(57)【要約】【課題】  高輝度、且つ低駆動電圧であることに加え、半導体発光素子を駆動させる上で、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１上に、少なくともｎ型クラッド層３、活性層４、ｐ型クラッド層５から成る発光部が形成され、前記発光部の上部に高濃度にｐ型ドーパントが添加されたコンタクト層７が形成され、前記コンタクト層７の上部にＩＴＯ膜８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７と前記ｐ型クラッド層５との間に、Ｖ族元素の主要成分がＰ（リン）であるアンドープのIII／Ｖ族半導体で構成した緩衝層１１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族元素の主要成分がＰ（リン）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、
ｐ型クラッド層中に、Ｖ族元素の主要成分がＰ（リン）であるアンドープのIII／Ｖ族半導体で構成され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に記載の前記緩衝層は、前記半導体基板に対して格子整合していることを特徴とする半導体発光素子。
【請求項４】
請求項１乃至３に記載の前記緩衝層は、Ａｌ組成が前記ｐ型クラッド層よりも小さい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濃度が１×１０17ａｔｏｍｓ／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８】
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との間に、該ｎ型クラッド層よりも低濃度の半導体層からなる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、
前記電流分散層はＩＴＯ（錫添加酸化インジウム）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主たるドーパントがＺｎであり、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１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であり、且つ前記ｎ型クラッド層、前記活性層及び前記ｐ型クラッド層の組成が（ＡｌxＧａ1-x）yＩｎ1-yＰ（但し、０≦Ｘ≦１、０．４≦Ｙ≦０．６）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１５ペア以上設けた半導体多層膜から成る光反射層を設けた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ｐ型クラッド層の膜厚が２００ｎｍ以上、６００ｎｍ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なＡｌＩｎＰ又はＡｌＧａＩｎＰであ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の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１９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、前記ｎ型低濃度層若しくは前記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型で、且つ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１乃至２２のいずれかに記載の半導体発光素子において、
前記緩衝層が下部に形成された半導体層との格子不整合率の絶対値が０．３％以下で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問題がある。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】
そこで、ｐ型クラッド層とＩＴＯ膜との間にトンネル接合を形成するｐ型コンタクト層を介在して、低電圧でＬＥＤを駆動させる方法が提案されている（例えば特許文献２参照）。トンネル接合によりＬＥＤを低電圧で駆動させる構造とするために、ｐ型コンタクト層は、通常、ｐ型ドーパント例えばＺｎが１×１０19／ｃｍ3以上の高濃度にドープされたＡｓ系の高キャリア濃度層で構成している。
【０００８】
このコンタクト層は、活性層で発光した光に対し吸収層として作用するため、薄膜に形成する必要性がある。このため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。その結果、次のような種々の問題がある。
【０００９】
コンタクト層から拡散したｐ型ドーパントはＬＥＤ素子の深さ方向に拡散し、ＬＥＤ素子の活性層にまで到達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】
また、ｐ型ドーパントのＺｎ拡散により、高キャリア濃度の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（順方向動作電圧）が上昇する。
【００１１】
また、ｐ型クラッド層上に直接高キャリア濃度層を設けて、その上にＩＴＯ膜を設ける当該方法では、ｐ型クラッド層の膜厚が薄いため、ドーパント拡散が活性層まで到達し易く、発光出力が低下したり信頼性が悪くなったりする。
【００１２】
さらにｐ型クラッド層の膜厚が薄いため、ワイヤボンディング時のダメージにより、素子が壊れることが多々発生する。
【００１３】
これらの問題の解決策としては、高キャリア濃度のコンタクト層とｐ型クラッド層との間に、ｐ型ドーパントのＺｎの拡散を抑止する緩衝層を設けるのが有効である。この緩衝層の材料として、例えばＡｌＧａＡｓやＡｌＡｓが好適である。その理由は、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、ＬＥＤ素子の動作電圧を低くすることが可能な材料だからである。この緩衝層を設ける方法として、例えば、ｐ型クラッド層よりも低抵抗であるＡｌＧａＡｓ層を設けて活性層とコンタクト層の距離を長くしたものが提案されている（特許文献３）。
