(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＧａＡｓからなる半導体基板と、該半導体基板の上に設けられ、Ｉｎ0.49（ＧａyＡｌ1-y）0.51Ｐ（０.０５≦ｙ≦０.５）からなり、０.１〜１.５μｍ厚のｎ形クラッド層、Ｉｎ0.49（ＧａzＡｌ1-z）0.51Ｐ（０.５≦ｚ≦１.０）からなり、０.１〜１.５μｍ厚の活性層、およびＩｎ0.49（ＧａyＡｌ1-y）0.51Ｐ（０.０５≦ｙ≦０.５）からなり、０.１〜１.５μｍ厚のｐ形クラッド層が順次成長されて形成される発光層形成部と、該発光層形成部上に設けられ、ＡｌvＧａ1-vＡｓ（０.５≦ｖ≦０.８）からなり、１〜１２μｍ厚のウインドウ層とからなり、電流狭窄層を有しないで、チップの全面で発光させる発光ダイオードであって、前記ｎ形クラッド層のキャリア濃度が２×１０18〜２.５×１０18ｃｍ-3で、かつ、ｎ形ドーパントの活性化率が２５％以上であり、ｐ形クラッド層のキャリア濃度が５×１０16〜２×１０18ｃｍ-3であるようにすることにより、通電による輝度の時間変化を抑制する半導体発光素子。
【請求項２】
ＧａＡｓからなる半導体基板上にＩｎＧａＡｌＰ系化合物半導体からなり活性層を該活性層よりバンドギャップの大きいｎ形クラッド層およびｐ形クラッド層により挟持する発光層形成部をＭＯＣＶＤ法により成長し、電流狭窄層を有しないで、チップの全面で発光させる半導体発光素子の製法であって、前記半導体基板上に、Ｉｎ0.49（ＧａyＡｌ1-y）0.51Ｐ（０.０５≦ｙ≦０.５）からなるｎ形クラッド層を０.１〜１.５μｍの厚さに、Ｉｎ0.49（ＧａzＡｌ1-z）0.51Ｐ（０.５≦ｚ≦１.０）からなる活性層を０.１〜１.５μｍの厚さに、Ｉｎ0.49（ＧａyＡｌ1-y）0.51Ｐ（０.０５≦ｙ≦０.５）からなるｐ形クラッド層を０.１〜１.５μｍの厚さに順次成長することにより発光層形成部を形成し、該発光層形成部上にＡｌvＧａ1-vＡｓ（０.５≦ｖ≦０.８）からなるウインドウ層を１〜１２μｍの厚さに形成し、前記ｎ形クラッド層の成長を、前記半導体基板の温度を放射温度計により測定しながら、所定温度の±５℃以内の温度範囲にコントロールすることにより、キャリア濃度が２×１０18〜２.５×１０18ｃｍ-3に、かつ、活性化率が２５％以上になるように、ドーパントの供給量および成長温度を設定して行い、前記ｐ形クラッド層の成長をキャリア濃度が５×１０16〜２×１０18ｃｍ-3になるように形成することにより、通電による輝度の時間変化を抑制することを特徴とする半導体発光素子の製法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、活性層をｎ形クラッド層とｐ形クラッド層とで挟持するダブルヘテロ構造を有する半導体発光素子において通電による時間経過によっても輝度などの特性変化を小さく制御し得る半導体発光素子およびその製法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の赤色系の半導体発光素子は、たとえばｎ形のＩｎＧａＡｌＰ系の半導体材料からなるｎ形クラッド層、クラッド層よりバンドギャップエネルギーが小さくなる組成のＩｎＧａＡｌＰ系の半導体材料からなる活性層、ｐ形のＩｎＧａＡｌＰ系の半導体材料からなるｐ形クラッド層がそれぞれエピタキシャル成長され、ダブルヘテロ構造の発光層形成部が形成されている。
【０００３】
さらにその表面にＡｌＧａＡｓ系化合物半導体（たとえばＡｌの混晶比率０.７）からなるｐ形のウインドウ層（電流拡散層）が設けられ、その上にウインドウ層よりＡｌの混晶比率の小さいＡｌＧａＡｓ系化合物半導体（たとえばＡｌの混晶比率０.５）からなる保護層が設けられている。そして、その表面の中央部にＧａＡｓからなるコンタクト層を介してｐ側電極および半導体基板の裏面にｎ側電極が形成されている。
