(57)【要約】【課題】  高輝度且つ低駆動電圧であることに加え、経時的な発光出力の低下、及び駆動電圧の上昇を抑制することが可能な半導体発光素子を得る。【解決手段】  半導体基板上に、少なくともｎ型クラッド層、活性層、ｐ型クラッド層から成る発光部が形成され、前記発光部の上部に１×１０19／ｃｍ3以上のｐ型ドーパントが添加されたＡｓ系コンタクト層が形成され、前記コンタクト層の上部に金属酸化物材料から成る電流分散層が形成された半導体発光素子において、前記コンタクト層と前記ｐ型クラッド層との間に、Ｖ族元素の成分にＰ（リン）が含まれていると共に、Ｈ（水素）濃度が３×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以下であるアンドープのIII／Ｖ族半導体で構成した緩衝層を有する。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板上に、少なくともｎ型クラッド層、活性層、ｐ型クラッド層から成る発光部が形成され、前記発光部の上部に１×１０19／ｃｍ3以上のｐ型ドーパントが添加されたＡｓ系コンタクト層が形成され、前記コンタクト層の上部に金属酸化物材料から成る電流分散層が形成された半導体発光素子において、
前記コンタクト層と前記ｐ型クラッド層との間に、Ｖ族元素の成分にＰ（リン）が含まれていると共に、Ｈ（水素）濃度が３×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以下であるアンドープのIII／Ｖ族半導体で構成した緩衝層を有することを特徴とする半導体発光素子。
【請求項２】
半導体基板上に、少なくともｎ型クラッド層、活性層、ｐ型クラッド層から成る発光部が形成され、前記発光部の上部に１×１０19／ｃｍ3以上のｐ型ドーパントが添加されたＡｓ系コンタクト層が形成され、前記コンタクト層の上部に金属酸化物材料から成る電流分散層が形成された半導体発光素子において、
前記ｐ型クラッド層中に、Ｖ族元素の成分にＰ（リン）が含まれていると共に、Ｈ（水素）濃度が３×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以下であるアンドープのIII／Ｖ族半導体で構成した緩衝層を有することを特徴とする半導体発光素子。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の半導体光発光素子において、
前記緩衝層が、前記基板に対して格子整合する結晶であり、且つ前記ｐ型クラッド層よりも抵抗が高いIII／Ｖ族半導体で構成されていることを特徴とする半導体光発光素子。
【請求項４】
請求項３に記載の半導体発光素子において、
前記緩衝層が、前記ｐ型クラッド層よりもＡｌ組成の小さいIII／Ｖ族半導体で構成されていることを特徴とする半導体発光素子。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれかに記載の半導体発光素子において、
前記活性層と前記ｐ型クラッド層との間に、アンドープ層を設けることを特徴とする半導体発光素子。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれかに記載の半導体発光素子において、
前記緩衝層のＣ（炭素）濃度が５×１０16ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以下であることを特徴とする半導体発光素子。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれかに記載の半導体発光素子において、
前記ｎ型クラッド層と前記活性層の間に、アンドープ層を設けることを特徴とする半導体発光素子。
【請求項８】
請求項１乃至７のいずれかに記載の半導体発光素子において、
前記ｎ型クラッド層と前記活性層の間に、該ｎ型クラッド層よりも低濃度にｎ型の導電性決定不純物を含んだ半導体からなるｎ型低濃度層を設けることを特徴とする半導体発光素子。
【請求項９】
請求項１乃至８のいずれかに記載の半導体発光素子において、
前記電流分散層がＩＴＯ（酸化インジウム・錫）であることを特徴とする半導体発光素子。
【請求項１０】
請求項１乃至９のいずれかに記載の半導体発光素子において、
前記電流分散層の膜厚が、ｄ＝Ａ×λP／（４×ｎ）の関係式［但し、Ａは定数（１又は３）、λPは発光波長（単位：ｎｍ）、ｎは屈折率である］により求まるｄの±３０％の範囲にあることを特徴とする半導体発光素子。
【請求項１１】
請求項１乃至１０のいずれかに記載の半導体発光素子において、
前記コンタクト層のドーパントがＺｎ（亜鉛）であり、更にそのキャリア濃度が１×１０19／ｃｍ3以上であり、且つ組成がＡｌxＧａ1-xＡｓ（但し、０≦Ｘ≦０．４）であることを特徴とする半導体発光素子。
【請求項１２】
請求項２乃至１１のいずれかに記載の半導体発光素子において、
前記ｐ型クラッド層のドーパントがＭｇ（マグネシウム）であり、且つ当該ｐ型クラッド層、前記ｎ型クラッド層、及び前記活性層は（ＡｌxＧａ1-x）yＩｎ1-yＰ（但し、０≦Ｘ≦１、０．４≦Ｙ≦０．６）で構成されることを特徴とする半導体発光素子。
【請求項１３】
請求項１乃至１２のいずれかに記載の半導体発光素子において、
前記半導体基板と前記ｎ型クラッド層の間に、屈折率の異なる２つの半導体層を１０ペア以上設けた半導体多層膜から成る光反射層を設けることを特徴とする半導体発光素子。
【請求項１４】
請求項１乃至１３のいずれかに記載の半導体発光素子において、
前記電流分散層のキャリア濃度が８×１０20／ｃｍ3以上有することを特徴とする半導体発光素子。
【請求項１５】
請求項１乃至１４のいずれかに記載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、又は歪多重量子井戸構造であることを特徴とする半導体発光素子。
【請求項１６】
請求項１乃至１５のいずれかに記載の半導体発光素子において、
前記ｐ型クラッド層と前記緩衝層の膜厚の和が１０００ｎｍ以上３０００ｎｍ以下であり、且つ当該ｐ型クラッド層の膜厚が２００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下であることを特徴とする半導体発光素子。
【請求項１７】
請求項１乃至１６のいずれかに記載の半導体発光素子において、
前記コンタクト層の膜厚が１ｎｍ以上３０ｎｍ以下であることを特徴とする半導体発光素子。
【請求項１８】
請求項１乃至１７のいずれかに記載の半導体発光素子において、
前記緩衝層が発光波長に対し光学的に透明であるＡｌＩｎＰ、又はＡｌＧａＩｎＰからなることを特徴とする半導体発光素子。
【請求項１９】
請求項１３に記載の半導体発光素子において、
前記光反射層が（ＡｌxＧａ1-x）yＩｎ1-yＰ（但し、０≦Ｘ≦１、０．４≦Ｙ≦０．６）とＡｌxＧａ1-xＡｓ（但し、０≦Ｘ≦１）の組み合わせで構成されていることを特徴とする半導体発光素子。
【請求項２０】
請求項１乃至１９のいずれかに記載の半導体発光素子において、
前記活性層と前記ｐ型クラッド層との間に、該ｐ型クラッド層よりも低濃度にｐ型の導電性決定不純物を含んだ半導体からなるｐ型低濃度層を設けることを特徴とする半導体発光素子。
