專(zhuān)利名稱(chēng)：半導(dǎo)體發(fā)光元件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體發(fā)光元件，特別涉及在電流分散層上使用了透明導(dǎo)電膜的高亮度半導(dǎo)體發(fā)光元件。
背景技術(shù)：
歷來(lái)，作為半導(dǎo)體發(fā)光元件的發(fā)光二極管(以下簡(jiǎn)稱(chēng)LED)幾乎全是GaP的綠色、AlGaAs的紅色。但是，近年來(lái)，因?yàn)橐呀?jīng)能夠用MOVPE(有機(jī)金屬氣相生長(zhǎng))法生長(zhǎng)GaN系或AlGaInP系的高質(zhì)量結(jié)晶，所以變得能夠制作藍(lán)色、綠色、橙色、黃色、紅色的高亮度LED。
使用MOVPE方法形成的外延晶片，已能夠制作迄今沒(méi)有的表示短波長(zhǎng)的發(fā)光或高亮度的LED。但是，為得到高亮度，需要在LED的芯片內(nèi)均勻地注入電流，來(lái)改善電流分散特性，為此目的需要電流分散層的膜厚生長(zhǎng)的要厚。例如，在AlGaInP系的LED元件中，需要使電流分散層的膜厚要加厚到5μm～10μm左右。因此，電流分散層的生長(zhǎng)花費(fèi)的原料費(fèi)用變大，必然使LED元件的制造成本升高，這成了廉價(jià)制造AlGaInP系LED的障礙。
因此，作為具有充分的透光性而且具有能夠得到良好的電流分散性的電氣特征的膜，提出了在電流分散層中使用金屬氧化物的ITO(Indium TinOxide)或、ZnO(Zinc Oxide)的方法(例如參照專(zhuān)利文獻(xiàn)1).
使用了金屬氧化膜的透明導(dǎo)電膜，載流子濃度非常高，用薄的膜厚可以得到充分的電流分散。因此，如果把該ITO膜用作電流分散層的話，則因?yàn)闅v來(lái)作為電流分散層不需要使半導(dǎo)體層加厚到5μm～10μm左右的方法，不需要其相應(yīng)大小的外延層，所以可以制造廉價(jià)的高亮度的LED元件以及LED元件用外延晶片。
特開(kāi)平8-83927號(hào)公報(bào)但是，在窗層中使用了ITO膜的場(chǎng)合，存在這樣的問(wèn)題，即在半導(dǎo)體層和作為金屬氧化物的ITO膜之間發(fā)生了接觸電阻，而正向動(dòng)作電壓變高。亦即，作為透明導(dǎo)電膜(透明電極)的ITO膜是n型半導(dǎo)體，而另一方面，與其相接的上側(cè)包覆層是p型半導(dǎo)體。因而，對(duì)于LED施加正向動(dòng)作電壓后，因?yàn)橥该鲗?dǎo)電膜(透明電極)和p型包覆層之間成為反向偏壓狀態(tài)，結(jié)果幾乎不能流過(guò)電流。
作為該問(wèn)題的解決對(duì)策，考慮設(shè)置成與電流分散層分開(kāi)、作為接觸層使薄膜高載流子濃度層和ITO膜相接，并通過(guò)隧道接合以低電壓驅(qū)動(dòng)LED的方法。這里接觸層，例如是添加大于或等于1×1019/cm3高濃度p型摻雜物的As系接觸層。
但是，接觸層必須做成實(shí)現(xiàn)隧道接合的目的而且盡可能對(duì)在活性層中發(fā)生的光不作為吸收層起作用。為此，存在這樣的問(wèn)題，即需要在接觸層是高載流子濃度層的同時(shí)形成薄膜，因此，由生長(zhǎng)時(shí)的熱容易引起摻雜物易擴(kuò)散的問(wèn)題。接觸層的p型摻雜物擴(kuò)散的這一問(wèn)題會(huì)招致下面兩個(gè)弊端。
第一弊端是引起LED元件的輸出降低。從接觸層擴(kuò)散的p型摻雜物在LED元件的深度方向上進(jìn)行濃度擴(kuò)散，一旦擴(kuò)散到LED元件的活性層，就變成活性層內(nèi)的缺陷。該缺陷變成非發(fā)光再結(jié)合成分，結(jié)果降低LED元件的輸出。
第二弊端是LED元件的驅(qū)動(dòng)電壓(正向動(dòng)作電壓)上升。由于p型摻雜物的擴(kuò)散，作為薄膜的高載流子濃度層的接觸層實(shí)質(zhì)的載流子濃度降低，所以難于達(dá)成上述的隧道接合，故隧道電壓上升。由此，LED元件的驅(qū)動(dòng)電壓上升。
因此，本發(fā)明的目的是，要解決上述問(wèn)題，提供一種半導(dǎo)體發(fā)光元件，該半導(dǎo)體發(fā)光元件把包含高濃度p型摻雜物的接觸層作為最上層，能有效抑制來(lái)自上述接觸層的摻雜物擴(kuò)散，除了是高亮度、驅(qū)動(dòng)電壓低(初始特性良好)之外，在驅(qū)動(dòng)半導(dǎo)體發(fā)光元件方面，還可以防止出現(xiàn)時(shí)效性的發(fā)光輸出的降低以及驅(qū)動(dòng)電壓上升(壽命特性惡化或者可靠性降低)。

發(fā)明內(nèi)容
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明是如下構(gòu)成的。