【００１４】
しかし、緩衝層をｐ型クラッド層よりも低抵抗化するために、緩衝層に多くの添加物を入れていることで拡散が促進されてしまうという問題があった。特に、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、例えば高Ａｌ混晶比のＡｌＧａＡｓ層などを用いたときに、拡散が顕著となった。
【００１５】
また、ｐ型クラッド層のＣ濃度が高いと、ドーパントの拡散がより顕著となり、出力低下や信頼性が特に悪くなった。このことは、コンタクト層と活性層の距離を長くしても、あまり改善されない。
【００１６】
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し、更にワイヤボンディング工程での素子の破壊を防止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】
【００１７】
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族元素の主要成分がＰ（リン）であるアンドープのIII／Ｖ族半導体で構成された緩衝層を有することを特徴とする。
【００１８】
Ｖ族元素の主成分がＰ（リン）である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。なお、ここでは、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、意図的、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、ｐ型クラッド層中に、Ｖ族元素の主要成分がＰ（リン）であるアンドープのIII／Ｖ族半導体で構成された緩衝層を有することを特徴とする。
【００２０】
請求項３の発明に係る半導体発光素子は、請求項１又は２に記載の前記緩衝層は前記半導体基板に対して格子整合していることを特徴とする。
【００２１】
緩衝層には、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、半導体基板に対し結晶が格子整合するIII／Ｖ族半導体を用いるとよい。これにより初期の動作電圧も低く抑えることができる。この条件を満たすIII／Ｖ族半導体の具体例としては、ＡｌＧａＩｎＰやＡｌＩｎＰがある。
【００２２】
請求項４の発明に係る半導体発光素子は、請求項１乃至３に記載の前記緩衝層は、Ａｌ組成が前記ｐ型クラッド層よりも小さいことを特徴とする。
【００２３】
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。
【００２４】
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、前記緩衝層のＣ濃度が１×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以下であることを特徴とする。
【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との間に、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との間に、該ｎ型クラッド層よりも低濃度の半導体層からなる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、前記電流分散層はＩＴＯ（錫添加酸化インジウム）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。
【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主たるドーパントがＺｎであり、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】
請求項１２の発明は、請求項１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であり、且つ前記ｎ型クラッド層、前記活性層及び前記ｐ型クラッド層の組成が（ＡｌxＧａ1-x）yＩｎ1-yＰ（但し、０≦Ｘ≦１、０．４≦Ｙ≦０．６）で構成されていることを特徴とする。
【００３１】
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が活性層へ拡散し発光素子の特性が劣化する。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。
【００３２】
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。
【００３３】
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１５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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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ｐ型クラッド層の膜厚が２００ｎｍ以上、６００ｎｍ以下であることを特徴とする。
【００３７】
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。
コンタクト層の膜厚は３０ｎｍを超えると発光出力の低下が大きく、１ｎｍ未満であると電流分散層とコンタクト層との間でのトンネル接合が難しくなる。したがって、コンタクト層の膜厚は１ｎｍ以上、３０ｎｍ以下であることが好ましい。
【００３８】
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なＡｌＩｎＰ又はＡｌＧａＩｎＰであることを特徴とする。
【００３９】
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。
【００４０】
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素子から発光し、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。よって、材料は、上記の材料の中から選定されることが好ましい。