【請求項２１】
請求項５、７、８又は２０のいずれかに記載の半導体発光素子において、
前記アンドープ層、ｎ型低濃度層若しくはｐ型低濃度層の膜厚が１００ｎｍ以下であることを特徴とする半導体発光素子。
【請求項２２】
請求項１乃至２１のいずれかに記載の半導体発光素子において、
前記半導体基板上にｎ型の導電性を有し且つ当該半導体基板と同じ材料で構成されたバッファ層を設けることを特徴とする半導体発光素子。
【請求項２３】
請求項２乃至２２のいずれかに記載の半導体発光素子において、
前記緩衝層の下部に形成された半導体層との格子不整合率が±０．３％以内にあることを特徴とする半導体発光素子。
【請求項２４】
請求項１乃至２３のいずれかに記載の半導体発光素子において、
前記緩衝層がＧａＰであることを特徴とする半導体発光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体発光素子に関わり、特に、透明導電膜を電流分散層に用いた高輝度の半導体発光素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、半導体発光素子である発光ダイオード（以下ＬＥＤと略す）は、近年、ＧａＮ系やＡｌＧａＩｎＰ系の高品質結晶をＭＯＶＰＥ（有機金属気相成長）法で成長できる様になったことから、青色、緑色、橙色、黄色、赤色の高輝度ＬＥＤが製作できる様になった。
【０００３】
しかし、高輝度を得るためには、ＬＥＤのチップ面内に均一に電流が注入される様、電流分散特性を良くする必要があり、例えばＡｌＧａＩｎＰ系のＬＥＤ素子では電流分散層の膜厚を５μｍ〜１０μｍ程度まで厚くする必要があった。このため、電流分散層の成長にかかる原料費用が多くなり、必然的にＬＥＤ素子の製造コストが高くなって、ＡｌＧａＩｎＰ系ＬＥＤを安価に製作する妨げとなっていた。
【０００４】
そこで、充分な透光性を有し、且つ良好な電流分散特性を得られる電気特性を有する膜としてＩＴＯ（錫添加酸化インジウム：Ｉｎｄｉｕｍ  Ｔｉｎ  Ｏｘｉｄｅ）や、ＺｎＯ（酸化亜鉛：Ｚｉｎｃ  Ｏｘｉｄｅ）を電流分散層に用いる方法が提案されている（特許文献１参照）。またｐ型クラッド層上に直接ＩＴＯ膜を形成する方法も提案されている（特許文献２、３参照）。
【０００５】
このように、ＩＴＯ膜を電流分散層として用いることができれば、従来、電流分散層として半導体層を５μｍ〜１０μｍ程度まで厚くしていた方法を必要とせず、その分のエピタキシャル層が不要となる為、安価に高輝度のＬＥＤ素子、及びＬＥＤ素子用エピタキシャルウェハを製造できる様になる。
【特許文献１】特開平８−８３９２７号公報
【特許文献２】米国再発行特許発明第３５６６５号明細書
【特許文献３】米国特許第６，０５７，５６２号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、ＩＴＯ膜を窓層に用いた場合、半導体層と金属酸化物であるＩＴＯ膜との間に接触抵抗が発生してしまい、順方向動作電圧が高くなるという課題がある。すなわち、透明導電膜（透明電極）としてのＩＴＯ膜はｎ型半導体であり、一方、これと接する上側クラッド層はｐ型半導体である。従って、ＬＥＤに対して順方向の動作電圧を印加すると、透明導電膜（透明電極）とｐ型クラッド層との間は逆方向バイアス状態となることから、大電圧を印加しなければ電流が流れない。
【０００７】
この解決策として、薄膜の高キャリア濃度層（コンタクト層）をＩＴＯ膜と接する様に設け、トンネル接合により低電圧でＬＥＤを駆動させる方法がある（例えば特許文献２）。
【０００８】
しかし、このコンタクト層は、トンネル接合を目的とし且つ活性層で発光した光に対し吸収層として作用することから、高キャリア濃度であると共に薄膜に形成する必要性があり、成長時の熱等により容易にドーパント拡散を起こし易いという問題があった。特に上記ｐ型クラッド層上に高キャリア濃度のコンタクト層を形成する構造上、当該コンタクト層と活性層の距離が短いことから、拡散が大きい。このコンタクト層のｐ型ドーパントの拡散という問題は、次の２つの弊害を招く。
【０００９】
第１の弊害は、ＬＥＤ素子の出力低下を招くことである。コンタクト層から拡散したｐ型ドーパントはＬＥＤ素子の深さ方向に濃度拡散し、ＬＥＤ素子の活性層にまで拡散すると活性層内の欠陥となる。その欠陥は非発光再結合成分となり、結果的にＬＥＤ素子の出力が低下する。
【００１０】
第２の弊害は、ＬＥＤ素子の駆動電圧（順方向動作電圧）が上昇することである。ｐ型ドーパントの拡散により、薄膜の高キャリア濃度層であるコンタクト層の実質的なキャリア濃度が低下することから、上述したトンネル接合が達成しにくくなり、トンネル電圧が上昇する。これによってＬＥＤ素子の駆動電圧が上昇するのである。
【００１１】
上記問題に関して、上記ｐ型クラッド層と上記高キャリア濃度層であるコンタクト層の間に、当該ｐ型クラッド層よりも低抵抗である緩衝層、例えばＡｌＧａＡｓ層を設けて、活性層とコンタクト層の距離を長くする方法がある（特許文献３）。因みにこのＡｌＧａＡｓやＡｌＡｓ層は、発光波長に対し光学的に透明であり、尚且つＡｌＧａＩｎＰなどの４元系材料と比べて結晶成長が容易で、更には発光部を構成するＡｌＧａＩｎＰ系材料との格子整合性がほぼ一致することから、従来、一般的に用いられて来た。
【００１２】
しかし上記特許文献３の方法では、ドーパント拡散を起こし易いという問題を解決できない。原因としては、該緩衝層を該ｐ型クラッド層よりも低抵抗化するために、多くの添加物を入れていることで拡散が大きくなってしまうこと、また、緩衝層を構成する材料が、Ｖ族元素としてＡｓを用いた発光波長に対し透明な半導体材料であるとき、例えば高Ａｌ混晶比のＡｌＧａＡｓ層などを用いた時に、拡散が顕著となる為である。
【００１３】
又、本発明者等は、上記したドーパント拡散の原因は、コンタクト層に接している緩衝層若しくはｐ型クラッド層のＨ（水素）濃度が高いことにあることを見出した。つまりドーパントの拡散は、Ｈ濃度が高くなると顕著となり、ＬＥＤ素子の出力低下や駆動電圧の上昇を招くことを見出した。
【００１４】
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、高輝度且つ低駆動電圧であることに加え、経時的な発光出力の低下、及び駆動電圧の上昇を抑制することが可能な半導体発光素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記目的を達成するため、本発明は、次のように構成したものである。
【００１６】
請求項１の発明に係る半導体発光素子は、半導体基板上に、少なくともｎ型クラッド層、活性層、ｐ型クラッド層から成る発光部が形成され、前記発光部の上部に１×１０19／ｃｍ3以上のｐ型ドーパントが添加されたＡｓ系コンタクト層が形成され、前記コンタクト層の上部に金属酸化物材料から成る電流分散層が形成された半導体発光素子において、前記コンタクト層と前記ｐ型クラッド層との間に、Ｖ族元素の成分にＰ（リン）が含まれていると共に、Ｈ（水素）濃度が３×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以下であるアンドープのIII／Ｖ族半導体で構成した緩衝層を有することを特徴とする。
