半導体発光素子
【課題】高輝度化に適した半導体発光素子を提供する。
【解決手段】発光ダイオード５０は、基板１と、基板１上に結晶成長によって形成された半導体積層構造２と、半導体積層構造２の表面に形成された透明電極膜３とを含む。半導体積層構造２は、ｐ型クラッド層１５に対して活性層１０とは反対側に配置されたｐ型ＧａＰウインドウ層１７と、ｐ型ＧａＰウインドウ層１７におけるｐ型クラッド層１５とは反対側に形成されたｐ型コンタクト層１８とを含む。ｐ型コンタクト層１８は、炭素がドープされたＧａＰからなる。
【解決手段】発光ダイオード５０は、基板１と、基板１上に結晶成長によって形成された半導体積層構造２と、半導体積層構造２の表面に形成された透明電極膜３とを含む。半導体積層構造２は、ｐ型クラッド層１５に対して活性層１０とは反対側に配置されたｐ型ＧａＰウインドウ層１７と、ｐ型ＧａＰウインドウ層１７におけるｐ型クラッド層１５とは反対側に形成されたｐ型コンタクト層１８とを含む。ｐ型コンタクト層１８は、炭素がドープされたＧａＰからなる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、発光ダイオード等の半導体発光素子に関し、特に、ＩｎＧａＡｌＰ系の半導体発光体素子に関する。
本明細書および特許請求の範囲において、「ＩｎＧａＡｌＰ系の半導体」とは、ＩｎｘＧａｙＡｌ１−ｘ−ｙＰ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０＜（ｘ＋ｙ）≦１）からなる半導体をいう。したがって、ＩｎＧａＰ，ＩｎＡｌＰ，ＩｎＧａＡｌＰ，ＧａＰ，ＧａＡｌＰも、「ＩｎＧａＡｌＰ系の半導体」に含まれる。
【背景技術】
【０００２】
発光ダイオードにおいて、高輝度を得るためには、チップ面内に均一に電流が注入されるように、電流分散特性を良くする必要がある。そこで、ｐ型クラッド層とｐ側電極との間に、電流を分散させるためのウインドウ層が設けられている。このウインドウ層は厚いほど電流を分散させることができるが、ウインドウ層を厚く形成すると、ウインドウ層を構成する結晶に欠陥が発生しやすくなる。
【０００３】
そこで、ｐ側電極におけるｐ型クラッド層側に、ＩＴＯ（Indium Tin Oxide）からなる透明電極膜を設けることにより、従来のウインドウ層を薄くした発光ダイオードが提案されている。
しかしながら、ＩＴＯ透明電極膜を用いた発光ダイオードでは、半導体層と透明電極膜との間の接触抵抗が大きくなるため、順方向動作電圧が高くなるという問題がある。
【０００４】
この問題を解消するために、透明電極膜と半導体層との間に、炭素がドープされたＧａＡｓまたは炭素がドープされたＡｌＧａＡｓからなるｐ型コンタクト層を設けることにより、透明電極膜と半導体層との間の接触抵抗を低下させたものが提案されている（特許文献１〜３参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平１１−３０７８１０号公報
【特許文献２】特開２００１−２２３３８４号公報
【特許文献３】特開２００７−９６１６８号公報
【特許文献４】特開２００５−２７７３７４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
炭素がドープされたＧａＡｓまたは炭素がドープされたＡｌＧａＡｓからなるｐ型コンタクト層が設けられた従来の発光ダイオードでは、コンタクト層の材料であるＧａＡｓまたはＡｌＧａＡｓは、光を吸収する性質を有しているため、発光を阻害するという問題がある。
この発明の目的は、高輝度化に適した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】
【０００７】
この発明の半導体発光素子は、ＩｎＡｌＧａＰ系半導体からなるｐ型クラッド層およびｎ型クラッド層と、前記ｐ型クラッド層およびｎ型クラッド層に挟まれ、ＩｎＡｌＧａＰ系半導体からなる活性層と、前記ｐ型クラッド層に対して前記活性層とは反対側に配置され、ＧａＰからなるｐ型ウインドウ層と、前記ｐ型ウインドウ層における前記ｐ型クラッド層とは反対側の表面に形成されたｐ型コンタクト層と、前記ｐ型コンタクト層における前記ｐ型ウインドウ層とは反対側の表面に形成され、ＩＴＯからなる透明電極膜とを備えている。前記ｐ型コンタクト層は、炭素がドープされたＧａＰからなる。
【０００８】
この発明の構成では、ｐ型コンタクト層は、炭素がドープされたＧａＰからなる。このため、透明電極膜とｐ型ウインドウ層との間の接触抵抗を低減させることができる。これにより、高輝度化に適した半導体発光素子を実現することができる。
この発明におけるｐ型コンタクト層と、ＧａＡｓに炭素をドープすることにより得られる従来のｐ型コンタクト層と比較すると、ＧａＡｓは光を吸収する性質を有しているのに対してＧａＰは透明性が高いため、この発明におけるｐ型コンタクト層の方がより光を透過でき、発光輝度を高めることができる。これにより、高輝度化により適した半導体発光素子を実現することができる。
【０００９】
また、この発明では、ｐ型コンタクト層におけるｐ型ウインドウ層とは反対側に形成されたＩＴＯ透明電極膜を備えているので、ｐ型ウインドウ層の膜厚を薄くすることが可能となる。
前記半導体発光素子は、具体的には、前記ｐ型コンタクト層における前記炭素の濃度が１．５×１０１９ｃｍ−３以上であることが好ましい。炭素濃度が１．５×１０１９ｃｍ−３より少ないとｐ型コンタクト層の抵抗が大きくなり、透明電極膜とｐ型ウインドウ層との間の接触抵抗を十分に低減させることができないからである。
【００１０】
前記半導体発光素子は、具体的には、前記ｐ型コンタクト層における前記炭素の濃度が１．５×１０１９ｃｍ−３以上５．０×１０１９ｃｍ−３以下であることが好ましい。炭素濃度が５．０×１０１９ｃｍ−３より多いと、ｐ型コンタクト層におけるＧａＰ結晶が劣化するからである。
この発明の一実施形態では、前記ｐ型コンタクト層の厚さが、３００ｎｍ以上８００ｎｍ以下である。
【００１１】
前記半導体発光素子は、具体的には、前記ｐ型コンタクト層における前記透明電極膜側の表面に凹凸が形成されていることが好ましい。この構成では、ｐ型コンタクト層と透明電極膜との境界面において、光が全反射されるのを抑制することができる。これにより、発光効率を高めることができる。
前記ｐ型コンタクト層表面の凹凸の高低差が、２００ｎｍ以上６００ｎｍ以下であることが好ましい。この理由は、凹凸の高低差が２００ｎｍより小さいと、Ｐ型コンタクト層と透明電極膜との境界面において、光の全反射を十分に抑制できないからである。一方、凹凸の高低差が６００ｎｍより大きいと、Ｐ型コンタクト層上に透明電極膜を成膜しにくくなるからである。
