発光ダイオード
【課題】高出力・高効率であって耐湿性に優れた発光ダイオード及び発光ダイオードランプを提供する。
【解決手段】本発明の発光ダイオードは、基板上に、ＤＢＲ反射層と、発光部とを順に備える発光ダイオードであって、前記発光部は、組成式（ＡｌＸ１Ｇａ１−Ｘ１）Ａｓ（０≦Ｘ１≦１）からなる井戸層とバリア層との積層構造を有する活性層と、該活性層を挟む、組成式（ＡｌＸ２Ｇａ１−Ｘ２）ＹＩｎ１−ＹＰ；０≦Ｘ２≦１，０＜Ｙ≦１）からなる第１のクラッド層及び第２のクラッド層とを有することを特徴とする。
【解決手段】本発明の発光ダイオードは、基板上に、ＤＢＲ反射層と、発光部とを順に備える発光ダイオードであって、前記発光部は、組成式（ＡｌＸ１Ｇａ１−Ｘ１）Ａｓ（０≦Ｘ１≦１）からなる井戸層とバリア層との積層構造を有する活性層と、該活性層を挟む、組成式（ＡｌＸ２Ｇａ１−Ｘ２）ＹＩｎ１−ＹＰ；０≦Ｘ２≦１，０＜Ｙ≦１）からなる第１のクラッド層及び第２のクラッド層とを有することを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光ダイオードに関するものであり、特に６６０ｎｍ〜８５０ｎｍの高出力の発光ダイオードに関する。
【背景技術】
【０００２】
赤外発光ダイオード（以下、ＬＥＤ）は、赤外線通信、各種センサー用光源、夜間照明など幅広く利用されている。
近年、ピーク波長が６６０〜７２０ｎｍの光は、人が認識できる赤色光源であり、屋外ディスプレイ、出力が高い波長帯である為、目視でセンサーの存在を認識した方が望ましい安全関係のセンサーや、バーコードリーダーの光源および医療用オキシメーターの光源など幅広い用途に使用されている。
また、物育成の形状制御に適した発光波長の１つとして、ピーク波長７３０ｎｍの赤外光の効果が確認されている。
さらにまた、ピーク波長が７６０〜８５０ｎｍの光は、発光出力が高い波長帯である為、各種センサーの光源、監視カメラ、ビデオカメラ等の赤外線照明に最適な波長帯である。この波長帯のＡｌＧａＡｓ活性層は、高速応答が可能であるため、光通信や高速フォトカプラに適している。一方、発光波長の特徴を利用して静脈認証システムや医療分野などの光源にも利用され始めている。
【０００３】
上記用途に於いて、各機器の性能向上のため、ＬＥＤの高出力が望まれている。一方、耐湿環境下での信頼性向上が望まれている。
例えば、従来の赤外発光ダイオードに於いては、ＧａＡｓ基板に液相エピタキシャル法を用いたＡｌＧａＡｓの多層膜からなるＬＥＤが実用化され、いろいろな高出力化の検討がされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平６−２１５０７号公報
【特許文献２】特開２００１−２７４４５４号公報
【特許文献３】特開平７−３８１４８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
光源として更なる性能向上、省エネ、コスト面から、発光効率の高いＬＥＤの開発が望まれている。屋内だけでなく、屋外・半屋外など使用環境が広がり、耐湿性は、重要な信頼性項目の１つである。特に、近年注目されている植物育成用ＬＥＤ照明の実用化の為には、使用電力の低減、耐湿性の向上、高出力化がより強く望まれている。植物育成の場合、散水、水耕栽培など、高湿環境下で使用される為、耐湿性は、重要な特性の１つである。また、液相エピタキシャル法で化合物半導体層を成長させる方法では、単色性に優れた多重量子井戸構造を形成するのは難しい。
【０００６】
本発明は、上記事情を鑑みてなされたものであり、高出力・高効率であって耐湿性に優れた発光ダイオードを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明者は、上記課題を解決するために鋭意研究を重ねた結果、３元混晶のＡｌＧａＡｓ井戸層とＡｌＧａＡｓ又は４元混晶のＡｌＧａＩｎＰからなるバリア層とを交互に積層した多重量子井戸構造の活性層を用いる発光ダイオードにおいて、この活性層を挟むクラッド層に、バンドギャップが大きくて発光波長に対して透明であり、かつ、欠陥を作りやすいＡｓを含まないので結晶性の良い４元混晶のＡｌＧａＩｎＰ系を用いることにより、クラッド層にＡｌＧａＡｓ系を用いる場合に比べて高出力を示すことを見出した。また、４元混晶のＡｌＧａＩｎＰ系をクラッドに用いることで３元混晶のＡｌＧａＡｓ系をクラッドに用いる発光ダイオードに比べて、Ａｌの濃度も低下させることが可能となり、腐食が起こりにくくなり耐湿性も向上する。
本発明者は、この知見についてさらに研究を進めた結果、以下の構成に示す本発明を完成するに至った。
【０００８】
（１）基板上に、ＤＢＲ反射層と、発光部とを順に備える発光ダイオードであって、
前記発光部は、組成式（ＡｌＸ１Ｇａ１−Ｘ１）Ａｓ（０≦Ｘ１≦１）からなる井戸層とバリア層との積層構造を有する活性層と、該活性層を挟む、組成式（ＡｌＸ２Ｇａ１−Ｘ２）ＹＩｎ１−ＹＰ；０≦Ｘ２≦１，０＜Ｙ≦１）からなる第１のクラッド層及び第２のクラッド層とを有することを特徴とする発光ダイオード。
（２）基板上に、ＤＢＲ反射層と、発光部とを順に備える発光ダイオードであって、
前記発光部は、組成式（ＡｌＸ１Ｇａ１−Ｘ１）Ａｓ（０≦Ｘ１≦１）からなる井戸層と組成式（ＡｌＸ３Ｇａ１−Ｘ３）Ｙ２Ｉｎ１−Ｙ２Ｐ（０≦Ｘ３≦１，０＜Ｙ２≦１）からなるバリア層との積層構造を有する活性層と、該活性層を挟む、組成式（ＡｌＸ２Ｇａ１−Ｘ２）ＹＩｎ１−ＹＰ（０≦Ｘ２≦１，０＜Ｙ≦１）からなる第１のクラッド層及び第２のクラッド層とを有することを特徴とする発光ダイオード。
（３）前記井戸層の組成式においてＡｌ組成（Ｘ１）を０．２０≦Ｘ１≦０．３６とし、前記井戸層の厚さを３〜３０ｎｍとし、発光波長を６６０〜７２０ｎｍに設定されてなることを特徴とする前項（１）又は（２）のいずれかに記載の発光ダイオード。
（４）前記井戸層の組成式においてＡｌ組成（Ｘ１）を０．１≦Ｘ１≦０．２４とし、前記井戸層の厚さを３〜３０ｎｍとし、発光波長を７２０〜７６０ｎｍに設定されてなることを特徴とする前項（１）又は（２）のいずれかに記載の発光ダイオード。
（５）前記井戸層の組成式においてＡｌ組成（Ｘ１）を０≦Ｘ１≦０．２とし、前記井戸層の厚さを３〜３０ｎｍとし、発光波長を７６０〜８５０ｎｍに設定されてなることを特徴とする前項（１）又は（２）のいずれかに記載の発光ダイオード。
（６）前記ＤＢＲ反射層は屈折率の異なる２種類の層が交互に１０〜５０対積層されてなることを特徴とする前項（１）から（５）のいずれか一項に発光ダイオード。
（７）前記屈折率の異なる２種類の層は組成の異なる２種類の（ＡｌＸｈＧａ１−Ｘｈ）Ｙ３Ｉｎ１−Ｙ３Ｐ（０＜Ｘｈ≦１、Ｙ３＝０．５）、（ＡｌＸｌＧａ１−Ｘｌ）Ｙ３Ｉｎ１−Ｙ３Ｐ（０≦Ｘｌ＜１、Ｙ３＝０．５）の組み合わせであり、両者のＡｌの組成差ΔＸ＝ｘh−ｘｌが０．５より大きいか又は等しいことを特徴とする前項（６）に記載の発光ダイオード。
（８）前記屈折率の異なる２種類の層はＧａＩｎＰとＡｌＩｎＰの組み合わせであることを特徴とする前項（６）に記載の発光ダイオード。
（９）前記屈折率の異なる２種類の層は組成の異なる２種類のＡｌｘｌＧａ１−ｘｌＡｓ（０．１≦ｘｌ≦１）、ＡｌｘｈＧａ１−ｘｈＡｓ（０．１≦ｘｈ≦１）の組み合わせであり、両者のＡｌの組成差ΔＸ＝ｘｈ−ｘｌが０．５より大きいか又は等しいことを特徴とする前項（６）に記載の発光ダイオード。
（１０）前記発光部の、ＤＢＲ反射層の反対側の面上に電流拡散層を備えることを特徴とする前項（１）から（９）のいずれか一項に記載の発光ダイオード。
【発明の効果】
【０００９】
上記の構成によれば、以下の効果を得る。
高出力・高効率で６６０ｎｍ〜８５０ｎｍの発光ピーク波長の赤色及び赤外光を発光することができる。
活性層が組成式（ＡｌＸ１Ｇａ１−Ｘ１）Ａｓ（０≦Ｘ１≦１）からなる井戸層とＡｌＧａＡｓ又は４元混晶のＡｌＧａＩｎＰからなるバリア層とを交互に積層した多重井戸構造を有する構成なので、単色性に優れている。
クラッド層が４元混晶である組成式（ＡｌＸ２Ｇａ１−Ｘ２）ＹＩｎ１−ＹＰ（０≦Ｘ２≦１，０＜Ｙ≦１）からなる構成なので、クラッド層が３元混晶ＡｌＧａＡｓからなる発光ダイオードに比べてＡｌ濃度が低く、耐湿性が向上する。
また、活性層を挟む第１のクラッド層及び第２のクラッド層として、発光波長に対して透明であると共に、欠陥を作りやすいＡｓを含まないために結晶性が高いＡｌＧａＩｎＰからなる構成を採用したので、欠陥を介した電子と正孔の非発光再結合確率が低下し、発光出力が向上した。
活性層が組成式（ＡｌＸ１Ｇａ１−Ｘ１）Ａｓ（０≦Ｘ１≦１）からなる井戸層とバリア層との積層構造を有する構成なので、ＭＯＣＶＤ法を利用して量産するのに適している。
発光層と基板との間にＤＢＲ反射膜を備える構成なので、ＧａＡｓ基板による光の吸収による発光出力の低下が生じない。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の一実施形態である発光ダイオードを用いた発光ダイオードの断面模式図である。
【図２】本発明の一実施形態である発光ダイオードに用いるエピウェーハの断面模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明を適用した一実施形態である発光ダイオードについて図面を用いて詳細に説明する。なお、以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために、便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。
【００１２】
＜発光ダイオード（第１の実施形態）＞
図１は、第１の実施形態に係る発光ダイオードの断面模式図である。また、図２は井戸層とバリア層の積層構造の断面模式図である。
第１の実施形態に係る発光ダイオード１００は、基板１上に、ＤＢＲ反射層３と、発光部２０とを順に備える発光ダイオードであって、発光部２０は、組成式（ＡｌＸ１Ｇａ１−Ｘ１）Ａｓ（０≦Ｘ１≦１）からなる井戸層１５とバリア層１６との積層構造を有する活性層７と、該活性層７を挟む、組成式（ＡｌＸ２Ｇａ１−Ｘ２）ＹＩｎ１−ＹＰ；０≦Ｘ２≦１，０＜Ｙ≦１）からなる第１のクラッド層５及び第２のクラッド層９とを有することを特徴とするものである。
【００１３】
化合物半導体層（エピタキシャル成長層ともいう）３０は、図１に示すように、発光部２０と電流拡散層１０とが順次積層された構造を有している。この化合物半導体層３０の構造には、公知の機能層を適時加えることができる。例えば、オーミック（Ｏｈｍｉｃ）電極の接触抵抗を下げるためのコンタクト層、素子駆動電流を発光部の全般に平面的に拡散させるための電流拡散層、逆に素子駆動電流の通流する領域を制限するための電流阻止層や電流狭窄層など公知の層構造を設けることができる。
なお、化合物半導体層３０は、ＧａＡｓ基板１上にエピタキシャル成長させて形成されたものであることが好ましい。
【００１４】
ｎ型基板１上に備える発光部２０は例えば、図１に示すように、ＤＢＲ反射層３上に、ｎ型の下部クラッド層（第１のクラッド層）５、下部ガイド層６、活性層７、上部ガイド層８、ｐ型の上部クラッド層（第２のクラッド層）９が順次積層されて構成されている。すなわち、発光部２０は、放射再結合をもたらすキャリア（担体；ｃａｒｒｉｅｒ）及び発光を活性層７に「閉じ込める」ために、活性層７の下側及び上側に対峙して配置した下部クラッド層５、下部ガイド（ｇｕｉｄｅ）層６、及び上部ガイド層８、上部クラッド層９を含む、所謂、ダブルヘテロ（英略称：ＤＨ）構造とすることが高強度の発光を得る上で好ましい。
【００１５】
活性層７は、図２に示すように、発光ダイオード（ＬＥＤ）の発光波長を制御するため、量子井戸構造を構成する。すなわち、活性層７は、バリア層（障壁層ともいう）１６を両端に有する、井戸層１５とバリア層（障壁層ともいう）１６との多層構造（積層構造）である。
【００１６】
活性層７の層厚は、０．０２〜２μｍの範囲であることが好ましい。特に０．０３μｍとするとＡｌの組成を低下させることができ、信頼性の観点から特に好ましい。また、活性層７の伝導型は特に限定されるものではなく、アンドープ、ｐ型及びｎ型のいずれも選択することができる。発光効率を高めるには、結晶性が良好なアンドープ又は３×１０１７ｃｍ−３未満のキャリア濃度とすることが望ましい。
【００１７】