涉及權(quán)利要求1的發(fā)明的半導(dǎo)體發(fā)光元件，是在半導(dǎo)體基板上至少結(jié)晶生長(zhǎng)n型包層、活性層、p型包層，進(jìn)而還在這些的最上層(半導(dǎo)體層的最上層)上層疊添加了大于等于1×1019/cm3的p型摻雜物的As系接觸層，進(jìn)而還在其上形成由金屬氧化物材料形成的電流分散層，其特征在于，在所述接觸層和所述p型包層之間，具有由作為V族元素包含磷(P)、而且對(duì)于所述半導(dǎo)體基板結(jié)晶的晶格不匹配率是±0.3％以?xún)?nèi)的III-V族半導(dǎo)體構(gòu)成的緩沖層。
這里，上述晶格不匹配率，是通過(guò)公式晶格不匹配率＝(aepitaxial layer-asubstrate)/asubstrate求得。這里，aepitaxial layer是外延層的晶格常數(shù)，asubstrate是基板的晶格常數(shù)。
權(quán)利要求2的發(fā)明是，權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體發(fā)光元件，其特征在于，所述電流分散層是ITO。
權(quán)利要求3的發(fā)明是，權(quán)利要求2所述的半導(dǎo)體發(fā)光元件，其特征在于，所述電流分散層的膜厚D，滿(mǎn)足(7/10)d≤D≤(13/10)d(式中，理想的電流分散層的膜厚d＝A×λp/(4×n)，A常數(shù)，λp發(fā)光元件的發(fā)光峰值波長(zhǎng)，n所述電流分散層的折射率)的關(guān)系式，再有常數(shù)A還是正的奇數(shù)。
權(quán)利要求4的發(fā)明是，權(quán)利要求3所述的半導(dǎo)體發(fā)光元件，其特征在于，所述電流分散層，通過(guò)真空蒸鍍法或者濺射法形成，再者載流子濃度在剛成膜后的狀態(tài)下為大于等于8×1020/cm3。
權(quán)利要求5的發(fā)明是，權(quán)利要求4所述的半導(dǎo)體發(fā)光元件，其特征在于，所述n型包層、活性層，p型包層，由(AlxGa1-x)YIn1-YP(其中，0≤X≤1，0.4≤Y≤0.6)構(gòu)成。
權(quán)利要求6的發(fā)明是，權(quán)利要求5所述的半導(dǎo)體發(fā)光元件，其特征在于，所述接觸層的主要的摻雜物是Zn，再者，其載流子濃度大于等于1×1019/cm3，再者，組成為AlxGa1-xAs(其中0≤X≤0.2)。
權(quán)利要求7的發(fā)明是，權(quán)利要求6所述的半導(dǎo)體發(fā)光元件，其特征在于，所述接觸層的膜厚大于等于1nm小于等于30nm。
權(quán)利要求8的發(fā)明是，權(quán)利要求7所述的半導(dǎo)體發(fā)光元件，其特征在于，所述緩沖層的膜厚大于等于0.5μm小于等于5μm。
權(quán)利要求9的發(fā)明是，權(quán)利要求8所述的半導(dǎo)體發(fā)光元件，其特征在于，所述緩沖層對(duì)于發(fā)光波長(zhǎng)光學(xué)上是透明的。
權(quán)利要求10的發(fā)明是，權(quán)利要求9所述的半導(dǎo)體發(fā)光元件，其特征在于，所述緩沖層是AlInP或者AlGaInP。
本發(fā)明的要點(diǎn)是，所述半導(dǎo)體發(fā)光元件在電流分散層中使用ITO或者透明導(dǎo)電膜，還具有高載流子濃度的薄膜接觸層，以使與上述電流分散層相接，作為與上述接觸層側(cè)相接的半導(dǎo)體層，在接觸層和p型包層之間設(shè)置由作為V族元素包含磷(P)的III-V族半導(dǎo)體形成的緩沖層。
為通過(guò)上述的隧道接合做成用低電壓驅(qū)動(dòng)LED的結(jié)構(gòu)，需要p型接觸層在高載流子濃度下是薄膜。因?yàn)槭潜∧ざ沂莗型摻雜物例如Zn通常在大于等于1×1019/cm3的高濃度下被摻雜，所以p型摻雜物的Zn從該接觸層擴(kuò)散會(huì)帶來(lái)弊端。亦即，由于p型摻雜物的Zn向LED元件的深度方向濃度擴(kuò)散，會(huì)引起LED元件的發(fā)光輸出降低。另外，接觸層的載流子濃度會(huì)降低，故會(huì)引起驅(qū)動(dòng)電壓(正向動(dòng)作電壓)上升。
作為這些問(wèn)題的解決對(duì)策，在接觸層和p型包層之間設(shè)置抑制p型摻雜物的Zn的擴(kuò)散的緩沖層被認(rèn)為是有效的。作為這種材料，例如AlGaAs或AlAs，對(duì)于發(fā)光波長(zhǎng)光學(xué)上是透明的，而且比AlGaInP等的4元系材料結(jié)晶生長(zhǎng)容易，再者因?yàn)楹蜆?gòu)成發(fā)光部的AlGaInP系材料的晶格相容性幾乎一致，所以作為能夠降低LED元件動(dòng)作電壓的材料，在這里也被認(rèn)為是可以適用的。