【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の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１９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、前記ｎ型低濃度層若しくは前記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】
活性層に接したアンドープ層や低濃度層の膜厚は、あまり厚くしすぎると活性層へのキャリアの供給が悪くなり発光出力が低下し、またコストが高くなるため、１００ｎｍ以下が望ましい。
【００４４】
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型で、且つ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。
【００４５】
請求項２３の発明は、請求項１乃至２２のいずれかに記載の半導体発光素子において、前記緩衝層が下部に形成された半導体層との格子不整合率の絶対値が０．３％以下であることを特徴とする半導体発光素子。
【００４６】
請求項２４の発明は、請求項１乃至２２のいずれかに記載の半導体発光素子において、前記緩衝層がＧａＰであることを特徴とする。
【発明の効果】
【００４７】
本発明によれば、高濃度にｐ型ドーパントが添加されたＡｓ系コンタクト層とｐ型クラッド層の間、若しくはｐ型クラッド層中に、Ｖ族元素の主要成分がＰ（リン）であり、且つアンドープである、つまりＣ濃度の少ないIII／Ｖ族半導体で構成した緩衝層を設けているので、コンタクト層からのドーパント拡散を効果的に抑制することが可能な、高出力、低動作電圧な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】
【００４８】
以下、本発明を図示の実施の形態に基づいて説明する。
【００４９】
図１に本実施形態に係る発光ダイオードの構成を示す。この発光ダイオードは、半導体基板であるｎ型ＧａＡｓ基板１上に、ｎ型ＧａＡｓバッファ層２、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層（単にｎ型クラッド層ともいう）３、アンドープＡｌＧａＩｎＰ活性層４、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層（単にｐ型クラッド層ともいう）５が順次に結晶成長されて発光部が構成され、更にそれらの最上層つまりｐ型クラッド層５上に、無添加のＡｌＧａＩｎＰ緩衝層１１、高濃度にｐ型ドーパントが添加されたＡｓ系のｐ型ＡｌＧａＡｓコンタクト層（単にｐ型コンタクト層ともいう）７が積層されている。更にそのｐ型コンタクト層７上に、金属酸化物材料から成る電流分散層として、透明導電膜であるＩＴＯ膜８が積層され、その表面側に表面電極９が形成され、またｎ型ＧａＡｓ基板１の裏面側に裏面電極１０が形成されている。
【００５０】
上記ｐ型コンタクト層７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。
【００５１】
コンタクト層７は、活性層４で発光した光に対し吸収層か又は若干吸収層となるバンドギャップを有している為、膜厚が厚くなるにつれ、発光出力が低下する。コンタクト層７の膜厚と発光出力の減衰率との関係を示した図９から分かるように、コンタクト層７の膜厚の上限をおよそ３０ｎｍとすることが好ましく、より好ましくは２５ｎｍまでである。また、コンタクト層７の膜厚が１ｎｍ未満になってくると、今度はＩＴＯ膜８とコンタクト層７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８と接するコンタクト層７の膜厚を１ｎｍから３０ｎｍにすることが好ましい。
【００５２】
また、ＩＴＯ膜８と接するコンタクト層７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。具体的には、Ｚｎ（亜鉛）が添加されたコンタクト層７の場合、その結晶材料はＡｌ混晶比が０のＧａＡｓから０．４までの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８は基本的にｎ型の半導体材料に属し、また、ＬＥＤは一般的にｐサイドアップで作製される。この為、ＩＴＯ膜８を電流分散層に応用したＬＥＤは導電型が基板の側からｎ／ｐ／ｎ接合となってしまう。この為にＬＥＤではＩＴＯ膜８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７が必要となる。また、上記コンタクト層７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。
【００５３】
電流分散層であるＩＴＯ膜８は真空蒸着法、又はスパッタ法によって形成される。上記コンタクト層７の高キャリア化と連動して、コンタクト層７と接するＩＴＯ膜８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り、上述したコンタクト層７と同様の理由で、高ければ高いほどよく、成膜直後の状態で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。
【００５４】
電流分散層であるＩＴＯ膜８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。
ＬＥＤエピタキシャルウェハ上に形成されるＩＴＯ膜８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。したがって、ＩＴＯ膜８は形成方法やＩＴＯ膜質によって、厚くするほど透過率が悪くなり、発光出力が低下することがある。更に、電流分散層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ることがある。その為、ＬＥＤ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、上記の関係式に則った膜厚とすることが好ましい。上記の関係式において定数Ａは１又は３である方が良い。また、反射防止膜としての効果が小さくならないよう、ＩＴＯ膜８の膜厚は上記関係式より求まるｄの±３０％の範囲とするのがよい。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、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ｄの±３０％の範囲にある。ｄの±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素子の発光出力が低下してしまう。