ＤＢＲ（Distributed Bragg Reflector）反射層３は、λ／（４ｎ）の膜厚で（λ：反射すべき光の真空中での波長、ｎ：層材料の屈折率）、屈折率が異なる２種類の層を交互に積層した多層膜からなるものである。反射率は２種類の屈折率の差が大きいと、比較的少ない層数の多層膜で高反射率が得られる。通常の反射膜のようにある面で反射されるのでなく、多層膜の全体として光の干渉現象に基づき反射が起きることが特徴である。
【００１８】
ＤＢＲ（Distributed Bragg Reflector）反射層３は、屈折率の異なる２種類の層が交互に１０〜５０対積層されてなるのが好ましい。１０対以下である場合は反射率が低すぎるために出力の増大に寄与せず、５０対以上にしてもさらなる反射率の増大は小さいからである。
ＤＢＲ（Distributed Bragg Reflector）反射層３を構成する屈折率の異なる２種類の層は、組成の異なる２種類の（ＡｌＸｈＧａ１−Ｘｈ）Ｙ３Ｉｎ１−Ｙ３Ｐ（０＜Ｘｈ≦１、Ｙ３＝０．５）、（ＡｌＸｌＧａ１−Ｘｌ）Ｙ３Ｉｎ１−Ｙ３Ｐ；０≦Ｘｌ＜１、Ｙ３＝０．５）の対であり、両者のＡｌの組成差ΔＸ＝ｘh−ｘｌが０．５より大きいか又は等しくなる組み合わせか、又は、ＧａＩｎＰとＡｌＩｎＰの組み合わせか、又は、組成の異なる２種類のＡｌｘｌＧａ１−ｘｌＡｓ（０．１≦ｘｌ≦１）、ＡｌｘｈＧａ１−ｘｈＡｓ（０．１≦ｘｈ≦１）の対であり、両者の組成差ΔＸ＝ｘｈ−ｘｌが０．５より大きいか等しくなる組み合わせかのいずれかから選択されるのが効率よく高い反射率が得られることから望ましい。
組成の異なるＡｌＧａＩｎＰの組み合わせは、結晶欠陥を生じやすいＡｓを含まないので好ましく、ＧａＩｎＰとＡｌＩｎＰはその中で屈折率差を最も大きくとれるので、反射層の数を少なくすることができ、組成の切り替えも単純であるので好ましい。また、ＡｌＧａＡｓは、大きな屈折率差をとりやすいという利点がある。
【００１９】
井戸層１５は、（ＡｌＸ１Ｇａ１−Ｘ１）Ａｓ（０≦Ｘ１≦０．３６）の組成を有していることが好ましい。
表１に、井戸層１５の層厚が１７ｎｍのとき、Ａｌ組成Ｘ１と発光ピーク波長との関係を示す。Ａｌ組成Ｘ１が低くなるほど、発光ピーク波長が長くなっていることがわかる。また、その変化の傾向から、表に掲載されていない発光ピーク波長に対応する、Ａｌ組成を推定することができる。
【表１】
【００２０】
井戸層１５の層厚は、３〜３０ｎｍの範囲が好適である。より好ましくは、５〜２０ｎｍの範囲である。
【００２１】
表２に、井戸層１５のＡｌ組成Ｘ１＝０．２４のとき、井戸層１５の層厚と発光ピーク波長との関係を示す。層厚が薄くなると量子効果により、波長が短くなる。厚い場合には、発光ピーク波長は、組成により一定である。また、その変化の傾向から、表に掲載されていない発光ピーク波長に対応する、層厚を推定することができる。
【表２】
以上の発光ピーク波長と、井戸層１５のＡｌ組成Ｘ及び層厚との関係に基づいて、６６０ｎｍ〜７２０ｎｍの範囲内の所望の発光ピーク波長が得られるように、井戸層１５のＡｌ組成Ｘと層厚を決めることができる。
【００２２】
表３に、井戸層１５のＡｌ組成Ｘ１＝０．１８のとき、井戸層１５の層厚と発光ピーク波長との関係を示す。層厚が薄くなると量子効果により、波長が短くなる。厚い場合には、発光ピーク波長は、組成により一定である。また、その変化の傾向から、表に掲載されていない発光ピーク波長に対応する、層厚を推定することができる。
【表３】
以上の発光ピーク波長と、井戸層１５のＡｌ組成Ｘ及び層厚との関係に基づいて、７２０ｎｍ〜７６０ｎｍの範囲内の所望の発光ピーク波長が得られるように、井戸層１５のＡｌ組成Ｘと層厚を決めることができる。
【００２３】
表４に、井戸層１５のＡｌ組成Ｘ１＝０．０３のとき、井戸層１５の層厚と発光ピーク波長との関係を示す。層厚が薄くなると量子効果により、波長が短くなる。厚い場合には、発光ピーク波長は、組成により一定である。また、その変化の傾向から、表に掲載されていない発光ピーク波長に対応する、層厚を推定することができる。
【表４】
以上の発光ピーク波長と、井戸層１５のＡｌ組成Ｘ及び層厚との関係に基づいて、７６０ｎｍ〜８５０ｎｍの範囲内の所望の発光ピーク波長が得られるように、井戸層１５のＡｌ組成Ｘと層厚を決めることができる。
【００２４】
バリア層１６は、（ＡｌＸ３Ｇａ１−Ｘ３）Ａｓ（０＜Ｘ３≦１）の組成を有している。上記Ｘ３は、発光効率を高めるため、井戸層１５よりもバンドギャップが大きくなる組成とすることが好ましいが、結晶性の観点からＡｌ濃度は低い方が望ましく、最適なＸ３の組成は井戸層の組成との関係で決まる。結晶性を向上させて欠陥を少なくすると、光の吸収が抑制され、その結果、発光出力の向上を図ることができる。
具体的には、井戸層のＡｌ組成（Ｘ１）が０．２０≦Ｘ１≦０．３６のときは、Ｘ３は０．４〜０．６の範囲であることが好ましい。また、井戸層のＡｌ組成（Ｘ１）が０≦Ｘ１≦０．２のときは、Ｘ３は０．１〜０．４の範囲であることが好ましい。
【００２５】
バリア層１６の層厚は、井戸層１５の層厚と等しいか又は厚いことが好ましい。これにより、井戸層１５の発光効率を高くすることができる。
【００２６】
井戸層１５とバリア層１６との多層構造において、井戸層１５とバリア層１６とを交互に積層する対の数は特に限定されるものではないが、２対以上４０対以下であることが好ましい。すなわち、活性層１１には、井戸層１７が２〜４０層含まれていることが好ましい。ここで、活性層１１の発光効率が好適な範囲としては、井戸層１７が５層以上であることが好ましい。一方、井戸層１７及びバリア層１８は、キャリア濃度が低いため、多くの対にすると順方向電圧（ＶＦ）が、増大してしまう。このため、４０対以下であることが好ましく、２０対以下であることがより好ましい。
【００２７】
下部ガイド層６及び上部ガイド層８は、図２に示すように、活性層７の下面及び上面にそれぞれ設けられている。具体的には、活性層７の下面に下部ガイド層６が設けられ、活性層７の上面に上部ガイド層８が設けられている。
【００２８】
下部ガイド層６および上部ガイド層８は、（ＡｌＸ４Ｇａ１−Ｘ４）Ａｓ（０＜Ｘ４≦１）の組成を有している。上記Ｘ４は、バリア層１６とバンドギャップが等しいか又はバリア層１６よりも大きくなる組成とすることが好ましく、結晶性の観点から最適なＸの組成は井戸層の組成との関係で決まる。結晶性を向上させて欠陥を少なくすると、光の吸収が抑制され、その結果、発光出力の向上を図ることができる。
具体的には、井戸層のＡｌ組成（Ｘ１）が０．２０≦Ｘ１≦０．３６、バリア層のＡｌ組成（Ｘ３）が０．４〜０．６の範囲のときは、Ｘ４は０．４〜０．７の範囲であることが好ましい。また、井戸層のＡｌ組成（Ｘ１）が０≦Ｘ１≦０．２、バリア層のＡｌ組成（Ｘ３）が０．１〜０．４のときは、Ｘ４は０．２〜０．６の範囲であることが好ましい。
【００２９】
下部ガイド層６及び上部ガイド層８はそれぞれ、下部クラッド層５及び上部クラッド層９と活性層７との間における欠陥の伝搬を低減するために設けられている。すなわち、本発明では、活性層７のＶ族構成元素は砒素（Ａｓ）であるのに対し、下部クラッド層５及び上部クラッド層９のＶ族構成元素はリン（Ｐ）であるため、活性層７と下部クラッド層５及び上部クラッド層９との界面において欠陥が生じやすい。活性層７への欠陥の伝播は発光ダイオードの性能低下の原因となる。この欠陥の伝播を有効に低減するためには、下部ガイド層６および上部ガイド層８の層厚は１０ｎｍ以上が好ましく、２０ｎｍ〜１００ｎｍがより好ましい。
【００３０】
下部ガイド層６及び上部ガイド層８の伝導型は、特に限定されるものではなく、アンドープ、ｐ型及びｎ型のいずれも選択することができる。発光効率を高めるには、結晶性が良好なアンドープ又は３×１０１７ｃｍ−３未満のキャリア濃度とすることが望ましい。
【００３１】
下部クラッド層５及び上部クラッド層９は、図１に示すように、下部ガイド層６の下面及び上部ガイド層８上面にそれぞれ設けられている。
【００３２】
下部クラッド層５及び上部クラッド層９の材質としては、（ＡｌＸ２Ｇａ１−Ｘ２）ＹＩｎ１−ＹＰ（０≦Ｘ２≦１，０＜Ｙ≦１）の半導体材料を用い、バリア層１５よりもバンドギャップの大きい材質が好ましく、下部ガイド層６及び上部ガイド層８よりもバンドギャップが大きい材質がより好ましい。上記材質としては、（ＡｌＸ２Ｇａ１−Ｘ２）ＹＩｎ１−ＹＰ（０≦Ｘ４≦１，０＜Ｙ≦１）のＸ２が、０．３〜０．７である組成を有することが好ましい。又、Ｙは、０．４〜０．６とすることが好ましい。
【００３３】
下部クラッド層５と上部クラッド層９とは、極性が異なるように構成されている。また、下部クラッド層５及び上部クラッド層９のキャリア濃度及び厚さは、公知の好適な範囲を用いることができ、活性層７の発光効率が高まるように条件を最適化することが好ましい。また、下部クラッド層５及び上部クラッド層９の組成を制御することによって、化合物半導体層３０の反りを低減させることができる。
【００３４】
具体的に、下部クラッド層５としては、例えば、Ｓｉをドープしたｎ型の（ＡｌＸ４ｂＧａ１−Ｘ４ｂ）ＹｂＩｎ１−ＹｂＰ（０．３≦Ｘ４ｂ≦０．７，０．４≦Ｙｂ≦０．６）からなる半導体材料を用いることが望ましい。また、キャリア濃度は１×１０１７〜１×１０１８ｃｍ−３の範囲が好ましく、層厚は０．１〜１μｍの範囲が好ましい。
【００３５】
一方、上部クラッド層９としては、例えば、Ｍｇをドープしたｐ型の（ＡｌＸ４aＧａ１−Ｘ４ａ）ＹａＩｎ１−ＹａＰ（０．３≦Ｘ４ａ≦０．７，０．４≦Ｙａ≦０．６）からなる半導体材料を用いることが望ましい。また、キャリア濃度は２×１０１７〜２×１０１８ｃｍ−３の範囲が好ましく、層厚は０．１〜１μｍの範囲が好ましい。
なお、下部クラッド層５及び上部クラッド層９の極性は、化合物半導体層３０の素子構造を考慮して選択することができる。
【００３６】
また、発光部２０の構成層の上方には、オーミック（Ｏｈｍｉｃ）電極の接触抵抗を下げるためのコンタクト層、素子駆動電流を発光部の全般に平面的に拡散させるための電流拡散層、逆に素子駆動電流の通流する領域を制限するための電流阻止層や電流狭窄層など公知の層構造を設けることができる。
【００３７】
電流拡散層１０は、図１に示すように、発光部２０の上方に設けられている。この電流拡散層１０は、発光部２０（活性層７）からの発光波長に対して透明である材料、例えば、ＧａＰやＧａＩｎＰを適用することができる。
また、電流拡散層１０の厚さは０．５〜２０μｍの範囲であることが好ましい。０．５μｍ以下であると電流拡散が不十分であり、２０μｍ以上であるとその厚さまで結晶成長させる為のコストが増大するからである。
【００３８】
ｐ型オーミック電極（第１の電極）１２は発光ダイオード１００の主たる光取り出し面に設けられた低抵抗のオーミック接触電極であり、ｎ型オーミック電極（第２の電極）１３は発光ダイオード１００の基板側裏面に設けられた低抵抗のオーミック接触電極である。ここで、ｐ型オーミック電極１２は、電流拡散層１０の表面に設けられており、例えば、ＡｕＢｅ／Ａｕ、またはＡｕＺｎ／Ａｕからなる合金を用いることができる。一方、ｎ型オーミック電極１３は、例えばＡｕＧｅ、Ｎｉ合金／Ａｕからなる合金を用いることができる。
【００３９】
＜発光ダイオードの製造方法＞
次に、本実施形態の発光ダイオード１００の製造方法について図１を用いて説明する。
【００４０】
（化合物半導体層の形成工程）
まず、図１に示す、化合物半導体層３０を作製する。化合物半導体層３０は、ｎ型ＧａＡｓ基板１上に、ＧａＡｓからなる緩衝層２、ＧａＩｎＰからなる層（屈折率が大きい層）３ａとＡｌＩｎＰからなる層（屈折率が小さい層）３ｂとを交互に４０対積層したＤＢＲ反射層３、Ｓｉをドープしたｎ型の下部クラッド層５、下部ガイド層６、活性層７、上部ガイド層８、Ｍｇドープしたｐ型の上部クラッド層９、Ｍｇドープしたｐ型ＧａＰからなる電流拡散層１０を順次積層して作製する。
【００４１】
ＧａＡｓ基板１は、公知の製法で作製された市販品の単結晶基板を使用することができる。ＧａＡｓ基板１のエピタキシャル成長させる表面は、平滑であることが望ましい。ＧａＡｓ基板１の表面の面方位は、エピタキシャル成長しやすく、量産されている（１００）面および（１００）から、±２０°以内にオフした基板が、品質の安定性の面から望ましい。さらに、ＧａＡｓ基板１の面方位の範囲が、（１００）方向から（０−１−１）方向に１５°オフ±５°であることがより好ましい。
尚、本明細書では、ミラー指数の表記において、“−”はその直後の指数につくバーを意味する。
【００４２】
ＧａＡｓ基板１の転位密度は、化合物半導体層３０の結晶性を良くするために低い方が望ましい。具体的には、例えば、１０，０００個ｃｍ−２以下、望ましくは、１，０００個ｃｍ−２以下であることが好適である。