但是，本發(fā)明人等專(zhuān)心研究的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)由于上述p型摻雜物的擴(kuò)散引起的弊端的問(wèn)題，構(gòu)成上述緩沖層的材料，當(dāng)使用了對(duì)于作為V族元素使用了As的發(fā)光波長(zhǎng)透明的半導(dǎo)體材料、例如高Al混晶比的AlGaAs層等時(shí)，是顯著的，AlGaAs或AlAs是不適當(dāng)?shù)摹?br> 因此，在本發(fā)明中，對(duì)于在高濃度添加了p型摻雜物的As系接觸層和p型包層之間設(shè)置的緩沖層的材料，不采用AlGaAs或AlAs，而作如下的精心考慮。
亦即，作為第一條件，在緩沖層中，對(duì)于活性層透明的As系材料，例如不使用Al混晶比的AlGaAs層，而使用作為V族元素包含磷(P)的III-V族半導(dǎo)體。由此，關(guān)于發(fā)光輸出和驅(qū)動(dòng)電壓得到優(yōu)良的初始特性和高可靠性。
另外，作為第二條件，在緩沖層中，不使用作為相同的P系的GaP等的晶格不相容性的寬帶間隙材料，而采用對(duì)于半導(dǎo)體基板結(jié)晶晶格匹配的III-V族半導(dǎo)體。由此也可壓低初始動(dòng)作電壓。
作為滿(mǎn)足這兩個(gè)條件的III-V族半導(dǎo)體的具體例子，有對(duì)于發(fā)光波長(zhǎng)光學(xué)上是透明的AlGaInP或AlInP。
根據(jù)本發(fā)明，因?yàn)樵诟邼舛忍砑觩型摻雜物的As系接觸層和p型包層之間，設(shè)置作為V族元素包含磷(P)的、而且用對(duì)所述半導(dǎo)體基板結(jié)晶晶格匹配的III-V族半導(dǎo)體構(gòu)成的緩沖層，所以可以有效抑制來(lái)自接觸層的摻雜物擴(kuò)散，能夠制作高輸出的LED元件，同時(shí)，在驅(qū)動(dòng)LED元件方面，可以預(yù)防時(shí)效性的發(fā)光效率降低以及驅(qū)動(dòng)電壓的上升。


圖1是涉及本發(fā)明的第一實(shí)施例以及第二實(shí)施例的AlGaInP系紅色LED的剖面構(gòu)造圖；圖2是表示接觸層的膜厚和發(fā)光輸出的衰減率的關(guān)系的圖示；圖3是涉及第一比較例以及第二比較例的AlGaInP系紅色LED的剖面構(gòu)造圖；圖4是表示在GaAs基板上形成的ITO膜的反射率譜的圖示。
具體實(shí)施例方式
以下以實(shí)施例為中心說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施形態(tài)。
圖1表示涉及本實(shí)施形態(tài)的發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)。該發(fā)光二極管，在作為半導(dǎo)體基板的n型GaAs基板1上依次結(jié)晶生長(zhǎng)n型GaAs緩沖層2、n型AlGaInP包層(也簡(jiǎn)稱(chēng)n型包層)3、不摻雜AlGaInP活性層(也簡(jiǎn)稱(chēng)活性層)4、p型AlGaInP包層(也簡(jiǎn)稱(chēng)p型包層)5來(lái)構(gòu)成發(fā)光部，進(jìn)而還在這些的最上層即p型包層5上層疊高濃度添加了p型摻雜物的As系的p型AlGaAs接觸層(也簡(jiǎn)稱(chēng)p型接觸層)7。進(jìn)而在該p型接觸層7上，作為由金屬氧化物材料構(gòu)成的電流分散層，層疊作為透明導(dǎo)電膜的ITO膜8，在其表面?zhèn)刃纬杀砻骐姌O9，在其背面?zhèn)刃纬杀趁骐姌O10。
上述n型包層3、活性層4、p型包層5，用(AlxGa1-x)YIn1-YP(其中，0≤X≤1，0.4≤Y≤0.6)構(gòu)成。
上述p型接觸層7由AlxGa1-xAs(式中0≤X≤0.2)構(gòu)成，膜厚大于等于1nm小于等于30nm，作為p型摻雜物的Zn被添加到載流子濃度大于等于1×1019/cm3的高濃度。
作為電流分散層的ITO膜8的膜厚D，滿(mǎn)足(7/10)d≤D≤(13/10)d(式中，理想的電流分散層的膜厚d＝A×λp/(4×n)，A常數(shù)，λp發(fā)光元件的發(fā)光峰值波長(zhǎng)，n所述電流分散層的折射率)的關(guān)系式，常數(shù)A是正的奇數(shù)。作為該電流分散層的ITO膜8通過(guò)真空蒸鍍法或者濺射法形成，在剛成膜后的狀態(tài)下有大于等于8×1020/cm3的載流子濃度。
而且，作為該發(fā)光二極管的特征，在上述p型接觸層7和p型包層5之間，具備由作為V族元素包含磷(P)、而且對(duì)于作為半導(dǎo)體基板的n型GaAs基板1結(jié)晶晶格匹配的III-V族半導(dǎo)體構(gòu)成的p型緩沖層6。該p型緩沖層6，具體來(lái)講由對(duì)于發(fā)光波長(zhǎng)光學(xué)透明的AlGaInP或者AlInP構(gòu)成，膜厚被形成為大于等于0.5μm小于等于5μm。