【０００４】
この種の半導体発光素子は、通電による時間経過によって輝度変化などの特性変化が大きいと、使用上好ましくないため、８５℃程度の高温通電、−４５℃程度の低温通電、８５℃、湿度８５％程度の高温高湿通電をそれぞれ５００時間程度行う信頼性試験が行われている。そして、この信頼性試験で、輝度変化などの特性が一定の範囲に入ることが要求されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
前述のように、通電による時間経過により、輝度変化など特性のバラツキが大きい場合がある。しかも、その輝度変化は、時間と共に輝度が増加したり減少するという、一定方向ではなく、上昇するものもあれば、下降するものもあるというバラツキが生じている。
【０００６】
本発明は、このような状況に鑑みてなされたもので、活性層をクラッド層で挟持するダブルヘテロ構造の半導体発光素子で、通電による時間経過によっても輝度変化などの特性変化を小さくすることができる半導体発光素子およびその製法を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、ＩｎＧａＡｌＰ系化合物半導体を用いた半導体発光素子において、通電による時間経過によって、輝度が増加したり、減少したりするという特性変動が生じる現象をできるだけ小さくするため鋭意検討を重ねた結果、通電による輝度などの特性変化が半導体発光素子のｎ形クラッド層のキャリア濃度と非常に密接な相関関係があることを見出した。さらに鋭意検討を重ねた結果、同じキャリア濃度でも、活性化率が小さすぎると、特性変動が生じやすいことを見出した。そして、このキャリア濃度や活性化率を狭い範囲に制御することにより、通電による時間変化によっても輝度変化などの特性変動が生じにくいことを見出した。ここに活性化率とは、たとえば半導体層にｎ形ドーパントとして取り込まれた原子数に対するキャリアとして有効な原子数の割合を意味する。
【０００８】
すなわち、従来はｎ形クラッド層のキャリア濃度はできるだけ大きい方が、半導体層における直列抵抗が小さくなり、発光効率に寄与すると考えられ、ｎ形クラッド層のキャリア濃度は大きいほど好ましく、また、ＩｎＧａＡｌＰ系化合物半導体を用いた場合、キャリア濃度が２×１０17ｃｍ-3程度以上であれば問題がないと考えられ、ｎ形クラッド層のキャリア濃度を狭い範囲に限定するという発想は全然なかった。また、活性化率については、特性との関係では殆ど注目されていなかった。しかし、前述のように、本発明者らが鋭意検討を重ねた結果、製造時点でのｎ形クラッド層のキャリア濃度が高すぎると信頼性試験により輝度が増加し、ｎ形クラッド層のキャリア濃度が低いと信頼性試験により輝度が減少し、かつ、その活性化率があまり小さすぎると信頼性試験により輝度が増加し、ｎ形クラッド層のキャリア濃度およびその活性化率が経時変化に非常に大きく影響することを本発明者らは見出した。
【０００９】
本発明による半導体発光素子は、ＧａＡｓからなる半導体基板と、該半導体基板の上に設けられ、Ｉｎ0.49（ＧａyＡｌ1-y）0.51Ｐ（０.０５≦ｙ≦０.５）からなり、０.１〜１.５μｍ厚のｎ形クラッド層、Ｉｎ0.49（ＧａzＡｌ1-z）0.51Ｐ（０.５≦ｚ≦１.０）からなり、０.１〜１.５μｍ厚の活性層、およびＩｎ0.49（ＧａyＡｌ1-y）0.51Ｐ（０.０５≦ｙ≦０.５）からなり、０.１〜１.５μｍ厚のｐ形クラッド層が順次成長されて形成される発光層形成部と、該発光層形成部上に設けられ、ＡｌvＧａ1-vＡｓ（０.５≦ｖ≦０.８）からなり、１〜１２μｍ厚のウインドウ層とからなり、電流狭窄層を有しないで、チップの全面で発光させる発光ダイオードであって、前記ｎ形クラッド層のキャリア濃度が２×１０18〜２.５×１０18ｃｍ-3で、かつ、ｎ形ドーパントの活性化率が２５％以上であり、ｐ形クラッド層のキャリア濃度が５×１０16〜２×１０18ｃｍ-3であるようにすることにより、通電による輝度の時間変化を抑制するように形成されている。