【００１２】
前記ｐ型クラッド層と前記ｐ型ウインドウ層との間に、前記ｐ型クラッド層よりも価電子帯バンドの位置が低く、かつ前記ｐ型ウインドウ層よりも価電子帯バンドの位置が高いｐ型中間バンドギャップ層が介装されていてもよい。この構成では、ｐ型クラッド層とｐ型ウインドウ層との価電子帯バンドの不連続がｐ型中間バンドギャップ層によって緩和されるので、半導体発光素子に順方向電圧が印加されたときに、ｐ型クラッド層とｐ型ウインドウ層との間の抵抗が増大するのを抑制することができる。これにより、低抵抗化が図れる。
【００１３】
ｐ型クラッド層がＩｎＡｌＧａＰ系半導体から構成され、ｐ型ウインドウ層がＧａＰから構成されているため、前記ｐ型中間バンドギャップ層は、ＩｎＡｌＧａＰ系半導体から構成されていることが好ましい。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】図１は、この発明の一実施形態に係る発光ダイオードの構成を説明するための断面図である。
【図２】前記発光ダイオードの活性層の構成を説明するための図解的な断面図である。
【図３】Ｐ型コンタクト層における透明電極膜側の表面が粗面化されていることを示す図解的な断面図である。
【図４】各サンプルａ〜ｇに対する順方向電圧Ｖｆ［ｍＶ］の測定結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下では、この発明の実施形態を、添付図面を参照して詳細に説明する。
図１は、この発明の一実施形態に係る発光ダイオードの構成を説明するための断面図である。
この発光ダイオード５０は、基板１と、基板１上に結晶成長によって形成された半導体積層構造２と、半導体積層構造２の表面に形成された透明電極膜３と、基板１の裏面に接触するように形成されたｎ側電極４と、透明電極膜３の表面に接触するように形成されたｐ側電極５を備えている。
【００１６】
基板１は、この実施形態では、ＧａＡｓ単結晶基板（たとえば１７０μｍ厚）で構成されている。半導体積層構造２を形成する各層は、基板１に対してエピタキシャル成長されている。エピタキシャル成長とは、下地層からの格子の連続性を保った状態での結晶成長をいう。
半導体積層構造２は、活性層１０と、ｎ型半導体層１１と、ｐ型半導体層１２とを備えている。ｎ型半導体層１１は活性層１０に対して基板１側に配置されており、ｐ型半導体層１２は活性層１０に対して透明電極膜３側に配置されている。こうして、ダブルヘテロ接合が形成されている。活性層１０には、ｎ型半導体層１１から電子が注入され、ｐ型半導体層１２から正孔が注入される。これらが活性層１０で再結合することにより、光が発生するようになっている。
【００１７】
ｎ型半導体層１１は、基板１側から順に、ｎ型多層膜光反射層１３（たとえば約１０００ｎｍ厚）およびｎ型Ｉｎ０．５Ａｌ０．５Ｐクラッド層１４（たとえば５００ｎｍ厚）を積層して構成されている。一方、ｐ型半導体層１２は、活性層１０上に、ｐ型Ｉｎ０．５Ａｌ０．５Ｐクラッド層１５（たとえば５００ｎｍ厚）、ｐ型Ｉｎ０．５Ｇａ０．２５Ａｌ０．２５Ｐ中間バンドギャップ層１６（たとえば７０ｎｍ厚）、ｐ型ＧａＰウインドウ層１７（たとえば２０００ｎｍ厚）およびｐ型ＧａＰコンタクト層１８（たとえば５００ｎｍ厚）を積層して構成されている。
【００１８】
ｎ型多層膜光反射層１３は、活性層１０から基板１側に向かって放出された光を反射させ、その光を透明電極膜３の露出面から外部に出射させるために設けられた層である。ｎ型多層膜光反射層１３は、ブラッグ反射鏡（ＤＢＲ：Distributed Bragg Reflector）であり、ｎ型ＡｌＡｓ層（たとえば４０ｎｍ厚）とｎ型Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ層（たとえば４０ｎｍ厚）とがそれぞれ１０層ずつ交互に積層されてなる。ｎ型ＡｌＡｓ層は、ＡｌＡｓにｎ型ドーパントとしてのＳｉをドープすることによって、ｎ型半導体層とされている。また、ｎ型Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ層は、Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓにｎ型ドーパントとしてのＳｉをドープすることによって、ｎ型半導体層とされている。
【００１９】
なお、ｎ型多層膜光反射層１３は、ｎ型Ｉｎ０．５Ａｌ０．５Ｐ層とｎ型ＧａＡｓ層とが交互に積層されたものであってもよい。
ｎ型クラッド層１４と、ｐ型クラッド層１５とは、活性層１０にキャリア（電子および正孔）を閉じ込めるキャリア閉じ込め効果を生じるものである。ｎ型Ｉｎ０．５Ａｌ０．５Ｐクラッド層１４は、Ｉｎ０．５Ａｌ０．５Ｐにｎ型ドーパントとしてのＳｉをドープすることによって、ｎ型半導体層とされている。
【００２０】
ｎ型クラッド層１４は、ｎ型多層膜光反射層１３上に形成され、Ｓｉの濃度が高い第１のｎ型Ｉｎ０．５Ａｌ０．５Ｐクラッド層１４ａ（たとえば２５０ｎｍ厚）と、第１のｎ型Ｉｎ０．５Ａｌ０．５Ｐクラッド層１４ａ上に形成され、Ｓｉの濃度が低い第２のｎ型Ｉｎ０．５Ａｌ０．５Ｐクラッド層１４ｂとから構成されている。第１のｎ型Ｉｎ０．５Ａｌ０．５Ｐクラッド層１４ａにおけるＳｉの濃度は、たとえば５．０×１０１７ｃｍ−３であり、第２のｎ型Ｉｎ０．５Ａｌ０．５Ｐクラッド層１４ｂにおけるＳｉの濃度は、たとえば２．０×１０１７ｃｍ−３である。なお、ｎ型クラッド層１４にドープされるｎ型ドーパントは、Ｓｅであってもよい。
【００２１】
一方、ｐ型Ｉｎ０．５Ａｌ０．５Ｐクラッド層１５は、Ｉｎ０．５Ａｌ０．５Ｐにｐ型ドーパントとしてのＭｇをドープすることによって、ｐ型半導体層とされている。ｐ型クラッド層１５は、活性層１０上に形成され、Ｍｇの濃度が低い第１のｐ型Ｉｎ０．５Ａｌ０．５Ｐクラッド層１５ａ（たとえば２５０ｎｍ厚）と、第１のｐ型Ｉｎ０．５Ａｌ０．５Ｐクラッド層１５ａ上に形成され、Ｍｇの濃度が高い第２のｐ型Ｉｎ０．５Ａｌ０．５Ｐクラッド層１５ｂとから構成されている。第１のｐ型Ｉｎ０．５Ａｌ０．５Ｐクラッド層１５ａにおけるＭｇの濃度は、たとえば２．０×１０１７ｃｍ−３であり、第２のｐ型Ｉｎ０．５Ａｌ０．５Ｐクラッド層１５ｂにおけるＭｇの濃度は、たとえば５．０×１０１７ｃｍ−３である。なお、ｐ型クラッド層１５にドープされるｐ型ドーパントは、Ｚｎであってもよい。
【００２２】
ｎ型クラッド層１４およびｐ型クラッド層１５における活性層１０に近い部分１４ｂ，１５ａのドーピング濃度が低くされている理由は、次の通りである。つまり、発光ダイオード５０に電流を流したときに、クラッド層１４，１５層内のドーパント（不純物）が活性層１０に拡散して活性層１０で光が発生しにくくなるのを、抑制するためである。