這樣，在p型緩沖層6中，不用對(duì)于活性層透明的As系材料，例如高Al混晶比的AlGaAs，而使用在V族元素中用P系構(gòu)成的AlGaInP或者AlInP，由此，可以得到優(yōu)良的初始特性和高可靠性。另外，不使用作為相同的P系的GaP等的晶格不匹配系的寬帶間隙材料，而使用與基板晶格匹配的AlGaInP或者AlInP系材料構(gòu)成，由此，也可以壓低初始動(dòng)作電壓。
<試作例子>
為確認(rèn)本發(fā)明的效果，試驗(yàn)制作以下的第一、第二比較例以及第一、第二實(shí)施例。
作為第一比較例，制作圖3所示結(jié)構(gòu)的發(fā)光波長(zhǎng)630nm附近的紅色LED用外延晶片。外延生長(zhǎng)方法、外延層膜厚、外延結(jié)構(gòu)或者電極形成方法以及LED元件制作方法如下。
在n型GaAs基板11上，使用MOVPE方法，依次層疊生長(zhǎng)n型(Si摻雜)GaAs緩沖層12(膜厚200nm，載流子濃度1×1018/cm3)、n型(Se摻雜)(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5P包層13(膜厚400nm，載流子濃度1×1018/cm3)、不摻雜(Al0.1Ga0.9)0.5In0.5P活性層14(膜厚600nm)、p型(Mg摻雜)(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5P包層15(膜厚400nm，載流子濃度1×1018/cm3)、p型(Mg摻雜)Al0.8Ga0.2As緩沖層16(膜厚2μm，載流子濃度1×1018/cm3)、p型(Zn摻雜)Al0.1Ga0.9As接觸層17(膜厚3nm，載流子濃度7×1019/cm3)。
在MOVPE生長(zhǎng)中的生長(zhǎng)溫度從上述n型GaAs緩沖層12到上述p型緩沖層16取為650℃，上述p型接觸層17在550℃下生長(zhǎng)。其他的生長(zhǎng)條件為，生長(zhǎng)壓力約6666Pa(50Torr)，各層的生長(zhǎng)速度0.3～1.0nm/sec，V/III比約200左右。但是p型緩沖層16以及p型接觸層17的V/III比取為10。附帶說(shuō)明，這里所說(shuō)的V/III比，指在將分母取為T(mén)MGa或TMAl等的III族的摩爾數(shù)、將分子取為AsH3、PH3等的V族原料的摩爾數(shù)的場(chǎng)合的比率(商)。
作為在MOVPE生長(zhǎng)中使用的原料，例如使用三甲基鎵(TMGa)、或者三乙基鎵(TEGa)、三甲基鋁(TMAl)、三甲基銦(TMIn)等有機(jī)金屬，或者砷(AsH3)、磷化氫(PH3)等氫化物氣體。例如，作為上述n型GaAs緩沖層12那樣的n型層的添加物原料，使用了乙硅烷(Si2H6)。作為上述P型包層15那樣的p型層的導(dǎo)電型決定雜質(zhì)的添加物原料，使用了雙環(huán)戊二烯(Cp2Mg)。但是，只有p型接觸層17使用了二乙基鋅(DEZn)。
此外，作為n型層的導(dǎo)電型決定雜質(zhì)的添加物原料，也可以使用砷化氫(H2Se)、甲硅烷(SiH4)、二乙基碲(DETe)、二甲基碲(DMTe)。此外，作為p型包層以及p型緩沖層的p型添加物原料，也可以使用二甲基鋅(DMZn)、二乙基鋅(DEZn)。
再有，在從MOVPE裝置中取出該LED用外延晶片后，向該晶片的表面，亦即p型接觸層17的表面?zhèn)?，通過(guò)真空蒸鍍法形成膜厚270nm的ITO膜18。在本結(jié)構(gòu)中，該ITO膜18成為電流分散層。
此時(shí)，取出設(shè)置在了ITO膜蒸鍍的同一批內(nèi)的評(píng)價(jià)用玻璃基板，切斷成可以進(jìn)行Hall測(cè)定的尺寸，評(píng)價(jià)了ITO膜單體的電氣特性，載離子濃度為1.09×1021/cm3、移動(dòng)度為18.4cm2/Vs、電阻率為2.88×10-4Ω.cm。
然后，在該外延晶片的上面，使用在保護(hù)膜或掩膜校準(zhǔn)等的光蝕法工藝過(guò)程中使用的器材和公知的方法，用真空蒸鍍法將作為表面電極19的直徑110μm的圓形電極形成了矩陣狀。蒸鍍后的電極形成采用了發(fā)射法。上述表面電極19，按20nm、500nm的順序分別蒸鍍了鎳(Ni)、金(Au)。進(jìn)而，在外延晶片的底面上全面上通過(guò)真空蒸鍍法同樣形成了背面電極20。上述背面電極20，按60nm、10nm、500nm的順序分別蒸鍍金鍺合金(AuGe)、鎳(Ni)、金(Au)，其后，通過(guò)在氮?dú)鈿夥罩屑訜岬?00℃、進(jìn)行5分鐘的熱處理，來(lái)進(jìn)行電極合金化的合金工序。