【００１７】
Ｖ族元素の成分にＰ（リン）を含むIII／Ｖ族半導体の代表的なものとしては、ＡｌＩｎＰ、ＡｌＧａＩｎＰ、ＧａＰなどがある。又、Ｈ濃度が高いとｐ型ドーパントの拡散が多くなり、発光出力の低下、及び駆動電圧の上昇が起こるため、緩衝層のＨ（水素）濃度を３×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以下とした。
【００１８】
なお、ここで本明細書中において使用する「アンドープ」や「無添加」といった表現は、積極的又は故意的な添加（ドーピング）をしないことであり、結晶に自然にＣ（炭素）等の不純物が不可避的に混入する場合までも排除する意味で用いたものではない。
【００１９】
請求項２の発明に係る半導体発光素子は、半導体基板上に、少なくともｎ型クラッド層、活性層、ｐ型クラッド層から成る発光部が形成され、前記発光部の上部に１×１０19／ｃｍ3以上のｐ型ドーパントが添加されたＡｓ系コンタクト層が形成され、前記コンタクト層の上部に金属酸化物材料から成る電流分散層が形成された半導体発光素子において、前記ｐ型クラッド層中に、Ｖ族元素の成分にＰ（リン）が含まれていると共に、Ｈ（水素）濃度が３×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以下であるアンドープのIII／Ｖ族半導体で構成した緩衝層を有することを特徴とする。
【００２０】
請求項３の発明は、請求項１又は２に記載の半導体光発光素子において、前記緩衝層が、前記基板に対して格子整合する結晶であり、且つ前記ｐ型クラッド層よりも抵抗が高いIII／Ｖ族半導体で構成されていることを特徴とする。
【００２１】
請求項４の発明は、請求項３に記載の半導体発光素子において、前記緩衝層が、前記ｐ型クラッド層よりもＡｌ組成の小さいIII／Ｖ族半導体で構成されていることを特徴とする。
【００２２】
請求項５の発明は、請求項１乃至４のいずれかに記載の半導体発光素子において、前記活性層と前記ｐ型クラッド層との間に、アンドープ層を設けることを特徴とする。
【００２３】
請求項６の発明は、請求項１乃至５のいずれかに記載の半導体発光素子において、緩衝層のＣ（炭素）濃度が５×１０16ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以下であることを特徴とする。
【００２４】
Ｈ（水素）濃度の他にＣ濃度をも低くしているのは、コンタクト層からのＺｎの拡散はＣ濃度によっても変わるためである。すなわち、Ｃ濃度が高くてもＺｎの拡散が多くなり、発光出力の低下及び駆動電圧の上昇が起こる。この観点から、Ｃ（炭素）濃度の具体的数値としては、５×１０16ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以下であることが好ましい。
【００２５】
請求項７の発明は、請求項１乃至６のいずれかに記載の半導体発光素子において、前記ｎ型クラッド層と前記活性層の間に、アンドープ層を設けることを特徴とする。
【００２６】
請求項８の発明は、請求項１乃至７のいずれかに記載の半導体発光素子において、前記ｎ型クラッド層と前記活性層の間に、該ｎ型クラッド層よりも低濃度にｎ型の導電性決定不純物を含んだ半導体からなるｎ型低濃度層を設けることを特徴とする。
【００２７】
請求項９の発明は、請求項１乃至８のいずれかに記載の半導体発光素子において、前記電流分散層がＩＴＯ（酸化インジウム・錫）であることを特徴とする。
【００２８】
請求項１０の発明は、請求項１乃至９のいずれかに記載の半導体発光素子において、前記電流分散層の膜厚が、ｄ＝Ａ×λp／（４×ｎ）の関係式［但し、Ａは定数（１又は３）、λpは波長波長（単位：ｎｍ）、ｎは屈折率である］により求まるｄの±３０％の範囲にあることを特徴とする。
【００２９】
請求項１１の発明は、請求項１乃至１０のいずれかに記載の半導体発光素子において、前記コンタクト層のドーパントがＺｎ（亜鉛）であり、更にそのキャリア濃度が１×１０19／ｃｍ3以上であり、且つ組成がＡｌxＧａ1-xＡｓ（但し、０≦Ｘ≦０．４）であることを特徴とする。
【００３０】
１．０×１０19／ｃｍ3以上の高キャリア濃度のコンタクト層を安定して実現できる半導体材料には限りがあり、その半導体材料としては、ＺｎドープのＡｌxＧａ1-xＡｓ（０≦Ｘ≦０．４）が最適である。ただし、上記ＡｌＧａＡｓは発光波長に対して透明でない為、３０ｎｍ程度以下の薄膜で形成する必要性がある。
【００３１】
請求項１２の発明は、請求項２乃至１１のいずれかに記載の半導体発光素子において、前記ｐ型クラッド層のドーパントがＭｇ（マグネシウム）であり、且つ当該ｐ型クラッド層、前記ｎ型クラッド層、及び前記活性層は（ＡｌxＧａ1-x）yＩｎ1-yＰ（但し、０≦Ｘ≦１、０．４≦Ｙ≦０．６）で構成されることを特徴とする。
【００３２】
ｐ型ドーパントにはＭｇやＺｎがある。ＺｎはＡｌＧａＩｎＰ系化合物半導体内のｐ型ドーパントとして広く用いられているものの、拡散定数が比較的大きく熱工程等による悪影響が生じることが知られている。その為、ドーパントとしてＺｎを用いて、ｐ型クラッド層のキャリア濃度を高くすると、Ｚｎが活性層へ拡散しＬＤ素子特性が劣化する。そこで、ｐ型クラッド層に関しては、ｐ型不純物として、Ｚｎに比べ拡散定数が小さいＭｇを用いて高キャリア濃度化することが有利となる。
【００３３】
又、ｐ型クラッド層、ｎ型クラッド層、及び活性層は（ＡｌxＧａ1-x）yＩｎ1-yＰ（但し、０≦Ｘ≦１、０．４≦Ｙ≦０．６）で構成されることが好ましい。これらの材料を選択する理由は、ＧａＡｓ基板にほぼ格子整合する材料の内、ＬＥＤ素子から放出される光の波長に対し、光学的に透明であることに強く依存する。
【００３４】
請求項１３の発明は、請求項１乃至１２のいずれかに記載の半導体発光素子において、前記半導体基板と前記ｎ型クラッド層の間に、屈折率の異なる２つの半導体層を１０ペア以上設けた半導体多層膜から成る光反射層を設けることを特徴とする。
【００３５】
請求項１４の発明は、請求項１乃至１３のいずれかに記載の半導体発光素子において、前記電流分散層のキャリア濃度が８×１０20／ｃｍ3以上有することを特徴とする。
【００３６】
請求項１５の発明は、請求項１乃至１４のいずれかに記載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、又は歪多重量子井戸構造であることを特徴とする。
【００３７】
請求項１６の発明は、請求項１乃至１５のいずれかに記載の半導体発光素子において、前記ｐ型クラッド層と前記緩衝層の膜厚の和が１０００ｎｍ以上、３０００ｎｍ以下であり、且つ当該ｐ型クラッド層の膜厚が２００ｎｍ以上、１０００ｎｍ以下であることを特徴とする。
【００３８】
請求項１７の発明は、請求項１乃至１６のいずれかに記載の半導体発光素子において、前記コンタクト層の膜厚が１ｎｍ以上、３０ｎｍ以下であることを特徴とする。
【００３９】
請求項１８の発明は、請求項１乃至１７のいずれかに記載の半導体発光素子において、前記緩衝層が発光波長に対し光学的に透明であるＡｌＩｎＰ、又はＡｌＧａＩｎＰからなることを特徴とする。
【００４０】