ｐ型Ｉｎ０．５Ｇａ０．２５Ａｌ０．２５Ｐ中間バンドギャップ層１６は、ｐ型クラッド層１５とｐ型ウインドウ層１７との価電子帯バンドの不連続を緩和することにより、発光ダイオード５０に順方向電圧が印加されたときに、ｐ型クラッド層１５とｐ型ウインドウ層１７との間の抵抗が増大するのを抑制するために設けられた層である。このため、ｐ型中間バンドギャップ層１６としては、光を透過する材料であって、ｐ型クラッド層１５よりも価電子帯バンドの位置が低く、かつｐ型ウインドウ層１７よりも価電子帯バンドの位置が高いものが用いられている。ｐ型Ｉｎ０．５Ｇａ０．２５Ａｌ０．２５Ｐ中間バンドギャップ層１６は、Ｉｎ０．５Ｇａ０．２５Ａｌ０．２５Ｐにｐ型ドーパントとしてのＭｇをドープ（ドーピング濃度は、たとえば２．０×１０１８ｃｍ−３）することによって、ｐ型半導体層とされている。ｐ型中間バンドギャップ層１６にドープされるｐ型ドーパントは、Ｚｎであってもよい。
【００２３】
ｐ型ＧａＰウインドウ層１７は、電流を分散させるために設けられた層である。ｐ型ＧａＰウインドウ層１７は、ＧａＰにｐ型ドーパントとしてのＭｇをドープ（ドーピング濃度は、たとえば７×１０１８ｃｍ−３）することによって、ｐ型半導体層とされている。ｐ型ウインドウ層１７にドープされるｐ型ドーパントは、Ｚｎであってもよい。
ｐ型ＧａＰコンタクト層１８は、透明電極膜３とｐ型ウインドウ層１７との間の接触抵抗を低減させるために設けられた低抵抗層である。ｐ型ＧａＰコンタクト層１８は、ＧａＰにｐ型ドーパントとしてのＣ（炭素）を高濃度にドープすることによって、ｐ型半導体層とされている。
【００２４】
ｐ型ＧａＰコンタクト層１８におけるＣ（炭素）の濃度は、１．５×１０１９ｃｍ−３以上５．０×１０１９ｃｍ−３以下が好ましい。この理由は、Ｃの濃度が１．５×１０１９ｃｍ−３より少ないとｐ型ＧａＰコンタクト層１８の抵抗が大きくなり、透明電極膜３とｐ型ウインドウ層１７との間の接触抵抗を十分に低減させることができないからである。一方、Ｃの濃度が５．０×１０１９ｃｍ−３より多いと、ｐ型ＧａＰコンタクト層１８におけるＧａＰ結晶が劣化するからである。
【００２５】
この実施形態では、ｐ型ＧａＰコンタクト層１８におけるＣの濃度は、２．０×１０１９ｃｍ−３以上２．５×１０１９ｃｍ−３以下である。
ｐ型ＧａＰコンタクト層１８の膜厚は、３００ｎｍ以上８００ｎｍ以下であることが好ましい。
ｐ型ＧａＰコンタクト層１８と、ＧａＡｓにＣをドープすることにより得られるｐ型ＧａＡｓコンタクト層とを比較すると、ＧａＡｓは光を吸収する性質を有しているのに対してＧａＰは透明性が高いため、ｐ型ＧａＰコンタクト層１８の方がより光を透過でき、発光輝度を高めることができる。これにより、高輝度化に適した発光ダイオードを実現することができる。
【００２６】
活性層１０は、多重量子井戸（ＭＱＷ：multiple-quantum well）構造を有しており、電子と正孔とが再結合することにより光が発生し、その発生した光を増幅させるための層である。活性層１０の膜厚は、たとえば約１０００ｎｍである。
活性層１０は、この実施形態では、図２に示すように、アンドープのＩｎ０．５Ｇａ０．５Ｐ層からなる量子井戸（well）層（たとえば４ｎｍ厚）１０１と、アンドープのＩｎ０．５（Ｇａ０．１５Ａｌ０．８５）０．５Ｐ層からなる障壁(barrier）層（たとえば４ｎｍ厚）１０２とを交互に複数周期繰り返し積層して構成された多重量子井戸構造を有している。量子井戸層１０１の層数は、たとえば１００であり、障壁層１０２の層数は、たとえば９９である。
【００２７】
透明電極膜３は、電流を効率良く分散し、ｐ型ウインドウ層１７を薄くするために設けられた電極である。透明電極膜３は、インジウム錫酸化物（ＩＴＯ：Indium Tin Oxide）からなる。透明電極膜３の膜厚は、たとえば３００ｎｍである。
ｎ側電極４は、たとえば、第１のＡｕ層（たとえば５０ｎｍ厚）と、ＡｕＧｅ／Ｎｉ層（たとえば１６５ｎｍ厚）と、第２のＡｕ層（たとえば１６５ｎｍ厚）からなる三層構造の合金からなり、その第１のＡｕ層側が基板１側に配されるように、基板１にオーミック接合されている。なお、ｎ側電極４は、Ａｕ／ＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕを基板１の裏面に成膜した後に、シンタリング（焼成）が行われることにより、基板１の材料（ＧａＡｓ）を含めて合金化される。
【００２８】
ｐ側電極５は、透明電極膜３の表面の中央部に形成されている。ｐ側電極５は、たとえばＣｒ（たとえば３０ｎｍ厚）／Ａｕ（たとえば２０００ｎｍ厚）合金からなり、そのＣｒ側が透明電極膜３に配されるように、透明電極膜３にオーミック接合されている。
図３に示すように、Ｐ型コンタクト層１８における透明電極膜３側の表面は粗面化されており、当該表面に凹凸が形成されている。このように、Ｐ型コンタクト層１８における透明電極膜３側の表面には凹凸が形成されているため、その上に形成される透明電極膜３におけるＰ型コンタクト層１８と反対側の表面にも、緩やかな凹凸が形成されている。
【００２９】
Ｐ型コンタクト層１８の表面に凹凸が形成されている理由について説明する。この発光ダイオード５０は、透明電極膜３が設けられているため、活性層１０から透明電極膜３側の外部に光が取り出されるまでに、屈折率が異なる層が少なくとも２つ存在する。屈折率が異なる２つの層は、具体的には、ウインドウ層１７およびコンタクト層１８から構成されるｐ型ＧａＰ層と、透明電極膜３から構成されるＩＴＯ膜である。
【００３０】
この実施形態では、ｐ型コンタクト層１８における透明電極膜３側の表面に凹凸が形成されているので、ｐ型コンタクト層１８と透明電極膜３との境界面において、光が全反射されるのを抑制することができる。また、透明電極膜３におけるｐ型コンタクト層１８と反対側の表面にも緩やかな凹凸が形成されるため、透明電極膜３と外気との境界面においても、光が全反射されるのを抑制することができる。これにより、発光効率を高めることができる。
【００３１】
Ｐ型コンタクト層１８における透明電極膜３側の表面に形成される凹凸の高低差は、２００ｎｍ以上６００ｎｍ以下であることが好ましい。この理由は、凹凸の高低差が２００ｎｍより小さいと、Ｐ型コンタクト層１８と透明電極膜３との境界面において、光の全反射を十分に抑制できないからである。一方、凹凸の高低差が６００ｎｍより大きいと、Ｐ型コンタクト層１８上に透明電極膜３を成膜しにくくなるからである。
【００３２】