【００１０】
この構造にすることにより、ｎ形クラッド層のキャリア濃度と活性化率が厳密に制御されているため、通電による時間変化によっても輝度変化などの特性変化を非常に小さく抑えることができる。その結果、半導体発光素子の信頼性を非常に向上させることができる。
【００１１】
本発明による半導体発光素子の製法は、ＧａＡｓからなる半導体基板上にＩｎＧａＡｌＰ系化合物半導体からなり活性層を該活性層よりバンドギャップの大きいｎ形クラッド層およびｐ形クラッド層により挟持する発光層形成部をＭＯＣＶＤ法により成長し、電流狭窄層を有しないで、チップの全面で発光させる半導体発光素子の製法であって、前記半導体基板上に、Ｉｎ0.49（ＧａyＡｌ1-y）0.51Ｐ（０.０５≦ｙ≦０.５）からなるｎ形クラッド層を０.１〜１.５μｍの厚さに、Ｉｎ0.49（ＧａzＡｌ1-z）0.51Ｐ（０.５≦ｚ≦１.０）からなる活性層を０.１〜１.５μｍの厚さに、Ｉｎ0.49（ＧａyＡｌ1-y）0.51Ｐ（０.０５≦ｙ≦０.５）からなるｐ形クラッド層を０.１〜１.５μｍの厚さに順次成長することにより発光層形成部を形成し、該発光層形成部上にＡｌvＧａ1-vＡｓ（０.５≦ｖ≦０.８）からなるウインドウ層を１〜１２μｍの厚さに形成し、前記ｎ形クラッド層の成長を、前記半導体基板の温度を放射温度計により測定しながら、所定温度の±５℃以内の温度範囲にコントロールすることにより、キャリア濃度が２×１０18〜２.５×１０18ｃｍ-3に、かつ、活性化率が２５％以上になるように、ドーパントの供給量および成長温度を設定して行い、前記ｐ形クラッド層の成長をキャリア濃度が５×１０16〜２×１０18ｃｍ-3になるように形成することにより、通電による輝度の時間変化を抑制することを特徴としている。ここに所定温度とは、導入するドーパントガスの流量、ＭＯＣＶＤ装置などにより定まり、２.２５×１０18ｃｍ-3にするのに最適な温度を指す。すなわち、所望のキャリア濃度にする最適温度も装置および成長条件などにより変り得るが、成長中の半導体基板の温度を、最適な温度から±５℃以内の範囲に制御することに特徴がある。
【００１３】
【発明の実施の形態】
つぎに、本発明による半導体発光素子およびその製法について、図１を参照しながら説明をする。本発明による半導体発光素子は、半導体基板１の上にＩｎＧａＡｌＰ系化合物半導体からなる発光層形成部１１が設けられ、さらにその発光層形成部１１上にウインドウ層６が設けられ、その表面に保護層１０が設けられており、ｎ形クラッド層３のキャリア濃度が２×１０18〜２.５×１０18ｃｍ-3の範囲に、かつ、ｎ形ドーパントの活性化率が２５％以上に制御されている。
【００１４】
発光層形成部１１は、たとえばＩｎ0.49（ＧａyＡｌ1-y）0.51Ｐ（０.０５≦ｙ≦０.５、たとえばｙ＝０.３３）からなり、キャリア濃度が２×１０18〜２.５×１０18ｃｍ-3、かつ、活性化率２５％以上に制御されたｎ形クラッド層３が０.１〜１.５μｍ程度、たとえば５７０ｎｍ程度の発光波長とするＩｎ0.49（ＧａzＡｌ1-z）0.51Ｐ（０.５≦ｚ≦１.０、たとえばｚ＝０.７）からなる活性層４が０.１〜１.５μｍ程度、たとえばＩｎ0.49（ＧａyＡｌ1-y）0.51Ｐ（０.０５≦ｙ≦０.５、たとえばｙ＝０.３３）からなり、キャリア濃度が５×１０16〜２×１０18ｃｍ-3にされたｐ形クラッド層５が０.１〜１.５μｍ程度それぞれ成長されて形成されている。なお、発光層形成部を構成する半導体層は、ＩｎＧａＡｌＰ系化合物半導体に限らず、ＡｌＧａＡｓ系化合物半導体など、他の発光色の半導体層を用いることができる。