【００５５】
上記無添加の緩衝層１１は、この発光ダイオードの特徴として、上記ｐ型コンタクト層７と上記ｐ型クラッド層５との間に、Ｖ族元素の主要成分がＰ（リン）であり、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族半導体で構成した緩衝層として形成される。
この無添加の緩衝層１１には、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、半導体基板に対し結晶が格子整合するIII／Ｖ族半導体を用いるとよい。Ｖ族元素の主成分がＰ（リン）であるIII／Ｖ族半導体の代表的なものとしては、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ＡｌＩｎＰ、ＡｌＧａＩｎＰ、ＧａＰなどがある。これにより初期の動作電圧も低く抑えることができる。
【００５６】
また、緩衝層１１のＣ濃度は低くしており、１×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以下であることが好ましい。緩衝層１１のＣ濃度を低くしているのは、コンタクト層７からのＺｎの拡散がＣ濃度により変わり、Ｃ濃度が高いとＺｎの拡散が多くなり、発光出力の低下が起こるからである。この無添加の緩衝層１１に、積極的にはドーパントを添加していないが、不可避的にＣ（炭素）が入ってしまった場合でも、そのＣ濃度は１×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以下に抑えられている。
【００５７】
また、当該無添加の緩衝層１１の膜厚は、ｐ型クラッド層５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抑制できる構造となっている。
【００５８】
緩衝層１１の膜厚が４００ｎｍ以上となる理由は、活性層４から表面電極９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。また、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７上に設けられたＩＴＯ膜８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１１を設けたとしても、前述したＩＴＯ膜８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５の膜厚は２００から６００ｎｍとなることから、緩衝層１１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。
【００５９】
また、本発明に記載する内容では、場合により、緩衝層１１とｐ型クラッド層５との組成が同一となり得るが、この場合も、活性層４の上端からコンタクト層７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。
【００６０】
この様に、緩衝層１１を無添加として、緩衝層１１中の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７からのＺｎの拡散を抑制することができる。また、無添加の緩衝層１１に、活性層４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、基板１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。
【００６１】
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（寿命特性の悪化又は信頼性の低下）を抑制可能な構造の半導体発光素子を得ることができる。
【００６２】
次に、以下の実施例１〜７及び比較例１、２により本発明を詳述する。
【実施例１】
【００６３】
緩衝層に無添加ＡｌＧａＩｎＰを用いた例である。
実施例１として、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。
【００６４】
ｎ型ＧａＡｓ基板１上に、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）、ｎ型（Ｓｉドープ）（Ａｌ0.7Ｇａ0.3）0.5Ｉｎ0.5Ｐクラッド層３（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４（膜厚６００ｎｍ）、ｐ型（Ｍｇドープ）（Ａｌ0.7Ｇａ0.3）0.5Ｉｎ0.5Ｐクラッド層５（膜厚４００ｎｍ、キャリア濃度１×１０18／ｃｍ3）、無添加の（Ａｌ0.7Ｇａ0.3）0.5Ｉｎ0.5Ｐ緩衝層１１（膜厚６００ｎｍ）、ｐ型（Ｚｎドープ）Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ａｓコンタクト層７（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。
【００６５】
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（Ａｌ0.7Ｇａ0.3）0.5Ｉｎ0.5Ｐ緩衝層１１（単に無添加の緩衝層１１または緩衝層１１ともいう）までを６５０℃とし、上記ｐ型（Ｚｎドープ）Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ａｓコンタクト層７（単にｐ型コンタクト層７）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。但し、無添加の緩衝層１１はＣ濃度を低減する目的でＶ／III比を２００とした。またｐ型コンタクト層７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III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。