このような構成によって、ｎ側電極４およびｐ側電極５を電源に接続し、ｎ型半導体層１１およびｐ型半導体層１２から電子および正孔を活性層１０に注入することによって、この活性層１０内での電子および正孔の再結合を生じさせ、光を発生させることができる。この光は、透明電極膜３の表面から外部に取り出されることになる。
前述した発光ダイオード５０の製造方法について簡単に説明する。まず、ＧａＡｓ基板１上に、有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ：Metal Organic Chemical Vapor Deposition）によって、ｎ型多層膜光反射層１３、第１のｎ型Ｉｎ０．５Ａｌ０．５Ｐクラッド層１４ａ、第２のｎ型Ｉｎ０．５Ａｌ０．５Ｐクラッド層１４ｂ、活性層１０、第１のｐ型Ｉｎ０．５Ａｌ０．５Ｐクラッド層１５ａ、第２のｐ型Ｉｎ０．５Ａｌ０．５Ｐクラッド層１５ｂ、ｐ型Ｉｎ０．５Ｇａ０．２５Ａｌ０．２５Ｐ中間バンドギャップ層１６、ｐ型ＧａＰウインドウ層１７およびｐ型ＧａＰコンタクト層１８を順に成長させる。
【００３３】
なお、ｎ型多層膜光反射層１３は、ｎ型ＡｌＡｓ層とｎ型Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ層とを交互に複数周期繰り返し成長させることによって形成される。また、活性層１０は、Ｉｎ０．５Ｇａ０．５Ｐ層からなる量子井戸層１０１と、Ｉｎ０．５（Ｇａ０．１５Ａｌ０．８５）０．５Ｐ層からなる障壁層１０２とを交互に複数周期繰り返し成長させることによって形成される。
【００３４】
次に、ｐ型ＧａＰコンタクト層１８の表面を粗面化することにより、ｐ型ＧａＰコンタクト層１８の表面に凹凸を形成する。具体的には、硝酸系エッチャントを用いたウエットエッチングまたは塩素系ガスによるドライエッチングによって、ｐ型ＧａＰコンタクト層１８の表面を粗面化する。
この後、ｐ型ＧａＰコンタクト層１８上に、透明電極膜３（ＩＴＯ膜）を形成する。この際、ｐ型ＧａＰコンタクト層１８表面の凹凸部に空洞が生じないように、成膜速度を遅くすることが好ましい。
【００３５】
そして、透明電極膜３にオーミック接触するｐ型電極５が形成される。また、ＧａＡｓ基板１にオーミック接触するｎ型電極４が形成される。
次に、ｐ型ＧａＰコンタクト層１８におけるＣの濃度と、発光ダイオードの順方向電圧Ｖｆ［ｍＡ］との関係について説明する。ｐ型ＧａＰコンタクト層１８におけるＣの濃度（Ｃ．Ｃ．（キャリアコンセントレーション））が異なる複数の実験サンプルを用いて実験を行った。
【００３６】
実験サンプルとして、次のａ〜ｇの７種類のサンプルを用意した。
ａ：コンタクト層１８におけるＣの濃度が６．７８×１０１８ｃｍ−３である発光ダイオード
ｂ：コンタクト層１８におけるＣの濃度が１．１２×１０１９ｃｍ−３である発光ダイオード
ｃ：コンタクト層１８におけるＣの濃度が１．５１×１０１９ｃｍ−３である発光ダイオード
ｄ：コンタクト層１８におけるＣの濃度が１．７６×１０１９ｃｍ−３である発光ダイオード
ｅ：コンタクト層１８におけるＣの濃度が１．９４×１０１９ｃｍ−３である発光ダイオード
ｆ：コンタクト層１８におけるＣの濃度が２．１１×１０１９ｃｍ−３である発光ダイオード
ｇ：コンタクト層１８におけるＣの濃度が２．８４×１０１９ｃｍ−３である発光ダイオード
各サンプルａ〜ｇに対する順方向電圧Ｖｆ［ｍＶ］（各サンプルａ〜ｇに２０ｍＡの順方向電流Ｉｆを印加したときの順方向電圧）の測定結果を表１および図４に示す。
【００３７】
【表１】
【００３８】
表１および図４から、コンタクト層１８におけるＣの濃度が高くなるにしたがって順方向電圧Ｖｆが低下していき、コンタクト層１８におけるＣの濃度が１．５０×１０１９ｃｍ−３以上となると順方向電圧Ｖｆがほぼ一定となることがわかる。つまり、コンタクト層１８におけるＣの濃度を１．５０×１０１９ｃｍ−３以上にすると、順方向電圧Ｖｆを低く抑えることができることが分かる。
【００３９】
以上、この発明の一実施形態について説明したが、この発明はさらに他の形態で実施することができる。たとえば、活性層１０、ｎ型クラッド層１４、ｐ型クラッド層１５およびｐ型中間バンドギャップ層１６は、ＩｎＡｌＧａＰ系半導体から構成されていればよく、前記実施形態のものに限られない。
その他、特許請求の範囲に記載された事項の範囲内で種々の設計変更を施すことが可能である。
【符号の説明】
【００４０】
１ 基板
２ 半導体積層構造
３ 透明電極膜
４ ｎ側電極
５ ｐ側電極
１０ 活性層
１１ ｎ型半導体層
１２ ｐ型半導体層
１３ ｎ型多層膜光反射層
１４ ｎ型Ｉｎ０．５Ａｌ０．５Ｐクラッド層
１５ ｐ型Ｉｎ０．５Ａｌ０．５Ｐクラッド層
１６ ｐ型Ｉｎ０．５Ｇａ０．２５Ａｌ０．２５Ｐ中間バンドギャップ層
１７ ｐ型ＧａＰウインドウ層
１８ ｐ型ＧａＰコンタクト層
５０ 発光ダイオード
【技術分野】
【０００１】
この発明は、発光ダイオード等の半導体発光素子に関し、特に、ＩｎＧａＡｌＰ系の半導体発光体素子に関する。
本明細書および特許請求の範囲において、「ＩｎＧａＡｌＰ系の半導体」とは、ＩｎｘＧａｙＡｌ１−ｘ−ｙＰ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０＜（ｘ＋ｙ）≦１）からなる半導体をいう。したがって、ＩｎＧａＰ，ＩｎＡｌＰ，ＩｎＧａＡｌＰ，ＧａＰ，ＧａＡｌＰも、「ＩｎＧａＡｌＰ系の半導体」に含まれる。
【背景技術】
【０００２】
発光ダイオードにおいて、高輝度を得るためには、チップ面内に均一に電流が注入されるように、電流分散特性を良くする必要がある。そこで、ｐ型クラッド層とｐ側電極との間に、電流を分散させるためのウインドウ層が設けられている。このウインドウ層は厚いほど電流を分散させることができるが、ウインドウ層を厚く形成すると、ウインドウ層を構成する結晶に欠陥が発生しやすくなる。
【０００３】
そこで、ｐ側電極におけるｐ型クラッド層側に、ＩＴＯ（Indium Tin Oxide）からなる透明電極膜を設けることにより、従来のウインドウ層を薄くした発光ダイオードが提案されている。
しかしながら、ＩＴＯ透明電極膜を用いた発光ダイオードでは、半導体層と透明電極膜との間の接触抵抗が大きくなるため、順方向動作電圧が高くなるという問題がある。
【０００４】
この問題を解消するために、透明電極膜と半導体層との間に、炭素がドープされたＧａＡｓまたは炭素がドープされたＡｌＧａＡｓからなるｐ型コンタクト層を設けることにより、透明電極膜と半導体層との間の接触抵抗を低下させたものが提案されている（特許文献１〜３参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平１１−３０７８１０号公報
