(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＩｎＧａＡｌＰ系半導体からなる発光層と、
炭素がドープされたｐ型コンタクト層と、
前記ｐ型コンタクト層に接触して設けられたｎ型半導体からなる透明電極層と、
を備えたことを特徴とする半導体発光素子。
【請求項２】
ＩｎＧａＡｌＰ系半導体からなるｎ型クラッド層と、
前記ｎ型クラッド層の上に設けられＩｎＧａＡｌＰ系半導体からなる発光層と、
前記発光層の上に設けられｐ型のＩｎＧａＡｌＰ系半導体からなるｐ型クラッド層と、
前記ｐ型クラッド層の上に設けられ、前記ｐ型クラッド層よりもバンドギャップが小さい半導体により構成され、且つ炭素がドープされたｐ型コンタクト層と、
前記ｐ型コンタクト層に接触して設けられたｎ型半導体からなる透明電極層と、
を備えたことを特徴とする半導体発光素子。
【請求項３】
ｎ型ＧａＡｓ基板と、
前記基板の上に設けられｎ型ＩｎＡｌＰからなるｎ型クラッド層と、
前記ｎ型クラッド層の上に設けられＩｎＧａＡｌＰからなる発光層と、
前記発光層の上に設けられｐ型ＩｎＡｌＰからなるｐ型クラッド層と、
前記ｐ型クラッド層の上に設けられ、前記ｐ型クラッド層よりもバンドギャップが小さい半導体により構成され、且つ炭素がドープされたｐ型コンタクト層と、
前記ｐ型コンタクト層に接触して設けられたｎ型半導体からなる透明電極層と、
を備えたことを特徴とする半導体発光素子。
【請求項４】
前記ｐ型コンタクト層は、ＧａＡｓからなることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の半導体発光素子。
【請求項５】
前記ｐ型コンタクト層は、前記炭素が１×１０19ｃｍ-3以上ドープされていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の半導体発光素子。
【請求項６】
前記ｐ型クラッド層と前記コンタクト層との間に、前記ｐ型クラッド層よりもバンドギャップが小さく且つ前記コンタクト層よりもバンドギャップが大きいｐ型の半導体からなる中間バンドギャップ層が設けられたことを特徴とする請求項２乃至５のいずれかに記載の半導体発光素子。
【請求項７】
前記中間バンドギャップ層は、ＧａＡｌＡｓからなることを特徴とする請求項６記載の半導体発光素子。
【請求項８】
前記ＧａＡｌＡｓのアルミニウム組成比は、０．５以上０．７以下であることを特徴とする請求項７記載の半導体発光素子。
【請求項９】
前記中間バンドギャップ層は、炭素がドープされていることを特徴とする請求項７または８に記載の半導体発光素子。
【請求項１０】
前記中間バンドギャップ層は、前記炭素が４×１０17ｃｍ-3以上ドープされていることを特徴とする請求項９記載の半導体発光素子。
【請求項１１】
前記透明電極は、酸化インジウム錫からなることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれかに記載の半導体発光素子。
【請求項１２】
ＩｎＧａＡｌＰ系半導体からなるｎ型クラッド層と、
前記ｎ型クラッド層の上に設けられＩｎＧａＡｌＰ系半導体からなる発光層と、
前記発光層の上に設けられｐ型のＩｎＧａＡｌＰ系半導体からなるｐ型クラッド層と、
前記ｐ型クラッド層の上に設けられ、前記ｐ型クラッド層よりもバンドギャップが小さい半導体により構成され、且つ炭素がドープされたｐ型コンタクト層と、
前記ｐ型コンタクト層に接触して設けられた酸化インジウム錫からなる透明電極層と、
を備えたことを特徴とする半導体発光素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体発光素子に関する。より具体的には、本発明は、ＩｎＧａＡｌＰを材料とし、ｎ型ＧａＡｓ基板上に形成され、発光表面に透明電極を備えた発光ダイオードにおいて、透明電極とｐ型クラッド層の間に炭素をドープしたｐ型ＧａＡｌＡｓ層、またはｐ型ＧａＡｓ層、もしくはその両方を挿入して、発光ダイオードの動作電圧を低下させ、かつ従来より高出力化を実現した半導体発光素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体発光素子は、コンパクト且つ低消費電力であり、信頼性に優れるなどの多くの利点を有し、近年では、高い発光輝度が要求される室内外の表示板、鉄道／交通信号、車載用灯具などについても広く応用されつつある。特に、４元化合物半導体であるｌｎＧａＡｌＰ系材料を発光層として用いたものは、その組成を調節することにより、赤色から緑色までの幅広い波長帯において発光させることができる。