其后，使用沖壓裝置把上述那樣構(gòu)成的附有電極的LED用外延晶片切斷成上述圓形表面電極為中心，制作出芯片尺寸300μm的方形LED裸芯片。進(jìn)而在TO-18底座上安裝上述LED裸芯片，其后，進(jìn)而在安裝的該LED裸芯片上再進(jìn)行引線結(jié)合，制作出LED元件。
而后，評(píng)價(jià)了如上制作的LED元件的初始特性，結(jié)果，可以得到具有通電20mA時(shí)(評(píng)價(jià)時(shí))的發(fā)光輸出為0.95mW、動(dòng)作電壓為1.84V這樣的初始特性的LED元件。
再有，在常溫、常濕的環(huán)境下用50mA驅(qū)動(dòng)該LED元件，維持該環(huán)境不變進(jìn)行168小時(shí)(一周)的連續(xù)通電實(shí)驗(yàn)。其結(jié)果，對(duì)試驗(yàn)前的狀態(tài)的相對(duì)比較值成為輸出52％、動(dòng)作電壓+0.06V(約增3％)。
另外，進(jìn)行了LED元件剛制作后的狀態(tài)、和LED元件制作后在上述條件下進(jìn)行通電試驗(yàn)后的狀態(tài)的LED元件的SIMS分析。其結(jié)果，在通電試驗(yàn)后的本第一比較例的LED元件中被確認(rèn)了作為p型接觸層的摻雜物的Zn擴(kuò)散、混入到活性層內(nèi)的情況。本第一比較例所示的LED元件的元件壽命、亦即可靠性降低的原因，是由該摻雜物的擴(kuò)散造成的。
作為第二比較例，制作了圖3所示結(jié)構(gòu)的發(fā)光波長(zhǎng)630nm附近的紅色LED用外延晶片。外延生長(zhǎng)的方法、外延層膜厚、外延層結(jié)構(gòu)或LED元件制作方法，基本上和上述第一比較例相同。以下列舉和上述第一比較例不同的點(diǎn)，隨之進(jìn)行詳細(xì)的說(shuō)明。
在本第二比較例中，在p型緩沖層16中使用了GaP。膜厚和第一比較例相同取2μm，載離子濃度以及摻雜物也和第一比較例同樣設(shè)定。
接著，對(duì)用如上述那樣制作的LED用外延晶片進(jìn)行元件化，其過(guò)程和上述第一比較例相同。
評(píng)價(jià)這樣制作的LED元件的初始特性的結(jié)果，可以得到具有通電20mA時(shí)(評(píng)價(jià)時(shí))的發(fā)光輸出為1.03mW、操作電壓為1.96V初始特性的LED元件。再有，用和上述第一比較例相同的條件進(jìn)行了通電試驗(yàn)，輸出的相對(duì)值為102％、動(dòng)作電壓+0.008V(約增0.4％)。
如上面那樣，不使用對(duì)于活性層透明的As系材料，例如高Al混晶比的AlGaAs層，而使用在V族元件中用P系構(gòu)成的GaP，由此，可以得到高可靠性的LED元件。但是，GaP對(duì)于基板或者包層等的4元系材料，由于晶格常數(shù)的不匹配度大和光帶的接合位置，匹配形成大的光帶不連續(xù)的關(guān)系，在GaP/P包層間產(chǎn)生大的電位壁壘，所以動(dòng)作電壓變高了。因此，通過(guò)使用P系材料的GaP，可以做成LED元件的元件壽命良好的元件，但是LED元件的動(dòng)作電壓自身顯著變高了。
作為第一實(shí)施例，制作了圖1所示結(jié)構(gòu)的發(fā)光波長(zhǎng)630nm附近的紅色LED用外延晶片。外延生長(zhǎng)的方法、外延層膜厚、外延層結(jié)構(gòu)或LED元件制作方法基本和上述第一比較例相同。以下列舉和上述第一比較例不同的點(diǎn)，隨之進(jìn)行詳細(xì)的說(shuō)明。
在本第一實(shí)施例中，在p型緩沖層6中使用了(Al0.8Ga0.2)0.5In0.5P。膜厚和第一比較例相同取2μm，載離子濃度以及摻雜物也和第一比較例同樣設(shè)定。亦即作成p型(Mg摻雜)(Al0.8Ga0.2)0.5In0.5P緩沖層6(膜厚2μm，載流子濃度1×1018/cm3)。
接著，對(duì)用如上述制作的LED用外延晶片進(jìn)行元件化，其過(guò)程和上述第一比較例相同。
評(píng)價(jià)這樣制作的LED元件的初始特性的結(jié)果，可以得到具有通電20mA時(shí)(評(píng)價(jià)時(shí))的發(fā)光輸出為1.05mW、動(dòng)作電壓為1.84V的優(yōu)良的初始特性的LED元件。
再有，在和上述第一比較例相同的條件下進(jìn)行了通電試驗(yàn)，輸出的相對(duì)值為102％、操作電壓+0.004V(約增0.2％)。
如上所述，在緩沖層中不使用對(duì)于活性層透明的As系材料，例如高Al混晶比的AlGaAs層，而使用V族元件中用P系構(gòu)成的AlGaInP，由此可以得到優(yōu)良的初始特性和高可靠性。另外，通過(guò)不使用作為相同P系的GaP等晶格不匹配系的寬帶間隙材料，而使用和基板晶格匹配的AlGaInP系材料構(gòu)成，還可以把初始的動(dòng)作電壓抑制到低水平。