【特許文献２】特開２００１−２２３３８４号公報
【特許文献３】特開２００７−９６１６８号公報
【特許文献４】特開２００５−２７７３７４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
炭素がドープされたＧａＡｓまたは炭素がドープされたＡｌＧａＡｓからなるｐ型コンタクト層が設けられた従来の発光ダイオードでは、コンタクト層の材料であるＧａＡｓまたはＡｌＧａＡｓは、光を吸収する性質を有しているため、発光を阻害するという問題がある。
この発明の目的は、高輝度化に適した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】
【０００７】
この発明の半導体発光素子は、ＩｎＡｌＧａＰ系半導体からなるｐ型クラッド層およびｎ型クラッド層と、前記ｐ型クラッド層およびｎ型クラッド層に挟まれ、ＩｎＡｌＧａＰ系半導体からなる活性層と、前記ｐ型クラッド層に対して前記活性層とは反対側に配置され、ＧａＰからなるｐ型ウインドウ層と、前記ｐ型ウインドウ層における前記ｐ型クラッド層とは反対側の表面に形成されたｐ型コンタクト層と、前記ｐ型コンタクト層における前記ｐ型ウインドウ層とは反対側の表面に形成され、ＩＴＯからなる透明電極膜とを備えている。前記ｐ型コンタクト層は、炭素がドープされたＧａＰからなる。
【０００８】
この発明の構成では、ｐ型コンタクト層は、炭素がドープされたＧａＰからなる。このため、透明電極膜とｐ型ウインドウ層との間の接触抵抗を低減させることができる。これにより、高輝度化に適した半導体発光素子を実現することができる。
この発明におけるｐ型コンタクト層と、ＧａＡｓに炭素をドープすることにより得られる従来のｐ型コンタクト層と比較すると、ＧａＡｓは光を吸収する性質を有しているのに対してＧａＰは透明性が高いため、この発明におけるｐ型コンタクト層の方がより光を透過でき、発光輝度を高めることができる。これにより、高輝度化により適した半導体発光素子を実現することができる。
【０００９】
また、この発明では、ｐ型コンタクト層におけるｐ型ウインドウ層とは反対側に形成されたＩＴＯ透明電極膜を備えているので、ｐ型ウインドウ層の膜厚を薄くすることが可能となる。
前記半導体発光素子は、具体的には、前記ｐ型コンタクト層における前記炭素の濃度が１．５×１０１９ｃｍ−３以上であることが好ましい。炭素濃度が１．５×１０１９ｃｍ−３より少ないとｐ型コンタクト層の抵抗が大きくなり、透明電極膜とｐ型ウインドウ層との間の接触抵抗を十分に低減させることができないからである。
【００１０】
前記半導体発光素子は、具体的には、前記ｐ型コンタクト層における前記炭素の濃度が１．５×１０１９ｃｍ−３以上５．０×１０１９ｃｍ−３以下であることが好ましい。炭素濃度が５．０×１０１９ｃｍ−３より多いと、ｐ型コンタクト層におけるＧａＰ結晶が劣化するからである。
この発明の一実施形態では、前記ｐ型コンタクト層の厚さが、３００ｎｍ以上８００ｎｍ以下である。
【００１１】
前記半導体発光素子は、具体的には、前記ｐ型コンタクト層における前記透明電極膜側の表面に凹凸が形成されていることが好ましい。この構成では、ｐ型コンタクト層と透明電極膜との境界面において、光が全反射されるのを抑制することができる。これにより、発光効率を高めることができる。
前記ｐ型コンタクト層表面の凹凸の高低差が、２００ｎｍ以上６００ｎｍ以下であることが好ましい。この理由は、凹凸の高低差が２００ｎｍより小さいと、Ｐ型コンタクト層と透明電極膜との境界面において、光の全反射を十分に抑制できないからである。一方、凹凸の高低差が６００ｎｍより大きいと、Ｐ型コンタクト層上に透明電極膜を成膜しにくくなるからである。
【００１２】
前記ｐ型クラッド層と前記ｐ型ウインドウ層との間に、前記ｐ型クラッド層よりも価電子帯バンドの位置が低く、かつ前記ｐ型ウインドウ層よりも価電子帯バンドの位置が高いｐ型中間バンドギャップ層が介装されていてもよい。この構成では、ｐ型クラッド層とｐ型ウインドウ層との価電子帯バンドの不連続がｐ型中間バンドギャップ層によって緩和されるので、半導体発光素子に順方向電圧が印加されたときに、ｐ型クラッド層とｐ型ウインドウ層との間の抵抗が増大するのを抑制することができる。これにより、低抵抗化が図れる。
【００１３】
ｐ型クラッド層がＩｎＡｌＧａＰ系半導体から構成され、ｐ型ウインドウ層がＧａＰから構成されているため、前記ｐ型中間バンドギャップ層は、ＩｎＡｌＧａＰ系半導体から構成されていることが好ましい。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】図１は、この発明の一実施形態に係る発光ダイオードの構成を説明するための断面図である。
【図２】前記発光ダイオードの活性層の構成を説明するための図解的な断面図である。
【図３】Ｐ型コンタクト層における透明電極膜側の表面が粗面化されていることを示す図解的な断面図である。
【図４】各サンプルａ〜ｇに対する順方向電圧Ｖｆ［ｍＶ］の測定結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下では、この発明の実施形態を、添付図面を参照して詳細に説明する。
図１は、この発明の一実施形態に係る発光ダイオードの構成を説明するための断面図である。
この発光ダイオード５０は、基板１と、基板１上に結晶成長によって形成された半導体積層構造２と、半導体積層構造２の表面に形成された透明電極膜３と、基板１の裏面に接触するように形成されたｎ側電極４と、透明電極膜３の表面に接触するように形成されたｐ側電極５を備えている。
【００１６】
基板１は、この実施形態では、ＧａＡｓ単結晶基板（たとえば１７０μｍ厚）で構成されている。半導体積層構造２を形成する各層は、基板１に対してエピタキシャル成長されている。エピタキシャル成長とは、下地層からの格子の連続性を保った状態での結晶成長をいう。
半導体積層構造２は、活性層１０と、ｎ型半導体層１１と、ｐ型半導体層１２とを備えている。ｎ型半導体層１１は活性層１０に対して基板１側に配置されており、ｐ型半導体層１２は活性層１０に対して透明電極膜３側に配置されている。こうして、ダブルヘテロ接合が形成されている。活性層１０には、ｎ型半導体層１１から電子が注入され、ｐ型半導体層１２から正孔が注入される。これらが活性層１０で再結合することにより、光が発生するようになっている。
【００１７】