【０００３】
なお、本明細書において「ｌｎＧａＡｌＰ系」とは、組成式ｌｎxＧａyＡｌ1-x-yＰにおける組成比ｘおよびｙを、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、但し（ｘ＋ｙ）≦１の範囲で変化させたあらゆる組成の半導体を含むものとする。すなわち、ＩｎＧａＰ、ＩｎＡｌＰ、ＩｎＧａＡｌＰ、ＧａＰ、ＧａＡｌＰなどの混晶系も「ｌｎＧａＡｌＰ系」に含まれるものとする。さらに、Ｖ族元素としてリン（Ｐ）の他に砒素（Ａｓ）を含有した混晶も含むものとする。
【０００４】
従来から、ＩｎＧａＡｌＰ系の発光ダイオード（ＬＥＤ）の基板には、不純物にシリコン（Ｓｉ）を用いたｎ型のＧａＡｓ基板を用いるのが一般的であった。
【０００５】
図１０〜図１２は、従来のＩｎＧａＡｌＰ系の半導体発光素子を表す概略断面図である。
【０００６】
すなわち、図１０に示した発光素子１００Ａは、ｎ型ＧａＡｓ基板１０１の上に、ｎ型ＧａＡｓバッファ層１０２、ｎ型ｌｎＧａＡｌＰクラッド層１０３、ＩｎＧａＡｌＰ活性層１０４、ｐ型ＩｎＧａＡｌＰクラッド層１０５、ＩＴＯ（Indium Tin Oxide）透明電極１０６が順次積層され、さらに、ｐ側電極１０７、およびｎ側電極１０８が形成されている。各半導体層１０１〜１０５は、例えば、有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）によりエピタキシャル成長して形成される。
【０００７】
また、図１１に示した発光素子１００Ｂにおいては、ｐ型クラッド層１０５の上にｐ型ＧａＡｌＡｓ電流拡散層１０９が設けられ、ｐ側電極１０７から注入された電流が素子の面内方向に拡散して拡がるようにしている。ここで、図１０に示した発光素子と同一の部分には同一の符合を付して説明を省略する。
【０００８】
また、図１２に示した発光素子１００Ｃにおいては、ｐ型クラッド層１０５の上にｐ型ＧａＡｓ低抵抗コンタクト層１１０と透明電極１０６とが積層されている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、図１０と図１２に示したＩｎＧａＡｌＰ系ＬＥＤの動作特性には、大きな問題点がある。特に、図１０に示した構造では、問題が大きすぎて現在までに実用化に至っていない。その主な原因は、透明電極１０６を設けたことにある。このような透明電極１０６は、発光表面の電流広がりと発光強度分布均一化を目的として設けられている。しかし、透明電極１０６は、ＩＴＯ（酸化インジウム・錫）等のｎ型半導体であり、一方、これと接するクラッド層１０５はｐ型半導体である。従って、ＬＥＤ１００Ａに対して順方向の動作電圧を印加すると、透明電極１０６とｐ型クラッド層１０５との間は逆方向バイアス状態となる。その結果として、図２に「従来例（１）」として示したように電流が殆ど流れない。
【００１０】
これに対して、図１２に示した発光素子１００Ｃにおいては、ｐ型クラッド層１０５と透明電極１０６との間に、多量（〜１×１０20ｃｍ-3）の亜鉛（Ｚｎ）をドープしたｐ型ＧａＡｓ低抵抗コンタクト層１１０が設けられている。このようにすれば、接触抵抗が低下して、図２に「従来例（３）」として示したように、比較的良好な電流・電圧特性を得ることができる。
【００１１】
しかし、このようにすると、Ｚｎを多量にドープすることによる問題が生じる。即ち、亜鉛は熱や電流による拡散を起こし易く、ｐ型ＧａＡｓ層１１０に多量にドープした亜鉛は、結晶成長中のみならず、素子動作中（すなわち電流を流した時）にも拡散を起こして発光層である活性層１０４の品質を劣化させ、素子の初特性や寿命特性に悪影響を及ぼす。その結果として、図７に「従来例（３）」として示したように光出力が低く、またその寿命も短く急速に劣化してしまう。一方、亜鉛のドープ量が少なければ（１×１０19ｃｍ-3以下）、ｐ型ＧａＡｓ層１１０が低抵抗コンタクト層として機能しないので、素子の電流・電圧特性が悪化してしまう。
【００１２】