另外，和第一比較例同樣進(jìn)行了LED元件剛制作后的狀態(tài)、和LED元件制作后在上述條件下進(jìn)行通電試驗(yàn)后的狀態(tài)的LED元件的SIMS分析。其結(jié)果，在通電試驗(yàn)后的本第一實(shí)施例的LED元件中，被確認(rèn)了在活性層內(nèi)作為p型接觸層的摻雜物的Zn無(wú)混入的情況，且從上述接觸層幾乎無(wú)擴(kuò)散的情況。亦即，如本第一實(shí)施例所示，通過(guò)在緩沖層6中使用AlGaInP，可以抑制LED元件的摻雜物擴(kuò)散。
作為第二實(shí)施例，制作了圖1所示結(jié)構(gòu)的發(fā)光波長(zhǎng)630nm附近的紅色LED用外延晶片。外延生長(zhǎng)的方法、外延層膜厚、外延層結(jié)構(gòu)或LED元件制作方法基本和上述第一比較例相同。以下列舉和上述第一比較例不同的點(diǎn)，隨之進(jìn)行詳細(xì)的說(shuō)明。
在本第二實(shí)施例中，在p型緩沖層6中使用了AlInP。膜厚和第一比較例相同取2μm，載離子濃度以及摻雜物也和第一比較例同樣設(shè)定。亦即作成了p型(Mg摻雜)AlInP緩沖層6(膜厚2μm，載流子濃度1×1018/cm3)。
接著，對(duì)用如上述制作的LED用外延晶片進(jìn)行元件化，其過(guò)程和上述第一比較例相同。
評(píng)價(jià)這樣制作的LED元件的初始特性的結(jié)果，可以得到具有通電20mA時(shí)(評(píng)價(jià)時(shí))的發(fā)光輸出為1.06mW、動(dòng)作電壓為1.84V的優(yōu)良的初始特性的LED元件。
再有，在和上述第一比較例相同的條件下進(jìn)行了通電試驗(yàn)，輸出的相對(duì)值為101％、動(dòng)作電壓+0.004V(約增0.2％)。
如上所述，在緩沖層中不使用對(duì)于活性層透明的As系材料，例如高Al混晶比的AlGaAs層，而使用V族元件中用P系構(gòu)成的AlInP，由此，可以得到優(yōu)良的初始特性和高可靠性。另外，通過(guò)不使用作為相同P系的GaP等晶格不匹配系的寬帶間隙材料，而使用和基板晶格匹配的AlInP系材料構(gòu)成，還可以把初始的動(dòng)作電壓抑制到低水平。
另外，和第一比較例同樣進(jìn)行LED元件剛制作后的狀態(tài)、LED元件制作后在上述條件下進(jìn)行通電試驗(yàn)后的狀態(tài)的LED元件的SIMS分析。其結(jié)果，在通電試驗(yàn)后的本實(shí)施例的LED元件中被確認(rèn)了在活性層內(nèi)作為p型接觸層的摻雜物的Zn無(wú)混入的情況，并從上述接觸層幾乎無(wú)擴(kuò)散的情況。亦即如本第二實(shí)施例所示，通過(guò)在緩沖層6中使用AlInP，可以抑制LED元件的摻雜物擴(kuò)散。
<附以最佳條件的根據(jù)>
第一，和由金屬氧化物組成的電流分散層、例如ITO膜接觸的歐姆接觸層，需要極高濃度地添加導(dǎo)電型決定雜質(zhì)。具體說(shuō)，在添加了鋅(Zn)的接觸層的場(chǎng)合，其結(jié)晶材料希望是Al混晶比從0到0.2的GaAs或者AlGaAs，其載流子大于等于1×1019/cm3是合適的，希望越高越好。ITO膜基本上屬于n型半導(dǎo)體材料，另外，LED一般來(lái)說(shuō)p側(cè)向上制造。因此，在分散層中使用ITO的LED導(dǎo)電型變成了從基板側(cè)n/p/n接合。因此，在LED中在ITO膜和p型半導(dǎo)體層的界面產(chǎn)生大的電位壁壘，通常會(huì)變成了動(dòng)作電壓非常高的LED。為消除這一問(wèn)題，需要在p型半導(dǎo)體層中有高載流子濃度的接觸層。另外，上述接觸層的寬帶間隙之所以窄，是由于強(qiáng)烈依從那一方容易高載流子化。
再有，與上述接觸層的高載流子化聯(lián)系在一起，與接觸層相接的ITO膜的載流子濃度，對(duì)于降低隧道電壓，也是重要的。而且，和上述接觸層同樣的理由，希望其越高越好，具體說(shuō)，理想的是具有大于等于8×1020/cm3的載流子濃度。
第二，理想的是，上述接觸層的膜厚在1nm到30nm的范圍。其原因是，上述接觸層，因?yàn)閷?duì)于任何活性層發(fā)出的光都具有成為吸收層的帶間隙，所以如圖2所示，隨著膜厚變厚，發(fā)光輸出會(huì)降低。
因此，如從圖2所知，接觸層的膜厚，理想的是將其上限取約為30nm，更理想的是到25nm。另外，如果接觸層的膜厚不滿(mǎn)1nm的話，此時(shí)因?yàn)镮TO膜和接觸層之間的隧道接合變得困難起來(lái)，因此低動(dòng)作電壓化、動(dòng)作電壓的穩(wěn)定化會(huì)變的困難。因此，在和ITO膜相接的的接觸層的膜厚中有最佳值，其為從1nm到30nm。
