(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
導電性を有する基板上に、少なくともＡｌＧａＩｎＰ系化合物半導体からなるｎ型クラッド層と、該ｎ型クラッド層よりバンドギャップエネルギーが小さい組成のＡｌＧａＩｎＰ系化合物半導体からなるアンドープ（Ａｌ0.1Ｇａ0.9）0.5Ｉｎ0.5Ｐ活性層と、該活性層よりバンドギャップエネルギーが大きい組成のｐ型ＡｌＧａＩｎＰ系化合物半導体からなるｐ型（Ａｌ0.7Ｇａ0.3）0.5Ｉｎ0.5Ｐクラッド層と、ＧａＰからなるｐ型ＧａＰウィンドウ層とを積層したＡｌＧａＩｎＰ系発光素子用エピタキシャルウェハにおいて、上記ｐ型クラッド層と上記ｐ型ウィンドウ層との間に、バンドギャップエネルギーが上記活性層よりも大きく、上記ｐ型クラッド層よりも小さい材料からなるｐ型（Ａｌ0.1Ｇａ0.9）0.5Ｉｎ0.5Ｐ介在層が設けられていることを特徴とするＡｌＧａＩｎＰ系発光素子用エピタキシャルウェハ。
【請求項２】
上記ｐ型（Ａｌ0.1Ｇａ0.9）0.5Ｉｎ0.5Ｐ介在層のキャリア濃度が５×１０17ｃｍ-3以上５×１０18ｃｍ-3以下である請求項１に記載のＡｌＧａＩｎＰ系発光素子用エピタキシャルウェハ。
【請求項３】
導電性を有する基板上に、少なくともＡｌＧａＩｎＰ系化合物半導体からなるｎ型クラッド層と、該ｎ型クラッド層よりバンドギャップエネルギーが小さい組成のＡｌＧａＩｎＰ系化合物半導体からなるアンドープ（Ａｌ0.1Ｇａ0.9）0.5Ｉｎ0.5Ｐ活性層と、該活性層よりバンドギャップエネルギーが大きい組成のｐ型ＡｌＧａＩｎＰ系化合物半導体からなるｐ型（Ａｌ0.7Ｇａ0.3）0.5Ｉｎ0.5Ｐクラッド層と、ＧａＰからなるｐ型ＧａＰウィンドウ層とを積層した積層体に電極を設けた発光素子において、上記ｐ型クラッド層と上記ｐ型ウィンドウ層との間に、バンドギャップエネルギーが上記活性層よりも大きく、上記ｐ型クラッド層よりも小さい材料からなるｐ型（Ａｌ0.1Ｇａ0.9）0.5Ｉｎ0.5Ｐ介在層が設けられていることを特徴とする発光素子。
【請求項４】
上記ｐ型（Ａｌ0.1Ｇａ0.9）0.5Ｉｎ0.5Ｐ介在層のキャリア濃度が５×１０17ｃｍ-3以上５×１０18ｃｍ-3以下である請求項３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】
本発明は、ＡｌＧａＩｎＰ系発光素子（波長としては６５０ｎｍ（赤色）から５５０ｎｍ（黄緑）の領域）用エピタキシャルウェハ及び発光素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
最近、ＡｌＧａＩｎＰ系エピタキシャルウェハを用いて製造する発光素子としての高輝度の赤色及び黄色発光ダイオードの需要が大幅に伸びている。主な需要は、交通信号、自動車のテールランプ、フォグランプ、屋外表示板、フルカラーディスプレイ等である。
【０００３】
図３は発光波長５９０ｎｍのＡｌＧａＩｎＰ系発光ダイオード用エピタキシャルウェハの構造図である。
【０００４】
同図に示すエピタキシャルウェハは、ｎ型ＧａＡｓ基板１の上に、ｎ型ＧａＡｓバッファ層２、ｎ型（Ａｌ0.7Ｇａ0.3）0.5Ｉｎ0.5Ｐクラッド層３、アンドープ（Ａｌ0.1Ｇａ0.9）0.5Ｉｎ0.5Ｐ活性層４、ｐ型（Ａｌ0.7Ｇａ0.3）0.5Ｉｎ0.5Ｐ層５及びｐ型ＧａＰウィンドウ層６を順次エピタキシャル成長させたものである。
【０００５】