請求項１９の発明は、請求項１３に記載の半導体発光素子において、前記光反射層が（ＡｌxＧａ1-x）yＩｎ1-yＰ（但し、０≦Ｘ≦１、０．４≦Ｙ≦０．６）とＡｌxＧａ1-xＡｓ（但し、０≦Ｘ≦１）の組み合わせで構成されていることを特徴とする。
【００４１】
請求項２０の発明は、請求項１乃至１９のいずれかに記載の半導体発光素子において、前記活性層と前記ｐ型クラッド層との間に、該ｐ型クラッド層よりも低濃度にｐ型の導電性決定不純物を含んだ半導体からなるｐ型低濃度層を設けることを特徴とする。
【００４２】
請求項２１の発明は、請求項５、７、８又は２０のいずれかに記載の半導体発光素子において、前記アンドープ層、ｎ型低濃度層若しくはｐ型低濃度層の膜厚が１００ｎｍ以下であることを特徴とする。
【００４３】
請求項２２の発明は、請求項１乃至２１のいずれかに記載の半導体発光素子において、前記半導体基板上にｎ型の導電性を有し且つ当該半導体基板と同じ材料で構成されたバッファ層を設けることを特徴とする。
【００４４】
請求項２３の発明は、請求項２乃至２２のいずれかに記載の半導体発光素子において、前記緩衝層と下部に形成された半導体層との格子不整合率が±０．３％以内にあることを特徴とする。
【００４５】
ここに格子不整合率とは、格子不整合率＝（ａepitaxial layer−ａsubstrate）／ａsubstrate  の式によって求められるものである。但し、ａepitaxial layerとはエピタキシャル層の格子定数のことであり、ａsubstrateとは、基板の格子定数のことである。
【００４６】
請求項２４の発明は、請求項１乃至２３のいずれかに記載の半導体発光素子において、前記緩衝層がＧａＰであることを特徴とする。
【００４７】
本発明は、半導体基板上に、少なくともｎ型クラッド層、活性層、ｐ型クラッド層から成る発光部を形成し、前記発光部の上部に１×１０19／ｃｍ3以上のｐ型ドーパントが添加されたＡｓ系コンタクト層を形成し、前記コンタクト層の上部に金属酸化物材料から成る電流分散層を形成した半導体発光素子を前提とする。具体的には、上記ｐ型クラッド層のドーパントがＭｇであり、更に上記高キャリア濃度の薄膜コンタクト層のドーパントがＺｎで、電流分散層にＩＴＯ、又はその他の透明導電膜を用い、更に上記電流分散層と接する様に該高キャリア濃度の薄膜コンタクト層を備えた半導体発光素子がある。
【００４８】
本発明の要点は、かかる半導体発光素子において、上記コンタクト層とｐ型クラッド層の間、若しくは該ｐ型クラッド層中に、Ｖ族元素の成分にＰ（リン）が含まれていると共に、Ｈ（水素）濃度が３×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以下であるアンドープのIII／Ｖ族半導体層を、緩衝層として設けた構成とすることにある。
【発明の効果】
【００４９】
よって、本発明によれば、コンタクト層からのｐ型ドーパントの拡散をより効果的に抑制して、高出力、低動作電圧のＬＥＤ素子を作製することができると共に、経時的な発光出力の低下及び駆動電圧の上昇を抑制することが可能な高信頼性のＬＥＤ素子を歩留まりよく作製することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５０】
以下、本発明を図示の実施例に基づいて説明する。
【実施例１】
【００５１】
緩衝層に無添加ＡｌＧａＩｎＰを用いた例である。
図１に示した構造の発光波長６３０ｎｍ付近の赤色ＬＥＤ用エピタキシャルウエハを作製した。エピタキシャル成長方法、エピタキシャル層膜厚、エピタキシャル構造や電極形成方法及びＬＥＤ素子製作方法は、以下の通りである。
【００５２】
ｎ型ＧａＡｓ基板１上に、ＭＯＶＰＥ法で、ｎ型（Ｓｉドープ）ＧａＡｓバッファ層２（膜厚２００ｎｍ、キャリア濃度１×１０18／ｃｍ3）、光反射層３を順次積層成長させた。光反射層３は、ＡｌＩｎＰ層とＡｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ層を各々２０層ずつ交互に設けた２０ペアのＤＢＲミラー（分布ブラッグ反射層）で有る。光反射層３の膜厚は、λp／（４×ｎ）とした。ここで、波長λpはＬＥＤ素子の発光ピーク波長を指す。またｎは光反射層を構成する各半導体材料の屈折率が適用される。また光反射層３のキャリア濃度は約１×１０18／ｃｍ3とした。
更に、この光反射層３上に、ｎ型（Ｓｉドープ）（Ａｌ0.7Ｇａ0.3）0.5Ｉｎ0.5Ｐクラッド層４（膜厚４００ｎｍ、キャリア濃度１×１０18／ｃｍ3）、アンドープ（Ａｌ0.1Ｇａ0.9）0.5Ｉｎ0.5Ｐ活性層５（膜厚６００ｎｍ）、ｐ型（Ｍｇドープ）（Ａｌ0.7Ｇａ0.3）0.5Ｉｎ0.5Ｐクラッド層６（膜厚４００ｎｍ、キャリア濃度５×１０17／ｃｍ3）を、ＭＯＶＰＥ法で、順次積層成長させた。
さらに、ｐ型（Ｍｇドープ）（Ａｌ0.7Ｇａ0.3）0.5Ｉｎ0.5Ｐクラッド層６（単にｐ型クラッド層６ともいう）上に、無添加の（Ａｌ0.7Ｇａ0.3）0.5Ｉｎ0.5Ｐ緩衝層１２（膜厚６００ｎｍ）、ｐ型（Ｚｎドープ）Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ａｓコンタクト層８（膜厚３ｎｍ、キャリア濃度７×１０19／ｃｍ3）を、ＭＯＶＰＥ法で、順次積層成長させた。
【００５３】
上記無添加の（Ａｌ0.7Ｇａ0.3）0.5Ｉｎ0.5Ｐ緩衝層１２（単に無添加の緩衝層１２あるいは緩衝層１２ともいう）は、Ｖ族元素の成分にＰ（リン）を含み、且つ、半導体基板１に対し格子整合する結晶であり、且つアンドープのIII／Ｖ族半導体で構成される。この無添加の緩衝層１２は、具体的には発光波長に対し光学的に透明で基板に対して格子整合するＡｌＧａＩｎＰ又はＡｌＩｎＰから成り、当該無添加の緩衝層１２の膜厚は、ｐ型クラッド層６の膜厚（通常２００ｎｍ〜６００ｎｍ）との和が１０００ｎｍ〜３０００ｎｍとなるように、つまり膜厚４００ｎｍ〜２８００ｎｍに形成される。これはワイヤボンディング工程での素子の破壊を防止できる構造となっていることを意味する。
【００５４】
上記ｐ型（Ｚｎドープ）Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ａｓコンタクト層８（単にｐ型コンタクト層８ともいう）はＡｌxＧａ1-xＡｓ（但し、０≦Ｘ≦０．４）からなり、膜厚は１ｎｍ以上、３０ｎｍ以下であり、ｐ型ドーパントとしてのＺｎが、キャリア濃度１×１０19／ｃｍ3以上という高濃度に添加されている。
【００５５】
ＭＯＶＰＥ成長での成長温度は上記ｎ型ＧａＡｓバッファ層２から上記無添加のＡｌＧａＩｎＰ緩衝層１２までを６５０℃とし、上記ｐ型コンタクト層８は５５０℃で成長した。その他の成長条件は、成長圧力約６６６６Ｐａ（５０Ｔｏｒｒ）、各層の成長速度は０．３〜１．０ｎｍ／ｓｅｃ、Ｖ／III比は約１５０で行った。
【００５６】
