の特性が安定なＺｎをｐ型不純物として用いるのが実状である。
【０００６】
Ｚｎを用いた構成において発光ダイオードの輝度を高める方法として、例えば、特開平０５−３３５６１９号公報に開示されているように、ｐ型ＡｌＧａＡｓからなる電流拡散層のうち活性層に近い側の一部のＺｎ濃度を低くした構成とする技術がある。この構成により、屋外表示用のディスプレイ等に用いても十分な視認性を備えた発光ダイオードランプとして使用可能な発光素子を実現することが可能となったが、新たに以下のような問題が判明した。すなわち、初期特性としては十分な輝度が得られるが、図３の（ｂ）の曲線に示すように、約１時間から２４時間程度の短時間の通電後に輝度が初期の６０％から８０％程度に急激に低下するという問題がある。このような初期劣化は、屋外表示ディスプレイ等の用途においては、表示ムラという品質問題を引き起こす原因となるため改善が求められている。
【０００７】
したがって、本発明はこのような問題を解決するためになされたものであって、初期の輝度劣化を改善した半導体発光素子の製造方法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の請求項１記載の発明は、有機金属気相成長法により、基板上にアンドープのＡｌＧａＩｎＰからなる活性層と、ｐ型不純物を含むＡｌＧａＩｎＰからなるクラッド層と、ｐ型不純物を含む電流拡散層とを順に成長する半導体発光素子の製造方法であって、前記活性層に連続してｐ型不純物を流さずにアンドープのクラッド層を成長した後、ｐ型不純物をドープしたクラッド層を成長し、その後アンドープの電流拡散層を成長した後、ｐ型不純物をドープした電流拡散層を成長することを特徴とする半導体発光素子の製造方法である。この構成により、ｐ型不純物が通電等により拡散してもなお活性層における初期の発光特性を維持することができる半導体発光素子が得られるという作用を有する。
【０００９】
本発明の請求項２記載の発明は、前記アンドープの電流拡散層の一部に拡散によりＺｎをドープすることを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子の製造方法である。この構成により、電流拡散層にアンドープの部分を設けても高抵抗部とならずｐ型不純物をドープした電流拡散層に連続して電流を補助的に拡散することができるという作用を有する。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、ｐ型不純物としてＺｎを用いたＡｌＧａＩｎＰ系発光ダイオードの初期劣化を防止することができるので、製造コストを低減し、かつ、高輝度な発光ダイオードの信頼性を高めることができるという優れた効果が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明の実施の形態について、図１及び図３を用いて説明する。
【００１２】
図１に本発明の一実施の形態に係る半導体発光素子の層構造を示す。半導体発光素子１００は、ｎ型ＧａＡｓ基板１０１上にｎ型ＧａＡｓからなるバッファ層１０２、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰからなる下部クラッド層１０３、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰからなる活性層１０４、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰからなる上部クラッド層１０５、ｐ型ＡｌＧａＡｓからなる電流拡散層１０６を順次積層した層構造であり、ｎ型ＧａＡｓ基板１０１にはｎ側電極１０７、電流拡散層１０６にはｐ側電極１０８が形成されている。上部クラッド層１０５の活性層１０４に接する側の層厚み方向の一部１１５及び電流拡散層１０６の上部クラッド層１０５と接する側の層厚み方向の一部１１６はｐ型不純物を含まないものとして構成されている。
【００１３】