全てのエピタキシャル層２〜６は有機金属気相成長法（以下「ＭＯＶＰＥ」という。）によって成長させたものである。発光ダイオードのウィンドウ層としては、ＡｌＧａＡｓ層（Ａｌ組成０．６以上）が用いられることもあるが、光の取り出し効率及び劣化しやすさの観点で考えると、バンドギャップが大きく、酸化され難いＧａＰ層の方がウィンドウ層として適している。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ＧａＰウィンドウ層には以下のような問題がある。
【０００７】
図４は図３に示したＡｌＧａＩｎＰ系発光ダイオード用エピタキシャルウェハのｐ型ＧａＰウィンドウ層６とｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層５のヘテロ界面付近のバンド構造の説明図である。なお、図中矢印Ａは順方向電圧を印加したときの正孔の移動方向を示している。
【０００８】
ｐ型ＧａＰウィンドウ層６とｐ型（Ａｌ0.7Ｇａ0.3）0.5Ｉｎ0.5Ｐクラッド層５とでは、電子親和力の差（バンド不連続）に起因して、ヘテロ界面に大きな電位障壁（破線円Ｂ内の電位障壁が正孔の移動の妨げとなる）が発生する。この電位障壁は、発光ダイオード通電時に、ｐ型ＧａＰウィンドウ層６からｐ型（Ａｌ0.7Ｇａ0.3）0.5Ｉｎ0.5Ｐクラッド層５への正孔の移動を妨げる要因になる。その結果、発光ダイオードの順方向電圧（動作電圧：２０ｍＡ通電時の電圧）が高くなってしまう。一般に順方向電圧が高い発光ダイオードは信頼性が低い。ｐ型ＧａＰウィンドウ層６を用いた発光ダイオードにおいては、順方向電圧を低減させることが大きな課題である。
【０００９】
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、順方向電圧の低い発光素子が得られるＡｌＧａＩｎＰ系発光素子用エピタキシャルウェハ及び発光素子を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明のＡｌＧａＩｎＰ系発光素子用エピタキシャルウェハは、導電性を有する基板上に、少なくともＡｌＧａＩｎＰ系化合物半導体からなるｎ型クラッド層と、ｎ型クラッド層よりバンドギャップエネルギーが小さい組成のＡｌＧａＩｎＰ系化合物半導体からなるアンドープ（Ａｌ0.1Ｇａ0.9）0.5Ｉｎ0.5Ｐ活性層と、活性層よりバンドギャップエネルギーが大きい組成のｐ型ＡｌＧａＩｎＰ系化合物半導体からなるｐ型（Ａｌ0.7Ｇａ0.3）0.5Ｉｎ0.5Ｐクラッド層と、ＧａＰからなるｐ型ＧａＰウィンドウ層とを積層したＡｌＧａＩｎＰ系発光素子用エピタキシャルウェハにおいて、ｐ型クラッド層とｐ型ウィンドウ層との間に、バンドギャップエネルギーが活性層よりも大きく、ｐ型クラッド層よりも小さい材料からなるｐ型（Ａｌ0.1Ｇａ0.9）0.5Ｉｎ0.5Ｐ介在層が設けられているものである。
【００１１】
上記構成に加え本発明のＡｌＧａＩｎＰ系発光素子用エピタキシャルウェハは、ｐ型（Ａｌ0.1Ｇａ0.9）0.5Ｉｎ0.5Ｐ介在層のキャリア濃度が５×１０17ｃｍ-3以上５×１０18ｃｍ-3以下であるのが好ましい。
【００１２】
本発明の発光素子は、導電性を有する基板上に、少なくともＡｌＧａＩｎＰ系化合物半導体からなるｎ型クラッド層と、ｎ型クラッド層よりバンドギャップエネルギーが小さい組成のＡｌＧａＩｎＰ系化合物半導体からなるアンドープ（Ａｌ0.1Ｇａ0.9）0.5Ｉｎ0.5Ｐ活性層と、活性層よりバンドギャップエネルギーが大きい組成のｐ型ＡｌＧａＩｎＰ系化合物半導体からなるｐ型（Ａｌ0.7Ｇａ0.3）0.5Ｉｎ0.5Ｐクラッド層と、ＧａＰからなるｐ型ＧａＰウィンドウ層とを積層した積層体に電極を設けた発光素子において、ｐ型クラッド層とｐ型ウィンドウ層との間に、バンドギャップエネルギーが活性層よりも大きく、ｐ型クラッド層よりも小さい材料からなるｐ型（Ａｌ0.1Ｇａ0.9）0.5Ｉｎ0.5Ｐ介在層が設けられているものである。