但し、上記無添加の（Ａｌ0.7Ｇａ0.3）0.5Ｉｎ0.5Ｐ緩衝層１２は、Ｈ（水素）濃度を低減する目的で、Ｖ／III比を適正値の２００とした。Ｖ／III比を２００とすることで、無添加の（Ａｌ0.7Ｇａ0.3）0.5Ｉｎ0.5Ｐ緩衝層１２のＨ（水素）濃度は、３×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以下に低減されている。またこのＶ／III比の設定によって、緩衝層１２には不可避的にＣ（炭素）が入る場合があるが、当該層におけるＣ（炭素）濃度も５×１０16ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以下に低減されている。また、ｐ型コンタクト層８のＶ／III比は１０とした。因みにここで言うＶ／III比とは、分母をＴＭＧａやＴＭＡｌなどのI族原料のモル数とし、分子をＡｓＨ3、ＰＨ3などのＶ族原料のモル数とした場合の比率（商）を指す。
【００５７】
ＭＯＶＰＥ成長において用いる原料としては、例えばトリメチルガリウム（ＴＭＧａ）、又はトリエチルガリウム（ＴＥＧａ）、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）、等の有機金属や、アルシン（ＡｓＨ3）、ホスフィン（ＰＨ3）等の、水素化物ガスを用いた。  例えば上記ｎ型バッファ層２の様なｎ型層の添加物原料としては、ジシラン（Ｓｉ2Ｈ6）を用いた。上記ｐ型クラッド層６の様なｐ型層の導電性決定不純物の添加物原料としては、ビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ2Ｍｇ）を用いた。但し、ｐ型コンタクト層８のみはジエチルジンク（ＤＥＺｎ）を用いた。
【００５８】
その他に、ｎ型層の導電性決定不純物の添加物原料として、セレン化水素（Ｈ2Ｓｅ）、モノシラン（ＳｉＨ4）、ジエチルテルル（ＤＥＴｅ）、ジメチルテルル（ＤＭＴｅ）を用いることもできる。その他に、ｐ型クラッド層６のｐ型添加物原料として、ジメチルジンク（ＤＭＺｎ）、ジエチルジンク（ＤＥＺｎ）を用いることもできる。
【００５９】
更に、このＬＥＤ用エピタキシャルウェハをＭＯＶＰＥ装置から搬出した後、当該ウェハの表面、つまりｐ型コンタクト層８の表面側へ、膜厚８０ｎｍのＩＴＯ膜９を形成した。本構造では、このＩＴＯ膜９が電流分散層となる。電流分散層であるＩＴＯ膜９の膜厚は、ｄ＝Ａ×λP／（４×ｎ）の関係式［但し、Ａは定数（１又は３）、λPは発光波長（単位：ｎｍ）、ｎは屈折率である］により求まるｄの±３０％の範囲にある。ＩＴＯ膜９は真空蒸着法、又はスパッタ法によって形成され、成膜直後の状態で８×１０20／ｃｍ3以上のキャリア濃度を有する。
【００６０】
ＩＴＯ膜蒸着の同一バッチ内にセットした評価用ガラス基板を取り出し、Ｈａｌｌ測定が可能なサイズに切断し、ＩＴＯ膜９単体の電気特性を評価した所、キャリア濃度１．１×１０21／ｃｍ3、移動度１６．７ｃｍ2／Ｖｓ、抵抗率３．３×１０-4Ω・ｃｍであった。
【００６１】
そして、このエピタキシャルウエハの上面に、レジストやマスクアライナなどの一般的なフォトリソグラフィプロセスに用いられる器材と周知の方法を駆使して円形電極である直径１１０μｍの表面電極１０を、マトリックス状に真空蒸着法で形成した。蒸着後の電極形成はリフトオフ法を用いた。上記表面電極１０は、Ｎｉ（ニッケル）、Ａｕ（金）を、それぞれ２０ｎｍ、５００ｎｍの順に蒸着した。更に、エピタキシャルウェハの底面には、全面に裏面電極１１を同じく真空蒸着法によって形成した。上記裏面電極１１は、ＡｕＧｅ（金・ゲルマニウム合金）、Ｎｉ（ニッケル）、Ａｕ（金）を、それぞれ６０ｎｍ、１０ｎｍ、５００ｎｍの順に蒸着し、その後、電極の合金化であるアロイ工程を、窒素ガス雰囲気中にて４００℃に加熱し、５分間熱処理することで行った。
【００６２】
その後、上記の様にして構成された電極付きＬＥＤ用エピタキシャルウエハを該円形の表面電極１０が略中心に位置する様にダイシング装置を用いて切断し、チップサイズ３００μｍ角のＬＥＤベアチップを作製した。更に、上記ＬＥＤベアチップをＴＯ−１８ステム上にマウント（ダイボンディング）し、その後、更にマウントされた該ＬＥＤベアチップに、ワイヤボンディングを行い、ＬＥＤ素子を作製した。
【００６３】
そして、上記の通りに作製されたＬＥＤ素子の初期特性を評価した結果、２０ｍＡ通電時（評価時）の発光出力２．０５ｍＷ、動作電圧１．８５Ｖという優れた初期特性を有するＬＥＤ素子を得ることができた。
【００６４】
更に、当該ＬＥＤ素子を常湿の環境下にて５０ｍＡで駆動させ、そのまま１６８時間（１週間）の連続通電試験を行った結果、試験前の状態との相対比較値は、出力１０２％（通電前発光出力を１００％とする。以後、相対出力と略す）、動作電圧＋０．００４Ｖ（約０．２％増）であった。
【００６５】
この様に、緩衝層１２を無添加として、緩衝層１２中のＨ（水素）濃度及びＣ濃度を少なくしていることから、極めて効果的にコンタクト層８からのＺｎの拡散を抑制される。また、緩衝層１２に、アンドープ（Ａｌ0.1Ｇａ0.9）0.5Ｉｎ0.5Ｐ活性層５（単に活性層５ともいう）に対し透明なＡｓ系材料、例えば高Ａｌ混晶比のＡｌＧａＡｓ層を用いずに、Ｖ族元素にＰ系で構成されたＡｌＧａＩｎＰ又はＡｌＩｎＰを用いることによって、優れた初期特性と高信頼性を得ることができる。また、同じＰ系であるＧａＰなどの格子不整合系のワイドバンドギャップ材料を用いずに、基板に格子整合するＡｌＧａＩｎＰ又はＡｌＩｎＰ系材料によって構成することで、初期の動作電圧も低く抑えることができる。よって、半導体発光素子を駆動させる上での、経時的な発光出力の低下、及び駆動電圧の上昇を抑制することが可能な半導体発光素子を得ることができる。
【００６６】
また、ＬＥＤ素子作製直後の状態と、ＬＥＤ素子作製後、上記の条件で通電試験を行った後の状態のＬＥＤ素子のＳＩＭＳ分析を行った結果、通電試験前後の本実施例１のＬＥＤ素子では活性層５内にｐ型コンタクト層８のドーパントであるＺｎが混入する様子は無く、上記コンタクト層８から殆ど拡散していないことが確認された。つまり、Ｈ濃度の低い無添加のＡｌＧａＩｎＰ緩衝層１２を用いることによって、ＬＥＤ素子のドーパント拡散を抑止することができた。
ちなみに、ＡｌＧａＩｎＰ緩衝層１２と下部に形成された半導体層との格子不整合率の絶対値は０．３％以下である。
【００６７】
図２に実施例１の変形例を示す。これは上記のように意図的なドーパント添加がされておらず且つＨ（水素）濃度の少ないＡｌＧａＩｎＰ又はＡｌＩｎＰ系材料で構成した緩衝層１２を形成することを前提として、上記活性層５とｐ型クラッド層６の間に拡散防止層としてＡｌＧａＩｎＰアンドープ層１３を設け、またｎ型（Ｓｉドープ）（Ａｌ0.7Ｇａ0.3）0.5Ｉｎ0.5Ｐクラッド層４（単にｎ型クラッド層４ともいう）と活性層５の間に拡散防止層としてＡｌＧａＩｎＰアンドープ層１４を設けた例である。これらのアンドープ層の替わりに、キャリア濃度を低くした低濃度層を拡散防止層として設けた構成とすることもできる。
【実施例２】
【００６８】
緩衝層に無添加ＡｌＧａＩｎＰを用い、この無添加緩衝層をクラッド層で挟んだ例である。
実施例２として、図３に示した構造の発光波長６３０ｎｍ付近の赤色ＬＥＤ用エピタキシャルウエハを作製した。エピタキシャル成長の方法、エピタキシャル層膜厚、エピタキシャル層構造やＬＥＤ素子製作方法は、基本的に上記実施例１と同じにした。
【００６９】