一方、図１１に示した発光素子１００Ｂにおいては、透明電極の代わりにｐ型ＧａＡｌＡｓ電流拡散層１０９が発光表面側に設けられている。このｐ型ＧａＡｌＡｓ層１０９は、活性層１０４からの発光を透過するようにＡｌ組成を大きくし、かつ低抵抗となるように亜鉛をドープする。このときの亜鉛ドープ量は１×１０18ｃｍ-3程度で十分なので、図１２に示した発光素子１００Ｃのように亜鉛の拡散による不良発生の懸念は少ない。また、透明電極１０６を用いないので、図１０に示した発光素子１００Ａのような問題も無い。すなわち、図１１の発光素子１００Ｂは、図２に「従来例（２）」として示したように、良好な電流・電圧特性を有する。
【００１３】
しかし、ｐ型ＧａＡｌＡｓ層１０９の抵抗率は、透明電極ほどには低くないので、電極１０７を介して注入された電流が素子の発光面全体に均一に広がらないという問題がある。この問題を解決するためには、ｐ型ＧａＡｌＡｓ層１０９の厚さを４μｍ程度以上に厚くして、電流広がり抵抗を減らす事が必要とされる。しかし、厚い層を成長させるためには長い成長時間が必要で、製造コストを高めてしまうという問題を生ずる。
【００１４】
以上説明したように、従来の半導体発光素子においては、ｐ側において十分な低抵抗を得ることが容易でなく、また、これを解決しようとすると、亜鉛の拡散による特性の劣化が生じたり、製造コストが高くなるという種々の問題があった。
【００１５】
本発明は、かかる種々の問題点に鑑みてなされたものである。すなわち、本発明は、ｌｎＧａＡｌＰ系半導体発光素子において、動作電圧を低下させ、かつ従来より高出力化を実現した半導体発光素子を提供することを目的とするものである。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
すなわち、本発明の半導体発光素子は、ＩｎＧａＡｌＰ系半導体からなる発光層と、炭素がドープされたｐ型コンタクト層と、前記ｐ型コンタクト層に接触して設けられた透明電極層と、を備えたことを特徴とする。
【００１７】
または、本発明の半導体発光素子は、ＩｎＧａＡｌＰ系半導体からなるｎ型クラッド層と、前記ｎ型クラッド層の上に設けられＩｎＧａＡｌＰ系半導体からなる発光層と、前記発光層の上に設けられｐ型のＩｎＧａＡｌＰ系半導体からなるｐ型クラッド層と、前記ｐ型クラッド層の上に設けられ、前記ｐ型クラッド層よりもバンドギャップが小さい半導体により構成され、且つ炭素がドープされたｐ型コンタクト層と、前記ｐ型コンタクト層に接触して設けられた透明電極層と、を備えたことを特徴とする。
【００１８】
または、本発明の半導体発光素子は、ｎ型ＧａＡｓ基板と、前記基板の上に設けられｎ型ＩｎＡｌＰからなるｎ型クラッド層と、前記ｎ型クラッド層の上に設けられＩｎＧａＡｌＰからなる発光層と、前記発光層の上に設けられｐ型ＩｎＡｌＰからなるｐ型クラッド層と、前記ｐ型クラッド層の上に設けられ、前記ｐ型クラッド層よりもバンドギャップが小さい半導体により構成され、且つ炭素がドープされたｐ型コンタクト層と、前記ｐ型コンタクト層に接触して設けられた透明電極層と、を備えたことを特徴とする。
【００１９】
ここで、本発明の望ましい実施の形態として、前記ｐ型コンタクト層は、ＧａＡｓからなることを特徴とする。
【００２０】
また、前記ｐ型コンタクト層は、前記炭素が１×１０19ｃｍ-3以上ドープされていることを特徴とする。
【００２１】
また、前記ｐ型クラッド層と前記コンタクト層との間に、前記ｐ型クラッド層よりもバンドギャップが小さく且つ前記コンタクト層よりもバンドギャップが大きいｐ型の半導体からなる中間バンドギャップ層が設けられたことを特徴とする。
【００２２】
ここで、前記中間バンドギャップ層は、ＧａＡｌＡｓからなることを特徴とする。
【００２３】
前記ＧａＡｌＡｓのアルミニウム組成比は、０．５以上０．７以下であることを特徴とする。
【００２４】
また、前記中間バンドギャップ層は、炭素がドープされていることを特徴とする。
【００２５】
また、前記中間バンドギャップ層は、前記炭素が４×１０17ｃｍ-3以上ドープされていることを特徴とする。
【００２６】
また、前記透明電極は、酸化インジウム錫からなることを特徴とする。
【００２７】
【発明の実施の形態】
本発明においては、所定量の炭素をドーピングしたコンタクト層を設けることにより、ＩＴＯ電極との接触抵抗を低下させることができる。炭素は亜鉛のように拡散して素子特性を劣化させることもない。
さらに、本発明においては、コンタクト層とクラッド層との中間的なバンドギャップを有する中間バンドギャップ層を介在させることにより価電子帯のバンド不連続を緩和して正孔の流入を促進させ、素子抵抗を低下させることができる。