【００６６】
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（Ｍｇドープ）（Ａｌ0.7Ｇａ0.3）0.5Ｉｎ0.5Ｐクラッド層５（単にｐ型クラッド層５ともいう）の様なｐ型層の導電型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７のみはジエチルジンク（ＤＥＺｎ）を用いた。
【００６７】
その他に、ｎ型（Ｓｉドープ）（Ａｌ0.7Ｇａ0.3）0.5Ｉｎ0.5Ｐクラッド層３（単にｎ型クラッド層３ともいう）の様なｎ型層の導電型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５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。
【００６８】
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７の表面側へ、真空蒸着法によって膜厚２７０ｎｍのＩＴＯ膜８を形成した。本構造では、このＩＴＯ膜８が電流分散層となる。
【００６９】
この時、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８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１８ｃｍ2／Ｖｓ、抵抗率２．９×１０-4Ω・ｃｍであった。
【００７０】
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９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９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１０を同じく真空蒸着法によって形成した。上記裏面電極１０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。
【００７１】
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９が中心にな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。
【００７２】
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１．０５ｍＷ、動作電圧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。
【００７３】
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所、試験前の状態との相対比較値は、出力１０２％（通電前発光出力が１００％である。以後相対出力と略す）、動作電圧＋０．００４Ｖ（約０．２％増）であった。また評価した結果では、製作した素子の全数で破壊されているものはなく、この時点での歩留まりは良好であった。
【００７４】
以上の様に、緩衝層１１に活性層４に対し透明なＡｓ系材料、例えば高Ａｌ混晶比のＡｌＧａＡｓを用いずに、Ｖ族元素にＰ系で構成されたＣ濃度の低い無添加のＡｌＧａＩｎＰ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た。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１に格子整合するＡｌＧａＩｎＰ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た。
【００７５】
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。その結果、通電試験後の本実施例１のＬＥＤ素子では、活性層４内にｐ型コンタクト層７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７から殆ど拡散していないことが確認された。つまり、本実施例１に示した通り、Ｃ濃度の低い無添加のＡｌＧａＩｎＰ緩衝層１１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。更に破壊することなく素子を製作でき、歩留まりも良好にすることができた。
【００７６】
ちなみに、ＡｌＧａＩｎＰ緩衝層１１の場合、下地の半導体層との格子不整合率の絶対値は０．３％以下である。ここで格子不整合率とは、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。
【実施例２】
【００７７】
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２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。
【００７８】
但し本実施例２では、上記ｐ型クラッド層５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１１を６００ｎｍ設け、更にその上に上記ｐ型クラッド層５と同じ層を２００ｎｍ設けた構造とした。つまりｐ型クラッド層５中に無添加の（Ａｌ0.7Ｇａ0.3）0.5Ｉｎ0.5Ｐ緩衝層１１を６００ｎｍ挿入した構造とした。
【００７９】
上記構造でのＬＥＤ特性は、発光出力１．０１ｍＷ、動作電圧１．８６Ｖ、相対出力９９％あった。このため優れた初期特性を有するＬＥＤ素子を得ることができた。また素子の破壊もなく、歩留まりは良好であった。
【実施例３】
【００８０】
緩衝層に無添加ＡｌＧａＩｎＰを用い、さらに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。但し本実施例３では、上記活性層４と上記ｐ型クラッド層５の間に膜厚７５ｎｍの（Ａｌ0.7Ｇａ0.3）0.5Ｉｎ0.5Ｐアンドープ層１２を設けた。
【００８１】
また実施例３の変形として、図４に示すように、上記ｎ型クラッド層３と活性層４の間に、膜厚７５ｎｍの（Ａｌ0.7Ｇａ0.3）0.5Ｉｎ0.5Ｐアンドープ層１３ａを設けた構造のＬＥＤと、図には示さないが、上記アンドープ層１３ａ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）を設けた構造のＬＥＤ、の計３種類のＬＥＤを製作した。