【００１５】
この発光層形成部１１の表面に、ＡｌvＧａ1-vＡｓ（０.５≦ｖ≦０.８）からなり、キャリア濃度が１×１０18〜１×１０20ｃｍ-3にされたウインドウ層６が１〜１２μｍ程度設けられている。また、ウインドウ層６の表面には、ＡｌtＧａ1-tＡｓ（０.３≦ｔ≦０.６）からなる保護層１０が０.１〜１μｍ程度設けられ、その上にｐ側電極８の下側のみにＧａＡｓなどからなるコンタクト層７が設けられ、これらにより半導体積層部１２が形成されている。なお保護層１０の半導体材料としては、ＡｌuＩｎ1-uＰ（０.３５≦ｕ≦０.５１）であればＡｌ混晶比率を落としてもバンドギャップエネルギーを大きくすることが可能となり、表面酸化を抑制しながら、光を損失させることなく取り出せるため、発光輝度の低下を抑えられる点で、より好ましい。
【００１６】
ｐ側電極８は、たとえばＡｕ-Ｂｅ／Ｎｉ／Ｍｏ／Ａｕなどを全面に設けた後にパターニングすることにより形成されてもよいし、電極が設けられる部分以外にマスクを設けて、全面に電極材料を被膜してからマスクを除去するリフトオフ法により形成されてもよい。また、ＧａＡｓからなる半導体基板１の裏面には、全面にＡｕ-Ｇｅ／Ｎｉ／Ａｕなどがたとえば０.３μｍ程度の厚さに設けられ、ｎ側電極９が形成されている。
【００１７】
つぎに、ｎ形クラッド層のキャリア濃度を２×１０18〜２.５×１０18ｃｍ-3の範囲に、かつ、ｎ形ドーパントの活性化率を２５％以上にする理由について説明する。前述のように、本発明者らは、通電試験などによる特性の経時変化を小さくするため鋭意検討を重ねた結果、特性の経時変化がｎ形クラッド層のキャリア濃度と非常に密接な関係にあることを見出した。すなわち、図１に示される構造の半導体発光素子を、ｎ形クラッド層のキャリア濃度を種々変化させ、他の部分の構造は同じ条件で製造し、通電による時間変化に対応した加速試験、すなわち動作電流を２倍の２０ｍＡで１２時間動作させた後の輝度変化を調べた結果、図２に示されるように、ｎ形クラッド層のキャリア濃度の対数をとったものとほぼ比例関係にあることを見出した。
【００１８】
この動作電流を２倍にする加速試験は、前述の高温通電や低温通電などの信頼性試験を５００時間行うのに代えて、短時間で確認するために用いたもので、信頼性試験の５００時間後における輝度変化の許容量（±３０％）と対応する加速試験の輝度変化の許容量は、＋２０％と−３％で、ほぼ１：１の関係で対応することが確認されている。また、キャリア濃度の変化は、ｎ形クラッド層を成長する際に、常に一定の成長温度（７５５℃）で、ｎ形ドーパントのＳｉの原料ガスであるモノシランＳｉＨ4の流量を大きくすることにより、キャリア濃度を大きくし、ｎ形ドーパントのＳｉの原料ガスであるモノシランＳｉＨ4の流量を小さくすることによりキャリア濃度を小さくした。なお、キャリア濃度は、ＣＶ測定およびホール測定により測定した。
【００１９】
キャリア濃度が大きすぎると、初期発光効率が低く、通電することで素子の内部変化を生じ、発光効率が向上することにより、このような変化が起こると考えられ、キャリア濃度が小さいと輝度が低下するのは、初期発光効率は、高いが通電することで発光効率が低下したためと考えられる。
【００２０】
したがって、図２からは、ｎ形クラッド層のキャリア濃度が２×１０18〜２.５×１０18ｃｍ-3の範囲に入るように製造すれば、殆ど信頼性試験の特性変動を満たすことが判明した。そして、この条件を満たすには、ｎ形クラッド層の成長時のドーパントガスを適切な一定量とし、成長時の温度を厳密に制御し、±５℃の範囲内で制御することにより、キャリア濃度を厳密に制御することができることを見出した。
【００２１】