但し、本実施例２では、上記ｐ型クラッド層６の膜厚を２００ｎｍにして、その上に上記無添加の（Ａｌ0.7Ｇａ0.3）0.5Ｉｎ0.5Ｐ緩衝層１２を６００ｎｍ設け、更にその上に上記ｐ型クラッド層６と同じ構成の層を２００ｎｍ設けた構造とした。
【００７０】
このときの該無添加の（Ａｌ0.7Ｇａ0.3）0.5Ｉｎ0.5Ｐ緩衝層１２のＶ／III比は２００である。Ｖ／III比を２００とすることで、無添加の（Ａｌ0.7Ｇａ0.3）0.5Ｉｎ0.5Ｐ緩衝層１２のＨ（水素）濃度は、３×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以下に低減され、また同時に、当該層におけるＣ（炭素）濃度も５×１０16ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以下に低減された。
【００７１】
上記構造でのＬＥＤ特性は、発光出力１．９８ｍＷ、動作電圧１．８６Ｖ、相対出力９９％あった。この為、優れた初期特性を有するＬＥＤ素子を得ることができた。また上記実施例１と同じ条件で通電試験を行った後の状態のＬＥＤ素子のＳＩＭＳ分析結果でも、上記実施例１と同様に活性層中へのＺｎの拡散が無いことが確認された。
【実施例３】
【００７２】
緩衝層に無添加ＡｌＧａＩｎＰを用い、活性層とクラッド層との間にアンドープ層又は低濃度層を設けた例である。
実施例３として、図４に示した構造の発光波長６３０ｎｍ付近の赤色ＬＥＤ用エピタキシャルウエハを作製した。エピタキシャル成長の方法、エピタキシャル層膜厚、エピタキシャル層構造やＬＥＤ素子製作方法は、基本的に上記実施例１と同じにした。
【００７３】
但し本実施例３では、上記活性層５と上記ｐ型クラッド層６の間に膜厚７５ｎｍの（Ａｌ0.7Ｇａ0.3）0.5Ｉｎ0.5Ｐアンドープ層１３を設けた。
【００７４】
また実施例３の変形として、図５に示すように、上記ｎ型クラッド層４と活性層５の間に膜厚７５ｎｍの（Ａｌ0.7Ｇａ0.3）0.5Ｉｎ0.5Ｐアンドープ層１４ａを設けたＬＥＤ素子と、図には示さないが、上記アンドープ層１４ａに換えて７５ｎｍの（Ａｌ0.7Ｇａ0.3）0.5Ｉｎ0.5Ｐ低濃度層（Ｓｉドープ、キャリア濃度２×１０17／ｃｍ3）を設けたＬＥＤ素子とをそれぞれ製作した。
【００７５】
上記３種類の構造でのＬＥＤ特性は、発光出力１．９７〜２．１５ｍＷ、動作電圧１．８５〜１．８８８Ｖ、相対出力１０１〜１０５％であり、優れた初期特性を有するＬＥＤ素子を得ることができた。
【実施例４】
【００７６】
緩衝層とｐ型クラッド層にＡｌＩｎＰを用いた例である。
実施例４として、図６に示した構造の発光波長６３０ｎｍ付近の赤色ＬＥＤ用エピタキシャルウエハを作製した。エピタキシャル成長の方法、エピタキシャル層膜厚、エピタキシャル層構造やＬＥＤ素子製作方法は、基本的に上記実施例１と同じにした。上記実施例１とは異なる点は次の点である。
【００７７】
本実施例４では、ｐ型クラッド層６とＨ濃度の低い無添加の緩衝層１２に換えてＡｌＩｎＰを材料としたｐ型ＡｌＩｎＰクラッド層１５と無添加のＡｌＩｎＰ緩衝層１６とを用いたＬＥＤ素子を作製した。膜厚は、それぞれ４００ｎｍと６００ｎｍである。また本実施例４の変形として、ｐ型ＡｌＩｎＰクラッド層１５と無添加の緩衝層１２とを用いたＬＥＤ素子も作製した。
【００７８】
この様に作製された２種類のＬＥＤ素子の初期特性を評価した結果、２０ｍＡ通電時（評価時）のＬＥＤ特性は、それぞれ発光出力１．９６ｍＷと２．１１ｍＷと、動作電圧１．８８Ｖと１．８７Ｖとであり、優れた初期特性を有するＬＥＤ素子を得ることができた。
【００７９】
更に、上記実施例１と同じ条件で通電試験を行った所、２種類のＬＥＤ素子の相対出力はそれぞれ９７％と９９％であった。以上の様に、本実施例４に記載の構成にすることにより、優れた初期特性を有するＬＥＤ素子を得ることができた。
【実施例５】
【００８０】
多重量子井戸（ＭＱＷ）活性層を用いた例である。
実施例５として、図７に示した構造の発光波長６３０ｎｍ付近の赤色ＬＥＤ用エピタキシャルウエハを作製した。エピタキシャル成長の方法、エピタキシャル層膜厚、エピタキシャル層構造やＬＥＤ素子製作方法は、基本的に上記実施例１と同じにした。上記実施例１とは異なる点は次の点である。
【００８１】
本実施例５では、上記活性層５の構造を多重量子井戸（ＭＱＷ）構造としたＭＱＷ活性層１７を用いた点が異なる。多重量子井戸は、障壁（バリア）層を（Ａｌ0.5Ｇａ0.5）0.5Ｉｎ0.5Ｐ（７．５ｎｍ）とし、また発光層としての井戸（ウェル）層をＧａ0.5Ｉｎ0.5Ｐ（５．５ｎｍ）とし、それらの対を１ペアとして合計４０．５ペア積層した。
【００８２】
また実施例５の変形として、上記ＭＱＷ活性層１７の井戸層のＧａとＩｎのバランスを若干変えた（Ｇａ減、Ｉｎ増）、所謂歪み多重量子井戸構造としたＬＥＤも製作した。
【００８３】
この様に作製された２種類のＬＥＤ素子の初期特性を評価した結果、２０ｍＡ通電時（評価時）のＬＥＤ特性はそれぞれ発光出力２．１２ｍＷと２．２１ｍＷ、動作電圧１．８４Ｖと１．８４Ｖの優れた初期特性を有するＬＥＤ素子を得ることができた。
【００８４】
更に、上記実施例１に記載の条件で通電試験を行った所、相対出力はそれぞれ１０１％と１００％であり、本実施例５に記載の構成とすることによって、優れた初期特性を有するＬＥＤ素子を得ることができた。
【実施例６】
【００８５】
緩衝層にＧａＰを用いた例である。
実施例６として、図８に示した構造の発光波長６３０ｎｍ付近の赤色ＬＥＤ用エピタキシャルウエハを作製した。エピタキシャル成長の方法、エピタキシャル層膜厚、エピタキシャル層構造やＬＥＤ素子製作方法は、基本的に上記実施例１と同じにした。上記実施例１とは異なる点は次の点である。
【００８６】
実施例６では、緩衝層１２として無添加のＧａＰ層（膜厚６００ｎｍ）１８を用い、ｐ型（Ｚｎドープ）Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ａｓコンタクト層（膜厚３ｎｍ、キャリア濃度７×１０19／ｃｍ3）８を、ＭＯＶＰＥ法で順次積層成長させた。
【００８７】
更に、ＭＯＶＰＥ成長での成長温度は上記ｎ型ＧａＡｓバッファ層２から上記ｐ型クラッド層６までを６５０℃とし、上記ｐ型コンタクト層８は５５０℃で成長した。またＧａＰ緩衝層１８は、成長温度６８０℃、Ｖ／III比５０で成長した。
【００８８】
この様に作製されたＬＥＤ素子の初期特性を評価した結果、２０ｍＡ通電時（評価時）のＬＥＤ特性は発光出力２．１８ｍＷ、動作電圧１．９３Ｖの優れた初期特性を有するＬＥＤ素子を得ることができた。
【００８９】
更に、上記実施例１に記載の条件で通電試験を行った所、相対出力は９５％であった。
【００９０】
以上の様に、無添加のＧａＰ緩衝層１８を用いることによって、ＬＥＤ素子の初期動作電圧は若干上昇し、また、信頼性も若干悪くなったが、発光出力の面で優れたＬＥＤ素子を得ることができた。動作電圧の上昇は、緩衝層材料に格子不整合系材料であり、尚且つワイドバンドギャップなＧａＰを用いたことに依存する。また、若干信頼性が悪くなったが、これも上記と同じ理由で、ＧａＰを用いたことに依存している。
【００９１】
本発明の無添加の緩衝層を備えた半導体発光素子を得るための最適な条件はつぎの通りである。