【００４３】
ＧａＡｓ基板１は、ｎ型であってもｐ型であっても良い。ＧａＡｓ基板１のキャリア濃度は、所望の電気伝導度と素子構造から、適宜選択することができる。例えば、ＧａＡｓ基板１がＳｉドープのｎ型である場合には、キャリア濃度が１×１０１７〜５×１０１８ｃｍ−３の範囲であることが好ましい。これに対して、ＧａＡｓ基板１がＺｎドープのｐ型の場合には、キャリア濃度２×１０１８〜５×１０１９ｃｍ−３の範囲であることが好ましい。
【００４４】
ＧａＡｓ基板１の厚さは、基板のサイズに応じて適切な範囲がある。ＧａＡｓ基板１の厚さが適切な範囲よりも薄いと、化合物半導体層３０の製造プロセス中に割れてしまうおそれがある。一方、ＧａＡｓ基板１の厚さが適切な範囲よりも厚いと材料コストが増加することになる。このため、ＧａＡｓ基板１の基板サイズが大きい場合、例えば、直径７５ｍｍの場合には、ハンドリング時の割れを防止するために２５０〜５００μｍの厚さが望ましい。同様に、直径５０ｍｍの場合は、２００〜４００μｍの厚さが望ましく、直径１００ｍｍの場合は、３５０〜６００μｍの厚さが望ましい。
【００４５】
このように、ＧａＡｓ基板１の基板サイズに応じて基板の厚さを厚くすることにより、発光部２０に起因する化合物半導体層３０の反りを低減することができる。これにより、エピタキシャル成長中の温度分布が均一となることため、活性層７の面内の波長分布を小さくすることができる。なお、ＧａＡｓ基板１の形状は、特に円形に限定されず、矩形等であっても問題ない。
【００４６】
緩衝層（ｂｕｆｆｅｒ）２は、ＧａＡｓ基板１と発光部２０の構成層との欠陥の伝搬を低減するために設けられている。このため、基板の品質やエピタキシャル成長条件を選択すれば、緩衝層２は、必ずしも必要ではない。また、緩衝層２の材質は、エピタキシャル成長させる基板と同じ材質とすることが好ましい。したがって、本実施形態では、緩衝層２には、ＧａＡｓ基板１と同じくＧａＡｓを用いることが好ましい。また、緩衝層２には、欠陥の伝搬を低減するためにＧａＡｓ基板１と異なる材質からなる多層膜を用いることもできる。緩衝層２の厚さは、０．１μｍ以上とすることが好ましく、０．２μｍ以上とすることがより好ましい。
【００４７】
ＤＢＲ反射層３は、基板方向へ進行する光を反射する為に設けられている。ＤＢＲ反射層３の材質は発光波長に対して透明であることが好ましく、又、ＤＢＲ反射層３を構成する２種類の材料の屈折率の差が大きくなる組み合わせとなるよう選択されるのが好ましい。本実施形態では、ＤＢＲ反射層３の材質をＡｌＩｎＰとＧａＩｎＰの組み合わせとするが、組成の異なる２種類の（ＡｌＸｌＧａ１−Ｘｌ）０．５Ｉｎ０．５Ｐ（０≦ｘｌ＜１）、（ＡｌＸｈＧａ１−Ｘｈ）０．５Ｉｎ０．５Ｐ（０＜ｘｈ≦１）、または組成の異なる２種類のＡｌｘｌＧａ１−ｘｌＡｓ（０．１≦ｘｌ≦１）、ＡｌｘｈＧａ１−ｘｈＡｓ（０．１≦ｘｈ≦１）から選択することも可能である。
【００４８】
本実施形態では、分子線エピタキシャル法（ＭＢＥ）や減圧有機金属化学気相堆積法（ＭＯＣＶＤ法）等の公知の成長方法を適用することができる。なかでも、量産性に優れるＭＯＣＶＤ法を適用することが、最も望ましい。具体的には、化合物半導体層３０のエピタキシャル成長に使用するＧａＡｓ基板１は、成長前に洗浄工程や熱処理等の前処理を実施して、表面の汚染や自然酸化膜を除去することが望ましい。上記化合物半導体層３０を構成する各層は、直径５０〜１５０ｍｍのＧａＡｓ基板１をＭＯＣＶＤ装置内にセットし、同時にエピタキシャル成長させて積層することができる。また、ＭＯＣＶＤ装置としては、自公転型、高速回転型等の市販の大型装置を適用することができる。
【００４９】
上記化合物半導体層３０の各層をエピタキシャル成長する際、ＩＩＩ族構成元素の原料としては、例えば、トリメチルアルミニウム（（ＣＨ３）３Ａｌ）、トリメチルガリウム（（ＣＨ３）３Ｇａ）及びトリメチルインジウム（（ＣＨ３）３Ｉｎ）を用いることができる。また、Ｍｇのドーピング原料としては、例えば、ビスシクロペンタジエニルマグネシウム（ｂｉｓ−（Ｃ５Ｈ５）２Ｍｇ）等を用いることができる。また、Ｓｉのドーピング原料としては、例えば、ジシラン（Ｓｉ２Ｈ６）等を用いることができる。
また、Ｖ族構成元素の原料としては、ホスフィン（ＰＨ３）、アルシン（ＡｓＨ３）等を用いることができる。
また、各層の成長温度としては、電流拡散層１０としてｐ型ＧａＰを用いる場合は、７２０〜７７０℃を適用することができ、その他の各層では６００〜７００℃を適用することができる。
また、電流拡散層１０としてｐ型ＧａＩｎＰを用いる場合は、６００〜７００℃を適用することができる。
さらに、各層のキャリア濃度及び層厚、温度条件は、適宜選択することができる。
【００５０】
このようにして作製した化合物半導体層３０は、発光部２０を有するにもかかわらず結晶欠陥が少ない良好な表面状態が得られる。また、化合物半導体層３０は、素子構造に対応して研磨などの表面加工を施しても良い。
【００５１】
（第１及び第２の電極の形成工程）
次に、第１の電極であるｐ型オーミック電極１２及び第２の電極であるｎ型オーミック電極１３を形成する。
＜発光ダイオード（第２の実施形態）＞
本発明を適用した第２の実施形態に係る発光ダイオードは、第１の実施形態に係る発光ダイオードにおけるＡｌＧａＡｓバリア層１６を、組成式（ＡｌＸ３Ｇａ１−Ｘ３）Ｙ２Ｉｎ１−Ｙ２Ｐ（０≦Ｘ３≦１，０＜Ｙ２≦１）からなるバリア層とした点が異なる。
【００５２】
バリア層は、組成式（ＡｌＸ３Ｇａ１−Ｘ３）Ｙ２Ｉｎ１−Ｙ２Ｐ（０≦Ｘ３≦１，０＜Ｙ２≦１）の化合物半導体からなる。
Ａｌ組成Ｘ３は、井戸層よりもバンドギャップが大きくなる組成とすることが好ましく、具体的には０〜０．２の範囲が好ましい。
また、Ｙ２は、基板との格子不整によるひずみの発生を防止する為に０．４〜０．６とするのが好ましく、０．４５〜０．５５の範囲がより好ましい。
【実施例】
【００５３】
以下、本発明の効果を、実施例を用いて具体的に説明する。なお、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
【００５４】
本実施例では、本発明に係る発光ダイオードを作製した例を具体的に説明する。また、本実施例で作製した発光ダイオードは、ＡｌＧａＡｓからなる井戸層とＡｌＧａＡｓからなるバリア層との量子井戸構造からなる活性層を有する発光ダイオード、及び、ＡｌＧａＡｓからなる井戸層とＡｌＧａｉｎＰからなるバリア層との量子井戸構造からなる活性層を有する発光ダイオードである。本実施例では、特性評価のために発光ダイオードチップを基板上に実装した発光ダイオードランプを作製した。
【００５５】
（実施例１）
実施例１の発光ダイオードは、まず、Ｓｉをドープしたｎ型のＧａＡｓ単結晶からなるＧａＡｓ基板上に、化合物半導体層を順次積層してエピタキシャルウェーハを作製した。ＧａＡｓ基板は、（１００）面から（０−１−１）方向に１５°傾けた面を成長面とし、キャリア濃度を２×１０１８ｃｍ−３とした。また、ＧａＡｓ基板の層厚は、約０．５μｍとした。化合物半導体層とは、ＳｉをドープしたＧａＡｓからなるｎ型の緩衝層、ＳｉをドープしたＡｌＩｎＰとＧａＩｎＰの４０対の繰り返し構造であるｎ型のＤＢＲ反射層、Ｓｉをドープした（Ａｌ０．７Ｇａ０．３）０．５Ｉｎ０．５Ｐからなるｎ型の下部クラッド層、Ａｌ０．６Ｇａ０．４Ａｓからなる下部ガイド層、Ａｌ０．２４Ｇａ０．７６Ａｓ/Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ａｓの２２対からなる井戸層／バリア層、Ａｌ０．６Ｇａ０．４Ａｓからなる上部ガイド層、Ｍｇをドープした（Ａｌ０．７Ｇａ０．３）０．５Ｉｎ０．５Ｐからなるｐ型の上部クラッド層、（Ａｌ０．５Ｇａ０．５）０．５Ｉｎ０．５Ｐからなる薄膜の中間層、Ｍｇドープしたｐ型ＧａＰからなる電流拡散層である。
【００５６】
本実施例では、減圧有機金属化学気相堆積装置法（ＭＯＣＶＤ装置）を用い、直径７６ｍｍ、厚さ３５０μｍのＧａＡｓ基板に化合物半導体層をエピタキシャル成長させて、エピタキシャルウェーハを形成した。エピタキシャル成長層を成長させる際、ＩＩＩ族構成元素の原料としては、トリメチルアルミニウム（（ＣＨ３）３Ａｌ）、トリメチルガリウム（（ＣＨ３）３Ｇａ）及びトリメチルインジウム（（ＣＨ３）３Ｉｎ）を使用した。また、Ｍｇのドーピング原料としては、ビスシクロペンタジエニルマグネシウム（ｂｉｓ−（Ｃ５Ｈ５）２Ｍｇ）を使用した。また、Ｓｉのドーピング原料としては、ジシラン（Ｓｉ２Ｈ６）を使用した。また、Ｖ族構成元素の原料としては、ホスフィン（ＰＨ３）、アルシン（ＡｓＨ３）を使用した。また、各層の成長温度としては、ｐ型ＧａＰからなる電流拡散層は、７５０℃で成長させた。その他の各層では７００℃で成長させた。
【００５７】
ＧａＡｓからなる緩衝層は、キャリア濃度を約２×１０１８ｃｍ−３、層厚を約０．５μｍとした。下部クラッド層は、キャリア濃度を約１×１０１８ｃｍ−３、層厚を約０．５μｍとした。下部ガイド層は、アンドープで層厚を約５０nｍとした。井戸層は、アンドープで層厚が約１７ｎｍのＡｌ０．２４Ｇａ０．７６Ａｓとし、バリア層はアンドープで層厚が約１９ｎｍのＡｌ０．４Ｇａ０．６Ａｓとした。また、井戸層とバリア層とを交互に２２対積層した。上部ガイド層は、アンドープで層厚を約５０nｍとした。上部クラッド層は、キャリア濃度を約８×１０１７ｃｍ−３、層厚を約０．５μｍとした。中間層は、キャリア濃度を約８×１０１７ｃｍ−３、層厚を約０．０５μｍとした。ＧａＰからなる電流拡散層は、キャリア濃度を約３×１０１８ｃｍ−３、層厚を約９μｍとした。
また、ＤＢＲ反射層はキャリア濃度を約１×１０１８ｃｍ−３、層厚を約５４ｎｍとしたＡｌＩｎＰと、キャリア濃度を約１×１０１８ｃｍ−３、層厚を約５１ｎｍとしたＧａＩｎＰを交互に４０対積層した。
【００５８】
次に電流拡散層の表面に、ＡｕＢｅを０．２μｍ、Ａｕを１μｍとなるように真空蒸着法によって成膜した。その後、一般的なフォトリソグラフィー手段を利用してパターニングを施し、第１の電極としてｐ型オーミック電極を形成した。次に、電極部以外の表面である光取り出し面に粗面化処理を施した。
【００５９】
次に、第２の電極として基板裏面に、ＡｕＧｅ、Ｎｉ合金を厚さが０．５μｍ、Ｐｔを０．２μｍ、Ａｕを１μｍとなるように真空蒸着法によって成膜し、ｎ型オーミック電極を形成した。その後、４５０℃で１０分間熱処理を行って合金化し、低抵抗のｐ型およびｎ型オーミック電極を形成した。
【００６０】
次に、化合物半導体層側からダイシングソーを用い３５０μｍ間隔で切断し、チップ化した。ダイシングによる破砕層および汚れを硫酸・過酸化水素混合液でエッチング除去して、実施例１の発光ダイオードを作製した。
【００６１】
上記の様にして作製した実施例１の発光ダイオードチップを、マウント基板上に実装した発光ダイオードランプを１００個組み立てた。この発光ダイオードランプは、マウントは、ダイボンダーで支持（マウント）し、ｐ型オーミック電極とｐ電極端子とを金線でワイヤーボンディングした後、一般的なエポキシ樹脂で封止して作製した。
【００６２】
この発光ダイオード（発光ダイオードランプ）の特性を評価した結果を表１に示す。
表１に示すように、ｎ型及びｐ型オーミック電極間に電流を流したところ、ピーク波長７００ｎｍとする赤色光が出射された。順方向に２０ミリアンペア（ｍＡ）の電流を通流した際の順方向電圧（Ｖｆ）は、約１．４ボルトとなった。順方向電流を２０ｍＡとした際の発光出力は、６．５ｍＷであった。
【表５】
【００６３】
（実施例２）
実施例２の発光ダイオードは第１の実施形態の実施例であり、発光ピーク波長を７３０ｎｍにするべく井戸層のＡｌ組成Ｘ＝０．１８、バリア層のＡｌ組成Ｘ＝０．４、すなわち、発光部をＡｌ０．１８Ｇａ０．８２Ａｓ/Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ａｓの対からなる井戸層／バリア層に変更した。更にＤＢＲ反射層の層厚を約５７ｎｍとしたＡｌＩｎＰと、約５３ｎｍとしたＧａＩｎＰに変更した。その他は、実施例１と同じ条件で作製した。
この発光ダイオード（発光ダイオードランプ）の特性を評価した結果は表５に示した通りであり、ピーク波長７３０ｎｍとする赤色光が出射され、発光出力（Ｐ０）、順方向電圧（ＶＦ）はそれぞれ、６．７ｍＷ、１．４Ｖであった。
【００６４】
（実施例３）