すなわち、図７にキャリア濃度が２×１０18〜２.５×１０18ｃｍ-3の範囲になるときの成長温度の関係が示されるように、キャリア濃度と成長温度がほぼ比例関係にあり、成長温度の絶対値は、ＭＯＣＶＤ装置、計測器、計測方法などにより異なるため、その絶対値には余り意義はないが、この例では、キャリア濃度を２.２５×１０18ｃｍ-3にするのに最適な温度である７５５℃を中心として±５℃の７５０〜７６０℃の範囲に制御することで、キャリア濃度を正確に２×１０18〜２.５×１０18ｃｍ-3の範囲に収めることができ、信頼性試験の結果も所定の範囲内に収めることができた。なお、この場合のドーパントガスＳｉＨ4の流量は、５ｓｃｃｍで一定とした。
【００２２】
さらに、本発明者らは、鋭意検討を重ねた結果、特性の変化が成長温度にも密接な関係を有することも見出した。すなわち、ｎ形クラッド層３を７００℃で成長させてキャリア濃度を種々変化させると、図３に示されるように、ｎ形クラッド層のキャリア濃度と輝度変化との関係が図２に示されるものと異なることとなった。これは、同じキャリア濃度でも成長条件によって通電による輝度の変化割合が異なり、前述のキャリア濃度でも、必ずしも満足な結果が得られないことを意味している。
【００２３】
そこでｎ形クラッド層のキャリア濃度を調べると共に、その半導体層に取り込まれているドーパント（不純物）原子であるＳｉの取り込まれた不純物濃度を、ＳＩＭＳによる分析（二次イオン質量分析）などで調べ、ドーパントの活性化率（キャリア濃度／取り込まれた不純物濃度×１００（％））を算出した。図４は、その結果が示されたものであり、図２に示される成長条件では、キャリア濃度が２×１０18〜２.５×１０18ｃｍ-3の間では、活性化率が５０％〜４０％の変化であるのに対して、図３に示される成長条件では、キャリア濃度が２×１０18〜２.５×１０18ｃｍ-3の間でも活性化率が３０％〜２０％となっていることが窺える。このことは、同一キャリア濃度でも成長条件によって活性化率が変化していることが分る。
【００２４】
そこで、本発明者らは、さらに成長温度とドーパントの原料ガスＳｉＨ4の流量を変化させ、種々の条件で成長させ、キャリア濃度と活性化率との関係を調べた。その結果、図５に示されるように、比較的高い温度で成長させると、原料ガスＳｉＨ4の流量とキャリア濃度がほぼ比例関係にあると共に、活性化率が高いのに対して、低い温度で成長させると、流量の割りにキャリア濃度が上がらず、活性化率が低下することが分った。なお、図５において、活性化率は「活Ｘ％」（Ｘは活性化率の値）として表示されている。そして、さらにキャリア濃度を一定にした状態における活性化率を変化させた発光素子を製造し、活性化率に対する輝度変化について調べた。その結果、図６に示されるように、活性化率の低下に伴い輝度が上昇し、活性化率が２５％以下になると、加速試験による輝度変化が顕著になることを見出した。この結果から、成長条件が変ることも考慮すると、キャリア濃度のみならず、活性化率も２５％以上になるように製造する必要がある。この両方を満たす範囲を図５に斜線で示してある。
【００２５】
本発明の半導体発光素子によれば、ｎ形クラッド層のキャリア濃度およびドーパントの活性化率が所定の範囲内に制御されているため、前述のように、通電による時間経過や、高温通電、低温通電、高温高湿通電などの信頼性試験を行っても、その輝度などの電気特性の変動が非常に小さい範囲に制御され、非常に信頼性の優れた半導体発光素子が得られる。ｎ形クラッド層のキャリア濃度や活性化率を制御することが必要なのは、ｐ形クラッド層は、少なくとも活性層側のキャリア濃度が低く抑えられており、通電による時間経過によっても余り変動しないが、ｎ形クラッド層は、不活性なＳｉ原子が大量に存在するため、キャリア濃度が大きすぎると、初期発光効率が低く、通電することで素子の内部変化を生じ、発光効率が向上することにより、このような変化が起こると考えられ初期発光効率が低く、通電することによって活性化され、発光効率が向上するようになり輝度が上昇することになると考えられる。