ｎ型半導体層１１は、基板１側から順に、ｎ型多層膜光反射層１３（たとえば約１０００ｎｍ厚）およびｎ型Ｉｎ０．５Ａｌ０．５Ｐクラッド層１４（たとえば５００ｎｍ厚）を積層して構成されている。一方、ｐ型半導体層１２は、活性層１０上に、ｐ型Ｉｎ０．５Ａｌ０．５Ｐクラッド層１５（たとえば５００ｎｍ厚）、ｐ型Ｉｎ０．５Ｇａ０．２５Ａｌ０．２５Ｐ中間バンドギャップ層１６（たとえば７０ｎｍ厚）、ｐ型ＧａＰウインドウ層１７（たとえば２０００ｎｍ厚）およびｐ型ＧａＰコンタクト層１８（たとえば５００ｎｍ厚）を積層して構成されている。
【００１８】
ｎ型多層膜光反射層１３は、活性層１０から基板１側に向かって放出された光を反射させ、その光を透明電極膜３の露出面から外部に出射させるために設けられた層である。ｎ型多層膜光反射層１３は、ブラッグ反射鏡（ＤＢＲ：Distributed Bragg Reflector）であり、ｎ型ＡｌＡｓ層（たとえば４０ｎｍ厚）とｎ型Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ層（たとえば４０ｎｍ厚）とがそれぞれ１０層ずつ交互に積層されてなる。ｎ型ＡｌＡｓ層は、ＡｌＡｓにｎ型ドーパントとしてのＳｉをドープすることによって、ｎ型半導体層とされている。また、ｎ型Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ層は、Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓにｎ型ドーパントとしてのＳｉをドープすることによって、ｎ型半導体層とされている。
【００１９】
なお、ｎ型多層膜光反射層１３は、ｎ型Ｉｎ０．５Ａｌ０．５Ｐ層とｎ型ＧａＡｓ層とが交互に積層されたものであってもよい。
ｎ型クラッド層１４と、ｐ型クラッド層１５とは、活性層１０にキャリア（電子および正孔）を閉じ込めるキャリア閉じ込め効果を生じるものである。ｎ型Ｉｎ０．５Ａｌ０．５Ｐクラッド層１４は、Ｉｎ０．５Ａｌ０．５Ｐにｎ型ドーパントとしてのＳｉをドープすることによって、ｎ型半導体層とされている。
【００２０】
ｎ型クラッド層１４は、ｎ型多層膜光反射層１３上に形成され、Ｓｉの濃度が高い第１のｎ型Ｉｎ０．５Ａｌ０．５Ｐクラッド層１４ａ（たとえば２５０ｎｍ厚）と、第１のｎ型Ｉｎ０．５Ａｌ０．５Ｐクラッド層１４ａ上に形成され、Ｓｉの濃度が低い第２のｎ型Ｉｎ０．５Ａｌ０．５Ｐクラッド層１４ｂとから構成されている。第１のｎ型Ｉｎ０．５Ａｌ０．５Ｐクラッド層１４ａにおけるＳｉの濃度は、たとえば５．０×１０１７ｃｍ−３であり、第２のｎ型Ｉｎ０．５Ａｌ０．５Ｐクラッド層１４ｂにおけるＳｉの濃度は、たとえば２．０×１０１７ｃｍ−３である。なお、ｎ型クラッド層１４にドープされるｎ型ドーパントは、Ｓｅであってもよい。
【００２１】
一方、ｐ型Ｉｎ０．５Ａｌ０．５Ｐクラッド層１５は、Ｉｎ０．５Ａｌ０．５Ｐにｐ型ドーパントとしてのＭｇをドープすることによって、ｐ型半導体層とされている。ｐ型クラッド層１５は、活性層１０上に形成され、Ｍｇの濃度が低い第１のｐ型Ｉｎ０．５Ａｌ０．５Ｐクラッド層１５ａ（たとえば２５０ｎｍ厚）と、第１のｐ型Ｉｎ０．５Ａｌ０．５Ｐクラッド層１５ａ上に形成され、Ｍｇの濃度が高い第２のｐ型Ｉｎ０．５Ａｌ０．５Ｐクラッド層１５ｂとから構成されている。第１のｐ型Ｉｎ０．５Ａｌ０．５Ｐクラッド層１５ａにおけるＭｇの濃度は、たとえば２．０×１０１７ｃｍ−３であり、第２のｐ型Ｉｎ０．５Ａｌ０．５Ｐクラッド層１５ｂにおけるＭｇの濃度は、たとえば５．０×１０１７ｃｍ−３である。なお、ｐ型クラッド層１５にドープされるｐ型ドーパントは、Ｚｎであってもよい。
【００２２】
ｎ型クラッド層１４およびｐ型クラッド層１５における活性層１０に近い部分１４ｂ，１５ａのドーピング濃度が低くされている理由は、次の通りである。つまり、発光ダイオード５０に電流を流したときに、クラッド層１４，１５層内のドーパント（不純物）が活性層１０に拡散して活性層１０で光が発生しにくくなるのを、抑制するためである。
ｐ型Ｉｎ０．５Ｇａ０．２５Ａｌ０．２５Ｐ中間バンドギャップ層１６は、ｐ型クラッド層１５とｐ型ウインドウ層１７との価電子帯バンドの不連続を緩和することにより、発光ダイオード５０に順方向電圧が印加されたときに、ｐ型クラッド層１５とｐ型ウインドウ層１７との間の抵抗が増大するのを抑制するために設けられた層である。このため、ｐ型中間バンドギャップ層１６としては、光を透過する材料であって、ｐ型クラッド層１５よりも価電子帯バンドの位置が低く、かつｐ型ウインドウ層１７よりも価電子帯バンドの位置が高いものが用いられている。ｐ型Ｉｎ０．５Ｇａ０．２５Ａｌ０．２５Ｐ中間バンドギャップ層１６は、Ｉｎ０．５Ｇａ０．２５Ａｌ０．２５Ｐにｐ型ドーパントとしてのＭｇをドープ（ドーピング濃度は、たとえば２．０×１０１８ｃｍ−３）することによって、ｐ型半導体層とされている。ｐ型中間バンドギャップ層１６にドープされるｐ型ドーパントは、Ｚｎであってもよい。
【００２３】
ｐ型ＧａＰウインドウ層１７は、電流を分散させるために設けられた層である。ｐ型ＧａＰウインドウ層１７は、ＧａＰにｐ型ドーパントとしてのＭｇをドープ（ドーピング濃度は、たとえば７×１０１８ｃｍ−３）することによって、ｐ型半導体層とされている。ｐ型ウインドウ層１７にドープされるｐ型ドーパントは、Ｚｎであってもよい。
ｐ型ＧａＰコンタクト層１８は、透明電極膜３とｐ型ウインドウ層１７との間の接触抵抗を低減させるために設けられた低抵抗層である。ｐ型ＧａＰコンタクト層１８は、ＧａＰにｐ型ドーパントとしてのＣ（炭素）を高濃度にドープすることによって、ｐ型半導体層とされている。
【００２４】
ｐ型ＧａＰコンタクト層１８におけるＣ（炭素）の濃度は、１．５×１０１９ｃｍ−３以上５．０×１０１９ｃｍ−３以下が好ましい。この理由は、Ｃの濃度が１．５×１０１９ｃｍ−３より少ないとｐ型ＧａＰコンタクト層１８の抵抗が大きくなり、透明電極膜３とｐ型ウインドウ層１７との間の接触抵抗を十分に低減させることができないからである。一方、Ｃの濃度が５．０×１０１９ｃｍ−３より多いと、ｐ型ＧａＰコンタクト層１８におけるＧａＰ結晶が劣化するからである。
【００２５】
この実施形態では、ｐ型ＧａＰコンタクト層１８におけるＣの濃度は、２．０×１０１９ｃｍ−３以上２．５×１０１９ｃｍ−３以下である。
ｐ型ＧａＰコンタクト層１８の膜厚は、３００ｎｍ以上８００ｎｍ以下であることが好ましい。
ｐ型ＧａＰコンタクト層１８と、ＧａＡｓにＣをドープすることにより得られるｐ型ＧａＡｓコンタクト層とを比較すると、ＧａＡｓは光を吸収する性質を有しているのに対してＧａＰは透明性が高いため、ｐ型ＧａＰコンタクト層１８の方がより光を透過でき、発光輝度を高めることができる。これにより、高輝度化に適した発光ダイオードを実現することができる。
【００２６】