【００８２】
活性層に接したアンドープ層１２、１３ａ、及び低濃度層の膜厚は、あまり厚くしすぎると活性層へのキャリアの供給が悪くなり発光出力が低下し、またコストが高くなるため、１００ｎｍ以下が望ましい。
【００８３】
上記３種類の構造でのＬＥＤ特性は、発光出力１．００〜１．１５ｍＷ、動作電圧１．８５〜１．８６Ｖ、相対出力１０１〜１０５％あった。このため優れた初期特性を有するＬＥＤ素子を得ることができた。また素子の破壊もなく、歩留まりは良好であった。
【実施例４】
【００８４】
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５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。
【００８５】
但し、本実施例４では、ｐ型クラッド層５とＣ濃度の低い無添加の緩衝層１１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とを用いた点が異なる。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１１とを用いたＬＥＤも作製した。つまり２種類のＬＥＤを作製した。
【００８６】
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１．０６ｍＷ、動作電圧１．８４Ｖと、発光出力１．１１ｍＷ、動作電圧１．８５Ｖの優れた初期特性を有するＬＥＤ素子を得ることができた。
【００８７】
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１０１％と１０３％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。また素子の破壊もなく、歩留まりは良好であった。
【実施例５】
【００８８】
ＤＢＲ（分布ブラッグ反射鏡）を用いた例である。
実施例５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。
【００８９】
但し上記ｎ型バッファ層２とｎ型クラッド層３の間に、ＡｌＩｎＰ層とＡｌ0.4Ｇａ0.6Ａｓ層を各々３０層ずつ交互に設け、１５ペアのＤＢＲ（分布ブラッグ反射鏡）からなる光反射層１４を設けた点が異なる。上記光反射層１４の膜厚はλP／４ｎとした。また光反射層１４のキャリア濃度は約１×１０18／ｃｍ3とした。
【００９０】
光反射層１４のペア数であるが、１０ペアから３０ペアが望ましい。それは十分な反射率を有するためには１０ペア以上必要であり、３０ペア以上になると発光出力が飽和傾向になりあまり効果がなくなるからである。
【００９１】
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１．５６ｍＷ、動作電圧１．８５Ｖの優れた初期特性を有するＬＥＤ素子を得ることができた。
【００９２】
更に、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１０１％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。また素子の破壊もなく、歩留まりは良好であった。
【実施例６】
【００９３】
多重量子井戸（ＭＱＷ）活性層を用いた例である。
実施例６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。
【００９４】
但し、上記活性層４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、それらを１ペアとして４０．５ペアにした。
【００９５】
また実施例６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。つまり、２種類のＬＥＤを作製した。
【００９６】
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１．１２ｍＷ、動作電圧１．８４Ｖと、発光出力１．２１ｍＷ、動作電圧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。
【００９７】
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１０１％と１００％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。また素子の破壊もなく、歩留まりは良好であった。
【実施例７】
【００９８】
緩衝層にＧａＰを用いた例である。
実施例７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。
【００９９】
但し、無添加の緩衝層に換えて無添加のＧａＰ緩衝層１８を用いた点が異なる。またＧａＰ緩衝層１８の成長温度を６７０℃とし、Ｖ／III比を３０とした。
【０１００】
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１．１１ｍＷ、動作電圧１．９０Ｖ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。
【０１０１】
更に、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１０１％であり、またＬＥＤ初期特性評価前まででの素子の破壊もなく、歩留まりは良好であった。
【０１０２】
以上の様に、無添加のＧａＰ緩衝層１８を設けることによって、ＬＥＤ素子の初期動作電圧は若干上昇してしまったものの、その他方で出力、信頼性の面で優れ、尚且つ素子の破壊を抑制することが可能なＬＥＤ素子を得ることができた。動作電圧の上昇は、緩衝層に格子不整合系材料であり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。
【０１０３】
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、ＬＥＤ素子の発光波長を本発明の実施例と異なる波長帯域とした構造においても、同様に本発明の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、ｎ型ＧａＡｓ基板１とｎ型クラッド層３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。