【００１３】
上記構成に加え本発明の発光素子は、ｐ型（Ａｌ0.1Ｇａ0.9）0.5Ｉｎ0.5Ｐ介在層のキャリア濃度が５×１０17ｃｍ-3以上５×１０18ｃｍ-3以下であるのが好ましい。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明のＡｌＧａＩｎＰ系発光素子用エピタキシャルウェハ及び発光素子の一実施の形態を説明する。なお、図３に示した従来例と同様の部材については同様の符号を用いた。
【００１５】
本発明のＡｌＧａＩｎＰ系発光素子用エピタキシャルウェハの特徴は、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層５とｐ型ＧａＰウィンドウ層６との間に、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰ層よりもバンドギャップの小さい介在層を設けた点にある。
【００１６】
【実施例】
図１は本発明のＡｌＧａＩｎＰ系発光素子用エピタキシャルウェハの一実施例を示す構造図である。本実施例では発光波長６２５ｎｍ付近の赤色発光ダイオード用エピタキシャルウェハの場合で説明する。
【００１７】
図１に示すＡｌＧａＩｎＰ系発光素子用エピタキシャルウェハは、ｎ型ＧａＡｓ基板１上に、ＭＯＶＰＥ法で、ｎ型（Ｓｅドープ）ＧａＡｓバッファ層２、ｎ型（Ｓｅドープ）（Ａｌ0.7Ｇａ0.3）0.5Ｉｎ0.5Ｐクラッド層３、アンドープ（Ａｌ0.1Ｇａ0.9）0.5Ｉｎ0.5Ｐ活性層（以下「活性層」という。）４、ｐ型（Ｚｎドープ）（Ａｌ0.7Ｇａ0.3）0.5Ｉｎ0.5Ｐクラッド層（以下「ｐ型クラッド層」という。）５を順次成長させ、このｐ型クラッド層５の上に、本発明の主要部である介在層としてのｐ型（Ａｌ0.1Ｇａ0.9）0.5Ｉｎ0.5Ｐ層（以下「順方向電圧低減層」という。）７をＭＯＶＰＥ法により１００ｎｍ成長させ、ｐ型（Ｚｎドープ）ＧａＰウィンドウ層６を１０μｍ成長させたエピタキシャル層２〜７からなるものである。なお比較例として、順方向電圧低減層を形成せずｐ型（Ｚｎドープ）ＧａＰを１０μｍ成長させたものを作製した。
【００１８】
全てのエピタキシャル層２〜７の成長は、成長温度７００℃、成長圧力５０Ｔｏｒｒ、各エピタキシャル層２〜７の成長速度は０．３〜３．０ｎｍ／ｓ、Ｖ／III 比は１００〜６００で行った。その後、エピタキシャルウェハを加工して、発光ダイオードを作製した。
【００１９】
発光ダイオードのチップの大きさは、３００μｍ角で、チップ下面全体にｎ型電極を形成し、チップ上面に直径１５０μｍの円形のｐ型電極を形成した。ｎ型電極は、金ゲルマニウム、ニッケル、金をそれぞれ６０ｎｍ、１０ｎｍ、５００ｎｍの順に蒸着し、ｐ型電極は、金亜鉛、ニッケル、金をそれぞれ６０ｎｍ、１０ｎｍ、１０００ｎｍの順に蒸着した。さらに、このチップをステム組して、樹脂モールドまで行い、発光ダイオードの発光特性、電圧−電流特性を調べた。
【００２０】
図２は本発明の発光素子の発光特性図であり、横軸が順方向電圧を示し、縦軸が順方向電流を示す。
【００２１】
同図において実線が本発明の発光素子（（Ａｌ0.1Ｇａ0.9）0.5Ｉｎ0.5Ｐからなる順方向電圧低減層７を設けたもの）の発光特性を示し、破線が従来の発光素子の発光特性を示している。
【００２２】