活性層１０は、多重量子井戸（ＭＱＷ：multiple-quantum well）構造を有しており、電子と正孔とが再結合することにより光が発生し、その発生した光を増幅させるための層である。活性層１０の膜厚は、たとえば約１０００ｎｍである。
活性層１０は、この実施形態では、図２に示すように、アンドープのＩｎ０．５Ｇａ０．５Ｐ層からなる量子井戸（well）層（たとえば４ｎｍ厚）１０１と、アンドープのＩｎ０．５（Ｇａ０．１５Ａｌ０．８５）０．５Ｐ層からなる障壁(barrier）層（たとえば４ｎｍ厚）１０２とを交互に複数周期繰り返し積層して構成された多重量子井戸構造を有している。量子井戸層１０１の層数は、たとえば１００であり、障壁層１０２の層数は、たとえば９９である。
【００２７】
透明電極膜３は、電流を効率良く分散し、ｐ型ウインドウ層１７を薄くするために設けられた電極である。透明電極膜３は、インジウム錫酸化物（ＩＴＯ：Indium Tin Oxide）からなる。透明電極膜３の膜厚は、たとえば３００ｎｍである。
ｎ側電極４は、たとえば、第１のＡｕ層（たとえば５０ｎｍ厚）と、ＡｕＧｅ／Ｎｉ層（たとえば１６５ｎｍ厚）と、第２のＡｕ層（たとえば１６５ｎｍ厚）からなる三層構造の合金からなり、その第１のＡｕ層側が基板１側に配されるように、基板１にオーミック接合されている。なお、ｎ側電極４は、Ａｕ／ＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕを基板１の裏面に成膜した後に、シンタリング（焼成）が行われることにより、基板１の材料（ＧａＡｓ）を含めて合金化される。
【００２８】
ｐ側電極５は、透明電極膜３の表面の中央部に形成されている。ｐ側電極５は、たとえばＣｒ（たとえば３０ｎｍ厚）／Ａｕ（たとえば２０００ｎｍ厚）合金からなり、そのＣｒ側が透明電極膜３に配されるように、透明電極膜３にオーミック接合されている。
図３に示すように、Ｐ型コンタクト層１８における透明電極膜３側の表面は粗面化されており、当該表面に凹凸が形成されている。このように、Ｐ型コンタクト層１８における透明電極膜３側の表面には凹凸が形成されているため、その上に形成される透明電極膜３におけるＰ型コンタクト層１８と反対側の表面にも、緩やかな凹凸が形成されている。
【００２９】
Ｐ型コンタクト層１８の表面に凹凸が形成されている理由について説明する。この発光ダイオード５０は、透明電極膜３が設けられているため、活性層１０から透明電極膜３側の外部に光が取り出されるまでに、屈折率が異なる層が少なくとも２つ存在する。屈折率が異なる２つの層は、具体的には、ウインドウ層１７およびコンタクト層１８から構成されるｐ型ＧａＰ層と、透明電極膜３から構成されるＩＴＯ膜である。
【００３０】
この実施形態では、ｐ型コンタクト層１８における透明電極膜３側の表面に凹凸が形成されているので、ｐ型コンタクト層１８と透明電極膜３との境界面において、光が全反射されるのを抑制することができる。また、透明電極膜３におけるｐ型コンタクト層１８と反対側の表面にも緩やかな凹凸が形成されるため、透明電極膜３と外気との境界面においても、光が全反射されるのを抑制することができる。これにより、発光効率を高めることができる。
【００３１】
Ｐ型コンタクト層１８における透明電極膜３側の表面に形成される凹凸の高低差は、２００ｎｍ以上６００ｎｍ以下であることが好ましい。この理由は、凹凸の高低差が２００ｎｍより小さいと、Ｐ型コンタクト層１８と透明電極膜３との境界面において、光の全反射を十分に抑制できないからである。一方、凹凸の高低差が６００ｎｍより大きいと、Ｐ型コンタクト層１８上に透明電極膜３を成膜しにくくなるからである。
【００３２】
このような構成によって、ｎ側電極４およびｐ側電極５を電源に接続し、ｎ型半導体層１１およびｐ型半導体層１２から電子および正孔を活性層１０に注入することによって、この活性層１０内での電子および正孔の再結合を生じさせ、光を発生させることができる。この光は、透明電極膜３の表面から外部に取り出されることになる。
前述した発光ダイオード５０の製造方法について簡単に説明する。まず、ＧａＡｓ基板１上に、有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ：Metal Organic Chemical Vapor Deposition）によって、ｎ型多層膜光反射層１３、第１のｎ型Ｉｎ０．５Ａｌ０．５Ｐクラッド層１４ａ、第２のｎ型Ｉｎ０．５Ａｌ０．５Ｐクラッド層１４ｂ、活性層１０、第１のｐ型Ｉｎ０．５Ａｌ０．５Ｐクラッド層１５ａ、第２のｐ型Ｉｎ０．５Ａｌ０．５Ｐクラッド層１５ｂ、ｐ型Ｉｎ０．５Ｇａ０．２５Ａｌ０．２５Ｐ中間バンドギャップ層１６、ｐ型ＧａＰウインドウ層１７およびｐ型ＧａＰコンタクト層１８を順に成長させる。
【００３３】
なお、ｎ型多層膜光反射層１３は、ｎ型ＡｌＡｓ層とｎ型Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ層とを交互に複数周期繰り返し成長させることによって形成される。また、活性層１０は、Ｉｎ０．５Ｇａ０．５Ｐ層からなる量子井戸層１０１と、Ｉｎ０．５（Ｇａ０．１５Ａｌ０．８５）０．５Ｐ層からなる障壁層１０２とを交互に複数周期繰り返し成長させることによって形成される。
【００３４】
次に、ｐ型ＧａＰコンタクト層１８の表面を粗面化することにより、ｐ型ＧａＰコンタクト層１８の表面に凹凸を形成する。具体的には、硝酸系エッチャントを用いたウエットエッチングまたは塩素系ガスによるドライエッチングによって、ｐ型ＧａＰコンタクト層１８の表面を粗面化する。
この後、ｐ型ＧａＰコンタクト層１８上に、透明電極膜３（ＩＴＯ膜）を形成する。この際、ｐ型ＧａＰコンタクト層１８表面の凹凸部に空洞が生じないように、成膜速度を遅くすることが好ましい。
【００３５】
そして、透明電極膜３にオーミック接触するｐ型電極５が形成される。また、ＧａＡｓ基板１にオーミック接触するｎ型電極４が形成される。
次に、ｐ型ＧａＰコンタクト層１８におけるＣの濃度と、発光ダイオードの順方向電圧Ｖｆ［ｍＡ］との関係について説明する。ｐ型ＧａＰコンタクト層１８におけるＣの濃度（Ｃ．Ｃ．（キャリアコンセントレーション））が異なる複数の実験サンプルを用いて実験を行った。
【００３６】
実験サンプルとして、次のａ〜ｇの７種類のサンプルを用意した。
ａ：コンタクト層１８におけるＣの濃度が６．７８×１０１８ｃｍ−３である発光ダイオード
ｂ：コンタクト層１８におけるＣの濃度が１．１２×１０１９ｃｍ−３である発光ダイオード
ｃ：コンタクト層１８におけるＣの濃度が１．５１×１０１９ｃｍ−３である発光ダイオード
ｄ：コンタクト層１８におけるＣの濃度が１．７６×１０１９ｃｍ−３である発光ダイオード