バッファ層１０２、下部クラッド層１０３、活性層１０４、上部クラッド層１０５、電流拡散層１０６は、ＭＯＣＶＤ法により成長される。ｎ型導電型となるバッファ層１０２、下部クラッド層１０３には、ｎ型不純物としてＳｉ、Ｓｅ、Ｔｅ等を用いることができる。
【００１４】
ｐ型導電型となる上部クラッド層１０５、電流拡散層１０６には、ｐ型不純物としてＺｎ、Ｍｇ、Ｃ等を用いることができるが、本発明においては、原料特性が安定なＺｎを用いる場合に本発明の効果を最も良く奏することができるので、以下ではｐ型不純物としてＺｎを用いた実施の形態を記述することとする。
【００１５】
ここで、本発明の請求項１記載の発明の特徴は、活性層と上部クラッド層と電流拡散層とからなるｐ側層の構成において、上部クラッド層の活性層に接する側の層厚み方向の一部をｐ型不純物を含まない構成とするとともに前記電流拡散層の前記上部クラッド層と接する側の層厚み方向の一部をｐ型不純物を含まない構成としたことにある。ここで、「ｐ型不純物を含まない」とは、層の中に一原子たりとも含まないとの意味を示すものではなく、不純物の原子数の分析方法として一般的な二次イオン質量分光法等において検出できない程度にしか含まないという意味に介するべきものとする。
【００１６】
本発明者らは、ｐ型不純物としてＺｎを用いたＡｌＧａＩｎＰ系半導体発光素子の輝度特性の初期劣化の原因を鋭意検討した結果、初期劣化を引き起こす要因として、従来発光効率低下の原因として知られているクラッド層から活性層へのＺｎの拡散の他に、電流拡散層からクラッド層へのＺｎの拡散を見出し、これら２箇所のＺｎの拡散が生じても初期の輝度を維持できる構成を見出し、本発明を成すに至った。
【００１７】
初期劣化のプロセスとしてまず、クラッド層から活性層へのＺｎの拡散により、活性層の中でＺｎに関与した非発光中心が生成されるために発光効率が低下する。一方、電流拡散層には十分な電流広がりを得るために例えば１０18／ｃｍ3から１０19／ｃｍ3程度の高濃度のＺｎがドープされているが、この電流拡散層のＺｎが通電によりクラッド層に比較的大量に拡散することにより、クラッド層の結晶性が悪くなることが推測された。このＺｎ拡散が生じる前にはｐ型ＡｌＧａＡｓからなる電流拡散層とｐ型ＡｌＧａＩｎＰからなるクラッド層との界面にはバンドギャップの差によるヘテロ障壁が存在し、これによりｐ側層における電流の広がりが電流拡散層自体による電流広がりと相俟って活性層全体に電流が注入されていたものが、Ｚｎ拡散によりクラッド層と電流拡散層との界面の結晶性が悪くなりヘテロ障壁が不十分な状態となる。したがって、電流広がりが悪くなり活性層での発光が電極の真下部分に限定され、輝度が低下すると考えられる。この輝度低下は約１時間から２４時間程度の通電によって生じる。
【００１８】
本発明においては、第一に上部クラッド層の活性層に接する側の層厚み方向の一部をｐ型不純物を含まない構成とすることで活性層自体の発光効率低下を防止し、第二に電流拡散層の前記上部クラッド層と接する側の層厚み方向の一部をｐ型不純物を含まない構成とすることでクラッド層と電流拡散層との界面の結晶性低下による電流広がり低下を防止する二重の対策により初期の輝度低下を改善するものである。
【００１９】
さらに、本発明の第二の特徴は、前記アンドープの電流拡散層の一部に拡散によりＺｎをドープするものであるが、この構成にすることで電流拡散層にアンドープの部分を設けても高抵抗部とならずｐ型不純物をドープした電流拡散層と連続して電流を補助的に拡散することができるという作用を奏することができる。
【００２０】
前記クラッド層において、ｐ型不純物を含まない部分の厚みは、クラッド層全体の厚みにもよるが０．０１μｍから０．５μｍとすることが望ましい。０．０１μｍよりも薄いとクラッド層からのＺｎ拡散を防止することができず、また、０．５μｍよりも厚いと初期の輝度を十分高くすることができないからである。
【００２１】