第三，ITO膜(電流分散層)的膜厚D，滿(mǎn)足(7/10)d≤D≤(13/10)d(式中，理想的電流分散層的膜厚d＝A×λp/(4×n)，A常數(shù)，λp入射所述電流分散層的光的波長(zhǎng)，n所述電流分散層的折射率)的關(guān)系式，理想的是其常數(shù)A還是正的奇數(shù)。
在LED用外延晶片上形成的ITO膜，具有半導(dǎo)體層和空氣層的大體中間的折射率，并具有作為光學(xué)上反射防止膜的功能。因此，為提高LED的光取出效率，得到更高輸出的LED元件，理想的是遵照上式進(jìn)行膜厚設(shè)計(jì)。
但是，ITO膜固然是十分需要的，但是具有做得越厚透過(guò)率越變差的傾向。ITO膜的本征的透過(guò)率降低的話，則因?yàn)橛苫钚詫臃派涞墓庥蒊TO膜吸收的比例增加，其結(jié)果發(fā)光輸出降低。
再有，隨著上述電流分散層的膜厚的增加，在上述電流分散層中的光的干涉增加，光取出效率高的波長(zhǎng)區(qū)域變窄。對(duì)于這些，在GaAs基板上適宜形成ITO膜，對(duì)該試料垂直入射光，圖4表示測(cè)定此時(shí)的反射光的譜的結(jié)果。
亦即，根據(jù)這些理由，更適宜的(理想的)電流分散層的膜厚d，在上述關(guān)系式中，而且常數(shù)A最好是1或3。作為最合適的例子，常數(shù)A是1。另外，在LED用外延晶片上形成的電流分散層，例如ITO膜的膜厚D，是在使用上述計(jì)算式求得的理想的電流分散層的膜厚d的±30％以?xún)?nèi)的范圍即可(亦即，只要滿(mǎn)足(7/10)d≤D≤(13/10)d的關(guān)系式即可)。這是因?yàn)樽鳛榉瓷浞乐鼓す鈱W(xué)上反射率低的波長(zhǎng)頻帶、亦即光取出效率高的波長(zhǎng)頻帶，具有一定程度的寬度。例如，作為反射防止膜，對(duì)于形成ITO膜的LED用外延晶片垂直入射光時(shí)的反射率，成為小于等于15％的膜厚D的容許值，是在根據(jù)上式求得的膜厚d的±30％的范圍。膜厚D做得比膜厚d的±30％的范圍大或者小的話，作為反射防止膜的效果變小，LED的輸出降低。
第四，介入接觸層和p包層之間的緩沖層，理想的是其膜厚大于等于0.5μm小于等于5μm。大于等于0.5μm的理由是，從活性層到表面電極的距離過(guò)近的話，則在LED元件制作時(shí)的引線結(jié)合工序中，有時(shí)有可能會(huì)由超聲波振動(dòng)等破壞LED元件。反之，把上限定為小于等于5μm的理由是，LED元件的電流分散特性，通過(guò)在接觸層上設(shè)置的ITO膜，可以期待充分的效果。因此，在上述緩沖層中不追求電流分散特性。假定，即使設(shè)置10μm程度的厚膜緩沖層，因?yàn)橛缮鲜鯥TO膜決定的電流分散特性起支配作用，所以不能期望作為L(zhǎng)ED元件的飛躍性的輸出提高。反而，會(huì)產(chǎn)生制造LED元件的成本升高、提高了LED元件的原價(jià)這樣的缺點(diǎn)。因此，上述緩沖層的膜厚，理想的是大約在從0.5μm到5.0μm左右的范圍。
另外，在本發(fā)明中，根據(jù)情況，有能夠得到緩沖層和p型包層的組成相同的場(chǎng)合。在這一場(chǎng)合下，作為合適的膜厚設(shè)定，理想的是從活性層的上端到接觸層的距離設(shè)計(jì)成為大于等于1μm小于等于5μm。
<其他的實(shí)施例，變形例> 在本發(fā)明的實(shí)施例中，無(wú)論是在哪種結(jié)構(gòu)中都做成了在活性層和包層之間不夾雜任何東西的結(jié)構(gòu)。但是，也可以采取這樣的結(jié)構(gòu)，即在這里例如設(shè)置純粹的摻雜物層，或者如包含若干導(dǎo)電型雜質(zhì)那樣模擬地設(shè)置成為摻雜物層那樣的模擬摻雜物層，或者設(shè)置載流子濃度低的低載流子濃度包層。即使采取這樣的結(jié)構(gòu)，也僅產(chǎn)生單純追加提高LED元件的輸出的可靠性等的效果，在該結(jié)構(gòu)下，也可以同樣得到本發(fā)明的效果。
在本發(fā)明的實(shí)施例中，只將發(fā)光波長(zhǎng)630nm的紅色LED元件作為制作的例子，但是在使用相同的AlGaInP系的材料制作的其以外的LED元件、例如在發(fā)光波長(zhǎng)560nm～660nm的LED元件中也可以適用本發(fā)明，此時(shí)所用的各層的材料，載流子濃度、特別是窗口層中無(wú)任何變更點(diǎn)。因此，即使在將LED元件的發(fā)光波長(zhǎng)做成了和本發(fā)明的實(shí)施例不同的波長(zhǎng)頻帶的結(jié)構(gòu)中，也同樣可以得到本發(fā)明的效果。
在本發(fā)明的實(shí)施例中，做成了在緩沖層上直接層疊n型包層的結(jié)構(gòu)。但是，例如也可以做成在上述緩沖層和n型包層之間設(shè)置了DBR(分布黑反射層)的LED元件的結(jié)構(gòu)。
在本發(fā)明的實(shí)施例中，以表面電極的形狀為圓形進(jìn)行了說(shuō)明，但是表面電極也可以是其他不同的形狀，例如矩形、菱形、多邊形的電極形狀。