【０１０５】
また、本発明における実施例において、表面電極９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よい。
【０１０６】
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。
【０１０７】
また、本発明における実施例ではｐ型クラッド層５と緩衝層１１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発明の意図する効果が得られることができる。
［比較例１］
【０１０８】
緩衝層にＡｌＧａＡｓを用いた例である。
比較例１として、図１０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。
【０１０９】
本比較例１では、上記ｐ型クラッド層５上に緩衝層としてｐ型（Ｍｇドープ）Ａｌ0.7Ｇａ0.3）Ａｓ緩衝層６（膜厚６００ｎｍ）を設けた点が異なる。実施例１の無添加の（Ａｌ0.7Ｇａ0.3）0.5Ｉｎ0.5Ｐ緩衝層１１を無くし、上記ｐ型ＡｌＧａＡｓ緩衝層６を６００ｎｍ設けた以外は全て実施例１と同じである。但し当該ｐ型ＡｌＧａＡｓ緩衝層６は、Ｖ／III比を１０とした。
【０１１０】
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。
【０１１１】
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０．９５ｍＷ、動作電圧１．８４Ｖという初期特性が得られた。評価した結果、製作した素子の全数で破壊されているものはなく、この時点での歩留まりは良好であった。
【０１１２】
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所、相対出力は５２％、動作電圧＋０．０６Ｖ（約３％増）となった。
【０１１３】
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。その結果、通電試験後の本比較例１のＬＥＤ素子では活性層内にまでｐ型コンタクト層７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よるものである。
［比較例２］
【０１１４】
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１１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。
【０１１５】
本比較例２では、ｐ型緩衝層を設けなかった点が異なる。ｐ型クラッド層５の膜厚は、４００ｎｍ程度あればキャリアの閉じ込め効果及びキャリア供給層として十分な膜厚である。即ちｐ型クラッド層５は４００ｎｍ程度の膜厚で、クラッド層としての役割を十分に果たす。つまりＡｌＧａＡｓ緩衝層６が無いだけで、その他は全て上記した比較例１と同じである。
【０１１６】
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比較例１と同じである。
【０１１７】
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０．９０ｍＷ、動作電圧１．８４Ｖという初期特性が得られた。
【０１１８】
しかしながら初期特性を評価している段階で、発光しない等、破壊されている素子が約２０〜３０％存在した。このため破壊されていない素子では、上記した特性を得られたが、この段階での歩留まりは悪かった。これは、素子評価前のワイヤボンディング工程による素子破壊であると予想される。破壊されていない素子で、上記比較例１と同じ条件で通電試験を行った所、相対出力は７９％、動作電圧＋０．００８Ｖ（約０．４％増）であった。
【０１１９】
以上の様に、緩衝層を設けない構造では、歩留まりが悪く、又発光出力及び信頼性も悪い。つまり比較例１よりも相対出力がやや良くなる程度の効果しか得られず、逆に歩留まりは低下してしまった。
【図面の簡単な説明】
【０１２０】
【図１】本発明の実施形態、及び実施例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２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３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の変形例にかかるＡｌＧａＩｎＰ系赤色ＬＥＤの断面構造図である。
【図５】本発明の実施例４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５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６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７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】比較例１にかかるＡｌＧａＩｎＰ系赤色ＬＥＤの断面構造図である。
【図１１】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】
【０１２１】
１  ｎ型ＧａＡｓ基板
２  ｎ型ＧａＡｓバッファ層
３  ｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層（ｎ型クラッド層）
４  アンドープＡｌＧａＩｎＰ活性層（活性層）
５  ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層（ｐ型クラッド層）
６  ｐ型緩衝層
７  ｐ型ＡｌＧａＡｓコンタクト層（ｐ型コンタクト層）
８  ＩＴＯ膜
９  表面電極
１０  裏面電極
１１  無添加のＡｌＧａＩｎＰ緩衝層
１２  アンドープ層（拡散防止層）
１３ａ  アンドープ層
１４  光反射層
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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