実施例３の発光ダイオードは第１の実施形態の実施例であり、発光ピーク波長を８３０ｎｍにするべく井戸層のＡｌ組成Ｘ＝０．０３、バリア層のＡｌ組成Ｘ＝０．２、すなわち、発光部をＡｌ０．０３Ｇａ０．９７Ａｓ/Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓの対からなる井戸層／バリア層に変更した。更にＤＢＲ反射層の層厚を約６４ｎｍとしたＡｌＩｎＰと、約６０ｎｍとしたＧａＩｎＰに変更した。その他は、実施例１と同じ条件で作製した。
この発光ダイオード（発光ダイオードランプ）の特性を評価した結果は表５に示した通りであり、ピーク波長８３０ｎｍとする赤色光が出射され、発光出力（Ｐ０）、順方向電圧（ＶＦ）はそれぞれ、７．２ｍＷ、１．４Ｖであった。
【００６５】
（実施例４）
実施例４の発光ダイオードはＤＢＲ反射層の構成を変更した以外は、実施例１と同じ条件で作製した。
具体的には、ＤＢＲ反射層はキャリア濃度を約１×１０１８ｃｍ−３、層厚を約５４ｎｍとした（Ａｌ０．９Ｇａ０．１）０．５Ｉｎ０．５Ｐと、キャリア濃度を約１×１０１８ｃｍ−３、層厚を約５１ｎｍとした（Ａｌ０．２Ｇａ０．８）０．５Ｉｎ０．５Ｐを交互に４０対積層した。
この発光ダイオード（発光ダイオードランプ）の特性を評価した結果は表５に示した通りであり、ピーク波長７００ｎｍとする赤色光が出射され、発光出力（Ｐ０）及び順方向電圧（ＶＦ）はそれぞれ、６．３ｍＷ、１．４Ｖであった。
【００６６】
（実施例５）
実施例５の発光ダイオードはＤＢＲ反射層の構成を変更した以外は、実施例１と同じ条件で作製した。
具体的には、ＤＢＲ反射層はキャリア濃度を約１×１０１８ｃｍ−３、層厚を約５４ｎｍとしたＡｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓと、キャリア濃度を約１×１０１８ｃｍ−３、層厚を約５０ｎｍとしたＡｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓを交互に４０対積層した。
この発光ダイオード（発光ダイオードランプ）の特性を評価した結果は表５に示した通りであり、ピーク波長７００ｎｍとする赤色光が出射され、発光出力（Ｐ０）及び順方向電圧（ＶＦ）はそれぞれ、６．４ｍＷ、１．３Ｖであった。
【００６７】
（実施例６）
実施例６の発光ダイオードは第２の実施形態の実施例であり、以下の通り作製した。
まず、Ｓｉをドープしたｎ型のＧａＡｓ単結晶からなるＧａＡｓ基板上に、化合物半導体層を順次積層してエピタキシャルウェーハを作製した。ＧａＡｓ基板は、（１００）面から（０−１−１）方向に１５°傾けた面を成長面とし、キャリア濃度を２×１０１８ｃｍ−３とした。また、ＧａＡｓ基板の層厚は、約０．５μｍとした。化合物半導体層としては、ＳｉをドープしたＧａＡｓからなるｎ型の緩衝層、ＳｉをドープしたＡｌＩｎＰとＧａＩｎＰの４０対の繰り返し構造であるｎ型のＤＢＲ反射層、Ｓｉをドープした（Ａｌ０．７Ｇａ０．３）０．５Ｉｎ０．５Ｐからなるｎ型の下部クラッド層、Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ａｓからなる下部ガイド層、Ａｌ０．１７Ｇａ０．８３Ａｓ／（Ａｌ０．１Ｇａ０．９ ）０．５ Ｉｎ０．５Ｐの対からなる井戸層／バリア層、Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ａｓからなる上部ガイド層、Ｍｇをドープした（Ａｌ０．７Ｇａ０．３）０．５Ｉｎ０．５Ｐからなるｐ型の上部クラッド層、（Ａｌ０．５Ｇａ０．５）０．５Ｉｎ０．５Ｐからなる薄膜の中間層、Ｍｇドープしたｐ型ＧａＰからなる電流拡散層を用いた。
ＧａＡｓからなる緩衝層は、キャリア濃度を約２×１０１８ｃｍ−３、層厚を約０．５μｍとした。コンタクト層は、キャリア濃度を約２×１０１８ｃｍ−３、層厚を約３．５μｍとした。上部クラッド層は、キャリア濃度を約１×１０１８ｃｍ−３、層厚を約０．５μｍとした。上部ガイド層は、アンドープで層厚を約５０nｍとした。井戸層は、アンドープで層厚が約７ｎｍのＡｌ０．１７Ｇａ０．８３Ａｓとし、バリア層はアンドープで層厚が約１９ｎｍの（Ａｌ０．１Ｇａ０．９ ）０．５ Ｉｎ０．５Ｐとした。また、井戸層及びバリア層のペア数を５対とした。下部ガイド層は、アンドープで層厚を約５０nｍとした。下部クラッド層は、キャリア濃度を約８×１０１７ｃｍ−３、層厚を約０．５μｍとした。中間層は、キャリア濃度を約８×１０１７ｃｍ−３、層厚を約０．０５μｍとした。ＧａＰからなる電流拡散層は、キャリア濃度を約３×１０１８ｃｍ−３、層厚を約９μｍとした。
この発光ダイオード（発光ダイオードランプ）の特性を評価した結果は表５に示した通りであり、ピーク波長７００ｎｍとする赤色光が出射され、発光出力（Ｐ０）及び順方向電圧（ＶＦ）はそれぞれ、６．４ｍＷ、１．５Ｖであった。
【００６８】
（実施例７）
実施例７の発光ダイオードは第２の実施形態の実施例であり、発光ピーク波長を８３０ｎｍにするべく井戸層のＡｌ組成Ｘ＝０．０３、バリア層のＡｌ組成Ｘ＝０．２、すなわち、発光部をＡｌ０．０３Ｇａ０．９７Ａｓ/（Ａｌ０．１Ｇａ０．９ ）０．５ Ｉｎ０．５Ｐの対からなる井戸層／バリア層に変更した。更にＤＢＲ反射層の層厚を約６４ｎｍとしたＡｌＩｎＰと、約６０ｎｍとしたＧａＩｎＰに変更した。その他は、実施例６と同じ条件で作製した。
この発光ダイオード（発光ダイオードランプ）の特性を評価した結果は表５に示した通りであり、ピーク波長８３０ｎｍとする赤色光が出射され、発光出力（Ｐ０）、順方向電圧（ＶＦ）はそれぞれ、７．０ｍＷ、１．５Ｖであった。
【００６９】
（比較例１）
液相エピタキシャル法で、厚膜成長し、基板除去した構造の波長７６０ｎｍの発光ダイオードの例を示す。
ＧａＡｓ基板に、スライドボート型成長装置を用いてＡｌＧａＡｓ層を成長した。
スライドボート型成長装置の基板収納溝にｐ型ＧａＡｓ基板をセットし、各層の成長用に用意したルツボにＧａメタル、ＧａＡｓ多結晶、金属Ａｌ、及びドーパントを入れた。成長する層は、透明厚膜層（第１のｐ型層）、下部クラッド層（ｐ型クラッド層）、活性層、上部クラッド層（ｎ型クラッド層）の4層構造とし、この順序で積層した。
これらの原料をセットしたスライドボート型成長装置を、石英反応管内にセットし、水素気流中で９５０℃まで加温し、原料を溶解した後、雰囲気温度を９１０℃まで降温し、スライダーを右側に押して原料溶液（メルト）に接触させたあと０．５℃／分の速度で降温し、所定温度に達した後、またスライダーを押して順次各原料溶液に接触させたあと高温させる動作を繰り返し、最終的にはメルトと接触させた後、雰囲気温度を７０３℃まで降温してｎクラッド層を成長させた後、スライダーを押して原料溶液とウェーハを切り離してエピタキシャル成長を終了させた。
【００７０】
得られたエピタキシャル層の構造は、第１のｐ型層は、Ａｌ組成Ｘ１＝０．３〜０．４、層厚６４μｍ、キャリア濃度３×１０１７ｃｍ−３、ｐ型クラッド層は、Ａｌ組成Ｘ２＝０．４〜０．５、層厚７９μｍ、キャリア濃度５×１０１７ｃｍ−３、p型活性層は、発光波長が７６０ｎｍの組成で、層厚１μｍ、キャリア濃度１×１０１８ｃｍ−３、ｎ型クラッド層は、Ａｌ組成Ｘ４＝０．４〜０．５、層厚２５μｍ、キャリア濃度５×１０１７ｃｍ−３、であった。
【００７１】
エピタキシャル成長終了後、エピタキシャル基板を取り出し、ｎ型ＧａＡｌＡｓクラッド層表面を保護して、アンモニア−過酸化水素系エッチャントでｐ型ＧａＡｓ基板を選択的に除去した。その後、エピタキシャルウェーハ両面に金電極を形成し、長辺が３５０μｍの電極マスクを用いて、直径１００μｍのワイヤーボンディング用パッドを中央に配置された表面電極を形成した。裏面電極には、直径２０μｍのオーミック電極を８０μｍ間隔に形成した。その後、ダイシングで分離、エッチングすることにより、ｎ型ＧａＡｌＡｓ層が表面側となるようにした３５０μｍ角の発光ダイオードを作製した。
【００７２】
比較例１の発光ダイオードを実装し、発光ダイオードランプの特性を評価した結果を表５に示す。
表５に示すように、ｎ型及びｐ型オーミック電極間に電流を流したところ、ピーク波長を７６０ｎｍとする赤外光が出射された。また、順方向に２０ミリアンペア（ｍＡ）の電流を通流した際の順方向電圧（ＶＦ）は、１．９ボルト（Ｖ）となった。また、順方向電流を２０ｍＡとした際の発光出力は５．０ｍＷであり、本発明の実施例に比べて出力が低かった。
【００７３】
（比較例２）
比較例２と同様な方法で、発光波長を８３０ｎｍになるように、活性層を調整した発光ダイオードの評価結果を表５に示す。
特性評価した結果は発光出力（Ｐ０）及び順方向電圧（ＶＦ）はそれぞれ、６．０ｍＷ、１．９Ｖであった。
【産業上の利用可能性】
【００７４】
本発明の発光ダイオードは高効率で発光し、信頼性が高く、従来の液相エピタキシャル法で製造したＡｌＧａＡｓのＬＥＤで得られなかった高出力発光ダイオード製品として利用できる。
【符号の説明】
【００７５】
１・・・ＧａＡｓ基板
２・・・緩衝層
３・・・ＤＢＲ反射層
３ａ・・・ＤＢＲ反射層の第１の構成層
３ｂ・・・ＤＢＲ反射層の第２の構成層
５・・・下部クラッド層（第１のクラッド層）
６・・・下部ガイド層
７・・・活性層
８・・・上部ガイド層
９・・・上部クラッド層（第２のクラッド層）
１０・・・電流拡散層
１２・・・ｐ型オーミック電極（第１の電極）
１３・・・ｎ型オーミック電極（第２の電極）
２０・・・発光部
３０・・・化合物半導体層
１００・・・発光ダイオード
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光ダイオードに関するものであり、特に６６０ｎｍ〜８５０ｎｍの高出力の発光ダイオードに関する。
【背景技術】
【０００２】
赤外発光ダイオード（以下、ＬＥＤ）は、赤外線通信、各種センサー用光源、夜間照明など幅広く利用されている。
近年、ピーク波長が６６０〜７２０ｎｍの光は、人が認識できる赤色光源であり、屋外ディスプレイ、出力が高い波長帯である為、目視でセンサーの存在を認識した方が望ましい安全関係のセンサーや、バーコードリーダーの光源および医療用オキシメーターの光源など幅広い用途に使用されている。
また、物育成の形状制御に適した発光波長の１つとして、ピーク波長７３０ｎｍの赤外光の効果が確認されている。
さらにまた、ピーク波長が７６０〜８５０ｎｍの光は、発光出力が高い波長帯である為、各種センサーの光源、監視カメラ、ビデオカメラ等の赤外線照明に最適な波長帯である。この波長帯のＡｌＧａＡｓ活性層は、高速応答が可能であるため、光通信や高速フォトカプラに適している。一方、発光波長の特徴を利用して静脈認証システムや医療分野などの光源にも利用され始めている。
【０００３】
上記用途に於いて、各機器の性能向上のため、ＬＥＤの高出力が望まれている。一方、耐湿環境下での信頼性向上が望まれている。
例えば、従来の赤外発光ダイオードに於いては、ＧａＡｓ基板に液相エピタキシャル法を用いたＡｌＧａＡｓの多層膜からなるＬＥＤが実用化され、いろいろな高出力化の検討がされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平６−２１５０７号公報
【特許文献２】特開２００１−２７４４５４号公報
【特許文献３】特開平７−３８１４８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
光源として更なる性能向上、省エネ、コスト面から、発光効率の高いＬＥＤの開発が望まれている。屋内だけでなく、屋外・半屋外など使用環境が広がり、耐湿性は、重要な信頼性項目の１つである。特に、近年注目されている植物育成用ＬＥＤ照明の実用化の為には、使用電力の低減、耐湿性の向上、高出力化がより強く望まれている。植物育成の場合、散水、水耕栽培など、高湿環境下で使用される為、耐湿性は、重要な特性の１つである。また、液相エピタキシャル法で化合物半導体層を成長させる方法では、単色性に優れた多重量子井戸構造を形成するのは難しい。
【０００６】
本発明は、上記事情を鑑みてなされたものであり、高出力・高効率であって耐湿性に優れた発光ダイオードを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明者は、上記課題を解決するために鋭意研究を重ねた結果、３元混晶のＡｌＧａＡｓ井戸層とＡｌＧａＡｓ又は４元混晶のＡｌＧａＩｎＰからなるバリア層とを交互に積層した多重量子井戸構造の活性層を用いる発光ダイオードにおいて、この活性層を挟むクラッド層に、バンドギャップが大きくて発光波長に対して透明であり、かつ、欠陥を作りやすいＡｓを含まないので結晶性の良い４元混晶のＡｌＧａＩｎＰ系を用いることにより、クラッド層にＡｌＧａＡｓ系を用いる場合に比べて高出力を示すことを見出した。また、４元混晶のＡｌＧａＩｎＰ系をクラッドに用いることで３元混晶のＡｌＧａＡｓ系をクラッドに用いる発光ダイオードに比べて、Ａｌの濃度も低下させることが可能となり、腐食が起こりにくくなり耐湿性も向上する。