【００２８】
以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る半導体発光素子の構造を表す概略断面図である。すなわち、同図に示した発光素子１０Ａは、ｎ型ＧａＡｓ基板１１の上に、ｎ型バッファ層１２、ｎ型クラッド層１３、活性層（発光層）１４、ｐ型クラッド層１５、ｐ型中間バンドギャップ層２１、ｐ型コンタクト層２２、透明電極１６が順次積層され、さらに、ｐ側電極１７、およびｎ側電極１８が形成されている。
【００２９】
ここで、ｐ型コンタクト層２２は、クラッド層１５と較べて比較的小さいバンドギャップを有する半導体材料からなり、且つ炭素（Ｃ）がドーピングされている。その材料としては、例えば、ＧａＡｓを用いることができる。
【００３０】
また、中間バンドギャップ層２１は、ｐ型クラッド層１５とコンタクト層２２の中間的なバンドギャップを有する層である。その材料としては、例えば、ＧａＡｌＡｓやＩｎＧａＡｌＰを挙げることができ、クラッド層１５とコンタクト層２２のバンドギャップに応じて適宜選択することができる。さらに、この中間バンドギャップ層２１にも炭素をドープしてｐ型とすることが望ましい。
【００３１】
本発明においては、ＩＴＯ電極１６の下に、炭素（Ｃ）をドーピングしたコンタクト層２２を設けることにより、ｐ側の抵抗を顕著に低下させ、半導体発光素子の動作電圧を低下させることができる。また、中間バンドギャップ層２１を設けることにより、価電子帯のバンド不連続を緩和し、素子抵抗を低減することができる。さらに、これらの層にドープした炭素は、拡散しにくいので、素子特性を劣化させる心配もない。
【００３２】
本発明の発光素子１０Ａの製造方法について具体的な素子構造を参照しつつ概略的に説明すれば以下の如くである。すなわち、ＧａＡｓ基板１１の上の各半導体層１２〜２２は、例えば、有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）によりエピタキシャル成長して形成することができる。
【００３３】
各層の層厚と材料は、例えば以下のようにすることができる。すなわち、バッファ層１２として約０．５μｍのＧａＡｓ、ｎ型クラッド層１３として約０．６μｍのＩｎＡｌＰ、活性層１４として約０．３μｍのＩｎＧａＡｌＰ、ｐ型クラッド層１５として約０．６μｍのＩｎＡｌＰ、ｐ型中間バンドギャップ層２１として約０．１μｍのＧａＡｌＡｓ、ｐ型コンタクト層２２として約０．０４μｍのＧａＡｓ：Ｃ（炭素ドープ）を用いることができる。ここで、活性層１４の組成は、発光波長が赤色、橙色、黄色、黄緑色、緑色などの所定の波長帯になるように適宜決めることができる。また、中間バンドギャップ層２１を構成するＧａＡｌＡｓの組成は、クラッド層１５とコンタクト層２２との中間的なバンドギャップを有するように決定することが望ましい。
【００３４】
一方、ＭＯＣＶＤ法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（ＴＭＧ）、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）などの有機金属や、アルシン（ＡｓＨ3）、ホスフィン（ＰＨ3）などの水素化物ガスを挙げることができる。
【００３５】
バッファ層１２とｎ型クラッド層１３にはｎ型不純物としてシリコン（Ｓｉ）をドープし、ｐ型クラッド層１５にはｐ型不純物として亜鉛（Ｚｎ）をドーピングする。そして、中間バンドギャップ層２１とコンタクト層２２には、ｐ型不純物として炭素（Ｃ）をドーピングする。シリコン、亜鉛、炭素などの各不純物の原料としては、例えば、シラン（ＳｉＨ4）、ジメチル亜鉛（ＤＭＺ）、四臭化炭素（ＣＢｒ4）を用いることができる。
【００３６】
ＭＯＣＶＤ法による結晶成長の温度は、約７００℃である。各層を成長した後に、電極を付け、チップの大きさに分割して発光素子を形成する。
【００３７】
一方、透明電極層１６の材料としては、ＩＴＯ（Indium Tin Oxide：インジウム錫酸化物）や、錫酸化物などの透光性を有する導電材料を用いることができる。これらの材料は、例えば、スパッタリング法により堆積することができる。
【００３８】
図２は、このようにして製作した半導体発光素子１０Ａの電流・電圧特性を表す特性図である。同図には、比較のために、図１０〜図１２に示した従来の素子も「従来例（１）」〜「従来例（３）」として併せて示した。