第１に、金属酸化物から成る電流分散層のＩＴＯ膜９と接するコンタクト層８は、極めて高濃度に導電型決定不純物が添加されている必要がある。そのため、Ｚｎ（亜鉛）が添加されたコンタクト層８の場合、その結晶材料はＡｌ混晶比が０から０．４までのＧａＡｓ、又はＡｌＧａＡｓであることが望ましく、そのキャリア濃度は１×１０19／ｃｍ3以上が好適であり、これは高ければ高い程好ましい。ＩＴＯ膜９は基本的にｎ型の半導体材料に属し、また、ＬＥＤ素子は一般的にｐサイドアップで作製されることが多い。この為、ＩＴＯ膜９を電流分散層に応用したＬＥＤ素子は導電型が半導体基板側からｎ／ｐ／ｎ接合となり、ＩＴＯ膜９とｐ型半導体層との界面に大きな電位障壁が生じ、通常は非常に動作電圧の高いＬＥＤ素子となってしまう。この問題を解消する為、ｐ型半導体層には非常に高いキャリア濃度を有するコンタクト層８が必要となる。また、上記コンタクト層８のバンドギャップが狭い理由は、その方が高キャリア化が容易であることに強く依存する。
【００９２】
更に、上記コンタクト層８の高キャリア化と連動して、コンタクト層８と接するＩＴＯ膜９のキャリア濃度も、トンネル電圧を低減するには重要である。またそれは、上記コンタクト層８と同様の理由で、高ければ高いほど好ましく、具体的には８×１０20／ｃｍ3以上のキャリア濃度を有していることが好ましい。
【００９３】
第２に、上記コンタクト層８の膜厚は１ｎｍから３０ｎｍの範囲にあることが好ましい。何故ならば、上記コンタクト層８は、何れも活性層５で発光した光に対し吸収層となるバンドギャップを有している為、膜厚が厚くなるに連れ、発光出力が低下してしまう。
従って、図９から分かるように、コンタクト層８の膜厚の上限をおよそ３０ｎｍとすることが好ましい。また、コンタクト層８の膜厚が１ｎｍ未満になってくると、今度はＩＴＯ膜９とコンタクト層８との間でのトンネル接合が難しくなってくる為、低動作電圧化、動作電圧の安定化が困難になる。従って、ＩＴＯ膜９と接するコンタクト層８の膜厚は１ｎｍから３０ｎｍが好ましい。
【００９４】
第３に、金属酸化物から成る電流分散層の膜厚は、ｄ＝Ａ×λP／（４×ｎ）の関係式［但し、Ａは定数（１又は３）、λPは発光波長（単位：ｎｍ）、ｎは屈折率である］により求まるｄの±３０％の範囲にあることが好ましい。ＬＥＤ用エピタキシャルウェハ上に形成される電流分散層のＩＴＯ膜９は、半導体層と空気層とのおよそ中間の屈折率を有し、光学的に反射防止膜としての機能を有する。その為、ＬＥＤ素子の光取り出し効率を向上させ、より出力の高いＬＥＤ素子を得るには、上記の式に則った膜厚とすることが好ましい。しかし、ＩＴＯ膜９は厚くすればする程、透過率が悪くなる傾向にある。ＩＴＯ膜９の真性な透過率が低下すると活性層５より放射される光がＩＴＯ膜９によって吸収される割合が増加する為、結果として発光出力が低下する。更に、ＩＴＯ膜９の膜厚が増加するに連れ、当該層の中での光の干渉が増え、光取出し効率の高い波長領域が狭くなってしまう。これらについて、ＧａＡｓ基板１上にＩＴＯ膜９を適宜形成し、その試料に対し垂直に光を入射して、この時の反射光のスペクトルを測定した結果を図１０に示す。
【００９５】
即ち、これらの理由によって、より好ましい電流分散層の膜厚ｄは、上記の関係式にあり、尚且つ定数Ａは１、又は３である方が良い。また更に、ＬＥＤ用エピタキシャルウェハ上に形成される電流分散層のＩＴＯ膜９の膜厚ｄは、上記の関係式により求まる値の±３０％以内の範囲にあれば良い。これは、反射防止膜として光学的に反射率の低い波長帯域、つまり、光取出し効率の高い波長帯域は、ある程度の幅を有するからである。例えば反射防止膜として、ＩＴＯ膜９の形成されたＬＥＤ用エピタキシャルウェハに対して垂直に光を入射した時の反射率が、１５％以下となる膜厚の許容値は、上記式より求まる膜厚ｄの±３０％の範囲にある。膜厚ｄは±３０％の範囲を越えると、反射防止膜としての効果は小さくなり、ＬＥＤ素子の出力が低下してしまう。
【００９６】
第４に、コンタクト層８とｐ型クラッド層６との間に介入する緩衝層１２の膜厚は４００ｎｍ以上、２８００ｎｍ以下であることが好ましい。例えばｐ型クラッド層６が４００ｎｍである場合は、緩衝層１２の膜厚は、６００ｎｍから２６００ｎｍとなる。緩衝層１２の膜厚が４００ｎｍ以上となる理由は、活性層５から表面電極１０までの距離が近すぎると、ＬＥＤ素子作製時のワイヤーボンディング工程において、ＬＥＤ素子を超音波振動などで破壊させるからである。逆に、上限を２８００ｎｍ以下と定める理由は、ＬＥＤ素子の電流分散特性はコンタクト層８上に設けられたＩＴＯ膜９によって、十分な効果が期待できるからである。仮に、１０μｍ程度の厚膜な緩衝層１２を設けたとしても、前述したＩＴＯ膜９による電流分散効果が支配的なので、ＬＥＤ素子としての飛躍的な出力向上は望めない。むしろ、ＬＥＤ素子の製造にかかるコストが高くなり、ＬＥＤ素子の原価を上げてしまうというデメリットが生ずる。従って、通常ｐ型クラッド層６の膜厚は２００ｎｍから６００ｎｍとなることから、緩衝層１２の膜厚は、およそ４００ｎｍから２８００ｎｍ程度の範囲にあることが好ましい。
【００９７】
また、本発明に記載する内容では、場合により、緩衝層１２とｐ型クラッド層６との組成が同一となり得るが、この場合も、活性層５の上端からコンタクト層８の下端までの距離が１０００ｎｍ以上、３０００ｎｍ以下となることが好ましい。
【００９８】
第５に、活性層５に接したアンドープ層１３、１４ａ、及び低濃度層の膜厚は、過剰に厚くしすぎると活性層５へのキャリアの供給が悪くなり発光出力が低下し、更には製造に掛かるコストが高くなるため、１００ｎｍ以下が望ましい。
【００９９】
第６に、光反射層３のペア数は１０ペアから３０ペア程度の範囲にあることが好ましい。その下限に対する根拠は、光反射層３として十分な反射率を有する為に必要なペア数に依存しているためである。これらの光反射層の積層ペア数と垂直反射率との関係を図１１に示す。
【０１００】
次に上記したペア数の上限に対する根拠は次の通りである。光反射層３は無限に厚く積む程反射率が上昇したり、ＬＥＤ素子の発光出力が上昇するものでは無い。図１１に示した通り、光反射層３の反射率は２０数ペアを越える辺りからほぼ完全に飽和傾向を示し、３０ペアを越える辺りでは完全に飽和する。従って、有効な反射率を得ることのできるペア数にはある程度以上のものが必要であり、更にＬＥＤ素子、及びＬＥＤ用エピタキシャルウェハを安価に、且つ効率良く製造する観点から、光反射層３のペア数の上限は、３０ペア以下であることが好ましい。
【０１０１】
尚、上記の光反射する好適な材料としては、ＡｌxＧａ1-xＡｓ（但し、０．４≦Ｘ≦１）、又は（ＡｌxＧａ1-x）yＩｎ1-yＰ（但し、０≦Ｘ≦１、０．４≦Ｙ≦０．６）が挙げられる。これらの材料を選択する理由は、ＧａＡｓ基板１にほぼ格子整合する材料の内、ＬＥＤ素子から放出される光の波長に対し、光学的に透明であることに強く依存する。既知の通り、光反射層３であるＤＢＲは構成される２種の材料の屈折率差が大きい方が光の反射波長帯域が広く、且つ反射率が高い。従って、材料としては、上記の材料の中から選定されることが好ましい。
【０１０２】