本発明者は、この知見についてさらに研究を進めた結果、以下の構成に示す本発明を完成するに至った。
【０００８】
（１）基板上に、ＤＢＲ反射層と、発光部とを順に備える発光ダイオードであって、
前記発光部は、組成式（ＡｌＸ１Ｇａ１−Ｘ１）Ａｓ（０≦Ｘ１≦１）からなる井戸層とバリア層との積層構造を有する活性層と、該活性層を挟む、組成式（ＡｌＸ２Ｇａ１−Ｘ２）ＹＩｎ１−ＹＰ；０≦Ｘ２≦１，０＜Ｙ≦１）からなる第１のクラッド層及び第２のクラッド層とを有することを特徴とする発光ダイオード。
（２）基板上に、ＤＢＲ反射層と、発光部とを順に備える発光ダイオードであって、
前記発光部は、組成式（ＡｌＸ１Ｇａ１−Ｘ１）Ａｓ（０≦Ｘ１≦１）からなる井戸層と組成式（ＡｌＸ３Ｇａ１−Ｘ３）Ｙ２Ｉｎ１−Ｙ２Ｐ（０≦Ｘ３≦１，０＜Ｙ２≦１）からなるバリア層との積層構造を有する活性層と、該活性層を挟む、組成式（ＡｌＸ２Ｇａ１−Ｘ２）ＹＩｎ１−ＹＰ（０≦Ｘ２≦１，０＜Ｙ≦１）からなる第１のクラッド層及び第２のクラッド層とを有することを特徴とする発光ダイオード。
（３）前記井戸層の組成式においてＡｌ組成（Ｘ１）を０．２０≦Ｘ１≦０．３６とし、前記井戸層の厚さを３〜３０ｎｍとし、発光波長を６６０〜７２０ｎｍに設定されてなることを特徴とする前項（１）又は（２）のいずれかに記載の発光ダイオード。
（４）前記井戸層の組成式においてＡｌ組成（Ｘ１）を０．１≦Ｘ１≦０．２４とし、前記井戸層の厚さを３〜３０ｎｍとし、発光波長を７２０〜７６０ｎｍに設定されてなることを特徴とする前項（１）又は（２）のいずれかに記載の発光ダイオード。
（５）前記井戸層の組成式においてＡｌ組成（Ｘ１）を０≦Ｘ１≦０．２とし、前記井戸層の厚さを３〜３０ｎｍとし、発光波長を７６０〜８５０ｎｍに設定されてなることを特徴とする前項（１）又は（２）のいずれかに記載の発光ダイオード。
（６）前記ＤＢＲ反射層は屈折率の異なる２種類の層が交互に１０〜５０対積層されてなることを特徴とする前項（１）から（５）のいずれか一項に発光ダイオード。
（７）前記屈折率の異なる２種類の層は組成の異なる２種類の（ＡｌＸｈＧａ１−Ｘｈ）Ｙ３Ｉｎ１−Ｙ３Ｐ（０＜Ｘｈ≦１、Ｙ３＝０．５）、（ＡｌＸｌＧａ１−Ｘｌ）Ｙ３Ｉｎ１−Ｙ３Ｐ（０≦Ｘｌ＜１、Ｙ３＝０．５）の組み合わせであり、両者のＡｌの組成差ΔＸ＝ｘh−ｘｌが０．５より大きいか又は等しいことを特徴とする前項（６）に記載の発光ダイオード。
（８）前記屈折率の異なる２種類の層はＧａＩｎＰとＡｌＩｎＰの組み合わせであることを特徴とする前項（６）に記載の発光ダイオード。
（９）前記屈折率の異なる２種類の層は組成の異なる２種類のＡｌｘｌＧａ１−ｘｌＡｓ（０．１≦ｘｌ≦１）、ＡｌｘｈＧａ１−ｘｈＡｓ（０．１≦ｘｈ≦１）の組み合わせであり、両者のＡｌの組成差ΔＸ＝ｘｈ−ｘｌが０．５より大きいか又は等しいことを特徴とする前項（６）に記載の発光ダイオード。
（１０）前記発光部の、ＤＢＲ反射層の反対側の面上に電流拡散層を備えることを特徴とする前項（１）から（９）のいずれか一項に記載の発光ダイオード。
【発明の効果】
【０００９】
上記の構成によれば、以下の効果を得る。
高出力・高効率で６６０ｎｍ〜８５０ｎｍの発光ピーク波長の赤色及び赤外光を発光することができる。
活性層が組成式（ＡｌＸ１Ｇａ１−Ｘ１）Ａｓ（０≦Ｘ１≦１）からなる井戸層とＡｌＧａＡｓ又は４元混晶のＡｌＧａＩｎＰからなるバリア層とを交互に積層した多重井戸構造を有する構成なので、単色性に優れている。
クラッド層が４元混晶である組成式（ＡｌＸ２Ｇａ１−Ｘ２）ＹＩｎ１−ＹＰ（０≦Ｘ２≦１，０＜Ｙ≦１）からなる構成なので、クラッド層が３元混晶ＡｌＧａＡｓからなる発光ダイオードに比べてＡｌ濃度が低く、耐湿性が向上する。
また、活性層を挟む第１のクラッド層及び第２のクラッド層として、発光波長に対して透明であると共に、欠陥を作りやすいＡｓを含まないために結晶性が高いＡｌＧａＩｎＰからなる構成を採用したので、欠陥を介した電子と正孔の非発光再結合確率が低下し、発光出力が向上した。
活性層が組成式（ＡｌＸ１Ｇａ１−Ｘ１）Ａｓ（０≦Ｘ１≦１）からなる井戸層とバリア層との積層構造を有する構成なので、ＭＯＣＶＤ法を利用して量産するのに適している。
発光層と基板との間にＤＢＲ反射膜を備える構成なので、ＧａＡｓ基板による光の吸収による発光出力の低下が生じない。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の一実施形態である発光ダイオードを用いた発光ダイオードの断面模式図である。
【図２】本発明の一実施形態である発光ダイオードに用いるエピウェーハの断面模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明を適用した一実施形態である発光ダイオードについて図面を用いて詳細に説明する。なお、以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために、便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。
【００１２】
＜発光ダイオード（第１の実施形態）＞
図１は、第１の実施形態に係る発光ダイオードの断面模式図である。また、図２は井戸層とバリア層の積層構造の断面模式図である。
第１の実施形態に係る発光ダイオード１００は、基板１上に、ＤＢＲ反射層３と、発光部２０とを順に備える発光ダイオードであって、発光部２０は、組成式（ＡｌＸ１Ｇａ１−Ｘ１）Ａｓ（０≦Ｘ１≦１）からなる井戸層１５とバリア層１６との積層構造を有する活性層７と、該活性層７を挟む、組成式（ＡｌＸ２Ｇａ１−Ｘ２）ＹＩｎ１−ＹＰ；０≦Ｘ２≦１，０＜Ｙ≦１）からなる第１のクラッド層５及び第２のクラッド層９とを有することを特徴とするものである。
【００１３】
化合物半導体層（エピタキシャル成長層ともいう）３０は、図１に示すように、発光部２０と電流拡散層１０とが順次積層された構造を有している。この化合物半導体層３０の構造には、公知の機能層を適時加えることができる。例えば、オーミック（Ｏｈｍｉｃ）電極の接触抵抗を下げるためのコンタクト層、素子駆動電流を発光部の全般に平面的に拡散させるための電流拡散層、逆に素子駆動電流の通流する領域を制限するための電流阻止層や電流狭窄層など公知の層構造を設けることができる。
なお、化合物半導体層３０は、ＧａＡｓ基板１上にエピタキシャル成長させて形成されたものであることが好ましい。
【００１４】
ｎ型基板１上に備える発光部２０は例えば、図１に示すように、ＤＢＲ反射層３上に、ｎ型の下部クラッド層（第１のクラッド層）５、下部ガイド層６、活性層７、上部ガイド層８、ｐ型の上部クラッド層（第２のクラッド層）９が順次積層されて構成されている。すなわち、発光部２０は、放射再結合をもたらすキャリア（担体；ｃａｒｒｉｅｒ）及び発光を活性層７に「閉じ込める」ために、活性層７の下側及び上側に対峙して配置した下部クラッド層５、下部ガイド（ｇｕｉｄｅ）層６、及び上部ガイド層８、上部クラッド層９を含む、所謂、ダブルヘテロ（英略称：ＤＨ）構造とすることが高強度の発光を得る上で好ましい。
【００１５】
活性層７は、図２に示すように、発光ダイオード（ＬＥＤ）の発光波長を制御するため、量子井戸構造を構成する。すなわち、活性層７は、バリア層（障壁層ともいう）１６を両端に有する、井戸層１５とバリア層（障壁層ともいう）１６との多層構造（積層構造）である。
【００１６】
活性層７の層厚は、０．０２〜２μｍの範囲であることが好ましい。特に０．０３μｍとするとＡｌの組成を低下させることができ、信頼性の観点から特に好ましい。また、活性層７の伝導型は特に限定されるものではなく、アンドープ、ｐ型及びｎ型のいずれも選択することができる。発光効率を高めるには、結晶性が良好なアンドープ又は３×１０１７ｃｍ−３未満のキャリア濃度とすることが望ましい。
【００１７】
ＤＢＲ（Distributed Bragg Reflector）反射層３は、λ／（４ｎ）の膜厚で（λ：反射すべき光の真空中での波長、ｎ：層材料の屈折率）、屈折率が異なる２種類の層を交互に積層した多層膜からなるものである。反射率は２種類の屈折率の差が大きいと、比較的少ない層数の多層膜で高反射率が得られる。通常の反射膜のようにある面で反射されるのでなく、多層膜の全体として光の干渉現象に基づき反射が起きることが特徴である。
【００１８】
ＤＢＲ（Distributed Bragg Reflector）反射層３は、屈折率の異なる２種類の層が交互に１０〜５０対積層されてなるのが好ましい。１０対以下である場合は反射率が低すぎるために出力の増大に寄与せず、５０対以上にしてもさらなる反射率の増大は小さいからである。
ＤＢＲ（Distributed Bragg Reflector）反射層３を構成する屈折率の異なる２種類の層は、組成の異なる２種類の（ＡｌＸｈＧａ１−Ｘｈ）Ｙ３Ｉｎ１−Ｙ３Ｐ（０＜Ｘｈ≦１、Ｙ３＝０．５）、（ＡｌＸｌＧａ１−Ｘｌ）Ｙ３Ｉｎ１−Ｙ３Ｐ；０≦Ｘｌ＜１、Ｙ３＝０．５）の対であり、両者のＡｌの組成差ΔＸ＝ｘh−ｘｌが０．５より大きいか又は等しくなる組み合わせか、又は、ＧａＩｎＰとＡｌＩｎＰの組み合わせか、又は、組成の異なる２種類のＡｌｘｌＧａ１−ｘｌＡｓ（０．１≦ｘｌ≦１）、ＡｌｘｈＧａ１−ｘｈＡｓ（０．１≦ｘｈ≦１）の対であり、両者の組成差ΔＸ＝ｘｈ−ｘｌが０．５より大きいか等しくなる組み合わせかのいずれかから選択されるのが効率よく高い反射率が得られることから望ましい。
組成の異なるＡｌＧａＩｎＰの組み合わせは、結晶欠陥を生じやすいＡｓを含まないので好ましく、ＧａＩｎＰとＡｌＩｎＰはその中で屈折率差を最も大きくとれるので、反射層の数を少なくすることができ、組成の切り替えも単純であるので好ましい。また、ＡｌＧａＡｓは、大きな屈折率差をとりやすいという利点がある。
【００１９】
井戸層１５は、（ＡｌＸ１Ｇａ１−Ｘ１）Ａｓ（０≦Ｘ１≦０．３６）の組成を有していることが好ましい。
表１に、井戸層１５の層厚が１７ｎｍのとき、Ａｌ組成Ｘ１と発光ピーク波長との関係を示す。Ａｌ組成Ｘ１が低くなるほど、発光ピーク波長が長くなっていることがわかる。また、その変化の傾向から、表に掲載されていない発光ピーク波長に対応する、Ａｌ組成を推定することができる。
【表１】
【００２０】
井戸層１５の層厚は、３〜３０ｎｍの範囲が好適である。より好ましくは、５〜２０ｎｍの範囲である。
【００２１】
表２に、井戸層１５のＡｌ組成Ｘ１＝０．２４のとき、井戸層１５の層厚と発光ピーク波長との関係を示す。層厚が薄くなると量子効果により、波長が短くなる。厚い場合には、発光ピーク波長は、組成により一定である。また、その変化の傾向から、表に掲載されていない発光ピーク波長に対応する、層厚を推定することができる。
【表２】
以上の発光ピーク波長と、井戸層１５のＡｌ組成Ｘ及び層厚との関係に基づいて、６６０ｎｍ〜７２０ｎｍの範囲内の所望の発光ピーク波長が得られるように、井戸層１５のＡｌ組成Ｘと層厚を決めることができる。
【００２２】
表３に、井戸層１５のＡｌ組成Ｘ１＝０．１８のとき、井戸層１５の層厚と発光ピーク波長との関係を示す。層厚が薄くなると量子効果により、波長が短くなる。厚い場合には、発光ピーク波長は、組成により一定である。また、その変化の傾向から、表に掲載されていない発光ピーク波長に対応する、層厚を推定することができる。
【表３】
以上の発光ピーク波長と、井戸層１５のＡｌ組成Ｘ及び層厚との関係に基づいて、７２０ｎｍ〜７６０ｎｍの範囲内の所望の発光ピーク波長が得られるように、井戸層１５のＡｌ組成Ｘと層厚を決めることができる。
【００２３】
表４に、井戸層１５のＡｌ組成Ｘ１＝０．０３のとき、井戸層１５の層厚と発光ピーク波長との関係を示す。層厚が薄くなると量子効果により、波長が短くなる。厚い場合には、発光ピーク波長は、組成により一定である。また、その変化の傾向から、表に掲載されていない発光ピーク波長に対応する、層厚を推定することができる。
【表４】
以上の発光ピーク波長と、井戸層１５のＡｌ組成Ｘ及び層厚との関係に基づいて、７６０ｎｍ〜８５０ｎｍの範囲内の所望の発光ピーク波長が得られるように、井戸層１５のＡｌ組成Ｘと層厚を決めることができる。