【００３９】
同図から分かるように、本発明の半導体発光素子１０Ａは、約２ボルトで順方向電流が急激に増加し、「従来例（２）」よりもさらに優れた電流特性を有する。なお、「従来例（２）」は、図１１に示したような厚いｐ型ＧａＡｌＡｓ電流拡散層１０９を有する発光素子１００Ｂの特性を表すものである。
【００４０】
本発明において、このように良好な電流・電圧特性が得られる理由は、ｐ型クラッド層１５と透明電極１６との間に、炭素をドープした低抵抗ｐ型ＧａＡｓコンタクト層２２とｐ型ＧａＡｌＡｓ中間バンドギャップ層２１を挿入したからである。ここで、ｐ型コンタクト層２２は、ＩＴＯ透明電極１６との接触抵抗を低減する役割を有する。また、中間バンドギャップ層２１は、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層２２とｐ型ＩｎＧａＡｌＰクラッド層１５との価電子帯バンドの不連続を緩和する役割を有する。
【００４１】
図３は、本発明の発光素子１０Ａのバンド構造を表す概略図である。同図に表したように、炭素を多量にドーピングしたコンタクト層２２とｐ型クラッド層１５の価電子帯エネルギＥｖは、約０．６ｅＶのずれを有する。このまま両者を接合させるとその界面において価電子帯の不連続による高い障壁が形成され、順方向電圧を印加した時に、正孔の流入が阻止されて抵抗が増大するという問題が生ずる。これに対して、本発明においては、図示したように、コンタクト層２２とクラッド層１５との間に両者の中間程度のバンドギャップを有する半導体層２１を設ける。こうすることにより、価電子帯バンドの不連続が緩和され、同図中に矢印で示したように正孔の流入を促進して順方向バイアスに対する素子抵抗を低減することができる。
【００４２】
例えば、クラッド層１５がＩｎＡｌＰにより構成され、コンタクト層２２がＧａＡｓにより構成される場合には、中間バンドギャップ層２１は、Ｇａ1-xＡｌxＡｓにおいてアルミニウムの組成比ｘが０．５〜０．７の範囲にあることが望ましい。この組成範囲においては、クラッド層１５と中間バンドギャップ層２２とコンタクト層２２との接合面にそれぞれ形成される価電子帯のバンド不連続量を約０．３ｅＶ程度に抑制することが可能となり、正孔の流入を促進して素子抵抗を低減することができる。
【００４３】
一方、中間バンドギャップ層２１に対するドーパントとしては、炭素を用いることが望ましい。炭素は、前述したように拡散しにくく、亜鉛のような特性の劣化を引き起こさないからである。さらに、そのドープ量は、素子抵抗を増大させないために、４×１０17ｃｍ-3以上とすることが望ましい。
【００４４】
次に、本発明者は、コンタクト層２２に対する炭素のドーピングの効果についてさらに詳細に調べた。
【００４５】
コンタクト層のドーピン量を増やすと、ＩＴＯ電極１６とコンタクト層２２の間にある空乏層（＝バリア）の厚さｄが薄くなる。この厚さがおよそ０．０１μｍ近くになると、正孔はバリアを完全にトンネルしてしまうようになり、正孔の流入をさえぎるものがなくなる。従って、この部分の素子抵抗は顕著に低下する。
【００４６】
また、空乏層の厚さは、必ずしも０．０１μｍ以下にならなくても、ある程度十分な素子抵抗の低減化は可能である。これを実際に確かめる為に、本発明者は以下の試作と評価を行った。
【００４７】
図４（ａ）は、試作した評価用素子の構造を表す概略構成図である。また、図４（ｂ）は、評価用素子の電流電圧特性を表すグラフ図である。
【００４８】
評価用素子は、同図（ａ）に表したように、ｐ型ＧａＡｓ基板２５の上にコンタクト層２２とＩＴＯ電極１６とを積層させた構造を有する。ここでは、コンタクト層２１に対する炭素のドーピング量をそれぞれ、５×１０18ｃｍ-3、７×１０18ｃｍ-3、３×１０19ｃｍ-3とした３種類の素子を試作した。また、ｐ型ＧａＡｓ基板２５の層厚は約２５０μｍとした。そして、この評価用素子に、同図（ａ）に示したようにＩＴＯ電極１６とコンタクト層２１との接合について逆方向となるように電圧を印加した。この電圧極性は、発光素子においては順方向電圧に対応する。
【００４９】
その結果、同図（ｂ）に示したように、炭素のドープ量が増えるほど素子抵抗が低下し、特に、ドープ量を約１×１０19ｃｍ-3よりも高くすると急激に素子抵抗が低下する傾向が見られた。すなわち、炭素のドープ量を１×１０19ｃｍ-3以上とすることにより、素子抵抗を顕著に低下できることが分かった。