【００２６】
つぎに、この半導体発光素子の製法について説明をする。たとえばｎ形ＧａＡｓ基板１をＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相成長）装置内に入れ、反応ガスのトリエチルガリウム（ＴＥＧ）またはトリメチルガリウム（ＴＭＧ）、アルシン（ＡｓＨ3）、ホスフィン（ＰＨ3）、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）、ｎ形ドーパントとしてのＳｉＨ4、ｐ形層形成の場合はｐ形ドーパントとしてのジメチル亜鉛（ＤＭＺｎ）の必要なガスをそれぞれ導入する。
【００２７】
まず、基板温度を放射温度計により測定しながら、厳密に７５５℃に制御し、ドーパントガスのＳｉＨ4を５ｓｃｃｍ、反応ガスのＴＭＧ、ＴＭＡ、ＴＭＩｎ、ＰＨ3をそれぞれ必要量導入して、成長中の温度変化が±５℃の範囲に収まるように、放射温度計により基板温度を測定しながら、Ｉｎ0.49（Ｇａ0.33Ａｌ0.67）0.51Ｐからなるｎ形クラッド層３を０.３〜１μｍ程度成長する（成長時間は、２０分程度）。ついで通常の半導体発光素子を製造する場合と同様に必要な反応ガス、ドーパントガスを導入して、図１に示されるように、ノンドープのＩｎ0.49（Ｇａ0.70Ａｌ0.30）0.51Ｐからなる活性層４を０.３〜１μｍ程度、Ｉｎ0.49（Ｇａ0.33Ａｌ0.67）0.51Ｐからなるｐ形クラッド層５を０.３〜１μｍ程度、たとえばＡｌ0.7Ｇａ0.3Ａｓからなるｐ形ウインドウ層６を１〜１０μｍ程度、Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓからなる保護層１０を０.１〜１μｍ程度、ＧａＡｓからなるコンタクト層７を０.２〜１μｍ程度それぞれ連続的に成長する。
【００２８】
その後、Ａｕ-Ｂｅ／Ｎｉ／Ｍｏ／Ａｕなどをリフトオフ法、マスク蒸着、または全面に成膜した後にホトリソグラフィ法によるパターニングにより、ｐ側電極８を形成し、さらに半導体基板１の裏面にＡｕ-Ｇｅ／Ｎｉ／Ａｕなどを全面に設けてｎ側電極９を形成し、チップ化することにより図１に示されるＬＥＤチップが得られる。
【００２９】
【発明の効果】
本発明によれば、ｎ形クラッド層のキャリア濃度が狭い範囲に制御されているため、通電による時間経過によっても、輝度などの特性変化を非常に小さく抑えることができる。その結果、信頼性の高い半導体発光素子が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による半導体発光素子の断面構造の一例を示す説明図である。
【図２】ｎ形クラッド層のキャリア濃度に対する通電による輝度変化の関係を示す図である。
【図３】ｎ形クラッド層のキャリア濃度に対する通電による輝度変化の関係を示す図である。
【図４】ｎ形クラッド層のキャリア濃度に対する活性化率の関係を示す図である。
【図５】ｎ形クラッド層のキャリア濃度と活性化率及び成長温度の関係を示す図である。
【図６】ｎ形クラッド層の活性化率に対する通電による輝度変化の関係を示す図である。
【図７】所望のキャリア濃度と成長温度との関係を示す図である。
【符号の説明】
３    ｎ形クラッド層
４    活性層
５    ｐ形クラッド層
１１    発光層形成部
【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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