【００２４】
バリア層１６は、（ＡｌＸ３Ｇａ１−Ｘ３）Ａｓ（０＜Ｘ３≦１）の組成を有している。上記Ｘ３は、発光効率を高めるため、井戸層１５よりもバンドギャップが大きくなる組成とすることが好ましいが、結晶性の観点からＡｌ濃度は低い方が望ましく、最適なＸ３の組成は井戸層の組成との関係で決まる。結晶性を向上させて欠陥を少なくすると、光の吸収が抑制され、その結果、発光出力の向上を図ることができる。
具体的には、井戸層のＡｌ組成（Ｘ１）が０．２０≦Ｘ１≦０．３６のときは、Ｘ３は０．４〜０．６の範囲であることが好ましい。また、井戸層のＡｌ組成（Ｘ１）が０≦Ｘ１≦０．２のときは、Ｘ３は０．１〜０．４の範囲であることが好ましい。
【００２５】
バリア層１６の層厚は、井戸層１５の層厚と等しいか又は厚いことが好ましい。これにより、井戸層１５の発光効率を高くすることができる。
【００２６】
井戸層１５とバリア層１６との多層構造において、井戸層１５とバリア層１６とを交互に積層する対の数は特に限定されるものではないが、２対以上４０対以下であることが好ましい。すなわち、活性層１１には、井戸層１７が２〜４０層含まれていることが好ましい。ここで、活性層１１の発光効率が好適な範囲としては、井戸層１７が５層以上であることが好ましい。一方、井戸層１７及びバリア層１８は、キャリア濃度が低いため、多くの対にすると順方向電圧（ＶＦ）が、増大してしまう。このため、４０対以下であることが好ましく、２０対以下であることがより好ましい。
【００２７】
下部ガイド層６及び上部ガイド層８は、図２に示すように、活性層７の下面及び上面にそれぞれ設けられている。具体的には、活性層７の下面に下部ガイド層６が設けられ、活性層７の上面に上部ガイド層８が設けられている。
【００２８】
下部ガイド層６および上部ガイド層８は、（ＡｌＸ４Ｇａ１−Ｘ４）Ａｓ（０＜Ｘ４≦１）の組成を有している。上記Ｘ４は、バリア層１６とバンドギャップが等しいか又はバリア層１６よりも大きくなる組成とすることが好ましく、結晶性の観点から最適なＸの組成は井戸層の組成との関係で決まる。結晶性を向上させて欠陥を少なくすると、光の吸収が抑制され、その結果、発光出力の向上を図ることができる。
具体的には、井戸層のＡｌ組成（Ｘ１）が０．２０≦Ｘ１≦０．３６、バリア層のＡｌ組成（Ｘ３）が０．４〜０．６の範囲のときは、Ｘ４は０．４〜０．７の範囲であることが好ましい。また、井戸層のＡｌ組成（Ｘ１）が０≦Ｘ１≦０．２、バリア層のＡｌ組成（Ｘ３）が０．１〜０．４のときは、Ｘ４は０．２〜０．６の範囲であることが好ましい。
【００２９】
下部ガイド層６及び上部ガイド層８はそれぞれ、下部クラッド層５及び上部クラッド層９と活性層７との間における欠陥の伝搬を低減するために設けられている。すなわち、本発明では、活性層７のＶ族構成元素は砒素（Ａｓ）であるのに対し、下部クラッド層５及び上部クラッド層９のＶ族構成元素はリン（Ｐ）であるため、活性層７と下部クラッド層５及び上部クラッド層９との界面において欠陥が生じやすい。活性層７への欠陥の伝播は発光ダイオードの性能低下の原因となる。この欠陥の伝播を有効に低減するためには、下部ガイド層６および上部ガイド層８の層厚は１０ｎｍ以上が好ましく、２０ｎｍ〜１００ｎｍがより好ましい。
【００３０】
下部ガイド層６及び上部ガイド層８の伝導型は、特に限定されるものではなく、アンドープ、ｐ型及びｎ型のいずれも選択することができる。発光効率を高めるには、結晶性が良好なアンドープ又は３×１０１７ｃｍ−３未満のキャリア濃度とすることが望ましい。
【００３１】
下部クラッド層５及び上部クラッド層９は、図１に示すように、下部ガイド層６の下面及び上部ガイド層８上面にそれぞれ設けられている。
【００３２】
下部クラッド層５及び上部クラッド層９の材質としては、（ＡｌＸ２Ｇａ１−Ｘ２）ＹＩｎ１−ＹＰ（０≦Ｘ２≦１，０＜Ｙ≦１）の半導体材料を用い、バリア層１５よりもバンドギャップの大きい材質が好ましく、下部ガイド層６及び上部ガイド層８よりもバンドギャップが大きい材質がより好ましい。上記材質としては、（ＡｌＸ２Ｇａ１−Ｘ２）ＹＩｎ１−ＹＰ（０≦Ｘ４≦１，０＜Ｙ≦１）のＸ２が、０．３〜０．７である組成を有することが好ましい。又、Ｙは、０．４〜０．６とすることが好ましい。
【００３３】
下部クラッド層５と上部クラッド層９とは、極性が異なるように構成されている。また、下部クラッド層５及び上部クラッド層９のキャリア濃度及び厚さは、公知の好適な範囲を用いることができ、活性層７の発光効率が高まるように条件を最適化することが好ましい。また、下部クラッド層５及び上部クラッド層９の組成を制御することによって、化合物半導体層３０の反りを低減させることができる。
【００３４】
具体的に、下部クラッド層５としては、例えば、Ｓｉをドープしたｎ型の（ＡｌＸ４ｂＧａ１−Ｘ４ｂ）ＹｂＩｎ１−ＹｂＰ（０．３≦Ｘ４ｂ≦０．７，０．４≦Ｙｂ≦０．６）からなる半導体材料を用いることが望ましい。また、キャリア濃度は１×１０１７〜１×１０１８ｃｍ−３の範囲が好ましく、層厚は０．１〜１μｍの範囲が好ましい。
【００３５】
一方、上部クラッド層９としては、例えば、Ｍｇをドープしたｐ型の（ＡｌＸ４aＧａ１−Ｘ４ａ）ＹａＩｎ１−ＹａＰ（０．３≦Ｘ４ａ≦０．７，０．４≦Ｙａ≦０．６）からなる半導体材料を用いることが望ましい。また、キャリア濃度は２×１０１７〜２×１０１８ｃｍ−３の範囲が好ましく、層厚は０．１〜１μｍの範囲が好ましい。
なお、下部クラッド層５及び上部クラッド層９の極性は、化合物半導体層３０の素子構造を考慮して選択することができる。
【００３６】
また、発光部２０の構成層の上方には、オーミック（Ｏｈｍｉｃ）電極の接触抵抗を下げるためのコンタクト層、素子駆動電流を発光部の全般に平面的に拡散させるための電流拡散層、逆に素子駆動電流の通流する領域を制限するための電流阻止層や電流狭窄層など公知の層構造を設けることができる。
【００３７】
電流拡散層１０は、図１に示すように、発光部２０の上方に設けられている。この電流拡散層１０は、発光部２０（活性層７）からの発光波長に対して透明である材料、例えば、ＧａＰやＧａＩｎＰを適用することができる。
また、電流拡散層１０の厚さは０．５〜２０μｍの範囲であることが好ましい。０．５μｍ以下であると電流拡散が不十分であり、２０μｍ以上であるとその厚さまで結晶成長させる為のコストが増大するからである。
【００３８】
ｐ型オーミック電極（第１の電極）１２は発光ダイオード１００の主たる光取り出し面に設けられた低抵抗のオーミック接触電極であり、ｎ型オーミック電極（第２の電極）１３は発光ダイオード１００の基板側裏面に設けられた低抵抗のオーミック接触電極である。ここで、ｐ型オーミック電極１２は、電流拡散層１０の表面に設けられており、例えば、ＡｕＢｅ／Ａｕ、またはＡｕＺｎ／Ａｕからなる合金を用いることができる。一方、ｎ型オーミック電極１３は、例えばＡｕＧｅ、Ｎｉ合金／Ａｕからなる合金を用いることができる。
【００３９】
＜発光ダイオードの製造方法＞
次に、本実施形態の発光ダイオード１００の製造方法について図１を用いて説明する。
【００４０】
（化合物半導体層の形成工程）
まず、図１に示す、化合物半導体層３０を作製する。化合物半導体層３０は、ｎ型ＧａＡｓ基板１上に、ＧａＡｓからなる緩衝層２、ＧａＩｎＰからなる層（屈折率が大きい層）３ａとＡｌＩｎＰからなる層（屈折率が小さい層）３ｂとを交互に４０対積層したＤＢＲ反射層３、Ｓｉをドープしたｎ型の下部クラッド層５、下部ガイド層６、活性層７、上部ガイド層８、Ｍｇドープしたｐ型の上部クラッド層９、Ｍｇドープしたｐ型ＧａＰからなる電流拡散層１０を順次積層して作製する。
【００４１】
ＧａＡｓ基板１は、公知の製法で作製された市販品の単結晶基板を使用することができる。ＧａＡｓ基板１のエピタキシャル成長させる表面は、平滑であることが望ましい。ＧａＡｓ基板１の表面の面方位は、エピタキシャル成長しやすく、量産されている（１００）面および（１００）から、±２０°以内にオフした基板が、品質の安定性の面から望ましい。さらに、ＧａＡｓ基板１の面方位の範囲が、（１００）方向から（０−１−１）方向に１５°オフ±５°であることがより好ましい。
尚、本明細書では、ミラー指数の表記において、“−”はその直後の指数につくバーを意味する。
【００４２】
ＧａＡｓ基板１の転位密度は、化合物半導体層３０の結晶性を良くするために低い方が望ましい。具体的には、例えば、１０，０００個ｃｍ−２以下、望ましくは、１，０００個ｃｍ−２以下であることが好適である。
【００４３】
ＧａＡｓ基板１は、ｎ型であってもｐ型であっても良い。ＧａＡｓ基板１のキャリア濃度は、所望の電気伝導度と素子構造から、適宜選択することができる。例えば、ＧａＡｓ基板１がＳｉドープのｎ型である場合には、キャリア濃度が１×１０１７〜５×１０１８ｃｍ−３の範囲であることが好ましい。これに対して、ＧａＡｓ基板１がＺｎドープのｐ型の場合には、キャリア濃度２×１０１８〜５×１０１９ｃｍ−３の範囲であることが好ましい。
【００４４】
ＧａＡｓ基板１の厚さは、基板のサイズに応じて適切な範囲がある。ＧａＡｓ基板１の厚さが適切な範囲よりも薄いと、化合物半導体層３０の製造プロセス中に割れてしまうおそれがある。一方、ＧａＡｓ基板１の厚さが適切な範囲よりも厚いと材料コストが増加することになる。このため、ＧａＡｓ基板１の基板サイズが大きい場合、例えば、直径７５ｍｍの場合には、ハンドリング時の割れを防止するために２５０〜５００μｍの厚さが望ましい。同様に、直径５０ｍｍの場合は、２００〜４００μｍの厚さが望ましく、直径１００ｍｍの場合は、３５０〜６００μｍの厚さが望ましい。
【００４５】
このように、ＧａＡｓ基板１の基板サイズに応じて基板の厚さを厚くすることにより、発光部２０に起因する化合物半導体層３０の反りを低減することができる。これにより、エピタキシャル成長中の温度分布が均一となることため、活性層７の面内の波長分布を小さくすることができる。なお、ＧａＡｓ基板１の形状は、特に円形に限定されず、矩形等であっても問題ない。
【００４６】
緩衝層（ｂｕｆｆｅｒ）２は、ＧａＡｓ基板１と発光部２０の構成層との欠陥の伝搬を低減するために設けられている。このため、基板の品質やエピタキシャル成長条件を選択すれば、緩衝層２は、必ずしも必要ではない。また、緩衝層２の材質は、エピタキシャル成長させる基板と同じ材質とすることが好ましい。したがって、本実施形態では、緩衝層２には、ＧａＡｓ基板１と同じくＧａＡｓを用いることが好ましい。また、緩衝層２には、欠陥の伝搬を低減するためにＧａＡｓ基板１と異なる材質からなる多層膜を用いることもできる。緩衝層２の厚さは、０．１μｍ以上とすることが好ましく、０．２μｍ以上とすることがより好ましい。
【００４７】
ＤＢＲ反射層３は、基板方向へ進行する光を反射する為に設けられている。ＤＢＲ反射層３の材質は発光波長に対して透明であることが好ましく、又、ＤＢＲ反射層３を構成する２種類の材料の屈折率の差が大きくなる組み合わせとなるよう選択されるのが好ましい。本実施形態では、ＤＢＲ反射層３の材質をＡｌＩｎＰとＧａＩｎＰの組み合わせとするが、組成の異なる２種類の（ＡｌＸｌＧａ１−Ｘｌ）０．５Ｉｎ０．５Ｐ（０≦ｘｌ＜１）、（ＡｌＸｈＧａ１−Ｘｈ）０．５Ｉｎ０．５Ｐ（０＜ｘｈ≦１）、または組成の異なる２種類のＡｌｘｌＧａ１−ｘｌＡｓ（０．１≦ｘｌ≦１）、ＡｌｘｈＧａ１−ｘｈＡｓ（０．１≦ｘｈ≦１）から選択することも可能である。
【００４８】
本実施形態では、分子線エピタキシャル法（ＭＢＥ）や減圧有機金属化学気相堆積法（ＭＯＣＶＤ法）等の公知の成長方法を適用することができる。なかでも、量産性に優れるＭＯＣＶＤ法を適用することが、最も望ましい。具体的には、化合物半導体層３０のエピタキシャル成長に使用するＧａＡｓ基板１は、成長前に洗浄工程や熱処理等の前処理を実施して、表面の汚染や自然酸化膜を除去することが望ましい。上記化合物半導体層３０を構成する各層は、直径５０〜１５０ｍｍのＧａＡｓ基板１をＭＯＣＶＤ装置内にセットし、同時にエピタキシャル成長させて積層することができる。また、ＭＯＣＶＤ装置としては、自公転型、高速回転型等の市販の大型装置を適用することができる。
【００４９】
上記化合物半導体層３０の各層をエピタキシャル成長する際、ＩＩＩ族構成元素の原料としては、例えば、トリメチルアルミニウム（（ＣＨ３）３Ａｌ）、トリメチルガリウム（（ＣＨ３）３Ｇａ）及びトリメチルインジウム（（ＣＨ３）３Ｉｎ）を用いることができる。また、Ｍｇのドーピング原料としては、例えば、ビスシクロペンタジエニルマグネシウム（ｂｉｓ−（Ｃ５Ｈ５）２Ｍｇ）等を用いることができる。また、Ｓｉのドーピング原料としては、例えば、ジシラン（Ｓｉ２Ｈ６）等を用いることができる。