在本發(fā)明的實(shí)施例中，僅舉出了在半導(dǎo)體基板中使用了GaAs的例子，但是此外，在以Ge作為出發(fā)基板的LED用外延晶片中、或者把出發(fā)基板作為GaAs或者Ge、而后將其除去、作為代替的自立基板、使用具有Si或大于Si的熱傳導(dǎo)率的金屬基板的LED用外延晶片中，也可以得到本發(fā)明追求的效果。
權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體發(fā)光元件，該半導(dǎo)體發(fā)光元件，是在半導(dǎo)體基板上結(jié)晶生長(zhǎng)至少n型包層、活性層、p型包層，進(jìn)而還在這些層的最上層層疊添加了大于等于1×1019/cm3的p型摻雜物的As系接觸層，進(jìn)而還在其上形成由金屬氧化物材料組成的電流分散層，其特征在于，在所述接觸層和所述p型包層之間，具有由包含作為V族元素的磷(P)、而且對(duì)于所述半導(dǎo)體基板結(jié)晶的晶格不匹配率在±0.3％以?xún)?nèi)的III-V族半導(dǎo)體構(gòu)成的緩沖層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體發(fā)光元件，其特征在于，所述電流分散層是ITO。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的半導(dǎo)體發(fā)光元件，其特征在于，所述電流分散層的膜厚D，滿(mǎn)足(7/10)d≤D≤(13/10)d(式中，理想的電流分散層的膜厚d＝A×λp/(4×n)，A常數(shù)，λp發(fā)光元件的發(fā)光峰值波長(zhǎng)，n所述電流分散層的折射率)的關(guān)系式，進(jìn)而常數(shù)A還是正的奇數(shù)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的半導(dǎo)體發(fā)光元件，其特征在于，所述電流分散層通過(guò)真空蒸鍍法或者濺射法形成，進(jìn)而載流子濃度在剛成膜后的狀態(tài)下大于等于8×1020/cm3。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的半導(dǎo)體發(fā)光元件，其特征在于，所述n型包層、活性層，p型包層由(AlxGa1-x)YIn1-YP(其中，0≤X≤1，0.4≤Y≤0.6)構(gòu)成。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的半導(dǎo)體發(fā)光元件，其特征在于，所述接觸層的主要的摻雜物是Zn，進(jìn)而其載流子濃度大于等于1×1019/cm3，進(jìn)而組成為AlxGa1-xAs(其中0≤X≤0.2)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的半導(dǎo)體發(fā)光元件，其特征在于，所述接觸層的膜厚為大于等于1nm小于等于30nm。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的半導(dǎo)體發(fā)光元件，其特征在于，所述緩沖層的膜厚為大于等于0.5μm小于等于5μm。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的半導(dǎo)體發(fā)光元件，其特征在于，所述緩沖層對(duì)于發(fā)光波長(zhǎng)光學(xué)上是透明的。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的半導(dǎo)體發(fā)光元件，其特征在于，所述緩沖層是AlInP或者AlGaInP。
全文摘要
在把含高濃度p型摻雜物的接觸層作為最上層的半導(dǎo)體發(fā)光元件中，獲得除了有效抑制來(lái)自上述接觸層的摻雜物擴(kuò)散、且是高亮度而且低驅(qū)動(dòng)電壓之外，在驅(qū)動(dòng)半導(dǎo)體發(fā)光元件方面，還能預(yù)防出現(xiàn)時(shí)效性的發(fā)光輸出降低以及驅(qū)動(dòng)電壓上升的結(jié)構(gòu)。提供一種半導(dǎo)體發(fā)光元件，它在半導(dǎo)體基板(1)上結(jié)晶生長(zhǎng)至少n型包層(3)、活性層(4)、p型包層(5)，進(jìn)而在這些層的最上層上層疊添加了大于等于1×10
文檔編號(hào)H01L33/12GK1835252SQ200510108290
公開(kāi)日2006年9月20日 申請(qǐng)日期2005年10月10日 優(yōu)先權(quán)日2005年3月15日
發(fā)明者新井優(yōu)洋, 今野泰一郎, 飯和幸 申請(qǐng)人:日立電線株式會(huì)社