【００５０】
次に、本発明の発光素子の表面発光分布の改善と、それに伴う光出力の改善効果について従来例と比較しつつ説明する。
図５は、発光素子の発光強度分布を表す説明図である。すなわち、同図（ａ）は発光素子の概略平面図であり、同図（ｂ）はそのＸ−Ｘ線に沿った発光強度分布を表すグラフ図である。なお、同図においては、本発明の発光素子１０Ａとともに図１１に例示した従来例（２）の発光素子の特性も示した。ここで、従来例（２）の発光素子は、透明電極の代わりにｐ型ＧａＡｌＡｓ電流拡散層１０９を発光表面に設けた構造を有する。
【００５１】
従来例（２）の素子においては、ｐ型ＧａＡｌＡｓ層１０９の抵抗率がＩＴＯ透明電極ほどは低くならないために、電流が発光面全体に均一に広がらないという問題がある。すなわち、図５（ｂ）に示したように、従来例（２）の発光素子の場合には、発光強度分布が均一ではない。また、電極の周辺部分においては強く発光しているが、素子の外周部分で十分に電流が流れず、発光強度が急激に低下している。これに対して、本発明の発光素子１０Ａの分布は発光表面の全体に渡って均一であり、電極付近から素子の最外周部分に至るまで十分に電流が広がり、均一で強い発光が得られていることがわかる。
【００５２】
本発明によれば、こうした発光強度分布の改善に伴い、素子の光出力も向上した。
図６は、発光素子の光出力特性を表すグラフ図である。すなわち、同図の横軸は電流、縦軸は光出力を表す。同図においては、本発明の発光素子１０Ａとともに図１１に例示した従来例（２）の発光素子の特性も示した。本発明の発光素子１０Ａは、発光分布の改善に伴って光出力も改善され、従来例（２）の発光素子と比較して約１．５倍の光出力が得られていることが分かる。
【００５３】
次に、本発明の発光素子の寿命特性に対する改善効果について従来例と比較しつつ説明する。
図７は、本発明の発光素子１０Ａと従来例の発光素子の寿命特性を表す特性図である。ここで、「従来例（３）」は、図１２に例示したようにｐ型クラッド１０５の上に多量（〜１×１０20ｃｍ-3）の亜鉛をドープしたｐ型ＧａＡｓ低抵抗コンタクト層１１０を積層した構造を有する。従来例（３）の素子は、図示したように初期状態の光出力が低く、なおかつ亜鉛の拡散によって急速に劣化してしまう。
【００５４】
一方、従来例（２）の素子においては、透明電極の代わりにｐ型ＧａＡｌＡｓ電流拡散層１０９が設けられている。この従来例（２）の素子は、図示したように比較的良好な寿命特性が得られるが、前述したように厚いｐ型ＧａＡｌＡｓ電流拡散層１０９を形成するために製造コストが高いという問題を有する。
【００５５】
これらの従来例に対して、本発明の発光素子１０Ａは、光出力の初期特性も優れ、寿命も極めて安定している。すなわち、本発明においては、ｐ型ＧａＡｓ層２２に亜鉛の代わりに炭素を多量にドープすることにより素子抵抗を低減して発光出力を改善することができる。さらに、炭素は亜鉛と異なり、非常に拡散し難いので、多量にドープしても拡散して素子特性を劣化させる心配が無い。その結果として、図７に示したような良好な寿命特性が得られる。
【００５６】
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。
図８は、本発明の第２の実施の形態に係る半導体発光素子の構造を表す概略断面図である。同図に示した発光素子１０Ｂも、ｎ型ＧａＡｓ基板１１の上に、複数の半導体層を積層させた構成を有する。すなわち、ｎ型ＧａＡｓバッファ層１２、ｎ型ｌｎＧａＡｌＰクラッド層１３、ＩｎＧａＡｌＰ多重量子井戸型活性層２６、ｐ型ＩｎＧａＡｌＰクラッド層１５、ｐ型ＧａＡｌＡｓ中間バンドギャップ層２１、ｐ型ＧａＡｓ：Ｃコンタクト層２２、ＩＴＯ（Indium Tin Oxide）透明電極１６が順次積層され、さらに、ｐ側電極１７、およびｎ側電極１８が形成されている。
【００５７】
本実施形態においては、さらに、ｐ型コンタクト層２２とＩＴＯ電極１６との間に、電流ブロック層２３が設けられている。電流ブロック層２３は、表面に形成されたｐ側電極１７の直下の部分のみに選択的に設けられている。ｐ側電極１７の下で発光が生じても、ｐ側電極１７に遮られて外部に光を取り出すことができない。これに対して、本実施形態のように電流ブロック層２３を設けることにより、ｐ側電極１７の下に電流を注入することを阻止して無駄な発光を抑制し、光の取り出し効率を改善することができる。