また、Ｖ族構成元素の原料としては、ホスフィン（ＰＨ３）、アルシン（ＡｓＨ３）等を用いることができる。
また、各層の成長温度としては、電流拡散層１０としてｐ型ＧａＰを用いる場合は、７２０〜７７０℃を適用することができ、その他の各層では６００〜７００℃を適用することができる。
また、電流拡散層１０としてｐ型ＧａＩｎＰを用いる場合は、６００〜７００℃を適用することができる。
さらに、各層のキャリア濃度及び層厚、温度条件は、適宜選択することができる。
【００５０】
このようにして作製した化合物半導体層３０は、発光部２０を有するにもかかわらず結晶欠陥が少ない良好な表面状態が得られる。また、化合物半導体層３０は、素子構造に対応して研磨などの表面加工を施しても良い。
【００５１】
（第１及び第２の電極の形成工程）
次に、第１の電極であるｐ型オーミック電極１２及び第２の電極であるｎ型オーミック電極１３を形成する。
＜発光ダイオード（第２の実施形態）＞
本発明を適用した第２の実施形態に係る発光ダイオードは、第１の実施形態に係る発光ダイオードにおけるＡｌＧａＡｓバリア層１６を、組成式（ＡｌＸ３Ｇａ１−Ｘ３）Ｙ２Ｉｎ１−Ｙ２Ｐ（０≦Ｘ３≦１，０＜Ｙ２≦１）からなるバリア層とした点が異なる。
【００５２】
バリア層は、組成式（ＡｌＸ３Ｇａ１−Ｘ３）Ｙ２Ｉｎ１−Ｙ２Ｐ（０≦Ｘ３≦１，０＜Ｙ２≦１）の化合物半導体からなる。
Ａｌ組成Ｘ３は、井戸層よりもバンドギャップが大きくなる組成とすることが好ましく、具体的には０〜０．２の範囲が好ましい。
また、Ｙ２は、基板との格子不整によるひずみの発生を防止する為に０．４〜０．６とするのが好ましく、０．４５〜０．５５の範囲がより好ましい。
【実施例】
【００５３】
以下、本発明の効果を、実施例を用いて具体的に説明する。なお、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
【００５４】
本実施例では、本発明に係る発光ダイオードを作製した例を具体的に説明する。また、本実施例で作製した発光ダイオードは、ＡｌＧａＡｓからなる井戸層とＡｌＧａＡｓからなるバリア層との量子井戸構造からなる活性層を有する発光ダイオード、及び、ＡｌＧａＡｓからなる井戸層とＡｌＧａｉｎＰからなるバリア層との量子井戸構造からなる活性層を有する発光ダイオードである。本実施例では、特性評価のために発光ダイオードチップを基板上に実装した発光ダイオードランプを作製した。
【００５５】
（実施例１）
実施例１の発光ダイオードは、まず、Ｓｉをドープしたｎ型のＧａＡｓ単結晶からなるＧａＡｓ基板上に、化合物半導体層を順次積層してエピタキシャルウェーハを作製した。ＧａＡｓ基板は、（１００）面から（０−１−１）方向に１５°傾けた面を成長面とし、キャリア濃度を２×１０１８ｃｍ−３とした。また、ＧａＡｓ基板の層厚は、約０．５μｍとした。化合物半導体層とは、ＳｉをドープしたＧａＡｓからなるｎ型の緩衝層、ＳｉをドープしたＡｌＩｎＰとＧａＩｎＰの４０対の繰り返し構造であるｎ型のＤＢＲ反射層、Ｓｉをドープした（Ａｌ０．７Ｇａ０．３）０．５Ｉｎ０．５Ｐからなるｎ型の下部クラッド層、Ａｌ０．６Ｇａ０．４Ａｓからなる下部ガイド層、Ａｌ０．２４Ｇａ０．７６Ａｓ/Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ａｓの２２対からなる井戸層／バリア層、Ａｌ０．６Ｇａ０．４Ａｓからなる上部ガイド層、Ｍｇをドープした（Ａｌ０．７Ｇａ０．３）０．５Ｉｎ０．５Ｐからなるｐ型の上部クラッド層、（Ａｌ０．５Ｇａ０．５）０．５Ｉｎ０．５Ｐからなる薄膜の中間層、Ｍｇドープしたｐ型ＧａＰからなる電流拡散層である。
【００５６】
本実施例では、減圧有機金属化学気相堆積装置法（ＭＯＣＶＤ装置）を用い、直径７６ｍｍ、厚さ３５０μｍのＧａＡｓ基板に化合物半導体層をエピタキシャル成長させて、エピタキシャルウェーハを形成した。エピタキシャル成長層を成長させる際、ＩＩＩ族構成元素の原料としては、トリメチルアルミニウム（（ＣＨ３）３Ａｌ）、トリメチルガリウム（（ＣＨ３）３Ｇａ）及びトリメチルインジウム（（ＣＨ３）３Ｉｎ）を使用した。また、Ｍｇのドーピング原料としては、ビスシクロペンタジエニルマグネシウム（ｂｉｓ−（Ｃ５Ｈ５）２Ｍｇ）を使用した。また、Ｓｉのドーピング原料としては、ジシラン（Ｓｉ２Ｈ６）を使用した。また、Ｖ族構成元素の原料としては、ホスフィン（ＰＨ３）、アルシン（ＡｓＨ３）を使用した。また、各層の成長温度としては、ｐ型ＧａＰからなる電流拡散層は、７５０℃で成長させた。その他の各層では７００℃で成長させた。
【００５７】
ＧａＡｓからなる緩衝層は、キャリア濃度を約２×１０１８ｃｍ−３、層厚を約０．５μｍとした。下部クラッド層は、キャリア濃度を約１×１０１８ｃｍ−３、層厚を約０．５μｍとした。下部ガイド層は、アンドープで層厚を約５０nｍとした。井戸層は、アンドープで層厚が約１７ｎｍのＡｌ０．２４Ｇａ０．７６Ａｓとし、バリア層はアンドープで層厚が約１９ｎｍのＡｌ０．４Ｇａ０．６Ａｓとした。また、井戸層とバリア層とを交互に２２対積層した。上部ガイド層は、アンドープで層厚を約５０nｍとした。上部クラッド層は、キャリア濃度を約８×１０１７ｃｍ−３、層厚を約０．５μｍとした。中間層は、キャリア濃度を約８×１０１７ｃｍ−３、層厚を約０．０５μｍとした。ＧａＰからなる電流拡散層は、キャリア濃度を約３×１０１８ｃｍ−３、層厚を約９μｍとした。
また、ＤＢＲ反射層はキャリア濃度を約１×１０１８ｃｍ−３、層厚を約５４ｎｍとしたＡｌＩｎＰと、キャリア濃度を約１×１０１８ｃｍ−３、層厚を約５１ｎｍとしたＧａＩｎＰを交互に４０対積層した。
【００５８】
次に電流拡散層の表面に、ＡｕＢｅを０．２μｍ、Ａｕを１μｍとなるように真空蒸着法によって成膜した。その後、一般的なフォトリソグラフィー手段を利用してパターニングを施し、第１の電極としてｐ型オーミック電極を形成した。次に、電極部以外の表面である光取り出し面に粗面化処理を施した。
【００５９】
次に、第２の電極として基板裏面に、ＡｕＧｅ、Ｎｉ合金を厚さが０．５μｍ、Ｐｔを０．２μｍ、Ａｕを１μｍとなるように真空蒸着法によって成膜し、ｎ型オーミック電極を形成した。その後、４５０℃で１０分間熱処理を行って合金化し、低抵抗のｐ型およびｎ型オーミック電極を形成した。
【００６０】
次に、化合物半導体層側からダイシングソーを用い３５０μｍ間隔で切断し、チップ化した。ダイシングによる破砕層および汚れを硫酸・過酸化水素混合液でエッチング除去して、実施例１の発光ダイオードを作製した。
【００６１】
上記の様にして作製した実施例１の発光ダイオードチップを、マウント基板上に実装した発光ダイオードランプを１００個組み立てた。この発光ダイオードランプは、マウントは、ダイボンダーで支持（マウント）し、ｐ型オーミック電極とｐ電極端子とを金線でワイヤーボンディングした後、一般的なエポキシ樹脂で封止して作製した。
【００６２】
この発光ダイオード（発光ダイオードランプ）の特性を評価した結果を表１に示す。
表１に示すように、ｎ型及びｐ型オーミック電極間に電流を流したところ、ピーク波長７００ｎｍとする赤色光が出射された。順方向に２０ミリアンペア（ｍＡ）の電流を通流した際の順方向電圧（Ｖｆ）は、約１．４ボルトとなった。順方向電流を２０ｍＡとした際の発光出力は、６．５ｍＷであった。
【表５】
【００６３】
（実施例２）
実施例２の発光ダイオードは第１の実施形態の実施例であり、発光ピーク波長を７３０ｎｍにするべく井戸層のＡｌ組成Ｘ＝０．１８、バリア層のＡｌ組成Ｘ＝０．４、すなわち、発光部をＡｌ０．１８Ｇａ０．８２Ａｓ/Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ａｓの対からなる井戸層／バリア層に変更した。更にＤＢＲ反射層の層厚を約５７ｎｍとしたＡｌＩｎＰと、約５３ｎｍとしたＧａＩｎＰに変更した。その他は、実施例１と同じ条件で作製した。
この発光ダイオード（発光ダイオードランプ）の特性を評価した結果は表５に示した通りであり、ピーク波長７３０ｎｍとする赤色光が出射され、発光出力（Ｐ０）、順方向電圧（ＶＦ）はそれぞれ、６．７ｍＷ、１．４Ｖであった。
【００６４】
（実施例３）
実施例３の発光ダイオードは第１の実施形態の実施例であり、発光ピーク波長を８３０ｎｍにするべく井戸層のＡｌ組成Ｘ＝０．０３、バリア層のＡｌ組成Ｘ＝０．２、すなわち、発光部をＡｌ０．０３Ｇａ０．９７Ａｓ/Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓの対からなる井戸層／バリア層に変更した。更にＤＢＲ反射層の層厚を約６４ｎｍとしたＡｌＩｎＰと、約６０ｎｍとしたＧａＩｎＰに変更した。その他は、実施例１と同じ条件で作製した。
この発光ダイオード（発光ダイオードランプ）の特性を評価した結果は表５に示した通りであり、ピーク波長８３０ｎｍとする赤色光が出射され、発光出力（Ｐ０）、順方向電圧（ＶＦ）はそれぞれ、７．２ｍＷ、１．４Ｖであった。
【００６５】
（実施例４）
実施例４の発光ダイオードはＤＢＲ反射層の構成を変更した以外は、実施例１と同じ条件で作製した。
具体的には、ＤＢＲ反射層はキャリア濃度を約１×１０１８ｃｍ−３、層厚を約５４ｎｍとした（Ａｌ０．９Ｇａ０．１）０．５Ｉｎ０．５Ｐと、キャリア濃度を約１×１０１８ｃｍ−３、層厚を約５１ｎｍとした（Ａｌ０．２Ｇａ０．８）０．５Ｉｎ０．５Ｐを交互に４０対積層した。
この発光ダイオード（発光ダイオードランプ）の特性を評価した結果は表５に示した通りであり、ピーク波長７００ｎｍとする赤色光が出射され、発光出力（Ｐ０）及び順方向電圧（ＶＦ）はそれぞれ、６．３ｍＷ、１．４Ｖであった。
【００６６】
（実施例５）
実施例５の発光ダイオードはＤＢＲ反射層の構成を変更した以外は、実施例１と同じ条件で作製した。
具体的には、ＤＢＲ反射層はキャリア濃度を約１×１０１８ｃｍ−３、層厚を約５４ｎｍとしたＡｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓと、キャリア濃度を約１×１０１８ｃｍ−３、層厚を約５０ｎｍとしたＡｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓを交互に４０対積層した。
この発光ダイオード（発光ダイオードランプ）の特性を評価した結果は表５に示した通りであり、ピーク波長７００ｎｍとする赤色光が出射され、発光出力（Ｐ０）及び順方向電圧（ＶＦ）はそれぞれ、６．４ｍＷ、１．３Ｖであった。
【００６７】
（実施例６）
実施例６の発光ダイオードは第２の実施形態の実施例であり、以下の通り作製した。
まず、Ｓｉをドープしたｎ型のＧａＡｓ単結晶からなるＧａＡｓ基板上に、化合物半導体層を順次積層してエピタキシャルウェーハを作製した。ＧａＡｓ基板は、（１００）面から（０−１−１）方向に１５°傾けた面を成長面とし、キャリア濃度を２×１０１８ｃｍ−３とした。また、ＧａＡｓ基板の層厚は、約０．５μｍとした。化合物半導体層としては、ＳｉをドープしたＧａＡｓからなるｎ型の緩衝層、ＳｉをドープしたＡｌＩｎＰとＧａＩｎＰの４０対の繰り返し構造であるｎ型のＤＢＲ反射層、Ｓｉをドープした（Ａｌ０．７Ｇａ０．３）０．５Ｉｎ０．５Ｐからなるｎ型の下部クラッド層、Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ａｓからなる下部ガイド層、Ａｌ０．１７Ｇａ０．８３Ａｓ／（Ａｌ０．１Ｇａ０．９ ）０．５ Ｉｎ０．５Ｐの対からなる井戸層／バリア層、Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ａｓからなる上部ガイド層、Ｍｇをドープした（Ａｌ０．７Ｇａ０．３）０．５Ｉｎ０．５Ｐからなるｐ型の上部クラッド層、（Ａｌ０．５Ｇａ０．５）０．５Ｉｎ０．５Ｐからなる薄膜の中間層、Ｍｇドープしたｐ型ＧａＰからなる電流拡散層を用いた。
ＧａＡｓからなる緩衝層は、キャリア濃度を約２×１０１８ｃｍ−３、層厚を約０．５μｍとした。コンタクト層は、キャリア濃度を約２×１０１８ｃｍ−３、層厚を約３．５μｍとした。上部クラッド層は、キャリア濃度を約１×１０１８ｃｍ−３、層厚を約０．５μｍとした。上部ガイド層は、アンドープで層厚を約５０nｍとした。井戸層は、アンドープで層厚が約７ｎｍのＡｌ０．１７Ｇａ０．８３Ａｓとし、バリア層はアンドープで層厚が約１９ｎｍの（Ａｌ０．１Ｇａ０．９ ）０．５ Ｉｎ０．５Ｐとした。また、井戸層及びバリア層のペア数を５対とした。下部ガイド層は、アンドープで層厚を約５０nｍとした。下部クラッド層は、キャリア濃度を約８×１０１７ｃｍ−３、層厚を約０．５μｍとした。中間層は、キャリア濃度を約８×１０１７ｃｍ−３、層厚を約０．０５μｍとした。ＧａＰからなる電流拡散層は、キャリア濃度を約３×１０１８ｃｍ−３、層厚を約９μｍとした。