本発明における実施例において、発光波長６３０ｎｍの赤色ＬＥＤ素子としたが、同じＡｌＧａＩｎＰ系の材料を用いて製作されるそれ以外のＬＥＤ素子、例えば発光波長５６０ｎｍ〜６６０ｎｍのＬＥＤ素子においても、各層の材料、キャリア濃度、特にウインドウ層は一切の変更点を持たない。従って、仮にＬＥＤ素子の発光波長を本実施例と異なる波長帯域としても同様な効果が得られる。
【０１０３】
また、本発明における実施例において、ｎ型ＧａＡｓ基板１とｎ型クラッド層４との間に、ｎ型バッファ層２を設けたＬＥＤ素子構造としたが、ｎ型ＧａＡｓ基板１上に直接ｎ型クラッド層４、又はＤＢＲ層３を積層する構造を採っても本発明の意図する効果を得ることができる。
【０１０４】
また、本発明における実施例において、表面電極１０の形状を円形のものとして説明したが、その他の異形状、例えば四角、菱形、多角形等の電極形状であっても本発明の意図する効果を得ることができる。
【０１０５】
また、本発明における実施例において、半導体基板にＧａＡｓを用いた例のみを挙げたが、この他にも、Ｇｅを出発基板とするＬＥＤ用エピタキシャルウェハや、出発基板をＧａＡｓ又はＧｅとし、これを後に除去し、代替の自立基板としてＳｉやＳｉ以上の熱伝導率を有する金属基板を用いたＬＥＤ用エピタキシャルウェハにおいても本発明の意図する効果を得ることができる。
【０１０６】
また、本発明における実施例ではｐ型クラッド層６と緩衝層１２をＡｌＩｎＰやＡｌＧａＩｎＰの組み合わせとしたが、これらの組み合わせは、発光波長に対して透明な材料であれば良く、実施例以外の組み合わせでも本特許の意図する効果が得られる。
［比較例１］
【０１０７】
緩衝層にＡｌＧａＡｓを用いた例である。
比較例１として、図１２に示した構造の発光波長６３０ｎｍ付近の赤色ＬＥＤ用エピタキシャルウエハを作製した。エピタキシャル成長方法、エピタキシャル層膜厚、エピタキシャル構造や電極形成方法及びＬＥＤ素子製作方法は、基本的に上記実施例１と同じにした。上記実施例１とは異なる点は次の点である。
【０１０８】
本比較例１では、上記ｐ型クラッド層６上に緩衝層としてｐ型（Ｍｇドープ）Ａｌ0.8Ｇａ0.2Ａｓ緩衝層７（膜厚６００ｎｍ、キャリア濃度１×１０18／ｃｍ3）を設けた。上記ｐ型ＡｌＧａＡｓ緩衝層７のＶ／III比は３０とした。また、ｐ型緩衝層７のｐ型添加物原料として、ジメチルジンク（ＤＭＺｎ）、ジエチルジンク（ＤＥＺｎ）を用いた。
【０１０９】
次に、上記の様に作製したＬＥＤ用エピタキシャルウェハを素子化するが、そのプロセスは上記実施例１と同じである。
【０１１０】
この様に作製されたＬＥＤ素子の初期特性を評価した結果、２０ｍＡ通電時（評価時）の発光出力１．６１ｍＷ、動作電圧１．８６Ｖという特性が得られた。
【０１１１】
しかし、上記実施例１と同じ条件で連続通電試験を行った結果、試験前の状態との相対比較値である相対出力は６３％であった。
【０１１２】
また、ＬＥＤ素子作製直後の状態と、ＬＥＤ素子作製後、上記通電試験を行った後の状態のＬＥＤ素子のＳＩＭＳ分析を行った。その結果、通電試験前の段階で、本比較例１のＬＥＤ素子では通電前で既に活性層５内にまでｐ型コンタクト層８のドーパントであるＺｎが拡散し、混入している様子が確認され、通電後は、更にＺｎの拡散が進み、活性層５内に混入したＺｎ量が多くなっていることが確認された。本比較例１に示したＬＥＤ素子の素子ライフ、つまり信頼性が低下する原因はこのドーパント拡散に依るものである。また、ＬＥＤ素子が低出力である原因も、ドーパント拡散に依るものである。
［比較例２］
【０１１３】
緩衝層を用いずにｐ型クラッド層上にコンタクト層およびＩＴＯを設けた例である。
比較例２として、図１３に示した構造の発光波長６３０ｎｍ付近の赤色ＬＥＤ用エピタキシャルウエハを作製した。エピタキシャル成長の方法、エピタキシャル層膜厚、エピタキシャル層構造やＬＥＤ素子製作方法は、基本的に上記比較例１と同じにした。上記実施例１とは異なる点は次の点である。
【０１１４】
本比較例２では、上記ｐ型クラッド層６上に緩衝層を設けず、ｐ型クラッド層６上に直接ｐ型コンタクト層８を設けた。
【０１１５】
次に、上記の様に作製したＬＥＤ用エピタキシャルウェハを素子化するが、そのプロセスは上記実施例１と同じである。
【０１１６】
この様に作製されたＬＥＤ素子の初期特性を評価した結果、２０ｍＡ通電時（評価時）の発光出力１．５３ｍＷ、動作電圧１．８７Ｖの初期特性を有するＬＥＤ素子を得ることができた。また、上記実施例１と同じ条件で通電試験を行った所、相対出力は７１％であった。
【０１１７】
更に、ＬＥＤ素子作製直後の状態と、ＬＥＤ素子作製後、上記の条件で通電試験を行った後の状態のＬＥＤ素子のＳＩＭＳ分析を行った結果、比較例１と同様にドーパント拡散が起こり、活性層５内に混入したＺｎ量が多くなっていることが確認された。
【図面の簡単な説明】
【０１１８】
【図１】本発明の実施例１にかかるＡｌＧａＩｎＰ系赤色ＬＥＤの断面構造図である。
【図２】本発明の実施例１の変形例にかかるＡｌＧａＩｎＰ系赤色ＬＥＤの断面構造図である。
【図３】本発明の実施例２にかかるＡｌＧａＩｎＰ系赤色ＬＥＤの断面構造図である。
【図４】本発明の実施例３にかかるＡｌＧａＩｎＰ系赤色ＬＥＤの断面構造図である。
【図５】本発明の実施例３の変形例にかかるＡｌＧａＩｎＰ系赤色ＬＥＤの断面構造図である。
【図６】本発明の実施例４にかかるＡｌＧａＩｎＰ系赤色ＬＥＤの断面構造図である。
【図７】本発明の実施例５にかかるＡｌＧａＩｎＰ系赤色ＬＥＤの断面構造図である。
【図８】本発明の実施例６にかかるＡｌＧａＩｎＰ系赤色ＬＥＤの断面構造図である。
【図９】コンタクト層の膜厚と発光出力の減衰率を示した図である。
【図１０】ＧａＡｓ基板上に形成されたＩＴＯ膜の反射率スペクトルを示した図である。
【図１１】光反射層の積層ペア数と垂直反射率との関係を示した図である。
【図１２】比較例１にかかるＡｌＧａＩｎＰ系赤色ＬＥＤの断面構造図である。
【図１３】比較例２にかかるＡｌＧａＩｎＰ系赤色ＬＥＤの断面構造図である。
【符号の説明】
【０１１９】
１  ｎ型ＧａＡｓ基板
２  ｎ型ＧａＡｓバッファ層
３  光反射層
４  ｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層（ｎ型クラッド層）
５  アンドープＡｌＧａＩｎＰ活性層（活性層）
６  ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層（ｐ型クラッド層）
７  ｐ型緩衝層
８  ｐ型ＡｌＧａＡｓコンタクト層（ｐ型コンタクト層）
９  ＩＴＯ膜
１０  表面電極
１１  裏面電極
１２  無添加の緩衝層
１３  アンドープ層（拡散防止層）
１４、１４ａ、  アンドープ層（拡散防止層）
１５  ｐ型ＡｌＩｎＰクラッド層
１６  無添加のＡｌＩｎＰ緩衝層
１７  ＭＱＷ活性層
１８  無添加のＧａＰ緩衝層
【図１】
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【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】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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