本発明のＡｌＧａＩｎＰ系発光素子用エピタキシャルウェハを用いた発光ダイオードの順方向電圧は、従来の発光ダイオードの順方向電圧２．４０Ｖに対して１．８０Ｖと大きく低減することができた。
【００２３】
発光ダイオードの順方向電圧の最低値は活性層４のバンドギャップで決まるものであり、この順方向電圧１．８０Ｖという値は、本発明のＡｌＧａＩｎＰ系発光素子用エピタキシャルウェハの活性層４のバンドギャップでの最低値に近い値である（つまりＡｌＧａＡｓウィンドウ層を用いた場合の順方向電圧と略等しい。）。順方向電圧低減層７を設けることで、従来の発光素子に対して輝度が低下することはなかった。
【００２４】
（最適条件についての根拠）
バンドギャップが活性層４よりも小さい順方向電圧低減層７を設けると、活性層４からの光が順方向電圧低減層７により吸収され、ＬＥＤの光取り出し効率が極端に悪くなってしまう。したがって、順方向電圧低減層７のバンドギャップは、ｐ型クラッド層５よりもバンドギャップが小さく、かつ、活性層４よりも大きいことが好ましい。
【００２５】
順方向電圧低減層７の導電型は、ｐ型クラッド層５及びｐ型ＧａＰウィンドウ層と同じｐ型であることが好ましく、そのキャリア濃度は５×１０17ｃｍ-3以上５×１０18ｃｍ-3以下であることが好ましい。順方向電圧低減層７のキャリア濃度が５×１０17ｃｍ-3以下になると、順方向電圧低減層７の抵抗率が高くなって、順方向電圧が高くなってしまう。またキャリア濃度が５×１０18ｃｍ-3以上になると、結晶中の欠陥が増加し、発光効率の低下が見られるようになってしまう。
【００２６】
順方向電圧低減層７は、下地となるｐ型クラッド層５と格子整合していることが好ましい。格子整合していないと、エピタキシャル層に欠陥が発生し、発光効率の低下や、ｐ型ＧａＰウィンドウ層６の表面の曇りといった問題が発生する。
【００２７】
なお、本実施例ではｎ型導電性を有する基板を用いたエピタキシャルウェハ及び発光素子の場合で説明したが、これに限定されずｐ型ＧａＡｓ基板を用いたエピタキシャルウェハ及び発光素子でも同様の効果が得られる。
【００２８】
【発明の効果】
以上要するに本発明によれば、次のような優れた効果を発揮する。
【００２９】
順方向電圧の低い発光素子が得られるＡｌＧａＩｎＰ系発光素子用エピタキシャルウェハ及び発光素子の提供を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明のＡｌＧａＩｎＰ系発光素子用エピタキシャルウェハの一実施例を示す構造図である。
【図２】  本発明の発光素子の発光特性図である。
【図３】  発光波長５９０ｎｍのＡｌＧａＩｎＰ系発光ダイオード用エピタキシャルウェハの構造図である。
【図４】  図３に示したＡｌＧａＩｎＰ系発光ダイオード用エピタキシャルウェハのｐ型ＧａＰウィンドウ層とｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層のヘテロ界面付近のバンド構造の説明図である。
【符号の説明】
１  基板（ｎ型ＧａＡｓ基板）
２  ｎ型ＧａＡｓバッファ層
３  ｎ型（Ａｌ0.7Ｇａ0.3）0.5Ｉｎ0.5Ｐクラッド層
４  アンドープ（Ａｌ0.1Ｇａ0.9）0.5Ｉｎ0.5Ｐ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ＧａＰウィンドウ層
７  介在層（順方向電圧低減層）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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