この発光ダイオード（発光ダイオードランプ）の特性を評価した結果は表５に示した通りであり、ピーク波長７００ｎｍとする赤色光が出射され、発光出力（Ｐ０）及び順方向電圧（ＶＦ）はそれぞれ、６．４ｍＷ、１．５Ｖであった。
【００６８】
（実施例７）
実施例７の発光ダイオードは第２の実施形態の実施例であり、発光ピーク波長を８３０ｎｍにするべく井戸層のＡｌ組成Ｘ＝０．０３、バリア層のＡｌ組成Ｘ＝０．２、すなわち、発光部をＡｌ０．０３Ｇａ０．９７Ａｓ/（Ａｌ０．１Ｇａ０．９ ）０．５ Ｉｎ０．５Ｐの対からなる井戸層／バリア層に変更した。更にＤＢＲ反射層の層厚を約６４ｎｍとしたＡｌＩｎＰと、約６０ｎｍとしたＧａＩｎＰに変更した。その他は、実施例６と同じ条件で作製した。
この発光ダイオード（発光ダイオードランプ）の特性を評価した結果は表５に示した通りであり、ピーク波長８３０ｎｍとする赤色光が出射され、発光出力（Ｐ０）、順方向電圧（ＶＦ）はそれぞれ、７．０ｍＷ、１．５Ｖであった。
【００６９】
（比較例１）
液相エピタキシャル法で、厚膜成長し、基板除去した構造の波長７６０ｎｍの発光ダイオードの例を示す。
ＧａＡｓ基板に、スライドボート型成長装置を用いてＡｌＧａＡｓ層を成長した。
スライドボート型成長装置の基板収納溝にｐ型ＧａＡｓ基板をセットし、各層の成長用に用意したルツボにＧａメタル、ＧａＡｓ多結晶、金属Ａｌ、及びドーパントを入れた。成長する層は、透明厚膜層（第１のｐ型層）、下部クラッド層（ｐ型クラッド層）、活性層、上部クラッド層（ｎ型クラッド層）の4層構造とし、この順序で積層した。
これらの原料をセットしたスライドボート型成長装置を、石英反応管内にセットし、水素気流中で９５０℃まで加温し、原料を溶解した後、雰囲気温度を９１０℃まで降温し、スライダーを右側に押して原料溶液（メルト）に接触させたあと０．５℃／分の速度で降温し、所定温度に達した後、またスライダーを押して順次各原料溶液に接触させたあと高温させる動作を繰り返し、最終的にはメルトと接触させた後、雰囲気温度を７０３℃まで降温してｎクラッド層を成長させた後、スライダーを押して原料溶液とウェーハを切り離してエピタキシャル成長を終了させた。
【００７０】
得られたエピタキシャル層の構造は、第１のｐ型層は、Ａｌ組成Ｘ１＝０．３〜０．４、層厚６４μｍ、キャリア濃度３×１０１７ｃｍ−３、ｐ型クラッド層は、Ａｌ組成Ｘ２＝０．４〜０．５、層厚７９μｍ、キャリア濃度５×１０１７ｃｍ−３、p型活性層は、発光波長が７６０ｎｍの組成で、層厚１μｍ、キャリア濃度１×１０１８ｃｍ−３、ｎ型クラッド層は、Ａｌ組成Ｘ４＝０．４〜０．５、層厚２５μｍ、キャリア濃度５×１０１７ｃｍ−３、であった。
【００７１】
エピタキシャル成長終了後、エピタキシャル基板を取り出し、ｎ型ＧａＡｌＡｓクラッド層表面を保護して、アンモニア−過酸化水素系エッチャントでｐ型ＧａＡｓ基板を選択的に除去した。その後、エピタキシャルウェーハ両面に金電極を形成し、長辺が３５０μｍの電極マスクを用いて、直径１００μｍのワイヤーボンディング用パッドを中央に配置された表面電極を形成した。裏面電極には、直径２０μｍのオーミック電極を８０μｍ間隔に形成した。その後、ダイシングで分離、エッチングすることにより、ｎ型ＧａＡｌＡｓ層が表面側となるようにした３５０μｍ角の発光ダイオードを作製した。
【００７２】
比較例１の発光ダイオードを実装し、発光ダイオードランプの特性を評価した結果を表５に示す。
表５に示すように、ｎ型及びｐ型オーミック電極間に電流を流したところ、ピーク波長を７６０ｎｍとする赤外光が出射された。また、順方向に２０ミリアンペア（ｍＡ）の電流を通流した際の順方向電圧（ＶＦ）は、１．９ボルト（Ｖ）となった。また、順方向電流を２０ｍＡとした際の発光出力は５．０ｍＷであり、本発明の実施例に比べて出力が低かった。
【００７３】
（比較例２）
比較例２と同様な方法で、発光波長を８３０ｎｍになるように、活性層を調整した発光ダイオードの評価結果を表５に示す。
特性評価した結果は発光出力（Ｐ０）及び順方向電圧（ＶＦ）はそれぞれ、６．０ｍＷ、１．９Ｖであった。
【産業上の利用可能性】
【００７４】
本発明の発光ダイオードは高効率で発光し、信頼性が高く、従来の液相エピタキシャル法で製造したＡｌＧａＡｓのＬＥＤで得られなかった高出力発光ダイオード製品として利用できる。
【符号の説明】
【００７５】
１・・・ＧａＡｓ基板
２・・・緩衝層
３・・・ＤＢＲ反射層
３ａ・・・ＤＢＲ反射層の第１の構成層
３ｂ・・・ＤＢＲ反射層の第２の構成層
５・・・下部クラッド層（第１のクラッド層）
６・・・下部ガイド層
７・・・活性層
８・・・上部ガイド層
９・・・上部クラッド層（第２のクラッド層）
１０・・・電流拡散層
１２・・・ｐ型オーミック電極（第１の電極）
１３・・・ｎ型オーミック電極（第２の電極）
２０・・・発光部
３０・・・化合物半導体層
１００・・・発光ダイオード
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に、ＤＢＲ反射層と、発光部とを順に備える発光ダイオードであって、
前記発光部は、組成式（ＡｌＸ１Ｇａ１−Ｘ１）Ａｓ（０≦Ｘ１≦１）からなる井戸層とバリア層との積層構造を有する活性層と、該活性層を挟む、組成式（ＡｌＸ２Ｇａ１−Ｘ２）ＹＩｎ１−ＹＰ；０≦Ｘ２≦１，０＜Ｙ≦１）からなる第１のクラッド層及び第２のクラッド層とを有することを特徴とする発光ダイオード。
【請求項２】
基板上に、ＤＢＲ反射層と、発光部とを順に備える発光ダイオードであって、
前記発光部は、組成式（ＡｌＸ１Ｇａ１−Ｘ１）Ａｓ（０≦Ｘ１≦１）からなる井戸層と組成式（ＡｌＸ３Ｇａ１−Ｘ３）Ｙ２Ｉｎ１−Ｙ２Ｐ（０≦Ｘ３≦１，０＜Ｙ２≦１）からなるバリア層との積層構造を有する活性層と、該活性層を挟む、組成式（ＡｌＸ２Ｇａ１−Ｘ２）ＹＩｎ１−ＹＰ；０≦Ｘ２≦１，０＜Ｙ≦１）からなる第１のクラッド層及び第２のクラッド層とを有することを特徴とする発光ダイオード。
【請求項３】
前記井戸層の組成式においてＡｌ組成（Ｘ１）を０．２０≦Ｘ１≦０．３６とし、前記井戸層の厚さを３〜３０ｎｍとし、発光波長を６６０〜７２０ｎｍに設定されてなることを特徴とする請求項１又は２のいずれかに記載の発光ダイオード。
【請求項４】
前記井戸層の組成式においてＡｌ組成（Ｘ１）を０．１≦Ｘ１≦０．２４とし、前記井戸層の厚さを３〜３０ｎｍとし、発光波長を７２０〜７６０ｎｍに設定されてなることを特徴とする請求項１又は２のいずれかに記載の発光ダイオード。
【請求項５】
前記井戸層の組成式においてＡｌ組成（Ｘ１）を０≦Ｘ１≦０．２とし、前記井戸層の厚さを３〜３０ｎｍとし、発光波長を７６０〜８５０ｎｍに設定されてなることを特徴とする請求項１又は２のいずれかに記載の発光ダイオード。
【請求項６】
前記ＤＢＲ反射層は屈折率の異なる２種類の層が交互に１０〜５０対積層されてなることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に発光ダイオード。
【請求項７】
前記屈折率の異なる２種類の層は組成の異なる２種類の（ＡｌＸｈＧａ１−Ｘｈ）Ｙ３Ｉｎ１−Ｙ３Ｐ（０＜Ｘｈ≦１、Ｙ３＝０．５）、（ＡｌＸｌＧａ１−Ｘｌ）Ｙ３Ｉｎ１−Ｙ３Ｐ；０≦Ｘｌ＜１、Ｙ３＝０．５）の組み合わせであり、両者のＡｌの組成差ΔＸ＝ｘh−ｘｌが０．５より大きいか又は等しいことを特徴とする請求項６に記載の発光ダイオード。
【請求項８】
前記屈折率の異なる２種類の層はＧａＩｎＰとＡｌＩｎＰの組み合わせであることを特徴とする請求項６に記載の発光ダイオード。
【請求項９】
前記屈折率の異なる２種類の層は組成の異なる２種類のＡｌｘｌＧａ１−ｘｌＡｓ（０．１≦ｘｌ≦１）、ＡｌｘｈＧａ１−ｘｈＡｓ（０．１≦ｘｈ≦１）の組み合わせであり、両者のＡｌの組成差ΔＸ＝ｘｈ−ｘｌが０．５より大きいか又は等しいことを特徴とする請求項６に記載の発光ダイオード。
【請求項１０】
前記発光部の、ＤＢＲ反射層の反対側の面上に電流拡散層を備えることを特徴とする請求項１から９のいずれか一項に記載の発光ダイオード。
【請求項１】
基板上に、ＤＢＲ反射層と、発光部とを順に備える発光ダイオードであって、
前記発光部は、組成式（ＡｌＸ１Ｇａ１−Ｘ１）Ａｓ（０≦Ｘ１≦１）からなる井戸層とバリア層との積層構造を有する活性層と、該活性層を挟む、組成式（ＡｌＸ２Ｇａ１−Ｘ２）ＹＩｎ１−ＹＰ；０≦Ｘ２≦１，０＜Ｙ≦１）からなる第１のクラッド層及び第２のクラッド層とを有することを特徴とする発光ダイオード。
【請求項２】
基板上に、ＤＢＲ反射層と、発光部とを順に備える発光ダイオードであって、
前記発光部は、組成式（ＡｌＸ１Ｇａ１−Ｘ１）Ａｓ（０≦Ｘ１≦１）からなる井戸層と組成式（ＡｌＸ３Ｇａ１−Ｘ３）Ｙ２Ｉｎ１−Ｙ２Ｐ（０≦Ｘ３≦１，０＜Ｙ２≦１）からなるバリア層との積層構造を有する活性層と、該活性層を挟む、組成式（ＡｌＸ２Ｇａ１−Ｘ２）ＹＩｎ１−ＹＰ；０≦Ｘ２≦１，０＜Ｙ≦１）からなる第１のクラッド層及び第２のクラッド層とを有することを特徴とする発光ダイオード。
【請求項３】
前記井戸層の組成式においてＡｌ組成（Ｘ１）を０．２０≦Ｘ１≦０．３６とし、前記井戸層の厚さを３〜３０ｎｍとし、発光波長を６６０〜７２０ｎｍに設定されてなることを特徴とする請求項１又は２のいずれかに記載の発光ダイオード。
【請求項４】
前記井戸層の組成式においてＡｌ組成（Ｘ１）を０．１≦Ｘ１≦０．２４とし、前記井戸層の厚さを３〜３０ｎｍとし、発光波長を７２０〜７６０ｎｍに設定されてなることを特徴とする請求項１又は２のいずれかに記載の発光ダイオード。
【請求項５】
前記井戸層の組成式においてＡｌ組成（Ｘ１）を０≦Ｘ１≦０．２とし、前記井戸層の厚さを３〜３０ｎｍとし、発光波長を７６０〜８５０ｎｍに設定されてなることを特徴とする請求項１又は２のいずれかに記載の発光ダイオード。
【請求項６】
前記ＤＢＲ反射層は屈折率の異なる２種類の層が交互に１０〜５０対積層されてなることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に発光ダイオード。
【請求項７】
前記屈折率の異なる２種類の層は組成の異なる２種類の（ＡｌＸｈＧａ１−Ｘｈ）Ｙ３Ｉｎ１−Ｙ３Ｐ（０＜Ｘｈ≦１、Ｙ３＝０．５）、（ＡｌＸｌＧａ１−Ｘｌ）Ｙ３Ｉｎ１−Ｙ３Ｐ；０≦Ｘｌ＜１、Ｙ３＝０．５）の組み合わせであり、両者のＡｌの組成差ΔＸ＝ｘh−ｘｌが０．５より大きいか又は等しいことを特徴とする請求項６に記載の発光ダイオード。
【請求項８】
前記屈折率の異なる２種類の層はＧａＩｎＰとＡｌＩｎＰの組み合わせであることを特徴とする請求項６に記載の発光ダイオード。
【請求項９】
前記屈折率の異なる２種類の層は組成の異なる２種類のＡｌｘｌＧａ１−ｘｌＡｓ（０．１≦ｘｌ≦１）、ＡｌｘｈＧａ１−ｘｈＡｓ（０．１≦ｘｈ≦１）の組み合わせであり、両者のＡｌの組成差ΔＸ＝ｘｈ−ｘｌが０．５より大きいか又は等しいことを特徴とする請求項６に記載の発光ダイオード。
【請求項１０】
前記発光部の、ＤＢＲ反射層の反対側の面上に電流拡散層を備えることを特徴とする請求項１から９のいずれか一項に記載の発光ダイオード。
【図１】
【図２】
【図２】
【公開番号】特開２０１１−２２２９５０（Ｐ２０１１−２２２９５０Ａ）
【公開日】平成２３年１１月４日（２０１１．１１．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２５７１８４（Ｐ２０１０−２５７１８４）
【出願日】平成２２年１１月１７日（２０１０．１１．１７）
【出願人】（０００００２００４）昭和電工株式会社 (3,251)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１１月４日（２０１１．１１．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１１月１７日（２０１０．１１．１７）
【出願人】（０００００２００４）昭和電工株式会社 (3,251)
【Ｆターム（参考）】
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