【００５８】
また、本実施形態においては、ｎ型クラッド層１３の下に光反射層２４が設けられている。この光反射層２４により活性層１４から図中の下向きに放出された発光を反射させて図中の上向きに放出させ、外部に取り出すことができる。ここで、光反射鏡２４は、例えば、屈折率が異なる２種類の半導体層を交互に積層させたいわゆるブラッグ多層反射鏡を用いることができる。具体的には、例えば、ＩｎＡｌＰ／ＩｎＧａＡｌＰやＩｎＡｌＰ／ＧａＡｓなどの材料系を用いて１０〜２０周期の積層構造を形成することが望ましい。
【００５９】
また、本実施形態においては、ｎ型クラッド層の上の発光層をＩｎＧａＡｌＰ多重量子井戸型活性層２６とすることで、通常のＩｎＧａＡｌＰ活性層１４を用いた場合よりも発光出力を改善することができる。
【００６０】
また、本実施形態においても、炭素をドーピングしたｐ型コンタクト層２２と中間バンドギャップ層２１とが設けられている。従って、前述した第１実施形態の発光素子１０Ａに関して説明した、素子抵抗の顕著な低減、発光強度の均一化、光出力の増大、素子寿命の改善などの種々の効果を同様に得ることができる。
【００６１】
次に、本発明の第３の実施の形態について説明する。
図９は、本発明の第３の実施の形態に係る半導体発光素子の構造を表す概略断面図である。同図に示した発光素子１０Ｃも、ｎ型ＧａＡｓ基板１１の上に、複数の半導体層を積層させた構成を有する。すなわち、ｎ型ＧａＡｓバッファ層１２、ｎ型ｌｎＧａＡｌＰクラッド層１３、ＩｎＧａＡｌＰ活性層１４、ｐ型ＩｎＧａＡｌＰクラッド層１５、ｐ型ＧａＡｌＡｓ中間バンドギャップ層２１、ｐ型ＧａＡｓ：Ｃコンタクト層２２、ＩＴＯ（Indium Tin Oxide）透明電極１６が順次積層され、さらに、ｐ側電極１７、およびｎ側電極１８が形成されている。
【００６２】
本実施形態においては、ｐ側電極１７の直下部分のみ、ｐ型コンタクト層２２とｐ型中間バンドギャップ層２１を選択的に取り去ってある。これにより、表面電極直下部分には電流が流れにくくなる。すなわち、この除去部分が、擬似的に電流ブロック層となり、前述した第２実施形態の素子と同様に光の取り出し効率を改善することができる。
【００６３】
また、本実施形態においても、電極１７の周囲部分には、炭素をドーピングしたｐ型コンタクト層２２と中間バンドギャップ層２１とが設けられている。従って、前述した第１実施形態の発光素子１０Ａに関して説明した、素子抵抗の顕著な低減、発光強度の均一化、光出力の増大、素子寿命の改善などの種々の効果を同様に得ることができる。
【００６４】
以上、具体例を参照しつつ本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明は、これらの具体例に限定されるものではない。例えば、前述した半導体発光素子の構造は一例に過ぎず、その他にも、本発明は発光層（活性層）にＩｎＧａＡｌＰ系半導体を用いた種々の構造の半導体発光素子に同様に適用して同様の効果を得ることができる。また、半導体発光素子を構成する各層の材料や組成も、公知のものから適宜選択して同様に用いることができる。
【００６５】
例えば、活性層は、いわゆる多重量子井戸（ＭＱＷ）型の構造としても良く、また、活性層とクラッド層との間に両者の中間的な屈折率を有する光ガイド層を設けたり、クラッド層の組成を徐々に変化させるいわゆるグレーデッド型の構造としても良い。
【００６６】
【発明の効果】
本発明は、以上に説明した形態で実施され、以下に説明する効果を奏する。
【００６７】
まず、本発明によれば、ｐ型クラッド層と透明電極との間に、炭素をドープした低抵抗のｐ型コンタクト層を設けることにより、ｎ型半導体である透明電極との間で生ずる接触抵抗を効果的に低減して、半導体発光素子に順方向電圧を印加した場合の素子抵抗を低下させることができる。
【００６８】
さらに、本発明によれば、ｐ型クラッド層とｐ型コンタクト層との間に両者の中間的なバンドギャップを有するｐ型中間バンドギャップ層を設けることにより、価電子帯のバンド不連続を緩和し、正孔の流入を促進して素子抵抗をさらに低減することができる。
【００６９】
また、本発明によれば、極めて寿命特性が優れた半導体発光素子を得ることができる。すなわち、本発明においては、素子抵抗を低減するためドーパントとして炭素を採用する。炭素は、半導体中において拡散しにくいために、活性層に拡散して素子特性を劣化させるという問題を解消することができる。すなわち、従来の亜鉛を用いた発光素子と比較して、極めて優れた寿命特性が得られる。