本実施の形態においてはバッファ層の上に下部クラッド層を直接成長した例を示したが、バッファ層と下部クラッド層の間に、活性層から発せられ基板側へ向かう光を反対側へ反射させる反射層を形成した構成においても、本発明と同様の効果が得られる。その他本発明の思想の範囲内で種々変形することが可能である。
【実施例】
【００２２】
以下、ＡｌＧａＩｎＰを用いた半導体発光素子の製造方法を説明しながら本発明の実施例を説明する。ＭＯＣＶＤ装置のリアクタにｎ型ＧａＡｓからなる基板をリアクタに導入し、支持体の上に載置する。ヒーターを用いて支持体とその上に載置した基板とを加熱し、ＡｓＨ3を流しながら結晶成長温度（例えば、６５０℃）にまで温度を上昇させる。次に、原料ガスとしてＴＭＧとＳｉＨ4ガスを流し始め、ＳｉドープＧａＡｓからなるｎ型バッファ層を約１μｍの厚さに成長させる。
【００２３】
原料ガスの供給を止めることによりｎ型バッファ層の成長を止めた後、引き続き原料ガス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）、ＰＨ3ガスおよびＳｉＨ4ガスを流し始め、ＳｉドープＡｌ0.35Ｇａ0.15Ｉｎ0.5Ｐからなるｎ型クラッド層を約１μｍの厚さに成長させる。
【００２４】
原料ガスの供給を止めることによりｎ型クラッド層の成長を止めた後、同様にして引き続き原料ガスとしてＴＭＧ、ＴＭＡ、ＴＭＩ、ＰＨ3ガスを流し、アンドープＡｌ0.1Ｇａ0.4Ｉｎ0.5Ｐからなる活性層を０．５μｍの厚さに成長させる。
【００２５】
引き続き原料ガスとしてＴＭＧ、ＴＭＡ、ＴＭＩ、ＰＨ3ガスを流し、Ａｌ0.35Ｇａ0.15Ｉｎ0.5Ｐからなるクラッド層を成長させる。ここで、Ｚｎの原料ガスは流さずアンドープとして約０．１５μｍの厚さに成長させる。引き続きＴＭＧ、ＴＭＡ、ＴＭＩ、ＰＨ3ガスを流しながら更にジメチル亜鉛（ＤＭＺ）を流し始め、Ａｌ0.35Ｇａ0.15Ｉｎ0.5Ｐからなるクラッド層をＺｎドープとして成長させる。クラッド層の厚みはトータルで約１．０μｍの厚さに成長させる。
【００２６】
原料ガスの供給を止めることによりｐ型クラッド層の成長を止めた後、引き続き原料ガスとしてＴＭＧ、ＴＭＡおよびＡｓＨ3ガスを流し始め、Ａｌ0.7Ｇａ0.3Ａｓからなる電流拡散層をアンドープとして約２μｍの厚さに成長させる。引き続きＤＭＺを流し始め、Ａｌ0.7Ｇａ0.3Ａｓからなる電流拡散層をＺｎドープとして約５μｍの厚さに成長させる。
【００２７】
ＡｓＨ3ガスを除く原料ガスの供給を止めることによりｐ型電流拡散層の成長を止めた後、ＡｓＨ3ガスを流しながら温度を降下させる。室温程度になったらＡｓＨ3ガスの供給を止め十分に排気した後、リアクタからウエハを取り出す。
【００２８】
さらに、発光ダイオードのウエハを通常の方法によりチップにし、ＴＯ−１８ステムにダイスボンディングした後ワイヤボンディングして、通電試験を実施したところ、図３の（ａ）の曲線に示すように、通電２４時間後でも初期輝度の９６％の輝度を維持した。
【産業上の利用可能性】
【００２９】
本発明にかかる半導体発光素子の製造方法は高輝度な発光ダイオードの信頼性を高めることが必要なＡｌＧａＩｎＰ系化合物半導体等に有用である。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の一実施の形態に係る半導体発光素子の構造を示す概略断面図
【図２】従来の半導体発光素子の構造を示す概略断面図
【図３】本発明の一実施の形態に係る半導体発光素子と従来の半導体発光素子の通電試験の結果の一例を示す図
【符号の説明】
【００３１】
１１，１０１  基板
１２，１０２  バッファ層
１３，１０３  下部クラッド層
１４，１０４  活性層
１５，１０５  上部クラッド層
１６，１０６  電流拡散層
１７，１０７  ｎ側電極
１８，１０８  ｐ側電極
１００  半導体発光素子
【図１】
2005136313.tif 000003
【図２】
2005136313.tif 000004
【図３】
2005136313.tif 000005