ｅ：コンタクト層１８におけるＣの濃度が１．９４×１０１９ｃｍ−３である発光ダイオード
ｆ：コンタクト層１８におけるＣの濃度が２．１１×１０１９ｃｍ−３である発光ダイオード
ｇ：コンタクト層１８におけるＣの濃度が２．８４×１０１９ｃｍ−３である発光ダイオード
各サンプルａ〜ｇに対する順方向電圧Ｖｆ［ｍＶ］（各サンプルａ〜ｇに２０ｍＡの順方向電流Ｉｆを印加したときの順方向電圧）の測定結果を表１および図４に示す。
【００３７】
【表１】
【００３８】
表１および図４から、コンタクト層１８におけるＣの濃度が高くなるにしたがって順方向電圧Ｖｆが低下していき、コンタクト層１８におけるＣの濃度が１．５０×１０１９ｃｍ−３以上となると順方向電圧Ｖｆがほぼ一定となることがわかる。つまり、コンタクト層１８におけるＣの濃度を１．５０×１０１９ｃｍ−３以上にすると、順方向電圧Ｖｆを低く抑えることができることが分かる。
【００３９】
以上、この発明の一実施形態について説明したが、この発明はさらに他の形態で実施することができる。たとえば、活性層１０、ｎ型クラッド層１４、ｐ型クラッド層１５およびｐ型中間バンドギャップ層１６は、ＩｎＡｌＧａＰ系半導体から構成されていればよく、前記実施形態のものに限られない。
その他、特許請求の範囲に記載された事項の範囲内で種々の設計変更を施すことが可能である。
【符号の説明】
【００４０】
１ 基板
２ 半導体積層構造
３ 透明電極膜
４ ｎ側電極
５ ｐ側電極
１０ 活性層
１１ ｎ型半導体層
１２ ｐ型半導体層
１３ ｎ型多層膜光反射層
１４ ｎ型Ｉｎ０．５Ａｌ０．５Ｐクラッド層
１５ ｐ型Ｉｎ０．５Ａｌ０．５Ｐクラッド層
１６ ｐ型Ｉｎ０．５Ｇａ０．２５Ａｌ０．２５Ｐ中間バンドギャップ層
１７ ｐ型ＧａＰウインドウ層
１８ ｐ型ＧａＰコンタクト層
５０ 発光ダイオード
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＩｎＡｌＧａＰ系半導体からなるｐ型クラッド層およびｎ型クラッド層と、
前記ｐ型クラッド層およびｎ型クラッド層に挟まれ、ＩｎＡｌＧａＰ系半導体からなる活性層と、
前記ｐ型クラッド層に対して前記活性層とは反対側に配置され、ＧａＰからなるｐ型ウインドウ層と、
前記ｐ型ウインドウ層における前記ｐ型クラッド層とは反対側の表面に形成されたｐ型コンタクト層と、
前記ｐ型コンタクト層における前記ｐ型ウインドウ層とは反対側の表面に形成され、ＩＴＯからなる透明電極膜とを備え、
前記ｐ型コンタクト層は、炭素がドープされたＧａＰからなる、半導体発光素子。
【請求項２】
前記ｐ型コンタクト層における前記炭素の濃度が１．５×１０１９ｃｍ−３以上である、請求項１に記載の半導体発光素子。
【請求項３】
前記ｐ型コンタクト層における前記炭素の濃度が１．５×１０１９ｃｍ−３以上５．０×１０１９ｃｍ−３以下である、請求項１に記載の半導体発光素子。
【請求項４】
前記ｐ型コンタクト層の厚さが、３００ｎｍ以上８００ｎｍ以下である、請求項１〜３のいずれか一項に記載の半導体発光素子。
【請求項５】
前記ｐ型コンタクト層における前記透明電極膜側の表面に凹凸が形成されている、請求項１〜４のいずれか一項に記載の半導体発光素子。
【請求項６】
前記ｐ型コンタクト層表面の凹凸の高低差が、２００ｎｍ以上６００ｎｍ以下である請求項５に記載の半導体発光素子。
【請求項７】
前記ｐ型クラッド層と前記ｐ型ウインドウ層との間に、前記ｐ型クラッド層よりも価電子帯バンドの位置が低く、かつ前記ｐ型ウインドウ層よりも価電子帯バンドの位置が高いｐ型中間バンドギャップ層が介装されている、請求項１〜６のいずれか一項に記載の半導体発光素子。
【請求項８】
前記ｐ型中間バンドギャップ層が、ＩｎＡｌＧａＰ系半導体からなる、請求項７に記載の半導体発光素子。
【請求項１】
ＩｎＡｌＧａＰ系半導体からなるｐ型クラッド層およびｎ型クラッド層と、
前記ｐ型クラッド層およびｎ型クラッド層に挟まれ、ＩｎＡｌＧａＰ系半導体からなる活性層と、
前記ｐ型クラッド層に対して前記活性層とは反対側に配置され、ＧａＰからなるｐ型ウインドウ層と、
前記ｐ型ウインドウ層における前記ｐ型クラッド層とは反対側の表面に形成されたｐ型コンタクト層と、
前記ｐ型コンタクト層における前記ｐ型ウインドウ層とは反対側の表面に形成され、ＩＴＯからなる透明電極膜とを備え、
前記ｐ型コンタクト層は、炭素がドープされたＧａＰからなる、半導体発光素子。
【請求項２】
前記ｐ型コンタクト層における前記炭素の濃度が１．５×１０１９ｃｍ−３以上である、請求項１に記載の半導体発光素子。
【請求項３】
前記ｐ型コンタクト層における前記炭素の濃度が１．５×１０１９ｃｍ−３以上５．０×１０１９ｃｍ−３以下である、請求項１に記載の半導体発光素子。
【請求項４】
前記ｐ型コンタクト層の厚さが、３００ｎｍ以上８００ｎｍ以下である、請求項１〜３のいずれか一項に記載の半導体発光素子。
【請求項５】
前記ｐ型コンタクト層における前記透明電極膜側の表面に凹凸が形成されている、請求項１〜４のいずれか一項に記載の半導体発光素子。
【請求項６】
前記ｐ型コンタクト層表面の凹凸の高低差が、２００ｎｍ以上６００ｎｍ以下である請求項５に記載の半導体発光素子。
【請求項７】
前記ｐ型クラッド層と前記ｐ型ウインドウ層との間に、前記ｐ型クラッド層よりも価電子帯バンドの位置が低く、かつ前記ｐ型ウインドウ層よりも価電子帯バンドの位置が高いｐ型中間バンドギャップ層が介装されている、請求項１〜６のいずれか一項に記載の半導体発光素子。
【請求項８】
前記ｐ型中間バンドギャップ層が、ＩｎＡｌＧａＰ系半導体からなる、請求項７に記載の半導体発光素子。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１３−５８６２２（Ｐ２０１３−５８６２２Ａ）
【公開日】平成２５年３月２８日（２０１３．３．２８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１９６２６３（Ｐ２０１１−１９６２６３）
【出願日】平成２３年９月８日（２０１１．９．８）
【出願人】（０００１１６０２４）ローム株式会社 (3,539)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年３月２８日（２０１３．３．２８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年９月８日（２０１１．９．８）
【出願人】（０００１１６０２４）ローム株式会社 (3,539)
【Ｆターム（参考）】
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