【００７０】
さらに、本発明においては、発光強度分布が均一な半導体発光素子を得ることができる。すなわち、従来のｐ型ＧａＡｌＡｓ電流拡散層を用いた発光素子においては、ＧａＡｌＡｓの抵抗率が透明電極ほどには低くないので、電流が発光面全体に均一に広がらないという問題があった。これに対して、本発明によれば、電極付近から発光素子の最外周部分に至るまで十分に電流が拡散し、発光素子の発光表面全体に渡って均一な発光強度分布を得ることができる。
【００７１】
同時に本発明によれば、発光素子の光出力も向上する。すなわち、従来の発光素子と比較して約１．５倍の光出力を得ることができる。
【００７２】
さらに、本発明によれば、素子抵抗を顕著に低減した結果として、発光素子の温度特性も改善される。すなわち、本発明によれば、素子抵抗に起因する発熱量が低下するので、従来よりも高温で安定して動作させることが可能となる。その結果として、従来は、困難であった過酷な種々の条件下において半導体発光素子を使用することが可能となり、半導体発光素子の応用範囲を大幅に広げることができるようになる。
【００７３】
以上説明したように、本発明によれば、素子抵抗が低減され、発光特性や寿命特性が優れたｌｎＧａＡｌＰ系発光素子を提供することができるようになり、産業上のメリットは多大である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る半導体発光素子の構造を表す概略断面図である。
【図２】本発明の半導体発光素子１０Ａの電流・電圧特性を表す特性図である。
【図３】本発明の発光素子１０Ａのバンド構造を表す概略図である。
【図４】図４（ａ）は、試作した評価用素子の構造を表す概略構成図である。また、図４（ｂ）は、評価用素子の電流電圧特性を表すグラフ図である。
【図５】発光素子の発光強度分布を表す説明図である。すなわち、同図（ａ）は発光素子の概略平面図であり、同図（ｂ）はそのＸ−Ｘ線に沿った発光強度分布を表すグラフ図である。
【図６】発光素子の光出力特性を表すグラフ図である。すなわち、同図の横軸は電流、縦軸は光出力を表す。
【図７】本発明の発光素子１０Ａと従来例の発光素子の寿命特性を表す特性図である。
【図８】本発明の第２の実施の形態に係る半導体発光素子の構造を表す概略断面図である。
【図９】本発明の第３の実施の形態に係る半導体発光素子の構造を表す概略断面図である。
【図１０】第１の従来例のＩｎＧａＡｌＰ系の半導体発光素子を表す概略断面図である。
【図１１】第２の従来例のＩｎＧａＡｌＰ系の半導体発光素子を表す概略断面図である。
【図１２】第３の従来例のＩｎＧａＡｌＰ系の半導体発光素子を表す概略断面図である。
【符号の説明】
１０Ａ〜Ｃ  半導体発光素子
１１、１０１  ｎ型ＧａＡｓ基板（２５０μｍ）
１２、１０２  ｎ型ＧａＡｓバッファ層（０．５μｍ）
１３、１０３  ｎ型ＩｎＧａＡｌＰクラッド層（０．６μｍ）
１４、１０４  ＩｎＧａＡｌＰ活性層（０．３μｍ）
１５、１０５  ｐ型ＩｎＧａＡｌＰクラッド層（１．０μｍ）
１６、１０６  ＩＴＯ透明電極
１７、１０７  ｐ側電極
１８、１０８  ｎ側電極
２１  ｐ型ＧａＡｌＡｓ中間バンドギャップ層
２２  ｐ型ＧａＡｓ：Ｃコンタクト層
２３  ｎ型ＩｎＡｌＰ電流ブロック層
２４  光反射層
２５  ｐ型ＧａＡｓ基板（２５０μｍ）
２６  ＩｎＧａＡｌＰ多重量子井戸型活性層
１０９  ｐ型ＧａＡｌＡｓ電流拡散層
１１０  ｐ型ＧａＡｓ：Ｚｎコンタクト層
【図１】
0003763667.tif 000002
【図２】
0003763667.tif 000003
【図３】
0003763667.tif 000004
【図４】
0003763667.tif 000005
【図５】
0003763667.tif 000006
【図６】
0003763667.tif 000007
【図７】
0003763667.tif 000008
【図８】
0003763667.tif 000009
【図９】
0003763667.tif 000010
【図１０】
0003763667.tif 000011
【図１１】
0003763667.tif 000012
【図１２】
0003763667.tif 000013